JPH05194083A - シリコン棒の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 チョコラルスキー法において、シリコン単結
晶棒を引き上げる際に、種結晶及びるつぼの回転速度の
大きさ及び方向を変化させて、単結晶中の酸素濃度及び
分布を調整する方法を提供する。 【構成】 るつぼ中のシリコン溶融体から引き上げるこ
とにより単結晶シリコン棒を成長させ、その際該棒及び
るつぼを互いに逆方向に回転させる、シリコン棒の製造
方法において、 A. 該棒を成長させながら、該棒をその軸の回りに、該
るつぼの回転速度よりも速い速度で回転させること、 B. 該棒の長さが増すにつれて、該るつぼの回転速度を
速くすることからなり、棒の軸方向と半径方向の両方に
おいて酸素濃度分布を均一にすることを特徴とする方法
より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョコラルスキー法で
シリコン単結晶棒を引き上げる際に、種およびるつぼの
回転速度の大きさおよび相対的な方向の向きを変化させ
ることによって単結晶棒中の酸素の濃度および分布を調
整する方法に関する。別の面では、本発明はチョコラル
スキー法でシリコン棒を成長させる際にるつぼの回転速
度を結晶棒の成長と溶融体の消費との関数としてあらか
じめ選んだ値まで増大させることによって、シリコン棒
中の酸素の軸方向および半径方向の分布を均一にする方
法に関する。さらに別の面では、本発明は、チョコラル
スキー法でシリコン棒を成長させる際に、種とるつぼの
初めの回転速度の大きさおよび方向を選ぶことによって
種々の量の酸素をシリコン棒に導入する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン等の材料から単結晶を製造する
ことは、半導体技術において重要な役割を演ずる。シリ
コン結晶を成長させる適切な方法としてチョコラルスキ
ー法が知られており、この方法では所望の結晶配向を有
する種結晶をシリコン材料の溶融体に導く。シリコンの
溶融体はある種のドープ剤を含む場合もあり、シリコン
の電気的特性を変えるためにドープ剤を導入することは
周知のとおりである。溶融体はシリカ製のるつぼまたは
容器に含まれ、それを加熱してシリコン溶融体をその融
点または融点より少し高い温度にする。種結晶はアルゴ
ン等の不活性雰囲気中で溶融体からゆっくり引き出さ
れ、種結晶にシリコンが付着することによって結晶棒が
成長する。一般に、チョコラルスキー法はエレクトロニ
クス産業用のシリコン単結晶を製造するのに使用され
る。円柱状の結晶は結晶を回転させながら引き上げるこ
とによって製造される。るつぼは普通反対の方向に回転
されるが、これは成長環境において熱的な対称性を保証
するためである。引き出し速度と加熱手段への電力とを
まず初めに調節して、結晶のネックダウンを生じさせ
る。こうすれば、種結晶が溶融体に初めて接触するとき
に起こる熱的な衝撃によって生じる転位は取り除かれ
る。次いで引き出し速度と加熱用電力を調節して、結晶
の直径を円錐状に増大させ所望の結晶直径にする。次い
で引き出し速度と加熱を調節して一定の直径を維持し、
処理の終りに近づいた時に引き出し速度と加熱を再び調
節して直径を減少させ、チョコラルスキー棒（Czochral
ski rod ）の端部に円錐形の部分をつくる。

【０００３】一般に、チョコラルスキー法を用いる工学
的な方法では、引き上げられるシリコン結晶の大きさお
よび体積がるつぼ内にある溶融体の量に制限される。シ
リコン溶融体の温度（約１４００℃）においては、溶融
体に接するシリカ製るつぼの表面が溶解して一酸化珪素
ＳｉＯを生成させ、これが溶融体に入り溶融体の表面か
ら蒸発する。ＳｉＯは溶融体に、したがって引き上げら
れる結晶中に入りこむ酸素の主な源である。

【０００４】シリカに含まれる溶融体から成長させたシ
リコン結晶は一般に、ＡＳＴＭ規格Ｆ−１２１によって
測定して約１０〜５０原子ｐｐｍ（ｐｐｍａ）の酸素濃
度を有する。シリカ製るつぼからの酸素は溶融シリコン
と反応してＳｉＯを生じさせ、これが溶融体に溶ける。
溶けたＳｉＯの一部分は成長する結晶中に取りこまれ
る。現在工業界で一般に用いられているチョコラルスキ
ー条件（Czochralski conditions）のもとで成長させた
シリコン結晶中の酸素濃度は均一ではなく結晶の長さに
沿って変化し、例えば、種端部では結晶の中心部および
／または底部または中子端部（tang end）におけるより
も高い。１つのシリコン結晶棒中の酸素濃度の最大と最
小の差は一般に１０ｐｐｍまたはそれ以上であり、これ
は３０％またはそれ以上の酸素濃度差を構成する。

【０００５】チョコラルスキー法で成長させたシリコン
中の酸素は最近まで長い間多かれ少なかれ望ましくない
不純物とみなされてきたが、酸素は適当な熱処理によっ
て電気的に不活性にすることができるのでその存在は重
大な関心事ではなかった。しかしながら、酸素は、現在
のシリコン技術を象徴する拡散および熱処理を結晶に施
すときに、固溶体から析出したり他の不純物または格子
欠陥と反応してミクロ欠陥を生じさせる傾向がある。こ
のようなミクロ欠陥は、固体電子素子の歩留りに対して
有益にも有害にもなり得るもので、そのいずれになるか
は、酸素濃度と結晶（またはウェーハ）に施す処理工程
とによる。したがって、歩留りを増大させるためには、
特定の酸素含有量および分布を有するシリコン結晶を成
長させることがますます望ましく且つ必要になってきて
いる。

【０００６】チョコラルスキー法で成長させるシリコン
結晶中の酸素濃度を高める方法で特許およびその他の文
献に記載されている方法では、例えば、チョコラルスキ
ー法の作業中にるつぼの回転の停止および開始を数回行
なって溶融体−るつぼ界面に流体剪断（fluid shearin
g）を与える。別の周知の方法では、チョコラルスキー
法で製造されるシリコンの酸素含有量を高くするため
に、シリカ製るつぼの溶融体と接する部分の表面特性を
変えて結晶引き上げ作業中に溶融体の酸素濃度を増大さ
せる。さらに別の方法では、酸素濃度を低くするため
に、結晶の回転を初めは低速で行ない次いでチョコラル
スキー法による引き上げの間に比較的にゆっくり加速す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のすべての方法を
評価したところいずれも何らかの点で不十分であること
がわかった。得られる酸素濃度の範囲は、比較的に高い
酸素濃度に限られ、しかも／または、所望の均一な軸方
向の酸素濃度分布をうまくつくることができないようで
ある。本発明により、チョコラルスキー法で製造される
シリコン棒中の酸素を広い濃度範囲（約１５ｐｐｍａか
ら４０ｐｐｍ以上まで）で調整することが見込まれ、大
いに改善された均一な軸方向の酸素分布が得られる。

【０００８】

【課題を解決する手段】本発明によれば、シリカ製るつ
ぼ内に含まれるシリコン溶融体に対する種結晶の作用か
ら引き上げられるシリコン結晶棒中の酸素含有量および
その分布を調整する方法が提供される。本発明による調
整方法を行なうには種およびるつぼの回転速度の大きさ
および相対的な方向の向きを変化させて酸素含有量の水
準ばかりでなく酸素含有量の均一な分布を生じさせる。

【０００９】本発明の１つの実施態様においては、チョ
コラルスキー法で成長させるシリコン種結晶棒中の分布
を行なう際に、種結晶棒を溶融体用るつぼの回転よりも
大きな回転速度でしかも反対の方向に回転させながら溶
融体から引き上げ、しかもるつぼ内の溶融体の量が減る
につれてるつぼの回転速度を増大させて、チョコラルス
キー法で成長させたシリコン棒中の酸素含有量の分布を
調整する。

【００１０】本発明の別の実施態様においては、酸素濃
度はチョコラルスキー法用の種およびるつぼの回転の最
初の大きさおよび相対的な方向を通じて調整され、均一
な酸素濃度分布を得るために、るつぼの回転速度を増大
させるとともに種棒の回転速度を増大するるつぼの回転
速度が達するよりも高い値に一定に保持する。

【００１１】本発明のさらに別の実施態様においては、
酸素濃度および分布を調整する利益を得るために、チョ
コラルスキー法による棒製造作業中にるつぼの回転速度
を増大させるとともに種棒の回転速度をるつぼの回転速
度より大きな値にしつつ変化させる。

【００１２】本発明の前記およびその他の目的、特徴お
よび利益は、本発明の好ましい実施態様のさらに詳しい
以下の説明から明らかになるであろう。上に述べたよう
に、シリコン等の半導体材料の単結晶を成長させるのに
普通用いられる１つの方法であるチョコラルスキー法で
は、単結晶を引き上げるもとになる非常に純粋なシリコ
ンを装入材料としてシリカ製るつぼの中に置く。チョコ
ラルスキー法およびその方法で製造された製品の研究開
発は、チョコラルスキー法によるシリコン結晶中の酸素
含有量および分布が成長速度、結晶の直径、るつぼの直
径、溶融体の深さ等の作業パラメータに依存するだけで
なくるつぼおよび結晶の回転速度に依存することを示し
た。

【００１３】酸素濃度の回転速度への依存は複雑であ
り、回転速度の大きさと相対的な向きとの両方に依存す
ることがわかった。一般に、対向回転でしかも種がるつ
ぼより速く回転する場合には酸素濃度は結晶の回転速度
とるつぼの回転速度のどちらが増しても高くなるが、特
にるつぼの回転速度に対して敏感である。等方向回転
（isorotations）でも対向回転でも、るつぼが結晶より
速く回転するときには酸素濃度が低くなることを見出し
た。これらの効果は、図１に示した分布曲線で図解で説
明される。図１では結晶第１〜４番について結晶および
るつぼの回転速度をｒｐｍで示し、ＣＷ（時計方向）お
よびＣＣＷ（反時計方向）の回転で確認する。図１によ
れば、本発明によらない結晶第１番は約３２ｐｐｍａの
高い頭部濃度を示すが、酸素濃度勾配は悪く、尾部酸素
濃度は約１４ｐｐｍａである。結晶第１番を製造するチ
ョコラルスキー法は結晶の回転速度がるつぼの回転速度
より小さくしかも回転が同じ方向である例を示すが、こ
のような教えは本発明による方法に反する。図１の結晶
のいずれも、例えば工業的に用いられる方法にいくらか
合わせた第４番も、均一な酸素濃度勾配を与えない。図
１のグラフは特に対向回転態様においては、回転速度が
大きいほど酸素濃度が高いことをはっきり示している。

【００１４】チョコラルスキー法によって製造されたシ
リコン結晶は不純物として酸素を含み、その量は頭部で
の約５０ｐｐｍａから尾部での約１０ｐｐｍａまでであ
ることがわかった。この酸素量は、高温の溶融体とるつ
ぼのシリカ表面との接触により一酸化珪素が生じて酸素
が溶融体中に導かれることに起因する。溶融体の酸素濃
度は初めはほぼ飽和していると考えられる。酸素の濃度
は、るつぼの表面の溶解速度が小さいために結晶の引き
上げ作業中に明らかに減少する。溶解速度がこのように
小さいのは、主として、溶融シリコンをるつぼから引き
出すときにシリコンとシリカとの接触面積が小さいから
である。種から尾部までの酸素濃度は、シリコン棒の全
体にわたって約２０〜４０ｐｐｍａの酸素濃度範囲内で
均一に保つことが望ましい。チョコラルスキー法による
シリコン結晶中の酸素の濃度および分布は、るつぼの大
きさだけでなく結晶の大きさおよび装入材料の大きさに
依存し、さらに種結晶およびるつぼの回転速度および方
向に依存する。図面に含まれる比較方法のグラフは現存
の技術の直径が５０ｍｍから１００ｍｍまでの結晶を図
解で示すもので、回転速度以外の条件を一定にした特別
の系においては酸素濃度および分布は種結晶およびるつ
ぼのそれぞれの回転速度および方向に依存することを示
す。多くの場合、図面は２回以上実行して得た平均値に
基づくデータを示す。一般に酸素濃度は特別な１組の成
長パラメータについて±２ｐｐｍａ酸素の誤差範囲内で
再現できることがわかった。

【００１５】図面に示す比較では、異なる大きさの装入
物から直径５０〜１００ｍｍの結晶を引き上げる際に計
画したるつぼの回転速度のいくつかを自動的にではなく
手作業で増大させた。しかしながら、これらの比較のグ
ラフは、従来技術の方法に比べて本発明の方法によって
得られる利益を説明するのに適切である。本発明の条件
ならびに回転の大きさおよび方向を洗練することにより
均一な分布および調整を大いに改善し得ることを期待す
ることは理にかなっている。

【００１６】本発明による方法は部分的には、図３、
５、６および７に示したような曲線から引き出された。
図３の曲線ＡおよびＢは酸素濃度および軸方向の分布を
調整する初期の試みの結果である。図３について再び検
討すると、これは本発明に適合するものであるが計画さ
れたるつぼ回転速度の上昇が非常に有効であることを示
している。しかしながら、この図解は本発明の好ましい
使用法を表わすことを意図したものでは決してない。本
発明による方法を利用する上での融通性は酸素濃度の調
整だけでなく棒全体にわたり均一な酸素分布に調整する
ことをも可能にするので、このような技術は将来の大径
の結晶棒に適用することができると考えられる。

【００１７】チョコラルスキー法で成長させる結晶中の
酸素含有量を調節するいくつかの周知の方法を再検討す
ると、るつぼの回転に急に始めたり止めたりすることに
よって引き起こされる剪断力または作用は、ＳｉＯの不
動態化層をるつぼの表面から剥離させる方法である。確
かに、溶融体の慣性はるつぼが動き始めたり止まったり
する時にこのような作用を与えるであろう。本発明によ
る方法においては、るつぼの回転速度が徐々に増大する
ことによって引き起こされる剪断作用は取るに足らず、
したがって、本発明の方法から得られる均一な酸素分布
は別の原因によるはずである。るつぼの回転速度の漸進
的な増大はるつぼに隣接する液体中の拡散層に影響を及
ぼし、その結果、作業の進行とともにるつぼのより均一
な溶解が可能になると考えられる。さらに、溶融体にフ
ローパターンまたは対流がやはり有益に影響されること
もある。るつぼの壁から不動態化層を剥離することは、
溶融体中の拡散層を変えることとは根本的に異なる。

【００１８】利益できる種々の実験データおよび周知の
方法が予め決めた酸素分布および濃度の調整のために多
くの点で不十分であるのに対して、本発明による方法に
おいては、チョコラルスキー法により成長させる結晶中
の酸素分布および濃度を均一に調整するために、結晶お
よびるつぼの回転速度を適切に操作しつつ結晶を成長さ
せる。軸方向および半径方向の均一な酸素分布が最も望
まれるので、努力の大部分は結晶の長さにわたる均一性
を高めることに向けられた。これは、るつぼの回転速度
を予め選んだ予定にしたがって増加させながら結晶を成
長させることによって成し遂げられた。いくつかの典型
的な結果を図３の曲線Ａに示すが、これらの結果は直径
２５０ｍｍのるつぼから成長させた直径６０ｍｍの１−
０−０結晶について得られた。この実験では、るつぼの
回転速度を１５ｒｐｍから２５ｒｐｍまで手作業で増大
させながら棒を成長させた。るつぼの回転速度の増加は
結晶成長の各１２７ｍｍについて１ｒｐｍであった。結
晶はるつぼの回転とは反対の方向に２７ｒｐｍで回転さ
せた。平均酸素濃度は約３４ｐｐｍａであり、軸方向の
均一性が改善されたことは曲線Ａを例えば図１、２およ
び４の曲線と比較すれば明らかである。

【００１９】図３の曲線Ｂは、直径３３０ｍｍのるつぼ
から成長させた直径１００ｍｍの１−０−０結晶につい
て得られた結果を示す。この実験では、るつぼの回転速
度を１５ｒｐｍから２５ｒｐｍまで自動的に増大させな
がら結晶を成長させた。結晶はるつぼの回転とは反対の
方向に２５ｒｐｍで回転させた。ここでも、軸方向の酸
素分布が明らかに改善された。

【００２０】図１〜７に示す情報を本明細書中に呈示す
るのは種々の周知の方法から得られた種々の結果と本発
明による方法のそれとを比較して示すためであって、本
発明による呈示の意図は本発明の範囲を限定することで
は決してなく、むしろ本発明によって得られる利益を図
解で示すことである。図面の呈示から明らかなことは、
予め決めた酸素濃度を有するシリコン結晶を成長させる
ためには、結晶およびるつぼの最初の回転速度を選んだ
後その回転速度の一方または両方を予め選んだ予定にし
たがって変化させながら結晶を成長させればよいことで
ある。

【００２１】図面の図１および２は本発明の範囲からは
ずれたチョコラルスキーシリコン製造方法の結果を示
す。これらの方法では、軸方向の酸素分布がエレクトロ
ニクス産業の要求を満たすことができない。さらに、比
較の図１および２の曲線は半径方向の酸素分布には関与
しないが、半径方向の酸素分布が現代のシリコンの使用
上要求される全酸素分布の重要な因子であることは明ら
かである。図１および２の比較曲線のいくつかは適度に
平らであるように見えるが、この半径方向の酸素分布曲
線は幾分誤解をまねくものであり、これらの周知の方法
によって製造される棒の多くは適格な酸素勾配等級から
はずれる。これに対して、本発明による方法では、チョ
コラルスキー法で成長させるシリコン棒の酸素濃度が均
一に調整されるので、棒のほぼ全長にわたって利用する
ことができる。例えば、従来技術の方法によって得られ
るチョコラルスキーシリコン棒の酸素勾配は、頭部と尾
部を比べた場合に広くて受けいれ難い。本発明による方
法を用いずに従来製造されたチョコラルスキー棒は、棒
の頭部では酸素含有量が高くて飽和に近く、るつぼ内の
溶融体の量が最小になる棒の尾部では酸素濃度が低い。

【００２２】本発明は、またチョコラルスキー法で成長
させるシリコン棒の全長にわたる軸方向の酸素濃度の調
整および半径方向の酸素濃度の調整に関する。図４の比
較曲線（本発明によらない）を見ると（種の回転：１５
ｒｐｍＣＷ、るつぼの回転：１０ｒｐｍＣＣＷ）従来の
技術の方式に共通な頭部対尾部の現象に加えて、実質的
な酸素勾配が軸方向曲線と半径方向曲線との間にある。
図５（種の回転：３５ｒｐｍ、るつぼの回転：１３→２
５ｒｐｍＣＣＷ）および図６（種の回転：２８ｒｐｍ、
るつぼの回転：１０→２５ｒｐｍＣＣＷ）では、本発明
による方法を非常に積極的に用いてチョコラルスキー法
で成長させる結晶中の軸方向および半径方向の酸素分布
が調整される。図５および図６に示す酸素分布は、結晶
の長さの約８０〜８５％を成長させた後にるつぼの回転
速度を一定にした以外は、本発明に適合する。いずれの
場合にもるつぼ内の溶融体の量が減少した時にるつぼの
回転速度の増大を止めると、酸素含有量は結晶の尾部で
著しく低下した。図５および図６に示したデータは本発
明による利益を示すだけではなく、本発明による方法を
変えた場合に生じる不利益をも示す。図７（種の回転：
２８ｒｐｍ、るつぼの回転：１２→２５ｒｐｍＣＣＷ）
の酸素濃度は本発明によるものであり、これが図５およ
び６の棒に比べて尾部でより均一であるのは、まさに、
本発明による方法すなわちるつぼの回転速度の増大を結
晶の長さが実質的に完全に成長するまで延ばしたからで
ある。

【００２３】本発明をその好ましい実施態様に関して特
別に示し説明したが、本発明の精神と範囲に反すること
なく形態および詳細について前記およびその他の変更を
行なうことができることは、当該技術者に理解されるで
あろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術により製造したシリコンの特性

【図２】従来技術により製造したシリコンの特性

【図３】本発明により製造したシリコンの特性

【図４】従来技術により製造したシリコンの特性

【図５】本発明により製造したシリコンの特性

【図６】本発明により製造したシリコンの特性

【図７】本発明により製造したシリコンの特性

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 るつぼ中のシリコン溶融体から引き上げ
   ることにより単結晶シリコン棒を成長させ、その際該棒
   及び該るつぼを互いに反対方向に回転させる、シリコン
   棒の製造方法において、 A. 該棒を成長させながら、該棒をその軸の回りに、該
   るつぼの回転速度よりも速い速度で回転させること、 B. 該棒の長さが長くなるにつれて、該るつぼの回転速
   度を速くすることからなり、該棒の軸方向と半径方向の
   両方において酸素濃度分布を均一にすることを特徴とす
   る、シリコン棒を製造するためのチョコラルスキー法。
2. 【請求項２】 前記棒における軸方向と半径方向の酸素
   濃度勾配が約８ｐｐｍａより小さい、請求項１に記載の
   方法。
3. 【請求項３】 前記るつぼの最初の回転速度を選択し、
   前記棒の長さが長くなるにつれて該るつぼの回転速度が
   速くなるようにプログラムして、該棒の酸素含有量を約
   １５〜４０ｐｐｍａ内に制御して、所望の酸素濃度に維
   持する、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記棒の長さが長くなるにつれて、前記
   るつぼの回転速度を約１ｒｐｍから約４０ｒｐｍまで変
   化させる、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 軸方向の酸素濃度勾配が約６ｐｐｍａよ
   り小さい、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 半径方向の酸素濃度勾配が約５ｐｐｍａ
   より小さい、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 該るつぼの回転速度が速くなるにつれ
   て、前記棒の回転速度を速くする、請求項１に記載の方
   法。