463 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（1) (技術領域） 本發明係關於一種藉施加橫磁場之C Z法（Η M C Z ii 1 Horizontal Magnetic-field-applied Czochralski Alethod )’成長矽單晶棒的矽單晶之製造方法與製造裝置。 (背景技術） 作爲使用於半導體製造之矽單晶之製造方法，廣泛地 進行從石英坩堝內之矽融液在成長結晶下拉起的C Z法。 在c Z法中，爲了從坩堝之側面進行加熱而在融液中發生 自然對流。又爲了得到高品質之矽單晶 > 由於調整結晶之 旋轉數或坩堝之旋轉數，因此在矽融液內也產生強制對流 成爲複雜流動。對於控制此種融液內對流，據說將靜磁場 施如於矽融液之方法極有效（「磁場應用C Z矽結晶成長 與其特性_ ，參照積體電路專題磁討會，1 9 8 0，1 1 )。 此種方法係作爲橫磁場型之Η M C Z法而被眾知，對 於融液表面之縱（垂直）磁場成分，將此作爲0 ，或是對 於橫（水平）½場成分作爲極小比率（約〇 ，〇 2 5 )而 進行製造。此爲在Η M C Ζ法中，抑制上下之融液對流， 並將單晶之培養成爲容易乃最大之目的。 然而在近年來之被高積體化之半導體元件製造’係被 混入在基板之矽晶圓中之晶格間氧氣原子以各種形態被利 用，有如爲了提高能耐於元件製作處理之熱應力的機械性 強度，或是作爲析出在元件製作處理過剩地混入之晶格間 -----------Η:裝--------訂---------f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS)A4規格（210 X 297公釐） -4- A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（2 ) 氧氣原子所形成之微小缺陷（Bulk Micro Defect )的重金 屬雜質之吸氣區分地段之利用等。因此，在近年來之高品 質矽單晶中，晶格間氧氣濃度之控制成其均勻性成爲極重 要。 但是，在依如上述之Η M C Z法之拉起方法，被抑制 石英坩堝內之矽融液對流，雖結晶製造係容易，惟作爲結 晶品質產生晶格間氧氣濃度之微小變動。有降低單晶之製 品良率之情形。亦即，在結晶之成長軸方向長度以約數微 米至數毫米而產生振幅約1 ppma ( J Ε I DA)之晶 格間氧氣濃度變動，顯著地惡化由該部分所製作的矽晶圓 之面內方向之氧濃度分布。由於該分係成爲不良品，因此 在矽單晶之製造時，有降低良品率，惡化生產性，而與提 高成本有關連。 對於Η M C Z法之磁場分布，在例如日本特開昭6 2 - 2 5 6 7 8 8號公報揭示設定磁場分布使成爲與石英坩 堝之底部或圖方向曲率一致，惟僅表示可延長所使用加熱 體之壽命的效果，並無法改善所製作之單晶品質。又在曰 本特開平9 一 1 8 8 5 9 0號公報揭示依Η M C Ζ法的矽 單晶之品質改善方法，惟並不一定能得到充分之效果。 (發明之槪要） 本發明係鑑於此種以往之問題點而創作者，其主要目 的係在於提供一種在施加橫磁場之C Ζ法中，以高生產性 、高良品率可培養成長單晶之成長軸方向之晶格間氧氣濃 ~ I B 4 ϋ iBl (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • L . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 m.. ;___B7 五、發明說明（3) 度之均勻性高之矽單晶棒的矽單晶之製造方法及製造裝置 〇 爲了解決上述課題，本發明之第一態樣係一種矽單晶 之製造方法，屬於從石英坩堝> 之矽融液拉起單晶時，在 該石英坩堝內之融液一面施加與結晶成長軸垂直方向之磁 場一面成長單晶棒的矽單晶之製造方法1其特徵爲：發生 在坩堝內之矽融液表面之高溫部與低溫部內，任何一方經 常地位於結晶成長之固液界面進彳了結晶成長。 如此，藉由發生在坩堝內之矽融液表面之高溫部與低 溫部內，任何一方經常地位於結晶成長之固液界面進行結 晶成長，可抑制發生在結晶成長中之成長戶向之氧氣濃度 變動，同時可提高結晶之徑向面內之晶格間氧氣濃度之均 勻性ύ 又此時，在上述高溫部或低溫部之任何一方經常地位 於矽融液表面之中心部之狀態進行結晶成長》 如此，結晶成長容易，同時高溫部或低溫部可位於結 晶成長固液界面，由於可長時間安定地保持該狀態，因此 ，可更抑制結晶成長方向之晶格間氧氣濃度變動，可提高 格子間氧濃度之高均勻性的單晶生產性與良品率。 又此時，可用輻射溫度計，熱電偶或C C D攝影機進 行上述融液表面之高溫部或低溫部之檢測。 如此，若用輻射溫度計，熱電偶或C C D攝影機測定 融液表面之溫度分布來檢測並確認高溫部或低溫部之位置 與範圍，則可容易地檢測高溫部或低溫部而可經常地位於 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -H ^1 .^1 ^1 1^ ^1 ϋ n · I · n 01 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)- -6- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 3 2 : A7 ___B7 五、發明說明（4) 融液表面之中心部，有效地可防止溫度分佈之變動’可提 單晶成長方向之晶格間氧氣濃度之均勻性。 又在上述矽單晶之製造方法中，結晶成長中經常連續 地進行依上述輻射溫度計’熱電偶或c C D攝影機之融液 表面之溫度分布的監測，進行結晶成長使發生於融液表面 之高溫部或低溫部內任何一方經常地位於結晶成長之固液 界面較理想。 又本發明係在上述矽單晶之製造方法中，預先進行結 晶成長實驗依上述輻射溫度計，熱電偶或c C D攝影機之 融液表面之溫度分布的監測，求出發生於融液表面之高溫 部與低溫部內任何一方經常地位於結晶成長之固液界面的 條件，適用於結晶成長作業。 作爲將發生於融液表面之高溫部與低溫部內任何一方 經常地位於結晶成長之固液界面的條件，由於融液內部之 溫度分布，融液之對流方向，位置，速率，成長結晶轉速 ，坩堝轉速，爐內溫度分布，爐內氣氛氣體流量，流速， 吹出位置，橫磁場強度，磁場中心位置，各爐之特性等要 因複雜地纏在一起，因此預先進行結晶成長實驗成爲集中 要因。於是在實際上作業中，在該集中要因反饋輻射溫度 計，熱電偶或C C D懾影機之檢測結果可得到融液表面之 溫度分布安定化，藉由將此保持結晶成長中即可抑制成長 結晶中之晶格間氧氣濃度之變動。 又本發明之矽單晶係藉上述方法所製造之矽單晶’也 可提供一種結晶中之成長方向晶格間氧氣濃度之均勻性極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁).
裝-------—訂·--I •Ψ * 463224 A7 B7 五、發明說明（5) 高矽單晶。 又本發明之矽單晶係藉上述方法所製造之矽單晶所得 到的矽單晶晶圓，也提供一種顯著地減低晶格間氧氣濃度 之面內徑方向分布之微少變動的矽單晶晶圓。 又本發明之以水平磁場型c Z法所製造之矽單晶，其 特徵爲：在從石英坩堝內之融液拉起之單晶的結晶成長軸 向之長度4 0 0 m m之任意區間，晶格間氧氣濃度之變動 寬爲0 . 5 p p m a以下；也提供一種顯著減低晶格間氧 氣濃度之結晶成長軸方向之微少變動的矽單晶。 又爲了解決上述課題，本發明之第二態樣係一種矽單 晶之製造方法，係屬於從石英坩堝內之矽融液拉起單晶時 ，在該石英坩堝內之融液一面施加與結晶成長軸垂直方向 之磁場一面成長單晶棒的矽單晶之製造方法，其特徵爲： 將石英坩堝內之矽融液表面的結晶中心之磁場強度之垂直 磁場成分與水平磁場成分之比成爲0 . 3以上0 . 5以下 〇 經费部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)* 如此，若將石英坩堝內之矽融液表面的結晶中心之磁 場強度之垂直磁場成分與水平磁場成分之比成爲0 . 3以 上0 . 5以下，由於增加垂直磁場成分使磁力線朝上下方 向彎曲*整體地抑制融液之對流，同時可抑制水平地流在 融液表面之對流，因此成爲可抑制結晶成長軸向之晶格間 氧氣濃度的變動，可提高高品質矽單晶之生產性與良品率 〇 又此時，調整磁場發生裝置及/或石英坩堝之位置， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8- A7 4 6c 4 B7 五、發明說明（6 ) 使單晶培養時之矽融液表面之磁場強度的垂直磁場成分與 水平磁場成分之比成爲上述範圍，即可達成。 如此，由於可將上述磁場強度比長時間安定地保持在 0 . 3以上0 . 5以下範圍內之所期望値，成爲可抑制水 平地流在融液表面之對流，因此可抑制結晶軸方向之晶格 間氧氣濃度之變動。 又此時，在磁場發生裝置或單晶培養裝置之周邊配置 磁場強度調整構件，調整其位置，使單晶培養時之矽融液 表面的磁場強度比成爲上述範圍也可以。 _例如，由於磁場發生裝置與單晶培養裝置（石英坩堝 )之位置關係互相受到限制，因此即使磁場強度之垂直磁 場成分與水平磁場成分之比從上述範圍偏離時，如上所述 ，在磁場發生裝置或單晶培養裝置之周邊配置磁場強度調 整構件，藉由調整其位置，，可將融液表面之磁場強度比 收容在上述範圍內，可提高成長結晶之晶格間氧氣濃度之 均勻性。 又，本發明也提供一種矽單晶之製造裝置，係屬於在 從石英坩堝內之矽融液拉起單晶培養裝置，配置將結晶成 長軸與垂直方向之磁場施加於該石英坩堝內之融液之磁場 發生裝置的矽單晶之製造裝置，其特徵爲：在磁場發生裝 置或單晶培養裝置之周邊配置用以調整磁場強度比的構件 所構成。 如此，在配備施加橫磁場之磁場發生裝置的矽單晶之 製造裝置中，若構成在磁場發生裝置或單晶培養裝置之周 I ! I I L I I —ί I I ] I - I I I I I I I I I I I I I I I i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） -9 - 4 6' Α7 Β7 五、發明說明（7) 邊配置磁場強度調整構件的矽單晶製造裝置，成爲可將融 液表面之橫磁場強度的垂直成分/水平成分比設定在所期 望數値，可抑制水平地流在融液表面之對流，可抑制成長 結晶軸方向之晶格間氧氣濃度之偏差，同時成爲可將高品 質矽單晶成爲高良品率，可提高生產性與改善成本的矽單 晶製造裝置。 依照依本發明之橫磁場施加c Z法的矽單晶之製造方 法與製造使用裝置，由於可抑制成長結晶中之成長軸向之 晶格間氧氣濃度的偏差，並可顯著降低晶圓之面內晶格間 氣氣濃度的微小變動，因此工業性低成本地可製造高良品 率又高品質矽單晶。 (哲施發明所用之最佳形態） 以下，說明本發明之實施形態，本發明係並不被限定 於此者。 本案發明人等係在依施加橫磁場之c Z法的矽單晶之 成長時，以傳統之Η M C Z法拉起時有單晶成長軸方向的 晶格間氧氣濃度之均勻性不充分之情形’經調查追究其原 因，發現了發生在融液表面之高溫部或低溫部有很大關係 ，又也發現若抑制水平地流在矽融液（以下有時稱爲融液 或熔液）表面之對流即可改善，詳細地定出關於熔化液表 面之高溫部或低溫部。或是熔化液表面之對流的條件而完 成本發明。 首先，有關於本發明之第一態樣，測定H M c ζ法之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4見格（210 X 297公釐） ' n .^1 n an —L- n n 1— I - ·1 I n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)· 訂---------ψ ! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 4 6':.、:： A7 B7 五、發明說明（8) 融液之溫度分布，並觀察對流狀況。 依照本案發明人等之調查及實驗，從融液表面溫度之 測定與表對流之觀察，獲知在Η M C Z法中，有某一特定 之溫度分布發生在融液表面。又，也觀察到對應於該溫度 分布之融液對流。該情形係如第2圓所示，上昇流發生在 石英坩堝4之大約相對向之坩堝周邊之兩部位，而融液3 朝坩堝之中心線附近流進者。此時，融液表面之上昇流部 分成爲高溫部，而融液之流進部分成爲低溫部。 發生上昇流之場所係在表示於第1圖及第5圖之磁場 強度分布可看出，在坩堝周邊部內，距電磁鐵線圏2 a、 2 b最遠部分之情形較多，而在距電磁鐵線圈遠之位置上 磁場強度變弱，減少對流抑制效果。如此在第2圖所示之 位置所產生之上昇流，推測成爲如上述之特徵性之溶化液 對流之要因。 對於此種熔化液之對流與結晶中之晶格間氧氣濃度之 關係’發明人等經實驗與調查之結果，獲得從低溫部之熔 化液之 進部分進fj結晶成長時’有結晶中之晶格間氧氣 濃度上昇之情形。雖該原因未確定，惟溫度愈低，愈增加 對於熔化液中之氧氣固溶度，或是溫度愈高，來自融液之 氧氣蒸發愈多推測作爲原因。 問題在於該溫度分布並不是經常一定，而是藉由結晶 之拉起條件之變化，使低溫部之流進位置有變化。 倒如在一條結晶成長中，藉由融液量變化，或對於融 液之加熱分布變化，或是與磁場之相對位置變化，而其溫 本紙張尺度適闬中國國家標準（CNS)A4坑格（210 X 297公釐） -^1« If n SI ' · I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-U ----訂----- 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 -11 - 463 ; 463 ; 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __B7 五、發明說明（9) 度分布也變化。例如一直在高溫部成長結晶處，若有低溫 部通過結晶下時，則僅該部分上昇取進在結晶中之晶格間 氧氣濃度，成爲產生氧氣濃度變動之問題。此種HMC Z 法之融液的溫度分布之偏離，爲可說是Η M C Z法之宿命 的問題，考暈極難避免該問題。 但是本案發明人等構想若相反地利用該溫度分布之偏 離而安定地維持該狀況，即可抑制氧氣濃度之變動，經調 查與實驗之結果，依本發明之第一態樣進行結晶成長，亦 即，產生在Η M C Ζ法之融液表面之溫度分布之高溫部與 低溫部內，在高溫部或低溫部之任何一方經常地位於如成 Μ之結晶下之狀態下進行結晶成長，獲知可抑制產生在成 長中之品格間氧氣濃度之偏差。所留下之問題乃在於如何 地維持融液之溫度分布1換言之，如何將對流之模式維持 在某一定範圍內。 此時，以輻射溫度部，熱電偶或C C D攝影機來進行 檢測融液表面之高溫部或低溫部極有效，結晶成長中經常 連續地進行監測融液表面之溫度分布較理想。在此，所謂 依C C D攝影機之溫度檢測，係指攝影從融液表面所發射 之輻射能的二維分布，並將信號電荷變換成溫度俾得到融 液表面之二維溫度者。 如此，預先進行結晶成長實驗，求得發生於融液表面 之高溫部與低溫部內任何一方經常地位於結晶成長之固液 界面的條件，成爲適用於結晶成長作業° 作爲將發生於融液表面之高溫部與低溫部內任何一方 -----^---•裝 -------訂------I--^- (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】0 X 297公釐） -12- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 63 22 4 A7 _B7____ 五、發明說明（10) 經常地位於結晶成長之固液界面的條件，由於融液內部之 溫度度分布，融液之對流方向，位置，速率’成長結晶轉 速，坩堝轉速，爐內溫度分布1爐內氣氛氣體流量，流速 ，吹出位置，橫磁場強度，磁場中心位置’各爐之特性等 要因複雜地纏在一起，因此預先進行結晶成長實驗成爲集 中要因=於是在實際之結晶成長作業中，控制該集中之要 因下拉起結晶就可以，此時反饋輻射溫度計，熱電偶或 C C D攝影機之檢測結果可得到融液表面之溫度分布安定 化，藉由將此保持結晶成長中即可抑制成長結晶中之晶格 間氧氣濃度之變動。 此等要因內，作爲具體上集中之例子，可知爲了經常 地位於成長融液表面之低溫部的結晶下，在爐內之溫度分 布’或是氣氛氣體（氬）流動之成長結晶軸彳稱性優異狀 態中，成爲可將坩堝之轉速維持在某一範圍內。由於該坩 堝之轉速係藉由結晶之成長條件而不同，因此必須以經驗 求得。若坩堝之轉速變快時，藉由該旋轉，融液表面之溫 度分布朝坩堝之旋轉方向旋轉，而在某些處，因重複如又 回到原來位置之振動現象，因此溫度分布週期性地變亂而 不好。若坩堝之轉速變慢時，即使低溫部在坩堝之中心線 上附近，也容易平行移動而不好。該平行移動之因並不淸 楚，但是可能反映爐內環境之些微非軸對稱性。 又由於在坩堝壁部分之上昇流愈強，有在中心產生安 定之流進部之趨勢，因此雖增大磁場成分之彎曲，且減弱 與線圏正交之一邊的磁場強度，也在溫度之安定化上具效 本紙張K度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） I — — — I ------I - ^ i—1 — lln ( (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -13- 4 63 22 4 A7 ______B7____ 五、發明說明（11) 果。對於該値，由於藉由加熱分布，或是依爐內構造之溫 度分布，或是對於熔化液深度之磁場中心之位置也變化， 因此必須以經驗求得。 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外’也可考量將磁場強度變極強，惟有高漲裝置成 本’或浅漏磁場之問題等，而在工業上不適用。 相反地’擬將高溫部經常地位於成長結晶下，則將爐 內之溫度分布，或氣氛氣體流動成爲非軸對稱，即在坩堝 壁之上昇流強度產生差異，結果可將流進部位從電磁鐵線 圈之中心軸偏離。具體而言，擬變更爐內溫度分布，較容 易之方法爲在配置於融液面上之隔熱筒等之配置上設成偏 離’或是在配置於氣氛氣體之整流筒之配置設成偏離，而 將氣體之流動成爲非軸對稱。本發明之第二態樣係一種矽 屮晶之製造方法，係屬於從石英坩堝內之矽融液拉起單晶 時’在該石英坩堝內之融液一面施加與結晶成長軸垂直方 向之嗞場一面成長單晶棒的矽單晶之製造方法，其特徵爲 :將石英坩堝內之矽融液表面的結晶中心之磁場強度之垂 直磁場成分與水平磁場成分之比成爲0 . 3以上0 . 5以 下之範圍內，並保持該管圍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如此，若增加垂直磁場成分，使石英坩堝內之矽融液 表面的結晶中心之磁場強度之垂直磁場成分與水平磁場成 分之比（垂直磁場成分/水平磁場成分）成爲◦. 3以上 0 . 5以下，則水平方向磁力線在坩堝之前後朝上下垂直 方向彎曲，整體地抑制融液之對流，同時可抑制在融液表 面之結晶中心之水平地流動之對流。因此’成爲可減低結 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） -14- 4 63224 五、發明說明（12) 晶成長軸方向之晶格間氧氣濃度的變動，可抑制結晶之徑 方向面內之晶格間氧氣濃度之偏差而提高均勻性。 此時，該比超過0 . 5時，有從培養之矽單晶所切出 的矽晶圓之徑方向面內的晶格間氧氣濃度之偏差變大的趨 勢|因良品寧容易降低，故控制在0 . 5以下較佳。另一 方面，欲有效地抑制水平方向之對流1則作成0 . 3以上 〇 欲將矽融液表面之磁場強度比作爲上述0 . 3以上 0 . 5以下，調整磁場發生裝置及/或石英坩堝之位置即 可以。此時，即使移動坩堝也不會移動磁場發生裝置也可 以。 在單晶培養裝置與磁場發生裝置之位置關係，爲了互 相限制，未能達成上述磁場強度分布（垂直成分/水平成 分=0 . 3至0 . 5 )時，由於藉由將磁場強度調整構件 ，亦即強磁性體或常磁性體的高導磁率構件安裝在單晶培 養裝置或磁場發生裝置之周邊，使磁通優先地集中在磁性 體內，因此成爲變更磁場之磁場分布，可得到所定之磁場 強度分布，能製造高品質之矽單晶。 具體而言，例如使用直徑2 4英吋（6 0 0 m m )之 石英坩堝來培養直徑2 0 0 m m之矽單晶時，藉將鐵製之 直徑1 0 0 c m，寬5 c ni，厚〇 . 4 c m之磁場強度調 整構件配置於單晶培養裝置之周圍，即可將單晶培養裝置 內之矽融液表面之磁場強度成分比從晶格間氧氣濃度之偏 差較大値0 · 2 6成爲具充分品質改善效果之0 ，4 °因 本紙張尺度適用中國囤家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I) -裝--------訂！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- A7 B7 民國90年06月修正 五、發明説明（j ---------赛------.η------線 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 此，即使在藉單晶培養裝置與磁場發生裝置之干擾等無法 選擇上述之磁場強度成分比之範圍時。也藉將該磁場強度 調整構件適當地配置於磁場發生裝置之外側或內側的方法 即可容易地變更磁場分布。 以下參照第1圖及第6圖說明依在本發明所使用之施 加橫磁場的C Z法之矽單晶製造裝置之構成例。又 > 第1 圖係表示本發明之第一態樣的單晶製造裝置之構成例；第 6圖係表示本發明之第二態樣的單晶製造裝置之構成例* 有關於晶格間氧氣濃度之基本上構成係在兩裝置上共通丨 經濟部智竑財產局員工涓費合作社印製 有關於上述基本性構成係如第1圖所示。該矽單晶製 造裝置係具備：作爲單晶培養裝置之腔1 ，及設於腔1中 之石英坩堝4 ，及配置於石英坩堝4之周圍的石墨電阻加 熱器7，及旋轉石英坩堝4之坩渦旋轉轉1 3及其旋轉機 構（未圖示）•及保持矽之籽晶1 4之籽保持具1 5 ，及 拉起籽保持具之鋼線1 6，及旋轉或捲取鋼線之捲取機構 (未圖示）所構成。石英坩堝4係收縮矽融液3 ，而在其 外側設有石墨承受器（坩堝）5。又在單晶培養裝置的腔 1之水平方向之外側，作爲磁場發生裝置將橫磁場用電磁 鐵2 a、2 b左右對稱地設於坩堝旋轉軸1 3 >藉磁場裝 置控制盤9來控制磁場強度。在此所發生之磁力線1 0係 由水平磁場成分1 1與垂直磁場成分1 2所組成。 此外在本發明之第一形態中，作爲使發生於坩堝內之 矽融液表面之高溫部與低溫部內任何一方經常地位於結晶 成長之固液界面地進行結晶成長的附加裝置之例子，如第 本紙張尺度適用中國國家橾隼（CNS ) A4C格（210Χ297公釐） -16- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^63 22 4 A7 _ B7 五、發明說明（14) 1圖所示，有爲了調整爐內過度分布而配置於成長結晶周 圍之隔熱筒1 7 ’或爲了調整爐內氣氛氣體踫到結晶表面 之方式而配置於成長結晶周圍的氣氛氣體整流筒1 8等。 以下說明依本發明之第一態樣之施加上述第1圖之橫 磁場之C Z法的單晶拉起裝置的單晶培養方法。 首先’將電磁鐵2 a、2 b之磁場中心位置藉未圖示 之電磁鐵昇降機構設定於所定位置。之後，在石英坩堝4 內’將矽之高純度多晶原料加熱成融點（約1 4 2 0 t ) 以上使之融解。然後’施加橫磁場，藉送出鋼線1 6將籽 晶1 4之即ϋ而接觸或浸漬在融液3之表面大約中心部。之 後，將坩堝旋轉軸1 3朝適當方向旋轉，同時一面旋轉鋼 線1 6 —面捲取藉拉起籽晶1 4，開始矽單晶6之培養。 然後藉適當地調節拉起速率與溫度，即可得到大約圓柱形 狀之單晶棒。 另一方面，在本發明之第二形態中，作爲用以成爲所 期望之磁場成分比所使用之單晶製造裝置之例子，如第6 圖所示’單晶培養時之矽融液表面之磁場強度比能納入在 所定範圍’在磁場發生裝置（橫磁場用電磁鐵2 a、2 b )與石英坩堝4，由於必須調整兩者之相對性位置關係， 因此在兩者具備未圖示之昇降機構。 作爲磁場強度比調整用配置於磁場發生裝置（橫磁場 用電磁鐵2 a、 2 b )或單晶培養裝置之周邊的磁場強度 調整構件1 9 a、 1 9 b，也構成能調整其配置之位置》 以下說明依本發明之第二形態之施加上述第6圖之橫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公莹） -----^ 1 裝--------訂-------i.-€ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -17- A7 4 ό.::. 2 ^ ___Β7___ 五、發明說明（15) 磁場之c ζ法的矽單晶製造裝置之單晶培養方法。 首先，在石英坩堝4內，將矽之高純度多晶原料加熱 成融點（約1 4 2 0 °C )以上使之融解。然後，藉由未圖 示之磁場發生昇降機構或坩堝之昇降機構調整電磁鐵2 a 、2b及/孽石英坩堝4之位置能使該融液表面之磁場強 度比成爲所定値。 然後，施加橫磁場，藉送出鋼線1 6將籽晶1 4之前 端接觸或浸漬在融液3之表面大約中心部。之後，將坩堝 旋轉軸1 3朝適當方向旋轉，同時一面旋轉鋼線1 6 —面 捲取藉拉起籽晶1 4，開始矽單晶6之培養。然後藉適當 地調節拉起速率與溫度，即可得到大約圓柱形狀之單晶棒 如上所述，在藉由上述所說明之本發明第一形態或第 二形態的製造方法與製造裝置所製造之矽單晶中，若在本 發明之施加橫磁場之c Z法之適當條件下成長，則成長結 晶中之軸方向晶格間氧氣濃度之變動係成爲極小，而晶圓 之徑方向面內晶格間氧氣濃度之均勻性係成爲極高者，同 時可提高矽單晶之生產性與良品率，而能大幅度改善成本
C 以下，表示實施例等具體地說明本發明，惟本發明係 並不被限定於此等者。 首先，有關於第一形態例如溫度分布改善要因之例子 並確認其效果。 .^1 1- II— K n · Ml ·1 a— 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -18- 4 63 224 a? _ B7 五、發明說明（16) (測試一） 使用依表示於第1圖之HMC Z法的矽單晶製造裝置 ，將1 5 Okg多晶矽投進直徑2 4英吋之石英坩堝，藉電 阻加熱之石墨加熱器溶解該多晶矽。調整磁場裝置控制盤 之輸出，俾將磁場朝大約水平方向施加4 〇 〇 〇高斯（ Gauss )於形成在石英坩堝內之矽融液，又，將具有面方位 { 1 0 0丨之籽晶浸漬於該矽融液，經籽壓榨製程培養直 徑2 0 0 m m之矽單晶。此時，矽坩堝表面之溫度分布係 在㊆晶成長全長’低溫部能固定在大約中心地，而將i甘摘 轉速作爲1 . 0 r p m在成長結晶之周圍設置氣氛氣體（ 氬氣）之整流筒，成爲氣體均勻地碰到結晶周圍。又，融 液表面之溫度分布監測係以輻射溫度計，熱電偶或C C D 攝影機連續地進行= 在使用以上之條件所拉起之單晶棒中，進行取進於結 晶中之晶格.間氧氣濃度的均勻性評價。所拉起之矽單晶從 結晶中心部切出具有平行於成長軸之0 0 1丨面之厚2 m m的晶圓，硏磨兩面，使用/^ —严丁1!^(?〇111^1-
Tr a ns form Infrared Spectroscopy )以 3 0 0 V m 間隔在結 晶直胴部中央全面長度4 0 m m測定晶格間氧氣濃度。測 定之光點徑係成長方向X直徑方向：l〇〇"mX200 p m二0 . 0 2 m πί。在從結晶之外周朝徑方向進入1 ◦ m m之位置進彳了成長方向。測定周邊之理由係融液對於氧 氣濃度之變化’感度較高。 將晶格間氧氣濃度之測定結果表示於第3 ( b )圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x四7公釐） .19- ------：-------'!裝--- f {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· ^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6m … A7 __ B7____ 五、發明說明（17) 由第3 ( b )圖，可知氣氛氣體對於結晶之接觸方式 均勻’當將坩堝旋轉上昇至約1 . 〇 r p m，融液表面之 低溫部係安定而存在於融液之中心附近，晶格間氧氣濃度 之變動係變極小。第4圖係表示單晶棒之測定結果：.（a )係表不從肩部靠近內側1 〇 c m之直胴部；（b )係表 示直胴部中央〔與第3 ( b )圖相同〕：（c )係表示從 尾部距5 c m內側之直胴部。從第4圖可知在全面結晶全 長地改善晶格間氧氣濃度之均勻性。 (測試二） 上述測試一之結晶成長條件內，將坩堝之旋轉速度作 岱0 . 3 r p ni以外係使用與測試一相同條件拉起結晶。 將其結果表示於第3圖之（a)。 如第3 ( a )圖所示，即使氣氛氣體對於結晶表面之 接觸方式均勻，在坩堝旋轉較低速時，也時常產生氧氣濃 度較低部分，而可知有較大偏差。此乃可能爲一般低溫部 存在於中心，而週期性地從結晶下朝外側移動，或產生回 到原來之融液之動作所導玫。 (測試三） 上述測試一之結晶成長條件內，除了在氣氛氣體整流 筒之氣體吹出側之一部分設置缺口之外’係使用與測試一 相同條件拉起結晶。 將其結果表示於第3圖之（d)。此時’氣氛氣體對 n n n n I E n n n I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -20- 6，Λ Α7 Β7 五 '發明說明（18) 於結晶之接觸方式不均勻，在爐內溫度分布產生偏差，惟 在結晶下發生高溫部，將坩堝旋轉上昇至約1 Ο I· p m 時，高溫部係成爲安定地存於融液之中心附近，晶格間氧 氣濃度之變動成爲極小。 (測試四） 上述測試一之結晶成長條件內，除了將坩堝之轉速作 爲0 . 3 r p m，在氣氛氣體整流筒之氣體吹出側之一部 分設置缺口之外，係使用與測試一相同條件拉起結晶。 _將其結果表示於第3 ( c )圖。在第3 c )圖，係與 測試二〔第3 ( a )圖〕相反地，時常產生氧氣濃度之高 部分。此乃可能藉由將氣氛氣體之流動成爲非軸對稱，在 融液表面之溫度分布產生偏差，高溫部通常存於中心，而 低溫部係從中心偏離在於坩堝周邊，惟該低溫部經常朝融 液中央移動並通過結晶下面，又回到原來而產生融液之動 作所導致。 如上所述，在藉由上述所說明之製造方法與裝置所製 造之矽單晶中，右成長在本發明之施加橫磁場之C Z法之 適當條件下1坩堝內之融液表面之高溫部與低溫部內任何 一方經常位於成長結晶之固液表面，若在位於融液表面之 中心部之狀態下進行結晶成長時，則成長結晶中之軸方向 晶格間氧氣濃度之偏差極小，而晶圓之面內氧氣濃度之均 勻性成爲極高者，同時可提高矽單晶之生產性$良品率。 又，在傳統之Η M C Z法中，被抑制石英坩堝內之砂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） IV .^1 .^1 n .^1 I t n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------4! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -21 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 3 22 4 A7 B7 五、發明說明（19) 融液對流。惟在對流時常產生變動，由此在結晶成長方向 存有晶格間氧氣濃度之微少變動。從該結晶部分所製作之 矽晶圓，係面內氧氣濃度分布顯著惡化，降低製品良品率 。如此，爲了得到面內之氧氣濃度分布良好之矽晶圓，若 將結晶成長界面之氧氣濃度成爲均勻，則成長界面之高度 約2 0至3 Omm，在結成成長方向中，任意之4 Omm 區間之氧氣濃度之微少變動爲0 . 5 p p m a以下所製造 之姑晶就可以。 以下有關於本發明之第二形態的垂直磁場成分與水平 磁場成分之比進行以下之實施例等。 (过施例_一） 使用依表示於第1圖之Η M C Z法的矽單晶製造裝置 ，將1 5 0 kg多晶矽投進直徑2 4英吋（6 0 0 m m )之 石英坩堝，藉電阻加熱之石墨加熱器溶解該多晶矽。調整 磁場裝置控制盤之輸出，俾將磁場朝大約水平方向施加 4 ◦ 0 0高斯（Gauss )於形成在石英坩堝內之矽融液，又 ，將具有面方位{ 1 〇 〇丨之籽晶浸漬於該矽融液，經籽 壓榨製程培養直徑2 0 0 m m之砂單晶。 此時之矽融液表面之結晶中心的垂直磁場成分/水平 磁場成分之磁場強度比係0 . 2 6。又，將該比以 0.34、 0.40、 0.44, 0.52合計五水準條 件來製造五條矽單晶。 在使用以上之條件所拉起之單晶棒中，進行取進於結 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) L. 丨裝---I----訂---- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） -22- A 63 22 4 A7 B7 五、發明說明（2Q) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 晶中之晶格間氧氣濃度（P P m a ，j E I D A :日本電 子工業振輿協會規格）之均勻性評價。所拉起之矽單晶從 結晶中心部切出具有平行於成長軸之{ 〇 〇 1丨面之厚2 m m的晶圓，經化學硏磨兩面，製作兩面拋光晶圓，使用 ^ — F T I R ( Fourier Transform Infrared Spectroscopy ) 以3 0 0 V m間隔在全長4 5 m m測定晶格間氧氣濃度。 測定光點係以1 0 0 # m X 2 0 0 A m (成長方向X直徑 方向）進行。 將晶格間氧氣濃度之測定結果表示於第7圖及第8圖 0 在第7圖表示磁場強度比（垂直磁場成分/水平磁場 成分）0 . 4 0之情形，而在第8圖表示以0 . 2 6所培 養之矽單晶棒之成長軸方向之晶格間氧氣濃度剖面從結晶 肩部之距離（c m )別的圖式。 由第7圖及第8圖可知，在磁場強度比在0 · 2 6之 條件雖晶格間氧氣濃度之偏差雖大（第8圖）。惟在 〇 . 4 0則晶格間氧氣濃度之標準偏差爲小至〇 . 1 6 p p m a ，爲極良好値（第7圖）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在表1表示作爲晶格間氧氣濃度之安定度指標’從使 用上述五條件所製造的結晶之定徑部之結晶肩側所採取之 樣品的晶格間氧氣濃度之測定結果所得到之資料的標準偏 差。標準偏差値愈小，則表示成長軸方向之晶格間氧氣濃 度之偏差愈小，表示高品質之結晶’由表1可知’紐場強 度比在0 . .3至0 . 5之範圍內標準偏差較小’可知本發 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公S ) 4 S3 22 4 A7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（？1) 明之有效性。 (表1 ) 磁場強度成分比 0.26 0.34 0.40 0.44 0.52 (垂直/水平）. _ 氧氣濃度標準偏差. 0.40 0.18 0.16 0.16 0.58 (ppma: JEID A) (實施例二） 在晶格間氧氣濃度之偏差較大之實施例一之磁場強度 比能在融液表面或爲〇 · 2 6地設定磁場發生裝置與單晶 培養裝置之位置關係的單晶培養裝置之周圍’藉配置鐵製 之直徑1 〇 〇 c m ’寬5 C m ’厚〇 . 4 c m之環形構件 ，可將石英ί甘禍內之砂融液表面之磁場強度比成爲0 . 4 除了使用配置該磁場強度調整構件之製造裝置而將磁 場強度比作爲0 · 4之外’使用與實施例一之相同條件培 養單晶。測定單晶棒之結晶成長軸方向晶格間氧氣濃度之 結果，爲與第7圖大約相同之小偏差。 因此，即使因單晶培養裝置與磁場發生裝置之干擾等 無法選擇上述之磁場強度比之範圍時’也藉配置該磁場強 度調整構件之方法可容易地變更磁場分布’成爲設定成所 期望之磁場強度比而可製造高品質之矽單晶° --1--r--J-—--^ 11 -------訂·---I —--I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -24- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 463 22 4 A7 _____B7_____ 五、發明說明（22) 又，本發明係並不被限定於上述實施形態者。上述實 施形態係例示，具有與記載於本發明之申請專利範圍之技 術性思想實質上相同之構成。發揮同樣之效果者’不管任 何者均包含在本發明之技術性範圍。 例如在±述實施形態中，對於本發明之第一形態之方 法，結晶成長成發生在坩堝內之矽融液表面之高溫部與低 溫部內任何一方經常地來到融液表面之中心，惟也可在偏 心之軸上成長。又欲調整氣氛氣體對於結晶表面之接觸方 式，使用設置缺口之氣氛氣體整流筒，惟偏心該整流筒也 可以，也可得到充分效果。 又有關於培養之單晶之大小，例如在上述實施形態中 ，對於培養直徑2 0 0 m m ( 8英吋）之矽單晶之情形， 例舉例子加以說明，惟本發明係並不被限定於此，不管直 徑，例如也可適用於直徑1 0英吋，直徑1 6英吋或其以 上之矽單晶.。 (圖式之簡單說明） 第1圖係表示本發明之第一形態之Η M C Z法矽單晶 製造裝置之一例的槪略說明圖。 第2圖係表示依Η M C Ζ法之矽融液之對流情形之一 例的槪略說明圖。 第3圖係表示矽單晶中之成長軸方向之晶格間氧氣濃 度變動的圖式（從結晶周邊進入1 0 m m之位置的測定値 n i I I s I n .^1 t— I— I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） -25- 463224 A7 ___B7_____ 五、發明說明（23) (a )在融液之低溫部上成長，而低溫部時常從結晶 下朝外側偏離之情形， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (b)僅成長在融液之低溫部上之情形， (c )成長在融液之高溫部上，而低溫部時常通過結 晶下之情形’_ (d )僅成長在融液之高溫部上之情形。 第4圖係表示測試一之矽單晶中之成長軸方向之晶格 間氧氣濃度變動的圖式（從結晶周邊進入1 0 m m之位置 的測定値）。 (a )從單晶棒之肩部靠近內側1 0 c m之直胴部， (b )單晶棒之直胴部中央〔與第3 ( b )圖）相同 (c )從單晶棒之尾部朝內側5 c ηι之直胴部。 第5圖係表示HMC Z法矽晶格間氧氣濃度之水平面 磁場強度分布圖。 第6圖係表示本發明之第二形態之Η M C Z法矽單晶 製造裝置之一例的槪略說明圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第7圖係表示在橫磁場強度之垂直磁場成分/水平磁 場成分比爲0 . 4 0之條件下所製造之矽單晶之成長軸方 向之晶格間氧氣濃度偏差的圖式。 第8圖係表示在橫磁場強度之垂直磁場成分/水平磁 場成分比爲0 · 2 6之條件下所製造之矽單晶之成長軸方 向之晶格間氧氣濃度偏差的圖式。 -26- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） 4 63 2:/ A/ _____B7 五、發明說明（24) (記號之說明） 1 腔 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 a ， 2 b 橫 磁 場 用 電 磁 鐵 3 矽 融 液 4 . 石 英 坩 堝 r- 0 石 ΐψΐ 承 受 器 6 矽 單 晶 7 石 墨 電 阻 加 埶 ί 1 ·»*! 器 8 隔 埶 材 9 磁 場 裝 置 控 制 盤 1 0 磁 力 線 1 1 水 平 磁 場 成 分 1 2 垂 直 磁 場 成 分 1 3 坩 堝 旋 轉 軸 1 4 秄 晶 1 5 籽 保 持 具 1 6 鋼 線 1 7 隔 熱 筒 1 8 氣 氛 氣 體 整 流 筒 1 9 a ，1 9 b 磁場 :強 :度 調 '整 構 件 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -27-