JP2001139398A - 単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水平磁場を使用するＨＭＣＺ法において、肩
部での有転位化を抑制する。 【解決手段】 転位を除去するための絞り工程からこれ
に続く増径工程にかけて、無磁場で引き上げを行う。こ
のときの坩堝回転数を５ｒｐｍ以上として、肩部１２ａ
での有転位化を抑制する。無磁場としているので、坩堝
回転数を高めたことによる絞りの不安定が回避される。
肩部１２ａからボディ部１２ｂへの移行時に磁場印加を
開始し、磁場印加による液温の上昇により増径を停止す
る。磁場の印加により溶融液１３の対流が抑制された時
点で、坩堝回転数を定常回転数に急変させる。この時点
では、坩堝回転数を急変させても、液温はほぼ一定に保
たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＺ法（チョクラ
ルスキー法）を用いた単結晶引き上げによる単結晶成長
方法に関し、更に詳しくは、引き上げ所定工程において
水平方向の磁場を印加して単結晶引き上げを行う単結晶
成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に使用されるシリコン単結晶
の製造方法には種々の方法があるが、工業的に広く使用
されている方法は、回転引き上げ法であるＣＺ法であ
る。この方法では、図４に示すように、坩堝１内に結晶
用原料を投入し、減圧不活性ガス雰囲気中で結晶用のシ
リコン原料を、坩堝１の周囲に配設されたヒータ２によ
り溶融して、坩堝１内にシリコンの溶融液１３を生成す
る。次いで、引き上げ軸５に吊り下げられた種結晶１５
を溶融液１３に浸漬し、坩堝１及び引き上げ軸５を回転
させつつ、引き上げ軸５を軸方向に引き上げて、種結晶
１５の下方に単結晶１２を成長させる。

【０００３】このＣＺ法では、種結晶１５に元から含ま
れる転位や、着液時の熱ショックで導入される転位を除
去するために、引き上げ開始当初にネッキングと呼ばれ
る絞り工程を行う。絞り工程により結晶径が３ｍｍ程度
まで細くされると、今度は結晶径を徐々に大きくし、最
終的には製品径に収束させる。これにより、ネック部の
下に肩部が形成され、更にその下に定径のボディ部が形
成される。

【０００４】ところで、ＣＺ法によるシリコン単結晶の
製造では、坩堝１として、内側の石英坩堝１ａを外側の
黒鉛坩堝１ｂで保持した二重坩堝が使用される。内側の
石英坩堝１ａは、シリコン溶融液１３と接触することに
より表面が溶けて、溶融液１３中に酸素を放出する。溶
融液１３中に溶け込んだ酸素は、その一部が引き上げ中
に単結晶１２中に取り込まれ、シリコンウエーハの品質
に様々な影響を及ぼす。このため、このＣＺ法では、単
結晶１２中に取り込まれる酸素量を制御することが必要
となる。

【０００５】このような酸素濃度制御を行う方法として
は、例えば磁場印加を併用する方法がある。この方法は
磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法：Ｍａｇｎｅｔｉｃ−ｆｉｅ
ｌｄ−ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ法）と呼ばれ、溶融液に磁
場を印加することにより、磁力線に直交する方向の溶融
液対流を抑制し制御することができる。磁場の印加方法
には幾つかの方法があるが、特に水平方向に磁場を印加
するＨＭＣＺ法（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ＭＣＺ法）の
実用化が進んでいる。水平磁場を印加する場合、一般に
は磁場強度が強くなるほど単結晶中の酸素濃度は低くな
る傾向があるため、通常求められるような１２〜１６×
¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）の酸素濃度を
得るためには、０．２テスラ以下の比較的弱い磁場が使
用される。この水平磁場は、単結晶引き上げ開始当初の
絞り工程より印加される。

【０００６】また最近では、ネック部の有転位化を防止
するために、この磁場印加を利用することも考えられて
いる。例えば、特開平０９−１６５２９８号公報には、
ネック部での転位の除去効果を上げることを目的とし
て、通常のＣＺ法における絞り工程で、１５００ガウス
以上（０．１５テスラ）以上の磁場を限定的に印加し、
溶融液表面の振動、温度変動を抑制することにより、２
ｍｍ未満の細いネック部を切断なしに形成する技術が開
示されている。一方、特開平１０−７４８７号公報に
は、磁場印加ＣＺ法における絞り工程で、磁場強度を２
０００（０．２テスラ）以下に下げ、溶融液表面近傍の
温度変動幅を５℃以上に増大させることにより、ネック
部の無転位化を促進し、そのネック部を従来より太くし
ても無転位化を達成できる技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような水平方向の磁場を使用するＨＭＣＺ法では、次
のような問題がある。

【０００８】この方法を直径７００ｍｍ以上の大径坩堝
による直径２００ｍｍ以上の大径単結晶の引き上げに適
用すると、肩部を形成するための増径工程で有転位化が
頻発するという問題がある。なぜなら、磁場が印加され
ているとはいえ、定常の低坩堝回転数では自然対流が優
勢となり、石英坩堝の底から異物を直接固液界面まで輸
送する流れが存在し、有転位化が生じやすくなるのであ
る。このため、安定な引き上げが困難となる。

【０００９】この問題を解決するためには、絞り工程か
ら増径工程にかけて坩堝回転数を高め、石英坩堝の底か
ら異物を直接固液界面まで輸送する流れを弱めるのが有
効である。しかし、坩堝回転数を高めると、磁場の印加
によって溶融液が制止されているために、溶融液と坩堝
壁の摩擦作用により溶融液の温度変動が大きくなるた
め、安定した絞りが困難となり、ネック部の径変動が大
きくなる結果、大重量保持が困難になるという問題が発
生する。

【００１０】この問題に対し、特開平０９−１６５２９
８号公報及び特開平１０−７４８７号公報では、絞り工
程で坩堝回転数を増大させることが考慮されていない。
また仮に、絞り工程で坩堝回転数を増大させても、特開
平０９−１６５２９８号公報のように、絞り工程で積極
的に磁場を印加した場合は、磁場により制止される溶融
液と坩堝の相互作用が増長されるので、逆効果となる。
特開平１０−７４８７号公報のように絞り工程で磁場強
度を低下させた場合も、増径工程での有転位化を十分に
抑制することができない。

【００１１】また、磁場強度を変化させたり坩堝回転数
を変化させる場合は、その変化によって溶融液の温度状
態や流れが急変することも、引き上げの安定性を阻害す
る原因になる。

【００１２】本発明の目的は、水平磁場を使用するＨＭ
ＣＺ法において、絞りを含む引き上げの安定性を確保し
つつ、増径工程での有転位化を効果的に抑制できる単結
晶成長方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の単結晶成長方法は、坩堝内に結晶用シリコ
ン原料を充填して溶解し、その溶融液に浸漬した種結晶
を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下方
に単結晶を成長させるＣＺ法による単結晶成長方法にお
いて、転位を除去するための絞り工程から肩部を形成す
るための増径工程にかけて無磁場で引き上げを行うと共
に、このときの坩堝回転数をボディ部を形成するための
定常回転数より高い回転数とし、肩部からボディ部へ移
行する段階から水平方向の磁場印加を開始し、磁場印加
を開始した後に前記坩堝回転数を定常回転数に低下させ
ることを特徴とする。

【００１４】無磁場で引き上げを行うと、溶融液が坩堝
の回転に追従し、両者の摩擦作用が弱くなるために、坩
堝回転数を高めても安定な絞り可能となる。このため、
絞り工程から増径工程にかけて坩堝回転数を高めること
が可能となり、これにより絞りの安定性を損なうことな
く増径工程、即ち肩部での有転位化が抑制される。

【００１５】無磁場で坩堝回転数を高めた場合、ボディ
部を形成する定径工程を開始するまでに磁場印加を開始
し、且つ、その坩堝回転数を、ボディ部を形成するため
の定常回転数に低下させる必要がある。このような引き
上げ条件の変動期においては、前述したように、引き上
げの安定性が阻害される。このため、磁場印加を開始す
る時期及び坩堝回転数を低下させるタイミングが重要と
なる。

【００１６】これについて種々の調査を行った結果、無
磁場の場合は坩堝回転数が小さくなるにつれて溶融液の
表面温度が上昇するのに対して、磁場を印加した場合は
坩堝回転数によらず、その表面温度がほぼ一定であるこ
とが判明した。図２は無磁場の場合と０．１テスラの磁
場を印加した場合において坩堝回転数を低下させたとき
の溶融液の表面温度変動を調査した結果を示す。

【００１７】図２から分かるように、無磁場の場合は坩
堝回転数を１０ｒｐｍから１ｒｐｍへ段階的に低下させ
ることにより、溶融液の表面温度は約１４０５℃から１
４３０℃強に段階的に上昇する。これに対し、０．１テ
スラの磁場を印加した場合は、坩堝回転数を１０ｒｐｍ
から１ｒｐｍへ段階的に低下させても、溶融液の表面温
度は当初より約１４３０℃前後に保持される。つまり、
坩堝を回転させた状態では、基本的に磁場印加の開始に
より溶融液の表面温度が上がり、その上昇度は坩堝回転
数が高いほど顕著である。

【００１８】この結果から、磁場印加は、肩部からボデ
ィ部への移行時に開始するのが良いことが分かる。そう
すると、磁場印加に伴って溶融液の表面温度が上昇し、
その上昇により増径が停止し、ボディ部への移行がスム
ーズに行えるのである。つまり、磁場印加による液温の
上昇による増径停止を利用することにより、増径工程か
ら定径工程への移行をスムーズに行うわけである。ま
た、一旦磁場を印加すると、坩堝回転数によらず液温が
ほぼ一定となるため、磁場印加後であれば坩堝回転数を
定常回転数に急変させても引き上げに支障は生じない。
このため、坩堝回転数を定常回転数に低下させる時期
は、磁場印加を開始した後、具体的には、磁場印加の開
始により対流が抑制されて液温が安定化した後、より具
体的には後述するような増径停止後が好ましい。

【００１９】肩部での有転位化を抑制する坩堝回転数と
しては５ｒｐｍ以上が好ましい。ちなみに、ボディ部を
形成するための定常回転数は１ｒｐｍ以下が好ましい。

【００２０】磁場強度については、前述したとおり、一
般には磁場強度が強くなるほど単結晶中の酸素濃度は低
くなる傾向があるため、通常求められるような１２〜１
６× ¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）の酸素濃
度を得るためには、０．２テスラ以下の比較的弱い磁場
が使用される。また、肩部の増径を停止させる点からは
０．０３テスラ以上あれば良い。従って、通常は０．０
３〜０．２テスラの範囲内で所定の酸素濃度が得られる
ように選択することが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る単結
晶成長方法を実施するための結晶成長装置の構成図であ
る。

【００２２】この結晶成長装置は、中空円筒形状のチャ
ンバ７を備えている。チャンバ７は、大径のメインチャ
ンバ７ａと、メインチャンバ７ａ上に連設固定された小
径のプルチャンバ７ｂとからなる。メインチャンバ７ａ
内の中心部には、坩堝１が配置されている。この坩堝１
は内側の石英坩堝１ａと外側の黒鉛坩堝１ｂを組み合わ
せた二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる回転及び
昇降が可能な支持軸５の上に載置固定されている。

【００２３】坩堝１の外側には、加熱抵抗式のヒータ２
が同心円状に配置されており、その外側には円筒状の保
温筒８ａがメインチャンバ７ａの内面に沿って配置され
ている。メインチャンバ７ａの底面上には円形の保温板
８ｂが配置されている。メインチャンバ７ａの外側に
は、水平磁場を形成するために、一対の超伝導磁石１０
ａ，１０ｂが対向設置されている。

【００２４】坩堝１の中心軸上には、支持軸６と同一軸
心で回転及び昇降が可能な引き上げ軸５がプルチャンバ
７ｂを通って吊設されており、引き上げ軸５の下端には
種結晶１５が装着されている。

【００２５】次に、この結晶成長装置を用いた単結晶成
長方法を、製品径が３００ｍｍのシリコン単結晶を製造
する場合について具体的に説明する。

【００２６】坩堝１内に結晶用のシリコン原料及び不純
物としてのリンを投入する。チャンバ７内を２５Ｔｏｒ
ｒに減圧し、不活性ガスとして１００Ｌ／ｍｉｎのＡｒ
ガスを導入する。坩堝１内の投入物をヒータ２にて溶解
し、坩堝１内に溶融液１３を形成する。引き上げ軸５の
下端に装着された種結晶１５を溶融液１３に浸漬し、坩
堝１及び引き上げ軸５を回転させつつ、引き上げ軸５を
軸方向に引き上げて、種結晶１５の下方に単結晶１２を
成長させる。

【００２７】この成長過程では、まず絞り工程より転位
が除去され、ネック部が形成される。絞り工程に続く増
径工程により肩部１２ａが形成され、その増径停止によ
りボディ部１２ｂの形成が開始される。

【００２８】このとき、無磁場で絞り工程を開始する。
絞り工程での引き上げ軸５の回転数は１０ｒｐｍ、坩堝
１の回転数は１２ｒｐｍとする。肩部１２ａを形成する
増径工程では、坩堝１の回転数を８ｒｐｍまで下げ、こ
れにより増径を行う。結晶径が２９５ｍｍに達した時点
で磁場印加を開始する。具体的には、０．０８テスラ／
ｍｉｎの速度で０．１テスラまで磁場を印加する。０．
０３テスラになった時点で増径が停止するので、この時
点から坩堝回転数を０．２ｒｐｍに０．４ｒｐｍ／ｓｅ
ｃの速度で低下させる。

【００２９】このようにして坩堝回転数を制御し磁場を
印加する操業を５バッチ実施した結果、肩部１２ａから
ボディ部１２ｂへの移行は±０．５ｍｍの精度で行わ
れ、その後のボディ部１２ｂの引き上げも問題なく行わ
れた。また、ボディ部１２ｂの軸方向の酸素濃度分布
は、図３に示すように、０．１テスラの磁場印加により
高い精度で１３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ−Ａ
ＳＴＭ）に制御された。

【００３０】ここで、磁場の印加時期が早すぎると、製
品径よりも小さい径で増径が停止するため製品径まで増
径させる必要が生じ、歩留りが下がる。遅すぎると製品
径を超えて増径するため後の引き上げが不安定になる。

【００３１】比較のために、引き上げ開始より定常の磁
場及び坩堝回転数を与えた場合、即ち０．１テスラの磁
場を印加し、且つ坩堝回転数を０．２ｒｐｍにして、絞
り工程を開始した場合は、５バッチ全てにおいて肩部の
直径１００ｍｍ以内で有転位化を生じる結果になった。

【００３２】また、引き上げ開始より０．１テスラの定
常磁場を与え、坩堝回転数のみを１２ｒｐｍから０．２
ｒｐｍへ段階的に制御する場合は、絞り工程で融液の温
度変動が大きいために、径制御が不安定となり、単結晶
が融液から分離することもある。増径部の制御は可能で
あるが、絞り工程が不安定であるため、このようなプロ
セスは採用できない。

【００３３】逆に、引き上げ開始より０．２ｒｐｍの定
常坩堝回転数を与え、磁場のみを肩部からボディ部への
移行時に印加した場合は、５バッチ全てにおいて肩部の
直径１００ｍｍ以内で有転位化が生じる結果となった。

【００３４】

【発明の効果】以上に詳述した如く、本発明の単結晶成
長方法は、絞り工程から増径工程にかけてを無磁場で行
うと共に、このときの坩堝回転数を定常回転数より高め
た上で、増径工程から定径工程への移行時に磁場印加を
開始し、その磁場印加の開始後に坩堝回転数を定常回転
数に低下させることにより、絞り工程から増径工程にか
けて坩堝回転数を高めるにもかかわらず、絞り工程での
ネッキングの安定性を維持できる。また、肩部からボデ
ィ部への移行をスムーズに行うことができ、磁場印加に
よる引き上げの不安定も回避できる。従って、引き上げ
に支障をきたすことなく、高坩堝回転数による肩部での
有転位化の効果的な抑制が可能となり、これにより歩留
りの大幅向上が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る単結晶成長方法を実施
するための結晶成長装置の構成図である。

【図２】坩堝回転数を変更したときの液温変化に及ぼす
磁場の影響度を示すグラフである。

【図３】本発明の実施形態に係る単結晶成長方法で製造
された単結晶の酸素濃度分布を例示するグラフである。

【図４】ＣＺ法による単結晶の引き上げを説明するため
の模式図である。

【符号の説明】

１ 坩堝 １ａ 石英坩堝 １ｂ 黒鉛坩堝 ２ ヒータ ５ 引き上げ軸 ７ チャンバ １０ａ，１０ｂ 超伝導磁石 １２ 単結晶 １２ａ 肩部 １２ｂ ボディ部 １３ 溶融液 １５ 種結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 洋 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 宮本 勇 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坩堝内に結晶用シリコン原料を充填して
   溶解し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら
   引き上げることにより、種結晶の下方に単結晶を成長さ
   せるＣＺ法による単結晶成長方法において、転位を除去
   するための絞り工程から肩部を形成するための増径工程
   にかけて無磁場で引き上げを行うと共に、このときの坩
   堝回転数をボディ部を形成するための定常回転数より高
   い回転数とし、肩部からボディ部へ移行する段階から水
   平方向の磁場印加を開始し、磁場印加を開始した後に前
   記坩堝回転数を定常回転数に低下させることを特徴とす
   る単結晶成長方法。
2. 【請求項２】 磁場印加を開始する時期は、ボディ部を
   形成する定径工程の開始前である請求項１に記載の単結
   晶成長方法。
3. 【請求項３】 坩堝回転数を定常回転数に低下させる時
   期は、ボディ部を形成する定径工程の開始前である請求
   項１又は２に記載の単結晶成長方法。
4. 【請求項４】 坩堝回転数を定常回転数に低下させる時
   期は、磁場印加の開始により溶融液の対流が抑制された
   時点である請求項１、２又は３に記載の単結晶成長方
   法。
5. 【請求項５】 坩堝回転数を定常回転数に低下させる時
   期は、増径停止後である請求項１、２、３又は４に記載
   の単結晶成長方法。
6. 【請求項６】 絞り工程から増径工程にかけての坩堝回
   転数は５ｒｐｍ以上である請求項１、２、３、４又は５
   に記載の単結晶成長方法。