JP2001240494A - 単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、商用目的に供されてきた石英ルツボを
用いて、かつ石英ルツボの内表面に特別な物質を塗布す
ることなく、良質な無転位単結晶を成長させる。 【解決手段】 石英ルツボの内表面にできるクリストバ
ライト結晶層の結晶化斑点に関して、直径４０μｍ以下
のクリストバライト結晶化粒の個数がクリストバライト
結晶化粒の総数に対して８０％以上の割合を占めるよう
に単結晶引上げの条件を調節する。例えば、単結晶成長
装置内の磁場の強度を１０００〜２０００ガウス、シリ
コン融液の加熱時間を１００時間以上として、単結晶の
引上げを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコン融
液を収容する石英ルツボを用いて多結晶シリコンを溶融
し、特に、引上げ過程において結晶有転位化を発生させ
ることなく高品質なシリコン単結晶の引上げを目的とす
る単結晶成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の単結晶成長装置である。
引上げＣＺ法（引上げチョクラルスキー法）による従来
の単結晶成長方法においては、高耐圧気密のチャンバ１
内を２０ミリバール程度に減圧して新鮮なＡｒ（アルゴ
ン）ガスを流すとともに、チャンバ１内の下方に設けら
れた石英ルツボ２内のシリコン多結晶を加熱して溶融
し、かかるシリコン融液３の表面に種結晶４を上から浸
漬し、種結晶４と石英ルツボ２を回転、上下移動させな
がら種結晶４を引き上げることにより、種結晶４の下に
上端が突出した円錐形の上部コーン部と、円筒形のボデ
ィ部（直胴部）と下端が突出した円錐形の下部コーン部
より成る単結晶棒５（いわゆるインゴット）を成長させ
る。このとき、シリコン多結晶を溶融してシリコン融液
３を加熱するためにヒータ６が用いられ、単結晶成長装
置内部にはコイル７により磁場が印加される。磁場は、
石英ルツボ２内のシリコン融液３の対流を抑制する作用
を有する。

【０００３】シリコン融液を保持するための石英ルツボ
は、アモルファス構造をとる非晶質ＳｉＯ₂より構成さ
れている。かかる石英ルツボはシリコン融液と反応し、
ＳｉＯ₂／Ｓｉ界面、すなわち石英ルツボの内表面にク
リストバライト結晶層が形成される。クリストバライト
は結晶質ＳｉＯ₂であり、石英ルツボの内表面にはクリ
ストバライトのほかにも、トリジマイト、コーサイトな
どの結晶質ＳｉＯ₂が存在すると言われている。実際、
本発明者はＸ線による結晶構造解析やラマン測定法など
によってトリジマイトなどが微量に含まれていることを
確認している。しかし、結晶質ＳｉＯ₂のほとんどがク
リストバライトであり、本明細書では結晶質ＳｉＯ₂と
クリストバライトを同一の意味で使うこともある。単結
晶引上げ中にかかるクリストバライト結晶層は剥離し、
シリコン融液中に落下して引上げ中の単結晶成長界面に
到達する。その結果、引上げ中の単結晶に入り込んで単
結晶の有転位化の要因となって、無転位単結晶成長を阻
害する。

【０００４】単結晶引上げ過程における石英ルツボの内
表面の剥離、溶損を防止して、単結晶の有転位化を回避
するため、種々の石英ルツボ及びその製造方法が提案さ
れている。例えば、特開平８−２９３２号公報において
は、石英ルツボの内表面に厚さ１ｍｍ以下の結晶化促進
剤を含有した塗布膜または固溶層を作り、単結晶引上げ
時に石英ルツボの内表面を積極的に結晶化させることに
よって、石英ルツボの内表面の溶損量及び剥離量を低減
させることができる石英ルツボが開示されている。

【０００５】一方、特公平７−２５５６１号公報におい
ては、石英ルツボに含有される不純物の影響を回避する
ために、不純物含有量を低く抑えた石英ルツボが開示さ
れている。かかる石英ルツボは、含有不純物を低減させ
ることによりクリストバライト結晶化の核発生が減少
し、シリコン融液と接触した部分のクリストバライト結
晶化を抑制する。また、特開平１１−２２８２９１号公
報においては、単結晶引上げ後に石英ルツボの内表面に
生成しているクリストバライト結晶斑点の密度が５個／
ｃｍ²以下である石英ルツボを使用することが開示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におい
ては、石英ルツボに不純物を塗布することにより単結晶
中にこの不純物が含有されてしまうこと、クリストバラ
イト結晶化の原因となる不純物は完全には取り除けず、
無転位単結晶引上げを阻害するクリストバライト結晶化
粒の発生を完全に抑えることはできないことなどが挙げ
られる。また、特開平１１−２２８２９１号公報に開示
されているシリコン単結晶の育成方法では、石英ルツボ
の内表面に生成するクリストバライト結晶斑点の密度を
５個／ｃｍ ²以下にするためのシリコン単結晶の育成方
法や石英ルツボの製造方法などが一切開示されておら
ず、実際の単結晶成長装置において、実施することがで
きない。

【０００７】また、上述のように、シリコン単結晶の引
上げにおいて、シリコン融液と直接接触する石英ルツボ
の内表面でＳｉＯ₂の結晶化が起こり、引き上げられる
シリコン単結晶の成長に悪影響を及ぼし、単結晶の有転
位化の一因となると推測されている。しかし、まだ、こ
のＳｉＯ₂結晶化とシリコン単結晶の有転位化との関係
が必ずしも明らかになっているわけではない。

【０００８】本発明は、引き上げられるシリコン単結晶
が大口径化する際に要請される単結晶の無転位化を促進
して、高品質なシリコン単結晶を歩留まりよく引き上げ
ることができる単結晶成長方法を提供することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】シリコン単結晶の引上げ
過程でシリコン融液と接触する石英ルツボの内表面に現
れる結晶化について詳細に検討した結果、結晶化の初期
段階では結晶生成核を基点として点状に発生し、単結晶
引上げの進行にともなって、結晶化はリング状に広がる
ことが明らかとなった。このような結晶化の進展現象に
より結晶化斑点が生成される。この結晶化斑点の外周部
は茶色を呈しているので、茶褐色斑点と呼ばれることも
ある。シリコン融液に磁場を作用させることによりかか
る茶褐色斑点は結晶粒が大きくなるが、磁場の強度を調
節して磁場のない状態に放置することを組み合わせる
と、かかる茶褐色斑点はシリコン融液に徐々に溶融され
て直径４０μｍ以下の微細なクリストバライト結晶化粒
となり、シリコン単結晶の有転位化には害を及ぼさない
ことがわかった。なお、磁場を印加しない場合、石英ル
ツボの内表面にクリストバライト結晶化粒は形成され
ず、また、継続的に強磁場を印加させると石英ルツボの
内表面はクリストバライト結晶で覆われてしまう。本発
明では直径４０μｍ以下の微細なクリストバライト結晶
化粒を石英ルツボの内表面に形成させるので、磁場の調
節が必要となる。

【００１０】この結晶化斑点の起因は、一般的に不純物
であると推定されており、特開平１１−２２８２９１号
公報には、シリコン単結晶の引上げ後、石英ルツボの内
表面を観察、比較すると、結晶化した石英ルツボの内表
面に生成される結晶化斑点の密度がシリコン単結晶の有
転位化に影響を及ぼしており、この結晶化斑点の密度が
少ない石英ルツボを使用してシリコン単結晶を引き上げ
る場合に、育成される単結晶の有転位化率が減少すると
記載されている。また、使用する石英ルツボによって
は、さらに石英ルツボの内表面に生成される結晶化斑点
は、単結晶引上げ時間、すなわち、シリコン融液と石英
ルツボの内表面とが直接接触する時間の経過とともに増
加するが、所定の時間が経過すると結晶化斑点は一定の
密度に収束して推移すると記載されている。

【００１１】磁場を印加した環境下では、特開平１１−
２２８２９１号公報に開示されているように、かかる結
晶化斑点はいったん生成した後、シリコン融液により溶
解し始め、次第に結晶化斑点の大きさが小さくなる。さ
らに本発明においては、結晶化斑点が小さくなった状態
で大口径シリコン単結晶の有転位化が著しく減少するこ
とを見いだした。

【００１２】本発明では、上記従来の問題に鑑み、単結
晶の有転位化を回避し、高品質な単結晶を歩留まり良く
引き上げるために、石英ルツボの内表面に生成される結
晶質ＳｉＯ₂層について、直径が所定の大きさ以下の結
晶質ＳｉＯ₂粒を所定の割合以上に制御する。

【００１３】すなわち本発明によれば、磁場を断続的に
印加しながら石英ルツボに収容されたシリコン融液を加
熱し、前記シリコン融液の表面に種結晶を接触させて、
前記種結晶を上方に引き上げ、単結晶を成長させる単結
晶成長方法であって、単結晶の引上げ後に石英ルツボの
内表面に生成する結晶質ＳｉＯ₂粒のうち、前記結晶質
ＳｉＯ₂粒の直径が４０μｍ以下であるものの個数が、
前記結晶質ＳｉＯ₂粒の総数に対して８０％以上の割合
となる前記石英ルツボを使用する単結晶成長方法が提供
される。

【００１４】さらに、前記磁場の強度を１０００ガウス
から２０００ガウスとし、前記シリコン融液の原料を溶
融させるために１００時間以上加熱した後、前記単結晶
の引上げを行うことは本発明の好ましい態様である。ま
たさらに、引上げ途中の単結晶を前記シリコン融液中に
戻し、前記磁場をなくして前記引上げ途中の単結晶を再
溶融させることを１回又は複数回行った後、前記単結晶
の引上げを行うことは本発明の好ましい態様である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の単結晶成長方法を説明する。本発明では、単結晶成長
装置内部に印加する磁場の強度を１０００〜２０００ガ
ウスに設定する。単結晶引上げ前に、磁場を印加したま
まシリコン融液を溶融させるために約１００時間以上、
石英ルツボに収容されたシリコン融液を加熱し、単結晶
の引上げを行う。単結晶の引上げには約３０時間かかる
ため、結果的にシリコン融液を溶融し始めてから単結晶
の引上げが完了するまで１３０時間以上を必要とする。

【００１６】単結晶引上げ後、石英ルツボの内表面を観
察する。ここで、単結晶の引上げ後としているのは、単
結晶の引上げを終了して残ったシリコン融液を回収した
後でなければ、結晶化斑点の様子を観察できないからで
ある。後述するように、石英ルツボの内表面に現れる結
晶化斑点の密度は、石英ルツボに収容されるシリコン融
液との接触時間の増加にともなって増え続ける場合もあ
るが、所定時間経過後、一定値に収束する場合や減少す
る場合もあり、単結晶の引上げ後、これらを観察するこ
とになる。なお、結晶化斑点の大きさは光学顕微鏡で測
定した値であり、密度は単位面積当たりの個数を光学顕
微鏡で測定した結果である。

【００１７】図１は、本発明の提示する条件下で単結晶
の引上げを行った後の石英ルツボの内表面に結晶質Ｓｉ
Ｏ₂が形成された様子を示す拡大写真である。石英ルツ
ボの表面である非晶質ＳｉＯ₂に結晶質ＳｉＯ₂粒が形成
されている。つまり、アモルファスのＳｉＯ₂の海にク
リストバライト結晶化粒が島のように形成されている。
図１に示すように、直径４０μｍ以下のクリストバライ
ト結晶化粒の個数がその総数の８０％以上を占めてい
る。なお本発明では、クリストバライト結晶化粒が直径
４０μｍ以下という値、その割合を８０％以上という値
を規定しているが、これは種々の検討結果に基づき、結
晶の有転位化率を０％に維持するのに必要な条件として
規定したものである。図２は、磁場の強度が２０００ガ
ウスで１００時間経過後の石英ルツボの表面の写真であ
る。クリストバライト結晶化粒は１ｍｍ以上に成長して
いる。上記条件を外れる場合、すなわち単結晶引上げ後
の石英ルツボにおいて、所定の大きさ以上のクリストバ
ライト結晶化粒の個数が所定の割合を下回る場合、引き
上げられたシリコン単結晶は有転位化のおそれがある。

【００１８】図４は、単結晶の引上げ時間の経過にとも
なって石英ルツボの内表面に生成されるクリストバライ
ト結晶化粒の直径の推移を示す図である。内径３６イン
チの石英ルツボＡ及びＢの２種類を各２個ずつ準備し、
磁場を印加して加熱し、４００ｋｇの多結晶原料を溶融
されたシリコン融液を収容して、このシリコン融液の表
面に種結晶を接触させ、それを上方に引き上げながら凝
固させて、ＣＺ法による単結晶成長装置を用いて単結晶
の引上げを実施した。

【００１９】多結晶原料を溶融後、ヒータを５０時間通
電したルツボＢでは、直径１ｍｍ以上のクリストバライ
ト結晶化粒が生成している。一方、図２に示すようにヒ
ータを１００時間通電したルツボでは、シリコン融液と
の接触時間の増加に伴って石英ルツボの内表面に生成さ
れるクリストバライト結晶化粒の直径はさらに大きくな
るが、１００時間以降はクリストバライト結晶化粒は小
さくなり、ヒータを約１５０時間通電したルツボＡで
は、いったん成長したクリストバライト結晶化粒がシリ
コン融液中に再溶融し、直径４０μｍ以下のクリストバ
ライト結晶化粒の割合が１００％になる。しかし、それ
以上長い時間シリコン融液を加熱しておくと、石英ルツ
ボの表面層が完全に溶解してしまうおそれもある。１０
０時間以上加熱して、クリストバライト結晶化粒の個数
がクリストバライト結晶化粒の総数に対して８０％以上
の割合を占めるようにするという本発明の規定値は、上
記の比較実験より確定される。

【００２０】図３は、ルツボＡ及びＢで引き上げられた
単結晶の無転位結晶成長成功率を比較した図である。ク
リストバライト結晶化粒の直径及びその割合が、本発明
の規定値を満足するルツボＡでは、単結晶の有転位化は
見られず無転位結晶成長成功率は、１００％となった。
一方、ルツボＢでは単結晶の無転位結晶成長成功率はわ
ずか５％となった。前述の通り、引き上げられる単結晶
の有転位化は、直接的にはクリストバライト結晶層の剥
離などに起因するが、これを防止するには、単結晶引上
げ後の石英ルツボの内表面に生成される直径４０μｍ以
下のクリストバライト結晶化粒の個数が、クリストバラ
イト結晶化粒の総数に対して８０％以上の割合を占める
よう制御すればよい。

【００２１】また、単結晶を引き上げるとき、引上げ中
の単結晶が有転位化を起こしてしまい、再び引上げ途中
の単結晶を石英ルツボ内のシリコン融液に再溶融するこ
ともある。この単結晶の再溶融のとき、結晶化した単結
晶を再溶融するために単結晶成長装置内部の磁場の印加
をなくすので、石英ルツボ表面にできたクリストバライ
ト結晶化粒も再溶融する。これにより、石英ルツボの内
表面に生成されたクリストバライト結晶化粒は、クリス
トバライト結晶化粒の成長要因となった不純物とともに
溶融され、石英ルツボの不純物を除去することができる
と考えられる。通常、磁場を印加していない総時間は、
例えば溶融１００時間＋引上げ３０時間の単結晶引上げ
ならば、８時間〜２０時間ほどになる。

【００２２】上記のように磁場の印加を断続的にするこ
とにより、結果的に石英ルツボの内表面に直径４０μｍ
以下のクリストバライト結晶化粒の個数をクリストバラ
イト結晶化粒の総数に対して８０％以上の割合にするこ
とを促進する。また、転位が起こったとしても単結晶を
一度最後まで引き上げてしまい、引き上げた単結晶を再
溶融化してからもう一度引き上げることにより、良質の
単結晶を効率良く引き上げることが可能になると考えら
れる。

【００２３】合成石英は天然石英に比べ、含有される不
純物を少なくすることが可能なので、従来、石英ルツボ
には合成石英が用いられることが多いが、本発明におい
て、石英ルツボの種類は合成石英製または天然石英製な
どに限定されるものではない。本発明では、クリストバ
ライト結晶化粒の直径とその割合が本発明により提示さ
れる値を満足するのであれば、合成又は天然のいずれの
石英ルツボも利用することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の単結晶成
長方法によれば、石英ルツボの内表面にできるクリスト
バライト結晶層の結晶化斑点に関して、直径４０μｍ以
下のクリストバライト結晶化粒の個数がクリストバライ
ト結晶化粒の総数に対して８０％以上の割合を占めるよ
う、単結晶成長装置内の磁場の強度を１０００〜２００
０ガウス、シリコン融液の溶融時間を１００時間以上と
して単結晶の引上げを行うので、従来商用目的に供され
てきた石英ルツボを用いて、かつ石英ルツボの内表面に
特別な物質を塗布することなく、高品質の無転位単結晶
を歩留りよく成長させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の提示する条件下で単結晶の引上げを行
った後の石英ルツボの内表面に結晶質ＳｉＯ₂が形成さ
れた様子を示す拡大写真である。

【図２】磁場の強度が２０００ガウスで１００時間経過
後の石英ルツボの表面の写真である。

【図３】ルツボＡ及びＢで引き上げられた単結晶の無転
位結晶成長成功率を比較した図である。

【図４】単結晶の引上げ時間の経過にともなって石英ル
ツボの内表面に生成されるクリストバライト結晶化粒の
直径の推移を示す図である。

【図５】従来の単結晶成長装置である。

【符号の説明】

１ チャンバ ２ 石英ルツボ ３ シリコン融液 ４ 種結晶 ５ 単結晶棒 ６ ヒータ ７ コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁場を断続的に印加しながら石英ルツボ
   に収容されたシリコン融液を加熱し、前記シリコン融液
   の表面に種結晶を接触させて、前記種結晶を上方に引き
   上げ、単結晶を成長させる単結晶成長方法であって、単
   結晶の引上げ後に石英ルツボの内表面に生成する結晶質
   ＳｉＯ₂粒のうち、前記結晶質ＳｉＯ₂粒の直径が４０μ
   ｍ以下であるものの個数が、前記結晶質ＳｉＯ₂粒の総
   数に対して８０％以上の割合となる前記石英ルツボを使
   用する単結晶成長方法。
2. 【請求項２】 前記磁場の強度を１０００ガウスから２
   ０００ガウスとし、前記シリコン融液の原料を溶融させ
   るために１００時間以上加熱した後、前記単結晶の引上
   げを行うことを特徴とする請求項１記載の単結晶成長方
   法。
3. 【請求項３】 引上げ途中の単結晶を前記シリコン融液
   中に戻し、前記磁場をなくして前記引上げ途中の単結晶
   を再溶融させることを１回又は複数回行った後、前記単
   結晶の引上げを行うことを特徴とする請求項１記載の単
   結晶成長方法。