JP2005097049A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 欠陥の拡散現象による移動速度を利用することによって、効率良く、無欠陥領域を大幅に広げることができるようにする。
【解決手段】 坩堝２内にシリコンの多結晶原料を収容し、この多結晶原料を融点以上に加熱して溶解する溶解工程と、この溶解工程により溶解されたシリコンの溶液１１に種結晶５を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する工程とを具備し、種結晶５の引上げ速度を最大速度Ｖ１から最小速度Ｖ２まで、時間周期Ｔで周期的に変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体Ｓｉ単結晶を育成する技術に係わり、特に、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法に関する。

単結晶の製造方法は種々あるが、なかでも、シリコン単結晶の製造に関し、工業的に量産が可能な方式で広く応用されているものとしてチョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）がある。

このＣＺ法を用いる装置は、坩堝を備え、この坩堝の外側には加熱ヒータを配置している。坩堝内には加熱ヒーターにより溶融される結晶形成用材料、つまり結晶原料となる多結晶シリコンの溶融液が収容されている。

しかして、引上げ棒或いはワイヤの先に種結晶を取り付け、その下端を坩堝内の溶融液の表面に接触させ、この種結晶を上方へ引き上げることによって、その下端に溶融液が凝固した単結晶を成長させるようになっている。

ところで、上記したシリコン単結晶の製造において、結晶育成時には、原子１個の欠陥である空孔欠陥と格子間欠陥を原因とする欠陥が発生する。この空孔欠陥と格子間欠陥の発生濃度は、結晶と溶融液界面近傍の結晶引上げ軸方向温度勾配（以後、Ｇで表わす）と引上速度（以下、Ｖで表わす）で説明することができる。

即ち、図９に示すように、Ｖ／Ｇ値が閾値Ａより高いと、空孔欠陥が主となり、閾値Ｂより低いと格子間欠陥が主となる。Ｖ／Ｇ値が閾値Ａと閾値Ｂの間にあるとき無欠陥となる。

上記したＧ値は引上装置の構造に影響を受け、通常その結晶の径方向位置によって異なる値を持つ。従って、結晶の引上速度（Ｖ）を調整することにより、結晶の径方向におけるＶ／Ｇ値を可変制御することができる。

そこで、従来においては、引上速度（Ｖ）を高速化してＶ／Ｇ値を閾値Ａより高くすることにより結晶の全領域を空孔欠陥領域にしたのち、次工程で結晶を熱処理することにより、結晶の全領域が無欠陥領域になるように処理していた。

しかしながら、上記した方法では、熱処理工程が別途必要になるため、処理効率が悪いものとなっていた。

そこで、結晶の引上速度を周期的に変化させることにより、欠陥の少ない単結晶を製造できるようにしたものが開発されてきた（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２７１３８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるものは、欠陥発生境界が出現する前に結晶の引上速度を下げるものであるため、即ち、欠陥発生境界が出現する前に早目々に引き下げ速度を下げるため、製造効率が低下してしまう不都合がある。

本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、欠陥領域を積極的に発生させてその拡散現象による移動速度を利用することによって、効率良く、無欠陥領域を広げることができるようにしたシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載のものは、坩堝内にシリコンの多結晶原料を収容し、この多結晶原料を融点以上に加熱して溶解する溶解工程と、この溶解工程により溶解されたシリコンの溶液に種結晶を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する工程とを具備し、前記種結晶の引上げ速度を最大速度Ｖ１から最小速度Ｖ２まで、時間周期Ｔで周期的に変化させる。

請求項２記載のものは、坩堝内にシリコンの多結晶原料を収容し、この多結晶原料を融点以上に加熱して溶解する溶解工程と、この溶解工程により溶解されたシリコンの溶液に種結晶を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する工程とを具備し、前記種結晶の引上げ速度を最大速度Ｖ１から最小速度Ｖ２まで、時間周期Ｔで周期的に変化させることにより、結晶全面に空孔欠陥領域と格子間欠陥領域を交互に発生させて拡散させるもので、前記最大速度Ｖ１で結晶を引上げる時間をｔ１、最小速度Ｖ２で結晶を引上げる時間をｔ２とし、前記空孔欠陥領域の平均移動距離をｄｖ、欠陥発生フラックスをｃｖとし、前記格子間欠領域の平均移動距離をｄｉ、欠陥発生フラックスをｃｉとしたとき、前記結晶の引上速度の周期的変化が、

の条件を全てを満たすような矩形波形になるように、前記Ｖ１，ｔ１，Ｖ２，ｔ２を設定した。

本発明によれば、空孔欠陥領域と格子間欠陥領域との間の拡散と対消滅現象によりお互いに消滅させて無欠陥領域を形成するため、効率良く、無欠陥領域を育成することができるという効果を奏する。

以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である単結晶引上装置を示す概略的構成図である。

この単結晶引上装置は水冷式の金属チャンバー１を備え、この金属チャンバー１の略中央部には、坩堝２が設けられている。坩堝２は内側が石英、外側が黒鉛となっており、溶融された結晶形成用材料、つまり結晶原料となる多結晶シリコンの溶融液１１を収容している。坩堝２は保持軸４によって保持され、図示しない回転機構によって回転駆動されるようになっている。

坩堝２の周囲部にはヒータ３が設けられ、ヒータ３の外側周囲部には断熱材９が配置されている。

また、坩堝２の上方部には、シリコンの種子結晶５を保持するシードチャック６が設けられている。シードチャック６はワイヤ７に取付けられ、ワイヤ７は引上機構（図２参照）により回転されながら巻き上げられるようになっている。

金属チャンバー１内には、溶融液１１から発生したＳｉＯガスや不純物を除去するため、常時、雰囲気ガスとして不活性ガスが流されている。

図２は上記した単結晶１３の引上速度を制御する制御系を示すものである。

引上機構１５には制御回路を介して制御手段としての制御装置１７が接続されている。

制御装置１７は、単結晶１３の引上速度を、最大引上速度Ｖ１を０．８〜１．０ｍｍ／ｍｉｎ、最小引上速度Ｖ２を０．２〜０．４ｍｍ／ｍｉｎとし、時間周期を１５分で図３に示すようにサインカーブ周期で変化させるようになっている。

なお、図９で説明したように、Ｖ／Ｇ値が閾値Ａより高いと、空孔欠陥が主となり、閾値Ｂより低いと格子間欠陥が主となるが、この実施の形態では、温度勾配（Ｇ）が２〜８［Ｋ／ｍｍ］とされ、閾値Ａが０．１〜０．５、閾値Ｂが０．０２５〜０．２、となっている。

次に、上記した単結晶引上装置を用いた本発明によるシリコン単結晶の製造方法について説明する。

まず、坩堝２内にシリコンの高純度多結晶原料を収納し、この高純度多結晶原料をヒータ３により融点（１４２０°Ｃ）以上に加熱して溶融する。ついで、ワイヤ７を巻き出すことによりシリコンの溶融液の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。

この状態で、種結晶６にシリコンの結晶が成長し始め、所望のシリコン単結晶１３の直径が得られたところで、今度は引上機構１５によりワイヤ７を例えば、０．８ｍｍ／分の速度で引き上げてシリコン単結晶１３を成長させる。この引上速度（０．８ｍｍ／分）はシリコン単結晶１３を所望の直径のまま引上げるために、数分程度維持する。

ついで、シリコン単結晶１３が所望の直径を維持して引き上がるのが確認さらた後、最低速度が例えば０．２ｍｍ／分となるまで引上げ速度を下げる。しかるのち、引上げ速度を最低速度から最高速度０．８ｍｍ／分まで上げ、最高速度に達した後、また、最低速度０．２ｍｍ／分まで引上げ速度を下げる。その後は、最低速度から最高速度となり次の最低速度までの１周期を１５分として速度変換を繰り返す。

これにより、図４に示すように、結晶中心のＶ／Ｇ値と結晶外周のＶ／Ｇ値が変化し、図５に示すように、空孔欠陥領域（黒く示される部分）Ｋ１と格子間欠陥領域（白く示される部分）Ｋ２とが交互に積層された状態でシリコン単結晶１３が成長される。

層状をなす空孔欠陥領域Ｋ１と格子間欠陥領域Ｋ２は図６に示すように、拡散と対消滅現象によりお互いに消滅して図７に示すように単結晶の広い範囲（結晶径０ｍｍ〜５０ｍｍまで）で完全な無欠陥領域Ｋ３が形成された。

上記したようにこの実施の形態によれば、空孔欠陥領域Ｋ１と格子間欠陥領域Ｋ２を交互に形成し、拡散と対消滅現象によりお互いに消滅させて無欠陥領域Ｋ３が形成するため、欠陥発生境界が出現する前に早目々に引き下げ速度を下げるといった必要がなく、製造効率を向上できる利点がある。

なお、上記した一実施の形態では、単結晶の引上速度を変化させる周期をサインカーブ状に変化させたが、これに限られることなく、図８に示すように、引上速度を矩形波形に変化させても良い。

即ち、単結晶の最大引上速度をＶ１、最小引上速度をＶ２とし，最大引上速度Ｖ１で結晶を引上げる時間をｔ１，最小引上速度Ｖ２で結晶を引上げる時間をｔ２とし、空孔欠陥の平均移動距離をｄｖ、欠陥発生フラックスをｃｖとし、格子間欠陥の平均移動距離をｄｉ、欠陥発生フラックスをｃｉとしたとき、矩形波形状が

の３条件を満たすようにＶ１，ｔ１，Ｖ２，ｔ２を設定する。

ところで、空孔欠陥領域Ｋ１と格子間欠陥領域Ｋ２とを拡散と対消滅現象によりお互いに消滅させるには、格子間欠陥Ｋ２が拡散で空孔欠陥領域Ｋ１に侵入するときの平均移動距離ｄｉが、空孔欠陥形成膜厚（ｖｌ×ｔ１）の半分よりも大きい必要がある。同様に空孔欠陥の平均移動距離ｄｖは格子間欠陥形成膜厚（ｖ２×ｔ２）の半分よりも大きい必要がある。また、空孔欠陥発生総量と格子間欠陥発生総量は等しくなる必要がある。

式１で示した引上げ矩形の速度プロファイルを表１示す空孔欠陥と格子間欠陥の平均移動距離と平均欠陥発生量に適用すると、
Ｖ１×ｔ１＜２×０．３４６
Ｖ２×ｔ２＜２×２．３２
ｔ２＝１．５１×ｔ１となる。

この条件を満たす条件として、
Ｖｌ＝１．０ｍｍ／ｍｉｎ、ｔ１＝４．６ｍｉｎ
Ｖ２＝０．１ｍｍ／ｍｉｎ、ｔ２＝６．９ｍｉｎなどが挙げられ，この矩形パターンで実施した結果、空孔欠陥も格子間欠陥も観察されず，結晶欠陥のない結晶を育成することができた。

なお、本発明は上記実施の形態に限られることなく、その要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。

本発明の一実施の形態であるシリコン単結晶の製造装置を示す断面図。 図１の製造装置の単結晶引上機構の制御系を示すブロック図。 図２の制御系による単結晶引上速度の変化を示すグラフ図。 図２の引上機構による単結晶引上時における単結晶の中心と外周のＶ／Ｇ値の変化を示すグラフ図。 図１の製造装置によって製造された単結晶の構造を示す図。 図５に示す単結晶の空孔欠陥領域と格子間欠陥領域とが拡散と対消滅現象によりお互いに消滅する状態を示す図。 図６に示した拡散と対消滅現象により形成された単結晶の無欠陥領域を示す図。 本発明の他の実施の形態である単結晶引上速度の変化を示すグラフ図。 従来の装置によって製造される単結晶の無欠陥領域を示す図。

符号の説明

２…坩堝、５…種結晶、１１…シリコン溶液、１３…単結晶、Ｋ１…空孔欠陥領域、Ｋ２…格子間欠陥領域、Ｋ３…無欠陥領域。

Claims (4)

1. 坩堝内にシリコンの多結晶原料を収容し、この多結晶原料を融点以上に加熱して溶解する溶解工程と、
   この溶解工程により溶解されたシリコンの溶液に種結晶を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する工程とを具備し、
   前記種結晶の引上げ速度を最大速度Ｖ１から最小速度Ｖ２まで、時間周期Ｔで周期的に変化させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 坩堝内にシリコンの多結晶原料を収容し、この多結晶原料を融点以上に加熱して溶解する溶解工程と、
   この溶解工程により溶解されたシリコンの溶液に種結晶を接触させてこれを引き上げることにより単結晶を育成する工程とを具備し、
   前記種結晶の引上げ速度を最大速度Ｖ１から最小速度Ｖ２まで、時間周期Ｔで周期的に変化させることにより、結晶全面に空孔欠陥領域と格子間欠陥領域を交互に発生させて拡散させるもので、
   前記最大速度Ｖ１で結晶を引上げる時間をｔ１、最小速度Ｖ２で結晶を引上げる時間をｔ２とし、
   前記空孔欠陥領域の平均移動距離をｄｖ、欠陥発生フラックスをｃｖとし、
   前記格子間欠領域の平均移動距離をｄｉ、欠陥発生フラックスをｃｉとしたとき、
   前記結晶の引上速度の周期的変化が、
   

   

   の条件を全てを満たすような矩形波形になるように、前記Ｖ１，ｔ１，Ｖ２，ｔ２を設定したことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記最大速度Ｖ１を０．８〜０．１０ｍｍ／分、前記最小速度Ｖ２を０．２〜０．４ｍｍ／分としたことを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記格子間欠陥領域の平均移動距離ｄｉは、空孔欠陥形成膜厚（ｖｌ×ｔ１）の半分よりも大きくされ、前記空孔欠陥領域の平均移動距離ｄｖは格子間欠陥形成膜厚（ｖ２×ｔ２）の半分よりも大きくされ、空孔欠陥発生総量と格子間欠陥発生総量は等しくされたことを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶の製造方法。

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