JP2007001819A - シリコン単結晶及びシリコン単結晶製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 チャンバ内に収納され、内径が一定の値である直胴部と、底部と、前記直胴部から前記底部に向かって前記内径が減少する湾曲部とを備えたルツボを用い、磁場中チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、前記ルツボ内における溶融液面が、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度と前記チャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲の少なくとも一部を含む液面範囲にあるとき、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとするシリコン単結晶の製造方法。
【選択図】 図1
Description
また、本発明の目的は、上記の製造方法を用いて製造され、結晶中の格子間酸素濃度が所定の範囲内であるシリコン単結晶を提供することにある。
通常、Ar流量と結晶中の格子間酸素濃度との関係は、Ar流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係にある。しかしながら、図2において、Arガスの流量が60slpmである場合と80slpmである場合とを比較すると、シリコン単結晶の相対長さが図2に示す符号Aの範囲のとき、Arガスの流量が60slpmである場合と80slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度が逆転している。すなわち、シリコン単結晶の相対長さが図2に示す符号Aの範囲であるときに、結晶中の格子間酸素濃度とArガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象が発生していることがわかる。このことから、シリコン単結晶の相対長さが図2に示す符号Aの範囲のとき、Arガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御ができないことがわかった。
不連続現象は、以下に示す理由によって発生すると考えられる。通常、Ar流量を多くすると結晶中の格子間酸素濃度が低下するのは、Arによってシリコン融液からの酸素蒸発が促進され、低酸素化したシリコン融液がシリコン単結晶中に取り込まれるためである。しかし、MCZ法によりシリコン単結晶を製造する場合にルツボ回転数を下げると、ルツボ回転による強制対流が極端に小さくなる。とくに、溶融液面がルツボの直胴部から湾曲部にさしかかるときは、ルツボ外側から内側へ向かう流れの力が弱くなる。また、湾曲部にさしかかるあたりは、シリコン単結晶とルツボ壁面との距離が大きく空いており、ルツボ外側からきてシリコン単結晶に取り込まれるシリコン融液の割合も小さくなる。このため、Arにより低酸素化されたシリコン融液がシリコン単結晶中に取り込まれる割合が小さくなるので、高酸素化する。
その結果、図1および図2に示すように、不連続液面範囲は、湾曲部5の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をR1とするとき、境界4から直胴部2方向に(1/2)R1の高さから湾曲部5方向に(2/3)R1の高さまでの範囲(図1および図2に示す符号Aの範囲)であることがわかった。
また、ルツボ1内における溶融液面が、湾曲部5の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をR1とするとき、境界4から直胴部2方向に(2/5)R1の高さから湾曲部5方向に(1/3)R1の高さまでの範囲(図1および図2に示す符号Bの範囲)であるとき、Arガスの流量が80slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度が、Arガスの流量が60slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度の最低値を下回る可能性が特に高く、不連続現象による変動量が非常に大きいことがわかった。
また、ルツボ1内における溶融液面が、直胴部2と湾曲部5との境界4付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
なお、ルツボ1内における溶融液面が、直胴部2と湾曲部5との境界4の高さより少し下を中心とする境界4付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
図4において、Arガスの流量が60slpmである場合と80slpmである場合とを比較すると、シリコン単結晶の相対長さが図4に示す符号Cの範囲のとき、Arガスの流量が60slpmである場合と80slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度が逆転している。すなわち、シリコン単結晶の相対長さが図4に示す符号Cの範囲であるときに、不連続現象が発生していることがわかる。このことから、シリコン単結晶の相対長さが図4に示す符号Cの範囲のとき、Arガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御ができないことがわかった。
その結果、図1に示すルツボを用いた場合と同様、図3および図4に示すように、不連続液面範囲は、湾曲部5の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をR1とするとき、境界4から直胴部2方向に(1/2)R1の高さから湾曲部5方向に(2/3)R1の高さまでの範囲(図3および図4に示す符号Cの範囲)であることがわかった。
また、図1に示すルツボを用いた場合と同様、ルツボ1内における溶融液面が、湾曲部5の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をR1とするとき、境界4から直胴部2方向に(2/5)R1の高さから湾曲部5方向に(1/3)R1の高さまでの範囲(図3および図4に示す符号Dの範囲)であるとき、Arガスの流量が80slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度が、Arガスの流量が60slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度の最低値を下回る可能性が特に高く、不連続現象による変動量が非常に大きいことがわかった。
また、図1に示すルツボを用いた場合と同様、ルツボ1内における溶融液面が、直胴部2と湾曲部5との境界4付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
なお、ルツボ1内における溶融液面が、直胴部2と湾曲部5との境界4の高さより少し下を中心とする境界4付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
すなわち、チャンバに供給する不活性ガスとしてArガスを用い、Arガスの流量を60slpmまたは80slpmとし、図1に示すルツボを0.8rpmで回転させてMCZ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を調べた。その結果を図5に示す。図5において、点線はArガスの流量が60slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示し、実線はArガスの流量が80slpmである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示す。また、図5において符号Eは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図1に示す不連続液面範囲Aを示す。
また、ルツボ内における溶融液面が直胴部と湾曲部との境界付近の高さ範囲であるときのルツボ回転数を高くすると、以下に示すように、シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差が大きくなるので好ましくない。図11は、シリコン単結晶の相対長さとROGとの関係を示すグラフである。なお、ROGとは、シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差の指標であり、具体的には「ROG(%)=(シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差の絶対値/中心部の酸素濃度)×100」で示される。図11に示すように、ルツボ回転数が高くなるにつれてROGが高くなっている。より詳細には、ルツボ回転数が2.0rpmのときは、ROGの平均値が5%以下の非常に好ましい値となっている。また、ルツボ回転数が3.0rpmのときは、ROGの平均値が8%以下の好ましい値となっている。しかし、ルツボ回転数が3.5rpmのときは、ROGの平均値が製造歩留まりに悪影響を与える10%を越えている。
本発明の製造方法によれば、前記ルツボ内における溶融液面が、不連続現象による変動量が最も大きい液面範囲である上述した液面範囲であるとき、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとするので、結晶中の格子間酸素濃度と不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象が効果的に抑制され、不活性ガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御が容易となる。また、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差が小さいものとなる。よって、本発明の製造方法によれば、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶を容易に精度よく高い歩留まりで製造することができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、不連続現象をより一層効果的に抑制することができ、不活性ガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御効果が顕著に得られるので、結晶中の格子間酸素濃度の制御がより一層容易となる。また、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差がより一層小さいものとなる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲のうちの、不連続現象による変動量が非常に大きい液面範囲であるとき、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとするものとなるので、不連続現象の抑制効果が非常に効果的に得られる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、不連続液面範囲であるとき、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとするものとなるので、不連続現象が生じることがない。また、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Rの円弧からなるとき、境界から直胴部方向に(1/2)Rの高さから湾曲部方向に(2/3)Rの高さまでの範囲を超える液面範囲とした場合、不連続液面範囲を除く領域における格子間酸素濃度制御に支障を来たす虞が生じるため好ましくない。
本発明のシリコン単結晶は、上記いずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法によって製造されたものであるので、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有し、不連続現象に起因する不連続領域のない優れたものとなる。
このようなシリコン単結晶とすることで、ゲッタリング能を充分に確保できる酸素析出物の密度が得られ、なおかつ、十分なウェーハ強度が確保できる優れたウェーハとなる。
図7は、本実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法を実施するのに適した製造装置の概略図である。図7において、符号10はチャンバであり、下チャンバ10aと中チャンバ10bと図示しない上チャンバとからなる。チャンバ内には、ルツボ1が収納されている。ルツボ1は、図示しない黒鉛ルツボを介して、昇降自在かつ回転自在な下軸31に取り付けられている。また、符号51はルツボ1内の原料融液41の温度を制御するヒータであり、符号6は保温筒である。保温筒6の上面にはリング状の支持部材7が設けられ、支持部材7にはリフレクタ9が支持されている。
なお、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとするルツボ内における液面範囲は、製造しようとするシリコン単結晶に要求される格子間酸素濃度の精度などに応じて適宜決定することができる。
図1に示すルツボ1がチャンバ10内に収納された図7に示す製造装置を用い、チャンバ10に供給する不活性ガスとしてArガスを用い、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数とArガスの流量とを図8に示すように制御して、MCZ法によりシリコン単結晶を製造した。なお、図8において符号Fは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図1に示す不連続液面範囲Aを示す。また、図8において、実線はルツボ回転数を示し、点線はArガスの流量を示す。
図8に示すように、シリコン単結晶の相対長さに対するArガスの流量を、相対長さ0から20までの範囲は70slpm、20〜40までの範囲で徐々に50slpmまで低下させ、40〜60までの範囲は50slpm、60〜70までの範囲で徐々に60slpmまで上昇させ、70〜90までの範囲は60slpmとした。また、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数を、相対長さ0から10までの範囲は0.1rpm、10〜30までの範囲で徐々に1.2rpmまで上昇させ、30〜90までの範囲は1.2rpmとし、不連続液面範囲Fのルツボ回転数を1.2rpmとした。
図1に示すルツボ1がチャンバ10内に収納された図7に示す製造装置を用い、チャンバ10に供給する不活性ガスとしてArガスを用い、シリコン単結晶の相対長さに対するArガスの流量とルツボ回転数とを図9に示すように制御して、MCZ法によりシリコン単結晶を製造した。なお、図9において符号Fは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図1に示す不連続液面範囲Aを示す。また、図9において、実線はルツボ回転数を示し、点線はArガスの流量を示す。
図9に示すように、シリコン単結晶の相対長さに対するArガスの流量を、相対長さ0から15までの範囲は70slpm、15〜35までの範囲で徐々に40slpmまで低下させ、35〜90までの範囲は40slpmとした。また、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数を、相対長さ0から10までの範囲は0.1rpm、10〜20までの範囲で徐々に0.7rpmまで上昇させ、20〜90までの範囲は0.7rpmとし、不連続液面範囲Fのルツボ回転数を0.7rpmとした。
Claims (7)
- チャンバ内に収納され、内径が一定の値である直胴部と、底部と、前記直胴部から前記底部に向かって前記内径が減少する湾曲部とを備えたルツボを用い、磁場中チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、
前記ルツボ内における溶融液面の高さが、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度と前記チャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲の少なくとも一部を含む液面範囲にあるとき、ルツボ回転数を0.8〜3rpmとすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 前記ルツボ回転数を1.2〜2rpmとすることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Rの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に(2/5)Rの高さから湾曲部方向に(1/3)Rの高さまでの範囲であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Rの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に(1/2)Rの高さから湾曲部方向に(2/3)Rの高さまでの範囲であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記不活性ガスがArであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項1〜請求項5のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法によって製造されたことを特徴とするシリコン単結晶。
- 格子間酸素濃度が1.4×1018〜1.6×1018atoms/cm3であることを特徴とする請求項6に記載のシリコン単結晶。
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