JP2007145666A

JP2007145666A - シリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2007145666A
Application number: JP2005344161A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Abe; 吉亮安部
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】結晶変形などによる歩留まりの低下を抑えることが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】ルツボ内の融液にカスプ磁場を印加するチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、前記融液５に種結晶を接触させてネック部６を育成する工程と、前記ネック部６を育成後、拡径して拡径部７を育成する工程と、前記拡径部７を前記融液５から切り離す工程と、直胴部８育成中、直胴部８最外周部の磁束の角度θを結晶引上げ軸方向Ｌに対して３０〜６０°で引上げる工程とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明はチョクラルスキー法を用いた、シリコン単結晶引上げに関し、より詳しくは半導体材料として使用されるシリコン単結晶の結晶特性、特に結晶内に溶け込む酸素濃度分布および抵抗率の均一性を高めることができ、かつ単結晶歩留まりを向上させる結晶成長方法に関するものである。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりシリコン単結晶を引上げるには、シリコン融液を入れたルツボを回転させながら、種結晶をシリコン融液中に浸け、種結晶にシリコンを析出させて、単結晶を成長させ、徐々に引上げてゆくことにより棒状に成長した単結晶を得る。

このＣＺ法を用いる場合、引き上げ中に石英ルツボから融液内に溶け出した酸素がシリコン結晶中に取り込まれ、また、必要な抵抗帯を制御するためＢやＰなどを添加し結晶特性を制御する。

しかしながら、結晶中の酸素濃度の均一性が低いと、逆に酸素析出による結晶欠陥の発生の主たる原因となる。また、添加物を取り込んだ単結晶についても面内で不均一では、デバイスの歩留まり悪化の原因となる。したがって半導体用のシリコン単結晶を成長させる場合には結晶中の酸素濃度および抵抗率を制御すること、すなわち濃度分布を面内均一にすることが重要な課題となる。

従来のＣＺ法引上げでは、高磁場下での引上げが必要とされているが、特許文献１では、固層と溶融層を用いた２層引上げを一定の低磁場下で行うことにより、安い製造コストで酸素濃度の均一性が優れた単結晶の育成が可能とされている。
特開平７−２６７７７６号公報

本発明は、結晶変形などによる歩留まりの低下を抑えることが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

以上の問題を解決するために、本発明は、ルツボ内の融液にカスプ磁場を印加するチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
前記融液に種結晶を接触させてネック部を育成する工程と、
前記ネック部を育成後、拡径して拡径部を育成する工程と、
前記拡径部を前記融液から切り離す工程と、
直胴部育成中、直胴部最外周部の磁束の角度を結晶引上げ軸方向に対して３０〜６０°で引上げる工程と
を具備することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。

より好ましいのは、上記条件で磁場強度を２００〜５００Ｇａｕｓｓの範囲で引上げる特徴としたシリコン単結晶の製造方法である。

本発明によれば、結晶変形などによる歩留まりの低下を抑えることが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明者らは、カスプ磁場の結晶および融液に与える磁束密度の角度を制御し、かつ低磁場（２００〜５００Ｇａｕｓｓ）を印加することにより、通常のＣＺ法でも酸素濃度および抵抗の均一性が優れた結晶を低コストで引上げが可能であり、結晶変形を起こすことなく安定した引上げが可能となることを見出し、本発明を完成させたのである。

図１は、本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法が適用される単結晶引上装置の概念図である。

図１に示すように、単結晶引上装置は、単結晶原料を充填するための石英坩堝１を備える。石英坩堝１は制動手段（図示しない）により昇降、回転が可能となっている。この石英坩堝１の外側には、黒鉛製の外側支持坩堝２が嵌合されており、石英坩堝１と外側支持坩堝２からなる二重構造となっている。外側支持坩堝２の周囲には、ヒータなどの加熱手段（図示しない）と磁場印加用電気コイル（図示しない）とが配置されている。石英坩堝１の上方には、ワイヤ３が配置されている。ワイヤ３は、昇降、回転可能な制動手段（図示しない）に取り付けられている。種結晶を保持するためのチャック４は、ワイヤ３の先端に取り付けられている。

かかる構成の単結晶引上装置を用いて単結晶を育成する場合には、まず石英坩堝１に単結晶育成の原料となるポリシリコン及び燐、ボロン、アンチモンなどのドープ剤を充填する。次いで、加熱手段により石英坩堝１を加熱してポリシリコン融液５とし、種結晶を浸漬して引上げ、ネック部６を育成する。ネック部６を育成後、所望の直径まで拡径して拡径部７を育成する。次いで、拡径部７をポリシリコン融液から切り離す。直胴部８の育成中、直胴部８の最外周部の磁束９の角度θを結晶引上げ軸方向Ｌに対して３０〜６０°で引上げる。

融液にカスプ磁場を印加する事により、縦磁場の様な軸対称の磁場を印加可能でかつ、水平磁場の効果も持つためルツボ壁での流れが抑制され、酸素濃度の制御も可能ということは知られている。また、このカスプ磁場の磁場中心の位置を変化させることにより、より精密な制御も可能となる。

本発明では、このカスプ磁場による磁束の角度θを制御することによって、結晶特性および結晶変形などによる歩留まり悪化を防ぐ目的とした。

カスプ中心位置が固液界面に位置した場合、界面付近では磁場印加効果が現れず、安定した引上げが望まれない。よって、角度θは６０°以下にすることが望ましい。逆に、角度θを３０°未満として大きく上下に移動させた場合には、縦磁場引上げの大きな問題である、結晶特性の面内不均一性が生じてしまう。このため、カスプ磁場中心には最適な位置が存在することになり、角度θは３０〜６０°の範囲にすることが望ましい。

また、磁場強度については、強い磁場を印加すると、融液表面の低温部面積（結晶）が広くなる為、通常ルツボ壁から自由表面を伝わって結晶に向かう流れが、融液内部から結晶に向かう流れに変化する。

このため、融液内部の流れは複雑になり、また結晶回転によるルツボ壁側への流れと、内部からの結晶へ向かう流れとが干渉し合い結晶外周部と自由表面との境界付近で渦が生じる。この付近での酸素は、自由表面で必要以上に蒸発する事になり、結果的に結晶外周部の酸素濃度低下につながってしまう。

また、磁場を２００Ｇａｕｓｓ未満にしてしまうと、ルツボから結晶に向かう流れが強くなりすぎてしまい、結晶の変形につながり、安定した引上げが望めなくなる。

以上のことより、カスプ磁場の磁場印加角度を制御することにより、結晶特性の面内均一性を向上させ、かつ単結晶化率が高い安定した結晶育成を行う事が可能となる。

ここで、磁場算出方法について説明する。石英坩堝１内のポリシリコン融液５に図２の矢印に示す方向に一定電流をかけた際の磁場測定を行い、Ｆ＝Ｊ×Ｂという形でローレンツ力が掛かるようにフィッティングをする。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

φ３００ｍｍ結晶引上げ（３２”ルツボ、３００・３６０ｋｇチャージ）で、磁場強度３００Ｇａｕｓｓ一定のもと結晶最外周部での磁場の角度が変化するように磁場印加コイルを制御し、引上げた場合、図３の様に３０〜６０°の範囲で結晶変形発生度が低くなることがわかった。また、磁場の角度を４５°に保ち磁場強度を２００〜５００Ｇａｕｓｓの範囲で引上げた結果、ｎ＝２０本で単結晶化率７０％から９５％へ向上し、かつ酸素濃度の面内バラツキが１．５％以下、抵抗率の面内バラツキが４．０％以下となり、良好な結果が得られた。これらの結果から、磁場印加角度を３０〜６０°の間で制御することにより、単結晶化率が向上することがわかる。

図４は、磁場強度を変化させた際の酸素濃度及び抵抗率の面内分布を示す。図５は、磁場強度を変化させた際の酸素濃度の分布を示す。図５から、磁場強度が２００〜５００Ｇａｕｓｓの範囲内においては、直胴部の酸素濃度の面内バラツキが小さく、磁場強度が５００Ｇａｕｓｓを超えると、ウェハー外周部で酸素濃度のバラツキがやや大きくなることが理解できる。一方、図６は、磁場強度を変化させた際の抵抗率の分布を示す。図６から、磁場強度が２００〜５００Ｇａｕｓｓの範囲内においては、抵抗率の面内バラツキが小さく、磁場強度が５００Ｇａｕｓｓを超えると、ウェハー中心付近で抵抗率が大きく変化することがわかる。

これらの結果から、直胴部においては、磁場強度を２００〜５００Ｇａｕｓｓに低下させることにより酸素濃度及び抵抗率の面内バラツキが軽減され、効果的であることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法が適用される単結晶引上装置の概念図。磁場算出方法を説明するためのマグネット図を示す模式図。磁場強度と単結晶化率との関係を示す特性図。磁場強度と結晶特性のバラツキについて示す特性図。直胴部において、一定の磁場（２００〜８００Ｇａｕｓｓ）を印加した場合の酸素濃度面内バラツキについて示す特性図。直胴部において、一定の磁場（２００〜８００Ｇａｕｓｓ）を印加した場合の抵抗率面内バラツキについて示す特性図。

符号の説明

１…石英坩堝、２…外側支持坩堝、３…ワイヤ、４…チャック、５…シリコン融液、６…ネック部、７…拡径部、８…直胴部、９…最外周部の磁束。

Claims

ルツボ内の融液にカスプ磁場を印加するチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
前記融液に種結晶を接触させてネック部を育成する工程と、
前記ネック部を育成後、拡径して拡径部を育成する工程と、
前記拡径部を前記融液から切り離す工程と、
直胴部育成中、直胴部最外周部の磁束の角度を結晶引上げ軸方向に対して３０〜６０°で引上げる工程と
を具備することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
前記直胴部育成時、２００〜５００Ｇａｕｓｓの範囲内で行うことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。