JP2008063165A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶方位に拘わらず、スリップ転位の発生を抑制し、無転位化を簡易に達成し、結晶品質の向上を図ることができ、特に、スリップ転位を消滅させるのが難しい結晶方位が＜１１０＞である種結晶を用い、＜１１０＞の単結晶を引上げるのに最適であるシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】ＣＺ法により、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶１を坩堝内に保持される溶融液に浸漬させた後、種結晶１を引上げてネック部４を形成するネック工程に次いで、単結晶のショルダー部およびボディー部を形成する単結晶製造方法において、種結晶１を溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶１が溶融液表面に接触するのに最適な温度とした後、溶融液温度を低下させるとともに、種結晶１の引上げ速度を速めながら引上げ、引上げ径が目標のネック径に到達した時点で引上げ速度を一定の速度としてネック部４を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、さらに詳しくは、ダッシュ法（Ｄａｓｈ法）における種結晶を溶融液に浸漬させるディップ工程に次ぐ、ネック部を形成すネック工程での改善により、結晶品質の向上を図ることができるシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

通常、ＣＺ法に用いられる単結晶の製造装置では、高耐圧気密チャンバ内を１０ｔｏｒｒ程度に減圧して不活性ガス（Ａｒ）ガスを流すとともに、チャンバ内の下方に設けられた坩堝内の結晶原料を融解させ、この溶融液の表面に種結晶を上方から浸漬し、種結晶と溶融液を収容した坩堝を回転、上下移動させながら種結晶を引き上げることにより、種結晶の下方に円錐形のショルダー部、円柱状のボディー部および下端が突出した円錐形のテール部からなるシリコン単結晶を成長させるように構成されている。

この成長方法においては、引上げ初期の段階において、種結晶を溶融液に浸漬させるディップ工程に次いで、種結晶を引き上げてネック部を形成するネック工程が行われている。

図１は、ＣＺ法の引上げ初期段階で行われるディップ工程およびネック工程を模式的に示した部分拡大図であり、（ａ）はディップ工程、および（ｂ）はネック工程を示している。図１（ａ）に示すディップ工程では、種結晶１を回転させながら降下させて、その先端部を溶融液２に浸漬させる。種結晶１の先端部を浸漬した後、種結晶１の下降を停止して、溶融液表面と接触させる。

通常、種結晶１を溶融液表面に接触させる際に、これらの接触界面には溶融液２の表面張力によりメニスカスが形成される。ところが、結晶原料を融解した直後の溶融液温度は局部的な温度変動が大きく、溶融液全体としては温度バラツキが著しく大きく、不安定な状態となる。

このため、ディップ工程は、結晶原料を融解し十分に時間経過した後に実施されるが、種結晶１を溶融辺面表面に接触させた際の溶融液表面温度が高すぎると、種結晶１の先端部が溶けてしまい溶融液２から切り離れる。一方、溶融液表面温度が低すぎると、種結晶１の先端部から結晶が成長し、融液２の表面側に結晶が張り出した状態になり、ネック形成に移行すると、ネック部に新たな転位を生ずることになる。

このため、ディップ工程（ａ）からネック工程（ｂ）に移行するには、種結晶を溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度に安定させることが必要になる。通常、このような最適温度に安定させる操作は、種結晶の「なじませ」とも呼ばれており、種結晶１を溶融液２に接触させた際の接触界面の形状を観察し、結晶張り出し等を監視することにより、溶融液表面温度を推定する。この推定に基づいてヒータ電力を制御して溶融液２への入熱量を調整すること等により、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触する「最適温度」に安定化するようにコントロールされる。

より具体的には、溶融液温度を上記「最適温度」を安定させるには、種結晶１の成長速度が０（ゼロ）の状態において、種結晶１の先端部の周囲に所定形状のメニスカス３が形成されるように、ヒーターパワーを調整して溶融液表面温度を調整し安定化させる操作が必要になる。

図１（ｂ）に示すネック工程は、無転位の単結晶を得るためのプロセスであり、種結晶１を回転させながら速い速度で上方に引き上げることによって、種結晶１の先端部に溶融液２を凝固させつつ、略円柱形状部の直径をできるだけ細くしたネック部４を形成する。製造装置の熱環境により、必要とされる直径は異なるが、通常、結晶直径を４〜６ｍｍ程度に細くしたネック部４を形成することにより、転位を除去することができる。この方法はダッシュ法、またはダッシュネック法などと呼ばれる。

図１に示すネック部形成においては、単結晶を細い直径で引き上げるために、製造装置内の熱環境の影響を受け易く、急激な溶融液温度の変動に引上速度等の育成条件の制御が対応できず、ネック部破断等のトラブルが発生したり、無転位化を図ることができない場合もある。このため、従来から、種々のシリコン単結晶の製造方法が提案されている。

例えば、特許文献１では、種結晶を引き上げる際に、種結晶に続くテーパー状の絞り込み部の長さを種結晶の太さ寸法の２．５倍〜１５倍の長さに保ち、絞り込み部に続く長尺な略円柱形状の絞り部の直径を種結晶の太さ寸法の０．０９倍〜０．９倍の太さとし、その絞り部の直径の変動幅を１ｍｍ以下で、絞り部の長さを２００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲に保って引き上げを行う方法を提案している。

しかし、特許文献１で提案する方法は、シリコン単結晶の大口径化、高重量化の要請に対応するものであり、ネック部の破断による結晶落下の危険性を抑制するため、ネック部の直径を太くしても無転位化できるようにするものである。したがって、特許文献１の製造方法では、種結晶部分からネック部下端までを特定の形状にし、ネック部を形成する長さを確保する必要があるため、ネック部の形成に長時間を要することになる。さらに、ネック部の長さに拘束されて、単結晶のボディー部を充分に確保できないという問題も生じることになる。

特許第２８２２９０４号公報

前述の通り、ダッシュ法によりネック部形成をする場合には、種結晶を溶融液表面に接触させて、溶融液温度を「適正な温度」に安定化させた後、種結晶を所定の速い速度で上昇させながら種結晶の下端にネック部を形成していた。ところが、種結晶が溶融液表面に接触するのに「最適な温度」のままで、種結晶を引上げてネック部形成を行うと、溶融液温度が高すぎるため、種結晶と溶融液との切り離れを発生することが多かった。

このため、種結晶の引上げ速度を目標のネック径となる速度に到達させてから、ネック部形成に適した温度まで溶融液温度を低下させるように温度制御を行っても、溶融液温度の調節は抵抗加熱式ヒータへの電力出力制御により行われるため、目標とする溶融液温度に到達するまでのタイムラグを生じることになる。

このタイムラグに起因して、ネック部形成に適した溶融液温度よりも高い温度で種結晶が引き上げられるため、目標径となるネック部を形成することができない、または種結晶と溶融液との切り離れを生じ、単結晶育成を行うことができない等の問題が発生する。

この切り離れを回避するため、溶融液の温度がネック部形成に適した温度に安定するまで、種結晶の引上げを停止し、ネック部形成に適した溶融液温度に到達後に種結晶を引上げることも選択できるが、ネック部形成に適した溶融液温度になるまでに、種結晶の外周部に液張りを生じ、転位発生の要因となり結晶品質に影響を及ぼすことになる。

また、最近では、半導体素子を形成した際のキャリアの移動が結晶方位に大きく依存することから、半導体素子の動作速度の高速化を目指し、スイッチング速度の高速化が期待できる面方位（１１０）のシリコンウエーハが注目されつつある。

結晶方位が＜１００＞や＜１１１＞のシリコン単結晶を引上げるには、熱衝撃で種結晶先端に生じたスリップ転位がわずかであれば、結晶径を細く絞れば育成結晶からスリップ転位を除去することができる。しかし、結晶方位が＜１１０＞の結晶では、種結晶の溶融面に対しスリップ転位が略垂直方向近くに入るため、スリップ転位がわずかであっても種結晶に転位が発生すると、これを消滅させるのは極めて難しいとの問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、シリコン単結晶の引上げに際し、ダッシュ法における種結晶を溶融液に浸漬させるディップ工程、およびネック部を形成すネック工程での改善を図ることにより、結晶方位が＜１００＞や＜１１１＞の結晶であっても、結晶方位が＜１１０＞の結晶であっても、結晶方位に拘わらず、無転位化を簡易に達成し、結晶品質の向上を図ることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の課題を解決するため種々の検討を重ねた結果、前記図１に示すダッシュ法において、種結晶を溶融液表面に接触するのに最適温度を得た後、溶融液の温度を低下させる操作と、種結晶の引上げ速度を増大させる操作とを同時に行うことが、わずかなスリップ転位の発生もなくし、引き上げられる結晶品質の向上に有効であることに着目した。

本発明は、上記着目に基づいて完成されたものであり、下記のシリコン単結晶の製造方法を要旨としている。
（１）ＣＺ法により、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内に保持される溶融液に浸漬させた後、種結晶を引上げてネック部を形成するネック工程に次いで、単結晶のショルダー部およびボディー部を形成する単結晶製造方法において、前記種結晶を前記溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触するのに最適な温度とした後、前記溶融液温度を低下させるとともに、前記種結晶の引上げ速度を速めながら引上げ、引上げ径が目標のネック径に到達した時点で引上げ速度を一定の速度としてネック部を形成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。

この製造方法では、前記溶融液の温度を低下させる範囲を３〜４℃とし、前記種結晶の引上げ速度を速める範囲を０〜５ｍｍ／ｍｉｎにするのが望ましい。
（２）上記（１）のシリコン単結晶の製造方法は、前記種結晶の少なくとも溶融液表面と接触する結晶下端部の直径が８ｍｍ以下であり、形成されるネック部の直径が４〜６ｍｍであるのが望ましい。さらに、結晶方位が＜１１０＞である前記種結晶を用い、結晶方位＜１１０＞のシリコン単結晶を引上げるのに最適な方法である。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、シリコン単結晶の引上げに際し、ダッシュ法における種結晶を溶融液に浸漬させるディップ工程、およびネック部を形成すネック工程での改善を図ることにより、結晶方位が＜１００＞や＜１１１＞の結晶であっても、結晶方位が＜１１０＞の結晶であっても、結晶方位に拘わらず、スリップ転位の発生を抑制し、無転位化を簡易に達成し、結晶品質の向上を図ることができる。これにより、大幅な製造コストの低減が図れ、効率的なダッシュ法として広く適用できる。

図２は、本発明のシリコン単結晶の製造方法により形成されたネック部の外観構成例を示す図である。本発明のディップ工程とネック工程を経て形成されたネック部４は、種結晶１の下端部に順次縮径する絞り部４ａが形成され、その下方に目標径で構成される。

本発明のシリコン単結晶の製造方法では、ＣＺ法により、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内の溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触するのに最適な温度とした後、前記溶融液の温度を低下させるとともに、前記種結晶の引上げ速度を増大させながら引上げ、引上げ径が目標のネック径に到達した時点で引上げ速度を一定の速度としてネック部を形成することを特徴としている。

本発明の製造方法では、坩堝内の結晶原料を融解させてディップ工程に移行するため、種結晶を坩堝内の溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触するのに最適な温度とする必要がある。

ここで規定する「種結晶が溶融液表面に接触する最適温度」とは、いわゆる「種結晶なじませ」操作によって安定化される溶融液の温度であり、結晶を溶融液に接触させた際の接触界面のメニスカス形状、例えば、晶癖線の張り出しを観察することで、溶融液表面の温度を推定し、これに基づいてヒーターパワー（電力）を制御し、溶融液への入熱量を調整して、安定化された溶融液表面の温度をいう。具体的な操作としては、種結晶１の成長速度が０の状態において、種結晶１の先端部の周囲に所定形状のメニスカス３が形成されるように、ヒーターパワーを調整して溶融液表面温度を調整し安定化させる。

本発明で規定する「種結晶が溶融液表面に接触する最適温度」は、使用する引き上げ装置が異なれば、溶融液温度が安定化する温度は異なるし、同一の引き上げ装置であっても使用する種結晶径や目標とするネック径が異なれば、溶融液温度が安定化する温度は異なることから、一義的に定めることができない。

したがって、本発明の製造方法では、上記「最適温度」を正確に把握して溶融液温度を制御する必要があり、通常、溶融液温度を制御するため、溶融液温度を光学的に測定したデーターに基づいて、ヒーターパワー（電力）の調整によりヒータ温度を制御し溶融液温度を制御する方法などが採用されている。

ところが、単色温度計や２色温度計のような光学的な測温手段で溶融液表面の温度を検出する方法では、測温中、結晶育成時に発生するＳｉＯ蒸発などの外乱要因の影響を受け易く、溶融液表面の測定箇所によっても溶融液熱対流の影響から測定温度が異なる。このため、測定温度の信頼性に乏しく、正確な温度制御が要求されるダッシュ法には適用できない。

このため、本発明の製造方法では、坩堝内の結晶原料を融解させるヒータ温度を測温して、当該測温結果に基づきヒーターパワー（電力）の調整によりヒータ温度を制御して溶融液温度を調整するのが望ましい。ヒータ温度と溶融液温度は１対１で対応し、ヒータ温度を放射温度計や２色温度計で測温しても、ＳｉＯ蒸発などの外乱要因の影響や、溶融液熱対流の影響などを受けないので、種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度として溶融液温度を正確に制御することができる。

本発明の製造方法では、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触するのに最適な温度とした後、前記溶融液の温度を低下させるとともに、前記種結晶の引上げ速度を速めながら引上げを行うことが必要になる。

溶融液の温度分布が安定化した状態であっても、種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度のままでは溶融液温度が高い状態であり、目標径のネック部を形成することができず、または種結晶と溶融液との切り離れを生じて、ネック部を育成することはできない。そのため、ネック部形成に適した温度に降温する必要があり、ヒーターパワー（電力）を下げて、ヒータ温度を制御し溶融液温度の低下を図る。このとき、溶融液温度を４〜５℃の範囲で低下させるのが望ましい。

前述の通り、坩堝内の結晶原料を加熱するヒータのパワー低下し、ヒータ温度の制御を開始しても、ネック部形成に適した溶融液温度になるまでのタイムラグが生じ、これにともなって、ネック部形成に適した溶融液温度になるまでの間に、種結晶の外周部に液張りを生じ、転位発生の要因となることがある。このとき、種結晶の引上げ速度を速めながら引上げを行うことにより、種結晶の外周部に液張りを発生させることがない。

ネック部形成に適用できる引上げ速度も、育成装置のホットゾーン構造（炉内温度分布）に依存するため、引上げ速度を定量的に定めることができない。本発明者らの検討によれば、直径が３００ｍｍのシリコン単結晶の引上げにおいては、引上げ速度は０〜５ｍｍ／ｍｉｎの範囲で徐々に速めながら引き上げるのが有効であることを確認している。なお、引上げ速度を直線的に速めることが望ましいが、引上げ速度を短い周期でステップ的に速めてもよい。

したがって、本発明の製造方法では、３〜４℃の範囲で溶融液の温度を低下させるとともに、０〜５ｍｍ／ｍｉｎの範囲で徐々に種結晶の引上げ速度を速めながら引上げを行うことが望ましい。このように、溶融液の温度を低下させるとともに、徐々に種結晶の引上げ速度を速めながら引上げることにより、前記図２に示す種結晶の下端部に順次縮径する絞り部４ａが形成され、種結晶１の外周部に発生する液張りを回避することができる。

本発明の製造方法では、前記図２に示すように、引上げ径が目標のネック径に到達した時点で引上げ速度を一定の速度としてネック部を形成することになる。本発明で適用する目標のネック径は、４〜６ｍｍとするのが望ましい。種結晶に発生したスリップ転位を除去するのに有効であるとともに、引上げられる単結晶の大直径化、高重量化に対応して、ネック部の強度を確保できることによる。

本発明の製造方法で用いる種結晶は、溶融液表面と接触する結晶下端部の直径を８ｍｍ以下にするのが望ましい。通常、種結晶の直径は２０〜１０ｍｍであり、これから絞り部を形成させて、ネック部の目標径の３〜６ｍｍまで細くするのには高度な技術が要求され、種結晶を前記溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度の温度変動が大きくなる。このため、ネック部の強度を確保しつつ、溶融液温度の温度分布を安定させるために、溶融液表面と接触する結晶下端部の直径を８ｍｍ以下にすることができる。

本発明の製造方法では、 結晶方位が＜１１０＞である種結晶を用い、結晶方位＜１１０＞のシリコン単結晶を引上げるのに有効である。前述の通り、結晶方位が＜１１０＞である種結晶は、結晶方位が＜１００＞である種結晶に比べ、結晶構造上、引上げ軸方向と平行なスベリ面である｛１１１｝面を有しているため、溶融液表面との接触により種結晶内に発生した転位は、種結晶外に抜けにくく、ネック部を通じて成長結晶に引き継がれることになる。しかし、本発明では、種結晶を前記溶融液に浸漬させる際に、種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度とすることにより、種結晶の浸漬にともなう熱的な歪みの発生を極力なくし、スリップ転位の発生を抑制することができる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法による効果を、具体的なプロセスを適用した実施例に基づいて説明する。実施例では、結晶方位が＜１００＞と＜１１０＞である８インチのシリコン単結晶を育成し、無転位化率の試験を実施した。

まず、２４インチ石英坩堝内に結晶原料の多結晶シリコンを１４０Ｋｇ充填し、坩堝内の結晶原料を融解した。結晶方位が＜１００＞である種結晶を用い、ディップ工程に移行する段階で、溶融液に浸漬させる前に種結晶の下降を一旦停止し、種結晶の予熱を行い、種結晶の温度を高めることにより、溶融液表面との接触による熱衝撃（ヒートショック）の緩和を図った。次いで、種結晶を回転させながら下降させて溶融液に浸漬した後、種結晶の下降を停止し、なじませ操作を行って溶融液温度が種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度になるように安定化を図った。

種結晶下端に所定のメニスカス形状が形成されていることを目視確認した後、溶融液温度を４〜５℃低下させて、ネック形成に適する温度になるようにヒーターパワーを調整した。このヒーターパワー制御の開始と同時に、種結晶の引き上げ操作を開始し、引上げ速度を０ｍｍ／ｍｉｎから徐々に速めながら５ｍｍ／ｍｉｎとして、ネック部の目標直径である５ｍｍとした。ネック部が目標直径になった以後は、５ｍｍ／ｍｉｎの一定の引上速度でネック部を形成し、引き続きショルダー部、ボディー部およびテール部を引き上げた。

無転位化率の試験は引上げ本数２０本について実施したが、無転位化率は９０％（１８本／２０本）であった。

次に、結晶方位が＜１１０＞である前記種結晶を用い、結晶方位＜１１０＞のシリコン単結晶を引上げて、無転位化率の試験を実施した。同様に、２４インチ石英坩堝内に結晶原料の多結晶シリコンを１４０Ｋｇ充填し、坩堝内の結晶原料を融解した。

ディップ工程では、種結晶の予熱を行った後に、種結晶を回転させながら下降させて溶融液に浸漬した後、種結晶の下降を停止し、なじませ操作を行って溶融液温度が種結晶を溶融液表面に接触するのに最適な温度になるように安定化を図った。

種結晶下端に所定のメニスカス形状が形成されていることを目視確認した後、溶融液温度を４〜５℃低下させて、ネック形成に適する温度になるようにヒーターパワーを調整するとともに、種結晶の引き上げ操作を開始し、引上げ速度を０ｍｍ／ｍｉｎから徐々に速めながら５ｍｍ／ｍｉｎとして、ネック部の目標直径である５ｍｍとした。ネック部が目標直径になった以後は、５ｍｍ／ｍｉｎの一定の引上速度でネック部を形成し、引き続きショルダー部、ボディー部およびテール部を引き上げた。

無転位化率の試験は、引上げ本数１８本について実施したが、無転位化率は８３％（１５本／１８本）であった。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、シリコン単結晶の引上げに際し、ダッシュ法における種結晶を溶融液に浸漬させるディップ工程、およびネック部を形成すネック工程での改善を図ることにより、結晶方位が＜１００＞や＜１１１＞の結晶であっても、結晶方位が＜１１０＞の結晶であっても、結晶方位に拘わらず、スリップ転位の発生を抑制し、無転位化を簡易に達成し、結晶品質の向上を図ることができる。これにより、大幅な製造コストの低減が図れ、効率的なダッシュ法として広く適用できる。

ＣＺ法の引上げ初期段階で行われるディップ工程、ネック工程およびショルダー部形成の工程を模式的に示した部分拡大図であり、（ａ）はディップ工程、および（ｂ）はネック工程を示している。 本発明のシリコン単結晶の製造方法により形成されたネック部の外観構成例を示す図である。

符号の説明

１：種結晶、 ２：溶融液
３：メニスカス、 ４：ネック部
４ａ：絞り部、 ５：ショルダー部

Claims (4)

1. チョクラルスキー法により、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内に保持される溶融液に浸漬させた後、種結晶を引上げてネック部を形成するネック工程に次いで、単結晶のショルダー部およびボディー部を形成する単結晶製造方法において、
   前記種結晶を前記溶融液に浸漬させる際に、溶融液温度を種結晶が溶融液表面に接触するのに最適な温度とした後、前記溶融液温度を低下させるとともに、前記種結晶の引上げ速度を速めながら引上げ、引上げ径が目標のネック径に到達した時点で引上げ速度を一定の速度としてネック部を形成することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記溶融液温度を低下させる範囲が３〜４℃であり、前記種結晶の引上げ速度を速める範囲が０〜５ｍｍ／ｍｉｎであ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。
3. 前記溶融液表面と接触する前記種結晶の下端部の直径が８ｍｍ以下であり、形成されるネック部の直径が４〜６ｍｍであ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。
4. 結晶方位が＜１１０＞である前記種結晶を用い、結晶方位＜１１０＞のシリコン単結晶を引上げることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
   

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