JP2010042968A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン単結晶に生じる有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減し得るシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶引上げ装置のチャンバ内に設置された石英ルツボ１２にシリコン原料を溶解してシリコン融液を貯留し、石英ルツボ１２に貯留したシリコン融液から棒状のシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶を製造する方法において、シリコン原料３３を充填する前に、石英ルツボ１２内部の底部に円盤状又は底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有する多結晶又は単結晶のシリコンブロック３２を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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に関する。更に詳しくは、有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減し得るシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

シリコンウェーハの素材となるシリコン単結晶の製造方法には、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）と呼ばれる単結晶引上げ方法が広く工業的に採用されている。ＣＺ法は、石英ルツボ内に充填した多結晶シリコン等をヒータで溶解した後、このシリコン融液の表面に種結晶を浸し、シリコン融液に浸した種結晶と石英ルツボを回転させつつ種結晶を上方に引上げることによって種結晶と同一の結晶方位をもつ単結晶を育成する方法である。

図４は、このＣＺ法により単結晶を引上げる際に用いられる引上げ装置を模式的に示した断面図であり、引上げ装置１０はチャンバ１１を有する。チャンバ１１の中央部には有底円筒形状をした石英ルツボ１２が配設され、石英ルツボ１２内にはシリコン融液１３が貯留される。また石英ルツボ１２の外周にはこの石英ルツボ１２を支持する有底円筒形状をした黒鉛サセプタ１４が配設される。石英ルツボ１２と黒鉛サセプタ１４は支軸１６を介して駆動手段１７に接続され、駆動手段１７を駆動させると石英ルツボ１２が所定速度で回転するとともに昇降する。

また石英ルツボ１２の外側は、石英ルツボ１２から所定の間隔をあけてヒータ１８により包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲される。ヒータ１８により石英ルツボ１２内に充填されたシリコン原料が溶解されてシリコン融液１３になる。

またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２１が接続され、このケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２は棒状のシリコン単結晶１５を回転させながら引上げるように構成される。

更にシリコン融液１３から引上げられたシリコン単結晶１５へのヒータ１８からの熱を遮蔽するために、シリコン単結晶１５の外周面が所定の間隔をあけて熱遮蔽部材２３により包囲される。チャンバ１１上部にはガス供給管２６が接続され、チャンバ１１底部にはガス排出管２７が接続される。このガス供給管２６からＡｒ等の不活性ガスが所定流量、チャンバ１１内に供給され、ガス排出管２７から排出される。

このように構成された引上げ装置１０を用い、ＣＺ法により単結晶を引上げる場合、まず石英ルツボ１２内にシリコン原料を充填し、真空ポンプ等を駆動させてチャンバ１１内を所定圧力に設定するとともに、ガス供給管２６からチャンバ１１内に所定流量の不活性ガスをキャリアガスとして導入する。次にヒータ１８に電流を供給して石英ルツボ１２を加熱し、シリコン融液１３を形成する。

次に引上げ手段２２先端に取り付けられた種結晶２５をシリコン融液１３表面に接触させた後、石英ルツボ１２を所定速度で回転させながら引上げ手段２２により引上げ、シリコン単結晶１５を育成させる。

近年、引上げられるシリコン単結晶の大型化が要望されており、これに伴い使用される石英ルツボも大型化されつつある。そのため、ヒータからの熱が伝わり難い石英ルツボ中心部付近の融液温度を一定の溶融温度に保つために、ヒータからの加熱量を増大させる必要がある。その結果、石英ルツボ壁周辺の融液温度が高くなり、シリコン融液と石英ルツボの反応が促進され、ＳｉＯ等のガス発生量が増大する。このため、従来の２５ｍｂａｒ以下の低圧の炉内圧力下でシリコン原料の溶解を行うと、融液中の気泡の浮力が高く、気体の溶解度も少ないため、ＳｉＯの蒸発が激しくなる。これにより、融液面上方に配置される炉内構造物へのＳｉＯ付着凝固量が増大し、これがシリコン単結晶の引上げ中、シリコン融液中に落下混入して単結晶中に取り込まれ、これが原因で単結晶の有転位化が発生するという問題が生じていた。

このような不具合を解消するため、１００ｍｂａｒ以上の高圧下で単結晶の引上げを行う方法もあるが、このような高圧下で単結晶の引上げを行った場合、シリコン融液中から気泡や不純物等が融液外へ逃げ難くなる。そのため、上述の蒸発するＳｉＯによる不具合は解消されるものの、シリコン融液中に存在する気泡等が、引上げられるシリコン単結晶に取り込まれ、ピンホールが発生したり、この気泡等に起因する有転位化が発生するという不具合が生じる。

このような問題を解決するため、多結晶シリコン原料の溶解を５〜６０ｍｂａｒの低圧で行い、溶解に続く単結晶の引上げを１００ｍｂａｒ以上の高圧で行うシリコン単結晶の引上げ方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、上記問題の解決に併せ、単結晶の歩留り低下を抑制することを目的として、多結晶シリコンを６５〜４００ｍｂａｒの炉内圧力で溶解し、そのシリコン融液からの単結晶の引上げを、溶解時の炉内圧力より低く、且つ９５ｍｂａｒ以上の炉内圧力で行うシリコン単結晶の製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。更に、原料溶解工程における引上げ炉内の圧力を溶解工程の前半で高く、溶解工程後半で低くする単結晶成長方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平０５−９０９７号公報（段落［０００３］〜［０００８］） 特開２０００−１６９２８７号公報（段落［０００７］〜［０００８］、段落［００１５］〜［００１８］） 特開２００２−３６２９９６号公報（請求項１）

しかしながら、シリコン単結晶に生じるピンホールの発生や有転位化が起こる原因には、上述した理由以外に、石英ルツボを製造する工程又は石英ルツボにシリコン原料を充填し溶解する際に石英ルツボの内壁表面に生じた傷等が挙げられる。この傷が起点となって発生し、成長する気泡がシリコン単結晶に生じるピンホールの発生や有転位化の起こる原因として考えられている。このような気泡に起因するピンホールや有転位化については、上記特許文献１〜３の発明によっても解決することは困難であり、シリコン単結晶に生じるピンホールの発生や有転位化を完全に抑制することは難しい。

本発明の目的は、シリコン単結晶に生じる有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減し得るシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、シリコン単結晶引上げ装置のチャンバ内に設置された石英ルツボにシリコン原料を溶解してシリコン融液を貯留し、石英ルツボに貯留したシリコン融液から棒状のシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶を製造する方法において、シリコン原料を充填する前に、石英ルツボ内部の底部に円盤状又は底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有する多結晶又は単結晶のシリコンブロックを配置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。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、シリコン単結晶を引上げる際に石英ルツボ内部の底部に配置したシリコンブロックが完全に溶解するシリコン単結晶の製造方法である。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、シリコン原料を充填する前に石英ルツボ内部の底部に配置したシリコンブロックが引上げるシリコン単結晶の直径の０．８倍以上の直径を有し、かつ石英ルツボの内壁の直径より小さい直径を有するシリコン単結晶の製造方法である。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、シリコンブロックが２以上の複数のシリコンブロックであるシリコン単結晶の製造方法である。

本発明によれば、シリコン原料を充填する前に、石英ルツボ内部の底部に円盤状又は底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有する多結晶又は単結晶のシリコンブロックを配置することにより、特に、石英ルツボの内壁表面に生じた傷から発生する気泡に起因する有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減することができる。

次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、シリコン単結晶引上げ装置のチャンバ内に設置された石英ルツボにシリコン原料を溶解してシリコン融液を貯留し、前記石英ルツボに貯留したシリコン融液から棒状のシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶を製造する方法に関する。

シリコン単結晶の有転位化やピンホールの原因は、シリコン融液中に存在するＳｉＯ、或いはチャンバ内にキャリヤガスとして導入されるＡｒガス等が考えられる。これらの気泡は、石英ルツボを製造する工程又は石英ルツボにシリコン原料を充填し溶解する際に石英ルツボの内壁表面に生じた傷が起点となって発生し、成長する。本発明は、このような、従来法では解決に至らなかった気泡に起因する有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減し得るシリコン単結晶の製造方法である。

本発明の特徴ある構成は、図２に示すように、シリコン原料３３を充填する前に、石英ルツボ１２内部の底部に円盤状又は底面が石英ルツボ１２の底面に沿った形状を有する多結晶又は単結晶のシリコンブロック３２を配置することにある。シリコンブロック３２を配置することにより、シリコン原料３３を充填し溶解する際に、石英ルツボ１２の内壁表面における傷の発生を防止する。シリコンブロック３２を配置しない場合には、上記傷が起点となって気泡が発生していたが、本発明により気泡の発生も成長もなくなり、引上げるシリコン単結晶の有転位化を抑制し、ピンホールの発生を低減することができる。

図１及び図３に示すように、シリコン単結晶の引上げを行う際、石英ルツボ１２に貯留されたシリコン融液１３には、石英ルツボ１２の回転や融液の対流により、大別して、石英ルツボ１２の内壁面に沿って上昇し、自由表面に向かう対流Ｇと、石英ルツボ１２底部から固液界面に向かってほぼ鉛直方向に向かう対流Ｐが発生する。

石英ルツボ１２の内壁表面に生じた傷から成長した気泡３１は、浮力により石英ルツボ１２内壁から離れて、シリコン融液中に生じる上記対流Ｐ及びＧの影響を受けながら上昇する。図３は、従来法によるシリコン単結晶の引上げ工程を説明する図であるが、この図３に示すように、上記傷が起点となって石英ルツボ１２の底部から多くの気泡が発生し、対流Ｐの影響を受けて上昇し、引上げられるシリコン単結晶１５に取り込まれる。

一方、本発明では、シリコン原料を充填する前に、石英ルツボ１２内部の底部にシリコンブロック３２を配置するため、シリコン原料を充填し溶解する際に生じる傷を防止する。そのため、図１に示すように、対流Ｐの影響を受けてシリコン単結晶１５に取り込まれる気泡３１が減少する。これにより、引上げられるシリコン単結晶１５に取り込まれる気泡３１が減少し、有転位化が抑制され、ピンホールの発生が低減される。

本発明において使用するシリコンブロックは、多結晶又は単結晶のシリコンである。多結晶又は単結晶のシリコンに限定される理由は、このシリコンブロックも溶解してシリコン単結晶の原料とするためである。またシリコンブロックの形状は、円盤状であるか又は底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有する形状である。シリコンブロックが円盤状であれば、設置して溶解する際に石英ルツボの内側を広くカバーすることができるため好適である。また、底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有すれば、石英ルツボの内壁に面で接触させることができるため、接触点でかかる圧力を分散できるため都合がよい。

また、シリコンブロックの直径は、引上げるシリコン単結晶の直径の０．８倍以上であり、かつ石英ルツボの内壁の直径より小さいことが好ましい。シリコンブロックの直径が引上げるシリコン単結晶の直径の０．８倍未満では、上記対流Ｐの影響を受けてシリコン単結晶に取り込まれる気泡を低減させる効果が十分に得られないからである。このうち、シリコンブロックの直径は引上げるシリコン単結晶の直径の０．８〜１．５倍であることが好ましい。シリコンブロックの厚さは、１〜５０ｍｍが好ましい。

また、石英ルツボの底部に配置するシリコンブロックは、単一のシリコンブロックに限らず、２以上の複数のシリコンブロックであっても良い。

次に、本発明のシリコン単結晶の製造方法を説明する。
図４に示すように、先ず、引上げ装置１０のチャンバ１１内に設置された石英ルツボ１２内部の底部に、上記シリコンブロックを配置して原料となるシリコン原料を充填させ、ヒータ１８によりこのシリコン原料を加熱、溶解してシリコン融液１３にする。シリコン融液の温度は１４００〜１５００℃が好ましい。また、シリコン原料の溶解時のチャンバ１１内の圧力は、好ましくは５〜１５０ｍｂａｒである。下限値未満では、真空排除能力の理由から好ましくなく、上限値を越えると炭素濃度が高くなるため好ましくない。シリコンブロックを配置することにより、シリコン原料の充填から溶解までの間に石英ルツボ１２内部の底部に生じる傷を低減させることができる。シリコン原料としては高純度のシリコン多結晶体が挙げられる。またシリコン多結晶体とともに必要に応じてドーパント不純物を石英ルツボ１２内に投入しても良い。

続いて駆動手段１７により支軸１６を介して石英ルツボ１２を好ましくは０〜１０ｒｐｍの速度で回転させる。そして図示しない引上げ用モータにより、引上げ手段２２を繰出して種結晶２５を降下させ、種結晶２５の先端部をシリコン融液１３に接触させる。その後種結晶２５を石英ルツボ１２とは逆方向に好ましくは５〜２５ｒｐｍの所定の回転速度で回転させながら、種結晶２５を、引上げ手段２２により徐々に引上げることにより、種結晶２５の下方に所定長さの棒状のシリコン単結晶１５を育成させる。引上げ時のチャンバ１１内の圧力は、好ましくは５〜１５０ｍｂａｒである。下限値未満では、真空排除能力の理由から好ましくなく、上限値を越えると熱伝導が高くなるため好ましくない。

シリコン単結晶１５の育成では、先ず、シリコン融液１３に種結晶２５を接触して種絞り部を形成し、結晶径を徐々に増大させ、コーン部、肩部を形成し、定形の直胴部の引上げに移る。引上げ育成に従い減少する融液面の高さを考慮しながら、引上げ速度と融液温度を制御して結晶成長速度を最適化する。直胴部を形成した後は、結晶径を徐々に小さくし、テール部を形成する。配置したシリコンブロック３２は、シリコン原料が完全に溶解する時点でシリコン融液１３に完全に溶解する。

次に、テール部を形成した後は、ヒータ１８により加熱している状態で、図示しない引上げ用モータの駆動を止めてシリコン単結晶１５の引上げを停止するとともに、駆動手段１７により支軸１６を介して石英ルツボ１２を一時的に下降させることにより、シリコン融液１３とシリコン単結晶１５とを切り離す。そして、ヒータ１８の電力を切断して引上げ装置１０内で所定の時間維持し、炉内温度を低下させることによりシリコン単結晶１５を冷却し、冷却したシリコン単結晶１５を引上げ装置１０から取出す。

以上の工程により、有転位化が抑制され、ピンホールの発生が少ないシリコン単結晶が製造できる。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
先ず、引上げ装置のチャンバ内に設置された直径６００ｍｍの石英ルツボ内部の底部に、シリコンブロックを配置して原料となるシリコン原料１５０ｋｇを充填させ、ヒータによりシリコン原料を加熱、溶解してシリコン融液とした。同時にシリコンブロックも完全に溶解した。このときのチャンバ内の圧力は４０ｍｂａｒとした。また、配置したシリコンブロックには、直径が２００ｍｍ、厚さが１０ｍｍであり、底面が石英ルツボの底面に沿った形状を有する多結晶のシリコンブロックを用いた。
次に、炉内圧力を４０ｍｂａｒに設定して、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引上げて製造した。同一条件で計３００本のシリコン単結晶を製造した。

＜実施例２＞
配置したシリコンブロックに、直径が２００ｍｍ、厚さが１０ｍｍの円盤状のシリコンブロックを用いたこと以外は実施例１と同様に、シリコン単結晶を製造した。同一条件で計３００本のシリコン単結晶を製造した。

＜比較例１＞
石英ルツボ内部の底部にシリコンブロックを配置しなかったこと以外は、実施例１と同様に、シリコン単結晶を製造した。同一条件で計３９９本のシリコン単結晶を製造した。

＜比較試験及び評価１＞
実施例１，２及び比較例１で製造したシリコン単結晶について、有転位化率及びピンホール発生率を評価した。その結果を以下の表１に示す。具体的には、有転位化率については、シリコン単結晶側面に存在する晶壁線がボトムまである場合は、ボトム位置からスライスして得られた厚さ１ｍｍのシリコンウェーハ１枚について、選択エッチング法にて転位起因のピットが観察されるか検査する。転位ピットがある場合有転位化していると判断し、さらに上方(トップ)側からスライスして得られた厚さ１ｍｍのシリコンウェーハについて、選択エッチング法にて転位ピットがあるかどうか検査して、転位ピットの無くなる位置、つまり有転位化していない位置を求める。有転位化率は有転位した位置以降の結晶重量を石英ルツボに充填させた重量で割った値と定義した。

シリコン単結晶側面に存在する晶壁線が直胴途中で消えた場合、その位置からスライスして得られた厚さ１ｍｍのシリコンウェーハ１枚について、エッチング法にて転位ピットがあるかどうか検査する。転位ピットがある場合有転位化していると判断し、さらに上方からスライスして得られたシリコンウェーハについて、選択エッチング法にて転位ピットがあるかどうか検査して、有転位化していない位置を求める。この値から１本のシリコン単結晶中の有転位化率を推定し、実施例１，２及び比較例１それぞれで製造したシリコン単結晶の総数の平均値を求めた。また、ピンホール発生率については、シリコン単結晶のブロックからスライスして得られた厚さ０．８ｍｍのシリコンウェーハ両面の外観について全数目視確認しピンホールの有無を検査し、ピンホールが１個以上発見された場合を不良ロットとした。実施例１，２及び比較例１それぞれで製造したシリコン単結晶本数に対する有転位化率とピンホール不良ロットのあった結晶本数の割合をピンホール発生率とした。

表１から明らかなように、実施例１，２と比較例１を比較すると、シリコンブロックを配置した実施例１，２では、シリコンブロックを配置しなかった比較例１に比べ、有転位化率、ピンホール発生率が大幅に改善されていることが確認された。

本発明によるシリコン単結晶の引上げ工程を説明する図である。 本発明の製造方法の一工程を説明する図である。 従来法によるシリコン単結晶の引上げ工程を説明する図である。 シリコン単結晶の引上げ装置の断面構成図である。

符号の説明

１２ 石英ルツボ
１３ シリコン融液
１５ シリコン単結晶
３２ シリコンブロック

Claims (4)

1. シリコン単結晶引上げ装置のチャンバ内に設置された石英ルツボにシリコン原料を溶解してシリコン融液を貯留し、前記石英ルツボに貯留したシリコン融液から棒状のシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶を製造する方法において、
   前記シリコン原料を充填する前に、前記石英ルツボ内部の底部に円盤状又は底面が前記石英ルツボの底面に沿った形状を有する多結晶又は単結晶のシリコンブロックを配置することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. シリコン単結晶を引上げる際に石英ルツボ内部の底部に配置したシリコンブロックが完全に溶解する請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. シリコン原料を充填する前に石英ルツボ内部の底部に配置したシリコンブロックが引上げるシリコン単結晶の直径の０．８倍以上の直径を有し、かつ石英ルツボの内壁の直径より小さい直径を有する請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. シリコンブロックが２以上の複数のシリコンブロックである請求項１ないし３いずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法。

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