JP2011526876A - アンバランス磁場及び同方向回転を用いた成長シリコン結晶の融液−固体界面形状の制御方法 - Google Patents

Abstract

融液−固体界面の形状を制御することを容易にする、シリコン結晶を成長させるシステムが開示されている。当該結晶成長システムは、チョクラルスキー法により単結晶を成長させる半導体融液を含む加熱された坩堝を有する。上記融液から引き上げられたシード結晶上においてインゴットは成長する。当該方法は、上記融液に対してアンバランスなカスプ磁場を付加する工程と、上記融液からインゴットを引き上げつつ、インゴット及び坩堝を同じ方向に回転させる工程と、を有する。

Description

半導体電子部品を製造するための大抵のプロセスにおける開始材料である単結晶シリコンは、一般的に、いわゆるチョクラルスキー法によって調製される。当該プロセスにおいて、多結晶シリコン若しくはポリシリコンは坩堝に導入され溶融され、シード結晶を溶融シリコンに接触させ、そして、単結晶（ここではモノクリスタルとも称する）インゴットを比較的緩やかな引上げにより成長させる。ネックの形成が完了した後、所望の若しくは目的の直径に達するまで、引上速度及び／又は融液温度を減少させることにより、結晶の直径を増大させる。その際、減少する融液レベルを補償しつつ引上速度及び融液温度を制御することにより略一定の直径を有する略円柱状本体を有する結晶を成長させる。当該成長プロセスの終盤近くであって坩堝から溶融シリコンが空になるまでに、結晶直径は徐々に減少しエンドコーンが形成されてしまう。典型的には、結晶引上速度及び坩堝に供給される熱が増加することによりエンドコーンが形成され、直径が小さくなりすぎると、結晶は融液から離れてしまう。

半導体グレード単結晶を調製するため、より詳細には、大きく実質的に欠陥の無い結晶を調製するためには、成長する結晶の外周エッジを含む固体界面の挙動を制御しなければならない。成長する結晶の固体界面はまた融液−固体界面とも称される。融液−固体界面の形状は、単結晶シリコンを作製するための適切なプロセスウィンドウを得るに際し、重要なファクターである。

したがって、結晶成長プロセスの改良された制御は、融液−固体界面の形状を制御し単結晶シリコンの製造のためのプロセスウィンドウを増加させることを容易にするため、望まれる。

一の側面では、単結晶成長システムにおいて結晶成長を制御する方法が提供される。当該結晶成長システムは、単結晶インゴットをチョクラルスキー法により成長させる半導体融液を含む加熱された坩堝を有する。融液から引き上げられるシード結晶上においてインゴットを成長させる。当該方法は、上記融液に対してアンバランスなカスプ磁場を付加する工程と、上記インゴットを上記融液から引き上げつつインゴット及び坩堝を同じ方向に回転させる工程と、を有する。

他の側面では、シリコン結晶を成長させるシステムであって、融液−固体界面の形状を制御することを容易にするシステムが提供される。当該結晶成長システムは、加熱された坩堝を有し、当該坩堝は、半導体融液を含む。当該半導体融液から単結晶インゴットをチョクラルスキー法により成長させる。融液から引き上げられるシード結晶上にてインゴットを成長させ、当該融液及びインゴットによりそれらの間において融液−固体界面が形成される。当該システムは、アンバランスなカスプ磁場を発生させるため坩堝の外部近くに配置された第１セットのコイル及び第２セットのコイルと、上記坩堝及び結晶が同じ方向に回転するように配置された坩堝駆動ユニット及び結晶駆動ユニットと、を有する。

図１は、結晶成長装置において、融液を含む坩堝に付加された軸方向（垂直方向とも称する）の磁場を例示するブロック図である。 図２は、結晶成長装置において、融液を含む坩堝に付加された水平（横方向とも称する）の磁場を例示するブロック図である。 図３は、結晶成長装置において、融液を含む坩堝に付加されたカスプ磁場を例示するブロック図である。 図４は、好ましい結晶成長システムのブロック図である。 図５は、好ましい融液−結晶界面を例示する。 図６は、好ましい融液−結晶界面を例示する。 図７は、結晶成長の間形成された融液フローセルの概略図である。 図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、バランスされたカスプ磁場の下での結晶成長の間の好ましい融液フローシミュレーション、好ましい温度フィールドシミュレーション、及び好ましい磁場ベクトルシミュレーションをそれぞれ示している。 図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは、アンバランスなカスプ磁場の下での結晶成長の間の好ましい融液フローシミュレーション、好ましい温度フィールドシミュレーション、及び好ましい磁場ベクトルシミュレーションをそれぞれ示している。 図１０は、２つの好ましい融液−固体界面の例示である。 図１１は、バランスされた磁場の存在下で結晶成長させるための好ましい欠陥遷移図である。 図１２は、アンバランスな磁場の存在下で結晶成長させるための好ましい欠陥遷移図である。 図１３は、結晶成長システム、例えば図４に示されたシステムにおいて結晶成長を制御するための好ましい方法のフローチャートである。

融液−固体界面の形状を制御することは、製造される単結晶の品質を決定する際の重要なファクターである。融液−固体界面の形状は、以下に限定される訳ではないが、温度、坩堝回転数、結晶回転数、及び結晶引上速度等のプロセスパラメーターに依存する。これらのプロセスパラメーターを決定することにより、融液−固体界面も決定される。好ましい実施の形態において、結晶成長プロセスの間付加される磁場は、また、上記融液−固体界面の形状に影響を与える。金属及び半導体金属において対流を安定化させるため、また、自然対流及び乱流を低減するため磁場を用いる。導電性の融液において対流を安定化させるために３つの従来タイプの磁場配置、つまり軸方向、水平方向、及びカスプ磁場が用いられる。

図１は、結晶成長装置において、融液２５を含む坩堝２３に付加される軸方向（垂直方向とも称される）の磁場を例示するブロック図である。軸方向磁場配置により、結晶成長の方向に対して平行な磁場が発生する。図１において、断面図に示された磁場コイル２１は、坩堝２３に対して磁場を提供する。図示されているように、坩堝２３は、シリコン融液２５を含む。結晶２７がシリコン融液２５から成長する。

図２は、結晶成長装置において、融液２５を含む坩堝２３に付加される水平（横方向とも称される）の磁場を例示するブロック図である。水平方向の磁場配置において、結晶成長方向に対して垂直な磁場を発生させるため、２つの磁気ポール２９が反対方向に配置される。

図３は、結晶成長装置において、融液２５を含む坩堝２３に付加されるカスプ磁場を例示するブロック図である。カスプ磁場配置は、軸方向磁場配置及び水平方向磁場配置の不備を解消するようにデザインされる。一対のコイル３１及び３３（具体的にはへルムホルツコイル）は、融液−固体界面３６の上下に同軸上に配置され、反対方向のカレントモードで操作され、融液表面３６近くの純粋な半径方向磁場成分と、融液２５の中心３８近くの純粋な軸方向磁場成分と、を有する磁場を発生させる。コイル３１及び３３によりそれぞれ発生する上部磁場４０と下部磁場４２との組み合わせにより、結果的に、軸方向及び半径方向のカスプ磁場成分となる。

好ましい実施の形態において、上記融液−固体界面の形状を変更するため、プロセスパラメーターを調整する。より詳細には、好ましい実施の形態において、上記融液−固体界面の形状に影響を与えるように磁場が付加される。好ましい実施の形態において、カスプ磁場がアンバランス化され、それにより、上記融液−固体界面の磁場の軸方向成分がより強くなり、融液フローが影響を受けカルマンセルが増強され、それにより融液−固体界面の深さが増加する。アンバランスなカスプ磁場の所望の効果は、結晶に対してより凹んだ形状を有する融液−固体界面が形成されることにある。

図４は、好ましい結晶成長システム１００のブロック図である。システム１００は半導体インゴットを作製するためチョクラルスキー結晶成長法を用いる。一般的に、結晶成長システム１００には、坩堝１０３を包囲する真空チャンバー１０１が含まれる。ヒーター１０５具体的には抵抗ヒーターは坩堝１０３を取り囲む。加熱及び結晶引上げの間、坩堝駆動ユニット（具体的にはモーター）１０７は、坩堝１０３を矢印で示すように、例えば時計回りに回転させる。また、坩堝駆動ユニット１０７は、成長プロセスの間、所望のように、坩堝１０３を上昇及び／又は下降させてもよい。融液レベル１１１を有するシリコン融液１０９は坩堝１０３内にある。オペレーション中、システム１００は、引上げシャフト若しくはケーブル１１７に取付けられたシード結晶１１５から開始して、単結晶１１３を融液１０９から引き上げる。引上げシャフト若しくはケーブル１１７の一端は、滑車（図４には不図示）を介してドラム（図４には不図示）に接続され、その他端は、シード結晶１１５及びシード結晶１１５から成長した結晶１１３を保持するチャック（図４には不図示）に接続される。

坩堝１０３及び単結晶１１３は、共通の対称軸１１９を有する。レベル１１１を所望の高さに維持するため、坩堝駆動ユニット１０７は、融液１０９が減少するにしたがって、坩堝１０３を軸１１９に沿って上昇させる。結晶駆動ユニット１２１は、同様に、坩堝駆動ユニット１０７が坩堝１０３を回転させる方向と反対の方向に（具体的には、反時計回りに）引上げシャフト若しくはケーブル１１７を回転させる。同方向回転を用いる実施の形態において、結晶駆動ユニット１２１は、坩堝駆動ユニット１０７が坩堝１０３を回転させる方向と同じ方向（具体的には、時計回りの方向）に引上げシャフト若しくはケーブル１１７を回転させてもよい。同方向回転は、同一回転とも称される。さらに、結晶駆動ユニット１２１は、結晶プロセスの間、所望のように、融液レベル１１１に対して結晶１１３を上昇及び下降させる。

チョクラルスキー単結晶成長プロセスにしたがって、所定量の多結晶シリコン若しくはポリシリコンが坩堝１０３に導入される。ヒーター電源１２３は、抵抗ヒーター１０５に電圧を印加し、絶縁体１２５は、真空チャンバー１０１の内壁を覆っている。ガス供給部１２７（具体的には、ボトル）は、真空ポンプ１５１によりガスが真空チャンバー１０１から除去されるにしたがって、アルゴンガスはガスフローコントローラー１２９を介して真空チャンバー１０１まで供給される。容器からの冷却水１３５が供給される外部チャンバー１３３は、真空チャンバー１０１を取り囲む。冷却ジャケット１３６が、抵抗ヒーター１０５と結晶１１３との間に配置される。好ましい実施の形態において、冷却ジャケット１３６は、融液−固体界面の形状に影響を与えうる（図５及び６に示されている）。より詳細には、ある実施の形態において、冷却ジャケット１３６を有しない場合、システム１００は、結晶１１３に対して凹状に形成された界面形状を形成しうる。上記凹部形状は、約３ミリメートル（３ｍｍ）の深さを有する。しかしながら、冷却ジャケット１３６を備えることにより、凹部形状の深さは、例えば、略５ミリメートル（５ｍｍ）まで増加しうる。

その際、冷却水は、冷却水返還用配管１３７へ排水される。典型的には、温度センサー、例えばフォトセル１３９（若しくはパイロメーター）は、融液１０９の表面において融液１０９の温度を測定し、直径トランデューサー１４１は、単結晶１１３の直径を測定する。コントロールユニット１４３等のプロセッサーは、フォトセル１３９及び直径トランデューサー１４１により発生する信号を処理する。コントロールユニット１４３は、プログラムされたデジタル若しくはアナログのコンピューターであってもよく、坩堝駆動ユニット１０７、結晶駆動ユニット１２１、ヒーター電源１２３、真空ポンプ１５１及びガスフローコントローラー１２９（具体的には、アルゴンフローコントローラー）を制御する。好ましい実施の形態において、システム１００は、上部ヒーターを有しない。上部ヒーターの有無により、結晶１１３の冷却特性が変わる。

好ましい実施の形態において、ソレノイドコイル１４５等の上部磁石、及びソレノイドコイル１４７等の下部磁石を、それぞれ、融液レベル１１１の上下に配置してもよい。好ましい実施の形態において、断面図に示されたコイル１４５及び１４７は、真空チャンバー１０１を取り囲み、その軸は対称軸１１９と共通する。上部コイル１４５及び下部コイル１４７は、別々の電源、つまり上部コイル用電源１４９と、下部コイル用電源１５１とを有する。これらのそれぞれは、コントロールユニット１４３に接続され、これにより制御される。

２つのソレノイドコイル１４５及び１４７に電流を反対方向に流し、磁場を発生させる。冷却水が冷却水返還用配管１３７を介して抜き出される前に、容器１５３は上部コイル１４５及び下部コイル１４７に冷却水を提供する。鉄によるシールド１５５は、迷走磁場を低減し発生する磁場の強さを増加させるために、コイル１４５及び１４７を取り囲む。

好ましい実施の形態において、システム１００により、デバイス製造において使用されるに適したシリコン結晶インゴットが作製される。好ましくは、システム１００は、実質的に一部若しくは全部が、実質的に、凝集真性点欠陥を有しないシリコン結晶１１３を作製するために使用してもよい。すなわち、作製された結晶１１３の実質的に一部若しくは全部は、約１×１０^４欠陥／ｃｍ^３未満、約５×１０^３欠陥／ｃｍ^３未満、約１×１０^３欠陥／ｃｍ^３未満の欠陥密度を有してもよく、さらに好ましくは検出可能な凝集真性点欠陥を有しなくてもよい。さらに、システム１００は、直径において約６０ナノメートル（ｎｍ）より大きい凝集欠陥を実質的に有しない結晶１１３を作製するために使用してもよい。

融液−固体若しくは融液−結晶界面の形状は、結晶成長の間、凝集真性点欠陥の形成が制限及び／又は抑制されるように制御される。図５及び６は、好ましい融液−固体界面を例示し、これは、融液表面１６１から延びる。融液１０９とシリコン結晶１１３との界面の形状は、結晶１１３に対して凹状であってもよいし（図６に図示）、若しくは凸状であってもよいし（図５に図示）、凹状及び凸状の両方のコンビネーション（”ガルウィング”形状とも称する）であってもよい。以下に記載するように、融液−固体界面の形状を制御することにより、容易に結晶成長欠陥が低減される。

好ましい実施の形態において、融液−固体界面の形状に作用を及ぼすため、融液対流が用いられる。対流とは、液体自身の移動による、当該液体内の熱の輸送プロセスを意味する。一般的に、２つのタイプの対流が存在する：自然対流及び強制対流。融液１０９の移動が、例えば、密度勾配を発生させるヒーター１０５の存在に起因する場合、自然対流が起こる。融液１０９の移動が、例えば、坩堝１０３における磁場等の外部からの刺激に起因する場合、強制対流が起こる。したがって、磁場を制御することにより、容易に、所望の融液−固体界面形状を形成することができる。

図７は、結晶成長の間に形成される融液フローセル２００及び２０２の概略図である。好ましい実施の形態において、結晶２０４は、坩堝２０８内に保持された融液２０６から引き上げられる。坩堝２０８は、上部２１０、下部２１２、及び坩堝壁２１４を有する。好ましい実施の形態において、結晶２０４及び坩堝２０８は、同じ方向に回転しつつ（すなわち、同方向回転）、融液フローセル２００及び２０２は、結晶２０４の成長の間、融液２０６内に形成される。より詳細には、融液２０６内に形成された２つのタイプのフローセルは、カルマンセル２００と浮揚セル２０２である。カルマンセル２００は、結晶２０４の真下に形成され、浮揚セル２０２は、坩堝壁２１４に沿って形成される。エックマンセル（図７には不図示）を含め異なるフローセルが反時計回りに形成される。エックマンセルが存在する場合、カルマンセル２００が存在する場合と異なり、融液−固体界面２１６の凹部の形成は容易とならない。

カルマンセル２００を増強することにより、容易に結晶２０４に対してより凹んだ形状の融液−固体界面２１６を形成することができる（図６に図示）。カルマンセル２００は、軸方向の磁場を付加すること若しくは付加されたカスプ磁場において軸方向磁場成分を増加させることのいずれかにより、より増強させることができる。また、軸方向磁場は、坩堝２０８の下部２１２において融液温度を増加させ、より多くの熱をもたらすという効果を有する。これにより、容易に、より窪んだ形状の融液−固体界面２１６を形成することができる。

好ましい実施の形態において、結晶成長プロセス中に付加されるカスプ磁場の軸方向成分を、上部磁場４０（図３に図示）及び下部磁場４２（図３に図示）をアンバランス化することにより、増加させる。いくつかの実施の形態において、バランスされたカスプ磁場は、ここでは、上部磁場４０（すなわち、コイル３１（図３には不図示）により発生させた磁場）が、実質的に、下部磁場４２（すなわち、コイル３３（図３には不図示））と実質的に同等の強度を有するカスプ磁場と定義される。反対に、いくつかの実施の形態において、アンバランスなカスプ磁場は、ここでは、上部磁場４０が、実質的に、下部磁場４２と異なる強度を有するカスプ磁場と定義される。さらに、バランスされたカスプ磁場は、融液３６の近くにおいて純粋な半径方向磁場成分を有する（図３図示）。対称的に、アンバランスなカスプ磁場は、融液表面３６近くにおいて純粋な半径方向磁場成分を有せず、むしろ融液表面３６近くに軸方向磁場成分を有する。例えば、第１コイルにより発生する第１磁場の強度を第２コイルにより発生する第２磁場の強度と比較すると、磁場強度は、例えばソースからの距離にしたがって変動するため、第１磁場強度は、ここで使用されているように上記第１コイルから距離Ｘのポイントにおいて測定し、第２磁場強度は、上記第２コイルから距離Ｘのポイントにおいて測定する。

好ましい実施の形態において、アンバランスなカスプ磁場は一定である。換言すれば、上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の比率は、結晶成長の間変動しない。一定な磁場比率により、容易に、融液表面３６近くにおいて軸方向磁場成分が維持される。他の実施の形態において、融液表面３６近くで軸方向磁場成分を所望の強度に維持することを容易にするため、上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の比率を結晶成長プロセスの間変動させる。上部コイル３１及び／又は下部コイル３３に供給される電流を調整することにより当該比率を変動させてもよい。さらに、アンバランスなカスプ磁場の軸方向磁場成分の強度を、異なる結晶成長ステージ及び／又は異なる結晶長さに対して容易に適合させるため、当該比率を時間及び／又は結晶長さの関数として変動させてもよい。

好ましい実施の形態において、上部磁場４０の強度、下部磁場４２の強度、及び／又は上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の比率は、少なくとも部分的に、アンバランスなカスプ磁場が融液フローセル（具体的には、カルマンセル２００及び浮揚セル２０２）に対して与える影響に基づいて決定される。上部磁場４０の強度及び／又は下部磁場４２の強度は、カルマンセル２００が強固になるように、及び／又は浮揚セル２０２が脆弱になるように、決定してもよい。さらに、上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の比率は、カルマンセル２００が強固になるように、及び／又は浮揚セル２０２が脆弱になるように、決定してもよい。

図８Ａ、８Ｂ、８Ｃは、バランスされたカスプ磁場の下での結晶成長の間における好ましい融液フローシミュレーション３００、融液２０６における温度の好ましい温度フィールドシミュレーション３１０、及び好ましい磁場ベクトルシミュレーション３２０をそれぞれ示している。例示された具体例において、上部磁場４０の強度（図３に図示）と下部磁場４２の強度（図３に図示）との磁場比率は１である。換言すれば、上部磁場４０の強度は、下部磁場４２の強度と実質的に等しい。例えば、バランスされたカスプ磁場の生成を容易にするため、上部コイル３１（図３に図示）及び下部コイル３３（図３に図示）の両方に、コイル３１及び３３において用いることができる最大電流レベルの４５パーセント（４５％）のレベルの電流を提供する。

図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは、アンバランスなカスプ磁場の下での結晶成長における好ましい融液フローシミュレーション３３０、融液２０６における温度の好ましい温度フィールドシミュレーション３４０、好ましい磁場ベクトルシミュレーション３５０をそれぞれ示している。図９Ｃに示されたアンバランスなカスプ磁場は、バランスされたカスプ磁場により生成された磁場（図８Ｃに図示）と比較して、軸成分が増加している。付加されたアンバランスな磁場の軸成分の増加は、特に融液−固体界面２１６近くにおいて顕著である。

例示された実施の形態において、上部磁場４０と下部磁場４２との磁場比率は、約０．６４である。より詳細には、例示された実施の形態において、上部磁場４０の強度は、下部磁場強度４２の強度の約０．６４倍である。より詳細には、いくつかの実施の形態において、上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の磁場比率は、０．１０〜０．９０であってもよい。他の実施の形態において、上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の磁場比率は、０．４０〜０．７０であってもよい。

一例として説明すると、磁場比率０．６４は、コイル３１及び３３において用いることができる最大電流レベルの約２９パーセント（２９％）のレベルの電流を上部コイル３１に提供し、コイル３１及び３３において用いることができる最大電流レベルの約４５パーセント（４５％）のレベルの電流を下部コイル３３に提供することにより、達成することができる。しかしながら、所望の磁場比率の発生を容易にするものであれば、上部コイル３１と下部コイル３３との適切な比率の電流レベルを上部コイル３１及び下部コイル３３に供給してもよい。

さらに、図８Ｂと図９Ｂとを比較すると、アンバランスなカスプ磁場を融液２０６に付加した場合、結晶２０４の真下においてより高温となることが分かる。いくつかの実施の形態において、バランスされた磁場の付加に比して、アンバランスなカスプ磁場により、約１〜５ケルビン、より好ましくは約３〜５ケルビン、結晶２０４の真下において温度が増加しうる。好ましい実施の形態において、図９Ｂにおいて結晶２０４の真下に集中してより高温となっていることは、坩堝２０８に対して与えられる熱エネルギーが増加することにより引き起こされる訳ではなく、むしろ、融液−固体界面２１６において、付加されたカスプ磁場の軸方向成分が増加することにより引き起こされる。融液フローシミュレーション（図８Ａ及び９Ａに図示）により、結晶形成プロセスの間に付加される磁場がアンバランスである場合、特に、上部コイル３１からの磁場強度が下部コイル３３からの磁場強度より低い場合により強いカルマンセルが形成されることが説明されている。

図１０は、２つの典型的な融液−固体界面３６０及び３６２を説明するものである。より詳細には、典型的な融液−固体界面３６０は、バランスされたカスプ磁場の存在下成長させた結晶の融液−固体界面の具体例である。対称的に、典型的な融液−固体界面３６２は、アンバランスなカスプ磁場の存在下成長させた結晶の融液−固体界面の具体例である。いくつかの実施の形態において、アンバランスなカスプ磁場を付加することにより、融液−固体界面３６２の形成が容易となる。融液−固体界面３６２は、融液−固体界面３６０より凹んでいる。凸状の界面、例えば、融液−固体界面３６０は、典型的な製造プロセスを可能とするプロセスウィンドウを提供しない。

具体的な実施の形態において、３００ミリメートル（３００ｍｍ）の直径を有する結晶を、アンバランスなカスプ磁場を付加した状態で成長させる。上述のように、概して結晶成長の間に付加されたカスプ磁場は、実質的に同一の強度の下部磁場及び上部磁場の両方を有する。具体的な実施の形態において、下部磁石は、上部磁石から発生する磁場よりも強い磁場を発生させる。例えば、下部磁石から発生する磁場の強度の２０パーセント（２０％）の磁場が発生するように上部磁石を維持してもよい。図１０に示す具体的な実施の形態において、融液−固体界面は、上記結晶を上記融液から取り出し界面形状を計測することにより、結晶長さ３００ｍｍにおいて、アンバランスなカスプ磁場条件の下測定される。

融液−固体界面３６２の形状を制御することは好ましく、より凹状の融液−固体界面（図６に図示）を得ることにより、容易に、結晶成長のためのプロセスウィンドウを増加させることができる。好ましい実施の形態において、界面形状が改善されるように（すなわち、結晶に対して、より凹状の界面が形成されるように）、プロセスパラメーターを変更してもよい。シード回転及び坩堝回転等のプロセスパラメーターを用いて、界面形状を変更してもよい。しかしながら、これらのパラメーターは、単独では、界面形状において大きな変化が引き起こされ、それにより、プロセスウィンドウにおいて大きな改良がもたらされる程は大きくない。好ましい実施の形態において、上述のように、シードと坩堝の同方向回転とともに、結晶成長の間付加されたカスプ磁場をアンバランス化することにより、さらに、容易に融液−固体界面の形状をさらに変更することができる。

図１１は、アンバランス化された磁場の存在下において成長させた結晶についての好ましい欠陥遷移図３８０である。図１２は、アンバランス化された磁場の存在下において成長させた結晶についての好ましい欠陥遷移図３８２である。プロセスウィンドウとも称される引上速度ウィンドウを決定するに際し欠陥遷移図３８０及び３８２を用いてもよい。欠陥遷移図３８０は、負のプロセスウィンドウ３８４を例示する。対称的に、欠陥遷移図３８２は、より平坦な欠陥輸送を有する増加したプロセスウィンドウ３８６を示す。

図１３は、結晶成長システム、例えば、結晶成長システム１００（図４に図示）において結晶成長を制御する好ましい方法のフローチャート４００である。より詳細には、図１３は、チョクラルスキー法により製造された単結晶インゴットの成長を制御するための好ましい方法を例示する。好ましい実施の形態において、結晶成長システムにおいて結晶成長を制御することには、インゴットの融液−固体界面の形状を制御することが含まれ、より詳細には、実質的に窪んだ融液−固体界面の形状を有するインゴット（図６に図示）の作製を容易にすることが含まれる。

ここに記載されているシステム及び方法は、２８インチのホットゾーン（すなわち、２８インチ坩堝）とともに使用されるように設計されている。しかしながら、ここに記載されている利益は、例えば３２インチのホットゾーン、２４インチのホットゾーン、及び２２インチのホットゾーンなどの他の如何なるサイズのホットゾーンに、ここに記載された当該システム及び方法を適用することによっても達成することができる。

上述のように、結晶成長システムは、半導体融液を含む加熱された坩堝を有する。当該半導体融液からインゴットが引き上げられる。融液から引き上げられたシード結晶上において当該インゴットは成長する。好ましい方法には、所望のアンバランスなカスプ磁場を得るため、結晶成長システムの上部コイルに付加する電流レベル及び下部コイルに付加する電流レベルを決定する工程４０２が含まれる。例えば、結晶成長システム１００の上部コイル１４５に付加する電流レベル（図４に図示）及び下部コイル１４７に付加する電流レベル（図４に図示）を、所望のアンバランスなカスプ磁場が得られるように、決定してもよい４０２。上部コイル１４５及び下部コイル１４７に印加される電流レベルは、半導体融液に付加された際、結果として得られる磁場４０（図３に図示）及び結果として得られる磁場４２（図３に図示）がカルマンセル２００（図７に図示）の強度を最大にすること、及び／又は浮揚セル２０２（図７に図示）の強度を最小にすることを容易にするように決定してもよい４０２。さらに、上部コイル１４５及び下部コイル１４７に印加される電流レベルを、結果として得られる上部磁場４０の強度及び結果として得られる下部磁場４２の強度との間の所望の比率が得られるように決定してもよい４０２。カルマンセル２００の強度が最大となり及び／又は浮揚セル２０２の強度を最小となるように上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との比率を決定してもよい。

好ましい方法には、また、融液にアンバランスなカスプ磁場を付加する工程４０４が含まれる。例えば、決定されたレベルの電流を、上部コイル１４５及び下部コイル１４７に印加する４０２。これにより、アンバランス化されたカスプ磁場が発生する。その後、アンバランス化されたカスプ磁場を融液に印加する４０４。好ましい方法では、また、インゴットを融液から引き上げつつ、インゴット及び坩堝を同じ方向に回転させる工程４０６が含まれる。ある実施の形態では、アンバランス化されたカスプ磁場を付加する工程４０４には、融液−固体界面の上側において上部磁場４０を、融液−固体界面の下側において下部磁場４２を付加することが含まれる。例えば、アンバランス化された磁場を、融液−固体界面１１１の上に配置された上部コイル１４５（図４に図示）及び融液−固体界面１１１の下に配置された下部コイル１４７により印加してもよい。好ましい実施の形態において、上部磁場４０の磁場強度は、下部磁場４２の磁場強度より弱い。より詳細には、ある実施の形態において、上部磁場４０の磁場強度は、下部磁場４２の磁場強度の５％〜５０％であってもよい。他の実施の形態では、上部磁場４０の磁場強度は、下部磁場４２の磁場強度の１０％〜３０％であってもよい。上部磁場４０の強度と下部磁場４２の強度との間の比率は、結晶成長システム１００をここで述べるように機能させることができる適切な比率であってもよい。

融液にアンバランスなカスプ磁場を付加する工程４０４には、付加された磁場の軸方向成分が、融液−固体界面において、付加された磁場の半径方向成分より大きくなるように上部磁場及び下部磁場を付加すること（図９Ｃに図示）が含まれる。

上述の結晶成長を制御する方法及びシステムは、費用効率がよく、より正確である。当該方法及びシステムは、チョクラルスキー法にしたがって成長させた単結晶インゴットの融液−固体界面の形状を制御することを容易にする。融液−固体界面の形状を制御することにより、単結晶シリコン製造のためのプロセスウィンドウの増加を容易にする。アンバランス化されたカスプ磁場の付加と、結晶及び坩堝の同方向回転と、を組み合わせることにより、結晶に対して概して凹状の形状を有する融液−固体界面の形成を容易にする。結晶に対して概して凹状の形状を有する融液−固体界面により、所望のプロセスウィンドウ及び欠陥遷移が提供される。

ここで例示され記載された方法の遂行の順序及び性能は、他に限定された場合を除いて、根本的なものではない。すなわち、他に限定された場合を除いて、如何なる順序で当該方法の各構成要素を実行してもよく、ここで開示されたもの以上の構成要件を含んでいてもよいし、それ以下の構成要件を含んでいてもよいことは、当業者によって予期されることである。

上述の方法及びシステム若しくはその実施の形態の構成要素を導入する際、冠詞”ａ”、”ａｎ”、”ｔｈｅ”、”ｓａｉｄ”は、１以上の構成要素が存在することを意味することを意図している。”含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”、”含有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”、及び”有する（ｈａｖｉｎｇ）”なる用語は、包括的であることを意図し、列挙された構成要素以外の付加的な要素が存在してもよいことを意味する。

本発明（ベストモードを含む）を開示するため、また、本発明を当業者が実行すること（装置若しくはシステムを作製及び使用すること、並びに包含する方法を実行することを含む）を可能とするため、当該明細書は具体例を用いる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者が思い至る他の具体例が含まれる。もしそれらが特許請求の範囲の文言と同じ構造的構成要素を含む場合、若しくは、それらが、特許請求の範囲の文言と非実質的に異なる場合を含め、特許請求の範囲の文言と同等の構造的構成要素を含む場合、そのような他の具体例は、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (20)

1. 単結晶インゴットがチョクラルスキー法により成長する半導体融液を含む加熱された坩堝を有し、当該半導体融液から引き上げられたシード結晶上にて単結晶インゴットを成長させる結晶成長システムにおいて結晶成長を制御する方法であって、
   アンバランスなカスプ磁場を上記融液に付加する工程と、
   上記インゴットを上記融液から引き上げつつ上記インゴット及び上記坩堝を同じ方向に回転させる工程と、を有する方法。
2. 上記のアンバランスなカスプ磁場を付加する工程には、融液−固体界面の上側に第１磁場を付加し、当該融液−固体界面の下側に第２磁場を付加することが含まれ、
   上記第１磁場の磁場強度は、上記第２磁場の磁場強度より弱いことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 上記第１磁場の磁場強度の、上記第２磁場の磁場強度に対する比率は、０．１０〜０．９０である請求項２記載の方法。
4. 上記のアンバランスなカスプ磁場を付加する工程には、上記融液−固体界面において、付加された磁場の軸方向成分が、付加された磁場の半径方向成分より大きくなるように、融液−固体界面の上側に第１磁場を付加し、当該融液−固体界面の下側に第２磁場を付加することが含まれる請求項１記載の方法。
5. 上記の融液−固体界面の上側に第１磁場を付加し、当該融液−固体界面の下側に第２磁場を付加する工程には、上記付加された磁場の、上記融液−固体界面における軸方向成分を維持することを容易にするため、一定の第１磁場及び一定の第２磁場を付加することが含まれる請求項４記載の方法。
6. 上記の融液−固体界面の上側に第１磁場を付加し、当該融液−固体界面の下側に第２磁場を付加する工程には、上記付加された磁場の、上記融液−固体界面における軸方向成分の所定の強度を維持することを容易にするため、第１磁場及び第２磁場の少なくとも１つの強度を変更することが含まれる請求項４記載の方法。
7. 結晶成長システムにおいて成長させる結晶を制御することには、上記インゴットの融液−固体界面の形状を制御することが含まれる請求項１記載の方法。
8. 上記の融液−固体界面の形状を制御することには、上記インゴットに対して実質的に窪んだ融液−固体界面形状を有するインゴットの作製を容易にすることが含まれる請求項１記載の方法。
9. 融液−固体界面形状の制御を容易にするシリコン結晶成長システムであって、
   当該シリコン結晶成長システムは、単結晶インゴットがチョクラルスキー法により成長する半導体融液を含む加熱された坩堝を有し、
   当該融液から引き上げられたシード結晶上にてインゴットが成長し、
   上記融液及び上記インゴットにより、それらの間に融液−固体界面が形成されるシリコン結晶成長システムにおいて、
   アンバランスなカスプ磁場を発生させるため、上記坩堝の外部に近接して配置された第１セットのコイル及び第２セットのコイルと、
   上記坩堝及び上記結晶を同じ方向に回転させるために配置された坩堝駆動ユニット及び結晶駆動ユニットと、を備えるシステム。
10. 上記第１セットのコイルは、上記融液−固体界面の上側に配置され、
    上記第２セットのコイルは、上記融液−固体界面の下側に配置され、
    上記第１セットのコイルは、第１磁場が発生するように構成され、
    上記第２セットのコイルは、第２磁場が発生するように構成された請求項９記載のシステム。
11. 上記第１セットのコイル及び上記第２セットのコイルは、上記融液−固体界面において半径方向成分より大きい軸方向成分を有する磁場を発生させるように構成された請求項１０記載のシステム。
12. 上記第１磁場の磁場強度は、上記第２磁場の磁場強度より弱いことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
13. 上記第１磁場の磁場強度の、上記第２磁場の磁場強度に対する比率が、０．１０〜０．９０である請求項１０記載のシステム。
14. 上記第１磁場の磁場強度の、上記第２磁場の磁場強度に対する比率が、０．４０〜０．７０である請求項１０記載のシステム。
15. 上記第１セットのコイルは、第１レベルの電流により作動し、上記第２セットのコイルは、第２レベルの電流により作動する請求項９記載のシステム。
16. 上記第１レベルの電流は、上記第２レベルの電流より低い請求項１５記載のシステム。
17. 上記第１セット及び第２セットのコイルにより発生させたアンバランスなカスプ磁場は、上記坩堝駆動ユニット及び結晶駆動ユニットによりそれぞれ坩堝及び結晶を同じ方向に回転させるとともに、上記インゴットの融液−固体界面の形状を制御することを容易にする請求項９記載のシステム。
18. 上記インゴットの融液−固体界面の形状には、当該インゴットに対して、実質的に窪んだ融液−固体界面の形状が含まれる請求項１７記載のシステム。
19. 上記第１セット及び第２セットのコイルにより発生させたアンバランスなカスプ磁場は、上記坩堝駆動ユニット及び結晶駆動ユニットによりそれぞれ坩堝及び結晶を同じ方向に回転させることとともに、所望のプロセスウィンドウ及び欠陥輸送を有するインゴットを作製することを容易にする請求項９記載のシステム。
20. 上記第１セット及び第２セットのコイルにより発生させたアンバランスなカスプ磁場は、上記坩堝駆動ユニット及び結晶駆動ユニットによりそれぞれ坩堝及び結晶を同じ方向に回転させることとともに、結晶成長の間に形成されたカルマンセルを強固にすることを容易にする請求項９記載のシステム。

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