JP3132412B2 - 単結晶引き上げ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転引き上げによ
る単結晶成長方法、すなわち半導体材料として使用され
るシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料に用いられるシリコンの単結
晶の製造手段として、回転引き上げ法すなわちチョクラ
ルスキー法（ＣＺ法）は、種々の改善改良が加えられ、
工業的量産の場で広く活用されている。

【０００３】図１は、ＣＺ法による単結晶製造装置の原
理を、模式的に示したものである。ここで、原料となる
シリコンは、有底円筒形の石英るつぼの中に溶融状態に
あり、単結晶をその底面が溶融シリコン液の表面と接し
た状態にして回転させ、底面に凝固成長する速度にあわ
せて上方に引き上げ、成長させて所要寸法の単結晶を得
る。溶融液を入れる石英るつぼは、有底円筒状の外側支
持用黒鉛るつぼの内側に嵌合されており、このるつぼ
は、全体を中心軸の周りに回転させることができ、さら
に上下に移動させることができる。るつぼの中心軸上方
には、中心軸の周りに回転でき、そして上方に引き上げ
可能なワイヤからなる引き上げ装置が付いている。るつ
ぼの外側には、加熱用の電熱ヒーター、およびさらに外
側に保温材が同心円状に配置され、これら全体は外気を
遮断できるチャンバー内に設置されて、ＣＺ法の回転引
き上げ装置が構成されている。

【０００４】この装置による通常の単結晶製造方法は、
まず、原料となる高純度の多結晶シリコンを所要量るつ
ぼ内に装荷し、減圧下アルゴンなどの不活性雰囲気中で
電熱ヒーターにより高温に加熱し溶融する。溶融液の表
面温度を調整後、引き上げ装置の先端に取り付けた種結
晶を溶融液表面に接触させ、回転しつつ引き上げること
によりまず細長いネック部を形成させる。次に引き上げ
速度および温度を調節して所定の直径の定径部まで増径
させ、その後は結晶成長にあわせて回転させつつ上方に
引き上げることによって一定径の単結晶を成長させる。
所定重量に達した単結晶は、定径部から結晶直径を次第
に細くしていき、最後に直径をゼロにして溶融液から切
り離す。

【０００５】このようなＣＺ法は、空孔や転位など結晶
欠陥ができるだけ少なく、均質なそして大型の単結晶を
安定して製造するための、様々な工夫がなされている。
例えば、引き上げる結晶を中心軸周りにゆっくり回転さ
せ、同時に溶融液を満たしたるつぼも結晶とは逆方向に
回転させたり、引き上げにワイヤを用いたり、炉内雰囲
気を不活性ガスの減圧下として発生するＳｉＯガスを排
除したりすることなどである。

【０００６】半導体用シリコン単結晶としては、結晶欠
陥のないことに加えて、さらに不純物の偏析のないこと
もきわめて重要である。とくに不純物の一つである酸素
は、多すぎると結晶の欠陥の原因となる。しかし、ウエ
ハからデバイスを作製する過程において、熱処理による
歪みを抑止し、欠陥のない正常な表面を作り出すため
に、一定レベルの含有が必要である。また、単結晶には
シリコンウエハの電気抵抗率や電導型を定めるため、特
定の不純物元素（ドーパント）を添加する必要があり、
この不純物も、偏析することなく単結晶全体に均一に分
布していなければならない。

【０００７】酸素は、主としてるつぼに用いる石英から
溶けだして溶融液中の濃度が高くなる一方、シリコンの
溶融点以上の温度ではＳｉＯガスの蒸気圧が高いため、
減圧下の溶融液表面から排除される。溶融液中の酸素は
拡散によって移動するものもあるが、多くは溶融液の熱
対流に乗って移動する。大きな熱対流は、るつぼ表面を
洗い、溶融液表面に上昇した後、引き上げられつつある
単結晶と溶融液との界面に達するものである。この場
合、るつぼ表面から供給される酸素量、表面で失われる
酸素量、および結晶に取り込まれる酸素量がバランスす
れば、成長方向に均一な酸素濃度分布を有する単結晶が
得られる。しかしながら現実には、結晶やるつぼの回転
に伴う層流、あるいは表層のマランゴニ対流などの影響
を受け、熱対流を定常的かつ均一にするのは容易ではな
い。このため、酸素の均一な濃度分布の単結晶を得るの
は困難であり、結晶の酸素レベルが、要望する範囲を外
れていたりする。

【０００８】結晶中の酸素の量を制御し、さらに濃度分
布を均一にするため、例えば、特開昭56-104791号公報
や特開昭56-45889号公報に提示されたように、るつぼ内
の溶融液に磁場を印加する方法がある。これは、磁場に
垂直な方向に移動する導体は、生じた誘導電流により、
逆向きの力（ローレンツ力）を受けるという原理を利用
している。るつぼに対し横から水平方向の磁場を印加す
れば、熱対流の上下方向の移動が妨げられて、るつぼ側
壁の表面に沿う流れを抑制するため酸素の混入を抑止で
き、水平方向の流れは拘束されないので、融液表面から
の酸素排除は十分に行われ、結晶に取り込まれる酸素量
を低減できるというものである。

【０００９】水平方向に磁場を印加する方法の他、例え
ば、特開昭57-149894号公報には結晶の引き上げ方向す
なわち垂直方向の磁場を印加する方法が開示され、さら
に特公平8-22797号公報には、垂直の磁場を溶融液表面
位置において、引き上げの中心軸周りが強く、るつぼ壁
近傍ではほぼ０の分布とする発明が提示されている。ま
た、特公平2-12920公報には、るつぼの上下に同極対向
磁石をおき、溶融液に対し軸対象的かつ放射状のカスプ
磁場を作り、単結晶引き上げをおこなう方法が提示され
ている。

【００１０】このような磁場の印加は、溶融液の攪拌を
抑制するものであり、酸素のように、るつぼ壁からの混
入と溶融液表面からの排出といった、るつぼ内の特定の
場所により生じる現象が異なる場合には効果的に活用で
きる。しかしながら、温度の均一化や、ドーパントなど
不純物の濃度分布の均一化には、必ずしも有効に作用す
るとは限らない。

【００１１】ドーパントとなる不純物元素は、液相と固
相が共存する場合、固相中の濃度（Ｃ_S）と、液相中の
濃度（Ｃ_L）とは異なっていて、その濃度比は温度と液
相中濃度が定まれば、平衡状態では一定値を示す。現実
の単結晶引き上げでは、平衡状態とは多少ずれがある
が、通常、シリコンに用いられるドーパントの場合、そ
の実効偏析係数Ｋ_E＝（Ｃ_S／Ｃ_L）は１よりも小さい。
すなわち、成長する単結晶中の濃度は溶融液中の濃度よ
りも低い。このため、結晶が成長し、溶融液が減少して
いくにつれて、溶融液中のドーパント分の濃度が増加し
ていき、成長させた結晶の後方になるほどドーパント濃
度が増すという傾向がある。必要とする電気的特性を具
備する単結晶部分をより多く採取するには、ドーパント
の成長方向に沿った濃度変化をできるだけ小さくする必
要がある。水平方向に磁場を印加する方法は、酸素濃度
の低減や特定濃度範囲への制御に有効であり、不純物濃
度分布の均一化にも効果があるとされているが、凝固時
の偏析によるドーパントの成長方向に沿った濃度変化は
避けがたい。また、回転引き上げ軸に対しては非対称で
あることから、回転周期性の不純物のミクロ的不均一性
があるとも言われている。

【００１２】垂直方向の磁場を印加する方法は、るつぼ
側壁に沿った対流やるつぼ底からの上下流の抑止作用が
小さく、その上溶融液表面での水平方向の流動が拘束さ
れて酸素が排出された溶融液の結晶成長界面への流入が
抑止されるため、酸素濃度が高くなり、また得られた結
晶の酸素濃度の均一性もよくない。しかし、結晶成長面
近傍の結晶の回転による溶融液流動が抑制されるので、
実効偏析係数が１により近づくという効果が得られ、こ
のためにドーパントの成長方向に沿った濃度変化が小さ
くなって、目標抵抗率を満足する部分が増し、歩留まり
が向上する。

【００１３】カスプ磁場を印加する方法は、溶融液面近
傍における垂直方向の磁場を零に近づけて、溶融液の流
動は拘束しないと同時に、るつぼ壁に沿った熱対流など
流動を拘束しようとするものであり、酸素の低減と、結
晶回転の効果が十分生かされる。しかしながら、ドーパ
ントの成長方向に沿った濃度変化は磁場を印加しないＣ
Ｚ法と同程度と思われる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】引き上げ結晶中の酸素
濃度の制御を主眼とした磁場印加による結晶成長法は、
以上にその主要例を説明したように、いくつかの方法が
あり、それぞれ特徴をもっている。本発明の課題とする
ところは、単結晶の品質改善のための磁場印加法を活用
し、健全かつ均質な単結晶を歩留まりよく、かつより速
い速度で引き上げる方法を提供することにある。引き上
げ速度の高速化により生産性が向上し、高品質の単結晶
をより低コストで製造することが可能になる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、単結晶の
品質の健全性を失うことなく、歩留まりを向上させ、そ
の引き上げ速度を増大させるための手段の検討をおこな
った。まず引き上げ速度の増加には、溶融液の温度を下
げる必要がある。ところが溶融液の温度を下げていく
と、結晶の非軸対称的な成長を誘発し、変形した単結晶
となりやすい。同時に、溶融液の表面で微細な結晶の晶
出を生じるようになり、健全な単結晶の引き上げを困難
にする。

【００１６】これらの問題に対し、中央部にある単結晶
の成長界面近傍の温度は、成長速度を増すために低くす
るが、溶融液表面では、るつぼ壁に近づくほど高くなる
ような温度勾配を付けることによって対処できることが
確認された。るつぼ壁に囲まれた円盤状の溶融液の表面
において、周辺近傍の温度を高くし、中央部の温度を低
くする温度勾配は、昇温途中の過程では生じさせること
ができる。しかしながら、るつぼの外側からの入熱によ
り溶融液の温度が上昇し、さらに表面での熱対流等があ
るので、結晶の引き上げ期間を通じて中央部の温度を一
定に保ちつつ温度勾配を確保するという、安定した定常
状態を維持することは容易ではないと考えられた。

【００１７】ＣＺ法にて、磁場印加の目的は対流の抑制
にある。対流を抑制すれば溶融液中での熱の伝達は伝導
が主体となり、温度勾配を大きくし得る。そこで、とく
に水平方向の溶融液流動を抑止できる、垂直磁場印加の
活用を検討することにした。その結果、垂直磁場印加に
より、溶融液の表面温度について、中央部が低くしかも
一定の温度に維持しつつ周辺のるつぼ壁に近い部分ほど
温度を高くなる温度勾配が実現できることが明らかにな
った。これは溶融液の水平方向の対流が抑止され、るつ
ぼの外周近くに設置されたヒーターからの熱の伝達が、
伝導主体になったためと考えられた。

【００１８】さらに垂直磁場の印加は、ドーパントなど
不純物の結晶成長方向の濃度分布を均一にする効果があ
る。これは垂直磁界によって、結晶回転に基づく水平方
向の溶融液の流動が拘束され、固化に伴って不純物が濃
化した成長界面近傍の溶融液が容易に排除されず、垂直
磁場のない場合に比較して実効偏析係数が、大幅に１に
近づくためである。その結果として、結晶成長方向の抵
抗率変化が小さくなり、所要の抵抗率範囲に入る部分の
歩留まりが向上する。

【００１９】このように垂直磁界の印加は、引き上げ速
度を増加できる条件を実現させ、しかも抵抗率均一化に
よる歩留まりを改善させるので、生産性の大幅向上に有
意である。しかしながら、結晶中の酸素濃度が、通常の
磁場を印加しないＣＺ法よりも高くなる傾向にあり、酸
素およびドーパントなどの不純物濃度が成長方向に直角
の結晶断面内での均一性がよくないと言う難点がある。
そこで、垂直磁場印加の特徴を生かし、その上で酸素の
濃度が制御でき、さらにドーパントなどの結晶断面内で
の均一性を向上させる方法を種々検討した。

【００２０】その結果、垂直磁場を印加するためのコイ
ルとは別に、溶融液面の上方に引き上げ軸と同一軸のコ
イルを設置し、そこに電流を流して逆方向の磁場を発生
させることが、きわめて効果的であることが明らかにな
った。この場合、溶融液の表面において、垂直方向の磁
場成分を中央部が小さく、るつぼ壁に近い周辺部が高く
なるような磁場の状態にする。それによって、酸素の濃
度の制御が可能となり、酸素やドーパントの断面内の均
一性を向上させることができたのである。

【００２１】垂直磁場の中で、溶融液面の位置における
中央部、すなわち単結晶の成長界面とその近傍の磁場垂
直成分を小さくし、周辺を高くするように逆磁場を印加
する場合、液面の周辺および全溶融液の大部分は垂直磁
場に支配されており、引き上げ速度増加に好ましく、抵
抗率均一化が可能という効果もある程度維持される。そ
の上で、成長界面とその近傍において溶融液の水平方向
の流動が容易になるので、酸素の低減、およびドーパン
トなど不純物の成長界面での均一化がおこなわれたため
と考えられた。

【００２２】以上のように本発明の要旨は、磁場発生用
のコイルの磁化方向を中心軸と一致させて垂直方向に磁
場を印可するＣＺ法による単結晶製造装置において、溶
融液面より上方に引き上げ軸と同軸の別コイルを配置し
逆方向の磁場を発生させることにより、溶融液表面にお
ける磁場の垂直成分の強さ分布を、るつぼ中心付近の溶
融液の固液界面近傍は低く、るつぼ壁周辺は高くするこ
とを特徴とする、単結晶引き上げ方法である。

【００２３】この方法によりＣＺ法にてシリコンの単結
晶の引き上げをおこなえば、成長方向に直角の断面にお
ける酸素やドーパントなどの不純物の濃度分布が均一
で、成長方向の抵抗率の変動も少ない結晶を、従来より
も高速で製造することが可能である。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の方法は、垂直方向磁場印
加によるＣＺ法を基本とする。シリコン単結晶引き上げ
の際の溶融液に対し、垂直方向の磁場を印加する方法
は、1個又は複数の磁場発生用の円筒状に巻かれたコイ
ルを、その中心軸を単結晶引き上げの回転軸又はるつぼ
回転軸と一致させ、るつぼ位置ないしはるつぼを中心と
する上下位置に配置し、直流電流を流して磁場を発生さ
せる。複数のコイルの場合はいずれのコイルも磁化方向
が一致するように電流を流す。

【００２５】図２は、本発明の実施形態の一例を示す模
式図である。この図を用いて本発明の方法を説明する。
るつぼの上方および下方に設置されたコイル6aおよびコ
イル6bに同一方向の磁場が発生するように電流を流せ
ば、両コイルの間に、中心軸に平行で、かつ中心軸に直
角な断面における磁束密度の比較的均一な磁場が発生す
る。この状態で溶融液を入れたるつぼおよび得られた単
結晶を回転しつつ引き上げ成長させるのが、垂直方向磁
場印加によるＣＺ法である。これに対し本発明では、垂
直磁場を発生させるコイルとは別に、溶融液上方の垂直
磁場の域内に同一の中心軸を持つコイル12を配置し、周
囲とは逆の磁場を発生させる。

【００２６】コイル12により発生させる逆磁場の強さ
は、磁場の垂直成分が溶融液の液面の位置において、中
央部が低く、周辺のるつぼ壁に近づくほど高くなるよう
にする。磁場の垂直成分の分布状態は、コイル12の位
置、大きさおよび発生させる逆磁場と、元になる垂直磁
場強さとの関係により、様々に変化するので、それらを
調整し、中央部が低く周辺部が高くなるようにしなけれ
ばならない。液面位置の垂直磁場をこのように設定する
ことにより、溶融液の大部分は垂直磁場が印加された状
態が維持される。これにより溶融液表面にてるつぼ壁近
傍の温度が高く、中央部は低くでき、溶融液温度を低く
しても単結晶の変形や微細結晶の析出が抑止されるの
で、引き上げ速度の増加が可能である。一方、引き上げ
単結晶の周辺の融液表面、および成長界面近傍は磁場の
垂直成分が低く、結晶の回転による溶融液の流動によ
り、脱酸素がおこなわれると共に酸素やドーパントなど
の成長方向直角断面の均一化が実現できる。

【００２７】

【実施例】図２に模式的に示した装置にて、16インチφ
のるつぼを用い、チャージ量70kgとし、ドーパントとし
てＰを添加して目標抵抗値が10Ωcmの、径が6インチ
φ、長さ1300mmの単結晶を引き上げ育成をおこなった。
その際、通常の磁場の無いＣＺ法の場合、垂直磁場を印
加した場合、および本発明の垂直磁場に溶融液上方から
逆磁場をかけ、液面中央部の垂直磁場を周囲より低くし
た場合、の三者を比較した。

【００２８】垂直磁場による引き上げの場合は、図２に
おいてコイル6aおよび6bにより磁場を印加した。コイル
巻線の中心位置の直径は600mmで、溶融液面に対し6aは4
00mm上方、6bは400mm下方に設置した。本発明の方法の
場合、さらにコイル12により逆の磁場を導入するが、そ
のコイル巻線の中心位置は、直径が400mmで、コイル6a
と同一平面に配置した。励磁電流を調節して逆方向の磁
場を印加することにより、垂直方向の磁場の溶融液表面
における分布を変えることができる。まず、磁場を印加
しない通常のＣＺ法にて、単結晶引き上げ条件を選定し
た。結晶回転を15rpm、逆方向のるつぼ回転を5rpmと
し、健全な単結晶が得られる限界の引き上げ速度を求
め、そのときの条件を基準とした。垂直磁場をコイル6a
および6bにより印加した場合の引き上げ試験は、溶融液
の表面温度を放射温度計により計測して、るつぼ壁近傍
の温度は磁場印加のない場合と同等の温度とし、単結晶
近傍の温度を低下させて、引き上げ速度の増加を検討し
た。その結果、強さ0.2Ｔの垂直磁場印加により、るつ
ぼ壁近傍の温度に対し、単結晶近傍の温度を5〜10℃低
くすることが可能になり、引き上げ速度を磁場のない場
合の２倍に増加しても、十分健全な単結晶が得られるこ
とが確認された。

【００２９】次に、本発明の垂直磁場をコイル6aおよび
6bにより印加し、かつコイル12により逆方向の磁場を導
入し、溶融液表面位置における垂直磁場の強さを、るつ
ぼ中央部にて0.002Ｔ、周辺部にて0.2Ｔとした。この状
態にて、垂直磁場のみの場合と同等の表面の温度勾配が
得られることがわかったので、垂直磁場のみの場合と同
様、引き上げ速度を磁場のない場合の２倍として成長を
おこなわせ、十分健全な単結晶の得られることを確認し
た。

【００３０】表１にこれら３種の引き上げ方法による単
結晶の調査結果を示す。これらの数値は、得られた単結
晶の中央部で調査したものであり、通常のＣＺ法による
場合は６回、垂直磁場印加の場合は２回、本発明の方法
による場合は６回、それぞれ繰り返しおこなった結果の
平均値である。

【００３１】

【表１】

【００３２】これからわかるように、本発明の方法によ
れば従来のＣＺ法による場合に比較し、引き上げ速度が
２倍になっても十分健全な単結晶が得られ、酸素量のレ
ベルおよび酸素含有量の面内均一性はほぼ同等である。
さらに、ドーパントとして添加したＰの実効偏析係数を
見ると、30％以上大きくなっており、抵抗値の歩留まり
が改善されている。

【００３３】

【発明の効果】本発明の方法によれば、均一性のすぐれ
た健全な単結晶を、より高速でかつ歩留まりよく製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の回転引き上げ法（ＣＺ法）による単結晶
製造装置の断面を、模式的に示した図である。

【図２】本発明の方法を実施する単結晶製造装置の断面
を、模式的に示した図である。

【符号の説明】

1a…るつぼ（石英部分）、1b…るつぼ（黒鉛部分）、2
…ヒータ、3…種結晶、4…溶融液、5…結晶、6a…垂直
磁場印加用コイル（上方）、6b…垂直磁場印加用コイル
（下方）、7…引き上げ用ワイヤ、8…チャンバ、9…プ
ルチャンバ、10…保温材、11…るつぼ支持軸、12…逆磁
場印加用コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁場発生用のコイルの磁化方向を中心軸と
   一致させて垂直方向に磁場を印可するＣＺ法による単結
   晶製造装置において、溶融液面より上方に引き上げ軸と
   同軸の別コイルを配置し逆方向の磁場を発生させること
   により、溶融液表面における磁場の垂直成分の強さ分布
   を、るつぼ中心付近の溶融液の固液界面近傍は低く、る
   つぼ壁周辺は高くすることを特徴とする、単結晶引き上
   げ方法。