JP4013324B2

JP4013324B2 - 単結晶成長方法

Info

Publication number: JP4013324B2
Application number: JP10563898A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤原; 学西元; 洋森田; 宮本　　勇
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11278993A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いた単結晶引き上げによる単結晶成長方法に関し、更に詳しくは、引き上げ所定工程において０．２テスラ以下の比較的弱い水平磁場を印加して単結晶引き上げを行う単結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板に使用されるシリコン単結晶の製造方法には種々の方法があるが、工業的に広く使用されている方法は、回転引き上げ法であるＣＺ法である。この方法では、図４に示すように、坩堝１内に結晶用原料を投入し、減圧不活性ガス雰囲気中で結晶用のシリコン原料を、坩堝１の周囲に配設されたヒータ２により溶融して、坩堝１内にシリコンの溶融液１３を生成する。次いで、引き上げ軸５に吊り下げられた種結晶１５を溶融液１３に浸漬し、坩堝１及び引き上げ軸５を回転させつつ、引き上げ軸５を軸方向に引き上げて、種結晶１５の下方に単結晶１２を成長させる。
【０００３】
このＣＺ法では、種結晶１５に元から含まれる転位や、着液時の熱ショックで導入される転位を除去するために、引き上げ開始当初にネッキングと呼ばれる絞り工程を行う。絞り工程により結晶径が３ｍｍ程度まで細くされると、今度は結晶径を徐々に大きくし、最終的には製品径に収束させる。これにより、ネック部の下に肩部が形成され、更にその下に定径のボディ部が形成される。
【０００４】
ところで、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、坩堝１として、内側の石英坩堝１ａを外側の黒鉛坩堝１ｂで保持した二重坩堝が使用される。内側の石英坩堝１ａは、シリコン溶融液１３と接触することにより表面が溶けて、溶融液１３中に酸素を放出する。溶融液１３中に溶け込んだ酸素は、その一部が引き上げ中に単結晶１２中に取り込まれ、シリコンウエーハの品質に様々な影響を及ぼす。このため、このＣＺ法では、単結晶１２中に取り込まれる酸素量を制御することが必要となる。
【０００５】
このような酸素濃度制御を行う方法としては、例えば磁場印加を併用する方法がある。この方法は磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法：Ｍａｇｎｅｔｉｃ−ｆｉｅｌｄ−ａｐｐｌｉｅｄＣＺ法）と呼ばれ、溶融液に磁場を印加することにより、磁力線に直交する方向の溶融液対流を抑制し制御することができる。磁場の印加方法には幾つかの方法があるが、特に水平方向に磁場を印加するＨＭＣＺ法（ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＭＣＺ法）の実用化が進んでいる。水平磁場を印加する場合、一般には磁場強度が強くなるほど単結晶中の酸素濃度は低くなる傾向があるため、通常求められるような１２〜１６×¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）の酸素濃度を得るためには、０．２テスラ以下の比較的弱い磁場が使用される。この水平磁場は、単結晶引き上げ開始当初の絞り工程より印加される。
【０００６】
また最近では、ネック部の有転位化を防止するために、この磁場印加を利用することも考えられている。例えば、特開平０９−１６５２９８号公報には、ネック部での転位の除去効果を上げることを目的として、通常のＣＺ法における絞り工程で、１５００ガウス以上（０．１５テスラ）以上の磁場を限定的に印加し、溶融液表面の振動、温度変動を抑制することにより、２ｍｍ未満の細いネック部を切断なしに形成する技術が開示されている。一方、特開平１０−７４８７号公報には、磁場印加ＣＺ法における絞り工程で、磁場強度を２０００（０．２テスラ）以下に下げ、溶融液表面近傍の温度変動幅を５℃以上に増大させることにより、ネック部の無転位化を促進し、そのネック部を従来より太くしても無転位化を達成できる技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような０．２テスラ以下の水平磁場を使用するＨＭＣＺ法では、次のような問題がある。
【０００８】
この方法を直径７００ｍｍ以上の大径坩堝による直径２００ｍｍ以上の大径単結晶の引き上げに適用すると、肩部を形成するための増径工程で有転位化が頻発するという問題がある。なぜなら、磁場強度が弱い場合は、溶融液を制止する力が弱いために、定常の低坩堝回転数では自然対流が優勢となり、石英坩堝の底から異物を直接固液界面まで輸送する流れが存在し、有転位化が生じやすくなるのである。このため、安定な引き上げが困難となる。
【０００９】
この問題を解決するためには、絞り工程から増径工程にかけて坩堝回転数を高め、石英坩堝の底から異物を直接固液界面まで輸送する流れを弱めるのが有効である。しかし、坩堝回転数を高めると、磁場強度が弱い状態とはいえ、溶融液が制止されているために、溶融液と坩堝壁の摩擦作用により溶融液の温度変動が大きくなるため、安定した絞りが困難となり、ネック部の径変動が大きくなる結果、大重量保持が困難になるという問題が発生する。
【００１０】
この問題に対し、特開平０９−１６５２９８号公報及び特開平１０−７４８７号公報では、絞り工程で坩堝回転数を増大させることが考慮されていない。また仮に、絞り工程で坩堝回転数を増大させても、特開平０９−１６５２９８号公報のように、絞り工程で積極的に磁場を印加した場合は、磁場により制止される溶融液と坩堝の相互作用が増長されるので、逆効果となる。特開平１０−７４８７号公報のように絞り工程で磁場強度を低下させた場合も、増径工程での有転位化を十分に抑制することができない。
【００１１】
また、磁場強度を変化させたり坩堝回転数を変化させる場合は、その変化によって溶融液の温度状態や流れが急変することも、引き上げの安定性を阻害する原因になる。
【００１２】
本発明の目的は、水平磁場を使用するＨＭＣＺ法において、絞りを含む引き上げの安定性を確保しつつ、増径工程での有転位化を効果的に抑制できる単結晶成長方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、坩堝内に充填した結晶用シリコン原料の溶融液に対して水平方向に磁場を印加した状態で、前記溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下方に単結晶を成長させるＣＺ法による単結晶成長方法において、転位を除去するための絞り工程から肩部を形成するための増径工程にかけて磁場を印加しない状態で引き上げを行うと共に、前記絞り工程および前記増径工程における坩堝回転数を５ｒｐｍ以上とし、前記増径工程からボディ部を形成するための定径工程へ移行する段階から水平方向に０．０３テスラ以上かつ０．２テスラ以下の磁場の印加を開始し、前記磁場の印加を開始した後に前記坩堝回転数を１ｒｐｍ以下の一定値に低下させることを特徴とする。
【００１４】
無磁場（磁場を印加しない状態）で引き上げを行うと、溶融液が坩堝の回転に追従し、両者の摩擦作用が弱くなるために、坩堝回転数を高めても安定な絞りが可能となる。このため、絞り工程から増径工程にかけて坩堝回転数を高めることが可能となり、これにより絞りの安定性を損なうことなく増径工程、即ち肩部での有転位化が抑制される。
【００１５】
無磁場で坩堝回転数を高めた場合、ボディ部を形成する定径工程を開始するまでに磁場印加を開始し、且つ、その坩堝回転数を、ボディ部を形成するための定常回転数に低下させる必要がある。このような引き上げ条件の変動期においては、前述したように、引き上げの安定性が阻害される。このため、磁場印加を開始する時期及び坩堝回転数を低下させるタイミングが重要となる。
【００１６】
これについて種々の調査を行った結果、無磁場の場合は坩堝回転数が小さくなるにつれて溶融液の表面温度が上昇するのに対して、磁場を印加した場合は坩堝回転数によらず、その表面温度がほぼ一定であることが判明した。図２は無磁場の場合と０．１テスラの磁場を印加した場合において坩堝回転数を低下させたときの溶融液の表面温度変動を調査した結果を示す。
【００１７】
図２から分かるように、無磁場の場合は坩堝回転数を１０ｒｐｍから１ｒｐｍへ段階的に低下させることにより、溶融液の表面温度は約１４０５℃から１４３０℃強に段階的に上昇する。これに対し、０．１テスラの磁場を印加した場合は、坩堝回転数を１０ｒｐｍから１ｒｐｍへ段階的に低下させても、溶融液の表面温度は当初より約１４３０℃前後に保持される。つまり、坩堝を回転させた状態では、基本的に磁場印加の開始により溶融液の表面温度が上がり、その上昇度は坩堝回転数が高いほど顕著である。
【００１８】
この結果から、磁場印加は、肩部からボディ部への移行時に開始するのが良いことが分かる。そうすると、磁場印加に伴って溶融液の表面温度が上昇し、その上昇により増径が停止し、ボディ部への移行がスムーズに行えるのである。つまり、磁場印加による液温の上昇による増径停止を利用することにより、増径工程から定径工程への移行をスムーズに行うわけである。また、一旦磁場を印加すると、坩堝回転数によらず液温がほぼ一定となるため、磁場印加後であれば坩堝回転数を定常回転数に急変させても引き上げに支障は生じない。このため、坩堝回転数を定常回転数に低下させる時期は、磁場を印加した後、より具体的には、磁場印加により対流が抑制されて液温が安定化した後が好ましい。
【００１９】
肩部での有転位化を抑制する坩堝回転数は５ｒｐｍ以上である。ボディ部を形成するための定常回転数は１ｒｐｍ以下である。
【００２０】
磁場強度は、酸素濃度制御の点から０．２テスラ以下の範囲内で適宜選択されるが、肩部の増径を停止させる点からは０．０３テスラ以上あれば良い。従って、０．０３〜０．２テスラの範囲内で所定の酸素濃度が得られるように選択する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る単結晶成長方法を実施するための結晶成長装置の構成図である。
【００２２】
この結晶成長装置は、中空円筒形状のチャンバ７を備えている。チャンバ７は、大径のメインチャンバ７ａと、メインチャンバ７ａ上に連設固定された小径のプルチャンバ７ｂとからなる。メインチャンバ７ａ内の中心部には、坩堝１が配置されている。この坩堝１は内側の石英坩堝１ａと外側の黒鉛坩堝１ｂを組み合わせた二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる回転及び昇降が可能な支持軸５の上に載置固定されている。
【００２３】
坩堝１の外側には、加熱抵抗式のヒータ２が同心円状に配置されており、その外側には円筒状の保温筒８ａがメインチャンバ７ａの内面に沿って配置されている。メインチャンバ７ａの底面上には円形の保温板８ｂが配置されている。メインチャンバ７ａの外側には、水平磁場を形成するために、一対の超伝導磁石１０ａ，１０ｂが対向設置されている。
【００２４】
坩堝１の中心軸上には、支持軸６と同一軸心で回転及び昇降が可能な引き上げ軸５がプルチャンバ７ｂを通って吊設されており、引き上げ軸５の下端には種結晶１５が装着されている。
【００２５】
次に、この結晶成長装置を用いた単結晶成長方法を、製品径が３００ｍｍのシリコン単結晶を製造する場合について具体的に説明する。
【００２６】
坩堝１内に結晶用のシリコン原料及び不純物としてのリンを投入する。チャンバ７内を２５Ｔｏｒｒに減圧し、不活性ガスとして１００Ｌ／ｍｉｎのＡｒガスを導入する。坩堝１内の投入物をヒータ２にて溶解し、坩堝１内に溶融液１３を形成する。引き上げ軸５の下端に装着された種結晶１５を溶融液１３に浸漬し、坩堝１及び引き上げ軸５を回転させつつ、引き上げ軸５を軸方向に引き上げて、種結晶１５の下方に単結晶１２を成長させる。
【００２７】
この成長過程では、まず絞り工程より転位が除去され、ネック部が形成される。絞り工程に続く増径工程により肩部１２ａが形成され、その増径停止によりボディ部１２ｂの形成が開始される。
【００２８】
このとき、無磁場で絞り工程を開始する。絞り工程での引き上げ軸５の回転数は１０ｒｐｍ、坩堝１の回転数は１２ｒｐｍとする。肩部１２ａを形成する増径工程では、坩堝１の回転数を８ｒｐｍまで下げ、これにより増径を行う。結晶径が２９５ｍｍに達した時点で磁場印加を開始する。具体的には、０．０８テスラ／ｍｉｎの速度で０．１テスラまで磁場を印加する。０．０３テスラになった時点で増径が停止するので、この時点から坩堝回転数を０．２ｒｐｍに０．４ｒｐｍ／ｓｅｃの速度で低下させる。
【００２９】
このようにして坩堝回転数を制御し磁場を印加する操業を５バッチ実施した結果、肩部１２ａからボディ部１２ｂへの移行は±０．５ｍｍの精度で行われ、その後のボディ部１２ｂの引き上げも問題なく行われた。また、ボディ部１２ｂの軸方向の酸素濃度分布は、図３に示すように、０．１テスラの磁場印加により高い精度で１３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）に制御された。
【００３０】
ここで、磁場の印加時期が早すぎると、製品径よりも小さい径で増径が停止するため製品径まで増径させる必要が生じ、歩留りが下がる。遅すぎると製品径を超えて増径するため後の引き上げが不安定になる。
【００３１】
比較のために、引き上げ開始より定常の磁場及び坩堝回転数を与えた場合、即ち０．１テスラの磁場を印加し、且つ坩堝回転数を０．２ｒｐｍにして、絞り工程を開始した場合は、５バッチ全てにおいて肩部の直径１００ｍｍ以内で有転位化を生じる結果になった。
【００３２】
また、引き上げ開始より０．１テスラの定常磁場を与え、坩堝回転数のみを１２ｒｐｍから０．２ｒｐｍへ段階的に制御する場合は、絞り工程で融液の温度変動が大きいために、径制御が不安定となり、単結晶が融液から分離することもある。増径部の制御は可能であるが、絞り工程が不安定であるため、このようなプロセスは採用できない。
【００３３】
逆に、引き上げ開始より０．２ｒｐｍの定常坩堝回転数を与え、磁場のみを肩部からボディ部への移行時に印加した場合は、５バッチ全てにおいて肩部の直径１００ｍｍ以内で有転位化が生じる結果となった。
【００３４】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、本発明の単結晶成長方法は、絞り工程から増径工程にかけて磁場を印加しない状態で引き上げを行うと共に、絞り工程および増径工程における坩堝回転数を５ｒｐｍ以上とし、増径工程から定径工程へ移行する段階から水平方向に０．０３テスラ以上かつ０．２テスラ以下の磁場の印加を開始し、磁場の印加を開始した後に坩堝回転数を１ｒｐｍ以下の一定値に低下させることにより、絞り工程でのネッキングの安定性を維持しつつ、絞り工程から増径工程にかけて坩堝回転数を高めることができる。また、肩部からボディ部への移行をスムーズに行うことができ、磁場印加による引き上げの不安定も回避できる。従って、引き上げに支障をきたすことなく、高坩堝回転数による肩部での有転位化の効果的な抑制が可能となり、これにより歩留りの大幅向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る単結晶成長方法を実施するための結晶成長装置の構成図である。
【図２】坩堝回転数を変更したときの液温変化に及ぼす磁場の影響度を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る単結晶成長方法で製造された単結晶の酸素濃度分布を例示するグラフである。
【図４】ＣＺ法による単結晶の引き上げを説明するための模式図である。
【符号の説明】
１坩堝
１ａ石英坩堝
１ｂ黒鉛坩堝
２ヒータ
５引き上げ軸
７チャンバ
１０ａ，１０ｂ超伝導磁石
１２単結晶
１２ａ肩部
１２ｂボディ部
１３溶融液
１５種結晶

Claims

坩堝内に充填した結晶用シリコン原料の溶融液に対して水平方向に磁場を印加した状態で、前記溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下方に単結晶を成長させるＣＺ法による単結晶成長方法において、
転位を除去するための絞り工程から肩部を形成するための増径工程にかけて磁場を印加しない状態で引き上げを行うと共に、前記絞り工程および前記増径工程における坩堝回転数を５ｒｐｍ以上とし、前記増径工程からボディ部を形成するための定径工程へ移行する段階から水平方向に０．０３テスラ以上かつ０．２テスラ以下の磁場の印加を開始し、前記磁場の印加を開始した後に前記坩堝回転数を１ｒｐｍ以下の一定値に低下させることを特徴とする単結晶成長方法。
磁場印加の開始により溶融液の対流が抑制された時点で、前記坩堝回転数を１ｒｐｍ以下の一定値に低下させることを特徴とする請求項１に記載の単結晶成長方法。