JP4055351B2

JP4055351B2 - 結晶成長方法

Info

Publication number: JP4055351B2
Application number: JP2000320525A
Authority: JP
Inventors: 高行久保; 文雄川東; 浩浅野
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2002128589A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料として使用されるシリコン単結晶の製造に用いられるシリコン結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、代表的なものとしてＣＺ法（チョクラルスキー法）がある。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、この状態からルツボ及び種結晶を回転させながら、種結晶を上方へ徐々に引き上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を成長させる。
【０００３】
このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げでは、結晶断面における欠陥分布等が結晶成長速度、即ち引上げ速度に支配されることが知られている。具体的に説明すると、引上げ速度を大きくするほど、リング状のＯＳＦ発生領域が外周部へ移動し、最終的には結晶有効部分の外側へ排除される。逆に、引上げ速度を小さくすることにより、リング状のＯＳＦ発生領域が結晶中心部へ移動し、最終的にはその中心部で消滅する。
【０００４】
ＯＳＦ発生領域の外側も内側も共に欠陥発生領域であるが、その外側と内側とでは欠陥の種類が異なる。また、引上げ速度を高速化すると、当然のことながら生産性が向上し、且つ欠陥が微細化することが知られている。これらのため、結晶成長の一つの方向として、引上げ速度の高速化が追求されている。
【０００５】
高速引上げを実現するための技術として熱遮蔽体の設置が知られている。熱遮蔽体は、単結晶の周囲を包囲するように設けられた逆台錐形状の筒状断熱部材であり、主にルツボ内の融液やルツボの外側に配置されたヒータからの輻射熱を遮ることにより、融液から引上げられる単結晶の冷却を促進して、引上げ速度の高速化を図る。
【０００６】
また最近では、熱遮蔽体の内側に、強制的に水冷された筒状の冷却体を設置する技術も注目されている（特開昭６３−２５６５９３号公報、特開平８−２３９２９１号公報、特開平１１−９２２７２号公報、特開平１１−２９２６８４号公報）。強制的に水冷された筒状の冷却体を、熱遮蔽体の内側に、単結晶の周囲を包囲するよう設置することにより、単結晶の特に高温部分の冷却が更に促進され、引上げ速度の一層の高速化が図られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷却体を使用するとしないとにかかわらず、ＣＺ法による単結晶の育成では、次のプロセスを経てその育成が行われる。
【０００８】
種結晶をルツボ内の融液に浸漬した後、この浸漬に伴う熱衝撃によって発生する転位の排除を目的として、ネッキングと呼ばれる種絞りを行う。このネッキングでは、直胴部を形成する際の引上げ速度より高速で種結晶を引上げてその結晶径を小さく絞る。ネッキングの後、引上げ速度を徐々に増大させてショルダー部を形成し、直胴部の形成に移行する。ネッキングプロセスにおける結晶引上げ速度は、一般に３ｍｍ／分程度若しくはそれ以下とされている。
【０００９】
本発明者らは、冷却体を用いて高速で結晶を育成する技術の完成を目指して研究を続けているが、ネッキングプロセスに関係して次の重大な問題のあることを見いだした。
【００１０】
第１に、ネッキングプロセスでの結晶の無転位化が、冷却体を使用しない場合に比べて非常に困難になる。第２に、融液からネック部が離れたり、有転位化部分でネック部が破断する現象が多発する。これらのため、冷却体を用いた高速引上げでは、歩留りが極端に低い。
【００１１】
本発明の目的は、冷却体を用いた回転引上げにおいて、安定なネッキングを行い得るシリコン結晶成長方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、ネッキングプロセスに与える冷却体の影響を詳細に調査し、冷却体を用いた高速引上げでの良好なネッキング条件を見いだすべく研究を続けた。その結果、以下の事実が判明した。
【００１３】
冷却体を用いた高速引上げにおいては、通常のＣＺ引上げに比して結晶が過度に冷却される。このため、結晶成長界面近傍で結晶にＳｉＯが析出しやすくなる。特に、結晶径の小さいネッキングプロセスでは、ＳｉＯの析出が促進され、そのＳｉＯが落下したり、表面に析出したＳｉＯがそのまま結晶界面に取り込まれるなどして、結晶の無転位化が妨げられる。しかるに、結晶引上げ速度を大きくすると、ＳｉＯの析出が抑制され、４ｍｍ／分を超える引上げ速度では、ＳｉＯの析出に起因する有転位化が回避される。
【００１４】
冷却体の使用により、融液の温度変化が顕著となり、融液からネック部が離れやすくなる。また、有転位化部分の急冷に伴う残留応力により、その有転位化部分で結晶が破断しやすくなる。これに対しては、ネック直胴部の直径を２ｍｍ以上に増大させることが有効である。
【００１５】
本発明のシリコン結晶育成方法は、かかる知見に基づいて開発されたものであり、回転引上げ法によって原料融液から育成されるシリコン単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いてシリコン結晶成長を行う際に、ネッキングプロセスにおけるネック直胴部の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度を６ｍｍ／分を超え、１０ｍｍ／分以下とし、且つ、そのネック直胴部の平均直径を２〜１０ｍｍとするものである。
【００１６】
ネッキングプロセスにおけるネック直胴部の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度が４ｍｍ／分未満であると、無転位化が困難である。この平均引上げ速度を４ｍｍ／分以上とすることにより、転位の確実な除去が可能になる。一方、この平均引上げ速度が１０ｍｍ／分を超えると、結晶成長が不安定となり、融液からの結晶の分離を生じる危険性が高まる。このため、このネッキングにおける平均引上げ速度を４〜１０ｍｍ／分とした。好ましい平均引上げ速度は６ｍｍ／分超１０ｍｍ／分以下であり、６ｍｍ／分を超える平均引上げ速度で、転位が特に除去され易くなる。
【００１７】
ネック直胴部の平均直径を２〜１０ｍｍとしたのは、２ｍｍ未満では冷却体の影響により、融液の温度変化が生じるため、融液からの結晶の分離や有転位部分での急冷による結晶破断が生じる。一方、この平均直径が１０ｍｍを超えると、ネッキングプロセスにおける平均引上げ速度を４ｍｍ／分以上、更には６ｍｍ／分超に高めても、転位の除去が困難になる。好ましい平均直径は４〜１０ｍｍであり、直径４ｍｍ以上の直胴部とすることで、特に結晶破断が抑制されるとになる。
【００１８】
冷却体の構造、冷却方式、材料、輻射率（放射率）、寸法、位置等は特に限定しないが、冷却体が水冷で銅等の高熱伝導性材料からなり、結晶外周面に対向する内周面の輻射率が０．７以上で、結晶成長界面に近い位置の場合が、結晶冷却の観点から効果的である。冷却体が銅系金属からなる場合、その内周面の輻射率を上げる方法としては、黒色のＣｒメッキ処理や酸化による黒色化が有効である。特に黒色のＣｒメッキ処理は、柔らかい銅系金属を保護し、結晶の銅による汚染を抑制する効果もある。
【００１９】
冷却体については又、熱遮蔽体と組み合わせ、その内側に配置するのが良い。熱遮蔽体と組み合わせることにより、結晶の冷却が促進されるだけでなく、冷却体自体の温度上昇がより効果的に抑制されることになり、引上げ速度の高速化が推進される。
【００２０】
なお、ネック部の機械的を強度を増大させるためにネック部の直径を４．５〜１０ｍｍにし、そのネック部から転位を排除するためにネック部の引上げ速度を４〜６ｍｍ／分に増大させる技術は、特開平５−４３３７９号公報に記載されている。しかし、ここではネック部は冷却体による過度の冷却を受けない。この状態で引上げ速度を大きくすることにより転位が抜けやすくなるのは、結晶成長界面が上方に湾曲した形状になり、転位がネック外周部に向けて抜けやすくなるためであり、過度の冷却下で引上げ速度を大きくする狙い（ＳｉＯの析出抑制）とは本質的に異なる。実際、過度の冷却を受けない場合の引上げ速度の上限は６ｍｍ／分であるが、過度の冷却を受ける場合は、むしろ６ｍｍ／分を超える引上げ速度で転位の除去が促進される。
【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は本発明のシリコン結晶成長方法を実施するのに適した引上げ炉の概略構成図である。
【００２２】
引上げ炉は、炉体としてメインチャンバー１及びプルチャンバー２を備えている。メインチャンバー１内の中心部にはルツボ３が配置されている。ルツボ３は、多結晶シリコンが充填される内側の石英ルツボと、その外側に嵌合される黒鉛製の支持ルツボとから構成されている。このルツボ３は、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転及び昇降駆動される。
【００２３】
ルツボ３の外側には、抵抗加熱式のヒータ４が同心円状に配置され、その更に外側には、保温筒５がメインチャンバー１の内面に沿って配置されている。ヒータ４は、ルツボ３内に充填された多結晶シリコンを溶融させて、そのルツボ１内にシリコンの融液６を形成する。
【００２４】
一方、ルツボ３の上方には、引上げ軸としてのワイヤ７が、プルチャンバー２内の中心部を通って吊設されている。ワイヤ７は、プルチャンバーの上部に設けられた引上げ機構により回転駆動されると共に、軸方向に昇降駆動される。ワイヤ７の下端部には、種結晶８を保持するシードチャックが取付けられている。シードチャックに保持された種結晶８をルツボ３内の融液６に浸漬し、その種結晶８を回転させながら徐々に上昇させるべく、ワイヤ７を駆動することにより、種結晶８の下方にシリコンの単結晶９を成長させる。
【００２５】
ルツボ３の上方には又、単結晶９を包囲するように円筒形状の熱遮蔽体１０がルツボ３内の融液６に接近して同心円状に設けられている。熱遮蔽体１０は黒鉛からなり、ルツボ３内の融液６やヒータ４からの輻射熱を効果的に遮るために下方から上方に向かって徐々に拡径し、その下部をルツボ３内に挿入してルツボ３内の融液６の上方に位置させる。
【００２６】
熱遮蔽体１０の内側には、円筒形状の冷却体１１が同心円状に設けられている。冷却体１１は、熱伝導性の良好な銅系金属からなり、内部を流通する冷却水により強制的に冷却される。この冷却体１１は、熱遮蔽体１０の下部内に配置され、単結晶９の特に凝固直後の高温部分を包囲することにより、その高温部分の冷却を促進する。なお、冷却体１１も熱遮蔽体１０と同様に下方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状とされている。
【００２７】
操業での単結晶９の成長は以下のようにして行われる。
【００２８】
種結晶８をルツボ３内の融液６に浸漬した後、その浸漬に伴う熱衝撃による転位を排除するために、種結晶８を比較的高速で引上げて、直径を絞った細長いネック部９ａを形成する。ネック部９ａの形成の後、結晶引上げ速度を所定速度まで徐々に増大させることにより、結晶径を漸増させてショルダー部９ｂを形成し、直胴部９ｃの形成に移行する。
【００２９】
ここで、ネック部９ａの特に直胴部分の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度を４〜１０ｍｍ／分、好ましくは６ｍｍ超１０ｍｍ／分以下とし、且つ、そのネック直胴部分の平均直径を２〜１０ｍｍとする。これにより、ネック部９ｂから転位を確実に排除し、無転位の直胴部９ｃを形成する。また、ネック部９ｂの融液６からの分離や破断を防止して、ショルダー部９ｂ及び直胴部９ｃの形成への安定移行を図る。
【００３０】
なお、結晶引上げ速度は、結晶成長において常に変動している。従って、この引上げ速度は、瞬時に変動する速度を対象とするのではなく、ネッキングプロセス或いは直胴部形成プロセスにおける平均的な速度を規定するものとする。同様に、結晶径についても平均的な直径で規定する。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明の実施例を示し、比較例と対比することにより、本発明の効果を明らかにする。
【００３２】
ルツボ３内に多結晶シリコン原料を１００ｋｇ装填し、その後、チャンバー内を１３３０ＰａのＡｒ雰囲気とする。ルツボ３の外側に設けられたヒータ４により、ルツボ３内の多結晶シリコン原料を溶融し、１００方位の種結晶を用いて、その下方に直径２００ｍｍの単結晶９を成長させる。
【００３３】
このとき、ルツボ３内の融液６の液面レベルが一定に維持されるように、結晶成長に従ってルツボ３を徐々に上昇させる。また、単結晶９の回転方向と同方向又は反対方向にルツボ３を回転させる。
【００３４】
単結晶９の直胴部９ｃを形成するプロセスでの平均引上げ速度は２．５ｍｍ／分と高速である。ちなみに、冷却体１１を使用しない場合の平均引上げ速度は１．０ｍｍ／分程度である。
【００３５】
表１に示す条件でネッキングを行い、ショルダー部の形成を開始した。各条件で単結晶の引上げを行った結果を表２に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
条件１は本発明例である。ネック直胴部の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度を４〜１０ｍｍ／分の範囲内である７ｍｍ／分とし、そのネック直胴部の平均直径を２〜１０ｍｍの範囲内である５ｍｍとしたことにより、５回の種付け全てでネックの無転位化に成功し、且つその全てで単結晶の無転位引上げが行われた。
【００３９】
条件２及び条件３は比較例である。条件２ではネック直胴部の平均直径が２ｍｍ未満の１．８ｍｍである。１０回の種付けのうち５回でネックの無転位化に成功した。成功した５回の種付けでは、全てで無転位引上げが行われたが、その５回の引上げのうち２回で結晶がネックの最細部で破断した。
【００４０】
条件３ではネック直胴部の平均引上げ速度が４ｍｍ／分未満の３ｍｍ／分とされた。１０回の種付けのうち１回でしかネックの無転位化に成功せず、成功した１回の種付けでも無転位引上げは行われなかった。
【００４１】
この比較試験結果に基づき、ネック直胴部の平均引上げ速度を１〜１２ｍｍ／分の範囲内で、またネック直胴部の平均直径を１．５〜１２ｍｍの範囲内でそれぞれ変化させたときの無転位引上げ率を調査した。調査結果を表３に示す。
【００４２】
【表３】

【００４３】
表３から分かるように、ネック直胴部の平均引上げ速度が４ｍｍ／分が未満であると、無転位引上げ率が極端に低下する。ネック直胴部の平均引上げ速度が６ｍｍ／分を超えると特に無転位化が促進される。しかし、ネック直胴部の平均引上げ速度が１０ｍｍ／分を超えると、結晶引上げに結晶成長が追いつかないため、融液からのネック部の分離が生じる。
【００４４】
一方、ネック直胴部の平均直径については、２ｍｍ以上でないと、引上げ速度に関係なく、ネック部の破断が生じるが、１０ｍｍを超えると、無転位化引上げ率が極端に低下する。
【００４５】
従って、冷却体を用いた高速引上げを実操業で安定に実施するためには、ネック直胴部の平均引上げ速度を４〜１０ｍｍ／分の範囲内に管理し、その平均直径を２〜１０ｍｍの範囲内に管理することが重要である。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のシリコン結晶成長方法は、冷却体を用いた高速引上げ技術において、ネッキングプロセスにおけるネック直胴部の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度及びネック直胴部の平均直径を管理することにより、冷却体を使用しない通常引上げと同等に安定なネッキングを行い、その高速引上げ技術の実操業レベルでの実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶成長方法を実施するのに適した引上げ炉の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１メインチャンバー
２プルチャンバー
３ルツボ
４ヒータ
５断熱筒
６融液
７ワイヤ
８種結晶
９単結晶
９ａネック部
９ｂショルダー部
９ｃ直胴部
１０熱遮蔽体
１１冷却体

Claims

ＣＺ法によって原料融液から育成されるシリコン単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いてシリコン結晶成長を行う際に、ネッキングプロセスにおけるネック直胴部の形成開始から形成終了までの平均引上げ速度を６ｍｍ／分を超え、１０ｍｍ／分以下とし、且つ、そのネック直胴部の平均直径を２〜１０ｍｍとすることを特徴とするシリコン結晶成長方法。