JP4153293B2

JP4153293B2 - シリコン単結晶引上方法

Info

Publication number: JP4153293B2
Application number: JP2002364983A
Authority: JP
Inventors: 俊一郎松山; 基弘塚原; 芳隆小林; 敦志植原; 仁日下; 健二飯田
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: JP2004196569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、横磁場印加引上（ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＡｐｐｌｉｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ以下、ＨＭＣＺと呼ぶ）用の装置によるシリコン単結晶の引上げ方法に関し、特にＨＭＣＺシリコン単結晶の成長軸方向での低酸素濃度化が実現できるシリコン単結晶引上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来のＨＭＣＺ装置の概略を示す。
【０００３】
図１において、横型磁場印加装置１が炉体２の外周に配置されている。黒鉛製ルツボ３が炉体２内に設けられていて、その中に石英ルツボ４が保持されている。黒鉛製ヒーター５が石英ルツボ４内に充填されたポリシリコンを溶融して、シリコン融液６となる。そのシリコン融液６に水平磁場を印加しながら、シリコン単結晶７を引上げる。このとき、シリコン融液６の上方には輻射シールド８が設置される。輻射シールド８は輻射シールド支持筒９により保持される。また、熱源である黒鉛製ヒーター５を囲むように黒鉛製内部保温筒１０が配置され、その黒鉛製内部保温筒１０の外側には高断熱性保温筒１１が配置されている。さらに、高断熱性保温筒１１の上面には上部保温板１２が配置されている。黒鉛製ルツボ３の下方には、その黒鉛製ルツボ３を保持する黒鉛製シャフト１３と黒鉛製ルツボ受皿１４が配置され、最下部には下部受皿１５が配置される。
【０００４】
図２に示すように、左右のコイル１において発生した磁場分布では、コイル中心軸付近に比較的強い磁束密度（コイル中心軸の磁束密度と同程度のもの）の領域が、図２の斜線のところに形成される。
【０００５】
このようなＨＭＣＺ装置によるＨＭＣＺシリコン単結晶の引上げにおいては、シリコン融液に水平磁場が印加され、融液の熱対流が抑制されるため、ＨＭＣＺシリコン単結晶の低酸素濃度化に効果がある。さらに、炉体２の外部から印加される水平磁場の磁束密度が大きい程、融液の熱対流の抑制効果が大きくなるため、酸素濃度は、さらに低くなる。
【０００６】
一方、シリコン融液に磁場を印加しない無磁界引上げ装置（ＣＺ装置）によってＣＺシリコン単結晶を引上げる場合には、不活性ガス流量および炉内圧力の増減による調節でＣＺシリコン単結晶の酸素濃度を制御することができる。不活性ガス流量（単位［リットル／ｍｉｎ］）を炉内圧力（単位［Ｔｏｒｒ］）で除した値を比流速と定義したとき、この比流速が大きいと酸素濃度は低くなり、比流速が小さいと酸素濃度は高くなる。
【０００７】
ところで、ＨＭＣＺ装置で引上げたＨＭＣＺシリコン単結晶は、中性子照射による不純物ドープ用原料として利用されている。中性子照射後は、照射による結晶格子配列の損傷を回復させるために熱処理を施すが、このとき、ライフタイムの低下を誘発することが知られている。
【０００８】
特許第２６３５４５０号では、中性子照射を行ったＨＭＣＺシリコン単結晶において、損傷回復熱処理後のライフタイムの低下を防止するために、酸素濃度を制限している。たとえば、重水炉照射の場合、０．９０×１０¹⁸［ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］（ＪＥＩＤＡ）（１．４４×１０¹⁸［ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］（ｏｌｄＡＳＴＭ））以下と定めている。軽水炉照射の場合は、０．５０×１０¹⁸［ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］（ＪＥＩＤＡ）（０．８０×１０¹⁸［ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］（ｏｌｄＡＳＴＭ））以下と定めている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＭＣＺ装置を使用して、中性子照射用のＨＭＣＺシリコン単結晶の酸素濃度を低くするために、磁束密度を水平磁場印加装置の最大値に調節し、さらに比流速を大きくしたが、所望の低酸素濃度を得ることができなかった。
【００１０】
たとえば、図３に示す米国特許第４５６５６７１号公報に記載の水平磁場印加装置では、図３に示すように、磁場の中心と融液の液面を一致させる構成が示されている。この構成では、磁場中心付近に形成される強磁場領域（コイル中心軸磁束密度と同程度の領域）が下半分しか有効に活用されないことを、本発明者らは究明した。
【００１１】
また、図４に示す特開平９−１８８５９０号公報に記載の水平磁場印加装置においては、図４に示すように、磁場中心がシリコン融液の最下部付近に調整されている。この構成においても、強磁場領域が上半分しか活用されず、それは、ＭＨＣＺシリコン単結晶の低酸素濃度化には極めて不利であることを、本発明者らは究明した。
【００１２】
本発明は、ＨＭＣＺシリコン単結晶の低酸素濃度化を実現することができるシリコン単結晶引上方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る発明は、ヒーターで石英ルツボに充填されたポリシリコンを溶融して、シリコン融液を作り、そのシリコン融液に水平磁場を印加しながらシリコン単結晶を引上げる方法において、不活性ガス流量（単位［リットル／ｍｉｎ］）を炉内圧力（単位ｔｏｒｒ）で除した値を比流速（単位［リットル／ｍｉｎ］／ｔｏｒｒ）と定義し、
この比流速を１．０以下に制御し、かつ、シリコン融液の液面の変動に合わせて、シリコン融液の深さ方向でみて、つねに水平磁場の中心がシリコン融液の中心から液面までの間に維持され、シリコン単結晶の成長軸方向の酸素濃度が最も低くなるように制御されることを特徴とするシリコン単結晶引上方法である。
【００１４】
シリコン融液の液面の移動（たとえば降下）に合わせて水平磁場の中心を移動（降下）させると、より正確に低酸素濃度化が実現できる。
【００１５】
また、比流速を１以下と小さくすると、ＨＭＣＺシリコン単結晶の酸素濃度を低くすることができる。これに対し、シリコン融液に磁場を印加しない無磁界引上げ装置（ＣＺ装置）におけるＣＺシリコン単結晶引上では、比流速を大きくすると、酸素濃度が低くなる。本発明による比流速と酸素濃度の関係は、シリコン融液に磁場を印加しない無磁界引上げ装置における関係とは正反対の結果になるのである。
【００１６】
本発明は、好ましくは、引き上げられつつあるシリコン単結晶の成長軸方向の酸素濃度分布に応じて、比流速１．０以下の範囲内で、結晶長変化率を調整する。
【００１７】
ＨＭＣＺシリコン単結晶の成長軸方向の酸素濃度分布に対して、比流速を１．０以下の範囲にして、結晶長変化率を調整すると、引上げられるＨＭＣＺシリコン単結晶のすべてにおいて、所望の低酸素濃度をより確実に実現できる。
【００１８】
本発明は、シリコン融液の深さ方向でみて、水平磁場の中心が、融液の中心から液面までの間の最も酸素濃度が低い位置に調節される。
【００１９】
シリコン融液の深さ方向（垂直方向）でみて、磁場中心（コイル中心軸）を融液の中心より上側半分の区間の最適位置に調節すると、融液中心より下側半分の区間に磁場中心を調整するよりも、ＭＨＣＺシリコン単結晶の低酸素濃度効果が大幅に向上することを、本発明者らは新たな知見として見出した。この方法により、磁場中心付近に形成される強磁場領域の全体が有効に活用できる。その結果、融液の熱対流が効果的に抑制される。
【００２０】
シリコン融液の中心とは、原則として、石英ルツボ内で溶融したシリコン融液の液面からその深さ方向に向かって石英ルツボ内の融液最下部までの距離の半分の深さの位置を示す。
【００２１】
【実施例】
図５は、本発明の実施例を示す。
【００２２】
図５において、横型磁場印加装置１が炉体２の外周に上下方向に移動可能に配置されており、そのための駆動手段や制御手段は図示していない。
【００２３】
黒鉛製ルツボ３が炉体２内に設けられている。その黒鉛製ルツボ３の中に石英ルツボ４が保持されている。黒鉛製ヒーター５によって石英ルツボ４が加熱されて、石英ルツボ４内に充填されたポリシリコンが溶融して、シリコン融液６となる。
【００２４】
横型磁場印加装置１によってシリコン融液６に水平磁場を印加しながら、シリコン単結晶７を引上げる。このとき、シリコン融液６の上方には輻射シールド８が設置される。輻射シールド８は輻射シールド支持筒９により保持される。
【００２５】
また、熱源である黒鉛製ヒーター５を囲むように黒鉛製内部保温筒１０が配置され、その黒鉛製内部保温筒１０の外側には高断熱性保温筒１１が配置されている。さらに、高断熱性保温筒１１の上面には上部保温板１２が配置されている。黒鉛製ルツボ３の下方には、その黒鉛製ルツボ３を保持する黒鉛製シャフト１３と、その上に黒鉛製ルツボ受皿１４が配置されている。最下部には下部受皿１５が配置される。
【００２６】
横型磁場印加装置１のコイル１において発生した磁場分布では、コイル中心軸付近に比較的強い磁束密度（コイル中心軸の磁束密度と同程度）の領域が形成される。このようにシリコン融液に水平磁場が印加されると、融液の熱対流が抑制される。その結果、低酸素濃度化がはかれる。
【００２７】
図５のＨＭＣＺ装置において、５インチ（１００）方位のＨＭＣＺシリコン単結晶の引上げを行い、所望の低酸素濃度が得られるか否かを確認した。
【００２８】
各実施例１〜３において、実施形態は１８インチホットゾーン、ポリシリコン６０ｋｇチャージ、磁場中心３０００ガウス、ルツボ回転０．１ｒｐｍ、シード回転１３ｒｐｍであった。
【００２９】
図５に示すように、融液表面から垂直方向（融液深さ方向）に融液最下部までの距離（融液深さ）をＤとする。
【００３０】
また、所望の酸素濃度は０．６×１０¹⁸［ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］（ｏｌｄＡＳＴＭ）以下とする。
【００３１】
実施例１
融液の液面が変動したとき、それに合わせて、つねに磁場中心（コイル中心軸）が融液の液面から垂直方向（融液深さ方向）にみてＤ／４の位置にくるように調節し、かつ、ＨＭＣＺシリコン単結晶の引上当初から引上完了までの比流速を１．０として実施した。つまり、比流速は、（５０リットル／ｍｉｎ）／（５０ｔｏｒｒ）＝１．０であった。この場合の酸素濃度を図７に示す。
【００３２】
実施例１においては、図７からもわかるように、得られたＨＭＣＺシリコン単結晶の尾部側で所望の酸素濃度を超える結果となった。
【００３３】
実施例２
磁場中心を実施例１と同様に融液の液面から垂直方向（融液深さ方向）でみてＤ／４の位置にくるように調節し、引上当初から引上完了にかけて、比流速を１．０から０．６まで任意に変化させて実施した。たとえば、比流速は、（５０リットル／ｍｉｎ）／（８０ｔｏｒｒ）＝０．６であった。この場合の酸素濃度を同じく図７に示す。
【００３４】
実施例２では、得られたＨＭＣＺシリコン単結晶のすべてが所望の酸素濃度となった。
【００３５】
実施例３
磁場中心を実施例１〜２と同様に制御し、引上当初から引上完了にかけて、比流速を１．０から０．３７５まで任意に変化させて実施した。たとえば、比流速は、（３０リットル／ｍｉｎ）／（８０ｔｏｒｒ）＝０．３７５であった。この場合の酸素濃度を同じく図７に示す。
【００３６】
実施例３においては、得られたＨＭＣＺシリコン単結晶のすべてが所望の酸素濃度となったばかりではなく、実施例２と比較して、さらに低い酸素濃度が得られた。
【００３７】
比較例１
比較例１では、磁場中心を実施例１と同様に制御し、引上当初から引上完了にかけて、比流速を１．６として実施した。つまり、比流速は、（８０リットル／ｍｉｎ）／（５０ｔｏｒｒ）＝１．６であった。この場合の酸素濃度を同じく図７に示す。
【００３８】
比較例１は、得られたＨＭＣＺシリコン単結晶の尾部側で所望の酸素濃度を大きく超える結果となった。この比較例１により、比流速が１．０を超えると低酸素濃度化には不利であることが検証された。
【００３９】
比較例２
比較例２では、引上当初から引上完了にかけて、比流速を１．０とし、磁場中心を融液の液面と一致するように調節して実施した（図３）。この場合の酸素濃度を同じく図７に示す。
【００４０】
比較例２は、実施例１と比較して、酸素濃度が高くなった。この比較例２によれば、図３で示すように、コイル中心軸付近に形成される強磁場領域（とくに上半分）が有効に活用されていなければ、低酸素濃度化には不利であることが検証された。
【００４１】
比較例３
比較例３でも、引上当初から引上完了にかけて比流速を１．０とし、磁場中心を融液の最下部と一致するように調節して実施した（図４）。この場合の酸素濃度を同じく図７に示す。
【００４２】
比較例３は、実施例１と比較して、酸素濃度が極めて高くなった。この比較例３によれば、図４で示すように、コイル中心軸付近に形成される強磁場領域（とくに下半分）が有効に活用されず、さらに磁場中心が融液の深さ方向の上側半分の区間に調節されていなければ、低酸素濃度化には極めて不利であることが検証された。
【００４３】
前述のＨＭＣＺ装置によるシリコン単結晶の引上げにおいて、（従来は明らかになっていなかった）比流速と酸素濃度との関係を検証し、さらには、融液に対する磁場中心位置と酸素濃度との関係を明確にすることに成功した。これにより、ＨＭＣＺシリコン単結晶の低酸素濃度化に極めて有効な製造条件を究明することができた。
【００４４】
まず、不活性ガス流量（単位［リットル／ｍｉｎ］）を炉内圧力（単位［Ｔｏｒｒ］）で除した値を比流速と定義し、この比流速を１．０以下に制御することが、極めて有効な製造条件である。
【００４５】
これに加えて、垂直方向（シリコン融液深さ方向）でみて、磁場中心（コイル中心軸）を融液中心より上側半分の区間内の最適位置に調節することが重要である。これにより、ＨＭＣＺシリコン単結晶の酸素濃度を低く抑えることがより効果的となる。特に、中性子照射用としては、照射後の結晶格子の損傷を回復させるために実施する熱処理後のライフタイム低下を防止する効果が顕著となる。
【００４６】
図８は、本発明の変形例を示す。
【００４７】
図８のＨＭＣＺ装置においては、図５のＨＭＣＺ装置に加えて、シリコン融液６の上方に設置された輻射シールド８を支える輻射シールド支持筒９の外側に高断熱性上部保温筒１６を設置している。
【００４８】
こうすることで、黒鉛製ヒーター５の消費電力削減を図り、その結果として、シリコン融液と石英ルツボの反応が緩和される。そのため、シリコン融液の酸素濃度が低くなる効果がより顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＨＭＣＺ装置を示す説明図。
【図２】ＨＭＣＺ装置における強磁場領域を示す説明図。
【図３】従来の強磁場領域と融液の関係の一例を示す。
【図４】従来の強磁場領域と融液の関係の他の例を示す。
【図５】本発明によるＨＭＣＺ装置の実施形態の一例を示す説明図。
【図６】従来例と本発明の実施例に関する磁場中心と酸素濃度の関係を示す説明図。
【図７】本発明の実施例および比較例の酸素濃度結果を示すグラフ。
【図８】本発明の変形例を示す。
【符号の説明】
１横型磁場印加装置
２炉体
３黒鉛製ルツボ
４石英ルツボ
５黒鉛製ヒーター
６シリコン融液
７シリコン単結晶
８輻射シールド
９輻射シールド支持筒
１０黒鉛製内部保温筒
１１高断熱性保温筒
１２上部保温板
１３黒鉛製シャフト
１４黒鉛製ルツボ受皿
１５下部受皿
１６高断熱性上部保温筒

Claims

ヒーターで石英ルツボに充填されたポリシリコンを溶融して、シリコン融液を作り、そのシリコン融液に水平磁場を印加しながらシリコン単結晶を引上げる方法において、不活性ガス流量（単位［リットル／ｍｉｎ］）を炉内圧力（単位ｔｏｒｒ）で除した値を比流速（単位［リットル／ｍｉｎ］／ｔｏｒｒ）と定義し、
この比流速を１．０以下に制御し、かつ、シリコン融液の液面の変動に合わせて、シリコン融液の深さ方向でみて、つねに水平磁場の中心がシリコン融液の中心から液面までの間に維持され、シリコン単結晶の成長軸方向の酸素濃度が最も低くなるように制御されることを特徴とするシリコン単結晶引上方法。