JP4330230B2 - 単結晶育成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶育成方法に関し、より詳細には、チョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」という。）単結晶引上げ装置を用いて、シリコン等の半導体用単結晶インゴットを無転位化状態で歩留まり良く得ることができる単結晶育成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体基板等の製造に用いられるシリコン単結晶等の育成には、原料（シリコン）融液に種結晶を着液し、この種結晶をゆっくり引き上げることにより単結晶を成長させるＣＺ法が用いられている。
このＣＺ法によりシリコン等の単結晶を育成する装置としては、例えば、図２に示すようなものがある。
すなわち、装置は大別して、内部に不活性ガスが充填されるチャンバー１と、前記チャンバー１内に設置され、原料シリコンを溶融し、シリコン単結晶を育成する熱環境を作るホットゾーンから構成される。
前記チャンバー１には、チャンバー１内に、例えば、Ａｒガス等の不活性ガスを流入させる不活性ガス導入管２が設置される。また、底部中央に回転昇降自在なるつぼ回転軸３が挿入されている。前記るつぼ回転軸３の周りにはチャンバー１内の不活性ガスを排出する排気管４が取り付けられている。さらに、上部には引上げ装置５が設置され、種結晶６を固定するチャック７の付いたワイヤー８は回転昇降自在に構成されている。
【０００３】
前記ホットゾーンは、原料（シリコン単結晶育成の場合は、通常、多結晶シリコン）の充填された石英るつぼ９を支持する黒鉛るつぼ１０、前記原料を溶融する発熱体１１、保温材１２から構成される。また、前記保温材１２の上部には、シールド支え１３上に輻射シールド１４が配設される。輻射シールド１４は、シリコン単結晶１５を同心円状に取り囲み、下端開口部はシリコン融液１６に接近し、上端はるつぼ上部付近を覆っている。
【０００４】
このような構成の単結晶育成装置（単結晶引上げ装置）を用いてシリコン単結晶を育成する場合には、まず、石英るつぼ９内に原料（例えば、多結晶シリコン）を充填する。
そして、Ａｒガス等の不活性ガスをチャンバー上部の不活性ガス導入管２からチャンバー１内に導入し、原料シリコンを発熱体１１により加熱する。このようにすると、石英るつぼ９内の原料シリコンが溶けて溶融シリコン１６となる。チャンバー内に流入したＡｒガス等の不活性ガスは、輻射シールド１４下端と溶融シリコン１６の間を通り、溶融シリコン表面から蒸発するＳｉＯガスとともに排出管４から排出される。ＳｉＯガスは結晶表面に付着すると結晶を有転位化させるので、不活性ガスは運転中流し続ける。
このようにした後、ワイヤー８を降下させて種結晶６を溶融シリコン１６に着液する。この状態で、引上げ装置５とるつぼ回転軸３を互いに逆方向へ回転させ、ワイヤー８をゆっくりと上昇させて、種結晶６から順次、ネック部、肩部、直胴部、尾部を育成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
シリコン等の半導体基板製造用単結晶の育成においては、無転位の単結晶を育成することが重要である。
上記ＣＺ法による単結晶育成では、まず、種結晶を降下させて原料融液に着液し、種結晶を原料融液に馴染ませた後、引上げを開始するいわゆるシーディング工程を行う。次に、直胴部に比べて断面積の小さいネック部を所定長さに形成するいわゆるネッキング工程を行う。このネッキング工程において、結晶を無転位化してから肩部以降を育成することにより、全体が無転位化された単結晶を得る。
【０００６】
すなわち、前記シーディング工程において、種結晶の先端部は、ある程度予熱した後に原料融液に着液させるが、種結晶の熱変形や部分融解等の不都合を回避するため、この予熱温度は、通常、１３００℃程度と溶融シリコンの温度（約１４１０℃）より１００℃以上低い。そのため、種結晶の先端部は原料融液着液時に熱衝撃を受け、その熱応力歪みにより、多くの場合、育成当初のネック部に転位が発生する。この転位は、結晶の成長界面に対し垂直方向に成長する傾向を有し、育成する結晶の単結晶化を阻害するものである。
したがって、この転位を消滅させてから、以後の結晶の育成を進行することが必要である。一般に、この転位は、成長する結晶の断面積が小さいほど、発生が少なく、また、一旦発生した転位の成長も停止しやすいことから、ＣＺ法等による単結晶育成においては、断面積の小さいネック部を所定長さ育成し、転位を消滅させる。
【０００７】
通常、ネック部は、前記熱衝撃が解消され、融液温度やその均一性（揺れの解消）、単結晶の成長界面近傍の温度分布状態、不活性ガスの流通状態等の単結晶を育成する環境が適正な場合、ある程度の長さのネック部を育成した後は、一旦発生した転位の成長は停止する。多くの場合は、それ以降の長さ方向の部分は、転位が存在しない、いわゆる無転位化された結晶となる。
しかしながら、上記の単結晶を育成する環境が適正でない場合は、前記所定長さのネック部内で転位が消滅せず、有転位のまま存在する場合もある。この場合は、そのまま結晶の育成を続行すると、有転位の結晶の不良品インゴットとなってしまう。
【０００８】
したがって、育成したネック部がネッキング工程の途中で無転位化しているか否かを判定することが非常に重要である。
従来、この判定は、ネック部表面に見られる晶壁線の有無の観察、または、結晶育成方向にネック部断面を切り出して転位を調査する等の方法により行われていた。
しかしながら、晶壁線はネックが無転位化していなくてもネック表面に現れるため、確実な判定が困難である。
また、ネック部断面からサンプリングして転位の有無を調査する方法は、確実ではあるが、サンプル切り出し等に非常に多くの手間と時間を要するため、手早く結果を得ることが必要な工程の検査等には馴染まない。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ＣＺ法のネッキング工程において、育成したネック部が途中で無転位化しているか否かの判定を迅速、容易、かつ、正確に行い、これにより無転位の良質な単結晶インゴットを歩留まり良く育成する、単結晶育成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
さらに、本発明の他の目的は、上記の育成したネック部で一旦発生した転位が解消され、無転位の単結晶が確実に出現するために最低限必要なネック長さを検定し、育成すべきネック部長さの適正化を図ることにより、ネッキング工程に要する時間を短縮し、ひいては、単結晶の生産コストの低減化を実現する、単結晶育成方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、チョクラルスキー法による単結晶引上げにおいて、まず、単結晶のネック部だけを育成し、該ネック部を一旦炉から取り出して、エッチング液を用いて選択エッチング処理した該ネック部の結晶表面の観察により転位状態を検査し、該ネック部がその上端から下端に至るまでの途中で無転位化したと判定した場合は、該ネック部育成時の条件で、再度、種結晶からネック部を育成し、引き続いて、肩部、直胴部、尾部形成までの単結晶引上げ工程を実施し、一方、前記ネック部が下端まで有転位と判定した場合は、引上げ条件を、検査結果に基づき修正して適正化し、再度、種結晶からネック部を育成して上記検査工程を繰り返すことを特徴とする単結晶育成方法が提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、上記単結晶育成方法の一好適態様として、特に、前記ネック部の転位状態の検査が、Ｓａｔｏ液によりエッチング処理したネック部の結晶表面の観察により行われることを特徴とする単結晶育成方法が提供される。
【００１４】
また、さらに、本発明によれば、前記単結晶がシリコン単結晶であることを特徴とする単結晶育成方法が提供される。
【００１５】
本発明に係る単結晶育成方法は、ＣＺ法単結晶引上げにおいて、本格的なインゴットの育成操作の前に、まず、単結晶のネック部だけを育成し、該ネック部を炉から取り出してその転位状態を観察検査し、該検査の評価結果をフィードバックすることにより単結晶引上げ条件の最適化を図る点に特徴がある。
【００１６】
特に、上記転位状態の検査に、化学エッチング薬液で表面処理したネック部表面を観察検査する方法、特に、Ｓａｔｏ液で表面エッチングして観察検査する方法を採用することにより、該ネック部の転位の状態を迅速、容易、かつ、正確に評価することができる。
すなわち、ネック部に転位が存在する場合、該ネック部の表面をＳａｔｏ液エッチング処理すると、ネック部表面に転位が白く鮮明に現れ、この転位パターンおよび転位波及状態を観察することにより、ネック部の途中で転位が消滅しているか否かを容易に判定できる。
【００１７】
転位が消滅していない場合は、ネック育成速度（単結晶各部の引上げ速度）、溶融シリコン温度（温度揺れ）等の単結晶育成条件を調節し、再度ネック部を育成するというように、育成条件再設定へのフィードバックを迅速に行うことができる。
また、育成したネック部が、その途中で無転位化している場合は、ネックトップ（種結晶の存在するネック部の最上部）から該無転位化しているところまでの長さを測定する。そして、以後のネッキング工程においては、この長さ分だけネック部を育成すればよく、ネッキング工程に要する時間をそれだけ短縮することができる。
【００１９】
本発明に係る単結晶育成方法は、ＣＺ法単結晶引上げ装置を用いて、大量に大口径インゴットを作製する半導体用シリコン単結晶の製造に、特に好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の単結晶育成方法をより具体的に説明する。
本発明に係る単結晶育成（引上げ）方法は、従来のＣＺ法による単結晶引上げにおいて用いられている単結晶引上げ装置と同様の装置を用いて差し支えなく、例えば、図２に示したような装置を用いる。
また、一旦引上げ条件が適正化され確立された後は、引上げ工程順、操作手順等に関しても従来法と同様に実施される。
【００２１】
上記のように本発明に係る単結晶育成法は、本格的な単結晶インゴットの育成の前に、まず、単結晶のネック部だけを育成し、該ネック部を炉から取り出してその転位状態を観察検査し、該検査の評価結果をフィードバックすることにより単結晶引上げ条件の最適化を迅速に図る点が特徴である。
【００２２】
特に、上記ネック部の転位状態の観察検査に、該ネック部表面を、例えば、Ｓａｔｏ液等のエッチング薬液で処理し、該ネック部の結晶状態を観察検査する方法を採用すれば、該ネック部の転位の状態を迅速、容易、かつ、正確に評価することができるため好適である。
この薬液による選択エッチングは、転位等の欠陥の存在する結晶領域のエッチング速度が、他の結晶学的に完全な領域のエッチング速度と異なるという性質を利用したものである。これは、結晶表面近傍の転位等の欠陥をエッチピットやエッチ小丘として顕在化させるもので、この選択エッチング後、該ネック部のエッチング面を、目視または光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。
【００２３】
選択エッチングに用いる薬液としては、ダッシュ（ｄａｓｈ）液、ジルトル（Ｓｉｒｔｌ）液、セコ（Ｓｅｃｃｏ）液、ライト（Ｗｒｉｇｈｔ）液、サトー（Ｓａｔｏ）液等のエッチング液を挙げることができるが、これらのうちでも本発明において、特にシリコン単結晶育成の場合は、Ｓａｔｏ液（液組成の一例；ＨＦ（４９％）：ＨＮＯ₃ （６９％）：ＣＨ₃ ＣＯＯＨ：Ｈ₂ Ｏ＝１：１５：３：１）の使用がエッチング速度、選択性等の観点から最も好適である。
【００２４】
例えば、シリコン単結晶のネック部をＳａｔｏ液を用いて選択エッチング処理する場合、該ネック部を２３±５℃のＳａｔｏ液中に浸漬し、反応が均一に進行するようにネック部をゆっくり動かしながら、所定時間後引き上げる。該ネック部を水洗し、乾燥後、表面状態を目視または光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察検査する。
【００２５】
ネック部に転位が存在する場合、表面をＳａｔｏ液等の選択エッチング液で処理すると、ネック部表面に転位が白く鮮明に現れ、この転位パターンおよび転位波及状態を観察することにより、ネック部途中で転位が消滅しているか否かを容易に判定できる。
転位が消滅していなければ、ネック育成速度、融液温度、引上げ速度等の単結晶育成条件を調節し、再度ネックを育成するというように成長条件再設定へのフィードバックを迅速に行う。
【００２６】
最初に形成するネック部の長さは、その断面径の大きさにも依存するが、通常４００ｍｍ程度である。
また、育成したネック部が、その途中で無転位化していれば、ネックトップから該無転位化しているところまでの長さを以後のネック部育成長さとする。
【００２７】
ここで、前記ネック部を育成後、炉から取り出してその転位状態を観察する際の、ネック部の結晶の転位状態の判定法についてさらに具体的に説明する。
例えば、前記ネック部の表面をＳａｔｏエッチングして観察する場合、その表面に観察される転位パターンは、図１（ａ）、（ｂ）に模式的に示したように、２つの状態に大別される。なお、図１において、符号１７はネック部、１７ａはネックトップ、１８は肩部、２１は転位ピットスリップ転位線である。
図１（ｂ）は、ネック長さの全長にわたって転位ピットが分布しており、ネック部不良と判定できる。
そこで、ネック部育成速度、融液温度等を調節し、引上げ条件の適正化を図ると、次回または何回かの繰り返し試行の後には、図１（ａ）のように、ネック部の長さ方向の途中まではスリップ転位が観察されるが、それ以降は無転位の状態のネック部が得られるようになる。
したがって、このような状態のネック部（図１（ａ））が得られるまで、前記ネック部のみの育成、炉内からの取り出し、表面エッチング検査、ネック部引上げ条件の修正再設定の各操作工程を繰り返し、最終的に、ネック部の育成条件を最適化する。
【００２８】
また、図１（ａ）のようなネック部パターンから、該ネック部の無転位化に必要とされる長さが分かるので、以後のネック部育成には、この長さだけのものを育成すれば足り、余分な長さのネック部を育成することが避けられるため、ネッキング工程に要する時間を短縮できる。
【００２９】
また、上記ネック部の転位状態を観察検査する際に使用した種結晶を、該種結晶から育成したネック部の結晶部分を切断除去した後、新たに種結晶として用いると、ネッキング工程をやり直す場合であっても、別の新しい種結晶を再度取り付けて着液する必要はなく、手間を省くことができ、その分、単結晶引き上げに要するエネルギーおよび時間を節約することができる。
【００３０】
本発明に係る単結晶育成方法は、ＣＺ法単結晶引上げ装置を用いて、大量に大口径インゴットを作製する半導体用シリコン単結晶の製造に好適である。
【００３１】
上記のように、本発明に係る単結晶育成方法では、予め育成したネック部の迅速な検査観察結果に基づき、本格引上げでのネック部の無転位化の最適条件を迅速かつ正確に決定し、さらに、ネック部の無転位化に要する長さを決定する。
さらに、上記観察検査の結果を利用することにより、ネック部育成に続く、肩部、直胴部、尾部等のインゴット各部の育成工程における融液温度、その温度分布、結晶成長界面近傍での不活性ガスの流通状態等の環境条件、ならびに、引上げ速度、結晶およびるつぼの回転速度等の操作条件の最適化をも図ることができ、無転位の良品質の単結晶インゴットを歩留まり良く得ることを可能にする。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明に係る単結晶育成方法を実施例に基づきさらに詳細に説明する。図２に示したようなＣＺ法単結晶引上げ装置で、多結晶シリコンを原料として加熱融解し、るつぼ内にシリコン融液を作製、貯留した（融液温度揺れ２．５±０．５℃）。この融液に約１３００℃に予熱した種結晶を着液し（シーディング）、１．５±１．０ｍｍ／ｍｉｎの引上げ速度で引き上げ、ネック部（直径５ｍｍ、長さ約４００ｍｍ）を育成した。このネック部を炉から取り出した後、Ｓａｔｏエッチング液を用いてネック部表面を選択エッチングした。
この選択エッチング処理で該ネック部表面に現れた転位パターンを観察したところ、図１（ｂ）に示したように、ネック部全体に転位ピットが分布したパターンが見られ、これにより、ネック部全体が有転位であると判定することができた。
そこで、引上げ速度を３．５±１．０ｍｍ／ｍｉｎに、融液温度揺れを、±１．０℃以内に調整し、再度、ネック部の育成、選択エッチング、表面観察を実施したところ、今度は図１（ａ）に示したようにネック部長さの途中まで（上端から約２５０ｍｍまで）スリップ転位線が観察されたが、それ以降の部分は無転位であった。
【００３３】
したがって、以後の育成工程においては、ネック部長さを２７０ｍｍに設定し、上記調整後の引上げ条件を踏襲し、前記ネック部を切断除去した種結晶を用いて、再度、ネック部を形成し、引き続き、肩部、直胴部、尾部を育成して、シリコン単結晶を製造した。
【００３４】
なお、このときのネック部、肩部、直胴部、尾部の形成工程における具体的な引上げ条件は表１に示す通りである。
【００３５】
【表１】

【００３６】
そして、得られた単結晶インゴットからウエハを切り出し、該切り出されたウエハのうち５枚をランダム抽出してその転位状態を検査したところ、いずれも無転位であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る単結晶育成方法によれば、ＣＺ法単結晶育成において、無転位成長に必要な引上げ条件を迅速かつ簡便に決定することができる。また、従来の単結晶引上げでのネック部育成において余剰に育成していたネック部長さを適正長さに短縮することができる。これにより、ネッキング工程での消費エネルギーおよび時間を節約することができ、ひいては、単結晶の製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ネック部の転位状態を示す模式図（Ｓａｔｏエッチング処理）であり、（ａ）は、無転位化した場合、（ｂ）は、有転位の場合である。
【図２】図２は、ＣＺ法による単結晶育成装置の概略図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 不活性ガス導入管
３ るつぼ回転軸
４ 排気管
５ 引上げ装置
６ 種結晶
７ チャック
８ ワイヤー
９ 石英るつぼ
１０ 黒鉛るつぼ
１１ 発熱体
１２ 保温材
１３ シールド支え
１４ 輻射シールド
１５ 単結晶
１６ 原料融液
１７ ネック（部）
１７ａ ネックトップ
１８ 肩部
１９ 直胴部
２１ 転位ピット
２２ スリップ転位線

Claims (3)

1. チョクラルスキー法による単結晶引上げにおいて、単結晶のネック部のみを育成し、該ネック部を一旦炉から取り出して、エッチング液を用いて選択エッチング処理した該ネック部の結晶表面の観察により転位状態を検査し、該ネック部がその上端から下端に至るまでの途中で無転位化したと判定した場合は、該ネック部育成時の引上げ条件で、再度、種結晶からネック部を育成し、引き続いて、肩部、直胴部、尾部形成までの単結晶引上げ工程を実施し、一方、前記ネック部が下端まで有転位と判定した場合は、引上げ条件を修正し、再度、種結晶からネック部を育成して上記検査工程を繰り返すことを特徴とする単結晶育成方法。
2. 前記ネック部の転位状態の検査が、Ｓａｔｏ液によりエッチング処理したネック部の結晶表面の観察により行われることを特徴とする請求項１記載の単結晶育成方法。
3. 前記単結晶がシリコン単結晶であることを特徴とする請求項１または２記載の単結晶育成方法。

Images