JP4484599B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、育成するシリコン単結晶の径方向の抵抗率分布が改善された直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法に関する。

半導体素子形成用基板として用いられるシリコン単結晶（以下、単に単結晶という）を育成する場合は、坩堝内で加熱、溶融された融液に種結晶を浸漬して坩堝と種結晶を回転させながら種結晶を引上げて単結晶を成長させるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が一般的に使用されている。なお、近年において、この坩堝の外側に配置された磁場発生用コイルから融液内にカスプ磁場を印加して単結晶を育成するＭＣＺ法が使用されている。このＭＣＺ法では、融液面の対流が抑えられて、径方向の不純物濃度分布の均一化を図る事ができる。

なお、近年における半導体素子の高集積化、高密度化に伴い、上記育成した単結晶の径方向の不純物濃度の均一化が要望されている。特に、不純物を高濃度にドープする低抵抗率単結晶を育成する場合は、添加した不純物が単結晶の成長方向に沿って偏析する現象が発生するため、径方向に対する均一な不純物濃度分布を得ることは難しいという問題が生じていた。

なお、このような問題点を解決するにあたり、チョクラルスキー法により不純物元素をドープしたシリコン単結晶を引上げる際、ルツボ回転速度を周期的に変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−２０８８９２号公報

しかしながら、従来技術による場合には、ルツボ回転速度を周期的に増減させているため、ルツボ回転速度増減の際に発生する融液の液面振動を抑制することができず、単結晶育成の際の直径制御が困難となる。

なお、上述したように、ＭＣＺ法を用いることで単結晶の径方向の不純物濃度の均一化を図ることが可能である。しかしながら、近年、直径１２インチ以上の単結晶の大口径化に伴い、ＭＣＺ法を用いても、育成した単結晶において、不純物濃度の均一化が図れていない単結晶領域が存在することが確認された。すなわち、単結晶育成初期段階から終了段階までのある特定の領域において、図５に示すように径方向中央部の不純物濃度が高くなる（抵抗率が低下する）という問題が明らかになった。ここで、図５は育成された単結晶の径方向中央部における抵抗率異常を示す説明図で、横軸は単結晶の中心からの距離を示し、縦軸は単結晶の径方向中央部における抵抗率を示している。

本発明は、上記問題を解決し、単結晶径方向の不純物濃度均一化を図ることができ、直径制御に影響を及ぼさない直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、坩堝内で溶融された融液にカスプ磁場を印加しながら種結晶を浸漬して、前記坩堝と前記種結晶を回転させて育成する直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法であって、前記坩堝の内径半径（ｒ）と単結晶育成中に減少する前記坩堝内の残量融液深さ（ｈ）との比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５の範囲内で育成する前記種結晶の回転数を、１１．３〜１１．５ｒｐｍの範囲で行うことを特徴とする直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、前記シリコン単結晶の狙い抵抗率は１０．０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法が提供される。

本発明によれば、単結晶径方向の不純物濃度の均一化を図ることができ、直径制御に影響を及ぼさない直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法が提供される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明者は図５に示すような抵抗率の均一化が図れていない領域の発生（以下、抵抗率異常という）について、研究を重ねたところ、抵抗率異常を招く原因が、坩堝の内径半径（ｒ）と融液残量深さ（ｈ）と種結晶回転数との関係にあることを見出し、本発明を完成させた。

図１は、本発明の一実施形態にかかる単結晶の製造方法が適用される単結晶引上装置の概念図である。

図１に示すように、単結晶引上装置１は、加熱チャンバ２ａと引上チャンバ２ｂとからなるチャンバ２を有している。加熱チャンバ２ａ内には、単結晶原料を充填するための内径半径（ｒ）の石英坩堝３と、その外周には黒鉛坩堝（図示しない）が設けられており、石英坩堝３は制動手段（図示しない）により昇降、回転が可能となっている。さらに黒鉛坩堝から所定の間隔を有してヒータ４、ボトムヒータ５が設置されている。一方、引上チャンバ２ｂ内には、種結晶６を保持するためのチャック７がワイヤ８の先端に取り付けられており、ワイヤ８は、昇降、回転可能な制動手段（図示しない）に取り付けられている。更に、加熱チャンバ２ａの外側には磁場印加用電気コイル９が設置されている。

かかる構成の単結晶引上装置１を用いて単結晶を育成する場合には、まず石英坩堝３に単結晶育成の原料となるポリシリコン及び燐、ボロン、アンチモンなどのドープ剤を充填する。次いで、ヒータ４、ボトムヒータ５により石英坩堝３を加熱してポリシリコンを融液１０とし、種結晶６を浸漬して引き上げ、単結晶を育成する。この場合において、融液１０は単結晶が成長していくにつれて徐々に減少していき、その残量融液深さ（ｈ）は小さくなる。

この単結晶育成過程において、前記坩堝の内径半径（ｒ）と単結晶育成中に減少する前記坩堝の残量融液深さ（ｈ）との比（ｒ／ｈ）（以下、内径半径深さ比という）が１．４４〜２．４５の範囲で育成される単結晶領域において、図５に示すような抵抗率異常が発生することを予備実験（後述する）により確認した。

このような現象が起こる原因は、石英坩堝３内の融液１０の対流であると考えられる。一般的に、単結晶引上げ中の融液１０の流れは、坩堝回転運動、及び、種結晶回転運動に伴う強制対流と、ヒータからの加熱に伴う自然対流とが混在している。この２つの流れがぶつかりあい、融液は複雑な流れを生じ、また、渦やよどみが発生する。なお、単結晶育成前半においては、融液の流れはヒータからの加熱に伴う自然対流の流れが強くなり、図２に示すような自然対流が生じている。そのため、図５に示すような抵抗率異常は発生しない。しかしながら、単結晶が育成されていくにつれて融液１０は減少するため、自然対流が弱く、強制対流が強くなり、自然対流と強制対流が混在した状態が生じ、局部的に渦やよどみが発生する。そのため、図５に示すような抵抗率異常が生じることになる。尚、図２は、融液残量減少前の融液対流を示している。この自然対流と強制対流が混在した状態が生じた時に、種結晶回転数が１０．５〜１１．０ｒｐｍの範囲で単結晶引上げを継続した場合は、結晶育成固液界面下（図２中（ａ）領域）に融液の渦やよどみが発生してしまい、これが、抵抗率異常発生の要因となることを実験により見出した。さらに、坩堝の内径半径（ｒ）は、その値が大きいと自然対流が強くなり、その値が小さいと強制対流が強くなるという傾向がある。

すなわち、坩堝の内径半径（ｒ）と単結晶育成中に減少する前記坩堝の残量融液深さ（ｈ）との内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５となる範囲においては、種結晶の回転速度を１０．５〜１１．０ｒｐｍを除外した範囲で引上げ条件を設定することで、径方向中央部における抵抗率異常を抑制することができる。

なお、前記種結晶の回転数は４〜１０．０ｒｐｍ、又は、１１．３〜１１．５ｒｐｍの範囲で行うことが好ましい。前記種結晶の回転数が４ｒｐｍ未満の場合は、単結晶育成時において単結晶成長固液界面形状が極端に下凸の形状となり、結果、径方向中央部（図２中（ｂ））の育成速度が高くなり、融液中のドープ剤を多くドープしてしまうため、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）に関係なく、抵抗率異常が発生する単結晶領域が増加してしまう。また、前記種結晶の回転数が１１．５ｒｐｍを超えると育成する単結晶にねじれが発生するとともに、融液に液面振動を発生させてしまうため、直径制御が困難となるばかりか、結晶欠陥を多く発生させてしまう要因となる。

なお、育成する単結晶は１２インチ以上であることが好ましい。１２インチ以上の大口径の単結晶を育成する場合は、上述した問題が顕著に現われるため、本発明の実施形態を適用することにより、装置の改造等のコストをかける必要がなく、より効果的に、かつ、低コストで問題を改善することができる。

また、本発明の実施形態は、育成する単結晶の狙い抵抗率が１０．０Ω・ｃｍ以下の低抵抗単結晶育成において適用することがより好ましい。抵抗率が低い単結晶を育成する際には融液内でのドープ剤の含有量が多くなるため、上記問題が発生しやすくなる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により限定されるものではない。

（予備実験）
図１に示す装置を用いて下記の条件で予備実験を行った。

・単結晶狙い直径 ３００ｍｍ
・種結晶面方位 ｛１００｝
・狙い抵抗率 １．０〜２．０Ω・ｃｍ
・ドープ剤 ボロン
・坩堝内径半径 ４００ｍｍ
・坩堝回転数 ６．５ｒｐｍ
・種結晶回転速度 直胴部育成時 １０．７ｒｐｍ
・ヒータ出力 ０〜３０ｋＷ
・引上速度 ０．７〜１．０ｍｍ／ｍｉｎ
あらかじめ入力された坩堝内半径（ｒ）と、坩堝内の融液界面と坩堝内壁との位置をモニターして坩堝の高さと融液界面の位置から算出した融液残留深さ（ｈ）を算出し、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）を導き出して、随時、管理しながら、予備試験を行った。

坩堝内にポリシリコンと所望の抵抗率になるようにドープ剤を充填し、ヒータにより加熱して融液とした後、種結晶を融液に浸漬して引上げ、坩堝回転数、種結晶回転数を制御しながらネック部、拡径部を形成した。拡径部後、ヒータ出力と引上速度で直径を制御し、種結晶回転数を目標値（１０．７ｒｐｍ）で、それぞれ一定として直胴部を全長１０００ｍｍまで育成させた。その後、縮径部を形成し、融液より切り離して単結晶インゴットをそれぞれ作成した。上記条件で育成した単結晶インゴットの直胴部を外周研削し、ワイヤソーを用いて、切断して薄板状とした。その後、四深針抵抗率測定装置により、その切断面を直径方向に多点測定（５ｍｍ間隔で６１点、なお、再外周部は２ｍｍ間隔）し、直胴部形成初期から終了までの直胴部における成長方向の所定部位における面内抵抗率バラツキを評価した。

表１に、予備実験で得られた単結晶インゴットの直胴部における径方向の面内抵抗率バラツキΔρ（６１点測定値における（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＭＩＮ＊１００）と、その測定位置における内径半径深さ比（ｒ／ｈ）の値を表している。

この予備実験により、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が、１．４４〜２．４５となる範囲においては、他の測定位置と比べて径方向の面内抵抗率バラツキが約２倍以上に悪化する傾向があることが確認された。なお、これらの範囲では、育成された単結晶の径方向中央部における抵抗率の変動をプロットした図５に示されるように、径方向中央付近の抵抗率が局所的に低下する傾向であった。

（実施例１〜６）
図１に示す装置を用いて下記の条件で単結晶を育成した。

・単結晶狙い直径 ３００ｍｍ
・種結晶面方位 ｛１００｝
・狙い抵抗率 １．０〜２．０Ω・ｃｍ
・ドープ剤 ボロン
・坩堝内径半径 ４００ｍｍ
・坩堝回転数 ６．５ｒｐｍ
・ヒータ出力 ０〜３０ｋＷ
・引上速度 ０．７〜１．０ｍｍ／ｍｉｎ
あらかじめ入力された坩堝内半径（ｒ）と、坩堝内の融液界面と坩堝内壁との位置をモニターして坩堝の高さと融液界面の位置から算出した融液残留深さ（ｈ）を算出し、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）を導き出して、随時、管理しながら、本試験を行った。

坩堝内にポリシリコンと所望の抵抗率になるようにドープ剤を充填し、ヒータにより加熱して融液とした後、種結晶を融液に浸漬して引上げ、坩堝回転数、種結晶回転数を制御しながらネック部、拡径部を形成した。拡径部後、ヒータ出力と引上速度で直径を制御し、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、徐々に、種結晶回転数を目標値（１１．３ｒｐｍ（実施例１）、１１．５ｒｐｍ（実施例２）、１０．０ｒｐｍ（実施例３）、９．０ｒｐｍ（実施例４）、７．０ｒｐｍ（実施例５）、４．０ｒｐｍ（実施例６））で、それぞれ一定として直胴部を全長１０００ｍｍまで育成させた。その後、縮径部を形成し、融液より切り離して単結晶インゴットをそれぞれ作成した。なお、図３（ａ）は、横軸に内径半径深さ比を表し、縦軸に種結晶回転数を表している。また、図３（ｂ）は、単結晶インゴットの位置関係を示している。

上記条件でそれぞれ育成された単結晶インゴットを外周研削し、薄板状に切断した後、
その切断面を直径方向に多点測定（５ｍｍ間隔で６１点、なお、再外周部は２ｍｍ間隔）し、図５に示すような抵抗率異常の発生率を評価した。

（実施例７〜８）
図１に示す装置を用いて実施例１〜６と同様な条件で単結晶を育成した。但し、直胴部形成時における種結晶回転数を１０．７ｒｐｍで保持し、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４に達する前に、種結晶回転数を１１．３ｒｐｍ（実施例７）、１０．０ｒｐｍ（実施例８）にそれぞれ変化させて一定として直胴部を全長１０００ｍｍまで育成させた。その後、縮径部を形成し、融液より切り離して単結晶インゴットをそれぞれ作成した。上記条件でそれぞれ作成した単結晶インゴットを外周研削し、薄板状に切断した後、実施例１〜６と同様に四深針抵抗率測定装置により全数測定し、図５に示すような抵抗率異常の発生率を評価した。

（比較例１〜４）
図１に示す装置を用いて実施例と同様な条件で単結晶を育成した。但し、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、種結晶回転数の目標値を、１０．５ｒｐｍ（比較例１）、１０．８５ｒｐｍ（比較例２）、１１．０ｒｐｍ（比較例３）、３．０ｒｐｍ（比較例４）として、それぞれ単結晶インゴットを作成した。なお、図４（ａ）は、横軸に内径半径深さ比を表し、縦軸に種結晶回転数を表している。また、図４（ｂ）は、単結晶インゴットの位置関係を示している。

実施例と同様に、四深針抵抗率測定装置により全数測定し、図５に示すような抵抗率異常の発生率を評価した。

表２に、本発明における実施例と、比較例における抵抗率異常の発生率の結果を示す。

表２から明らかなように、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５の範囲内での前記種結晶の回転数が１０．５〜１１．０ｒｐｍを含む領域で育成した場合（比較例１〜３）は、図５に示されている抵抗率異常の発生率が４０％程度である。これに対して、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５の範囲内での前記種結晶の回転数が１０．５〜１１．０ｒｐｍを含まない領域にて育成した場合（実施例１〜８）は、抵抗率異常の発生率が１０％以下と大幅に改善されることが確認された。特に、実施例７〜８では、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４に達した時点で種結晶回転数を意図的に１０．５〜１１．０ｒｐｍの範囲を除外した回転数で育成することにより、抵抗率異常を大幅に改善できる。

さらに、種結晶回転数が３．０ｒｐｍで育成した場合は、抵抗率異常の発生率は７０％を超えてしまい、問題とされた内径半径深さ比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５の範囲内以外でも、抵抗率異常が発生してしまう。これは、単結晶育成時において単結晶成長固液界面形状が極端に下凸の形状となり、結果、径方向中央部の単結晶育成速度が高くなるため、融液中のドープ剤を多くドープしてしまうため、内径半径深さ比（ｒ／ｈ）に関係なく、抵抗率異常が発生する単結晶領域が増加してしまう。

本発明は、上述した単結晶回転数の設定パラメータに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る単結晶の製造方法が適用される単結晶引上装置の概念図。 融液残量減少前の融液対流を示す説明図。 本発明における実施例の試験方法を示す説明図。 本発明における比較例の試験方法を示す説明図。 育成された単結晶の径方向中央部における抵抗率の局部的な低下（抵抗率異常）を示す説明図。

符号の説明

１：単結晶引上装置、２：チャンバ、２ａ：加熱チャンバ、２ｂ：引上チャンバ、
３：石英坩堝、４：ヒータ、５：ボトムヒータ、６：種結晶、７：チャック、
８：ワイヤ、９：磁場印加用電気コイル、１０：融液、
ｒ：石英坩堝の内径半径、ｈ：融液残量深さ。

Claims (2)

1. 坩堝内で溶融された融液にカスプ磁場を印加しながら種結晶を浸漬して、前記坩堝と前記種結晶を回転させて育成する直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法であって、前記坩堝の内径半径（ｒ）と単結晶育成中に減少する前記坩堝内の残量融液深さ（ｈ）との比（ｒ／ｈ）が１．４４〜２．４５の範囲内で育成する前記種結晶の回転数を、１１．３〜１１．５ｒｐｍの範囲で行うことを特徴とする直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記シリコン単結晶の狙い抵抗率は１０．０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の直径１２インチ以上のシリコン単結晶の製造方法。

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