JP5003733B2 - 単結晶成長方法 - Google Patents

Description

本発明は単結晶成長方法、特に坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより坩堝内の原料融液に水平磁場を印加しつつ前記原料融液から単結晶を引上げる、水平磁場印加ＣＺ法（ＨＭＣＺ法：Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ法）と呼ばれる単結晶成長方法に関する。

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種類があるが、工業的に広く用いられているのは回転引上げ法であるＣＺ法（チョクラルスキー法）である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、図７に示すような結晶成長装置が使用される。この結晶成長装置は、原料融液であるシリコン融液１３を収容する坩堝１と、坩堝１の外側に配置された環状の抵抗式ヒータ２とを備えている。坩堝１は、内側の石英坩堝１ａと外側の黒鉛坩堝１ｂとを組み合わせた二重構造であり、昇降及び回転が可能な支持軸６の上に載置されている。この坩堝１は、外側のヒータ２などと共に図示されないチャンバ内に収容されている。

操業では、ワイヤなどからなる引上げ軸５に吊り下げられた種結晶１５を坩堝１内のシリコン融液１３に浸漬する。そして坩堝１及び引上げ軸５を逆方向又は同方向に回転させながら引上げ軸５を上昇させて種結晶１５を引上げることより、種結晶１５の下方にシリコン単結晶１２を育成する。シリコン単結晶１２の育成に伴うシリコン融液１３の液面低下を相殺して、その液面レベルを一定に維持するために、坩堝１を徐々に上昇させる。

更に詳しく説明すると、チャンバ内を所定の真空度に減圧し、且つ所定の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、坩堝１内の固形原料を坩堝１の外側に配置されたヒータ２により溶かして坩堝１内にシリコン融液１３を形成する。種結晶１５を原料融液１３に漬けた後、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、種結晶１５を直径３ｍｍ程度まで細く絞る。この種絞り工程（ネッキング工程）の後、所定の径まで徐々に増径する肩部形成工程（増径工程）を経て直胴部の引上げを開始する。

このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、前述したとおり、原料融液を収容する容器として石英坩堝を使用するのが通例になっている。この石英坩堝はシリコン融液と接するとこの融液と反応して酸素を放出する。融液中に放出された酸素は、その一部が引上げ中に単結晶中に取り込まれ、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、シリコン融液中の酸素濃度の制御が重要な技術となる。

ＣＺ法における原料融液中の酸素濃度を制御する方法の一つとして、磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法： Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ法）がある。この方法は坩堝内の原料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融液対流を抑制して、酸素の溶出を抑制するものである。磁場の印加方法には種々の種類があるが、特に水平方向に磁場を印加するＨＭＣＺ法の実用化が進んでいる。

ＨＭＣＺ法に用いられる結晶成長装置は、図８及び図９に示すように、磁場印加のために、チャンバ７の外側に当該チャンバを挟んで対称的に対向配置された一組のコイル３０ａ，３０ｂを備えている。チャンバ７は、坩堝１などのホットゾーンを収容する大径筒状のメインチャンバ７ａと、育成された単結晶を収容するためにメインチャンバ７ａの中心部上に重ねられた小径長尺のプルチャンバ７ｂとからなり、一組のコイル３０ａ，３０ｂは、メインチャンバ７ａの外側に、チャンバ中心と交差する水平線上に同軸に並んで配置されている。一方、メインチャンバ７ａの内部には、坩堝１及びヒータ２の他に、断熱材８ａがメインチャンバ７ａの周壁内面に沿って配設されると共に、断熱材８ｂが底部表面に沿って配設されている。

水平方向の磁場を形成するコイルの形状は、通常は横向きの円環状であるが、メインチャンバの外形に沿って鞍型に湾曲したものも特許文献１に記載されている。双方のコイル中心を結ぶ線の位置に関しては、通常は特許文献２に記載されているように、坩堝内の原料融液の表面に概ね一致するレベルに設定されるが、原料融液へ印加される磁場強度の均一性向上を目的として、原料融液の表面より下方、具体的には、坩堝内の原料融液における深さ方向の中心部近傍に位置させる技術も特許文献３に記載されている。なお、本明細書では双方のコイル中心を結ぶ線をコイルの中心線と呼び、図９中にＣ−Ｃで示す。

特開平８−３３３１９０号公報 米国特許第４５６５６７１号明細書 特許第２９４９４３７号公報

ＨＭＣＺ法において鞍型に湾曲したコイルを使用することにより、平面的な通常コイルを使用する場合と比べて、小さい起磁力で同じ強度の磁界を発生でき、コイルを小型化できるなどの利点がある。しかしながら、その利点の一方で次のような問題がある。

鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法を、内径５００ｍｍ以上の大口径坩堝による直径２００ｍｍ以上の大径単結晶引上げに適用すると、引上げ中に突然結晶径が急増するという、鞍型コイルに特有の現象が発生することが判明した。このような結晶径の急増現象が生じると、所望の結晶品質が得られないばかりか、引上げ操作そのものが不可能になるおそれがある。このため、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法においては、結晶径の急増現象を阻止することが重要な技術課題となる。

また、コイルの形状に関係なく、ＨＭＣＺ法では坩堝の回転数が低いことが望まれる。なぜなら、ＨＭＣＺ法においては、坩堝回転数が高くなると、融液が坩堝と共に回転しようとする作用と、その融液が磁場の影響により停止しようとする作用とが同時に起こるため、融液は不安定になり、酸素濃度の面内分布が悪化するなどの問題を生じるからである。この問題のため、ＨＭＣＺ法において採用する坩堝回転数は低い方が望ましいとされている。

ところが、坩堝回転数は酸素濃度を制御する重要なファクターの一つであり、坩堝の回転数を高めると結晶中の酸素濃度が上昇する傾向があり、結晶成長後半で坩堝回転数を高めることにより、結晶軸方向で酸素濃度を均一化する操作が行われる。このため、結晶成長後半で酸素濃度の面内分布が悪化する問題がある。このようなことから、坩堝回転数を高めずに応答性よく酸素濃度を上昇させ得る手法の開発が待たれている。

本発明の目的は、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする単結晶成長方法を提供することにある。本発明の他の目的は、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができる単結晶成長方法を提供することにある。

本発明者らは、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止することを目的として、その急増現象に影響する諸因子について調査検討を行った。その結果、以下の事実が判明した。

同じＨＭＣＺ法でも、平面的な通常コイルを使用した場合は、鞍型コイルを使用した場合に結晶径の急増現象を生じるコイル位置でも、結晶径の急増現象は生じない。即ち、結晶径の急増現象は、鞍型コイルを使用した場合に固有の現象である。その詳細な理由は不明であるが、各コイルを使用した場合の磁束分布形状の違いが影響していると考えられる。

この結晶径の急増現象には、坩堝内の融液量、その時点の坩堝回転数、及びコイル中心線の融液表面からの距離が影響する。即ち、結晶径の急増現象は、坩堝内の残液量と坩堝回転数とが特定の関係を満足したときに発生し、その関係は、坩堝内の残液量が減少するに従って、結晶径の急増現象を生じる坩堝回転数が低下するものとなる。そして、この関係には、コイル中心線の融液表面からの距離が影響しており、この距離が大きくなるほど、即ち、コイル中心線が融液表面から下がるほど、結晶径の急増現象は抑制される傾向となる。

図３は内径が７５０ｍｍの石英坩堝で、直径が３００ｍｍの単結晶を引上げた場合の結晶径急増条件を示す図表であり、横軸は坩堝内の残液量、縦軸は坩堝回転数を表している。同図から分かるように、坩堝内の残液量が少なくなるほど、低い坩堝回転数で結晶径の急増が生じるが、その一方で、結晶径の急増を生じる回転数は、コイル中心線の位置が下がるほど低下する。そして、このような関係を基にして更に調査を続けた結果、コイル中心線が融液表面から１００ｍｍ以上下に下がった位置にあれば、坩堝に充填可能な融液量の範囲においては、如何なる坩堝回転数であっても、結晶径の急増は生じないことが判明した。

また、図４は前述の引上げ条件において、融液表面からコイル中心線までの距離を変化させた場合の、結晶長２００ｍｍの箇所における酸素濃度を比較したものである。同じ酸素濃度パラメータ（坩堝回転数、炉内圧、不活性ガス流量など）を用いた場合、鞍型コイルの中心線位置を変更すると、酸素濃度も変化することが分かる。より具体的には、鞍型コイルの中心線位置が低いほど酸素濃度が高くなる。その結果、坩堝の回転数を低位に抑制したままで、酸素濃度を高めることが可能となり、坩堝の回転数を高めることによる酸素濃度の面内分布の悪化等が回避される。

本発明の単結晶成長方法は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより、チャンバ内の坩堝に収容された原料融液に水平磁場を印加しつつ、前記原料融液から単結晶を引上げる単結晶成長方法において、前記コイルの形状を、前記チャンバの外形に沿って湾曲した鞍型形状とし、前記コイルの中心線を、前記坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に１２０〜１８０ｍｍ離れた位置に設定し、前記コイルにより印加する磁場強度を３０００Ｇａｕｓｓとし、前記坩堝の回転数を１．５〜３ｒｐｍとするものである。

本発明の単結晶成長方法においては、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離が１００ｍｍ以上（１２０〜１８０ｍｍ）に設定されたことにより、坩堝内の残液量に関係なく、また坩堝回転数に関係なく、鞍型コイルを使用した場合に特有の結晶径の急増現象が回避される。即ち、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離が１００ｍｍ未満の場合は、原料融液の表面より下にコイルの中心線が位置していても、坩堝内の残液量や坩堝回転数によっては、結晶径の急増現象が発生する懸念がある。

前記距離の上限については２００ｍｍ以下が好ましい。なぜなら、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離は、コイルサイズや坩堝サイズにも依存するが、コイル中心線が融液の表面より下に位置した場合、融液内における磁束の水平方向分布が乱れ、有転位化が生じやすくなる傾向があるため、コイル中心線を下げすぎるのは好ましくないからである。本発明では前記距離の範囲を１２０〜１８０ｍｍとする。

また、本発明の単結晶成長方法においては、コイル中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に１００ｍｍ以上（１２０〜１８０ｍｍ）離れた位置に設定するため、結晶中の酸素濃度が上昇し、坩堝回転数を上昇させずに酸素濃度の増大が可能になる。その結果、坩堝回転数の上昇による酸素濃度の面内分布の悪化が防止される。また、そのコイル中心線を上下方向に移動させれば、コイル位置以外の酸素濃度制御パラメータ（坩堝回転数、炉内圧、不活性ガス流量など）を大きく変更せずとも、結晶中の酸素濃度の制御が可能になる。

本発明の単結晶成長方法は、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法のなかでも結晶径の急増が発生しやすい、内径５００ｍｍ以上の大口径坩堝を用いた直径２００ｍｍ以上の大径単結晶の引上げに特に有効である。

なお、コイル中心線を原料融液の表面より下方に位置させる技術は、平面的なコイルを使用する通常のＨＭＣＺ法では、特許文献３により公知である。しかし、この技術は、原料融液へ印加される磁場強度の均一性向上を目的としており、鞍型コイルを使用するＨＭＣＺ法に固有の問題である結晶径の突然の急増現象を阻止することについては、何らの示唆もしていない。

本発明の単結晶成長方法は、鞍型コイルを使用することにより、コイルを小型化できる。また、その鞍型コイルの中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に１００ｍｍ以上（１２０〜１８０ｍｍ）離れた位置に設定することにより、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする。更に、このコイル中心線の設定により、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができ、ＨＭＣＺ法で坩堝回転数を高めたときに問題となる酸素濃度の面内分布悪化を回避できる効果もある。

本発明の単結晶成長方法を実施するのに適した結晶成長装置の模式断面図である。 同結晶成長装置の平面図である。 結晶径の急増現象の発生条件を示す図表である。 融液表面からコイル中心線までの距離と結晶中の酸素濃度との関係を示す図表である。 融液表面からコイル中心線までの距離が５０ｍｍと１５０ｍｍの場合について結晶軸方向の酸素濃度分布を示す図表である。 融液表面からコイル中心線までの距離が５０ｍｍと１５０ｍｍの場合について結晶軸方向の酸素濃度分布を示す図表である。 ＣＺ法の概念図である。 ＨＭＣＺ法に使用される結晶成長装置の模式断面図である。 同結晶成長装置の平面図である。

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は本発明の単結晶成長方法を実施するのに適した結晶成長装置の模式断面図、図２は同結晶成長装置の平面図である。

本結晶成長装置は、チャンバ７として円筒形状のメインチャンバ７ａと、その上に同心状に重ねられた細長い円筒形状のプルチャンバ７ｂとを備えている。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。坩堝１は内側の石英坩堝１ａと、その外側に配置された黒鉛製の保持坩堝１ｂとからなり、ペディスタルと呼ばれる支持軸６の上に受け皿を介して載置されている。坩堝１の外側にはヒータ２が配置されている。メインチャンバ７ａ内には、更に断熱材８が配置されている。この断熱材８は、メインチャンバ７ａの周壁内面に沿って配設された第１の断熱材８ａと、メインチャンバ７ａの底部表面に沿って配設された第２の断熱材８ｂとからなる。

一方、プルチャンバ７ｂ内には、ワイヤからなる引上げ軸５が当該プルチャンバを貫通して垂下されており、その下端には種結晶１５が装着されている。引上げ軸５は、結晶引上げのために、プルチャンバ上に設けられた図示されない回転巻き上げ機構により回転及び引き上げ駆動される。

他方、メインチャンバ７ａの外側には、中心線を水平方向に向けた一組のコイル３０ａ，３０ｂが、該メインチャンバを挟んで対称的に対向配置されている。これらのコイル３０ａ，３０ｂは、メインチャンバ７ａ内の坩堝位置に水平方向の磁場を生成する超電導磁石を構成しており、チャンバ７の垂直な中心線と交差する水平線上に同軸配置されている。そして、これらのコイル３０ａ，３０ｂは、メインチャンバ７ａの外形に沿って水平方向に湾曲した鞍型コイルとされており、少なくとも引上げ中は、図示されない昇降機構により、双方のコイル中心を結ぶコイル中心線Ｃ−Ｃが、坩堝１内の融液表面から下方へ１００ｍｍ以上離れたところに位置するように、その高さが調整される。

次に、本結晶成長装置を用いて直径が３００ｍｍのシリコン単結晶を成長させる方法について説明する。

チャンバ７内を２５Ｔｏｒｒに減圧し、そのチャンバ７内に不活性ガスとしてＡｒを１００Ｌ／ｍｉｎの流量で導入した。そして、坩堝１内に充填されていた結晶用シリコン原料及び不純物としてのボロンをヒータ２で溶融させた。その後、種結晶１５を坩堝１内のシリコン融液１３に浸け、ネック部１２ａ、シヨルダー部１２ｂ及び直胴部１２ｃの順に単結晶１２を成長させた。コイル３０ａ，３０ｂによる磁場強度は３０００Ｇａｕｓｓ（０．３テスラ）とした。目標とする直胴部１２ｃの引上げ長さは１１５０ｍｍである。

比較のために、シリコン融液１３の表面から、その下のコイル３０ａ，３０ｂの中心線Ｃ−Ｃまでの距離Ｌを、１００ｍｍより小さい５０ｍｍに設定して、結晶成長を行った。直胴部１２ｃの引上げ中の引上げ軸５の回転数／坩堝１の回転数を８ｒｐｍ／３ｒｐｍに設定したところ、直胴部長が１２０ｍｍの段階で結晶径の急増が発生した。直胴部１２ｃの引上げ中の引上げ軸５の回転数／坩堝１の回転数を８ｒｐｍ／１．５ｒｐｍに設定した場合は、残液量が少ない直胴部長が５８０ｍｍの段階で結晶径の急増が発生した。

これらに対し、シリコン融液１３の表面から、その下のコイル３０ａ，３０ｂの中心線Ｃ−Ｃまでの距離Ｌを、１００ｍｍより大きい１５０ｍｍに設定して、同じ回転条件で結晶成長を行った。何れの回転条件においても、結晶成長を終えるまで結晶径の急増は発生しなかった。

また、シリコン融液１３の表面から、その下のコイル３０ａ，３０ｂの中心線Ｃ−Ｃまでの距離Ｌが５０ｍｍと１５０ｍｍの場合につき、前述した２種類の回転条件で結晶育成したときの、結晶酸素濃度を調査した。結果を図５及び図６に示す。

両図から分かるように、坩堝回転数が増大することにより酸素濃度が上昇するが、その一方で、坩堝回転数が３ｒｐｍの場合も１．５ｒｐｍの場合もコイル中心線を下げることにより酸素濃度が上昇する。具体的には、コイル中心線が融液表面から１５０ｍｍのところに設定した方が、同じく５０ｍｍの場合よりも、坩堝回転数が３ｒｐｍの場合で２〜３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）、坩堝回転数が１．５ｒｐｍの場合で１．５〜２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）、それぞれ酸素濃度が上昇するのである。

ＨＭＣＺ法においては、坩堝回転数が高くなると、融液が坩堝と共に回転しようとする作用と、その融液が磁場の影響により停止しようとする作用とが同時に起こるため、融液は不安定になる。このため、ＨＭＣＺ法において採用する坩堝回転数は低い方が望ましいとされている。鞍型コイルの中心線を下げると、酸素濃度が上昇するので、結晶成長後半で坩堝回転数を高くせずとも、結晶軸方向で酸素濃度を均一化できる。

本発明の単結晶成長方法によれば、鞍型コイルを使用することにより、コイルを小型化できる。また、その鞍型コイルの中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に１００ｍｍ以上（１２０〜１８０ｍｍ）離れた位置に設定することにより、鞍型コイルを用いたＨＭＣＺ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする。更に、このコイル中心線の設定により、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができ、ＨＭＣＺ法で坩堝回転数を高めたときに問題となる酸素濃度の面内分布悪化を回避できる効果もある。したがって、本発明の単結晶成長方法は、半導体基板材料の分野において極めて有用な技術である。

１ 坩堝、 ２ ヒータ、 ５ 引上げ軸、 ７ チャンバ、 １２ 単結晶、 １３ 原料融液、 １５ 種結晶、 ３０ａ，３０ｂ コイル

Claims (1)

1. 坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより、チャンバ内の坩堝に収容された原料融液に水平磁場を印加しつつ、前記原料融液から単結晶を引上げる単結晶成長方法において、前記コイルの形状を、前記チャンバの外形に沿って湾曲した鞍型形状とし、前記コイルの中心線を、前記坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に１２０〜１８０ｍｍ離れた位置に設定し、前記コイルにより印加する磁場強度を３０００Ｇａｕｓｓとし、前記坩堝の回転数を１．５〜３ｒｐｍとすることを特徴とする単結晶成長方法。

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