JP5605913B2 - 単結晶引上方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を育成しながら引き上げる単結晶引上方法に関する。

シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、図５に示すように、ヒータ５１の熱によりルツボ５０内にシリコン溶融液Ｍを形成し、その表面に種結晶Ｐを接触させ、ルツボ５０を回転させるとともに、この種結晶Ｐを回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端に単結晶Ｃを形成していくものである。
具体的な引上工程としては、種結晶Ｐの先端部を溶解し、ネック部Ｐ１を形成するネッキング工程、ネック部Ｐ１下端から結晶径を直胴部直径にまで拡径した円錐状のクラウン部Ｃ１を形成するクラウン工程、製品となる単結晶（直胴部Ｃ２）を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を徐々に縮径したテール部（図示せず）を形成するテール工程が行われる。

ところで、前記ＣＺ法による単結晶育成工程においては、単結晶に所定の抵抗率を与えるために、ルツボ内のシリコン溶融液にドーパント不純物（添加剤）を添加するドーピング処理が行われる。
従来、このドーピング処理としては、ドーパント不純物としてホウ素、燐、砒素、アンチモン等の微量元素を石英ガラスルツボ内のシリコン融液に直接的に添加することによって行われている。

しかしながら、所定の抵抗率を得るために多量のドーパント不純物を添加した際、単結晶育成の初期段階であるクラウン工程にあっては、溶融液中のドーパント濃度が高い上に、結晶直下の溶融液中のドーパント不純物が拡散し難いために、引上軸に直交する結晶面内のドーパント濃度が大きくばらつくという課題があった。
また、結晶面内のドーパント濃度のばらつきによって、結晶と溶融液との固液界面において組成的過冷却が生じ易く、結晶の有転位化を招来するものであった。

尚、単結晶中の不純物濃度のうち、酸素濃度の面内均一性を向上する方法に関しては、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された単結晶引上方法においては、ルツボの回転方向と単結晶の回転方向とを同方向とし、それらの回転数の比率を所定値以上に制御することにより、単結晶に含まれる酸素の濃度の面内均一性を向上するようになされている。

特開２０００−２３９０９７号公報

しかしながら、特許文献１に開示の単結晶引上方法にあっては、直胴部Ｃ２における酸素濃度の面内均一性を向上させることを目的とするものであり、前記課題の解決のために、その方法を用いても、クラウン部Ｃ１のドーパント濃度の面内均一性を向上させることができなかった。
これは、クラウン工程においては、直胴工程のように結晶を垂直方向（引上方向）のみに育成するのではなく、結晶を水平方向（径方向）にも育成する必要があるため、単に特許文献１に開示の方法を適用しても、ドーパント濃度の面内均一性の向上を図ることができなかったものと推察される。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上方法であって、単結晶のネック部を所定径まで拡げるクラウン工程において、結晶中のドーパント濃度の面内均一性を向上し、結晶の有転位化を抑制することのできる単結晶引上方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係る単結晶引上方法は、種結晶をルツボ内のシリコン融液に接触させ、前記ルツボからチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上方法であって、前記種結晶から形成した単結晶のネック部を所定径まで拡げ、円錐状のクラウン部を形成する工程において、前記クラウン部の径をｄ（ｍｍ）、前記クラウン部の引上方向長さをＬ（ｍｍ）とすると、結晶回転速度ｓω（ｒｐｍ）とルツボ回転速度ｃω（ｒｐｍ）は、式（１）及び式（２）により規定される関係式を満たす回転速度に制御され、かつ、前記結晶回転速度ｓωは、１０〜４０ｒｐｍの範囲内となるように制御され、前記ルツボ回転速度ｃωは、１０〜１５ｒｐｍの範囲内となるように制御されることに特徴を有する。
［数１］
ｓω＝α／（ｃω×ｄ） ・・・（１）
α＝４×１０ ^-４ ×Ｌ ^４ −３×１０ ^-７ ×Ｌ ^３ −６×１０ ^-５ ×Ｌ ^２ −０．００６９×Ｌ＋０．３ ・・・（２）

尚、前記クラウン部を形成する工程において、前記単結晶の回転方向と前記ルツボの回転方向とは、同方向であることが望ましい。

このような方法によれば、結晶径を拡げるクラウン工程において、引上方向の結晶長さと結晶径とに応じた結晶回転速度、及びルツボ回転速度が制御される。これにより、結晶直下の溶融液を効率よく攪拌し、溶融液中のドーパント不純物を拡散することができる。その結果、結晶中のドーパント濃度の面内均一性を向上し、クラウン工程における結晶の有転位化を抑制することができる。

本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上方法であって、単結晶のネック部を所定径まで拡げるクラウン工程において、結晶中のドーパント濃度の面内均一性を向上し、結晶の有転位化を抑制することのできる単結晶引上方法を得ることができる。

図１は、本発明に係る単結晶引上方法が適用される単結晶引上装置の構成を示す断面図である。 図２は、図１の単結晶引上装置による単結晶引上工程の流れを示すフローである。 図３は、本発明に係る実施例、及び比較例に用いた、クラウン長（結晶長さ）に対するα値を示すグラフである。 図４は、本発明に係る実施例、及び比較例の結果を示し、クラウン径（結晶径）に対する抵抗率面内分布の変化を示すグラフである。 図５は、従来の単結晶引上方法を説明するための単結晶引上装置の断面図である。

以下、本発明に係る単結晶引上方法の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る単結晶引上方法が実施される単結晶引上装置の全体構成を示すブロック図である。
この単結晶引上装置１は、円筒形状のメインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、炉体２内に設けられたルツボ３と、ルツボ３に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）Ｍを溶融する抵抗加熱ヒータ４（以下、単にヒータと呼ぶ）と、育成される単結晶Ｃを引上げる引上げ機構５とを有している。

尚、ヒータ４において、ルツボ３を囲むように円筒状のスリット部４ａが発熱部として設けられている。また、ルツボ３は二重構造であり、内側が石英ガラスルツボ３ａ、外側が黒鉛ルツボ３ｂで構成されている。
また、引上げ機構５は、モータ駆動される巻取り機構５ａと、この巻取り機構５ａに巻き上げられる引上げワイヤ５ｂを有し、このワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられている。

また、メインチャンバ２ａ内において、ルツボ３の上方且つ近傍には、単結晶Ｃの周囲を包囲するように、上部と下部に開口が形成された輻射シールド６が設けられている。この輻射シールド６は、育成中の単結晶Ｃにヒータ４等からの余計な輻射熱を遮蔽すると共に、炉内のガス流を整流するためのものであり、メインチャンバ２ａ内において、ヒータ４の周りに設けられた断熱部材７の上端に支持されている。
尚、輻射シールド６下端と溶融液面との間の距離寸法（ギャップ）は、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を維持するよう制御される。

また、図１に示すように単結晶引上装置１は、シリコン溶融液Ｍの温度を制御するヒータ４の供給電力量を制御するヒータ制御部９と、ルツボ３を引上げ軸周りに回転させるモータ１０と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。また、ルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降装置制御部１１ａと、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。これら各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２はコンピュータ８の演算制御装置８ｂに接続されている。

このように構成された単結晶引上装置１においては、最初に石英ガラスルツボ３ａに原料ポリシリコンＭを装填し、コンピュータ８の記憶装置８ａに記憶されたプログラムに基づき図２のフローに沿って結晶育成工程が開始される。
先ず、炉体２内が所定の雰囲気となされ、ルツボ３内に装填された原料ポリシリコンＭが、ヒータ４による加熱によって溶融され、シリコン溶融液Ｍとされる（図２のステップＳ１）。
さらに、演算制御装置８ｂの指令によりモータ制御部１０ａと昇降装置制御部１１ａとが作動し、ルツボ３が所定の高さ位置において所定の回転速度（ｒｐｍ）で回転動作される。

次いで、演算制御装置８ｂの指令により、ワイヤリール回転装置制御部１２が作動し、ワイヤ５ｂが降ろされる。そして、ワイヤ５ｂに取付けられた種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成開始される（図２のステップＳ１）。

ネック部Ｐ１が形成されると、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ４への供給電力や、引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整される。そして、ルツボ３の回転方向と同じ方向に所定の回転速度（ｒｐｍ）で種結晶Ｐが回転開始され、結晶径を拡径するクラウン工程（図２のステップＳ３）が行われる。

このクラウン工程にあっては、結晶回転速度をｓω（ｒｐｍ）、ルツボ回転速度をｃω（ｒｐｍ）、結晶径（クラウン径）をｄ（ｍｍ）とすると、式（１）を満足するように結晶及びルツボの回転速度の制御がなされる。また、式（１）中のα値は、垂直方向の結晶長さ（クラウン長）をＬ（ｍｍ）とすると、式（２）によって規定される。
尚、クラウン径ｄの最大値は、高速回転時においてネック部Ｐ１への負荷による破損防止を考慮して３２０ｍｍ程度が望ましい。
また、クラウン長Ｌの最大値は、クラウン部重量によるネック部Ｐ１への負荷、及び生産の効率性を考慮して、結晶径の１／２程度が望ましい。
また、クラウン径ｄ及びクラウン長Ｌの測定方法は限定しないが、例えば、炉体２の外に設けたＣＣＤカメラ（図示せず）等によって測定し、その測定結果をコンピュータ８の演算制御装置８ｂに入力するようにすればよい。
［数２］
ｓω＝α／（ｃω×ｄ） ・・・（１）
α＝４×１０ ^-４ ×Ｌ ^４ −３×１０ ^-７ ×Ｌ ^３ −６×１０ ^-５ ×Ｌ ^２ −０．００６９×Ｌ＋０．３ ・・・（２）

ここで、上記式（１）には、クラウン径ｄ、及び垂直方向の結晶長さ（クラウン長）Ｌが変数として含まれるため、この式（１）を満足するよう結晶回転速度ｓω（望ましくは１０〜４０ｒｐｍの範囲内）、及びルツボ回転速度ｃω（望ましくは１０〜１５ｒｐｍの範囲内）を制御することにより、そのときのクラウン部Ｃ１の形状に応じた回転速度の制御がなされる。
この制御により、結晶直下の溶融液が効率よく攪拌され、溶融液中のドーパント不純物が拡散される。その結果、結晶中のドーパント濃度の面内均一性が向上される。

尚、ルツボ回転速度が高いほど酸素濃度が上昇するため、クラウン工程において、少なくとも直胴工程に移行する直前の段階にあっては、ルツボ３の回転速度ｃωを１５ｒｐｍ以下に制御することが望ましい。そのように制御することにより、直胴部における酸素濃度の過度の上昇を防止することができる。

また、前記式（１）に代入するα値は、前記式（２）により規定されるが、α値の誤差は、α±０．００２の範囲内であることが望ましい。これは、式（１）に代入するα値が、式（２）で規定される値よりも０．００２以上となると（クラウン形状が鋭角化する）、組成的過冷却による有転位化は生じないが、結晶径を所定の径まで成長させるのに時間を要し非効率的であるためである。また、結晶回転による攪拌効果も小さいためである。
一方、式（１）に代入するαの値が、式（２）で規定される値よりも０．００２以下になると（クラウン形状がフラット化する）、結晶の水平方向の成長速度が速すぎて、組成的過冷却による有転位化を誘発しやすくなるためである。また、ルツボ回転速度と結晶回転速度との差が大きくなり、溶融液が波立って、有転位化しやすくなるためである。

クラウン工程が終了すると、製品部分となる直胴部Ｃ２を形成する直胴工程（図２のステップＳ４）が行われる。
この直胴工程においても、引き続き、式（１）を満足するようにルツボ３と単結晶Ｃの回転速度の制御がなされ、それにより結晶直下の溶融液が効率よく攪拌され、単結晶Ｃのドーパント濃度の面内均一性が向上される。
そして、直胴工程が終了すると、単結晶直径が徐々に縮径されるテール工程に移行し、このテール工程においてテール部（図示せず）が形成され、単結晶Ｃの育成が完了する（図２のステップＳ５）。

以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、結晶径を拡げるクラウン工程において、引上方向の結晶長さ（クラウン長）Ｌと結晶径（クラウン径）ｄとに応じた結晶回転速度、及びルツボ回転速度が制御される。これにより、結晶直下の溶融液を効率よく攪拌し、溶融液中のドーパント不純物を拡散することができる。その結果、結晶中のドーパント濃度の面内均一性を向上することができ、クラウン工程における結晶の有転位化を抑制することができる。

尚、前記実施の形態においては、結晶回転方向とルツボ回転方向とを同方向としたが、その形態に限定されず、結晶回転方向とルツボ回転方向とを逆方向としてもよい。その場合、結晶回転方向とルツボ回転方向とを同方向とする場合よりも結晶直下の溶融液が攪拌され難くなるが、本発明による効果は十分に得ることができる。

本発明に係る単結晶引上方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に沿って単結晶引き上げを行い（実施例１、２）、クラウン工程における無転位成長率、及びクラウン部における抵抗率の面内分布（（最大値−最小値）／最小値）について検証した。また、実施例１の条件を一部変更した比較例１，２の結果についても検証した。

（実施例１）
実施例１では、結晶径２００ｍｍの砒素添加結晶の育成を行った。
具体的な実験条件として、砒素のドーピング量を５５０〜６００ｇとし、クラウン工程において、炉内圧力を１００Ｔｏｒｒ以上、引上速度を０．９〜１．３（ｍｍ／ｍｉｎ）で制御した。
また、本発明に係る実施形態で示した前記式（１）を満足するように結晶回転速度及びルツボ回転速度の制御を行ったが、更に結晶回転速度は１０〜４０ｒｐｍ、ルツボ回転速度は１０〜１５ｒｐｍの間で制御を行った。結晶の回転方向とルツボの回転方向とは同方向とした。
また、式（１）に代入するα値は、図３のグラフに示すクラウン長（横軸）に対するα値（縦軸）の値とした。この実施例１におけるα値は、式（２）により規定されるα値に対して±０．００２の範囲内である。
そして、クラウン部形成完了まで引き上げられた複数の単結晶のうち、１０本の単結晶を標本として選び、無転位化率、及び抵抗率面内分布を測定した。

（実施例２）
実施例２では、結晶の回転方向とルツボの回転方向とを逆方向とした。その他の条件は実施例１と同一にした。
尚、式（１）に代入するα値は、図３のグラフに示すクラウン長（横軸）に対するα値（縦軸）の値とした。この実施例２におけるα値は、式（２）により規定されるα値に対して±０．００２の範囲内である。

（比較例１）
比較例１では、式（１）に代入するα値は、図３のグラフに示すクラウン長（横軸）に対するα値（縦軸）の値とした。この比較例１におけるα値は、式（２）により規定されるα値に対して０．００２以上小さい値である（クラウン部形状はフラット状に近づく）。その他の条件は実施例１と同一にした。

（比較例２）
比較例３では、式（１）に代入するα値は、図３のグラフに示すクラウン長（横軸）に対するα値（縦軸）の値とした。この比較例２におけるα値は、式（２）により規定されるα値に対して０．００２以上大きい値である（クラウン部形状は鋭角状に近づく）。その他の条件は実施例１と同一にした。

表１に、実施例の結果として、クラウン工程における無転位成長率をそれぞれ示す。
表１に示すように、実施例１では９０％の無転位成長率でクラウン部を形成することができた。また、結晶の回転方向とルツボの回転方向とを逆方向とした実施例２においても、８０％の高い無転位成長率でクラウン部を形成することができた。
一方、比較例１（α値が小さい場合）では、無転位成長率は７０％と、大きく低下しなかったが、クラウン部の育成時間が実施例１，２の場合よりも約２倍を要し、投入ドーパント量が約１．７倍となった。また、比較例２（α値が大きい場合）では、無転位でクラウン部を成長させることができなかった。

また、図４に、クラウン部における抵抗率の面内分布（（最大値−最小値）／最小値）を示す。図４のグラフにおいて、縦軸は抵抗率面内分布（％）、横軸はクラウン径（ｍｍ）を示す。
図４に示すように、実施例１では、抵抗率面内分布が５％以下となり、引上方向に直交する面において濃度のムラが小さくなった。
実施例２では、実施例１と同様に抵抗率面内分布が５％以下となったが、実施例１よりは分布率が高くなった。

一方、比較例１、２では、抵抗率面内分布が高くなり、引上方向に直交する面において濃度のムラが大きくなった。尚、比較例２にあっては、クラウン部を全て形成することができなかったため、クラウン径１００ｍｍまでの結果となった。
このように比較例１，２において、引上方向に直交する面内において濃度のムラが大きいということは、低抵抗率結晶の育成において予期しない抵抗率の低下（ドーパント濃度の上昇）が発生しやすく、組成的過冷却の発生によって有転位化しやすいことを示している。

以上の実施例の結果より、本発明に係る単結晶引き上げ方法によれば、育成する単結晶の直径を直胴部直径にまで広げるクラウン工程において、結晶の有転位化を抑制できることを確認した。

１ 単結晶引上装置
２ 炉体
３ ルツボ
４ ヒータ
Ｃ 単結晶
Ｃ１ クラウン部
Ｃ２ 直胴部
Ｍ シリコン溶融液
Ｐ 種結晶
Ｐ１ ネック部

Claims (2)

1. 種結晶をルツボ内のシリコン融液に接触させ、前記ルツボからチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上方法であって、
   前記種結晶から形成した単結晶のネック部を所定径まで拡げ、円錐状のクラウン部を形成する工程において、
   前記クラウン部の径をｄ（ｍｍ）、前記クラウン部の引上方向長さをＬ（ｍｍ）とすると、結晶回転速度ｓω（ｒｐｍ）とルツボ回転速度ｃω（ｒｐｍ）は、式（１）及び式（２）により規定される関係式を満たす回転速度に制御され、
   かつ、前記結晶回転速度ｓωは、１０〜４０ｒｐｍの範囲内となるように制御され、前記ルツボ回転速度ｃωは、１０〜１５ｒｐｍの範囲内となるように制御されることを特徴とする単結晶引上方法。
   ［数１］
   ｓω＝α／（ｃω×ｄ） ・・・（１）
   α＝４×１０ ^-４ ×Ｌ ^４ −３×１０ ^-７ ×Ｌ ^３ −６×１０ ^-５ ×Ｌ ^２ −０．００６９×Ｌ＋０．３ ・・・（２）
2. 前記クラウン部を形成する工程において、
   前記単結晶の回転方向と前記ルツボの回転方向とは、同方向であることを特徴とする請求項１に記載された単結晶引上方法。

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