JP6614091B2 - 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する。

近年、低抵抗率のシリコン単結晶が求められている。このようなシリコン単結晶の製造方法としてｎ型ドーパントを添加する方法があるが、有転位化が発生する場合があり、この不具合を抑制する検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の方法では、肩部から直胴部への移行に伴う有転位化の発生を防止するために、その移行時を含む特定の期間内で、引き上げ速度を１．４ｍｍ／分以下に設定している。

特開２０１０−１３２４９２号公報

しかしながら、特許文献１の方法を用いても、有転位化の発生を抑制できない場合があり、有転位化の発生をより抑制できる製造方法が望まれている。

本発明は、有転位化の発生を抑制可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

セル成長による結晶有転位化を回避するため、結晶引上速度が高速化あるいは急変しないよう制御することは必要だが、前述の特許文献１に記載のように、制御している引上速度は結晶外周部の結晶成長速度である。しかしながら、特に肩部から直胴部にかけての有転位化は結晶内部の成長速度の急変に起因するものが多いため、結晶内部の成長速度を制御する必要がある。
本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の製造方法であって、シリコン単結晶の育成条件を設定する条件設定工程と、前記育成条件に基づいて、前記シリコン単結晶を育成する育成工程とを備え、前記条件設定工程は、前記シリコン単結晶の外周部における引き上げ方向の外周成長速度をＡ、中心部における中心成長速度をＢとした場合、以下の式（１）を満たすように前記外周成長速度を設定する外周成長速度設定工程を備えることを特徴とする。
０．９≦Ｂ／Ａ≦１．１ … （１）

本発明によれば、上記式（１）を満たし、中心成長速度の急変が抑制された条件でシリコン単結晶を育成することで、有転位化の発生を抑制できる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記条件設定工程は、前記シリコン単結晶の複数の成長位置と前記外周成長速度との関係を多項式で近似する近似工程を備え、前記育成工程は、前記多項式に基づいて、前記シリコン単結晶を育成することが好ましい。

本発明によれば、外周成長速度の制御を滑らかに行うことができ、急激な外周成長速度変化によるシリコン単結晶の欠陥発生を抑制できる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記外周成長速度および前記中心成長速度は、シリコン単結晶の肩部における成長速度であり、前記条件設定工程は、前記外周成長速度設定工程で設定された前記肩部の下端における前記外周成長速度が、直胴部の上端の外周部における成長速度と同じになるように、前記肩部の外周成長速度を補正する境界合わせ補正工程を備えることが好ましい。

肩部における外周成長速度が直胴部上端の外周部における成長速度と大きく異なる場合、肩部成長から直胴部成長に移行するときの成長速度の変化が大きくなり、シリコン単結晶にセル成長による有転位化が発生するおそれがある。
本発明によれば、肩部形成から直胴部形成に移行するときの成長速度の変化を無くすことで、シリコン単結晶における欠陥発生を抑制できる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記外周成長速度設定工程は、従前に育成したシリコン単結晶の成長縞の発生状況に基づいて、当該従前のシリコン単結晶における引き上げ方向の従前の外周成長速度と従前の中心成長速度とを特定し、前記従前の外周成長速度と前記従前の中心成長速度とに基づいて、前記式（１）を満たすように前記外周成長速度を設定することが好ましい。

本発明によれば、実際の外周成長速度と中心成長速度とを容易に特定可能な成長縞に基づいて、外周成長速度の設定処理を容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図。 前記一実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法を示すフローチャート。 前記一実施形態における外周成長長さと外周成長速度比との関係を示すグラフ。 前記一実施形態における外周成長長さおよび中心成長長さの説明図。 前記一実施形態における外周成長長さと内外成長倍率および内外成長倍率の逆数との関係を示すグラフ。 本発明の実施例に係る実験１の外周成長長さと成長速度比との関係を示すグラフ。 前記実験１の外周成長長さと内外成長倍率との関係を示すグラフ。 本発明の実施例に係る実験２の結果を示すグラフ。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
〔単結晶引き上げ装置の構成〕
図１に示すように、単結晶引き上げ装置１は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）に用いられる装置であって、引き上げ装置本体２と、制御部３とを備えている。
引き上げ装置本体２は、チャンバ２１と、このチャンバ２１内の中心部に配置された坩堝２２と、この坩堝２２を加熱する加熱部２３と、断熱筒２４と、引き上げ部としての引き上げケーブル２５と、熱遮蔽体２６とを備えている。

チャンバ２１の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ２１内に導入するガス導入口２１Ａが設けられている。チャンバ２１の下部には、図示しない真空ポンプの駆動により、チャンバ２１内の気体を排出するガス排気口２１Ｂが設けられている。
チャンバ２１内には、制御部３の制御により、チャンバ２１上部のガス導入口２１Ａから、不活性ガスが所定のガス流量で導入される。そして、導入されたガスが、チャンバ２１下部のガス排気口２１Ｂから排出されることで、不活性ガスがチャンバ２１内の上方から下方に向かって流れる構成となっている。
チャンバ２１内の圧力（炉内圧）は、制御部３により制御可能となっている。

坩堝２２は、シリコンウェーハの原料である多結晶のシリコンを融解し、シリコン融液Ｍとするものである。坩堝２２は、所定の速度で回転および昇降が可能な支持軸２７に支持されている。
加熱部２３は、坩堝２２の周囲に配置されており、坩堝２２内のシリコンを融解する。
断熱筒２４は、坩堝２２および加熱部２３を取り囲むように配置されている。
引き上げケーブル２５は、一端が、坩堝２２上方に配置された図示しない引き上げ駆動部に接続され、他端に、種結晶ＳＣが取り付けられる。引き上げケーブル２５は、制御部３による引き上げ駆動部の制御により、所定の速度で昇降するとともに、当該引き上げケーブル２５の軸を中心にして回転する。
熱遮蔽体２６は、加熱部２３から上方に向かって放射される輻射熱を遮断する。

制御部３は、メモリ３１に記憶された情報や作業者の設定入力などに基づいて、チャンバ２１内のガス流量や炉内圧、加熱部２３による坩堝２２の加熱温度、坩堝２２やシリコン単結晶ＳＭの移動速度や回転数などを制御して、シリコン単結晶ＳＭを製造する。

〔シリコン単結晶の製造方法〕
次に、シリコン単結晶ＳＭの製造方法について説明する。
なお、本実施形態では、直胴部の設定直径が１５０ｍｍのシリコン単結晶ＳＭを製造する場合を例示するが、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍなど、他の設定直径のシリコン単結晶ＳＭを製造してもよい。
シリコン単結晶ＳＭの製造方法は、シリコン単結晶ＳＭの育成条件を設定する条件設定工程と、育成条件に基づいて、シリコン単結晶ＳＭを育成する育成工程とを備えている。
条件設定工程は、図２に示すように、ステップＳ１，Ｓ９〜Ｓ１１の工程を備え、育成工程は、ステップＳ２〜Ｓ８の工程を備えている。
以下、処理の流れに沿って、各工程を説明する。

まず、単結晶引き上げ装置１の制御部３は、図２に示すように、シリコン単結晶ＳＭに要求される品質、例えば抵抗率、酸素濃度を満足するための引上条件であるＡｒ流量、炉内圧、坩堝２２やシリコン単結晶ＳＭの回転数や移動速度などを設定する初期設定工程を行う（ステップＳ１）。初期条件は、作業者が入力したものであってもよいし、作業者が入力した目標の酸素濃度などに基づき制御部３が演算して求めたものであってもよい。
抵抗率は、ドーパントが砒素の場合、１．２ｍΩ・ｃｍ以上５．０ｍΩ・ｃｍ以下にすることが好ましく、赤リンの場合、０．５ｍΩ・ｃｍ以上２．０ｍΩ・ｃｍ以下にすることが好ましく、アンチモンの場合、１０ｍΩ・ｃｍ以上３０ｍΩ・ｃｍ以下にすることが好ましい。

次に、制御部３は、加熱部２３を制御し、坩堝２２を加熱することで、当該坩堝２２内のポリシリコン素材（シリコン原料）およびドーパントを融解させ、ドーパント添加融液ＭＤを生成する。その後、制御部３は、チャンバ２１内にＡｒガスを導入して、チャンバ２１内を所定の減圧下の不活性雰囲気に維持する。

その後、制御部３は、まず、引き上げケーブル２５を下降させることで種結晶ＳＣをドーパント添加融液ＭＤに浸漬する。そして、坩堝２２および引き上げケーブル２５を所定の方向に回転させながら引き上げケーブル２５の引き上げを開始し（ステップＳ２）、ネック部ＳＭ１、肩部ＳＭ２を形成する。
肩部ＳＭ２を形成するとき、制御部３は、ステップＳ１で設定された速度で引き上げケーブル２５を引き上げる。具体的には、肩部ＳＭ２の外周部における引き上げ方向の成長長さ（以下、「外周成長長さ」と言う）と外周成長速度比との関係が、図３の破線で示す関係となるように引き上げケーブル２５を引き上げる。
なお、外周成長速度比とは、肩部ＳＭ２下端における外周成長速度に対する所定の外周成長長さでの外周成長速度の比（所定の外周成長長さでの外周成長速度／肩部ＳＭ２下端における外周成長速度×１００）である。この外周成長速度比は、外周成長速度が急変しないように設定されている。また、肩部ＳＭ２下端における外周成長速度は、直胴部上端における外周成長速度と同じである。

この後、有転位化が発生したか否かを判断する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、例えば作業者が目視で判断し、有転位化が発生していない場合、肩部ＳＭ２の形成が終了したか否かを判断する（ステップＳ４）。このステップＳ４において、肩部ＳＭ２の形成が終了していないと判断した場合、引き上げを継続し（ステップＳ５）、ステップＳ３に戻って有転位化の発生状況を確認する。また、このステップＳ４において、終了したと判断した場合、直胴部、テール部の形成を行い（ステップＳ６）、１本のシリコン単結晶ＳＭの製造が終了する。

一方、ステップＳ３において、有転位化が発生したと判断した場合、肩部ＳＭ２の育成条件を再設定するか否かを判断する（ステップＳ７）。このステップＳ７において、例えば有転位化の発生回数が閾値未満であり、育成条件を再設定しない場合、それまでに育成したネック部ＳＭ１と肩部ＳＭ２とをドーパント添加融液ＭＤに再溶融して（ステップＳ８）、引き上げを再開する（ステップＳ２）。

一方、ステップＳ７において、例えば有転位化の発生回数が閾値となり、育成条件を再設定する場合、育成条件の再設定処理として、外周成長速度設定工程を行う（ステップＳ９）。なお、ステップＳ７の判断基準となる閾値は、「１」でもよいし、「２」以上でもよい。
外周成長速度設定工程では、まず、作業者は、有転位化が発生した育成した肩部ＳＭ２を単結晶引き上げ装置１から取り出し、それを図４に示すように肩部ＳＭ２の中心軸を通る切断面で切断し、成長縞Ｌの発生状況を確認する。
例えば、外周成長長さが１０ｍｍごとの位置に存在する成長縞Ｌを特定する。そして、作業者は、この特定した成長縞Ｌのうち上下に並ぶ成長縞Ｌの中心の間隔を、中心成長長さＨとして求め、例えば外周成長長さと中心成長長さＨとを制御部３に入力する。なお、中心成長長さＨを求める処理を、制御部３が例えば画像処理で行ってもよい。

次に、制御部３は、外周成長長さに対する中心成長長さＨの割合（中心成長長さＨ／外周成長長さ）を、内外成長倍率として求める。その関係を図５に破線で示す。
内外成長倍率は、外周成長速度（Ａ）に対する中心成長速度（Ｂ）の割合（Ｂ／Ａ）と同じであり、１より大きい場合、中心成長速度が外周成長速度よりも速いことを表し、１より小さい場合、中心成長速度が外周成長速度よりも遅いことを表す。図５に示す内外成長倍率の関係から、中心成長速度が急変して以下の式（１）を満たさない部分があるときに、この部分で有転位化が発生しやいと考えられる。
０．９≦Ｂ／Ａ≦１．１ … （１）

肩部ＳＭ２の全ての部分において、上記式（１）を満たすようにするためには、中心成長速度が外周成長速度よりも速い外周成長長さにおいては、中心成長速度を遅くするために外周成長速度を遅くし、中心成長速度が外周成長速度よりも遅い外周成長長さにおいては、中心成長速度を速くするために外周成長速度を速くして、中心成長速度を外周成長速度に近づける必要がある。
そこで、理論的に中心成長速度と外周成長速度とを同じにするために、制御部３は、図５に一点鎖線で示すような内外成長倍率の逆数を求め、この逆数を図３に破線で示す外周成長速度比に乗じることで、図３に一点鎖線で示す第１の補正外周成長速度比を求める。この第１の補正外周成長速度比は、所定の外周成長長さ（成長位置）と、外周成長速度との関係を表し、外周成長速度が急変しないような値になる。

次に、制御部３は、第１の補正外周成長速度比を、多項式で近似する近似工程を行う（ステップＳ１０）。本実施形態では、４次の多項式で第１の補正外周成長速度比を近似して、図３に二点鎖線で示す第２の補正外周成長速度比を求める。
さらに、制御部３は、肩部の下端における外周成長速度比が、直胴部の上端の外周部における成長速度比と同じになるように、第２の補正外周成長速度比を補正する境界合わせ補正工程を行う（ステップＳ１１）。この境界合わせ補正工程では、肩部ＳＭ２下端、すなわち外周成長長さが１１０ｍｍの位置における第２の補正外周成長速度比が１００になるように、全外周成長長さにおける第２の補正外周成長速度比を同じ値だけ大きく、または、小さくすることで、図３に実線で示す第３の補正外周成長速度比を求める。
なお、第１の補正外周成長速度比は外周成長速度が急変しないような値であるため、この第１の補正外周成長速度比に対して近似工程、境界合わせ補正工程を行うことで得られた第２，第３の補正外周成長速度比も、外周成長速度が急変しないような値になる。

そして、制御部３は、第３の補正外周成長速度比となるように外周成長速度を設定して、シリコン単結晶ＳＭの引き上げを開始する（ステップＳ２）。
上記第３の補正外周成長速度比に基づく外周成長速度で肩部ＳＭ２を形成することで、肩部ＳＭ２の全ての部分において上記式（１）が満たされ、有転位化の発生が抑制される。

［実施形態の作用効果］
上記実施形態では、第３の補正外周成長速度比に基づいて、上記式（１）を満たすように肩部ＳＭ２を育成することで、中心成長速度の急変が抑制され、肩部ＳＭ２での有転位化の発生を抑制できる。有転位化は、肩部ＳＭ２で発生し易く、直胴部では肩部ＳＭ２と比べて発生し難いため、シリコン単結晶ＳＭ全体でも発生が抑制される。

肩部ＳＭ２におけるセル成長に伴う有転位化は通常シリコン単結晶ＳＭ内部が起点となるため、有転位化の発生を外観からは直ちに判別することができない。そして、さらなる時間の経過とともに有転位化が外周部まで進展したときに、初めて判別することができるようになる。この場合、有転位化が発生しているにもかかわらず引き上げを継続していることになり、製造効率が低下してしまう。
上記式（１）は中心成長速度の急変抑制によりシリコン単結晶ＳＭ内部からの有転位化を抑制する条件のため、上述のような製造効率の低下を抑制できる。

また、多項式で近似された第３の補正外周成長速度比に基づいて、外周成長速度の制御を滑らかに行うことができ、シリコン単結晶ＳＭの欠陥発生を抑制できる。
さらに、肩部ＳＭ２下端の外周成長速度比と直胴部上端の外周成長速度比とを同じにした第３の補正外周成長速度比に基づいて、外周成長速度を制御するため、肩部ＳＭ２形成から直胴部形成に移行するときの成長速度の変化を無くすことができ、シリコン単結晶ＳＭの欠陥発生を抑制できる。

［変形例］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能であり、その他、本発明の実施の際の具体的な手順、及び構造などは本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。

例えば、直胴部に有転位化が発生した場合に、ステップＳ９〜Ｓ１１の処理を行ってもよい。
また、ステップＳ９〜Ｓ１１の処理を実験として行い、この実験で得られた第３の補正外周成長速度比をステップＳ１における初期条件として設定して、シリコン単結晶ＳＭの量産を行ってもよい。
さらに、ステップＳ１０，Ｓ１１の処理を行わずに、第１の補正外周成長速度比に基づいて、あるいは、ステップＳ１１の処理を行わずに、第２の補正外周成長速度比に基づいて、さらには、ステップＳ１０の処理を行わずに、第１の補正外周成長速度比に対してステップＳ１１の処理を行うことで得られた補正外周成長速度比に基づいて、外周成長速度を制御してもよい。これらいずれの場合も、内外成長倍率の逆数に基づき求められた補正外周成長速度比に基づいて、外周成長速度が制御されるため、肩部ＳＭ２の全ての部分において上記式（１）が満たされ、有転位化の発生を抑制されると考えられる。

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

［実験１］
〔比較例１〕
図１に示すような単結晶引き上げ装置を用い、アンチモンをドーパントとして、直胴部の設定直径が１５０ｍｍ、抵抗率が１０ｍΩ・ｃｍ以上２０ｍΩ・ｃｍ以下のシリコン単結晶を育成した。
肩部の形成に際し、図６に破線で示す比較例１の外周成長速度比に基づき、急変が抑制された外周成長速度を設定して、引き上げたところ、肩部の形成途中に有転位化が発生した。このため、引き上げを停止して肩部を取り出し、成長縞の発生状況に基づいて比較例１の内外成長倍率を求めた。その結果を図７に破線で示す。
比較例１の内外成長倍率は、Ｂ／Ａと同じ値であり、その最大値は１．２、最小値は０．８であった。このことから、比較例１では、中心成長速度が急変して上記式（１）を満たさないことが確認できた。

〔実施例１〕
次に、図７の破線で示される比較例１の関係に基づいて、上記実施形態のステップＳ９と同じ処理で第１の補正外周成長速度比を求めた。次に、この第１の補正外周成長速度比に対してステップＳ１０の処理を行わずに、ステップＳ１１の処理を行い、肩部下端における外周成長速度比が、直胴部上端の外周部における成長速度比と同じになるように、全外周成長長さにおける第１の補正外周成長速度比を同じ値だけ調整して、図６に一点鎖線で示す実施例１の補正外周成長速度比を求めた。
そして、この実施例１の補正外周成長速度比に基づき外周成長速度を設定して肩部を形成したところ、肩部で有転位化が発生しなかった。

そこで、シリコン単結晶を取り出して、成長縞の発生状況に基づいて実施例１の内外成長倍率を求めた。その結果を図７に一点鎖線で示す。
実施例１の内外成長倍率は、Ｂ／Ａと同じ値であり、その最大値は１．１、最小値は０．９５であった。このことから、実施例１では、中心成長速度の急変が抑制され、上記式（１）を満たすことが確認できた。また、実施例１の内外成長倍率と実施例１の補正外周成長速度比とを乗じることで、実施例１の中心成長速度比を求めた。その結果を図６に一点鎖線で示す。
以上のことから、上記式（１）を満たすように外周成長速度を設定することで、中心成長速度の急変に起因する有転位化を抑制できることが確認できた。

［実験２］
〔比較例２〕
図１に示すような単結晶引き上げ装置を用い、上記実験１と同様のドーパント、抵抗率、形状のシリコン単結晶を育成した。
この際、肩部の形成時の外周成長速度を、図３に破線で示す外周成長速度比に基づき設定し、図２に示すステップＳ１〜Ｓ５の処理を行った。ステップＳ３で有転位化が確認された場合には、再溶融（ステップＳ８）して、外周成長速度を再設定することなく引き上げを再開し、有転位化が発生せずにシリコン単結晶の製造が終了するまで上記処理を繰り返した。
上記シリコン単結晶の製造を２バッチ行った。

〔実施例２〕
肩部の形成時の外周成長速度を、図３に実線で示す第３の補正外周成長速度比に基づき設定したこと以外は、比較例２と同様の条件でシリコン単結晶の製造を３２バッチ行った。

〔評価〕
図８に示すように、１バッチあたりの再溶融回数は、比較例２では１．１３回であったのに対して、実施例２では０．４４回であった。
このことから、上記式（１）を満たすように外周成長速度を設定することで、中心成長速度の急変に起因する有転位化を抑制でき、再溶融回数も最小限に抑えることができることが確認できた。

ＳＭ…シリコン単結晶、ＳＭ２…肩部。

Claims (4)

1. チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の製造方法であって、
   シリコン単結晶の育成条件を設定する条件設定工程と、
   前記育成条件に基づいて、前記シリコン単結晶を育成する育成工程とを備え、
   前記条件設定工程は、前記シリコン単結晶の外周部における引き上げ方向の外周成長速度をＡ、中心部における中心成長速度をＢとした場合、以下の式（１）を満たすように前記外周成長速度を設定する外周成長速度設定工程を備えることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法（ただし、炭素をドープしてシリコン単結晶を製造する方法を除く）。
   ０．９≦Ｂ／Ａ≦１．１ … （１）
2. 請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
   前記条件設定工程は、前記シリコン単結晶の複数の成長位置と前記外周成長速度との関係を多項式で近似する近似工程を備え、
   前記育成工程は、前記多項式に基づいて、前記シリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
   前記外周成長速度および前記中心成長速度は、シリコン単結晶の肩部における成長速度であり、
   前記条件設定工程は、前記外周成長速度設定工程で設定された前記肩部の下端における前記外周成長速度が、直胴部の上端の外周部における成長速度と同じになるように、前記肩部の外周成長速度を補正する境界合わせ補正工程を備えることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
   前記外周成長速度設定工程は、従前に育成したシリコン単結晶の成長縞の発生状況に基づいて、当該従前のシリコン単結晶における引き上げ方向の従前の外周成長速度と従前の中心成長速度とを特定し、前記従前の外周成長速度と前記従前の中心成長速度とに基づいて、前記式（１）を満たすように前記外周成長速度を設定することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

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