JPH0442894A - シリコン単結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ルツボ内の融液に種結晶を接触させ、シリコ
ン単結晶棒を引上げるシリコン単結晶の成長方法に関し
、より詳しくは、７　ｐｐｍａ以下という超低格子間酸
素濃度の高品質シリコン単結晶を得ることが可能なシリ
コン単結晶の成長方法に関する。

［従来の技術］ 結晶の成長方法としては、引上法、ゾーン・レベリング
法、ブリッジマン法、デンドライト成長法などが挙げら
れるが、いずれの方法においてもその結晶材料を収容す
る容器の組成元素が結晶材料中に混入し、成長した結晶
の純度が低下する。

例えば、シリコン単結晶をチョクラルスキー法（Ｃｚｏ
ｃｈｒａｌｓｋｉ　Ｍｅｔｈｏｄ）にて成長させる場合
に、シリコンの融液を収容する容器としての石英（Ｓｉ
Ｏｚ）ルツボから酸素が分解混入され、高純度の単結晶
が得られないという問題がある。

石英ルツボの構成成分が結晶材料液へと溶解する場合、
容器内における熱対流が比較的激しく生じていると石英
ルツボ成分の液中への溶解が著しく生じ、また、この成
分の液中における他部への移動速度が大となり、これに
伴ってこれより育成される結晶中のルツボ成分の不純物
濃度が高められることが知られている。

そして、通常のチョクラルスキー法によって弓上げられ
た単結晶中の格子間酸素濃度は１５〜４５ｐｐｍａとい
う高い値である。この高い酸素濃度がシリコンに対して
その電気的特性および結晶性に関し影響を与える。

酸素原子は引上げプロセスの間に一度結晶中に溶け、更
に冷却するに従って部分的に集合し、微少析出物となっ
たり、又この酸素原子のあるものはドナーとして働き、
シリコンの導電型および抵抗率に対して影響を与える。

結晶の純度に関しては、結晶構造における上記の酸素の
析出が材料の結晶品質を損ない、最終的な製品の信頼性
を低下させる転位ループおよび種々の他の欠陥を生じさ
せる。

従って、シリコン単結晶の格子間酸素濃度を低下させる
ことは重要な課題となっていた。

そこで、結晶材料液に磁場を与え、これによって結晶材
料液の対流を抑制させることにより、石英ルツボ成分の
溶解を抑えて高純度の結晶を得る方法が、例えば特開昭
５６−１０４７９１号公報に開示されている。

また、特公昭６０−６９１１号公報は、チョクラルスキ
ー法によって、シリカルツボに含まれる半導体材料の溶
融体から単結晶の棒状体を引き上げる工程において、引
き上げ方向に沿って測定した格子間酸素濃度のプロフィ
ルの傾度と逆傾度になるように、前記ルツボの回転速度
の傾度を制御する方法を開示している。

さらに、特開昭５７−１３５７９６号公報は、太き（な
ったシリコン種結晶棒を溶融体用ルツボの回転と反対の
方向にしかもより大きな初めの回転速度で回転させなが
ら引上げ、かつ、溶融体用ルツボの回転速度なルツボ内
の溶融体の量が減るにつれて増大させる方法を開示して
いる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記特開昭５６−１０４７９１号の方法
では、格子間酸素濃度はある程度は低下させられるが、
超低濃度にするには甚だ不十分である。

また、特公昭６０−６９１１号および特開昭５７−１３
５７９６号の方法では結晶棒状体の頭部から尾部にかけ
て、格子間酸素濃度の分布（プロフィル）を安定したも
のにすることはできるが、格子間酸素濃度の絶対値を下
げるには何ら寄与するところがないという問題があった
。

そして、いずれにしても、格子間酸素濃度７　ｐｐｍａ
という超低濃度にすることが試みられた例は知られてい
ない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものでその目的は、従
来得られていたシリコン単結晶に比べ格子間酸素濃度が
格段に低いシリコン単結晶を得るに効果的なシリコン単
結晶の成長方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を
成長させる方法において、少なくとも３０００ガウス以
上の水平磁場を印加し、種結晶を０、５ｒｐｍ以下で回
転し、かつ、ルツボを０．５ｒｐｍ以下で回転し、７　
ｐｐｍａ以下の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶
を引上げることを特徴とするものである。

ここで、酸素濃度は次式による。即ち 酸素濃度（ａｔｏｍｓ／Ｃｍ３）　＝４．８１Ｘ１０”
ａここで、αは吸収係数（ａｍ−’）とする。

（出典：　ＡＳＴＭ　Ｆ１２１−８３：１９８５　Ａｎ
ｎｕａｌ　Ｂｏｏｋ　ｏｆＡＳＴＭ　５ＴＡＮＤＡＲＤ
Ｓ　　ｖｏｌ、１０．０５　Ｐ２４２−２４４）本発明
においては、少なくとも３０００ガウス以上の水平磁場
を印加する。水平磁場は、シリコンの融液内に発生する
熱対流を抑制し、石英（Ｓｉｎ、）製のルツボからの融
液内への酸素の混入率を低減するために必要なものであ
るが、３０００ガウス未満では融液の実行的粘性を高め
熱対流を抑制することができない。また、水平磁場にす
るのは、熱対流の流れ方向に対し磁場を直交させた方が
熱対流の抑制に効果的なためである。

また、本発明においては、ルツボおよび種結晶は、０．
５ｒｐｍ以下の回転速度で回転される。

ルツボな、０．５ｒｐｍ以下で回転するのは次の理由に
よる。

ルツボを回転すると、その内壁が融液によりこすられる
ため、ルツボから酸素が融液内に混入し易くなる。また
、ルツボを速く回転すると、融液に振動が生じ、−旦成
長した結晶が部分的に再溶解し、結晶欠陥発生の原因と
なる。一方、ルツボな、全（回転させないと融液の熱分
布の対称性が悪（なり、均質なシリコン単結晶が得られ
な（なる。以上のことから、０．５ｒｐｍ以下の回転数
が熱の対称性を均一化し、かつ、ルツボと融液との摩擦
を低減し、酸素の混入率が低く抑えられる限度の条件と
なる。

一方、種結晶を０．５ｒｐｍ以下の回転速度で回転する
のは次の理由による。

シリコン単結晶を形成するには、種結晶と融液との界面
に融液による薄い拡散層が形成されるのが好ましく、こ
の薄い良好な拡散層を形成させるためには種結晶を回転
させる必要がある。しかし、種結晶の回転速度が大きす
ぎると、融液を撹乱させ単結晶成長に悪影響を与える。

０．５ｒｐｍ以下の回転速度では融液な撹乱させず、薄
い良好な拡散層を形成できるため良好な単結晶を得るこ
とができる。

次に、図面を参照しつつ本発明を更に詳細に説明する。

第７図は本発明の方法に用いるシリコン単結晶引上げの
ための装置例の概要を示す軸断面図である。

第７図において、８はルツボである。ルツボ８は、密閉
炉２の中央内部に配置され、上方側が開口し口径りを有
し、石英（ＳｉＯ＝）で形成されている。そして、ルツ
ボ８の内部には、シリコンが収容される。ルツボ８の周
囲には加熱手段９が配置されており、ルツボ８内のシリ
コンを加熱溶融して融液状にする。なお、シリコンの融
点は約１４２０℃のため、加熱手段９は少なくともシリ
コンを前記融点にまで加熱し得る加熱電力を有するもの
が必要となる。

シリコンの融液１０の表面には、直径ｄの単結晶シリコ
ンよりなる種結晶１１が接触して配置される。種結晶１
１は引上げチャック１２を介して回転軸１３に連結する
。回転軸１３にはつオームギヤ１４が固定され、モータ
１５に連結するピニオンギヤ１６により回転駆動される
。回転により融液の種結晶接触部には拡散層が形成され
る。一方、回転軸１３は軸受１７等を介し、引上げ具１
８に係着支持される。引上げ具１８は外周に細目ねじが
形成されている。細目ねじには、モータ２０およびピニ
オンギヤ２１で回転されるウオームねじ１７が螺合する
。以上の構造により、種結晶１１はモータ１５により回
転駆動されると共に、モータ２０による引上げ具１８の
軸線方向（上下方向）の移動により回転軸線方向に引上
げ、または引き下げ方向に移動される。

ルツボ８は密閉炉２の底面に回転可能に支持され、その
底面に載置されるモータ２２により回転される。

一方、密閉炉２の外側には直流磁場を発生する電磁石等
からなる磁場発生手段２３が配置されている。なお、磁
場発生手段２３は種結晶１１の回転軸方向に直交する水
平磁場を形成するように配設される。

ルツボ８内の融液１０中にはルツボ８から酸素が溶出し
、この融液中の酸素は一部ＳｉＯガスとして融液１０の
表面から密閉炉１２内に蒸発する。

密閉炉２内には、アルゴンガスが供給されようになって
いる。アルゴンガスはアルゴンガス供給源３からモータ
５で駆動されるポンプ４により、供給口６を介して密閉
炉２内に供給され、密閉炉２に充満しているＳｉＯガス
を伴い、排出ロアから排出される。

シリコン単結晶棒１を引上げるには、まず、密閉炉２内
にアルゴンガスを通過させると共に、ルツボ８のまわり
に水平磁場を形成する。同時にルツボ８内のシリコンを
加熱手段９により加熱し適温の融液ｌＯを形成する。次
に、ルツボ８および種結晶１１を低速回転で回転すると
共に、種結晶１１を低速で引上げ方向に移動する。以上
の動作によりシリコン単結晶棒１が形成されることにな
る。

種結晶１１を引き上げる速度については特に数値限定す
るものではないが例えば、７．５ｃｍ／時程度以下のご
（低速の引き上げ速度が採用される。

次に、ルツボ８の口径りと引上げられる単結晶棒１の直
径ｄの関係はＤ≧６ｄにするのが好ましい。

前記したようにルツボ８内の融液中の酸素はＳｉＯガス
として融液ＩＯの表面から密閉炉２内に蒸発し、密閉炉
２内に導入されるアルゴンガスにより、密閉炉２外に排
出除去される。そのため、シリコン単結晶棒１内の格子
間酸素濃度を低減させるには、融液ｌＯの表面から速＜
ＳｉＯガスが出ることが望ましい。そのため、融液１０
の表面積を太き（することが必要となる。このようなこ
とから、Ｄ≧６ｄとするのが好ましいのである。

また、単結晶棒を引上げる際にチョクラルスキー法引き
上げ炉内の内圧は１００ｍｂａｒ以下とし、かつ、炉内
に流すアルゴンガスの流量を１００〜５００ρ／ｗｉｎ
の間に保持するのが好ましい。

前記のように、ルツボ８の融液１０からＳｉＯガスが蒸
発するが、炉内の内圧を１００ｍｂａｒ以下とすること
により融液１０から炉内空間への蒸発速度が大きくなり
、融液中の酸素濃度を低下させることができるようにな
る。また、蒸発したＳｉＯを炉外に速やかに排出すれば
、ＳｉＯの蒸発除去が円滑に行なわれるのでアルゴンガ
スな炉内に流し排出するようにするのである。その際の
アルゴンガスの流量は１００β／ｍｉｎ未満ではＳｉＯ
排出速度が遅く、炉内の酸素濃度を低（保持するには不
充分であり、５００β／ｗｉｎを超えると種結晶１１を
保持するための部材がアルゴンガスにより揺動したり、
融液１０が波立ったりして単結晶成長に好ましくない影
響を与える。

本発明の方法により、結晶の引上げを行うと７　ｐｐｍ
ａ以下の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶が得ら
れる。１　ｐｐｍａは、シリコンにおける格子間酸素濃
度が０．５Ｘ１０′７原子／　ｃｍ　２であることを意
味するもので、７　ｐｐｍａ以下の格子間酸素濃度は極
めて低い格子間酸素濃度を有する高品質のシリコン単結
晶であるといえる。

酸素の供給源は石英ルツボのシリコン融液の接触する内
壁面であるので、酸素１度が少ないことはこの内壁面の
溶解の少ないことを意味し、従って、超低酸素濃度は同
時に石英ルツボ中の他の不純物（例えば混在金属）の汚
染も極めて高度に制限されていることを意味する。

［実施例］ 次に、実施例を挙げて更に詳細に本発明を説明する。

実施例１ チョクラルスキー引上げ法によりシリコン単結晶を引上
げる方法において、石英ルツボ中に６０ｋｇのポリシリ
コンを充填し溶融した後、成長方位が（１００）で３イ
ンチの直径を有するシリコン単結晶を引上げた。その際
に、成長方向に垂直な１方向に磁場をかけて（水平磁場
）、下記のように、 ■磁場強度による格子間酸素濃度の変化■結晶回転速度
の影響 ■ルツボ回転速度の影響 ■ルツボ直径（Ｄｏ　）　／結晶直径（ＤＣ）比（Ｄｍ
　）影響 ■引上炉内圧の影響 ■アルゴンガス流量の影響 について調べた。

〈■磁場強度による格子間酸素濃度の変化〉水平磁場の
強度を３０００ガウスと２８００ガウスとの２つの場合
につき、下記引上げ条件にてシリコン単結晶を引上げた
。上記条件における固化分率と単結晶の格子間酸素濃度
の関係を調べたところ、第１図の結果が得られた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチルツボ回転速度
　０．５ｒｐｍ 結晶回転速度　　０．５　ｒｐｍ 引上炉内圧　　　１００ｍｂａｒ Ａｒガス流量　　２００１／ｍｉｎ 〈■結晶回転速度の影響〉 種結晶の回転数：　０．５ｒｐｍ、　５．　Ｏｒｐｍ、
　１０．　Ｏｒｐｍ。

２０．　Ｏｒｐｍの各場合につき、下記引上げ条件にて
シリコン単結晶を引上げた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチ結晶回転速度　
　０．５ｒｐｍ 磁場強度　　　　３０００ガウス 引上炉内圧　　　１００ｍｂａｒ Ａｒガス流量　　２００１７ｍ１ｎ 上記各条件における固化分率と単結晶の格子間酸素濃度
の関係を調べたところ、第２図の結果が得られた。

〈■ルツボ回転速度の影響〉 ルツボの回転数：　０．５ｒｐｍ、　１．　Ｏｒｐｍ、
　２．　Ｏｒｐｍの各場合につき、下記引上げ条件にて
シリコン単結晶を引上げた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチ結晶回転速度　
　０．５ｒｐｍ 磁場強度　　　　３０００ガウス 引上炉内圧　　　１００ｍｂａｒ Ａｒガス流量　　２００１７ｍ１ｎ 上記各条件における固化分率と単結晶の格子間酸素濃度
の関係を調べたところ、第３図の結果が得られた。

〈■ルツボ直径（Ｄｏ　）　／結晶直径（Ｄｃ　）比（
Ｄｍ　）影響〉 ルツボの直径（Ｄｏ　）を１８インチより段階的に順次
減少させることにより、Ｄｍ＝Ｄｏ／Ｄｃ＝６．４．５
　、３．６　、３とし、この各々のＤｍ場合につき、下
記引上げ条件にてシリコン単結晶を弓上げた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチルツボ回転速度
　０．５ｒｐｍ 結晶回転速度　　０．５ｒｐｍ 磁場強度　　　　３０００ガウス 引上炉内圧　　　１００ｍｂａｒ Ａｒガス流量　　２００１／ｍｉｎ 上記各条件における固化分率と単結晶の格子間酸素濃度
の関係を調べたところ、第４図の結果が得られた。

〈■引上炉内圧の影響〉 引上炉内圧：　１００ｍｂａｒ　、　１２０ｍｂａｒの
各場合につき、下記引上げ条件にてシリコン単結晶を引
上げた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチルツボ回転速度
　０．５ｒｐｍ 結晶回転速度　　０．５ｒｐｍ 磁場強度　　　　３０００ガウス Ａｒガス流量　　２００１７ｍ１ｎ 上記各条件における固化分率と単結晶の格子間酸素濃度
の関係を調べたところ、第５図の結果が得られた。

〈■アルゴンガス流量の影響〉 アルゴンガス流量：　　１００ｊ２／ｍｉｎ、　８０４
２／ｍｉｎ。

６０Ｉ２／ｗｉｎの各場合につき、下記引上げ条件にて
シリコン単結晶を引上げた。

引上げ条件：結晶直径　　　　３インチルツボ回転速度
　０．５ｒｐｍ 結晶回転速度　　０．５ｒｐｍ 磁場強度　　　　３０００ガウス 引上炉内圧　　　１００ｍｂａｒ 上記各条件における固化分率と単結晶の格子開票濃度の
関係を調べたところ、第６図の結果かられた。

第１図〜第６図に示された結果より下記のことがわかっ
た。

■３０００ガウスでは、おおむね単結晶の格子間酸素濃
度が７　ｐｐｍａ以下になり、２８００ガウスでは、７
　ｐｐｍａより大きい値となる。

■結晶回転速度を０．５ｒｐｍ以下にすると得られる単
結晶の格子間酸素濃度が７　ｐｐｍａ以下となる。

■ルツボ回転速度を０．５ｒｐｍ以下にすると、得られ
る単結晶の格子間酸素濃度が７　ｐｐｍａ以下となる。

■ルツボ直径／結晶直径比が６以上で、得られる単結晶
の格子間酸素濃度が７　ｐｐｍａ以下となる。

■引上炉内圧が１００ｍｂａｒ以下で、単結晶の格子間
酸素濃度が７　ｐｐｍａ以下となる。

■アルゴンガス流量が１００１００ｊ２７以上で、単結
晶の格子間酸素濃度が７　ｐｐｍａ以下となる。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように本発明によれば、格子間酸
素濃度が７　ｐｐｍａ以下と格段に低い高品質のシリコ
ン単結晶が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水平磁場の強度を変えたときの単結晶の格子間
酸素濃度の変化を示すグラフ、第２図は結晶回転速度を
変えたときの単結晶の格子間酸素濃度の変化を示すグラ
フ、第３図はルツボ回転速度を変えたときの単結晶の格
子間酸素濃度の変化を示すグラフ、第４図はルツボ直径
／結晶直径比を変えたときの単結晶の格子間酸素濃度の
変化を示すグラフ、第５図は引上炉内圧を変えたときの
単結晶の格子間酸素濃度の変化を示すグラフ、第６図は
アルゴンガス流量を変えたときの単結晶の格子間酸素濃
度の変化を示すグラフ、第７図は本発明の方法に用いる
装置例の概要を示す軸断面図である。 １・・・シリコン単結晶棒、２・・・密閉炉、３・・・
アルゴンガス供給源、４・・・ポンプ、５．１５，２０
．２２・・・モータ、６・・・供給口、７・・・排出口
、８・・・ルツボ、 ９・・・加熱手段、１０・・・融液、１１・・・種結晶
、１２・・・引上げチャック、１３・・・回転軸、１４
・・・ウオームギヤ、１６．２１・・・ピニオンギヤ、
１７・・・軸受、１８・・・引上げ具、１９・・・ウオ
ームねじ、２３・・・磁場発生手段、２４・・・熱対流
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を成長
   させる方法において、少なくとも３０００ガウス以上の
   水平磁場を印加し、種結晶を０．５ｒｐｍ以下で回転し
   、かつ、ルツボを０．５ｒｐｍ以下で回転し、７ｐｐｍ
   ａ以下の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶を引上
   げることを特徴とするシリコン単結晶の成長方法。
2. （２）単結晶棒を引上げる際に少なくとも使用する石英
   ルツボの口径を引上げる単結晶棒の直径の６倍以上にす
   ることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の成
   長方法。
3. （３）単結晶棒を引上げる際にチョクラルスキー法引上
   げ炉内の内圧を１００ｍｂａｒ以下とし、かつ、炉内に
   流すアルゴンガスの流量を１００〜５００ｌ／ｍｉｎの
   間で保持することを特徴とする請求項１記載のシリコン
   単結晶の成長方法。