JPH05194077A - 単結晶シリコンロッドの製法 - Google Patents
単結晶シリコンロッドの製法Info
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- JPH05194077A JPH05194077A JP4215973A JP21597392A JPH05194077A JP H05194077 A JPH05194077 A JP H05194077A JP 4215973 A JP4215973 A JP 4215973A JP 21597392 A JP21597392 A JP 21597392A JP H05194077 A JPH05194077 A JP H05194077A
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Abstract
いるシリコン溶融物から引き上げ、単結晶シリコンロッ
ドおよびルツボが同軸であり、単結晶シリコンロッドを
製造する方法であって、所定の単結晶ロッド直径が定ま
った後に、シリコン溶融物の固形化部分が増加するとも
に、ルツボの回転速度を増加し、磁界の強度を減少させ
ることを特徴とする方法。 【効果】 シリコンロッドにおける酸素の濃度および分
布を調整する。
Description
びに結晶およびルツボの回転速度の大きさの変化の組合
せによって、チョクラルスキー(Czochralski)引き上
げシリコンロッドにおける酸素の濃度および分布を調整
する方法に関する。
長させる場合に、容器の構成物質が部分的に溶融液体に
溶解して、生成結晶における不純物となる。シリコンの
溶融温度(約1420℃)において、溶融物に接触して
いるシリカ(SiO2)ルツボの表面が溶解する。溶解し
たシリカのいくらかの部分は溶融物の表面からSiO
(一酸化ケイ素)として蒸発する。溶解したシリカの他
の部分は、成長結晶に入り込む。溶解したシリカの残り
が、シリコン溶融物に保たれる。従って、シリコン溶融
物を収容するために使用されるシリカルツボは、従来の
チョクラルスキー法により成長させたシリコン結晶に見
られる酸素の供給源である。
響と好ましくない影響の両方を有する。種々の電気デバ
イスの製造時の種々の熱処理において、結晶中の酸素
は、結晶欠陥、例えば、沈澱、転位ループおよび積層欠
陥を生じさせることがあり、あるいは電気的活性欠陥を
生じさせることがあり、劣った性能特性を有するデバイ
スとなる。しかし、結晶中の酸素の固溶体は、シリコン
ウエハーの機械的強度を増加させ、結晶欠陥は、重金属
の汚染物を捕捉することによって、適格製品の歩留まり
を向上させることができる。従って、シリコン結晶中の
酸素含量は、シリコンウエハーの最終用途の要求に従っ
て注意深く制御されるべき製品品質の重要な要因であ
る。
われていたチョクラルスキー条件下で成長されるシリコ
ン結晶中の酸素濃度は、結晶の長さに沿って変化し、例
えば、結晶の中央および/または底または中子末端にお
いてよりも種末端おいて高かった。加えて、酸素濃度
は、結晶の横断面の半径に沿って変化した。
アメリカ合衆国特許第4,436,577号において、シ
リカルツボに収容されているシリコンの溶融物上の種結
晶の作用から引き上げるシリコン結晶ロッドにおける酸
素含量および酸素含量分布を調整する1つの方法を提案
している。この方法によれば、酸素の分布は、ルツボの
溶融レベルが減少するようにルツボ回転速度を増加させ
ながら、溶融物ルツボ回転の回転に対して反対方向に、
より大きな回転速度で溶融物から引き上げる結晶種ロッ
ドを回転させることによって調整される。
により、フレデリックらの特許に開示されているものに
比較して大きな直径のシリコン結晶が得られている。結
果的に、溶融物仕込み重量の増加および大きなルツボ直
径が必要になっている。加えて、半導体製造技術は、発
達し、インゴットからシリコンウエハー切出物における
一般に低くかつより正確に制御された量の酸素を必要と
している。従って、安定な結晶成長が可能である結晶お
よびルツボ回転速度の範囲を限定する大きな物理的パラ
メーターによって課される物理的拘束に原因して所望の
全濃度範囲において酸素含量を均一化することは次第に
難しくなりつつある。
に対する解決法として、近年、軸的に対称で半径方向の
カスプ磁界の使用に対して注目が集まっている。この方
法は、特開昭58−217493号公報に示唆されてい
る。この方法によれば、反対方向に環状電流を流す一対
のコイルが溶融液体の上でおよび下で配置されている。
結果的に、溶融液体の深さの1/2の位置で、半径方向
水平磁界が形成される。出願人によれば、半径方向カス
プ磁界は溶融液体の流動を拘束し、従って、溶融物を安
定化し、ルツボからの汚染を防止する。
際出願公開WO89/08731において、カスプ磁界
法に対する改良を示唆している。バラクロらによれば、
磁界は、成長結晶と溶融物との間の界面で500ガウス
未満である結晶回転軸に平行である磁界の成分を有する
べきであり、溶融物の他の部分で500ガウスを越える
値を有しており、磁界のこの分布は、結晶成長時に保持
される。
において、異なった改良法を示唆している。ヒラタらに
よれば、酸素などの移動不純物は、溶融物にカスプ磁界
をかけ、ルツボおよび結晶を反対方向に回転させ、およ
び結晶の回転速度よりも大きい回転速度でルツボを回転
させることによって制御されている。ヒラタらは特開平
2−55284号公報において、別の改良法を示唆して
いる。ヒラタらによれば、酸素などの移動不純物は、溶
融物にカスプ磁界をかけ、および溶融液体の表面を垂直
に横切る磁界成分の強度と、溶融液体の底表面を垂直に
横切る磁界成分の強度との比を変化させることによって
制御されている。この比は、(1)(コイル間の距離を
一定にしながら)ルツボに対してコイルを移動すること
によって、(2)コイル間のアンペア回数比を変えるこ
とによって、または(3)コイル間の距離を変えること
によって変化し得る。
れも、充分に満足出来るものではない。ある条件下で、
カスプ磁界において成長された結晶は、軸的磁界におい
て観測されたものと同様に低い軸方向および半径方向均
一性を示す。問題は、固形化プロセスの後段階において
生じる傾向にあり、これは、その領域でのかなり強い鉛
直方向に向いた磁界の付近で淀みゾーンにおける酸素ま
たは酸素含有化合物の堆積の結果であろうと考えられ
る。
シリカルツボに収容されているシリコンの溶融物上で種
結晶の作用から引き上げられるシリコン結晶ロッドにお
ける酸素含量および酸素含量分布を調節する方法を提供
すること、均一な酸素含量の分布および所望レベルの酸
素含量を与えるそのような方法を提供すること、および
かなり大きな直径およびかなり低い酸素含量を有するシ
リコンロッドの製造において使用するのに適したそのよ
うな方法を提供することが挙げられる。
本発明は、ロッドと同軸であるルツボに収容されている
シリコン溶融物から単結晶シリコンロッドを引き上げ、
シリコンロッドを製造するチョクラルスキー法に関す
る。この方法において、ロッドおよびルツボは、それら
の軸のまわりで反対方向に回転されており、ロッドが成
長する時に、ロッドの回転速度は、ルツボの回転速度よ
りも大きい。ロッドの長さが増加すると、ルツボの回転
速度が増加される。シリコン溶融物の一部分が固形化す
るまで、ロッドの軸のまわりで実質的に回転的に対称で
ある磁界がシリコン溶融物にかけられ、磁界は、ルツボ
の底および側壁を垂直に横切る成分を有する。シリコン
溶融物の固形化部分が増加するとともに、ルツボの底お
よび側壁を垂直に横切る磁界成分の強度を減少させる。
本発明の他の目的は以下において部分的に指摘されてお
り、部分的に明白である。
チョクラルスキー結晶成長装置を示す。真空チャンバー
1の中でルツボ3が抵抗ヒーター5によって包囲されて
いる。ルツボ駆動ユニット7が、矢印によって示される
ように時計方向にルツボを回転させ、必要なようにルツ
ボを上昇または降下させる。ルツボ3の中で、シリコン
溶融物9はメルトレベル11を有しており、プルシャフ
トまたはケーブル17に取り付けられた種結晶15で開
始してシリコン溶融物から単結晶13が引き上げられ
る。ルツボ3および単結晶13は、対称の共通軸19を
有する。プルシャフトまたはケーブル17を、結晶駆動
ユニット21によって反時計方向に回転させ、必要なよ
うに上昇または降下させる。ヒーター電源23は抵抗ヒ
ーター5にエネルギー供給し、絶縁25が真空チャンバ
ー1の内壁にライニングされている。ガスを真空ポンプ
31によって真空チャンバー1から除去するとともに、
アルゴンガスをガスフローコントローラー29によって
ボトル27から真空チャンバー1に供給する。真空チャ
ンバー1はチャンバー冷却ジャケット33によって包囲
されており、ジャケット33には溜35から冷却水が供
給されている。次いで、冷却水は冷却水戻りマニホール
ド37にドレインされる。光電池39が溶融物表面温度
を測定し、直径トランスデューサー41が単結晶13の
直径を測定する。これらの信号は、コントロールユニッ
ト43によって処理される。このコントロールユニット
は、プログラムされたデジタルまたはアナログコンピュ
ーターであってよい。これは、ルツボおよび単結晶駆動
ユニット7および21、ヒーター電源23、上部および
下部コイル電源49および51、ポンプ31ならびにア
ルゴンフローコントローラー29を制御する。
び下に位置しており、対称軸19を有する上部ソレノイ
ドコイル45および下部ソレノイドコイル47が真空チ
ャンバー1を包囲している。上部コイルおよび下部コイ
ルは、コントロールユニット43にそれぞれ接続されて
いる別個の電源、上部コイル電源49および下部コイル
電源51を有する。電流が2つのソレノイドを反対方向
に流れ、カスプ磁界を形成する。冷却水が溜53から上
部および下部コイルに供給されており、冷却水戻りマニ
ホールド37にドレインされる。鉄シールド55が上部
および下部コイルを包囲し、漂遊磁界を減少し、形成磁
界の強度を増強する。
リコンがルツボ3に仕込まれ、電流がヒーター5を通過
し、仕込物を溶融する。シリコン溶融物は、当技術で既
知であるようにシリコンの電気特性を変える目的で導入
されるドーパントを含んでいてもよい。アルゴンなどの
不活性雰囲気の中で、種結晶15を降下させて、溶融物
と接触させ、次いで溶融物から徐々に引き上げると、シ
リコンは種上で固形化し、単結晶が成長する。引き上げ
るとともに、所定速度で結晶を回転させることによって
円筒状の単結晶ロッド13が得られる。ルツボを第2の
速度で同様に回転させるが、ロッドに対して反対方向に
回転させる。引き上げ速度およびヒーターへの電力は初
めに制御されており、結晶のネックダウンを生じさせ、
次いで、調節され、所定の結晶直径が得られるまで円錐
形状で結晶直径を増加させる。次いで、プロセスが終末
になるまで一定直径を保つように、引き上げ速度および
加熱は制御される。この時点で、引き上げ速度および加
熱は増加され、直径が減少して単結晶ロッドの末端で円
錐部分を形成する。
mまたは200mm)に達した後、単結晶およびルツボ
の回転速度は制御され、軸方向および半径方向の両方に
おいて酸素の濃度および分布を調節する。ルツボの回転
速度は典型的には1〜10rpm、好ましくは少なくと
も約4rpmである。単結晶の回転速度は、ルツボの回
転速度よりも実質的に大きく、典型的には約10〜20
rpmであり、ルツボの回転速度よりも少なくとも約5
rpm大きい。加えて、溶融シリコンにおける波の形成
を防止するために、ルツボおよび単結晶の回転速度は制
御され、合計は所定値を越えない。所定値はそれぞれの
システムについて実験的に決められ、単結晶の直径、ル
ツボの直径およびルツボに仕込んだシリコンの量に依存
する。例えば、ルツボおよび結晶回転速度の合計は、1
50mmロッド、350mmルツボおよび34kgシリ
コン仕込みにおいて約32rpmを越えず、200mm
ロッド、450mmルツボおよび60kgシリコン仕込
みにおいて約25rpmを越えない。
接触するルツボの面積のみならず、ルツボの回転速度に
も依存することが以前からわかっている(本明細書に参
照として組み込むアメリカ合衆国特許第4,436,57
7号参照)。一般に、所定のロッドおよびルツボ回転速
度において仕込み溶融物の固形化部分が増加すると、ロ
ッドの酸素含量は軸方向に減少する。従って、この影響
は、固形化部分が増加するとともにルツボの回転速度を
増加することによって少なくとも部分的に解消すること
ができる。しかし、回転速度を制御することのみによっ
て、かなり大きな直径およびかなり低い酸素濃度、例え
ば、約15PPMA未満(ASTM標準F−121−8
3)を有する単結晶ロッドにおける酸素含量を調整する
ことはだんだん困難になっている。
制御し、半径方向カスプ磁界をシリコン溶融物にかけた
場合に、かなり大きな直径の単結晶ロッドにおいて、特
にかなり低い酸素濃度で、軸方向および半径方向に酸素
濃度をより正確に調整できることがわかった。図1およ
び図2を参照すれば、そのためのプログラムおよび装置
が示されている。図示するように、電流が上部および下
部コイル45および47を流れており(「・」は紙面か
ら出て来る電流の流れを示し、「×」は紙面に入って行
く電流の流れを示す)、従って、磁界がルツボ3および
シリコン溶融物9にかかる。磁界の形状は、ガウスで示
される大きさを有するベクトル57によって特徴付けら
れる。磁界は、ルツボの底および側壁を垂直に横切る水
平および鉛直成分を有する。加えて、磁界は、シリコン
溶融物表面を垂直に横切る鉛直成分を有していてよい。
しかし、溶融シリコン表面を垂直に横切る平均磁界成分
は、溶融シリコンに接触するルツボの底および側壁を垂
直に横切る平均磁界成分に比較して小さいことが好まし
く、即ち、溶融シリコン表面を垂直に横切る平均磁界成
分は、溶融シリコンに接触するルツボの底および側壁を
垂直に横切る平均磁界成分の約1/10よりも大きくな
いことが好ましい。最も好ましくは溶融シリコン表面を
垂直に横切る平均磁界成分は0であるかまたは0付近で
あり、即ち、磁界零面がシリコン溶融表面にまたは該表
面付近に位置する。2つのコイル45および47におけ
る鉛直位置、巻の数および相対的電流は、溶融物表面1
1の面でまたは面付近で零磁界を配置するように使用さ
れてよい。
コイル45および47を流れ、所定の強度を有する磁界
がシリコン溶融物およびルツボにかけられる。所定強度
は、ロッドの直径、ルツボの直径、仕込み量および所望
酸素含量に依存して変化するが、過度の実験なく容易に
決めることができる。一般に、磁界は、数千ガウスより
も小さい所定最大強度を有しており、約400〜100
0ガウスの所定最大強度を有していることが最も好まし
い。単結晶の長さが増加すると、即ち、仕込み溶融物の
固形化部分が増加すると、コイルを流れる電流の量が減
少することによって、コイルがルツボに対して移動する
ことによって、あるいは磁性シールドを移動または消滅
させることによって、磁界の強度を減少させる。コイル
を流れる電流の量を減少させることによって強度を減少
させることが好ましい。
び側壁を垂直に横切る磁界成分が減少する。しかし、磁
界の零面はシリコン溶融物表面でまたは表面付近で保た
れるので、シリコン溶融物表面を垂直に横切る平均磁界
成分と、シリコン溶融物に接触するルツボの底および側
壁を垂直に横切る平均磁界成分との比には有意な差は存
在しない。単結晶ロッドの長さが増加し、仕込み溶融物
の固形化部分が増加すると、磁界の強度を初期の値より
も小さい値に調整することが好ましいが、仕込み溶融物
の所定部分が固化した後に、磁界を完全に消すことが好
ましい。典型的には、仕込み溶融物の約50〜80%が
固化した後に、磁界を消すことが好ましい。その後、単
結晶回転速度に対してルツボ回転速度を増加することに
よって酸素含量を調節する。
きさおよび磁界特性などのパラメーターに依存して、溶
融物にかける磁界の強さを増加することおよび/または
操作時の或る点でのルツボ回転速度を減少することが好
ましい。(a)磁界が初期のレベルよりも小さい値に減
少されるおよび(b)仕込み溶融物の一部分が固形化さ
れた後に、ルツボ回転速度が単結晶回転速度に比較して
増加される限りにおいて、そのような態様は本発明の範
囲内である。
は、かなり低い酸素濃度、即ち、15PPMA未満の酸
素濃度を有する単結晶において酸素濃度を正確に制御す
るのに使用できる。単結晶ロッドは、半径方向に5%未
満の酸素勾配、および軸方向に5%〜10%未満、最も
好ましくは5%未満の酸素勾配を有することが好まし
い。実施例は、所望結果を達成するために使用できる1
組の条件を述べている。図3と同様のデーターが、他の
結晶直径、磁界強さ、ルツボ回転速度、ルツボ寸法およ
びシリコン仕込みにおいて得られ得る。次いで、所望酸
素軸方向分布を形成するための磁界傾斜プログラムおよ
びルツボ回転速度が、図10に示すように、導かれる。
従って、実施例は、限定する意味で解釈してはならな
い。
おり、1つの電源からエネルギー供給されている)を用
いて、34kgのポリシリコン仕込み量を有する350
mm直径ルツボから、単結晶シリコンロッド(150m
m呼称直径)を引き上げた。結晶の回転速度は12〜2
4rpmであり、ルツボの回転速度は4rpmに固定し
た。1組のランにおいて、磁界をかけなかった。別の組
のランにおいて、約400ガウスのシリコン−石英界面
での平均強度を有する磁界になる、反対方向においてそ
れぞれのコイルを流れる1.5キロアンペアから生じる
磁界を、図2に示すようにかけた。他の組のランにおい
て、ルツボ回転速度および磁界強さを変化させた。
向分布を求め、得られたデーターを、酸素が従属変数で
あるモデルに合致させた。独立変数は、結晶の長さ、
(コイル励起電流として示して)磁界、およびルツボ回
転速度であった。モデルは、以下のように、6の係数を
有する線型であった。
下に有意であり、RMS誤差は0.44である。図3
は、ランに対するモデルの合致を示す。図3において、
×印はデーター点を示し、添字は界磁電流(キロアンペ
ア)を示す。
おける4つの異なった酸素レベルを与える、モデルで予
想される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示している。特記しない限り、全ての酸素データーはA
STM標準F121−83に従って測定し、長さの単位
はセンチメートルである。
与える、モデルで予想される磁界強さとルツボ回転速度
のプログラム組み合わせを示している。このプログラム
によれば、ルツボ回転速度は初めに5rpmに設定さ
れ、反対方向にそれぞのコイルを流れる約2キロアンペ
アから生じる磁界が初めにかけられる。結晶を10、2
0、30および40cmのそれぞれ引き上げた後、磁界
強さは、示すように減少される。40cm引き上げた時
に、磁界強さを0に減少させる。磁界強さの減少と同時
に、40cmを引き上げた後にルツボ回転速度を5rp
mから6rpmに増加させ、50cmを引き上げた後に
ルツボ回転速度を10rpmに増加させる。
径、磁界強さ、ルツボ回転速度、ルツボ寸法およびシリ
コン仕込み量において得られる。所望の酸素の軸方向分
布を生成するためのルツボ回転速度および磁界強さ傾斜
プログラムを導き得る。
が達成され、他の好都合な結果が得られることがわか
る。
法において種々の変化をなすことが可能であり、前記記
載に含まれるすべてのことがらは例示として解釈すべき
であり、限定する意味で解釈してはならない。
成長装置の断面図である。
ア)の下で生成した磁界を示す図1の一部分の拡大図で
ある。
mmシリコン結晶ロッドの酸素濃度の線型モデルを示す
グラフである。
つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予測
される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを示
すグラフである。
4つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予
測される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示すグラフである。
4つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予
測される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示すグラフである。
4つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予
測される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示すグラフである。
4つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予
測される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示すグラフである。
4つの異なった酸素レベルを与える実施例のモデルで予
測される界磁電流およびルツボ回転速度の組み合わせを
示すグラフである。
の一定酸素含量を与える実施例のモデルで予測される界
磁電流およびルツボ回転速度のプログラム組み合わせを
示すグラフである。
ー、7…ルツボ駆動ユニット、 9…シリコン溶融物、
13…単結晶、15…種結晶、 17…シャフトまた
はケーブル、 19…対称軸、21…結晶駆動ユニッ
ト、 23…電源、 45,47…コイル。
Claims (8)
- 【請求項1】 チョクラルスキー法により所定直径の単
結晶シリコンロッドを製造する方法であって、 単結晶シリコンロッドを、ルツボに収容されているシリ
コン溶融物から引き上げ、単結晶シリコンロッドおよび
ルツボが同軸であり、方法が、 ルツボの回転速度よりも大きい単結晶ロッドの回転速度
で、それらの軸のまわりで反対方向に単結晶ロッドおよ
びルツボを回転させ、およびシリコン溶融物の一部分が
固形化するまで、ロッド軸のまわりで実質的に軸方向に
対称である磁界をシリコン溶融物にかけ、なお、磁界
は、ルツボの底および側壁を垂直に横切る成分および溶
融シリコン表面を垂直に横切る成分を有しており、底お
よび側壁を垂直に横切る平均磁界成分は、溶融シリコン
表面を垂直に横切る平均磁界成分よりも大きい、 工程を含んでなり、 所定の単結晶ロッド直径が定まった後に、シリコン溶融
物の固形化部分が増加するともに、ルツボの回転速度を
増加し、磁界の強度を減少させることを特徴とする方
法。 - 【請求項2】 シリコン溶融物の固形化部分が約0.5
を越えた後に、ルツボの底および側壁を垂直に横切る磁
界成分を0に減少させる請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 シリコン溶融物の固形化部分が約0.8
を越えた後に、ルツボの底および側壁を垂直に横切る磁
界成分を0に減少させる請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 結晶ロッドを引き上げる場合に、単結晶
回転速度がルツボ回転速度よりも少なくとも約5rpm
大きい請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】 単結晶ロッドの直径が約200mmであ
り、ルツボおよび単結晶ロッドの回転速度の合計が約2
7rpmを越えない請求項1〜4のいずれかに記載の方
法。 - 【請求項6】 単結晶ロッドの直径が約150mmであ
り、ルツボおよび単結晶ロッドの回転速度の合計が32
rpmを越えない請求項1〜4のいずれかに記載の方
法。 - 【請求項7】 シリコン溶融物に接触するルツボの底お
よび側壁を垂直に横切る磁界成分の平均が初めに少なく
とも約500ガウスである請求項1〜6のいずれかに記
載の方法。 - 【請求項8】 単結晶ロッドにおける軸方向酸素濃度勾
配が約5%を越えない請求項1〜7のいずれかに記載の
方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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