JPS5813520B2 - シリコン結晶の引上成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には結晶成長方法に係り、更に具体的に
は結晶の酸素含有量が制御されるシリコンの如き材料の
単結晶を成長させるための結晶成長方法に係る。

シリコンの如き材料からの単結晶の形成は半導体技術に
於て重要な位置を占めている。

結晶を成長させるための１つの適当な方法は、所望の結
晶方向を有する種結晶が半導体材料の溶融体中に導入さ
れるチョクラルスキー法として知られている。

この半導体材料の溶融体は、この分野に於て知られてい
る様に、半導体材料の電気的特性を修正するために導入
される或る種のドパントを含むことも可能である。

半導体材料の溶融体は該溶融体がその融点又は融点より
も僅かに高い温度になる様に加熱されているシリカのる
つぼ又は容器に入れられる。

アルゴンの如き不活性の雰囲気中に於て、種結晶が溶融
体からゆっくりと引上げられ、半導体材料がその種結晶
上に固着して単結晶が成長される。

結晶を回転させながら引上げることにより円柱状の結晶
が形成される。

通常は、種結晶が始めに溶融体に接触するときに受ける
熱衝撃によって生じる転位を減少させる結晶のくびれた
部分を形成するために、引上速度及び加熱手段への電力
が始めに大きくされる。

それから、結晶が所望の直径になる迄結晶の直径を円錐
状に増加させるために、引上速度及び加熱が減少される
。

それから、結晶成長工程が終りに近くなる迄その引上速
度及び加熱が一定に保たれ、そして該工程が終りに近く
なったとき結晶の直径が円錐状に減少して末端にくびれ
た部分が形成される様に再び引上速度及び加熱が増加さ
れる。

シリコンの溶融温度（約１４００℃）に於て、シリコン
溶融体と接触するシリカのるつぼの表面は溶解して一酸
化シリコンＳｉＯを形成し、この一酸化シリコンは溶融
体中に入って溶融体の表面から蒸発する。

このＳｉＯは、溶融体中に入り従って引上げられた結晶
中に入る酸素の源になる。

これ迄、結晶中に存在する酸素は一般的に望ましくない
不純物とされている。

又、結晶中の酸素濃度は一定でなく、その最も高いレベ
ルに於ける結晶の種側先端からその最も低いレベルに於
ける結晶の末端迄変化することが解っている。

始めの溶融体の酸素含有量は略飽和点である３×１０１
８原子／ｃｃのオーダーである。

成長された結晶中の酸素含有量は種側先端に於ける約１
．５×１０１８原子／ｃｃから末端における約６×１０
１７原子／ｃｃ迄の範囲に亘っている。

このことから、恐らく結晶成長工程が続けられるに従っ
てるつぼの溶解速度が低下する結果、溶融体の酸素含有
量が結晶成長工程中に減少することは明らかである。

最近に於て、結晶中に於ける酸素の存在は成長された結
晶から製造された半導体装置の特性に有利な効果を与え
得ることが解った。

例えば、より高いレベルの酸素が含まれている場合に於
て漏洩電流の減少が観察される。

従って、この漏洩電流に於て観察される有利な効果は、
より高い含有量の酸素を有する結晶の種側先端から切取
られた半導体ウエハから製造された装置の場合に主とし
て生じることが解った。

従って、装置の製造に用いられた半導体ウエハが結晶の
種側先端から切取られた場合であっても又は末端から切
取られた場合であってもそれらの装置に同一の有利な効
果が達成される様に結晶の長さに亘る酸素の濃度勾配が
小さくされ得ることが望ましい。

本発明による方法は、結晶中の酸素のレベルを増加させ
そして又種側先端から末端迄の酸素の濃度勾配を制御す
るための方法を達成する。

酸素濃度をより均一にすることもでき又それを所望の勾
配にすることもできる。

次に、本発明による方法について概略的に説明する。

本発明による方法に従って、結晶成長工程に於けるシリ
コン溶融体の酸素含有量が制御される様にシリコン溶融
体と接触するシリカ容器の部分の表面特性を変えるため
上記シリカ容器を処理することを含む、シリカ容器中の
シリコン溶融体から引上げられるシリコン結晶の酸素含
有量を制御するための方法が達成される。

本発明による方法の一実施例に於ては、容器の表面が砂
吹き等により粗面化される。

本発明による方法の他の実施例に於ては、容器の表面が
火炎研摩（ｆｉｒｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）又は炉中に
於けるアニーリング等により熱処理される。

次に、本発明による方法について更に詳細に説明する。

前述の如く、シリコンの如き半導体材料の単結晶を成長
させるために通常用いられている１つの方法は、単結晶
を成長させるために用いられる所定量の極めて純粋なシ
リコンがるつぼ内に配置される周知のチョクラルスキー
法である。

半導体材料の溶融体と接触するるつぼの表面は高純度の
シリカである。

この様な高純度のシリカのるつぼは一般に入手され得る
ものである。

又は、シリカの層を内側表面に有するグラファイトのる
つぼの如きシリカで内張リされた容器が用いられ得る。

結晶にドーピング不純物が加えられるべき場合には、そ
の不純物が上記の所定量のシリコンに加えられる。

所定量のシリコンを含むるつぼはアルゴンの如き制御さ
れた不活性の雰囲気中に配置される。

るつぼを包囲する炭素抵抗加熱装置又は高周波誘導コイ
ルにより加熱されて、所定量のシリコンの温度がその融
点よりも少し高い温度に安定にされる。

小さな、極めて完全な、そして正しい結晶方向を有する
半導体材料の結晶である種結晶が引上げ棒の末端に付着
される。

典型的な種結晶の一例は、直径約０．６ｃｍ（約１／４
インチ）の正方形の断面及び約７．６ｃｍ（約３インチ
）の長さを有するシリコンの棒である。

引上げ棒は、１時間当り約０．６乃至１０．２ｃｍ（約
１／４乃至４インチ）の如き選択された均一な速度でそ
の上方への移動を制御する従来の結晶引上げ機構によっ
て作動される。

種結晶が溶融された半導体の中に導入されそして表面の
不完全性を除去するために部分的に溶融される。

それから、種結晶が溶融体の中からゆっくりと引上げら
れそして円柱状の結晶が形成される様に回転されながら
引上げられる。

その引上げ速度及び所定量のシリコンの加熱は種結晶が
始めに溶融された半導体材料中に導入されるときに生じ
る転位効果を最小限にするために始め大きくされる。

この謂ゆるくびれた部分が形成されてから、結晶が約２
．５乃至７．６ｃｍ（約１乃至３インチ）の所望の直径
になる迄引上速度及び加熱コイルへの電力が低下される
。

結晶成長工程の終りに近くなる迄この直径が保たれる。

典型的には、長さ３０．５乃至４０．６ｃｍ（１２乃至
１６インチ）の結晶が形成される。

標準的なシリコンの一袋入量は約・３．５ｋｇの重さを
有する。

成長された結晶はウエハに薄く切られ、それらのウエハ
は更に薄くされそして研摩されてから所望の超小型電子
的構成素子又は集積回路を形成するために必要とされる
従来のエピタキシャル成長、マスキング、拡散及び金属
化の一連の工程を施される。

結晶は半導体材料の特性を修正するために導入される任
意のドパントを含み得る高純度のシリコンから成る。

結晶は不純物として約１．５×１０１８乃至６×１０１
７原子／ｃｃの酸素を含むことが解った。

この酸素はるつぼのシリカ表面が加熱された溶融体と接
触して一酸化シリコンを形成しそして酸素を溶融体中に
導入させることによって生じる。

溶融体中の酸素含有量は始めは略飽和点即ち約３×１０
１８原子／ｃｃであると考えられる。

結晶成長工程の間、酸素の濃度はるつぼの表面の溶解速
度が低下することによって明らかに減少する。

この有効溶解速度の低下は、るつぼの壁面上に形成され
そしてるつぼの壁面が溶融された半導体材料によって更
に侵食されない様にある程度その壁面を保護する一般化
シリコン層の表面安定化効果によるものである。

本発明による方法の記載の実施例に於て用いられたるつ
ぼは高純度のシリカから成りそして直径約１５ｃｍ（約
６インチ）及び厚さ約０．２５ｃｍ（約０．１インチ）
の透明な円柱状の容器である。

本発明による方法に従って、半導体材料と接触するるつ
ぼの表面は引上げられた結晶の酸素含有量が増加する様
に処理される。

この効果を達成するための適当な工程は、砂吹き等によ
る研摩材との接触によりるつぼの内側表面を粗面化する
こと及び炉中に於けるアニーリング又は結晶引上装置中
に於ける予熱によりシリカのるつぼを加熱することを含
む。

上記効果は又、ガラス細工に於て用いられている如き従
来の酸素−水素の火炎を用いて表面を永炎研摩すること
によっても達成され得る。

研摩材による粗面化処理は簡便にはＳ．Ｓ．Ｗｈｉｔｅ
Ｃｏ．製の如き一般に入手され得る砂吹き装置を用いて
行なわれる。

この装置はるつぼの内側表面にぶつけられるキャリア・
ガス中の例えばアルミナの如き研摩材の流れを生じる。

処理のパラメータは特に緻密なものではないが、処理さ
れた部分が粗面化されそして不透明になる様に処理が行
なわれるべきである。

平均的寸法のるつぼの内側表面を砂吹きするには数分間
で充分である。

溶融体と接触するるつぼの表面全体を処理することによ
り、結晶の種側先端から末端迄の酸素濃度が増加されそ
してより均一にされることが解った。

結晶中の酸素濃度を所望のレベルにしそして結晶の種側
先端から末端濃度を所望の勾配にすることは、処理され
るるつぼの表面の領域を変えることによって達成され得
る。

これは、例えば、るつぼの一部を研摩材から保護される
様にテープでマスクすることによって達成される。

又、るつぼを炉中に於て約１１００乃至１３００℃の如
き高温で約１時間の間加熱することにより又は始めに観
察されるるつぼ表面の白色の矢透現象が消える迄るつぼ
の内側表面を火炎研摩することによりるつぼを処理する
ことによっても、引上げられた結晶中の酸素含有量が一
般的に増加され得ることが解った。

弗化水素酸−硝酸による食刻処理は結晶中の酸素濃度を
著しく変化させないことが解った。

結晶成長工程が完了した後に処理されたるつぼの表面を
検査した結果、それらは比較的平滑でありそして加熱さ
れていない表面が溶融体と接触した場合に該表面に通常
形成されるＳｉＯ層で被覆されていないことが示された
。

次に、本発明による方法をその実施例について更に詳細
に説明する。

実施例 １ 同量の高純度のシリコンが数個の高純度のシリカるつぼ
の各々に配置されそしてそれらを溶融体にするためるつ
ぼが加熱された。

１，０．０の結晶格子方向を有する長さ略７．６ｃｍ（
略３インチ）及び０．６ｃｍ（１／４インチ）平方のシ
リコン種結晶の棒が溶融体中に導入され、そして始めに
結晶の直径が約０．１６ｃｍ（約１／１６インチ）に減
少される様に結晶が溶融体の中からゆっくりと引上げら
れそしてそれから直径が約５．７ｃｍ（約２１／４イン
チ）になる迄引上げ棒を回転させながら結晶が引上げら
れて円錐状の部分が形成された。

この直径は、第二の円錐状の部分が形成されて結晶が完
成される結晶成長工程の終りに近くなる迄一定に保たれ
た。

この結晶は約３０．５ｃｍ（約１２インチ）の長さを有
した。

次の表１に示されている様に、１つのるつぼは何ら処理
されず、対照用試料として用いられた。

他の１つのるつぼは従来の弗化水素酸−硝酸による食刻
を５分間施されそして残りの４つのるつぼはそれらの内
側表面全体又は半分が砂吹きされた。

シリコン結晶の酸素含有量は結晶の種側先端及び末端か
ら切取られた部分を分析することによって決定された。

その分析は赤外線吸収分光法により行なわれた。

表■に示された結果から、砂吹きされたシリカのるつぼ
から成長された結晶は処理されなかった又は酸により処
理されたシリカのるつぼから成長された結晶よりも常に
高いレベルの酸素を含んでいることが解る。

従って、単にるつぼから表面層を除く処理では不充分で
あることは明らかである結晶成長後に砂吹きされたるつ
ぼの表面を検査したところ、通常観察されるＳｉＯの表
面安定化層は何ら形成されていないことが示された。

特に完全に砂吹きされたるつぼの場合に於ては、明らか
に酸素の溶解速度が極めて均一であった。

上記の結果から、砂吹き方法はるつぼ表面からの溶解の
速度を全工程に亘ってより均一にするという結論が得ら
れる。

表面の５０％だけが砂吹きされた場合には、末端の部分
に於ける酸素の量が減少した。

従って、るつぼの底部及び側面を異なるパターンに砂吹
きして処理された領域及び処理されていない領域の比率
を変えることにより、所望の勾配を有する酸素濃度が結
晶中に達成され得る。

実施例 ２ 本発明による方法に於ける熱処理による他の実施例に於
ては、次の表■に示されている如く加熱され、アニール
され、又は火炎研摩されたるつぼを用いて実施例１に於
て示された様にしてシリコン結晶が溶融体から引上げら
れた。

１３００℃以上の温度に於て最良の結果が得られたが、
１１４０℃の温度に於てアニールされた場合にもかなり
の効果が認められた。

処理時間は約１時間のオーダーであった。

表■のデータから、加熱又は火炎研摩による処理によっ
ても、酸素濃度が種側先端及び末端の両方に於て増加し
そして末端に向って徐々に減少する様に結晶に於ける酸
素濃度を増し得ることが謂る。

又、加熱時間、加熱温度、及び火炎研摩による処理の程
度が所望の酸素濃度を得るために選択され得ることも明
らかである。

任意の所望の濃度を得るために必要なパラメータは実験
的に容易に決定され得る。

以上に於て、高純度シリコン単結晶の酸素濃度が任意の
所望の適用例に適合する様に達成され得る本発明による
方法について述べた。

酸素濃度が結晶の種側先端から末端迄より高くそして一
定のレベルに維持されることができ、従ってウエハの切
取られる結晶の部分によってそれから形成される装置に
与えられ得る影響について何ら考慮する必要がなくなる
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリカ容器中のシリコン溶融体からシリコン結晶を
   引上成長させる方法に於て、 上記シリコン溶融体と接触する上記シリカ容器の表面を
   粗面化処理もしくは熱処理し上記シリコン結晶中の酸素
   含有量を制御する事を含むシリコン結晶の引上成長方法
   。