JP3444178B2 - 単結晶製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法によって、例えばシリコン半導体等の単結晶棒を製造
する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、チョクラルスキー法（以下、単に
ＣＺ法ということがある。）によって、例えばシリコン
単結晶を製造するには、図１に示したような装置が用い
られている。図１において石英ルツボ１にはシリコン融
液２が収容されており、このルツボはその支持軸３を中
心にして回転上下動自在に構成されている。ルツボの回
転はサーボモータ４によって駆動され、かつ回転数が制
御できるようになっている。ルツボ１の外周にはこれを
囲繞するように例えばグラファイトからなる円筒状のヒ
ータ５が配置されている。このヒータ５は、図２のよう
に鉛直方向にスリット２０が入っており、上下方向から
交互にスリットを設けて、ジグザグ状にすることによっ
て、発熱体を構成している。ヒータ５には、電極１２よ
り通電されるとともに、この電極１２を駆動モータ１３
により上下動可能に構成し、ヒータ５を上下動させるこ
とによって、ルツボに対するヒータの相対位置を調整で
きるようにすることができる。このヒータ５の外側には
円筒状の断熱材１１が配設される。

【０００３】そして、近年のチョクラルスキー法におい
ては、融液に磁場を印加するＭＣＺ法が行われることが
あり、図１の装置においても、チャンバ６の外側に永久
磁石、あるいは電磁石からなる磁場発生装置７が配置さ
れている。８は単結晶シリコンからなる種結晶で、引き
上げ駆動機構９によって種結晶および引き上げられる単
結晶棒はその中心軸にそって、回転しながら引き上げら
れるようになっている。結晶引上げ中は、チャンバ６の
上方のガス導入口１４より不活性ガスを導入しつつ、チ
ャンバ底部の排気口１５より真空ポンプ１６により排気
し、導入ガス流量および排気量を調整して、炉内の雰囲
気圧力を調整できるようになっている。こうしてシリコ
ン単結晶棒１０が、ＣＺ法により製造される。

【０００４】結晶成長をこのＣＺ法による場合、もとも
と原料に含まれていたものの他、その結晶成長用原料が
収容されるルツボ、例えば石英ルツボの構成成分（例え
ば酸素）が、得られる結晶中に混入することが広く知ら
れている。この結晶中に混入する不純物の量は、引き上
げる結晶の回転数（回転速度）、ルツボの回転数、原料
融液中の温度分布、炉内ガス雰囲気等により影響を受け
る。これは結晶回転数は融液中の対流あるいは不純物が
結晶へ取り込まれる量に影響を与え、ルツボの回転数は
融液中の対流とルツボの溶解速度の変化にともなう融液
中の不純物濃度自体に影響を与え、原料融液中の温度分
布、特にヒータとルツボの相対位置は融液中の対流に影
響を与えることによるものである。また、炉内ガス雰囲
気は、融液面からの不純物の飛散する量に影響する。従
って、これらのファクタを制御することで、結晶中の不
純物濃度の調整が可能である。

【０００５】一方、半導体をはじめとしたデバイスの高
精度化、高集積化等により、単結晶材料に対する要求は
ますます厳しくなりつつある。結晶中の不純物濃度につ
いても、例えば半導体シリコン単結晶中の酸素で言え
ば、その濃度と分布により得られる半導体素子の特性に
大きな影響を及ぼすことが知られている。即ち、酸素濃
度が高すぎれば、結晶欠陥や酸素の析出物が発生し、半
導体素子の特性に種々の悪影響を及ぼす。ところが、こ
のような結晶欠陥や酸素析出物を半導体素子の活性領域
以外に発生させると、逆に重金属不純物をゲッタリング
するサイトとして働き、半導体素子の特性を向上させる
ことができる（イントリンシック・ゲッタリング）。従
って、一般に酸素濃度は低すぎてもデバイス特性の向上
は図れない。

【０００６】そこで、結晶材料には目的のデバイスに応
じ、目的とする不純物が過不足なく適量含まれているこ
とが要求され、許容される濃度の規格も著しく狭まって
来ている。このように結晶中の不純物濃度を高度に制御
し、規格を満足するためには、上記ファクタを単純に制
御するだけでは、ばらつきが大きく所望の不純物濃度に
ならないことがある。特に、多くの引上げ機を用いて、
単結晶を大量生産する場合において、全く同じ操業条件
で結晶を育成しているにもかかわらず、含有不純物濃度
が大きくばらつくことがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題点に鑑みなされたもので、ＣＺ法により単結晶を育
成する場合において、結晶中に含有される不純物濃度の
ばらつきを低減することができるＣＺ法による単結晶製
造方法を提供することを目的とし、あわせて単結晶の安
定製造をすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点に
鑑みなされたもので、本発明は、ルツボ中の原料融液に
種結晶を接触させた後、ゆっくりと引き上げて単結晶棒
を育成する、チョクラルスキー法による単結晶製造方法
において、該ルツボを囲繞するように配置されるヒータ
の使用時間に応じて引上げ条件を調整することを特徴と
するチョクラルスキー法による単結晶製造方法である。

【０００９】すなわち、本発明者らは上記結晶中に取り
込まれる不純物濃度のばらつきが、ヒータの累積使用時
間に深く関係していることを見いだした。そこで、ヒー
タの使用時間に応じて結晶引上げ条件を調整することに
よって、結晶中の不純物濃度のばらつきを低減させるこ
とができるとともに、結晶の育成を安定化させることが
できる。

【００１０】そして、本発明は、前記調整される引上げ
条件は、ヒータとルツボとの相対位置、ルツボ回転数、
結晶回転数、炉内の雰囲気圧力、ガス流量のうち少なく
とも１項目とすることを特徴とするチョクラルスキー法
による単結晶製造方法である。

【００１１】このように、ヒータの使用時間に応じ、不
純物濃度に影響のある引上げ条件の因子を調整するよう
にすれば、結晶中に取り込まれる不純物濃度を精度良く
所望値に制御することができ、確実にばらつきを低減す
ることができる。

【００１２】この場合、引上げ条件の調整を、ヒータ使
用時間の経過とともにヒータのルツボに対する相対位置
を下げることにより行うのが望ましい。また、ヒータの
ルツボに対する相対位置を下げる調整は、ヒータ位置を
下方に移動させるようにするのが良い。

【００１３】このように、ヒータ使用時間に応じた調整
を、ヒータのルツボに対する相対位置を下げることによ
り行なえば、本来の温度分布、原料融液の対流とほぼ同
じとなるため、不純物濃度のばらつきを低減できるのみ
ならず、結晶育成の安定化を図ることもできる。そし
て、相対位置の調整を、ルツボを上げるのではなく、ヒ
ータを下げるようにすれば、融液面の位置が変わらない
ので、直径制御等他の条件に影響を与えることなく、所
期の目的を果たせることから都合が良い。

【００１４】そして、ヒータのルツボに対する相対位置
を下げる調整をする場合において、その調整量を結晶成
長の前半を大きくするようにするのがよい。これは、ヒ
ータ使用時間による結晶中の不純物濃度への影響、およ
びヒータのルツボに対する相対位置の影響が、共に原料
融液量の多い、結晶成長の前半で大きいからである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明をシリコン融液から
半導体シリコン単結晶を製造する場合を例として詳述す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。ＣＺ
法によりシリコン単結晶を製造する場合、原料を収容す
るルツボとして一般に石英ルツボが用いられる。従っ
て、成長する結晶中には石英の構成成分たる酸素が混入
することになり、この酸素濃度を高精度で制御する必要
がある。

【００１６】しかるに、本発明者らの調査によると、Ｃ
Ｚ法で前記ヒータとルツボとの相対位置、ルツボ回転
数、結晶回転数、炉内ガス雰囲気等の酸素濃度に影響を
与える因子を高精度で制御しているにもかかわらず、シ
リコン結晶中の酸素濃度が結晶間、製造装置間でばらつ
きが大きいことがわかった。

【００１７】この原因を種々調査した結果、本発明者ら
は上記結晶中に取り込まれる不純物たる酸素濃度のばら
つきが、ヒータの累積使用時間に深く関係していること
を見いだした。そこで、ヒータの使用時間に応じて結晶
引上げ条件を調整することによって、結晶中の酸素濃度
のばらつきを低減させ、合わせて結晶の育成を安定化さ
せることを発想し本発明を完成させたものである。

【００１８】すなわち、本発明者らは、酸素濃度のばら
つきが、ヒータの使用に伴う劣化によるものではないか
と考え、全く同じ条件で引き上げた単結晶棒の酸素濃度
を、使用ヒータの累積使用時間に対してプロットしてみ
た。その結果が図３である。図３は、口径１８インチの
石英ルツボに５０Ｋｇの多結晶シリコン融液を収容し、
これから直径６インチで４０Ｋｇのシリコン単結晶棒を
引き上げた場合において、できた単結晶棒の頭部（図３
（Ａ））と中央部（図３（Ｂ））と尾部（図３（Ｃ））
の酸素濃度を測定し、用いたヒータの使用時間との関係
を見たものである。

【００１９】図３から明らかであるように、シリコン単
結晶中の酸素濃度は、ヒータの使用時間とともに減少す
ることがわかる。そして、その減少傾向は成長単結晶棒
の頭部において大きく、尾部において少ないことがわか
る。

【００２０】この原因は、以下のように考えられる。ヒ
ータは通常グラファイト等のカーボン材でできており、
ジグザグパターンのスリットの発熱部断面形状は、当初
図４（Ａ）のように、設計形状通りの形状をしている。
したがって、図４（Ａ）のような対称形状のヒータ５で
あれば、その発熱中心Ｃはほぼスリット中心部にあり、
発熱分布Ｈもほぼ上下対称形となる。ルツボ１中の融液
も、このようなヒータ５の発熱分布Ｈに従った温度分布
の影響を受ける。

【００２１】ところが、ヒータを長時間使用するうち
に、シリコン融液と石英ルツボとの反応によって生成
し、シリコン融液表面から蒸発して飛散するＳｉＯガス
がカーボンヒータ５と接触することにより、ヒータ５が
徐々に劣化してゆく。これは図４（Ｂ）のように、Ｓｉ
Ｏとカーボンの反応により、ＣＯを生成するという反応
であり、徐々にヒータスリットが減肉するという形で進
む。特に、減肉部Ｌは、ルツボから発生するＳｉＯが最
初に降りかかる、ヒータの上部を中心に進む。その結
果、減肉部Ｌの抵抗値が上がるため、ヒータの発熱中心
Ｃは、上部に移動し、発熱分布Ｈも上下対称とはなら
ず、上部がより加熱されたものとなる。このように、ヒ
ータ５の発熱分布が変われば、当然シリコン融液の温度
分布が変わり、対流が変更されるため酸素濃度が下がる
のである。

【００２２】ヒータ５の発熱分布が上部に移動すれば単
結晶中の酸素濃度が下がる理由は、図５によって説明す
ることができる。すなわち、一般にシリコン融液２中に
は大きく分けて、強制対流１８と自然対流１９の二つが
あるといわれている。強制対流１８が強くなると、この
対流は融液面に接することなく、したがってＳｉＯが蒸
発することなく成長単結晶棒１０に到達するので、結晶
中の酸素濃度が上がることになる。一方、自然対流１９
が強くなると、この対流は融液面でＳｉＯを蒸発させな
がら結晶に到達するので、結晶中の酸素濃度が下がるこ
とが知られている。したがって、ヒータ５が、使用とと
もに劣化し、その発熱分布が上部に移動すれば、シリコ
ン融液２中の自然対流１９が強くなり、強制対流１８が
弱くなる。その結果、結晶中の酸素濃度が下がるのであ
る。

【００２３】そこで、このようにして発生する、ヒータ
使用時間にともなう酸素濃度の減少傾向を是正するため
には、ヒータの使用時間を管理し、これに応じて酸素濃
度に影響する引上げ条件を調整するようにすればよい。

【００２４】すなわち、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示したよ
うに、あらかじめ当該操業条件における、ヒータ使用時
間に対する酸素濃度の減少傾向を調べておけば、次に用
いるヒータの使用時間さえわかれば、酸素濃度が所望値
より減少する量がわかるので、その分酸素濃度に影響す
る引上げ条件を、酸素濃度が上がるように調整すればよ
い。こうして、結晶中に取り込まれる酸素濃度のばらつ
きを低減させることができる。

【００２５】酸素濃度を上げるべく、調整される引上げ
条件としては、ヒータとルツボとの相対位置、ルツボ回
転数、結晶回転数、炉内の雰囲気圧力、ガス流量を挙げ
ることができる。酸素濃度を上げるためには、例えば炉
内部材を変更追加等する方法のように、上記因子を調整
する以外の方法もあるが、簡単かつ確実に酸素濃度を精
度良く是正するには、上記引上げ条件により調整するの
がよい。

【００２６】そして、この場合調整する引上げ条件は、
上記条件のうち少なくとも１項目とし、１項目のみで酸
素濃度の減少分を全部補正しても良いし、２項目以上を
補正して、各因子の影響を抑えるようにして行なっても
良い。

【００２７】ここで、上記引上げ条件の酸素濃度への影
響につき説明しておくと、前述の通りであるが、まず結
晶回転数は融液中の対流あるいは酸素の結晶への取り込
まれる量に影響を与え、結晶回転数を高めると、図５の
強制対流１８が強まるのと、結晶成長界面における、境
界拡散層が薄くなって酸素を取り込みやすくなる。した
がって、ヒータの使用時間に応じて、結晶回転数を上げ
るように補正すれば、酸素濃度を一定にすることができ
る。

【００２８】また、ルツボの回転数は融液中の対流とル
ツボの溶解速度の変化にともなう融液中の酸素濃度自体
に影響を与え、特にルツボの回転数を高めると、ルツボ
の溶解速度が速くなって、シリコン融液中の酸素濃度が
高くなり、結果として結晶中の酸素濃度が高くなる。し
たがって、ヒータの使用時間に応じて、ルツボ回転数を
上げるように補正すれば、酸素濃度を一定にすることが
できる。

【００２９】また、炉内ガス雰囲気は、融液面からのＳ
ｉＯガスの蒸発して飛散する量に影響する。炉内の雰囲
気圧力は、高くするとＳｉＯガスが蒸発しにくくなるの
で、融液中の酸素濃度が高まって、結果として結晶中の
酸素濃度を高くする。一方、不活性ガスの流量は、これ
を高めると、融液面からのＳｉＯガスの蒸発を促進する
ため、結晶中の酸素濃度を減少させる。したがって、ヒ
ータの使用時間に応じて、炉内雰囲気圧力を上げるよう
に、またガス流量を下げるように補正すれば、酸素濃度
を一定にすることができる。

【００３０】最後に、原料融液中の温度分布、特にヒー
タとルツボの相対位置は融液中の対流に影響を与え、相
対的にヒータを下げると、図５の強制対流１８が強ま
り、相対的にヒータを上げると、自然対流１９が強ま
る。したがって、ヒータの使用時間に応じて、ヒータの
ルツボに対する相対位置を下げるように補正すれば、酸
素濃度を一定にすることができる。

【００３１】この場合、ヒータのルツボに対する相対位
置を下げる調整は、図４（Ｃ）のように、ヒータ位置を
下方に移動させるようにするのが良い。このように、ル
ツボを上げるのではなく、ヒータを下げるようにすれ
ば、融液にかかるヒータの発熱分布は、図４（Ａ）のよ
うな本来のものに極めて近くなり、酸素濃度を一致させ
ることができるのみならず、単結晶棒の育成条件等も実
質的に殆ど変更されないことになるので、安定操業が可
能となる。また、ＣＺ法で単結晶棒を引上げ製造する際
には、単結晶棒の直径制御を行なわなければならない
が、ルツボを上げたのでは、ヒータの使用時間により融
液面の位置を変えることになり、直径を検出するセンサ
の設定値等を変更する必要が出てくるので、操業上面倒
であり、好ましいものではない。

【００３２】ただし、上記のように、ルツボを上げるの
ではなく、ヒータを下げるためには、引上げ装置には、
当然図１に示したように、ヒータが移動できる機構を具
備する必要がある。

【００３３】そして、実際にヒータのルツボに対する相
対位置を下げる調整をする場合においては、その調整量
を結晶成長の前半を大きくするようにするのがよい。こ
れは、図３に示されたように、ヒータ使用時間による結
晶中の不純物濃度への影響、およびヒータのルツボに対
する相対位置の影響が、共に原料融液量の多い、結晶成
長の前半で大きいからである。

【００３４】この理由の詳細は確かではないが、おそら
く結晶成長の後半ではシリコン融液の量が減少し、融液
の深さが少なくなり、対流も起りにくくなるためである
と推測される。したがって、結晶成長の後半では、ヒー
タのルツボに対する相対位置を変更しても、あるいはヒ
ータの劣化により加熱中心が多少ずれても、シリコン融
液の深さが浅いために、前記強制対流、自然対流に与え
る影響が小さく、酸素濃度の低下も少ないし、その補正
も少なくて済むものと考えられる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す。 （実施例１）図３のデータを得た条件である、チョクラ
ルスキー法で口径１８インチの石英ルツボに５０Ｋｇの
多結晶を充填し、これから直径６インチのシリコン単結
晶を製造する場合において、ヒータ使用時間に応じてヒ
ータ位置を下方に補正することにより、酸素濃度を是正
できるかをテストした。装置としては、図１に示したよ
うなヒータが上下動自在に構成されたものを用い、用い
るヒータは、累積使用時間が約４９００時間のものを用
いた。

【００３６】調整量としては、図３より、使用時間が約
４９００時間のヒータを用いると、結晶の頭部で約１．
２ｐｐｍａ，結晶の中央部で約０．６ｐｐｍａ，結晶尾
部で約０．４ｐｐｍａ程度酸素濃度が下がることが予測
されるので、この分をヒータ位置を調整することによっ
て、酸素濃度を均一化させることにした。すなわち、ヒ
ータの位置を従来条件に対し、結晶の頭部で２０ｍｍル
ツボに対して相対的に下げた位置から単結晶の育成を開
始し、中央部では従来条件に対し１０ｍｍ，尾部でも１
０ｍｍヒータをルツボに対して相対的に下げた位置とな
るようにした。

【００３７】上記のように、ヒータ位置を調整した結晶
の引き上げを合計３本行ない、できた単結晶棒の頭部、
中央部、尾部の酸素濃度を測定し、その結果を図３中に
白丸で表示した。この結果から明らかであるように、ヒ
ータの使用時間に応じて、ヒータのルツボに対する相対
位置を調整することによって、酸素濃度の低下を是正す
ることができることがわかる。

【００３８】尚、本発明は、上記実施形態に限定される
ものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の
特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一
な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかな
るものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３９】例えば、上記説明では、本発明をＣＺ法に
よりシリコン単結晶を製造する場合につき例を挙げて説
明したが、本発明はこれには限定されず、シリコン以外
の半導体、化合物半導体や酸化物単結晶の引き上げ等に
おいても、ヒータの劣化が生じており、これを是正する
場合にも適用が可能である。

【００４０】また、本発明は、通常のチョクラルスキー
法のみならず、シリコン単結晶の引上げ時に磁場を印加
するＭＣＺ法(Magnetic field applied Czochralski cr
ystal growth method)にも同様に適用できることは言う
までもなく、本明細書中で使用したチョクラルスキー法
という用語には、通常のチョクラルスキー法だけでな
く、ＭＣＺ法も含まれる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、ＣＺ法により単結晶を
育成する場合において、ヒータの使用時間に応じて引上
げ条件を調整するようにしたので、ヒータの劣化にとも
なう結晶中に含有される不純物濃度のばらつきを低減す
ることができる。特にＣＺ法によりシリコン単結晶を育
成する場合において、酸素濃度のばらつきを低減するこ
とができるとともに、あわせて単結晶の安定製造をする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的なＣＺ法による単結晶育成装置の概略構
成例図である。

【図２】ＣＺ法において用いられるヒータの一例を示し
た側面図である。

【図３】ヒータ使用時間に対する酸素濃度の変化の様子
を示した図である。 （Ａ）結晶頭部のデータ、（Ｂ）結晶中央部のデータ、
（Ｃ）結晶尾部のデータ。

【図４】ヒータの発熱分布と発熱中心、およびヒータと
ルツボの相対位置の関係を説明するための説明図であ
る。 （Ａ）新品ヒータを用いた場合、（Ｂ）劣化ヒータを用
いた場合、（Ｃ）ヒータを下方に動かして発熱中心が移
動した分を補正する場合。

【図５】ルツボ中の融液の対流を説明するための説明図
である。

【符号の説明】

１…ルツボ、 ２…原料融液、３
…支持軸、 ４…サーボモータ、
５…ヒータ、 ６…チャンバ、７
…磁場発生装置、 ８…種結晶、９…引
き上げ駆動機構、 １０…単結晶棒、１１…断
熱材、 １２…電極、１３…ヒータ
駆動モータ、 １４…ガス導入口、１５…ガス
排気口、 １６…真空ポンプ、１８…強
制対流、 １９…自然対流、２０…ス
リット。Ｃ…発熱中心、 Ｈ…発熱分布、
Ｌ…減肉部。

フロントページの続き (72)発明者 岩崎 淳 アメリカ合衆国、ワシントン州、バンク ーバー、ノース・イースト、112番アベ ニュー、4111 エス・イー・エイチ・ア メリカ アイ・エヌ・シー内 (56)参考文献 特開 平９−110578（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−59084（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−29391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−30795（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−5394（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−262593（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−104593（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−259380（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−255468（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−291891（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボ中の原料融液に種結晶を接触させ
   た後、ゆっくりと引き上げて単結晶棒を育成する、チョ
   クラルスキー法による単結晶製造方法において、該ルツ
   ボを囲繞するように配置されるヒータの累積使用時間に
   応じて引上げ条件としてヒータとルツボとの相対位置を
   調整することを特徴とするチョクラルスキー法による単
   結晶製造方法。
2. 【請求項２】 前記引上げ条件として、さらにルツボ回
   転数、結晶回転数、炉内の雰囲気圧力、ガス流量のうち
   少なくとも１項目を調整することを特徴とする請求項１
   に記載のチョクラルスキー法による単結晶製造方法。
3. 【請求項３】 前記ヒータとルツボとの相対位置の調整
   を、ヒータの累積使用時間の経過とともにヒータのルツ
   ボに対する相対位置を下げることにより行うことを特徴
   とする請求項１または請求項２記載のチョクラルスキー
   法による単結晶製造方法。
4. 【請求項４】 前記ヒータのルツボに対する相対位置を
   下げる調整は、ヒータ位置を下方に移動させるようにす
   ることを特徴とする請求項３に記載のチョクラルスキー
   法による単結晶製造方法。
5. 【請求項５】 前記ヒータのルツボに対する相対位置を
   下げる調整をする場合において、その調整量を結晶成長
   の前半を大きくするようにすることを特徴とする請求項
   ３または請求項４に記載のチョクラルスキー法による単
   結晶製造方法。