JP3598972B2

JP3598972B2 - シリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP3598972B2
Application number: JP2000386860A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤原; 学西元; 宮本　　勇; 洋森田
Original assignee: 三菱住友シリコン株式会社
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2002187796A; US6607594B2; US20020129759A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン単結晶の製造方法に関し、より詳細には、シリコン単結晶の有転位化を抑制するシリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、代表的なものとしてチョクラルスキー法（ＣＺ法）がある。図３は、ＣＺ法に用いられる単結晶製造装置を模式的に示した断面図であり、図中１はチャンバ内に配設された坩堝である。坩堝１は有底円筒状をなす石英製の内層保持容器１ａとこの内層保持容器１ａの外側を保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ｂにて構成されており、回転並びに昇降可能な支持軸６の上端部に固定されている。
【０００３】
坩堝１の外側には抵抗加熱式ヒーター２が同心円状に配設されており、坩堝１内には所定重量の原料をヒーター２により溶融させた溶融液１３が充填され、坩堝１の中心軸の上方には、支持軸６と同一軸心で逆方向或いは同方向に所定の速度で回転するワイヤーあるいはシャフトからなる引上げ軸５が配設されており、引上げ軸５には種結晶１５が吊り下げられている。
【０００４】
このような単結晶製造装置を使用してＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する場合には、まず、坩堝１内に結晶用シリコン原料を投入し、装置内を不活性ガス雰囲気中で減圧下にした後、結晶用シリコン原料を坩堝１の周囲に配設したヒーター２にて溶融する。その後、引上げ軸５に吊り下げられた種結晶１５を溶融液１３に浸漬し、坩堝１及び引上げ軸５を回転させつつ、引上げ軸５を上方に引上げて種結晶１５の下端にシリコン単結晶１２を成長させる。
【０００５】
このＣＺ法では、種結晶１５に元から含まれる転位や、着液時の熱ショックで導入される転位を除去するために、まず種結晶１５を直径３ｍｍ程度まで細く絞るネッキング部１２ａ形成工程が実施され、その後、徐々に所定の単結晶径まで増径するショルダー部１２ｂ形成工程を経た後、定径のボディ部１２ｃが形成される。
【０００６】
ところで、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、前述したとおりシリコン溶融液１３を収容する坩堝１ａとして主に石英製の坩堝が用いられる。この石英坩堝１ａはシリコン溶融液１３と接することにより表面が溶けて、溶融液１３中に酸素を放出する。溶融液１３中の酸素はその一部が引上げ中に単結晶１２中に取り込まれ、シリコンウエハーの品質に様々な影響を及ぼすため、単結晶１２中に取り込まれる酸素量を制御する必要がある。
【０００７】
このような酸素濃度制御を行う方法として、例えば磁場印加ＣＺ法がある。この方法はＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ−ｆｉｅｌｄ−ａｐｐｌｉｅｄＣＺ）と呼ばれ、溶融液に磁場を印加することにより、磁力線に直交する溶融液の対流を抑制し制御することができる。この磁場の印加方法には種々の方法があるが、特に水平方向に磁場を印加するＨＭＣＺ法（ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＭＣＺ）と、装置炉体を囲う二つのコイルを設置し、互いの電流方向を逆にしてカスプ磁場を印加するＣＭＣＺ法（ＣｕｓｐＭＣＺ）が実用化されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したＭＣＺ法は、ＣＺ法に比べ酸素濃度制御性に優れる特性を有しているものの、ＣＺ法と同様にシリコン溶融液表面から蒸発するＳｉＯが冷却固化し、これが溶融液表面に落下して単結晶中に取り込まれたり、溶融液と接触する石英坩堝の内壁表面が結晶化し、この結晶化した部分が単結晶育成中に剥がれて単結晶中に取り込まれたりするなどの外乱要因を完全に避けることはできず、シリコン単結晶の製造過程で単結晶に有転位化を生じることがしばしばある。
【０００９】
このため、シリコン単結晶製造過程の比較的早い段階で、単結晶に有転位化が発生した場合には、有転位化した単結晶を一旦溶融液に浸漬させ、液温を調整してこれを溶解した後、再度ネッキング工程を開始して新たにシリコン単結晶を製造することが生産性の面から望ましいのは明らかである。
【００１０】
ところが、このＭＣＺ法を直径５００ｍｍ以上の大口径坩堝による直径２００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶の製造に適用した場合、有転位化を生じた単結晶を溶解して再度シリコン単結晶の製造を行うと、単結晶のショルダー部形成工程において単結晶の有転位化を頻発し、歩留まりを著しく低下させるという問題があることが判明した。
【００１１】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＭＣＺ法において、有転位化した単結晶を溶解して再度シリコン単結晶の製造を行った場合にでも、単結晶の有転位化を抑制し歩留まり向上させることのできるシリコン単結晶の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、磁場を印加するチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、磁場を印加するチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、
所定の単結晶製造条件で磁場を印加して単結晶を引き上げる工程と、
前記育成中の単結晶が有転位化した場合に、
無磁場の状態で前記単結晶製造条件よりもヒーターの出力を上げて前記有転位化した単結晶を溶解する工程と、
その後再び磁場を印加するとともにヒーターの出力を前記単結晶製造条件として前記単結晶を再び引き上げる工程と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明は、有転位化した単結晶を溶解する際、単結晶製造装置内に供給するアルゴンガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上とし、単結晶製造装置内の圧力を６７００ｐａ以下として、溶融液表面から蒸発するＳｉＯを効果的に装置外に排出すると共に、溶融液表面を漂う異物も坩堝壁に追いやることができる。
本発明は、有転位化した単結晶を溶解する際、坩堝の回転数を３ｒｐｍ以上として、溶融液表面を漂う異物を坩堝壁に追いやり、石英坩堝内壁に付着させることが好ましい。
【００１３】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、磁場を印加するチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、育成中の単結晶が有転位化した場合に、有転位化した単結晶を無磁場の状態で溶解した後、再び磁場を印加してシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするものである。
本発明によるシリコン単結晶の製造方法にあっては、有転位化した単結晶を溶解する際には、単結晶製造装置内に供給するアルゴンガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上とし、単結晶製造装置内の圧力を６７００ｐａ以下とした。更にはこの時の坩堝の回転数を３ｒｐｍ以上とした。
【００１４】
坩堝内の溶融液に磁場を印加したままで有転位化した単結晶を再溶解した場合に、その後のショルダー部形成工程において単結晶の有転位化を頻発する理由は以下のように考えられる。
【００１５】
坩堝内の溶融液の流れは、近年、数値解析により明らかになりつつあるが、例えば、日本機会学会第１１回計算力学講演会講演論文集；（１９９８），Ｐ１６６．では、坩堝内の溶融液流れは、ＨＭＣＺでは磁場印加方向に平行な中心面に対向したロール状の流れであり、ＣＭＣＺ法においては周方向に整流化された軸対称の流れが存在することが示されている。これらは何れも坩堝壁から坩堝中心へ向かう流れである。
【００１６】
通常、有転位化した単結晶を溶解するためには、溶融液の温度を高くしなければならないことから、溶融液表面からのＳｉＯの蒸発や、溶融液と接触した石英坩堝内壁面の溶解が促進されることとなる。このため溶融液に磁場を印加した状態で有転位化した単結晶を溶解した場合には、溶融液中の異物がそのまま溶融液の表面近傍に長時間存在し、坩堝壁から坩堝中心に向かう流れに乗って、容易に単結晶の成長界面に達するために有転位化を頻発するものと考えられる。
【００１７】
一方、バルク結晶成長技術（培風館），Ｐ１４１−１４３．では、溶融液に磁場を印加しない通常のＣＺ法においては、坩堝内の溶融液の流れは非軸対称な渦構造を有する流れであることが示されている。このような流れであれば、前述した溶融液中の異物は単結晶の成長界面まで達し難いと考えられる。
【００１８】
すなわち、坩堝内の溶融液に磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を溶解すれば、溶融液表面の異物を坩堝中心部に近づけない溶融液状態が形成されることとなり、この溶融液状態にて磁場印加によるシリコン単結晶引上げを行うことで、単結晶の有転位化防止を図ることができる。
【００１９】
また、有転位化した単結晶を溶解する際には、単結晶製造装置内に供給するアルゴンガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上とし、装置内の圧力を６７００ｐａ以下にすることが望ましく、これにより溶融液表面上を流れるアルゴンガス流速が高速化され、溶融液表面から蒸発するＳｉＯを効果的に装置外に排出されると共に、溶融液表面を漂う異物も坩堝壁に追いやることができる。
【００２０】
さらに、有転位化した単結晶を溶解する際には、坩堝の回転数を３ｒｐｍ以上にすることが望ましく、坩堝を比較的高回転で回すことで、溶融液表面を漂う異物を坩堝壁に追いやり、石英坩堝内壁に付着させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明に係るシリコン単結晶の製造方法を実施するための単結晶製造装置の模式的断面図であり、図中７は中空円筒状のチャンバであり、チャンバ７は円筒状をなすメインチャンバ７ａとメインチャンバ７ａに連接固定された円筒状のプルチャンバ７ｂから構成される。坩堝１の外側にはヒーター２が配設され、ヒーター２の外側には保温筒８ａが同心円状に配設されており、またメインチャンバ７ａの底面上には保温板８ｂが配設されている。
【００２３】
坩堝１内には結晶用原料が充填され、ヒーター２によって溶融される。坩堝１の中心軸上には、支持軸６と同一軸心で回転並びに昇降可能な引上げ軸５がプルチャンバ７ｂを通じて吊設されており、引上げ軸５の下端には種結晶１５が装着されている。メインチャンバー７ａの外側には水平磁場を形成するために、一対の超電導磁石３０ａ，３０ｂが対向して設置されている。
【００２４】
次にこの単結晶製造装置を用いて製品径が２００ｍｍのシリコン単結晶を製造する場合について具体的に説明する。
【００２５】
まず、直径２２インチの石英坩堝１ａ内に結晶用シリコン原料１３０ｋｇを充填し、その中に単結晶中の電気抵抗率が１０Ωｃｍ程度になるようにｐ型ドーパントのボロンを添加する。その後、メインチャンバー７ａ内を６７００ｐａに減圧し、不活性ガスとして１００Ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを導入する。石英坩堝１ａ内の原料およびドーパントをヒーター２にて溶解し、石英坩堝１ａ内に溶融液１３を形成する。
【００２６】
石英坩堝１ａ内の溶融液１３に０．４テスラの水平磁場を印加し、引上げ軸５の下端に装着した種結晶１５を溶融液１３に着液させて、引上げ軸５と坩堝１を互いに逆方向に回転させながら引き上げ軸５を軸方向に引き上げる。その後、所定のネッキング部１２ａ形成工程、ショルダー部１２ｂ形成工程およびボディ部１２ｃ形成工程を経て、種結晶１５の下端にシリコン単結晶１２を成長させる。
【００２７】
ここで坩堝１の回転数はネッキング部１２ａ形成工程では１ｒｐｍとし、以降、坩堝回転数を順次速めながら、ボディ部１２ｃ形成工程では５ｒｐｍ一定となるように坩堝回転数を調整する。引上げ軸５の回転数は全工程を通じて常に１０ｒｐｍ一定とする。
【００２８】
上述したシリコン単結晶の製造方法による引き上げ試験を４０バッチ実施した結果、単結晶のショルダー部１２ｂ形成工程あるいはボディ部１２ｃ形成工程において、単結晶の有転位化が７バッチ発生した。何れも比較的早い段階で単結晶の有転位化が発生したため、単結晶が有転位化した７バッチについて、有転位化した単結晶を溶融液１３に浸漬してヒーター２の出力を上げて溶解し、上述した単結晶製造条件と同一条件にて、再度シリコン単結晶を製造することを試みた。
【００２９】
有転位化した単結晶を溶解する際に水平磁場印加の有無によって、その後の単結晶の有転位化発生状況がどのように変化するのかを確認するため、一部は、溶融液に水平磁場を印加したままの状態で有転位化した単結晶を溶解し、一部は、溶融液に水平磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を溶解した。どちらも、溶解時のチャンバー内に供給するアルゴンガス流量および圧力は各々１３０Ｌ／ｍｍ、４０００ｐａとし、坩堝回転数も５ｒｐｍとした。この時の引き上げ結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１中、従来例であるＡ〜Ｄは、溶融液に水平磁場を印加したままの状態で有転位化した単結晶を溶解したときの結果を示し、本発明例であるＥ〜Ｆは、溶融液に水平磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を溶解したときの結果を示すものである。
【００３２】
表１から明らかなように、従来例Ａ〜Ｄでは、初回引き上げで有転位化した単結晶を水平磁場印加状態で溶解して単結晶引き上げを行った２回目以降の単結晶引き上げにおいて、単結晶のショルダー部形成工程あるいはボディ部形成工程で単結晶に有転位化が発生していることが分かる。しかも、この有転位化した単結晶に水平磁場を印加した状態で再度溶解し、単結晶の引き上げを複数回実施しても同様の結果であった。これに対し、本発明例Ｅ〜Ｆでは単結晶に有転位化を生じないことが分かる。
【００３３】
また、他の実施形態として、溶融液にカスプ磁場を印加してシリコン単結晶を製造する方法について説明する。装置構造的には、図２に示すようにメインチャンバー７ａの外側を囲うように超伝導磁石３０ｃと３０ｄを設置し、電流の向きを逆にして溶融液にカスプ磁場を印加する構造以外は、上述した水平磁場による単結晶製造装置と同じである。この単結晶製造装置を用いて製品径が２００ｍｍのシリコン単結晶を製造する方法について具体的に説明する。
【００３４】
水平磁場を印加したシリコン単結晶の製造と同様に、まず、直径２２インチの石英坩堝１ａ内に結晶用シリコン原料１３０ｋｇを充填し、その中に単結晶中の電気抵抗率が１０Ωｃｍ程度になるようにｐ型ドーパントのボロンを添加する。その後、メインチャンバー７ａ内を６７００ｐａに減圧し、不活性ガスとして１００Ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを導入する。石英坩堝１ａ内の原料およびドーパントをヒーター２にて溶解し、石英坩堝１ａ内に溶融液１３を形成する。
【００３５】
次に、石英坩堝１ａ内の溶融液１３に０．０８テスラのカスプ磁場を印加し、引上げ軸５の下端に装着された種結晶１５を溶融液１３に着液させて、引上げ軸５と坩堝１を互いに逆方向に回転させながら引上げ軸５を軸方向に引き上げる。その後、所定のネッキング部１２ａ形成工程、ショルダー部１２ｂ形成工程およびボディ部１２ｃ形成工程を経て、種結晶１５の下端にシリコン単結晶１２を成長させる。
【００３６】
ここで坩堝１の回転数は、ネッキング部１２ａ形成工程では１２ｒｐｍとし、以降、坩堝回転数を順次低下させながら、ボディ部１２ｃ形成工程では６ｒｐｍ一定となるように坩堝回転数を調整し、引上げ軸５の回転数は全工程を通じて常に１０ｒｐｍ一定とした。
【００３７】
上述したシリコン単結晶の製造方法による引き上げ試験を４０バッチ実施した結果、単結晶のショルダー部１２ｂ形成工程あるいはボディ部１２ｃ形成工程において、単結晶の有転位化が８バッチ発生した。何れも比較的早い段階で単結晶の有転位化が発生したため、単結晶が有転位化した８バッチについて、有転位化した単結晶を溶融液１３に浸漬してヒーター２の出力を上げて溶解し、上述した単結晶製造条件と同一条件にて再度シリコン単結晶を製造することを試みた。
【００３８】
有転位化した単結晶を溶解する際にカスプ磁場印加の有無によって、その後の単結晶の有転位化発生状況がどのように変化するのかを確認するため、一部は、溶融液にカスプ磁場を印加したままの状態で有転位化した単結晶を溶解し、一部は、溶融液にカスプ磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を溶解した。どちらも、溶解時のチャンバー内に供給するアルゴンガス流量および圧力は各々１２０Ｌ／ｍｍ、４０００ｐａとし、坩堝回転数も３ｒｐｍとした。この時の引き上げ結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２中、従来例Ｈ〜Ｌは、溶融液にカスプ磁場を印加した状態で有転位化した単結晶を再溶解した場合の結果を示し、本発明例Ｍ〜Ｏは、溶融液にカスプ磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を再溶解した場合の結果を示すものである。どちらも、再溶解時のチャンバー内に供給するアルゴンガス流量および圧力は各々１３０Ｌ／ｍｍ、４０００ｐａとし、坩堝回転数を５ｒｐｍとした。
【００４１】
表２から明らかなように、従来例Ｈ〜Ｌでは、初回引き上げで有転位化した単結晶をカスプ磁場印加状態で溶解して単結晶引き上げを行った２回目以降の単結晶引き上げにおいて、単結晶のショルダー部形成工程あるいはボディ部形成工程で単結晶に有転位化が発生していることが分かる。しかも、この有転位化した単結晶にカスプ磁場を印加した状態で再度溶解し、単結晶の引き上げを複数回実施しても同様の結果であった。これに対し、本発明例Ｍ〜Ｏでは単結晶に有転位化を生じないことが分かる。
【００４２】
【本発明の効果】
本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、坩堝内の溶融液に磁場を印加しない状態で有転位化した単結晶を溶解することにより、その後の単結晶引き上げ時に溶融液表面の異物が単結晶内に取り込まれることが抑制され、ショルダー部形成工程での有転位化を抑制することが可能となり、これにより歩留まりの大幅向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＨＭＣＺ法に用いられる単結晶製造装置を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＣＭＣＺ法に用いられる単結晶製造装置を模式的に示した断面図である。
【図３】ＣＺ法に用いられる単結晶製造装置を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１坩堝
２ヒーター
５引上げ軸
６支持軸
７チャンバー
８保温筒
１２ａネッキング部
１２ｂショルダー部
１２ｃボディ部
１３溶融液
１５種結晶
３０超電導磁石

Claims

磁場を印加するチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、
所定の単結晶製造条件で磁場を印加して単結晶を引き上げる工程と、
前記育成中の単結晶が有転位化した場合に、
無磁場の状態で前記単結晶製造条件よりもヒーターの出力を上げて前記有転位化した単結晶を溶解する工程と、
その後再び磁場を印加するとともにヒーターの出力を前記単結晶製造条件として前記単結晶を再び引き上げる工程と、
を有することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
有転位化した単結晶を溶解する際、単結晶製造装置内に供給するアルゴンガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上とし、単結晶製造装置内の圧力を６７００ｐａ以下として、溶融液表面から蒸発するＳｉＯを効果的に装置外に排出すると共に、溶融液表面を漂う異物も坩堝壁に追いやることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
有転位化した単結晶を溶解する際、坩堝の回転数を３ｒｐｍ以上として、溶融液表面を漂う異物を坩堝壁に追いやり、石英坩堝内壁に付着させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコン単結晶の製造方法。