JP3841863B2 - シリコン単結晶の引き上げ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の基板には主として高純度の単結晶シリコンが用いられているが、その製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液から円柱状の単結晶シリコンを引き上げるチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）が知られている。ＣＺ法においては、半導体単結晶引き上げ装置内に設置したるつぼに原料である多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの周囲に設けたヒータによって原料を加熱溶解した上、シードチャックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャックおよびるつぼを互いに同方向または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げて単結晶シリコンを成長させる。
【０００３】
ＣＺ法を用いて大量に生産されている結晶軸＜１００＞、＜１１１＞、＜５１１＞のシリコン単結晶に比べ、結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶は、種結晶から結晶を成長させて結晶中の転位を除去するいわゆる絞り工程において、結晶学的に転位の除去が困難である。その理由は、結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶においては結晶中の転位の方向が種結晶の軸方向、すなわち半導体単結晶引き上げ装置における鉛直方向と一致しており、結晶の成長方向と同じ＜１１０＞方向に転位が延びることによる。この対策として、絞り部の直径を３〜６ｍｍの範囲で細くしたり太くしたりして凹凸をつける、いわゆる多段絞りと呼ばれる手法が用いられている。図２は多段絞りを施した絞り部の形状を示す模式図で、種結晶１に続く絞り部２の直径を次第に細くした後、ｄ1 ＝４〜６ｍｍに拡大し、次にｄ2 ＝３〜４ｍｍに絞る。このような操作を３回以上繰り返すことによって転位を除去し、肩作り工程に入る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁場を印加しない通常のホットゾーンにおける絞り工程では、シリコン融液の熱対流、不活性ガスの吹き付け、るつぼの回転等の影響により、シリコン融液の表面が振動しているため、結晶直径を２．０〜３．５ｍｍに絞ると、固液界面で結晶が切れてしまうことが多い。また、結晶の切れを防止するため絞り径を太くすると、転位を除去することができない。このため、結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶の引き上げを量産レベルで行うことは困難と考えられてきた。
【０００５】
量産レベルでの結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶引き上げを可能とするには、絞り工程において結晶が切れないようにすることと、これに伴うコスト増加を最小限に抑えることの２点が重要課題となる。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、前記課題を解決することができる結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法は、ＣＺ法による結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の育成に先立って行う絞り工程において、１５００ガウス以上の磁場を印加し、融液表面の振動と温度変動とを抑制しつつ結晶直径を２．０ｍｍ未満に絞ることを特徴としている。
【０００７】
また、上記絞り工程に続く肩作り工程において、印加する磁場の強さを徐々に減じ、直胴工程に入るまでに磁場の強さを零とすることにした。
【０００８】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明は、融液の対流等によって起こる融液表面の振動を抑え、融液表面の温度変動を小さくするためホットゾーン全体に磁場を印加する磁場下引き上げ法（以下ＭＣＺ法という）によって絞り工程を処理するものである。ＭＣＺ法によりホットゾーン全体に磁場を印加すると、磁力線に直交する導電体融液の有効動粘性係数が増大し、融液の対流が抑制されて融液表面の温度変動が低減する。このため、磁場を印加しない場合の融液表面の温度変動が約１．５℃であるのに対し、磁場の強さを１５００ガウスにすると、融液の対流が抑制されて前記温度変動を約０．１℃まで低減させることができる。その結果、１５００ガウス以上の磁場下では、通常のＣＺ法で実現困難な結晶直径、すなわち結晶直径を１．５〜２．０ｍｍ未満まで細く絞ることが可能となる。これにより無転位の結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶を量産レベルで安定して育成することができる。
【０００９】
上記により絞り工程を良好に進めることは可能となるが、磁場の印加によるコストアップは避けられない。このため量産技術の確立には、絞り工程の後工程で磁場を徐々に減じる技術が必要となる。ホットゾーン全体に印加する磁場の強さを徐々に減じて行くと、融液の対流が起こり始め、融液表面の温度が上昇し始めるため、結晶直径が細くなる傾向がある。そこで、所定の結晶直径を維持したまま単結晶を育成する直胴工程に入ってから磁場を減じるよりも、直胴工程の前の肩作り工程が終了するまでの間に磁場を０ガウスまで減じることが好ましい。このようにすれば、直胴工程における結晶直径の制御が容易となる。
【００１０】
次に、本発明に係る結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の引き上げ方法によって製造される結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の上端部分を示す模式図である。
【００１１】
半導体単結晶引き上げ装置のチャンバ内を１４〜２０Ｔｏｒｒに真空引きし、不活性ガスとして３〜５×１０^-2Ｎｍ³ ／分のＡｒガスを導入した。ホットゾーン全体に１５００〜４０００ガウスの磁場を印加し、融液に種結晶１を浸漬してなじませた後、図示しないシードチャックを徐々に引き上げて絞り工程を開始した。絞り工程開始時における絞り部２の結晶直径ｄ1 は８ｍｍで、これを徐々に細くし、直径ｄ2 を２．０ｍｍ、絞り工程終了時の結晶直径（最小径）ｄ3 を１．５〜２．０ｍｍ未満とした。絞り部２の全長Ｌは５０〜３００ｍｍとした。前記長さＬのうち結晶直径が２．０ｍｍ未満の部分、すなわち結晶直径ｄ2 からｄ3 までの長さＬ1 は１０〜１００ｍｍである。また、結晶直径が２．０ｍｍ未満の部分における結晶引き上げ速度は５．０〜６．０ｍｍ／分とした。
【００１２】
直胴部の直径が１０３ｍｍの単結晶を引き上げる場合、絞り工程に続く肩作り工程に要する時間を３０〜１００分とし、前記所要時間に比例させて徐々に磁場を減じた。たとえば、磁場の強さが１５００ガウスで肩作り所要時間を１００分とした場合は１５ガウス／分、磁場の強さが４０００ガウスで肩作り所要時間が３０分の場合は１４０ガウス／分の割合で徐々に磁場を減じ、肩作り工程が終了して結晶直径が１０３ｍｍに達したときに磁界が零となるように制御した。
【００１３】
上記方法を用いた結果、絞り工程における結晶の切れが発生せず、安定した絞りを行うことができた。また、得られた結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶には転位が認められなかった。これは、絞り工程において絞り部２の結晶直径が２．０ｍｍ未満の部分の長さを１０ｍｍ以上としたことによって転位が除去されたためである。
【００１４】
【発明の効果】
結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶は、結晶中の転位の方向と結晶成長方向とが同一であるため、絞り工程で安定して無転位化を図ることは困難で、量産には不向きとされ、結晶軸＜１００＞、＜１１１＞、＜５１１＞のシリコン単結晶に比べて量産技術の確立が遅れている。そして、従来法で＜１１０＞を引き上げると固液界面切れが多発し、１００本中９０本が不良となり、１０本がやっと引き上げ出来た。（良品率１０％）
しかし、絞り工程で１５００ガウス以上の磁場を印加することにより、従来のＣＺ法では実施が困難な結晶直径１．５〜２．０ｍｍ未満まで絞ることが可能となり、その結果、結晶軸＜１１０＞のシリコン単結晶の引き上げが容易となり、実施してみると、１００本中１００本が良品となった。（良品率１００％）
また、次工程の肩作り工程で徐々に磁場を減じ、直胴工程に入る前に磁界をゼロにすることにより、必要最小限のコストアップに止めることができる。従来のＭＣＺ法に比べ電気代が半分以下で済み経済的効果も多大である。
従って、高密度にデバイスを集積させることのできる＜１１０＞ウェーハの量産化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の引き上げ方法によって製造される結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の上端部分を示す模式図である。
【図２】多段絞りを施した絞り部の形状を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 種結晶
２ 絞り部

Claims (2)

1. チョクラルスキー法による結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の育成に先立って行う絞り工程において、１５００ガウス以上の磁場を印加し、融液表面の温度変動を０．１℃まで低減させ、融液表面の振動と温度変動とを抑制しつつ結晶直径を２．０ｍｍ未満に絞ることを特徴とする結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法 。
2. 請求項１記載の絞り工程に続く肩作り工程において、印加する磁場の強さを徐々に減じ、直胴工程に入るまでに磁場の強さを零とすることを特徴とする結晶軸＜１１０＞シリコン単結晶の引き上げ方法 。

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