技術 シリコン単結晶の製造方法

0001

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関するものである。

0002

水平磁場印加チョクラルスキー法（ＨＭＣＺ法）においては、坩堝内のシリコン融液の表面層の直下に水平方向の対流が発生する。この対流と石英製の坩堝との接触面は、ヒータの近くに位置するため、接触面の温度が高くなり、石英製の坩堝からシリコン融液内に酸素が溶出するという問題がある。このため、坩堝の接触面の厚さを他の部位より厚くすることにより、接触面の温度を下げることが提案されている（特許文献１）。

0003

特開平５−２２１７８０号公報

0004

上述したとおり、シリコン融液と接触している石英製の坩堝の内面から当該シリコン融液に酸素が溶け込み、融液の対流に乗って酸素が結晶の固液界面に運ばれ、結晶に取り込まれる。シリコン単結晶の育成の進行にともない、坩堝内のシリコン融液は減少し坩堝の内面との接触面積も減少することからシリコン融液に溶出する酸素量も減少する。しかしながら、結晶のトップ部を育成している製造初期の段階では、坩堝内のシリコン融液の量が最も多く、坩堝の内面との接触面積も最も大きい。このため、育成し終えたシリコン単結晶インゴットの長手方向の酸素濃度の分布特性をみると、結晶直胴部のトップ部（結晶の直胴の上端から３００ｍｍまでの直胴部の範囲をいう、以下同じ。）の酸素濃度が他のミドル部やボトム部の酸素濃度より高くなり、許容範囲を超える場合がある。そのため、製品の歩留まりが低いという問題がある。

0005

本発明が解決しようとする課題は、シリコン単結晶インゴットの少なくとも直胴部のトップ部の酸素濃度を低くし得るシリコン単結晶の製造方法を提供することである。

0006

本発明は、前記坩堝の底部の中心軸上の厚さが１４．５ｍｍ以上の坩堝を用いて、酸素濃度（ＡＳＴＭＦ−１２１（１９７９）に規格された ＦＴ−ＩＲ法（フーリエ変換赤外分光光度法）による測定値。以下同じ。）が１０．５×１０１７atoms/cm3以下で、且つ直径３００ｍｍウェーハ用のシリコン単結晶を製造することによって上記課題を解決する。

0007

本発明によれば、坩堝の底部が厚く構成されているので、坩堝の底部の内面の温度は、これより薄肉とされた坩堝を使用した場合に比べて、低くなる。坩堝２１の内面の温度が低いほどシリコン融液へ溶出する酸素量が減少するので、シリコン融液の酸素濃度が低下する。その結果、シリコン単結晶インゴットの少なくとも直胴部のトップ部の酸素濃度を低くすることができる。

0008

本発明のシリコン単結晶の製造方法が適用される製造装置の一例を示す断面図である。
図１に示す製造装置の坩堝にシリコン原材料をチャージして融解させ、育成を開始した状態を示す断面図である。
図２Ａに示す状態からギャップＨを維持しつつ坩堝を上昇させながら単結晶を引き上げている状態を示す断面図である。
底部が厚い坩堝（実施例１）と底部がそれより薄い坩堝（比較例１）を用いて、直径３００ｍｍのウェーハ用であって、酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造した場合の、結晶部位（インゴット直胴部のトップ部の上端を０）に対する酸素濃度を測定したグラフである。
図３に示す底部が厚い坩堝を用いて、直径３００ｍｍのウェーハ用であって、酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合に、アルゴンガスの流量（中段グラフ）及び坩堝の単位時間当たりの回転数（下段グラフ）を二通り（実施例１，２）に制御したときの、シリコン単結晶の固化率（原料の仕込み重量に対する結晶重量の比率（％））に対するシリコン単結晶の酸素濃度（上段グラフ）を測定したグラフである。

0009

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法が適用される製造装置の一例を示す断面図、図２Ａは、図１に示す製造装置の坩堝にシリコン原材料をチャージして融解させ、育成を開始した状態を示す断面図、図２Ｂは、図２Ａに示す状態からギャップＨを維持しつつ坩堝を上昇させながら単結晶を引き上げている状態を示す断面図である。本実施形態の製造方法が適用されるシリコン単結晶の製造装置１（以下、単に製造装置１ともいう）は、円筒状の第１チャンバ１１と、同じく円筒状の第２チャンバ１２とを備え、これらは気密に接続されている。

0010

第１チャンバ１１の内部には、シリコン融液Ｍを収容する石英製の坩堝２１と、この石英製の坩堝２１を保護する黒鉛製の坩堝２２とが、支持軸２３で支持されるとともに、駆動機構２４によって回転及び昇降が可能とされている。また、石英製の坩堝２１と黒鉛製の坩堝２２とを取り囲むように、環状のヒータ２５と、同じく環状の、断熱材からなる保温筒２６が配置されている。環状のヒータ２５からの放射熱は、黒鉛製の坩堝２２の側部だけでなく底部にも廻り込み、石英製の坩堝２１の側部と底部を加熱する。なお、石英製の坩堝２１と黒鉛製の坩堝２２が、下降位置にある場合には、上昇位置にある場合に比べて、ヒータ２５から坩堝２１，２２の底部へ廻り込む熱量は少なくなるものと考えられる。坩堝２１の下方にヒータを追加してもよい。

0011

第１チャンバ１１の内部であって、石英製の坩堝２１の上部には、円筒状の熱遮蔽部材２７が設けられている。熱遮蔽部材２７は、モリブデン、タングステンなどの耐火金属、カーボン又は黒鉛製外殻の内部に黒鉛製フェルトを充填したものからなり、シリコン融液Ｍからシリコン単結晶Ｃへの放射を遮断するとともに、第１チャンバ１１内を流れるガスを整流する。熱遮蔽部材２７は、保温筒２６にブラケット２８を用いて固定されている。この熱遮蔽部材２７の下端に、シリコン融液Ｍの表面と対向するように遮熱部を設け、シリコン融液Ｍの表面からの輻射をカットするとともにシリコン融液Ｍの表面を保温するようにしてもよい。

0012

第１チャンバ１１の上部に接続された第２チャンバ１２は、育成したシリコン単結晶Ｃを収容し、これを取り出すためのチャンバである。第２チャンバ１２の上部には、シリコン単結晶をワイヤ３１で回転させながら引上げる引上げ機構３２が設けられている。引上げ機構３２から垂下されたワイヤ３１の下端のチャックには種結晶Ｓが装着される。第１チャンバ１１の上部に設けられたガス導入口１３から、アルゴンガス等の不活性ガスが導入される。この不活性ガスは、引上げ中のシリコン単結晶Ｃと熱遮蔽部材２７との間を通過した後、熱遮蔽部材２７の下端とシリコン融液Ｍの融液面との間を通過し、さらに石英製の坩堝２１の上端へ立ち上がった後、ガス排出口１４から排出される。

0013

第１チャンバ１１（非磁気シールド材からなる）の外側には、第１チャンバ１１を取り囲むように、石英製の坩堝２１内の融液Ｍに磁場を与える磁場発生装置４１が配置されている。磁場発生装置４１は、石英製の坩堝２１に向けて、水平磁場を生じさせるものであり、電磁コイルで構成されている。磁場発生装置４１は、坩堝２１内の融液Ｍに生じた熱対流を制御することで、結晶成長を安定化させ、結晶成長方向における不純物分布のミクロなバラツキを抑制する。特に大口径のシリコン単結晶を製造する場
合にはその効果が大きい。なお、必要に応じて縦磁場又はカスプ磁場を発生させる磁場発生装置としてもよいし、必要に応じて磁場発生装置４１を用いなくてもよい。

0014

本実施形態の製造装置１を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成するには、まず、石英製の坩堝２１内に、多結晶シリコンや必要に応じてドーパントからなるシリコン原材料を充填し、ガス導入口１３から不活性ガスを導入しガス排出口１４から排出しながら、ヒータ２５を作動させて坩堝２１内でシリコン原材料を融解し、シリコン融液Ｍとする。続いて、磁場発生装置４１を作動させて坩堝２１への水平磁場の印加を開始しつつ、シリコン融液Ｍの温度を引き上げ開始温度となるように調温する。シリコン融液Ｍの温度と磁場強度が安定したら、駆動機構２４によって坩堝２１を所定速度で回転させ、ワイヤ３１に装着された種結晶Ｓをシリコン融液Ｍに浸漬する。そして、図２Ａに示すように、ワイヤ３１も所定速度で回転させながら静かに引上げて種絞りを形成した後、所望の直径まで拡径し、略円柱形状の直胴部を有するシリコン単結晶Ｃを成長させる（図２Ｂ参照）。このとき、シリコン単結晶Ｃの直胴部は、トップ部、ミドル部及びボトム部の順で成長する。

0015

シリコン単結晶Ｃの引き上げにともない坩堝２１の液面が下がり、磁場発生装置４１から坩堝２１へ水平磁場の印加を含めてホットゾーンの条件が変動する。なおホットゾーンとは、単結晶の育成中にヒータ２５からの熱によって高温となる領域をいい、ホットゾーンＨＺの条件とは、第１チャンバ１１、坩堝２１，２２、支持軸２３、ヒータ２５、保温筒２６、熱遮蔽部材２７、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶Ｃなどの材質、形状、配置又はこれらに起因する各種熱特性をいう。この液面の変動を抑制するため、シリコン単結晶Ｃの引き上げ中における融液Ｍの液面の鉛直方向の高さは、駆動機構２４によって一定となるように制御される。この駆動機構２４の制御は、例えば、坩堝２１の位置、ＣＣＤカメラなどで測定したシリコン融液Ｍの液面の位置、シリコン単結晶Ｃの引上げ長さ等の情報に応じて実行され、これにより坩堝２１の上下方向の位置が駆動機構２４によって移動する。

0016

ホットゾーン条件の一つとして、熱遮蔽部材２７の下端と坩堝２１の液面との高さ方向のギャップＨがあり、製造すべきシリコン単結晶の目標直径、目標酸素濃度その他の製品仕様に応じて、このギャップＨも所定値に設定され、引上げ中においてギャップＨが所定値を維持するように、坩堝２１の駆動機構２４その他の製造条件が自動制御される。また、シリコンウェーハの直径に応じたシリコン単結晶の目標直径が設定され、実際に引き上げられる結晶Ｃの直径を光学的に検出しながら、引上げ速度その他の条件にフィードバックされる。

0017

本実施形態において、石英製の坩堝２１の厚さは特に限定されないが、目標酸素濃度が相対的に小さいシリコン単結晶、特に３００ｍｍウェーハ用であって、１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合は、図２Ａに示すように、坩堝２１の底部の中心軸上の厚さｔ１が、１４．５ｍｍ以上、より好ましくは２９ｍｍ以下の坩堝２１を用いる。この場合、坩堝２１の底部の全面の厚さｔ１が一様であってもよいし、坩堝２１の底部のうち、コーナのＲ部が最も厚く、ここから坩堝２１の中心軸に向かって厚さが漸減し、中心軸上が最も薄くなってもよい。したがって後者の場合は、坩堝２１の底部の少なくとも中心軸上の厚さｔ１が、１４．５ｍｍ以上であれば、坩堝２１の底部の厚さは全体にわたって１４．５ｍｍ以上となる。

0018

近年のデバイスプロセスの微細化や三次元化に伴う熱処理条件の変化により、デバイスプロセスで許容される酸素濃度マージンが狭くなってきている。そのため、デバイスプロセス毎に高酸素であったり低酸素であったりと要求されるシリコン単結晶も多岐にわたる。このうち、目標酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下といった低濃度のシリコン単結晶が要求されるのは、過剰な酸素析出物に起因したデバイス不良抑制や低温熱処理によるサーマルドナー起因の電気特性の劣化を防止するためである。そして、上述したとおり、結晶直胴部のトップ部（結晶の直胴の上端から３００ｍｍまでの直胴部の範囲）の酸素濃度は、他のミドル部やボトム部の酸素濃度より高くなるが、後述する図３に示すように、底部の中心軸上の厚さが１４．５ｍｍ以上の坩堝を用いれば、同厚さが１４．４ｍｍ以下の坩堝を用いた場合に比べ、トップ部の酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下となる領域が広がる。特にトップ部において、酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下の単結晶を少なくとも１００ｍｍ得ることができる。なお、坩堝２１の底部の中心軸上の厚さｔ１が２９ｍｍ以下であると、比較的容易に品質を維持して石英製坩堝の製造が可能であるため、安価なものとなる。

0019

このように、３００ｍｍウェーハ用であって目標酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合に、シリコン融液Ｍを受容する石英製の坩堝２１の底部の厚さｔ１を厚くする理由を説明する。上述したとおり、図２Ａに示すようなシリコン単結晶Ｃの直胴部のトップ部を育成している製造初期の段階では、坩堝２１内のシリコン融液Ｍの量が最も多く、坩堝２１の内面との接触面積も最も大きい。このため、育成し終えたシリコン単結晶インゴットＣの直胴部のトップ部の酸素濃度を低くすることは難しく、坩堝の回転数やアルゴンの流量といった酸素濃度の制御パラメーターを変更しても、トップ部の酸素濃度を１０．５×１０１７以下にするのは困難である。

0020

しかしながら、本実施形態のように石英製の坩堝２１の底部の厚さを厚くすれば、具体的には、３００ｍｍウェーハ用であって目標酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合に、坩堝２１の底部の中心軸上の厚さｔ１を１４．５ｍｍ以上、より好ましくは２９ｍｍ以下にすれば、坩堝２１の底部の内面の温度は、本実施形態のものより薄肉とされた坩堝２１を使用した場合に比べて、低くなる。坩堝２１の内面の温度が高いほど、シリコン融液Ｍに酸素が溶け込む速度が高くなるため、坩堝２１の内面の温度が低くなるほどシリコン融液Ｍへ溶出する酸素量が減少する。この結果、シリコン融液Ｍの酸素濃度が低下するので、シリコン単結晶インゴットＣの直胴部の少なくともトップ部の酸素濃度を低くすることができる。

0021

ちなみに、一般的な製造条件において、図２Ａに示す熱遮蔽部材２７の下端と液面とのギャップＨは所定値に制御される。したがって、所定量の原材料を、底部が厚く形成された坩堝２１に投入すると液面が相対的に高くなり、この液面が高くなった分を考慮してこの所定値のギャップＨにするためには、石英製の坩堝２１及び黒鉛製の坩堝２２の位置を相対的に低くする制御が実行される。これにより、側面に配置されたヒータ２５から石英製の坩堝２１の底部に対する（廻り込む）熱量が減少し、これによっても坩堝２１の底部の内面の温度が低くなると考えられる。

0022

図３は、底部が厚い石英製の坩堝２１（実施例１，○印）と、底部がそれより薄い石英製の坩堝２１（比較例１，□印）を用いて、目標直径が３２０ｍｍ、目標酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造した場合の、長手方向の結晶部位に対する酸素濃度を測定したグラフである。横軸の結晶部位（ｍｍ）は、インゴット直胴部のトップ部の上端を０ｍｍとした場合の長さを示す。実施例１は、複数の石英製の坩堝２１から、底部の中心軸上の厚さｔ１が１４．５ｍｍ〜２９ｍｍの坩堝を選定して用いた例であり、比較例１は、同じく複数の石英製の坩堝２１から、底部の中心軸上の厚さｔ１が１３．２ｍｍ〜１４．４ｍｍの坩堝を選定して用いた例である。比較例１の場合、トップ部０〜２００ｍｍまでの間の酸素濃度が、１２．６〜１１．９×１０１７atoms/cm3と、高酸素濃度になっているのに対し、実施例１の場合には、トップ部０〜２００ｍｍまでの間の酸素濃度は、１１．５〜１０．２×１０１７atoms/cm3と、低酸素濃度となっており、トップ部の一部が１０．５×１０１７atoms/cm3以下となっている。トップ部０〜３００ｍｍまでの間にあっては、１０．５×１０１７atoms/cm3以下の低酸素領域が広がっている。

0023

図４は、図３の場合と同じ底部が石英製の厚い坩堝（底部の中心軸上の厚さｔ１が１４．５ｍｍ〜２９ｍｍ）を用いて、目標直径が３２０ｍｍ、目標酸素濃度が１０．５×１０１７atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合に、アルゴンガスの流量（中段グラフ）及び坩堝の単位時間当たりの回転数（下段グラフ）を制御したときの、シリコン単結晶の結晶固化率（％）に対するシリコン単結晶の酸素濃度（上段グラフ）を測定したグラフである。なお、結晶固化率（％）は、引上げ中の結晶重量／原料の仕込み重量の百分率で定義される。酸素濃度を示す上段グラフの実線の○印は、中段グラフのアルゴン流量を実線で示すように制御すると同時に、下段グラフの坩堝回転数を実線で示すように制御した場合（実施例１）であり、シリコン単結晶の酸素濃度を示す上段グラフの破線の△印は、中段グラフのアルゴン流量を破線で示すように制御すると同時に、下段グラフの坩堝回転数を破線で示すように制御した場合（実施例２）である。なお、中段グラフの縦軸のアルゴン流量は、ある基準値を１とした場合の相対値で示し、下段グラフの縦軸の坩堝回転数は、ある基準値を１とした場合の相対値で示す。

0024

一般的な製造条件プログラムを用いて自動制御すると、上段グラフの実施例１に示すように結晶直胴部のミドル部に相当する結晶固化率が４０％以降の大部分の単結晶領域の酸素濃度は１０．５×１０１７atoms/cm3以下にならない。しかしながら、中段グラフに示すように、結晶直胴部のトップ部からミドル部に相当する結晶固化率が５〜４４％の間においてアルゴンガスの流量を実施例２のように減少又は増加させると、上段グラフの実施例２に示すように酸素濃度は小さくなり、酸素濃度は１０．５×１０１７atoms/cm3以下になる。したがって、この結晶固化率が５〜４４％においてアルゴンガスの流量を減少又は増加させる制御を実行すれば、酸素濃度を１０．５×１０１７atoms/cm3以下にすることができる。

0025

また、下段グラフに示すように、結晶直胴部のトップ部、ミドル部及びボトム部に相当する１２．５〜９８％の間において坩堝２１の単位時間当たりの回転数を実施例２のように増加（１２．５〜７４％）又は減少（７４〜９８％）させると、上段グラフの実施例２に示すように酸素濃度は、ボトム部を除き１０．５×１０１７atoms/cm3以下になる。

0026

このように、本実施形態では、トップ部の酸素濃度の増加は石英製の坩堝２１の底部の厚さｔ１を厚くすることで対応し、他の部位の酸素濃度の変動は、その結晶固化率（引上げ長さに相関する）に応じて、第１チャンバ１１内に導入する不活性ガスの流量（流量を増加させると酸素濃度が大きくなり、流量を減少させると酸素濃度が小さくなる）又は石英製の坩堝２１の単位時間当たりの回転数（回転数を大きくすると酸素濃度が大きくなり、回転数を小さくすると酸素濃度が小さくなる）で調整する。これにより、長手方向の酸素濃度を低酸素濃度で且つ均一にすることができる。

0027

なお、石英製の坩堝２１は、長時間の使用によって坩堝材料が溶出し底部の厚さｔ１が減少するので、使用時間又は底部の厚さｔ１に応じて、製造条件プログラムによる自動制御の設定値を変更してもよい。

0028

１…シリコン単結晶の製造装置
１１…第１チャンバ
１２…第２チャンバ
１３…ガス導入口
１４…ガス排出口
２１…石英製の坩堝
２２…黒鉛製の坩堝
２３…支持軸
２４…駆動機構
２５…ヒータ
２６…保温筒
２７…熱遮蔽部材
２８…ブラケット
３１…ワイヤ
３２…引上げ機構
４１…磁場発生装置
Ｍ…シリコン融液
Ｃ…シリコン単結晶
Ｓ…種結晶