(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によって原料融液から育成される単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いて結晶成長を行う際に、
前記単結晶の直径の０．１〜１．５倍の範囲の高さをもつ冷却体を用い、且つ、前記冷却体の厚みを１０〜５０ｍｍとし、前記冷却体に供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分とすることで、前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を５００℃以下として、前記単結晶の１３００℃以上の部分を冷却し、
引き上げ速度を２〜２．５ｍｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
チョクラルスキー法によって原料融液から育成される単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いて結晶成長を行う際に、
前記単結晶の直径の０．１〜１．５倍の範囲の高さをもつ冷却体を用い、且つ、前記冷却体の厚みを１０〜５０ｍｍとし、前記冷却体に供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分とすることで、前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を５００℃以下として、前記単結晶の１３００℃以上の部分を冷却し、
引き上げ速度を１．２５ｍｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項３】
前記冷却体の下端から融液表面までの距離を１０〜１００ｍｍとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
【請求項４】
前記冷却体の内周面の輻射率を０，７以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
【請求項５】
前記単結晶の直径の０．２５〜１．０倍の範囲の高さをもつ冷却体を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
【請求項６】
前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を３０℃とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料として使用されるシリコン単結晶等の製造に用いられる結晶成長方法に関する。
【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。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、この状態からルツボ及び種結晶を回転させながら、種結晶を上方へ徐々に引き上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を成長させる。
【０００３】
このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げでは、結晶断面における欠陥分布等が結晶成長速度、即ち引上げ速度に支配されることが知られている。具体的に説明すると、引上げ速度を大きくするほど、リング状のＯＳＦ発生領域が外周部へ移動し、最終的には結晶有効部分の外側へ排除される。逆に、引上げ速度を小さくすることにより、リング状のＯＳＦ発生領域が結晶中心部へ移動し、最終的にはその中心部で消滅する。
【０００４】
ＯＳＦ発生領域の外側も内側も共に欠陥発生領域であるが、その外側と内側とでは欠陥の種類が異なる。また、引上げ速度を高速化すると、当然のことながら生産性が向上し、且つ欠陥が微細化することが知られている。これらのため、結晶成長の一つの方向として、引上げの高速化が追求されている。
【０００５】
高速引上げを実現するための技術として熱遮蔽体の設置が知られている。熱遮蔽体は、単結晶の周囲を包囲するように設けられた逆台錐形状の筒状断熱部材であり、主にルツボ内の融液やルツボの外側に配置されたヒータからの輻射熱を遮ることにより、融液から引上げられる単結晶の冷却を促進して、引上げ速度の高速化を図る。
【０００６】
また最近では、熱遮蔽体の内側に、強制的に水冷された筒状の冷却体を設置する技術も注目されている（特開昭６３−２５６５９３号公報、特開平８−２３９２９１号公報、特開平１１−９２２７２号公報、特開平１１−２９２６８４号公報）。強制的に水冷された筒状の冷却体を、熱遮蔽体の内側に、単結晶の周囲を包囲するよう設置することにより、単結晶の特に高温部分の冷却が更に促進され、引上げ速度の一層の高速化が図られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却体を用いた従来の結晶成長では、その冷却体が引上げ速度の高速化に対して必ずしも有効に機能しないばかりか、単結晶の品質や操業の安全に対して次のような問題のあることが判明した。
【０００８】
冷却体としては、通水により強制的に冷却された銅系の金属部材が、単結晶に対する冷却能力、経済性の点から多用されている。このような冷却体を単に設置するだけでは、引上げ速度が高速化されないことが多々ある。冷却体が引上げ速度の高速化に対して有効に機能しないと、単結晶の１３００℃以上の高温部分が長くなり、また単結晶が１３００℃以上の高温領域を通過する時間が長くなるため、Ｆｅ、Ｃｕ等の重金属の拡散が促進され、単結晶が外周部より汚染されることになる。
【０００９】
引上げ速度の高速化に対しては、この冷却体で単結晶の１３００℃以上の高温部分を冷却することが必要であるが、冷却能力を高めると、１３００℃未満の部分も急激に冷却される危険性がある。単結晶の１３００℃未満の部分が急激に冷却されると、引上げ結晶が有転位化したときに冷却に伴う結晶の変形も急激に起こり、無転位部と有転位部の境界部分でその変形の度合いが異なることによる残留応力が生じ、引上げ中若しくは引上げ後の結晶冷却中に割れが発生しやすくなる。この割れが発生すると、場合によっては冷却体が破損し、水蒸気爆発などの大きな災害につながる危険がある。
【００１０】
本発明の目的は、冷却体を用いたＣＺ法による単結晶の引上げにおいて、引上げ速度の高速化に対して冷却体を有効に機能させ、且つ、単結晶の過度の冷却による割れを効果的に防止できる結晶成長方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは冷却体の寸法、表面温度等に着目し、これらの高速引上げとの関係について詳細な調査を行った。その結果、以下の事実が判明した。
【００１２】
冷却体の厚みが１０ｍｍ未満であると、単結晶からの輻射により冷却体の温度が著しく上昇し、結晶に対する冷却効率が低下し、高速引上げの実現が難しくなる。一方、その厚みが５０ｍｍを超えると、冷却効率が飽和するだけでなく、結晶直径の制御に使用するカメラの視野が妨げられたり、炉内に流すＡｒ等のガスの流れが滞りやすくなり、ＳｉＯの析出による有転位化の原因にもなる。
【００１３】
融液から引上げられる単結晶の外周面に対向する冷却体の内周面に５００℃を超える部分があると、結晶に対する冷却効率が著しく低下し、高速引上げの実現が不可能となる。
【００１４】
冷却体の高さが結晶直径の０．１倍未満では、単結晶の１３００℃以上の高温部分を効率よく冷却できないが、その高さが結晶直径の１．５倍を超えると、１３００℃未満の部分が急激に冷却され、単結晶に有転位化が生じたときには割れが発生しやすくなる。
【００１５】
冷却体の下端から融液までの距離が１００ｍｍを超えると、単結晶の１３００℃以上の高温部分の冷却に対してその効果が著しく低減し、引上げ速度の高速化が難しくなる。一方、この距離が１０ｍｍ未満であると、冷却体と融液の接触の危険性が高くなり、更には冷却体近傍の融液温度が急激に低下し、融液の半径方向温度勾配が小さくなることで、引上げ結晶が変形しやすくなるという問題が生じる。
【００１６】
冷却体の内周面の輻射率が０．７未満であると、単結晶の１３００℃以上の高温部分に対する冷却効果が低減し、引上げ速度の高速化が難しくなる。
【００１７】
冷却体に供給する冷却水の流量が１．５Ｌ／分未満であると、冷却体の温度が上昇し、結晶を効果的に冷却できない。３０Ｌ／分を超える流量の場合は、結晶に対する冷却効果が飽和し、冷却水の無駄使いとなる。
【００１８】
本発明の結晶成長方法は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、チョクラルスキー法によって原料融液から育成される単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いて結晶成長を行う際に、  前記単結晶の直径の０．１〜１．５倍の範囲の高さをもつ冷却体を用い、且つ、前記冷却体の厚みを１０〜５０ｍｍとし、前記冷却体に供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分とすることで、前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を５００℃以下として、前記単結晶の１３００℃以上の部分を冷却し、
引き上げ速度を２〜２．５ｍｍ／ｍｉｎとすることにより上記課題を解決した。これによりリング状のＯＳＦ発生領域を結晶外周部外側へ排除させる。
また、本発明は、チョクラルスキー法によって原料融液から育成される単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いて結晶成長を行う際に、
前記単結晶の直径の０．１〜１．５倍の範囲の高さをもつ冷却体を用い、且つ、前記冷却体の厚みを１０〜５０ｍｍとし、前記冷却体に供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分とすることで、前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を５００℃以下として、前記単結晶の１３００℃以上の部分を冷却し、
引き上げ速度を１．２５ｍｍ／ｍｉｎとすることにより上記課題を解決した。これによりリング状のＯＳＦ発生領域を結晶中心部で消滅させる。
本発明は、前記冷却体の内周面の輻射率を０，７以上とすることができる。
本発明は、前記単結晶の直径の０．２５〜１．０倍の範囲の高さをもつ冷却体を用いることもある。
本発明は、前記単結晶の外周面に対向する前記冷却体の内周面の表面温度を３０℃とすることも可能である。
また、本発明は、ＣＺ法によって原料融液から育成される単結晶を包囲するように設けられた環状の冷却体を具備する引上げ炉を用いて結晶成長を行う際に、前記単結晶の直径の１．５倍以下の高さをもつ冷却体を用い、且つ、前記単結晶の外周面に対向する冷却体の内周面の表面温度を５００℃以下とすることにより、引上げ速度の高速化に対して冷却体を有効に機能させ、且つ、単結晶の過度の冷却による割れを効果的に防止するものである。
【００１９】
冷却体の高さの下限については、引上げ速度の高速化の点から単結晶の直径の０．１倍以上が好ましい。特に好ましい高さは、単結晶の直径の０．２５〜１．０倍である。
【００２０】
冷却体の内周面の表面温度の下限については低いほどよいので、特に規定しない。特に好ましい表面温度は２００℃以下である。
【００２１】
冷却体の高さ及び内周面の表面温度以外の項目では、冷却体の厚みを１０〜５０ｍｍとするのが好ましい。また、冷却体に供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分とするのが好ましい。また、冷却体の下端から融液表面までの距離を１０〜１００ｍｍとするのが好ましい。また、冷却体の内周面の輻射率を０．７以上とするのが好ましい。
【００２２】
冷却体は、通水により強制的に冷却される金属体からなる。その金属としては、熱伝導性がよく安価な銅を主成分とするものが好ましい。冷却体が銅系金属からなる場合、その内周面の輻射率を上げる方法としては、黒色のＣｒメッキ処理や酸化による黒色化が有効である。特に黒色のＣｒメッキ処理は、柔らかい銅系金属を保護し、結晶の銅による汚染を抑制する効果もある。
【００２３】
一般に引上げ炉内の雰囲気は１３３００Ｐａ以下であるため、ガスによる熱伝達は無視でき、引上げ結晶の抜熱は専ら輻射伝熱である。本発明の結晶成長方法では、この観点から冷却体の高さや表面温度を規定するが、結晶表面から冷却体までの距離は、ガスによる熱伝達を無視できるため特に規定しない。
【００２４】
冷却体については又、熱遮蔽体と組み合わせ、その内側に配置するのが良い。熱遮蔽体と組み合わせることにより、結晶の冷却が促進されるだけでなく、冷却体自体の温度上昇がより効果的に抑制されることになり、引上げ速度の高速化が推進される。
【００２５】
【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。図１は本発明の結晶成長方法を実施するのに適した引上げ炉内の概略構成図である。
【００２６】
引上げ炉は、炉体としてメインチャンバー及びプルチャンバーを備えている。メインチャンバー内の中心部にはルツボ１が配置されている。ルツボ１は、多結晶シリコンが充填される内側の石英ルツボと、その外側に嵌合される黒鉛製の支持ルツボとから構成されている。このルツボ１は、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転及び昇降駆動される。
【００２７】
ルツボ１の外側には、抵抗加熱式のヒータが同心円状に配置され、その更に外側には、保温筒がメインチャンバーの内面に沿って配置されている。ヒータは、ルツボ１内に充填された多結晶シリコンを溶融させて、そのルツボ１内にシリコンの融液２を形成する。
【００２８】
一方、ルツボ１の上方には、引上げ軸としてのワイヤ３が、プルチャンバー内の中心部を通って吊設されている。ワイヤ３は、プルチャンバーの上部に設けられた引上げ機構により回転駆動されると共に、軸方向に昇降駆動される。ワイヤ３の下端部には、種結晶を保持するシードチャックが取付けられている。シードチャックに保持された種結晶をルツボ１内の融液２に浸漬し、その種結晶を回転させながら徐々に上昇させるべく、ワイヤ３を駆動することにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶４を成長させる。
【００２９】
ルツボ１の上方には又、単結晶４を包囲するように円筒形状の熱遮蔽体５がルツボ１内の融液２に接近して同心円状に設けられている。熱遮蔽体５は黒鉛からなり、ルツボ１内の融液２からの輻射熱を効果的に遮るために下方から上方に向かって徐々に拡径し、その下部をルツボ１内に挿入してルツボ１内の融液２の上方に位置させる。
【００３０】
熱遮蔽体５の内側には、円筒形状の冷却体６が同心円状に設けられている。冷却体６は、熱伝導性の良好な銅系金属からなり、内部を流通する冷却水により強制的に冷却される。この冷却体６は、熱遮蔽体５の下部内に配置され、単結晶４の特に凝固直後の高温部分を包囲することにより、その高温部分の冷却を促進する。なお、冷却体６も熱遮蔽体５と同様に下方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状とされている。
【００３１】
ここで、冷却体６の高さＨは、単結晶４の直径Ｄの０．１〜１．５倍の範囲内で選択され、ここでは１倍に選択されている。冷却体６の厚みＴは１０〜５０ｍｍの範囲内で選択され、ここでは４０ｍｍに選択されている。冷却体６の下端から融液２までの距離Ｌは１０〜１００ｍｍの範囲内で選択され、ここでは３０ｍｍに選択されている。
【００３２】
また、冷却体６の内周面は、表面の輻射率（放射率）が０．７以上となるように酸化処理されており、ここでの輻射率は０．９である。内周面の表面温度については、最も高温となる下端部でも５００℃を超えないように調整され、ここでは、冷却体６の供給する冷却水の流量を１．５〜３０Ｌ／分の範囲内で調整することにより、下端部温度として３０℃を実現した。
【００３３】
次に、上記の引上げ炉を用いた結晶成長の操業例について説明する。
【００３４】
ルツボ１内に多結晶シリコン原料を１００ｋｇ装填し、その後、チャンバー内を１３３０ＰａのＡｒ雰囲気とする。ルツボ１の外側に設けられたヒータにより、ルツボ１内の多結晶シリコン原料を溶融し、１００方位の種結晶を用いて、その下方に直径２００ｍｍの単結晶を成長させる。
【００３５】
このとき、ルツボ１内の融液２の液面レベルが一定に維持されるように、結晶成長に従ってルツボ１を徐々に上昇させる。また、単結晶４の回転方向と同方向又は反対方向にルツボ１を回転させる。
【００３６】
冷却体６の高さＨを、単結晶４の直径Ｄの０．１〜１．５倍の範囲内である１倍（２００ｍｍ）とし、且つ、冷却体６の最も高温となる下端部での内周面温度を３０℃に管理したことにより、単結晶の直胴部の平均引上げ速度として２．５ｍｍ／分を確保できた。
【００３７】
この単結晶の引上げを５回行ったが、割れは発生しなかった。その単結晶から採取したウエーハでの０．０９μｍ以上のＬＰＤ個数は３００個／ｗｆ以下であり、０．１３μｍ以上のＬＰＤ個数は１０個／ｗｆ以下であった。Ｆｅ濃度は１×１０10／ｃｍ3 以下であった。
【００３８】
冷却体６の厚みＴ及び高さＨを様々に変えて同様の引上げを行った。引上げ条件を表１に示し、その結果を表２に示す。操業例１は上述の操業結果であり、平均引上げ速度は２．５ｍｍ／分である。
【００３９】
【表１】
0003678129.tif 000002
【００４０】
【表２】
0003678129.tif 000003
【００４１】
操業例１に対し、操業例２では、冷却体６の厚みを４０ｍｍから１０ｍｍに薄くした。その結果、冷却体６の下端部の内周面温度は３０℃から４００℃に上昇した。平均引上げ速度は２ｍｍ／分に低下したが、依然として高いレベルである。ＬＰＤ個数もＦｅ濃度も依然低位であり、割れも発生しなかった。
【００４２】
操業例３では、冷却体６の厚みを５ｍｍまで薄くした。その結果、冷却体６の下端部の内周面温度は５００℃を超える５５０℃に上昇した。平均引上げ速度は１．３ｍｍ／分に低下した。割れは発生しなかったものの、ＬＰＤ個数及びＦｅ濃度は著しく増加した。
【００４３】
操業例４では、冷却体６の高さを２００ｍｍから単結晶４の直径Ｄの１．５倍を超える４００ｍｍとした。冷却体６の厚みは４０ｍｍのままであり、冷却体６の下端部の内周面温度は３０℃である。平均引上げ速度として２．５ｍｍ／分が確保され、ＬＰＤ個数もＦｅ濃度も比較的低位であったが、５本中４本で単結晶に割れが発生した。
【００４４】
これから分かるように、引上げ速度の高速化に対して冷却体６を有効に機能させるためには、冷却体６の内周面温度の管理が特に重要であり、次いで、その内周面温度に大きな影響を与える厚さが重要な因子となる。これらは結晶品質を確保する点からも重要である。また、単結晶４の過度の冷却による割れを防止するためには、冷却体６の高さが特に重要な因子となる。
【００４５】
ちなみに、冷却体を使用しない場合の平均引上げ速度は１．０ｍｍ／分、０．０９μｍ以上のＬＰＤ個数は２０００個／ｗｆ以下、０．１３μｍ以上のＬＰＤ個数は１００個／ｗｆ以下、Ｆｅ濃度は１×１０12／ｃｍ3 以下である。
【００４６】
これらの操業例とは別に、操業例１において、融液に窒素又は炭素を添加して結晶を引上げたところ、０．０９μｍ以上のＬＰＤ個数が大幅に低減した。これより、本発明の結晶成長方法における融液への窒素又は炭素の添加が、ＬＰＤの微細化を加速的に進行させることが判明した。
【００４７】
また、操業例１において、引上げ速度を半分の１．２５ｍｍ／分に低下させ、リング状のＯＳＦ発生領域が結晶中心部で概ね消滅する条件で引上げを行ったところ、０．０９μｍ以上のＬＰＤ個数が１００個／ウエーハと大幅に低減した。このことから、従来低ＬＰＤモニタウエーハ用として１ｍｍ／分以下で引上げていた結晶についても高速化を図れることが判明し、本発明が低ＬＰＤモニタウエーハ用の低速引上げにも有効なことが明らかになった。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の結晶成長方法は、冷却体を用いた回転引上げにおいて、冷却体の内周面温度及び高さを管理することにより、引上げ速度の高速化に対して冷却体を有効に機能させ、合わせて、単結晶の過度の冷却による割れを効果的に防止することができる。更に、高い結晶品質を確保することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶成長方法を実施するのに適した引上げ炉内の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１  ルツボ
２  融液
３  ワイヤ
４  単結晶
５  熱遮蔽体
６  冷却体
【図１】
0003678129.tif 000004