(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内に収容される溶融液に引上げ軸に対して等軸対称のカスプ磁場を印加しつつ結晶を引上げ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であって、
単結晶の引上げ過程では雰囲気圧力を５０Ｔｏｒｒ以上に制御するとともに、
前記カスプ磁場を３００Ｇ（ガウス）〜６００Ｇ（ガウス）の強度範囲で制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、坩堝内の溶融液にカスプ磁場を印加してチョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によってシリコン単結晶の製造する方法に関し、さらに詳しくは、カスプ磁場を引上げ軸に対して等軸対称に印加して、結晶成長方向の酸素濃度分布を均一に制御するとともに、結晶面内の酸素濃度分布（以下、「ＲＯＧ:Radial Oxygen Gradient」という）のバラツキを抑制したシリコン単結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超々高集積回路に用いるシリコン単結晶では、シリコン結晶中の酸素を酸化物として析出させ、ウェーハ表面近傍において素子歩留を低下させる要因となる重金属不純物をゲッタする、いわゆるゲッタリング技術が用いられている。このゲッタリング機能を十分に発揮させるには、結晶中に酸素を均一に取り込むことが重要である。
【０００３】
近年のように、半導体用デバイスの高機能化に対応して、基板に要求される酸素濃度値が厳しく規定されるようになると、従来のＣＺ法では対応が困難になる。しかも、最近導入される大型の単結晶（８インチ、12インチ）製造装置においては、単結晶の引上げ過程で有転位化する現象が増加する傾向にある。そのため、この有転位化の問題にも対応する観点からも、単結晶の引上げに際して、坩堝内の溶融液に引上げ軸を対称中心として半径方向のカスプ磁場を印加する方法が注目されている。
【０００４】
このカスプ磁場を印加する方法では、反対方向に環状電流を流す一対の磁石（コイル）を坩堝の上方および下方に配置する。この磁石の配置によって、コイルの中心軸上で水平磁場成分が０（ゼロ）になる。さらに、この中心軸上の上下磁石の中間付近で垂直磁場成分も０（ゼロ）になる点が生じる。以下、このような点を磁場中心位置と表現する。この磁場中心位置から半径方向、垂直方向に離れるに従って、磁場の水平成分、垂直成分が発生する。カスプ磁場は、このような磁場成分によって坩堝内の溶融液の流動を拘束して、溶融液の安定化を図ることができる。すなわち、溶融液にカスプ磁場を印加することによって対流を抑制し、坩堝表面からの石英の溶け込みを抑えて、結果として結晶成長中の有転位化を防止することができる。
【０００５】
さらに、カスプ磁場の印加によって、坩堝表面からの石英の溶け込みを抑制することができるので、同時に結晶中の酸素濃度も低下させることが可能になる。通常、このような効果は、磁場強度の増大によって促進される（平田ら：J.Crystal Growth, 98, 777 (1989)参照）。したがって、このような効果を、引上げ開始直後に酸素濃度が高くなる結晶のトップ側で適用すれば、その部分では低酸素化が図れて、製品歩留まりを向上させることができる。しかし、結晶トップ側以降の引上げでは、単結晶の引上げの進捗に伴って酸素濃度が低減するので、カスプ磁場印加の条件の下では、この領域での低酸素化を回避するために、酸素濃度を高める制御方法の開発が必要になる。
【０００６】
結晶トップ側以降における低酸素化を回避するための手段として、いわゆる坩堝回転制御法（特開昭57-135796号公報参照）が知られている。この方法は坩堝の回転数を変化させることによって、酸素の供給源である石英坩堝の溶解速度が変わることを利用したものである。具体的には、坩堝の回転数を大きくすると石英の溶け込みが増え、結晶中に取り込まれる酸素量も増加するが、坩堝の回転数を小さくすると石英の溶け込みが減り、結晶中に取り込まれる酸素量が減少することにしている。しかし、この方法を用いる場合に、結晶中の酸素濃度を上昇させる範囲が大きくなるため、この上昇範囲を確保するため、大きな坩堝回転数の増加が必要となる。
【０００７】
ところで、前述したゲッタリング機能を十分に発揮させるには、引上げられた単結晶の結晶成長方向の酸素濃度分布に併せて、結晶面内の酸素濃度分布を表す「ＲＯＧ」を均一に制御する必要がある。通常、ＲＯＧは結晶とそれと逆方向に回転する坩堝回転数の比率に依存することが知られており、具体的には「結晶回転数／坩堝回転数」の比が小さくなる程ＲＯＧのバラツキが大きくなる。
【０００８】
上記の「結晶回転数／坩堝回転数」の比を大きくするためには、坩堝回転数を小さくするか、または結晶回転数を大きくすることが有効である。しかし、実際に用いられている坩堝回転数は、４〜５rpmを下限としている。図９は坩堝回転数と有転位化位置との関係を示す図であるが、同図から３乃至５rpm程度の低回転で引上げを行うと、ボディ前半で有転位化が多発することが分かる。この要因は、図10に示す坩堝回転数と融液温度変動との関係から明らかなように、５rpm未満の坩堝回転数になると、融液温度の変動が大きくなり、有転位化が多発すると考えられる。
【０００９】
他に、カスプ磁場印加を前提として、例えば、持開平５−194077号公報では、シリコンロッド中の酸素濃度および分布を調整するため、所定の単結晶ロッド直径が定まった後に、シリコン溶融物の固形化部分が増加するのに合わせて、坩堝の回転数を増加し、磁界の強度を減少させるシリコン単結晶の製造方法が提案されている。この製造方法では、引上げられる単結晶および坩堝の回転は反対方向であり、単結晶が成長するとき、単結晶の回転速度は坩堝の回転速度より大きい。単結晶が引上げられるのに伴って、坩堝の回転速度が増加される。単結晶の成長につれて、磁界の強度を減少させ、坩堝の底および側壁を垂直に横切る磁界成分を減少させる。そして、仕込み溶融液の約50〜80％が固化した後に、磁界を消すことになる。その後は、単結晶の回転速度に対して、坩堝回転数を増加することによって酸素含有量を調整することにしている。
【００１０】
しかしながら、この提案の製造方法では、単結晶の成長にともなって磁界の強度を減少させ、さらには消去させることから、磁場印加による有転位化の抑制効果が不十分となり、有転位化の発生に伴う製品歩留まりの低下という問題と、坩堝回転数を上昇させることによってＲＯＧが悪化するという問題もある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような結晶中の酸素濃度、特に結晶トップ側以降の酸素濃度を調整するために、カスプ磁場を印加するＣＺ法での問題に鑑みて開発されたものであり、単結晶を引上げる際に引上炉内の雰囲気圧力を制御して、結晶成長方向の酸素分布と同時にＲＯＧを均一に制御し、さらに結晶成長中の有転位化を防止して、優れた品質のシリコン単結晶を製造する方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するため、ＣＺ法による単結晶製造における雰囲気圧力に着目して、種々の検討を行った。従来から、磁場印加をしない条件で、炉内の雰囲気圧力を調整して酸素濃度を制御する方法が提案されている（例えば、特開平３−159986号公報参照）。ここで提案された制御方法に関して検討した結果、次のような見解が得られた。
【００１３】
すなわち、雰囲気圧力を調整して酸素濃度を制御する効果は、極めて小さいものに留まり、具体的には、１×1017atoms/cm3の酸素濃度を変化させるのに60Torr（20Torr→80Torr）の雰囲気圧力を変化させなければならない。また、酸素濃度を制御する効果は、上記圧力以上で雰囲気圧力が大きくなるほど飽和して、圧力の変化量に対する酸素濃度を制御する効果が小さくなる。また、雰囲気圧力を100Torr以上の高圧条件にすると、チヤンバー内に導入されている不活性ガスの滞留のため、溶融液面から発生するSiOガスの排出が効率的に行われず、チヤンバー内に析出し、その析出したSiOガスがチヤンバーから液面に落下して有転位化を起こす恐れがある。このような見解が存在することから、磁場印加するＣＺ法において、雰囲気圧力を調整して酸素濃度を制御する方法を適用することは考慮されていなかった。
【００１４】
ところが、本発明者によるＣＺ法での雰囲気圧力に着目した多くの検討結果によれば、カスプ磁場を印加する場合には、磁場印加をしない場合に比べて、雰囲気圧力を調整することによって、結晶成長方向および結晶面内の酸素濃度の制御性が著しく向上することが明らかになった。また、磁場印加することにより石英坩堝の溶け込みが抑制されるため、結果的にＳｉＯガスの蒸発が小さくなり、従来のＣＺ法で用いることができなかった高炉内圧（１００〜１５０Ｔｏｒｒ）でも有転位化の弊害を発生させず結晶育成できることも分かった。本願発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記のシリコン単結晶の製造方法を要旨としている。
【００１５】
すなわち、坩堝内に収容される溶融液に引上げ軸に対して等軸対称のカスプ磁場を印加しつつ結晶を引上げ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であって、単結晶の引上げ過程では雰囲気圧力を５０Ｔｏｒｒ以上に制御するとともに、前記カスプ磁場を３００Ｇ（ガウス）〜６００Ｇ（ガウス）の強度範囲で制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
【００１６】
上記雰囲気圧力を、さらに８０Ｔｏｒｒにするのが一層望ましい。
【００１７】
本発明において、雰囲気圧力の制御は少なくとも、単結晶の製品直径を形成する直胴部の引上げ過程であればよく、ネック部およびショルダー部の形成の際に雰囲気圧力の制御を行わなくても良い。
【００１８】
本発明で規定する磁場強度は、互いに磁界が打ち消し合って垂直方向、水平方向の磁場強度が０（ゼロ）となる、磁場中心位置の高さにおける坩堝側壁での半径方向の水平磁場の強度で示している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者は、下記の図１に示すカスプ磁場の印加装置を備えた製造装置を用いて、雰囲気の圧力条件、カスプ磁場の印加条件等を変動させながら実験を重ねた結果、単結晶の引上げ過程おける雰囲気圧力が特定値以上にすることによって、酸素濃度の制御性が改善されることを明らかにした。
【００２０】
図１は、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構造を模式的に説明する図である。ここで、結晶原料となるシリコンは溶融状態で坩堝１内に保持され、種結晶３を溶融液４の表面に接した状態にして回転させ、種結晶３に凝固成長する速度に合わせて上方に引上げ、成長させて所定直径の単結晶５を得る。溶融液を入れる石英坩堝1aは、外側支持用の黒鉛坩堝1bの内側に嵌合されており、この坩堝１はその中心軸を引上げ軸と一致させて、回転軸11によって全体をその周りに回転させることができるとともに、また上下に移動させることができる。
【００２１】
坩堝１の中心軸の上方には、引上げ可能なワイヤからなる引上げ装置７が配置されている。坩堝１の外側には、加熱用のヒーター２、およびさらに外側には保温材10が同心円状に配置され、これら全体が外気を遮断できるチャンバー８およびプルチャンバー９内に収容されている。坩堝１を介して、上方および下方に相対向するように磁場印加用のコイル６を一対設けている。一対の上部コイル6aおよび下部コイル6bには互いに逆向きに回る電流を流すことによって、坩堝内の溶融液４の部分にカスプ磁場を形成することができる。なお、図中のCcは磁場中心位置を示している。
【００２２】
前記図１に示す製造装置を用いて、100Kgの多結晶シリコンを有効内径560mmの石英坩堝に投入して、充分に溶解した後、直径８インチのシリコン単結晶を製造した。引上げに際しては、主な条件は結晶回転数を12rpm、坩堝回転数を６rpmとして、チャンバー内のAr流量は50リットル／分で、引上げ過程での雰囲気圧力（以後、炉内圧力と表現する場合もある）を20Torr、50Torrおよび80Torrで変動させた。さらに、カスプ磁場の強度は、０Ｇ（無磁場）、300Ｇおよび600Ｇとした。このときの結果を、図２〜図４に示す。
【００２３】
図２は雰囲気圧力（炉内圧力）が20Torrである場合での磁場強度と結晶成長方向の酸素濃度分布との関係を示す図であり、図３は雰囲気圧力（炉内圧力）が50Torrである場合、図４は雰囲気圧力（炉内圧力）が80Torrである場合での、それぞれの磁場強度と結晶成長方向の酸素濃度分布との関係を示す図である。図２〜図４から明らかなように、雰囲気圧力が20Torrでは明らかな低酸素化の効果を発揮したが、雰囲気圧力が50Torr、80Torrになるにしたがって、低酸素化の効果が小さくなることが分かる。この傾向は、高圧条件の下では磁場強度が300Ｇ〜600Ｇの範囲ではほぼ同様である。また、このときの酸素濃度は、14×1017atoms/cm3程度の制御が可能になっている。
【００２４】
図５は、雰囲気圧力をパラメータとした場合の酸素濃度と磁場強度との関係を引上げ開始から500mm位置のトップ側での酸素濃度で示した図である。同図からも、雰囲気圧力を50Torr、さらには80Torrと高圧条件にすることによって、酸素濃度の低下が防止でき、制御性が改善できることが分かる。
【００２５】
次ぎに、雰囲気圧力（炉内圧力）と磁場強度がＲＯＧに及ぼす影響を調査した。ＲＯＧは、結晶面内の中心部、中心から50mmの位置、外周から10mmの位置で測定した３箇所の酸素濃度値を用いて、下記▲１▼式から算出する。
【００２６】
ＲＯＧ＝｛（Max値−Min値）／Min値｝×100（％）    ・・・    ▲１▼
各条件で引上げられて単結晶の引上げ端から０mm、100mm、400mm、700mmおよび1000mmの各位置におけるＲＯＧの測定結果を、表１にまとめる。
【００２７】
【表１】
0004151148.tif 000002
【００２８】
表１の結果から、磁場強度が０Ｇ、３００Ｇまたは６００Ｇのいずれの場合にも、雰囲気圧力の変動に伴うＲＯＧの変化が少ないが、逆に、いずれの雰囲気圧力であっても、磁場強度を印加することによってＲＯＧが改善できることが分かる。また、ここでは示さなかったが、磁場を６００Ｇ超とした場合にはＲＯＧは次第に悪化していき、８００Ｇ以上で通常のＣＺ法と同様となり、磁場による改善は皆無となる。６００Ｇを超える磁場を用いる場合は、電力消費量が大きくなるというデメリットがある。すなわち、ＲＯＧの改善には、磁場強度の増大が有効であるが、カスプ磁場を３００Ｇ〜６００Ｇの強度範囲で適用する。
【００２９】
例えば、表１中の条件７（雰囲気圧力：20Torr、磁場強度：600Ｇ）と条件９（雰囲気圧力：80Torr、磁場強度：600Ｇ）とを比較すると、殆どＲＯＧの悪化を生ずることなく、図２および図４に示すように、酸素濃度を10×1017atoms/cm3程度の制御から14×1017atoms/cm3程度の制御に変更できることが分かる。
【００３０】
以上の説明では、本発明の製造方法の前提として雰囲気圧力が特定値以上の一定値で保持する場合について説明したが、特定値以上の範囲で引上げの進捗に伴い変動させることにより、成長方向の酸素濃度を一定にすることが可能であり、次ぎにこの制御について説明する。
【００３１】
図６は、引上げの進捗に伴い雰囲気圧力を特定値以上の範囲で変動させる場合の酸素濃度分布を示した図である。図６で雰囲気圧力を変動させるプロファイルを示しているが、製品となるボディプロセス開始後、速やかに雰囲気圧力を50Torr以上にしておき、引上げの進捗に伴って70Torr程度まで上昇させた。これにより、酸素濃度の12×1017atoms/cm3程度で制御でき、非常に優れた制御性を示す。一方、ＲＯＧは、図示しないが、表１に示すと同等のバラツキ精度であることを確認している。
【００３２】
本発明の製造方法による酸素濃度の制御性と比較するため、従来方法による酸素濃度の制御性を調査した。対象とした従来法は、前述の「坩堝回転制御方法」と「特開平５-194077公報で提案された製造方法」の２法とした。
【００３３】
図７は、従来方法のうち「坩堝回転制御方法」による酸素濃度の制御性を調査した結果を示す図である。前述の条件７（雰囲気圧力：20Torr、磁場強度：600Ｇ）を基準にして、坩堝回転制御法によって酸素濃度制御を行った。坩堝の回転数は、引上げ当初は６rpmとし、引上げとともに11rpmまで漸増させた。その結果、坩堝回転制御法によって、結晶成長方向の酸素濃度を上昇させることができるが、坩堝回転数の増大に伴ってＲＯＧの悪化が顕著に現れる。また、特開平５-194077号公報に記載されるように、結晶回転を順次上昇させる方法を用いればＲＯＧを改善できるが、結晶回転の増加は成長速度の低下をもたらし生産性を低下させるので、有効な方法でないことが分かる。
【００３４】
図８は、従来方法のうち「特開平５-194077号公報で提案された製造方法」による酸素濃度の制御性を調査した結果を示す図である。同様に、条件７（雰囲気圧力：20Torr、磁場強度：600Ｇ）を基準にして、前述の特開平５-194077公報で提案された製造方法を用いて酸素濃度制御を行った。具体的な制御方法としては、磁場強度に関し当初500Ｇの印加であったが、引上げ直後から低減を開始し、引上げ長さ300mm位置で磁場印加をなくした。また、坩堝回転数は当初６rpmであったが、引上げ長さ300mm位置の時点から回転数を漸増させ、7.5rpm程度まで増加させた。
【００３５】
図８に示す結果から明らかなように、この「特開平５-194077号公報で提案された製造方法」によって、坩堝の回転数を僅かに上昇させるだけで、結晶成長方向の酸素濃度を上昇させることができる。しかし、有転位化については問題があり、５本の単結晶の引上げを行ったところ、２本について結晶中間部と結晶後半部で有転位化を発生した。この有転位化は、引上げ過程における実質的な磁場印加の時間が短いことに起因するものである。さらに、坩堝回転数を上昇させ磁場強度を減少させるため、結晶後半部でＲＯＧが悪化する。
【００３６】
上述の通り、従来方法による酸素濃度の制御方法であれば、結晶成長方向の酸素濃度の制御性を確保することができるが、ＲＯＧの低下、または有転位化の発生を回避することができない。これに対して、本発明の方法では、結晶成長方向の酸素濃度分布およびＲＯＧの均一化が図れるとともに、結晶成長中の有転位化を防止することができる。
【００３７】
【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、カスプ磁場を印加するＣＺ法に適用され、雰囲気圧力が特定値以上の値で変化させ制御することによって、結晶成長方向の酸素分布およびＲＯＧを均一に制御し、さらに結晶成長中の有転位化を防止して、優れた品質のシリコン単結晶を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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構造を模式的に説明する図である。
【図２】雰囲気圧力（炉内圧力）が20Torrである場合での磁場強度と結晶成長方向の酸素濃度分布との関係を示す図である。
【図３】雰囲気圧力（炉内圧力）が50Torrである場合での磁場強度と結晶成長方向の酸素濃度分布との関係を示す図である。
【図４】雰囲気圧力（炉内圧力）が80Torrである場合での磁場強度と結晶成長方向の酸素濃度分布との関係を示す図である。
【図５】雰囲気圧力をパラメータとした場合の酸素濃度と磁場強度との関係を引上げ開始から500mm位置のトップ側での酸素濃度で示した図である。
【図６】本発明方法のうち、引上げの進捗に伴い雰囲気圧力を特定値以上の範囲で変動させる場合の酸素濃度分布を示した図である。
【図７】従来方法のうち「坩堝回転制御方法」による酸素濃度の制御性を調査した結果を示す図である。
【図８】従来方法のうち「特開平５-194077公報で提案された製造方法」による酸素濃度の制御性を調査した結果を示す図である。
【図９】坩堝回転数と有転位化位置との関係を示す図である。
【図１０】坩堝回転数と融液温度変動との関係を示す図である。
【符号の説明】
１：坩堝、  1a：石英坩堝、  1b：黒鉛坩堝
２：加熱用ヒーター、  ３：種結晶
４：溶融液、  ５：単結晶
６：磁場印加用コイル
6a：上部コイル、  6b：下部コイル
７：引上げ装置、  ８：チャンバー
９：プルチャンバー、  10：保温材
【図１】
0004151148.tif 000003
【図２】
0004151148.tif 000004
【図３】
0004151148.tif 000005
【図４】
0004151148.tif 000006
【図５】
0004151148.tif 000007
【図６】
0004151148.tif 000008
【図７】
0004151148.tif 000009
【図８】
0004151148.tif 000010
【図９】
0004151148.tif 000011
【図１０】
0004151148.tif 000012