(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記上下方向の磁場中心を徐々に固液界面に移動することを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項２】
カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上側の電磁石と下側の電磁石とのコイル電流を一致させた状態で上側の電磁石と下側の電磁石との上下方向の中間レベル位置を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記中間レベル位置を徐々に固液界面に移動することを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項３】
カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上側の電磁石と下側の電磁石とのコイル電流に差を持たせることにより上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記上下方向の磁場中心を上下の電磁石のコイル電流を変化させることによって徐々に固液界面に移動することを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項４】
上記固液界面位置から下方にずらした上下方向の磁場中心のオフセット量をルツボ内径の４．０％±２．５％に設定したことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＭＣＺ法（磁場印加チョクラルスキー法）によって、石英ルツボ内に収容された半導体融液から単結晶を引き上げるに際し、融液対流による温度振動を抑制し、単結晶化率を向上させることができる単結晶製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長させる装置として、図１０に示すように、ＭＣＺ法（磁場印加チョクラルスキー法）を用いた単結晶引き上げ装置１０が知られている。このような単結晶引き上げ装置１０には、チャンバ２の内部に石英ルツボ３とヒータ４とが配設されている。石英ルツボ３はサセプタ５を介して昇降自在、かつ、回転自在な下軸６に支持されている。また、ヒータ４は半導体融液を加熱するためのものであり、石英ルツボ３の周囲に配置されている。
【０００３】
チャンバ２上部からは、種結晶を下端部に把持するワイヤ７が昇降自在、かつ、回転自在に吊り下げられている。また、チャンバ２の外側には半導体融液の対流を抑制するカスプ磁場を印加する電磁石８，９が設置されている。
【０００４】
従来の単結晶製造方法は、炉上部からアルゴンガスを供給しつつ、上方より種結晶を半導体融液に浸漬させ、石英ルツボ３を回転させながら種結晶を引き上げることにより、半導体の単結晶１３を得るものである。
単結晶の引き上げ中には、図１１に示すように、石英ルツボ３の壁面と半導体融液が反応して、半導体融液内に酸素が溶出するが、電磁石８，９によってカスプ磁場１１（破線で示す）が印加されると、石英ルツボ３の底面及び側面の両方に直角な磁界成分が加わるため、石英ルツボ３内壁付近の対流が抑制される。言い換えれば、溶解した酸素が石英ルツボ３の壁面付近に滞留するため、さらなる酸素の溶解が起こり難くなる。また、酸素を比較的高濃度に含む融液の結晶直下への流入を抑制する。
【０００５】
このように、カスプ磁場１１を印加させることで、単結晶中の酸素濃度を低減することができる。
尚、単結晶の成長に伴って半導体融液の固液界面１２の位置が低下するのを補うように図１２に示すように石英ルツボ３が下軸６により上昇するようになっている。この種の技術としては、例えば、特許第２７０６１６５号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、図１１，１２に示すように、上下方向の磁場中心を固液界面１２に位置させた状態で単結晶１３の引き上げを行うようにしているため、融液の中心部（結晶直下）は低磁界領域となる。
【０００７】
したがって、上記のように酸素濃度を低減させる点では有利である反面、融液対流による温度振動の顕著化を抑制できないため、同じ石英ルツボ３に横磁場を印加した場合に比較して径制御が困難になり（特にシード工程）、単結晶化率が低下するという問題がある。とりわけ、石英ルツボ３が大容量化している今日では温度振動をなくして単結晶化率を向上できる単結晶製造方法が要望されてきている。
そこで、この発明は、とりわけ、大口径ルツボによるカスプ磁界下での結晶成長において、融液対流による温度振動を防止して単結晶化率を向上させることができる単結晶製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明における第１の発明は、カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記上下方向の磁場中心を徐々に固液界面に移動することを特徴とする。
【０００９】
このように構成することで、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、温度振動を防止することで単結晶化率を向上させることができる条件（上記磁場中心位置、及び、磁場強度条件）で引き上げを行い、単結晶がボトム部付近に到達したら、転位が起きないような条件（磁場中心を固液界面に設定する）で引き上げを行う。
【００１０】
本発明の第２の発明は、カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上側の電磁石と下側の電磁石とのコイル電流を一致させた状態で上側の電磁石と下側の電磁石との上下方向の中間レベル位置を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記中間レベル位置を徐々に固液界面に移動することを特徴とする。
【００１１】
このように構成することで、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、例えば、上下同じ電磁石で、かつ、コイル電流を同じにして、両電磁石の位置を下げることにより上下の磁場中心を固液界面から下方にずらすことができ、単結晶がボトム部付近に到達したら、両電磁石の位置を上げることで磁場中心を固液界面に移動することが可能となる。
【００１２】
本発明の第３の発明は、カスプ磁場下におかれたルツボ内の半導体融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、上側の電磁石と下側の電磁石とのコイル電流に差を持たせることにより上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらし、かつ、固液界面の磁界強度を５００ガウス以上に設定した状態で引き上げを行い、固液界面が単結晶の胴部とボトム部との境界部分にさしかかったら上記上下方向の磁場中心を上下の電磁石のコイル電流を変化させることによって徐々に固液界面に移動することを特徴とする。
【００１３】
このように構成することで、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、例えば、上下同じ電磁石で、かつ、コイル電流を下側の電磁石の方を小さくすることで上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらすことができ、単結晶がボトム部付近に到達したら、下側の電磁石のコイル電流を徐々に増加させることにより上下方向の磁場中心を固液界面に移動することが可能となる。
【００１４】
本発明の第４の発明は、上記固液界面位置から下方にずらした上下方向の磁場中心のオフセット量をルツボ内径の４．０％±２．５％に設定したことを特徴とする。オフセット量を上記値、最適にはルツボ内径の４．０％に設定することで、単結晶の胴体部の単結晶化率を高めることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。尚、以下の説明において、この実施形態の単結晶製造方法に使用される単結晶引き上げ装置の基本的構造は従来技術と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明する。
【００１６】
第１実施形態を図１ないし図５によって説明する。図１において、石英ルツボ３周囲の電磁石８，９により石英ルツボ３内の半導体融液をカスプ磁場１１下におく。ここで電磁石８，９は同一のものを使用している。このとき、上下方向の磁場中心ｐを固液界面１２から下方にずらしておく。尚、磁場中心ｐは上側の電磁石８と下側の電磁石９との上下方向の中間レベル位置であり、磁界強度０位置である。ここで、磁場中心ｐを固液界面１２から下方にずらすオフセット量ｄは、ルツボ径の４．０％±２．５％（最適には４．０％）、例えば、３２インチ径の石英ルツボ３を使用する場合、石英ルツボ３の内径が７９０ｍｍであるのでその４．０％±２．５である３０ｍｍ±２０ｍｍ（最適には３０ｍｍ）とする。また、固液界面１２の石英ルツボ側壁における磁界強度を１０００ガウスに設定する。この状態で従来と同様に引き上げ作業を行う。
【００１７】
そして、単結晶１３の胴体部１３Ａの引き上げが終わり固液界面１２が単結晶１３のボトム部１３Ｂ付近、具体的には、図２、図３に示すように単結晶１３の胴部１３Ａとボトム部１３Ｂとの境界部分にさしかかったら（図３参照）、電磁石８，９を石英ルツボ３に対して徐々に上昇させ、上記上下方向の磁場中心ｐを徐々に固液界面１２に移動し、単結晶１３のボトム部１３Ｂの直径が胴体部１３Ａの直径Ｄの半分（１／２・Ｄ）になったときに（図４参照）、上下方向の磁場中心ｐが固液界面１２に位置させるようにする。そして、その後さらに単結晶１３を引き上げる（図５参照）。
【００１８】
このように構成することで、単結晶１３がボトム部１３Ｂ付近にさしかかるまでは、結晶が固化する固液界面１２における温度振動を確実に防止して単結晶化率を向上させることができ、単結晶１３がボトム部１３Ｂ付近に到達したら、有転位化させずに引き上げを行うことができる。
【００１９】
具体的な実験結果を表１、表２に示す。
表１は、単結晶化率とカスプ磁場０ガウス位置の依存性についての実験結果である。
【００２０】
【表１】
0003758381.tif 000002
【００２１】
実験条件
ルツボ径：３２インチ、チャージ：１８０Ｋｇ、シード回転数：１０ｒｐｍ
ルツボ回転数：５ｒｐｍ、アルゴンガス流量：９０Ｌ／ｍｉｎ
炉内圧：１５Ｔｏｒｒ
上記実験の結果、固液界面１２から−３０ｍｍの位置で磁界強度を０にし、かつ、固液界面レベルの石英ルツボ側壁における磁界強度が１０００ガウスの場合に最高の単結晶率比０．８９を確保することができた。尚。この単結晶化率比は後述する表２の横磁場の場合を１としたときの単結晶化率の比である。
【００２２】
ここで、固液界面１２から０ｍｍの場合では、上記と同様に磁界強度１０００ガウスにおいては単結晶化率比０．６２であり、固液界面１２から−３０ｍｍの場合に比べると低い値になるが、その内容を調べると、１５本中でボトム部１３Ｂ終了まで単結晶化が成立したのは（ボトム○数）５本であった。また、このとき胴体部１３Ａが単結晶化した数は７本であった。
これに比べ、磁界強度０位置が固液界面１２から−３０ｍｍの場合では、１６本中でボトム○数は１本であった。また、このとき胴体部１３Ａが単結晶化した数は１２本であった。
【００２３】
これにより単結晶１３の胴体部１３Ａを製造する場合には、磁界強度０位置を固液界面１２から−３０ｍｍの位置として製造し、単結晶１３のボトム部１３Ｂを製造する場合には、磁界強度０位置を固液界面１２から０ｍｍの位置（固液界面上）として製造することが、単結晶化率を最大にできることが判明した。
表２は、単結晶化率と温度振動の依存性についての実験結果である。
【００２４】
【表２】
0003758381.tif 000003
【００２５】
実験条件
５０００ガウス（０．５Ｔ）の横磁場下でルツボ回転数（ＣＲ）１の場合と、１０００ガウス（０．１Ｔ）のカスプ磁場下でルツボ回転数（ＣＲ）５の場合について比較した。尚、カスプ磁場においては表１のように磁界強度０の位置を変えた場合（０，−３０，＋３０ｍｍ）について実験した。ここで、ルツボ径等のデータは前記実験のものと同様である。尚、本発明の場合については後述する。
【００２６】
融液温度の標準偏差は、石英ルツボ３の中心部と結晶端部について測定した。単結晶化率比は横磁場とカスプ磁場における３つのケースについて、横磁場の場合を１として測定した。
ボトム部１３Ｂまで無転位でボトム成長中に有転位化する確率についても横磁場とカスプ磁場における３つのケースについて測定を行った。
ここで、上記標準偏差は以下の式によって求めた。
（（ｎΣｘ2−（Σｘ）2）／ｎ2）1/2
また、測定は、０．１ｓｅｃ間隔で４１０ｓｅｃ行われた。
【００２７】
この実験によれば、磁界強度０の位置を−３０ｍｍとした場合が温度分布のばらつきが少ないことが判明した。すなわち、石英ルツボ３の中心部だけをみると、磁界強度０の位置を＋３０ｍｍとした場合が一番ばらつきが小さいが、φ３００ｍｍ結晶の端部を含めてトータルで考えると、磁界強度０の位置を−３０ｍｍとした場合が最適なのである。
そして、ボトム部１３Ｂまで無転位でボトム成長中に有転位化する確率では圧倒的に磁界強度０の位置を−３０ｍｍとした場合が有利であることが判明した。ここで、この磁界強度０の位置を−３０ｍｍとした場合については、固液界面１２がボトム部１３Ｂにさしかかったとき（図３の状態）から徐々に磁界強度０位置を固液界面１２に移動させ、胴体部１３Ａの直径Ｄの半分になったとき（図４の状態）に磁界強度０位置が固液界面１２に整合するようにしている。
このようにして、単結晶化率を高めると共にボトム部１３Ｂまで有転位化が起きないようにできるのである。
【００２８】
次に、第２実施形態について説明する。
この実施形態は、カスプ磁界を発生させる電磁石８，９の位置を変えないで、電磁石の電流値を変化させることで、上記第１実施形態と同様に、単結晶１３がボトム部１３Ｂにさしかかったら、固液界面の磁界強度を０に近づけるようにしたものである。
【００２９】
具体的に、使用されるルツボの寸法、及び、電磁石８，９の配置等について説明する。図６において、ルツボは高さＨ＝４５０ｍｍ、直径Ｒ０＝８１３ｍｍ、小半径Ｒ１＝１６０ｍｍ、大半径Ｒ２＝８１３ｍｍ、メルト重量ＭＬ＝２５０Ｋｇ、メルト深さＭＤ＝２４９．６ｍｍである。
また、電磁石の基準位置における配置寸法は、図７に示すように固液界面１２よりも上方１４０ｍｍの位置に上側の電磁石８のクライオスタットの下面が、また、固液界面１２よりも下方１４０ｍｍの位置に下側の電磁石９のクライオスタット上面が位置しており、配置内径は１６４０ｍｍになっている。尚、電磁石のクライオスタットの高さは３５５ｍｍ、幅は１２０ｍｍである。
【００３０】
このような電磁石８，９を使用して、電磁石８，９の電流を上下で異ならせることによって、石英ルツボ３内に作用する磁力成分を変化させることができる点について説明する。
まず、後述する図９の参考例として上下の電磁石８，９のコイル電流を同じ値にし、かつ、コイル位置を下げた場合の磁界強度の分布を図８に示す。図８において上下の電磁石８，９のコイル電流は同様の５０００Ａであり、電磁石８，９のコイル位置は固液界面１２から−３０ｍｍの位置に設定されている。このとき、カスプ磁界０ガウス位置は十分に石英ルツボ３内の固液界面１２から−３０ｍｍに位置し、固液界面１２付近の磁界強度は５２８．６ガウス（５００ガウス以上）となる。
【００３１】
次に、図９においては、上側の電磁石８のコイル電流を５０００Ａ、下側の電磁石９のコイル電流を上側の電磁石よりも小さい４７００Ａとし、電磁石８，９のコイル位置を固液界面１２上に設定すると、等磁界強度の分布はコイル電流が上下でアンバランスであるため、カスプ磁界０ガウス位置はコイル電流が少ない下側の電磁石９の方に歪むようにして沈み込む。このとき、カスプ磁界０ガウス位置は十分に石英ルツボ３内の固液界面１２から−３０ｍｍに位置し、固液界面１２付近の磁界強度の絶対値は５２８．６ガウス（５００ガウス以上）となる。
【００３２】
したがって、図９に示すような電磁石８と電磁石９を用いて、単結晶１３の胴体部１３Ａについては、カスプ磁界０ガウス位置を石英ルツボ３内−３０ｍｍに位置させておき、ボトム部１３Ｂにさしかかったら、例えば、下側の電磁石９のコイル電流を５０００Ａに近づけるようにすることでカスプ磁界０ガウス位置を固液界面１２に移動させることが可能となるのである。
よって、この実施形態によれば、電磁石８，９のコイル電流値を変化させることで、カスプ磁界０ガウス位置を調整できるため、電磁石８，９自体を上下させる場合に比較して装置の複雑化を回避できる。
本発明の実施形態として、図９に示す電磁石８，９仕様で単結晶の引き上げ終期に磁場変更によって固液界面の磁場強度を０にするようにした場合について実験してみると、表２に示すように、単結晶化率においても、ボトム部まで無転位でボトム成長中に有転位化する確率においても優れている結果が得られた。
ここで、図８は実際の磁場強度を示す例として開示したが、この図８に示すような電磁石８，９の仕様は第１実施形態において利用可能である。
【００３３】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、上下の電磁石の上下方向の移動と、上下の電磁石のコイル電流の変化を組み合わせることにより、固液界面付近の磁界強度をコントロールするようにしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明における第１の発明によれば、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、温度振動を防止することで単結晶化率を向上させることができる条件（上記磁場中心位置、及び、磁場強度条件）で引き上げを行い、単結晶がボトム部付近に到達したら、転位が起きないような条件（磁場中心を固液界面に設定する）で引き上げを行うことができるため、ボトム部における転位による結晶欠陥の発生（有転位化）を抑えつつ、温度振動を効果的に抑制して単結晶全体としての単結晶化率を高めることができる効果がある。
【００３５】
本発明における第２の発明によれば、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、例えば、上下同じ電磁石で、かつ、コイル電流を同じにして、両電磁石の位置を下げることにより上下の磁場中心を固液界面から下方にずらすことができ、単結晶がボトム部付近に到達したら、両電磁石の位置を上げることで磁場中心を固液界面に移動することが可能となるため、電磁石の単純な上下動で単結晶化率を高めることができる効果がある。
【００３６】
本発明における第３の発明によれば、単結晶がボトム部付近にさしかかるまでは、例えば、上下同じ電磁石で、かつ、コイル電流を下側の電磁石の方を小さくすることで上下方向の磁場中心を固液界面から下方にずらすことができ、単結晶がボトム部付近にさしかかったら、下側の電磁石のコイル電流を徐々に増加させることにより上下方向の磁場中心を固液界面に移動することが可能となるため、電磁石を上下させるための機械的な装置が必要なく、装置の複雑化を回避できる効果がある。
【００３７】
本発明における第４の発明によれば、オフセット量をルツボ内径の４．０％±２．５％に設定することで、単結晶の胴体部の単結晶化率を高めることが可能となるため、温度振動を効果的に抑制し単結晶化率を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１実施形態の説明図である。
【図２】  図１の単結晶をボトム部付近まで引き上げた状態を示す説明図である。
【図３】  図２の要部拡大図である。
【図４】  図３から更に引き上げた状態を示す説明図である。
【図５】  引き上げ終了状態を示す図１に相当する説明図である。
【図６】  石英ルツボの寸法図である。
【図７】  電磁石の配置を示す寸法図である。
【図８】  上下の電磁石の磁界強度を同じにした状態のカスプ磁界の等磁界強度の分布を示す説明図である。
【図９】  上下の電磁石の磁界強度を変えた状態のカスプ磁界の等磁界強度の分布を示す説明図である。
【図１０】  従来技術の単結晶引き上げ装置の全体説明図である。
【図１１】  従来技術の単結晶の引き上げ初期の説明図である。
【図１２】  従来技術の単結晶の引き上げ終期の説明図である。
【符号の説明】
３  石英ルツボ
８  上側の電磁石
９  下側の電磁石
１２  固液界面
１３  単結晶
１３Ｂ  ボトム部
ｄ  オフセット量
ｐ  磁場中心
【図１】
0003758381.tif 000004
【図２】
0003758381.tif 000005
【図３】
0003758381.tif 000006
【図４】
0003758381.tif 000007
【図５】
0003758381.tif 000008
【図６】
0003758381.tif 000009
【図７】
0003758381.tif 000010
【図８】
0003758381.tif 000011
【図９】
0003758381.tif 000012
【図１０】
0003758381.tif 000013
【図１１】
0003758381.tif 000014
【図１２】
0003758381.tif 000015