JPH03199193A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は原料添加を行ないながら、回転中」二げ法によ
ってシリコン単結晶を育成する方法に関するものである
。

［従来の技術］ シリコン単結晶体の製造方法として、坩堝内の融液から
結晶を成長させつつ引上げるチョクラルスキー法（ＣＺ
法）が広く行なわれている。

従来、ＣＺ法によりシリコン単結晶体を製造する場合、
通常、目的とする導電型と抵抗値に応じてドーパントの
必要量を秤量し、原料シリコンと混合し同時溶融する方
法がとられている。これよりシリコン単結晶体を引上げ
ると、添加したリン、硼素、アンチモン、砒素などドー
パントの偏析係数が１よりも小さいため、引上げが進む
につれて融液中のドーパント濃度が大きくなる。このた
めシリコン単結晶体中に含まれるドーパント濃度は単結
晶体の頂部側で小さく、末端部側で大きくなり、抵抗値
は頂部から末端部へ向って漸次減少するものとなり、所
望の抵抗値を有するシリコンウェハはシリコン単結晶体
のごく一部からしか得られず、歩留りが悪いものであっ
た。

このような観点から、単結晶引上げ操作時に、坩堝に多
結晶シリコン原料およびドーパントを引上げ量に応じて
補給しながら、単結晶体を連続的に引上げる方法が提唱
されている。このような方法によれば、理論的には、単
結晶引上げ操作時の融液中のドーパント濃度を一定に保
つことができ、得られるシリコン単結晶体の抵抗値分布
が小さくなり、目的とするデバイスに適したウェハの歩
留りが良好になることが考えられる。また、ドーパント
を添加しない場合においても、多結晶シリコン原料を供
給しつつ連続的に引」二げを行うと、引上げ条件を一定
に保つことが出来るので、長さ方向の抵抗率以外の特性
、例えば酸素濃度が−様な長尺単結晶が得られる。しか
しながら実際には、従来の単結晶引上げ装置において単
結晶引上げ操作時に坩堝内に原料を供給すると、融液の
対流が乱される、未溶融の原料が凝固ゾーンに到達する
などによって、引上げ単結晶の有転位化、多結晶化を招
く結果となってしまう。また原料添加による融液の温度
変動も大きくなり、成長精品の品質の均一性が低下して
しまう。

さらに最近では、このような単結晶体の連続引上げ方法
において、上記のごとき原料の補給に起因する引上げ単
結晶の有転位化、多結晶化を防止するために、一部に貫
通部を有する隔壁を坩堝内に配するなどして、坩堝を２
重構造とすることも提唱されている（例えば、特開昭５
６−８８８９６号、特開昭５８−１３０１９５号、特表
昭６２−５０２７９３号、特開昭５８−３６９９７号な
ど）。さらに実際にこのような２重構造の坩堝を何する
引上げ装置を用いてシリコン単結晶を作製した場合の単
結晶の特性あるいは融液中の温度分布なども報告されて
いる（例えば、１９８９年秋朋応用物理学会、２９ａ−
Ｖ−１“連続フィード法によるＳｉ単結昂の育成”、大
阪チタニウム製造■　叩石義弘ら、１９８９年　日本語
１’７１成長学会　バルク成長分科会、２９ａ−Ｖ−７
“２重ルツボ法におけるＳｉ融液とルツボの熱流動数値
解析”、三菱金属■中央研究所　小野直材ら）。

確かに、このように坩堝内に隔壁を設けて、坩堝内を単
結晶を引上げる凝固ゾーンと添加された原料を溶融する
溶融ゾーンとに区画すれば、溶融ゾーンに補充された原
料の落下により凝固ゾーン中の融液の液面が波立つこと
、未溶融の原料が凝固ゾーンに到達すること、凝固ゾー
ンの融液の温度が変化することなど原料供給に伴う外乱
が小さくなり、上記報告などにも見られるように単結晶
の何転位化、多結晶化を招く虞れはある程度低くなるも
のと考えられる。

［発四が解決しようとする課題］ ところでこのようなシリコン単結晶の引上げ操作におけ
る結晶成長速度は、シリコン単結晶のデバイス製造プロ
セスにおける酸化熱処理で発生する酸化誘起積層欠陥（
以下、Ｏ３Ｆと称する。）と密接な関連があることは広
く知られており（例えば、星　金治ら、ＮＩＫＫＥＩ　
ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ　１９８６年７月号、第８７
〜１０８頁）、Ｏ８Ｆの発生し難いシリコン単結晶を製
造するには結晶成長速度をある程度以上速いものとしな
ければならない。

従って、このように２重構造の坩堝を用いて原料の連続
添加を行ないながらシリコン単結晶を引」二げる場合に
おいて、Ｏ３Ｆの発生の抑制に十分な結晶成長速度を確
保するには、その成長速度に見合った量の原料添加とそ
の溶解が必要となる。

従来、このような２重構造の坩堝を用いた単結晶引上げ
方法において、引上げられる単結晶の多くは、その直径
が４インチ程度のもので９あったが、例えばその直径が
５インチ、６インチと大径化した場合、従来の２重坩堝
においては、それに伴ない増加する原料添加量を溶融ゾ
ーンで十分に溶解することが困難となることが一１′−
想された。溶融ゾーンにおける溶解能が不十分であると
、添加原料の未溶融物が坩堝内に堆積し、引上げの続行
が不珂能になるために、その解決が待たれるものであっ
た。

従って本発明は、長さ方向において均一な抵抗率等の特
性を有し、酸化誘起積層欠陥の少ないシリコン無転拉単
結晶体を生産性良く製造することができる新規なシリコ
ン単結晶の製造装置および方法を提供することを目的と
するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記諸口的は、一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に
配して２重構造とした坩堝を有するシリコン単結晶の引
上げ装置において、坩堝内の前記環状隔壁よりも外方の
部位の断面積を９００ｃｍ２以上としたことを特徴とす
るシリコン単結晶の引上げ装置によって達成される。

上記諸口的はまた、一部に貫通部を有する環状隔壁を内
部に配して２重構造とした坩堝において、原料を溶融し
てなる融液を形成し、前記環状隔壁より内方において融
液に種結晶を接触させ引上げてシリコン単結晶体を成長
させつつ、前記環状隔壁よりも外方において原料を補充
し連続的にシリコン単結晶体を引上げる方法において、
坩堝内の前記環状隔壁よりも外方の部位の断面積を９０
０ｃｍ２以上としたことを特徴とするシリコン単結晶の
製造方法によっても達成される。

［作用］ このように本発明においては、原料添加による温度変動
、添加した原料の結晶への付着等による有転位化防止の
ために一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に配して２
重構造とした構成を有する坩堝において、その溶融ゾー
ンとなる坩堝内の該環状隔壁よりも外方の部位の断面積
を所定面積以上のものに比定することで、シリコン単結
晶の引上げ操作時において、該部位に添加された原料の
溶解性を向上させ、十分な語呂成長速度を確保するもの
である。なお、本発明において原料は必要に応じてドー
パントを含む。

以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第１図は本発明のシリコン単結晶の引上げ装への一実施
態様の使用状態における構成を模式的に示すものである
。

第１図に示したシリコン単結晶引上げ装置１においては
、石英製坩堝２の内部に、石英製環状隔壁４が上部より
吊下げられて配されており、坩堝２の内部は２重構造と
されている。また、この環状隔壁４の下端部は坩堝２の
底部に接することなく適当な距離をおいて離間されてお
り、環状隔壁４の内方と外方との空間を連通ずる貫通部
３となされている。そして、前記環状隔壁４より内方が
、融液５に種結晶６を接触させ引上げてシリコン単結晶
体７を成長させる凝固ゾーン８とされ、一方、前記環状
隔壁４より外方が、原料供給用管１０より補充される原
料を溶融する溶融ゾーンつとされている。

しかして本発明のシリコン単結晶の引上げ装置において
は、この溶融ゾーン９、すなわち、坩堝２内の前記環状
隔壁４よりも外方の部位の断面積を９００ｃｍ２以上と
するものである。なお、第２図においてはこの溶融ゾー
ン９の断面積部を斜線にて示す。

本発明のシリコン単結晶の引上げ装置において、溶融ゾ
ーン９の断面積を９００　ｃ　ｍ２以上としたのは次の
ような理由による。

すなわち、第３図は、我々が実際に行なった実験結果に
基づく単結晶引上げ速度とＯ８Ｆ発生比（引上げた単結
晶より得られるウェハのうちＯ３Ｆが発生したウェハの
比）との関係を示すグラフであるが、この結果からも明
らかなように、Ｏ８Ｆの発生し難い単結晶を得るために
は、少なくとも単結晶引上げ速度を１．１ｍｍ／分以上
としなければならない。例えば、直径６インチ以上の単
結晶を育成しようとすれば、その成長重量は５０ｇ／分
以上となる。この成長重量に見合う量の原料を坩堝２の
溶融ゾーン９に添加した場合に、これを溶解するのに十
分な溶解能を溶融ゾーン９に付与するために、各挿検討
を行なった結果、溶融ゾーン９の溶解能と溶融ゾーン９
の断面積とに相関関係があることに着目し、第４図に示
す実験結果からも明らかなように溶融ゾーン９の断面積
を９００ｃｍ２以上とすれば、溶融ゾーン９における原
料溶解速度が５０ｇ／分以上と十分なものとなるという
結論に達したものである。なお、第４図は坩堝２内のシ
リコン融液５の温度を妓外周部位において１４９０℃、
中心部位において１４１５℃に設定し、坩堝２内に配さ
れる環状隔壁４の外径を変化させて溶融ゾーン９の断面
積を変え、溶融ゾーン９に添加された原料の各融液面面
積における溶解能を測定した結果を表すものである。

また融液の温度を高くすることにより原料の溶解速度は
向上すると考えられるが、石英坩堝の劣化の問題があり
、実際問題として最外周部位の融液温度を上記の１４９
０℃よりも高くすることは困難である。

上記のような構成を有する引上げ装置１を用いてドーパ
ントを添加したシリコン単結晶体７を引上げるには例え
ば以下のようにして行なわれる。

シリコン単結晶体７の引上げに先立ち、まず前記坩堝２
内に多結晶シリコン原料および所定量のドーパントを装
填し、この原料を筒状ヒーター１１による加熱によって
溶融して、融液５を形成する。なお、このようにして形
成される引上げ当初におけるシリコン融液５中のドーパ
ント濃度Ｃ６゜１−１１は、得ようとする単結晶体７の
目的の抵抗率ρ。に相当する理論ドーパント濃度Ｃｓ、
ｌの１／に倍とされる（但しｋはドーパントの偏析係数
である。）。

このように坩堝２内にシリコン融液５が形成された後、
引上げワイヤ１２を下降させ、引上げワイヤ１２先端に
取付は金具１３によって固定された柿結＋’ｒ＋　６を
、凝固ゾーン８において融液５に浸け、挿桔品６を引上
げて秤語呂６先端にシリコン単結晶体７を成長させる。

先端に成長していく結晶の径を絞る操作により無転位化
させた後、漸次融液温度を低くしであるいは引上げ速度
を減少させて成長結晶を所望する直径、例えば６インチ
まで拡径して行き、所望の直径となったら融液温度ある
いは引上げ速度を適宜制御しながら、この直径を保ちつ
つ所定の長さだけ単結晶体７を成長させる。なお、この
際のシリコン単結晶体７の成長速度は、育成されたシリ
コン単結晶体７をＯ８Ｆの発生し難いものとするために
、１．１ｍｍ／分以上、より好ましくは１．２ｍｍ／分
以−りとすることが望ましい。種結晶６より成長したシ
リコン単結晶体７の引上げと共に、融液５が引−Ｌげら
れた市量分だけ減少するので、引しげられた単結晶体７
の重量を引上げワイヤ捲取機１４に取付けられた重量分
析器（図示せず）により検知し、その情報に基づき原料
供給用管１０より多結晶シリコン原料およびドーパント
を、引−りげ重量に見合った量で補充する。前記したよ
うに、本発明においては、溶融ゾーン９が９００ｃｍ２
以上の断面積を有しているために、添加された原料はこ
の溶融ゾーン９において完全に溶融される。従って、溶
融ゾーン９に添加された原料が、未溶融のまま坩堝２内
に堆積したり、さらには凝固ゾーン８へ到達して単結晶
引上げを阻書することはなくなり、凝固ゾーン８からは
安定して単結晶体７が引上げられることとなる。なお、
このように単結晶引上げ撮作時に補充される原料におけ
るドーパント濃度Ｃ，は、得ようとする単結晶体７の目
的の抵抗率ρ。に相当する理論ドーパント濃度Ｃ１，１
に等しいものとされる。従って、単結品用−ヒげ量に応
じて多結晶シリコン原料およびドーパントを補充すれば
、融液５中から単結晶体７として引上げられ減少するド
ーパント量と補充されるドーパント量が等しくなるため
に、融液５中のドーパント濃度は単結晶引上げ操作を通
じてほぼ一定のものとなり、引上げられた単結晶体７は
長さ方向においてほぼ一定の抵抗率を何するものとなる
。

このようにして単結晶引上げ操作を続けて行き、引上げ
られた単結晶体７が所望の長さとなったら、従来の単結
晶引上げ方法におけるのと同様に、漸次融液温度を高く
するあるいは引上げ速度を増加させて成長結晶を縮径さ
せ、最終的に融液５の液面から成長した単結晶体７を離
すことにより結晶成長を終了させる。

なお、この実施態様においては、坩堝２内に環状隔壁４
を吊り下げて配し、環状隔壁４の下端部と坩堝２の底部
との間隙を、凝固ゾーン８と溶融ゾーン９とを連通ずる
貫通部３とした構成としているが、本発明において用い
られる坩堝の構造としてはこのようなものに駆足される
ものではなく、環状隔壁によって坩堝内が該環状隔壁よ
り内方の凝固ゾーンと外方の溶融ゾーンとに区画され、
かつこの隔壁の一部に両ゾーンを連通ずる貫通部が設け
られているものであればいずれでもよく、例えば、上記
実施態様以外にも、下端部の一部に切欠きを有するない
しは下端部近傍に貫通孔を有する環状隔壁を坩堝内に載
置する、あるいは同゛様の構造を有する環状隔壁を坩堝
の内底部より立設させて一体的に形成したような構成の
ものなどであってもよい。またこの実施態様においては
、ドーパントを添加したシリコン単結晶が育成されるも
のであるが、もちろん本発明はこのようなドーパントを
添加しないシリコン単結晶の育成においても同様に適用
できる。さらにこの実施態様において示したドーパント
の添加方法は、あくまでその−例であって、本発明はこ
のようなドーパントの添加方法には何ら限定されるもの
ではない。

なお、上述の実施態様においては、直径６インチ以上の
単結晶を育成する場合について、溶融ゾーン９の断面積
を９００ｃｍ２以上とすることを説明したが、例えば直
径８インチの単結晶体の場合は、引上げ速度を１．１ｍ
ｍ／分以−にとするには原料溶解速度が８７ｇ／分以上
となるので、第４図に示す関係から溶融ゾーン９の断面
積を１５７Ｑｃｍ２以上とすることが望ましい。

［実施例］ 以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

第１図に示すような構成の引上げ装置において、坩堝２
として内径５００ｍｍのものを用い、一方環状隔壁４と
して外径３５０ｍｍを用いて、溶融ゾーン９の断面積を
約１０００ｃｍ２とした。

この２重構造を有する坩堝２内に多結晶シリコン原料お
よびドーパントとしての硼素を所定量充填し、溶融して
融液５を形成した。そして、環状隔壁４内方の凝固ゾー
ン８より直径１５８ｍｍのシリコン単結晶を１．２ｍｍ
／分の引上げ速度で引上げる一方、環状隔壁４外方の溶
融ゾーン９には、引上げられた単結晶体７中に取り込ま
れていくドーパントの理論濃度と同濃度のドーパントを
配合したシリコン原料を、引上げられるシリコン単結晶
と同重量、すなわち約５５ｇ／分で原料供給用管１０よ
り連続添加した。なお、引上げ操作中、坩堝２はｇｒｐ
ｍにて回転させた。

その結果、引上げ操作中において未溶融の原料が坩堝２
内に堆積したり、引上げられる単結晶体７が右転位化し
てしまうことなく、安定して単結晶体７の引上げを行な
うことができた。そして、引上げられた単結晶体７の長
さが約８０ｃｍとなったところで、常法に基づき成長納
品を縮径させて融液５の液面から単結晶体７を切離し、
納品成長を終了した。

得られた単結晶体７の抵抗率ρとＵ的とする抵抗率ｐ。

との比を単結晶体７の長さ方向全体にわたり解析したと
ころｐ／ｐｎ−１からの変動幅は約５％であり、ドーパ
ントが単結晶体７の長さ方向において均一に分布してい
ることが叩らかとなった。さらにこの単結晶体７の谷部
位より切出したウェハを１１００℃で８０分間熱処理し
た後、ウェハ表層部を約２μｍエツチングして表面を光
学顕微鏡にて観察したところ、Ｏ８Ｆの発生は見られな
かった。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、一部に貫通部を有す
る環状隔壁を内部に配して２重構造とした坩堝内の溶融
ゾーンとなる前記環状隔壁よりも外方の部位の断面積を
９００ｃｍ２以上として、所望の速度でシリコン単結晶
の引上げつつ、その引上げ重量に見合う量の原料を該溶
融ゾーンに添加するものであるために、Ｏ３Ｆの発生し
難いシリコンの無転位単結晶を生産性よく製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリコン単結晶の引上げ装置の一実施
態様の使用状態における構成を模式的に示す図、第２図
は本発明において規定する坩堝の環状隔壁よりも外方の
部位の断面積部を示す図、第３図は単結晶成長速度とＯ
３Ｆの発生比との関係を示す図であり、また第４図は坩
堝の環状隔壁よりも外方の部位の断面積の大きさと原料
溶解速度との関係を示す図面である。 １・・・単結晶引上げ装置、２・・・石英製坩堝、３・
・・貫通部、４・・・環状隔壁、５・・・シリコン融液
、６・・・種結晶、７・・・シリコン単結晶体、８・・
・凝固ゾーン、９・・・溶融ゾーン、１０・・・原料供
給用管、１１・・・筒状ヒーター１２・・・引上げワイ
ヤ、１３・・・取付は金具、１４・・・引上げワイヤ捲
取機。 特許出廟人 新日本製鐵株式會社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に配して２
   重構造とした坩堝を有するシリコン単結晶の引上げ装置
   において、坩堝内の前記環状隔壁よりも外方の部位の断
   面積を９００ｃｍ＾２以上としたことを特徴とするシリ
   コン単結晶の引上げ装置。
2. （２）一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に配して２
   重構造とした坩堝において、原料を溶融してなる融液を
   形成し、前記環状隔壁より内方において融液に種結晶を
   接触させ引上げてシリコン単結晶体を成長させつつ、前
   記環状隔壁よりも外方において原料を補充し連続的にシ
   リコン単結晶体を引上げる方法において、坩堝内の前記
   環状隔壁よりも外方の部位の断面積を９００ｃｍ＾２以
   上としたことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。