JPH0321515B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、チヨコラルスキー法でシリコン単結
晶棒を引き上げる際に、種およびるつぼの回転速
度の大きさおよび相対的な方向の向きを変化させ
ることによつて単結晶棒中の酸素の濃度および分
布を調整する方法に関する。別の面では、本発明
はチヨコラルスキー法でシリコン棒を成長させる
際にるつぼの回転速度を結晶棒の成長と溶融体の
消費との関数としてあらかじめ選んだ値まで増大
させることによつて、シリコン棒中の酸素の軸方
向および半径方向の分布を均一にする方法に関す
る。さらに別の面では、本発明は、チヨコラルス
キー法でシリコン棒を成長させる際に、種とるつ
ぼの初めの回転速度の大きさおよび方向を選ぶこ
とによつて種々の量の酸素をシリコン棒に導入す
る方法に関する。

シリコン等の材料から単結晶を製造すること
は、半導体技術において重要な役割を演ずる。シ
リコン結晶を成長させる適切な方法としてチヨコ
ラルスキー法が知られており、この方法では所望
の結晶配向を有する種結晶をシリコン材料の溶融
体に導く。シリコンの溶融体はある種のドープ剤
を含む場合もあり、シリコンの電気特性を変える
ためにドープ剤を導入することは周知のとおりで
ある。溶融体はシリカ製のるつぼまたは容器に含
まれ、それを加熱してシリコン溶融体をその融点
または融点より少し高い温度にする。種結晶はア
ルゴン等の不活性雰囲気中で溶融体からゆつくり
引き出され、種結晶にシリコンが付着することに
よつて結晶棒が成長する。一般に、チヨコラルス
キー法はエレクトロニクス産業用のシリコン単結
晶を製造するのに使用される。円柱状の結晶は結
晶を回転させながら引き上げることによつて製造
される。るつぼは普通反対の方向に回転される
が、これは成長環境において熱的な対称性を保証
するためである。引き出し速度と加熱手段への電
力とをまず初めに調節して、結晶のネツクダウン
を生じさせる。こうすれば、種結晶が溶融体に初
めて接触するときに起こる熱的な衝撃によつて生
じる転位は取り除かれる。次いで引き出し速度と
加熱用電力を調節して、結晶の直径を円錐状に増
大させ所望の結晶直径にする。次いで引き出し速
度と加熱を調節して一定の直径を維持し、処理の
終りに近づいた時に引き出し速度と加熱を再び調
節して直径を減少させ、チヨコラルスキー棒
（Czochralski rod）の端部に円錐形の部分をつ
くる。

一般に、チヨコラルスキー法を用いる工学的な
方法では、引き上げられるシリコン結晶の大きさ
および体積がるつぼ内にある溶融体の量に制限さ
れる。

シリコン溶融体の温度（約1400℃）において
は、溶融体に接するシリカ製るつぼの表面が溶解
して一酸化珪素SiOを生成させ、これが溶融体に
入り溶融体の表面から蒸発する。SiOは溶融体
に、したがつて引き上げられる結晶中に入りこむ
酸素の主な源である。

シリカに含まれる溶融体から成長させたシリコ
ン結晶は一般に、ASTM規格Ｆ−121によつて測
定して約10〜50原子ppm（ppma）の酸素濃度を
有する。シリカ製るつぼからの酸素は溶融シリコ
ンと反応してSiOを生じさせ、これが溶融体に溶
ける。溶けたSiOの一部分は成長する結晶中に取
りこまれる。現在工業界で一般に用いられている
チヨコラルスキー条件（Czochralski
conditions）のもとで成長させたシリコン結晶中
の酸素濃度は均一ではなく結晶の長さに沿つて変
化し、例えば、種端部では結晶の中心部および／
または底部または中子端部（tang end）におけ
るよりも高い。１つのシリコン結晶棒中の酸素濃
度の最大と最小の差は一般に10ppmまたはそれ以
上であり、これは30％またはそれ以上の酸素濃度
差を構成する。

チヨコラルスキー法で成長させたシリコン中の
酸素は最近まで長い間多かれ少なかれ望ましくな
い不純物とみなされてきたが、酸素は適当な熱処
理によつて電気的に不活性にすることができるの
でその存在は重大な関心事ではなかつた。しかし
ながら、酸素は、現代のシリコン技術を象徴する
拡散および熱処理を結晶に施すときに、固溶体か
ら析出したり他の不純物または格子欠陥と反応し
てミクロ欠陥を生じさせる傾向がある。このよう
なミクロ欠陥は、固体電子素子の歩留りに対して
有益にも有害にもなり得るもので、そのいずれに
なるかは、酸素濃度と結晶（またはウエーハ）に
施す処理工程とによる。したがつて、歩留りを増
大させるためには、特定の酸素含有量および分布
を有するシリコン結晶を成長させることがますま
す望ましく且つ必要になつてきている。

チヨコラルスキー法で成長させるシリコン結晶
中の酸素濃度を高める方法で特許およびその他の
文献に記載されている方法では、例えば、チヨコ
ラルスキー法の作業中にるつぼの回転の停止およ
び開始を数回行なつて溶融体−るつぼ界面に流体
剪断（fluid shearing）を与える。別の周知の方
法では、チヨコラルスキー法で製造されるシリコ
ンの酸素含有量を高くするために、シリカ製るつ
ぼの溶融体と接する部分の表面特性を変えて結晶
引き上げ作業中に溶融体の酸素濃度を増大させ
る。さらに別の方法では、酸素濃度を低くするた
めに、結晶の回転を初めは低速で行ない次いでチ
ヨコラルスキー法による引き上げの間に比較的に
ゆつくり加速する。

以上のすべての方法を評価したところいずれも
何らかの点で不十分であることがわかつた。得ら
れる酸素濃度の範囲は、比較的に高い酸素濃度に
限られ、しかも／または、所望の均一な軸方向の
酸素濃度分布をうまくつくることができないよう
である。本発明により、チヨコラルスキー法で製
造されるシリコン棒中の酸素を広い濃度範囲（約
15ppmaから40ppm以上まで）で調整することが
見込まれ、大いに改善された均一な軸方向の酸素
分布が得られる。

本発明によれば、シリカ製るつぼ内に含まれる
シリコン溶融体に対する種結晶の作用から引き上
げられるシリコン結晶棒中の酸素含有量およびそ
の分布を調整する方法が提供される。本発明によ
る調整方法を行なうには種およびるつぼの回転速
度の大きさおよび相対的な方向の向きを変化させ
て酸素含有量の水準ばかりでなく酸素含有量の均
一な分布を生じさせる。

本発明の１つの実施態様においては、チヨコラ
ルスキー法で成長させるシリコン種結晶棒中の分
布を行なう際に、種結晶棒を溶融体用るつぼの回
転よりも大きな回転速度でしかも反対の方向に回
転させながら溶融体から引き上げ、しかもるつぼ
の溶融体の量が減るにつれてるつぼの回転速度を
増大させて、チヨコラルスキー法で成長させたシ
リコン棒中の酸素含有量の分布を調整する。

本発明の別の実施態様においては、酸素濃度は
チヨコラルスキー法用の種およびるつぼの回転の
最初の大きさおよび相対的な方向を通じて調整さ
れ、均一な酸素濃度分布を得るために、るつぼの
回転速度を増大させるとともに種棒の回転速度を
増大するるつぼの回転速度が達するよりも高い値
に一定に保持する。

本発明のさらに別の実施態様においては、酸素
濃度および分布を調整する利益を得るために、チ
ヨコラルスキー法による棒製作業中にるつぼの回
転速度を増大させるとともに種棒の回転速度をる
つぼの回転速度より大きな値にしつつ変化させ
る。

本発明の前記およびその他の目的、特徴および
利益は、本発明の好ましい実施態様のさらに詳し
い以下の説明から明らかになるであろう。

上に述べたように、シリコン等の半導体材料の
単結晶を成長させるのに普通用いられる１つの方
法であるチヨコラルスキー法では、単結晶を引き
上げるもとになる非常に純粋なシリコンを装入材
料としてシリカ製るつぼの中に置く。チヨコラル
スキー法およびその方法で製造された製品の研究
開発は、チヨコラルスキー法によるシリコン結晶
中の酸素含有量および分布が成長速度、結晶の直
径、るつぼの直径、溶融体の深さ等の作業パラメ
ータに依存するだけでなくるつぼおよび結晶の回
転速度に依存することを示した。

酸素濃度の回転速度への依存は複雑であり、回
転速度の大きさと相対的な向きとの両方に依存す
ることがわかつた。一般に、対向回転でしかも種
がるつぼより速く回転する場合には酸素濃度は結
晶の回転速度とるつぼの回転速度のどちらが増し
ても高くなるが、特にるつぼの回転速度に対して
敏感である。等方向回転（isorotations）でも対
向回転でも、るつぼが結晶より速く回転するとき
には酸素濃度が低くなる。これらの効果は、第１
図に示した分布曲線で図解で説明される。第１図
では結晶第１〜４番について結晶およびるつぼの
回転速度をrpmで示し、CW（時計方向）および
CCW（反時計方向）の回転で確認する。第１図に
よれば、本発明によらない結晶第１番は約
32ppmaの高い頭部濃度を示すが、酸素濃度勾配
は悪く、尾部酸素濃度は約14ppmaである。結晶
第１番を製造するチヨコラルスキー法は結晶の回
転速度がるつぼの回転速度より小さくしかも回転
が同じ方向である例を示すが、このような教えは
本発明による方法に反する。第１図の結晶のいず
れも、例えば工業的に用いられる方法にいくらか
合わせた第４番も、均一な酸素濃度勾配を与えな
い。第１図のグラフは特に対向回転態様において
は、回転速度が大きいほど酸素濃度が高いことを
はつきり示している。

チヨコラルスキー法によつて製造されたシリコ
ン結晶は不純物として酸素を含み、その量は頭部
での約50ppmaから尾部での約10ppmaまでであ
ることがわかつた。この酸素量は、高温の溶融体
とるつぼのシリカ表面との接触により一酸化珪素
が生じて酸素が溶融体中に導かれることに起因す
る。溶融体の酸素濃度は初めはほぼ飽和している
と考えられる。酸素の濃度は、るつぼの表面の溶
解速度が小さいために結晶の引き上げ作業中に明
らかに減少する。溶解速度がこのように小さいの
は、主として、溶融シリコンをるつぼから引き出
すときにシリコンとシリカとの接触面積が小さい
からである。種から尾部までの酸素濃度は、シリ
コン棒の全体にわたつて約20〜40ppmaの酸素濃
度範囲内で均一に保つことが望ましい。チヨコラ
ルスキー法によるシリコン結晶中の酸素の濃度お
よび分布は、るつぼの大きさだけでなく結晶の大
きさおよび装入材料の大きさに依存し、さらに種
結晶およびるつぼの回転速度および方向に依存す
る。図面に含まれる比較方法のグラフは現存の技
術の直径50mmから100mmまでの結晶を図解で示す
もので、回転速度以外の条件を一定にした特別の
系においては酸素濃度および分布は種結晶および
るつぼの回転速度および方向に依存することを示
す。多くの場合、図面は２回以上実行して得た平
均値に基づくデータを示す。一般に酸素濃度は特
別な１組の成長パラメータについて±2ppma酸
素の誤差範囲内で再現できることがわかつた。

図面に示す比較では、異なる大きさの装入物か
ら直径50〜100mmの結晶を引き上げる際に計画し
たるつぼの回転速度のいくつかを自動的にではな
く手作業で増大させた。しかしながら、これらの
比較のグラフは、従来技術の方法に比べて本発明
の方法によつて得られる利益を説明するのに適切
である。本発明の条件ならびに回転の大きさおよ
び方向を洗練することにより均一な分布および調
整を大いに改善し得ることを期待することは理に
かなつている。

本発明による方法は部分的には、第３，５，６
および７図に示したような曲線から引き出され
た。第３図の曲線ＡおよびＢは酸素濃度および軸
方向の分布を調整する初期の試みの結果である。
第３図について再び検討すると、これは本発明に
適合するものであるが計画されたるつぼ回転速度
の上昇が非常に有効であることを示している。し
かしながら、この図解は本発明の好ましい使用法
を表すことを意図したものでは決してない。本発
明による方法を利用する上での融通性は酸素濃度
の調整だけでなく棒全体にわたり均一な酸素分布
に調整することをも可能にするので、このような
技術は将来の大径の結晶棒に適用することができ
ると考えられる。

チヨコラルスキー法で成長させる結晶中の酸素
含有量を調節するいくつかの周知の方法を再検討
すると、るつぼの回転を急に始めたり止めたりす
ることによつて引き起こされる剪断力または作用
は、SiOの不動態化層をるつぼの表面から剥離さ
せる方法である。確かに、溶融体の慣性はるつぼ
が動き始めたり止まつたりする時にこのような作
用を与えるであろう。本発明による方法において
は、るつぼの回転速度が徐々に増大することによ
つて引き起こされる剪断作用は取るに足らず、し
たがつて、本発明の方法から得られる均一な酸素
分布は別の原因によるはずである。るつぼの回転
速度の漸進的な増大はるつぼに隣接する液体中の
拡散層に影響を及ぼし、その結果、作業の進行と
ともにるつぼのより均一溶解が可能になると考え
られる。さらに、溶融体のフローパターンまたは
対流がやはり有益に影響されることもある。るつ
ぼの壁から不動態化層を剥離することは、溶融体
中の拡散層を変えることとは根本的に異なる。

利用できる種々の実験データおよび周知の方法
が予め決めた酸素分布および濃度の調整のために
多くの点で不十分であるのに対して、本発明によ
る方法においては、チヨコラルスキー法により成
長させる結晶中の酸素分布および濃度を均一に調
整するために、結晶およびるつぼの回転速度を適
切に操作しつつ結晶を成長させる。軸方向および
半径方向の均一な酸素分布が最も望まれるので、
努力の大部分は結晶の長さにわたる均一性を高め
ることに向けられた。これは、るつぼの回転速度
を予め選んだ予定にしたがつて増加させながら結
晶を成長させることによつて成し遂げられた。い
くつかの典型的な結果を第３図の曲線Ａに示す
が、これらの結果は直径250mmのるつぼから成長
させた直径60mmの１−０−０結晶について得られ
た。この実験では、るつぼの回転速度を15rpmか
ら25rpmまで手作業で増大させながら棒を成長さ
せた。るつぼの回転速度の増加は結晶成長の各
127mmについて1rpmであつた。結晶はるつぼの回
転とは反対の方向に27rpmで回転させた。平均酸
素濃度は約34ppmaであり、軸方向の均一性が改
善されたことは曲線Ａを例えば第１，２および４
図の曲線と比較すれば明らかである。

第３図の曲線Ｂは、直径330mmのるつぼから成
長させた直径100mmの１−０−０結晶について得
られた結果を示す。この実験では、るつぼの回転
速度を15rpmから25rpmまで自動的に増大させな
がら結晶を成長させた。結晶はるつぼの回転とは
反対の方向に25rpmで回転させた。ここでも、軸
方向の酸素分布が明らかに改善された。

第１〜７図に示す情報を本明細書中に呈示する
のは種々の周知の方法から得られた種々の結果と
本発明による方法のそれとを比較して示すためで
あつて、本発明による呈示の意図は本発明の範囲
を限定することでは決してなく、むしろ本発明に
よつて得られる利益を図解で示すことである。図
面の呈示から明らかなことは、予め決めた酸素濃
度を有するシリコン結晶を成長させるためには、
結晶およびるつぼの最初の回転速度を選んだ後そ
の回転速度の一方または両方を予め選んだ予定に
したがつて変化させながら結晶を成長させればよ
いことである。

図面の第１および第２図は本発明の範囲からは
ずれたチヨコラルスキーシリコン製造方法の結果
を示す。これらの方法では、軸方向の酸素分布が
エレクトロニクス産業の要求を満たすことができ
ない。さらに、比較の第１および第２図の曲線は
半径方向の酸素分布には関与しないが、半径方向
の酸素分布が現代のシリコンの使用上要求される
全酸素分布の重要な因子であることは明らかであ
る。第１および第２図の比較曲線のいくつかは適
度に平らであるように見えるが、この半径方向の
酸素分布曲線は幾分誤解をまねくものであり、こ
れらの周知の方法によつて製造される棒の多くは
適格な酸素勾配等級からはずれる。これに対し
て、本発明による方法では、チヨコラルスキー法
で成長させるシリコン棒の酸素濃度が均一に調整
されるので、棒のほぼ全長にわたつて利用するこ
とができる。例えば、従来技術の方法によつて得
られるチヨコラルスキーシリコン棒の酸素勾配
は、頭部と尾部を比べた場合に広くて受けいれ難
い。本発明による方法を用いずに従来製造された
チヨコラルスキー棒は、棒の頭部では酸素含有量
が高くて飽和に近く、るつぼ内の溶融体の量が最
小になる棒の尾部では酸素濃度が低い。

本発明は、またチヨコラルスキー法で成長させ
るシリコン棒の全長にわたる軸方向の酸素濃度の
調整および半径方向の酸素濃度の調整に関する。
第４図の比較曲線（本発明によらない）を見ると
（種の回転：15rpm CW、るつぼの回転：10rpm
CCW）、従来の技術の方式に共通な頭部対尾部の
現像に加えて、実質的な酸素勾配が軸方向曲線と
半径方向曲線との間にある。第５（種の回転：
35rpm、るつぼの回転：13→25rpm CCW）およ
び第６図（種の回転：28rpm、るつぼの回転：10
→25rpm CCW）では、本発明による方法を非常
に積極的に用いてチヨコラルスキー法で成長させ
る結晶中の軸方向および半径方向の酸素分布が調
整される。第５および第６図に示す酸素分布は、
結晶の長さの約80〜85％を成長させた後にるつぼ
の回転速度を一定にした以外は、本発明に適合す
る。いずれの場合にもるつぼ内の溶融体の量が減
少した時にるつぼの回転速度の増大を止めると、
酸素含有量は結晶の尾部で著しく低下した。第５
および第６図に示したデータは本発明による利益
を示すだけではなく、本発明による方法を変えた
場合に生じる不利益をも示す。第７図（種の回
転：28rpm CW、るつぼの回転：12→25rpm
CCW）の酸素濃度は本発明によるものであり、
これが第５および第６図の棒に比べて尾部でより
均一であるのは、まさに、本発明による方法すな
わちるつぼの回転速度の増大を結晶の長さが実質
的に完全に成長するまで延ばしたからである。

本発明をその好ましい実施態様に関して特別に
示し説明したが、本発明の精神と範囲に反するこ
となく形態および詳細について前記およびその他
の変更を行なうことができることは、当該技術者
に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図に示す図はチヨコラルスキ
ー法の種種の調整と、種およびるつぼの回転速度
の大きさおよび相対的方向の両方を変えた場合の
効果とを示し、各図においては、チヨコラルスキ
ー棒の酸素濃度（ppma）をパーセント結晶長さ
またはパーセント凍結量に対してプロツトしてい
る。図面は本発明による結果を示すとともに、周
知の調整方法の結果を比較のために示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ るつぼ中のシリコン熔融体から引き上げるこ
   とにより単結晶シリコン棒を成長させ、その際該
   棒とるつぼを互いに反対方向に回転させる、シリ
   コン棒の製造方法において、 Ａ 棒の成長につれて棒をその軸の回りに、るつ
   ぼの回転速度よりも次第に速くなる速度で回転
   させ、 Ｂ るつぼの回転速度を、棒の長さが増すにつれ
   て速くする ことからなり、棒の軸方向と半径方向の両方にお
   いて酸素濃度分布を均一にすることを特徴とす
   る、シリコン棒を製造するためのチヨコラルスキ
   ー法。 ２ 該棒における半径方向及び軸方向の酸素濃度
   勾配が約8ppmaより小さい、請求項１に記載の
   方法。 ３ 該棒の酸素含有量を、るつぼの最初の回転速
   度を選択し、該棒の長さが増加するにつれて回転
   速度が増加するようにプログラムして、約15〜
   40ppma内に制御して、所望の酸素濃度に維持す
   る、請求項１に記載の方法。 ４ 該るつぼ回転速度が、該棒が成長するにつ
   れ、約１から約40rpmまで変化する、請求項１に
   記載の方法。 ５ 軸方向の酸素濃度勾配が約6ppmaより小さ
   い、請求項１に記載の方法。 ６ 半径方向の酸素濃度勾配が約5ppmaより小
   さい、請求項１に記載の方法。 ７ 該棒回転速度が、るつぼ回転速度が増加する
   につれて増加する、請求項１に記載の方法。 ８ るつぼ中のシリコン熔融体から引き上げるこ
   とにより単結晶シリコン棒を成長させ、その際該
   棒とるつぼを互いに反対方向に回転させる、シリ
   コン棒の製造方法において、 Ａ 棒が成長するときのるつぼの最大回転速度よ
   りも速い一定の速度で、該棒をその軸の回りに
   回転させ、 Ｂ 該るつぼの回転速度を、該棒の長さが増すに
   つれて増加させて、該棒の回転速度よりも低い
   最大回転速度にする ことからなり、棒の軸方向と半径方向の両方にお
   いて酸素濃度分布を均一にすることを特徴とす
   る、シリコン棒を製造するためのチヨコラルスキ
   ー法。