JPH0455388A - シリコン単結晶引上方法 - 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］ 本発明は石英ルツボ内の半導体融体に種結晶な接触させ
、棒状の半導体単結晶を引上げる半導体単結晶の成長方
法に関し、より詳しくは、半導体単結晶の引上げ方向の
酸素濃度を前記半導体融体に印加された磁場強度を調整
して所定の分布を得ることを特徴とした半導体単結晶の
成長方法に関する。

［従来の技術］ シリコン単結晶をチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａ
ｌｓｋｉ　Ｍｅｔｈｏｄ　：　ＣＺ引上げ法）にて成長
させる場合に、シリコン融液な収容する容器として石英
（Ｓｉｎ、）ルツボが用いられるが、融点におけるシリ
コンは化学的に活性なため、ルツボの石英成分と反応し
、それを同融液中に溶解するために、育成シリコン単結
晶中に相当量の酸素が含まれることが知られている。ま
た、ルツボ中の石英成分がシリコン融液中に溶解すると
同時に、ルツボ中の他の微量不純物成分も同時に溶解し
、育成シリコン単結晶中に含まれるようになる。

シリコン単結晶中の酸素は、その濃度と分布に応じてこ
れより得られる半導体装置の特性、あるいはこれを製造
する過程での熱処理において様々な効果をもたらす。例
えば、この酸素濃度が比較的高い場合は、熱処理によっ
て積層欠陥や酸素の析出物を発生させ、半導体装置の特
性に悪影響を及ぼす。

ところが、このような欠陥を半導体装置の活性領域以外
に設けて熱処理を行なう時は、逆に有害不純物、例えば
、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属不純物なゲッタリングする
、いわゆるイントリンシック・ゲッタリング作用をなし
、半導体装置の特性を向上させる効果がある。

また、酸素の析出物が発生しない程度に高い酸素濃度で
は酸素クラスターによる転位の発生と増加を抑制する効
果を持つ。すなわち、半導体装置の製造時の熱処理中の
転位の発生と増加を抑制することができる。

このようなことから、シリコン単結晶の酸素を、比較的
高いレベル、例えば、１５〜２０ｐｐｍａのレベルで、
その全長にわたってできるだけ均一に分布させるための
技術が開発されてきた。例えば、特公昭６０−６９１１
号公報は、チョクラルスキー法によって石英ルツボに含
まれる半導体材料の溶融体から単結晶の棒状体を引き上
げる工程において、引き上げ方向に沿って測定した酸素
濃度のプロフィルの傾度と逆傾度になるように、前記ル
ツボの回転速度の傾度を制御する方法を開示する。

さらに、特開昭５７−１３５７９６号公報は、大きくな
ったシリコン種結晶体を溶融体用ルツボの回転と反対の
方向にしかもより大きな初めの回転速度で回転させなが
ら引き上げ、かつ溶融体用ルツボの溶融体の量が減るに
つれて増大させる方法を開示する。

しかし、これらの方法では結晶成長用融液の熱対流と融
液面の振動によりスワール（ｓｗｉｒｌ）状の欠陥や成
長縞の発生が顕著にみられ、また、熱対流以外にルツボ
の回転により、強制的な流れや渦が生じるために引上長
方向の酸素濃度はかなりの幅で変動するという問題があ
った。

これを改善するために、半導体融体に磁場を印加し、融
体を収容した容器を回転させながら結晶を引上げる際に
、容器の回転速度を変化させて結晶中の酸素含有濃度を
制御する結晶成長方法が提案されている（特開昭５８−
７４５９４号）。

この方法では、スワール状の成長縞の発生が抑制され、
酸素濃度の制御もある程度までは可能である。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、ルツボの回転速度を制御して酸素濃度を制御
しようとしても、結晶引上長方向の酸素濃度分布は依然
としてかなりの幅で変動するという問題があった。すな
わち、ルツボの回転数制御では単結晶の引上長方向に±
５〜１０％以下というように高度な酸素濃度制御は不可
能であった。

本発明は上記の点を解決しようとするもので、その目的
は、育成単結晶中の全長にわたって、実質的に１５ｐｐ
ｍａ以上の高酸素濃度を有し、かつ、単結晶の引上長方
向の酸素濃度分布が所定の分布に制御され、その酸素濃
度分布が均一の場合に、その制御精度が±５〜１０％以
下であるようなシリコン単結晶棒の引上長方向の酸素濃
度を精密に制御して引上げる方法を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、石英ルツボ中に保持された半導体融体より当
該半導体単結晶棒を引上げる磁場印加単結晶引上法にお
いて、当該石英ルツボの回転数を５　ｒｐｍ以上で一定
とし、融体に印加された上記磁場の強度を融体の引上長
に応じて変化させることを特徴とするものである。

本発明においては、石英ルツボの回転速度を５　ｒｐｍ
以上で一定とし、磁場印加単結晶引上げ法（ＭＣＺ法）
を行なうことにより、通常のＣ２法よりも高い１５〜２
０ｐｐｍａといった格子間酸素濃度を有するシリコシ単
結晶体を得ることができる。

ここで、酸素濃度は次式による。即ち 酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ”　）　＝３．０１Ｘ１０
”ａここで、αは吸収係数（ＣＯＩ−’）とする。

ルツボ回転速度が５　ｒｐｍ以上でＭＣＺ法の方がなぜ
格子間酸素濃度が高くなるのかの原理を考えてみる。石
英ルツボが溶解することにより酸素が融液中に取り込ま
れ、さらにシリコン単結晶に成長時に混入される。石英
ルツボがシリコン流体中に溶解する速度は流体の粘性に
より石英ルツボの表面を摩擦する度合いに依存すると考
えられる。

電気伝導性の流体に磁場を印加すると流体の実効動粘性
率は次式で与えられる（星金次他：日経エレクトロニク
ス１９８０年、　９．１５号、　Ｐ、１６０　）。

νｏｆｆ　　”　　（μＨＤ）”　　ａ／ρνａｒｔ　
　：実効動粘性率 μ：流体の透磁率 Ｈ：磁場の強さ Ｄニルツボの直径 ０：流体の電気伝導度 ρ：原流体密度 すなわち、磁場強度を増すと流体の実効動粘性率がＨの
２乗に比例して増大することになる。従って、Ｈを増大
すると、シリコン融体の実効動粘性が増大しただけ石英
ルツボを摩擦する度合いが大きくなり、シリコン融液が
石英ルツボを溶解する速度を速めて、磁場を印加しない
ときよりもシリコン単結晶中の酸素濃度が増大すると考
えられる。

また、本発明においては、磁場強度を単結晶の引上長に
応じて変化させるが、この磁場強度を変化させる方法は
、非常に制御性の良い方法である。その理由を以下に述
べる。

磁場中でシリコン単結晶を引上げる際に、引上げと共に
シリコン融液と石英ルツボの接触面積が減少し石英ルツ
ボの溶解量が徐々に減少するためシリコン単結晶中の酸
素濃度が減少する。シリコン単結晶の全長にわたりほぼ
均一な酸素濃度を得るには引上と共にルツボ回転速度を
徐々に増大する上記特開昭５８−７４５９４号公報の方
法が知られている。しかし、この方法では、第９図に示
したようにシリコン単結晶の軸方向で不均一な酸素濃度
分布となる。この理由としては、強磁場中では流体の粘
性が増大するためにルツボ回転を増大する際に流体の動
きが非定常的になり、流体中に不均一に分布していた酸
素が時間をおいて結晶中に取込まれたものと考えられる
。

ルツボ内の融液は非常に複雑な様相を呈しており、熱対
流や融液表面における外周側から中央の結晶へ向かう流
れなどのように自然に生起する流れと、ルツボの回転に
基づく強制流と、また、これらから派生する渦流などが
存在する。これらの流れが外部から印加される磁場によ
っである程度は抑制されはするが、上記のようにルツボ
回転速度を変化させると、これがルツボ内の諸種の流れ
を攪乱させ、熱対流などの自然に生起する流れよりも強
制的に増大させられた強制流及びこれにより派生した渦
流などの流れの寄与が増大し、コントロール不可能な非
定常な状態となるものと考えられる。

そこで、ルツボ回転速度を変化させないで、流体の定常
流を作り、なおかつ流体中の含有酸素濃度を上げること
が必要とされる。本発明者らは、ルツボ回転速度を変動
させないで磁場の強度な変動させることにより、結晶の
引上長方向に酸素濃度が非常に変動幅が狭（均一に分布
したシリコン単結晶を引上げ得ることを見出し本発明に
到達したものである。

次に図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明の半導体結晶棒１を成長するための装置
の概要構造を示す。

密閉炉５内にはアルゴンガス供給源６からアルゴンガス
が所定の流速にて供給される。アルゴンガスは、密閉炉
５内に発生しているガス状のＳｉＯを伴い、囲路の排出
口から放出される。石英ルツボ２は上方を開口した形状
を有し、密閉炉５のほぼ中央に配置される。石英ルツボ
２のまわりに配置された加熱手段７により加熱溶融した
シリコンは融体３として石英ルツボ２内に収容される。

シリコンの融体３の表面にはシリコンの種結晶４が接触
して配置される。種結晶４は引上げチャック８を介して
、モータｌＯで回転される回転軸９に連結される。回転
軸９はモータｌＯで回転すると共に、囲路の引き上げ手
段により一定の低速度Ｖで引き上げられる。一方、石英
ルツボ２は密閉炉２の底面に回転可能に支持され、モー
タ１１により５　ｒｐｍ以上、好ましくは５〜ｌ　６ｒ
ｐｍの範囲内の一定の回転速度（ＣＲで表示する）で回
転される。

５　ｒｐｍ未満では高酸素濃度を得るのが困難であり、
１６ｒｐｃを超えると回転による強制流が大き過ぎ、融
液の撹乱要因となるため酸素濃度の均一性や格子欠陥防
止の点から問題を生じることがある。

ルツボの回転速度と印加磁場との関係を調べる中で、磁
場を印加しつつ、シリコン単結晶を引上げた場合と、磁
場を印加しない場合とにつき、結晶中に導入される酸素
濃度とルツボの回転速度との関係をプロットすると、第
８図のようにａ　ｒｐＩＩ＋の回転速度のところで交叉
し、３　ｒｐｍ以下では磁場を印加しない方が高酸素濃
度になり、３　ｒｐｍ以上では磁場を印加した方が高酸
素濃度になることを発見した０本発明においては、この
臨界点の３　ｒｐｍよりも回転速度の大きい５　ｒｐｍ
以上の回転速度にして高酸素濃度を確保するものである
。

密閉炉５の外側には、例えば、直流電流Ｉにより磁場の
強さを変化する電磁石等からなる磁場発生手段１２が配
置される。なお、磁場発生手段１２に電′流Ｉを送る電
流源を符号１３で表示する。

第２図に示すシリコン単結晶棒１は、石英ルツボ２およ
び種結晶４を一定の低速度で回転しながら、融体３の表
面に接触している種結晶４を引き上げ方向に低速度Ｖで
引き上げることにより形成される。第１図に示すように
、石英ルツボ２と融体３とは石英ルツボの内壁で接触し
ているため、その接触部に摩擦が生じ、石英ルツボ２が
こすられ、融体３内に酸素が溶解する。

融体３内に溶解した酸素はＳｉと結合し、揮発性のＳｉ
Ｏとなり、融体３から放出され、アルゴンガスにより同
伴除去される。しかしながら、ＳｉＯとして放出除去さ
れない酸素が融体３内に残るため、シリコン単結晶棒１
は酸素を含むものとなる。シリコン単結晶棒ｌ内に含有
する酸素は、シリコン原子と結合状態にある格子間酸素
が主体であるので格子間酸素濃度（Ｏｉ　）を測定すれ
ば実質的にシリコン単結晶中に混在する酸素濃度を知る
ことができる。融体３内に混入する酸素の量は石英ルツ
ボ２の内壁を融体で摩擦する度合に比例するため、シリ
コン融体の量が減少することにより減少する。

従って、第２図に示すように、引き上げ条件を一定とし
た場合にシリコン単結晶棒１の引き上げ方向の長さをＬ
ｉとすると、引き上げ長さＬＬと格子間酸素濃度Ｏ１と
は概念的には第３図に示すような関係となる。すなわち
、横軸にＬｉをとり、縦軸にＯｌとすると、はぼ直線的
に直ＩＩＡ＋〜Ａ４に示すようにＬｉが大きくなるにつ
れてＯｌが低減する。

一方、石英ルツボ２のまわりには磁場発生手段１２が設
けられ、融体３には磁力が作用する。石英ルツボ２の回
転数ＣＲが低速の場合には、磁場強度の増大により融体
３内に発生する対流１４が抑制され、石英ルツボ２側か
らの酸素の溶解が低減されるが、回転数ＣＲがある値以
上になると、磁場強度の増大と共に対流が抑制されるが
、印加磁場による見掛けの粘性の増加のために、石英ル
ツボ２内壁と融体３との間の摩擦が大となり酸素の溶解
量が逆に大となる。

第３図はＣＲが上記境界値以上の場合を表示するもので
、Ａ１は磁場の強さが５００ガウス（Ｇ）の場合であり
、Ａ２は１０００ガウス（Ｇ）　、　Ａ　ｓは２０００
ガウス（ｃ）　、　Ａ　４は３０００ガウス（Ｇ）の場
合である。線Ａ、から線Ａ４にかけて上方に移動する。

すなわち、磁場が強くなるとＬｉとＯｌとの勾配方向は
変らないが（勾配そのものの値は変る）酸素濃度Ｏ１が
増加する方向に移動する。

以上のことからＬＬの変化に応じて磁場の強さＧｉの値
を変化させることにより、例えば、第３図に示すように
酸素濃度Ｏｆを一定の値に保持することが可能となる。

すなわちＬｉがり。

のときは交点Ｂ、の５００ガウスの磁場の強さとし、Ｌ
Ｌが進むにつれて、Ｂ２〜Ｂ４のようにｌＯロＯガウス
＋’　２０００ガウス、　３０００ガウスと磁場の強さ
を変化させることによりＯｌを一定値Ｏｉｏに保持する
ことが可能となる。

本発明において、磁場発生手段１２を水平磁場とし、そ
の磁場の強さを５００ガウス（Ｇ）〜５０００ガウス（
Ｇ）の範囲で変化させる。水平磁場としたのは対流１４
の抑制として水平磁場が直接的であり、確実にかつ迅速
の調整が行われるためである。

５００ガウス未満では融体の対流を有効に抑制すること
ができず、５０００ガウスを超えると融液の見掛は上の
粘性が非常に高く、融液がほぼ静止した状態で、対流に
よる混合が極端に妨げられるため、特に結晶成長面が融
液に対し、極度に凹面になるなど、良好な結晶を得るこ
とができなくなり、また、人体への悪影響、周囲の計器
や装置類の故障を招（ことになる。

第３図で得られたデータより、Ｏｉｏの線を引き、それ
に交わる磁場強度を単結晶棒の引上長に対してプロット
すると第４図が得られる。この第４図のパターンに従っ
て、単結晶棒を引上げることにより、頭部から尾部にか
けて一定の酸素濃度の単結晶棒を引上げることが可能に
なる。

上記の説明では、酸素濃度を一定にすることを目標どし
たが、Ｏｉ　＝ｆ（ＬＬ　）のようにＬｉの画数となる
ような一般化された場合にも上記と同様にして、第３図
にＯｆ　＝ｆ（ＬＬ　）の線を描き、それとの交点を求
め、その交点における磁場強度を単結晶棒の引上長に対
してプロットした図を作製し、この図のパターンに従っ
て、引上長に応じて磁場強度を変化させつつ、引上げる
ことにより任意の酸素濃度分布の単結晶を得ることがで
きる。

［実施例］ 次に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１ チョクラルスキー法（ＣＺ引上げ法）によりシリコン単
結晶を引上げる方法において、直径１８インチの石英ル
ツボ中に６０ｋｇのポリシリコンをチャージし溶融した
後、成長方位が（１００）で６インチの直径を持つシリ
コン単結晶を引上げた。その際に、成長方向に垂直な１
方向に磁場をかけるいわゆろ水平磁場ＭＣＺ法（ＨＭＣ
Ｚ）を使用した。以下に実験結果を示した。

第５図は、ルツボ回転を１０ｒｐｍ　、種回転を２Ｏｒ
ｐｍとした時の磁場強度に対する結晶中の格子間酸素濃
度を示したものである。磁場強度は５００〜３０００ガ
ウスの間で変化させた。引上長（固化率）が太き（なる
にしたがって酸素濃度が減少している。また、磁場強度
が大きくなるにしたがい酸素濃度が増大している。

第５図より酸素濃度が１８〜１９ｐｐｍａになるように
引上長にしたがい磁場強度を変動させるようにパターン
を作った。それを第６図に示した。実際の引上げでは、
第６図のパターンをコンピューターに記憶させておき、
引上げと連動させて引上長と共に磁場強度を変動させた
。得られた結果を第７図に示した。引上かったシリコン
単結晶棒中の酸素濃度はおおむね１８〜１９ｐｐｍａの
範囲にコントロールされた物が得られた。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明によれば下記の効
果が得られる。

■格子間酸素濃度の分布を自由に制御して単結晶棒を引
上げることができ、例えば間酸素濃度が単結晶棒全体に
亘って均一なものや、濃度の傾度が従来よりゆるやかな
もの等、種々の酸素濃度の分布を有する単結晶棒が得ら
れる。

■酸素濃度が全体的に高い単結晶棒が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に使用される装置の概要構造を示
す一部軸断面図、 第２図は第１図の装置により形成されるシリコン単結晶
棒を示す正面図、 第３図は磁場強度をパラメーターとしたシリコン単結晶
棒の引上長と酸素濃度との関係を示すグラフ、 第４図は第３図上での作図により得られる単結晶棒と磁
場強度との関係を示すグラフ、第５図は実施例における
磁場強度をパラメーターとしたシリコン単結晶棒の引上
長と格子間酸素濃度との関係を示すグラフ、 第６図は第５図上で求められる酸素濃度を１８〜１９ｐ
ｐｍａにするのに必要な磁場強度と単結晶棒の引上長と
の関係を示すグラフ、 第７図は第６図に従って、引上長に応じて磁場強度を変
化させつつ引上げた単結晶棒の引上長と格子間酸素濃度
との関係を示すグラフ、第８図は磁場をかけない場合と
３０００ガウスの磁場をかけた場合におけるルツボ回転
速度とシリコン単結晶棒中の格子間酸素濃度との関係を
示すグラフ、 第９図は磁場を印加しつつ回転速度を変化させて酸素濃
度を制御する従来の方法によって得られるシリコン単結
晶棒の引上長方向の格子間酸素濃度の分布を示すグラフ
である。 １・・・シリコン単結晶棒、２・・・石英ルツボ、３・
・・融体、４・・・種結晶、５・・・密閉炉、６・・・
アルゴンガス供給源、７・・・加熱手段、８・・・引上
げチャック、９・・・回転軸、１０．１１・・・モータ
、１２・・・磁力発生手段、１３・・・ 電流源、 対流。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）石英ルツボ中に保持された半導体融体より当該半
   導体単結晶棒を引き上げる磁場印加単結晶引上法におい
   て、当該石英ルツボの回転速度を５ｒｐｍ以上で一定と
   し、融体に印加された上記磁場の強度を単結晶棒の引上
   長に応じて変化させることを特徴とする半導体単結晶引
   上方法。
2. （２）前記磁場が水平磁場である請求項１記載の半導体
   単結晶引上方法。
3. （３）前記水平磁場強度が５００〜５０００ガウスであ
   る請求項２記載の半導体単結晶引上方法。
4. （４）引上げられた単結晶棒の引上長方向の格子間酸素
   濃度勾配に応じて、磁場強度時間変化率を調節する請求
   項１記載の半導体単結晶引上方法。