JP5482547B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水平磁場印加ＣＺ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＣＺ；ＨＭＣＺともいう）法によるシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

半導体基板に用いられるシリコン単結晶を製造する方法には種々の方法があるが、そのなかでも回転引き上げ法として広く採用されているものにチョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」ともいう）がある。
さらに、シリコン単結晶の低酸素濃度化や大口径結晶を容易に製造することなどを目的に、水平磁場を印加しながらＣＺ法でシリコン単結晶を引き上げるＨＭＣＺ法が広く知られている。

ここで、ＣＺ法では、種付け前に、シリコン融液の表面温度を測定し、その結果を元にシリコン融液形成用のヒーターの出力を調整し、種付けに適したシリコン融液表面温度に合わせてから種付けを行っている。
そして、その後ダッシュネッキング法等により種結晶を引き上げてシリコン融液から種絞りを作製し、所定の直径を有する直胴部（定径部）の直径にまで拡径する為のコーンを育成した後、所定の直径でシリコン単結晶を育成する直胴部を形成し、単結晶が目標の長さに達すると終端部のテール絞りを行い、単結晶の育成を終了することが一般的に行われている。

ところで、種付けに適した融液表面温度とは、種付け後の絞り作製時に、適正な直径の絞りが作製できる温度のことを言う。
例えば、融液表面温度が高過ぎる場合には、絞りが所定の直径より細くなり、引き上げるシリコン単結晶の重量に耐えられなくなる。さらに融液表面温度が高い場合には、絞りがシリコン融液から切り離れてしまい、単結晶引き上げが継続できなくなる。
また、融液表面温度が低過ぎる場合には、絞りの直径が縮径せず、その結果種付け時に種結晶に導入された転位が抜けきらず、単結晶が有転位化してしまう。
これらの場合（高温でも低温でも）には、単結晶の引き上げは再度種付けからやり直しとなる為、生産性の低下を招く。

このように、種付け時のシリコン融液表面温度はシリコン単結晶を引き上げる上で非常に重要であり、その融液表面温度を種付け前に安定して測定することが要求される。

しかし、ＨＭＣＺ法では、シリコン融液表面に磁力線と平行な方向に周囲より温度の低い低温範囲が形成されることが知られており（特許文献１等参照）、その融液表面の低温範囲の位置は、印加する磁場強度およびルツボ回転により変化する。また、磁場強度およびルツボ回転が一定条件の下でも、融液表面の低温範囲の位置は特定範囲内（低温領域）で常に移動しており、安定していない。
その為、融液表面温度の測定位置によっては当該低温領域の温度を計測したりしなかったりで、融液表面温度の測定値がばらつき、その結果種付け時の融液表面温度を適正な温度に合わせることができず、適正な直径の絞りが作製できないという問題があった。

この解決策として、特許文献２では、１台の引き上げ装置に複数の放射温度計を設置し、融液表面の複数位置の温度を測定し、その平均値を用いることが提案されている。

特開２０００−２７２９９２号公報 特開２００９−１６１４００号公報

しかし、特許文献２に記載の方法では複数の放射温度計が必要となる為、装置コストが高くなるという問題がある。

また、温度計としてＣＣＤカメラを使った二次元温度計を利用する方法もある。
しかしながら、この二次元温度計は、放射温度計に対して非常に高価であり、この方法も装置コストが高くなるという問題がある。また、この二次元温度計は、ＣＣＤカメラから出力される輝度信号から温度を求めている為、温度測定用に設けられた引き上げ装置のガラス窓がシリコン融液から発生するシリコン酸化物などで汚れると、放射温度計とは異なって温度測定値が大きく変化してしまい、種付けに適正なシリコン融液表面温度を測定できないという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶製造における種付け（種結晶をシリコン融液に着液させる）工程において、シリコン融液表面温度を安定して測定することで、適正な種付け温度に合わせることができ、絞りの失敗や不適正な絞りに起因するコーン育成時の有転位化を従来に比べて大幅に抑制することができ、これによって生産性を向上させることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、単結晶製造装置内のルツボに多結晶シリコン原料を充填し、ヒーターで加熱して前記多結晶シリコン原料を融解しシリコン融液とした後に該シリコン融液に種結晶を着液して該種結晶の下方に単結晶を育成する際に、前記ヒーターの外側に磁場印加装置を前記ルツボを挟んで対向配備して、前記シリコン融液に水平磁場を印加する、水平磁場印加チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の製造方法であって、前記種結晶を前記シリコン融液に着液する前に、予め二次元温度計により前記シリコン融液表面温度分布を測定して該融液表面温度が他の領域より低温となる低温領域となり得る範囲を特定し、その後、放射温度計によって前記シリコン融液表面の表面温度を測定して該測定温度により前記種結晶の前記シリコン融液の着液時の融液温度を調節する際に、前記放射温度計による温度測定点を前記低温領域となり得る範囲外に設定することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。

このように、ＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶を育成する際に、種付け時のシリコン融液表面温度の測定位置を、予め二次元温度計による測定から求めた他の領域に比べて低温となっている低温領域となり得る範囲の外側に設定し、その位置で測定したシリコン融液表面温度を元に種付けを行い、その後単結晶の引き上げを行う。
これによって、シリコン融液表面温度が低温となって測定温度が揺らぐことを防止することができるため、融液表面温度の検出値が安定し、ヒーター出力の制御を従来に比べて安定化・高精度化することができる。そして、種付け時のシリコン融液表面温度を適正な温度に合わせることができ、絞りの失敗やコーン育成中の有転位化を従来に比べてその発生頻度を低くすることができる。よって生産性の改善を図ることができ、シリコン単結晶のコストを低減することができる。

ここで、前記低温領域となり得る範囲を特定した後に前記二次元温度計を取り外し、該二次元温度計を取り外した位置に前記放射温度計を取り付けることが好ましい。
これによって、取り外した二次元温度計は、別の単結晶製造装置の測定に用いることができ、シリコン単結晶引き上げの種付け時において、一般的な１台の引き上げ装置に１台のシリコン融液表面温度測定用の放射温度計の構成でも、融液表面温度を安定して測定することができる。その結果、装置コストを安くでき、かつ種付け時のシリコン融液表面温度を適正な温度に合わせることができ、シリコン単結晶の製造コストの更なる低減を達成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、種付け時のシリコン融液表面温度の測定値が安定する為、種付けに適正なシリコン融液表面温度に合わせることができる。そして、絞りの失敗やコーン育成時の有転位化を従来より確実に防止できるようになり、生産性の改善及びシリコン単結晶の製造コストの低減を図ることができる。また、高価なカメラを多数台準備する必要もなく、装置コストを安くすることができるため、単結晶製造コストの低減も図ることができる。

ＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法を実施するのに適した単結晶製造装置の概略の一例を示す図である。 ＨＭＣＺ法によるシリコン融液のシリコン融液表面の温度分布を模式的に示す図である。 実施例・比較例における放射温度計のシリコン融液表面温度測定位置の概略を示す図である。 実施例・比較例における放射温度計でのシリコン融液表面温度測定値を示す図である。 実施例と比較例における結晶１本当たりのトラブル（絞りの失敗とコーンの有転位化）発生率を示す図である。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、本発明のようなＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法を実施するのに適した単結晶製造装置の概略の一例を図１を用いて説明する。

図１に示すように、単結晶製造装置２０の外観は、中空円筒状のメインチャンバー９ａとそれに連通するプルチャンバー９ｂで構成され、メインチャンバー９ａの外側には、水平磁場を印加する為の電磁石１２が設置されている。

そしてメインチャンバー９ａの中心部にはルツボが配設されている。
このルツボは二重構造であり、有底円筒状をなす石英製の内層保持容器１ａ（以下、単に「石英ルツボ」という）と、その石英ルツボ１ａの外側を保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ｂ（以下、単に「黒鉛ルツボ」という）とから構成されている。これらのルツボは、回転および昇降が可能になるように支持軸７の上端部に固定されている。

そして、石英ルツボ１ａ及び黒鉛ルツボ１ｂの外側には抵抗加熱式ヒーター２が概ね同心円状に配設されており、このヒーター２によってルツボ内に投入された所定重量の多結晶シリコン原料が溶融され、シリコン融液３が形成される。
また、ヒーター２の周辺には保温材が施されており、ヒーター２の外側には保温筒８ａが同心円状に配設され、またその下方で装置底部には保温板８ｂが配設されている。

また、シリコン融液３を充填したルツボの中心軸上には、支持軸７と同一軸上で逆方向または同方向に所定の速度で回転する引き上げワイヤー（または引き上げシャフト、以下両者を合わせて「引き上げ軸４」という）が配設されており、引き上げ軸４の下端には種ホルダー６が設置され、種ホルダー６に種結晶５が保持されている。さらに、引き上げ軸４と同心円状にパージチューブ１０が配設され、その下端にはカラー１１が設けられている。

更に、プルチャンバー９ｂもしくはメインチャンバー９ａの外側にはシリコン融液表面温度測定用の温度計や、融液表面温度を測定する為のガラス窓１６が設けられており、ここから温度計でシリコン融液表面温度を測定できるようになっている。
このプルチャンバー９ｂに設けられた温度測定用のガラス窓１６の外側には、通常の結晶引き上げ時は、種付け時のシリコン融液表面温度を測定する為の放射温度計１５ａが１台設置されている。

この様な単結晶製造装置２０を用いて、ＨＭＣＺ法によってシリコン単結晶を製造するには、まず、前記石英ルツボ内に多結晶シリコン原料を投入し、これをヒーター２によって加熱して原料を溶融させて、シリコン融液３とする。

そして単結晶を育成するのに適した温度に融液表面温度が安定したら、種ホルダー６に固定された種結晶５をルツボ内のシリコン融液３に着液させて、引き上げワイヤーを回転させながら巻き上げて、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成させていく。
このとき、ヒーター２の外側にルツボを挟んで対向配備した水平磁場印加装置１２によりシリコン融液３に水平磁場（磁場中心１４を中心とした磁力線１３のような磁場）を印加しながら単結晶を育成させる。

ここで、この種結晶５をシリコン融液３に着液させる種付け前に、シリコン融液３の表面温度を測定し、その結果を元にヒーター２の出力を調整し、種付けに適した融液表面温度に合わせてから種付けを行う必要がある。
そして本発明においては、プルチャンバー９ｂの温度測定用のガラス窓１６の外側に設置されていた放射温度計１５ａでいきなりシリコン融液表面の温度を測定するのではなく、予め二次元温度計１５ｂによって、シリコン融液３の表面温度分布を測定して、図２に示すようなシリコン融液３の表面温度が他の領域より低温となる領域１８と、不規則に移動する該低温領域１８が経時的に移動してきて低温領域となり得る低温領域となり得る範囲１９を特定する。具体的には、ルツボ中心から同一半径における磁力線と垂直方向の温度を測定し、５℃以上低い温度となる領域を低温領域として特定する。

なお、このシリコン融液表面の低温領域１８は、ある範囲内で不規則に移動する為、シリコン融液表面温度の二次元分布測定は１分間以上６０分間以内の時間で行って、低温領域１８となり得る範囲１９の範囲を十分に確定させることが望ましい。

また、シリコン融液表面温度の二次元分布測定時の磁場強度は、低温領域が形成される２０００ガウス以上５０００ガウス以下で行うことが望ましい。
さらには、実際の種付け時に使用する磁場強度で行うことが望ましい。

また、シリコン融液表面温度の二次元分布測定時のルツボの回転条件は、実際の種付け時に使用するルツボ回転条件とすることが望ましい。その他、ガス流量、炉内圧、ルツボ位置等の条件も実際の種付け時と同じにするほうが良い。

そして、上述のようなシリコン融液表面温度の二次元分布測定によって低温領域となり得る範囲１９を特定したら、放射温度計１５ａによってシリコン融液３表面の表面温度を測定して、該測定温度により種結晶５のシリコン融液３への着液時の融液温度をヒーター２の出力などを制御して調節するが、この際に、放射温度計１５ａによる温度測定点１７を、低温領域となり得る範囲１９の外側に設定する。

なお、シリコン融液表面温度の測定点１７が種結晶５が融液表面に着液する位置（ルツボの中心）から離れるのにしたがい、測定した融液表面温度と実際に種結晶５が融液表面に着液した時の温度との乖離が大きくなる為、放射温度計１５ａによるシリコン融液表面温度の測定点１７は、低温領域となり得る範囲１９から外れた位置で、かつルツボの中心から引き上げるシリコン単結晶の半径の１．０倍以内の位置とすることが望ましい。

このように放射温度計１５ａによるシリコン融液表面温度の測定位置１７を設定することで、融液表面温度の測定値が融液表面温度が他の領域に比べて低くなる低温領域１８の影響を受けなくなる為、融液表面温度の測定値は安定する。
その結果、不適正なシリコン融液表面温度の状態で種付けがなされることを防ぐことができるため、種付けに起因する絞りの失敗やコーンの有転位化の発生率を従来に比べて低くすることができ、単結晶製造歩留りを改善することができ、製造コストの低減を図ることができる。

ここで、低温領域となり得る範囲１９を特定した後に、二次元温度計１５ｂを取り外し、該二次元温度計１５ｂを取り外した位置に放射温度計１５ａを取り付けることができる。
このような方法を採ることで、高価な二次元温度計１５ｂは、シリコン融液表面温度の二次元分布測定用に１台あれば、複数の単結晶製造装置においても使用することができるようになるため、一台の二次元温度計によって同様の方法で各単結晶製造装置毎の適正なシリコン融液表面温度測定点１７を求めることができる。
また、シリコン単結晶の引き上げを行う時には、一般的な放射温度計１５ａを１台設置すれば済む為、装置コストは従来とほとんど変わらないこととすることができる。また、放射温度計であれば、ガラス窓１６の汚れによる温度測定値への影響を抑制することができ、製造歩留りの改善を達成することができる。

その後ダッシュネッキング法等により種結晶５を引き上げて、シリコン融液３から種絞りを作製し、所定の直径を有する直胴部（定径部）の直径にまで拡径する為のコーンを育成する。
更に、所定の直径でシリコン単結晶を育成させ、単結晶が目標の長さに達した時点で終端部のテール絞りを行い、単結晶の育成を終了する。
以上の方法により、絞りの失敗やコーンの有転位化を抑制することができるシリコン単結晶の製造方法となる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すような単結晶製造装置を用いて、内径８００ｍｍの石英ルツボ１ａに多結晶シリコン原料を充填して、ヒーターによって溶融させてシリコン融液３を形成した後に、直径３００ｍｍの単結晶を引き上げた。

ここで、種付け時の磁場強度を４０００ガウス、ルツボ回転は０．５ｒｐｍとした。
この状態でプルチャンバー９ｂの上に設けられたガラス窓１６の外側に二次元温度計１５ｂを設置した。そして、ガラス窓１６を通して、二次元温度計１５ｂによりパージチューブ１０の内側のシリコン融液表面温度の二次元分布を５分間測定し、シリコン融液表面の低温領域となり得る範囲１９を予め求めた。このとき、ルツボ中心から同一半径における磁力線と垂直方向の温度を測定し、５℃以上低い温度となる領域を低温領域として特定した。
上記二次元温度計による測定結果より求めたシリコン融液表面の低温領域となり得る範囲１９は、ルツボ中心を通る磁力線１３に沿って、これと垂直な方向にルツボ中心から約±５０ｍｍの範囲であることが判った。

その後、二位次元温度計１５ｂを取り外し、放射温度計１５ａを設置した。この時、放射温度計１５ａのシリコン融液表面温度測定位置１７’を、図３に示すような、上述したシリコン融液表面の低温領域となり得る範囲１９の外で、かつルツボの中心から半径１５０ｍｍの位置に設定した。

そしてこの様に設定した温度測定位置１７’でのシリコン融液表面の温度変動と、経過時間との関係を評価した。その結果を図４に示す。なお、図４の縦軸は、時間０秒での温度との温度差であり、これを温度変動値とした。
図４に示すように、シリコン融液表面温度の測定値の変動幅は２．６℃で安定しており、変動幅も後述する比較例の温度変動幅の１／３倍以下であった。

また、図５に、実施例と後述する比較例における結晶１本当たりのトラブル（絞りのやり直しやコーンの有転位化）発生率を示した。
図５に示すように、絞りのやり直しとコーンの有転位化率は０．２回／本で、比較例の１／６倍以下に改善された。

（比較例）
実施例において、二次元温度計１５ａによるシリコン融液表面の融液温度分布を測定せず、放射温度計での温度測定位置を図３に示す１７’’の位置とした以外は、実施例と同様の条件でシリコン融液表面の温度変動を測定し、同様に種付け工程を行った。
そしてこの時の温度測定位置１７’’でのシリコン融液表面の温度変動と、経過時間との関係を評価した。その結果を図４に示す。また、図５に、比較例における結晶１本当たりのトラブル（絞りのやり直しやコーンの有転位化）発生率を示した。

図４に示すように、シリコン融液の融液表面温度の測定値の変動幅は８．６℃で、実施例の３倍以上であった。
また、図５に示すように、絞りのやり直しとコーンの有転位化率は１．３回／本で、実施例の６倍以上であった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１ａ…石英ルツボ、 １ｂ…黒鉛ルツボ、 ２…ヒーター、 ３…シリコン融液、 ４…引き上げ軸、 ５…種結晶、 ６…種ホルダー、 ７…支持軸、 ８ａ…保温筒、 ８ｂ…保温板、 ９ａ…メインチャンバー、 ９ｂ…プルチャンバー、 １０…パージチューブ、 １１…カラー、 １２…水平磁場用電磁石、 １３…磁力線、 １４…磁場中心、 １５ａ…放射温度計、 １５ｂ…二次元温度計、 １６…ガラス窓、 １７，１７’、１７’’…シリコン融液表面温度測定点、
１８…低温領域、 １９…低温領域となり得る範囲、
２０…単結晶製造装置。

Claims (2)

1. 単結晶製造装置内のルツボに多結晶シリコン原料を充填し、ヒーターで加熱して前記多結晶シリコン原料を融解しシリコン融液とした後に該シリコン融液に種結晶を着液して該種結晶の下方に単結晶を育成する際に、前記ヒーターの外側に磁場印加装置を前記ルツボを挟んで対向配備して、前記シリコン融液に水平磁場を印加する、水平磁場印加チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶を前記シリコン融液に着液する前に、予め二次元温度計により前記シリコン融液表面温度分布を測定して該融液表面温度が他の領域より低温となる低温領域となり得る範囲を特定し、その後、放射温度計によって前記シリコン融液表面の表面温度を測定して該測定温度により前記種結晶の前記シリコン融液の着液時の融液温度を調節する際に、前記放射温度計による温度測定点を前記種結晶が前記シリコン融液に着液する位置を含む前記低温領域となり得る範囲外で、かつ、前記ルツボの中心から引き上げるシリコン単結晶の半径の１．０倍以内の位置に設定することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記低温領域となり得る範囲を特定した後に前記二次元温度計を取り外し、該二次元温度計を取り外した位置に前記放射温度計を取り付けることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。

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