特許 6593401 シリコン単結晶の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6593401

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】シリコン単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20191010BHJP

   C30B 15/20 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/06 502Z

   C30B15/20

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-152715(P2017-152715)

(22)【出願日】2017年8月7日

(65)【公開番号】特開2019-31415(P2019-31415A)

(43)【公開日】2019年2月28日

【審査請求日】2017年8月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒川 篤史

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 健

(72)【発明者】

【氏名】朝長 恒成

(72)【発明者】

【氏名】末若 良太

(72)【発明者】

【氏名】早川 裕

【審査官】 ▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２５６３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７３５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０５９３８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン原料が投入される石英ルツボと、前記石英ルツボ中のシリコン単結晶を溶融するヒーターと、前記石英ルツボの上部に配置される熱遮蔽体とを備えた引き上げ装置を用い、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン原料の溶融時に、前記石英ルツボ中のシリコン融液の液面と、前記熱遮蔽体の下端との距離を、８６ｍｍ以上、１３２ｍｍ以下に維持した状態で前記シリコン原料の溶融を行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記石英ルツボ中のシリコン融液の液面と、前記熱遮蔽体の下端との距離を、１００ｍｍ以上、１２５ｍｍ以下に維持することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記シリコン原料の溶融は、シリコン原料を前記石英ルツボ中に投入して溶融させた後、前記シリコン融液の液面に、吊り下げられたロッド状のシリコン原料を順次着液させて行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン単結晶中のＣｓは、デバイス工程においてＣｉとなり、Ｏｉと結合してＣｉＯｉ欠陥を形成する。ＣｉＯｉ欠陥は、デバイス不良を引き起こす原因となる。
ここで、結晶中の炭素濃度は、炉内のヒーター、黒鉛ルツボ等の高温炭素部材から原料融液中に混入するＣＯの汚染速度と、原料融液からのＣＯの蒸発速度を制御することによって低減することが知られている。なお、高温炭素部材からのＣＯ（gas）は、下記反応式に基づいて発生する。
ＳｉＯ（gas）＋２Ｃ（solid）→ＣＯ（gas）＋ＳｉＣ（solid）

【0003】

このため、特許文献１には、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時までの黒鉛ルツボの上端位置が、ヒーターの上端から上方に５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように制御し、かつ、シリコン単結晶の原料溶融時から引き上げ終了時まで、輻射シールド下端と融液表面との隙間の排気流路の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される排気流路の断面積未満となるように制御する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−５６０２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、黒鉛ルツボとヒーターの相対位置は、ホットゾーンに固有のものであり、最適な範囲がホットゾーン毎に異なる。このため、結晶中の炭素濃度を低減する最適な範囲を一義的に決定することができないという課題がある。

【0006】

本発明の目的は、シリコン単結晶中の炭素濃度を、確実に低減することのできるシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、シリコン単結晶中の炭素濃度に影響を与える可能性のある制御因子を複数設定し、これらについて実験計画法に基づいて要因分析を行った。この結果、本発明者らは、シリコン融液面と、シリコン融液面上に配置される遮蔽板との距離を制御することにより、確実にシリコン単結晶中の炭素濃度を低減できることを知見した。

【0008】

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、シリコン原料が投入される石英ルツボと、前記石英ルツボ中のシリコン単結晶を溶融するヒーターと、前記石英ルツボの上部に配置され
る熱遮蔽体とを備えた引き上げ装置を用い、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン原料の溶融時に、前記石英ルツボ中のシリコン融液の液面と、前記熱遮蔽体の下端との距離を、８６ｍｍ以上、１３２ｍｍ以下に維持した状態で前記シリコン原料の溶融を行うことを特徴とする。
本発明では、前記石英ルツボ中のシリコン融液の液面と、前記熱遮蔽体の下端との距離
を、１００ｍｍ以上、１２５ｍｍ以下に維持するのが好ましい。

【0009】

この発明によれば、シリコン原料の溶融工程において、シリコン融液の液面および熱遮蔽体との距離を前記の範囲に維持する。これにより、融液表面に存在するＣＯ（gas）を効率的に排除することができるので、引き上げられたシリコン単結晶の炭素濃度を確実に低減することができる。

【0010】

本発明では、前記石英ルツボ中のシリコン融液の液面と、前記熱遮蔽体の下端との距離は、前記石英ルツボのルツボ高さと、前記石英ルツボの上端および前記ヒーターの上端位置との距離と、前記石英ルツボ内のシリコン融液の液面および前記熱遮蔽体の下端との距離と、前記石英ルツボ内に供給されるアルゴンガスの流量とを制御因子として、実験計画法により求められるのが好ましい。
この発明によれば、ＣＯ（gas）のシリコン融液への混入を低減することのできる複数の制御因子の中から、最も効果の高い制御因子を、少ない数の実験数で見出すことができるため、効率的に制御すべき制御因子を取得することができる。

【0011】

本発明では、シリコン原料の溶融は、シリコン原料を前記石英ルツボ中に投入して溶融させた後、シリコン溶融液面に、吊り下げられたロッド状のシリコン原料を順次着液させて行うのが好ましい。
この発明によれば、前述したシリコン融液の液面と熱遮蔽体の下端との距離を維持した状態で、投入可能な少量のシリコン原料を溶融させ、その後、ロッド状のシリコン原料を吊り下げた状態で着液させて溶融させる。したがって、シリコン原料の溶融中、シリコン融液の液面と、熱遮蔽体の下端との距離を維持した状態でロッド状のシリコン原料を投入することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の引き上げ装置の構造を示す模式図。

【図2】前記実施形態における実験計画法の制御因子を説明するための模式図。

【図3】前記実施形態における制御因子とシリコン単結晶中の炭素濃度の変化を示すグラフ。

【図4】前記実施形態におけるシリコン融液の液面および熱遮蔽体の下端の距離とシリコン融液中の炭素濃度の関係を示すグラフ。

【図5】前記実施形態におけるシリコン融液の液面および熱遮蔽体の下端の距離が大きい場合のガス流れの状態を表す模式図。

【図6】前記実施形態におけるシリコン融液の液面および熱遮蔽体の下端の距離が小さい場合のガス流れの状態を表す模式図。

【図7】前記実施形態におけるシリコン融液の液面および熱遮蔽体の下端の距離が適切な場合のガス流れの状態を表す模式図。

【図8】前記実施形態におけるロッド状のシリコン原料の吊り下げ治具の構造を示す側面図。

【図9】前記実施形態におけるロッド状のシリコン原料を吊り下げた状態でシリコン融液に着液させることを説明するための模式図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［１］シリコン単結晶の引き上げ装置１の構造
図１には、本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法を適用できるシリコン単結晶の引き上げ装置１の構造の一例を表す模式図が示されている。引き上げ装置１は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶１０を引き上げる装置であり、外郭を構成するチャンバ２と、チャンバ２の中心部に配置されるルツボ３とを備える。
ルツボ３は、内側の石英ルツボ３Ａと、外側の黒鉛ルツボ３Ｂとから構成される二重構造であり、回転および昇降が可能な支持軸４の上端部に固定されている。

【0014】

ルツボ３の外側には、ルツボ３を囲む抵抗加熱式のヒーター５が設けられ、その外側には、チャンバ２の内面に沿って断熱材６が設けられている。
ルツボ３の上方には、支持軸４と同軸上で逆方向または同一方向に所定の速度で回転するワイヤなどの引き上げ軸７が設けられている。この引き上げ軸７の下端には種結晶８が取り付けられている。

【0015】

チャンバ２内には、筒状の熱遮蔽体１２が配置されている。
熱遮蔽体１２は、育成中のシリコン単結晶１０に対して、ルツボ３内のシリコン融液９やヒーター５やルツボ３の側壁からの高温の輻射熱を遮断するとともに、結晶成長界面である固液界面の近傍に対しては、外部への熱の拡散を抑制し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を制御する役割を担う。
また、熱遮蔽体１２は、シリコン融液９からの蒸発部を炉上方から導入した不活性ガスにより、炉外に排気する整流筒としての機能もある。

【0016】

チャンバ２の上部には、アルゴンガス（以下、Ａｒガスと称す）などの不活性ガスをチャンバ２内に導入するガス導入口１３が設けられている。チャンバ２の下部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ２内の気体を吸引して排出する排気口１４が設けられている。
ガス導入口１３からチャンバ２内に導入された不活性ガスは、育成中のシリコン単結晶１０と熱遮蔽体１２との間を下降し、熱遮蔽体１２の下端とシリコン融液９の液面との隙間を経た後、熱遮蔽体１２の外側、さらにルツボ３の外側に向けて流れ、その後にルツボ３の外側を下降し、排気口１４から排出される。

【0017】

このような引き上げ装置１を用いてシリコン単結晶１０を製造する際、チャンバ２内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ３に充填した多結晶シリコンなどの固形原料をヒーター５の加熱により溶融させ、シリコン融液９を形成する。ルツボ３内にシリコン融液９が形成されると、引き上げ軸７を下降させて種結晶８をシリコン融液９に浸漬し、ルツボ３および引き上げ軸７を所定の方向に回転させながら、引き上げ軸７を徐々に引き上げ、これにより種結晶８に連なったシリコン単結晶１０を育成する。

【0018】

［２］シリコン融液９の液面と、熱遮蔽体１２の下端との距離Ｇａｐの特定
［2-1］実験計画法による制御因子の特定
まず、本発明者らは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、黒鉛ルツボ３Ｂの上端位置に対する石英ルツボ３Ａの上端位置の高さとなるルツボ高さ、黒鉛ルツボ３Ｂおよびヒーター５の上端位置の距離ＣＰ、石英ルツボ３Ａ内に供給されるＡｒガスの流量、および石英ルツボ３Ａ内のシリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐを制御因子として、実験計画法により、どの制御因子がシリコン原料の溶融中のシリコン融液９内のカーボン濃度に影響を及ぼすかの検討を行った。各制御因子と、各制御因子の水準を表１に示す。なお、シリコン融液９の深さは自由に設定することができるようにして、ＣＰおよびＧａｐは独立して変化させた。また、炉内圧は、４０００Ｐａ（３０Ｔｏｒｒを換算した値）一定とした。

【0019】

【表1】

【0020】

実験計画法による要因分析の結果により、図３に示すように、ルツボ高さ、ＣＰ、Ａｒガス流量については、水準を変更しても大きな変化は認められず、シリコン融液９の内部のカーボン濃度に大きな影響を与えるものではないことが確認された。
一方、石英ルツボ３Ａ内のシリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐについては、Ｇａｐ＝１００ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲でシリコン融液９の内部のカーボン濃度が大きく低減していることが確認された。
すなわち、シリコン融液９の内部のカーボン濃度は、石英ルツボ３Ａ内のシリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐの影響を受けることが確認された。

【0021】

［2-2］シミュレーションによる最適範囲の特定
次に、本発明者らは、ＳＴＲ社の熱流動解析プログラムＣＧＳｉｍを用いて、石英ルツボ３Ａ内のシリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐを変更し、その際の化学反応モデル、およびガス流れについて、シミュレーションを行った。結果を表２および図４に示す。

【0022】

【表2】

【0023】

表２および図４からわかるように、石英ルツボ３Ａ内のシリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐが、８６ｍｍ以上、１３２ｍｍ以下の範囲で、シリコン融液９の内部のカーボン濃度が、著しく低減していることが確認された。特に、１００ｍｍ以上、１２５ｍｍ以下の範囲では、カーボン濃度の低減の効果が著しい。

【0024】

距離Ｇａｐ＝１８７ｍｍにおけるガス流れを確認してみると、図５に示すようなガス流れを呈していた。シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端が離れている場合、シリコン融液９上のＡｒガスの流速が低下し、シリコン融液９上のＣＯガスの排出がされにくくなり、シリコン融液９内のカーボン濃度が上昇してしまう。なお、図５から図７において、線で繋がれた丸は、ガス流れを模式的に表したものである。
距離Ｇａｐを大きくすると、排気効果が弱まりシリコン融液９の上方に渦が発生する。この渦が滞留すると、渦でのＣＯガスが高濃度となり、拡散によりシリコン融液９へのＣＯガス混入量が増加する。
距離Ｇａｐ＝６７ｍｍにおけるガス流れを確認してみると、図６に示すようなガス流れを呈していた。シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端が接近している場合、熱遮蔽体１２の下端から発生するＣＯガスによって、シリコン融液９内のカーボン濃度が上昇してしまう。
距離Ｇａｐを小さくすると、熱遮蔽体１２からシリコン融液９へのＣＯガス混入量が増加する。

【0025】

距離Ｇａｐ＝１２２ｍｍにおけるガス流れを確認してみると、図７に示すようなガス流れを呈していた。シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の間の距離が適切に設定されているため、シリコン融液９上のＡｒガスの流速が低下することなく、シリコン融液９上のＣＯガスを適切に排出することができ、熱遮蔽体１２の下端から発生するＣＯガスがシリコン融液９内に浸透することも少ない。

【0026】

［３］シリコン原料の溶融方法
以上のシミュレーション結果から、シリコン原料の溶融時には、シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の距離Ｇａｐを８６ｍｍ以上、１３２ｍｍ以下とするのが好ましいことがわかった。
しかしながら、一般に石英ルツボ３Ａ内へのシリコン原料の投入は、シリコンチャンクを石英ルツボ３Ａ内に投入して行われる。この際、熱遮蔽体１２を上昇させる必要があるため、シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の距離Ｇａｐを上記範囲に維持することができない。

【0027】

そこで、本実施形態では、まず、シリコン原料の溶融工程において、シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の距離Ｇａｐを上記範囲に維持した状態で投入できる量のシリコン原料を投入し、これを溶融させた後、吊り下げられたロッド状のシリコン原料を、シリコン融液９の液面に着液させることによりシリコン融液９の量を増加していく。
吊り下げ治具２０は、図８に示すように、ボックス金物２１、ねじ切り丸棒２２、吊り下げプレート２３、ナット２４、一対のフック２５、および幅調整プレート２６を備える。

【0028】

ボックス金物２１は、有底の箱状体から構成され、底部中央には、孔２１Ａが形成されている。孔２１Ａには、ねじ切り丸棒２２が挿通されている。
ねじ切り丸棒２２は、外周に雄ねじ溝が形成された棒状体から構成され、孔２１Ａに挿通された部分にナット２２Ａが螺合され、ボックス金物２１の下面から下方に垂下する。
ねじ切り丸棒２２の下端には、吊り下げプレート２３が挿通され、さらにその下部には、ナット２４が螺合している。
吊り下げプレート２３には、端部に複数の孔２３Ａが形成されており、それぞれの孔２３Ａには、フック２５の基端部が挿通されている。

【0029】

一対のフック２５のそれぞれは、上端部がボルト形状に拡径しており、吊り下げプレート２３の孔２３Ａに挿通された状態で吊り下げプレート２３に係止されている。一対のフック２５の先端は、水平方向に屈曲しており、先端に形成される係止爪２５Ａが、互いに向かい合うように配置される。
幅調整プレート２６は、一対のフック２５の中間部分に挿通されている。フック２５が挿通される孔２６Ａは、一対のフック２５の向き合う方向に延びる長孔として形成されている。

【0030】

このような吊り下げ治具２０は、ナット２４を回転させて上方に引き上げると、吊り下げプレート２３が引き上げられ、これに伴い、フック２５も上方に移動する。フック２５が上方に移動すると、相対的に幅調整プレート２６がフック２５の下方側に移動し、不一対のフック２５は互いに接近して、それぞれの係止爪２５Ａの間隔が狭くなる。これにより、ロッド状シリコン原料Ｓｒｄ（図９参照）を吊り下げることが可能となる。

【0031】

シリコン溶融時におけるシリコン原料は、まず、熱遮蔽体１２の引き上げ用の開口から少量のチャンクのシリコンを投入できる量だけ投入し、シリコン原料の溶融を開始する。
シリコン原料が溶融したら、図９に示すように、ロッド状シリコン原料Ｓｒｄを吊り下げ治具２０で挟み込み、吊り下げた状態で、熱遮蔽体１２のシリコン単結晶１０の引き上げ用開口から下方に移動させ、シリコン融液９の液面に着液させる。そして、この操作を、順次繰り返し、引き上げに必要なシリコン融液９の量を溶融させる。

【0032】

この際、シリコン融液９の液面および熱遮蔽体１２の下端の距離Ｇａｐは、８６ｍｍ以上、１３２ｍｍ以下を維持する。なお、シリコン融液９の液面位置を計測する方法としては、たとえば、特許第４７８４４０１号公報に開示された融液の液面監視装置を用いて計測する方法を採用することができる。
これにより、シリコン融液９中にＣＯガスが混入しにくい状態でシリコン原料の溶融を行うことができるため、引き上げられたシリコン単結晶１０の内部の炭素濃度を低減することができる。

【符号の説明】

【0033】

１…引き上げ装置、２…チャンバ、３…ルツボ、３Ａ…石英ルツボ、３Ｂ…黒鉛ルツボ、４…支持軸、５…ヒーター、６…断熱材、７…引き上げ軸、８…種結晶、９…シリコン融液、１０…シリコン単結晶、１２…熱遮蔽体、１３…ガス導入口、１４…排気口、２０…吊り下げ治具、２１…ボックス金物、２１Ａ…孔、２２…ねじ切り丸棒、２２Ａ…ナット、２３…吊り下げプレート、２３Ａ…孔、２４…ナット、２５…フック、２５Ａ…係止爪、２６…幅調整プレート、２６Ａ…孔、ＣＰ…距離、Ｇａｐ…距離、Ｓｒｄ…ロッド状シリコン原料。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】