JP5228671B2 - Method for growing silicon single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によるシリコン単結晶の育成方法に関し、特に、ルツボ内の原料融液に水平方向の横磁場を印加しつつ、その原料融液からシリコン単結晶を育成する横磁場印加ＣＺ法（以下、「ＨＭＣＺ法」という）によるシリコン単結晶の育成方法に関する。
The present invention relates to a method for growing a silicon single crystal by the Czochralski method (hereinafter referred to as “CZ method”), and in particular, while applying a horizontal transverse magnetic field to a raw material melt in a crucible, transverse magnetic field applied CZ method for growing a silicon single crystal (hereinafter referred to as "HMCZ Act") about the training how of silicon single crystal by.
通常、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、減圧下の不活性ガス雰囲気に維持された引き上げ炉内において、石英ルツボ内に充填された多結晶シリコンなどのシリコン原料を、ルツボを囲繞するヒータにより加熱し溶融させる。石英ルツボ内に原料融液が形成されると、石英ルツボの上方で引き上げ軸に保持された種結晶を下降させ原料融液に浸漬する。この状態から種結晶および石英ルツボを所定の方向に回転させながら種結晶を徐々に上昇させ、これにより、種結晶の下方にシリコン単結晶が育成され引き上げられる。 Usually, in the growth of a silicon single crystal by the CZ method, in a pulling furnace maintained in an inert gas atmosphere under reduced pressure, a silicon raw material such as polycrystalline silicon filled in a quartz crucible is heated by a heater surrounding the crucible. Heat and melt. When the raw material melt is formed in the quartz crucible, the seed crystal held on the pulling shaft is lowered above the quartz crucible and immersed in the raw material melt. From this state, while rotating the seed crystal and the quartz crucible in a predetermined direction, the seed crystal is gradually raised, whereby a silicon single crystal is grown and pulled below the seed crystal.
その際、種結晶の上昇に伴って、種結晶から直径を細く絞られたネック部が育成され、ネック部から所望の直径まで逐次直径を増加させた円錐状のショルダー部が育成される。次いで、シリコンウェーハ用に製品として取り扱われる所望の直径の直胴部が育成され、育成の最終段階で転位の導入を防止するために直胴部から逐次直径を減少させた逆円錐状のテイル部が育成される。 At that time, as the seed crystal rises, a neck portion whose diameter is narrowed from the seed crystal is grown, and a conical shoulder portion whose diameter is successively increased from the neck portion to a desired diameter is grown. Next, a straight barrel portion having a desired diameter to be handled as a product for a silicon wafer is grown, and an inverted conical tail portion in which the diameter is sequentially reduced from the straight barrel portion in order to prevent the introduction of dislocation at the final stage of the growth. Is nurtured.
近年、半導体デバイスのコスト低減および生産性向上の観点からシリコンウェーハの大口径化が図られ、これに対応して、大口径のシリコン単結晶を安定した品質で製造できる技術の確立が急務となっている。 In recent years, the diameter of silicon wafers has been increased from the viewpoint of cost reduction and productivity improvement of semiconductor devices, and in response to this, it is urgently necessary to establish a technology that can produce large-diameter silicon single crystals with stable quality. ing.
ところが、直胴部の直径が３００ｍｍ以上になる大口径のシリコン単結晶の育成では、育成初期に対応する直胴部の引き上げ方向の上部で酸素濃度が顕著に高くなり、これが問題視されている。この問題は、シリコン単結晶の大口径化に伴って石英ルツボが拡大されるため、単結晶の育成初期に、石英ルツボの内表面と原料融液との接触面積が増加して、ルツボ内表面から原料融液に溶出する酸素の量が増大し、この過量な酸素がシリコン単結晶中に取り込まれることに起因して発生する。 However, in the growth of a large-diameter silicon single crystal in which the diameter of the straight body part is 300 mm or more, the oxygen concentration is remarkably increased at the upper part in the pulling direction of the straight body part corresponding to the initial stage of growth, which is regarded as a problem. . This problem is caused by the fact that the quartz crucible is enlarged as the silicon single crystal is enlarged, so that the contact area between the inner surface of the quartz crucible and the raw material melt increases at the initial stage of the growth of the single crystal. The amount of oxygen eluted from the raw material melt increases, and this excessive amount of oxygen is generated by being taken into the silicon single crystal.
従来から、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御は、ルツボの回転速度や引き上げ炉内の圧力を調整することにより行っている。確かに、直胴部の直径が２００ｍｍ以下である小口径のシリコン単結晶の育成では、ルツボ内表面と原料融液との接触面積が小さく、原料融液に溶出する酸素量が多くないことから、ルツボ回転速度や炉内圧力を調整することで、直胴部の上部の高酸素化を抑制することが可能である。 Conventionally, the oxygen concentration in a silicon single crystal is controlled by adjusting the rotational speed of the crucible and the pressure in the pulling furnace. Certainly, in the growth of a small diameter silicon single crystal having a diameter of the straight body portion of 200 mm or less, the contact area between the inner surface of the crucible and the raw material melt is small, and the amount of oxygen eluted into the raw material melt is not large. By adjusting the crucible rotation speed and the pressure in the furnace, it is possible to suppress the oxygen increase in the upper part of the straight body portion.
上述の通り、大口径のシリコン単結晶の育成では、ルツボ内表面と原料融液との接触面積が大きく、原料融液に溶出する酸素量も多いことから、直胴部の上部の高酸素化を抑制するには、ルツボ回転速度や炉内圧力を大幅に調整しなければならない。この場合、熱環境が大幅に変動するため、シリコン単結晶に有転位化や直径変動が発生するなどし、安定した品質の単結晶を育成することが困難である。特に、原料融液の精密な温度制御のもとで低速引き上げを行い、ＣＯＰ（Cristal Originated Particle）などの空孔欠陥の発生を抑えた低ＣＯＰ単結晶の育成は、著しく困難になる。 As described above, when growing a large-diameter silicon single crystal, the contact area between the crucible inner surface and the raw material melt is large, and the amount of oxygen eluted into the raw material melt is large. To suppress this, the crucible rotation speed and furnace pressure must be adjusted significantly. In this case, since the thermal environment fluctuates significantly, dislocations and diameter fluctuations occur in the silicon single crystal, and it is difficult to grow a single crystal of stable quality. In particular, it is extremely difficult to grow a low COP single crystal that is pulled at a low speed under precise temperature control of the raw material melt and suppresses generation of void defects such as COP (Cristal Originated Particle).
一方、ＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の育成方法は、例えば特許文献１に記載されるように、ルツボを挟んで一対の電磁コイルを対向配置し、その電磁コイルによりルツボ内の原料融液に横磁場を印加しながら単結晶の育成を行う方法であり、横磁場の印加により原料融液の対流を抑制し、変動の少ない熱環境下で単結晶の育成が可能であることから、安定した品質のシリコン単結晶を製造するのに有効な方法とされている。通常、この方法では、結晶成長界面における原料融液の温度変動を抑えるため、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液の液面位置と同じ位置に設定し、またはそれよりも下方の原料融液内の位置に設定し、この状態で単結晶の育成を行っている。 On the other hand, as described in Patent Document 1, for example, a method for growing a silicon single crystal by the HMCZ method has a pair of electromagnetic coils opposed to each other with a crucible interposed therebetween, and a transverse magnetic field is applied to the raw material melt in the crucible by the electromagnetic coils. This is a method of growing single crystals while applying sapphire, and by suppressing the convection of the raw material melt by applying a transverse magnetic field, it is possible to grow single crystals in a thermal environment with little fluctuations. This is an effective method for producing silicon single crystals. Normally, in this method, in order to suppress the temperature fluctuation of the raw material melt at the crystal growth interface, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to the same position as the liquid surface position of the raw material melt, or a lower raw material. The position is set in the melt, and the single crystal is grown in this state.
しかし、このようなＨＭＣＺ法を採用しても、上述した直胴部の上部で高酸素化が発生するという問題は解消できない状況であった。 However, even if such an HMCZ method is adopted, the above-described problem of high oxygen generation at the upper portion of the straight body portion cannot be solved.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ＨＭＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、横磁場の磁場中心線の位置を適正に調整することにより、直胴部の上部の高酸素化を抑制し、安定した品質のシリコン単結晶を育成することができるシリコン単結晶の育成方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and when growing a silicon single crystal by the HMCZ method, by appropriately adjusting the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field, An object of the present invention is to provide a method for growing a silicon single crystal that can suppress high oxygenation and grow a silicon single crystal of stable quality .
本発明者は、上記目的を達成するため、ＨＭＣＺ法によりシリコン単結晶を育成することを前提にして鋭意検討を重ね、横磁場の磁場中心線の位置がシリコン単結晶中の酸素濃度に与える影響を詳細に調査した。 In order to achieve the above object, the present inventor has made extensive studies on the assumption that a silicon single crystal is grown by the HMCZ method, and the influence of the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field on the oxygen concentration in the silicon single crystal. Were investigated in detail.
図１は、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置と同じ位置に設定して育成を行った単結晶と、液面位置から５０ｍｍ高い位置に磁場中心線の位置を設定して育成を行った単結晶における引き上げ方向での酸素濃度の分布を示す図である。同図では、液面位置と同じ位置に磁場中心線の位置を設定した場合の結果を丸印で示し、液面位置から５０ｍｍ高い位置に磁場中心線の位置を設定した場合の結果を三角印で示している。同図に示す結果から、いずれの場合も、単結晶の育成初期に対応する直胴部の上部で酸素濃度が顕著に高くなっているが、液面位置から５０ｍｍ高い位置に磁場中心線の位置を設定した場合は、液面位置と同じ位置に磁場中心線の位置を設定した場合に比べて、酸素濃度が引き上げ方向全域に亘り低下していることが判明した。 FIG. 1 shows a single crystal grown by setting the position of the magnetic field center line to the same position as the liquid surface position of the raw material melt, and the position of the magnetic field center line is set 50 mm higher than the liquid surface position. It is a figure which shows distribution of the oxygen concentration in the pulling direction in the single crystal which performed. In the figure, the results when the position of the magnetic field center line is set at the same position as the liquid surface position are indicated by circles, and the results when the position of the magnetic field center line is set 50 mm higher than the liquid surface position are indicated by triangles. Is shown. From the results shown in the figure, in each case, the oxygen concentration is remarkably high in the upper portion of the straight body corresponding to the initial stage of single crystal growth, but the position of the magnetic field center line is 50 mm higher than the liquid level. It was found that the oxygen concentration decreased over the entire pulling direction compared to the case where the position of the magnetic field center line was set at the same position as the liquid level.
この事実から、直胴部を育成する際に、横磁場の磁場中心線の位置を、初期には原料融液の液面位置から上方に外れた位置に設定し、育成の途中から原料融液の液面位置と同じ位置、またはそれよりも下方の原料融液内の位置に変更すれば、直胴部の上部の高酸素化を抑制できることを知見した。 From this fact, when cultivating the straight body part, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is initially set to a position deviated upward from the liquid surface position of the raw material melt, and the raw material melt is started from the middle of the growth. It has been found that if the position is changed to the same position as the liquid level position in the above, or the position in the raw material melt below that, the high oxygenation in the upper part of the straight body portion can be suppressed.
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、下記（１）のシリコン単結晶の育成方法を要旨とする。
The present invention was completed based on the above findings, and the gist of the development how the silicon single crystal (1) below.
（１）ルツボを挟んで一対の電磁コイルを対向配置し、前記電磁コイルによりルツボ内の原料融液に横磁場を印加しつつ、前記原料融液からシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の育成方法において、前記横磁場の磁場中心線の位置を前記原料融液の液面位置よりも高い第１の位置に設定した状態でシリコン単結晶の直胴部の育成を開始し、その後に前記磁場中心線の位置を前記原料融液の液面位置と同じ、またはその液面位置よりも低い第２の位置に変更して前記直胴部の育成を行い、前記直胴部の酸素濃度が７〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）であるシリコン単結晶を育成し、前記第１の位置が、前記原料融液の液面位置から上方に７０ｍｍまでの範囲内であり、前記第２の位置が、前記原料融液の液面位置から下方に７０ｍｍまでの範囲内であり、前記第１の位置から前記第２の位置への前記磁場中心線の位置変更は、シリコン単結晶の育成を開始する前の前記ルツボ内の原料融液量に対してシリコン単結晶の重量の比率が２５％以上４５％以下に達したときに行うことを特徴とするシリコン単結晶の育成方法である。
(1) Growing a silicon single crystal from which a pair of electromagnetic coils are opposed to each other with a crucible sandwiched between them and a lateral magnetic field is applied to the raw material melt in the crucible by the electromagnetic coil, and a silicon single crystal is grown from the raw material melt. In the method, the growth of the straight body portion of the silicon single crystal is started in a state where the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to a first position higher than the liquid surface position of the raw material melt, and then the magnetic field The position of the center line is changed to a second position that is the same as or lower than the liquid surface position of the raw material melt, and the straight body portion is grown, so that the oxygen concentration of the straight body portion is 7 A silicon single crystal having a size of ˜14 × 10 17 atoms / cm 3 (ASTM F121-1979) is grown , and the first position is within a range of up to 70 mm from the liquid surface position of the raw material melt, The second position is the raw material melt The position change of the magnetic field center line from the first position to the second position is within the crucible before starting the growth of the silicon single crystal. This is a silicon single crystal growth method, which is performed when the ratio of the weight of the silicon single crystal to the amount of the raw material melt reaches 25% or more and 45% or less .
この育成方法は、前記直胴部の引き上げ方向における酸素濃度の最大値と最小値の差が１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以内であるシリコン単結晶を育成することができる。 This growth method can grow a silicon single crystal in which the difference between the maximum value and the minimum value of the oxygen concentration in the pulling direction of the straight body portion is within 1 × 10 17 atoms / cm 3 .
また、この育成方法において、前記第１の位置は、前記原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍまでの範囲内であることが好ましく、前記第２の位置は、前記原料融液の液面位置から下方に５０ｍｍまでの範囲内であることが好ましい。 In this growth method, the first position is preferably within a range of 50 mm upward from the liquid surface position of the raw material melt, and the second position is the liquid surface of the raw material melt. It is preferable to be within a range of 50 mm downward from the position.
さらに、この育成方法では、前記第２の位置で印加する横磁場の強度よりも、前記第１の位置で印加する横磁場の強度を高く設定することが好ましい。 Furthermore, in this growth method, it is preferable that the intensity of the transverse magnetic field applied at the first position is set higher than the intensity of the transverse magnetic field applied at the second position.
この育成方法は、特に前記直胴部の直径が３００ｍｍ以上である大口径のシリコン単結晶の育成に適用することが好ましい。 This growth method is particularly preferably applied to the growth of a large-diameter silicon single crystal having a diameter of the straight body portion of 300 mm or more.
シリコン単結晶は、直径が３００ｍｍ以上で、酸素濃度が７〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）であってもよく、この場合、且つ引き上げ方向における酸素濃度の最大値と最小値の差が１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以内である直胴部を有してもよい。
Silicon single crystal, a diameter of more than 300 mm, the oxygen concentration may be I 7~14 × 10 17 atoms / cm 3 (ASTM F121-1979) der, the maximum value in this case, and the oxygen concentration in the pulling direction the difference between the minimum may have a straight body portion is within 1 × 10 17 atoms / cm 3 .
なお、本発明で規定する酸素濃度は全て、単結晶直径の中心部における酸素濃度である。また、単結晶の直胴部形成開始から直胴部長さが概ね１００ｍｍ〜２００ｍｍに至るまでの直胴部領域、および単結晶の直胴部形成終了から手前１００ｍｍ〜２００ｍｍまでの直胴部領域は、ショルダー部形成から直胴部形成、あるいは直胴部形成からテイル部形成へのプロセス条件の急変操作によって単結晶育成条件が安定しない領域であって、製品として寄与しない直胴部領域である。このため、本発明で規定する直胴部とは、製品として寄与しないこれらの直胴部領域を除く直胴部を意味するものである。 In addition, all the oxygen concentration prescribed | regulated by this invention is an oxygen concentration in the center part of a single crystal diameter. In addition, the straight body region from the start of the formation of the straight body of the single crystal to the length of the straight body portion of approximately 100 mm to 200 mm, and the straight body region of the straight body from the end of formation of the straight body of the single crystal to the front 100 mm to 200 mm In addition, the region where the single crystal growth conditions are not stabilized by the sudden change operation of the process conditions from the shoulder portion formation to the straight body portion formation or from the straight body portion formation to the tail portion formation is a straight body portion region which does not contribute as a product. For this reason, the straight body part prescribed | regulated by this invention means the straight body part except these straight body part area | regions which do not contribute as a product.
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、直胴部を育成する際の初期に、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液の液面の位置よりも高い第１の位置に設定しているため、育成初期に対応する直胴部の上部で酸素濃度を低下させることができ、さらに、横磁場の印加による原料融液の対流の抑制効果から、変動の少ない熱環境下で直胴部の育成が可能で、有転位化や直径変動などが発生しない。 According to the method for growing a silicon single crystal of the present invention, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to a first position higher than the position of the liquid surface of the raw material melt at the initial stage when the straight body portion is grown. Therefore, the oxygen concentration can be lowered at the upper part of the straight body corresponding to the initial stage of growth, and further, the effect of suppressing the convection of the raw material melt due to the application of a transverse magnetic field can be reduced in a thermal environment with little fluctuation. The body can be grown, and no dislocations or diameter fluctuations occur.
また、直胴部の育成中に、磁場中心線の位置を、原料融液の液面の位置と同じ、またはそれよりも低い第２の位置に変更して育成を行っているため、原料融液の対流の抑制効果が有効に発揮され、有転位化や直径変動などが発生しない直胴部の育成が可能となり、さらに、酸素濃度の過剰な低下が抑えられる。従って、直胴部の上部の高酸素化を抑制し、酸素濃度が引き上げ方向に均一で安定した品質の直胴部を育成することができる。この育成方法により、大口径で品質の安定したシリコン単結晶を製造することができる。 Further, during the growth of the straight body portion, the position of the magnetic field center line is changed to a second position that is the same as or lower than the position of the liquid surface of the raw material melt. The effect of suppressing the convection of the liquid is effectively exhibited, it is possible to grow a straight body portion that does not cause dislocation or fluctuation in diameter, and further, an excessive decrease in oxygen concentration is suppressed. Therefore, it is possible to suppress the increase in oxygen at the upper portion of the straight body portion and to grow a straight body portion having a uniform and stable quality in the pulling direction. By this growth method, a silicon single crystal having a large diameter and stable quality can be produced.
以下に、本発明のシリコン単結晶の育成方法、およびその育成方法によって得られる大口径のシリコン単結晶について、その実施形態を詳述する。 Hereinafter, embodiments of the silicon single crystal growth method of the present invention and the large-diameter silicon single crystal obtained by the growth method will be described in detail.
図２は、本発明の一実施形態であるＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に適した単結晶育成装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、単結晶育成装置は、一般には引上げ炉とも呼ばれ、その外郭をチャンバ１で構成され、チャンバ１内の中心部にルツボ２が配置されている。ルツボ２は二重構造になっており、内側の石英ルツボ２ａと、外側の黒鉛ルツボ２ｂとから構成される。このルツボ２は、支持軸３の上端部に固定され、その支持軸３の回転駆動および昇降駆動を介して、周方向に回転するとともに軸方向に昇降することが可能である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a single crystal growing apparatus suitable for growing a silicon single crystal by the HMCZ method according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the single crystal growing apparatus is generally called a pulling furnace, and its outer shell is constituted by a chamber 1, and a
ルツボ２の外側には、ルツボ２を囲繞する抵抗加熱式のヒータ４が配設され、そのさらに外側には、チャンバ１の内面に沿って断熱材５が配されている。ヒータ４は、ルツボ２内に充填されたシリコン原料を溶融させ、これにより、ルツボ２内に原料融液１０が形成される。
A resistance heating type heater 4 surrounding the
ルツボ２の上方には、支持軸３と同軸上にワイヤなどの引き上げ軸６が配されている。引き上げ軸６は、チャンバ１の上端に設けられた図示しない引き上げ機構により回転するとともに昇降することが可能である。引き上げ軸６の先端には、種結晶７が取り付けられている。引き上げ軸６の駆動に伴って、種結晶７をルツボ２内の原料融液１０に浸漬し、その種結晶７を回転させながら徐々に上昇させることにより、種結晶７の下方に、シリコン単結晶１１として、ネック部１１ａ、ショルダー部１１ｂ、直胴部１１ｃ、および図示しないテイル部が順に育成される。
Above the
さらに、チャンバ１内には、引き上げ中のシリコン単結晶１１を囲繞する筒状の熱遮蔽体８が配設されている。熱遮蔽体８は、ルツボ２内の原料融液１０やヒータ４からの輻射熱を遮断し、引き上げ中のシリコン単結晶１１の冷却を促進させる役割を果たす。
Further, a
また、チャンバ１の外側には、ルツボ２を挟んで対向する一対の電磁コイル９が配設されている。電磁コイル９は、電磁コイル９同士の間に水平方向の横磁場を発生させ、ルツボ２内の原料融液１０に横磁場を印加する。図２中に一点鎖線で示す横磁場の磁場中心線Ｃは、対向する電磁コイル９の中心点を結ぶコイル中心線に相当し、ルツボ２の中心軸、すなわち育成するシリコン単結晶１１の中心軸と直交するように配置されている。電磁コイル９は、図示しない昇降機構により互いに同期して昇降することが可能であり、昇降により、ルツボ２内の原料融液１０の液面Ｓの位置に対して、磁場中心線Ｃの位置を高さ方向に調整させることができる。
In addition, a pair of
図３は、本発明の一実施形態であるシリコン単結晶の育成方法における工程を説明する図であり、同図（ａ）は直胴部の育成を開始したときの状態を示し、同図（ｂ）は直胴部の育成中に横磁場の磁場中心線の位置を変更したときの状態を示している。 FIG. 3 is a diagram for explaining the steps in the method for growing a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 (a) shows a state when the growth of the straight body portion is started. b) shows a state when the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is changed during the growth of the straight body part.
図３（ａ）に示すように、ネック部１１ａおよびショルダー部１１ｂの育成後に直胴部１１ｃを育成するに際し、電磁コイル９による横磁場の磁場中心線Ｃの位置を、ルツボ２内の原料融液１０の液面Ｓの位置よりも高い第１の位置に設定し、この状態で直胴部１１ｃの育成を開始する。すなわち、直胴部１１ｃの育成初期では、磁場中心線Ｃの位置を原料融液１０から上方に外れた位置に維持した状態で、直胴部１１ｃの育成を行う。
As shown in FIG. 3A, when the
その後、図３（ｂ）に示すように、直胴部１１ｃの育成中に、磁場中心線Ｃの位置を、原料融液１０の液面Ｓの位置と同じ、またはそれよりも低い第２の位置に変更して、直胴部１１ｃの育成を継続する。すなわち、直胴部１１ｃの育成中期以降では、磁場中心線Ｃの位置を原料融液１０内の位置に維持した状態で、直胴部１１ｃの育成を行う。同図（ｂ）では、磁場中心線Ｃの位置が原料融液１０の液面Ｓの位置よりも低い位置にある状態を示している。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, during the growth of the
このようなシリコン単結晶の育成方法によれば、直胴部を育成する際の初期に、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液の液面の位置よりも高い第１の位置に設定しているため、育成初期に対応する直胴部の上部で酸素濃度を低下させることができ、直胴部の上部の高酸素化を抑制することが可能になる。これは、下記の理由から説明できる。 According to such a method for growing a silicon single crystal, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to a first position higher than the position of the liquid surface of the raw material melt at the initial stage when the straight body portion is grown. Therefore, the oxygen concentration can be reduced at the upper part of the straight body part corresponding to the initial stage of growth, and it is possible to suppress the increase in oxygen at the upper part of the straight body part. This can be explained for the following reason.
図４は、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液の液面位置よりも高い位置に設定した育成において単結晶中の酸素濃度が低減する理由を説明する図である。同図に示すように、横磁場の磁場中心線Ｃの位置を原料融液１０の液面Ｓの位置よりも高い位置に設定した状態では、磁場中心線Ｃの位置が原料融液１０から上方に外れていることから、横磁場の印加によって原料融液１０に作用する対流の抑制効果が薄れ、原料融液１０に緩やかな自然対流が生じる。この自然対流は、同図中に実線矢印で示すように、ルツボ２の内表面に沿って上昇し、原料融液１０の液面Ｓの近傍を径方向の内向きに流れる対流である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the reason why the oxygen concentration in the single crystal is reduced in the growth in which the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set higher than the liquid surface position of the raw material melt. As shown in the figure, when the position of the magnetic field center line C of the transverse magnetic field is set to a position higher than the position of the liquid surface S of the
一方、原料融液１０にはルツボ２（石英ルツボ２ａ）の内表面から酸素が溶出するが、この酸素は、原料融液１０の緩やかな自然対流によって原料融液１０の液面Ｓの近傍に達し、その液面Ｓから上方の炉内雰囲気中に放出される。このため、原料融液１０のうちで同図中に斜線で示す液面Ｓの近傍の領域Ａでは酸素が低減し、この低酸素領域Ａが原料融液１０の緩やかな自然対流によってシリコン単結晶１１の結晶成長界面に順次送り込まれる。これにより、シリコン単結晶１１は、原料融液１０の低酸素領域Ａを原料にして育成される結果、酸素濃度が低下したものになる。
On the other hand, oxygen is eluted from the inner surface of the crucible 2 (
このような理由から、本発明のシリコン単結晶の育成方法では、直胴部の育成初期に、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液から上方に外れた第１の位置に設定しているため、直胴部の上部の高酸素化を抑制することができる。このとき、原料融液の対流の抑制効果が薄れるとはいえ、その効果は依然発揮されるため、変動の少ない熱環境下で直胴部の育成が可能であり、有転位化や直径変動などが発生しない優れた品質の直胴部を育成することができる。 For this reason, in the method for growing a silicon single crystal according to the present invention, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to the first position that deviates upward from the raw material melt in the initial stage of growing the straight body portion. Therefore, high oxygenation of the upper part of the straight body part can be suppressed. At this time, although the effect of suppressing the convection of the raw material melt is diminished, the effect is still exerted, so it is possible to grow the straight body part in a thermal environment with little fluctuation, such as dislocation and diameter fluctuation It is possible to cultivate a straight body portion of excellent quality that does not generate any problems.
さらに、このときの原料融液の対流の抑制効果をより確実に確保するには、第２の位置で印加する横磁場の強度よりも、第１の位置で印加する横磁場の強度を高く設定することが好ましい。例えば、第１の位置で印加する横磁場の強度を３０００〜３５００Ｇ（ガウス）の範囲内とし、第２の位置で印加する横磁場の強度を２５００〜３０００Ｇの範囲内とすることができる。 Further, in order to ensure the effect of suppressing the convection of the raw material melt at this time, the strength of the transverse magnetic field applied at the first position is set higher than the strength of the transverse magnetic field applied at the second position. It is preferable to do. For example, the intensity of the transverse magnetic field applied at the first position can be in the range of 3000 to 3500 G (Gauss), and the intensity of the transverse magnetic field applied at the second position can be in the range of 2500 to 3000 G.
また、本発明のシリコン単結晶の育成方法では、直胴部の育成中に、磁場中心線の位置を、第１の位置から、原料融液の液面の位置と同じ、またはそれよりも低い第２の位置に変更して育成を行っているため、横磁場の印加による原料融液の対流の抑制効果が有効に発揮される。これにより、変動の少ない熱環境下で直胴部の育成が可能であり、有転位化や直径変動などが発生しない安定した品質の直胴部を育成することができる。 In the method for growing a silicon single crystal of the present invention, the position of the magnetic field center line is the same as or lower than the position of the liquid surface of the raw material melt from the first position during the growth of the straight body portion. Since the growth is performed by changing to the second position, the effect of suppressing the convection of the raw material melt due to the application of the transverse magnetic field is effectively exhibited. Thereby, it is possible to grow the straight body part in a thermal environment with little fluctuation, and it is possible to grow a straight body part of stable quality that does not cause dislocation or diameter fluctuation.
しかも、磁場中心線の位置を第１の位置から第２の位置に変更した育成により、酸素濃度の過剰な低下が抑えられ、酸素濃度が引き上げ方向全域に亘って均一な直胴部を有するシリコン単結晶を育成することができる。 In addition, silicon having a straight body portion in which an excessive decrease in the oxygen concentration is suppressed and the oxygen concentration is uniform throughout the pulling direction by growing the magnetic field center line from the first position to the second position. Single crystals can be grown.
このような本発明の育成方法により、酸素濃度が７〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の範囲内に調整された直胴部を有するシリコン単結晶を得ることができる。しかも、その直胴部において、引き上げ方向における酸素濃度の最大値と最小値の差を１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以内に確保することができる。 By such a growing method of the present invention, it is possible to obtain a silicon single crystal having a straight body portion in which the oxygen concentration is adjusted within the range of 7 to 14 × 10 17 atoms / cm 3 (ASTM F121-1979). In addition, in the straight body portion, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxygen concentration in the pulling direction can be ensured within 1 × 10 17 atoms / cm 3 .
従来、直胴部の直径が３００ｍｍ以上になる大口径のシリコン単結晶の育成する際に、直胴部の上部で酸素濃度が高くなることが問題視されているが、本発明の育成方法は、この問題を解消することができるため、大口径の単結晶の育成に有効である。また、本発明の育成方法は、直胴部の直径が３００ｍｍ未満のシリコン単結晶の育成においても、引上げ方向における酸素濃度の均一化に有効に作用するものである。 Conventionally, when growing a large-diameter silicon single crystal with a diameter of the straight body part of 300 mm or more, it has been regarded as a problem that the oxygen concentration becomes high at the upper part of the straight body part. Since this problem can be solved, it is effective for growing a single crystal having a large diameter. Further, the growing method of the present invention effectively works to make the oxygen concentration uniform in the pulling direction even when growing a silicon single crystal having a diameter of the straight body portion of less than 300 mm.
上述した本発明の育成方法において、第１の位置から第２の位置に磁場中心線の位置を変更するタイミングは、シリコン単結晶の育成を開始する前のルツボ内の原料融液量（初期原料融液量）に対するシリコン単結晶の重量の比率、いわゆる育成中の単結晶の固化率が、２５％以上に達したときとする。２５％未満であると、直胴部の上部での高酸素化の抑制が不十分となるからである。その上限については、あまりに大きくし過ぎると直胴部中の酸素濃度が過剰に低下するため、４５％以下とする。
In the above-described growth method of the present invention, the timing of changing the position of the magnetic field center line from the first position to the second position is the amount of the raw material melt in the crucible before starting the growth of the silicon single crystal (initial raw material). the ratio of the weight of the silicon single crystal with respect to amount of melt), solidification of the single crystal in the so-called development is, you and when reaching 25% or more. This is because if it is less than 25%, suppression of high oxygenation at the upper portion of the straight body portion becomes insufficient. For the upper limit, in order to decrease the excess oxygen concentration in an excessively too large straight body, it shall be the 45% or less.
また、本発明の育成方法において、第１の位置は、直胴部の上部での高酸素化の抑制効果を有効に発揮させるため、原料融液の液面位置から上方に７０ｍｍまでの範囲内とし、原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍまでの範囲内とすることが好ましい。上記の第２の位置については、原料融液の対流の抑制効果を有効に発揮させるため、原料融液の液面位置から下方に７０ｍｍまでの範囲内とし、原料融液の液面位置から下方に５０ｍｍまでの範囲内とすることが好ましい。
Further, in the growth method of the present invention, the first position is within a range of up to 70 mm upward from the liquid surface position of the raw material melt in order to effectively exhibit the effect of suppressing high oxygenation at the upper part of the straight body part . In addition, it is preferable to be within a range of up to 50 mm from the liquid surface position of the raw material melt. A second position described above, in order to effectively exhibit the effect of suppressing convection of the raw RyoTorueki, and in the range of up to 70mm from the liquid surface position of the raw material melt down, the liquid level position of the raw material melt It is preferable to be within a range of up to 50 mm downward.
磁場中心線の位置を第１の位置から第２の位置に変更するに際しては、目標とする位置まで一気に変更してもよいが、段階的に徐々に変更することもできる。このとき、磁場中心線の位置の変更に伴って、横磁場の強度も目標とする強度まで一気に変更してもよいし、段階的に徐々に変更してもよい。 When changing the position of the magnetic field center line from the first position to the second position, the position may be changed to the target position at once, but may be gradually changed step by step. At this time, along with the change of the position of the magnetic field center line, the intensity of the transverse magnetic field may be changed to the target intensity at once, or may be gradually changed step by step.
本発明のシリコン単結晶の育成方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。前記図２に示す単結晶育成装置を用い、内径３２インチのルツボを使用し、これにシリコン原料として多結晶シリコン４００ｋｇ充填して溶融させ、この原料融液から直径が３１０ｍｍで、ショルダー部を形成後の直胴部開始時点から直胴部の下端までの長さが１９００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。 In order to confirm the effect of the method for growing a silicon single crystal of the present invention, the following test was conducted. Using the single crystal growth apparatus shown in FIG. 2, a crucible having an inner diameter of 32 inches is used, and 400 kg of polycrystalline silicon is filled and melted as a silicon raw material, and a shoulder is formed from the raw material melt with a diameter of 310 mm. A silicon single crystal having a length of 1900 mm from the starting point of the subsequent straight body part to the lower end of the straight body part was grown.
その際、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍの位置（第１の位置）に設定した状態で、横磁場の強度を３０００Ｇとして直胴部の育成を開始し、その後、育成中のシリコン単結晶の固化率が２５％に達したときに、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置と同じ位置（第２の位置）に変更するとともに、横磁場の強度を２５００Ｇに変更し、単結晶の育成を行った。ここでいう固化率とはショルダー部形成開始からの固化率である。 At that time, in the state where the position of the magnetic field center line is set to a position (first position) 50 mm upward from the liquid surface position of the raw material melt, the strength of the transverse magnetic field is set to 3000 G, and the growth of the straight body portion is started. Thereafter, when the solidification rate of the growing silicon single crystal reaches 25%, the position of the magnetic field center line is changed to the same position (second position) as the liquid surface position of the raw material melt, and the transverse magnetic field The strength was changed to 2500 G, and a single crystal was grown. The solidification rate here is a solidification rate from the start of shoulder portion formation.
また、比較のために、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置と同じ位置で一定とした場合、および磁場中心線の位置を原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍの位置で一定とした場合で、単結晶の育成を行った。いずれの場合も、横磁場の強度を２５００Ｇと一定にした。 For comparison, when the position of the magnetic field center line is constant at the same position as the liquid surface position of the raw material melt, and the position of the magnetic field center line is 50 mm above the liquid surface position of the raw material melt. A single crystal was grown in a constant case. In either case, the intensity of the transverse magnetic field was kept constant at 2500G.
その本発明例および比較例の試験で育成したシリコン単結晶それぞれについて、直胴部の引き上げ方向全域に亘ってサンプルウェーハを採取し、ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９に規定される赤外吸収法に準拠して、フーリエ変換型赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて各サンプルウェーハの酸素濃度を測定した。 For each of the silicon single crystals grown in the test of the present invention example and the comparative example, a sample wafer was taken over the entire pulling direction of the straight body part, and in accordance with the infrared absorption method prescribed in ASTM F121-1979. The oxygen concentration of each sample wafer was measured using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR).
図５は、本発明例および比較例の試験で育成したシリコン単結晶における引き上げ方向での酸素濃度の分布を示す図である。同図では、本発明例として、直胴部の育成中に磁場中心線の位置を第１の位置から第２の位置に変更した場合の結果を黒塗り四角印で示し、比較例として、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置と同じ位置で一定とした場合の結果を丸印で、磁場中心線の位置を原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍの位置で一定とした場合の結果を三角印でそれぞれ示している。 FIG. 5 is a diagram showing the distribution of oxygen concentration in the pulling direction in silicon single crystals grown in the tests of the present invention example and the comparative example. In the figure, as an example of the present invention, the result when the position of the magnetic field center line is changed from the first position to the second position during the growth of the straight body portion is shown by black square marks, and as a comparative example, the magnetic field The result when the position of the center line is constant at the same position as the liquid surface position of the raw material melt is indicated by a circle, and the position of the magnetic field center line is fixed at a position 50 mm upward from the liquid surface position of the raw material melt. The case results are indicated by triangles.
同図に示すように、いずれの場合も、直胴部中の酸素濃度が引き上げ方向の全域に亘り７〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲内であるが、そのうちの比較例では、直胴部前半部位（直胴部長さ２００ｍｍ〜７００ｍｍ部分）で酸素濃度が顕著に高く、酸素濃度の最大値と最小値の差が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超え、酸素濃度のバラツキが大きくなった。一方、本発明例では、酸素濃度が引き上げ方向の全域に亘り均一になり、酸素濃度の最大値と最小値の差を１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以内に確保できた。
As shown in the figure, in any case, the oxygen concentration in the straight body portion is in the range of 7 to 14 × 10 17 atoms / cm 3 over the entire region in the pulling direction. The oxygen concentration is remarkably high in the first half of the body (the length of the
しかも、本発明例で育成したシリコン単結晶の直胴部は、直胴部の引上げ長さ方向の全域に亘って、目標直径３１０ｍｍに対して±１ｍｍの範囲に制御することができた。これは、本発明例では磁場中心位置の変更により、直胴部前半の酸素濃度変動を抑制することで、ルツボ回転速度や炉内圧の変動幅を小さくできたことによるものである。 Moreover, the straight body portion of the silicon single crystal grown in the example of the present invention could be controlled within a range of ± 1 mm with respect to the target diameter of 310 mm over the entire region of the straight body portion in the pulling length direction. This is because the fluctuation range of the crucible rotation speed and the furnace pressure can be reduced by suppressing the oxygen concentration fluctuation in the first half of the straight body part by changing the magnetic field center position in the present invention example.
本発明のシリコン単結晶の育成方法において、磁場中心線が設定される第１の位置および第２の位置の好適な範囲を検証するため、上記の実施例１における本発明例の試験と同様にして試験を行った。その際、第１の位置として、原料融液の液面位置から上方に２０ｍｍ、５０ｍｍおよび７０ｍｍとした位置を選択し、また、第２の位置として、原料融液の液面位置から下方に０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍおよび７０ｍｍとした位置を選択し、試験番号１〜６のシリコン単結晶を育成した。試験番号１〜６のシリコン単結晶それぞれからサンプルウェーハを採取して酸素濃度を測定し、代表的に固化率が１５％、３０％および７０％の時点でのサンプルウェーハの酸素濃度を評価した。その結果を下記の表１に示す。 In the method for growing a silicon single crystal according to the present invention, in order to verify a suitable range of the first position and the second position where the magnetic field center line is set, the same as the test of the present invention example in Example 1 above. The test was conducted. At that time, as the first position, positions 20 mm, 50 mm and 70 mm above the liquid surface position of the raw material melt are selected, and as the second position, 0 mm below the liquid surface position of the raw material melt. , 20 mm, 50 mm and 70 mm were selected, and silicon single crystals having test numbers 1 to 6 were grown. Sample wafers were taken from each of the silicon single crystals of Test Nos. 1 to 6 to measure the oxygen concentration, and the oxygen concentrations of the sample wafers at the time when the solidification rates were typically 15%, 30%, and 70% were evaluated. The results are shown in Table 1 below.
同表に示すように、試験番号１〜６のいずれの場合も、酸素濃度の最大値と最小値の差を１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以内に確保でき、酸素濃度が引き上げ方向の全域に亘り均一であった。ただし、原料融液の液面位置から上方に７０ｍｍの位置を第１の位置とした試験番号１では、他の試験番号のものと比較して、第１の位置が影響する固化率が１５％の時点で、酸素濃度が低く高酸素化の抑制効果が著しい傾向にあった。また、原料融液の液面位置から下方に７０ｍｍの位置を第２の位置とした試験番号６では、他の試験番号のものと比較して、第２の位置が影響する固化率が３０％および７０％の時点で、酸素濃度が高くなる傾向にあった。表１に示す結果から、第１の位置の好適範囲は、原料融液の液面位置から上方に５０ｍｍまでの範囲内であり、第２の位置の好適範囲は、原料融液の液面位置から下方に５０ｍｍまでの範囲内であることが明らかになった。
As shown in the table, in any of the test numbers 1 to 6, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxygen concentration can be ensured within 1 × 10 17 atoms / cm 3 , and the oxygen concentration can be kept in the entire pulling direction. It was uniform throughout. However, in test number 1 in which the position 70 mm above the liquid surface position of the raw material melt is the first position, the solidification rate affected by the first position is 15% compared to the other test numbers. At that time, the oxygen concentration was low and the effect of suppressing the increase in oxygen was prominent. Further, in
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、直胴部を育成する際の初期に、横磁場の磁場中心線の位置を原料融液の液面から上方に外れた位置に設定しているため、育成初期に対応する直胴部の上部で酸素濃度を低下させることができ、さらに、横磁場の印加による原料融液の対流の抑制効果から、変動の少ない熱環境下で直胴部の育成が可能で、有転位化や直径変動などが発生しない。 According to the method for growing a silicon single crystal of the present invention, the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to a position deviated upward from the liquid surface of the raw material melt at the initial stage when the straight body portion is grown. Therefore, it is possible to reduce the oxygen concentration at the upper part of the straight body corresponding to the initial stage of growth, and further, from the effect of suppressing the convection of the raw material melt due to the application of a transverse magnetic field, It can be grown and no dislocations or diameter variations occur.
また、直胴部の育成中に、磁場中心線の位置を、原料融液内の位置に変更して育成を行っているため、原料融液の対流の抑制効果が有効に発揮され、有転位化や直径変動などが発生しない直胴部の育成が可能となり、さらに、酸素濃度の過剰な低下が抑えられる。これらから、直胴部の上部の高酸素化を抑制し、酸素濃度が引き上げ方向に均一で安定した品質の直胴部を育成することができる。この育成方法により、大口径で品質の安定したシリコン単結晶を製造することができる。 In addition, during the growth of the straight body part, the position of the magnetic field center line is changed to the position in the raw material melt, so that the effect of suppressing the convection of the raw material melt is effectively exhibited and It is possible to grow a straight body portion that does not cause a change in diameter or a variation in diameter, and an excessive decrease in oxygen concentration can be suppressed. From these, it is possible to suppress the increase in oxygen at the upper portion of the straight body portion and to grow a straight body portion having a uniform and stable quality in the pulling direction. By this growth method, a silicon single crystal having a large diameter and stable quality can be produced.
１：チャンバ、 ２：ルツボ、 ２ａ：石英ルツボ、 ２ｂ：黒鉛ルツボ、
３：支持軸、 ４：ヒータ、 ５：断熱材、 ６：引き上げ軸、
７：種結晶、 ８：熱遮蔽体、 ９：電磁コイル、 １０：原料融液、
１１：シリコン単結晶、 １１ａ：ネック部、 １１ｂ：ショルダー部、
１１ｃ：直胴部、
Ｃ：磁場中心線、 Ｓ：原料融液の液面、 Ａ：原料融液の低酸素領域
1: chamber, 2: crucible, 2a: quartz crucible, 2b: graphite crucible,
3: support shaft, 4: heater, 5: heat insulating material, 6: lifting shaft,
7: seed crystal, 8: heat shield, 9: electromagnetic coil, 10: raw material melt,
11: Silicon single crystal, 11a: Neck portion, 11b: Shoulder portion,
11c: straight body part,
C: magnetic field center line, S: liquid surface of the raw material melt, A: low oxygen region of the raw material melt
Claims (6)
前記横磁場の磁場中心線の位置を前記原料融液の液面位置よりも高い第１の位置に設定した状態でシリコン単結晶の直胴部の育成を開始し、その後に前記磁場中心線の位置を前記原料融液の液面位置と同じ、またはその液面位置よりも低い第２の位置に変更して前記直胴部の育成を行い、前記直胴部の酸素濃度が７〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）であるシリコン単結晶を育成し、
前記第１の位置が、前記原料融液の液面位置から上方に７０ｍｍまでの範囲内であり、
前記第２の位置が、前記原料融液の液面位置から下方に７０ｍｍまでの範囲内であり、
前記第１の位置から前記第２の位置への前記磁場中心線の位置変更は、シリコン単結晶の育成を開始する前の前記ルツボ内の原料融液量に対してシリコン単結晶の重量の比率が２５％以上４５％以下に達したときに行うことを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。 A method of growing a silicon single crystal from the raw material melt while arranging a pair of electromagnetic coils across the crucible and applying a transverse magnetic field to the raw material melt in the crucible by the electromagnetic coil,
In the state where the position of the magnetic field center line of the transverse magnetic field is set to a first position higher than the liquid surface position of the raw material melt, the growth of the straight body portion of the silicon single crystal is started, and then the magnetic field center line The position is changed to a second position that is the same as or lower than the liquid surface position of the raw material melt, and the straight body portion is grown, and the oxygen concentration of the straight body portion is 7 to 14 ×. Growing a silicon single crystal of 10 17 atoms / cm 3 (ASTM F121-1979) ,
The first position is within a range of up to 70 mm from the liquid surface position of the raw material melt,
The second position is within a range of 70 mm downward from the liquid surface position of the raw material melt,
The position change of the magnetic field center line from the first position to the second position is the ratio of the weight of the silicon single crystal to the amount of the raw material melt in the crucible before starting the growth of the silicon single crystal. A method for growing a silicon single crystal, which is performed when the temperature reaches 25% or more and 45% or less .
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