JP5269384B2 - チョクラルスキー法を用いた半導体単結晶製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体単結晶製造方法に関するものであって、より詳しくは、チョクラルスキー（Czochralski：ＣＺと略称する）法による単結晶成長の際に、単結晶長さ別比抵抗プロファイルを拡張させることができる半導体単結晶製造方法に関する。

一般に、半導体などの電子部品を生産するための素材として用いられるシリコン単結晶はＣＺ法により製造される。ＣＺ法とは、多結晶シリコンを石英るつぼに投入して１４００℃以上で溶融させた後、シード結晶を溶融されたシリコン融液（melt）に浸してから徐々に引き上げながら結晶を成長させる方法である。これに対する詳細な説明は、下記非特許文献１に記載されている。

ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させるときには、顧客が要求した半導体の電気的特性条件に応じて、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｐ，Ａｓ，ＳｂなどのＩＩＩ族またはＶ族元素をドーパント（Dopant）として添加させる。添加されたドーパントはシリコン単結晶が成長されるとき結晶内に均一に添加される。このとき結晶内に導入されるドーパントの濃度はあまり高くないべきである。ある濃度以上ではドーパントとシリコンとが固溶体（solid solution）を形成ぜずにドーパントが沈澱状に析出される問題が発生するからである。

一般に、シリコン融液内に均一に分布されているドーパントは固体相と溶融相とで相違なる平衡濃度を持つ。したがって、溶融状のドーパント濃度と成長中の結晶内のドーパント濃度の比を有効偏析係数（Effective segregation coefficient）と定義し、元素の種類に応じて各ドーパントは固有の有効偏析係数を持っている。理論的には、有効偏析係数が１であればシリコン融液内のドーパント濃度とシリコン単結晶内のドーパント濃度は同一である。ところで、シリコン単結晶成長に用いられるドーパント（Ｂ，Ｐ）は有効偏析係数が１より小さい値を持ち、有効偏析係数が１より小さければシリコン融液内のドーパント濃度がシリコン単結晶内のドーパント濃度より高くなる。こういうわけでシリコン単結晶の上部より下部のドーパント濃度が高く現れる傾向がある。シリコン単結晶の比抵抗特性は単結晶内に導入されるドーパント濃度によって影響を受け、有効偏析係数が１より小さいドーパントを用いれば、シリコン単結晶は結晶の長手方向に沿って比抵抗特性が変わるようになる。例えば、シリコン単結晶成長の際にボロン（boron）をドーパントとして用いれば、結晶の長手方向に沿って比抵抗が漸次減少する傾向を見せる。

一方、ＣＺ法により成長された半導体単結晶は、顧客が要求する欠陥濃度条件と酸素濃度条件のみならず、比抵抗条件まで満たす結晶領域に対してのみ製品化が可能である。ここで、顧客の要求条件を全て満たす半導体単結晶の長さをプライム（prime）長さという。有効偏析係数が１より小さいドーパントを用いてシリコン単結晶を成長させれば、単結晶の長手方向から見るとき比抵抗は漸次減少するようになり、一定の基準以上の比抵抗を持つ結晶領域の中で、欠陥濃度条件と酸素濃度条件など顧客スペックを満足する結晶領域の長さがプライム長さになる。

ところで、欠陥濃度と酸素濃度を制御する技術は今まで相当な技術的進歩があったのに対して、ドーパントの有効偏析係数を制御することで半導体単結晶の長手方向で比抵抗プロファイルを制御する技術は、未だに初歩的段階に止まっている。直径３インチ以下の結晶成長実験を通じてドーパントの有効偏析係数に対する理論式が定立されているが、単結晶成長における有効偏析係数の制御方法論を提示して結晶の比抵抗プロファイルを制御する技術に対しては、今までその先例を探すことができない実情である。したがって、ＣＺ法により成長された単結晶のプライム長さは、主にドーパントの有効偏析係数に応じて決められる比抵抗プロファイルによって支配的な影響を受ける。その他顧客の要求事項は、現在の単結晶成長技術によって容易な制御が可能であるからである。

例えば、ボロンの場合、有効偏析係数は０.７３ないし０.７５範囲内の値を持ち、このような固有の数値範囲によって単結晶の長手方向に固有の比抵抗プロファイルが決められ、比抵抗プロファイルによって製品化が可能なプライム長さが決められるのである。したがって、ドーパントの有効偏析係数は、ＣＺ法を用いた半導体単結晶成長の際に、単位ｋｇ当たりの生産性を決める重要な因子として働く。したがって、ドーパントの有効偏析係数の制御を通じて結晶の長さ方向に沿った比抵抗のプロファイルを拡張させれば、その分プライム長さを増加させることができる。ここで比抵抗プロファイルが拡張されるということは、結晶の長手方向に沿って同一の地点で有効偏析係数の制御前と制御後に比抵抗を測定したとき、比抵抗が一定の比率で増加することを言う。

従来にＣＺ法を用いた半導体単結晶成長の際に比抵抗プロファイルを拡張させるために用いられた方法には、窒素（Ｎ）または炭素（Ｃ）を不純物として添加するか、酸素または窒素ガス雰囲気で単結晶成長された半導体インゴットを高温熱処理する方法がある。他の方法として、有効偏析係数を制御するために基本的に添加するドーパント以外に、第３元素（例えば、Ｂａ，Ｐ，Ｇｅ，Ａｌ）をドーパントとしてさらに添加する同時‐ドーピング法（Co-doping）がある。

しかし、このような従来の方法は、高抵抗ウエハーまたは低抵抗ウエハーのような極めて制限された用途のウエハーを製造するための目的にのみ用いることができるという限界がある。また、同時‐ドーピング法の場合には、半導体製造の際に要求される物性以外の特性が現われるか、無欠陷インゴットのような高品質インゴットの製造に適用するには限界がある。

半導体単結晶を製造する製造者にとっては、結晶の品質そのものを向上させることも重要であるが、生産性を増大させるためには結晶の長手方向に沿った比抵抗プロファイルを拡張してプライム長さを増大させることが非常に重要である。しかし、上述したように、有効偏析係数の制御、言い換えれば、比抵抗プロファイルの制御が難しい以上、プライム長さは結晶品質の向上とは関係なく固定されるしかなくて、今までは製品の生産性拡大に基本的な限界があった。
Ｓ.ｗｏｌｆおよびＲ.Ｎ.Ｔａｕｂｅｒ ‘Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ‘，ｖｏｌｕｍｅ １、Ｌａｔｔｉｃｅ Ｐｒｅｓｓ（１９８６）、Ｓｕｎｓｅｔ Ｂｅａｃｈ，ＣＡ

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するために創案されたものであって、ＣＺ法を用いて中小口径のみならず２００ｍｍ以上の大口径半導体単結晶を製造する場合において、同時‐ドーピング法のように第３元素をドーパントとして添加しなくても、有効偏析係数の制御を通じて結晶の長手方向による電気比抵抗のプロファイルを拡張することができる半導体単結晶製造方法、この方法により製造された半導体単結晶インゴット及びこのインゴットから製造されたウエハーを提供することに、その目的がある。

本発明が解決しようとする他の目的は、有効偏析係数制御の難しさにより、同一の原料の投入（charge）を基準にして製品化できる単結晶のプライム長さが固定された従来とは異なり、欠陥領域の区分と関係なく広い範囲の単結晶製品において高品質を維持しつつ、プライム長さを拡張して生産性を増大させることができる半導体単結晶製造方法、この方法により製造された半導体単結晶インゴット及びこのインゴットから製造されたウエハーを提供することにある。

上記技術的課題を達成するための半導体単結晶製造方法は、るつぼ内に含有された半導体原料物質とドーパント物質との融液にシード結晶を浸した後、シード結晶を回転させながら上部へと徐々に引き上げ半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー法を用いた半導体単結晶製造方法であって、磁場の垂直成分が０であるＺＧＰ（Ｚｅｒｏ Ｇａｕｓｓ Ｐｌａｎｅ）を基準にして上部と下部との磁場強度が相違するカスプ（Ｃｕｓｐ）タイプの非対称磁場をるつぼに印加して、結晶の長手方向に沿って理論的に計算された比抵抗プロファイルを結晶の長手方向に沿って拡張させることを特徴とする。

本発明において、上記理論比抵抗は、下記数式により算出される。

ここで、ρ_theoryは理論比抵抗、ρ_seedはシードの比抵抗、Ｓは固化率（Solidification Ratio）、ｋ_ｅはドーパントの有効偏析係数である。そして、固化率Ｓは、るつぼに投入された原料の質量からシードの質量を引き算した質量と、固化率Ｓの計算時点まで成長されたインゴットの質量との比率である。

望ましくは、単結晶成長が進むとき固液界面と固液界面から５０ｍｍ離隔した地点との間の温度差は５０Ｋ未満である。そして、単結晶成長が進まれるとき固液界面と固液界面から５０ｍｍ離隔した地点との間の対流速度比は３０未満である。

望ましくは、成長された半導体単結晶の長手方向に沿って０〜１／２Ｌ（Ｌ＝成長された単結晶ボディー（Ｂｏｄｙ）の長さ：以下同一）区間で測定された比抵抗値は、理論的に計算された比抵抗値より０〜１５％増加する。
望ましくは、成長された半導体単結晶の長手方向に沿って１／２〜Ｌ区間で測定された比抵抗値は、理論的に計算された比抵抗値より０〜４０％増加する。

本発明の一側面によれば、上記非対称磁場はＺＧＰを基準にして下部の磁場強度が上部の磁場強度より大きい磁場である。このような場合、上記ＺＧＰは上部がふくらんでいる放物線形態を持つ。望ましくは、上記放物線上部の頂点は半導体融液の上方に位する。

本発明の他の側面によれば、上記非対称磁場はＺＧＰを基準にして上部の磁場強度が下部の磁場強度より大きい磁場である。このような場合、上記ＺＧＰは下部がふくらんでいる放物線形態を持つ。望ましくは、上記放物線下部の頂点は半導体融液内に位する。

本発明において、上記半導体単結晶は、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）またはＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）単結晶である。

本発明によれば、ＣＺ法を用いた半導体単結晶の成長の際に非対称磁場を印加することで、半導体融液の対流速度と温度分布を制御して、半導体融液の非正常的流動を抑制することができる。これによって、固液界面近くの拡散境界層の厚さが増加してドーパントの有効偏析係数が増加し、その結果結晶の長手方向に沿った比抵抗プロファイルが拡大され単結晶のプライム長さが増加することで、従来に比べて生産性を向上させることができる。

以下、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定めることができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

なお、以下で説明される本発明の実施例はＣＺ法を用いたシリコン半導体単結晶の成長を例に挙げて説明するが、本発明の技術的思想がシリコン半導体の単結晶成長にのみ限定されるものとして解釈されてはいけない。したがって、本発明の技術的思想は、Ｓｉ，Ｇｅなどの全ての単元素の単結晶成長と、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＬＮ（ＬiＮｂＯ_３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）及びＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を含む全ての化合物半導体単結晶の成長に適用され得ることを予め明らかにしておく。

図１は、本発明の望ましい実施例によるシリコン単結晶製造方法の実施に用いられる半導体単結晶製造装置の概略的な構成図である。
図１を参照すれば、上記半導体単結晶製造装置は、多結晶シリコンとドーパントとが高温で溶融されたシリコン融液（ＳＭ）を含有する石英るつぼ１０；上記石英るつぼ１０の外周面を包み、石英るつぼ１０の外周面を一定の形態に支持するるつぼハウジング２０；上記るつぼハウジング２０の下端に設けられハウジング２０と共に石英るつぼ１０を回転させるるつぼ回転手段３０；上記るつぼハウジング２０の側壁から所定距離離隔され石英るつぼ１０を加熱する加熱手段４０；上記加熱手段４０の外郭に設けられ加熱手段４０から発生する熱が外部に流出することを防止する断熱手段５０；シード結晶を用いて上記石英るつぼ１０内に含有されたシリコン融液（ＳＭ）から単結晶（Ｃ）を引き上げる単結晶引き上げ手段６０；及び単結晶引き上げ手段６０により引き上げられる単結晶（Ｃ）の外周面から所定距離離隔され単結晶（Ｃ）から放出される熱を反射する熱シールド手段７０；を含む。このような構成要素は、本発明が属した技術分野でよく知られているＣＺ法を用いた半導体単結晶製造装置の通常の構成要素であるので、各構成要素に対する詳細な説明は省略する。

本発明で用いる半導体単結晶製造装置は、上述した構成要素に加えて石英るつぼ１０に磁場を印加する磁場印加手段（８０ａ、８０ｂ：以下、８０と通称する）をさらに含む。望ましくは、上記磁場印加手段８０は、石英るつぼ１０内に含有された高温の半導体融液（ＳＭ）に非対称磁場（Ｇ_{ｕｐｐｅｒ}、Ｇ_{ｌｏｗｅｒ}：以下、Ｇと通称する）を印加する。

望ましくは、上記非対称磁場（Ｇ）は、磁場の垂直成分が０になるＺＧＰ（Zero Gauss Plane：９０）を基準にして上部の磁場（Ｇ_{ｕｐｐｅｒ}）強度より下部の磁場（Ｇ_{ｌｏｗｅｒ}）強度がより大きい磁場である。すなわち、Ｒ＝Ｇ_{ｌｏｗｅｒ}／Ｇ_{ｕｐｐｅｒ}が１より大きい磁場である。このような非対称磁場条件において、上記ＺＧＰ９０は略上部側にふくらんでいる放物線形態を持つ。そして、ＺＧＰを中心にして上部と下部に形成される磁場の分布は非対称をなす。

代案として、非対称磁場（Ｇ）は下部の磁場（Ｇ_{ｌｏｗｅｒ}）強度より上部の磁場（Ｇ_{ｕｐｐｅｒ}）強度がより大きい磁場であり得る。すなわち、非対称磁場（Ｇ）は、Ｒ＝Ｇ_{ｌｏｗｅｒ}／Ｇ_{ｕｐｐｅＲ}が１より小さい磁場であり得る。このような非対称磁場の条件では、図面に示さないが、上記ＺＧＰ９０は略下部側にふくらんでいる放物線形態を持つ。

望ましくは、上記磁場印加手段８０は、カスプタイプの非対称磁場（Ｇ）を石英るつぼ１０に印加する。このような場合、上記磁場印加手段８０は断熱手段５０の外周面と所定距離離隔されて設けられた環形の上部コイル８０ａ及び下部コイル８０ｂを含む。望ましくは、上記上部コイル８０ａ及び下部コイル８０ｂは、実質的に石英るつぼ１０と同軸的に設けられる。

上記非対称磁場（Ｇ）を形成するため、一例として上記上部コイル８０ａ及び下部コイル８０ｂには相違する大きさの電流が印加される。すなわち、上部コイル８０ａより下部コイル８０ｂにより大きい電流を印加するか、その反対に電流を印加する。代案として、上記上部コイル８０ａ及び下部コイル８０ｂに印加される電流の大きさは同じであり、各コイルの巻線数を調節して非対称磁場（Ｇ）を形成することができる。さらに他の代案として、コイルに印加される電流とコイルの巻線数を同時に調節して非対称磁場（Ｇ）を形成することもできる。一方、非対称磁場（Ｇ）のＲ値はそのまま維持しながら上部コイル８０ａ及び下部コイル８０ｂを通じて生成される磁場の強度を増大させることができることは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に自明である。

なお、ＣＺ法を用いて製造されたシリコン単結晶のプライム長さを増大させるためには、ドーパントの有効偏析係数を増加させるべきである。そして、有効偏析係数を増加させるためには、固液界面に形成される拡散境界層の厚さを増加させるべきである。拡散境界層の厚さを増加させるためには、固液界面の近くで行われるシリコン融液の対流を安定化させる必要がある。このため、本発明は上述したように、カスプタイプの非対称磁場をドーパントとシリコンとの融液を含有する石英るつぼに印加する。そうすれば、同時‐ドーピング法を用いなくても、拡散境界層の厚さを増加させてドーパントの有効偏析係数を増加させることができる。これによって、単結晶の長手方向で電気比抵抗のプロファイルを拡張させることができる。このように比抵抗プロファイルが拡張されれば、製品化が可能な単結晶のプライム長さが増加することで生産性が増加する効果がある。

一般的にシリコン単結晶の成長の際に導入されたドーパントは、シリコン融液と単結晶の界面から単結晶の内部に流入され、このとき流入されるドーパントの量は有効偏析係数に応じて決められ、有効偏析係数の定義は、数式１のようである。

ここで、Ｃ_ｓは単結晶におけるドーパント濃度、Ｃ_ｌはシリコン融液内におけるドーパント濃度である。また、現在まで誘導された有効偏析係数を支配する方程式は、数式２のようである。数式２は、“Solid state technology（April 1990 163） R.N.Thomas”， “Japaness journal of applied physics（April 1963 Vol 2,No4） Hiroshi Kodera”， “Journal of crystal growth（264（2004）550〜564 D.T.Hurle”などに開示されている。

ここで、Ｋ_０は平衡偏析係数であり、Ｖは単結晶の成長速度、Ｔは拡散境界層の厚さ（Diffusion boundary layer thickness）、Ｄは流体の拡散係数である。また、拡散境界層の厚さであるＴを支配する実験式は、数式３のようである。

ここで、ｖは融液の動粘性係数（coefficient of kinematicviscosity）であり、ωは単結晶回転率である。数式３を数式２に代入して最終式を得れば、数式４のようである。

上記数式４を参照すれば、有効偏析係数は、結晶成長速度と動粘性係数に比例し、拡散係数と結晶回転率に反比例することが分かる。しかし、数式４は、直径３インチ以下の単結晶を数ｍｍ程度に成長させる実験から類推された実験結果に基づいて作られた実験式であって、実際の中小口径、特に、２００ｍｍ以上の大口径単結晶の成長に適用することは不可能である。何故ならば、シリコン融液は非正常状態の流動をして複雑な形態で動くため、正確な流体流動を解釈しにくいからである。

本発明においては、半導体デバイスから要求する品質を満たし生産性の低下なく有効偏析係数を増加させるために、拡散係数を低め拡散境界層を厚くしようとした。このような拡散係数及び拡散境界層の制御のためには，カスプタイプの非対称磁場を石英るつぼに印加することが効果的であることを見出した。これは、カスプタイプの非対称磁場の印加により、シリコン融液の固液界面の近くで誘発される流体の非正常的流動を有効に抑制できるからである。このような非正常的流動の抑制は、非対称磁場の印加を通じて、融液内の対流速度と温度分布を安定的に制御できることから始まる。

シリコン単結晶の成長の際に非対称磁場を印加すれば、シリコン単結晶と接触する融液界面と融液界面から５０ｍｍ離隔した地点で測定されたシリコン融液の対流速度比（Melt velocity ratio；Ｍｖｒ）及び温度差は、数式５及び数式６を満足する。

上記数式５のＭｖｒは、固液界面と固液界面から５０ｍｍ下方で測定したシリコン融液の対流速度比を示し、上記数式６において△Ｔｅｍｐは、固液界面と固液界面から５０ｍｍ下方で測定したシリコン融液の温度差を示す。Ｍｖｒがカスプタイプの非対称磁場の印加を通じて３０以下、さらに望ましくは、１５以下に制御されれば、拡散境界層の厚さを増加させ有効偏析係数を増加させることができる。そして、温度差が非対称磁場の印加を通じて５０Ｋ以下、さらに望ましくは、３０Ｋ以下に制御される場合、拡散境界層の厚さを増加させ有効偏析係数を増加させることができる。

図２は、８インチシリコン単結晶成長の際に石英るつぼにカスプタイプの非対称磁場を印加する場合、シリコン融液と石英るつぼ近くの磁場分布と、ＺＧＰに対するシミュレーション結果を示した図面である。

図２を参照すれば、Ｒ値が２.３である場合（実施例１）は、Ｒ値が１.３６（実施例２）である場合に比べて、磁場の分布密度が高く、実施例１及び実施例２の両方ともＺＧＰは上部がふくらんでいる放物線形態を持ち、Ｒ値が増加する場合にＺＧＰは上方に移動することが分かる。Ｒ値の増加は、相対的に上部コイル側よりは下部コイル側の磁場強度がより大きくなることを意味する。ＺＧＰの上部側より下部側の磁場強度がより強まれば、固液界面の近くと、石英るつぼ及びシリコン融液の境界面で磁場密度が増加する。その結果、シリコン融液全体的に対流速度が減少し温度偏差が低くなる。その結果、シリコン融液の非正常的流体流動、特に、固液界面の近くでの非正常的流体流動が抑制される。これによって、固液界面近くの拡散境界層の厚さが増加してドーパントの有効偏析係数が増加する効果が発生する。このような有効偏析係数の増加効果は実験例を参照して後述する。

図３は、磁場を印加しない状態で製造された８インチシリコン単結晶（比較例１）の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と、実際に測定された比抵抗（■）とを、それぞれ示したグラフである。図３に実際に測定された比抵抗を示す点が集中している理由は、測定地点の結晶断面で位置を異ならせて数回にかけて比抵抗を測定し、再現性確認のためのサンプル数が多いからである。結晶方向に沿った理論比抵抗は、結晶の半径、シードの重さ、シードの比抵抗、多結晶シリコンの投入（charge）量、有効偏析係数を因子にして単結晶の比抵抗を理論的に計算したものである。具体的な理論比抵抗は、下記数式７及び数式８によって計算可能である。

上記数式７において、ρ_theoryは理論比抵抗、ρ_seedはシードの比抵抗、Ｓは固化率、ｋ_ｅはドーパントの有効偏析係数である。
上記数式８において、Ｒはインゴットの半径、Ｈは成長されたインゴットの高さ、σはインゴットの密度、Ｍ_chargeは石英るつぼに投入された原料の質量、Ｍ_seedはシードの質量である。

比較例１において、Ｒ＝１０.３５ｃｍ、Ｍ_seed＝１５６０ｇ、ρ_seed＝１２.４１７ｃｍΩ、Ｍ_charge＝１２０ｋｇ、ｋ_ｅ＝０.７５０及びσ＝２.３２８ｇ／ｃｍ^３である。

図３を参照すれば、シリコン単結晶成長の際に磁場を印加しない場合、「理論比抵抗値（◆）」と「実際測定比抵抗値（■）」が一致している。したがって、通常のＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させれば有効偏析係数を増加させることができないことが分かる。有効偏析係数を増加させることができないということは、結晶の長手方向における比抵抗プロファイルを制御することができないということを意味する。

図４は、カスプタイプの対称磁場（Ｒ＝１）を印加して製造された８インチシリコン単結晶（比較例２）の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と、実際に測定された比抵抗（■）を示したグラフである。比較例２において、Ｒ＝１０.３５ｃｍ、Ｍ_seed＝１５６０ｇ、ρ_seed＝１１.９４ｃｍΩ、Ｍ_charge＝１５０ｋｇ、ｋ_ｅ＝０.７５０、及びσ＝２.３２８ｇ／ｃｍ^３である。磁場は、ＺＧＰが固液界面の直下方に位するように印加した。

図４に示したように、シリコン単結晶成長の際に対称磁場を石英るつぼに印加すれば、理論比抵抗値と実際に測定された比抵抗値との差がほとんどない。このことから、対称磁場によっては有効偏析係数を実質的に増加させることができないので、結晶の長手方向における比抵抗プロファイルを制御することができないということが分かる。

図５は、図２に示した実施例１に従ってＲ値が２.３６である非対称磁場（Ｒ＝２.３６）を印加して製造されたシリコン単結晶の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と実際に測定された比抵抗（■）を示したグラフである。実施例１において、Ｒ＝１０.３５ｃｍ、Ｍ_seed＝１５６０ｇ、ρ_seed＝１１.２５ｃｍΩ、Ｍ_charge＝１５０ｋｇ、ｋ_ｅ＝０.７５０、及びσ＝２.３２８ｇ／ｃｍ^３である。そして、非対称磁場は、ＺＧＰのふくらんでいる地点が固液界面の直上方に位するように印加した。

図５を参照すれば、前述した比較例１及び比較例２の比抵抗対比結果とは異なり、非対称磁場の印加により結晶成長に応じた比抵抗の減少程度が緩和され比抵抗のプロファイルが結晶の長手方向に拡張されたことが分かる。具体的に、結晶の長手方向に沿って０〜１／２Ｌ（Ｌ＝成長された単結晶ボディーの総長さ）区間においては理論比抵抗値対比０〜１５％、そして、１／２Ｌ〜Ｌ区間においては理論比抵抗値対比０〜４０％の比抵抗増加が観察された。このことから、非対称磁場を印加すればドーパントの有効偏析係数を制御して結晶の長手方向に比抵抗プロファイルを制御することができ、これによってシリコン単結晶のプライム長さを増加させることができるということが分かる。

一方、具体的な実験例として提示しないがＲ値が、同一であっても上部コイルと下部コイルの磁場強度を同一の比率で増加させれば、シリコン融液内の磁場密度が増加するので有効偏析係数がさらに増加することは自明である。

図６に示された実施例２において、Ｒ＝１０.３５ｃｍ、Ｍ_seed＝１５６０ｇ、ρ_seed＝１１.３３ｃｍΩ、Ｍ_charge＝１５０ｋｇ、ｋ_ｅ＝０.７５０、及びσ＝２.３２８ｇ／ｃｍ^３である。そして、非対称磁場はＺＧＰのふくらんでいる地点が固液界面の直下方に位するように印加した。

図６を参照すれば、実施例１と同じく結晶の長手方向に比抵抗プロファイルが拡張されたことが分かる。具体的に、結晶の長手方向に沿って０〜１／２Ｌ区間で測定された比抵抗値は理論比抵抗値対比０〜１０％、そして、１／２Ｌ〜Ｌ区間で測定された比抵抗値は理論比抵抗値対比０〜２３％の比抵抗増加が観察された。

また、実施例１と実施例２を相互対比すれば、非対称磁場であってもＲ値がより大きい場合、そして、Ｒ値の調節によってＺＧＰの位置がシリコン融液の内部にある場合（実施例２）よりは、シリコン融液の上方に位する場合（実施例１）が結晶の長手方向に比抵抗を制御するのにより有利であることが分かる。

図７は、図２に示した実施例１及び２のそれぞれに対するシリコン融液の温度分布をシミュレーションして示したグラフである。図７において、実線は等温線であり、隣接する等温線の間隔は２Ｋである。図面を参考すれば、固液界面近くで、実施例１における等温線の間隔より実施例２における等温線の間隔がより大きいので、Ｒ値を増加させればシリコン融液内における温度勾配を減少させて温度分布を安定化させることができることが分かる。図５及び図６に示したグラフによれば、Ｒ値が増加するほど結晶の長手方向に比抵抗プロファイルがさらに拡張されるので、シリコン融液内における温度勾配が減少するほどドーパントの有効偏析係数の制御がより有利であることが分かる。同時に、Ｒ値を増加させてＺＧＰがシリコン融液の上方に位する場合（実施例１）が、ＺＧＰがシリコン融液内にある場合（実施例２）に比べて、シリコン融液内における温度勾配を減少させて温度分布を安定的に制御できることが分かる。このように、温度分布を安定化させればシリコン融液の非正常的流体流動を抑制することができ、これを通じて固液界面近くの拡散境界層の厚さを増加させて有効偏析係数を増加させることができる。

図８は、図２に示した実施例１及び実施例２のそれぞれに対するシリコン融液の対流速度分布をシミュレーションして示したグラフである。図面において、矢印の方向はシリコン融液の対流方向を、矢印の長さは対流速度の大きさを示す。図８を参照すれば、同一の地点を基準にするときＲ値が大きいほど対流速度が減少し、ＺＧＰがシリコン融液の上方に位する場合（実施例１）が、ＺＧＰがシリコン融液内にある場合（実施例２）よりシリコン融液の対流速度が減少することが分かる。具体的に、実施例１の場合、固液界面（Ａ地点）における融液対流速度は０.１４ｃｍ／s、側壁底部の湾曲地点（Ｂ地点）における融液対流速度は１.２１ｃｍ／sであり、実施例２の場合、固液界面（Ａ地点）における融液対流速度は０.３３ｃｍ／s、側壁底部の湾曲地点（Ｂ地点）における融液対流速度は１.８５ｃｍ／sである。

図８のグラフによれば、Ｒ値が増加するほど、またＺＧＰが上方に移動するほど、シリコン融液の対流速度を減少させてシリコン融液の非正常的流動を抑制することができ、これを通じて固液界面近くの拡散境界層の厚さを増加させてドーパントの有効偏析係数を増加させることができる。

以上のように、ＣＺ法を用いたシリコン単結晶の成長の際に非対称磁場を印加することで、シリコン対流速度とシリコン融液内の温度勾配を低減させることができ、これを通じてシリコン融液の非正常的流動を抑制することで固液界面近くの拡散境界層の厚さを制御して、ドーパントの有効偏析係数を増加させることができ、これを通じて結晶の長手方向に沿った比抵抗プロファイルを拡張することができる。

比抵抗プロファイルの拡張はシリコン融液の温度分布と対流速度の制御を通じた拡散境界層の厚さの制御と関連があるので、石英るつぼに非対称磁場を印加すると同時に、結晶の回転速度、結晶の側壁に沿ってシリコン融液の上部へと供給する不活性ガスの流量、単結晶成長チャンバの圧力などをさらに制御すれば、比抵抗プロファイルの拡張効果をさらに増加させることができる。

一方、上述した実施例１及び実施例２は石英るつぼに印加されるカスプタイプの非対称磁場のＲ値が１より大きい場合であるが、本発明は、Ｒ値が１より大きい場合に限らず、Ｒ値が０より大きく１より小さい場合にも適用できることは自明である。

同時に、本発明は、ＣＺ法により成長させ得る材料の種類に限定されないので、全ての種類の単結晶の成長に適用することができる。したがって、本発明は、シリコン単結晶のみならず、ゲルマニウムなどの全ての単元素単結晶の成長、そして、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３），ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ）及びＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を含む全ての化合物半導体の単結晶の成長に適用することができる。

以上のように、本発明は、実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。

本発明によれば、ＣＺ法を用いた半導体単結晶の成長の際に非対称磁場を印加することで、半導体融液の対流速度と温度分布を制御して半導体融液の非正常的流動を抑制することができる。これによって、固液界面近くの拡散境界層の厚さが増加してドーパントの有効偏析係数が増加し、その結果、中小口径のみならず、２００ｍｍ以上の大口径半導体単結晶の成長の際にも結晶の長手方向に沿った比抵抗プロファイルが拡大され単結晶のプライム長さが増加することで従来に比べて生産性を向上させることができる。

本明細書に添付される図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。

図１は、本発明の望ましい実施例によるシリコン単結晶製造方法の実施に用いられる半導体単結晶製造装置の概略的な構成図である。 図２は、シリコン単結晶成長の際に石英るつぼにカスプタイプの非対称磁場を印加する場合、シリコン融液と石英るつぼ近くの磁場分布とＺＧＰに対するシミュレーション結果を示した図面である。 図３は、磁場を印加しない状態で製造された８インチシリコン単結晶（比較例１）の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と実際に測定された比抵抗（■）をそれぞれ示したグラフである。 図４は、カスプタイプの対称磁場（Ｒ＝１）を印加して製造された８インチシリコン単結晶（比較例２）の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と実際に測定された比抵抗（■）を示したグラフである。 図５は、図２に示した実施例１に従ってＲ値が２.３である非対称磁場（Ｒ＝２.３６）を印加して製造されたシリコン単結晶の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と実際に測定された比抵抗（■）を示したグラフである。 図６は、図２に示した実施例２に従ってＲ値が１.３６である非対称磁場を印加して製造された８インチシリコン単結晶（実施例２）の結晶方向に沿った理論的な比抵抗（◆）と実際に測定された比抵抗（■）を示したグラフである。 図７は、図２に示した実施例１及び２のそれぞれに対するシリコン融液の温度分布をシミュレーションして示したグラフである。 図８は、図２に示した実施例１及び２のそれぞれに対するシリコン融液の対流速度分布をシミュレーションして示したグラフである。

符号の説明

ＳＭ シリコン融液
１０ るつぼ
２０ るつぼハウジング
３０ るつぼ回転手段
４０ 加熱手段
５０ 断熱手段
６０ 単結晶引き上げ手段
７０ 熱シールド手段

Claims (8)

1. るつぼ内に含有された半導体原料物質とドーパント（Ｄｏｐａｎｔ）物質との融液に、シード結晶を浸した後、前記シード結晶を回転させながら上部へと徐々に引き上げ、半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用いた半導体単結晶製造方法において、
   磁場の垂直成分が０であるＺＧＰ（Ｚｅｒｏ Ｇａｕｓｓ Ｐｌａｎｅ）を基準にして上部と下部との磁場強度が相違し、前記ＺＧＰが放物線形態を持つカスプ（Ｃｕｓｐ）タイプの非対称磁場を、前記放物線形態の頂点が半導体融液の上方、又は、融液内に位置するようにるつぼに印加して、半導体単結晶の総長手区間において半導体単結晶の比抵抗を、下記数式により理論的に計算された比抵抗よりも増加させること
   を特徴とする半導体単結晶製造方法。
   
2. 単結晶成長が進むとき、固液界面と固液界面から５０ｍｍ離隔した地点との間の温度差が５０Ｋ未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
3. 単結晶成長が進むとき、固液界面と固液界面から５０ｍｍ離隔した地点との間の対流速度比が３０未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
4. 成長された半導体単結晶の長手方向に沿って０〜１／２Ｌ区間で測定された比抵抗値は、前記数式により理論的に計算された比抵抗値より０〜１５％増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
5. 成長された半導体単結晶の長手方向に沿って１／２Ｌ〜Ｌ区間で測定された比抵抗値は、前記数式により理論的に計算された比抵抗値より０〜４０％増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
6. 前記非対称磁場はＺＧＰを基準にして下部の磁場強度が上部の磁場強度より大きく、
   前記ＺＧＰは上部がふくらんでいる放物線形態を持ち、
   前記放物線形態の頂点は半導体融液の上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
7. 前記非対称磁場はＺＧＰを基準にして上部の磁場強度が下部の磁場強度より大きく、
   前記ＺＧＰは下部がふくらんでいる放物線形態を持ち、
   前記放物線形態の頂点は半導体融液内に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
8. 前記半導体単結晶は、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）またはＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。