チョクラルスキー法（CZ法）とは

THEME 01 基板・材料 · ウェハ製造・基板加工Czochralski Method

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CZ法（チョクラルスキー法）とは、溶かしたシリコンの表面へ種結晶を触れさせ、回転させながらゆっくり引き上げて単結晶を育てる方法です。 現在のシリコンウェハの大半がこの方法で作られます。大口径・大重量まで伸ばせる代わりに、石英るつぼから酸素が入ります。CZ法の技術の中身は、その酸素の量と位置、そして育成速度で決まる欠陥の型を、炉の条件で作り込むことにあります。

種結晶の原子配列を引き継がせ、径いっぱいを1つの結晶にする

ウェハには、全体が1つの結晶であることが求められます。融けたシリコンをそのまま冷やして固めると、あちこちで独立に結晶が育ち、方位が互いにずれた多結晶になります。粒界は電子の動きを妨げ、欠陥の発生源にもなります。CZ法は向きの定まった小さな種結晶を融液の表面へ触れさせ、その向きを引き継がせて、径いっぱいまで1つの結晶として育てます。

SUMCOは、金属不純物の濃度がppb以下（1ppb=10億分の1）まで高純度化された多結晶シリコンを、ホウ酸（B）やリン（P）とともに石英ルツボへ入れて約1420℃で融解させます¹。グローバルウェーハズ・ジャパンは、不活性雰囲気の減圧下で黒鉛ヒーターにより加熱溶融し、種結晶を融液表面に浸けて、引上速度と炉内温度を制御しながら育成します²。PVA TePlaは、わずかな温度低下が種結晶の上でシリコンの結晶化を始めさせるとしています³。

一緒に入れる不純物が、ウェハの電気的な性格を決めます。信越半導体の白河工場は、添加するドープ剤の種類で導電型を分け、添加する量で抵抗率を制御します⁴。P型にはボロン、N型にはリン、アンチモン、ヒ素を使います。

種結晶を触れさせたあと直径を約3mm程度まで絞ると、種結晶に入っていた転位が消滅します⁵。1958年にDashが発見したこの無転位化が、現在の大口径・大重量の大量生産の土台になりました。

CZ法の引き上げ炉

種結晶の直下を約3mmまで絞ると、種結晶に入っていた転位が消えます。同じ炉でも、速く引けば細く、ゆっくり引けば太く育ちます。

口径は引き上げ速度と温度で決まり、300mm用の結晶は長さ2mを超える

引き上げる操作が形も決めます。速く引けば細く、ゆっくり引けば太くなり、融液の温度分布も断面の形へ影響するため、引き上げ速度と温度を同時に制御して狙う口径を得ます。回転させるのは、るつぼ内の温度と不純物の濃度を均一に保つためです。PVA TePlaは、引き上げ速度、結晶とるつぼの回転、軸方向の温度勾配を精密に制御することで、種結晶の格子方位を持つ単結晶を一定の目標直径で育てられるとしています³。

育つ結晶は大きく、グローバルウェーハズ・ジャパンは、直径300mmウェーハ用の結晶では長さ2m、重さ300kgを超えるとしています²。育った円柱状のインゴットは、およそ1mmの厚さへスライスしてウェーハにします⁶。

同じ引き上げ法は、シリコン以外にも使われます。PVA TePlaは、ゲルマニウムでは石英の代わりに黒鉛のるつぼを使い、融点が約938℃と低いことに合わせて温度を調整するとしています。同社は、ゲルマニウムは粘性、表面張力、熱伝導率がシリコンより低いため育成の制御が難しく、引き上げ速度も遅くなるとしています。

結晶へ入る酸素は溶出量の約1%で、深さによって助けにも害にもなる

信越半導体は、CZ法で使う石英ルツボは酸素を含むため、微量の酸素が単結晶シリコン内に入り込むとしています⁴。石英坩堝から溶出した酸素のうち約99%は融液表面からSiOとして蒸発し、結晶へ入るのは残りの約1%です。そのため、蒸発側の条件をわずかに動かすだけで結晶中の濃度が大きく振れます。CZ結晶で最も多い不純物はおよそ10の18乗 atoms/cm³の桁の酸素で、冷却とともに過飽和になり、酸素析出物（SiO2）を作ります。

石英るつぼから溶け出した酸素の行き先

溶け出した酸素の約99%はSiOとして融液表面から抜け、結晶へ入るのは約1%です。蒸発側の条件の小さな変化が、結晶中の濃度を大きく動かします。

酸素の両面は、深さで分けると整合します。MOSメモリなどは表層サブミクロンの領域だけを使うため、その領域の酸素析出物は電気特性を劣化させます。一方で内部の析出物は歪み場へ有害な金属不純物を固着させるので有益で、酸素は転位の運動を防止する働きも持ちます。グローバルウェーハズ・ジャパンは、表層（表面から数μm〜数10μm）の酸素濃度を熱処理技術で、内部（バルク）を結晶成長技術で制御し⁷、表層の酸素濃度を高くするとウェーハの強度が向上するとしています。深さ方向のどこへ析出物を置くかが、酸素析出物（BMD）を使いこなす条件です。

蒸発したSiOも、転位の発生源になります。炉の低温部へ析出したSiOが融液へ落ちて成長界面へ付着すると転位の発生源として働くため、炉はArガスで排出する構造になっています。排出能力を上げるためにパージチューブが考案され、大口径化とともに液面直上まで長くなり、その後は輻射をさえぎる漏斗状の遮へい体が加わりました。石英部材とガス流の設計が、結晶の質へ跳ね返ります。

欠陥の型は、育成速度を温度勾配で割った値で決まる

育成速度は、生産量のつまみである前に欠陥の型のつまみです。点欠陥は格子間原子と原子空孔の2種類を考える必要があり、点欠陥の移動速度より育成速度が速いと、熱平衡濃度から離れたまま結晶内部が過飽和になり、ある過飽和度で凝集して2次欠陥を作ります。高速育成側では空孔型欠陥、低速育成側では格子間型欠陥が支配的です。

点欠陥の熱平衡濃度は温度に依存するため、温度分布の異なる引上炉を比べるには「育成速度／温度勾配」という規格化因子が要ります。炉を替えると同じ速度でも欠陥の型が移るのは、分母の温度勾配が異なるためです。

育成速度÷温度勾配と欠陥の型

同じ育成速度でも、温度勾配の大きい炉では値が小さく格子間型側へ、温度勾配の小さい炉では空孔型側へ寄ります。炉を比べるときは速度ではなく、温度勾配で割った値を揃えます。

空孔型欠陥の下流での姿がCOP（Crystal Originated Particle）で、単結晶の格子点にシリコン原子が欠けた空孔の集まった微細な欠陥です⁸。COPはゲート酸化膜の耐圧へ悪影響を及ぼします。表面に露出したCOPは水素雰囲気下の高温アニールで消せ、育成段階でCOPサイズを小さくして消えやすくする組み合わせも実用化されています。

口径を上げると融液の対流が問題になり、MCZ法で磁場をかける

結晶径が増えると融液量が増え、熱対流による温度変動が大きくなります。PVA TePlaも、融液の対流、炉内のガス流、凝固界面と冷えていく結晶の温度勾配の制御を、CZ法に加わる課題として挙げています。その制御手段として始まったのが磁場中での結晶育成（MCZ）です。磁場で融液の流れを制御すると、温度変動と同時に、石英坩堝からの酸素の溶出・輸送・蒸発も制御でき、450mmφでは磁場中育成技術の最適化が要点になります。SUMCOも、CZ法に強力な磁場をかけるMCZ法（Magnetic field applied Czochralski法）を用いる場合があります¹。

磁場を作る設備は大きくなります。住友重機械工業の水平磁場型は、4個の超電導コイルで融液へ水平磁場をかけ⁹、中心磁場0.4 Tesla、室温ボア径1,600mm、外径2,400mm、高さ1,380mm、質量12ton、冷凍機4台です。上下1対の2個のコイルでカスプ磁場をかける型は、中心磁場が半径400mmの位置で0.12 Tesla、外径2,340mm、質量6ton、冷凍機3台です。どちらも液体ヘリウムを使わず、自社製冷凍機だけで冷やします。酸素濃度と温度変動を抑える代わりに、12tonのマグネットと4台の冷凍機を炉のまわりに置くことになります。

FZ法は酸素を避けられるが、直径200mm以下と面内分布±10%を引き受ける

酸素を避けたい用途では、るつぼを省くフローティングゾーン法が選ばれます。高い抵抗率を要するパワー半導体などが該当し、SUMCOも石英ルツボを用いずに低酸素濃度の単結晶インゴットを育てるFZ法を、顧客のニーズに応じて使う場合があります。一方でPVA TePlaは、CZ法のシリコンウェーハがIGBT、MOSFET、ダイオード、サイリスタといった高耐圧・中耐圧デバイスの基板として、直径200mmと300mmの両方で広く使われているとしています³。

支え方の違いが、そのままFZ法の上限を作ります。FZ法はCZ法と上下逆で、単結晶の上に融液が乗り、融液を表面張力と電磁場の拘束力で保持します。多結晶の溶融量が多すぎるとこぼれ落ちて有転位化するため、FZ結晶の製造可能な直径は200mm以下です。成長界面の不純物制御が不十分で、高周波加熱の温度分布も回転軸対称になりにくいため、抵抗率の面内分布は±10%です。半導体素子で通常求められる面内分布は5%以下なので倍以上の開きがあり、その対策として中性子照射で質量数31のリンを均一に生成するNTD法が開発されました。詳細はFZ法（浮遊帯域溶融）のページにあります。

速度、磁場、ガス流量、るつぼの4つのつまみには、それぞれ代償がある

引き上げ速度を上げると、炉の占有時間が縮んで生産量が伸びますが、点欠陥が過飽和になって空孔型が優勢になり、COPが増えます。下げると格子間型が支配的になり、炉の占有時間と電力が伸びます。どちらへ振るかは、温度勾配で割った値で判断します。

磁場を強くすると熱対流が抑えられて温度変動が下がり、石英坩堝からの酸素の溶出と輸送も抑えられます。代わりに12tonのマグネットと4台の冷凍機を抱え、その電力と保守が固定費になります。弱くすれば設備は軽くなりますが、口径の大きい炉では温度変動と酸素濃度の振れが戻ってきます。

不活性ガスの流量を上げるとSiOの排出が進み、融液へ落ちる凝集物が減ります。代わりにガス消費が増え、蒸発が進んで酸素濃度が下がる方向へ動くため、所定の濃度を別の条件で取り返す必要が出ます。下げるとガス費用は下がりますが、炉の低温部へ析出したSiOが成長界面へ届く確率が上がります。

るつぼを使うCZ法は大口径化しやすく、酸素をゲッタリング源に使えます。FZ法は高抵抗率の用途へ向きますが、直径200mm以下と面内分布±10%を引き受けます。

CZ法が払うのは、石英坩堝から入る酸素と、それを制御する設備と時間です。得るのは、大口径・大重量まで伸ばせる育成と、内部の析出物を金属汚染の捕獲源へ使える設計の自由度です。ここで決めた酸素濃度と欠陥の型は、アニールウェーハやエピタキシャルウェハの選択とキラー欠陥の出方まで持ち越されます。

よくある質問（FAQ）

CZ法とは何ですか？

溶かしたシリコンの表面へ小さな種結晶を触れさせ、回転させながらゆっくり引き上げて大きな単結晶を育てる方法です。チョクラルスキー法、または引き上げ法と呼ばれます。

なぜ種結晶を使うのですか？

育てる結晶の向きを定めるためです。融液から自然に固まると、方位が互いにずれた多結晶になります。向きの定まった小さな結晶を触れさせておけば、その原子配列を引き継いで成長します。

口径はどうやって制御しますか？

引き上げる速度と融液の温度で定まります。速く引けば細く、ゆっくり引けば太くなり、温度の分布も断面の形へ影響するため、両方を同時に制御します。信越半導体の白河工場も、温度や引き上げ速度を調整して直径を制御しています。

なぜ回転させるのですか？

融液の温度と組成を均一に保つためです。回転させなければ、るつぼ内で温度や不純物の濃度に偏りが生じ、育つ結晶の性質が場所ごとに変わります。

フローティングゾーン法との違いは何ですか？

るつぼを使うかどうかです。CZ法は石英のるつぼで融かすため、るつぼから酸素が結晶へ入ります。フローティングゾーン法はるつぼを省くので酸素が低く抑えられますが、大口径化が難しく、製造できる直径は200mm以下です。

酸素が入るのは困りますか？

用途と深さによります。内部の酸素析出物は有害な金属不純物を捕まえるゲッタリングの働きを持ち、表層の析出物はMOSメモリなどの電気特性を劣化させるため、狙う濃度と位置に収める制御が要ります。パワー半導体など高い抵抗率を要する用途では、酸素の低いFZ法が選ばれます。

結晶へ入る酸素はどれくらいですか？

石英坩堝から融液へ溶出した酸素のうち約99%が融液表面からSiOとして蒸発し、残りの約1%が結晶へ取り込まれます。CZ結晶で最も多い不純物は、およそ10の18乗 atoms/cm³の桁の酸素です。

MCZ法は何が違いますか？

融液へ磁場をかけて対流を抑える方式で、SUMCOはCZ法に強力な磁場をかけるMCZ法を用いる場合があります。住友重機械工業の引き上げ装置向け水平磁場型超電導マグネットは、中心磁場0.4 Tesla、室温ボア径1,600mm、質量12tonです。

比較・違いを学ぶ

ウェーハと基板── 工程としてのウェーハ製造

出典

9件を表示

1
SUMCO：シリコンウェーハの製造方法sumcosi.com a b
2
グローバルウェーハズ・ジャパン：製造プロセスsas-globalwafers.co.jp a b
3
PVA TePla：Czochralski processpvatepla.com a b c
4
信越半導体白河工場：製品案内shinetsu.co.jp a b
5
電子情報通信学会：知識ベース 10群2編2章シリコン結晶技術ieice-hbkb.org ↩
6
SUMCO：Productssumcosi.com ↩
7
グローバルウェーハズ・ジャパン：製品一覧sas-globalwafers.co.jp ↩
8
JEITA半導体部会：大口径化の進むシリコンウェハsemicon.jeita.or.jp ↩
9
住友重機械工業：MCZ用超電導マグネットshi.co.jp ↩