JP2000211990A - 半導体単結晶引上装置および引上方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】引上げられた単結晶の成長軸方向の酸素濃度が
均一で、消費電力の低減が可能な半導体単結晶引上装置
および引上方法を提供する。 【解決手段】半導体単結晶引上装置において、炉本体２
内に設けられた原料半導体溶融用ヒータユニット６を、
石英ルツボ５が収納される保持用ルツボ４の周囲に配置
された主ヒータ６ｍと、保持用ルツボ４の下方に設けら
れた下部ヒータ６ｓとで構成し、この下部ヒータ６ｓを
石英ルツボ５の底部５ｂに対向させるとともに、昇降自
在にした半導体単結晶引上装置および単結晶の成長に伴
って、保持用ルツボ４と下部ヒータ６ｓの距離を小さく
させた半導体単結晶引上方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体単結晶引上装
置に係わり、特に引上げられた単結晶の成長軸方向の酸
素濃度が極めて均−で、消費電力の低減が可能な半導体
単結晶引上装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にシリコンウェーハを製造するに
は、ポリシリコンからチョクラルスキー法（以下、ＣＺ
法という。）によりシリコン単結晶のインゴットを製造
して、このインゴットを内周刃式スライシングマシン等
で所定の厚さに切断し、シリコンウェーハを製造する。

【０００３】しかし、超ＬＳＩ製造プロセスの低温化、
デバイスの高密度化、高集積化などにより、シリコンウ
ェーハに対し酸素濃度が均一に制御されたものの要求が
あり、これに伴いシリコンウェーハの素材となるシリコ
ン単結晶にもより狭い範囲で酸素濃度が制御されたシリ
コン単結晶が要求されている。

【０００４】従来、チョクラルスキー法によるシリコン
単結晶引上装置２０は、図６に示すように、炉本体２１
の中央に昇降自在で回転自在に回転軸２２に取付けられ
た黒鉛ルツボ２３によって支えられた石英ルツボ２４内
にポリシリコン原料が装填され、石英ルツボ２４の周囲
に配置された黒鉛ヒータ２５を加熱することにより溶融
される。炉本体２１の天井中央には開口部２１ａが設け
られ、開口部２１ａに接続されたサブチャンバー２６内
に、先端に種結晶ｓが保持された昇降自在かつ回転自在
なワイヤ２８を降下させ、シリコン融液Ｓに浸漬させた
後、ワイヤ２８および石英ルツボ２４を回転させながら
種結晶ｓを引上げてシリコン単結晶Ｉｇの育成を行って
いる。

【０００５】また、融液Ｓ上部には円筒状の熱遮蔽とガ
ス整流作用を有する輻射シールド２９が設けられ、結晶
が育成されれる間は、サブチャンバー２６の上部の給気
口３０から不活性ガスが供給され、炉本体２１下部から
排気されることにより融液から発生するシリコン酸化物
が排出される。

【０００６】さらに、大口径のシリコン結晶の育成に伴
い、結晶中の酸素濃度を制御する手段として、炉本体２
１の外側面の上下に同極対向磁石３１を配置して、常時
シリコン融液Ｓの融液面ｓｐ近傍にカスプ磁界Ｍが印加
されるカスプ型磁界下ＣＺ法シリコン単結晶引上装置が
使用されている。

【０００７】また、ポリシリコン原料の装填量の増大に
伴って、ポリシリコン原料を溶融する際に黒鉛ヒータ２
５に加えて黒鉛ルツボ２３の下部に比較的容量が大き
く、発熱面が水平な下部黒鉛ヒータ３２を固定的に設け
て、溶融時間の短縮と融液温度の均一化を図っている。

【０００８】しかし、このような従来のカスプ型磁界下
ＣＺ法シリコン単結晶引上装置においては、シリコン融
液Ｓを常時融液面ｓｐ近傍にカスプ磁界Ｍを印加してお
く必要があり、単結晶が育成されていくに連れて融液面
ｓｐが降下するため、この降下に応じて黒鉛ルツボ２
３、石英ルツボ２４を上昇させている。そのため、固定
的に設けられた下部黒鉛ヒータ３２と黒鉛ルツボ２３間
の距離Ｌ１が増大して、適切な融液温度分布が得られ
ず、単結晶全体の酸素濃度をある程度制御することは可
能であったが、偏析現象、さらには磁界と融液温度分布
との関連から成長軸方向の酸素濃度は不均一になり、所
望する成長軸方向の酸素濃度のシリコン単結晶が得られ
ないことがしばしばあり、また、消費電力が増大する欠
点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、引上げられた
単結晶の成長軸方向の酸素濃度が均一で、消費電力の低
減が可能な半導体単結晶引上装置および引上方法が要望
されている。

【００１０】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、引上げられた単結晶の成長軸方向の酸素濃度が
均一で、消費電力の低減が可能な半導体単結晶引上装置
および引上方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本願請求項１の発明は、炉本体内に設けられ
た原料半導体溶融用ヒータユニットを、石英ルツボが収
納される保持用ルツボの周囲に配置された主ヒータと、
前記保持用ルツボの下方に設けられた下部ヒータとで構
成し、この下部ヒータを前記石英ルツボの底部に対向さ
せるとともに、前記保持用ルツボと別個に昇降自在にし
たことを特徴とする半導体単結晶引上装置であることを
要旨としている。

【００１２】本願請求項２の発明では、上記下部ヒータ
は傾き角度が変えられるようにしたことを特徴とする請
求項１に記載の半導体単結晶引上装置であることを要旨
としている。

【００１３】本願請求項３の発明では、上記下部ヒータ
は石英ルツボの底部の底面部から弧状部に対向している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体単結
晶引上装置であることを要旨としている。

【００１４】本願請求項４の発明では、下部ヒータの動
作はステッピングモータにより行われることを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体単結
晶引上装置であることを要旨としている。

【００１５】本願請求項５の発明は、請求項１記載の半
導体単結晶引上装置を使用した引上方法において、単結
晶の成長に伴って、前記保持用ルツボと前記下部ヒータ
の距離を小さくさせたことを特徴とする半導体単結晶引
上方法であることを要旨としている。

【００１６】本願請求項６の発明は、請求項２記載の半
導体単結晶引上装置を使用した引上方法において、単結
晶の成長に伴って、前記保持用ルツボと前記下部ヒータ
の距離を小さくさせ、かつこの下部ヒータの角度を変え
て水平に近づけていくことを特徴とする半導体単結晶引
上方法であることを要旨としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる半導体単結
晶引上装置および引上方法の実施形態について添付図面
に基づき説明する。

【００１８】図１に示すように、本発明に係わる半導体
単結晶引上装置、例えばカスプ型磁界下シリコン単結晶
引上装置１は、密閉容器を構成する炉本体２と、この炉
本体２の中央に昇降自在で回転自在に設けられた回転軸
３と、この回転軸３に取付けられた保持用ルツボ、例え
ば黒鉛ルツボ４と、この黒鉛ルツボ４に密着して収納さ
れた石英ルツボ５と、この石英ルツボ５に収納された原
料半導体、例えば原料ポリシリコンを加熱して融液Ｓに
するためのヒータユニット６を有している。このヒータ
ユニット６は黒鉛ルツボ４の周囲に配置されたヒータ、
例えば黒鉛製の主ヒータ６ｍと黒鉛ルツボ４の下方に設
けられた例えば黒鉛製の下部ヒータ６ｓとで構成されて
いる。

【００１９】図２に示すような、下部ヒータ６ｓは黒鉛
ルツボ４の黒鉛ルツボ底部４ｂ、すなわち、石英ルツボ
５の石英ルツボ底部５ｂの底面部５ｂ１と弧部５ｂ２に
対向して、複数個、例えば２個設けられており、下部ヒ
ータ６ｓは例えば平板形状をなし、ステップモータ７に
より進退自在に作動される一対の作動子８に可動的に取
付けられており、ステップモータ７の駆動により、昇降
自在にその位置すなわち傾き角度θと黒鉛ルツボ４に対
する距離Ｌが変えられるようになっている。

【００２０】また、図１に示すように、石英ルツボ５お
よびシリコン融液Ｓの上方には、このシリコン融液Ｓか
らの熱輻射を防止しかつ炉本体２内を流れる不活性ガ
ス、例えばアルゴンガス（以下Ａｒという。）の流路を
制御する耐熱部材製の輻射シールド９が設けられてお
り、さらに、サブチャンバー１１の上部には不活性ガス
供給用の給気口１０が設けられている。

【００２１】一方、炉本体２の外部には、炉本体２の外
側面の上下に同極対向超伝導磁石１３が配置されてお
り、超伝導磁石１３からの磁界Ｍがカスプ型、例えばシ
リコン融液Ｓに対して垂直（直交）にかかり、融液面ｓ
ｐ近傍で水平にかかるようになっている。

【００２２】さらに、給気口１０から導入されたＡｒ
が、輻射シールド９に設けられ昇降自在に張設されたワ
イヤー１２に取付けられた種結晶ｓから成長したシリコ
ン単結晶Ｉｇが貫通する開口部１４および石英ルツボ５
とヒータ６ｍに形成された通気路１５を介し炉本体２外
に排出されるように、炉本体２の底部に排気口１６が設
けられている。

【００２３】次に本発明に係わるカプス型磁界下ＣＺ法
シリコン単結晶引上装置を用いたシリコン単結晶の製造
方法を説明する。

【００２４】シリコン単結晶を引上げるには、原料ポリ
シリコンを石英ルツボ５に装填し、Ａｒを炉本体２の給
気口１０より炉本体２内に流入させ、ヒータユニット６
を付勢して石英ルツボ５を加熱し、モータを付勢してこ
のモータに結合された回転軸３を回転させて黒鉛ルツボ
４および石英ルツボ５を回転させる。一定時間が経過し
た後、ワイヤー１２を下ろし、種結晶ｓをシリコン融液
Ｓの融液面ｓｐに接触させる。しかるのち、超伝導磁石
１３を付勢し、磁界Ｍをカスプ状にシリコン融液Ｓの融
液面ｓｐ近傍に集中させる。

【００２５】このシリコン融液Ｓの溶融状態で、シリコ
ン融液Ｓは石英ルツボ５内で対流を起こすが、シリコン
融液Ｓの自由表面近傍は磁界が０となり、石英ルツボ５
壁面近傍では対流抑制効果があるため通常のＣＺ法より
固液境界近傍の温度変動が緩和される。また、石英ルツ
ボ５近傍に存在して酸素濃度が比較的高いシリコン融液
Ｓは磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン単結晶Ｉ
ｇの成長界面に輸送され、酸素が成長界面からシリコン
単結晶Ｉｇ内に取り込まれる。

【００２６】一方、黒鉛ルツボ４および石英ルツボ５
を、図３に示すように、単結晶Ｉｇの引上げと共に上昇
させる。例えば原料ポリシリコン溶融時および引上げ初
期には、下部ヒータ６ｓは最下位に位置して黒鉛ルツボ
４との距離Ｌは最大となり、また、黒鉛ルツボ４に対し
て所定の角度θを保っている（図３（ａ））。

【００２７】単結晶の育成につれて融液Ｓの融液面ｓｐ
が低下するために、この融液面ｓｐを常時磁界Ｍの位置
に保持しておく必要があるので、黒鉛ルツボ４と石英ル
ツボ５は回転軸３を上昇させることによって上昇させる
（図３（ｂ））。この黒鉛ルツボ４と石英ルツボ５の上
昇に対して、この上昇距離よりも大きく下部ヒータ６ｓ
を上昇させることによって、黒鉛ルツボ４との距離Ｌを
小さくする。黒鉛ルツボ４と下部ヒータ６ｓを接近させ
ることにより石英ルツボ５の底部５ｂの平面部５ｂ１お
よび弧部５ｂ２はより加熱されて石英ルツボ５の溶融は
促進される。また、単結晶の成長につれて単結晶の酸素
濃度が減少する傾向にあるため、石英ルツボ５の溶融は
シリコン融液中の酸素濃度を増加させて、結果として単
結晶中に取込まれる酸素量が増大して、酸素濃度も増大
する。

【００２８】なお、必要に応じてステップモータ７を作
動させて、下部ヒータ６ｓの角度を水平方向に変えるこ
とにより、黒鉛ルツボ４への接触を防止させて黒鉛ルツ
ボ４に接近でき、融液温度分布および石英ルツボ５から
の酸素溶融量をより正確に制御できるので、より軸方向
に酸素濃度が均一な単結晶が得られる。

【００２９】さらに引上げが進行すると融液面ｓｐが低
下するので、上述と同様に黒鉛ルツボ４と石英ルツボ５
を上昇させるが、これに対して黒鉛ルツボ４と石英ルツ
ボ５の上昇距離以上に下部ヒータ６ｓを上昇させて、黒
鉛ルツボ４との距離Ｌをより小さくし、かつ角度を水平
に近づける（図３（Ｃ））。

【００３０】この下部ヒータ６ｓと黒鉛ルツボ４との接
近により、下部ヒータ６ｓと石英ルツボ５も接近して、
さらに石英ルツボ５の溶融は促進されて、石英ルツボ５
の溶融によりシリコン融液中の酸素濃度がさらに増加
し、結果として単結晶中に取込まれる酸素量も増大し
て、酸素濃度も増大する。

【００３１】従って、上述のように単結晶の引上げにつ
れて下部ヒータ６ｓを上昇させることにより結晶成長軸
方向の酸素濃度を均一にすることができる。所定の規格
の酸素濃度のシリコン単結晶が得やすくなり、製品歩留
りが向上して、生産性が向上する。

【００３２】さらに、下部ヒータ６ｓを上昇させること
により石英ルツボ５の底部５ｂの底面部５ｂ１および弧
部５ｂ２を加熱するので、上昇した石英ルツボの底部と
固定された下部ヒータ間の増大した距離分をヒータ入力
の増大で対応させるものと異なり、消費電力の低減も図
れる。

【００３３】なお、本発明に係わる半導体単結晶引上装
置は、シリコン単結晶の引上げに限らず、磁界下引上げ
を行う単結晶の引上げ、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰなどの
引上げにも適用できる。

【００３４】

【実施例】本発明に係わるカスプ型磁界下ＣＺ法半導体
単結晶引上装置および従来のカスプ型磁界下ＣＺ法半導
体単結晶引上装置を用いて、シリコン単結晶の引上げを
行った。

【００３５】図４は引上げられたシリコン単結晶の酸素
濃度と結晶長の関係を示す。

【００３６】図４中Ａは本発明の単結晶引上装置により
引上げたシリコン単結晶の酸素濃度であり、Ｂは従来例
である。

【００３７】本発明の単結晶引上装置により引上げられ
たシリコン単結晶の酸素濃度は結晶長さに対して極めて
均一であることがわかる。一方、従来例は結晶長さに対
して（ヘッド部からテイル部にいくに従って）、酸素濃
度が減少しており、均一ではない。

【００３８】図５は引上げ時の消費電力と結晶長さの関
係を示す。

【００３９】図５中Ａは本発明の単結晶引上装置に要す
る消費電力、Ｂは従来例である。

【００４０】本発明の単結晶引上装置に要する消費電力
は、従来例よりも約５ｋＷ低減されていることがわか
る。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係わる半導体単結晶引上装置に
よれば、下部ヒータの作用により、結晶成長軸方向の酸
素濃度を均一にすることができて、所定の規格の酸素濃
度のシリコン単結晶が得やすくなり、製品歩留りが向上
して、生産性が向上する。さらに、消費電力の低減も図
れる。

【００４２】磁界と下部ヒータの作用による相乗効果に
より、結晶成長軸方向の酸素濃度を一層均一にすること
ができる。

【００４３】下部ヒータは石英ルツボに対する傾き角度
を変えられるので、融液温度分布および石英ルツボから
の酸素溶融量をより正確に制御できるので、より軸方向
の酸素濃度が均一な単結晶が得られる。

【００４４】下部ヒータは石英ルツボの底部の平面部か
ら弧状部に対向して設けられるので、融液温度分布の改
善と酸素溶融量を増加させることができて、より軸方向
の酸素濃度が均一な単結晶が得られるとともに、消費電
力の低減が図れる。

【００４５】下部ヒータの動作はステッピングモータに
より行うようにすれば、下部ヒータの昇降と角度の変更
が容易に行えて、融液温度分布および石英ルツボからの
酸素溶融量をより正確に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる半導体単結晶引上装置の説明
図。

【図２】本発明に係わる半導体単結晶引上装置に用いら
れる下部ヒータの説明図。

【図３】本発明に係わる半導体単結晶引上装置に用いら
れる下部ヒータの使用状態図。

【図４】本発明に係わる半導体単結晶引上装置の試験結
果を示す説明図。

【図５】本発明に係わる半導体単結晶引上装置の試験結
果を示す説明図。

【図６】本発明に係わる半導体単結晶引上装置の説明
図。

【符号の説明】

１ カスプ型磁界下シリコン単結晶引上装置 ２ 炉本体 ３ 回転軸 ４ 黒鉛ルツボ ４ｂ 黒鉛ルツボ底部 ５ 石英ルツボ ５ｂ 石英ルツボ底部 ５ｂ１ 底面部 ５ｂ２ 弧部 ６ ヒータユニット ６ｍ 主ヒータ ６ｓ 底部ヒータ ７ ステップモータ ８ 作動子 ９ 輻射シールド １０ 給気口 １１ サブチャンバー １２ ワイヤー １３ 超伝導磁石 １４ 開口部 １５ 通気路 １６ 排気口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉本体内に設けられた原料半導体溶融用
   ヒータユニットを、石英ルツボが収納される保持用ルツ
   ボの周囲に配置された主ヒータと、前記保持用ルツボの
   下方に設けられた下部ヒータとで構成し、この下部ヒー
   タを前記石英ルツボの底部に対向させるとともに、前記
   保持用ルツボと別個に昇降自在にしたことを特徴とする
   半導体単結晶引上装置。
2. 【請求項２】 上記下部ヒータは傾き角度が変えられる
   ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体単
   結晶引上装置。
3. 【請求項３】 上記下部ヒータは石英ルツボの底部の底
   面部から弧状部に対向していることを特徴とする請求項
   １または２に記載の半導体単結晶引上装置。
4. 【請求項４】 下部ヒータの動作はステッピングモータ
   により行われることを特徴とする請求項１ないし３のい
   ずれか１項に記載の半導体単結晶引上装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の半導体単結晶引上装置を
   使用した引上方法において、単結晶の成長に伴って、前
   記保持用ルツボと前記下部ヒータの距離を小さくさせた
   ことを特徴とする半導体単結晶引上方法。
6. 【請求項６】 請求項２記載の半導体単結晶引上装置を
   使用した引上方法において、単結晶の成長に伴って、前
   記保持用ルツボと前記下部ヒータの距離を小さくさせ、
   かつこの下部ヒータの角度を変えて水平に近づけていく
   ことを特徴とする半導体単結晶引上方法。