JP2001220289A - 高品質シリコン単結晶の製造装置 - Google Patents

高品質シリコン単結晶の製造装置

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正彦 奥井
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浩 浅野
学 西元
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Abstract

(57)【要約】 【課題】転位クラスターや赤外線散乱体のようなGrown-
in欠陥の少ないウェーハを採取できる、大径長尺の高品
質単結晶を安定して製造し得る装置の提供。 【解決手段】単結晶の周囲をとり囲んで、その内周面が
引き上げ軸と同軸である冷却用部材と、この冷却用部材
の外面の外側および下端面の下側に熱遮蔽材とが設けら
れ、引き上げる単結晶の直径をDとするとき、冷却用部
材はその内周面の径が1.20D〜2.50D、長さが0.25D以
上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの距離
が0.30D〜0.85Dで、冷却用部材の下端面下側の熱遮蔽
材は、冷却用部材の下端部の内径より小さい内径である
シリコン単結晶の製造装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体材料として
使用されるシリコンウェーハ用単結晶の、より詳しくは
チョクラルスキー法(以下CZ法という)により育成す
るウェーハ用シリコン単結晶の製造装置に関する。

【0002】

【従来の技術】半導体材料のシリコンウェーハに用いる
シリコン単結晶の製造に、最も広く採用されている方法
がCZ法による単結晶の引き上げ育成方法である。CZ
法は、石英るつぼ内の溶融したシリコンに種結晶を浸け
て引き上げ、単結晶を成長させるものであるが、このシ
リコン単結晶の引き上げ育成技術の進歩により、欠陥の
少ない、無転位の大型単結晶が製造されるようになって
きている。

【0003】半導体デバイスは、単結晶から得られたウ
ェーハを基板とし、数百のプロセスを経過して製品化さ
れる。その過程で基板には数多くの物理的処理、化学的
処理、さらには熱的処理が施され、中には1000℃以上で
の高温処理など、過酷な熱的環境での処理も含まれる。
このため、単結晶の成長過程にてその原因が導入されて
おり、デバイスの製造過程で顕在化してその性能を低下
させる結果となる微小欠陥、とくにGrown-in欠陥が問題
になる。

【0004】これら微少欠陥の代表的なものの分布は、
例えば図1のように観察される。これは、成長直後の単
結晶からウェーハを切り出し、硝酸銅水溶液に浸けてC
uを付着させ、熱処理後、X線トポグラフ法により微小
欠陥分布の観察をおこなった結果を模式的に示した図で
ある。すなわち、このウェーハは、外径の約2/3の位置
に、リング状に分布した酸化誘起積層欠陥―以下OSF
(Oxidation induced Stacking Fault)という―が現れた
ものであるが、そのリングの内側部分には赤外線散乱体
欠陥(COPあるいはFPDともいわれるがいずれも同
じSiが欠損した状態の欠陥)が見出される。また、リ
ング状OSFに接してすぐ外側には酸素析出促進領域が
あり、ここでは酸素析出物が現れやすい。そしてウェー
ハの周辺部は転位クラスター欠陥の発生しやすい部分と
なっている。この赤外線散乱体欠陥および転位クラスタ
ー欠陥がGrown-in欠陥といわれるものである。

【0005】上記の欠陥の発生位置は、通常単結晶引き
上げの際の引き上げ速度に大きく影響される。健全な単
結晶を得る引き上げ速度の範囲内にて、引き上げ速度を
変え成長させた単結晶について、結晶中心の引き上げ軸
に沿って縦方向に切断された面での各種の欠陥の分布を
調べると、図2のような結果がえられる。

【0006】単結晶引き上げ軸に対し垂直に切り出した
円盤状のウェーハ面で見る場合、ショルダー部を形成さ
せ所要の単結晶径とした後、引き上げ速度を下げていく
と、結晶周辺部からリング状OSFが現れる。周辺部に
現れたこのリング状OSFは、引き上げ速度の低下にと
もない、その径が次第に小さくなり、やがては無くなっ
て、ウェーハ全面がリング状OSFの外側部分に相当す
るものになってしまう。すなわち図1は、図2における
単結晶のAの引き上げ軸に垂直な断面、またはその引き
上げ速度で育成した単結晶のウェーハを示したもので、
リング状OSF発生の位置を基準にすれば、引き上げ速
度の速い場合はリング状OSFの内側領域に相当する高
速育成単結晶となり、遅い場合は外側領域の低速育成単
結晶となる。

【0007】シリコン単結晶の転位は、その上に形成さ
れるデバイスの特性を劣化させる原因になることはよく
知られている。また、OSFはリーク電流増大など電気
特性を劣化させるが、リング状OSFにはこれが高密度
に存在する。そこで、現在通常のLSI用には、リング
状OSFが単結晶の最外周に分布するような、比較的高
速の引き上げ速度で単結晶が育成されている。それによ
って、ウェーハの大部分をリング状OSFの内側部分、
すなわち高速育成単結晶として、転位クラスターを回避
する。これは、リング状OSFの内側部分は、デバイス
の製造過程にて発生する重金属汚染に対するゲッタリン
グ作用が、外側部分よりも大きいことにもよっている。

【0008】近年LSIの集積度増大にともない、ゲー
ト酸化膜が薄膜化されて、デバイス製造工程での温度が
低温化してきている。このため、高温処理で発生しやす
いOSFが低減され、結晶の低酸素化もあってリング状
OSFなどのOSFは、デバイス特性を劣化させる因子
としての問題が少なくなってきた。しかし、高速育成単
結晶中に主として存在する赤外線散乱体欠陥の存在は、
薄膜化したゲート酸化膜の耐圧特性を大きく劣化させる
ことが明らかになっており、とくにデバイスのパターン
が微細化してくると、その影響が大きくなって高集積度
化への対応が困難になるとされている。

【0009】図1に示した欠陥分布において、リング状
OSFのすぐ外側には酸素析出が生じやすい領域、すな
わち酸素析出促進領域があり、その外側の最も外周に近
い部分には、転位クラスターなどの欠陥の発生しやすい
領域がある。そして酸素析出促進領域のすぐ外側に、転
位クラスター欠陥が検出されない無欠陥領域が存在す
る。また、リング状OSFの内側にも、リングに接して
赤外線散乱体の検出できない無欠陥領域がわずかに存在
している。

【0010】この無欠陥領域を拡大できれば、欠陥のき
わめて少ないウエーハ、ないしは単結晶の得られる可能
性がある。たとえば、特開平8-330316号公報では、単結
晶育成時の引き上げ速度をV(mm/min)、融点から130
0℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温
度勾配をG(℃/mm)とするとき、結晶中心部より外周
から30mmまでの内部位置ではV/Gを0.20〜0.22とし、
結晶外周に向かってはこれを漸次増加させるよう温度勾
配を制御して、転位クラスターを生成させることなく、
リング状OSFの外側部分の無欠陥領域のみをウェーハ
全面さらには単結晶全体に広げる方法の発明が提示され
ている。この場合、るつぼとヒーターの位置、育成単結
晶の周囲に設置されたカーボンからなる半円錐形状の熱
輻射体の位置、ヒーター周囲の断熱体構造等の種々条件
を総合伝熱計算によって検討し、上記条件の温度条件に
なるように設定し育成をおこなうとしている。

【0011】また、特開平11-79889号公報には、単結晶
育成中の固液界面の形状が単結晶の周辺5mmを除き、固
液界面の平均位置に対し±5mm以内となるようにして引
き上げること、そして1420℃から1350℃まで、または融
点から1400℃までの引き上げ軸方向の結晶内温度勾配を
結晶中心部分ではGc、結晶周辺部分ではGeとしたと
き、この二つの温度勾配の差ΔG(=Ge−Gc)が5
℃/cm以内であるように炉内温度を制御することによる
製造方法の発明が開示されている。要するに、育成中の
固液界面をできるだけ平坦に保ち、かつ単結晶内部の固
液界面からの温度勾配をできるだけ均一な状態に保つと
いう製造方法である。このような条件下で単結晶育成を
おこなえば、上記無欠陥領域を拡大でき、さらに2000G
以上の水平磁場を融液に印加すれば、Grown-in欠陥の少
ない単結晶をより容易に得ることができるとしている。
しかしながら、固液界面を±5mm以内になるようにする
手段、およびΔGを5℃/cm以内であるようにする手段
など、この発明の効果を得るために不可欠な、凝固直後
の結晶周辺において上記の状態を実現するための具体的
手段は、シリコン溶融液の液面直上にシリコン単結晶を
囲繞するように固液界面断熱材を、液面から3〜5cm離し
て設置することだけのように思われる。

【0012】上記の発明は、単結晶育成中の温度分布の
状態を、総合伝熱解析ソフトにより推測調査している。
しかし、このようなソフトは、与えられた条件下での温
度分布は推測できるが、単結晶周辺における特定の温度
分布状態を実現するための、具体的な制御条件を提供す
るものではない。

【0013】赤外線散乱体欠陥を低減するために、単結
晶引き上げ直後の冷却過程を種々変える製造方法が幾つ
か提案されている。たとえば、特開平8-2993号公報に
は、融点から1200℃までの高温域を通過する時間を200
分以上とし、かつ、1200℃から1000℃までの低温域を通
過する時間を150分以下とする方法の発明が開示されて
いる。また、特開平11-43396号公報には、融液面近くに
単結晶シリコン単結晶を取り囲むように冷却部を配置し
て、引き上げ直後の単結晶を冷却勾配2℃/mm以上で一旦
冷却し、1150℃以下になる前に加熱して1200℃以上の温
度にて数時間以上保持する方法およびその装置の発明が
提示されている。しかしながら、引き上げ直後の融点か
ら1200℃程度までの温度域で、単結晶を急冷したり加熱
したりあるいは高温保持するだけでは、単結晶の引き上
げ軸に垂直な断面に対応するウェーハの全面において、
この赤外線散乱体欠陥を大幅に低減することは容易でな
いと思われる。

【0014】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、CZ
法にて転位クラスターや赤外線散乱体のようなGrown-in
欠陥をできるだけ少なくしたウェーハを採取できる、大
径長尺の高品質単結晶を安定して製造し得る装置の提供
にある。

【0015】

【課題を解決するための手段】図1に示したリング状O
SFと酸素析出促進領域には、赤外線散乱体や転位クラ
スター欠陥は見出されない。そして前述のように、デバ
イス製造工程が低温化し結晶が低酸素化することによっ
て、OSFおよび酸素析出の悪影響の問題は低減されて
きており、リング状OSFの存在は以前ほど重要ではな
くなっている。したがって、この無欠陥領域と、リング
状OSFおよび酸素析出促進領域を加えた部分の拡大が
可能なら、赤外線散乱体および転位クラスター欠陥の両
Grown-in欠陥を低減させた単結晶ないしはウェーハが得
られる。すなわち図2において引き上げ速度にともなう
リング状OSFの、V字形分布状況の上開きの角度をで
きるだけ拡大させ、可能なら水平状態にすれば、引き上
げ速度の選定により、無欠陥領域を拡大させた、欠陥の
ない単結晶が得られるのではないかと推測された。

【0016】そこでまず、この図2に示されるような、
リング状OSFのV字形分布が発生する理由を考えてみ
る。単結晶育成の引き上げ時の融液が凝固して固体結晶
に変化していく際には、ランダムな原子配列の液相から
原子が規則正しく整列する固相に移行するため、固液界
面近傍の固相には、有るべき原子の欠けた空孔や、余分
のSi原子が原子の結晶格子配列の間に入り込んだ格子
間原子が大量に存在する。この凝固直後には、格子間原
子よりも原子が欠けた状態の空孔の方が多い。そして、
引き上げにより凝固して単結晶になった部分が固液界面
から離れるにつれ、空孔や格子間原子は移動や拡散、あ
るいは合体などによって消失し、整然とした原子配列と
なっていくが、さらに引き上げられて温度が低下してく
ると移動や拡散の速度が減退し、多少は残存することに
なる。

【0017】凝固の過程で取り込まれた空孔と格子間原
子とは、高温の間かなり自由に結晶内を動き回ることが
でき、その移動速度または拡散速度は、一般的に空孔の
方が格子間原子より速い。そして、上述のように凝固直
後では空孔の数の方が格子間原子の数より多い。ここ
で、高温の結晶中に存在し得る空孔や格子間原子の飽和
限界濃度は、いずれも温度が低いほど低下するので、同
じ量存在していたとしても、温度の低い方が実質的な濃
度すなわち化学ポテンシャルは高く、温度の高い方が濃
度は低いことになる。

【0018】育成中の単結晶には垂直方向に温度勾配が
あり、通常は表面から熱が放散されるので、図3(a)
に模式的に示すように、結晶中心部より周辺部の方が温
度が低い温度分布になっている。これを垂直方向の一定
距離を隔てた2つの位置での温度差、すなわち垂直方向
温度勾配としてみれば、中心部の温度勾配(Gc)の方
が周辺部の温度勾配(Gs)より小さい。この垂直引き
上げ軸方向の温度勾配の状態は、ホットゾーンすなわち
引き上げ中の単結晶の冷却部分周辺の構造が同じであれ
ば、引き上げ速度が多少変わってもほとんど変化しな
い。

【0019】結晶内における温度差ないしは温度勾配
は、上述のように空孔や格子間原子に対して実質的濃度
差をもたらすため、低温側から高温側への、育成されつ
つある単結晶の上方から固液界面方向への、温度の低下
に逆行する空孔や格子間原子の拡散が起きていると考え
られる。この温度勾配による拡散を以下坂道拡散と言う
ことにする。

【0020】また、空孔や格子間原子は結晶表面に到達
すると消失するので、周辺部分の濃度が低く、坂道拡散
に加えて表面方向への拡散も起きている。したがって、
引き上げ軸に垂直なウェーハ相当面でみると、空孔や格
子間原子の濃度は単結晶の中心部が高く、周辺部は低い
分布を示す。さらに、空孔は結晶格子を構成する原子が
欠けた状態であり、格子間原子は原子が余分に存在する
状態なので、この二つがぶつかれば、お互いに相補い合
体して消失し、完全な結晶格子となることも同時に起き
ている。このような空孔および格子間原子の拡散、ある
いは合体消失は、凝固点(1412℃)から1250℃前後まで
の温度範囲にてとくに活発に進行し、それ以下の温度で
は速度が遅くなる。

【0021】以上のように、単結晶引き上げ中の高温条
件下における空孔および格子間原子のウェーハ相当面で
の濃度分布は、図4(a)に示す模式図のようになって
いると推測される。通常の育成条件の場合、上述のよう
に坂道拡散と結晶表面への拡散とにより、空孔および格
子間原子の濃度は表面に近づくほど低くなる分布をす
る。しかし、空孔の方が拡散速度は速いので、その濃度
分布は格子間原子のそれよりも大きく湾曲している。凝
固直後は空孔の方が格子間原子よりも多いため、育成速
度が比較的早い場合、引き上げ軸に垂直なウェーハ相当
面でのこれらの濃度分布は、図4(a)-(1)のように全
面にわたって空孔の多い状態になっている。このままの
状態で冷却が進むと、格子間原子に比して過剰の空孔が
取り残されたまま温度が低下していき、表面への拡散や
合体による消失がさらに多少進んだとしても、これが結
晶内に痕跡を残す結果となり、赤外線散乱体が発生する
原因となる。すなわちこれは図2に示した高速育成単結
晶部分に相当する。

【0022】一方、育成速度が比較的遅い場合、坂道拡
散や表面への拡散が活発に進行する状態に長く置かれる
ため、空孔は格子間原子と結合するよりも早く拡散消失
していき、図4(a)-(3)のように全面にわたって空孔
が少なくなっていて、拡散が不活発になる温度に達した
ときは、格子間原子が過剰な状態となって残り、ウェー
ハ相当面全面が転位クラスターの発生しやすい、図2の
低速育成単結晶部分となってしまう。

【0023】しかし、その中間の引き上げ速度の場合、
空孔の濃度と格子間原子の濃度が接近した状態で温度が
低下するが、それぞれの濃度分布の形が異なるので、図
4(a)-(2)に示すように、単結晶中心部では格子間原
子に対して空孔が過剰となり、単結晶表面に近い部分で
は空孔が不足する状態となる。この状態で冷却が進む
と、図1に示した中心部には赤外線散乱体欠陥、外周の
表面近くには転位クラスター欠陥が主として分布した結
果になる。そして周辺部と中心部との中間の、空孔と格
子間原子の数がバランスする部分では、冷却が進むにつ
れてこの二つが合体し消失してしまうため、高速育成単
結晶部分、または低速育成単結晶部分に発生するGrown-
in欠陥の、いずれも存在しない無欠陥領域ができる。

【0024】この無欠陥領域とほぼ同じ場所にリング状
OSFが現れる。OSF生成の原因は、酸素析出物が核
になるためとされており、リング状OSFや酸素析出促
進領域には、赤外線散乱体や転位クラスターなどのGrow
n-in欠陥は存在しない。酸素析出物がこの位置に析出す
る理由については明らかではないが、空孔と格子間原子
との相互作用により、丁度両者がバランスする位置より
やや空孔が過剰になる位置に、酸素原子が析出しやすく
なっており、OSFができやすくなっているものと思わ
れる。リング状OSFないしはそれに隣接した無欠陥領
域は、引き上げ速度が速ければウェーハの外周に近づ
き、遅ければ中心に向かうことからも、この空孔と格子
間原子の濃度がバランスする部位が存在することを示し
ていると考えられる。

【0025】以上のように、無欠陥領域が空孔と格子間
原子との濃度のバランスによって生じるとするなら、単
結晶のウェーハ相当面におけるこれら2つの濃度の分布
を全面でほぼ等しくすれば、赤外線散乱体欠陥も転位ク
ラスター欠陥もない単結晶が得られる筈である。そのた
めには、図4(b)に示すように、相対的に拡散速度が
速い空孔の濃度分布を、拡散速度の遅い格子間原子の濃
度分布に近づけ、その上で引き上げ速度を選定すればよ
い。すなわち、図4(b)のように空孔濃度分布の湾曲
を小さくするには、中心部に対し周辺部の空孔の濃度低
下が抑止できればよい。

【0026】空孔や格子間原子の、結晶表面への拡散は
避けがたいが、坂道拡散は温度差を小さくすれば低減で
きる。これは図3(b)のように、凝固直後の拡散や移
動が活発に進行する温度域にて、中心部より周辺部の温
度が高い状態、ないしは周辺部が垂直方向温度勾配の小
さい状態とすればよいと考えられた。

【0027】そこでこのような温度分布を実現させるべ
く、引き上げ直後の冷却方法を種々検討した。その結
果、単結晶外周面の融液から立ち上がる部分には、るつ
ぼ壁面や融液面からの輻射を受けるようにし、それより
上の部分では冷却用部材を接近させて冷却することによ
り、実現できることを見出した。

【0028】図5(b)にこの方法と単結晶の垂直方向
の温度変化とを模式的に示す。図5(a)には通常の引
き上げ方法、あるいは単結晶に近づけて冷却円筒を設置
して、引き上げ速度を増す方法での温度変化を示す。こ
の図5(a)に示した場合は、いずれも単結晶の中心部
や内部に比して周辺部の温度が低くなっている。これに
対して、冷却用部材を融液面から少し離して置き、しか
もその下端面および外側を熱遮蔽材で覆うことにより、
引き上げ直後の単結晶の周辺部の温度が中心部より高い
図5(b)に示したような温度分布が実現できたのであ
る。これは、引き上げ中単結晶の冷却用部材の下端から
融液までの間が、融液面やるつぼ壁からの輻射により温
められる一方、すぐその上の部分では、接近させた冷却
用部材による表面からの冷却の熱伝導によって、中心部
は相対的に温度が低下して得られたものと思われる。こ
こで熱遮蔽材は、冷却用部材を挿入することにより、融
液表面やるつぼ内壁面などから不必要に熱を奪うことを
抑止するために重要であった。この状態にて単結晶引き
上げをおこなった結果、引き上げ速度を選ぶことによ
り、単結晶全体にわたって無欠陥状態を得ることができ
たのである。

【0029】しかし、上述の図5(b)に示したような
温度分布は、冷却用部材と熱遮蔽材との組み合わせによ
り実現できることはわかったが、このような温度分布を
出現させる温度域にも十分配慮する必要がある。もし冷
却用部材を融液面に近づけすぎると、上述の温度分布が
得られたとしても、単結晶の中心部と周辺部との温度差
が小さくなりすぎ、ウェーハ相当面全面を無欠陥領域に
する引き上げ速度の許容幅が狭くなってしまい、無欠陥
単結晶を育成できなくなる。また、冷却用部材が融液面
や単結晶からが離れすぎたりすると、引き上げ速度を遅
くしなければ無欠陥領域が十分な大きさにならず、生産
性の低下を来す。

【0030】以上のような、単結晶引き上げの際の凝固
直後の融液に近い位置では、中心部よりも周辺部の方が
温度が高く、垂直方向の温度勾配が中心部より周辺部の
方が小さいと言う状態を容易に実現させ、しかも十分大
きい速度にて引き上げができるための装置の構造をさら
に検討した。その結果、育成する単結晶の直径が変わる
と、それに応じて単結晶表面から冷却剤表面までの距
離、冷却用部材の長さ、融液面から冷却用部材の下端部
までの距離を変える必要があることがわかった。これら
の知見に基づき、さらに装置各部の諸元の限界を確認し
て本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりであ
る。

【0031】融液からの引き上げによるシリコン単結晶
の製造において、単結晶の周囲をとり囲んで、その内周
面が引き上げ軸と同軸である冷却用部材と、この冷却用
部材の外面の外側および下端面の下側に熱遮蔽材とが設
けられ、引き上げる単結晶の直径をDとするとき、冷却
用部材はその内周面の径が1.20D〜2.50D、長さが0.25
D以上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの
距離が0.30D〜0.85Dで、冷却用部材の下端面下側の熱
遮蔽材は、冷却用部材の下端部の内径より小さい内径で
あることを特徴とする、シリコン単結晶の製造装置。

【0032】

【発明の実施の形態】本発明の装置を、図6に示す模式
図による例で説明する。この図は、単結晶引き上げ装置
のシリコン融液2、それをを保持するるつぼ1および引
き上げる単結晶5の周辺のみを示したものである。単結
晶5を引き上げ成長させる場合、ルツボ1の内部にヒー
タにより加熱溶融した原料シリコンの溶融液2を充填
し、引き上げ軸のシードチャック4に装着された種結晶
を、始めに溶融液2の表面に接触させ、種結晶を引き上
げつつ、その先端に融液を凝固させ、これを成長させて
単結晶5を育成する。るつぼまたは引き上げる単結晶
は、必要に応じ引き上げ軸を中心に回転させる。また、
単結晶を育成する際、融液の対流を制御し、結晶全体に
わたる安定成長、ドーパントや不純物元素の均一化など
のために、水平方向の磁場や、カスプ磁場を印加しても
よい。以上は通常実施されるCZ法による単結晶引き上
げの装置の場合と同様である。

【0033】図6内に示したように、単結晶5の直径を
D、冷却用部材6の内径をCd、長さをCh、シリコン溶
融液2の表面から冷却用部材6の下端までの距離をC
s、冷却用部材下端の熱遮蔽材7bの内径をHdとすると
き、本発明では、これらそれぞれの大きさを次のように
規制する。 (a) Cd:1.2D〜2.5D (b) Ch:≧0.25D (c) Cs:0.30D〜0.85D (d) Hd:<Cd これらの寸法の限定理由を以下に説明する。

【0034】本発明の装置では、引き上げる単結晶5の
周囲に冷却用部材6設置する。冷却用部材6は熱伝導の
よい、たとえば銅、鉄、ステンレス鋼、モリブデンなど
の金属製とし、その内部に冷却用水などを通流させ、表
面温度を常温から200℃程度までに維持できることが望
ましい。

【0035】冷却用部材6の単結晶5外周面に向いた面
の内径Cdは、育成する単結晶の直径をDとすると、1.2
0D〜2.50Dの範囲内にあることとする。このように単
結晶5の直径に比例させて、冷却用部材6の内径や後述
の設置位置を規制するのは、単結晶径が大きくなった場
合、単結晶表面と冷却用部材面との間隔が同じであれ
ば、表面の冷却が大きくなりすぎ、それによる収縮のた
め単結晶に転位などの欠陥が生じてしまうからである。
同様に冷却用部材6の内径が1.20Dを下回って近づきす
ぎると、これも表面の冷却が大きくなりすぎでしまう。
また2.5Dを超えて離れすぎると、冷却の効果が不十分
になる。

【0036】冷却用部材6の単結晶5に面する側の内面
の形状は、単結晶引き上げ軸と同軸の回転対称面とし、
図6に例示したように、単結晶5の外面にほぼ平行な円
筒状でもよいが、単結晶5に面した内径が1.20D〜2.50
Dの範囲内にある限り、異型形状であってもよい。たと
えば下の方の部分の内径を上方より小さくした段付きの
形状としたり、上の方に行くほど径の大きくなる円錐台
を逆転させたような形状とすることができる。このよう
な異型形状にする場合、最小内径となる部分は融液表面
に近い下端部にあることが好ましく、それによって、図
3(b)あるいは図5(b)に示した単結晶内の温度分
布が、より容易に実現できるようになる。また冷却の有
効径が1.20D〜2.50Dの範囲内であれば、管をソレノイ
ドコイル状に巻いたものとしてもよい。

【0037】冷却用部材6の長さChは、0.25D以上あ
ることとする。これは長さChが0.25D未満では、育成
中の単結晶表面を冷却し、必要とする温度分布を実現す
るという効果が得られなくなるからである。しかし長く
しすぎても、必要とする単結晶内の引き上げ直後の高温
部温度分布には影響を及ぼさなくなるので、冷却用部材
6の長さChは、D以下とするのがよい。

【0038】冷却用部材6の設置位置は、引き上げ軸と
同軸にて、その下端と融液面との距離Csが0.30D〜0.8
5Dであることとする。これはCsが0.30Dを下回るよう
になると、凝固直後の単結晶表面への融液面やるつぼ内
壁からの熱輻射が減少し、表面部分の温度勾配が中心部
のそれよりも小さい、という温度分布が得られなくなる
からである。一方、Csが0.85Dを超えると、凝固直後
の単結晶中心部に対する冷却が不十分になり、やはり上
記の表面部分の温度勾配を中心部分のそれより小さくす
るという効果が減退してしまう。

【0039】冷却用部材6には、外側側面にるつぼ内壁
に面して熱遮蔽材7a、下端部下側の融液面に面して熱
遮蔽材7bを配置する。これは、冷却用部材の冷却効果
が、装置内の不必要な部分にまで及ぶのを抑止し、必要
とする温度分布を得やすくするため、および冷却用部材
の加熱を防止するためである。熱遮蔽材7aおよび7bに
は、黒鉛、カーボンフェルト、セラミック製耐火材、あ
るいはこれらの複合材、等を用いる。その厚さは、冷却
用部材の形状にもよるが、5〜40mm程度とするとよく、
冷却用部材6に直接付けても多少離して配置してもよ
い。なお、冷却用部材がるつぼ内に挿入される部分で
は、冷却部材6の外側の熱遮蔽材7aの外径が、るつぼ
の内径よりも小さくなければならない。

【0040】冷却用部材6の下端の融液面に面した位置
の熱遮蔽材7bは、その内径Hdを冷却部材の内径Cdよ
りも小さくする。冷却用部材6の内面形状が異型の場合
は、その最小径よりも小さいものとする。これは凝固直
後の単結晶表面の部分にまで冷却用部材による冷却効果
が過剰に及んでしまい、前述の図3(b)あるいは図5
(b)に示した単結晶内の温度分布が十分に得られなく
なることを抑止するためである。熱遮蔽材7bの内径Hd
は、Cdよりも小さければその大きさはとくに限定はし
ないが、引き上げ育成中に単結晶が変形した場合に接触
するおそれがないように、単結晶5の目標外周面から少
なくとも10mmの間隔を空けた寸法とすることが望まし
い。

【0041】上述の冷却用部材および熱遮蔽材を設置し
た単結晶製造装置を用いて、単結晶を製造する場合、単
結晶全体をGrown-in欠陥のきわめて少ない状態とするに
は、無欠陥領域を拡大できる最適速度で引き上げなけれ
ばならない。この最適速度に対しては、これらの冷却用
部材および熱遮蔽材の材質、形状、あるいは構造だけで
はなく、装置全体としての熱的状態も強く影響する。し
たがって、たとえば単結晶の引き上げ速度を育成中に徐
々に変えていき、得られた単結晶を引き上げ軸に沿った
面で縦断し、その縦断面における欠陥の分布を調査する
ことによって、最適引き上げ速度を選定して、その速度
にて引き上げることが好ましい。

【0042】

【実施例】〔実施例1〕図6に模式的に示した構造の装
置にて、直径200mm(D=200mm)のシリコン単結晶5の
引き上げをおこなった。冷却用部材6は、垂直方向の長
さChが150mm(0.75D)、内面の直径が350mm(1.75D)
である円筒形状のものとした。冷却用部材は6ステンレ
ス鋼製の厚さが20mmのもので内部に水を通して冷却して
いる。冷却用部材6下端の融液面からの距離Hcは120mm
(0.60D)とした。るつぼに面した外側に配置した熱遮
蔽材7aおよび冷却用部材下端に設置した熱遮蔽材7b
は、いずれも厚さが20mmの断熱性カーボンフェルトを厚
さ7mmの高純度黒鉛で覆ったものとした。この熱遮蔽材
7bの内径Hdは260mmとし、製造しようとする単結晶の
外周面から30mm空けた。

【0043】るつぼ内に高純度多結晶シリコンを120kg
装入し、単結晶の電気抵抗が約10Ωcmになるようp型ド
ーパントのBを添加した。装置内を減圧アルゴン雰囲気
とし、加熱してシリコンを溶融後加熱電力を調整し、種
結晶を融液に浸漬してるつぼおよび引き上げ軸を回転さ
せながら引き上げをおこなった。はじめにネック部、つ
いでショルダー部と移行し、直径を200mmとしてから、
さらに定常状態となるよう調整し、単結晶長さが200mm
に達したときの引き上げ速度を1.0mm/minとした。次い
で、引き上げ速度を連続的に徐々に低下させていき、単
結晶長さが800mmmに達したとき0.4mm/minになるように
した。その後1000mmになるまで引き上げ速度は0.4mm/m
inのままとし、それからテイル絞りに移行して結晶引き
上げを終了した。伝熱解析シュミレーション計算をおこ
なった結果では、融点から1250℃までの間の垂直方向温
度勾配は、単結晶中心部で3.9〜4.1℃/mm、周辺部で3.
1〜3.3℃/mmであって、引き上げ速度を変えてもほぼ一
定であった。

【0044】得られた単結晶は縦割り加工し、中心部の
引き上げ中心軸を含む断面に平行に厚さ約1.4mmのスラ
イス片を採取し、16重量%の硝酸銅水溶液に浸漬してC
uを付着させ、900℃にて20分間加熱し冷却後、X線ト
ポグラフ法によりOSFリングの位置や各欠陥領域の分
布を観察した。また、このスライス片について赤外線散
乱体欠陥の密度を赤外線トモグラフ法、転位クラスター
欠陥の密度をSeccoエッチング法にてそれぞれ調査し
た。

【0045】欠陥分布の調査結果を、引き上げ速度に対
応させて模式的に示すと、図7のようになった。通常の
単結晶の引き上げ方法にて、同様に引き上げ速度を変え
て、中心軸を含む縦方向断面での欠陥分布を調査した図
2の結果と比較すると、V字形状に分布していたリング
状OSFやその周辺の無欠陥領域などが、水平に近い状
態になっていることがわかる。この場合、引き上げ速度
が0.74mm/minになったとき、リング状OSFが消滅し
ており、0.70mm/minを下回るようになると転位クラス
ター欠陥が現れている。したがって0.70〜0.74mm/min
に引き上げ速度を選定すれば、単結晶全体をGrown-in欠
陥の無い状態にできると推測された。

【0046】〔実施例2〕実施例1と同じ装置を用い、
同様にシリコンを溶融し、単結晶引き上げをおこなっ
た。その場合、引き上げ速度を単結晶長さが200mmに達
したとき、0.75mm/minとなるようにしてから、徐々に
引き上げ速度を低下させていき、800mmに達したとき
に、0.69mm/minとなるようにした。この0.69mm/minの
引き上げ速度にてさらに1000mmまで引き上げをおこな
い、それからテイル絞りをおこなって引き上げを終了し
た。

【0047】実施例1と同様に、得られた単結晶を縦割
りし、欠陥分布を調査した結果、図8に示すような単結
晶を得ることができた。このように、引き上げ直後の単
結晶内部において、周辺部の垂直方向温度勾配を中心部
の垂直方向温度勾配より小さくしておくことにより、引
き上げ速度を適度の範囲に制御すれば、単結晶全体をGr
own-in欠陥のほとんどない無い状態にすることができ
る。このGrown-in欠陥の無い領域から採取したウェーハ
について、25nmの酸化膜厚における初期酸化膜耐圧特性
(TZDB)を調べた結果、ウェーハ当たりの良品率は97%
を超えるものであった。

【0048】

【発明の効果】本発明の装置は、シリコン単結晶の引き
上げの際、単結晶内の垂直方向の温度勾配について中心
部より周辺部の方を小さくすることができる。この装置
を用い、引き上げ速度を適宜選ぶことにより、デバイス
の高集積度化ないしは微細化に対応できる、Grown-in欠
陥のきわめて少ない単結晶を容易に製造しうる。

【図面の簡単な説明】

【図1】シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分
布の例を模式的に示した図である。

【図2】単結晶引き上げ時の、引き上げ速度と結晶欠陥
の発生位置との一般的な関係を、模式的に説明した図で
ある。

【図3】単結晶引き上げ時の、単結晶内の直径方向の温
度分布を模式的に示した図である。

【図4】単結晶内の、引き上げ軸方向温度勾配の中心部
と表面部との相違による、空孔または格子間原子の濃度
分布差を説明する概念図である。

【図5】単結晶引き上げ時の、融液面からの距離による
中心部と周辺部の温度の変化を説明する図である。

【図6】本発明のシリコン単結晶製造装置における、る
つぼおよび引き上げる単結晶周辺の具体例を模式的に示
した図である。

【図7】本発明の装置を用い、引き上げ速度を広い範囲
で連続的に変えて製造した単結晶の、縦方向断面におけ
る欠陥の分布を模式的に示した図である。

【図8】本発明の装置を用い、引き上げ速度を比較的狭
い範囲で連続的に変えて製造した単結晶の、縦方向断面
における欠陥の分布を模式的に示した図である。

【符号の説明】

1.ルツボ 2.シリコン溶融液 3.引き上げ軸 4.シードチャック 5.単結晶 6.冷却用部材 7a.側面熱遮蔽材 7b.下端面熱遮蔽材

【手続補正書】

【提出日】平成13年2月6日(2001.2.6)

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0034

【補正方法】変更

【補正内容】

【0034】本発明の装置では、引き上げる単結晶5の
周囲に冷却用部材6を設置する。冷却用部材6は熱伝導
のよい、たとえば銅、鉄、ステンレス鋼、モリブデンな
どの金属製とし、その内部に冷却用水などを通流させ、
表面温度を常温から200℃程度までに維持できることが
望ましい。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0035

【補正方法】変更

【補正内容】

【0035】冷却用部材6の単結晶5外周面に向いた面
の内径Cdは、育成する単結晶の直径をDとすると、1.2
0D〜2.50Dの範囲内にあることとする。このように単
結晶5の直径に比例させて、冷却用部材6の内径や後述
の設置位置を規制するのは、単結晶径が大きくなった場
合、単結晶表面と冷却用部材面との間隔が同じであれ
ば、表面の冷却が大きくなりすぎ、それによる収縮のた
め単結晶に転位などの欠陥が生じてしまうからである。
同様に冷却用部材6の内径が1.20Dを下回って近づきす
ぎると、これも表面の冷却が大きくなりすぎてしまう。
また2.5Dを超えて離れすぎると、冷却の効果が不十分
になる。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0039

【補正方法】変更

【補正内容】

【0039】冷却用部材6には、外側側面にるつぼ内壁
に面して熱遮蔽材7a、下端部下側の融液面に面して熱
遮蔽材7bを配置する。これは、冷却用部材の冷却効果
が、装置内の不必要な部分にまで及ぶのを抑止し、必要
とする温度分布を得やすくするため、および冷却用部材
の加熱を防止するためである。熱遮蔽材7aおよび7bに
は、黒鉛、カーボンフェルト、セラミック製耐火材、あ
るいはこれらの複合材、等を用いる。その厚さは、冷却
用部材の形状にもよるが、5〜40mm程度とするとよく、
冷却用部材6に直接付けても多少離して配置してもよ
い。なお、冷却用部材がるつぼ内に挿入される部分で
は、冷却用部材6の外側の熱遮蔽材7aの外径が、るつ
ぼの内径よりも小さくなければならない。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0040

【補正方法】変更

【補正内容】

【0040】冷却用部材6の下端の融液面に面した位置
の熱遮蔽材7bは、その内径Hdを冷却用部材の内径Cd
よりも小さくする。冷却用部材6の内面形状が異型の場
合は、その最小径よりも小さいものとする。これは凝固
直後の単結晶表面の部分にまで冷却用部材による冷却効
果が過剰に及んでしまい、前述の図3(b)あるいは図
5(b)に示した単結晶内の温度分布が十分に得られな
くなることを抑止するためである。熱遮蔽材7bの内径
Hdは、Cdよりも小さければその大きさはとくに限定は
しないが、引き上げ育成中に単結晶が変形した場合に接
触するおそれがないように、単結晶5の目標外周面から
少なくとも10mmの間隔を空けた寸法とすることが望まし
い。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0042

【補正方法】変更

【補正内容】

【0042】

【実施例】〔実施例1〕図6に模式的に示した構造の装
置にて、直径200mm(D=200mm)のシリコン単結晶5の
引き上げをおこなった。冷却用部材6は、垂直方向の長
さChが150mm(0.75D)、内面の直径が350mm(1.75D)
である円筒形状のものとした。冷却用部材6はステンレ
ス鋼製の厚さが20mmのもので内部に水を通して冷却して
いる。冷却用部材6下端の融液面からの距離Hcは120mm
(0.60D)とした。るつぼに面した外側に配置した熱遮
蔽材7aおよび冷却用部材下端に設置した熱遮蔽材7b
は、いずれも厚さが20mmの断熱性カーボンフェルトを厚
さ7mmの高純度黒鉛で覆ったものとした。この熱遮蔽材
7bの内径Hdは260mmとし、製造しようとする単結晶の
外周面から30mm空けた。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】0043

【補正方法】変更

【補正内容】

【0043】るつぼ内に高純度多結晶シリコンを120kg
装入し、単結晶の電気抵抗が約10Ωcmになるようp型ド
ーパントのBを添加した。装置内を減圧アルゴン雰囲気
とし、加熱してシリコンを溶融後加熱電力を調整し、種
結晶を融液に浸漬してるつぼおよび引き上げ軸を回転さ
せながら引き上げをおこなった。はじめにネック部、つ
いでショルダー部と移行し、直径を200mmとしてから、
さらに定常状態となるよう調整し、単結晶長さが200mm
に達したときの引き上げ速度を1.0mm/minとした。次い
で、引き上げ速度を連続的に徐々に低下させていき、単
結晶長さが800mmに達したとき0.4mm/minになるように
した。その後1000mmになるまで引き上げ速度は0.4mm/m
inのままとし、それからテイル絞りに移行して結晶引き
上げを終了した。伝熱解析シュミレーション計算をおこ
なった結果では、融点から1250℃までの間の垂直方向温
度勾配は、単結晶中心部で3.9〜4.1℃/mm、周辺部で3.
1〜3.3℃/mmであって、引き上げ速度を変えてもほぼ一
定であった。

【手続補正7】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図1

【補正方法】変更

【補正内容】

【図1】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 高行 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 川東 文雄 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 浅野 浩 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 Fターム(参考) 4G077 AA02 BA04 CF10 EG20 EG25 EH06 PA10 PA16 PF51 5F053 AA12 BB04 DD01 FF04 GG01 HH04 JJ01 KK03 RR03

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】融液からの引き上げによるシリコン単結晶
    の製造において、単結晶の周囲をとり囲んで、その内周
    面が引き上げ軸と同軸である冷却用部材と、この冷却用
    部材の外面の外側および下端面の下側に熱遮蔽材とが設
    けられ、引き上げる単結晶の直径をDとするとき、冷却
    用部材はその内周面の径が1.20D〜2.50D、長さが0.25
    D以上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの
    距離が0.30D〜0.85Dで、冷却用部材の下端面下側の熱
    遮蔽材は、冷却用部材の下端部の内径より小さい内径で
    あることを特徴とする、シリコン単結晶の製造装置。
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Cited By (14)

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