JP2001261493A - 高品質シリコン単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】転位クラスターや赤外線散乱体等のGrown-in欠
陥の少ないウェーハを採取できる、大径長尺の高品質シ
リコン単結晶を製造し得る装置の提供。 【解決手段】単結晶の周囲に置かれる引き上げ軸と同軸
の熱遮蔽体７が単結晶に面した内面は上方ほど内径が大
きくなる逆円錐台面であり、引き上げる単結晶の直径を
Ｄcとするとき、その熱遮蔽体７の最小内径Ｓは1.2Ｄc
〜2.0Ｄc、下端部の半径方向の幅Ｗは1.2Ｄc〜2.0Ｄc
で、下端部の融液面からの高さＨを50〜130mmとして配
置されているシリコン単結晶製造装置。または熱遮蔽体
の内面は、下部を引き上げ軸に平行な円筒面、上部を上
方ほど内径が大きくなる逆円錐台面とし、円筒面の長さ
が150mm以内である上記の単結晶製造装置。もしくは上
記逆円錐台面が垂直方向に10〜45°傾斜している上記の
単結晶製造装置。

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。

【０００３】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、欠陥の少ない大型単結晶が製造されるように
なってきている。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、特に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、すなわち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、
たとえば図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
Ｃｕ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ＯＳ
Ｆ(Oxidation inducedStacking 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
変えて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のような結果が得られる。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み
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ＯＳ
Ｆ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、やがてはなくなって、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。

【０００６】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。

【０００７】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、特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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【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。

【００１３】

【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、可能なら水平に近い状態にすれば、
引き上げ速度の選定により酸素析出促進領域と無欠陥領
域とを拡大させた、Grown-in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。

【００１４】そこで、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。

【００１５】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。

【００１６】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。このた
め、これらはそれぞれ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。

【００１７】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
距離を隔てた二つの位置での温度差、すなわち垂直方向
の平均温度勾配として比較すれば、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
のような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。

【００１８】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。

【００１９】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、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。凝固点(1
412℃）から1250℃前後までの温度範囲にて、空孔およ
び格子間原子の拡散が特に活発に進行し、それ以下の温
度では速度が遅くなる。

【００２０】以上のように、単結晶引き上げ中の高温下
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
較的速い場合、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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】これとほぼ同じ場所の、若干空孔が残存す
るところに偏った部分へリング状ＯＳＦが現れる。ＯＳ
Ｆ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Grown-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、酸素原子が析出してＯＳＦの核となる酸素
析出物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酸素析出促進領域や無
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。

【００２４】以上のように、欠陥のない領域が空孔と格
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二つの濃度
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
ればよいと考えられる。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。

【００２５】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、ないしは垂直方向の温度勾配がＧｃ＞Ｇ
ｓの状態になればよいと考えられた。

【００２６】空孔や格子間原子の拡散や合体が活発にお
こなわれるのは、凝固から1250℃位までの温度域にある
ときであり、この温度域で、単結晶内の中心部の温度を
低く周辺部の温度を高くする必要がある。そこで表面に
おいて、凝固から1250℃までの高温部分ではるつぼ壁や
融液面からの熱輻射を十分受けるようにし、1250℃を下
回る主として1200〜1000℃の低温部では冷却を強くする
ことを試みた。

【００２７】熱遮蔽体の活用によりこれを実現する手段
を種々比較検討した結果、まず、熱遮蔽体を融液表面か
ら特定の間隔を置いて設置すると、凝固から1250℃位ま
での単結晶表面の温度降下を熱輻射によって緩和できる
ことが確認された。次に、1250℃を下回る部分の冷却の
強化には、この熱輻射を十分遮断することが望ましく、
そのためには熱遮蔽体にある程度の厚さが必要であり、
より有効に作用させるには、単結晶に近接して配置しな
ければならないことがわかった。しかし、熱遮蔽体の単
結晶に面する内面側を円筒状として単結晶に近づける
と、るつぼ壁や融液面からの輻射は遮断できても、単結
晶表面からの熱放散を抑制するため、温度が低下するほ
ど保温効果が増し、冷却の強化とは逆の結果をもたらす
ことも明らかになった。

【００２８】これに対しては、熱遮蔽体内面の形状とし
て、下端部は単結晶に最も接近させるが、そこから上方
に行くほど単結晶表面から離れていく逆円錐台面とする
のが好ましいことがわかった。すなわち熱遮蔽体を単結
晶の引き上げ軸と同軸の回転体とし、たとえば外形を円
柱状とするときは、その軸に平行な断面の形状は底辺が
垂辺より短い直角三角形状とすればよい。ただし内面の
逆円錐台面は、必ずしも下端から直ちに始まる必要はな
く、下方の一部が単結晶面に平行な円筒面で、途中から
逆円錐台面に変わっていても同様な効果が得られること
が確認された。

【００２９】図５により、本発明の効果を模式的に説明
する。これは、引き上げ中単結晶における中心部および
周辺部の、融液面から垂直方向の距離と温度の関係を示
している。図５（ａ）は通常の引き上げ、あるいは単結
晶の周囲に逆円錐台形状の熱遮蔽体を設置した引き上げ
の場合である。熱遮蔽体を単結晶の周囲に置く場合、る
つぼや融液面からの高温の熱輻射を遮り、それとともに
るつぼの融液面に供給されるアルゴンなどのキャリヤガ
スを単結晶と熱遮蔽体との間に流すことによって、通常
の場合に比し単結晶の温度が下げられ、引き上げ速度を
増すことができる。しかしながら熱遮蔽体の有無に関わ
らず表面から熱が放散されるので、単結晶の垂直方向の
どの位置においても中心部より周辺部の方が温度が低く
なっている。

【００３０】これに対し、熱遮蔽体の下端部を広くかつ
厚くし、引き上げ軸方向に厚みを薄くした形状の熱遮蔽
体を、その下端部と融液面との間に適当な間隙を空けて
設置すると、引き上げ直後の単結晶内部の温度分布は周
辺部が中心部より高い、図５（ｂ）に示したような温度
分布が実現できることがわかった。これは、引き上げ中
単結晶の熱遮蔽体の下端から融液までの間が、表面部は
融液面やるつぼ壁からの輻射により積極的に温められる
一方、中心部はすぐその上にある熱遮蔽体のために温度
が低くなった部分からの熱伝導による冷却で、相対的に
温度が低下して得られたものと思われた。単結晶の周辺
部の方が中心部より温度が高くなることは、前出の図３
（ｂ）の状態が実現されており、Ｇc＞Ｇsの状態を示す
もので、Grown-in欠陥のない単結晶を製造できることを
意味している。

【００３１】このような結果から、諸条件の限界を明ら
かにし、本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとお
りである。 (1) 引き上げられるシリコン単結晶を囲繞して引き上げ
軸と同軸に熱遮蔽体が配置された融液からの単結晶の製
造装置において、該熱遮蔽体は単結晶に面する内面が上
方ほど内径の大きくなる逆円錐台面であり、単結晶の直
径をＤcとするとき 最小内径は1.2Ｄc〜2.0Ｄc 下端部の半径方向の幅は0.25Ｄc〜1.20Ｄcで、るつぼ
内に挿入される部分はるつぼ内径より小 とし、その下端が融液面より50〜130mmの範囲の高さに
位置するように配置されていることを特徴とするシリコ
ン単結晶製造装置。 (2) 熱遮蔽体の内面が、下部は引き上げ軸に平行な円筒
面、上部は上方ほど内径が大きくなる逆円錐台面であ
り、円筒面の長さが150mm以内であることを特徴とする
上記(1)のシリコン単結晶製造装置。 (3) 熱遮蔽体の内面の逆円錐台面が垂直方向に対し10〜
45°傾斜していることを特徴とする上記(1)または(2)の
シリコン単結晶製造装置。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の装置を、るつぼの周辺の
み模式的に示した図６の例で説明する。この図において
石英製のるつぼ１は、その外側の有底円筒状黒鉛製の保
持容器１a に嵌合され、このるつぼ１は、所要の速度で
回転でき上下に動かせる支持軸１b に支持される。るつ
ぼ等の外側には円筒状ヒーター２が同心位置に配設され
ている。るつぼ１の中心軸上方には引き上げ棒あるいは
ワイヤー等からなる回転できる引き上げ軸４が配設さ
れ、その下部先端にはシードチャック５が取り付けられ
ている。単結晶を引き上げ成長させるときは、るつぼ１
の内部にヒーター２により加熱溶融した原料シリコンの
溶融液３を充填し、引き上げ軸のシードチャック５に装
着された種結晶を、始めに溶融液３の表面に接触させ
る。次いで支持軸１bにより回転されるるつぼと同方
向、または逆方向に引き上げ軸を回転させながら、種結
晶を引き上げて、その先端に溶融液３を凝固成長させて
いくことによって単結晶を育成する。ここまでは、通常
のＣＺ法による単結晶引き上げ装置の場合と同様であ
る。

【００３３】本発明の装置では、この単結晶の引き上げ
装置に、単結晶６を囲繞して、固定用治具などを除く有
効部分が引き上げ軸と同軸の回転体形状をした熱遮蔽体
７を設置する。熱遮蔽体７の外径は、少なくともるつぼ
１内に挿入される部分においては、るつぼ内径より小さ
いこととする。これは、るつぼ内に設置されることがあ
るからである。

【００３４】熱遮蔽体の単結晶側の内面形状は、下端部
で単結晶表面に最も近づいており、上方に行くほど単結
晶表面から離れていく逆円錐台形状であることが好まし
い。この下端部の最も単結晶に接近する部分の径Ｓを1.
2Ｄc〜2.0Ｄcの範囲とする。これは熱遮蔽体の最小径Ｓ
が1.2Ｄcを下回ると、引き上げ中の単結晶が熱遮蔽体に
接触するおそれがあるためであり、2.0Ｄcを超えると、
輻射熱の遮蔽が不十分になり1250℃を下回る低温部分ま
で加熱されてしまうからである。熱遮蔽体の下端部の半
径方向の幅Ｗは、単結晶直径をＤcとすると、0.25Ｄc〜
1.20Ｄcであることとする。これは、0.25Ｄcよりも小さ
ければ輻射熱遮蔽の効果が小さくなってしまうためであ
り、1.20Ｄcを超えて大きくしても飽和してそれ以上の
効果は得られないからである。

【００３５】熱遮蔽体の下端面は融液面と平行な平面で
よいが、高温領域への熱輻射を阻害しない範囲で、単結
晶側からるつぼ壁側に向けて上または下向きに傾斜して
いてもよい。

【００３６】単結晶に面した熱遮蔽体内面の逆円錐台面
の傾きαは、引き上げ軸に平行な垂直方向に対し、10〜
45°であることが望ましい。10°未満では引き上げ軸方
向にすべて垂直面である場合と差がなくなり、熱遮蔽体
によって覆われた単結晶の上方の部分の冷却が不十分に
なって、引き上げ中の高温部分の中心部を相対的に低く
できなくなる。また傾きαが45°を超えると、輻射熱の
遮蔽効果が減退し、望ましい単結晶内の温度分布が十分
得られないからである。

【００３７】この熱遮蔽体の内面の逆円錐台形状は、必
ずしも下端部から直ちに始まっている必要はなく、図７
に一例を示す熱遮蔽体８のように、下端部が部分的に単
結晶面に平行な円筒面で、それから逆円錐台面となって
いてもよい。ただしこの場合、円筒面部分の長さＬは15
0mm以下としなければならない。これは、150mmを超える
と熱遮蔽体内面を円筒面とした場合と同様になり、単結
晶内部におけるＧc＞Ｇsの状態が得られなくなるからで
ある。

【００３８】熱遮蔽体は、融液面からその下端部までの
高さＨが50〜130mmの範囲である位置に設置する。50mm
より低い位置に設置すると、1250℃を超える高温領域の
単結晶部分を冷却することになり、上述のＧc＞Ｇsの状
態が実現できなくなる。また、130mmより高い位置に設
置すると、1250℃を下回る部分も加熱され、結晶全体の
温度勾配が小さくなって引き上げ速度を速めることがで
きず、生産性が低下する。

【００３９】熱遮蔽体７または８は、たとえばるつぼな
どに用いられる高密度高純度の黒鉛を用いればよいが、
外側にこのような黒鉛材を用い内部にフェルトのような
熱伝導率が低く、断熱性にすぐれた材料を充填してもよ
い。特にシリコン融液に近づけて用いるので、融液の汚
染を防止するため、外側は高純度の材料とし、表面には
ＳｉＣなどの耐熱コーティングを施すことが好ましい。

【００４０】なお、上述した本発明の装置を用いてGrow
n-in欠陥のない単結晶を製造するためには、一旦、Grow
n-in欠陥の発生しない最適な引き上げ速度範囲を決定す
る必要がある。すなわち引き上げ速度は、るつぼやヒー
ターの構造、形状、位置等により少しづつ影響を受けそ
の速度が異なってくるため、引き上げ速度を種々変更し
て単結晶の引き上げをおこない、欠陥のない領域が得ら
れる引き上げ速度範囲を選定する。これにより見いださ
れた最適引き上げ速度で単結晶を製造する限りは、Grow
n-in欠陥のない単結晶を安定的に製造することができ
る。

【００４１】

【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のシリコン単結晶の引き上げをおこ
なった。るつぼ１の内径が550mmであるので、熱遮蔽体
７のるつぼ内に入る部分の外径は480mmとし、内径の最
小部分Ｓが270mm（1.35Ｄc）とした。すなわち単結晶表
面と熱遮蔽体との間隔は最小で35mmで、半径方向の幅Ｗ
は105mm（0.525Ｄc）である。熱遮蔽体７は最下端部が
最小の内径で、その内面は下端部から始まる逆円錐台面
とし、その垂直方向に対する傾きαは21°とした。この
熱遮蔽体７は壁厚さ約10mmの黒鉛で外殻を作り、内部に
黒鉛フェルトを充填したものを用いた。熱遮蔽体下端の
融液面からの高さＨは80mmとした。

【００４２】るつぼ内に高純度シリコンの多結晶を120k
g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。ネック、ショルダー
と移行し、直径を200mmのボディ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
きに引き上げ速度を0.6mm／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0.3mm／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0.3mm／min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。伝熱解析シミュ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2.9〜2.7℃／mm、周辺部で2.2〜2.0℃／
mmであって、引き上げ速度を変えてもほぼ一定であっ
た。

【００４３】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。

【００４４】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0.44mm／minになったとき、リング状ＯＳＦが消滅し
ており、0.42mm／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0.42〜0.44mm／min
に引き上げ速度を選定すれば、単結晶全体をGrown-in欠
陥のない状態にできると推測された。

【００４５】次に同じ装置を用い、同様にシリコンを溶
融し、単結晶引き上げをおこなったが、その場合、引き
上げ速度を単結晶長さが200mmに達したとき、0.45mm／m
in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、0.42mm／minとなるよ
うにした。この0.42mm／minの引き上げ速度にてさらに1
000mm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。

【００４６】得られた単結晶を縦割りし、欠陥分布を調
査した結果、単結晶ボディの頂部から240mmのところで
リング状ＯＳＦがウェーハ中心から消失し、酸素析出促
進領域または無欠陥領域となり、760mmより下の部分に
なって、転位クラスターが見出されるようになった。こ
のように、熱遮蔽体の形状を改善した装置を用い、熱遮
蔽体の位置を最適位置に設定することにより、特定引き
上げ速度範囲においてGrown-in欠陥のない状態にするこ
とができた。さらに引き上げ速度を限定すれば単結晶の
ほぼ全長にわたって、Grown-in欠陥を無くすことが可能
である。このGrown-in欠陥のな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。

【００４７】〔実施例２〕図７に模式的に示す熱遮蔽体
８の形状を変えた構成の引き上げ装置を用い、直径200m
mのシリコン単結晶の引き上げをおこなった。熱遮蔽体
８は、るつぼ内に入る部分の外径を480mm、下方の内径
最小部は直径Ｓが310mmで単結晶面と平行な高さＬが85m
mの円柱面とし、そこから上はαが21°の逆円錐台面で
上方ほど径が大きくなっている。熱遮蔽体下端の融液面
からの高さＨは80mmとし、他は全て実施例１と同様であ
る。

【００４８】単結晶６の引き上げは、まず直径を200mm
のボディとしてから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0.6mm／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0.3mm／min
にし、その後1000mmになるまで引き上げ速度は0.3mm／m
inのままで、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2.7〜2.5℃／mm、周辺部で2.1
〜1.9℃／mmであって、引き上げ速度を変えてもほぼ一
定であった。

【００４９】得られた単結晶は縦割り加工し、欠陥分布
を調査した結果、引き上げ速度が0.425mm／minに達した
ときにリング状ＯＳＦが消失し、0.400mm／minを下回る
ようになると、転位クラスター欠陥が現れた。すなわち
最適引き上げ速度は0.40〜0.43mm／minの範囲であっ
た。

【００５０】同じ装置を用いた単結晶の引き上げは、引
き上げ速度を単結晶長さが200mmに達したとき0.44mm／m
inとし、それから徐々に速度を低下させていき、800mm
に達したときに、0.40mm／minとなるようにして、その
速度でさらに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。

【００５１】この単結晶の各欠陥を調査した結果、ボデ
ィ長220mmの位置からリング状ＯＳＦはなくなり、820mm
の位置から転位クラスターが見出された。

【００５２】

【発明の効果】本発明の装置によれば、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、Grow
n-in欠陥のきわめて少ない単結晶を容易に製造し得る。

【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の具体例を模
式的に示した図である。

【図７】本発明のシリコン単結晶製造装置の具体例を模
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。

【符号の説明】

１．るつぼ １a．るつぼ保持容器 １b．るつぼ支持軸 ２．ヒーター ３．シリコン溶融液 ４．引き上げ軸 ５．シードチャック ６．単結晶 ７．熱遮蔽体 ８．熱遮蔽体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江頭 和幸 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番住友 金属工業株式会社シチックス事業本部内 (72)発明者 早川 裕 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番住友 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 EG19 5F053 AA12 BB60 DD01 FF04 GG01 RR03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】引き上げられるシリコン単結晶を囲繞して
   引き上げ軸と同軸に熱遮蔽体が配置された融液からの単
   結晶の製造装置において、該熱遮蔽体は単結晶に面する
   内面が上方ほど内径の大きくなる逆円錐台面であり、単
   結晶の直径をＤcとするとき 最小内径は1.2Ｄc〜2.0Ｄc 下端部の半径方向の幅は0.25Ｄc〜1.20Ｄcで、るつぼ
   内に挿入される部分はるつぼ内径より小 とし、その下端が融液面より50〜130mmの範囲の高さに
   位置するように配置されていることを特徴とするシリコ
   ン単結晶製造装置。
2. 【請求項２】熱遮蔽体の内面が、下部は引き上げ軸に平
   行な円筒面、上部は上方ほど内径が大きくなる逆円錐台
   面であり、円筒面の長さが150mm以内であることを特徴
   とする請求項１に記載のシリコン単結晶製造装置。
3. 【請求項３】熱遮蔽体の内面の逆円錐台面が垂直方向に
   対し10〜45°傾斜していることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載のシリコン単結晶製造装置。