JP2003267795A

JP2003267795A - シリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2003267795A
Application number: JP2002071764A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Minami; 俊郎南
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引
上装置において、各部分において、酸素析出物を高密度
かつ均等に含有するシリコン単結晶を、簡易かつ安定的
に得ることができるシリコン単結晶引上装置を提供す
る。【解決手段】シリコン融液Ｌ１の自由表面上からの輻
射放熱およびルツボ１上部からの輻射放熱を遮蔽抑制す
る輻射シールド５を、前記シリコン融液Ｌ１の自由表面
に近接して、引き上げられるシリコン単結晶Ｓ１を囲む
ように配設するとともに、該輻射シールド５の上方に
は、前記シリコン単結晶Ｓ１の８００〜６００℃の温度
範囲にある部分の周囲に、輻射率０．５以下の耐熱材料
からなる熱遮蔽体６を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶引
上装置に関し、より詳細には、各部分の酸素析出物密度
が均等であるシリコン単結晶を得ることができるチョク
ラルスキー（ＣＺ）法によるシリコン単結晶引上装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上
装置としては、図２に示すような装置が、一般的に用い
られている。図２に示した装置は、チャンバ２０内に配
置された石英ルツボ１１と、前記石英ルツボ１１を保持
するカーボンサセプタ１２と、前記カーボンサセプタ１
２の側部外周部を囲うヒータ１３と、前記ヒータ１３の
放熱を防止する保温筒１４と、前記石英ルツボ１１内の
シリコン融液Ｌ２の自由表面に近接して、引き上げられ
るシリコン単結晶Ｓ２を囲むように配設された輻射シー
ルド１５とを備えている。そして、前記チャンバ２０の
底部には、その底壁面を貫通するルツボ支持軸１７が配
置されている。前記ルツボ支持軸１７の上端部は、カー
ボンサセプタ１２に固定され、その下端部は、図示しな
い外部の駆動機構に連結されている。したがって、前記
ルツボ支持軸１７によって、カーボンサセプタ１２を介
して、石英ルツボ１１は、回転および上下動する。

【０００３】また、前記チャンバ２０の上部には、その
天壁面を貫通して石英ルツボ１１内に垂下する引上用ワ
イヤ１８が配置されている。前記引上用ワイヤ１８の上
端部は、図示しない引上制御機構に連結され、その下端
部には、シード単結晶１９が取り付けられる。このシー
ド単結晶１９は、前記引上用ワイヤ１８によって、回転
および上下動する。

【０００４】このように構成された装置を用いたシリコ
ン単結晶引上げは、まず、石英ルツボ１１内に収容され
た多結晶シリコン等の原料をヒータ１３で加熱溶融し、
そのシリコン融液Ｌ２内にシード単結晶１９の先端部を
懸垂させて浸す。そして、シリコン融液Ｌ２に十分に馴
染ませた後、前記シード単結晶１９の引上げを開始す
る。このとき、単結晶を無転位成長させるため、いわゆ
るネッキング工程において、シード単結晶１９の先端部
に直径数ｍｍ程度のシードネック部を形成する。その後
続けて、シード単結晶１９を引上げながら、その先端部
とシリコン融液Ｌ２との接触界面で、単結晶の径を拡大
していき、クラウン部（シードコーン部または肩部）を
成長させ、引き続いて、直胴部を成長させて、全体とし
て棒状の単結晶インゴットＳ２を育成する。

【０００５】このシリコン単結晶Ｓ２の引上過程では、
特に、前記クラウン部のテーパ形状の育成が、単結晶の
無転位成長に影響を及ぼすことから、引き上げられるシ
リコン単結晶Ｓ２近傍におけるシリコン融液Ｌ２の温
度、流動状態等の調整が重要である。このため、シリコ
ン融液Ｌ２の径方向における温度分布を一様化して、局
所的な低温域が生じないようにする目的で、図２に示し
たように、石英ルツボ１１内のシリコン融液Ｌ２の自由
表面からの輻射放熱および石英ルツボ１１上部からの輻
射放熱を遮蔽抑制する輻射シールド１５が、前記シリコ
ン融液Ｌ２の自由表面に近接して、引き上げられるシリ
コン単結晶Ｓ２を囲むように配設されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、半導
体素子の超微細化、高集積化等に伴い、デバイスが形成
される表層が完全無欠陥（ＤＺ）であり、かつ、大口径
の単結晶ウエハが求められるようになってきた。また、
上記した表層の無欠陥性とともに、ウエハバルク内の酸
素析出物密度を高くして、ウエハバルク内でのゲッタリ
ング効果を十分に発揮させることも要求されている。し
たがって、その母材となるシリコン単結晶インゴットに
は、酸素析出物密度が高く、しかも、各部分において均
一な密度分布を有することが求められる。

【０００７】しかしながら、上記図２に示したような単
結晶引上装置では、大口径の単結晶インゴットを引き上
げる場合、酸素析出密度の増大を十分に図ることは困難
であった。

【０００８】前記酸素析出物密度を均等に増大させるた
めには、シリコン単結晶を育成する際、引き上げられる
シリコン単結晶を８００〜６００℃の温度範囲に長時間
滞留させるとよいことが知られている。これに対して
は、単結晶の引上速度を小さくすれば、当然、上記温度
範囲での滞留時間を長くすることはできるが、それに伴
って、結晶欠陥が発生しやすい１１００〜８００℃の温
度範囲での滞留時間も長くなるため好ましくない。

【０００９】このため、例えば、特許第３１５１３２２
号公報には、引き上げられる単結晶インゴットの外周部
を、冷却用の金属チューブと発熱用の高周波コイルとに
より取り囲んだ装置を用いて、単結晶インゴットの熱履
歴を調整する方法が開示されている。また、特開平７−
１０９１９５号公報には、複数の加熱手段と冷却手段と
を、単結晶の引上軸に沿って配設することにより、単結
晶の冷却速度を制御する方法が開示されている。

【００１０】しかしながら、上記装置はいずれも、チャ
ンバ内に加熱手段や冷却手段を設けることにより、単結
晶の徐冷を行うものであり、複雑な加熱または冷却機構
を設置する必要があり、制御も容易とは言えず、しか
も、装置も高コストとなる等の課題を有していた。

【００１１】本発明は、上記技術的課題解決するために
なされたものであり、各部分において、酸素析出物を高
密度かつ均等に含有するシリコン単結晶を、簡易かつ安
定的に得ることができるシリコン単結晶引上装置を提供
することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシリコン単
結晶引上装置は、チョクラルスキー法によるシリコン単
結晶引上装置において、シリコン融液の自由表面上から
の輻射放熱およびルツボ上部からの輻射放熱を遮蔽抑制
する輻射シールドが、前記シリコン融液の自由表面に近
接して、引き上げられるシリコン単結晶を囲むように配
設されるとともに、該輻射シールドの上方には、前記シ
リコン単結晶の８００〜６００℃の温度範囲にある部分
の周囲に、輻射率０．５以下の耐熱材料からなる熱遮蔽
体が配設されていることを特徴とする。上記のような輻
射シールドと熱遮蔽体とを備えることにより、引き上げ
られるシリコン単結晶の急冷および徐冷の調整を、簡易
に行うことができ、大口径の単結晶であっても、酸素析
出物を高密度かつ均等に含有するシリコン単結晶を安定
的に製造することができる。

【００１３】前記熱遮蔽体は、上端部はシリコン単結晶
に近接し、下方に向かってテーパ状に広がった円錐台形
または下方に向かって末広がり曲面を有するラッパ形の
管状に形成されていることが好ましい。熱遮蔽体を上記
形状とすることにより、引き上げられるシリコン単結晶
の周面からの放射熱を利用して、該シリコン単結晶の冷
却を適度に抑制することができ、８００〜６００℃の温
度範囲における冷却速度をより緩やかにすることができ
る。

【００１４】また、前記耐熱材料は、熱分解炭素膜によ
り被覆された炭素材からなることが好ましい。輻射率が
０．５以下であり、引き上げられるシリコン単結晶の放
射熱に耐え得る耐熱材料の中でも、特に、寸法安定性、
強度特性等に優れ、上記のような形状への加工が可能で
ある、不純物が少ない、基材が脱離しにくい等の観点か
ら、熱遮蔽体は、熱分解炭素膜により被覆された炭素材
により構成されることが好ましい。

【００１５】また、前記熱遮蔽体の位置を上下方向に移
動させることができる機構を備えていることが好まし
い。このような機構により、温度センサによる測定温度
に基づいて、徐冷すべき範囲に確実に熱遮蔽体を配設さ
せることことができ、より精度よく、冷却速度を制御す
ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図面を参
照して詳細に説明する。図１は、本発明に係るシリコン
単結晶引上装置のチャンバ内部の構成を示した概略断面
図である。図１に示した装置は、図示しないチャンバ内
に配置された石英ルツボ１と、前記石英ルツボ１を保持
するカーボンサセプタ２と、前記カーボンサセプタ２の
側部外周部を囲うヒータ３と、前記ヒータ３の放熱を防
止する保温筒４と、前記石英ルツボ１内のシリコン融液
Ｌ１の自由表面に近接して、引き上げられるシリコン単
結晶Ｓ１を囲むように配設された輻射シールド５と、前
記輻射シールド５の上方には、上端部はシリコン単結晶
に近接し、下方に向かって末広がり曲面を有するラッパ
形の管状に形成された熱遮蔽体６とを備えている。そし
て、カーボンサセプタ２の底部中央には、ルツボ支持軸
７が配設されており、このルツボ支持軸７の下端部は、
図示しない外部の駆動機構に連結されている。したがっ
て、石英ルツボ１は、前記ルツボ支持軸７によって、カ
ーボンサセプタ２を介して、回転および上下動する。

【００１７】また、石英ルツボ１内には、上方から垂下
する引上用ワイヤ８が配置されている。前記引上用ワイ
ヤ８の上端部は、図示しない引上制御機構に連結され、
その下端部には、シード単結晶９が取り付けられる。こ
のシード単結晶９は、前記引上用ワイヤ８によって、回
転および上下動する。

【００１８】本発明においては、シリコン融液Ｌ１の自
由表面上からの輻射放熱および石英ルツボ１上部からの
輻射放熱を遮蔽抑制する輻射シールド５が配設されてい
るとともに、該輻射シールド５の上方に、引き上げられ
るシリコン単結晶Ｓ１の８００〜６００℃の温度範囲に
ある部分の周囲に、輻射率０．５以下の耐熱材料からな
る熱遮蔽体６が配設されている点に特徴を有する。

【００１９】石英ルツボ１内のシリコンは、凝固点（融
点；１４１０℃）付近の温度で融液Ｌ１から引き上げら
れて結晶化するが、引き上げられるシリコン単結晶Ｓ１
は、シリコン融液Ｌ１から遠ざかるにつれて急激に温度
が低下し、輻射シールド５の上端付近では、約１１００
℃になる。そして、この温度から８００℃程度までの温
度範囲での滞留時間が長いと、引き上げられるシリコン
単結晶Ｓ１のバルク内において発生する微小欠陥密度が
増大する。一方、８００〜６００℃の温度範囲での滞留
時間は、長いほど、酸素析出物密度を増大させることが
でき、このため、シリコン単結晶から得られるウエハの
ゲッタリング効果が向上することとなる。したがって、
引き上げられるシリコン単結晶の熱履歴において、１１
００〜８００℃の温度範囲にでは急冷され、８００〜６
００℃の温度範囲ではできる限り徐冷されることが好ま
しい。

【００２０】本発明において、前記輻射シールド５は、
主として、シリコン融液Ｌ１表面および石英ルツボ１上
部からの輻射放熱を遮蔽抑制するためのものであり、一
方、前記熱遮蔽体６は、主として、引き上げられるシリ
コン単結晶の８００〜６００℃の温度範囲にある部分の
滞留時間を長くするためのものである。したがって、本
発明に係る引上装置においては、輻射シールド５および
熱遮蔽体６との両者を併用することにより、引き上げら
れるシリコン単結晶Ｓ１の冷却速度の調整を簡易に行う
ことができる。

【００２１】前記熱遮蔽体６は、引き上げられるシリコ
ン単結晶Ｓ１の直胴部の径よりやや大きい開口を有する
管状に形成されるが、特に、上端部はシリコン単結晶Ｓ
１に近接し、下方に向かってテーパ状に広がった円錐台
形または下方に向かって末広がり曲面を有するラッパ形
の管状に形成されることが好ましい。このような形状の
熱遮蔽体を輻射シールド５上方に設けることにより、引
き上げられるシリコン単結晶Ｓ１の周面からの放射熱を
利用して、該シリコン単結晶Ｓ１の冷却を適度に抑制す
ることができ、８００〜６００℃の温度範囲における冷
却速度をより緩やかにすることができる。

【００２２】また、熱遮蔽体６の構成材としては、輻射
率が０．５以下であり、引き上げられるシリコン単結晶
Ｓ１の放射熱に耐え得る耐熱材料が用いられる。さら
に、寸法安定性、強度特性等に優れ、上記のような形状
への加工が可能であり、かつ、周辺環境を汚染すること
がない材料であることがより好ましい。上記要件を具備
する構成材として、特に、熱分解炭素膜で被覆された炭
素材を用いることが、不純物が少ない、基材が脱離しに
くい等の観点から好ましい。

【００２３】また、輻射シールド５は、シリコン融液Ｌ
１表面および石英ルツボ１上部からの輻射放熱を遮蔽抑
制することができるものであれば、形状等は特に限定さ
れない。例えば、下端面には、引き上げられるシリコン
単結晶Ｓ１の直胴部の径よりやや大きい開口を有し、上
端には、下端開口より広い開口を有するとともに、その
周縁にフランジを備えた逆円錐台形の形状のもの等を用
いることができる。また、このような輻射シールド５の
構成材としては、前記熱遮蔽体６と同様に、シリコン融
液Ｌ１からの放射熱に耐え得るだけの耐熱性、寸法安定
性、強度特性等を有しており、上記のような形状への加
工が可能であり、かつ、周辺環境を汚染することがない
材料であれば、特に限定されない。例えば、周辺環境汚
染防止のために表面を石英ガラスで被覆した黒鉛材、炭
化ケイ素で被覆した黒鉛材等を用いることが好ましい。

【００２４】また、上記装置においては、熱遮蔽体６の
位置を上下方向に移動させることができる機構を備えて
いることが好ましい。このような機構により、温度セン
サによる測定温度に基づいて、徐冷すべき範囲に確実に
熱遮蔽体６を配設させることことができ、より精度よ
く、冷却速度を制御することができる。

【００２５】以下、上記装置を用いてシリコン単結晶を
引き上げる方法を説明する。まず、石英ルツボ１内に収
容された多結晶シリコン等の原料をヒータ３で加熱溶融
させる。そして、輻射シールド５および熱遮蔽体６を所
定位置に配設した後、前記シリコン融液Ｌ１内にシード
単結晶９の先端部を懸垂させて浸し、十分に馴染ませた
後、前記シード単結晶９の引上げを開始する。引上げ
は、ネッキング工程、クラウン部形成、引き続いて、直
胴部形成を経て、全体として棒状の単結晶インゴットＳ
１を育成することにより行う。このとき、引き上げられ
るシリコン単結晶Ｓ１の８００〜６００℃の温度範囲の
部分の周囲に、前記熱遮蔽体６が位置するように調節さ
れる。なお、引上速度、ルツボ回転速度、引上用ワイヤ
回転速度等の条件は、従来と同様で差し支えなく、単結
晶径等に応じて、適宜調節される。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的
に説明するが、本発明は下記の実施例により制限される
ものではない。［実施例１］図１に示すような装置を用いて、熱遮蔽体
として、熱分解炭素膜で被覆した炭素材からなり、輻射
率０．５であり、下方に向かって末広がり曲面を有する
ラッパ形の管状のものを配設し、引上速度を調整しなが
ら、直径３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを育成
した。このとき、１１００〜８００℃の間では急冷さ
れ、８００〜６００℃の間では徐冷されていることが確
認された。そして、上記シリコン単結晶からスライスし
て得られた複数枚のウエハを、酸素雰囲気下、７８０℃
で３時間、さらに、１０００℃で１６時間熱処理した。
これらのウエハバルク内部における酸素析出量を測定し
たところ、酸素析出物密度は２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³ であった。

【００２７】［比較例１］熱遮蔽体を輻射率０．８の炭
素材により構成し、それ以外については、実施例１と同
様にして、シリコン単結晶インゴットを育成した後、熱
処理シリコンウエハを得た。これらのウエハについて、
実施例１と同様に、酸素析出量を測定したところ、酸素
析出物密度は０．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ であっ
た。

【００２８】［比較例２］熱遮蔽体を配設せずに、それ
以外については、実施例１と同様にして、シリコン単結
晶インゴットを育成した後、熱処理シリコンウエハを得
た。これらのウエハについて、実施例１と同様に、酸素
析出量を測定したところ、酸素析出物密度は０．１×１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ であった。

【００２９】上記から、熱分解炭素膜で被覆した炭素材
からなり、輻射率０．５である熱遮蔽体を配設したシリ
コン単結晶引上装置を用いた場合（実施例）、シリコン
単結晶育成の際の冷却速度を１１００〜８００℃の間で
は急冷し、８００〜６００℃の間では徐冷するように、
容易に制御することができ、酸素析出物密度が均等に増
大することが認められた。

【００３０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係るシリコン単
結晶引上装置によれば、各部分において、酸素析出物を
高密度かつ均等に含有するシリコン単結晶を、複雑な設
備を設けることなく、簡易に得ることができる。また、
大口径の単結晶であっても、このようなシリコン単結晶
を安定的に引き上げることができる。したがって、上記
シリコン単結晶からは、大口径、かつ、ウエハバルク内
でゲッタリング効果が十分に発揮される高品質なシリコ
ン単結晶ウエハが得られ、デバイス形成における歩留ま
り向上に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリコン単結晶引上装置のチャン
バ内部の構成を示した概略断面図である。

【図２】従来のシリコン単結晶引上装置の概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１、１１石英ルツボ２、１２カーボンサセプタ３、１３ヒータ４、１４保温筒５、１５輻射シールド６熱遮蔽体７、１７ルツボ支持軸８、１８引上用ワイヤ９、１９シード単結晶２０チャンバＬ１、Ｌ２シリコン融液Ｓ１、Ｓ２シリコン単結晶（インゴット）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チョクラルスキー法によるシリコン単結
晶引上装置において、シリコン融液の自由表面上からの輻射放熱およびルツボ
上部からの輻射放熱を遮蔽抑制する輻射シールドが、前
記シリコン融液の自由表面に近接して、引き上げられる
シリコン単結晶を囲むように配設されるとともに、該輻
射シールドの上方には、前記シリコン単結晶の８００〜
６００℃の温度範囲にある部分の周囲に、輻射率０．５
以下の耐熱材料からなる熱遮蔽体が配設されていること
を特徴とするシリコン単結晶引上装置。
【請求項２】前記熱遮蔽体は、上端部はシリコン単結
晶に近接し、下方に向かってテーパ状に広がった円錐台
形または下方に向かって末広がり曲面を有するラッパ形
の管状に形成されていることを特徴とする請求項１記載
のシリコン単結晶引上装置。
【請求項３】前記耐熱材料は、熱分解炭素膜により被
覆された炭素材からなることを特徴とする請求項１また
は請求項２のいずれかに記載のシリコン単結晶引上装
置。
【請求項４】前記熱遮蔽体の位置を上下方向に移動さ
せることができる機構を備えていることを特徴とする請
求項１から請求項３までのいずれかに記載のシリコン単
結晶引上装置。