JP2004075469A

JP2004075469A - シリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2004075469A
Application number: JP2002239344A
Authority: JP
Inventors: Shingo Narimatsu; 成松　真吾; Junichi Osanai; 小山内　淳一; Mitsuhiro Sakai; 堺　三洋
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】単結晶の全長に渡り均一で、酸素濃度が高くかつＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐ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】シリコン単結晶引上装置は、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された輻射シールドとを有し、この輻射シールドは、単結晶が貫通する開口部を有する筒状部の下端近傍に設けられた通気口と、この通気口の開口割合を制御する開口制御機構とを有する。
【選択図】　図１

Description

【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係わり、特に輻射シールドと単結晶間を流れる不活性ガス量を制御可能にしたシリコン単結晶引上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、シリコン融液と石英ルツボ壁面とが反応し、シリコン酸化物が生成される。このシリコン酸化物のほとんどは、融液表面より蒸発し、残りはシリコン単結晶中に取り込まれる。シリコン単結晶中に取り込まれた酸素はＢＭＤ（Ｂｕｌｋ　Ｍｉｃｒｏ　ｄｅｆｅｃｔ）を形成し、デバイス製造工程において各種不純物を捕らえるゲッタリング効果をもたらす。ＢＭＤ密度は酸素濃度に依存するため、結晶全長にわたり酸素濃度を均一化する必要がある。
【０００３】
しかしながら、アンチモンあるいは砒素をドーパントとして用いた場合、他のドーパントよりも揮発しやすい上、ドーパント自身が酸素と反応し、Ｓｂ_２Ｏ_３等、及びＡｓ_２Ｏ_３等の酸化物として蒸発してしまうため、シリコン単結晶中に取り込まれる酸素は、他のドーパントを添加した結晶と比較してさらに少なくなる。そのため、これらをドーパントとした結晶では、特に結晶後半部（テール側）において、低酸素化が進行し、結果として充分なゲッタリング能力を持ったシリコン単結晶を製造することができなくなる。
【０００４】
ところで、ボロン、リン等をドーパントとして用いた場合、結晶成長時に結晶界面より導入された点欠陥が１０８０〜１１５０℃の温度領域で凝集し、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を形成することはよく知られている。そのため、この温度領域をなるべく早く通過してＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐことが望ましい。酸素の均一化に関しては、特開平１０−７２２７７号公報に記載されているように、融液表面に不活性ガスの一部を通過させない方法が有効である。
【０００５】
しかし、この方法では、輻射シールドと結晶間を流れる不活性ガス量が減少するため、不活性ガス流れによる結晶の冷却効率が悪くなる。結果としてＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化が発生し、デバイス製造工程での歩留悪化を招いてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、単結晶の全長に渡り均一で、酸素濃度が高くかつＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐことができるシリコン単結晶引上装置が要望されていた。
【０００７】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、単結晶の全長に渡り均一で、酸素濃度が高くかつＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐ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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータと、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された輻射シールドとを有する単結晶引上装置において、前記輻射シールドは、単結晶が貫通する開口部を有する筒状部の下端近傍に設けられた通気口と、この通気口の開口割合を制御する開口制御機構とを有することを特徴とするシリコン単結晶引上装置が提供される。これにより、単結晶の全長に渡り均一で、酸素濃度が高くかつＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐことができるシリコン単結晶引上装置が実現される。
【０００９】
好適な一例では、上記輻射シールドは、筒状部の下端から同心円状に内方に延び、かつ融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられたリング形状の延出部を有する。これにより、不活性ガスの流量を絞り、融液面から単結晶への熱を遮断するとともに、通気口から大部分の不活性ガスがバイパスされる。
【００１０】
また、他の好適な一例では、上記通気口は、筒状部の周方向に沿って複数個設けられる。これにより、通気口から大部分の不活性ガスがバイパスされる。
【００１１】
また、他の好適な一例では、上記開口制御機構は、通気口に沿って昇降し開口割合を変える開閉部材と、この開閉部材を昇降させるワイヤと、このワイヤを適宜巻取りあるいは解放する巻取り機とを有する。これにより、開閉円筒体の昇降が容易に実現される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶引上装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すように本実施形態の単結晶引上装置１は、チャンバ２と、このチャンバ２内に設けられた石英ガラスルツボ３と、この石英ガラスルツボ３に装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータ４と、この石英ガラスルツボ３を保持する黒鉛ルツボ５とを有している。また、黒鉛ルツボ５はチャンバ２を貫通し、ルツボ回転用モータ６に結合されて回転され、かつルツボ軸昇降装置（図示せず）によって昇降されるルツボ軸７に取り付けられている。
【００１４】
また、単結晶引上装置１には、単結晶引上げ用のシード８を保持するシードチャック９が取り付けられた引上用ワイヤ１０が、石英ガラスルツボ３の上方に設けられており、引上用ワイヤ１０は、チャンバ２外に設けられたモータ（図示せず）により駆動されワイヤ回転装置１１に巻取りあるいは解放自在に取り付けられている。
【００１５】
さらに、石英ガラスルツボ３の上方には、単結晶引上げ領域を囲むように輻射シールド１２が設けられている。この輻射シールド１２は、石英ガラスルツボ３やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引上げ速度の低下を防ぎ、また、チャンバ２上方からシリコン融液Ｍの表面に向かうように供給される不活性ガスＧの流れを制御するものである。
【００１６】
また、図１及び図２に示すように、輻射シールド１２は、単結晶Ｉｇが貫通する開口部１２ａが設けられた筒状部、例えば中空円筒形状の円筒部１２ｂと、この円筒部１２ｂの下端から同心円状に延出する延出部、例えばシリコン融液Ｍと並行に水平内方に延び、かつ融液表面との間に間隙が形成されるように融液表面と対向する水平部１２ｃが設けられ、さらに、この水平部１２ｃ近傍の円筒部１２ｂには、通気口１２ｄが設けられている。この通気口１２ｄは、１個あるいは複数個設けられるが、単結晶Ｉｇの周囲から不活性ガスを均一に排出できるように、円筒部１２ｂの周方向に沿って等間隔で複数個設けられ、偶数個の場合には、円筒部１２ｂの中心点に対して点対称に設けられるのが好ましい。
【００１７】
なお、上記筒状部は円筒形状の円筒部に限らず、下端部が縮径された截頭円筒形状の筒状部であってもよく、また、上記延出部は、不活性ガスの流量を絞り、融液表面から単結晶Ｉｇへの熱を遮断するためのものであり、水平に延出された水平部に限らず、上向きあるいは下向きに延出されていてもよい。
【００１８】
また、図１、図３及び図４に示すように、シリコン単結晶引上装置１には、通気口１２ｄの開口割合を制御する開口制御機構１３が設けられている。この開口制御機構１３は、通気口１２ｄの開口割合を変える開閉部材、例えば、図５に示すように、扁平円筒形状の開閉円筒体１３ａと、この開閉円筒体１３ａを昇降させる開閉ワイヤ１３ｂと、この開閉ワイヤ１３ｂを巻取りあるいは解放する開閉ワイヤ巻取りモータ１３ｃからなっている。これにより、開閉円筒体１３ａの昇降は容易に行われ、複数個の通気口の開口割合は一括して変更される。また、巻取りモータ１３ｃはシリコン単結晶引上装置１全体を制御する制御装置１４に接続されている。
【００１９】
この制御手段１４は、通常の制御装置であり、記憶手段としてのＲＡＭ、ＲＯＭ及びＣＰＵを有しており、単結晶引上げ時の巻取りモータ１３ｃの制御をはじめとして、単結晶引上装置１全体の制御が行われる。
【００２０】
なお、開閉部材は、通気口の個数や開口面積に応じて、必ずしも筒状である必要はなく、円弧状等であってもよい。
【００２１】
また、符号１５は、不活性ガス供給装置（図示せず）に接続された不活性ガス供給口であり、１６は、不活性ガス排出装置（図示せず）に接続された不活性ガス排出口である。
【００２２】
次に本発明に係わるシリコン単結晶引上装置を用いた単結晶引上方法について説明する。
【００２３】
図１に示すように、ナゲット状ポリシリコンを石英ガラスルツボ３に入れ、さらに、ドーパントとしてアンチモンあるいは砒素を添加し、不活性ガスをチャンバ２の上方の不活性ガス供給口１５からチャンバ２内に流入させ、ヒータ４を付勢してポリシリコンを加熱し、ルツボ回転用モータ６を付勢してこのモータ６に結合された回転軸７を回転させて石英ガラスルツボ３を回転させる。
【００２４】
一定時間が経過した後、ワイヤ回転装置１１を回転させて引上用ワイヤ１０を降下させ、シードチャック９を降ろし、シード８をシリコン融液Ｍに接触させ、結晶を成長させ、単結晶Ｉｇを引上げる。
【００２５】
上記のようなシリコン単結晶の引上工程において、引上げ開始から後半部（テール部前）引上げまでは、図３に示すように、開口制御機構１３を作動させ、すなわち、開閉ワイヤ巻取りモータ１３ｃを回転させて開閉ワイヤ１３ｂを解放し、開閉円筒体１３ａを降下させて、この開閉円筒体１３ａで通気口１２ｄは閉じている。
【００２６】
従って、チャンバ２の上方の不活性ガス供給口１５より供給された不活性ガスは、輻射シールド１２と単結晶Ｉｇの間を通り、水平部１２ｃの存在により、融液面から単結晶Ｉｇへの熱は遮断されるとともに、不活性ガスの流量は絞られて融液表面に到達する。融液表面より蒸発する酸化物は、融液表面上を流れる不活性ガスＧにより捕獲される。酸化物を含んだ不活性ガスＧは、輻射シールド１２の外側と石英ガラスルツボ３の間を通過し、不活性ガス排出口１６からチャンバ２外部へと排出される。
【００２７】
引上工程が進行して、引上げ後半のテール部前の引上工程になると、図４に示すように、開口制御機構１３を作動させ、すなわち、開閉ワイヤ巻取りモータ１３ｃを回転させて開閉ワイヤ１３ｂを巻き上げ、開閉円筒体１３ａを上昇させて、通気口１２ｄを徐々に広げていく。従って、チャンバ２の上方の不活性ガス供給口１５より供給された不活性ガスは、輻射シールド１２と単結晶Ｉｇの間を通り、円筒部１２ｂの下端近傍に達する。この下端近傍に達した不活性ガスＧ１は、水平部１２ｃの存在と解放された通気口１２ｄの開口割合に応じて、融液表面に到達せずにバイパスされてチャンバ２に排出される。残余の不活性ガスＧ２は、単結晶Ｉｇと水平部１２ｃを通過して融液表面に達するが、融液表面より蒸発する酸化物は、融液表面上を流れる残余の不活性ガスＧ２によりわずかに捕獲される。酸化物を含んだ少量の不活性ガスＧ２は、輻射シールド１２の外側と石英ガラスルツボ３の間を通過し、不活性ガス排出口１６からチャンバ２外部へと排出される。このように単結晶の引上工程の進行に従って融液表面より排出される酸化物量を調整することが可能となる。
【００２８】
特に、アンチモンあるいは砒素をドーパントとして用いた場合、他のドーパントよりも揮発しやすい上、ドーパント自身が酸素と反応し、Ｓｂ_２Ｏ_３等あるいはＡｓ_２Ｏ_３等の酸化物として蒸発してしまうため、シリコン単結晶中に取り込まれる酸素は、他のドーパントを添加した単結晶と比較してさらに少なくなる。
【００２９】
本発明に係わるシリコン単結晶引上装置を用いた単結晶引上げでは、大部分の不活性ガスは、通気口１２ｄによりバイパスされて、融液表面に到達せずチャンバ２に排出され、融液表面に達した残余の不活性ガスＧ２によって、わずかに、融液表面より蒸発する酸化物が捕獲され、排出される。
【００３０】
従って、これらをドーパントとした単結晶Ｉｇであっても、単結晶Ｉｇの後半部（テール側）においても、低酸素化が進行することなく、充分なゲッタリング能力を持ったシリコン単結晶を製造することが可能となる。
【００３１】
また、ドーパントとしてボロンあるいはリン等を用いる場合には、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化が問題となるが、上記のように、通気口１２ｄが融液表面の直前に設けられているため、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度帯付近を通過する不活性ガス量は通気口１２ｄがない場合と変わらず、融液界面を通過する不活性ガス量の調節により、酸素濃度均一化を行ないながらもＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を抑制できる。
【００３２】
上述のように本発明に係わるシリコン単結晶引上装置によれば、輻射シールド部に設けた開口部の開口面積をパラメータとすることにより、単結晶全長において酸素濃度が均一なシリコン単結晶を製造できる。特にアンチモン、砒素結晶での結晶後半における酸素濃度の低下問題を解決し、結晶全長で高いゲッタリング能力を持ったシリコンウェーハの製造が可能となる。また、他のドーパントを用いた場合でも、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥サイズを大きくすることなく結晶全長で均一な酸素濃度を有する単結晶の引上げが可能となる。
【００３３】
【実施例】
目的：　図１に示すような本発明に係わるシリコン単結晶引上装置を用い、アンチモンをドーパントとしたシリコン単結晶の引上げを行ない、単結晶の酸素濃度を調べ、開口部のない輻射シールドを用いた従来の単結晶引上装置で引上げた単結晶との比較を行なう。
【００３４】
引上方法：　直胴部引上に合わせて開口部の開口面積を徐々に広げていくことにより、融液表面を通過する不活性ガス量を減少させながら引上げを行なった。
【００３５】
結果：　図６ないし図８に示す。
【００３６】
図６に示すように、アンチモンドープの単結晶において、従来例１は、直胴部後半で酸素濃度が著しく減少したのに対し、実施例１では、単結晶の全長に渡って、ほぼ均一で高酸素濃度の結晶が得られることがわかった。これにより、結晶全長に渡って充分なゲッタリング効果を期待できる結晶が得られることがわかった。
【００３７】
図７に示すように、ボロンドープの単結晶において、実施例２は、従来例２に対して、各単結晶長で、酸素濃度が同等あるいは大きく、特に直胴部後半で酸素濃度が大きいことがわかった。
【００３８】
また、図８は、鏡面加工後の表層中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のサイズ分布であるが、実施例２は、上部に開口部を設けた輻射シールドを用いた単結晶引上げの従来例３（特開平１０−７２２７７号公報）に比べてＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥サイズを低減させることができ、また、従来例２に比べてＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥サイズを大きくすることなく酸素濃度の均一化ができることがわかった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係わるシリコン単結晶引上装置によれば、単結晶の全長に渡り均一で、酸素濃度が高くかつＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大サイズ化を防ぐことができるシリコン単結晶引上装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる単結晶引上装置の概念図。
【図２】本発明に係わる単結晶引上装置に用いられる輻射シールドの一部を示す斜視図。
【図３】図２に示す輻射シールドに設けられた通気口及びこの通気口を開閉する開閉円筒体の概念図。
【図４】図２に示す輻射シールドに設けられた通気口及びこの通気口を開閉する開閉円筒体の概念図。
【図５】図３及び図４に示す開閉円筒体の概念図。
【図６】本発明に係わる単結晶引上装置を用いて試験を行った実施例の結果図。
【図７】本発明に係わる単結晶引上装置を用いて試験を行った実施例の結果図。
【図８】本発明に係わる単結晶引上装置を用いて試験を行った実施例の結果図。
【符号の説明】
１　単結晶引上装置
２　チャンバ
３　石英ガラスルツボ
４　ヒータ
５　黒鉛ルツボ
６　ルツボ回転用モータ
７　ルツボ軸
８　シード
９　シードチャック
１０　引上用ワイヤ
１１　ワイヤ回転装置
１２　輻射シールド
１２ａ　開口部
１２ｂ　円筒部
１２ｃ　水平部
１２ｄ　通気口
１３　開口制御機構
１３ａ　開閉円筒体
１３ｂ　開閉ワイヤ
１３ｃ　開閉ワイヤ巻取りモータ
１４　制御装置
１５　不活性ガス供給口
１６　不活性ガス排出口
Ｇ　不活性ガス
Ｉｇ　単結晶
Ｍ　シリコン融液

Claims

チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータと、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された輻射シールドとを有する単結晶引上装置において、前記輻射シールドは、単結晶が貫通する開口部を有する筒状部の下端近傍に設けられた通気口と、この通気口の開口割合を制御する開口制御機構とを有することを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
請求項１に記載のシリコン単結晶引上装置において、上記輻射シールドは、筒状部の下端から同心円状に内方に延び、かつ融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられたリング形状の延出部を有することを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
請求項１または２に記載のシリコン単結晶引上装置において、上記通気口は、筒状部の周方向に沿って複数個設けられたことを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上装置において、上記開口制御機構は、通気口に沿って昇降し開口割合を変える開閉部材と、この開閉部材を昇降させるワイヤと、このワイヤを適宜巻取りあるいは解放する巻取り機とを有することを特徴とするシリコン単結晶引上装置。