JP2006036572A

JP2006036572A - シリコン単結晶の製造装置

Info

Publication number: JP2006036572A
Application number: JP2004217534A
Authority: JP
Inventors: Masao Saito; 正夫斉藤; Kenji Munezane; 賢二宗実
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】酸化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶を製造でき、複数の製造装置を用いてシリコン単結晶を製造する場合においても、酸化膜耐圧特性に製造装置間でバラツキが生じ難いシリコン単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】メインチャンバ１０と、メインチャンバ１０の上端部にゲートバルブ１１を介して接続されたプルチャンバとを有し、プルチャンバからメインチャンバ１０に向けて垂下される引上軸２４を用いて、メインチャンバ１０内に設置されたルツボ２１内の融液２５からシリコン単結晶２６を引上げるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造装置で、メインチャンバ１０は、その上端部にゲートバルブ１１と接続される筒状の接続部１６を備え、接続部１６の下端に連続する状態で上壁部１３を備え、上壁部１３の内周面の形状が、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりルツボ内の融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造装置に関するものである。

近年、半導体回路の高集積化、素子の微細化に伴い、そのベースとなるシリコン単結晶に対する品質要求も厳しくなってきている。中でも、酸化膜耐圧特性は、デバイスの信頼性を決定する重要な材料特性の一つであるため、その特性を向上させることがシリコン単結晶を製造する上で強く求められている。

この酸化膜耐圧特性を向上させる従来の方法としては、例えば、特許文献１に示すように、シリコン単結晶育成中の熱履歴を制御することによって酸化膜耐圧特性を向上させる方法が知られている。この特許文献１に記載のシリコン単結晶の製造装置においては、図４に示すように、メインチャンバ３０において、肩壁（上壁部）３１の内周面の形状を、ヒータ３２の上端部と引上中のシリコン単結晶３３の結晶中心の二点（Ｐ１、Ｐ２）を焦点とした楕円ｅの一部となるように形成し、かつ上記肩壁３１の内周面の輻射率を０．２以下とすることによって、発熱源であるヒータ３２と被加熱体であるシリコン単結晶３３との間の熱移動の効率化を図り、これによって、シリコン単結晶３３の１１５０℃以上の温度領域（酸化膜耐圧特性を向上させるのに必要な結晶温度の領域）を拡張するようにしている。

すなわち、上記シリコン単結晶の製造装置が開発される以前においては、図５に示すように、メインチャンバの上壁部３５が、フラットで輻射率も高かったために、シリコン単結晶３３から放出された熱がそのまま散逸する割合が高いという難点があったが、特許文献１に記載のシリコン単結晶の製造装置によれば、上記難点を解消してシリコン単結晶３３の熱履歴を調整することができ、その結果、酸化膜耐圧特性の優れたシリコン単結晶３３を製造することができる。
特許第２８６２１５８号公報（第２頁〜第４頁）

しかしながら、上記従来のシリコン単結晶の製造装置においては、上記肩壁３１の内周面の形状を三次元的に複雑な楕円形状として製造しなくてはならないため、既存の加工方法（金型を用いたプレス加工等）では製作が難しく、しかも再現性が悪いという問題点があった。

このため、上記従来のシリコン単結晶の製造装置においては、メインチャンバ３０の形状自体にバラツキが生じ易く、例えば、上記のようなメインチャンバ３０を有する複数の製造装置を用いてシリコン単結晶３３を製造する場合には、メインチャンバ３０の形状バラツキがシリコン単結晶３３の品質の均一化を妨げる要因となっていた。
すなわち、メインチャンバ３０の形状はシリコン単結晶３３周囲の温度分布に少なからず影響を及ぼすこととなるので、その形状にバラツキがある場合には、チャンバ３０内で育成されるシリコン単結晶３３が受ける熱履歴にも差異が生じ、その結果、シリコン単結晶３３の酸化膜耐圧特性に製造装置間でバラツキが生じるという問題点があった。

特に、シリコン単結晶３３の製造時には、メインチャンバ３０を高温低圧状態とすることに起因して歪みが生じ、この歪みによって、メインチャンバ３０の形状のバラツキがさらに拡大する傾向があるため、上記熱履歴の制御がより困難なものとなっていた。
さらに、φ３００ｍｍ程度以上の大口径ウェーハ用単結晶製造においては、メインチャンバ３０の口径も大きくする必要があり、肩壁３１加工精度のバラツキに起因するシリコン単結晶３３の製品特性のバラツキがさらに増大する可能性があるという問題があった。

また、上記のようなメインチャンバ３０の形状・歪みによる製品特性のバラツキを、引き上げ条件の調整によって解消しようとした場合、φ３００ｍｍ程度以上の大口径ウェーハ用単結晶製造においてはその引き上げ条件を設定するためのパラメータが小口径のものに比べて多数あり、またその制御範囲も厳密性が要求されるため、製品の均一性を保つためには、各実機ごとにその状態を調整しなくてはならず、作業効率が著しく低下するという問題もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、酸化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶を製造することができ、複数の製造装置を用いてシリコン単結晶を製造する場合においても、シリコン単結晶の酸化膜耐圧特性に製造装置間でバラツキが生じ難いシリコン単結晶の製造装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、メインチャンバの側壁の上部から単結晶引上用の開口部周縁にまで至る壁部を上壁部として、この上壁部の内周面の形状を、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成するようにすれば、シリコン単結晶から放出された熱の放散を抑制して、シリコン単結晶の１１５０℃以上の温度領域（酸化膜耐圧特性を向上させるのに必要な結晶温度の領域）を拡張し、酸化膜耐圧特性の優れたシリコン単結晶を製造できるとともに、かような形状のメインチャンバによれば、その製作が容易で形状および寸法にバラツキが生じ難く、その結果シリコン単結晶の酸化膜耐圧特性にも製造装置間でバラツキが生じ難くなることを見出し、本発明を完成させたものである。

本発明のシリコン単結晶の製造装置は、メインチャンバと、このメインチャンバの上端部にゲートバルブを介して接続されたプルチャンバとを有し、このプルチャンバから上記メインチャンバに向けて垂下される引上軸を用いて、上記メインチャンバ内に設置されたルツボ内の融液からシリコン単結晶を引上げるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造装置において、上記メインチャンバは、その上端部に上記ゲートバルブと接続される筒状の接続部を備えるとともに、この接続部の下端に連続する状態で上壁部を備え、この上壁部の内周面の形状が、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成されていることにより上記課題を解決した。
本発明のシリコン単結晶の製造装置において、上記上壁部の内周面の傾斜角度を、鉛直線に対して４５度から７５度までの範囲に設定することがより好ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造装置によれば、メインチャンバの上壁部の内周面の形状を、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成するようにしたので、シリコン単結晶から放出された熱の放散を抑制して、シリコン単結晶の所定結晶温度の温度領域（１１５０℃以上の温度領域）を拡張し、酸化膜耐圧特性の優れたシリコン単結晶を製造することができる。しかも、メインチャンバの製作が容易で、その形状および寸法にバラツキが生じ難くなることから、φ３００ｍｍ以上の大口径ウェーハにも対応した状態で、シリコン単結晶の酸化膜耐圧特性にも製造装置間でバラツキが生じ難くなる。

本発明において、上壁部の内周面と鉛直線のなす角度を４５度未満に設定した場合には、シリコン単結晶およびヒータからの輻射熱がメインチャンバによって反射しシリコン単結晶を再輻射する割合が低減し、所定の熱履歴が得られなくなる。一方、上壁部の内周面と鉛直線のなす角度を７５度よりも大きくした場合には、メインチャンバの高さが不要に長くなり、好ましくない。したがって、上壁部の内周面と鉛直線のなす角度を４５度から７５度までの範囲に設定することが望ましい。

本発明によれば、本発明によれば、酸化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶を製造することができ、複数の製造装置を用いてシリコン単結晶を製造する場合においても、シリコン単結晶の酸化膜耐圧特性に製造装置間でバラツキが生じ難いといった優れた効果を奏することができる。

以下、本発明に係るシリコン単結晶の製造装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるシリコン単結晶の製造装置を示す概略構成平面図である。

この製造装置は、φ３００ｍｍ以上のシリコンウェーハ製造用とされ、メインチャンバ１０と、このメインチャンバ１０の上端部にゲートバルブ１１を介して接続されたプルチャンバ（図示省略）とを備えている。

メインチャンバ１０の内部には、支持軸２２により回転自在かつ昇降自在に支持された状態でルツボ２１が設置されている。ルツボ２１は、石英製の内層容器（石英ルツボ）と黒鉛製の外層容器（黒鉛ルツボ）とからなり、このルツボ２１の周囲には、その外周に沿ってヒータ２３および磁場印加手段（図示省略）が配置される一方、ルツボ２１の上方には、プルチャンバから昇降自在かつ回転自在に垂下された状態で引上軸２４が配設されている。この引上軸２４の下端部には種結晶（図示省略）が取り付けられており、この種結晶をルツボ２１内の融液２５に浸して、引上軸２４および支持軸２２を逆方向に回転させながら、融液２５から種結晶を徐々に引き上げることにより、その下にシリコンの単結晶２６が成長するようになっている。

他方、メインチャンバ１０は、その上端部にゲートバルブ１１と接続される円筒状の接続部１６を備えるとともに、この接続部１６に連続する状態で、当該接続部１６の下端（開口部１４の周縁）から側壁１２の上部にまで至る上壁部１３を備え、この上壁部１３の内周面の形状が、上方に向けて漸次小径となる略円錐状（円錐台の外周面とほぼ同形状）に形成されている。上壁部１３の内周面と鉛直線ＶＬのなす角度θは、上壁部１３の平面視した中心位置を通る鉛直面内において４５度から７５度までの範囲に設定され、上記内周面を外周とする円の中心位置に、引上軸２４が配置されるようになっている。また、上記内周面の反射率は、８０以下となるように設定されている。なお、メインチャンバ１０の下端部には排気口１５が設けられ、この排気口１５には、排気管を介してメインチャンバ１０内の不活性ガスを吸引する真空ポンプ（図示省略）が接続されている。

上記構成からなる製造装置を用いて、シリコン単結晶２６を製造する場合には、先ず、原料となる多結晶シリコンをルツボ２１内に供給し、その後、メインチャンバ１０内を真空排気した状態でヒータ２３を作動させて、ルツボ２１内の原料を溶解する。
次いで、引上軸２４の下端部に取り付けた種結晶をルツボ２１内の融液２５に浸漬するとともに磁場を印加した状態で引上軸２４と支持軸２２を逆方向に回転させながら引上軸２４を上昇させる。これにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶２６が育成される。

この際に、本実施形態の製造装置によれば、メインチャンバ１０の上壁部１３の内周面の形状を、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成するようにしたので、シリコン単結晶２６から放出された熱の放散が抑制されるとともに、ヒータ２３からの放射熱が効率良くシリコン単結晶２６へと伝達されることとなる。このため、シリコン単結晶２６の１１５０℃以上の温度領域が拡張されて、酸化膜耐圧特性の優れたシリコン単結晶２６を製造することができる。

しかも、メインチャンバ１０の上壁部１３の内周面の形状を単純な円錐形状としたため、金型を用いたプレス加工等で容易にメインチャンバ１０を製作することができ、その形状および寸法にバラツキが生じ難くなる。したがって、複数の製造装置を用いてシリコン単結晶２６を製造する場合においても、各チャンバ内１０で育成されるシリコン単結晶２６が受ける熱履歴に差異が生じなくなり、よって、シリコン単結晶２６の酸化膜耐圧特性に製造装置間でバラツキが生じ難くなる。

次に、本発明の効果を実施例により明らかにする。

＜実施例１＞
本発明を適用した実施例では、メインチャンバ１０の上壁部１３の内周面の形状を円錐形状とし、比較例では、図４に示した従来のように上壁部の内周面の形状を楕円形状として、メインチャンバの高さのバラツキを調べたところ、図２のグラフに示すような結果が得られた。
このグラフは、内径寸法φ１２５０〜１４００ｍｍのメインチャンバを有する複数の製造装置（実施例１０台、比較例１０台）について、（Ａ）常温常圧時、（Ｂ）高温低圧時（シリコン単結晶の製造時）におけるメインチャンバ（側壁１２高さ１７００〜１９００ｍｍ、上壁部１３下端から接続部１６上端までの高さ３００〜４００ｍｍ）の高さをそれぞれ測定し、それら測定結果の設計値からのズレを集計して作成したものである。ここで、プルチャンバの内径寸法はφ４００〜５００ｍｍである。

このグラフに示すように、比較例の場合には、常温常圧時においてもバラツキがあり、このバラツキが高温低圧時には、歪みにより拡大しているのに対して、本発明を適用した実施例の場合には、常温常圧時と高温低圧時の何れにおいてもバラツキは全く見られず、また高温低圧時に生じる歪み自体のバラツキもなかった。

また、上記製造装置（実施例１０台、比較例１０台）を用いてそれぞれ１０本ずつシリコン単結晶を製造し、各シリコン単結晶の酸化膜耐圧を測定したところ、図３のグラフに示すような結果が得られた。なお、シリコン単結晶の製造条件は、直径３１０ｍｍ、引上速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、炉内圧力６．６６６１０×１０^３Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）とした。

このグラフに示すように、比較例においては、酸化膜耐圧の最小値が６５％、最大値が８５％となったのに対して、本発明を適用した実施例においては、酸化膜耐圧の最小値が７５％、最大値が８５％となり、比較例ほど大きなバラツキは見られなかった。

＜実施例２＞
また本発明のメインチャンバ１０上壁部１３の内周面における輻射率と、欠陥がなく、酸化膜耐圧特性の優れた所望のシリコン単結晶３３を製造するための好ましい引き上げ速度との関係を図６に示す。

このグラフに示すように、本発明の実施例では、メインチャンバ１０における輻射率を０．３〜０．５程度の範囲に設定することによって、最適な引き上げ速度を０．４６〜０．４８ｍｍ／ｍｉｎ程度に設定することが可能となることがわかる。

本発明に係るシリコン単結晶の製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。本発明に係る実施例とその比較例のメインチャンバの高さのバラツキを示すグラフである。図２の実施例と比較例の製造装置でそれぞれ製造したシリコン単結晶の酸化膜耐圧のバラツキを示すグラフである。従来のシリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略構成図である。従来のシリコン単結晶の製造装置の他例を示す概略構成図である。本発明に係る実施例における輻射率と引き上げ速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０メインチャンバ
１１ゲートバルブ
１３上壁部
１６接続部
２１ルツボ
２４引上軸
２５融液
２６シリコン単結晶

Claims

メインチャンバと、このメインチャンバの上端部にゲートバルブを介して接続されたプルチャンバとを有し、このプルチャンバから上記メインチャンバに向けて垂下される引上軸を用いて、上記メインチャンバ内に設置されたルツボ内の融液からシリコン単結晶を引上げるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造装置において、
上記メインチャンバは、その上端部に上記ゲートバルブと接続される筒状の接続部を備えるとともに、この接続部の下端に連続する状態で上壁部を備え、この上壁部の内周面の形状が、上方に向けて漸次小径となる略円錐状に形成されていることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
上記上壁部の内周面の傾斜角度を、鉛直線に対して４５度から７５度までの範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造装置。