JP2006347857A - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体単結晶の引上環境の変化に対応して水素混合ガス中の水素原子濃度を容易に制御可能であり、かつ、水素混合ガスをローコストな設備で長期間に渡って連続的に安定して供給可能な半導体単結晶製造装置を提供する。
【解決手段】 水素混合ガス供給装置１２は、水素含有ガス供給機５１と不活性ガス供給機５２とバッファタンク５８とを備えている。水素含有ガス供給機５１は、水素含有ガス源５１ａと水素含有ガス精製器５１ｂとから構成されている。水素含有ガス流量制御器５４は、シリコン単結晶製造装置１０全体の動作を制御するための制御部１３によって流量が設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素の存在する雰囲気下で半導体単結晶を製造する半導体単結晶製造装置に関するものである。

半導体単結晶の一例であるシリコン単結晶は、気密に保たれたチャンバ内のルツボに収容された多結晶シリコン原料をヒータで加熱してシリコン融液とし、ＣＺ（Czochralski）法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引上げながら成長させることにより製造される。シリコンウェハは、上記の方法で製造されたシリコン単結晶をスライス（切断）することにより製造され、このシリコンウェハ上に例えば集積回路などが形成される。

こうしたシリコン単結晶の引上げにあたって、チャンバ内雰囲気としては、従来より不活性ガス（主にＡｒガス）が使用されてきた。これは、シリコン融液、チャンバ部材及びシリコン結晶との種々の化学反応を抑制し、副生成物として発生する不純物の混入を回避するためである。更に、多量にガス供給を行うことで生じるチャンバ内のガス流れを利用して、金属汚染を回避することもでき、引上げるシリコン単結晶の高品質化を実現できる。

こうしたチャンバ内の雰囲気に関して、最近になって、微量の水素ガスを混合することの有効性が報告され始めた（例えば特許文献１〜特許文献４）。これら特許文献に記載された技術によると、結晶中に導入されたＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥、特にＣＯＰに代表される空孔欠陥に水素原子が作用することにより、シリコン融液への窒素ドープと同様に空孔欠陥の縮小や消滅が可能になるとされている。

このようなチャンバ内への水素ガスの供給に関しては、可燃性ガスである水素ガスを安全に供給するために、三角線図を用いた水素濃度の規定方法（特許文献５）や、効率よく水素原子をシリコン融液に溶け込ませるため水素供給方法（特許文献６）などが知られている。
特開昭６１−１７８４９５号公報 特開平１１−１８９４９５号公報 特開２０００−２８１４９１号公報 特開２００１−３３５３９６号公報 特開２００４−１８２５２５号公報 特開２００４−２１７４６０号公報

しかしながら、特許文献６に記載された従来のチャンバ内への水素供給方法は、水素雰囲気下でのシリコン単結晶の少なくとも１回の引上げに必要な量の水素混合ガスを予めボンベ等に貯留した水素ガス供給装置を用いた水素混合ガス供給方法である。こうした従来の水素混合ガス供給方法では、予め水素混合ガスの水素原子含有量が決まっているので、シリコン単結晶の引上中の引上環境の変化に対応して、最適な水素濃度に制御することは極めて困難であり、水素雰囲気下でのシリコン単結晶の引上げによる最大限の効果を得ることが難しかった。

また、こうした水素混合ガスを毎分数百リットル以上用いる大口径のシリコン単結晶製造装置に適用するには、相当に大きな水素混合ガスの貯留手段が必要でとなり、設備コストが非常に高くなる懸念がある。さらに、大流量の水素混合ガスを１回の引上期間中の数日間にわたって連続的、かつ安定的にチャンバ内に供給することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、半導体単結晶の引上環境の変化に対応して水素混合ガス中の水素原子濃度を容易に制御可能であり、かつ、水素混合ガスをローコストな設備で長期間に渡って連続的に安定して供給可能な半導体単結晶製造装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、半導体融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバ内に、水素原子を含む水素含有ガスおよび不活性ガスを混合した水素混合ガスを供給する水素混合ガス供給装置とを有する半導体単結晶製造装置であって、前記水素混合ガス供給装置は、水素原子を含む水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給機と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機と、前記水素含有ガス供給機から供給される水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御器と、前記不活性ガス供給機から供給される不活性ガスの流量を制御する不活性ガス流量制御器と、前記水素含有ガス流量制御器および前記不活性ガス流量制御器からそれぞれ流出した水素含有ガスと不活性ガスとを混合して水素混合ガスを生成し貯留するバッファタンクとを備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置が提供される。

バッファタンクを形成して水素混合ガスを一定量常に貯留し、かつバッファタンクの内圧を設定した圧力範囲内で常に加圧状態になるように制御することによって、シリコン単結晶インゴット（半導体単結晶）の引上げ時に、水素の分圧制御のために水素含有ガスや不活性ガスの流量を変えたりしても、バッファタンクが圧力調整の緩衝手段の役割を果たし、圧力変動を非常に緩やかにすることが可能になる。これにより、水素の分圧を変化させてもチャンバ内に急激な圧力変動が生じることが無く、安定してシリコン単結晶インゴットを引上げるのに非常に有効な構成である。

また、引上げたシリコン単結晶インゴットは、引上げ方向に沿って、ネック部、ボディ部、テール部におおまかに分けられが、これら各部の特性に応じて、チャンバに供給する水素混合ガスの水素濃度（水素分圧）を変化させることができる。これにより、ボディ部のＧＯＰ欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。水素含有ガス供給機や水素配管などを屋外に設置することによって、高圧の水素含有ガスを含む系統の危険性を低減することができる。ここで、ネック部とは、ネッキングをおこなうネック部分およびショルダーと呼ばれる拡径部等、直胴部より前に引き上げられる部分を示すものとする。また、水素含有ガス雰囲気でシリコン単結晶インゴットを引き上げることで、引き上げ速度Ｖと結晶軸方向の温度勾配Ｇとに対してＶ／Ｇの値の制御性を向上して、単結晶内のＣＯＰ、Ｒ−ＯＳＦや転移クラスター等の欠陥分布に対する制御性を向上することが可能となる。

前記半導体融液はシリコン融液であり、前記半導体単結晶はシリコン単結晶であればよい。前記バッファタンクには、バッファタンクの内圧を検出するバッファタンク圧力センサが設けられていてもよい。前記バッファタンクの流入側にはタンク流入開閉弁が設けられていればよい。前記バッファタンクの流入側の総流量は流出側の総流量よりも多くなるように設定され、前記バッファタンクの内圧が予め設定した設定圧力範囲の上限値よりも高くなった際には、前記バッファタンクの内圧が前記設定圧力範囲の下限値以下になるまで前記タンク流入開閉弁を閉じるように制御されればよい。

これにより、バッファタンク流入ガスの総量が流出ガスの流量よりも多くなるように設定されているので、バッファタンクの内圧は常に加圧される方向に制御され、しかも内圧を一定の範囲内におくことが可能なる。

前記チャンバ内の圧力を検出するチャンバ内圧検出手段を更に備え、前記チャンバ内圧検出手段で検出したチャンバ内の圧力の値に応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御してもよい。また、前記シリコン融液から引上げる半導体単結晶の引上速度を検出する引上速度検出手段を更に備え、半導体単結晶の引上速度の値に応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御してもよい。さらに、前記半導体融液から引上げた半導体単結晶の結晶長さを検出する結晶長検出手段を更に備え、引上げた半導体単結晶の結晶長さに応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御してもよい。

メルト（シリコン融液）に対する水素の混入はヘンリーの法則にしたがってメルト表面付近における水素分圧によって制御可能であるが、引き上げ中に炉内圧が変化した場合に水素分圧を一定に保つ、あるいは、積極的に水素分圧を変化させる等の制御をおこなうことが可能となり、メルトに対する水素の分圧をコントロールして、単結晶への水素原子の影響を最適な状態に制御することが可能となる。

最初に種結晶をシリコン融液（半導体融液）に接触させて、転位欠陥防止のために狭幅で一定長さ引上げた後、結晶径を予め設定した所定幅まで広げていくネック部では、水素含有ガス流量制御器をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、チャンバに供給するガス中の水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行う。ネック部で水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行うことによって、チャンバなど引上装置を構成する部材からのＦｅ汚染を低減したり、微量の水素含有ガスの存在によるシリコン融液面の安定化（整流作用）、あるいは種結晶をシリコン融液に接触させた際の熱的ショックを低減するなどの効果を得ることができる。また、ネック部で水素含有ガス分のＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、ネック部に続くボディ部の結晶特性を向上させる。さらに、水素雰囲気下で引上げすることにより、ネック部における有転移化を防止して、引き上げのやり直し（メルトバック）等を防止し、結果的にシリコン単結晶の製造コストを低減することができる。

シリコン単結晶インゴットのボディ部の引上げ過程では、制御部から送出される流量制御信号に基づいて、水素含有ガス流量制御器が水素含有ガスの流量を変化させ、チャンバに供給する水素混合ガスの水素分圧を制御する。制御条件として引上速度（ｆｐ）による制御（引上速度検出手段）や、チャンバ内圧による制御（チャンバ内圧検出手段）、あるいは引上結晶長による制御（結晶長検出手段）によって、ボディ部のＧＯＰ欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。同時に、メルトに対する水素分圧をコントロールして、単結晶への水素原子の影響を最適な状態に制御することが可能となる。

前記不活性ガスは少なくともアルゴンを主成分としていればよい。前記水素含有ガス供給機は、水素原子を含む原料ガスを精製する水素含有ガス精製手段を備えていてもよい。前記不活性ガス供給機は、不活性ガスを含む原料ガスを精製する不活性ガス精製手段を備えていてもよい。前記水素混合ガス供給装置は、複数の前記チャンバに前記水素混合ガスを供給する複数の水素混合ガス供給ラインを備えていてもよい。なお、水素混合ガス供給装置は水素ガスと不活性ガス以外のガスとを組み合わせて供給すること、水素ガス、不活性ガス、その他のガスを組み合わせ、また、これらのガスのうち少なくとも一つ以上おをそれぞれ切り替えて供給するよう制御することも可能である。また、前記チャンバの少なくとも内面は水素に対する耐腐蝕性を有する材料で形成されていればよい。これによって、チャンバ内を活性な水素を含む雰囲気下にしても、チャンバの腐蝕、劣化を防止することが可能になる。

本発明の半導体単結晶製造装置によれば、水素雰囲気下で引上げるシリコン単結晶インゴットの各部の特性に応じて、チャンバに供給する水素混合ガスの水素濃度（水素分圧）を変化させることができる。これにより、ボディ部のＣＯＰ欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。水素含有ガス供給機や水素配管などを屋外に設置することによって、高圧の水素含有ガスを含む系統の危険性を低減することができる。

以下、本発明の半導体単結晶製造装置の一実施形態として、シリコン単結晶製造装置を取りあげ、その実施形態を説明する。図１は本発明のシリコン単結晶製造装置（半導体単結晶製造装置）の全体構成を示す概略図であり、図２はそのチャンバ部分を示す側面断面図である。シリコン単結晶製造装置（半導体単結晶製造装置）１０は、大別して引上装置１１と、水素混合ガス供給装置１２と、制御部１３とから構成されている。引上装置１１は、チャンバ２１と、このチャンバ２１内に設けられてシリコン融液（半導体融液）２２を貯溜する石英ルツボ（ルツボ）２３と、石英ルツボ２３を加熱する側面ヒータ２４と、保温材２５と、ルツボ駆動手段２６とが備えられている。

石英ルツボ２３は、上方が開放された略円筒形の胴部２３ａと、この胴部２３ａの下方を閉塞する底部２３ｂとからなる。石英ルツボ２３の外面は黒鉛サセプタ（ルツボ支持体）２７により支持されている。石英ルツボ２３の下面は黒鉛サセプタ２７を介して支軸２８の上端に固定され、この支軸２８の下部はルツボ駆動手段２６に接続される。石英ルツボ２３の胴部２３ａの外側周囲に黒鉛サセプタ２７を介して側面ヒータ２４が設けられている。

石英ルツボ２３を加熱するための側面ヒータ２４は、例えば石英ルツボ２３を取り巻くように円筒形に形成され、石英ルツボ２３を加熱する。また、側面ヒータ２４とチャンバ２１との間には側面ヒータ２４を取り囲む筒状の保温材２５が設けられている。

ルツボ駆動手段２６は、石英ルツボ２３を回転させる第１の回転用モータ（図示略）と、石英ルツボ２３を昇降させる昇降用モータ（図示略）とを有し、これらのモータにより石英ルツボ２３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能に構成される。特に上記昇降用モータにあっては、シリコン単結晶インゴット（半導体単結晶）３１の引上げが進むにつれて低下するシリコン融液（半導体融液）２２の液面２２ａをチャンバ２１内で所定レベルに維持するため、減少するシリコン融液２２の量に応じて石英ルツボ２３を上昇させるように構成されている。

チャンバ２１の上面にはチャンバ２１の一部の径を狭めた円筒状のケーシング４１が設けられる。このケーシング４１の上端部には水平状態で旋回可能に引上ヘッド４２が設けられ、引上ヘッド４２からはワイヤケーブル４３が石英ルツボ２３の回転中心に向って垂下される。なお、チャンバ２１全体、あるいは内面側は、活性の高い水素に対して耐食性のある材料で形成、コーティングされているのが望ましい。

図示しないが、引上ヘッド４２には引上ヘッド４２を回転させる第２の回転用モータと、ワイヤケーブル４３を巻取り又は繰出す引上げ用モータが内蔵される。ワイヤケーブル４３の下端にはシリコン融液２２に浸してシリコン単結晶インゴット３１を引上げるための種結晶３３がホルダ３４を介して取付けられる。

チャンバ２１の上部には、後ほどその構成を詳述する水素混合ガス供給装置１２に連結され、水素混合ガスをケーシング４１からチャンバ２１内に導入する第１導入部３６が形成されている。また同様に水素混合ガス供給装置１２に連結され、チャンバ２１の上部から石英ルツボ２３の近傍に向けて延び、水素混合ガスを石英ルツボ２３の近傍に導入する第２導入部３７が形成されている。こうした第１導入部３６や第２導入部３７は、チャンバ２１内に向けて開口端を備えたパイプであればよい。さらに、チャンバ２１の下部には、チャンバ２１内のガスを排出する排出部３９が形成されている。こうした排出部３９からは、第１導入部３６や第２導入部３７から導入された水素混合ガスの量と同量のガスが排出され、チャンバ２１内の内圧を一定に保つ。

図１を参照して、水素混合ガス供給装置１２は、水素含有ガス供給機５１と不活性ガス供給機５２とを備えている。水素含有ガス供給機５１は、水素含有ガス源５１ａと水素含有ガス精製器（水素含有ガス精製手段）５１ｂとから構成されている。水素含有ガス源５１ａは、水素ガスまたは水素原子を含有する化合物ガス等の原料ガスの供給源であり、水素含有ガスとしては、水素ガス、Ｈ_２Ｏ，ＣＨ_４，ＨＣｌ等の水素原子を含む無機化合物、シランガス、ＣＨ_４・Ｃ_２Ｈ_２等の炭化水素、アルコール、カルボン酸等の水素原子を含む有機化合物が挙げられる。

こうした水素含有ガス源５１ａとしては、水素ガスの場合は、液化水素ガス設備や、化合物から水素を生成させる水素生成設備、あるいは水素吸蔵合金に吸蔵された水素を取り出す設備であればよい。また化合物ガスの場合には、液体状態の化合物貯留設備や、水素原子含有化合物を合成するための化合設備であればよい。こうした液化水素ガス設備や化合物貯留設備は、長期にわたって大量の水素ガスや水素含有ガスを安定して供給する供給源である。

水素含有ガス源５１ａに隣接して設けられる水素含有ガス精製器５１ｂは、水素含有ガス源５１ａから供給される原料ガスとしての水素含有ガスを精製し、不純物を取り除いた水素含有ガスを供給するものである。こうした水素含有ガス精製器５１ｂは、すでに引上装置１１のチャンバ２１に供給され、循環して戻された使用済みの水素混合ガスを精製して水素を取り出し、再び不純物のない水素含有ガスを生成する構成であっても良い。また、水素含有ガス源５１ａから不純物のない水素含有ガスが供給されるのであれば、特にこうした水素含有ガス精製器５１ｂは設けなくても良い。

不活性ガス供給機５２は、不活性ガス源５２ａと不活性ガス精製器（不活性ガス精製手段）５２ｂとから構成されている。不活性ガス源５２ａは、希ガスの供給源であり、こうした不活性ガスとしては、ローコストなＡｒガスが好ましく挙げられるが、これ以外にもＨｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅなど各種希ガス単体、あるいはこれらの混合物であってもよい。

こうした不活性ガス源５２ａとしては、液化不活性ガス設備や、不活性ガスを取り出す不活性ガス生成設備であればよい。こうした液化不活性ガス設備などは、長期にわたって大量の不活性ガスを安定して供給する供給源である。

不活性ガス源５２ａに隣接して設けられる不活性ガス５２ｂは、不活性ガス源５２ａから供給される原料ガスとしての不活性ガスを精製し、不純物を取り除いた不活性ガスを供給するものである。こうした不活性ガス精製器５２ｂは、すでに引上装置１１のチャンバ２１に供給された使用済みの水素混合ガスを精製して不活性ガスを取り出す構成であっても良い。また、不活性ガス源５２ａから不純物のない不活性ガスが供給されるのであれば、特にこうした不活性ガス精製器５２ｂは設けなくても良い。

水素含有ガス供給機５１から供給された水素含有ガスは、水素配管５３を介して供給される。水素配管５３の途中には、水素配管５３中を流れる水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御器（マスフローコントローラ）５４が形成される。こうした水素含有ガス流量制御器５４は、シリコン単結晶製造装置１０全体の動作を制御するための制御部１３によって流量が設定される。なお、水素配管５３の途中には、水素含有ガス流量制御器５４以外にも、減圧弁や逆止弁などが適宜設置されていても良い。

不活性ガス供給機５２から供給された不活性ガスは、不活性ガス配管５５を介して供給される。不活性ガス配管５５の途中には、不活性ガス配管５５中を流れる不活性ガスの流量を制御する不活性ガス流量制御器（マスフローコントローラ）５６が形成される。こうした不活性ガス流量制御器５６は、シリコン単結晶製造装置１０全体の動作を制御するための制御部１３によって流量が設定される。なお、不活性ガス配管５５の途中には、不活性ガス流量制御器５６以外にも、減圧弁や逆止弁などが適宜設置されていても良い。また、水素含有ガス流量制御器５４や不活性ガス流量制御器５６は、どちらか一方だけを備えて、水素混合ガス中の水素濃度を調節するような構成であっても良い。

水素含有ガス流量制御器５４を経た水素配管５３と、不活性ガス流量制御器５６を経た不活性ガス配管５５は、バッファタンク５８にそれぞれ連結される。このバッファタンク５８で水素含有ガスと不活性ガスとが同一の空間で交じり合い、水素混合ガスが生成される。バッファタンク５８は、例えば水素腐蝕耐性のある耐圧式のタンクから構成されれば良い。バッファタンク５８には、このバッファタンク５８の内圧値を検出して制御部１３に内圧値を送出するバッファタンク圧力センサ６０が設けられている。なお、こうしたバッファタンク５８への流入側系統は、上述したように水素配管５３と不活性ガス配管５５とをそれぞれ個別にバッファタンク５８に接続する構成以外にも、水素配管５３と不活性ガス配管５５とを１本の配管に合流させてからバッファタンク５８に接続するような構成であっても良い。

水素含有ガス流量制御器５４とバッファタンク５８との間の水素配管５３には、タンク流入開閉弁５７ａが設けられている。また、不活性ガス流量制御器５６とバッファタンク５８との間の不活性ガス配管５５には、タンク流入開閉弁５７ｂが設けられている。こうしたバッファタンク５８の流入側に設けられたタンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂは、バッファタンク圧力センサ６０で検出されたバッファタンク５８の内圧値に基づいて制御部１３からの操作信号により開閉される。

バッファタンク５８の流出側には、水素含有ガスと不活性ガスとが混合されて生成された水素混合ガスを流出させる水素混合ガス配管５７が接続される。水素混合ガス配管５７の端部はケーシング４１からチャンバ２１内に水素混合ガスを導入する第１導入部３６や、チャンバ２１の上部から石英ルツボ２３の近傍に水素混合ガスを導入する第２導入部３７としてチャンバ２１に連結されていれば良い。こうした構成によって、ケーシング４１からチャンバ２１に向かって水素混合ガスが導入され、また石英ルツボ２３の近傍からチャンバ２１内に水素混合ガスが導入される。なお、こうした水素混合ガス配管５７の端部は、複数のシリコン単結晶製造装置のチャンバに並列に配管され、１つの水素混合ガス供給装置１２から複数のシリコン単結晶製造装置に水素混合ガスが供給されても良い。

バッファタンク５８とチャンバ２１とを繋ぐ水素混合ガス配管５７の途上には、水素混合ガス流量制御器（マスフローコントローラ）５９が設けられている。こうした水素混合ガス流量制御器５９は、制御部１３から出力される水素混合ガスの供給量制御信号に応じて、水素混合ガス配管５７を経てチャンバ２１内に供給される水素混合ガスの流量を制御する。なお、水素混合ガス配管５７の途中には、こうした水素混合ガス流量制御器５９にも、水素濃度計（図示せず）などが適宜設置されていても良い。

制御部１３は、チャンバ２１の内圧値（チャンバ内圧検出手段）、シリコン単結晶インゴット３１の引上速度（引上速度検出手段）、引上げたシリコン単結晶インゴット３１の結晶長（結晶長検出手段）などのデータに基づいて、予め設定された流量制御信号を水素含有ガス流量制御器５４や不活性ガス流量制御器５６に送出する。水素含有ガス流量制御器５４や不活性ガス流量制御器５６は、こうした流量制御信号に基づいて水素含有ガスや不活性ガスの流量を制御する。また、バッファタンク圧力センサ６０で検出されたバッファタンク５８の内圧値に基づいて、流入弁操作信号をタンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂに送出する。さらに、水素混合ガス流量制御器５９に向けて水素混合ガスの供給量制御信号を送出する。

以上のような構成の水素混合ガス供給装置１２を備えたシリコン単結晶製造装置１０は、水素含有ガス供給機５１や水素配管５３、バッファタンク５８などを屋外に設置することによって、高圧の水素含有ガスを含む系統の建物内への危険性を低減することができる。

次に、このような構成のシリコン単結晶製造装置（半導体単結晶製造装置）１０について、水素混合ガス供給装置１２による水素混合ガス供給の制御の概要を説明する。図３は、本発明のシリコン単結晶製造装置によって水素の存在する雰囲気下で引上げたシリコン単結晶インゴットを示す側面平面図である。引上げたシリコン単結晶インゴット３１は、引上げ方向Ｚに沿って、ネック部Ｎ、ボディ部Ｂ、テール部Ｔにおおまかに分けられる。これら各部の特性に応じて、チャンバに供給する水素混合ガスの水素濃度（水素分圧）を変化させる。

まず最初に種結晶をシリコン融液（半導体融液）に接触させて、転位欠陥防止のために狭幅で一定長さ引上げた後、結晶径を予め設定した所定幅まで広げていくネック部Ｎでは、図１に示す水素含有ガス流量制御器５４をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、チャンバ２１に供給するガス中の水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行う。

ネック部Ｎで水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行うことによって、チャンバ２１など引上装置を構成する部材からのＦｅ汚染を低減したり、微量の水素含有ガスの存在によるシリコン融液面の安定化（整流作用）、あるいは種結晶をシリコン融液に接触させた際の熱的ショックを低減するなどの効果を得ることができる。ネック部Ｎで水素含有ガス分のＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、ネック部Ｎに続くボディ部Ｂの結晶特性を向上させる。

シリコン単結晶インゴット３１のボディ部Ｂの引上げ過程では、制御部１３から送出される流量制御信号に基づいて、水素含有ガス流量制御器５４が水素含有ガスの流量を変化させ、チャンバに供給する水素混合ガスの水素分圧を制御する。
水素分圧Ｐ（Ｈ_２）は次式で示される（不活性ガスをＡｒとした時）。
Ｐ（Ｈ_２）＝（引上圧力／大気圧）×（Ｈ_２ガス流量／Ａｒ＋Ｈ_２混合ガス流量）［Ｐａ］
制御条件として引上速度（ｆｐ）による制御（引上速度検出手段）は、Ｈ_２最適水素分圧をＺ［Ｐａ］、無欠陥領域生成速度をＸ［ｍｍ／ｍｉｎ］とした時に、
実績ｆｐ＜Ｘ：設定水素分圧＞Ｚ
実績ｆｐ＝Ｘ：設定水素分圧＝Ｚ
実績ｆｐ＞Ｘ：設定水素分圧＜Ｚ
となるように水素分圧を制御する。

また、制御条件としてチャンバ内圧による制御（チャンバ内圧検出手段）は、チャンバ内圧に変動があったときに、上述した最適水素分圧をＺ［Ｐａ］が一定に保たれるようにＨ_２ガス流量とＡｒガス流量とをそれぞれ制御する。
さらに、引上結晶長による制御（結晶長検出手段）は、結晶の全長を１００％としたときに、結晶の引上げ先端からの結晶の長さの割合［％］で制御する。Ｈ_２最適水素分圧をＺ［Ｐａ］としたときに、
結晶先端〜結晶長２０％の範囲：設定水素分圧＞Ｚ
結晶長２０〜３０％の範囲：設定水素分圧＜Ｚ
結晶長３０から１００％の範囲：設定水素分圧＝Ｚ
となるように水素分圧を制御する。

ボディ部Ｂの引上げ時に、上述したように引上速度、チャンバ内圧、引上結晶長のそれぞれの値に応じて水素混合ガス中の水素分圧を制御することによって、ボディ部ＢのＧＯＰ欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。なお、参考してチャンバ内圧３０［Ｔｏｒｒ］でのシリコン単結晶引上げ時の水素混合ガス中の水素濃度［％］と水素分圧［Ｐａ］との相関を表１に示しておく。

シリコン単結晶インゴット３１のテール部Ｔの形成過程では、水素含有ガス流量制御器５４をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって、チャンバ２１に供給するガス中の水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行う。これにより、ＤＦ切れによる戻りを抑制し、最適なテール部を形成する。

なお、こうした水素混合ガス中の水素濃度の最大範囲は１〜８％に収まるように制御される。水素混合ガス中の水素濃度を１〜８％の範囲にすることによって、可燃性の水素ガスの燃焼範囲を確実に外すことができ、水素を含むガスを安全にチャンバ内に導入することができる。

次に、バッファタンク５８の内圧制御について説明する。バッファタンク５８は、流入側系統である水素配管５３や不活性ガス配管５５を流れる水素含有ガスと不活性ガスとの合計流量が、流出側系統である水素混合ガス配管５７を流れる水素混合ガス流量よりも多くなるようにガスの基本的な流出入量が設定される。その上で、図４に示すフローチャートのように、バッファタンク５８の内圧を制御する。

バッファタンク５８は、予め圧力範囲が設定され、設定された圧力範囲の上限をＰｓ１、圧力範囲の下限をＰｓ２とする。また、バッファタンク圧力センサ６０で検出されたバッファタンク５８の内圧値をＰｎとする。バッファタンク５８は、上述したように流入ガスの総量が流出ガスの流量よりも多くなるように設定されているので、バッファタンク５８の内圧は常に加圧される方向に制御されている。

その上で、バッファタンク５８はバッファタンク圧力センサ６０で内圧が常に参照されており（ステップＳａ）、内圧値Ｐｎが設定された圧力範囲の上限Ｐｓ１よりも高くなったと判断されると（ステップＳｂ）、制御部１３はタンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂを閉鎖するように操作信号を出力する。この結果、タンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂは閉鎖され（ステップＳｃ）、バッファタンク５８内に水素含有ガスや不活性ガスの流入が止まる。バッファタンク５８は加圧環境にされていたので、流出側である水素混合ガス配管５７からはる水素混合ガスが流出し続ける。これにより、バッファタンク５８の内圧は低下し始める。こうしたタンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂの閉鎖中もバッファタンク５８はバッファタンク圧力センサ６０で内圧が常に参照されている（ステップＳｄ）。

そして、内圧値Ｐｎが設定された圧力範囲の下限Ｐｓ２を下回ったと判断されると（ステップＳｅ）、制御部１３はタンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂを再び開放するように操作信号を出力する。この結果、タンク流入開閉弁５７ａ，５７ｂは開放され（ステップＳｆ）、バッファタンク５８内に水素含有ガスや不活性ガスが設定された流量で再び流入する。これにより、バッファタンク５８内は再び加圧される方向に制御される。

このように、バッファタンク５８を形成して水素混合ガスを一定量常に貯留し、かつバッファタンク５８の内圧を設定した圧力範囲内で常に加圧状態になるように制御することによって、シリコン単結晶インゴットの引上げ時に、水素の分圧制御のために水素含有ガスや不活性ガスの流量を変えたりしても、バッファタンクが圧力調整の緩衝手段の役割を果たし、圧力変動を非常に緩やかにすることが可能になる。これにより、水素の分圧を変化させてもチャンバ内に急激な圧力変動が生じることが無く、安定してシリコン単結晶インゴットを引上げるのに非常に有効な構成である。

このようなバッファタンク５８の容量は、例えば、タンク流入開閉弁（電磁弁）の寿命、水素混合ガスの必要供給量、バッファタンクの前後の配管圧力などの諸条件から最適な容量が設定されればよい。基本的には、タンク流入開閉弁（電磁弁）開閉間隔が約３０分程度（ＯＮ／ＯＦＦ間隔）になるような容量に設計すればよい。バッファタンク５８の容量設定の一例として、例えば、水素混合ガス流量３００Ｌ／分、流出マスフローメータを２個設置、タンク流入開閉弁（電磁弁）寿命１０万回、バッファタンク流入側配管圧力を０。５ＭＰａとすると、バッファタンクの容量は約８０Ｌ程度が最適である。流出マスフローメータが２個直列設置の場合は、１つの流出マスフローメータの動差圧が０．２５〜０．３ＭＰａであるので、流出マスフローメータとの間の配管圧を０．１５〜０．２５ＭＰａに保持するのが好ましい。

なお、本発明の他の実施形態における水素ガス制御の例を図５に記載する。
図５は結晶長と水素ガス制御フローとの関係を示すものである。まず、引き上げ開始時あたって、石英ルツボにシリコン原料を投入し、ステップＳ１に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ２に示すようにシリコン原料を溶融してシリコン融液を形成する。シリコン原料の溶融中も、ステップＳ３に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップＳ４に示すようにシリコン原料の溶融を完了する。このように、シリコン原料の溶融段階で水素供給を制御することにより、チャンバやヒータなどの部材からの不純物汚染を効果的に防止することができる。
次に、石英ルツボに形成したシリコン融液に種結晶を接触させる。種結晶をシリコン融液に接近させる段階で、ステップＳ５に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ６に示すようにシリコン融液に種結晶を接触させる。種結晶を接触させて結晶成長を開始させた直後も、ステップＳ７に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップＳ８に示すように種結晶へのディップを完了する。このように、種結晶のシリコン融液へのディップ工程においても水素供給を制御することにより、シリコン融液に対する水素の整流作用で、続くネック形成工程において転位欠陥を防止して無欠陥状態を作り出すことができるという効果をえることが可能になる。

続いて引き上げ開始時に、ステップＳ９に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ１０に示すようにネックの引き上げをおこなう。ネックの引き上げ途中にも、ステップＳ１１に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップＳ１２に示すようにネックの引き上げを終了する。
この後、ステップＳ１３に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ１４に示すようにショルダーの引き上げをおこなう。ショルダーの引き上げ途中にも、ステップＳ１５に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップ１６に示すようにショルダーの引き上げを終了する。
この後、ステップＳ１７に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ１８に示すように直胴部の引き上げをおこなう。直胴部の引き上げ途中にも、ステップＳ１９に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップ２０に示すように直胴部の引き上げを終了する。
この後、ステップＳ２１に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップＳ２２に示すようにテールの引き上げをおこなう。テールの引き上げ途中にも、ステップＳ２３に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップ２４に示すようにテールの引き上げを終了する。
そして単結晶の引き上げを終了する。このような制御をおこなうことで、上述したような単結晶を得ることが可能となる。

本出願人は、本発明の作用および効果を検証した。検証に当たっては、上述したような本発明の半導体単結晶製造装置を用いて、本発明の実施例１、２のシリコン結晶インゴットを製造した。実施例１はＧｒｏｗ−ｉｎ欠陥および転位を有しない３００ｍｍシリコン結晶が製造可能なホットゾーンを有する育成装置を用いて引き上げた例であり、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．２℃／ｍｍであり、結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅが２．２℃／ｍｍであり、Ｇｃ／Ｇｅが１．３となるホットゾーン構造を有する育成装置で、磁場強度３０００Ｇの水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して０ｍｍとなるように供給し、結晶育成を実施した。

炉内に供給する水素／Ａｒ混合ガスは、Ｈ_２ガス配管を炉直近のＡｒ配管に直結混合させ、混合ガス攪拌器（スタティックミキサー）を通した後、炉内に供給した。水素は結晶の直胴部分のみ供給し、水素ガス流量を３〜２４Ｌ／ｍｉｎと変化させながら結晶を育成した。結晶長０ｍｍ〜２００ｍｍ（ブロック１）の部位は水素分圧を４０Ｐａ、結晶長２００ｍｍ〜３００ｍｍ（ブロック２）の部位は水素分圧を１２０Ｐａ、結晶長３００ｍｍ以降（ブロック３）は水素分圧を２４０Ｐａで炉内に供給し、サンプルを製造した。実施例２は水素分圧制御以外の結晶育成条件は実施例１と同一であり、結晶長０ｍｍ〜２００ｍｍ（ブロック１）の部位は水素分圧を４０Ｐａ、結晶長２００ｍｍ〜３００ｍｍ（ブロック２）の部位は水素濃度を３２０Ｐａ、結晶長３００ｍｍ以降（ブロック３）は水素濃度を２４０Ｐａで炉内に供給し、サンプルを製造した。
また比較例（従来例）として、従来の方法、すなわち結晶育成中は水素分圧が２４０Ｐａ常に一定で引き上げた結晶によって比較例のサンプルを製造した。

こうした本発明の実施例１，２のサンプルと、比較例のサンプルからブロック１〜３取り出して、それぞれのブロックから引き上げ軸に沿って縦割りし、引き上げ軸近傍を含む板状試片を作製し、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の分布を観察するために、Ｃｕデコレーションを行った。まず、それぞれの試片を硫酸銅水溶液に浸漬した後自然乾燥し、窒素雰囲気中で９００℃で、２０分程度の熱処理を施し、試片表層のＣｕシリサイド層を除去するために、ＨＦ／ＨＮＯ３ 混合溶液中に浸漬し、表層数十ミクロンをエッチング除去した後、Ｘ線トポグラフ法によりＯＳＦリングの位置や各種結晶欠陥の分布を調査した。また、このスライス片のＣＯＰの密度をＯＰＰ法により計測した。さらに転位クラスタの密度をＳｅｃｃｏエッチング法により調査した。このようにして得られた結果をもとに、製品あるいはモニターウェーハとして使用可能な結晶長を算出し、結晶全長との割合を検証した。こうした検証結果を表２に示す。

表２によれば、本発明の実施例１，２で製造したシリコン単結晶はいずれも比較例（従来例）に比べて結晶の歩留まりが大幅に向上している。こうした検証結果から、本発明の効果が確認された。

図１は、本発明の半導体単結晶製造装置の構成を示す概略図である。 図２は、図１のチャンバ部分の側面断面図である。 図３は、シリコン単結晶インゴットの部位を示す説明図である。 図４は、バッファタンクの内圧制御の手順を示すフローチャートである。 図５は、本発明の水素供給制御に関するフローチャートである。

符号の説明

１０ シリコン単結晶製造装置（半導体単結晶製造装置）
１２ 水素混合ガス供給装置
２１ チャンバ
２３ 石英ルツボ（ルツボ）
５１ 水素含有ガス供給機
５２ 不活性ガス供給機
５４ 水素含有ガス流量制御器
５６ 不活性ガス流量制御器
５７ａ，５７ｂ タンク流入開閉弁
５８ バッファタンク
６０ バッファタンク圧力センサ

Claims (13)

1. 半導体融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバ内に、水素原子を含む水素含有ガスおよび不活性ガスを混合した水素混合ガスを供給する水素混合ガス供給装置とを有する半導体単結晶製造装置であって、
   前記水素混合ガス供給装置は、水素原子を含む水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給機と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機と、前記水素含有ガス供給機から供給される水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御器と、前記不活性ガス供給機から供給される不活性ガスの流量を制御する不活性ガス流量制御器と、前記水素含有ガス流量制御器および前記不活性ガス流量制御器からそれぞれ流出した水素含有ガスと不活性ガスとを混合して水素混合ガスを生成し貯留するバッファタンクとを備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
2. 前記半導体融液はシリコン融液であり、前記半導体単結晶はシリコン単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造装置。
3. 前記バッファタンクには、バッファタンクの内圧を検出するバッファタンク圧力センサが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体単結晶製造装置。
4. 前記バッファタンクの流入側にはタンク流入開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
5. 前記バッファタンクの流入側の総流量は流出側の総流量よりも多くなるように設定され、前記バッファタンクの内圧が予め設定した設定圧力範囲の上限値よりも高くなった際には、前記バッファタンクの内圧が前記設定圧力範囲の下限値以下になるまで前記タンク流入開閉弁を閉じるように制御することを特徴とする請求項４に記載の半導体単結晶製造装置。
6. 前記チャンバ内の圧力を検出するチャンバ内圧検出手段を更に備え、前記チャンバ内圧検出手段で検出したチャンバ内の圧力の値に応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
7. 前記半導体融液から引上げる半導体単結晶の引上速度を検出する引上速度検出手段を更に備え、半導体単結晶の引上速度の値に応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
8. 前記半導体融液から引上げた半導体単結晶の結晶長さを検出する結晶長検出手段を更に備え、引上げた半導体単結晶の結晶長さに応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
9. 前記不活性ガスは少なくともアルゴンを主成分としていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
10. 前記水素含有ガス供給機は、水素原子を含む原料ガスを精製する水素含有ガス精製手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
11. 前記不活性ガス供給機は、不活性ガスを含む原料ガスを精製する不活性ガス精製手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
12. 前記水素混合ガス供給装置は、複数の前記チャンバに前記水素混合ガスを供給する複数の水素混合ガス供給ラインを備えていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
13. 前記チャンバの少なくとも内面は水素に対する耐腐蝕性を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。

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