JP2007314375A

JP2007314375A - 単結晶製造装置

Info

Publication number: JP2007314375A
Application number: JP2006146242A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Takeyasu; 志信竹安
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】ＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置において、長期間の汚染防止の効果を得るために、黒鉛製円筒の内壁を覆う石英製の筒（石英筒）を設置した場合に、引き上げる単結晶の有転位化が発生しやすくなるという問題を解決し、鉄汚染のない高品質のシリコン単結晶を効率よく製造できるシリコン単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶製造装置１において、引上げるシリコン単結晶３を囲繞するように黒鉛製円筒１１をシリコン融液１８上に設け、黒鉛製円筒１１の内側に少なくとも一部が透明である石英筒１３を配置し、石英筒１３の開口部上端に、内側がテーパー形状のガスを整流させるためのリング１５を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の製造に用いられるシリコン単結晶を、チョクラルスキー法（ＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉＭｅｔｈｏｄ、以下ＣＺ法と省略する）により、高品質で、効率よく製造する装置に関するものである。より詳しくは、ＣＺ法により鉄汚染のないシリコン単結晶を効率よく製造できるシリコン単結晶の製造装置に関するものである。

ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の半導体装置は、ｐｎ接合でのリーク電流が少なく、また、ＭＯＳトランジスタ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート酸化膜耐圧が高く、信頼性の高い電気的特性が要求される。これらの特性を劣化させる原因として、基板となるシリコンウェーハの結晶欠陥、及びウェーハの金属元素が挙げられ、特に鉄元素による金属汚染により、ＭＯＳゲート酸化膜耐圧の劣化などが報告されている。

この鉄元素は、主として周囲の環境或いは装置からの汚染により取り込まれるが、基板の単結晶に含まれているものもある。近年、半導体装置を製造する工程のクリーン化が進み、半導体装置の環境および製造装置からの汚染が少なくなり、工程前の基板の単結晶に含まれる鉄元素が着目され、その低減が求められている。

上記のような基板の単結晶における金属汚染を防止するため、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造において、単結晶の周囲に黒鉛製円筒を設置し、単結晶を製造する場合、単結晶外周での黒鉛製円筒からの汚染を防止するため、黒鉛製円筒に熱分解炭素、または炭化珪素の皮膜を形成し、単結晶を製造する方法がある（特許文献１参照）。しかし、これらの皮膜は、黒鉛製円筒を長時間使用している間に減耗し、また、ハンドリング時に損傷し、十分な効果を得られない。

そこで、特許文献２には、黒鉛製円筒の内壁を石英製の筒（石英筒）で覆うことで、長期間に亘り、汚染防止の効果が得られる製造装置が開示されている。

なお、特許文献３には、ＣＺ法により、所望の欠陥領域を有し、Ｆｅ及びＣｕの不純物汚染を防止して高品質のシリコン単結晶を製造するため、ガス整流筒の内側に石英材が設けられ、該石英材の内側下部に断熱材が設けられている単結晶製造装置が開示されている。さらに、断熱材からの不純物汚染を防止するため、熱分解炭素またはＳｉＣを被覆した、黒鉛材または石英材からなる断熱カバーで、断熱材を覆うという単結晶製造装置が開示されている。

国際公開第ＷＯ０１／８１６６１号パンフレット特許第２８００８６７号公報特開２００６−２７９２８号公報

しかし、黒鉛製円筒の内壁を石英筒で覆うと、湯面に近い高温の先端部分において、徐々に石英の結晶化が促進し、部分的に白色化して、炉内監視等に支障が生じるようになる。この際、石英筒を上下反転すると、炉内監視等に支障がなくなり、石英筒をさらに長期間使用できるが、白色化した部分が脆性化し、細かな塵埃が発生し、結晶の有転位化が発生しやすくなるという問題があった。

また、石英筒は、透明石英製で歪がなく、目視による炉内監視ができ、さらにＣＣＤカメラ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅＣａｍｅｒａ）等による固液界面の観察により、引き上げ中のシリコン単結晶の直径検出が十分にできる必要がある。このため、歪の発生する複雑な研削加工等ができないことから、石英筒端面が円筒管を切断し、面取りしただけの単純な形状となり、この端面部分で黒鉛製円筒内を流れる炉内ガスの流れが乱れ、融液表面から発生する酸化物などが単結晶周囲に漂って、十分に除去されなくなり、成長中の単結晶の固液界面に付着し、単結晶を有転位化させてしまう問題があった。

以上、述べたような結晶の有転位化が発生することで、有転位化した引上げ結晶を熔融し、再び単結晶を成長し直すという製造時間の無駄なロスが生じ、生産性を低下させて、効率的な単結晶製造ができなくなる。

また、特許文献２の単結晶製造装置のように黒鉛製円筒の内側全面を覆い、石英筒を黒鉛製円筒と同じ長さとした場合、黒鉛製円筒内で炉内ガスの流れが乱れることはないが、石英筒の重量が重くなり、温度の高い湯面側が自重を支えている間に内側に変形し、経時変化で変形が大きくなると、前述の石英筒端面での問題と同様に内側に突出した部分でガスの流れを乱し、単結晶を有転位化させてしまう問題が発生する。

このため、特許文献２では、下側半分の高温部を黒鉛製の円筒状枠体とし、そこに板ガラスをはめ込んだ実施例を挙げているが、この方法では、高温の引上げ単結晶周囲のごく近傍に黒鉛部材が存在するので、円筒状枠体に汚染防止の皮膜を設けても、高温で皮膜が短期間で消耗し、長期間に亘り、汚染防止の効果を得ることができない。

一方、板ガラスを使用しないで、加工精度の高い石英筒を使用した場合であっても、石英筒上端部付近で発生する石英の細かな塵埃が融液面に落下し、この塵埃が引上げ中のシリコン単結晶に付着して、有転位化するという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の主な目的は、ＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置において、黒鉛製円筒の内壁を石英製の筒（石英筒）で覆うことで、長期間の汚染防止の効果を得ると共に、石英筒を設置した場合に引き上げる単結晶の有転位化が発生しやすくなるという問題を解決し、鉄汚染のない高品質のシリコン単結晶を効率よく製造できるシリコン単結晶の製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する装置において、引上げるシリコン単結晶を囲繞するように黒鉛製円筒をシリコン融液上に設け、該黒鉛製円筒の内側に少なくとも一部が透明である石英製の円筒を配置し、該石英製の円筒の開口部上端に、内側がテーパー形状のガスを整流させるためのリングを配置したものであることを特徴とするシリコン単結晶製造装置を提供する（請求項１）。

このように、石英製の円筒の開口部上端に、内側がテーパー形状で雰囲気ガスの整流作用のあるリングを配置することにより、石英筒の上端部付近で発生する石英の細かな塵埃が湯面側に落下するのを阻止し、引上げ結晶にこの塵埃が付着し単結晶が有転位化するのを防止できる。また、円筒内を流れるガスの乱れをなくし、融液表面から発生する酸化物等の単結晶周囲に漂う浮遊物を十分に除去し、この様な浮遊物で単結晶が有転位化するのを防止できる。

更に、黒鉛製円筒の内側に少なくとも一部が透明である石英製の円筒を配置することにより、目視による炉内監視ができ、さらにＣＣＤカメラ等による固液界面の観察により、引き上げ中のシリコン単結晶の直径検出が十分にできるため、直径のバラツキが少ない高品質のシリコン単結晶を育成することができる。

この場合、前記リングは、ＳｉＣ皮膜または熱分解炭素皮膜で被覆された黒鉛、または石英で作られているものであることが好ましい（請求項２）。
このように、ガス整流リングがＳｉＣ膜または熱分解炭素皮膜で被覆された黒鉛、または石英で作られていることにより、ガス整流リングから引上げ単結晶にＦｅ汚染が生じることを防止でき、鉄汚染のない高品質のシリコン単結晶を効率よく製造できる。

そして、前記石英製の円筒は、前記黒鉛製円筒内の７００℃以上の高温部分を全て覆う長さを有するものであることが好ましい（請求項３）。
黒鉛製円筒内の７００℃以上の高温部分では特に黒鉛製円筒のＳｉＣ皮膜または熱分解炭素皮膜が劣化・損耗し易いが、このように、黒鉛製円筒内で７００℃以上となる高温部分を石英筒で全て覆うことにより、高温で黒鉛製円筒のＳｉＣ皮膜または熱分解炭素皮膜が劣化・損耗しても、引上げ単結晶にＦｅ汚染が生じることを確実に防止でき、黒鉛製円筒を長期間に亘り使用することができる。

また、前記石英製の円筒は、前記黒鉛製円筒の少なくとも炉内監視及び直径検出用の開口窓部を覆う部分を透明な石英とするものであることが好ましい（請求項４）。

このように、黒鉛製円筒の炉内監視及び直径検出用の開口窓部を覆う部分を、歪の少ない透明な石英とすることで目視による炉内監視ができ、ＣＣＤカメラ等による固液界面の観察により、引き上げ中のシリコン単結晶の直径検出が十分にできるため、単結晶の直径バラツキが少ない高品質のシリコン単結晶を育成することができる。さらに、透明石英部分が、酸化物付着により曇ったり、また、結晶化により白色に失透したりすることで、炉内監視およびＣＣＤカメラ等での固液界面の観察に支障が生じた場合、透明石英部分だけを交換するだけで、不透明石英部分をそのまま使用継続でき、経済的である。

そして、前記開口窓部を覆う部分以外は、透明な石英または不透明な石英とするものであることが好ましい（請求項５）。
このように、開口窓部を覆う部分以外を透明石英または不透明石英とすることで、黒鉛製円筒内の形状に合わせて研削加工し、その後、歪を除去するためのエッチング、熱処理を施すことができ、黒鉛製円筒内が複雑な形状であっても、その形状に合わせた石英筒を製作できる。

本発明に係るシリコン単結晶の製造装置であれば、黒鉛製円筒の内側に石英筒を使用しても、結晶の有転位化が増加することがないので、単結晶の外周部分における金属汚染の少ない、高品質のシリコン単結晶を高い生産性と歩留で製造でき、コストメリットがある。

以下、本発明について詳述する。図１は本発明の単結晶製造装置の一実施例である。
図１の装置は、単結晶製造装置１の主チャンバー２内に黒鉛ルツボＣで保持された石英ルツボＤが設置され、該黒鉛ルツボＣは底部中心で回転し、上下動する支持軸１０により支持される。主チャンバー２上方には製造した単結晶を引き上げて取出しする開口扉の設けられたプルチャンバー２１が設けられている。
主チャンバー２の首部２３には、上端を気密に設置し、下端を融液１８に向かって垂下する黒鉛製円筒１１が設けられ、該円筒下端に断熱リング１２が取り付けられている。

この断熱リング１２は本発明では必須でなく、取り付けなくてもよい。しかし、取り付けることで、引上単結晶の口径が大きくなっても十分な熱遮蔽効果をもち、引上速度の低下をきたすこともなく、また固液界面全体での温度の均一化がはかられ、単結晶化率を低下させることもなく、結晶熱履歴、結晶の温度分布を容易にかつ精度よく制御することができるという効果がある。

黒鉛製円筒１１は、ＳｉＣ膜または熱分解炭素皮膜で被覆された黒鉛から作られている。これにより、黒鉛製円筒から育成中のシリコン単結晶への鉄汚染を防止する。

黒鉛製円筒１１内には、少なくとも一部が透明である石英筒１３を設置する。
黒鉛製円筒１１内に石英筒１３を設置することにより、高温の引上げ単結晶３のごく近傍に存在する黒鉛部材を石英筒が覆っているので、高温で黒鉛製円筒１１のＳｉＣ皮膜または熱分解炭素皮膜が劣化・損耗しても、引上げ単結晶にＦｅ汚染が生じることを防止できる。

プルチャンバー２１の上方には、雰囲気ガスの導入管２２が設けられ、主チャンバー底部には排ガス管２４が設けられている。そして、黒鉛ルツボＣの外周にシリコン原料を加熱熔融した後、融液を適温に保つための黒鉛ヒーターＨ、断熱シールドＳが設置され、導入管２２より単結晶製造装置１のガス整流筒３０内に雰囲気ガスを導入しながら、融液１８に種結晶１７を浸し、引き上げ用のワイヤー１６を回転させながら巻き上げて、単結晶３を成長させていく。

このような単結晶製造装置において、本発明では、石英筒１３の上に内側がテーパー形状で雰囲気ガスの整流作用のある黒鉛製または石英製のガス整流リング１５を設置する。ガス整流リング１５により、黒鉛製円筒および石英筒内を流通するガスを整流し、シリコン単結晶を引き上げる際、石英筒の上端部付近で発生する石英の細かな塵埃が湯面側に落下するのを阻止し、引上げ結晶にこの塵埃が付着するのを防ぎ、単結晶が有転位化するのを防止できる。また、円筒内を流れるガスの乱れをなくし、融液表面から発生する酸化物等の単結晶周囲に漂う浮遊物を十分に除去し、この様な浮遊物で単結晶が有転位化するのを防止できる。

また、シリコン融液の湯面に近い高温の石英筒の先端部分において、徐々に石英の結晶化が促進し、部分的に白色化して、炉内監視等に支障が生じるようになった際、石英筒を上下反転して使用しても、このようなガス整流リングを石英筒の開口部上端に設置することにより、白色化した部分が石英筒の上端部付近で細かな塵埃となって湯面側に落下するのを阻止でき、引上げ結晶にこの塵埃が付着せず、単結晶が有転位化するのを防止できる。したがって、石英筒をより長期間使用することができるようになり、石英筒にかかっていたコストを削減できる。

そして、石英筒１３の長さは、長過ぎず短過ぎず、黒鉛製円筒１１の７００℃以上となる高温部分を全て覆う長さが好ましい。
黒鉛製円筒１１の７００℃以上となる高温部分では特に、黒鉛製円筒１１に被覆したＳｉＣ膜または熱分解炭素皮膜が劣化・損耗し易いので、ＳｉＣ膜または熱分解炭素皮膜が劣化・損耗した黒鉛製円筒から、育成中のシリコン単結晶への鉄汚染を防止するためである。また、黒鉛製円筒１１の７００℃以上となる高温部分だけを石英筒１３で覆うことにより、従来の石英筒と黒鉛製円筒が同じ長さの場合より、石英筒の重量が軽くなるので、単結晶育成中に温度の高い湯面側が内側に変形することが抑制される。したがって、石英筒の変形が少ないので、単結晶育成中にガス流の乱れを防止でき、単結晶の有転位化を防止できる。

また、石英筒１３は、黒鉛製円筒１１の炉内監視及び直径検出用の開口窓部３２を覆う部分を、透明な石英とするものであることが好ましい。

このように、黒鉛製円筒１１の炉内監視及び直径検出用の開口窓部３２を覆う部分を、透明な石英とすることで、目視による炉内監視ができ、ＣＣＤカメラ等による固液界面の観察により、引き上げ中のシリコン単結晶の直径検出が十分にできる。したがって、単結晶の直径バラツキが少ない高品質のシリコン単結晶を育成することができる。

さらに、透明石英部分が、酸化物付着により曇ったり、また、結晶化により白色に失透したりすることで、炉内監視およびＣＣＤカメラ等での固液界面の観察に支障が生じた場合、透明石英部分だけを交換するだけで、不透明石英部分をそのまま使用継続でき、経済的である。

そして、黒鉛製円筒１１の炉内監視及び直径検出用の開口窓部３２を覆う部分以外は、透明な石英または不透明な石英とすることにより、石英筒を黒鉛製円筒内の形状に合わせて研削加工し、その後、歪を除去するためのエッチング、熱処理を施すことができ、黒鉛製円筒内が複雑な形状であっても、その形状に合わせた石英筒を製作できる。したがって、石英筒によりガスの流れを乱さないように、必要形状に加工することができる。

なお、石英筒１３は一体物で製作できない場合、必要に応じて２〜３分割としてもよい。

特許文献２の実施例には、黒鉛製円筒に観察用覗き窓を開放させた場合、単結晶中の酸素濃度が高まり、高酸素品（１８ｐｐｍ以上）が製造され、また、板状ガラスで覗き窓部を覆うことで、低酸素品（１８ｐｐｍ以下）が製造できることが記載されている。しかし、この方法では、板状ガラスを固定するための円筒状枠体が黒鉛部材となるため、高温の引上げ単結晶３のごく近傍に黒鉛部材が露出し、引上げ単結晶にＦｅ汚染が生じることになる。

本発明の石英筒１３は少なくとも一部が透明であるか、炉内監視及び直径検出用の開口窓部３２を覆う部分を、歪の少ない透明な石英とするので、特許文献２のように、板状ガラスで黒鉛製円筒の覗き窓部を覆う必要がない。したがって、高温の引上げ単結晶３のごく近傍には石英筒１３が存在するので、引上げ単結晶のＦｅ汚染を低減できる。

以下、本発明の実施例および比較例をあげて更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１・比較例１）
図２（Ａ）に示す通り、従来の黒鉛製円筒内に石英筒だけを取り付けたものを準備した（比較例）。
また、図２（Ｂ）に示す通り、本発明の黒鉛製円筒内に少なくとも一部が透明である石英筒を設置し、該石英筒の上にガス整流リング１５を設置したものを準備した（実施例）。
なお、本発明の実施例では、石英筒の下側（融液側）にテーパー状の不透明石英製リング３３を設置し、黒鉛製円筒内の高温部分を全て石英で覆い、結晶の金属汚染防止効果を高めている。
表１に各装置で単結晶を製造した条件とその結果を示す。

ここで、ＳＰＶ値とは、ＳＰＶ法（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅＭｅｔｈｏｄ）により、ウェーハのＦｅ濃度を測定した値である（特許文献１参照）。ＳＰＶ値の測定方法は、引上げた単結晶の尾部付近でサンプルウェーハを採取し、ＳＰＶ法により測定した。

ＳＰＶレベルの良好は、製造した単結晶のＳＰＶ値が目標とする１×１０^１０Ａ／ｃｃ以下の１００％達成を表す。
ＳＰＶ値１×１０^１０Ａ／ｃｃ以下の割合は、製造した単結晶１本ごとにＳＰＶ値を測定し、目標値を達成した結晶本数／製造した単結晶本数×１００（％）で表した。

ＤＦ率（％）は、引上げ重量の全量が無転位結晶となった結晶本数／製造した単結晶本数×１００（％）で表した。単結晶化率（％）は、製品（製品直径部分）となる単結晶重量／使用した原料重量×１００（％）で表した。

表１の通り、本発明の実施例は、ＳＰＶ値が目標１×１０^１０Ａ／ｃｃ以下を１００％達成し、かつ、ＤＦ率と単結晶化率が比較例よりも良くなっている。また、長期に亘って鉄汚染を防止できることが判る。

以上より、本発明では、従来の単結晶製造装置と比べ、石英筒を使用しても、結晶の有転位化が増加することがないので、単結晶の外周部分における金属汚染の少ない、ＳＰＶレベルの良いシリコン単結晶を高い生産性と歩留で製造できる。さらに、このような製造装置でシリコン単結晶を製造すれば、再びシリコン単結晶を成長し直す必要が激減するので、製造時間的にもコスト的にも、メリットがある。さらに、石英筒の寿命を延ばすことができ、部品コストの低減もはかれる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に係る単結晶製造装置の一実施例の概略を示す断面図である。（Ａ）従来のガス整流筒の断面図である。（Ｂ）ガス整流リングを取り付けた本発明のガス整流筒の断面図である。

符号の説明

１…単結晶製造装置、２…主チャンバー、３…単結晶、
１０…支持軸、１１…黒鉛製円筒、１２…断熱リング、１３…石英筒、
１５…ガス整流リング、１６…引上げ用ワイヤー、１７…種結晶、
１８…シリコン融液、２１…プルチャンバー、２２…雰囲気ガス導入管、
２３…首部、２４…排ガス管、３０…ガス整流筒、
３２…黒鉛製円筒の開口窓部、３３…不透明石英製リング、
Ｃ…黒鉛ルツボ、Ｄ…石英ルツボ、Ｈ…黒鉛ヒーター、Ｓ…断熱シールド。

Claims

ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する装置において、引上げるシリコン単結晶を囲繞するように黒鉛製円筒をシリコン融液上に設け、該黒鉛製円筒の内側に少なくとも一部が透明である石英製の円筒を配置し、該石英製の円筒の開口部上端に、内側がテーパー形状のガスを整流させるためのリングを配置したものであることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
前記リングは、ＳｉＣ皮膜または熱分解炭素皮膜で被覆された黒鉛、または石英で作られているもの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。
前記石英製の円筒は、前記黒鉛製円筒内の７００℃以上の高温部分を全て覆う長さを有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記石英製の円筒は、前記黒鉛製円筒の少なくとも炉内監視及び直径検出用の開口窓部を覆う部分を透明な石英とするものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記開口窓部を覆う部分以外は、透明な石英または不透明な石英とすることを特徴とする請求項４に記載のシリコン単結晶装置。