JP2833462B2 - 半導体単結晶成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶の成長装
置に関する。さらに詳しくは、ＦＺ法（フロートゾーン
法又は浮遊帯域溶融法）により不純物を均一に取り込ま
せながら半導体単結晶を成長させる装置に関する。

【０００２】

【発明の背景技術】ＦＺ法により半導体単結晶を成長す
るのに用いられる従来の成長装置は、原料棒を保持する
上軸と、直径の小さい単結晶半導体からなる種結晶を保
持する下軸と、前記原料棒を加熱溶融するように配置し
た誘導加熱コイルとを有する。

【０００３】上記の装置を用いて結晶成長を行う場合
は、図３に示すように、成長炉１内に給電端子５を介し
て支持された誘導加熱コイル４により、原料棒２の一端
を溶融して図示しない種結晶に融着した後、種絞りしつ
つ無転位化しながら一体化し、原料棒２を誘導加熱コイ
ル４に対して相対的に回転させながら軸線方向に相対移
動させ、溶融部６を前記融着部から原料棒２の他端に向
けて徐々に移動させることにより単結晶化して棒状の半
導体単結晶３を得る。

【０００４】上記のような成長装置においては、原料棒
を狭小域において短時間に芯まで溶融させる必要があ
り、これを満たす加熱装置としては、例えば単巻の扁平
な誘導加熱コイルを用いたものが公知の技術として既に
知られている（特公昭５１−２４９６４号他）。

【０００５】この誘導加熱コイル４は、図４に示すよう
に、中空導体をリング状に巻回してその両端部を空隙１
１を介して極力接近させた構成であり、内周側は断面先
細状に形成され、外周上で空隙１１を挟む２点に設けら
れた一組の給電端子５と接続されている。このような構
成により、誘導加熱コイル４の周方向における電流経路
の対称性がほぼ維持される。そして、給電端子５を介し
て高周波電流を流すことによって磁界が発生し、内周で
囲まれる領域内にほぼ均一な磁界分布が得られるように
なっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の半導体単結晶成長装置においては、この装置の加
熱装置として用いられる誘導加熱コイル４の空隙１１
が、誘導加熱コイル４の外周の接線と直交する面上に沿
って形成されているため、その部分で不均一磁界が発生
するのを避けられなかった。

【０００７】すなわち、給電端子５から供給された高周
波電流は、空隙１１に沿って誘導加熱コイル４の直径方
向に向って流れるが、空隙１１から離れるに従って空隙
１１と直角に近い方向へ流れる。しかも、給電端子５近
傍では、空隙１１に沿って相互に逆方向の高周波電流が
近接して流れるので、この部分の磁界が極めて強くな
る。このため、空隙１１付近の特に給電端子５近傍にお
いて溶融帯表面を加熱する能力は、他の領域よりも強く
なる。

【０００８】上記のように、誘導加熱コイルの加熱能力
が領域間で不均一になると、成長する単結晶の品質に大
きな影響を与える。例えば、不均一磁界を有した状態で
原料棒と誘導加熱コイル４との間で原料棒の相対回転／
移動を行うと、不均一磁界から形成される局部的な加熱
能力の差異により、単結晶が１回転する間に不純物濃度
の高い層と低い層とが繰り返し形成される（これを「脈
動」と言う。）。

【０００９】すなわち、溶融帯の温度が高い部分では不
純物濃度が低くなり、温度が低い部分では不純物濃度が
高くなる。このような脈動を有する単結晶をスライスし
て得た半導体ウエーハを用いてデバイスを製造した場
合、該脈動部分でミクロな抵抗変動が生じ、製品特性の
バラツキの原因となる。

【００１０】上記のような加熱能力の不均一さを改善す
るために、誘導加熱コイルの外周側又は内周側からコイ
ル幅の途中まで半径方向に延びた複数個の空隙を形成し
た誘導加熱コイルも提案されているが（特開昭５２−３
０７０５号）、複数の空隙を設けたために、誘導加熱コ
イル全体としての加熱能力が却って低下してしまうとい
う新たな問題が生じる。

【００１１】さらに、誘導加熱コイルの形状の特性か
ら、浮遊帯域においてはネック部側に多くの磁界が集中
し、該ネック部側に比較してその周縁側、言い換えれば
誘導加熱コイル上面側の周縁部と対峙する多結晶加熱域
肩部付近の溶融力が低下する。この低下傾向は、誘導加
熱コイルの一層の扁平化と小内径化を図れば図るほど著
しくなり、加熱力が弱い多結晶加熱域の肩部に局部的な
未溶融部が突起状にできる場合がある。このような未溶
融突起が一度できると、アルゴンガス等の保護ガスの巻
き込み対流により局部的に冷却され、時間の経過ととも
に多結晶が「つらら」状に取り残されたいわゆる「鼻
出」が成長することになる。

【００１２】前記のような「鼻出」が生じると、単結晶
化工程の進行に伴って誘導加熱コイルを原料棒の多結晶
加熱域側に相対移動させる場合に、誘導加熱コイルの内
径は原料多結晶の外径より小さく形成されているため、
誘導加熱コイルが「鼻出」先端に衝突し、誘導加熱コイ
ルを通過させることが不可能になる。また、「鼻出」先
端が誘導加熱コイルに接近すると好ましくない放電現象
が発生し、結果としてその位置で製造を中止せざるを得
ないという問題が生じる。

【００１３】そこで本発明は、加熱能力分布が成長軸に
対して軸対称に近く、脈動が抑えられた半導体単結晶を
成長することができ、また、「鼻出」を防止できる半導
体単結晶成長装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる技術的課
題を達成するために、半導体原料棒を扁平な誘導加熱コ
イルを用いて帯域溶融しながら半導体単結晶を成長させ
る浮遊帯域溶融法による半導体単結晶成長装置におい
て、前記誘導加熱コイルの加熱能力を補助する集光加熱
手段を設け、単結晶側及び／又は多結晶側溶融帯と対峙
する側の該誘導加熱コイル表面に熱反射領域を形成し、
前記集光加熱手段から発せられる熱光線を該熱反射領域
で反射させて前記溶融帯の表面を補助加熱するようにし
た。

【００１５】前記集光加熱手段は、前記誘導加熱コイル
における加熱能力が弱い領域と対峙する溶融帯表面を補
助加熱するものであり、前記誘導加熱コイルに高周波電
流を供給する給電端子から遠い領域と対峙する溶融帯表
面を補助加熱するように設けられ、特に成長軸を介して
前記給電端子の反対側に設けられる。

【００１６】前記集光加熱手段は、例えばハロゲンラン
プ又はレーザー光源を用いたものが採用される。また、
前記集光加熱手段はその前方に可動式のシャッターを有
し、該シャッターにより該集光加熱手段から発せられる
熱光線の放射範囲を制御するようにしたものでもよい。

【００１７】前記反射領域は、鏡面加工された銀メッキ
または金メッキを施した領域であるのが好ましく、さら
に多面加工又はディンプル加工された領域であるのが好
ましい。

【００１８】

【作用】前述したように、誘導加熱コイルは給電端子近
傍領域の加熱能力が高く、他の領域は相対的に加熱能力
が低い。従って、給電端子に近い領域と対峙する溶融帯
の温度と給電端子から遠い領域と対峙する溶融帯の温度
とで不均一が生じ、溶融帯表面の温度分布が成長軸に対
して軸対称にならず、脈動の原因となる。

【００１９】また、誘導加熱コイルはその周縁側の加熱
能力が低くなる傾向があるので、前述のように「鼻出」
が発生して誘導加熱コイルが「鼻出」先端に衝突したり
「鼻出」と誘導加熱コイルとの間で放電現象が起きると
いうような問題が生じる。

【００２０】被加熱物に発生した針状突起（「鼻出」）
を取り除くために、高周波誘導加熱と併用して被加熱物
に集光性赤外線を照射し、「鼻出」を間欠的に溶解する
方法は既に公知である（特公平４−１９１９３号）が、
この公知技術は、発生した「鼻出」を取り除くための方
法であり、「鼻出」の発生を防止する方法ではない。そ
の方法は、集光性赤外線を焦点に集光させてその部分に
位置するシリコン素材（原料棒）を予備加熱又は溶解す
るものである。

【００２１】さらに、高周波誘導加熱と併用して集光性
赤外線を照射して被加熱物を溶融させる従来技術とし
て、特開昭６３−２０１０８７号等があるが、誘導加熱
コイルが存在し横方向からの光を遮るため、その構造
上、集光性赤外線の光源からの光束は、必ず結晶の成長
軸に対して大きな角度を成して溶融帯の表面に照射され
る。このため、誘導加熱コイルの上下面に対峙する溶融
帯表面を集光性赤外線で加熱することができなかった。

【００２２】そこで本発明では、溶融帯の温度分布が成
長軸に対して軸対称で均一になるように、誘導加熱コイ
ルの上下面で加熱能力が弱い領域と対峙する溶融帯表面
上を補助的に加熱する手段を設けるようにしたものであ
る。

【００２３】補助加熱する手段としては、熱光線を放射
する集光加熱手段を用い、熱光線を誘導加熱コイルの上
下面に対峙する溶融帯表面に当てて補助加熱する。集光
加熱手段は、ハロゲンランプやレーザ光源等を用い、誘
導加熱コイルによる加熱の妨げとならないように、溶融
帯から一定距離離れた例えば成長炉壁面等に取り付け
る。

【００２４】その場合、集光加熱手段からの熱光線を誘
導加熱コイルに遮られないようにして溶融帯表面の所望
の位置に当てるために、誘導加熱コイルの上面及び／又
は下面を鏡面加工し銀メッキ等を施して熱反射に適した
反射領域を形成し、集光加熱手段からの熱光線をこの反
射領域で一旦反射させてから溶融帯に当たるようにす
る。また、前記反射領域をさらに多面加工又はディンプ
ル加工した場合には、反射した熱光線が溶融帯表面の広
範囲に当たるようになる。

【００２５】本発明によれば、上記のような補助加熱手
段により溶融帯への加熱能力分布を成長軸に対して軸対
称に近付けることができるため、局部的な温度差異によ
るミクロな抵抗率の変化を小さくすることができる。ま
た、多結晶側の溶融帯表面を補助加熱すれば多結晶加熱
域肩部での加熱能力の低下も防ぐことができるので、単
結晶化工程の進行に伴う「鼻出」の発生も防止すること
ができる。さらに、従来のように誘導加熱コイルに複数
の空隙等の加工を新たに施さなくて済むことから、誘導
加熱コイルの持つ加熱能力を低下させずに済む。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を例示的に説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、
特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

【００２７】図１は、本発明の実施例に係わる半導体単
結晶成長装置の縦断面図である。本実施例の半導体単結
晶成長装置は、図３に示した従来の半導体単結晶成長装
置と基本構造が同じであり、同一部分又は相当部分は図
３と同一符合を付してその説明を省略する。

【００２８】本実施例の半導体単結晶成長装置は、集光
加熱装置１２が成長軸を中心にして誘導加熱コイル４の
給電端子５に対し反対側の成長炉１の壁に設けられ、特
に誘導加熱コイル４の面より下方に設けられる。この集
光加熱装置１２は、２０ｋＷのフィラメント８及びそれ
を囲う反射鏡７とからなり、図２に示すように誘導加熱
コイル４の周囲に沿って円弧状に設けられる。集光加熱
装置１２が設けられる領域は、例えば誘導加熱コイル４
の全周の３／４程度である。

【００２９】一方、誘導加熱コイル４の下面には、集光
加熱装置１２と対応する角度で且つ同心円の円弧状に鏡
面加工された銀メッキからなる反射領域９が形成されて
おり、集光加熱装置１２の熱光線は反射領域９で反射し
て所定位置の溶融帯表面１０に当たるようになってい
る。なお、反射領域９はさらに、反射光が広範囲に達す
るようにディンプル加工されている。

【００３０】この装置を用いて、シリコン単結晶の成長
を行った。結晶の成長条件は以下の通りである。 単結晶棒直径：８０ｍｍ 多結晶原料棒直径：
８０ｍｍ 成長速度：３ｍｍ／ｍｉｎ 種結晶回転速度：５
ｒｐｍ 原料多結晶棒回転速度：０．５ｒｐｍ

【００３１】図５は、本実施例による半導体単結晶成長
装置を用いて成長させたシリコン単結晶の半径方向の拡
がり抵抗分布を、また図６は従来の半導体単結晶成長装
置を用いて成長させたシリコン単結晶の半径方向の拡が
り抵抗分布を示す。

【００３２】図５及び図６から判るように、従来の半導
体単結晶成長装置を用いて成長させた場合には、拡がり
抵抗分布のバラツキが極めて大きいのに対し、本実施例
の半導体単結晶成長装置を用いて成長させた場合には、
拡がり抵抗分布のバラツキが小さく、脈動が抑えられた
抵抗分布のシリコン単結晶が得られた。

【００３３】一方、集光加熱装置１２を誘導加熱コイル
４の面より上方にも設けて多結晶側の溶融帯表面も同時
に補助加熱すれば、上記シリコン単結晶の成長時には
「鼻出」が発生せず、単結晶化工程を安定的に行うこと
ができる。なお、上記実施例ではハロゲンランプ等のフ
ィラメントを有する集光加熱装置を用いたが、レーザ光
源等を用いることができるのは言うまでもない。また、
反射領域は銀メッキの代りに金メッキを施したものでも
よい。

【００３４】さらに図７に示すように、集光加熱装置１
２の前方に可動式のシャッター１３を設け、必要に応じ
てシャッター１３の開口範囲を調節することにより、原
料棒２の溶融帯６の表面に当たる熱光線の範囲を自由に
調節することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、溶
融帯への加熱能力分布を成長軸に対して軸対称に近づけ
ることができるため、局部的な温度差異によるミクロな
抵抗率の変化の小さい半導体単結晶を成長することがで
きる。また、単結晶化工程の進行に伴う「鼻出」の発生
も防ぐことができる。さらに、従来のように誘導加熱コ
イルそのものに空隙等の加工を施さなくて済むことか
ら、誘導加熱コイルの持つ加熱能力を低下させずに済
む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の半導体単結晶成長装置の概略
を示す縦断面図である。

【図２】本発明の実施例の半導体単結晶成長装置の概略
を示す横断面図である。

【図３】従来の半導体単結晶成長装置を示す縦断面図で
ある。

【図４】従来の誘導加熱コイルを示す平面図である。

【図５】本発明の実施例による半導体単結晶成長装置を
用いて成長したシリコン単結晶の半径方向の拡がり抵抗
分布を示す図である。

【図６】従来の半導体単結晶成長装置を用いて成長した
シリコン単結晶の半径方向の拡がり抵抗分布を示す図で
ある。

【図７】集光加熱装置の他の実施例を示す縦断面図であ
る。

【符合の説明】

１ 成長炉 ２ 原料棒 ３ 半導体単結晶 ４ 誘導加熱コイル ５ 給電端子 ６ 溶融帯 ７ 反射鏡 ８ フィラメント ９ 反射領域 １０ 溶融帯表面 １１ 空隙 １２ 集光加熱装置 １３ シャッター

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C30B 13/16 C30B 13/24 C30B 13/00 C30B 28/00 - 35/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体原料棒を扁平な誘導加熱コイルを
   用いて帯域溶融しながら半導体単結晶を成長させる浮遊
   帯域溶融法による半導体単結晶成長装置において、前記
   誘導加熱コイルの加熱能力を補助する集光加熱手段を設
   け、単結晶側及び／又は多結晶側溶融帯と対峙する側の
   該誘導加熱コイル表面に熱反射領域を形成し、前記集光
   加熱手段から発せられる熱光線を該熱反射領域で反射さ
   せて前記溶融帯の表面を補助加熱することを特徴とする
   半導体単結晶成長装置。
2. 【請求項２】 前記集光加熱手段は、前記誘導加熱コイ
   ルにおける加熱能力が弱い領域に対峙する溶融帯表面を
   補助加熱するものである請求項１記載の半導体単結晶成
   長装置。
3. 【請求項３】 前記集光加熱手段は、前記誘導加熱コイ
   ルに高周波電流を供給する給電端子から遠い領域に対峙
   する溶融帯表面を補助加熱するように設けられるもので
   ある請求項１又は請求項２記載の半導体単結晶成長装
   置。
4. 【請求項４】 前記集光加熱手段は、成長軸を介して前
   記給電端子の反対側に設けられるものである請求項３記
   載の半導体単結晶成長装置。
5. 【請求項５】 前記集光加熱手段はハロゲンランプ又は
   レーザー光源を用いたものである請求項１ないし請求項
   ４のいずれか１項記載の半導体単結晶成長装置。
6. 【請求項６】 前記集光加熱手段はその前方に可動式の
   シャッターを有し、該シャッターにより該集光加熱手段
   から発せられる熱光線の放射範囲を制御するものである
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の半導体単
   結晶成長装置。
7. 【請求項７】 前記反射領域は、鏡面加工された銀メッ
   キまたは金メッキを施した領域である請求項１ないし請
   求項６記載の半導体単結晶成長装置。
8. 【請求項８】 前記反射領域は、多面加工又はディンプ
   ル加工された領域である請求項１ないし請求項７記載の
   半導体単結晶成長装置。