JP3109950B2 - 半導体単結晶の育成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶の育成方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の基板には主として高純度の
シリコン単結晶が用いられているが、このシリコン単結
晶の製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液から円
柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法（以下Ｃ
Ｚ法という）が用いられている。ＣＺ法においては、単
結晶製造装置のメインチャンバ内に設置した石英るつぼ
に高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの外周
に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱溶解した
上、シードホルダに取り付けた種子結晶を融液に浸漬
し、シードホルダおよびるつぼを同方向または逆方向に
回転しつつシードホルダを引き上げてシリコン単結晶を
成長させる。

【０００３】シリコン単結晶の引き上げに当たり、融液
表面の温度が単結晶化や結晶成長速度に影響を与えるの
で、前記融液表面の温度を検出してヒータに供給する電
力を調節する必要がある。そして、種子結晶の引き上げ
速度および融液温度を制御して、引き上げ単結晶の直径
を設定値に近づける。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】単結晶引き上げの際に
融液表面の温度勾配が小さいと、融液表面中心部の温度
変動が大きくなってネック部形成時に絞りにくいことが
数値解析と引き上げ実験の結果から分かっている。ま
た、肩作り、直胴作りにおいても形状の変形が起こりや
すい。しかしながら従来のＣＺ法による単結晶引き上げ
の場合、融液表面の温度は測定しているが、融液表面の
温度勾配を測定し、これに基づいて引き上げ条件を制御
することは行われていない。特開昭５９−５７９８６
は、複数段のヒータのパワーを制御し、単結晶引き上げ
時の固液界面近傍の温度勾配を低く保つことによって転
位密度を低減するとともに単結晶表面の損傷を防止する
ものであるが、シードホルダの温度およびるつぼ底の温
度を測定して上段ヒータのパワーを制御するものであ
り、融液表面の温度勾配を指標とするものではない。

【０００５】特開平３−１３７０８８では、熱電対を用
いて固液界面近傍の温度を直接測定し、融液温度を制御
する。この方法では温度測定手段が接触式であるため、
融液の不純物汚染を招く。また、熱電対の溶解を防ぐた
めに断続的な測定しかできず、熱電対の寿命にも問題が
ある。更に、本方法は融液表面の温度勾配を測定するも
のではない。

【０００６】特開平５−１３２３９１では、直胴部育成
中の単結晶の固液界面形状を常にフラットか融液側に凸
に保ちながら単結晶を育成する方法について述べてい
る。固液界面付近には熱電対を配置してヒータの出力を
制御することにより、直胴部育成中の固液界面付近の
（ｄ² Ｔ／ｄｚ² ）が０または負数となるように温度環
境を調整する。この方法においても、熱電対を用いて融
液温度を直接測定するため融液の汚染を招くとともに、
制御が直胴部育成中に限られている。

【０００７】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、融液表面の温度勾配を制御することによっ
て、絞りから直胴部育成に至る各工程においてそれぞれ
所定の形状規格を満足する単結晶を引き上げることがで
きるような、半導体単結晶の育成方法を提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶の育成方法は、チョクラ
ルスキー法による半導体単結晶の育成において、るつぼ
内に貯留した融液の表面温度を２箇所について非接触式
温度測定手段により測定し、前記２箇所の温度測定値か
ら算出した融液表面の温度勾配が所定の範囲を維持する
ように前記単結晶の引き上げ条件を制御する構成とし、
このような構成において具体的には、るつぼの上下動に
よって、融液表面の温度勾配を所定の範囲に維持する育
成方法でもよく、熱反射板の上下動によって、融液表面
の温度勾配を所定の範囲に維持する育成方法でもよい。
また、融液面の直上に環状の保温材を昇降自在に設置
し、前記保温材の上下動によって融液表面の温度勾配を
所定の範囲に維持する育成方法でもよく、るつぼの下方
に環状の下部ヒータを設け、この下部ヒータの出力を制
御することによって融液表面の温度勾配を所定の範囲に
維持する育成方法でもよい。更に、融液面の直上に環状
のアフタヒータを昇降自在に設置し、前記アフタヒータ
の出力制御ならびに上下動によって融液表面の温度勾配
を所定の範囲に維持する育成方法でもよい。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、融液の表面温度を２箇所に
ついて測定し、前記測定結果から算出した融液表面の温
度勾配が所定の範囲を維持するように単結晶の引き上げ
条件を制御するものとした。具体的には、るつぼまたは
熱反射板の上下動、融液面の直上に設置した保温材の上
下動、るつぼの下方に設けた下部ヒータの出力制御、融
液面の直上に設置したアフタヒータの出力制御ならびに
上下動によって融液表面の温度勾配を所定の範囲に維持
することとしたので、絞りから直胴部育成に至る各工程
においてそれぞれ所定の形状規格を満足する単結晶を引
き上げることができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係る半導体単結晶の育成方
法の実施例について図面を参照して説明する。図１はＣ
Ｚ法による単結晶育成装置の部分模式図で、中心線の左
側は請求項２および請求項３に基づく育成装置、中心線
の右側は請求項４に基づく育成装置を示す。同図におい
て、１はチャンバ、２はチャンバ１の中心に設けられた
るつぼ、３はるつぼ２に回転ならびに上下動を与えるる
つぼ軸、４はるつぼ２を取り巻く環状のメインヒータ、
５は保温筒である。また、６，７は非接触式温度センサ
たとえば放射温度計で、６は固液界面近傍の融液表面温
度測定用、７は前記固液界面近傍の温度測定点からるつ
ぼ２の半径方向に所定の距離だけ離れた位置の融液表面
温度測定用として、チャンバ１の外側に配設されてい
る。なお、８は融液、９は引き上げ中の単結晶である。
放射温度計の代わりに黒体センサを用いてもよい。

【００１１】請求項２に基づく単結晶育成方法は、放射
温度計６，７による融液表面温度測定値に基づいて図示
しない制御装置が融液表面の温度勾配を算出し、この温
度勾配が単結晶育成装置ごとにあらかじめ定めた温度勾
配の範囲に入るようにるつぼ軸３を上下動させるもので
ある。融液表面中心部の温度変動を小さくするには温度
勾配を大きくする必要があるが、石英るつぼの寿命や結
晶中の酸素濃度の点から大きすぎないことが望ましい。

【００１２】次に、本育成方法の適用例について述べ
る。直径１６インチの石英るつぼに４５ｋｇの多結晶シ
リコンを装填し、これを溶解後、るつぼの中心から法線
方向に８５ｍｍと１２５ｍｍの位置における融液表面温
度を、絞りとレンズ系とを組み合わせた放射温度計によ
り測定した。るつぼの垂直方向位置を移動させることに
よって融液表面の温度勾配を変え、単結晶の引き上げを
行った。前記温度勾配が６°Ｃ／ｃｍの場合はネック部
を形成することができず、９°Ｃ／ｃｍの場合は直胴部
に曲がりを生じた。１０°Ｃ／ｃｍとした場合は形状の
すぐれた単結晶が得られた。

【００１３】請求項３に基づく単結晶育成方法は、融液
８の上方に単結晶９を取り囲む逆円錐状の熱反射板１０
を設置し、放射温度計６，７による融液表面温度測定値
から算出された融液表面の温度勾配に基づいて、熱反射
板１０の上下動制御を行うものである。前記熱反射板１
０は、チャンバ１の外部に設けられた図示しない駆動装
置により上下動し、上端フランジ部には、放射温度計７
による融液表面温度測定のための透明部分１１が設けら
れている。この育成方法の適用例として、融液表面の温
度勾配が１０°Ｃ／ｃｍとなるように前記熱反射板１０
の位置を制御して単結晶の引き上げを行ったところ、形
状のすぐれた単結晶を得ることができた。引き上げ後半
では温度勾配を１５°Ｃ／ｃｍとして、結晶の析出を防
止した。

【００１４】請求項４に基づく単結晶育成方法は、融液
８の直上に単結晶９を取り巻くように環状の保温材１２
を水平に設置し、２個の放射温度計による融液表面温度
測定値から算出された融液表面の温度勾配に基づいて、
前記保温材１２の高さを制御するものである。保温材１
２は、チャンバ１の外部に設けられた図示しない駆動装
置により上下動する。また、前記保温材１２には、放射
温度計による融液表面温度測定のための透明部分１３が
設けられている。この育成方法の適用例として、単結晶
引き上げの際、融液表面の温度勾配が１０°Ｃ／ｃｍと
なるように前記保温材の高さを設定した。温度勾配を１
０°Ｃ／ｃｍに保つことにより、結晶曲がりの発生を防
止することができた。

【００１５】図２は請求項５および請求項６に基づく単
結晶育成装置の部分模式図で、中心線の左側は請求項
５、右側は請求項６を示す。請求項５に基づく単結晶育
成方法は、るつぼ２の下方に、るつぼ軸３を取り巻くよ
うに下部ヒータ１４を設置し、放射温度計６，７による
融液表面温度測定値から算出された融液表面の温度勾配
に基づいて、下部ヒータ１４の出力を制御するものであ
る。本育成方法の適用例について述べると、融液表面の
温度勾配が１０°Ｃ／ｃｍとなるように下部ヒータの出
力を制御しながら単結晶を育成した。その結果、低酸素
濃度で、かつ、曲がり、ねじれのない単結晶を引き上げ
ることができた。また、融液表面の温度勾配が１２°Ｃ
／ｃｍとなるように下部ヒータの出力を制御しながら単
結晶を育成したところ、高酸素濃度で変形のない単結晶
を得ることができた。

【００１６】図２の右側に示す請求項６の単結晶育成方
法は、融液８の直上に単結晶９を取り巻くように環状の
アフタヒータ１５を水平に設置し、２個の放射温度計に
よる融液表面温度測定値から算出された融液表面の温度
勾配に基づいて、前記アフタヒータ１５の出力を制御す
るものである。融液表面の温度勾配制御の補助的手段と
してアフタヒータ１５を昇降させることもできる。この
場合、アフタヒータ１５は、チャンバ１の外部に設けら
れた図示しない駆動装置により上下動する。また、前記
アフタヒータ１５には、放射温度計による融液表面温度
測定のための穴１６が設けられている。この育成方法の
適用例として、単結晶引き上げ時、融液表面の温度勾配
が１６°Ｃ／ｃｍとなるようにアフタヒータの出力を制
御しながら単結晶を育成した。この方法により低酸素濃
度（１１．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｃ：ｏｌｄ ＡＳ
ＴＭ）の単結晶を引き上げることができた。

【００１７】上記の各実施例では、各請求項に示した内
容をそれぞれ単独に適用したが、これに限るものではな
く、複数の請求項内容を組み合わせて適用してもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、融
液表面の温度勾配を所定の範囲に維持するため、るつぼ
または熱反射板の上下動、融液面の直上に設置した保温
材の上下動、るつぼの下方に設けた下部ヒータの出力制
御、融液面の直上に設置したアフタヒータの出力制御な
らびに上下動を単独に、または組み合わせて行うことと
したので、融液表面の温度勾配は所定の範囲に維持さ
れ、絞りから直胴部育成に至る各工程においてそれぞれ
所定の形状規格を満足する単結晶を引き上げることがで
きる。このように融液表面の温度勾配を測定・制御する
ことにより、次の効果が得られる。 （１）引き上げ条件の初期設定すなわち絞り条件を各バ
ッチごとに簡単に決定することができる。 （２）単結晶の曲がり、ねじれによる不良率を低減させ
ることができる。 （３）本発明による単結晶育成方法を、単結晶中の酸素
濃度を制御する一つの手段として利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体単結晶育成装置の部分模式図で、中心線
の左側は請求項２および請求項３に基づく育成装置、中
心線の右側は請求項４に基づく育成装置を示す。

【図２】半導体単結晶育成装置の部分模式図で、中心線
の左側は請求項５に基づく育成装置、右側は請求項６に
基づく育成装置を示す。

【符号の説明】

２ るつぼ １２ 保温材 ６，７ 放射温度計 １４ 下部ヒ
ータ ８ 融液 １５ アフタ
ヒータ ９ 単結晶 １０ 熱反射板

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法による半導体単結晶
   の育成において、るつぼ内に貯留した融液の表面温度を
   ２箇所について非接触式温度測定手段により測定し、前
   記２箇所の温度測定値から算出した融液表面の温度勾配
   が所定の範囲を維持するように前記単結晶の引き上げ条
   件を制御することを特徴とする半導体単結晶の育成方
   法。
2. 【請求項２】 るつぼの上下動によって、融液表面の温
   度勾配を所定の範囲に維持することを特徴とする請求項
   １の半導体単結晶の育成方法。
3. 【請求項３】 熱反射板の上下動によって、融液表面の
   温度勾配を所定の範囲に維持することを特徴とする請求
   項１の半導体単結晶の育成方法。
4. 【請求項４】 融液面の直上に環状の保温材を昇降自在
   に設置し、前記保温材の上下動によって融液表面の温度
   勾配を所定の範囲に維持することを特徴とする請求項１
   の半導体単結晶の育成方法。
5. 【請求項５】 るつぼの下方に環状の下部ヒータを設
   け、この下部ヒータの出力を制御することによって融液
   表面の温度勾配を所定の範囲に維持することを特徴とす
   る請求項１の半導体単結晶の育成方法。
6. 【請求項６】 融液面の直上に環状のアフタヒータを昇
   降自在に設置し、前記アフタヒータの出力制御ならびに
   上下動によって融液表面の温度勾配を所定の範囲に維持
   することを特徴とする請求項１の半導体単結晶の育成方
   法。