JP3253742B2 - シリコン単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン単結晶の製造
装置に関するものである。詳しく述べると本発明は点欠
陥密度の小さな高品質のシリコン単結晶を得ることので
きる製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単結晶の製造方法として、坩堝内の融液
から結晶を成長させつつ引上げるチョクラルスキー法
（ＣＺ法）が広く行なわれている。

【０００３】このＣＺ法によりシリコン単結晶を得よう
とする場合、例えば図６に模式的に示すような構成の単
結晶製造装置が用いられている。単結晶製造装置６１
は、図６に示すように加熱チャンバ部２ａと引上げチャ
ンバ部２ｂとからなるチャンバ２を有している。加熱チ
ャンバ部２ａ内には、チャンバ２外に位置する駆動装置
（図示せず）よりチャンバ底部を貫通して延長される回
転軸３に支持された石英製坩堝４が配置されており、ま
たこの坩堝４を所定の間隔を有して囲繞する筒状の加熱
ヒータ５が備えられており、さらにこのヒータ５の外方
には断熱材６が配されている。なお、この例においては
石英製坩堝４の外周は黒鉛製坩堝７により保護されてお
り、さらにこの黒鉛製坩堝７は黒鉛製受皿８を介して回
転軸４へ支持されている。

【０００４】一方、引上げチャンバ部２ｂは、前記石英
製坩堝４内に形成されるシリコン融液９から引上げられ
るシリコン単結晶インゴット１０の引上げ軸に沿って前
記加熱チャンバ部２ａよりも上方へ延長された、前記加
熱チャンバ部２ａよりも内径の小さな部位である。

【０００５】またチャンバ２内にはチャンバ上部壁面を
挿通して上方より垂下された先端部に種結晶１２を保持
するためのチャック１３を有する引上げワイヤ１４が配
してあり、この引上げワイヤ１４は、前記引上げチャン
バ部２ｂの上部に設けられたワイヤ引上げ装置１１によ
って、回転しながら昇降することを可能とされている。

【０００６】このような構成を有する製造装置６１にお
いて、単結晶の育成を行なうにはまず、石英製坩堝４内
に多結晶シリコンおよび必要に応じて添加されるドーパ
ントなどの原料を所定量装填し、加熱ヒータ５によって
加熱して原料を溶融して融液９を形成する。そして、該
融液９に引上げワイヤ１４先端に取付けられた種結晶１
２を浸漬し、石英製坩堝４および種結晶１２を回転させ
ながら引上げ、種結晶１２の下端に単結晶インゴット１
０を成長させるものである。

【０００７】このような単結晶引上げ法において、単結
晶引上げ装置内における不活性ガスの流れを整流化し、
成長する単結晶の冷却速度を高めるために、加熱チャン
バの上部壁面より垂下し、成長するシリコン単結晶を軸
としてシリコン単結晶を囲繞する筒状体を設けること
（例えば、特開昭４７−２６３８８号公報）が知られて
いる。

【０００８】また、融液から発生したＳｉＯガスがチャ
ンバ２壁面において凝縮し、落下して単結晶の成長界面
に到達して結晶が有転位化してしまうことを防止し、ま
た、また融液および坩堝壁からの輻射熱を遮断して引上
げ速度を高めることを目的として、引上げ中のシリコン
単結晶を軸として、るつぼの縁から突出している上部の
平たい環状リムとこの環状リムに取付けられ下端が該シ
リコン単結晶および融液に近接する逆円錐状の連結部と
からなるカバーを設けること（例えば、特公昭５７−４
０１１９号公報）も知られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな単結晶引上げ法によって育成したシリコン単結晶に
は石英坩堝４の溶解によって多量の不純物が混入し、こ
の酸素不純物はその後の熱処理により析出し酸素誘起積
層欠陥（ＯＳＦ）を形成することが問題となっている。
このようなＯＳＦの発生の度合は、前記したような筒状
体あるいは逆円錐状のカバーを配した単結晶製造装置を
使用した場合においては、これらを設けていない単結晶
製造装置を用いた場合と比べて、ほぼ同程度であるかあ
るいはかえって多いものとなってしまう。

【００１０】また、このようなＯＳＦの発生は、引上げ
中の単結晶の冷却速度にも影響されることが知られてお
り、ある品種のシリコン単結晶では引上げ中の単結晶の
各部位の冷却速度が８００℃以下の温度域で５℃／ｍｉ
ｎ以上に速まるとＯＳＦの発生が著しくなることから、
前記したような逆円錐状のカバーの下端部を黒鉛、セラ
ミックスなどの不透明体で形成し、その他の部位を石英
などの透明体で形成した構成（特開平３−８８７９４号
公報）なども知られている。

【００１１】しかしながら、特開平３−８８７９４号公
報に開示されるような構成の単結晶製造装置を用いた場
合、確かに特定の品種のシリコン単結晶のＯＳＦの発生
はある程度抑えることができるものの冷却速度が遅すぎ
て実用的ではなかった。

【００１２】従って、本発明は改良されたシリコン単結
晶の製造方法および製造装置を提供することを目的とす
るものである。詳しく述べると本発明は点欠陥密度の小
さな高品質のシリコン単結晶を得ることのできる製造方
法および製造装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１３】

【課題を解決しようとするための手段】本発明者らは、
上記したような課題を解決するために、シリコン単結晶
引上げ時における凝固界面での点欠陥の拡散ということ
に着目した。単結晶中に取込まれた点欠陥を凝固界面へ
制御性よく拡散させることができれば、効率よく点欠陥
の密度を小さくすることができる。単結晶引上げ時の凝
固界面は、単結晶の結晶性を良好なものとする上からな
るべく平坦なほうが望ましいものであるといった考え方
が一般的であった（特開昭４７−２６３８８号公報）
が、本発明者らは、鋭意検討の結果、単結晶中に取込ま
れた点欠陥を凝固界面へ拡散させ点欠陥密度の小さな単
結晶を得る上で、凝固界面が育成単結晶インゴット側に
膨んだものである方が望ましく、その膨みがある特定量
以上のものに制御して単結晶の引上げを行なうと、極め
て点欠陥密度の小さな単結晶を得ることができることを
見出し本発明に達したものである。

【００１４】すなわち、上記諸目的を解決する本発明
は、坩堝中の融液からシリコン単結晶を引上げるシリコ
ン単結晶の製造方法において、融液界面から凝固界面が
育成単結晶インゴット側に膨み、その融液界面からの最
大突出量が１５ｍｍを越えるものとなるように制御して
単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の製
造方法である。

【００１５】本発明はまた、坩堝中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おいて、
成長する前記単結晶を囲繞しその下端が前記融液の界面
に近接する円筒部と、この円筒部の上端より連続する内
周縁を有し外周縁がチャンバ内面に接続されてなる環状
部とから構成される輻射スクリーンが設けられており、
この輻射スクリーンの円筒部の下端部位は熱輻射率が
０．７以上であり、その他の部位は熱輻射率が０．５以
下であることを特徴とするシリコン単結晶製造装置であ
る。

【００１６】

【作用】凝固時に結晶に取込まれた点欠陥は、過飽和度
の勾配に比例して界面に向って拡散していく。凝固界面
近傍の温度勾配が大きい方が過飽和度の勾配も大きく、
この過飽和度の勾配の大きな領域に点欠陥が滞在する時
間が長ければ、点欠陥の界面への拡散が十分に行われ
る。図１に示すように、育成単結晶インゴット１０側に
大きく膨らんだ凝固界面１５を形成すれば、凝固界面１
５近傍において、単結晶インゴットの外周部位のＢ領域
では単結晶の引上げ方向に対し等温線が大きく傾いてい
るため拡散時間が長く、また単結晶インゴットの中心部
位のＡ領域では温度勾配が大きいために拡散速度が大き
く、従っていずれの領域においても単結晶に取り込まれ
た点欠陥は界面へと十分に拡散され、点欠陥密度の小さ
な高品質結晶の製造が可能となる。

【００１７】このように本発明においては、凝固界面１
５が融液界面１６より単結晶インゴット１０側に大きく
膨らんだ状態を維持して引上げを行なうものであるが、
このような凝固界面１５は、図６に示すような従来の単
結晶製造装置あるいはこれに特開昭４８−２６３８８号
公報などに開示されるような筒状体あるいは特公昭５７
−４０１１９号公報に開示されるような逆円錐状のカバ
ーを設置したものを用いても、所望する程度にまで単結
晶インゴット側へ膨らんだ凝固界面を形成できるもので
はなかった。すなわち、これらの装置構成では、凝固界
面近傍における熱流束が、軸方向のものに比べて側面方
向のものが十分に大きくないためである。

【００１８】本発明の単結晶製造装置においては、成長
する単結晶インゴットを融液界面近傍より囲繞する円筒
状の部材を設け、この円筒状部材の下端部位を熱輻射率
の大きな材質により形成して輻射熱抵抗を小さくし、そ
の他の部位は熱輻射率の小さな材質により形成して輻射
熱抵抗を大きくすることで、界面近傍における熱流束を
側方に傾けて、凝固界面が単結晶インゴット側へ大きく
膨むことを可能とし、さらにこの円筒状部材の上部より
連続する環状部の外周縁を、水冷されたチャンバ壁面に
接続させて、熱伝導により前記円筒部の温度が十分に下
がるようにして、凝固界面近傍の温度勾配を大きくする
ことを可能としたものである。

【００１９】以下、本発明を実施態様に基づきより詳細
に説明する。図２は、本発明のシリコン単結晶製造装置
の一実施態様の構成を模式的に表わす使用状態図であ
る。図２に示すように本発明に係わるシリコン単結晶製
造装置１は、チャンバ２の加熱チャンバ部２ａ内に輻射
スクリーン２１を設けてなるものであり、それ以外の構
成は、図６に示す従来のシリコン単結晶製造装置６１と
ほぼ同様の構成を有するものである。なお、図２におい
て、図６に示す装置における部材と同一の部材には同一
の符号を付してある。

【００２０】前記輻射スクリーン２１は、円筒部２２
と、この円筒部２２の上端より連続し円筒部２２の半径
方向に広がる環状部２３とを有している。そして環状部
２３の外周縁は、水冷された加熱チャンバ２ａの壁面に
設けられた支持部２４に接続保持され、円筒部２２がチ
ャンバ２の軸線に沿って配置される。

【００２１】なお、本発明において、輻射スクリーン２
１の円筒部２２は、図示するようにその上端から下端ま
でほぼ同一内径を有するものであることが望ましいが、
若干であれば軸方向において縮径あるいは拡径されたも
のであっても構わない。

【００２２】円筒部２２の下端は、単結晶引上げ操作時
に石英製坩堝４内に形成されるシリコン融液９の界面１
６に近接する部位に位置し、また円筒部２２の内径は引
上げられる単結晶インゴット１０の直径よりもやや大き
いものとされ、単結晶インゴット１０を所定間隔をもっ
て囲繞するものとなる。なお、円筒部２２の下端位置、
および単結晶インゴット１０外面と円筒部２２内面との
距離は、引上げられる単結晶インゴットの種類および直
径、融液温度、引上げ速度、インゴット長さ等の引上げ
条件によって左右されるため、一概には規定できない
が、円筒部２２の下端は融液界面１６上方約５〜１００
ｍｍ程度の高さに位置し、また単結晶インゴット１０外
面と円筒部２２内面との距離は約５〜５０ｍｍ程度とさ
れる。

【００２３】しかして、この輻射スクリーン２１の円筒
部２２は、下端部位２２ａとそれより上方の部位２２ｂ
が別の材質により構成されており、下端部位２２ａは熱
輻射率が０．７以上、より好ましくは熱輻射率が０．８
〜１．０のものとされ、一方上方部位は熱輻射率が０．
５以下、より好ましくは０．１〜０．３のものとされて
いる。すなわち、円筒部２２の上方部位２２ｂの熱輻射
率が０．５を超えるものであると、成長する単結晶イン
ゴット１０を所定の温度域、例えば約７００〜９００℃
の温度域において十分な冷却速度で冷却することが困難
となり、また下端部位２２ａの熱輻射率が０．７未満の
ものであると、上方部位２２ｂとの熱輻射率の差が十分
なものではなくなり、凝固界面近傍で熱流束ベクトルを
側方に傾けることができず、後述するような所望の凝固
界面を形成できなくなるためである。

【００２４】この下端部位２２ａを構成する材質として
具体的には、例えばグラファイト、表面を酸化させたニ
ッケル−クロム系合金、表面を酸化させたモリブデン等
が用いられ、このうち特にグラファイトが好ましい。ま
た上方部位２２ｂを構成する材質として具体的には、例
えばモリブデン、ステンレス鋼、タングステン、ニオ
ブ、ニッケル、ゲルマニウム等の金属などが用いられ、
このうち特に好ましくはモリブデンである。またこの上
方部位２２ｂは、シリコン単結晶の金属汚染を防止する
上からシリコンコーティングなどを施されたものである
ことが望まれる。

【００２５】なお、円筒部２２の全長およびその下端部
位２２ａの長さは、上記したようなシリコン単結晶の引
上げ条件によって左右されるために、一概には規定でき
ないが、例えば円筒部２２の全長は、２００〜４００ｍ
ｍ程度、またその下端部位２２ａの長さは、１０〜５０
ｍｍ程度のものとされる。

【００２６】また、輻射スクリーン２１の環状部２３を
構成する材質としては、特に限定されるものではない
が、円筒部２２の上方部位２２ａと同一の材質により構
成されていることが望ましい。

【００２７】このような単結晶製造装置１を用いて、シ
リコン単結晶の引上げを行なうには、常法に基づき、石
英製坩堝４内に多結晶シリコンおよび必要に応じて添加
されるドーパントなどの原料を所定量装填し、加熱ヒー
タ５によって加熱して原料を溶融して融液９を形成し、
そして、該融液９に引上げワイヤ１４先端に取付けられ
た種結晶１２を浸漬し、石英製坩堝４および種結晶１２
を回転させながら引上げ、種結晶１２の下端に単結晶イ
ンゴット１０を成長させるが、前記したように本発明に
係わる単結晶製造装置においては、石英製坩堝４上部に
輻射スクリーン２１が設けられているので、図１に示す
ように、凝固界面１５はインゴット１０側へ大きく膨ら
み、融液界面１６からの最大突出量ｈが１５ｍｍを越え
る、より好ましくは２０〜３０ｍｍ程度のものとなる。
またこの輻射スクリーン２１は水冷されたチャンバ２壁
面に接続されているため、輻射スクリーン２１の円筒部
２２の温度も十分低下し、凝固界面１５近傍の温度勾配
は大きくなり、例えば６インチ径シリコンウェハ用のイ
ンゴットを引上げる場合において、Ａ領域で４〜５℃／
ｍｍ程度、またＢ領域で３〜４℃／ｍｍとすることがで
きる。

【００２８】このため本発明においては、凝固時に単結
晶インゴット１０に取込まれた点欠陥の界面への拡散が
促進され、点欠陥密度の小さな単結晶インゴット１０が
得られるものとなる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに具体的に
説明する。 実施例１ 図３に示すように、直径約４５０ｍｍの石英製坩堝４上
部に、本発明に係わる輻射スクリーン２１を配置して、
直径約１６０ｍｍのｎ型シリコン単結晶インゴット１０
を約１．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引上げた。なお、この
輻射スクリーン２１の下端部の融液界面１６からの距離
は２０ｍｍ、また輻射スクリーン２１の円筒部２２のグ
ラファイトより構成される下端部位２２ａの長さは３０
ｍｍ、モリブデンより構成される上方部位２２ｂの長さ
は２００ｍｍ、円筒部２２の内径は２１０ｍｍとした。
この単結晶引上げ操作時における凝固界面１５の融液界
面１６からの最大突出量ｈを縦切試料の２結晶Ｘ線トポ
グラフにより測定した。結果を表１に示す。また得られ
た単結晶インゴットより切出されたシリコンウェハを、
１１００℃で１時間熱酸化後、エッチングを行ない、顕
微鏡観察によりＯＳＦ密度を観察した。単結晶インゴッ
トの各部位から切出されたウェハにおけるＯＳＦ密度の
平均値を表１に示す。

【００３０】比較例１ 図４に示すように、特公昭５７−４０１１９号公報に開
示されるような逆円錐状カバー３１を石英製坩堝４上部
に配置して、実施例１と同様に直径約１６０ｍｍのｎ型
シリコン単結晶インゴット１０を約１．５ｍｍ／ｍｉｎ
の速度で引上げた。なお、このカバー３１は、グラファ
イトより構成されるものであり、その下端部の融液界面
１６からの距離は３０ｍｍ、下端部の内径は２１０ｍ
ｍ、円錐面の傾斜角は３１°、円錐部の長さは２３０ｍ
ｍであった。実施例１と同様にして、凝固界面１５の最
大突出量ｈ、およびＯＳＦ密度を測定した結果を表１に
示す。

【００３１】比較例２ 図５に示すように、特開昭４７−２６３８８号公報に開
示されるような円筒体３２を加熱チャンバの上部壁面よ
り垂下させてなる単結晶製造装置を用いて、実施例１と
同様に直径約１６０ｍｍのｎ型シリコン単結晶インゴッ
ト１０を約１．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引上げた。な
お、この円筒体３２は、グラファイトより構成されるも
のであり、その下端部の融液界面１６からの距離は１０
０ｍｍ、内径は２１０ｍｍであった。実施例１と同様に
して、凝固界面１５の最大突出量ｈ、およびＯＳＦ密度
を測定した結果を表１に示す。

【００３２】比較例３ 図６に示すような単結晶製造装置を用いて、実施例１と
同様に直径約１６０ｍｍのｎ型シリコン単結晶インゴッ
ト１０を約１．０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引上げた。実施
例１と同様にして、凝固界面１５の最大突出量ｈ、およ
びＯＳＦ密度を測定した結果を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示す結果から明らかなように、本発
明に係わる輻射スクリーン２１を用いた実施例１におい
ては、単結晶インゴット１０側へ大きく膨らんだ凝固界
面１５を形成することができ、この結果、ＯＳＦ密度の
非常に少ないシリコンウェハを得ることができた。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、単結
晶引上げ時に単結晶インゴット側へ大きく膨らんだ凝固
界面を形成することができるため、凝固時に単結晶イン
ゴットに取込まれた点欠陥の拡散が促進され、点欠陥密
度の小さな単結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明のシリコン単結晶製造方法における
凝固界面の形状ならびに凝固界面近傍の温度分布を模式
的に示す図であり、

【図２】は、本発明のシリコン単結晶製造装置の一実施
態様の構成を模式的に表わす使用状態図であり、

【図３】は、本発明の実施例における装置構成の要部を
示す断面図であり、

【図４】は、比較例における装置構成の要部を示す断面
図であり、

【図５】は、別の比較例における装置構成の要部を示す
断面図であり、

【図６】は、従来のシリコン単結晶製造装置の構成を模
式的に表わす使用状態図である。

【符号の説明】

１…シリコン単結晶製造装置、２…チャンバ、２ａ…加
熱チャンバ部、２ｂ…引上げチャンバ部、３…回転軸、
４…石英製坩堝、５…加熱ヒータ、６…断熱材、７…黒
鉛製坩堝、８…黒鉛製受皿、９…シリコン融液、１０…
単結晶インゴット、１１…ワイヤ引上げ装置、１２…種
結晶、１３…チャック、１４…引上げワイヤ、１５…凝
固界面、１６…融液界面、２１…輻射スクリーン、２２
…円筒部、２２ａ…円筒部の下端部位、２２ｂ…円筒部
の上方部位、２３…環状部、２４…支持部、Ａ…単結晶
インゴットの中心部位、Ｂ…単結晶インゴットの外方部
位、ｈ…凝固界面の融液界面からの最大突出量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坩堝中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おいて、成長する前記
   単結晶を囲繞しその下端が前記融液の界面に近接する円
   筒部と、この円筒部の上端より連続する内周縁を有し外
   周縁がチャンバ内面に接続されてなる環状部とから構成
   される輻射スクリーンが設けられており、この輻射スク
   リーンの円筒部の下端部位は長さが１０〜５０ｍｍ、熱
   輻射率が０．７以上であり、その他の部位は熱輻射率が
   ０．５以下であり、該円筒部の全長は２００〜４００ｍ
   ｍであることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。