JP3550487B2

JP3550487B2 - 横磁界下シリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP3550487B2
Application number: JP30437797A
Authority: JP
Inventors: 仁日下
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: JPH11139899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は横磁界下シリコン単結晶引上装置に係わり、特に低酸素濃度のシリコン単結晶を引き上げるのに適する横磁界下シリコン単結晶引上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にシリコンウェーハを製造するには、多結晶シリコンからチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）によりシリコン単結晶のインゴットを作り、このインゴットを内周刃式スライシングマシン等で所定の厚さに切断し、シリコンウェーハを製造する。
【０００３】
しかし、超ＬＳＩ製造プロセスの低温化、デバイスの高密度化、高集積化などにより、シリコンウェーハに対しシリコン単結晶の低酸素化、さらにはより狭い範囲で酸素濃度が制御された低酸素濃度のシリコンウェーハの要求があり、これに伴いシリコンウェーハの素材となるシリコン単結晶にもより狭い範囲で酸素濃度が制御された低酸素濃度のシリコン単結晶が要求されている。
【０００４】
従来、特公昭５７−４０１１９号公報のように、シリコン単結晶を引き上げるのに、炉内を流れる不活性ガスの流れを制御して炉内で発生する不純物の溶融シリコンへの混入を防止するとともにシリコン単結晶への酸素の取り込みを抑制して低酸素濃度のシリコン単結晶を得、かつ溶融シリコンからの放熱を制御するために耐熱部材製の輻射シールドを設け、品質の向上および生産性の向上を図ったシリコン単結晶引上装置はある。
【０００５】
しかし、この従来のシリコン単結晶引上装置で引き上げられたシリコン単結晶は十分な低酸素濃度のシリコン単結晶を得ることができず、上記要求を満足していない。
【０００６】
また、図１のように横磁界下シリコン単結晶引上装置１ｃはＣＺ法を横磁界下で適用したもの（ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄａｐｐｌｉｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉＭｅｔｈｏｄ、以下ＨＭＣＺ法という。）である。この単結晶引上装置１ｃの炉本体２に設けられた石英ルツボ３内のシリコン融液４に超伝導磁石５により水平方向の磁界が発生するようにコイルを付勢し、すなわち導電性流体であるシリコン融液の対流が磁界Ｇの方向に対して直角の場合起電力が有効動粘性係数を増加させるため、ルツボ３内の融液対流を制御しながらシリコン単結晶の結晶成長を行うものである。
【０００７】
このＨＭＣＺ法によれば、シリコン融液の熱対流を抑制することにより石英ルツボ３の溶解を低減し、かつ結晶界面の安定性を増し低酸素濃度のシリコン単結晶が得られる。
【０００８】
ＨＭＣＺ法による酸素低減のメカニズムは石英ルツボ３の溶解量の低減、シリコン融液４の液面近くを流れる対流の流速の低下、固液界面近傍に存在するシリコン融液中の酸素濃度低減などである。
【０００９】
これら低酸素化のメカニズムに影響を及ぼす主な引き上げパラメータは磁界強度、ルツボ回転数、結晶回転数、融液量などであるといわれている。
【００１０】
しかし、このようなＨＭＣＺ法はシリコン融液の対流は磁界に対し直角な成分は抑制されるが、磁界に平行な成分については影響を受けない。すなわち、従来のＨＭＣＺ法では２個のコイルから形成される磁界Ｇの方向に平行な横方向の対流成分がシリコン融液中に存在している。
【００１１】
一般のＨＭＣＺ法においては、２個のコイルの中心を結ぶ直線がシリコン融液の液面近傍の高さになるようにコイルを配設するため、石英ルツボ内面近傍に存在する酸素濃度の比較的高いシリコン融液は磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン結晶の成長界面に供給される環境にある。
【００１２】
このような環境下で引き上げられたシリコン単結晶は一定の低酸素濃度のもの、例えば酸素濃度が１×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下（換算係数はＯｌｄＡＳＴＭ）程度のものは得られるが、より狭い濃度範囲で酸素濃度が低く制御された低酸素濃度のシリコン単結晶は得られない。
【００１３】
また、横型と縦型の２つの特徴を組み合わせたカスプ（ＣＵＳＰ）法といわれるシリコン単結晶引き上げ方法が存在する。この引上装置は磁界を上下縦方向から横方向に印加し、低酸素濃度のシリコン単結晶を得るものであるが、機構が複雑で高価であり、かつランニングコストが高いなどの欠点がある。
【００１４】
そこでより狭い濃度範囲で酸素濃度が低く制御された低酸素濃度のシリコン単結晶を安価かつ大量に生産できるＨＭＣＺ法が要望されていた。
【００１５】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ＨＭＣＺ法において、ランニングコストを低減し、狭い濃度範囲で酸素濃度が低く制御された低酸素濃度のシリコン単結晶を安価かつ大量に生産できる横磁界シリコン引上装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、炉本体を挟むように対向して炉本体の側面に配設された磁石を具備する横磁界下シリコン単結晶引上装置において、前記炉本体内のルツボ上方に設けられ炉本体内を流れる不活性ガスの流れを制御する輻射シールドと、この輻射シールドの外側面に沿って設けられ前記対向する磁石のコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配置された複数の拡大通気部と、この拡大通気部に前記ルツボの側方を通して連通され、炉本体に設けられた排気口とを有することを特徴とする横磁界下シリコン単結晶引上装置であることを要旨としている。
【００１７】
本願請求項２の発明は、輻射シールドは円筒部と、この円筒部から伸長し截頭円錐形の円錐部と、この円錐部に設けられ単結晶引き上げ用の開口部を有する底面部と、円筒部と円錐部の外側面に一体に形成されかつコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配設された複数の不活性ガス流通用の拡大通気部からなることを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置であることを要旨としている。
【００１８】
本願請求項３の発明は、複数の不活性ガス流通用の拡大通気部に各々対向して炉本体の底部に排気口を設けたことを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置であることを要旨としている。
【００１９】
本願請求項４の発明は、磁石は２個の超伝導磁石であり、輻射シールドは炉本体内のルツボ上方に設けられ、円筒部とこの円筒部から伸長し截頭円錐形状の円錐部とこの円錐部の端部に設けられ単結晶が貫通する開口部を有する底面部とを有し、かつ不活性ガス流通用で対向するように設けられた２個の拡大通気部は円筒部と円錐部に一体に形成され、拡大通気部の一部が円筒部の上端から底面部に亘り傾斜する傾斜面部で構成される凹部であり、この凹部が炉本体の底部に設けられ対向する２個の超伝導磁石のコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配置された２個の排気口とそれぞれ対向することを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置であることを要旨としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置の実施の形態について添付図面に基づき説明する。図２は本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置１の断面図であり、この装置１はＨＭＣＺ法を適用したものである。
【００２１】
密閉容器を構成する炉本体２の内部には石英ルツボ３とこの石英ルツボ３を加熱し、石英ルツボ３に供給されたナゲット状ポリシリコンを溶融しシリコン融液４にするためのヒータ７が設けられている。
【００２２】
また、石英ルツボ３およびシリコン融液４の上方にはこのシリコン融液４からの熱輻射を防止しかつ炉本体２内を流れる不活性ガス、例えばアルゴンガス（以下Ａｒという。）の流路を制御する耐熱部材製の輻射シールド８である。
【００２３】
一方、炉本体２の外部には、２個の超伝導磁石５が炉本体２を挟むように直径方向に対向して配設されており、各超伝導磁石５は各々コイル５ａから構成される。
【００２４】
超伝導磁石５はコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌがシリコン融液４の液面近傍になるように配設される。
【００２５】
さらに、炉本体２の上方から導入されたＡｒが、輻射シールド８に設けられ種結晶６ａから成長したシリコン単結晶６が貫通する開口部９および石英ルツボ３とヒータ７に形成された通気路１０を介し炉本体２外に排出されるように、炉本体２の底部１１に複数個例えば２個の排気口１２が設けられている。
【００２６】
この２個の排気口１２は図３に示すように超伝導磁石５のコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一方向になるように配設されている。図４（ａ）および（ｂ）は輻射シールド８の構造を詳細に説明するためのもので、輻射シールド８は取り付け用のフランジ部１３を有する円筒部１４と、この円筒部１４から伸長し截頭円錐形状の円錐部１５と、この円錐部１５の端部に設けられ単結晶が貫通する開口部９を有する底面部１６とより構成されている。
【００２７】
さらに、輻射シールド８には不活性ガス流通用で、かつ直径方向に対向するように外側から凹設された２個の拡大通気部、例えば凹部１７が円筒部１４と円錐部１５に一体に軸方向に近接して形成されている。凹部１７の一部が円筒部１４の上端１８から底面部１６に亘り傾斜する傾斜面部１９で構成されている。
【００２８】
また、図４に示すように通気路１０の一部を構成する通気用の凹部１７は、各々がコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一方向に配設された炉本体２の２個の排気口１２に各々対向し、かつコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一方向になるように配設されている。
【００２９】
従って、図５に示すように炉本体２内には、炉本体２の上方から導入されたＡｒがシリコン単結晶６と輻射シールド８の内側間に形成される空隙を通り、シリコン単結晶６が貫通する開口部９を通りシリコン融液４の液面に当たり、方向を変え、石英ルツボ３の上部内面と輻射シールド８の円錐部１５の外面間でかつ輻射シールド８の外周全面に亘り形成される空隙通気路１０ａおよび主として輻射シールド８の外面に形成された凹部１７を通り石英ルツボ３とヒータ７間に形成された通気路１０ｂを経て、凹部１７に対向して設けられた排気口１２から炉本体２外に排出される不活性ガスの通気流路が形成される。
【００３０】
なお、石英ルツボ３はモータ（図示せず）に結合された回転軸２０により回転を与えられ、成長したシリコン単結晶６はシード軸２１により上方に引き上げられる。
【００３１】
本発明に係るＨＭＣＺ法は以上のような構造になっているから、シリコン単結晶６を引き上げるには、ナゲット状ポリシリコンを石英ルツボ３に入れ、Ａｒを炉本体２の上方より炉本体２内に流入させ、ヒータ７を付勢して石英ルツボ３を加熱し、モータを付勢してこのモータに結合された回転軸２０を回転させて石英ルツボ３を回転させる。
【００３２】
一定時間が経過した後、シード軸２１を下ろし、種結晶６ａをシリコン融液４の液面に接触させる。しかるのち、超伝導磁石５のコイル５ａを付勢し、磁界Ｇをシリコン融液４の液面近傍に集中させる。
【００３３】
このシリコン融液４の溶融状態で、シリコン融液４は石英ルツボ３内で対流を起こすが、シリコン融液４の対流が磁界の方向に対して直角の場合には、起電力が有効動粘性係数を増加させるため対流は抑制される。
【００３４】
このシリコン融液４の対流の抑制により、石英ルツボ３からシリコン融液４に溶出する酸素を抑制し、従ってシリコン単結晶６に取り込まれる酸素を相当減少させることができるが、石英ルツボ３近傍に存在して酸素濃度が比較的高いシリコン融液４は磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン単結晶６の成長界面に輸送され、酸素が成長界面からシリコン単結晶６内に取り込まれる。
【００３５】
一方、炉本体２上部から導入されたＡｒはシード軸２１、シリコン単結晶６に沿って降下し、輻射シールド８に設けられた開口部９を通過し、空隙通気路１０ａおよび通気用の凹部１７を通り通気路１０ｂを経て、炉本体２の底部１１に設けられた排気口１２から炉本体２外に排出される。
【００３６】
このＡｒの流れにおいて、拡大通気部、すなわち凹部１７で形成される通気流路の断面積が、通気路１０ａで形成される通気流路の断面積より著しく大きく形成されているので、Ａｒの大部分はこの凹部１７を通り通気路１０ｂへと流れる。
【００３７】
２個の凹部１７はコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一方向になるように配設されているので、Ａｒがこの直線Ｌと同一線上に集中し、磁界の方向、すなわち直線Ｌに平行な流れに沿ってシリコン単結晶６の成長界面に輸送される途中の酸素はシリコン融液４外へ効果的に放出される。また、２個の排気口１２は各々２個の凹部１７に対向している、すなわち直線Ｌと同一線上の設けられているので、さらに効果的に酸素を含んだＡｒは２個の排気口１２から炉本体２外に排出される。
【００３８】
また、本実施の形態のように拡大通気部を凹部１７で形成する場合には、構造が簡単で輻射シールド８を容易に製造でき、かつ十分な通気路機能を果たすことができる。
【００３９】
上述のようにＨＭＣＺ法を用いることで、石英ルツボ３からシリコン融液４中に溶出する酸素を抑制してシリコン単結晶６中に取り込まれる酸素量を低減し、シリコン単結晶６の酸素濃度を低減するとともに、さらに輻射シールド８の２個の凹部１７はコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一方向になるように配設されているので、Ａｒがこのコイル５ａの中心を結ぶ直線Ｌと同一線上に集中し、磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン単結晶６の成長界面に輸送される途中の酸素をシリコン融液４外に効果的に放出する。すなわち、ＨＭＣＺ法とＡｒの効果的流れの相乗効果により低酸素濃度のシリコン単結晶６が得られる。
【００４０】
【実施例】
図６は従来の横磁界下シリコン単結晶引上装置および本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置により引き上げたシリコン単結晶の長さ方向（全長＝固化率１００％）の酸素濃度を比較したものである。本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置により引き上げたシリコン単結晶の酸素濃度はいずれの固化率（長さ位置）においても、従来の横磁界下シリコン単結晶引上装置により引き上げたシリコン単結晶の酸素濃度の約１／２程度に低減される。
【００４１】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置において、ＨＭＣＺ法によるシリコン融液の融液対流の制御によりシリコン単結晶中に取り込まれる酸素量を低減しシリコン単結晶の酸素濃度を低減するとともに、複数の不活性ガス通気用の拡大通気部を磁石のコイルの中心を結ぶ直線と同一方向になるように輻射シールドに配設し、不活性ガスがこの直線と同一線上に集中し、磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン単結晶の成長界面に輸送される途中の酸素をシリコン融液外に効果的に放出する。すなわち、ＨＭＣＺ法と不活性ガスの効果的流れの相乗効果により低酸素濃度のシリコン単結晶が得られる。また、本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置はＨＭＣＺ法の不活性ガス流れを改善し、磁界の方向と不活性ガスの流れの方向に相関関係を持たせたので、カスプ法のように高価な装置を必要とせず、またＦＺ法に比べ生産性もよく、大口径のシリコン単結晶を引き上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の横磁界下シリコン単結晶引上装置の概略図。
【図２】本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置の縦断面図。
【図３】図３の平面概略図。
【図４】（ａ）および（ｂ）は本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置に用いられる輻射シールドの平面図および側面図。
【図５】図２の要部拡大図。
【図６】従来および本発明に係る横磁界下シリコン単結晶引上装置により引き上げたシリコン単結晶の酸素濃度比較図。
【符号の説明】
１，１ｃ横磁界下シリコン単結晶引上装置
２炉本体
３石英ルツボ
４シリコン融液
５超伝導磁石
５ａコイル
６シリコン単結晶
６ａ種結晶
７ヒータ
８輻射シールド
９開口部
１０通気路
１１底部
１２排気口
１３フランジ部
１４円筒部
１５円錐部
１６底面部
１７拡大通気部
１８上端
１９傾斜面部
２０回転軸
２１シード軸
Ｌコイルの中心を結ぶ直線
Ａｒアルゴンガス
Ｇ磁界

Claims

炉本体を挟むように対向して炉本体の側面に配設された磁石を具備する横磁界下シリコン単結晶引上装置において、前記炉本体内のルツボ上方に設けられ炉本体内を流れる不活性ガスの流れを制御する輻射シールドと、この輻射シールドの外側面に沿って設けられ前記対向する磁石のコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配置された複数の拡大通気部と、この拡大通気部に前記ルツボの側方を通して連通され、炉本体に設けられた排気口とを有することを特徴とする横磁界下シリコン単結晶引上装置。
輻射シールドは円筒部と、この円筒部から伸長し截頭円錐形の円錐部と、この円錐部に設けられ単結晶引き上げ用の開口部を有する底面部と、円筒部と円錐部の外側面に一体に形成されかつコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配設された複数の不活性ガス流通用の拡大通気部からなることを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置。
複数の不活性ガス流通用の拡大通気部に各々対向して炉本体の底部に排気口を設けたことを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置。
磁石は２個の超伝導磁石であり、輻射シールドは炉本体内のルツボ上方に設けられ、円筒部とこの円筒部から伸長し截頭円錐形状の円錐部とこの円錐部の端部に設けられ単結晶が貫通する開口部を有する底面部とを有し、かつ不活性ガス流通用で対向するように設けられた２個の拡大通気部は円筒部と円錐部に一体に形成され、拡大通気部の一部が円筒部の上端から底面部に亘り傾斜する傾斜面部で構成される凹部であり、この凹部が炉本体の底部に設けられ対向する２個の超伝導磁石のコイルの中心を結ぶ直線と同一方向に配置された２個の排気口とそれぞれ対向することを特徴とする請求項１記載の横磁界下シリコン単結晶引上装置。