JP3564740B2 - 結晶成長装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体材料に使用されるシリコン単結晶を成長させる結晶成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶成長方法には種々の方法があるが、その１つにチョクラルスキー（ＣＺ法）がある。図５はＣＺ法の実施に使用する従来の結晶成長装置を示す模式的縦断面図である。図中１は、チャンバ内に配置された坩堝であり、有底円筒状の石英製の内層保持容器１ｂと該内層保持容器１ｂを保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ａとにて構成されている。坩堝１の外側には抵抗加熱式のヒータ２が同心円状に設けられており、さらにその外側には黒鉛製の保温筒３が同心円状に配設されている。坩堝１内には所定重量の原料をヒータ２にて溶融させた溶融液１３が充填されている。
【０００３】
坩堝１の中心軸上方には、図中矢符方向に所定速度で回転する引上げ棒（又はワイヤ、以下両者とも引上げ棒と称する）５が垂設されており、引上げ棒５の下端には種結晶１１が種結晶ホルダ１０にて取り付けられている。坩堝１は引上げ棒５と同一軸心で逆方向或いは同方向に所定速度で回転する坩堝支持軸６にて支持されている。そして種結晶１１を溶融液１３に浸漬した後、引上げ棒５を回転させつつ上方へ引き上げることにより、溶融液１３を凝固せしめて単結晶１２を成長させる。
【０００４】
このようにして引き上げられた単結晶１２を使用して、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製造するが、近年、ＬＳＩのパターンの微細化及びチップ面積の増大に伴い、１枚のウエハから採取可能なチップ数を増大させるために、引き上げられる単結晶１２も大径化が進んでいる。
【０００５】
ところでＣＺ法にて製造された直径 １５０ｍｍを越えるウエハを使用してＭＯＳトランジスタ等の集積回路を作成した場合、そのゲート酸化膜の耐圧が、結晶の熱履歴、即ち冷却速度に大きく影響されることが分かっている。そこで例えば特開平５−２１３６９０号公報には、引上げられている単結晶１２の周囲にヒータを設けて結晶中心近傍と周辺部との温度勾配を縮小する結晶成長装置が開示されている。これにより点欠陥及び格子間酸素は周辺部へ拡散し結晶表面から外部へ放出するので、引上げ速度を大きくしても、引上げ速度が小さい場合と同様に酸化膜耐圧が優れた単結晶が得られる。
【０００６】
また結晶中の欠陥の一種である酸素誘起積層欠陥（ＯＳＦ）はデバイス特性を非常に劣化させるが、この欠陥の発生原因としても結晶の熱履歴が一因であると考えられている。特開平５−２２１７７３号公報には、冷媒を使用して単結晶１２の冷却速度を６００〜３５０℃の低温度領域では１．５〜２００℃／分に制御する結晶成長方法が開示されている。これによりシリコン単結晶中の酸素誘起積層欠陥の発生を防止し、酸素析出量を制御することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のように結晶を加熱又は冷却する場合、加熱手段を新たに備える必要があるため炉構造が複雑である、冷媒及び冷媒を供給する手段を備える必要があるという問題があり、また消費電力量も増加するため、生産コストの上昇も免れない。さらに結晶周囲に発熱体を設置した場合、結晶の観察，径制御が困難である上、溶融液１３から発生するＳｉＯを除去するために炉内に流す不活性ガスの流路が乱され、結晶が有転位化し易いという問題もある。
【０００８】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、チャンバの炉壁の輻射率を軸方向に変化させてあることにより、結晶の冷却速度を制御して良品質の結晶を成長させることが可能な結晶成長装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る結晶成長装置は、溶融液を充填するための坩堝と、該坩堝を収納する主チャンバと、該主チャンバの上方に連設されており、引き上げられた単結晶を収納する副チャンバとを備える結晶成長装置において、前記主チャンバの炉壁の輻射率を、前記副チャンバの炉壁の輻射率より小さくしてあることを特徴とする。
【００１０】
第２発明に係る結晶成長装置は、第１発明における主チャンバの炉壁の輻射率を０．３以下とし、副チャンバの炉壁の輻射率を０．７以上としてあることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明にあっては、溶融液が充填される坩堝を収容する主チャンバの炉壁の輻射率を、該主チャンバの引上げ軸方向の上方に連設された副チャンバの炉壁の輻射率よりも小さくしてあるので、主チャンバの内部では断熱効果が高まり下方チャンバ内温度、ひいては結晶温度が上昇する。従って溶融液から離脱した直後の冷却速度を低減せしめ、点欠陥及び格子間酸素の残留を抑制することができる。またこれによってヒータのパワーも低減せしめられ、消費電力量も低減する。
【００１２】
一方、副チャンバの内部では、炉壁の輻射率が大きくなしてあるので、結晶からの抜熱を促進し低温時の冷却速度を上昇せしめて、ＯＳＦの発生を抑制することができる。
【００１３】
前記主チャンバの炉壁の輻射率を０．３以下とし、前記副チャンバの炉壁の輻射率を０．７以上とすると効果的である。
また、例えばクロムメッキを施せば輻射率を小さくすることができ、酸化膜を形成すれば輻射率を小さくすることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明に係る結晶成長装置を示す模式的縦断面図である。図中１は、銅製の主チャンバ２０内に配置された坩堝であり、有底円筒状の石英製の内層保持容器１ｂと該内層保持容器１ｂを保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ａとにて構成されている。坩堝１の外側には抵抗加熱式のヒータ２が同心円状に設けられており、さらにその外側には黒鉛製の保温筒３が同心円状に配設されている。坩堝１内には所定重量の原料をヒータ２にて溶融させた溶融液１３が充填されている。
【００１５】
主チャンバ２０の上方には、主チャンバ２０より小径で同心円であり、銅製の副チャンバ２１が連設されている。坩堝１の中心軸上方には、図中矢符方向に所定速度で回転する引上げ棒（又はワイヤ、以下両者とも引上げ棒と称する）５が副チャンバ２１内を介して垂設されており、引上げ棒５の下端には種結晶１１が種結晶ホルダ１０にて取り付けられている。坩堝１は引上げ棒５と同一軸心で逆方向或いは同方向に所定速度で回転する坩堝支持軸６にて支持されている。そして種結晶１１を溶融液１３に浸漬した後、引上げ棒５を回転させつつ上方へ引き上げることにより、溶融液１３を凝固せしめて単結晶１２を成長させる。所定の長さに引き上げられた単結晶１２は副チャンバ２１内に収納され、その後取り出される。
【００１６】
主チャンバ２０の炉壁内面は、バフ研磨後にクロムメッキを施して輻射率を０．１以下とし、副チャンバ２１の炉壁内面は、熱処理により酸化膜を形成して輻射率を０．８としている。
【００１７】
以上の如き構成の結晶成長装置にて、多結晶シリコンを原料としリンを不純物として長さ１１００ｍｍの単結晶の引上げを行った。主な引上げ条件を以下に示す。
引上げ結晶 φ６インチＮ型シリコン
原料仕込み量 高純度多結晶シリコン６０ｋｇ
溶解方法 抵抗加熱式
炉内雰囲気 １０Ｔｏｒｒ，Ａｒ（４０リットル／ｍｉｎ）
石英坩堝サイズ φ ４００×高さ ３５０（ｍｍ）
ヒータサイズ 内径 ４６０×外径 ５０８×高さ １５０（ｍｍ）
保温筒サイズ 内径 ６００，外径 ８００（ｍｍ）
炉寸法 φ ８４５×高さ ６００（ｍｍ）
【００１８】
図２は副チャンバ２１の輻射率を０．８とした場合の、結晶軸方向における結晶温度分布を示すグラフであり、主チャンバ２０の炉壁の輻射率ε２０が ０．１， ０．５， ０．９である場合について示している。輻射率ε２０が大きいほど、結晶軸方向における結晶温度の差が大きい。
【００１９】
図３は主チャンバ２０の炉壁の輻射率を０．１とした場合の、結晶軸方向における結晶温度分布を示すグラフであり、副チャンバ２１の炉壁の輻射率ε２１が ０．１， ０．５， ０．９である場合について示している。輻射率ε２１が大きいほど、副チャンバ２１内において結晶温度が低くなっており、急冷されていることが判る。
図２，３より炉壁の輻射率により、結晶の熱履歴が制御されることが判る。
【００２０】
図４は主チャンバ２０の炉壁の輻射率とヒータのパワーとの関係を示すグラフである。ここでヒータは、炉内の温度が所望する値となるように自動的にそのパワーを制御するものとする。輻射率が小さいほど断熱効果が高まるために、結晶温度が上昇し、ヒータのパワーも低減せしめられている。
【００２１】
ヒータパワー，酸化膜耐圧良品率及びＯＳＦ密度について従来と本発明とを比較した結果を表１に示す。従来装置では、銅製の主チャンバは炉壁の輻射率を０．８であり、銅製の副チャンバは炉壁の輻射率を０．３である。表１より明らかな如く、本発明ではヒータパワーが約５％低減され、酸化膜耐圧良品率は７２％から８６％にまで上昇しており、ＯＳＦ密度は５５個／ｃｍ２ から５個／ｃｍ２ へ約１／１０となっている。
【００２２】
【表１】
なお本実施例では、主チャンバ２０にはバフ研磨後にクロムメッキを施し、また副チャンバ２１には熱処理により酸化膜を形成することにより、輻射率を変更しているが、その他の方法を使用して輻射率を変更してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る結晶成長装置は、主チャンバの炉壁の輻射率を、該主チャンバの引上げ軸方向の上方に連設された副チャンバの炉壁の輻射率よりも小さくしてあることにより、結晶の冷却速度を制御することが可能である。これにより主チャンバの内部では断熱効果が高まり冷却速度を低減せしめ、点欠陥及び格子間酸素の残留を抑制することができ、さらに消費電力量も低減することができる。また副チャンバの内部では輻射率が大きくなしてあるので、冷却速度を上昇せしめて、ＯＳＦの発生を抑制することができる。以上より新たな装置を炉内に新設することなく良品質の結晶を成長させることができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結晶成長装置を示す模式的縦断面図である。
【図２】図１に示す副チャンバの輻射率を０．８とした場合の、結晶軸方向における結晶温度分布を示すグラフである。
【図３】図１に示す主チャンバの輻射率を０．１とした場合の、結晶軸方向における結晶温度分布を示すグラフである。
【図４】図１に示す主チャンバの炉壁の輻射率とヒータのパワーとの関係を示すグラフである。
【図５】従来の結晶成長装置を示す模式的縦断面図である。
【符号の説明】
１ 坩堝
１ｂ 内層保持容器
１ａ 外層保持容器
２ ヒータ
３ 保温筒
５ 引上げ棒
６ 坩堝支持軸
１０ 種結晶ホルダ
１１ 種結晶
１２ 単結晶
１３ 溶融液
２０ 主チャンバ
２１ 副チャンバ
Claims (2)
- 溶融液を充填するための坩堝と、該坩堝を収納する主チャンバと、該主チャンバの上方に連設されており、引き上げられた単結晶を収納する副チャンバとを備える結晶成長装置において、前記主チャンバの炉壁の輻射率を、前記副チャンバの炉壁の輻射率より小さくしてあることを特徴とする結晶成長装置。
- 前記主チャンバの炉壁の輻射率を０．３以下とし、前記副チャンバの炉壁の輻射率を０．７以上としてある請求項１記載の結晶成長装置。
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|---|---|---|---|
| JP17451494A JP3564740B2 (ja) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | 結晶成長装置 |
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|---|---|---|---|
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| JPH0834696A JPH0834696A (ja) | 1996-02-06 |
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| JP17451494A Expired - Fee Related JP3564740B2 (ja) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | 結晶成長装置 |
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|---|---|---|---|---|
| US11634833B2 (en) | 2020-11-25 | 2023-04-25 | Sumco Corporation | Production method of monocrystalline silicon based on an emissivity of a production apparatus |
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1994
- 1994-07-26 JP JP17451494A patent/JP3564740B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2024153791A1 (en) | 2023-01-20 | 2024-07-25 | Freiberger Compound Materials Gmbh | Device and method for manufacturing aiii-bv - compound semiconductor single crystals as well as aiii-bv - compound semiconductor single crystal and wafer |
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