JP3788116B2

JP3788116B2 - 単結晶成長用多機能ヒーターおよび単結晶引上装置

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Publication number: JP3788116B2
Application number: JP21139499A
Authority: JP
Inventors: 森林符; 和浩原田; 一浩池澤; 久降屋
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-07-26
Also published as: JP2001039792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶引上装置に関し、特に、半導体融液を貯留するルツボを囲むように配置されて単結晶を成長させるためのヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する方法の一つとして、ＣＺ法が知られている。このＣＺ法は、大口径、高純度の単結晶が無転位あるいは格子欠陥の極めて少ない状態で容易に得られること等の特徴を有することから、様々な半導体結晶の成長に用いられている方法である。
【０００３】
ところで、近年、単結晶の大口径化、高純度化、酸素濃度および不純物濃度等の均一化の要求に伴いこのＣＺ法も様々に改良され実用に供されている。
上記ＣＺ法の改良型の一つにいわゆる二重ルツボを用いた連続チャージ型磁界印加ＣＺ法（以下、ＣＭＣＺ法と省略する）が提案されている。この方法は、外部からルツボ内の半導体融液に磁界を印加することにより、前記半導体融液内の対流を抑制し極めて酸素濃度の制御性がよく単結晶化率がよい単結晶を成長させることができ、外側のルツボと内側のルツボとの間に原料を連続供給し長尺の半導体単結晶を容易に得ることができる等の特徴を有する。したがって、大口径かつ長尺の半導体単結晶を得るには最も優れた方法の一つと言われている。
【０００４】
上記のＣＭＣＺ法を用いた一般的なシリコンの単結晶引上装置は、例えば特開平４−３０５０９１号公報に開示されているように、中空の気密容器であるチャンバ内に、半導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）を貯溜する二重ルツボ、ヒーター、原料供給管がそれぞれ配置され、前記チャンバの外部にマグネットが配置されている。
前記二重ルツボの内ルツボの上方かつ軸線上に配された引上軸にチャックを介して種結晶を吊下げ、引上軸をその軸線回りに回転させつつ引上げるとともに、二重ルツボを上昇させて、半導体融液上部において種結晶を核として半導体単結晶を成長させる。ヒーターは、半導体の原料をルツボ内で加熱・融解するとともに半導体融液を保温するもので、通常、抵抗加熱式のものが用いられる。
【０００５】
ここで、図５（ａ），（ｂ）に示すように、従来のヒーター４は、円筒状のカーボン製ヒーター本体４ａの互いに対向する部位に一対の電極１，２が固定されたものであり、ヒーター本体４ａには、その上端および下端より交互にスリット３ａ，３ｂが形成されている。１つの電源（不図示）により一対の電極１，２に電圧を印加すると、ヒーター本体４ａの電流通路は、矢印Ｘで示すように、上下にジグザグ状となり、効率的に発熱する。
【０００６】
なお、上記ＣＭＣＺ法による単結晶引上装置は、従来例の一例として挙げたものであり、後述する本発明は、ＣＭＣＺ法による単結晶引上装置に適用されるに限らず、例えば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（ＣＣＺ法）による単結晶引上装置や、二重ルツボではなく１つのルツボを備えた単結晶引上装置にも適用できる。また、単結晶についても半導体に限らず、例えば酸化物単結晶でもよい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のヒーターは、ヒーター本体への印加電圧を調節して発熱量を容易に制御できるものの、１つの電源により１つのヒーター本体への印加電圧を制御するために、ヒーターの上下方向（単結晶の成長軸方向）の温度分布を変えることができず、このため、近年のシリコン単結晶の大口径化に伴い、引上げた単結晶の品質を制御することが困難となるという問題点がある。
なお、電源および一対の電極を備えた小型なヒーターを複数個上下方向に配列して構成された多重ヒーターを採用することにより、この多重ヒーターの上下方向の温度分布を容易に調整できるが、その反面、電源および一対の電極を複数組必要な多重ヒーターは大型となり、結果的に、チャンバーの大型化等を招くという不具合が発生する。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、制御電源および一対の電極が１つで済んで大型化せず、かつ上下方向の所望の温度分布を容易かつ自由に設定できる単結晶成長用多機能ヒーターを提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、単結晶成長用多機能ヒーターを備えた単結晶引上装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の単結晶成長用多機能ヒーターは、一対の共通電極と、該一対の共通電極に、上下方向に並ぶように並列に連結された３つのリング状のヒーター構成体とを備え、
前記ヒーター構成体の上端および下端より交互にスリットが形成され、電流経路が上下にジグザグ状になっており、
前記３つのヒーター構成体において、成長させる単結晶の固液界面が下に凸な形状になるように、下ヒーター構成体、上ヒーター構成体、中ヒーター構成体の順にその発熱量が大きくなるよう各ヒーター構成体の電気抵抗が相違して設定され、
各ヒーター構成体の外径は同一になっており、前記ヒーター構成体の電気抵抗は、前記ヒーター構成体の高さ寸法、肉厚寸法および前記スリット数の少なくとも１つのパラメータにより、他のヒーター構成体の電気抵抗と相違するように構成されていることを特徴とする。
本発明の単結晶成長用多機能ヒーターは、単結晶引上装置の単結晶成長用ヒーターにおいて、一対の共通電極と、該一対の共通電極に、上下方向に並ぶように並列に連結された複数のリング状のヒーター構成体とを備え、前記複数のヒーター構成体の少なくとも２つのヒーター構成体の電気抵抗が相違しており、複数のヒーター構成体において、成長させる単結晶の固液界面が下に凸な形状になるように上方のヒーター構成体ほどその発熱量が大きく設定されていることを特徴とするものである。この単結晶成長用多機能ヒーターでは、複数のヒーター構成体の電気抵抗をぞれぞれ適宜設定することにより、複数のヒーター構成体の発熱量を決定し、上下方向の温度分布を設定できる。すなわち、各ヒーター構成体は共通電極に接続されているので、１つの電源により各ヒーター構成体に同一電圧が印加され、電気抵抗の大きいヒーター構成体ほど発熱量が小さくなる。なお、ヒーター構成体の電気抵抗はその高さ寸法や肉厚により設定できる。
【００１０】
本発明は、複数のヒーター構成体のうち上方のヒーター構成体ほどその電気抵抗が小さくなっていることにより、上方のヒーター構成体ほどその発熱量を大きく設定することにより、後述するようにピュアシリコンを成長させる際に好適なものとなる。ここで、ヒーター構成体を２つとすることにより、単結晶成長用多機能ヒーターが複雑化せず、コストが嵩まない。
【００１１】
本発明は、前記ヒーター構成体の上端および下端より交互にスリットが形成され、電流経路が上下にジグザグ状になっていることができる。ここで、各ヒーター構成体の外径は同一になっており、前記ヒーター構成体の電気抵抗は、前記ヒーター構成体の高さ寸法、肉厚寸法および前記スリット数の少なくとも１つのパラメータにより、他のヒーター構成体の電気抵抗と容易に相違させることができる。
【００１２】
また、本発明の単結晶引上装置は、気密容器と、前記気密容器内に設けられて半導体融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを囲むように設けられて、前記半導体融液を加熱するため本発明の単結晶成長用多機能ヒーターと、前記半導体融液より単結晶を引上げるための引上げ手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係わる、例えばＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装置の一例を示す断面図、図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１に示した本発明の結晶成長用多機能ヒーターの一実施形態の平面図および正面図、図３は図２（ｂ）に示した結晶成長用多機能ヒーターを便宜上周方向に展開した状態を示す模式図である。
【００１４】
先ず、シリコンの単結晶引上装置の一例について説明する。
図１に示すように、この単結晶引上装置１０１は、中空の気密容器であるチャンバ１０２内に二重ルツボ１０３、後述する本発明のヒーター１０４、原料供給管１０５がそれぞれ配置され、前記チャンバ１０２の外部にマグネット１０６が配置されている。
【００１５】
二重ルツボ１０３は、略半球状の石英（ＳｉＯ₂）製の外ルツボ１１１と、該外ルツボ１１１内に設けられた円筒状の仕切り体である石英（ＳｉＯ₂）製の内ルツボ１１２とから構成され、該内ルツボ１１２の側壁には、内ルツボ１１２と外ルツボ１１１との間（原料融解領域）と内ルツボ１１２の内側（結晶成長領域）とを連通する連通孔１１３が複数個形成されている。
【００１６】
この二重ルツボ１０３は、チャンバ１０２の中央下部に垂直に立設されたシャフト１１４上のサセプタ１１５に載置されており、前記シャフト１１４の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。そして、この二重ルツボ１０３内には半導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）１２１が貯留されている。
【００１７】
本発明の単結晶成長用多機能ヒーター１０４は、半導体の原料をルツボ内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液１２１を保温するもので、カーボン製の抵抗加熱式ヒーターである。単結晶成長用多機能ヒーター１０４については後で詳述する。なお、ヒーター１０４の詳細構造については後述する。原料供給手段としての原料供給管１０５は、その下端開口より、所定量の半導体の原料１１０を外ルツボ１１１と内ルツボ１１２との間の半導体融液１２１面上に連続的に投入するものである。
【００１８】
上記の原料供給管１０５から供給される原料１１０としては、例えば、多結晶シリコンのインゴットを破砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるいは、気体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結晶シリコンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ素（Ｂ）（ｐ型シリコン単結晶を作る場合）やリン（Ｐ）（ｎ型シリコン単結晶を作る場合）等のドーパントと呼ばれる添加元素がさらに供給される。また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合も同様で、この場合、添加元素は亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等となる。
【００１９】
上記の単結晶引上装置１０１により、内ルツボ１１２の上方かつ軸線上に配された引上軸１２４にチャック（不図示）を介して種結晶１２５を吊下げ、引上軸１２４（引上げ手段）をその軸線回りに回転させつつ引上げるとともに、シャフト１１４を介して二重ルツボ１０３を上昇させて、半導体融液１２１上部において種結晶１２５を核として半導体単結晶１２６を成長させる。
【００２０】
ところで、上記の単結晶引上装置では、特開昭６３ー３０３８９４号公報に記載されているように、単結晶を成長する前工程において、外ルツボ１１１に予め多結晶シリコン塊等の多結晶原料を融解させて半導体融液１２１を貯溜し、外ルツボ１１１の上方に配された内ルツボ１１２を、外ルツボ１１１内に載置して、二重ルツボ１０３を形成している。
【００２１】
このように多結晶原料を融解後に二重ルツボ１０３を形成するのは、多結晶原料を完全に融解して半導体融液１２１を得るために、ヒーター１０４によって外ルツボ１１１内の原料を単結晶成長温度以上の温度まで高温加熱する必要があり、この際に、予め内ルツボ１１２を外ルツボ１１１内に形成させていると、内ルツボ１１２に大きな熱変形が生じてしまうからである。
【００２２】
したがって、原料を完全に融解した後、ヒーター１０４による加熱をある程度弱めてから内ルツボ１１２を外ルツボ１１１に形成させることによって、初期原料融解保持時の高温加熱を避け、内ルツボ１１２の変形を抑制している。
【００２３】
また、内ルツボ１１２に形成された連通孔１１３は、原料供給時に、半導体融液１２１を外ルツボ１１１側から内ルツボ１１２内にのみ流入させるように一定の開口面積以下に設定されている。この理由は、結晶成長領域から半導体融液１２１が対流により原料融解領域に戻る現象が生じると単結晶成長における不純物濃度および融液温度等の制御が困難になってしまうためである。
【００２４】
次に、前記単結晶成長用多機能ヒーター１０４の詳細について説明する。
図２に示すように、このヒーター１０４は、カーボン製の一対の共通電極５ａ，５ｂと、この一対の共通電極５ａ，５ｂに、隙間Ｓをおいて上下方向に並ぶように並列に連結された複数（本例では３つ）のリング状カーボン製のヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃとを備え、ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの電気抵抗は互いに異っており、本例では６ｃ，６ａ，６ｂの順に大きくなっている。一対の共通電極５ａ，５に所望の電圧を印加するための制御電源（不図示）を備えている。なお、一対の共通電極５ａ，５ｂと各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃとを、一体成形としたり、あるいは例えばねじ止めや接着剤等により連結することができ、ねじ止めによる着脱式の場合には、ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃを交換したりその上下位置を変更できる。
【００２５】
各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの材質、外径Ｄおよび肉厚Ｔ（それぞれ図２（ａ）参照）は互いに同一で、高さ寸法Ｈや後述する各スリット７ａ，７ｂのピッチＰ等が相違するのみなので、再上方のヒーター構成体６ａを例に挙げて説明する。、ヒーター構成体６ａには、その上端および下端より交互に上下方向に延びるスリット７ａ，７ｂ（切り欠き）が形成され、スリット７ａ，７ｂのピッチＰは等しくなっている。前記制御電源（不図示）により一対の共通電極５ａ，５ｂに電圧（可変）を印加すると、ヒーター構成体６ａの電流通路は、矢印Ｙで示すように、上下にジグザグ状となり、効率的に発熱する。この発熱量は、印加電圧が一定の場合、ヒーター構成体６ａの電気抵抗に反比例する。したがって、本例では、各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの発熱量は６ｂ，６ａ，６ｃの順に小さくなる。
【００２６】
詳述すると、図３に示すように、ａ_i，ｂ_i，ｃ_i（Ｈ）の寸法を変更すれば、各ヒータ構成体６ａ，６ｂ，６ｃの発熱量を自由に設定できる。
すなわち、例えばヒータ構成体６ａの電気抵抗をＲ_i、印加電圧をＶ、制御電圧をＶ、印加時間をＴとすると、ヒータ構成体６ａの発熱量Ｑ_iは以下の式で表せる。
Ｑ_i＝Ｖ²／Ｒ_i×Ｔ
ここで、Ｒ_i＝ρ×｛（ｂ₁＋ｃ₁）×Ｌ／（ａ_i＋ｂ_i）｝／（ａ_i×ｔ）
ρはヒータ構成体（カーボン）の抵抗率、ｔはヒータ構成体６ａの肉厚、また直径Ｄのヒータ構成体６ａではＬ＝πＤ／２である。
したがって、各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの印加電圧Ｖは同一なので、Ｒ_iが小さいほど発熱量は多くなる。
【００２７】
以上のように、各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの電気抵抗を、その高さ寸法Ｈ、肉厚ｔおよびスリット数の少なくとも１つのパラメータにより、任意に設定できる。なお、本実施形態では、各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの肉厚ｔは同一になっている。
したがって、各ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの上下方向（単結晶の成長軸方向）の温度分布を自由に設定できるので、近年のシリコン単結晶の大口径化に伴う、引上げた単結晶の品質制御を容易に行える。
また、ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの上下の組み込み位置（配列順序）を変更することにより、ヒーター４の上下位置の温度分布が要求によって簡単に得られる。
さらに、制御電源（不図示）および一対の共通電極５ａ，５ｂが一組で済んで大型化せず、結果的に、チャンバ１０２および単結晶引上装置１０１（それぞれ図１参照）が大型化しない。
【００２８】
本実施形態のさらなる効果としては、固液界面の形状を制御できることである。すなわち、例えば、上方のヒーター構成体の発熱量を下方のヒーター構成体の発熱量よりも大きく設定することにより、固液界面を下に凸な形状にすることができる。
【００２９】
上記実施形態では、ヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの数は３つであるが、これに限らず、他の複数個でもよく、発熱量の大小関係も６ｂ，６ｃ，６ａの順に限らない。また、全てのヒーター構成体６ａ，６ｂ，６ｃの電気抵抗を相互に異らせることに限らず、少なくとも２つのヒーター構成体の電気抵抗を異らせることにより、上下方向の温度分布を設定してもよい。さらに、ヒーター構成体にスリットを形成せずに、高さ寸法Ｈのみによって電気抵抗を設定してもよい。
【００３０】
図４は本発明の単結晶成長用多機能ヒーターの他の実施形態の、図３と同様に周方向に展開した状態を示す模式図である。
このヒーター４０は、複数（本例では２つ）のヒーター構成体６０ａ，６０ｂを備え、上方のヒーター構成体６０ａの発熱量が下方のヒーター構成体６０ｂの発熱量よりも大きく設定されているものであり、特にピュアシリコン成長用に好適なヒーターである。なお、符号７０ａ，７０ｂはヒーター構成体６０ａ，６０ｂの上下端より形成されたスリットを示している。
【００３１】
詳述すると、ピュアシリコンについて、図１に示すように、固液界面上の半導体単結晶１２６の成長軸方向の温度勾配をＧ、半導体単結晶１２６の中心部と外周部との温度勾配Ｇの差をΔＧとすると、ΔＧが小さいほど、ＣＯＰ（Cryatal Originated Particle）等の成長時導入欠陥の発生を抑制可能であり、また、ＣＯＰを形成する空洞状欠陥が存在しないだけでなく、微小な転位欠陥等も無い、いわゆるピュアシリコンを成長することも可能である。したがって、高性能デバイス用のシリコン単結晶を製造可能となる。なお、ＣＯＰは、デバイス特性で重要な酸化膜耐圧やリーク特性を劣化させる原因となる。したがって、本実施形態のように複数のヒーター構成体のうち上方のヒーター構成体の発熱量ほど大きく設定することにより、ピュアシリコンを効果的に成長させることができる。なお、ヒーター構成体６０ａ，６０ｂは２つに限らず、その他の複数個により構成してもよい。
【００３２】
上記各実施形態では単結晶引上装置としてＣＭＣＺ法を採用したが、他の単結晶製造方法を適用しても構わない。例えば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（ＣＣＺ法）を採用したり、二重ルツボではなく１つのルツボを備えた単結晶引上装置でもよい。また、単結晶についても半導体に限らず、酸化物単結晶等を成長させるためのヒーターに本発明を適用してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したとおりに構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
本発明は、複数のヒーター構成体の電気抵抗をぞれぞれ適宜設定することにより、複数のヒーター構成体の発熱量を決定し、上下方向の温度分布を設定できる。すなわち、各ヒーター構成体は共通電極に接続されているので、１つの電源により各ヒーター構成体に同一電圧が印加され、電気抵抗の大きいヒーター構成体ほど発熱量が小さくなる。したがって、各ヒーター構成体の上下方向（単結晶の成長軸方向）の温度分布を自由に設定できるので、近年のシリコン単結晶の大口径化に伴う、引上げた単結晶の品質制御を容易に行える。また、制御電源および一対の共通電極が一組で済んで大型化せず、結果的に、チャンバおよび単結晶引上装置が大型化しない。
【００３４】
本発明は、複数のヒーター構成体のうち上方のヒーター構成体ほどその電気抵抗が小さくなっていることにより、上方のヒーター構成体ほどその発熱量を大きく設定することにより、ピュアシリコンを成長させる際に好適なものとなる。ここで、ヒーター構成体を２つとすることにより、単結晶成長用多機能ヒーターが複雑化せず、コストが嵩まない。
【００３５】
本発明は、前記ヒーター構成体の上端および下端より交互にスリットが形成され、電流経路が上下にジグザグ状になっているものである。ここで、各ヒーター構成体の外径は同一になっており、前記ヒーター構成体の電気抵抗を、前記ヒーター構成体の高さ寸法、肉厚寸法および前記スリット数の少なくとも１つのパラメータにより、他のヒーター構成体の電気抵抗と容易に相違させることができる。さらに、本発明は、上記効果を備えた単結晶引上装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる、例えばＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装置の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１に示した本発明の単結晶成長用多機能ヒーターの一実施形態の平面図および正面図である。
【図３】図２（ｂ）に示した単結晶成長用多機能ヒーターを便宜上周方向に展開した状態を示す模式図である。
【図４】本発明の単結晶成長用多機能ヒーターの他の実施形態の、図３と同様に周方向に展開した状態を示す模式図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来の単結晶引上装置のヒーターの平面図および正面図である。
【符号の説明】
５ａ，５ｂ，５０ａ，５０ｂ共通電極
６ａ，６ｂ，６ｃ，６０ａ，６０ｂヒーター構成体
７ａ，７ｂ，７０ａ，７０ｂスリット
１０１単結晶引上装置
１０２チャンバ
１０３二重ルツボ
１０４，４０単結晶成長用多機能ヒーター
１２１半導体融液
１２６半導体単結晶

Claims

単結晶引上装置の単結晶成長用ヒーターにおいて、
一対の共通電極と、該一対の共通電極に、上下方向に並ぶように並列に連結された３つのリング状のヒーター構成体とを備え、
前記ヒーター構成体の上端および下端より交互にスリットが形成され、電流経路が上下にジグザグ状になっており、
前記３つのヒーター構成体において、成長させる単結晶の固液界面が下に凸な形状になるように、下ヒーター構成体、上ヒーター構成体、中ヒーター構成体の順にその発熱量が大きくなるよう各ヒーター構成体の電気抵抗が相違して設定され、
各ヒーター構成体の外径は同一になっており、前記ヒーター構成体の電気抵抗は、前記ヒーター構成体の高さ寸法、肉厚寸法および前記スリット数の少なくとも１つのパラメータにより、他のヒーター構成体の電気抵抗と相違するように構成されていることを特徴とする単結晶成長用多機能ヒーター。
気密容器と、前記気密容器内に設けられて半導体融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを囲むように設けられて、前記半導体融液を加熱するため請求項１に記載の単結晶成長用多機能ヒーターと、前記半導体融液より単結晶を引上げるための引上げ手段と、を備えていることを特徴とする単結晶引上装置。