JP4466175B2 - 石英ルツボ - Google Patents

Description

本発明は、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を引上げる装置に用いられ、そのシリコン単結晶を引上げるためのシリコン融液が貯留される石英ルツボに関するものである。

シリコン単結晶を育成する方法の一つとしてＣＺ法が用いられている。このＣＺ法は、先ず、多結晶シリコン原料を石英ルツボ内でシリコンの融点以上に加熱融解してシリコン融液とする。次いでこの石英ルツボに貯えられたシリコン融液に種結晶を浸す。種結晶が浸されその一部を融解した後に引上げを開始する。引上げ中、最初にネックと呼ばれる細い結晶部がインゴットへの転位成長を除くために育成される。次いでインゴットはネックから成長しその結晶径が徐々に増大する。最初にコーン部、続いて肩部が形成された後、一定の直径を有する直胴部が形成される。上記ステップを経ることにより円柱状のシリコン単結晶が育成される。

ＣＺ法における結晶成長の間、石英ルツボの内壁部はシリコン融液に接し、そして次の式（１）に示す反応の結果、徐々に溶解する。
ＳｉＯ₂ ＋ Ｓｉ → ２ＳｉＯ ………… （１）
シリコン融液に混入したＳｉＯの大半は、シリコン融液の自由表面からＳｉＯガスとして蒸発するが、一部がシリコン単結晶とシリコン融液の界面である固液界面からシリコン単結晶に取り込まれ不純物酸素の源となる。シリコン単結晶の引上げ初期段階では、シリコン融液と石英ルツボ内壁部が接触する面積が比較的広いため、シリコン融液に溶解する酸素濃度は非常に高い。しかし、結晶成長が進んで、シリコン単結晶が形成されるとシリコン融液の液面は下がり、シリコン融液と石英ルツボ内壁部の接触面積は引上げ初期段階と比べて小さくなる。融液とルツボの接触面積の減少は石英ルツボからシリコン融液に溶解する酸素量を減少させる。従って、十分に成長したシリコン単結晶は、その軸方向で不均一な酸素分布を示す。より詳しくは酸素濃度は、その測定が結晶のシード端部、結晶の中央部、又は結晶のテール端部でなされるかによって、変化する。

一方、シリコン融液に高濃度のＡｓ、ＰやＳｂ等の元素をドープして得られるＮ型シリコン単結晶は、パワーディスクリート市場（power discrete market）で用いられるエピタキシャルウェーハ（以下、エピウェーハという。）の出発原料として好都合であり、その生産量は増加傾向にある。良好なエピウェーハ基板に求められる本質的な２つの特性はそのバルクの抵抗率とその内部ゲッタリング能力である。ウェーハの内部ゲッタリング能力はこの結晶内部に増大した固有の酸素濃度に密接に関係している。Ｎ型シリコン単結晶のバルクの抵抗率とこうしたＮ型シリコン単結晶の酸素濃度との間には直接の相関関係があることが知られている。特定の結晶の抵抗率が低くなればなるほど、結晶構造に自然に取り入れられる酸素濃度は低くなる。この挙動の理由の一部は、ＡｓやＳｂのような元素が酸素化合物を形成しながら容易に融液表面から蒸発して融液中の酸素濃度を減少させることにある。例えば、融液中のＳｂは酸素と結合して酸素の溶解度を高め、一方で、Ｓｂ単体やＳｂ₂Ｏ等の形で蒸発する。その結果、Ｓｂが高濃度で含まれると、溶液中では酸素濃度が減少し、Ｓｂを高度にドープした結晶中に高度に酸素を取り込むことが難しくなる。このように、低抵抗率と高酸素濃度を同時に満たすＮ型シリコン単結晶を得ることが困難であった。

この点を解消するために、図９に示すように、グラファイトサセプタ１により支持されて設けられた石英ルツボ３の内部に石英からなるリング部材４を挿入し、ヒータ７により加熱されたシリコン融液６をそのルツボ３に貯留し、そのシリコン融液６からシリコン単結晶２を引上げることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、石英からなるリング部材４をシリコン融液６に浸漬させることにより、シリコン単結晶２の成長が進んでシリコン融液６の液面が下がった場合においても、そのリング部材４からシリコン融液６中に酸素を溶解させ、軸方向で均一な酸素分布を有するシリコン単結晶２を得ることができるものとしている。
米国特許第４，５４５，８４９号明細書

しかし、石英からなるリング部材４をシリコン融液６に浸漬させると、そのリング部材４はルツボ３の内底部に設置されシリコン融液６中にルツボ３の内底面から突出するような形となる。そして、このリング部材４からシリコン融液６中に融解する酸素の量はその温度に比例するけれども、ルツボ３の上昇に伴いヒータ７による加熱量が変化し、リング部材４からシリコン融液６中に融解する酸素の量も変化し、シリコン融液６中に酸素を均一に融解させることが困難であるという未だ解決すべき課題が残存していた。
本発明の目的は、シリコン単結晶引き上げ中のシリコン融液中に酸素を均一に融解させることのできるシリコン単結晶の引上げ装置における石英ルツボを提供することにある。

請求項１に係る発明は、図４に示すように、チャンバ１１内にグラファイトサセプタ１４により支持されて設けられシリコン単結晶２４を引上げるためのシリコン融液１２が貯留される石英ルツボ１３の改良である。
その特徴ある構成は、図６〜図８に示すように、石英ルツボの内底部にルツボ回転中心Ａを中心としかつ互いに所定の間隔をあけてそれぞれリング状の一対の凸条１３ｂ，１３ｃが形成され、一対の凸条１３ｂ，１３ｃの間にルツボ回転中心Ａを中心とするリング状の溝１３ｄである凹みが形成され、凹み１３ｄが凹み開口部Ｂが凹み内部Ｃより小さくなるように形成されたところにある。
この請求項１に記載された石英ルツボ１３では、凹み１３ｄに澱んだシリコン融液１２は特に加熱されて多くの酸素が溶け出すため、その酸素濃度は飽和状態となる。一方、図３及び図８に示すように、ルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２にはテイラープラウドマン（Taylor-Proudman）循環流Ｐが発生し、凹み１３ｄに澱むことにより酸素濃度が飽和状態になった凹み１３ｄ内部のシリコン融液１２はこの循環流Ｐにより上昇してシリコン単結晶２４に取り込まれる。即ち、シリコン単結晶２４の直胴部を形成する時に、酸素濃度の比較的高いシリコン融液１２が凹み１３ｄから循環流Ｐにより上昇してその単結晶２４に取り込まれ、酸素濃度の低下を抑制する効果が得られる。

また、凹みがリング状の溝１３ｄであるのでその加工が容易で、比較的安価に本発明の石英ルツボを得ることができる。

更に、図１及び図８に示すように、この請求項１に記載された石英ルツボでは、シリコン単結晶２４の直胴部を形成する時に、酸素濃度の比較的高いシリコン融液１２を凹み１３ｄから単結晶２４に取り込ませるとともに、その一対の凸条１３ｂ，１３ｃからもシリコン融液１２中に酸素を溶解させることができ、軸方向で均一な酸素分布を有するシリコン単結晶２４を得ることが可能になる。

また、図１、図７及び図８に示すように、凹み１３ｄが凹み開口部Ｂが凹み内部Ｃより小さくなるように形成するので、図８に示すように、シリコン融液１２が凹み１３ｄに澱む。凹み１３ｄに澱んだシリコン融液１２は特に加熱されて多くの酸素が溶け出すため、その酸素濃度は飽和状態となる。酸素濃度が飽和状態の凹み１３ａに澱んだシリコン融液１２を循環流Ｐより徐々に上昇させてシリコン単結晶２４に取り込ませることができ、シリコン単結晶２４の直胴部を形成する時の酸素濃度の低下を有効に抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、凹み１３ｄが引き上げられるシリコン単結晶２４をルツボ内底部に投影したときにその単結晶の直径Ｄに相当する径の範囲内で内底部に形成されたことを特徴とする。
この請求項２に記載された石英ルツボでは、酸素濃度が飽和状態となる凹み１３ｄ内部のシリコン融液１２を循環流Ｐに乗せてシリコン単結晶２４に有効に取り込ませることができ、酸素濃度の低下を更に有効に抑制することができる。

本発明の石英ルツボでは、内底部にルツボ回転中心を中心としかつ互いに所定の間隔をあけてそれぞれリング状の一対の凸条を形成し、この一対の凸条の間に凹みを形成したので、凹みにシリコン融液が澱み、この凹みに澱んだシリコン融液は特に加熱されて多くの酸素が溶け出してその酸素濃度は飽和状態となり、酸素濃度が飽和状態のシリコン融液はテイラープラウドマン循環流により上昇してシリコン単結晶に取り込まれる。従って、シリコン単結晶の直胴部を形成する時に、酸素濃度の比較的高いシリコン融液をその凹みから単結晶に取り込ませて酸素濃度の低下を抑制することができる。この凹みは、ルツボ回転中心Ａを中心とするリング状の溝であってルツボ回転中心を中心とする同心円状に配列される。

また、凹みを凹み開口部が凹み内部より小さくなるように形成するため、酸素濃度が飽和状態の凹みに澱み、この澱んだシリコン融液をその循環流より徐々に上昇させてシリコン単結晶に取り込ませることができる。更に、凹みが引き上げられるシリコン単結晶をルツボ内底部に投影したときにその単結晶の直径に相当する径の範囲内に形成すれば、酸素濃度が飽和状態となる凹み内部のシリコン融液をその循環流に乗せてシリコン単結晶に有効に取り込ませることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図４に示すように、シリコン単結晶引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯える石英ルツボ１３が設けられ、この石英ルツボ１３はグラファイトサセプタ１４により外周面及び外底面を包囲されて支持される。サセプタ１４は支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はルツボ駆動手段１７に接続される。ルツボ駆動手段１７は図示しないが石英ルツボ１３を回転させる第１回転用モータと、石英ルツボ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英ルツボ１３が所定の方向に回転し、かつ上下方向に移動できるようになっている。サセプタ１４の外周面はヒータ１８により包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲される。ヒータ１８は石英ルツボ１３に充填された高純度の多結晶シリコン原料を加熱融解してシリコン融液１２にする。

またチャンバ１１の上端の円筒状のケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英ルツボ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２３の下端には種結晶２６が取付けられる。シリコン単結晶２４の外周面と保温筒１９の内周面との間にはシリコン単結晶２４を包囲する円筒状の熱遮断部材２７が設けられる。この熱遮断部材２７はコーン部２７ａとフランジ部２７ｂからなり、このフランジ部２７ｂを保温筒１９に取付けることにより熱遮蔽部材２７が固定される。

参考の形態の構成は、図１及び図５に示すように、ルツボ１３の内底部にシリコン融液１２が澱むように凹み１２ａが形成される。この形態における凹み１３ａは、図１に詳しく示すように、ルツボ駆動手段１７によりそのルツボ１３が回転するルツボ回転中心Ａを中心としてルツボ１３の内底部に形成されたリング状の溝である。そしてこの凹み１３ａは、図１の拡大図に示すように、凹み開口部Ｂが凹み内部Ｃより小さくなるように形成され、図１の一点鎖線で示すように、引き上げられるシリコン単結晶をルツボ内底部に投影したときにその単結晶の直径Ｄに相当する径の範囲内で内底部に形成される。

このような構成のルツボを用いたシリコン単結晶の引上げ方法について説明する。
先ず高純度の多結晶シリコン原料を石英ルツボ１３に充填し、ヒータ１８でシリコンの融点以上に加熱融解してシリコン融液１２にする。次いで石英ルツボ１３に貯えられたシリコン融液１２に種結晶２６を浸し、種結晶２６そのものを融解した後にルツボ駆動手段１７によりそのルツボ１３を回転させ、その状態でワイヤケーブル２３を回転させながら引上げることにより円柱状のシリコン単結晶２４を育成する。このとき石英ルツボ１３はワイヤケーブル２３の回転と逆の回転をさせる。

融液１２が形成されるとき及び単結晶２４の直胴部が形成されるときに行うヒータ１８による加熱は、先ず石英ルツボ１３の温度がその加熱により上昇しその後シリコン融液１２に伝達される。このときの温度分布状態を図２に示す。図２から明らかなように、石英ルツボ１３がヒータ１８により先ず加熱されることから、その加熱された石英ルツボ１３の内底部に形成された凹み１３ａに澱んだシリコン融液１２は特に加熱されて多くの酸素が溶け出すため、その酸素濃度は飽和状態となる。

一方、図３に示すように、ルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２にはシリコン単結晶２４とルツボ１３が回転することから生じるテイラープラウドマン循環流Ｐ（以下、「循環流Ｐ」という。）が発生する。この循環流Ｐはシリコン単結晶２４の直径に相当するルツボ底部から上昇してルツボ１３の中央底部に向かって下降する対流である。一方、この循環流Ｐの外側におけるルツボ１３の周囲では、その内周部分から上昇しシリコン単結晶２４の径に相当する部分から下降する対流Ｇも生じる。従って、凹み１３ａに澱んで酸素濃度が飽和状態にあるシリコン融液１２は循環流Ｐより上昇してシリコン単結晶２４に取り込まれることになる。即ち、シリコン単結晶２４の直胴部を形成する時に、酸素濃度の比較的高いシリコン融液１２が凹み１３ａから循環流Ｐにより上昇してその単結晶２４に取り込まれ、酸素濃度の低下を抑制する効果が得られる。このルツボ１３を用いて形成したシリコン単結晶２４は、従来の方法の課題であったシード端部、直胴部及びテール端部それぞれの位置によって含まれる酸素濃度の不均一な分布を解消することができる。よって、ＡｓやＳｂでドープされたシリコン融液１２の酸素濃度の低下も抑制することができる。

図６に本発明の実施の形態を示す。図面中上述した参考の形態と同一符号は同一部品を示し、繰り返しての説明を省略する。
この実施の形態の特徴ある構成は、図６に示すように、内底部にルツボ回転中心Ａを中心としかつ互いに所定の間隔を開けてそれぞれリング状の一対の凸条１３ｂ、１３ｃが形成されたところにある。そして、一対の凸条１３ｂ，１３ｃの間に形成されたリング状の溝が、シリコン融液１２が澱む凹み１３ｄを形成する。そしてこの凹み１３ｄは、図７及び図８に示すように、凹み開口部Ｂが凹み内部Ｃより小さくなるように形成され、引き上げられるシリコン単結晶をルツボ内底部に投影したときにその単結晶の直径Ｄに相当する径の範囲内で内底部に形成される。

このような構成の石英ルツボ１３では、融液１２が形成されるとき及び単結晶２４の直胴部が形成されるときに行うヒータ１８による加熱は、先ず石英ルツボ１３の温度がその加熱により上昇しその後シリコン融液１２に伝達される。このときの温度分布状態を示す図７から、石英ルツボ１３はヒータ１８により先ず加熱され、その加熱された石英ルツボ１３の内底部に形成された一対の凸条１３ｂ，１３ｃが加熱される。従って、一対の凸条１３ｂ，１３ｃの間に形成された凹み１３ｄに澱んだシリコン融液１２は特に加熱されて多くの酸素が溶け出すため、その酸素濃度は飽和状態となる。

一方、図８に示すように、ルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２にはシリコン単結晶２４とルツボ１３が回転することから生じる循環流Ｐが発生する。従って、凹み１３ｄに澱んだ、酸素濃度が飽和状態にあるシリコン融液１２は循環流Ｐより上昇してシリコン単結晶２４に取り込まれ、酸素濃度の低下を抑制する。そして一対の凸条１３ｂ，１３ｃはシリコン融液１２中に突出するように形成されるため、一対の凸条１３ｂ，１３ｃからもシリコン融液１２中に酸素を溶解させることができ、軸方向で均一な酸素分布を有するシリコン単結晶２４を得ることが可能になる。

参考形態の石英ルツボの断面図である。 その石英ルツボがヒータにより加熱された場合の温度分布を示す断面図である。 その石英ルツボに貯留されたシリコン融液の対流を示す断面図である。 その石英ルツボを有する引き上げ装置の構成図である。 その石英ルツボを半分にした場合の斜視図である。 本発明実施形態の石英ルツボを半分にした場合の斜視図である。 その石英ルツボがヒータにより加熱された場合の温度分布を示す断面図である。 その石英ルツボに貯留されたシリコン融液の対流を示す断面図である。 従来の石英ルツボを有する引き上げ装置の構成図である。

符号の説明

１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１３ 石英ルツボ
１３ａ 溝（凹み）
１３ｂ，１３ｃ 凸条
１３ｄ 溝（凹み）
１４ サセプタ
２４ シリコン単結晶
Ａ ルツボ回転中心
Ｂ 凹み開口部
Ｃ 凹み内部
Ｄ シリコン単結晶の直径

Claims (2)

1. チャンバ(11)内にグラファイトサセプタ(14)により支持されて設けられシリコン単結晶(24)を引上げるためのシリコン融液(12)が貯留される石英ルツボ(13)において、
   前記石英ルツボの内底部にルツボ回転中心(A)を中心としかつ互いに所定の間隔をあけてそれぞれリング状の一対の凸条(13b,13c)が形成され、前記一対の凸条(13b,13c)の間にルツボ回転中心(A)を中心とするリング状の溝(13d)である凹みが形成され、
   前記凹み(13d)が凹み開口部(B)が凹み内部(C)より小さくなるように形成されたことを特徴とする石英ルツボ。
2. 凹み(13d)が引き上げられるシリコン単結晶(24)をルツボ内底部に投影したときにその単結晶の直径(D)に相当する径の範囲内で内底部に形成された請求項１記載の石英ルツボ。