JP6287991B2 - Silicon single crystal growth equipment - Google Patents
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Description
本発明は、チョクラルスキー(CZ)法によるシリコン単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for growing a silicon single crystal by the Czochralski (CZ) method.
近年、デバイスの高集積化に伴い、シリコン単結晶ウェーハへの高品質要求が厳しくなっている。高品質要求とは、デバイスが動作するウェーハ表面近傍の欠陥が少ない、もしくは、無いことである。それらを達成できるウェーハとして、エピタキシャルウェーハ、アニールウェーハ、無欠陥結晶PW(ポリッシュドウェーハ)などがある。 In recent years, with high integration of devices, high quality requirements for silicon single crystal wafers have become strict. The high quality requirement means that there are few or no defects near the wafer surface where the device operates. Wafers that can achieve these include epitaxial wafers, annealed wafers, defect-free crystal PW (polished wafers), and the like.
一方で、低コスト化の要求もある。エピタキシャルウェーハやアニールウェーハは、PWに付加工程を加えるものであり、一般に高コストである。結晶成長中に欠陥を制御しながら育成した結晶を、ポリッシュ(研磨)した低欠陥/無欠陥結晶PWは、比較的低コストで高品質要求を満たすことが可能である。このため、Grown−in欠陥を低減した低欠陥結晶PWや、Grown−in欠陥を無くした無欠陥結晶PWの要求が強まっている。 On the other hand, there is a demand for cost reduction. Epitaxial wafers and annealed wafers add an additional process to PW and are generally expensive. A low defect / defect-free crystal PW obtained by polishing (polishing) a crystal grown while controlling defects during crystal growth can satisfy high quality requirements at a relatively low cost. For this reason, there is an increasing demand for low-defect crystals PW with reduced Grown-in defects and defect-free crystals PW with no Grown-in defects.
Grown−in欠陥は、点欠陥が結晶成長中に凝集して形成された欠陥である。点欠陥には、格子点のSi原子が欠落したVacancy(空孔)と、格子間にSi原子が入り込んだInterstitial−Si(格子間Si)の2種類が存在する。このGrown−in欠陥の形成状態には、単結晶の成長速度やシリコン融液から引上げられた単結晶の冷却条件により違いが生じる。例えば、成長速度を比較的大きく設定して単結晶を育成した場合には、Vacancyが優勢になることが知られている。このVacancyが凝集して集まったものはVoid欠陥と呼ばれ、検出のされ方によって呼称は異なるが、FPD(Flow Pattern Defect)、COP(Crystal Originated Particle)、あるいは、LSTD(Laser Scattering Tomography Defect)などとして検出される。これらの欠陥がシリコン基板上に形成される酸化膜に取り込まれると、酸化膜の耐圧不良の原因となると考えられている。 The Grown-in defect is a defect formed by aggregating point defects during crystal growth. There are two types of point defects: Vacancy (vacancies) in which Si atoms at lattice points are missing, and Interstitial-Si (interstitial Si) in which Si atoms enter between lattices. The formation state of the grown-in defect varies depending on the growth rate of the single crystal and the cooling conditions of the single crystal pulled from the silicon melt. For example, it is known that vacancy becomes dominant when a single crystal is grown at a relatively high growth rate. A collection of this vacancy is called a void defect, and the name differs depending on how it is detected. Detected as When these defects are taken into the oxide film formed on the silicon substrate, it is considered that the breakdown voltage of the oxide film is caused.
一方で、成長速度を比較的低速に設定して単結晶を育成した場合には、Interstitial−Si(以下I−Siと表記することがある)が優勢になることが知られている。このI−Siが凝集すると、転位ループなどがクラスタリングしたと考えられるLEP(Large Etch Pit;転位クラスタ欠陥)が検出される。この転位クラスタ欠陥が生じる領域にデバイスを形成すると、電流リークなど重大な不良を起こすと言われている。 On the other hand, when a single crystal is grown at a relatively low growth rate, it is known that Interstitial-Si (hereinafter sometimes referred to as I-Si) becomes dominant. When this I-Si aggregates, LEP (Large Etch Pit), which is considered to be a cluster of dislocation loops, is detected. It is said that when a device is formed in a region where this dislocation cluster defect occurs, a serious failure such as current leakage occurs.
そこで、Vacancyが優勢となる条件とI−Siが優勢となる条件との中間的な条件で結晶を育成すると、VacancyやI−Siが無い、もしくは、Void欠陥や転位クラスタ欠陥を形成しない程度の少量しか存在しない、無欠陥領域が得られる。このような無欠陥結晶の育成方法は、例えば、特許文献1に開示されている。具体的には、結晶成長界面での温度勾配Gと結晶成長速度Vとの比(V/G)を制御することで、無欠陥結晶が得られる。V/Gが大きければVacancy濃度が優勢となり、V/Gが小さいとI−Siが優勢になるので、Vacancy過剰量とI−Si過剰量が拮抗するV/Gに制御することで、点欠陥の過剰量を低減でき、Grown−in欠陥を成長させないようにしている。
Therefore, when the crystal is grown under an intermediate condition between the vacancy dominant condition and the I-Si dominant condition, there is no vacancy or I-Si, or no void defect or dislocation cluster defect is formed. A defect-free region that is present in only a small amount is obtained. Such a method for growing defect-free crystals is disclosed in, for example,
しかし、一般に、Grown−in欠陥を成長させないためには精密な制御が必要である上、成長速度も低速化してしまう。このため、一般に、コストは高いものとなってしまう。そこで、結晶の低コスト化が可能な高速で結晶を成長させてVoid欠陥を発生させ、これを消滅させる技術が開示されている。特許文献2には、結晶から切り出したウェーハを非酸化性処理後に酸化処理することで、ウェーハ表層近傍の酸素を外方拡散させた後、表面からI−Siを注入してVoid欠陥を埋める方法が開示されている。
However, in general, in order to prevent the growth of Grown-in defects, precise control is required, and the growth rate is also reduced. For this reason, the cost is generally high. Therefore, a technique is disclosed in which a void defect is generated by growing a crystal at a high speed capable of reducing the cost of the crystal, and this is eliminated.
Void欠陥は、Vacancyの集合体であるので、結晶の中に穴の開いたような欠陥である。この穴の内部には、内壁酸化膜と呼ばれる酸化膜が存在していることが知られている。上述の技術では、初めに非酸化性の熱処理を行い、酸素を外方拡散させて酸素濃度を低濃度とし、酸素不足の状態として内壁酸化膜を溶解している。内壁酸化膜が溶解した後に酸化処理を行い、表面に酸化膜を形成することで、I−Siを注入し、内壁酸化膜のないVoid欠陥の穴をI−Siで埋め戻すことで、Void欠陥を消滅させている。 Since the void defect is an assembly of vacancy, it is a defect with a hole in the crystal. It is known that an oxide film called an inner wall oxide film exists inside the hole. In the above-described technique, first, non-oxidizing heat treatment is performed, oxygen is diffused outward to reduce the oxygen concentration, and the inner wall oxide film is dissolved in an oxygen-deficient state. After the inner wall oxide film is dissolved, an oxidation process is performed, and an oxide film is formed on the surface, so that I-Si is injected, and void holes without the inner wall oxide film are filled back with I-Si. Has disappeared.
さらに、特許文献3には、低酸素濃度の場合、1200℃以下の酸化処理のみでVoid欠陥が消滅することが開示されている。低酸素であれば、その酸素濃度が平衡濃度となる温度よりも高い温度にすることで、酸素不足の状態になりVoid欠陥の内壁酸化膜が溶解する。そこに、酸化により表面から注入されたI−Siが到達して、Void欠陥が消滅することが開示されている。
Further,
さらに、特許文献4では、この技術を応用し、低酸素品ウェーハを酸化処理し、Void欠陥を消滅させている。しかし、これらの技術はいずれも結晶からウェーハを切り出した後、熱処理炉を用いて処理を行う技術である。これらの処理は、結晶成長とは別の工程なので、その分の付加コストがかかってしまい、結局は高コストになってしまうという問題点があった。 Further, in Patent Document 4, this technique is applied to oxidize a low-oxygen product wafer to eliminate void defects. However, all of these techniques are techniques in which a wafer is cut out from a crystal and then processed using a heat treatment furnace. Since these processes are steps different from the crystal growth, there is a problem that an additional cost is required and the cost is high.
また、特許文献5の請求項15には、「真性点欠陥の凝集が起こる温度より高い温度に維持しながらインゴットを酸素雰囲気に暴露する」ことが記載されている。しかし、具体的な方法には触れられておらず、請求項12等から、引上げ後に分離して酸化するものと推定される。つまり、結晶成長後に、インゴット熱処理を別に行なうことが主旨であり、結局は付加工程分のコストがかかってしまう。
Further,
上述してきたような酸化処理をもし仮に結晶育成時に行なうことが可能であれば、Grown−in欠陥を結晶育成と同時に消滅させる(もしくは発生させない)ことができる。 If the above-described oxidation treatment can be performed at the time of crystal growth, the grown-in defects can be eliminated (or not generated) at the same time as the crystal growth.
一般に、CZ炉内には炭素部品を多く使用している。この炭素部品を多く含むHZ(ホットゾーン)領域では、酸素が混入すると炭素材が酸化してしまい脆くなり、最終的には灰となってしまう。従って、高温で酸化雰囲気に炭素部品を晒すことは出来ない。このため、一般に、CZ法で酸素雰囲気を用いることはなく、先行技術として特許文献6−8がある程度である。 Generally, many carbon parts are used in the CZ furnace. In the HZ (hot zone) region containing many carbon parts, when oxygen is mixed, the carbon material is oxidized and becomes brittle, and eventually becomes ash. Therefore, carbon parts cannot be exposed to an oxidizing atmosphere at high temperatures. For this reason, in general, an oxygen atmosphere is not used in the CZ method, and Patent Documents 6-8 are to some extent as prior art.
特許文献6に開示された技術は、結晶成長前までルツボ内に酸化性ガスを導入するものであり、特許文献7では、酸素含有雰囲気CZ法でマランゴニ対流を確認しただけであり結晶は育成していない。特許文献8では、水素ガスを導入することを主目的としている。このように、一般的に、CZ法による単結晶育成装置のチャンバ内を酸素含有雰囲気にすることは、HZ領域の部品の劣化の面で、できることではない。
The technique disclosed in Patent Document 6 introduces an oxidizing gas into the crucible before crystal growth. In Patent Document 7, only the Marangoni convection is confirmed by the oxygen-containing atmosphere CZ method, and the crystal grows. Not. In
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、CZ法によるシリコン単結晶育成装置において、HZ領域の部品を劣化させることなく、育成するシリコン単結晶中の欠陥を制御することができるシリコン単結晶育成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a silicon single crystal growth apparatus using the CZ method, it is possible to control defects in a silicon single crystal to be grown without deteriorating components in the HZ region. An object of the present invention is to provide a silicon single crystal growth apparatus that can be used.
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、原料融液を収容するルツボ及び前記原料融液を加熱保温するヒータを格納するメインチャンバと、該メインチャンバの上部に連設され、成長したシリコン単結晶が引上げられて収容される引上げチャンバとを有したチョクラルスキー法によるシリコン単結晶育成装置であって、
前記シリコン単結晶育成装置は、前記シリコン単結晶の引上げ中に、前記引上げチャンバ側の雰囲気を第1ガスとするように、前記第1ガスを前記引上げチャンバ内に導入する第1ガス導入口と、前記第1ガス導入口の下方に設けられた第1ガス排出口とを有するものであり、かつ、
前記シリコン単結晶育成装置は、前記シリコン単結晶の引上げ中に、前記メインチャンバ側の雰囲気を前記第1ガスとは異なる第2ガスとするように、前記第2ガスを前記メインチャンバ内に導入する第2ガス導入口と、前記第2ガス導入口の下方に設けられた第2ガス排出口とを有するものであることを特徴とするシリコン単結晶育成装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention has grown at least as a main chamber for storing a crucible for containing a raw material melt and a heater for heating and maintaining the raw material melt, and an upper part of the main chamber. A silicon single crystal growing apparatus by the Czochralski method having a pulling chamber in which a silicon single crystal is pulled up and accommodated,
The silicon single crystal growing apparatus has a first gas introduction port for introducing the first gas into the pulling chamber so that the atmosphere on the pulling chamber side is set as the first gas during pulling of the silicon single crystal. A first gas discharge port provided below the first gas introduction port, and
The silicon single crystal growing apparatus introduces the second gas into the main chamber so that the atmosphere on the main chamber side is a second gas different from the first gas during the pulling of the silicon single crystal. There is provided a silicon single crystal growth apparatus having a second gas inlet and a second gas outlet provided below the second gas inlet.
このように、引上げチャンバ側の雰囲気を第1ガスとし、メインチャンバ側の雰囲気を第2ガスとすることができるシリコン単結晶育成装置であれば、シリコン単結晶育成装置のHZ領域の部品を劣化させずに、所望雰囲気で育成するシリコン単結晶中の欠陥を制御することができる。 Thus, if the silicon single crystal growth apparatus is capable of setting the atmosphere on the pulling chamber side as the first gas and the atmosphere on the main chamber side as the second gas, the components in the HZ region of the silicon single crystal growth apparatus are deteriorated. Without defects, defects in the silicon single crystal grown in a desired atmosphere can be controlled.
このとき、前記シリコン単結晶育成装置は、さらに、
育成するシリコン単結晶の周囲に設けられ、前記メインチャンバの天井部から下方に延設された円筒状の整流筒を有するものであることが好ましい。
At this time, the silicon single crystal growing apparatus further includes:
It is preferable to have a cylindrical rectifying tube provided around the silicon single crystal to be grown and extending downward from the ceiling of the main chamber.
このような整流筒を設けることにより、育成されるシリコン単結晶の周囲のガスの流れを制御し、原料融液から蒸発する酸化性シリコンガスを効果的に排出することができるとともに、第1ガスと第2ガスとの雰囲気を分離し易くなる。 By providing such a rectifying cylinder, the flow of gas around the grown silicon single crystal can be controlled, and the oxidizing silicon gas evaporated from the raw material melt can be effectively discharged, and the first gas And the second gas can be easily separated from each other.
このとき、前記シリコン単結晶育成装置は、さらに、
前記第1ガス排出口と前記第2ガス導入口の間に、ガス分離板、又はガス分離ブラシが設けられたものであり、
前記ガス分離板及び前記ガス分離ブラシは、石英材、炭素材、炭化珪素、高融点金属、及びセラミックスのいずれか一つ以上からなることが好ましい。
At this time, the silicon single crystal growing apparatus further includes:
A gas separation plate or a gas separation brush is provided between the first gas discharge port and the second gas introduction port,
The gas separation plate and the gas separation brush are preferably made of at least one of quartz material, carbon material, silicon carbide, refractory metal, and ceramics.
このようにガス分離板又はガス分離ブラシを設けることにより、第1ガスの雰囲気と第2ガスの雰囲気をさらに効果的に分離することができ、第2ガス導入口から導入された第2ガスが第1ガス排出口に吸い込まれるのを防ぎ、メインチャンバ側の雰囲気を確実に第2ガスとすることができる。また、ガス分離板及びガス分離ブラシが上記のような材料であれば、高温に晒されても安定であり、劣化が起こりにくくすることができる。 Thus, by providing the gas separation plate or the gas separation brush, the atmosphere of the first gas and the atmosphere of the second gas can be more effectively separated, and the second gas introduced from the second gas introduction port is Inhalation into the first gas discharge port can be prevented, and the atmosphere on the main chamber side can be reliably set to the second gas. In addition, if the gas separation plate and the gas separation brush are made of the materials as described above, they are stable even when exposed to high temperatures, and deterioration can hardly occur.
このとき、前記シリコン単結晶育成装置は、さらに、
前記第1ガス排出口と前記第2ガス導入口の間に、不活性ガスによるエアカーテンを形成する機構を有するものであることが好ましい。
At this time, the silicon single crystal growing apparatus further includes:
It is preferable to have a mechanism for forming an air curtain with an inert gas between the first gas discharge port and the second gas introduction port.
このように、エアカーテンを形成する機構を設ければ、第1ガス排出口と第2ガス導入口の間をより確実に分離し、第2ガスが第1ガス排出口に吸い込まれるのを防ぐことができ、メインチャンバ側の雰囲気を確実に第2ガスとすることができる。 Thus, if the mechanism for forming the air curtain is provided, the first gas discharge port and the second gas introduction port are more reliably separated, and the second gas is prevented from being sucked into the first gas discharge port. Therefore, the atmosphere on the main chamber side can be reliably set to the second gas.
このとき、前記第2ガスが不活性ガスであることが好ましい。 At this time, the second gas is preferably an inert gas.
このように第2ガスを不活性ガスとすれば、ヒータ、ルツボ、さらには、その他の炭素材部品等が酸化等により劣化することがなく、長時間使用することができる。 Thus, if the second gas is an inert gas, heaters, crucibles, and other carbon material parts are not deteriorated by oxidation or the like, and can be used for a long time.
このとき、前記第1ガスが酸化性ガスであることが好ましい。 At this time, the first gas is preferably an oxidizing gas.
このように、第1ガスを酸化性ガスとすることにより、引上げチャンバ側の雰囲気を酸化性ガスとすることができ、育成したシリコン単結晶の表面を酸化することにより、I−Siの注入などでGrown−in欠陥の制御を行うことができる。 In this way, by using the first gas as an oxidizing gas, the atmosphere on the pulling chamber side can be used as an oxidizing gas. By oxidizing the surface of the grown silicon single crystal, I-Si implantation or the like can be performed. The Grown-in defect can be controlled.
このとき、前記第1ガス排出口と同じ高さの前記シリコン単結晶の中心部の温度が、900℃以上1300℃以下となるものであることが好ましい。 At this time, it is preferable that the temperature of the central portion of the silicon single crystal having the same height as the first gas discharge port is 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
このような温度範囲であれば、効果的にGrown−in欠陥の制御を行うことができ、かつ、HZ領域の部品の劣化を抑制することができる。 Within such a temperature range, the grown-in defect can be effectively controlled, and deterioration of the components in the HZ region can be suppressed.
このとき、前記第1ガスは、酸素含有量が流量比で0.1%以上100%以下であり、酸素以外の成分は不活性ガスであることが好ましい。 At this time, it is preferable that the first gas has an oxygen content of 0.1% or more and 100% or less in a flow rate ratio, and components other than oxygen are inert gases.
このような酸素含有量の範囲であれば、育成するシリコン単結晶の表面を確実に酸化することができ、シリコン単結晶中の欠陥を制御することができる。 Within such a range of oxygen content, the surface of the silicon single crystal to be grown can be reliably oxidized, and defects in the silicon single crystal can be controlled.
以上のように、本発明によれば、シリコン単結晶育成後に追加の熱処理工程を必要とせず、かつ、HZ領域の部品の劣化も抑えつつ、育成するシリコン単結晶中の欠陥を制御することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to control defects in a grown silicon single crystal without requiring an additional heat treatment step after the growth of the silicon single crystal and suppressing deterioration of components in the HZ region. it can.
以下、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
上記のように、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶育成装置において、育成するシリコン単結晶の欠陥を制御することができるシリコン単結晶育成装置が求められている。 As described above, there is a demand for a silicon single crystal growing apparatus that can control defects in a silicon single crystal to be grown in a silicon single crystal growing apparatus using the Czochralski method.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶育成装置であって、
シリコン単結晶の引上げ中に、引上げチャンバ側の雰囲気を第1ガスとするように、第1ガスを引上げチャンバ内に導入する第1ガス導入口と、第1ガス導入口の下方に設けられた第1ガス排出口とを有するものであり、かつ、
メインチャンバ側の雰囲気を第1ガスとは異なる第2ガスとするように、第2ガスをメインチャンバ内に導入する第2ガス導入口と、第2ガス導入口の下方に設けられた第2ガス排出口とを有するものであることを特徴とするシリコン単結晶育成装置が、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention are silicon single crystal growth apparatuses based on the Czochralski method,
A first gas introduction port for introducing the first gas into the pulling chamber and a lower portion of the first gas introduction port so that the atmosphere on the pulling chamber side is the first gas during the pulling of the silicon single crystal. Having a first gas outlet, and
A second gas introduction port for introducing the second gas into the main chamber and a second gas provided below the second gas introduction port so that the atmosphere on the main chamber side is a second gas different from the first gas. It has been found that a silicon single crystal growth apparatus characterized by having a gas discharge port can solve the above-mentioned problems, and has completed the present invention.
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail as an example of an embodiment with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
まず、図1を参照して、本発明のシリコン単結晶育成装置について説明する。図1は、本発明のCZ法によるシリコン単結晶育成装置の一例を示す概略図である。図1では、CZ法によるシリコン単結晶育成装置100を例示したが、本発明は、磁場印加チョクラルスキー法(MCZ法)によるシリコン単結晶育成装置にも適用することができる。
First, referring to FIG. 1, a silicon single crystal growing apparatus of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus for growing a silicon single crystal by the CZ method of the present invention. Although FIG. 1 illustrates the silicon single
図1に示したシリコン単結晶育成装置100は、メインチャンバ1と引上げチャンバ2を備えている。メインチャンバ1内には、原料融液4を収容する石英ルツボ5、石英ルツボ5を支持する黒鉛ルツボ6、加熱ヒータ7、及び、断熱部材8等が格納されている。一方、引上げチャンバ2内には、成長したシリコン単結晶3が引上げられて収容される。
A silicon single
また、シリコン単結晶育成装置100は、育成されるシリコン単結晶3の周囲に設けられ、メインチャンバ1の天井部から下方に延設された、ガスの流れを制御する略円筒状の整流筒9を備える。さらに、シリコン単結晶3の引上げ中に、引上げチャンバ2側の雰囲気を第1ガスとするように、引上げチャンバ2の上部に、第1ガスを導入する第1ガス導入口10と、第1ガス導入口10から導入され、シリコン単結晶3の低温部の周囲を流下する第1ガスを、整流筒9中、もしくは整流筒9より上流で排気する第1ガス排出口12を備えている。
The silicon single
さらに、シリコン単結晶育成装置100は、シリコン単結晶3の引上げ中に、メインチャンバ1側の雰囲気を第1ガスとは異なる第2ガスとするように、第2ガスをメインチャンバ1内に導入する第2ガス導入口14と、第2ガス導入口14の下方で、メインチャンバ1の下部に設けられた第2ガス排出口15とを備える。
Furthermore, the silicon single
ここで、一般的なシリコン単結晶育成装置内のガスの流れを、図6を参照して説明する。 Here, the flow of gas in a general silicon single crystal growing apparatus will be described with reference to FIG.
図6は、従来のCZ法によるシリコン単結晶育成装置500の概略図である。シリコン単結晶育成装置500のチャンバ50の上部にはガス導入口51が設けられ、チャンバ50の下部にはガス排出口52が設けられている。そして、ガス導入口51からは所望のガスが供給され、ガス排出口52は真空ポンプ(不図示)により排気されている。チャンバ50内には、石英ルツボ55内にシリコンの溶融液である原料融液54があり、石英ルツボから溶出した酸素を含む原料融液54から酸化性シリコンガスが蒸発している。
FIG. 6 is a schematic view of a conventional silicon single
この酸化性シリコンガスには炉内の炭素部材を酸化して脆くするような強い酸化力はないが、炉外に排出しないと、炉内の炭素部品等に酸化シリコンとして堆積し、炭素部品が使用できなくなってしまう。そこで、ガス導入口51から導入された不活性ガスを結晶の周囲に流下し、さらに、石英ルツボ55内の原料融液54の表面上を流れ、ルツボ壁に沿って上昇し、加熱ヒータ57の脇を通過して、真空ポンプにつながれたガス排出口52へと導くガスの流れを形成している。この流れにより、酸化性シリコンガスを炉外に排出することが可能となっている。尚、遮熱部材58は、原料融液54からの輻射をカットするとともに、原料融液54の表面を保温している。
This oxidizing silicon gas does not have a strong oxidizing power that oxidizes and weakens the carbon members in the furnace, but if it is not discharged outside the furnace, it accumulates as silicon oxide on the carbon parts in the furnace. It can no longer be used. Therefore, the inert gas introduced from the
これに対し、図1に概略図を示した本発明のシリコン単結晶育成装置100では、原料融液4から蒸発する酸化性シリコンガスは第2ガス導入口14から供給された第2ガスと共に、メインチャンバ1の下部の第2ガス排出口15に導かれると共に、一部は第1ガス排出口12にも導かれる。その一方で、引上げチャンバ2の上部の第1ガス導入口10から供給された第1ガスは、第1ガス排出口12で排出される。これにより、加熱ヒータ7及び石英ルツボ5を格納したメインチャンバ1側の第2ガスの雰囲気と、引上げチャンバ2側の第1ガスの雰囲気とを異なった雰囲気とすることが可能となる。この様な構成の装置により、上述してきたような結晶欠陥の制御を行なうことができる。図1では整流筒の先端に遮熱部材が設置されていないが、遮熱部材が設置された構成ももちろん適用可能である。
On the other hand, in the silicon single
このとき、第1ガス排出口12は、図2(a)に示すような、リング状の管21に複数の孔22を均等間隔に設けた第1ガス収拾管11と接続され、引上げチャンバ2側の第1ガスの雰囲気を均等に収拾することを可能とする。また、第2ガス導入口14も、図2(b)に示すような、リング状の管25に複数の孔26を均等間隔に設けた第2ガス供給管13と接続され、メインチャンバ1内に第2ガスを均等に供給することを可能とする。
At this time, the first gas discharge port 12 is connected to a first
次に、本発明の他のシリコン単結晶育成装置について、図3を参照して説明する。 Next, another silicon single crystal growth apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に例示したシリコン単結晶育成装置100では、第1ガス排出口12(及び第1ガス収拾管11)と第2ガス導入口14(及び第2ガス供給管13)との間を離してあるが、設計によっては、図3に示したシリコン単結晶育成装置130の様に、第1ガス排出口32と第2ガス導入口34とが接近している場合もある。このような場合、両者の間を分離することによって、第2ガス導入口34から導入された第2ガスが、第1ガス排出口32に吸い込まれてしまうことを防ぐことができ、原料融液4から蒸発する酸化性シリコンガスの排気を問題なく行うことができる。具体的な分離手段としては、第1ガス排出口32と第2ガス導入口34との間に、図3に示したようなガス分離板36を設けることができる。尚、図3においては、第1ガス排出口32には第1ガス収拾管31が、第2ガス導入口34には第2ガス供給管33が接続されている。第1ガス収拾管31及び第2ガス供給管33は、図2(a)及び(b)に示したのと同様な構造を有している。
In the silicon single
また、図3に示したガス分離板36の代わりに、図4に示す本発明のさらに他のシリコン単結晶育成装置150のように、第1ガス排出口32と第2ガス導入口34の間に、ガス分離ブラシ37を設けた構造とすることもできる。ガス分離ブラシ37は、リング状部材の内側に繊維状の部材を配置してブラシのような構造としたものとすることができる。
Further, instead of the gas separation plate 36 shown in FIG. 3, between the first
このとき、これらの部材(ガス分離板36及びガス分離ブラシ37)は高温に晒されるので、高温で安定な石英材、炭素材、炭化珪素、及び、モリブデン、タングステン、チタンなどの高融点金属、さらには、窒化ボロン、アルミナなどの高温で安定なセラミックスなどを用いることが好ましい。さらに、酸化性の雰囲気に晒される部材については、使用温度と各材質の耐酸化特性を考慮して、酸化に強い材質を選別して用いることが好ましい。 At this time, since these members (the gas separation plate 36 and the gas separation brush 37) are exposed to high temperatures, quartz materials, carbon materials, silicon carbide, and high melting point metals such as molybdenum, tungsten, and titanium, which are stable at high temperatures, Furthermore, it is preferable to use ceramics that are stable at high temperatures such as boron nitride and alumina. Further, for the member exposed to the oxidizing atmosphere, it is preferable to select and use a material resistant to oxidation in consideration of the use temperature and the oxidation resistance characteristics of each material.
また、さらに他の分離手段として、第1ガス排出口32と第2ガス導入口34との間に、Ar等の不活性ガスによるエアカーテンを形成する機構を設けることもできる。具体的には、図5に示す、本発明のさらに他のシリコン単結晶育成装置170のように、リング状の管の内側に複数の孔を設け、シリコン単結晶3に向って不活性ガスを噴出するエアカーテン形成機構38を用いることができる。エアカーテン形成機構38は、図2に示したガス収拾管やガス供給管と同様に、リング状の管の内側に多数の孔を設けた構造とすることができるが、孔の間隔を小さくすると雰囲気の分離効果をより高めることができる。また、エアカーテン形成機構38は、ガス分離板36やガス分離ブラシ37と併用することもできる。
Further, as another separation means, a mechanism for forming an air curtain with an inert gas such as Ar may be provided between the first
次に、本発明のシリコン単結晶育成装置を稼働させるうえでの特徴について説明する。本発明のシリコン単結晶育成装置(100、130、150、170)では、単結晶引き上げ中に、加熱ヒータ7及び石英ルツボ5を格納するメインチャンバ1側のガス雰囲気を不活性ガスとすることが好ましい。このため、第2ガス導入口(14、34)からメインチャンバ1内に導入される第2ガスは、不活性ガスであることが好ましい。従来のCZ法による単結晶育成装置で用いられることの多いArガスのような不活性ガスであれば、加熱ヒータ7や石英ルツボ5、さらには、その他の炭素材部品等が酸化等により劣化することがなく、従来通り、長時間使用可能である。
Next, features for operating the silicon single crystal growth apparatus of the present invention will be described. In the silicon single crystal growth apparatus (100, 130, 150, 170) of the present invention, the gas atmosphere on the
また、引上げチャンバ2側の雰囲気を第1ガスとするように、第1ガス導入口10から引上げチャンバ2内に導入される第1ガスを、酸化性ガスとすることが好ましい。引上げチャンバ2側の雰囲気を酸化性ガス雰囲気とすることで、先に述べたようなI−Siの注入などによりGrown−in欠陥の制御を行なうことができる。
Moreover, it is preferable that the first gas introduced into the pulling
引上げチャンバ2側の第1ガスの雰囲気による欠陥の制御としては、酸化性ガスによるI−Siの注入の他に、窒素ガスやアンモニアガスなどの窒化性の雰囲気として、Vacancyを注入することも可能である。
As a defect control by the atmosphere of the first gas on the pulling
また、第1ガス排出口(12、32)と同じ高さのシリコン単結晶の中心部の温度が、900℃以上1300℃以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the temperature of the center part of the silicon single crystal having the same height as the first gas discharge port (12, 32) is 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
Grown−in欠陥は点欠陥の拡散によって形成される。このため、Void欠陥が形成されてしまう温度より高い温度でI−Siの注入を行なえば、Void欠陥そのものが形成されないので、より高温で第2ガスから第1ガスへ雰囲気を変えることが好ましい。しかしながら、炭素部材がある付近では不活性ガス雰囲気にしないと部品が劣化するので、結晶成長界面付近では不活性ガス雰囲気としたい。このとき、1300℃以下であれば、HZ領域の部品の劣化は生じにくい。従って、第1ガス排出口と第2ガス導入口の間での雰囲気の変更は1300℃程度より低温側が好ましい。 Grown-in defects are formed by the diffusion of point defects. For this reason, if the I-Si implantation is performed at a temperature higher than the temperature at which the void defect is formed, the void defect itself is not formed. Therefore, it is preferable to change the atmosphere from the second gas to the first gas at a higher temperature. However, if the inert gas atmosphere is not used in the vicinity of the carbon member, the parts deteriorate, so an inert gas atmosphere is desired in the vicinity of the crystal growth interface. At this time, if the temperature is 1300 ° C. or lower, the deterioration of components in the HZ region hardly occurs. Therefore, the change in the atmosphere between the first gas outlet and the second gas inlet is preferably on the lower temperature side than about 1300 ° C.
一方で、Grown−in欠陥の制御は点欠陥の拡散により行なわれる。従って、点欠陥の拡散係数が小さいと効果が低下する。点欠陥の拡散係数も報告によってばらつきはあるが、I−Siの拡散係数であれば、1300℃に比較して900℃では1〜3桁低下してしまう。従って、第1ガス排出口と同じ高さのシリコン単結晶の中心部の温度は点欠陥の拡散効果が十分に得られる900℃以上とすることが好ましい。このとき、例えば図1に示すように、整流筒9の口径を従来より大きくすることにより、第1ガス排出口12と同じ高さのシリコン単結晶の中心部の温度を900℃以上にすることができる。 On the other hand, control of the Grown-in defect is performed by diffusion of point defects. Therefore, the effect is reduced when the diffusion coefficient of point defects is small. Although the diffusion coefficient of point defects varies depending on reports, if it is an I-Si diffusion coefficient, it will decrease by 1 to 3 digits at 900 ° C compared to 1300 ° C. Therefore, it is preferable that the temperature of the central portion of the silicon single crystal having the same height as the first gas discharge port is 900 ° C. or higher at which a point defect diffusion effect can be sufficiently obtained. At this time, for example, as shown in FIG. 1, the temperature of the central portion of the silicon single crystal having the same height as the first gas discharge port 12 is set to 900 ° C. or more by increasing the diameter of the rectifying cylinder 9 as compared with the conventional one. Can do.
上述のように、Grown−in欠陥に関しては、第1ガス排出口(12、32)と同じ高さのシリコン単結晶の中心部の温度が、900℃以上1300℃以下とするのが好適である。しかし、対象となる欠陥がBMD(Bulk Micro Defect)のような酸素析出物の場合には、第1ガス排出口(12、32)と同じ高さのシリコン単結晶の中心部の温度は400℃以上900℃以下の比較的低い温度とすることができる。 As described above, with respect to the grown-in defect, it is preferable that the temperature of the central portion of the silicon single crystal having the same height as the first gas exhaust port (12, 32) is 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. . However, when the target defect is an oxygen precipitate such as BMD (Bulk Micro Defect), the temperature of the central portion of the silicon single crystal having the same height as the first gas discharge port (12, 32) is 400 ° C. The temperature can be set to a relatively low temperature of 900 ° C. or lower.
また、第1ガスは、酸素含有量が流量比で0.1%以上100%以下であり、酸素以外の成分は不活性ガスであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that oxygen content is 0.1% or more and 100% or less by 1st gas, and components other than oxygen are inert gas in 1st gas.
酸化する目的は、シリコン単結晶3の表面を酸化してI−Siを注入することである。酸化のためには、酸素濃度が高いほど効果がある。しかし、引上げチャンバ2側とメインチャンバ1側で雰囲気の切り替えを行っても、若干の酸化性ガスの漏れが生じる可能性があるので、炭素部材の劣化の面からは酸素濃度が薄いほうが好ましい。実際には、酸素濃度が低くてもシリコン単結晶3の表面の酸化は十分に起こった。従って、0.1%でも酸素が混ざっていれば、I−Siの注入による欠陥制御の効果が十分に発揮される。
The purpose of oxidation is to oxidize the surface of the silicon
また、I−Siを注入して、Void欠陥を発生させない、又は、消滅させるためには、Void欠陥が大きくならない条件でシリコン単結晶3を育成した方が、効果が現れやすい。シリコン単結晶3に窒素をドープすることで、Void欠陥を小さくする効果があるので、窒素をドープすることがより好ましい。窒素によるVoid欠陥縮小の効果がでる濃度としては、1×1011atoms/cm3以上が好ましいが、5×1015atoms/cm3を超えると固溶限に近づきシリコン単結晶3が有転位化してしまう。従って、シリコン単結晶3中の窒素濃度は、1×1011atoms/cm3以上5×1015atoms/cm3以下とすることが好ましい。
Further, in order to implant or eliminate the void defect by injecting I-Si, it is more effective to grow the silicon
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
(実施例1)
図1に示した本発明のシリコン単結晶育成装置100を用いて、シリコン単結晶3を育成した。このとき、結晶中心軸上の最大磁場強度が4000Gとなる様に水平磁場を印加した。第1ガス排出口12と第2ガス導入口14には、シリコン単結晶育成装置100の断面内のガス排出及び供給を均一化するため、図2(a)及び(b)に示したような、リング状の管(21、25)に複数の孔(22、26)を均等間隔に設けた第1ガス収拾管11及び第2ガス供給管13を設けてある。これらの第1ガス収拾管11及び第2ガス供給管13は水冷されたチャンバに密着しているので、管自体の温度は比較的低温に保たれている。そして、第1ガス供給口10からは酸素を3%含んだArガスを供給した。一方で、第2ガス導入口14からは100%Arガスを供給した。第1ガス排出口12に繋がる第1ガス収拾管11と同じ高さの結晶の中心部の温度は、総合伝熱解析ソフトFEMAGにて解析したところ、およそ1170℃であった。
Example 1
A silicon
このシリコン単結晶育成装置100を用いて、平均の結晶成長速度を約1.0mm/minとして、直径約10.5cmのシリコン単結晶を直胴部の長さ約100cmで育成した。操業後に確認したところ、炉内の炭素材部品が酸化されることはなかった。育成されたシリコン単結晶の酸素濃度は、約4×1017atoms/cm3(ASTM’79)であった。次に、この単結晶を輪切りにして、数箇所からウェーハ状のサンプルを切り出した。この各サンプルを平面研削した後、フッ酸、硝酸、酢酸からなる混酸でミラーエッチングした。さらに、フッ酸、硝酸、酢酸、水からなる選択性のあるエッチング液にサンプルを浸し、エッチングによる取り代が両側で25±3μmになるまで揺動せずに放置し、選択エッチングを行った。
Using this silicon single
その後、選択エッチングを行ったサンプルを光学顕微鏡にて観察した結果、FPDは各サンプルの中心部にのみ検出された。FPDが検出された直径はサンプルによって異なるが、3〜6cm程度であった。このことから、サンプルの周辺部から一定範囲のVoid欠陥が消滅したことが分かった。シリコン単結晶の引上げ工程において、点欠陥(I−Si)の拡散時間を延ばすように高温の熱履歴を工夫したり、より高温まで酸化したりといった条件のチューニングを実施すれば、全面のVoid欠陥を消滅可能と推察された。 Then, as a result of observing the sample which performed selective etching with the optical microscope, FPD was detected only in the center part of each sample. The diameter at which FPD was detected was about 3 to 6 cm, although it varied depending on the sample. From this, it was found that a certain range of void defects disappeared from the periphery of the sample. In the silicon single crystal pulling process, if the temperature history of high temperature is devised to extend the diffusion time of point defects (I-Si) or the conditions such as oxidation to higher temperatures are tuned, the void defects on the entire surface It was speculated that it could disappear.
(実施例2)
実施例1で用いた単結晶育成装置に図3に示したような、石英製のガス分離板36を装着した本発明のシリコン単結晶育成装置130を用い、また、単結晶中の窒素濃度が3×1013atoms/cm3から6×1013atoms/cm3の範囲となるように、窒素をドープしたことを除いては、実施例1と同じ条件でシリコン単結晶を育成した。単結晶育成後にガス分離板36を確認したところ、酸化性ガスに起因するような劣化は見られなかった。育成されたシリコン単結晶の直径、直胴部の長さ、酸素濃度の実績値も実施例1とほぼ同等であった。
(Example 2)
As shown in FIG. 3, the silicon single
このシリコン単結晶からサンプルを切り出し、実施例1と同様の処理を行った後、実施例1と同条件でFPD検査を行った。その結果、どの位置から切り出したサンプルも、面内の全てでFPDは検出されなかった。これは窒素ドープにより、Void欠陥成長が抑制された効果と酸化により、I−Siの注入効果の両方の効果が寄与したと考えられる。 A sample was cut out from this silicon single crystal, the same processing as in Example 1 was performed, and then the FPD inspection was performed under the same conditions as in Example 1. As a result, FPD was not detected in all of the samples cut out from any position. It is considered that both the effects of suppressing the growth of void defects by nitrogen doping and the effect of implantation of I-Si by the oxidation contributed.
(比較例1)
図6に示した従来のシリコン単結晶育成装置500を用いて、シリコン単結晶を育成した。このとき、結晶中心軸上の最大磁場強度が4000Gとなる様に水平磁場を印加し、雰囲気ガスはArガス100%とした。図1に示したシリコン単結晶育成装置100と比較して、シリコン単結晶育成装置500では、結晶成長界面での温度勾配が大きいので、V/Gが実施例1、2と同じになるように実施例1よりも速い、平均の結晶成長速度約1.2mm/minとして、直径約10.5cmの結晶を直胴部の長さ約100cmで育成した。このシリコン単結晶からサンプルを切り出し、実施例1と同様にしてFPD検査を行った。その結果、どの位置から切り出したサンプルも、面内の全てでFPDが検出された。エッチング時の治具やムラなどに起因して、最外周のFPD観察は正確性を欠くことがあるが、少なくとも、サンプルの外周から1.5cmまでの領域ではFPDが存在していることが確認された。
(Comparative Example 1)
A silicon single crystal was grown using the conventional silicon single
このように、本発明のシリコン単結晶育成装置を用いてシリコン単結晶の育成を行った場合、欠陥が全く検出されないか、又は、中心部のごく限られた領域のみに欠陥が発生していた。これに対し、従来のシリコン単結晶育成装置を用いてシリコン単結晶の育成を行った場合は、全面に欠陥が発生していた。 Thus, when the silicon single crystal was grown using the silicon single crystal growth apparatus of the present invention, no defects were detected or defects were generated only in a very limited region in the center. . On the other hand, when a silicon single crystal was grown using a conventional silicon single crystal growth apparatus, defects were generated on the entire surface.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
1…メインチャンバ、 2…引上げチャンバ、 3…シリコン単結晶、
4…原料融液、 5…石英ルツボ、 6…黒鉛ルツボ、 7…加熱ヒータ、
8…断熱部材、 9…整流筒、 10…第1ガス導入口、 11…第1ガス収拾管、
12…第1ガス排出口、 13…第2ガス供給管、 14…第2ガス導入口、
15…第2ガス排出口、 21…リング状の管、 22…孔、
25…リング状の管、 26…孔、 31…第1ガス収拾管、
32…第1ガス排出口、 33…第2ガス供給管、 34…第2ガス導入口、
36…ガス分離板、 37…ガス分離ブラシ、 38…エアカーテン形成機構、
50…チャンバ、 51…ガス導入口、 52…ガス排出口、 54…原料融液、
55…石英ルツボ、 57…加熱ヒータ、 58…遮熱部材、
100…シリコン単結晶育成装置、 130…シリコン単結晶育成装置、
150…シリコン単結晶育成装置、 170…シリコン単結晶育成装置、
500…従来のシリコン単結晶育成装置。
1 ... main chamber, 2 ... pulling chamber, 3 ... silicon single crystal,
4 ... Raw material melt, 5 ... Quartz crucible, 6 ... Graphite crucible, 7 ... Heater,
8 ... Insulating member, 9 ... Rectifying cylinder, 10 ... First gas inlet, 11 ... First gas collecting tube,
12 ... 1st gas discharge port, 13 ... 2nd gas supply pipe, 14 ... 2nd gas introduction port,
15 ... second gas discharge port, 21 ... ring-shaped tube, 22 ... hole,
25 ... Ring-shaped tube, 26 ... Hole, 31 ... First gas collection tube,
32 ... 1st gas discharge port, 33 ... 2nd gas supply pipe, 34 ... 2nd gas introduction port,
36 ... Gas separation plate, 37 ... Gas separation brush, 38 ... Air curtain formation mechanism,
50 ... Chamber, 51 ... Gas inlet, 52 ... Gas outlet, 54 ... Raw material melt,
55 ... quartz crucible, 57 ... heater, 58 ... heat shield,
100 ... Silicon single crystal growing device, 130 ... Silicon single crystal growing device,
150 ... Silicon single crystal growth apparatus, 170 ... Silicon single crystal growth apparatus,
500: A conventional silicon single crystal growing apparatus.
Claims (8)
前記シリコン単結晶育成装置は、前記シリコン単結晶の引上げ中に、前記引上げチャンバ側の雰囲気を第1ガスとするように、前記第1ガスを前記引上げチャンバ内に導入する第1ガス導入口と、前記第1ガス導入口の下方に設けられた第1ガス排出口とを有するものであり、かつ、
前記シリコン単結晶育成装置は、前記シリコン単結晶の引上げ中に、前記メインチャンバ側の雰囲気を前記第1ガスとは異なる第2ガスとするように、前記第2ガスを前記メインチャンバ内に導入する第2ガス導入口と、前記第2ガス導入口の下方に設けられた第2ガス排出口とを有するものであることを特徴とするシリコン単結晶育成装置。 A main chamber for storing at least a crucible for storing the raw material melt and a heater for heating and maintaining the raw material melt; and a pulling chamber connected to the upper portion of the main chamber to pull up and store the grown silicon single crystal A silicon single crystal growing apparatus by the Czochralski method,
The silicon single crystal growing apparatus has a first gas introduction port for introducing the first gas into the pulling chamber so that the atmosphere on the pulling chamber side is set as the first gas during pulling of the silicon single crystal. A first gas discharge port provided below the first gas introduction port, and
The silicon single crystal growing apparatus introduces the second gas into the main chamber so that the atmosphere on the main chamber side is a second gas different from the first gas during the pulling of the silicon single crystal. A silicon single crystal growth apparatus characterized by having a second gas inlet and a second gas outlet provided below the second gas inlet.
育成するシリコン単結晶の周囲に設けられ、前記メインチャンバの天井部から下方に延設された円筒状の整流筒を有するものであることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶育成装置。 The silicon single crystal growing apparatus further includes:
2. The silicon single crystal growing apparatus according to claim 1, wherein the silicon single crystal growing apparatus is provided around a silicon single crystal to be grown and has a cylindrical flow straightening tube extending downward from a ceiling portion of the main chamber. .
前記第1ガス排出口と前記第2ガス導入口の間に、ガス分離板、又はガス分離ブラシが設けられたものであり、
前記ガス分離板及び前記ガス分離ブラシは、石英材、炭素材、炭化珪素、高融点金属、及びセラミックスのいずれか一つ以上からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシリコン単結晶育成装置。 The silicon single crystal growing apparatus further includes:
A gas separation plate or a gas separation brush is provided between the first gas discharge port and the second gas introduction port,
3. The silicon according to claim 1, wherein the gas separation plate and the gas separation brush are made of any one or more of a quartz material, a carbon material, silicon carbide, a refractory metal, and ceramics. Single crystal growth equipment.
前記第1ガス排出口と前記第2ガス導入口の間に、不活性ガスによるエアカーテンを形成する機構を有するものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシリコン単結晶育成装置。 The silicon single crystal growing apparatus further includes:
4. The apparatus according to claim 1, further comprising a mechanism for forming an air curtain made of an inert gas between the first gas discharge port and the second gas introduction port. 5. The silicon single crystal growing apparatus described.
8. The first gas according to claim 1, wherein the first gas has an oxygen content in a flow rate ratio of 0.1% to 100%, and a component other than oxygen is an inert gas. The silicon single crystal growing apparatus according to the item.
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