JPH0259494A - シリコン単結晶の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の
製造方法及び装置に関するものである。

［従来の技術］ チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造法は従
来から行なわれており、はぼ完成された技術となってい
る。

この技術は、周知のように石英製のるつぼに溶融したシ
リコン原料を入れ、種結晶をこの溶融面に接すると同時
に回転させながら徐々に引上げると、接触面の凝固と共
に結晶成長が行なわれ、円柱状の単結晶を得ることがで
きる。

このとき、目的に応じてシリコン単結晶をＰ型又はＮ型
の半導体にするため、溶融原料に適量のボロン、アンチ
モン、リン等のドープ材を混入している。しかしながら
、これらドープ材のシリコン単結晶への取り込まれ方は
一定でなく、下部はど濃度が高くなる。

また、上記のようにシリコン単結晶内に意識的に混入さ
せるドープ材以外に、製造上不可避的に混入する酸素や
炭素等の不純物の存在も大きい。

即ち、シリコン単結晶内に取込まれた酸素によって半導
体の特性や歩留りを向上させることができるので、シリ
コン単結晶の上部から下部まで均一に酸素が含まれてい
ることが望ましいが、一般に上部はど濃度が高くなる。

このため、ドープ材の濃度が低く酸素の濃度が高いシリ
コン単結晶の上部を基準にしてシリコン単結晶を製造し
ている。

ところが、シリコン単結晶の引上げが進むにしたがって
るつぼ内の溶融原料の液面が低下し、かつ溶融液面の温
度が変化するため、るつぼ内の溶融原料はドープ材の濃
度が高くなり、酸素の濃度が低くなる。そのため引上げ
られて成長するシリコン単結晶の中に存在するドープ材
が次第に増加し、酸素は減少するため、製造されたシリ
コン単結晶の品質が引上げ方向に沿って変動するという
問題があった。

このようなドープ材と酸素の偏在により、成分に関する
仕様が厳しい場合には、使用に耐えうるウェハーの歩留
りが５０％以下のこともある。

このような問題を解決する効果的な方法として、シリコ
ン原料をるつぼに連続的又は間欠的に供給して、溶融原
料の液面を一定に保持する方法が知られている。このよ
うに、シリコン原料を連続的又は間欠的に供給しながら
シリコン単結晶を引上げる方法に、例えば特開昭５６−
８４３９７５号公報や特開昭５Ｅｉ−１８４０９７号公
報に開示された発明がある。

前者の発明は、るつぼ内の原料溶融液に、この溶融液と
同一成分の溶融液から引上げた単結晶で、かつ育成目的
とする単結晶と同一形態の原料インゴットを゛一定速度
で挿入しつつ単結晶を製造する方法に関するものである
。

また、後者の発明は、保温筒外から粉末試料供給筒を保
温筒内に挿入し、粉末試料供給筒の先端に粉末試料を一
旦貯蔵して溶融し、その融液をるつぼ内に間欠的に供給
するための融液供給器を備えた単結晶引上げ装置に関す
るものであるが、これらはいずれも技術的に問題があり
、いまだ実用化に至っていない。

ところで、最近では、高品質の粒状多結晶シリコンが製
造できるようになり、この粒状シリコンを連続的かつ一
定量ずつ溶融原料に供給することは特開昭５８−１７２
２８９号公報に見られるように比較的容易であると考え
られている。しかし、粒状シリコンが溶融原料の表面に
落下した際、この粒状シリコンを起点として凝固が始ま
るため、この方法により粒状シリコンを連続的に供給し
、単結晶を育成することは原理的に不可能である。落下
した粒状シリコンから凝固が始まるのは、（イ）単結晶
引上げ時の液温は、その原理からして明らかなように融
点直上であること、（ロ）シリコンは固体の方が液体よ
り比重が軽いので、粒状シリコンが液面に浮かぶこと、
（ハ）シリコンの放射率は、液体よりも固体の方が大き
いこと、 による。すなわち、凝固点直上のシリコン融液面上に粒
状シリコンが浮かび、それから放射熱として熱がどんど
ん放散されるため、浮上した粒状シリコンの周りに凝固
が発達するためである。さらに粒状シリコンの落下時に
発生する波紋も問題になる。

一方、酸化物半導体分野では特開昭５６−８８８９８号
公報や特開昭５８−３６９９７号公報に開示されたよう
な発明もある。これらの発明によれば、引上げる結晶の
径が小さいため、小形の二重式の金属るつぼが使え、誘
導加熱により直接二重るつぼを加熱することができ、る
つぼ間の融液の凝固を防止でききる。しかし、シリコン
単結晶の場合は、引上げる単結晶が大直径であり高価と
なること、また、汚染を生ずることから金属るつぼは使
えず、通常高純度石英るつぼを使用している。従って、
このような誘導加熱方式はシリコン単結晶の製造には使
用できない。

また、特開昭５８−１１０１９５号公報に開示された発
明は、石英でできた二重構造るつぼを使用したもので、
−見原料溶解部の凝固に対しては問題ないように見える
が、後述する刊行物（特開昭６２−２４１８８９号公報
、Ｐ２、「発明が解決しようとする問題点」の１２行目
〜１６行目）で指摘されているとおり、内側るつぼの融
液表面との接触部からの凝固の問題は依然として解決さ
れていない。しかも、この発明に係る二重構造るつぼで
は、内るつぼの外側の融液と外るつぼとが接する面積は
金融液と外るつぼとが接する面積の９０％近くにも達し
ていると推察され、ヒータからの熱の大半は内るつぼの
外側の融液に直接的に入るため、直径の大きなシリコン
単結晶を引上げる場合、内るつぼ内の温度を上げること
が困難になる。これを無理して単結晶育成温度まで上げ
、かつ前述した内るつぼの融液表面との接触部からの凝
固を防止するには、膨大な熱量すなわちヒータ電力を必
要とし、実用的ではない。さらにこの発明では、シリコ
ン原料の供給管が内側るつぼと外側るつぼとの間に挿置
されているため、結果として原料の供給は内るつぼの外
側の融液に浸漬された供給管によって行なわれるが、こ
のような供給方法であると、シリコン原料は融液面で瞬
時には溶解しないため、原料は高温にはなるが固体のま
ま供給管内に堆積される。−旦堆積が起こると、原料ど
うしおよび原料と供給管内壁とで焼結状態となり、それ
以後の原料供給は不可能となるといった問題もある。以
上の理由により、この発明は未だに実用化に至っていな
い。

上記の発明（特開昭５８−１３０１９５号）を改良した
ものに特開昭６３−９５１９５号公報に開示された発明
がある。この発明は、リング状の仕切りによりるつぼ内
を結晶成長部と原料溶解部とに仕切り、原料溶解部に粒
状原料を投入しながら結晶成長を行なうように構成した
ものである。特開昭５８−１３０１９５号の発明を改良
した点は、投入された原料の凝固を防止し溶解を促進す
るために、るつぼの底部に環状の第２のヒータを設置し
たところにある。しかしながら、この発明においても仕
切りの内側の融液表面との接触部からの凝固の問題は解
決されていない。

前記の発明（特開昭５８−１３０１９５号及び特開昭６
３−９３１９５号）と類似のもとして、実開昭５９−１
４１５７８号公報、特開昭８２−２４１８８９号公報に
開示された発明及びＡｎｎ、　Ｒｅｖ、　Ｍａｔｅｒ、
　Ｓｃｉ、　Ｌ９８７．　Ｖｏｌ、　１７　。

Ｐ２７３〜２７９の論文に紹介された発明がある。上記
第１の考案（実開昭５９−１４１５７８号）は、融液内
にリング状の物体を浮かべたものである。しかしながら
この発明は、浮遊リングの下部において、単結晶引上げ
部と粒状原料供給部との間に融液の対流があり、浮遊リ
ングの外側の温度は原理的に単結晶引上げ部とほぼ等し
い融点直上になる。したがって、液面に浮かんだ粒状シ
リコンからの凝固の進行という基本問題はなんら解決さ
れていない。

また、第２の発明の明細書（特開昭６２−２４１８８９
号公報の第２頁、発明が解決しようとする問題点１２行
目〜１６行目）で指摘されている浮遊リングからの凝固
の進行という問題点は解決されておらず、波紋の問題が
解決されたに過ぎない。

一方、第２の発明（特開昭８２−２４１８８９号）は、
るつぼの外側面に沿って、るつぼに設けた透孔を介して
るつぼ内にシリコン原料を供給する垂直樋を設けたもの
である。しかしながら、垂直樋の原料溶解部の容量が小
さいため、融解潜熱の非常に大きいシリコン原料を連続
的に供給した場合には溶解しきれなくなる。また、透孔
が湯面に近いため濃度の違う融液が対流に乗って単結晶
界面にストレートに移動してしまい、濃度変動を起し易
く、高品質の結晶成長が阻害される。さらにこの発明は
、加工費がきわめて高価な石英るつぼの加工を必要とす
るためコストアップを招来する。

さらに、前記の論文（Ａｎｎ、　Ｒｅｖ、　Ｍａｔｅｒ
、　５ｃｉ１９８７　Ｖｏｌ。１７．　Ｐ２７３〜２７
９）に紹介された発明は、二重るつぼと固定式及び浮遊
式の仕切りリングを使用するものであるが、やはり仕切
りリングからの凝固の問題は解決していない。

また、特開昭６１−３８１９７号公報に開示された発明
は、るつぼを仕切りリングで仕切り、周辺の原料溶解部
の上方のみに保温カバーを設けて原料溶解部の温度を高
くし、原料の溶解を促進しようとするものである。しか
しながら、この発明は原料溶解部のみを保温することを
目的としたものであり、仕切りリングの内側がシリコン
単結晶の引上げ中に冷却されて、仕切りリングより凝固
が開始するという問題は依然として解決されていない。

［発明が解決しようとする課題］ 前記のような従来技術を基に、粒状シリコンを連続的か
つ直接るつぼ内に供給しながら単結晶を引上げる場合、
次のような問題がある。

（１）シリコン単結晶引き上げ中は、融液温度はシリコ
ン融点にかなり近い温度となっているが、この状態のと
ころに常温近くの粒状シリコンを仕切り部の外側に連続
的に供給すると、粒状シリコンは溶解しきれず固体のま
ま融液表面に浮かび、それを核として融液が凝固成長し
てしまう。

（２〉粒状シリコンの溶解部と単結晶引上げ部とを仕切
る場合、伝熱でいわれているフィン効果及びシリコン融
液よりも放射率が高いことから、この仕切り部から凝固
が発生し易すく、−旦凝固が発生すると成長し続け、健
全なシリコン単結晶の育成が阻害される。

［発明の目的］ 本発明は、上記の課題を解決し目的を達成するためにな
されたもので、溶融原料が入れられたるつぼ内に粒状又
は小塊状のシリコン原料を連続的に供給するようにした
シリコン単結晶の製造方法において、仕切り部からの凝
固を抑えてシリコン単結晶の育成を阻害せずに粒状又は
小塊状のシリコン原料を確実に溶解させ、引上げ方向の
ドープ材濃度及び酸素濃度がほぼ一定のシリコン単結晶
を製造することのできる方法及び装置を得ることを目的
としたものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の目的を達成するためになされたもので
、溶融シリコンが入れられたるつぼを該溶融シリコンが
静かに移動しうるように内側の単結晶育成部と外側の原
料溶解部とに仕切り、該原料溶解部にシリコン原料を連
続的に供給しながら前記単結晶育成部からシリコン単結
晶を引上げる方法において、前記原料溶解部と仕切りの
上方に両者を覆うように配設されたはシリング状の発熱
体を加熱して前記原料溶解部の溶融液温度を少なくとも
シリコンの融点より１２℃以上高く保持すると共に、前
記仕切りの温度を前記単結晶育成部の溶融温度より高く
保持するようにしたシリコン単結晶の製造方法。及び、
この方法を実施するための、 るつぼを前記溶融シリコンが静かに移動しうるように小
孔が貫設された仕切り部材で内側の単結晶育成部と外側
の原料溶解部とに仕切り、該原料溶解部にシリコン原料
を連続的に供給しながら前記単結晶育成部からシリコン
単結晶を引上げる装置において、前記原料溶解部と仕切
り部材の上方に両者を覆うようにほゞリング状の発熱体
を配設したシリコン単結晶の製造装置を提供するもであ
る。

〔作　用］ 先ず、発熱体又はるつぼを上方又は下方に移動させてる
つぼ内に原料をチャージする。ついでヒータによりるつ
ぼ内の原料を加熱溶解して再び加熱体又はるつぼを移動
させ、発熱体を仕切り部材の上方に近接して位置させ、
発熱体により仕切り部材を加熱すると共に原料溶解部の
溶融液を加熱してその溶融液面の温度をシリコンの融点
より１２℃以上高温に保持する。この状態で単結晶育成
部からシリコン単結晶を引上げると共に、原料溶解部に
シリコン原料を供給する。原料溶解部に供給されたシリ
コン原料は仕切り部材の近傍で凝固することなく溶解さ
れ、仕切り部材の小孔から単結晶育成部に移動し、仕切
り部材の内外の溶融液面を常に一定に保持する。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の実施例を模式的に示した断面図、第２
図はそのＩ−Ｉ断面図である。図において、１は石英る
つぼで、黒鉛るつぼ２の中にセットされており、黒鉛る
つぼ２はベデイスタル３上に上下動及び回転可能に支持
されている。４はるつぼ１内に入れられた溶融原料で、
これから柱状に育成されたシリコン単結晶５が引上げら
れる。

６は黒鉛るつぼ２をとり囲むヒータ、７はこのヒータ６
をとり囲むホットゾーン断熱材、１８は黒鉛るつぼ２の
下部に設けた底部ヒータで、温度制御性の向上を目的と
するものであるが、省略してもよい。これらはチャンバ
ー８内に収容されており、以上は通常のチョクラルスキ
ー法によるシリコン単結晶の製造装置と基本的には同じ
である。

１１は高純度の石英からなり、るつぼ１内にこれと同心
的に配設された仕切り部材で、第３図にその一例を示す
ように高さ方向のほぼ中央部から下の領域には、１個又
は数個の微小小孔１２が貫設されている。この仕切り部
材１１は、原料のチャージ時に一緒にるつぼ１の中にセ
ットされ、原料の溶融後はシリコン単結晶５をとり囲む
ように溶融液４内に配設されており、上縁部は溶融液面
から僅かに露出している。また、下縁部はるつぼ１にほ
とんど融着した状態となり、浮き上ることはない。

したがって、仕切り部材１１の外側（以下原料溶解部Ｂ
という）の溶融液は微小小孔１２を介してのみ静かに内
側（以下単結晶育成部Ａという）に移動できるだけのた
め、原料溶解部Ｂと単結晶育成部Ａとを十分に仕切るこ
とができる。

１７は例えば電気抵抗加熱による黒鉛製の発熱体で、後
述のシリコン原料のチャージ時にはるっぽ１の上方に移
動させるか、またはるっぽ１を上下に移動させることに
よりチャージを容易にし、シリコン原料が溶融した時点
でこの発熱体１７を下方に移動させるか、又はるつぼ１
を上方に移動させる。この発熱体１７の原料溶解部Ｂの
上部に位置する部分は原料溶解部Ｂの溶融液４を加熱し
、仕切り部材１１の上部に位置する部分は、輻射熱によ
り仕切り部材１１の上部を加熱する。なお、この加熱体
１７は、効果が同じであればニクロム線等を使用しても
よい。

９はチャンバー８に、原料溶解部Ｂの溶融液面に対応し
て設けた開口部で、この開口部９には粒状又は塊゛状シ
リコン原料（以下シリコン原料という）の供給装置１３
が挿入固定されており、供給装置１３の先端部は原料溶
解部Ｂの溶融液面と対向している。この供給装置１３は
チャンバー８の外部に設けた原料供給チャンバー（図示
せず）に連結されており、原料溶解部Ｂの溶融液面上に
シリコン原料１６を連続的に供給する。

１４．１５はチャンバー８の上部に配設された例えば放
射温度計の如き温度検出器で、一方の温度検出器１４は
原料溶解部Ｂの溶融液面の温度を、また他方の温度検出
器１５は単結晶育成部Ａの溶融液面の温度をそれぞれ測
定する。

上記のように構成した本発明においては、るっぽ１内に
配設した仕切り部材ｔｉの内側と外側には溶融原料４が
入れられており、両者の溶融面は同一レベルに保持され
ている。いま、種結晶を単結晶育成部Ａの溶融液面に接
すると同時に回転させながら徐々に引上げると、接触液
面の凝固と共に結晶成長が行なわれ、円柱状のシリコン
単結晶５が得られる。この間、供給装置１３から原料溶
解部Ｂの溶融液面上にシリコン原料１６が連続的に供給
され、このシリコン原料１６は原料溶解部Ｂの溶融液に
よって溶解され、引上げられるシリコン単結晶５に見合
う量だけ仕切り部材１１の微小小孔１２を通って単結晶
育成部Ａに静かに移動し、溶融原料４の液面レベルを常
に一定に保持する。このとき、原料溶解部Ｂの溶融液表
面上へのシリコン原料１Ｂの供給によって生ずる波紋は
仕切り部材１１によって阻止され、単結晶育成部Ａには
伝播されない。

本発明においては、上述のヒータ６と発熱体１７を制御
して原料溶解部Ｂの融液表面と仕切り部材１１の上部を
高温に保持するこにより、原料溶解部Ｂではシリコン原
料１６を確実に溶解でき、また単結晶引上げ部Ａでは仕
切り部材１１からの凝固の発生を抑制して、シリコン単
結晶５の育成に支障のない溶液温度に保持することがで
きる。

上記のような本発明において、仕切り部材１１に設けた
微小小孔１２の径と数の決定には以下のような配慮が必
要である。微小小孔１２の径が大き過ぎるか、または数
が多過ぎると、単結晶育成部Ａと原料溶解部Ｂ間に融液
の対流が生ずるようになる。

すなわち、単結晶育成部Ａの低温の融液が原料溶肩部Ｂ
に流入するため、原料溶解部Ｂの液温を後述するように
シリコンの融点より１２℃以上高い温度に確保するのが
困難になる。本実施例では、微小小孔１２の径は５　ｍ
ｍφ、また数は２個であった。

さらに、測温実験の結果によれば、連続的に供給したシ
リコン原料１６が溶融液の凝固を発生しないように、か
つ仕切り部材１１の周囲から凝固を発生させないように
しながら健全なシリコン単結晶５を引上げるためには、
第４図に示すように原料溶解部Ｂの溶融液の温度が、シ
リコンの融点よりも少なくとも１２℃以上高温でなけれ
はならないことがわかった。そのため、本発明では、発
熱体１７は供給されるシリコン原料１６の溶解と、仕切
り部材１１の溶融液面露出部を加熱して凝固の発生を防
止し、またヒータ６は単結晶育成のための温度調整用に
と、それぞれ主体的な役割を分担し、温度検出器１４．
１５により両溶融液面の温度を検出して、単結晶育成部
Ａの温度、及び原料溶解部Ｂの溶融液表面の温度が供給
されるシリコン原料１６の溶解温度（シリコンの融点よ
りも少なくとも１２℃以上）になるように、ヒータ６及
び発熱体１７を制御する。

なお、原料の供給装置１３の下端部を融液面上に位置さ
せ、シリコン原料ｌＢを融液表面上に落下させるように
したのは、シリコン原料１６が原料溶解部Ｂの全域の融
液表面上に浮遊し、原料溶解部Ｂの全領域で溶解するよ
うにするためである。もし、供給装置１３の先端部が溶
融液中に浸漬していると、シリコン原料１Ｂの溶解領域
が供給管内に限定されるため、溶融液からシリコン原料
１６への熱の伝達が不足し、シリコン原料１８の連続溶
解ができなくなる。

上記の実施例では、原料溶解部Ｂの溶融液面上にシリコ
ン原料ＩＢを連続的に供給する１台の供給装置１３を設
けた場合を示したが、２台又はそれ以上設けてもよい。

なお、シリコン原料を供給しながらシリコン単結晶を引
上げる方法では当然なされるため説明を省略したが、供
給するシリコン原料１６の中には、引上げられるシリコ
ン単結晶中のドープ材に見合った量のドープ材が含まれ
ている。

したがって原料溶解部Ｂの溶融液のドーパント濃度は、
引上げるシリコン単結晶のドーパント濃度に等しい。ま
た、チャンバ８の外側から溶融液に磁場を印加した場合
においても、本発明は十分に実施できることを確認して
いる。

［発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明はるつぼを仕切
り部材によって内外に適性に区分するど共に、仕切り部
材とその外側の原料溶解部の上方に発熱体を配設し、原
料溶解部の溶融液表面及び仕切り部材の上部を高温に保
持して原料溶解部の溶融液面にシリコン原料を連続的に
供給し、供給されたシリコン原料を溶解して静かに内側
に移動させ、温度変動および濃度変動を抑えつつ溶融原
料の液面を一定に保持するように構成したので、仕切り
部材の溶液接触部から凝固が発生するおそれがなく、全
長にわたって健全なシリコン単結晶を引上げることがで
きるようになった。そのため、引上げ方向の品質の均一
化による歩留りの向上、生産性の向上を実現できる等、
実施による効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例を模式的に示した縦断面図、第２
図はそのＩ−１断面図、第３図は仕切りリングの一例の
側面図、第４図はシリコンの融点からの温度とシリコン
原料の溶解時間との関係を示す線図である。 １：るつぼ、２：黒鉛るつぼ、４：溶融原料、５：シリ
コン単結晶、６：ヒータ、８：チャンバー１１：仕切り
部材、１２：微小小孔、１３：原料の供給装置、１４．
１５　：温度検出器、１６：シリコン原料、１７：発熱
体、ｊ、８：底部ヒータ、Ａ：単結晶育成部、Ｂ：原料
溶解部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融シリコンが入れられたるつぼを該溶融シリコ
   ンが静かに移動しうるように内側の単結晶育成部と外側
   の原料溶解部とに仕切り、該原料溶解部にシリコン原料
   を連続的に供給しながら前記単結晶育成部からシリコン
   単結晶を引上げる方法において、 前記原料溶解部と仕切りの上方に両者を覆うように配設
   されたほゞリング状の発熱体を加熱して前記原料溶解部
   の溶融液温度を少なくともシリコンの融点より１２℃以
   上高く保持すると共に、前記仕切りの温度を前記単結晶
   育成部の溶融シリコンの温度より高く保持したことを特
   徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. （２）溶融シリコンが入れられたるつぼを該溶融シリコ
   ン溶液が静かに移動しうるように小孔が貫設された仕切
   り部材で内側の単結晶育成部と外側の原料溶解部とに仕
   切り、該原料溶解部にシリコン原料を連続的に供給しな
   がら前記単結晶育成部からシリコン単結晶を引上げる装
   置において、 前記原料溶解部と仕切り部材の上方に両者を覆うように
   ほゞリング状の発熱体を配設したことを特徴とするシリ
   コン単結晶の製造装置。