JPH03295891A - シリコン単結晶の製造方法 - 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大直径シリコン単
結晶の製造装置に関するものである。

［従来の技術］ ＬＳＩ分野ではシリコン単結晶に要求される直径は年々
大きくなっている。今日、最新鋭デバイスでは直径６イ
ンチのシリコン単結晶が使われている。将来１０インチ
あるいはそれ以上の直径のシリコン単結晶、例えば直径
１２インチのシリコン単結晶が必要になるだろうといわ
れている。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）ではシリコン単結晶製造
方法に関して２つの方法がある。るつぼを回転させる方
法と回転させない方法である。今日ではＬＳＩ用に用い
られる全てのＣＺ法のシリコン単結晶は、るつぼをシリ
コン単結晶の回転とは逆方向に回転させ、かつ、るつぼ
の側面を取り囲む電気抵抗加熱体によりるつぼを加熱す
る方法により製造されている。多くの試みにもがかわら
ず、るつぼを回転させない方法、あるいは前記以外の加
熱方法で直径５インチ以上のシリコン単結晶が今迄に作
られたことはない、この理由は、るつぼの回転無し、あ
るいは電磁誘導加熱やるつぼの底面からの電気抵抗加熱
等、前記以外の加熱方法では、成長するシリコン単結晶
に対して完全に同心円状の温度分布が得られないからで
ある。シリコン単結晶の成長は温度に関してきわめて敏
感なのである。

るつぼが回転するＣＺ法（以下通常ＣＺ法という）では
、るつぼ回転と電気抵抗側面加熱によりシリコン溶融液
の強い対流が発生し、溶融液が強く攪拌される。この結
果大直径シリコン単結晶の育成に取って望ましい、即ち
シリコン単結晶に対して均一、完全に同心円状の溶融液
表面温度分布が得られるのである。

上記のように、通常ＣＺ法と他のＣ２法では溶融液の流
れに大きな違いがある。この違いは結果としてシリコン
単結晶の成長条件の大きな違いとなる。従って炉内部品
の作用も両者では大きく異なる。シリコン単結晶の育成
に対する考え方が両者では全く異なるのである。

通常ＣＺ法ではシリコン単結晶の成長とともにるつぼ中
の溶融液量が減少する。従ってシリコン単結晶の成長と
ともにシリコン単結晶中のドーパント濃度が上昇し、酸
素濃度が低下する。即ちシリコン単結晶の性質がその成
長方向に変動する。

ＬＳＩの高密度化と共にシリコン単結晶に要求される品
質が年々厳しくなるのでこの問題は解決されねばならな
い。

この問題を解決する手段として、通常ＣＺ法の石英るつ
ぼ内をシリコン溶融液の流通孔を有する円筒状の石英製
仕切り部材で仕切り、この仕切り部材の外側に原料シリ
コンを供給しながら、この仕切り部材の内側で円柱状の
シリコン単結晶を育成する方法（以下、ｃｃ−ｃｚ法と
略する。

Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃｈａｒｚｅ　ＣＺ法）が知ら
れている（例えば特許公報　昭４０−１０１８４号公報
　ＰＩ　Ｌ２０〜Ｌ３５）。

この方法の大きな問題点は特開昭６２−２４１８８９号
公報（Ｐ２Ｌ１２〜Ｌ１６）にも指摘されている通り、
仕切り部材の内側で仕切り部材を起点としてシリコン溶
融液の凝固が発生しやすいことである。この原因は次の
通りである０石英は光ファイバーに使われていることか
らも明らかなように、石英製である仕切り部材は輻射に
より熱をよく伝達する。即ちシリコン溶融液中の熱は光
として仕切り部材中を上方に伝達し、仕切り部材の溶融
液面上に露出している部分より放散される。従って仕切
り部材近傍では溶融液温度が大きく低下している。さら
に通常ＣＺ法では、溶融液の強い攪拌により溶融液の表
面温度は均一でしがも凝固温度の直上である０以上の二
つのことが重なり仕切り部材に接触している溶融液表面
は非常に凝固が発生しやすい状態になっている。

仕切り部材を用い、かつそれからの凝固の発生を防止す
る方法を提案したものとして、特開平１１５３５８９号
公報がある。この公開特許は仕切り部材を保温部材で完
全に覆うことを提案している。

この方法により仕切り部材からの熱の放散は防止でき、
凝固の発生も防止できる。さらにこの発明は原料溶解部
から結晶育成部への溶融液の流通孔を、溶融液の流れが
実質的には前者から後者への一方向になる程度にまで小
さくすることを提案している。このことと前記保温部材
設置の相乗効果により、原料溶解部の溶融液温度を、原
料溶解を安定して行なうのに十分な温度に維持できるの
である。

［発明が解決しようとする課題］ 前記のたぐいの発明によると、全長にわたり成分変化の
ないシリコン単結晶を得ることは可能になりつつある。

全長にわたり特性変化のない非常に長いシリコン単結晶
を得ることが、ｃｃ−ｃｚ法を開発することの最大の狙
いではある。ところで最近半導体デバイスの種類は多様
化している。

この結果、シリコン単結晶の種類も多様化しつつある。

シリコン単結晶の製品は小ロツト化しつつある。もしシ
リコン単結晶の育成の途中で抵抗値を容易に変えれるｃ
ｃ−ｃｚ法が開発が望まれている。しかし各所で開発が
試みられているＣＣ−ｃｚ法はこの小ロフトに対する配
慮がなされていない。

［課題を解決するための手段および作用］本発明は、特
開平１−１５３５８９号公報のような保温部材を有する
ｃｃ−ｃｚ炉において、原料供給量との兼ね合いにおい
て、原料溶解部から結晶育成部への溶融液の流通孔の断
面積を適正にすることにより、前記の課題を解決するこ
とを提案するするものである０本発明の作用を第４図、
第５図、第６図を用いて、ドーパントがリンの場合を例
に取り説明する。リンの分配係数は約０゜３３である。

シリコン単結晶引き上げの定常状態において、原料溶解
部Ａと結晶育成部Ｂとの間で溶融液の混合が非常によく
行なわれている場合（混合系）、両領域でのリンの濃度
は等しい。この状態は流通孔１０の断面積が大きい場合
に実現する。シリコン単結晶５に取り込まれるリンの濃
度を１とした場合、Ｂでの濃度は３で、Ａでの濃度も３
である。Ａには主原料２１とＰを含む副原料２２が、濃
度が１になるような割合で供給される。

この場合、ＡとＢの溶融液の混合が非常に良いため、両
領域での液温はほぼ等しい、シリコン単結晶の育成のた
めには、Ｂでの液温はほぼ凝固温度でなければならない
、従ってＡでの液温もほぼ凝固温度である。このような
状態ではＡで原料の溶解は行なわれない、すなわちｃｃ
−ｃｚ法は成立しえない、この問題を避けるには、溶融
液の流通孔１０の断面積を小さくし、溶融液が完全にＡ
からＢへの一方向にしか流れないようにすればよい（非
混合系）、この場合、ドーパントの濃度の分布は、シリ
コン単結晶で１、Ｂで３．Ａで１、原料系で１になる。

ＡからＢへの熱の移動も非常に少ないので、保温カバー
の設置により、Ａでの液温を原料溶解に十分な温度にま
で容易に高めることができる。さてこの場合において、
シリコン単結晶の育成の途中でシリコン単結晶中のドー
パントの濃度を２倍（抵抗値を半分）にすることを考え
よう、各部のドーパント濃度の変化の模様を第５図に模
式的に示す、先ず時刻Ｔ、でＢでの濃度を６に、Ａでの
濃度を２にするのに必要な分の副原料を供給する。この
結果、Ａでの濃度は急激に上昇する。しかし高濃度のド
ーパントを含むＡの融液のＢへの移行が原料の供給量（
結晶の育成量）に限定されるため、ドーパントのＢへの
移行は極めて緩慢である。移行を実質的に完了するには
Ａの融液量の約１０倍の原料（濃度２）がＡに供給され
ねばならない、すなわちＢの濃度が６に、その結果、結
晶の濃度が目標の２になるには、Ａでの融液量の約１０
倍の結晶が育成されねばならない、非混合系では、結晶
育成中のドーパント量の変更は実質的には不可能なので
ある。

本発明は、原料の供給量との兼ね合いにおいて流通孔１
０の断面積を適正にすれば、ドーパントに対しては実質
的には混合系、熱に対しては実質的には非混合系での状
態を実現しうるという知見に基づくものである。熱に関
しては、ＡおよびＢそれぞれの領域において、流通孔１
０を介さない流れが非常に大きいから、このようなこと
が実現しうるのである。以下前記の状況を実現するする
ための考え方を述べる。

まず溶融液の流れが完全にＡからＢへの一方向の場合（
非混合系）を想定する。熱に関しては、そのほとんどが
るつぼ底および仕切り部材より入り、溶融液表面から放
出される。流通孔を介し、ＡからＢへの融液流に乗り流
入する分は僅かである。前者を１００とすると後者は０
５以下である。ドーパントに関しては、説明するまでも
なく、全量が流通孔を介して入る。

次に非混合系に多少の混合を付加した場合を想定する。

ＡからＢへの流入流が１ｏ倍になったとする（流入量の
９０％がＢからＡに逆流する）。

この様な状況は、流通孔１０の断面積を非混合系の場合
より、少し大きくすることにより実現する。この混合を
付加したことの効果により、Ａに供給したドーパントの
Ｂへの移行が大幅に速まる、この例では約１０倍になる
。第５図での混合時間（Ｔ２　　Ｔ＋）、あるいは混合
のための結晶長さく抵抗値の遷移領域）が約１／１０に
なる。

このよう系は、ドーパントに関しては実質的には混合系
であると見なせる。第４図は、このような系で結晶のド
ーパント濃度を２倍にする動作を行なった場合の各部に
おけるドーパント濃度の変化の模様を示したものである
。混合の存在により、定常状態ではＡでのドーパント濃
度はほぼＢでのそれに等しい、すなわちＴ１以前では３
であり、Ｔ２以降では６である。時刻Ｔ１における副原
料の増量は、全社液の濃度を３から６に上げるのに必要
な量である。さて熱の流れはどのようになっているだろ
うか、結論を先に言えば、それに関しては実質的には非
混合系の場合のそれになっている。まずＢに着目する。

Ａよりの流入流によりＢに入る熱量は、混合の存在によ
り１０倍にはなるが、それでも高々５である（前述のよ
うにるつぼ底および仕切り部材から入る量は１００）。

これはＡに入る全熱量の高々５％に過ぎない。すなわち
Ａでの熱バランスは非混合系の場合とは大きくは違わな
い、容易に類推できるように、以上の議論はＡにおいて
も成立する。即ちＡにおいても、熱の流れに関して、前
記のような混合の存在により、流通孔からの流出量が１
０倍になることの影響は小さい、このように混合の度合
いが弱い場合には、ＡおよびＢにおける熱の流れは、実
質的には非混合系の場合と同様である。即ち非混合系の
場合と同様に、安定した原料溶解が可能であるのでｃｃ
−ｃｚ法が成立する。

流通孔１０の断面積を、非常に小さな面積から大きな面
積へと、徐々に拡大すると、混合の度合いが徐々に増大
する。まず（ａ）非混合系から、ドーパントに対しては
混合系、熱に関しては実質非混合系での状態へ、ついで
（ｂ）両者に対して混合系へと変化する０本発明の範囲
での流通孔の断面積の下限は、（ａ）の変化点である。

定常状態では、この断面積のところでＡ、Ｂ間のドーパ
ント濃度の差が殆どなくなる（１％以下）、上限は（ｈ
ンの変化点である。この断面積のところで、Ａ、Ｂ間の
温度差が１０°Ｃ以下となる。

原料の供給量が多いほど、ＡからＢへの流れが強くなる
６Ａでの融液とＢでの融液の混合がしにくくなる。前記
の（ａＸｂ）の変化点となる流通孔の断面積が大きくな
る。適切な断面積は、原料の供給量が多くなるほど大き
くなる。第３図は以上のことを勘案して定めた流通孔の
適正範囲（本発明の範囲）である。

原料供給量の下限３０　ｇ／ｍｉｎは単結晶の生産性の
７壱より定めたものである。この供給量は５インチ径結
晶を約１　ｍｍ／＋ｍｉｎで引き上げることに相当する
が、結晶化速度がこれ以下になることは生産性の点より
望ましくない、上限１３０　ｇ／ｍｉｎは１０インチ径
結晶をｌ　、　　ｌ　ｍｍ／ｌｌ１ｎで引き上げること
に相当する。これ以上の結晶化速度で結晶を育成するこ
とが不可能であるので定めたものである。

第３図の範囲が存在するのは、あくまで仕切り部材から
の凝固の発生を防ぐための金属製の保温部材が存在する
場合である。保温部材用材料としては、セラミックス、
炭素、金属等が考えられるが、本発明の目的を達成でき
るのは、保温効果の大きい金属のみである。この保温効
果の大きい保温カバーが存在するから、流通孔の断面積
に関し広い適正範囲が存在するのである。この保温カバ
ーがＡの温度をＢの温度より大幅に高温に保つ効果があ
るため、ＡとＢ間の溶融液の混合がある程度許されるの
である。

最近磁場印加Ｃ７法が各所で試みられている。

本発明が磁場を印化した場合にも成立するのは言うＪ７
′もない。

［実施例］ 実施例１ 本実施例は引き上げの途中でドーパント添加量（電気抵
抗値）を変更する場合につき本発明の効果を確認したも
のである。引き上げの途中で、抵抗値を２０Ωｃｍから
１００ｃｍへ、さらには１０００厘から５ΩＣＩＩ＋へ
と変更することを試みた。ドーパントの種類はリン、結
晶径は６インチである。

結晶育成を行った流通孔の断面積は次の４水準である。

（ａ）Ｌｏｏ−（直径４■ｍの流通孔８個、本発明の範
囲外）、（ｂ）２２６−（直径６ｍ冒の流通孔８個、本
発明の範囲内）、（Ｃ）９４２−（直径１０ｗ＋−の流
通孔１２個、本発明の範囲内）、（ｄ）３１４２−（直
径２０■■の流通孔１０個、本発明の範囲外）。

本実施例を行った装置（第１図）および実験条件の概要
を以下に述べる。１は直径が２０インチの石英るつぼで
、黒鉛るつぼ２のなかにセットされている。黒鉛るつぼ
２はペデスタル４で支えられている。ペデスタル４は炉
外で電動モータに結合されており、黒鉛るつぼ２に回転
運動（１０ｒｐｍ）を与える働きをする。７はるつぼ１
内に入れられた溶融シリコンである。これから柱状のシ
リコン単結晶５が回転（２Ｏｒｐｍ）しながら１．４ｍ
ｍ／ｍｉｎの引き上げ速度で引き上げられた。３は黒鉛
るつぼを取り囲む電気抵抗加熱体である。

炉内（チャンバー１６内）の圧力は０．０１〜００３気
圧である。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。

８はるつぼ１内にこれと同心的に配置された高純度石英
ガラス製の仕切り部材である。その直径は４０ｃｍであ
る。この仕切り８には流通孔１０が開けられており、原
料溶解部　の溶融原料はこの流通孔を通って単結晶育成
部に流入する０本実施例ではこの流通孔に関し、前記の
４種の条件で結晶育成を行った。この仕切り部材の下縁
部はるつぼ１とあらかじめ融着されているか、シリコン
原料を溶融する際の熱により融着される。

スタート時の溶融液の設定条件は次のとおりである。溶
融液の量は、原料溶解部が５ｋｇ、　結晶育成部が１５
ｋｇの計２０ｋｇである。ドーパントの添加量は両領域
とも、スタート　　時に結晶の抵抗値が２０ΩＣｌ１１
になるような量である（４．５ｐｐｂａ）、（ａ）の条
件の場合でも、ドーパントの、流通孔を通しての拡散に
より両領域が等しいドーパント含有量にならざるをえな
い。

１４は原料供給装置で、原料溶解部の上方に開口部を持
っており、粒状シリコン原料はこの供給装置を通って原
料溶解部に供給される。供給割合は、結晶化量と等しい
量即ち６５　ｇ／ｍｉｎである。

この原料供給装置１４はチャンバー上Ｗ１６の外部に設
けた原料貯蔵チャンバー（図示せず）に連結されており
、原料を連続的に供給する。この原料供給装置には副原
料（ドーパント）供給チャンバー（図示せず）もまた連
結されている。副原料の供給量は、目的とする抵抗値、
および原料供給量より算出される０本実施例では引き上
げの途中で２回、前記のような抵抗値の変更を行うため
、副原料の供給量を変更した。

９は板厚０．２ｍｍのタンタル板で構成された保温カバ
ーである。これは仕切８および原料溶解部からの熱の放
散を抑制する０本発明で、流通孔の断面積に適正範囲が
存在するのは、この仕切り部材が存在するからである。

１５は保温部材９の上部に開けられた開口部である。１
００ｃｎｌの面積のものが４箇所にある。引き上げチャ
ンバー２０内に導入されたＡｒガスは、この開口部１５
、ついで抵抗加熱体３と炉体保温部材６の間隙を通り、
炉の底部より排出される。この開口部の存在により、保
温カバー９の下端１２をくぐるガス流が大幅に減少する
。この結果、液面近傍におけるＳｉＯ微粒子の発生がな
くなるので、単結晶育成が安定化する。しかしこの開口
部の存在は、原料溶解部Ａからの熱の放散を多くする。

したがって、金属製保温カバー９の使用を不可避なもの
にしている。

第２図は、前記の４通りの流通孔の条件で引き上げた結
晶の長さ方向の抵抗値変化を示したものである。（ａ）
は流通孔の断面積が本発明の下限以下の場合である。先
ず引き上げの初期のところから、抵抗値が変化するとと
もに、目標値より低めになる。途中６０ｃｍ長および１
４０ｃｉ長におけるドルバント量の変更に対しても、応
答性は非常に悪い。全長を通しても目標の抵抗値が得ら
れるところが殆どない、これは、この系で定常状態に達
するには、少なくとも原料溶解部の融液量（５ｋｇ）の
１０倍の原料を供給する、即ち結晶長で約１０８０の結
晶を引き上げる必要があるからである。これにたいして
、本発明の範囲である（ｂ）および（Ｃ）では、ドーパ
ント量の変更に対する応答性は非常に良い、抵抗値の遷
移領域は結晶長で１０１以下である。ｃｃ−ｃｚ法は、
成分変動のない長尺結晶の育成に適していると同時に、
本発明を適用すれば、小ロフト対応にも適した結晶育成
法になる。（ｄ）では、原料の溶解が不十分で、ｃｃ−
ｃｚ操業が不可能であった。

実施例２ 本実施例は、保温カバーの材料に関し本発明の効果を確
認したものである。タングステン板製カバー（本発明）
、黒鉛製カバー（本発明外）、アルミナ製カバー（本発
明外）につき、実施例１と同じ装置で結晶引き上げを行
った。引き上げ条件に関しては、結晶径が８インチ、引
き上げ速度が０　、８　＋＊ｍ／ｍｉｎ　（原料供給量
５８　ｇ／ｍｉｎ）、流通孔の断面積が３１４ｍｄ（直
径１０ｍ＋＋の流通孔が４個）であること以外は実施例
１と同じである。

タングステン製カバーを用いた場合には、安定した原料
溶解および結晶育成が可能であり、抵抗値の変更に関し
ても、実施例１の（ｂ）、（ｃ）の場合と同様な結果が
得られた。黒鉛製カバーアルミナ製カバーの場合には、
原料供給を開始した直後に、原料の未溶解が発生し、そ
の結果、ｃｃ−ｃｚ操業が不可能となった。

［本発明の効果］ 本発明を実施することにより、ＣＣ−ＣＺ法において、
電気抵抗値調整が大幅に容易になった。

この結果、成長方向の抵抗値の変動が極めて小さな非常
に長いシリコン単結晶を製造できるという前記方法の長
所を生かしたまま、引き上げ途中での抵抗値変更も可能
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例で使用した装置の断面図、第２図は実施
例での結晶の長さ方向と電気抵抗値の関係を示すグラフ
図、第３図は本発明の原料供給量と流通孔の断面積の総
和の関係を示すグラフ図、第４図は本発明の詳細な説明
するための模式図、第５図は従来の非混合系でのドーパ
ント濃度比と時間の関係を示すグラフ図、第６図は本発
明の混合系でのドーパント濃度比と時間の関係を示すグ
ラフ図である。 １・・・石英るつぼ、２・黒鉛るつぼ、３・・電気抵抗
加熱体、４・・ペデスタル、５・・・シリコン単結晶、
６−・炉体保温部材、７・・・シリコン溶融液、８・・
仕切り、９・保温カバー、１０・流通孔、１２・・保温
カバーの下端、１４・原料供給装置、１５・・・保温カ
バーの開口部、１６・・チャンバー上蓋、２０・引き上
げチャンバー、２１　・原料、２２・副原料、Ａ・−原
料溶解部、Ｂ　結晶育成部。 図面の浄書（内容に変更なし） 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　シリコン溶融液を内蔵する自転型石英るつぼと前記石
   英るつぼを側面から加熱する電気抵抗加熱体と、前記石
   英るつぼ内で溶融シリコンを単結晶育成部と原料溶解部
   とに分割しかつ溶融液を貫通する流通孔を有する石英製
   仕切り部材と、前記仕切り部材と前記原料溶解部を覆う
   保温カバーと、前記原料溶解部に原料シリコンを連続供
   給する原料供給装置と、前記原料溶解部にドーパントを
   供給するドーパント供給装置とを有するシリコン単結晶
   製造装置において、前記保温カバーが金属製であること
   と、前記仕切り部材に設けられた前記流通孔の断面積の
   総和が 原料供給量が３０〜５０ｇ／ｍｉｎの場合で８０ｍｍ＾
   ２以上でかつ１０００ｍｍ＾２以下、原料供給量が５１
   〜８０ｇ／ｍｉｎの場合で１３０ｍｍ＾２以上でかつ１
   ２００ｍｍ＾２以下、原料供給量が８１〜１３０ｇ／ｍ
   ｉｎの場合で２２０ｍｍ＾２以上でかつ１６００ｍｍ＾
   ２以下であることを特徴とするシリコン単結晶製造装置
   。