JPH04108683A - 石英ガラスルツボ - 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、単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスル
ツボに関する。

（従来の技術） 半導体デバイスの基板として用いられるシリコン単結晶
は主にＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）によって得
られている。このＣＺ法は、ルツボ内に投入された多結
晶シリコン原料をヒーターによって加熱、溶融せしめて
シリコン融液な得、このシリコン融液に上方から吊下さ
れた種結晶を浸漬してこれを引き上げることによってシ
リコン単結晶を製造する方法である。

ところて、前記ルツボとしては、純度の観点から石英ガ
ラス製のものが専ら用いられているが、前記単結晶の製
造工程において石英ガラスルツボはこれに接触するシリ
コン融液によって浸食を受け、これに含まれる不純物か
シリコン単結晶に不可避的に混入してしまう。

ところで２石英ガラスルツボに含有される不純物は、そ
の原料中に予め含まれているか、或いは製造過程におい
て混入するものであり、特にシリコン基板に含まれる金
属不純物は素子特性に悪影響を及ぼすことはよく知られ
ている。

そこで、石英ガラスルツボ中に含有される金属不純物を
低減する各種試みが従来からなされており（例えば、特
開昭６３−１６６７９１号、同５３−１１３７８０号公
報参照）、石英ガラスルツボの内表面に高純度の薄い透
明石英層を形成する方法も知られている。

（発明か解決しようとする課題） ところて、結晶引き上げの前後の石英ガラスルツボ中に
含有される不純物濃度を分析、比較した結果、金属不純
物のうち特にＴｉ、Ｚｒ、Ｅｒ。

Ｆｅ、Ｃｕの５元素が単結晶シリコンに影響を及ぼし、
これらの金属不純物の含有量の多い石英ガラスルツボを
使用してシリコン融液から単結晶を引き上げ、引き上か
った単結晶をスライスしてＯＳＦ検査するとＯＳＦ　（
酸化誘起積層欠陥）が発生することが明らかとなりだ。

又、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅの４元素は石英ガラスルツ
ボ内で拡散せず、ルツボの使用前後に３いてその濃度分
布は不変であるが、Ｃｕはルツボ内で拡散し、ルツボの
使用前後におけるルツボ内のＣｕ濃度分布か変ってしま
うことが見い出された。

従って、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅの４元素ニラいては、
シリコン融液に触れて浸食を受ける石英ガラスルツボの
内表面近傍のみにおいてそれぞれの濃度を規定すれば十
分である反面、Ｃｕについてはこれかルツボ内で拡散す
るためにルツボ全体での平均濃度を規定する必要かあり
、このようにすれば引き上げられる単結晶に取り込まれ
る金属不純物の濃度を低く抑えることかできる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものて、その目的と
する処は、単結晶中に取り込まれる金属不純物の量を低
減することかできる石英ガラスルツボを提供することに
ある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成すべく本発明は、内表面に高純度の透明
石英層を形成し、該透明石英層に含有されるＴｉ、Ｚｒ
、Ｅｒ、Ｆｅ濃度をそれぞれＴ　ｉ　＜　９００　ｐｐ
ｂ　、　Ｚ　ｒ　＜　３００　ｐｐｂ、Ｅ　ｒ　＜７０
０ｐｐｂ　、Ｆａ＜２００ｐｐｂとするとともに、Ｃｕ
の平均濃度をＣｕ＜Ｌ、０ｐｐｂとしたことをその特徴
とする。

（作用） 前述のように、金属不純物のうち特にＴｉ２Ｚｒ、Ｅｒ
、Ｆｅ、Ｃｕの５元素か単結晶の特性に影響を及ぼし、
これらの金属不純物の含有量の多い石英ルツボを使用し
てシリコン融液から虫結１を引き上げ、該単結晶をスラ
イスしてＯ５Ｆ検査するとＯＳＦか発生することが明ら
かとなった。又、これら５元素のうちＣｕのみかルツボ
内で拡散し、他のＴｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅは拡散しない
ことが見い出された。

尚、上記Ｔｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｃｕの５元素はそれ
ぞれ単独では、前記Ｏ５Ｆ又は電気特性の観点から、本
発明で規定するそれぞれの濃度範囲を相当に超えても問
題とはならないが、これらの元素が共存する場合におい
ては、それぞれの濃度は本発明に規定する最大濃度以下
に抑えられなければならない。

従って１本発明のように石英ガラスルツボの浸食を受け
る内表面に高純度の透明石英層を形成し、この透明石英
層でのＴｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅのそれぞれの濃度を規定
し、拡散するＣｕについてはルツボ全体での平均濃度を
規定すれば、引き上げられる単結晶に取り込まれる金属
不純物の濃度を低く抑えることかできる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る石英ガラスルツボ３を備える単結
晶引上装置１要部の縦断面図であり、図中、２はステン
レス製円筒から成る加熱チャンバーであって、これの内
部には本発明に係る石英ガラスルツボ３と黒鉛製のルツ
ボ４が支持軸５上に取り付けられて収納されている。尚
、支持軸５は不図示の駆動手段によってその中心軸周り
に回転駆動される。

又、前記加熱チャンバー２内の前記ルツボ３゜４の周囲
には、炭素材から成る円湾状のヒーター６が配され、こ
のヒーター６のＭ！！！には同じく炭素材から成る断熱
材７が配されている。

而して、加熱チャンバー２内はＡｒガス等の不活性ガス
で満たされ、石英ガラスルツボ３内には多結晶シリコン
原料が投入され、この多結晶シリコン原料はヒーター６
によって加熱されて溶融し１石英ガラスルツボ３内には
多結晶シリコン融液８か収容される。

次に、ワイヤー９の下端に種保持具１０を介して結着さ
れた種結晶１１か石英ガラスルツボ３の上方に吊下され
、該種結晶１１は石英ガラスルツボ３内の多結晶シリコ
ン融液８に浸漬される。

その後、ルツボ３，４か所定の速度で回転駆動され１種
結晶１１も回転されながら所定の速度で引き上げられる
と、該種結晶１１には単結晶か成長して図示のようにシ
リコン単結晶インゴット１２が引き上げられる。

前記石英ガラスルツボ３は、原料として高純度ＳｉＯ２
粉末を用い、公知のアーク溶融法（例えば、特開平１−
１４８７１８号公報参照）によって製作され、その内表
面には高純度の透明石英層が形成される。

ところで、本発明者等が従来の石英ガラスルツボを用い
て残湯分析を行なった結果、次のことが明らかとなった
。即ち、石英ガラスルツボ中に含有される金属不純物の
うち特にＴｉ、Ｚｒ。

Ｅｒ、Ｆｅ、Ｃｕの５元素か単結晶シリコンに影響を及
ぼし、Ｃｕを除＜Ｔｉ、Ｚｒ、Ｅｒ。

Ｆｅの４元素は石英ガラスルツボ内て拡散せず、ルツボ
の使用前後においてその濃度分布は不変であるか、Ｃｕ
はルツボ内て拡散し、ルツボの使用前後に右けるルツボ
内のＣｕ１ｊ度分布か変わってしまうことか見い出され
た。

而して１本実施例では、石英ガラスルツボ３の内表面に
形成される前記透明石英層におけるＴｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、
Ｆｅのそれぞれの濃度をＴｉ＜９００ｐｐｂ　、Ｚｒ＜
３００ｐｐｂ、Ｅｒ＜７００ｐｐｂ　、　Ｆ　ｅ　＜　
２００　ｐｐｂとするとともに、透明石英層を含む石英
ガラスルツボ３全体でのＣｕの平均濃度をＣｕ＜１．０
ｐｐｂとした。

ところで、石英ガラスルツボ３にあっては。

多結晶シリコン融液８に触れて浸食を受けるのは内表面
の透明石英層であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｅｒ。

Ｆｅは拡散せず、これらの透明石英層での濃度は不変で
あって、その濃度は前述のように規定されているため、
石英ガラスルツボ３からシリコン単結晶インゴット１２
に取り込まれるＴｉ、Ｚｒ。

Ｅｒ、Ｆｅの量は一定値以下に抑えられる。

又、Ｃｕは石英ガラスルツボ３の全体に拡散するか１本
実施例では石英ガラスルツボ３全体におけるＣｕの平均
濃度を前述のように規定したため、同じく石英ガラスル
ツボ３から単結晶インゴット１２に取り込まれるＣｕの
量が一定値以下に抑えられる。

斯くて、石英ガラスルツボ３からシリコン単結晶インゴ
ット１２に取り込まれるＴｉ、Ｚｒ。

Ｅｒ、Ｆｅ、Ｃｕの量が一定値以下に低く抑えられるた
め、シリコン単結晶インゴット１２をスライスして得ら
れるシリコン単結晶基板から製造される半導体デバイス
の素子特性が曖善される。

ここて、以下に示す試験例によって１石英ガラスルツボ
の内面透明層の純度と、該石英ガラスルツボによって引
き上げられたＩ１１結晶のＯ５Ｆの発生との関係を明ら
かにする。

（１）試験に用いられた石英ガラスルツボはアーク溶融
法（特開平１−１４８７１８号公報参照）によって製作
された。この石英ガラスルツボは、内径１４”、深さ１
０”、壁厚さ（底部も同じ）８■の寸法に成形され、そ
の壁の内表面は厚さ２＠ｌＩの高純度石英透明層で構成
され、この高純度石英透明層を除く残部は普通の不透明
石英層から成る。

上記高純度石英透明層の石英粉は、精製された四塩化ケ
イ素を気相として酸水素炎中に導入され、火炎加水分解
によってガラス微粒子を得る方法によって得られる。そ
の他の方法としては。

高周波プラズマトーチを用い、水素を用いない方法もあ
る。尚、これらの方法によって得られるものは、天然の
ケイ石又はケイ砂から得られるものと区別して合成石英
と呼ばれる。

上記の方法によって得られた石英粉は、法衣に示すよう
な不純物の分析値を有している。

ゝ＼、 表１−石英粉の不純物分析値 試験のために金属不純物の種々の濃度か選ばれたか、こ
れは天然ケイ石又はケイ酸から作られた通常の酸処理に
よる石英粉と適宜混合比を調節することによって調整さ
れた。

天然石英粉の分析値は次表のよってあった。

表２：天然石英粉の不純物分析値 石英ルツボの外側の不透明層の不純物濃度は、上記石英
粉そのもので調節された０本試験においては、特にＣｕ
のみに注目してその純度を選択した。

次に、試験に用いた石英ガラスルツボの分析手順を示す
。

即ち、使用前の石英ガラスルツボの上端から約２ｃ膳の
部分を切断して環形状とした後、更に縦方向に約２ｃｍ
の間隔に切断して短冊状のサンプルを得た。高純度石英
層を分析するために上記短冊状サンプルの不透明層部分
を削り取り５このサンプルを８枚集めて約ｌｏｇとした
。又、不透明層部分を分析するために短冊状サンプルの
透明層部分を削り取り、このサンプルを４枚集めて約ｌ
ｏｇとした。

又、予め石英ガラスルツボの場所によフて不純物濃度に
差がないか、使用前の石英ガラスルツボを上部、中部、
底部と環状に切断して分析したところ、３つの平均値の
±１０％以内に分析値かあったため１石英ガラスルツボ
の上端からサンプリングした分析結果は石英ガラスルツ
ボの不純物の代表値として良いと考えた。

Ｃｕについては熱拡散速度か速く、ルツボの使用中に存
在していた外層部のＣｕレベルが著しく下かり、引き上
げ結晶中へのＣｕ汚染は主としてルツボ外層部からのＣ
ｕの拡散であることか分っていたため、使用後のルツボ
の分析はシリコン融液との接触部の外側不透明層部分の
Ｃｕのみについての測定によった。このとき、シリコン
融液との非接触部を切断除去した後、使用前のサンプリ
ングと同様な手順で外側不透明層をサンプリングした。

而して、短冊状サンプルを集めて約ｌｏｇとしたものを
第２図に示す分析フローに従って分析した。尚、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅの測定にはＩＣＰを、Ｃｕの測定には
原子吸光分析法をそれでれ使用した。

ここて、試験に用いられた使用前の石英ガラスルツボの
高純度透明層の分析値と外側の不透明層又、使用後の石
英ガラスルツボの不純物の分析結果を次表に示す。

（２）（１）で述べた石英ガラスルツボに多結晶シリコ
ンを２０Ｋｇ充填し、これをＡｒガス雰囲気中で溶融し
、これから直径４″のシリコン単結晶を約１５Ｋｇ引き
上げ、その引き上げられた単結晶棒の中央部断面から厚
さ２層層のスラブを切断し。

その表面の加工歪を除去した後、その表面を熱酸化し、
シリコンスラブの表面に発生する積層欠陥（Ｏ５Ｆ）を
現像の上、顕微鏡観察した。

前記積層欠陥は、肉眼で、スラブ上にその密度によって
白く反射して観察されるため、その発生密度の高いとこ
ろで測定面を選択しながら積層欠陥の最大密度中位平方
センチ当たりの発生ｍ数を計算した。尚、実験データの
整理の段階てはＭ屑欠陥の発生（１数か５０個／Ｃ■２
以下である場合には、積層欠陥の発生はないものとした
。

（３）積層欠陥の発生と使用石英ルツボとの関係は、法
衣の通ってあった。試験結果は前述の試験Ｎｏ、　１〜
６までについてのみ示す。尚、実際はこの他に多数の試
験を実施しているか、それらの結果についての言及は省
略する。

（発明の効果） 以上の説明で明らかな如く、本発明によれば、内表面に
高純度の透明石英層を形成し、該透明石英層に含有され
るＴ　ｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅ濃度をそｔ’ＬぞれＴｉ＜
９００ｐｐｂ　、Ｚｒ＜３００ｐｐｂ。

Ｅｒ＜７００ｐｐｂ　、Ｆｅ＜２００ｐｐｂとするとと
もに、Ｃｕの平均濃度をＣｕ＜１．０ｐｐｂとしたため
、引き上げられたシリコン単結晶を切断加工して得られ
たウェーハには熱酸化時において酸化銹起積層欠陥（Ｏ
５Ｆ）の発生が殆んどなく、高集積度の半導体集積回路
素子基板として好適なウェーハを得ることができるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１区は本発明に係る石英ガラスルツボを備える単結晶
引上装置Ｉ！部の縦断面図、第２図は不純物濃度の分析
７０−を示すブロック図である。 １−・・単結晶引上装置、３・・・石英ガラスルツボ、
１２−・・シリコン単結晶インゴット。 特許出願人　　信越半導体株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内表面に高純度の透明石英層を形成し、該透明石英層に
   含有されるＴｉ、Ｚｒ、Ｅｒ、Ｆｅ濃度をそれぞれＴｉ
   ＜９００ｐｐｂ、Ｚｒ＜３００ｐｐｂ、Ｅｒ＜７００ｐ
   ｐｂ、Ｆｅ＜２００ｐｐｂとするとともに、Ｃｕの平均
   濃度をＣｕ＜１．０ｐｐｂとしたことを特徴とする石英
   ガラスルツボ。