JPH06144987A - 単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 引上げ中のシリコン単結晶の熱履歴のコント
ロールにより、結晶品質の改善が図れる単結晶引上装置
を提供する。 【構成】 ルツボ内で半導体原料融液に種結晶を浸漬
し、その種結晶を引上げることによって単結晶を成長さ
せる装置であって、その単結晶の成長の際に単結晶棒の
軸に沿って上方から成長界面に向けて雰囲気ガスを導入
するためのガス整流管と、前記ガス整流管の下端に設け
られそのガス整流管の外上方向に折り返えされて拡開す
るリフレクタとを備えた単結晶成長装置において、前記
ガス整流管に再加熱用ヒータを組み込んだものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、チョクラルスキー法
（以下ＣＺ法と称する）による単結晶成長装置、さらに
詳しくは、単結晶を引上げ中の同装置内において、同時
にその単結晶の品質改善をなし得る単結晶成長装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７にはＣＺ法による単結晶成長装置の
従来例が示されている。この単結晶成長装置１はメイン
チャンバ２を備え、このメインチャンバ２の上には、引
上げられた単結晶棒Ｗを取り出すためのプルチャンバ３
がアイソレーションバルブ（図示せず）を介して設けら
れている。

【０００３】ここで、メインチャンバ２内には、半導体
原料を収容するルツボ５とそれを収納保持するサセプタ
６が配され、また、メインチャンバ２内におけるサセプ
タ６の周囲にはヒータ７と熱遮蔽体８とが配されてい
る。

【０００４】また、ルツボ５の直上中心の、単結晶を引
上げる部分にはガス整流管９があり、かつ、その下端に
は、外上方向に折り返して拡開するリフレクタ１２が固
着されている。このガス整流管９およびリフレクタ１２
を備える単結晶成長装置については、特開昭６４−６５
０８６号公報において開示されている。

【０００５】すなわち、この単結晶成長装置１では、ヒ
ータ７による加熱でルツボ５内の半導体原料を溶融し
て、ワイヤあるいは引上軸１０によって懸吊された種結
晶１１をその融液に浸し、その種結晶１１およびルツボ
５を逆方向に回転させながら単結晶を成長させるように
なっている。この単結晶成長の過程で、プルチャンバ３
に導入された雰囲気ガスは、ガス整流管９の上方より単
結晶成長界面方向に向かって流下する。

【０００６】半導体原料のＳｉを石英製のルツボ５内で
溶融する場合、石英ルツボの構成成分であるＳｉＯ₂ と
Ｓｉ溶融体とが反応してＳｉＯを生成し、これが蒸発し
て単結晶装置のチャンバ２，３の壁面や引上軸１０に析
出し、この析出物が単結晶を引上げ中の界面に落下して
良質な単結晶成長を妨げることがある。

【０００７】ガス整流管９は、この場合の雰囲気ガスと
して使用されるＡｒガスの流れを、メインチャンバ２内
の、特に単結晶引上げ部に、集中的かつ均質なガス流を
形成するように流下させることにより、単結晶引上げ界
面周辺におけるＳｉＯの析出や落下を防止し、良質な単
結晶の引上げを可能にする。

【０００８】また、この気流は引上げ中の単結晶を冷却
すると同時に、原料溶融部の高熱を遮蔽するので結晶の
引上げ速度を向上させ、あるいは単結晶成長時における
成長界面を平坦化し、不純物濃度の均質化や各種の結晶
欠陥の抑制にも効果があるとされている（特開昭４７−
２６３８８号公報）。

【０００９】リフレクタ１２は、ルツボ５中の溶融原料
やヒータ７からくる高温の輻射熱を遮断することによっ
て、単結晶の微小欠陥の発生を抑制する効果の外、ガス
整流管９下方の単結晶引上げの界面部におけるＡｒガス
の流れをむらなく分配させ、Ｓｉ単結晶中におけるドー
パントや酸素濃度の均一化を助成する。また、メインチ
ャンバ２中のヒータ７等の炭素材から発生するＣＯやＣ
Ｏ₂ の融液面への逆流を抑えて、単結晶の炭素汚染を防
止し、これに起因する結晶欠陥の発生を減少させる効果
がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガス整
流管９およびリフレクタ１２を持つ従来の単結晶成長装
置１によれば、下記のような問題があった。

【００１１】すなわち、この単結晶成長装置１により、
上述のような様々な効果が得られてはいるが、この装置
の特長とすべき点は、単結晶の生産性や品質の改善を図
る際において、専らガス流による単結晶引上げ条件のコ
ントロールに偏し（この場合、ガス流量の変動による冷
却や流路形成の制御）、結晶品質に対するもう一つの大
きな要因である引上げ中の単結晶の熱履歴の制御は全く
不可能に近い状態となっている。特に、半導体デバイス
分野における一層の微細化傾向にあって、結晶品質向上
の要求が高まっているにも拘らず、従来の本装置により
製造されるＳｉ単結晶の品質は必ずしも満足すべきもの
でなかった。発明者等は、この問題点の解決につき、鋭
意検討を進めた結果、Ｓｉ単結晶における品質の向上に
は、従来より問題とされている各種の微小欠陥の発生を
抑制することや、酸素の析出をより精密に制御する必要
があること、そのためには単結晶の熱処理、なかんず
く、単結晶引上げ中における熱履歴の制御が重要である
との結論に到達した。

【００１２】本発明は、かかる点に鑑みなされたもの
で、引上げ中のシリコン単結晶の熱履歴のコントロール
により、結晶品質の改善が図れる単結晶引上装置を提供
することをその目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ルツボ内で半
導体原料融液に種結晶を浸漬し、その種結晶を引上げる
ことによって単結晶を成長させる装置であって、その単
結晶の成長の際に単結晶棒の軸に沿って上方から成長界
面に向けて雰囲気ガスを導入するためのガス整流管と、
前記ガス整流管の下端に設けられそのガス整流管の外上
方向に折り返えされて拡開するリフレクタとを備えた単
結晶成長装置において、前記ガス整流管に再加熱用ヒー
タを組み込んだものである。

【００１４】

【作用】上記した手段によれば、単結晶棒はその引上げ
中において（場合によっては引上げを終了した静止状態
で）適切な熱履歴を辿るようにガス整流管内の再加熱用
ヒータによって強制的に温度制御されるので、酸素析出
の調整が図れ、各種の微小欠陥の発生が防止され、Ｓｉ
単結晶における品質の信頼性が向上する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る単結晶引上装置の実施例
を図面に基づいて説明する。

【００１６】図１には実施例の単結晶成長装置の要部が
示されている。この単結晶成長装置２０が従来の単結晶
成長装置（図７）と異なる点は、下端にリフレクタ２７
を備えたガス整流管２１に再加熱用ヒータ２２が組み込
まれていることである。以下、この点について詳しく説
明する。

【００１７】石英ルツボ５の直上には円筒形のガス整流
管２１が配され、このガス整流管２１の下端には、ガス
整流管２１の外上方向に折り返されて拡開するリフレク
タ２７が付設されている。そして、このリフレクタ２７
によって融液２８からの放熱を抑制し、黒鉛ヒータ７の
熱を効率的に利用できるようになっている。また、この
リフレクタ２７は、単結晶引上げ界面に対する熱遮蔽
や、不活性ガスの整流作用をも営み、これによって融液
表面の不活性ガスの流れが整えられ、結晶の品質劣化を
防止している。

【００１８】一方、ガス整流管２１の上端部内周には再
加熱用ヒータ２２が付設されている。この再加熱用ヒー
タ２２は、ガス整流管２１に巻回された加熱コイルを有
し、この加熱コイルに電極３０からフィーダ３１を通じ
て給電できるようになっている。なお、再加熱用ヒータ
２２の外周に付設されている部材すなわち符号２３は断
熱材である。

【００１９】また、ガス整流管２１の内周には少なくと
も１箇所以上にサーモカップル（図示せず）が設けられ
ている。このサーモカップルの測温接点は前記再加熱用
ヒータ２２の内側に設置され、ガス整流管２１の所定位
置の温度が測定される。

【００２０】そうして、ガス整流管２１の測温結果に基
づいて、フィードバック制御によって加熱コイルの電力
制御が行われ、これにより単結晶棒Ｗの下端部の加熱コ
ントロールが行われる。

【００２１】このように構成された実施例の単結晶成長
装置２０によれば、引上げ中もしくは引上げ後ガス整流
管２１内に存する単結晶棒Ｗは強制的に再加熱制御がな
されるので、単結晶の熱履歴を調節することができ、そ
の結果、酸素析出を制御したり、欠陥の発生を防止する
と同時に、望ましい品質を有する単結晶を、その成長装
置内において製造することができる。

【００２２】以下、この図２〜図５に基づいて試験結果
について説明する。

【００２３】図２には、直径４０ｃｍルツボで半導体原
料であるＳｉを４０ｋｇを溶融して引上げた場合の単結
晶の熱履歴が示されている。○が再加熱用ヒータ８をオ
フした状態で引上げた場合の単結晶の熱履歴であって、
●が再加熱用ヒータ８をオンした状態で引上げた場合の
単結晶の熱履歴を示している。

【００２４】図３には、図２と同一条件で引上げた単結
晶の半径方向中心部の結晶欠陥発生のバラツキを、単結
晶のヘッドの結晶欠陥発生量を１００として示してあ
る。この図３では、○が再加熱用ヒータ８をオフした状
態で引上げた場合の単結晶の結晶欠陥発生のバラツキ
を、●が再加熱用ヒータ８をオンした状態で引上げた場
合の単結晶の結晶欠陥発生のバラツキを示している。こ
の図３からは、引上げ中に、再加熱処理をしなかったも
のでは、引上げ軸の長さ方向で結晶欠陥発生のバラツキ
が大きいのに対して、引上げ中に再加熱処理をしたもの
では、引上げ軸の長さ方向で結晶欠陥のバラツキが小さ
いことが判る。なお、本試験で測定した結晶欠陥は、従
来から知られているＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥）のよう
に、光学的顕微鏡によって観察されるようなμｍオーダ
のサイズを有する欠陥とは異なり、ＢＭＤ（結晶内部微
小欠陥）と呼ばれるもので、そのサイズは数１０ｎｍ〜
数１００ｎｍのレベルにある。

【００２５】図４には、単結晶の初期酸素濃度が示され
ている。この初期酸素濃度は１１００℃で熱処理した後
のものであって、○は再加熱用ヒータ８をオフした状態
で引上げたサンプル１の初期酸素濃度を、●は再加熱用
ヒータ８をオンした状態で引上げたサンプル２の初期酸
素濃度を表している。この図４からはサンプル１（○）
およびサンプル２（●）の初期酸素濃度にあまり差異が
ないことが確認される。次に、この両サンプルを酸素析
出熱処理したときの析出酸素量の差を図５に示す。サン
プル１（○）では、析出酸素量はあまり低減されていな
いのに対して、サンプル２（●）では著しく析出酸素量
が低減され、しかも、均一化されていることが判る。こ
の結果から、再加熱用ヒータ８で引上げ中に再加熱した
方が、加熱しなかったものよりも析出酸素量を低く、し
かも、均一化できることが判る。

【００２６】図６には他の実施例の単結晶成長装置に係
る再加熱用ヒータ３３が示されている。このヒータ３３
が前記実施例の単結晶成長装置２０のそれと異なる点
は、ガス整流管２１にスパイラル状に巻回される加熱コ
イル３４が下側に行くに従って太くなっていることであ
る。

【００２７】単結晶の成長界面からの距離に従って単結
晶棒Ｗの温度は低くなるので、その低くなる部分におい
ては、加熱コイル３４を細くすることで発熱量を増大さ
せ、一方、単結晶棒Ｗの温度が比較的に高い部分におい
ては、加熱コイル３４を太くすることで発熱量を抑制し
ている。これにより、電力消費量の低減を図りつつ、単
結晶に適切な熱履歴を辿らせることが可能となる。

【００２８】また、図示はしていないが、再加熱用ヒー
タを単結晶棒Ｗの軸方向に複数配列するとともに、それ
らを独立にコントロールできるように構成しても良い。

【００２９】以上、本発明の実施例を図面に基づいて説
明したが、本発明は、かかる実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能
であることはいうまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ルツボ内で半導体原料
融液に種結晶を浸漬し、その種結晶を引上げることによ
って単結晶を成長させる装置であって、その単結晶の成
長の際に単結晶棒の軸に沿って上方から成長界面に向け
て雰囲気ガスを導入するためのガス整流管と、前記ガス
整流管の下端に設けられそのガス整流管の外上方向に折
り返えされて拡開するリフレクタとを備えた単結晶成長
装置において、前記ガス整流管に再加熱用ヒータを組み
込んだので、酸素析出欠陥の発生が効果的にコントロー
ルされ、酸化膜耐圧の向上ひいては品質の信頼性向上が
効果的に図れることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の単結晶成長装置の要部を示す縦断面図
である。

【図２】従来方法および本発明方法によって引上げられ
た単結晶の熱履歴を示すグラフである。

【図３】従来方法および本発明方法によって引上げられ
た単結晶の結晶欠陥のバラツキを示すグラフである。

【図４】従来方法および本発明方法によって引上げられ
た単結晶の初期酸素濃度を示すグラフである。

【図５】従来方法および本発明方法によって引上げられ
た単結晶の析出酸素濃度を示すグラフである。

【図６】他の実施例の単結晶成長装置のヒータ廻りの縦
断面図である。

【図７】従来の単結晶成長装置の縦断面図である。

【符号の説明】

Ｗ 単結晶棒 ５ 石英ルツボ ２１ ガス整流管 ２２ 再加熱用ヒータ ２７ リフレクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 庭山 正 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越半 導体株式会社磯部工場内 (72)発明者 小田 道明 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越半 導体株式会社磯部工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボ内で半導体原料融液に種結晶を浸
   漬し、その種結晶を引上げることによって単結晶を成長
   させる装置であって、その単結晶の成長の際に単結晶棒
   の軸に沿って上方から成長界面に向けて雰囲気ガスを導
   入するためのガス整流管と、前記ガス整流管の下端に設
   けられそのガス整流管の外上方向に折り返えされて拡開
   するリフレクタとを備えた単結晶成長装置において、前
   記ガス整流管に再加熱用ヒータを組み込んだことを特徴
   とする単結晶成長装置。