JPH0789789A

JPH0789789A - Ｓｉ結晶、結晶成長方法および結晶成長装置

Info

Publication number: JPH0789789A
Application number: JP23395793A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Fukuda; 哲生福田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶欠陥を制御したＳｉ結晶、その製造方
法、製造装置およびＳｉ結晶を用いた機構に関し、低炭
素濃度のシリコン結晶を提供することを目的とする。【構成】Ｓｉソース材料を収容するための石英製るつ
ぼと、前記石英製るつぼを保持するためのグラファイト
製るつぼと、前記グラファイト製るつぼの全表面を覆
い、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣおよびこ
れらの混合物のいずれかで形成されたグラファイト製る
つぼコーティングと、前記石英製るつぼの少なくともグ
ラファイト製るつぼと接触する面を覆い、溶融Ｓｉと接
する面は露出する窒化シリコン製コーティングとを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｓｉ結晶、その製造方
法、製造装置およびＳｉ結晶を用いた機構に関し、特に
結晶欠陥を制御したＳｉ結晶、その製造方法、製造装置
およびＳｉ結晶を用いた機構に関する。

【０００２】今日、ＵＬＳＩ用シリコンウエハの９０％
以上がチョクラルスキ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ、以下
ＣＺと略す）法で成長したＣＺシリコン単結晶で形成さ
れている。以下、主としてＣＺシリコン単結晶を例にと
って説明する。

【０００３】

【従来の技術】ＣＺシリコン単結晶は、るつぼ内でＳｉ
を溶融させ、引上げ法によって成長させた結晶である。
量産性に優れているが、るつぼ材料からの不純物が混入
し易い。

【０００４】また、るつぼ周囲にヒータを配置し、１４
００℃以上の高温に加熱するので、ヒータ等からの蒸発
物も混入し易い。さらに、Ｓｉのソース材料は同属元素
であるＣを含み易い。

【０００５】るつぼは、通常内側を石英（ＳｉＯ₂）、
外側をグラファイトとした２重構成を有し、ヒータは通
常グラファイトヒータで構成される。したがって、るつ
ぼ、ヒータ等から酸素、炭素が混入し易い。

【０００６】ＵＬＳＩの高性能化のためには、基板とな
るシリコンウエハの有害な結晶欠陥密度を低減すること
が望まれる。また、ＵＬＳＩの低価格化のためには、シ
リコンウエハの大口径化が望まれる。

【０００７】高性能化の例を、ダイナミックランダムア
クセスメモリ（ＤＲＡＭ）を例にとって説明する。ＤＲ
ＡＭの特性の１つは、リフレッシュ時間の長さで与えら
れる。リフレッシュ時間は、ＤＲＡＭ中のキャパシタが
電荷を蓄積できる時間（リテンション時間）に比例す
る。

【０００８】シリコン結晶の結晶欠陥には、酸素がクラ
スタ状に析出した酸素析出物と呼ばれるものがある。酸
素析出物は、電子−正孔の再結合中心となり、結晶内の
キャリアのライフタイムを低下させる。

【０００９】ＤＲＡＭのシリコンウエハに酸素析出物が
多量に存在すると、蓄積電荷が消滅し易く、リテンショ
ン時間が短くなる。高品質のＤＲＡＭを提供するには、
ライフタイムの長い、したがってリテンション時間の長
い結晶を用いる必要がある。

【００１０】ＵＬＳＩの低価格化には、ウエハを大口径
化し、一連のプロセスでなるべく数多くのチップを生産
することが望まれる。しかし、ウエハを大口径化する
と、熱処理プロセスにおいて、ウエハに作用する熱応力
が増大する。

【００１１】熱応力がウエハの降伏応力を上回ると、多
数の転位が導入され、ウエハの反りが増大する。ウエハ
の反りは、リソグラフィ工程における焦点深度等との関
係でプロセスの歩留り低下を招く。

【００１２】半導体装置の製造プロセスにおいては、多
くの熱処理プロセスがある。熱処理プロセスにおいて、
ウエハ内に固溶している酸素が、核を中心として析出
し、酸素析出物を形成する傾向がある。

【００１３】結晶内に固溶している酸素は、転位を固着
し、降伏応力を高める積極的機能を有するが、酸素析出
物が形成されると、逆に降伏応力が低下する（たとえ
ば、Ｌａｗｒｅｎｃｅら Mat. Res. Soc. Symp. Proc.
59, 389 (1986) 、Ｙｏｎｅｎａｇａら J. Appl. Phy
s. 56, 2346 (1984)等）。また、析出物は、ウエハの
反りを増大させる（Ｓｈｉｍｉｚｕら J. Appl. Phys.
25, 68 (1986)等）。

【００１４】したがって、今後大口径化が進んで、熱応
力がますます増大することを考えると、析出物密度を低
減し、降伏応力の低下を防ぎつつ、熱応力に強いウエ
ハ、すなわち反り難いウエハを開発する必要がある。

【００１５】炭素が酸素析出の核になることを実験的に
示した報告が数多くある（Ｋｉｓｈｉｎｏら J. Appl.
Phys. 50, 8240 (1979)、Ｋｉｓｈｉｎｏら Appl. Phy
s. Lett. 35, 213 (1979) 、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａら
J. Appl. Phys. 19, L101 (1980) 等）。

【００１６】炭素濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3以上の領域におい
て、酸素析出が炭素濃度の増大と共に多くなることが報
告されている。したがって、酸素析出を防止するために
は、低炭素濃度の結晶が望まれている。

【００１７】しかしながら、従来のシリコン結晶成長技
術によれば、１０¹⁵ｃｍ^-3以下の低炭素濃度の結晶を成
長することは不可能、あるいは固化率の小さい部分以外
では実現不可能であった。たとえば、特公昭５６−２１
７５８号に示された方法では、固化率３０％以下の部分
においてのみ１０¹⁵ｃｍ^-3以下の低炭素濃度が実現され
ている。

【００１８】また、特開平５−４３５８号においては、
固化率８５％以下の部分で５×１０ ¹⁴ｃｍ^-3以下の低炭
素濃度を実現したと報告されているが、炭素濃度の測定
方法は赤外線吸収であり、この測定方法によれば、液体
ヘリウム温度の測定においても信頼性のある測定限界は
１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
シリコン結晶において、キャリアのライフタイムを長く
し、降伏応力の低下を防止し、反りの増大を防止するた
めには、結晶中における炭素濃度の低下が望まれてい
る。

【００２０】本発明の目的は、低炭素濃度のシリコン結
晶を提供することである。本発明の他の目的は、低炭素
濃度のシリコン結晶を実現する結晶成長方法および結晶
成長装置を提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明のＳｉの結晶成長
装置は、Ｓｉソース材料を収容するための石英製るつぼ
と、前記石英製るつぼを保持するためのグラファイト製
るつぼと、前記グラファイト製るつぼの全表面を覆い、
ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣおよびこれら
の混合物のいずれかで形成されたグラファイト製るつぼ
コーティングと、前記石英製るつぼの少なくともグラフ
ァイト製るつぼと接触する面を覆い、溶融Ｓｉと接する
面は露出する窒化シリコン製コーティングとを有する。

【００２２】また、本発明のシリコン結晶は、約１．０
×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃度を有する。

【００２３】

【作用】Ｓｉの結晶成長において、ＳｉメルトにＯ₂を
供給し、Ｓｉメルト中のＣと化学反応させ、ＣＯまたは
ＣＯ₂として蒸発させることにより、低炭素濃度を実現
することができる。このような方法により、初めて約
１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の低炭素濃度を有するＳｉ結
晶が得られた。

【００２４】Ｓｉメルトを収容するるつぼとして石英を
用いると、ＳｉメルトにＯ₂を供給することができる。
ところで、Ｓｉを溶融させるには、１４００℃以上の高
温を必要とする。このような高温での構造材料としてグ
ラファイト（カーボン）は極めて有用である。ただし、
グラファイトは酸素と接すると炭酸ガスに変化する。

【００２５】石英製るつぼを保持する外側るつぼとして
グラファイトるつぼないしＳｉＣ等の炭化物コーティン
グを備えたグラファイトるつぼを用いると、このグラフ
ァイトないし炭化物コーティングと石英との間の反応に
より、石英中にＣが混入し、石英中を移動してＳｉメル
ト中に溶け出すことにより、炭素濃度を所望の値に低減
することが困難になる。

【００２６】グラファイト製るつぼの表面を炭化物コー
ティングでコートし、炭素の蒸発を防止すると共に、石
英製るつぼがグラファイト製るつぼと接する面において
石英製るつぼを窒化シリコンでコーティングすることに
より、炭化物コーティングと石英との反応を防止するこ
とができる。

【００２７】このような構成により、Ｓｉメルト中に酸
素を供給しつつ、石英中に炭素が供給されることを防止
し、ＳｉメルトへのＣの供給を防止することが可能とな
る。

【００２８】

【実施例】本発明の理解を容易にするため、本発明者ら
の先の研究を説明する。図３は、Ｓｉ結晶中のキャリア
のライフタイムと炭素濃度の関係を示すグラフである。
横軸は炭素濃度を対数スケールで示し、縦軸はライフタ
イムをリニアスケールで示す。

【００２９】図のデータから明らかなように、炭素濃度
が減少するにつれ、ライフタイムは向上している。ただ
し、従来入手できる結晶中の炭素濃度は、１０¹⁵ｃｍ^-3
以上であったため、データはこの範囲に限られている。

【００３０】キャリアのライフタイムは、結晶中の酸素
析出物に大きく依存すると考えられる。すなわち、酸素
析出物と炭素濃度とが後に説明するように強い関係を有
し、ライフタイムと炭素濃度の関係が生じるものと考え
られる。

【００３１】酸素析出物は、炭素濃度のみに依存すると
は限らない。そこで、本発明者らは、Ｓｉ結晶を急冷
し、点欠陥を誘起することにより、酸素析出物の量がど
のように変化するかを調べた。Ｓｉ結晶をＮ₂雰囲気中
で１２９０℃に４０分間加熱し、種々の冷却速度で冷却
した。

【００３２】結果を図４に示す。図中、横軸は冷却速度
を℃／ｍｉｎで示し、縦軸は析出酸素量を１０¹⁷ｃｍ^-3
を単位として示す。結晶を急冷すると、冷却速度が大き
いほど高い密度の点欠陥が発生すると考えられる。図４
のグラフは、冷却速度が高いほど析出酸素量が高いこと
を示し、点欠陥によって酸素の析出が促進されることを
示している。

【００３３】しかしながら、通常の熱プロセスにおいて
ウエハの冷却速度は３０℃／ｍｉｎ以下であり、このよ
うな遅い冷却速度においては、析出酸素量はほとんど変
化しなくなっている。

【００３４】すなわち、通常の半導体製造プロセスにお
いて、熱プロセスによって誘起される点欠陥に起因する
析出酸素は無視し得るものと考えられる。また、結晶成
長においても結晶の成長速度は約１ｍｍ／ｍｉｎ程度で
あり、冷却速度は３０℃／ｍｉｎである。

【００３５】したがって、成長時の冷却プロセスも点欠
陥密度を増大させるには至らないものと考えられる。し
たがって、ライフタイムを左右する析出酸素の原因とし
ては、炭素濃度のみを考慮すればよいであろう。

【００３６】本発明者ら（鈴木、福田）は、特願平４−
２４３８６０号（９２−１１１６６）において、低炭素
濃度のＳｉ結晶成長方法を提案した。この結晶成長方法
により、Ｓｉ結晶中の炭素濃度を３．６×１０¹⁴ｃｍ^-3
まで低減することができた。なお、炭素濃度測定法とし
ては、重水素照射による放射化分析を用いた。この測定
法の検出限界は２．５×１０¹⁴ｃｍ^-3であり、３．６×
１０¹⁴ｃｍ^-3の炭素濃度には測定の信頼性がある。

【００３７】そこで、本発明者らは本発明によるＳｉ結
晶も含め、炭素濃度による酸素析出量の変化を測定し
た。試料として、酸素濃度が１．８×１０¹⁸ｃｍ^-3、炭
素濃度が１０¹⁴〜１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲のＣＺシリコン結
晶を用い、（１３００℃、０．５時間）＋（７００℃、
２０時間）＋（１０００℃、３〜１０時間）の熱処理を
行なった。

【００３８】図５に酸素析出量の炭素濃度依存性を示
す。なお、最も炭素濃度の低い試料については炭素濃度
を直接測定できなかったため、後述するように、偏析現
象から炭素濃度は１０¹⁴ｃｍ^-3以下であると結論した。
この試料の測定値は、図中矢印を付して示してある。

【００３９】図のグラフに示すように、最後の１０００
℃の熱処理時間が長いほど酸素析出量は増加している。
同一の熱処理に対しては、炭素濃度が減少するほど酸素
析出量は減少している。しかしながら、炭素濃度が１×
１０¹⁴ｃｍ^-3以下の領域では、酸素析出量はほとんど変
化していない。

【００４０】なお、１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上の高炭素
濃度の２種の試料は市販結晶である。また、酸素濃度の
測定方法は、１１００ｃｍ^-1付近の赤外吸収によって行
ない、換算係数は４．８１×１０¹⁷ｃｍ^-2を用いた。減
少した酸素濃度から酸素析出量を算出した。

【００４１】上述の３段階の熱処理において、１３００
℃、０．５時間の熱処理は、溶体化処理と言われ、炭素
以外の析出要因を全ての試料の間において一致させるた
めのものである。

【００４２】次の７００℃、２０時間の熱処理は、析出
核を形成するための処理である。また、最後の１０００
℃、３〜１０時間の熱処理は、形成された析出核の回り
に酸素原子を集積させて酸素析出物を形成するための熱
処理である。なお、これらはＵＬＳＩプロセスの中の典
型的な熱処理である。

【００４３】図５のグラフから明らかなように、炭素濃
度が１０¹⁵ｃｍ^-3以上のシリコンウエハは、従来入手で
きず、新たに得られた１０¹⁵ｃｍ^-3以下のウエハより酸
素析出量がかなり多い。そのため、従来のシリコンウエ
ハにおいては、ウエハの反りや素子の劣化が生じている
ものと考えられる。

【００４４】なお、酸素析出量はＳｉ結晶中の酸素濃度
に依存する。図６は、酸素析出量の酸素濃度依存性を示
すグラフである。横軸は酸素濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3の単位
で示し、縦軸は酸素析出量を１０¹⁷ｃｍ^-3の単位で示
す。このグラフに示されるように、酸素濃度を１．３×
１０¹⁸ｃｍ^-3以下に低減すると、熱処理後も酸素がほと
んど析出しない。

【００４５】酸素濃度は低ければ低いほどよいわけでは
ない。転位の固着応力は、酸素濃度にほぼ比例する（た
とえば、Ｍａｒｏｕｄａｓ et al., Defects in Silico
n II, The Electrochemical Society, Pennington, NY
(1991), pp.181）。

【００４６】たとえば、酸素濃度を１．８×１０¹⁸ｃｍ
^-3から１．３×１０¹⁸ｃｍ^-3に低減すると、結晶の強度
は約２８％低下する。結晶の強度を保つ観点からは、酸
素濃度は高いことが望ましい。

【００４７】しかしながら、従来のＳｉ結晶において
は、高酸素濃度は高酸素析出量を意味し、強度とライフ
タイム等の両観点から妥協的な酸素濃度を決定してい
た。酸素濃度が高く、酸素析出量の少ない結晶を得るこ
とはできなかった。

【００４８】以上説明した本発明者らの先の研究によ
り、低炭素濃度を実現すれば、酸素析出を減少させ、か
つウエハの機械的強度を高く維持することが可能にな
る。また、炭素濃度が１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下では、酸素
析出量は炭素濃度にほとんど依存しなくなる。したがっ
て、結晶の機械的強度も１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃
度では炭素濃度に依存しないようにできると結論でき
る。

【００４９】このため、ＵＬＳＩプロセスにおいて、結
晶欠陥が極めて形成されにくく、かつ高強度である使い
やすいウエハが提供される。このように、物性的および
機械的に優れた特性を有するＳｉ結晶の製造方法を以下
に説明する。

【００５０】このように、炭素濃度が約１．０×１０¹⁴
ｃｍ^-3以下のＳｉ結晶は、炭素濃度が１．０×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3以上の結晶と異なり、優れた特徴を有する。以上説
明した炭素濃度低減の効果は、酸素濃度が１．８×１０
¹⁸ｃｍ^-3のＳｉ結晶に対して実験的に確かめられた。酸
素濃度が１．８×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の低酸素濃度結晶の
場合は、酸素析出が抑制される方向に変わるので、さら
に低欠陥化が可能である。従来は、酸素濃度が約１．３
×１０¹⁸以上になると、酸素析出が避け難かった。

【００５１】本発明によれば、酸素濃度が約１．３×１
０¹⁸ｃｍ^-3以上であっても、炭素濃度を低減することに
より、酸素析出を低減することができる。より現実的に
は、酸素濃度は１．４×１０¹⁸〜１．８×１０¹⁸ｃｍ^-3
が好ましい。

【００５２】図７は、本発明者らが先に提案したＳｉ結
晶成長用るつぼの構造を示す。図７（Ａ）は、るつぼの
外観を示す斜視図である。また、図７（Ｂ）は、るつぼ
の構成を示す断面図である。

【００５３】石英るつぼ３１は、グラファイトるつぼ３
２によって保持される。結晶成長温度が高いため、石英
るつぼのみではＳｉメルトを収容した石英るつぼの強度
が不足する。このため、グラファイトるつぼ３２によ
り、るつぼの強度を増加している。グラファイトるつぼ
３２には、通常３つのスリット３３が形成されている。
図には２つのスリットを示した。

【００５４】グラファイト表面を露出しておくと、グラ
ファイトから蒸発するＣがＳｉメルト中に混入する。こ
のため、成長Ｓｉ結晶のＣ濃度を低減することが困難に
なる。このため、グラファイトるつぼ３２の表面はＳｉ
Ｃコーティング３４によって被覆する。グラファイトる
つぼ３２の表面をＳｉＣコーティング３４によって被覆
することにより、グラファイトるつぼ３２からのＣの蒸
発が防止される。

【００５５】石英るつぼ３１中にＳｉソース材料を収容
し、加熱してＳｉメルトにする。この状態において、石
英るつぼ３１からＳｉメルトにＯ₂が供給され、Ｓｉメ
ルト中のＣと結合し、ＣＯ₂またはＣＯとなって蒸発す
る。このように、Ｓｉメルト中に酸素を供給することに
より、ＳｉメルトのＣ濃度が低減する。

【００５６】このとき、ＳｉメルトにＣが供給される
と、Ｓｉメルト中のＣ濃度はある値以上には低下しなく
なる。高温に保持される部分のＣ含有部材は、コーティ
ング等を施すことにより、Ｃを蒸発させないようにする
ことが望まれる。

【００５７】たとえば、ヒータとしてカーボン（グラフ
ァイト）ヒータを用いるが、このカーボンヒータ表面に
もＳｉＣコーティングを形成し、ヒータからＣが蒸発し
ないようにする。

【００５８】また、ヒータ外側には非常に大きな表面積
を有するグラファイト繊維からなる断熱材が配置される
が、このグラファイト繊維の断熱材の表面から多量のＣ
Ｏ、ＣＯ₂等が発生する。しかし、グラファイト繊維の
全表面にＳｉＣ等のコーティングを形成することは現実
的には不可能である。

【００５９】このＣＯ、ＣＯ₂がＳｉメルトに到達する
ことを防ぐため、グラファイト繊維断熱材を包む壁を形
成し、かつこのグラファイト断熱材を収容する空間にパ
ージガスを流し、ＣＯ、ＣＯ₂と共に排気する。

【００６０】また、成長結晶にＣが侵入することを防止
するため、成長結晶直上にパージチューブを取付け、パ
ージガスを流して成長結晶表面を保護する。このパージ
ガスは、Ｓｉメルト上にも流れ、Ｓｉメルト表面も保護
する。

【００６１】このような方法で成長したＳｉ結晶の炭素
濃度を放射化分析法で測定したところ、３．６×１０¹⁴
ｃｍ^-3（固化率：１５％）、５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3（固
化率：７０％）が得られた。すなわち、従来の１０¹⁵ｃ
ｍ^-3レベルを下回る炭素濃度を有するＳｉ結晶が得られ
た。

【００６２】本発明者らは、Ｓｉ結晶の更なる低炭素濃
度化を目指し、上述のるつぼ構造を改善した。図１は、
本発明の実施例によるＳｉ結晶成長装置を示す。図１
（Ａ）は結晶装置の断面構成を示し、図１（Ｂ）はるつ
ぼの拡大断面図である。

【００６３】図１（Ａ）において、内側の石英るつぼ１
と外側のグラファイトるつぼ３で構成されたるつぼ５
は、シャフト６に支持されてチャンバ１７中に配置され
る。なお、シャフト６はチャンバ１７外に配置されたモ
ータ７によって回転駆動される。

【００６４】るつぼ５は、図１（Ｂ）に拡大して示すよ
うに、所定のコーティングを施されている。外側のグラ
ファイトるつぼ３の全表面は、ＳｉＣコーティング４に
よって覆われている。このＳｉＣコーティング４によっ
てグラファイトるつぼ３からのＣの蒸発が防止される。

【００６５】さらに、内側の石英るつぼ１の全外側表面
は、Ｓｉ₃Ｎ₄コーティング２によって覆われている。
このＳｉ₃Ｎ₄コーティングは、Ｏ、Ｃの透過を遮断す
る機能を有する。なお、Ｓｉ₃Ｎ₄コーティングはるつ
ぼと接する面を覆えばよい。るつぼ内側のＳｉメルトと
接する面には、Ｓｉ₃Ｎ₄コーティングは設けない。

【００６６】図７に示したるつぼ構造においては、内側
の石英るつぼが外側のグラファイトるつぼ表面のＳｉＣ
コーティングに接していた。この構成によれば、高温下
では石英るつぼと接するグラファイトるつぼのＳｉＣコ
ーティングからＳｉＣが次の反応によって分解し、Ｃ
Ｏ、ＣＯ₂が発生し易い。

【００６７】２ＳｉＣ＋ＳｉＯ₂→３Ｓｉ＋２ＣＯ↑ ＳｉＣ＋ＳｉＯ₂→２Ｓｉ＋ＣＯ₂↑ すなわち、石英るつぼとグラファイトるつぼの接触面に
おいて、ＣＯ、ＣＯ₂が発生し、Ｓｉメルト中に溶け込
むことができる。

【００６８】Ｓｉメルト中のＣ濃度を著しく低く抑制し
た状態においては、このようにるつぼから供給されるＣ
濃度は無視できない大きさであり、Ｓｉメルト中のＣ濃
度低減を制限してしまう。

【００６９】本構成においては、石英るつぼ１外側表面
をＳｉ₃Ｎ₄コーティング２が被覆しているため、石英
るつぼ１はＳｉＣコーティング４と直接接触しない。石
英るつぼから発生するＯは、Ｓｉ₃Ｎ₄コーティング２
によって遮蔽され、ＳｉＣコーティングには到達しな
い。

【００７０】したがって、るつぼ５は、Ｓｉメルトに酸
素のみを供給する。供給された酸素は、Ｓｉメルト８中
に溶融しているＣと会合すると、ＣＯ、ＣＯ₂となって
メルト外に排出される。

【００７１】るつぼ５の周囲には、ＳｉＣコーティング
を備えた筒状のグラファイトヒータ１３が配置されてい
る。このヒータ１３に所定の電流を流すことにより、る
つぼ５を所定温度に加熱する。

【００７２】ヒータ１３とチャンバ１７の間には、カー
ボンファイバ断熱材１５が配置され、チャンバ１７の加
熱を防止している。ただし、カーボンファイバ断熱材１
５は、極めて広い表面積を有し、ＣＯ、ＣＯ₂を発生す
る。発生したＣＯ、ＣＯ₂がＳｉメルト８に接すると、
Ｓｉメルト８にＣが導入されてしまう。

【００７３】このため、まずカーボンファイバ断熱材１
５をチャンバ１７の内壁との間に閉じ込めるため、Ｓｉ
Ｃコートを設けたグラファイトのシールド１９がヒータ
１３と断熱材１５との間に配置され、断熱材１５を収容
する部屋を画定する。また、チャンバ１７には排気孔２
５を形成し、シールド１９には通気孔を形成する。

【００７４】Ｓｉメルト８には、シード結晶１０を接触
させ、引き上げることによって成長結晶１１を育成す
る。この成長結晶１１を包むように、ＳｉＣコーティン
グを備えた高融点金属のパージチューブ２１が上方から
下方に突き出すように配置されている。チャンバ１７に
は、パージ用Ａｒガスを供給するめたの配管２２が接続
されている。

【００７５】配管２２から供給されたＡｒパージガス
は、パージチューブ２１から下方に吹き出し、成長結晶
１１、Ｓｉメルト８表面付近のＣＯ、ＣＯ₂を速やかに
除去すると共に、シールド１９の通気孔を通り、断熱材
１５から発生するＣＯ、ＣＯ₂を伴って排気孔２５から
排気される。

【００７６】ヒータ１３によってるつぼ５内を１４００
℃以上の温度に加熱し、シード結晶１０をＳｉメルト８
に接触させ、シード結晶１０をＳｉメルトから引き上げ
ることにより、成長結晶１１が育つ。なお、結晶成長中
るつぼ５はモータ７によって回転される。

【００７７】シード結晶１０は、Ｗ線９でつり下げら
れ、結晶成長中上方に引き上げられる。なお、固液界面
を一定位置に保つため、結晶成長に伴い、るつぼ５を液
面の移動分僅かに上方に移動させるようにシャフト６を
駆動してもよい。

【００７８】グラファイト製構造部材をコートするコー
ティングは、ＳｉＣに限らず、チタンカーバイド（Ｔｉ
Ｃ）、ニオビウムカーバイド（ＮｂＣ）、タンタルカー
バイド（ＴａＣ）、ジルコニアカーバイド（ＺｒＣ）等
の他の炭化物であってもよい。

【００７９】これらのコーティングは、少なくとも１０
０μｍの厚さに形成することが好ましい。石英るつぼ１
の外側表面を被覆するＳｉ₃Ｎ₄コーティング２も、少
なくとも１００μｍ厚さに形成する。

【００８０】パージチューブ２１は、Ｗの他、モリブデ
ン（Ｍｏ）、グラファイト等で形成してもよい。パージ
チューブがグラファイトの場合には、少なくとも厚さ１
００μｍの上述の炭化物コーティングを設けることが好
ましい。

【００８１】このように、内面で酸素を供給するが、外
面でＯとＣを完全に遮蔽したるつぼを用いることによ
り、１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃度を有するＳｉ結晶
を成長するが可能となる。

【００８２】図１に示すＳｉ結晶成長装置を用いたＳｉ
結晶の具体的成長を説明する。まず、成長炉の空焼きを
行なう。空焼き時には石英るつぼを設置しない。この空
焼きの目的は、ＳｉＣコーティングを施したホットゾー
ン内のグラファイト構造物表面に吸着している水分を除
去することである。

【００８３】まず、Ａｒ流雰囲気（約１０ｔｏｒｒ）で
ヒータ温度を多結晶シリコンの溶解時に必要な１６００
℃まで上昇し、約５時間保持する。次にＡｒ流を止め、
炉内圧力を約１０^-2ｔｏｒｒまで低下させ、１時間保持
する。

【００８４】最後に炉内にＮ₂を約１０ｔｏｒｒ流し、
１時間維持した後、ヒータの電流を切り、炉を冷却す
る。ここでＮ₂を流す理由は、水分の混入を防止するた
めである。

【００８５】空焼きの後、炉を開放し、多結晶シリコン
をチャージするが、このとき全てのホットゾーンが大気
と接触する。大気と接触した表面は、大気中の水分を吸
着する危険性がある。Ｎ₂は高温ではＡｒよりやや活性
なため、ホットゾーン表面に吸着され、ＳｉＣが大気中
の水分を吸着することを防ぐ。

【００８６】続いて、多結晶シリコンのチャージを行な
う。標準的な石英るつぼは、直径約４０ｃｍであり、標
準チャージ量は約４５Ｋｇである。多結晶シリコンのチ
ャージ終了後、炉内を約１０^-2ｔｏｒｒ程度まで真空排
気し、炉にリーク等の異常がないことを確認した後、直
ちにヒータに電流を流し、多結晶シリコンの溶融を開始
する。

【００８７】ヒータ表面は、ＳｉＣでコーティングされ
ているが、入力電流が同じときには通常のグラファイト
ヒータとほとんど同じ熱量を発生し、ほとんど同じ温度
に到達する。多結晶Ｓｉ溶解中のその後の成長プロセス
においても、電力の入力値は従来の成長と同様でよい。

【００８８】加熱後約４時間で全ての多結晶シリコンが
溶解する。Ｓｉメルトを結晶成長に適切な温度分布に制
御した後、結晶成長を開始する。６インチウエハを製造
する場合は、直径を１５．７±０．２ｃｍ以内に制御し
つつ、長さ８５ｃｍに成長した後、径を徐々に細らせ、
テールを形成して成長を終了する。

【００８９】ＳｉＣコーティングを設けたホットゾーン
は、従来のグラファイトホットゾーンの約３倍の価格と
なるが、ＳｉＣの酸化速度はグラファイトの数百分の１
であるため、酸化による劣化は従来のグラファイト製ホ
ットゾーンより極めて遅い。したがって、価格的にもさ
ほど高価なホットゾーンとはならない。

【００９０】以上の手順でシリコンインゴットを製造し
た後、通常の加工工程を行なう。すなわち、粗斬り、外
周研削、スライス、ラッピング、研磨の各工程を行な
い、シリコンウエハを得る。

【００９１】図２は、上述の工程で得られたシリコン結
晶中の炭素濃度を示すグラフである。横軸に固化率を示
し、縦軸に放射化分析による炭素濃度を示す。固化率８
０％のサンプルにおいても、炭素濃度は測定限界の２．
５×１０¹⁴ｃｍ^-3以下であった。この固化率８０％のサ
ンプルの炭素濃度が仮に２．５×１０¹⁴ｃｍ^-3であった
場合、固化率が８０％以下の各サンプルについて予測さ
れる炭素濃度は破線のようになる。

【００９２】この曲線から予想されるように、固化率５
５％以下の結晶においては、１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以下
の炭素濃度が保証される。このように製造したＳｉウエ
ハは、そのまま使用に供することもできるが、その上に
エピタキシャル層等をさらに形成することもできる。

【００９３】図８は、シリコンウエハ４１の上にエピタ
キシャル４２を形成したエピタキシャルウエハの構成を
示す。エピタキシャル層４２は、ボロン（Ｂ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、またはインジウム
（Ｉｎ）等のｐ型不純物を添加したｐ型シリコン結晶、
または燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等
のｎ型不純物を添加したｎ型シリコン結晶層である。シ
リコンウエハ４１はノンドープでもｐ型またはｎ型にド
ープした結晶でもよい。

【００９４】図９は、表面にドーピングを行なったウエ
ハを示す。ウエハ４１は上述の方法により作成したシリ
コンウエハであり、その表面に上述のようなｐ型または
ｎ型の不純物をドープしたドープ層４３が形成されてい
る。

【００９５】シリコン結晶の上には、シリコンのみでな
く、他の種々の半導体をエピタキシャルに成長すること
ができる。図１０はヘテロ接合ウエハの構成例を示す。
シリコンウエハ４１の表面上に、ガリウム結晶層４５と
アルミニウム−ガリウム砒素結晶層４６とが交互に成長
され、ヘテロ接合構造を構成している。ヘテロ接合の数
は適宜増減することができる。

【００９６】このような構成は、たとえばＨＥＭＴ集積
回路を形成するのに利用することができる。なお、各層
に適宜不純物をドープできることは自明であろう。な
お、図１０においては、シリコンウエハの上にガリウム
砒素層とアルミニウムガリウム砒素層を形成したが、ヘ
テロ接合を形成する半導体はこれら制限されない。たと
えば、ガリウム燐等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
を形成することもできる。

【００９７】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はシリコンと較
べ、機械的強度に劣るが、シリコン基板上にＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体層を成長することにより、全体として機
械的強度に優れたＩＩＩ−Ｖ族半導体装置を提供するこ
とが可能となる。

【００９８】図１１は、ヘテロ接合ウエハの他の構成例
を示す。シリコンウエハ４１の上にシリコン−ゲルマニ
ウムバッファ層４７を形成した後、シリコン結晶層４８
とシリコン−ゲルマニウム結晶層４９が交互に成長され
ている。

【００９９】図１２は、ＳＯＩウエハの構成例を示す。
ＳＯＩ型半導体装置は、誘電分離した半導体素子を作成
することができるため、高速用半導体装置等に期待され
る構造である。

【０１００】シリコンウエハ４１の上に、シリコン酸化
膜５１が配置され、その上に薄いデバイス層を形成する
シリコン結晶層５２が配置されている。このような構成
は、シリコンウエハ４１とシリコン酸化膜５１を備えた
他のシリコンウエハを熱的に接着し、デバイス層を形成
するシリコンウエハを研磨することによって作成するこ
とができる。接着剤による接着を用い、同様の構造を作
成することもできる。

【０１０１】ＳＯＩウエハは、シリコン結晶でシリコン
酸化膜を挟んだ構造を有するため、シリコン結晶と酸化
膜の熱膨張率の差に起因する歪みが界面に蓄積される。
このため、デバイスプロセス中の熱処理によって変形し
易い欠点を有する。

【０１０２】上述のような機械的強度に優れたシリコン
ウエハを用いることにより、ＳＯＩウエハの機械強度を
向上することができる。このため、熱応力起因の不良率
を下げることができる。

【０１０３】上述のように、炭素濃度を低減したシリコ
ン結晶は結晶性に優れると共に機械的強度を高く維持す
ることができる。このため、シリコンの弾性的性質を利
用した各種デバイスに有利に利用することができる。

【０１０４】図１３は、シリコンを用いた加速度センサ
の構成例を示す。シリコン結晶部材５５は、保持部５５
ｃから厚さを薄く成形したカンチレバー部５５ｂを介し
て、可動電極となる可動部５５ａに連続している。

【０１０５】可動部５５ａの上下には、固定電極５７が
ガラス基板５６に固定して配置されている。また、可動
部５５ａの左側には、他の固定電極５８が配置されてい
る。可動部５５ａが上下に変位すると、容量が変位に伴
って変化する。可動部５５ａと固定電極５８の対向面は
それぞれ角部を形成するように研磨され、可動部５５ａ
が上下に移動するとき、その容量を大幅に変更する。

【０１０６】固定電極５７、５８は、検出回路５９に接
続され、容量変化を検出する。検出された容量変化は、
増幅器６１を介してパルス幅変調回路６２に供給され
る。パルス幅変調回路６２の出力は、インバータ６３を
介して検出回路５９にフィードバックされている。固定
電極からの一方の信号は、低域ろ波器６４を介してゼロ
点測定範囲調整回路６５に供給されている。

【０１０７】このような加速度センサにおいて、シリコ
ン結晶部材５５を、上述のように炭素濃度が低く、かつ
機械的強度に優れたシリコン結晶で形成することによ
り、感度が高く耐久性に優れた加速度センサを提供する
ことができる。

【０１０８】図１４は、シリコン結晶を利用した集積化
質量流量制御装置の構成例を示す。図１４（Ａ）はバル
ブが閉じた状態を示し、図１４（Ｂ）はバルブが開いた
状態を示す。

【０１０９】シリコン結晶部材１５５は、リング状に厚
さを薄くしたダイヤフラム部１５５ｂを有し、その中央
に弁として働く肉厚部１５５ａを有する。また、ダイヤ
フラム部１５５ｂの外側には固定部材として機能する肉
厚部１５５ｃが形成されている。

【０１１０】このようなシリコンウエハ１５５は、中央
の肉厚部１５５ａにガラスアクチュエータ１５８ａが固
定され、その外側の肉厚部にピエゾアクチュエータ１６
１ａ、１６１ｂが固定されている。

【０１１１】ピエゾアクチュエータ１６１ａ、１６１
ｂ、…、およびガラスアクチュエータ１５８ａは、支持
用ガラス基板１５８ａに共通に固定されている。また、
シリコン結晶部材１５５の上方には、ガラス部材１５７
が配置され、シリコンウエハ１５５との間にガス流路１
６３を形成している。

【０１１２】ガラス部材１５７には開口１６４が形成さ
れており、ガラス部材１５７下のガス流路と連絡する。
ガス流路中には、熱型フローセンサ１６５が配置されて
いる。

【０１１３】ピエゾアクチュエータ１６１に電圧を印加
しない状態で、シリコンウエハ１５５中央の肉厚部１５
５ｂがガラス基板１５７の開口を閉じ、流路を遮蔽す
る。ピエゾアクチュエータ１６１に電圧を印加すると、
ピエゾアクチュエータは延び、ガラス基板１５８ｂを介
してガラスアクチュエータ１５８ａを下方に駆動する。
このガラスアクチュエータの移動により、肉厚部１５５
ａが上方のガラス基板１５７から離れ、ガス流路を上方
のガス流路に連続させる。

【０１１４】このような質量流量制御装置において、機
械的強度に優れたシリコンウエハを用いることにより、
流量の変化幅が大きく、耐久性に優れた質量流量制御装
置を提供することができる。

【０１１５】以上、限られた実施例につき、本発明を説
明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
シリコン単結晶を用いたほぼ全ての半導体装置および機
械的機構に本発明を利用することができる。

【０１１６】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能なことは当業者に自明であろう。

【０１１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｃ濃度が低く、結晶欠陥が少ないＳｉ結晶が得られる。

【０１１８】さらに、酸素析出物濃度を低く保ち、かつ
機械的強度に優れたＳｉ結晶が得られる。このようなＳ
ｉ結晶を種々の半導体装置や機構部材に利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるＳｉ結晶成長装置を示す
断面図である。

【図２】図１に示す成長装置で成長したＳｉ結晶の炭素
濃度の測定例を示すグラフである。

【図３】Ｓｉ結晶中のキャリアのライフタイムの炭素濃
度依存性を示すグラフである。

【図４】Ｓｉ結晶の冷却速度と析出酸素量との関係を示
すグラフである。

【図５】酸素析出量の炭素濃度に対する濃度依存性を示
すグラフである。

【図６】酸素析出量の酸素濃度依存性を示すグラフであ
る。

【図７】本発明者らの先の提案によるＳｉ結晶成長用る
つぼの構成を示す斜視図および断面図である。

【図８】本発明の実施例によるシリコンウエハの構成を
示す断面図である

【図９】本発明の実施例によるシリコンウエハの構成を
示す断面図である

【図１０】本発明の実施例によるヘテロ接合半導体ウエ
ハの構成を示す断面図である。

【図１１】本発明の実施例によるヘテロ接合半導体ウエ
ハの構成を示す断面図である。

【図１２】本発明の実施例によるＳＯＩウエハの構成を
示す断面図である。

【図１３】本発明の実施例による加速度センサの構成を
概略的に示す断面図である。

【図１４】本発明の実施例による集積化質量流量制御装
置の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１石英るつぼ２Ｓｉ₃Ｎ₄コーティング３グラファイトるつぼ４、１４ＳｉＣコーティング５（複合）るつぼ６シャフト７モータ８Ｓｉメルト９タングステン（Ｗ）線１０シード結晶１１成長結晶１３グラファイトヒータ１５カーボンファイバ断熱材１７チャンバ１９シールド２１パージチューブ２５排気孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ３０Ｂ 29/06 Ｃ 8216−4Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉソース材料を収容するための石英製
るつぼ（１）と、前記石英製るつぼを保持するためのグラファイト製るつ
ぼ（３）と、前記グラファイト製るつぼ（３）の全表面を覆い、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣおよびこれらの混
合物のいずれかで形成されたグラファイト製るつぼコー
ティング（４）と、前記石英製るつぼ（１）の少なくともグラファイト製る
つぼと接触する面を覆い、溶融Ｓｉと接する面は露出す
る窒化シリコン製コーティング（２）とを有するＳｉの
結晶成長装置。
【請求項２】さらに、前記石英製るつぼ（１）、グラ
ファイト製るつぼ（３）を収容する気密チャンバ（１
７）と、前記気密チャンバ（１７）内で前記グラファイト製るつ
ぼの周囲に配置され、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ｔａ
Ｃ、ＺｒＣおよびこれらの混合物のいずれかで形成され
たコーティングを備えたグラファイト製ヒータ（１３）
とを有する請求項１記載のＳｉの結晶成長装置。
【請求項３】さらに、前記気密チャンバ（１７）の内
壁と結合し、中間空間を画定し、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＴａＣ、ＺｒＣおよびこれらの混合物のいずれかで
形成されたコーティングを備えたサーマルシールド（１
９）と、前記中空空間内に配置されたカーボンファイバ断熱材
（１５）とを有する請求項２記載のＳｉの結晶成長装
置。
【請求項４】さらに、前記石英製るつぼ（１）上方に
配置され、底部が開放した筒状部材（２１）と、前記筒状部材の上方よりパージガスを導入し、前記中空
空間より気密チャンバ外部にパージガスを排気するパー
ジガス流路手段（２４、２５）とを有する請求項３記載
のＳｉの結晶成長装置。
【請求項５】前記筒状部材（２１）がＳｉＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣおよびこれらの混合物のい
ずれかで形成されたコーティングを備えた高融点金属の
筒状部材で形成されている請求項４記載のＳｉの結晶成
長装置。
【請求項６】Ｓｉソース材料を収容するための石英製
るつぼ（１）と、前記石英製るつぼを保持するためのグ
ラファイト製るつぼ（３）と、前記グラファイト製るつ
ぼ（３）の全表面を覆い、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ｔ
ａＣ、ＺｒＣおよびこれらの混合物のいずれかで形成さ
れたグラファイト製るつぼコーティング（４）と、前記
石英製るつぼ（１）の少なくともグラファイト製るつぼ
と接触する面を覆い、溶媒Ｓｉと接する面は露出する窒
化シリコン製コーティング（２）とを有するるつぼ内に
Ｓｉソース材料を収容し、溶融させてＳｉメルトを形成
する工程と、前記るつぼ内のＳｉメルトに種結晶を接触させ、種結晶
を引き上げて種結晶上にＳｉ結晶を成長させる成長工程
とを含むＳｉの結晶成長方法。
【請求項７】さらに、前記成長工程の間、パージガス
を成長結晶およびＳｉメルト表面上に流し、発生する酸
化炭素ガスを排気する工程を含む請求項６記載のＳｉの
結晶成長方法。
【請求項８】約１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃度
を有するシリコン結晶。
【請求項９】さらに、約１．３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の
酸素濃度を有する請求項８記載のシリコン結晶。
【請求項１０】さらに、固溶限度以下のＢ、Ａｌ、Ｇ
ａ、Ｉｎの少なくとも１種の不純物濃度を有する請求項
８ないし９記載のシリコン結晶。
【請求項１１】さらに、固溶限度以下のＰ、Ａｓ、Ｓ
ｂの少なくとも１種の不純物濃度を有する請求項８ない
し９記載のシリコン結晶。
【請求項１２】約１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃
度を有するシリコン層を有するウエハ。
【請求項１３】さらに、前記シリコン層が約１．３×
１０¹⁸以上の酸素濃度を有する請求項１２記載のウエ
ハ。
【請求項１４】さらに、前記シリコン層が固溶限度以
下のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種の不純物濃
度を有する請求項１２ないし１３記載のウエハ。
【請求項１５】さらに、前記シリコン層が固溶限度以
下のＰ、Ａｓ、Ｓｂの少なくとも１種の不純物濃度を有
する請求項１２ないし１３記載のウエハ。
【請求項１６】さらに、前記シリコン層上に形成され
たエピタキシャル層を有する請求項１２〜１５のいずれ
かに記載のウエハ。
【請求項１７】前記エピタキシャル層が固溶限度以下
のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種の不純物濃度
を有する他のシリコン層である請求項１６記載のウエ
ハ。
【請求項１８】前記エピタキシャル層が固溶限度以下
のＰ、Ａｓ、Ｓｂの少なくとも１種の不純物濃度を有す
る他のシリコン層である請求項１６記載のウエハ。
【請求項１９】前記エピタキシャル層がＧａＡｓ、Ｇ
ａＰ、ＡｌＧａＡｓの少なくとも１種を主成分とする請
求項１２〜１５のいずれかに記載のウエハ。
【請求項２０】前記エピタキシャル層がシリコン層と
シリコン−ゲルマニウム混晶層の交互層を含む請求項１
２〜１５のいずれかに記載のウエハ。
【請求項２１】さらに、前記シリコン層上に配置され
た酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層の上に配置された単結晶シリコン層
とを有する請求項１２〜１５のいずれかに記載のウエ
ハ。
【請求項２２】約１０×１０¹⁴ｃｍ^-3以下の炭素濃度
と約１．３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の酸素濃度とを有するシ
リコンで形成された弾性部材と、前記弾性部材に応力を印加する手段とを有する機構。