JPH0789790A - 単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ルツボ１１内の溶融液１３を引き上げて単結
晶１６を成長させる単結晶成長装置１０において、ヒー
タ１２からの熱を反射させる反射板２４を備えている単
結晶成長装置１０。 【効果】 反射板２４を用いることによりヒータ１２の
熱を有効に利用することができるので、結晶用原料を短
時間で溶融することができ、効率化を図ることができる
と共に、ヒータ１２の劣化を抑制することができる。ま
た、ヒータ１２の熱を成長後の単結晶１６に反射させる
ことができるので、引き上げられる単結晶１６の熱履歴
を徐冷とすることができ、高品質の単結晶１６を製造す
ることができる。従って、このようにして得られた単結
晶１６から作製されたウエハの酸化膜耐圧検査における
良品率を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶成長装置に関し、
より詳細には、例えば半導体材料として使用される高品
質のシリコン単結晶を成長させることができる単結晶成
長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶を成長させるには種々の方法があ
るが、その一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と
記す）がある。図８は従来のＣＺ法に用いられる単結晶
成長装置を模式的に示した断面図であり、図中１１はル
ツボを示している。

【０００３】このルツボ１１は有底円筒状の石英製の内
層保持容器１１ａと、この内層保持容器１１ａの外側に
嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１
１ｂとから構成されており、ルツボ１１は図中の矢印方
向に所定の速度で回転する支持軸１９に支持されてい
る。このルツボ１１の外側には抵抗加熱式のヒータ１２
が、ヒータ１２の外側には保温筒２２がそれぞれ同心円
状に配置されており、ルツボ１１内にはこのヒータ１２
により溶融させた結晶用原料の溶融液１３が充填されて
いる。また、ルツボ１１の中心軸上には引き上げ棒ある
いはワイヤー等からなる引き上げ軸１４が吊設されてお
り、この引き上げ軸１４の先にシードチャック１４ａを
介して取り付けられた種結晶１５を溶融液１３の表面に
接触させ、支持軸１９と同一軸心で同方向または逆方向
に所定の速度で回転させながら引き上げ軸１４を引き上
げることにより、溶融液１３を凝固させて単結晶１６を
成長させている。

【０００４】ところで、半導体の単結晶１６をこの引き
上げ方法で成長させる場合、単結晶１６の電気抵抗率や
電気伝導型を調整するために、引き上げ前に溶融液１３
中に不純物を添加することが多い。しかし通常のＣＺ法
においては、単結晶１６と溶融液１３との間に生じるい
わゆる偏析現象に起因して、単結晶１６の成長軸方向に
均一な電気的抵抗率を有する単結晶１６が得られないと
いう問題があった。

【０００５】前記偏析現象とは、単結晶１６の凝固の際
に、単結晶１６と溶融液１３との界面において単結晶１
６中に取り込まれる不純物濃度と溶融液１３中の不純物
濃度とが一致しないことをいい、実効偏析係数Ｋｅ（単
結晶１６中の不純物濃度／溶融液１３中の不純物濃度）
は通常１より小さくなる。この場合、単結晶１６が成長
するとともに前記偏析現象のために溶融液１３中の不純
物濃度が次第に高くなるので、単結晶１６中の不純物濃
度も次第に高くなり、電気抵抗が小さくなってくる。し
たがって、前記の方法で成長させた単結晶１６には、一
部電気抵抗率に関し基準を満たさないものが製造されて
しまい、歩留まりが低くなる。

【０００６】そこで、上記した偏析現象の発生に起因し
た歩留りの低下を防止し、電気抵抗率に関する歩留まり
を上げる単結晶引き上げ方法として溶融層法が開発され
ている。

【０００７】図９は溶融層法に用いられる単結晶成長装
置を模式的に示した断面図である。この溶融層法の基本
的な特徴は、図８に示したものと同様に構成されたルツ
ボ１１内の結晶用原料をヒータ１２で溶融させて上層に
は溶融層１３を、下層には固体層１８を形成し、単結晶
１６の成長とともに固体層１８を次第に溶出させること
によって溶融層１３中の不純物濃度を一定に保つことに
ある。装置のその他の部分の構成は前記ＣＺ法に用いら
れる装置と同様であり、上記した部分を除いて単結晶１
６の引き上げ方法もＣＺ法による引き上げ方法とほぼ同
様である。

【０００８】そして、前記溶融層法において、溶融層１
３中の不純物濃度を一定に保つ方法として溶融層厚一定
法及び溶融層厚変化法の二つの異なる方法が提案されて
いる。

【０００９】この溶融層厚一定法として、不純物を含有
しない固体層１８を単結晶１６の引き上げに伴って溶融
させつつ、溶融層１３の体積を一定に保ち、溶融層１３
には不純物を連続的に添加して溶融層１３中の不純物濃
度を一定に保つ方法があり、特公昭３４−８２４２号公
報、特公昭６２−８８０号公報及び実公平３−７４０５
号公報等に開示されている。また、前記溶融層厚一定法
として、固体層１８中に先に不純物を含有させておき、
不純物を溶融層１３には添加せず、単結晶１６の引き上
げ中における溶融層１３の体積を一定に保ち、溶融層１
３の不純物濃度をほぼ一定に保つ方法もあり、特公昭６
２−８８０号公報及び特開昭６３−２５２９８９号公報
に開示されている。

【００１０】一方、前記溶融層厚変化法は、意図的に溶
融層１３の体積を変化させることにより、単結晶１６の
引き上げ中に不純物を添加することなく溶融層１３中の
不純物濃度を一定に保つ方法であり、特開昭６１−２０
５６９１号公報、特開昭６１−２０５６９２号公報及び
特開昭６１−２１５２８５号公報に開示されている。

【００１１】なお、上記した二つの溶融層法において、
溶融層１３の厚さの制御は、発熱体としてのヒータ１２
の長さやパワー、ルツボ１１の位置や深さ及びヒータ１
２の外側に周設される保温筒２２の形状及び材質を適切
に選択することにより行われる。

【００１２】上記したように、溶融層法では溶融層１３
中の不純物濃度をほぼ一定に保つことができるので、電
気抵抗率に関する歩留まりを改善することができる。

【００１３】また、特開平３−２６２６１号公報に示さ
れているように、２段のヒーターを用いて固体層１８の
溶出量を制御しつつ単結晶１６の引き上げを行い、単結
晶１６引き上げ時の溶融層１３中の不純物濃度を一定に
保つ方法によっても単結晶１６の軸方向に関する電気抵
抗率を略一定にすることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、通常のＣＺ法
や溶融層法により得られたＳｉ単結晶においては、引き
上げ中の熱履歴が品質を決定する重要な要素の一つとな
っている。例えば、前記Ｓｉ単結晶より作製されるウエ
ハの酸化膜耐圧検査における良品率を向上させるには、
引き上げられる前記Ｓｉ単結晶の熱履歴を徐冷とするの
が良い。

【００１５】ところで、従来のＣＺ法や溶融層法により
得られたＳｉ単結晶１６では、ウエハの酸化膜耐圧検査
における良品率が低下するという課題があった。すなわ
ち、図９に示した従来の単結晶成長装置においては、溶
融液１３の直上部を加熱する機構もないため、引き上げ
られるＳｉ単結晶１６の熱履歴を徐冷とすることができ
ず、高品質のＳｉ単結晶１６を製造することができない
ので、得られたＳｉ単結晶１６から作製されたウエハの
酸化膜耐圧検査における良品率が低下するという課題が
あった。

【００１６】また、結晶用原料の溶融時にヒータ１２の
熱を有効に利用することができず、結晶用原料の溶融に
時間がかかる。このため原料溶融の効率が悪いという課
題があり、またヒータ１２のパワーの低減及び稼動時間
の短縮を図ることは難しく、ヒータ１２が劣化しやす
く、ヒータ１２の材料が飛散しやすくなり、飛散物質の
溶融液１３内への混入によりＳｉ単結晶１６の品質が低
下するという課題があった。

【００１７】また、上記した従来の２段の前記ヒータを
用いた単結晶成長装置においても、図９に示した単結晶
成長装置における課題と同様の課題を有していた。

【００１８】本発明は上記した課題に鑑みなされたもの
であり、結晶用原料の溶融時に、結晶用原料にヒータの
熱を反射させることができるので、原料の溶融時間を短
縮することができ、効率化を図ることができるとととも
に、ヒータのパワー及び稼動時間を低減することがで
き、ヒータの劣化を防止することができる。また、単結
晶の引き上げ時に、成長後の単結晶にヒータの熱を反射
させて単結晶の急激な温度低下を防止することができ、
引き上げられる単結晶の熱履歴を良好に制御することが
できるので、高品質の単結晶を製造することができ、得
られた単結晶から作製されたウエハの良品率を高めるこ
とができる単結晶成長装置を提供することを目的として
いる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶成長装置は、ルツボ内の溶融液を
引き上げて単結晶を成長させる単結晶成長装置におい
て、ヒータからの熱を反射させる反射板を備えているこ
とを特徴としている。

【００２０】

【作用】上記した構成の単結晶成長装置によれば、前記
ヒータからの熱を反射させる前記反射板を備えているの
で、結晶用原料の溶融時に、前記ヒータの熱を前記ルツ
ボ及び結晶用原料に反射させることが可能となり、前記
ヒータの熱が有効に利用されることとなる。このため、
結晶用原料の溶融時間が短縮され、効率化が図られるこ
ととなり、また前記ヒータのパワーの低減及び稼動時間
の短縮が図られ、該ヒータの劣化が抑制され、該ヒータ
の材料が飛散しにくくなり、飛散物質の前記溶融液内へ
の混入が防止され、高品質の単結晶が製造される。

【００２１】また、該単結晶の引き上げ時に、前記ヒー
タの熱を成長後の前記単結晶に反射させることが可能と
なり、該単結晶の急激な温度低下が防止されて引き上げ
られる該単結晶の熱履歴が徐冷となり、該熱履歴が良好
に制御される。このように熱履歴を徐冷にすると、前記
単結晶中で原子空孔と格子間Ｓｉ原子の対消滅が効果的
に起こるとともに、酸素析出物の核形成が減少する効果
が大きくなるので、原子空孔及び酸素析出物の発生を抑
制することができるものと考えられる。したがって、本
発明の装置を用いて単結晶の成長を行うと、高品質の単
結晶が製造され、得られた単結晶から作製されたウエハ
の酸化膜耐圧検査における良品率が高くなる。

【００２２】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶成長装
置の実施例及び比較例を図面に基づいて説明する。

【００２３】図１は本発明に係る単結晶成長装置の一実
施例を示した模式的断面図であり、図２は実施例に係る
反射板及び反射板の駆動機構を示した正面図及び側面図
である。図中１０は単結晶成長装置を、図中２１はメイ
ンチャンバーをそれぞれ示しており、円筒形状の真空容
器であるメインチャンバー２１のほぼ中央位置にはルツ
ボ１１が配設されている。ルツボ１１は、有底円筒形状
の石英製の内層保持容器１１ａと、この内層保持容器１
１ａの外側に嵌合された同じく有底円筒形状の黒鉛製の
外層保持容器１１ｂとから構成されている。本実施例で
は、例えば直径が１６インチ、高さが１４インチの内層
保持容器１１ａが用いられている。さらに、このルツボ
１１の外層保持容器１１ｂの底部にはルツボ１１を回
転、並びに昇降させる支持軸１９が配設されており、ル
ツボ１１の外周には、例えば９０ｍｍ程度の発熱長を有
するメインヒータ１２ａが、そしてメインヒータ１２ａ
の下方にはメインヒーター１２ａと同径で、例えば９０
ｍｍ程度の発熱長を有するサブヒータ１２ｂが、それぞ
れ同心円筒状に配設されており、これらメインヒータ１
２ａ及びサブヒータ１２ｂよりヒータ１２は構成されて
いる。また、ヒータ１２の外側には保温筒２２が周設さ
れている。

【００２４】また、メインチャンバー２１の底面には複
数本の支柱２７が配設されており、各支柱２７上部の上
下２段には回転体２６ａ’及び回転体２６ｂ’が軸支さ
れ、各回転体２６ａ’、２６ｂ’には支持軸２４ｃ、２
４ｄの一方が固定されており、支持軸２４ｃ、２４ｄの
他方には円筒形状あるいは逆円錐形状のモリブデン製の
板を４分割し、この４分割した板の反射面に鏡面加工を
施して形成された上部反射板２４ａ及び下部反射板２４
ｂ（図３及び図４参照）が固定接続されており、これら
上部反射板２４ａ及び下部反射板２４ｂにより反射板２
４は構成されている。各支柱２７下部の上下２段には回
転体２６ａ及び回転体２６ｂが軸支されており、回転体
２６ａ、２６ｂ、２６ａ’、２６ｂ’には上部反射板２
４ａ及び下部反射板２４ｂを時計回りあるいは反時計回
りに回転させるためのモリブデン製のチェーン２５ａ、
２５ｂが掛けられており、また回転体２５ａ、２６ｂに
はチェーン２５ａ、２５ｂを個別に右回りあるいは左回
りに回転させるためのモータ２８ａ、２８ｂがメインチ
ャンバー２１の外部で接続されている。なお、メインチ
ャンバー２１の気密性はＯ−リング等により保持されて
いる。

【００２５】そして、保温筒２２とヒータ１２との間に
上部反射板２４ａ及び下部反射板２４ｂが位置するよう
になっており、モータ２８ａ、２８ｂを作動させること
により回転体２６ａ、２６ｂ及びチェーン２５ａ、２５
ｂが回転し、さらに回転体２６ａ’、２６ｂ’が回転し
て上部反射板２４ａ、下部反射板２４ｂの上下方向の角
度が個別に調節されるようなっており、反射板２４の角
度を調節することによりヒータ１２からの熱を結晶用原
料や単結晶１６等に反射させることができるようになっ
ている。

【００２６】一方、ルツボ１１の上方にはメインチャン
バー２１の上部に連設形成された小型の円筒形状のプル
チャンバー２３を通して、引き上げ棒あるいはワイヤー
等からなる引き上げ軸１４が回転、並びに昇降可能に吊
設されており、この引き上げ軸１４の先にシードチャッ
ク１４ａを介して取り付けられた種結晶１５を溶融液１
３の表面に接触させ、支持軸１９と同一軸心で同方向ま
たは逆方向にそれぞれ所定の速度で回転させながら引き
上げ軸１４を引き上げることにより、溶融液１３を凝固
させて単結晶１６を成長させるようになっている。

【００２７】このように構成された単結晶成長装置１０
を用いて単結晶１６を成長させる場合、ルツボ１１内に
結晶用原料として例えばシリコンの多結晶６５ｋｇを充
填し、その中にｎ型ドーパントのリン−シリコン合金を
０．６ｇ添加する。そしてメインチャンバー２１内を１
０ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気にした後、モータ２８ａ、２８
ｂを作動させてヒータ１２の熱が結晶用原料部分に反射
するように反射板２４の角度を設定するとともに、メイ
ンヒータ１２ａ及びサブヒータ１２ｂのパワーを各々５
０ｋＷ程度、合計１００ｋＷ程度にして結晶用原料を一
旦全部溶融させる。

【００２８】次にサブヒータ１２ｂのパワーを０ｋＷ、
メインヒータ１２ａのパワーを７０ｋＷ程度にし、溶融
液１３下部に固体層１８を形成する。この後、モータ２
８ａ、２８ｂを作動させてチェーン２５ａ、２５ｂを回
転させ、図５に示したように溶融液１３直上の引き上げ
直後のＳｉ単結晶１６にヒータ１２の熱が反射するよう
に反射板２４の角度を設定し、種結晶１５の下端を溶融
液１３に浸漬し、ルツボ１１及び引き上げ軸１４を（ル
ツボ１１の回転／引き上げ軸１４の回転）＝１ｒｐｍ／
１０ｒｐｍの比になるように回転させつつ、Ｓｉ単結晶
１６を引き上げる。Ｓｉ単結晶１６の引き上げがネック
部１６ａ、ショルダー部１６ｂと移行し、ボディー１６
ｃへ移るとヒータ１２のパワーを調整し、固体層１８の
溶出量を制御して溶融層１３の不純物濃度を一定に保ち
ながら、引き上げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ、引き上げるＳｉ
単結晶１６の直径が１５４ｍｍに維持されるようにメイ
ンヒータ１２ａのパワーを調節し、長さが１０００ｍｍ
のＳｉ単結晶１６を成長させる。

【００２９】なお、比較例として反射板が配設されてい
ない従来の単結晶成長装置（図９参照）を使用し、反射
板を使用しない他は上記実施例の場合と同様にしてＳｉ
単結晶を成長させた。

【００３０】図６は実施例に係る単結晶成長装置１０と
比較例として従来の２段のヒータを用いた単結晶成長装
置とを使用し、結晶用原料の全てを溶融するのに要した
時間を測定した結果を示した度数分布図である。

【００３１】図６より明らかなように、比較例に係る単
結晶成長装置を使用した場合、結晶用原料の全溶融に要
した時間は７．５〜８時間となっている。それに対して
実施例に係る単結晶成長装置１０を使用した場合は、結
晶用原料の全溶融に要した時間は６〜６．５時間となっ
ており、２時間程度短縮されている。このように、反射
板２４を用いてヒータ１２の熱を反射させることにより
結晶用原料の溶融時間を短縮することができることを確
認することができた。

【００３２】図７は、実施例に係るＳｉ単結晶１６と比
較例として従来のＳｉ単結晶とを用いて作製した各Ｓｉ
ウエハにＳｉ酸化膜を形成して、酸化膜耐圧を測定し、
各Ｓｉウエハの良品率を調べた結果を示したグラフであ
る。なおここでは、８ＭＶ／ｃｍの電圧を印加しても絶
縁破壊が生じなかったＳｉウエハを良品とした。

【００３３】図７より明らかなように、比較例に係るＳ
ｉ単結晶を用いた場合、Ｓｉウエハの良品率が３５〜４
５％であった。それに対して実施例に係るＳｉ単結晶１
６を用いた場合は、Ｓｉウエハの良品率が６０〜７０％
と約２倍近くも高くなっている。このように、反射板２
４を用いてヒータ１２の熱を反射させることによりＳｉ
単結晶１６の熱履歴が良好に制御され、Ｓｉ単結晶１６
を用いて作製されたＳｉウエハの良品率を高めることが
できることを確認することができた。

【００３４】以上説明したように実施例に係る単結晶成
長装置１０にあっては、ヒータ１２からの熱を反射させ
る反射板２４を備えているので、結晶用原料の溶融時
に、ヒータ１２の熱をルツボ１１及び結晶用原料に反射
させることができ、ヒータ１２の熱を有効に利用するこ
とができるため、結晶用原料の溶融時間を短縮すること
ができる。また、ヒータ１２のパワーの低減及び稼動時
間の短縮を図ることができ、ヒータ１２の劣化を抑制す
ることができるので、ヒータ１２の材料を飛散しにくく
することができ、飛散物質の溶融液１３内への混入を防
止することができ、高品質のＳｉ単結晶１６を製造する
ことができる。

【００３５】また、Ｓｉ単結晶１６の引き上げ時に、ヒ
ータ１２の熱を成長後のＳｉ単結晶１６に反射させるこ
とができ、Ｓｉ単結晶１６の急激な温度低下を防止して
引き上げられるＳｉ単結晶１６の熱履歴を徐冷とするこ
とができ、該熱履歴を良好に制御することができるの
で、高品質のＳｉ単結晶１６を製造することが可能であ
る。したがって、得られた結晶１６から作製されたウエ
ハの酸化膜耐圧検査における良品率を高めることができ
る。

【００３６】なお、上記した実施例では反射板２４を高
融点金属であるモリブデンを用いて形成したが、別の実
施例では反射板２４をその他の高融点金属あるいは金属
性の光沢を有するセラミックス等を用いて形成すること
ができる。

【００３７】また、上記した実施例では反射板２４の角
度をチェーン２５ａ、２５ｂを用いて調節した場合を例
にとって説明したが、別の実施例では反射板２４の角度
をその他耐熱性のベルトを用いて調節することができ
る。

【００３８】さらに、上記した実施例ではチェーン２５
ａ、２５ｂをモリブデンを用いて形成したが、別の実施
例ではチェーン２５ａ、２５ｂやベルト等を高融点金
属、セラミックス、耐熱性の繊維等を用いて形成するこ
とができる。

【００３９】また、上記した実施例では溶融層法を用い
た場合を例にとって説明したが、別の実施例では通常の
ＣＺを用いた場合においても同様に本発明を適用するこ
とができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る単結晶
成長装置においては、反射板を用いることにより前記ヒ
ータの熱を有効に利用することができるので、結晶用原
料の溶融時間を短縮することができ、効率化を図ること
ができる。また、前記ヒータのパワーの低減及び稼動時
間の短縮を図ることができ、該ヒータの劣化を抑制する
ことができ、該ヒータの材料を飛散しにくくすることが
できるため、飛散物質の前記溶融液内への混入を防止す
ることができ、高品質の単結晶を製造することができ
る。

【００４１】また、単結晶の引き上げ時に、前記ヒータ
の熱を成長後の前記単結晶に反射させることができるた
め、該単結晶の急激な温度低下を防止して引き上げられ
る該単結晶の熱履歴を徐冷とすることができ、該熱履歴
を良好に制御することができ、高品質の単結晶を製造す
ることができるので、得られた単結晶から作製されたウ
エハの酸化膜耐圧検査における良品率を高めることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る単結晶成長装置を模式的
に示した縦断面図である。

【図２】実施例に係る反射板及び反射板の駆動機構を摸
式的に示した正面図及び側面図である。

【図３】実施例に係る上部反射板を摸式的に示した側面
図及び上面図である。

【図４】実施例に係る下部反射板を摸式的に示した側面
図及び上面図である。

【図５】実施例に係る上部反射板及び下部反射板を、Ｓ
ｉ単結晶の引き上げ時に適した角度に調節した場合にお
ける単結晶成長装置を模式的に示した縦断面図である。

【図６】実施例に係る単結晶成長装置と、従来の単結晶
成長装置とを使用し、結晶用原料を全てを溶融するのに
要した時間を測定した結果を示した度数分布図である。

【図７】実施例に係るＳｉ単結晶から作製したＳｉウエ
ハと、比較例として従来例に係るＳｉ単結晶から作製し
たＳｉウエハとにおいて、酸化膜耐圧を測定し、各Ｓｉ
ウエハの良品率を調べた結果を示したグラフである。

【図８】従来のＣＺ法で使用される単結晶成長装置を概
略的に示した縦断面図である。

【図９】従来の溶融層法で使用される単結晶成長装置を
概略的に示した縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 単結晶成長装置 １１ ルツボ １３ 溶融層（溶融液） １６ Ｓｉ単結晶（単結晶） ２４ 反射板

フロントページの続き (72)発明者 藤原 秀樹 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 稲見 修一 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボ内の融液を引き上げて単結晶を成
   長させる単結晶成長装置において、ヒータからの熱を反
   射させる反射板を備えていることを特徴とする単結晶成
   長装置。