JPH0825832B2 - 単結晶製造用るつぼ - Google Patents

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シリコン単結晶
製造に用いる石英るつぼに関するものである。

［従来の技術］ チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造法は
従来から行なわれており、ほぼ完成された技術となって
いる。

この技術は、周知のように石英製のるつぼに融解した
シリコン原料を入れ、シリコン種結晶をこの融液面に接
すると同時に回転させながら徐々に引き上げると、引き
上げられたシリコン単結晶と融液表面の接触面の凝固と
共にシリコン単結晶が成長し、これにより円柱状のシリ
コン単結晶を得るようにしたものである。

このとき、目的に応じてシリコン単結晶をＰ型又はＮ
型の半導体にするため、シリコン原料に適量のボロン、
アンチモン、リン等のドープ材を混入している。これら
のドープ材がシリコン融液から結晶中に取り込まれる割
合（偏析係数）は一般に１より小さい。シリコン単結晶
中のドープ材濃度はその抵抗率を決定するので結晶中で
一定であることが望ましい。

また、上記のようにシリコン単結晶内に意識的に混入
するドープ材以外に、製造上不可避的に混入する酸素の
存在も大きい。即ち、シリコン単結晶内に取り込まれた
酸素濃度は半導体製品の特性や歩留まりを大きく左右す
るので、やはり単結晶の上部から下部まで均一であるこ
とが望ましい。

ところが、シリコン単結晶の引き上げが進むにしたが
ってるつぼ内のシリコン融液が減少し、上記の不純物濃
度が変化してしまう。即ち、ドープ材の偏析係数が１よ
り小さいためにシリコン融液中のドープ材濃度は次第に
高くなり、その結果、シリコン単結晶中のドープ材濃度
が結晶上部から下部に向かって変化してしまう。また、
シリコン融液中の酸素濃度は石英るつぼからシリコン融
液に溶出する酸素量に依存するためシリコン融液の減少
とともに結晶に取り込まれる酸素濃度も変化してしま
う。

上記のように、引き上げられたシリコン単結晶の品質
は引き上げ方向に沿って変動している。ところが、実際
にウェーハとして使用される製品は、ある限られた範囲
のドープ材濃度及び酸素濃度を有したものに限られる。
その結果、引き上げられたシリコン単結晶から製品とし
て使用できる範囲はごく限られたものであった。

このような問題を解決するためにいくつかの方法が提
案されているが、実用上可能と考えられる代表的な方法
として二重構造のるつぼを用いたものがある。

すなわち、外周から加熱しうる同心円状のるつぼにお
いて、その外側のるつぼの融液の内側の融液とが壁によ
って隔てられてはいるが相互に連絡するように構成さ
れ、かつこの中央から半導体結晶を引き出すと同時にこ
の外側の融液に半導体材料を供給する方法が、特告昭40
−10184によって公知となっている。

第10図は二重構造のるつぼを用いたシリコン単結晶の
製造装置を模式的に示したもので、るつぼ22と仕切り部
材23とが高純度石英で一体に構成されている。25はるつ
ぼ22内に入れられたシリコン融液、26は仕切り部材23内
のシリコン融液面から引き上げられたシリコン単結晶で
ある。なお、仕切り部材23の下部には仕切り部材の外側
と内側との間をシリコン融液25が流動するための穴24が
開けられている。

第10図（ａ）は、バッチ式のシリコン単結晶の製造装
置に二重るつぼを適用した場合の模式図である。仕切り
部材23の内側には所定のドープ材濃度を有したシリコン
融液が入れられており、その外側にはドープ材を含まな
いシリコン融液が入れられている。単結晶育成部からシ
リコン単結晶26を引き上げるとともに、仕切り部材の外
側から単結晶育成部に向かってシリコン融液が流入する
ことにより、単結晶育成部中のドープ材濃度が常に一定
になるようにしたものである。

また、第10図（ｂ）に示すものは、単結晶育成部から
シリコン単結晶を引き上げつつ、原料供給管28から原料
供給部に粉末状原料29を連続的に供給するようにし、単
結晶育成部内のシリコン融液量を一定に保つようにした
もので、単結晶育成部のシリコン融液中のドープ材濃度
および酸素濃度を一定にすることを目的としたものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 前記のような従来技術をもとに、二重構造のるつぼを
用いてシリコン単結晶を引き上げる場合、シリコン融液
中の熱的環境は通常の一重るつぼを用いた場合とまった
く逆のものになってしまう。

通常の一重構造のるつぼを用いたCZ法の場合、るつぼ
側壁部がるつぼ底部より高温になっている。すなわち、
るつぼ側壁部から投入される熱量がるつぼ底部から投入
される熱量よりも大きい。これを反映し、石英るつぼ中
のシリコン融液の対流は第８図のような流れが支配的で
あると言われている。このようなシリコン融液の対流の
もとでは、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面
の温度変動が少なく、安定な単結晶成長が達成されてい
る。

ところが、二重構造のるつぼを用いてシリコン単結晶
の引き上げを行なう場合、るつぼ側面から単結晶育成部
に投入される熱量は、原料供給部を介して間接的に投入
されるので一重構造のるつぼを用いた場合に比べて、る
つぼ底部からの入熱の割合が大きくなる。したがって、
二重構造のるつぼの温度分布は一重構造のるつぼを用い
た場合と逆になり、単結晶育成部を取り囲む石英るつぼ
の温度の最高値はるつぼ底部に位置する。その温度分布
は、るつぼ底部で高温で、仕切り部材壁面は比較的低温
になる。このような底部からの入熱の割合が大きい熱環
境のもとでは、単結晶育成部内のシリコン融液の熱対流
が、第８図とは全く逆の第９図のような流れ場が支配的
になることがある。このような流れ場は不安定であるの
で、るつぼ底部の高温のシリコン融液が直接シリコン単
結晶の固液界面に間欠的に運ばれてくることになり、そ
のために発生する熱変動により引き上げられるシリコン
単結晶中に欠陥が誘因されたり、さらには有転位化の原
因になっている。

また、シリコン単結晶の安定な引き上げを阻害する要
因として、石英るつぼ中に含まれる気孔も考えられる。
すなわち、石英るつぼ表面はシリコン融液と反応して侵
食されるが、このとき石英るつぼ中に閉じ込められてい
た気孔がシリコン融液中に飛び出して、このとき発生し
た気泡や石英の破片がシリコン単結晶の固液界面に到達
すると、シリコン単結晶が有転位化してしまうという問
題が生じている。

［発明の目的］ 本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、
二重構造の石英るつぼにおいて、るつぼ各部の材質およ
び厚みを最適化することによって、単結晶育成部内のシ
リコン融液の熱的環境を改善すると同時に、単結晶育成
部内に発生する気泡の発生を抑制することにより、シリ
コン単結晶の安定な引き上げを達成することを目的とし
たものである。

［課題を解決するための手段］ 仕切りで囲まれた部分（単結晶育成部）のるつぼ底の
厚さが、仕切りの外側部および仕切りのうちの厚いほう
の部材の1,3倍以上で、かつ両者を合わせたものの２倍
以下とし、単結晶育成部底部に含まれる気孔率の平均値
が、該仕切り部材の気孔率の平均値以上であるようにす
る。さらに、仕切り部材および単結晶育成部のるつぼ底
部の内面の平均気孔率を0.2％以下の低気孔率の同一の
石英部材で構成する。

単結晶育成部内に投入される熱量は、それを取り囲む
石英部材の特性および形状によって決定される。単結晶
育成部のるつぼ底部の厚さを大きくするのは、石英の熱
伝導性が悪いことを利用して、るつぼ底部からの入熱を
抑制するためである。二重構造のるつぼにおいて、従来
行なわれているようにるつぼの各部の厚さを同一とした
場合、通常の一重るつぼを用いた場合に比べるるつぼ底
部からの熱流束が大きく、仕切り部材からのそれが小さ
くなり過ぎる。これは、仕切り部材外側のシリコン浴が
側面加熱帯からの熱流の障害となるからである。

単結晶育成部のるつぼ底の厚さを仕切りの外側部およ
び仕切り部材のうちの厚いほうの部材の1,3倍以上とし
たのは、この値以下では通常の一重るつぼの熱的環境を
実現できないからである。

しかしながら、以上のるつぼの厚さに対する配慮のみ
ではCZ法（一重るつぼ）の熱的環境は完全には達成され
ない。底部を厚くしたとしても、その材質が熱をよく通
すものであれば、厚くする効果が大きく減ぜられてしま
う。石英を介して出入りする熱量は熱伝導率によるもの
と輻射熱として透過するものがある。石英の熱伝導率は
数kcal/m・ｈ・ｋ程度であり、石英ガラスの不透明度が
増すほど熱伝導性は悪くなる。また、輻射熱としての熱
の透過性は石英ガラスの透明度にさらに強く依存し、石
英中の気孔率が高いほど輻射熱の散乱される割合が大き
くなるのて透過率が減少する。底部を厚くすることによ
り、熱伝導性を悪くすることはできるが、輻射熱に対し
て透明であれば伝達される熱量を抑制する効果は小さ
い。単結晶育成部のるつぼ底部の平均気孔率を仕切り部
材のそれと同等あるいはそれより高くするのは、以上の
点を考慮したものである。

ところがこのようにるつぼ底部を気孔率の高い石英で
構成すると、石英が加熱されたときに内在する気孔が膨
張し、石英表面の溶解が進むにつれ、シリコン融液中に
気泡が石英の破片が放出されて、シリコン単結晶の有転
位化の原因になると言われている。単結晶育成部のるつ
ぼ底部の内面を低気孔率の石英で構成するのは、この現
象を回避するためである。

また、単結晶育成部の底部の厚さを仕切り部材と仕切
り部材の外側の部材とをあわせたものの２倍以下とする
は、これ以上底部が厚くなり過ぎると、単結晶育成部に
必要とする入熱量を確保できなくなるからである。

仕切り部材の気孔率を0.2％以下とするのは単結晶育
成部への側面からの入熱を促進し、全体として必要な入
熱量を確保するためである。すなわち、仕切り部材を気
孔率の高い石英で構成すると、これを通過する熱量が減
少するので、その分るつぼ底部の厚みをさらに大きくし
なればならず、やはり単結晶部に必要な入熱量を確保で
きなくなるからである。

［作用］ 結晶を同心円状に囲むような仕切りが内部に設置さ
れ、かつ該仕切りの外側の融液が内側へ移動しうるよう
な小孔が該仕切りに設けられているシリコン単結晶育成
用石英るつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げる方法
において、 石英るつぼ内の各部の厚みを最適化することにより、
単結晶育成部内の熱的環境が改善され、シリコン融液の
熱対流が安定化される。

また、石英部品の熱の透過率は実用的には石英中の気
孔率に依存し、それが低いほど熱の透過率が高くなるの
で、仕切り部材の気孔率をるつぼ底部の気孔率より低く
することにより、るつぼの底に比べてるつぼ側面（仕切
り部材）からの熱の投入量を増加させることができる。

さらに、単結晶育成部を取り囲む石英部材の表面を低
気孔率にすることにより、気泡の発生を防止することが
できる。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例を模式的に示した断面図であ
る。図において30は石英るつぼの側壁、31は仕切り部
材、32は単結晶育成部のるつぼ底部である。

仕切り部材31は平均気孔率が0.2％以下の低気孔率の
石英で構成し、30および32は平均気孔率0.5％〜1.5％の
通常の不透明石英で構成する。るつぼ各部の厚みを、た
とえばるつぼ側壁30を10mm、仕切り部材31を10mm、るつ
ぼ底部を20mmとする。

第４図は上記のような石英るつぼを用いてシリコン単
結晶を引き上げる場合に用いる装置全体の断面図であ
る。１は石英るつぼで、黒鉛るつぼ２の中にセットされ
ており、黒鉛るつぼ２はペデスタル３上に上下動および
回転不能に支持されている。４はるつぼ１内に入れられ
たシリコン原料で、これから柱状に育成されたシリコン
単結晶５が引き上げられる。６は黒鉛るつぼ２を取り囲
むヒータ、７はこのヒータ６を取り囲むホットゾーン断
熱材で、これらは通常のチョクラルスキー法による単結
晶引き上げ装置と基本的には同じである。

このような装置において、第１図のような二重構造の
石英るつぼを用いると、単結晶育成部の底部からの投入
熱量が抑制され、それに比べて側面部（仕切り部材）か
らの投入熱量を増加させることができるようになり、シ
リコン融液の安定した対流が得られるようになった。

第１図に示すような実施例の効果を確かめるための発
明者らの実験結果を第５図および第６図に示す。第５図
は仕切り部材および仕切りの外側部の厚さをそれぞれ10
mm、仕切り部材の平均気孔率を0.2％、るつぼ底部の平
均気孔率を0.5％としたときのるつぼ底部の厚さとD.F.
（dislo−cation free）率の関係を示したものである。

第５図から明らかなように、るつぼ底部の厚みが13mm
以下ではるつぼ底部からの入熱抑制効果がないためにシ
リコン単結晶の安定な引き上げは達成されず、逆に40mm
以上とするとるつぼ底部からの入熱が抑制され過ぎて、
原料シリコンを加熱溶解する段階において問題を生じる
ことがわかった。

第６図は仕切り部材および仕切りの外側部の厚さをそ
れぞれ10mm、るつぼ底部の厚さを13mmとし、るつぼ底部
の平均気孔率を0.5％と0.2％とした場合の仕切り部材の
気孔率とD.F.率との関係を示したものである。この図か
ら明らかなように、仕切り部材の気孔率がるつぼ底部の
平均気孔率よりも大きくなるか、あるいは0.2％よりも
大きくなるとシリコン単結晶の安定な引き上げが阻害さ
れてしまうことがわかった。

第２図の実施例は単結晶育成部のるつぼ底部の外面を
気孔率の高い石英で構成し、内面を気孔率の低い石英で
構成したものである。第２図の実施例の効果を確かめる
ための実験結果を第７図に示す。第７図は仕切り部材お
よび仕切りの外側部の厚みをそれぞれ10mm、るつぼ底の
厚さを20mmとし、仕切り部材の気孔率を0.2％、るつぼ
底の外側の気孔率を1.2％としたときのるつぼ底部内面
の気孔率とD.F.率との関係を示したものである。この図
からるつぼ底部内面の気孔率を0.2％以下にすることに
より、さらに安定したシリコン単結晶の引き上げが達成
されることがわかった。

第２図のような二重構造のるつぼの溶着作業は、一般
的にはるつぼ製造作業の一環として行なわれるが、シリ
コン原料溶解時にその投入熱量によって各部の石英部材
の溶着を達成することも可能である。第３図の実施例
は、気孔率の高い大径のるつぼ35と気孔率の低い小径の
るつぼの２個のるつぼを用い、小径のるつぼの底部外面
と大径のるつぼの底部内面とを溶着させることにより、
結果として第２図の実施例とほぼ同等の効果を得るため
の二重構造のるつぼを構成したものである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は二重構造の
るつぼを用いたシリコン単結晶製造法において、単結晶
育成部内の側面から投入される熱量を底部から供給され
るそれより大きくし、シリコン融液の安定した熱対流を
得るとともに、石英からの気泡の発生を防止することに
より、シリコン単結晶の安定な引き上げを達成でき、実
施による効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明実施例を模式的に示し
た断面図、第４図は本発明を実施する場合に用いるシリ
コン単結晶引き上げ装置の一例を模式的に示した断面
図、第５図、第６図、第７図は本発明の実施例の実験結
果を示す図、第８図、第９図はそれぞれ一重構造のるつ
ぼを用いた場合と従来の二重構造のるつぼを用いた場合
のシリコン融液の対流を模式的に示した図、第10図は二
重構造のるつぼを用いたシリコン単結晶製造方法の例を
示す説明図である。 1:るつぼ、2:黒鉛るつぼ、3:シリコン原料、4:シリコン
溶融液、5:シリコン単結晶、6:ヒータ、8:チャンバー、
11:仕切り部材、（内側るつぼ）、12:小孔、30:るつぼ
側壁部、31:仕切り部材、32:るつぼ底部、35:大径るつ
ぼ、36:小径るつぼ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶を同心円状に囲むような仕切が内部に
   設置され、かつ該仕切の外側の融液が内側へ移動しうる
   ような小孔が該仕切りに開けられているシリコン単結晶
   育成用石英るつぼにおいて、仕切りで囲まれた部分（単
   結晶育成部）のるつぼ底の厚さが、仕切りの外側部およ
   び仕切りのうち厚いほうの部材の1,3倍よりも厚く、か
   つ両者を合わせたものの２倍以下であり、さらに該結晶
   育成部のるつぼ底部の気孔率の平均値が、該仕切り部の
   気孔率の平均値以上であることを特徴とするシリコン単
   結晶育成用石英るつぼ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲（１）において、該単結晶
   育成部のるつぼ底部が、気孔率の低い内側の層と気孔率
   の高い外側の層よりなることを特徴とする単結晶育成用
   石英るつぼ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲（２）において、該単結晶
   育成部のるつぼ底部の内側の層と仕切り部材とが同一の
   石英部材で構成されていることを特徴とする単結晶育成
   用石英るつぼ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲（３）において、該単結晶
   育成部のるつぼ底部の内側の層と、仕切り部材とが気孔
   率0.2％以下の低気孔るつぼで構成されることを特徴と
   する単結晶育成用石英るつぼ。