JPH08319190A

JPH08319190A - 熱遮蔽体

Info

Publication number: JPH08319190A
Application number: JP12283395A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Okui; 正彦奥井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1995-05-22
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【構成】黒鉛と、黒鉛よりも光透過率の大きな材料
（２０）とで構成された熱遮蔽体１９。【効果】単結晶６の熱履歴を制御し、高品質の単結晶
６を得ることができ素子形成時の酸化膜耐圧特性を向上
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱遮蔽体に関し、より詳
細には例えば半導体材料として使用されるシリコン単結
晶等を成長させる単結晶引き上げ装置内に配設される熱
遮蔽体に関する。

【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、その方法の一つにチョクラルスキー法（以下、Ｃ
Ｚ法と記す）がある。図７は従来のＣＺ法に用いられる
単結晶引き上げ装置を模式的に示す断面図であり、図中
３１は坩堝を示している。坩堝３１は有底円筒状の石英
製内層容器３１ａと、この内層容器３１ａの外側に嵌合
された有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器３１ｂとから
構成されており、坩堝３１は図中矢印方向に所定速度で
回転する支持軸３８に支持されている。この坩堝３１の
外側には抵抗加熱式のヒーター３２が、またヒーター３
２の外側には保温筒３７がそれぞれ同心円状に配置され
ており、坩堝３１内にはこのヒーター３２により溶融さ
せた単結晶用原料の溶融液３３が充填されるようになっ
ている。また坩堝３１の中心軸上には、支持軸３８と同
一軸心で同方向又は逆方向に所定の速度で回転する引き
上げ棒、ワイヤ等からなる引き上げ軸３４が吊設されて
おり、この引き上げ軸３４の先に取り付けられた種結晶
３５を溶融液３３の表面に接触させて引き上げ軸３４を
回転させつつ上方へ引き上げることにより、溶融液３３
を凝固させて単結晶３６を成長させている。

【０００３】ところで、半導体結晶をこの引き上げ方法
で成長させる場合、単結晶３６の電気抵抗率、電気伝導
型を調整するために、引き上げ前に溶融液３３中に不純
物元素を添加（ドーピング）する。しかし通常のＣＺ法
においては、添加した前記不純物濃度が単結晶３６の結
晶成長方向に沿って変化していく、いわゆる偏析現象が
生じ、その結果、結晶成長方向に均一な電気的特性を有
する単結晶３６が得られないという問題があった。

【０００４】この偏析は、凝固の際の溶融液３３と単結
晶３６との界面における単結晶３６中の不純物濃度Ｃｓ
と溶融液３３中の不純物濃度Ｃｌとの比Ｃｓ／Ｃｌ（実
効偏析係数ｋｅ）が１でないことに起因している。例え
ば実効偏析係数ｋｅ＜１の場合、単結晶３６が成長する
に伴って溶融液３３中の不純物濃度が次第に高くなって
いき、単結晶３６に偏析が生じるのである。

【０００５】上記した不純物の偏析を抑制しながら単結
晶を成長させる方法の一つとして、溶融層法による単結
晶引き上げ方法が挙げられる。

【０００６】図８は溶融層法に用いられる単結晶引き上
げ装置を模式的に示した断面図であり、図７に示したも
のと同様に構成された坩堝４１内の上部にある原料をヒ
ーター４２を使用して溶融させることにより、上層には
溶融層４３を、また下層には固体層４９を形成する。そ
して、引き上げに伴って、ヒーター４２を少しづつ下降
させることにより固体層４９を次第に溶融させていきな
がら、後は上記したＣＺ法による引き上げ方法と同様の
方法で単結晶４６を成長させる。

【０００７】前記溶融層法として、大きく分けて今まで
に溶融層厚一定法及び溶融層厚変化法の二つの方法が提
案されている。

【０００８】溶融層厚一定法は、単結晶４６を引き上げ
る際、引き上げられた単結晶４６の量に拘らず、ヒータ
ー４２を上側から下側へ移動させ、坩堝４１内における
溶融層４３の体積を一定に保つように固体層４９を溶融
させていく方法であり、特公昭３４−８２４２号公報、
特公昭６２−８８０号公報及び実開昭６０−３２４７４
号公報等に開示されている。この方法では、実効偏析係
数ｋｅの値に拘らず、単結晶４６の成長に伴って新たに
不純物濃度の低い固体層４９を溶融させ、溶融層４３中
の不純物濃度を低下させる。そして、不純物濃度を調節
するために不純物を溶融層４３に連続的に添加し、溶融
層４３中の不純物濃度をほぼ一定に保って単結晶４６中
における不純物の偏析を抑制している。

【０００９】一方、溶融層厚変化法は、意図的に溶融層
４３の液量を変化させることにより、単結晶引き上げ中
に不純物を添加することなく溶融層４３の不純物濃度Ｃ
ｌを一定に保ち、単結晶４６中の不純物の偏析を抑制す
る方法であり、特開昭６１−２０５６９１号公報、特開
昭６１−２０５６９２号公報及び特開昭６１−２１５２
８５号公報等に開示されている。

【００１０】なお前記した二つの溶融層法において、溶
融層４３の厚さの制御は、ヒーター４２の発熱体の長さ
やパワー、坩堝４１の位置や深さ及びヒーター４２の外
側に周設され、坩堝４１下部の熱移動を促進する保温筒
４７の形状及び材質を予め適切に選択することにより行
われる。

【００１１】上述したように溶融層法による単結晶引き
上げ方法（以下、ＤＬＣＺ法と記す）では、引き上げら
れた単結晶の軸方向に関する不純物濃度が一定であるた
め、その電気抵抗率が均一化されるという利点がある。

【００１２】単結晶の品質を左右するものとしては、上
記した単結晶中の不純物濃度の他に単結晶中の酸素濃度
が挙げられる。上記ＣＺ法及び溶融層法において内層容
器３１ａ、４１ａは石英（ＳｉＯ₂ ）で形成されてお
り、該ＳｉＯ₂ 中の酸素は溶融液３３、溶融層４３中に
溶出し、その溶け出た酸素はＳｉＯになって大部分は溶
融液３３、溶融層４３表面から蒸発するが、一部の酸素
は単結晶３６、４６中に固溶する。一般に単結晶３６、
４６中の酸素濃度は坩堝３１、４１及び引き上げ軸３
４、４４の回転速度を変更することにより調整が行なわ
れており、例えばＣＺ法では使用目的に応じて１２〜１
７×１０¹⁷／cm³ 程度の酸素を含有させている。

【００１３】しかし上記した溶融層法においては、固体
層４９があるので溶融層４３量が少なくなり、溶融層４
３が内層容器４１ａと接触する面積はＣＺ法の場合に比
べて略半分程度に減少する。したがって、溶融層法では
溶融層４３への酸素の供給量自体が少なくなり、高い酸
素濃度を有する単結晶４６が得られ難いという問題があ
った。

【００１４】溶融層法で高い酸素濃度を有する単結晶４
６を成長させる方法としては、黒鉛製の熱遮蔽体を用い
る方法（特開平５−４３３８０号）が提案されている。
図９は上記方法で用いられる単結晶引き上げ装置の要部
を示す模式的断面図であり、図中５１は坩堝を示してい
る。坩堝５１の中心軸上には引き上げ軸５４が吊設され
ており、引き上げ軸５４の下端からは単結晶５６が形成
されている。また坩堝５１の上方には坩堝５１と同心円
状に逆円錐台形状の熱遮蔽体５９が配設されており、熱
遮蔽体５９の下端部５９ａは溶融層５３表面の上方近傍
に配置されている。また、単結晶引き上げ装置内にはＡ
ｒガスが装置上部から流入し、矢印で示す経路で流され
ている。前記装置を用いて単結晶５６を成長させる場
合、ヒータ５２で加熱された坩堝５１が放射する放射熱
が熱遮蔽体５９により遮断され、下端部５９ａから中心
軸に至る領域（図中Ａで示す。以下、Ａ領域と記す）で
は溶融層５３表面の温度が低下し、ＳｉＯが溶融層５３
から蒸発するのが抑制され、その結果、高い酸素濃度を
有する単結晶５６が得られる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
熱遮蔽体５９にあっては、ヒータ５２や坩堝５１からの
熱をかなり大きい割合で遮断してしまうため、引き上げ
られた単結晶５６が急冷されてしまい、ウエハ酸化膜耐
圧特性に関する良品率を向上させることが困難であると
いった課題があった。

【００１６】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、黒鉛よりも光透過率の高い材料を熱遮蔽体の一部に
利用することにより、引き上げ中の単結晶に坩堝等から
の熱を適切に付与して所定温度領域を徐冷とし、ウエハ
の酸化膜耐圧特性を向上させ得る熱遮蔽体を提供するこ
とを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る熱遮蔽体は、黒鉛と、黒鉛よりも光透過
率の大きな材料とで構成されることを特徴としている。

【００１８】また、本発明に係る熱遮蔽体は、窓を有
し、黒鉛を用いて形成された第１の熱遮蔽体と、黒鉛よ
りも光透過率の大きな材料を用いて形成され、前記第１
の熱遮蔽体の上側に配置される第２の熱遮蔽体とからな
ることを特徴としている。

【００１９】

【作用】酸化膜耐圧の劣化原因として、引き上げ中に成
長する赤外散乱体の密度の上昇が挙げられる。赤外散乱
体とは赤外散乱トモグラフィにて観測される結晶欠陥で
あり、引き上げ中の単結晶において、約１０００〜１２
００℃の温度領域における急冷により成長した巨大な酸
素析出物のことである。上記した温度領域において引き
上げ中の単結晶を徐冷にすると赤外散乱体の密度は小さ
くなり、赤外散乱体の密度が小さいほど酸化膜耐圧特性
に関する良品率は向上する。

【００２０】上記した温度領域を徐冷にした場合に酸化
膜耐圧特性が向上するのは、次のような機構によるもの
と考えられる。単結晶の固化時に該単結晶中に過飽和に
凍結された点欠陥（以下、空孔と記す）が多数存在する
ほど単結晶引き上げ時に生成される酸素析出物は多くな
る。一方前記空孔は、単結晶の固化時に取り込まれた格
子間シリコン原子や、前記酸素析出物が成長することに
よって放出した格子間シリコン原子と再結合することに
より、消滅したり前記酸素析出物に吸収されたりしてそ
の密度が減少する。単結晶引き上げ時における前記温度
領域（約１０００〜１２００℃）は前記酸素析出物の生
成及び成長が促進される温度領域であり、該温度領域を
徐冷すると前記酸素析出物は急冷のものに対して大きく
成長し、該酸素析出物がより多くの前記空孔を吸収し、
また、格子間Ｓｉ原子と空孔の再合成も促進されるため
該空孔の密度は低下する。空孔の密度が低下するとその
分次に生成される前記酸素析出物の生成量が減少し、結
果的に赤外散乱体の密度が低下して酸化膜耐圧が向上す
る。

【００２１】本発明者は上記した作用を見出し、本発明
を完成するに至った。すなわち本発明に係る熱遮蔽体
（１）は、黒鉛と黒鉛よりも光透過率の大きな材料とで
構成されるので単結晶引き上げ装置内に配設して用いれ
ば、黒鉛よりも光透過率の大きな材料で構成される部分
にあっては前記坩堝等からの熱を単結晶に多く付与し得
ることとなり、単結晶の熱履歴を制御し得る。このた
め、高品質の単結晶を得ることが可能となり、素子形成
時の酸化膜耐圧特性が向上する。

【００２２】また、本発明に係る熱遮蔽体（２）は、前
記窓を有し、前記黒鉛を用いて形成された前記第１の熱
遮蔽体と、前記黒鉛よりも光透過率の大きな材料を用い
て形成され、前記第１の熱遮蔽体の上側に配置される前
記第２の熱遮蔽体とからなるので、前記単結晶引き上げ
装置内に配設して用いれば、前記第１の熱遮蔽体の前記
窓の位置を変更することにより容易に前記熱履歴のコン
トロール部位を変化させ得る。また、前記第１の熱遮蔽
体の上部に前記第２の熱遮蔽体を配置すればよく、その
製造が容易である。

【００２３】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る熱遮蔽体の実
施例を図面に基づいて説明する。ここでは、溶融層法に
より単結晶の引き上げを行った場合について述べる。図
１は実施例１に係る熱遮蔽体が配設された単結晶引き上
げ装置を示した模式的断面図であり、図中、１０はチャ
ンバーを示している。チャンバー１０は図示しない水冷
機構により水冷されている。チャンバー１０のほぼ中央
位置には単結晶用原料が充填される坩堝１が配設されて
おり、坩堝１は有底円筒形状の石英製内層容器１ａとこ
の内層容器１ａの外側に嵌合される有底円筒状の黒鉛製
外層保持容器１ｂとから構成されている。またこの坩堝
１の底部の略中心箇所にはチャンバー１０の底壁を貫通
する支持軸８が取り付けられ、この支持軸８によって坩
堝１は回転及び昇降可能に支持されている。また、この
坩堝１の外周には抵抗加熱式のメインヒーター２ａが同
心円状に配設されており、メインヒーター２ａの下方に
はサブヒーター２ｂが同じく同心円状に配設されてい
る。さらにこれらヒーター２の外周には保温筒７が配設
されている。

【００２４】一方坩堝１の上方には引き上げ軸４が回転
並びに昇降可能なように吊設されており、引き上げ軸４
の下端には、種結晶（図示せず）が装着されている。一
方、坩堝１内の下部には固体層９が、上部には溶融層３
がそれぞれ形成されており、坩堝１内の溶融層３中に種
結晶の下端を浸漬した後、これを回転させつつ上昇させ
ることにより、種結晶の下端から単結晶６を成長させて
いくようになっている。この単結晶引き上げ装置には、
ヒータ２、坩堝１及び溶融層３から単結晶６への熱放射
を防ぐ目的で単結晶６の周囲に熱遮蔽体１９が配設され
ており、熱遮蔽体１９の一部２０はサファイアガラス、
石英ガラス、透光性のアルミナ等、黒鉛よりも光透過率
の大きな材料から構成されている。熱遮蔽体１９の下端
部１９ａは坩堝１内の溶融層３の上方近傍に位置してい
る。

【００２５】図２は熱遮蔽体１９を模式的に示した拡大
図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図をそれぞ
れ示している。熱遮蔽体１９の側面１９ｂ下部の所定箇
所には光透過率の大きな材料から構成された一部２０が
形成されており、一部２０の上面２０ａの下端部１９ａ
に対する傾きは、同じく一部２０の底面２０ｂの下端部
１９ａに対する傾きよりも大きく設定されており、一部
２０を熱遮蔽体１９に嵌込んだ後に不用意に外れないよ
う工夫されている。

【００２６】単結晶引き上げ中には、装置上部からＡｒ
ガスを導入するが、チャンバー１０内に導入されたＡｒ
ガスは、熱遮蔽体１９の下端部１９ａと溶融層３表面と
の間を通過してチャンバー１０下部に至り、真空ポンプ
により排気される。

【００２７】このように構成された熱遮蔽体１９が配設
された単結晶引き上げ装置を用い、溶融層法によりシリ
コン単結晶６の引き上げ実験を行った。

【００２８】まず黒鉛製の外層保持容器１ｂに内径が１
６インチ、厚さが８．５ｍｍ、高さが１４インチの石英
製内層容器１ａを嵌合させた坩堝１内にシリコン原料６
５kgを充填し、さらにｎ型ドーパントとしてリン・シリ
コン合金を０．６ｇ添加し、チャンバー１０内にＡｒガ
スを導入し、１０ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気にした後、単結
晶引き上げ中は一定圧、一定流量でＡｒガスを流した。
次に、長さがそれぞれ９０ｍｍのメインヒーター２ａ及
びサブヒーター２ｂのパワーを各々５０ｋＷ程度、計１
００ｋＷ程度にして一旦原料を全部溶融させ、その後に
メインヒーター２ａのパワーを７０ｋＷ程度、サブヒー
ター２ｂのパワーを０ｋＷ程度に落して溶融層３の下部
に固体層９を成長させ、固体層９の量を安定させた。次
に、種結晶の下側を溶融層３に浸漬し、坩堝１の回転数
を１rpm 、引き上げ軸４の回転数を１０rpm 、引き上げ
速度を１．０ｍｍ／分の条件に設定してお互いに逆方向
に回転させつつ、単結晶径１５４ｍｍ、長さ１０００ｍ
ｍのシリコン単結晶６を引き上げた。

【００２９】図３は、実施例１及び比較例により引き上
げられた単結晶の融液面からの距離と単結晶の温度との
関係を示した図であり、比較例としては図７に示した装
置を用い従来のＣＺ法による引き上げを行ったシリコン
単結晶を採用した。

【００３０】図３から明らかなように、比較例に係る単
結晶においては例えば１０００〜１２００℃の温度領域
に入る融液面からの距離は１３０ｍｍ程度であるのに対
し、実施例に係る融液面からの距離は２８０ｍｍ以上で
あった。これにより、実施例１によれば単結晶の引き上
げ軸方向の温度勾配をゆるやかにし、所定温度領域での
徐冷を行うことができたことは明らかである。

【００３１】図４、図５はそれぞれ、実施例１及び比較
例により引き上げられた単結晶の赤外散乱体の密度と酸
化膜耐圧の良品率の調査結果を示した図である。良品率
はウエハ全体をマス目に切り、そこに作成したチップそ
れぞれに８ＭＶ／ｃｍの電界強度をかけた場合に絶縁破
壊がおこらなかったものを良品として、全体のチップ数
に占める良品数を求めた。

【００３２】図４、図５から明らかなように、比較例に
係る単結晶では赤外散乱体の密度が１×１０⁶ 個／ｃｍ
³ 近辺であるのに対して実施例１に係る単結晶では１．
５×１０⁵ 個／ｃｍ³ 近辺となり、実施例１に係る熱遮
蔽体１９を用いることにより前記赤外散乱体が約１０分
の１に減少した。また、ウエハの酸化膜耐圧の良品率
が、比較例による４０％程度から６０％程度まで向上し
た。

【００３３】以上説明したように、実施例１に係る熱遮
蔽体１９にあっては、一部２０が黒鉛よりも光透過率の
大きな材料で構成される一方、一部２０を除く部分が黒
鉛を用いて構成され、単結晶引き上げ装置内に配設され
るので、一部２０を通過して引き上げられる単結晶６の
部分に坩堝１等からの熱をより多く付与し得ることとな
り、単結晶６の熱履歴を制御することができる。このた
め、高品質の単結晶を得ることができ、素子形成時の酸
化膜耐圧特性を向上させることができる。

【００３４】図６は実施例２に係る熱遮蔽体が配設され
た単結晶引き上げ装置を示した模式的断面図であり、図
中６９は熱遮蔽体を示している。熱遮蔽体６９は窓７０
ａを有し、黒鉛を用いて形成された第１の熱遮蔽体７０
と、透光性のアルミナ、サファイアガラスあるいは石英
ガラス等、黒鉛よりも光透過率の大きな材料を用いて形
成され、第１の熱遮蔽体７０の上側に配置された第２の
熱遮蔽体７１とからなっており、単結晶成長装置内に配
設されている。その他の構成は実施例１の場合と同様で
あり、同一の機能を有する部品には同一の記号を付して
ある。

【００３５】実施例２に係る熱遮蔽体６９においても実
施例１の場合と同様に従来のＣＺ法によるものとの比較
を行った結果、図４、図５に示した実験結果と同様の結
果が得られ、実施例１と同様の効果が得られることがわ
かった。また、熱遮蔽体７０の窓７０ａの位置を制御す
ることにより容易に前記熱履歴のコントロール部位を変
化させることができる。また、第１の熱遮蔽体７０の上
部に第２の熱遮蔽体７１を配置する構成となっており、
容易に製造することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る熱遮蔽
体（１）にあっては、黒鉛と、黒鉛よりも光透過率の大
きな材料で構成されるので単結晶引き上げ装置内に配設
して用いれば坩堝等からの熱を前記単結晶に多く付与し
得ることとなり、単結晶の熱履歴を制御し得る。このた
め、高品質の単結晶を得ることができ、素子形成時の酸
化膜耐圧特性を向上させることができる。

【００３７】また、本発明に係る熱遮蔽体（２）にあっ
ては、窓を有し、黒鉛を用いて形成された第１の熱遮蔽
体と、黒鉛よりも光透過率の大きな材料を用いて形成さ
れ、前記第１の熱遮蔽体の上側に配置される第２の熱遮
蔽体とからなるので、単結晶引き上げ装置内に配設して
用いれば、前記第１の熱遮蔽体の前記窓の位置を変更す
ることにより容易に前記熱履歴のコントロール部位を変
化させることができる。また、前記第１の熱遮蔽体の上
部に前記第２の熱遮蔽体を配置すればよく、容易に製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱遮蔽体が配設された単
結晶引き上げ装置を示した模式的断面図である。

【図２】（ａ）は実施例に係る熱遮蔽体を模式的に示し
た上面図であり、（ｂ）は正面図である。

【図３】実施例及び比較例により引き上げられた単結晶
の融液面からの距離と単結晶の温度との関係を示した図
である。

【図４】実施例及び比較例により引き上げられた単結晶
の赤外散乱体の密度を調べた結果を示した図である。

【図５】実施例及び比較例により引き上げられた単結晶
の酸化膜耐圧の良品率を調べた結果を示した図である。

【図６】別の実施例に係る熱遮蔽体が配設された単結晶
引き上げ装置を示した模式的断面図である。

【図７】ＣＺ法に用いられる単結晶引き上げ装置を模式
的に示す断面図である。

【図８】溶融層法に用いられる単結晶引き上げ装置を模
式的に示した断面図である。

【図９】熱遮蔽体が配設された単結晶引き上げ装置を模
式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１９、６９熱遮蔽体２０一部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛と、黒鉛よりも光透過率の大きな材
料とで構成されることを特徴とする熱遮蔽体。
【請求項２】窓を有し、黒鉛を用いて形成された第１
の熱遮蔽体と、黒鉛よりも光透過率の大きな材料を用い
て形成され、前記第１の熱遮蔽体の上側に配置される第
２の熱遮蔽体とからなることを特徴とする熱遮蔽体。