JPH09286692A - 半導体単結晶製造装置及び半導体単結晶製造方法 - Google Patents

半導体単結晶製造装置及び半導体単結晶製造方法

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JPH09286692A
JPH09286692A JP8124120A JP12412096A JPH09286692A JP H09286692 A JPH09286692 A JP H09286692A JP 8124120 A JP8124120 A JP 8124120A JP 12412096 A JP12412096 A JP 12412096A JP H09286692 A JPH09286692 A JP H09286692A
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Toshirou Kotooka
敏朗 琴岡
Makoto Kamogawa
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＺ法による半導体単結晶の製造において、
単結晶引き上げ時の熱履歴に依存する品質特性の管理が
容易にできるようにする。 【解決手段】 半導体単結晶製造装置に昇降自在の環状
のアフタヒータ１９を設ける。引き上げ中の単結晶シリ
コン１３が１２００°Ｃ〜１０００°Ｃの温度領域を通
過する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ未満、望ましくは
１５°Ｃ／ｃｍ以下とするため、前記温度領域に相当す
る部位よりも１００〜３００°Ｃ低い部位をアフタヒー
タ１９で加熱する。熱遮蔽筒２０により、融点〜１２５
０°Ｃの温度領域を通過する際の温度勾配は２０°Ｃ／
ｃｍ以上となり、結晶化が容易となる。これにより、酸
化膜耐圧に優れ、酸素析出量の均一な単結晶シリコンが
得られる。多結晶シリコンの溶解時及び絞り工程におい
てはアフタヒータ１９、熱遮蔽筒２０を上方に移動す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法を用いて製造する半導体単結晶の軸方向における酸素
析出量やサーマルドナー量の均一化を図り、ａｓ−ｇｒ
ｏｗｎ欠陥を低減するとともに酸化膜耐圧特性を向上さ
せる半導体単結晶製造装置及び半導体単結晶製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子の基板には主として高純度の
単結晶シリコンが使用されているが、その製造方法とし
て、一般にチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）が
用いられている。ＣＺ法においては、半導体単結晶製造
装置内に設置したるつぼに原料である塊状の多結晶シリ
コンを充填し、前記るつぼの周囲に設けたヒータによっ
て原料を加熱溶解して融液とする。そして、シードチャ
ックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャッ
ク及びるつぼを互いに同方向または逆方向に回転しつつ
シードチャックを引き上げて単結晶シリコンを成長させ
る。
【０００３】ＣＺ法によって引き上げられた単結晶シリ
コンの酸化膜耐圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥等
は単結晶シリコンの熱履歴に依存する品質特性であるた
め、従来から前記熱履歴の改善が行われている。特開平
６−２１１５９１号公報、特開平６−２１１５９２号公
報に開示された単結晶製造方法によると、加熱制御装置
から供給される電力によって発熱する環状のヒータを、
電極を兼ねた支持部材によって支持し、引き上げ中の単
結晶シリコンの外周面を徐冷することによって、単結晶
シリコンの酸化膜耐圧特性を向上させるとともに、酸素
析出量の均一化を図っている。また、前記環状のヒータ
の発熱量を任意に調整することによって単結晶シリコン
の熱履歴を積極的に調整することができるようにしてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術によれば、環状のヒータを設置する位置が固定さ
れているため、下記の問題点がある。 （１）黒鉛製炉内品の劣化、あるいは単結晶引き上げ条
件（融液面の位置、不活性ガスの導入条件等）の変更に
よる炉内熱環境の変化に迅速に対応できない。 （２）るつぼ内に充填した塊状原料と加熱装置との干渉
を回避するため、原料溶解時にはるつぼ位置を下げなけ
ればならない。このため、原料の溶解条件が不利にな
る。 （３）単結晶の引き上げに先立ち、種結晶を細く長く絞
って無転位化させるとき、環状のヒータが視界を妨げる
ため、無転位化を確認することができない。
【０００５】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性を向上さ
せ、析出酸素量、バルク微小欠陥など単結晶シリコンの
熱履歴に強く依存する品質特性の改善が可能で、かつ、
炉内熱環境の変化に迅速に対応することができ、原料溶
解、無転位化のための絞りを効率的に行う半導体単結晶
製造装置及び半導体単結晶製造方法を提供することを目
的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る単結晶の製造装置は、チョクラルスキ
ー法による半導体単結晶製造装置において、引き上げ中
の単結晶を取り巻く環状のアフタヒータと、アフタヒー
タ昇降機構と、アフタヒータに供給する電力ならびにア
フタヒータの位置を制御する手段とを設ける構成とし
た。
【０００７】また、本発明に係る単結晶製造方法は、上
記半導体単結晶製造装置を用い、引き上げ中の単結晶が
特定の温度領域を通過する際の温度勾配を任意に変化さ
せたいとき、引き上げ中の単結晶における前記特定の温
度領域に相当する部位よりも１００〜３００°Ｃ低い部
位にアフタヒータを配置し、この部位を加熱しつつ単結
晶の引き上げを行うことにした。
【０００８】本発明の単結晶製造方法においては、引き
上げ中の単結晶の温度が融点から１２５０°Ｃまで下降
する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ以上とし、１２００
°Ｃから１０００°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０
°Ｃ／ｃｍ未満、望ましくは１５°Ｃ／ｃｍ以下とする
ことを特徴としている。
【０００９】更に、るつぼに充填した塊状原料の溶解時
及び引き上げ単結晶を無転位化するための絞り工程にお
いてはアフタヒータを炉内上方に退避させ、単結晶引き
上げ時にはアフタヒータを所定の位置に下降させて単結
晶の所定部位を加熱することにした。
【００１０】
【発明の実施の形態及び実施例】本発明は、ＣＺ法によ
る半導体単結晶の製造において、引き上げ単結晶の熱履
歴を改善するための製造装置及び製造方法である。この
製造装置は、従来の半導体単結晶製造装置にアフタヒー
タと、アフタヒータの位置ならびに投入電力の制御手段
とを設けたので、引き上げ中の単結晶の所望の部位を強
制的に加熱することができ、加熱により単結晶の特定温
度領域の温度勾配が小さくなる。また、黒鉛製炉内品の
劣化や単結晶引き上げ条件の変更等、炉内熱環境の変化
に対応してアフタヒータの位置、出力を迅速に変えるこ
とができる。
【００１１】本発明に係る単結晶の製造方法は、引き上
げ中の単結晶に対して、徐冷したい温度領域に相当する
部位よりも１００〜３００°Ｃ低い部位をアフタヒータ
で加熱することにしたので、目標とする温度領域の温度
勾配がゆるやかになり、単結晶シリコンの熱履歴に依存
する酸化膜耐圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥の発
生等が改善される。
【００１２】単結晶シリコンのａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥
は、格子間シリコンと空孔の数のバランスの変化によっ
て発生し、単結晶シリコンの温度が１１８０°Ｃ付近に
なったときに前記欠陥のサイズ、密度が決まる。本発明
では、引き上げ中の単結晶シリコンの温度が１２００°
Ｃから１０００°Ｃまで降下する部位の温度勾配をゆる
やかにするために結晶温度が１１００°Ｃ〜７００°Ｃ
付近となる位置をアフターヒータによって加熱するとと
もに、融点から１２５０°Ｃに降下する温度領域の部分
すなわち固液界面付近の部位は温度勾配を大きくして結
晶化を容易に、且つ生産性を損なわない製造方法とした
ので、高品質の単結晶が得られる。
【００１３】また、塊状原料の溶解時にアフタヒータを
炉内上方に退避させておけば、迅速かつ安定した原料溶
解が可能となる。更に、種結晶を絞って無転位化させる
際、アフタヒータを上昇させておくことにより無転位化
の確認が容易となる。その他、引き上げた単結晶の長さ
に応じて狙いの結晶熱履歴が得られるように、アフタヒ
ータの温度または位置をあらかじめ設定した制御プログ
ラムに基づいて変化させれば、広範囲かつ高精度な熱履
歴制御が可能となる。
【００１４】次に、本発明に係る半導体単結晶製造装置
の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本
発明の第１実施例における半導体単結晶製造装置の概略
構成を示す縦断面図である。メインチャンバ１内には単
結晶シリコンの原料である多結晶シリコンの融液２を貯
留する石英るつぼ３と、石英るつぼ３を収容する黒鉛る
つぼ４とがるつぼ軸５の上端に回転及び昇降自在に載置
されている。黒鉛るつぼ４の周囲には環状のメインヒー
タ６及び保温筒７が設置されている。
【００１５】メインチャンバ１の上端には中継チャンバ
８及びアッパチャンバ９を介してプルチャンバ１０が接
続され、図示しないワイヤ巻き上げ・回転機構によって
昇降ならびに回転する引き上げワイヤ１１の先端にシー
ドチャック１２が取り付けられている。シードチャック
１２に取り付けた種結晶を融液２に浸漬してなじませた
後、シードチャック１２及び黒鉛るつぼ４を互いに同方
向または逆方向に回転しつつシードチャック１２を引き
上げて単結晶シリコン１３を成長させ、プルチャンバ１
０内に引き上げる。前記中継チャンバ８は、後述するア
フタヒータ及び熱遮蔽筒の昇降ストロークを確保するた
めに設けられたもので、既存のメインチャンバ１が前記
昇降ストロークに十分な高さを備えている場合は、メイ
ンチャンバ１に直接アッパチャンバ９を接続すればよ
い。
【００１６】プルチャンバ１０の外側には昇降機構１４
が設置され、ガイドバー１５に沿って昇降する２本のシ
ャフト１６の下端にそれぞれ支持部材１７が水平に取り
付けられている。前記支持部材１７の先端に取着された
支持部材１８の下端にはアフタヒータ１９が単結晶シリ
コン１３を取り巻くように設けられている。シャフト１
６、支持部材１７，１８及びアフタヒータ１９はいずれ
も黒鉛製である。このアフタヒータ１９は、図示しない
電力制御装置から電極２１、シャフト１６、支持部材１
７，１８を介して供給される高周波電力、又は抵抗加熱
により、単結晶シリコン１３の特定部位を所定の温度に
加熱することができる。アフタヒータ１９の周囲には、
アフタヒータ１９とは別の昇降機構（図示せず）により
昇降可能な円錐状の熱遮蔽筒２０が設置されている。
【００１７】次に、本発明に係る半導体単結晶製造方法
の実施例について説明する。石英るつぼ３に塊状の多結
晶シリコンを充填するに当たり、昇降機構１４を駆動し
て図２に示すようにアフタヒータ１９を上昇させ、更
に、図示しない昇降機構を駆動して熱遮蔽筒２０を上昇
させる。この操作により、石英るつぼ３の上方に空間が
できるので、多結晶シリコン２２とアフタヒータ１９、
熱遮蔽筒２０との干渉が回避される。また、石英るつぼ
３を熱効率の良い位置に固定して迅速に融液とすること
ができる。
【００１８】石英るつぼ３に充填した多結晶シリコン２
２が溶解して融液となった後、図示しないワイヤ巻き上
げ・回転機構を駆動して種結晶を融液２に浸漬する。次
に、引き上げワイヤを徐々に巻き上げ、無転位化のため
の絞り工程に入る。このとき、アフタヒータ１９及び熱
遮蔽筒２０は上方に引き上げられているので、絞り工程
の進行状況は容易に目視確認することができる。絞り工
程が終了した後、図１に示すように熱遮蔽筒２０及びア
フタヒータ１９を所定の位置、たとえば引き上げ中の単
結晶シリコン１３の温度が８００〜７００°Ｃとなる位
置まで下降させる。そして、シードチャック１２を引き
上げながら単結晶シリコン１３を成長させてプルチャン
バ１０内に引き上げる。アフタヒータ１９の発熱温度は
図示しない温度計によって検出され、電力制御装置にフ
ィードバックされる。これにより、アフタヒータ１９の
発熱温度は一定に維持される。前記位置に固定されたア
フタヒータ１９は、単結晶シリコン１３の特定部位を加
熱し、１２００°Ｃから１０００°Ｃまで降下する温度
領域を徐冷する。
【００１９】また、アフタヒータ１９の発熱温度または
アフタヒータ１９の位置は、単結晶シリコン１３に狙い
とする結晶熱履歴を与えるよう、図示しない電力制御装
置により引き上げ長（結晶固化率）に応じてプログラム
的に変化させてもよい。
【００２０】上記の製造方法を適用して半導体単結晶を
製造した実験例について説明する。この実験例において
は、アフタヒータの出力を５ｋＷまたは７ｋＷとし、ア
フタヒータの設置位置は単結晶の温度が１１００°Ｃと
なる部位から４００°Ｃとなる部位まで５段階に変化さ
せた。また、比較例としてアフタヒータを設置しない従
来の方法による実験も行った。これらの実験の結果とし
て得られた半導体単結晶の温度勾配、良品率及び単結晶
引き上げの難易度は表１の通りである。
【００２１】
【表１】
【００２２】表１から、アフタヒータの出力が５ｋＷ、
７ｋＷのいずれの場合も、単結晶の温度が８００または
７００°Ｃの部位にアフタヒータを設置すると良品率が
高く、単結晶引き上げが容易であることが分かる。単結
晶の温度が１１００°Ｃまたは１０００°Ｃの部位にア
フタヒータを設置した場合、急冷することが望ましい融
点から１２５０°Ｃに至る領域の温度勾配が２０°Ｃ／
ｃｍ未満、徐冷することが望ましい１２００から１００
０°Ｃに至る領域の温度勾配が１５°Ｃ／ｃｍを超えて
いて、良品率は６０％に達せず、引き上げに際してボデ
イの直径制御が困難（×印は直径制御不能）であった。
単結晶の温度が４００°Ｃの部位にアフタヒータを設置
した場合は、良品率が６０％に達しなかった。また、比
較例としてアフタヒータを設置しない場合、徐冷するこ
とが望ましい１２００から１０００°Ｃに至る領域の温
度勾配が２５°Ｃ／ｃｍを超えていて、良品率は５０％
であった。
【００２３】上記実験例の結果から、単結晶温度が８０
０〜７００°Ｃの部位をアフタヒータで加熱することに
より、１２００°Ｃから１０００°Ｃに至る温度領域を
通過する際に１５°Ｃ／ｃｍ以下の温度勾配で徐冷さ
れ、単結晶シリコンに好ましい熱履歴を与えることが分
かった。
【００２４】図３は本発明の第２実施例における単結晶
製造装置の部分模式図で、アッパチャンバ９の上端から
下方に向かって短い熱遮蔽筒２３が設けられている。ア
フタヒータ１９は前記熱遮蔽筒２３の下端近傍まで上昇
可能で、単結晶シリコン１３の任意の部位を徐冷するこ
とができる。
【００２５】図４は本発明の第３実施例における単結晶
製造装置の部分模式図で、アッパチャンバ９の上端から
下方に向かって熱遮蔽筒２４が垂設されている。熱遮蔽
筒２４の下端は図１に示した熱遮蔽筒２０と同様に融液
２の近傍上方にまで達している。前記熱遮蔽筒２４によ
りメインチャンバ１及びアッパチャンバ９内の輻射熱が
遮断され、引き上げ中の単結晶シリコン１３のトップを
急冷するが、所望の部位はアフタヒータ１９により徐冷
される。アフタヒータ１９は前記熱遮蔽筒２４の内面に
沿って昇降自在である。
【００２６】図５は本発明の第４実施例における単結晶
製造装置の部分模式図で、この単結晶製造装置は前記各
実施例と同様に昇降自在のアフタヒータ１９を備えてい
るが、熱遮蔽筒は設けていない。アフタヒータ１９によ
り、引き上げ中の単結晶シリコン１３の所望の部位を徐
冷することができる。
【００２７】上記第２〜第４実施例においても、第１実
施例と同様に引き上げ中の単結晶シリコンの所望の部位
を徐冷することにより、狙いとする結晶熱履歴を与える
ことができる。アフタヒータ用電力制御装置の機能は、
第１実施例の場合と同一である。
【００２８】更に、本発明による単結晶製造装置は、引
き上げ単結晶の熱履歴改善のみならず、単結晶原料のチ
ャージ量増大に利用することもできる。すなわち、図６
に示すように石英るつぼ３に充填した塊状の多結晶シリ
コンを溶解した後、引き上げワイヤ１１に吊り下げた多
結晶シリコンロッド２５をアフタヒータ１９で加熱する
ことにより、石英るつぼ３に過大な負荷をかけることな
く容易にチャージ量を増大させることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記の効果が得られる。 （１）ＣＺ法による半導体単結晶の製造において、結晶
成長直後の冷却中に特定の温度領域を通過する際、その
温度勾配をアフタヒータによってゆるやかにする半導体
単結晶製造装置及び製造方法を開発したので、単結晶の
熱履歴を望ましい方向に調整することができ、酸化膜耐
圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥等、熱履歴に依存
する品質特性が優れた単結晶シリコンを容易に製造する
ことができる。 （２）アフタヒータを昇降自在とし、発熱温度を可変と
したので、単結晶に与える熱履歴を高精度に、かつ広範
囲に制御することが可能である。 （３）塊状原料の溶解、無転位化のための絞りは、アフ
タヒータを上昇させることにより容易に行うことができ
る。 （４）本発明による半導体単結晶製造装置は、現有設備
を利用して安価に設置することができ、大規模投資を必
要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体単結晶製造装
置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の半導体単結晶製造装置において、アフタ
ヒータ及び熱遮蔽筒を上昇させた状態を示す縦断面図で
ある。
【図３】本発明の第２実施例におけるアフタヒータの昇
降を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施例におけるアフタヒータの昇
降を示す模式図である。
【図５】本発明の第４実施例におけるアフタヒータの昇
降を示す模式図である。
【図６】本発明における他の利用方法を示す模式図であ
る。
【符号の説明】
１ メインチャンバ ２ 融液 ３ 石英るつぼ ６ メインヒータ ８ 中継チャンバ ９ アッパチャンバ １０ プルチャンバ １１ 引き上げワイヤ １３ 単結晶シリコン １４ 昇降機構 １９ アフタヒータ ２０，２３，２４ 熱遮蔽筒 ２２ 多結晶シリコン

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チョクラルスキー法による半導体単結晶
    製造装置において、引き上げ中の単結晶を取り巻く環状
    のアフタヒータと、アフタヒータ昇降機構と、アフタヒ
    ータに供給する電力ならびにアフタヒータの位置を制御
    する手段とを設けたことを特徴とする半導体単結晶製造
    装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体単結晶製造装置を
    用い、引き上げ中の単結晶が特定の温度領域を通過する
    際の温度勾配を任意に変化させたいとき、引き上げ中の
    単結晶における前記特定の温度領域に相当する部位より
    も１００〜３００°Ｃ低い部位にアフタヒータを配置
    し、この部位を加熱しつつ単結晶の引き上げを行うこと
    を特徴とする半導体単結晶製造方法。
  3. 【請求項３】 引き上げ中の単結晶の温度が融点から１
    ２５０°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ
    以上とし、１２００°Ｃから１０００°Ｃまで下降する
    際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ未満、望ましくは１５°
    Ｃ／ｃｍ以下とすることを特徴とする請求項２記載の半
    導体単結晶製造方法。
  4. 【請求項４】 るつぼに充填した塊状原料の溶解時及び
    引き上げ単結晶を無転位化するための絞り工程において
    はアフタヒータを炉内上方に退避させ、単結晶引き上げ
    時にはアフタヒータを所定の位置に下降させて単結晶の
    所定部位を加熱することを特徴とする半導体単結晶製造
    方法。
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