JPS58176197A - シリコン単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炉体容器内でシリコン融液から種子結晶を用い
てシリコン単結晶を引−ヒげて成長させ、これにより成
長したシリコン単結晶を炉体容器の上方部から炉体容器
外へ取出して得るノリコン単結晶の製造方法およびその
製造装置に関するものである。

従来、この種技術はＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ　（チョク
ラルスキー）法あるいは略してＣＺ法と一般に呼ばれ、
半導体産業で極めて重要な材料であるシリコン単結晶を
製造する代表的な技術としてよく知られている。

第１，２図はＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する装
置と主な工程の説明図である。

第１図はシリコン単結晶１を今まさに引上げて成長させ
ているときの状態を示した図である。この場合の動作は
次のようである。加熱電力制御機構２により制御された
加熱電力が、炉体容器３内に配置された縦円筒形の加熱
体４に加えられ、これにより加熱体４の内側に配置され
た石英るっぽ５の中に保持されたシリコン融液６が加熱
され、シリコン融液６は一定の温度状態（シリコンの融
点に近い約１４００℃の温度）に保たれている。このシ
リコン融液６の表面の中心付近の部分から円形断面を有
したシリコン単結晶１が、引上げ軸７の下端に接続され
た種子結晶８の下に続いて引上げられ、成長させられて
いる。この場合の引上げ速度は、スイッチ９の連結によ
り引上げ速度制御機構１０により０．０５　ｍｍ７分以
下の速度まで精密に制御され、時間平均で通常０．５〜
２．０　ｍｍ７分の速度である。シリコン単結晶が引上
げにより安定に成長する最大の速度は瞬時的にみても約
５　ｍｍ７分である。

他方、上記のような精密な速度制御が必要であることか
ら、引上げ速度制御機構１０により制御が可能な最大速
度は機能上１０ｍｍ／分以下の値とされている。また、
１１は早送り機構であるが、これは後述のように引上げ
速度制御機構１０と切換えて用いられるものであり、第
１図の時点ではスイッチ１２が解除されており使用され
ていない。なお、図の□１３は結晶取出し口である。

第２図は引上げによりシリコン単結晶１の成長が終了し
た時点を示したものであり、シリコン単結晶１の尾部と
呼ばれる下端部１４は円錐形に作られ、その先端が残留
したシリコン融液６の表面から切り離されている。この
時点でシリコン単結晶１の形状が完成するため、引−Ｌ
げが終了したと判断される。従ってその後の処置として
は、単結晶１を冷却して炉体容器３の外部へ取出すこと
であるが、その場合の冷却、取出しの工程には従来、充
分な考慮が払われず、その場に応じて種々な方法がとら
れていた。例えば引上げた１本のシリコン単結晶を外部
に取出したのち、第２図の残留したシリコン融液６に対
してシリコン原料の追加光てんを行ない、融液の量をシ
リコン単結晶の引上げを行なう以前の量まで増加させて
、２本目のシリコン単結晶の引上げを行なう場合、これ
はりチャージ法と呼ばれ、１個の石英るつぼから多数本
のシリコン単結晶が連続的に効率よ（引上げられること
から多（用いられる方法であるが、この場合には、引上
げたシリコン単結晶を速やかに外部へ取出すことが必要
であるため、第２図のようにシリコン単結晶１の成長が
終了したと確認された後、シリコン単結晶１の引上げを
スイッチ９とスイッチ１２の連結交換により引上げ速度
制御機構１０による引上げから早送り機構１１による引
上げへ切換え、２００ｍｍ／分程度の高速度でシリコン
単結晶１を炉体容器３の上方部の結晶取出し口１３付近
まで移動させ、外部へ取出す方法がとられていた。

また、リチャージ法をとらない場合であって、シリコン
単結晶１の取出しよりもむしろ炉体容器３内部全体の速
やかな冷却が必要゛とされる場合には、シリコン単結晶
１を炉体容器内部に保持したままで加熱体４への加熱電
力の供給を停止し、炉体容器３内部全体が充分冷えたの
ちシリコン単結晶１を早送り機構１１によって結晶取出
し口１３まで上昇させ、これを外部に取出す方法もとら
れていた。

以上述べたように、シリコン単結晶の引上げによる成長
が終了した後の冷却、取出しの工程に充分な考慮が払わ
れず、種々な方法がとられていた従来のシリコン単結晶
の製造方法では、製造されたシリコン単結晶も、その重
要な特性の一つである結晶欠陥が高密度に発生したりし
なかったりして種々なものとなっていた。

第３図は本願発明者らが上記の結晶引上げ成長後の炉外
への取り出し方法のみが異なる製造方法により製造され
た多数本のシリコン単結晶の欠陥を調べた中で、代表的
な２種類の欠陥発生状況を示した結晶についての結果を
例として示したものである。第３図において、縦軸は縦
断面図で示したシリコン単結晶１の長さ方向の欠陥を調
べた位置であり、横軸は欠陥の単位体積当りの数すなわ
ち密度である。但し、第３図ではシリコン単結晶１のう
ち実際に材料として用いられるのは、定径部と呼ばれる
一定直径の部分１５だけであるので、この部分について
だけ欠陥を調べた。１６．１７の２本の測定曲線はそれ
ぞれ２本のシリコン単結晶の測定結果を示している。こ
こで欠陥密度の測定は次のようにして行なった。ＣＺ法
によって製造されたシリコン単結晶には酸素原子が不純
物とじて多量に含まれており、この酸素不純物は、シリ
コン単結晶を基板として用いて集積回路などのデバイス
を製作するときにシリコン単結晶に例えば約１０００℃
で１２時間程度の熱処理工程を加えると、シリコン単結
晶の内部に既に存在している格子歪に析出を起こして、
数ミクロン程度の比較的大きな欠陥に成長することが知
られている。そこで本願の発明者らは、実際に測定対象
のシリコン単結晶に１０００℃で１２時間の熱処理を加
え、その後硝酸。

弗酸系のエツチング液（Ｗｒｉｇｈｔ液）で選択エツチ
ングを行なって欠陥を顕在化させ、これを光学顕微鏡で
観察し密度を測定した。− 第３図より、シリコン単結晶１の中で種子結晶８に近い
部分すなわち第２図との対応では、シリコン単結晶１の
比較的上部において、欠陥密度は高いが、１６と１７の
曲線による違いはみられないのに対して、尾部１４に近
い部分すなわちシリコン単結晶１の下部では両者の曲線
は全（違った欠陥密度を示している。この部分では曲線
１６の結晶の欠゛陥密度は０であるのに対し、曲線１７
の結晶では１０９〜１０１０ケ／ｃｍ３の高密度な欠陥
があられれている。

シリコン単結晶を基板として用いてデバイスを製作した
とき、シリコン単結晶に高密度な欠陥が発生すると、デ
バイスの性能が大幅に劣化するため、シリコン単結晶と
してはできるだけ欠陥発生数の少ないものを用いる必要
がある。そこで、例えば第３図の曲線１６のような結晶
であれば欠陥が発生しない結晶の下半分の部分をデバイ
ス用に用いることができるが、曲線１７のように下部で
も高密度な欠陥の発生する結晶はデバイスに用いられる
結晶部分の収率を低下させ経済的に大きな損失となる。

後に実験データをもとに詳しく説明するように、従来の
シリコン単結晶の製造方法では、その製造工程のうち、
結晶成長条件は同じであるのにシリコン単結晶の成長終
了後の冷却、取出しの工程に充分な考慮が払われず、種
々の方法がとられていたため、上述のようなデバイス製
作上極めて重要な結晶の下部で欠陥の発生状況が全く異
なったシリコン単結晶が混在して製造されるという欠点
があった。

本発明はこの欠点を除去し、結晶欠陥の発生の少ない高
品質なシリコン単結晶を常に安定に製造するため、製造
方法として、成長したシリコン単結晶の温度が１０００
℃に冷えるまでの間のシリコン単結晶の冷却速度を２０
℃／分以下としたものであり、またこれを容易にかつ効
率的に実現できる装置を提供したもので、以下詳細に説
明する。

結晶の炉体容器外への取出し工程を結晶の品質に影響を
与える要因でみると、この工程は、シリコンの融点にほ
ぼ等しい約１４００℃の高温度で成長したシリコン単結
晶が室温まで冷却される工程であり、取出し方の違いに
よって−シリコン単結晶のうける冷却の速度が大きく異
なる。この冷却速度の違いによって第３図で示したよう
な欠陥発生状況の違いが現われていることを、本願発明
者らは以下に述べるような実験で明らかにした。

実験は、結晶製造とともに結晶内の温度分布の測定が容
易に行なえるように改造した比較的小形の結晶製造装置
を用い、次のような方法で行なった。但し、この実験装
置の結晶製造に関する部分の構成は第１，２図に示した
従来装置と同じである。

冷却速度が大きく異なると考えられた２種類の冷却、取
出し方法を代表例として取り上げ、それらにおけるシリ
コン単結晶の冷却速度と欠陥密度を測定した。その第１
種類は、第２図に相当するシリコン単結晶の成長が終了
した時点で直ちに早送り機構による引上げに切り換えて
約２００ｍｍ／分の速度で炉体容器上方の取出し口１３
まで移動させ、第２図の状態から約１０分間で炉体容器
３外へシリコン単結晶を取出すものであり、第２種類は
、第２図の時点で引上げを停止し、シリコン単結晶を残
留したシリコン融液の直上位置に静置したままで、加熱
電力を切ることによって冷却するものである。

第４．５．６図に実験結果を示す。第４図は第２図の状
態における結晶内の温度分布の測定結果である。縦軸は
結晶内の長さ方向の位置であり、シリコン単結晶１と位
置関係を対応させて示している。横軸は結晶の各位置で
の温度である。この図より、例えば、シリコン単結晶の
下端より１３ｃｍ上の部分の温度は約１０００℃である
。このシリコン単結晶が成長させられたときの引上げ速
度が１ｍｍ／分であったとすると、この１３　ｃｍの部
分は約１４００℃で成長してから１３０分が経過してい
る。

すなわちこの部分は１４００℃から１０００℃まで１３
０分間で冷却されており、この間の平均の冷却速度は約
り℃／分である。この部分に限らず、シリコン単結晶の
各部分が約１４００℃で成長してから第４図の温度状態
になるまでに受ける冷却速度は約り℃／分でほぼ等しい
。但し、結晶の上部はど成長してからの経過時間が長い
ため温度が下がっており、結晶内には全体として第４図
のような温度分布ができている。例えば、結晶の下端よ
り８ｃｍ上の部分すなわち定径部１５の下端部分の温度
は、なお約１２００℃の高温状態にある。

第５図は、上記第１種類の冷却方法により第４図の温度
状態にあったシリコン単結晶を冷却した後、結晶に発生
した欠陥を調べた結果である。この場合、縦軸は第４図
と共通にして示しており、横軸は第３図と同じ方法によ
り調べた欠陥密度である。この結果より、縦軸の１１〜
１３　ｃｍの位置を境にして上下で欠陥密度の大きな違
いがみられ、１３ｃｍより上の部分で欠陥密度が０であ
るのに対し、１１ｃｍより下の部分ては１０１０ケ／ｃ
ｍ３に近い高密度な欠陥が発生している。この欠陥発生
状況は第３図と比べて結晶の長さに違いはあっても、第
３図の１７の曲線の傾向と全く同じである。ここで適用
した第１種類の冷却方法では、結晶は第４図の温度状態
から結晶全体がほぼ室温に達するまで約１０分間で冷却
されている。結晶が７００℃まで冷える間の冷却速度は
約り４０℃／分であった。第５図で欠陥が発生しない下
限が約１３ｃｍの位置であり、この部分に第１種類の冷
却を適用する前の温度が・第４図より約１０００℃であ
ることから、１０００℃を越１えた状態にある結晶部分
が上記のような１４０℃／分という急冷を受けた場合に
欠陥が発生すると結論することができる。逆に言えば、
１０００℃以下の比較的低い温度まで冷却速度３℃／分
という十分な徐冷を受けていれば、それ以後急冷されて
も欠陥は発生しないと言える。

以上述べたように第３図のように結晶下部に発生するこ
とのある欠陥は結晶成長後の急冷によって発生している
ことが明らかとなったので、以後この種欠陥を“冷却欠
陥パと呼ぶ。冷却欠陥が結晶製造過程において１０００
℃以上の高温から急冷された場合にのみ発生するのは、
冷却欠陥の原因が以下のように考察されることから理解
できる。シリコンのように高温で成長する結晶中には、
成長時にその温度における熱平衡濃度で存在しうる空１
孔や格子間シリコン原子という原子サイズの点火・陥が
結晶中に取り込まれる。こ、れらは結晶が徐冷されれば
、拡散によって移動して消滅するため、それぞれの温度
における平衡濃度まで少なくなることができるが、高温
から急冷された場合には、十分な拡散による消滅が起ら
ず高濃度なままで結晶中に残り、低温では過飽和状態に
なる。過飽和に存在する点欠陥はさらにエネルギー的に
安定な集合体をつくり、結晶格子に大きな歪場をもたら
す。これらが、欠陥観察時に適用する１０００　℃で長
時間の熱処理によって酸素不純物の析出核となり、欠陥
として観察されるものと考えられる。

以上のように、第１種類の冷却を適用した実験子よって
、冷却欠陥を発生させないためには、結晶が１０００℃
の温度に下がるまでは十分な徐冷を行なう必要があるこ
とが明らかになったが、結晶の全ての部分が１０００℃
に下がるまで３℃／分という極めて遅い冷却速度で冷却
していだのでは結晶を室温まで冷却するのに時間がかか
りすぎて非能率な場合がある。

第６図は、上記第２種類の冷却方法により第４図の温度
状態にあったシリコン単結晶を冷却した後、結晶に発生
した欠陥を調べた結果である。この場合も縦軸は第４図
と共通にして示しており、横軸は第３図で説明したのと
同じ方法により調べた欠陥密度である。第６図の結±（
ｆ、第５図と比較して結晶の下端まで冷却欠陥が発生し
ていないことを示している。この冷却方法によって結晶
の受ける冷却速度は測定の結果的２０℃／分であった。

従って、この実験により、結晶が１０００℃に下がるま
で２０℃／分以下の冷却速度で徐冷すれば、冷却欠陥は
発生しないことが示された。

上述のように、冷却欠陥を発生させないシリコン単結晶
の製造方法は次のようにしても実現することができる。

第４図の結晶内の温度分布は結晶のある部分が成長した
後、上方へ引上げられるに従ってその部分の温度が下が
ることを示している。

すなわち、極端に速い速度で引上げないかぎり第４図の
温度分布の勾配に従った冷却速度で結晶の温度は下がる
。そこで例えば第４図のシリコン単結晶１の下端を１０
００℃に下げるまでに必要な引上げ距離は、第４図の時
点よりｌｊｃｍである。材料として有用な定径部１５の
下端で考えると、この部分は既に８ｃｍ引上げられてい
るのでこの部分が１０００℃に下がるまでの引上げ距離
は差引き５ｃｍである。一方、この部分【メ第４図の時
点で既に約１２００℃まで下がっているので、１０００
℃との温度差・は２００℃であり、この間の冷却速度を
２０℃／分以下とするためには冷却の所要時間は１０分
以上となる。

従ってこの部分に冷却欠陥を発生させないためには５ｃ
ｍの距離を１０分以上の時間をかけて引上げればよい。

それは引上げ速度を５ｍｍ／分以下とすることにより実
現できる。定径部の下端にかぎらず第５図で冷却欠陥が
発生した部分すべてにおいて、冷却欠陥を発生させない
ためにも、第４図で結晶の成長が全て終了した以後、約
５ｍｍ／分の引上げ速度で１０分間引上げを行なえばよ
い。さらに、その後、引上げを早送りに切り換えて急速
な冷却を行なえば、冷却欠陥が発生しない範囲で最も短
時間で効率のよい結晶の冷却と取出しが可能となる。実
際に、本願の発明者らは、この方法によっても第６図の
結果と全く同じく冷却欠陥の発生しないシリコン単結晶
を実現している。

上記５ｍｍ／分の引上げ速度で１０分間の引上げの条件
は、本願発明者らの実験装置で得られた結果１であって
、２０℃／分の冷却速度を実現するための引上げ速度お
よび時間は必ずしも一般の装置に共通するものではなく
、これらの数値自体には若干の変化があり得る。従って
正確な数値を明らかにするためには、個々の装置それぞ
れについて、上記のような実験を行なって数値を求めな
ければならないが、本願発明者らが若干の装置について
調べたところでは、引上げ速度は５ｍｍ／分以下９時間
は５〜３０分の範囲に入っている。

第７図は、本発明の製造方法を容易にかつ効率的に実現
できる装置の一実施例の構成説明図である。本発明装置
は、第１，２図の従来装置の構成の他に、シリコン単結
晶の引上げ速度すなわち上方への移動速度を自動的に２
段階に切り換える移動速度制御機構１８を具備すること
を特徴としている。、この移動速度制御機構１８の動作
は次のようである。シリコン単結晶の成長が終了した第
２図の時点で、引上げ速度制御機構１０（こよる引上げ
から移動速度制御機構１８による引上げに切換える例え
ばスイッチ１つが押されると、移動速度制御機構１８は
動作を開始し、ｌＱｍｍ／分以下であって、装置の温度
分布など特性に応じてあらかじめ決定された速度例えば
５ｍｍ／分の速度でシリコン単結晶を引上げる。この５
ｍｍ／分の速度での引−Ｌげによってシリコン単結晶の
定径郡全体が１０００℃以下の温度に下がると、その時
点で移動速度制御機構１８は引上げ速度を自動的に５　
ｍｍ７分以上の例えば約２００ｍｍ／分の早送り速度に
切り換え、シリコン単結晶を炉体容器上方部の結晶取出
し口１３付近まで速やかに移動させる。但し、この速度
を切換える時点は、あらかじめ例えば移動速度制御機構
１８内に内蔵されたタイマーなどにより設定されている
。第７図に示した実施例の装置では、移動速度制御機構
１８は引上げ速度制御機構１０および早送り機構１１と
全く別個に設けられているが、上述の移動速度制御機構
１８に必要とされる動作から考えて、必ずしもこれらと
別個である必要はなく、引上げ速度制御機構１０と早送
り機構１１の動作を自動的につなぐ例えば切換スイッチ
で既に従来装置に具備されている引上げ速度制御機構１
０と早送り機構１１を連）結した構成でもよいことは明
らかである。シリコン単結晶製造装置にこのような機構
が具備されていれば、これを用いることにより、既に述
べたように、冷却欠陥が発生しない範囲で最短時間で効
率のよい結晶の冷却と取出しが可能となることと併せて
、装置的に実現されているため、作業者による違いが生
じることなく常に一定速度の冷却を受けた結晶が安定に
製造され、冷却による結晶品質の違いを生じる余地が全
（ないため、品質の安定性が保障される。さらに、結晶
取出しまでの時間が一定となるため、管理が容易となり
生産性が向上するなどの利点がある。

第８図は、本発明の製造方法を実施するための装置の他
の実施例である。この実施例の装置は、第７図の実施例
の装置に加えて、移動速度制御機構１８による５ｍｍ／
分以下の遅い引上げ速度から５ｍｍ／分以上の早い引上
げ速度への切換えの時点で加熱電力を自動的に切断すべ
く、移動速度制御機構１８と加熱電力制御機構２を連結
した加熱電力切断機構２０を具備することを特徴として
いる。加熱電力切断機構２０は移動速度制御機構１８か
ら動作信号を受け、加熱電力制御機構２へ電力切断信号
　　□を送る。このような作用をするから第８図の装置
の効果としては、シリコン単結晶の製造に関する上記の
第７図の実部例について述べた効果があることの他に、
さらに、結晶成長の終了俊速やかな加熱電力の切断が可
能となり、炉体容器３の内部全体を速やかに冷却するこ
とができる。また、リチャージ方式を採用する場合など
で、１本の結晶が成長させられた後にも加熱電力の切断
を必要としない場合には、スイッチ２１の連結を解除し
ておくことにより加熱電力制御機構２に対して加熱電力
切断の信号が送られないようにすることもできる。この
場合の動作は第７図の実施例の装置の動作と同じである
ため、効果も全く同じである。

以上説明したように、本発明のシリコン単結晶の製造方
法では、成長したシリコン単結晶の温度が１０００℃に
冷えるまでの間のシリコン単結晶の冷却速度を２０℃／
分以下とするため、急速な冷却に伴う結晶欠陥の発生が
起らず、欠陥密度の少ない良質なシリコン単結晶を常に
安定に製造することができる。また本発明の装置は、従
来の装置に極めて簡単な機能を有する移動速度制御機構
あるいは、さらに加熱電力切断機構を付加しただけとい
う簡単な構成であって、上記製造方法に則った良質なシ
リコン単結晶が安定に製造されるとともに迅速で能率の
良いシリコン単結晶の製造が行なえる大きな利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のシリコン単結晶製造装置の
構成と製造工程の説明図、第３図は従来のシリコン単結
晶に発生する代表的な２種類の欠陥密度分布を示す図、
第４図はシリコン単結晶の成長が終了した第２図に示し
た時点での結晶内温度分布図、第５図は第４図の時点か
らシリコン単結晶を１４０℃／分の冷却速度で急冷した
ときに結晶内に発生した欠陥密度分布を示、す図、第６
図は第４図の時点からシリコン単結晶を２０℃／分の冷
却速度で徐冷したときに結晶内に発生した欠陥密度分布
を示す図、第７図および第８図は本発明の製造方法を実
施するための装置の構成説明図である・。 １・・・シリコン単結晶　２・・・加熱電力制御機構３
・・・炉体容器　　　　４・・・加熱体５・・・石英る
つぼ　　　６・・・シリコン融液７・・・引上げ軸　　
　　８・・・種子結晶９、１２．　１９．２１・・・ス
イッチ１０・・引上げ速度制御機構 １１・・・早送り機構　　　１３・・・結晶取出し口１
４・・・尾部　　　　　　１５・・・定径部１６、１７
・・・欠陥密度分布の測定曲線１８・・・移動速度制御
機構 ２０・・・加熱電力切断機構 特許出願人　日本電信電話公社 代理人弁理士　中村鈍才　助 才　２　図 太　５　図 χ　ｙ山　烹　戊　（ケ／２−） 十　６　図 ７−１７−１ｌ１１＜ｐｒｙｃ−＞

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）炉体容器内の加熱体に加えられた加熱電力の制御
   により石英るつぼ内に溶融状態で保持されたシリコン融
   液から種子結晶を用いてシリコン単結晶を引上げて成長
   させ、これにより成長したシリコン単結晶を所定の温度
   まで冷却して炉体容器外に取出して得るシリコン単結晶
   の製造方法において、成長したシリコン単結晶の温度が
   １０００℃に冷えるまでの間のシリコン単結晶の冷却速
   度を２０℃／分以下とすることを特徴とするシリコン単
   結晶の製造方法。 （２、特許請求の範囲第１項記載のシリコン単結晶の製
   造方法において、所定長さのシリコン単結晶の引上げ・
   成長の終了後に行なう結晶取出しのための炉体容器内上
   方へのシリコン単結晶の移動の速度をシリコン単結晶の
   温度が移動によって１０００℃に冷えるまでの間は５ｍ
   ｍＺ分以下とすることを特徴とするシリコン単結晶の製
   造方法。 （３）炉体容器内に配置された加熱体に加熱電力を供給
   するとともに該加熱電力の制御を行なう加熱電力制御機
   構を有し、該加熱電力制御機構により加熱体を加熱する
   ことにより石英るつぼ内にシリコン融液を形成し、この
   融液から種子結晶を用いてシリコン単結晶を引上げて成
   長させ、これにより成長したシリコン単結晶を炉体容器
   内の上方に移動させ、炉体容器の上方部からシリコン単
   結晶を炉体容器外に取出して得るように構成された□シ
   リコン単結晶の製造装置におかて、成長したシリコン単
   結晶の上方への移動速度を５ｍｍ／分以下の遅い速度か
   らそれ以上の速い速度へ自動的に切り換える移動速度制
   御機構を具備せしめたことを特徴とするシリコン単結晶
   の製造装置。 （４）特許請求の範囲第３項記載のシリコン単結晶の製
   造装置において、加熱電力制御機構は、移動速度制御機
   構と連動して加熱電力の切断を行なう加熱電力切断機構
   を具備することを特徴とするシリコン単結晶の製造装置
   。