WO2006137181A1 - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

　この半導体単結晶製造装置は、ルツボと、ヒータと、ルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバ内に、水素原子を含む水素含有ガスおよび不活性ガスを混合した水素混合ガスを供給する水素混合ガス供給装置とを有し、前記水素混合ガス供給装置は、水素含有ガス供給機と、不活性ガス供給機と、水素含有ガス流量制御器と、不活性ガス流量制御器と、水素含有ガスと不活性ガスとを混合して水素混合ガスを生成し貯留するバッファタンクとを備える。

Description

明 細 書

半導体単結晶製造装置

技術分野

[0001] 本発明は、水素の存在する雰囲気下で半導体単結晶を製造する半導体単結晶製 造装置に関するものである。

背景技術

[0002] 半導体単結晶の一例であるシリコン単結晶は、気密に保たれたチャンバ内のルツ ボに収容された多結晶シリコン原料をヒータで加熱してシリコン融液とし、 CZ (Czochr alski)法によりシリコン融液力 シリコン単結晶を引上げながら成長させることにより製 造される。シリコンウェハは、上記の方法で製造されたシリコン単結晶をスライス (切断 )することにより製造され、このシリコンウェハ上に例えば集積回路などが形成される。

[0003] こうしたシリコン単結晶の引上げにあたって、チャンバ内雰囲気としては、従来より 不活性ガス（主に Arガス）が使用されてきた。これは、シリコン融液、チャンバ部材及 びシリコン結晶との種々の化学反応を抑制し、副生成物として発生する不純物の混 入を回避するためである。更に、多量にガス供給を行うことで生じるチャンバ内のガス 流れを利用して、金属汚染を回避することもでき、引上げるシリコン単結晶の高品質 化を実現できる。

[0004] こうしたチャンバ内の雰囲気に関して、最近になって、微量の水素ガスを混合するこ との有効性が報告され始めた (例えば特許文献 1〜特許文献 4)。これら特許文献に 記載された技術によると、結晶中に導入された Grown— in欠陥、特に COPに代表さ れる空孔欠陥に水素原子が作用することにより、シリコン融液への窒素ドープと同様 に空孔欠陥の縮小や消滅が可能になるとされている。

[0005] このようなチャンバ内への水素ガスの供給に関しては、可燃性ガスである水素ガス を安全に供給するために、三角線図を用いた水素濃度の規定方法 (特許文献 5)や 、効率よく水素原子をシリコン融液に溶け込ませるため水素供給方法 (特許文献 6) などが知られている。

[0006] し力しながら、特許文献 6に記載された従来のチャンバ内への水素供給方法は、水 素雰囲気下でのシリコン単結晶の少なくとも 1回の引上げに必要な量の水素混合ガ スを予めボンべ等に貯留した水素ガス供給装置を用いた水素混合ガス供給方法で ある。こうした従来の水素混合ガス供給方法では、予め水素混合ガスの水素原子含 有量が決まっているので、シリコン単結晶の引上中の引上環境の変化に対応して、 最適な水素濃度に制御することは極めて困難であり、水素雰囲気下でのシリコン単 結晶の引上げによる最大限の効果を得ることが難し力つた。

[0007] また、こうした水素混合ガスを毎分数百リットル以上用いる大口径のシリコン単結晶 製造装置に適用するには、相当に大きな水素混合ガスの貯留手段が必要でとなり、 設備コストが非常に高くなる懸念がある。さらに、大流量の水素混合ガスを 1回の引 上期間中の数日間にわたって連続的、かつ安定的にチャンバ内に供給することは困 難である。

特許文献 1：特開昭 61— 178495号公報

特許文献 2：特開平 11― 189495号公報

特許文献 3：特開 2000 - 281491号公報

特許文献 4:特開 2001— 335396号公報

特許文献 5 :特開 2004— 182525号公報

特許文献 6：特開 2004— 217460号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、半導体単結晶の引上環境の 変化に対応して水素混合ガス中の水素原子濃度を容易に制御可能であり、かつ、水 素混合ガスをローコストな設備で長期間に渡って連続的に安定して供給可能な半導 体単結晶製造装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記の目的を達成するために、本発明によれば、半導体融液を貯溜するルツボと、 前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び z又は昇降させるルツボ駆 動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバ内に、水素 原子を含む水素含有ガスおよび不活性ガスを混合した水素混合ガスを供給する水 素混合ガス供給装置とを有し、前記水素混合ガス供給装置は、水素原子を含む水 素含有ガスを供給する水素含有ガス供給機と、不活性ガスを供給する不活性ガス供 給機と、前記水素含有ガス供給機力 供給される水素含有ガスの流量を制御する水 素含有ガス流量制御器と、前記不活性ガス供給機から供給される不活性ガスの流量 を制御する不活性ガス流量制御器と、前記水素含有ガス流量制御器および前記不 活性ガス流量制御器カゝらそれぞれ流出した水素含有ガスと不活性ガスとを混合して 水素混合ガスを生成し貯留するバッファタンクとを備えた半導体単結晶製造装置が 提供される。

[0010] ノ ッファタンクを形成して水素混合ガスを一定量常に貯留し、かつバッファタンクの 内圧を設定した圧力範囲内で常に加圧状態になるように制御することによって、シリ コン単結晶インゴット（半導体単結晶）の引上げ時に、水素の分圧制御のために水素 含有ガスや不活性ガスの流量を変えたりしても、ノ ッファタンクが圧力調整の緩衝手 段の役割を果たし、圧力変動を非常に緩やかにすることが可能になる。これにより、 水素の分圧を変化させてもチャンバ内に急激な圧力変動が生じることが無ぐ安定し てシリコン単結晶インゴットを引上げるのに非常に有効な構成である。

[0011] また、引上げたシリコン単結晶インゴットは、引上げ方向に沿って、ネック部、ボディ 部、テール部におおまかに分けられ力 これら各部の特性に応じて、チャンバに供給 する水素混合ガスの水素濃度 (水素分圧)を変化させることができる。これにより、ボ ディ部の COP欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の 少な 、良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。水素 含有ガス供給機や水素配管などを屋外に設置することによって、高圧の水素含有ガ スを含む系統の危険性を低減することができる。ここで、ネック部とは、ネッキングをお こなうネック部分およびショルダーと呼ばれる拡径部等、直胴部より前に引き上げられ る部分を示すものとする。また、水素含有ガス雰囲気でシリコン単結晶インゴットを引 き上げることで、引き上げ速度 Vと結晶軸方向の温度勾配 Gとに対して VZGの値の 制御性を向上して、単結晶内の COP、 R— OSFや転移クラスタ一等の欠陥分布に 対する制御性を向上することが可能となる。

[0012] 前記半導体融液はシリコン融液であり、前記半導体単結晶はシリコン単結晶であれ ばよい。前記バッファタンクには、バッファタンクの内圧を検出するバッファタンク圧力 センサが設けられていてもよい。前記バッファタンクの流入側にはタンク流入開閉弁 が設けられて 、ればよ 、。前記バッファタンクの流入側の総流量は流出側の総流量 よりも多くなるように設定され、前記バッファタンクの内圧が予め設定した設定圧力範 囲の上限値よりも高くなつた際には、前記バッファタンクの内圧が前記設定圧力範囲 の下限値以下になるまで前記タンク流入開閉弁を閉じるように制御されればよい。

[0013] これにより、ノ ッファタンク流入ガスの総量が流出ガスの流量よりも多くなるように設 定されているので、ノ ッファタンクの内圧は常に加圧される方向に制御され、しかも内 圧を一定の範囲内におくことが可能なる。

[0014] 前記チャンバ内の圧力を検出するチャンバ内圧検出手段を更に備え、前記チャン バ内圧検出手段で検出したチャンバ内の圧力の値に応じて前記水素含有ガス流量 制御器の水素含有ガス流量を制御してもよい。また、前記シリコン融液から引上げる 半導体単結晶の引上速度を検出する引上速度検出手段を更に備え、半導体単結 晶の引上速度の値に応じて前記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制 御してもよい。さらに、前記半導体融液力 引上げた半導体単結晶の結晶長さを検 出する結晶長検出手段を更に備え、引上げた半導体単結晶の結晶長さに応じて前 記水素含有ガス流量制御器の水素含有ガス流量を制御してもよい。

[0015] メルト（シリコン融液）に対する水素の混入はヘンリーの法則にしたがってメルト表面 付近における水素分圧によって制御可能であるが、引き上げ中に炉内圧が変化した 場合に水素分圧を一定に保つ、あるいは、積極的に水素分圧を変化させる等の制 御をおこなうことが可能となり、メルトに対する水素の分圧をコントロールして、単結晶 への水素原子の影響を最適な状態に制御することが可能となる。

[0016] 最初に種結晶をシリコン融液（半導体融液）に接触させて、転位欠陥防止のために 狭幅で一定長さ引上げた後、結晶径を予め設定した所定幅まで広げていくネック部 では、水素含有ガス流量制御器を ON— OFF制御することによって、チャンバに供 給するガス中の水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行う。ネック部で水 素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行うことによって、チャンバなど引上 装置を構成する部材カゝらの Fe汚染を低減したり、微量の水素含有ガスの存在による シリコン融液面の安定化 (整流作用）、あるいは種結晶をシリコン融液に接触させた 際の熱的ショックを低減するなどの効果を得ることができる。また、ネック部で水素含 有ガス分の ON— OFF制御することによって、ネック部に続くボディ部の結晶特性を 向上させる。さらに、水素雰囲気下で引上げすることにより、ネック部における有転移 化を防止して、引き上げのやり直し (メルトバック)等を防止し、結果的にシリコン単結 晶の製造コストを低減することができる。

[0017] シリコン単結晶インゴットのボディ部の引上げ過程では、制御部力も送出される流量 制御信号に基づ 、て、水素含有ガス流量制御器が水素含有ガスの流量を変化させ 、チャンバに供給する水素混合ガスの水素分圧を制御する。制御条件として引上速 度 (fp)による制御（引上速度検出手段)や、チャンバ内圧による制御 (チャンバ内圧 検出手段）、あるいは引上結晶長による制御 (結晶長検出手段）によって、ボディ部 の COP欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない 良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。同時に、メ ルトに対する水素分圧をコントロールして、単結晶への水素原子の影響を最適な状 態に制御することが可能となる。

[0018] 前記不活性ガスは少なくともアルゴンを主成分として 、ればよ 、。前記水素含有ガ ス供給機は、水素原子を含む原料ガスを精製する水素含有ガス精製手段を備えて いてもよい。

前記不活性ガス供給機は、不活性ガスを含む原料ガスを精製する不活性ガス精製 手段を備えていてもよい。前記水素混合ガス供給装置は、複数の前記チャンバに前 記水素混合ガスを供給する複数の水素混合ガス供給ラインを備えて 、てもよ 、。な お、水素混合ガス供給装置は水素ガスと不活性ガス以外のガスとを組み合わせて供 給すること、水素ガス、不活性ガス、その他のガスを組み合わせ、また、これらのガス のうち少なくとも一つ以上おをそれぞれ切り替えて供給するよう制御することも可能で ある。また、前記チャンバの少なくとも内面は水素に対する耐腐蝕性を有する材料で 形成されていればよい。これによつて、チャンバ内を活性な水素を含む雰囲気下にし ても、チャンバの腐蝕、劣化を防止することが可能になる。

発明の効果 [0019] 本発明の半導体単結晶製造装置によれば、水素雰囲気下で引上げるシリコン単結 晶インゴットの各部の特性に応じて、チャンバに供給する水素混合ガスの水素濃度（ 水素分圧）を変化させることができる。これにより、ボディ部の COP欠陥サイズの縮小 効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少ない良好なシリコン単結晶イン ゴットのボディ部を形成することが可能になる。水素含有ガス供給機や水素配管など を屋外に設置することによって、高圧の水素含有ガスを含む系統の危険性を低減す ることがでさる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は、本発明の半導体単結晶製造装置の構成を示す概略図である。

[図 2]図 2は、図 1のチャンバ部分の側面断面図である。

[図 3]図 3は、シリコン単結晶インゴットの部位を示す説明図である。

[図 4]図 4は、バッファタンクの内圧制御の手順を示すフローチャートである。

[図 5]図 5は、本発明の水素供給制御に関するフローチャートである。

符号の説明

[0021] 10 シリコン単結晶製造装置 (半導体単結晶製造装置)、 12 水素混合ガス供給 装置、 21 チャンバ、 23 石英ルツボ (ルツボ）、 51 水素含有ガス供給機、 52 不 活性ガス供給機、 54 水素含有ガス流量制御器、 56 不活性ガス流量制御器、 57a , 57b タンク流入開閉弁、 58 バッファタンク、 60 バッファタンク圧力センサ。

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、本発明の半導体単結晶製造装置の一実施形態として、シリコン単結晶製造 装置を取りあげ、その実施形態を説明する。図 1は本発明のシリコン単結晶製造装置 (半導体単結晶製造装置)の全体構成を示す概略図であり、図 2はそのチャンバ部 分を示す側面断面図である。シリコン単結晶製造装置 (半導体単結晶製造装置） 10 は、大別して引上装置 11と、水素混合ガス供給装置 12と、制御部 13とから構成され ている。引上装置 11は、チャンバ 21と、このチャンバ 21内に設けられてシリコン融液 (半導体融液） 22を貯溜する石英ルツボ (ルツボ） 23と、石英ルツボ 23を加熱する側 面ヒータ 24と、保温材 25と、ルツボ駆動手段 26とが備えられている。

[0023] 石英ルツボ 23は、上方が開放された略円筒形の胴部 23aと、この胴部 23aの下方 を閉塞する底部 23bとからなる。石英ルツボ 23の外面は黒鉛サセプタ (ルツボ支持 体） 27により支持されている。石英ルツボ 23の下面は黒鉛サセプタ 27を介して支軸 28の上端に固定され、この支軸 28の下部はルツボ駆動手段 26に接続される。石英 ルツボ 23の胴部 23aの外側周囲に黒鉛サセプタ 27を介して側面ヒータ 24が設けら れている。

[0024] 石英ルツボ 23を加熱するための側面ヒータ 24は、例えば石英ルツボ 23を取り巻く ように円筒形に形成され、石英ルツボ 23を加熱する。また、側面ヒータ 24とチャンバ 21との間には側面ヒータ 24を取り囲む筒状の保温材 25が設けられている。

[0025] ルツボ駆動手段 26は、石英ルツボ 23を回転させる第 1の回転用モータ（図示略）と 、石英ルツボ 23を昇降させる昇降用モータ（図示略）とを有し、これらのモータにより 石英ルツボ 23が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能に構成され る。

特に上記昇降用モータにあっては、シリコン単結晶インゴット（半導体単結晶） 31の 引上げが進むにつれて低下するシリコン融液（半導体融液） 22の液面 22aをチャン バ 21内で所定レベルに維持するため、減少するシリコン融液 22の量に応じて石英 ルツボ 23を上昇させるように構成されて 、る。

[0026] チャンバ 21の上面にはチャンバ 21の一部の径を狭めた円筒状のケーシング 41が 設けられる。このケーシング 41の上端部には水平状態で旋回可能に引上ヘッド 42 が設けられ、引上ヘッド 42からはワイヤケーブル 43が石英ルツボ 23の回転中心に 向って垂下される。なお、チャンバ 21全体、あるいは内面側は、活性の高い水素に 対して耐食性のある材料で形成、コーティングされて 、るのが望ま 、。

[0027] 図示しないが、引上ヘッド 42には引上ヘッド 42を回転させる第 2の回転用モータと 、ワイヤケーブル 43を卷取り又は繰出す引上げ用モータが内蔵される。ワイヤケープ ル 43の下端にはシリコン融液 22に浸してシリコン単結晶インゴット 31を引上げるため の種結晶 33がホルダ 34を介して取付けられる。

[0028] チャンバ 21の上部には、後ほどその構成を詳述する水素混合ガス供給装置 12に 連結され、水素混合ガスをケーシング 41からチャンバ 21内に導入する第 1導入部 36 が形成されている。また同様に水素混合ガス供給装置 12に連結され、チャンバ 21の 上部から石英ルツボ 23の近傍に向けて延び、水素混合ガスを石英ルツボ 23の近傍 に導入する第 2導入部 37が形成されている。こうした第 1導入部 36や第 2導入部 37 は、チャンバ 21内に向けて開口端を備えたパイプであればよい。さらに、チャンバ 21 の下部には、チャンバ 21内のガスを排出する排出部 39が形成されている。こうした 排出部 39からは、第 1導入部 36や第 2導入部 37から導入された水素混合ガスの量 と同量のガスが排出され、チャンバ 21内の内圧を一定に保つ。

[0029] 図 1を参照して、水素混合ガス供給装置 12は、水素含有ガス供給機 51と不活性ガ ス供給機 52とを備えている。水素含有ガス供給機 51は、水素含有ガス源 51aと水素 含有ガス精製器 (水素含有ガス精製手段) 51bとから構成されている。水素含有ガス 源 51aは、水素ガスまたは水素原子を含有する化合物ガス等の原料ガスの供給源で あり、水素含有ガスとしては、水素ガス、 H O, HC1等の水素原子を含む無機化合物

2

、シランガス、 CH , C H等の炭化水素、アルコール、カルボン酸等の水素原子を含

4 2 2

む有機化合物が挙げられる。

[0030] こうした水素含有ガス源 51aとしては、水素ガスの場合は、液化水素ガス設備や、 化合物から水素を生成させる水素生成設備、あるいは水素吸蔵合金に吸蔵された 水素を取り出す設備であればよい。またィ匕合物ガスの場合には、液体状態の化合物 貯留設備や、水素原子含有化合物を合成するための化合設備であればよい。こうし た液化水素ガス設備や化合物貯留設備は、長期にわたって大量の水素ガスや水素 含有ガスを安定して供給する供給源である。

[0031] 水素含有ガス源 51aに隣接して設けられる水素含有ガス精製器 51bは、水素含有 ガス源 51aから供給される原料ガスとしての水素含有ガスを精製し、不純物を取り除 いた水素含有ガスを供給するものである。こうした水素含有ガス精製器 51bは、すで に引上装置 11のチャンバ 21に供給され、循環して戻された使用済みの水素混合ガ スを精製して水素を取り出し、再び不純物のな!、水素含有ガスを生成する構成であ つても良い。また、水素含有ガス源 5 laから不純物のない水素含有ガスが供給される のであれば、特にこうした水素含有ガス精製器 51bは設けなくても良い。

[0032] 不活性ガス供給機 52は、不活性ガス源 52aと不活性ガス精製器 (不活性ガス精製 手段） 52bとから構成されている。不活性ガス源 52aは、希ガスの供給源であり、こうし た不活性ガスとしては、ローコストな Arガスが好ましく挙げられる力 これ以外にも He , Ne, Kr, Xeなど各種希ガス単体、あるいはこれらの混合物であってもよい。

[0033] こうした不活性ガス源 52aとしては、液化不活性ガス設備や、不活性ガスを取り出す 不活性ガス生成設備であればよい。こうした液ィ匕不活性ガス設備などは、長期にわた つて大量の不活性ガスを安定して供給する供給源である。

[0034] 不活性ガス源 52aに隣接して設けられる不活性ガス精製器 52bは、不活性ガス源 5 2aから供給される原料ガスとしての不活性ガスを精製し、不純物を取り除いた不活性 ガスを供給するものである。こうした不活性ガス精製器 52bは、すでに引上装置 11の チャンバ 21に供給された使用済みの水素混合ガスを精製して不活性ガスを取り出す 構成であっても良い。また、不活性ガス源 52aから不純物のない不活性ガスが供給さ れるのであれば、特にこうした不活性ガス精製器 52bは設けなくても良 、。

[0035] 水素含有ガス供給機 51から供給された水素含有ガスは、水素配管 53を介して供 給される。水素配管 53の途中には、水素配管 53中を流れる水素含有ガスの流量を 制御する水素含有ガス流量制御器 (マスフローコントローラ） 54が形成される。こうし た水素含有ガス流量制御器 54は、シリコン単結晶製造装置 10全体の動作を制御す るための制御部 13によって流量が設定される。なお、水素配管 53の途中には、水素 含有ガス流量制御器 54以外にも、減圧弁や逆止弁などが適宜設置されていても良 い。

[0036] 不活性ガス供給機 52から供給された不活性ガスは、不活性ガス配管 55を介して供 給される。不活性ガス配管 55の途中には、不活性ガス配管 55中を流れる不活性ガ スの流量を制御する不活性ガス流量制御器 (マスフローコントローラ） 56が形成され る。こうした不活性ガス流量制御器 56は、シリコン単結晶製造装置 10全体の動作を 制御するための制御部 13によって流量が設定される。なお、不活性ガス配管 55の 途中には、不活性ガス流量制御器 56以外にも、減圧弁や逆止弁などが適宜設置さ れていても良い。また、水素含有ガス流量制御器 54や不活性ガス流量制御器 56は 、どちらか一方だけを備えて、水素混合ガス中の水素濃度を調節するような構成であ つても良い。

[0037] 水素含有ガス流量制御器 54を経た水素配管 53と、不活性ガス流量制御器 56を経 た不活性ガス配管 55は、ノ ッファタンク 58にそれぞれ連結される。このバッファタンク 58で水素含有ガスと不活性ガスとが同一の空間で交じり合い、水素混合ガスが生成 される。ノ ッファタンク 58は、例えば水素腐蝕耐性のある耐圧式のタンク力も構成さ れれば良い。バッファタンク 58には、このバッファタンク 58の内圧値を検出して制御 部 13に内圧値を送出するバッファタンク圧力センサ 60が設けられている。なお、こう したバッファタンク 58への流入側系統は、上述したように水素配管 53と不活性ガス配 管 55とをそれぞれ個別にバッファタンク 58に接続する構成以外にも、水素配管 53と 不活性ガス配管 55とを 1本の配管に合流させてからバッファタンク 58に接続するよう な構成であっても良い。

[0038] 水素含有ガス流量制御器 54とバッファタンク 58との間の水素配管 53には、タンク 流入開閉弁 57aが設けられている。また、不活性ガス流量制御器 56とバッファタンク 58との間の不活性ガス配管 55には、タンク流入開閉弁 57bが設けられている。こうし たバッファタンク 58の流入側に設けられたタンク流入開閉弁 57a, 57bは、ノ ッファタ ンク圧力センサ 60で検出されたバッファタンク 58の内圧値に基づいて制御部 13から の操作信号により開閉される。

[0039] ノ ッファタンク 58の流出側には、水素含有ガスと不活性ガスとが混合されて生成さ れた水素混合ガスを流出させる水素混合ガス配管 57が接続される。水素混合ガス配 管 57の端部はケーシング 41からチャンバ 21内に水素混合ガスを導入する第 1導入 部 36や、チャンバ 21の上部カゝら石英ルツボ 23の近傍に水素混合ガスを導入する第 2導入部 37としてチャンバ 21に連結されていれば良い。こうした構成によって、ケー シング 41からチャンバ 21に向かって水素混合ガスが導入され、また石英ルツボ 23の 近傍カゝらチャンバ 21内に水素混合ガスが導入される。なお、こうした水素混合ガス配 管 57の端部は、複数のシリコン単結晶製造装置のチャンバに並列に配管され、 1つ の水素混合ガス供給装置 12から複数のシリコン単結晶製造装置に水素混合ガスが 供給されても良い。

[0040] ノ ッファタンク 58とチャンバ 21とを繋ぐ水素混合ガス配管 57の途上には、水素混 合ガス流量制御器 (マスフローコントローラ） 59が設けられている。こうした水素混合 ガス流量制御器 59は、制御部 13から出力される水素混合ガスの供給量制御信号に 応じて、水素混合ガス配管 57を経てチャンバ 21内に供給される水素混合ガスの流 量を制御する。なお、水素混合ガス配管 57の途中には、こうした水素混合ガス流量 制御器 59にも、水素濃度計（図示せず)などが適宜設置されて ヽても良!、。

[0041] 制御部 13は、チャンバ 21の内圧値 (チャンバ内圧検出手段）、シリコン単結晶イン ゴット 31の引上速度（引上速度検出手段）、引上げたシリコン単結晶インゴット 31の 結晶長 (結晶長検出手段)などのデータに基づいて、予め設定された流量制御信号 を水素含有ガス流量制御器 54や不活性ガス流量制御器 56に送出する。水素含有 ガス流量制御器 54や不活性ガス流量制御器 56は、こうした流量制御信号に基づ！/、 て水素含有ガスや不活性ガスの流量を制御する。また、ノ ッファタンク圧力センサ 60 で検出されたバッファタンク 58の内圧値に基づいて、流入弁操作信号をタンク流入 開閉弁 57a, 57bに送出する。さらに、水素混合ガス流量制御器 59に向けて水素混 合ガスの供給量制御信号を送出する。

[0042] 以上のような構成の水素混合ガス供給装置 12を備えたシリコン単結晶製造装置 10 は、水素含有ガス供給機 51や水素配管 53、ノ ッファタンク 58などを屋外に設置する こと〖こよって、高圧の水素含有ガスを含む系統の建物内への危険性を低減すること ができる。

[0043] 次に、このような構成のシリコン単結晶製造装置 (半導体単結晶製造装置） 10につ いて、水素混合ガス供給装置 12による水素混合ガス供給の制御の概要を説明する 。図 3は、本発明のシリコン単結晶製造装置によって水素の存在する雰囲気下で引 上げたシリコン単結晶インゴットを示す側面平面図である。引上げたシリコン単結晶ィ ンゴット 31は、引上げ方向 Lに沿って、ネック部 N、ボディ部 B、テール部 Tにおおま かに分けられる。

これら各部の特性に応じて、チャンバに供給する水素混合ガスの水素濃度 (水素分 圧)を変化させる。

[0044] まず最初に種結晶をシリコン融液（半導体融液）に接触させて、転位欠陥防止のた めに狭幅で一定長さ引上げた後、結晶径を予め設定した所定幅まで広げていくネッ ク部 Nでは、図 1に示す水素含有ガス流量制御器 54を ON— OFF制御することによ つて、チャンバ 21に供給するガス中の水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制 御を行う。

[0045] ネック部 Nで水素含有ガス分を無くしたり導入したりする制御を行うことによって、チ ヤンバ 21など引上装置を構成する部材力 の Fe汚染を低減したり、微量の水素含有 ガスの存在によるシリコン融液面の安定化 (整流作用）、あるいは種結晶をシリコン融 液に接触させた際の熱的ショックを低減するなどの効果を得ることができる。ネック部 Nで水素含有ガス分の ON— OFF制御することによって、ネック部 Nに続くボディ部 B の結晶特性を向上させる。

[0046] シリコン単結晶インゴット 31のボディ部 Bの引上げ過程では、制御部 13から送出さ れる流量制御信号に基づ 、て、水素含有ガス流量制御器 54が水素含有ガスの流量 を変化させ、チャンバに供給する水素混合ガスの水素分圧を制御する。

水素分圧 P (H )は次式で示される（不活性ガスを Arとした時)。

2

P (H ) =

2 (引上圧力 Z大気圧） X (Hガス

2 流量 ZAr+H

2混合ガス流量） (Pa) 制御条件として引上速度 (fp)による制御（引上速度検出手段）は、 H

2最適水素分 圧を Z (Pa)、無欠陥領域生成速度を X(mmZmin)とした時に、

実績 fp<Xの場合、設定水素分圧 >Z、

実績 fp =Xの場合、設定水素分圧 =Z、

実績 fp >Xの場合、設定水素分圧 < Zとなるように水素分圧を制御する。

[0047] また、制御条件としてチャンバ内圧による制御（チャンバ内圧検出手段）は、チャン ノ 内圧に変動があつたときに、上述した最適水素分圧を Z (Pa)が一定に保たれるよ うに Hガス流量と Arガス流量とをそれぞれ制御する。

2

さらに、引上結晶長による制御（結晶長検出手段）は、結晶の全長を 100%としたと きに、結晶の引上げ先端からの結晶の長さの割合 (％)で制御する。 H最適水素分

2

圧を Z (Pa)としたときに、

結晶先端〜結晶長 20%の範囲の場合、設定水素分圧 >Z、

結晶長 20〜30%の範囲の場合、設定水素分圧 < Z、

結晶長 30から 100%の範囲の場合、設定水素分圧 =Zとなるように水素分圧を制 御する。

[0048] ボディ部 Bの引上げ時に、上述したように引上速度、チャンバ内圧、引上結晶長の それぞれの値に応じて水素混合ガス中の水素分圧を制御することによって、ボディ 部 Bの COP欠陥サイズの縮小効果、転位欠陥形成の抑制効果が得られ、欠陥の少 な 、良好なシリコン単結晶インゴットのボディ部を形成することが可能になる。なお、 参考してチャンバ内圧 30 (Torr)でのシリコン単結晶引上げ時の水素混合ガス中の 水素濃度（％)と水素分圧 (Pa)との相関を表 1に示しておく。

[表 1]

[0050] シリコン単結晶インゴット 31のテール部 Tの形成過程では、水素含有ガス流量制御 器 54を ON一 OFF制御することによって、チャンバ 21に供給するガス中の水素含有 ガス分を無くしたり導入したりする制御を行う。これにより、 DF切れによる戻りを抑制し 、最適なテール部を形成する。

[0051] なお、こうした水素混合ガス中の水素濃度の最大範囲は 1〜8%に収まるように制 御される。水素混合ガス中の水素濃度を 1〜8%の範囲にすることによって、可燃性 の水素ガスの燃焼範囲を確実に外すことができ、水素を含むガスを安全にチャンバ 内に導入することができる。

[0052] 次に、バッファタンク 58の内圧制御について説明する。バッファタンク 58は、流入 側系統である水素配管 53や不活性ガス配管 55を流れる水素含有ガスと不活性ガス との合計流量が、流出側系統である水素混合ガス配管 57を流れる水素混合ガス流 量よりも多くなるようにガスの基本的な流出入量が設定される。その上で、図 4に示す フローチャートのように、バッファタンク 58の内圧を制御する。

[0053] ノ ッファタンク 58は、予め圧力範囲が設定され、設定された圧力範囲の上限を Psl 、圧力範囲の下限を Ps2とする。また、ノ ッファタンク圧力センサ 60で検出されたバッ ファタンク 58の内圧値を Pnとする。バッファタンク 58は、上述したように流入ガスの総 量が流出ガスの流量よりも多くなるように設定されているので、ノ ッファタンク 58の内 圧は常に加圧される方向に制御されて！ヽる。

[0054] その上で、バッファタンク 58はバッファタンク圧力センサ 60で内圧が常に参照され ており（ステップ Sa)、内圧値 Pnが設定された圧力範囲の上限 Pslよりも高くなつたと 判断されると (ステップ Sb)、制御部 13はタンク流入開閉弁 57a, 57bを閉鎖するよう に操作信号を出力する。この結果、タンク流入開閉弁 57a, 57bは閉鎖され (ステップ Sc)、バッファタンク 58内に水素含有ガスや不活性ガスの流入が止まる。バッファタン ク 58は加圧環境にされていたので、流出側である水素混合ガス配管 57からは水素 混合ガスが流出し続ける。これにより、ノ ッファタンク 58の内圧は低下し始める。こうし たタンク流入開閉弁 57a, 57bの閉鎖中もバッファタンク 58はバッファタンク圧力セン サ 60で内圧が常に参照されている (ステップ Sd)。

[0055] そして、内圧値 Pnが設定された圧力範囲の下限 Ps2を下回ったと判断されると (ス テツプ Se)、制御部 13はタンク流入開閉弁 57a, 57bを再び開放するように操作信号 を出力する。この結果、タンク流入開閉弁 57a, 57bは開放され (ステップ Sf)、バッフ ァタンク 58内に水素含有ガスや不活性ガスが設定された流量で再び流入する。これ により、ノ ッファタンク 58内は再び加圧される方向に制御される。

[0056] このように、ノ ッファタンク 58を形成して水素混合ガスを一定量常に貯留し、かつバ ッファタンク 58の内圧を設定した圧力範囲内で常に加圧状態になるように制御するこ とによって、シリコン単結晶インゴットの引上げ時に、水素の分圧制御のために水素 含有ガスや不活性ガスの流量を変えたりしても、ノ ッファタンクが圧力調整の緩衝手 段の役割を果たし、圧力変動を非常に緩やかにすることが可能になる。これにより、 水素の分圧を変化させてもチャンバ内に急激な圧力変動が生じることが無ぐ安定し てシリコン単結晶インゴットを引上げるのに非常に有効な構成である。 [0057] このようなバッファタンク 58の容量は、例えば、タンク流入開閉弁（電磁弁）の寿命、 水素混合ガスの必要供給量、バッファタンクの前後の配管圧力などの諸条件力 最 適な容量が設定されればよい。基本的には、タンク流入開閉弁 (電磁弁）開閉間隔が 約 30分程度 (ONZOFF間隔）になるような容量に設計すればよい。バッファタンク 5 8の容量設定の一例として、例えば、水素混合ガス流量 300LZ分、流出マスフロー メータを 2個設置、タンク流入開閉弁 (電磁弁)寿命 10万回、ノ ッファタンク流入側配 管圧力を 0. 5MPaとすると、ノ ッファタンクの容量は約 80L程度が最適である。流出 マスフローメータが 2個直列設置の場合は、 1つの流出マスフローメータの動差圧が 0 . 25〜0. 3MPaであるので、流出マスフローメータとの間の配管圧を 0. 15〜0. 25 MPaに保持するのが好まし!/、。

[0058] なお、本発明の他の実施形態における水素ガス制御の例を図 5に記載する。

図 5は結晶長と水素ガス制御フローとの関係を示すものである。まず、引き上げ開 始時あたって、石英ルツボにシリコン原料を投入し、ステップ S1に示しようにチャンバ 内に水素供給をおこなうかどうかを制御し、次いでその状態でステップ S 2に示すよう にシリコン原料を溶融してシリコン融液を形成する。シリコン原料の溶融中も、ステツ プ S3に示すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップ S4に示すようにシリ コン原料の溶融を完了する。このように、シリコン原料の溶融段階で水素供給を制御 することにより、チャンバやヒータなどの部材からの不純物汚染を効果的に防止する ことができる。

次に、石英ルツボに形成したシリコン融液に種結晶を接触させる。種結晶をシリコン 融液に接近させる段階で、ステップ S5に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなう 力どうかを制御し、次いでその状態でステップ S6に示すようにシリコン融液に種結晶 を接触させる。種結晶を接触させて結晶成長を開始させた直後も、ステップ S7に示 すように水素供給をおこなうかどうかを制御し、ステップ S8に示すように種結晶への ディップを完了する。このように、種結晶のシリコン融液へのディップ工程においても 水素供給を制御することにより、シリコン融液に対する水素の整流作用で、続くネック 形成工程において転位欠陥を防止して無欠陥状態を作り出すことができるという効 果をえることが可能になる。 [0059] 続いて引き上げ開始時に、ステップ S9に示しようにチャンバ内に水素供給をおこな うかどうかを制御し、次いでその状態でステップ S10に示すようにネックの引き上げを おこなう。ネックの引き上げ途中にも、ステップ S 11に示すように水素供給をおこなう 力どうかを制御し、ステップ S12に示すようにネックの引き上げを終了する。

この後、ステップ S 13に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御 し、次いでその状態でステップ S14に示すようにショルダーの引き上げをおこなう。シ ョルダ一の引き上げ途中にも、ステップ S 15に示すように水素供給をおこなうかどうか を制御し、ステップ 16に示すようにショルダーの引き上げを終了する。

この後、ステップ S17に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御 し、次いでその状態でステップ S18に示すように直胴部の引き上げをおこなう。直月同 部の引き上げ途中にも、ステップ S 19に示すように水素供給をおこなうかどうかを制 御し、ステップ 20に示すように直胴部の引き上げを終了する。

この後、ステップ S21に示しようにチャンバ内に水素供給をおこなうかどうかを制御 し、次いでその状態でステップ S22に示すようにテールの引き上げをおこなう。テー ルの引き上げ途中にも、ステップ S23に示すように水素供給をおこなうかどうかを制 御し、ステップ 24に示すようにテールの引き上げを終了する。

そして単結晶の引き上げを終了する。このような制御をおこなうことで、上述したよう な単結晶を得ることが可能となる。

実施例

[0060] 本出願人は、本発明の作用および効果を検証した。検証に当たっては、上述したよ うな本発明の半導体単結晶製造装置を用いて、本発明の実施例 1、 2のシリコン結晶 インゴットを製造した。実施例 1は Grow— in欠陥および転位を有しない 300mmシリ コン結晶が製造可能なホットゾーンを有する育成装置を用いて引き上げた例であり、 融点から 1350°Cまでの結晶中心部での軸方向温度勾配 Gcが 3. 2°CZmmであり、 結晶外周部での軸方向温度勾配 Geが 2. 2°CZmmであり、 GcZGeが 1. 3となるホ ットゾーン構造を有する育成装置で、磁場強度 3000Gの水平磁場を磁場中心高さ が融液液面に対して Ommとなるように供給し、結晶育成を実施した。

[0061] 炉内に供給する水素 ZAr混合ガスは、 Hガス配管を炉直近の Ar配管に直結混合 させ、混合ガス攪拌器 (スタティックミキサー）を通した後、炉内に供給した。水素は結 晶の直胴部分のみ供給し、水素ガス流量を 3〜24LZminと変化させながら結晶を 育成した。結晶長 0mm〜200mm (ブロック 1)の部位は水素分圧を 40Pa、結晶長 2 OOmm〜300mm (ブロック 2)の部位は水素分圧を 120Pa、結晶長 300mm以降（ ブロック 3)は水素分圧を 240Paで炉内に供給し、サンプルを製造した。

実施例 2は水素分圧制御以外の結晶育成条件は実施例 1と同一であり、結晶長 0 mm〜200mm (ブロック 1)の部位は水素分圧を 40Pa、結晶長 200mm〜300mm ( ブロック 2)の部位は水素濃度を 320Pa、結晶長 300mm以降 (ブロック 3)は水素濃 度を 240Paで炉内に供給し、サンプルを製造した。

また比較例 (従来例）として、従来の方法、すなわち結晶育成中は水素分圧が 240 Pa常に一定で引き上げた結晶によって比較例のサンプルを製造した。

[0062] こうした本発明の実施例 1, 2のサンプルと、比較例のサンプル力 ブロック 1〜3取 り出して、それぞれのブロックから引き上げ軸に沿って縦割りし、引き上げ軸近傍を含 む板状試片を作製し、 Grown— in欠陥の分布を観察するために、 Cuデコレーション を行った。まず、それぞれの試片を硫酸銅水溶液に浸漬した後自然乾燥し、窒素雰 囲気中で 900°Cで、 20分程度の熱処理を施し、試片表層の Cuシリサイド層を除去 するために、 HF/HNO混合溶液中に浸漬し、表層数十ミクロンをエッチング除去

3

した後、 X線トポグラフ法により OSFリングの位置や各種結晶欠陥の分布を調査した 。また、このスライス片の COPの密度を OPP法により計測した。さらに転位クラスタの 密度を Seccoエッチング法により調査した。このようにして得られた結果をもとに、製 品あるいはモニターゥエーハとして使用可能な結晶長を算出し、結晶全長との割合を 検証した。

こうした検証結果を表 2に示す。

[0063] [表 2] フ Qック 1 ブ0ック 2 フ'ロック 3 結晶歩留まり 実施例 1 40 120 240 60% 実施例 2 40 320 240 75% 従来法 240 240 240 50X [0064] 表 2によれば、本発明の実施例 1, 2で製造したシリコン単結晶は 、ずれも比較例（ 従来例）に比べて結晶の歩留まりが大幅に向上している。こうした検証結果から、本 発明の効果が確認された。

産業上の利用可能性

[0065] 本発明によれば、半導体単結晶の引上環境の変化に対応して水素混合ガス中の 水素原子濃度を容易に制御可能であり、かつ、水素混合ガスをローコストな設備で 長期間に渡って連続的に安定して供給可能な半導体単結晶製造装置を提供できる

Claims

請求の範囲

[1] 半導体融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回 転及び Z又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチ ヤンバと、前記チャンバ内に、水素原子を含む水素含有ガスおよび不活性ガスを混 合した水素混合ガスを供給する水素混合ガス供給装置とを有し、

前記水素混合ガス供給装置は、水素原子を含む水素含有ガスを供給する水素含 有ガス供給機と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機と、前記水素含有ガス供 給機力 供給される水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御器と、前 記不活性ガス供給機カゝら供給される不活性ガスの流量を制御する不活性ガス流量 制御器と、前記水素含有ガス流量制御器および前記不活性ガス流量制御器からそ れぞれ流出した水素含有ガスと不活性ガスとを混合して水素混合ガスを生成し貯留 するバッファタンクとを備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。

[2] 前記半導体融液はシリコン融液であり、前記半導体単結晶はシリコン単結晶である ことを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。

[3] 前記バッファタンクには、ノ ッファタンクの内圧を検出するバッファタンク圧力センサ が設けられていることを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。

[4] 前記バッファタンクの流入側にはタンク流入開閉弁が設けられていることを特徴とす る請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。

[5] 前記バッファタンクの流入側の総流量は流出側の総流量よりも多くなるように設定さ れ、前記バッファタンクの内圧が予め設定した設定圧力範囲の上限値よりも高くなつ た際には、前記バッファタンクの内圧が前記設定圧力範囲の下限値以下になるまで 前記タンク流入開閉弁を閉じるように制御することを特徴とする請求項 4に記載の半 導体単結晶製造装置。

[6] 前記チャンバ内の圧力を検出するチャンバ内圧検出手段を更に備え、前記チャン バ内圧検出手段で検出したチャンバ内の圧力の値に応じて前記水素含有ガス流量 制御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項 1に記載の半導体単 結晶製造装置。

[7] 前記半導体融液から引上げる半導体単結晶の引上速度を検出する引上速度検出 手段を更に備え、半導体単結晶の引上速度の値に応じて前記水素含有ガス流量制 御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結 晶製造装置。

[8] 前記半導体融液から引上げた半導体単結晶の結晶長さを検出する結晶長検出手 段を更に備え、引上げた半導体単結晶の結晶長さに応じて前記水素含有ガス流量 制御器の水素含有ガス流量を制御することを特徴とする請求項 1に記載の半導体単 結晶製造装置。

[9] 前記不活性ガスは少なくともアルゴンを主成分として ヽることを特徴とする請求項 1 に記載の半導体単結晶製造装置。

[10] 前記水素含有ガス供給機は、水素原子を含む原料ガスを精製する水素含有ガス 精製手段を備えて 、ることを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。

[11] 前記不活性ガス供給機は、不活性ガスを含む原料ガスを精製する不活性ガス精製 手段を備えて 、ることを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。

[12] 前記水素混合ガス供給装置は、複数の前記チャンバに前記水素混合ガスを供給 する複数の水素混合ガス供給ラインを備えて 、ることを特徴とする請求項 1に記載の 半導体単結晶製造装置。

[13] 前記チャンバの少なくとも内面は水素に対する耐腐蝕性を有する材料で形成され ることを特徴とする請求項 1に記載の半導体単結晶製造装置。