JP3079991B2

JP3079991B2 - 単結晶の製造装置および製造方法

Info

Publication number: JP3079991B2
Application number: JP08044377A
Authority: JP
Inventors: 俊二倉垣
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2000-08-21
Anticipated expiration: 2016-03-01
Also published as: JPH09235174A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン等の単結
晶の製造装置およびその装置を用いる単結晶の製造方法
に関し、特に熱酸化誘起積層欠陥が少なく、酸化膜耐圧
特性に優れた単結晶の製造に適する製造装置および製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、シリコン等の単結晶はチョクラル
スキー法によって製造されることが多い。

【０００３】図７は、チョクラルスキー法の実施状況を
示す概略断面図である。坩堝１は二重構造であり、内側
は石英容器1aで、外側は黒鉛容器1bで構成される。坩堝
１の外側には加熱ヒーター２が配置されており、坩堝１
内にはこの加熱ヒーターにより溶融された結晶原料の溶
融液５が収容されている。この溶融液５の表面に種結晶
３の下端を接触させて上方へ引き上げることによって、
その下端に溶融液５を凝固させて単結晶４を成長させ
る。これらの部品、部材は水冷式の金属チャンバー６内
に収容され、全体として単結晶製造装置を構成してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】単結晶シリコンウエー
ハの品質評価項目の主なものとして、熱酸化誘起積層欠
陥（以下、ＯＳＦと略記する）と、酸化膜耐圧特性が挙
げられる。これまでのところ、ＯＳＦの生成機構や酸化
膜耐圧特性を劣化させる欠陥の形成機構については未だ
十分に解明されていない。しかし、定性的には、結晶化
後の単結晶中の温度勾配がＯＳＦや酸化膜耐圧特性に大
きく影響すると言われている。

【０００５】最近の報告では、1100〜800 ℃の温度域
(中〜低温領域) でＯＳＦ核形成が促進されるので、Ｏ
ＳＦ低減には1100〜800 ℃の温度域での急冷が効果的で
あるとされている (干川圭吾編著、培風館発行「バルク
結晶成長技術」59頁) 。

【０００６】一方、酸化膜耐圧特性については特性の不
良原因となる欠陥核が結晶固化時に発生し、この欠陥核
が1250℃以上の領域 (高温領域) で収縮することから、
酸化膜耐圧特性の向上には1250℃以上での徐冷が望まし
いとされている (第39回春季応用物理学会予稿集、30P-
ZD-17)。

【０００７】本発明は、これまでに明らかになった上記
のような知見に基づいて、実際の単結晶引上に際し、理
想的な温度環境を整えることができる単結晶の製造装
置、およびそれを用いる単結晶の製造方法を提供するこ
とを課題とする。

【０００８】具体的には、ＯＳＦ発生率の低減を目的
として1100℃〜800 ℃の温度域で急冷、酸化膜耐圧特
性の改善を目的として1250℃以上の温度域で徐冷、とい
う温度環境を実現し、ＯＳＦ発生率が少なく、酸化膜耐
圧特性に優れた単結晶の引上成長を可能とする製造装置
および製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】なお、特開平７−413830号公報には、酸化
膜耐圧特性の改善を目的として、単結晶を1200〜850 ℃
の範囲で 200分以上保持するという発明が開示されてい
る。

【００１０】しかし、そこには高温域および中・低温域
の温度環境をともに制御するという思想、およびそれを
実現する装置上の工夫は何らなされていない。

【００１１】また、本出願人は、引き上げた単結晶を囲
繞して「耐熱断熱部材」を設置する発明を提案した (特
開平７−277887号) 。その発明は、例えば、黒鉛製の断
熱部材によって、単結晶の過度の冷却を防止するととも
に装置内のガスの流れを適切に制御することを主目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記のシリコ
ン単結晶製造装置を要旨とする。

【００１３】図１に示すように、成長させるべき単結晶
の原料溶融液５を収容する坩堝１と、この溶融液５を加
熱する手段２と、坩堝１内の溶融液５の表面に種結晶３
を接触させて単結晶４を成長させる引上げ手段９と、前
記各部材を収容する金属チャンバー６とを具備する単結
晶製造装置であって、単結晶の引上げ域の周囲を囲繞す
る円筒状、または上方から下方に向かうに従って縮径も
しくは拡径された筒状で、その反射率が 0.5以上の耐熱
反射部材７が、前述の溶融液５と金属チャンバー６との
間の単結晶の温度勾配を制御すべき位置に設けられてい
ることを特徴とする単結晶引上装置。

【００１４】上記の単結晶の温度勾配を制御すべき位置
とは、先に述べた単結晶の高温域（約1250℃以上の温度
域) および中．低温域 (約1100〜800 ℃の温度域）であ
る。

【００１５】このような温度域での温度勾配を的確に制
御するには、耐熱反射部材７はその長さ( 高さ、ｈ₁)が
50 〜250 mmで、その下端と溶融液面との間隔 (ｈ₂)が
50mm以上となるように設置されることが望ましい。

【００１６】本発明はまた『上記の装置を用いて、単結
晶の高温域では徐冷、中・低温域では急冷となるように
単結晶の温度勾配を制御しつつ引上げを行うことを特徴
とする単結晶の製造方法』を要旨とする。

【００１７】図７からも明らかなように、引き上げられ
た結晶は、加熱ヒーター２や溶融液５の表面、および石
英坩堝1a等の高温部からの輻射を受けており、それが結
晶温度に大きな影響を与える。従って、この高温部から
結晶への輻射を制御することによって結晶の温度勾配を
制御することができる。すなわち、溶融液面と耐熱反射
部材との距離、耐熱反射部材の長さ等を制御することに
よって結晶各部の温度勾配を適正にすることができる。

【００１８】図２は、本発明の原理を模式的に示した概
略縦断面図である。(a) が、先に述べた急冷すべき領域
であり、(b) が徐冷すべき領域である。前記の溶融液等
の高温部からの輻射熱は結晶に向かって照射され、一部
は（ロ）に示すように(b) の領域に供給されて、その領
域を高温に保つ。一方、(a) の領域に向かう輻射熱は、
耐熱反射部材７が存在することによって、（イ）のよう
に反射される。そのため、(a) の領域には、（ハ）に示
すような放散熱が供給されることになるが、輻射熱に比
べ小さいものであるから、 (a)の領域の温度低下が促進
される。さらに、（イ）のように下方に反射された輻射
熱は、溶融液面で散乱して、一部は（ロ）に示すように
(b) の領域に供給される。

【００１９】上記のような原理で、単結晶の各部の温度
を適切に制御するには、耐熱反射部材７の設置位置、長
さおよび形状を適正に選ぶ必要がある。以下、それらに
ついて詳述する。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１の（ａ）は本発明装置の一例
を示す軸心をとおる縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）図
の要所のみを拡大して示す図である。これらの図におい
て、１は坩堝で、内側を石英容器1aとし、外側を黒鉛容
器1bとした二重構造であり、坩堝支持軸1c上に設置され
る。この坩堝支持軸1cは、坩堝の回転だけでなく、坩堝
の昇降にも使用ができるようになっている。

【００２１】図中の水冷式の金属チャンバー６は、単結
晶の引上軸を中心として天井部6aと側壁6bから構成され
る円筒状の真空容器であり、その中央位置に坩堝１が配
設され、その外周にはこれを囲んで加熱ヒーター２が配
設されている。一方、坩堝１の上方には金属チャンバー
６の天井部6aの中央から引上げ手段９が回転および昇降
可能に垂設され、その下端には種結晶３が装着されてい
る。種結晶３は引上げ手段９によって回転しつつ上昇
し、溶融液５との接触面である下端部に単結晶４が成長
する。

【００２２】図１（ｂ）に示すように、本発明装置には
引上げ手段９と同軸に長さ（高さ）ｈ₁の耐熱反射部材
７が、融液面との高さｈ₂ の位置に、単結晶の引上げ域
の一部の周囲を囲むように配置される。

【００２３】耐熱反射部材７の形状は、例えば図３に示
すような（ａ）の下方に向かって縮径する円筒状（ここ
では、便宜的に「逆円錐筒」という）、（ｂ）の下方に
向かって拡径する円筒状（ここでは、便宜的に「円錐
筒」という）、（ｃ）の径が一定の円筒、および（ｄ）
の円筒と円錐筒を合わせた形状（ここでは、これも「逆
円錐筒」の一つとする）が考えられる。

【００２４】図４は、前記の逆円錐筒の耐熱反射部材７
を支持部材21によって金属チャンバーの天井部6aに取り
付ける態様の一例を示す縦断面図である。同図（ａ）は
支持部材21による保持状況の縦断面図であり、同図
（ｂ）はＡ−Ａ矢視による水平断面図である。また、同
図（ｃ）は耐熱反射部材７の斜視図である。この例で
は、四個の角棒状の支持部材21が天井部6aに90°の間隔
で配置され、支持部材21と締め付けボルト21a によっ
て、耐熱反射部材７の上端部を保持する。ここで、支持
部材21の数は上記の４個に限定されるものでなく、その
形状も角棒状のものに限る必要はない。

【００２５】図５は、後述する実施例１と同じ条件で、
耐熱反射板７の反射率だけを 0.5、0.7 および0.9 と変
化させた場合の結晶温度勾配への影響を示したグラフで
ある。なお、結晶温度勾配とは、結晶の長さ (高さ方
向) の１mmごとに低下する温度である。

【００２６】図示のとおり、反射率が大きくなるにつれ
て、液面から 150〜350 mm離れた位置での結晶温度勾配
が大きくなる。この位置は、前記の「急冷が望ましい領
域」に相当する。なお、液面に近い「徐冷が望ましい範
囲」では、反射率の影響は顕著ではないが、耐熱反射部
材がある場合の方がやや温度勾配が小さくなっている。
上記の試験結果から、温度勾配制御を効果的に行うため
には、耐熱反射部材７は、反射率 0.5以上であることが
望ましいと言える。

【００２７】耐熱反射部材７の材料としては、例えば、
モリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。Ｍｏが耐熱
性に優れ、反射率が大きいからである。前記の 0.5以上
という反射率は、Ｍｏの表面を十分に研磨することによ
って得られる。しかし、耐熱反射部材７の材質はＭｏに
限定されるものではなく、単結晶製造工程での劣化が少
なく、結晶品質に悪影響を与えない物質であれば良い。
また、表面だけをＭｏとした複合材料を使用することも
できる。

【００２８】耐熱反射部材７は、溶融液面５とチャンバ
ー６の天井部6aとの間で、単結晶の温度勾配を制御すべ
き位置に設置する。ただし、その下端と溶融液面との間
隔（ｈ₂）は、50mm以上とするのがよい。これは、溶融
液面５の上を流れる不活性ガス (アルゴン)31 の流れが
溶融液面に与える影響を小さくするためである。溶融液
面５の上を流れるガスの流速は結晶に取り込まれる酸素
量に大きく影響する。

【００２９】耐熱反射部材７の高さ（ｈ₁）は、前記の
温度勾配を制御すべき領域の前部または一部を囲繞する
長さとする。装置および引き上げ条件にもよるが、一般
的な装置での通常の操業では、ｈ₁は50〜250 mmの範囲
で選べば最も効果的である。

【００３０】50mm未満では効果が顕著でなく、250mm よ
りも大きくしても効果の増大は小さい。また、あまりに
大きくすると通常の装置では前記のｈ₂の望ましい値が
確保しにくくなる。

【００３１】なお、図１（ｂ) に示した単結晶直胴部と
耐熱反射部材７との最近接距離Ｒ₁は、小さいほど温度
勾配への影響を大きくすることができるが、結晶の直径
変動や中心軸からの振れを考慮して、20〜40mmであるこ
とが望ましい。

【００３２】図６は、図３（ａ）に示す形状の耐熱反射
板の下端部内径を 200mm、 240mmと変化させ、単結晶と
の最近接距離Ｒ₁ を変え、その距離と単結晶の温度勾配
との関係を調べた結果を示すグラフである。他の条件
は、後述する実施例１と同じにした。この結果からＲ₁
が小さいほど温度勾配改善の効果が大きいことが分か
る。

【００３３】上述の耐熱反射部材は、製造装置の方式・
型式や容量に限定されることなく適用することができ
る。すなわち、先に述べた特開平７−277887号で提案さ
れた耐熱断熱性部材と併用しても有効である。具体的に
は、本発明の耐熱反射部材を、先願の耐熱断熱性部材の
内部に設置することによって、高温領域の徐冷と中・低
温領域の急冷の効果を一層高めることができることを確
認している。

【００３４】本発明の装置を用いて単結晶を製造するに
際しては、単結晶製造装置の形状、単結晶の直径や、要
求される酸化膜耐圧特性、ＯＳＦ密度の上限などの品質
に応じて、まず耐熱反射部材の形状を定め、あらかじめ
前述のｈ₁ およびｈ₂ を最適の値とし、単結晶の引上げ
を行う。以下、本発明の装置の効果を、実施例に基づい
て具体的に説明する。

【００３５】

【実施例１】図１に示した本発明の製造装置において、
耐熱反射部材７として図３（ａ）に示す逆円錐筒状のモ
リブデン（Mo）製のものを使用した。その寸法は、高さ
ｈ₁が 130mm、上端部内径 360mm、下端部内径 200mm、
肉厚２mmである。これを図４（ａ）の支持部材21を介し
て耐熱反射部材７の下端と溶融液面５との間隔ｈ₂が20
0mmとなるように単結晶の引上軸９とほぼ同軸に配設し
た。なお、耐熱反射部材７のは反射率 0.72 の研磨面と
した。

【００３６】引き上げた単結晶４は直径６インチのシリ
コン単結晶であって、石英坩堝1aは内径 (φ) が450mm
(18 インチ) のものを使用し、金属チャンバー６内に流
入するアルゴンガス流量は30リットル/minの条件で、引
き上げ速度は 0.8mm/minとし、引き上げ長さは1200mmと
した。

【００３７】更に、比較例として、同じ条件で耐熱反射
部材７のない装置でも引き上げを実施した。

【００３８】得られた単結晶は、ＯＳＦ良品率と酸化膜
耐圧良品率の試験項目で評価した。

【００３９】ＯＳＦ良品率は、シリコンウエーハを切り
出し、 780℃×3Hr および1000℃×16Hrの熱処理をした
のち、選択エッチングし、ＯＳＦ欠陥が基準値（10個/c
m²) 以下のものを良品とし、ＯＳＦ良品ウエーハ枚数と
全ウエーハ枚数の比で表す。

【００４０】酸化膜耐圧良品率は、電圧ランピング法に
よる評価であり、ゲート電極は燐（Ｐ）ドープの多結晶
シリコンで構成し、膜厚 250Åのドライ酸化膜で、その
面積は８mm²として、良品は基準値 (平均電界８Mv/cm)
以上でも絶縁破壊しないウエーハを良品と判定し、その
比率で表した。

【００４１】以上の試験結果を表１に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１に示すように、本発明の装置を使用
し、本発明方法で製造したシリコン単結晶は、比較例の
方法で製造したものに比べ、全ての試験項目について良
好な結果となっている。

【００４４】

【実施例２】図３に示した４種類の形状の耐熱反射部材
を用いて、実施例１と同じ条件でシリコン単結晶の引上
げを行い、単結晶の1100℃〜800 ℃領域と、1250℃以上
の領域での温度勾配の変化を測定した。その結果を表２
に示す。

【００４５】なお、耐熱反射部材の共通寸法は、高さｈ
₁が 130mm、肉厚が２mm、溶融液面５からの距離ｈ₂は
200mmである。その他の寸法は表２中に示した。材質は
モリブデンで、反射率 0.72 に研磨したものである。上
端部内径と下端部内径は表２中に示す。

【００４６】

【表２】

【００４７】表２に示すように、耐熱反射部材の形状の
変更により、1100℃〜800 ℃の温度域と、1250℃以上の
温度域とにおける温度勾配への効果をそれぞれ変更する
ことができる。測定結果から、望ましい形状は（ａ）円
錐筒および（ｄ）の円錐と円筒の組合せであると言える
が、特に、1250℃以上の温度域で徐冷を行いたい場合に
は、（ｂ）円錐筒を用いるのが有効である。例えば、特
定の製造装置において、ＯＳＦ品質は問題ないが酸化膜
耐圧特性が劣るような場合に、（ｂ）円錐筒の耐熱反射
部材を用いることによって、いずれの品質も満足する単
結晶を製造できることを確認している。

【００４８】

【発明の効果】本発明の装置を使用する単結晶の製造方
法によれば、耐熱反射部材が加熱ヒーターや石英坩堝、
溶融液面から結晶への輻射熱を遮断し、高温域では徐
冷、中・低温域では急冷となるように単結晶の温度勾配
を制御するので、引き上げられる単結晶は、ＯＳＦが減
少し、かつ、酸化膜耐圧特性の向上したものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の単結晶製造装置を示す縦断面
図、（ｂ）はその要部拡大図である。

【図２】本発明の原理を説明する単結晶周辺の概略断面
図である。

【図３】耐熱反射部材のいくつかの形状例を示す縦断面
図と斜視図である。

【図４】耐熱反射部材の保持状況の一例を示す図であ
り、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は水平断面図、（ｃ）は
保持される耐熱反射部材の斜視図である。

【図５】耐熱反射部材の反射率を変えて結晶成長方向で
の温度勾配への影響を調べた結果を示すグラフである。

【図６】耐熱反射部材と結晶との最近接距離を変えて結
晶成長方向での温度勾配への影響を調べた結果を示すグ
ラフである。

【図７】チョクラルスキー法の実施状況を示す概略断面
図である。

【符号の説明】

１：坩堝、 1a：石英製容器、
1b：黒鉛製容器、1c：坩堝支持軸、２：加
熱ヒーター、３：種結晶、４：引上げ結晶、
５：溶融液、６：金属チャンバ
ー、6a：チャンバーの天井部、 6b：チャンバーの側
壁、７：耐熱反射部材、7a：貫通孔、
８：排出口、９：引上げ手段、10：耐
熱断熱性部材 21：支持部材、 21a：締め付けボルト、
30、31：ガス流れ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】成長させるべき単結晶の原料溶融液を収容
する坩堝と、この溶融液を加熱する手段と、坩堝内の溶
融液の表面に種結晶を接触させて単結晶を成長させる引
上げ手段と、前記各部材を収容する金属チャンバーとを
具備する単結晶製造装置であって、単結晶の引上げ域の
周囲を囲繞する円筒状、または上方から下方に向かうに
従って縮径もしくは拡径された筒状で、その反射率が
0.5以上の耐熱反射部材が、溶融液と金属チャンバーの
間の単結晶の温度勾配を制御すべき位置に設けられてい
ることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】耐熱反射部材の高さが50〜250 mmであっ
て、その下端が溶融液面から50mm以上の間隔をもって設
置されている請求項１に記載の単結晶引上装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の装置を使
用し、単結晶の高温域では徐冷、低温域では急冷となる
ように単結晶の温度勾配を制御しつつ引上げを行うこと
を特徴とする単結晶の製造方法。