JP4211335B2 - シリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英るつぼに貯留されたシリコン融液からシリコン単結晶のインゴットを引上げる装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン単結晶の製造方法として、シリコン単結晶のインゴットをチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により引上げる方法が知られている。このＣＺ法は、石英るつぼに貯留されたシリコン融液に種結晶を接触させ、石英るつぼ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、円柱状のシリコン単結晶のインゴットを製造する方法である。
一方、半導体集積回路を製造する工程において、歩留りを低下させる原因として酸化誘起積層欠陥（Oxidation-induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）や、或いは侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、Ｌ／Ｄという。）の存在が挙げられている。ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。またＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液で洗浄したときにウェーハ表面に出現する結晶に起因したピットである。このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、このピットも本来のパーティクルとともに光散乱欠陥として検出される。
【０００３】
このＣＯＰは電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Time Dependent dielectric Breakdown、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Time Zero Dielectric Breakdown、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。またＣＯＰがウェーハ表面に存在するとデバイスの配線工程において段差を生じ、断線の原因となり得る。そして素子分離部分においてもリーク等の原因となり、製品の歩留りを低くする。更にＬ／Ｄは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬するとピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。このＬ／Ｄも、電気的特性、例えばリーク特性、アイソレーション特性等を劣化させる原因となる。この結果、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを減少させることが必要となっている。
【０００４】
このＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを有しない無欠陥のシリコンウェーハを切出すためのシリコン単結晶インゴットの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。一般に、シリコン単結晶のインゴットを速い速度で引上げると、インゴット内部に空孔型点欠陥の凝集体が支配的に存在する領域［Ｖ］が形成され、インゴットを遅い速度で引上げると、インゴット内部に格子間シリコン型点欠陥の凝集体が支配的に存在する領域［Ｉ］が形成される。このため上記製造方法では、インゴットを最適な引上げ速度で引上げることにより、上記点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域［Ｐ］からなるシリコン単結晶を製造できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第６，０４５，６１０号明細書
【特許文献２】
特開平１１−１３９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１及び２に示されたシリコン単結晶インゴットの製造方法では、シリコン単結晶のインゴットとシリコン融液との固液界面近傍での鉛直方向の温度勾配が均一になるように制御する必要があり、この制御はシリコン融液の残量の変化や対流の変化による影響を受けるため、インゴットの直胴部全長にわたって、無欠陥のシリコン単結晶を製造することは困難であった。
本発明の目的は、無欠陥のシリコン単結晶のインゴットを比較的容易に製造できる、シリコン単結晶の引上げ装置及びその方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、チャンバ１１内に回転可能に設けられシリコン融液１２が貯留された石英るつぼ１３と、石英るつぼ１３の外周面を包囲しシリコン融液１２を加熱するヒータ１８と、シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の外周面を包囲しかつ下端がシリコン融液１２表面から間隔をあけて上方に位置するように構成されヒータ１８からの輻射熱を遮る円筒状の熱遮蔽部材３６とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、石英るつぼ１３内底面にインゴット２５の中心軸に対して放射状に複数の固定羽根５２が設けられ、図２に示すように、シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の直径をＤとするとき、図３及び図４に示すように、固定羽根５２は石英るつぼ１３内底面から取外し可能に固定され、固定羽根５２は第１平板部５２ａと石英るつぼ１３の回転方向の第１平板部５２ａに第１湾曲部５２ｂを介して連続して形成された第１起立部５２ｃとを有し、第１平板部５２ａが石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度(α)に形成され、第１湾曲部５２ｂの曲率半径(R1)が０〜３００ｍｍであって、第１起立部５２ｃが第１平板部５２ａに対して１８０〜６０度の角度(β)に形成され、石英るつぼ１３内底面から第１起立部５２ｃの端部までの垂直距離(L)が０．０１Ｄ〜１．０Ｄになるように構成され、図２に示すように、複数の固定羽根５２は石英るつぼ１３の回転によりシリコン融液１２に対流１２ａ，１２ｂを起こさせてインゴット２５とシリコン融液１２との固液界面２６が上凸状になるように構成されたところにある。ここで、固定羽根５２は石英製であることが好ましい。
【０００８】
請求項５に係る発明は、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を所定の回転速度で回転させ、シリコン融液１２から引上げられるシリコン単結晶のインゴット２５を包囲する筒状の熱遮蔽部材３６を設け、インゴット２５内が格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体の存在しないパーフェクト領域となる引上げ速度でインゴット２５を引上げるシリコン単結晶の引上げ方法の改良である。
その特徴ある点は、石英るつぼ１３内底面に複数の固定羽根５２をインゴット２５の中心軸に対して放射状に設け、石英るつぼ１３を回転させて複数の固定羽根５２によりシリコン融液１２に対流１２ａ，１２ｂを起こさせインゴット２５とシリコン融液１２との固液界面２６が上凸状になるようにインゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御するところにある。
【０００９】
この請求項１に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置及び請求項５に記載されたシリコン単結晶の引上げ方法では、インゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御しながら、インゴット２５を引上げると、複数の固定羽根５２の存在によりシリコン融液１２に所定の対流１２ａ，１２ｂが発生し、これらの対流１２ａ，１２ｂにより固液界面２６形状が上側に凸状となる。この結果、固液界面の中心がシリコン融液１２表面の延長面上より上方に位置するため、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなり、固液界面の中心における鉛直方向の温度勾配と、固液界面の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴット２５を比較的容易に製造できる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、図２に示すように、放射状に設けられた複数の固定羽根５２の描く外径ｄが０．１Ｄ〜１．０Ｄであるシリコン単結晶の引上げ装置である。
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図５及び図６に示すように、固定羽根５２が石英るつぼ１３内底面に固着され、固定羽根５２は第１起立部５２ｃの端部と次に続く固定羽根５２の第１平板部５２ａとの間に第２起立部５２ｄと石英るつぼ１３の回転方向の第２起立部５２ｄに第２湾曲部５２ｅを介して連続して形成された第２平板部５２ｆとを更に有し、第２湾曲部５２ｅの曲率半径Ｒ2が０〜３００ｍｍであって、第２起立部５２ｄの端部が第２平板部５２ｆに対して０〜１８０度の角度γに形成され、第２平板部５２ｆが石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度δになるように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置である。
【００１１】
この請求項３及び４に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置では、インゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御しながら、インゴット２５を引上げると、複数の固定羽根５２の存在によりシリコン融液１２に所定の対流１２ａ，１２ｂを有効に発生させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明のシリコン単結晶の引上げ装置１０を示す。この引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外周面は黒鉛サセプタ１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面は上記黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ駆動手段１７に接続される。るつぼ駆動手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３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となっている。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてヒータ１８により包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲される。ヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶体を加熱・融解してシリコン融液１２にする。
【００１３】
またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２１が接続される。このケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶のインゴット２５を引上げるための種結晶２４が取付けられる。
更にチャンバ１１にはこのチャンバ１１のインゴット側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ１１のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段２８が接続される。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。
【００１４】
一方、引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ駆動手段１７には支軸１６の昇降位置を検出するエンコーダ（図示せず）が設けられる。２つのエンコーダの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引上げ用モータ及びるつぼ駆動手段の昇降用モータにそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の巻取り長さ、即ちインゴット２５の引上げ長さが第１マップとして記憶される。また、メモリには、インゴット２５の引上げ長さに対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは、引上げ用モータにおけるエンコーダの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ駆動手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１５】
インゴット２５の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間にはインゴット２５の外周面を包囲する熱遮蔽部材３６が設けられる。この熱遮蔽部材３６は円筒状に形成されヒータ１８からの輻射熱を遮る筒部３７と、この筒部３７の上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部３８とを有する。上記フランジ部３８を保温筒１９上に載置することにより、筒部３７の下縁がシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽部材３６はチャンバ１１内に固定される。この実施の形態における筒部３７は同一直径の筒状体であり、この筒部３７の下部には筒内の方向に膨出しかつ内部に断熱部材４７を有する膨出部４１が設けられる。この筒部３７及び膨出部４１はＣ（黒鉛）により、或いは表面にＳｉＣがコーティングされた黒鉛等により作られる。
【００１６】
図２に示すように、本発明の引上げ装置の特徴ある構成は、石英るつぼ１３内底面にインゴット２５の中心軸に対して放射状に複数の固定羽根５２が設けられるところにある。具体的には、石英るつぼ１３内底面には複数の固定羽根５２、この実施の形態では３枚の固定羽根５２を形成する第１平板部５２ａ端部のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆで示される湾曲部が石英るつぼ１３内底面に固定される。固定羽根５２は石英により作られ、インゴット２５の中心軸に対して放射状に設けられる。シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の直径をＤとするとき、放射状に設けられた複数の固定羽根５２の描く外径ｄは０．１Ｄ〜１．０Ｄの範囲内になるように固定羽根５２は作られる。ここで、固定羽根５２の描く更に好ましい外径ｄは０．１Ｄ〜０．５Ｄの範囲内である。そして石英るつぼ１３を図２中の４０ａで示される矢印の方向へ回転させると、シリコン融液１２は石英るつぼの回転方向と同方向に石英るつぼ１３の回転速度より少し遅い速度で回転するか、或いは図２中の４０ｂで示される矢印の方向、即ち石英るつぼの回転方向とは反対の方向に回転する。これはインゴット２５を図２中の４０ｃで示される矢印の方向へ回転させていることが固液界面を介してシリコン融液に影響しているためである。このシリコン融液の回転により、固定羽根５２はその近傍を流れるシリコン融液をインゴット２５に向けて上昇させ、シリコン融液１２に二点鎖線で示すような対流を起こさせて固液界面２６を上凸状にするように構成される。
【００１７】
図３及び図４に示すように、これらの固定羽根５２のそれぞれは石英によりそれぞれ同形同大に形成される。１つの固定羽根５２を代表して説明すると、この固定羽根５２は第１平板部５２ａとその第１平板部５２ａの石英るつぼ１３の回転方向に第１湾曲部５２ｂを介して連続して形成された第１起立部５２ｃとを有する。図４に詳しく示すように、第１平板部５２ａは石英るつぼ１３内底面に対してなす角度αが０〜８０度になるように形成される。また第１湾曲部５２ｂは曲率半径Ｒ1が０〜３００ｍｍの範囲で形成され、第１起立部５２ｃは第１平板部５２ａに対してなす角度βが１８０〜６０度になるように形成される。更に、石英るつぼ１３内底面から第１起立部５２ｃの端部までの垂直距離Ｌは０．０１Ｄ〜１．０Ｄになるように構成される。ここで、曲率半径Ｒ1の更に好ましい範囲は１０〜１００ｍｍであり、角度αの好ましい範囲は１０〜６０度であり、角度βの更に好ましい範囲は１２０〜９０度である。また垂直距離Ｌの好ましい範囲は０．１Ｄ〜０．５Ｄである。
【００１８】
次に、本発明のシリコン単結晶の引上げ方法を説明する。この方法は、上述した装置１０、即ち石英るつぼ１３内底面に複数の固定羽根５２をインゴット２５の中心軸に対して放射状に設けた装置１０を用いて行われる。そして、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を所定の回転速度で回転させ、そのシリコン融液１２からシリコン単結晶から成るインゴット２５を引上げる方法である。このインゴット２５は、このインゴット内が格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体の存在しないパーフェクト領域となる引上げ速度で引上げられる。即ち、インゴットは、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液１２からボロンコフ（Voronkov）の理論に基づいた所定の引上げ速度プロファイルで引上げられる。
【００１９】
一般的に、ＣＺ法によりシリコン融液１２からシリコン単結晶のインゴット２５を引上げると、インゴット内には、点欠陥（point defect）と点欠陥の凝集体（agglomerates：三次元欠陥）が発生する。点欠陥は空孔型点欠陥と格子間シリコン型点欠陥という二つの一般的な形態がある。空孔型点欠陥は一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常的な位置の一つから離脱したものである。このような空孔が空孔型点欠陥になる。一方、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（interstitial site）で発見されるとこれが格子間シリコン点欠陥になる。
【００２０】
点欠陥は一般的にシリコン融液１２とインゴット２５の間の接触面、即ち固液界面２６で形成される。しかし、インゴット２５を継続的に引上げることによって固液界面２６であった部分は引上げとともに冷却し始める。冷却の間、空孔型点欠陥又は格子間シリコン型点欠陥は拡散により互いに合併して、空孔型点欠陥の凝集体（vacancy agglomerates）又は格子間シリコン型点欠陥の凝集体（interstitial agglomerates）が形成される。言い換えれば、凝集体は点欠陥の合併に起因して発生する三次元構造となる。
【００２１】
空孔型点欠陥の凝集体は、前述したＣＯＰの他に、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomograph Defects）又はＦＰＤ（Flow Pattern Defects）と呼ばれる欠陥を含み、格子間シリコン型点欠陥の凝集体は前述したＬ／Ｄと呼ばれる欠陥を含む。ＦＰＤとは、インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハを３０分間セコエッチング（Secco etching、ＨＦ：Ｋ2Ｃｒ2Ｏ7(0.15mol/l)＝２：１の混合液によるエッチング）したときに現れる特異なフローパターンを呈する痕跡の源であり、ＬＳＴＤとは、シリコン単結晶内に赤外線を照射したときにシリコンとは異なる屈折率を有し散乱光を発生する源である。
【００２２】
ボロンコフの理論は、欠陥の数が少ない高純度インゴット２５を成長させるために、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、インゴットとシリコン融液１２の界面２６近傍のインゴット中の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇ（ｍｍ2／分・℃）を制御することである。この理論では、図７に示すように、Ｖ／Ｇを横軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型点欠陥濃度を同一の縦軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される。図７において、［Ｉ］は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)1以下）を示し、［Ｖ］はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)2以上）を示し、［Ｐ］は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（(Ｖ／Ｇ)1〜(Ｖ／Ｇ)2）を示す。領域［Ｐ］に隣接する領域［Ｖ］にはＯＳＦ核を形成する領域［ＯＳＦ］（(Ｖ／Ｇ)2〜(Ｖ／Ｇ)3）が存在する。
【００２３】
このパーフェクト領域［Ｐ］は更に領域［ＰI］と領域［ＰV］に分類される。［ＰI］はＶ／Ｇ比が上記(Ｖ／Ｇ)1から臨界点までの領域であり、［ＰV］はＶ／Ｇ比が臨界点から上記(Ｖ／Ｇ)2までの領域である。即ち、［ＰI］は領域［Ｉ］に隣接し、かつ侵入型転位を形成し得る最低の格子間シリコン型点欠陥濃度未満の格子間シリコン型点欠陥濃度を有する領域であり、［ＰV］は領域［Ｖ］に隣接し、かつＯＳＦを形成し得る最低の空孔型点欠陥濃度未満の空孔型点欠陥濃度を有する領域である。なお、上記ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。
【００２４】
図２に戻って、シリコン融液１２からインゴット２５を引上げる際には、石英るつぼ１３をシリコン融液１２とともに回転させて複数の固定羽根５２によりシリコン融液１２に対流を起こさせる。即ち、シリコン融液１２が固定羽根５２における第１平板部５２ａから第１湾曲部５２ｂを介して第１起立部５２ｃに向かうように石英るつぼ１３を図２の実線矢印で示すように回転させ、固定羽根５２における平板部５２ａから湾曲部５２ｂに向かうシリコン融液が湾曲部５２ｂに案内されてインゴット２５に向けて上昇するようにさせる。これにより、シリコン融液１２には図２の二点鎖線で示すような対流が生じ、この対流により固液界面２６を上凸状にさせる。一方、インゴット２５は回転させながら引上げることが好ましく、このインゴット２５の回転方向は石英るつぼ１３の回転方向と反対方向に回転させることが好ましい。
【００２５】
このように石英るつぼ１３及びインゴット２５の回転速度を制御しながら、シリコン単結晶のインゴット２５を引上げると、石英るつぼ１３の底部中央から固液界面２６の中央に向って上昇した後に、固液界面２６の外周縁近傍から石英るつぼ１３の底部中央に流下する第１対流１２ａが発生し、石英るつぼ１３の底部外周縁から周縁に沿って上昇した後に、上記第１対流１２ａに沿って流下する第２対流１２ｂが発生する。上記第１対流１２ａは固液界面２６を押上げるので、固液界面２６形状は上側に凸状となる。このように固液界面２６が上凸状になるようにインゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御する。この結果、固液界面２６の中心がシリコン融液１２表面の延長面上より上方に位置するため、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなり、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配と、固液界面２６の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴット２５を比較的容易に製造できる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態では、３枚の固定羽根５２を形成する第１平板部５２ａ端部のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆで示される湾曲部が石英るつぼ１３内底面に固定された装置を示したが、固液界面２６を上凸状にし得る限り、図５及び図６に示すように、固定羽根５２を石英るつぼ１３内底面に固着しても良い。図６における３枚の固定羽根５２は、第１起立部５２ｃの端部と次に続く固定羽根５２の第１平板部５２ａとの間に第２起立部５２ｄと石英るつぼ１３の回転方向の第２起立部５２ｄに第２湾曲部５２ｅを介して連続して形成された第２平板部５２ｆとを更に有するように構成される。このような固定羽根５２では、第２湾曲部５２ｅの曲率半径Ｒ2を０〜３００ｍｍとし、第２起立部５２ｄの端部を第２平板部５２ｆに対して０〜１８０度の角度γになるように形成し、第２平板部５２ｆを石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度δになるように構成するのが好ましい。また、固定羽根５２の枚数は３枚に限らず、複数であれば、２枚でも、４枚でも５枚でも６枚以上であっても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、石英るつぼ内底面に複数の固定羽根をインゴットの中心軸に対して放射状に設け、シリコン融液とインゴットとの固液界面形状が上側に凸状となるように、インゴットの回転速度と石英るつぼの回転速度との相対的な回転速度を制御し、シリコン単結晶のインゴット内がパーフェクト領域となるような引上げ速度でインゴットを引上げるので、シリコン融液に所定の対流が発生し、これらの対流により固液界面形状が上側に凸状となる。この結果、固液界面の中心がシリコン融液表面の延長面上より上方に位置するという理由から、固液界面の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなるので、この温度勾配と、固液界面の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴットを比較的容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の引上げ装置を示す断面構成図。
【図２】本発明の方法によりシリコン単結晶のインゴットを引上げている状態を示す断面構成図。
【図３】その装置に用いられる固定羽根を上から見た図。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図。
【図５】複数の固定羽根が石英るつぼ内底面に固着された別の引上げ装置に用いられる固定羽根を上から見た図３に対応する図。
【図６】図５における固定羽根を展開した状況を示す図５のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】ボロンコフの理論を基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成されることを示す図。
【符号の説明】
１０ 引上げ装置
１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１２ａ，１２ｂ 対流
１３ 石英るつぼ
１８ ヒータ
２５ インゴット
２６ 固液界面
３６ 熱遮蔽部材
５２ 固定羽根
５２ａ 第１平板部
５２ｂ 第１湾曲部
５２ｃ 第１起立部
５２ｄ 第２起立部
５２ｅ 第２湾曲部
５２ｆ 第２平板部
Ｄ インゴットの直径
ｄ 複数の固定羽根が描く外径
Ｌ るつぼ内底面から第１起立部の端部までの垂直距離
Ｒ1 第１湾曲部の曲率半径
Ｒ2 第２湾曲部の曲率半径
α 第１平面部がるつぼ内底面に対してなす角度
β 第１起立部の端部が第１平板部に対してなす角度
γ 第２起立部の端部が第２平板部に対してなす角度
δ 第２平面部がるつぼ内底面に対してなす角度
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英るつぼに貯留されたシリコン融液からシリコン単結晶のインゴットを引上げる装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン単結晶の製造方法として、シリコン単結晶のインゴットをチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により引上げる方法が知られている。このＣＺ法は、石英るつぼに貯留されたシリコン融液に種結晶を接触させ、石英るつぼ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、円柱状のシリコン単結晶のインゴットを製造する方法である。
一方、半導体集積回路を製造する工程において、歩留りを低下させる原因として酸化誘起積層欠陥（Oxidation-induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）や、或いは侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、Ｌ／Ｄという。）の存在が挙げられている。ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。またＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液で洗浄したときにウェーハ表面に出現する結晶に起因したピットである。このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、このピットも本来のパーティクルとともに光散乱欠陥として検出される。
【０００３】
このＣＯＰは電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Time Dependent dielectric Breakdown、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Time Zero Dielectric Breakdown、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。またＣＯＰがウェーハ表面に存在するとデバイスの配線工程において段差を生じ、断線の原因となり得る。そして素子分離部分においてもリーク等の原因となり、製品の歩留りを低くする。更にＬ／Ｄは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬するとピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。このＬ／Ｄも、電気的特性、例えばリーク特性、アイソレーション特性等を劣化させる原因となる。この結果、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを減少させることが必要となっている。
【０００４】
このＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを有しない無欠陥のシリコンウェーハを切出すためのシリコン単結晶インゴットの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。一般に、シリコン単結晶のインゴットを速い速度で引上げると、インゴット内部に空孔型点欠陥の凝集体が支配的に存在する領域［Ｖ］が形成され、インゴットを遅い速度で引上げると、インゴット内部に格子間シリコン型点欠陥の凝集体が支配的に存在する領域［Ｉ］が形成される。このため上記製造方法では、インゴットを最適な引上げ速度で引上げることにより、上記点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域［Ｐ］からなるシリコン単結晶を製造できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第６，０４５，６１０号明細書
【特許文献２】
特開平１１−１３９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１及び２に示されたシリコン単結晶インゴットの製造方法では、シリコン単結晶のインゴットとシリコン融液との固液界面近傍での鉛直方向の温度勾配が均一になるように制御する必要があり、この制御はシリコン融液の残量の変化や対流の変化による影響を受けるため、インゴットの直胴部全長にわたって、無欠陥のシリコン単結晶を製造することは困難であった。
本発明の目的は、無欠陥のシリコン単結晶のインゴットを比較的容易に製造できる、シリコン単結晶の引上げ装置及びその方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、チャンバ１１内に回転可能に設けられシリコン融液１２が貯留された石英るつぼ１３と、石英るつぼ１３の外周面を包囲しシリコン融液１２を加熱するヒータ１８と、シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の外周面を包囲しかつ下端がシリコン融液１２表面から間隔をあけて上方に位置するように構成されヒータ１８からの輻射熱を遮る円筒状の熱遮蔽部材３６とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、石英るつぼ１３内底面にインゴット２５の中心軸に対して放射状に複数の固定羽根５２が設けられ、図２に示すように、シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の直径をＤとするとき、図３及び図４に示すように、固定羽根５２は石英るつぼ１３内底面から取外し可能に固定され、固定羽根５２は第１平板部５２ａと石英るつぼ１３の回転方向の第１平板部５２ａに第１湾曲部５２ｂを介して連続して形成された第１起立部５２ｃとを有し、第１平板部５２ａが石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度(α)に形成され、第１湾曲部５２ｂの曲率半径(R1)が０〜３００ｍｍであって、第１起立部５２ｃが第１平板部５２ａに対して１８０〜６０度の角度(β)に形成され、石英るつぼ１３内底面から第１起立部５２ｃの端部までの垂直距離(L)が０．０１Ｄ〜１．０Ｄになるように構成され、図２に示すように、複数の固定羽根５２は石英るつぼ１３の回転によりシリコン融液１２に対流１２ａ，１２ｂを起こさせてインゴット２５とシリコン融液１２との固液界面２６が上凸状になるように構成されたところにある。ここで、固定羽根５２は石英製であることが好ましい。
【０００８】
請求項５に係る発明は、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を所定の回転速度で回転させ、シリコン融液１２から引上げられるシリコン単結晶のインゴット２５を包囲する筒状の熱遮蔽部材３６を設け、インゴット２５内が格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体の存在しないパーフェクト領域となる引上げ速度でインゴット２５を引上げるシリコン単結晶の引上げ方法の改良である。
その特徴ある点は、石英るつぼ１３内底面に複数の固定羽根５２をインゴット２５の中心軸に対して放射状に設け、石英るつぼ１３を回転させて複数の固定羽根５２によりシリコン融液１２に対流１２ａ，１２ｂを起こさせインゴット２５とシリコン融液１２との固液界面２６が上凸状になるようにインゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御するところにある。
【０００９】
この請求項１に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置及び請求項５に記載されたシリコン単結晶の引上げ方法では、インゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御しながら、インゴット２５を引上げると、複数の固定羽根５２の存在によりシリコン融液１２に所定の対流１２ａ，１２ｂが発生し、これらの対流１２ａ，１２ｂにより固液界面２６形状が上側に凸状となる。この結果、固液界面の中心がシリコン融液１２表面の延長面上より上方に位置するため、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなり、固液界面の中心における鉛直方向の温度勾配と、固液界面の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴット２５を比較的容易に製造できる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、図２に示すように、放射状に設けられた複数の固定羽根５２の描く外径ｄが０．１Ｄ〜１．０Ｄであるシリコン単結晶の引上げ装置である。
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図５及び図６に示すように、固定羽根５２が石英るつぼ１３内底面に固着され、固定羽根５２は第１起立部５２ｃの端部と次に続く固定羽根５２の第１平板部５２ａとの間に第２起立部５２ｄと石英るつぼ１３の回転方向の第２起立部５２ｄに第２湾曲部５２ｅを介して連続して形成された第２平板部５２ｆとを更に有し、第２湾曲部５２ｅの曲率半径Ｒ2が０〜３００ｍｍであって、第２起立部５２ｄの端部が第２平板部５２ｆに対して０〜１８０度の角度γに形成され、第２平板部５２ｆが石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度δになるように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置である。
【００１１】
この請求項３及び４に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置では、インゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御しながら、インゴット２５を引上げると、複数の固定羽根５２の存在によりシリコン融液１２に所定の対流１２ａ，１２ｂを有効に発生させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明のシリコン単結晶の引上げ装置１０を示す。この引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外周面は黒鉛サセプタ１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面は上記黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ駆動手段１７に接続される。るつぼ駆動手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３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となっている。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてヒータ１８により包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲される。ヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶体を加熱・融解してシリコン融液１２にする。
【００１３】
またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２１が接続される。このケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶のインゴット２５を引上げるための種結晶２４が取付けられる。
更にチャンバ１１にはこのチャンバ１１のインゴット側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ１１のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段２８が接続される。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。
【００１４】
一方、引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ駆動手段１７には支軸１６の昇降位置を検出するエンコーダ（図示せず）が設けられる。２つのエンコーダの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引上げ用モータ及びるつぼ駆動手段の昇降用モータにそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の巻取り長さ、即ちインゴット２５の引上げ長さが第１マップとして記憶される。また、メモリには、インゴット２５の引上げ長さに対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは、引上げ用モータにおけるエンコーダの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ駆動手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１５】
インゴット２５の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間にはインゴット２５の外周面を包囲する熱遮蔽部材３６が設けられる。この熱遮蔽部材３６は円筒状に形成されヒータ１８からの輻射熱を遮る筒部３７と、この筒部３７の上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部３８とを有する。上記フランジ部３８を保温筒１９上に載置することにより、筒部３７の下縁がシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽部材３６はチャンバ１１内に固定される。この実施の形態における筒部３７は同一直径の筒状体であり、この筒部３７の下部には筒内の方向に膨出しかつ内部に断熱部材４７を有する膨出部４１が設けられる。この筒部３７及び膨出部４１はＣ（黒鉛）により、或いは表面にＳｉＣがコーティングされた黒鉛等により作られる。
【００１６】
図２に示すように、本発明の引上げ装置の特徴ある構成は、石英るつぼ１３内底面にインゴット２５の中心軸に対して放射状に複数の固定羽根５２が設けられるところにある。具体的には、石英るつぼ１３内底面には複数の固定羽根５２、この実施の形態では３枚の固定羽根５２を形成する第１平板部５２ａ端部のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆで示される湾曲部が石英るつぼ１３内底面に固定される。固定羽根５２は石英により作られ、インゴット２５の中心軸に対して放射状に設けられる。シリコン融液１２から引上げられるインゴット２５の直径をＤとするとき、放射状に設けられた複数の固定羽根５２の描く外径ｄは０．１Ｄ〜１．０Ｄの範囲内になるように固定羽根５２は作られる。ここで、固定羽根５２の描く更に好ましい外径ｄは０．１Ｄ〜０．５Ｄの範囲内である。そして石英るつぼ１３を図２中の４０ａで示される矢印の方向へ回転させると、シリコン融液１２は石英るつぼの回転方向と同方向に石英るつぼ１３の回転速度より少し遅い速度で回転するか、或いは図２中の４０ｂで示される矢印の方向、即ち石英るつぼの回転方向とは反対の方向に回転する。これはインゴット２５を図２中の４０ｃで示される矢印の方向へ回転させていることが固液界面を介してシリコン融液に影響しているためである。このシリコン融液の回転により、固定羽根５２はその近傍を流れるシリコン融液をインゴット２５に向けて上昇させ、シリコン融液１２に二点鎖線で示すような対流を起こさせて固液界面２６を上凸状にするように構成される。
【００１７】
図３及び図４に示すように、これらの固定羽根５２のそれぞれは石英によりそれぞれ同形同大に形成される。１つの固定羽根５２を代表して説明すると、この固定羽根５２は第１平板部５２ａとその第１平板部５２ａの石英るつぼ１３の回転方向に第１湾曲部５２ｂを介して連続して形成された第１起立部５２ｃとを有する。図４に詳しく示すように、第１平板部５２ａは石英るつぼ１３内底面に対してなす角度αが０〜８０度になるように形成される。また第１湾曲部５２ｂは曲率半径Ｒ1が０〜３００ｍｍの範囲で形成され、第１起立部５２ｃは第１平板部５２ａに対してなす角度βが１８０〜６０度になるように形成される。更に、石英るつぼ１３内底面から第１起立部５２ｃの端部までの垂直距離Ｌは０．０１Ｄ〜１．０Ｄになるように構成される。ここで、曲率半径Ｒ1の更に好ましい範囲は１０〜１００ｍｍであり、角度αの好ましい範囲は１０〜６０度であり、角度βの更に好ましい範囲は１２０〜９０度である。また垂直距離Ｌの好ましい範囲は０．１Ｄ〜０．５Ｄである。
【００１８】
次に、本発明のシリコン単結晶の引上げ方法を説明する。この方法は、上述した装置１０、即ち石英るつぼ１３内底面に複数の固定羽根５２をインゴット２５の中心軸に対して放射状に設けた装置１０を用いて行われる。そして、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を所定の回転速度で回転させ、そのシリコン融液１２からシリコン単結晶から成るインゴット２５を引上げる方法である。このインゴット２５は、このインゴット内が格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体の存在しないパーフェクト領域となる引上げ速度で引上げられる。即ち、インゴットは、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液１２からボロンコフ（Voronkov）の理論に基づいた所定の引上げ速度プロファイルで引上げられる。
【００１９】
一般的に、ＣＺ法によりシリコン融液１２からシリコン単結晶のインゴット２５を引上げると、インゴット内には、点欠陥（point defect）と点欠陥の凝集体（agglomerates：三次元欠陥）が発生する。点欠陥は空孔型点欠陥と格子間シリコン型点欠陥という二つの一般的な形態がある。空孔型点欠陥は一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常的な位置の一つから離脱したものである。このような空孔が空孔型点欠陥になる。一方、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（interstitial site）で発見されるとこれが格子間シリコン点欠陥になる。
【００２０】
点欠陥は一般的にシリコン融液１２とインゴット２５の間の接触面、即ち固液界面２６で形成される。しかし、インゴット２５を継続的に引上げることによって固液界面２６であった部分は引上げとともに冷却し始める。冷却の間、空孔型点欠陥又は格子間シリコン型点欠陥は拡散により互いに合併して、空孔型点欠陥の凝集体（vacancy agglomerates）又は格子間シリコン型点欠陥の凝集体（interstitial agglomerates）が形成される。言い換えれば、凝集体は点欠陥の合併に起因して発生する三次元構造となる。
【００２１】
空孔型点欠陥の凝集体は、前述したＣＯＰの他に、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomograph Defects）又はＦＰＤ（Flow Pattern Defects）と呼ばれる欠陥を含み、格子間シリコン型点欠陥の凝集体は前述したＬ／Ｄと呼ばれる欠陥を含む。ＦＰＤとは、インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハを３０分間セコエッチング（Secco etching、ＨＦ：Ｋ2Ｃｒ2Ｏ7(0.15mol/l)＝２：１の混合液によるエッチング）したときに現れる特異なフローパターンを呈する痕跡の源であり、ＬＳＴＤとは、シリコン単結晶内に赤外線を照射したときにシリコンとは異なる屈折率を有し散乱光を発生する源である。
【００２２】
ボロンコフの理論は、欠陥の数が少ない高純度インゴット２５を成長させるために、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、インゴットとシリコン融液１２の界面２６近傍のインゴット中の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇ（ｍｍ2／分・℃）を制御することである。この理論では、図７に示すように、Ｖ／Ｇを横軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型点欠陥濃度を同一の縦軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される。図７において、［Ｉ］は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)1以下）を示し、［Ｖ］はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)2以上）を示し、［Ｐ］は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（(Ｖ／Ｇ)1〜(Ｖ／Ｇ)2）を示す。領域［Ｐ］に隣接する領域［Ｖ］にはＯＳＦ核を形成する領域［ＯＳＦ］（(Ｖ／Ｇ)2〜(Ｖ／Ｇ)3）が存在する。
【００２３】
このパーフェクト領域［Ｐ］は更に領域［ＰI］と領域［ＰV］に分類される。［ＰI］はＶ／Ｇ比が上記(Ｖ／Ｇ)1から臨界点までの領域であり、［ＰV］はＶ／Ｇ比が臨界点から上記(Ｖ／Ｇ)2までの領域である。即ち、［ＰI］は領域［Ｉ］に隣接し、かつ侵入型転位を形成し得る最低の格子間シリコン型点欠陥濃度未満の格子間シリコン型点欠陥濃度を有する領域であり、［ＰV］は領域［Ｖ］に隣接し、かつＯＳＦを形成し得る最低の空孔型点欠陥濃度未満の空孔型点欠陥濃度を有する領域である。なお、上記ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。
【００２４】
図２に戻って、シリコン融液１２からインゴット２５を引上げる際には、石英るつぼ１３をシリコン融液１２とともに回転させて複数の固定羽根５２によりシリコン融液１２に対流を起こさせる。即ち、シリコン融液１２が固定羽根５２における第１平板部５２ａから第１湾曲部５２ｂを介して第１起立部５２ｃに向かうように石英るつぼ１３を図２の実線矢印で示すように回転させ、固定羽根５２における平板部５２ａから湾曲部５２ｂに向かうシリコン融液が湾曲部５２ｂに案内されてインゴット２５に向けて上昇するようにさせる。これにより、シリコン融液１２には図２の二点鎖線で示すような対流が生じ、この対流により固液界面２６を上凸状にさせる。一方、インゴット２５は回転させながら引上げることが好ましく、このインゴット２５の回転方向は石英るつぼ１３の回転方向と反対方向に回転させることが好ましい。
【００２５】
このように石英るつぼ１３及びインゴット２５の回転速度を制御しながら、シリコン単結晶のインゴット２５を引上げると、石英るつぼ１３の底部中央から固液界面２６の中央に向って上昇した後に、固液界面２６の外周縁近傍から石英るつぼ１３の底部中央に流下する第１対流１２ａが発生し、石英るつぼ１３の底部外周縁から周縁に沿って上昇した後に、上記第１対流１２ａに沿って流下する第２対流１２ｂが発生する。上記第１対流１２ａは固液界面２６を押上げるので、固液界面２６形状は上側に凸状となる。このように固液界面２６が上凸状になるようにインゴット２５の回転速度と石英るつぼ１３の回転速度との相対的な回転速度を制御する。この結果、固液界面２６の中心がシリコン融液１２表面の延長面上より上方に位置するため、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなり、固液界面２６の中心における鉛直方向の温度勾配と、固液界面２６の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴット２５を比較的容易に製造できる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態では、３枚の固定羽根５２を形成する第１平板部５２ａ端部のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆで示される湾曲部が石英るつぼ１３内底面に固定された装置を示したが、固液界面２６を上凸状にし得る限り、図５及び図６に示すように、固定羽根５２を石英るつぼ１３内底面に固着しても良い。図６における３枚の固定羽根５２は、第１起立部５２ｃの端部と次に続く固定羽根５２の第１平板部５２ａとの間に第２起立部５２ｄと石英るつぼ１３の回転方向の第２起立部５２ｄに第２湾曲部５２ｅを介して連続して形成された第２平板部５２ｆとを更に有するように構成される。このような固定羽根５２では、第２湾曲部５２ｅの曲率半径Ｒ2を０〜３００ｍｍとし、第２起立部５２ｄの端部を第２平板部５２ｆに対して０〜１８０度の角度γになるように形成し、第２平板部５２ｆを石英るつぼ１３内底面に対して０〜８０度の角度δになるように構成するのが好ましい。また、固定羽根５２の枚数は３枚に限らず、複数であれば、２枚でも、４枚でも５枚でも６枚以上であっても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、石英るつぼ内底面に複数の固定羽根をインゴットの中心軸に対して放射状に設け、シリコン融液とインゴットとの固液界面形状が上側に凸状となるように、インゴットの回転速度と石英るつぼの回転速度との相対的な回転速度を制御し、シリコン単結晶のインゴット内がパーフェクト領域となるような引上げ速度でインゴットを引上げるので、シリコン融液に所定の対流が発生し、これらの対流により固液界面形状が上側に凸状となる。この結果、固液界面の中心がシリコン融液表面の延長面上より上方に位置するという理由から、固液界面の中心における鉛直方向の温度勾配が大きくなるので、この温度勾配と、固液界面の周縁における鉛直方向の温度勾配との差が小さくなる。従って、略全長にわたって無欠陥で高品質のシリコン単結晶のインゴットを比較的容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の引上げ装置を示す断面構成図。
【図２】本発明の方法によりシリコン単結晶のインゴットを引上げている状態を示す断面構成図。
【図３】その装置に用いられる固定羽根を上から見た図。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図。
【図５】複数の固定羽根が石英るつぼ内底面に固着された別の引上げ装置に用いられる固定羽根を上から見た図３に対応する図。
【図６】図５における固定羽根を展開した状況を示す図５のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】ボロンコフの理論を基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成されることを示す図。
【符号の説明】
１０ 引上げ装置
１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１２ａ，１２ｂ 対流
１３ 石英るつぼ
１８ ヒータ
２５ インゴット
２６ 固液界面
３６ 熱遮蔽部材
５２ 固定羽根
５２ａ 第１平板部
５２ｂ 第１湾曲部
５２ｃ 第１起立部
５２ｄ 第２起立部
５２ｅ 第２湾曲部
５２ｆ 第２平板部
Ｄ インゴットの直径
ｄ 複数の固定羽根が描く外径
Ｌ るつぼ内底面から第１起立部の端部までの垂直距離
Ｒ1 第１湾曲部の曲率半径
Ｒ2 第２湾曲部の曲率半径
α 第１平面部がるつぼ内底面に対してなす角度
β 第１起立部の端部が第１平板部に対してなす角度
γ 第２起立部の端部が第２平板部に対してなす角度
δ 第２平面部がるつぼ内底面に対してなす角度
Claims (5)
- チャンバ(11)内に回転可能に設けられシリコン融液(12)が貯留された石英るつぼ(13)と、前記石英るつぼ(13)の外周面を包囲し前記シリコン融液(12)を加熱するヒータ(18)と、前記シリコン融液(12)から引上げられるインゴット(25)の外周面を包囲しかつ下端が前記シリコン融液(12)表面から間隔をあけて上方に位置するように構成され前記ヒータ(18)からの輻射熱を遮る円筒状の熱遮蔽部材(36)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
前記石英るつぼ(13)内底面に前記インゴット(25)の中心軸に対して放射状に複数の固定羽根(52)が設けられ、
前記シリコン融液 (12) から引上げられるインゴット (25) の直径をＤとするとき、
前記固定羽根(52)は石英るつぼ(13)内底面から取外し可能に固定され、前記固定羽根(52)は第１平板部(52a)と石英るつぼ(13)の回転方向の前記第１平板部(52a)に第１湾曲部(52b)を介して連続して形成された第１起立部(52c)とを有し、前記第１平板部(52a)が石英るつぼ(13)内底面に対して０〜８０度の角度(α)に形成され、前記第１湾曲部(52b)の曲率半径(R1)が０〜３００ｍｍであって、前記第１起立部(52c)が前記第１平板部(52a)に対して１８０〜６０度の角度(β)に形成され、前記石英るつぼ(13)内底面から前記第１起立部(52c)の端部までの垂直距離(L)が０．０１Ｄ〜１．０Ｄになるように構成され、
前記複数の固定羽根(52)は前記石英るつぼ(13)の回転により前記シリコン融液(12)に対流(12a,12b)を起こさせて前記インゴット(25)と前記シリコン融液(12)との固液界面(26)が上凸状になるように構成された
ことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。 - 固定羽根(52)が石英製である請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
- 放射状に設けられた複数の固定羽根(52)の描く外径ｄが０．１Ｄ〜１．０Ｄである請求項１又は２記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
- 固定羽根(52)が石英るつぼ(13)内底面に固着され、前記固定羽根(52)は第１起立部(52c)の端部と次に続く固定羽根(52)の第１平板部(52a)との間に第２起立部(52d)と石英るつぼ(13)の回転方向の前記第２起立部(52d)に第２湾曲部(52e)を介して連続して形成された第２平板部(52f)とを更に有し、前記第２湾曲部(52e)の曲率半径(R2)が０〜３００ｍｍであって、前記第２起立部(52d)の端部が前記第２平板部(52f)に対して０〜１８０度の角度(γ)に形成され、前記第２平板部(52f)が石英るつぼ(13)内底面に対して０〜８０度の角度(δ)になるように構成された請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
- シリコン融液(12)を貯留する石英るつぼ(13)を所定の回転速度で回転させ、前記シリコン融液(12)から引上げられるシリコン単結晶のインゴット(25)を包囲する筒状の熱遮蔽部材(36)を設け、前記インゴット(25)内が格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体の存在しないパーフェクト領域となる引上げ速度で前記インゴット(25)を引上げるシリコン単結晶の引上げ方法において、
前記石英るつぼ(13)内底面に複数の固定羽根(52)を前記インゴット(25)の中心軸に対して放射状に設け、
前記石英るつぼ(13)を回転させて前記複数の固定羽根(52)により前記シリコン融液(12)に対流(12a,12b)を起こさせ前記インゴット(25)と前記シリコン融液(12)との固液界面(26)が上凸状になるように前記インゴット(25)の回転速度と前記石英るつぼ(13)の回転速度との相対的な回転速度を制御する
ことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ方法。
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