JP6777739B2 - 単結晶インゴット成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン融液面に沿って流れる不活性気体の流速を均一に形成してシリコン融液面でＯｘ揮発を正確に制御することができる単結晶インゴット成長装置に関するものである。

一般に、単結晶成長装置は、固体状態の多結晶シリコンをるつぼ内部に供給した後、るつぼを加熱して液体状態のシリコン融液を作り、種子結晶を凝集させるシード（Ｓｅｅｄ）をシリコン融液に入れて回転させると共に引き上げることによって、望む直径を有する単結晶インゴット（Ｉｎｇｏｔ）を成長させる。

普通、チョクラルスキー法を利用した単結晶インゴットの製造時には、ヒーターによって溶融したシリコン融液を入れるために石英るつぼが必須的に使用される。

しかし、石英るつぼは、高温のシリコン融液と反応して融液内に溶解されることによってＳｉＯｘ形態で転移され、結局は固液界面を通じて単結晶内に混入される。

この時、単結晶内に混入されたＳｉＯｘは、ウェーハの強度増進、微小内部欠陥（ＢＭＤ）を形成して半導体工程中に金属不純物に対するゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）サイトとして作用したり、ウェーハ内部に各種結晶欠陥および片石を誘発して半導体素子の収率に悪影響を及ぼす要因になる。

したがって、チョクラルスキー法を利用したシリコン単結晶の成長時には、固液界面を通じて結晶内に流入される酸素濃度を適切に制御する必要がある。

従来技術によれば、石英るつぼの溶解速度と、シリコン融液のフローパターンと、シリコン融液面からＯｘ揮発制御を通じて単結晶インゴットの軸方向酸素濃度を制御している。

特許文献１には、単結晶インゴットと熱遮蔽体との間の距離を単結晶インゴットの断面積で割った空隙率により不活性ガスの流速を制御することによって、シリコン融液面からＯｘ揮発を制御して結晶の酸素濃度を制御するシリコン単結晶製造方法が開示されている。

図１は、従来技術の単結晶インゴット成長装置において結晶直径に対する空隙率変更による不活性ガスの流速が図示されたグラフである。

従来技術によれば、単結晶インゴットと熱遮蔽体との間の距離を空隙率で換算するが、図１に図示されたように空隙率が小さければ、不活性気体であるアルゴン（Ａｒ）の流速が大きいほど結晶内の酸素濃度偏差が大きくなる反面、空隙率が大きければ、アルゴン（Ａｒ）の流速が大きいほど結晶内の酸度濃度偏差が減ることになるが、空隙率により結晶内の酸素濃度偏差が比較的大きく発生することを確認することができる。

しかし、従来技術によれば、単結晶インゴットと熱遮蔽体との間の距離だけ考慮して不活性気体の流速を制御するためシリコン融液面でＯｘ揮発を制御することに限界があり、その結果結晶内の酸素濃度偏差を解消できない問題点がある。

特開２０１５−０８９８５４号公報

本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、シリコン融液面に沿って流れる不活性気体の流速を均一に形成してシリコン融液面でＯｘ揮発を正確に制御できる単結晶インゴット成長装置を提供することにその目的がある。

本発明は、シリコン融液が収容されたるつぼ、前記るつぼ上側にぶらさがるように設置されて、前記るつぼのシリコン融液から成長する単結晶インゴットを冷却させる熱遮蔽部材、前記単結晶インゴットの外周面と前記熱遮蔽部材の内周面との間に形成され、不活性気体が垂直に下側に移動する第１流路、および前記熱遮蔽部材の下段とシリコン融液の上面との間に形成され、不活性気体が水平に外側に移動する第２流路を含み、前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率により単結晶内の酸素濃度を制御する単結晶インゴット成長装置を提供する。

また、本発明において、前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率が１．４〜１．６範囲に限定されることが望ましい。

また、本発明において、前記第１、２流路の体積は、前記第１、２流路に沿って流動する不活性気体の速度偏差が０．５ｃｍ／ｓｅｃ以内となるように設定されることがさらに望ましい。

また、本発明において、前記単結晶インゴットの成長工程中に目標酸素濃度が変更されると、不活性気体の流量を変更して単結晶内の酸素濃度を制御することがより一層望ましい。

一方、本発明は、前記熱遮蔽部材の内周面下側に下方延長されたチューブをさらに含み、前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、前記熱遮蔽部材の内径（ｄ）と前記チューブの長さ（Ｌ）とメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ：Ｍ／Ｇ）のうちの少なくとも一つにより可変することができることを特徴とする。

また、本発明において、前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、単結晶インゴットの軸方向で酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を１．５ｐｐｍａ以下に制御するように設定されることが望ましい。

また、本発明において、前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、単結晶インゴットの半径方向で酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を０．６５ｐｐｍａ以下に制御するように設定されることが望ましい。

本発明による単結晶インゴット成長装置は、熱遮蔽部材と単結晶インゴットとの間の流路および熱遮蔽部材とシリコン融液の上面との間の流路を考慮して単結晶内の酸素濃度を制御することができる。

したがって、シリコン融液面に沿って流れる不活性気体の流速を一定に制御することによって、シリコン融液面でＯｘ揮発を正確に制御することができ、その結果単結晶インゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度を均一に形成することができる利点がある。

従来技術の単結晶インゴット成長装置において、結晶直径に対する空隙率変更による不活性ガスの流速が図示されたグラフである。 本発明による単結晶インゴット成長装置の一例が図示された側断面図である。 本発明により不活性気体が流れる流路主要部が簡略に図示された概略図である。 図３に図示された流路の体積の比率変更による単結晶インゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフである。 図３に図示された流路の体積の比率変更による単結晶インゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフである。 図３に図示された流路の体積の比率変更による単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度および不活性気体の流速が図示されたグラフである。 従来と本発明の単結晶インゴット成長装置によって製造されたインゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフである。 従来と本発明の単結晶インゴット成長装置によって製造されたインゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフである。

以下、本実施例に対し添付される図面を参照して詳細に見ることとする。ただし、本実施例が開示する事項から本実施例が有する発明の思想の範囲が定められ、本実施例が有する発明の思想は提案される実施例に対し構成要素の追加、削除、変更などの実施変形を含むことができる。

図２は、本発明による単結晶インゴット成長装置の一例が図示された側断面図である。

本発明の単結晶インゴット成長装置は、図１に図示されたように、チャンバ（１１０）内側にシリコン融液から単結晶インゴットを成長させるためにるつぼ（１２０）とヒーター（１３０）と熱遮蔽部材（１４０）が具備され、別途の制御部（図示せず）によりその作動が制御される。

前記チャンバ（１１０）は、インゴット（ＩＧ）が成長する所定の密閉空間を提供し、各種構成要素が内／外側に装着される。

実施例において、前記チャンバ（１１０）は、前記るつぼ（１２０）とヒーター（１３０）および熱遮蔽部材（１４０）が内蔵される円筒形状の本体部（１１１）と、前記本体部（１１１）の上側に結合されてインゴット成長工程を観察できるビューポート（Ｖｉｅｗ ｐｏｒｔ：Ｖ／Ｐ）が具備されたドーム形状のカバー部（１１２）と、前記カバー部（１１２）の上側に結合されてインゴットが引き上げられることができる空間を提供する円筒形状の引き上げ部（１１３）で構成され得る。

この時、前記チャンバ（１１０）の上側から下側方向にアルゴン（Ａｒ）などのような不活性気体が流動するように構成され、前記制御部（図示せず）が不活性気体の流量および流速を制御することができる。

また、前記チャンバ（１１０）上側には種子結晶がぶらさがるシードケーブル（Ｗ）および前記シードケーブル（Ｗ）が巻かれたドラム（図示せず）が具備されて、前記制御部（図示せず）が前記ドラム（図示せず）の作動を調節して引き上げ速度を制御することができる。

前記るつぼ（１２０）は、固体シリコン融液が収容される容器であって、前記チャンバ（１１０）内側に回転可能に設置される。もちろん、前記るつぼ（１２０）は不純物の流入を遮断すると共に高温下でも耐えられるように構成されるが、実施例において石英るつぼと黒鉛るつぼが重なった形態で構成され得、高温下で石英るつぼが一部溶けてＯｘ成分がシリコン融液に含まれる。

また、前記るつぼ（１２０）の下側には前記るつぼ（１２０）を回転および昇降させるるつぼ駆動部（１２１）が具備され、前記制御部（図示せず）が前記るつぼ駆動部（１２１）の作動を調節して前記るつぼ（１２０）の回転速度および昇降速度を制御することができる。

前記ヒーター（１３０）は、前記るつぼ（１２０）の周りに具備され、前記るつぼ（１２０）を加熱することによって前記るつぼ（１２０）に収容されたポリ形態の原料をシリコン融液に液化させ、同じように前記制御部（図示せず）が前記ヒーター（１３０）の作動を調節して前記チャンバ（１１０）内部の温度を制御することができる。

前記熱遮蔽部材（１４０）は、高温のシリコン融液から成長するインゴット（ＩＧ）をすぐに冷却させるために具備され、前記るつぼ（１２０）上側にぶらさがるように設置され、高温下でも耐えることができるグラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）材質で構成される。

詳細に、前記熱遮蔽部材（１５０）の下部が前記るつぼ（１２０）に収容されたシリコン融液から成長するインゴット（ＩＧ）の周りに所定の間隔で囲むように設置されると共にシリコン融液面と所定の間隔を維持するように設置される。

また、前記熱遮蔽部材（１４０）の内周面下側に下方突出したチューブ（１４１）が具備されるが、前記チューブ（１４１）の下段とシリコン融液面との間の間隔をメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ）と見ることができる。

したがって、前記チャンバ（１１０）の上側から供給される不活性気体は、前記熱遮蔽部材（１４０）の下部内周面と単結晶インゴット（ＩＧ）との間の空間を経て前記熱遮蔽部材（１４０）の下段とシリコン融液面との間の空間に沿って流動することになる。

しかし、前記チャンバ（１１０）内部に一定の流速の不活性気体を投入するが、前記チャンバ（１１０）内部で不活性気体が流動する流路の体積が変化することによってその流速を一定に制御しにくい。したがって、シリコン融液面に沿って流動する不活性気体の流速を一定に制御するために、前記熱遮蔽部材（１４０）と単結晶インゴット（ＩＧ）との間の間隔をはじめとして前記熱遮蔽部材（１４０）とシリコン融液面との間の間隔を調節しなければならない。

実施例において、前記熱遮蔽部材（１４０）の内径（ｄ）と、前記チューブ（１４１）の長さ（Ｌ）と、前記るつぼ（１２０）の昇降により可変されるメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ：Ｍ／Ｇ）のうちの少なくとも一つによりシリコン融液面に沿って流動する不活性気体の流速を制御することができる。

図３は、本発明により不活性気体が流れる流路主要部が簡略に図示された概略図であり、図４および図５は、図３に図示された流路の体積の比率変更による単結晶インゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフであり、図６は、図３に図示された流路の体積の比率変更による単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度および不活性気体の流速が図示されたグラフである。

本発明によれば、図３に図示されたように前記単結晶インゴット（ＩＧ）の外周面と前記熱遮蔽部材（１５０）の内周面との間に不活性気体が垂直に下側に移動する第１流路（Ａ）が形成され、前記熱遮蔽部材（１４０）の下段とシリコン融液の上面との間に不活性気体が水平に外側に移動する第２流路（Ｂ）が形成される。

このとき、前記第１流路（Ａ）の体積に対する前記第２流路（Ｂ）の体積の比率（以下、第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）と言う）によりシリコン融液面に沿って流れる不活性気体の流速を一定に維持することによって、単結晶内の酸素濃度を均一に制御することができる。

表１および図４に図示されたように前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）が１．７以上であると、単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度偏差が大きく現れるが、前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）が１．６以下であると、単結晶内の軸方向に酸素濃度偏差が大幅に減少する。

また、前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）が１．３以下であると、単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度偏差が小さくても単結晶ロス（ｌｏｓｓ）が増加して単結晶インゴット成長工程を安定的に進めにくい。

したがって、単結晶内の軸方向酸素濃度偏差を低減させるために前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）が１．４〜１．６範囲に限定されることが望ましく、前記のような第１、２流路（Ａ、Ｂ）の体積は、前記第１、２流路（Ａ、Ｂ）に沿って流動する不活性気体の速度偏差が０．５ｃｍ／ｓｅｃ以内になるように設定されることが望ましい。

また、図５に図示されたように前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）が１．４〜１．６範囲であると、単結晶インゴットの半径方向に酸素濃度偏差も最も低く現れることを確認することができる。

前記のように、単結晶インゴット成長工程中に目標酸素濃度が決定されると、前記第１、２流路の体積の比率（Ｂ／Ａ）を適切に変更して不活性気体の流速を均一に制御でき、その結果単結晶インゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度を均一に形成することができる。

一方、単結晶インゴットの成長工程中に目標酸素濃度が変更されると、前記第１、２流路（Ａ、Ｂ）の体積を変更しにくいため表２および図６に図示されたように前記チャンバ内部に投入される不活性気体の流量を変更して不活性気体の流速を均一に制御でき、その結果単結晶内の酸素濃度を均一に形成することができる。

図７および図８は、従来と本発明の単結晶インゴット成長装置によって製造されたインゴットの軸方向および半径方向に酸素濃度が図示されたグラフである。

従来技術によれば、熱遮蔽部材と単結晶インゴットとの間の間隔により単結晶内の酸素濃度を制御するため単結晶インゴットが軸方向に成長するほど単結晶内の酸素濃度が徐々に減って、単結晶インゴットの軸方向（Ａｘｉａｌ）および半径方向（Ｒａｄｉａｌ）に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）が大きく現れることを見ることができる。

反面、本発明によれば、熱遮蔽部材と単結晶インゴットとの間の間隔をはじめとして熱遮蔽部材とシリコン融液の上面との間の間隔により単結晶内の酸素濃度を制御するため、単結晶インゴットが軸方向に成長しても単結晶内の酸素濃度が一定に維持され、単結晶インゴットの軸方向（Ａｘｉａｌ）に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）が１．５ｐｐｍａ以下に制御されると共に単結晶インゴットの半径方向（Ｒａｄｉａｌ）に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）が０．６５ｐｐｍａ以下に制御されることを見ることができる。

（付記）
（付記１）
シリコン融液が収容されたるつぼ、
前記るつぼ上側にぶらさがるように設置され、前記るつぼのシリコン融液から成長する単結晶インゴットを冷却させる熱遮蔽部材、
前記単結晶インゴットの外周面と前記熱遮蔽部材の内周面との間に形成され、不活性気体が垂直に下側に移動する第１流路、および、
前記熱遮蔽部材の下段とシリコン融液の上面との間に形成され、不活性気体が水平に外側に移動する第２流路を含み、
前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率により単結晶内の酸素濃度を制御する単結晶インゴット成長装置。

（付記２）
前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率が１．４〜１．６範囲に限定される、付記１に記載の単結晶インゴット成長装置。

（付記３）
前記第１、２流路の体積は、
前記第１、２流路に沿って流動する不活性気体の速度偏差が０．５ｃｍ／ｓｅｃ以内になるように設定される、
付記２に記載の単結晶インゴット成長装置。

（付記４）
前記単結晶インゴットの成長工程中に目標酸素濃度が変更されると、不活性気体の流量を変更して単結晶内の酸素濃度を制御する、付記２に記載の単結晶インゴット成長装置。

（付記５）
前記熱遮蔽部材の内周面下側に下方延長されたチューブをさらに含み、
前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
前記熱遮蔽部材の内径（ｄ）と前記チューブの長さ（Ｌ）とメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ：Ｍ／Ｇ）のうちの小なくとも一つにより可変され得る、
付記１乃至付記４のうちいずれか一つに記載の単結晶インゴット成長装置。

（付記６）
前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を１．５ｐｐｍａ以下に制御するように設定される、
付記５に記載の単結晶インゴット成長装置。

（付記７）
前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
単結晶インゴットの半径方向に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を０．６５ｐｐｍａ以下に制御するように設定される、
付記５に記載の単結晶インゴット成長装置。

Claims (6)

1. シリコン融液が収容されたるつぼ、
   前記るつぼ上側にぶらさがるように設置され、前記るつぼのシリコン融液から成長する単結晶インゴットを冷却させる熱遮蔽部材、
   前記単結晶インゴットの外周面と、前記熱遮蔽部材の前記単結晶インゴット側へ突出する突出部の内周面であって前記単結晶インゴットの外周面と所定の間隔を隔てて形成された内周面との間に形成され、不活性気体が、前記突出部の上端部から垂直に下側に移動しシリコン融液の上面まで達する第１流路、および、
   前記熱遮蔽部材の下段とシリコン融液の上面との間に形成され、前記単結晶インゴットの外周面から前記るつぼの内周面まで、不活性気体が水平に外側に移動する第２流路を含み、
   前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率が、シリコン融液の上面に沿って流れる不活性気体の流速が一定となるように設定され、
   前記熱遮蔽部材の前記突出部の内周面下側に下方延長され、前記第１流路の一部を形成するチューブをさらに含み、
   前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
   前記熱遮蔽部材の内径（ｄ）と前記チューブの長さ（Ｌ）とメルトギャップ（ｍｅｌｔ ｇａｐ：Ｍ／Ｇ）のうちの小なくとも一つにより可変され得る、
   単結晶インゴット成長装置。
2. 前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率が１．４〜１．６範囲に限定される、請求項１に記載の単結晶インゴット成長装置。
3. 前記第１、２流路の体積は、
   前記第１、２流路に沿って流動する不活性気体の速度偏差が０．５ｃｍ／ｓｅｃ以内になるように設定される、
   請求項２に記載の単結晶インゴット成長装置。
4. 前記単結晶インゴットの成長工程中に目標酸素濃度が変更されると、不活性気体の流量を変更して単結晶内の酸素濃度を制御する、請求項２に記載の単結晶インゴット成長装置。
5. 前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
   単結晶インゴットの軸方向に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を１．５ｐｐｍａ以下に制御するように設定される、
   請求項１に記載の単結晶インゴット成長装置。
6. 前記第１流路の体積に対する前記第２流路の体積の比率は、
   単結晶インゴットの半径方向に酸素濃度偏差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を０．６５ｐｐｍａ以下に制御するように設定される、
   請求項１に記載の単結晶インゴット成長装置。