JPH07109195A

JPH07109195A - 結晶成長装置及び結晶成長方法

Info

Publication number: JPH07109195A
Application number: JP25796293A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogawa; 正裕小川; Yoshiyuki Matoba; 祥行的場; Toshiyuki Yamamoto; 俊行山本; Yoshiyuki Kashiwabara; 義之柏原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1995-04-25

Abstract

(57)【要約】【構成】坩堝１３の上方に、引き上げ軸１６に沿って
少なくとも３個以上の加熱手段２１、２２、２４及び／
または冷却手段２３が配設されていることを特徴とする
結晶成長装置。【効果】Ｓｉ単結晶１７を引き上げる際、加熱や冷却
に要するパワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の付加パターン
をそれぞれ予め設定しておくことにより、４段階の温度
範囲においてそれぞれ所定の冷却速度でＳｉ単結晶１７
を冷却することができる。したがってＳｉ単結晶１７の
品質を改善することができ、得られたウエハに関してＯ
ＳＦ密度の減少、熱処理後のウエハ内部における析出酸
素量の増加及び酸化膜耐圧の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶成長装置及び結晶成
長方法に関し、より詳細には例えば半導体材料として使
用される単結晶を成長させる際に用いられ、冷却速度を
制御しつつ単結晶を引き上げる結晶成長装置及び結晶成
長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶を引上げる方法には種々の方法があ
るが、その一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と
記す）がある。図３は従来のＣＺ法で使用される結晶成
長装置を模式的に示した断面図であり、図中１１はチャ
ンバーを示している。チャンバー１１は容器１２により
形成され、図示しない真空ポンプにより低圧に保持され
ており、また上部チャンバー１１ａよりＡｒガスが導入
されるようになっている。チャンバー１１の略中央部に
は有底円筒形状の坩堝１３が配設され、坩堝１３の外周
にはこれと同心状にヒータ１４が配設されており、坩堝
１３内にはヒータ１４により溶融させたシリコン（以
下、Ｓｉと記す）結晶用原料の溶融液１５が充填されて
いる。坩堝１３の中心軸上には引き上げ軸１６が配設さ
れており、引き上げ軸１６の先端に取り付けられた種結
晶１６ａを溶融液１５の表面に接触させ、引き上げ軸１
６を引き上げていくことにより、溶融液１５が凝固して
形成されるＳｉ単結晶１７を成長させつつ冷却してい
る。

【０００３】引き上げられたＳｉ単結晶１７の品質を評
価する項目の一つとして、積層欠陥がある（評価項目
（１））。積層欠陥はＳｉ単結晶１７中に析出したＳｉ
酸化物中の化合酸素が酸素に戻り、これが原因で生じる
といわれている。この積層欠陥の発生を抑制するため、
Ｓｉ単結晶１７を引き上げる際、急速に冷却（以下、急
冷と記す）する方法が提案されている（特開平１−３１
３３８４号公報）。

【０００４】図４は引き上げ中におけるＳｉ単結晶１７
を急冷するように構成された従来の結晶成長装置を模式
的に示した断面図であり、図中１３は坩堝を示してい
る。坩堝１３の上方における所定箇所には略円筒形状に
形成された冷却筒３１が配設・固定されており、冷却筒
３１内には流通室３１ａが形成され、流通室３１ａには
冷却液の導入管及び排出管（ともに図示せず）が接続さ
れている。そして水等の冷却液を流通室３１ａ内に循環
させることにより、引き上げられるシリコン単結晶１７
が冷却されるようになっている。このように構成された
装置を用いて結晶を成長させる場合、１０５０℃から８
５０℃に至る冷却時間が１４０分以下（冷却速度１．４
℃／ｍｉｎ以上）になるように調整し、Ｓｉ単結晶１７
を急冷しつつ引き上げている。

【０００５】また、Ｓｉ単結晶１７の品質を評価する別
の項目として熱処理後におけるウエハ内部の析出酸素量
があり（評価項目（２））、この析出酸素はゲッタリン
グ作用をもたらすため、析出量の多いものが優れている
といえる。この析出酸素量を増大させるには、Ｓｉ単結
晶１７を成長させる際、８００℃から６００℃に至る温
度範囲を１．７℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で徐々に冷却
（以下、徐冷と記す）して引き上げればよいことが知ら
れている。

【０００６】さらにＳｉ単結晶１７の品質を評価する別
の項目として、ウエハの酸化膜耐圧がある（評価項目
（３））が、Ｓｉ単結晶１７を成長させる際における前
記酸化膜耐圧を高めるための有用な技術は現在のところ
開発されていない。

【０００７】なお、近年においては制御技術と結晶成長
技術とが進歩し、設定された所定の速度で引き上げるこ
とが行われはじめている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図４に示した結晶成長
装置及び結晶成長方法においては、評価項目（１）に関
する積層欠陥の抑制は図られているが、上記した３つの
品質評価項目のすべてについて対応することはできない
という課題があった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、酸化導入積層欠陥（Oxidation induced Stac
king Fault: 以下、ＯＳＦと記す）密度の減少、熱処理
後のウエハ内部における析出酸素量の増加及びウエハの
酸化膜耐圧の向上を図ることができる結晶成長装置及び
結晶成長方法を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る結晶成長装置は、結晶用原料が充填され
る坩堝を備え、該坩堝の周囲にヒータが配設され、前記
坩堝の上方に引き上げ軸が配設された結晶成長装置にお
いて、前記坩堝の上方に、前記引き上げ軸に沿って少な
くとも３個以上の加熱手段及び／または冷却手段が配設
されていることを特徴としている（１）。

【００１１】また本発明に係る結晶成長方法は、上記
（１）記載の結晶成長装置を使用して単結晶を所定速度
で引き上げ、該単結晶に少なくとも３段階の異なる冷却
工程を付与することを特徴としている（２）。

【００１２】また本発明に係る結晶成長装置は、上記
（１）記載の結晶成長装置において、単結晶温度を測定
する測定手段と、加熱手段及び／または冷却手段の温度
を制御する制御手段とが配設されていることを特徴とし
ている（３）。

【００１３】また本発明に係る結晶成長方法は、上記
（３）記載の結晶成長装置を使用して単結晶を引き上
げ、前記測定手段を用いて測定した前記単結晶の温度に
基づいて前記制御手段を作動させ、前記単結晶に少なく
とも３段階の異なる冷却工程を付与することを特徴とし
ている（４）。

【００１４】

【作用】本発明者等は上記評価項目（３）について研究
を行ない、結晶成長中に１４２０〜１３００℃の温度範
囲を徐冷するとウエハの酸化膜耐圧が向上することを知
見した。

【００１５】これらの結晶成長過程における各温度範囲
毎の冷却速度と結晶品質との関係をまとめると、表１に
示す通りであった。

【００１６】

【表１】

【００１７】また、所定の速度で単結晶が安定的に引き
上げられる場合、加熱や冷却に要する電力や冷却液供給
量等を調整・設定することにより、前記単結晶を所定の
速度で冷却し得ることとなる。

【００１８】上記（１）の結晶成長装置によれば、坩堝
の上方に、引き上げ軸に沿って少なくとも３個以上の加
熱手段及び／または冷却手段が配設されているので、単
結晶を引き上げる際、加熱や冷却に要するパワーの付加
パターンをそれぞれ予め設定しておくことにより、少な
くとも３段階の温度範囲においてそれぞれ所定の冷却速
度で前記単結晶を冷却し得ることとなる。したがって該
単結晶の品質が改善され、得られたウエハに関してＯＳ
Ｆ密度の減少、熱処理後のウエハ内部における析出酸素
量の増加及び酸化膜耐圧の向上が図れることとなる。

【００１９】また上記（２）の結晶成長方法によれば、
上記（１）の結晶成長装置を使用して単結晶を所定速度
で引き上げ、該単結晶に少なくとも３段階の異なる冷却
工程を付与するので、少なくとも３段階の温度範囲にお
いてそれぞれ所定の冷却速度で前記単結晶を冷却し得る
こととなり、したがって該単結晶の品質が改善され、得
られたウエハに関して上記（１）の場合と同様の効果が
得られることとなる。

【００２０】また上記（１）の結晶成長装置において、
単結晶温度を測定する測定手段と、加熱手段及び／また
は冷却手段の温度を制御する制御手段とが配設されてい
る場合には、単結晶を引き上げる際、各ステージにおけ
る前記単結晶の温度に基づいて前記加熱手段及び／また
は前記冷却手段の温度を自動的に制御し得ることとな
り、少なくとも３段階のより正確な温度範囲において、
それぞれ所定の冷却速度で確実に前記単結晶を冷却し得
ることとなり、したがって単結晶の品質をより一層高め
得ることとなる。また冷却速度が自動的に制御されるた
め、前記単結晶の引き上げ速度を変化させた際において
も、容易に対応し得ることとなる。

【００２１】また上記（４）の結晶成長方法によれば、
上記（３）の結晶成長装置を使用して単結晶を引き上
げ、前記測定手段を用いて測定した前記単結晶の温度に
基づいて前記制御手段を作動させ、前記単結晶に少なく
とも３段階の異なる冷却工程を付与するので、少なくと
も３段階のより正確な温度範囲において、それぞれ所定
の冷却速度で確実に前記単結晶を冷却し得ることとな
り、したがって前記単結晶の品質をより一層高め得るこ
ととなる。また冷却速度が自動的に制御されるため、前
記単結晶の引き上げ速度を変化させた際においても、対
応し得ることとなる。

【００２２】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る結晶成長装置
及び結晶成長方法の実施例を図面に基づいて説明する。
なお、従来例と同一機能を有する構成部品には同一の符
号を付すこととする。図１は実施例に係る結晶成長装置
の加熱・冷却手段を模式的に示した拡大断面図であり、
図中１３は坩堝を示している。坩堝１３は略有底円筒形
状に形成されており、坩堝１３の外周にはこれと同心状
にヒータ１４が配設され、坩堝１３内にはヒータ１４に
より溶融させたＳｉ結晶用原料の溶融液１５が充填され
ている。坩堝１３の中心軸上には引き上げ軸１６が配設
されており、引き上げ軸１６に沿ってヒータ２１ａ、２
２ａ、冷却筒２３ａ及びヒータ２４ａが順に配設されて
いる。ヒータ２１ａ、２２ａ、２４ａには加熱パワーと
しての電源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４がそれぞれ接続され、冷却
筒２３ａの流通室２３ｂには導入管・排出管（ともに図
示せず）を介して冷却液供給ポンプＰ３が接続されてお
り、ヒータ２１ａ、２２ａ、２４ａと電源Ｐ１、Ｐ２、
Ｐ４とで加熱手段２１、２２、２４がそれぞれ構成さ
れ、冷却筒２３ａと冷却液供給ポンプＰ３とで冷却手段
２３が構成されている。そして電源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４か
らの電力によりヒータ２１ａ、２２ａ、２４ａを所定温
度に加熱し、また冷却液供給ポンプＰ３により冷却液を
流通室２３ｂに循環させて冷却筒２３ａを所定温度に冷
却する。また溶融液１５の表面に種結晶１６ａを接触さ
せ、溶融液１５が凝固して形成されるＳｉ単結晶１７を
所定速度で引き上げることにより、１４２０〜１３００
℃の温度範囲では徐冷、１１００〜８００℃温度範囲で
は急冷、８００〜６００℃の温度範囲では徐冷と、それ
ぞれ異なる冷却速度でＳｉ単結晶１７が冷却されるよう
になっている。その他の構成は従来の装置と同様である
ため、ここではその詳細な説明は省略する。

【００２３】上記説明から明らかなように、実施例に係
る結晶成長装置では、坩堝１３の上方に、引き上げ軸１
６に沿って加熱手段２１、２２、冷却手段２３及び加熱
手段２４が配設されているので、Ｓｉ単結晶１７を引き
上げる際、加熱や冷却に要するパワーＰ１、Ｐ２、Ｐ
３、Ｐ４の付加パターンをそれぞれ予め設定しておくこ
とにより、４段階の温度範囲においてそれぞれ所定の冷
却速度でＳｉ単結晶１７を冷却することができる。した
がってＳｉ単結晶１７の品質を改善することができ、得
られたウエハに関してＯＳＦ密度の減少、熱処理後のウ
エハ内部における析出酸素量の増加及び酸化膜耐圧の向
上を図ることができる。

【００２４】また実施例に係る結晶成長方法では、実施
例の結晶成長装置を使用してＳｉ単結晶１７を所定速度
で引き上げ、Ｓｉ単結晶１７に４段階の異なる冷却工程
を付与するので、４段階の温度範囲においてそれぞれ所
定の冷却速度でＳｉ単結晶１７を冷却することができ、
したがってＳｉ単結晶１７の品質を改善することができ
る。

【００２５】また、図２は別の実施例に係る結晶成長装
置の加熱・冷却手段を模式的に示した拡大断面図であ
り、図中２１、２２、２４は加熱手段、図中２３は冷却
手段を示している。加熱手段２１、２２、冷却手段２
３、加熱手段２４は図１に示した実施例のものと同様に
構成・配設されており、これらにはそれぞれＰＩＤ（Pr
oportional Integral Derivation) コントローラ等によ
り構成された制御手段Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が接続さ
れている。また溶融液１５の表面からの高さがＬ₁、Ｌ₂
、Ｌ₃ 、Ｌ₄ の箇所には、Ｓｉ単結晶１７の温度を測
定する放射計等の温度測定手段Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４
が配設されており、これらは制御手段Ｃ１、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４にそれぞれ接続されている。そして温度測定手
段Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を用いて計測された温度デー
タ信号に基づき、制御手段Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４によ
り加熱手段２１、２２、冷却手段２３、加熱手段２４の
温度を調整・制御する。また溶融液１５の表面に種結晶
１６ａを接触させ、溶融液１５が凝固して形成されるＳ
ｉ単結晶１７を所定速度で引き上げることにより、１４
２０〜１３００℃では徐冷、１１００〜８００℃では急
冷、８００〜６００℃では徐冷と、それぞれ異なる冷却
速度でＳｉ単結晶１７が冷却されるようになっている。
その他の構成は図１に示した実施例の装置と同様である
ため、ここではその詳細な説明は省略する。

【００２６】このように構成された装置を用い、直径が
略６インチのＳｉ単結晶を引き上げ、結晶品質を測定し
た結果に付いて説明する。測定及び引上げ条件を表２及
び表３に、また結晶品質の測定結果を表４に示した。な
お、比較例として図３に示した従来の装置を使用し、冷
却速度を制御せずに成長させた単結晶を用いて同様の測
定を行なった。

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】上記表４から明らかなように、比較例の場
合に比べて実施例の場合、評価項目１、２、３ともに結
晶品質を高めることができた。

【００３１】さらに、従来の図４に示した装置では、ヒ
ータ１４を用いて坩堝１３内に充填された結晶原料を溶
融させる際、坩堝１３や結晶原料が冷却筒３１の放射等
により冷却されるため、溶融時間が掛かるという問題が
あった。本実施例に係る結晶成長装置では冷却手段２３
と坩堝１３との間に加熱手段２１、２２が配設されてい
るので、坩堝１３や結晶原料が冷却手段２３により冷却
されるのを防止することができ、溶融時間を早めること
ができた。

【００３２】この結果から明らかなように、本実施例に
係る結晶成長装置においては、単結晶温度を測定する測
定手段Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４と、加熱手段２１、２
２、冷却手段２３、加熱手段２４の温度を制御する制御
手段Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とが配設されており、Ｓｉ
単結晶１７を引き上げる際、各ステージにおけるＳｉ単
結晶１７の温度に基づいて加熱手段２１、２２、冷却手
段２３、加熱手段２４の温度を自動的に制御することが
でき、４段階のより正確な温度範囲において、それぞれ
所定の冷却速度で確実にＳｉ単結晶１７を冷却すること
ができ、したがってＳｉ単結晶１７の品質をより一層高
めることができる。また冷却速度を自動的に制御できる
ため、Ｓｉ単結晶１７の引き上げ速度を変化させた際に
おいても、対応することができる。

【００３３】また本実施例に係る結晶成長方法では、図
２に示した結晶成長装置を使用してＳｉ単結晶１７を引
き上げ、測定手段Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を用いて測定
したＳｉ単結晶１７の温度に基づいて制御手段Ｃ１、Ｃ
２、Ｃ３、Ｃ４を作動させ、Ｓｉ単結晶１７に４段階の
異なる冷却工程を付与するので、４段階のより正確な温
度範囲において、それぞれ所定の冷却速度で確実にＳｉ
単結晶１７を冷却することができ、したがってＳｉ単結
晶１７の品質をより一層高めることができる。また冷却
速度を自動的に制御できるため、Ｓｉ単結晶１７の引き
上げ速度を変化させた際においても、容易に対応するこ
とができる。

【００３４】また、実施例ではＣＺ法に適用した場合に
ついて説明したが、別の実施例では溶融層法等にも適用
することができる。

【００３５】また、実施例ではＳｉ単結晶を成長させる
場合について説明したが、別の実施例ではゲルマニウム
等の引き上げにも適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る結晶成
長装置（１）にあっては、坩堝の上方に、引き上げ軸に
沿って少なくとも３個以上の加熱手段及び／または冷却
手段が配設されているので、単結晶を引き上げる際、加
熱や冷却に要するパワーの付加パターンをそれぞれ予め
設定しておくことにより、少なくとも３段階の温度範囲
においてそれぞれ所定の冷却速度で前記単結晶を冷却す
ることができる。したがって該単結晶の品質を改善する
ことができ、得られたウエハに関してＯＳＦ密度の減
少、熱処理後のウエハ内部における析出酸素量の増加及
び酸化膜耐圧の向上を図ることができる。

【００３７】また、本発明に係る結晶成長方法（２）に
あっては、上記（１）記載の結晶成長装置を使用して単
結晶を所定速度で引き上げ、該単結晶に少なくとも３段
階の異なる冷却工程を付与するので、少なくとも３段階
の温度範囲においてそれぞれ所定の冷却速度で前記単結
晶を冷却することができ、したがって該単結晶の品質を
改善することができ、得られたウエハに関して上記
（１）の場合と同様の効果を得ることができる。

【００３８】また、上記（１）の結晶成長装置におい
て、単結晶温度を測定する測定手段と、加熱手段及び／
または冷却手段の温度を制御する制御手段とが配設され
ている場合には、単結晶を引き上げる際、各ステージに
おける前記単結晶の温度に基づいて前記加熱手段及び／
または前記冷却手段の温度を自動的に制御することがで
き、少なくとも３段階のより正確な温度範囲において、
それぞれ所定の冷却速度で確実に前記単結晶を冷却する
ことができ、したがって単結晶の品質をより一層高める
ことができる。また冷却速度が自動的に制御できるた
め、前記単結晶の引き上げ速度を変化させた際において
も、容易に対応することができる。

【００３９】また上記（４）の結晶成長方法によれば、
上記（３）の結晶成長装置を使用して単結晶を引き上
げ、前記測定手段を用いて測定した前記単結晶の温度に
基づいて前記制御手段を作動させ、前記単結晶に少なく
とも３段階の異なる冷却工程を付与するので、少なくと
も３段階のより正確な温度範囲において、それぞれ所定
の冷却速度で確実に前記単結晶を冷却することができ、
したがって前記単結晶の品質をより一層高めることがで
きる。また冷却速度が自動的に制御できるため、前記単
結晶の引き上げ速度を変化させた際においても、対応す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る結晶成長装置の加熱・冷
却手段を模式的に示した拡大断面図である。

【図２】別の実施例に係る結晶成長装置の加熱・冷却手
段を模式的に示した拡大断面図である。

【図３】従来のＣＺ法で使用される結晶成長装置を模式
的に示した断面図である。

【図４】従来の引き上げ中におけるＳｉ単結晶を急冷す
るように構成された結晶成長装置を模式的に示した断面
図である。

【符号の説明】

１３坩堝１４ヒータ１６引き上げ軸２１、２２、２４加熱手段２３冷却手段Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４温度測定手段Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柏原義之大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶用原料が充填される坩堝を備え、該
坩堝の周囲にヒータが配設され、前記坩堝の上方に引き
上げ軸が配設された結晶成長装置において、前記坩堝の
上方に、前記引き上げ軸に沿って少なくとも３個以上の
加熱手段及び／または冷却手段が配設されていることを
特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】請求項１記載の結晶成長装置を使用して
単結晶を所定速度で引き上げ、該単結晶に少なくとも３
段階の異なる冷却工程を付与することを特徴とする結晶
成長方法。
【請求項３】単結晶温度を測定する測定手段と、加熱
手段及び／または冷却手段の温度を制御する制御手段と
が配設されていることを特徴とする請求項１記載の結晶
成長装置。
【請求項４】請求項３記載の結晶成長装置を使用して
単結晶を引き上げ、前記測定手段を用いて測定した前記
単結晶の温度に基づいて前記制御手段を作動させ、前記
単結晶に少なくとも３段階の異なる冷却工程を付与する
ことを特徴とする結晶成長方法。