JPH07165487A

JPH07165487A - 単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH07165487A
Application number: JP5299797A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Kuramochi; 薫倉持; Setsuo Okamoto; 節男岡本
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-27
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JP2686223B2; DE4442239A1; US5575847A

Abstract

(57)【要約】【目的】引上げ中、単結晶の引上げ方向に適切に温度勾
配を調整し、ＯＳＦの発生が少なく、酸化膜耐圧特性に
優れた単結晶の引上げ成長を可能とする製造装置を提供
する。【構成】成長させるべき単結晶の溶融液６を収容する坩
堝１と、溶融液を加熱する手段２と、坩堝内の溶融液６
の表面に種結晶４を接触させて単結晶５を成長させる引
上げ手段と、引上げ単結晶を囲撓する保護ガス導入管９
と、前記各部材を収納する金属チャンバー７とを具備す
る単結晶製造装置において、坩堝内の溶融液６の上方に
は、単結晶の引上げ域の周囲に配設された円筒または上
方から下方に向かうに従って縮径された筒状の耐熱断熱
性部材10があり、この部材は前記保護ガス導入管９の下
方に取り付けられていることを特徴とする単結晶製造装
置。部材10は黒鉛製であつて、その表面が炭化珪素でコ
ーティングされているのが望ましい。【効果】構造が簡単で取扱が容易であり、生産性を低下
させることなく、単結晶基板のＯＳＦ欠陥の防止および
酸化膜耐圧特性の向上が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶の製造装置に関
し、より詳しくは、熱酸化誘起積層欠陥が少なく、酸化
膜耐圧特性に優れた高純度シリコン単結晶の製造装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体用単結晶、特に高純度シリコン単
結晶の製造に関しては種々の方法が知られている。なか
でも、チョクラルスキー法によって製造された単結晶
は、石英製坩堝を使用し、坩堝内のシリコン溶融液より
引上げて育成されるため、成長した結晶内には坩堝の石
英(SiO₂)から供給された多くの酸素を含んでいる。この
ため、他の方法で製造した単結晶に比べ、IC、LSI の製
造プロセスにおいて繰り返し熱処理を受けても、スリッ
プや反りを発生しにくく、更に、内部の酸素析出物によ
る重金属汚染のゲッタリング作用（いわゆるイントリン
シックゲッタリング）の効果もある。これらの製造プロ
セス上の利点から、シリコン単結晶の工業的製造におい
ては、チョクラルスキー法が広く利用されている。

【０００３】図６は、このチョクラルスキー法の実施状
態を示す概略断面図であり、同図中１は坩堝である。坩
堝１は二重構造であり、内側は石英製の容器1aで、外側
は黒鉛製の容器1bで構成される。坩堝１の外側には加熱
ヒーター２および保温材３が配設されており、坩堝１内
にはこの加熱ヒーターにより溶融された結晶形成用材
料、つまり原料の溶融液６が収容されている。その溶融
液６の表面に引上げ棒又はワイヤの先に取り付けた種結
晶４の下端を接触させ、この種結晶４を上方へ引き上げ
ることによって、その下端に溶融液６が凝固した単結晶
５を成長させていく。これらの部品、部材は水冷式の金
属チャンバー７内に収納され、全体として単結晶製造装
置を構成している。

【０００４】単結晶５の引上げ中は金属チャンバー７の
上方に設けられた小型チャンバー８の中央部より、常時
高純度のアルゴンガスを保護ガスとして流している。こ
のガスは、シリコン溶融液６の表面から蒸発する一酸化
珪素(SiO) を伴って、下方の図示しない排出口から排出
される。

【０００５】ところが、金属チャンバー７内のアルゴン
ガスの流れは複雑な乱流であり、局部的には滞留も生じ
ているため、一酸化珪素の析出物が金属チャンバー７の
天井部に層状または塊状に付着し、しばしば、一酸化珪
素の微粉または塊が溶融液６の表面上に落下する。これ
が結晶成長界面に取り込まれ、無転位結晶が有転位化
し、単結晶が不良になる場合がある。

【０００６】更に、シリコン単結晶基板上に集積回路素
子を高密度で形成する場合には、デバイス工程での1000
℃を超える高温酸化処理後、基板結晶に熱酸化誘起積層
欠陥（Oxidation induced Stacking Fault、以下ＯＳＦ
という。）が形成されやすく、電子回路素子の特性を低
下させるという問題があった。ＯＳＦの発生原因はシリ
コン基板表面の微小な機械歪または熱処理工程で発生す
る点欠陥の集まり或いはナトリウム等の重金属による表
面汚染と想定され、結晶凝固後の冷却過程での熱履歴を
調整することにより、ＯＳＦの発生を抑制できる。

【０００７】これらの対策として、従来より種々の提案
がされている。例えば、下記の製法および装置があげら
れる。

【０００８】引上げ単結晶を同軸に囲撓する管によ
って形成される環状間隙から保護ガスを導入しながら単
結晶を引上げる方法において、単結晶シリコン棒引上げ
の際、融液面上150 〜350mm に終わる幅15〜35mmの環状
間隙を通して、1 〜100 Torrの圧力に保持した引上室へ
300 〜800Nリットル/hの量の保護ガスを導入する単結晶
シリコン棒の製法（特公昭 54-6511号公報参照) 。

【０００９】図４に示す坩堝と坩堝内の溶融物とを
部分的にカバーする装置において、坩堝の縁から突出し
ている上部の平たい環状リム8aと、この環状リム8aに取
り付けられ、内側の縁から円筒形状に下方に傾斜してい
るまたは円錐状に先細りになっている連結部8bとからな
り、この連結部8bの内部高さが坩堝１の深さの 0.2〜1.
2 倍である部材を設けることを特徴としている単結晶引
上げ装置（特公昭57-40119号公報参照）。

【００１０】図５に示す引上げ単結晶棒を同軸に囲
撓する円筒19を設け、その一端は引上げ室天井中央の開
口縁に気密結合し、他端は石英るつぼ内の溶融体表面に
向けて垂下し外上方に折返して拡開されたカラー20を有
してなることを特徴とする単結晶棒の製造装置（特開昭
64-65086号公報参照）。

【００１１】前述した〜の製法および装置は、結晶
引上げ速度の向上や一酸化珪素微粉のシリコン溶融液へ
の落下防止、更に, 結晶基板のＯＳＦの抑制には一定の
効果を奏している。しかし、近年のＭＯＳデバイス集積
度の増大に伴い、高集積微細半導体に要求される酸化膜
耐圧特性の向上にはなお問題がある。

【００１２】酸化膜耐圧特性を劣化させる欠陥の形成機
構については未だ不明であるが、酸化膜耐圧特性は結晶
成長速度に強く依存するものの、結晶引上げ速度自体で
はなく、結果的に変化する結晶成長時の熱履歴に起因す
るものである。即ち、引上げによる結晶成長時、結晶中
には酸化膜耐圧特性の不良要因となる欠陥核が発生する
が、この欠陥核は高温領域(1250 ℃以上) では収縮し、
低温領域(1100 ℃以下) では成長するとの知見がある
（第３９回春季応用物理学会予稿集、30P-ZD-17参照)
。

【００１３】前記の製法は、単結晶引上げ域に保護ガ
スを導入し、その吹付け効果により引上げ域内に一酸化
珪素の析出を防止する製法であって、ＯＳＦおよび酸化
膜耐圧に対する対策は考慮されていない。の装置で
は、ＯＳＦおよび酸化膜耐圧に対する対策は考慮されて
いないことはの製法と同様であるが、構造的に引上げ
結晶の周囲に配設した円錐台形筒状の連結部8bの内部高
さが坩堝高さの 0.2〜1.2 倍と短いことから、引上げ過
程で結晶が連結部8bを超えたときから、低温に保たれて
いる金属チャンバー内の雰囲気に直接曝されるため、引
上げ結晶の冷却効果が大きくなり高温領域で急冷され、
欠陥核が収縮されることなく、酸化膜耐圧特性が低下し
てしまうことになる。

【００１４】一方、の装置では、引上げ単結晶棒と同
軸に囲撓する円筒19の一端を引上げ室天井中央の開口縁
に気密結合させているので、水冷されている引上げ室天
井中央部への熱伝導による放熱によって、その円筒19の
内表面が比較的低温になる。

【００１５】そのため、引上げ結晶は円筒19により高温
領域で急冷され、酸化膜耐圧特性が悪化することにな
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の単結晶製造装置
は、前記のように高集積微細半導体に要求されるＯＳＦ
発生の抑制および酸化膜耐圧特性に適用しえないという
問題を有していた。本発明は、この問題に鑑み、単結晶
の引上げ方向に適切に温度分布を調整し、ＯＳＦの発生
が少なく、酸化膜耐圧特性に優れた単結晶の引上げ成長
を可能とする製造装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【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。

【００１８】図１に示すように、成長させるべき単結晶
の溶融液６を収容する坩堝１と、溶融液を加熱する手段
２と、坩堝内の溶融液６の表面に種結晶４を接触させて
単結晶５を成長させる引上げ手段と、引上げ単結晶を囲
撓する保護ガス導入管９よりなる保護ガスを導入する手
段と、前記各部材を収納する金属チャンバー７とを具備
する単結晶製造装置において、坩堝内の溶融液６の上方
には、単結晶の引上げ域の周囲に配設された円筒状また
は上方から下方に向かうに従って縮径された筒状の耐熱
断熱性部材10があり、この部材は前記保護ガス導入手段
の管９の下方に取り付けられていることを特徴とする単
結晶製造装置。

【００１９】前記耐熱断熱性部材10は黒鉛製であつて、
その表面が炭化珪素でコーティングされていることが望
ましい。

【００２０】

【作用】本発明者は、酸化膜耐圧特性に優れ、ＯＳＦの
発生が少ないシリコン単結晶の製造装置を完成させるた
め、結晶引上げによる結晶成長時の単結晶の熱履歴や温
度勾配の調整手段について詳細に検討を行った結果、次
の知見を得た。

【００２１】(1) 酸化膜耐圧特性に優れた単結晶を得る
ことは、欠陥核が収縮、消滅する高温領域で徐冷すると
いう熱履歴を与えること、即ち、結晶が凝固温度から冷
却されるときの高温領域（1250℃以上) での温度勾配を
小さくなるように調整することによって可能である。

【００２２】(2) ＯＳＦ発生が少ないシリコン単結晶を
得ることは、 900℃〜1100℃の低温領域で急冷するとい
う熱履歴を与えることによって可能である。

【００２３】従って、ＯＳＦの発生が少なく且つ酸化膜
耐圧特性に優れた単結晶を得るには、引上げ過程で、高
温領域（1250℃以上) での温度勾配を小さくしたのち、
低温領域( 900 ℃〜1100℃）での温度勾配を大きくする
という温度勾配を形成することが必要である。

【００２４】(3) 結晶の引上げ方向における温度勾配
は、引上げ結晶を囲撓する耐熱断熱性部材および保護ガ
ス導入管の内表面温度と密接な関係がある。即ち、耐熱
断熱性部材等の内表面温度が低ければ、結晶の温度勾配
は大きくなり、耐熱断熱性部材等の内表面温度が高けれ
ば、結晶の温度勾配は小さくなる。

【００２５】本発明は以上の知見に基づいて完成された
ものであり、以下、図面によって本発明の単結晶製造装
置を説明する。

【００２６】図１は本発明の装置を示す縦断面図であ
る。図中１は坩堝であり、内側を石英製の容器1aとし、
外側を黒鉛製の容器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は坩堝の回転の
みでなく、坩堝の昇降も行うことができるようになって
いる。

【００２７】図中７は水冷式の金属チャンバーを示して
いる。金属チャンバー７は単結晶の引上げ軸を中心とし
た円筒状の真空容器であり、その中央位置に坩堝１が配
設されている。坩堝１の外周にはこれを囲んで加熱ヒー
ター２および保温材３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７の上部に設けられた水冷
式の小型チャンバー８を通して、引上げ軸が回転および
昇降可能に垂設されており、その下端には種結晶４が装
着されている。種結晶４は引上げ軸の回転につれて回転
しつつ上昇し、溶融液６との接触面である下端部に引上
げ結晶６が成長して行くようになっている。

【００２８】この小型チャンバー８には、引上げ結晶を
囲撓して保護ガス導入管９が昇降可能に取り付けられ、
引上げ中、保護ガスとして高純度のアルゴンガスを単結
晶の引上げ域に導入し、酸化珪素の析出を防いでいる。

【００２９】更に、引上げ軸と同軸に円筒状の耐熱断熱
性部材10が保護ガス導入管９の下方部分に支持部材を介
して保持され、坩堝内の溶融液６の上方であって、単結
晶の引上げ域の周囲に配設される。

【００３０】図２は、耐熱断熱性部材10が支持部材10a
および10b によって保持される状況を示す図である。同
図（ａ）は支持部材10a および10b による保持状況の縦
断面図であり、同図（ｂ）はＡ−Ａ矢視の水平断面図で
ある。４体の支持部材10a および10b が保護ガス導入管
９の下端部に90°の間隔で配設され、この支持部材10a
および10b と締め付けボルト10c とによって、耐熱断熱
性部材10の上端部を挟持することにより、保護ガス導入
管９の下端部に耐熱断熱性部材10を保持する。

【００３１】支持部材10a の長さは保護ガス導入管９の
外径に対し一定寸法であるが、支持部材10b の長さ（図
中Ｌ）は、数種類ある支持部材10b の選択によって変更
することができる。

【００３２】支持部材10b の長さの選択および保護ガス
導入管９の昇降手段により、耐熱断熱性部材10の溶融液
６の上方における保持高さや耐熱断熱性部材10の下端面
と溶融液６の表面の間隔を調整することができる。これ
により、適切な引上げ単結晶の熱履歴を得ることが可能
となる。また、支持部材10a の数は上記の４体に限定さ
れるものでなく、例えば３体であっても、６体であって
もよく、更に、その形状も図に例示する角状のものに限
る必要はない。

【００３３】図３は、耐熱断熱性部材10を他の方法で保
持する状況を説明する縦断面図である。図示するよう
に、支持部材10a および10b を保護ガス導入管９の下端
部に配設するだけでなく、保護ガス導入管９の側面部に
配設し、それを介して耐熱断熱性部材10を保護ガス導入
管９の下方の側面に取り付けてもよい。

【００３４】耐熱断熱性部材10は黒鉛製であつて、その
形状は円筒状または上方から下方に向かうに従って縮径
された筒状であり、その表面を炭化珪素でコーティング
するのが望ましい。黒鉛は高純度の材料として得ること
ができるので、これを用いて部材10を製造した場合に、
重金属による引上げ結晶の汚染のおそれがないからであ
る。また、その表面を炭化珪素でコーティングしたの
は、黒鉛製部材の気孔部からのガス放出を防止すること
および溶融液６の表面から蒸発した一酸化珪素と黒鉛製
部材の反応を防止するためである。

【００３５】このような単結晶製造装置にあつては、単
結晶の軸方向の温度勾配は引上げ速度に影響する。引上
げ結晶５の成長固液界面の温度勾配を大きくすれば引上
げ速度を大きくすることができる。成長固液界面の温度
勾配は、結晶温度をＴとし、引上げ方向の結晶長さをＸ
とした場合に、固液界面における固体端での引上げ方向
の温度勾配ｄＴ／ｄＸで表される。一方、結晶の最大引
上げ速度Ｖmax は、温度勾配ｄＴ／ｄＸの関数として次
式で表される。

【００３６】Ｖmax ＝（ｋ／ｈρ）ｄＴ／ｄＸ但しｋ：熱伝導率、ｈ：結晶の融解熱、ρ：結晶密度上記の式から明らかなように、温度勾配ｄＴ／ｄＸが大
きくなると引上げ速度は速くなるのである。

【００３７】従って、引上げの生産性を低下させること
なく、言い換えれば引上げ速度を大きく保って、しかも
ＯＳＦの発生が少なく且つ酸化膜耐圧特性に優れた単結
晶を得るには、引上げ結晶の温度勾配を適切に調整する
必要がある。

【００３８】本発明の装置では、保護ガス導入管９は水
冷式の小型チャンバー８に気密に接合しているため、保
護ガス導入管９の内表面は、熱伝導による小型チャンバ
ー８への放熱によって低温になる。一方、耐熱断熱性部
材10は保護ガス導入管９の下方の下端部または側面部に
支持部材を介して保持されているので、耐熱断熱性部材
10から保護ガス導入管９への熱伝導による放熱は少な
い。更に、耐熱断熱性部材10が溶融液６や加熱ヒーター
２等の輻射熱源から受ける熱は多いため、その内表面の
温度は、保護ガス導入管９の内表面の温度に比べて高温
に保持されることになる。

【００３９】このような装置で引上げを実施すると、引
上げ結晶は凝固直後の高温領域において、耐熱断熱性部
材10内で温度勾配は小さく保持され、その後の低温領域
において、保護ガス導入管９の中で温度勾配は大きくな
るように調整される。従って、引上げ中に、高温領域で
徐冷したのち低温領域で急冷するという熱履歴を与える
ことによって、ＯＳＦの発生が少なく、酸化膜耐圧特性
に優れた単結晶の製造が可能となる。

【００４０】

【実施例】図１に示す本発明の製造装置において、保護
ガス導入管９の内径は 200mmで、耐熱断熱性部材10の寸
法は高さ 250mmとし、上端部内径 440mm、下端部内径 2
00mmの載頭円錐筒状とした。その耐熱断熱性部材10を、
支持部材10a および10b の保持を介して、耐熱断熱性部
材10の下端面と溶融液６の表面との間隔は40mmとして、
保護ガス導入管９の下端部に取り付けた。耐熱断熱性部
材10の材質は黒鉛で、その表面が炭化珪素でコーティン
グされている。

【００４１】引き上げられる単結晶は直径６インチのシ
リコン単結晶であって、石英坩堝は内径φ406mm （16イ
ンチ）を使用し、金属チャンバー内に流入するアルゴン
ガス流量は60リットル/minの条件で、引上げ速度は 1.0
mm/minとし、引上げ長さは 900mmとした。

【００４２】更に、比較例１〜２の引上げを実施した。
比較例１は保護ガス導入管９のみを、その下端部が溶融
液６の表面との間隔が 290mmとなるように配設している
が、耐熱断熱性部材10を設けない装置で引上げを行っ
た。比較例２は図４に示す構造の装置、即ち耐熱断熱性
部材10のみを設けた装置を使用し、その部材の高さは 2
80mm（坩堝深さの 1.1倍）の条件で引上げを実施した。
その他の条件は本発明例と同様である。

【００４３】引上げ中の結晶の温度勾配は、単結晶５に
熱電対を挿入して実測した。その時の高温領域(1300 ℃
近傍) および低温領域(1000 ℃近傍) の温度勾配の測定
結果を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１に示す通り、本発明例の条件で引上げ
られた単結晶の温度勾配は、比較例のものに比べ、高温
領域において小さく、低温領域において大きい値となっ
ている。

【００４６】更に、引き上げられた単結晶は無転位単結
晶収率、ＯＳＦ良品率および酸化膜耐圧良品率の試験項
目で評価した。ここで、無転位単結晶収率は有転位部分
を切削除去した無転位単結晶重量と使用した原料多結晶
重量の比で表す。ＯＳＦ良品率はシリコンウェーハを切
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
/cm²) 以下のものを良品とし、ＯＳＦ良品ウェーハ枚数
と全ウェーハ枚数の比で表す。また、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、良否は基準値
( 平均電界８Ｍｖ／ｃｍ) 以上でも絶縁破壊しないウェ
ーハを良品と判定し、その比率で表している。

【００４７】以上の試験結果を表２に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】表２に示すように、本発明の装置によって
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
おり、特に酸化膜耐圧良品率は優れた成績である。

【００５０】

【発明の効果】本発明の単結晶製造装置は、構造が簡単
で取扱が容易であり、且つ単結晶の引上げ方向の温度勾
配を適切に調整することができる。本発明装置によれ
ば、単結晶引上げの生産性を低下させることなく、単結
晶基板のＯＳＦ欠陥の防止および酸化膜耐圧特性の向上
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単結晶製造装置を示す縦断面図であ
る。

【図２】耐熱断熱性部材を保護ガス導入管に保持する状
況を説明する図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は水
平断面図である。

【図３】耐熱断熱性部材を他の方法で保護ガス導入管に
保持する状況を説明する縦断面図である。

【図４】従来の単結晶製造装置の１例を示す縦断面図で
ある。

【図５】従来の単結晶製造装置の他の例を示す縦断面図
である。

【図６】チョクラルスキー法の実施状態を示す概略断面
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…保温材、４…種結晶、５…引上
げ結晶６…溶融液、７…金属チャンバー、８…小型チャンバー９…保護ガス導入管、10…耐熱断熱性部材、10a 10ｂ…
支持部材 10c …締め付けボルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成長させるべき単結晶の溶融液を収容する
坩堝と、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、引上げ単結晶を囲撓する保護ガス導入管と、前記各
部材を収納する金属チャンバーとを具備する単結晶製造
装置において、坩堝内の溶融液の上方には、単結晶の引
上げ域の周囲に配設された円筒状または上方から下方に
向かうに従って縮径された筒状の耐熱断熱性部材があ
り、この部材は前記保護ガス導入管の下方に取り付けら
れていることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】前記耐熱断熱性部材は黒鉛製であつて、そ
の表面が炭化珪素でコーティングされていることを特徴
とする請求項１記載の単結晶製造装置。