JPH09315882A - 半導体単結晶製造装置および半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＺ法によって育成される半導体単結晶の温
度勾配制御を簡易に行い、特に、ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥
の発生を抑制して酸化膜耐圧特性の優れた半導体単結晶
を得ることができるようにする。 【解決手段】 引き上げ中の単結晶シリコン７を取り囲
む遮蔽筒を第１遮蔽筒４、第２遮蔽筒５、第３遮蔽筒６
に分割してテレスコピックタイプとする。巻き取り用リ
ール１０に巻き付けたワイヤ８を第３遮蔽筒６に繋着
し、巻き取り用リール１０の回転により遮蔽筒を伸縮さ
せする。また、第１遮蔽筒４を昇降ロッド３に掛止し、
昇降ロッド３の上下動により遮蔽筒を昇降させる。単結
晶シリコン７を引き上げる際、巻き取り用リール１０を
駆動して遮蔽筒の任意の部分を縮め、遮蔽筒の重なり合
った部分で単結晶シリコン７の特定部位を保温し、前記
単結晶シリコン７が１２００℃〜１０００℃の温度領域
を通過する際の温度勾配を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法による半導体単結晶製造装置および半導体単結晶の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の基板には主として高純度の
単結晶シリコンが使用されているが、その製造方法とし
て、一般にチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）が
用いられている。図８は、育成する半導体単結晶を取り
囲む遮蔽筒を備えたＣＺ法による半導体単結晶製造装置
の一例を示す部分縦断面図である。メインチャンバ１の
内部には、回転および昇降可能なるつぼ軸１７の上端に
黒鉛るつぼ１８が載置され、黒鉛るつぼ１８の周囲には
円筒状のヒータ１６と保温筒１９とが設置されている。

【０００３】黒鉛るつぼ１８に収容された石英るつぼ１
４に塊状の多結晶シリコンを装填し、これをヒータ１６
で加熱、溶解して融液２０とする。シードチャック２１
に取り付けた種結晶を融液２０に浸漬し、シードチャッ
ク２１および黒鉛るつぼ１８を互いに同方向または逆方
向に回転しつつシードチャック２１を引き上げて単結晶
シリコン７を成長させる。

【０００４】メインチャンバ１に接続されたアッパチャ
ンバ２には、融液２０の近傍まで伸延する黒鉛製の遮蔽
筒２２が図示しない昇降機構により昇降自在に設置され
ている。この遮蔽筒２２は、アッパチャンバ２の上方か
ら導入される不活性ガスの流れを制御するとともにヒー
タ１６、融液２０などからの輻射熱を遮断し、引き上げ
中の単結晶シリコン７の全温度領域にわたって冷却また
は保温を行っている。これにより結晶化が容易になり、
単結晶シリコン７の生産性が向上する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ヒータ１６をはじめと
する各ホットゾーンパーツから引き上げ中の単結晶シリ
コン７に放射される輻射熱は、遮蔽筒２２によって遮断
される。従って、固液界面近傍における単結晶シリコン
７の径方向、軸方向温度勾配が大きくなり、結晶化が容
易になるため、単結晶シリコン７の引き上げ速度を上げ
て生産性を向上させることができる。しかしながら、炉
内温度環境に応じて遮蔽筒２２の厚さを任意に変更する
ことは不可能であり、引き上げ中の単結晶シリコン７の
所望の部位における冷却あるいは保温の度合いを調節す
ることができないため、次の問題が発生する。 （１）単結晶シリコン７が１２００℃〜１０００℃の温
度領域を通過する際、この温度領域が徐冷されないた
め、ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥密度の低減が十分に行えず、
酸化膜耐圧特性が低下する原因となる。 （２）石英るつぼ１４に装填した多結晶シリコンを溶解
する場合は、遮蔽筒２２の下端と多結晶シリコンとの干
渉を避けるため、昇降機構を駆動して遮蔽筒２２の上部
をアッパチャンバ２内に収納する構造としている。この
ため、アッパチャンバ２に収納スペースを設ける必要が
あり、アッパチャンバ２の全高が長くなる。

【０００６】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、ＣＺ法によって育成される半導体単結晶の
温度勾配制御を簡易に行い、特に、ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠
陥の発生を抑制して酸化膜耐圧特性の優れた半導体単結
晶を得ることができる半導体単結晶製造装置および半導
体単結晶の製造方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、引き上げ中
の半導体単結晶を取り囲む遮蔽筒を備えたＣＺ法による
半導体単結晶製造装置において、前記遮蔽筒を昇降自在
かつ上下方向に伸縮自在としたことを特徴としている。

【０００８】上記半導体単結晶製造装置は、具体的に
は、遮蔽筒を複数個に分割してテレスコピックタイプと
し、巻き取り用リールに巻き付けたワイヤを内側の遮蔽
筒に繋着するとともに外側の遮蔽筒を昇降ロッドに掛止
し、前記巻き取り用リールの回転により遮蔽筒を伸縮さ
せ、昇降ロッドの上下動により遮蔽筒を昇降させる構成
とした。

【０００９】また、本発明に係る半導体単結晶の製造方
法は、上記半導体単結晶製造装置を用い、巻き取り用リ
ールを駆動して遮蔽筒の任意の部分を縮め、遮蔽筒の重
なり合った部分で半導体単結晶の特定部位を保温し、前
記単結晶が１２００℃〜１０００℃の温度領域を通過す
る際の温度勾配を小さくすることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態および実施例】本発明は、ＣＺ法に
よって引き上げられる半導体単結晶の熱履歴を遮蔽筒で
簡易に制御する半導体単結晶製造装置および半導体単結
晶の製造方法に関するものである。この製造装置は、引
き上げ中の半導体単結晶を取り囲む遮蔽筒を昇降自在か
つ伸縮自在としたので、前記半導体単結晶の任意の部位
を任意の厚さで包囲することにより、熱履歴を制御する
ことができる。

【００１１】具体的には、遮蔽筒をテレスコピックタイ
プとし、巻き取り用リールに巻き付けたワイヤを内側の
遮蔽筒に繋着したので、前記ワイヤを巻き戻せば遮蔽筒
は伸長し、ワイヤを巻き取れば遮蔽筒は短縮される。こ
れにより、遮蔽筒の半径方向の厚さが変化する。また、
遮蔽筒を縮めた場合は上下方向における遮蔽筒の移動可
能範囲が大きくなる。

【００１２】上記半導体単結晶製造装置を用いて半導体
単結晶を育成する場合、遮蔽筒を伸長させることによ
り、引き上げ中の半導体単結晶を軸方向の広範囲にわた
って遮熱または保温することができ、遮蔽筒が任意の長
さとなるように短縮して任意の高さに移動すれば、引き
上げ中の半導体単結晶の所望の部位を局所的に保温する
ことができる。また、炉内の熱環境に合わせて保温部位
を変更することも可能である。特に、直胴工程では遮蔽
筒の任意の部分が短縮するように巻き取り用リールを駆
動すると、遮蔽筒が部分的に重なり合い、半導体単結晶
に対する保温効果が増大する。従って、前記単結晶が１
２００℃〜１０００℃となる部位に遮蔽筒の重なり合う
部分を位置させることにより、この温度領域を通過する
際の温度勾配を小さくすることができ、ａｓ−ｇｒｏｗ
ｎ欠陥の発生が抑制される。

【００１３】次に、本発明に係る半導体単結晶製造装置
の実施例について図面を参照して説明する。なお、前記
従来の技術で説明した構成要素と同一の構成要素につい
ては、同一の符号を付して、その説明を省略する。

【００１４】図１は半導体単結晶製造装置の概略構成を
示す部分縦断面図である。メインチャンバ１の上端に取
着したアッパチャンバ２には、図示しない昇降機構によ
って上下動する２本の昇降ロッド３が取り付けられ、昇
降ロッド３の下端に第１遮蔽筒４が掛止されている。第
１遮蔽筒４は、図２に示すように円筒の上端外周に２個
の突起部４ａを有し、下端内周にフランジ４ｂを備えて
いる。第１遮蔽筒４は前記突起部４ａにより昇降ロッド
３に掛止される。第１遮蔽筒４の内側には上下両端にフ
ランジを備えた第２遮蔽筒５が摺動自在に挿嵌され、第
２遮蔽筒５の内側には上下両端にフランジを備えた第３
遮蔽筒６が摺動自在に挿嵌されている。前記昇降ロッド
３、第１遮蔽筒４、第２遮蔽筒５、第３遮蔽筒６は、黒
鉛または黒鉛を炭化珪素で被覆したもの、あるいはＭｏ
等の金属からなり、これらを組み合わせて用いてもよ
い。

【００１５】第３遮蔽筒６は、単結晶シリコン７に対し
て所定の隙間を保って単結晶シリコン７を包囲する。ま
た、第３遮蔽筒６の上端にはワイヤ８が繋着され、この
ワイヤ８はプーリ９を介して巻き取り用リール１０に巻
き付けられている。アッパチャンバ２の上面には、巻き
取り用リール１０と同軸上にプーリ１１が取着されてい
る。

【００１６】図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１
では説明の都合上、昇降ロッド３、ワイヤ８、プーリ
９、巻き取り用リール１０を同一平面上に記載している
が、実際には図３に示すように昇降軸ロッド３がワイヤ
８と直角の方向に設置されているので、干渉することは
ない。アッパチャンバの上面には、巻き取り用リール１
０と同軸に取着されたプーリ１１と、図示しないモータ
に直結された駆動用プーリ１２とが設置されていて、ベ
ルト１３を介して駆動用プーリ１２がプーリ１１を回転
させることにより、巻き取り用リール１０が回転する。
なお、図１および図３では第３遮蔽筒６に１本のワイヤ
８を繋着しているが、これに限るものではなく、第３遮
蔽筒６に２〜３本のワイヤを繋着し、これらのワイヤを
それぞれ個別に巻き取り用リールで巻き取るようにして
もよい。また、巻き取り用リールにモータを直結しても
よい。

【００１７】巻き取り用リール１０を回転させてワイヤ
８を巻き取ると、まず第３遮蔽筒６が引き上げられ、こ
れに続いて第２遮蔽筒５、第１遮蔽筒４が順次引き上げ
られ、互いに重なり合った状態になる。また、ワイヤ８
を巻き戻す方向に巻き取り用リール１０を回転させる
と、第３遮蔽筒６および第２遮蔽筒５が下降し、第２遮
蔽筒５の上端が第１遮蔽筒４の下端に掛止された後は第
３遮蔽筒６のみが下降を続ける。第３遮蔽筒６は、その
上端が第２遮蔽筒５の下端に掛止された時点で下降を停
止する。このとき、遮蔽筒は最大限に伸長した状態とな
る。

【００１８】次に、本発明に係る半導体単結晶の製造方
法を製造工程順に説明する。 （１）原料溶解工程 図４に示すように、石英るつぼ１４に塊状の多結晶シリ
コン１５を装填し、ヒータ１６で加熱、溶解する。この
とき、巻き取り用リール１０を駆動してワイヤ８を巻き
取り、第１遮蔽筒４、第２遮蔽筒５、第３遮蔽筒６が互
いに重なり合うようにした後、昇降ロッド３を適度に下
降させる。これにより、各遮蔽筒が多結晶シリコン１５
の上面を被覆するとともに、各遮蔽筒と多結晶シリコン
１５との干渉を回避して石英るつぼ１４を熱効率の良い
位置に固定することができるので、多結晶シリコン１５
は迅速に融液化される。

【００１９】（２）肩工程 図５に示すように、第１遮蔽筒４、第２遮蔽筒５、第３
遮蔽筒６が重なり合った状態のまま昇降ロッド３を上限
まで上昇させる。昇降ロッド３の上昇に伴って巻き取り
用リール１０を駆動し、ワイヤ８を巻き取る。これによ
り、ヒータ１６の熱は遮蔽筒で遮られることなく単結晶
シリコンの肩７ａに放射される。

【００２０】（３）直胴工程 直胴工程の当初は原料溶解時と同様に炉内上方への熱の
放散を防ぎつつ、育成中の単結晶シリコン７に対するヒ
ータ１６の輻射熱を遮らないようにするため、図６に示
すように第１遮蔽筒４、第２遮蔽筒５、第３遮蔽筒６が
互いに重なり合うようにする。このとき、昇降ロッド３
を下降させるとともにワイヤ８を巻き戻して、各遮蔽筒
を単結晶シリコン７の肩７ａより少し高い位置に設置す
ることが望ましい。

【００２１】単結晶シリコン７が成長するにつれて、昇
降ロッド３を徐々に上昇させる。昇降ロッド３の上昇に
伴って第１遮蔽筒４が上昇し、続いて第２遮蔽筒５が上
昇する。このとき、第３遮蔽筒６の位置は変えない。そ
の結果、図１に示したように遮蔽筒全体が伸長し、第２
遮蔽筒５と第３遮蔽筒６とが部分的に重なり合う。この
重なり合った部分が単結晶シリコン７の所定位置、すな
わち単結晶シリコン７の温度領域が１２００℃〜１００
０℃となる部位である。前記部位を第２遮蔽筒５と第３
遮蔽筒６とで包囲することにより、この部位が徐冷さ
れ、他の部位よりも温度勾配が小さくなる。

【００２２】（４）テール工程および冷却工程 テール７ｃの形成においては、直胴７ｂの温度が１００
０℃以下に下がった後、図７に示すようにワイヤ８を徐
々に巻き取りつつ昇降ロッド３を上昇させる。直胴７ｂ
は各遮蔽筒に包囲されて輻射熱が遮られ、速やかに冷却
される。単結晶シリコン７の上昇に伴って各遮蔽筒も昇
降ロッド３の上限位置まで上昇させる。

【００２３】（５）炉内品解体時 単結晶シリコンの引き上げが終了し、炉内品の解体を行
う場合は、図５に示した肩工程の場合と同様に巻き取り
用リール１０を駆動してワイヤ８を巻き取り、昇降ロッ
ド３を上限位置まで上昇させる。これにより解体作業
は、遮蔽筒に妨げられることなく、迅速に行うことがで
きる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、引
き上げ中の半導体単結晶を取り囲む遮蔽筒をテレスコピ
ックタイプとし、伸縮および昇降自在としたので、次の
効果が得られる。 （１）遮蔽筒を部分的に短縮させて重ね合わせることに
より保温効果が増大し、この部分を通過する際の半導体
単結晶の温度勾配が小さくなる。この方法で前記単結晶
における１２００℃〜１０００℃の温度領域を徐冷すれ
ば、ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥密度の低減が容易となり、酸
化膜耐圧特性の優れた高品質の半導体単結晶を製造する
ことができる。また、遮蔽筒を昇降させることにより、
炉内の熱環境に対応した徐冷部位の調節が可能となる。 （２）遮蔽筒を縮めれば上下方向に対する移動可能範囲
が大きくなる。原料多結晶の装填時、肩工程、炉内品解
体時に遮蔽筒を縮めて上昇させておけば、遮蔽筒が作業
の障害とならない。また、短縮した遮蔽筒を原料多結晶
の上端近傍まで下降させておけば、原料溶解時間の短
縮、ヒータ投入電力の低減並びに炉内品の耐用寿命延長
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体単結晶製造装置の概略構成を示す部分縦
断面図で、直胴工程における遮蔽筒の形状を示す。

【図２】第１遮蔽筒の斜視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図４】原料溶解工程における遮蔽筒の位置および形状
を示す部分縦断面図である。

【図５】肩工程および炉内品解体時における遮蔽筒の位
置および形状を示す部分縦断面図である。

【図６】直胴工程当初における遮蔽筒の位置および形状
を示す部分縦断面図である。

【図７】テール工程および冷却工程における遮蔽筒の位
置および形状を示す部分縦断面図である。

【図８】従来の技術による半導体単結晶製造装置の一例
を示す部分縦断面図である。

【符号の説明】

１ メインチャンバ ２ アッパチャンバ ３ 昇降ロッド ４ 第１遮蔽筒 ５ 第２遮蔽筒 ６ 第３遮蔽筒 ７ 単結晶シリコン ８ ワイヤ ９，１１ プーリ １０ 巻き取り用リール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴨川 誠 神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金 属株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引き上げ中の半導体単結晶を取り囲む遮
   蔽筒を備えたチョクラルスキー法による半導体単結晶製
   造装置において、前記遮蔽筒を昇降自在かつ上下方向に
   伸縮自在としたことを特徴とする半導体単結晶製造装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体単結晶製造装置に
   おいて、遮蔽筒を複数個に分割してテレスコピックタイ
   プとし、巻き取り用リールに巻き付けたワイヤを内側の
   遮蔽筒に繋着するとともに外側の遮蔽筒を昇降ロッドに
   掛止し、前記巻き取り用リールの回転により遮蔽筒を伸
   縮させ、昇降ロッドの上下動により遮蔽筒を昇降させる
   ことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体単結晶製造装置を
   用い、巻き取り用リールを駆動して遮蔽筒の任意の部分
   を縮め、遮蔽筒の重なり合った部分で半導体単結晶の特
   定部位を保温し、前記単結晶が１２００℃〜１０００℃
   の温度領域を通過する際の温度勾配を小さくすることを
   特徴とする半導体単結晶の製造方法。