JPH03199190A - シリコン単結晶の引上げ装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は原料添加を行ないながら、回転引上げ法によっ
てシリコン単結晶を育成するための装置および方法に関
するものである。

［従来の技術］ シリコン単結晶体の製造方法として、坩堝内の融液から
結晶を成長させつつ引上げるチョクラルスキー法（ＣＺ
法）が広く行なわれている。

従来、ＣＺ法によりシリコン単結晶体を製造する場合、
通常、目的とする導電型と抵抗値に応じてドーパントの
必要量を秤量し、原料シリコンと混合し同時溶融する方
法がとられている。これよりシリコン単結晶体を引上げ
ると、添加したリン、硼素、アンチモン、砒素などドー
パントの偏析係数が１よりも小さいため、引上げが進む
につれて融液中のドーパント濃度が大きくなる。このた
めシリコン単結晶体中に含まれるドーパント濃度は単結
晶体の頂部側で小さく、末端部側で大きくなり、抵抗値
は頂部から末端部へ向って漸次減少するものとなり、所
望の抵抗値を有するシリコンウェハはシリコン単結晶体
のごく一部からしか得られず、歩留りが悪いものであっ
た。

このような観点から、単結晶引上げ操作時に、坩堝に多
結晶シリコン原料およびドーパントを引上げ量に応じて
補給しながら、単結晶体を連続的に引上げる方法が提唱
されている。このような方法によれば、理論的には、単
結晶引上げ操作時の融液中のドーパント濃度を一定に保
つことができ、得られるシリコン単結晶体の抵抗値分布
が小さくなり、目的とするデバイスに適したウェハの歩
留りが良好になることが考えられる。また、ドーパント
を添加しない場合においても、多結晶シリコン原料を供
給しつつ連続的に引上げを行うと、引上げ条件を一定に
保つことが出来るので、長さ方向の抵抗率以外の特性、
例えば酸素濃度が−様な長尺単結晶が得られる。しかし
ながら実際には、従来の単結晶引上げ装置において単結
晶引上げ操作時に坩堝内に原料を供給すると、融液の対
流が乱される、未溶融の原料が凝固ゾーンに到達するな
どによって、引上げ単結晶の有転位化、多結晶化を＋Ｓ
＜結果となってしまう。また原料添加による融液の温度
変動も大きくなり、成長結晶の品質の均一性が低下して
しまう。

さらに遍近では、このような単結晶体の連続引上げ方法
において、上記のごとき原料の補給にＣ−する引上げ単
結晶の有転位化、多結晶化を防止するために、一部に貫
通部をｈｏする隔壁を坩堝内に配するなどして、坩堝を
２重構造とすることも提唱されている（例えば、特開昭
５６−８８８９６号、特開昭５８−１３０１９５号、特
表昭６２−５０２７９３号、特開昭５８−３６９９７号
など）。さらに実際にこのような２重構造の坩堝を有す
る引］−げ装置を用いてシリコン単結晶を作製した場合
の単結晶の特性あるいは融液中の温度分布なども報告さ
れている（例えば、１９８９年秋季応用物理学会、２９
ａ−Ｖ−１″連続フィード法によるＳｉ単結晶の育成”
、大阪チタニウム製造■　明石義弘ら、１９８９年　秋
季応用物理学会、２９ａ−Ｖ−７“２重ルツボ法におけ
るＳｉ融液とルツボの熱流動数値解析”、三菱金属■中
央研究所　小野直樹ら）。

確かに、このように坩堝内に隔壁を設けて、坩堝内を単
結晶を引上げる凝固ゾーンと添加された原料を溶融する
溶融ゾーンとに区画すれば、溶融ゾーンに補充された原
料の落下により凝固ゾーン中の融液の液面が波立つこと
、未溶融の原料が凝固ゾーンに到達すること、凝固ゾー
ンの融液の温度が変化することなど原料供給に伴う外乱
が小さくなり、上記報告などにも見られるように単結晶
の有転位化、多結晶化を招く虞れは低下するものと考え
られる。

［発明が解決しようとする課題］ ところでＣＺ法において、シリコン単結晶を育成した場
合、シリコン単結晶中には、石英製坩堝あるいは石英製
環状隔壁からシリボン融液中に溶は出した酸素成分が取
込まれることが広く知られている。単結晶中に含まれる
酸素は、該単結晶より作製されたウェハの強度を高めま
たイントリンシック・ゲッタリング作用を与える一方で
、熱処理誘起結晶欠陥の原因となるものであるため、あ
まり高濃度で存在することは好ましくなく、デバイス工
程によっては固溶酸素濃度Ｏｉを１４．５８１０１７ａ
ｔｏｍｓ　／　ｃ　ｍ３以下の値に抑えルコトカ望まれ
る。

しかしながら、上記したように坩堝内に隔壁を設けて２
重構造とした場合、環状隔壁を設けなかった場合と比較
して、得られる単結晶体中の固溶酸素濃度Ｏｆが高くな
る傾向が強く、例えば１５゜５　Ｘ　１０　”ａｔｏｍ
ｓ　／　ｃ　ｍ３以上となることが上記報告などにおい
て示されている。

従って本発明は、長さ方向において均一な抵抗率等の特
性を−６し、かつ固溶酸素濃度Ｏｉが所定濃度以下に保
たれたシリコン単結晶を安定して製造できる新規なシリ
コン単結晶の製造装置および方法を提供することを目的
とするものである。

［課題を解決するための下段コ Ｌ記譜目的は、一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に
配して２市構造とした坩堝を有するシリコン単結晶の引
上げ装置において、引上げられる単結晶の外周面と前記
環状隔壁の内周面との距離Δｄを９５ｍｍ以上に設定し
たことを特徴とするシリコン単結晶の引」二げ装置によ
って達成される。

」二記諸目的はまた、一部に貫通部を右する環状隔壁を
内部に配して２重構造とした坩堝において、原料を溶融
してなる融液を形成し、前記環状隔壁より内方において
融液に種結晶を接触させ引上げてシリコン単結晶体を成
長させつつ、前記環状隔壁よりも外方において原料を補
充し連続的にシリコン単結晶体を引上げる方法において
、引上げられる単結晶の外周面と前記環状隔壁の内周面
との距離Δｄを９５ｍｍ以上としたことを特徴とするシ
リコン単結晶の製造方法によっても達成される。

なお、本発明において原料は必要に応じてドーパントを
含む。

［作用］ このように本発明においては、一部に貫通部を有する環
状隔壁を内部に配して２重構造とした坩堝を何するシリ
コン単結晶の引上げ装置において、引上げられる単結晶
の外周面と前記環状隔壁の内周面との距離Δｄを９５ｍ
ｍ以上に設定したものである。

本発明者らは、２重構造を有する坩堝を用いてシリコン
単結晶を育成した場合において、シリコン単結晶に取込
まれる酸素量が高くなる傾向にある原因を鋭意研究した
結果、次に述べるように、シリコン単結晶が引上げられ
る環状隔壁より内方の融液における対流にその原因があ
ることを解明した。

一般に、シリコン単結晶の引上げ操作において、坩堝内
の融液は、主として側面部から加熱されているため、融
液の温度は、坩堝側壁部近傍よりも坩堝中央部における
方が温度が低いものとなる。

第３図に示すように、坩堝２内に環状隔壁４を配してい
ない構成においては、このような坩堝２内における融液
５の温度差により、坩堝中央部の融液が坩堝の底中央か
ら底面を這って、坩堝の内周面に向い、その後読内周面
に沿って上昇して液面に達する自然対流Ａが生じている
。この対流Ａにより、坩堝２から溶出した酸素を多量に
含む坩堝２内面近傍の融液は、順次液面に達し、該融液
中に含まれる酸素は融液面からＳｉＯとして蒸発するこ
とから、液面近傍部位Ｘにおいて酸素濃度が低くなった
融液となり、引上げられるシリコン単結晶体７の直下の
部位Ｙに至る。従って、このような構成においては、育
成される単結晶体７中に取込まれる酸素濃度が一定濃度
以下に保たれるものと考えられる。なお、単結晶の引上
げ操作においては、単結晶体７中の径方向のドーパント
濃度の均一化、結晶の真直な成長等を図るために、通常
、単結晶体７は回転させているために、融液５の一部に
は坩堝の底面中央部から成長単結晶に向かって」１昇す
る強制対流Ｂも発生していると考えられる。

一方、第４図に示すように坩堝２内に環状隔壁４を配し
た構成においても、融液５の温度は、概して坩堝側壁部
近傍よりも坩堝中央部における方が温度が低いものとな
るために、融液５には自然対流が生じるが、この構成に
おいては、該隔壁４によって坩堝２内が該隔壁４よりも
内方の部位（以下、凝固ゾーン８と称する。）と該隔壁
４よりも外方の部位（以下、溶融ゾーンつと称する。）
とに区画されているために、凝固ゾーン８と溶融ゾーン
９においてはそれぞれ独立した流れが生じる（なお、こ
れらの温度分布および熱流動に関しては、前述した報告
［１９８９年　秋季応用物理学会、２９ａ−Ｖ−７“２
重ルツボ法におけるＳｉ融液とルツボの熱流動数値解析
”、三菱金属■中央研究所　小野直樹ら］においても示
されている。）。すなわち、凝固ゾーン８には、坩堝中
央部の融液が坩堝２の底中央から底面を這って、隔壁４
の内周面に向い、その後読内周面に沿って上昇して液面
付近に達する自然対流Ａ１が生じており、一方、溶融ゾ
ーン９には、隔壁４の外周面近傍から坩堝２の底面を這
って、坩堝２の内周面に向い、その後読内周面に沿って
＝！−昇して液面付近に達する自然対流Ａ０が生じてい
るものである。

なお、このように坩堝２内に隔壁４を配して２市構造と
した構成においても、上記と同様の迎いから、融液５の
一部は坩堝の底面中央部から成長単桔品に向かって上昇
し、強制対流Ｂを形成している。

ここで、第４図に示すように、管状隔壁４の内周面と引
上げられる単結晶体７の外周面とが比較的近接し、その
距離Δｄが短いものである場合、坩堝２の中央部の融液
と隔壁４の内周面近傍の融液との温度差が少なくなるた
め自然対流Ａ、は弱いものとなり、この自然対流Ａ、よ
りも強制対流Ｂの方が大きなものとなると考えられる。

従って、凝固ゾーン８において、引上げられる単結晶体
７のは下の部位Ｙには、側方の液面近傍部位Ｘに形成さ
れた低酸素濃度の融液が自然対流Ａ、によって巻込まれ
ず、坩堝１から溶出した酸素を多量に含む坩堝底部近傍
の融液が強制対流Ｂによって運ばれてくるために、引上
げられる単結晶体７に取込まれる酸素量が高くなってし
まうものと考えられる。

このような観点から本発明者らは、坩堝２内に環状隔壁
４を配して２重構造とした構成において、引上げられる
単結晶体７の直下の部位Ｙに低酸素濃度の融液を存在さ
せるように、該環状隔を４より内方、すなわち凝固ゾー
ン８における融液の対流を調整することを着想し、管状
隔壁４の内周面と引上げられる単結晶体７の外周面との
距離Δｄを前記したような所定の距離以上とすることで
、引上げられる単結晶体７中に取込まれる酸素量を低減
化させることができるとの実証を得、本発明に到達した
ものである。

すなわち、本発明に係わるシリコン単粘品引−Ｌげ装置
においては、第１図に示すように坩堝２内に配された管
状隔壁４の内周面と引Ｊ二げられる単結晶体７の外周面
とが十分離間され、その距離Δｄが９５ｍｍ以上である
ため、坩堝２の中央部の融液と隔壁４の内周面近傍の融
液との温度差が比較的大きなものとなる。このため、第
１図に模式的に示すように、この温度差によって生じる
自然対流Ａｌ、すなわち坩堝２の中央部の融液が坩堝２
の底中央から底面を這って、隔壁４の内周面に向い、そ
の後読内周面に沿って上昇して液面付近に達する対流Ａ
１は、坩堝の中心部に生じる強制対流Ｂよりも十分強い
ものとなり、第３図に示した環状隔壁４を配していない
構成の場合と同様に、引上げられる単結晶体７の直下の
部位Ｙには、側、刃部より前記自然対流Ａ、が十分に流
れ込むものとなる。単結晶体７の側方の液面近傍部位Ｘ
には、前記したように融液中の酸素が液面からＳｉＯと
して蒸発することで低酸素濃度とされた融液が存在する
ために、この低酸素濃度の融液を単結晶体７直下の部ｆ
１′１．Ｙに巻込む自然対流Ａ１が形成されることで、
単結晶体７直下の部位Ｙにおける融液中の酸素濃度は低
いものとなり、単＃ｌ’ｉ品体７に取込まれる酸素量は
低くなるものである。

以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第２図は本発明のシリコン単結品の引−Ｌげ装置の一実
施態様の使用状態における構成を模式的に示すものであ
る。

第２図に示したシリコン単桔品引上げ装置１においては
、６英製坩堝２の内部に、石英製環状隔壁４が上部より
吊下げられて配されており、坩堝２の内部は２　’ｉ′
ＵＣ構造とされている。また、この環状隔壁４の下端部
は坩堝２の底部に接することなく適当な距離をおいて離
間されており、環状隔壁４の内方゛と外方との空間を連
通ずる貫通部３となされている。そして、前記環状隔壁
４より内方が、融液５に種結品６を接触させ引上げてシ
リコン単結晶体７を成長させる凝固ゾーン８とされ、一
方、前記環状隔壁４より外方が、原料供給用管１０より
補充される原料を溶融する溶融ゾーンつとされている。

しかして本発明のシリコン単結品の引上げ装置１におい
ては、引上げられる単結晶体７の外周面と前記環状隔壁
４の内周面との距離Δｄが以下の条件を満たすものとさ
れている。

Δｄ”　（ｄ２　ｄ＋　）／２≧９５ｍｍ（なお、式中
、ｄｌは引上げられるシリコン単結晶体７の所望の直径
であり、またｄ２は環状隔壁４の内径である。） すなわち、距離Δｄが９５ｍｍ未満であると、第４図に
図示するように、溶融ゾーン８における自然対流Ａ１か
弱いものとなり、強制対流Ｂに抗してしまって、引上げ
られる単結晶体７ｉＦｆ−下の部位Ｙに流れ込まないも
のとなり、融液５の所望の対流が形成されない虞れが大
きいためである。

上記のような構成を有する引上げ装置１を用いてドーパ
ントを添加したシリコン単結晶体７を引上げるには例え
ば以下のようにして行なわれる。

シリコン単結晶体７の引上げに先立ち、まず前記坩堝２
内に多結晶シリコン原料および所定量のドーパントを装
填し、この原料を筒状ヒーター１１による加熱によって
溶融して、融液５を形成する。なお、このようにして形
成される引」二げ当初におけるシリコン融液５中のドー
パント濃度Ｃ８１−１１は、例えば、得ようとする単結
晶体７の目的の低値率ρ。に相当する理論ドーパント濃
度Ｃ１、の１／に倍とされる（但しｋはドーパントの偏
析係数である。）。

このように坩堝２内にシリコン融液５が形成された後、
引」二げワイヤ１２を下降させ、引−Ｌげワイヤ１２先
端に取付は金具１３によって固定された種結晶６を、凝
固ゾーン８において融液５に浸け、種結晶６を引上げて
種結晶６先端にシリコン単結晶体７を成長させる。先端
に成長していく結晶の径を絞る操作により無転位化させ
た後、漸次融液温度を低くしであるいは引上げ速度を減
少させて成長結晶を所望する直径ｄ１まで拡径して行き
、所望の直径ｄ、となったら融液温度あるいは引上げ速
度を適宜制御しながら、この直径を保ちつつ所定の長さ
だけ単結晶体７を成長させる。種結晶６より成長したシ
リコン単結晶体７の引上げと」（に、融液５が引上げら
れた重量針だけ減少するので、引上げられた単結晶体７
の重量を引上げワイヤ捲取機１４に取付けられた重量分
析器（図示せず）により検知し、その情報に基づき原料
供給用管１０より多結晶シリコン原料を、単位時間当り
の単結晶引上げ量の（１−ｋ）倍となる量で補充する。

これにより、単結晶体７引上げ操作を通じて融液１中の
ドーパント濃度Ｃ０１，がＣｓ、１／にでほぼ一定のも
のとなる。

ここで、本発明の単結晶引上げ装置においては、前記し
たように管状隔壁４の内周面と引上げられる単結晶体７
の外周面との距離Δｄが９５ｍｍ以上と十分離間されて
いるため、単結晶７が引上げ、られる溶融ゾーン８にお
ける融液には、第１図に模式するような対流が形成され
ており、引上げられる単結晶体７の直下の部位Ｙには、
自然対流Ａによって側方の液面近傍部位Ｘより低酸素含
量の融液が流れ込んでいるために、引上げられる単結晶
体７に取込まれる酸素量は少なく、例えば固溶酸素濃度
Ｏｉを１４．　５　Ｘ　１０ａｔｏｍｓ　／　ｃ　ｍ３
（１１，１ＡＳＴＭ　（Ｆ１２１−７６））以下に安定
して保持し得るものとなる。

このようにして単結晶引上げ操作を続けて行き、引」二
げられた単結晶体７が所望の長さとなったら、従来の単
結晶引上げ方法におけるのと同様に、漸次融液温度を高
くするかあるいは引上げ速度を増加させて成長結晶を縮
径させ、最終的に融液５の液面から成長した単結晶体７
を離すことにより結晶成長を終了させる。

なお、この実施態様においては、坩堝２内に環状隔壁４
を吊り下げて配し、環状隔壁４の下端部と坩堝２の底部
との間隙を、凝固ゾーン８と溶融ゾーン９とを連通ずる
貫通部３とした構成としているが、本発明において用い
られる坩堝の構造としてはこのようなものに限定される
ものではなく、環状隔壁によって坩堝内が該環状隔壁よ
り内方の凝固ゾーンと外方の溶融ゾーンとに区画され、
かつこの隔壁の一部に両ゾーンを連通ずる貫通部が設け
られているものであればいずれでもよく、例えば、上記
実施態様以外にも、下端部の一部に切欠きを有するない
しは下端部近傍に貫通孔を有する環状隔壁を坩堝内に載
置する、あるいは同様の構造を有する環状隔壁を坩堝の
内底部より立設させて一体的に形成したような構成のも
の、また特開昭６３−７９７９０号に開示されるような
凝固ゾーンと溶融ゾーンとを連通ずる貫通部がパイプ状
に形成された構成のものなどであってもよい。

またこの実施態様においては、ドーパントを添加したシ
リコン単結晶が育成されるものであるが、もちろん本発
明はこのようなドーパントを添加しないシリコン単結晶
の育成においても同様に適用できる。さらにこの実施態
様においては、単結晶引上げ操作時において溶融ゾーン
９には多結晶シリコン原料のみを補給するものであった
が、引上げられる単結晶体７におけるドーパント濃度の
均一化を図るために、多結晶シリコン原料と共に、ドー
パントも補給することもできる。なお、このように単結
晶引上げ操作時にドーパントを補充しようとする場合、
補充される原料におけるドーパント濃度Ｃ１は、例えば
、得ようとする単結晶体７の目的の抵抗率ρ。に相当す
る理論ドーパント濃度Ｃｓ、Ｉに等しいものとされ得る
が、もちろんこれに限定されるものではない。

［実施例］ 以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

第１図に示すような構成の引上げ装置において、以下に
示すように各種の条件下においてシリコン単結晶を引上
げた。

すなわち、まず、内径４６０ｍｍの坩堝１内に第１表に
示す内径ｄ２を存する環状隔壁４を品り下げて２重構造
とした。

この２重構造を有する坩堝２内に多結晶シリコン原料お
よびドーパントとしての硼素を所定量充填し、溶融して
融液５を形成した。そして、環状隔壁４内方の凝固ゾー
ン８より第１表に示す直径ｄ１のシリコン単結晶を１．
３ｍｍ／分の引上げ速度で引」−げる一方、環状隔壁４
外方の溶融ゾーン９には、融液５中のドーパント濃度が
一定となるように多結晶シリコン原料を原料供給用管１
０より連続添加した。

そして、得られた単結晶体７中の固溶酸素濃度Ｏｉを旧
ＡＳＴＭに基づき測定した。結果を第１表に示す。

第１表に示す結果から明らかなように、引上げられる単
結晶体７の外周面と前記環状隔壁４の内周面との距離Δ
ｄを９５ｍｍ以上とした場合には、粘品回転数、坩堝回
転数等の条件を適当なものとすれば１４．　５　Ｘ　１
０１７ａｔｏｍｓ　／　ｃ　ｍ３以下の固溶酸素濃度と
することが可能である。

第１表 ［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、一部に貫通部を有す
る環状隔壁を内部に配して２重構造とした坩堝を有する
シリコン単結晶の引上げ装置において、引上げられる単
結晶の外周面と前記環状隔壁の内周面との距離Δｄを９
５ｍｍ以上に設定したことにより、固溶酸素濃度Ｏｉが
所定濃度以下に保たれたシリコン単結晶を安定して育成
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリコン単結晶の引上げ装置の坩堝内
における融液の対流を模式的に示す図、第２図は本発明
のシリコン単結晶の引上げ装置の一実施態様の使用状態
における構成を模式的に示す図であり、また第３図およ
び第４図はそれぞれ従来の引」二げ装置の坩堝内におけ
る融液の対流を模式的に示す図である。 Ａ、Ａ、、Ａ、・・・自然対流、Ｂ・・・強制対流、Ｘ
・・・シリコン単結晶体側方の液面近傍部位、Ｙ・・・
シリコン単結晶体直下の部位、１・・・シリコン単結晶
引上げ装置、 ２・・・石英製坩堝、３・・・貫通部、４・・・石英製
環状隔壁、５・・・融液、６・・・種結晶、７・・・シ
リコン単結晶体、８・・・凝固ゾーン、９・・・溶融ゾ
ーン、１０・・・原料供給用管、１１・・・筒状ヒータ
ー　１２・・・引上げワイヤ、１３・・・取付は金具、
１４・・・ワイヤ捲取機。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に配して２
   重構造とした坩堝を有するシリコン単結晶の引上げ装置
   において、引上げられる単結晶の外周面と前記環状隔壁
   の内周面との距離Δｄを９５ｍｍ以上に設定したことを
   特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。
2. （２）一部に貫通部を有する環状隔壁を内部に配して２
   重構造とした坩堝において、原料を溶融してなる融液を
   形成し、前記環状隔壁より内方において融液に種結晶を
   接触させ引上げてシリコン単結晶体を成長させつつ、前
   記環状隔壁よりも外方において原料を補充し連続的にシ
   リコン単結晶体を引上げる方法において、引上げられる
   単結晶の外周面と前記環状隔壁の内周面との距離Δｄを
   ９５ｍｍ以上としたことを特徴とするシリコン単結晶の
   製造方法。