JPH0380182A - シリコン単結晶の製造方法 - 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、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の
製造方法に関するものである。

［従来の技術とその課題］ ヂョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造法は従
来から行われており、はぼ完成された技術となっている
。

この技術は周知のように石英製のるつぼ内に溶融したシ
リコンを入れ、シリコン種結晶をこの溶融液表面に接す
ると同時に回転させながら徐々に引き上げると、引き上
けられたシリコン単結晶と溶融液表面の接触面の凝固と
共にシリコン単結晶か成長し、これにより円柱状のシリ
コン単結晶を得られるようにしたものである。この時、
目的に応してシリコン単結晶をＰ型またはＮ型の半導体
にするため、溶融シリコン中に適量のボロン、アンチモ
ン、リン等のトープ材を混入している。これらの１−一
プ材かシリコン溶融液から結晶中に取り込まれる割合（
偏析係数）は］より小さい。シリコン単結晶中のドープ
材濃度はその抵抗率を決定するのでシリコン単結晶中で
一定であることか望ましい。

また、上記のようにシリコン単結晶内に意識的に取り込
まれたドープ材以外に、製造上不可避的に混入される酸
素の存在も大きな影響がある。すなわち、シリコン単結
晶内に取り込まれた酸素濃度は半導体製品の特性や歩留
まりを大きく左右するので、やはり、シリコン単結晶の
上部から下部まで均一であることが望ましい。

ところが、シリコン単結晶の引き上げが進むに従ってる
つぼ内の溶融液が減少し、上記不純’Ｊ”Ａ　ｉＦＡ度
が変化してしまう。即ち、トープ材の偏析係数が１より
小さいためにシリコン溶融液中のドープ材濃度は次第に
高くなり、その結果、シリコン単結晶中のドープ材濃度
がシリコン単結晶上部から下部に向かって変化してしま
う。また、シリコン溶融液中の酸素濃度は石英るつぼか
らシリコン溶融液に溶出する酸素量に依存するためシリ
コン溶融液の減少とともにシリコン単結晶に取り込まれ
る酸素濃度も変化してしまう。

上記のように、引き上げられたシリコン単結晶の品質は
引き上げ方向に沿って変動している。ところが、実際に
ウェーハとして使用される製品はある限られた範囲のド
ープ材濃度及び酸素濃度に限られる。その結果、引き上
げられたシリコン単結晶から製品として使用できる範囲
はこぐ限られたものであった。

このような問題を解決するためにいくつかの方法か提案
されているが、実用上可能と考えられる代表的な方法と
して二重構造のるつぼを用いたものがある。すなわち、
外周から加熱し得る同心円状のるつぼであって、その外
側のるつぼの融液と内側の融液とか壁によって隔てられ
てはいるが相互に連絡されるように構成され、かつこの
中央から半導体を引き出すと同時にこの外側の融液に半
導体材料を供給する方法が、特公昭４０−１０１８４に
よって公知となっている。

第４図は従来の二重構造のるつぼを用いたシリコン単結
晶の製造装置を模式的に示した図である。るつぼ２２と
仕切部材２３とを高純度石英で一体に構成したるつぼで
ある。２５は仕切部材２３の外側（以下原料供給部Ｂと
いう）と内側に（以下単結晶育成部Ａという）入れられ
たシリコン溶融液、２６は単結晶育成部Ａの溶融液２５
から引き上げられたシリコン単結晶である。仕切部材２
３の下部には原料供給部Ｂと単結晶育成部Ａとの間にシ
リコン溶融液２５が流動するための小孔２４が開けられ
ている。

第４図（ａ）はハツチ式のシリコン単結晶の製造装置で
ある。単結晶育成部Ａには所定のドープ材濃度を有した
シリコン溶融液２５が入れられており、原料供給部Ｂに
はドープ材を含まないシリコン溶融液２５が入れられて
いる。単結晶育成部Ａからシリコン単結晶２６を引き上
げると共に、前記小孔２４により原料供給部りから単結
晶育成部Ａに向かってシリコン溶融液２５が流入するこ
とにより、単結晶育成部Ａ中のドープ材濃度か常に一定
になるようにしたものである。

また、第４図（ｂ）は単結晶育成部Ａからシリコン単結
晶２６を引き上げつつ、原料供給管２８から原料供給部
Ｂに粉末状原料２９を連続的に供給するようにしたちの
て、これらはいずれも単結晶育成部Ａの溶融液中のドー
プ材濃度を一定にすることを目的としたちのて゛ある。

第５図は従来のシリコン単結晶の製造装置の原料装入時
の模式的に示した断面図である。シリコン単結晶の製造
装置は鋼鉄製のチャンバー８内に納められている。二重
構造のるつぼを用いてシリコン原料３を溶解する時るつ
ぼ測面に配設した側面ヒーター６でシリコン原料３を加
熱する。るつぼ側面から単結晶育成部Ａ対する熱エネル
ギーの投入は、原料供給部Ｂを介して間接的に行われる
ため、−重構造のるつぼを用いた場合に比べて入熱効率
が悪い。従って単結晶育成部Ａを単結晶育成可能温度に
するためには、原料供給部Ｂを高温に保持する必要があ
る。一方、るつぼ材質である石英は温度１］００℃以上
て軟化が始まり、高温になれはなるほと柔らかくなるの
て、石英るつぼか変形を生ずることかある。特に上記の
二重構造のるつぼを用いた場合、原料供給部Ｂか高温に
保持されているので、二重構造るつぼは自身の自重によ
り変形を生じやすい。このことは単結晶育成部Ａ内に装
入されたシリコン原料３を加熱溶解するときがもっとも
深刻である。即ち、シリコン単結晶製造プロセス中、加
熱溶解の時が最も大きな投入熱量を必要とするからであ
る。シリコン原料３が完全に溶解した後は、その融液維
持のための熱量は比較的小なくてすむため、シリコン単
結晶育成中に仕切部材１１が変形することはほどんとな
い。

仕切部材１１が変形してしまうと、仕切部材１１の形状
か真円てなくなるために、シリコン単結晶引き上げ中に
るっぽ］を回転させた場合にシリコン溶融液の揺動を引
き起こしたりする。また、原料を連続供給する場合には
、原料供給部Ｂの間隙か部分的に狭くなり投入されるシ
リコン原料の供給が困難になるという問題が生じていた
。

この問題を解決するために石英るつぼ」二部に補強リン
クを設（つる方法（特開昭６４−７６９９２号公報）が
ある。しかし、この方法ではるつぼ」二部に補強リンク
が取りイ１けられるので、るつぼ上部の変形は防止でき
るが、るつぼ自身の自重と原料供給部Ｂの溶融液の高温
化による仕切部材１］の鉛直方向の変形及びそれに伴う
仕切部材１］下部の円周方向の変形は防止できない。さ
らに、この方法ては投入されるシリコン原料の供給を行
う時には支障が生じたり、材質によっては補強リンクか
らの不純物がるつぼ中のシリコン溶融液に混入する可能
性かある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものて、るつほお
よび仕切部材の変形か防止され、安定した品質の単結晶
か育成されるシリコン単結晶の製造方法を提供しようと
するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン
溶融液か一方向に移動し得るように小孔が貫通された仕
切部材て、るつぼを内、外に仕切り、るつぼを１Ｔ８１
転しなから前記仕切部材の内側から単結晶を引き挙げて
シリコン単結晶を製造する方法において、るつぼの外周
部を上方から、前記仕切部材の内側の一部まて断熱蓋で
覆い、該るつぼの側面に第１の発熱体および該るつぼの
下方に第２の発熱体をそれぞれ独立に発熱量か制御でき
るように設け、該るつぼ内に装入したシリコン原料を加
熱融解するときは、第１の発熱体および第２の発熱体を
用い、第２の発熱体に使用する電力は全加熱電力の１０
％乃至６０％とし、シリコン原料の融解後は第■の発熱
体だけを用いて単結晶を育成することを特徴とする。

［作用コ るつぼ内に装入されたシリコン原料を加熱溶融する工程
において、第２の発熱体を使用することにより、第１の
発熱体の投入電力を低減てきる。

このため、第１の発熱体のみを使用した場合に比べると
、るつぼ下方から単結晶育成部Ａへの直接入熱量が大き
くなり、原料供給部Ｂを高温化することなくシリコン原
料を融解することかできる。

これに加えて本発明では、るつぼの上方を、前記仕切部
材の内側に及ぶ範囲にわたって覆う断熱蓋を使用するの
で、全投入電力を低減させ、Ｗ：、料供給部Ｂの高温化
をさらに抑制することができる。その結果、仕切部材ま
たはるつぼ底面の軟化とそれに伴う変形を防止すること
かできる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を模式的に示したを示す断面
図である。第１図で、従来のシリコン単結晶の製造装置
を示す第５図と同じ部分は同一の符号を使用している。

第１図で、１は石英るっほて、黒鉛るっぽ２の中にセッ
トされており、黒船るつは′２はペデスタル９上に上下
動および回転可能に支持されている。３は石英るつぼ１
内に入れられたシリコン原料で、これから柱状に育成さ
れたシリコン単結晶が引き上げられる。６は黒鉛るつぼ
２を取り囲む第１の発熱体、７はこの第１の発熱体を取
り囲むホットソーン断熱材で、その外側は鋼鉄製のヂャ
ンバ−８て取り囲まれている。これらは通常のチョクラ
ルスキー法によるシリコン単結晶引き−）二＋１装置と
基本的には同しである。１土は高純度の石英からなる円
筒状の仕切部材て、第１図に示すように高さ方向のほぼ
中央部から下の領域には、少なくとも１個の小孔１２が
貫通されている。

］３はるつは下方に配置された第２の発熱体て、本実施
例では高純度黒鉛材質のヒーターを使用した。

また、］４は断熱蓋で、本実施例ては単結晶引き」−げ
のために中心部が開口された１〜−−ナラ状になってお
り、　０．３ｍｍ厚のモリフテン板をＩ！Ｒ熱のため間
隔をあけて積層したものとした。この断熱蓋］４により
、るつぼの上方は、仕切り部材の外部と内部の５０％か
覆われることになる。

以上のように構成された本実施例の作用について説明す
る。るつぼ］内にシリコン原料を３０ｋｇ装入して、第
１の発熱体６に１．ＯＯＫｗ、第２の発熱体］３に２０
Ｋｗの電力を入力し、シリコン環ｉｓ＋３を溶解した。

この時の第１の発熱体６および第２の発熱体］３の使用
電力は従来に比へて１．５　Ｋｗの低減となった。

第２図はシリコン原料の加熱溶解が完了した後、シリコ
ン単結晶を引き上げる場合のシリコン単結晶の製造装置
を示す断面図である。この図においてシリコン原料か完
全に溶解した後、第２の発熱体］３の電源を切り、第１
の発熱体６の出力を調整してシリコン溶融液４の温度を
シリコン単結晶５の結晶成長を行う電力で安定させた。

この時仕切部材１］はほとんと変形を起こしていなかっ
た。

第３図に第２の発熱体電力の全電力に対する比と仕切部
材の変形量との関係を示す。前記変形量は、使用前後の
上縁の形状を比較して、使用前の真円からの最大のずれ
をｍｍ単位で示しである。なお、前記真円の直径は３５
　、５ｍｍである。この図に示されているように、第２
の発熱体電力の全電力に対する比が１０％未満および６
０％超では前記変形量か著しく増大するのて、前記比は
］、０％乃至６０％が望ましい。さらに好ましくは２０
％乃至５０％の範囲とすることが望ましい。

また、断熱蓋１４がるつぼ上方を覆う割合は、仕切部材
１］の内側部分の面積に対して］５％以上あれば、保温
の効果あり、８７％以」二なると引き」二げられるシリ
コン単結晶に対して断熱蓋か障害になる。

シリコン原料の溶解後、シリコン種結晶を仕切部材１１
の内側のシリコン溶融液４の液面に接触させる。シリコ
ン種結晶かシリコン溶融液４の液面で凝固したとき、る
つぼ１を回転さぜなから徐々に引き上げると、シリコン
種結晶が成長し、円柱状のシリコン単結晶５か得られる
。この間、シリコン溶融液４は仕切部材］１の小孔１２
を通って静かに移動する。この間、仕切部材１１の変形
はほとんどなく、操業に支障を来すことはなかった。ま
た、シリコン原料の連続装入、シリコン単結晶の連続引
き上げの場合においても、仕切部材１１の内外のシリコ
ン溶融液が小孔１２を通して静かに移動し、シリコン溶
融液の液面レベルは同一レベル保持され、仕切部材１１
の変形はほとんど見られなかった。

［発明の効果コ この発明は二重構造のるつぼを用いたシリコン単結晶製
造方法において、るつぼ内に装入したシリコン原料を加
熱融解するとき、るつぼの側面の第１の発熱体及びるつ
ぼの下部の第２の発熱体を使用し、さらにるつぼの外周
部を上方から断熱蓋で覆うので、仕切部材およびるつぼ
下部の高温化を抑えることができ、仕切部材の変形が防
止できる。即ち、シリコン単結晶の引き上けの安定化に
対する本発明の効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例のシリコン単結晶の製造装置を示す縦
断面図、第２図は本実施例のシリコン原料の加熱溶解が
完了した後のシリコン単結晶の製造装置を示す縦断面図
、第３図は第２の発熱体電力の全電力に対する比と仕切
部材の変形量との関係を示すクラフ図、第４図乃至第５
図はそれぞれ異なる従来のシリコン単結晶の製造装置を
示す縦断面図である。 ］・・るつは、２・・黒鉛るつぼ、 ３　シリコン原料、４・シリコン溶融液、５・シリコン
単結晶、６・・・第１の発熱体、７・・ホラ）−ソーン
断熱材、８　チャンバ９　ペテスタル、１１・仕切部材
、１２・小孔、］３　第２の発熱体、］４・断熱蓋。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン溶融液が一方向に移動し得るように小孔が貫通
   された仕切部材で、るつぼを、内、外に仕切り、るつぼ
   を回転しながら前記仕切部材の内側から単結晶を引き挙
   げてシリコン単結晶を製造する方法において、 るつぼの外周部を上方から、前記仕切部材の内側の一部
   まで断熱蓋で覆い、該るつぼの側面に第１の発熱体およ
   び該るつぼの下方に第２の発熱体をそれぞれ独立に発熱
   量が制御できるように設け、該るつぼ内に装入したシリ
   コン原料を加熱融解するときは、第１の発熱体および第
   ２の発熱体を用い、第２の発熱体に使用する電力は全加
   熱電力の１０％乃至６０％とし、シリコン原料の融解後
   は第１の発熱体だけを用いて単結晶を育成することを特
   徴とするシリコン単結晶の製造方法。