JPH06340490A - シリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】引上げ中、シリコン単結晶の温度勾配の調整に
より熱履歴を改善し、酸化膜耐圧特性に優れたシリコン
単結晶を製造する装置を提供する。 【構成】坩堝内の溶融液７の上方の単結晶引上げ域の周
囲に配設された上方から下方に向かうに従って縮径され
た逆円錐状遮蔽部材８と、上記部材８の上端に密接し、
その外径とほぼ一致する内径を持ち、部材８と同軸に配
設される円筒状遮蔽部材10とを有し、さらに上記部材８
の内部には断熱材９が封入され、上記部材10の外周には
断熱材11が被覆されていることを特徴とするシリコン単
結晶製造装置。上記の部材８および部材10は黒鉛製と
し、断熱材９および断熱材11を炭素繊維製とし、断熱材
９の厚さは10mm以下、断熱材11の厚さが10mm以上で、か
つ後者は前者の 2.0倍以上の厚さであるのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン単結晶の製造
装置に関し、より詳しくは、酸化膜耐圧特性に優れたシ
リコン単結晶の製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶の製造方法は種々あるが、なかで
も、シリコン単結晶の製造に関し、工業的に量産が可能
な方式で広く利用されているものとしてチョクラルスキ
ー法がある。

【０００３】図５は、このチョクラルスキー法の実施状
態を示す縦断面図であり、同図中２は坩堝である。坩堝
２の外側には加熱ヒーター３および保温材４が配設され
ており、坩堝２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７が収容されて
いる。その溶融液７の表面に引上げ棒又はワイヤの先に
取り付けた種結晶５の下端を接触させ、この種結晶５を
上方へ引き上げることによって、その下端に溶融液７が
凝固した単結晶６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１内に収納され、全体とし
てシリコン単結晶製造装置を構成している。

【０００４】単結晶の量産化にあたり、引上げ速度は結
晶の引上げ方向における温度勾配に大きく依存してい
る。ここで、温度勾配は引上げ結晶が冷却される速度で
あって、結晶の単位長さ（１cm）当たりの冷却される温
度差（℃）を示し、結晶の凝固後であって特定の温度域
における冷却開始から冷却終了までの平均温度勾配（℃
/cm)として表される。従って、引上げ速度を速くするに
は、冷却速度、即ち、結晶の温度勾配を大きくする必要
がある。しかし、図５に示した装置では単結晶６の周囲
には坩堝２、加熱ヒーター３および溶融液７等の輻射熱
源があり、これらから受ける輻射熱が大きいため、結晶
の引上げ方向における温度勾配が小さくなり、引上げ速
度を速くできなかった。

【０００５】また、単結晶６の引上げ中は金属チャンバ
ー１内に常時高純度のアルゴンガスを流している。これ
はシリコン溶融液７の表面から蒸発する一酸化珪素(Si
O) を伴って、下方の図示しない排出口から排出するた
めである。ところが、金属チャンバー１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１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５の表面上に落下する。

【０００６】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。

【０００７】引上げ速度を速め、無転位結晶を成長させ
る対策として、従来より下記の装置が提案されている。

【０００８】図２は特公昭57-40119号公報によって提案
されている装置である。この装置は、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、内側の縁から下方に傾斜して円錐状に先
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。

【０００９】図３は特開昭63-256593 号公報に開示され
ている装置であり、上側から下側に向かうに従って縮径
された筒状の金属製遮蔽部材８と、この金属製遮蔽部材
８に付設された冷却手段8aと、金属製遮蔽部材８の外周
面を溶融液からの蒸発物および輻射熱源から遮蔽すべく
外側に所要の間隙を隔てて配設された筒状の遮蔽部材９
とを具備することを特徴としている。

【００１０】前述した従来の装置は、一酸化珪素微粉の
シリコン溶融液への落下防止、および輻射熱遮蔽効果に
よる結晶引上げ速度の向上には一定の効果を奏する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＭＯＳデバイス
集積度の増大に伴い、単結晶引上げ後加工されるシリコ
ンウエーハに種々の特性が要求されている。特に、ＤＲ
ＡＭの集積回路の微細化に伴いゲート酸化膜の薄膜化が
進み、電源電圧が定圧単一のもとでは、ゲート酸化膜に
ストレスとして加わる印加電界強度が高くなっているた
め、ゲート酸化膜の信頼性が強く望まれている。酸化膜
耐圧はその信頼性を決定する重要な材料特性の一つであ
るため、酸化膜耐圧特性に優れた単結晶およびその製造
技術の開発が急務となっている。しかし、前述した従来
の装置には、この酸化膜耐圧特性に優れた単結晶の製造
に関しては問題があった。

【００１２】酸化膜耐圧特性を劣化させる欠陥の形成機
構の詳細は未だ不明である。しかし、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) では成長するとの報告があ
る（第３９回春季応用物理学会予稿集、30P-ZD-17 参
照) 。

【００１３】図２に示す装置では、引上げ結晶の周囲に
配設した円錐台形筒状の連結部8bの内部高さが坩堝の深
さの 0.2〜1.2 倍と低いことから、引上げ過程の結晶は
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未だ高温領域にある中に急冷さ
れ、欠陥核が収縮されることなく単結晶が成長するた
め、酸化膜耐圧特性が低下してしまうことになる。

【００１４】一方、図３に示す装置では、金属製遮蔽部
材８に冷却水管の如き冷却手段8aを付設しているため、
結晶の温度勾配は大きくなり、引上げ速度は一層速くな
るが、引上げ結晶は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。

【００１５】従って、従来の単結晶製造装置は、前記の
ようにＭＯＳデバイス集積度の増大に伴い要求される酸
化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶の製造に適用しえ
ないという問題を有していた。本発明はこの問題に鑑
み、結晶の温度勾配を調整し、シリコン単結晶が受ける
熱履歴を改善することにより、酸化膜耐圧特性に優れた
シリコン単結晶を製造する装置を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、例えば図１に
示すような下記のシリコン単結晶製造装置を要旨とす
る。

【００１７】成長させるべき単結晶の溶融液を収容する
坩堝２と、溶融液を加熱する手段３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５と、前記各部材を収納する金属チャンバー１とを
具備する単結晶製造装置であって、 坩堝内の溶融液７の上方の単結晶引上げ域の周囲に配
設された上方から下方に向かうに従って縮径された逆円
錐状遮蔽部材８と、 上記逆円錐状遮蔽部材８の上端に密接し、その外径と
ほぼ一致する内径を持ち、逆円錐状遮蔽部材８と同軸に
配設される円筒状遮蔽部材10とを有し、 さらに上記逆円錐状遮蔽部材８の内部には断熱材９が
封入され、 上記円筒状遮蔽部材10の外周には断熱材11が被覆され
ていることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。

【００１８】上記の逆円錐状遮蔽部材８および円筒状遮
蔽部材10は黒鉛製とし、この逆円錐状遮蔽部材に封入さ
れる断熱材９および円筒状遮蔽部材の外周に被覆される
断熱材11を炭素繊維製とするのが望ましい。また、前者
の断熱材９の厚さは10mm以下、後者の断熱材11の厚さが
10mm以上で、かつ後者の断熱材は前者の 2.0倍以上の厚
さであることが望ましい。

【００１９】

【作用】本発明者は、酸化膜耐圧特性に優れたシリコン
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。

【００２０】 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は、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
配を小さくするように調整すれば可能である。

【００２１】 結晶の引上げ方向における温度勾配
は、逆円錐状遮蔽部材の表面温度と密接な関係がある。
即ち、逆円錐状遮蔽部材の表面温度が低ければ、結晶の
温度勾配は大きくなり、逆円錐状遮蔽部材の表面温度が
高ければ、結晶の温度勾配は小さくなる。

【００２２】 逆円錐状遮蔽部材の表面温度を高温に
保持するには、逆円錐状遮蔽部材を外周から囲撓する円
筒状遮蔽部材を設けることが有効である。これは円筒状
遮蔽部材によって、水冷式金属チャンバーへの輻射伝熱
による熱放出を少なくできるからである。

【００２３】 更に、輻射伝熱による熱放出を減少さ
せるには、円筒状遮蔽部材の外周を断熱材で被覆するこ
とが、一層有効である。この場合、逆円錐状遮蔽部材の
表面温度は高温に保持されるが、例えば、熱伝導率が大
きな黒鉛製逆円錐状遮蔽部材を使用した場合、その温度
は著しく高温になり、必要以上に引上げ速度を低下させ
てしまうことになる。このため、所定の引上げ速度を保
ちつつ結晶の温度勾配を調整するには、逆円錐状遮蔽部
材に断熱材を挿入することが効果的である。

【００２４】 また、逆円錐状遮蔽部材の表面温度を
高温に保持するすることにより、シリコン溶融液から蒸
発する一酸化珪素が逆円錐状遮蔽部材の外周表面に析出
することを抑制し、一酸化珪素の析出物である微粉また
は塊が溶融液の表面に落下することを防止できる。

【００２５】本発明は以上の知見に基づき完成されたも
のである。以下、図面によって本発明のシリコン単結晶
製造装置を詳しく説明する。

【００２６】図１は本発明の装置を示す縦断面図であ
る。図中２は坩堝であり、坩堝支持軸2a上に設置され
る。この坩堝支持軸2a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１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１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２が配
設されている。坩堝２の外周にはこれを囲んで加熱ヒー
ター３および保温材４が配設されている。一方、坩堝２
の上方には、金属チャンバー１の天井部中央から引上げ
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５が装着されている。種結晶５は引上げ軸の回
転につれて回転しつつ上昇し、溶融液７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】本発明装置の一つの特徴は、引上げ軸と同
軸に逆円錐状遮蔽部材８が、坩堝２内の溶融液７の上方
の単結晶６の引上げ域の周囲に配設されていることであ
る。

【００２９】この形状は上方から下方に向かうに従って
縮径された逆円錐状の筒である。更に、本発明装置の他
の特徴は、この逆円錐状遮蔽部材８の上端に密接し、そ
の外径とほぼ一致する内径を持つ円筒状遮蔽部材10が、
逆円錐状遮蔽部材８と同軸に設けられていることであ
る。この円筒状遮蔽部材10の厚さは、およそ10mm程度で
よい。

【００３０】これらの逆円錐状遮蔽部材８および円筒状
遮蔽部材10は、黒鉛製であることが望ましい。引上げ域
の温度が輻射熱により最高1500℃程度の高温になるの
で、高温強度が高く、かつ高純度で、含有する重金属に
よる引上げ結晶の汚染のおそれのない黒鉛が望ましいの
である。

【００３１】前記の逆円錐状遮蔽部材８は二重構造で、
全体の厚みは５mm〜20mm程度のものであり、内部に逆円
錐状遮蔽部材８とほぼ同形の断熱材９が封入されてい
る。断熱材９を封入するのは、結晶の温度勾配を適切に
調整するためである。断熱材９を封入しない逆円錐状遮
蔽部材８の表面温度は高温となり、結晶の温度勾配は著
しく小さくなる。発明者の実験によれば、引上げ速度を
確保するとともに、酸化膜耐圧特性の優れた単結晶を成
長させるには、断熱材９の厚みは２mm〜10mmの範囲が望
ましい。

【００３２】更に、前記の円筒状遮蔽部材10の外周は断
熱材11によって被覆されている。断熱材11の厚さは、水
冷式金属チャンバーへの輻射伝熱による熱放出を削減す
るため、厚く被覆するほど有効であるが、実用上は10mm
〜 100mmで十分である。更に、断熱材11の厚さは、断熱
材９の厚さの 2.0倍以上であるのが望ましい。その理由
について未だ理論的根拠は見出し得ないが、実験結果に
よれば、断熱材11の厚さが断熱材９の厚さの 2.0倍以下
であると、高温領域および低温領域での温度勾配が大き
くなるためである。

【００３３】また、断熱材９および断熱材11は炭素繊維
製であることが好ましいが、これは炭素繊維は熱伝導率
が十分に小さく、高純度材の製造が可能であるため、断
熱効果を確保しつつ、引上げ結晶を重金属汚染から防ぐ
ことができるからである。

【００３４】

【実施例】以下、本発明のシリコン単結晶製造装置の一
実施例を、図面に基づいて説明する。

【００３５】図１に示す本発明の製造装置において、逆
円錐状遮蔽部材８の寸法を厚さ10mm、高さ 380mmとし、
上端部内径 400mm、下端部内径 200mmとし、これに封入
する断熱材９の厚さは５mmとした。円筒状遮蔽部材10
は、その厚さを10mmとし、逆円錐状遮蔽部材８の上端部
外径で密接し、その内径は逆円錐状遮蔽部材８の上端部
外径と一致させている。円筒状遮蔽部材10を被覆する断
熱材11の厚さは10mmとし、この断熱材11の厚さと前記断
熱材９の厚さの比 (断熱材11の厚さ/ 断熱材９の厚さ)
を 2.0としている。

【００３６】引き上げられる単結晶６は直径６インチの
シリコン単結晶であって、坩堝２は内径 457mm（18イン
チ）のものを使用し、坩堝２内に結晶形成用の固体原料
である塊状、チップ状または顆粒状の多結晶シリコンを
50Kg充填した。金属チャンバー１内に流入するアルゴン
ガス流量は60リットル/minとし、引上げ速度は 1.0mm/m
in、引上げ長さは1000mmとした。

【００３７】更に、本発明の実施例として、断熱材11の
厚さと断熱材９の厚さの比( 断熱材11の厚さ/ 断熱材９
の厚さ) を 4.0および1.25とした条件で引上げを行うと
ともに、本発明の実施例と比較のため、比較例４〜６と
して表１に纏めた条件で引上げを実施した。

【００３８】図４は、単結晶６に熱電対12を挿入した図
である。引上げ中の結晶の温度勾配は、この熱電対12に
よって実測した。その時の高温領域(1300 ℃近傍) およ
び低温領域(1100 ℃近傍) の温度勾配の測定結果を表１
に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１から、本発明例の遮蔽部材および断熱
材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、特に高温領域において小さい値となってい
る。

【００４１】しかし、断熱材11の厚さと断熱材９の厚さ
の比が 2.0以下になると、単結晶の温度勾配は若干大き
くなる。

【００４２】本製造装置によって引き上げられた６イン
チのシリコン単結晶に、スライス、ポリッシングなど通
常シリコンウエーハを工業的に製造するために必要な処
理を施し、更に、酸化膜耐圧特性を評価するために、シ
リコンウエーハの表面に酸化膜を被覆した後、ゲート電
極を構成した。酸化膜の被覆は酸化性雰囲気で熱処理す
る熱酸化による方法であり、膜厚25nmのドライ酸化膜と
した。また、ゲート電極は燐（Ｐ）ドープの多結晶シリ
コンで構成し、その面積は8mm²としている。

【００４３】このシリコンウエーハの酸化膜耐圧特性の
評価は、酸化膜の電気的評価法である電圧ランピング法
によっている。この方法は、ゲート電極を構成したシリ
コンウエーハに、１ｖステップ毎に印加電圧を増加し、
リーク電流を測定するものである。

【００４４】シリコンウエーハ面内に通常 100〜 150箇
所の測定点を設けて、個々の酸化膜の絶縁破壊判定とシ
リコンウエーハの良否判定とで評価を行う。酸化膜の絶
縁破壊判定ではリーク電流密度12.5μA/cm² 以上を測定
すると絶縁破壊と判定する。

【００４５】また、シリコンウエーハの良否判定は平均
電界８Ｍｖ／cm以下で絶縁破壊した測定点は不良と判定
することとし、ウエーハ面内の良品箇所の比率で良品率
を表している。一般に、酸化膜耐圧特性の評価はシリコ
ンウエーハの良品率に依っている。

【００４６】以上のシリコンウエーハの良品率の測定結
果を表２に示すが、測定結果の比較を明確にするため、
本発明の装置であって、断熱材11の厚さと断熱材９の厚
さの比を 2.0とした本発明例１の条件で製造した単結晶
のシリコンウエーハの良品率を1.0 として表している。

【００４７】

【表２】

【００４８】表２から、比較例ではいずれも良品率は低
くなっているが、本発明例の遮蔽部材および断熱材の条
件で引上げられた単結晶では良品率が高くなっている。
だが、本発明例のなかでもNo３は、若干低い良品率とな
っている。従って、円筒状遮蔽部材の外周に被覆される
断熱材の厚さが、逆円錐状遮蔽部材に封入される断熱材
の厚さの 2.0倍以上であることが望ましといえる。

【００４９】また、本発明の製造装置で引上げられた何
れの単結晶において、一酸化珪素の析出物による有転位
化の問題は生じなかった。

【００５０】

【発明の効果】本発明の単結晶製造装置は、構造が簡単
で取扱いが容易であり、且つ単結晶の引上げ方向の温度
勾配を適切に制御することができる。本発明装置によれ
ば、単結晶の生産性を低下させることなく、単結晶基板
の酸化膜耐圧特性の向上および一酸化珪素の析出物によ
る有転位化の防止が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコン単結晶製造装置を示す縦断面
図である。

【図２】従来の単結晶製造装置の１例を示す縦断面図で
ある。

【図３】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４】引上げ中の結晶の温度勾配を実測するため、単
結晶に熱電対を挿入した図である。

【図５】チョクラルスキー法の実施状態を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１…金属チャンバー、２…坩堝、 2a…坩堝支持軸、３
…加熱ヒーター ４…保温材、５…種結晶、６…単結晶、７…溶融液、８
…逆円錐状遮蔽部材 ９、11…断熱材、10…円筒状遮蔽部材、12…熱電対

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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、前記各部材を収納する金属チャンバーとを具備する
   単結晶製造装置であって、 坩堝内の溶融液の上方の単結晶引上げ域の周囲に配設
   された上方から下方に向かうに従って縮径された逆円錐
   状遮蔽部材と、 上記逆円錐状遮蔽部材の上端に密接し、その外径とほ
   ぼ一致する内径を持ち、逆円錐状遮蔽部材と同軸に配設
   される円筒状遮蔽部材とを有し、 さらに上記逆円錐状遮蔽部材の内部には断熱材が封入
   され、 上記円筒状遮蔽部材の外周には断熱材が被覆されてい
   ることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
2. 【請求項２】前記逆円錐状遮蔽部材および円筒状遮蔽部
   材が黒鉛製であり、前記逆円錐状遮蔽部材に封入される
   断熱材が炭素繊維製であって、その厚さが10mm以下であ
   り、前記円筒状遮蔽部材の外周に被覆される断熱材が同
   じく炭素繊維製であって、その厚さが10mm以上、かつ前
   記逆円錐状遮蔽部材に封入される断熱材の厚さの 2.0倍
   以上の厚さを持つものであることを特徴とする請求項１
   記載のシリコン単結晶製造装置。