(57)【要約】      （修正有）【課題】チョコラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造において、シリコン単結晶中のＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）サイズを小さくするため、引き上げシリコン単結晶の冷却速度を速くすることが可能なシリコン単結晶製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】引き上げ中のシリコン単結晶１３を取り囲むように配置され、冷却媒体で強制冷却される筒状の冷却チャンバ３３を有し、上記冷却媒体として、シリコーンオイル等の水よりも気化温度の高い液体を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョコラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶製造装置であって、
引き上げ中のシリコン単結晶を取り囲むように配置され、冷却媒体で強制冷却される筒状の冷却チャンバを有し、
前記冷却媒体が水よりも気化温度の高い液体であることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
【請求項２】
前記水よりも気化温度の高い液体は、オイル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。
【請求項３】
前記オイルは、シリコーンオイルであることを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか１項に記載のシリコン単結晶製造装置を用いてシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョコラルスキー法（以下ＣＺ法）によるシリコン単結晶製造装置およびこれを用いた製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の基板には主として高純度の無転位シリコン単結晶が使用されている。そして、その製造方法として、一般にＣＺ法が用いられている。
図２は、従来技術によるシリコン単結晶製造装置の一例を示す模式的縦断面図である。
ＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置では、図２に示すようにチャンバ１の中心に石英ルツボ３が昇降自在に設置されている。石英ルツボ３は、カーボンルツボ５に収容されている。
シリコン単結晶育成にあたっては、まず、石英ルツボ３に塊状の多結晶シリコンを装填し、この石英ルツボ３およびカーボンルツボ５を取り囲むように設けられた主ヒータ７および、下部ヒータ９により、多結晶シリコンを加熱して溶融し、シリコン融液１１とする。そして、シリコン融液１１に望む結晶方位を有する種結晶（シード）を浸漬し、融液温度と馴染ませる。馴染んだところでシードを上方へと引き上げてシリコン単結晶１３を所定の直径および長さに育成させる。
【０００３】
近年、デバイスの微細化技術が進むにつれ、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）といったシリコン単結晶育成時に発生する所謂Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の制御が要求されている。なぜなら、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の存在は、半導体デバイスの酸化膜耐圧特性を劣化させることが明らかになっているからである。
このＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成の温度条件について、非特許文献１に報告されている。この文献によれば、ＣＯＰの形成温度は、窒素ノンドープ結晶の場合１０８０−１１１０℃、窒素ドープ結晶の場合１０４０−１０９０℃とされる。そして、シリコン単結晶引き上げ時のＣＯＰ形成温度帯通過時間はＣＯＰ密度とサイズに影響を与えている。すなわち、通過時間が短いとＣＯＰ密度は増加するがサイズは小さくなる。逆に通過時間が長いとＣＯＰ密度は減少するがサイズは大きくなる。
【０００４】
一般に、不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、Ｄｅｎｕｄｅｄ  Ｚｏｎｅ（以下ＤＺ層）を形成するアニールウェーハでは、シリコン単結晶引き上げ後のＣＯＰサイズが小さい場合には、ＤＺ層となる領域のＣＯＰを排除することが容易である。したがって、最終ウェーハ製品のＣＯＰを抑制するためには、シリコン単結晶育成時にＣＯＰ形成温度帯通過時間を出来る限り短縮することが望ましい。すなわち、シリコン単結晶引き上げ時の単結晶冷却速度を向上させることが要求される。  
【０００５】
シリコン単結晶引き上げ時の単結晶冷却速度向上に関しては、従来、主に、結晶引き上げ速度を速めて生産性を高める観点から検討されてきた。その方法として、引き上げ時にシリコン単結晶を取り囲むように冷却筒やアフタークーラと呼ばれる冷却チャンバを設置することを特徴とする発明が多く報告されている。
例えば、特許文献１には、引き上げ中の単結晶を取り囲むようにメインチャンバの少なくとも天井から原料融液表面に向かって延伸し、冷却媒体で強制冷却される冷却筒を設ける発明が開示されている。この冷却筒により単結晶冷却速度を向上させることが可能となる。
また、例えば、特許文献２においては、引き上げ中の単結晶を取り囲むようにアフタークーラを設置し、このアフタークーラに供給する冷却水量を、少なくとも単結晶が所定の長さに成長するまで一定の割合で徐々に増加させることを特徴とする発明が開示されている。このアフタークーラの利用により単結晶冷却速度を向上させることが可能となる。
【特許文献１】ＷＯ０１／０５７２９３号公報
【特許文献２】特開平１１−９２２７２号公報
【非特許文献１】小野等、応用物理学会関西支部セミナー２０００年度第１回セミナー要旨集、３８−３９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術では、安価で、かつ、安定して供給できる点から冷却チャンバの冷却媒体として水が使用されることが一般的である。
しかしながら、１０００℃を超えるような融液近傍で冷却媒体として水を使用することには、気化膨張による水蒸気爆発を誘発する危険がある。すなわち、冷却チャンバが高温の融液や、引き上げ中の単結晶に近づくことにより、冷却媒体である水が気化温度を超え、冷却チャンバ内で水蒸気爆発が発生することが考えられる。また、高温にさらされる炉内での使用で生じた冷却チャンバの破損により生じた水の炉内へのリークにより、炉内での水蒸気爆発が発生することも考えられる。
これらの水蒸気爆発の危険を回避するために、従来技術では、冷却チャンバと融液や単結晶の距離を確保することによる水の温度上昇抑制をしていた。あるいは、冷却チャンバ自体を肉厚にすることにより、冷却媒体である水の温度上昇の抑制や冷却チャンバの破損防止を図っていた。
もっとも、冷却チャンバと融液や単結晶の距離を離すことは結果的に冷却効率を低下させることにつながる。また、冷却チャンバ自体を肉厚にすることも、熱交換作用が落ちるため冷却効率を低下させることになる。したがって、これらの対策は引き上げ単結晶の冷却速度を速くする上では大きな制約となる。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、引き上げシリコン単結晶の冷却速度を速くすることが可能なシリコン単結晶製造装置およびこれを用いた製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様のシリコン単結晶製造装置は、
チョコラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶製造装置であって、
引き上げ中のシリコン単結晶を取り囲むように配置され、冷却媒体で強制冷却される筒状の冷却チャンバを有し、
前記冷却媒体が水よりも気化温度の高い液体であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様のシリコン単結晶製造方法は、
チョコラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶製造装置であって、
引き上げ中のシリコン単結晶を取り囲むように配置され、冷却媒体で強制冷却される筒状の冷却チャンバを有し、
前記冷却媒体が水よりも気化温度の高い液体であることを特徴とするシリコン単結晶製造装置を用いてシリコン単結晶を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、引き上げシリコン単結晶の冷却速度を速くすることが可能なシリコン単結晶製造装置およびこれを用いた製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶製造装置およびこれを用いたシリコン単結晶の製造方法について、添付図面に基づき説明する。
【００１１】
（シリコン単結晶製造装置）
図１は、本発明に係るシリコン単結晶製造装置の実施の形態の模式的縦断面図である。
図１に示すシリコン単結晶製造装置は、従来技術の単結晶製造装置と同様に、原料となる多結晶シリコンが充填されるルツボ３、５、多結晶シリコンを加熱、溶融しシリコン融液１１とするための主ヒータ７および、下部ヒータ９がチャンバ１内に格納され、チャンバ１上部には、育成されたシリコン単結晶１３を引き上げる引き上げ機構（図示せず）が設けられている。
チャンバ１の上部に取り付けられた引き上げ機構からは引き上げワイヤ１５が巻き出されており、その先端には、種結晶（図示せず）を取り付けるための種ホルダ（図示せず）が接続されている。
【００１２】
なお、上記ルツボ３、５は、内側にシリコン融液１１を直接収容する石英ルツボ３と、石英ルツボ３を外側で支持するためのカーボンルツボ５とから構成されている。ルツボ３、５は、シリコン単結晶製造装置の下部に取り付けられた回転駆動機能（図示せず）によって回転昇降自在なルツボシャフト１７によって支持されている。
ルツボ３、５を取り囲むように主ヒータ７および、下部ヒータ９が配置されており、主ヒータ７の外側には、主ヒータ７からの熱がチャンバ１に直接輻射されるのを防止するための第１の保温材１９、第２の保温材２１が主ヒータ７の周囲を取り囲むように設けられている。加えて、シリコン融液１１やルツボ３、５からの熱がチャンバ１に直接輻射されるのを防止するための第３の保温材２３、第４の保温材２５が設けられている。そして、シリコン融液１１やルツボ３、５からの熱が引き上げ単結晶１３の冷却を阻害しないように、あるいは、原料溶融時などに飛散するシリコン融液１１が後述の冷却チャンバに付着するのを防ぐため、輻射シールド２７が、シリコン融液１１、ルツボ３、５とシリコン単結晶１３間に設けられている。なお、保温材１９、２１の材質については、特に保温性に優れているものを使用することが望ましく、通常成形断熱材が用いられている。保温材２３、２５の材質については、例えば、成形断熱材、カーボン、あるいはカーボンの表面を炭化ケイ素で被覆したものが用いられている。輻射シールド２７については、輻射熱を調整する役目を果たしているので、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル等の金属や、カーボン、カーボンの表面を炭化ケイ素で被覆したもの及びこれらの内側に成形断熱材を設置したものが用いられる。
なお、チャンバ１は、ステンレス等の耐熱性、熱伝導性に優れた金属により形成されており、冷却管（図示せず）を通して水冷されている。
【００１３】
さらに、筒状の冷却チャンバ３３が、引き上げ中のシリコン単結晶１３を取り囲むように前記チャンバ１の天井部からシリコン融液１１表面に延伸している。そして、冷却チャンバ３３の情報には、冷却チャンバ３３を強制冷却するための冷却媒体を導入する冷却媒体導入口（図示せず）が設けられている。冷却チャンバ３３の材質は、耐熱性があり、熱伝導性に優れたものであれば特に限定されないが、具体的には、鉄、ニッケル、クロム、銅、チタン、モリブデン、タングステン、若しくはこれらの金属を含む合金から作成することが出来る。また、前記金属若しくは合金をチタン、モリブデン、タングステン、若しくは白金系金属で被覆して構成させてもよい。
【００１４】
本発明に係るシリコン単結晶製造装置では、冷却媒体として水よりも気化温度の高い液体を用いることを特徴としている。
なお、水よりも気化温度の高い液体であれば、いかなる液体であっても用いることが可能であるが、高温状態での安定性、取り扱い易さの点から、オイル（油）を用いることが好適である。ここで、オイル（油）とは、常温で液体であり、水に不溶で、粘性があり、水より比重が小さいものをいい、例えば、合成油、鉱物油、動物油、植物油などがある。さらに、２５０℃以上という高い気化温度を有すること、万が一漏出した場合の炉内汚染の影響が小さいこと、あるいは、シリコーンオイルの熱容量と粘性を考慮すると、熱容量の効果が勝り、結果的に循環ポンプにかかる負荷が少ない等の観点から、シリコーンオイルを用いることがより好適である。
【００１５】
（シリコン単結晶製造方法）
次に、上記シリコン単結晶製造装置を用いた本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について図１を参照しつつ説明する。
まず、石英ルツボ３に原料多結晶シリコンを装填し、チャンバ上部からアルゴンガス等の不活性ガスを導入しながら、原料多結晶シリコンを主ヒータ７および、下部ヒータ９による加熱で溶融し、シリコン融液１１とする。不活性ガスの導入により、加熱により炉内に発生した不純物を炉外に排出することが可能となり、引き上げられるシリコン単結晶の高純度化が実現できる。
【００１６】
多結晶シリコンが融解してシリコン融液１１が生成された後に、引き上げワイヤ１５の先端に取り付けられた所望の結晶方位を有する種結晶（図示せず）をシリコン融液１１に浸漬して融液温度と馴染ませる。馴染んだところで、引き上げ機構（図示せず）により種結晶を回転させながら静かに上方に引き上げて棒状のシリコン単結晶１３を成長させる。この時、種結晶が融液に接触した際に発生する転位を結晶から除去するために、所謂ダッシュネック法を行う。これは、引き上げ時にいったん結晶径を３〜５ｍｍ程度まで細く絞り、転位が結晶から抜けた時点で、結晶径を所望の大きさまで広げ、この径を維持したままで所定の長さまでシリコン単結晶１３を育成するものである。
また、引き上げ機構により種結晶を引き上げながら、一方で、所望の結晶品質を得るため融液面の高さが常に一定に保たれるように、ルツボシャフト１７を用いてルツボを上昇させている。
【００１７】
シリコン融液１１から引き上げられたシリコン単結晶１５は、チャンバ１内部に、シリコン単結晶を取り囲むように設けられた冷却チャンバ３３によって、効率よく冷却される。この冷却チャンバ３３には、水よりも気化温度の高い液体、例えばシリコーンオイルが冷却媒体として冷却媒体導入口（図示せず）から導入され、この液体は、冷却チャンバ３３内を循環して冷却チャンバ３３を強制冷却した後、外部へ排出される。
【００１８】
（効果）
従来技術においては、気化温度が１００℃と低い水を冷却チャンバ３３の冷却媒体として用いるため、水蒸気爆発の危険があった。このため、冷却チャンバ３３と、シリコン融液１１やシリコン単結晶３３の距離の確保、あるいは、冷却チャンバ３３自体の肉厚化など、冷却効率を低下させるような対策が必要であった。
本発明においては、冷却媒体として水よりも気化温度の高い液体を用いる。したがって、水を利用する場合と比較して、冷却チャンバ３３と、シリコン融液１１やシリコン単結晶３３の距離の縮小、あるいは、冷却チャンバ３３自体の薄膜化など、冷却効率を向上させるような施策が可能となる。
具体的には、例えば、従来技術より冷却チャンバ３３をシリコン融液１１方向に延伸させることや、冷却チャンバ３３の内径を小さくすることが可能となる。
さらに、水よりも気化温度の高い液体として、オイルを用いると、高温状態での安定性、取り扱い易さの観点から、冷却効率向上を図る上で特に効果的である。
そして、水よりも気化温度の高い液体として、シリコーンオイルを用いると、シリコーンオイルの熱容量と粘性を考慮すると、熱容量の効果が勝り、結果的に循環ポンプにかかる負荷が少ないこと、万一炉内に漏出しても、主成分がＳｉであるため汚染が比較的軽微にとどまることなどから、冷却効率向上を図る上でさらに効果的である。
このように、本発明によれば従来よりも冷却効率向上を図ることができ、結晶引き上げ速度を速くするとことが可能になる。したがって、結果的に、結晶育成時のＣＯＰ形成温度帯通過時間が短くなり、ＣＯＰの微細化が実現できる。
また、結晶引き上げ速度を速くすることによって、シリコン単結晶製造の生産性向上およびコスト低減化をも図ることができる。
【００１９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、シリコン単結晶製造装置、シリコン単結晶製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる製造装置、製造方法等を適宜選択して用いることができる。
【００２０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのシリコン単結晶製造装置およびシリコン単結晶製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の第１の実施例について、図１を参照しつつ説明する。
（実施例）
前記図１に示したシリコン単結晶製造装置を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶の育成を行った。このとき、ＳＵＳからなる内径２８０ｍｍの冷却チャンバ３３、冷却媒体としてシリコーンオイルを用いた。冷却チャンバの内径は、水を冷却媒体として利用するシリコン単結晶製造装置で通常使用されるものから約２０％減らしている。冷却チャンバ３３の下端は融液表面から７０ｍｍ鉛直上方に設置した。
そして、口径６００ｍｍの石英ルツボ３に多結晶シリコン原料を入れ、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
この時、冷却チャンバ３３内面下端の温度を測定した。
（比較例）
実施例と同様の製造装置構成で、冷却媒体を水として、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
【００２２】
（結果）
冷却媒体として水を使用した比較例の場合、引き上げているシリコン単結晶１３の直胴部長が１００ｍｍに達したときに、液温が７５℃まで上昇した。このため、水蒸気爆発を避けるため引き上げを中断せざるを得なかった。
これに対し、冷却媒体としてシリコーンオイルを使用した場合は、直胴部長が１００ｍｍに達したとき、液温が１００℃まで上昇したが、シリコーンオイルの気化温度までは１００℃近く余裕があるため引き上げを続行した。その後、液温の最高温度は１２０℃に達したが、気化温度には十分余裕があったので、引き上げを完了させることが可能であった。
以上の結果より、冷却媒体としてシリコーンオイルを利用することにより、冷却チャンバ３３の内径を従来から約２０％減らし、冷却速度を速めることが可能になることが判明した。
【実施例２】
【００２３】
以下、本発明の第２の実施例について、図１を参照しつつ説明する。
（実施例）
前記図１に示したシリコン単結晶製造装置を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶の育成を行った。このとき、ＳＵＳからなる内径２８０ｍｍの冷却チャンバ３３、冷却媒体としてシリコーンオイルを用いた。冷却チャンバ３３の下端は融液表面から２００ｍｍ鉛直上方に設置した。冷却チャンバの内径は、水を冷却媒体として利用するシリコン単結晶製造装置で通常使用されるものから約２０％減らしている。
そして、口径６００ｍｍの石英ルツボ３に多結晶シリコン原料を入れ、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
この時、シリコン単結晶１３の曲がり変形が起こらない最速の引き上げ速度を確認した。引き上げ速度の測定は５回の引き上げについて行われ、その平均速度を求め平均結晶引き上げ速度とした。
（比較例）
実施例と同様の製造装置構成であるが、冷却チャンバ３３の内径を従来の３６０ｍｍ、冷却媒体を水として、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
実施例同様の測定を行い、その平均結晶引き上げ速度を求めた。
【００２４】
（結果）
シリコーンオイルを用いた場合の実施例から求められた平均結晶引き上げ速度を、水を用いた場合の比較例から求められた平均結晶引き上げ速度で除した値で評価を行った。その結果、シリコーンオイルを用いた場合の実施例では、比較例の１．３倍の速度で曲がり変形を伴うことなく単結晶を引き上げることが可能と判明した。  
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態のシリコン単結晶製造装置の模式的縦断面図である。
【図２】従来技術によるシリコン単結晶製造装置の一例を示す模式的縦断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      チャンバ
３      石英ルツボ
５      カーボンルツボ
７      主ヒータ                   
９      下部ヒータ             
１１    シリコン融液
１３    シリコン単結晶
１７    ルツボシャフト
１９    第１の保温材
２１    第２の保温材
２３    第３の保温材
２５    第４の保温材
２７    輻射シールド
３３    冷却チャンバ
【図１】
2007210817.tif 000003
【図２】
2007210817.tif 000004