(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法による半導体結晶製造方法において、
引き上げ中の単結晶を取り巻く環状のアフタヒータと、
アフタヒータ昇降機構と、
アフタヒータに供給する電力ならびにアフタヒータの位置を制御する手段と、を設けた半導体単結晶製造装置を用い、
引き上げ中の単結晶の温度が８００〜７００°Ｃとなる位置にアフタヒータを配置し、この部位を加熱しつつ単結晶の引き上げを行うことにより、引き上げ中の単結晶の温度が融点から１２５０°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ以上とし、１２００°Ｃから１０００°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ未満とすることを特徴とする半導体単結晶製造方法。
【請求項２】
前記引き上げ中の単結晶の温度が１２００°Ｃから１０００°Ｃまで下降する際の温度勾配を１５°Ｃ／ｃｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造方法。
【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を用いて製造する半導体単結晶の軸方向における酸素析出量やサーマルドナー量の均一化を図り、ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥を低減するとともに酸化膜耐圧特性を向上させる半導体単結晶製造装置及び半導体単結晶製造方法に関する。
【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。ＣＺ法においては、半導体単結晶製造装置内に設置したるつぼに原料である塊状の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの周囲に設けたヒータによって原料を加熱溶解して融液とする。そして、シードチャックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャック及びるつぼ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を引き上げて単結晶シリコンを成長させる。
【０００３】
ＣＺ法によって引き上げられた単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥等は単結晶シリコンの熱履歴に依存する品質特性であるため、従来から前記熱履歴の改善が行われている。特開平６−２１１５９１号公報、特開平６−２１１５９２号公報に開示された単結晶製造方法によると、加熱制御装置から供給される電力によって発熱する環状のヒータを、電極を兼ねた支持部材によって支持し、引き上げ中の単結晶シリコンの外周面を徐冷することによって、単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性を向上させるとともに、酸素析出量の均一化を図っている。また、前記環状のヒータの発熱量を任意に調整することによって単結晶シリコンの熱履歴を積極的に調整することができるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術によれば、環状のヒータを設置する位置が固定されているため、下記の問題点がある。
（１）黒鉛製炉内品の劣化、あるいは単結晶引き上げ条件（融液面の位置、不活性ガスの導入条件等）の変更による炉内熱環境の変化に迅速に対応できない。
（２）るつぼ内に充填した塊状原料と加熱装置との干渉を回避するため、原料溶解時にはるつぼ位置を下げなければならない。このため、原料の溶解条件が不利になる。
（３）単結晶の引き上げに先立ち、種結晶を細く長く絞って無転位化させるとき、環状のヒータが視界を妨げるため、無転位化を確認することができない。
【０００５】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性を向上させ、析出酸素量、バルク微小欠陥など単結晶シリコンの熱履歴に強く依存する品質特性の改善が可能で、かつ、炉内熱環境の変化に迅速に対応することができ、原料溶解、無転位化のための絞りを効率的に行う半導体単結晶製造装置及び半導体単結晶製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る単結晶の製造装置は、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、引き上げ中の単結晶を取り巻く環状のアフタヒータと、アフタヒータ昇降機構と、アフタヒータに供給する電力ならびにアフタヒータの位置を制御する手段とを設ける構成とした。
【０００７】
また、本発明に係る単結晶製造方法は、上記半導体単結晶製造装置を用い、引き上げ中の単結晶が特定の温度領域を通過する際の温度勾配を任意に変化させたいとき、引き上げ中の単結晶における前記特定の温度領域に相当する部位よりも１００〜３００°Ｃ低い部位にアフタヒータを配置し、この部位を加熱しつつ単結晶の引き上げを行うことにした。
【０００８】
本発明の単結晶製造方法においては、引き上げ中の単結晶の温度が融点から１２５０°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ以上とし、１２００°Ｃから１０００°Ｃまで下降する際の温度勾配を２０°Ｃ／ｃｍ未満、望ましくは１５°Ｃ／ｃｍ以下とすることを特徴としている。
【０００９】
更に、るつぼに充填した塊状原料の溶解時及び引き上げ単結晶を無転位化するための絞り工程においてはアフタヒータを炉内上方に退避させ、単結晶引き上げ時にはアフタヒータを所定の位置に下降させて単結晶の所定部位を加熱することにした。
【００１０】
【発明の実施の形態及び実施例】
本発明は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造において、引き上げ単結晶の熱履歴を改善するための製造装置及び製造方法である。この製造装置は、従来の半導体単結晶製造装置にアフタヒータと、アフタヒータの位置ならびに投入電力の制御手段とを設けたので、引き上げ中の単結晶の所望の部位を強制的に加熱することができ、加熱により単結晶の特定温度領域の温度勾配が小さくなる。また、黒鉛製炉内品の劣化や単結晶引き上げ条件の変更等、炉内熱環境の変化に対応してアフタヒータの位置、出力を迅速に変えることができる。
【００１１】
本発明に係る単結晶の製造方法は、引き上げ中の単結晶に対して、徐冷したい温度領域に相当する部位よりも１００〜３００°Ｃ低い部位をアフタヒータで加熱することにしたので、目標とする温度領域の温度勾配がゆるやかになり、単結晶シリコンの熱履歴に依存する酸化膜耐圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥の発生等が改善される。
【００１２】
単結晶シリコンのａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥は、格子間シリコンと空孔の数のバランスの変化によって発生し、単結晶シリコンの温度が１１８０°Ｃ付近になったときに前記欠陥のサイズ、密度が決まる。本発明では、引き上げ中の単結晶シリコンの温度が１２００°Ｃから１０００°Ｃまで降下する部位の温度勾配をゆるやかにするために結晶温度が１１００°Ｃ〜７００°Ｃ付近となる位置をアフターヒータによって加熱するとともに、融点から１２５０°Ｃに降下する温度領域の部分すなわち固液界面付近の部位は温度勾配を大きくして結晶化を容易に、且つ生産性を損なわない製造方法としたので、高品質の単結晶が得られる。
【００１３】
また、塊状原料の溶解時にアフタヒータを炉内上方に退避させておけば、迅速かつ安定した原料溶解が可能となる。更に、種結晶を絞って無転位化させる際、アフタヒータを上昇させておくことにより無転位化の確認が容易となる。その他、引き上げた単結晶の長さに応じて狙いの結晶熱履歴が得られるように、アフタヒータの温度または位置をあらかじめ設定した制御プログラムに基づいて変化させれば、広範囲かつ高精度な熱履歴制御が可能となる。
【００１４】
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。図１は、本発明の第１実施例における半導体単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。メインチャンバ１内には単結晶シリコンの原料である多結晶シリコンの融液２を貯留する石英るつぼ３と、石英るつぼ３を収容する黒鉛るつぼ４とがるつぼ軸５の上端に回転及び昇降自在に載置されている。黒鉛るつぼ４の周囲には環状のメインヒータ６及び保温筒７が設置されている。
【００１５】
メインチャンバ１の上端には中継チャンバ８及びアッパチャンバ９を介してプルチャンバ１０が接続され、図示しないワイヤ巻き上げ・回転機構によって昇降ならびに回転する引き上げワイヤ１１の先端にシードチャック１２が取り付けられている。シードチャック１２に取り付けた種結晶を融液２に浸漬してなじませた後、シードチャック１２及び黒鉛るつぼ４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１２を引き上げて単結晶シリコン１３を成長させ、プルチャンバ１０内に引き上げる。前記中継チャンバ８は、後述するアフタヒータ及び熱遮蔽筒の昇降ストロークを確保するために設けられたもので、既存のメインチャンバ１が前記昇降ストロークに十分な高さを備えている場合は、メインチャンバ１に直接アッパチャンバ９を接続すればよい。
【００１６】
プルチャンバ１０の外側には昇降機構１４が設置され、ガイドバー１５に沿って昇降する２本のシャフト１６の下端にそれぞれ支持部材１７が水平に取り付けられている。前記支持部材１７の先端に取着された支持部材１８の下端にはアフタヒータ１９が単結晶シリコン１３を取り巻くように設けられている。シャフト１６、支持部材１７，１８及びアフタヒータ１９はいずれも黒鉛製である。このアフタヒータ１９は、図示しない電力制御装置から電極２１、シャフト１６、支持部材１７，１８を介して供給される高周波電力、又は抵抗加熱により、単結晶シリコン１３の特定部位を所定の温度に加熱することができる。アフタヒータ１９の周囲には、アフタヒータ１９とは別の昇降機構（図示せず）により昇降可能な円錐状の熱遮蔽筒２０が設置されている。
【００１７】
次に、本発明に係る半導体単結晶製造方法の実施例について説明する。石英るつぼ３に塊状の多結晶シリコンを充填するに当たり、昇降機構１４を駆動して図２に示すようにアフタヒータ１９を上昇させ、更に、図示しない昇降機構を駆動して熱遮蔽筒２０を上昇させる。この操作により、石英るつぼ３の上方に空間ができるので、多結晶シリコン２２とアフタヒータ１９、熱遮蔽筒２０との干渉が回避される。また、石英るつぼ３を熱効率の良い位置に固定して迅速に融液とすることができる。
【００１８】
石英るつぼ３に充填した多結晶シリコン２２が溶解して融液となった後、図示しないワイヤ巻き上げ・回転機構を駆動して種結晶を融液２に浸漬する。次に、引き上げワイヤを徐々に巻き上げ、無転位化のための絞り工程に入る。このとき、アフタヒータ１９及び熱遮蔽筒２０は上方に引き上げられているので、絞り工程の進行状況は容易に目視確認することができる。絞り工程が終了した後、図１に示すように熱遮蔽筒２０及びアフタヒータ１９を所定の位置、たとえば引き上げ中の単結晶シリコン１３の温度が８００〜７００°Ｃとなる位置まで下降させる。そして、シードチャック１２を引き上げながら単結晶シリコン１３を成長させてプルチャンバ１０内に引き上げる。アフタヒータ１９の発熱温度は図示しない温度計によって検出され、電力制御装置にフィードバックされる。これにより、アフタヒータ１９の発熱温度は一定に維持される。前記位置に固定されたアフタヒータ１９は、単結晶シリコン１３の特定部位を加熱し、１２００°Ｃから１０００°Ｃまで降下する温度領域を徐冷する。
【００１９】
また、アフタヒータ１９の発熱温度またはアフタヒータ１９の位置は、単結晶シリコン１３に狙いとする結晶熱履歴を与えるよう、図示しない電力制御装置により引き上げ長（結晶固化率）に応じてプログラム的に変化させてもよい。
【００２０】
上記の製造方法を適用して半導体単結晶を製造した実験例について説明する。この実験例においては、アフタヒータの出力を５ｋＷまたは７ｋＷとし、アフタヒータの設置位置は単結晶の温度が１１００°Ｃとなる部位から４００°Ｃとなる部位まで５段階に変化させた。また、比較例としてアフタヒータを設置しない従来の方法による実験も行った。これらの実験の結果として得られた半導体単結晶の温度勾配、良品率及び単結晶引き上げの難易度は表１の通りである。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１から、アフタヒータの出力が５ｋＷ、７ｋＷのいずれの場合も、単結晶の温度が８００または７００°Ｃの部位にアフタヒータを設置すると良品率が高く、単結晶引き上げが容易であることが分かる。単結晶の温度が１１００°Ｃまたは１０００°Ｃの部位にアフタヒータを設置した場合、急冷することが望ましい融点から１２５０°Ｃに至る領域の温度勾配が２０°Ｃ／ｃｍ未満、徐冷することが望ましい１２００から１０００°Ｃに至る領域の温度勾配が１５°Ｃ／ｃｍを超えていて、良品率は６０％に達せず、引き上げに際してボデイの直径制御が困難（×印は直径制御不能）であった。単結晶の温度が４００°Ｃの部位にアフタヒータを設置した場合は、良品率が６０％に達しなかった。また、比較例としてアフタヒータを設置しない場合、徐冷することが望ましい１２００から１０００°Ｃに至る領域の温度勾配が２５°Ｃ／ｃｍを超えていて、良品率は５０％であった。
【００２３】
上記実験例の結果から、単結晶温度が８００〜７００°Ｃの部位をアフタヒータで加熱することにより、１２００°Ｃから１０００°Ｃに至る温度領域を通過する際に１５°Ｃ／ｃｍ以下の温度勾配で徐冷され、単結晶シリコンに好ましい熱履歴を与えることが分かった。
【００２４】
図３は本発明の第２実施例における単結晶製造装置の部分模式図で、アッパチャンバ９の上端から下方に向かって短い熱遮蔽筒２３が設けられている。アフタヒータ１９は前記熱遮蔽筒２３の下端近傍まで上昇可能で、単結晶シリコン１３の任意の部位を徐冷することができる。
【００２５】
図４は本発明の第３実施例における単結晶製造装置の部分模式図で、アッパチャンバ９の上端から下方に向かって熱遮蔽筒２４が垂設されている。熱遮蔽筒２４の下端は図１に示した熱遮蔽筒２０と同様に融液２の近傍上方にまで達している。前記熱遮蔽筒２４によりメインチャンバ１及びアッパチャンバ９内の輻射熱が遮断され、引き上げ中の単結晶シリコン１３のトップを急冷するが、所望の部位はアフタヒータ１９により徐冷される。アフタヒータ１９は前記熱遮蔽筒２４の内面に沿って昇降自在である。
【００２６】
図５は本発明の第４実施例における単結晶製造装置の部分模式図で、この単結晶製造装置は前記各実施例と同様に昇降自在のアフタヒータ１９を備えているが、熱遮蔽筒は設けていない。アフタヒータ１９により、引き上げ中の単結晶シリコン１３の所望の部位を徐冷することができる。
【００２７】
上記第２〜第４実施例においても、第１実施例と同様に引き上げ中の単結晶シリコンの所望の部位を徐冷することにより、狙いとする結晶熱履歴を与えることができる。アフタヒータ用電力制御装置の機能は、第１実施例の場合と同一である。
【００２８】
更に、本発明による単結晶製造装置は、引き上げ単結晶の熱履歴改善のみならず、単結晶原料のチャージ量増大に利用することもできる。すなわち、図６に示すように石英るつぼ３に充填した塊状の多結晶シリコンを溶解した後、引き上げワイヤ１１に吊り下げた多結晶シリコンロッド２５をアフタヒータ１９で加熱することにより、石英るつぼ３に過大な負荷をかけることなく容易にチャージ量を増大させることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、下記の効果が得られる。
（１）ＣＺ法による半導体単結晶の製造において、結晶成長直後の冷却中に特定の温度領域を通過する際、その温度勾配をアフタヒータによってゆるやかにする半導体単結晶製造装置及び製造方法を開発したので、単結晶の熱履歴を望ましい方向に調整することができ、酸化膜耐圧特性、析出酸素量、バルク微小欠陥等、熱履歴に依存する品質特性が優れた単結晶シリコンを容易に製造することができる。
（２）アフタヒータを昇降自在とし、発熱温度を可変としたので、単結晶に与える熱履歴を高精度に、かつ広範囲に制御することが可能である。
（３）塊状原料の溶解、無転位化のための絞りは、アフタヒータを上昇させることにより容易に行うことができる。
（４）本発明による半導体単結晶製造装置は、現有設備を利用して安価に設置することができ、大規模投資を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の半導体単結晶製造装置において、アフタヒータ及び熱遮蔽筒を上昇させた状態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施例におけるアフタヒータの昇降を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施例におけるアフタヒータの昇降を示す模式図である。
【図５】本発明の第４実施例におけるアフタヒータの昇降を示す模式図である。
【図６】本発明における他の利用方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１  メインチャンバ
２  融液
３  石英るつぼ
６  メインヒータ
８  中継チャンバ
９  アッパチャンバ
１０  プルチャンバ
１１  引き上げワイヤ
１３  単結晶シリコン
１４  昇降機構
１９  アフタヒータ
２０，２３，２４  熱遮蔽筒
２２  多結晶シリコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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