(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボであって、該黒鉛ルツボの円筒部の一部に鉛直方向にそって減肉部を有し、前記円筒部の上部より下部の方が外径が小さい肉厚が薄い形状であることを特徴とするチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボ。
【請求項２】
前記黒鉛ルツボの上端部は、上部に向かって外形が縮減するテーパ形状である、ことを特徴とする請求項１に記載のチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボ。
【請求項３】
前記黒鉛ルツボは、底部と円筒部とが分割され、円筒部が交換可能である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の黒鉛ルツボを用いる、ことを特徴とするチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の黒鉛ルツボを用い、かつ育成シリコン単結晶棒の熱遮蔽部材を用いる、ことを特徴とするチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する方法。
【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によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボ、およびこれを用いてチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化、高精度化がますます進み、半導体結晶基板も大口径化、高品質化の一途をたどっている。半導体結晶は主にチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）で製造されており、更なる大口径化、高品質化への努力が続けられているところである。
【０００３】
このＣＺ法でシリコン単結晶棒を製造する場合につき図６を用いて説明すると、引上室（金属製チャンバー）１のほぼ中央に、黒鉛ルツボ２に保持された石英ルツボ３を設け、この黒鉛ルツボ２の底部中央を回転、上下動自在の支持軸４で下方より支持する。石英ルツボの中に原料の多結晶シリコンを充填し、これを保温体５で囲繞された黒鉛ヒーター６により加熱、溶融して融液７とする。引上室１の天井中央には開口部８を有し、これに接続したサブチャンバー９の中を通って先端に種結晶１０を保持した回転、上下動自在の引上軸１１を降下し、種結晶を融液７に浸漬した後、引上軸１１および石英ルツボを回転しながら種結晶を引上げると、その下に単結晶棒１２を成長させることができる。なお、引き上げはアルゴンガスを引上室上部より導入し、下部の排気口１５から排出しながら行われる。
【０００４】
このようなＣＺ法によって大口径シリコン単結晶を育成する場合おける従来の問題点としては、生産性を向上するためには引上速度はできるだけ速い方が良いが、引上単結晶の口径が大きくなると、結晶化潜熱が大きくなりかつ結晶への輻射熱も大きくなるため、いきおい引上速度は低下し、生産性も著しく悪化する。また、結晶が大口径化すると、固液界面全体での温度の均一化が難しくなり、単結晶化率が低下し、収率が著しく低下する。
【０００５】
また、結晶の品質面について言うと、近年の半導体素子の高集積化、高精度化により、半導体結晶の品質への要求も厳しくなり、結晶の更なる高純度化、低欠陥化、均一化が要求されるが、特に最近では、原料の高純度化や使用部材の高純度化、装置の高精度化のみならず、成長中の結晶の熱履歴が結晶欠陥等に大きく影響することが判明してきている。例えば、シリコンにおいては酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ）、スワール欠陥（Ｓｗｉｒｌ  Ｄｅｆｅｃｔ）、その他の微小欠陥、酸素析出，ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ−Ｄｅｆｅｃｔ），ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ  Ｐａｔｅｒｎ  Ｄｅｆｅｃｔ），ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  Ｄｅｆｅｃｔ），ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）、そして酸化膜耐圧等の種々の特性が熱履歴に影響され、従って、結晶成長中の熱履歴を調整することで結晶中の欠陥を制御すべく、種々の炉内構造をもつ引上装置が提案されている。
【０００６】
かかる上記に列記した問題点を解決するため、成長中の単結晶棒の温度分布、熱履歴を制御すべく、単結晶棒を囲繞するように熱遮蔽部材が設けられることが多くなった。例えば、その代表的なものとして下記のような提案がなされている。
【０００７】
▲１▼日本国特公昭５７−４０１１９号公報
これは、図７に示すように、るつぼ３とるつぼ内の融液７とを部分的にカバーする装置において、るつぼ３の縁から突出している上部の平たい環状リム３０と、この環状リムに取り付けられ、内側の縁から円筒状に下方に傾斜しているまたは円錐状に先細りになっている連結部３１とからなり、この連結部の内部高さがるつぼの深さの０．１〜１．２倍である部材を設けることを特徴とする単結晶引上装置である。
▲２▼日本国特開昭６４−６５０８６号公報
これは、図８に示すように、引上単結晶棒１２を同軸に囲繞する円筒１９を設け、その一端は引上室天井中央の開口縁に気密結合し、他端は石英るつぼ３内の融液７の表面に向けて垂下し外上方に折り返して拡開されたカラー２０を有してなることを特徴とする単結晶棒の製造装置である。
以上のように、近年のＣＺ法の装置は、熱遮蔽部材の使用が不可欠になってきつつある。
【０００８】
一方、シリコン単結晶の成長をこのＣＺ法による場合、もともと原料に含まれていたものの他、その結晶成長用原料が収容される石英ルツボの構成成分たる酸素が、得られる結晶中に混入することが広く知られている。
この結晶中に混入する酸素不純物の量は、シリコン原料融液量（融液の深さ）、炉内圧力、炉内に導入する不活性ガス量、あるいは引き上げる結晶の回転数、ルツボの回転数（回転速度）、原料融液中の温度分布等により影響を受ける。これらのファクターは、融液中の対流と融液中の酸素濃度自体に影響を与えるために、結晶中の酸素濃度に影響を与えるものである。従って、これらの種々のファクターを組み合わせて制御することで、結晶中の酸素濃度を自在に調整することが可能である。
【０００９】
ところが、前述のように近年のＣＺ法の装置は熱遮蔽部材の使用が不可欠になりつつあり、このような熱遮蔽部材１９，２０，３０，３１を用いた場合は、図７、８にあるように、熱遮蔽部材の下端と融液面との間が近接しており、かつこの間隔で結晶温度分布が大きく影響されてしまうため、この間隔はほとんど変更できないものとなっており、変更する場合でも、わずかな変更しかできないものである。したがって、融液面の位置が一義的に決定され、しかもこれを動かすことができないために、上記酸素濃度に影響を与えるファクターのうち、かなりのものが制約を受け、酸素濃度の制御が困難になりつつあり、制御範囲がせばまっている。
【００１０】
すなわち、炉内圧力、炉内に導入する不活性ガス量についていえば、融液面直上に熱遮蔽部材があるがために、あまり炉内圧力を上げ、ガス量を減少させると、この熱遮蔽部材に、ＳｉＯが付着して、結晶が乱れ、単結晶化率が悪化してしまうし、ガス量を増加し過ぎると、融液面が波立ち、やはり結晶を乱してしまう。また、原料融液中の温度分布についても、融液面の位置が変更できない以上、従来のようにルツボを単純に上昇、あるいは下降させて、ルツボ内の融液の温度分布を簡単に変更するということは不可能で、融液面の位置を変えるためには、少なくとも熱遮蔽部材の設計変更が必要で、それにともないその他の部材も変更する必要があるのが通常である。
【００１１】
一方、デバイスの高精度化、高集積化等により、単結晶材料に対する要求はますます厳しくなりつつある。半導体シリコン単結晶中の酸素濃度についても、その濃度と分布により得られる半導体素子の特性に大きな影響を及ぼすことが知られている。即ち、酸素濃度が高すぎれば、結晶欠陥や酸素の析出物が発生し、半導体素子の特性に種々の悪影響を及ぼす。ところが、このような結晶欠陥や酸素析出物を半導体素子の活性領域以外に発生させると、逆に重金属不純物をゲッタリングするサイトとして働き、半導体素子の特性を向上させることができる（イントリンシック・ゲッタリング）。従って、酸素濃度は低すぎてもデバイス特性の向上は図れない。
【００１２】
そこで、結晶材料には目的のデバイスに応じ、酸素不純物が過不足なく適量含まれていることが要求され、許容される濃度の規格も著しく狭まって来ている。このように結晶中の不純物濃度を高度に制御し、規格を満足するためには、前記制約されたファクターの調整、制御だけではその要求に応えられなくなっているのが現状である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ＣＺ法による単結晶の酸素濃度の制御技術として、従来にない新たな制御技術を提供することを目的とし、特に近年用いられる熱遮蔽部材による制約を受けることなく、かつ簡単で確実に制御することができる技術を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は原料融液に直接的に影響をする、黒鉛ルツボに工夫をしたもので、本発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボであって、該黒鉛ルツボの円筒部の一部に鉛直方向にそって減肉部を有し、前記円筒部の上部より下部の方が外径が小さい肉厚が薄い形状である、ことを特徴とするものである。
【００１５】
このように、従来鉛直方向で均一であることが常識であった黒鉛ルツボの円筒部の肉厚を、鉛直方向で一定でないものとし、または円筒部の一部に鉛直方向に沿って減肉部を有するものとすることによって、融液に供給される熱を局部的に変更せしめ、原料融液の温度分布に直接的に影響を及ぼすことができ、融液の対流を変更制御することができるので、結晶中に取り込まれる酸素濃度をコントロールすることができる。
【００１６】
また、本発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボであって、前記黒鉛ルツボは円筒部の下部より上部の方が肉厚が薄い、または前記黒鉛ルツボの上端部は上部に向かって外形が縮減するテーパ形状である、ことを特徴とする。
【００１７】
このように、黒鉛ルツボの円筒部の肉厚を下部より上部の方が薄い、または黒鉛ルツボの上端部は上部に向かって外形が縮減するテーパ形状とすることによって、ルツボの上部における熱の通りが良くなるために、近年特に必要となっている、低酸素のシリコン単結晶を製造するのに好適である。
【００１８】
本発明は、前記いずれかに記載のチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する際に用いられる黒鉛ルツボであって、前記黒鉛ルツボは、底部と円筒部とが分割され、円筒部が交換可能であることを特徴とする。
このように、底部と円筒部とが分割され、円筒部が交換可能に構成されていれば、目的に応じ円筒部を交換することによって、酸素濃度を自在に制御できると共に、簡単かつ低コストで実施することができる。
【００１９】
そして、本発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する方法であって、前記いずれかに記載の黒鉛ルツボを用いる、または前記いずれかに記載の黒鉛ルツボを用い、かつ育成シリコン単結晶棒の熱遮蔽部材を用いる、ことを特徴とする。
【００２０】
このように、本発明の前記いずれかに記載の黒鉛ルツボを用いることによって、原料融液の対流を直接的に制御することができるので、結晶中の酸素濃度を正確に制御することができる。この場合、他の酸素濃度制御ファクターが制約されてしまう、育成シリコン単結晶棒の熱遮蔽部材を用いた場合に、この影響を全く受けない本発明は、特に有効である。
【００２１】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
原料融液中の温度分布によって、単結晶中の酸素濃度が影響されるのは、原料融液中の対流が変わるからである。
【００２２】
図１は、ＣＺ法により単結晶１２を育成中の、原料融液７中の対流の様子を示した概念図であるが、原料融液中には大きく分けて強制対流５１と自然対流５２とがあって、これらの対流の兼ね合いで結晶中の酸素濃度が変わることが知られている。すなわち、強制対流５１が強くなると、このシリコン融液は、融液表面でのＳｉＯの蒸発が生じていないものであるがために、酸素濃度が高く、したがって育成されるシリコン単結晶も酸素濃度が上昇する傾向となる。一方、自然対流５２が強くなると、このシリコン融液は、融液表面でのＳｉＯの蒸発が生じているがために、酸素濃度が低く、したがって育成されるシリコン単結晶も酸素濃度が低下する傾向となるのである。
【００２３】
そして、この強制対流５１と自然対流５２の強弱は、図２に示したように、ルツボを囲繞して配置されるヒーター６と石英るつぼ３および黒鉛ルツボ２との相対的な位置関係による。すなわち、図２（Ａ）のようにルツボ２、３を支持軸４で上昇させ、相対的にルツボがヒータに対して高い位置とすると、強制対流５１が強くなり、酸素濃度は上昇することになる。一方、図２（Ｂ）のようにルツボ２、３を支持軸４で下降させ、相対的にルツボがヒータに対して低い位置とすると、自然対流５２が強くなり、酸素濃度は低下することになるのである。
【００２４】
ところが、前述のように、このルツボの上下動は、熱遮蔽部材を使用する場合には、実施することができない。そこで、本発明にあっては、これと同様な作用効果を奏する機能を、黒鉛ルツボに持たせることとし、しかもより融液に対して直接的に作用し、正確に制御できるものとすることに成功したのである。
そして、このように黒鉛ルツボの形状を工夫することは、熱遮蔽部材による制約を受けることもない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ここで、図３は従来の黒鉛ルツボの概略の断面形状で、（Ａ）は平底の場合、（Ｂ）は丸底の場合である。また、図４（Ａ）〜（Ｆ）は本発明にかかる黒鉛ルツボの代表例における断面形状を示した図である。
【００２６】
図３に従来の黒鉛ルツボの概略の断面形状を示したが、平底の場合（Ａ）、あるいは丸底の場合（Ｂ）であっても、円筒部Ｈの肉厚は鉛直方向で一定である。このような鉛直方向で肉厚の均一な円筒部Ｈの黒鉛ルツボを用いて、ＣＺ法によって単結晶を引き上げる場合には、ヒーターからの熱は一様に黒鉛ルツボに支持された石英ルツボ内の原料融液に伝わり、融液の温度分布は、前述のようにヒーターとルツボの位置関係等に支配され、これを反映したものとなる。
【００２７】
そこで、本発明では従来鉛直方向で均一であることが常識であった、円筒部Ｈの肉厚を、目的に応じ種々変更することで、その部分のヒーターからの熱の通りを局部的に変更せしめ、融液内の温度分布を変更し、対流を変えることによって、単結晶中に取り込まれる酸素濃度を制御できるようにした。
【００２８】
図４に本発明にかかる黒鉛ルツボの代表例における断面形状を示した。
これらの黒鉛ルツボは、図４（Ａ）〜（Ｆ）にあるとうり円筒部の肉厚が鉛直方向で一定ではない。（Ａ）は、黒鉛ルツボの円筒部の一部に鉛直方向にそって減肉部を有する例で、特に円筒部の下部より上部の方が肉厚が薄いという形状である。このような黒鉛ルツボでは、熱はルツボの上部の方が通りが良いために、融液の温度分布は上方の方が高温となる分布となり、相対的にルツボを下降させた図２（Ｂ）の状態と同様な効果を奏するものとなる。したがって、ルツボの位置を変更することなく、図４（Ａ）のルツボを用いるだけで、育成される単結晶の酸素濃度を低下させることができる。そして、減肉部Ｇの幅、深さを変更、調整することによって、酸素濃度を変更、制御することができる。すなわち、黒鉛ルツボを交換するだけで、酸素濃度を制御することができる。
【００２９】
一方、（Ｂ）は、黒鉛ルツボの円筒部の一部に鉛直方向にそって減肉部を有する例で、特に円筒部の上部より下部の方が肉厚が薄いという形状である。このような黒鉛ルツボでは、熱はルツボの下部の方が通りが良いために、融液の温度分布は下方の方が高温となる分布となり、相対的にルツボを上昇させた図２（Ａ）の状態と同様な効果を奏するものとなる。したがって、ルツボの位置を変更することなく、図４（Ｂ）のルツボを用いるだけで、育成される単結晶の酸素濃度を上げることができる。そして、この場合にも減肉部Ｇの幅、深さ等を調整することによって、酸素濃度の微調整が可能となる。
【００３０】
そして、本発明の黒鉛ルツボは、これらに限定されるものではなく、肉厚が鉛直方向で一定ではなく、円筒部の一部に鉛直方向にそって減肉部を有する例としては、目的とする温度分布、酸素濃度に応じて、減肉部を円筒部中央に設けたり（Ｃ）、減肉部を２ケ所（Ｄ）あるいはそれ以上設けてもよい。そして、減肉部の数、幅、深さ、位置等は目的の酸素濃度に応じて種々変更すれば良い。
【００３１】
また、本発明はより簡単には、図４（Ｅ）に示したように、黒鉛ルツボの上端部を上部に向かって外形が縮減するテーパ形状とすることによっても実施することができる。この場合も、黒鉛ルツボ上端部での熱の通りが良くなる結果、図４（Ａ）と同様な効果を奏することができる。このように、上端部をテーパとするだけでも効果があるのは、本発明では黒鉛ルツボの形状を工夫するものであるために、原料融液に対して直接的に作用するためであると思われる。
【００３２】
そして、本発明の円筒部に特長を有する黒鉛ルツボは、図４（Ｆ）のように、底部Ｓと円筒部Ｒとを分割し、円筒部Ｒを底部Ｓにはめ込む形態とすれば、目的酸素濃度に応じ、円筒部Ｒを交換して使用することができ、極めて簡易、低コストで酸素濃度を制御することができる。
【００３３】
よって、本発明にかかる黒鉛ルツボを用いて、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造すれば、原料融液の対流を直接的に制御することができるので、結晶中の酸素濃度を正確に制御することができる。この場合、使用する黒鉛ルツボを交換するだけで、酸素濃度を変更、制御することができるので、極めて簡単で、低コストであるとともに、前述のように原料融液面の変更ができず、他の酸素濃度制御ファクターが制約されてしまう、育成シリコン単結晶棒の熱遮蔽部材を用いた場合に、この影響を全く受けずに本発明は、実施することが可能であり、特に有益に作用する。
【００３４】
なお、減肉部Ｇを限りなく薄くした状態、すなわち黒鉛ルツボの高さを低くするとか、鉛直方向で一部に黒鉛ルツボがない部分を生じさせることによって、より熱の通りを良くし、融液の温度分布を制御することも考えられるが、石英ルツボは高温で軟化するために、原料融液を石英ルツボのみで保持することはできず、これらは主に黒鉛ルツボによって保持されている。したがって、本発明の減肉部は、あくまで減肉部であって、安全上黒鉛ルツボの高さを低くしたり、完全に貫通させたりしてはならない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
（実施例、比較例）
図８に示したごとき、熱遮蔽部材を有するチョクラルスキー法による単結晶製造装置で、１８インチ石英ルツボに７０Ｋｇの多結晶を充填し、これから直径６インチのシリコン単結晶を製造した。用いた黒鉛ルツボとしては、図４（Ｅ）に示したような黒鉛ルツボの上端部を４０ｍｍに渡ってテーパ形状にしたもの（実施例）と、図３（Ａ）に示した従来の円筒部の肉厚が均一なもの（比較例）とを使用した。また、その他の条件としては、結晶育成中ルツボ回転は８ｒｐｍ一定とし、種回転は２２ｒｐｍ一定、アルゴンガスの減圧雰囲気下とし、実施例と比較例とでは、黒鉛ルツボ以外の条件は同一とした。
こうして得られた結晶の酸素濃度を、結晶位置ごとにＦＴ−ＩＲで測定し、その結果を図５に示した。
【００３６】
図５から明らかなように、本発明にかかる上端部をテーパ形状とした黒鉛ルツボを用いて単結晶を育成した場合には、ルツボ上部から熱が通りやすいために、結晶全体の酸素濃度が約０．５〜１ｐｐｍａ下がっていることがわかる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３８】
例えば、本発明で言う「チョクラルスキー法」とは、ルツボ内の融液に磁場を印加しながら結晶を育成する、いわゆるＭＣＺ法も含むものであり、本発明の黒鉛ルツボおよびこれを用いる方法は当然ＭＣＺ法においても適用できるし、その効果を発揮できるものである。
【００３９】
また、上記実施例では黒鉛ルツボの口径として、１８インチの石英ルツボを保持するものにつき例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ルツボの口径にかかわらず効果を奏すことができるもので、２４インチ以上、さらには３０インチ以上の石英ルツボを保持する黒鉛ルツボにおいても、当然に適用できることは、言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＺ法によってシリコン単結晶を製造する場合において、単結晶中の酸素濃度を、黒鉛ルツボの形状という従来にないファクターでもって制御することができる。しかもこれは、簡単でありかつ低コストであると共に、特に近年用いられる熱遮蔽部材による制約を受けることなく、確実に酸素濃度を制御することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ法により結晶を育成中の、原料融液中の対流の様子を示した概念図である。
【図２】ルツボとヒータとの位置関係と対流との関係を説明するための説明図である。
（Ａ）ルツボを上昇させた場合、
（Ｂ）ルツボを下降させた場合。
【図３】従来の黒鉛ルツボの概略の断面形状である。（Ａ）平底の場合、
（Ｂ）丸底の場合。
【図４】（Ａ）〜（Ｆ）は本発明にかかる黒鉛ルツボの代表例における断面形状を示した図である。
【図５】実施例および比較例で製造した結晶の酸素濃度を、結晶位置ごとに測定した結果を示した図である。
【図６】従来のチョクラルスキー法でシリコン単結晶棒を製造する場合の装置の概略断面図である。
【図７】熱遮蔽部材を有するチョクラルスキー法の装置の概略断面図で、部分的にカバーする装置である。
【図８】熱遮蔽部材を有するチョクラルスキー法の装置の概略断面図で、カラーを有する装置である。
【符号の説明】
１…引上室、              ２…黒鉛ルツボ、
３…石英ルツボ、          ４…支持軸、
５…保温体、              ６…黒鉛ヒーター、
７…融液、                ８…開口部、
９…サブチャンバー、    １０…種結晶、
１１…引上軸、            １２…単結晶棒、
１５…排気口、
１９…円筒、              ２０…カラー、
３０…環状リム、          ３１…連結部、
５１…強制対流、          ５２…自然対流、
Ｇ…減肉部、              Ｈ…円筒部、
Ｓ…底部、                Ｒ…円筒部。
【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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【図７】
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【図８】
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