JP3986108B2 - 石英ガラスルツボ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により単結晶シリコンを育成するために用いられる石英ガラスルツボ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法では、非晶質の石英ガラスルツボの内部でシリコンを融解し、シリコン融液上面に触れた種結晶を静かに回転させながら上方に引上げる。種結晶に触れた融液は種結晶を通して熱を失って、種結晶の上に凝固する際に種結晶の結晶方位に従って析出し、単結晶棒（インゴット）として引上げられる。
しかし、この結晶育成法では、シリコン融液と接触するルツボの石英ガラスの一部はシリコン融液中に不可避的に溶解し、これにより酸素が融液内に溶け込むために、育成した単結晶シリコンでは酸素が最大の不純物になる。このシリコン融液中には１０¹⁸原子／cm³台の酸素が溶解している。
【０００３】
従来、シリコン融液中への酸素溶解量を減らす方法として、ＣＺ炉内に流すＡｒガス流を制御する方法や、ルツボの材料を非晶質の石英ガラスに代りに窒化シリコンを用いる方法や、或いはルツボ全体に磁場を印加するＭＣＺ法等が知られている。このＭＣＺ法によれば、磁場によりシリコンイオンの動き、即ちシリコン融液の対流が抑えられ、ルツボとの反応で取込まれた酸素がルツボ近辺から中心部へ流れることが抑制されるため、インゴット中の酸素量が大幅に低減するばかりでなく、酸素を結晶中に均一化する効果もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、シリコンウェーハ表面に多結晶シリコンをエピタキシャル成長させたエピ基板用ウェーハとして、ドーパントしてのボロンを高濃度に添加したＰ型の単結晶シリコンが求められている。しかしながら、ボロン又はリンを高濃度に添加したシリコン融液は、不純物が無添加のシリコン融液や、ドーパントの濃度がそれ高くないこれまでのシリコン融液よりも酸素溶解度が高い。このためボロン又はリンを高濃度に添加したシリコン融液では、Ａｒガス流を制御したり、或いはＭＣＺ法により単結晶シリコンを育成させても酸素濃度を低減することが困難であった。
このシリコン融液の酸素溶解度が高くなることに起因して、酸素濃度の低い単結晶シリコンを製造することが困難となっている。
本発明の目的は、シリコン融液中の酸素溶解度を減少させて、これにより育成した単結晶シリコン中の酸素含有量を低減し得る石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図２に示すように、非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分にのみ斑点状、１本の環状又は複数本の横縞状に結晶化ガラス層１２が形成された石英ガラスルツボ２０である。
ルツボ本体１１の内面に結晶化ガラス層１２を形成することにより、シリコン融液が接触しても、石英ガラスが溶解せず、シリコン融液中の酸素含有量を減少できる。特にルツボ本体１１の内面の中でルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分はシリコン融液の対流が及ばず滞留するところでもあり、石英ガラスの溶け込む量が多いところでもある。この部分の内面を結晶化ガラス層で被覆することにより、少ない結晶化面積でシリコン融液中の酸素含有量を効率よく減少できる。
また結晶化ガラス層は内面に連続せずに斑点状又は内周面に１本の環状又は複数本の環状（横縞状）に形成される。斑点状の場合、ルツボ本体の内面１ｃｍ²当り１個以上斑点状の結晶化ガラス層が形成される。
【０００７】
請求項２に係る発明は、図４に示すように、底部３１と周壁部３２とが交わる部分３３を薄く形成したカーボン製サセプター３５に非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体１１を収容し、このルツボ本体１１に多結晶シリコンを充填し、この多結晶シリコンを不活性ガス中で１４１５〜１６００℃に加熱して融解して、ルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分に結晶化ガラス層を形成する石英ガラスルツボの製造方法である。
サセプター３５の部分３３を薄く形成することにより、多結晶シリコンを融解するヒータからの熱が他の部分と比べて部分３３から容易に伝達して１５００〜１６００℃の温度に加熱され、ルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分の結晶化が促進される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を参考の形態とともに図面に基づいて詳しく説明する。
図１に示すように、参考形態の石英ガラスルツボ１０は結晶化ガラス層１２がルツボ本体１１の内面全体に形成される。また理解を容易にするため、ルツボ本体１１の厚さは誇張して示している（図２〜図４も同じ）。結晶化ガラス層では結晶とガラスが混在し、その結晶化度は５〜１００％である。好ましくは２０〜１００％である。この結晶化ガラス層の平均厚さは０．１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍである。結晶化ガラス層の結晶化度が５％未満では、又はその平均厚さが０．１ｍｍ未満では、ルツボ本体を構成する非晶質の石英ガラスのシリコン融液中への溶解を阻止することが困難となる。
【０００９】
参考形態の石英ガラスルツボの製造方法を図３に基づいて説明する。図３に示すように、酸水素炎２１を吹出すノズル２２がガス管２３に方向転換可能に接続される。このガス管２３は鉛直方向に設けられ、図示しない駆動装置により昇降し、かつ管の中心線を中心に回転するようになっている。またガス管２３から張出したアーム２３ａの先端を通ってワイヤ２３ｂがノズル２２に接続される。
非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体１１の内面に結晶化ガラス層を形成するには、酸素雰囲気中でルツボ本体１１を固定した後、図示するようにノズル２２を下向けにして酸水素炎２１の先端がルツボ本体１１の底面中央に当るようにガス管２３を下降して位置調整する。所定時間酸水素炎２１を吹付けると、底面中央の温度は１５００〜１６００℃になり、吹付けた内面部分は軟化する。次いでワイヤ２３ｂを僅かに引上げかつガス管２３をゆっくりと回転させる。酸水素炎が吹付けられなくなった底面中央は軟化点より温度が低くなり結晶化する。以下、同様にこのワイヤの引上げとガス管の回転を繰返し行い、ノズル２２を図の破線に示す位置に変え、最終的にノズル２２を水平にして、ルツボ本体１１の内面全体に酸水素炎２１を吹付ける。その後内面全体に結晶化ガラス層を有するルツボ本体を純水で洗浄する。
【００１０】
図２に示すように、本発明の実施形態の石英ガラスルツボ２０は結晶化ガラス層１２がルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分に形成される。結晶化ガラス層の形態、厚さ及び結晶化度は参考形態と同じである。
実施形態の石英ガラスルツボの製造方法を図４に基づいて説明する。図４に示すように、底部３１と周壁部３２とが交わる部分３３を薄く形成したカーボン製サセプター３５を用意する。サセプター３５の周囲にはカーボンヒータ３６が設けられる。ヒータ３６は周壁部３２を加熱する上部ヒータ３６ａと、部分３３を加熱する下部ヒータ３６ｂとにより構成され、それぞれ独立に加熱するように制御される。非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体１１をこのサセプター３５の中に収容し、このルツボ本体１１に図示しない多結晶シリコンを充填し、不活性ガス中で上部ヒータ３６ａ及び下部ヒータ３６ｂによりこの多結晶シリコンを１４１５〜１６００℃に加熱して融解する。サセプター３５の部分３３は薄く形成されているため、他の部分と比べて部分３３の内側のルツボ本体１１の一部だけが１５００〜１６００℃の温度に加熱され、軟化する。下部ヒータ３６ｂの加熱温度を下げてその内面部分を軟化点以下にすることにより、ルツボ本体１１の底面と周壁面とが交わるルツボ本体１１の内面部分を結晶化する。
【００１１】
【実施例】
次に本発明の実施例を参考例及び比較例とともに説明する。
上述した参考形態及び実施形態の石英ガラスルツボを用いて、また比較のためルツボ本体の内面に結晶化ガラス層を有しない従来の石英ガラスルツボを用いて、それぞれシリコン単結晶を育成した。即ち、同形同大に形成され同一の非晶質の石英ガラスから作られた加工済の参考形態及び実施形態の石英ガラスルツボ（以下、参考例１及び実施例１という）と、参考例１及び実施例１と同形同大に形成され同一の非晶質の石英ガラスから作られた未加工の従来の石英ガラスルツボ（以下、比較例１という）を同一のＣＺシリコン単結晶育成装置に設置し、それぞれのルツボ本体に同一の多結晶シリコンを充填し、不活性ガス中で多結晶シリコンを融解した後、種結晶をシリコン融液に浸し、これを引上げ、単結晶インゴットをそれぞれ同一条件で製造した。
【００１２】
参考例１、実施例１及び比較例１の単結晶インゴットからシリコンウェーハを作製し、それぞれの結晶中の酸素濃度をフーリエ変換赤外吸収（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared spectrometer）法と二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）法とにより、また結晶欠陥（bulk micro defect）をＸ線解析法により測定した。その結果を表１に示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１から明らかなように、比較例１の石英ガラスルツボから作られたシリコンウェーハにおける酸素濃度及び結晶欠陥と比較して、参考例１及び実施例１の石英ガラスルツボから作られたシリコンウェーハにおける酸素濃度及び結晶欠陥はいずれも低減していた。特にルツボ本体の内面全体に結晶化ガラス層を形成した参考例１では、内面の一部に結晶化ガラス層を形成した実施例１と比較して、酸素濃度及び結晶欠陥とも低減していた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考形態の石英ガラスルツボの中央縦断面図。
【図２】 本発明の実施形態の石英ガラスルツボの中央縦断面図。
【図３】 本発明の参考形態の石英ガラスルツボの製造方法を示す断面図。
【図４】 本発明の実施形態の石英ガラスルツボの製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
１０，２０ 石英ガラスルツボ
１１ ルツボ本体
１２ 結晶化ガラス層
２１ 酸水素炎
３１ サセプターの底部
３２ サセプターの周壁部
３３ サセプターの底部と周壁部とが交わる部分

Claims (2)

1. 非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体(11)の底面と周壁面とが交わる前記ルツボ本体(11)の内面部分にのみ斑点状、１本の環状又は複数本の横縞状に結晶化ガラス層(12)が形成された石英ガラスルツボ。
2. 底部(31)と周壁部(32)とが交わる部分(33)を薄く形成したカーボン製サセプター(35)に非晶質の石英ガラスからなるルツボ本体(11)を収容し、前記ルツボ本体(11)に多結晶シリコンを充填し、前記多結晶シリコンを不活性ガス中で１４１５〜１６００℃に加熱して融解して、前記ルツボ本体(11)の底面と周壁面とが交わるルツボ本体の内面部分に結晶化ガラス層を形成する石英ガラスルツボの製造方法。

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