[发明专利]单晶硅生长装置以及单晶硅生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用切克劳斯基单晶生长法的单晶硅生长装置及单晶硅生长方法。

背景技术

在半导体产业中大量使用硅片，成为其基础的单晶硅的生长是重要的技术。在单晶硅的生长中，有利用感应线圈将硅棒局部加热熔融使其单晶化的浮动区域硅精炼(FZ)法，以及利用加热器将坩埚中的硅原料加热使其熔融，从得到的溶液中提起单晶的切克劳斯基单晶生长(CZ)法。CZ法中的坩埚一般为石英坩埚和石墨坩埚的双层结构，所述石英坩埚由硅与氧构成，所述石墨坩埚为了防止石英坩埚在高温下软化而形状变化而支持石英坩埚。在CZ法中，在生长的结晶中从石英坩埚溶出的氧被取至硅中，在从该结晶切出的晶圆中，通过器件中的热处理等形成氧析出物，其发挥捕获器件工序中的杂质的吸除效应。同时，与FZ法相比，CZ法中大口径化也比较容易等，作为在工业上使单晶硅生长的方法，CZ法成为主流。

由于在硅片上形成的器件通过电子和空穴的移动来工作，因此若在晶圆上有错位则发生电流泄漏等问题。因此，要求成为形成器件时的初始原料的硅片上无错位。因此，切出硅片的基础的结晶必须是没有错位的单晶。因为结晶是在高温下生长的，若结晶生长时有错位化，则错位会滑动或增殖，发生大量错位。从这种有错位化的结晶切出的晶圆由于含有大量的错位，因此无法制作尖端器件。因此，结晶生长中的有错位化是大问题。但是，虽经过多年进行了大量研究，却还是不能完全防止有错位化。

作为CZ法中的结晶生长中的有错位化的原因，认为是由于结晶成长时的内部应力导致的，或者各种难溶物导致的等。作为结晶的有错位化的原因之一的内部应力，例如若使结晶的成长速度非常高速，则由液体向固体变化时产生的凝固潜热就会增加，作为熔点等温线的结晶成长界面变为上凸形状，其高度变高。若结晶成长界面的高度变高，则相对于结晶成长轴的垂直方向上的温度梯度就会变大，因此结晶中心部的应力会变大。经验上已知若该应力达到一定程度以上，则会发生有错位化。为防止上述情况发生，例如通过将结晶的冷却强化等，将已发生的凝固潜热从结晶侧去除，使结晶成长界面的高度降低，其结果为应力下降，能够抑制有错位化。更为容易的方法是，通过使成长速度下降来减少凝固潜热。一般常识性地进行以不发生因内部应力导致的有错位化的范围的成长速度使结晶生长，因内部应力导致的有错位化不是特别大的问题。

作为另一个有错位化的原因，即难溶物，认为是：位于炉内的石墨材料或绝热材料；来自钢丝等炉内部件的杂质；由于石英坩埚的结晶化/劣化/气泡的开口等引起的石英坩埚的一部分剥离下来的SiO₂；从石英坩埚向硅熔融液溶出的氧与硅发生反应后产生的挥发性的氧化硅(SiO)附着在坩埚的直体部的顶端或腔室等被冷却部分上，其凝固物再次落入原料熔融液中的SiO；因原料熔融液的温度的不均匀性或波动等产生的原料熔融液的凝固等。其中，来自炉内部件的杂质能够通过对部件形状的钻研较容易地解决。

对于因石英坩埚的劣化而导致的SiO₂难溶物的产生，例如专利文献1记述了优化作业中的炉内压来防止劣化。并且公开了各种改善石英坩埚自身品质的技术。

对于挥发性SiO凝固后落下的问题，例如专利文献2公开了下述技术，即，通过在围绕结晶的圆筒(整流筒)及其下端安装凸缘(カラー)，利用从上部流下的氩气等对挥发性SiO或在加热器上生成的CO或CO₂等气体进行整流，防止向比坩埚靠上部的部件附着。另外，专利文献3公开了下述技术，即，通过使凸缘的外周部延伸至坩埚直体部的上部，对坩埚的直体部上端部进行保温，防止SiO的附着。另外，目的虽有所不同，但专利文献4公开了组合具有绝热材料的倒圆锥状隔热部件与坩埚的直体部外侧的绝热部件的结构，专利文献5、6公开了在加热器上部伸出至坩埚直体部附近的绝热部件，专利文献7公开了向坩埚的侧壁上部及内侧伸出的辐射屏蔽。这些专利文献都认为具有对坩埚直体部保温的效果，并防止SiO的附着。

最后，对于原料熔融液凝固的问题，例如专利文献8公开了利用隔热环反射辐射热而对界面附近保温的技术。并且，专利文献9公开了利用在石英坩埚的上方设置的上环对上环下方的空间保温，能够抑制原料熔融液凝固的技术。