JP2531415B2

JP2531415B2 - 結晶成長方法

Info

Publication number: JP2531415B2
Application number: JP4066133A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤原; 俊二宮原; 俊幸藤原; 高行久保; 修一稲見
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPH05270969A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶成長方法に関し、よ
り詳細には例えば半導体材料として使用されるシリコン
単結晶等のような結晶を成長させる結晶成長方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】結晶成長法には種々の方法があるが、そ
の一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）が
ある。図４は従来のＣＺ法で使用される結晶成長装置の
模式的断面図であり、図中１はルツボを示している。ル
ツボ１は有底円筒状の石英製ルツボ１ｂと、この石英製
ルツボ１ｂの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛
製ルツボ１ａとから構成されており、ルツボ１は図中矢
印方向に所定速度で回転しかつ上下動する支持軸７に支
持されている。このルツボ１の外側には抵抗加熱式ヒー
ター２が同心円筒状に配設され、ヒータ２の外側には黒
鉛製の保温筒３及び保温筒４がそれぞれ同心円筒状に配
設され、またルツボ１の中心軸上には、支持軸７と同一
軸心で同方向または逆方向に所定速度で回転するワイヤ
等の引き上げ軸５が配設されている。ルツボ１内に装入
された所定重量の結晶用原料は、ヒータ２により加熱さ
れてまず高温のルツボ１内の外周から溶融を始め、最後
に比較的に低温のルツボ１内の底部が溶融してすべてが
溶融液１３になる。そして、引上げ軸５の先に取りつけ
られた種結晶６を溶融液１３の表面に接触させて引き上
げ軸５を引き上げていくことにより、溶融液１３が凝固
して形成される単結晶１２を成長させている。

【０００３】ところで単結晶１２の電気抵抗あるいは電
気伝導型を調整するため、溶融液１３中にはドーピング
不純物元素を添加することが多い。この場合、溶融液１
３と単結晶１２の界面における単結晶１２中の不純物濃
度Ｃ_S と溶融液１３中の不純物濃度Ｃ_L との比Ｃ_S ／Ｃ
_L （実効偏析係数Ｋｅ）は例えばシリコン（以下、Ｓｉ
と記す）に対する不純物としてのリンでは０．３５
（「Ｓｉ単結晶とドーピング」；ｐ３５，丸善参照）で
ある。したがって、ＣＺ法においては単結晶１２の成長
に伴い溶融液１３中の不純物濃度は高くなり、これに伴
い引き上げられる単結晶１２中の不純物濃度はしだいに
増加していくので、単結晶１２中の不純物は結晶の引き
上げ方向に対し偏析が生じ、そのため単結晶１２の電気
抵抗は不均一になるおそれがあった。

【０００４】このドーピング不純物の偏析を抑制して結
晶を成長させる方法として、溶融層法が知られている。
図５は従来の溶融層法で使用される結晶成長装置の断面
図であり、図中１はルツボを示している。ＣＺ法と同
様、ルツボ１は有底円筒状の石英製ルツボ１ｂと、この
石英製ルツボ１ｂの外側に嵌合された同じく有底円筒状
の黒鉛製ルツボ１ａとから構成されており、ルツボ１は
図中矢印方向に所定速度で回転しかつ上下動する支持軸
７に支持されている。このルツボ１の外側には抵抗加熱
式ヒーター２が同心円筒状に配設され、ヒータ２の外側
には黒鉛製の保温筒３が同心円筒状に配設され、またル
ツボ１の中心軸上には、支持軸７と同一軸心で同方向ま
たは逆方向に所定速度で回転するワイヤ等の引き上げ軸
５が配設されている。ルツボ１内に装入された所定重量
の結晶用原料の上部のみをＡｒガス１６雰囲気中でヒー
タ２にて溶融させることにより、上部には溶融液層１
３、下部には固体層１４を形成し、溶融液層１３中のド
ーピング不純物濃度を一定に保ちながら上側から下側へ
向けて固体層１４を溶融させる。そして、引き上げ軸５
の先に取りつけられた種結晶６を溶融液層１３の表面に
接触させて引き上げ軸５を引き上げていくことにより、
溶融液１３が凝固して形成される単結晶１２を成長させ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したＣＺ法及び溶
融層法における結晶用原料には、高純度の多結晶Ｓｉよ
り成る棒状原料（以下、ロッドと記す）、該ロッドを破
砕した大きさ３０ｍｍ〜１００ｍｍの塊状原料（以下、
ランプと記す）、大きさ２０ｍｍ以下の片状原料（以
下、チップと記す）及び大きさ数十μｍ〜２ｍｍ程度の
顆粒状原料（以下、顆粒と記す）がある。

【０００６】ところで前記ロッド、ランプ、チップの大
形または中形の結晶用原料を石英ルツボ１ｂ内にそれぞ
れ単独もしくは併用して装入する場合、多くの時間と労
力を掛けて原料が密になるように充填しても、原料間の
間隙が大きく充填率が低いので１回の結晶用原料の装入
量は少なく、引き上げられる単結晶は小さい。したがっ
て単結晶の大型化に対応するには初期に装入した結晶用
原料が溶融したのち、さらに別の結晶用原料を追加装入
し溶融を行う必要がある。また、原料価格についても前
記ロッド、ランプは前記顆粒に比べて略２倍程高価であ
るという問題がある。

【０００７】そこで原料価格を低減し、かつ充填率を高
めて効率良く溶融を行うために、前記ロッド、ランプ、
チップに加えて顆粒を併用して石英ルツボ１ｂ内に充填
する方法が用いられているが、溶融層法ではランプを石
英ルツボ１ｂ内の底面近傍に配置すると石英ルツボ１ｂ
が破損し易いという現象が生じる。

【０００８】この問題点を解決するには、石英ルツボ１
ｂ内の下部側壁面及び底面に中小形のチップや顆粒を充
填し、この上部にランプを充填する方法（特開平０３−
１９３６９２号公報）が有効であると考えられるが、石
英ルツボ１ｂ底面に顆粒を接触させて充填して溶融を行
うと、溶融層法においては単結晶を略６０〜７０％引き
上げたときに単結晶化（Dislocation Free；以下、ＤＦ
と記す）率が低下するという課題があった。

【０００９】またＣＺ法および溶融層法においてロッ
ド、ランプ、チップ及び顆粒を併用して石英ルツボ１ｂ
に充填した場合、充填された結晶原料の最上面に前記顆
粒が現れていると、該顆粒は溶融時に破裂飛散して石英
ルツボ１ｂ等に付着し、これがＡｒガス１６の流れを乱
し、また結晶を引上げているときに溶融液１３中に落下
して結晶欠陥（以下、有転位化と記す）を生ずる原因と
なることがあった。

【００１０】本発明は上記課題に鑑みなされたもので
あり、ＣＺ法及び溶融層法において顆粒を結晶用原料と
して併用して溶融させた際に石英ルツボ１ｂの破損を抑
制するとともに有転位化を抑制することができる結晶成
長方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る結晶成長方法は、ルツボ内の結晶用原料
を溶融させ、その溶融液を上方に引き上げて結晶を成長
させる結晶成長方法において、前記ルツボの底部にチッ
プを充填し、前記チップの上部に顆粒を充填して溶解さ
せることを特徴としている。

【００１２】また上記結晶成長方法において、顆粒の上
部に該顆粒を覆うようにチップを充填して溶解させるこ
とを特徴としている。

【００１３】

【作用】溶融層法における結晶用原料の種類及び充填方
法が有転位化に及ぼす影響について本発明者らが調査し
た結果、結晶用原料に顆粒を用いずに溶融させた場合、
あるいは結晶用原料に顆粒を併用した場合においても顆
粒以外の結晶用原料を石英ルツボ内の底面に接触させて
充填して溶融させたときには有転位化は生じないが、顆
粒を石英ルツボ内の底面に接触させて充填して溶融させ
た場合には、固体層が溶融されていき、石英ルツボ内の
底面に溶融液が到達したときに有転位化を生じることが
多いということが分かった。

【００１４】上記の知見を元に考察すると、顆粒は比
表面積が大きく表面が活性化しているため、比較的低温
時に石英ルツボと反応して顆粒表面に酸化物等の不純物
を形成し、溶融液及び結晶原料の荷重によって石英ルツ
ボ内の底面に固着するものと考えられる。さらに前記の
固着した不純物は高温の溶融液に接すると石英るつぼ内
の底面より離脱して溶融液中に浮遊し、引き上げ中の単
結晶に付着して有転位化を招くものと考えられる。

【００１５】以上の考察から、溶融層法において顆粒を
ロッド、ランプ、チップと併用して溶融を行う際に、石
英ルツボ１ｂの破損を抑制するとともに結晶欠陥を抑制
するには、チップを石英ルツボ１ｂ内の底面に接触して
充填し、次いで前記チップの上部に顆粒、ロッドあるい
はランプを充填して溶融させれば、前記不純物は石英ル
ツボ１ｂ内の底部に固着しないことが分かった。

【００１６】また、透明な容器を用いて該容器の底部に
チップを充填し、前記チップの上部に顆粒を充填して確
認を行った結果、例えば大きさが略１０ｍｍのチップの
場合略５０ｍｍの厚さに充填するか、あるいは大きさが
略５ｍｍのチップの場合略３０ｍｍの厚さに充填すれ
ば、顆粒はチップの隙間に停まり容器の底部には到達し
ないことが分かった。

【００１７】また、顆粒はその製造過程において水素及
び塩素を含有するので、例え溶融に先立って加熱による
これら元素の排出処理を行っても前記含有元素は少なか
らず残存しており、溶融温度近傍に加熱されると残留し
ているガス状の前記水素及び塩素は急激に膨張し、顆粒
を破裂させて飛散させると考えられた。他方、チップに
は上記元素が含有されないので、溶融温度近傍に加熱さ
れても破裂して飛散することはないと考えられた。

【００１８】そこで顆粒上部にしかも顆粒が完全に隠れ
るよう、チップを略１０ｍｍ以上の厚さで覆って加熱し
たところ、顆粒は破裂するが外部には飛散しないことが
分かった。

【００１９】本発明に係る結晶成長方法によれば、ル
ツボ内の底部にチップを充填し、前記チップの上部に顆
粒をランプと併用して充填して溶融させるので、充填率
が向上するとともに顆粒表面の不純物がルツボ底部に固
着するのが抑制され、したがって有転位化が抑制される
こととなる。またランプがルツボ内の底部近傍に充填さ
れないので、ルツボの破損も防止される。

【００２０】さらに、結晶原料の最上部には顆粒を覆
うようにチップを充填して溶融させる場合には、顆粒の
飛散が抑制され、ルツボ内の上部側壁等の炉内部品への
顆粒の付着が抑制される。したがって上記したアルゴン
の流れの乱れが抑制され、また結晶の引き上げ中におけ
る付着物の溶融液中への落下が抑制され、有転位化が抑
制されることとなる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係る結晶成長方法の実施例及
び比較例を図面に基づいて説明する。

【００２２】図１は実施例に係るシリコン多結晶用原料
の充填方法を模式的に示した断面図であり、図中１ｂは
石英ルツボを示している。石英ルツボ１ｂ内の底部には
大きさが略３〜２０ｍｍのチップ２０を１１ｋｇ充填
し、チップ２０の上部には直径が略１２０ｍｍで長さが
略２００ｍｍのロッド２２を４個（総重量１７．２ｋ
ｇ）配置し、次にロッド２２の周囲に大きさが略３０〜
１００ｍｍのランプ２１を１０ｋｇ充填する。さらに、
２２．８ｋｇの顆粒２３を装入してロッド２２、ランプ
２１、チップ２０の間隙に充填し、最上部に大きさが略
３〜２０ｍｍのチップ２０（４ｋｇ）を顆粒２３を覆う
ように充填する。

【００２３】図６は比較例としての従来の結晶用原料の
充填方法を模式的に示した断面図であり、図中１ｂは石
英ルツボを示している。石英ルツボ１ｂ内の底部には大
きさが略３〜２０ｍｍのチップ２０を１５ｋｇと顆粒２
３を２２．８ｋｇ混合した混合原料２４を１１ｋｇ充填
し、混合原料２４の上部には直径が略１２０ｍｍで長さ
が略２００ｍｍのロッド２２を４個（総重量１７．２ｋ
ｇ）配置し、次にロッド２２の周囲に大きさが略３０〜
１００ｍｍのランプ２１を１０ｋｇ充填した。さらに、
残り２６．８ｋｇの混合原料２４を装入してロッド２２
及びランプ２１の間隙及び上部を充填した。

【００２４】以下に、上記方法で結晶用原料を充填した
石英ルツボを使用し、またドーピング不純物としてシリ
コンに対し実効偏析係数が０．３５であるリンを用い、
下記の表１に示した条件で長さ１１００ｍｍのシリコン
単結晶引き上げを行った結果について説明する。

【００２５】

【表１】

【００２６】上記条件で溶融層法により結晶用原料の溶
融を行った結果、比較例の方法では、溶融初期に溶融液
の飛散が多く、次に石英ルツボ内の底部に充填された混
合原料が溶融しはじめると不純物が浮上した。一方実施
例に係る方法では、溶融液の飛散及び不純物の浮上は比
較的に少ないことが観測された。

【００２７】図２は、実施例及び比較例の結晶成長方
法によりそれぞれ３０回ずつ単結晶引上げを行い、有転
位化を起こしたときの単結晶長さの頻度を示したグラフ
である。図２から明らかなように、比較例の結晶成長方
法では引き上げられた結晶は長さが７００ｍｍ〜８００
ｍｍの位置すなわち結晶引き上げ率が略６０〜７０％で
ＤＦ切れが略７０％発生したが、実施例の結晶成長方法
では略９０％の結晶は全長１１００ｍｍにおいて有転位
化がなく、有転位化の発生率はわずかに略１０％であっ
た。

【００２８】また別の実施例としてＣＺ法により上記
条件で結晶用原料の溶融を行った結果、溶融初期におい
て溶融液の飛散及び顆粒の不純物浮上に伴う有転位化が
抑制された。

【００２９】上記の結果から明らかなように、実施例
に係る結晶成長方法では、従来の方法に比べて結晶の有
転位化が抑制されている。このようにルツボの底部にチ
ップを充填し、前記チップの上部に顆粒を充填して溶融
させることにより、不純物がルツボ底部に固着するのを
抑制することができ、有転位化部分の少ない結晶が得ら
れることが確認された。

【００３０】また顆粒の上部に該顆粒を覆うようにチ
ップを充填して溶融させることにより、顆粒の飛散が抑
制され、結晶の引き上げ中における顆粒の溶融液中への
落下が抑制されるため、有転位化部分の少ない結晶が得
られることが確認された。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る結晶成
長方法にあっては、ルツボの底部にチップを充填し、前
記チップの上部に顆粒を充填して溶融させるので、顆粒
が石英ルツボ内の底部に接触せず、顆粒と石英ルツボと
の反応によって生成する不純物の発生を抑制することが
でき、有転位化を防止することができ、かつルツボの破
損を抑制することができる。

【００３２】また、装入原料の最上部において顆粒の
上部に該顆粒を覆うようにチップを充填して溶融させる
場合には、顆粒の破裂及び飛散による石英ルツボ等の炉
内部品への付着を抑制することができるため、有転位化
を防止することができる。

【００３３】また、顆粒を多量に併用することができる
ため、充填率が向上し、結晶用原料の装入作業が容易と
なり、また原料価格を下げることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るＳｉ多結晶用原料の充填
方法を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例及び比較例の結晶成長方法において、
有転位化が生じたときの単結晶長さの頻度を示したグラ
フである。

【図３】別の実施例におけるＳｉ多結晶用原料の充填方
法を模式的に示した断面図である。

【図４】従来のＣＺ法で使用される結晶成長装置の模式
的断面図である。

【図５】従来の溶融層法で使用される結晶成長装置の模
式的断面図である。

【図６】比較例としての従来の結晶用原料の充填方法を
模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１ｂ石英ルツボ２０チップ２１ランプ２２ロッド２３顆粒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久保高行大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者稲見修一大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (56)参考文献特開平１−286995（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ルツボ内の結晶用原料を溶融させ、その
溶融液を上方に引き上げて結晶を成長させる結晶成長方
法において、前記ルツボの底部に片状の原料を充填し、
前記片状の原料の上部に顆粒状の原料を充填して溶解さ
せることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】顆粒状の原料の上部に、該顆粒状の原料
を覆うように片状の原料を充填して溶解させる請求項１
記載の結晶成長方法。