JP2539336Y2 - 結晶成長装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、半導体装置の材料として使用されるシリコ
ン単結晶等の結晶を成長させる装置に関する。

〔従来の技術〕 シリコン単結晶の成長方法としては種々の方式がある
が、量産が可能である方式としてチョクラルスキー法
（Czochralski法:CZ法）がある。第３図はこのCZ法によ
る結晶成長装置の模式的断面図であり、図中１はるつぼ
である。るつぼ１は黒鉛製のカーボンるつぼ1aの内側に
石英製の石英るつぼ1bを配した二重構造に構成され、カ
ーボンるつぼ1aの底部にはるつぼ１を回転並びに昇降さ
せる軸1cが設けられており、軸1cによってるつぼ１を回
転及び／または昇降せしめるようになっている。るつぼ
１の側面の周囲には抵抗加熱コイル等にて構成されるヒ
ータ2,黒鉛からなる側部保温筒３が配設されている。ま
たるつぼ１の下方には下部保温筒４が設けられている。
るつぼ１の上方には、引上げ軸５が回転並びに昇降可能
に垂設され、引上げ軸５の下端には種結晶６が着脱可能
に装着されている。るつぼ１内には、原料をヒータ２に
より溶融させた溶融液11が収容されている。

そして、引上げ軸５に取付けられた種結晶６を、溶融
液11の表面に接触させ、結晶生成に合せて引上げ軸５を
回転させつつ上方へ引上げていくことにより、溶融液11
を凝固させ、単結晶12を成長させる。

このようなCZ法にあっては、引上げ前に一括して溶融
液11にP,B,As,Sb等の不純物（ドーパント）を添加し、
半導体結晶の電気抵抗率，電気伝導型の調整を図ってい
る。従って、この不純物が単結晶12の引上げ方向に沿っ
て偏析し、引上げ方向に均一な電気的特性を有する単結
晶が得られないという問題がある。

例えばシリコン単結晶の成長における添加不純物と抵
抗率との関係について下記（１）式が知られている（阿
部他，“シリコン結晶とドーピング",丸善,P.51,198
6）。

Ω＝Ω₀（１−ｌ）^1-Ko …（１） Ω：抵抗率 Ω₀：初期抵抗率 l:引上率 K₀：偏析係数 第４図は、上記（１）式に基づいた各不純物における抵
抗率の変化を示すグラフである。何れの不純物を添加す
る場合も、30Kgの結晶材料を供給して５インチの結晶を
成長させることを成長条件としている。第４図に示すグ
ラフにおいて、横軸はインゴットの長さ〔cm〕及び引上
率を示し、縦軸は抵抗率〔Ω・cm〕を示す。例えば、Ｐ
を不純物として添加した場合、初期抵抗率に対する抵抗
率の比が1.3:1以内である部分を使用可能であると設定
したときに、１本の単結晶中において使用可能なものは
全体の33％程度しかない。このように、CZ法では不純物
の偏析によって歩留りが低かった。

歩留りを向上させる方法として、溶融層法（Melted L
ayer法:ML法）がある。第５図は溶融層法による結晶成
長装置の模式的断面図である。図において、第２図と同
番号を付した部分は同一または相当部分を示す。るつぼ
１を上昇させながら、るつぼ１内に装入した固体材料を
昇降可能に設けたヒータ２により上側から下側へ向けて
溶融してゆき、るつぼ１内に融液層13と固体層14とを上
下に位置させる。そして融液層13から、前述したCZ法と
同様に、種結晶６の下端に単結晶12を成長させつつ引上
げる。この方法では、引上げに伴って固体層14を溶融し
て不純物の濃縮を防止し、歩留りの向上を図っている。

〔考案が解決しようとする課題〕

ML法では下部に固体層14が存在するので、CZ法に比べ
て背が高いるつぼが必要である。また、ML法にあって
は、固体層14の比率が高い（融液層13の比率が低い）ほ
ど歩留りが高くなる。そして、融液層13を薄くできれ
ば、背が高いるつぼを必ずしも使用する必要はない。

ところが、第３図，第５図に示すような結晶成長装置
において、融液層13が薄い状態での結晶引上げを行うこ
とは困難であり、歩留り向上の支障となっている。困難
である理由としては以下に述べることがある。

るつぼの高さ／径の比の値は大きくても0.8〜0.9程度
であり、るつぼの高さには実用上の限界がある。

ヒータの設置位置を高くして上部の融液層を減少させ
る方法も考えられるが、成長する単結晶を加熱してはい
けないので、ヒータ上端をるつぼ上端より高くはできな
い。また、ヒータの設置位置を高くすると、単結晶を直
接温めること及び単結晶の周囲（石英るつぼ内面）の温
度が上昇することにより引上げ速度が遅くなる。

ヒータ長を短縮する方法も考えられるが、ヒータ長を
短くすると、熱流密度が増加してヒータ温度が上昇し過
ぎて炉内の雰囲気が悪化する。

下部保温筒の断熱を弱くする方法も考えられるが、ヒ
ータのパワーが著しく上昇するばかりでなく、ヒータ温
度が上昇し過ぎて炉内の雰囲気も悪化する。

以上のように、固体層14の比率を高める（融液層13の
比率を低くする）ための方法として種々の方法が考えら
れる。ところが、上述したような各方法は難点も併せて
有しているので、何れも実用的な方法ではなく、高歩留
りであるML法の引上げを実現することは困難であった。

本考案はかかる事情に鑑みてなされたものであり、側
部保温筒の上部に上方への放熱防止用の断熱材を設ける
ことにより、固体層の比率を高めることができ、高歩留
りのML法の引上げを実現できる結晶成長装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本考案に係る結晶成長装置は、結晶成長材料の融液層
と固体層とを上下に分離して共存させているるつぼと、
該るつぼの周囲に設けられたヒータと、該ヒータの周囲
に設けられた側部保温筒とを備えた結晶成長装置におい
て、前記側部保温筒の上部に、上方への放熱を防止する
ための環状の断熱材が設けられ、該断熱材の内径は前記
るつぼの外径と前記ヒータ内径の中間の値とし、また前
記ヒータは、その上端が前記るつぼ上面より低くなるよ
うに設けられていることを特徴とする。

〔作用〕

本考案の結晶成長装置にあっては側部保温筒の上部に
設けられた断熱材は、その内径がるつぼの外径とヒータ
の内径との略中間の値とし、またヒータはその上端がる
つぼ上面より低くなるように設けたから、固体層の増加
と欠陥の低減とを両立させることが可能となる。

〔実施例〕

以下、本考案をその実施例を示す図面に基づいて具体
的に説明する。

第１図は本考案に係る結晶成長装置（以下本考案装置
という）の模式的断面図であり、図中１はるつぼ、７は
チャンバを示している。るつぼ１はチャンバ７内の中央
にあって、黒鉛製のカーボンるつぼ1aの内側に石英製の
石英るつぼ1bを配した二重構造に構成されている。カー
ボンるつぼ1aの底部にはるつぼ１を回転並びに昇降させ
る軸1cが設けられており、軸1cによってるつぼ１を回転
と昇降または昇降せしめるようになっている。石英るつ
ぼ1bの径，高さは夫々16インチ,14インチである。

るつぼ１の側面の周囲には誘導加熱コイル等にて構成
されるヒータ２が昇降可能に配設されている。ヒータ２
の高さは150mmであり、ヒータ２の上端が石英るつぼ1b
の上端より少し低い位置になるように、ヒータ２は位置
決めされている。ヒータ２の下端は石英るつぼ1bの下端
より高く、両端間の上下方向の距離は186mmである。

ヒータ２の周囲には、断熱材である黒鉛からなる高さ
550mmの側部保温筒３が配設されている。側部保温筒３
はその上部3a（高さ376mm）と下部3b（高さ174mm）とに
おいて内径が異なっており、上部3aより下部3bは内径が
120mmだけ大きくなっている。上部3aと下部3bとの境界
位置は、石英るつぼ1bの下端位置に一致している。また
るつぼ１の下方には黒鉛からなる下部保温筒４が設けら
れている。側部保温筒３の上面には、上方への放熱を防
止するための断熱材９が取付けられている。断熱材９の
内径は側部保温筒３の上部3aの内径より小さく、しかも
ヒータ２の内径とるつぼ１の外径との略中間の値であ
り、ヒータ２の上方も覆うように断熱材９は配置されて
いる。断熱材９の厚さは60mmであり、熱伝導率は0.7Kca
l/mh℃である。

るつぼ１の上方には、チャンバ７の上部に設けたプル
チャンバ８を通して引上げ軸５が回転並びに昇降可能に
垂設されている。引上げ軸５の下端には種結晶６が着脱
可能に装着されている。るつぼ１内には、上層の融液層
13及び下層の固体層14が共存している。

以上のように構成された本考案装置においてシリコン
単結晶を引上げ成長させる場合には、まず、固体材料で
あるポリシリコンをるつぼ１内に充填した後るつぼ１を
上昇させて全部を融解し、その後るつぼ１を下降させて
一部を凝固させて、所定重量の融液層13及び固体層14を
形成する。不純物として例えばＰを添加した後、引上げ
軸５に取付けられた種結晶６の下端を融液層13中に浸漬
する。そして引上げ軸５を結晶成長に合せて回転させつ
つ上昇させることにより、種結晶６の下端にシリコン単
結晶12を成長させる。本実施例では、液面位置を一定に
して引上げを行う。従って、引上げに伴ってるつぼ１は
上昇して固体層14は減少し、最終的にはCZ法による引上
げとなって、結晶成長は終了する。

本考案装置にあっては、側部保温筒３の上に断熱材９
を設けているので、上方への放熱は防止されて著しく減
少する。従って、ヒータ２のパワーは低減してヒータ温
度が低下する。この結果、石英るつぼ1bの温度が下がっ
てるつぼ１内の温度が下降し、融液層13の液温が下がっ
て固体層14は増加する。このように固体層14は増加する
ので、固体層14から溶け出す量が増加し、不純物の偏析
が防止されて歩留りは向上する。

第２図は結晶成長を行った際の不純物の濃度変化を示
すグラフであり、横軸は引上率を、縦軸は正規化した不
純物濃度を表す。図中実線（ａ）は初期引上げ時におけ
る固体層14の比率が0.32である場合の変化を、図中破線
（ｂ）は初期引上げ時における固体層14の比率が0.44で
ある場合の変化を、夫々示している。不純物濃度の比が
1.3:1以内であるものを良品とした場合の歩留りは、固
体層14の比率が0.32である場合（図中（ａ））が54％、
固体層14の比率が0.44である場合（図中（ｂ））が63％
である。このように初期引上げ時における固体層14の比
率が0.12増加すると、歩留りは９％増加する。

なお、第１図に示す本実施例の装置において、側部保
温筒３の下部を部分的に切除しているのは、るつぼ１の
下部からの放熱を促進して、固体層14の形成を容易にす
るためである。また、ヒータ２の上端を石英るつぼ1bの
上端より少し低い位置に設定しているのは、ヒータ２に
よる単結晶12への直接加熱、及び石英るつぼ1b内面の温
度上昇に伴った単結晶12への間接加熱による引上げ速度
の減少を防止するためである。

本考案装置（本考案例）を用いて、シリコン単結晶を
具体的に成長させた。また、放熱防止用の断熱材９を設
けない以外は、第１図に示すものと同一構成をなす装置
（比較例）を用いて、シリコン単結晶を具体的に成長さ
せた。なお、原材料として65kgのポリシリコンを投入し
た。２例の装置における、引上げ初期の固体層14,融液
層13の厚さ、引上げ時のヒータ２のパワー、歩留りの結
果を下記第１表に示す。なお、固体層14,融液層13の厚
さは、引上げ直前にるつぼ１の中央部に石英パイプを入
れて測定した。

上記第１表の結果から理解できるように、放熱防止用
の断熱材９を設けることによって、固体層14の比率が0.
08上昇し、ヒータ２のパワーを19％低減でき、製品の歩
留りを11％向上することができた。

〔考案の効果〕

本考案にあっては側部保温筒の上部の断熱材はその内
径がるつぼの外径とヒータ内径の中間の値にし、またヒ
ータ上端がるつぼ上面より低く設けたことによって、固
体層の増加と欠陥の低減とを両立させることが出来る。

また、ヒータ上端をるつぼ上面よりも低く設けること
により、単結晶を直接温めること及び単結晶周囲の温度
が上昇することを防止し、引上げ速度の向上を図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る結晶成長装置の模式的断面図、第
２図は添加する不純物の濃度変化の固体層比率依存性を
示すグラフ、第３図は従来の結晶成長装置の模式的断面
図、第４図はシリコン単結晶における抵抗率の変化を示
すグラフ、第５図はML法の原理を説明するための模式図
である。 １…るつぼ、1a…カーボンるつぼ、1b…石英るつぼ、２
…ヒータ、３…側部保温筒、９…断熱材、12…単結晶、
13…融液層、14…固体層

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶成長材料の融液層と固体層とを上下に
   分離して共存させているるつぼと、該るつぼの周囲に設
   けられたヒータと、該ヒータの周囲に設けられた側部保
   温筒とを備えた結晶成長装置において、前記側部保温筒
   の上部に、上方への放熱を防止するための環状の断熱材
   が設けられ、該断熱材の内径は前記るつぼの外径と前記
   ヒータ内径の略中間の値とし、また前記ヒータは、その
   上端が前記るつぼ上面より低くなるように設けられてい
   ることを特徴とする結晶成長装置。