JP2550740B2 - 結晶成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、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２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）式げ知られている（安
部他，“シリコン結晶とドーピング",丸善,P.51,198
6）。

Ω＝Ω_０（１−ｌ）^1-K0 …（１） Ω：抵抗率 Ω₀:初期抵抗率 l:引上げ率 K₀:偏析係数 第３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３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４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。軸1cに
よりるつぼ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。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第２図に示すような結晶成長装置では、ヒ
ータ２の長さがるつぼ１の高さと同程度であり、側部保
温筒3,下部保温筒４にて均一にヒータ２の熱損失を防止
し、石英るつぼ1bの高さ／径の比の値が0.6〜0.8程度で
あるので、この構成のままでは前述したようなML法を実
施することは困難である。そして、ML法を実現できるよ
うな装置構成、特にるつぼ，ヒータ，側部保温筒の形状
及び寸法を明示している文献は見当たらない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、装
置構成、特にるつぼ（石英るつぼ），ヒータ，側部保温
筒の形状及び寸法を明確にすることにより、ML法を容易
に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〕

本発明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石英るつぼ
と、該石英るつぼの周囲に設けられたヒータと、該ヒー
タ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、前記ヒータの下端は前記石英るつぼの下端よ
り高く、前記ヒータの上端は前記石英るつぼの上端より
低く、前記側部保温筒の下端部は他の部分に比べて内径
が大きくこの下端部の上端は前記石英るつぼの下端±0.
3×前記石英るつぼの高さの範囲内に位置し、前記石英
るつぼの高さ／径の比が0.85以上であることを特徴とす
る。

〔作用〕

本発明の結晶成長装置にあっては、ヒータの下端は石
英るつぼの下端より高い。そうしておくと、石英るつぼ
下部への加熱がなくなり固体層が形成され易い。ヒータ
の上端は石英るつぼの上端より低い。そうしておくと、
成長する結晶への直接加熱が防止される。また、側部保
温筒の下端部は肉薄であり、この肉薄部の上端は石英る
つぼの下端±0.3×石英るつぼの高さの範囲に位置して
いる。そうしておくと、石英るつぼ底部において放熱が
促進されて固体層が形成され易い。更に、石英るつぼの
高さ／径の比の値を0.85以上にする。そうしておくと、
石英るつぼ内にあってその上下方向に温度差が生じ易
い。本発明の結晶成長装置では以上のようにして、固体
層が安定的に形成される。

〔実施例〕

以下、本発明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図は本発明に係る結晶成長装置（以下本発明装置
という）の模式的断面図である。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インチであり、その
高さ／径の比の値は0.875である。

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が配設されている。ヒータ２の高さは15
0mmであり、ヒータ２の上端が石英るつぼ1bの上端より2
0mmだけ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
と下部3b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
ており、肉薄部である下部3bの高さは174mmである。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。

るつぼ１の上方には、チャンバ７の上部に設けられた
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（石英るつぼ1b）
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発明装置においてシリコン
単結晶を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（石英るつぼ1b）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、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。

次に、シリコン単結晶を具体的に成長させた例につい
て説明する。まず、65kgの固体材料（ポリシリコン）を
るつぼ１内に充填し、融液層13及び固体層14を形成し
た。引上げ開始前における融液層13,固体層14の厚さは
夫々170mm,80mmであり、両層を合せた高さは約250mmで
あった。なお、引上げ直前にるつぼ１の中央部に石英パ
イプを入れて、各層の厚さを測定した。そして、上述し
たように手順にて長さ1350mmのシリコン単結晶を引上げ
た。成長したシリコン単結晶について抵抗率を測定する
と、基端から54％の範囲の部分が、1.3:1（＝その部分
の抵抗率：基端の抵抗率）以内であった。従来例（33
％）に比べて本実施例（54％）では歩留りが大幅に向上
している。

本発明装置を用いた場合において、このように歩留り
が向上する理由は、固体層を安定して形成できることに
起因している。

本発明装置では石英るつぼ1bの高さ／径の比の値を0.
85以上としているので、上下方向に温度差が容易に生じ
て固体層14が安定して形成される。石英るつぼ1bの高さ
／径の比の値を0.85未満とした場合には、引上げ初期に
固体層14を形成することは、極めて困難である。

また、側部保温筒３の下部を部分的に切除しているの
で、るつぼ１（石英るつぼ1b）の下部からの放熱が促進
されて、固体層14の形成が容易である。側部保温筒３の
下部を部分的に切除しない装置、つまり内径が全域にわ
たって一定であるような側部保温筒３を備えた装置を用
いた場合には、引上げ初期にあっても、固体層14の厚さ
は20mm程度であり、有効なML法を実施することはできな
い。

更に、ヒータ２の下端は石英るつぼ1bの下端より低い
ので、るつぼ１（石英るつぼ1b）の下部への加熱がなく
なり、固体層14が形成され易くなる。

ところで、ヒータ２の上端を石英るつぼ1bの上端より
高くすると、固体層14の形成は容易である。ところが、
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
り、引上げ速度が大幅に低下するという難点がある。従
って、本発明装置ではこのような難点が生じないよう
に、ヒータ２の上端を石英るつぼ1bの上端より低くして
いる。

なお、上述した実施例は、本発明の１つの実施例を説
明したものであり、各部材の寸法及びその位置は上述し
た例に限るものでないことは勿論であり、特許請求の範
囲に記載した条件を満たす装置であれば、同様の効果を
奏することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明の結晶成長装置では固定層
を安定して形成できるように、石英るつぼ，ヒータ．側
部保温筒の形状及び寸法を設定しているので、効率良く
引上げを行うことができ、歩留りを大幅に向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長装置の模式的断面図、第
２図は従来の結晶成長装置の模式的断面図、第３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４
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、12……単結晶、
13……融液層、14……固体層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
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石英るつぼと、該石英るつぼの
   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、 前記ヒータの下端は前記石英るつぼの下端より高く、前
   記ヒータの上端は前記石英るつぼの上端より低く、前記
   側部保温筒の下端部は他の部分に比べて内径が大きくこ
   の下端部の上端は前記石英るつぼの下端±0.3×前記石
   英るつぼの高さの範囲内に位置し、前記石英るつぼの高
   さ／径の比の値が0.85以上であることを特徴とする結晶
   成長装置。