JP2600944B2

JP2600944B2 - 結晶成長方法

Info

Publication number: JP2600944B2
Application number: JP2021147A
Authority: JP
Inventors: 高行久保; 俊幸藤原; 秀樹藤原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPH03228889A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は結晶成長方法に関し、より詳しくは例えば半
導体材料として使用されるシリコン単結晶等の結晶を成
長させる方法に関する。

従来の技術単結晶を成長させるには種々の方法があるが、その中
にチョクラルスキー法（CZ法）等の回転引き上げ方法が
ある。第９図は従来の回転引き上げ方法に用いられる結
晶成長装置の模式的縦断面図であり、図中11は坩堝を示
している。坩堝11は有底円筒状の石英製の内層保持容器
11aとこの内層保持容器11aの外側に嵌合された同じく有
底円筒状の黒鉛製の外層保持容器11bとから構成されて
おり、坩堝11の外側には抵抗加熱式のヒータ12が同心円
筒状に配設されている。坩堝11内にはこのヒータ12によ
り溶融させた結晶形成用材料、つまり原料の溶融液13が
充填されており、坩堝11の中心軸上には、図中矢印方向
に所定速度で回転する引き上げ棒あるいはワイヤー等か
らなる引き上げ軸14が配設されている。また、坩堝11は
引き上げ軸14と同一軸心で逆方向に所定速度で回転する
坩堝支持軸19にて支持されている。そして、引き上げ軸
14の先に取り付けられた種結晶15を溶融液13の表面に接
触させ、引き上げ軸14を結晶成長に合わせて回転させつ
つ上方へ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16を成長させている。

ところで、半導体単結晶をこの回転引き上げ方法で成
長させる場合、単結晶16の電気抵抗率、電気伝導型を調
整すべく、引き上げ前に溶融液13中に不純物元素を添加
することが多い。このため、添加した不純物が単結晶16
の結晶成長方向に沿って偏析するという現象が生じ、そ
の結果、結晶成長方向に均一な電気的特性を有する単結
晶16が得られないという問題があった。

この偏析は、単結晶16のある点での凝固開始時の不純
物濃度と凝固終了時の不純物濃度との比、つまり凝固の
際に溶融液、単結晶界面において生じる単結晶16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、
すなわち実効偏析係数Keが１でないことに起因して生じ
る。例えばKe＜１の場合では、単結晶16が成長するに伴
って溶融液13中の不純物濃度がおのずと高くなってい
き、単結晶16に偏析が生じるのである。なお、上記実効
偏析係数Keは公知である。

上記不純物の偏析を抑制しながら回転引き上げ法によ
り単結晶16を成長させる方法として、溶融層法がある。

第10図は溶融層法に用いられる従来の結晶成長装置の
模式的縦断面図であり、第９図に示したものと同様に構
成された坩堝11内の原料の上部をヒータ12にて溶融させ
ることにより、上層に溶融液層17を、また下層に固体層
18を形成している。そして、引き上げ軸14の引き上げに
伴って、固体層18をヒータ12にて溶融させることによ
り、坩堝11内の溶融液17量を一定に維持させる（溶融層
一定法）。この方法は、特公昭34−8242号及び特公昭62
−880号公報に開示されており、実効偏析係数Keの値に
拘らず、単結晶16の成長に伴って新たに不純物濃度の低
い固体層18を溶解することにより、溶融液層17中の不純
物濃度C_Lを低減させている。

また、単結晶16の成長に伴って坩堝11又はヒータ12を
昇降させ、坩堝11の溶融液層17の溶融液量を変化させる
ことにより、偏析を抑制する方法（溶融層厚変化法）が
特開昭61−205691号公報に開示されている。

ところで、上記した溶融層法における偏析軽減の原理
は、最初に坩堝11内に充填される結晶形成用材料の重量
（初期充填量）を１とし、原料上面から計った重量比ｘ
の位置における不純物濃度をC_P（ｘ）と表わすことによ
り、第５図〜第８図に示すような一次元モデルにて説明
できる。

この際、初期充填量１に対する結晶引き上げ率をf_s、
溶融後の重量比をf_L、下部固体率をf_p、f₀＝f_s＋f_Lとお
くと次式（１）のごとく定義される。

f₀＋f_p＝f_s＋f_L＋f_p＝１ ……（１）なお、CZ法等の回転引き上げ方法では原料として高純
度多結晶が用いられることが多いが、まず、より一般的
に原料中の不純物濃度C_P≠０の場合を説明する。また図
において左方を坩堝11上面側とする。

第５図は原料を坩堝11内に充填した直後の状態を示
し、f_p＝１である。第６図は第５図の原料が原料上面か
らf_Lだけ溶融され、それに不純物を添加した初期溶解終
了時の状態を示している。ここでC₀は初期溶融液中の不
純物濃度であり、f₀＝f_Lである。第７図は結晶引き上げ
中の変化を示している。原料上面からf_sだけ結晶を引き
上げると、原料は溶融しf_Lになる。ここでC_Lは溶融液中
の不純物濃度であり、C_Pは下部固体層の不純物濃度であ
る。そして、f_SからさらにΔf_sだけ結晶を引き上げる間
に、C_a・Δf_sだけ不純物を添加した場合、f_Lはf_L＋Δf_L
に、C_LはC_L＋ΔC_Lに、f_pはf_p+Δf_pに変化する。C_Sは結
晶中の不純物濃度である。この際、変化前のC_L、C_P及び
変化後のC_S、C_L＋ΔC_L、すなわち図中Ａで示す領域の不
純物量は一定である。これにより次式（２）が成立す
る。

C_L・f_L＋C_a・Δf_s＋C_P.Δf₀ ＝C_S・Δf_s＋（C_L＋ΔC_L）・（f_L＋Δf_L） ……（２）ここで、 C_S＝Ke・C_L ……（３）但し、Ke:実効偏析係数であるので、これを（２）式に適用し、（２）式中の２
次の微小項を省略すると、次の（４）式が得られる。

（４）式より、例えば理想的な場合としてC_P＝０と
し、結晶中の不純物濃度C_Sを以下のごとく算出すると、
その偏析が求めるられる。すなわち、通常のCZ法の場合
はf_p＝０、Δf_L＋Δf_s＝０、C_a＝０よりこれを（３）式に代入すると、 C_S＝Ke・C₀（１−f_s）^Ke-1 ……（６）となる。

同様にして溶融層法の場合はdC_L/df_s＝０、C_P＝０と
すると、（４）式により、となり、これが無偏析引き上げを実現するための条件で
ある。これを溶融層厚一定法に適用した場合はdf_L/df_s
＝０であることから、 C_a＝Ke・C_L＝Ke・C₀ ……（８）が得られ、この不純物料C_aを連続的に添加することによ
り、無偏析条件が実現される。また、溶融層圧変化法に
適用した場合は、不純物の連続添加を行なわないのでC_a
＝０であり、（７）式よりが満足されるように結晶引き上げに伴って溶融層厚を変
化させることにより、無偏析条件が実現される。

第８図は引き上げ終了時の分布を示すものである。溶
融層厚一定法では、溶融液層17下の固体層18が全部溶融
してf_p＝０となった後は、無偏析条件が成立せず、
（６）式に従って偏析が生じる。一方、溶融層厚変化法
では初期溶融率をf_L0とすると、（９）式より f_L＝f_L0−Ke・f_s ……（10）となる。Ke＜１なのでf_L0＝Keとすることにより引き上
げ終了時まで無偏析条件を保つことができ、偏析が軽減
される。

これら溶融層法においては、溶融液層の厚みの制御は
ヒータ12の発熱長、坩堝11の深さ及びヒータ11の外側に
周設され、坩堝下部の熱移動を促進する保温筒（図示せ
ず）の形状及び材質を予め適切に選択することにより行
なわれる。

発明が解決しようとする課題一般に、結晶の引き上げ開始初期（ネックプロセス）
において、引き上げ速度が3mm/min以上、結晶の直径が3
mm以内、引き上げ長さが30mm以上の３つの条件が満たさ
れると結晶欠陥が除かれ、その後単結晶として引き上げ
ることが可能となる。しかしながら、引き上げ時におけ
る溶融液の液温変動が10℃を超えると、初期の結晶の直
径を3mm以内に抑えることは極めて難しくなり、直径の
変動が大きくなって結晶が多結晶化したり、溶融液層の
表面から離れたりする現象が生じる。また、結晶の直径
が急成長し、あるいは引き上げ中に成長した部分が再び
溶解して、結晶の直径の制御が困難となるため単結晶化
し難くなる。従って、結晶の引き上げに際しては液温変
動は10℃以内、しかもできる限り小さい方が望ましい。

ところで従来の溶融層法においては、上記したように
坩堝11に充填した原料の上部をヒータ12で溶融させるこ
とにより、上層に溶融液層17を、また下層に固体層18を
形成している。このため、固体層18が形成される坩堝下
部からの熱の移動を大きくする必要があり、しかも90mm
程度の発熱長の短いヒータ12を用い、CZ法と比較して坩
堝を局所的に大きな電力で加熱しているため、溶融液層
17中の温度勾配が、坩堝11の回転数が通常の１〜20rpm
の場合10〜20℃と大きくなり易い。従って溶融液層17の
液温変動が大きくなり、結晶の引き上げに要する時間が
長くなるばかりでなく、単結晶化が阻害されるという課
題があった。

また、結晶引き上げ時の坩堝11の回転による機械的振
動、及び熱により坩堝11が変形されることに伴う溶融液
面の振動も、成長界面を超えて溶融液が結晶に付着した
り、結晶の成長を不安定にし、単結晶化を阻害する原因
となっていた。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、
溶融液層の液面の振動及び液温変動を小さくでき、単結
晶の引き上げ率の向上が図れると共に、引き上げ工程に
要する時間が短縮できる結晶成長方法を提供することを
目的としている。

課題を解決する為の手段上記した目的を達成するために本発明に係る結晶成長
方法は、坩堝内の溶融液状態の結晶形成用材料に種結晶
を浸漬した後、前記結晶形成用材料を上方に引き上げて
いくことにより結晶を成長させる結晶成長方法におい
て、前記種結晶を浸漬する前に、前記坩堝の回転数を0r
pmとしておき、その後、前記回転数を0rpmに維持した状
態で結晶を成長させていくことを特徴としている。

作用上記した本発明方法によれば、結晶引き上げ中の前記
坩堝の回転数を0rpmにすると、溶融液の振動が抑制さ
れ、また液温の変動が小さくなる。従って、結晶が安定
して成長し、引き上げ工程に要する時間が短縮されると
共に、単結晶の引き上げ率が高くなる。

実施例以下、本発明に係る結晶成長方法の一実施例を図面に
基づいて説明する。なお、従来例と同一機能のものにつ
いては同一の符号を付すこととする。

第１図は本発明方法を実施するための装置を示す模式
的縦断面図であり、図中21はチャンバを示している。チ
ャンバ21は軸長方向を垂直とした略円筒状の真空容器で
あり、チャンバ21の略中央位置には、坩堝11が配設され
ている。坩堝11は、有底円筒形状の石英製の内層保持容
器11aと、この内層保持容器11aの外側に嵌合された同じ
く有底円筒形状の黒鉛製の外層保持容器11bとから構成
されており、本実施例では直径が16インチ、高さが14イ
ンチの坩堝11を用いている。この坩堝11の外層保持容器
11bの底部には、坩堝11を回転、並びに昇降させる坩堝
支持軸19が設けられており、坩堝11の外周には、抵抗加
熱式ヒータ等で構成され、かつ短い発熱長、例えば90mm
程度の発熱長を有するヒータ12が昇降可能に配設されて
いる。そして、このヒータ12と坩堝11との相対的な上下
方向への位置調節によって、坩堝11内の溶融液層17、固
体層18のそれぞれの厚さを調節し得るようになってい
る。またヒータ12の外側には、保温筒22が周設されてい
る。

一方、坩堝11の上方には、チャンバ21の上部に連接形
成された小形の略円筒形状のプルチャンバ23を通して、
目盛りが表示された引き上げ軸14が回転、並びに昇降可
能に吊設されており、引き上げ軸14の下端には、種結晶
15が装着されている。そして、種結晶15の下端を溶融液
層17中に浸漬した後、これを回転させつつ上昇させるこ
とにより、種結晶15の下端から単結晶16を成長させてい
くようになっている。

上記したように構成された装置を操作する場合は、ま
ず坩堝11内に固体原料として塊状、又は顆粒状の多結晶
シリコンを、引き上げる単結晶16の体積から逆算して求
められた必要量だけ充填する。例えば塊状のものを40k
g、顆粒状のものを20kg、合計60kg充填する。次いで、
チャンバ21内にArを40/minの流量で吹き込み、チャン
バ21内を10TorrのAr雰囲気とし、固体原料の上側部分か
らヒータ12で130kwの電力で溶融させる。坩堝11を上昇
させて溶融液層17の厚みが所定の値になるまで溶融させ
た後、不純物としてリンを投入し、リンを拡散させる。
なお、このとき坩堝11は、固体層18を速やかに安定させ
るため、10rpmの速度で回転させている。

溶融後、輻射温度計（図示せず）により溶融液面の温
度の変動を調べながら、坩堝11の回転数を10分間に1rpm
以下の割合で落し、最終的に0rpmにする。ここで、溶融
後の坩堝11の回転数を10分間に1rpm以下の速度で落す理
由は、回転数を急激に変化させると溶融液の温度が大き
く変化し、あるいは温度分布のバラツキが大きくなり、
固液界面で溶融液が凝固して坩堝11を破壊する虞れがあ
るためである。そして、輻射温度計による液温の変動が
±１℃以内となり、安定したのを確認してから種結晶15
の下端を溶融液層17上に設置し、そのままの状態で５分
間保持して種結晶15を溶融液の温度になじませる。その
後、種結晶15の下端を溶融液層17に浸漬し、坩堝11の回
転数を0rpmとしたまま、引き上げ軸14を回転させつつ単
結晶16を引き上げる。

このことにより、溶融液層17の液面振動が少なく、し
かも液温変動が小さい状態で単結晶16を成長させことが
できる。

第２図及び第３図はそれぞれ、坩堝を0rpm、10rpの速
度で回転させたときの溶融液の温度変動を調べた結果を
示すグラフであり、溶融液層の厚みを190mm、固体層の
厚みを50mm、ヒータの出力を90kwとした場合について示
してある。

第２図及び第３図から明らかなごとく、坩堝の回転数
が10rpmのときの液温のバラツキは19℃であったのに対
し、回転数が0rpmのときの液温のバラツキは２℃以下に
抑えられている。従って、結晶の引き上げに際し坩堝の
回転数を0rpmにすることは、液温の変動を抑制する上で
有効であることがわかる。

また第４図は坩堝を0rpm、10rpmのそれぞれの速度で
回転させて結晶を引き上げたときの、単結晶の引き上げ
率を調べた結果を示すグラフであり、それぞれ30回測定
したときの平均値を示している。

第４図から明らかなように、引き上げ中の坩堝の回転
数を0rpmとすることにより、回転数が10rpmのときと比
べて単結晶の引き上げ率は遥かに向上していることがわ
かる。またこのとき、引き上げに要する時間も10rpmの
ときに比べて大幅に短縮することができた。

なお、上記実施例においてはシリコン単結晶を成長さ
せる場合について述べたが、シリコン以外の半導体単結
晶の引き上げにも適用可能である。

発明の効果以上の説明により明らかなように、本発明に係る結晶
成長方法にあっては、坩堝内の溶融液状態の結晶形成用
材料に種結晶を浸漬した後、前記結晶形成用材料を上方
に引き上げていくことにより結晶を成長させる結晶成長
方法において、前記種結晶を浸漬する前に、前記坩堝の
回転数を0rpmとしておき、その後、前記回転数を0rpmに
維持した状態で結晶を成長させていくので、溶融液層の
液面の振動及び液温変動を小さくできる。従って、単結
晶の引き上げ率の向上を図ることができると共に、引き
上げ工程に要する時間を短縮することができ、単結晶を
歩留まりよく製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長方法を実施するための装
置を示す模式的縦断面図、第２図は坩堝を0rpmの速度で
回転させたときの溶融液の温度変動を調べた結果を示す
グラフ、第３図は坩堝を10rpmの速度で回転させたとき
の溶融液の温度変動を調べた結果を示すグラフ、第４図
は坩堝を0rpm、10rpmのそれぞれの速度で回転させて結
晶を引き上げたときの単結晶の引き上げ率を調べた結果
を示すグラフ、第５図〜第８図は溶融層法の原理を示す
説明図、第９図及び第10図は従来の結晶成長方法に用い
られる装置の模式的縦断面図である。 11……坩堝、16……単結晶、17……溶融液層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】坩堝内の溶融液状態の結晶形成用材料に種
結晶を浸漬した後、前記結晶形成用材料を上方に引き上
げていくことにより結晶を成長させる結晶成長方法にお
いて、前記種結晶を浸漬する前に、前記坩堝の回転数を
0rpmとしておき、その後、前記回転数を0rpmに維持した
状態で結晶を成長させていくことを特徴とする結晶成長
方法。