JP2669276B2 - 結晶成長方法及び該方法に使用する結晶成長装置 - Google Patents

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及び該方法
に使用する結晶成長装置に関し、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のような結晶
を成長させる結晶成長方法及び該方法に使用する結晶成
長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶成長法には種々の方法があるが、そ
の一つに例えばチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記
す）がある。図６は従来のＣＺ法で使用される結晶成長
装置を示す模式的断面図であり、図中１は坩堝を示して
いる。坩堝１は有底円筒状の石英製坩堝１ｂと、この石
英製坩堝１ｂの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒
鉛製坩堝１ａとから構成されており、坩堝１は図中に矢
印で示した一定方向に所定速度で回転する支持軸７に支
持されている。この坩堝１の外側には抵抗加熱式ヒータ
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（図示せず）が同心円筒状に配設され、また坩
堝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。坩堝１内に充填された所定重量の結
晶用原料はヒータ２により加熱されて溶融し、全てが溶
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の抵抗率あるいは電気
伝導型を調整するため、溶融液１３中にドーピング不純
物元素を添加することが多い。この場合、溶融液１３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
（平衡偏析係数ｋ₀ ）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（「Ｓ
ｉ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の抵抗率は不均
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７は従来の溶融層法で使用される結晶成長装置を示す
模式的断面図であり、図中１は坩堝を示している。ＣＺ
法と同様、坩堝１は有底円筒状の石英製坩堝１ｂと、こ
の石英製坩堝１ｂの外側に嵌合された同じく有底円筒状
の黒鉛製坩堝１ａとから構成されており、坩堝１は図中
に矢印で示した一定方向に所定速度で回転する支持軸７
に支持されている。この坩堝１の外側には抵抗加熱式ヒ
ータ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（図示せず）が同心円筒状に配設され、ま
た坩堝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。坩堝１内に充填された所定重量
の結晶用原料の上部のみをヒータ２にて溶融させること
により、上部には溶融層１５、下部には固体層１４を形
成し、溶融層１５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を溶融層１５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、溶融層１５液が凝固して形成さ
れる単結晶１２を成長させている。

【０００５】前記溶融層法には結晶用原料を一旦全て溶
融させて前記ドーピング不純物を添加し、溶融液１３を
凝固させて固体層１４を形成し、こののち前記と同様に
上側から下側へ向けて固体層１４を溶融させて略一定層
厚の溶融層１５を形成し、溶融層１５液に種結晶を接触
させて引き上げることにより単結晶１２を成長させる
「全融再凝固方式」がある（特開昭６３−２５２９８９
号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した「全融再凝固
方式」の溶融層法では、結晶引き上げ率が略１３％まで
の引き上げ初期において引き上げられた単結晶１２の抵
抗率が目標値より高く外れるという課題があった。

【０００７】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、「全融再凝固方式」の溶融層法において引き
上げ初期の単結晶の抵抗率が目標値より高く外れるのを
抑制することができる結晶成長方法及び該方法に使用す
る結晶成長装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【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、坩堝内の結晶用原料を
全て溶融し、こののち該溶融液を前記坩堝底部より上方
へ向けて凝固させて多結晶よりなる固体層を形成し、さ
らに前記固体層を上側から下側へ向けて溶融しつつこの
溶融層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、前記溶融液を凝固させる際、前記坩堝を
正逆回転させて前記固体層を形成することを特徴として
いる。

【０００９】また本発明に係る結晶成長方法に用いる結
晶成長装置は、結晶用原料が充填される坩堝及び該坩堝
の周囲にヒータが配設されるとともに、前記坩堝を支持
する支持軸が配設された結晶成長装置において、前記溶
融液を凝固させる際、前記支持軸を所定の周期で正逆回
転させる回転制御手段が配設されていることを特徴とし
ている。

【００１０】

【作用】一般に単結晶の抵抗率が高いのは単結晶中のド
ーピング不純物濃度が低いためであり、したがって引き
上げ初期の結晶の抵抗率が高いのはそのときの溶融層中
におけるドーピング不純物濃度が低く、また該溶融層と
接する固体層上部におけるドーピング不純物濃度が低い
のが原因ではないかと考えられる。

【００１１】図８は坩堝を一定の方向に一定の回転速度
（１rpm ）で回転させて結晶用原料を全て溶融させたの
ち、前記坩堝の下部を冷却して溶融液を凝固させたと
き、固体層が形成される速度を調べた結果を示したグラ
フである。図８より明らかなように、固体層の形成速度
は凝固開始時に早く、時間の経過とともに次第に遅くな
ることが分かる。

【００１２】また前記坩堝を回転させずに該坩堝の下部
を冷却して固体層を凝固させる場合、上部における温度
が下部に比べて高温のために溶融液には自然対流が生じ
難く、前記固体層の凝固界面において前記溶融液の撹拌
はほとんど行なわれていないと考えられる。また前記坩
堝を一定の方向に一定の回転速度（１rpm ）で回転させ
つつ固体層を凝固させる場合、溶融液には強制対流が生
じ難く、かつ前記溶融液と固体層とが前記坩堝と略同一
速度で回転するため前記凝固界面における撹拌は少ない
と考えられる。

【００１３】このような場合に凝固速度に相違がある
と、凝固速度が早い凝固初期にはドーピング不純物が溶
融液中に拡散する前の高濃度の状態で凝固し、固体層中
におけるドーピング不純物の濃度が濃くなって実際の偏
析係数（以下、実効偏析係数と記す）は高くなる。その
結果残りの溶融液中におけるドーピング不純物濃度が次
第に薄くなり、そののちに凝固する固体層中におけるド
ーピング不純物濃度が薄くなって固体層の最上部におけ
る実効偏析係数は最も低くなるものと考えられる。

【００１４】したがって溶融液中にドーピング不純物を
完全に拡散させれば凝固速度による影響が抑制されて固
体層中におけるドーピング不純物濃度が略一定となり、
実効偏析係数が平衡偏析係数ｋ₀ に近似してくるものと
考えられる。

【００１５】ところで坩堝に水及びインク剤を入れ、該
坩堝の回転を変えて前記インク剤の拡散状況について観
察を行った結果、前記坩堝の回転方向が一定でしかも回
転速度が一定のときは水が前記坩堝とともに移動してイ
ンク剤はほとんど撹拌されないが、回転速度を一定周期
で増減させると水に渦状の流れが生じ、インク剤がある
程度撹拌されて次第に前記坩堝の内側壁近傍部に集合す
ることが分かった。また前記坩堝の回転方向を周期的に
変更する場合は該坩堝の内壁と水との間に複雑な流れが
生じてインク剤がよく撹拌されており、したがって回転
方向と回転速度との変更を併用し、回転方向の変更周期
と回転速度の増減幅とを適正にすることにより坩堝内の
水及びインク剤がよく撹拌されることが分かった。

【００１６】本発明に係る結晶成長方法によれば、坩堝
内の結晶用原料を全て溶融し、こののち該溶融液を前記
坩堝底部より上方へ向けて凝固させて多結晶よりなる固
体層を形成し、さらに前記固体層を上側から下側へ向け
て溶融しつつこの溶融層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、前記溶融液を凝固させ
る際、前記坩堝を正逆回転させて前記固体層を形成する
ので、溶融液が十分に撹拌され、ドーピング不純物が溶
融液中に十分に拡散され、固体層中の上下方向における
ドーピング不純物濃度が均一化して凝固速度が速い凝固
初期の部分から引き上げられた単結晶の抵抗率を適正化
しうることとなる。

【００１７】また本発明に係る結晶成長方法に用いる結
晶成長装置によれば、結晶用原料が充填される坩堝及び
該坩堝の周囲にヒータが配設されるとともに、前記坩堝
を支持する支持軸が配設された結晶成長装置において、
前記溶融液を凝固させる際、前記支持軸を所定の周期で
正逆回転させる回転制御手段が配設されているので、溶
融液中にドーピング不純物を十分に拡散しうることとな
る。

【００１８】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る結晶成長方法
及び該方法に使用する結晶成長装置の実施例を図面に基
づいて説明する。なお、従来例と同一機能を有する構成
部品には同一の符号を付すこととする。図１は実施例に
係る方法に用いる結晶成長装置を模式的に示した断面図
であり、図中１はチャンバ８内に配設された坩堝を示し
ている。従来のものと同様、坩堝１は有底円筒状の石英
製坩堝１ｂと、この石英製坩堝１ｂの外側に嵌合された
同じく有底円筒状の黒鉛製坩堝１ａとから構成され、坩
堝１の外側には抵抗加熱式ヒータ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
状に配設されている。坩堝１の下部は中心軸の延長上に
おいて支持軸７に支持され、支持軸７には支持軸７の回
転方向及び回転速度を変更させる回転駆動装置３２が伝
達装置３１を介して接続され、回転駆動装置３２には前
記回転方向及び回転速度を制御する制御装置３３が電気
的に接続されている。これら伝達装置３１、回転駆動装
置３２及び制御装置３３から回転制御装置３０が構成さ
れている。また坩堝１の中心軸上には、一定方向に所定
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。

【００１９】このように構成された装置を用いて結晶を
成長させる場合は、まず坩堝１内に充填した結晶用原料
をヒータ２により全て溶融したのちドーピング不純物を
添加して溶融液１３を形成し、図２に示す回転パターン
により回転制御装置３０を動作させて坩堝１を回転させ
る。図２は前記坩堝の回転パターンを示したグラフであ
り、縦軸のプラス側は正方向の回転速度、縦軸のマイナ
ス側は逆方向の回転速度、横軸は時間を示している。坩
堝１を正方向に徐々に回転させて＋３rpm まで回転速度
を上げたのち減少させ、次に逆方向に徐々に回転させて
−３rpm まで回転速度を上げたのち減少させることによ
り１８０秒間で１サイクルを終了させる。これを略２時
間繰り返し行って溶融液１３を撹拌しつつ坩堝１の下部
を冷却し、坩堝１底部から図中矢印で示す上方へ向けて
固体層１４を形成していく。

【００２０】そして図３に示すように坩堝１内の上部に
は溶融層１５、下部には固体層１４を形成し、従来と同
様に上側から下側へ向けて固体層１４を溶融させて略一
定層厚の溶融層１５を形成し、種結晶６を溶融層１５に
接触させてなじませたのち、引き上げ軸５を回転させつ
つ引き上げることにより、前記種結晶の下端から溶融層
１５液を凝固させて単結晶１２を成長させる。

【００２１】以下に、上記方法により単結晶長が１１０
０mmの単結晶引き上げを行った結果について説明する。
なお比較例として、従来の「全融方式」における溶融層
法及び装置を用いて単結晶の引き上げを行った。引き上
げ条件を下記の表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】図４は実施例及び比較例における結晶成長
方法により形成された固体層１４において、石英製坩堝
１ｂ底部からの距離とドーピング不純物濃度より求めら
れた実効偏析係数との関係についてそれぞれ比較して示
したグラフである。図４から明らかなように、比較例で
は石英製坩堝１ｂ底部近傍（０〜５０mm）において形成
された固体層１４は実効偏析係数が高い（ドーピング不
純物濃度が濃い）が、実施例では固体層１４全体にわた
って実効偏析係数が平衡偏析係数ｋ₀=0.35に近似して低
く、かつ平均化していた。したがって比較例の結晶引き
上げ初期における溶融液１３の実効偏析係数は低く（ド
ーピング不純物濃度は薄く）なっていると考えられる。
他方、実施例では溶融液１３が十分に撹拌されてドーピ
ング不純物がよく拡散されていることが分かる。

【００２４】また図５は実施例及び比較例における結晶
成長方法及び該方法に使用する装置により引き上げられ
た単結晶１２について、結晶引き上げ率（単結晶長１１
００mm当りの引き上げ開始からの距離の割合）と抵抗率
との関係をそれぞれ比較して示したグラフである。図５
から明らかなように、抵抗率が目標値より高く外れたの
は、比較例では結晶引き上げ率が略１３％まであった
が、実施例では略４％までに減少させることができた。
この結果、目標抵抗率を満たす単結晶１２の抵抗歩留率
を略１０％向上させることができた。

【００２５】上記の結果から明らかなように、「全融再
凝固方式」の溶融層法において坩堝を所定の周期で正逆
回転させて溶融液を十分に撹拌し、ドーピング不純物を
溶融液中に十分に拡散させつつ再凝固させれば、固体層
中の上下方向におけるドーピング不純物濃度が均一化さ
れ、引き上げ初期に引上げられた単結晶の抵抗率が目標
値より高目に外れることを抑制することができる。また
単結晶の抵抗歩留率を向上させることができ、したがっ
てコストの低減を図ることができる。

【００２６】

【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、坩堝内の結晶用原料を全て溶融し、
こののち該溶融液を前記坩堝底部より上方へ向けて凝固
させて多結晶よりなる固体層を形成し、さらに前記固体
層を上側から下側へ向けて溶融しつつこの溶融層液を上
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、前記溶融液を凝固させる際、前記坩堝を正逆回転さ
せるので、溶融液がよく撹拌されてドーピング不純物が
前記溶融液中に十分に拡散され、形成された前記固体層
中の上下方向における前記ドーピング不純物濃度を均一
化することができる。したがって引き上げ初期に引き上
げられた単結晶の抵抗率が目標値より高めに外れるのを
抑制することができ、単結晶の抵抗歩留率を向上させる
ことができ、単結晶コストの低減を図ることができる。

【００２７】また本発明に係る結晶成長装置にあって
は、結晶用原料が充填される坩堝及び該坩堝の周囲にヒ
ータが配設されるとともに、前記坩堝を支持する支持軸
が配設された結晶成長装置において、前記溶融液を凝固
させる際、前記支持軸を所定の周期で正逆回転させる回
転制御手段が配設されているので、前記ヒータにより溶
融した前記坩堝内の溶融液を汚すことなく簡単によく撹
拌してドーピング不純物を前記溶融液中に十分に拡散さ
せ、前記固体層中の上下方向における前記ドーピング不
純物濃度を均一化することができる。したがって引き上
げ初期に引き上げられた単結晶の抵抗率が目標値より高
めに外れるのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る結晶成長方法に使用され
る結晶成長装置を模式的に示した断面図である。

【図２】坩堝の回転パターンを示したグラフである。

【図３】実施例に係る結晶引き上げ方法を説明するため
の結晶成長装置を示した模式的断面図である。

【図４】実施例及び比較例の固体層における坩堝底部か
らの距離と不純物濃度より求めた実効偏析係数との関係
を示したグラフである。

【図５】実施例及び比較例の結晶成長方法により単結晶
引き上げを行い、単結晶引き上げ率と抵抗率分布との関
係を示したグラフである。

【図６】従来のＣＺ法で使用される結晶成長装置を模式
的に示した断面図である。

【図７】従来の溶融層法で使用される結晶成長装置を模
式的に示した断面図である。

【図８】坩堝を一定の方向に一定の速度で回転させて結
晶用原料を全て溶融させたのち、前記坩堝の下部を冷却
して溶融液を凝固させたとき、固体層が形成される速度
を示したグラフである。

【符号の説明】

１ 坩堝 ２ ヒータ ７ 支持軸 １２ 単結晶 １３ 溶融液 １４ 固体層 ３０ 回転制御装置 ３１ 伝達装置 ３２ 回転駆動装置 ３３ 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 奥井 正彦 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

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坩堝内の結晶用原料を全て溶融し、この
   のち該溶融液を前記坩堝底部より上方へ向けて凝固させ
   て多結晶よりなる固体層を形成し、さらに前記固体層を
   上側から下側へ向けて溶融しつつこの溶融層液を上方に
   引き上げて結晶を成長させる結晶成長方法において、前
   記溶融液を凝固させる際、前記坩堝を正逆回転させて前
   記固体層を形成することを特徴とする結晶成長方法。
2. 【請求項２】 結晶用原料が充填される坩堝及び該坩堝
   の周囲にヒータが配設されるとともに、前記坩堝を支持
   する支持軸が配設された結晶成長装置において、前記溶
   融液を凝固させる際、前記支持軸を所定の周期で正逆回
   転させる回転制御手段が配設されていることを特徴とす
   る結晶成長装置。