JP2720303B2 - 単結晶引上げ用Ｓｉ融液の酸素濃度制御方法 - Google Patents
単結晶引上げ用Ｓｉ融液の酸素濃度制御方法Info
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- JP2720303B2 JP2720303B2 JP14570094A JP14570094A JP2720303B2 JP 2720303 B2 JP2720303 B2 JP 2720303B2 JP 14570094 A JP14570094 A JP 14570094A JP 14570094 A JP14570094 A JP 14570094A JP 2720303 B2 JP2720303 B2 JP 2720303B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、Ｓｉ融液表面の酸素濃
度を適正に維持し、単結晶の酸素濃度を制御方法に関す
る。
度を適正に維持し、単結晶の酸素濃度を制御方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】融液から単結晶を育成する代表的な方法
として、チョクラルスキー法がある。チョクラルスキー
方法では、図１に示すように密閉容器１の内部に配置し
たルツボ２を、回転及び昇降可能にサポート３で支持す
る。ルツボ２の外周には、ヒータ４及び保温材５が同心
円状に設けられ、ルツボ２に収容した原料をヒータ４で
集中的に加熱し、融液６を調製する。融液６は、単結晶
成長に好適な温度に維持される。融液６に種結晶７を接
触させ、種結晶７の結晶方位を倣った単結晶８を成長さ
せる。種結晶７は、ワイヤ９を介して回転巻取り機構１
０から吊り下げられ、単結晶８の成長に応じて回転しな
がら引上げられる。また、ルツボ２も、サポート３を介
して適宜回転しながら下降する。サポート３の降下速
度，回転速度及び種結晶７の回転速度，上昇速度等は、
融液６から引上げられる単結晶８の成長速度に応じて制
御される。Ｓｂをｎ型不純物として添加した融液６を使
用して引き上げを行うと、得られた単結晶８にＳｂが導
入され、高伝導度の半導体材料が得られる。また、融液
６にルツボ２から溶出したＳｉＯ2 に起因する酸素が導
入されており、その酸素も単結晶８に取り込まれる。
として、チョクラルスキー法がある。チョクラルスキー
方法では、図１に示すように密閉容器１の内部に配置し
たルツボ２を、回転及び昇降可能にサポート３で支持す
る。ルツボ２の外周には、ヒータ４及び保温材５が同心
円状に設けられ、ルツボ２に収容した原料をヒータ４で
集中的に加熱し、融液６を調製する。融液６は、単結晶
成長に好適な温度に維持される。融液６に種結晶７を接
触させ、種結晶７の結晶方位を倣った単結晶８を成長さ
せる。種結晶７は、ワイヤ９を介して回転巻取り機構１
０から吊り下げられ、単結晶８の成長に応じて回転しな
がら引上げられる。また、ルツボ２も、サポート３を介
して適宜回転しながら下降する。サポート３の降下速
度，回転速度及び種結晶７の回転速度，上昇速度等は、
融液６から引上げられる単結晶８の成長速度に応じて制
御される。Ｓｂをｎ型不純物として添加した融液６を使
用して引き上げを行うと、得られた単結晶８にＳｂが導
入され、高伝導度の半導体材料が得られる。また、融液
６にルツボ２から溶出したＳｉＯ2 に起因する酸素が導
入されており、その酸素も単結晶８に取り込まれる。
【０００３】単結晶８に含まれる酸素は、単結晶８が熱
処理されるときバルク中に析出し、析出欠陥となる。こ
の析出欠陥は、電子デバイスを構成する半導体単結晶基
板の表面に残存する重金属不純物を捕捉して無害化する
ゲッタリング中心として利用される。また、固溶してい
る酸素は、半導体単結晶基板の強度を向上させる作用も
呈する。このようなことから、融液の酸素濃度を高くす
ると、単結晶中に取り込まれる酸素濃度を増大させる上
で、融液の酸素濃度を高く維持することが望まれる。し
かし、従来の方法においては、Ｓｉ融液の酸素濃度を高
レベルに安定維持することは困難であった。本発明者等
は、Ｓｉ融液の物性を調査・研究する過程で、多量にＳ
ｂドープしたＳｉ融液を使用するとき、Ｓｂ含有量の上
昇に伴ってＳｉ融液の酸素濃度が一義的に上昇すること
を見い出した。そして、特願平５−６９９２４号で、こ
のＳｂ含有量と酸素濃度との関係を利用し、融液のＳｂ
含有量から酸素濃度を算出する方法を提案した。
処理されるときバルク中に析出し、析出欠陥となる。こ
の析出欠陥は、電子デバイスを構成する半導体単結晶基
板の表面に残存する重金属不純物を捕捉して無害化する
ゲッタリング中心として利用される。また、固溶してい
る酸素は、半導体単結晶基板の強度を向上させる作用も
呈する。このようなことから、融液の酸素濃度を高くす
ると、単結晶中に取り込まれる酸素濃度を増大させる上
で、融液の酸素濃度を高く維持することが望まれる。し
かし、従来の方法においては、Ｓｉ融液の酸素濃度を高
レベルに安定維持することは困難であった。本発明者等
は、Ｓｉ融液の物性を調査・研究する過程で、多量にＳ
ｂドープしたＳｉ融液を使用するとき、Ｓｂ含有量の上
昇に伴ってＳｉ融液の酸素濃度が一義的に上昇すること
を見い出した。そして、特願平５−６９９２４号で、こ
のＳｂ含有量と酸素濃度との関係を利用し、融液のＳｂ
含有量から酸素濃度を算出する方法を提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】多量のＳｂを添加した
Ｓｉ融液では、Ｓｂ2 Ｏ，ＳｉＯ等として酸素が融液表
面から雰囲気中に放出され易くなる。この傾向は、Ｐ，
Ａｓ，Ｂｉ等の他のＶ族元素でドープしたＳｉ融液でも
同様にみられる。融液表面から酸素が放出されることに
より、融液中の酸素濃度が変動し、引き上げられている
Ｓｉ単結晶の酸素濃度を著しく低下させる。そのため、
Ｓｉ単結晶から切り出されたウエハやデバイス等に、所
定の特性を与えることができない。酸素濃度は、Ｓｉ単
結晶の引上げ中にも変動する。引上げ中の変動によりＳ
ｉ単結晶の酸素濃度が不安定になり、一定した品質の単
結晶が得られない。本発明は、このような問題を解消す
べく案出されたものであり、雰囲気圧を制御することに
よりＳｉ融液から酸化物として放出される酸素の量を調
整することにより、Ｓｉ融液表面の酸素濃度、ひいては
Ｓｉ単結晶の酸素濃度を制御し、所定の特性を持ったＳ
ｉ単結晶を得ることを目的とする。
Ｓｉ融液では、Ｓｂ2 Ｏ，ＳｉＯ等として酸素が融液表
面から雰囲気中に放出され易くなる。この傾向は、Ｐ，
Ａｓ，Ｂｉ等の他のＶ族元素でドープしたＳｉ融液でも
同様にみられる。融液表面から酸素が放出されることに
より、融液中の酸素濃度が変動し、引き上げられている
Ｓｉ単結晶の酸素濃度を著しく低下させる。そのため、
Ｓｉ単結晶から切り出されたウエハやデバイス等に、所
定の特性を与えることができない。酸素濃度は、Ｓｉ単
結晶の引上げ中にも変動する。引上げ中の変動によりＳ
ｉ単結晶の酸素濃度が不安定になり、一定した品質の単
結晶が得られない。本発明は、このような問題を解消す
べく案出されたものであり、雰囲気圧を制御することに
よりＳｉ融液から酸化物として放出される酸素の量を調
整することにより、Ｓｉ融液表面の酸素濃度、ひいては
Ｓｉ単結晶の酸素濃度を制御し、所定の特性を持ったＳ
ｉ単結晶を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の酸素濃度制御方
法は、その目的を達成するため、Ｖ族元素でドープした
Ｓｉ融液をルツボに収容し、前記Ｓｉ融液に接する雰囲
気の圧力をＰ，前記Ｓｉ融液表面の酸素濃度をＣ2 ( 原
子数／ｃｍ3)とするとき、次式（１）に基づいて圧力Ｐ
によって酸素濃度Ｃ2 を調整することを特徴とする。
法は、その目的を達成するため、Ｖ族元素でドープした
Ｓｉ融液をルツボに収容し、前記Ｓｉ融液に接する雰囲
気の圧力をＰ，前記Ｓｉ融液表面の酸素濃度をＣ2 ( 原
子数／ｃｍ3)とするとき、次式（１）に基づいて圧力Ｐ
によって酸素濃度Ｃ2 を調整することを特徴とする。
【０００６】
【数２】
【０００７】ただし、Ｋは雰囲気ガスの種類及びドーピ
ング量で定まる定数であり、ドーピング量が１．０×１
０-4原子％以上のとき、Ｎｅでは１．００〜１．２４，
Ａｒでは０．８５〜１．０５，Ｋｒでは０．６４〜０．
８０，Ｘｅでは０．４２〜０．５９，Ｒｎでは０．３０
〜０．３８の範囲にある。なお、酸素濃度は、ＪＥＩＤ
Ａ換算値（３．０３）を使用した。雰囲気ガスの流速Ｖ
を制御ファクターとして取り込むとき、酸素濃度は、よ
り高精度に制御される。この場合、式（２）に従って流
速Ｖにより圧力Ｐ（トール）を制御する。 Ｐ＝ｆ／Ｖ ・・・・（２） ただし、ｆは、ルツボ半径により一義的に定まるファク
ターであり、１．０×１０3 〜３．５×１０5 の範囲に
ある。本発明は、Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ等のＶ族元素で
ドープしたＳｉ融液に対して適用される。Ｖ族元素の含
有量とＳｉ融液の酸素濃度との関係を考慮するとき、Ｖ
族元素の含有量は、Ｐ及びＡｓで１．０×１０-4原子％
以上，Ｓｂ及びＢｉで０．０１原子％以上にすることが
好ましい。
ング量で定まる定数であり、ドーピング量が１．０×１
０-4原子％以上のとき、Ｎｅでは１．００〜１．２４，
Ａｒでは０．８５〜１．０５，Ｋｒでは０．６４〜０．
８０，Ｘｅでは０．４２〜０．５９，Ｒｎでは０．３０
〜０．３８の範囲にある。なお、酸素濃度は、ＪＥＩＤ
Ａ換算値（３．０３）を使用した。雰囲気ガスの流速Ｖ
を制御ファクターとして取り込むとき、酸素濃度は、よ
り高精度に制御される。この場合、式（２）に従って流
速Ｖにより圧力Ｐ（トール）を制御する。 Ｐ＝ｆ／Ｖ ・・・・（２） ただし、ｆは、ルツボ半径により一義的に定まるファク
ターであり、１．０×１０3 〜３．５×１０5 の範囲に
ある。本発明は、Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ等のＶ族元素で
ドープしたＳｉ融液に対して適用される。Ｖ族元素の含
有量とＳｉ融液の酸素濃度との関係を考慮するとき、Ｖ
族元素の含有量は、Ｐ及びＡｓで１．０×１０-4原子％
以上，Ｓｂ及びＢｉで０．０１原子％以上にすることが
好ましい。
【０００８】
【作用】Ｓｉ融液から引き上げられる単結晶の酸素濃度
は、石英ルツボから融液に溶出する酸素や融液中の酸素
濃度に依存する。しかし、雰囲気ガスと接触する融液表
面は、酸化物として雰囲気ガスで持ち去られる酸素量が
多く、酸素濃度が一定しない。特に、蒸気圧が大きな酸
化物として酸素が放出されるＶ続元素でドープしたＳｉ
融液では、この傾向が強くなる。本発明者等は、調査・
研究の結果、融液自体及び表面における酸素濃度が雰囲
気圧に影響されることを見い出した。雰囲気圧は、次の
ようなメカニズムで融液表面、ひいては融液自体の酸素
濃度に影響を与えているものと推察される。理想気体が
充満されている雰囲気にＳｉ融液がおかれ、このＳｉ融
液から単結晶が引き上げられているものと仮定する。融
液表面から蒸発する気体分子が雰囲気のガス分子と衝突
する回数ｆは、雰囲気の圧力Ｐとの間にｆ∝Ｐ2 の関係
をもっている。衝突回数ｆが大きくなると融液表面から
の気体蒸発が抑えられ、融液表面から放出される酸素量
が減少する。
は、石英ルツボから融液に溶出する酸素や融液中の酸素
濃度に依存する。しかし、雰囲気ガスと接触する融液表
面は、酸化物として雰囲気ガスで持ち去られる酸素量が
多く、酸素濃度が一定しない。特に、蒸気圧が大きな酸
化物として酸素が放出されるＶ続元素でドープしたＳｉ
融液では、この傾向が強くなる。本発明者等は、調査・
研究の結果、融液自体及び表面における酸素濃度が雰囲
気圧に影響されることを見い出した。雰囲気圧は、次の
ようなメカニズムで融液表面、ひいては融液自体の酸素
濃度に影響を与えているものと推察される。理想気体が
充満されている雰囲気にＳｉ融液がおかれ、このＳｉ融
液から単結晶が引き上げられているものと仮定する。融
液表面から蒸発する気体分子が雰囲気のガス分子と衝突
する回数ｆは、雰囲気の圧力Ｐとの間にｆ∝Ｐ2 の関係
をもっている。衝突回数ｆが大きくなると融液表面から
の気体蒸発が抑えられ、融液表面から放出される酸素量
が減少する。
【０００９】特に、Ｖ族元素でドープされているＳｉ融
液では、融液表面からそれぞれの元素単体及び酸化物が
蒸発する。これら蒸発物は、１５００℃以下の低い温度
領域ではＳｉＯに比較して高い蒸気圧を示す。そのた
め、雰囲気圧による影響が大きく現れる。雰囲気圧Ｐを
大きくしたときには、酸素の放出が抑制され、融液表面
が高酸素濃度に維持される。この融液から育成されたＳ
ｉ単結晶は、高酸素濃度の単結晶になる。逆に、雰囲気
圧Ｐを小さくすると、酸素の放出が促進され、低酸素濃
度のＳｉ単結晶が得られる。Ｓｉ融液表面の酸素濃度
は、Ｓｉ融液自体の酸素濃度及び融液表面から蒸発する
酸素濃度に基づいて定まる。更に、融液自体の酸素濃度
及び蒸発によって失われる酸素濃度は、雰囲気圧Ｐの二
乗に反比例する。本発明者等の調査・研究によると、雰
囲気圧ＰとＳｉ融液表面の酸素濃度Ｃ2 との間に、式
（１）で示した関係が成立していることが実験的に確か
められた。また、ボイル・シャルルの法則から求めた式
（２）に基づいて、流速Ｖによって必要とする雰囲気圧
Ｐを得ることができる。
液では、融液表面からそれぞれの元素単体及び酸化物が
蒸発する。これら蒸発物は、１５００℃以下の低い温度
領域ではＳｉＯに比較して高い蒸気圧を示す。そのた
め、雰囲気圧による影響が大きく現れる。雰囲気圧Ｐを
大きくしたときには、酸素の放出が抑制され、融液表面
が高酸素濃度に維持される。この融液から育成されたＳ
ｉ単結晶は、高酸素濃度の単結晶になる。逆に、雰囲気
圧Ｐを小さくすると、酸素の放出が促進され、低酸素濃
度のＳｉ単結晶が得られる。Ｓｉ融液表面の酸素濃度
は、Ｓｉ融液自体の酸素濃度及び融液表面から蒸発する
酸素濃度に基づいて定まる。更に、融液自体の酸素濃度
及び蒸発によって失われる酸素濃度は、雰囲気圧Ｐの二
乗に反比例する。本発明者等の調査・研究によると、雰
囲気圧ＰとＳｉ融液表面の酸素濃度Ｃ2 との間に、式
（１）で示した関係が成立していることが実験的に確か
められた。また、ボイル・シャルルの法則から求めた式
（２）に基づいて、流速Ｖによって必要とする雰囲気圧
Ｐを得ることができる。
【００１０】このようなことから、雰囲気圧Ｐ、更に必
要に応じて雰囲気ガスの流速Ｖを制御することにより、
引き上げられたＳｉ単結晶の酸素濃度が調整される。た
とえば、０．００１原子％以上のＳｂを含むＳｉ融液か
引き上げられたＳｉ単結晶から、酸素を（０．３〜１．
０）×１０18原子数／ｃｍ3 の割合で含む半導体材料が
作製される。この半導体材料は、熱処理後にバルク内に
発生する微小析出欠陥が均一に分布すると共にｎ型で高
伝導率等の特性を示し、パワートランジスタ，バイポー
ラトランジスタ等の半導体デバイス用基板として使用さ
れる。また、酸素濃度が高いＳｂドープＳｉ単結晶とな
るため、リーク電流が少なく、重金属類を効率よくゲッ
タリングできる等の特性をもった半導体材料として使用
される。しかも、酸素濃度が所定範囲に調整されている
ので、品質に関する信頼性が高いものとなる。この傾向
は、ドーパントとして、Ｐ，Ａｓ，Ｂｉ等の他のＶ族元
素を使用する場合も同様である。
要に応じて雰囲気ガスの流速Ｖを制御することにより、
引き上げられたＳｉ単結晶の酸素濃度が調整される。た
とえば、０．００１原子％以上のＳｂを含むＳｉ融液か
引き上げられたＳｉ単結晶から、酸素を（０．３〜１．
０）×１０18原子数／ｃｍ3 の割合で含む半導体材料が
作製される。この半導体材料は、熱処理後にバルク内に
発生する微小析出欠陥が均一に分布すると共にｎ型で高
伝導率等の特性を示し、パワートランジスタ，バイポー
ラトランジスタ等の半導体デバイス用基板として使用さ
れる。また、酸素濃度が高いＳｂドープＳｉ単結晶とな
るため、リーク電流が少なく、重金属類を効率よくゲッ
タリングできる等の特性をもった半導体材料として使用
される。しかも、酸素濃度が所定範囲に調整されている
ので、品質に関する信頼性が高いものとなる。この傾向
は、ドーパントとして、Ｐ，Ａｓ，Ｂｉ等の他のＶ族元
素を使用する場合も同様である。
【００１１】
実施例１：純Ｓｉ２０ｇを直径５０ｍｍ及び高さ６０ｍ
ｍのルツボに入れ、垂直方向の温度差５０℃をつけて表
面温度１４５０℃に加熱した。この状態で３０分間保持
した後、０．７ｇの純ＳｂをＳｉ融液に添加した。更に
同じ温度条件下で３０分間保持し、目標Ｓｂ濃度０．８
原子％のＳｂドープＳｉ融液を用意した。雰囲気圧Ｐを
種々変化させたアルゴン雰囲気中で、ＳｂドープＳｉ融
液から単結晶引上げを開始した。得られた単結晶から厚
さ２ｍｍの試験片を切り出し、ＳＩＭＳ法で酸素濃度を
測定した。この酸素濃度を、引上げ中の融液自体及び融
液表面の酸素濃度と対比して表１に示す。単結晶の酸素
濃度Ｃ3 に対する融液自体の酸素濃度Ｃ1 は、表１に示
したように、０．５０〜１．０２の範囲で大きくばらつ
いていた。これに対し、単結晶の酸素濃度Ｃ3 に対する
融液自体の酸素濃度Ｃ2 は、１．１５〜１．０４の狭い
範囲で変動していた。このことから、引き上げられたＳ
ｉ単結晶の酸素濃度Ｃ3 は、融液自体の酸素濃度Ｃ3 に
依らず、専ら融液表面の酸素濃度Ｃ2 に依存して変わっ
ていることが判る。なお、表１において、融液自体の酸
素濃度は、急冷固化した融液について、単結晶の試験片
と同様なＳＩＭＳ法で測定した。融液表面の酸素濃度
は、液面近傍の酸素分圧から算出した。
ｍのルツボに入れ、垂直方向の温度差５０℃をつけて表
面温度１４５０℃に加熱した。この状態で３０分間保持
した後、０．７ｇの純ＳｂをＳｉ融液に添加した。更に
同じ温度条件下で３０分間保持し、目標Ｓｂ濃度０．８
原子％のＳｂドープＳｉ融液を用意した。雰囲気圧Ｐを
種々変化させたアルゴン雰囲気中で、ＳｂドープＳｉ融
液から単結晶引上げを開始した。得られた単結晶から厚
さ２ｍｍの試験片を切り出し、ＳＩＭＳ法で酸素濃度を
測定した。この酸素濃度を、引上げ中の融液自体及び融
液表面の酸素濃度と対比して表１に示す。単結晶の酸素
濃度Ｃ3 に対する融液自体の酸素濃度Ｃ1 は、表１に示
したように、０．５０〜１．０２の範囲で大きくばらつ
いていた。これに対し、単結晶の酸素濃度Ｃ3 に対する
融液自体の酸素濃度Ｃ2 は、１．１５〜１．０４の狭い
範囲で変動していた。このことから、引き上げられたＳ
ｉ単結晶の酸素濃度Ｃ3 は、融液自体の酸素濃度Ｃ3 に
依らず、専ら融液表面の酸素濃度Ｃ2 に依存して変わっ
ていることが判る。なお、表１において、融液自体の酸
素濃度は、急冷固化した融液について、単結晶の試験片
と同様なＳＩＭＳ法で測定した。融液表面の酸素濃度
は、液面近傍の酸素分圧から算出した。
【００１２】
【表１】
【００１３】また、Ｓｉ単結晶の引上げ開始から所定時
間経過後に融液表面の酸素濃度の調査し、酸素濃度の経
時的変化を調査した。このとき、雰囲気圧を種々変化さ
せることにより、酸素濃度の変化に与える雰囲気圧の影
響を調査した。その結果、図２に示すように、雰囲気圧
が高いほど酸素濃度の低下が少なく、雰囲気圧の低下に
伴って酸素濃度が大きく低下した。融液表面の酸素濃度
は、図２に示すように融液に接する雰囲気の圧力によっ
て調整され、表１に示すように引き上げられたＳｉ単結
晶の酸素濃度と一義的な関係を持っている。したがっ
て、雰囲気圧を調整することにより、所定の酸素濃度を
もったＳｉ単結晶が得られることが判る。Ｓｉ単結晶の
引上げは、引上げ開始から３０分経過した時点で定常状
態になる。そこで、この定常状態における融液表面の酸
素濃度を制御するため、Ａｒ雰囲気圧を種々変化させ
た。その結果、雰囲気圧と酸素濃度との間に、図３に示
す関係が成立していた。
間経過後に融液表面の酸素濃度の調査し、酸素濃度の経
時的変化を調査した。このとき、雰囲気圧を種々変化さ
せることにより、酸素濃度の変化に与える雰囲気圧の影
響を調査した。その結果、図２に示すように、雰囲気圧
が高いほど酸素濃度の低下が少なく、雰囲気圧の低下に
伴って酸素濃度が大きく低下した。融液表面の酸素濃度
は、図２に示すように融液に接する雰囲気の圧力によっ
て調整され、表１に示すように引き上げられたＳｉ単結
晶の酸素濃度と一義的な関係を持っている。したがっ
て、雰囲気圧を調整することにより、所定の酸素濃度を
もったＳｉ単結晶が得られることが判る。Ｓｉ単結晶の
引上げは、引上げ開始から３０分経過した時点で定常状
態になる。そこで、この定常状態における融液表面の酸
素濃度を制御するため、Ａｒ雰囲気圧を種々変化させ
た。その結果、雰囲気圧と酸素濃度との間に、図３に示
す関係が成立していた。
【００１４】Ｓｉ融液の表面から蒸発する酸素の移動
は、融液側の拡散で律速される。融液表面から蒸発する
酸素の単位面積当りの蒸発速度ｙは、Ｎｅｒｎｓｔの式
を基にして、融液自体の酸素濃度をＣ1 ，融液表面の酸
素濃度をＣ2 ，融点における酸素の拡散係数をＤ（≒
５．０×１０-4ｃｍ3 ／秒），融液表面に接した拡散層
の平均厚みをδy （≒０．０１ｃｍ）とするとき、式ｙ
＝Ｄ（Ｃ1 −Ｃ2 ）／δyで表される。Ｓｉ融液自体の
酸素濃度Ｃ1 は、融液と石英ルツボとの界面から移動す
る酸素の移動速度ｘ及び石英ルツボから溶解する酸素濃
度Ｃd との間に、ｘ＝Ｄ（Ｃd−Ｃ1 ）／δx の関係を
持つ。ここで、酸素濃度Ｃd は融点における酸素の固溶
限界（≒２．０８×１０18原子数／ｃｍ3 ）に相当し、
δx は石英ルツボと融液との間における拡散層の平均厚
み（≒０．０２ｃｍ）を示す。
は、融液側の拡散で律速される。融液表面から蒸発する
酸素の単位面積当りの蒸発速度ｙは、Ｎｅｒｎｓｔの式
を基にして、融液自体の酸素濃度をＣ1 ，融液表面の酸
素濃度をＣ2 ，融点における酸素の拡散係数をＤ（≒
５．０×１０-4ｃｍ3 ／秒），融液表面に接した拡散層
の平均厚みをδy （≒０．０１ｃｍ）とするとき、式ｙ
＝Ｄ（Ｃ1 −Ｃ2 ）／δyで表される。Ｓｉ融液自体の
酸素濃度Ｃ1 は、融液と石英ルツボとの界面から移動す
る酸素の移動速度ｘ及び石英ルツボから溶解する酸素濃
度Ｃd との間に、ｘ＝Ｄ（Ｃd−Ｃ1 ）／δx の関係を
持つ。ここで、酸素濃度Ｃd は融点における酸素の固溶
限界（≒２．０８×１０18原子数／ｃｍ3 ）に相当し、
δx は石英ルツボと融液との間における拡散層の平均厚
み（≒０．０２ｃｍ）を示す。
【００１５】したがって、融液表面の酸素濃度Ｃ2 は、
Ｃ2 ＝Ｃd −（δx ・ｘ＋δy ・ｙ）／Ｄで表される。
蒸発速度ｙは、理想的な状態を想定すると雰囲気圧一定
では融液中の酸素濃度が平衡状態にあることから、雰囲
気圧の二乗に反比例することになる。Ｃ2 ＝Ｃd −（δ
x ・ｘ＋δy ・ｙ）／Ｄの式に表１及び図２で示したデ
ータを取り込むと、前掲した式（１）が得られる。ただ
し、定数Ｋは、測定誤差及び測定値のバラツキを考慮し
たとき、ドーピング量１×１０-4原子％以上では、Ｎｅ
では１．０６〜１．６５，Ａｒでは０．９０〜１．４
０，Ｋｒでは０．６８〜１．０６，Ｘｅでは０．４５〜
０．７０，Ｒｎでは０．３２〜０．４９の範囲にあっ
た。以上のように、式（１）に従って雰囲気圧を調整す
るとき、雰囲気圧に対応した値に融液自体の酸素濃度が
維持される。その結果、引上げられたＳｉ単結晶の酸素
濃度が（０．５〜１．３）×１０18原子数／ｃｍ3 の範
囲で安定化し、一定した品質のＳｉ単結晶が得られた。
Ｃ2 ＝Ｃd −（δx ・ｘ＋δy ・ｙ）／Ｄで表される。
蒸発速度ｙは、理想的な状態を想定すると雰囲気圧一定
では融液中の酸素濃度が平衡状態にあることから、雰囲
気圧の二乗に反比例することになる。Ｃ2 ＝Ｃd −（δ
x ・ｘ＋δy ・ｙ）／Ｄの式に表１及び図２で示したデ
ータを取り込むと、前掲した式（１）が得られる。ただ
し、定数Ｋは、測定誤差及び測定値のバラツキを考慮し
たとき、ドーピング量１×１０-4原子％以上では、Ｎｅ
では１．０６〜１．６５，Ａｒでは０．９０〜１．４
０，Ｋｒでは０．６８〜１．０６，Ｘｅでは０．４５〜
０．７０，Ｒｎでは０．３２〜０．４９の範囲にあっ
た。以上のように、式（１）に従って雰囲気圧を調整す
るとき、雰囲気圧に対応した値に融液自体の酸素濃度が
維持される。その結果、引上げられたＳｉ単結晶の酸素
濃度が（０．５〜１．３）×１０18原子数／ｃｍ3 の範
囲で安定化し、一定した品質のＳｉ単結晶が得られた。
【００１６】実施例２：直径４００ｍｍ及び高さ３５０
ｍｍのルツボに純Ｓｉ２．５ｋｇを入れ、垂直方向に温
度差５０℃をつけ、表面温度１４５０℃に加熱した。こ
の状態で３０分保持した後、１５０ｇの純Ｓｂを融液に
添加した。引き続き、同じ温度条件下で３０分間保持し
た。このようにして、目標Ｓｂ濃度０．１４原子％のＳ
ｂドープＳｉ融液を調製した。流速Ｖを０．０４５〜
３．４ｍ／秒の範囲で変化させたＡｒガス雰囲気中で。
ＳｂドープＳｉ融液から単結晶の引上げを開始した。得
られた単結晶から厚さ２ｍｍの試験片を切り出し、ＳＩ
ＭＳ法で酸素濃度を測定した。その結果、流速Ｖを変え
たとき、図４に示すように雰囲気圧Ｐは流速Ｖの逆数に
比例しており、Ｐ＝ｆ／Ｖで表せることが判った。本実
施例では、直径４００ｍｍの石英ルツボを使用している
ことから、ｆ＝３．４２×１０3 であった。Ｐ＝ｆ／Ｖ
に従って流速Ｖにより雰囲気圧Ｐを調整するとき、式
（１）の関係で雰囲気圧Ｐに対応した値に融液表面の酸
素濃度が維持された。その結果、引上げられたＳｉ単結
晶の酸素濃度が（０．６〜１．３）×１０18原子数／ｃ
ｍ3 の範囲で安定化し、一定した品質のＳｉ単結晶が得
られた。
ｍｍのルツボに純Ｓｉ２．５ｋｇを入れ、垂直方向に温
度差５０℃をつけ、表面温度１４５０℃に加熱した。こ
の状態で３０分保持した後、１５０ｇの純Ｓｂを融液に
添加した。引き続き、同じ温度条件下で３０分間保持し
た。このようにして、目標Ｓｂ濃度０．１４原子％のＳ
ｂドープＳｉ融液を調製した。流速Ｖを０．０４５〜
３．４ｍ／秒の範囲で変化させたＡｒガス雰囲気中で。
ＳｂドープＳｉ融液から単結晶の引上げを開始した。得
られた単結晶から厚さ２ｍｍの試験片を切り出し、ＳＩ
ＭＳ法で酸素濃度を測定した。その結果、流速Ｖを変え
たとき、図４に示すように雰囲気圧Ｐは流速Ｖの逆数に
比例しており、Ｐ＝ｆ／Ｖで表せることが判った。本実
施例では、直径４００ｍｍの石英ルツボを使用している
ことから、ｆ＝３．４２×１０3 であった。Ｐ＝ｆ／Ｖ
に従って流速Ｖにより雰囲気圧Ｐを調整するとき、式
（１）の関係で雰囲気圧Ｐに対応した値に融液表面の酸
素濃度が維持された。その結果、引上げられたＳｉ単結
晶の酸素濃度が（０．６〜１．３）×１０18原子数／ｃ
ｍ3 の範囲で安定化し、一定した品質のＳｉ単結晶が得
られた。
【００１７】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｖ族元素でドープしたＳｉ融液に接する雰囲気圧を
調整することにより、引き上げられるＳｉ単結晶の酸素
濃度に一義的な影響を与える融液表面の酸素濃度を制御
している。これにより、酸化物として放出される酸素量
が多いＳｉ融液であるにも拘らず、引上げられたＳｉ単
結晶の酸素濃度が所定範囲に維持され、品質が一定した
収めたＳｉ単結晶が得られる。得られた単結晶は、半導
体デバイスの動作中にリークした電子のトラップや重金
属類のゲッタリング等に有効な酸素を多量に含んでいる
ことから、リーク電流に対して敏感なパワー用デバイス
や基板内のチャンネルを利用したバイポーラデバイス等
に適した半導体材料として使用される。
は、Ｖ族元素でドープしたＳｉ融液に接する雰囲気圧を
調整することにより、引き上げられるＳｉ単結晶の酸素
濃度に一義的な影響を与える融液表面の酸素濃度を制御
している。これにより、酸化物として放出される酸素量
が多いＳｉ融液であるにも拘らず、引上げられたＳｉ単
結晶の酸素濃度が所定範囲に維持され、品質が一定した
収めたＳｉ単結晶が得られる。得られた単結晶は、半導
体デバイスの動作中にリークした電子のトラップや重金
属類のゲッタリング等に有効な酸素を多量に含んでいる
ことから、リーク電流に対して敏感なパワー用デバイス
や基板内のチャンネルを利用したバイポーラデバイス等
に適した半導体材料として使用される。
【図１】 融液から単結晶を引き上げるチョクラルスキ
ー法
ー法
【図２】 Ｓｉ融液の酸素濃度に与える雰囲気圧及び経
過時間の影響
過時間の影響
【図３】 定常状態における雰囲気圧と融液表面の酸素
濃度との関係
濃度との関係
【図４】 流速と雰囲気圧との関係
１：密閉容器 ２：ルツボ ３：サポート ４：
ヒータ ５：保温材 ６：融液 ７：種結晶 ８：単結晶 ９：ワイヤ
１０：回転巻取り機構
ヒータ ５：保温材 ６：融液 ７：種結晶 ８：単結晶 ９：ワイヤ
１０：回転巻取り機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｐ (72)発明者 黄 新明 茨城県つくば市東光台１−16−２スカイ ハイツＣ−101 (72)発明者 寺嶋 一高 神奈川県海老名市中野206−３ (72)発明者 白石 裕 神奈川県平塚市南原３−２−54 (72)発明者 泉妻 宏治 茨城県稲敷郡阿見町荒川沖1770−１− 502 (72)発明者 木村 茂行 茨城県つくば市竹園３−712
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｖ族元素でドープしたＳｉ融液をルツボ
に収容し、前記Ｓｉ融液に接する雰囲気の圧力をＰ，前
記Ｓｉ融液表面の酸素濃度をＣ2 ( 原子数／ｃｍ3)とす
るとき、次式（１）に基づいて圧力Ｐによって酸素濃度
Ｃ2 を調整するＳｉ融液の酸素濃度制御方法。 【数１】 ただし、Ｋは雰囲気ガスの種類及びドーピング量で定ま
る定数であり、ドーピング量が１．０×１０-4原子％以
上のとき、Ｎｅでは１．００〜１．２４，Ａｒでは０．
８５〜１．０５，Ｋｒでは０．６４〜０．８０，Ｘｅで
は０．４２〜０．５９，Ｒｎでは０．３０〜０．３８の
範囲にある。 - 【請求項２】 請求項１記載の式（１）で圧力Ｐ（トー
ル）を定め、該圧力Ｐから式（２）で求められた流速Ｖ
によって酸素濃度Ｃ2 を調整するＳｉ融液の酸素濃度制
御方法。 Ｐ＝ｆ／Ｖ ・・・・（２） ただし、ｆは、ルツボ半径により一義的に定まるファク
ターであり、１．０×１０3 〜３．５×１０5 の範囲に
ある。 - 【請求項３】 Ｖ族元素がＰ，Ａｓ，Ｓｂ又はＢｉであ
る請求項１又は２記載の酸素濃度制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14570094A JP2720303B2 (ja) | 1993-12-28 | 1994-06-03 | 単結晶引上げ用Ｓｉ融液の酸素濃度制御方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33535593 | 1993-12-28 | ||
| JP5-335355 | 1993-12-28 | ||
| JP14570094A JP2720303B2 (ja) | 1993-12-28 | 1994-06-03 | 単結晶引上げ用Ｓｉ融液の酸素濃度制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07232990A JPH07232990A (ja) | 1995-09-05 |
| JP2720303B2 true JP2720303B2 (ja) | 1998-03-04 |
Family
ID=26476772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14570094A Expired - Fee Related JP2720303B2 (ja) | 1993-12-28 | 1994-06-03 | 単結晶引上げ用Ｓｉ融液の酸素濃度制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2720303B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4723071B2 (ja) * | 2000-10-24 | 2011-07-13 | 信越半導体株式会社 | シリコン結晶及びシリコン結晶ウエーハ並びにその製造方法 |
| JP5186684B2 (ja) | 2007-08-02 | 2013-04-17 | Ｓｕｍｃｏ Ｔｅｃｈｘｉｖ株式会社 | 半導体単結晶の製造装置 |
-
1994
- 1994-06-03 JP JP14570094A patent/JP2720303B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07232990A (ja) | 1995-09-05 |
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