JP2930081B1

JP2930081B1 - 半導体結晶育成装置及び結晶育成方法

Info

Publication number: JP2930081B1
Application number: JP22413498A
Authority: JP
Inventors: 匡人渡邉; 実江口
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: JP2000053488A

Abstract

【要約】【課題】磁場と電流を印加したチョクラルスキー法に
よる半導体結晶育成において、電極と半導体融液との接
触が外れることなく、結晶育成中に常に電流を印加して
結晶を育成する。さらに、電極の挿入による半導体融液
表面の変形を防ぎ、融液の回転対称性を高める。【解決手段】磁界中に保持された半導体融液（２）
と、成長している半導体単結晶（３）との間に電流を通
電するために、半導体融液に電流を印加するための電極
（６）の周りに、保護管（７）を配置する。この保護管
は、るつぼと同様の材質のものを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体結晶の育成
に関するものであり、特に、半導体融液に互いに直交す
る磁界と電流を印加して半導体融液を回転させる半導体
結晶育成技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超高集積電子デバイスの基板として使用
する半導体結晶ウエハーは、回転している半導体融液か
ら半導体単結晶をそれと逆方向に回転させながら引き上
げるチョクラルスキー法により育成する。るつぼ内に保
持された半導体融液は、るつぼの周りに設置した円筒状
のヒーターから熱を受けており、融液内の温度分布を結
晶の引き上げ軸に対して完全に軸対称的にするために、
るつぼを回転させている。融液内の温度分布を軸対称に
するためには、るつぼの回転中心とヒーター配置の対称
軸は、結晶の引き上げ軸に一致していることが必要であ
る。従来技術では、るつぼを保持する軸を機械的に回転
させる方法が一般的である。

【０００３】しかし、結晶径の大型化に伴い、るつぼを
回転させるには大がかりな装置が必要になるなど、大型
結晶の育成が徐々に困難になってきた。この困難を回避
するために、結晶成長中の半導体融液への磁界の印加装
置と、上記磁界と直交する電流を半導体融液中に印加す
る装置とを備え、その半導体融液中に浸入する電極と引
き上げ結晶に通電する電極とを用いた、半導体結晶育成
装置及び育成方法が提案されている（特願平９―３４３
２６１）。この技術は、直径が３０ｃｍ以上のような大
口径の半導体結晶の育成にあたっても、装置の大規模化
を最小限に抑え、かつ回転数の正確な制御を可能とする
ものである。また、特願平１０―０６５１７４では、電
極材料を育成する半導体単結晶と同一の材質とすること
で、育成する結晶への汚染を防ぐことが示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術では、結晶育成と共に電極が半導体融液に溶解し、電
流を常に印加させておくには、電極を結晶成長と共に移
動させる必要があった。また、電極を半導体融液に接触
させる際に、融液表面よりも高い位置で接触させるため
に電極直下の融液を引き上げるので、電極と成長してい
る結晶間の融液の表面形状が変化して、回転の対称性の
低下の原因となるという問題もあった。

【０００５】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たもので、チョクラルスキー法による半導体単結晶育成
技術であって、結晶成長中の半導体融液に磁界を印加
し、かつ磁界と直交する電流を半導体融液中に通電する
半導体単結晶育成装置及び育成方法において、結晶成長
中の電極の溶解により電極を移動させる必要がなく、か
つ電極と成長している結晶間の融液の表面の変形に伴う
半導体融液の回転の対称性の低下を招くことのない装置
及び方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記目的を
達成するために鋭意検討を行った結果、半導体融液中に
磁界を印加する装置と、半導体融液中に電流を通電する
装置とを備えた半導体結晶育成装置において、半導体融
液中に電流を通電するための電極の周りに保護管を配置
すること、また該保護管の材質を、半導体融液を保持す
るるつぼと同様の材質のものとし、保護管と融液とを直
角に接触させること、さらには半導融液中に通電するた
めの電極と半導体融液とを保護管内部で融液表面の主た
る表面より高い位置で接触させ、結晶成長中に半導体融
液中に通電するための電極と半導体融液とを常に接触さ
せるとともに、電極と結晶間の融液表面が変形しないよ
うにすることにより、前記目的が効果的に達成されるこ
とを知見し、本発明をなすに至った。

【０００７】したがって、本発明は、半導体融液中に磁
界を印加する装置と、半導体融液中に電流を通電する装
置とを備えた半導体結晶育成装置において、半導体融液
中に電流を印加するための電極が、電極を取り囲む管に
通されていることを特徴とする半導体結晶育成装置を提
供する。

【０００８】また、本発明は、半導体融液中に磁界を印
加する装置と、半導体融液中に電流を通電する装置とを
備えた半導体結晶育成装置を用いて半導体結晶を育成す
るに当たり、前記半導体結晶育成装置として、半導体融
液中に電流を印加するための電極が、電極を取り囲む管
に通されているものを用いることを特徴とする半導体結
晶育成方法を提供する。

【０００９】本発明では、磁界中に保持された半導体融
液と、成長中の半導体結晶との間に電流を通電する際
に、電極の周りに保護管を配置するので、保護管内部で
電極と融液とが接触する。そのため、結晶成長中に電極
と融液との接触部分の温度が上昇した場合でも電極内部
を融液が上昇するので、電極と融液との接触が外れるこ
とがない。したがって、結晶成長中に電極を移動させる
ことなく、常に電流を印加することが可能となる。さら
に、電極の周りに配置した保護管の材質を、半導体融液
を保持するるつぼと同質のものとすることにより、保護
管と半導体融液が直角に接触し、電極直下の融液を引き
上げることがないので、電極と成長している結晶間の融
液表面形状が変形しなくなる。このため、温度分布の軸
対称性が高まり、結晶中に取り込まれるドパント不純物
濃度の半径方向の分布をより均一にすることができる。
また、シリコン単結晶の場合には、酸素濃度分布の半径
方向の分布もより均一にすることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を説明す
る。成長中の半導体結晶と磁界中に保持された半導体融
液間に電流を流す方法を、図１により説明する。図１で
は主要部分を見やすくするために、磁場印加装置、ヒー
ターなどの周辺装置は省略されている。るつぼ（１）内
に保持された半導体融液（２）から半導体単結晶（３）
を、電気伝導性のある材質を用いた引き上げ軸（４）の
先端にセットした種結晶（５）を介して引き上げてい
く。種結晶と引き上げ軸は、通常のチョクラルスキー法
による結晶成長の場合と同様にして結合させておくが、
電気伝導を良好に保つために、種結晶と引き上げ軸との
接触面積を充分に大きくする。成長中の半導体単結晶
と、るつぼ内の半導体融液との間に電流を通電するため
の電極（６）は、育成する半導体単結晶と同一の材料で
構成されている。この電極の周りに保護管（７）を配置
しておく。保護管の材質は、るつぼと同様のものとす
る。保護管の内部にある電極と半導体融液は、図２に示
すように半導体融液主表面よりも高い位置で互いに接触
するようにする。また、この接触部分の温度が上昇して
も、半導体融液は保護管内部を図３のように上昇するた
め、電極と融液とは接触が外れることなく常に接触して
いる。

【００１１】また、本発明の半導体結晶育成装置では、
さらに下記構成を好適に採用することができる。（１）図４に示すように、電極を取り囲む管の一方の端
は電極と融液とが接触するように開口し、前記管の他方
の端には電極を保持する機構と、電極に通電する機構と
が設けられている構成。図４において、（９）はリード
線、（１０）は保護管取り付け治具を示す。（２）図４に示すように、電極を取り囲む管の内径（ｒ
ｉ）は、電極の直径（ｒｓ）より大きい構成。（３）図４に示すように、電極を取り囲む管の一部に通
気孔（１１）が設けられている構成。（４）電極と電極を取り囲む管とのペアが複数配置され
ている構成。（５）（４）の複数のペアが結晶引き上げ軸に対して対
称的に配置されている構成。

【００１２】また、本発明の半導体結晶育成方法では、
さらに下記構成を好適に採用することができる。（６）電極と融液を接触させる前には、電極を取り囲む
管の開口部より外に電極の一部を出しておく構成。（７）結晶育成中は、電極と融液との接触部分が電極を
取り囲む管の開口部より内部にある構成。（８）結晶育成中は、電極を取り囲む管の開口部が常に
融液と接触するように管の位置を制御する構成。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。［実施例１〜３］直径７．５ｃｍの石英るつぼ内に０．
３Ｋｇのシリコン融液を作製した。また、図４に示すよ
うに、直径（ｒｓ）０．２ｃｍ、長さ（Ｌｓ）８ｃｍの
シリコン製の電極棒（６）を、内径（ｒｉ）０．２５ｃ
ｍ、外径（ｒｏ）０．３ｃｍ、長さ（Ｌｔ）６ｃｍの石
英製保護管（７）の中に挿入し、保護管先端よりシリコ
ン製電極を１ｃｍ外に出しておき（ｄ）、石英製保護管
をシリコン融液表面から０．１ｃｍ程度内部に浸入さ
せ、直径が３ｃｍのシリコン単結晶を育成した。この
際、育成したシリコン単結晶が、Ｐ型で抵抗率が１０Ω
ｃｍとなるようにボロンを融液に添加した。電極の挿入
位置は、るつぼ内壁から０．５ｃｍ、１ｃｍ、１．５ｃ
ｍ内側とした。結晶育成中には、電極と融液間の通電を
電流計により常にモニターし、電極と融液との接触位置
は常時炉の側部からＸ線透視法により観察した。結晶育
成後に、広がり抵抗法（ＳＲ法）により、結晶中のドパ
ント不純物濃度の半径方向分布を求めた。さらに、走査
型赤外線吸収分光法（ＦＴ−ＩＲ法）により、結晶中の
半径方向の酸素濃度分布を求めた。

【００１４】実施例１から３での、印加した磁界の大き
さ及び電流の大きさ、並びにその他の結晶育成の条件
と、結晶育成した結果とを表１にまとめて示す。ここ
で、ドパント濃度及び酸素濃度の半径方向の分布は、下
記式で表した。［（結晶中心での濃度―結晶端での濃度）／結晶中心で
の濃度］×１００

【００１５】＜表１：実施例１から３の結晶育成条件と
育成した結晶の結果＞

【表１】

【００１６】［実施例４〜７］直径７０ｃｍの石英るつ
ぼ内に３００Ｋｇのシリコン融液を作製した。また、育
成するシリコン単結晶と同一の組成で、ｒｓ＝１．０ｃ
ｍ、Ｌｓ＝２５ｃｍのシリコン単結晶電極を、ｒｉ＝
２．０ｃｍ、ｒｏ＝３．０ｃｍ、Ｌｔ＝２０ｃｍの石英
製保護管に挿入し、ｄ＝１ｃｍとしてシリコン電極を長
くしておき、石英製保護管をシリコン融液表面から２ｍ
ｍ程度内部に浸入させて、抵抗率が１０Ωｃｍで直径が
３０ｃｍのシリコン単結晶を育成した。電極の挿入位置
は、るつぼ内壁より１ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃ
ｍ内側として、３本の電極と保護管とのペアを結晶引き
上げ軸に対して対称となるような角度位置に配置した。
印加した磁界の大きさ及び電流の大きさ、並びにその他
の結晶育成の条件と、結晶育成した結果とを表２にまと
めて示す。

【００１７】＜表２：実施例４から７の結晶育成条件と
育成した結晶の結果＞

【表２】

【００１８】［実施例８〜１１］実施例８から１１で
は、直径１００ｃｍの石英るつぼを使用して、抵抗率１
０Ωｃｍで直径４０ｃｍのシリコン単結晶を育成した。
この場合、ｒｓ＝１．０ｃｍ、Ｌｓ＝３０ｃｍのシリコ
ン製電極を、ｒｉ＝２．０ｃｍ、ｒｏ＝３．０ｃｍ、Ｌ
ｔ＝２５ｃｍの石英製保護管内に挿入し、ｄ＝１ｃｍと
しておき、石英製保護管をシリコン融液表面から０．２
ｃｍ程度内部に浸入させて育成を行った。この実施例の
場合にも、電極の位置は、るつぼ壁内側から１ｃｍ、５
ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍとして、３本の電極と保護管
とのペアを結晶引き上げ軸に対して対称となるような角
度位置に配置した。印加した磁界大きさ及び電流の大き
さ、並びにその他の結晶育成の条件と、結晶育成した結
果とを表３にまとめて示す。

【００１９】＜表３：実施例８から１１の結晶育成条件
と育成した結晶の結果＞

【表３】

【００２０】以上の実施例から、本発明によれば、結晶
成長中に電極とシリコン融液との接触が外れることな
く、常に電流を印加しながらシリコン単結晶を育成でき
ることがわかる。また、本発明によって育成したシリコ
ン単結晶中の酸素濃度分布とドパント不純物濃度分布の
半径方向の不均一性は１％以下であり、融液中の温度分
布が結晶の引き上げ軸に完全に一致して回転することが
わかる。

【００２１】前記実施例１から１１との比較のために、
保護管を使用せずにシリコン製電極のみを使用して、抵
抗率が０．００１Ωｃｍで直径３．０ｃｍ、３０．０ｃ
ｍ、４０．０ｃｍのシリコン単結晶を育成した。電極と
融液との接触状態、育成した結晶中のドパント不純物濃
度分布と酸素濃度分布の結果を表４にまとめる。表に記
載されていない結晶育成の条件は、電極の配置を含め実
施例１から１１までと同様にして行った。

【００２２】＜表４：比較例の結晶育成条件と育成した
結晶の結果＞

【表４】

【００２３】これらの比較例の結果から、電極の周りに
保護管を配置しないと結晶成長の途中で電極と融液との
接触が外れてしまい、常に電流を印加してシリコン単結
晶を育成することが困難であることがわかる。さらに、
保護管がないと電極直下の融液が引き上げられ、電極結
晶間の融液表面が変形し、温度分布の軸対称性が悪くな
ってしまうため、結晶中の半径方向の酸素濃度とドパン
ト不純物濃度の分布の不均一性が１％以上あり、酸素濃
度とドパント不純物濃度分布の均一化が困難であること
がわかる。

【００２４】シリコン以外の半導体結晶の育成について
も本発明を適用できることを確かめるために、実施例１
２として、実施例５と同様の電極の配置で、直径１５ｃ
ｍのＧａＡｓ単結晶を、育成するＧａＡｓ単結晶と同一
の組成のＧａＡｓ単結晶を電極として使用して、直径３
０ｃｍのｐ−ＢＮ（Pyrolytic-Boron Nitride）るつぼ
から育成した。この場合、電極の保護管の材質には、る
つぼと同質のｐ−ＢＮを使用した。保護管の大きさも実
施例５と同様とした。結晶育成の際には、抵抗率が１０
Ωｃｍとなるように、ドパントとしてシリコンを適量添
加した。

【００２５】また、実施例１３として、直径１０ｃｍの
ＩｎＰ単結晶を、育成するＩｎＰ単結晶と同一の組成の
ＩｎＰ単結晶を電極として使用して、直径２０ｃｍのｐ
−ＢＮるつぼから育成した。この場合にも、電極保護管
の材質にはるつぼと同質のｐ−ＢＮを使用して、実施例
５と同様の大きさと配置で結晶育成を行った。結晶育成
の際には、結晶の抵抗率が１０Ωｃｍとなるように、ド
パントとしてアンチモンを適量添加した。

【００２６】＜表５：実施例１２，１３の結晶育成条件
と育成した結晶の結果＞

【表５】

【００２７】この結果より、シリコン以外の半導体結晶
育成の場合にも、本発明により電極と半導体融液との接
触が外れることなく、常に電流を印加した状態で半導体
単結晶を育成できることがわかる。また、ドパント濃度
の半径方向分布が１％以下であるような均一的な半導体
結晶を育成できることが確認される。

【００２８】本発明は、電極の配置及び構造については
以上の実施例に限定されることはなく、電極の周りに保
護管を配置して使用する装置及び方法を全て含むもので
ある。本発明はまた、原理的考察から半導体以外の材料
結晶育成においても有効な技術であることは明らかであ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、半導体結晶育成において、磁
場中に保持した半導体融液と成長している結晶間に、常
に電流を印加して電磁力を作用させながら半導体単結晶
を育成することができる。さらに、るつぼ材と同質の保
護管を使用することにより、電極と結晶間の半導体融液
表面の変形を防げるので、電極の挿入によって融液内の
温度分布の対称性を低下させることがないので、育成し
た結晶中のドパント不純物の半径方向分布が均一化す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いてチョクラルスキー法による半導
体単結晶を育成する際の、電極と保護管の挿入方法を説
明するための図である。

【図２】本発明を用いてチョクラルスキー法による半導
体単結晶を育成する際の、電極、保護管及び半導体融液
の位置関係を説明するための図である。

【図３】本発明を用いてチョクラルスキー法による半導
体単結晶を育成する際の、電極と半導体融液の接触位置
を説明するための図である。

【図４】電極と保護管の形状を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

（１）−−−るつぼ（２）−−−半導体融液（３）−−−半導体単結晶（４）−−−引き上げ軸（５）−−−種結晶（６）−−−電極（７）−−−保護管（８）−−−電極／半導体融液接触面（９）−−−リード線（１０）−−保護管取り付け治具（１１）−−通気口

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体融液中に磁界を印加する装置と、半
導体融液中に電流を通電する装置とを備えた半導体結晶
育成装置において、半導体融液中に電流を印加するため
の電極が、電極を取り囲む管に通されていることを特徴
とする半導体結晶育成装置。
【請求項２】電極を取り囲む管の材質は、半導体融液を
保持するるつぼの材質と同じであることを特徴とする請
求項１に記載の半導体結晶育成装置。
【請求項３】電極を取り囲む管の一方の端は電極と融液
とが接触するように開口し、前記管の他方の端には電極
を保持する機構と、電極に通電する機構とが設けられて
いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体結
晶育成装置。
【請求項４】電極を取り囲む管の内径は、電極の直径よ
り大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の半導体結晶育成装置。
【請求項５】電極を取り囲む管の一部に通気孔が設けら
れていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
に記載の半導体結晶育成装置。
【請求項６】電極と電極を取り囲む管とのペアが複数配
置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
１項に記載の半導体結晶育成装置。
【請求項７】電極と電極を取り囲む管との複数のペアが
結晶引き上げ軸に対して対称的に配置されていることを
特徴とする請求項６に記載の半導体結晶育成装置。
【請求項８】半導体融液中に磁界を印加する装置と、半
導体融液中に電流を通電する装置とを備えた半導体結晶
育成装置を用いて半導体結晶を育成するに当たり、前記
半導体結晶育成装置として、半導体融液中に電流を印加
するための電極が、電極を取り囲む管に通されているも
のを用いることを特徴とする半導体結晶育成方法。
【請求項９】電極と融液を接触させる前には、電極を取
り囲む管の開口部より外に電極の一部を出しておくこと
を特徴とする請求項８に記載の半導体結晶育成方法。
【請求項１０】結晶育成中は、電極と融液との接触部分
が電極を取り囲む管の開口部より内部にあることを特徴
とする請求項８又は９に記載の半導体結晶育成方法。
【請求項１１】結晶育成中は、電極を取り囲む管の開口
部が常に融液と接触するように管の位置を制御すること
を特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の半
導体結晶育成方法。