JPH01282184A - 単結晶の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はチョクラルスキー法による単結晶の製造方法
に関するものである。

［従来の技術］ 近年、電子工業用素材として各種半導体単結晶が広く使
用されている。単結晶を得る手段として一般に利用され
ているのは溶融体からの引上げ法であり、とりわけ代表
的なのはチョクラルスキー法（ＣＺ法）である。ＣＺ法
においては、第６図に示す如く、ルツボ４中にある半導
体物質の融液５から単結晶２を回転させながら徐々に引
上げていく方法によっている。この場合融液５は加熱用
ヒーター３により、主として側面から加熱されているか
ら、融液５の中心部温度は外周部の温度よりも低い。こ
のため融液５の内部に対流が生じる。

この対流は単結晶２が成長する界面近傍に温度のゆらぎ
をもたらし、その結果成長した単結晶２の内部に結晶欠
陥や電気特性の不均一性をもたらし、歩留の悪化や半導
体デバイスにした際の信頼性の低下をもたらすので好ま
しくない。特に電子工業に於いて重要な位置を占めてい
る結晶材料であるシリコンのような場合、引上げる結晶
の直径が大きく、長さも長いので単結晶全体の均質性が
益々重要となってくる。

このような温度ゆらぎを抑制する手段として第５図に示
すようにルツボ４を挟んで引上げ方向に直角方向の磁場
１１（横磁場）を印加するための磁極１０を備えた装置
（特開昭５６−４５８８９参照）や、第６図に示すよう
に、ルツボ４の周囲に引上げ方向にほぼ平行な方向の磁
場１３（縦磁場）を印加するソレノイドコイル１２を備
えた装置（特開昭６２−４３９５８）が提案され、水平
方向あるいは垂直方向の磁場のみ使用して結晶成長させ
る方法が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点］ シリコンの結晶成長を例にとって説明すると、第３図の
様な結晶成長をすると添加不純物濃度と石英ルツボより
混入してくる酸素濃度とは、一般に第４図に示す様に前
者は実線で示す如く実効分配係数にほぼ従った濃度分布
を示し、後者は破線で示す如く不純物濃度にして１０１
８個／−オーダーの濃度で分布する。

また第５図の様な融液に対して水平に磁場をかけて結晶
成長すると添加不純物濃度は第３図の場合とほぼ同様の
分布を示すが酸素濃度は１０１７〜１０１８個／ｃＩ１
１オーダーに制御可能となる。

−力筒６図の様に融液に対して垂直に磁場をかけて結晶
成長すると添加不純物濃度は第７図の実線の様にほぼ均
一な分布を示すが酸素濃度は第７図破線の如＜　１０’
〜１０２０個／ｃ１１１と大きく分布しその制御は困難
である。

この添加不純物濃度は製品の電気抵抗率という数値で製
品規格で制限されており、また酸素濃度範囲も製品規格
で決められている。即ち、両者の分布を同時に均一化す
るということは製品の取得率向上に大きく貢献する。

この様に現在の結晶引上げ技術では添加不純物濃度の分
布を均一にして、さらに酸素濃度分布をも均一にするこ
とはできない。それを解決するのが本発明の目的である
。

ｃ問題点を解決するための手段］ 本発明では、第１図に示す様に、単結晶引上げ装置に縦
磁場発生用ソレノイドコイル１２と横磁場発生用磁極ｌ
Ｏを配置し、縦磁場と横磁場を印加して引上げを行う。

単結晶を引上げながら２秒間に１回以上の周期で縦磁場
と横磁場を切り替える。

まず、本発明で使用する結晶引上げ装置について説明す
る。第１図は本発明で使用する装置の一態様を説明する
図である。図においてシリコン等の半導体材料５は石英
製のルツボ４内に入れ、周囲から加熱用ヒーター３によ
って加熱溶融される。

加熱用ヒーター３の外側には必要に応じて例えば円筒状
の熱遮蔽体あるいは水冷等によって冷却されるジャケッ
ト（図示せず）が配置され、その外側に電磁石１６によ
る磁場発生手段が配置される。

さらに本発明ではジャケットの外側にソレノイドコイル
１２をコイルの中心と結晶の引上げ軸８とが一致するよ
うに配置しである。１１は単結晶シード、２は引上げ単
結晶、８は結晶引上げ軸、７はルツボ回転軸である。こ
のような結晶引上げ装置を使用しての結晶成長は以下の
ようにして行う。

上述のような結晶装置を使用して結晶の引上げ育成を行
うには、まず磁極ＩＯを使用して融液５に５００〜５０
００Ｇ　（ガウス）の横方向の磁場を与える。

磁極ＩＯにコイル１Ｂを巻付け、これに直流電流を印加
して一定方向の磁場を得る。

次にソレノイドコイル１２に直流電流を印加し、引上げ
結晶の中心線に対して対称で、かつ結晶の引上げ方向に
沿った直流磁界（いわゆる縦方向磁界）を融液５に印加
する。縦方向磁界はソレノイドコイルの中心を結晶の回
転軸と一致させ、実質的に磁界方向が結晶の引上げ方向
と一致していれば良い、磁界の強さは磁界中心部で５０
０Ｇ〜５０００Ｇが適当である。

磁場の印加は水平方向と縦方向を単独に交互に印加する
。磁場をかけると磁場の方向に直角な方向の融液の流れ
を抑制するので、不純物原子の移動が抑えられ、均一に
分布する結果をもたらす。

磁場方向を交互に切替えることにより、移動範囲を微小
範囲に止めるのが効果的である。切替えのサイクルは毎
秒０．５〜ＩＯ回程度とするのが良い。

［作　　用］ シリコン等の半導体結晶引上げ時に磁場を印加した時の
その融液の挙動に及ぼす影響は広く知られている。

基本的には磁場の方向に直角な方向の融液の流れを抑制
する効果を有するので縦磁場印加の場合はルツボ内の半
径方向の流れは抑制されるが深さ方向の流れは抑制され
ない。結果的に流れは深さ方向に細長くなる。−力積磁
場印加の場合は深さ方向の流れと水平成分の流れの内、
磁場の方向に直角な方向の流れは抑制され、平行な方向
の流れは抑制されない。水平成分のこの様な特異な流れ
現象は例えばＪ、　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔ
ｈ　８２　（１９８７）。

３１８〜３２Ｂに数値計算により報告されている。

本発明では横磁場と縦磁場を組みあわせて印加すること
により、上記に述べた様な流れをすべて停止させること
を目的としたもので、これにより融液内の不純物分布も
一定となり、温度分布も熱伝導支配となって安定して高
品質な結晶が得られる。

また、横磁場と縦磁場の磁場の向きを成長結晶内の長方
方向の場所によって変えることにより（例えば融液の上
部は縦磁場的流れ、その他は横磁場的流れという様に）
流れ方を制御したり、あるいは、横磁場強度と縦磁場強
度を固化位置に応じて変化させることにより、結晶成長
初期は、横磁場的流れが優勢で結晶成長後期は縦磁場的
流れが優勢になる様にすることも可能となる。

［実　施　例］ 第１図に示した構造の結晶引上装置を使って１５０關直
径の石英ルツボに２ｋｇのシリコンを溶かして、５０龍
径の単結晶シリコンを作製した。磁場強度は縦横共に融
液中心位置で２０００ガウスであり、縦横の磁場印加の
切換え周期はＩＨｚで実施した。

結晶上端部で抵抗率が８Ω■になる様リン（Ｐ）を添加
して結晶を引上げた。得られた単結晶の抵抗率と酸素濃
度の分布を第２図に示した。固化率約６０％のところの
抵抗率は約６．５Ω備となりまた酸素濃度についても１
０１８個／ｃＩ＋１とほぼ一定で極めて均一になってお
り、長さ方向の品質向上が確認された。これに対して磁
場を全くかけなかった時の固化率約６０％の位置の抵抗
率は約５Ω（至）であり横磁場２０００ガウスの時もほ
ぼ同じ抵抗率であった。

また縦磁場２０００ガウスの時は約７．５Ω（至）であ
った。

［効　　果］ 横磁場・縦磁場印加により融液の流れを抑制し、きめこ
まかな制御が可能となった。

これにより磁場なしあるいは横磁場印加の時とくらべる
と抵抗率分布が向上し、縦磁場印加の時とくらべると酸
素濃度分布が向上し、結果的に既存の成長方法による場
合よりも品質が均質化し製品取得長を大幅に長くするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図　本発明の結晶引上装置の概略図、第２図　本発
明によるシリコン単結晶の酸素濃度と抵抗率を示す図、 第３図　従来の結晶引上装置の概略図、第４図　第３図
に示す従来の引上装置によるシリコン単結晶の酸素濃度
と抵抗率を示す図、第５図　横磁場印加の結晶引上装置
の概略図、第６図　縦磁場印加の結晶引上装置の概略図
、第７図　第６図に示す引上装置によるシリコン結晶の
酸素濃度と抵抗率を示す図である。 １・・・炉　体　　　　　　　２・・・単結晶３・・・
加熱用ヒーター　　　４・・・ルツボ５・・・融　液 ６・・・ルツボ軸回転方向　　７・・・ルツボ回転軸８
・・・結晶引上げ軸　　　　９・・・結晶回転方向ＩＯ
・・・横磁場用磁石　　　　Ｕ・・・横磁場磁力線１２
・・・縦磁場発生用ソレノイドコイル１３・・・縦磁場
磁力線　　　　１４・・・酸素濃度曲線１５・・・抵抗
率曲線 １６・・・横磁場発生用ソレノイドコイル特許出願人　
　昭和電工シリコン株式会社昭和電工株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体融液から結晶を引上げる結晶の成長方法に
   おいて、容器中の半導体融液に引上げ方向にほぼ直角な
   水平方向の磁場と、引上げ方向にほぼ平行で結晶の回転
   中心線に対称な磁場とを周期的に切替えて印加しながら
   引上げることを特徴とする単結晶の製造方法。
2. （２）半導体物質を加熱して溶融体とし、その溶融体か
   ら結晶を引上げる結晶装置において、該融液を収容する
   ルツボを挟んで結晶引上げ方向にほぼ直角な水平方向の
   磁場を印加するための磁極と、該ルツボ周囲に引上げ方
   向にほぼ平行な磁場を印加するためのソレノイドコイル
   とを具備することを特徴とする単結晶成長装置。