JPH01294589A - 単結晶の引き上げ方法 - 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、単結晶の引き上げ方法に関し、特に、引き
上げ初期におけるドーパント濃度の不均一な部分の量を
最小限に抑えることができるような単結晶の引き上げ方
法に関する。

［従来の技術とその課題］ チョクラルスキー法によって、ルツボ内の溶融液から半
導体などの単結晶を引き上げ、成長させる場合に、第１
図に示すような、相互に連通する外側ルツボ及び内側ル
ツボからなる二重ルツボが用いられる場合がある。この
ような二重ルツボにより単結晶の引き上げを行う場合に
は、内側ルツ曝ボの溶液表面から結晶の引き上げを行い
つつ、外側ルツボに原料とドーパントを供給して減少量
を補うことにより、連続的な結晶引き上げが行える。

この場合、両ルツボの液の流れは内側ルツボの連通孔を
通して行われるため、原料添加に起因する温度変動や液
面の振動が結晶引き上げ面に直接伝わらず、安定した操
業と良好な品質が得られるという利点がある。

ところで、引き上げられた単結晶のドーパント濃度は、
溶融原料中の濃度をＣとすればｋＣとなる（ｋは偏析係
数で、通常ｌより小さい値である）ので、引き上げに伴
い溶融原料が供給されない場合には、溶融原料中のドー
パントが漸次濃化し、結晶中のドーパントも濃化するこ
とになる（第４図参照）。しかし、上記の二重ルツボを
用いる連続引き上げの場合には、逐次供給する原料のド
ーパント濃度を引き上げられる結晶のドーパント濃度と
同じにするとともに、単位時間当たりの結晶引き上げ量
と原料供給量を同一にＣることによって、ドーパントの
出入り量をバランスさせ、内側ルツボと外側ルツボの濃
度比を常にＣ：ｋＣに保つことができ（第５図参照）、
溶融原料の濃化を防ぎ濃度を一定にすることができる。

従って、成長方向に濃度偏析のない単結晶を製造するこ
とが可能となる。

しかしながら、このような装置を用いた場合でも、引き
上げ開始の直後の部分においては、濃度の偏析が起こっ
てしまい、かなりの部分が不良品として廃棄されること
になった。すなわち、二重ルツボを用いて連続引き上げ
をする場合、外側ルツボ内への単位時間当たりの原料供
給量を結晶の単位時間当たりの引き上げ川と等しくし、
融液全体量を変化させないようにしているが、こうする
と、引き上げ当初の濃度を、内外ルツボともにＣ１後か
ら供給する原料の６度をｋＣとしても、引き上げの初期
に内側ルツボ内で濃化が起き、製品の長さ方向に、第６
図に示すような「やま」ができてしまうことが判ってい
る。そして、この「やま」が結晶の直胴部にしかなり及
び、濃度の不良な部分が多くなってしまう。このような
部分を少なくするためには、引き上げ開始後早期に第５
図に示すようなａ！ｆ比の状態を作ってしまう必要があ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記のような課題を解決するために、この発明は、引き
上げの初期に外側ルツボに定常状態において供給する原
料より低濃度のドーパントを有する原料を、引き上げに
伴う減少量よりも多く供給して、外側ルツボ及び内側ル
ツボのドーバンｈａ度比を目標値に速く到達せしめるよ
うにしたものである。

［作用　］ このような単結晶の引き上げ方法においては、内外ルツ
ボ内の溶融原料のドーパント濃度を、引き上げ当初にお
いては、定常状態における濃度Ｃより高くしておき、引
き上げ開始とともに低ドーパント濃度（濃度Ｏでよい）
の原料を外側ルツボに供給する。これにより、引き、］
二げ開始直後の凝固部（いわゆる肩部）におけるドーパ
ントの濃化もほとんどなく、外側ルツボの溶融原料が内
側ルツボ内に流入するに従って内側ルツボ内の濃度が低
下して定常濃度Ｃに近付き、一方、外側ルツボには低濃
度の原料が供給されるために内側ルツボよりさらに定常
濃度ｋＣに近付く。常に外側から内側への流れが形成さ
れているため逆流が生じず、内側から外側へのドーパン
ト拡散による濃度の均一化は起きない。ドーパントの高
濃度部を少なくするためには、内外ルツボの濃度比を早
い時期にｌ二重に設定してしまえば良く、そのために、
当初の溶融原料の量を比較的少なくしておき、引き七げ
の初期において低濃度原料を引き上げによる減少量より
多く供給してルツボ内の液面レベル自体を上界するよう
にする。融液量全体が増加するほど低濃度原料を加える
ので、内外ルツボの濃度比が速く目的値に近付くのであ
る。Ｉｎｋの内外濃度比が得られた後に定常引き上げに
なり、供給する原料中のドーパント濃度を、引き上げら
れる結晶中の濃度ｋＣと等しいものとすれば、その後は
」”つと一定濃度の結晶が引き上げられることとなる。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図は、結晶育成装置の一実施例を示す縦断面図であ
り、符号ｌは炉体、２は断熱材、３は加熱ヒータ、４は
回転軸５の上端に固定された黒鉛サセプタ、６は黒鉛サ
セプタ４に嵌め込まれた石英からなる二重ルツボ、７は
下端にシニドＳを固定した引上軸である。上記二重ルツ
ボ６は、底部近傍に互いに対向する一対の連通孔８を有
する円筒状の隔壁９により外側ルツボｌＯと内側ルツボ
Ｉ＋に分けられている。ルツボ６の上方には、上記引上
軸７を回転させながら昇降させる引上機構（図示路）が
設けられており、また、半導体原料及びドーパントを外
側ルツボ１０に投入するためのシュート１２が設けられ
ている。

上記のような結晶育成装置により、本発明の実施をする
場合について、第２図の略図及び第３図のグラフを用い
て述べる。なお、以下の実施例においては、結晶中の目
標ドーパント濃度をｋＣ。

定常引き上げ状態でのルツボ内の溶融原料の虫をＷ、内
側ルツボの容量の全ルツボの容量に対する比率をαとし
、初期状態においては、内側ルツボと外側ルツボ内の濃
度は等しくなっているとする。

この場合、上述したように、定常引き上げ時における内
外ルツボ内の濃度は、Ｃ及びｋＣである。

以下、引き−Ｌげ開始から定常状態に至る過程を述べる
。

（１）初期状態ニルツボに原料とドーパントを投入し、
溶解して、Ｗより少ない量、Ｃより高い濃度の溶融液と
する（Ｉ段階）。

（２）肩部引き上げ：引上軸を」―昇させて結晶の引き
上げを開始するとともに、シュートより、ドーパントを
含まない原料を連続的に供給する（■段階）。原料の供
給速度は、引き上げによる減少速度より多く設定してお
き、肩部の引き上げが終了するときには溶融液がＷとな
るようにする（ｍ段階）。この場合、シードＳの引き上
げ速度よりも液面の上昇速度が大きくなるので、シード
Ｓと液面との相対速度が適正な値となるように、ルツボ
を降下させるか、あるいはシードＳの上昇速度を大きく
する。

（３）定常引き上げ：肩部の引き上げが終了した時点に
おいて、溶融液１ｗ、内側ルツボ内の溶融液ａ度Ｃ１外
側ルツボ内の溶融液濃度ｋＣとなっており、以後直胴部
の引き上げ工程が定常的に行われる。シュートから供給
される原料のドーパント濃度はｋＣとされ、結晶引き上
げによる減少量に見合う量が添加される（■段階）。

以ド、さらに、モデル計算を用いて上記の過程を詳述す
る。上記の初期状態における全溶融液増をＷ゛、外側ル
ツボの溶融液量をｗｂ、内側ルツボの溶融液量をＷｃ、
外側ルツボ内のドーパントａをＢ、初期状態から肩部引
き上げ中のある時点までに供給されたドーパントなしの
原料の量をＸｌその時点での外側ルツボ内のドーパント
濃度をｂ（ｘ）、内側ルツボ内のドーパント濃度をｃ（
ｘ）とすると、ｂ（ｘ）、ｃ（ｘ）は■、■式で与えら
れる。ただし、以下の計算においては、次の仮定を置い
ている。

（イ）外側ルツボ及び内側ルツボのそれぞれの内部では
、対流によりドーパント濃度が均一になっている。

（ロ）外側ルツボと内側ルツボの間の連通孔を通しての
ドーパントの拡散の影響は無視できる（後述）。

（ハ）肩部の引き上げによる溶融液の減少量は、原料及
びドーパントともに少ないので無視できる。

肩部引き上げの終了時点での原料供給量をｘｌとすると
、 ｃ（ｘ、）：ｂ（ｘ、）＝　１　：ｋ　　　　　　　　
　　　　■であるので、０〜０式より、 ■式において、Ｘ＝Ｏ１及びＸ　＝　Ｘ　＋と置き、両
者の比をとると、 となる。ここで、 ｂ（ｘ、）＝　ｋＣ であるから、初期ドーパント濃度は となる。また、 Ｗ　−ｘ　＋　＋　Ｗ　ｂ　＋　Ｗ　ｃ　　　　　　　
　　　　　■Ｗ　ｃ　＝　Ｗ　ｂ・α／（ｉ−α）　　
　　　　　　■Ｗ　’　−Ｗ　ｂ　＋　Ｗ　ｃ　　　　
　　　　　　　　　　■であるから、これらの式から ｌ−α すなわち、初期のルツボ内の原料の量を［相］式で示す
ように減量しておけばよい。

以下、実際の数値を入れて検討する。ルツボ全体に対す
る内側ルツボの底面積の比率をα−２７３とし、原料と
してシリコンを用い、ドーパントとしてリンを使用する
と、ｋ＝ｏ、３５である。

これを、■、［相］式に代入すると、 ｂ（０）＝　３．３ｋＣ＝　１．１６ｃ　、　　Ｗ’／
Ｗ　＝　０．６７となる。すなわち、原料の量を定常状
態より１７３減らし、初期ドーパント６度を定常状態の
内側ルツボの濃度の１．１６倍にすればよいことになる
。例えば、内側ルツボ内径２００ｍｍφ、外側ルツボ内
径２４０ｍ１Ｉφ、隔壁厚さ１０ＩＩｌｆｆｌ、連通孔
径５ｍｍφの二重ルツボにおいて、定常状態において１
５Ｋｇの溶融液をルツボに収容し、目標ドーパント（リ
ン）ａ度ｋＧ＝　１．０ＯＸｌＯ”ａｔｅ／Ｃｍ’、直
径３ｉｎｃｈのシリコン単結晶を、１ｍｍ／ｗｉｎの速
度で引き上げる場合には、初期（１）　ｍ１Ａａｉｌヲ
１０Ｋｇ、　Ｆ　−ハン）　ａＫ’ｃ　３．３４ＸｌＯ
”ａｔ１１１／ｃｍ’とし、肩部の引き上げ完了時点ま
でに、５Ｋｇのドーパントを含まない原料を外側ルツボ
に供給すればよい。このような設定条件（ドーパント初
期濃度＝　３．：（４ＸｌＯ１５ａｔｍ／ａｍ３）によ
り引き上げを行った場合について、得られた単結晶の長
さ方向の濃度の実測値を第３図に○印で示し、内側ルツ
ボ、外側ルツボ内の溶融液及び単結晶における濃度のモ
デル計算値をそれぞれ実線で対比して示す。

また、同図に、比較例として、従来の方法で引き上げを
行な−）た場合、すなわち、上記と同じ二重ルツボを用
い、初期の溶融液の総量を１５Ｋｇ、溶融液のドーパン
ト濃度をＣ＝　２．ＨＸＩＯ１′ａｔｍ／ｃｍ３とし、
ｋＣ＝　１．ｎＯＸｌＯＩ５ａｔｍ／ｃＩ１１３のドー
パント含有比率を持つ原料を引き上げ量と同量づつ外側
ルツボに供給した場合に得られた単結晶の濃度の実測値
をΔ印で示す。この場合は、濃度の上昇による「やま」
が、肩部の引き上げの終了点（■段階）以後に延びて直
胴部にわたっており、この部分が不良品となってしまう
。

なお、肩部引き上げ時、または定常引き上げ時において
、連通孔からの拡散の程度をフィックの法則を用いて概
算したところ、連通孔におけるドーパントの拡散速度は
、およそ９．５ｘ　ｔｏ−’（ｃｍ／５ｅｃ）であるの
に対し、溶融液の流入速度は、肩部引き」二げ時におい
て０．９３（ｃｍ／５ｅｃ）、定常引き上げ時において
０．１７（ｃｍ／５ｅｃ）であり、自己拡散によるドー
パント６度の均一化はほとんど問題にならないことが推
定された。

［発明の効果］ 以上詳述し７たように、この発明は、引き上げの初期に
外側ルツボに引き上げられる結晶より低、＠度のドーパ
ントを有する原料を引き上げに伴う減少量よりも多く供
給して、外側から内側への溶融原料の流れを作りつつ外
側ルツボ及び内側ルツホのドーパント濃度比を目標値に
速く到達せしめるようにしたものであるので、単結晶の
肩部の引き上げ終了時に定常状態への移行が行え、結晶
引き上げに伴う溶融原料中のドーパントの層化を最小限
に抑え、ドーパント濃度の偏析による不良部分を肩部の
みに止どめて、歩留りの向上を図ることができるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に用いる装置を示す断面図、第２図は
この発明の工程を示す略図、第３図は噴結晶中の濃度変
化の測定値を計算値と対比して示す図、第４図は従来の
方法における引き−にげ初期の内側ルツボ内の濃度変化
のグラフ、第５図は定常引き上げ時の内外ルツボの濃度
を示す模式図、第６図は従来の方法における内外ルツボ
及び製品の濃度変化のグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）相互に連通する外側ルツボと内側ルツボとを備え
   た二重ルツボに溶融原料を装入し、定常状態において内
   側ルツボの溶液面よりドーパント濃度がｋＣ±０．１ｋ
   Ｃ（ただし、ｋは偏析係数）であるような単結晶を引き
   上げる単結晶の引き上げ方法において、 引き上げ前の内側ルツボ内の溶液のドーパント濃度をＣ
   （定常状態における内側ルツボ内の溶液濃度）より高く
   しておき、 引き上げの初期に、ドーパント含有比率がｋＣ以下であ
   るような原料を引き上げに伴う内側ルツボ内の溶融原料
   の減少量よりも多く外側ルツボに供給して、内側ルツボ
   と外側ルツボのドーパント濃度比を目標値に到達せしめ
   た後、 ドーパントの含有比率がｋＣであるような原料を引き上
   げに伴う溶液の減少量に等しく外側ルツボに供給しつつ
   結晶を引き上げることを特徴とする単結晶の引き上げ方
   法。
2. （２）上記溶融原料はドーパントとしてリンを含むシリ
   コンであり、 結晶中の定常状態におけるドーパント濃度が１．０×１
   ０＾１＾４〜１．０×１０＾１＾６ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾
   ３であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶の引
   き上げ方法。