JPH02233580A - 結晶成長方法及びその装置 - 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〕 本発明は、主に半導体材料として用いられているシリコ
ン単結晶等の結晶成長方法及びその装置に関する。

〔従来の技術〕

一ｌｌｍにこの種の単結晶の成長方法としてはチョクラ
ルスキー法（ＣＺ法）が広く用いられている。

第５図はＣｚ法による単結晶の製造状態を示す模式図で
あり、例えばチャンバ内に配した坩堝２内に結晶用原料
を投入し、これをヒータ３にて加熱溶融せしめた後、こ
の溶融液中に引上げ軸６にて吊り下げた種結晶７を浸し
、これを回転させつつ上方に引上げて種結晶７の下端に
単結晶８を成長せしめることによって行なわれる。

ところで通常単結晶を半導体基板等として用いる場合は
、単結晶の電気抵抗率，電気電導型を調節するために、
坩堝内の溶融液中には不純物元素を添加するが、このよ
うな不純物は単結晶の引上げ方向に偏析し、単結晶の成
長方向全長にわたって均一な濃度分布を維持することは
極めて難しい。

不純物の偏析は溶融液と単結晶との成長界面における単
結晶中の不純物濃度Ｃ，と溶融液中の不純物濃度ＣＬと
の比Ｃｓ／ＣＬ、即ち実効偏析係数ｋｅが１とならない
ことに起因し、単結晶の成長に伴う溶融液中の不純物濃
度、単結晶中の不純物濃度が結晶引上げ途中で変化する
ことによる。

このような偏析を抑制する方法として溶融層法が知られ
ている。第６図は一般的な溶融層法の実施状態を示す模
式図であり、坩堝２の底部に結晶用原料の固体層Ｓを、
またその上方に結晶用原料の溶融液層Ｌを共存させた状
態で単結晶８の引上げを行う方法である。

なお、この単結晶８の引上げ過程では途中ヒータ３の制
御によって単結晶８の引上げに伴う熔融液層の厚さの減
少を固体層Ｓの溶融によって補充し、溶融液層Ｌの体積
を一定に保持し（溶融層厚一定法という）、不純物元素
は結晶引上げ中連続的に添加し、溶融液中の不純物濃度
を一定に維持する方法（特公昭３４〜８２４２号公報）
、或いは意図的に溶融液雇の体積を変化させ、（溶融層
厚変化法という）、結晶引上げ中は不純物元素を添加す
ることなく溶融液中の不純′！ｙＪ？Ｊ４度を一定に維
持する方法がある。

溶融層法を用いて不純物の偏析なく単結晶を引上げるた
めの条件は概略次の如くに説明出来る。

第６図における坩堝内の溶融液層Ｌと固体ＪＩＳとの層
厚さの変化を第７図（イ）〜（ホ）に示す如き一次元モ
デル図を用いて説明する。

第７図（イ）は坩堝に対する原料のチャージ直後の状態
を、また第７図（口）は初期溶解終了時の状態を、第７
図（ハ）１　（二）は結晶引上げ中における状態を、更
に第７図（ホ）は結晶引上げ終了時の状態を夫々示して
いる。

なお、通常原料としては高純度の多結晶が用いられるが
、ここでは固体層Ｓ中の不純物濃度は零でないものとす
る。

第７図（イ）に示す如く最初に坩堝にチャージした原料
の重量を１とし、原料上面側から底面側に向けて測った
重量比Ｘの位置における不純物濃度をＣＰ（Ｘ）とする
。

いま第７図（イ）に示す如く結晶用原料を坩堝にチャー
ジした後、これをその上面側から溶融し、第７図（口）
に示す如《坩堝上部に融液率ｆＬ（”ｆｏ）の溶融液層
Ｌを、またその下部に下部固体率ｆ，の固体層Ｓを共存
させ、次いで単結晶の引上げを行う。初期チャージ原料
重量ｌに対する引上げた結晶の重量比（結晶引上げ率）
をｆ．、溶融層の重量比（融液率）をｆＬ、固体として
残っている原料の重量比（固体率）をｆ，とし、また初
期溶融液中の不純物濃度を００、不純物添加後における
結晶一溶融液界面における固相中の不純物濃度を０３、
また液相中不純物濃度をＣＬとする。

第７図（ハ）に示す如く結晶引上げ率ｆ，、融液率ｆＬ
、固体率ｆｐで単結晶．溶融液層．固体層が存在するも
のとすると、結晶引上げ率ｆ，，融液率ｆＬ＋固体率ｆ
，間には下記（１）式が成立する。

ｆ３　　＋　ｆＬ　＋　ｆｐ　　−　ｆ０　＋　ｆｐ　
　＝　１　　　・・・（１）但しｒ，＋ｆ，−ｆ０ いま第７図（ハ）の状態から単結晶をその引上げ率をｆ
，から第７図（二）に示す如くｆ３＋Δｒ，まで引上げ
る間の不純物添加量をＣ，・Δｒ，（但し、Ｃ１　：結
晶化率に対する単位不純物添加量）とすると、第７図（
ハ）の状態から第７図（二）の状態に至る過程において
、溶融液中の不純物濃度ＣＬは一様、また固体層中への
不純物の拡散は零と考えられるから、第７図（ハ）．（
二）におけるＡＭ域の不純物は保存され、下記（２）式
が成立する。

Ｃ１、・ｒＬ＋ｃ，　　・Δｆ．＋Ｃ，　　・Δｆ０＝
Ｃ，・Δｆｓ　＋　（ＣＬ＋ΔＣＬ）・　（ｆＬ＋Δｆ
Ｌ　）　　・・・（２） 結晶一溶融液界面における固相中不純物濃度Ｃ，と液相
中不純物濃度ＣＬとの間には下記（３）式の関係が成立
するから、 Ｃ，千ｋｅ−ｃ１　　　・・・（３） 但し、ｋｅ：偏析係数 （２）式中の二次の微小項を省略し、（３）式を適用す
ると下記（４）式が得られる。

而して溶融層法において無偏析条件は（４）式中のｄｃ
．　／ａ　ｆ！　＝０．ｃｐ　−０として下記（５）式
で与えられる。

結晶の引上げ過程で固体層を溶融し、溶融層厚を一定に
維持する溶融層厚一定法ではｄ　ｆ　Ｌ　／　ｄ　ｆ　
ｓ＝０であるから下記（６）式で表わされる不純物を連
続的に添加すれば上記（５）式の条件を満足することが
可能となる。

Ｃ．＝ｋｅＣＬ−ｋｅＣ．　　　・”（６）但し、Ｃ０
　：初期溶融液層中不純物濃度一方溶融層厚変化法では
不純物を連続添加せず（Ｃｍ　＝０）　、ｄ　ｆＬ／ｄ
　ｒｓ　−一ｋｅが満たされるよう結晶引上げに伴ウて
溶融層厚を下記（７）弐の満足するよう変化させればよ
い。

ｆ　Ｌ　”　ｆ　Ｌｏ−ｋｅ　ｆ　ｓ　　　”（７３但
しｆ　ＬＯ　：初期熔融液率 多《の場合不純物の実効偏析係数ｋｅは１より小さいか
らｆｔｏ”ｋｅと選定することにより最後まで無偏析条
件を維持することができる。

なお固体層が全部溶融した時点以後は無偏析条件が成立
せず、下記（８）式に従って偏析が進行する。

Ｃｓ　−ｋｅＣｏ　　（　１　−　ｆ　ｓ　）　”−’
　　　−（８）第８図は溶融層厚法における温度制御の
例を示す説明図であり、第８図（イ）は坩堝及び坩堝内
の溶融液，固体層の厚さ寸法を、また第８図（口）は温
度分布を示しており、定性的には以下のように説明され
る。

ヒー夕から溶融液に供給される熱量は単結晶を通しての
伝導熱、溶融液表面からの輻射熱等の熱量ＱｔＩと坩堝
内の原料，坩堝軸２ｃを介して放散される伝導熱量Ｑ，
との和となる。結晶引上条件を安定させるためには熱量
ＱＩＪは引上期間を通じて略一定になるよう設定される
。

ヒータの電力（発熱量）は略一定であり熱量Ｑ．も一定
である。これから下記（９）式が成立する。

”　ｈ　　（’ｒｂ　　＋　Ｔｐ　　）溶融液層と固体
層との境界温度 坩堝軸下部の温度Ｔ， 固体層の熱伝導率 坩堝内断面積 固体層から坩堝軸への熱通過率 坩堝軸の熱伝導率 真空容器内の坩堝軸 （９）式からＴ．，Ｔ，を消去すると下記αω式の如く
になる． ＱＬ　　　　　　λｂｓｃ　　　　ｈ　　　　　λＰ　
　ＳＰ通常の結晶引上げ過程では溶融液表面の位置は一
定に維持されるから（１＝一定）Δβ２＋Δ１６＋Δβ
Ｆ＝０である。また、 Δ２．　　　　　Δｆ， Δ，ｆ　ｓ＋Δｆ，＋Δｆ，＝０であるからΔ［３ｏｃ
Δｌ，が成立する。

従ってαυ式から下記（自）式を得る。

ΔｆＬ　　　　Δｆ，＋Δｆ３ Δｆ，　　　　　　Δｆ， λｐ　　ｓｔ これから固体層の熱の伝え易さλｂ　ｓｃと坩堝軸の熱
の伝え易さλＰ　ＳＰが等しければ溶融層厚を一定に維
持出来、またλＰ　ｓｐ　＞λ６　Ｓｃであれば溶融層
厚さは引上げに伴って減少することとなり、溶融層厚の
制御が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで溶融層法では上述した如き条件に従う限り理論
上は単結晶中の不純物濃度分布の均一化が可能で、不純
物濃度の均一な単結晶が得られるはずであるが、現実に
は坩堝内に装入した原料全体を単結晶化することは難し
い。特に半導体用材料としてのシリコン原料は固体の密
度が溶融液の密度よりも小さいため、固体層の厚さが一
定値以下になると固体層が溶融液中に浮遊し、単結晶の
引上げの障害となり、坩堝内に相当量の原料を残した状
態で単結晶の引上げを停止せざるを得す、原料の歩留り
が悪いという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは結晶用原料の歩留り低下の要因とな
っている固体層の浮遊を抑制し、歩留りの大幅な向上を
図れるようにした結晶成長方法及びその装置を提供する
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る結晶成長方法は、結晶の引上げ終了後に結
晶の引上げに伴って溶融液，固体層の減少した坩堝内に
面体原料を投入する過程と、この固体原料を溶融させて
溶融液．固体層厚さを調節すべ《熱制御する過程と、こ
れらの過程と同時又はその前後で引上げた結晶をチャン
バ外へ取り出す過程とを含む。

また本発明に係る結晶成長装置は、雰囲気ガスの成分組
成の澗節を可能としたチャンバと、該チャンバ内に配設
され、内部に溶融液層と該溶融液層下に位置させたこれ
と略同質の固体層とを共存させる坩堝と、該坩堝内の溶
融液層から結晶を引上げる手段と、チャンバの外部に配
設され、チャンバを通して前記坩堝内に固体原料，不純
物を夫々供給する手段と、引上げた結晶をチャンバ内雰
囲気ガスの成分組成を変えることなくチャンバ外に取り
出す手段とを具備する。

〔作用〕

本発明にあってはこれによって、不純物の偏析のない複
数本の結晶を連続的に製造することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。第１図は本発明方法の実施状態を示す模式的縦
断面図であり、図中１はチャンバ、２は坩堝、３はヒー
タ、４はシャッタ、５はプルチャンバ、１１は固体原料
の供給器を示している。

チャンバ１の内部中央に坩堝２が配設され、この坩堝２
と保温材との間にヒータ３が、またチャンバ１の上部壁
には坩堝２上に面してシャッタ４にて開閉される筒体１
ａが立設してあり、この筒体１ａ上には着脱可能にプル
チャンバ５が立設せしめられている。

坩堝２は、石英製の内坩堝２ａの外周にグラファイト製
の外坩堝２ｂを配した二重構造に構成されており、その
底部中央にはチャンバ１の底壁を貫通させた軸２ｃの上
端が連結され、該軸２Ｃにて回転させつつ昇降せしめら
れるようになっている。

プルチャンバ５の上方には回転、昇降機構（図示せず）
に連繋された引上げ軸６の上端が導入され、その下端に
はチャックに掴持させた種結晶７が吊設され、この種結
晶７を坩堝２内の溶融液になじませた後、回転させつつ
上昇させることによって、種結晶７の下端にシリコンの
単結晶８を成長せしめるようになっている。

固体原料の供給器１ｌは、秤量器１１ａ上にホッパ１ｌ
ｂを、また秤量器１１ａの下には原料投入管１１ｃの上
端を連結して構成されており、原料投入管１１ｃの下端
は坩堝内の周縁部寄りの上方に臨ませてあり、ホッパｌ
ｌｂから落下した原料は秤量器１１ａを経て原料投入管
１１ｃの上端に投入され、ここから坩堝２内に供給され
るようになっている。

なお、図面に示していないが不純物についての供給器も
同様にして設けられている。

而してこのような本発明についての主要過程を第２図（
イ）〜（ホ）に示す一次元モデルに基づいて説明する。

第２図は不純物の無偏析条件を実現するための結晶成長
シーケンスを示す説明図である。

■　先ず供給器１１を通じて坩堝２内に結晶用の固体原
料、例えば高純度の多結晶シリコン（Ｃ，＝Ｏとする）
を装入する（第２図（イ））。

■　次にチャンバｌ内の雰囲気ガスを不活性ガス等と置
換した後、ヒータ３の電力を溶解条件に設定し、チャー
ジされた固体原料の溶解を行いつつ溶融液中には図示し
ない不純物供給器から不純物濃度がＣ。ε　（＄＜１）
となるよう不純物を添加する（第２図（口））。

チャージした固体原料は予め定めた初期融液率ｆ，。が
得られる迄溶融し、初期融液率ｆ，。、不純物濃度Ｃ０
の溶融液層Ｌと、その下部固体層Ｓとが共存する状態に
設定する。

■　初期溶解が終了すると、ヒータ電力を結晶引上げに
適した電力に迄低下する。これによって溶融液の下部は
凝固し、初期固体率はｆＰｏとなる（第２図（ハ））。

この凝固によって形成された固体層中には不純物が取り
込まれており、不純物濃度ＣＰはＰｆａｎｎの式に従っ
て下記αク式で与えられる。

ＣＰ　−ｋｅＣｏ　　ｓ　　（１　　ｆｐ　）　”−’
　　　・・・Ｃｌ３）また溶融液中の不純物濃度ＣＬは
下記ａａ式で与えられる． ＣＬ　−Ｃｏ　＆　（１−ｆｐｏ）　”−’　　”４４
）但し　ＣＬ　≦Ｃｏ 次にこの状態で新たに不純物を添加し、溶融液中の不純
物濃度Ｃｔが００に一致するよう調整する。

■　結晶の引上げを開始し、これに伴う溶融液層厚さの
減少は固体層Ｓの溶融によって補充する。

結晶引上げにおける無偏析条件はｄＣＬ／ｄｆ．＝０，
Ｃｔ−Ｃｏであるから（４）式においてＣ３−０，ＣＰ
としてαロ式の値を代入すると、下記（自）式が求まる
。

・・・αタ ａＳ式に従って融液率ｆＬを変化させ、同時に固体率ｆ
ｐ　”Ｏ，ｆｔ−εとなるようヒータ長、伝熱条件を設
定すればよい。

結晶の引上げが終了すると、第２図（二）に示す如《に
なり、ｆｐ＝０，ｆＬ一ε、溶融液中の不純物濃度はＣ
０である。

ちなみにε＝０．２４６，　　ｋｅ＝０．３５としたと
きの融液率ｆＬと固体率ｆ，との関係を示すと第３図に
示すとおりである。

第３図は横軸にｆ，を、また縦軸にｒ，をとって示して
ある。グラフ中実線はｄ　ｆ　＋−　／　ｄ　ｆ　ｓ＝
−０．２７、また破線はｄ　ｆＬ／　ｄ　ｆｓ　＝−ｋ
ｅの場合を示している。

■　単結晶の引上げは固体層がな《なるまで行ってもよ
いが、通常は固体層Ｓは凝固過程を安定に進めるために
所定の厚さだけ残すのが望ましい。引上げた単結晶は８
はシャソタ４内を通してプルチャンバ５内に引き込んだ
後、シャフタ４を閉じる．再び供給器１ｌから固体原料
を坩堝２内に投入する。ヒータ３の制御によって固体原
料を溶融し、第２図（口）と同様の状態とする． なおこの際投入不純物濃度を変えれば異なる不純物濃度
の単結晶、換言すれば異なる抵抗値の単結晶を引上げる
ことが可能となる。

以下前述の過程を反復する。プルチャンバ５内に引き入
れた単結晶８は直ちに或いは、適宜のスケジュールでプ
ルチャンバ５を取り外すことにより外部に取り出す。

〔数値例〕

坩堝として内径：　１５０ｍｍ　、深さ２００ｍｍの石
英坩堝を、また原料として多結晶シリコンを用い、不純
物としてシリコンに対する偏析係数ｋｅ＝０．３５のリ
ンを用い、直径５０ｍｍのシリコン単結晶の無偏析引上
げを３回行い、いずれも同一の抵抗値を有する結晶を成
長せしめた。

なお坩堝の回転数０．５ｒｐ− 引上軸の回転数１５ｒｐｍ　（坩堝と反対）得られた単
結晶におけるｆｓ＝ｏ，１〜０．７の７箇所について抵
抗値を測定した。第４図はその結果を示すグラフである
。

第４図は横軸にｆ，を、また縦軸に抵抗率ρ／ρ。〔一
〕をとって示してある．グラフ中●印でプロットしたの
は第１回目の、また◎印でプロットしたのは２回目の、
Ｏ印でプロットしたのは３回目の各単結晶についての結
果を示している。

このグラフから明らかなようにいずれの単結晶について
も略無偏析な状態で結晶を引上げ得ていることが解る． なお、原料の歩留りは従来法では６３％であったが、本
発明方法では８３％に向上することが出来た。

その他の結果は次の通りである。

結晶化率：　０．７５４ 残溶融液量：　０．２４６ 初期固体層率二０．２ 更に単結晶の引上げ終了後、坩堝内で残留する溶融液を
室温に迄下降させるとシリコン溶融液は凝固し、このと
きの体積膨張によって坩堝が破損されることとなるが、
従来方法では１本の単結晶の引上げの都度坩堝を必要と
するのに対し、本発明方法では複数本の単結晶の製造が
可能で使用坩場数も大幅に低減し得ることとなり、坩堝
の原単位の減少が可能である事も確認した。

〔効果〕

以上の如く本発明方法にあっては複数本の単結晶を連続
的に引上げることが可能となり、作業効率がよく、また
設備コスト、熱源の有効利用が図れ、製造歩留りが大幅
に向上するなど本発明は優れた効果を奏するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置の模式的縦断面図
、第２図は坩堝内のチャージ材料の相変化を示す説明図
、第３図はｆ，，ｆ．，との関係を示すグラフ、第４図
は本発明についての数値例の試験結果を示すグラフ、第
５，６図はチョクラルスキー法，溶融層法の説明図、第
７図は溶融層法でのチャージ材料の相変化を示す説明図
、第８図は坩堝の温度制御の内容を示す説明図である。 １・・・チャンバ　２・・・坩堝　３・・・ヒータ４・
・・シャッタ　５・・・プルチャンバ　６・・・引上軸
７・・・種結晶　８・・・単結晶　１１・・・固体原料
供給器第　２　図 名　１　口 第　３　図 笛 図 ｈ液キｆｓ 番 斗 図 第 図 第

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チャンバ内に配した坩堝内に、溶融液層と該溶融液
   層下に位置するこれと略同質の固体層とを共存させた状
   態で溶融層厚さを制御しつつ前記溶融液層より結晶を引
   上げる結晶成長方法において、 結晶の引上げ終了後に結晶の引上げに伴っ て溶融液、固体層の減少した坩堝内に固体原料を投入す
   る過程と、この固体原料を溶融させて溶融液、固体層厚
   さを調節すべく熱制御する過程と、これらの過程と同時
   又はその前後で引上げた結晶をチャンバ外へ取り出す過
   程とを含むことを特徴とする結晶成長方法。 ２、雰囲気ガスの成分組成の調節を可能としたチャンバ
   と、該チャンバ内に配設され、内部に溶融液層と該溶融
   液層下に位置させたこれと略同質の固体層とを共存させ
   る坩堝と、該坩堝内の溶融液層から結晶を引上げる手段
   と、チャンバの外部に配設され、チャンバを通して前記
   坩堝内に固体原料、不純物を夫々供給する手段と、引上
   げた結晶をチャンバ内雰囲気ガスの成分組成を変えるこ
   となくチャンバ外に取り出す手段とを具備することを特
   徴とする結晶成長装置。