JPH03115188A - 単結晶製造方法 - 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〕 本発明はチョクラルスキー法（ＣＺ法）により単結晶を
製造する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶の製
造は、例えばチャンバ内に配した坩堝内に結晶用原料を
投入し、これをヒータにて加熱溶融せしめた後、この溶
融液中に種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に引き
上げて種結晶下端に単結晶を成長せしめることによって
行われている。

ところで、シリコン単結晶基板を用いて半導体集積回路
を製造する場合、製造過程で極微量の重金属の汚れを浄
化する、所謂ＩＧ　（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　Ｇｅｔｔｅ
ｒｉｎｇ）効果を得るために適量の酸素が必要であり、
また基板に所定の導電性を付与するためにシリコン単結
晶基板には適度のアンチモン（Ｓｂ）　、ボロン（Ｂ）
、リン（Ｐ）等の不純物（ドーパント）含有量が要求さ
れる。

従ってシリコン単結晶を製造する過程ではその結晶成長
方向及び単結晶の径方向に適正な濃度で均一に酸素、不
純物を含有させる必要があり、このためには坩堝内にお
ける結晶原料の熔融液中、特に単結晶成長領域中の酸素
、不純物濃度を一定に維持することが必要とされる。

ところで、坩堝内における酸素の殆どは結晶原料である
多結晶シリコンを石英坩堝内で溶融する過程で石英坩堝
表面からシリコン溶融液中へ供給され、坩堝の回転によ
る溶融液の強制対流、坩堝内の溶融液の内部温度差によ
る熱対流により溶融液中に撹拌され、溶融液表面から蒸
発される外、一部は単結晶の成長界面に運ばれて単結晶
中に取り込まれることとなる。

上述の如く単結晶中に取り込まれる酸素の濃度を制御す
る方法として坩堝の回転速度と単結晶中の酸素濃度との
関係に着目し、坩堝の回転数を原料溶融液量に関連させ
て変化させ、石英坩堝と溶融液との相対速度を変えて、
溶融液に対する強制対流により石英坩堝表面の酸素の拡
散境界層の厚みを調節して溶融液中の酸素濃度、換言す
れば単結晶中の酸素濃度を制御する方法（特開昭５７−
２７９９６号、特開昭５７−１３５７９６号）、あるい
は坩堝の周囲に複数個のヒータを配設し、このヒータに
対する電力の供給比率を調節し、坩堝内に結晶原料の一
部を固体の状態で存在させつつ単結晶を成長させ、石英
と溶融液との接触面積、溶融液温度を変化させる方法が
提案されている（特開昭６２−１５３１９１号）〔発明
が解決しようとする課題〕 ところで近年、半導体集積回路の集積度が増すにつれ、
微細な基板加工を行い得るシリコン単結晶用基板を製造
するべく、シリコン単結晶基板に添加する不純物として
Ｓｂ　（アンチモン）が用いられることが多い。しかし
ながらｓｂを添加した単結晶は、何ら不純物を添加しな
い単結晶、若しくは他の不純物、例えばＢ、Ｐを添加し
た単結晶に比べ、単結晶中の酸素濃度が低くなり、上述
した酸素濃度の制御方法では単結晶中の酸素をｒｃ効果
を得るに十分な高濃度（１５Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３以上）にすることが難しいという問題があった。

これは、ｓｂ添加によって生ずるアンチモン酸化物の蒸
気圧が高いため、融液表面より蒸発され易いという性質
に基づくものであるが、この理由については概路次のよ
うに考えられる。

ＣＺ法では、坩堝を取り巻く黒鉛のヒーターによってシ
リコン溶融液は加熱され、溶融液内は坩堝回転による強
制対流と温度差による熱対流が組み合わさって第９図に
おいて矢符で示すような流れを生じている。即ち坩堝内
の対流は坩堝の側周壁側から高酸素濃度の溶融液を溶融
液表面方向へ供給するように流れる。

ここでシリコン溶融液中に不純物としてｓｂを添加した
場合、添加されたｓｂの一部は石英坩堝表面から供給さ
れる酸素と反応し、５ｂ２０ｉ等の酸化物となる。５ｂ
ｚ０３はｓｂと同様の蒸気圧を持ち、石英坩堝表面より
供給される酸素、即ちＳｉｎ、に比べ、高い蒸気圧とな
るため、シリコン溶融液の表面からの蒸発量がｓｂを添
加しない場合より大きくなる。

従ってｓｂを添加した場合、シリコン溶融液は、前記流
れに乗って単結晶成長域に供給される過程で、溶融液表
面から５ｂｚＯｉを蒸発し、溶融液表面で単結晶中の酸
素濃度が低下する。

従来の石英坩堝の回転速度を変更する方法、石英と溶融
液との接触面積、溶融液温度を変化させる方法では、根
本的に対流条件に差が無（、Ｓｂ、０３の蒸発したあと
のシリコン溶融液が単結晶成長域に供給されるのでｓ　
ｂ　２４度が増すにつれ単結晶の酸素濃度が低減するこ
ととなる。

一方、坩堝とシリコン溶融液の接触部分では酸素濃度が
高いことが知られている。従って、坩堝底部の高酸素濃
度の溶融液を蒸発の激しい溶融液表面を通らずに坩堝上
方の単結晶成長域へ供給すべくシリコン溶融液中の対流
を制御すれば、単結晶中の酸素濃度を上昇せしめること
ができる。

本発明は斯かる知見に基づきなされたものであって、そ
の目的とするところは、シリコン溶融液中の対流を制御
することにより、単結晶成長域に供給される坩堝底部の
高酸素濃度の溶融液の量を変化させて単結晶中の酸素濃
度を上昇または低減せしめ、例えばｓｂを不純物として
添加した場合でも単結晶中の酸素をＩＧ効果を得るに十
分な高濃度にすることができる単結晶製造方法を提供す
るにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る単結晶製造方法にあっては、坩堝内の不純
物を含有する溶融液中に円筒状の仕切りを浸漬し、前記
仕切りの内側の前記溶融液を前記坩堝から引き上げて単
結晶を製造する方法において、前記仕切りを、その下端
と前記坩堝の内側底壁との間に適宜間隔を設けるように
して浸漬し、該間隔の大きさを変化させることにより前
記単結晶中の酸素濃度を制御することを特徴とする。

〔作用〕

本発明に係る単結晶製造方法において、円筒状の仕切り
を溶融液中に浸漬し、仕切りの下端と坩堝の内側底壁と
の間に間隔を設けることにより、仕切りの内側の対流は
熱対流による上昇流が強くなり、Ｓｂ！０３の蒸発を伴
わない溶融液が単結晶成長領域に優先的に供給されるこ
ととなる。

更に仕切りの外側の溶融液は仕切りの内側の溶融液と混
合されにくくなり、外部の黒鉛ヒーターからの加熱によ
り仕切りの内側の溶融液に比し、液温が上昇し、その結
果、坩堝若しくは仕切りからの酸素溶解量が上昇して高
酸素濃度の溶融液となる。斯かる高酸素濃度の溶融液は
単結晶の引上げに伴って、逐次仕切りの内側に供給され
る。

以上の如（、前記円筒状の仕切りを設けることにより、
仕切り内側の熱対流による上昇流の強化並びに高酸素濃
度の溶融液の供給の相乗作用により、単結晶中の酸素濃
度の上昇を図ることができる。

〔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は所要の真空度に設定されたチャンバを示
す。該チャンバ１の内部中央には坩堝２が配設されてい
る。この坩堝２の外側の位置には黒鉛ヒータ３が、その
更に外側のチャンバ１との間の位置には保温材４が夫々
同心円状に配設されている。

坩堝２は石英製の内坩堝２ａの外周に黒鉛製の外坩堝２
ｂを配した二重構造に構成されている。坩堝２の底部中
央にはチャンバ１の底部を貫通させた支持軸２ｃの上端
が連結され、該支持軸２Ｃにて坩堝２は回転させつつ昇
降せしめられるようになっている。前記坩堝２の上方に
は不純物を貯留する図示しない貯留箱が設けられており
、その底蓋を図示しない開閉手段にて開けると内坩堝２
ｂにｓｂ不純物が添加されるようになっている。

また坩堝２内には、多結晶シリコンを側面から黒鉛ヒー
タ３にて加熱溶融せしめられたシリコン溶融液５が充填
されている。

チャンバ１の上部壁中央にはチャンバ１内への雰囲気、
ガスの供給筒を兼ねる単結晶の保護筒１ａが立設され、
保護筒１ａの上方には回転、昇Ｉ！ｓ機構（図示せず）
に連繋された引上げ軸６の上端が連結され、引上げ軸６
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５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。

該単結晶８の外側のシリコン溶融液５中には、石英また
はセラミックス等の耐熱性部材で形成され、以下に示す
如き外径、厚みを有する円筒状の仕切りたる酸素濃度制
御リング１０が、その下端と前記石英製の内坩堝２ａの
内側底壁との間に適宜間隔をあけ、その上端を溶融液５
表面上に突出させた態様で浸漬されており、溶融液５を
制御リング１０の外側の溶融液５ａと制御リング１０内
側の溶融液５ｂに区画している。

前記制御リング１０の外径は石英製の坩堝２ａの６０〜
９０％がよく、望ましくは約７５％とするのがよい。

これは制御リング１０の外径が内坩堝２ａに対して小さ
過ぎた場合、制御リングｌＯの内側の溶融液５ｂ、即ち
単結晶８の成長域の溶融液の温度が変動する虞があり、
単結晶８の無転位引上げに不都合となるためであり、外
径が大き過ぎた場合、単結晶８の成長域の溶融液５ｂの
表面から蒸発する酸素■が増加し、単結晶成長域の溶融
液の酸素濃度をＩＧ効果に必要なレベルまで挙げること
が困難なためである。また、制御リング１０の厚みは５
〜２０鶴がよく、望ましくは７〜８ｍ−がよい。これは
制御リング１０の厚みが小さ過ぎた場合は溶融液５によ
り制御リング１０が変形し、単結晶成長域の溶融液５ｂ
の温度分布が同心円上で不均一になるためであり、厚み
が大き過ぎた場合は単結晶成長域の溶融液５ｂの温度が
変動する盾があり、単結晶８の無転位引上げに不都合と
なるためである。

また、制御リング１０の形状は、第２図または第３図に
示す如く上端の一部は円筒状に形成され、それに続く部
分は、下端へ向けて拡径に、または下端へ向けて縮径に
形成されたものでもよい。

この場合に、円筒状の制御リングは単数のみに限定する
ものではなく、更に複数の制御リングを同心円上に配設
し、単結晶中の酸素濃度の制御を図ることができる。

制御リング１０を、前記坩堝２の内側底壁と適宜間隔を
あけて保持する方法としては第４図及び第５図のような
ものが考えられる。第４図及び第５図は第１図と同様の
結晶成長装置の模式的一部縦断面図である。図において
２は坩堝であり、その内部に充填された溶融液５には、
夫々以下の方法でその上部を保持した制御リングｌＯが
浸漬されている。第４図の保持方法は、断面視り字棒状
の黒鉛製の治具ＩＱｂ、　１０ｂを用い、これの長辺を
溶融液５の表面と対向させ、短辺を溶融液５方向へ向け
た態様で坩堝２の縁に取り付け、前記短辺端部にて制御
リングｌＯの状態を吊り下げたものである。

第５図の保持方法は、制御リング１０の下端に図の如き
複数の脚部を設け、該脚部にて坩堝２の内側底壁上に適
宜間隔をあけて制御リングＩＯを立脚させたものである
。

而してこのような本発明方法にあっては、先ず坩堝２内
に結晶用原料を挿入し、これを黒鉛ヒータ３を用いて溶
融した後、溶融液５に種結晶７を浸漬し、種結晶７を回
転させつつ上昇させ、単結晶８の成長を開始する。

この際、制御リング１０と坩堝２底部との間隔が小さい
ときは、外側溶融液５ａと内側溶融液５ｂの混合度が低
いために、単結晶８の成長につれて、黒鉛ヒーターに近
い外側溶融液５ａは内側溶融液５ｂに比べて温度が高く
なり、石英坩堝２ａ及び制御リングｌＯの溶解量が増加
して高酸素濃度の溶融液となる。内側溶融液５ｂから単
結晶８を引き上げるに応じて、高温で高酸素濃度の溶融
液である外側溶融液５ａが、温度の低い内側溶融液５ｂ
に流入し、坩堝下部では黒鉛坩堝２ｂを通じてのヒータ
ーからの加熱との相乗作用により、内側溶融液５ｂ内の
温度分布は、下部では高温、上部では低温となり、熱対
流による上昇流が強（なって、第６図に示すような対流
が形成される。第６図は坩堝２内のシリコン溶融液の対
流の説明図である。この対流は、坩堝２底部の高酸素濃
度の溶融液を溶融液表面上で酸素蒸発させることなく単
結晶８成長域に供給する役割を果たし、単結晶８中の酸
素濃度を上昇させることとなる。

従ってｓｂを不純物として添加した場合でも、単結晶８
中の酸素を■Ｇ効果を得るに十分な酸素濃度まで上昇さ
せることができる。

また、制御リングｌＯと坩堝２底部との間隔が大きくな
ると、制御リング１０の内外の溶融液５ａ、５ｂの混合
度が増し、制御リング１０内の熱対流による上昇流は弱
められるとともに、制御リング１０の外側より供給され
る溶融液の酸素濃度も低減することとなり結果として単
結晶８中の酸素濃度が低下する。

特にｓｂを添加した場合は５ｂｚｏｚとしての酸素蒸発
が多くなり、より単結晶８中の酸素濃度が低減する。

〔数値例〕

第１図に示した如き設備（坩堝２の直径１６インチ）を
用い、単結晶８中の酸素濃度目標値を１６×１０”ａｔ
ｏｍｓ／ｃｊとして以下の如く不純物として、ｓｂを添
加したシリコン単結晶８を製造した。

チャンバ１内の圧力を１０Ｔｏｒｒに設定し、坩堝２の
回転速度を１Ｏｒ、ｐ、ｍ　、種結晶７の回転数を２Ｏ
ｒ、ｐ、ｍで互いに逆向きに回転させつつ、直径６イン
チのシリコン単結晶８を１．０１１／分で引き上げた。

また、溶融液５中には直径３００■ｌ、厚み８鶴の円筒
状の石英製制御リング１０を、坩堝２の内側底壁と５龍
、１５龍の間隔をあけて夫々浸漬した。この結果、シリ
コン単結晶８内の縦方向の抵抗率分布はｓｂ不純物の蒸
発と偏析のバランスにより夫々０．０１５±０．００１
Ω・口に収まった。

第６図は抵抗率を一定（０，０１５Ω・口）にした場合
の単結晶８の引上率（単結晶８の全長に対する種結晶７
側端部からの距離の比率）と単結晶８中の酸素濃度の関
係とを示すグラフである。縦軸には酸素濃度を、また横
軸には単結晶８の引上率をとってあり、グラフ中Δ印で
プロットしであるのは制御リング１０と坩堝２の内側底
壁との間隔で５酊としたときの、またＯ印でプロットし
であるのは、前記間隔を１５１１としたときの、更に口
部でプロットしであるのは、制御リング１０を使用しな
かった場合の各結果を示している。このグラフから明ら
かなように、制御リングｌＯを使用した場合は、前記酸
素濃度目標値（１６ＸＩＯＩ７ａｔｏｍｓ／ｃｎ）を上
回る高酸素濃度の単結晶８が得られた。

また、単結晶中の抵抗率と酸素濃度の関係を示したのが
第７図である。縦軸には酸素濃度が、また横軸には抵抗
率〔９ｃｍ）がとっである。口部でプロットしであるの
は、制御リングを用いない場合（従来方法）の、○印で
プロットしであるのは制御リングを使用して前記間隔を
１５鶴とした場合（本発明方法）の結果を示している。

測定位置は初期のシリコン溶融液が４５ｋｇで、前記引
上率が３３％の位置である。

これらの結果、前記間隔を１５鰭とした場合、単結晶８
の軸方向へ均一に酸素濃度目標値が得られ、！Ｇ効果を
得ることができた。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明方法にあっては、前記円筒状の仕切り
たる制御リング１０を溶融液中に浸漬して溶融液中の対
流を制御し、単結晶成長域へ供給される溶融液の酸素濃
度を変化させることにより、単結晶中の酸素濃度を上昇
または低減せしめることができる。

斯かる効果は、何ら不純物を添加しない単結晶の引上げ
においても、又不純物を添加した単結晶の引上げにおい
ても同様である。

特に、不純物としてｓｂを添加して単結晶を引上げる時
、アンチモン酸化物の蒸気圧に起因して単結晶中の所定
酸素濃度の確保が難しい場合でも、単結晶成長域に高酸
素濃度の溶融液を供給することにより、ＩＧ効果を得る
に十分な高酸素濃度を有する単結晶を製造することがで
きる。

これにより本発明を例えばＭｏ５−エピタキシャルによ
る結晶成長に適用した場合、ｓｂ不純物を添加してもＩ
Ｇ効果を得るに十分な高酸素濃度の単結晶が製造でき、
半導体集積回路の高集積化に対応可能となる等、優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施状態を示す模式的縦断面図、
第２図及び第３図は本発明の円筒状の仕切りたる制御リ
ング１０の他の実施例を示す模式的斜視図、第４図及び
第５図は前記制御リング１０の保持方法を示す模式的縦
断面図、第６図は本発明方法における坩堝内のシリコン
溶融液の対流の説明図、第７図は本発明方法を実施した
場合の単結晶の引上率と単結晶中の酸素濃度の関係とを
示すグラフ、第８図は同じく単結晶中の抵抗率と酸素濃
度の関係を示すグラフ１、第９図は従来方法における坩
堝内のシリコン溶融液の対流の説明図である。 ２・・・坩堝　５・・・溶融液　１０・・・制御リング
１ 図 弔 図 弔 図 弔 図 弔 図 ０ ０ ０ ０ ００ 引上率［％１ 図 ２０ ０ ０ ０ ００ 抵抗率［Ω・ｃｍｌ 図 弔 図 弔 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、坩堝内の不純物を含有する溶融液中に円筒状の仕切
   りを浸漬し、前記仕切りの内側の前記溶融液を前記坩堝
   から引き上げて単結晶を製造する方法において、 前記仕切りを、その下端と前記坩堝の内側 底壁との間に適宜間隔を設けるようにして浸漬し、該間
   隔の大きさを変化させることにより前記単結晶中の酸素
   濃度を制御することを特徴とする単結晶製造方法。 ２、溶融液中に含有する不純物がアンチモン（Ｓｂ）で
   あることを特徴とする請求項１記載の単結晶製造方法。