JPH03228889A - 結晶成長方法 - 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】 置鼠よ吸剋里豆！ 本発明は結晶成長方法に関し、より詳しくは例えば半導
体材料として使用されるシリコン単結晶等の結晶を成長
させる方法に関する。

良米五及止 単結晶を成長させるには種々の方法があるが、その中に
チョクラルスキー法（ＣＺ法）等の回転引き上げ方法が
ある。第９図は従来の回転引き上げ方法に用いられる結
晶成長装置の模式的縦断面図であり、図中１１は坩堝を
示している。坩堝１１は有底円筒状の石英製の内層保持
容器１１ａとこの内層保持容器１１ａの外側に嵌合され
た同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１１ｂとか
ら構成されており、坩堝１１の外側には抵抗加熱式のヒ
ータ１２が同心円筒状に配設されている。坩堝ｌｌ内に
はこのヒータ１２により溶融させた結晶形成用材料、つ
まり原料の溶融液１３が充填されており、坩堝１１の中
心軸上には、図中矢印方向に所定速度で回転する引き上
げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸１４が配設
されている。また、坩堝１１は引き上げ軸１４と同一軸
心で逆方向に所定速度で回転する坩堝支持軸１９にて支
持されている。そして、引き上げ軸１４の先に取り付け
られた種結晶１５を溶融液１３の表面に接触させ、引き
上げ軸１４を結晶成長に合わせて回転させつつ上方へ引
き上げていくことにより、溶融液１３が凝固して形成さ
れる単結晶１６を成長させている。

ところで、半導体単結晶をこの回転引き上げ方法で成長
させる場合、単結晶１６の電気抵抗率、電気伝導型を調
整ずべ（、引き上げ前に溶融液１３中に不純物元素を添
加することが多い。このため、添加した不純物が単結晶
１６の結晶成長方向に沿って偏析するという現象が生し
、その結果、結晶成長方向に均一な電気的特性を有する
単結晶１６が得られないという問題があった。

この偏析は、単結晶１６のある点での凝固開始時の不純
物濃度と凝固終了時の不純物濃度との比、つまり凝固の
際に溶融液、単結晶界面において生じる単結晶］６中の
不純物濃度Ｃ，，と溶融液１３中の不純物濃度ＣＬとの
比Ｃ，／Ｃ，，すなわち実効偏析係数Ｋｅが１でないこ
とに起因して生じる。例えばＫｅ＜１の場合では、単結
晶１６が成長するに伴って溶融液１３中の不純物濃度が
おのずと高くなっていき、単結晶１６に偏析が生じるの
である。なお、上記実効偏析係数Ｋｅは公知である。

上記不純物の偏析を抑制しながら回転引き上げ法により
単結晶１６を成長させる方法として、溶融層法がある。

第１０図は溶融層法に用いられる従来の結晶成長装置の
模式的縦断面図であり、第９図に示したものと同様に構
成された坩堝１１内の原料の上部をヒータ１２にて溶融
させることにより、上層に溶融液層１７を、また下層に
固体層１８を形成している。そして、引き上げ軸１４の
引き上げに伴って、固体層１８をヒータ１２にて溶融さ
せることにより、坩堝１１内の溶融液１７量を一定に維
持させる（溶融層厚一定法）。この方法は、特公昭３４
−８２４２号及び特公昭６２−８８０号公報に開示され
ており、実効偏析係数Ｋｅの値に拘らず、単結晶】６の
成長に伴って新たに不純物濃度の低い固体層１８を溶解
することにより、溶融液層１７中の不純物濃度ＣＬを低
減させている。

また、単結晶１６の成長に伴って坩堝１１又はヒータ１
２を昇降させ、坩堝１１の溶融液層１７の溶融液量を変
化させることにより、偏析を抑制する方法（溶融層厚変
化法）が特開昭６ｌ−２（１５６９１号公報に開示され
ている。

ところで、上記した溶融層法における偏析軽減の原理は
、最初に坩堝１１内に充填される結晶形成用材料の重量
（初期充填Ｎ）を１とし、原料上面から計った重量比Ｘ
の位置における不純物濃度をＣＰ（ｘｉと表わすことに
より、第５図〜第８図に示すような一次元モデルにて説
明できる。

この際、初期充填量１、に対する結晶引き上げ率をｆ８
、溶融液の重量比をｆＬ、下部固体率をｆｐ　、ｆｏ　
＝ｆ−＋ｆＬとおくと次式（１）のごとく定義される。

ｆｏ十ｆｐ−ｆ９＋ｆＬ＋ｆ、＝１・・・（１）なお、
Ｃ７法等の回転引き上げ方法では原料として高純度多結
晶が用いられることが多いが、まず、より一般的に原料
中の不純物濃度Ｃ２≠０の場合を説明する。また図にお
いて左方を坩堝１１上面側とする。

第５図は原料を坩堝１１内に充填した直後の状態を示し
、ｆ、＝１である。第６図は第５図の原料が原料上面か
らｆｔだけ溶融され、それに不純物を添加した初期溶解
終了時の状態を示している。ここてＣ０は初期溶融液中
の不純物濃度てあり、ｆｏ＝ｆしてある。第７図は結晶
引き上げ中の変化を示している。原料上面からｆ５たけ
結晶を引き上げると、原料は溶融しｆｔ、になる。ここ
でＣＬは溶融液中の不純物濃度であり、ＣＰは下部固体
層の不純物濃度である。そして、ｆ８からさらに△ｆ６
だけ結晶を引き上げる間に、Ｃａ・△ｆ８だけ不純物を
添加した場合、ｆｔ、ばｆＬ十△ｆＬに、ＣＬ（まＣＬ
十△ＣＬに、ｆ、（まｆｐ＋△ｆ、に変化する。Ｃｌ１
ｌは結晶中の不純物濃度である。この際、変化前のＣ，
、ＣＰ及び変化後のＣｇ、ＯＬ＋△ＣＬ、すなわち図中
Ａで示す領域の不純物量は一定である。これにより次式
（２）が成立する。

ＣＬ’　ｆ　Ｌ　＋　Ｃ−’△ｆ、＋Ｃｐ−△ｆ。

＝Ｃ，Δｆ、−Ｎ　ＣＬ＋ΔＣＬ）・（ｆＬ＋Δｆ１．
）・・・（２） ここで、 Ｃ３＝Ｋｅ　・ＣＬ　　　　　　　　　−（３）但し、
Ｋｅ、実効偏析係数 であるので、これを　（２）式に適用し、（２）式中の
２次の微小項を省略すると、 次の （４）式が得られ る。

（４）式より、例えば理想的な場合としてＣｐ”０とし
、結晶中の不純物濃度Ｃｓを以下のごとく算出すると、
その偏析が求めるられる。すなわち、通常のＣＺ法の場
合はｆｐ＝０、△ｆＬ＋△ｆ、＝０、Ｃ，＝Ｏより ・・・（５） これを（３）式に代入すると、 Ｃｓ　”Ｋｅ−Ｃｏ’　（１−ｆｓ　）　”−’　　−
（６）となる。

同様にして溶融層法の場合はｄＣＬ／ｄｆ。

、ＣＰ＝０とすると、（４）式により、二〇 となり、これが無偏析引き上げを実現するための条件で
ある。これを溶融層厚一定法に適用した場合はｄｆＬ／
ｄｆ、＝ｏであることから、Ｃａ　”Ｋｅ−ＣＬ＝Ｋｅ
−Ｃｏ　　　　　−（８）が得られ、この不純物料Ｃ８
を連続的に添加することにより、無偏析条件が実現され
る。また、溶融層圧変化法に適用した場合は、不純物の
連続添加を行なわないので０８＝０であり、（７）式よ
りが満足されるように結晶引き上げに伴って溶融層厚を
変化させることにより、無偏析条件が実現される。

第８図は引き上げ終了時の分布を示すものである。溶融
層厚一定法では、溶融液層１７下の固体層１８が全部溶
融してｆｐ＝０となった後は、無偏析条件が成立せず、
（６）式に従って偏析が生じる。一方、溶融層厚変化法
では初期溶融率を’ｆｔ、。

とすると、（９）式より ｆＬ＝ｆＬｏ　　Ｋｅ−ｆｇ　　　　　　　　・・−（
ｔｏｌとなる。Ｋｅ＜１なのでｆ　ＬＯ：　Ｋ　ｅとす
ることにより引き上げ終了時まで無偏析条件を保つこと
ができ、偏析が軽減される。

これら溶融層法においては、溶融液層の厚みの制御はヒ
ータ１２の発熱長、坩堝１１の深さ及びヒータ１１の外
側に周設され、坩堝下部の熱移動を促進する保温筒（図
示せず）の形状及び材質を予め適切に選択することによ
り行なわれる６日が　゛しようと　るＧ 一般に、結晶の引き上げ開始初期（ネックプロセス）に
おいて、引き上げ速度が３ｍｍ／ｍｉｎ以上、結晶の直
径が３ｍｍ以内、引き上げ長さが３０ｍｍ以上の３つの
条件が満たされると結晶欠陥が除かれ、その後単結晶と
して引き上げることが可能となる。しかしながら、引き
上げ時における溶融液の液温変動が１０℃を超えると、
初期の結晶の直径を３ｍｍ以内に抑えることは極めて難
しくなり、直径の変動が大きくなって結晶が多結晶化し
たり、溶融液層の表面から離れたりする現象が生じる。

また、結晶の直径が急成長し、あるいは弓き上げ中に成
長した部分が再び溶解して、結晶の直径の制御が困難と
なるため単結晶化し難くなる。従って、結晶の引き上げ
に際しては液温変動は１０℃以内、しかもできる限り小
さい方が望ましい。

ところで従来の溶融層法においては、上記したように坩
堝１１に充填した原料の上部をヒータ１２で溶融させる
ことにより、上層に溶融液層１７を、また下層に固体層
１８を形成している。

このため、固体層１８が形成される坩堝下部からの熱の
移動を大きくする必要があり、しかも９０ｍｍ程度の発
熱長の短いヒータ１２を用い、ＣＺ法と比較して坩堝１
１を局所的に大きな電力で加熱しているため、溶融液層
１７中の温度勾配が、坩堝１１の回転数が通常の１〜２
０ｒｐｍの場合１０〜２０℃と大きくなり易い。従って
溶融液層１７の液温変動が大きくなり、結晶の引き上げ
に要する時間が長くなるばかりでなく、単結晶化が阻害
されるという課題があった。

また、結晶引き上げ時の坩堝１１の回転による機械的振
動、及び熱により坩堝１１が変形されることに伴う溶融
液面の振動も、成長界面を超えて溶融液が結晶に４−１
＠したり、結晶の成長を不安定にし、単結晶化を阻害す
る原因となっていた。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、溶
融液層の液面の振動及び液温変動を小さ（でき、単結晶
の引き上げ率の向上が図れると共に、引き上げ工程に要
する時間が短縮できる結晶成長方法を提供することを目
的としている。

課題を解決する為の手段 上記した目的を達成するために本発明に係る結晶成長方
法は、坩堝内の溶融液状態の結晶形成用材料を上方に引
き上げていくことにより結晶を成長させる結晶成長装置
において、前記引き上げ時におＧづる前記坩堝の回転数
を０ｒｐｍとして結晶を成長させることを特徴としてい
る。

作用 上記した本発明方法によれば、結晶引き上げ中の前記坩
堝の回転数を０ｒｐｍにすると、溶融液の振動が抑制さ
れ、また液温の変動が小さくなる。

］ 従って、結晶が安定して成長し、引き上げ工程に要する
時間が短縮されると共に、単結晶の引き十げ率が高くな
る。

夾狙胴 以下、本発明に係る結晶成長方法の一実施例を図面に基
づいて説明する。なお、従来例と同一機能のものについ
ては同一の符合をイ」ずこととする。

第１図は本発明方法を実施するための装置を示す模式的
縦断面図であり、図中２１はチャンバを示している。チ
ャンバ２１は軸長方向を垂直とした略円筒状の真空容器
であり、チャンバ２１の略中央位置には、坩堝１１が配
設されている。坩堝１１は、有底円筒形状の石英製の内
層保持容器１、１　ａと、この内層保持容器１１ａの外
側に嵌合された同じく有底円筒形状の黒鉛製の外層保持
容器１１ｂとから構成されており、本実施例では直径が
１６インチ、高さが１４インヂの坩堝１１を用いている
。この坩堝１１の外層保持容器１１＋）の底部には、坩
堝１１を回転、並びに昇降させる坩堝支持軸１９が設け
られており、坩堝１１の外周には、抵抗加熱式ヒータ等
で構成され、かつ短い発熱長、例えば９０ｍｍ程度の発
熱長を有するヒタ］２が昇降可能に配設されている。そ
して、このヒータ］２と坩堝１１との相対的な」二下方
向への位置調節によって、坩堝１１内の溶融液層１７、
固体層１８のそれぞれの厚さを調節し得るようになって
いる。またヒータ１２の外側には、保温筒２２が周設さ
れている。

一方、坩堝］１の上方には、チャンバ２１の」二部に遠
投形成された小形の略円筒形状のプルチャンバ２３を通
して、目盛りが表示された引き」二げ軸１４が回転、並
びに昇降可能に吊設されており、引き」二げ軸１４の下
端には、種結晶１５が装着されている。そして、種結晶
１５の下端を溶融液層１７中に浸漬した後、これを回転
させつつ上昇させることにより、種結晶１５の下端から
単結晶］６を成長させていくようになっている。

上記したように構成された装置を操作する場合は、まず
坩堝］］内に固体原石として塊状、又は顆粒状の多結晶
シリコンを、引き上げる単結晶１６の体積から逆算して
求められた必要量だけ充填する。例えば塊状のものを４
０ｋｇ、顆粒状のものを２０ｋｇ、合計６０ｋｇ充填す
る。次いて、チャンバ２１内にＡｒを４０ρ／ｍｉｎの
流量で吹き込み、チャンバ２１内を１０ＴｏｒｒのＡｒ
雰囲気とし、固体原料の上側部分からヒータ１２て１３
０ｋｗの電力て溶融さぜる。坩堝１１を上昇させて溶融
液層１７の厚みが所定の値になるまで溶融させた後、不
純物としてリンを投入し、リンを拡散させる。なお、こ
のとき坩堝１１は、固体層１８を速やかに安定さぜるた
め、１０ｒｐｍの速度で回転させている。

溶融後、輻射温度計（図示せず）により溶融液面の温度
の変動を調べながら、坩堝１１の回転数を１０分間に１
　ｒｐｍ以下の割合で落し、最終的に０ｒｐｍにする。

ここで、溶融後の坩堝１１の回転数を１０分間に１　ｒ
ｐｍ以下の速度で落す理由は、回転数を急激に変化させ
ると溶融液の温度が大きく変化し、あるいは温度分布の
バラツキが大きくなり、固液界面で溶融液が凝固して坩
堝１１を破壊する虞れがあるためである。そして、輻射
温度計による液温の変動が±１°Ｃ以内となり、安定し
たのを確認してから種結晶１５の下端を溶融液層１７上
に設置し、そのままの状態で５分間保持して種結晶１５
を溶融液の温度になじませる。その後、種結晶１５の下
端を溶融液層１７に浸漬し、坩堝１１の回転数を０ｒｐ
ｍとしたまま、引き上げ軸１４を回転させつつ単結晶１
６を引き上げる。

このことにより、溶融液層１７の液面振動が少なく、し
かも液温変動が小さい状態で単結晶１６を成長させこと
ができる。

第２図及び第３図はそれぞれ、坩堝を０ｒｐｍ、１０ｒ
ｐｍの速度で回転させたときの溶融液の温度変動を調べ
た結果を示すグラフであり、溶融液層の厚みを１９０ｍ
ｍ、固体層の厚みを５０ｍｍ、ヒータの出力を９０ｋｗ
とした場合について示しである。

第２図及び第３図から明らかなごとく、坩堝の回転数が
１０ｒｐｍのときの液温のバラツキは１９°Ｃであった
のに対し、回転数が０ｒｐｍのときの液温のバラツキは
２°Ｃ以下に抑えられている。従って、結晶の引き上げ
に際し坩堝の回転数を０ｒｐｍにすることは、液温の変
動を抑制する上で有効であることがわかる。

また第４図は坩堝を０ｒｐｍ、１０ｒｐｍのそれぞれの
速度で回転させて結晶を引き上げたときの、単結晶の引
き上げ率を調べた結果を示すグラフであり、それぞれ３
０回測定したときの平均値を示している。

第４図から明らかなように、引き上げ中の坩堝の回転数
を０ｒｐｍとすることにより、回転数が１０ｒｐｍのと
きと比べて単結晶の引き上げ率は遥かに向上しているこ
とがわかる。またこのとき、引き上げに要する時間も１
０ｒｐｍのときに比べて大幅に短縮することができた。

なお、上記実施例においては・シリコン単結晶を成長さ
せる場合について述べたが、シリコン以外の半導体単結
晶の引き上げにも適用可能である。

光匪五効盟 以上の説明により明らなように、本発明に係る結晶成長
方法にあっては、坩堝内の溶融液状態の結晶形成用材料
を上方に引き上げていくことにより結晶を成長させる結
晶成長装置において、前記引き上げ時における前記坩堝
の回転数を０ｒｐｍとして結晶を成長させるので、溶融
液層の液面の振動及び液温変動を小さくてきる。従って
、単結晶の引き上げ率の向上を図ることができると共に
、引き上げ工程に要する時間を短縮することができ、単
結晶を歩留まりよく製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長方法を実施するための装
置を示す模式的縦断面図、第２図は坩堝を０ｒｐｍの速
度で回転させたときの溶融液の温度変動を調べた結果を
示すグラフ、第３図は坩堝を１０ｒｐｍの速度で回転さ
せたときの溶融液の温度変動を調べた結果を示すグラフ
、第４図は坩堝を０ｒｐｍ、１０ｒｐｍのそれぞれの速
度で回転させて結晶を引き上げたときの単結晶の引き上
げ率を調べた結果を示すグラフ、第５図〜第８図は溶融
層法の原理を示す説明図、 第９図及び第１Ｏ図は従 来の結晶成長方法に用いられる装置の模式的縦断面図で
ある。 １・・・坩堝 １６・・・単結晶 １７・・・溶融液 層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）坩堝内の溶融液状態の結晶形成用材料を上方に引
   き上げていくことにより結晶を成長させる結晶成長装置
   において、前記引き上げ時における前記坩堝の回転数を
   ０ｒｐｍとして結晶を成長させることを特徴とする結晶
   成長方法。