JPH03228893A - 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】 り鼠上立剋■圀厨 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。

炙米辺弦蓋 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１０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は有底円筒形状の石英製の内層
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形状の黒鉛製の外層保持容器１１
ｂ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ｌ
ｌ内にはこのヒータ１２により溶融させた結晶形成用材
料の溶融液１３が充填されており、坩堝１１の中心軸上
に１鼾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、この坩堝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
整すべく、引き上げ前に溶融液Ｉ３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じ
、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１６中の
不純物濃度Ｃ９と溶融液１３中の不純物濃度ＣＬとの比
Ｃ！ｌ／ＣＬ、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が成長せしめられるに伴って溶融液中の不純物濃
度がおのずと高くなっていき、単結晶１６に偏析が生し
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１１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１０図に示したものと同様に
構成された坩堝１１内の結晶形成用材料の上層部をヒー
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ｌｌ内の溶融液１
７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１６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、不純物濃度Ｃ
Ｌ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６１−２０５６９１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、つま
り原料の重量（初期充填量）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（ｘ）と
表わすことにより、第６図〜第９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ｆ、、
溶融液の重量比をｆＬ、下部固体率をｆｐ、ｆｏ＝ｆ８
＋ｆＬとおくと次式ｆｉｌ　のごとく定義される。

ｆｏ　＋ｆｐ　＝ｆ−＋　ｆＬ十ｆｐ　＝１□・ＩＩ）
なお、ＣＺ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ＣＰ≠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６図は原料を坩堝ｌｌ内に充填した直後の状態を示し
、ｆｐ＝１である。第７図は第６図の原料が原料上面か
らｆＬ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Ｃ８は初期溶融液中
の不純物濃度であり、ｆｏ＝ｆＬである。第８図は結晶
引き上げ中の変化を示している。原料上面からｆ８だけ
結晶を引き上げると、原料は溶融しｆＬ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、ｆ、からさらにΔｆ３だ
け結晶を引き上げる間に、Ｃａ・△ｆ、たけ不純物を添
加した場合、ｆＬはｆＬ＋ΔｆＬに、ＣＬはＣＬ＋△Ｃ
Ｌに、ｆ、はｆｐ＋Δｆｐに変化する。Ｃｓは結晶中の
不純物濃度である。この際、変化前のＣＬ、ＣＰ及び変
化後のＣ，、ＣＬ十ΔＣＬ、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’ｆＬ＋Ｃ−’△ｆ、＋Ｃｐ・Δｆ。

＝Ｃ，△ｆ−十（ＣＬ＋ΔＣ１，）・（１１，＋△ｆＬ
）・・・（２） ここで、 ＣＢ　＝　Ｋｅ　−ＣＬ　　　　　　　　　−＋３１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Ｃ２＝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ｆ、＝０、△ｆＬ＋Δｆ８＝０、Ｃ，＝Ｏより ・・・（５） これを（３）式に代入すると、 Ｃｓ　＝　Ｋｅ−Ｃｏ・（１ｆ　ｇ ） ・・・（６） となる。

同様にして溶融層法の場合はｄＣｔ、／ｄｆ。

、ＣＰ＝０とすると、（４）式により、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、＝０であ
ることから、Ｃｍ　＝Ｋｅ−ＣＬ＝ＫｅＣｏ　　　　　
−（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９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＝Ｏ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ｆＬ。

とすると、（９）式より ｆＬ＝ｆＬｏ−Ｋｅ−ｆ６　　　　　　　・・・（１０
）となる。Ｋｅ＜１なのでｆＬｏ＝Ｋｅ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。

明が角？しようとする課題 一般に、溶融液層中の不純物濃度が高くなると引き上げ
た単結晶の電気抵抗率は低くなり、単結晶の電気抵抗率
を一定にするためには溶融液層中の不純物濃度を一定に
保つ必要がある。

このため溶融層法では、上記した理論に従い溶融液層の
厚みを制御することによって、溶融液層中の不純物濃度
の一定化を図っている。この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、並びにヒータ１
２の外側に周設されて坩堝１１下部の熱移動を促進する
保温筒（図示せず）の形状及び材質等の種々の条件を予
め適切に選択することにより行なわれているが、実際の
ところ、得られた単結晶の成長方向の電気抵抗率は微妙
に変化しており、均一な電気抵抗率を有する単結晶が得
られないという課題があった。

また、その電気抵抗率は、引き上げ後の単結晶を分析し
て初めて知ることができるのみであり、実際の引き上げ
中の単結晶の微妙な電気抵抗率の変化を知ることができ
ず、従って引き上げ中に電気抵抗率を修正することもで
きないという課題があった。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、引
き上げ中の結晶の電気抵抗率の変化を知ることができ、
この変化を知ることにより結晶の電気抵抗率を均一に制
御することができる結晶成長方法を提供することを目的
としている。

課題を解ンする１１１、の　Ｐ 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、坩堝内に挿入した結晶形成用材料を上部から溶融
させていき、溶融液層及び固体層を形成し、前記溶融液
層部分の溶融液を上方に弓き上げていくことにより結晶
を成長させる結晶成長方法において、前記坩堝加熱用ヒ
ータの温度を測定して該ヒータの温度を制御することに
より、成長する結晶の電気抵抗率分布を制御することを
特徴としている。

■ 上記した方法によれば、前記坩堝加熱用ヒータの温度を
測定すると、ヒータの温度分布と相関関係を有する結晶
の電気抵抗率分布から、引き上げ中の結晶の電気抵抗率
がわかる。従って、測定したヒータの温度に基づいてそ
の温度を引き上げ中に制御すると、成長結晶の電気抵抗
率分布は制御され、均一な電気抵抗率を有する単結晶が
得られる。

以下にヒータの温度分布と引き上げた結晶の電気抵抗率
分布の関係について説明する。

第２図は溶融層法により結晶成長を行なったときのヒー
タ温度と引き上げ結晶の長さとの関係を示すグラフであ
り、ヒータの温度を大きく変化させた場合について示し
である。また、第３図は第２図のヒータ温度における電
気抵抗率分布ρ。と結晶化率ｆ８との関係を示すグラフ
である。

第２図及び第３図から明らかなごとく、第２図に示した
ようにヒータ温度を変化させると、結晶の電気抵抗率分
布ρ、はヒータの温度変化と同様な変化を示し、このよ
うにヒータの温度分布と電気抵抗率分布ρ、とは強い相
関関係が認められる。

この相関関係が認められる理由としては、次に述べるよ
うなことが考えられる。すなわち、ヒータの温度を上昇
させると、溶融液層の下部の固体層の溶は出し量が増加
し、溶融液中の不純物濃度が低くなり、引き上げた単結
晶の電気抵抗率は高くなる。反対にヒータの温度を下降
させると、固体層の溶は出し量が減少し、あるいは凝固
して、溶融液中の不純物濃度が高くなり、単結晶の電気
抵抗率は低くなるからであると考えられる。

以上述べたように、ヒータの温度分布と成長させた単結
晶の成長方向における電気抵抗率分布との間には明らか
な相関関係が認められることから２、結晶引き上げ中の
ヒータの温度を制御すると、成長させる単結晶の電気抵
抗率の分布が制御され、均一な電気抵抗率を有する単結
晶が得られることとなる。

夾施掴 以下、本発明に係る結晶成長方法の実施例を図面に基づ
いて説明する。なお、従来例と同一機能を有するものに
ついては同一の符合を付すこととする。

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
筒形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インチの坩堝１１
を用いている。この坩堝１１の外層保持容器１．１　ｂ
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ータ１２が昇降可能
に配設されている。そして、このヒータ１２に対する坩
堝１１の上下方向への位置調節によって坩堝ｌｌ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。

ヒータ１２の外側には、保温筒２２が周設されておりま
た、チャンバ２１及び保温筒２２のヒータ１２の、発熱
部の略中心位置に対向した箇所にはそれぞれ直径４０ｍ
ｍ程度の測温用窓２１ａ、２２ａが形成されている。チ
ャンバ２１の測温用窓２１ａには石英ガラスが嵌込まれ
ており、この測温用窓２１ａに対向するチャンバ２１外
には輻射温度計２３が設置されている。輻射温度計２３
は、測温用窓２１ａ、２２ａを通してヒータ１２の発熱
部の温度を測定するようになっている。

一方、坩堝１１の上方には、チャンバ２１の上部に連設
形成された小形の略円筒形状のプルチャンバ２４を通し
て、引き上げ軸１４が回転、並びに昇降可能に垂設され
ており、引き上げ軸１４の下端には、後述する操作によ
り種結晶１５が装着されている。そして、この種結晶１
５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１６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１１内に結晶形成材料、すなわち原料として塊状、
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
えば塊状の原料を４０ｋｇ、顆粒状の原料を２０ｋｇ、
合計６０ｋｇ充填する。次いで、Ａｒをチャンバ２１内
に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、固体原料の上側からヒ
タ１２で１３０ｋｗの電力で溶融させる。坩堝１１を上
昇させて溶融液層１７の厚みが１０ｃｍ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。溶融後、ヒータ１２の電力を１１００ｋに落して溶
融液層１７の温度を所要の温度にし、引き上げ軸１４の
先端を浸漬して種結晶１５を形成する。そして、ヒータ
１２の発熱部中心位置の温度を輻射温度計２３にて測温
しつつ、その温度が所定の温度より±２°Ｃの範囲内に
納まるように、つまり温度が略一定となるようにヒータ
１２の電力を手動又は自動で調節する。このときヒータ
１２の自動調節を行なう場合は、ＰＩＤ制御が有効であ
る。なお、ここで一定の温度とは、引き上げ速度及び原
料の坩堝１１への充填量等の諸条件により、装置毎に決
定されるヒータ１２の温度をいう。

そして、ヒータ１２に対する坩堝１１の位置制御によっ
て固体層１８を溶融させながら、溶融液層１７の厚さを
約１０ｃｍに保った状態で溶融液層１７に種結晶１５の
下端を浸漬し、引き上げ軸１４を回転させつつ引き上げ
る。

このことにより、結晶の成長方向において電気抵抗率が
一定な単結晶１６が得られる。

第４図は上記実施例において、ヒータの温度を■ 制御した場合のヒータ温度と引き上げ結晶の長さとの関
係を示したグラフであり、第５図は第４図に示したよう
にヒータ温度を制御した場合における電気抵抗率分布と
結晶化率（結晶引き上げ長）との関係を示したグラフで
ある。

第４図及び第５図から明らかなごとく、ヒータの温度を
制御すると、電気抵抗率のバラツキは略１０％の範囲内
で抑えられており、均一な電気抵抗率分布を有する単結
晶が得られていることがわかる。

また第５図かられかるように、本実施例における結晶化
率２０％での単結晶の電気抵抗率はρ＝０．９４であり
、従来のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶ρ＝
０．８７に比べて、略均−な単結晶を得ることができる
。

光匪Ω苅還 以上の説明により明らかなように、本発明に係る方法に
あっては、坩堝内に挿入した結晶形成用材料を上部から
溶融させていき、溶融液層及び固体層を形成し、前記溶
融液層部分の溶融液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方法において、前記坩堝加熱
用ヒータの温度を測定して該ヒータの温度を制御するこ
とにより、成長する結晶の電気抵抗率分布を制御するの
で、引き上げ中の結晶の電気抵抗率の変化を知ることが
でき、この変化を知りことにより、引き上げ中に結晶の
電気抵抗率を修正制御することができる。従って、電気
抵抗率が均一な単結晶を、歩留まり良く製造することが
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図は溶融層法により結晶
を成長させたときのヒータ温度と引き上げ結晶の長さと
の関係を示すグラフ、第３図は第２図に示したようにヒ
ータ温度を制御した場合における電気抵抗率分布と結晶
化率との関係を示すグラフ、第４図はヒータの温度を略
一定に制御した場合のヒータ温度と引き上げ結晶の長さ
との関係を示すグラフ、第５図は第４図に示したように
ヒータ温度を制御した場合における電気抵抗率分布と結
晶化率との関係を示すグラフ、第６図〜第９図は溶融層
法の原理を示す説明図、第１０図及び第１１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
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）坩堝内に充填した結晶形成用材料を上部から溶融
   させていき、溶融液層及び固体層を形成し、前記溶融液
   層部分の溶融液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方法において、前記坩堝加熱用ヒ
   ータの温度を測定して該ヒータの温度を制御することに
   より、成長する結晶の電気抵抗率分布を制御することを
   特徴とする結晶成長方法。