JPH03265593A - 結晶成長装置 - 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、半導体装置の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装置に関する。

〔従来の技術〕

シリコン単結晶の成長方法としては種々の方式があるが
、量産が可能である方式としてチョクラルスキー法（Ｃ
ｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法＝ＣＺ法）がある。第２図はこ
のＣＺ法による結晶成長装置の模式的断面図であり、図
中１はるつぼである。るつぼ１は黒鉛製のカーボンるつ
ぼ１ａの内側に石英製の石英るつぼ１ｂを配した二重構
造に構成され、カーボンるつぼ１ａの底部にはるつぼ１
を回転並びに昇降させる軸１ｃが設けられており、軸Ｉ
Ｃによってるつぼ１を回転及び／または昇降せしめるよ
うになっている。

るつぼ１の側面の周囲には抵抗加熱コイル等にて構成さ
れるヒータ２．黒鉛からなる側部保温筒３が配設されて
いる。またるつぼ１の下方には下部保温筒４が設けられ
ている。るつぼ１の上方には、引上げ軸５が回転並びに
昇降可能に垂設され、引上げ軸５の下１には種結晶６が
着脱可能に装着されている。るつぼ１内には、原料をヒ
ータ２により溶融させた溶融液１１が収容されている。

そして、引上げ軸５に取付けられた種結晶６を、溶融液
１１の表面に接触させ、結晶生成に合せて引上げ軸５を
回転させつつ上方へ引上げていくことにより、溶融液１
１を凝固させ、単結晶１２を成長させる。

このようなＣＺ法にあっては、引上げ前に一括して溶融
液１１にＰ、　　Ｂ、　Ａｓ、　Ｓｂ等の不純物（ドー
パント）を添加し、半導体結晶の電気抵抗率、電気伝導
型の調整を図っている。従って、この不純物が単結晶１
２の引上げ方向に沿って偏析し、引上げ方向に均一な電
気的特性を有する単結晶が得られないという問題がある
。

例えばシリコン単結晶の成長における添加不純物と抵抗
率との関係について下記（１１式が知られている（阿部
他、“シリコン結晶とドーピング丸善、　Ｐ、５１．１
９８６）。

Ω＝Ω。（１−１）’−に０　　　　　・・・（１）Ω
：抵抗率　　Ω。：初期抵抗率 １：引上率　　Ｋｏ：偏析係数 第３図は、上記（１）式に基づいた各不純物における抵
抗率の変化を示すグラフである。何れの不純物を添加す
る場合も、３０ｋｇの結晶材料を供給して５インチの結
晶を成長させることを成長条件としている。第３・図に
示すグラフにおいて、横軸はインゴットの長さ〔口〕及
び引上率を示し、縦軸は抵抗率〔Ω・口〕を示す。例え
ば、Ｐを不純物として添加した場合、初期抵抗率に対す
る抵抗率の比が１．３：１以内である部分を使用可能で
あると設定したときに、１本の単結晶中において使用可
能なものは全体の３３％程度しかない。このように、Ｃ
Ｚ法では不純物の偏析によって歩留りが低かった。

歩留りを向上させる方法として、溶融層法（Ｍｅ　ｌ　
ｔｅｄＬａｙｅｒ法：ＭＬ法）がある。第４図は溶融層
法による結晶成長装置の模式的断面図である。図におい
て、第２図と同番号を付した部分は同一または相当部分
を示す。軸１ｃによりるつぼ１を上昇させながら、るつ
ぼ１内に装入した固体材料をヒータ２により上側から下
側へ向けて溶融してゆき、るつぼ１内に融液層１３と固
体層１４とを上下に位置させる。そして融液層１３から
、前述したＣＺ法と同様に、種結晶６の下端に単結晶１
２を成長させつつ引上げる。この方法では、引上げに伴
って固体層１４を溶融して不純物の濃縮を防止し、歩留
りの向上を図っている。

（発明が解決しようとする課題〕 ところが、第２図に示すような結晶成長装置では、ヒー
タ２の長さがるつぼ１の高さと同程度であり、側部保温
筒３．下部保温筒４にて均一にヒータ２の熱損失を防止
し、石英るつぼ１ｂの高さ／径の比の値が０．６〜０．
８程度であるので、この構成のままでは前述したような
肝性を実施することは困難である。そして、ＭＬ法を実
現できるような装置構成、特にるつぼ、ヒータ、側部保
温筒の形状及び寸法を明示している文献は見当たらない
。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、装置
構成、特にるつぼ（石英るつぼ）、ヒータ、側部保温筒
の形状及び寸法を明確にすることにより、ｎ法を容易に
実現できる結晶成長装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る結晶成長装置は、結晶成長材料の融液層と
固体層とを上下に分離して共存させている石英るつぼと
、該石英るつぼの周囲に設けられたヒータと、該ヒータ
の周囲に設けられた側部保温筒とを備えた結晶成長装置
において、前記ヒータの下端は前記石英るつぼの下端よ
り高く、前記ヒータの上端は前記石英るつぼの上端より
低く、前記側部保温筒の下端部は他の部分に比べて内径
が大きくこの下端部の上端は前記石英るつぼの下端±０
．３×前記石英るつぼの高さの範囲内に位置し、前記石
英るつぼの高さ／径の比の値が０．８５以上であること
を特徴とする。

〔作用〕

本発明の結晶成長装置にあっては、ヒータの下端は石英
るつぼの下端より高い。そうしておくと、石英るつぼの
下部への加熱がなくなり固体層が形成され易い。ヒータ
の上端は石英るつぼの上端より低い。そうしておくと、
成長する結晶への直接加熱が防止される。また、側部保
温筒の下端部は肉薄であり、この肉薄部の上端は石英る
つぼの下端±０．３×石英るつぼの高さの範囲に位置し
ている。そうしておくと、石英るつぼ底部において放熱
が促進されて固体層が形成され易い。更に、石英るつぼ
の高さ／径の比の値を０．８５以上にする。

そうしておくと、石英るつぼ内にあってその上下方向に
温度差が生じ易い。本発明の結晶成長装置では以上のよ
うにして、固体層が安定的に形成される。

〔実施例〕

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて具体的
に説明する。

第１図は本発明に係る結晶成長装置（以下本発明装置と
いう）の模式的断面図である。図中１はるつぼ、７はチ
ャンバを示している。るつぼ１はチャンバ７内の中央に
あって、黒鉛製のカーボンるつぼ１ａの内側に石英製の
石英るつぼ１ｂを配した二重構造に構成されている。カ
ーボンるつぼ１ａの底部にはるつぼ１を回転並びに昇降
させる軸ＩＣが設けられており、軸ＩＣによってるつぼ
１を回転と昇降または昇降せしめるようになっている。

石英るつぼ１ｂの径、高さは夫々１６インチ、１４イン
チであり、その高さ／径の比の値は０．８７５である。

るつぼ１の側面の周囲には抵抗加熱コイル等にて構成さ
れるヒータ２が配設されている。ヒータ２の高さは１５
０鶴であり、ヒータ２の上端が石英るつぼ１ｂの上端よ
り２０ｉｎだけ低い位置になるように、ヒータ２は位置
決めされている。ヒータ２の下端は石英るつぼ１ｂの下
端より高く、両端間の上下方向の距離は１８６Ｎである
。

ヒータ２の周囲には、断熱材である黒鉛からなる側部保
温筒３が配設されている。側部保温筒３はその上部３ａ
と下部３ｂとにおいて内径が異なっており、上部３ａよ
り下部３ｂは内径が１２０鶴だけ大きくなっている。上
部３ａと下部３ｂとの境界位置は、石英るつぼ１ｂの下
端位置に一致しており、肉薄部である下部３ｂの高さは
１７４ｍである。またるつぼ１の下方には黒鉛からなる
下部保温筒４が設けられている。

るつぼ１の上方には、チャンバ７の上部に設けたプルチ
ャンバ８を通して引上げ軸５が回転並びに昇降可能に垂
設されている。引上げ軸５の下端には種結晶６が着脱可
能に装着されている。るつぼ１　（石英るつぼｌｂ）内
には、上層の融液層１３及び下層の固体層１４が共存し
ている。

以上のように構成された本発明装置においてシリコン単
結晶を成長させる場合には、まず、固体材料であるポリ
シリコンをるつぼ１　（石英るつぼｌｂ）内に充填した
後るつぼ１を上昇させて全部を融解し、その後るつぼ１
を下降させて一部を凝固させ、所定重量の融液層１３及
び固体層１４を形成する。不純物として例えばＰを添加
した後、引上げ軸５に取付けられた種結晶６の下端を融
液層１３中に浸漬する。そして引上げ軸５を結晶成長に
合せて回転させつつ上昇させることにより、種結晶６の
下端にシリコン単結晶１２を成長させる。本実施例では
、液面位置を一定にして引上げを行う。従って、引上げ
に伴ってるつぼ１は上昇して固体層１４は減少し、最終
的にはＣＺ法による引上げとなって、結晶成長は終了す
る。

次に、シリコン単結晶を具体的に成長させた例について
説明する。まず、６５ｋｇの固体材料（ポリシリコン）
をるつぼ１内に充填し、融液層１３及び固体層１４を形
成した。引上げ開始前における融液層１３．固体層１４
の厚さは夫々１７００．８００であり、両層を合せた高
さは約２５０ｆｌであった。なお、引上げ直前にるつぼ
１の中央部に石英パイプを入れて、各層の厚さを測定し
た。そして、上述したような手順にて長さ１３５０ｍの
シリコン単結晶を引上げた。成長したシリコン単結晶に
ついて抵抗率を測定すると、基端から５４％の範囲の部
分が、１．３：１　（＝その部分の抵抗率二基端の抵抗
率）以内であった。従来例（３３％）に比べて本実施例
（５４％）では歩留りが大幅に向上している。

本発明装置を用いた場合において、このように歩留りが
向上する理由は、固体層を安定して形成できることに起
因している。

本発明装置では石英るつぼ１ｂの高さ／径の比の値を０
．８５以上としているので、上下方向に温度差が容易に
生じて固体層１４が安定して形成される。

石英るつぼ１ｂの高さ／径の比の値を０．８５未満とし
た場合には、引上げ初期に固体層１４を形成することは
、極めて困難である。

また、側部保温筒３の下部を部分的に切除しているので
、るつぼ１　（石英るつぼｌｂ）の下部からの放熱が促
進されて、固体層１４の形成が容易である。側部保温筒
３の下部を部分的に切除しない装置、つまり内径が全域
にわたって一定であるような側部保温筒３を備えた装置
を用いた場合には、引上げ初期にあっても、固体層１４
の厚さは２０鶴程度であり、有効な礼法を実施すること
はできない。

更に、ヒータ２の下端は石英るつぼ１ｂの下端より低い
ので、るつぼ１　（石英るつぼｌｂ）の下部への加熱が
なくなり、固体層１４が形成され易くなる。

ところで、ヒータ２の上端を石英るつぼ１ｂの上端より
高くすると、固体層１４の形成は容易である。

ところが、ヒータ２による単結晶１２への直接加熱、及
び石英るつぼ１ｂ内面の温度上昇に伴った単結晶１２へ
の間接加熱により、引上げ速度が大幅に低下するという
難点がある。従って、本発明装置ではこのような難点が
生じないように、ヒータ２の上端を石英るつぼ１ｂの上
端より低くしている。

なお、上述した実施例は、本発明の１つの実施例を説明
したものであり、各部材の寸法及びその位置は上述した
例に限るものでないことは勿論であり、特許請求の範囲
に記載した条件を満たす装置であれば、同様の効果を奏
することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明の結晶成長装置では固定層を
安定して形成できるように、石英るつぼ。

ヒータ、側部保温筒の形状及び寸法を設定しているので
、効率良く引上げを行うことができ、歩留りを大幅に向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長装置の模式的断面図、第
２図は従来の結晶成長装置の模式的断面図、第３図はシ
リコン単結晶における抵抗率の変化を示すグラフ、第４
図は礼法の原理を説明するための模式図である。 １・・・るつぼ　１ａ・・・カーボンるつぼ　１ｂ・・
・石英るつぼ　２・・・ヒータ　３・・・側部保温筒　
１２・・・単結晶１３・・・融液層　１４・・・固体層 時　許　出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶成長材料の融液層と固体層とを上下に分離して
   共存させている石英るつぼと、該石英るつぼの周囲に設
   けられたヒータと、該ヒータの周囲に設けられた側部保
   温筒とを備えた結晶成長装置において、 前記ヒータの下端は前記石英るつぼの下端 より高く、前記ヒータの上端は前記石英るつぼの上端よ
   り低く、前記側部保温筒の下端部は他の部分に比べて内
   径が大きくこの下端部の上端は前記石英るつぼの下端±
   ０．３×前記石英るつぼの高さの範囲内に位置し、前記
   石英るつぼの高さ／径の比の値が０．８５以上であるこ
   とを特徴とする結晶成長装置。