JPH04144990A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば半導体材料として用いられるシリコン
の単結晶を不純物成分の偏析を招（ことなく成長させる
結晶成長方法に関する。

〔従来の技術〕

一般にこの種の結晶成長方法としてはチョクラルスキー
法が広く知られており、これは坩堝内に充填した原料を
ヒータにて加熱熔融せしめた後、この溶融液中に引上げ
軸に吊るした種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に
引上げて種結晶下端に単結晶を成長せしめる方法である
。

ところでこの方法では通常、単結晶の電気抵抗率、電気
伝導型等を調整するため、単結晶の引上げ開始に先立っ
て原料の溶融液中に不純物を添加している。引上げられ
た単結晶の長さ方向における不純物濃度分布Ｃは Ｃ＝ＫＣＯ（１−Ｇ）　”−’ 但し・、Ｋは実行偏析係数 Ｃ０は溶融液の初期不純物濃度 Ｇは固化率 で表される。

従って成長した単結晶の長さ方向における不純物濃度分
布は、特に偏析係数が小さいＰ（リン；Ｋ　＝０．３５
）をドープしたＮ型結晶では広く、所定範囲の不純物濃
度を有する単結晶の収率は大きく低下する。

このような不純物の偏析を抑制する方法として溶融法が
ある。

第４図は溶融法の実施状態を示す模式的縦断面図であり
、図中１はチャンバ内に配設された坩堝を示している。

坩堝ｌは有底円筒状をなすカーボン製の外坩堝１ａと石
英製の内坩堝１ｂとを同心状に配して構成されており、
これに結晶用原料を投入し、坩堝１の周囲に昇降可能に
設けたヒータ２により上側から下側へ向けて加熱溶融せ
しめ、坩堝１内に溶融液Ｎ４と固体層５とを上下に共存
させる。そして溶融液層４中の不純物濃度を一定に保持
した状態で引上げ軸９にて吊り下げたホルダ８に保持さ
せた種結晶６を溶融液層４に浸し、これを回転させつつ
上方に引上げ、種結晶６の下端に単結晶７を成長せしめ
る（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｃ
ｈｅｍｉｃａｌｓｏｃｉｅｔｙ、　ＶＯｌ、１０５．　
Ｎ１７．３９３〜’３９５頁）。

溶融法には、単結晶７の引上げに伴い固体Ｎ５を溶融さ
せて溶融液層４の層厚を一定に保持し、不純物を連続的
に添加して溶融液層４中の不純物濃度を一定に保持する
方法と、不純物を一度に添加し、溶融液層４の層厚を変
化させて溶融液層４中の不純物濃度を一定に保持する方
法とがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上述の方法ではどちらの場合もヒータ２及び外
坩堝１ａの劣化により加熱分布が経時変化するため、同
一炉を使用しても引上げ毎に固体層５の層厚が変わり、
また炉間差もあって再現性よく固体Ｎ５を作ることは困
難であった。

従って引上げ開始前に再現性よく固体Ｎ５を作るために
、芯金を内包した石英棒をホルダ８に取り付はミ溶融液
層４中に挿入してその層厚を測定し、この結果により固
体層５の層厚を推定してヒータ２の出力又は位置を微調
整し、固体層５の層厚を制御していた。

この場合、溶融液層４の層厚を繰り返し測定しなからヒ
ータ２による加熱量を微調整するため、所望の固体層５
の層厚を得るまでに長時間を要する外、石英棒が固体層
５に捕らえられ動かな（なることがあった。

また、単結晶の不純物濃度を一定にするために引上げ中
に固体層５が安定して溶解する必要があるが、加熱分布
によっては逆に固体層５が成長し、引上げ中の単結晶に
噛み付くことがあった。ところが引上げ中は石英棒によ
り溶融液層４の層厚を測定し、固体Ｎ５の層厚を推定す
ることかできないので、上述の問題を解決することがで
きなかった。

さらに、ビータ２及び外坩堝１ａの経時変化があるので
、固体Ｎ５の溶解速度を再現性よく安定させることは困
難であった。

本発明は斯かる事情に鑑みなされたものであり、石英棒
を溶融液層中に浸漬する直接的な計測方法によらず、レ
ーザー等を使用する非接触の手段により原料の溶解中及
び単結晶の引上げ中に連続的に溶融液層の表面位置を測
定し、固体層を安定して溶解させて単結晶中の不純物の
偏析を抑制する方法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方法は、周囲にヒータを設置した
坩堝内で下部に結晶用原料の固体層を、また上部にその
溶融液層を形成させ、該溶融液層から結晶を引上げる結
晶成長方法において、前記溶融液層の表面位置を非接触
に計測してその結果に従い、前記ヒータの出力を制御し
て前記固体層の溶解速度を調節し、結晶中の不純物の偏
析を抑制することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、溶融液層の表面位置を非接触に計測
するので溶融液層の層厚を実測する場合のように測定棒
が固体層に捕らえられ、動かなくなる等功操業上の問題
もなく、容易に固体層厚を推定することが出来る。

さらに引上げ中にも固体層厚が推定出来るため、固体層
の成長による固体層の引上げ単結晶への噛み付きを防止
出来る外、加熱分布を制御することにより固体層の溶解
速度を調節し、単結晶の軸方向の不純物の偏析を抑制す
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図は本発明に係る装置の模式的縦断面図であり、図
中１０はチャンバであり、チャンバ１０の内部中央に坩
堝１が配設されている。坩堝１は石英製の内坩堝１ｂの
外周に外坩堝１ａを配設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１０の底壁を貫通させた軸
１ｃの上端が連結され、該軸１ｃにて回転させつつ昇降
せしめられるようになっている。坩堝１内には例えば多
結晶シリコン等の単結晶原料が充填され、ヒータ２ａ、
２ｂにて加熱溶融されるようになっている。

ヒータ２ａ、２ｂは坩堝ｌの周囲に上下に配設され、坩
堝１及びヒータ２ａ、２ｂは適宜の厚さに成形された保
温筒３によって、側方及び下方が覆われている。チャン
バ１０の上部壁にはチャンバｌＯ内へノ雰囲気ガスの供
給筒を兼ねたプルチャンバ１１が立設され、プルチャン
バ１１の上方から昇降及び回転可能な引上げ軸９が吊り
下げられている。

引上げ軸９の下端にはホルダ８に保持された種結晶６が
吊設され、この種結晶６を坩堝１内の溶融液層４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
６の下端にシリコンの単結晶７を成長せしめるようにな
っている。

内坩堝１ｂと単結晶引上げ領域との間には、逆円錐台形
をなす輻射熱遮蔽体１２が設けられている。

これは引上げ中の単結晶７の受熱量が多くなり、引上げ
速度が遅くなったり、引上げそのものが出来なくなるこ
とを防止するために設けられている。

チャンバ１０上面には放射光通光管１０ａ及び反射光通
光管１０ｂが１８０　’離隔して夫々設けられている。

放射光通光管１０ａ及び反射光通光管１０ｂは夫々チャ
ンバ１０上面の斜め上方外側に向けて設けられている。

放射光通光管１０ａのチャンバ１ｏ上面ニ対する角度は
管の中心軸が溶融液層４上面の中心を通るような角度に
し、反射光通光管１０ｂは引上げ軸９に対し放射光通光
管１０ａと対称であるように設置する。

放射光通光管１０ａの上方にはこれと光軸を一致させて
レーザー光源１３が設けられており、反射光通光管１０
ｂの上方にはこれと光軸を一致させて拡散板１６、集光
レンズエ４、ＰＳＤ　１７が順次設けられている。そし
てＰＳＤ　１７には変位検出回路１５が接続されている
。

第２図は溶融液表面位置計測の実施状態を示す模式図で
ある。レーザー光源１３より発せられた放射光Ａは溶融
液層４の表面にて反射し、この反射光Ｂはこれに対し垂
直に設けられたＰＳＤ　１７により受光される。溶融液
層４の表面位置が上下方向にＸからＹに変位したときＰ
ＳＤ　１７はこれを反射光ＢＯＸからｙへの光路変位と
して検出する。ところで溶融液層４の表面は単結晶の引
上げにより生じる対流及び坩堝１の回転に伴う機械的振
動により波動しており、これに伴い反射光Ｂの光路も震
動するので、ＰＳＤ　１７付近では大きな揺れとなり、
ＰＳＤ１７に入光されないことがあり、正確な溶融液表
面位置の測定が不可能となる。そこでＰＳＤ　１７の前
方に拡散板１６及び集光レンズ１４を設置し、ＰＳＤ　
１７への入光量を増大させ、反射光Ｂの光路が震動して
も光路位置情報が豊富に得られるようにしている。

そしてＰＳＤ　１７の受光信号は変位検出回路１５に入
力され、変位検出回路１５は、入力信号から得られた溶
融液表面位置情報を出方する。変位検出回路１５による
溶融液表面位置の検出精度は±０．１ｍｍであった。

以上の如く構成された装置を使用する本発明方法にあっ
ては、まず坩堝１内に塊状又は顆粒状をなす多結晶シリ
コンを必要量充填し、ヒータ２ａ、２ｂを用いて全部を
溶融させる。

この状態で固体層成長による体積膨張分に相当する分だ
け坩堝１を下降させ、予め溶融液表面位置を下げる。シ
リコンの固体と液体の密度は夫々略２．３ｇ／ｃｍ’、
２．５ｇ／ｃｍ’であり、シリコンの固化により体膨張
すると引上げ開始時の溶融液表面位置に達することにな
る。

そしてレーザー光源１３、拡散板１６、集光レンズ１４
、ＰＳＤ　１７、変位検出回路１５を配備し、ヒータ２
ａ。

２ｂの温度制御により、坩堝１底部の溶融液の凝固を進
行させ、溶融液表面位置が引上げ開始時の液面位置に達
するまで固体層５を形成する。そして溶融液Ｎ４に不純
物を添加する。なお、不純物の添加は多結晶を全部溶解
させた時に添加することにしでもよい。その場合、引上
げた単結晶の製品収率は固体層５形成後に添加した場合
に比べ低下するが、引上げ中に何らかの理由で有転移化
し、単結晶を再溶解し、再度引上げを行うことになった
ときには引上げ開始部の単結晶の不純物濃度は最初に引
上げた単結晶のそれと同じであるという利点がある。

次に溶融液層４中に種結晶６を浸漬し、これを上方に引
上げて種結晶６の下端に単結晶７を成長させる。このと
き単位時間当たりの凝固量を増やすためヒータ２ａの温
度を低下させるが、固体層５が成長して引上げ中の単結
晶７に噛みつくことがある。また不純物濃度を一定にす
るために引上げ中に固体層５が安定して溶解することが
必要であり、引上げ中にも溶融液表面位置を測定し、こ
の位置の変化によりヒータ２ａ、２ｂの出力を制御する
。

溶融液表面位置が上昇して来るときは固体Ｎ５が成長し
つつあるため、ヒータ２ａの加熱を暫時弱め、ヒータ２
ｂの加熱を暫時強めていく制御を行う。

逆に溶融液表面位置が下降するときは固体層５が溶解し
つつあるため、この溶解速度が早過ぎる場合には上述と
逆の制御を行う。

なお、図示しないＣＣＤカメラで光学的に引上げている
単結晶７の長さを計測し、この計測値を基に引上げてい
る単結晶７の重量を計算し、この単結晶７の引上げ重量
と一致する溶融液Ｎ４の減少量に見合う分だけ坩堝ｌを
上昇させるので、固体層５の成長又は溶解がなければ、
溶融液表面位置は実質的に同じ位置に保たれる。

〔数値例〕

本発明の数値例では直径１６インチの坩堝１を使用し、
塊状の多結晶シリコン３０〜４０ｋｇ又は顆粒状の多結
晶シリコン２５〜３５ｋｇを充填した。そして発熱長が
夫々１５０〜２００　ｗｍであるヒータ２ａ及び２ｂに
通電し、この固体原料を上方から溶解した。

原料が全て溶解した後、溶融液表面位置が輻射熱遮蔽体
１２の下端より２０〜３０１１下になるように坩堝１を
昇降させてセットした後、溶融液表面位置を経時的に測
定しながら、主にヒータ２ｂの出力を漸減させ、坩堝１
底部より固体層５を成長させた。

溶融液表面位置の上昇が１０鰭になったところで固体層
５の成長を停止させ、石英によりコーティングされたモ
リブデン細棒をホルダ８に取り付けて溶融液層４中に挿
入し、溶融液層４の層厚を測定すると略１４ｃｍであっ
た。これより固体層５の層厚は略１０ｃｍと推定でき、
変位検出回路１５の出力情報から推定した固体層５０層
厚と実質的に一致した。

そして固体層５の育成時間は本発明方法による場合はモ
リブデン細棒により溶融液層４の層厚を実測しながら育
成する場合（略６時間）に比べ半減した。

固体層５の育成が終了した後、溶融液層４中にＰ（リン
）を添加し、単結晶７の上部の電気抵抗率がＮ型１０Ω
−ＣＩＩ＋になるように調整した。

引上げる単結晶７の直径は６インチであり、結晶方位は
＜１００＞である。不純物添加後、種結晶６を溶融液Ｎ
４中に浸漬し、坩堝１及び種結晶６を同方向又は逆方向
に回転させながら、種結晶６を上方に引上げて種結晶６
下端に単結晶７を成長させた。引上げ速度は平均１．１
ｍｍ／１Ｉｌｉｎであった。単結晶７の直径が一定にな
るようにヒータ２ａの出力を制御し、単結晶７の引上げ
長が１０００ｍｍになるまでに固体Ｎ５が全て溶解する
ようにヒータ２ｂの出力を制御した。

得られた単結晶７の引上げ方向の電気抵抗率の推移を示
したグラフを第３図に示す。図中横軸は引上げ長を示し
、縦軸は単結晶７の上部の抵抗率をρアとしたときの抵
抗倍率（ρ７／ρ）を示す。

そして通常のＣＺ法により単結晶引上げを行ったときの
抵抗率の推移を併記した。Ｐを添加したＮ型結晶の製品
の抵抗倍率の上限は略１．３であるので、この範囲内に
ある製品の収率を通常のＣＺ法による場合の収率と比較
すると、本発明方法では固体層５の溶解が安定して行わ
れるので、略２倍であった。

なお、本発明における実施例では坩堝ｌの周囲にヒータ
を上下に２つ配設した構成につき説明しているが、何ら
これに限定されるものではなく、ヒータ１つを昇降可能
に配設して温度制御を行うことにしてもよい。

さらに本発明における実施例では溶融液表面位置の非接
触の計測装置としてレーザーを使用した場合につき説明
しているが、何らこれに限定されるものではなく、マイ
クロ波発振器等信の装置を使用することにしてもよい。

〔効果〕

以上の如く本発明方法においては、レーザー等により溶
融液層の表面位置を非接触に計測することにより、連続
して固体層の層厚を推定することが出来るので、装置が
経時劣化している場合にも再現性よく、単時間に固体層
を成長させることが可能となる。

また溶融液層の層厚を実測するときのように測定棒が固
′体層に捕らえられ、動かなくなる等の操業上の問題も
ない。さらに引上げ中の固体層厚の推定値を基に加熱分
布を制御するので、装置が経時劣化している場合にも適
切に制御することが出来る。そして固体層の成長による
固体層の引上げ単結晶への噛み付きを防止出来る外、固
体層の溶解速度が制御出来、引上げた単結晶の軸方向の
不純物濃度を略一定にして電気抵抗率を略一定にするこ
とが出来る等、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図は本発明に係る装置の模式的縦断面図、第２図は
溶融液表面位置計測の実施状態を示す模式図、第３図は
単結晶の引上げ方向の電気抵抗率の推移を示したグラフ
、第４図は溶融法の実施状態を示す模式的縦断面図であ
る。 １・・・坩堝　１ａ・・・外坩堝　ｉｂ・・・内坩堝　
２ａ、２ｂ・・・ヒータ゛　３・・・保温筒　４・・・
溶融液Ｎ　５・・・固体層６・・・種結晶　７・・・単
結晶　８・・・ホルダ　９・・・引上げ軸　１０・・・
チャンバ　１０ａ・・・放射光通光管　１０ｂ・・・反
射光通光管　１２・・・輻射熱遮蔽体　１３・・・レー
ザー光源　１４・・・集光レンズ　１５・・・変位検出
回路１６・・・拡散板　１７・・・ＰＳＤ 特　許　出願人　大阪チタニウム製造株式会社外１名 代理人　弁理士　河　　野　　登　　夫第 ］ 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周囲にヒータを設置した坩堝内で下部に結晶用原料
   の固体層を、また上部にその溶融液層を形成させ、該溶
   融液層から結晶を引上げる結晶成長方法において、 前記溶融液層の表面位置を非接触に計測してその結果に
   従い、前記ヒータの出力を制御して前記固体層の溶解速
   度を調節し、結晶中の不純物の偏析を抑制することを特
   徴とする結晶成長方法。