JPH05221777A

JPH05221777A - 単結晶成長方法

Info

Publication number: JPH05221777A
Application number: JP5929392A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kubo; ▲高▼行久保; Shunji Miyahara; 俊二宮原; Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; Hideki Fujiwara; 秀樹藤原; Shuichi Inami; 修一稲見
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1993-08-31

Abstract

(57)【要約】【目的】軸方向酸素濃度及び面内の酸素分布が均一な
単結晶を形成する結晶成長方法を提供すること。【構成】縦断面幅一定上部より狭い下部を有する坩堝
11内に固体原料として塊状又は顆粒状の多結晶シリコン
を充填し、Ｎ型ドーパントとしてリン−シリコン合金を
添加する。チャンバ内を10Torrのアルゴン雰囲気にし原
料を全融する。下側のヒータ12b を停止し、上側のヒー
タ12a を75kwとして溶融液層17下部に固体層18を成長さ
せ安定させる。次に、種結晶15下端を溶融液層17に浸漬
し、引上げ軸14及び坩堝11を互いに逆方向に回転させな
がら、引上げ軸14を引上げ、単結晶16を成長させる。従
来方法では単結晶16の引上げ率が 0.2までは、ヒータパ
ワを初期値75kwから70kwまで降下させ、その後徐々に上
昇し、引上げ終了の引上げ率 0.8には初期値75kwまで上
昇させるが、本実施例では、引上げ率略 0.5までは従来
のヒータパターンと同様であり、引上げ率略 0.5からヒ
ータパワを再び降下させ、引上げ率 0.8には略68kwとす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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単結晶等の単結晶を成長させる方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にこの種の単結晶の成長方法として
はチョクラルスキー法 (ＣＺ法) が広く用いられてい
る。図４は従来のＣＺ法に用いられる単結晶成長装置を
示す模式的縦断面図であり、11は図示されないチャンバ
内に配設された坩堝を示している。坩堝11は側面下部に
曲面を有し、その横断面積が上部よりも曲面を有する下
部の方が狭まった有底円筒状をなす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黒
鉛製の外層保持容器11ｂとから構成されている。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11にはヒータ12により溶融させた原料の
溶融液13が充填されており、この溶融液13中に引上げ棒
又はワイヤ等からなる引上げ軸14にて吊り下げた種結晶
15を浸す。この種結晶15を回転させつつ上方に引上げる
ことにより、種結晶15の下端に溶融液13を凝固させて単
結晶16を成長させるようになっている。

【０００３】半導体単結晶をこの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るため
に、引上げ前に溶融液13中に不純物元素を添加すること
が多い。ところが、添加した不純物は単結晶16の結晶成
長方向に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、比Ｃ_S／Ｃ_L即ち
実効偏析係数Ｋ_eが１でないことに起因する。ここでＣ
_Sは溶融液13と単結晶16との成長界面における単結晶16
中の不純物濃度、Ｃ_Lは溶融液13中の不純物濃度であ
る。例えばＫ_e＜１の場合には単結晶16が成長するに伴
って溶融液13中の不純物濃度が高くなり、単結晶16に偏
析が生じる。

【０００４】このような偏析を抑制する方法として溶融
層法が知られている。図５は溶融層法に用いられる単結
晶成長装置の模式的縦断面図である。坩堝11は側面下部
に曲面を有し、その横断面積が上部よりも曲面を有する
下部の方が狭まった有底円筒状をなす石英製の内層保持
容器11ａと、この内層保持容器11ａの外側に嵌合された
黒鉛製の外層保持容器11ｂとから構成されている。溶融
層法はヒータ12の制御によって坩堝11の下部に単結晶用
原料の固体層18を、またその上方に単結晶用原料の溶融
液層17を共存させる。そして、溶融液層17中の不純物濃
度を一定に保持した状態で溶融液層17に種結晶15を浸
し、これを引上げて単結晶16を成長させる方法である。

【０００５】溶融液層17中の不純物濃度を一定に保持す
る方法として、溶融層厚一定法及び溶融層厚変化法が提
案されている。溶融層厚一定法は、単結晶16の引上げに
伴い固体層18を溶融させて溶融液層17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17中の不純物
濃度を一定に保持する方法であり、特公昭34-8242 号、
実開昭61−150862号、特公昭62-880号及び特開昭63−25
2989号公報等に開示されている。また溶融層厚変化法
は、単結晶16の成長に伴い溶融液層17の層厚を変化させ
ることにより、単結晶16の引上げ中に不純物を添加する
ことなく溶融液層17中の不純物濃度を一定に保持する方
法であり、特開昭61−205691号、特開昭61−205692号、
特開昭61−215285号公報等に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＣＺ法により引上げら
れた単結晶16中には、上述の不純物元素の他に10¹⁷〜10
¹⁸／cm³の酸素が含有されている。単結晶16中の酸素は
ウエハの強度を高めるためにも、又は重金属の汚染物質
を吸着するためのゲッタリング源としても不可欠であ
る。ところが酸素過多である場合は酸素析出による結晶
欠陥が発生し、この制御が困難となる。このように、単
結晶16中の酸素濃度を正確に制御することがＣＺ法によ
る引上げ工程の重要な課題となっている。

【０００７】単結晶16中の酸素は、石英製の内層保持容
器11ａから供給される。内層保持容器11ａの一部が溶融
液13に溶解し酸素が溶出して、そのほとんどはＳｉＯガ
スとして溶融液13表面から放出され、一部が単結晶16中
に取り込まれる。従って、単結晶16中の酸素濃度は内層
保持容器11ａと溶融液13との接触面積，及び溶融液13表
面積に大きく影響を受ける。

【０００８】図６はＣＺ法による単結晶16中の軸方向，
面内の酸素濃度分布を示すグラフである。横軸は結晶引
上げ率，縦軸左側は軸方向の酸素濃度（×10⁷／c
m³），右側は面内分布（％）を示す。結晶引上げ率と
は、引上げた単結晶16重量の全単結晶用原料重量に対す
る割合であり、面内分布とは単結晶16の横断面の酸素濃
度のばらつきを意味する。グラフ中の実線は単結晶16の
軸方向の酸素濃度の変化を表し、破線は単結晶16の面内
の酸素濃度の分布を表している。図６より、単結晶16を
引上げるに従って軸方向の酸素濃度は急激に減少し、結
晶引上げ率が 0.7付近で再び増加を始め、軸方向の酸素
濃度の変化は±10％であることが判る。また図６より、
単結晶16の引き上げから引上げ完了までの間に面内の酸
素濃度は約８％のばらつきを有することが判る。

【０００９】この軸方向の酸素濃度不均一の要因は、引
上げ前半では溶融液13が減少するために内層保持容器11
ａと溶融液13との接触面積が小さくなり、供給される酸
素量が減少することであり、引上げ後半では溶融液13表
面が坩堝11下部の曲面部分にさしかかり、坩堝11側面へ
のヒータ12の加熱が優勢となり酸素量が増加することで
ある。また、引上げ後半には、溶融液13表面積が減少す
るためＳｉＯ放出量が減少し、溶融液13中の酸素濃度即
ち単結晶16中の酸素濃度が増加することになる。

【００１０】また、面内の酸素濃度不均一の要因は、溶
融液13中の酸素濃度変化及び溶融液13の対流である。ヒ
ータ12による熱対流、並びに単結晶16及び坩堝11の回転
による強制対流等により、酸素は溶融液13中を輸送さ
れ、溶融液13中の酸素濃度不均一の原因となる。このよ
うにＣＺ法では単結晶中の酸素濃度が不均一になるとい
う問題がある。

【００１１】単結晶16の引上げに伴い固体層18を溶融さ
せて溶融液層17の層厚を一定に保持する溶融層厚一定法
では、固体層18が存在する間は溶融液層17の層厚が一定
であるため単結晶中の酸素濃度は一定である。ところ
が、溶融液層17表面が坩堝11下部の曲面部分にさしかか
ってからは、上述したように溶融液層17表面積が減少す
るためＳｉＯ放出量が減少し、溶融液層17中の酸素濃度
が増加する。このように溶融層厚一定法においても単結
晶16中の酸素濃度が不均一になるという問題があった。

【００１２】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、溶融層法により単結晶中の軸方向酸素濃度及び
面内分布を均一にし、更に単結晶の引上げに伴い溶融液
層17表面が坩堝11下部の狭まった部分にさしかかってか
らも、溶融液層17中の酸素濃度を一定にすることによ
り、単結晶中の軸方向酸素濃度及び面内の酸素分布を均
一にすることができる単結晶成長方法を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る単結晶成長
方法は、横段面積が上部より狭まった下部を有する坩堝
内に単結晶用原料を充填し、前記坩堝周囲に上下に設置
された複数のヒータにより前記単結晶用原料を溶融し、
前記複数のヒータのうち上側のヒータを加熱し下側のヒ
ータを停止して、上層に溶融液層，下層に固体層を共存
させ、前記上側のヒータの加熱力を調節して前記固体層
を溶融し、溶融液層の層厚を制御しつつ、該溶融液層か
ら単結晶を引上げて成長させる単結晶成長方法であっ
て、前記溶融液層の表面が前記上部に在る間は前記溶融
液層の層厚が一定となるよう前記上側のヒータの加熱力
を調節し、前記溶融液層の表面が前記下部に在る間は、
前記上部に在る間よりも前記上側のヒータの加熱力を弱
くしてあることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の単結晶成長方法では、溶融液層の層厚
が一定となるよう上側のヒータの加熱力を調節した後、
溶融液層表面が上部より横断面積が狭まった下部にさし
かかる頃に上側のヒータの加熱力を下げて、溶融液層表
面が前記上部に在る間よりも加熱を弱め、固体層の溶融
量を減少させる。溶融液層表面が坩堝下部にさしかか
り、溶融液層から放出される酸素が減少することにより
溶融液層中の酸素濃度は増加するが、上側のヒータの加
熱力を弱めることによって、坩堝から溶融液への溶け出
し量が減少し、更に坩堝及び溶融液層の接触面積が減少
して溶融液層に溶け込む酸素が減少するので、溶融液中
の酸素濃度を一定に制御することができる。

【００１５】

【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。図１は本実施例に係る単結晶成長装
置の模式的縦断面図であり、図中24はチャンバである。
チャンバ24は略円筒形状の真空容器であり、チャンバ24
の略中央位置には坩堝11が配設されている。坩堝11は側
面下部に曲面を有し、その横断面積が上部よりも曲面を
有する下部の方が狭まった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
成されている。この外層保持容器11ｂの下面には坩堝11
を回転及び昇降させる軸19が着設されており、坩堝11の
外周には、抵抗加熱式のヒータ12a,12b が上下２段で配
設されている。さらにヒータ12a,12b の外部には保温筒
22が周設されている。上側のヒータ12a 及び下側のヒー
タ12b の夫々のヒータパワの調節により、坩堝11内に溶
融液層17及び固体層18を夫々の厚みを相対的に調節して
形成し得るようになっている。

【００１６】一方、チャンバ24の上部には小形の略円筒
形状のプルチャンバ23が連設形成されている。坩堝11の
上方には、チャンバ24及びプルチャンバ23を貫通して、
引上げ軸14が回転及び昇降可能に垂設されており、引上
げ軸14の下端には種結晶15が装着されるようになってい
る。そしてこの種結晶15の下端を溶融液層17に浸漬させ
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を成長させる。

【００１７】以上の如く構成された装置を使用してシリ
コン単結晶を成長させる実施例を具体的な数値を挙げて
以下に説明する。まず上述した坩堝11内に固体原料とし
て塊状又は顆粒状の多結晶シリコン65kgを充填し、Ｎ型
ドーパントとしてリン−シリコン合金 0.6g を添加す
る。チャンバ内を10Torrのアルゴン雰囲気にし、上側の
ヒータ12a,下側のヒータ12b を夫々47kw,55kw として原
料を全融する。その後下側のヒータ12b を停止し、上側
のヒータ12a を75kwとして、溶融液層17下部に固体層18
を成長させ安定させる。次に、種結晶15下端を溶融液層
17に浸漬し、坩堝11の回転数／引上げ軸14の回転数＝１
rpm ／10rpm となるように、引上げ軸14及び坩堝11を互
いに逆方向に回転させながら、引上げ軸14を引上げ、結
晶径６インチの単結晶16を成長させる。

【００１８】図２は本実施例及び従来の単結晶引上げの
ヒートパターンを示すグラフである。実線が本実施例、
破線が従来の溶融層法におけるヒートパターンを表して
いる。この溶融層法では単結晶16の引上げ率が0.2 まで
は、上側のヒータ12a のヒータパワを初期値75kwから70
kwまで降下させ、その後徐々に上昇し、引上げ終了の引
上げ率0.8 には初期値75kwまで上昇させる。本実施例で
は、結晶引上げ率略0.6 から溶融液層17表面が坩堝11下
部の曲面部分にさしかかるため、引上げ率略0.5 までは
従来のヒータパターンと同様であり、引上げ率略0.5 か
らヒータパワを再び降下させ、引上げ率0.8 には略68kw
とする。これにより、溶融液層17中の酸素濃度を一定に
することができる。溶融液層17表面が坩堝11下部の曲面
部分にさしかかりＳｉＯ放出面積が減少して放出される
酸素が減少し、また坩堝11側面への加熱が優勢となるた
め溶融液層17中の酸素濃度が上昇した分を、ヒータパワ
を降下させ溶融液層17の厚みを減少することにより溶融
液層17へ溶出する酸素量を減少させることができるから
である。

【００１９】図３は、本実施例により成長させた単結晶
16の軸方向，面内の酸素濃度分布を示すグラフである。
横軸は結晶引上げ率，縦軸左側は軸方向の酸素濃度（×
10⁷／cm³），右側は酸素の面内分布（％）を示す。実
線は単結晶16の軸方向の酸素濃度の変化を表し、破線は
単結晶16の面内の酸素濃度の分布を表している。グラフ
から酸素濃度の軸方向の変化は±１％のばらつき、面内
分布は引上げから引上げ完了まで 1.5％以内のばらつき
であり、本実施例の単結晶16は酸素分布が均一であるこ
とが判る。

【００２０】なお、本実施例においてはシリコン単結晶
を成長させているが、これに限るものではなく他の単結
晶でも適用できる。また、本実施例においては側面下部
に曲面を有する坩堝を使用しているが、これに限るもの
ではなく、横断面積が上部よりも狭い下部を有する坩堝
であれば、他の坩堝でも適応できる。

【００２１】

【発明の効果】以上の如く本発明においては、単結晶の
引上げに伴い溶融液量を制御し、溶融液中の酸素濃度を
一定にすることにより、単結晶中の軸方向酸素濃度及び
面内の酸素分布を均一にすることができることができ
る。また、溶融液層表面が坩堝下部にさしかかってから
は、溶融液層を薄くするため溶融液の対流の影響を受け
にくくなり、単結晶の面内の酸素分布が均一になり易い
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】

【図１】本発明に係る単結晶成長装置の模式的縦断面図
である。

【図２】本実施例及び従来の結晶引上げのヒータパター
ンを示すグラフである。

【図３】本実施例により成長させた単結晶16の軸方向，
面内の酸素濃度分布を示すグラフである。

【図４】従来のＣＺ法に用いられる単結晶成長装置の模
式的縦断面図である。

【図５】従来の溶融層法に用いられる単結晶成長装置の
模式的縦断面図である。

【図６】ＣＺ法による単結晶16中の軸方向，面内の酸素
濃度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

11 坩堝 12a,12b ヒータ 14 引上げ軸 15 種結晶 16 単結晶 17 溶融液層 18 固体層 22 保温筒 24 チャンバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤原秀樹大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者稲見修一大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】横段面積が上部より狭まった下部を有す
る坩堝内に単結晶用原料を充填し、前記坩堝周囲に上下
に設置された複数のヒータにより前記単結晶用原料を溶
融し、前記複数のヒータのうち上側のヒータを加熱し下
側のヒータを停止して、上層に溶融液層，下層に固体層
を共存させ、前記上側のヒータの加熱力を調節して前記
固体層を溶融し、溶融液層の層厚を制御しつつ、該溶融
液層から単結晶を引上げて成長させる単結晶成長方法で
あって、前記溶融液層の表面が前記上部に在る間は前記
溶融液層の層厚が一定となるよう前記上側のヒータの加
熱力を調節し、前記溶融液層の表面が前記下部に在る間
は、前記上部に在る間よりも前記上側のヒータの加熱力
を弱くしてあることを特徴とする単結晶成長方法。