JPH0524971A

JPH0524971A - 結晶成長装置

Info

Publication number: JPH0524971A
Application number: JP1855891A
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: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】るつぼ２１の外層保持容器２１ｂの内表面に凹凸２５を
形成することにより、結晶用原料の溶融時に内層容器１
１ａを上記凹凸２５に従って変形させる。このことによ
って内層容器１１ａの内表面積が大きくなり、内層容器
１１ａの内表面と溶融層１７の溶融液との接触面積が大
きくなる。従って引き上げた単結晶１６に取り込まれる
酸素濃度を増大させることができ、また外層保持容器２
１ｂの内表面の凹凸２５の形成具合を制御することによ
って、引き上げた単結晶１６に取り込まれる酸素濃度を
制御することができる。さらに内層容器１１ａ内表面の
変形によって、溶融層１７下部の固体層１８が係止さ
れ、単結晶１６引き上げ中における固体層１８の浮上を
防止することができるため、品質がより向上した単結晶
１６を製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶成長装置に関し、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結晶成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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
引き上げ法がある。図４は従来の回転引き上げ法に用い
られる結晶成長装置の模式的断面図であり、図中１１は
るつぼを示している。るつぼ１１は有底円筒状の石英製
の内層容器１１ａと、この内層容器１１ａの外側に嵌合
された、図６に示したような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、るつぼ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。るつぼ１１内にはこのヒータ１２により溶融さ
せた結晶用原料、つまり原料の溶融液１３が充填されて
おり、るつぼ１１の中心軸上には、例えば図中矢印方向
に所定速度で回動する引き上げ棒、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、るつぼ１１は
引き上げ軸１４と同一軸心で所定速度で回転するるつぼ
支持軸１９により支持されている。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１
３が凝固して形成される単結晶１６を成長させている。

【０００３】ところで、半導体単結晶をこの回転引き上
げ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。

【０００４】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Ｃ_S と溶融液１３中の不純物濃
度Ｃ_L との比Ｃ_S/Ｃ_L 、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。

【０００５】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。図５は溶融層法に用いられる従来の結晶成
長装置の模式的断面図であり、図４に示したものと同様
に構成されたるつぼ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１
４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、るつぼ１１内の溶融層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、特公昭６２−８８０号及び実開昭６
０−３２４７４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、溶融
層１７中の不純物濃度Ｃ_L を低減させている。

【０００６】また、意図的に溶融層１７の液量を変化さ
せることにより、引き上げ中に不純物を添加することな
く溶融層１７中の不純物濃度Ｃ_L を一定に保つ方法（溶
融層厚変化法）が特開昭６１−２５０６９１号、特開昭
６１−２５０６９２号及び特開昭６１−２１５２８５号
公報に開示されている。

【０００７】ところで、上記した溶融層法における偏析
軽減の原理は、最初にるつぼ１１内に充填される結晶用
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Ｃ_P(x)と表わす
ことにより、図７〜図１０に示すような一次元モデルで
説明することができる。この際、初期充填量１に対する
結晶引き上げ率をｆ_s 、溶融液の重量比をｆ_L、下部固
体率をｆ_p 、ｆ₀ ＝ｆ_s ＋ｆ_L とおくと次式（数１）の
ごとく定義される。

【０００８】

【数１】

【０００９】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Ｃ_P ≠０の場合を
説明する。また図において左方をるつぼ１１上面側とす
る。

【００１０】図７は結晶用原料をるつぼ１１内に充填し
た直後の状態を示し、ｆ_p ＝１である。図８は図７の結
晶用原料が原料上面からｆ_L 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
でＣ₀ は初期溶融液中の不純物濃度であり、ｆ₀ ＝ｆ_L
である。図９は結晶引き上げ中の変化を示している。溶
融された結晶用原料上面からｆ_s だけ結晶を引き上げる
と、下部固体層の結晶用原料は溶融されてｆ_L になる。
ここでＣ_L は溶融液中の不純物濃度であり、Ｃ_P は下部
固体層の不純物濃度である。そして、ｆ_s からさらにΔ
ｆ_s だけ結晶を引き上げる間にＣ_a・Δｆ_s だけ不純物を
添加した場合、ｆ_L はｆ_L＋Δｆ_L に、Ｃ_L はＣ_L ＋Δ
Ｃ_L に、ｆ_p はｆ_p ＋Δｆ_p に変化する。Ｃ_S は結晶中
の不純物濃度である。この際、変化前のＣ_L 、Ｃ_P 及び
変化後のＣ_S 、Ｃ_L ＋ΔＣ_L 、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（数２）が
成立する。

【００１１】

【数２】

【００１２】但し、

【００１３】

【数３】

【００１４】であるので、これを（数２）式に適用し、
（数２）式中の２次の微小項を省略すると、次の（数
４）式が得られる。

【００１５】

【数４】

【００１６】（数４）式より、例えば理想的な場合とし
てＣ_P ＝０とし、結晶中の不純物濃度Ｃ_S を以下のごと
く算出すると、その偏析が求められる。すなわち、通常
のＣＺ法の場合はｆ_p ＝０、Δｆ_L ＋Δｆ_s ＝０、Ｃ_a
＝０より

【００１７】

【数５】

【００１８】これを（数３）式に代入すると、

【００１９】

【数６】

【００２０】となる。

【００２１】同様にして溶融層法の場合は dＣ_L/ dｆ_s
＝０、Ｃ_P ＝０とすると、（数４）式により、

【００２２】

【数７】

【００２３】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 dｆ_L/ dｆ_s ＝０であることから、

【００２４】

【数８】

【００２５】が得られ、この不純物量Ｃ_a 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Ｃ_a ＝０であり、（数７）式より

【００２６】

【数９】

【００２７】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。

【００２８】図１０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、溶融層１７下の固体層１
８が全部溶融してｆ_p ＝０となった後は、無偏析条件が
成立せず、（数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ｆ_L0とすると、（数９）
式より

【００２９】

【数１０】

【００３０】となる。

【００３１】これら溶融層法においては、溶融層の厚み
の制御はヒータ１２の発熱長、るつぼ１１の深さ及びヒ
ータ１２の外側に周設され、るつぼ１１下部の熱移動を
促進する保温筒（図示せず）の形状及び材質を予め適切
に選択することにより行なわれる。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の溶融層
法においては、上記したようにるつぼ１１下部に固体層
１８が存在するため、ＣＺ法に比べてつるぼ１１と溶融
層１７との接触面積が少なく、引き上げた単結晶１６に
取り込まれる酸素濃度が低いという課題があった。また
単結晶１６の酸素濃度の制御も非常に困難であった。単
結晶１６に取り込まれる酸素濃度の制御は、単結晶１６
の機械的強度を向上させ、またウェハの素子活性領域か
ら重金属等の汚染物質を除去する上で非常に重要である
ことが知られており、従って溶融層法における単結晶１
６の酸素濃度の制御は大きな課題となっていた。

【００３３】本発明は上記した課題に鑑みてなされたも
のであり、単結晶に取り込まれる酸素濃度が高くなるよ
うに酸素濃度を制御することができる結晶成長装置を提
供することを目的としている。

【００３４】

【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装置は、石英製の内層容器と
該内層容器を保持する黒鉛製の外層保持容器とから構成
され、前記内層容器内に結晶用原料が充填されるるつぼ
を備えた結晶成長装置において、前記外層保持容器の内
表面に凹凸が形成されていることを特徴としている。

【００３５】

【作用】一般に、引き上げ単結晶中に取り込まれる酸素
濃度は、るつぼの回転数、溶融層厚等により制御される
が、前述したように溶融層法においては溶融液の下部に
固体層が存在しているため、酸素供給源であるるつぼの
内表面、つまり石英製の内層容器の内表面と溶融液との
接触面積が通常のＣＺ法に比べて小さくなり、従って引
き上げ単結晶中の酸素濃度も低くなる。本発明者らは種
々検討した結果、溶融層厚と引き上げ単結晶中の酸素濃
度との間には強い相関関係があり、石英製の内層容器の
内表面と溶融液との接触面積を大きくすると、単結晶中
の酸素濃度が上昇することを見出した。この接触面積を
大きくするためには、固体層厚を減らし、溶融層厚を増
やす方法が考えられるが、溶融層及び固体層厚を変える
と引き上げ単結晶の軸方向電気抵抗率分布に影響を与え
るため、この方法は望ましくない。

【００３６】一方、シリコン等の単結晶の引き上げに用
いる石英製の内層容器は、１６５０度前後で軟化するこ
とが知られており、また軟化点以下の温度でも高温で保
持すると変形することが知られている。従って、通常の
単結晶の引き上げに際しては、この内層容器の変形を防
止するために内層容器の外側に黒鉛製の外層保持容器を
嵌合している。

【００３７】本発明に係る結晶成長装置によれば、この
外層保持容器の内表面に凹凸が形成されているので、内
層容器に充填された結晶用原料を溶解している間に前記
内層容器がその熱により変形し、内層容器にも前記外装
保持容器の内表面と同様の凹凸が形成される。従って、
同じ溶融層厚でも内層容器の内表面と溶融液との接触面
積が大きくなり、引き上げた単結晶に取り込まれる酸素
濃度が増大する。また前記外層保持容器の内表面の凹凸
の形成具合を制御することによって、引き上げた単結晶
に取り込まれる酸素濃度が制御されることとなる。

【００３８】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る結晶成長装置
の実施例を図面に基づいて説明する。なお、従来例と同
一機能のものについては同一の符合を付すこととする。

【００３９】図１は本発明に係る結晶成長装置の一実施
例を示した模式的断面図であり、図中２４はチャンバを
示している。チャンバ２４は軸長方向を垂直とした略円
筒状の真空容器２４ａにより形成されており、チャンバ
２４は図示しない水冷機構により水冷されている。チャ
ンバ２４の略中央位置にはるつぼ２１が配設されてお
り、るつぼ２１は、有底円筒形状の石英製の内層容器１
１ａと、この内層容器１１ａの外側に嵌合されると共
に、図２に示したような内表面に凹凸２５が形成された
有底円筒形状の黒鉛製の外層保持容器２１ｂとから構成
されている。本実施例では例えば直径が１６インチ、高
さが１４インチの外層保持容器２１ｂを用いることがで
き、凹凸２５は例えば図２に示したような最大深さ１０
mmの三角形の溝を縦方向に刻設することによって形成さ
れる。この場合、外層保持容器２１ｂの内表面積は、同
じ大きさを有する図６に示した従来形状の外層保持容器
１１ａの約２倍となる。また外層保持容器２１ｂには一
体式と分割式とがあるが、本実施例では一体式のものを
示している。このるつぼ２１の外層保持容器２１ｂの底
部には、るつぼ２１を回動並びに昇降させるるつぼ支持
軸１９が設けられており、るつぼ２１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９
０mm程度の発熱長を有するヒータ１２が配設されてい
る。そして例えば溶融層法においては、このヒータ１２
とるつぼ２１との相対的な上下方向への位置調節によっ
て、るつぼ２１内の溶融層１７、固体層１８のそれぞれ
の厚さが調節され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。

【００４０】一方、るつぼ２１の上方には、チャンバ２
４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２３を通して引き上げ軸１４が回動並びに昇降可能
に吊設されており、引き上げ軸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。

【００４１】上記したようにこの結晶成長装置において
は、るつぼ２１の外層保持容器２１ｂの内表面に凹凸２
５が形成されているので、石英製の内層容器１１ａに充
填された結晶用原料の溶解中に内層容器１１ａがその熱
により変形し、内層容器１１ａにも外装保持容器２１ｂ
の内表面と同様の凹凸が形成される。従って、内層容器
１１ａの内表面と溶融液との接触面積を大きくすること
ができ、これに伴って引き上げた単結晶１６に取り込ま
れる酸素濃度を高くすることができる。また外層保持容
器２１ｂの内表面の凹凸２５の形成具合により、上記接
触面積を制御することができるので、外層保持容器２１
ｂの内表面の凹凸２５の形成具合を制御することによっ
て引き上げた単結晶１６に取り込まれる酸素濃度を制御
することができる。さらに固体層１８は溶融層１７より
比重が小さいが、内層容器１１ａの内表面の変形によっ
て固体層１８が係止されるため、単結晶１６引き上げ中
における固体層１８の浮上を防止することができる。従
って、この結晶装置によれば品質がより向上した単結晶
１６を製造することが可能となる。

【００４２】以下に、より具体的な例として上記結晶成
長装置を用い、溶融層法によりシリコンの単結晶１６を
成長させた場合を説明する。まず、黒鉛製の外層保持容
器２１ｂに石英製の内層容器１１ａを嵌合したるつぼ２
１内に結晶用原料としてシリコンの多結晶６５kgを充填
し、チャンバ２４内を１０TorrのＡr 雰囲気にした後、
ヒータ１２のパワーを１００kw程度にして全ての結晶用
原料を溶融する。次にヒータ１２のパワーを７０kw程度
にし、溶融液下部に固体層１８を成長させ、安定させ
る。その後、種結晶１５の下端を溶融層１７に浸漬し、
るつぼ２１及び引き上げ軸１４を、るつぼ２１の回転／
引き上げ軸１４の回転＝１rpm ／１０rpm の比で同方向
に回転させつつ、６インチの単結晶１６を引き上げる。

【００４３】図３は本実施例に係る結晶成長装置及び従
来の結晶成長装置をそれぞれ用い、上記操作により単結
晶１６を引き上げたときの単結晶化率と酸素濃度との関
係を示したグラフであり、図中実線は本実施例に係る結
晶成長装置の場合、破線は従来の結晶成長装置の場合を
それぞれ示している。

【００４４】図３より明らかなように従来の結晶成長装
置では、いずれの単結晶化率においても酸素濃度が１０
〜１１×１０¹⁷（／cm³)と低レベルであるのに対し、本
実施例に係る結晶成長装置では、いずれの単結晶化率に
おいても酸素濃度が１５〜１６×１０¹⁷（／cm³)と高
く、引き上げ単結晶中の酸素濃度が大幅増大したことが
わかる。このことからも、るつぼ２１の外層保持容器２
１ｂの内表面に凹凸２５を形成し、内層容器１１ａを変
形させて内層容器１１ａの内表面と溶融液との接触面積
を大きくすることは、単結晶１６に取り込まれる酸素濃
度を高める上で有効であり、かつ外層保持容器２１ｂの
内表面の凹凸２５の形成具合を制御して上記接触面積を
制御することは、単結晶１６に取り込まれる酸素濃度を
制御する上で有効であることが確認される。

【００４５】なお、上記実施例においては溶融層法を用
いて単結晶を成長させる場合について述べたが、ＣＺ法
を用いて単結晶を成長させる場合にも適用することがで
きる。また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。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明により明らなように、本発明
に係る結晶成長装置にあっては、外層保持容器の内表面
に凹凸が形成されているので、結晶用原料の溶融時に内
層容器が変形してその内表面積が大きくなることによっ
て、内層容器の内表面と溶融液との接触面積を大きくす
ることができ、単結晶に取り込まれる酸素濃度を高くす
ることができる。また、外層保持容器の内表面の凹凸の
形成具合を制御することによって、引き上げた単結晶に
取り込まれる酸素濃度を制御することができる。さらに
内層容器の変形により、溶融層法においては単結晶引き
上げ中における固体層の浮上を防止することができた
め、品質がより向上した単結晶を製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長装置の一実施例を示す模
式的断面図である。

【図２】本発明に係る結晶成長装置の外層保持容器の一
例を概略的に示した断面図である。

【図３】本実施例に係る結晶成長装置及び従来の結晶成
長装置をそれぞれ用い、単結晶を引き上げたときの単結
晶化率と酸素濃度との関係を示したグラフである。

【図４】ＣＺ法に用いられる従来の結晶成長装置の模式
的断面図である。

【図５】溶融層法に用いられる従来の結晶成長装置の模
式的断面図である。

【図６】従来の結晶成長装置の外層保持容器の一例を概
略的に示した断面図である。

【図７】〜

【図１０】溶融層法の原理を示す説明図である。

【符合の説明】

１１ａ内層容器２１るつぼ２１ｂ外層保持容器２５凹凸

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】石英製の内層容器と該内層容器を保持す
る黒鉛製の外層保持容器とから構成され、前記内層容器
内に結晶用原料が充填されるるつぼを備えた結晶成長装
置において、前記外層装保持容器の内表面に凹凸が形成
されていることを特徴とする結晶成長装置。