JPH0524972A

JPH0524972A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH0524972A
Application number: JP2626191A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kubo; 高行久保; Sumio Kobayashi; 純夫小林; 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: 1991-02-20
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】るつぼ１１の周囲にメインヒータ２２ａ及びサブヒータ
２２ｂを配設し、前記つぼ１１内に充填された結晶用原
料をメインヒータ２２ａ及びサブヒータ２２ｂを用いて
全て溶融した後、その溶融液をるつぼ１１底部より上方
へ向けて凝固させて固体層１８を形成する。そしてメイ
ンヒータ２２ａ及びサブヒータ２２ｂを用い、（ｆ_L0−
ｆ_L)／ｆ_s ＝Ｋe が成り立つようにヒータのパワーを制
御して固体層１８を上側から溶融していき、固体層１８
上部に形成された溶融層１７の溶融液を上方に引き上げ
て単結晶１６を成長させる。このことによって引き上げ
中の固体層１８の溶融量は正確に制御され、単結晶１６
引き上げ時における溶融層１７中の不純物濃度を一定に
保つことができ、軸方向の電気抵抗率が一定である単結
晶１６を得ることができる。

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結晶成長方法に関する。

【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、図６に示したよう
な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同じく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１
１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１
３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。

【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６〜図９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６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７は図６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８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９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１８
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】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の溶融層
法による単結晶１６の引き上げにおいては、一定の引き
上げ結晶径、例えば６インチの単結晶１６を引き上げた
い場合は１５４ｍｍの結晶径を保つ必要があり、かつ一
定の引き上げ速度、例えば１ｍｍ／ｍｉｎを保つ必要が
あるため、ヒータ１２により固体層１８の溶解量を制御
することは困難であった。その結果、引き上げ時におけ
る溶融液中の不純物濃度が一定になり難く、引き上げた
単結晶１６の軸方向の電気抵抗率も一定になり難いとい
う課題があった。

【００３２】本発明は上記した課題に鑑みてなされたも
のであり、単結晶引き上げ時における固体層の溶解量を
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。

【００３３】

【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方法は、るつぼ内の結晶用原
料の上部をヒータにより溶融させて上層に溶融層を、下
層に固体層を形成し、引き上げに伴って前記固体層を前
記ヒータにより溶融させて単結晶の引き上げを行なう結
晶成長方法において、前記ヒータをメインヒータとサブ
ヒータとから構成して前記メインヒータ及び前記サブヒ
ータを配設し、単結晶引き上げ中に前記メインヒータ及
び前記サブヒータを用いて前記固体層の溶融量を制御し
つつ単結晶の引き上げを行なうことを特徴としている。

【００３４】

【作用】上記した方法によれば、ヒータをメインヒータ
とサブヒータとから構成して前記メインヒータ及び前記
サブヒータを配設し、単結晶引き上げ中に前記メインヒ
ータ及び前記サブヒータを用いて前記固体層の溶融量を
制御しつつ単結晶の引き上げを行なうので、前記メイン
ヒータ及び前記サブヒータのパワーを（数１０）式より
導かれる次式（数１１）が成り立つように制御すること
によって単結晶引き上げ中の固体層の溶融量が溶融層厚
変化法における無偏析条件に従い正確に制御されること
となる。

【００３５】

【数１１】

【００３６】その結果、単結晶引き上げ時における溶融
層中の不純物の濃度が一定に保たれ、引き上げ単結晶中
の不純物濃度がそれぞれの引き上げ過程において常に一
定となり、軸方向の電気抵抗率が一定である単結晶が得
られる。また前記メインヒータ及び前記サブヒータのパ
ワーを制御してパワーバランスを図ることにより、単結
晶の引き上げ速度及び単結晶の直径制御等を行なうこと
も可能となる。

【００３７】

【実施例及び比較例】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
一機能のものについては同一の符合を付すこととする。
図１は本発明に係る結晶成長方法を実施する装置の一例
を示した模式的断面図であり、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
状の真空容器２１ａにより形成されており、チャンバ２
１は図示しない水冷機構により水冷されている。チャン
バ２１の略中央位置には従来と同様に構成されたるつぼ
１１が配設されており、本実施例では例えば直径が１６
インチ、高さが１４インチの内層容器１１ａを用いてい
る。このるつぼ１１の外層保持容器１１ｂの底部には、
るつぼ１１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１１上部側の外周には、例えば
９０mm程度の発熱長を有するメインヒータ２２ａが同心
円筒状に配設されている。またメインヒータ２２ａの３
０ｍｍ程度下方には、メインヒータ２２ａと略同径であ
り、例えば９０mm程度の発熱長を有するサブヒータ２２
ｂが同心円筒状に配設されており、さらにメインヒータ
２２ａ及びサブヒータ２２ｂの外側には、保温筒２３が
周設されている。

【００３８】一方、るつぼ１１の上方には、チャンバ２
１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中に浸漬して種結晶１５を溶融液になじませた
後、任意の速度で直径を制御しながら、種結晶１５及び
るつぼ１１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。

【００３９】このように構成された結晶成長装置を用い
て単結晶を成長させる場合は、まず、るつぼ１１内に結
晶用原料としてシリコンの多結晶６５kg（ランプ３５k
g、チップ３０kg）を充填し、チャンバ２１内を１０Tor
rのＡr 雰囲気にした後、メインヒータ２２ａ及びサブ
ヒータ２２ｂのパワーをそれぞれ５０kw程度、計１００
kw程度にして全ての結晶用原料を溶融する。次にサブヒ
ータ２２ｂのパワーを０kw、メインヒータ２２ａのパワ
ーを７０kw程度にし、溶融液下部に固体層１８を成長さ
せる。固体層１８の成長が止まり安定したら、Ｎ形ドー
パントのリンを０．００５ｇ添加する。この後種結晶１
５の下端を溶融層１７に浸漬し、るつぼ１１及び引き上
げ軸１４を、るつぼ１１の回転／引き上げ軸１４の回転
＝１rpm ／１５rpm の比で回転させつつ単結晶１６を引
き上げる。単結晶１６の引き上げがネック、ショルダと
移行し、ボディへ移ったら、前述の（数１１）式に示し
た溶融層厚変化法における無偏析条件に従うようにサブ
ヒータ２２ｂのパワーを入力する。なおサブヒータ２２
ｂのパワーの入力は、引き上げ速度１mm／min 、引き上
げ結晶径１５４mmが維持されるようにメインヒータ２２
ａのパワーを調整しながら行なう。

【００４０】図２に単結晶１６の引き上げに際してサブ
ヒータ２２ｂを入力した場合、サブヒータ２２ｂを入力
しなかった場合のヒートパターンをそれぞれ示す。図中
Ａの実線及び一点鎖線はそれぞれ、サブヒータ２２ｂを
入力した場合のメインヒータ２２ａ及びサブヒータ２２
ｂのヒートパターンであり、図中Ｂはサブヒータ２２ｂ
を入力しなかった場合のメインヒータ２２ａのヒートパ
ターンである。また図中縦軸、横軸はそれぞれヒータの
パワー、結晶化率を示している。なお、サブヒータ２２
ｂを入力した場合のメインヒータ２２ａ及びサブヒータ
２２ｂのヒートパターンは、上記したように（数１１）
式に示した溶融層厚変化法における無偏析条件を考慮し
て行なった結果である。

【００４１】図３は図２に示したヒートパターンで単結
晶１６の引き上げ中の固体層１８の溶融を行なったとき
の結晶化率に対する軸方向の電気抵抗率分布を示したも
のである。サブヒータ２２ｂを入力しなかったＢのヒー
トパターンでは、引き上げ前半では固体層１８の溶けだ
しが少なく、溶融液のドーパント濃度が高くなってい
る。また引き上げ後半では逆に固体層１８が成長し、溶
融液濃度が引き上げ中の単結晶１６と固体層１８とによ
る偏析で非常に高くなっているため、引き上げ結晶化率
に伴い電気抵抗率が下がっているのがわかる。さらにＢ
のヒートパターンでは、結晶化率ｆ_s ＝０．４で引き上
げ単結晶１６と固体層１８とが固着した。

【００４２】一方、サブヒータ２２ｂを入力したＡのヒ
ートパターンでは、引き上げに伴う固体層１８の溶融量
が（数１１）をほぼ満足するため、溶融層１７中の不純
物濃度はほぼ一定で、引き上げ単結晶１６の電気抵抗率
分布も結晶化率ｆ_s ＝０．６５で０．９４以上であっ
た。また引き上げ単結晶１６と固体層１８との固着も起
こらなかった。さらにヒートパターンを制御することに
より、一層の軸方向電気抵抗率分布の均一化を達成する
ことも可能である。

【００４３】このように上記実施例に係る結晶成長方法
によれば、単結晶引き上げ中の固体層１８の溶融をメイ
ンヒータ２２ａ及びサブヒータ２２ｂを用い（数１１）
が成り立つように制御するので、単結晶１６引き上げ中
の固体層１８の溶融量を溶融層厚変化法における無偏析
条件に従い正確に制御することができる。その結果、単
結晶１６引き上げ時における溶融層１７中の不純物濃度
を一定に保つことができ、軸方向の電気抵抗率が一定で
ある単結晶１６を成長させることができる。また単結晶
引き上げ中の固体層１８の溶融をサブヒータ２２ｂをも
用いて行なうので、引き上げ後半で発生する引き上げ単
結晶１６と固体層１８との固着も防止することができ
る。さらにメインヒータ２２ａ及びサブヒータ２２ｂの
パワーを制御してパワーバランスを図ることにより、単
結晶１６の引き上げ速度及び単結晶１６の直径制御等を
行なうこともできる。

【００４４】なお、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。また上
記実施例においては、メインヒータ２２ａ及びサブヒー
タ２２ｂをそれぞれ単数のヒータで構成した場合につい
て述べたが、これに限定されるものではなく複数のヒー
タで構成することもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明により明らなように、本発明
に係る結晶成長方法においては、ヒータをメインヒータ
とサブヒータとから構成して前記メインヒータ及び前記
サブヒータを配設し、単結晶引き上げ中に前記メインヒ
ータ及び前記サブヒータを用いて前記固体層の溶融量を
制御しつつ単結晶の引き上げを行なうので、単結晶引き
上げ中の固体層の溶融量を正確に制御することができ、
単結晶引き上げ時における溶融層中の不純物濃度を一定
に保つことができる。従って、軸方向の電気抵抗率が一
定である単結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長方法を実施するための装
置の一例を示した模式的断面図である。

【図２】単結晶の引き上げに際してサブヒータを入力し
た場合、サブヒータを入力しなかった場合のヒートパタ
ーンを示したグラフである。

【図３】図２に示したヒートパターンで単結晶の引き上
げ中の固体層の溶融を行なったときの結晶化率に対する
軸方向の電気抵抗率分布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】〜

【図９】溶融層法の原理を示す説明図である。

【符合の説明】

１１るつぼ１６単結晶１７溶融層１８固体層２２ａメインヒータ２２ｂサブヒータ

フロントページの続き (72)発明者藤原俊幸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】るつぼ内の結晶用原料の上部をヒータに
より溶融させて上層に溶融層を、下層に固体層を形成
し、引き上げに伴って前記固体層を前記ヒータにより溶
融させて単結晶の引き上げを行なう結晶成長方法におい
て、前記ヒータをメインヒータとサブヒータとから構成
して前記メインヒータ及び前記サブヒータを配設し、単
結晶引き上げ中に前記メインヒータ及び前記サブヒータ
を用いて前記固体層の溶融量を制御しつつ単結晶の引き
上げを行なうことを特徴とする結晶成長方法。