JPH0532480A

JPH0532480A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH0532480A
Application number: JP3026387A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujiwara; 秀樹藤原; Sumio Kobayashi; 純夫小林; Shunji Miyahara; 俊二宮原; Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; Takayuki Kubo; 高行久保; 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: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高い酸素濃度を有する単結晶を得ることができ
る結晶成長方法の提供。【構成】るつぼ１１及び引き上げ軸１４の回転速度及び
回転方向を調整し、溶融層１７の溶融液の対流を制御す
ることにより単結晶１６中の酸素濃度を制御する。この
ことにより、引き上げた単結晶１６に取り込まれる酸素
濃度を向上させることができ、高い酸素濃度を有する単
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（以下ＣＺ法と記
す）がある。図５は従来のＣＺ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１１
ａと、この内層容器１１ａの外側に嵌合された有底円筒
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１
５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。なお、上記実効偏析係数Ｋeは公知で
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６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５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、この不純物料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。Ｋe ＜１なのでｆ_L0＝Ｋe とする
ことにより引き上げ終了時まで無偏析条件を保つことが
でき、偏析が軽減されると共に歩留まりを高くすること
ができる。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】ところで引き上げられ
た単結晶１６を評価する重要な要素として、単結晶１６
中の酸素濃度がある。通常、酸素は石英製の内層容器１
１ａから次式（数１１）の如く溶融層１７の溶融液中に
溶出する。

【００３２】

【数１１】

【００３３】しかしながら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。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１６の酸素濃度の制
御は大きな課題となっていた。

【００３４】本発明は上記した課題に鑑みてなされたも
のであり、高い酸素濃度を有する単結晶を得ることがで
きる結晶成長方法を提供することを目的としている。

【００３５】

【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、回動可能なるつぼを
配設すると共に該るつぼの上方に回動可能な引き上げ軸
を配設し、前記るつぼ内に充填された結晶用原料を上側
から下側に向けて溶融しつつ、その溶融液に前記引き上
げ軸を接触させて該引き上げ軸を回転させながら前記溶
融液を上方へ引き上げて単結晶を成長させる結晶成長方
法において、前記るつぼ及び前記引き上げ軸の回転速度
と回転方向とを調整することにより、前記単結晶中の酸
素濃度を制御することを特徴としている。

【００３６】

【作用】溶融液中に溶出する酸素の溶出速度は、石英製
の内層容器の温度や溶融液の対流により変化する。また
溶出した酸素は主に、溶融液の対流によって単結晶成長
界面まで運ばれる。ところが上記した溶出酸素の９０％
以上は溶融液の表面から蒸発し、単結晶中に取り込まれ
る量は全溶出量のごく一部である。従って溶融液の対流
をうまく制御することにより、単結晶中に取り込まれる
酸素量を増やすことが可能である。対流には自然対流
と、るつぼや引き上げ軸の回転による強制対流とがあ
り、後者の強制対流は前者の自然対流に対しその影響が
はるかに大きいので、るつぼの回転や引き上げ軸の回転
を制御することにより溶融液の対流を制御することが可
能となる。

【００３７】本発明に係る結晶成長方法によれば、るつ
ぼ及び前記引き上げ軸の回転速度と回転方向とを調整
し、溶融層の溶融液の対流を制御することにより単結晶
中の酸素濃度を制御するので、高い酸素濃度を有する単
結晶が得られることとなる。

【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２１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下方の所定寸法離れた
箇所には、メインヒータ２２ａと略同径のサブヒータ２
２ｂ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。

【００４０】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、引き上げ軸１４及びるつぼ１１を後述する条件で回
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】図２はるつぼ１１の回転速度と単結晶１６
に取り込まれた酸素濃度との関係を調べた結果を示した
グラフであり、引き上げ軸１４の回転速度を１５rpm と
した場合について示している。また一点鎖線で囲まれた
酸素濃度の範囲は、通常のＣＺ法により引き上げた単結
晶の酸素濃度範囲（１３〜１８×１０¹⁸atoms/cc）を示
しており、破線は従来の溶融層法で実施されるるつぼ１
１の回転速度及び方向とそのときの単結晶１６中の酸素
濃度を示している。図２から明らかなように、るつぼ１
１の回転速度によって単結晶１６中に取り込まれる酸素
濃度が大きく変化し、るつぼ１１と引き上げ軸１４とが
同方向に回転し、かつるつぼ１１の回転速度が１rpm 付
近である場合において酸素濃度は最も高く、それ以外の
回転速度及び回転方向の組み合わせではいずれも低くな
ることがわかった。また、上記したるつぼ１１の回転速
度が１rpm 付近のときの酸素濃度は、通常のＣＺ法で得
られる酸素濃度を満足することも確認された。

【００４２】一方、図３は引き上げ軸１４の回転速度と
単結晶１６に取り込まれた酸素濃度との関係を調べた結
果を示したグラフであり、るつぼ１１を引き上げ軸１４
と同方向に１rpm で回転させた場合について示してい
る。図３から明らかなように、引き上げ軸１４の回転速
度の変化に伴う引き上げ単結晶１６中の酸素濃度の変化
は、上記したるつぼ１１の回転速度の変化によるもの程
の効果は得られないものの、引き上げ軸１４の回転速度
を速めると酸素濃度が低下することがわかった。また、
同様の実験をチャンバ２１内の要素のサイズや配置を変
えて行なっても、図２及び図３に示したのと同様の傾向
が得られることが確認された。これらの結果から、るつ
ぼ１１及び引き上げ軸１４の回転速度及び回転方向を調
整することは、引き上げ単結晶１６内に取り込まれる酸
素濃度を制御する上で有効であることがわかる。

【００４３】以下に、上記の如く構成された結晶成長装
置を用いて直径が６インチの単結晶１６を引き上げる場
合について述べる。引き上げ条件を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】まず、るつぼ１１内に結晶用原料として高
純度多結晶シリコンを６０kg充填し、チャンバ２１内を
１０TorrのＡr 雰囲気にした後、メインヒータ２２ａ及
びサブヒータ２２ｂを用い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にして溶融液
下部に固体層１８を成長させ、固体層１８の成長が止ま
り安定したら、不純物として結晶用原料に対して実効偏
析係数Ｋe が０．３５であるリンを添加する。この後種
結晶１５の下端を溶融層１７に浸漬し、るつぼ１１及び
引き上げ軸１４を同方向に回転させると共に、るつぼ１
１の回転／引き上げ軸１４の回転＝１rpm ／１５rpm の
比で回転させながら溶融層厚変化法により単結晶１６を
引き上げる。

【００４６】図４はるつぼ１１及び引き上げ軸１４を上
記した速度及び方向で回転させて単結晶１６を引き上げ
たときの単結晶１６のボディ長と酸素濃度との関係を示
したグラフであり、従来例としてるつぼ１１を引き上げ
軸１４と逆方向に５rpm で回転させた場合も併せて示し
ている。また、図中〇は本実施例の場合、△は従来例の
場合をそれぞれ示している。図４より明らかなように従
来例の場合では、いずれの単結晶１６のボディ長におい
ても酸素濃度が１１〜１２×１０¹⁸（atoms/cc) と極め
て低いのに対し、本実施例に係る結晶成長方法では、い
ずれの単結晶１６のボディ長においても酸素濃度が１７
〜１８×１０¹⁸（atoms/cc) とＣＺ法と同等の高酸素濃
度の単結晶１６が得られた。

【００４７】このように本発明に係る結晶成長方法で
は、るつぼ１１及び引き上げ軸１４の回転速度及び回転
方向を調整し、溶融層１７の溶融液の対流を制御するこ
とにより単結晶１６中の酸素濃度を制御するので、高い
酸素濃度を有する単結晶１６を得ることができる。

【００４８】

【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あっては、るつぼ及び引き上げ軸
の回転速度と回転方向とを調整することにより、単結晶
中の酸素濃度を制御するので、高い酸素濃度を有する単
結晶を成長させることができ、品質が向上した単結晶を
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】るつぼの回転速度と単結晶に取り込まれた酸素
濃度との関係を調べた結果を示したグラフである。

【図３】引き上げ軸の回転速度と単結晶に取り込まれた
酸素濃度との関係を調べた結果を示したグラフである。

【図４】本実施例に係る結晶成長方法及び従来の方法で
単結晶を引き上げたときの単結晶のボディ長と酸素濃度
との関係を示したグラフである。

【図５】従来のＣＺ法で用いられる結晶成長装置の模式
的断面図である。

【図６】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７】〜

【図１０】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１４引き上げ軸１６単結晶

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者久保高行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】回動可能なるつぼを配設すると共に該る
つぼの上方に回動可能な引き上げ軸を配設し、前記るつ
ぼ内に充填された結晶用原料を上側から下側に向けて溶
融しつつ、その溶融液に前記引き上げ軸を接触させて該
引き上げ軸を回転させながら前記溶融液を上方へ引き上
げて単結晶を成長させる結晶成長方法において、前記る
つぼ及び前記引き上げ軸の回転速度と回転方向とを調整
することにより、前記単結晶中の酸素濃度を制御するこ
とを特徴とする結晶成長方法。