JPH0543384A

JPH0543384A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH0543384A
Application number: JP13110091A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; Sumio Kobayashi; 純夫小林; Shunji Miyahara; 俊二宮原; Takayuki Kubo; 高行久保; 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: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【構成】るつぼ内のシリコン単結晶用原料を上側から
下側へ向けて溶融させつつ、該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、前記シリ
コン単結晶用原料のすべてを溶融させて該溶融液にリン
をドーピング不純物として含有させた後該溶融液を前記
るつぼ底より上方へ向かって凝固させ、該凝固により形
成される固体層を、使用するシリコン単結晶原料の０．
３〜０．６８倍の範囲で形成し、前記るつぼ上部に溶融
層を共存させ、前記固体層を上側から下側へ向けて溶融
させつつ前記溶融層の体積をほぼ一定に保ちながら該溶
融層よりシリコン単結晶を成長させる結晶成長方法。【効果】結晶引き上げ中の溶融液中ドーパントの偏析
を防止することができるとともに、結晶中ドーパント濃
度を均一化して結晶の歩留まりを改善することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶成長方法、より詳細
にはるつぼ内のシリコン単結晶用原料を上側から下側へ
向けて溶融させつつ、該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、半導体等の材料に使用されるシリコン単結晶は、
チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン
法と呼ばれる引き上げ方法によって形成される。

【０００３】図４は従来のＣＺ法で使用される単結晶成
長装置の要部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、
同じく有底円筒状の黒鉛製の外層容器１１ｂとから構成
されており、るつぼ１１の外側にはヒータ１２が同心円
筒状に配設されている。また、るつぼ１１内にはこのヒ
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、るつぼ１１の中心軸上にワイヤ１５が吊設され
て、このワイヤ１５の先には種結晶（図示せず）が取り
付けられている。

【０００４】単結晶１４を成長させる際には、種結晶を
溶融液１３の表面に接触させてワイヤ１５を引き上げて
いくことにより溶融液１３が凝固して形成される単結晶
１４を成長させている。

【０００５】ところで、半導体単結晶１４をこの方法で
成長させる場合、単結晶１４の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。例えば、半導体
材料として使用されるシリコン単結晶であれば電気伝導
型、電気抵抗率を調整するためドーパントとしてリン等
を使用する。しかし、この際添加した不純物は、数１の
Ｐｆａｎｎの式で示されたように、単結晶１４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、
電気抵抗率が一定とならない等、結晶成長方向に均一な
電気的特性を有する単結晶１４が得られず、歩留まりが
低いという問題があった。

【０００６】

【数０１】

【０００７】上記不純物の偏析を抑制しながら結晶を成
長させる方法として、溶融層法がある。溶融層法は図５
に示したごとく、図４に示したものと同様に構成された
るつぼ１１内の原料の上部のみをヒータ１２にて溶融さ
せることにより、るつぼ１１内の上部には溶融層１６、
下部には固体層１７を形成して単結晶１４を成長させ
る。

【０００８】溶融層法としては、ドーパントを含有しな
い固体層１７を形成した後、溶融層１６にドーパントを
添加し、引上げに伴って固体層１７を溶融させつつ溶融
層１６の体積を一定に保ちながら単結晶１４中に取り込
まれただけのドーパントを連続的に溶融層１６に添加
し、溶融液中ドーパント濃度を一定に保つ方法（特公昭
３４−８２４２号公報、特公昭６２−８８０号公報、実
開昭６１−１５０８６２号公報）や、固体層１７中にド
ーパントを含有させて単結晶１４の引上げ中には溶融層
１６に添加せずに上記と同様に溶融層１６の体積を一定
に保って、溶融液中ドーパント濃度の変化を軽減させる
方法（特公昭６２−８８０号公報、特開昭６３−２５２
９８９号公報）の溶融層厚一定法がある。

【０００９】さらに、ドーパントを含有しない固体層１
７を単結晶１４の引上げに伴って溶融させるが、単結晶
１４の成長とともに溶融層１６の体積を変化させてドー
パントを溶融層１６に添加せずに、溶融層１６中のドー
パントの濃度を一定に保つ方法（特開昭６１−２０５６
９号公報、特開昭６１−２０５６９２号公報、特開昭６
１−２１５２８５号公報）である溶融層厚変化法があ
る。

【００１０】溶融層法のドーパント偏析防止の原理は図
６（ａ）及び（ｂ）に示す一次元モデルによって説明す
ることができる。図６（ａ）及び（ｂ）は結晶引き上げ
中の状態を示し、横軸は相率座標を表わす。ここで、ド
ーパントは溶融液中で完全に混合されて溶融液中ドーパ
ント濃度は均一、固体中では拡散なしとする。このと
き、ドーパントの総量Ｗ_d は図６（ａ）において、数２
により与えられる。

【００１１】

【数０２】

【００１２】ｆ_s ＋ｆ_L ＋ｆ_p ＝１溶融させた結晶用原料上面からΔｆ_s だけさらに結晶を
引き上げると、図６（ｂ）に示したように、結晶の引き
上げ率がｆ_s からｆ_s ＋Δｆ_s へ変化し、下部固体層率
がｆ_p からｆ_p ＋Δｆ_p へ変化する。そして、ｆ_s から
Δｆ_s だけ結晶を引き上げる間にＣ_a・Δｆ_s だけドーパ
ントを添加した場合、ドーパントの総量Ｗ_D は数３によ
って表わされる。

【００１３】

【数０３】

【００１４】したがって、数２、数３及びΔｆ_L ＝−Δ
ｆ_s −Δｆ_p より、

【００１５】

【数０４】

【００１６】が得られる。ここで、Ｃ_P （１−ｆ_p ）は
Ｃ_P （ｆ_p ）と表わした。

【００１７】数４を微分形で表現すると、

【００１８】

【数０５】

【００１９】となり、固体の成長界面では局所平衡が成
り立つと仮定すると、結晶成長過程、固体層成長過程で
は数６及び数７が成立する。

【００２０】

【数０６】

【００２１】

【数０７】

【００２２】引き上げ中（Δｆ_s ＞０）、固体層を溶融
させている場合（Δｆ_p ＜０）、数５は数８及び数９の
形にできる。

【００２３】

【数０８】

【００２４】

【数０９】

【００２５】固体層の溶融速度を数１０のように一定で
あると考えると、

【００２６】

【数１０】

【００２７】となり、このとき、

【００２８】

【数１１】

【００２９】

【数１２】

【００３０】となる。また数１２より、

【００３１】

【数１３】

【００３２】となり、数８、数９及び数１３より、

【００３３】

【数１４】

【００３４】

【数１５】

【００３５】が得られる。数１５は固体層の全溶融以後
の溶融液中ドーパント濃度を示しており、数６より数１
を導出することができる。

【００３６】例えば、固体層中にドーパントを含有させ
ない場合、つまりＣ_P ＝０の場合、数１４は数１６とな
る。

【００３７】

【数１６】

【００３８】ドーパントの無偏析条件は、 dＣ_L/ dｆ_s
＝０より、数１７を満足することである。

【００３９】

【数１７】

【００４０】すなわち、溶融層厚一定法ではα＝１であ
るから、数１８が無偏析条件であり、

【００４１】

【数１８】

【００４２】また、溶融層厚変化法に適用した場合は、
不純物の連続添加を行なわず、Ｃ_a＝０であるので、数
１９が無偏析条件である。

【００４３】

【数１９】

【００４４】なお、どちらの場合も固体層がすべて溶融
した後は、数１５に従って偏析を起こす。

【００４５】一方、固体層中にドーパントを含有させる
場合、すなわちＣ_P ≠０の場合、るつぼ内に挿入した結
晶用原料をすべて溶融させ、この溶融液にドーパントを
含有させた状態より、るつぼの底から上向きに溶融液を
凝固させ、固体層を形成するのが一般的である。このと
き、固体層中のドーパント濃度は数２０で表わされる。

【００４６】

【数２０】

【００４７】また、結晶引き上げ開始時の溶融液中ドー
パント濃度は数２１で表わされる。

【００４８】

【数２１】

【００４９】この方法では、結晶引き上げ中に溶融液へ
のドーパントの添加を行なわないからＣ_a ＝０であり、
溶融層厚一定法ではα＝１であるから数１４から数２２
を得る。

【００５０】

【数２２】

【００５１】そして、数２２を変形すると、

【００５２】

【数２３】

【００５３】となる。

【００５４】また、数２３を数値積分し、ｆ_P0＝０．
８、ｋ_e＝０．８として解いた結晶引き上げ開始時の溶
融液中ドーパント濃度で正規化した溶液中ドーパント濃
度Ｃ_L／Ｃ_* の変化を図７に示す。図７より明らかなよ
うに、ＣＺ法と比べてドーパントの偏析を軽減すること
ができる。また、α≠１の場合、数１４は数２４の形と
なる。

【００５５】

【数２４】

【００５６】

【発明が解決しようとする課題】通常ＣＺ法あるいは溶
融層法によってシリコン単結晶１４等を製造する場合、
種結晶からネッキングを行ない単結晶１４を無転位化し
た後、所定径にして引き上げを行なうが、単結晶１４引
上げの途中で単結晶１４中に転位が発生することがしば
しば起こる。一旦単結晶１４に有転位化が起こると、そ
れ以降は転位が増殖してゆき、製品として使用すること
ができなくなる。このため、有転位化した単結晶１４の
引上げを中止し、単結晶１４を溶液中に溶かし込んで
（リメルト）、再度一から単結晶１４を引上げるという
過程を行なうことがある。

【００５７】溶融層法によって固体層１７中にドーパン
トを含有させない方法で単結晶１４の引上げを行なう場
合においてリメルトを行なうと、リメルトによって、ド
ーパントを含有した単結晶１４を溶融させることとな
り、るつぼ１１底から上向きに溶融液を凝固させて固体
層１７を形成することによって固体層１７中にドーパン
トが取り込まれることとなり、狙ったドーパント濃度の
単結晶１４がリメルト後に引上げる単結晶１４では得ら
れないという課題があった。

【００５８】また、溶融層法において、固体層１７中に
ドーパントを含有させる方法では、リメルトを行なうこ
とによって単結晶１４に生じる、所定ドーパント濃度か
らのずれは軽減されるが、たとえば、シリコンに対して
実効偏析係数が≒０．３５であるリンをドーパントとし
て使用した場合、図８に示した溶融層厚一定法による溶
融液中のドーパント濃度（図８中Ａ）及びＣＺ法による
溶融液中ドーパント濃度（図８中Ｂ）の変化のように、
溶融層厚一定法において、引き上げ開始時の固体層率に
よってはＣＺ法と比較してもドーパントの偏析の軽減の
効果が期待できないことがあるという課題があった。

【００５９】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであって、リンをドーピングしたシリコン単結晶引
き上げの際に、有転位化に伴うリメルトによる結晶のド
ーパント濃度のずれがなく、ドーパントの偏析を軽減す
ることができるような結晶成長方法を提供することを目
的としている。

【００６０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る結晶成長方法は、るつぼ内のシリコン単
結晶用原料を上側から下側へ向けて溶融させつつ、該溶
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、前記シリコン単結晶用原料のすべてを溶融
させて該溶融液にリンをドーピング不純物として含有さ
せた後該溶融液を前記るつぼ底より上方へ向かって凝固
させ、該凝固により形成される固体層を、使用するシリ
コン単結晶原料の０．３〜０．６８倍の範囲で形成し、
前記るつぼ上部に溶融層を共存させ、前記固体層を上側
から下側へ向けて溶融させつつ前記溶融層の体積をほぼ
一定に保ちながら該溶融層よりシリコン単結晶を成長さ
せることを特徴としている。

【００６１】一般に半導体材料として使用されるシリコ
ン単結晶の抵抗率の許容範囲は下限と上限との比がほぼ
１：１．３であり、例えば９〜１２Ωｃｍというように
その許容量が限定される。抵抗率は結晶中のドーパント
濃度に対してほぼ逆数の関係があり、結晶成長中に実効
偏析係数が変化しなければシリコン単結晶の歩留まりを
評価するのに、溶液中ドーパント濃度を用いることがで
きる。従って、数２３を用い、結晶引き上げ中の溶融液
中ドーパント濃度の許容範囲をＣ₁ 〜１．３Ｃ₁ に設定
してこの範囲に入る結晶引き上げ率により、歩留まりを
評価することで最適な結晶引き上げ開始時の固体層率の
知見が得られる。

【００６２】しかし、本発明者らは本発明の実施を行な
う過程で、狙いの引き上げ開始時の固体層率にばらつき
を生じたり、結晶引き上げ中の溶融層の体積が一定に保
たれない場合があることを発見した。これは以下の過程
に原因があると推定される。つまり、シリコン単結晶の
引き上げの際、炉内でシリコンの溶融液の表面から酸化
物の形態でシリコンが気化して蒸発し、この気化したシ
リコンはるつぼ外層容器の外壁等に到達し、固体シリコ
ンとして固着する。あるいは毎回のヒータ等の設置の
際、るつぼとヒータの相対位置等に若干のずれが生じた
りする。この結果、炉内の伝熱条件が変化するためであ
ると推定される。さらに、固体層率及び溶融層の体積に
ばらつきが生じると、それに伴って溶融液中のドーパン
ト濃度にもずれが生じる。例えばリンをドーパントとし
て添加し引き上げ開始時の固体層率を０．５と想定し、
ばらつきにより固体層率が０．５５となった場合、溶融
液中ドーパント濃度は予定の約１．０７倍になる。従っ
て、引き上げ開始時の固体層率や結晶引き上げ中の溶融
層の体積のばらつきを考慮することによって、総合的に
最適な引き上げ開始時の固体層率を見出し、本発明に至
ったものである。

【００６３】

【作用】引き上げ開始時の固体層のばらつきと結晶引き
上げ中の溶融層の体積のばらつきを調査したところ、結
晶引き上げ開始時の固体層のばらつきは設定値±５％以
内に入ることを見出した。また、結晶引き上げ中の固体
層の体積は設定体積より徐々にずれる傾向が見られた。
つまり、前記溶融層法の原理で述べたαが１よりずれ、
ほぼ一定の値α（≠１）で固体層が変化し、溶融層体積
が一定値よりずれる。このαのばらつき範囲は１±０．
０５であることを実験より見出した。

【００６４】図２は数２３に示した式を用いて実効偏析
係数を０．３５、引き上げ時の固体層率を０．６として
完全な溶融層厚一定法（α＝１）の解析を行なった場合
の溶融液中ドーパント濃度の変化を示す（図２中Ａ）。
また併せて、数２４に示した式を用いて引き上げ開始時
の固体層率（ｆ_P0）、結晶引き上げ中の固体層の変化
（α）がそれぞれ、Ｂ：ｆ_P0＝０．６３（０．６＋５
％）、α＝１．０５（１＋０．０５）、Ｃ：ｆ_P0＝０．
６３（０．６＋５％）、α＝０．９５（１−０．０
５）、Ｄ：ｆ_P0＝０．５７（０．６−５％）、α＝１．
０５（１＋０．０５）、Ｅ：ｆ_P0＝０．５７（０．６−
５％）、α＝０．９５（１−０．０５）の場合の解析結
果を示す。ここで、溶融液中ドーパント濃度はｆ_P0＝
０．６の時の溶融液中ドーパント濃度をＣ_* としてこれ
で正規化して表わした。

【００６５】図２より明らかなように、溶融液中ドーパ
ント濃度が最小となるのはＤの場合の固体層が消滅する
ときであって、その溶融液中ドーパント濃度をＣ₁ とし
て設定すればｆ_P0＝０．６として引き上げを行なった場
合のｆ_P0、αのばらつきを見込んでも結晶の歩留まりと
して図２に示したように６９〜７２％の範囲で得られる
ことが分かる。

【００６６】上記したように、結晶引き上げ開始時の固
体層率ｆ_P0に関してＣ₁ 〜１．３Ｃ₁ の溶融液中ドーパ
ント濃度許容範囲に入る結晶引き上げ率で歩留まりを評
価したものを図３に示す。図３において、例えば結晶引
き上げ開始時の固体層率（ｆ _P0）が０．７の場合では、
ｆ_P0及びαのばらつきにより結晶の歩留まりは４５〜８
４％の値を取り得ることを示している。

【００６７】溶融液中ドーパント濃度の許容範囲を上記
と同様にＣ₁ 〜１．３Ｃ₁ として歩留まりを評価すると
約３３％となる。そこで、溶融層法による歩留まり向上
の目標値として５０％を設定した場合、これを達成する
ことが可能な引き上げ開始時の固体層率は図３から明ら
かなように０．３〜０．６８であることが分かる。

【００６８】従って上記した方法によれば、るつぼ内の
シリコン単結晶用原料を上側から下側へ向けて溶融させ
つつ、該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、前記シリコン単結晶用原料のす
べてを溶融させて該溶融液にリンをドーピング不純物と
して含有させた後該溶融液を前記るつぼ底より上方へ向
かって凝固させ、該凝固により形成される固体層を、使
用するシリコン単結晶原料の０．３〜０．６８倍の範囲
で形成し、前記るつぼ上部に溶融層を共存させ、前記固
体層を上側から下側へ向けて溶融させつつ前記溶融層の
体積をほぼ一定に保ちながら該溶融層よりシリコン単結
晶を成長させるので、結晶引き上げ中の溶融液中ドーパ
ント濃度の偏析が防止されるとともに、結晶中のドーパ
ント濃度の偏析も防止され、結晶の歩留まりが改善され
る。

【００６９】

【実施例】以下、本発明に係る結晶成長方法の実施例を
説明する。図１は結晶成長装置を示す要部の模式的断面
図であり、図中１８は水冷チャンバーを示している。水
冷チャンバー１８の中にるつぼ１１が配設されており、
るつぼ１１は石英製の内層容器１１ａの外周にグラファ
イト製の外層容器１１ｂが配された二重構造となってお
り、るつぼ１１内部の下部には固体層１７が、上部には
溶融層１６が形成されている。またるつぼ１１の底部中
央には水冷チャンバー１８の底壁を貫通した軸１９の上
端が連結され、軸１９によってるつぼ１１を回転させな
がら昇降させることができるようになっている。水冷チ
ャンバー１８には水冷チャンバー１８の上方に連設され
たワイヤ１５が導入されており、その下端には種結晶
（図示せず）がチャックに固定され、この種結晶をるつ
ぼ１１内の溶融液になじませた後、回転させつつ上昇さ
せることによって種結晶の下端に単結晶１４を成長させ
ることができるようになっている。

【００７０】この装置を用いて表１に示したような２つ
の異なるサイズ、原料量で試験を行なった。両方とも、
引き上げ開始時の固体層率として０．４５が得られるよ
うに構成され、単結晶１４引き上げを行なった。この結
果、実施例１では５８％、実施例２では５９％の歩留ま
りを得ることができた。

【００７１】

【表１】

【００７２】このように上記実施例によれば、引き上げ
開始時の固体層率及び結晶引き上げ中の溶融層の体積の
ばらつきを考慮して、溶融層法の溶融層厚一定法を、リ
ンをドーピングしたシリコン単結晶の成長方法に適用す
ることによって、単結晶引き上げ中の溶融液中ドーパン
ト濃度の偏析をＣＺ法と比較して防止することができ
る。従って、結晶中ドーパント濃度を均一化して結晶の
歩留まりを改善することができる。

【００７３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る結晶成
長方法にあっては、るつぼ内のシリコン単結晶用原料を
上側から下側へ向けて溶融させつつ、該溶融液を上方へ
引き上げて単結晶を成長させる結晶成長方法において、
前記シリコン単結晶用原料のすべてを溶融させて該溶融
液にリンをドーピング不純物として含有させた後該溶融
液を前記るつぼ底より上方へ向かって凝固させ、該凝固
により形成される固体層を、使用するシリコン単結晶原
料の０．３〜０．６８倍の範囲で形成し、前記るつぼ上
部に溶融層を共存させ、前記固体層を上側から下側へ向
けて溶融させつつ前記溶融層の体積をほぼ一定に保ちな
がら該溶融層よりシリコン単結晶を成長させるので、結
晶引き上げ中の溶融液中ドーパントの偏析を防止するこ
とができるとともに、結晶中のドーパント濃度を均一化
して結晶の歩留まりを改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長方法で使用する結晶成長
装置を示す模式的断面図である。

【図２】溶融液中ドーパント濃度の解析例を示すグラフ
である。

【図３】結晶引き上げ開始時における固体層率と歩留ま
りとの関係を示す相関図である。

【図４】従来のＣＺ法に用いる結晶成長装置を示す模式
的断面図である。

【図５】従来の溶融層法に用いる結晶成長装置を示す模
式的断面図である。

【図６】（ａ）（ｂ）は溶融層法のドーパント偏析軽減
の原理を示す説明図である。

【図７】溶融液中のドーパント濃度の解析例を示すグラ
フである。

【図８】溶融液中のドーパント濃度の解析例を示すグラ
フである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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】るつぼ内のシリコン単結晶用原料を上側
から下側へ向けて溶融させつつ、該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
シリコン単結晶用原料のすべてを溶融させて該溶融液に
リンをドーピング不純物として含有させた後該溶融液を
前記るつぼ底より上方へ向かって凝固させ、該凝固によ
り形成される固体層を、使用するシリコン単結晶原料の
０．３〜０．６８倍の範囲で形成し、前記るつぼ上部に
溶融層を共存させ、前記固体層を上側から下側へ向けて
溶融させつつ前記溶融層の体積をほぼ一定に保ちながら
該溶融層よりシリコン単結晶を成長させることを特徴と
する結晶成長方法。