JPH0680495A

JPH0680495A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH0680495A
Application number: JP5093759A
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; Masahiko Okui; 正彦奥井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-03-22
Also published as: DE4319788A1; US5402747A; DE4319788C2

Abstract

(57)【要約】【目的】リメルト工程による単結晶中のドーパント濃
度にずれを生じずに、溶融液中のドーパント濃度の変化
を抑制できる単結晶成長方法を提供する。【構成】坩堝１は有底円筒状をなす石英製の内層容器
1bと、この内層容器1bの外側に嵌合されたグラファイト
製の外層容器1aとから構成されている。坩堝１上部の外
側にはヒータ２が同心円筒状に配設されており、その外
側には保温筒７，７が設置されている。坩堝１内には単
結晶原料が充填されており、これにドーパントを添加し
て均一化し、坩堝１底部から上向きに固体層Ｓを凝固さ
せ、ヒータ２の制御によって坩堝１の下部に固体層Ｓ
を、その上方に溶融層Ｌを共存させている。そして固体
層Ｓを一定速度で溶融しつつ、溶融液層Ｌに種結晶４を
浸してなじませた後、これを回転させつつ上方に引き上
げることにより、種結晶４の下端に単結晶３を成長させ
るようになっている。

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、
特にドーピング不純物を添加した単結晶の成長方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶成長方法には種々の方法がある
が、その一つにチョクラルスキー法（以後ＣＺ法とい
う）がある。図１１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断面図である。

【０００３】図中１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１は有底円筒状をなす石英
製の内層容器1bと、この内層容器1bの外側に嵌合された
グラファイト製の外層容器1aとから構成されている。坩
堝１の外側にはヒータ２が同心円筒状に配設されてい
る。坩堝１にはヒータ２により溶融された結晶用原料の
溶融液が充填されており、溶融層Ｌが形成されている。
引上げ軸（ワイヤ）５にて吊り下げた種結晶４をこの溶
融層Ｌ中に浸し、この種結晶４を回転させつつ上方に引
き上げることにより、種結晶４の下端に溶融液を凝固さ
せて単結晶３を成長させるようになっている。

【０００４】このような方法で溶融層Ｌ中にドーピング
不純物（以下ドーパント）を添加して単結晶３を成長さ
せる場合は、このドーパントは (1)式で示す Pfannの式
に従って単結晶３の引上げ方向に偏析する。このとき、
単結晶３の電気抵抗率が一定にならず、電気抵抗率の規
格値に対する製品の歩留りに限界を生じていた。Ｃ_s＝Ｋe ・Ｃ_c（１−ｆ_s）^Ke-1 …（１）但しＫe ：実効偏析係数Ｃ_s：結晶中ドーパント濃度Ｃ_c：結晶引上げ開始時溶融液中ドーパント濃度ｆ_s：結晶引上げ率（使用結晶用原料重量に対する結晶
重量の比）

【０００５】このドーパントの偏析を抑制する方法とし
て溶融層法が知られている。図１２は従来の溶融層法に
用いられる単結晶成長装置の模式的断面図である。この
図において、ヒータ２が坩堝１上部の外側に同心円筒状
に配設されている以外は、図１１に示したＣＺ法に用い
られる単結晶成長装置とほぼ同様であり、同部位に同符
号を記して説明を省略する。

【０００６】坩堝１内には単結晶原料が充填されてお
り、坩堝１底部から上向きに固体層Ｓを凝固させ、ヒー
タ２の制御によって固体層Ｓを坩堝１の下層に、溶融層
Ｌを上層に共存させている。そして溶融層Ｌに種結晶４
を浸し、固体層Ｓを一定速度で溶融しつつ、これを引き
上げて単結晶３を成長させるようになっている。

【０００７】この溶融層法には、溶融層厚一定法及び溶
融層厚変化法があり、溶融層厚一定法には以下の２つの
方法がある。ドーパントを含有させずに固体層Ｓを形成
し、単結晶３引上げにともなって固体層Ｓを溶融し、溶
融層Ｌの体積を一定に保ちながら結晶３中に取り込まれ
たドーパントの量を溶融層Ｌに連続的に添加し、溶融液
中の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）と、ドーパントを含有
させて固体層Ｓを形成し、単結晶３引上げにともなって
固体層Ｓを溶融し、単結晶３引上げ中に溶融層Ｌにドー
パントを添加せずに、溶融層Ｌの体積を一定に保って溶
融液中のドーパント濃度を一定にする方法（特公昭62−
880 号公報，特開昭62−252989号公報) とがある。

【０００８】そして、溶融層厚変化法は、ドーパントを
含有させずに固体層Ｓを形成し、単結晶３引上げにとも
なって固体層Ｓを溶融し、単結晶３引上げ中に溶融層Ｌ
にドーパントを添加せずに、溶融層Ｌの体積を変化させ
ることにより溶融層Ｌ中のドーパント濃度を一定に保つ
方法（特公平３−79320 号公報）である。

【０００９】このような溶融層法によりドーパントの偏
析が抑制される原理を以下に説明する。図１３は溶融層
法により単結晶を成長させる場合の単結晶，溶融層及び
固体層夫々の重量並びにドーパント濃度の関係を示す一
次元モデルであり、横軸は相率座標を表している。ここ
でドーパントは溶融液中で完全に混合して溶融液中ドー
パント濃度は均一となっており、固体中での拡散は無し
とする。

【００１０】図１３ (イ) は単結晶引上げ開始状態を示
しており、ｆ_s，ｆ_L及びｆ_pは夫々原料重量に対する
単結晶重量の比，溶融層の比及び固体層重量の比であ
り、Ｃ_s，Ｃ_L及びＣ_pは夫々単結晶中の，溶融層中
の，及び固体層中のドーパント濃度である。この状態で
のドーパントの総量Ｗd は以下に示す (2)式で与えら
れる。

【００１１】

【数１】

【００１２】図１３ (ロ) は単結晶引上げ途中状態を示
しており、単結晶引上げ率はｆ_s＋Δｆ_sに、そして固
体層率はｆ_p＋Δｆ_pに変化する。このとき溶融層率は
ｆ_L−Δｆ_s−Δｆ_pとなり、Δｆ_L＝−Δｆ_s−Δｆ
_pの関係式が得られる。この状態でのドーパントの総量
Ｗd'は以下に示す (4)式で与えられる。

【００１３】

【数２】

【００１４】(2)式， (4)式及びΔｆ_L＝−Δｆ_s−Δ
ｆ_pの関係より、 (5)式を得る。

【００１５】

【数３】

【００１６】ここでＣ_p (１−ｆ_p) をＣ_p (ｆ_p) で
表している。そして (5)式を微分形で表現する場合は、
(6)式となる。

【００１７】

【数４】

【００１８】固体の成長界面では局所成長が成り立つと
仮定する場合には、固体層成長過程又は単結晶成長過程
では、以下の (7)式,(8)式が成立する。単結晶中ドーパント濃度Ｃ_s＝ｋe ・Ｃ_L ：Δｆ_s＞０ … (7) 固体層中ドーパント濃度Ｃ_p＝ｋe ・Ｃ_L ：Δｆ_p＞０ … (8) 単結晶引上げ中( ｆ_s＞０ )で固体層を溶融している場
合( Δｆ_p＞０) には、(6)式は以下に示す(9A)式, (9
B)式に変換できる。(9A)式は固体層が存在する状態，(9
B)式は固体層が全て溶融した状態を示している。

【００１９】

【数５】

【００２０】単結晶引上げ中の固体層の溶融速度は、引
上げ装置内の熱設計により決定するが、通常、溶融速度
は一定値であるので、溶融速度αを(10)式として考え
る。ｄｆ_p／ｄｆ_s＝−α＜０ …(10) このとき、固体層率ｆ_p及び溶融層率ｆ_Lは、固体層率ｆ_p＝ｆ_po−α・ｆ_s …(11) ｆ_po：単結晶引上げ開始時の固体層率溶融層率ｆ_L＝１−ｆ_p−ｆ_s＝１−ｆ_po＋（α−１）ｆ_s …(12) で表される。(12)式より(13)式を得る。

【００２１】

【数６】

【００２２】そして (9)式及び(13)式より(14A) 式,(14
B)式が導かれる。

【００２３】

【数７】

【００２４】(14A)式は固体層が存在する状態の場合、
(14B)式は固体層が全て溶融した後の場合であり、これ
は溶融液中ドーパント濃度を記述している。

【００２５】このような溶融層法にて単結晶を成長させ
る場合には、上述したように、固体層中にドーパントを
含有させる方法と含有させない方法とがある。まず、固
体層中にドーパントを含有させない方法では、Ｃ_p＝０
であり、上述の (14A)式は(15)式となる。

【００２６】

【数８】

【００２７】ドーパントの無偏析条件は、ｄＣ_L／ｄｆ
_s＝０であるので、(15)式から(16)式が導出される。Ｃ_L（ｋe −１＋α）＝Ｃ_a …(16) 溶融層法厚一定法ではα＝1 であるので、次に示す(17)
式が無偏析条件となる。Ｃ_a＝ｋe ・Ｃ_L＝ｋe ・Ｃ_b …(17) Ｃ_b：結晶引上げ開始時の溶融液中ドーパント濃度また、溶融層法厚変化法では、Ｃ_a＝０であるので、次
に示す(18)式が無偏析条件となる。 α＝１−ｋe …(18) なお、どちらの場合においても固体層が全て溶融した後
には、単結晶は(14b)式に従って偏析をおこす。

【００２８】次に、固体層中にドーパントを含有させる
方法では、坩堝１内に充填した単結晶原料を全て溶融
し、ここにドーパントを添加して均一とした後、溶融液
を坩堝の底方向から上向きに凝固して固体層を形成す
る。このときの固体層中のドーパント濃度は次の(19)式
で表される。Ｃ_p＝ｋe ・Ｃ₀（１−ｆ_p）^ke-1 …(19) Ｃ₀：固体層形成前の溶融液中ドーパント濃度また、単結晶引上げ開始時の溶融液中ドーパント濃度
は、(20)式で表される。Ｃ_b＝Ｃ₀（１−ｆ_po）^ke-1 …(20)

【００２９】このような固体層にドーパントを含有させ
る方法では、溶融液中にドーパントを添加しないので、
Ｃ_a＝０であり、また溶融層厚一定法はα＝１であるの
で、(19)式及び (14A)式から(21)式を得る。

【００３０】

【数９】

【００３１】(21)式を変形して、(22)式を導く。

【００３２】

【数１０】

【００３３】このようにして導出された(22)式は、固体
層にドーパントを含有させた溶融層厚一定法によるドー
パント濃度変化の記述式である。この記述式を数値積分
により解く。図１４はこれにより単結晶の引上げに伴っ
て求められた、引上げ開始時の溶融液中ドーパント濃度
で正規化した溶融液中のドーパント濃度変化のグラフで
ある。横軸は単結晶引上げ率ｆ_s、縦軸は引上げ開始時
の溶融液中ドーパント濃度で正規化した溶融液中のドー
パント濃度Ｃ_L／Ｃ_bを示す。図中Ａは、結晶引上げ開
始時の固体層率ｆ_po＝０.7, 実効偏析係数ｋe ＝0.8 の
場合のドーパント濃度変化を表し、ＢはＣＺ法の場合の
ドーパント濃度変化を表している。溶融層厚一定法で固
体層にドーパントを含有する場合は、上述したように無
偏析条件は有さないが、図１４より明らかなように、Ｃ
Ｚ法に比較してドーパント濃度変化が抑制されているこ
とが判る。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】以上のような溶融層法
により、図１２に示した単結晶成長装置を用いて、シリ
コン等の単結晶３を成長させる場合に、単結晶３が引き
上げられる途中で多結晶化することが多々起こる。この
場合には、多結晶化した結晶を全て溶液中に溶かし込む
リメルト工程を経て、再度単結晶３を引き上げる。

【００３５】このようなリメルト工程を行った場合に、
前述した溶融法の固体層Ｓ中にドーパントを含有させな
い方法（特公昭34−8242号公報，特公昭62−880 号公
報，特公平３−79320 号公報）では、再度、単結晶３を
引き上げる状態に形成される固体層Ｓ中に、ドーパント
が含有されてしまい、所望するドーパント濃度の単結晶
３が得られないという問題があった。

【００３６】一方、上述した溶融層厚一定法の、ドーパ
ントを含有させて固体層Ｓを形成する方法では、リメル
ト工程を行った場合に、再度単結晶３を引き上げる状態
に形成される固体層Ｓは当初の固体層Ｓの状態とほぼ同
様であるので、リメルト工程による不都合は生じない。

【００３７】しかしながら、ドーパントを含有させて固
体層Ｓを形成する溶融層厚一定法では、実効偏析係数ｋ
e が１より小さくなるに従い、単結晶引上げに伴う濃度
変化が大きくなる。図１５は、固体層にドーパントを含
有し、溶融層厚一定法により単結晶成長を行った場合
の、単結晶引上げに伴う溶融液中のドーパント濃度の変
化を示したグラフである。横軸は単結晶の引上げ率を、
縦軸は引上げ開始時の溶融液中のドーパント濃度におけ
る引上げ途中の溶融液のドーパント濃度Ｃ_L／Ｃ_bを示
す。図中、Ａは前述した（22) 式の引上げ開始時固体層
率ｆ_P0＝0.7,実効偏析係数ｋe＝0.8 の場合のドーパン
ト濃度変化、Ｃは引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.7,実効
偏析係数ｋｅ＝0.35の場合のドーパント濃度変化を表し
ている。

【００３８】このグラフから明らかなように、Ａよりも
Ｃのドーパント濃度変化が大きいことから、実効偏析係
数ｋe が１より小さくなるに従い、単結晶引上げに伴う
溶融液中のドーパント濃度変化が大きくなることが判
る。

【００３９】このように溶融液中のドーパント濃度変化
が大きい場合は、成長する単結晶のドーパント濃度が変
化し、単結晶の引上げに従い所望する電気抵抗率の単結
晶が得られなくなるという問題があった。

【００４０】また、図１２に示すように、シリコンの溶
融液は坩堝１の石英製の内層容器１b に充填されてお
り、溶融液に接触した石英（ SiO₂) の一部は溶融層Ｌ
中に溶け込む。溶融層Ｌ中に溶け込んだ石英は溶融液と
反応し、その一部が溶融層Ｌ表面からシリコン酸化物と
なって気化して、この酸化物が坩堝１の外層容器１a の
外壁に到達した場合には、固体のシリコンとして付着す
る。また、グラファイト製の抵抗加熱方式のヒータ２に
到達した場合には、グラファイトと反応してＣＯガスを
発生し、ヒータ２の形状を変化させる。

【００４１】また、同じシリコン単結晶を成長させる場
合でも、シリコン単結晶に要求される他の品質、例えば
酸素濃度を調整するために、ヒータ２のさらに外側に配
設された保温筒の断熱材質を調整し、ヒータ２の加熱力
を異ならせた条件にて、結晶成長を行うことがある。

【００４２】このように、ヒータ２又は坩堝１の表面形
状に経時変化を生じる場合、又はヒータの加熱力を異な
らせて成長せしめる場合には、その他の結晶引上げ条件
が同一であっても、引上げ開始時の固体層率ｆ_P0にばら
つきが生じ、所望の固体層率ｆ_P0が得られない。引上げ
開始時の固体層率ｆ_P0がばらつくと、それに従って溶融
層Ｌ中のドーパント濃度にもばらつきが生じる。例えば
ドーパントとしてリンを添加し、所望の引上げ開始時の
固体層率ｆ_P0が 0.5であり、実際の引上げ開始時の固体
層率ｆ_P0が0.55であった場合は、溶融層Ｌ中のドーパン
ト濃度は所望値の1.07倍になる。

【００４３】このように、引上げ開始時の固体層率ｆ_P0
のばらつきにより、溶融液Ｌ中のドーパント濃度がばら
つき、成長した単結晶の電気抵抗率がばらつく。これに
より、単結晶の歩留りが低下するという問題があった。

【００４４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、リメルト工程による単結晶中のドーパント濃
度にずれを生じずに、溶融液中のドーパント濃度の変化
を抑制できる単結晶成長方法、また、溶融液中のリン濃
度の変化を低減してシリコン単結晶を歩留り良く成長さ
せる結晶成長方法、さらに引上げ開始時の固体層率がば
らついても溶融液中のリン濃度の変化を低減してシリコ
ン単結晶を歩留り良く成長させる結晶成長方法を提供す
ることを目的とする。

【００４５】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る結晶成長
方法は、坩堝内に単結晶原料を充填し、この全てを溶融
してドーピング不純物を含有させ、前記坩堝底部から上
側へ向けて凝固させた固体層と、その上の溶融層とを共
存させ、前記坩堝周囲に設置されたヒータの加熱により
前記固体層を上側から溶融しつつ、前記溶融層から単結
晶を引き上げて成長させる結晶成長方法において、前記
溶融層の体積を変化させながら単結晶を成長させること
を特徴とする。

【００４６】第２発明に係る結晶成長方法は、第１発明
において、前記単結晶原料としてシリコンを用い、前記
ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長開始
時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0の固体層を形成
する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体層を溶
融させる工程とを有することを特徴とする。但し、ｆ_P0
及びαは、０＜ｆ_P0＜0.85 ｆ_P0＜14.9α⁴−18.3α³＋7.98α²−0.90α＋0.08 ０＜α＜１を満たす。

【００４７】第３発明に係る結晶成長方法は、第１発明
において、前記単結晶原料としてシリコンを用い、前記
ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長開始
時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0の固体層を形成
する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体層を溶
融させる工程とを有することを特徴とする。但し、ｆ_P0
及びαは、０＜ｆ_P0＜0.85 ｆ_P0＜136.27α²−263.28α⁴＋191.07α³− 62.46α
²＋9.26α−0.42 ０＜α＜１を満たす。

【００４８】第４発明に係る結晶成長方法は、第１発明
において、前記単結晶原料としてシリコンを用い、前記
ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長開始
時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0±0.05の固体層
を形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体
層を溶融させる工程とを有することを特徴とする但し、
ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.65−√〔｛（α−3.1187）²−5.6104｝／
8.1455〕及び０＜α＜0.75 または０＜ｆ_P0＜0.8 及び 0.75≦α＜１を満たす。

【００４９】第５発明に係る結晶成長方法は、第１発明
において、前記単結晶原料としてシリコンを用い、前記
ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長開始
時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0±0.05の固体層
を形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体
層を溶融させる工程とを有することを特徴とする。但
し、ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.635 −√〔｛2.5975−（α＋0.83165
）²｝／4.1002〕及び０＜α＜0.78 または０＜ｆ_P0＜0.77 及び 0.78≦α＜１を満たす。

【００５０】

【作用】従来の溶融層厚一定法により、固体層にドーパ
ントを含有させて単結晶を成長させた場合は、図１４,
図１５に示すように単結晶を引き上げるに従って溶融液
中のドーパント濃度が低下する。これは、単結晶の偏析
を固体層の溶融により抑制する以上に、溶融液が固体層
の溶融によって希釈されるためである。溶融層が希釈さ
れ過ぎないために、固体層にドーパントを含有させ、単
結晶引上げ中にドーパントは添加せずに、単結晶引上げ
中の溶融液率を調節することにより、溶融液中のドーパ
ント濃度を一定とすることができる。

【００５１】前述した、固体層にドーパントを含有させ
た溶融層厚一定法によるドーパント濃度変化の記述式で
ある(22)式の導出方法と同様に、(19)式, (14A) 式から
固体層にドーパントを含有させた溶融層厚変化法による
ドーパント濃度変化の記述式である(23)式を導出する。
このとき、溶融層厚変化法であるため溶融速度α≠１、
また単結晶引上げ中にドーパントを添加しないことから
Ｃ_a＝０とする。

【００５２】

【数１１】

【００５３】図１６，図１７，図１８は、（23) 式を数
値積分により、実効偏析係数ｋe ＝0.35とし、夫々引上
げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.6,ｆ_P0＝0.7,ｆ_P0＝0.8 とし
てドーパント濃度変化を求めたグラフである。横軸は単
結晶の引上げ率を、縦軸は引上げ開始時の溶融液中のド
ーパント濃度における引上げ途中の溶融液のドーパント
濃度Ｃ_L／Ｃ_bの割合を示す。溶融速度は、夫々につい
てα＝0.50〜1.00の範囲で0.05毎に設定している。実効
偏析係数ｋe ＝0.35はシリコン単結晶のドーパントとし
て多く使用されるリンのものを用いた。また、夫々の図
において溶融速度α＝1.00は溶融層厚一定法の場合を示
しており、図中、曲線が途切れているのは溶融層が無く
なり、引上げを中断することを意味する。

【００５４】これらの図より明らかなように、ドーパン
トの溶融液中濃度の変化が最も小さい溶融速度は、引上
げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.6 の場合（図１６）は溶融速
度α＝0.9 のとき、引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.7
（図１７）の場合は溶融速度α＝0.85のとき、引上げ開
始時固体層率ｆ_P0＝0.8 （図１８）の場合は溶融速度α
＝0.8 のときであり、これらの場合は、固体層にドーパ
ントを含有しない溶融層厚一定法よりもドーパントの溶
融液中濃度の変化が抑制されていることが判る。

【００５５】以上により、第１発明の結晶成長方法で
は、固体層にドーパントを含有させる溶融層法にて、溶
融層の体積を変化させながら単結晶成長を行い、固体層
にドーパントを含有させた溶融層厚変化法によるドーパ
ント濃度変化の記述式に基づいて、単結晶原料に対する
引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び固体層の溶融速度αを決
定することにより、ドーパントの溶融液中濃度の変化を
抑制することができる。

【００５６】第２，第３発明の結晶成長方法では、第１
発明によりリンをドーパントとするシリコン単結晶を、
引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び溶融速度αに応じて成長
させた夫々のシリコン単結晶の歩留りを求め、これによ
りＣＺ法及び溶融層厚一定法よりも歩留りの良い成長方
法の引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び溶融速度αの範囲を
定めている。

【００５７】半導体材料として使用されるシリコン単結
晶の多くは、電気抵抗率の許容範囲（規格値）の下限と
上限との比が１：1.3 又は 0.7：１であり、例えば１：
1.3の場合は10〜13Ωcmのように設定される。単結晶の
電気抵抗率と単結晶中ドーパント濃度との間には、逆比
例の関係があり、一般的な単結晶の成長には結晶引上げ
中の実効偏析係数ｋe が変化しないので、単結晶の電気
抵抗率と溶融液中ドーパントの濃度との間にも逆比例の
関係がある。従って、溶融液中ドーパント濃度の許容範
囲の下限と上限との比が、１：1.3 又は 0.7：１である
と考えられ、第２発明は 0.7：１の場合の引上げ開始時
固体層率ｆ_P0及び溶融速度αの範囲を示し、第３発明は
１：1.3 の場合の引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び溶融速
度αの範囲を示している。

【００５８】また、実際のシリコン単結晶の引上げ開始
時には、例えばヒータの熱供給量の経時変化に伴い、固
体層率にばらつきが生じる。固体層厚みの直接測定、及
びシリコン単結晶の成長初期の抵抗率からの算出により
求めた結果、このばらつきは±0.05範囲内であり、引上
げ開始時固体層率はｆ_P0±0.05であることが判る。図１
９は、（23) 式を数値積分により、実効偏析係数ｋe ＝
0.35とし、溶融速度をα＝0.75とし、狙いの引上げ開始
時固体層率ｆ_P0＝0.6 の場合について、ドーパント濃度
変化を求めたグラフである。横軸は単結晶の引上げ率
を、縦軸は引上げ開始時の溶融液中のドーパント濃度に
おける引上げ途中の溶融液のドーパント濃度Ｃ_L／Ｃ_b
の割合を示す。引上げ開始時固体層率ｆ_P0±0.05のばら
つきを考慮して、引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.55, ｆ
_P0＝0.6,ｆ_P0＝0.65の場合を夫々Ｄ，Ｅ，Ｆで示してい
る。

【００５９】このような引上げ開始時固体層率ｆ_P0±0.
05のばらつきの範囲内で、図１９に示した成長単結晶の
最大の歩留りを算出するとき、溶融液中ドーパント濃度
の許容範囲の下限と上限との比が 0.7：１の場合は、ま
ず、Ｅ，Ｄ，Ｆのうち0.7 Ｃ_d〜Ｃ_dのリン濃度許容範
囲の歩留りが最小であるものを求める。図から明らかな
ように、Ｅの引上げ開始時固体層率ｆ_P0±Δｆ_P0＝0.55
の場合が最小である。次に、このＥの成長単結晶の歩留
りが最大になる引上げ開始時固体層率ｆ_P0と固体層の溶
融速度αとを求める。このときの歩留りが、引上げ開始
時固体層率ｆ_P0±0.05のばらつきを考慮した場合の、最
大歩留りとなる。このような最大歩留りを数式(24)に示
す。なお、ここでＣ_dは許容上限の溶融液中のリン濃度
である。

【００６０】

【数１２】

【００６１】また、引上げ開始時固体層率ｆ_P0±0.05の
ばらつきの範囲内で、溶融液中ドーパント濃度の許容範
囲の下限と上限との比が１：1.3 の場合の最大歩留り
は、上述と同様に求められ、数式(25)で示される。な
お、ここでＣ_eは許容上限の溶融液中のリン濃度であ
る。

【００６２】

【数１３】

【００６３】第４，第５発明の結晶成長方法では、第１
発明によりリンをドーパントとするシリコン単結晶を、
引上げ開始時固体層率ｆ_P0±0.05のばらつきを考慮し
て、引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び溶融速度αに応じて
成長させた夫々のシリコン単結晶の歩留りを求め、これ
によりＣＺ法及び溶融層厚一定法よりも歩留りの良い成
長方法の引上げ開始時固体層率ｆ_P0及び溶融速度αの範
囲を定めている。

【００６４】

【実施例】以下、本発明をその第１実施例を示す図面に
基づき具体的に説明する。図１は本発明の実施に用いる
単結晶成長装置の模式的断面図である。図中１は水冷式
のチャンバ８内に配設された坩堝を示している。坩堝１
は有底円筒状をなす石英製の内層容器1bと、この内層容
器1bの外側に嵌合されたグラファイト製の外層容器1aと
から構成されている。坩堝１上部の外側にはヒータ２が
同心円筒状に配設されており、その外側には保温筒７，
７が設置されている。そして、坩堝１の底部中央にはチ
ャンバ８の底部を貫通して軸９が連結されており、軸９
によって坩堝１を回転しつつ昇降できる構造としてい
る。そしてチャンバ８の上方に連接されたワイヤ５がチ
ャンバ８内に導入されており、その下端には種結晶４が
固定されている。

【００６５】坩堝１内には単結晶原料が充填されてお
り、これにドーパントを添加して均一化する。そして坩
堝１底部から上向きに固体層Ｓを凝固させ、ヒータ２の
制御によって坩堝１の下部に固体層Ｓを、その上方に溶
融層Ｌを共存させる。そして固体層Ｓを一定速度で溶融
しつつ、溶融層Ｌに種結晶４を浸してなじませた後、こ
れを回転させつつ上方に引き上げることにより、種結晶
４の下端に単結晶３を成長させるようになっている。

【００６６】

【表１】

【００６７】表１に示した条件で、引上げ開始時固体層
率ｆ_P0＝0.6,固体層の溶融速度α＝0.9 にてシリコンの
単結晶３を成長させる。この単結晶３の最上部から1000
mmの範囲で100mm ピッチで試験片を切り出し、その電気
抵抗率ρを測定した。電気抵抗率ρと単結晶中のドーパ
ント濃度Ｃ_Sとは逆比例の関係があり、Ｃ_S∝１／ρ …(26) で表される。また、単結晶中ドーパント濃度と引上げ時
の溶融液中ドーパント濃度は (7)式で表される。ここで
単結晶３の最上部を引上げ開始時とすると、前述した
(7) ,(26) 式より以下の(27)式が得られる。Ｃ_L／Ｃ_b＝ρ₀／ρ …(27) 但し、ρ₀: 引上げ開始時の単結晶の電気抵抗率

【００６８】図２は、単結晶３引上げ開始時の溶融液中
ドーパント濃度で正規化された溶融液中ドーパント濃度
Ｃ_L／Ｃ_bの変化を示すグラフである。(27)式より、シ
リコンの単結晶３の試験片の電気抵抗率の測定結果ρ₀
／ρをＣ_L／Ｃ_bとして、●で示している。そして、図
２に示すＤは、シリコン単結晶のリンに対する実効偏析
係数ｋe ＝0.35，引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.6,固体
層の溶融速度α＝0.9の場合の、ドーパント濃度変化の
記述式である(23)式を表す。また、図２に示すＥは、シ
リコン単結晶のリンに対する実効偏析係数ｋe ＝0.35，
引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.6,固体層の溶融速度α＝
1.０の溶融層厚一定法の場合の、溶融液中ドーパント濃
度変化の記述式である(22)式を表す。

【００６９】図２から明らかなように、このシリコンの
単結晶３は、固体層にドーパントを含有させて溶融層厚
一定法で単結晶を成長させる場合よりも、成長中の溶融
液中ドーパント濃度の変化が抑制される。また、このシ
リコンの単結晶３の結晶引上げ率に伴う溶融液中ドーパ
ント濃度の変化は、固体層にドーパントを含有させた溶
融層厚変化法のドーパント濃度変化の記述式である(23)
式とほぼ一致していることが判る。

【００７０】なお、本実施例では、引上げ開始時固体層
率ｆ_P0＝0.6,固体層の溶融速度α＝0.9 にて単結晶を成
長させているが、これに限るものではない。現実的に
は、引上げ開始時固体層率ｆ_P0は 0.3〜0.6 ，固体層の
溶融速度αは 0.6〜1.0 の範囲で単結晶の成長を行う。

【００７１】次に、本発明をその第２実施例を示す図面
に基づいて具体的に説明する。図３は、第１発明にてシ
リコンの単結晶３を成長させた場合の歩留りを算出して
示した説明図である。横軸は溶融速度αを、縦軸は引上
げ開始時固体層率ｆ_P0を示す。第１発明により、引上げ
開始時固体層率ｆ_P0を０〜１で 0.1間隔に、溶融速度α
を０〜２で 0.1間隔に設定し、リンをドーピングしてシ
リコン単結晶を成長させた場合の夫々の溶融液中のドー
パント濃度を、上述の(23)式及び(22)式を数値的に解い
て算出する。上述したように、単結晶の電気抵抗率ρと
溶融液中の（単結晶中の）ドーパント濃度Ｃ_Sとは逆比
例の関係がある（(7) ，(27)式）。また、溶融液中ドー
パント濃度の上限値と下限値の比は、単結晶の電気抵抗
率許容範囲の下限値と上限値の比と一致するので、シリ
コンの単結晶の電気抵抗率許容範囲の下上限の比を 0.
7：１として、シリコン単結晶の歩留りを算出する。

【００７２】図３において、引上げ開始時固体層率ｆ_P0
＝０の場合はＣＺ法の歩留りを示し、溶融速度α＝１の
場合は溶融層厚一定法の歩留りを示している。この図か
ら、同じ引上げ開始時固体層率ｆ_P0にて成長した単結晶
について、溶融速度α＝１の場合, 即ち溶融層厚一定法
の場合よりも歩留りが高い溶融速度αの領域Ｘ₁を求め
る。また、ＣＺ法での歩留り42％よりも高い歩留りの領
域Ｙ₁を求める。

【００７３】図４はこれらの領域Ｘ₁，Ｙ₁を提示した
グラフである。領域Ｘ₁，Ｙ₁に共通する範囲は、関数
ｆ_P0＝14.9α⁴−18.3α³＋7.98α²−0.90α＋0.08 ,
関数ｆ_P0＝０，関数ｆ_P0＝0.85, 関数α＝１で囲まれた
領域のｆ_P0及びαであると言える。なお、領域はこの境
界線を含まず、αは正の実数である。このようなｆ_P0，
αの条件にて、電気抵抗率許容範囲の下上限の比が 0.
7：１のシリコン単結晶を、溶融層厚一定法よりも歩留
りを上昇させて成長させることができる。

【００７４】また、シリコンの単結晶３の電気抵抗率許
容範囲の下上限の比が１：1.3 の場合の歩留りを同様に
して求めた結果、シリコン単結晶を溶融層厚一定法より
も歩留り良く成長させるｆ_P0及びαの領域は、電気抵抗
率許容範囲の下上限の比が 0.7：１の場合とほぼ同じ領
域であった。

【００７５】以下にシリコンの単結晶３の電気抵抗率許
容範囲の下上限の比が１：1.3 の場合の歩留りを示す。
図５は、シリコンの単結晶の電気抵抗率許容範囲の下上
限の比が１：1.3 の場合の、シリコンの単結晶３を成長
させた場合の歩留りを示した説明図である。横軸は溶融
速度αを、縦軸は引上げ開始時固体層率ｆ_P0を示す。上
述の図３と同様にして、溶融層厚一定法の場合よりも歩
留りが高い溶融速度αの領域Ｘ₂を求め、ＣＺ法での歩
留り33％よりも高い歩留りの領域Ｙ₂を求める。

【００７６】図６はこれらの領域Ｘ₂，Ｙ₂を提示した
グラフである。領域Ｘ₂，Ｙ₂に共通する範囲は、関数
ｆ_P0＝136.27α−263.28α⁴＋191.07α³− 62.46α²
＋9.26α−0.42 ,関数ｆ_P0＝０，関数ｆ_P0＝0.85, 関数
α＝１で囲まれた領域のｆ_P0及びαであると言える。な
お、領域はこの境界線を含まず、αは正の実数である。
このようなｆ_P0，αの条件にて、電気抵抗率許容範囲の
下上限の比が１：1.3のシリコン単結晶を、溶融層厚一
定法よりも電気抵抗に対する歩留りを上昇させて成長さ
せることができる。

【００７７】次に、本発明をその第３実施例を示す図面
に基づいて具体的に説明する。図７は、第１発明方法に
てシリコンの単結晶３を成長させた場合の歩留りを、前
述の(24)式を用いて、開始時の固体層率がばらつくこと
を考慮に入れて算出し、示した説明図である。横軸は溶
融速度αを、縦軸は引上げ開始時固体層率ｆ_P0を示す。
第１発明により、引上げ開始時固体層率ｆ_P0を０〜１で
0.1間隔に、溶融速度αを０〜２で 0.1間隔に設定し、
リンをドーピングしてシリコン単結晶を成長させた場合
の夫々の溶融液中のドーパント濃度を、上述の(23)式及
び(22)式を数値的に解いて算出する。そして、(24)式に
基づいて、電気抵抗率許容範囲の下上限の比が 0.7：１
の単結晶３の歩留りを算出する。

【００７８】図７において、引上げ開始時固体層率ｆ_P0
＝０の場合はＣＺ法の歩留りを示し、溶融速度α＝１の
場合は溶融層厚一定法の歩留りを示している。この図か
ら、同じ引上げ開始時固体層率ｆ_P0にて成長した単結晶
について、溶融層厚一定法の場合よりも歩留りが高い溶
融速度αの領域Ｘ₃，Ｘ₃₁を求める。また、ＣＺ法での
歩留り42％よりも高い歩留りの領域Ｙ₃を求める。

【００７９】図８はこれらの領域Ｘ₃，Ｘ₃₁及びＹ₃を
提示したグラフである。領域Ｘ₃，Ｙ₃に共通する範囲
は、関数ｆ_P0＝0.65−√〔｛（α−3.1187）²−5.614
｝／8.1455〕 ,関数ｆ_P0＝０，関数ｆ_P0＝0.80, 関数
α＝１で囲まれた領域のｆ_P0及びαであると言える。な
お、領域はこの境界線を含まず、αは正の実数である。
領域Ｘ₃₁, Ｙ₃に共通する範囲はＣＺ法とほぼ同等の歩
留りであるので、除外している。このようなｆ_P0，αの
条件にて、電気抵抗率許容範囲の下上限の比が 0.7：１
のシリコン単結晶を、溶融層厚一定法よりも電気抵抗に
対する歩留りを上昇させて成長させることができる。

【００８０】また図９は、シリコンの単結晶の電気抵抗
率許容範囲の下上限の比が１：1.3の場合の、第１発明
方法にてシリコンの単結晶３を成長させた場合の歩留り
を、前述の(25)式を用いて、開始時の固体層率がばらつ
くことを考慮に入れて算出し、示した説明図である。横
軸は溶融速度αを、縦軸は引上げ開始時固体層率ｆ_P0を
示す。上述の図７と同様にして、溶融層厚一定法の場合
よりも歩留りが高い溶融速度αの領域Ｘ₄，Ｘ₄₁を求
め、ＣＺ法での歩留り33％よりも高い歩留りの領域Ｙ₄
を求める。

【００８１】図１０はこれらの領域Ｘ₄，Ｘ₄₁及びＹ₄
を提示したグラフである。領域Ｘ₄，Ｙ₄に共通する範
囲は、関数ｆ_P0＝0.635 −√〔｛2.5975−（α＋0.8316
5 ）²｝／4.1002〕，関数ｆ_P0＝０，関数ｆ_P0＝0.78,
関数α＝１で囲まれた領域のｆ_P0及びαであると言え
る。なお、領域はこの境界線を含まず、αは正の実数で
ある。領域Ｘ₄₁, Ｙ₄に共通する範囲はＣＺ法とほぼ同
等の歩留りであるので、除外している。このような
ｆ_P0，αの条件にて、電気抵抗率許容範囲の下上限の比
が１：1.3のシリコン単結晶を、溶融層厚一定法よりも
電気抵抗に対する歩留りを上昇させて成長させることが
できる。

【００８２】次に、上述した図１に示した結晶成長装置
を用いて、表２に示す条件で、実効偏析係数ｋe が 0.3
5 であるリンをドーパントとして用い、シリコンの単結
晶３を成長させる。引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.6,固
体層の溶融速度α＝0.9 にてこの単結晶３の最上部から
1000mmの範囲で100mm ピッチで試験片を切り出し、その
電気抵抗率ρを測定した。

【００８３】

【表２】

【００８４】この電気抵抗率ρにより歩留りを計算した
結果、電気抵抗率許容範囲の下・上限の比が１：1.3 の
場合は歩留りが75％であった。これは、引上げ開始時固
体層率ｆ_P0が理想的に実現した場合の歩留り計算値76％
（図３）と、引上げ開始時固体層率ｆ_P0のばらつきを考
慮した場合の歩留り計算値73％（図７）との中間値であ
る。また、電気抵抗率許容範囲の下・上限の比が 0.7：
１の場合は歩留りが78％であった。これは、やはり引上
げ開始時固体層率ｆ_P0が理想的に実現した歩留り計算値
とばらつきを考慮した歩留り計算値との中間値である。

【００８５】さらに引上げ開始時固体層率ｆ_P0，固体層
の溶融速度αの他の条件で測定を行い同様の結果が得ら
れた。従って、図８又は図１０で示した範囲の条件にて
結晶成長を行うことにより、溶融層厚一定法よりも電気
抵抗に対する歩留りを上昇させて成長させることができ
る。

【００８６】

【発明の効果】以上のように、本発明の結晶成長方法
は、固体層にドーパントを含有させた溶融液厚変化法で
あり、リメルト工程による単結晶中のドーパント濃度に
ずれを生じずに、溶融液中のドーパント濃度の変化を抑
制できる。また、リンをドーピングするシリコン単結晶
を溶融液中のリン濃度の変化を低減して溶融層厚一定法
よりも歩留り良く成長でき、さらに引上げ開始時の固体
層率がばらついても、溶融液中のリン濃度の変化を低減
してシリコン単結晶を歩留り良く成長させる等、本発明
は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いる単結晶成長装置の模式的
断面図である。

【図２】本発明の溶融液中ドーパント濃度Ｃ_L／Ｃ_bの
変化を示すグラフである。

【図３】第２発明によりシリコンの単結晶を成長させた
場合の歩留りを示した説明図である。

【図４】第２発明により溶融層厚一定法よりも歩留りが
高い領域を示すグラフである。

【図５】第３発明によりシリコンの単結晶を成長させた
場合の歩留りを示した説明図である。

【図６】第３発明により溶融層厚一定法よりも歩留りが
高い領域を示すグラフである。

【図７】第４発明によりシリコンの単結晶を成長させた
場合の歩留りを示した説明図である。

【図８】第４発明により溶融層厚一定法よりも歩留りが
高い領域を示すグラフである。

【図９】第５発明によりシリコンの単結晶を成長させた
場合の歩留りを示した説明図である。

【図１０】第５発明により溶融層厚一定法よりも歩留り
が高い領域を示すグラフである。

【図１１】従来のＣＺ法に用いられる単結晶成長装置を
示す模式的断面図である。

【図１２】従来の溶融層法に用いられる単結晶成長装置
の模式的断面図である。

【図１３】従来の溶融層法の単結晶，溶融層及び固体層
夫々の重量並びにドーパント濃度の関係を示す一次元モ
デルである。

【図１４】従来の単結晶成長法によるドーパント濃度変
化の記述式を表すグラフである。

【図１５】従来の、固体層にドーパントを含有させた溶
融層法により単結晶成長を行った場合の、単結晶引上げ
に伴う溶融液中のドーパント濃度の変化を示したグラフ
である。

【図１６】実効偏析係数ｋe ＝0.35とし、引上げ開始時
固体層率ｆ_P0＝0.6 としてドーパント濃度変化を求めた
グラフである。

【図１７】実効偏析係数ｋe ＝0.35とし、引上げ開始時
固体層率ｆ_P0＝0.7 としてドーパント濃度変化を求めた
グラフである。

【図１８】実効偏析係数ｋe ＝0.35とし、引上げ開始時
固体層率ｆ_P0＝0.8 としてドーパント濃度変化を求めた
グラフである。

【図１９】引上げ開始時固体層率ｆ_P0＝0.55, 0.6, 0.6
5 の場合のドーパント濃度変化を求めたグラフである。

【符号の説明】

１坩堝２ヒータ３単結晶Ｌ溶融層Ｓ固体層 α 溶融速度ｆ_P0 引上げ開始時の固体層率

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者奥井正彦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】坩堝内に単結晶原料を充填し、この全て
を溶融してドーピング不純物を含有させ、前記坩堝底部
から上側へ向けて凝固させた固体層と、その上の溶融層
とを共存させ、前記坩堝周囲に設置されたヒータの加熱
により前記固体層を上側から溶融しつつ、前記溶融層か
ら単結晶を引き上げて成長させる結晶成長方法におい
て、前記溶融層の体積を変化させながら単結晶を成長さ
せることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】前記単結晶原料としてシリコンを用い、
前記ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長
開始時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0の固体層を
形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体層
を溶融させる工程とを有することを特徴とする請求項１
記載の結晶成長方法。但し、ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.85 ｆ_P0＜14.9α⁴−18.3α³＋7.98α²−0.90α＋0.08 ０＜α＜１を満たす。
【請求項３】前記単結晶原料としてシリコンを用い、
前記ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長
開始時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0の固体層を
形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の固体層
を溶融させる工程とを有することを特徴とする請求項１
記載の結晶成長方法。但し、ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.85 ｆ_P0＜136.27α²−263.28α⁴＋191.07α³− 62.46α
²＋9.26α−0.42 ０＜α＜１を満たす。
【請求項４】前記単結晶原料としてシリコンを用い、
前記ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長
開始時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0±0.05の固
体層を形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の
固体層を溶融させる工程とを有することを特徴とする請
求項１記載の結晶成長方法。但し、ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.65−√〔｛（α−3.1187）²−5.6104｝／
8.1455〕及び０＜α＜0.75 または０＜ｆ_P0＜0.8 及び 0.75≦α＜１を満たす。
【請求項５】前記単結晶原料としてシリコンを用い、
前記ドーピング不純物としてリンを用いて、単結晶成長
開始時の前記単結晶原料に対する重量比ｆ_P0±0.05の固
体層を形成する工程と、成長する単結晶のα倍の重量の
固体層を溶融させる工程とを有することを特徴とする請
求項１記載の結晶成長方法。但し、ｆ_P0及びαは、０＜ｆ_P0＜0.635 −√〔｛2.5975−（α＋0.83165
）²｝／4.1002〕及び０＜α＜0.78 または０＜ｆ_P0＜0.77 及び 0.78≦α＜１を満たす。