JPH07277875A - 結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶融層法によって、何れの結晶成長方位で引上
げた結晶であっても半径方向の不純物濃度が均一な結晶
成長方法を提供する。 【構成】坩堝１内の原料の上部を加熱溶融して溶融層４
とし、下部は原料の固体層５とし、種結晶３を前記溶融
層の表面に接触させて引き上げることにより結晶６を成
長させる結晶成長方法において、前記固体層５の不純物
の濃度分布を坩堝中心から半径方向に向かって変化させ
ることを特徴とする結晶成長方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転引上げ法による結
晶成長方法に関し、より詳しくは半導体材料として使用
されるシリコン単結晶の結晶特性、ひいては電気的特性
を均一にする結晶成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単結晶を成長させる方法として種々の方
法があるが、量産が可能な方式で広く工業的に応用され
ているものとして、回転引き上げ法であるチョクラルス
キー法（ＣＺ法）がある。

【０００３】図５は、従来の回転引き上げ法（ＣＺ法）
の実施状態を示す模式的断面図である。坩堝１は内側の
有底円筒状の石英坩堝1aと、その外側に嵌合された有底
円筒状の黒鉛製の外側支持坩堝1bとからなる二重構造で
構成されており、坩堝１の外周側には抵抗加熱式のヒー
タ２と保温筒11が同心円状に配設されている。石英坩堝
1a内には、このヒータ２によって加熱、溶融させた結晶
用原料、すなわち原料の溶融液７が充填されている。二
重構造の坩堝１の中心軸上には、例えば、所定の速度で
回動する引き上げワイヤ13が配設されており、さらに、
この坩堝１は、引き上げワイヤ13と同一軸心で、所定の
速度で回転する坩堝支持軸12によって支持されている。
これらの部品や部材がチャンバ14内に収納され、回転引
上げ装置を構成する。

【０００４】このような装置構成のもとで、引き上げワ
イヤ13の先に取り付けられた種結晶３を、溶融液７の表
面に接触させ、引き上げワイヤ13を結晶成長にあわせて
回転させつつ上方へ引き上げることにより、原料の溶融
液７を凝固させて結晶６を成長させる。

【０００５】半導体用単結晶をこの回転引き上げ法で成
長させる場合、成長結晶の電気的特性、例えば電気抵抗
率、電気伝導型等を調整するために、結晶を引上げる前
に溶融液中に不純物元素（ドーパント）を所定量添加し
ている。しかし、不純物元素の単結晶への溶け込みが結
晶成長の開始から終了まで一定でないため、添加した不
純物が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
る結晶が得られないという問題があった。

【０００６】結晶中に不純物の偏析が生じるのは、成長
結晶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で表される実効偏析係数Ｋｅが１で
ないことに起因している。また、実効偏析係数Ｋｅは、
結晶成長の際の溶融液と結晶との界面における結晶中不
純物濃度Ｃ_s と溶融液中不純物濃度Ｃ_L の比 (Ｃ_s /Ｃ
_L ) としても表されるが、Ｋｅが１でないため、結晶の
成長に伴い、溶融液中ひいては結晶中の不純物濃度が変
化するのである。例えば、Ｋｅ＜１の場合には、結晶の
成長に伴い溶融液中の不純物濃度が漸次高くなる。従っ
て、結晶成長の後半 (長さ方向で下方) では不純物濃度
が高くなってしまう。

【０００７】一般に、引き上げられた単結晶の成長方向
の不純物濃度Ｃ_s は、初期の溶融液中不純物濃度Ｃ_L0、
単結晶の固化率Ｇとの関係において、 Ｃ_s ＝ＫｅＣ_L0（１−Ｇ）^Ke-1 で表される。例えば、実効偏析係数Ｋｅが0.35と小さい
リン (Ｐ) を添加したｎ型結晶では、Ｋｅが１に近い他
の不純物元素を使用する場合に比べ、成長進行中におけ
る溶融液中のリン濃度の上昇度が大きく、単結晶の成長
方向における不純物濃度の変化が大きくなり、所期の不
純物濃度を有する単結晶の歩留が著しく低下する。

【０００８】上記の結晶成長方向に沿って発生する不純
物偏析を抑制しながら結晶を成長させる方法として、溶
融層法が採用されている。

【０００９】図２は、溶融層法の基本的な構成を説明す
る縦断面図である。図２から明らかなように、溶融層法
では、ＣＺ法で説明したのと同様に構成された坩堝１内
に充填した原料の上部を、ヒータ２で溶融させることに
よって、上層に溶融層４を、また下層に固体層５を形成
させている。そして、種結晶３を溶融液層４に接触させ
て、原料の溶融液が凝固した結晶６を引き上げワイヤー
13によって回転させながら引上げて行く。

【００１０】溶融層法においては、結晶中の不純物偏析
を抑制するために、次の二つの方法が採られている。

【００１１】第一の方法は、特公昭34−8242号、特公昭
62−880 号および実開昭60−32474号の各公報に開示さ
れているように、結晶成長に伴って、すなわち引き上げ
軸の引き上げとともに、固体層をヒータによって加熱溶
融させ、坩堝内の溶融層量を一定に維持する方法（溶融
層一定法）である。この方法によれば、不純物の実効偏
析係数Ｋｅの値に拘らず、結晶の成長に伴って常に不純
物濃度の低い固体層を溶解することになるから、溶融層
中の不純物濃度Ｃ_L を低減させて比較的一定のレベルを
保つことができる。

【００１２】第二の方法は、意図的に溶融層の液量を変
化させることにより、引き上げ中に不純物を添加するこ
となく溶融層中の不純物濃度Ｃ_L を一定に保持する方法
（溶融層厚変化法）であって、特開昭61−250691号、特
開昭61−250692号および特開昭61−215285号の各公報に
開示されている。

【００１３】これらの溶融層法における溶融層の厚みの
制御は、加熱するヒータの発熱長さ、すなわち投入発熱
量や坩堝寸法（特に深さ）、さらにはヒータの外側に周
設され坩堝下部の熱移動を促進する保温筒の形状または
保温筒の材質を予め適切に選択することによって行われ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】半導体材料としてシリ
コンを結晶成長させる場合、代表的な成長方位として
〔１００〕と〔１１１〕とがあるが、引上げ結晶の成長
速度は成長方位によって異なる。これは、各成長方位で
の面内原子密度が異なるからであり、特に結晶の成長方
位が〔１１１〕の場合には、〔１００〕方位や他の方位
に比べ、結晶の成長速度は著しく遅くなり、結晶の凝固
界面にファセットを形成する。このようにファセットを
形成すると、ファセット部では他の部分と比べて特性に
変化が生じ、例えば不純物の実効偏析係数に関しては、
他の部分に比較して大きくなる。そのため、前述した溶
融層法を採用して溶融液中の不純物濃度を一定に保持し
ても、同時に結晶中に取り込まれる不純物量においては
ファセット部と他の部分とで差が生じるので、結晶の成
長位置、すなわち、半径方向によって電気的特性が異な
ることになる。

【００１５】図３は、リンを不純物として含有させて、
結晶成長方位が〔１１１〕で成長させた４″直径のシリ
コン結晶を半導体ウエハに加工した場合の半径方向の抵
抗率の変化状況を示した図である。同図から明らかなよ
うに、結晶中心部のファセット部では抵抗率が低くなる
が、他の周辺部では高くなる。すなわち、ウエハの半径
方向における抵抗率のバラツキが生じる。このようなシ
リコン単結晶は、半導体用としては使用できない。

【００１６】本発明は、上記した従来方法の問題を克服
して、何れの結晶成長方位で引上げた結晶であっても、
半径方向の不純物濃度が均一な結晶成長方法を確立する
ことを課題としてなされたものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１に示すよ
うに、坩堝１内の原料の上部を加熱溶融して溶融層４と
し、下部は原料の固体層５とし、種結晶３を前記溶融液
層の表面に接触させて引き上げることにより結晶６を成
長させる結晶成長方法において、前記固体層５の不純物
の濃度分布を坩堝中心から半径方向に向かって変化させ
ることを特徴とする結晶成長方法を要旨としている。

【００１８】

【作用】本発明者らは、溶融層法における不純物の濃度
分布および引上げ結晶への不純物の溶け込み挙動を詳細
に検討した結果、次の知見を得ることができた。

【００１９】 溶融層法において、ＣＺ法に比べ溶融
層の深さが浅く溶融層上部と下部との温度差が小さくな
るので、溶融液の温度差に起因する溶融層内の対流が抑
制されることになる。従って、溶融層内の不純物の濃度
分布は、新たに溶解する固体層の濃度分布に依存するこ
とになる。すなわち、含有する不純物に一定の濃度分布
を有する固体層が溶け出すと、そのままの濃度分布を有
する溶融液が結晶成長界面に到達することになる。

【００２０】 結晶成長方位が〔１１１〕のシリコン
単結晶を溶融層法で結晶成長させる場合でも、溶融液下
部の固体層の不純物の濃度分布を調整することによっ
て、引上げ結晶中の半径方向の不純物濃度を制御するこ
とができる。例えば、不純物としてリンを使用した場
合、前述の通り、結晶中心部のファセット部では不純物
濃度が高くなるが、他の周辺部では低くなるので、固体
層の中央部の不純物濃度が低く、外周部のそれがを高く
なるように、濃度分布を調整することにより、成長結晶
の半径方向の不純物濃度を均一にすることができる。

【００２１】本発明は上記の知見に基づいて完成された
結晶成長方法であるが、この方法を適用するに当たって
は、含有される不純物の濃度分布が一定になるように固
体層を形成することが重要となる。

【００２２】図４は、一定の不純物の濃度分布を有する
固体層の形成方法の原理を説明した図であり、（ａ）は
溶融層法による結晶成長中の概略構成を示し、（ｂ）は
溶融層法の事前処理としての坩堝内への原料充填要領
を、更に（ｃ）は溶融層４の形成にともなう固体層５へ
の影響状況（溶融液の染み込み）を示している。

【００２３】同図に示すように、最初に、溶融層法の事
前準備として固体原料を坩堝１内に充填する（（ｂ）参
照）。充填にあたっては、坩堝の下部の中心部に通常使
用される不純物を含有しない高純度の固体原料が、その
外周部に微量の不純物を含有させた固体原料が配置され
る。下部の原料層の充填を終えると、その上部に所定の
厚みを持って高純度の固体原料が配置され、原料の充填
を終了する。

【００２４】次に加熱用ヒータの入熱によって、原料層
の上部が加熱、溶融され、溶融層４が形成される
（（ｃ）参照）。溶融層４の形成とともに、溶融液が下
部の固体原料層に染み込んで行くが、その層内の不純物
濃度分布はほぼそのまま維持される。

【００２５】その後、溶融層４が安定するのを待って、
種結晶３が溶融層の表面に浸漬され、その引上げととも
に結晶６が凝固して成長する（（ａ）参照）。

【００２６】坩堝下部の外周部に充填される不純物を含
有する原料、例えばリンを微量に含有するシリコン原料
は、リンを含む雰囲気中で気相反応等によって多結晶シ
リコンを析出させることによって製造できる。

【００２７】以下に本発明の内容を、図面を用いて詳細
に説明する。

【００２８】

【実施例】図１は、本発明方法を実施する結晶成長装置
の一例を示す縦断面図であり、チャンバ14は結晶成長方
向を垂直とした略円筒上の真空容器により形成されてお
り、チャンバ14は図示しない水冷機構により水冷されて
いる。チャンバ14のほぼ中央位置には坩堝１が配設され
ており、この坩堝１は有底円筒形状の石英製の内側坩堝
1aと、この内側坩堝の外側に嵌合される有底円筒形状の
黒鉛製の外側坩堝1bとから構成されている。この坩堝１
の外側坩堝1bの底部には、坩堝を回転または昇降させる
坩堝支持軸12が設けられており、坩堝１の外周には、抵
抗加熱式ヒータ等で構成され、短い発熱長さ、例えば、
90mm程度の発熱長さを有するヒータ２が引上げ軸を中心
として同軸に配設されている。そして、例えば、溶融層
法においては、このヒータ２と坩堝１との相対的な上下
方向への位置調節、またはヒータの入熱量の調整によっ
て、坩堝１内の溶融層４の溶融液量や固体層５の層厚さ
等の条件が調節されるようになっている。また、ヒータ
２の外周には、保温筒11が周設されている。

【００２９】一方、坩堝１の上方には、チャンバ14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15
を通して引き上げワイヤー13が回転ならびに昇降可能に
吊設されており、引き上げワイヤー13の下端には種結晶
３が装着されている。そして、種結晶３の下端を溶融層
４に浸漬した後、これを回転させつつ上昇させることに
よって、種結晶３の下端から結晶６を成長させている。

【００３０】上記の結晶成長装置を用いて、本発明方法
と従来方法によるシリコン単結晶の成長を行い、単結晶
の半径方向の不純物濃度の分布状況の比較を行った。た
だし、半径方向の不純物濃度の均一性は、半導体ウエハ
加工後のウエハ面内の抵抗率の安定性によって評価する
こととした。

【００３１】（本発明方法）本発明方法では、ｎ型ドー
パントとしてリンを使用して、次の条件でシリコンの単
結晶を成長させた。

【００３２】１．シリコン原料の充填 黒鉛製の外側坩堝に石英製の内側坩堝 (内径400mm ×深
さ350mm ）を嵌合して坩堝を構成し、この坩堝内に充填
する結晶用原料としてシリコン多結晶60kgを準備した。
原料の内訳は、通常使用する高純度多結晶を35kgと、不
純物としてリンを含有（0.3mg/cc）する多結晶25kgとし
た。

【００３３】原料の充填は、図４（ｂ）に示すように、
坩堝の下部の中心部に高純度原料を、その外周部に上記
のリンを有する原料を充填（下部原料層の厚さ100mm ）
し、これらの原料層の上に、再び高純度原料を充填し上
部原料層（厚さ130mm ）とした。

【００３４】２．溶融層法の事前処理 チャンバ内を10Torrのアルゴン雰囲気にし、ヒータの入
熱量を65kwにして、上部原料層を加熱、溶融して溶融層
を形成させた。坩堝内に溶融層と固体層が形成させた
後、溶融層に不純物のリン−シリコン合金を 400mg添加
した。

【００３５】３．溶融層法による結晶成長の初期段階 溶融層を安定させた後、結晶の引上げを開始するため
に、坩堝の回転数を１rpm とし、引き上げワイヤーの回
転数10rpm で逆方向に回転させながら、種結晶（結晶方
位〔１１１〕）の下端を溶融層に浸漬した。

【００３６】４．溶融層法による結晶成長 単結晶の成長初期段階（ネック工程終了〜ショルダ
（肩）形成〜ショルダ（肩）変え）ののち、単結晶の引
上げ段階（ボディプロセス）に移行して、結晶直径が
４″の単結晶を、無欠陥で引上げ長さ1000mmに成長させ
た。

【００３７】（従来方法）従来方法でも、同様にｎ型ド
ーパントとしてリンを使用して、シリコンの単結晶を成
長させた。

【００３８】１．シリコン原料の充填 黒鉛製の外側容器に石英製の内側容器 (内径400mm ×深
さ350mm ）を嵌合して坩堝を構成し、この坩堝内に充填
する結晶用原料として不純物を含有しない高純度のシリ
コン多結晶60kgを準備し、充填した。

【００３９】２．溶融層法の事前処理 チャンバ内を10Torrのアルゴン雰囲気にし、ヒータの入
熱量を75kwにし、充填した原料の全てを溶解して溶融層
を形成した後、ヒータの入熱量を60kwに減少させて、原
料層の下部に固体層を形成した。その後、溶融層に不純
物のリン−シリコン合金を 400mg添加した。

【００４０】３．溶融層法による結晶成長 結晶成長の条件は実施例１と同じであって、坩堝の回転
数を１rpm 、引き上げワイヤーの回転数10rpm として、
結晶方位が〔１１１〕）で、直径４″の無欠陥の単結晶
を1000mm成長させた。

【００４１】本発明方法と従来方法とで成長させた単結
晶を、半導体用ウエハとして加工後、ウエハ面内の半径
方向の抵抗率を四探針法によって測定し、それぞれの単
結晶の抵抗率の分布状況を比較した。単結晶の測定部分
は、上部（上端から 100mm部）、中央部および下部（下
端から 100mm部）の３部分とし、ウエハ面内の測定箇所
は、中心部、半径25mm部および半径45mm部の３箇所と
し、その結果を表１にまとめて示した。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１から明らかなように、本発明方法によ
って製造されたウエハは、結晶成長時の上部、中部およ
び下部の何れの部分であっても、ウエハ面内の半径方向
の抵抗率のバラツキが少なく、従来方法に比べ均一な抵
抗率の分布状況となっている。

【００４４】実施例では、添加する不純物としてリンを
使用する場合についてのみ説明したが、その他の不純物
元素、例えばボロン（Ｂ）等についても適用できること
を確認している。

【００４５】さらに、本発明方法は、半導体用としてシ
リコン単結晶の製造のみに適用されるのではなく、シリ
コン以外の単結晶の製造にも適用できる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、溶融層法によって半導
体用単結晶を成長させる場合に、何れの結晶成長方位で
引上げた結晶であっても、半径方向の不純物濃度が均一
な結晶を成長させることができる。これによって、加工
後のウエハ面内の電気的特性が優れた半導体用ウエハを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する結晶成長装置の一例を示
す縦断面図である。

【図２】溶融層法の基本的な構成を説明する縦断面図で
ある。

【図３】リンを不純物として含有させて、結晶成長方位
が〔１１１〕で成長させた４″直径のシリコン結晶の半
径方向の抵抗率の変化状況を示した図である。

【図４】一定の不純物の濃度分布を有する固体層の形成
方法の原理を説明した図であり、（ａ）は溶融法による
結晶成長中の概略構成を、（ｂ）は坩堝内への原料充填
要領を、（ｃ）は溶融層４の形成にともなう固体層５へ
の影響状況を示している。

【図５】従来の回転引き上げ法（ＣＺ法）の実施状態を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…坩堝、1a…石英坩堝、1b…黒鉛坩堝、２…ヒータ、
３…種結晶 ４…溶融層、５…固体層、６…結晶、７…溶融液 11…保温筒、12…坩堝支持軸、13…引上げワイヤー、14
…チャンバ 15…プルチャンバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】坩堝内の原料の上部を加熱溶融して溶融層
   とし、下部は原料の固体層とし、種結晶を前記溶融層の
   表面に接触させて引き上げることにより結晶を成長させ
   る結晶成長方法において、前記固体層の不純物の濃度分
   布を坩堝中心から半径方向に向かって変化させることを
   特徴とする結晶成長方法。