JPH07315980A

JPH07315980A - 半導体単結晶の成長方法

Info

Publication number: JPH07315980A
Application number: JP13371594A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kimura; 雅規木村; Hirotoshi Yamagishi; 浩利山岸
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1994-05-24
Publication date: 1995-12-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JP2820027B2

Abstract

(57)【要約】【目的】単結晶中に不純物を均一濃度分布で取り込ま
せることができる、ＦＺ法による半導体単結晶の成長方
法を提供する。【構成】誘導加熱コイル３で原料結晶１を部分的に加
熱溶融して溶融帯８を形成し、溶融帯８を原料結晶１の
一端部から他端部へ移動させて単結晶２を成長させるＦ
Ｚ法による半導体単結晶の成長方法において、融液の攪
拌６を非軸対称とし、成長中の単結晶２の回転方向を交
互に換えて溶融帯８内に片流れ５を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＦＺ法（フロートゾー
ン法、浮遊帯域溶融法）による半導体単結晶の成長方法
に関し、半導体単結晶中に不純物を均一に取り込ませる
ことを目的とするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＦＺ法により半導体単結晶を成長
させる方法として、棒状の原料多結晶を上軸に、直径の
小さい単結晶の種を前記原料多結晶の直下に位置する下
軸にそれぞれ保持し、高周波誘導加熱コイルにより原料
多結晶を囲繞し、これを溶融して前記種結晶に融着させ
た後、種絞りにより無転位化しつつ、前記加熱コイルと
原料多結晶を相対的に回転させ、かつ相対的に軸線方向
に移動させながら棒状単結晶を成長させる方法は公知で
ある。この成長方法では、原料多結晶を狭小域において
短時間に芯まで溶融する必要があり、一方、帯域溶融後
の半導体を、不純物のバラツキ等がなく安定して単結晶
に成長させるには、浮遊帯域と接する単結晶成長域の始
端側を緩やかに放熱させる必要があり、かかる要請を満
足する為に、従来より偏平誘導加熱コイルが多く用いら
れている。

【０００３】この偏平誘導加熱コイルとしては、例えば
図１０に示すものが知られている（特公昭５１−２４９
６４号公報など、以下従来技術という）。前記加熱コイ
ル６１は、リング状に形成したコイル内周側を断面先細
り状に形成しつつ、外径側壁に給電部６３，６４を設け
たコイル６１両端側の対向面６５，６６を、スリット６
２を介して極力接近させ、これによりコイル６１周方向
における電流回路の対称性を維持し、ほぼ軸対称な磁界
分布が得られるように構成している。磁界分布が軸対称
であると、電磁力による融液の攪拌７４（図１１を参
照）が軸対称に行われ、また、前記加熱コイル６１によ
る溶融帯７１の加熱も軸対称に行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来技術によれば、前記加熱コイル６１の前記スリット６
２が該加熱コイル６１周回方向と直交する面上に沿って
形成されている為に、たとえ前記対向面６５，６６を極
力接近させてもその部分で不均一磁界が発生するのを避
けられず、また、前記対向面６５，６６付近においては
半径方向に沿ってそれぞれ正逆異方向に電流が流れる為
に、該異方向電流により結晶成長に最も影響を与える上
下方向の電磁界が倍増され、前記不均一磁界が一層増幅
される事となる。

【０００５】そして、該不均一磁界を有したまま前記棒
状の原料多結晶７０と前記加熱コイル６１間で相対回転
／移動を行うと、一回転毎の各成長サイクルにおいて不
均一磁界から形成される局部的な温度差異により不純物
の濃い層と薄い層が繰り返し形成され（これを「脈動」
という）、該脈動を有する単結晶７３によりデバイスを
製造した場合、該脈動部分のミクロな抵抗率変動が製品
欠陥の原因となる。

【０００６】前記ミクロな抵抗率変動を最小限に抑える
ため、単結晶７３の回転中心軸と誘導加熱コイル６１の
中心および原料多結晶７０の回転中心軸を一致させて偏
芯を抑えると、次の原因によりマクロな不純物濃度分布
が不均一になってしまう。

【０００７】すなわち、図１１に示すように、単結晶７
３の回転中心軸と誘導加熱コイル６１の中心および原料
多結晶７０の回転中心軸を一致させながら単結晶７３を
一方向に回転させると、溶融帯７１中に、電磁力と遠心
力によって軸対称に近い融液の攪拌７４が形成される。
しかし、単結晶７３の回転中心軸付近では、電磁力や遠
心力が十分に作用しない上、該中心軸に向かう融液の攪
拌７４がぶつかりあい打ち消しあうので、融液の攪拌７
４の流速が極端に低下する。その結果、前記回転中心軸
付近の成長界面７５直上の不純物濃度が高くなるので、
成長した単結晶７３の中心部において不純物濃度が高く
なる。すなわち、マクロな不純物濃度分布が不均一にな
る。

【０００８】一方、マクロな不純物濃度分布を均一にす
るための方法として、単結晶の回転中心軸を、誘導加熱
コイルの中心または原料多結晶の回転中心軸からずらす
（以下、「偏芯」という）ものが公知であるが（米国特
許３，４１４，３８８号、米国特許３，６５８，５９８
号）、該偏芯により誘導加熱コイルによる加熱分布の非
軸対称性が増大し、結局ミクロな不純物濃度分布が非軸
対称になる。

【０００９】このように、偏芯の有無による従来の不純
物濃度分布の均一化方法では、ミクロな不純物濃度分布
の均一化と、マクロな不純物濃度分布の均一化とを両立
させることは不可能であった。したがって本発明の目的
は、ミクロな不純物濃度分布とマクロな不純物濃度分布
とを両立して均一化することができる半導体単結晶の成
長方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体単結晶の
成長方法は、図１に示すように、誘導加熱コイル３で原
料結晶１を部分的に加熱溶融して溶融帯８を形成し、該
溶融帯８を前記原料結晶１の一端部から他端部へ移動さ
せて単結晶２を成長させるＦＺ法による半導体単結晶の
成長方法において、融液の攪拌６を非軸対称とし、成長
中の単結晶２の回転方向を交互に換えて、前記溶融帯８
内に片流れ５を発生させることを特徴とする。前記成長
中の単結晶２の回転方向は、該単結晶２を一方向に３回
転以下回転させた後に反転させることが好ましい。

【００１１】前記融液の攪拌６は、例えば図２に示すよ
うに、コイル周回方向と直交する面上に沿って形成され
たスリット４を有する誘導加熱コイル３を用いて不均一
磁界を発生させることにより、非軸対称とされる。前記
スリット４の幅は、０．５ｍｍ〜５ｍｍとすることが好
ましい。また、前記成長中の単結晶２の回転中心軸は、
前記誘導加熱コイル３の中心軸に対する偏芯幅が２ｍｍ
以下であることが好ましい。

【００１２】前記融液の攪拌６は、例えば図３に示すよ
うに、軸対称な磁界分布を発生させる誘導加熱コイル３
の中心軸に対し成長中の単結晶２を偏芯させることによ
り、非軸対称とされる。前記軸対称な磁界分布を発生さ
せる誘導加熱コイル３は、コイル両端部を周回方向に交
差させた部位を有する（スリット４を形成する一対の対
向面が、コイル表面に斜めに交差するようにスリット４
を形成する）ものである。前記成長中の単結晶２の回転
中心軸は、前記誘導加熱コイル３の中心軸に対する偏芯
幅が４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。

【００１３】

【作用】図２（Ｂ）に示す誘導加熱コイル３では、スリ
ット４が該加熱コイル３の周回方向と直交する面上に沿
って形成されている為に、たとえ該加熱コイル３両端側
の対向面４ａ，４ｂを極力接近させてもその部分で電磁
力が弱くなり、不均一磁界が発生するのを避けられな
い。このため、電磁力による融液の攪拌６は非軸対称と
なる。

【００１４】さらに、その内周面側の温度分布を、本発
明者が作製した図１２に示す治具１１（特開平５−２７
０９６６号公報）により給電部から周方向に沿って測定
すると、図１３に示すようになる。この図から明らかな
ように、前記加熱コイル３の内周面側において、加熱能
力は給電部９ａ，９ｂ〔図２（Ｂ）を参照〕で最も低下
するので、対流による融液の攪拌力が前記給電部９ａ，
９ｂ直下で最も小さくなる。このため、溶融帯８内では
その温度分布が非軸対称となり、対流による融液の攪拌
６は非軸対称となる。

【００１５】一方、図３（Ｂ）に示す誘導加熱コイル３
（特開昭６４−４８３９１号公報）では、該加熱コイル
３両端部が周方向に交差するので軸対称な磁界分布が発
生する。しかし、成長中の単結晶２を該加熱コイル３に
対し偏芯させると、溶融帯８に対する磁界分布は非軸対
称となるので、融液の攪拌６は非軸対称となる。

【００１６】本発明の成長方法は、融液の攪拌６の非軸
対称性を逆に利点として生かしたものである。すなわ
ち、融液７に一定方向の回転力が加わらなくするために
単結晶２を交互に反転させると、融液の攪拌６が非軸対
称な時には、図１に示すように誘導加熱コイル３による
攪拌力の不均衡が顕在化して、攪拌力が大きい所から攪
拌力が小さい所に融液７が流れる、片流れ現象５を発生
させることができる。その結果、単結晶２の回転中心軸
付近にも融液の攪拌６が生じ、この部分の不純物濃度が
従来方法に比べて低くなる。片流れ５は、その周辺部の
融液７を移動させるので、結局、単結晶２中心部の不純
物濃度とその周辺部の不純物濃度が均一化される。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好ましい実施
例について、従来方法と比較して説明する。但し、この
実施例に記載されている構成部品の寸法・材質・形状・
その相対的配置などについては、特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではな
く、単なる例示にすぎない。

【００１８】実施例１および比較例１（従来方法）図２に示すＦＺ法の装置により、直径８０ｍｍ、ｎ型、
結晶軸＜１１１＞のシリコン単結晶を成長させた。以下
の成長条件を共通条件とし、単結晶棒の反転周期、偏芯
幅を変えて実験を行った。成長速度：２．６ｍｍ／ｍ
ｉｎ棒状原料多結晶：直径８０ｍｍ単結晶棒の最高回転速度：７ｒｐｍ棒状原料多結晶の回転速度：０．５ｒｐｍ誘導加熱コイル：コイル周回方向と直交する面上に沿っ
て形成された２ｍｍ幅のスリットを有する偏平誘導加熱
コイル（非軸対称な磁界分布を持つ誘導加熱コイル）

【００１９】成長させた単結晶について、半径方向のマ
クロな抵抗率分布を四探針法で測定した。その結果を図
４、図１４および図１６に示す。また、ＳＲ法によって
測定したミクロな抵抗率分布を図５、図１５および図１
７に示す。なお、マクロな抵抗率分布では、四探針法に
よる抵抗率の絶対値の違いによる見掛け上の変動幅を無
視できるように、全測定値の平均値に対する各点の偏差
をパーセント値で表示した。さらに、マクロな抵抗率分
布の良否の指標として、ＲＲＧ〔ＲＲＧ＝（抵抗率max
−抵抗率min ）／抵抗率min ×１００％〕を用いた。一
方、ＳＲ法によるミクロな抵抗率分布の変動幅の指標と
しては、鋸刃状のＳＲ値の最大変動幅α（α＝山頂値／
谷値）を採用した。

【００２０】まず比較例１の結果についてみると、偏芯
幅を１０ｍｍとした場合には、図１４に示すように、マ
クロな抵抗率分布は良好（ＲＲＧ＝１３．７％）である
が、誘導加熱コイル６１の加熱分布の非軸対称性が助長
されるため、図１５に示すようにミクロな抵抗率分布が
悪い（α＝１．４２）。また、偏芯幅を０ｍｍ（同軸引
上げ）にすると、ミクロな抵抗率分布は図１７のように
改善されるものの、図１６のようにマクロな抵抗率分布
が逆に悪化した（ＲＲＧ＝４２．８％）。

【００２１】これに対して、実施例１では単結晶を１回
転周期で交互に反転させることにより図４および図５に
示すように、０ｍｍ偏芯における良好なミクロの抵抗率
分布（α＝１．３２）を維持しながら、マクロの抵抗率
分布も均一なものに改善することができた（ＲＲＧ＝
９．２％）。

【００２２】本発明における好適な成長条件の範囲を調
べるために、偏芯幅と反転周期を変えて同様なテストを
行い、図６の結果を得た。この結果から、非軸対称な磁
界分布を持つ誘導加熱コイルに対しては、反転周期：３
回転以下、偏芯幅：２ｍｍ以下が特に有効であることが
分かった。

【００２３】実施例１では、コイル周回方向と直交する
面上に沿って形成されたスリット幅が２ｍｍの偏平誘導
加熱コイル３を採用した。前記スリット４により融液の
攪拌６を非軸対称にさせるが、該スリット４の幅を調整
することにより、融液の攪拌６の非軸対称性を微妙に変
化させることができる。しかし、前記スリット４の幅が
０．５ｍｍ未満の場合は該スリット４間で放電が発生し
て結晶成長が不可能となり、該スリット４の幅が５ｍｍ
を超えた場合には、溶融帯８の外周部での融液攪拌６の
非軸対称性が過大となり、又、溶融帯８のネック部で固
化が生じるので、前記スリット４の幅は、０．５ｍｍ〜
５ｍｍとすることが好ましい。

【００２４】実施例２図３に示すＦＺ法の装置により、以下の成長条件で、直
径８０ｍｍ、ｎ型、結晶軸＜１１１＞のシリコン単結晶
を成長させた。成長速度：２．６ｍｍ／ｍｉｎ棒状原料多結晶：直径８０ｍｍ単結晶棒の最高回転速度：１５ｒｐｍ棒状原料多結晶の回転速度：０．５ｒｐｍ偏芯幅：８ｍｍ誘導加熱コイル：コイル両端部を周回方向に交差させた
部位を有する偏平誘導加熱コイル（軸対称な磁界分布を
持つ誘導加熱コイル）

【００２５】実施例２では単結晶２を１回転周期で交互
に反転させることにより、図７および図８に示すよう
に、良好なミクロの抵抗率分布（α＝１．２５）を維持
しながら、マクロの抵抗率分布も従来のものよりも均一
なものに改善することができた（ＲＲＧ＝１１．０
％）。

【００２６】本発明における好適な成長条件の範囲を調
べるために、偏芯幅と反転周期を変えて同様なテストを
行い、図９の結果を得た。この結果から、軸対称な磁界
分布を持つ誘導加熱コイルに対しては、反転周期：３回
転以下、偏芯幅：４ｍｍ以上１０ｍｍ以下で有効であ
り、中でも６ｍｍ以上８ｍｍ以下の偏芯幅で特に良好な
結果が得られることが分かった。

【００２７】本実施例においては、半導体単結晶として
シリコン単結晶を成長させたが、本発明はシリコンのみ
ならず、ゲルマニウム等の半導体やリン化ガリウム等の
化合物半導体の単結晶を成長させる場合にも用いること
ができることは、いうまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明で明かなように、本発明の成
長方法ではＦＺによる半導体単結晶の成長方法におい
て、融液の攪拌を非軸対称とし、成長中の単結晶の回転
方向を交互に換えて融液の片流れを発生させることによ
り、単結晶の回転中心軸付近にも融液流が生じ、単結晶
中心部の不純物濃度とその周辺部の不純物濃度が均一化
される。従って、本発明によれば半導体単結晶中に不純
物を均一濃度で取り込ませることができ、従来方法では
不可能であったミクロとマクロの不純物濃度分布の均一
化を、同時に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による単結晶成長方法の模式図である。

【図２】本発明による単結晶成長方法の一例を示すもの
であって、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は、コイル周回
方向と直交する面上に沿って形成されたスリットを有す
る誘導加熱コイルの平面図である。

【図３】本発明による単結晶成長方法の他の例を示すも
のであって、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は、コイル両
端部を周回方向に交差させた部位を有する誘導加熱コイ
ルの平面図である。

【図４】本発明の図２に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、単結晶について半径方向のマク
ロな抵抗率分布を四探針法により測定して得たものであ
る。

【図５】本発明の図２に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、単結晶について半径方向のミク
ロな抵抗率分布をＳＲ法により測定して得たものであ
る。

【図６】本発明の図２に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、偏芯幅と反転周期を変えてマク
ロな抵抗率分布を測定して得たものである。

【図７】本発明の図３に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、単結晶について半径方向のマク
ロな抵抗率分布を四探針法により測定して得たものであ
る。

【図８】本発明の図３に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、単結晶について半径方向のミク
ロな抵抗率分布をＳＲ法により測定して得たものであ
る。

【図９】本発明の図３に示す方法に基づく実施例の結果
を示すグラフであって、偏芯幅と反転周期を変えてマク
ロな抵抗率分布を測定して得たものである。

【図１０】従来の偏平誘導加熱コイルの概略斜視図であ
る。

【図１１】従来方法を適用した場合の、溶融帯中の融液
流れの模式図である。

【図１２】誘導加熱コイルの加熱能力を測定する治具の
概略斜視図である。

【図１３】図１０の加熱コイルの加熱能力分布を示すグ
ラフである。

【図１４】従来方法の１０ｍｍ偏芯による成長結果を示
すグラフであって、単結晶について半径方向のマクロな
抵抗率分布を四探針法により測定して得たものである。

【図１５】従来方法の１０ｍｍ偏芯による成長結果を示
すグラフであって、単結晶について半径方向のミクロな
抵抗率分布をＳＲ法により測定して得たものである。

【図１６】従来方法の０ｍｍ偏芯による成長結果を示す
グラフであって、単結晶について半径方向のマクロな抵
抗率分布を四探針法により測定して得たものである。

【図１７】従来方法の０ｍｍ偏芯による成長結果を示す
グラフであって、単結晶について半径方向のミクロな抵
抗率分布をＳＲ法により測定して得たものである。

【符号の説明】

１，７０原料結晶２，７３単結晶３，６１誘導加熱コイル４，６２スリット５片流れ６，７４融液の攪拌７，７２融液８，７１溶融帯１１治具１２熱電対９ａ，９ｂ，６３，６４給電部４ａ，４ｂ，６５，６６対向面７５成長界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導加熱コイルで原料結晶を部分的に加
熱溶融して溶融帯を形成し、該溶融帯を前記原料結晶の
一端部から他端部へ移動させて単結晶を成長させるＦＺ
法による半導体単結晶の成長方法において、融液の攪拌
を非軸対称とし、成長中の単結晶の回転方向を交互に換
えて前記溶融帯内に片流れを発生させることを特徴とす
る半導体単結晶の成長方法。
【請求項２】前記成長中の単結晶の回転方向を、該単
結晶を一方向に３回転以下回転させた後に反転させるこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の成長方
法。
【請求項３】コイル周回方向と直交する面上に沿って
形成されたスリットを有する誘導加熱コイルを用いて不
均一磁界を発生させることにより、前記融液の攪拌を非
軸対称とすることを特徴とする請求項１または２に記載
の半導体単結晶の成長方法。
【請求項４】前記スリットの幅を０．５ｍｍ〜５ｍｍ
とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体単結晶
の成長方法。
【請求項５】前記成長中の単結晶の回転中心軸は、前
記誘導加熱コイルの中心軸に対する偏芯幅が２ｍｍ以下
であることを特徴とする請求項３または４に記載の半導
体単結晶の成長方法。
【請求項６】軸対称な磁界分布を発生させる誘導加熱
コイルに対し成長中の単結晶を偏芯させることにより、
前記融液の攪拌を非軸対称とすることを特徴とする請求
項１または２に記載の半導体単結晶の成長方法。
【請求項７】前記軸対称な磁界分布を発生させる誘導
加熱コイルは、コイル両端部を周回方向に交差させた部
位を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体単
結晶の成長方法。
【請求項８】前記成長中の単結晶の回転中心軸は、前
記誘導加熱コイルの中心軸に対する偏芯幅が４ｍｍ以上
１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項６または７
に記載の半導体単結晶の成長方法。