JPH08310891A

JPH08310891A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH08310891A
Application number: JP11613195A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; 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: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1996-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】ＤＬＣＺ法における固体層の形成時間を短縮
することが可能な結晶成長方法を提供すること。【構成】坩堝１内に充填した結晶用原料の多結晶シリ
コンを全て溶解した後、ドーパントを添加する。そして
坩堝１を結晶成長時の位置より下降させて坩堝１の下部
の温度を低下させ、坩堝１の底部から上方へ向けて融液
を凝固させて固体層Ｓを形成する。固体層Ｓ及び融液層
Ｌが所望する量となった時点で凝固を終了する、即ち坩
堝１の位置を従来の位置へ戻す。その後、坩堝１を所定
方向へ所定回転数にて回転させた状態にて融液層Ｌに種
結晶６を浸した後、坩堝１とは逆方向に回転させなが
ら、また融液層Ｌの減少を補うように固体層Ｓを溶融し
ながら、種結晶６を徐々に引上げる。そうすると種結晶
６の下端に接触している溶融液Ｌが冷却されて単結晶９
を成長させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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】結晶成長方法には種々の方法があるが、
その１つにチョクラルスキー法（ＣＺ法）がある。図５
は、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。図中１は、図示しないチャンバ内に配設さ
れた坩堝を示しており、坩堝１は有底円筒形状をなす石
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側容器1aとから構成されている。坩
堝１は、その下側が図示しない昇降・回転機構に接続さ
れた支持軸７に連結されており、昇降および回転が可能
なようになっている。坩堝１の外側には、坩堝１と同心
円筒状であるヒータ２が配設されている。またその先端
に種結晶６を脱着することが可能な引上げ軸（ワイヤ）
５が坩堝１の上方に臨ませてある。引上げ軸５も図示し
ない昇降・回転機構により昇降および回転が可能なよう
になしてある。

【０００３】結晶成長を行う場合は、まず坩堝１に結晶
用原料を充填し、坩堝１を所定方向へ所定回転数にて回
転させながら結晶用原料をヒータ２にて溶融する。また
引上げ軸５の先端に種結晶６を取り付け、種結晶６を溶
融液Ｌに一旦接触するまで降下させた後、坩堝１とは逆
方向に回転させながら上方へ引き上げる。そうすると種
結晶６の下端に接触している溶融液Ｌが冷却されて単結
晶９を成長させることができる。ここでシリコン（Ｓ
ｉ）単結晶を成長させる場合は、結晶を無転位化するた
めに、直径約３mmの絞り（neck）部を成長させた後に所
定の直径まで結晶を成長させ、所定径を維持する。

【０００４】また半導体材料として使用されるシリコン
単結晶を成長させる場合、所定の電気伝導型及び電気抵
抗率を得るため、溶融液Ｌ中にドーピング不純物（ドー
パント）を添加して成長させることが多い。このドーパ
ントはPfann の式として知られる（1)式に従って単結晶
９の引上げ方向に偏析する。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（使用結晶原料重量に対する結晶重
量の比）

【０００５】ドーパントの偏析を抑制する方法として、
二層引上げ法（ＤＬＣＺ（ＤoubleＬayered ＣＺochra
lski)法) が知られている（干川圭吾著「バルク結晶成
長技術」アドバンストエレクトロニクスシリーズＩ−
４，培風館,1994, 115-120頁)。図６は従来のＤＬＣＺ
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。ＤＬＣＺ法は、結晶用原料を全て溶解した後、ヒー
タ２の出力制御によって融液の下部を凝固させて坩堝１
の底部に固体層Ｓを形成し、その上部に融液層Ｌを形成
して、これらを共存させている。そして融液層Ｌに種結
晶６を浸した後これを徐々に引上げて単結晶９を成長さ
せ、これと同時に融液層Ｌの減少を補うように固体層Ｓ
を溶融する。結晶成長中には結晶の引上げに伴い坩堝１
内の結晶用原料が減少し、坩堝１内での融液表面のレベ
ルが低下するので、結晶成長装置に対してこのレベルが
一定に保たれるように、結晶の成長速度に応じた速度で
坩堝１を上昇せしめる。

【０００６】ＤＬＣＺ法におけるドーパントの偏析を防
止する方法として融液層厚一定法と融液層厚変化法とが
ある。融液層厚一定法には、成長途中にドーパントを添
加する方法（特公昭34−8242号公報，特公昭62-880号公
報，実公平3-7405号公報）と添加しない方法（特公昭62
-880号公報，特開昭63−252989号公報）とがある。成長
途中にドーパントを添加する方法は、ドーパントを含有
しない固体層Ｓを形成し、融液層Ｌ中にドーパントを含
有させ、単結晶９の引上げに伴って固体層Ｓを溶融して
融液層Ｌの体積を一定に保ちながら、単結晶９中に取り
込まれた量のドーパントを融液層Ｌに連続的に添加し、
融液層Ｌ中のドーパント濃度を一定に保つ。これにより
ドーパント濃度が均一な単結晶９を成長させることがで
きる。

【０００７】また融液層厚一定法の、成長途中にドーパ
ントを添加しない方法は、結晶用原料を全て溶解した時
点でドーパントを添加し、ドーパントを含有する固体層
Ｓを形成する。そして単結晶９の引上げに伴って固体層
Ｓを溶融し、融液層Ｌの体積を一定に保ちながら、成長
途中にはドーパントを添加せずに、融液層Ｌ中のドーパ
ント濃度の変化を抑制する。

【０００８】一方、融液層厚変化法には、ドーパントを
含有しない固体層Ｓを使用する方法（特公平３-79320号
公報）とドーパントを含有する固体層Ｓを使用する方法
（特開平５−270970号公報）とがある。前者は、ドーパ
ントを含有しない固体層Ｓを形成し、融液層Ｌにドーパ
ントを添加する。そして単結晶９の引上げ途中にはドー
パントを添加せずに、固体層Ｓを溶融して融液層Ｌの体
積を変化させることによって融液層Ｌ中のドーパント濃
度を一定に保持する。

【０００９】また後者は、結晶用原料を溶解した時点で
ドーパントを添加しドーパントを含む固体層Ｓを形成す
る。そして単結晶９の引上げ途中にはドーパントを添加
せずに、固体層Ｓを溶融して融液層Ｌの体積を変化させ
ることによって融液層Ｌ中のドーパント濃度を一定に保
持する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した４種類のＤＬ
ＣＺ法は何れも結晶の引上げに伴う偏析により増加する
ドーパント濃度を、固体層Ｓの溶融によって希釈して略
一定に保ち、結晶中電気抵抗率分布を均一化している。
従って何れの方法も、結晶成長途中に固体層Ｓを溶融す
る工程を含む。また何れの方法に使用される装置におい
ても、固体層Ｓと融液層Ｌとを共存させるために坩堝１
の下部が上部より低温に保たれる、即ち結晶成長装置の
下部は上部より抜熱が促進されるような熱設計がなされ
ている。

【００１１】ここで結晶用原料の固形状態から固体層Ｓ
と融液層Ｌとを共存させた状態への移行には、上述した
如く結晶用原料を一旦全て溶解した後その融液の下部を
凝固させる方法と、結晶用原料を一旦全て溶解し、その
融液の全てを凝固させた後その上部を溶解する方法と、
固形の結晶用原料を上部のみ溶解する方法とが考えられ
る。

【００１２】固形の結晶用原料を上部のみ溶解する方法
は以下のような理由からあまり採用されていない。Ｓｉ
単結晶を成長させる場合は、結晶用原料として高純度の
多結晶シリコンが使用される。一般に多結晶シリコン
は、高純度のモノシラン（ＳｉＨ₄）又はトリクロルシ
ラン（ＳｉＨＣｌ₃）を熱分解させてシリコンの細線上
に凝縮させるＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition)
法による直径が130 mmまでの円柱形状のもの、これを破
砕したもの、及び流動床法による５mm以下の顆粒形状の
ものが使用される（干川圭吾著「バルク結晶成長技術」
アドバンストエレクトロニクスシリーズＩ−４，培風館
(1994)13〜19頁）。しかしながら実際に生産されるＳｉ
単結晶の直径は100 〜200 mm（近い将来には300 mm）で
あり、これらの結晶成長に使用される坩堝１の直径は最
低でも200 mmである。従って当然、結晶用原料は坩堝１
よりも小さいので、坩堝１に原料を装入した時点で原料
と坩堝壁との間、及び原料と原料との間には空隙が存在
する。

【００１３】ここで原料の上部のみを溶解し一部未溶解
のまま固体層Ｓを形成すると、上部で溶解した融液が坩
堝下部の固体原料中の空隙に染み込む。ここで坩堝下部
は低温となるように熱設計されているので、染み込んだ
融液は凝固する。そうすると原料装入時の空隙の多くは
除去されるが、完全には除去されず一部が残る。このよ
うな状況で結晶成長を行うと、結晶成長中に固体層Ｓを
溶解する工程中に、融液層Ｌと固体層Ｓとの界面が固体
層Ｓ中に残っている空隙に到達した時点で、融液が空隙
に落ち込み融液を動揺させる。これは成長中の単結晶中
に転位を発生させる原因となる。従ってこの方法はあま
り利用されていない。

【００１４】また結晶成長装置の内部又は外部で結晶用
原料を一旦全て溶解した後、坩堝１と略同形状の容器内
にて凝固させ、空隙を含まない結晶成長用の原料を作成
して坩堝１内にてその上部を溶解する方法は、熱効率が
低く運転費用が多くかかるという欠点を有する。また坩
堝１外でその凝固工程を行う場合は、このための装置が
別途必要であり、設備費も多くかかる。

【００１５】これらの理由によりＤＬＣＺ法において
は、結晶用原料の全てを一旦溶解した後、坩堝１の底部
から融液を凝固させ、所定量の融液層が残っている時点
で凝固を終了し固体層Ｓと融液層Ｌとを共存させる方法
が採られることが多い。しかしながらこの方法において
も融液を凝固させる時間の短縮が、生産性を向上させる
上で大きな課題となっている。

【００１６】またヒータパワーを大幅に下げて速く凝固
させる方法も考えられるが、以下のような問題がある。
即ちヒータパワーを下げると、融液が、坩堝１壁面との
隣接部分及び融液の液面部分の全てから一斉に凝固を始
める。そうすると凝固によって結晶用原料は膨張し坩堝
１が破損する虞がある。また融液の下方から上方へ向け
て凝固させる場合は液中のドーパント濃度を予測して制
御することができるが、あらゆる方向から一斉に凝固す
るとこの制御が行えない。従ってヒータパワーを下げる
には下限が存在する。

【００１７】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、固体層形成時は坩堝を結晶成長時の位置より
下方に位置させることにより、ＤＬＣＺ法における固体
層の形成時間を短縮することが可能な結晶成長方法を提
供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る結晶成長方
法は、溶解された結晶用原料を、坩堝内にて下側から所
定量凝固させて固体層とし、上部は坩堝の周囲に備えら
れたヒータにて融液層とした状態で、該融液層に浸した
種結晶を引き上げて結晶を成長させる方法において、固
体層形成時には坩堝底部がヒータから遠ざかるように坩
堝を結晶成長時の位置より下げ、固体層形成終了後は結
晶成長時の位置へ戻して結晶を成長させることを特徴と
する。

【００１９】

【作用】融液を凝固させるときの固体層厚（坩堝底部か
らの厚み）は、固体層形成開始から時間の平方根に比例
して増大し、所定の時間が経過すると固体層の成長が停
止して定常に達することが知られている（干川圭吾著
「バルク結晶成長技術」培風館,1994, 116-117頁）。そ
こで本発明にあっては、坩堝の位置を結晶成長時よりも
下げて融液を凝固させて固体層を形成する。この場合の
固体層厚も、固体層形成開始時間の平方根に比例して増
大し、定常状態に達するが、この場合の定常状態におけ
る層厚は、従来（結晶成長時の位置での凝固）より厚
く、また坩堝底部からの抜熱が大きいため凝固速度が高
い。従って同じ厚みの固体層を形成するために要する時
間は短縮される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図１は、本発明に係る結晶成長方
法（以下、本発明方法という）の実施に使用する装置を
示す模式的縦断面図である。図中１は、チャンバ８内に
配設された坩堝を示しており、坩堝１は有底円筒形状を
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側容器1aとから構成されてい
る。坩堝１は、その下側が図示しない昇降・回転機構に
接続された支持軸７に連結されており、昇降および回転
が可能なようになっている。坩堝１の外側には、坩堝１
と同心円筒状である抵抗加熱式のヒータ２が上下２段に
配設されている。ヒータ２の外側及び坩堝１の下方に位
置するチャンバ８の内面側には保温筒３が設けられてい
る。また坩堝１中央の上方には、その先端にシードチャ
ックを介して種結晶６を脱着することが可能であり、ワ
イヤ又は棒からなる引上げ軸５が吊設されている。引上
げ軸５も図示しない昇降・回転機構により昇降および回
転が可能なようになしてある。

【００２１】以上の如き構成の装置において、本発明方
法を適用したＤＬＣＺ法を使用して単結晶を成長させ
る。まず坩堝１内に充填した結晶用原料の多結晶シリコ
ンを全て溶解した後、ドーパントを添加する。そして坩
堝１を結晶成長時の位置より下降させて坩堝１の下部の
温度を低下させ、坩堝１の底部から上方へ向けて融液を
凝固させて固体層Ｓを形成する。固体層Ｓ及び融液層Ｌ
が所望する量となった時点で凝固を終了させ、坩堝１の
位置を従来の位置へ戻す。その後、坩堝１を所定方向へ
所定回転数にて回転させた状態にて融液層Ｌに種結晶６
を浸した後、坩堝１とは逆方向に回転させながら、また
融液層Ｌの減少を補うように固体層Ｓを溶融しながら、
種結晶６を徐々に引上げる。そうすると種結晶６の下端
に接触している溶融液Ｌが冷却されて単結晶９を成長さ
せることができる。このとき結晶成長中には結晶の引上
げに伴い坩堝１内の結晶用原料が減少し、坩堝１内での
融液表面のレベルが低下するので、結晶成長装置に対し
てこのレベルが一定に保たれるように、結晶の成長速度
に応じた速度で坩堝１を上昇せしめる。結晶成長装置は
このような坩堝１の上昇に伴い固体層Ｓが徐々に溶融す
るように、また結晶成長中においても固体層Ｓが安定し
た状態で融液層Ｌと共存するように熱設計されている。

【００２２】固体層Ｓの形成を、従来の坩堝位置で行っ
た場合と、これより100 mm下方の位置で行った場合と
で、固体層Ｓの層厚を経時的に測定した結果を図２に示
す。なお従来の坩堝位置で固体層Ｓの形成を行った場合
も、本発明方法における位置で固体層Ｓの形成を行った
場合も、原料溶解時のヒーターパワー及び固体層形成時
のヒーターパワーは同条件とした。層厚は、固体層Ｓ形
成中に融液内に石英棒を挿入して計測した。従来の方法
では、固体層Ｓ厚みが定常（約85mm）に達するまでに約
６時間を要しているのに対し、本発明方法では85mmに達
するまでに約４時間を要するのみで大幅に短縮されてい
ることが判る。また本発明方法では85mmに達しても定常
状態とはならずさらに固体層Ｓが形成され続ける。

【００２３】図３は、従来位置で固体層Ｓを形成し定常
状態（約85mm）に達した原料を使用して成長させたＳｉ
単結晶（φ６”×1100mm，Ｐドーピング）と、本発明方
法により固体層Ｓを形成し約85mmに達した原料を使用し
て成長させたＳｉ単結晶（φ６”×1100mm，Ｐドーピン
グ）とにおける抵抗率分布を示すグラフである。縦軸は
抵抗率であり、横軸は、結晶の各部位での結晶化した結
晶重量を、最初に坩堝１に装入した結晶用原料の重量に
より正規化して百分率で表示している。このときの引上
げ条件を以下に示す。結晶用原料多結晶シリコン６５Ｋｇ石英坩堝 φ４００mm × Ｈ３５０mm 加熱方法直流抵抗加熱ヒータ形状上段 φ460 mm × φ508 mm × Ｈ150 mm 下段 φ460 mm × φ508 mm × Ｈ150 mm 間隔20mm 保温筒内径６００mm，外径８００mm チャンバ内径８４５mm × Ｈ６００mm（水冷）雰囲気Ａｒ 40リットル／min （１気圧，０℃の状態で）チャンバ圧１０Ｔｏｒｒ

【００２４】図３より、従来方法及び本発明方法により
凝固させた原料を使用して得られたＳｉ単結晶の抵抗率
はほとんど差が無く、本発明方法はＤＬＣＺ法の特徴で
あるドーパントの偏析抑制効果に悪影響を及ぼしていな
いことが判る。以上より本発明方法を使用して単結晶を
成長させると、結晶用原料の凝固工程の時間が短縮さ
れ、その他の工程に要する時間は従来と同じである。従
って結晶成長の全工程に要する時間は、凝固工程におい
て短縮された時間だけ短縮される。また得られた単結晶
は、従来と同様の優れた品質である。

【００２５】坩堝１の下部の温度を低下させて固体層Ｓ
を形成する際、図４(a) に示す如く、上下２段のヒータ
２のうち上段のヒータ２をＯＮし、下段のヒータ２をＯ
ＦＦするヒータ制御と、上段のヒータ２の下端近傍に融
液層Ｌの液面が位置するまで坩堝１を降下させることと
の両方を行えば、固体層Ｓの凝固時間がさらに短縮され
る。また図４(b) に示す如く上下２段に分かれていない
ヒータ２を使用している場合は、ヒータ２の下端近傍に
融液層Ｌの液面が位置するまで坩堝１を下降させると良
好な効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明に係る結晶成長方法
は、固体層形成時の坩堝位置を結晶成長時の位置より下
げることにより、従来より高速度にて融液を下方から上
方へ向けて凝固させることができ、同じ厚みの固体層を
形成するために要する時間は短縮されるので、結晶成長
に要する総時間を短縮することが可能である等、本発明
は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施に使用する結晶成長装置を示
す模式的縦断面図である。

【図２】従来方法及び本発明方法における経時的固体層
厚を示すグラフである。

【図３】従来方法及び本発明方法を使用して得られたＳ
ｉ単結晶における抵抗率分布を示すグラフである。

【図４】本発明方法における坩堝及びヒータを示す図で
ある。

【図５】ＣＺ法に使用する結晶成長装置を示す模式的縦
断面図である。

【図６】ＤＬＣＺ法に使用する結晶成長装置を示す模式
的縦断面図である。

【符号の説明】

１坩堝２ヒータ３保温筒５引上げ軸６種結晶７支持軸８チャンバ９単結晶Ｓ固体層Ｌ融液層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶解された結晶用原料を、坩堝内にて下
側から所定量凝固させて固体層とし、上部は坩堝の周囲
に備えられたヒータにて融液層とした状態で、該融液層
に浸した種結晶を引き上げて結晶を成長させる方法にお
いて、固体層形成時には坩堝底部がヒータから遠ざかる
ように坩堝を結晶成長時の位置より下げ、固体層形成終
了後は結晶成長時の位置へ戻して結晶を成長させること
を特徴とする結晶成長方法。