JPH0891981A - 単結晶成長装置及び単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 チャンバ８内に坩堝１１が配置され、坩堝１
１の周囲にヒータ１８が配設された単結晶成長装置にお
いて、坩堝１１の下部表面に放熱用フィンが形成されて
いることを特徴とする単結晶成長装置。 【効果】 坩堝１１の下部表面に放熱用フィン１１ｃが
形成されているので放熱効果を高めることができ、しか
も放熱用フィン１１ｃに冷却ガスを吹きつければ、一層
放熱効果を高めることができる。これにより坩堝１１内
下部の融液の温度低下に要する時間を短縮し、より速く
固体層１９を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶成長装置及び単結
晶成長方法に関し、より詳細にはシリコン等の半導体単
結晶を成長させる単結晶成長装置及び単結晶成長方法に
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、その一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と
記す）がある。

【０００３】図５は従来のＣＺ法に用いられる単結晶成
長装置を模式的に示した断面図であり、図中３１は坩堝
を示している。この坩堝３１は、有底円筒形状の石英製
の内層保持容器３１ａと、この内層保持容器３１ａの外
側に嵌合された同じく有底円筒形状の黒鉛製の外層保持
容器３１ｂとから構成されており、坩堝３１は図中の矢
印方向に所定の速度で回転する支持軸３７に支持されて
いる。この坩堝３１の外側には抵抗加熱式のヒータ３８
が同心円状に配置されており、坩堝３１内にはこのヒー
タ３８により溶融させた単結晶原料融液３３（以下、融
液３３と記す）が充填されている。また、坩堝３１の中
心軸上には引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き
上げ軸３５が吊設されており、この引き上げ軸３５の先
にシードチャック３６を介して取り付けられた種結晶３
４を融液３３の表面に接触させ、引き上げ軸３５を支持
軸３７と同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で
回転させながら引き上げることにより、融液３３を凝固
させて単結晶３２を成長させるようになっている。

【０００４】ところで、半導体の単結晶３２をこの引き
上げ方法で引き上げる場合、単結晶３２の電気抵抗率や
電気伝導型を調整するために、引き上げ前に融液３３中
に不純物を添加しておくことが多い。しかし通常のＣＺ
法においては、単結晶３２と融液３３との間に生じるい
わゆる偏析現象に起因して、単結晶３２の成長軸方向に
均一な電気抵抗率を有する単結晶３２が得られないとい
う問題があった。

【０００５】前記偏析現象とは、融液３３の凝固の際
に、単結晶３２と融液３３との界面において単結晶３２
中に取り込まれる不純物濃度と融液３３中の不純物濃度
とが一致しないことをいうが、実効偏析係数Ｋｅ（単結
晶３２中の不純物濃度／融液３３中の不純物濃度）は１
より小さくなる場合が多い。この場合、単結晶３２が成
長するとともに前記偏析現象のために融液３３中の不純
物濃度が次第に高くなるので、単結晶３２中の不純物濃
度も次第に高くなり、電気抵抗率が小さくなってくる。
従って前記方法で成長させた単結晶３２には、一部電気
抵抗率に関し基準を満たさないものが製造されてしま
い、歩留りが低くなる。

【０００６】そこで、上記した偏析現象の発生に起因し
た抵抗率歩留りの低下を防止し、前記抵抗率歩留りを向
上させる単結晶成長方法として溶融層法が開発されてい
る。

【０００７】図６は、前記溶融層法に用いられる結晶成
長装置を模式的に示した断面図であり、前記溶融層法で
はヒータ４８を用いて単結晶用原料を溶融させた後、上
層には溶融層４３を、下層には固体層４９を形成し、単
結晶４２の成長とともに固体層４９を次第に溶出させる
ことにより溶融層４３の不純物濃度を一定に保ちつつ単
結晶４２の引き上げが行われる。

【０００８】前記溶融層法には、溶融層４３の不純物濃
度を一定に保つ方法として異なる二つの方法、すなわち
溶融層厚一定法及び溶融層厚変化法が提案されている。
この溶融層厚一定法として、不純物を含有しない固体層
４９を単結晶４２の引き上げに伴って溶融させつつ、溶
融層４３の体積を一定に保ち、溶融層４３には不純物を
連続的に添加して溶融層４３の不純物濃度をほぼ一定に
保つ方法があり、特公昭３４−８２４２号公報及び特公
昭６２−８８０号公報等に前記した方法が開示されてい
る。また固体層４９中に先に不純物を含有させておき、
溶融層４３には不純物を添加せず、不純物を含有した固
体層４９を単結晶４２の引き上げに伴って溶融させつつ
溶融層４３の体積を一定に保ち、溶融層４３の不純物濃
度をほぼ一定に保つ方法があり、特公昭６２−８８０号
公報及び特開昭６３−２５２９８９号公報に開示されて
いる。

【０００９】一方、溶融層厚変化法は、意図的に溶融層
４３の体積を変化させることにより、単結晶４２の引き
上げ中に不純物を添加することなく溶融層４３中の不純
物濃度を一定に保つ方法であり、特開昭６１−２０５６
９１号公報、特開昭６１−２０５６９２号公報、特開昭
６１−２１５２８５号公報、及び特公平３ー７９３２０
号公報に開示されている。

【００１０】なお、上記した二つの溶融層法において、
溶融層４３量の制御は、発熱体としてのヒータ４８の長
さやパワー、坩堝４１の位置や深さ及びヒータ４８の外
側に周設され、坩堝４１下部の熱移動を促進する保温筒
５１の形状及び材質を、適切に選択することにより行わ
れている。

【００１１】ところで、前記溶融層法における固体層４
９の形成方法としては、一旦原料を全て溶融させ、不純
物を添加した後、坩堝４１下部より溶融液の一部を凝固
させ、固体層４９を形成する全融再凝固方式（特開昭６
３−２５２９８９号公報、特開平５−３２４７９号公
報、特開平５−４３３８４号公報）が採用されることが
多い。

【００１２】前記全融再凝固方式による単結晶成長方法
の一例を以下に述べる。まず、坩堝４１内の原料を全て
溶融させた後、ヒータ４８の出力を調整するなどの手段
により、坩堝４１下部より溶融液を凝固させ、固体層４
９を形成する。そして目的とする量の固体層４９を形成
した後、引き上げ棒４５に取り付けられた種結晶４４を
溶融層４３表面に浸し、種結晶４４と溶融層４３の界面
とが引き上げに適した温度となるよう調節する。その
後、転位を排除する目的で、引き上げ速度を例えば約３
ｍｍ／分とし、径が約３ｍｍとなるまで種結晶４４を細
く絞る。その後、引き上げ速度を約１ｍｍ／分以下と
し、所定の径まで成長させる。その後、一定の径で所定
の長さの単結晶４２を形成する。該工程中においては溶
融層４３の量が一定となるように固体層４９を溶出させ
るので、偏析に伴う溶融層４３中の不純物濃度の増加が
防止され、引き上げ方向に均一な不純物濃度を有する単
結晶４２が得られ易い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記溶融
層法における単結晶成長方法にあっては、単結晶引き上
げを行う前に、目的とする量の固体層４９を形成する必
要があり、固体層４９の形成には約８時間の時間を要
し、その後、単結晶４２の引き上げが開始されるため、
操業に要する時間が長く、生産効率が悪いという課題が
あった。

【００１４】また、溶融層４３の量が一定となるよう制
御するために、主にヒータ４８パワーの制御により固体
層４９を溶融させており、ヒータ４８の温度変化が固体
層４９に達するまでには時間がかかり、固体層４９の温
度を敏速に制御することができない。その結果、単結晶
の引き上げ軸方向の不純物濃度制御を正確に行いにくい
という課題があった。

【００１５】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、固体層の形成時間が短縮されることから、単
結晶成長工程全体の時間短縮が図られ、単結晶の生産効
率を向上させることができ、また、固体層溶融のための
坩堝温度制御を容易に行うことができることから単結晶
中の不純物濃度の均一化を図ることが容易となり、単結
晶の製品歩留りを向上させることができる単結晶成長装
置及び単結晶成長方法を提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶成長装置（１）は、チャンバ内に
坩堝が配置され、該坩堝の周囲にヒータが配設された単
結晶成長装置において、前記坩堝の下部表面に放熱用フ
ィンが形成されていることを特徴としている。

【００１７】また、上記目的を達成するために本発明に
係る単結晶成長装置（２）は、チャンバ内に坩堝が配置
され、該坩堝の周囲にヒータが配設された単結晶成長装
置において、前記坩堝を支持する坩堝支持軸の外周面に
放熱用フィンが形成されていることを特徴としている。

【００１８】また、上記目的を達成するために本発明に
係る単結晶成長方法（１）は、坩堝内の結晶原料の溶融
液から単結晶を引き上げつつ成長させる単結晶成長方法
において、前記坩堝及び／又は坩堝支持軸にガスを吹き
付けて冷却しながら単結晶の引き上げを行うことを特徴
としている。

【００１９】本発明に係る単結晶成長装置は、チャンバ
内に坩堝が配置され、該坩堝の周囲にヒータが配設され
た単結晶成長装置において、前記坩堝の下部表面及び坩
堝支持軸の外周面に放熱用フィンが形成されていてもよ
い。

【００２０】

【作用】上記構成に係る単結晶成長装置（１）によれ
ば、坩堝の下部表面に放熱用フィンが形成されているの
で放熱効果が高まり、しかも前記放熱用フィンに冷却ガ
スを吹きつければ、一層放熱効果を高めることが可能と
なる。これにより坩堝内下部の融液の温度低下に要する
時間が短縮され、より速く固体層が形成されることとな
る。

【００２１】また、上記構成に係る単結晶成長装置
（２）によれば、坩堝支持軸の外周面に放熱用フィンが
形成されているので、上記（１）の場合と同様の作用が
得られる。

【００２２】また、本発明に係る単結晶成長装置（１）
と（２）を併せ備える装置を用いれば、坩堝の下部表面
及び坩堝支持軸の外周面に放熱用フィンが形成されてい
るので、上記（１）の場合の効果がより高められる。

【００２３】また、上記構成に係る単結晶成長方法
（１）によれば、坩堝及び／又は坩堝支持軸にガスを吹
き付けて冷却しながら単結晶の引き上げが行われるの
で、坩堝及び／又は坩堝支持軸からの放熱効果を高める
ことができ、坩堝内下部の融液の温度低下に要する時間
が短縮され、より速く固体層が形成されることとなる。
また、坩堝及び／又は坩堝支持軸の温度制御を敏速に行
えるため、坩堝内下部の固体層量の制御も敏速かつ正確
に行えることとなり、単結晶中の不純物濃度の均一化を
図ることが容易となる。

【００２４】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶成長装
置及び単結晶成長方法の実施例及び比較例を図面に基づ
いて説明する。

【００２５】図１は実施例に係る単結晶成長装置を模式
的に示した断面図であり、図中１１はチャンバ８内に配
設された坩堝を示している。従来のものと同様、この坩
堝１１は有底円筒形状の石英製の内層保持容器１１ａ
と、この内層保持容器１１ａの外側に嵌合された同じく
有底円筒形状の黒鉛製の外層保持容器１１ｂとから構成
されており、坩堝１１は図中の矢印方向に所定の速度で
回転する支持軸１７に支持されている。この坩堝１１の
下部表面には例えば図２に示す形状の放熱用フィン１１
ｃが形成されており、支持軸１７の外周面には例えば図
３に示す円板形状の放熱用フィン１７ａが形成されてい
る。チャンバ８の壁面の所定位置には、これら放熱用フ
ィン１１ｃ及び放熱用フィン１７ａにガスを吹き付ける
ことができるようにガス導入管２０が取り付けられてい
る。放熱用フィン１１ｃが形成された坩堝１１の外側に
は抵抗加熱式のヒータ１８が、ヒータ１８の外側には保
温筒２１が、それぞれ同心円状に配置されており、ヒー
タ１８は可動式であり、必要に応じて上下動する仕組み
になっている。坩堝１１の中心軸上には引き上げ棒ある
いはワイヤー等からなる引き上げ軸１５が吊設されてお
り、この引き上げ軸１５の先にシードチャック１６を介
して種結晶１４が取り付けられるようになっている。

【００２６】このように構成された装置を用いて、実施
例に係る結晶成長方法にて単結晶１２を成長させるに
は、まず坩堝１内に充填した結晶用原料をヒータ１８に
よりすべて溶融させた後不純物を添加して溶融層１３を
形成し、回転制御装置（図示せず）を作動させて坩堝１
１を回転させる。その後ヒータ１８のヒータパワーを固
体層形成工程に適するように変更すると共に、放熱用フ
ィン１１ｃ及び放熱用フィン１７ａにガス導入管２０か
らＡｒガス等の冷却ガスを吹き付け、固体層形成工程を
開始する。所望の厚さの固体層１９が形成されたら種結
晶１４下端を溶融層１３に浸漬し、その後引き上げ軸１
５を回転させつつ種結晶１４を引き上げることにより、
種結晶１４下端から溶融層１３を凝固させた単結晶１２
を成長させる。なお、単結晶１２を成長させるにつれ、
溶融層１３中の不純物濃度が高くなるのを抑えるため、
ヒータ１８パワー及びガス導入管２０から供給する冷却
ガス量等を調節することにより固体層１９を溶融させ
る。

【００２７】なお、本実施例においては、坩堝１１下部
表面に形成された放熱用フィン１１ｃと支持軸１７外周
面に形成された放熱用フィン１７ａとの両方が形成され
た単結晶成長装置について述べたが、何らこれに限定さ
れるものではなく、別の実施例では坩堝下１１部表面に
放熱用フィン１１ｃのみが形成されている単結晶成長装
置であっても、又は支持軸１７外周面に放熱用フィン１
７ａのみが形成されている単結晶成長装置であってもよ
い。

【００２８】次に、図１に示した単結晶成長装置を用い
た実施例に係る単結晶成長方法と、図６に示した従来の
単結晶成長装置を用いた比較例としての単結晶成長方法
とにより単結晶の引き上げを行った結果を、図４に基づ
いて説明する。なお、引き上げ条件は下記の表１に示す
とおりであり、引き上げ中は引き上げ速度を１ｍｍ／ｍ
ｉｎとし、単結晶の直径を１５４ｍｍに維持した。

【００２９】

【表１】

【００３０】図４は中央部の厚さが１００ｍｍの固体層
１９、４９を形成するのに要した時間を測定した結果を
示した度数分布図であり、図中（ａ）は実施例の場合、
（ｂ）は比較例の場合をそれぞれ示している。

【００３１】図４から明らかなように、比較例では所定
厚の固体層４９の形成に略８時間を要した頻度が最も多
いのに対し、実施例では、坩堝１１下部の温度制御が容
易に行えるため、固体層１９の形成時間が略１．５時間
短縮され、所定厚の固体層１９の形成に略６．５時間要
した頻度が最も多かった。このように、実施例によれば
固体層形成時間を短縮し得る。また実施例においては固
体層１９から溶融層１３への溶融量の制御を従来のヒー
タパワーの制御のみによる場合よりも正確に、しかも容
易に行うことができ、この結果引き上げられる単結晶１
２中における不純物濃度の均一化を図ることが容易とな
ることから単結晶１２の軸方向に関して電気抵抗率の均
一化を図ることが容易となる。

【００３２】なお、図４中に記載されている頻度の合計
は実施例、比較例ともに２０回ずつ行った。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る単結晶
成長装置（１）にあっては、坩堝の下部表面に放熱用フ
ィンが形成されているので放熱効果を高めることがで
き、しかも前記放熱用フィンに冷却ガスを吹きつけれ
ば、一層放熱効果を高めることができる。これにより坩
堝内下部の融液の温度低下に要する時間を短縮し、より
速く固体層を形成することができる。

【００３４】また、本発明に係る単結晶成長装置（２）
にあっては、坩堝支持軸の外周面に放熱用フィンが形成
されているので、上記（１）の場合と同様の効果を得る
ことができる。

【００３５】また、本発明に係る単結晶成長装置（１）
と（２）を併せ備える装置を用いれば、坩堝の下部表面
及び坩堝支持軸の外周面に放熱用フィンが形成されてい
るので、上記（１）の場合の効果を、より高めることが
できる。

【００３６】また、本発明に係る単結晶成長方法（１）
によれば、坩堝及び／又は坩堝支持軸にガスを吹き付け
て冷却しながら単結晶の引き上げが行われるので、坩堝
及び／又は坩堝支持軸からの放熱効果を高めることがで
き、坩堝内下部の融液の温度低下に要する時間を短縮
し、より速く固体層を形成することができる。また、坩
堝及び／又は坩堝支持軸の温度制御を敏速に行えるた
め、坩堝内下部の固体層量の制御も敏速にしかも正確に
行えることとなり、単結晶中の不純物濃度の均一化を容
易に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る単結晶成長装置を示した
模式的断面図である。

【図２】実施例に係る単結晶成長装置の坩堝下部表面に
形成された放熱用フィンを示した坩堝の模式的部分断面
図である。

【図３】実施例に係る単結晶成長装置の坩堝支持軸外周
面に形成された放熱用フィンを示した支持軸の模式的部
分断面斜視図である。

【図４】中央部の厚さが１００ｍｍの固体層を形成する
のに要した時間を測定した結果を示した頻度分布図であ
る。

【図５】従来のＣＺ法に用いられる単結晶成長装置を示
した模式的断面図である。

【図６】従来の溶融層法に用いられる単結晶成長装置を
示した模式的断面図である。

【符号の説明】

８ チャンバ １１ 坩堝 １１ｃ 放熱用フィン １８ ヒータ １９ 固体層

フロントページの続き (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 和泉 輝郎 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバ内に坩堝が配置され、該坩堝の
   周囲にヒータが配設された単結晶成長装置において、前
   記坩堝の下部表面に放熱用フィンが形成されていること
   を特徴とする単結晶成長装置。
2. 【請求項２】 チャンバ内に坩堝が配置され、該坩堝の
   周囲にヒータが配設された単結晶成長装置において、前
   記坩堝を支持する坩堝支持軸の外周面に放熱用フィンが
   形成されていることを特徴とする単結晶成長装置。
3. 【請求項３】 坩堝内の結晶原料の溶融液から単結晶を
   引き上げつつ成長させる単結晶成長方法において、前記
   坩堝及び／又は坩堝支持軸にガスを吹き付けて冷却しな
   がら単結晶の引き上げを行うことを特徴とする単結晶成
   長方法。