JPH09208372A

JPH09208372A - 単結晶の成長方法

Info

Publication number: JPH09208372A
Application number: JP1319196A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujiwara; 秀樹藤原
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-08-12
Anticipated expiration: 2016-01-29
Also published as: JP3011085B2

Abstract

(57)【要約】【課題】坩堝の角速度を変化させて、単結晶の有転移
化を防止する。【解決手段】坩堝２内に結晶用原料として多結晶シリ
コンを充填し、上側ヒータ4a及び下側ヒータ4bにより結
晶用原料を溶融する。そして坩堝２底部から溶融液を凝
固させて固体層12を形成し、固体層12の上部に溶融層11
を共存させた状態にする。次に坩堝２を回転せしめ、固
体層12を溶融しながら溶融層11に種結晶14の下端を浸漬
する。坩堝２には、10秒間で0.5rpmから1.0rpmへ一定加
速し、続く10秒間で1.0rpmから0.5rpmへ一定減速するよ
うな角速度変化を20秒周期で与える。引上げ軸13を回転
させつつ引上げ、その下端に単結晶15を成長させて、シ
リコン単結晶を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体材料
として用いられるシリコン単結晶のような単結晶を成長
させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にシリコン単結晶の製造方法として
チョクラルスキー法（ＣＺ法）が広く用いられている。
ＣＺ法は、有底円筒状の石英製の坩堝に結晶用原料の溶
融液を充填し、溶融液中に種結晶を浸してこれを引き上
げることにより種結晶の下端に溶融液を凝固させて単結
晶を成長させる方法である。坩堝の外側にはヒータが同
心円筒状に配設されて坩堝内の結晶原料を溶融するよう
になっている。

【０００３】シリコン単結晶をこの方法で成長させる場
合、単結晶の電気抵抗率、電気伝導型を調整するため
に、通常、引上げ前に溶融液中に不純物元素を添加す
る。ところが添加した不純物は単結晶の結晶成長方向に
偏析し、その結果、結晶成長方向に均一な電気的特性を
有する単結晶が得られないという問題があった。この偏
析は、溶融液と単結晶との成長界面における単結晶中の
不純物濃度Ｃ_Sと溶融液中の不純物濃度Ｃ_Lとの比Ｃ_S
／Ｃ_L、即ち実効偏析係数Ｋ_eが１でないことに起因す
る。例えばＫ_e＜１の場合には単結晶が成長するに伴っ
て溶融液中の不純物濃度が高くなり、単結晶に偏析が生
じる。

【０００４】このような偏析を抑制する方法として二層
式引上げ法（ＤＬＣＺ法：Double Layered CZ ）、即ち
溶融層法が知られている（培風館発行‘バルク結晶成
長’P.115 ）。溶融層法は、坩堝内の結晶用原料を溶融
した後に下側に固体層を上側に溶融層を共存せしめ、溶
融層中の不純物濃度を一定に保持した状態で種結晶を浸
し、これを引上げて単結晶を成長せしめる方法である。
溶融層法は、引上げに伴って固体層を溶融することによ
り溶融層中の不純物の濃度の増加を防ぎ、単結晶の偏析
を防止する。また、固体層の影響により溶融層の下部温
度がＣＺ法の溶融液と比較して低温であり、溶融層の熱
対流が抑制される。これによりＤＬＣＺ法ではＣＺ法と
比較して低酸素濃度（８×10¹⁷〜12×10¹⁷cm^-3）の単結
晶が成長する。

【０００５】このようなＤＬＣＺ法を用いて、ＣＺ法と
同じ中酸素濃度（14×10¹⁷〜18×10 ¹⁷cm^-3）を有する単
結晶を得る方法を、本願発明者は提案している（特開平
５−32480 号公報）。この方法によれば、坩堝を特定の
角速度で回転させることにより、単結晶中に取り込まれ
る酸素濃度を大きくして中酸素濃度の単結晶を得ること
ができる。図１０は、この方法で得られた単結晶の酸素
濃度と坩堝回転数との関係を示すグラフである。縦軸は
酸素濃度を横軸は坩堝回転数を示している。グラフか
ら、坩堝を５rpm 以下の回転数で回転させることにより
中酸素濃度の単結晶が得られることが判る。なおこのグ
ラフは結晶引上げ軸を坩堝と同方向に10rpm で回転させ
た場合のものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の如く、坩堝を５
rpm までの所定回転数で回転させることにより、中酸素
濃度の単結晶を得ることができる。しかしながら、この
回転数は通常のＤＬＣＺ法の回転数（５rpm 以上）より
も低いために、溶融層中に落下した異物、坩堝壁面から
の異物等が溶融液面の中央に流され易い。図１１，図１
２は、ＤＬＣＺ法における坩堝回転数の高低による対流
の違いを示した模式図である。図１１は坩堝が高速回転
の場合を示し、図１２は坩堝が低速回転の場合を示して
いる。図に示すように、坩堝の高速回転に比較して、低
速回転では溶融液面の外周側から中央へ向かう対流が大
きく生じている。溶融液面の外周側から中央へ向かう対
流により、異物が単結晶の成長界面付近に運搬される。
その結果、単結晶の有転位化が生じ易く、単結晶の引上
げを中断せざるを得ないという問題があった。

【０００７】また、ＣＺ法においても、坩堝を５rpm 以
下の所定回転数で回転させることにより、単結晶の抵抗
率及び酸素濃度の面内均一性が高まることが知られてい
る。しかしながら、この回転数は通常のＣＺ法の回転数
（５〜15rpm ）よりも低いために、上述したＤＬＣＺ法
と同様に、坩堝内に混入した異物が単結晶の成長界面付
近に運搬されて単結晶の有転位化が生じ易いという問題
があった。

【０００８】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、坩堝の角速度を周期的に変化せしめ、有転位
化が生じ難い単結晶の成長方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る単結晶の
成長方法は、坩堝内に結晶用原料を充填して溶融し、前
記坩堝を回転させつつ溶融液から結晶を引き上げて成長
せしめる単結晶の成長方法において、前記坩堝の回転速
度を５ｒｐｍ以下の範囲内で周期的に変化させることを
特徴とする。

【００１０】第２発明に係る単結晶の成長方法は、坩堝
内に結晶用原料を充填して溶融し、前記坩堝底部から上
側に向けて溶融液を凝固させた固体層と、その上の溶融
層とを共存させ、前記坩堝を回転させつつ、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溶融し
て前記溶融層から結晶を引き上げて成長せしめる単結晶
の成長方法において、前記坩堝の回転速度を５ｒｐｍ以
下の範囲内で周期的に変化させることを特徴とする。

【００１１】第３発明に係る単結晶の成長方法は、第１
又は第２発明において、前記坩堝の回転は一時停止を含
むことを特徴とする。

【００１２】角速度の増加に伴う遠心力の増加により、
溶融液内部に混入した微小異物は中心に向かう流れに逆
らって坩堝壁へと押しやられる。その後、角加速度を減
少させて遠心力を低減すると、坩堝壁から中心へ向かう
流れにより微小異物は中心へ向かおうとするが、再度の
角加速度の増加に伴う遠心力の増加により坩堝壁へと押
しやられる。これを繰り返すことにより微小異物は坩堝
壁で停滞した状態を維持し、ついには軟化した石英坩堝
に付着し、単結晶の成長界面付近への微小異物の流入を
防止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を第１の実施の形態
を示す図面に基づき具体的に説明する。図１は、本発明
方法の実施に用いる単結晶成長装置の構造を示す模式的
断面図である。第１の実施の形態ではＤＬＣＺ法にてシ
リコン単結晶を成長させる。図中１はチャンバである。
チャンバ１は略円筒形状の真空容器であり、チャンバ１
の略中央位置には坩堝２が配設されている。坩堝２は有
底円筒形状の石英製の内層保持容器２ａと該内層保持容
器２ａの外側に嵌合された有底円筒形状の黒鉛製の外層
保持容器２ｂとから構成されている。この外層保持容器
２ｂの下面には坩堝２を回転及び昇降させる軸３が着設
されており、坩堝２の外周には、例えば抵抗加熱式のヒ
ータ４が昇降可能に配設されている。ヒータ４は、坩堝
２に同心円筒状で坩堝２の上側の上側ヒータ4aと下側の
下側ヒータ4bとで構成されている。さらにヒータ４の外
部及び坩堝２の下方には保温筒５が配設されている。坩
堝２とヒータ４との相対的な上下方向位置調節により坩
堝２内に溶融層11及び固体層12を夫々の厚みを相対的に
調節して形成し得るようになっている。

【００１４】一方、坩堝２の上方にはチャンバ１の上部
に小形の略円筒形状のプルチャンバ６が連設形成されて
おり、プルチャンバ６を貫通して引上げ軸13が回転及び
昇降可能に垂設されており、引上げ軸13の下端には種結
晶14が装着されるようになっている。そして種結晶14の
下端を溶融層11に浸漬させた後、種結晶14を回転させつ
つ上昇させることにより、種結晶14の下端から単結晶15
を成長せしめるようになっている。

【００１５】以上の如く構成された装置を用いてシリコ
ン単結晶を成長させる手順について説明する。まず坩堝
２内に結晶用原料として多結晶シリコンを充填し、上側
ヒータ4a及び下側ヒータ4bにより結晶用原料を溶融す
る。そして、上側ヒータ4a、下側ヒータ4b及び坩堝２の
位置制御並びに上側ヒータ4a及び下側ヒータ4bの電力制
御を行うことにより、坩堝２底部から溶融液を凝固させ
て固体層12を形成し、固体層12の上部に溶融層11を共存
させた状態にする。次に坩堝２を回転せしめ、固体層12
を溶融しながら溶融層11に種結晶14の下端を浸漬する。
引上げ軸13を回転させつつ引上げ、その下端に単結晶15
を成長させて、シリコン単結晶を製造する。

【００１６】上述した装置を用いて、表１に示す条件に
てシリコン単結晶15を成長させた。このとき坩堝２の角
速度を、図２に示す角速度パターンに制御した。図２
は、坩堝２の回転数の変化を示したグラフであり、縦軸
に坩堝回転数（rpm ）を示し、横軸に時間（秒）を示し
ている。坩堝２には、10秒間で0.5rpmから1.0rpmへ一定
加速し、続く10秒間で1.0rpmから0.5rpmへ一定減速する
ような角速度変化が、20秒周期で与えられる。坩堝２は
常に同方向に回転せしめ、引上げ軸13は坩堝２と同方向
に10rpm で回転せしめた。

【００１７】

【表１】

【００１８】上述の条件で成長させた単結晶について、
有転位化が生じる頻度を調べた。図３は有転位化の頻度
を結晶長と共に示すグラフであり、縦軸は引上げをおこ
なったバッチ数を示し、横軸は単結晶の長さ（mm）を示
している。比較のために、従来のＤＬＣＺ法を用いて坩
堝回転１rpm で成長させた単結晶についても有転位化が
生じる頻度を調べた。いずれの場合も50バッチの引上げ
を行った結果を示している。グラフから明らかなよう
に、従来例では結晶長が700mm から1100mmの範囲で有転
位化が生じており、とくに900mm の付近で多発している
が、第１の実施の形態では結晶長が900mm のときに僅か
２バッチで有転位化が生じたのみである。このように、
本発明方法により、ＤＬＣＺ法において有転位化の起こ
る頻度を大幅に減少せしめて単結晶を成長せしめ得るこ
とが判った。

【００１９】また、図１０で示したように、停止を含む
５rpm 以下の範囲内で坩堝２を回転させた場合は、回転
数の違いによる単結晶中の酸素濃度の変化が小さい。こ
のことから、上述したように角速度を変化させて成長し
た単結晶の軸方向の酸素濃度は略均一であると言える。

【００２０】上述した装置を用いて図２に示したものと
異なる角速度パターンで坩堝２を回転せしめ、単結晶15
を成長させた。図４〜図７はその角速度変化のパターン
を示すグラフである。図４は、0.5rpmから1.0rpmへ一定
加速し、1.0rpmで５秒間定速回転した後に1.0rpmから0.
5rpmへ一定減速し、0.5rpmで５秒間定速回転するような
角速度変化が20秒周期で繰り返される。図５は、0.5rpm
から1.0rpmへの一定加速と1.0rpmから0.5rpmへの一定減
速とが連続して行われた後、0.5rpmで15秒間定速回転す
るような角速度変化が20秒周期で繰り返される。図６
は、0.5rpmから1.0rpmへ20秒間で一定加速された後、急
峻に0.5rpmへ減速されるような角速度変化が20秒周期で
繰り返される。図７は、1.0rpmから0.5rpmへ20秒間で一
定減速された後、急峻に1.0rpmへ加速されるような角速
度変化が20秒周期で繰り返される。これらのような周期
的な角速度変化を坩堝２に与えた結果、いずれの場合も
有転位化の起こる頻度が従来よりも低いことが判った。

【００２１】次に、本発明の第２の実施の形態を示す図
面に基づき具体的に説明する。図８は、本発明方法の実
施に用いる単結晶成長装置の構造を示す模式的断面図で
ある。第２の実施の形態は、坩堝内に固体層を形成しな
いＣＺ法にてシリコン単結晶を成長させる。装置の構成
は図１に示すものと同様であり、同部分に同符号を付し
て説明を省略する。このような装置を用いてシリコン単
結晶を成長させる手順について説明する。まず坩堝２内
に結晶用原料として多結晶シリコンを充填する。上側ヒ
ータ4a、下側ヒータ4bにより結晶用原料を溶融して溶融
液16にする。そして坩堝２を回転せしめ、上側ヒータ4
a、下側ヒータ4b及び坩堝２の位置制御並びに上側ヒー
タ4a及び下側ヒータ4bの電力制御を行って溶融液16の溶
融状態を維持しながら、溶融液16に種結晶14の下端を浸
漬する。引上げ軸13を回転させつつ引上げ、その下端に
単結晶15を成長させてシリコン単結晶を製造する。

【００２２】以上の如き装置を用いて、表１に示す条件
にてシリコン単結晶15を成長させた。このとき坩堝２の
角速度を、図２に示す角速度パターンに制御した。坩堝
２は常に同方向に回転せしめ、引上げ軸13は坩堝２と同
方向に10rpm で回転せしめた。こうして成長させた単結
晶について、有転位化が生じる頻度を調べた。図９は有
転位化の頻度を結晶長と共に示すグラフであり、縦軸は
引上げをおこなったバッチ数を示し、横軸は単結晶の長
さ（mm）を示している。比較のために、従来のＣＺ法を
用いて坩堝回転１rpm で成長させた単結晶についても有
転位化が生じる頻度を調べた。いずれの場合も50バッチ
の引上げを行った結果を示している。

【００２３】グラフから明らかなように、従来例では結
晶長が500mm 〜1100mmの範囲で21バッチの有転位化が生
じているが、第２の実施の形態では結晶長が900mm 〜10
00mmの範囲で僅か２バッチで有転位化が生じたのみであ
る。このように、本発明方法により、ＣＺ法においても
有転位化の起こる頻度を大幅に減少せしめて単結晶を成
長せしめ得ることが判った。また、同様にして図４〜図
７に示した周期的な角速度変化を坩堝２に与えて単結晶
を成長せしめた結果、いずれの場合も有転位化の起こる
頻度が従来よりも低いことが判った。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、ＤＬ
ＣＺ法又はＣＺ法で、坩堝を回転させつつ溶融液から結
晶を引き上げて成長せしめる際に、坩堝の角速度を５ｒ
ｐｍ以下の範囲内で周期的に変化させることにより、溶
融液中の異物を液面の外周側に留めおけるので単結晶の
成長界面に異物が付着して有転位化を起こすことが少な
く、引上げを中断することなく単結晶を成長せしめ得る
等、本発明は優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の単結晶成長装置の構造を示
す模式的断面図である。

【図２】本発明方法による坩堝の角速度パターンを示し
たグラフである。

【図３】第１の実施の形態の有転位化の頻度と結晶長と
を示すグラフである。

【図４】本発明方法による坩堝の角速度パターンの他の
例を示したグラフである。

【図５】本発明方法による坩堝の角速度パターンの他の
例を示したグラフである。

【図６】本発明方法による坩堝の角速度パターンの他の
例を示したグラフである。

【図７】本発明方法による坩堝の角速度パターンの他の
例を示したグラフである。

【図８】第２の実施の形態の単結晶成長装置の構造を示
す模式的断面図である。

【図９】第２の実施の形態の有転位化の頻度と結晶長と
を示すグラフである。

【図１０】従来のＤＬＣＺ法の単結晶の酸素濃度と坩堝
回転数との関係を示すグラフである。

【図１１】従来のＤＬＣＺ法における坩堝回転数の高低
による対流の違いを示した模式図である。

【図１２】従来のＤＬＣＺ法における坩堝回転数の高低
による対流の違いを示した模式図である。

【符号の説明】

１チャンバ２坩堝３軸４ヒータ５保温筒１１溶融層１２固体層１３引上げ軸１５単結晶１６溶融液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】坩堝内に結晶用原料を充填して溶融し、
前記坩堝を回転させつつ溶融液から結晶を引き上げて成
長せしめる単結晶の成長方法において、前記坩堝の回転
速度を５ｒｐｍ以下の範囲内で周期的に変化させること
を特徴とする単結晶の成長方法。
【請求項２】坩堝内に結晶用原料を充填して溶融し、
溶融液を凝固させた固体層とその上の溶融層とを共存さ
せ、前記坩堝を回転させつつ、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溶融して前記溶融層
から結晶を引き上げて成長せしめる単結晶の成長方法に
おいて、前記坩堝の回転速度を５ｒｐｍ以下の範囲内で
周期的に変化させることを特徴とする単結晶の成長方
法。
【請求項３】前記坩堝の回転は一時停止を含む請求項
１又は２記載の単結晶の成長方法。