JPH10279380A - Method for pulling single crystal - Google Patents

Method for pulling single crystal

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JPH10279380A
JPH10279380A JP8015897A JP8015897A JPH10279380A JP H10279380 A JPH10279380 A JP H10279380A JP 8015897 A JP8015897 A JP 8015897A JP 8015897 A JP8015897 A JP 8015897A JP H10279380 A JPH10279380 A JP H10279380A
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JP
Japan
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melt
single crystal
magnetic field
crucible
pulling
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Application number
JP8015897A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Morita
洋 森田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Sitix Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for increasing the speed of pulling a single crystal without impairing the soundness of its quality. SOLUTION: In the method for growing the single crystal by bringing a seed crystal 3 into contact with the surface of the melt 4 of a raw material and pulling the melt; the upper part of the melt 4 in a crucible 1a is formed as a molten layer and the lower part as a solid layer 12 and the melt is pulled while impressing a magnetic field axisymmetrical with respect to the revolving shaft 11 of the crucible 1a on the melt in such a manner that the perpendicular component in its direction attains 0.05 to 0.2T on the melt surface, by which the pulling speed is increased.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、回転引き上げによ
る単結晶成長方法、すなわち半導体材料として使用され
るシリコン単結晶の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a single crystal by rotation pulling, that is, a method for producing a silicon single crystal used as a semiconductor material.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体材料に用いられるシリコンの単結
晶の製造手段として、回転引き上げ法すなわちチョクラ
ルスキー法(CZ法)は、種々の改善改良が加えられ、
工業的量産の場で広く活用されている。
2. Description of the Related Art The rotational pulling method, that is, the Czochralski method (CZ method), as a means for producing a single crystal of silicon used for a semiconductor material, has various improvements and improvements.
Widely used in industrial mass production.

【0003】図1は、CZ法による単結晶製造装置の原
理を模式的に示したものである。ここで原料となるシリ
コンは、有底円筒形の石英るつぼの中に溶融状態にあ
り、単結晶をその底面が溶融シリコン液の表面と接した
状態にして回転させ、底面に凝固成長する速度にあわせ
て上方に引き上げ、成長させて所要寸法の単結晶を得
る。溶融液を入れる石英るつぼは、有底円筒状の外側支
持用黒鉛るつぼの内側に嵌合されており、このるつぼ
は、全体を中心軸の周りに回転させることができ、さら
に上下に移動させることができる。るつぼの中心軸上方
には、中心軸の周りに回転でき、そして上方に引き上げ
可能なワイヤからなる引き上げ装置が付いている。るつ
ぼの外側には、加熱用の電熱ヒーター、およびさらに外
側に保温材が同心円状に配置され、これら全体は外気を
遮断できるチャンバー内に設置されて、CZ法の回転引
き上げ装置が構成されている。
FIG. 1 schematically shows the principle of an apparatus for producing a single crystal by the CZ method. Here, silicon as a raw material is in a molten state in a bottomed cylindrical quartz crucible, and the single crystal is rotated with its bottom surface in contact with the surface of the molten silicon liquid, and the speed of solidification growth on the bottom surface is increased. At the same time, it is pulled up and grown to obtain a single crystal of a required size. The quartz crucible for holding the melt is fitted inside the bottomed cylindrical outer supporting graphite crucible, and the whole crucible can be rotated around the central axis and moved up and down. Can be. Above the central axis of the crucible is a lifting device consisting of a wire that can rotate about the central axis and can be raised upward. On the outside of the crucible, an electric heater for heating, and further on the outside, a heat insulating material are arranged concentrically, all of which are installed in a chamber capable of shutting off outside air, and constitute a rotary pulling device of the CZ method. .

【0004】この装置による通常の単結晶製造方法は、
まず、原料となる高純度の多結晶シリコンを所要量るつ
ぼ内に装荷し、減圧下アルゴンなどの不活性雰囲気中で
電熱ヒーターにより高温に加熱し溶融する。溶融液の表
面温度を調整後、引き上げ装置の先端に取り付けた種結
晶を溶融液表面に接触させ、回転しつつ引き上げること
によりまず細長いネック部を形成させる。次に引き上げ
速度および温度を調節して所定の直径の定径部まで増径
させ、その後は結晶成長にあわせて回転させつつ上方に
引き上げることによって一定径の単結晶を成長させる。
所定重量に達した単結晶は、定径部から結晶直径を次第
に細くしていき、最後に直径をゼロにして溶融液から切
り離す。
[0004] A usual method for producing a single crystal using this apparatus is as follows.
First, a required amount of high-purity polycrystalline silicon as a raw material is loaded in a crucible, and is heated to a high temperature by an electric heater and melted in an inert atmosphere such as argon under reduced pressure. After adjusting the surface temperature of the melt, the seed crystal attached to the tip of the pulling device is brought into contact with the surface of the melt, and is pulled up while rotating to first form an elongated neck portion. Next, the pulling speed and temperature are adjusted to increase the diameter to a constant diameter portion having a predetermined diameter, and thereafter, the single crystal having a constant diameter is grown by pulling upward while rotating in accordance with the crystal growth.
The single crystal that has reached the predetermined weight is gradually reduced in crystal diameter from the constant diameter portion, and finally has a diameter of zero to be separated from the melt.

【0005】このようなCZ法は、空孔や転位など結晶
欠陥ができるだけ少なく、均質なそして大型の単結晶を
安定して製造するための、様々な工夫がなされてきた。
例えば、引き上げる結晶を中心軸周りにゆっくり回転さ
せ、同時に溶融液を満たしたるつぼも結晶とは逆方向に
回転させたり、引き上げにワイヤを用いたり、炉内雰囲
気を不活性ガスの減圧下として発生するSiOガスを排
除したりすることなどである。
[0005] In the CZ method, various contrivances have been made to stably produce a uniform and large single crystal having as few crystal defects as vacancies and dislocations.
For example, slowly rotate the crystal to be pulled around the central axis, and at the same time rotate the crucible filled with the melt in the opposite direction to the crystal, use a wire for pulling, or generate a furnace atmosphere under reduced pressure of inert gas. Or to eliminate the SiO gas.

【0006】半導体用シリコン単結晶は、結晶欠陥のな
いことに加えて、さらに不純物の偏析のないこともきわ
めて重要である。とくに不純物の一つである酸素は、多
すぎると結晶の欠陥の原因となる。しかし、ウエハから
デバイスを作製する過程において、熱処理による歪みを
抑止し、欠陥のない正常な表面を作り出すために、一定
レベルの含有が必要である。また、単結晶にはシリコン
ウエハの電気抵抗率や電導型を定めるため、特定の不純
物元素(ドーパント)を添加する必要があり、この不純
物も、偏析することなく単結晶全体に均一に分布してい
なければならない。
It is very important that a silicon single crystal for a semiconductor has no crystal defects and no segregation of impurities. In particular, oxygen, which is one of the impurities, causes crystal defects if it is too much. However, in the process of manufacturing a device from a wafer, a certain level of inclusion is required to suppress distortion due to heat treatment and to create a normal surface without defects. In addition, it is necessary to add a specific impurity element (dopant) to the single crystal in order to determine the electrical resistivity and conductivity type of the silicon wafer, and this impurity is uniformly distributed throughout the single crystal without segregation. There must be.

【0007】酸素は、るつぼに用いる石英から溶けだし
て溶融液中に入り、るつぼ壁近傍ではその濃度が高めら
れるが、シリコンの溶融点以上の温度ではSiOガスの
蒸気圧が高いため、減圧下の溶融液表面から排除され、
その濃度が低められる。一方溶融液は、温度差による熱
対流と、結晶やるつぼの回転によって引き起こされる強
制流により流動し、その動き方は液量、温度分布、結晶
およびるつぼの回転数により大きく影響される。単結晶
の引き上げ中、これらの溶融液の流動を定常的に制御す
ることは容易ではなく、結晶中に取り込まれる酸素量は
様々に変化する。このため、酸素の均一な濃度分布の単
結晶を得るのは困難であり、結晶の酸素レベルが、長手
方向あるいは断面方向で変動し、要望する範囲を外れて
いたりする。
Oxygen melts out of the quartz used for the crucible and enters the melt, and its concentration is increased near the crucible wall. However, at a temperature higher than the melting point of silicon, the vapor pressure of SiO gas is high. Excluded from the melt surface,
Its concentration is reduced. On the other hand, the melt flows due to thermal convection caused by a temperature difference and forced flow caused by rotation of the crystal and the crucible, and its movement is greatly affected by the liquid amount, the temperature distribution, the number of rotations of the crystal and the crucible. During the pulling of the single crystal, it is not easy to constantly control the flow of these melts, and the amount of oxygen taken into the crystal varies variously. For this reason, it is difficult to obtain a single crystal having a uniform concentration distribution of oxygen, and the oxygen level of the crystal fluctuates in a longitudinal direction or a cross-sectional direction, and may be out of a desired range.

【0008】結晶中の酸素の量を制御し、さらに濃度分
布を均一にするため、例えば、特開昭56-104791号公報
や特開昭56-45889号公報に提示されたように、るつぼ内
の溶融液に磁場を印加する方法がある。これは、磁場に
垂直な方向に移動する導体は、生じた誘導電流により、
逆向きの力(ローレンツ力)を受けるという原理を利用
しており、るつぼに対し横から水平方向の磁場を印加す
れば、熱対流の上下方向の移動が妨げられ、溶融液中の
酸素の移動を抑制でき、結晶に取り込まれる酸素量を制
御できるものである。
[0008] In order to control the amount of oxygen in the crystal and to make the concentration distribution uniform, for example, as disclosed in JP-A-56-104791 and JP-A-56-45889, There is a method of applying a magnetic field to the melt. This is because the conductor moving in the direction perpendicular to the magnetic field, due to the induced current generated,
Utilizing the principle of receiving a reverse force (Lorentz force), applying a horizontal magnetic field to the crucible from the side will hinder the vertical movement of thermal convection and the movement of oxygen in the melt. Can be suppressed, and the amount of oxygen taken into the crystal can be controlled.

【0009】水平方向に磁場を印加する方法の他、例え
ば、特開昭57-149894号公報には、結晶の引き上げ方向
すなわち垂直方向の磁場を印加する方法が開示され、さ
らに特公平8-22797号公報には、垂直の磁場を溶融液表
面位置において、引き上げの中心軸周りが強く、るつぼ
壁近傍ではほぼ0の分布とする発明が提示されている。
また、特公平2-12920公報には、るつぼの上下に同極対
向磁石をおき、溶融液に対し軸対称的かつ放射状のカス
プ磁場を作り、単結晶引き上げをおこなう方法が提示さ
れている。このように磁場の印加の方法を変えることに
より、酸素濃度のレベルや分布が改善されるばかりでな
く、ドーパント不純物の成長方向の濃度分布や、成長に
垂直な方向の面内での濃度分布の不均一も、改善できる
とされている。
In addition to the method of applying a magnetic field in the horizontal direction, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-149894 discloses a method of applying a magnetic field in the crystal pulling direction, that is, in the vertical direction. Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-15064 discloses an invention in which a vertical magnetic field has a strong distribution around the central axis of pulling up at a position of a melt surface and almost zero near the crucible wall.
Japanese Patent Publication No. 2-12920 discloses a method in which magnets of the same polarity are placed above and below a crucible, an axially symmetric and radial cusp magnetic field is formed in the melt, and a single crystal is pulled. By changing the method of applying the magnetic field in this way, not only the level and distribution of the oxygen concentration are improved, but also the concentration distribution in the growth direction of the dopant impurity and the concentration distribution in the plane perpendicular to the growth. Non-uniformity is also said to be improved.

【0010】ドーパントとなる不純物元素は、液相と固
相が共存する場合、固相中の濃度(CS)と、液相中の
濃度(CL)とは異なっていて、その濃度比は温度と液
相中濃度が定まれば、平衡状態では一定値を示す。現実
の単結晶引き上げでは、平衡状態とは多少ずれがある
が、通常、シリコンに用いられるドーパントの場合、そ
の実効偏析係数KE=(CS/CL)は1よりも小さい。
すなわち、成長する単結晶中の濃度は溶融液中の濃度よ
りも低い。このため、結晶が成長し、溶融液が減少して
いくにつれて、溶融液中のドーパント分の濃度が増加し
ていき、成長させた結晶の後方になるほどドーパント濃
度が増すという傾向がある。必要とする電気的特性を具
備する単結晶部分をより多く採取するには、ドーパント
の成長方向に沿った濃度変化をできるだけ小さくする必
要がある。そのような偏析を抑制する方法として、溶融
層法(DLCZ法)が知られている。
When a liquid phase and a solid phase coexist, the impurity element serving as a dopant has a different concentration (C S ) in the solid phase from a concentration (C L ) in the liquid phase. If the temperature and the concentration in the liquid phase are determined, they show a constant value in the equilibrium state. In actual single crystal pulling, there is a slight deviation from the equilibrium state. However, in the case of a dopant used for silicon, the effective segregation coefficient K E = (C S / C L ) is usually smaller than 1.
That is, the concentration in the growing single crystal is lower than the concentration in the melt. For this reason, as the crystal grows and the melt decreases, the concentration of the dopant in the melt tends to increase, and the dopant concentration tends to increase toward the rear of the grown crystal. In order to collect more single crystal portions having the required electrical characteristics, it is necessary to minimize the change in concentration of the dopant along the growth direction. As a method for suppressing such segregation, a molten layer method (DLCZ method) is known.

【0011】溶融層法というのは、るつぼ内の溶融液の
下層は未溶解の固層としておき、上層の溶融液が単結晶
になって引き上げられ、減少していくのに合わせて下部
の固層を溶解し溶融液を補給していく方法である。特公
昭34-8242号公報、あるいは特公昭62-880号公報には、
単結晶が引き上げられていくのに応じて、るつぼ内の不
純物濃度の低い固層を溶解させ、溶融層厚を一定に保つ
ことにより、溶融液中の不純物濃度の上昇を抑止し、単
結晶の成長方向のドーパント濃度を一定に保つ方法が提
示されている。また、溶融液量を変えて液相中の不純物
濃度一定に保つ方法も特開昭61-205691号公報などに示
されている。溶融層法では、初めに原料となる多結晶小
片をるつぼ内に装荷し、るつぼ上方をより強く加熱して
上層に溶融液をつくり、単結晶の引き上げと共に下部の
原料を溶かしていけばよい。しかし、後から溶け出す原
料から気泡が放出されることがあり、とくに引き上げ開
始のネック部形成時にそれによって結晶が切れることも
あるので、一旦全体を溶融させた後、るつぼ下方の温度
を低めて固層を作らせるという改良方法も、特開平3-13
1591号公報に開示されている。
[0011] In the melt layer method, the lower layer of the melt in the crucible is left as an undissolved solid layer, and the upper layer melt is pulled up as a single crystal. This is a method of dissolving the layer and replenishing the melt. JP-B-34-8242 or JP-B-62-880,
As the single crystal is pulled up, the solid layer with a low impurity concentration in the crucible is dissolved and the thickness of the molten layer is kept constant, thereby suppressing the rise in the impurity concentration in the melt, A method for keeping the dopant concentration in the growth direction constant has been proposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-205691 and the like also disclose a method of changing the amount of the melt to keep the impurity concentration in the liquid phase constant. In the molten layer method, first, a polycrystalline piece serving as a raw material is loaded in a crucible, and the upper portion of the crucible is heated more strongly to form a molten liquid in the upper layer. However, bubbles may be released from the raw material that melts later, and the crystals may be cut off by the neck part at the start of pulling, so once the whole is melted, the temperature below the crucible is lowered. An improved method of forming a solid layer is also disclosed in
It is disclosed in JP-A-1591.

【0012】このような溶融層法を適用すれば溶融液中
の熱対流は小さくなり、さらにるつぼの回転速度を増せ
ば、通常のCZ法の場合に比較して、得られる単結晶の
酸素濃度をより効果的に低下できる、という発明が特開
平5-24972号公報に示されている。しかし、るつぼの回
転速度を増すことは溶融液の温度の変動を大きくし、溶
融液量の少ない溶融層法ではその影響がより増大する。
とくに、種結晶の接触で生じた熱ショックによる単結晶
の転位を除去する目的のネック形成時に、液温変動が大
きければ転位が完全に消滅せず、得られる単結晶が転位
欠陥を含むことになる。これを避けるため、るつぼの回
転速度を変化させてもよいが、るつぼ回転速度の変化は
溶融液の温度不安定を招き、結晶引き上げの制御が安定
して作動しない難点がある。これの対処方法として、溶
融層に磁場を印加する発明が特開平7-267776号公報に開
示されている。これは水平方向の磁場印加により、るつ
ぼの回転数を増さなくても低酸素化が可能であり、単結
晶中の酸素レベルを低くかつ均一に制御でき、また、従
来の磁場制御によるCZ法の場合に比較し、はるかに低
い磁場で十分効果があるとしている。
By applying such a molten layer method, the heat convection in the melt is reduced, and if the rotation speed of the crucible is further increased, the oxygen concentration of the obtained single crystal can be reduced as compared with the ordinary CZ method. Is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 52-4972. However, increasing the rotation speed of the crucible increases the fluctuation of the temperature of the melt, and the influence is further increased in the case of the melt layer method with a small amount of the melt.
In particular, when forming a neck for the purpose of removing dislocations of a single crystal due to thermal shock caused by seed crystal contact, if the liquid temperature fluctuation is large, the dislocations will not completely disappear and the resulting single crystal will contain dislocation defects. Become. In order to avoid this, the rotation speed of the crucible may be changed. However, the change in the rotation speed of the crucible causes instability of the temperature of the melt, and there is a problem that the control of crystal pulling does not operate stably. As a countermeasure for this, an invention in which a magnetic field is applied to the molten layer is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-267776. This is because by applying a magnetic field in the horizontal direction, oxygen can be reduced without increasing the number of rotations of the crucible, the oxygen level in the single crystal can be controlled low and uniformly, and the conventional CZ method using magnetic field control Compared to the case, much lower magnetic field is effective enough.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】回転引き上げによる単
結晶成長方法は、以上にその主要例を説明したように、
数多くの改良が加えられてきた。その改良の多くは、欠
陥がなく均一な組成の単結晶を得るための手段に関する
ものであった。
As described above, the single crystal growth method by the rotation pulling has been described as a main example thereof.
Numerous improvements have been made. Many of the improvements involved means for obtaining single crystals of uniform composition without defects.

【0014】本発明の課題とするところは、単結晶の品
質改善のための磁場印加法や溶融層法を活用し、健全か
つ均質な単結晶をより速い速度で引き上げる方法を提供
することにある。引き上げ速度の高速化により生産性が
向上し、高品質の単結晶をより低コストで製造すること
ができる。
An object of the present invention is to provide a method for pulling a sound and homogeneous single crystal at a higher speed by utilizing a magnetic field application method and a molten layer method for improving the quality of the single crystal. . By increasing the pulling speed, productivity is improved, and a high-quality single crystal can be manufactured at lower cost.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、単結晶の
品質の健全性を失うことなく、その引き上げ速度を増大
させるための手段の検討を種々おこなった。引き上げ速
度の増加に最も大きく影響するのは、固液界面における
単結晶引上げ方向の温度勾配である。この温度勾配を大
きくするには、単結晶からの抜熱が効率よくおこなわれ
なければならない。また、溶融液表面やヒーターからの
輻射も遮蔽して、単結晶への入熱を低減することが望ま
しい。この温度勾配を固液界面全体にて均一かつ十分に
大きくするには、凝固後の抜熱の観点から溶融液の温度
をできるだけ下げることがもっとも必要であると考えら
れた。しかし、溶融液の温度を下げていくと、結晶の非
軸対称的な成長を誘発し変形した単結晶となりやすい。
同時に、溶融液の表面で微細な結晶の晶出を生じるよう
になり、健全な単結晶の引き上げを困難にする。さらに
ヒーターの位置によっては、るつぼ壁と接する面から凝
固が生じ、これが成長して結晶の引き上げを不可能にす
ることがある。これらの問題は、溶融液表面においてる
つぼの中心部にある単結晶の温度が低く、るつぼ壁に近
づくほど温度が高くなるような温度勾配を付けることに
より解消できる。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted various studies on means for increasing the pulling speed without losing the soundness of the quality of a single crystal. The temperature gradient in the single crystal pulling direction at the solid-liquid interface has the greatest influence on the increase in the pulling speed. In order to increase this temperature gradient, heat must be efficiently removed from the single crystal. In addition, it is desirable that radiation from the surface of the melt and from the heater be shielded to reduce heat input to the single crystal. In order to make this temperature gradient uniform and sufficiently large over the entire solid-liquid interface, it was considered most necessary to lower the temperature of the melt as much as possible from the viewpoint of heat removal after solidification. However, when the temperature of the melt is lowered, non-axially symmetric growth of the crystal is induced, and the crystal tends to become a deformed single crystal.
At the same time, fine crystals are crystallized on the surface of the melt, which makes it difficult to pull up a healthy single crystal. Further, depending on the position of the heater, solidification may occur from the surface in contact with the crucible wall, which may grow and make it impossible to pull up the crystal. These problems can be solved by providing a temperature gradient such that the temperature of the single crystal at the center of the crucible on the surface of the melt is low and the temperature increases as the temperature approaches the crucible wall.

【0016】この温度勾配は、加熱による熱対流やるつ
ぼ回転による溶融液流動が溶融液表面においてるつぼ壁
から中心に向かう方向になるので、通常の場合でもある
程度実現可能ではあが、引き上げ速度増加の目的には十
分でない。また昇温過程の、るつぼの外側から熱を流入
させる過程において十分な熱勾配を実現できたとして
も、これは溶融液全体の温度上昇をもたらすことにな
り、引き上げ速度増加のための溶融液温度の低下を実施
困難にする。すなわち単結晶引き上げの全過程におい
て、定常的に溶融液表面温度に大きな勾配を付けるの
は、従来の方法では不可能である。
This temperature gradient is not feasible to some extent even in a normal case, because the heat convection due to heating or the flow of the melt due to the rotation of the crucible is directed from the crucible wall to the center of the melt surface. Not enough for purpose. Also, even if a sufficient thermal gradient can be realized in the process of flowing heat from outside the crucible during the heating process, this will cause the temperature of the entire melt to rise, and the temperature of the melt to increase the pulling speed will increase. Makes implementation difficult. That is, in the entire process of pulling a single crystal, it is impossible to use a conventional method to constantly give a large gradient to the melt surface temperature.

【0017】流体における熱の伝達は、主として対流に
よりおこなわれる。したがって、CZ法にて実施されて
いる磁場印加の技術を活用すれば、対流を抑止でき、温
度勾配を大きくできる可能性がある。磁場は溶融液の上
下方向の対流の抑止を目的に、溶融液面に平行な方向に
印加されるのが一般的である。これに対し、溶融液面に
垂直の磁場を印加すれば、溶融液の水平方向の流動を抑
制できる。そこで、るつぼの回転軸にほぼ軸対称な垂直
方向の磁場印加の効果を検討したところ、溶融液温度低
下による引き上げ速度増加に十分と考えられる温度勾配
が得られることがわかった。さらに、同時にるつぼに回
転を与えれば、温度勾配はより一層大きくできる。しか
しながら垂直磁場の印加は、単結晶の成長方向の平均不
純物濃度を安定させる効果はあるが、酸素濃度が高くな
り、さらに成長方向に垂直な面内での不純物濃度分布が
不均一になりやすい、という問題がある。これは、るつ
ぼ壁から混入した酸素を多く含む溶融液が、表面で脱酸
素される機会が少なくなるためと、水平方向の対流によ
る攪拌が阻害され不純物分布の均一化が不十分となるた
めである。
The transfer of heat in a fluid is mainly performed by convection. Therefore, if the technology of applying a magnetic field applied by the CZ method is utilized, convection can be suppressed, and there is a possibility that the temperature gradient can be increased. The magnetic field is generally applied in a direction parallel to the melt surface for the purpose of suppressing vertical convection of the melt. On the other hand, when a magnetic field perpendicular to the melt surface is applied, the flow of the melt in the horizontal direction can be suppressed. Then, the effect of applying a magnetic field in the vertical direction that is almost axisymmetric to the rotation axis of the crucible was examined, and it was found that a temperature gradient considered to be sufficient for increasing the pulling speed due to a decrease in the temperature of the melt was obtained. Further, if the crucible is simultaneously rotated, the temperature gradient can be further increased. However, application of a vertical magnetic field has the effect of stabilizing the average impurity concentration in the growth direction of the single crystal, but increases the oxygen concentration, and tends to make the impurity concentration distribution in a plane perpendicular to the growth direction non-uniform. There is a problem. This is because the melt containing a large amount of oxygen mixed in from the crucible wall has a reduced chance of being deoxygenated on the surface, and the stirring by the horizontal convection is hindered and the uniformity of the impurity distribution is insufficient. is there.

【0018】垂直方向磁場は、水平方向の対流は抑制す
るが、垂直方向の対流の抑制効果は小さい。そこで、上
下方向の熱対流が小さいとされる溶融層法において、垂
直方向磁場の印加の活用を試みたのである。その結果、
酸素濃度を低くすることができ、単結晶の成長方向直角
断面内の不均一性は無くなり、その上温度低下による結
晶の変形およびそれに伴う有転位化がなく、引き上げ速
度増加可能な、理想的な溶融液状態が得られることが明
らかになった。
Although the vertical magnetic field suppresses horizontal convection, the effect of suppressing vertical convection is small. Therefore, in the molten layer method in which thermal convection in the vertical direction is assumed to be small, an attempt was made to utilize the application of a vertical magnetic field. as a result,
The ideal oxygen concentration can be reduced, the non-uniformity in the cross section perpendicular to the growth direction of the single crystal is eliminated, and the crystal is not deformed due to the temperature drop and the dislocation is not accompanied by it. It was found that a molten state was obtained.

【0019】この溶融層法に垂直方向磁場を印加するこ
とが、引き上げ速度増加を容易にするのは、次のような
理由によると考えられる。溶融層法では、単結晶の引き
上げに応じて下部の固層を溶解していくが、そのため
に、通常のるつぼ内の原料をすべて溶解してある場合に
比較して、るつぼ側面からの入熱量を多くしなければな
らない。このことは磁場による水平方向流動の拘束と併
用すれば、溶融液表面の水平方向の温度勾配を大きくす
るのに、とくに効果的である。また、引き上げる単結晶
と固層との、固液共存状態が溶融層の上下に存在してい
るため、溶融層温度を、結晶成長温度すなわち凝固点近
くのより低い温度に安定して保つことが容易になる。前
述のように、引き上げ速度の増加に最も大きく影響する
のは、固液界面の垂直方向の温度勾配を大きくすること
であり、そのための凝固した単結晶からの抜熱が十分に
おこなわなければならない。溶融液温度を低く保つこと
ができると、入熱量がそれだけ減少し、抜熱が効果的に
おこなわれて温度勾配を大きくできる。ことに単結晶中
央部の温度を低くできることも、引き上げ速度増大に有
利である。さらに、溶融層法には不純物の濃度分布均一
化の効果があるので、均一性のすぐれた単結晶を、高速
で引き上げることが可能になるのである。
It is considered that the application of a vertical magnetic field to the molten layer method facilitates an increase in the pulling speed for the following reasons. In the molten layer method, the lower solid layer is melted as the single crystal is pulled up, but the amount of heat input from the side of the crucible compared to the case where all the raw materials in the normal crucible are melted for that purpose Have to do more. When this is used in combination with the restriction of the horizontal flow by the magnetic field, it is particularly effective in increasing the horizontal temperature gradient of the melt surface. In addition, since the solid-liquid coexistence state of the single crystal to be pulled and the solid layer exists above and below the molten layer, it is easy to stably maintain the temperature of the molten layer at a crystal growth temperature, that is, a lower temperature near the solidification point. become. As described above, the greatest influence on the increase in the pulling speed is to increase the temperature gradient in the vertical direction of the solid-liquid interface, and therefore, the heat must be sufficiently removed from the solidified single crystal. . If the temperature of the melt can be kept low, the amount of heat input can be reduced accordingly, and the heat can be effectively removed and the temperature gradient can be increased. In particular, the fact that the temperature at the central portion of the single crystal can be lowered is also advantageous for increasing the pulling speed. Further, since the molten layer method has the effect of making the concentration distribution of impurities uniform, a single crystal having excellent uniformity can be pulled up at high speed.

【0020】そこで、この溶融層法と磁場印加を組み合
わせることによる、引き上げ速度を増大する単結晶引き
上げ方法について、その実用性の調査実験をおこない、
限界条件を明らかにし、本発明を完成させた。
In order to increase the pulling speed by combining the molten layer method and the application of a magnetic field, a practical experiment was conducted to investigate the practicality of the method.
The present invention has been completed by clarifying the limit conditions.

【0021】本発明の要旨は、種結晶を原料の溶融液の
表面に接触させて引き上げることによる単結晶成長方法
であって、るつぼ内の溶融液の上部を溶融層、下部は固
層とし、かつ、るつぼの回転軸に対し軸対称の磁場を、
溶融液表面においてその方向の垂直成分が0.05〜0.2T
となるように印加しつつ引き上げることにより、引き上
げ速度を増加させることを特徴とする単結晶引き上げ方
法である。
The gist of the present invention is a method of growing a single crystal by bringing a seed crystal into contact with the surface of a melt of a raw material and pulling the same, wherein the upper portion of the melt in the crucible is a molten layer, and the lower portion is a solid layer. And a magnetic field that is axisymmetric about the axis of rotation of the crucible,
The vertical component in the direction of the melt surface is 0.05-0.2T
The single crystal pulling method is characterized in that the pulling speed is increased by pulling while applying a voltage so as to be as follows.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】印加する磁場は、るつぼの回転軸
に対しほぼ軸対称であって、溶融液の表面において、そ
の方向の垂直成分が0.05〜0.2Tであることとする。磁
場の方向が垂直でない場合は、その方向の垂直成分が上
記の範囲であればよい。これは溶融液表面ではマランゴ
ニ対流を含め水平方向の溶融液の移動を抑制して、るつ
ぼの外周面からの加熱による温度勾配を大きくさせるた
めである。印加する磁場の垂直成分の強さが0.05Tを下
回る場合は、溶融液移動の拘束力が弱いため必要とする
表面温度勾配が得られず、0.2Tを超えた磁場を印加し
ても磁場印加の効果は飽和してしまう。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The applied magnetic field is substantially axially symmetric with respect to the rotation axis of the crucible, and the vertical component in that direction is 0.05 to 0.2 T on the surface of the melt. When the direction of the magnetic field is not vertical, the vertical component in that direction may be within the above range. This is to suppress the horizontal movement of the melt, including Marangoni convection, on the melt surface and increase the temperature gradient due to heating from the outer peripheral surface of the crucible. If the strength of the vertical component of the applied magnetic field is less than 0.05 T, the required surface temperature gradient cannot be obtained because the binding force of the melt is weak, and even if a magnetic field exceeding 0.2 T is applied, the magnetic field is applied. Effect saturates.

【0023】垂直方向磁場は、外側に設けた、結晶引き
上げ軸またはるつぼの回転軸を中心とする磁場発生用コ
イルにより印加する。上記の磁場を印加することができ
るのであれば、その形態や方法は問わない。
The vertical magnetic field is applied by a coil for generating a magnetic field centered on the crystal pulling axis or the rotation axis of the crucible provided outside. As long as the above magnetic field can be applied, the form and method are not limited.

【0024】図2は、一例として上方と下方とに、軸を
共有する二つのコイルを設置した場合を示したものであ
る。発生する磁束が同じ向きになるように電流を流して
やれば、両コイルの間に軸方向に平行で均一な磁場を発
生させることができる。
FIG. 2 shows, as an example, a case in which two coils having a common axis are provided above and below. If a current is passed so that the generated magnetic fluxes have the same direction, a uniform magnetic field parallel to the axial direction can be generated between both coils.

【0025】この上下の中心軸を共有するコイルに、相
互に逆方向の電流を流せば、両コイルの間の中心部で磁
場成分が0となる、いわゆるカスプ磁場が発生する。そ
の場合でも、溶融液面において磁場の垂直成分が上記の
範囲であれば、本発明の効果を得ることができる。CZ
法においてカスプ磁場は、結晶やるつぼの回転による表
面近傍の溶融液流動の効果も期待するため、単結晶の成
長界面、すなわち溶融液面における垂直方向の磁場の強
さが、ほとんど0となるような位置として印加するのが
普通である。これに対し本発明の場合、垂直磁場成分が
必要なので、磁場成分が0となる部分は、溶融液面の上
側か下側に位置させなければならない。
When currents in opposite directions are applied to the coils sharing the upper and lower central axes, a so-called cusp magnetic field in which the magnetic field component becomes zero at the center between the two coils is generated. Even in such a case, the effects of the present invention can be obtained if the vertical component of the magnetic field on the melt surface is within the above range. CZ
In the method, the cusp magnetic field is also expected to have the effect of melt flow near the surface due to the rotation of the crystal or crucible, so that the strength of the magnetic field in the vertical direction at the growth interface of the single crystal, that is, at the melt surface, is almost zero. Usually, the voltage is applied as a proper position. On the other hand, in the case of the present invention, since a vertical magnetic field component is required, the portion where the magnetic field component becomes 0 must be located above or below the melt surface.

【0026】カスプ磁場を印加する場合、本発明では、
垂直磁場の強さがゼロになる位置を、とくに溶融液面の
下側の溶融層の中央部、すなわち成長する単結晶と固層
との中間部から溶融層と固層の境界面辺りにおくのがよ
り望ましい。その理由は、溶融液表面では、磁場の垂直
成分により水平方向の移動が拘束されて、温度勾配を大
きくすることが可能になる一方、溶融層の中央部分は溶
融液の水平方向の移動が容易なので、不純物などの均一
化が促進されるためである。さらに、るつぼ側面からの
入熱が中心部に速やかに伝達されるため、温度の均一化
と固層の溶解が遅滞なく進み、引き上げ速度の増加を一
層容易にする。溶融液表面には温度勾配が必要である
が、溶融層内部の温度は均一である方が好ましいのであ
る。
When a cusp magnetic field is applied, in the present invention,
The position where the strength of the vertical magnetic field becomes zero is located particularly in the central part of the molten layer below the melt surface, that is, from the middle part between the growing single crystal and the solid layer, near the boundary between the molten layer and the solid layer. Is more desirable. The reason for this is that the vertical component of the magnetic field restricts the horizontal movement on the melt surface, which makes it possible to increase the temperature gradient, while the central part of the molten layer facilitates the horizontal movement of the melt. Therefore, uniformization of impurities and the like is promoted. Further, since the heat input from the side of the crucible is quickly transmitted to the central portion, the uniformization of the temperature and the dissolution of the solid layer proceed without delay, and the increase in the pulling speed is further facilitated. Although a temperature gradient is required on the surface of the melt, it is preferable that the temperature inside the melt layer be uniform.

【0027】結晶およびるつぼの回転は、不純物分布の
均一化、および酸素低減に有効であり、磁場印加と併用
して、さらにその効果が増進されるので、適宜実施する
ことが望ましい。とくにるつぼの回転は、軸対称の垂直
磁場印加と組み合わせることにより、溶融液表面の温度
勾配をより大きくすることができる。すなわち、結晶の
回転は10rpm以上、るつぼの回転は5rpm以上とすること
が好ましい。結晶の回転は不純物の面内濃度分布の均一
化のために必要であり、10rpmを下回ると、面内濃度分
布の悪化ばかりでなく、単結晶の変形の原因となる。結
晶の回転速度の上限はとくにはないが、安定な結晶成長
をおこなわせるためには自ずから制限される。るつぼの
回転は、溶融液の流動の制動効果を目的におこなうが、
5rpmを下回る場合流動が安定しないので、回転数をこれ
以上とする。上限の回転数はとくには制約はないが大き
くしても効果が飽和するので、15rpm程度までである。
The rotation of the crystal and the crucible is effective for uniformizing the impurity distribution and reducing oxygen, and the effect is further enhanced when used together with the application of a magnetic field. In particular, the rotation of the crucible can increase the temperature gradient on the melt surface by combining it with the application of an axially symmetric vertical magnetic field. That is, the rotation of the crystal is preferably 10 rpm or more, and the rotation of the crucible is preferably 5 rpm or more. The rotation of the crystal is necessary for making the in-plane concentration distribution of impurities uniform, and if it is less than 10 rpm, not only the in-plane concentration distribution is deteriorated, but also the single crystal is deformed. The upper limit of the rotation speed of the crystal is not particularly limited, but is naturally limited in order to achieve stable crystal growth. The rotation of the crucible is performed for the purpose of damping the flow of the melt,
When the rotation speed is lower than 5 rpm, the flow is not stable. The upper limit of the number of revolutions is not particularly limited, but the effect is saturated even if it is increased.

【0028】[0028]

【実施例】16インチφのるつぼを用い、チャージ量70kg
とし、n型のドーパントであるPを用いて目標抵抗値を1
0Ωcmとし、6インチφの1300mm長さの単結晶の育成をお
こなった。その際、結晶の回転は15rpm、るつぼの回転
は7rpmの一定で、相互に逆方向の回転とし、通常の磁場
を印加しないCZ法、るつぼ下方に固層を置き上方を溶
融層とする溶融層法(DLCZ法)、溶融層法にて磁場
印加をおこない、その磁場を水平磁場、垂直磁場、また
はカスプ磁場とした方法にて、それぞれ単結晶を製造し
た。印加する磁場の強さは、水平方向または垂直方向の
磁場の場合、いずれもるつぼ中央部の固液界面、すなわ
ち溶融液面中央部近傍にて、0.1Tとなるようにした。
カスプ磁場の印加は、本発明例の場合、垂直成分が0と
なる位置を溶融液面より下にして、溶融液面中央部近傍
において垂直成分の磁場が0.1Tとなるようにし、比較
例では同一強さの磁場を上方にずらし、溶融液面と垂直
成分が0となる位置とを一致させた。得られた単結晶に
ついては、酸素レベル、単結晶成長方向における酸素の
変動幅、抵抗率の変動、および単結晶の欠陥発生(有転
位化)について評価をおこなった。
[Example] Using a 16 inch φ crucible, charge amount 70 kg
And the target resistance value is set to 1 using P as an n-type dopant.
A single crystal having a length of 1300 mm and a length of 6 inches φ was grown at 0 Ωcm. At this time, the rotation of the crystal is constant at 15 rpm and the rotation of the crucible is constant at 7 rpm, the rotations are in opposite directions, the CZ method without applying a normal magnetic field, the solid layer under the crucible and the molten layer above A magnetic field was applied by a method (DLCZ method) or a molten layer method, and a single crystal was produced by a method in which the magnetic field was a horizontal magnetic field, a vertical magnetic field, or a cusp magnetic field. The intensity of the applied magnetic field was set to 0.1 T at the solid-liquid interface at the center of the crucible, that is, near the center of the melt surface in the case of a magnetic field in the horizontal or vertical direction.
In the case of the present invention, the application of the cusp magnetic field is such that the position where the vertical component is 0 is below the melt surface, and the magnetic field of the vertical component is 0.1 T near the center of the melt surface. The magnetic field of the same strength was shifted upward to match the melt surface with the position where the vertical component was zero. With respect to the obtained single crystal, the oxygen level, the fluctuation width of oxygen in the single crystal growth direction, the fluctuation of resistivity, and the generation of defects (dislocation) in the single crystal were evaluated.

【0029】表1にこれらの単結晶の引き上げ速度、お
よび得られた単結晶についての調査結果を示す。この場
合、酸素濃度は結晶全体にわたっての平均値である。ま
た酸素濃度の変動幅は、ウエハ内での最大値と最小値の
差の平均値に対する比率で、単結晶内での最大値を示
す。抵抗値歩留まりは、目標抵抗値に対し、±1.0Ωcm
以内に入る部分の、健全な単結晶全長に対する比率であ
る。これらの結果から分かるように、通常のCZ法に対
し、溶融層法(DLCZ法)は抵抗率歩留まりがすぐれ
ている。さらに溶融層法にて磁場を印加すると抵抗率歩
留まりはより一層向上し、とくに垂直磁場の場合その効
果が大きい。このような単結晶の不純物の均一化にもま
して顕著なのは、引き上げ速度の向上であり、従来の方
法に比較して2倍以上の増加が可能であることがわか
る。
Table 1 shows the pulling rates of these single crystals and the results of investigations on the obtained single crystals. In this case, the oxygen concentration is an average over the entire crystal. The variation range of the oxygen concentration is the ratio of the difference between the maximum value and the minimum value in the wafer to the average value, and indicates the maximum value in the single crystal. Resistance value yield is ± 1.0Ωcm against target resistance value.
The ratio of the portion falling within the range to the entire length of a healthy single crystal. As can be seen from these results, the resistivity layer yield of the molten layer method (DLCZ method) is superior to that of the normal CZ method. Further, when a magnetic field is applied by the molten layer method, the resistivity yield is further improved, and the effect is particularly large in the case of a vertical magnetic field. What is more remarkable than such uniformization of the single crystal impurities is the improvement in the pulling speed, and it can be seen that the increase can be at least twice as large as that of the conventional method.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明方法によれば、結晶成長方向、お
よびそれに垂直な半径方向の不純物濃度がより均一な単
結晶を、引き上げ速度を大幅に増加させて製造すること
が可能である。
According to the method of the present invention, a single crystal having a more uniform impurity concentration in the crystal growth direction and in the radial direction perpendicular to the crystal growth direction can be manufactured by greatly increasing the pulling speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】シリコンなど単結晶の、回転引き上げにより製
造する方法(CZ法)を模式的に示した図である。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a method of producing a single crystal such as silicon by rotational pulling (CZ method).

【図2】本発明の、溶融層法に垂直磁場を印加した場合
の単結晶回転引き上げ法を、模式的に説明する図であ
る。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a single crystal rotation pulling method when a vertical magnetic field is applied to the molten layer method according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a…るつぼ(石英部分)、1b…るつぼ(黒鉛部分)、2
…ヒータ、3…種結晶、4…溶融液、5…単結晶、6…垂直
磁場印加用コイル、7…引き上げ用ワイヤ、8…チャン
バ、9…プルチャンバ、10…保温材、11…るつぼ支持
軸、12…固層
1a… Crucible (quartz part), 1b… Crucible (graphite part), 2
... heater, 3 ... seed crystal, 4 ... melt, 5 ... single crystal, 6 ... coil for applying vertical magnetic field, 7 ... wire for pulling up, 8 ... chamber, 9 ... pull chamber, 10 ... heat insulator, 11 ... crucible support shaft , 12 ... solid layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】種結晶を原料の溶融液の表面に接触させて
引き上げることによる単結晶成長方法であって、るつぼ
内の溶融液の上部を溶融層、下部は固層とし、かつ、る
つぼの回転軸に対し軸対称の磁場を、溶融液表面におい
てその方向の垂直成分が0.05〜0.2Tとなるように印加
しつつ引き上げることにより、引き上げ速度を増加させ
ることを特徴とする単結晶引き上げ方法。
1. A method for growing a single crystal, comprising bringing a seed crystal into contact with the surface of a melt of a raw material and pulling up the melt, wherein an upper portion of the melt in the crucible is formed as a molten layer, a lower portion is formed as a solid layer, and A method for pulling a single crystal, wherein a pulling speed is increased by applying a magnetic field that is axially symmetric with respect to a rotation axis while applying a magnetic field perpendicular to the direction of the melt at the surface of the melt at 0.05 to 0.2 T.
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