JPS61205692A - 結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば半導体装置の材料として使用されるシ
リコン単結晶等の結晶を、偏析の発生を防止して不純物
組成が異なる２種又はそれ以上の結晶を連続して成長さ
せる方法に関し、更に詳述とすれば先に成長させた第１
の結晶中の不純物濃度よりもその下の後に成長させた第
２の結晶中のそれの方が低い２種以上の結晶を連続的に
成長させる方法に関する。

（従来技術〕 単結晶を成長させるには種々の方法があるが、その１つ
に回転引上法がある。この方法は第６図に示すようにる
つぼ１３内に挿入した材料を誘導加熱コイル（或いは抵
抗加熱ヒータ）１２により前部溶融させた後、その溶融
液１４を引上げ棒（あるいは金属線）１７により上方に
引上げていくことにより゛、熔：融液が凝固してなる単
結晶を成長させる方法である。しかしながらこの方法に
て成長せしめられた単結晶１５は、半導体結晶の電気抵
抗率、伝導型等を調整すべく例えば引上げ前に前記溶融
液に一括して添加した不純物が引上げ方向に沿って偏析
するという現象が生じている。この偏析は、単結晶のあ
る点での凝固開始時の不純物濃度と凝固終了時の不純物
濃度との比、つまり凝固の際に、溶融液・単結晶界面に
実際に生じる単結晶中の不純物濃度Ｃｓと溶融液中の不
純物濃度ｃｅとの比Ｃｓ／Ｃ１、即ち、実効偏析係数Ｋ
ｅに起因して生じる。

これを詳述すると、例えばＫｅ＜　１の場合には単結晶
が成長せしめられるに伴って溶融液中の不純物濃度が自
ずと高くなっていき、単結晶に偏析が生じるのである。

なお上記実効偏析係数Ｘｅは公知であり、溶融液が完全
に静止した状態ではＫｅ−１となり、溶融液に熱対流又
は誘導加熱コイルによる磁界に基づく強制対流等が生じ
ている場合には不純物元素の溶融体元素に対する固有の
平衡偏析係数Ｋｏに近付く方向に変化する係数である。

上記偏析の発生を抑制して単結晶を成長させる方法とし
て溶融層法がある。この方法はるつぼ内に挿入した材料
を、昇降可能に設けた誘導加熱コイルにより上側から下
側へ向けて溶融していき、成長せしめられた単結晶量に
拘わらするつぼ内の溶融液量を一定に維持させて偏析を
抑制する方法である。この方法による場合には実効偏析
係数ＫｅＯ値に拘わらず単結晶の成長に伴って新たに成
長された溶融液により不純物濃度が低減されるため、こ
の不純物の低減に基づくるつぼ内の溶融液中での不純物
濃度変化を抑制すべく、一般にるつぼ内の溶融液量に対
して不純物を連続的に添加することにより偏析を抑制で
きる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そして、前記２法のように、誘導加熱コイルを使用する
全成長方法において、例えば石英（ＳｉＯ□）製るつぼ
を使用してシリコン単結晶を成長させる場合は、誘導加
熱コイルからの磁界により溶融液が強制的に対流せしめ
られるので石英製るつぼが熔解して酸素（０２）が溶出
し、単結晶中に酸素が含有される。このようにして酸素
を含有するシリコン単結晶を半導体装置用材料として用
いるべく、これをスライスして得たシリコンウェハを熱
処理した場合には、含有酸素に起因して結晶欠陥が発生
する。

このようにシリコン単結晶に悪影響を及ぼす酸素を低減
せしめるためには、一般に鉛直軸回りに回転させて使用
するるつぼの回転数を低下させ、或いはるつぼ内温融液
に磁場を印加してるつぼ内温融液に生じる対流を抑止す
る方法がとられている。

さて、少量多品種の結晶を製造する場合に前記両方法を
含むすべての結晶成長方法にあっては、従来各品種毎に
結晶用材料をるつぼ内に挿入し、この全量を溶融成長さ
せて同品種の結晶を製造しており、挿入した材料の一部
から不純物成分、濃度が異なる他の品種の結晶を成長さ
せるような製造は実施されていない、このため製造後〜
材料挿入間の準備時間が無駄であり、従来の製造方法は
作業能率上、好ましくなかった。

従ってこれを改善すべく、挿入した材料の一部から不純
物濃度が異なる他の品種の結晶を成長させることを目的
として製造する場合、例えば溶融層法を利用し、品種を
変！する時点に達すると引上げを停止し、また一定に維
持されたるつぼ内の溶融液量を適量増量した後、引上げ
を再開するとともに添加）る不純物量を段階的に減少さ
せたのち、更にそれを結晶の成長に伴って順次減少させ
るか又は単にそれを結晶の成長に伴って順次減少させる
方法を採用するときは、その目的を一応達成できる。し
かし、酸素を低減させるべ（対流を生ぜしめない条件下
にて上記目標を達成できる方法を実施する場合は、順次
添加した不純物が十分に拡散しないため偏析の発生を防
止できないという問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、Ｋｅ
＜１の場合において凝固に伴う結晶・溶融液界面での偏
析現象に基づき溶融液側で生ずる不純物の濃化分を補償
するだけの溶融液量を新たに溶融させることにより、結
晶を成長させていく間に、常に溶融液中の不純物濃度を
一定に維持して結晶内の不純物濃度を一定にし、そして
品種の異なる結晶を製造する時点に達すると、引上げを
継続しつつ又は一旦停止してるつぼ内の溶融液量を増加
させ、その後再度、上述の不純物濃度の一定維持を繰り
返すことにより、偏析の発生がない２種以上の結晶を連
続的に成長させ得る方法を提供することを目的とする。

本発明に係る結晶成長方法は、るつぼ内に挿入した結晶
用材料を上側から下側へ向けて溶融していき、またその
溶融液を上方に引上げて凝固させていくことにより結晶
を成長させる方法において、前記材料を一部溶融させた
段階でその溶融液に不純物を添加したのち溶融液の引上
げを開始し、その後、るつぼ内の溶融液の重量変化量に
対する、成長していく第１の結晶の総重量変化量の比を
前記溶融液に関する不純物の実効偏析係数の負の値に一
致させるべく、結晶の成長に伴ってるつぼ内の溶融液重
量が減少するように材料を溶融させていき、 次いで引上げを継続しつつ又は一旦停止してるつぼ内の
溶融液重量を増し、然る後、引上げを再開し、その後の
るつぼ内の溶融液の重量変化量に対する、引上げ再開後
に成長していく第２の結晶の総重量変化量の比を前記実
効偏析係数の負の値に一致させるべく、結晶の成長に伴
ってるつぼ内の溶融液重量が減少するように材料を溶融
させ、不純物濃度が異なる２種の結晶を成長させること
を特徴とする。

〔発明の原理〕

まず本発明の原理につき以下に説明する。第１図は発明
原理説明図であり、るつぼ内に挿入した単結晶用材料１
０を図示しない抵抗加熱式のヒータによりその上部をあ
る厚さ分だけ溶融して不純物を添加し、然る後、材料１
０を上側から下側へ向けて溶融させつつ引上げ用チャッ
ク７にて溶融液４を上方に引上げてこれを凝固させ、単
結晶５を成長させている状態を示す模式図である。

このような状態における不純物の質重バランスに関して
、単結晶５内での不純物の拡散を無視すると下記（１）
式が成立する。

但し、　ｇｓ：単結晶用材料及び不純物の全投入重量Ｗ
に対する単結晶引上総重量 の比率 Ｃｓｉｇ）：比率ｇのときの単結晶中の溶融液と接する
界面における不純物濃度 Ｃｊ２　　（ｇｓ）　　：比率がｇｓのときの溶融液中
の不純物濃度 ｇｌ　（ｇｓ）　　：比率がｇｓのときのＷに対するる
つぼ内の溶融液重量の比率 へ二定数 上記（１１式をｇｓにて微分すると、 ｄｇｓ　　　　　　　　　ｄｇｓ 但し、Ｃｓ　（ｇｓ）　　：比率がｇｓのときの単結晶
中の不純物濃度 Ｃ２＝溶融液中の不純物濃度 ｇ７！：Ｗに対する溶融液重量の比率 となるが、単結晶・溶融液界面（以下固液界面という）
では Ｃｓ　（ｇｓ）−Ｋｅ−ＣＩ　（ｇｓ）　　　　　　　
　−（３１但し、Ｋｅ：実効偏析係数 が成立するので上記（２）式は次式のようになる。

Ｋｅ　　　　ｄｇｓ　　　　　　Ｋｅ　　　　ｄｇｓこ
の（４）式において、左辺第１項中のｄｇｌｌ／ｄｇｓ
を、ｄｇ　ｌ　／　ｄｇｓ　＝　−Ｋｅ　　　　　　　
　　　　　−＋５）とすると、単結晶中の成長を完了す
るまでｇ／をゼロとするような結晶成長を実質的に行わ
ないため、左辺第２項中のｇｌ／Ｋｅは結晶成長中ゼロ
とならず、結果として ｄＣｓ　／　ｄｇｓ　＝　０　　　　　　　　　　　　
−　（６１となる。

従って上記＋５１．　（６１式より単結晶成長途中のあ
る時点でのｇｓ（Ｗに対する単結晶引上総重量の比率）
の変化量に対するｇＩｌ　（Ｗに対するるつぼ内の溶融
液重量の比率）の変化量の比を−Ｋｅ　（実効偏析係数
の負の値）に一致させることにより、ｇｓ変化量に対す
るＣｓ　（単結晶中の不純物濃度）変化量がゼロとなり
偏析を防止できる。これは実効偏析係数Ｋｅに基づいて
固液界面で不純物濃度に差が生じ、仮に溶融液量が単結
晶の生成開始〜終了までの間で一定とすると溶融液中の
不純物濃度は徐々に高くなるが、ｇｓの変化量に対する
ｇＩｌの変化量の比が−Ｋｅとなるように溶融液量の未
溶融材料を溶融させることとすることにより溶融液中の
不純物濃度が常に一定に保たれ、またこれにより単結晶
中の不純物濃度がその成長程度に拘わらず常に一定に維
持されるからである。

そしてこのようにして第１の結晶を所望量成長させた後
、次に成長させるべき第２の結晶の不純物濃度とすべく
るつぼ内の溶融液を適量増量し、その後前記（５）、　
（６１式を満足するようにｇｌ、ｇｓを管理する。つま
り第２図の段付線Ｂの段付移行の線上となるようにｇｌ
、ｇｓを管理する。

これにより後で成長せしめられた結晶のほうが同一不純
物元素についてのその濃度が低い２品種の結晶を、各品
種に係る結晶部分で夫々軸長方向の偏析の発生を防止し
て連続的に成長させることができる。

なおるつぼ内に挿入した単結晶用材料をすべて単結晶と
して成長させるためには、段付線Ｂの直線部の値きつま
り−Ｋｅと、段付線Ｂの段付部のｇＪ増量値とに基づい
て段付線Ｂの縦軸切片ｇｊ！ｏ、つまり最初の引上げ開
始時のるつぼ内の溶融液量を調整し、ｇｓ−＝０となる
ときにｇＩｌ−〇となるようにｇａｎｇｓを管理する。

（実施例〕 以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第３図は本発明の実施状態を示す模式的側断面図であり
、図中１はチャンバーを示す、チャンバー１は軸長方向
を垂直とした略円筒状の真空容器であり、上面中央部に
は矢符方向に所定速度で回転する引上げチャック７０回
転軸７′がエマシールドされて貫通されている。引上げ
チャック７にはシード（結晶成長の核となる単結晶）５
′が取付けられている。

チャンバーｌの底面中央部には、前記引上げチャック７
とは同一軸心で逆方向に所定速度で回転するるつぼ３の
支持軸６がエアーシールドされて貫通している。支持軸
６の先端には黒鉛製るつぼ３′がその内側に石英（５４
０２）製るつぼ３を嵌合する状態で取付けられている。

るつぼ３の上方のチャンバー１内には不純物を貯留する
図示しない貯留箱が設けられており、その底蓋を図示し
ない開閉手段にて開けるとるつぼ３内に不純物を添加で
きるようになっている。

るつぼ３の回転域のやや外側の位置には抵抗加熱式のヒ
ータ２が、その更に外側のチャンバー１との間の位置に
は熱遮蔽体８が夫々同心円筒状に配設されている。ヒー
タ２はその軸長方向長さがるつぼ３のそれよりも適当に
短く、図示しない昇降装置により昇降可能に支持されて
おり、るつぼ３をその軸長方向長さよりも短い長さ領域
で部分加熱できるようになっている。

このように構成された装置による本発明方法を次に説明
する。るつぼ３内に固形の単結晶用材料１０を所要量挿
入固定したのちヒータ２にてその上層部を、後に添加す
る不純物と材料１０との全重置Ｗに対する初期溶融液重
量の比がｇＡ！ｏとなるように溶融する。なお、不純物
の添加量が材料１０の挿入量に比べて極めて小さい場合
は材料１０の挿入量をＷとしても差し支えない。

そしてその溶融液４の重量がｇ”Ｏを満足する時点でＫ
ｅｅｌの不純物が所要量貯留されている貯留箱（図示せ
ず）の底蓋を開けてこれを溶融液４に添加し、不純物が
拡散して溶融液４内で均一に分布する期間が経過すると
、前述したチャックに取付けられたシード５′を溶融液
４の表面に接触させて回転させつつ又は回転させずに引
上げ、また溶融液４の下の単結晶用材料１０を上方側よ
り溶融させる。この引上げ及び溶融は、前述した如く単
結晶用材料１０をすべて単結晶として成長させるために
は、第２図の段付線Ｂ上となるようにｇｌ。

ｇｓを管理する必要がある。

このように管理した場合には挿入した単結晶用材料１０
をすべて単結晶に成長させることができ、また成長した
２種類の単結晶に殆ど偏析がない。

溶融液の下部温度が上部温度に比べて低いので、溶融液
の対流は回転引上法に比べて弱く、石英製るつぼを使用
していても成長した単結晶はその中の酸素が低いレベル
に維持されている。

なお、上記説明では単結晶を成長させているが、本発明
はこれに限らず多結晶の金属材を成長させる場合等にも
適用できることは勿論である。

また、上記実施例では抵抗加熱式のヒータを使用してい
るが、本発明はこれに限らず誘導加熱式のヒータを使用
して加熱溶融してもよいことは勿論である。

更に上記実施例では２種類の単結晶を連続的に成長させ
ているが、本発明はこれに限らず３種類以上の単結晶に
ついても連続的に成長させ得ることは勿論である。

〔効果〕

内径３００龍の石英製るつぼを使用し、これにシリコン
単結晶用材料を挿入した後、これを溶融液の深さが２０
０１１となるまで溶融して、これにシリコンに対するＫ
ｅが０．３５である不純物リンを添加し、るつぼを０゜
５　ｒｐｍの速度で回転させ、また引上げチャックをる
つぼの回転方向とは逆方向に１５ｒｐｍの速度で回転さ
せ単結晶用材料及び不純物の全重量Ｗに対して０．４　
Ｗまでを品種Ｃの単結晶とすべく、段付線Ｂの前半の線
上のｇＬｇｓとなるように溶融、引上げを行い、品種Ｃ
の単結晶を０，４Ｗ成長させた時点で一旦引上げを停止
してｇｌが０．２１Ｗとなるまで加熱してるつぼ内の溶
融液を増量し、つまりるつぼ内の溶融液中での不純物濃
度を低下させたのち、るつぼ内の材料及び不純物の全量
を段付線Ｂの鋼板の線上のｇＡ、ｇｓとなるように溶融
、引上げを行い品種りの単結晶を成長させた。

そして得られた単結晶の軸長方向での不純物濃度を分析
した。第４図はその分析結果（一点鎖線）をまとめたグ
ラフであり、横軸にｇｓをとり、また縦軸に不純物濃度
（（至）−３）をとって示している。

なお比較のために前述の溶融層法を利用し、酸素を低減
させるべく対流を生せしめない条件下にて品種Ｃ，Ｄの
単結晶を成長させた場合のその分析結果（実線）を併せ
て示している。

この図より理解される如く溶融層法にて単結晶を成長さ
せた場合には単結晶中の不純物濃度分布は不純物を添加
して引上げを開始した直後及び引上げを再開した直後で
は不純物濃度が高く、単結晶の成長に伴ってそれが徐々
に低下していき、核品種の単結晶の軸長方向に偏析が生
じるが、本発明による場合はどちらの単結晶にも偏析の
発生が生じない。このため本発明により製造された単結
晶はその軸長方向における抵抗率にバラツキがない。

また単結晶の同−断面内で抵抗率分布を調査したが、本
発明により成長させた単結晶は抵抗率のバラツキ±２．
５％以内であり、従来法（溶融層法）を利用して成長さ
せた単結晶共に良好であった。

なお上記説明では（４）式を満足させる条件として（５
１，＋６１式を得ているが、本発明は（５）式を厳密に
成立させなくとも以下の理由により ｄｇｊ！　／ｄｇｓ　　＝　−Ｋｅ　（１＋ε）・・・
（７）但し、ε：定数 としても目的を達成できることは勿論である。その理由
を次に説明する。上記（７）式はｇｅ　＝　ｇｌ（４Ｋ
ｅ　（１＋ε）　ｇｓ　　　　　　＝（８１であるから
（８）式は、 −ｔ　・Ｃｓ＋　（ｇｌｏ／Ｋｅ−（１＋　ｇ）　ｇｓ
）　　・ｄＣｓ／ｄｇｓ　−０・・・（９） となり、この（９）式を整理すると 但し、Ｃｓｏ　：初期単結晶中不純物濃度として表わせ
る。

一方、回転引上法におけるＣｓは、所謂Ｐ　ｆａｎｎＯ
式 ％式％（１１） に従うことが知られている。

ここで例えばＫｅ＝０．３５の条件で例えば１種の単結
晶を成長させた場合には００１．　　（１１）式は第５
図に示すような線として表わせる。図中の実線は（１０
）式のεが±０．１．±０．３．±０．５の６通りの場
合であり、破線は（ＩＩ）式を示す。この図より理解さ
れる如く本発明により結晶を成長させる場合にはεが±
０．５程度あっても、つまりｄｇｌ！／ｄｇｓが一１ｅ
に厳密に一致せず、多少のｄｇｉ！／ｄｇｓの変動が生
じても回転引上法にて結晶を成長させるよりも成長した
結晶に偏析が少ない。

なお上記説明では成長した第１の結晶量に基づき引上げ
を一旦停止しているが、本発明はこのようにする場合に
限らず引上げを継続しつつ第２の結晶を成長させるよう
に行ってもよい。また本発明は引上げを継続しつつ又は
一旦停止してるつぼ内の溶融液量を増量する際に先に添
加した不純物と異なる元素である不純物を更に添加して
も実施できる。上記元素としては先に添加した不純物の
所定の溶融液に対するＫｇと同値又は略同値であるもの
が好ましく、このような不純物を更に添加した場合には
十分な拡散時間をとったのち引上げを再開する。またこ
れにより不純物濃度だけでなく不純物成分、ｉＪ度が異
なる結晶をも連続的に成長させ得る。

以上詳述した如く本発明による場合は、低酸素化の条件
下であっても偏析の発生を防止して不純物濃度、成分が
異なる２種以上の結晶を連続的に製造でき、これにより
少量多品種の結晶を効率よく製造でき、また例えば単結
晶の該当する部分のどの位置から半導体装置用材料を作
成してもその材料の抵抗率にバラツキがなく、このため
材料の歩留が高い等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、第２図は本発明を実施
するためのｇｓと８１との管理説明図、第３図は本発明
の実施状態を示す模式図、第４図は本発明の詳細な説明
図、第５図は本発明の目的を達成し得るｇｌ、ｇｓの管
理範囲の説明図、第６図は従来技術の説明図である。 ２・・・ヒータ　３・・・るつぼ　４・・・溶融液　５
・・・単結晶　１０・・・単結晶用材料 代理人　弁理士　　河　　野　　登　　夫第　１　図 ーｓ　　−一チ 笛　２　図 第３　図 θ　　　０２　　　θ４　　　　ｏ、ｅ　　　ｏ、ｇ　
　　ｉ。 Ｊ５ 第４図 第　５　図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、るつぼ内に挿入した結晶用材料を上側から下側へ向
   けて溶融していき、またその溶融液を上方に引上げて凝
   固させていくことにより結晶を成長させる方法において
   、 前記材料を一部溶融させた段階でその溶融液に不純物を
   添加したのち溶融液の引上げを開始し、その後、るつぼ
   内の溶融液の重量変化量に対する、成長していく第１の
   結晶の総重量変化量の比を前記溶融液に関する不純物の
   実効偏析係数の負の値に一致させるべく、結晶の成長に
   伴ってるつぼ内の溶融液重量が減少するように材料を溶
   融させていき、 次いで引上げを継続しつつ又は一旦停止してるつぼ内の
   溶融液重量を増し、然る後引上げを再開し、その後のる
   つぼ内の溶融液の重量変化量に対する、引上げ再開後に
   成長していく第２の結晶の総重量変化量の比を前記実効
   偏析係数の負の値に一致させるべく、結晶の成長に伴っ
   てるつぼ内の溶融液重量が減少するように材料を溶融さ
   せ、不純物濃度が異なる２種の結晶を成長させることを
   特徴とする結晶成長方法。