JPS6360191A - 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】 を産業上の利用分野〕 本発明はシリコン単結晶等の結晶の成長方法に関し、更
に詳述するとチョクラルスキー法による結晶の成長中に
縦磁場を融液に印加することにより実効偏析係数を向上
せしめ、また低酸素の結晶を成長させ得る方法を提供す
るものである。

〔従来技術〕

シリコン単結晶等の結晶を成長させる方法として、チョ
クラルスキー法による結晶の成長中に、融液に静磁場を
印加する方法がある（日経エレクトロニクスＬ９８０．
９．Ｌ５　、［ｌＬＳＩ　１９Ｂ５．８　）　、この方
法は真空雰囲気下のるつぼ内の融液に、主方向が水平方
向である磁場を印加する横磁場法と、主方向が鉛直方向
、つまり結晶引上げ方向である磁場を印加する縦磁場法
とに大別される。

第１０図は後者の方法に使用する結晶成長装置の縦断面
図であり、縦磁場法は真空容器１０１内においてヒータ
１０２により加熱される石英製のるつぼ１０３内の融液
１０４に、真空容器１０１の外側に軸心を鉛直方向とし
て設けられたコイル１０６により鉛直方向の磁場１６３
を印加した状態で、その融液１０４を上方に引上げて凝
固させて結晶１０５を成長させる方法である。

そして、縦磁場法による場合には鉛直方向の磁場により
それがない場合と比べて実効偏析係数が高くなるという
効果がある。

第１１図は、縦磁場の強さを変えて製造した単結・品に
ついてその単結晶の成長方向（２方向）の磁場強度Ｂｚ
／Ｔ　　（横軸）と、単結晶へ添加したドーパント（リ
ン）の実効偏析係数Ｋｅ（Ｐ）　　（ｋｌ’軸）との関
係を示したグラフであり、図中の・印、ム印は夫々結晶
方位が（１００）である単結晶を結晶回転数１Ｏｒｐｍ
　、　１５ｒｐｍで成長させた場合、Δ印は結晶方位が
（１１１）である単結晶を結晶回転数１５ｒｐｍで成長
させた場合を示す。

この図より理解される如（、ＢＺ／丁＝Ｏ、つまり縦磁
場を印加しない場合にはにｅ　（Ｐ）が０．３５と小さ
いがＢｚ／Ｔを増大させていくとにｅ　（Ｐ）が増大し
ていき、ＢＥ／Ｔ−０，１のときにはそれが０．６とな
る。

これは、結晶の回転によって生じる結晶直下の融液の強
制対流が縦磁場により抑制され、このため結晶の成長に
伴って融液中に放出される溶質原子の移動に寄与する主
な駆動力が拡散だけとなるからであると考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１２図は、縦磁場法によりシリコン単結晶を製造する
場合のＨｚ／Ｔ　　（ｔ＋ｌｉ軸）と、シリコン単結晶
中の酸素量（Ｏｌ）　／１０’θｃ１１″′３（縦軸）
との関係を示したグラフであり、図中の破線と一点鎖線
は夫々磁場を印加しない場合及び横磁場法により製造す
る場合夫々の酸素量の上附値を示している。なお、図中
の拳、鳥、Δ印は第１１図と同様であり、１印は結晶方
位が（１００）である単結晶を結晶回転数２５ｒｐ−で
成長させた場合、Ｏ印１口印は夫々結晶方位が（１１１
）である単結晶を結晶回転数１０ｒｐＨ，２５ｒｐｍで
成長させた場合を示す、なお、るつぼ回転数ｎｃは０．
５ｒｐｓ＋と２ｒｐ＋＊と２通りで行った。

この図により縦磁場法による場合は結晶中の酸素量が他
の方法に比して高（なる現象があると言える。

本発明はこの現象が生ずる理由を解明することによって
結晶中の酸素濃度の低減化を計ることが可能である縦磁
場法による結晶成長方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は結晶直下でのみ対流を抑制する。即ち、本発明
に係る結晶成長方法は、結晶の引上方向に沿う直流磁場
を融液に印加しつつ結晶を引上げるチックラルスキー法
による結晶成長方法において、結晶直下の融液部分での
対流のみを抑制すべく、複数の磁石を結晶の引上方向に
沿う方向を主たる磁場の方向とし、またそのうちの少な
くとも１磁石を他と逆極性として配し、結晶の引上方向
と直交する方向に不均一な磁場を融液に印加することを
特徴とする。

〔発明の原理〕

まず、本発明の原理について説明する。第１２図に明ら
かな如く磁場を印加しない方法による場合に比して横磁
場法による場合の方が結晶中のｒｍｓ濃度が低い、横磁
場を印加した場合に酸素濃度が低い理由は、従来以下の
ように説明されてきた。

即ち、結晶中の酸素の供給源はるつぼであり、これから
溶出した酸素もしくはＳｌＯが対流によって融液表面を
経て結晶直下へ入り込み、結晶へ取り込まれる。横磁場
を印加した場合には融液表面での対流が抑制され、融液
表面にある時間が長くなり、この間に酸素もしくはＳｉ
Ｏが蒸発し、その結果、結晶直下へ流れ込む酸素量が少
なくなるというのである。

ところが、縦磁場を印加する場合にも融液表面の対流が
抑制されるから縦磁場法による場合にも酸素濃度が低く
なる筈であるが、実際には第１２図に明らかな如くその
酸素濃度が高い。つまり、上記理由では縦磁場法の場合
の現象解明は不可能である。そこで数値解析手法を用い
て縦磁場法による場合の高酸素濃度化の原因を解明する
ことを試みた。第１図は融液静止を初期条件とし、マラ
ンゴニ流の発生原因である表面張力の温度係数ＫをＫ　
＝０．１　ｔｍＪ／　ｍ−２に一’として計算により求
めた融液の流速（破線）と結晶中の酸素濃度（実線）と
を示すグラフであり、横軸に時間Ｄ／秒）をとり、縦軸
に酸素濃度と流速（ａｓ−’）とをとって示している。

なお、融液の流速は第２図（イ）を付して示す如く結晶
軸から１００ｍ、融液表面下０．０５■ｌの位置の半径
方向（軸心向）の流速（Ｖｒ）であり、またＭ素濃度は
結晶軸・上の値であって飽和濃度を１．０として正規化
して示している。

この図より理解される如く、時刻１−０、つまり融液静
止時（ａ点）には融液中の酸素濃度は飽和レベルに達し
ており、流速が増加するにつれて酸素濃度は低下してい
き、最小の値０．００１程度（ｂ点）となった後、増加
していき、例えば０．９５のとき（０点）に０．０２程
度となる。

このような特性を示す理由は以下のように推定される。

第３図の（イ）、（ロ）、（ハ）は、第１図のａ、ｂ、
ｃのときの融液対流の状態を示す模式図である。融液対
流の速さが遅いａの場合には、第３図（イ）に示す如く
融液４中の酸素が結晶５の直下を除く融液表層部から蒸
発し、その融液表層部に低酸素域ｈ（ハンチング部）が
形成されるが、マランゴニ流の速度が遅いので低酸素域
りの融液が結晶直下部分へ流入しに＜＜、結晶直下部分
では低ＮＪ、素域り以外の部分での対流にて高酸素域と
なり、その結果、製造された単結晶は高酸ａｍ度となる
。

また、融液の対流が速いＣの場合には、第３図（ロ）に
示す如くるつぼ壁近傍の高酸素域の融液がｒ！ｉ素の蒸
発が十分に行われないままに結晶直下部分へ流入するの
で、結晶中の酸素濃度は低レベルとならない。

そして、融液の対流速度が適当なりの場合には第３図（
ハ）に示す如く酸素蒸発による低酸素域の形成とその領
域の融液の結晶直下への流入がバランスよく同時に進行
するため、結晶直下部分に低ｆ！Ｉｇ域りが形成され、
製造する結晶の低酸素濃度化が可能となる。つまり、融
液表面の水平方向の対流速度を適当な値にすることによ
り結晶中の酸素濃度を低減できるのである。横磁場法の
場合は磁力線の方向と平行方向の融液表層における水平
方向流動を抑制できないため、ある程度の流動が残存し
てｂ点の如く酸素濃度が極小値を示す速度値付近の対流
が生じていたものと推定される。

これに対して縦磁場法の場合には磁力線の方向とマラン
ゴニ流の駆動方向が直交し、水平方向流動に抑制が働く
ため、磁場増加とともに対流は非常に抑制されると考え
られる。１！ＩＩち、ａ点の如き遵い対流を生じていた
と考えられる。

第１３図は磁場を印加しないチックラルスキー法−によ
る場合（破線）と縦磁場法による場合（実線）との融液
表面温度の測定結果を示し、後者の方がるつぼ軸心とる
つぼ側壁との温度差が大であって縦磁場法の方が表面対
流が遅いことが裏付けられる。

従って、縦磁場法により単結晶の低酸素化を図るには結
晶直下の融液部分での対流を抑制して縦磁場法の本来の
目的である実効偏析係数の向上を図る一方でまた、それ
以外の融液表層部でこれより速い適当な流速の水平方向
の対流を融液に生ぜしめる必要がある。

次に、このような対流を実現する方法について説明する
。

第４図はコイル内の径方向位置（ｒ）の磁場の強さを、
軸長方向の異なるるつぼの位置について図示したもので
あり、パラメータとして第５図に示す如くコイルと間高
の位置ｄと、それよりも高い位置ｅと、更に高い位置ｆ
とをとり、各位置における磁場の強さＢをコイル軸心上
の磁場の強さがＢ。で除して正規化して示している。

この図より理解されるように位置ｄではコイルの軸心か
ら離れるほど磁場の強さが強くなり、また位置ｅではコ
イルの軸心上の磁場の強さよりもそれから少し離れた位
置での方が少し高くなり、それよりも更に離れるとより
磁場が弱くなる。

更に、位置ｒではコイルの軸心上の磁場が最も強い傾向
を示す。

従って、例えば第６図に示す如く負の磁場■を生ずるコ
イルをｄの特性を示すように、また正の磁場■を生ずる
コイルをｅ又はｆの特性を示すように配し、夫々に適宜
の起磁力を設定すると、その複合磁場■が融液面におい
てるつぼ軸心部で強く、磁場がゼロとなる位置ｒ。がる
つぼ側壁近傍又はそれよりも少し軸心側である磁場■を
得ることができる。この磁場■はるつぼ軸心部、つまり
結晶直下で縦磁場となって対流を抑制し、実効偏析係数
の向上に寄与すると共に、融液表面の他の部分ではゼロ
又は小さな値となって対流を抑制しない。

〔実施例〕

以下に本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第７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ＩＯの
回転軸１０’がエアシールドされて貫通されている。

チャンバー１の底面中央部には、前記引上げチャック１
０とは同一軸心で同または逆方向に所定速度で回転する
るつぼ３の支持軸９がエアシールドされて貫通している
。支持軸９の先端には黒鉛製るつぼ３′がその内側に石
英（ＳｉＯ２）製るつぼ３を嵌合する状態で取り付けら
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
物を数回にわたって所要量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２１が夫々同心円筒状に配設されている。

るつぼ３内には単結晶用原料が装入されるようになって
おり、原料はヒータ２の加熱により溶融されて融液４と
なる。

上記引上げチャック１０にはシード（結晶成長の核とな
る単結晶）が取付けられ、このシードをチャック１０に
より降下させて融液４に接触させたのち引上げることに
より結晶５を成長させるようになっている。

チャンバー１の外周には３つのコイル？１．６゜７２が
チャンバー１と同心状にこの順に上側から適当に高さを
変えて設けられており、各コイル７１゜６．７２には図
示しない電源から直流電流が供給されるようになってい
る。

この電源より上、下のコイル７１．７２と中間のコイル
６との磁極が逆方向となるように各コイル７１゜６．７
２へ通電する。また、その電流値は前記磁場■を発生す
るレベルとしてあり、発生した磁場６３はるつぼ側壁周
辺の融液部分で磁場が弱く、るつぼ軸心部で磁場が強い
分布となる。

このような磁場雰囲気下で結晶を成長させることにより
、第６図の■に示すように結晶直下の融液部分では第２
図に（ロ）を付して示す対流が縦磁場により抑制され、
またそれ以外の融液部分では磁場によって過剰に妨げら
れることなく表層部でるつぼ軸心に向かう水平方向の対
流が生じる。

このため、融液は第３図（ハ）に示すように低酸素域が
形成されると共に、その領域の融液が結晶直下へ流入す
るため、結晶直下部分に低酸素域が形成され、製造され
た結晶は低酸素濃度となる。

また、結晶直下部分では対流が抑制されているので実効
偏析係数が向上する。

なお、上記実施例では３個のコイル７１．６．７２を用
いているが、本発明はこれに限らずコイル７１゜７２の
うちの一方を省略した２個のコイルによる場合であって
もよく、またコイルを４個以上用いる場合であってもよ
く、少なくとも１個のコイルが他と逆極性とする。また
使用コイルの径は同一であっても異なってもよい、第８
図は径は異なった２個のコイル６と７とを用いた装置で
あるが、この装置によっても結晶直下の融液の対流を抑
制し、またそれ以外の融液表層部で対流を生ぜしめ得る
。

更に、本発明は電磁石に限らず永久磁石を用いても実施
できることは勿論である。

〔効果〕

次に本発明の詳細な説明する。結晶方向が（１００）で
あり、また抵抗率が１０Ω・１前後である５“φ径のＰ
ドープのシリコン単結晶を、第７図に示す装置を用いて
本発明により製造した。なお、製造条件としては、るつ
ぼの内径：１６“φ、るつぼ内への原料装入重量：３０
ｋｇ、引上速度：１鶴・　５ｉｎ−’程度、結晶回転数
：　２５ｒｐｍ　＋　るつぼ回転数（結晶回転方向と逆
方向）：０．５ｒｐ−であった。

第９図は本発明により製造したシリコン単結晶を結晶の
長さ方向に１００■ピツチでサンプルを採取し、各サン
プルの電気抵抗率より計算で求めた実効偏析係数と赤外
線吸収法による酸素量測定結果とを示しており、実施例
１は結晶直下が２００ｄ。

るつぼ壁近傍が５ｋＴの場合、実施例２は結晶直下が２
００ｍＴ　、るつぼ壁近傍がゼロの場合である。なお、
比較のために結晶直下が２００＋＋Ｔ　、るつぼ壁近傍
が２２０＋＋Ｔの従来の縦磁場法による場合（従来例１
）の結果と、融液に磁場を印加しないチックラルスキー
法による場合（従来例２）の３チヤ一ジ分の結果とを併
せて示しており、４つの結果とも３チヤ一ジ分の平均値
とバラツキ範囲を示している。

上記実効偏析係数（Ｍｅ）の測定は、４端子法によりサ
ンプルの電気抵抗率ρを測定し、その測定値と単結晶中
のＰ濃度とが反比例すると仮定し、下式にて示すＰｆａ
ｎｎＯ式 ρ−ρ。（１−ｇ　）’−” 但し、ρ０：単結晶の初期電気抵抗率 ｇ：単結晶の引上げ率 を測定値に適合させることにより行った。

この図より理解される如く、従来例１は従来例２と比べ
て実効偏析係数を向上できるが、酸素レベルが上昇し、
また両側定値ともバラツキが大きい、実施例１では酸素
レベルが従来例２と同程度であるが、実効偏析係数を向
上せしめ得、また実施例２では実効偏析係数を実施例１
．従来例１と同様に向上でき、また酸素レベルについて
もこれを低減できた。

以上詳述した如く、本発明による場合は、縦磁場法本来
の目的である実効偏析係数の向上と、従来不可能であっ
た酸素濃度の低減化との両立を計り得、また当然である
が実効偏析係数の向上により結晶成長方向の電気抵抗率
が一定となり、これにより結晶から半導体製品を切り出
す場合の歩留が向上する等、本発明は優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は流速及び酸素濃度と時間との関係を示すグラフ
、第２図はその流速と！ｌ！素濃度の算出位置の説明図
、第３図は本発明の原理説明図、第４゜５図はコイルと
その周りの磁場方向等との関係の説明図、第６図は本発
明の原理を実現できる磁場分布の説明図、第７図は本発
明の実施状態を示す模式的縦断面図、第８図は本発明の
他の実施例を示す模式的縦断面図、第９図は本発明の効
果説明図、第１０図は従来装置の模式的縦断面図、第１
１図は磁場強度と実効偏析係数との関係図、第１２．１
３図は従来技術の問題点の説明図である。 ４・・・融液　５・・・結晶　６．７，７１．７２・・
・コイル特　許　出願人　　住友金属工業株式会社（外
１−？代理人　弁理士　　河　　野　　登　　夫第　３
　図 第　１　図 第２図 第４図 第　５　図 第６図 第　９　図 ＄７図 第　８　図 （Ｉ″ｔｃ＝ｏ、ミｒｐｒｎ）　　　　　　　　　（ｎ
ｃ　ａ　２ｒＦＭＬ＞第１２図 る）はＱ如むかりの半径方向戸ｊ１（ｙｏｎ）＄１３　
図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶の引上方向に沿う直流磁場を融液に印加しつつ
   結晶を引上げるチョクラルスキー法による結晶成長方法
   において、 結晶直下の融液部分での対流のみを抑制す べく、複数の磁石を結晶の引上方向に沿う方向を主たる
   磁場の方向とし、またそのうちの少なくとも１磁石を他
   と逆極性として配し、結晶の引上方向と直交する方向に
   不均一な磁場を融液に印加することを特徴とする結晶成
   長方法。