JPH01317188A - 半導体単結晶の製造方法及び装置 - 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、二重るつぼによる半導体単結晶の製造方法及
び装置に関するものである。

［従来の技術］ 周知のように、各種の半導体素子の製造には単結晶の半
導体材料を使用しているが、半導体素子の特性は結晶構
造に敏感であるため、半導体単結晶の製造にあたっては
結晶の完全性が最大の要件となっている。このようなこ
とから従来より各種の半導体単結晶の製造方法が提案さ
れており、中でもチョクラルスキー法は単結晶の成長が
容易であるため、広く利用されている。この方法は、通
常、減圧、常圧又は加圧下の不活性ガス雰囲気中で溶融
した半導体原料から種結晶の周囲に結晶を付着成長させ
ながら引上げるようにしたもので、シリコン、ゲルマニ
ウムなどの単結晶を製造する場合に用いられている。

このような半導体単結晶の製造にあたっては、所望の抵
抗率を得るために不純物の添加が行なわれているが、上
記のチョクラルスキー法においては、偏析により結晶成
長にしたがってるつぼ内に不純物が変化するため、これ
に伴なって成長方向の不純物の濃度分布も変化し、均一
な濃度分布をもつ大きな単結晶を得ることはできなかっ
た。このような問題を改善するため、例えば二重構造の
るつほを用いる半導体単結晶の製造方法が提案されてい
る。

この方法は第６図に示すように、成長した半導体単結晶
６を引上げるにつれて、内側のるっぽ３の底部又は側壁
の下部に設けた流通孔４を介して、内側のるつぼ３と外
側のるっぽ２との間の融液（引上げられる単結晶６に取
り込まれる不純物濃度と同じ濃度の不純物を含んでいる
）か内側のるつぼ３内に一方的に流入するため、内側の
るつは３内の不純物濃度は、単結晶の成長にかかわらす
一定に保たれる。

このように、二重るつほを用いた半導体単結晶の製造方
法によれば、単結晶内の不純物濃度を均一化することが
てき、また内側のるっぽ３の存在により融液の熱対流が
低減されるので、均一な品質の単結晶６を得ることが可
能になる。さらに、例えばシリコン単結晶を製造する場
合は、単結晶の成長に伴なう原料融液の減少に対して、
内側のるつぼ３を内部の融液の深さが一定になるように
下降させながら単結晶の育成を行なうことにより、シリ
コン単結晶に取り込まれる酸素濃度を均一にすることが
できる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のような二重構造のるつぼをチョクラルスキー法の
装置にそのまま適用すると、次のような問題があった。

即ち、内側のるっぽ３の周壁が融液面より露出している
ため、内側のるっぽ３より輻射によって抜熱し、内側の
るっぽ３の近傍で融液温度が急激に低下している（第４
図参照）。そのため内側のるつぼ３の周壁からフリーズ
と呼ばれる異常凝固か発生し、単結晶の育成を阻害する
。

また、フリーズの発生を防止するために外側のるつぼ２
の周壁から大きな熱量を投入すると、結晶育成を行なっ
ている内側のるっぽ３の中心部付近の融液温度も上昇し
、その結果、単結晶育成速度がきわめて遅くなり゛、生
産性の低下を招くばかりでなく、品質にも悪影響を与え
る。

［発明の目的］ 本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので
、二重構造のるつぼを使用して半導体単結晶を製造する
場合において、フリーズが発生するおそれがなく、しか
も引上げ方向の品質が均一な半導体単結晶を製造するこ
とのできる方法及び装置を得ることを目的としたもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、外側のるつぼ内に下方に流通孔を有する内側
のるつぼが配設された二重構造のるつぼを有し、該るつ
ぼ内に入れられた半導体融液を引上げて半導体単結晶を
製造する方法において、前記外側のるつぼから少なくと
も内側のるつぼの内側までの上方を保温板で覆い、これ
により前記外側のるつぼと内側のるつぼの間の半導体融
液液面の温度を前記内側のるつぼ内の半導体融液液面の
温度より高温に保持して、前記内側のるつほから半導体
単結晶を引上げるようにした半導体単結晶の製造方法。

及び、この方法を実施するための、 二重構造のるつぼの上方に外側のるつぼから少なくとも
内側のるつぼの内側までを覆う保温板を設けた半導体単
結晶の製造装置。並びに、二重構造のるつぼの下方に、
該二重構造のるつほの側方に設けたヒータとは独立して
制御されるヒータを設けた半導体単結晶の製造装置を提
供するものである。

［作　用］ 二重るつほの融液内に降ろした種結晶を徐々に引上げて
、半導体単結晶を育成する。このとき、保温板により内
側のるつぼの中心部はほぼ所定の温度に維持され、外側
になるにしたがって高温になる。したがって外側のるつ
ぼの周壁近傍は高温になっているのでフリーズが発生す
るおそれがない。単結晶の引上げに伴なって、内側のる
つほと外側のるつぼの間の融液が流通孔から僅かずつ流
入するため、内側のるつぼ内の融液量及び不純物濃度は
ほぼ一定に維持される。

［発明の実施例コ 第１図は本発明実施例の要部を模式的に示した断面図で
ある。図において、１は外側のるつぼ２と内側のるつぼ
３とによって構成された二重構造のるつぼ（以下二重る
つぼという）で、ペデスタル８上に上下動及び回転可能
に支持された黒鉛るつは７内にセットされている。内側
のるつは３の下部（底部又は側壁の下部）には流通孔４
が設けられており、融液５がこの流通孔４を介して流動
できるようになっている。実施例では、外側のるつぼ２
の直径は５０ｃｍ、内側のるつぼ３の直径は２５ａｍで
、流通孔４は２個所に設けられ、その直径は何れも５　
＋＋ｕａであった。

９．１０は黒鉛るつぼ７の外側に設置された例えば抵抗
発熱体の如きヒータで、それぞれ独立して制御しうるよ
うに構成されており、二重るつぼ１内に装入された原料
を溶解し、原料融液５を所定の温度に保持する。１１は
ヒータ９，１０を取り囲むホットゾーン断熱材である。

１２は保温板で、例えば第２図及び第３図にその一例を
示すように、中心部に穴を有する円板状のフランジ１３
と、この穴に整合しフランジ１３に一体的に固定された
漏斗状部又は円筒状部（以下筒状部という）１４とから
なり、二重るつぼ１の上方に、筒状部１４が内側のるつ
ぼ３の内壁上部に近接して位置するように配置され、フ
ランジＩ３をホットゾーン断熱材１２に固定したもので
ある。なお、この保温板１２は黒鉛製で、汚染を防止す
るため外面を石英ガラスで被覆しである。

次に、上記のように構成した装置により、シリコン単結
晶を製造する実施例により本発明の詳細な説明する。先
ず、二重るつは１にドナー又はアクセプタ不純物を添加
したシリコン多結晶塊を装入し、ヒータ９．１０により
加熱・溶解した。このとき、内側のるつは３と外側のる
つぼ２内のシリコン融液の液面は同一レベルに保たれて
おり、保温板１２の筒状部１４の下端部はシリコン融液
の液面より僅かに上方にある。

ついで、結晶方位＜１００＞の種結晶１５を取り付けた
ワイヤ１６を下降させ、シリコン融液５となじませて絞
り込みを行なった。絞り込み条件は、直径的３ｎｕｎ、
成長速度２，４〜３．０ｍｍ／ｍ＋ｎ程度であった。

その後シリコン単結晶６の直径を１５ｃｍまで拡大して
定径単結晶の引上げを行なったところ、成長速度は０５
〜１．０ｍｍ／ｍ＋ｎの範囲であった。

第４図は保温板１２を使用した場合と、使用しない場合
における二重るつぼ１内のシリコン融液の液面温度を測
定した結果を示す線図で、縦軸に融液液面の温度を、横
軸に二重るつぼの直径方向の位置を示す。図に示すよう
に、保温板１２がある場合は、二重るつは１の中心部（
シリコン単結晶６の育成部）のシリコン融液の液面は所
定の温度に維持され、外側になるにしたがって高温にな
る温度勾配を示している。このため内側のるつは３の周
壁近傍にフリーズが発生するおそれは全くない。

一方、保温板１２がない場合は、内側のるつぼ３内のシ
リコン融液の液面の温度はほぼ所定の温度に維持されて
いるが、内側のるつぼ３の周壁付近において急激に温度
が低下している。したがって、この部分からフリーズが
発生することは明らかである。

上記の測定結果からも明らかなように、本発明によれば
シリコン多結晶の製造過程で内側のるつぼ３の壁その他
からのフリーズの発生はなく、シリコン単結晶を正常に
引上げることができた。

なお、本実施例においては、それぞれ独立して制御可能
な２系統のヒータ９，１０を設けたので、熱環境に応じ
たヒータの制御範囲が広がり、二重るつは１内の融液の
精密な温度分布の制御が可能になるばかりでなく、ヒー
タ１０により二重るつぼ１の下方から加熱することがで
きるため、電力効率を約２％向上させることができた。

なお、ヒータは二重るつほの側方のみに設けてもよく、
あるいは側方と下方にそれぞれ独立して設けてもよい。

第５図は本発明の他の実施例を模式的に示した断面図で
ある。本発明は外側のるつぼ２内に、流通孔４を有する
円筒状の内側のるつは３ａを配設した二重るつは１の上
方に保温板１２を設けたもので、その作用、効果は第１
図の実施例の場合とほぼ同様である。

なお、前述の実施例では、本発明によりシリコン単結晶
を製造する場合を例示したが、他の半導体の製造にも本
発明を実施しうろことは云う迄もない。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は二重構造のる
つほの上方に保温板を配設してるつぼ周壁からの奪熱を
防止し、融液液面に温度勾配を持たせるようにしたので
、フリーズが発生するおそれがなく、適正な成長速度で
単結晶を引上げることができる。

また、本発明によれば、保温板により融液液面、ヒータ
等から引上げ単結晶に加えられる輻射熱を遮断するため
、引上げ単結晶の冷却を促進して成長速度を速め、生産
性の向上による製造コストの低減をはかれる等の効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例を模式的に示した断面図、第２図
、第３図は本発明の要部をなす保温板の実施例を示すも
ので、それぞれ（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である
。第４図は保温板を使用した場合と使用しない場合にお
けるシリコン融液の液面温度を示す線図、第５図は本発
明の他の実施例を模式的に示した断面図、第６図は従来
の二重構造のるつぼによる半導体製造装置の一例を示す
断面図である。 １、Ｌａ＋二重るつぼ、２：外側のるつぼ、３゜３ａ：
内側のるつぼ、４：流通穴、６：半導体単結晶、７：黒
鉛るつぼ、９，１０：ヒータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）外側のるつぼ内に下部に流通孔を有する内側のる
   つぼが配設された二重構造のるつぼを有し、該るつぼ内
   に入れられた半導体融液を引上げて半導体単結晶を製造
   する方法において、 前記外側のるつぼから少なくとも内側のるつぼの内側ま
   での上方を保温板で覆い、これにより前記外側のるつぼ
   と内側のるつぼの間の半導体融液液面の温度を前記内側
   のるつぼ内の半導体融液液面の温度より高温に保持し、
   前記内側のるつぼから半導体単結晶を引上げることを特
   徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. （２）外側のるつぼ内に下部に流通孔を有する内側のる
   つぼが配設された二重構造のるつぼに入れられた半導体
   融液を該るつぼの側方に設けたヒータによって加熱し、
   前記内側のるつぼから半導体融液を引上げて半導体結晶
   を製造する装置において、 前記二重構造のるつぼの上方に外側のるつぼから少なく
   とも内側のるつぼの内側までを覆う保温板を設けたこと
   を特徴とする半導体単結晶の製造装置。
3. （３）二重構造のるつぼの下方に、該二重構造のるつぼ
   の側方に設けたヒータとは独立して制御されるヒータを
   設けたことを特徴とする請求項２記載の半導体単結晶の
   製造装置。