JPH02233581A - 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、主に半導体材料として用いられているシリコ
ン単結晶等の結晶成長方法に関する。

〔従来の技術〕

一般にこの種の単結晶の成長方法としては、従来チジク
ラルスキー法（ＣＺ法）が広く用いられている。第４図
ｃよｃｚ法による単結晶の製造状態を示す模式図であり
、例えばチャンバ内に配した坩堝２内に結晶用原料を投
入し、これをヒータ３にて加熱溶融せしめた後、この溶
融液ＮＬ中に引上げ軸６にて吊り下げた種結晶７を浸し
、これを回転させつつ上方に引上げて種結晶７の下端に
単結晶８を成長せしめることによって行なわれる。

ところで通常単結晶を半導体基板等として用いる場合は
、単結晶の電気抵抗率，電気電導型を調節するために、
坩堝内の溶融液中には不純物元素を添加するが、このよ
うな不純物は単結晶の引上げ方向に偏析し、単結晶の成
長方向全長にわたって均一な濃度分布を維持することは
極めて難しい．不純物の偏折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，と溶融液中の不
純物濃度ＣＬとの比Ｃｓ／ＣＬ、即ち実効偏析係数ｋｅ
が１とならないことに起因し、これは単結晶の成長に伴
う溶融液中の不純物濃度、単結晶中の不純物濃度が結晶
引上げ途中で変化することによる。

このような偏析を抑制する方法として溶融層法が知られ
ている。第５図は一般的な溶融層法の実施状態を示す模
式図であり、坩堝２内の上方に位置して結晶用原料の溶
融液層Ｌと、またその下部に位置して溶融液層Ｌと実質
的に同質の結晶用原料である固体層Ｐとを共存させた状
態で溶融液層Ｌから単結晶８の引上げを行う方法である
。

なお、この単結晶８の引上げ過程では途中ヒータ３の制
御によって単結晶８の引上げに伴う溶融液層Ｌの厚さの
減少を固体層Ｐの溶融により補充して溶融液層Ｌの体積
を一定に保持し、不純物元素は単結晶引上げ過程で連続
的に添加し、溶融液層Ｌ中の不純物濃度を一定に維持す
る方法（溶融層厚一定法という、特公昭３４−８２４２
号公報）、或いは意図的に溶融液層Ｌの体積を変化させ
、単結晶引上げ中は不純物元素を添加することなく溶融
液層Ｌ中の不純物濃度を一定に維持する方法がある（溶
融層厚変化法という）。

この溶融層法を用いて不純物の偏折なく単結晶を引上げ
るための条件は本発明者の解析によれば概略次の如くに
して求め得る。

第５図に示す単結晶引上げ過程における坩堝２内の溶融
液層Ｌと固体層Ｐとの層厚さの推移を示す第６図（イ）
〜（ホ）の一次元モデル図を用いて説明する。

第６図（イ）は坩堝に対する原料のチャージ直後の状態
を、また第６図（口）は初期溶解終了時の状態を、第６
図（ハ），（二）は結晶引上げ中における状態を、更に
第６図（ホ）は結晶引上げ終了時の状態を夫々示してい
る。

第６図（イ）に示す如く最初に坩堝にチャージした原料
の重量を１（＝ｆＦ）とし、原料上面側から底面側に向
けて測った重量比Ｘの位置における不純物濃度をＣＰ（
Ｘ）とする。

第６図（イ）に示す如く結晶用原料を坩堝にチャージし
た後、これをその上面側から溶融し、第６図（口）に示
す如く坩堝上部に融液率ｆＬ　（＝ｆｏ）の溶融液層Ｌ
と、またその下部に固体率ｒ，の固体層Ｐとを共存させ
、次いで溶融液１ｉＬから単結晶の引上げを行う。初期
チャージ原料重量１に対する引上げた単結晶の重量比（
結晶引上げ率）がｆ３のときおける溶融液層の重量比（
融液率）をｆ，、固体として残っている原料の重量比（
固体率）をｒ，とし、また初期溶融液層Ｌ中の不純物濃
度をＣｏ、不純物添加後における結晶一溶融液界面にお
ける固相中の不純物濃度をＣｓ、また液相中不純物濃度
をＣ，とする。

いま第６図（ハ）に示す如く単結晶．溶融液層．固体層
が夫々結晶引上げ率【，、融液率ｆ，、固体率ｆ，で存
在するものとすると、結晶引上げ率ｆ３＋融液率ｆＬ＋
固体率ｆ，間には下記（１）式が成立する。

（，−＋ｌＬ＋ｆ，−ｆ．＋ｆ，＝１　　・・・（１）
但しｒ，＋ｔ，−ｒ０ 第６図（ハ）の状態から単結晶をその引上げ率がｆ，か
ら第６図（二）に示す如＜ｒｓ＋Δ『，となるまで引上
げる間に融液率がｆＬからｆＬ＋Δ『，に、また圃体率
がｆ，からｆ，＋Δｆ，に変化したとし、更にこの間の
不純物添加量をｃ１・Δｆｓ　　（但し、ｃ，：結晶化
率に対する単位不純物添加量）とすると、第６図（ハ）
の状態から第６図（二）の状態に至る過程において、溶
融液層Ｌ中の不純物濃度Ｃ，、は一様、また固体層Ｐ中
への不純吻の拡散は零と考えられるから、第６図（ハ）
，（二）におけるＡ領域の不純物は保存され、これらの
間には下記（２）弐が成立する。

ｃ，−　ｒＬ＋ｃ，　　・Δｆ３＋ＣＰ　・Δｒｏ＝Ｃ
，・Δｆ，＋　（Ｃ，＋ΔＣＬ）　　・　（ｒｔ＋Δｒ
ｔ）　　・・・（２） 単結晶一溶融液界面における固相中不純物濃度Ｃ，と液
相中不純物濃度ＣＬとの間には下記（３）弐の関係が成
立す・るから、 Ｃｓ　”ｋｅ’　ＣＬ　　　＝（３３ 但し、ｋｅ：偏析係数 （２）式中の二次の微小項を省略し、（３）式を適用す
ると下記（４）式が得られる。

而して溶融層法において無偏析条件は（４）式中のｄＣ
ｔ　／ｄ　ｆｓ　＝０，　Ｃｐ　”０として下記（５）
式で与えられる。

結晶の引上げ過程で固体層Ｐを溶融し、溶融液層Ｌの厚
さを一定に維持する溶融層厚一定決ではｄ　ｆＬ／ｄ　
ｒｓ　＝Ｏであるから下記（６）式で表わされる不純物
を連続的に添加すれば上記（５）弐の条件を満足するこ
とが可能となる。

Ｃ＠　＝ｋｅＣＬ＝ｋｅＣｏ　　　・・・（６）一方溶
融液厚変化法では不純吻を連続添加せず（Ｃ−　＝０）
　、ｄ　ｆＬ／ｄ　ｆｓ　＝−ｋｅが満たされるよう結
晶引上げに伴って溶融液層厚を下記（７）式を満足する
よう変化させればよい。

ｆ　Ｌ　ｖａ　ｆ　Ｌ．−ｋｅ−ｆ　３　　　・・・（
７）但しｆ　ＬＯ　：初期融液率 多くの場合不純物の実効偏析係数ｋｅは１より小さいか
らｆＬｏ−ｋｅと設定することにより最後まで無偏析条
件を維持することができる。

なお固体層が全部溶融した時点以後は無偏析条件が成立
せず、下記（８）式に従って偏析が進行する。

Ｃｓ　−ｋｅＣｏ　　（　１　　ｆ　ｓ　）　”−’　
　　”’（８）但し、Ｃ０　：初期溶融液層中不純物濃
度第７図は溶融層厚法において前述した無偏析条件を成
立させるための温度制御の例を示す説明図であり、第７
図（イ）は坩堝及び坩堝内の溶融液層，固体層の厚さ寸
法を、また第７図（口）は温度分布を示しており、定性
的には以下のように説明される。

ヒータから溶融液層に供給される熱量は、単結晶を通し
ての伝導熱、溶融液表面からの輻射熱等の熱量Ｑ，Ｊと
、坩堝２内の原料，坩堝軸２ｃを介して放散される伝導
熱ＮＱＬとの和となる。熱量Ｑｕは結晶引上条件を安定
させるために引上期間を通じて略一定になるよう設定さ
れるものとする。またヒータの電力（発熱量）は略一定
であり熱ＩＱＬも一定であるとすると、これから下記（
９）弐が成立する。

＝　ｈ　　（Ｔｂ　　−　Ｔｐ　　） 但し、 Ｔ，：溶融液層と固体層との境界温度 （結晶原料の融点で決まる一定値） Ｔ０　：坩堝軸下部の温度（通常は略一定値）λ，：固
体層の熱伝導率 Ｓｃ　：坩堝内断面積 ｈ　：固体層から坩堝軸への熱通過率 λＰ　；坩堝軸の熱伝導率 １Ｐ　：チャンバ内の坩堝軸の長さ （９）式はこれからＴ，，Ｔ，を消去すると下記α０式
の如くになる。

Ｑ，　　　　　　λｈ　　Ｓｃ　　　　ｈ　　　　　λ
Ｐ　　ＳＦ通常の結晶引上げ過程では溶融液表面の位置
は一定に、即ち第７図（イ）においてｅ＝一定に維持さ
れるからΔＪｔ＋Δβ，＋Δ１Ｆ＝０である。

また、下記αυ式が成立し、 Δｌ，　　　　　八ｆ， Δｆ，＋Δｆｃ＋Δｆ，＝０であるがらΔ（，ｏｃΔＮ
，が成立する。

従ってαΦ式から下記（財）弐を得る，ΔｆＬ　　　　
Δｆ，＋Δｆ， Δｆ，　　　　　　　Δｆ！ ’ｐ　　Ｓ． これから固体層の熱の伝え易さλ６　５Ｃと、坩堝軸２
ｃの熱の伝え易さλＰ　ＳＰとが等しければ溶融液層厚
を一定に維持出来、またλ，Ｓ，〉λ６　ｓｃであれば
溶融液層厚さは引上げに伴って減少することとなり、溶
融液層厚の制御が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

溶融層法では上述した如き条件に従う限り理論上は単結
晶中の不純物濃度分布を均一化し得るはずである。しか
しこの溶融層法では坩堝２内に装入した原料全体を単結
晶化することは難しく、特に半導体用材料としてのシリ
コン原料は固体の密度が溶融液の密度よりも小さいため
、固体層の厚さが一定値以下になると固体層が溶融液層
中に浮遊し、溶融液層の振動，温度変動を招き、単結晶
の引上げの障害となる。このため坩堝内に相当量の原料
（固体層，融液率ｒｓ）を残した状態で単結晶の引上げ
を停止せざるを得す、原料の歩留りが悪いという問題が
あった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは溶融層法とＣＺ法とを組合わせるこ
とによって結晶用原料の歩留り低下の要因となっている
固体層の浮遊に影響されることなく、結晶の引上げを可
能とし、歩留りの大幅な向上を図れるようにした結晶成
長方法を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る結晶成長方法は、チャンバ内に配した坩堝
内に、溶融液層と、該溶融液層下に位置するこれと略同
質の固体層とを共存させた状態で溶融層厚さを制御しつ
つ前記溶融液層から一の結晶を引上げ、前記固体層がそ
の層厚さの減少により熔融液層内に浮遊するに先立って
前記一の結晶の引上げを終了する過程と、坩堝内に残留
する固体層を全て溶融する過程と、この過程と同時又は
その前後で引上げた一の結晶をチャンバ外へ取り出す過
程と、固体層を全て溶融せしめた状態の溶融液層から他
の結晶を引上げる過程とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明にあってはこれによって、溶融層法によろ過程で
は不純物の偏析のない結晶を引上げ得、またＣＺ法によ
る過程では不純物の偏析は存在するが残留原料が殆ど存
在しない状態に迄結晶を引上げることが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。第１図は本発明方法の実施状態を示す結晶成長
装置の模式的縦断面図であり、図中１はチャンバ、２は
坩堝、３はヒータ、４はシャッタ、５はプルチャンバ、
１ｌは固体原料の供給器を示している。

チャンバ１の内部中央に坩堝２が配設され、この坩堝２
と保温材との間にヒータ３が、またチャンバ１の上部壁
には坩堝２上に面してシャッタ４にて開閉される筒体１
ａが立設してあり、この筒体１ａ上には着脱可能にプル
チャンバ５が立役せしめられている。

坩堝２は石英製の内坩堝２ａの外周にグラファイト製の
外坩堝２ｂを配した二重構造に構成されており、その底
部中央にはチャンバ１の底壁を貫通させた軸２ｃの上端
が連結され、該軸２ｃにて回転させつつ昇降せしめられ
るようになっている。

プルチャンバ５の上方には回転、昇降機構（図示せず）
に連繋された引上げ軸６の上端が導入され、その下端に
はチャックに掴持させた種結晶７が吊設され、この種結
晶７を坩堝２内の溶融液層Ｌになじませた後、回転させ
つつ上昇させることによって、種結晶７の下端にシリコ
ンの単結晶８。を成長せしめるようになっている。

固体原料の供給器１１は、秤量器，ホッパ（いずれも図
示せず）及び原料投入管１１ａを備えており、原料投入
管１１ａの下端はチャンバ１を通して坩堝２内の周縁部
寄りの上方に臨ませてあり、ホッパから落下した原料は
秤量器を経て原料投入管１１ａの上端に投入され、ここ
から坩堝２内に供給されるようになっている。

なお、図面には示していないが不純物についての供給器
も同様にして設けられている。

而して本発明方法における主要過程を第２図（イ）〜（
へ）に示す一次元モデルに基づいて説明する。

第２図は本発明方法の主要過程における坩堝内の溶融液
層，固定層及び単結晶の各割合の推移を示す一次元モデ
ルとして示した説明図であり、以下溶融層法による第１
の単結晶を引上げる過程と、ＣＺ法による第２の単結晶
を引上げる過程とに分けて説明する。

〔溶融層法による第１の単結晶の引上げ過程〕■　先ず
第１図に示す供給器１１を通じて坩堝２内に結晶用の固
体原料、例えば高純度の多結晶シリコン（不純物濃度Ｃ
，＝Ｏとする）をチャージする（第２図（イ））。

■　次にチャンバ１内の雰囲気ガスを不活性ガス等と置
換した後、ヒータ３の電力を溶解条件に設定し、チャー
ジされた固体原料の溶解を行う。

チャージした固体原料は予め定めた初期融液率ｒ，。が
得られる迄溶融し、溶融液中には図示しない不純物供給
器から溶融液中の不純物濃度がＣ０となるよう不純物を
添加する。これにより、初期融液率ｆＬｏ、不純物濃度
Ｃ０の溶融液層Ｌと、その下部に位置する固体率ｆＰ＋
　不純物濃度Ｃ，の固体層Ｐとが共存する状態に設定す
る。

■　結晶の引上げを開始し、これに伴う溶融液層Ｌの厚
さの減少は固体ＮＰの溶融によって補充する． そして固体層Ｐの層厚が減少して固体層Ｐが溶融液層Ｌ
中へ浮遊し始めるに先立って単結晶の引上げを終了する
。このときの単結晶の結晶引上げ率はｆＳ＋結晶中の不
純物濃度はＣ，。とすると、溶融液層Ｌの融液率はｆＬ
，不純物濃度はＣＧ、固体層Ｐの固体率がｆＰ＋不純物
濃度はＣ，である。

■　引上げた単結晶８はシャフタ４内を通してプルチャ
ンバ５内に引き込んだ後、シャッタ４を閉じる。

これによって溶融層法による第１の単結晶の引上げ過程
が終了する。

■　残った坩堝２内の溶融液層Ｌ１固体層Ｐはヒータ制
御によって固体層Ｐが全て溶融される迄加熱し、全体を
溶融液層Ｌとする。この溶融液層Ｌの融液率はｆ，不純
物濃度は固体層Ｐの溶融によってＣ０′となる。

ＣＣＺ法による第２の単結晶の引上げ過程〕■　溶融液
層の不純物の濃度Ｃ′から予測される単結晶中の不純物
濃度分布が第２の単結晶について設定すべき不純物濃度
分布と一致する場合はそのまま種結晶７を坩堝２内の溶
融液層中に浸漬し、単結晶の引上げを開始してもよいが
、異なる不純物濃度分布の第２の単結晶を得ようとする
場合には、溶融液ＮＬ内に不純物元素を投入し、溶融液
層の不純物濃度を００とする。

■　溶融液層内の不純物濃度を００に設定した後は第５
図に示したＣＺ法による第２の単結晶の引上げを溶融液
が無くなるまで行う。

Ｃｚ法においては固体層は無いからｆｙ”’Ｏ．またΔ
ｆＬ＋Δｆ，−ｏ．ｃ．＝ｏであるから（４）式は下記
α１式の如くに表せる。

ｄ　ｌ　３ 従って単結晶中の不純物濃度Ｃ３は下記ａａ式で与えら
れる状態で偏析することとなる。

Ｃ３　−ｋｅＣｏ（１　−　ｆ　ｓ）”−’　　＝Ｑ４
）これによって不純物濃度が０３。で結晶成長方向に略
一定した第１の単結晶と、不純物濃度が前記α旬式で表
されるＣ，で偏析した状態の第２の単結晶が得られるこ
ととなる。

〔数値例〕

坩堝として内径：　１５０ｍｍの石英坩堝を、また原料
として多結晶シリコンを用い、不純物としてシリコンに
対する偏析係数ｋｅ　＝　０．３５のリンをｍい、直径
５０１１ｌｌｍの第１のシリコン単結晶の無偏析引上げ
を１回行った。

なお坩堝の回転数０．５ｒｐｍ 引上軸の回転数１５ｒｐｍ（坩堝と反対）である。

次いで残留固体層Ｐを溶融した後、溶融液層中の不純物
濃度を第１の単結晶引上げ過程中における溶融液層の不
純物濃度と同じに設定し、ＣＺ法により第２の単結晶の
引上げ、引上げたシリコン単結晶の結晶引上げ率ｆｓ”
０．１〜０．９の各部位における抵抗率の分布を測定し
た。その結果は第３図に示す如くである． 第３図は横軸にｆ３を、また縦軸に抵抗率ρ／ρ。〔−
〕をとって示してある。グラフ中Ｏ印でプロットしてあ
るのは第１の単結晶についての、また●印でプロットし
てあるのは第２の単結晶についての結果である。

このグラフから明らかなように第１の単結晶については
略無偏析、換言すれば抵抗率の変わらない結晶を引上げ
得ていることが解る。

なお、第２の単結晶についても所定の不純物濃度分布．
換言すれば勾配を有する抵抗率の単結晶が得られている
ことが解る。

また、上述した実施例では溶融層法，ＣＺ法により各１
本の単結晶を引上げた場合について説明したが、溶融層
法では単結晶を引上げる都度，固体原料を供給して、無
偏析の２本以上の単結晶を引上げ、最後にＣＺ法を適用
して所定の不純物濃度分布を有する単結晶の引上げを行
ってもよいことば勿論である。

（効果〕 以上の如く本発明方法にあっては溶融層法とＣＺ法とを
組み合せることによって歩留りよく結晶を引上げること
が可能となり、作業効率がよ《、また設備コスト、熱源
の有効利用が図れ、製造歩留りが大幅に向上するなど本
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】

第１図は本発明方法の実施状態を示す結晶成長装置の模
式的縦断面図、第２図は坩堝内のチャージ材料の相変化
の推移を示す説明図、第３図は本発明方法で得た単結晶
についてのｆ，と抵抗率との関係を示すグラフ、第４，
５図はチョクラルスキー法．溶融層法の各説明図、第６
図は一般的な溶融層法におけるチャージ材料の相変化の
推移を示す説明図、第７図は溶融層法における坩堝の温
度制御の例を示す説明図である。 １・・・チャンバ　２・・・坩堝　３・・・嶌一タ４・
・・シャッタ　５・・・プルチャンバ　６・・・引上軸
７・・・種結晶　８・・・単結晶　１１・・・固体原料
供給器特　許　出願人　住友金属工業株式会社代理人　
弁理士　河　　野　　登　　夫見 ！ ’ｔｓ 箋 Ｉ 算 ！ 苑 面 捧 肥 嶌 Ｉ ｛イ） （口） 第 【

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チャンバ内に配した坩堝内に、溶融液層と、該溶融
   液層下に位置するこれと略同質の固体層とを共存させた
   状態で溶融液層厚さを制御しつつ前記溶融液層から一の
   結晶を引上げ、前記固体層がその層厚さの減少により溶
   融 液層内に浮遊するに先立って前記一の結晶の引上げを終
   了する過程と、坩堝内に残留する固体層を全て溶融する
   過程と、この過程と同時又はその前後で引上げた一の結
   晶を、チャンバ外へ取り出す過程と、固体層を全て溶融
   せしめた状態の溶融液層から他の結晶を引上げる過程と
   を含むことを特徴とする結晶成長方法。 ２、固体層を全て溶融せしめた状態の溶融液層に不純物
   を添加する過程を含む請求項１記載の結晶成長方法。