JPH0312388A - 結晶成長装置 - 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成長させる装置に関する。

〔従来技術〕

単結晶を成長させるには種々の方式があるが、その中に
例えばチョクラルスキー法（ＣＺ法）等の回転引上げ方
式がある。第３図は従来の回転引上げ方式の結晶装置の
模式的縦断面図であり、図中１はるつぼである。該るつ
ぼ１は有底円筒状の石英製の内層保持容器１ｂと該内層
保持容器１ｂの外側に内層保持容器１ｂを保持すべく嵌
合された同じく有底円筒状の黒鉛製外層保持容器１ａと
にて構成されている。るつぼ１の外側には抵抗加熱式ヒ
ータ１２が、その更に外側には図示しない黒鉛製の保温
筒が夫々同心円筒状に配設されており、るつぼ１内には
所定重量の原料をヒータ１２により溶融させた溶融液１
３が充填されている。前記るつぼ１の中心軸上には図中
矢符方向に所定速度で回転する引上げ捧１４（またはワ
イヤー、以下、両者を合わせて「引上げ棒」と記す）が
配されている。るつぼ１は引上げ棒１４と同一軸心で逆
方向に所定速度で回転するるつぼ支持軸１４ａにて支持
されている。

そして該引上げ棒１４に取付けられた種結晶１５ａを、
溶融液１３の表面に接触させ、引上げ捧１４を結晶生成
に合わせて回転させつつ上方へ引き上げていくことによ
り、溶融液１３を凝固させ、単結晶１５を成長させる。

従来、半導体単結晶を回転引上げ方式にて成長させる場
合、引き上げ前に一括して溶融液１３に不鈍物を添加し
半導体結晶の電気抵抗率、電気伝導型の調整を図ってい
たので、この不純物が単結晶１５の引き上げ方向に沿っ
て偏析し、引き上げ方向に均一な電気的特性を有する単
結晶が得られないという問題があった。この偏析は、凝
固の際に溶融液・単結晶界面に実際生じる単結晶中の不
純物濃度Ｃ８と溶融液中の不純物濃度Ｃ３との比Ｃ１／
Ｃ４、即ち、実効偏析係数Ｋｅ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
お上記実効係数Ｋｅ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に近づ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回転引上げ法により単結晶を
成長させる方法として溶融層法がある。

第４図は該溶融層法による従来の結晶成長装置の模式的
縦断面図であり、第３図と同様に構成されたるつぼ１内
に挿入した単結晶用原料の上層部をヒータ１２にて溶融
させることにより、上層に溶融層６が形成され、その下
層は固体層７となる。

該固体層７を引上げ棒１４の引上げに伴ってヒータ１２
にて溶融することにより、るつぼｌ内の溶融液量を一定
に維持させる（溶融層厚一定法）。この方法による場合
には実効偏析係数Ｋｅの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Ｃ４が低
減されるため、この不純物の低減に基づくるつぼ１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１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（特公昭３４−８２４２号、
特公昭６２−８８０号、特公昭６３−２５２９８９号、
実開昭６０−３２４７６号）。

また、単結晶１５の成長に伴ってるつぼ１またはヒータ
１２を昇降させ、るつぼ１内の溶融液量を変化させるこ
とにより、偏析を抑制する方法（溶融層厚変化法）が特
開昭６１−２０５６９１号に開示されている。

ところで、前述した溶融層法における偏析軽減の原理は
、最初にるつぼ１内に充填される溶融液の重量（初期充
填量）を１とし、原料上面から測った重量比Ｘの位置に
おける不純物濃度をＣｐ（Ｘｌで表すことにより第５図
〜第８図に示すような一次元モデルにて説明できる。こ
の際、初期充填量１に対する結晶引き上げ率をｆｓ＋溶
融液（層）の重量比をｆＬ＋原料の重量比（原料比、下
部固体率）をｆｐ、ｆ０＝ｆ、＋ｆ、とおくと次式（１
）の如（定義される。

ｆ０＋ｆｌ、＝ｆ、　＋、ｆＬ十ｆ、　＝１−（１）な
お、ＣＺ法等の回転引上げ方式では原料として高純度多
結晶が用いられることが多いが、まず、より一般的に原
料中の不純物濃度Ｃ２≠０の場合を説明する。また図に
おいて左方をるつぼ１上面側とする。

第５図は原料をるつぼ１内に挿入した直後の状態を示し
、ｆ、＝１である。第６図は第５図の原料が原料上面か
らｆ、たけ溶融され、それに不純物を添加した初期溶解
終了時の状態を示す。Ｃ。

は初期融液中不純物濃度であり、ｆ０＝ｆ、である。第
７図は結晶引き上げ中の変化を示す。原料上面からｆ３
だけ結晶を引き上げ、原料は更にｆ。

たけ溶融される。Ｃ５は溶融液中の不純物濃度であり、
ＣＰは原料の不純物濃度である。ｒ８から更にｆＳ＋Δ
ｆ５だけ結晶を引き上げる間にＣ１Δｆ８だけ不純物を
添加した場合ｒ、はｆ、＋Δｆ。

に、Ｃ３はＣＬ＋ΔＣ，に、ｆｐはｆ２＋Δｆｐに変化
する。Ｃ５は結晶中の不純物である。この際、変化前の
ＣＬ、Ｃｐ及び変化後のＣ，、Ｃ。

＋ΔＣＬ＋即ち図中Ａで示す領域の不純物量は一定であ
る。これにより、次式（２）が成立する。

Ｃ，−ｆ、＋Ｃ，・Δｆｓ＋Ｃ，，・Δｆ０＝Ｃ，・Δ
ｒ、＋（ＣＬ＋ΔＣｔ）　　・　（ｆｔ＋Δｆ。

・・・（２） ここで Ｃ，＝Ｋｅ−Ｃｔ　　　・・・（３） 但し、Ｋｅ：実効偏析係数 であるので、これを（２）式に適用し、（２）式中の２
次の微小項を省略することにより次式（４）を得る。

（４）式より例えば、理想的な場合としてＣ２−〇とし
、結晶中不純物濃度Ｃ１を以下の如く算出し、その偏析
を求めることができる。即ち通常のＣＺ法の場合はｆｐ
＝０．　　Δｆ、＋Δｆｓ＝０．Ｃ，＝０より これを（３）式に代入すると、 Ｃ−＝ＫｅＣｏ　（１ｆ　−）に’−’　　　　・（６
１となる。

同様にして溶融層法の場合はｄＣ，／ｄ　ｆ、＝Ｏ，Ｃ
，＝Ｏとすると、（４）式により、となり、これが無偏
析引き上げを実現するための条件である。これを溶融層
圧一定法に適用した場合はｄｆ、／ｄ　ｆ、＝０とし、 Ｃ，＝ＫｅＣＬ＝ＫｅＣｏ　　　　・−（ｓ）が得られ
、この不純物量Ｃ１を連続的に添加することにより、無
偏析条件を実現させる。また、溶融層圧変化法に適用し
た場合は不純物の連続添加を行わないので０３＝０であ
り、（７）式よりｄ　　ｆ。

が満足されるように結晶引上げに伴って溶融層厚を変化
させる。

第８図は引上げ終了時の分布を示すものである。

溶融層圧一定法では溶融液１３下の固体層が全部溶融し
てｆ、＝Ｏとなった後は、無偏析条件が成立せず、（６
）式に従って偏析が生じる。一方、溶融層圧変化法では
初期融液率をｆ、。とすると、（９）式より ｆ　　、　　　＝　　ｆ　　ｔｏ−Ｋｅ　　ｆ　　ｔ　
　　　　　　”・ＱＯ）となる。Ｋｅ＜１なのでｆＬｏ
＝Ｋｅとすることにより引き上げ終了時まで無偏析条件
を保つことができ、偏析が軽減される。

溶融層圧変化法において、溶融層厚の制御はヒータ１２
の発熱長、るつぼ１の深さ、るつぼ支持軸１４ａ（ペデ
スタル）の形状、材質を予め適切に選択することにより
行われる。第９図は第４図と同様の従来の結晶成長装置
内の中心軸上の温度分布を示す説明図である。図中Ｔ、
は溶融層６と固体層７との境界温度であり、原料の融点
で決まる一定値である。Ｔ、は石英製の内層保持容器１
ｂの底部上面の温度、Ｔｃは石英製内層保持容器１ｂの
底部下面と黒鉛製外層保持容器ｌａ間の境界温度、Ｔ２
は黒鉛製外層保持容器１ａの底部下面温度、Ｔｏは支持
軸１４ａ下部の温度である。

ここでヒータ１２の電力（発熱量）はほぼ一定に設定さ
れるので固体層７、支持軸１４ａを介して熱電導により
下方へ放散される熱量Ｑ、はほぼ一定になる。従って第
９図より近似的に次式αυが成立する。

（以下余白） 但し、λ７　：固体層７の熱伝導率 λ、：内層保持容器１ｂの熱伝導率 λＣ：外層保持容器１ａの熱伝導率 λ、：支持軸１４ａの熱伝導率 Ｓｃ　：内層保持容器ｌｂ内断面積 Ｓ、：支持軸１４ａの断面積 ｌ、：固体層７の軸方向長さ ！、二石英製内層保持容器１ｂの底部の軸方向長さ ７！ｃ：黒鉛製外層保持容器１ａの底部の軸方向長さ ｌ、：真空容器内支持軸１４ａの長さ ０９式よりＴｂ、Ｔｃ、Ｔ、を消去すると、ΔｆＬ Δｆ３　＋Δｆ。

Ｑ、　　　　　　　λｔＳＣλＩｓｃ Δｆ５ Δｆ。

Δｆ。

一方、通常の結晶引上げにおいては溶融液６の表面位置
は一定に保たれるので、第９図中ｌは一定であり、 Δ１６＋Δβ７＋Δｔ！、＝Ｑ　　　・・・α濁但し、
Ｉ１６：溶融層６の軸方向長さ という関係が成立つ。また Δｐ−ｈ／Δｌ、＝ΔｆＬ／Δｆｐ　・・・０ωであり
、 Δｆ、＋ΔｆＬ＋Δｆ、＝Ｏ−ＱＳＩ であることを用いると、 Δｆ、ｏｃΔｌｐ　　・・・αｅ となる。

これらを亜式に適用すると、 （以下余白） となる。即ち、固体層７の伝熱性λ７Ｓｅと、支持軸１
４ａの伝熱性λ１１３＋＋が等しければΔｆｔ（溶融層
厚の変化量）は一定に保たれ、λｓ＋　ｓ　ｐ　〉λ７
　Ｓ　ｃであれば、Δｒ、は引き上げに伴って減少する
というような伝熱条件が成立する。該伝熱条件に基づき
溶融ＮＫの制御が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の如くαω式に示した無偏析条件及び０９式に示し
た伝熱条件に基づき溶融層圧変化法により引上げを実施
した場合、理論的には結晶全長にわたって均一に偏析が
抑制できるはずである。

しかしながら、溶融層法による結晶引上げにおいて半導
体装置の材料として使用される結晶の原料の固体密度は
、融液密度よりも小さいので、実際には結晶引上げが進
行して固体層７の厚みが浮上限界内の一定値以下になる
と、固体層７が溶融層６中に浮上し、結晶引上げの妨げ
となる。このため、従来の結晶成長装置による結晶引上
げにあっては、るつぼ１内に原料（溶融層６及び固体層
７）を残した状態で結晶引上げが終了されることとなり
、引上げ終了時における溶融層６及び固体層７の比率、
即ち引上げ終了時における結晶引上げ率により決まる結
晶の製造歩留りが悪いという問題があった。

上述の如き問題点を解決するために本発明者等は結晶の
製造歩留りを向上させるべく研究、実験を行ったところ
、溶融層６と固体層７との比率は従来技術で説明した伝
熱条件以外に、支持軸１４ａと固体Ｎ６との間にある外
層保持容器１ａ及び内層保持容器１ｂの底部の材質の熱
伝導率に依存するということを知見した。つまり、原料
及び支持軸１４ａを介して熱伝導により下方へ拡散され
る熱量が同じであれば、前記底部の熱伝導率が大きい程
、溶融層６に対する固体層７の比率は大きくなる。とこ
ろが、溶融層法の引上げに用いられる石英製の内層保持
容器１ｂの熱伝導率は黒鉛製の外層保持容器１ａ、支持
軸１４ａの熱伝導率よりも小さいので、従来の結晶成長
装置のるつぼ１の底部の熱拡散は内層保持容器１ｂの底
部により抑制される。このため固体層７が必要以上に溶
融され前記固体層７の比率が小さくなり、引上げ終了時
の原料量が増大し、結晶の製造歩留りが悪い。そこで固
体層７を浮上限界よりも厚くすべく前記底部の熱伝導率
を増大させるためには、石英製の内層保持容器１ｂを底
部のない筒状のものにし、前記底部の熱拡散を活発にさ
せればよい。

本発明は斯かる知見に基づきなされたものであり、固体
Ｎ６を浮上限界より厚くすることができ、引上げ終了時
のるつぼ１の原料量を減少させ、結晶の製造歩留りを向
上させる結晶成長装置を提供することをその目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の結晶成長装置にあっては、るつぼ内に保持され
た結晶用原料を上側から下側へ向けて溶融しつつ、その
溶融液を上方に引き上げて結晶を成長させる装置におい
て、前記るつぼは、有底筒状の外層保持容器内に、筒状
の内層保持容器を嵌合させ形成してあることを特徴とす
る。

〔作用〕

本発明の結晶成長装置にあっては、原料（溶融層６及び
固体ＪＷ７）を保持するるつぼ１の側部は外層保持容器
１ａと内層保持容器ｉｂとの２重構造にてなり、底部は
熱伝導率が高い外層保持容器１ａだけにて形成しである
。従って、前記底部からの熱拡散が活発となり、前記底
部と接する固体Ｎ７の比率を溶融層６に対して太き（す
ることができる。

これにより固体層７を浮上限界より厚くすることができ
、溶融層６を効率よく引上げて結晶成長させ、引上げ終
了時のるつぼ１内の原料量が減少される。

〔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図は本発
明の結晶成長装置内の中心軸上の温度分布を示す原理説
明図であり、図中１はるつぼである。該るつぼ１は筒状
の石英製内層保持容器１ｂと該内層保持容器１ｂの外側
に内層保持容器を保持すべく嵌合された有底円筒状の黒
鉛製外層保持容器１ａにて２重構造に構成されている。

るつぼ１内には従来と同様にして上層の溶融層６と下層
の固体層７とが形成されている。該固体Ｎ７を上側から
下側へ向けて溶融させつつ、前記るつぼ１の中心軸上に
配された引上げ棒４にて溶融Ｎ６の溶融液を上方へ引上
げてこれを凝固させ、単結晶を成長させている。るつぼ
１は引上げ棒４と同一軸心底部に配された支持軸４ａに
て支持されている。

図中Ｔ、は溶融１ｉ６と固体層７との境界温度であり、
原料の融点で決まる一定値である。Ｔ１は本発明の外層
保持容器１ａの底部上面の温度、Ｔｐは本発明の外層保
持容器１ａの底部下面温度、Ｔｏは支持軸４ａ下部の温
度である。

（１）、０９式より結晶引上げ率ｆ６は但し、λｐ　：
支持軸４ａの熱伝導率 λ７　：固体層７の熱伝導率 Ｓ２　：支持軸４ａの断面積 ＳＣ：内層保持容器ｌｂ内断面積 ｆｐ　：下部固体率 ｆｌ。：初期溶融液率 となる。また溶融層６の軸方向長さｌ、は、Ａｈ　＝　
１　　　（ｊｌ！ｔ　＋　ｊ’１　＋　ｌｃ＋　Ａｐｏ
＞　　・”Ｑ９）但し、β７　：固体層７の軸方向長さ ｌｌ　：従来の石英製内層保持容器１ｂの底部の軸方向
長さ ｊ２ｃ　：本発明の外層保持容器１ａの底部軸方向長さ １２゜：初期の支持軸４ａの長さ となる。また、（２）式より固体層７の軸方向長さｌ。

を求めると、 （以　下　余　白） 従って、 ・・・（２１） また、固体層７の溶融層６への浮遊限界厚を２０とお（
と、固体層率「２は、 （２１）　、　（２２）式をα匂式に代入すると、固体
層７の溶融層６への浮遊限界での結晶引上げ率、即ち従
来の結晶成長装置における結晶の製造歩留りｆ。

及び本発明の結晶成長装置における製造歩留りＴ５は（
２３）　、　（２４）式にて求められる。

・・・（２３） 従って、従来及び本発明装置において、溶融液の表面位
置及び初期原料量を同等にして結晶を成長させた場合、
製造歩留りの比率ｆｓ’　／ｆ、は次式（２５）にて与
えられる。

また分子についてはＺ、＞Ｑであり、溶融層法の対象と
なる半導体ではＫｅ＜１であるから、溶融層厚一定法で
も溶融層厚変化法でも（９）、００式で説明したように
（２６）式が成立する。

λ７Ｓｃ≦λ９Ｓｐ　　・（２６） 更に溶融層法の対象となる半導体の引上げにおいては、
るつぼ１の熱伝導率λ１は原料固体の熱伝導率λ７より
小さいため、（２７）式が（２６）式より得られる。

（２５）式において右辺第二項は常に正であるので（２
８）式が得られる。

・・・（２５） ここで引上げ終了時においてはｆ８〉０であるから、（
２５）式右辺第二項の分母は必ず正値をとる。

［３ 従って従来法と比較して、本発明法は製造歩留りを向上
できる。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第２図は本発明の結晶成長装置を示す模式的縦断面図で
あり、図中１０は所要の真空度に設定されたチャンバを
示す。該チャンバ１０の上面中央部には矢符方向に所定
速度で回転する引上げ棒４がエアシールドされて貫通さ
れている。該引上げ棒４には種結晶５ａが取付けられて
いる。

チャンバ１０の底面中央部には引上げ棒４と同一軸心で
後述する如く２重構造を有し、引上げ棒４と逆方向に所
定速度で回転するるつぼ１の支持軸４ａがエアシールド
されて貫通している。該支持軸４ａの先端には有底円筒
状の外層保持容器１ａの内側に、石英製であり筒状の内
層保持容器１ｂを嵌合させて２重構造としであるるつぼ
１が取付けられている。前記るつぼ１の上方のチャンバ
１０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
内層保持容器ｌｂ内に不純物を添加できるようになって
いる。

るつぼ１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１０との間の位置に
はるつぼ１の上方から支持軸４ａの上端にわたる軸長方
向長さを有する保温筒８が夫々同心円状に配設されてい
る。ヒータ２は、その軸長方向長さがるつぼ１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１の底部よりやや上方に、軸長
方向の下端部を位置させて配されている。

前記るつぼ１内には、所定重量の固形単結晶用材料の上
層部をヒータ２にて溶融させることにより、上層の溶融
Ｎ６及び下層の固体層７が形成されている。

また、チャンバ１０の上部には小片または粒状の固体原
料を収納するホッパ（図示せず）より固体原料を取り出
し、秤量した後、原料をるつぼ１内に投入できるように
した原料供給器１１が配設されている。

以上のように構成された結晶成長装置にあっては、所定
重量の溶融Ｎ６及び固体Ｎ７を形成し、引上げ捧４に取
付けられた種結晶５ａを溶融Ｎ６の表面に接触させる。

そして引上げ棒４を結晶成長に合わせて回転させつつ上
方へ引上げていくことにより、溶融液を凝固させ、単結
晶５を成長させる。原料の溶融中、溶融後または結晶引
上げ中には随時溶融液中へ不純物が添加される。

結晶の成長に伴い、るつぼ１の位置制御及び／又はヒー
タ２の温度制御により同体層７を溶融し、引上げを行う
。

〔実験例〕

従来及び本発明の結晶装置において内層保持容器１ｂと
して内径１５０ｍ票、深さ２００＋ｕ、厚さ４　ｍｍの
石英を用い、外層保持容器１ａ及び支持軸１４ａ及び支
持軸４ａとして黒鉛を用い、原料として多結晶シリコン
を、不純物として原料に対する実効偏析係数Ｋｅが０．
３５であるリンを用いて、溶融層厚変化法による結晶引
上げを行った。

その結果、従来装置にあっては結晶化率ｆ、−〇、６２
であり、固体層７の溶融層６への浮遊が確認された。一
方、本発明装置にあってはｆ　、　’　−０，７１まで
固体層７の浮遊なしに結晶化でき、製造歩留りが向上さ
れた。また、石英製内層保持容器１ｂの製造コストが低
減された。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明の結晶成長装置は、原料を保持
するるつぼ１の底部が熱伝導率が高い外層保持容器１ａ
だけにて形成されているので、前記底部からの熱拡散が
活発となり、固体層７を浮上限界より厚くすることがで
き、引上げ終了時のるつぼ１内の原料量を減少させ、結
晶の製造歩留りを向上させることができるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶成長装置内の中心軸上の温度分布
を示す説明図、第２図は本発明の結晶成長装置を示す模
式的縦断面図、第３図は従来の結晶成長装置の模式的縦
断面図、第４図は溶融層法による従来の結晶成長装置の
模式的縦断面図、第５図〜第８図は不純物の偏析軽減の
原理を説明するための一次元モデルを示す説明図、第９
図は従来の結晶成長装置内の中心軸上の温度分布を示す
説明図である。 １・・・るつぼ　１ｂ・・・内層保持容器　１ａ・・・
外層保持容器　６・・・溶融層　７・・・固体層時　許
　出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、るつぼ内に保持された結晶用原料を上側から下側へ
   向けて溶融しつつ、その溶融液を上方に引き上げて結晶
   を成長させる装置において、 前記るつぼは、有底筒状の外層保持容器内 に、筒状の内層保持容器を嵌合させ形成してあることを
   特徴とする結晶成長装置。