JPH03215384A - 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】 Ｌ！上９五里旦ｌ 本発明は結晶成長装置に関し、より詳しくは例えば半導
体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。

良米Ω肢迷 単結晶を成長させるには種々の方法があるが、その一つ
にチョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれる引き上げ方
法がある。第５図は従来の引き上げ方法に用いられる結
晶成長装置の模式的縦断面図であり、図中１１は坩堝を
示している。坩堝ｌ１は有底円筒状の石英製の内層保持
容器１１ａとこの内層保持容器１１ａの外側に嵌合され
た同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ｌｂとか
ら構成されており、坩堝１１の外側には抵抗加熱式のヒ
ータ１２が同心円筒状に配設されている。

坩堝１１内にはこのヒータ１２により溶融させた原料の
溶融液１３が充填されており、坩堝１１の中心軸上には
引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸１４
が配設されている。この引き上げ軸１４の先には種結晶
１５が取り付けられており、単結晶を成長させる際には
、この種結晶１５を溶融液１３の表面に接触させて引き
上げ軸ｌ４を引き上げていくことにより、溶融液１３が
凝固して形成される単結晶１６を成長させている。

ところで、半導体単結晶をこの方法で成長させる場合、
単結晶ｌ６の電気抵抗率、電気伝導型を調整すべく、引
き上げ前に溶融液１３中に不純物元素を添加することが
多い。このため、添加した不純物が単結晶１６の結晶成
長方向に沿って偏析するという現象が生じ、その結果、
結晶成長方向に均一な電気的特性を有する単結晶１６が
得られないという問題があった。

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、単結晶界面において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ｃｍとの比Ｃｓ／Ｃｌ　
．すなわち実効偏析係数Ｋｅが１でないことに起因して
生じる。例えばＫｅ＜１の場合には単結晶１６が成長す
るに伴って溶融液中の不純物濃度がおのずと高くなって
いき、単結晶１６に偏析が生じるのである。

上記不純物の偏析を抑制しながら結晶を成長させる方法
として、溶融層法がある。溶融層法は第６図に示したご
とく、第５図に示したものと同様に構成された坩堝１１
内の原料の上部のみをヒータ１２にて溶融させることに
より、上部を溶融液層ｌ７、また下部を固体層１８とし
、溶融液層１７中の不純物濃度を一定に保ちつつ、溶融
液層１７に種結晶１５を接触させて引き上げ軸ｌ４を引
き上げ、単結晶ｌ６を成長させる方法であり、溶融液層
ｌ７中の不純物濃度を一定に保つ方法として、溶融層厚
一定法及び溶融層厚変化法が提案されている． 例えば溶融層厚一定法は、特公昭３４−８２４２号、実
開昭６１−１５０８６２号、特公昭６２−８８０号及び
特開昭６３−２５２９８９号公報に開示されており、引
き上げに伴い下部固体層１８を溶融させて溶融液層１７
の体積を一定に保ち、不純物を単結晶ｌ６引き上げ中に
連続的に添加し、溶融液層ｌ７中の不純物濃度を一定に
保つ方法である。

また、溶融層厚変化法は単結晶１６の成長に伴って坩堝
１１又はヒータ１２を昇降させ、坩堝１ｌの溶融液層１
７０体積を変化させることにより、不純物を単結晶１６
の引き上げ中に添加することなく溶融液層１７中の不純
物濃度を一定に保つ方法である。（特開昭６１−２０５
６９１号、特開昭６１−２０５６９２号、特開昭６１−
２１５２８５号） 明が”しようと　る課 ところで、上記した溶融層厚一定法では、不純物を単結
晶ｌ６の引き上げ中に連続的に添加するため、偏析を十
分に抑制する上でその不純物を溶融液層ｌ７内にて拡散
させて均一にする必要があり、溶融液の対流を十分行な
わせることが望ましい。しかしながら溶融液を対流させ
ると、石英製の内層保持容器１１ａが溶解して酸素が溶
出し、成長した単結晶ｌ６中に酸素が含有され、後の結
晶欠陥の原因となるため、対流を抑制せざるをえず、結
果として単結晶ｌ６に偏析が起こるという問題が生じて
いた。

一方、溶融層厚変化法では不純物を単結晶ｌ６の引き上
げ中に添加する必要がないので、不純物が溶融液に十分
に拡散されないことによる偏析が防止されるという利点
を有している。しかしながら、上記したように半径が一
定な円筒状の坩堝ｌ１を用いての溶融液層１７の体積の
制御は、溶融液層１７の厚みを制御することにより行な
わなければならず、容易に溶融液層ｌ７の体積を制御で
きないという課題を有していた。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、溶
融液層の厚みを変化させることなく、従って溶融液層の
体積を容易に制御できながら、しかも不純物を添加する
ことなく偏析を防止できる結晶成長装置を提供すること
を目的としている．課　を解゛する，．．の 上記した目的を達成するために本発明に係る結晶成長装
置は、固体層及び溶融液層が形成される坩堝を備え、該
坩堝内の固体層を溶融させるヒークが前記坩堝の周囲に
配設されると共に、該坩堝の上方には引き上げ軸が配設
された結晶成長装置において、前記坩堝形状が上方に拡
開した形状となっていることを特徴とし、また溶融液層
厚さを一定に保った場合において、溶融液量の重量変化
量と成長結晶の総重量変化量との比が前記溶融液層に関
する不純物の実効偏析係数の負の値に一致するごとく拡
開形状が設定された坩堝を備えていることを特徴として
いる． 作月 上記した装置によれば、前記引き上げ軸を引き上げて結
晶を成長させつつ溶融液層の厚みを一定に保つと、この
溶融液層が形成される坩堝内位置の変化及び坩堝の形状
の変化により、溶融液層の体積は、溶融液量の重量変化
量と成長結晶の総重量変化量との比が前記溶融液層に関
する不純物の実効偏析係数の負の値に一致するように変
化する。従って、溶融液層中の不純物濃度が一定に保た
れ、成長結晶中の不純物濃度がその成長方向に偏析せず
、常に一定となる． 以下に本発明の原理を説明する．第６図に示したような
状態、すなわち坩堝１１内に充填した原料の上部を、ヒ
ニタ１２によりある厚さ分だけ溶融させて不純物を添加
し、然る後、原料を上側から下側に向けて溶融させつつ
種結晶１５にて溶融液ｌ７を上方に引き上げてこれを凝
固させ、単結晶１６を成長させている状態における不純
物の質量バランスに関して、単結晶１６内での不純物の
拡散を無視すると下記の　ｆｉｌ式が成立する．Ｓ　二
“Ｃ・（ｇ）ｄｇ＋　Ｃ　ｊ　（ｇ・）・　ｇｊ　（ｇ
・ｌ　　＝Ａ　　　・・・（１）但し、 ｇｓ：単結晶用原料及び不純物の全充填重量Ｗに対する
単結晶引き上げ総重量の比 率 Ｃ　ｓ　（ｇｌ　：比率ｇの時の単結晶中の溶融液と接
する界面における不純物濃度 Ｃ　ｌ　（ｇｓ）　：比率がｇｓのときの溶融液中の不
純物濃度 ｇβ（ｇｓ）：比率がｇｓのときのＷに対する坩堝内の
溶融液重量の比率 Ａ：定数 上記　（１１式をｇｓにて微分すると、但し、Ｃｓ（ｇ
ｓｌ：比率がｇｓのときの単結晶中の不純物濃度 ＣＲ　：溶融液中の不純物濃度 ｇＲ：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−（ｊ（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。

・・・（４） この（４）式において、左辺第１項中のｄｇｊ／　ｄｇ
ｓを、 ｄｇｊ／　ｄｇｓ　＝　−　Ｋ　ｅ　−　（５１とする
と、単結晶中の成長を完了するまでｇｉをゼロとするよ
うな結晶成長を実質的に行なわないため、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 ｄＣ　ｓ　／　ｄｇｓ　＝　Ｏ　　−　（６）となる。

従って、上記（５）、（６）式より単結晶成長途中のあ
る時点でのｇｓ（Ｗに対する単結晶引き上げ総重量の比
率）の変化量に対するｇｔ（Ｗに対する坩堝内の溶融液
重量の比率）の変化量の比をー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）の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、仮に溶融液が単結晶
の生成開始〜終了までの間で補充されないとすると溶融
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ｇｔの変化量の比がーＫｅとなるように溶融液下
の未溶融原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方向に常に一定に維持
されるからである。

従って、準結晶の生成途中において不純物を添加しない
場合には、引き上げを開始した後の引き上げ量、溶融液
量についてはｇＱ．　ｇｓが（５）式を満足するように
行なう必要がある。

一方、溶融液層の厚みをＬとし、坩堝の底からの高さを
ｈ、坩堝の半径をｒ　ｆｈ）とすると、（５）式より次
の（７）式が成立する。

これを展開すると、 ｒ　２（ｈ＋Ｌｌ　−　ｒ　”　（ｈｌ　＝　Ｋ　ｅ−
　ｒ　”　（ｈ＋Ｌ）　・（８１となる。ここでｒ（ｈ
ｌ＝Ａ−Ｂ”と仮定すると、（９）式は（ｌＯ）式のよ
うに表わされる。

となる６また上記仮定よりｒ（０）−Ａとなり、Ａ”　
ｒ　ｏを坩堝の底の半径とすると、上記仮定及び（１１
）式から次式が導かれる。

従って、坩堝の形状を（１２）式を満足させて上方に拡
開した形状とすることにより、溶融液層の厚みを一定と
すると、結晶の引き上げに伴って溶融液層の体積が（ｌ
２）式を満たすように変化することとなる。従って、結
晶を引き上げていっても、溶融液層の厚みを一定に保て
ば溶融液層中の不純物濃度が一定に保たれ、成長結晶中
の不純物濃度がその成長方向に偏析せず、常に一定とな
る．衷施廻 以下、本発明に係る結晶成長装置の実施例を図面に基づ
いて説明する。なお、従来例と同一機能を有する構成部
品には同一の符合を付すこととする． 第１図は本発明に係る結晶成長装置の模式的断面図であ
り、図中２１はチャンバを示している．チャンバ２１は
軸長方向を垂直とした略円筒形状の真空容器であり、チ
ャンバ２１の略中央位置には、坩堝２３が配設されてい
る．坩堝２３は、有底円筒形状の石英製の内層保持容器
２３ａとこの内層保持容器２３ａの外側に嵌合された同
じく有底円筒形状の黒鉛製の外層保持容器２３ｂとから
構成されており、第２図に示したように上方に拡開した
形状となっている。例えば後述する不純物をリンとし、
溶融液層２７の厚さをｌＯＣＩＩ１と想定した場合、内
層保持容器２３ａの高さを４０ｃｍ、開口部の直径を４
．０　ｃｍ、底の直径を１７ｃｍとし、またその半径分
布は（ｌ２）式に依るものとしている。この坩堝２３の
外層保持容器２３ｂの底部には、坩堝２３を回転、並び
に昇降させる軸２９が設けられており、坩堝２３の外周
には、誘導加熱コイル等で構成されるヒータ１２が昇降
可能に配設されている．さらにヒータ１２の外側には、
保温筒３０が周設されており、坩堝２３とヒータｌ２と
の相対的な上下方向位置調節によって坩堝２３内の溶融
液層２７、固体層２８のそれぞれの厚さを相対的に調節
し得るようになっている．一方、坩堝２３の上方には、
チャンバ２１の上部に連投形成された小形の略円筒形状
のプルチャンバ２２を通して、引き上げ軸１４が回転、
並びに昇降可能に垂設されており、引き上げ軸ｌ４の下
端には種結晶１５が着脱可能に装着されている。そして
、この種結晶１５の下端を溶融液層２７中に浸漬した後
、これを回転させつつ上昇させることにより、種結晶１
５の下端から単結晶１６を成長させていくようになって
いる．このように構成された本発明装置を操作する場合
は、まず坩堝２３内に固体原料として塊状、又は顆粒状
の多結晶シリコンを、引き上げる単結晶１６の体積から
逆算して求められた必要量だけ充填する．次いで、この
固体原料を上側からヒータ１２にて溶融させ、ヒータ１
２を下降させて溶融液層２７の厚みが１０ｃｍになるま
で加熱した後、不純物としてリンを投入し、リンを拡散
させる．そして、ヒータ１２の温度制御、位置制御によ
って固体層２８を溶融させながら、溶融液層２７の厚さ
を約１０ｃｍに保った状態で溶融液層２７に種結晶１５
の下端を浸漬し、引き上げ軸１４を回転させつつ引き上
げる．このとき引き上げに伴って、溶融液層２７の体積
は、溶融液量の重量変化量と成長結晶の総重量変化量と
の比が前記溶融液層に関する不純物の実効偏析係数の負
の値に一致するように変化する。従って、溶融液層２７
中の不純物濃度が一定に保たれ、種結晶１５の下端から
不純物濃度が一定な単結晶１６を成長させことができる
． 上記した装置を用いて成長させた直径６インチ、長さ約
４０ｃｍのシリコン単結晶の抵抗率分布を測定したとき
の結果を第４図に示す。第４図中○は、第２図に示した
坩堝を用いた場合のシリコン単結晶の抵抗率分布を示し
ており、●は第３図に示したように上方に向けて拡開し
、がっその半径分布が直線的な坩堝を用いた場合のシリ
コン単結晶の抵抗率分布を示している．さらに図中破線
は、従来のチョクラルスキー法により形成されたシリコ
ン単結晶の抵抗率分布を示している。

第４図から明らかなごとく、従来のチョクラルスキー法
により形成されたシリコン単結晶に比べて、上記実施例
に係る装置を用いて形成されたシリコン単結晶は、単結
晶の成長に伴う抵抗率の分布のバラツキが±１０％の範
囲内と小さく、不純物の偏析が防止されていることがわ
かる。

及豆五羞呈 以上の説明により明らかなように、本発明に係る結晶成
長装置にあっては、固体層及び溶融液層が形成される坩
堝を備え、該坩堝内の固体層を溶融させるヒータが前記
坩堝の周囲に配設されると共に、該坩堝の上方には引き
上げ軸が配設された結晶成長装置において、前記坩堝形
状が上方に拡開した形状となっているので、不純物を途
中で添加することなく、溶融液層の厚さを一定に保つこ
とにより、容易に単結晶中における不純物の偏析を阻止
できる。また、溶融液層厚さを一定に保った場合におい
て、溶融液量の重量変化量と成長結晶の総重量変化量と
の比が前記溶融液層に関する不純物の実効偏析係数の負
の値に一致するごとく拡開形状が設定された坩堝を用い
た場合には、溶融液層の厚さを一定に保つことにより、
溶融液層中の不純物濃度を正確に一定に保つことができ
、成長結晶中の不純物濃度をその結晶成長方向において
、常に一定とすることができる。従って、溶融液層の厚
みを変化させることなく不純物の偏析を防止することが
でき、溶融液層の体積の制御を容易なものとすることが
できる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長装置を示した模式的縦断
面図、第２図は坩堝の一実施例を示した模式的断面図、
第３図は坩堝の別の実施例を示した模式的断面図、第４
図は本発明装置及び従来法により形成されたシリコン単
結晶の抵抗率分布を測定した結果を示すグラフ、第５図
及び第６図は従来の結晶成長方法に用いられる装置の模
式的縦断面図である． １２・・・ヒータ　　１４・・・引き上げ軸２３・・・
坩堝　　２３ａ・・・内層保持容器２３ｂ・・・外層保
持容器　　２７・・・溶融液層２８・・・固体層 第１ｗｉ ９Ｓ 第２図 ｒ塁 第５図 ○

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体層及び溶融液層が形成される坩堝を備え、該
   坩堝内の固体層を溶融させるヒータが前記坩堝の周囲に
   配設されると共に、該坩堝の上方には引き上げ軸が配設
   された結晶成長装置において、前記坩堝形状が上方に拡
   開した形状となっていることを特徴とする結晶成長装置
   。
2. （２）溶融液層厚さを一定に保った場合において、溶融
   液量の重量変化量と成長結晶の総重量変化量との比が、
   前記溶融液層に関する不純物の実効偏析係数の負の値に
   一致するごとく拡開形状が設定された坩堝を備えた請求
   項１記載の結晶成長装置。