JPH06263583A

JPH06263583A - 結晶成長方法

Info

Publication number: JPH06263583A
Application number: JP5407193A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Akashi; 義弘明石; Yasuhiro Shimizu; 保弘清水; Koji Tsujimoto; 康治辻本; Sumio Kobayashi; 純夫小林; Shunji Miyahara; 俊二宮原; Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; Takayuki Kubo; 高行久保; Hideki Fujiwara; 秀樹藤原; Shuichi Inami; 修一稲見; Masahiko Okui; 正彦奥井
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】引上げ結晶中に取り込まれる不純物濃度が一定
で、微小な抵抗率分布（ＳＲ）を均一化させる方法の提
供。【構成】シリコン等の単結晶を成長させる方法におい
て、溶融液層の下方に固体層を形成し、引き上げ時に坩
堝の回転数を調整して結晶凝固界面の温度変動を小さく
し、結晶中の軸方向および径方向の不純物濃度を均一化
する結晶成長方法。坩堝の回転数は1rpm以下とするのが
望ましい。【効果】結晶凝固界面の温度変動が抑制され、結晶の成
長速度の変動が小さくなる。その結果、結晶に取り込ま
れる不純物の濃度が均一化し、図示のようにＳＲの均一
な単結晶が歩留良く製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、結晶成長方法に関
し、より詳しくは、結晶中の軸方向および径方向の不純
物濃度が均一な半導体材料、例えばシリコン単結晶の結
晶を成長させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶成長方法には種々の方法があるが、
量産が可能な方式で広く応用されているものとしてチョ
クラルスキー法（ＣＺ法）がある。

【０００３】図７はこのＣＺ法の実施状態を示す模式的
断面図であり、図中１は坩堝である。坩堝１の外側には
加熱用ヒーター２が配設されており、坩堝１内にはこの
ヒーターにより溶融された結晶形成用材料、つまり原料
の溶融液４が収容されている。その溶融液４の表面に引
上げ棒又はワイヤの先に取り付けた種結晶３の下端を接
触させ、この種結晶３を上方へ引き上げることによっ
て、その下端に溶融液４が凝固した単結晶を成長させて
いく。この時、種結晶３を10〜20rpm 程度の速度で回転
させると同時に、坩堝１も 3〜15rpm 程度の速度で種結
晶と反対の方向に回転させるのが普通である。種結晶３
及び坩堝１を回転させるのは、結晶を直円筒状に引上げ
るため並びに結晶中の酸素濃度の調整を行うためであ
る。

【０００４】半導体単結晶をこのＣＺ法で結晶成長させ
る場合、単結晶を所期の電気抵抗率、電気伝導型とする
ため、引き上げ前に溶融液中に不純物元素（ドーパン
ト）を添加することが多い。この場合、添加した不純物
が単結晶の成長方向に沿って偏析する現象が発生し、結
晶成長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。

【０００５】不純物の偏析が生じるのは、結晶成長の際
の溶融液と結晶との界面における結晶中不純物濃度Ｃ_s
と溶融液中不純物濃度Ｃ_Lの比 (Ｃ_s/ Ｃ_L) 、即ち、
実効偏析係数Ｋｅが１でないため、結晶の成長に伴い、
溶融液中ひいては結晶中の不純物濃度が変化するからで
ある。例えば、Ｋｅ＜１の場合には、結晶の成長に伴い
溶融液中の不純物濃度が漸次高くなる。従って、結晶成
長の後半 (長さ方向で下方) では不純物濃度が高くなっ
てしまう。

【０００６】一般に、引き上げられた単結晶の成長方向
の不純物濃度Ｃ_sは、初期の溶融液中不純物濃度Ｃ_L0、
単結晶の固化率Ｇとの関係において、Ｃ_s＝ＫｅＣ_L0（１−Ｇ）^Ke-1 で表される。例えば、実効偏析係数Ｋｅが0.35と小さい
燐 (Ｐ) を添加したＮ型結晶では、Ｋｅが１に近い他の
不純物元素を使用する場合に比べ、成長進行中における
溶融液中のＰ濃度の上昇度が大きく、単結晶の成長方向
における不純物濃度のバラツキが大きくなり、所期の不
純物濃度を有する単結晶の歩留が著しく低下する。

【０００７】上記の不純物の偏析を防止するための結晶
成長方法として溶融層法（Double LayerＣＺ、ＤＬＣＺ
法と略称する）がある。

【０００８】図６はＤＬＣＺ法の原理を説明する模式的
断面図であり、図７に示したものと同様に構成された坩
堝１内の原料の上部をヒーター２で溶融させることによ
り、上層に溶融液層４を、また下層に固体層５を形成さ
せている。そして、この場合も、先に述べたＣＺ法と同
様に、種結晶３を溶融液層４に接触させて凝固した単結
晶を引き上げて行くが、そのとき種結晶３と坩堝１を回
転させるのが普通である。

【０００９】ＤＬＣＺ法によって不純物の偏析を抑制す
る方法としては次の２方法がある。

【００１０】その一つは、不純物の添加を初期の溶融液
層に対してのみ行い、引き上げ中は固体層５の溶融量を
調整して、溶融液層４の体積を変化させ、これによって
溶融液中の不純物濃度を一定に保つ溶融層厚変化法（特
開昭61-205691 号) である。もう一つは、引き上げ中に
固体層５を連続的に溶融させ溶融液層４の体積を一定と
し、更に、不純物も連続的に添加して溶融液中の不純物
濃度を一定に保つ溶融液層一定法（特公昭34-8242 号,
特公昭62-880号) である。いずれにしても、実効偏析係
数Ｋｅの値にかかわらず、単結晶の成長に伴って発生す
る溶融液中の不純物濃度の変化を抑え、結晶中の不純物
偏析を抑制するものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体産業のデ
バイス工程でのウエハの高集積化、高密度化に伴い、要
求される品質規格が厳しくなり、品質仕様の一つとして
微小な抵抗率分布（Spread Registance 、以下ＳＲと記
す）の均一化が要望されている。上記のＤＬＣＺ法によ
って、不純物偏析の問題は一応解決されたが、ＳＲの均
一化の問題は未だ未解決である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ＤＬＣ
Ｚ法の特徴を生かしつつ、さらに引き上げた単結晶のＳ
Ｒの均一化も可能な結晶成長方法を提供することにあ
る。第一の発明は、坩堝内に原料の固体層と溶融液層と
を存在させ、この溶融液層を上方に引き上げていくこと
により結晶を成長させるＤＬＣＺ法において、坩堝の回
転数を調整して結晶凝固界面の温度変動を小さくし、結
晶中の軸方向および径方向の不純物濃度を均一化するこ
とを特徴とする結晶成長方法を要旨とする。

【００１３】第二の発明は、ＤＬＣＺ法において坩堝を
1rpm以下（但し 0rpm は除く) の回転速度で回転させる
ことを特徴とする結晶成長方法である。

【００１４】第三の発明は、上記の発明を用いて結晶凝
固界面の温度変動幅を10℃以下に制御することを特徴と
する結晶成長方法を要旨としている。

【００１５】

【作用】ＳＲと言うのは、溶融液から凝固成長させた結
晶の中の特定位置の電気抵抗値であり、この値は結晶の
位置によらずできるだけ一定であることが望ましい。こ
のＳＲの変動は、結晶の位置によって不純物濃度が異な
ること、即ち、不純物の微視的な偏析によって起きる。
従って、ＳＲの均一化には結晶成長の過程での不純物の
偏析を防止すればよいことになる。前記のＤＬＣＺ法で
は、溶融液層中の不純物濃度を一定に維持することが可
能で、成長させた結晶中の不純物偏析を防止できるので
あるが、それだけではＳＲの均一化には未だ不十分であ
る。

【００１６】本発明者は、ＳＲを均一化するには結晶凝
固点における溶融液の温度変動を小さくすることが重要
であることを確認した。

【００１７】図６および図７に示したような坩堝とその
外周に設けたヒーターとで構成する装置では、溶融液中
の温度分布を均一にするのが困難であるところから、従
来、坩堝を回転させて強制的に溶融液の流動を起こさせ
ることにより温度分布の均一化を図っていた。ところ
が、この坩堝の回転が、ＳＲの均一化には好ましくない
影響を及ぼすのである。

【００１８】上記のように、従来の結晶成長方法の場
合、一般に坩堝内の溶融液は坩堝の回転により、引き上
げられる単結晶と異なる方向に回転させられているた
め、溶融液内部は絶えず強制的な対流を生じている。こ
の強制対流の影響により溶融液と結晶との接触部（結晶
凝固界面）には絶えず温度変動が存在する。この温度変
動が大きいと、結晶の成長速度に変動が生じる。そし
て、この結晶速度の変動が、不純物の偏析を招き、ＳＲ
の不均一が生じるのである。

【００１９】引上げ法における結晶の成長速度が、結晶
が１回転する間に生じる結晶凝固界面での温度差（Δ
Ｔ）によって影響されることは知られている。このΔＴ
というのは、結晶凝固界面の或る１点が１回転する場合
に、最初の溶融液の温度（Ｔ₀）と、１回転して来たと
きの同じ位置での溶融液の温度（Ｔ₁）との差である。

【００２０】例えば、一般に知られるＢＰＳ理論（阿部
孝夫著「シリコン結晶とドーピング」丸善（株）出版，
1986年，51頁）では、結晶の１回転ごとに結晶成長速度
Ｖは、次の式に従って変動するとしている。

【００２１】Ｖ＝Ｖ₀−２πＲ・ΔＴ・Ｇ^-1・cos 2 πωt ・・・但し、ここでＶ₀は引上げ速度，Ｒは結晶半径，Ｇは結
晶成長界面近傍の溶融液中の成長方向の温度勾配，ωは
結晶回転速度，ｔは時間、である。

【００２２】式から明らかなように、結晶成長速度Ｖ
はΔＴの影響を受ける。即ち、ΔＴの変動が大きいほど
結晶成長速度Ｖの変化が大きくなる。従来のＣＺ法で
は、溶融液内の強制対流によりΔＴの変動幅は10℃以上
を超えるほど大きいものである。そのため、引上げ時の
結晶成長速度は絶えず変動する。

【００２３】結晶成長速度が変わると、それに伴って単
結晶中に取り込まれる不純物濃度が変化する。即ち、結
晶の成長方向（引上げ方向）位置、および水平方向（半
径方向）位置によって、不純物濃度の微小な差異が生
じ、その結果ＳＲの不均一化が生じることになる。

【００２４】前記のようにＤＬＣＺ法を採用した場合、
不純物の偏析による結晶成長方向の不純物濃度のバラツ
キを解消することができるものの、結晶凝固界面に温度
変動が存在するかぎり、引上げ中の結晶の瞬間的な結晶
成長速度は安定したものでなく、結晶内の微視的な評価
であるＳＲの均一化において、充分に品質規格を満足す
るものでなかった。

【００２５】本発明方法の特徴は、ＤＬＣＺ法の実施に
際して、坩堝の回転数を調整し、例えば、坩堝の回転を
１rpm 以下という極めて低速の回転にすることによっ
て、結晶凝固界面の温度変動幅を10℃以下にすることに
ある。なお、特開平３−228889号公報に、坩堝の回転を
全く行わない方法の発明が開示されているが、その発明
の目的は単結晶の引上げ率の向上、即ち生産性の向上に
あり、ＳＲの均一化は意図されていない。本発明者の実
験によれば、坩堝を完全に静止させて引上げを行えば、
成長する単結晶の結晶性が崩れ、結晶成長そのものが困
難となる事がある。従って、本発明方法では、坩堝を回
転させて、その中の溶融液の温度分布を均一化すること
を前提とし、しかも、凝固界面でのΔＴの変動が小さく
なるようにその回転速度を小さくするのである。多数の
実験結果から、坩堝の回転速度は１rpm 以下にする必要
があることが明らかになった。なお、回転速度の下限は
0.1rpm程度である。

【００２６】引上げ中の結晶の回転は、従来と同じよう
に、坩堝の回転方向と逆に10〜20rpm 程度で行えばよ
い。

【００２７】上記のように、結晶の引上げ中に坩堝を低
速回転させることにより、坩堝中の溶融液内の強制対流
が抑制され、結晶凝固界面の温度変動、即ち、前述のΔ
Ｔの変動が小さくなる。ＣＺ法に比べてＤＬＣＺ法で
は、坩堝内の溶融液が少ないため、溶融液中の上下方向
の温度差が小さい。その上、坩堝の回転速度を抑えるこ
とによって溶融液下部から上部に向かう浮力流が抑制さ
れることになり、結晶凝固界面の温度変動の減少が顕著
となる。

【００２８】図２に坩堝回転数と結晶凝固界面の温度変
動との関係を、ＤＬＣＺ法とＣＺ法を比較して表した
が、坩堝回転数が１rpm 以下の低速の場合には結晶凝固
界面の温度変動は少なくなり、特にＤＬＣＺ法において
は10℃以下となる。従って、ＤＬＣＺ法において、この
ような坩堝低速回転を採用すると、結晶凝固界面の温度
分布の均一化による溶融液内の不純物の均質性が保持さ
れるとともに、ΔＴの変動も小さくなり引き上げ時の結
晶成長速度の微小変動が抑えられて、結晶内に取り込ま
れる不純物濃度が一定となり、ＳＲが均一化された単結
晶が得られる。

【００２９】坩堝回転数が 0 rpm、即ち坩堝を静止させ
た状態では、結晶凝固界面の温度変動は小さくなるが、
坩堝の外周に囲んで配設されているヒーターから供給さ
れる熱量は全円周方向で均一でないため、ヒーターから
受ける熱バランスの不均一から、成長する単結晶の結晶
性が崩れ、引上げ作業の続行が難しくなる。

【００３０】なお、電気伝導型としては、Ｐ型とＮ型と
があるが、これらは単に添加する不純物の相違のみであ
る。従って、本発明方法はＰ型結晶の成長にも、Ｎ型結
晶の成長にも同じように適用することができる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の結晶成長方法の一実施例を図
面に基づいて説明する。なお、図中、従来例と同一機能
のものについては同一の符号を付すこととする。

【００３２】図１は本発明方法を実施するための装置を
示す模式的断面図であり、図中１は坩堝である。坩堝１
は二重構造であり、内側を石英製の容器1aとし、外側を
黒鉛製の容器1bとしてある。この坩堝１は坩堝支持軸７
上に設置される。この坩堝支持軸７は坩堝の回転のみで
なく、坩堝の昇降も行うことができるようになってい
る。

【００３３】図中９はチャンバを示している。チャンバ
９は単結晶の引上げ軸８を中心とした円筒状の真空容器
であり、その中央位置に坩堝１が配設されている。坩堝
１の外周にはこれを囲んで誘導加熱コイル等で構成され
たヒーター２、更に、その外側には保温筒６が配設され
ている。ヒーター２には、図示していないが昇降装置が
設けてあり、坩堝１とヒーター２との相対的な上下位置
調整によって、坩堝１内の溶融液層４の深さ及び固体層
５の厚さを調整し得るようになっている。

【００３４】一方、坩堝１の上方にはチャンバ９の上部
に設けた小形円筒状のプルチャンバ10を通して、引上げ
軸８が回転および昇降可能に垂設されており、その下端
には種結晶３が装着されている。種結晶３は引上げ軸８
の回転につれて回転しつつ上昇し、溶融液層４との接触
面である下端部に単結晶が成長して行くようになってい
る。

【００３５】上記の構造の結晶成長装置を用いて、以下
に述べる種々の検討を行った。

【００３６】まず引き上げられる単結晶は直径６インチ
のシリコン単結晶であって、使用する坩堝１は内径16イ
ンチ, 高さ14インチとした。結晶成長の前処理として坩
堝１内に結晶形成用の固体原料である塊状、チップ状若
しくは顆粒状の多結晶シリコンを充填した。充填した量
は直径６インチの単結晶を所定長さ引き上げるため65kg
とした。

【００３７】次に、チャンバ９内にアルゴン (Ａｒ) を
吹き込み、チャンバ９内を10TorrのＡｒ雰囲気とし、ヒ
ーター２を上昇させて誘導加熱により多結晶シリコンを
全て坩堝１内で溶融した。なお、この場合に使用するヒ
ーター２は抵抗発熱方式のヒーターであっても問題はな
い。

【００３８】その後、坩堝下部を冷却し、溶融液下部に
固体層５を形成させた。ヒーター２の温度制御及び位置
制御により坩堝１内の溶融液層４および固体層５のそれ
ぞれの深さおよび厚さを調整することができる。

【００３９】所定の溶融液層４と固体層５を形成させた
後、不純物としてＰを投入して充分に拡散させる。この
ときの坩堝支持軸７の初期回転数は３rpm とした。溶融
液面の安定とともに、輻射温度計（図示せず）で溶融液
面近くの温度変動を確認しながら回転数を減少させ、最
終的には１rpm とした。

【００４０】図３に溶融したままの単結晶の成長を行わ
せる前の溶融液の温度変動の測定結果をＣＺ法の場合と
比較して示した。いずれも温度測定点は坩堝中心から80
mmで、溶融液面から深さ10mmの箇所であり、結晶成長時
に結晶凝固界面近傍となる位置である。坩堝回転数はＤ
ＬＣＺ法では0.5rpm、１rpm 、２rpm 、５rpm 、ＣＺ法
で３rpm とした。

【００４１】図３から、ＣＺ法では結晶凝固界面近傍の
温度変動が15℃以上在るのに対して、ＤＬＣＺ法におけ
る坩堝回転数が１rpm 以下であれば、結晶凝固界面近傍
の温度変動が10℃以下と極めて小さくなっていることが
分かる。坩堝回転数を制御したＤＬＣＺ法では結晶成長
速度の微小変動も抑えられ、安定した成長速度が得られ
ることが明らかである。

【００４２】その後、引上げ軸８にシード付けを行い、
引上げ軸８を10rpm で坩堝と反対方向に回転させつつ上
方に引き上げて単結晶を所定長さに成長させたが、安定
した引上げ状況であった。即ち、数回にわたる引上げ結
晶成長を行ったが、本発明方法では引上げ中断というト
ラブルは全く無かった。

【００４３】図４に結晶成長方向におけるＳＲの分布を
ＤＬＣＺ法（坩堝回転数：0.5rpm、１rpm 、２rpm 、５
rpm ）とＣＺ法（坩堝回転数：3rpm）を比較して示す。
図４から明らかであるが、ＤＬＣＺ法において坩堝回転
数１rpm 以下で引き上げられた単結晶のＳＲのバラツキ
はＣＺ法に比べて約 1/10 と少なく、良好なＳＲの均一
化が達成されている。坩堝１の回転方向は引上げ軸８の
回転方向と同方向であるか、逆方向であるかにかかわら
ず、1rpm以下に保持することによって同様なＳＲの均一
化の効果が得られた。

【００４４】図５に図４と同様の条件で結晶成長させた
単結晶のＳＲのバラツキを、軸方向と半径方向に区別し
て示しているが、ＤＬＣＺ法において坩堝回転数１rpm
以下による単結晶では軸方向、半径方向ともＳＲが均一
化している。

【００４５】図４及び図５より明らかなように、結晶成
長においてＤＬＣＺ法を採用し、更に、坩堝の回転数を
調整し、例えば、坩堝回転数を1rpm以下（但し 0rpm は
除く）にすることにより、単結晶中のＳＲのバラツキが
減少しウェハの高集積化、高密度化に対応出来るととも
に、一定の品質仕様を満たすウェハの歩留を向上させる
ことができる。

【００４６】尚、この実施例ではシリコン単結晶を成長
させる場合について述べたが、シリコン以外の半導体単
結晶の結晶成長にも本発明方法は適用可能である。

【００４７】

【発明の効果】本発明の結晶成長方法では、ＤＬＣＺ法
を採用することにより溶融液中の浮力流を抑制し、坩堝
の回転数を調整し、例えば、坩堝を1rpm以下の低速で回
転させることにより、溶融液中の強制対流を抑制し、結
晶凝固界面の温度変動を減少させることができる。これ
によって溶融液中の不純物分布を均質にし、かつ単結晶
の成長速度を安定させ、結晶内の微視的な特性であるＳ
Ｒの均一化を図ることができ、均一な特性の単結晶を歩
留良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結晶成長方法を実施するための装置の
一例を示す模式的断面図である。

【図２】坩堝回転数を変化させたときの結晶凝固界面の
温度変動を測定した結果を示す図である。

【図３】ＤＬＣＺ法及びＣＺ法における溶融液の温度変
動を測定した結果を示す図である。

【図４】ＤＬＣＺ法及びＣＺ法により引き上げられた単
結晶の結晶成長方向おける抵抗値（ＳＲ）の測定結果を
示す図である。

【図５】ＤＬＣＺ法及びＣＺ法により引き上げられた単
結晶の軸方向および半径方向の抵抗値（ＳＲ）のバラツ
キを示す図である。

【図６】ＤＬＣＺ法の実施状態を示す模式的断面図であ
る。

【図７】ＣＺ法の実施状態を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１…坩堝、 1a…石英製容器、 1b…黒鉛製容器、２
…ヒーター、３…種結晶、４…溶融液層、５…固体
層、６…保温筒、７…支持軸、８…引上げ軸、９
…チャンバ、10…プルチャンバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者辻本康治兵庫県尼崎市東浜町１番地住友シチックス株式会社内 (72)発明者小林純夫大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者宮原俊二大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者藤原俊幸大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者久保高行大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者藤原秀樹大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者稲見修一大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者奥井正彦大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】坩堝内の原料の上部を加熱溶融して溶融液
層とし、下部は原料固体層とし、種結晶を前記溶融液層
の表面に接触させて引き上げることにより結晶を成長さ
せる結晶成長方法において、前記坩堝の回転数を調整し
て結晶凝固界面の温度変動を小さくし、結晶中の軸方向
および径方向の不純物濃度を均一化することを特徴とす
る結晶成長方法。
【請求項２】前記坩堝を1rpm以下（但し 0rpm は除く)
の回転速度で回転させることを特徴とする請求項１に記
載の結晶成長方法。
【請求項３】前記結晶凝固界面の温度変動幅を10℃以下
に制御することを特徴とする請求項１に記載の結晶成長
方法。