JPH0745355B2 - 結晶成長方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の材料として使用されるシリコン単
結晶を成長させる方法及びその装置に関する。

〔従来技術〕

シリコン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６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
設されている。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13が充填されている。前記る
つぼ１の中心軸上には矢符方向に所定速度で回転する引
上げ棒（またはワイヤー、以下両者を合わせて「引上げ
棒」と記す）14が配されている。つるぼ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
げ棒14を結晶成長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、シリコン単
結晶15を成長させる。

従来、シリコン単結晶４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に不純物を添加
し、シリコン結晶の電気抵抗率、電気伝導型の調製を図
っていたので、この不純物がシリコン単結晶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
性を有するシリコン単結晶が得られないという問題があ
った。

この偏析は、シリコン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・単結晶界面に実際生じる単結晶中の不
純物濃度C_sと溶融液中の不純物濃度C_Lとの比C_s/C_L、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の場合にはシリコン単結晶が成長せし
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、シリコン単結晶に偏析が生じるのである。な
お上記実効係数Keは公知である。

上記偏析の発生を抑制して回転引上げ法によりシリコン
単結晶を成長させる方法として溶融層法がある。

第７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６図と同様に構成されたるつぼ１内
に挿入したシリコン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１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不純物濃度の低い
固体層を溶かすことにより不純物濃度C_Lを低減させる
（特公昭34−8242号，特公昭62−880号）。

または、シリコン単結晶15の成長に伴ってるつぼ１又は
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C_p（ｘ）で表すことにより第８図
〜第11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f_s,溶融
液（層）の重量比ｆをf_L,原料の重量比（下部固体率）
を f_p,f₀＝f_s＋f_Lとおくと次式（１）の如く定義される。

f₀＋f_p＝f_s＋f_L＋f_p＝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C_p≠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８図は全量をるつぼ１内に挿入した直後の状態を示
し、f_p＝１である。第９図は第８図の原料が原料上面か
らf_Lだけ溶融され、それに不純物を添加した初期溶解終
了時の状態を示す。

C₀は初期溶融液中不純物濃度であり、f_o＝f_Lである。第
10図は結晶引き上げ中の変化を示す。原料上面からf_sだ
け結晶を引き上げ、原料は更にf_Lだけ溶融される。C_Lは
溶融液中の不純物濃度であり、C_pは下部固体層の不純物
濃度である。f_sから更にΔf_sだけ結晶を引上げる間にC_a
・Δf_sだけ不純物を添加した場合f_Lはf_L＋Δf_Lに、C_Lは
C_L＋ΔC_Lに、f_pはf_p＋Δf_pに変化する。C_sは結晶中の不
純物濃度である。この際、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_L・f_L＋C_a・Δf_s＋C_p・Δf₀ ＝C_s・Δf_s＋（C_L＋ΔC_L）・（f_L＋Δf_L） …（２） ここで C_s＝Ke・C_L …（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C_p＝０とし、
結晶中不純物濃度C_sを以下の如く加算し、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 f_p＝0,Δf_L＋Δ.f_s＝0,C_a＝０より これを（３）式に代入すると、 C_s＝KeC₀（１−f_s）^Ke-1 …（６） となる。

同様にして溶融層法の場合はdC_L/df_s＝0,C_p＝０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。これを溶融層厚一定法に適用した場合はdf_L/df_s
＝０とし、 C_a＝KeC_L＝KeC₀ …（８） が得られ、この不純物量C_a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、溶融層厚変化法に
適用した場合は不純物の連続添加を行わないのでC_a＝０
であり、（７）式より 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11図は引上げ終了時の分布を示すものである。溶融層
厚一定法では溶融液13下の固体層が全部溶融してf_p＝０
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、溶融層厚変化法では初期融液率
をf_L0とすると、（９）式より f_L＝f_L0−Kef_s …（10） となる。Ke＜１なのでf_L0＝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。

溶融層厚変化法において、溶融層厚の制御はヒータ12の
発熱長，つるぼ１の深さ，保温筒の形状，材質を予め適
切に選択することにより行われる。第12図は第７図と同
様の従来の結晶成長法及びその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_m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_bは石英製の内層保持容器1bの底部上面の温度、T_c
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1a間の境界温度、T_pは黒鉛製外層保持容器1aの底部下
面温度、T_o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_Lは一定になる。従って第９図より近
似的に次式（11）が成立する。

但し、λ₇:固体層７の熱伝導率 λ₁:内層保持容器1bの熱伝導率 λ_c:外層保持容器1aの熱伝導率 λ_p:支持軸14aの熱伝導率 S_c:内層保持容器1b内断面積 S_p:支持軸14aの断面積 l₇:固体層７の軸方向長さ l₁:石英製内層保持容器1bの底部の方向長さ l_c:黒鉛製外層保持容器1aの底部の方向長さ l_p:真空容器内支持軸14aの長さ （11）式よりT_b,T_c,T_pを消去すると、 一方、通常の結晶引上げにおいては溶融液の表面位置は
一定に保たれるので、第12図中ｌは一定であり、 Δl₆＋Δl₇＋Δl_p＝０ …（13） 但し、l₆:溶融層６の軸方向長さ という関係が成立つ。また Δl₆/Δl₇＝Δf_L/Δf_p …（14） であり、 Δf_s＋Δf_L＋Δf_p＝０ …（15） であることを用いると、 Δf_s∞Δl_p …（16） となる。

これらを（12）式に適用すると、 となる。即ち、固体層７の伝熱性λ₇S_cと、支持軸14aの
伝熱性λ_pS_pが等しければΔf_L（溶融層厚の変化量）は
一定に保たれ、λ_pS_p＞λ₇S_cであれば、Δf_L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層厚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（10）式に示した無偏析条件及び（17）式に
示した伝熱条件に基づき溶融層厚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
析が抑制できるばずである。

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、溶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内に
なるにつれ、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、前記保温筒８から反射されるヒータ12
の輻射熱流量ｑの分布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、固体層７が形成
されるべき位置に放射される前記輻射熱流量ｑが小さい
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、従来の結晶成長方法及びその装置において前
記保温筒８は、るつぼ１の上方から支持軸14aの上端に
わたる領域に、ヒータ12からの輻射熱を放射せしめ、ヒ
ータ12の加熱効率を向上させるので、固体層７が形成さ
れるべき位置に対応するるつぼ１にも保温筒８から反射
させる輻射熱が放射される。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輻射熱を
減少させるためには、ヒータ12の下方に熱遮蔽体を設
け、これにより、固体層７が形成されている部位、即ち
るつぼ１の下側近傍へ放射される輻射熱を吸収すればよ
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
層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
せる結晶成長方法及びその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〕

第１の発明である結晶成長方法は、溶融層法を用いてシ
リコン単結晶の製造を行う方法であって、チャンバ内に
配した結晶用原料を充填したるつぼからシリコン単結晶
をるつぼ上方の保温筒内に向けて引上げる過程で、保温
筒からるつぼ下部に放射される熱をるつぼの下部壁外周
に設置してある熱遮蔽体にて遮蔽することを特徴とす
る。

第２の発明である結晶成長装置は、溶融層法を用いてシ
リコン単結晶の製造を行うための結晶成長装置であっ
て、結晶用原料を充填したるつぼの側壁外周にのみヒー
タを設け、該ヒータの下方には少なくとも１つの熱遮蔽
体を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

第１の発明である結晶成長方法にあっては、るつぼの周
囲に設けられたヒータの下方に、保温筒による輻射熱を
遮蔽する熱遮蔽体が少なくとも１つ設けられ、該熱遮蔽
体により、るつぼの下側近傍に放射される前記輻射熱が
遮蔽され、前記るつぼの下側近傍への輻射熱量が減少す
る。

これによりるつぼの下側近傍に形成される固体層の比率
を溶融層に対して大きくさせ、固体層を浮上限界より厚
くすることができ、溶融層を効率よく引上げて結晶成長
させ、引上げ終了時のつるぼ内の原料量が減少される。

溶融層法ではるつぼ底部に固体層を存在させつつシリコ
ン単結晶を成長させるので、固体層を溶融させる如きる
つぼ底部を加熱するための、例えば補助ヒータ等が設置
されることはない。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。第１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がある。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
り有底筒状の内層保持容器1bを嵌合させて２重構造とし
てあるるつぼ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1b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、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。

前記ヒータ２の下方には３個のモリブデン製の熱遮蔽体
22,22,22がヒータ２と同軸状に配設されている。

前記るつぼ１内には、所定重量の固形単結晶用原料の上
層部をヒータ２にて溶融させることにより、上層の溶融
層６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方法及びその装置にあ
っては、所定重量の溶融層６及び固体層７を形成し、引
上げ棒４に取付けられた種結晶5aを溶融層６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、シリコン単結晶を５を成長させる。

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の温度制御により固体層７を溶融し、引上げを行
う。

この際、保温筒８からるつぼ１の固体層７が形成されて
いる部位，即ちるつぼ１の下側近傍へ放射される輻射熱
は、前記熱遮蔽体22,22,22により吸熱される。

熱遮蔽体22をｎ個設けた場合、保温筒８からるつぼ１の
固体層７が形成されている部位へ放射される輻射熱量q_n
は、ステファン−ボルツマンの法則により次式にて求め
られる。

但し、ε₁:熱遮蔽体22の放射率 ε₀:るつぼ１及び保温筒８の放射率 θ_n+1:保温筒８の絶対温度 θ₀:るつぼ１の絶対温度 σ：ステファン−ボルツマン定数 （18）式より、熱遮蔽体22を設けない場合（ｎ＝０）の
保温筒８からるつぼ１の固体層７が形成されている部位
へ放射される輻射熱量q₀と上記輻射熱量q_nとの熱流量比
q_n/q₀は、 但し、ε₁:0.1（Mo製熱遮蔽体12の放射率） ε_０＝0.9（黒鉛製るつぼ１及び保温筒８の放射率） である。

第２図は（19）式により算出される熱流量比q_n/q₀を熱
遮蔽体22の個数に対応させて示したグラフであり、縦軸
は熱流量比q_n/q₀,横軸は熱遮蔽体22の個数である。図か
ら明らかな如く、熱遮蔽体22を１個設けることにより熱
流量比q_n/q₀はｎ＝０の場合と比して94％減少する。ま
た熱遮蔽体22を２個設けた場合は更に約３％熱流量比q_n
/q₀を減少させることができ、３個設けた場合は更に約
１％減少できるという様に熱遮蔽体22の個数が増加する
のと反比例に熱流量比q_n/q₀は減少する。

〔実験例〕

本発明の結晶成長方法及びその装置において、熱遮蔽体
22,22,22として厚さ5mm,高さ300mm,内径が夫々300mm,40
0mm,500mmのモリブデン製の円筒３個を、ヒータ２の下
方にヒータ２と同心状に配設し、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、溶融層厚変化方による結晶引上
げを行った。

また比較として熱遮蔽体を用いない従来法及びその装置
にて同様の条件で結晶引上げを行った。

その結果、従来方法及びその装置にあっては結晶化率f_s
＝0.62であり、固体層７の溶融層６への浮遊が確認され
た。一方、本発明方法及びその装置にあってはf_s＝0.75
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、石英パイプにより固体層７の厚みを測定したとこ
ろ、従来方法及びその装置においては溶融層６と固体７
との界面が第５図の如く平面的に形成されず、固体層７
の中央部が盛り上がった形状であった。これは固体層７
にヒータ２からの輻射熱が放射されたため、るつぼ内の
側壁近傍に位置する固体層の端部が溶融した結果であ
る。固体層７の端部の溶融がそのまま進行すると、るつ
ぼの側壁近傍と固体層とが非接触状態となり、固体層７
の浮上限界を越えた時点で、固体層７が浮遊することと
なる。

一方、本発明方法及びその装置においては第４図の如く
溶融層６と固体層７との界面が平面的に形成され、固体
層７の外周がるつぼ１の内周面に沿って固着されてい
た。これにより本発明方法及びその装置の固体層７は従
来に比して均一な溶け出しが実現され、安定した形状に
保持されることがわかった。

これは、固体層７にヒーターからの輻射熱が熱遮蔽板に
よって遮られて放射されないために、るつぼ側部近傍の
固体層７の端部が従来の方法及び装置と比較して溶融し
にくくなることを示している。

なお、本実施例においては熱遮蔽体22の材質をモリブデ
ンとしたが、熱遮蔽体22の材質は耐熱性が良く、熱によ
り変形せず、またガスが発生しにくい物質であればどの
ようなものでもよく、例えばタングステン，タンタル等
でもよい。

更に熱遮蔽体22の配設個数及び寸法も本実施例及び実験
例のものに限るものではなく、例えば第３図に示す如き
第１図と同様の本発明方法及びその装置において、ヒー
タ２の下方に１個の熱遮蔽体22をヒータ２と同心状に設
けた場合でも第２図に示した如く熱流量比q_n/q₀は大幅
に減少する。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明の結晶成長方法にあっては、る
つぼの下部に固体層が、上部に溶融層が併存させた状態
で溶融液からシリコン単結晶を引き上げる溶融層法を用
いることで、偏析の極めて少ないシリコン単結晶が得ら
れ、またシリコン単結晶の引上げ過程で保温筒から放射
された熱により、るつぼの底部が加熱されるのを熱遮蔽
体にて遮蔽することで防止出来、るつぼ底部の固体層が
溶融され浮遊するという不都合が解消され、効率的な結
晶成長を行える。

また、本発明装置にあっては、溶融層法を利用すること
で偏析の少ないシリコン単結晶が得られることは勿論、
ヒータをるつぼの下部側壁外周にのみ設けることですむ
から設備コストが安価となる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶成長方法及び装置を示す模式的縦
断面図、第２図は本発明の結晶成長方法及びその装置の
輻射熱流量q_nと従来の結晶成長方法及びその装置の輻射
熱流量q₀との熱流量比q_n/q₀を示すグラフ、第３図は本
発明方法及びその装置の他の実施例を示す模式的縦断面
図、第４図は本発明の結晶成長方法及びその装置におけ
るるつぼ内の溶融層と固体層との界面を示す模式的縦断
面図、第５図は従来の結晶成長方法及びその装置におけ
る同模式的縦断面図、第６図は従来の結晶成長方法及び
その装置の模式的縦断面図、第７図は溶融層法による従
来の結晶成長方法及びその装置の模式的縦断面図、第８
図〜第11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12図は従来の結晶成長方
法及びその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、２……ヒータ、６……溶融層、７……固
体層、８……保温筒、22……熱遮蔽体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 昭61−205691（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−126597（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−233580（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融層法を用いてシリコン単結晶の製造を
   行う方法であって、チャンバ内に配した結晶用原料を充
   填したるつぼからシリコン単結晶をるつぼ上方の保温筒
   内に向けて引上げる過程で、保温筒からるつぼ下部に放
   射される熱をるつぼの下部壁外周に設置してある熱遮蔽
   体にて遮蔽することを特徴とする結晶成長方法。
2. 【請求項２】溶融層法を用いてシリコン単結晶の製造を
   行うための結晶成長装置であって、結晶用原料を充填し
   たるつぼの側壁外周にのみヒータを設け、該ヒータの下
   方には少なくとも１つの熱遮蔽体を設けたことを特徴と
   する結晶成長装置。