JP2827833B2

JP2827833B2 - 単結晶育成法

Info

Publication number: JP2827833B2
Application number: JP5211268A
Authority: JP
Inventors: 京雨李; 浩一柿本; 孟俊日比谷
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH0761893A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法を
用いてＳｉ化合物半導体の単結晶を育成する方法に関す
るものである。さらには、磁場印加下において育成する
方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】超々高集積回路に用いるＳｉ単結晶にお
いて、シリコン結晶中の酸素を酸化物として析出させ、
その表面近傍に素子の歩留りを低下させる重金属不純物
をゲッタさせる技術が利用されている。このためには、
素子の歩留り向上のために結晶中に酸素を均一に分散さ
せることが重要である。

【０００３】従来は、シリコン結晶中の酸素濃度の制御
のために、結晶育成時に一定の強度の磁場を、結晶の育
成方向と平行に（垂直磁場）あるいは結晶の育成方向と
垂直に（水平磁場）印加し、対流を抑制して結晶を育成
することが行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のように
２００ｍＴ（ミリテスラ）程度の大きな磁場を印加する
場合、例えば垂直磁場印加の場合には、融液中の上下方
向にセル構造を伴う対流が発生し、（ジャーナルオブ
クリスタルグロウス（Ｊ．ｏｆＣｒｙｓｔａｌ
Ｇｒｏｗｔｈ）ｖｏｌ．７０、１９８４、ｐ３３０−３
３４）育成した結晶中の酸素濃度の分布が不均一となる
欠点がある。

【０００５】また、ＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶を
ＬＥＣ法やＨＢ（水平ブリッジマン）法、三温度法で成
長する際、インジウム（Ｉｎ）等の不純物を添加して転
位密度を低減することが行われている（特開昭５２−６
３０６５号公報）。これはＩｎ原子とＡｓ原子の結合エ
ネルギが、Ｇａ原子とＡｓ原子の結合エネルギより大き
いことを利用したものである。ＩｎＰの場合は、Ｇａ、
Ａｓ、Ａｌ、Ｓ等、ＧａＡｓはＩｎの他にはＳ、Ｐ、
Ｂ、Ａｌ、Ｏ、ＧａｐではＮ、Ａｌ等である。

【０００６】このような不純物を添加する際その濃度が
ふらつくと、転位密度もふらつくので、均一な転位密度
の化合物半導体基板を作製できなくなってしまう。

【０００７】本発明の目的は、結晶中の酸素等の不純物
の濃度が育成方向および半径方向で均一となる単結晶育
成法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による磁場印加単結晶育成方法において
は、磁場印加の方向が結晶の育成方向および使用するル
ツボの大きさつまり直径や高さに拘わらず、マグネット
数が０．７から３．０までの範囲で結晶を育成すること
にある。

【０００９】

【作用】本発明者らは、Ｘ線透視法によるシリコン融液
対流の可視化観察実験、および３次元時間依存シミュレ
ーションを行い、磁場印加下で結晶を育成するときのシ
リコン融液の対流のモードは、ジャーナルオブエレ
クトロケミカルソサイエティ（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃ
ｈｅｍ．Ｓｏｃ．ｖｏｌ．１２９２（１９８２）４
２７のＫ．Ｍ．Ｋｉｍらの論文に記載されている）磁場
の強さ自身、あるいはリキッドメタルハイドロダイナミ
ックス（１９８９）（ＬｉｑｕｉｄＭｅｔａｌＨｙ
ｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｐ．１２７〜１３３；ｋｌｕ
ｗｅｒＡｃａｄｅｍｉｃＰｕｂｌｉｓｈｅｒにおい
てボジャレビクス（Ａ．Ｂｏｊａｒｅｖｉｃｓ）らにハ
ルトマン数というような無次元数ではなく、以下に示す
マグネット数Ｍと呼ばれる無次元数を用いて整理する
と、磁場による対流の抑制効果をルツボの高さによらす
整理できることを明らかにした。

【００１０】Ｍ＝（ｈσＢ₀）／（ρＶ₀）ここで、ｈは融液の高さ、σは融液の電気伝導度、Ｂ₀
は印加される磁場における磁束密度、ρは融液の密度、
Ｖ₀は磁場を印加していない時の対流の速度である。マ
グネット数Ｍが大きいほど、磁場による対流抑制効果は
大きくなる。

【００１１】この結果、結晶を育成する際に印加する磁
場の大きさをマグネット数によって制御し、マグネット
数が０．７から３．０の範囲で結晶を育成すると、結晶
融液内の対流は完全には抑制されず、ルツボの回転軸に
関して対称となるような流れに制御できることが明らか
となった。すなわち、ルツボ内の物質輸送は、磁場の対
流抑制効果による拡散支配となることもなく、また、渦
の発生も伴うこともない、「制御された対流」となるこ
とが明らかとなった。そして、この結果、結晶の成長方
向およびその垂直方向に均一に酸素が取り込まれる。こ
の方法により、シリコン結晶中が結晶の成長方向および
半径方向で均一となるＳｉ単結晶を得ることができる。

【００１２】このような対流支配の軸対流においては、
融液内の酸素濃度は拡散支配の時よりも均一となり、か
つ流速を磁場強度により制御することにより融液表面か
ら蒸散する酸素量を制御することにより、この結果、結
晶中に１０^{1 6}ｃｍ^{- 3}から１０^{1 8}ｃｍ^{- 8}までの任
意の範囲において、酸素の濃度を結晶中において均一に
分布させることが可能となる。

【００１３】また半導体は融液になると電気伝導度や粘
性がどの材料でも近い値になるので、マグネット数がＳ
ｉで０．７〜３．０という範囲であれば、Ｇｅや化合物
半導体でもその範囲であろうと推測できる。

【００１４】なおマグネット数は０．７〜３．０の範囲
であれば、一回の成長の中で変動してもよい。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の内容を実施例によって説明す
る。図１は本発明で用いる結晶育成装置である。すなわ
ち、Ｓｉ融液を保持する石英るつぼ１、Ｓｉ融液２、Ｓ
ｉ単結晶３、ヒータ４、磁石５から構成されている。

【００１６】

【表１】

【００１７】（実施例１）表１に示すように、直径が４
０ｃｍのルツボに保持され、高さが１５ｃｍのシリコン
融液とする配置において、ルツボを８ｒｐｍ、また、結
晶をルツボと反対方向に２０ｒｐｍで回転したときのシ
リコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着したＸ線
透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動きから
１．５ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結晶の
引上げ軸と平行に２２．２ｍＴの磁場を印加しながら結
晶を育成した。引上げ操業開始時のマグネット数Ｍは、
融液高さｈ＝１５ｃｍ、シリコン融液の電気伝導度σ＝
１．３×１０⁶Ω^{- 1}ｍ^{- 1}、印加磁束密度Ｂ＝２２．
２ｍＴ、シリコン融液の比重ρ＝２．５６×１０³ｋｇ
／ｍ³より２．５であった。このシリコン単結晶の酸素
濃度は、１．３×１０^{1 7}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結
晶の引上げ方向での酸素濃度の変動は０．５％以内であ
り、半径方向での変動は０．４％以内であった。なお酸
素濃度は成長終了後単結晶をスライスし、赤外分光光度
計で測定した。

【００１８】結晶育成が進行し融液の高さｈが減少して
も、系のマグネット数は常に２．５と一定となるように
磁場強度を変化させた。例えば、融液の高さが７．５ｃ
ｍになった時には、シリコン融液の平均流速は１．０ｃ
ｍ／ｓｅｃであったので印加磁束密度を２５．７ｍＴと
した。この状態で育成されたシリコン結晶中の酸素濃度
は１．２×１０^{1 7}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、結晶の
引上げ軸方向での酸素濃度の変動は０．５％以内であ
り、径方向の変動は０．４％以内であった。

【００１９】さらに結晶育成の操業が進行し融液の高さ
が減少するのに伴い、マグネット数を２．５と一定に保
つために磁場強度を減少させた。例えば、融液の高さが
３．０ｃｍまで減少した段階では融液の平均速度は０．
７ｃｍ／ｓｅｃとなっていたので、この時は３３．９ｍ
Ｔの磁束密度となるように磁場を印加した。この結果、
この状態で育成された結晶の部分では酸素の含有量は
１．２×１０^{1 7}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、その結晶
引上げ方向の変動は、０．６％、また径方向での変動は
０．５％であった。

【００２０】（実施例２）表１に示すように、直径が４
０ｃｍのルツボに保持され、高さが１０ｃｍのシリコン
融液とする配置において、ルツボを６ｒｐｍ、また結晶
をルツボと同方向に１６ｒｐｍで、回転したときのシリ
コン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着したＸ線透
視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動きから
１．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結晶の
引上げ軸と平行に２２．２ｍＴの磁場を印加しながら結
晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、２．５であ
った。シリコン単結晶の酸素濃度含有量は、０．７×１
０^{1 8}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引上げ方向での
酸素濃度の変動は０．６％以内であり、半径方向での変
動も０．８％以内であった。

【００２１】（実施例３）表１に示すように、直径が３
６ｃｍのルツボに保持され、高さが１３ｃｍのシリコン
融液とする配置において、ルツボを１０ｒｐｍ、また結
晶をルツボと同方向に２５ｒｐｍで、回転したときのシ
リコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着したＸ線
透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動きから
１．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結晶の
引上げ軸と垂直方向に３２．８ｍＴの磁場を印加しなが
ら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、０．７
であった。シリコン単結晶の酸素濃度含有量は、１．０
×１０^{1 8}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引上げ方向
での酸素濃度の変動は０．７％以内であり、半径方向で
の変動も０．７％以内であった。

【００２２】（実施例４）表１に示すように、直径が１
５ｃｍのルツボに保持され、高さが５．０ｃｍのシリコ
ン融液とする配置において、ルツボを１ｒｐｍ、また結
晶をルツボの回転とは反対方向に４ｒｐｍで回転したと
きのシリコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着し
たＸ線透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動
きから１．３ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、
結晶の引上げ軸と平行に３９．４ｍＴの磁場を印加しな
がら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは３．０
であった。このシリコン単結晶の酸素濃度含有量は、
１．０×１０^{1 8}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引上
げ方向での酸素濃度の変動は０．７％以内であり、半径
方向での変動は０．９％以内であった。

【００２３】（実施例５）表１に示すように、直径が
７．５ｃｍのルツボに保持され、高さが３．０ｃｍのシ
リコン融液とする配置において、ルツボを２ｒｐｍ、ま
た結晶をルツボと反対方向に３ｒｐｍで、回転したとき
のシリコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着した
Ｘ線透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動き
から０．８ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結
晶の引上げ軸と平行に３６．４ｍＴの磁場を印加しなが
ら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは２．５で
あった。このシリコン単結晶の酸素濃度含有量は、１．
０×１０^{1 7}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引上げ方
向での酸素濃度の変動は１．０％以内であり、半径方向
での変動も１．０％以内であった。

【００２４】（実施例６）表１に示すように、直径が３
０ｃｍのルツボに保持され、高さが１０．０ｃｍのシリ
コン融液とする配置において、ルツボを６ｒｐｍ、また
結晶をルツボと反対方向に１６ｒｐｍで、回転したとき
のシリコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着した
Ｘ線透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動き
から１．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結
晶の引上げ軸と垂直に１５．７ｍＴの磁場を印加しなが
ら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、１．２
５であった。このシリコン単結晶の酸素濃度含有量は、
１．０×１０^{1 7}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引上
げ方向での酸素濃度の変動は１．０％以内であり、半径
方向での変動も１．０％以内であった。

【００２５】（実施例７）直径が２０ｃｍの坩堝の保持
され、高さ１ｃｍの酸化ほう素の下部に設置された高さ
５ｃｍのＧａＡｓ融液とする配置において、坩堝を３ｒ
ｐｍ、また結晶を坩堝と反対方向に６ｒｐｍで回転した
時のＧａＡｓ融液の平均流速は、結晶引き上げ炉に装着
したＸ線透視装置によるタングステントレーサ粒子の動
きから１．３ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、
結晶の引き上げ軸と平行に１２．６ｍＴの磁場を印加し
て育成した。この時のマグネット数Ｍは１．２３であっ
た。このＧａＡｓ単結晶中の不純物であるインジウム量
は１．０×１０^{1 9}ａｔｏｍ／ｃｍ³であり、結晶の引
き上げ方向でのインジウム量の変動は１．０％以内であ
り、半径方向の変動も１．０％以内であった。

【００２６】この実施例はＩＩＩ−Ｖ族半導体のＧａＡ
ｓであるが、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂでもよいし混
晶であるＡｌＧａＡｓでもよいし、ＩＩ−ＶＩ族半導体
のＨｇＣｄＴｅ、２ｕＴｅ、ＣｄＴｅ等でもよい。転位
低減のための不純物は前述のようにＩｎＰはＧａ、Ａ
ｓ、Ａｌ、Ｓ等、ＧａＡｓはＩｎの他にＳ、Ｐ、Ｂ、Ａ
ｌ、Ｏ、ＧａＰではＮ、Ａｌ等である。他の半導体につ
いても結合エネルギが半導体を構成する原子同士の結合
エネルギより大きいものを使えばよい。またこの種類以
上の不純物をドープしてもよい。

【００２７】

【表２】

【００２８】（比較例１）表２に示すように、直径が４
０ｍのルツボに保持され、高さが１５．０ｃｍのシリコ
ン融液とする配置において、ルツボを６ｒｐｍ、また結
晶をルツボと同方向に１６ｒｐｍで、回転したときのシ
リコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着したＸ線
透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動きから
１．５ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結晶の
引上げ軸と垂直に２４．８ｍＴの磁場を印加しながら結
晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、３．１であ
った。このシリコン単結晶の酸素濃度含有量は、１．３
×１０^{1 7}ａｔｏｍ／ｃｍ³であった。しかし、結晶育
成の途中でシリコン融液中に渦構造が発生したため、結
晶の引上げ方向での酸素濃度の変動は、１．２％、ま
た、半径方向での変動も１．１％となった。この結果、
酸素含有量の変動を１％以内とする目的を満足できなか
った。

【００２９】（比較例２）表２に示すように、直径が３
６ｃｍのルツボに保持され、高さが１３．００ｃｍのシ
リコン融液とする配置において、ルツボを８ｒｐｍ、ま
た結晶をルツボと反対方向に２０ｒｐｍで、回転したと
きのシリコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着し
たＸ線透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動
きから１．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、
結晶の引上げ軸と垂直に９．５７ｍＴの磁場を印加しな
がら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、０．
６であった。このシリコン単結晶の酸素濃度は、７．０
×１０^{1 7}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であったが、融液中の流
れが非対称な構造を示すことを磁場が充分に抑制できな
かったため、結晶の引上げ方向での酸素濃度の変動は
１．０％であったが、半径方向での変動は１．２％にも
及び、酸素含有量の変動を１％以内とする目的を満足で
きなかった。

【００３０】（比較例３）表２に示すように、半径が４
０ｃｍのルツボに保持され、高さが１２．０のシリコン
融液とする配置において、ルツボを５ｒｐｍ、また結晶
をルツボと同方向に２２ｒｐｍで、回転したときのシリ
コン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着したＸ線透
視装置によるタングステン・トレーサ粒子の動きから
２．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態で、結晶の
引上げ軸と垂直に１５８ｍＴの磁場を印加しながら結晶
を育成した。この時のマグネット数Ｍは、７．５でっ
た。このシリコン単結晶の酸素濃度は、４．０×１０
^{1 7}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。しかし、融液中に強
い磁場の大きさを反映した渦構造が発生したため、結晶
の引上げ方向での酸素濃度の変動は２．３％にも及び、
また半径方向での変動は１．７％にも及んだ。この結
果、酸素含有量の変動を１％以内とする目的を満足でき
なかった。

【００３１】（比較例４）表２に示すように、直径が
７．５ｃｍのルツボに保持され、高さが３．０ｃｍのシ
リコン融液とする配置において、ルツボを１２ｒｐｍ、
また結晶をルツボと反対方向に２０ｒｐｍで、回転した
ときのシリコン融液の平均流速は、結晶引上げ炉に装着
したＸ線透視装置によるタングステン・トレーサ粒子の
動きから１．０ｃｍ／ｓｅｃと測定された。この状態
で、結晶の引上げ軸と垂直に１９９ｍＴの磁場を印加し
ながら結晶を育成した。この時のマグネット数Ｍは、
６．０であった。このシリコン単結晶の酸素濃度は、
６．０×１０^{1 8}ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。しか
し、融液中に強い磁場の大きさを反映した渦構造が発生
したため、結晶の引上げ方向での酸素濃度の変動は３．
５％にも及び、また半径方向での変動は１．５％にも及
んだ。この結果、酸素の変動を１％以内とする目的を満
足できなかった。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、結晶中に
１．０×１０^{1 8}ａｔｏｍｓｃｍ^-3から２．０×１
０^{1 8}ａｔｏｍｓｃｍ^{- 3}までの任意の範囲の酸素
を、結晶の引上げ方向および径方向のいずれにも１％以
内で均一に分布させることが可能となり、シリコン結晶
育成の歩留りを大幅に向上できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる結晶育成装置の概念的断面図で
ある。

【符号の説明】

１石英るつぼ２Ｓｉ融液３Ｓｉ単結晶４ヒータ５滋石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−282185（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−36392（ＪＰ，Ａ) 特公昭58−50951（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C30B 15/00 C30B 15/20 - 15/28 C30B 28/00 - 35/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場印加チョクラルスキー法による単結
晶育成法において、無次元数マグネット数が０．７から
３．０までの範囲で結晶育成を行うことを特徴とする単
結晶育成法。