JPH04349128A - 結晶成長方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体材料とし
て用いられるシリコン単結晶等の結晶を成長させる方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にこの種の結晶の成長方法としては
チョクラルスキー法　（ＣＺ法）　が広く用いられてい
る。 図５は従来のＣＺ法に用いられる結晶成長装置を示す模
式的縦断面図であり、１１はチャンバ内に配設された坩
堝を示している。坩堝１１は有底円筒状をなす石英製の
内層保持容器１１ａとこの内層保持容器１１ａの外側に
嵌合された黒鉛製の外層保持容器１１ｂ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にはヒータ１２
により溶融させた原料の溶融液１３が充填されており、
この溶融液１３中に引上げ棒又はワイヤ等からなる引上
げ軸１４にて吊り下げた種結晶１５を浸し、これを回転
させつつ上方に引上げることにより、種結晶１５の下端
に溶融液１３を凝固させて単結晶１６を成長せしめるよ
うになっている。

【０００３】半導体単結晶をこの方法で成長させる場合
、単結晶１６の電気抵抗率、電気伝導型を調整するため
に、引上げ前に溶融液１３中に不純物元素を添加するこ
とが多い。ところが、添加した不純物は単結晶１６の結
晶成長方向に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、溶融液１３
と単結晶１６との成長界面における単結晶１６中の不純
物濃度ＣＳ　と溶融液１３中の不純物濃度ＣＬ　との比
ＣＳ　／ＣＬ　、即ち実効偏析係数Ｋｅ　が１でないこ
とに起因する。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１３中の不純物濃度が高くな
り、単結晶１６に偏析が生じる。

【０００４】このような偏析を抑制する方法として溶融
層法が知られている。図６は溶融層法に用いられる結晶
成長装置の模式的縦断面図である。溶融層法はヒータ１
２の制御によって坩堝１１の下部に結晶用原料の固体層
１８を、またその上方に結晶用原料の溶融液層１７を共
存させ、溶融液層１７中の不純物濃度を一定に保持した
状態で溶融液層１７に種結晶１５を浸し、これを引上げ
て単結晶１６を成長せしめる方法である。溶融液層１７
中の不純物濃度を一定に保持する方法として、溶融層厚
一定法及び溶融層厚変化法が提案されている。溶融層厚
一定法は、単結晶１６の引上げに伴い固定層１８を溶融
させて溶融液層１７の層厚を一定に保持し、不純物を連
続的に添加して溶融液層１７中の不純物濃度を一定に保
持する方法であり、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　号公報等に開示されている。 また、溶融層厚変化法は単結晶１６の成長に伴い坩堝１
１又はヒータ１２を昇降させ、溶融液層１７の層厚を変
化させることにより、単結晶１６の引上げ中に不純物を
添加することなく溶融液層１７中の不純物濃度を一定に
保持する方法であり、特開昭６１−２０５６９１　号、
特開昭６１−２０５６９２　号、特開昭６１−　２１５
２８５号公報等に開示されている。

【０００５】ＣＺ法により引上げられた単結晶１６中は
、上述の不純物元素の他に１０１７〜１０１８ａｔｏｍ
ｓ　・ｃｍ−３の酸素を含有している。単結晶１６中の
酸素はウエハの機械的強度の増加又は重金属の汚染物質
を吸着するためのゲッタリング源として不可欠であり、
石英製の内層保持容器１１ａの一部が溶融液１３に溶解
して酸素が溶出することにより供給される。図７は溶融
液１３の対流による酸素輸送状態を示した模式図である
。溶出した酸素は図７に示した如く、熱対流ａ、単結晶
１６の回転による強制対流ｂ、坩堝１１の回転による強
制対流ｃ及び表面張力差により働くマランゴニ対流ｄに
より溶融液１３全体に輸送される。このとき溶融液１３
中の酸素濃度の制御は、坩堝１１の回転及び単結晶１６
の回転による対流制御、磁場をかけることによる対流制
御（電子材料、１９８７年９月ｐ．１１１〜１１５）、
ヒータ１２の加熱制御による熱対流及び酸素溶出量制御
等により行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した如き溶融層法
においては、坩堝１１下部に固体層１８が存在するため
、ＣＺ法と比較して坩堝１１と溶融液層１７との接触面
積が少なく、引上げた単結晶１６中に取り込まれる酸素
濃度が低いという問題があった。従って、ＣＺ法により
成長させた単結晶１６と比較して機械的強度が弱くなり
、重金属等の汚染物質がウエハの素子活性領域から除去
されず、ウエハ上に形成された素子の特性を低下させる
一因となっていた。本発明は斯かる事情に鑑みてなされ
たものであり、坩堝内に結晶用原料を充填するときに粉
状又は塊状のＳｉＯ２　を混入して溶融層法により結晶
を成長させることにより、単結晶に取り込まれる酸素濃
度を高くして単結晶の品質を向上させることができる結
晶成長方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る結晶成長方
法は、周囲にヒータを設置した坩堝内に結晶用原料を充
填し、該結晶用原料の上部を溶融して溶融液層を形成し
、前記ヒータ又は前記坩堝の位置を調節して前記溶融液
層の層厚を制御しつつ、該溶融液層から結晶を引上げて
成長させる結晶成長方法において、前記坩堝内に結晶用
原料を充填するときに、粉状又は塊状のＳｉＯ２　を混
入させることを特徴とする。

【０００８】

【作用】通常、酸素は以下に示す（１）〜（３）のプロ
セスを経て溶融液層中から単結晶中に取り込まれる。 （１）溶融液と石英坩堝との界面における石英の溶解に
より酸素が溶出する（ＳｉＯ２　→Ｓｉ＋２Ｏ）。 （２）対流により酸素が溶融液層内で移動する。 （３）溶融液層と雰囲気との界面（溶融液層表面）にお
いて、酸素はＳｉＯとして蒸発する（Ｓｉ＋Ｏ→ＳｉＯ
↑）、又は溶融液層と単結晶との界面（成長界面）にお
いて単結晶中に取り込まれる（Ｏ（ｉｎ　Ｍｅｌｔ　）
→Ｏ（ｉｎＣｒｙｓｔａｌ））。本発明においては、溶
融層法にあって溶融液層における（１）のプロセスのみ
でなく、固体層からも酸素が供給されるので、溶融液層
中の酸素濃度が高くなる。従って、引上げた単結晶中の
酸素濃度が高くなる。

【０００９】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づき
具体的に説明する。図１は本発明に係る結晶成長装置の
模式的縦断面図であり、図中２１はチャンバである。チ
ャンバ２１は略円筒形状の真空容器であり、チャンバ２
１の略中央位置には坩堝１１が配設されている。坩堝１
１は有底円筒形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有底円筒形状の
黒鉛製の外層保持容器１１ｂとから構成されている。こ
の外層保持容器１１ｂの下面には坩堝１１を回転及び昇
降させる軸２２が着設されており、坩堝１１の外周には
、抵抗加熱式等のヒータ１２が昇降可能に配設されてい
る。さらにヒータ１２の外部には保温筒２３が周設され
ている。坩堝１１とヒータ１２との相対的な上下方向位
置調節により坩堝１１内に溶融液層１７及び固体層１８
を夫々の厚みを相対的に調節して形成し得るようになっ
ている。

【００１０】一方、坩堝１１の上方にはチャンバ２１の
上部に連設形成された小形の略円筒形状のプルチャンバ
２４を貫通して、引上げ軸１４が回転及び昇降可能に垂
設されており、引上げ軸１４の下端には種結晶１５が装
着されるようになっている。そしてこの種結晶１５の下
端を溶融液層１７に浸漬させた後、これを回転させつつ
上昇させることにより、種結晶１５の下端から単結晶１
６を成長せしめるようになっている。

【００１１】以上の如く構成された装置を使用して単結
晶を成長させる場合、まず坩堝１１内に固体原料として
塊状又は顆粒状の多結晶シリコンと粉状又は塊状のＳｉ
Ｏ２　とを、引上げる単結晶１６の体積から逆算して求
めた必要量だけ充填する。ＳｉＯ２　は粉状のものの方
が原料シリコン中に均一に混ざりやすく、単結晶１６の
軸方向の酸素分布が均一になるので望ましい。また、直
径略１０〜５０ｍｍの顆粒状のＳｉＯ２　を混入させる
と、顆粒が溶けずに単結晶１６の成長界面に浮上し、単
結晶１６の多結晶化が生じる頻度が増加するので顆粒状
のＳｉＯ２　は使用しない方がよい。直径５０ｍｍ以上
の塊状のＳｉＯ２　は使用可能である。塊状のＳｉＯ２
　として棒状のものを使用し、坩堝１１の軸に平行に立
てるようにして入れると、ＳｉＯ２　の溶け出し量が一
定になり、また、溶けていないＳｉＯ２　が単結晶１６
の成長界面に浮上して単結晶１６が多結晶化することが
防止される。図２は坩堝１１に多結晶シリコンと粉状の
ＳｉＯ２　を充填した場合を示した模式図、図３は坩堝
１１に多結晶シリコンと塊状のＳｉＯ２　を充填した場
合を示した模式図である。

【００１２】多結晶シリコンとＳｉＯ２　とを充填した
後、これらを上側からヒータ１２により溶融させて溶融
液層１７を形成し、溶融液層１７と固体層１８とを共存
させた状態にする。ヒータ１２及び坩堝１１の位置制御
により溶融液層１７の層厚を所定の層厚にし、不純物と
してリンを投入し、リンを拡散させる。そして、溶融液
層１７に種結晶１５の下端を浸漬し、引上げ軸１４を回
転させつつ引上げ、その下端に単結晶１６を成長させる
。 このとき溶融液層１７と坩堝１１との界面における石英
の溶解（ＳｉＯ２　→Ｓｉ＋２Ｏ）と共に、固体層１８
より酸素が供給されるため、溶融液層１７中の酸素濃度
が高められ、ゲッタリング源として必要な酸素濃度を有
する単結晶１６を成長させることができる。

【００１３】以下に具体的な数値を挙げて説明する。上
述した装置を使用し、坩堝１１に略６０ｋｇの塊状又は
顆粒状の多結晶シリコンと略１０ｋｇの粉状又は塊状の
ＳｉＯ２　とを充填して、直径６ｃｍ、長さ略５０ｃｍ
のシリコン単結晶１６を引上げ、結晶長２０ｃｍの位置
における中心部の酸素濃度を測定した。このとき従来の
方法により成長させた単結晶中の酸素濃度も同様にして
測定した。その結果、従来の方法により成長させた単結
晶中の酸素濃度は略１０１５〜１０１６ａｔｏｍｓ　・
ｃｍ−３であったのに対し、本発明方法により成長させ
た単結晶中の酸素濃度は略１０１７〜１０１９ａｔｏｍ
ｓ　・ｃｍ−３であった。従って本発明方法が単結晶中
の酸素濃度を向上させる上で有効であることが判った。

【００１４】図４は原料シリコンに混入させる粉状Ｓｉ
Ｏ２　の量と単結晶中の酸素濃度との関係を示したグラ
フである。ＳｉＯ２　は量を２．５　ｋｇ、５ｋｇ、７
．５　ｋｇ、１０ｋｇと変えて添加し、夫々結晶長２０
ｃｍの位置における中心部の酸素濃度を測定した。その
結果、ＳｉＯ２　の混ぜ方に依存性があるため分布にバ
ラツキがあるが、ＳｉＯ２　の添加量により単結晶中の
酸素濃度を制御できることが判った。

【００１５】

【発明の効果】以上の如く本発明においては坩堝内に結
晶用原料を充填するときに粉状のＳｉＯ２　を均一に混
入させるか又は直径５０ｍｍ以上の塊状のＳｉＯ２　を
坩堝の軸に平行に立てるようにして混入させ、溶融層法
により結晶を成長させるので、溶融液層の酸素濃度を高
めて単結晶に取り込まれる酸素濃度を一様に高くし、単
結晶の品質を向上させることができる。そして高品質な
素子を歩留よく製造することが可能になる。また、添加
するＳｉＯ２　の量を変えることにより、単結晶中の酸
素濃度を制御することができる等、本発明は優れた効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長装置の模式的縦断面図で
ある。

【図２】坩堝に多結晶シリコンと粉状のＳｉＯ２　を充
填した場合を示した模式図である。

【図３】坩堝に多結晶シリコンと塊状のＳｉＯ２　を充
填した場合を示した模式図である。

【図４】原料シリコンに混入させる粉状ＳｉＯ２　の量
と単結晶中の酸素濃度との関係を示したグラフである。

【図５】従来のＣＺ法に用いられる結晶成長装置を示す
模式的縦断面図である。

【図６】溶融層法に用いられる結晶成長装置の模式的縦
断面図である。

【図７】溶融液の対流による酸素輸送状態を示した模式
図である。

【符号の説明】

１１　　坩堝 １２　　ヒータ １４　　引上げ軸 １５　　種結晶 １６　　単結晶 １７　　溶融液層 １８　　固体層 ２１　　チャンバ ２３　　保温筒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　周囲にヒータを設置した坩堝内に結晶
   用原料を充填し、該結晶用原料の上部を溶融して溶融液
   層を形成し、前記ヒータ又は前記坩堝の位置を調節して
   前記溶融液層の層厚を制御しつつ、該溶融液層から結晶
   を引上げて成長させる結晶成長方法において、前記坩堝
   内に結晶用原料を充填するときに、粉状又は塊状のＳｉ
   Ｏ２　を混入させることを特徴とする結晶成長方法。