JPH0524969A

JPH0524969A - 結晶成長装置

Info

Publication number: JPH0524969A
Application number: JP1811691A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kubo; 高行久保; Shunji Miyahara; 俊二宮原; Toshiyuki Fujiwara; 俊幸藤原; Hideki Fujiwara; 秀樹藤原; Shuichi Inami; 修一稲見
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】るつぼ２１の内層容器２１ａの表面に凹凸２５を形成す
ることにより、内層容器２１ａの内表面と溶融層１７の
溶融液との接触面積を大きくする。これによって引き上
げた単結晶１６に取り込まれる酸素濃度を向上させるこ
とができ、また内層容器２１ａの内表面の凹凸２５の形
成具合を制御することによって、引き上げた単結晶１６
に取り込まれる酸素濃度を制御することができる。さら
に内層容器２１ａ内表面に形成された凹凸２５によっ
て、溶融層１７下部の固体層１８が係止され、単結晶１
６引き上げ中における固体層１８の浮上を防止すること
ができるため、品質がより向上した単結晶１６を製造す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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結晶成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶を成長させるには種々の方法があ
るが、その中にチョクラルスキー法（ＣＺ法）等の回転
引き上げ法がある。図４は従来の回転引き上げ法に用い
られる結晶成長装置の模式的断面図であり、図中１１は
るつぼを示している。るつぼ１１は、図６に示したよう
な有底円筒状の石英製の内層容器１１ａと、この内層容
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１１ｂとから構成されており、るつぼ１
１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。るつぼ１１内にはこのヒータ１２により
溶融させた結晶用原料、つまり原料の溶融液１３が充填
されており、るつぼ１１の中心軸上には、例えば図中矢
印方向に所定速度で回動する引き上げ棒、ワイヤー等か
らなる引き上げ軸１４が配設されている。また、るつぼ
１１は引き上げ軸１４と同一軸心で所定速度で回転する
るつぼ支持軸１９により支持されている。そして、引き
上げ軸１４の先に取り付けられた種結晶１５を溶融液１
３の表面に接触させ、引き上げ軸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が凝固して形成される単結晶１６を成長させて
いる。

【０００３】ところで、半導体単結晶をこの回転引き上
げ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。

【０００４】この偏析は、単結晶１６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１６中の不純物濃度Ｃ_S と溶融液１３中の不純物濃
度Ｃ_L との比Ｃ_S/Ｃ_L 、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の場合で
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。

【０００５】上記不純物の偏析を抑制しながら回転引き
上げ法により単結晶１６を成長させる方法として、溶融
層法がある。図５は溶融層法に用いられる従来の結晶成
長装置の模式的断面図であり、図４に示したものと同様
に構成されたるつぼ１１内の原料の上部をヒータ１２に
て溶融させることにより、上層に溶融層１７を、また下
層に固体層１８を形成している。そして、引き上げ軸１
４の引き上げに伴って、固体層１８をヒータ１２にて溶
融させることにより、るつぼ１１内の溶融層１７量を一
定に維持させる（溶融層厚一定法）。この方法は特公昭
３４−８２４２号、特公昭６２−８８０号及び実開昭６
０−３２４７４号公報に開示されており、実効偏析係数
Ｋe の値に拘らず、単結晶１６の成長に伴って新たに不
純物濃度の低い固体層１８を溶解することにより、溶融
層１７中の不純物濃度Ｃ_L を低減させている。

【０００６】また、意図的に溶融層１７の液量を変化さ
せることにより、引き上げ中に不純物を添加することな
く溶融層１７中の不純物濃度Ｃ_L を一定に保つ方法（溶
融層厚変化法）が特開昭６１−２５０６９１号、特開昭
６１−２５０６９２号及び特開昭６１−２１５２８５号
公報に開示されている。

【０００７】ところで、上記した溶融層法における偏析
軽減の原理は、最初にるつぼ１１内に充填される結晶用
原料の重量（初期充填量）を１とし、原料上面から計っ
た重量比ｘの位置における不純物濃度をＣ_P(x)と表わす
ことにより、図７〜図１０に示すような一次元モデルで
説明することができる。この際、初期充填量１に対する
結晶引き上げ率をｆ_s 、溶融液の重量比をｆ_L、下部固
体率をｆ_p 、ｆ₀ ＝ｆ_s ＋ｆ_L とおくと次式（数１）の
ごとく定義される。

【０００８】

【数１】

【０００９】なお、ＣＺ法等の回転引き上げ方法では原
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１１上面側とす
る。

【００１０】図７は結晶用原料をるつぼ１１内に充填し
た直後の状態を示し、ｆ_p ＝１である。図８は図７の結
晶用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している。ここ
でＣ₀ は初期溶融液中の不純物濃度であり、ｆ₀ ＝ｆ_L
である。図９は結晶引き上げ中の変化を示している。溶
融された結晶用原料上面からｆ_s だけ結晶を引き上げる
と、下部固体層の結晶用原料は溶融されてｆ_L になる。
ここで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。そして、ｆ_s からさらにΔ
ｆ_s だけ結晶を引き上げる間に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 ＋Δ
Ｃ_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、変化前のＣ_L 、Ｃ_P 及び
変化後のＣ_S 、Ｃ_L ＋ΔＣ_L 、すなわち図中Ａで示す領
域の不純物量は一定である。これにより次式（数２）が
成立する。

【００１１】

【数２】

【００１２】但し、

【００１３】

【数３】

【００１４】であるので、これを（数２）式に適用し、
（数２）式中の２次の微小項を省略すると、次の（数
４）式が得られる。

【００１５】

【数４】

【００１６】（数４）式より、例えば理想的な場合とし
てＣ_P ＝０とし、結晶中の不純物濃度Ｃ_S を以下のごと
く算出すると、その偏析が求められる。すなわち、通常
のＣＺ法の場合はｆ_p ＝０、Δｆ_L ＋Δｆ_s ＝０、Ｃ_a
＝０より

【００１７】

【数５】

【００１８】これを（数３）式に代入すると、

【００１９】

【数６】

【００２０】となる。

【００２１】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、（数４）式により、

【００２２】

【数７】

【００２３】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であることから、

【００２４】

【数８】

【００２５】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、無偏析条件が実現される。また、溶
融層圧変化法に適用した場合は、不純物の連続添加を行
なわないのでＣ_a ＝０であり、（数７）式より

【００２６】

【数９】

【００２７】が満足されるように結晶引き上げに伴って
溶融層厚を変化させることにより、無偏析条件が実現さ
れる。

【００２８】図１０は引き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、溶融層１７下の固体層１
８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、（数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溶融率をｆ_L0とすると、（数９）
式より

【００２９】

【数１０】

【００３０】となる。

【００３１】これら溶融層法においては、溶融層の厚み
の制御はヒータ１２の発熱長、るつぼ１１の深さ及びヒ
ータ１２の外側に周設され、るつぼ１１下部の熱移動を
促進する保温筒（図示せず）の形状及び材質を予め適切
に選択することにより行なわれる。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の溶融層
法においては、上記したようにるつぼ１１下部に固体層
１８が存在するため、ＣＺ法に比べてつるぼ１１と溶融
層１７との接触面積が少なく、引き上げた単結晶１６に
取り込まれる酸素濃度が低いという課題があった。また
単結晶１６の酸素濃度の制御も非常に困難であった。単
結晶１６に取り込まれる酸素濃度の制御は、単結晶１６
の機械的強度を向上させ、またウェハの素子活性領域か
ら重金属等の汚染物質を除去する上で非常に重要である
ことが知られており、従って溶融層法における単結晶１
６の酸素濃度の制御は大きな課題となっていた。

【００３３】さらに従来の溶融層法においては、溶融層
１７下部に溶融液より比重の小さい固体層１８が存在す
るため、結晶引き上げ中に固体層１８が浮上することが
あった。固体層１８が浮上すると、溶融層１７の液面レ
ベルが変動したり、溶融液面が振動したりして成長させ
ている単結晶１６の欠陥を招く虞れがある。

【００３４】本発明は上記した課題に鑑みてなされたも
のであり、単結晶に取り込まれる酸素濃度が高くなるよ
うに酸素濃度を制御することができ、単結晶引き上げ中
における固体層の浮上を防止することができる結晶成長
装置を提供することを目的としている。

【００３５】

【課題を解決する為の手段】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、結晶用原料が充填さ
れるるつぼを備え、該るつぼ内の結晶用原料を溶融させ
るヒータが前記るつぼの周囲に配設されると共に、該る
つぼ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、前記るつぼの内表面に凹凸が形成されているこ
とを特徴としている。

【００３６】

【作用】一般に、引き上げ単結晶中に取り込まれる酸素
濃度は、るつぼの回転数、溶融層厚等により制御される
が、前述したように溶融層法においては溶融液の下部に
固体層が存在しているため、酸素供給源であるるつぼ内
表面と溶融液との接触面積が通常のＣＺ法に比べて小さ
くなり、従って引き上げ単結晶中の酸素濃度も低くな
る。本発明者らは種々検討した結果、溶融層厚と引き上
げ単結晶中の酸素濃度との間には強い相関関係があり、
るつぼ内表面と溶融液との接触面積を大きくすると、単
結晶中の酸素濃度が上昇することを見出した。この接触
面積を大きくするためには、固体層厚を減らし、溶融層
厚を増やす方法が考えられるが、溶融層及び固体層厚を
変えると引き上げ単結晶の軸方向電気抵抗率分布に影響
を与えるため、この方法は望ましくない。

【００３７】本発明に係る結晶成長装置によれば、るつ
ぼの内表面に凹凸が形成されているので、同じ溶融層厚
でもるつぼ内表面と溶融液との接触面積が大きくなる。
従って引き上げた単結晶に取り込まれる酸素濃度が増大
し、また前記るつぼの内表面の凹凸の形成具合を制御す
ることによって、引き上げた単結晶に取り込まれる酸素
濃度が制御されることとなる。さらに前記るつぼの内表
面に形成された凹凸によって、溶融層下部の固体層が係
止され、単結晶引き上げ中における固体層の浮上が防止
されることとなる。

【００３８】

【実施例及び比較例】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
一機能のものについては同一の符合を付すこととする。

【００３９】図１は本発明に係る結晶成長装置の一実施
例を示した模式的断面図であり、図中２４はチャンバを
示している。チャンバ２４は軸長方向を垂直とした略円
筒状の真空容器２４ａにより形成されており、チャンバ
２４は図示しない水冷機構により水冷されている。チャ
ンバ２４の略中央位置にはるつぼ２１が配設されてお
り、るつぼ２１は、図２に示したような内表面に凹凸２
５が形成された有底円筒形状の石英製の内層容器２１ａ
と、この内層容器２１ａ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１１ｂとから構成され
ている。本実施例では例えば直径が１６インチ、高さが
１４インチの内層容器２１ａを用いることができ、この
場合の内層容器２１ａの内表面積は、同じ大きさを有す
る図６に示した従来形状の内層容器１１ａの約２倍、す
なわち約１４０００cm² となる。このるつぼ２１の外層
保持容器１１ｂの底部には、るつぼ２１を回動並びに昇
降させるるつぼ支持軸１９が設けられており、るつぼ２
１の外周には、抵抗加熱式ヒータ等で構成され、かつ短
い発熱長、例えば９０mm程度の発熱長を有するヒータ１
２が配設されている。そして例えば溶融層法において
は、このヒータ１２とるつぼ２１との相対的な上下方向
への位置調節によって、るつぼ２１内の溶融層１７、固
体層１８のそれぞれの厚さが調節されるようになってい
る。またヒータ１２の外側には、保温筒２２が周設され
ている。

【００４０】一方、るつぼ２１の上方には、チャンバ２
４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２３を通して引き上げ軸１４が回動並びに昇降可能
に吊設されており、引き上げ軸１４の下端には、種結晶
１５が装着されている。そして、種結晶１５の下端を溶
融層１７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１５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。

【００４１】上記したようにこの結晶成長装置において
は、るつぼ２１の内層容器２１ａの内表面に凹凸２５が
形成されているので、内層容器２１ａの内表面と溶融液
との接触面積を大きくすることができ、これに伴って引
き上げた単結晶１６に取り込まれる酸素濃度を高くする
ことができる。また内層容器２１ａの内表面の凹凸２５
の形成具合を制御することによって、引き上げた単結晶
１６に取り込まれる酸素濃度を制御することができる。
さらに固体層１８は溶融層１７より比重が小さいが、内
層容器２１ａの内表面に形成された凹凸２５によってし
っかりと係止されるため、単結晶１６引き上げ中におけ
る固体層１８の浮上を防止することができる。従って、
この結晶装置によれば品質がより向上した単結晶１６を
製造することが可能となる。

【００４２】以下に、より具体的な例として上記結晶成
長装置を用い、溶融層法によりシリコンの単結晶１６を
成長させた場合を説明する。まず、るつぼ２１内に結晶
用原料としてシリコンの多結晶６５kgを充填し、チャン
バ２４内を１０TorrのＡr 雰囲気にした後、ヒータ１２
のパワーを１００kw程度にして全ての結晶用原料を溶融
する。次にヒータ１２のパワーを７０kw程度にし、溶融
液下部に固体層１８を成長させ、安定させる。その後、
種結晶１５の下端を溶融層１７に浸漬し、るつぼ２１及
び引き上げ軸１４を、るつぼ２１の回転／引き上げ軸１
４の回転＝１rpm ／１０rpm の比で同方向に回転させつ
つ単結晶１６を引き上げる。

【００４３】図３は本実施例に係る結晶成長装置及び従
来の結晶成長装置をそれぞれ用い、上記操作により単結
晶１６を引き上げたときの単結晶化率と酸素濃度との関
係を示したグラフであり、図中実線は本実施例に係る結
晶成長装置の場合、破線は従来の結晶成長装置の場合を
それぞれ示している。

【００４４】図３より明らかなように従来の結晶成長装
置では、いずれの単結晶化率においても酸素濃度が１０
〜１１×１０¹⁷（／cm³)と低レベルであるのに対し、本
実施例に係る結晶成長装置では、いずれの単結晶化率に
おいても酸素濃度が１７〜１８×１０¹⁷（／cm³)と高
く、引き上げ単結晶中の酸素濃度が大幅に増大したこと
がわかる。このことからも、るつぼ２１の内層容器２１
ａの内表面に凹凸２５を形成して内層容器２１ａの内表
面と溶融液との接触面積を大きくすることは、単結晶１
６に取り込まれる酸素濃度を高める上で有効であり、か
つ内層容器２１ａの内表面の凹凸２５の形成具合を制御
して上記接触面積を制御することは、単結晶１６に取り
込まれる酸素濃度を制御する上で有効であることが確認
される。

【００４５】なお、上記実施例においては溶融層法を用
いて単結晶を成長させる場合について述べたが、ＣＺ法
を用いて単結晶を成長させる場合にも適用することがで
きる。また上記実施例においては、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
単結晶の引き上げにも適用可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明により明らなように、本発明
に係る結晶成長装置にあっては、るつぼの内表面に凹凸
が形成されているので、単結晶に取り込まれる酸素濃度
を高くすることができる。また、その凹凸の形成具合を
制御することによって、引き上げた単結晶に取り込まれ
る酸素濃度を制御することができる。さらに前記るつぼ
の内表面に形成された凹凸によって、溶融層法において
は単結晶引き上げ中における固体層の浮上を防止するこ
とができため、品質がより向上した単結晶を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶成長装置の一実施例を示す模
式的断面図である。

【図２】本発明に係る結晶成長装置のるつぼの一例を概
略的に示した断面図である。

【図３】本実施例に係る結晶成長装置及び従来の結晶成
長装置をそれぞれ用い、単結晶を引き上げたときの単結
晶化率と酸素濃度との関係を示したグラフである。

【図４】ＣＺ法に用いられる従来の結晶成長装置の模式
的断面図である。

【図５】溶融層法に用いられる従来の結晶成長装置の模
式的断面図である。

【図６】従来の結晶成長装置のるつぼの一例を概略的に
示した断面図である。

【図７】〜

【図１０】溶融層法の原理を示す説明図である。

【符合の説明】

１２ヒータ１４引き上げ軸２１るつぼ２５凹凸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】結晶用原料が充填されるるつぼを備え、
該るつぼ内の結晶用原料を溶融させるヒータが前記るつ
ぼの周囲に配設されると共に、該るつぼの上方には引き
上げ軸が配設された結晶成長装置において、前記るつぼ
の内表面に凹凸が形成されていることを特徴とする結晶
成長装置。