(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内の原料を溶融させた後、融液下部に固体層を形成させる工程と、溶融層から単結晶を成長させて上方への引き上げとを行う結晶成長方法において、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始することを特徴とする結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は結晶成長方法に関し、より詳細には半導体材料として使用されるシリコン単結晶のような、不純物が添加された結晶を成長させるための結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶を成長させるには種々の方法があるが、その一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）がある。図７は従来のＣＺ法に用いられる結晶成長装置を模式的に示した断面図であり、図中１は坩堝を示している。この坩堝１は、有底円筒形状の石英製の内層保持容器１ａと、この内層保持容器１ａ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１ｂとから構成されており、坩堝１は図中の矢印方向に所定の速度で回転する支持軸６に支持されている。この坩堝１の外側には抵抗加熱式のヒータ２が同心円状に配置されており、坩堝１内にはこのヒータ２により溶融させた結晶用原料の溶融液１３が充填されている。また、坩堝１の中心軸上には引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸５が吊設されており、この引き上げ軸５の先にシードチャック（図示せず）を介して取り付けられた種結晶１１を溶融液１３の表面に接触させ、引き上げ軸５を支持軸６と同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で回転させながら引き上げることにより、溶融液を凝固させて単結晶１２を成長させている。
【０００３】
ところで、半導体の単結晶１２をこの結晶成長方法で引き上げる場合、単結晶１２の電気抵抗率や電気伝導型を調整するために、引き上げ前に溶融液１３中に不純物を添加することが多い。しかし通常のＣＺ法においては、単結晶１２と溶融液との間に生じるいわゆる偏析現象に起因して、単結晶１２の成長軸方向に関して均一な電気抵抗率を有する単結晶１２が得られないという問題があった。
【０００４】
前記偏析現象とは、単結晶１２の凝固の際に、単結晶１２と溶融液１３との界面における単結晶１２中の不純物濃度と溶融液１３の不純物濃度とが一致しないことをいうが、実効偏析係数Ｋｅ（単結晶１２の不純物濃度／溶融液１３の不純物濃度）は１より小さくなる場合が多い。この場合、単結晶１２が成長するとともに前記偏析現象のために溶融液１３の不純物濃度が次第に高くなるので、単結晶１２の不純物濃度も次第に高くなり、電気抵抗率が小さくなってくる。従って前述の方法で成長させた単結晶１２には、一部電気抵抗率に関し基準を満たさないものが製造されてしまい、抵抗率歩留まりが低くなる。
【０００５】
そこで、上記した偏析現象の発生に起因した抵抗率歩留りの低下を防止し、前記抵抗率歩留まりを向上させる結晶成長方法として溶融層法が開発されている。
【０００６】
図８は、前記溶融層法に用いられる結晶成長装置を模式的に示した断面図であり、特開平５−２４９７２号公報に示されているように、２ａ、２ｂの２段のヒータ２を用いて結晶用原料を溶融させた後、上層には溶融層１５を、下層には固体層１４を形成し、単結晶１２の成長とともに固体層１４を次第に溶出させることにより溶融層１５の不純物濃度を一定に保ちつつ単結晶１２の引き上げが行われる。
【０００７】
前記溶融層法には、溶融層１５の不純物濃度を一定に保つ方法として異なる二つの方法、すなわち溶融層厚一定法及び溶融層厚変化法が提案されている。
この溶融層厚一定法として、不純物を含有しない固体層１４を単結晶１２の引き上げに伴って溶融させつつ、溶融層１５の体積を一定に保ち、溶融層１５には不純物を連続的に添加して溶融層１５の不純物濃度をほぼ一定に保つ方法があり、特公昭３４−８２４２号公報、特公昭６２−８８０号公報及び実公平３−７４０５号公報等に前記した方法が開示されている。また固体層１４中に先に不純物を含有させておき、溶融層１５には不純物を添加せず、不純物を含有した固体層１４を単結晶１２の引き上げに伴って溶融させつつ溶融層１５の体積を一定に保ち、溶融層１５の不純物濃度をほぼ一定に保つ方法があり、特公昭６２−８８０号公報及び特開昭６３−２５２９８９号公報に開示されている。
【０００８】
一方、溶融層厚変化法は、意図的に溶融層１５の体積を変化させることにより、単結晶１２の引き上げ中に不純物を添加することなく溶融層１５中の不純物濃度を一定に保つ方法であり、特開昭６１−２０５６９１号公報、特開昭６１−２０５６９２号公報、特開昭６１−２１５２８５号公報、及び特公平３ー７９３２０号公報に開示されている。
【０００９】
なお、上記した二つの溶融層法において、溶融層１５量の制御は、発熱体としてのヒータ２の長さやパワー、坩堝１の位置や深さ及びヒータ２の外側に周設され、坩堝１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、適切に選択することにより行われる。
【００１０】
ところで、前記溶融層法における固体層１４の形成方法としては、一旦原料を全て溶融させ、不純物を添加した後で坩堝下部より溶融液の一部を凝固させ、固体層１４を形成する全融再凝固方式（特開昭６３−２５２９８９号公報、特開平５−４３３８４号公報、特願平４−９８９６２号公報）が採用されることが多い。
【００１１】
前記全融再凝固方式による結晶成長方法の一例を以下に述べる。まず、坩堝１内の原料を全て溶融させた後、ヒーター２の出力を調整するなどの手段により、坩堝１下部より溶融液を凝固させ、固体層１４を形成する。そして目的とする量の固体層１４を形成した後に、引き上げ棒５に取り付けられた種結晶１１を溶融層１５表面に浸し、種結晶１１と溶融層１５の界面とが引き上げに適した温度となるよう調節する（以下ディップ工程と記す）。その後、転位を排除する目的で、引き上げ速度を約３ｍｍ／分とし、径が約３ｍｍとなるまで種結晶を細く絞る（以下、ネック工程と記す）。その後、引き上げ速度を約１ｍｍ／分以下とし、所定の径まで成長させる（以下、ショルダー工程と記す）。その後、一定の径で所定の長さの単結晶１２を形成する。（以下、ボディ工程と記す）。該ボディ工程中には固体層１４を溶出させるので、偏析に伴う溶融層１５中の不純物濃度の増加が防止され、引き上げ方向に均一な不純物濃度を有する単結晶１２が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の結晶成長方法にあっては、結晶引き上げを行う前に、目的とする量の固体層１４を形成する必要があり、該固体層１４の形成には約８時間の時間を要し、その後、単結晶１２の引き上げが開始されるため、操業に要する時間が長く、生産効率が悪いという課題があった。
【００１３】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、単結晶の抵抗率歩留まりに悪影響を与えることなく、操業に要する時間が短縮され、生産効率の向上を図ることができる結晶成長方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る結晶成長方法は、坩堝内の原料を溶融させた後、融液下部に固体層を形成させる工程と、溶融層から単結晶を成長させて上方への引き上げとを行う結晶成長方法において、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始することを特徴としている。
【００１５】
【作用】
操業に要する時間を短縮し、生産効率を向上させ得る結晶成長方法について本発明者らが種々検討した結果、以下のことを突き止めた。
【００１６】
図１は、従来の溶融層法により単結晶１２を成長させた場合の、経過時間に対する坩堝１中の固体層率を示すグラフである。なお、固体層率は（固体層量／全原料量）とし、引き上げられた単結晶の抵抗率から得られる結晶中不純物濃度、及び原料溶融時に投入された不純物量とから、偏析に従った計算によって推定した値である（干川圭吾編著「バルク結晶成長技術」培風館ｐ１１９）。Ａ〜Ｄは実測値であり、Ａは固体層形成工程を、Ｂはディップ工程を、Ｃはネック工程及びショルダー工程を、Ｄはボディー工程をそれぞれ示しており、Ａ〜Ｄを併せて結晶引き上げ工程とする。
【００１７】
図１から明らかなように従来の溶融層法によれば、固体層形成工程（Ａ）に約８時間、ディップ工程（Ｂ）に約２時間、ネック工程及びショルダー工程（Ｃ）に約２時間を要する。また、固体層形成工程（Ａ）以降も、ディップ工程（Ｂ）からボディ工程（Ｄ）初期にかけて固体層率が増加しているが、これは、融液表面の結晶部分を融点とするためにヒータ２のパワーを下げるためである。
【００１８】
そこで、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程も開始すれば、固体層形成工程（Ａ）と並行してディップ工程（Ｂ）が開始されるため、前記固体層形成工程に要する時間（約８時間）が短縮されるばかりでなく、図１における斜線部Ｈが図２における斜線部Ｈ’として加算されることにより、すみやかに固体層が形成され得ると推測した（図２参照）。
【００１９】
図３は、結晶引き上げ率（％）に対する単結晶１２の抵抗率（Ωｃｍ）と、固体層率（％）とを、図１、図２に基づいて作製したグラフである。結晶引き上げ率（％）とは原料仕込量に対する引き上げ経過途中の単結晶の重量割合を示し、固体層率とは、（固体層量／全原料量）とする。点線Ａは従来のＣＺ法による単結晶１２の抵抗率を、実線Ｂ及びｂはそれぞれ、従来の溶融層法による単結晶１２の抵抗率及び固体層率を、一点鎖線Ｃ及びｃはそれぞれ、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程も開始する本発明の結晶成長方法による単結晶１２の抵抗率及び固体層率を示している。
【００２０】
図３から明らかなように、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始しても、結晶引き上げ率約１８％時点までに従来と略同量の固体層が形成される。また、結晶引き上げ率約１８％時点までは引き上げ初期のため、坩堝１中には溶融液が十分量存在し、固体層量が不充分であっても、偏析現象による抵抗率への影響はさほど大きくない（グラフＢ、Ｃ参照）。
【００２１】
上記の検討結果により、本発明を完成するに至った。
【００２２】
すなわち本発明に係る結晶成長方法によれば、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始するので、前記固体層形成工程に要する時間が短縮され、引き上げられた結晶の抵抗率歩留まりに悪影響を与えることなく操業時間が大幅に短縮され、単結晶の生産効率が向上する。
【００２３】
【実施例及び比較例】
以下、本発明に係る結晶成長方法の実施例及び比較例を図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一機能を有する構成部品には、同一の符号を付すものとする。
【００２４】
図４は実施例に係る結晶成長方法に用いた装置を模式的に示した断面図であり、図中１はチャンバ８内に配設された坩堝を示している。従来のものと同様、この坩堝１は有底円筒形状の石英製の内層保持容器１ａと、この内層保持容器１ａ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１ｂとから構成されており、坩堝１は図中の矢印方向に所定の速度で回転する支持軸６に支持されている。この坩堝１の外側にはヒータ２ａ及びヒータ２ｂにより構成される２段の抵抗加熱式のヒータ２が、ヒータ２の外側には保温筒３が、それぞれ同心円状に配置されており、ヒータ２は可動式であり、必要に応じて上下動する仕組みになっている。坩堝１の中心軸上には引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸５が吊設されており、この引き上げ軸５の先にシードチャック（図示せず）を介して種結晶１１が取り付けられる。
【００２５】
このように構成された装置を用いて、実施例に係る結晶成長方法にて結晶を成長させるには、まず坩堝１内に充填した結晶用原料をヒータ２によりすべて溶融させた後不純物を添加して溶融層１５を形成し、回転制御装置（図示せず）を作動させて坩堝１を回転させる。その後ヒータ２のヒータパワーを固体層形成工程に適するように変更し、該固体層形成工程を開始するとともに、直ちにディップ工程を開始し、引き上げ軸５を回転させつつ種結晶１１を引きあげることにより、種結晶１１の下端から溶融層１５を凝固させて単結晶１２を成長させる。
【００２６】
従来の溶融層法を比較例とし、実施例及び比較例に係る結晶成長方法により長さが約１１００ｍｍの単結晶１２を成長させた場合を図５、図６に基づいて説明する。なお、引き上げ条件は下記の表１に示すとおりである。
【００２７】
【表１】
0003584497.tif 000002
【００２８】
図５は実施例及び比較例に係る結晶成長方法により単結晶１２を成長させ、単結晶１２のボディ工程初期までに要する時間を比較した実験結果を示すヒストグラムである。Ａは溶融工程を、Ｂは固体層形成工程を、Ｃはディップ工程及びネック工程を、Ｄはショルダー工程をＥはボディー工程をそれぞれ示している。
【００２９】
図５から明らかなように、比較例に係る結晶成長方法では、溶融工程（Ａ）に約９時間要し、その後の固体層形成工程（Ｂ）に約９時間要し、その後ショルダー工程（Ｄ）完了までに４．５時間要するので、溶融開始からボディ工程（Ｅ）開始まで約２２．５時間を要する。これに対し実施例に係る結晶成長方法では固体層形成工程（Ｂ）の開始と同時にディップ工程（Ｃ）を開始するため、ボディ工程（Ｅ）開始までに要する時間は約１３．５時間となり、固体層形成工程（Ｂ）に要する時間（約９時間）が短縮された。
【００３０】
図６は実施例及び比較例の結晶成長方法により単結晶１２を成長させ、それぞれの単結晶１２において、引き上げ軸方向の抵抗率の分布を調べた結果を示したグラフである。●は実施例に係る結晶成長方法による単結晶１２の抵抗率を、□は比較例に係る結晶成長方法による単結晶１２の抵抗率をそれぞれ示している。
【００３１】
なお、横軸にはボディ部の結晶引き上げ率（％）及び結晶長（ｍｍ）をとり、縦軸には結晶の抵抗率（Ωｃｍ）をとっている。また、図中Ｆの範囲、つまり基準値から±１．５Ωｃｍの範囲を抵抗率の均一部分として示している。
【００３２】
図６から明らかなように、実施例に係る結晶成長方法による単結晶１２の抵抗率は、比較例に係る結晶成長方法による単結晶１２の抵抗率と比較し、結晶引き上げの初期工程においては若干の違いが見られるものの、抵抗率均一部分の結晶長は比較例の場合とほぼ同等であり、固体層１４の形成に要する時間を短縮することによる抵抗率歩留まりへの悪影響はほとんどないといえる。
【００３３】
以上説明したように、実施例に係る結晶成長方法にあっては、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始することにより、引き上げられた結晶の抵抗率歩留まりに悪影響を与えることなく単結晶の形成時間を短縮し、結晶生産効率の向上を図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る結晶成長方法にあっては、坩堝内の原料を溶融させた後、融液下部に固体層を形成させる工程と、溶融層から単結晶を成長させて上方への引き上げを行う結晶成長方法において、固体層形成工程の開始とともに結晶引き上げ工程を開始するので、引き上げられた結晶の抵抗率歩留まりに悪影響を与えることなく操業時間を大幅に短縮することができ、単結晶の生産効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の溶融層法により結晶引き上げを行った場合の、固体層率の変化と、単結晶形成工程の挙動とを、経過時間に対して示したグラフである。
【図２】本発明に係る結晶成長方法により結晶引き上げを行った場合の、固体層率の変化と、単結晶形成工程の挙動とを、図１に示した曲線と比較しながら示したグラフである。
【図３】本発明及び従来における結晶引き上げ率と、単結晶の抵抗率及び固体層率との関係を示したグラフである。
【図４】実施例に係る結晶成長方法に使用される結晶成長装置を模式的に示した断面図である。
【図５】実施例及び比較例に係る結晶成長方法により単結晶を成長させた場合において、ボディ工程初期までに要する時間を調べた結果を示したヒストグラムである。
【図６】実施例及び比較例の結晶成長方法により成長させた単結晶における、引き上げ軸方向の抵抗率分布を示すグラフである。
【図７】従来のＣＺ法に用いられる結晶成長装置を示す模式的断面図である。
【図８】従来の溶融層法に用いられる結晶成長装置を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１    坩堝
１２  単結晶
１４  固体層
１５  溶融層
【図１】
0003584497.tif 000003
【図２】
0003584497.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003584497.tif 000008
【図７】
0003584497.tif 000009
【図８】
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