JPS6360193A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は円柱状のシリコン単結晶等の結晶の成長方法に
関し、更に詳述するとチョクラルスキー法による結晶の
成長中に結晶の周方向に回転する回転磁場と縦磁場とを
共に融液に印加することにより実効偏析係数を向上せし
め、また低酸素の結晶を成長させ得る方法を提供するも
のである。

〔従来技術〕

シリコン単結晶等の結晶を成長させる方法として、チョ
クラルスキー法による結晶の成長中に、融液に静磁場を
印加する方法がある（日経エレクトロニクス１９８０．
９．１５　、ＵＬＳ１１９８５．８）。この方法は真空
雰囲気下のるつぼ内の融液に、主方向が水平方向である
磁場を印加する横磁場法と、主方向が鉛直方向、つまり
結晶引上げ方向である磁場を印加する縦磁場法とに大別
される。

第１０図は後者の方法に使用する結晶成長装置の縦断面
図であり、縦磁場法は真空容器１０１内においてヒータ
１０２により加熱される石英製のるつぼ１０３内の融液
１０４に、真空容器１０１の外側に軸心を鉛直方向とし
て設けられたコイル１０６により鉛直方向の磁場１６３
を印加した状態で、その融液１０４を上方に引上げて凝
固させて円柱状の結晶１０５を成長させる方法である。

そして、縦磁場法による場合には鉛直方向の磁場により
それがない場合と比べて実効偏析係数が高くなるという
効果がある。

第１１図は、′＄１磁場の強さを変えて製造した単結晶
についてその単結晶の成長方向（２方向）の磁場強度Ｂ
ｓ／Ｔ　（横軸）と、単結晶へ添加したド−パント（リ
ン）の実効偏析係数に、ＣＰ）（縦軸）との関係を示し
たグラフであり、図中の・印。

ム印は夫々結晶方位が（１００）である単結晶を結晶回
転数１０ｒｐｍ、　１５ｒｐｍで成長させた場合、Δ印
は結晶方位が（１１１）である単結晶を結晶回転数１５
ｒｐｍで成長させた場合を示す。この図より理解される
如く、Ｂ、／Ｔ＝Ｏ１つまり縦磁場を印加しない場合に
はに、ＣＰ）が０．３５と小さいがＢ８／Ｔを増大させ
ていくとに、ＣＰ）が増大していき、Ｂ、／Ｔ＝０．１
のときにはそれが０．６となる。

これは、結晶の回転によって生じる融液の対流（マラン
ゴニ流）が縦磁場により抑制され、このため結晶の成長
に伴って融液中に放出される溶質原子の移動に寄与する
主な駆動力が拡散だけとなるからであるといわれている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１２図は、縦磁場法によりシリコン単結晶を製造する
場合のＢ、／Ｔ（横軸）と、シリコン単結晶中の酸素量
（Ｏｉ）　１０”ｃｍ−３（縦軸）との関係を示したグ
ラフであり、図中の破線及び−点鎖線は夫々磁場を印加
しない場合及び横磁場法により製造する場合夫々の酸素
量の上限値を示している。

なお、図中の・、ム、Δ印は第１１図と同様であり、■
印は結晶方位が（１００）である単結晶を結晶回転数２
５ｒｐｍで成長させた場合、Ｏ印９口印は夫々結晶方位
が（１１１）である単結晶を結晶回転数１０ｒｐＨ＋２
５ｒｐａ＋で成長させた場合を示す。なお、るつぼ回転
数ｎ、は０．５ｒｐｍと２　ｒｐｍとの２通りである。

この図により縦磁場法による場合は結晶中の酸素量が他
の方法に比して高くなる現象があると言える。

本発明はこの現象が生ずる理由を解明するこ乏によって
、結晶中の酸素濃度の低減化を計ることが可能である縦
磁場法による結晶成長方法を提供することを目的とする
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は結晶直下でのみ対流を抑制する。即ち、本発明
に係る結晶成長方法は、結晶の引上方向に沿う直流磁場
を融液に印加し−゛フつ円柱状の結晶を引上げるチョク
ラルスキー法による結晶成長方法において、結晶の周方
向に回転する回転磁場を前記直流磁場と共に融液に印加
することを特徴とする。

〔発明の原理〕

まず、本発明の原理について説明する。

第１２図に明らかな如く磁場を印加しない方法による場
合に比して横磁場法による場合の方が結晶中の酸素濃度
が低い。横磁場を印加した場合に酸素濃度が低い理由は
、従来以下のように説明されてきた。即ち、結晶中の酸
素の供給源はるつぼであり、これから溶出した酸素もし
くはＳｔＯが対流によって融液表面を経て結晶直下へ入
り込み、結晶へ取込まれる。

横磁場を印加した場合には融液表面での対流が抑制され
、融液表面にある時間が長くなり、この間に酸素もしく
はＳｉＯが蒸発し、その結果、結晶直下へ流れ込む酸素
量が少なくなるというのである。

ところが、縦磁場を印加する場合にも融液表面の対流が
抑制されるから縦磁場法による場合にも酸素濃度が低く
なる筈であるが、実際には第１２図に明らかな如くその
酸素濃度が高い。つまり、上記理由では縦磁場法の場合
の現象解明は不可能である。そこで、数値解析手法を用
いて縦磁場法による場合の高酸素濃度化の原因を解明す
ることを試みた。第１図は融液静止を初期条件とし、マ
ランゴニ流の発生原因である表面張力の温度係数ＫをＫ
　−０，１ｍＪ／ｍ−”　Ｋ−’とＬ７計算ニヨリ求メ
ｒ、−ａ液の流速（破線）と結晶中の酸素濃度（実線）
とを示すグラフであり、横軸に時間（秒）をとり、縦軸
に酸素濃度と流速（ｎｕｓ−’）とをとって示している
。なお、融液の流速は第２図（イ）を付して示す如く結
晶軸から１０Ｏｎ＋、融液表面下０．０５ｍｍの位置の
半径方向（軸心向）の流速（Ｖｒ）であり、また酸素濃
度は結晶軸上の値であって飽和？、；度を１．０として
正規化して示している。

この図より理解される如く、時刻１＝０、つまり融液静
止時（ａ点）には融液中の酸素４度は飽和レベルに達し
ており、流速が増加するにつれで酸素濃度は低下してい
き、最小の値０．００１程度（ｂ点）となった後、増加
していき、例えば０．９５のとき（０点）に０．０２程
度となる。

このような特性を示す理由は以下のように推定される。

第３図の（イ）、（ロ）、（ハ）は第１図のａ、ｃ、ｂ
夫々のときの融液対流の状態を示す模式図である。融液
対流の速さが遅いａの場合には第３図（イ）に示す如く
融液４中の酸素が結晶５の直下を除く融液表層部から蒸
発し、その融液表層部に低酸素域ｈ（ハツチング部）が
形成されるが、マランゴニ流の速度が遅いので低酸素域
りの融液が結晶直下部分へ流入しに＜＜、結晶直下部分
では低酸素域り以外の部分での対流にて高酸素域となり
、その結果、製造された単結晶は高酸素濃度となる。

また、融液の対流が速いＣの場合には、第３図（ロ）に
示す如くるつぼ壁近傍の高酸素域の融液が酸素の蒸発が
十分に行われないままに結晶直下部分へ流入するので、
結晶中の酸素濃度は低レベルとはならない。

そして、融液の対流速度が適当なりの場合には第３図（
ハ）に示す如く酸素蒸発による低酸素域の形成とその領
域の融液の結晶直下への流入がバランスよく同時に進行
するため、結晶直下部分に低酸素域りが形成され、製造
する結晶の低酸素濃度化が可能となる。つまり、融液表
面の水平方向の対流速度を適当な値にすることにより結
晶中の酸素濃度を低減できるのである。

横磁場法の場合は磁力線の方向と平行方向の融液表層に
おける水平方向流動を抑制できないため、ある程度の流
動が残存してｂ点の如く酸素濃度が極小値を示す速度値
付近の対流が生じていたものと推定される。これに対し
て縦磁場法の場合には磁力線の方向とマランゴニ流の駆
動方向が直交し水平方向流動に抑制が働くため、磁場増
加とともに対流は非常に抑制されると考えられる。即ち
ａ点の如き遅い対流を生じていたと考えられる。

第１３図は磁場を印加しないチョクラルスキー法による
場合（破線）と縦磁場法による場合（実線）との融液表
面温度の測定結果を示し、後者の方がるつぼ軸心とるつ
ぼ側壁との温度差が大であって縦磁場法の方が表面対流
が遅いことが裏付けられる。

従って、縦磁場法により単結晶の低酸素化を図るには結
晶直下の融液部分での対流を抑制して縦磁場法の本来の
目的である実効偏析係数の向上を図る一方で、またそれ
以外の融液表層部でこれより速い適当な流速の水平方向
の対流を融液に生ぜしめる必要がある。

このため、本発明は直流の縦磁場を融液に印加すると共
に、結晶の周方向に回転する回転磁場を融液に印加する
。

即ち、回転磁場を融液に印加する場合には次の作用があ
る。回転磁場により融液には回転力Ｆψが発生するが、
その回転力は鉛直方向の誘導電流Ｊ２とるつぼ半径方向
の磁場Ｂ、との積（Ｊ、　　・Ｂｒ）となることが知ら
れており、融液の上表面。

底面及びるつぼの側壁を横切る方向の電流は生じない。

従って、発生する回転力は融液の上表面。

底面部でＯとなると考えられる。これらを境界条件とし
て融液に与えられる回転磁場の電磁力分布を、るつぼの
半径方向位置（ｒｌを変えて計算により求めた結果をプ
ロットした図を第４図に示す。第４図において横軸は回
転力をとり、縦軸は融液深さをとっている。

左側の分布はｒが０．０５ｍの位置、中央の分布はｒが
０．１＋＊の位置、右側の分布はｒが０．１５ｍの位置
の場合である。

この図より理解される如く融液の回転流動も融液の深さ
位置中央部で最大、融液の上表面、底面で最小となり、
その結果、第５図（２点鎖線は融液の流れを示す）に示
す如く融液の深さ方向で遠心力の差が生じて融液の深さ
方向中央部では外向きとなるような流動が発生し、この
流動により融液の上表面ではるつぼ側壁からるつぼ軸心
に向かう流動が生じる。このため、酸素の蒸発により低
酸素濃度となった結晶直下を除く融液表層部の融液が結
晶直下の融液部分に流入し、低酸素濃度の結晶を成長さ
せることが可能となる。また、結晶直下の融液上表面部
分では回転流動が弱＜、縦磁場も印加するので、拡散層
が厚く安定となるので、実効偏析係数は向上する。

〔実施例〕

以下に本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第６図は本発明の実施状態を示す模式的側断面図であり
、図中１はチャンバー１を示す。チャンバー１は軸長方
向を垂直とした略円筒状の真空容器であり、上面中央部
には矢符方向に所定速度で回転する引上げチャック１０
の回転軸１０’がエアシールドされて貫通されている。

チャンバー１の底面中央部には、前記引上げチャック１
０とは同一軸心で正または逆方向に所定速度で回転する
るつぼ３の支持軸９がエアシールドされて貫通している
。支持軸９の先端には黒鉛製るつぼ３′がその内側に石
英（ＳｔｏｌＬ）製るつぼ３を嵌合する状態で取り付け
られている。

るつぼ３の回転域のやや外側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ー１との間の位置には
熱遮蔽体２１が夫々同心円筒状に配設されている。

るつぼ３内には単結晶用原料が装入されるようになって
おり、原料はヒータ２の加熱により溶融されて融液４と
なる。

上記引上げチャック１０にはシード（結晶成長の核とな
る単結晶）が取付けられ、このシードをチャック１０に
より降下させて融液４に接触させたのち引上げることに
より結晶５を成長させるようになっている。

上記チャンバー１の側面外側には２つのコイル６１．６
２　、例えばヘルムホルツ型ソレノイドコイルがチャン
バー１と同心状にこの順に上側から適長離隔して設けら
れており、コイル６１．６２には図示しない電源から直
流電流が通電されるようになっている。コイル６１．６
２は夫々同方向の縦磁場を発生し、融液４にこの縦磁場
を印加する。

２つのコイル６１．６２の間には環状の回転磁場発生装
置７がチャンバー１を内側に挿通して設けられている。

回転磁場発生装置７は第７図（平面図）に示す如く６角
状となっており、各側面の内側中央部にはコイル巻回部
７２・・・７２を突出させて形成されている。コイル巻
回部７２・・・７２には三相巻線が施されており、三相
巻線は図示しない三相交流電源に接続されている。この
ため、回転磁場発生装置７は結晶の周方向に回転する回
転磁場を発生し、これを融液４に印加する。

このような磁場雰囲気下で結晶を成長させることにより
、結晶直下の融液部分では第２図に（ロ）を付して示す
対流が縦磁場により抑制され、また第５図に示す如くそ
れ以外の融液部分では回転磁場により融液表層部でるつ
ぼ３の軸心に向かう水平方向の対流が生じる。

このため、融液は第３図（ハ）に示すように、低酸素域
が形成されると共に、その領域の融液が結晶直下へ流入
するため、結晶直下部分に低酸素域が形成され、製造さ
れた結晶は低酸素濃度となる。また、結晶直下部分では
対流が抑制されているので実効偏析係数が向上する。

なお、上記実施例では回転磁場を発生せしめるべく三相
交流を用いた回転磁場発生装置７を使用しているが、本
発明はこれに限らず他の回転磁場発生手段、例えばりニ
アモータを使用しても実施できることは勿論である。

また、上記実施例では縦磁場を発生せしめるべく電磁石
を用いているが、本発明はこれに限らず永久磁石を用い
ても実施できることは勿論である。

〔効果〕

次に本発明の詳細な説明する。結晶方向が（１００）で
あり、また抵抗率が１０Ω・１となるようにＰをドープ
した径が５＃φのシリコン単結晶を、本発明により製造
した。なお、製造条件としては縦磁場は２００ｍＴ、回
転磁場は６０Ｈｚ、　　３　ｍＴとした。またるつぼの
内径：１６＃φ、るつぼ内への原料装入型ｆｆｉ　：　
３０ｋｇ、引上速度：　Ｉ　ａｓ　・Ｉｗｉｎ−’程度
、結晶回転数：　２５ｒｐｍ、るつぼ回転数（結晶回転
方向と逆方向）：　０．５ｒｐ削、結晶の長さ：５００
〜９００１１程度であった。

第９図は本発明により製造したシリコン単結晶を結晶の
長さ方向に１００ｍ−ピッチでサンプルを採取し、各サ
ンプルの電気抵抗率より計算で求めた実効偏析係数と赤
外線吸収法による酸素量測定結果とを示しており、比較
のために融液に磁場を印加しないチョクラルスキー法に
よる場合（従来例１）の結果と、磁場が２００社の縦磁
場法による場合（従来例２）の結果とを併せて示してい
る。なお、３つの結果とも３チヤ一ジ分の平均値とバラ
ツキの範囲を示している。

上記実効偏析係数（Ｋ、）の測定は、４端子法によりサ
ンプルの電気抵抗率ρを測定し、その測定値と単結晶中
のＰ濃度とが反比例すると仮定し、下式にて示すＰｆａ
ｎｎＯ式 ％式％） 但し、ρ０　：単結晶の初期電気抵抗率ｇ　：単結晶の
引上げ率 を実測値に適合させることにより行った。

この図より理解される如く、従来例２は従来例１と比べ
て実効偏析係数を向上できるが、酸素レベルが上昇し、
また両側定値ともバラツキが大きい。実施例では酸素レ
ベルが従来例１と同程度であるが、実効偏析係数を向上
せしめ得、また酸素レベルについてもこれを低減できた
。

以上詳述した如く、本発明による場合は、縦磁場法本来
の目的である実効偏析係数の向上と従来不可能であった
酸素濃度の低減化との両立を計り得、また当然であるが
、実効偏析係数の向上により結晶成長方向の電気抵抗率
が一定となり、これにより結晶から半導体製品を切り出
す場合の歩留が向上する等、本発明は優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は流速及び酸素濃度と時間との関係を示すグラフ
、第２図はその流速と酸素濃度の算出位置の説明図、第
３図は本発明の原理説明図、第４図は回転磁場を融液に
印加した場合の回転力と融液深さとの関係説明図、第５
図は融液の表層部でのるつぼ軸心へ向かう水平方向の対
流の発生理由の説明図、第６図は本発明の実施状態を示
す模式的縦断面図、第７図は回転磁場発生装置の平面図
、第８図は第７図の■−■線による断面図、第９図は本
発明の効果説明図、第１０図は従来装置の模式的縦断面
図、第１１図は磁場強度と実効偏析係数との関係図、第
１２．１３図は従来技術の問題点の説明図である。 ４・・・融液　５・・・結晶　６１．６２・・・コイル
７・・・回転磁場発生装置 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社外１名 代理人　弁理士　　河　　野　　登　　夫第　３　図 第　１　図　　　。 第２図 第　６　図 η 箋　　　　図 第　３　　口 （ｒＬｃ＝ｏ、５ｒｐｍ）　　　　　　　　　　　　　
　　Ｃｎｃｍ２ｒｒｒｒＬ）賃【　４２　　　図 ０　　　　　　　　、　　　　１１）０　　　　　　　
　　　　２ｆ）０るつは゛軸ｌＣからの半径力Ｉ！Ｖｉ
離（ｎπ０項多　４３　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶の引上方向に沿う直流磁場を融液に印加しつつ
   円柱状の結晶を引上げるチョクラルスキー法による結晶
   成長方法において、 結晶の周方向に回転する回転磁場を前記直 流磁場と共に融液に印加することを特徴とする結晶成長
   方法。