JP2004203634A

JP2004203634A - 半導体単結晶製造方法

Info

Publication number: JP2004203634A
Application number: JP2002371524A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Iwamoto; 岩本光生; Hiroyuki Ozoe; 尾添紘之
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】本発明は、半導体融液の温度制御と半導体単結晶体の品位の向上、および製造制御と装置の簡略化を目的とするものである。
【解決手段】容器内多結晶半導体原料を加熱融解し、その融液の液面に種単結晶体を浸漬して該種単結晶に融液を再凝固随伴させて上方に引き上げながら単結晶体を成長させる単結晶製造において、結晶原料を入れた容器の外側に沿って所定間隔を置いて加熱部を配置した第１加熱手段と、前記容器の周壁に加熱部を配置した第２加熱手段を設け、第１加熱手段または第１・第２加熱手段により容器内多結晶原料を加熱融解し、この後第１加熱手段の目標温度を半導体材料の融点またはその近傍温度に設定してフィードバック制御し、これと並行して第２加熱手段の目標温度を原料融液の単結晶成長温度にしてフィードバック制御しながら、容器内の半導体融液の液面に種単結晶を浸漬し上方に引上げることを特徴とする単結晶製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン、ゲルマニウム、ガリウム−ヒ素等の半導体単結晶やインジウムアンチモン等の非線形光学材料用の単結晶製造方法に関するものであり、以下シリコンを例にして説明する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶製造は、従来、「バルク結晶成長技術」の４頁、８〜１３頁（干川圭吾編集、培風館、１９９４）に記載のように、チョクラルスキー法（通称ＣＺ法と称する）によるものが公知である。このＣＺ法は、多結晶シリコンを容器内に収容しこれを加熱融解し、その融液の液面にシリコン種単結晶体を浸漬して該種単結晶にシリコン融液を再凝固随伴させてシリコン単結晶体を成長させながら上方に引上げ所望大のシリコン単結晶体を得るものである。
【０００３】
そこで、このＣＺ法によるシリコン単結晶の成長に際しての加熱手段は、小型結晶の成長の場合、シリコン融液を入れた容器より離れた位置に設置されている高周波コイルから高周波を印加することによる誘導加熱である。これに対し大口径結晶体の成長の場合は、容器より離れた位置に電極を配置した抵抗加熱ヒーターによる輻射加熱である。
【０００４】
シリコン融液の入った容器の加熱手段が、前記の如く容器から一定距離離れたヒーターから輻射加熱する方法では、容器内融液温度が変動した場合、これを補正するには、輻射による間接加熱でありヒーターが大きいため熱容量が増加し、シリコン融液の検出温度の変化に対するシリコン融液への加熱作用が遅れ、オーバーシュートなどの乱れが生じ一定の温度制御が困難であり、シリコン融液温度が大きく変動する。シリコン融液温度が変動すると、成長するシリコン単結晶体の直径変動や結晶品質の劣化を招く。
【０００５】
このため従来は、「結晶成長基礎技術」（東京大学出版会、高須真一郎著、１９９０）の１８０頁にあるように、シリコン単結晶の成長に伴う長周期のシリコン融液温度変動に対応し、シリコン融液温度の経時変動を補償する加熱制御プログラムを作成してヒーターへの供給電力を制御（成長条件の経験的プログラミング）や、外乱やシリコン融液内の流動形態の変化による温度変動などの微少変動に対応するため、ＴＶカメラによる育成中の結晶の画像計測、Ｘ線像計測、液面湾曲計測、固化潜熱放射帯の測定、引き上げ結晶重量の測定（結晶体重量の時間変化を測定）、メルト重量の測定による測定結果を用いシリコン単結晶体の引き上げ速度を可変制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記加熱制御プログラムの作成には、事前に多くの時間とコストをかけて個々のシリコン単結晶成長装置の各部温度変化の挙動に関する各種データを測定収集し解析しなければならない。
またシリコン単結晶体の引上速度可変制御には複雑な装置を必要とするだけでなく、この引き上げ速度の変動により、シリコン単結晶体中の添加物や不純物の濃度分布が偏析の多い不均一なものとなり、且つ結晶欠陥を発生させたりする。
そこで、該加熱制御プログラム作成と、シリコン単結晶体の引き上げにかかわる全ての装置を省略化して、容器内シリコン融液の温度を所定の温度に安定維持させながら良品質のシリコン単結晶体を確実に得る簡便な製造方法の開発が必要とされていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題に答えたもので、その特徴とするところは、原料多結晶を容器内に収容しこれを加熱融解し、その融液の液面に種単結晶体を浸漬して該種単結晶に融液を再凝固付着随伴させて単結晶体を成長させながら上方に引上げ所望の単結晶成長体を得る単結晶製造において、原料多結晶を入れた容器の外側に沿って所定間隔を置いて加熱部を配置した第１加熱手段と、前記容器の周壁に加熱部を配置した第２加熱手段を設け、第１加熱手段または第１・第２加熱手段により容器内原料多結晶を加熱融解し、この後第１加熱手段の目標温度を原料の融点またはその近傍温度に設定してフィードバック制御し、これと並行して第２加熱手段の目標温度を融液の単結晶成長温度にしてフィードバック制御しながら、容器内の融液の液面に種単結晶を浸漬し上方に引上げる単結晶製造方法にある。
【０００８】
即ち本発明は、例えばシリコン種単結晶にシリコン融液を再凝固付着随伴させ引き上げる際、容器内シリコン融液の温度変動に対応する加熱部の加熱補間応答を早めるため、第１加熱手段により目標温度をシリコン融液の融点又はその近傍温度にフィードバック制御してシリコンの溶融状態の保持に必要な熱量を補償し、これと並行して加熱部を原料融液を保持する容器と直接接触させた第２加熱手段により目標温度をシリコン融液の単結晶成長温度にしてフィードバック制御し、シリコン融液の単結晶成長温度に対する測定温度の微変動分を補正するのに必要な熱量を補償するものである。これによりシリコン融液への加熱補間制御の応答を迅速にして、シリコン融液温度の微変動中の加熱補間制御を可能ならしめて、シリコン単結晶体の成長速度を安定させ結晶欠陥などを大幅に低減させると共に、シリコン単結晶体に不純物偏析を発現させること無くその径方向及び軸方向の添加物や不純物の濃度分布を著しく改善するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明における第１加熱部としては、抵抗加熱または誘導加熱を採用することが好ましい。第２加熱手段の加熱部としては抵抗加熱を採用することが好ましい。第１加熱手段の制御部に第１加熱部温度および容器部の測定温度信号を入力する測温センサー例としては、熱電対や測温抵抗体、放射温度計を用い、その設置位置は熱電対や測温抵抗体では熱伝導により温度を精密に測定できるようにルツボに接するように取り付け、放射温度計ではルツボ上部の融液表面を見渡せる位置として融液温度を測定する。
また第２加熱手段の加熱部の測定温度信号を制御部に入力する測温センサー例としては、熱電対や測温抵抗体がよく、その設置位置は融液温度を精密に測定できるようにルツボに接するように取り付けるのがよい。
本発明において、容器内多結晶シリコンの加熱融解後の、第１加熱手段の目標温度は、シリコン融液の融点即ち１４１４℃（添加物及び又は不純物とその量によって異なる）またはその近傍の融点温度から−１０〜０℃に設定することが好ましい。その理由は、シリコンを結晶成長させるための融液温度は融点温度＋５℃近傍であり、第１加熱手段でこの温度以下とし、第２加熱手段で結晶成長温度に精密に保持するためである。
【発明の実施例】
以下本発明の実施例を図１〜図３により説明する。図１はシリコン単結晶製造装置の縦断面図である。
図１において、３は原料のシリコン多結晶を入れる石英製の容器、４はシリコン多結晶又はシリコン融液、５は成長したシリコン単結晶体、６は容器を支持するための支持部である。７はシリコン単結晶体の基となる結晶成長用のシリコン種単結晶、８は該種単結晶の支持部である。９は容器内の多結晶シリコン又はシリコン融液等の収容物の温度や加熱炉温度を測定するための温度センサー（９−１〜９−３で構成）、１０は温度センサー９からの測温値に基づき加熱部１・加熱部２をフィードバック制御する第１加熱手段の制御部10-1と第２加熱手段の制御部10-2を有する温度コントローラーと電源である。
前記各部の主な仕様は次の通りである。
石英容器３：高純度石英製容器
多結晶シリコン４：成分構成純度９９．９９９９９９９９％以上の高純度シリコン（添加物として、ｐ型とするときは元素記号In,Ga,Al,Bで示される物質、ｎ型とするときは元素記号P,As,Sb,Biで示される物質を加える）
シリコン種単結晶５：結晶方位［１００］または［１１１］の単結晶シリコン。
サイズは横断面の大きさが５〜１０ｍｍ角。
温度センサー９：熱電対、測温抵抗体、放射温度計などの温度測定用センサー。
加熱部１：抵抗加熱式または誘導加熱式ヒーター
加熱部２：抵抗加熱式ヒーター
このシリコン単結晶製造装置によるシリコン単結晶体製造は、第１加熱手段と第２加熱手段により石英容器３に収容した原料のシリコン多結晶４を融解し、融解したシリコン融液４は、後述の第１加熱手段と第２加熱手段のコンビネション作用によりシリコン単結晶成長温度に制御し保持する。この状態を維持しながら、上部に取り付けられたシリコン種単結晶７を降ろしシリコン融液４の上面内に浸漬する。この後該種結晶７にシリコン融液を付着再凝固させながら、支持部８で種結晶を所定速で引き上げることにより所定大のシリコン単結晶体に成長させる。
第１加熱手段と第２加熱手段により容器３に収容した原料の多結晶シリコン４を融解する場合は、各々の設定温度をシリコン融液の融点温度１４１４℃より１０〜１００℃高い温度とし（この温度が高い方が融解時間は早くなるが融解後の温度降下に要する時間が長くなる）、容器３の底部に設置した温度センサー９−１または上部放射温度計９−３からの測温値を制御部１０にフィードバックして加熱制御する。
これで融解したシリコン融液４の温度制御は、次により行う。
容器３とは間接的に配置した加熱部１は、制御部10-1によりシリコン融液の融点温度１４１４℃を目標温度にしてシリコン融液の融点温度に対する温度センサー９−１または９−３の測定温度との温度差を補間制御するとともに、加熱部１の温度変化を温度センサー９−２により併せて測定する。これと並行して、容器３に直接接触する加熱部２は、制御部10-2によりシリコン単結晶成長温度１４１６℃を目標温度にしてこのシリコン単結晶成長温度に対する温度センサー９−１の測定温度との温度差を補間制御する。つまり温度センサー９−１または９−３より測定したシリコン融液の温度に基づいて、シリコン融液の融点温度維持の主たる加熱は、この第１加熱手段の加熱部１とその制御部10-1により行い、シリコン単結晶成長温度維持の加熱は、第２加熱手段の加熱部２とその制御部10-２により行うのである。
これにより加熱部２は本例の如く熱容量の小さい小型なヒーターでよく、また容器と直接接触しているため迅速な加熱対応が得られ、これによりシリコン融液の温度補償をリアルタイムで精密に行うことができる。
図２は、第１加熱手段の加熱部１と第２加熱手段の加熱部２を並行加熱制御した本実施例を示し、図２上図は結晶成長過程における結晶引き上げ速度の変化、中央写真はこの際に成長させたシリコン単結晶体の写真、下図はシリコン融液温度の時間変化を示している。
図３は、加熱部２を稼働させなかった比較例の場合であり、上図は結晶成長過程における結晶引き上げ速度の変化、中央写真はこの際に成長させたシリコン単結晶体の写真、下図はシリコン融液温度の時間変化を示している。
図２の下部融液温度の時間変化を見ると、まず最初は加熱部１、２により石英製の容器３（ルツボ直径50mm）内の多結晶シリコン１８０ｇを融点まで加熱し、融解した融液の温度を種結晶を降ろす温度である１４１８．２℃に保持し、図２下部融液温度のグラフ横軸に示される時刻０にて、中央写真左部の角柱状の種単結晶を毎分１０回転で回転させながら融液中に降ろす。その後、約１時間細い円柱状の首部を作り（ネッキング）、その後融液温度を１４１６．３℃まで徐々に下げ、かつ図２上のグラフで示される結晶引き上げ速度を５ｍｍ／ｈに小さくし、この操作により結晶直径を大きくして所定の大きさとしたあと、融液温度を１４１６．３℃に保持し、結晶引き上げ速度を毎時１２ｍｍに増加させた後その速度に保持し、太い棒状の結晶を成長させた。これにより成長させたシリコン結晶棒は図２中央の写真に示しているが、結晶中央部の定常成長部は一定の直径に保たれている。
次に加熱部２を稼働させなかった比較例の場合では、図３に示すように時刻０でシリコン種単結晶をシリコン融液の上面に降ろすとシリコン融液温度が急激に下降している。このため融液温度の低下を補正するため加熱部１の温度を上昇させても応答の遅れが大きいためシリコン融液温度もふらついている。また結晶直径を大きくした後の定常成長部（時刻１．２ｈ以降）でも、結晶が成長するに従いシリコン単結晶体が容器上端から出たり、シリコン融液の残存量の減少、またシリコン単結晶体の成長に伴う表面積の増加などによる熱放射条件が変化し、図３では加熱部１のみのため、加熱炉への電気入力の変化と、融液温度変化には応答遅れが生じ、これによりシリコン融液の温度が変化したため、結晶棒直径も変動している。これに対し、図２の場合、このような温度変動要因に対しても融液温度は一定に保たれている。
また図２、図３に示すシリコン単結晶体の内部品質についても、次の表１に記載の通り本発明方法による図２のシリコン単結晶体が格段に高品質なものであった。
表１

このように加熱手段として前記第１加熱手段と第２加熱手段を備え前述のように制御したシリコン単結晶体製造方法は、第１加熱手段のみの制御に比し、格段の優位性を確保することができた。また結晶の定常成長中は結晶の引き上げ速度を変化させることなく、一定直径の結晶棒が得られた。
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、結晶成長における融液加熱手段として、原料を収容した容器の外部に加熱部を設置し融液の加熱目標温度を融液の融点付近にして加熱保持するための第１加熱手段と、原料の多結晶シリコンを収容した該容器に加熱部を直接設置し融シリコン液の加熱目標温度をシリコン単結晶体の成長を行うための目標温度に加熱保持するための第２加熱手段に分けることにより、第１加熱手段でシリコン融液の基礎的加熱補償制御を行い、第２加熱手段でシリコン融液の微少温度変動分の加熱補償制御を行うものである。つまり第２加熱手段でのシリコン融液温度への入力電力を変化させた場合のシリコン融液温度の応答が早くなり、シリコン融液の温度変動に素早く対応出来るため、シリコン融液温度変動の精密な制御が可能となり、これによりシリコン単結晶体の成長速度の変動などが小さくなり、シリコン単結晶体の不純物濃度分布が均一に安定し、リコン単結晶体の成長速度も均等に安定し結晶欠陥などが大幅に低減して、シリコン単結晶体の品質が格段に向上すると共に、従来方法で行っていたシリコン単結晶体重量の時間変化の測定や、これに基づくシリコン単結晶体の引き上げ速度可変制御によるシリコン単結晶体直径の制御、さらにシリコン融液の経時温度変化予測パターンに基づく加熱部のプログラム制御等々を全く不用とし、シリコン単結晶成長装置を格段に簡易化し製造コストの大幅な低減を可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の１実施例に係る、結晶成長装置を縦方向に切断したときの断面図。
【図２】図２は、上図は実施例の結晶成長過程における結晶引き上げ速度の設定、中央写真は実施例で得た成長結晶写真、下図は実施例の結晶原料融液温度の時間変化。
【図３】図３は、上図は実施例の結晶成長過程における結晶引き上げ速度の設定、中央写真は実施例で得た成長結晶写真、下図は実施例の結晶原料融液温度の時間変化。
【符号の説明】
１：加熱部１
２：加熱部２
３：石英容器
４：シリコン多結晶またはシリコン融液
５：シリコン成長結晶
６：容器支持部
７：シリコン種単結晶
８：結晶支持部
９：温度センサー
10：温度コントローラーおよび電源

Claims

多結晶半導体原料を容器内に収容しこれを加熱融解し、その融液の液面に種単結晶体を浸漬して該種単結晶に融液を再凝固随伴させて単結晶体を成長させながら上方に引上げ所望の単結晶成長体を得る単結晶製造において、多結晶原料を入れた容器の外側に沿って所定間隔を置いて加熱部を配置した第１加熱手段と、前記容器の周壁に加熱部を配置した第２加熱手段を設け、第１加熱手段または第１・第２加熱手段により容器内多結晶原料を加熱融解し、この後第１加熱手段の目標温度を半導体材料の融点またはその近傍温度に設定してフィードバック制御し、これと並行して第２加熱手段の目標温度を原料融液の単結晶成長温度にしてフィードバック制御しながら、容器内の半導体融液の液面に種単結晶を浸漬し上方に引上げることを特徴とする単結晶製造方法。