JP2007131482A - 半導体結晶の製造方法及び半導体結晶の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、原料となる半導体棒を溶融して種結晶に融着させる工程と、晶出側半導体棒を所望の直径まで拡大させながら成長させてコーン部を形成する工程と、晶出側半導体棒を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部を形成する工程と、原料の供給を止め、晶出側半導体棒の直径を縮小させて該晶出側半導体棒を溶出側半導体棒から切り離す工程を含むFZ法による半導体結晶の製造方法において、少なくとも、前記直胴部形成工程中、特に、前記直胴部形成工程の最後で、前記晶出側半導体棒切り離し工程前に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に縮小する工程を行う。
【選択図】なし
Description
このようなFZシリコン単結晶は、例えば、次のような工程を経て製造することができる。すなわち、(1)原料となる半導体棒を溶融して種結晶に融着させ(種付け)、さらに、この種付けの際に結晶に生じた転位を抜くための絞り(ネッキング)を行う工程(種付け・ネッキング工程)、(2)晶出側半導体棒を所望の直径まで拡大させながら成長させてコーン部を形成する工程(コーン部形成工程)、(3)晶出側半導体棒を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部を形成する工程(直胴部形成工程)、(4)原料の供給を止め、晶出側半導体棒の直径を縮小させて該晶出側半導体棒を溶出側半導体棒から切り離す工程(晶出側半導体棒切り離し工程)等を経て製造することができる(例えば、特許文献1参照)。尚、FZ法で製造される半導体結晶が、中間多結晶である場合には、ネッキングが省略されることもある。
すなわち、直胴部形成工程で原料の供給を終了させた時点で切り離し工程に移行するが、この切り離し工程で原料と溶融帯域を切り離し完全に結晶を固化させる際に、スリップ(転位)が単結晶尾部側から直胴側に向けて生ずる。この現象は、スリップバックと呼ばれる。そして、このようにFZ法によるシリコン単結晶に生じたスリップの長さは概略単結晶直径の半分といわれており、実際に、製造する結晶が大口径化するとともにスリップ長さも増大する。当然スリップが生じた部分は単結晶製品としては使用できないロスとなるので、大口径結晶ほどそのロスは増大することになる。
このため、切り離し工程で原料と溶融帯域を切り離し完全に結晶を固化させる際に生じるスリップバックの低減が求められていた。
尚、ここで、「原料の供給を止める」とは、例えば、溶出側半導体棒を下降させる昇降用可変速モータの回転を停止する等して、溶出側半導体棒の下降を止めることを意味する。
前述のように、FZ半導体結晶は、(1)種付け・ネッキング工程、(2)コーン部形成工程、(3)直胴部形成工程、(4)晶出側半導体棒切り離し工程等を経て製造することができる。しかし、切り離し工程で原料と溶融帯域を切り離し完全に結晶を固化させる際に、スリップ(転位)が単結晶尾部側から直胴側に向けて生じるため、その低減が求められていた。特に、近年の大口径化によりスリップバックの長さが増大しており、問題であった。
ここで、上記(1)−(4)の工程では、直径制御の自動化が進められている(例えば、特公平6−51598号公報、特公平6−51599号公報、特公平6−57630号公報、特開2000−44380号公報等参照)。例えば、(2)コーン部形成工程では、晶出側半導体棒の直径を自動的に制御して所望の直径まで拡大させるようにし、(3)直胴部形成工程では、晶出側半導体棒の直径を自動的に制御して一定の直径に保つようにする。
さらに、本発明者らは、このような直胴部形成工程中の直径の自動変更制御を応用し、直胴部形成工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を自動的に縮小するだけでなく、拡大もすることで、晶出側半導体棒の直胴部を所望形状に変化させることができ、これにより、例えば、スリップバックを低減するのみならず、ハナ出を抑制し、あるいは、結晶尾部を所定の結晶保持治具に沿った形状にすることができ、更には、1本の結晶で異なる直径の直胴部を有する結晶を自動で制御して成長できることに想到し、本発明を完成した。
図1は、本発明に係る半導体結晶の製造装置の一例を示す概略図である。
この半導体結晶の製造装置は、原料となる半導体棒14を収容する成長炉70と、半導体棒14を溶融して溶融帯域20を形成する熱源となる誘導加熱コイル12と、晶出側半導体棒18の直径を検出して直径制御する手段とを有する。ここでは、晶出側半導体棒18の直径を制御する手段は、テレビカメラ30、画像処理回路32、ネック部直径設定器40、ゾーン長設定器41、差動増幅器42,44,48,66、PID調節器43,60、速度検出器45、速度調節器46、駆動回路47、直径変更設定器53、切替接点58,59、切替回路62、融液肩部直径設定器64で構成される。この他、この半導体結晶の製造装置は、発振器10、昇降用可変速モータ22,26、コーン部直径設定器51、直胴部直径設定器52を具備する。
一方、溶出側半導体棒16も鉛直に配置されており、昇降用可変速モータ26により下方へ速度Vpで移動される。また、溶出側半導体棒16は図示しないモータにより回転され、溶出側半導体棒16と溶融帯域20の溶出界面28付近の温度分布が回転対称になる。
特公平6−51598号公報、特公平6−51599号公報、特公平6−57630号等で提案されている通り、融液肩部直径Dmが一定時間後の晶出結晶直径Dsと相関がある。このため、晶出結晶直径Dsを直接制御するよりも、融液肩部直径Dmを制御することにより間接的に晶出結晶直径Dsを制御した方が、制御の即応性・安定性が向上する。そこで、図1の半導体結晶の製造装置では、融液肩部直径Dmを制御することにより間接的に晶出結晶直径Dsを制御する。
コーン部形成工程においては、晶出結晶直径Dsを晶出側半導体棒18の長さYの関数としてプログラム設定器であるコーン部直径設定器51で設定し、晶出側半導体棒18の長さYをコーン部直径設定器51へ供給して、対応する目標晶出結晶直径Dcをコーン部直径設定器51から融液肩部直径設定器64へ供給する。この晶出側半導体棒18の長さYは、その下降速度Vsを積分することにより得られる。以下、直径制御方法は、前述の直胴部形成工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒18の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程と同様である。
また、晶出結晶直径Dsを制御するためには、ゾーン長Lを正確に制御することも必要となる。
ここで、特公平6−51598号公報、特公平6−51599号公報、特公平6−57630号等で提案されている通り、融液ネック直径Dnが一定時間後のゾーン長Lと相関関係があり、ゾーン長Lを直接制御するよりも融液ネック部直径Dnを制御することにより間接的にゾーン長Lを制御した方が、制御の即応性・安定性が向上するとされている。
しかしながら、直胴部形成工程中の、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程や、コーン部形成工程においては、目標ゾーン長L0が一定でなく変化するため、溶融帯域20の形状も変化する。これにより、検出位置を定めるhnの最適値も変化することになるため、かえって制御の安定性を欠く傾向がある。このような理由から、本発明では、直胴部形成工程中の、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程や、コーン部形成工程において、ゾーン長Lの直接制御を行う。
また、直胴部形成工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程に切り替わる際にも、切替回路62により切替接点58が動作して、再びゾーン長直接制御へと切り替わる。
そして、このように直胴部形成工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程を行うことにより、作業者の負担を軽減でき、晶出側半導体棒の直胴部を所望形状に変化させた半導体結晶を容易に且つ安定して製造することが可能となる。
以下、図1の半導体結晶の製造装置を使用して、スリップバックを減少させ、結晶ロスを低減する方法について説明する。
FZ法による結晶製造において、結晶切り離し後メルトが固化する際に生ずる結晶尾部のスリップ(転位)の長さは、結晶直径、結晶成長速度、結晶回転等の引上条件によって変化する。特に結晶の大口径化とともにスリップ長さの増大が顕著になり、スリップ長さは4インチ(100mm)結晶で2〜3cmに対し、5インチ(125mm)結晶では5〜7cmと約2倍にも達する。当然スリップが生じた結晶部分は製品としては使用できないためロスとなり、大口径結晶ほど製品ロスは増大することになる。
このような条件で、例えばシリコン単結晶の成長を行うことで、スリップ長さが減少し製品ロスが低減されたFZシリコン単結晶を容易に得ることができる。
成長終盤で原料半導体棒の溶融状態が不均一となり、成長軸方向の溶融面が凹凸状となるという現象が発生する場合がある。特に、溶出側半導体棒の直径が晶出側半導体棒の直径よりも大きい場合や、原料半導体棒の形状が悪い場合等は、結晶成長終盤において溶融状態不均一となりやすくなる。そして、そこから、いわゆる「ハナ出」と呼ばれる突起が形成され、突起の成長が進むと、ついには誘導加熱コイルに接触・放電し、操業不可能になってしまう恐れもある。
上記のように、本発明により自動で晶出側半導体棒の直胴部の尾部を拡大又は縮小できる。従って、これを応用して、例えば、中間多結晶を育成する場合に、次にFZ法により単結晶化する時の原料半導体棒として用いられる時にこれを保持する治具に適合し易い形状とすることができる。すなわち、径が大きすぎる場合は、縮小して保持できるようにしたり、あるいは段差形状とすることにより、係合し易いようにすることもできる。
上記のように本発明により、自動で、原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を拡大、縮小することができる。この工程は、当然、直胴部形成工程の最後のみならず、途中で行うことができる。従って、これを応用し、前半と後半で直胴径を変更することができる。もちろん、このような2段直径に限らず、3段あるいはそれ以上としても良い。例えば、前半は直径150mm用の結晶を成長し、後半は125mm用のものとしてもよい。これにより、全部を直径150mm用の結晶とした場合よりスリップバックを低減できるし、オーダー量に応じて結晶を成長させることができ、少量オーダーにも適格に応えることができる。
(実施例1)
<直胴部形成工程の最後に晶出側半導体棒の直径を自動制御により縮小>
図1に示したFZ法による半導体結晶の製造装置を用いて、直径5インチ(125mm)、方位<111>のシリコン単結晶の製造を行った。すなわち、シリコン単結晶は、原料となる半導体棒を溶融して種結晶に融着させ、晶出側半導体棒を直径5インチ(125mm)まで拡大させながら成長させてコーン部を形成し、晶出側半導体棒を直径5インチ(125mm)に制御しつつ成長させて直胴部を形成し、原料の供給を止め、晶出側半導体棒の直径を縮小させて晶出側半導体棒を溶出側半導体棒から切り離すことにより製造した。この時、直胴部形成工程の最後で、晶出側半導体棒切り離し工程前に、原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に縮小する工程を行い、5インチ(125mm)あった直径を、4インチ(100mm)まで縮小した。この時、晶出側半導体棒の直径を縮小している間の晶出側半導体棒の成長長さを、4cmとした。
さらに、直胴部形成工程の最後の晶出側半導体棒の直径制御による縮小は、自動的に行われたので、作業者の負担も少なく、容易に製造することができた。
また、同様にして直胴部の最後の部分を縮小したシリコン単結晶の製造を10回繰り返したが、再現性良く製造することができた。
<晶出側半導体棒の直胴部の直径縮小無し>
直胴部形成工程において、原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に縮小する工程を行わなかったことを除いて、実施例1と同様にしてシリコン単結晶を製造した。
その結果、スリップ長さが5〜7cmであったので、結晶ロス重量が平均2,300gとなり、実施例1に比べて製品ロスが大きいものであった。
16…溶出側半導体棒、 18…晶出側半導体棒、
20…溶融帯域、 22,26…昇降用可変速モータ、 24…晶出界面、
28…溶出界面、
30…テレビカメラ、 32…画像処理回路、 34…晶出側融液肩部、
36…晶出側融液ネック部、
40…ネック部直径設定器、 41…ゾーン長設定器、
42,44,48,66…差動増幅器、
43,60…PID調節器、 45…速度検出器、 46…速度調節器、
47…駆動回路、
51…コーン部直径設定器、 52…直胴部直径設定器、 53…直径変更設定器、
58,59…切替接点、
62…切替回路、 64…融液肩部直径設定器、
70…成長炉、
Vp…溶出側半導体棒下降速度、 Vs…晶出側半導体棒下降速度、
Dn…晶出側融液ネック部直径、Dn0…晶出側融液ネック部目標直径、
Dni…晶出側融液ネック部検出直径、 Dm…晶出側融液肩部直径、
Dm0…融液肩部目標直径、 Dmi…融液肩部検出直径、 Ds…晶出結晶直径、
Dt…晶出結晶目標直径、 Dsi…晶出結晶検出直径、 Dc…コーン部目標直径、
Db…直胴部目標直径、 L…ゾーン長、 L0…目標ゾーン長、
Li…検出ゾーン長、 Y…晶出側半導体棒長さ、 P…供給電力。
Claims (8)
- 少なくとも、原料となる半導体棒を溶融して種結晶に融着させる工程と、晶出側半導体棒を所望の直径まで拡大させながら成長させてコーン部を形成する工程と、晶出側半導体棒を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部を形成する工程と、原料の供給を止め、晶出側半導体棒の直径を縮小させて該晶出側半導体棒を溶出側半導体棒から切り離す工程を含むFZ法による半導体結晶の製造方法において、少なくとも、前記直胴部形成工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程を行うことを特徴とする半導体結晶の製造方法。
- 前記原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小する工程を、前記直胴部形成工程の最後で、前記晶出側半導体棒切り離し工程前に行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶の製造方法。
- 前記原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を自動的に拡大又は縮小する工程では、晶出側半導体棒の直径を、25mm以上自動的に縮小させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体結晶の製造方法。
- 前記原料を供給しつつ晶出側半導体棒の直径を自動的に拡大又は縮小する工程では、前記晶出側半導体棒の直径を縮小している間の晶出側半導体棒の成長長さを、30〜40mmとすることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体結晶の製造方法。
- 前記製造する半導体結晶を、シリコン単結晶又は中間多結晶とすることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体結晶の製造方法。
- 請求項5に記載の半導体結晶の製造方法によって製造されたシリコン単結晶。
- 請求項5に記載の半導体結晶の製造方法によって製造された中間多結晶。
- FZ法による半導体結晶の製造装置であって、少なくとも、原料となる半導体棒を収容する成長炉と、前記半導体棒を溶融して溶融帯域を形成する熱源となる誘導加熱コイルと、晶出側半導体棒の直径を検出して直径制御する手段とを有し、該直径制御手段は、少なくとも、前記原料半導体棒の供給速度、前記晶出側半導体棒の成長速度、前記誘導加熱コイルへの供給電力のいずれか1以上を制御するものであり、かつ、晶出側半導体棒の直胴部を形成する工程中に、原料を供給しつつ、晶出側半導体棒の直径を制御して自動的に拡大又は縮小することができるものであることを特徴とする半導体結晶の製造装置。
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