JP2010173880A

JP2010173880A - 半導体単結晶の製造方法および原料供給容器

Info

Publication number: JP2010173880A
Application number: JP2009016558A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Shigeta; 泰彦重田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】チョクラルスキー法による半導体単結晶の製造において、原料供給容器内での固形原料の破砕の発生を低減させた半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】鉛直方向を中心軸とする螺旋状に上部から下部まで半導体単結晶の原料を移動させる螺旋路１４を具備した原料供給容器１３であって、原料供給容器１３に原料を入れてから融液５に向けて出すまでの間に、前記原料供給容器１３内において鉛直方向を中心軸として螺旋を描くように固形原料を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法のうちマルチプーリング法において使用されるシリコン単結晶の製造方法および原料供給容器に関する。

一般にシリコンなどの半導体単結晶の育成方法としては、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。

従来、チョクラルスキー法による半導体単結晶の製造コストを低減するために、目標長を持った単結晶を坩堝から引き上げた後、原料供給容器を用いて引き上げ重量分の半導体の固形原料を追加供給し、再度同様の単結晶引き上げを繰り返す方法が行なわれている。この方法により、１度しか使用できない石英坩堝から複数本の単結晶を製造でき、製造歩留まりを向上させるとともに坩堝コストを低減させることが可能である。

このような方法には、例えば、円錐状の底蓋を有する原料供給容器を用いたシリコン単結晶の製造方法が知られている（特許文献１参照）。

また、シリコン結晶を溶融させる坩堝にシリコン原料を供給させる原料供給管であって、減速部として螺旋管を鉛直方向に対して有する原料供給管が知られている（特許文献２参照）。

特開２００６−８９２９４号公報特開平１−１１９５９４号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、シリコンの固形原料を原料供給容器内に入れる際に、原料供給容器内にて固形原料を落下させて充填するため、落下によって固形原料が原料供給容器の壁面または充填された他の固形原料と衝突して破砕される傾向があった。これにより、破砕された固形原料が坩堝内のシリコン融液に入ることで、粉末となったシリコンが、種結晶と異なる別の結晶成長の核となり、多結晶化するため好ましくない傾向があった。また、破砕したSi粉体が融液に落下することにより、部分的な状態変化（温度、過冷却度）が生じる事により、得られた結晶が有転位化する、あるいは結晶性の悪化が生じる傾向があった。

また、特許文献２の発明では、減速部として、螺旋管の内部とシリコン原料とを積極的に衝突させるために傾斜させた螺旋管を用いており、シリコン原料が破砕される傾向があった。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、原料供給容器内において、破砕した固形原料の融液への混入を低減させた半導体単結晶の製造方法、および原料供給容器を提供することである。

本発明は、半導体単結晶の原料を入れた原料供給容器から半導体単結晶の融液に対して前記原料を入れる、チョクラルスキー法を用いた、半導体単結晶の製造方法であって、前記原料供給容器に前記原料を入れてから前記融液に向けて出すまでの間に、前記原料供給容器内において鉛直方向を中心軸として螺旋を描くように前記固形原料を移動させる半導体単結晶の製造方法に関する。

前記融液に向けて前記原料を出す際、鉛直方向に対して傾斜させて前記原料を前記融液に入れることが好ましい。

前記原料供給容器の上部から下部まで螺旋状の傾斜面が設けられたことが好ましい。

また、本発明は、チョクラルスキー法に使用し、半導体単結晶の融液に対して半導体単結晶の原料を入れるための原料供給容器であって、鉛直方向を中心軸とする螺旋状に上部から下部まで前記半導体単結晶の原料を移動させる螺旋路を具備する原料供給容器に関する。

本発明の一実施形態である半導体単結晶の製造方法は、原料供給容器に半導体単結晶の原料を入れてから融液に向けて出すまでの間に、原料供給容器内において鉛直方向を中心軸として螺旋を描くように固形原料を移動させることにより、固形原料の破砕を抑制して融液への粉末状の固形原料の混入を抑制することができる。これにより、純度の高い半導体単結晶を製造することが可能となる。

本発明の一実施形態である半導体単結晶の製造方法に用いられる半導体単結晶製造装置の構造を示す模式図である。固形原料を融液へ投下する図１の半導体単結晶製造装置の模式図である。図１および図２における原料供給容器の拡大図である。原料供給容器の別の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下の説明では、本発明に係る実施の態様の一例を示すに過ぎず、本発明の範囲はこれらの具体例に限定されるものではない。また、図に示す部材やその寸法・比率等については、説明のため強調・省略することがあり、必ずしも実際のものに即しているというわけではない。

本発明に係る半導体単結晶の製造は、チョクラルスキー法により行なわれる。以下において特に記載していないものについては一般的なチョクラルスキー法に使用される条件で行なわれる。

図１は、本発明に係る半導体単結晶の製造に用いられる単結晶製造装置（この例ではシリコン単結晶製造装置）の一例を示した模式図である。

なお、通常、この単結晶製造装置は、メインチャンバー１およびプルチャンバー２により内部が囲まれており、内部を外から確認できないが、図１および後述する図２においては、装置内部がわかるように、メインチャンバー１およびプルチャンバー２を透視したときの図として示している。

また、図１〜図４に示す原料供給容器１３内の螺旋路１４についても、通常は原料供給容器１３により周囲を囲まれているため外から確認できないが、図１〜図４では、螺旋路４の構造がわかるように、原料供給容器１３の透視図を示している。

図１における単結晶製造装置は、いわゆるＣＺ炉であり、炉体として、メインチャンバー１およびプルチャンバー２を具える。プルチャンバー２は、メインチャンバー１より小径で、メインチャンバー１の中心部上に重ねられる。メインチャンバー１内の中心部には坩堝が配置されている。

坩堝は内側に設けられた石英坩堝４と、その外側に設けられた黒鉛坩堝３とを組み合わせた二重構造である。石英坩堝４を構成する石英は高温で軟化するとともに、脆く破損しやすいという性質を有するため、その周囲を黒鉛坩堝３で囲繞しているのである。これらの坩堝は坩堝受け（図示せず）を介して支持軸１１により支持されている。支持軸１１は坩堝を昇降させる、あるいは周方向に回転させるように駆動させることができる。

黒鉛坩堝３の周囲は、ヒータ６により囲繞されている。このヒータ６により、石英坩堝４に投入された半導体単結晶の原料（例えば、多結晶ランプ材）を溶融する。なお、このヒータ６のさらに外側には保温用断熱材７が、メインチャンバー１の内面に沿ってメインチャンバー１と同心円状に装置底部台座１０上に配置されている。この保温用断熱材７はヒータ６からの熱がメインチャンバー１に直接輻射されることを防止している。

さらに、保温用断熱材７の上には開口部が設けられ、上部は外側に、下部は内側に水平に延びた円周部を有する熱遮蔽シールド８が設けられている。

メインチャンバー１には排気口１２が設けられており、図示しないガス供給管からメインチャンバー１の内部にＡｒなどの不活性ガスを供給可能に構成されている。具体的には、排気口１２から空気を排出してメインチャンバー１の内部を減圧状態とし、Ａｒガスなどの不活性ガスを流して雰囲気を所望の状態として半導体単結晶の原料の融解が行われる。

プルチャンバー２内には、引き上げ軸としてのワイヤ９が垂下されている。ワイヤ９は、プルチャンバー２の最上部に設けられた図示されない駆動機構により昇降駆動される。なお、ワイヤ９は駆動機構により回転させるようにしても良い。

引き上げ軸のワイヤ９の下部には、原料供給容器１３が設けられている。

原料供給容器１３は、図１に示すように、内部に螺旋路１４が設けられている。この螺旋路１４は、例えば、螺旋路１４の保持部１３などにより原料供給容器１３内に保持される。

原料供給容器１３は、図２に示すように、内部に設けられた螺旋路１４内に粒塊状の半導体の固形原料１８が充填され、石英坩堝４内の半導体の原料融液５に対して供給可能な位置に保持されている。

原料供給容器１３の本体は、ステンレス鋼などにより形成されており、内部に固形原料１８を保持可能な円筒形状となっている。また、下方に蓋部１３ａが設けられ、この蓋部１３ａは、ワイヤ押さえ金具１５に通されたワイヤ９と接続しており必要に応じて自在に開閉するように構成されている。詳細は後述するが、この蓋部１３ａが開くことにより、螺旋路１４内の固形原料１８を下方に設けられた石英坩堝４内の半導体の原料融液５にチャージすることができる。

螺旋路１４は、例えば、インコネル合金、ステンレス合金、石英、Ｔｉ、Ｗなどの材質により形成されている。また、螺旋路１４は、直径が１０〜３５０ｍｍの螺旋管の構造を示している。

原料供給容器１３の下部には、原料供給容器１３から出された固形原料１８が熱遮蔽シールド８など、原料供給容器１３の周りの部材に拡散しないように、蓋部１３ａの周りを覆うように、拡散防止外筒を設けてもよい（不図示）。

固形原料１８としては、半導体材料が用いられ、具体的には、シリコン、ゲルマニウムなどが挙げられる。なかでも、とくに硬度が大きく、破砕されやすいため、シリコンを半導体材料として本発明を行なった場合に大きな効果を発揮する。固形原料１８としては、例えば、粒径が１ｍｍ〜２５ｍｍの粒塊状のものが用いられ、一度に充填する量としては、例えば、２０ｋｇ程度である。

なお、本発明は、固形原料１８が上述の半導体材料のような、破壊靱性の小さい原料である場合に問題として生じる原料供給容器１３内での固形原料１８の破砕を低減させるために、原料供給容器１３内に入れてから外に出すまで連続して、鉛直方向を中心軸として螺旋を描くように半導体原料を移動させる。一般的なチョクラルスキー法では、半導体材料のみならず、金属でも適用することができるが、破壊靱性が半導体材料の２〜１０倍である金属では、原料供給容器１３内での破砕の発生が低い。また、金属の場合、螺旋路１４との摩擦が小さいため、原料供給容器１３内に入れてから外に出すまで連続して螺旋を描くように移動させても十分に移動速度を低減させることができない。そのため、本発明では、金属を固形原料１８として用いた場合十分な効果が得られないため、金属を固形原料１８とした場合を除く。

原料供給容器１３の動作は以下のとおりである。まず、原料供給容器１３の蓋部１３ａを閉じた状態で、原料供給容器１３の螺旋路１４内に固形原料１８を充填させる。そして、固形原料１８を充填させた原料供給容器１３をワイヤ９に取着し、プルチャンバー２の側からメインチャンバー１に向かって下降させる。やがて、原料供給容器１３の係止部１６がメインチャンバー１内に設けられた小径部１ａに当接し、原料供給装置１３の下降が停止する。その後、さらに、ワイヤ９を下げると、図２に示すように、蓋部１３ａが開くことで、固形原料１８が半導体の融液５へ投下される。

なお、融液５に向けて固形原料１８は投下させる際、その投下方向は、鉛直方向（重力方向）に対して傾斜している（図２の実線矢印参照）。これは、原料供給容器１３内の螺旋路１４が、原料供給容器１３の上部から下部まで一貫して螺旋構造を示しており、固形原料１８は、螺旋路１４に沿って、融液５へ投下されるため、鉛直方向に対して傾斜することになる。なお、固形原料１８の投下方向は、螺旋路１４から融液５まで到達するまでに、他の部材（例えば、蓋部１３ａ、熱遮蔽シールド８など）と衝突しないように鉛直方向に対して傾斜していればよい。例えば、鉛直方向に対する固形原料１８の投下方向の傾斜角は、１０〜７５°であり、より好ましくは３０〜６０°である。なお、この場合の傾斜角とは、螺旋路１４から投下された直後の固形原料１８の投下方向の角度を示す。

半導体単結晶の製造方法を以下に簡単に説明する。

育成および装置内での冷却が完了した半導体単結晶を装置外へ取り出し、固形原料１８の充填が完了した原料供給容器１３をワイヤ９に吊り下げ、メインチャンバー１内に収納する。

次に、坩堝回転数を例えば１ｒｐｍで維持した状態で、ヒータ６の出力を低下させて残留している融液５の温度を融液表面が固化温度近傍になるくらいまで下げる。この状態で融液５の温度を安定させ、原料供給容器１３を単結晶製造装置のプルチャンバー２の上方から下降させ、原料供給容器１３の係止部１６をメインチャンバー１の小径部１ａに当接させて停止させる。

その後、蓋部１３ａを開放して固形原料１８を石英坩堝４の融液５に落下供給し、リチャージする。

ここで、固形原料１８の落下供給が進むにつれて、徐々に石英坩堝４を下降させて固形原料１８の供給は完了させる。この後、ワイヤ９を上昇させて、空となった原料供給装置１３を単結晶製造装置の上方に移動させ、装置外へ取り出す。

固形原料１８が石英坩堝４の内部で溶解すると体積が減少するので、この作業を数回（例えば３回）繰り返すことにより、必要量の固形原料１８を石英坩堝４内に追加することができる。なお、固形原料１８を投入する際、単結晶に電気伝導率特性を所望の規格範囲に調整するためのドーパント剤も合わせて投入しても良い。

その後、ワイヤ９に単結晶育成用の種結晶を所定の結晶方位とした状態で取着して、融液５の面に浸して所定の方法により引き上げることにより、種結晶と同じ方位配列を有するシリコン単結晶のインゴットを育成することができる。

図３に、図１および図２の単結晶製造装置における原料供給容器１３の拡大図を示す。この図において、原料供給容器１３に入れてから出るまでの固形原料１８の動きを点線の矢印にて、また、融液５に向けて投下された固形原料１８の投下方向を実線矢印にて示す。原料供給容器１３上部の螺旋路１４の開口部に入れた固形原料１８は、螺旋路１４に入れた直後から、螺旋路１４の形状にしたがって螺旋を描くように移動する。螺旋路１４の螺旋構造は、固形原料１８の投入口から投下口まで鉛直方向を中心軸として連続して設けられている。ここで、鉛直方向とは、重力の方向をいう。

投入直後から螺旋路１４の傾斜面に沿うように固形原料１８を投入することになるため、固形原料１８の破砕が低減される。また、鉛直方向２０を中心軸とした螺旋運動を行なうことにより、螺旋路１４中の内面に沿うように固形原料１８が移動するため、固形原料１８の破砕が低減される。さらに、螺旋路１４中を移動する固形原料１８の移動速度が、螺旋路１４により減速されているため、固形原料１８の融液５への投下速度を低下させ、融液５着液時の液の飛沫量を減少させることも可能となる。

原料供給容器１３内における固形原料１８の螺旋運動を鉛直方向にみたとき（図３の場合、原料供給容器１３の上から鉛直方向に沿ってみたとき）、固形原料１８は、原料供給容器１３への投入から射出まで、同じ円を描くように動く。これにより、螺旋形状が下側に向かうにつれて小さくなるなど、同じ円を描かないように動いた場合に生じる固形原料１８の移動速度の急激な増大および低減を抑制して固形原料１８の破砕を低減することができる。

図３において、固形原料１８は、螺旋路１４に沿うように、鉛直方向２０に対して傾斜して移動する。この傾斜角は、前述した、鉛直方向２０に対する固形原料１８の投下方向の傾斜角と同様である。

図４に、図３とは異なる原料供給容器１３の一例を示す。図４では、円柱部材１９ｂの周囲に巻きつくように螺旋形状の傾斜面１９ａを設けたうえで、原料供給容器１３内にて螺旋形状の傾斜面上に設けられた空隙を螺旋路１４としたものである。このような螺旋路１４とすることで、図３における螺旋路１４のように、螺旋管の螺旋路よりも固形原料の通路が大きいため、大量の固形原料を螺旋路内に通すことが可能となる。

また、原料を原料供給容器１３に充填して坩堝まで移動させる際に揺れが発生するが、このとき、図４の原料供給容器１３の場合、螺旋路１４は、円柱部材１９ｂと傾斜面１９ａと原料供給容器１３との３種の部材から構成され、かつ、固形原料の通路が大きいため、固形原料１８と螺旋路１４との衝突により生じた振動は分散されることになり、他の固形原料１８に伝わりにくいため、固形原料１８の破砕を抑制することができる。

なお、螺旋形状の傾斜面１９ａおよび円柱部材１９ｂは、例えば、インコネル合金、ステンレス合金、石英、Ｔｉ、Ｗなどの材質により形成されている。

図４においても、固形原料１８は、螺旋路１４に沿うように、鉛直方向に対して傾斜して移動し、この傾斜角は、前述した、鉛直方向に対する固形原料１８の投下方向の傾斜角と同様である。

１：メインチャンバー
２：プルチャンバー
３：黒鉛坩堝
４：石英坩堝
５：半導体の融液
６：ヒータ
７：保温用断熱材
８：熱遮蔽シールド
９：ワイヤ
１０：装置底部台座
１１：坩堝支持軸
１２：排気口
１３：原料供給容器
１３ａ：蓋部
１３ｂ：螺旋路１４の保持部
１４：螺旋路
１５：ワイヤ押さえ金具
１６：係止部
１８：半導体の固形原料
１９ａ：螺旋形状の傾斜面
１９ｂ：円柱部材
２０：鉛直方向

Claims

半導体単結晶の原料を入れた原料供給容器から半導体単結晶の融液に対して前記原料を入れる、チョクラルスキー法を用いた、半導体単結晶の製造方法であって、
前記原料供給容器に前記原料を入れてから前記融液に向けて出すまでの間に、前記原料供給容器内において鉛直方向を中心軸として螺旋を描くように前記固形原料を移動させる半導体単結晶の製造方法。
前記融液に向けて前記原料を出す際、鉛直方向に対して傾斜させて前記原料を前記融液に入れる請求項１記載の半導体単結晶の製造方法。
前記原料供給容器の上部から下部までの内部に、螺旋状の傾斜面が設けられた請求項１または２記載の半導体単結晶の製造方法。
チョクラルスキー法に使用し、半導体単結晶の融液に対して半導体単結晶の原料を入れるための原料供給容器であって、
鉛直方向を中心軸とする螺旋状に上部から下部まで前記半導体単結晶の原料を移動させる螺旋路を具備する原料供給容器。