JP2012140285A

JP2012140285A - シリコン単結晶インゴットの製造方法

Info

Publication number: JP2012140285A
Application number: JP2010293964A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kato; 英生加藤; Hideaki Murakami; 英明村上
Original assignee: Siltronic Japan Corp
Current assignee: Siltronic Japan Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-26
Also published as: EP2471980A1; TW201226640A; US20120160154A1; CN102560622A; SG182096A1; KR20120075427A

Abstract

【課題】ピンホールの形成を大幅に抑制し、実質的に防止することができるシリコン単結晶インゴットの製造方法を提供する。
【解決手段】ＣＺ法の多結晶シリコンの充填工程において、供給される多結晶シリコン塊Ｓとしてスモールサイズ多結晶シリコンＳ１は用いられておらず、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２とラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３のみが用いられている。また、多結晶シリコンの充填工程において、多結晶シリコン塊Ｓを無作為に坩堝１内へ供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）を用いたシリコン単結晶インゴット（以下、インゴットという）の製造方法に関し、特に、坩堝内への原材料多結晶シリコンの充填方法に関する。

半導体素子の製造に使用される半導体基板は単結晶のシリコンウェハから製造されており、インゴットの育成にはＣＺ法が広く用いられている。ＣＺ法においては、坩堝内に多結晶シリコンを充填し、この充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液とする。次いで、このシリコン融液に種結晶を接触させ、これを引き上げることによりインゴットを育成する。その際、シリコン融液内に含まれる気泡が、シリコン融液の表面より抜け出ることがなく、シリコン融液内に残り、インゴットに取り込まれることがある。これにより、育成されたインゴットには、この気泡に基づく空洞であるピンホールが形成されることがある。

シリコンウェハはインゴットをスライスして製造されており、ピンホールが形成されたシリコンウェハからは、所望の構造を有する半導体素子を製造することができないという問題がある。

インゴット育成におけるピンホールの形成を低減するために、従来から種々の方法が提案されている。例えば、多結晶シリコン原料の溶解を５〜６０ｍｂａｒの炉内圧で行うことにより、ピンホールの発生を低減しようとする方法が開示されている（例えば、特許文献１）。また、多結晶シリコン原料の塊を大きさによって３つに分級し、大きい塊を坩堝の側面に沿って配置し、坩堝の中央の部分に小さな塊を配置し、この小さな塊の上に中くらいの塊を配置することにより、ピンホールの発生を低減しようとする方法が開示されている（例えば、特許文献２）。また、多結晶シリコンを溶解してシリコン融液とする工程と、このシリコン融液に種結晶を接触させて、インゴットを育成する工程との間に、坩堝を支持する坩堝軸に振動を与えることにより、ピンホールの発生を低減しようとする方法が開示されている（例えば、特許文献３）。

特開平５−９０９７号公報特表２００２−５３５２２３号公報特開２００７−２１０８０３号公報

近年、半導体素子は微細化や薄肉化が進んでおり、半導体素子製造において、インゴットに形成されるピンホールはより大きな問題となっている。また、ピンホールの検査には多くの手間が掛かっている。このため、ピンホールのさらなる低減が求められていたが、上述の従来の方法では不十分であった。

本発明の目的は、ピンホールの形成を大幅に抑制し、実質的に防止することができるインゴットの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者は、ピンホールの形成を大幅に抑制し、実質的に防止することができるインゴットの製造方法を鋭意研究し、その結果、以下の知見を得た。

即ち、本発明者は、ピンホールの発生原因は、１ｍｍ以下の小さな気泡がシリコン融液中に残ることにあると推定した。具体的には、大きな気泡は浮力が大きいためシリコン融液の表面まで上昇し、ただちに消える。しかしながら、小さな気泡は浮力が小さく、シリコン融液の流れに巻き込まれるため、融液中に残り、この残留する気泡がインゴット育成中に結晶へ取り込まれる。つまり、多結晶シリコン原料の溶解の過程で、小さな気泡がシリコン融液中に残るのは、溶解の過程で、多結晶シリコンの表面に気泡が形成され、この気泡が多結晶シリコンの表面に付着したまま、多結晶シリコンの溶解が進み、この気泡が対流するシリコン融液の流れに取り込まれることに原因があると推定した。そして、本発明者はこの原因の推定の下、坩堝に充填される多結晶シリコンの塊の重量に対する表面積の比を、つまり、多結晶シリコンの塊の重量の総和に対する表面積の総和の比を、低減することにより、育成されるインゴットにおいてピンホールの発生を大幅に抑制し、実質的に防止することができることを見出し、本発明に至った。

即ち、上記目的を達成するために、本発明に係るインゴットの製造方法は、坩堝内に多結晶シリコンを充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることにより、インゴットを育成する引上工程とを有するインゴットの製造方法において、前記充填工程において、複数の多結晶シリコンの塊を前記坩堝内に無作為に供給することにより前記坩堝内に前記多結晶シリコンを充填し、前記多結晶シリコンの塊は大きさの大きな多結晶シリコンの塊であることを特徴とする。

本発明に係るインゴットの製造方法において、前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、２０ｍｍ以上の大きさの多結晶シリコンの塊から成り、前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊、及び大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊の少なくともいずれか１つを有している。

本発明に係るインゴットの製造方法において、前記供給される多結晶シリコンの塊は少なくとも前記大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊を含む。

本発明に係るインゴットの製造方法において、前記供給される多結晶シリコンの塊は少なくとも前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊を含む。

本発明に係るインゴットの製造方法において、前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、前記大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊と前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊とからなり、前記５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊が７０重量％であり、前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊が３０重量％である。

本発明に係るインゴットの製造方法によれば、坩堝内に多結晶シリコンを充填する充填工程において、大きさの大きな多結晶シリコンの塊が坩堝に供給されるので、充填される多結晶シリコンの重量に対する表面積の比を減らすことができ、充填されている多結晶シリコンの溶解に際して、多結晶シリコンへの気泡の付着を従来に比べて大幅に抑制させることができる。このため、シリコン融液内に気泡が取り込まれ、シリコン融液内に気泡が残存することを従来に比べて大幅に抑制することができる。従って、育成されるインゴットにおいてピンホールが形成されることを従来に比べて大幅に抑制し、実質的に防止することができる。

これにより、坩堝内に多結晶シリコンを充填する充填工程において、従来のように坩堝内における多結晶シリコンの塊の配置に係わりなく、多結晶シリコンの塊を無作為に坩堝に供給することができる。このため、充填工程を簡単な手間の掛からないものにすることができる。

ＣＺ法における坩堝への多結晶シリコンの従来の充填方法を示す図である。本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法における坩堝への多結晶シリコンの充填方法を示す図である。原料としての多結晶シリコン塊の種類を示す図である。本発明に係る実施例１，２と比較例１におけるピンホール発生率の相対比を表したグラフを示す図である。

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。

ＣＺ法においては、坩堝内に原材料である多結晶シリコンが充填され、不活性ガス、例えばＡｒガスの雰囲気において、坩堝内に充填された多結晶シリコンが溶解されてシリコン融液とされ、このシリコン融液に種結晶が接触され、接触させられた種結晶を引き上げることによりインゴットが育成される。

図１は、ＣＺ法の多結晶シリコンの充填工程における、坩堝への原材料である多結晶シリコンの従来の充填方法を示す図である。図1に示すように、坩堝１内には従来の方法で多結晶シリコンの塊である多結晶シリコン塊Ｓが複数充填されている。多結晶シリコン塊Ｓは、塊の大きさが小さいスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１と、塊の大きさが中くらいのミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２とを含んでいる。スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１及びミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、ＣＺ法において従来一般的に使用されている多結晶シリコン塊Ｓに含まれている大きさの多結晶シリコン塊である。

図３に示すように、多結晶シリコン塊Ｓの大きさは、その最大幅ｈによって規定されており、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１は、最大幅ｈが２０ｍｍよりも小さい多結晶シリコン塊であり、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、最大幅ｈが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲にある多結晶シリコン塊である。

図1に示すように、従来の多結晶シリコンの充填方法においては、その大きさから、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１が坩堝１の下方に堆積され、このスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１の上にミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が堆積される。インゴットの大型化によるコスト削減の観点から、坩堝内への多結晶シリコン塊の高い充填率が求められており、従来の多結晶シリコンの充填方法においては、大きいサイズの多結晶シリコン塊が積極的に充填されることはなかった。

坩堝１は、例えば、石英から製造された石英坩堝であり、図示しない炉の中に設けられ、多結晶シリコン塊Ｓが充填された坩堝１は、不活性の気体、例えばＡｒ（アルゴン）ガス雰囲気に曝されている。

図２は、本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法における坩堝への多結晶シリコンの充填方法を示す図である。

図２に示すように、ＣＺ法の多結晶シリコンの充填工程での本発明の実施の形態における多結晶シリコンの充填方法において、供給される多結晶シリコン塊Ｓとしてスモールサイズ多結晶シリコンＳ１は用いられておらず、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２とラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３のみが用いられている。ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３は、図３に示すように、最大幅ｈが５０ｍｍより大きな多結晶シリコン塊である。

また、本発明の実施の形態における多結晶シリコンの充填工程において、多結晶シリコン塊Ｓを無作為に坩堝１内へ供給する。つまり、坩堝１内における多結晶シリコン塊Ｓの配置や、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の配置や分布等を考慮することなく、多結晶シリコン塊Ｓは坩堝１内に供給される。例えば、内部に無作為に多結晶シリコン塊Ｓが堆積された容器を傾倒させることにより、多結晶シリコン塊Ｓは無作為に坩堝１内に供給される。

図２に示すように、本発明の実施の形態における多結晶シリコン塊Ｓの充填方法によれば、充填される多結晶シリコン塊Ｓの大きさが、図1に示す従来の多結晶シリコン塊Ｓの充填方法による場合に比べて大きい。このため、本発明の実施の形態における充填方法によれば、充填される多結晶シリコン塊Ｓの重量の総和に対する充填される多結晶シリコン塊Ｓの表面積の総和の比は、図１の従来の充填方法の場合に比べて小さくすることができる。このため、上述のように、育成されるインゴットにおいて、ピンホールが形成されることを従来に比べて大幅に抑制し、実質的に防止することができる。

本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法においては、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓは、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３及びミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２から成るが、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓは、これに限られるものではない。多結晶シリコン塊Ｓは、少なくともミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２以上の大きさの多結晶シリコン塊を有していればよい。また、上述のように、充填される多結晶シリコン塊Ｓは大きさが大きい方が好ましく、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓにおいては、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２に対するラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の割合が多い方が好ましい。ただし、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の大きさは、最大でも坩堝内に充填可能な大きさである。

以下、本発明の実施例について説明する。

上述の本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法を用いて、２種類の多結晶シリコン塊Ｓを原材料として、インゴットを育成した（実施例１，２）。

実施例１においては、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の含有比（重量分布）が、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２：１００重量％、及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３：０重量％である多結晶シリコン塊Ｓを原材料として使用した。

実施例２においては、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２、及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の含有比が、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２：３０重量％、及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３：７０重量％である多結晶シリコン塊Ｓを原材料として使用した。

また、比較例として、図１に示した従来の多結晶シリコンの充填方法を用いて、インゴットを製造した（比較例１）。比較例１において、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１及びミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２の含有比が、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１：３０重量％、及びミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２：７０重量％である多結晶シリコン塊Ｓを原材料として使用した。

上述の実施例１，２及び比較例１において、原材料としての多結晶シリコン塊Ｓの総重量は同一であり１３０ｋｇとし、また、同一の製造条件においてＣＺ法によりインゴットを育成した。尚、石英坩堝には、石英坩堝製造時に混入した気泡が含まれており、インゴット育成時に、石英坩堝からシリコン融液中に放出されることがあるため、ピンホールの発生原因となり得る。本実施例及び比較例においては、石英坩堝はすべて同質レベルのものを用いたため、石英坩堝の違いによる、ピンホール発生率の違いは生じないものとする。

実施例１，２及び比較例１により育成された長さが約１５００ｍｍのインゴットを１０本スライスし、シリコンウェハを製造した。実施例１，２及び比較例１により製造された各シリコンウェハに対して、ピンホールの検査を行った。ピンホールの検査は、目視による全量検査である。検査結果を図４に示す。

図４は、比較例１に対するピンホール発生率の相対比を示す図である。図4に示すように、実施例１においては、比較例１に比べてピンホールの発生を７７％抑制できることが分かる。実施例２においては、ピンホールが確認されず、ピンホール発生率は０％であった。

実施例２は、坩堝１に充填される全多結晶シリコン塊Ｓに含まれるサイズの大きな多結晶シリコン塊Ｓの割合が最も多く、サイズの大きな多結晶シリコン塊Ｓの含まれる割合は、次いで、実施例１が多い。そして、比較例１は、坩堝１に充填される全多結晶シリコン塊Ｓに含まれるサイズの大きな多結晶シリコン塊Ｓの割合が最も小さい。つまり、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓの総重量に対する充填される多結晶シリコン塊Ｓの表面積の総和の比（重量対表面積比）は、実施例２が一番小さく、次に小さいのが実施例１であり、重量対表面積比が最も大きいのが比較例１である。このように、図４から、充填工程において坩堝１に充填される多結晶シリコン塊が大きさの大きいな多結晶シリコン塊を多く含むほど、ピンホール発生率は低いことが分かる。

このように、本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法によれば、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓの大きさが大きく、本発明の実施の形態における充填方法によれば、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓの全重量に対する充填される多結晶シリコン塊Ｓの全表面積の比を小さくすることができる。このため、製造されるインゴットに形成されるピンホールの数を従来に比べて大幅に抑制し、実質的に防止することができる。

また、本発明の実施の形態に係るインゴットの製造方法によれば、坩堝１に充填される多結晶シリコン塊Ｓの大きさを大きくすることにより、充填工程において、多結晶シリコン塊Ｓを無作為に坩堝１に供給することができる。従って、充填工程を簡単な手間の掛からないものにすることができる。このため、インゴットの製造方法を従来より簡単な手間の掛からないものにすることができ、製造コストを低減することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、上述の実施の形態及び実施例は本発明に含まれる一例である。例えば、坩堝１に充填される原材料としての多結晶シリコン塊Ｓの大きさの分布は、上述のものに限られない。また、インゴットの製造方法は上述のものに限定されるものではなく、磁場を用いたMCZ法やシリコン以外の材料においても適用可能である。

１坩堝
Ｓ多結晶シリコン塊
Ｓ１スモールサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ２ミドルサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ３ラージサイズ多結晶シリコン塊

Claims

坩堝内に多結晶シリコンを充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることによりシリコン単結晶インゴットを製造する引上工程とを有するシリコン単結晶インゴットの製造方法において、
前記充填工程において、複数の多結晶シリコンの塊を前記坩堝内に無作為に供給することにより前記坩堝内に前記多結晶シリコンを充填し、前記多結晶シリコンの塊は大きさの大きな多結晶シリコンの塊であることを特徴とするシリコン単結晶インゴットの製造方法。
前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、２０ｍｍ以上の大きさの多結晶シリコンの塊から成り、前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊、及び大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊の少なくともいずれか１つを有していることを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
前記供給される多結晶シリコンの塊は少なくとも前記大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊を含むことを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
前記供給される多結晶シリコンの塊は少なくとも前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊を含むことを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
前記大きさが大きな多結晶シリコンの塊は、前記大きさが５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊と前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊とからなり、前記５０ｍｍより大きい多結晶シリコンの塊が７０重量％であり、前記大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコンの塊が３０重量％であることを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。