JP3010441B2 - 多結晶シリコン - Google Patents
多結晶シリコンInfo
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Description
代表される半導体材料の製造方法に関する。
例えばメモリー素子やマイクロプロセッサーのような電
子部品の製造に必要である。或る制御された方法で導入
されたドーパントは唯一の不純物なので、そのような物
質は極めて好ましい状態でなければならない。従って、
有害な不純物の濃度を可能な限り低く抑える努力がなさ
れている。高純度の条件のもとで作られた半導体材料で
さえも、最終製品を作るための更なる加工の過程で再び
汚染されることを見かけることが多い。従って、再び最
初の純度にするには費用のかかる洗浄工程が繰り返し必
要になる。半導体材料の結晶格子の中に入り込む異種金
属原子が電荷分布を乱し、次の工程での部品の機能化を
低下させたり或いはその部品を故障させる場合がある。
従って、特に金属不純物による半導体材料の汚染は避け
なければならない。エレクトロニクス業界で非常に多用
される半導体材料であるシリコンについては、このこと
は特に当てはまる。例えば、トリクロロシランのような
蒸留法によって容易に精製できる易揮発性シリコン化合
物の、例えば熱分解によって高純度シリコンが得られ
る。このような状況のもとで、70〜300mmの一般
的直径でかつ50〜2500mmの長さのインゴットの
形をした多結晶シリコンは製造される。インゴットの大
部分は、るつぼでの引き上げ方式の単結晶、帯状体、及
び膜状体を作るために、或いは多結晶の太陽電池の原料
を作るのに使用される。これらの製品は、高純度の溶融
シリコンから作られるので、るつぼの中で固体シリコン
を溶融する必要がある。この操作を可能な限り効率よく
行うために、例えば、前述の多結晶シリコンインゴット
のような大容積の固体シリコンを溶融前に粉砕しなけれ
ばならない。この粉砕はジョークラッシャー又はロール
型クラッシャー、ハンマー又はのみのような金属製の粉
砕工具を用いて行なうので、半導体材料の表面も粉砕を
伴うことが多いのが普通である。
物で確実に汚染されないように注意しなければならな
い。特に、金属原子は半導体材料の電気的特性を有害の
方へ変えることがあるので、これらの金属原子による汚
染については重要視すべきである。粉砕対象の半導体材
料は、これまでもよく行なわれてきたが、例えば鉄製ク
ラッシャーのような機械工具を用いて粉砕される場合、
シリコン断片を溶融前に表面洗浄をしなければならな
い。
機械粉砕された製品から作られた機械粉砕多結晶シリコ
ン又は多結晶シリコン顆粒を、出発物質として使用でき
るようにするには、機械粉砕多結晶シリコンの表面の鉄
原子および/またはクロム原子の濃度を下げる必要があ
る。
リコンの粒子が、単結晶シリコン用に出発物質として使
用される場合、機械粉砕された多結晶シリコンの表面
は、硝酸とフッ化水素酸の混合物でエッチングされる。
このような方法は広く使用されているが、ポリシリコン
の表面の鉄原子および/またはクロム原子の濃度を十分
に下げることは出来ない。
19529518号では、多結晶シリコンを先ず王水混
合物(塩酸と硝酸の混合物)で洗浄した後、更にフッ化
水素酸で洗浄するという別の洗浄方法が知られている。
しかしながら、この方法では、得られる多結晶シリコン
の鉄濃度は、平均値として73.32×10-11g/c
m2までしか下げることができなかった。
と硝酸を使用する洗浄方法を記載している。この方法で
は、得られる多結晶シリコンの鉄濃度は、平均値として
23.31×10-11g/cm2に下げることができた。
特開平5−154466号の技術においても、鉄の含有
濃度を望ましい値まで下げるには不十分であった。従っ
て、本発明の目的は、前記の従来技術の欠点を改良し
て、鉄/クロム含量が極めて低い半導体材料、特に多結
晶シリコン
成により達成される。すなわち本発明は以下の通りであ
る。
階の予備洗浄で半導体材料を洗浄すること、硝酸とフッ
化水素酸を含む洗浄液を用いて更なる段階の主洗浄で前
記材料を洗浄すること、及び親水化過程で、酸化洗浄液
を用いてなお更なる段階で前記材料を洗浄することを含
む金属濃度が低い半導体材料の製造方法。すなわち、機
械粉砕した半導体材料を、酸化洗浄液で予備洗浄し(第
一段階)、次いで、硝酸とフッ化水素酸を含む洗浄液で
主洗浄し(第二段階)、更に酸化洗浄液で洗浄し親水化過
程(第三段階)を行うことを特徴とする半導体材料の製造
方法。 (2)前記半導体材料を、前記予備洗浄過程で液体有機
酸、鉱酸及び過酸化水素から成る群から選ばれる1種以
上の液体洗浄剤を用いて洗浄することを特徴とする上記
1に記載の金属濃度が低い半導体材料の製造方法。 (3)前記半導体材料を、前記主洗浄過程でフッ化水素
酸、及び含量が70重量%未満である硝酸を含む洗浄液
を用いて洗浄すること、並びに更なる工程でフッ化水素
酸、及び含量が70重量%以上である硝酸を含む洗浄液
を用いて前記材料を洗浄することを特徴とする上記1に
記載の金属濃度が低い半導体材料の製造方法。すなわち
主洗浄過程において、フッ化水素酸及び70重量%未満
の硝酸を含む洗浄液で洗浄し、次いでフッ化水素酸及び
70重量%以上の硝酸を含む洗浄液で洗浄することを特
徴とする半導体材料の製造方法。
で液体有機酸、鉱酸及び過酸化水素から成る群から選ば
れる1種以上の液体洗浄剤を用いて更に洗浄することを
特徴とする上記1又は3に記載の金属濃度が低い半導体
材料の製造方法。 (5)前記半導体材料を、前記親水化過程で液体有機
酸、鉱酸及び過酸化水素から成る群から選ばれる1種以
上の液体洗浄剤を用いて洗浄されることを特徴とする上
記1に記載の金属濃度が低い半導体材料の製造方法。 (6)開口部を持つ容器の中の前記半導体材料を前記洗
浄液の中に浸漬させ、該洗浄液が該開口部を経て流入し
て該半導体材料を濡らしたのち、該洗浄液が該容器の該
開口部から完全に流出できるほど充分に高く該容器を引
き上げることを特徴とする上記1〜5のいずれかに記載
の金属濃度が低い半導体材料の製造方法。 (7)容器の中の前記半導体材料を上昇及び下降動作に
よって前記洗浄液の中に少なくとも2回浸漬させること
を特徴とする上記1〜6のいずれかに記載の金属濃度が
低い半導体材料の製造方法。 (8)前記半導体材料がシリコンであることを特徴とす
る上記1〜7のいずれかに記載の金属濃度が低い半導体
材料の製造方法。
料の表面の鉄含量および/またはクロム含量は、6.6
6×10-11g/cm2未満である。
m、好ましくは20から150mmの粒子直径を持って
いる。
ジウム、ゲルマニウム又はヒ化ガリウムのような半導体
材料である。シリコン、特に多結晶シリコンが好まし
い。
て粉砕される。このような工具は炭化鉄、および/また
は炭化クロムで硬化された鋼で作られる。
る過程で、この金属粒子がシリコン格子の酸化物層及び
最上層に押し込められる。この理由から、シリコンを除
去しない洗浄用混合物、例えばHCl/H2O2は摩耗し
た金属材料を完全に取り除くことはできない。従って、
完全な洗浄が必要である。
造方法に関するものであり、この方法は、酸化洗浄液を
用いて少なくとも1段階の予備洗浄で多結晶シリコンを
洗浄すること、硝酸とフッ化水素酸を含む洗浄液を用い
て更なる段階の主洗浄で前記シリコンを洗浄すること、
及び親水化過程で、酸化洗浄液を用いてなお更なる段階
で前記シリコンを洗浄することから成っている。
リコン断片を、15〜18MΩの抵抗率を持つ、充分に
脱塩された水で先ずすすいだ後、酸化洗浄液で洗浄する
のが好ましい。この洗浄液は、過酸化水素と、塩酸、硝
酸、硫酸、リン酸、過塩素酸、フッ化水素酸のような鉱
酸、酢酸、ギ酸、酪酸、等のような1〜8個の炭素原子
を含む、液体の直鎖状又は分岐状有機酸であるのが好ま
しい。これらの酸化物質は全て技術的に可能である限
り、いずれの所望の混合物で中でも使用することがで
き、更に過酸化水素も加えてよい。更に、好ましくは硫
酸ラウリルアンモニウム又は硫酸アルキルナトリウムの
ような界面活性剤も入れてよい。
化水素酸1〜10重量%、及び過酸化水素1〜5重量%
を含む酸化洗浄液が好ましい。この重量パーセンテージ
は全洗浄液に対するものである。このような予備洗浄の
後に、15〜18MΩの抵抗率を持つ、充分に脱塩され
た水を使うすすぎ工程が続くのが好ましい。
浄では硝酸とフッ化水素酸の混合物が使用される。前記
の混合物には、硝酸60〜70重量%、フッ化水素酸1
〜5重量%及び水が含まれるのが好ましい。この重量パ
ーセンテージは全洗浄液に対するものである。
0重量%未満の硝酸を含む洗浄液であって、この混合物
は硝酸60〜70重量%、フッ化水素酸1〜5重量%及
び水を含むのが好ましい洗浄液を用いる第1洗浄、並び
にフッ化水素酸と、含量が70重量%以上の硝酸を含む
洗浄液であって、この混合物は硝酸70〜95重量%、
フッ化水素酸1〜5重量%及び水を含むのが好ましい洗
浄液を用いて更なる工程で行なわれる洗浄とに分けるの
も好ましい。この重量パーセンテージは全洗浄液に対す
るものである。主洗浄を2段階にすることにより、エッ
チングによるシリコンの除去が5μm以下とすることが
できる。
記の鉱酸、1〜8個の炭素原子を含む、液体の直鎖状又
は分岐状有機酸、過酸化水素及び界面活性剤も含んでよ
い。技術的に可能ならば、これらの材料は全て、いずれ
の濃度でも混合比でも含んでよい。
抗率を持つ、充分に脱塩された水を使うすすぎ工程が続
くのが好ましい。
水化が続く。この洗浄液は前記で定義された鉱酸、前記
で定義された1〜8個の炭素原子を含む、液体の直鎖状
又は分岐状有機酸;技術的に可能である限り、これらの
全ての物質はいずれの混合物でも使用出来、しかも過酸
化水素も含んでよい。更に、前記で定義された界面活性
剤も含んでよい。
量%、硝酸8〜70重量%及び水を含む洗浄液が好まし
い。この重量パーセンテージは全洗浄液に対するもので
ある。前記の親水化の後には、15〜18MΩの抵抗率
を持つ、充分に脱塩された水を使うすすぎ工程が続くの
が好ましい。
た洗浄対象の半導体材料が洗浄液の中に浸漬されると、
洗浄液がこの開口部を通って多結晶シリコンを濡らし、
次に、洗浄液が容器の開口部を自由に流れることができ
るように洗浄液から容器を充分に上げるという方法で、
全工程の洗浄が行なわれる。このような洗浄液に関連し
て、15〜18MΩの抵抗率を持つ、充分に脱塩された
水を用いる洗浄もある。
材料は、上昇及び下降動作によって洗浄液の中で少なく
とも2回浸漬される。容器を洗浄液から引き上げる間に
この容器は完全な水切り;即ち洗浄液が完全に流れ出す
という方法でこれらの上昇及び下降動作が行なわれるの
が好ましい。
10回で最高4分間行なうのが好ましい。
で行なうのが好ましく、主洗浄プロセスは5℃〜12℃
で行なうのが好ましく、8℃〜10℃で行なうのが特に
好ましい。温度が低いので、滞留時間が長くでき(例え
ば、3〜5秒から7〜10秒)、それによって汚染は少
なくなる。
ーラーの中で回転されたり、或いは上昇及び下降動作に
より酸の中で上下に動かされる、半導体材料洗浄用の洗
浄装置が知られている。ローラー法では、鋭いコーナー
部を持つポリシリコン断片の循環過程において浴を汚染
し、その結果としてポリシリコン断片の表面を汚染をも
たらすプラスチック材料のかなりの摩耗が起こる。上昇
及び下降動作のプロセスは、ポリシリコン塊状材料を通
る流れが少なすぎるので、洗浄作用が低下するという事
実は注目に値する(表10の比較を参照されたい)。
口部を持つ容器を備えた洗浄装置であり、容器から洗浄
液が完全に排出されるように、この洗浄装置が上昇及び
下降動作によって容器を動かす。この洗浄装置は、好ま
しくはモーターでの上昇及び下降動作により好ましくは
長方形の容器を上げるように構成され、そしてその装置
の容器には半導体材料が入れられ、容器が洗浄液から完
全に離れ、モーターによる上昇及び下降動作の各過程で
も完全に水切りもされるような方法での上昇及び下降動
作により少なくとも底部にある開口部からは洗浄液が排
出される。
ラミッド形の凹部を有しており、その複数のピラミッド
の頂点は容器の底部から上方に向いている。その結果、
容器の底部は、その底部から、好ましくは垂直方向、又
はわずかな角度方向で上方に向いている頂点を有する複
数のピラミッド形の凹部で覆われている。
ており、好ましくはピラミッド形の凹部の三角形の側面
に配置されている。本発明によるプロセスでは、洗浄液
は前記の開口部から排出できる。前記開口部は2mmな
いし8mm、特に好ましくは2mmないし4mmの寸法
である。
たはクロム含量が6.66×10-1 1g/cm2未満、好
ましくは表面の鉄含量および/またはクロム含量が2×
10 -11g/cm2未満、特に好ましくは1×10-11g
/cm2未満である半導体材料を得ることができること
である。更に、本発明でなくて普通の洗浄装置で起るよ
うな汚染は、本方法で洗浄された半導体材料にはもはや
何の汚染も見られない。
較)従来技術によるいろいろな洗浄方法の比較を以下に
示す。なお鉄の数値は10 -11g/cm2で表されてい
る。
onal、1984年4月号 3.)特許公開明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開明細書第1952951
8号 株式会社トクヤマ 多結晶シリコン及び製造方法 4.)フッ化水素、過酸化水素及び水の混合物を使うポ
リシリコン洗浄のチョコラルスキー法 日本国特許出願公開番号特開平5-4811号 信越半導体株式会社 5.)高純度シリコン株式会社 日本国特許出願公開番号特開平5-154466号 硝酸とHFの混合物を用いる洗浄によるポリシリコンの
洗浄
の実施)秤量した100gのポリシリコンに、1:4の
HF/HNO340mlをテフロンビーカーの中でスプ
レーする。エッチング用の酸はテフロンビーカーの中に
回収される。次に、この酸を蒸発させてこの残渣を水5
mlに溶解させる。水溶液中の金属含量を、ICP-A
ES(Spectro社から納入された誘導結合プラズ
マ発光分光計)を使って測定する。ポリシリコンの表面
の金属含量を測定値から計算する。これらのデータの単
位は10-11g/cm2である。
の表面から除去するための種々の洗浄方法の比較)鉄の
数値は10-11g/cm2で表されている。
の実施例で更に詳細に説明する。
属製工具と接触させる過程で汚染させてポリシリコンの
表面が平均で1,332×10-11g/cm2の鉄とす
る。表3に記載するように後続の洗浄を行なう。ポリシ
リコンの表面で<6.66×10-11g/cm2の鉄含量
のシリコン断片の製造のために必要な酸濃度、エッチン
グにより除去される材料の厚さ及び洗浄回数を表3に示
している。
ンレススチールV4Aのネジで10秒間摩耗する。洗浄
しないポリシリコンは、表面に平均で666,000×
10-11g/cm2 の鉄、及び133,200×10-11
g/cm2のクロムを含む。後続の洗浄を表3に記載す
るように行なう。
属製ジョー付きのクラシャーで粉砕する。洗浄しないポ
リシリコンの表面は平均で5,328×10-11g/c
m2の鉄を含む。後続の洗浄を表4に記載するように行
なう。ポリシリコンの表面で<6.66×10-11g/
cm2の鉄含量のシリコン断片の製造のために必要な酸
濃度、エッチングにより除去される材料厚さ及び洗浄回
数を表4に示している。
径0.1〜350mmのポリシリコンを2段階から成る
主洗浄工程を含む組み合わせ方法により洗浄して、ポリ
シリコンの表面の鉄含量及びクロム含量を<6.66×
10-11g/cm2にすることができる(フッ化水素酸
と、硝酸70重量%未満を含む洗浄液による主洗浄、並
びにフッ化水素酸と、硝酸70重量%以上を含む洗浄液
による追加工程)。3段階組み合わせ型の12μ法と比
較すると、5μm未満のシリコンの表面が、このような
組み合わせ型の4段階プロセスで除去される。
下の表5に示す。なお鉄の数値は10-11g/cm2で表
されている。
れた断片は、HF0.5重量%とHNO370重量%未
満を含むHF/HNO3の中での第1エッチング工程
(除去される材料厚、約2μm)で得られる。第1エッ
チング工程が終わっても、ポリシリコンの表面では3.
33×10-11g/cm2の鉄含量となる。第2エッチン
グ工程(約2μm)はHF0.5重量%とHNO370
重量%以上で行なう。この酸処理によりグレー色の汚染
部が除去される。
って除去される材料の減り方を3段階法と比較すると、
酸の消費量とNOXガスの発生量が50%を超えて減る
(表6を参照されたい)。
せ洗浄法との間のNOX発生量及び酸消費量の比較を以
下の表6に示す。
れると同時に水が生成する(反応方程式1を参照された
い)。HNO3含量及びHF含量に対する浴濃度を維持
するためには、フッ化水素酸及び硝酸を絶えず補給しな
ければならない。HNO3100重量%、及びHF70
重量%又はHFガスを使用する結果として、酸の消費に
おいて有利さが出でくる(表7を参照されたい)。
+4NO+8H2O
を以下の表7に示す。
の実施)秤量した100gのポリシリコンに、1:4の
HF/HNO340mlをテフロンビーカーの中でスプ
レーする。エッチング用の酸をテフロンビーカーの中に
回収される。次に、この酸を蒸発させてこの残渣を水5
mlに溶解させる。水溶液中の金属含量を、ICP-A
ES(Spectro社から納入された誘導結合プラズ
マ発光分光計)を使って測定する。ポリシリコンの表面
の金属含量を測定値から計算する。これらのデータの単
位は10-11g/cm2である。
験条件を更に詳細に説明する:
属製工具と接触させる過程で汚染させてポリシリコンの
表面は平均で1,332×10-11g/cm2の鉄とす
る。表8に記載するように後続の洗浄を行なう。ポリシ
リコンの表面で<6.66×10-11g/cm2の鉄含量
のシリコン断片の製造のために必要な酸濃度、エッチン
グにより除去される材料厚さ及び洗浄回数を表8に示し
ている。
ンレススチールV4Aのネジで10秒間摩耗する。洗浄
しないポリシリコンは表面に平均で666,000×1
0-11g/cm2の鉄、及び133,200×10-11g
/cm2のクロムを含む。後続の洗浄を表8に記載する
ように行なう。
属製ジョー付きのクラシャーで粉砕する。洗浄しないポ
リシリコンはポリシリコンの表面に平均で5,328×
10-11g/cm2の鉄を含む。後続の洗浄を表9に記載
するように行なう。ポリシリコンの表面で<6.66×
10-11g/cm2の鉄含量のシリコン断片の製造のため
に必要な酸濃度、エッチングにより除去される材料厚さ
及び洗浄回数を表9に示している。
/下降動作のタイプの影響を以下の表10に示す。なお
鉄の数値は10-11g/cm2で表されている。
程等の3段階以上からなる洗浄工程を有する本発明の製
造方法によって、前記の鉄/クロム含量が極めて低い半
導体材料が高収率で得られるようになった。
Claims (1)
- 【請求項1】酸化洗浄液を用いて少なくとも1段階の予
備洗浄で半導体材料を洗浄すること、硝酸とフッ化水素
酸を含む洗浄液を用いて更なる段階の主洗浄で前記材料
を洗浄すること、及び親水化過程で、酸化洗浄液を用い
てなお更なる段階で前記材料を洗浄することを含む金属
濃度が低い半導体材料の製造方法。
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