JP3955826B2 - 半導体材料から単結晶を製造する方法および装置、およびこの種の単結晶 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の対象は、多結晶貯蔵棒の代わりに多結晶粒状物が単結晶を成長する材料を供給することにより、公知の浮遊帯域溶融法（Ｆｚ法）と実質的に異なる方法により半導体材料から単結晶を製造する方法である。本発明の対象は更に単結晶を製造するために適した装置である。
【０００２】
【従来の技術】
同じ形式の方法はすでに公知である（特許文献１参照）。
【０００３】
粒状物を容器中で溶融し、成長する単結晶上に存在する溶融液に供給する。単結晶の成長は、溶融液から供給される、溶融した粒状物と溶融液の硬化した部分との平衡により維持される。
【０００４】
【特許文献１】
ドイツ特許出願公開第１９５３８０２０号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特に２００ｍｍおよびこれより大きい直径を有する転位のない単結晶の製造を可能にすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明の方法および装置により解決される。
【０００７】
本発明の対象は、引き上げコイルにより液状に維持される溶融液の部分を、種結晶上で、成長する単結晶を形成しながら硬化させ、かつ単結晶の成長を維持するために粒状物を溶融する、半導体材料から単結晶を製造する方法であり、溶融する粒状物を遅れて溶融液に導入することを特徴とする。
【０００８】
本発明の対象は更に、成長する単結晶上に配置された容器、容器に粒状物を供給する搬送装置、粒状物を溶融する溶融コイルおよび成長する単結晶上に溶融液を保持する引き上げコイルを有する単結晶を製造する装置であり、溶融する粒状物を容器の開口および引き上げコイルを通過して溶融し、溶融液ネックを形成し、溶融液の硬化する部分が単結晶の成長を維持する、単結晶を製造する装置において、容器が溶融した粒状物と溶融液の混合を遅らせる装置を有することを特徴とする。
【０００９】
提案された方法はＦｚ材料のために存在する費用よりはるかに少ない費用を生じる浮遊帯域溶融材料の特性を有する単結晶の製造を可能にする。結晶成長の原料を供給する多結晶粒状物はＦｚ法に必要な多結晶貯蔵棒よりかなり安い。更に多結晶貯蔵棒は２００ｍｍおよびこれより大きい直径を有する単結晶を製造するために、品質および量をほとんど調整しなくてよい。しかしこれが成功する場合でもこの直径を有する単結晶の引き上げ工程は同時に溶融すべきおよび結晶化すべき材料のために調節が困難である。結果は、経済的に競合できない、転位のない単結晶の低い収率を生じる。
【００１０】
前記のドイツ特許出願公開第１９５３８０２０号明細書に記載される方法は、多結晶貯蔵棒の製造および使用が生じる問題を回避するが、粒状物に由来する粒子がきわめて容易に溶融液と成長する単結晶の界面に到達し、単結晶の転位のない成長が終了するので、転位のない単結晶の製造に適していない。
【００１１】
この場合に本発明は、溶融液への粒状物の供給を遅らせることを提案し、粒状物ができるだけ完全に溶融している場合にはじめて溶融液に到達することに重点がある。この目的のために溶融する粒状物の溶融液への通路を延長するおよび／またはなお完全に溶融していない粒状物のためのバリアである手段を講じる。溶融する粒状物は溶融液に達するまで有利には少なくとも２５ｍｍ、特に有利には５０ｍｍの距離を進行しなければならない。本発明は更に酸素の単結晶への制御されない取り込みを有効に回避する手段を提案することを特徴とする。他方で例えば溶融液にＳｉＯ_２からなるリングを取り付けることにより、成長する単結晶上の溶融液に酸素を調節して供給することができる。適当なリングは、例えば米国特許第５０８９０８２号明細書に開示されている。
【００１２】
粒状物を溶融し、単結晶を引き上げるために、それぞれ高周波コイルを使用する。引き上げコイルと溶融コイルが誘電的に結合していない場合が特に有利であり、従って引き上げコイルから供給されるエネルギーは単結晶の成長の制御に使用され、粒状物の溶融に使用されない。この分離は、すでに粒状物が供給される容器の底面からの引き上げコイルの十分な間隔により実現することができる。
【００１３】
方法の開始時に、種結晶上に溶融液を、Ｆｚ法で一般的であるような匹敵する方法で製造する。最初は溶融液滴のみからなる溶融液の体積が半導体材料の溶融により増加する。これに並行して種結晶が回転しながら徐々に沈下することにより、溶融液の部分が成長する単結晶を形成しながら硬化する。第１段階で単結晶を円錐に成長させる。後で単結晶の直径を一定に維持し、これにより単結晶の大部分が円筒形の外観を取得する。２００ｍｍおよびこれより大きい直径を有する単結晶を製造するために必要な半導体材料は、特に円筒型の部分を引き上げる際に実質的に多結晶粒状物から供給され、粒状物を溶融コイルを用いて溶融し、その際溶融する粒状物は遅れて溶融液に供給される。成長する単結晶から粒子を遠ざけるために、有利に容器の周りの空間が成長する単結晶の周りの空間からほこりが入らないように分離されることを配慮する。この分離を促進する構造上の手段のほかに、有利には単結晶の製造中に、例えばアルゴンのような不活性ガスからなるガス流を下から引き上げコイルを通過して上に送る。
【００１４】
【実施例】
本発明を以下に図面により説明する。同じ特徴は同じ参照番号が付けられている。図１〜４は本発明の装置の有利な実施態様を示す。図５には図４に記載の装置に使用するために特に適した溶融コイルの平面図が示される。他の実施態様では特に有利な半導体材料としてシリコンが記載される。
【００１５】
図１に記載の装置において鍋状の回転可能な、軸方向に移動可能な容器１が引き上げコイル２の上に存在する。容器はＳｉＯ_２、例えば石英からなり、引き上げコイルと同様に中心に円形の開口３を有する。容器の内部空間は同心円の石英壁４により、複数の、有利には少なくとも３つの領域に分かれ、この領域は１つの通路網を形成する。個々の領域は開口６により、通路が外側の領域から容器の中心の開口３までできるだけ長く、例えばメアンダー状に形成されるように互いに結合している。領域内に１つのまたは複数の、平行に接続された高周波コイルの曲がり管が存在し、曲がり管は粒状物を溶融するために用いられ、従って溶融コイル５と呼ばれる。粒状物１１が供給される外側の領域に、粒状物と溶融コイルの金属表面との接触を避けるために、コイル曲がり管が石英からなるカバー１２で覆われている。石英の壁４は搬送装置１０により供給される粒状物１１が内側の領域に散乱しないように外側の領域に形成されている。
【００１６】
容器の中心開口３に、シリコンからなる棒７が突出し、棒に接して液状シリコンが引き上げコイル２の内部の孔を通り溶融液ネック１８を形成して下に、成長する単結晶９上の溶融液８に向かって進行することができる。棒は回転可能であり、軸方向におよび半径方向に移動可能である。容器１の回転軸は小さい角度αだけ傾き、これにより棒が常に引き上げコイル２に対して同じ位置で湿ることが保証される。引き上げコイルを半径方向に移動することにより、容器１内の溶融液溜まり１７から溶融液８への溶融液状材料の進行を制御することができる。
【００１７】
ダスト粒子が溶融液８に達することを避けるために、単結晶を引き上げる空間はできるだけほこりが入らないように、容器が存在する空間から分離されるべきである。従って棒７と容器内の中心開口３の縁部の間の三日月形の間隙ができるだけ狭く、ガス流が間隙を通り上に向けられ、引き上げ空間へのほこりの浸入が阻止されることが有利である。
【００１８】
単結晶の製造は、まず容器１内で少量のシリコンを溶融し、液状に保つことにより開始する。この段階で棒７は製造した溶融液溜まり１７となお接触していない。引き続き棒は容器内の中心開口３および引き上げコイルの内部の孔を通過して下に案内され、公知方法で棒の下側先端まで引き上げコイル２を用いて溶融液滴を形成し、この溶融液滴に種結晶を付着することにより種引き上げを開始する。棒はこの瞬間にＦｚ法での貯蔵棒の機能を有する。まず棒を引き続き溶融し、種結晶の沈下が開始することにより単結晶の最初の円錐がこの上に存在する十分に多くの体積の溶融液とともに形成される。引き続き棒を引き上げコイルと一緒に同時に移動し、容器内で溶融した材料が棒と接触し、棒上の液状シリコンが溶融液ネック１８に沿ってここから成長する単結晶９上の溶融液８に到達する。この方法の他の経過においては粒状物１１が必要に応じて容器に供給され、溶融する。単結晶の成長は実質的に溶融した粒状物により維持される。
【００１９】
溶融コイル５に対する容器１の軸方向の移動の大きさはこのコイルのＨＦ領域への溶融した粒状物の結合の程度を調節する。これによりおよびＨＦ出力の選択により粒状物の溶融挙動を調節することができる。挙動の制御のために引き上げコイルに対する容器の移動が有利である。引き上げコイルへの間隔が大きい場合は、下から溶融した粒状物から溶融液溜まりへのエネルギーの励起がもはや行われず、容器の底部でシリコンが凍結する。引き上げコイルが液状シリコンで湿らせた棒と境界をなす湿潤面に、上に向かって湾曲が形成されるように引き上げコイルの形が付加的に変形している場合は、この位置で局所的に高いエネルギー励起によりシリコンが容器底部で凍結しない。従って溶融した粒状物は更に妨害されずに溶融液に向かって進行することができるが、同時に溶融した粒状物とＳｉＯ_２からなる容器底部との直接の接触面は凍結したシリコンの層により最小になる。これにより溶融液への酸素の導入およびＳｉＯの形成がかなりの程度で減少することができる。
【００２０】
図２に記載の装置において容器１はシリコンからなるプレートからなり、中心に管状開口３を有し、開口は下に向かって延びる管部分１３から形成される。プレートは回転可能に、有利には３個の、プレートの縁部で支持された車１４の上に配置され、車は回転作業に用いられる。プレート１および形成された管部分１３は下からまたは側面から冷却装置、例えば水冷金属プレート１５により引き上げコイル２のＨＦ領域の直接の励起に対して保護され、引き上げコイル２によるプレート１の下側面および管部分の外側面の溶融が阻止される。更に金属プレートが溶融コイル５からプレート内に生じる熱を排出するヒートシンクとして作用する。溶融コイルはプレートの上に配置される。プレート内の中心開口３および形成される管部分１３の内側面は、溶融液に向かって流れる溶融した粒状物および形成される溶融液ネック１８の凍結を避けるために、付加的なエネルギー源、例えばレンズ１６として簡単に示された放射加熱手段により加熱される。プレートおよび形成される管部分内で形成される熱勾配は、プレートの表側に安定な溶融液溜まり１７を形成し、管部分の内面が溶融液状のままであることを保証するが、プレートの底部および形成される管部分の外側は変化しない。管部分１３は下に溶融液ネック１８の液状シリコンにより完全に閉鎖されている。プレートの表側の溶融によりおよび粒状物の溶融により形成される溶融液溜まり１７に同心円の石英リング４が突出し、石英リングは図１による実施例と同様にメアンダー状通路が形成されるように開口６により互いに結合している領域を決定し、溶融した粒状物は、溶融液８に到達する前にこの通路を乗り越えなければならない。供給装置１０およびカバー１２は図１による実施例と同じ機能を有する。付加的に最も内側の被覆は相当する構造上の構成により供給される粒状物が直接プレートの内側の領域に到達することを避ける機能を担う。
【００２１】
図２による装置は、石英との接触面およびこれと共に溶融液８への酸素導入をかなり減少し、粒状物１１の溶融および単結晶の引き上げを電磁的に完全に分離するという利点を有する。これにより引き上げコイル２は単独に引き上げ工程に関して最適にできる。調節がより安定になる。管部分１３の端部の溶融液ネック１８の内側溶融液表面は、更に個々のなお完全に溶融していない粒状物粒子に対するバリアと同様に作用し、それというのもこの粒子は溶融しているまで表面上で稼働するからである。この粒子が単結晶の成長フロントに到達し、結晶格子内の転位を引き起こすことがほとんど排除される。他の利点は、成長する単結晶９を有する空間がプレート１を有する空間に対してほこりが入らないようにきわめて良好に密閉されることであり、それというのも両方の空間は金属プレート１５とプレート１の間の狭い環状間隙により結合しているからである。空間のほこりが入らない分離は遮蔽用シールド１９により更に強化することができる。
【００２２】
単結晶の製造は、まず管部分の下側端部に蓋を溶接し、種結晶をすでに記載した方法で付着させ、円錐に引き上げることにより開始する。蓋として管部分に使用される断片、シリコンまたはすでに製造した単結晶の引き上げ後に硬化した溶融液ネックを使用できる。蓋はこの点で図１の棒７の機能を担う。同時にまたは引き続き溶融コイル５および放射加熱手段１６を使用してプレート１の表側および管状中心開口の蓋の表側を溶融し、成長する単結晶に他の溶融した材料を供給する。引き続き溶融液の需要が増加すると共に付加的に粒状物を更に供給し、プレートの表側に安定な溶融液溜まりが形成され、これから成長する単結晶上の溶融液への連続的な、制御可能な溶融液の供給が行われる。
【００２３】
図２の装置に類似している図３の装置において、溶融液溜まりと接触する石英の壁が完全に省略され、従って単結晶の酸素供給またはＳｉＯ形成が行われない。その代わりに溶融コイル５が管状開口の縁部の上の領域に形成され、プレート１の表面に突起部２０が形成され、突起部はバリアを形成する。溶融コイルが溶融液溜まりの近くに到達するかまたはＨＦ出力が高まる場合に、溶融した材料が突きはなす電磁的力の作用により排除され、バリアを介して管状開口３に流れる。バリアの突起部が十分である場合に、なお完全に溶融していない粒状物粒子は重力の作用によりバリアを乗り越えられない。従ってバリアは固体の半導体材料を抑制するフィルターと同様に作用する。溶融コイルはもちろんプレート上に複数の前後に配列したバリアが形成されるように構成されていてもよい。
【００２４】
単結晶の製造はすでに図２の実施例に記載された方法と同様に行う。
【００２５】
図４に記載の装置において図２の装置の同心円の石英壁の代わりにプレート１の表面から被覆されたシリコンからなる固体のウェブ２１が使用される。溶融コイル５の個々の曲がり管は内側にかなり広く引き延ばされ、曲がり管の間にプレートが溶融されず、ウェブが残っている。しかし溶融コイルの曲がり管が結合部分により集まっている所でウェブが溶融し、ウェブから分離した領域の間に開口６がメアンダー状通路を開放し、溶融する粒状物１１は、成長する単結晶９上の溶融液８に到達するために、通路を乗り越えなければならない。プレートが緩慢に回転する場合は、ウェブは結合部分の流入領域に入るとすぐに溶融する。同時にウェブはここで再び形成され、ここで溶融した材料が結合部分の流入領域から取り出される。この場合にプレート上に、溶融コイルの引き延ばされた曲がり管材料の間に存在する溶融した材料が、かなり弱い電磁力の作用により上に向かって湾曲し、最後に再び硬化する。
【００２６】
適当に形成された溶融コイルは図５に示される。これは複数の同心円の曲がり管２２を有し、内側に存在する曲がり管の間の間隔は外側の曲がり管が互いに有する間隔より大きい。曲がり管は結合部分２３により互いに結合している。他の別々に存在する曲がり管の間のハッチングを施した面は存在するウェブ２１を示す。
【００２７】
図４に記載の装置の使用は、溶融した材料と石英部分のすべての接触が回避され、成長する単結晶上の溶融液へのなお完全に溶融していない粒状物の導入を確実に回避する長いメアンダー状通路を実現することができるので、特に有利である。溶融コイルを粒状物が導入される外側の領域のためのコイルと、メアンダー状通路を形成するためのコイルに分ける場合に、溶融液流を粒状物の溶融に関係なく制御し、調節することができる。これは円錐構造の困難な引き上げに特に有利である。
【００２８】
単結晶の製造はすでに図２の実施例に記載された処理工程と同様に行う。
【００２９】
請求項に記載される方法により製造されるシリコンからなる単結晶は欠陥特性が特に有利である半導体ウェーハを実現する。成長する欠陥は３×１０^１７ｃｍ^−３〜９×１０^１７ｃｍ^−３、有利には４×１０^１７ｃｍ^−３〜８.５×１０^１７ｃｍ^−３、特に４.５×１０^１７ｃｍ^−３〜８×１０^１７ｃｍ^−３の酸素濃度においても６０ｎｍより小さく、従って熱処理により、少なくとも電気部品を妨害することがある領域で簡単に除去できる。欠陥の大きさを更に減少し、酸素沈殿を推進するために、単結晶を付加的に窒素でドーピングすることが更に有利である。１×１０^１３ｃｍ^−３〜６×１０^１５ｃｍ^−３、有利には１×１０^１４ｃｍ^−３〜４×１０^１５ｃｍ^−３の窒素濃度が有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施する装置の第１の実施例である。
【図２】本発明の方法を実施する装置の第２の実施例である。
【図３】本発明の方法を実施する装置の第３の実施例である。
【図４】本発明の方法を実施する装置の第４の実施例である。
【図５】図４の装置に使用するために特に適した溶融コイルの平面図である。
【符号の説明】
１ 容器、 ２ 引き上げコイル、 ３ 開口、 ４ 石英壁、 ５ 溶融コイル、 ６ 開口、 ７ 棒、 ８ 溶融液、 ９ 単結晶、 １０ 搬送装置、 １１ 粒状物、 １２ 被覆、 １３ 管部分、 １４ 車、 １５ 金属プレート、 １６ レンズ、 １７ 溶融液溜まり、 １８ 溶融液ネック、 １９ 遮蔽シールド、 ２０ 突起部、 ２１ ウェブ、 ２２ 曲がり管、 ２３ 結合部分

Claims (20)

1. 引き上げコイルにより液状に維持される溶融液の部分を、種結晶上で、成長する単結晶を形成しながら硬化させ、かつ単結晶の成長を維持するために粒状物を容器中で溶融する、半導体材料から単結晶を製造する方法において、粒状物を誘電的に、容器から見て上から溶融し、溶融物が完全に溶融するまで、溶融している粒状物の溶融物への通路を延長するかまたは通路になお完全に溶融していない粒状物のバリアを備えるか、または両方の手段を行うことを特徴とする半導体材料から単結晶を製造する方法。
2. 溶融している粒状物を通路網を通過して溶融液に導入する請求項１記載の方法。
3. 溶融している粒状物をメアンダー状通路網を通過して溶融液に導入する請求項２記載の方法。
4. 溶融している粒状物が溶融液への通路上で少なくとも１個のバリアを乗り越えなければならない請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 溶融している粒状物が溶融液に達するまで少なくとも２５ｍｍの距離を進行しなければならない請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 容器を回転軸の周りに回転させ、容器が半導体材料からなる冷却可能なプレートからなる請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 粒状物の溶融および液体状態での溶融液の保持を誘電的エネルギー供給により行い、その際両方の工程が誘電的に結合していない請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 粒状物を、容器の外側領域内で溶融し、容器内の中心開口に導入し、そこから溶融液に導入する請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 成長する単結晶上に配置された容器、容器に粒状物を供給する搬送装置、粒状物を溶融する溶融コイルおよび成長する単結晶上に溶融液を保持する引き上げコイルを有する単結晶を製造する装置であり、溶融している粒状物が容器の開口および引き上げコイルを通過して溶融液ネックを形成して溶融液に到達し、溶融液の硬化している部分が単結晶の成長を維持する、単結晶を製造する装置において、溶融コイルが容器の上に配置され、容器が、溶融している粒状物の溶融物への導入を、粒状物が完全に溶融するまで遅らせる装置を有し、前記装置が、溶融している粒状物の溶融物への通路を延長するかまたはなお完全に溶融していない粒状物のバリアが存在するか、または両方を行う手段を有することを特徴とする単結晶を製造する装置。
10. 容器の周りの空間を、成長する単結晶の周りの空間からほこりが入らないように分離する遮蔽用シールドを有する請求項９記載の装置。
11. 溶融コイルの上に配置され、粒状物が容器に供給する際に衝突するカバーを有する請求項９または１０記載の装置。
12. 容器を冷却する装置を有する請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 容器から狭い間隙により分離され、これにより放射冷却および対流式冷却を生じる水冷金属プレートを有する請求項１２記載の装置。
14. 容器が回転軸の周りに回転可能に配置され、石英からなり、容器の内部空間を同心円の領域に分ける石英からなる壁を有し、これらの領域が互いに結合し、通路網を形成し、溶融している粒状物が、容器の開口と開口を通過して突出する半導体材料からなる棒の間で溶融液に到達する前に、通路網を乗り越えなければならない、請求項９記載の装置。
15. 容器の回転軸が角度αだけ傾いている請求項１４記載の装置。
16. 容器が、半導体材料からなる冷却可能なプレートからなり、容器の内部空間を同心円の領域に分ける石英からなる壁を有し、これらの領域が互いに結合され、通路網を形成し、溶融する粒状物が、管部分として形成される容器の開口を通過して溶融液に到達する前に、通路網を乗り越えなければならず、かつ溶融液ネックの表面および管部分を通過して流動する半導体材料の表面を加熱するために放射加熱手段が存在する、請求項９記載の装置。
17. 容器が冷却可能な、外側縁部と境界をなす半導体材料からなるプレートからなり、容器の開口が下に向けられた管部分として形成され、管部分はプレートの高い内側縁部と結合しており、プレートの内側縁部はバリアを形成し、溶融した粒状物が、容器の開口を通過して溶融液に到達する前に、バリアを乗り越えなければならず、かつ溶融液ネックの表面および管部分を通過して流動する半導体材料の表面を加熱するために放射加熱手段が存在する、請求項９記載の装置。
18. 容器が回転軸を中心に回転可能に配置され、半導体材料からなる冷却可能なプレートからなり、ウェブを有し、ウェブは加熱コイルの影響下におよび容器の回転下に持続的に再溶融し、容器内部空間を同心円の領域に分け、これらの領域は互いに結合され、通路網を形成し、溶融している粒状物が、管部分として形成される容器の開口を通過して溶融液に到達する前に、通路網を乗り越えなければならず、かつ溶融液ネックの表面および管部分を通過して流動する半導体材料の表面を加熱するために放射加熱手段が存在する、請求項９記載の装置。
19. 中心開口を加熱する請求項８記載の方法。
20. 粒状物を容器内の溶融コイルの曲がり管の間に搬送する請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。

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