JPH03252397A - 浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用の棒状多結晶シリコン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用
の棒状多結晶シリコンに関し、特に、半導体用の単結晶
シリコンを一回の浮遊帯域熔融法により製造するための
棒状多結晶シリコンに関する。

（ロ）従来の技術 浮遊帯域融解法は、ケイ素が、その密度が比較的小さく
、その表面張力が大きいといった性質に着目して、融解
部をケイ素の未融解部及び固化部の間に介在させ、その
一部を浮遊状態に保って（以下、かかる融解部を浮遊融
解帯域という）、容器に触れることなく、多結晶シリコ
ンを融解させた融液から単結晶シリコンを成長させるも
のである。

例えば、垂直浮遊帯域融解法では、特公昭５６３９０４
８号公報に示されるように、下端に単結晶シリコンの種
結晶を着けて垂直に保持されたた多結晶シリコン棒につ
いて、その種結晶と多結晶の境界面を、高周波誘導加熱
、電子ビーム加熱、輻射加熱等により加熱して融解させ
て、浮遊融解帯域を形成し、前記種結晶部を回転させな
がら下方に徐々に移動させ且つ当該浮遊融解帯域を増大
させつつ融解部を結晶化させ、単結晶を成長させている
。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかし、この浮遊帯域融解法により多結晶シリコン棒か
ら単結晶シリコンを製造するには、１回の帯域融解法に
よる結晶化では単結晶化が充分に行われないので、多結
晶シリコン棒を帯域融解法で、浮遊融解帯域を一度通過
させ、この一部単結晶化させた結晶シリコン棒をもう一
度帯域融解法により結晶化させて単結晶シリコン棒を製
造している。

このように２回の帯域融解法により単結晶を製造するこ
とは、多くの手間と多くの時間を要するので問題とされ
ている。

本発明は、２回の帯域融解法による単結晶を製造する場
合の問題点を解決することを目的としている。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、１回の帯域融解法により、単結晶シリコンを
製造するのに適した多結晶シリコン棒及びその製造方法
を提供することを目的としている。

即ち、本発明は、浮遊帯域融解法による単結晶シリコン
製造用の棒状多結晶シリコンにおいて、少なくともその
断面の中央部が中心線のまわりに、浮遊帯域融解時の融
解帯域の最小断面以上の面積で粗大化されたシリコン単
結晶粒を有する粗大化領域の外周部分の単結晶粒が微細
化されていることを特徴とする浮遊帯域融解法による単
結晶シリコン製造用の棒状多結晶シリコンにあり、戸な
、本発明は、単結晶シリコン棒の周囲に多結晶シリコン
を化学的気相成長法により形成させて、その断面中心部
が単結晶シリコン構造となっている、浮遊帯域融解法に
よる単結晶シリコン製造用の棒状多結晶シリコンの製造
方法において、シリコン単結晶棒を、水素気流中で高温
に加熱し、更にその表面を化学腐食し、その後、化学的
気相成長法により多結晶シリコンを析出させることを特
徴とする浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用の
棒状多結晶シリコンの製造方法にある。

本発明において、１回帯域融解法で目的の単結晶シリコ
ン結晶を得るために、棒状多結晶シリコンは、その断面
中央に設けられる粗大化されたシリコン単結晶粒を有す
る粗大化領域の断面が、帯域融解時における融解帯域の
最小部分の断面よりも大きくなるように形成される。

この構成単位単結晶粒の粗大化領域の断面の大きさは、
−回の帯域融解法により２、単結晶シリコンが容易に得
られるように決定されるものであり、現在、帯域融解法
により製造される棒状単結晶シリコンの場合には、一般
に、棒状多結晶シリコン中の構成単位単結晶粒の粗大化
領域の大きさは、その棒状多結晶シリコンの断面中心を
中心とする略円形部分でその直径は３０　ｌ乃至５０　
Ｉとされるのが、収率良く単結晶シリコンが得られるの
で好ましい。

本発明においては、浮遊帯域融解法により製造される単
結晶シリコン棒に、結晶の乱れが生じないように、その
中央部が全体としては多結晶構造であるとしても、その
構成単位単結晶粒は粗大化されており、このために、本
発明の棒状多結晶シリコンを製造するためには、例えば
単結晶シリコンから切り出された角柱状の単結晶シリコ
ンの細棒は、例えば水素雰囲気中で１〜１０時間の間焼
成され、さらに、気相化学腐食が行われ、その表面を清
浄化すると同時に結晶的に無欠陥とする。

このような単結晶シリコンの芯材の焼成と気相腐食は、
例えば、９００〜１２００℃の温度で、水素雰囲気及び
は塩化水素等の雰囲気において行われる。

水素雰囲気中の焼成で充分な場合があるこのように焼成
並びに気相化学腐蝕することによって、芯材の単結晶シ
リコン表面に形成されるシリコン酸化膜を除去し、単結
晶シリコンの表面を清浄にすることができる。

本発明においては、単結晶シリコン芯材の表面上にすく
なくとも初期において単結晶層をエピタキシャル成長さ
せる様な条件で分解又は還元シリコンを析出させる。

このようなエピタキシャル成長は、従来行われている方
法で行うことができる。例えばトリクロロシランの熱分
解又は水素還元により行われる。

又このような準エピタキシャル成長は、１１００℃温度
で行われる。多結晶シリコンの結晶粒を大きく形成させ
ると、帯域融解法による単結晶シリコンの製造が容易と
なるので好ましい。

（ホ）作用 本発明は、全体として見れば多結晶構造であるが、その
構成単位の単結晶粒が粗大化されている充分な大きさの
領域が、浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用の
棒状多結晶シリコンの断面中央部に、例えばその全長に
沿って形成されているため、浮遊帯域融解時に、その融
解帯域の長さ方向のほぼ中央附近の直径最小部分の上部
において、融解されつつある多結晶部分から、未融解の
多結晶微小粒が融解帯域の表面を流下して、当該融解帯
の下部の固化部層出端に到達し、固化部の結晶化を乱す
ことがなくなる。上記棒状多結晶シリコン中央部が微小
な単結晶粒から構成された多結晶で棒状に構成されてい
る場合には、それら微小な単結晶粒が融解の進行におい
て、その粒界に於ける融解が進み単結晶粒が未融解で分
離し、比重差によって融解帯域の表面に露出し、冷却さ
れる結果、上述の様な減少が起る。これ対し、本発明の
ようにそれら単結晶粒が粗大化されていると、単結晶粒
が簡単には融解中に分離移動することがない、従って、
特に、単結晶粒が極端に微小な場合に比較して、格段に
単結晶化が容易となる。

本発明の構成単位の単結晶粒が粗大化した領域が融解帯
域の直径最小部分よりも小さい場合には、上述の効果は
期待出来ない。

本発明の上述の構成単位の単結晶粒粗大化領域をもつ棒
状単結晶シリコンの製造のためには、その製造のための
芯材として、例えば角柱又は円柱状の単結晶シリコン細
棒を用意し、この表面を水素及び塩化水素雰囲気中で高
温で加熱すると、その表面の酸化物その他の不純物が揮
化除去され、又乱れのない結果表面が露出する。このよ
うな単結晶シリコン細棒を直接通電又は外部融射加熱で
１０００℃以上に加熱し、トリクロロシランの様なケイ
素の揮化性化合物と水素との混合物を接触させて、その
上にシリコンを析出させる。このような条件のもとでは
、単結晶細棒の表面がほぼ完全な単結晶構造をもってい
るので、析出シリコンがエビキシャル成長することが出
来る。従って、このような析出シリコンは、単に粗大化
された単結晶粒の集合として堆積されるのみならず、肉
眼でも充分識別可能な程度に、大きな単結晶領域を形成
して、−退的５１の角柱状形成されるが、その軸方向（
１００）の単結晶細棒の表面から互いに直角な４方向＜
　１１０＞に、１〜４１の巾で単結晶領域が直線状に外
周に向かって形成されることがある。

本発明の棒状多結晶シリコンは、好ましくはその中央部
全長に沿って、構成単位の単結晶粒が粗大化つされてい
るが、その外周は微小な単結晶粒で構成された多結晶層
で形成されるのが良い。この様に単結晶粒が微粒化する
ことによってその機械的な或いは熱的な性質に方向性が
なくなり浮遊帯域融解の進行に応じて好ましくない棒状
多結晶シリコン未融解部分のクラック発生や、不均一融
解が発生しなくなる。又このような外層の微小単位の単
結晶は、中心部のそれと異なって問題を発生しない。

（へ）実施例 以下、本発明の実施の態様について、例を挙げて説明す
るが、本発明は以下の説明及び例示によって何隻限定さ
れるものではない。

例１゜ 単結晶シリコンロッドから、長さ方向が＜１００＞方向
で、その側面がｆｌｌｏ１面よりなるように結晶面を選
んで、端面の一辺が約５　ａｒｍ、長さ９０餉餉の角柱
状の単結晶シリコン（前述の芯材に相当する）を切り出
し、切断時の微細な結晶粒の付着及び表層部の残留応力
を除去するために、エツチングを行う。エツチング化は
３０μｍであった。

エツチング後、上記角柱状の単結晶シリコンは純水にて
洗浄され、不活性ガス中で乾燥される。乾燥され清浄と
なった当該角柱状の単結晶シリコンは、水素雰囲気にお
いて、１１５０℃の温度で１０時間の間焼成される。こ
の焼成により、当該角柱状の単結晶シリコン表面に形成
された酸化物やその地表面付着物が除去される。

焼成後、温度を１１００℃まで下げ、上記角柱状の単結
晶シリコンの周囲に、水素で希釈されたトリクロロシラ
ンを供給し、単結晶シリコンを析出させる。析出初期の
トリクロロシランの濃度は希薄な状態に保たれた。

このように角柱状の単結晶シリコン面上に単結晶シリコ
ンが析出されて、角柱状の単結晶シリコンの直径が３０
１１糟となったところで、前記希釈ガスの流量及びトリ
クロロシランの濃度を急激に増加して、角柱状の単結晶
シリコンの周囲の面上に、更にトリクロロシランを熱分
解又は水素還元してシリコンを析出させ、可能な限り微
小化された構成単位単結晶粒からなる多結晶シリコン被
覆層を形成する。上記微小な構成単結晶粒からなる多結
晶シリコン被覆層を形成するには、その初期に一時的多
結晶棒の温度を低下させてもよい。

本例の多結晶シリコン棒は、以上のように製造されるの
で、−回の浮遊帯域融解法により、単結晶シリコンが９
０％以上の歩留まりで製造することができた。

同一の外径の芯材部分を除いて析出部がすべて微小な単
結晶粒からなる多結晶シリコン棒を用いて、−回の浮遊
帯域融解法により、単結晶シリコンを製造したところ、
その歩留まりは、１０％以下と低いものであった。

本例においては、単結晶シリコンロッドから、単結晶シ
リコンを角柱状に切り出して、浮遊帯域融解法に使用す
る棒状の多結晶シリコンを作成したが、直径約５１１Ｕ
の円柱状に形成することもできる。

この場合は、例えば、従来技術によって、一種の浮遊融
解帯域法により多結晶棒から直接上記円柱状の芯材が、
その長さ方向の結晶方位が（１００＞であるように融解
固化により作られる。

次に、本発明の棒状多結晶シリコンと従来技術の棒状多
結晶シリコンについて断面の顕微鏡写真及び概念図を用
いて説明する。

第４図は、従来技術における棒状多結晶シリコンの一例
についての概略の断面を示すものであるが、一般に棒状
多結晶シリコンの中心部（１）は、円柱状又は角柱状の
単結晶細棒（芯材に該当する〉で形成され、そのまわり
に、多結晶（２）が析出される。上記単結晶細棒が角状
で、その長さ方向が＜１００＞、その４つの側面が（１
１０）の場合でも、従来技術でシリコンを析出した場合
には、微小な単結晶粒が乱雑な方向に入り組んで、全体
として、多結晶として成長し、外周はほぼ完全な円形形
成される。

上述の単結晶細棒（１）上に、本発明にもとづいて、シ
リコンの析出をエピタキシャル成長する様な条件で行っ
た場合には、第２図に示す様に、４方向に肉眼で充分に
観察可能な程度に単結晶（３）が半径方向に形成される
場合がある。そして線（５）で囲まれた領域（４）は肉
眼では明瞭ではないが、顕微鏡でみると、単結晶粒が粗
大がしていることを確認することができる。この部分を
約２００倍に拡大して観察すると第２図の様に長さが２
〜３１針状の単位単結晶粒の粗大化が行われている。

これに対し第２図の外周（線の外層部分〉２の構成単結
晶微粒は著しく小さく、同じ＜　２００倍に拡大して観
察すると、その構成単位単結晶粒の形状も不明瞭であり
中央の多結晶部分の構成単位単結晶粒とその寸法におい
ても　１／１０以上であることがわかる。（第９１） 従来法の棒状多結晶シリコンの構成単位単結晶粒の大き
さ、集合状態は、第４図のそれと同じである。

（ト）発明の効果 本発明は、棒状多結晶シリコンの単結晶シリコン構造部
分が、帯域融解時の融解帯域の最小部分の断面の中心を
通る長さ以上の長さの、その断面の中心を通る長さを有
して形成されているので、結晶粒界がないので、−様に
融解することとなり、従来の棒状多結晶シリコンを原料
とした場合に比して、無欠陥のもしくは欠陥の少ない単
結晶シリコンを遥かに高い歩留まりで、しかも、−回の
浮遊帯域融解法により製造することができ、極めて経済
的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例における棒状多結晶シリコ
ンの断面の概略を示す説明図であり、第２図は、第１図
に示される棒状多結晶シリコン粗大化された単結晶領域
の組織を２００倍に拡大して示す顕微鏡写真であり、第
３図は、第２図に示される粗大化された単結晶領域の外
側に形成される領域の組織について２００倍に拡大して
示す顕微鏡写真であり、第４図は、従来の棒状多結晶シ
リコンの断面の概略を示す説明図である。 符号については、１は棒状多結晶シリコンの単結晶細棒
、２は外層部分、３は観察可能な程度に形成された単結
晶、４は線５で囲まれた領域を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用の棒
   状多結晶シリコンにおいて、少なくともその断面の中央
   部が中心線のまわりに、浮遊帯域融解時の融解帯域の最
   小断面以上の面積で粗大化されたシリコン単結晶粒を有
   する粗大化領域の外周部分の単結晶粒が微細化されてい
   ることを特徴とする浮遊帯域融解法による単結晶シリコ
   ン製造用の棒状多結晶シリコン。
2. （２）棒状多結晶シリコンの単結晶シリコン構造部分の
   断面の中心を通る長さが３０ｍｍ乃至５０ｍｍの大きさ
   であることを特徴とする請求項１に記載の浮遊帯域融解
   法による単結晶シリコン製造用の棒状多結晶シリコン、
3. （３）単結晶シリコン棒の周囲に多結晶シリコンを化学
   的気相成長法により形成させて、その断面中心部が単結
   晶シリコン構造となっている、浮遊帯域融解法による単
   結晶シリコン製造用の棒状多結晶シリコンの製造方法に
   おいて、シリコン単結晶棒を、水素気流中で高温に加熱
   し、更にその表面を化学腐食し、その後、化学的気相成
   長法により多結晶シリコンを析出させることを特徴とす
   る浮遊帯域融解法による単結晶シリコン製造用の棒状多
   結晶シリコンの製造方法。