(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外ルツボと該外ルツボ内に設けられた内ルツボとから形成され、該内ルツボの側壁に前記内ルツボと前記外ルツボとの間である原料融解領域と内ルツボの内側である結晶成長領域とを連通する連通孔が形成されるとともに、原料融解領域の半導体融液面上に原料を投入する原料供給装置を備える二重ルツボにおいて、ＣＺ法により結晶成長領域で半導体の単結晶を引き上げる方法であって、
原料供給装置により半導体融液量を一定とするよう原料を連続的に供給しながら定径の半導体単結晶を引き上げる工程と、
原料供給装置からの原料供給を停止して前記工程における残融液をもととして定径の半導体単結晶を引き上げ、引き上げ終了時まで原料供給を停止する工程とを有し、
初期融液量と前記原料供給装置から供給された供給量とからなる原料総量Ｗｔに対する前記半導体単結晶の重量のうち上端部及び下端部を除いた部分の有効製品量Ｗ１の比の値Ｗ１／Ｗｔを７７％以上とすることを特徴とする単結晶引上方法。
【請求項２】
外ルツボと該外ルツボ内に設けられた内ルツボとから形成され、該内ルツボの側壁に前記内ルツボと前記外ルツボとの間である原料融解領域と内ルツボの内側である結晶成長領域とを連通する連通孔が形成されるとともに、原料融解領域の半導体融液面上に原料を投入する原料供給装置を備える二重ルツボにおいて、ＣＺ法により結晶成長領域で半導体の単結晶を引き上げる方法であって、
半導体融液量を一定とするよう原料供給装置により原料を連続的に供給しながら定径の半導体単結晶を引き上げる工程と、
該工程に引き続いて半導体単結晶の定径部の引上終了時点まで原料供給装置からの原料供給量を徐々に減少させつつ半導体単結晶を引き上げるとともに、ドーパント量を原料の供給量の減少量に対応させて減少させつつ供給する工程とを有し、
初期融液量と前記原料供給装置から供給された供給量とからなる原料総量Ｗｔに対する前記半導体単結晶の重量のうち上端部及び下端部を除いた部分の有効製品量Ｗ１の比の値Ｗ１／Ｗｔを７７％以上とすることを特徴とする単結晶引上方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体融液より半導体単結晶を引き上げる単結晶引上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長させる方法の一つとして、ＣＺ法が知られている。
【０００３】
このＣＺ法（以下、便宜的に「通常ＣＺ法」と称す。）は、石英製のルツボ中において半導体原料を溶解させて半導体融液とし、この半導体融液から種結晶に導かせて半導体単結晶を成長させ半導体単結晶を引き上げる方法である。
このような通常ＣＺ法は、大口径、高純度の単結晶が無転位あるいは格子欠陥の極めて少ない状態で容易に得られること等の特徴を有することから、様々な半導体単結晶の成長に用いられている方法である。
【０００４】
しかしながら、通常ＣＺ法においては、半導体単結晶を引き上げるにつれて半導体融液の量が減少するため、不純物の偏析現象により、引上軸方向において不純物濃度が変化してしまうという欠点があった。
【０００５】
上記欠点を避ける技術として、ＣＣＺ法が提案されている。
このＣＣＺ法は、初期半導体融液に対して原料を連続的に供給することにより、同時に所定量のドーパントを連続的または間欠的に供給することにより半導体融液の量を一定とする条件のもとで、半導体単結晶の引上を行う方法であって、引上軸方向における不純物濃度を一定として一層高品質な半導体単結晶を成長させ得る方法である。
【０００６】
上記ＣＣＺ法の改良型の一つにいわゆる二重ルツボを用いた連続チャージ型磁界印加ＣＺ法（以下、「ＣＭＣＺ法」と称す。）が提案されている。この方法は、ＣＣＺ法において、外部からルツボ内の半導体融液に磁界を印加することにより半導体融液内の対流を抑制し得るものであり、極めて酸素濃度の制御性が良く単結晶化率が高い単結晶を成長させることができる方法であると言われている。
【０００７】
図２は、上記ＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装置の一例を示すものであり、特開平４−３０５０９１号公報記載の図である。この単結晶引上装置１は、中空の気密容器であるチャンバ２内に、二重ルツボ３、ヒーター４、原料供給装置５がそれぞれ配置され、該チャンバ２の外部にマグネット６が配置されている。
【０００８】
二重ルツボ３は、略半球状の石英（ＳｉＯ2 ）製の外ルツボ１１と、該ルツボ１１内に設けられた円筒状の仕切り体である石英（ＳｉＯ2 ）製の内ルツボ１２とから形成され、該内ルツボ１２の側壁には、内ルツボ１２と外ルツボ１１との間（原料融解領域）と内ルツボ１２の内側（結晶成長領域）とを連通する連通孔１３が複数個形成されている。
【０００９】
この二重ルツボ３は、チャンバ２の中央下部に垂直に立設されたシャフト１４上のサセプタ１５に載置されており、前記シャフト１４の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。そして、この二重ルツボ３内には半導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）２１が貯留されている。
【００１０】
ヒーター４は、半導体の原料をルツボ内で加熱・融解するとともに、生じた半導体融液２１を保温するもので、通常、抵抗加熱が用いられる。原料供給装置５は、所定量の半導体の原料２２を外ルツボ１１と内ルツボ１２との間の半導体融液２１面上に連続的に投入するものである。
【００１１】
マグネット６は、二重ルツボ３の外方から二重ルツボ３内の半導体融液２１に磁界を印加することで、半導体融液２１内で発生するローレンツ力により該半導体融液２１の対流の制御および酸素濃度の制御、液面振動の抑制等を行うものである。
【００１２】
上記原料供給装置５から供給される原料２２としては、例えば、多結晶シリコンのインゴットを破砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるいは、気体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結晶シリコンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ素（Ｂ）（ｐ型シリコン単結晶を作る場合）やリン（Ｐ）（ｎ型シリコン単結晶を作る場合）等のドーパントと呼ばれる添加元素がさらに供給される。
また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合も同様で、この場合、添加元素は亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等となる。
【００１３】
上記の単結晶引上装置１により、内ルツボ１２の上方かつ軸線上に配された引上軸２４に種結晶２５を吊り下げ、半導体融液２１上部において種結晶２５を核として半導体単結晶２６を成長させる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＣＭＣＺ法においては、半導体単結晶の引上終了時において、通常ＣＺ法と比較して多量の残融液が残ることになり、結果的に半導体原料の利用率が低くなってしまうという問題点があった。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、半導体原料の利用率を向上し得る単結晶引上方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶引上方法においては、外ルツボと該外ルツボ内に設けられた内ルツボとから形成され、該内ルツボの側壁に前記内ルツボと前記外ルツボとの間である原料融解領域と内ルツボの内側である結晶成長領域とを連通する連通孔が形成されるとともに、原料融解領域の半導体融液面上に原料を投入する原料供給装置を備える二重ルツボにおいて、ＣＺ法により結晶成長領域で半導体の単結晶を引き上げる方法であって、
原料供給装置により半導体融液量を一定とするよう原料を連続的に供給しながら定径の半導体単結晶を引き上げる工程と、
原料供給装置からの原料供給を停止して前記工程における残融液をもととして定径の半導体単結晶を引き上げ、引き上げ終了時まで原料供給を停止する工程とを有し、
初期融液量と前記原料供給装置から供給された供給量とからなる原料総量Ｗｔに対する前記半導体単結晶の重量のうち上端部及び下端部を除いた部分の有効製品量Ｗ１の比の値Ｗ１／Ｗｔを７７％以上とする。
この方法であると、まず、原料を連続的に供給するＣＣＺ法により半導体単結晶を引き上げる。そして、この際の残融液を原料融液として通常ＣＺ法により半導体単結晶を引き上げる。すなわち、残融液量の多いＣＣＺ法で操作を終了せずに、残融液量の少ない通常ＣＺ法で操作を終了するので、引上終了時における残融液の量が少ない。
【００１７】
本発明の単結晶引上方法においては、外ルツボと該外ルツボ内に設けられた内ルツボとから形成され、該内ルツボの側壁に前記内ルツボと前記外ルツボとの間である原料融解領域と内ルツボの内側である結晶成長領域とを連通する連通孔が形成されるとともに、原料融解領域の半導体融液面上に原料を投入する原料供給装置を備える二重ルツボにおいて、ＣＺ法により結晶成長領域で半導体の単結晶を引き上げる方法であって、
半導体融液量を一定とするよう原料供給装置により原料を連続的に供給しながら定径の半導体単結晶を引き上げる工程と、
該工程に引き続いて半導体単結晶の定径部の引上終了時点まで原料供給装置からの原料供給量を徐々に減少させつつ半導体単結晶を引き上げるとともに、ドーパント量を原料の供給量の減少量に対応させて減少させつつ供給する工程とを有し、
初期融液量と前記原料供給装置から供給された供給量とからなる原料総量Ｗｔに対する前記半導体単結晶の重量のうち上端部及び下端部を除いた部分の有効製品量Ｗ１の比の値Ｗ１／Ｗｔを７７％以上とする。
この方法であると、まず、原料を連続的に供給するＣＣＺ法により半導体単結晶を引き上げる。引き続いて、原料の供給量を徐々に減少させつつＣＣＺ法により半導体単結晶を引き上げる。この場合、原料の供給量を徐々に減少させることにより、引上終了時点における残融液量が低減されることに加えて、ドーパント量を原料の供給量の減少量に対応させて減少させつつ供給することにより、偏析等による不純物濃度の変動を補償して、不純物濃度が一定に維持され品質が安定する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
〔第１実施形態〕
図１（ａ）は、本発明の単結晶引上方法の第１実施形態における原料供給パターンを、縦軸を単位時間あたりの原料供給量（原料供給率と同義）、横軸を時間として示している。
本発明の単結晶引上方法の第１実施形態は、例えば、図２に示す単結晶引上装置を利用してなされ、その際、図３に示すような半導体単結晶３０が得られる。この半導体単結晶３０は、ＣＣＺ法の一種であるＣＭＣＺ法による部分Ａと、通常ＣＺ法による部分Ｂと、両端部Ｃ、Ｃとから形成されている。
【００２０】
次に、１例として、本実施形態の単結晶引上方法を使用したシリコンの半導体単結晶成長方法について、図２を参照して説明する。
【００２１】
〔初期原料融解工程〕
まず、多結晶シリコン塊等の多結晶原料を所定量だけ外ルツボ１１内に入れ、チャンバ２内を真空ポンプ等で排気し真空状態とする。また、チャンバ２内に、雰囲気ガスであるアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを導入し、シャフト１４を軸線の中心として所定の角速度で水平面上で回転させることで外ルツボ１１を所定の角速度で回転させながら、ヒーター４に通電し外ルツボ１１内の多結晶原料を単結晶成長温度以上の温度まで加熱し、この原料を完全に融解して、初期半導体融液（図示せず）とする。
【００２２】
〔二重ルツボ形成工程〕
原料が完全に融解した後、ヒーター４による加熱を若干弱めるとともに、外ルツボ１１の上方に軸線を同じくして配される内ルツボ１２を半導体融液２１内に載置し、二重ルツボ３を形成する。
【００２３】
〔単結晶成長の第１工程（ＣＭＣＺ法）〕（０＜ｔ＜ｔ1）
二重ルツボ３を形成した後、マグネット６に通電して所定の磁界を印加し、ヒーター４の電力を調整して半導体融液２１の中央液面２３付近を単結晶成長温度に保ち、引上軸２４により吊り下げられた種結晶２５を半導体融液２１になじませた後、この種結晶２５を核として半導体単結晶を成長させる。この場合、種結晶を無転位化した後にこの単結晶の径を徐々に大口径化し定径の半導体単結晶２６とする。
【００２４】
この結晶成長過程においては、半導体単結晶２６の成長量（引上量）に応じてシリコンの粒状の原料２２を図１（ａ）に示すように一定の供給率にて連続的に投入するとともに、必要に応じてドーパントを連続的または間欠的に投入する。この投入された原料２２およびドーパントは、外ルツボ１１と内ルツボ１２との間の領域（原料融解領域）で融解し、連通孔１３を通って内ルツボ１２内に連続的に供給される。
【００２５】
〔単結晶成長の第２工程（ＣＭＣＺ法）〕（ｔ1＜ｔ＜ｔ2）
所定長の半導体単結晶２６が得られた後に、図１（ａ）に示すように、原料２２の供給量を短時間（ｔ1 ＜ｔ＜ｔ2 ）の間に減少させて、供給を停止する。このとき、原料２２の供給量の減少率に対応させて半導体融液２１の液面２３高さを一定に維持するように、二重ルツボ３を上昇させる。
【００２６】
〔単結晶成長の第３工程（通常ＣＺ法）〕（ｔ2＜ｔ＜ｔ3）
次に、図１（ａ）に示すように、原料２２の供給を停止させた状態で、第２工程における残融液をもととして半導体単結晶２６を引き上げる工程を行う。このとき、半導体融液２１の液面２３高さを一定に維持するように、二重ルツボ３を上昇させる。
以上のようにして、半導体単結晶３０（図３に図示）を成長させることができる。
【００２７】
上記単結晶引上方法においては、残融液量の多いＣＣＺ法で操作を終了せずに、残融液量の少ない通常ＣＺ法で操作を終了するので、引上終了時における残融液の量を少なくすることができ、半導体原料２２の利用率を向上して生産性を高めることができる。
【００２８】
〔第２実施形態〕
本実施形態が、上記第１実施形態と相違するのは、原料供給パターンのみであり、他は同様である。
本実施形態においては、原料２２の供給は、図１（ｂ）に示す原料供給パターンでなされる。
【００２９】
次に、本実施形態の単結晶引上方法について説明するが、ここで、〔初期原料融解工程〕、〔二重ルツボ形成工程〕、〔単結晶成長の第１工程（ＣＭＣＺ法）〕（０＜ｔ＜ｔ1）については、同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
〔単結晶成長の第２工程（ＣＭＣＺ法）〕（ｔ1＜ｔ＜ｔ3）
所定長の半導体単結晶２６が得られた後に、原料２２の供給量を徐々に、本実施形態の場合、図１（ｂ）に示すように、定径部の引上終了時点で供給量が零となるように時間に比例させて減少させる。このとき、投入するドーパントの量については、原料の供給量の減少量に対応させて減少させるわけであるが、半導体融液量の減少に基づく偏析量の変化を考慮して、不純物濃度の変動を補償し得るように行う。
以上のようにして、半導体単結晶を成長させることができる。
【００３１】
本実施形態においては、原料２２の供給量を徐々に減少させつつＣＣＺ法により半導体単結晶を引き上げることにより、引上終了時点における残融液量を低減し得ることに加えて、ドーパント量を原料２２の供給量の減少量に対応させて減少させることにより、偏析等による不純物濃度の変動を補償して、不純物濃度を一定に維持することができ、半導体単結晶の品質を安定させることができる。
【００３２】
【実施例】
〔第１実施形態に基づく実験例〕
上記第１実施形態に基づく単結晶引上方法を実施して、図３に示すような半導体単結晶３０を得た。このとき、各部の重量は、以下の通りである。
0003840683.tif 000002
したがって、半導体原料の利用率は、Ｗ1÷Ｗt＝約７７％であり、約８割である。
【００３３】
〔比較例１〕
上記単結晶引上方法とは異なり、ＣＭＣＺ法のみにて単結晶の引上を行い、図４に示すような半導体単結晶４０を得た。このとき、各部の重量は、以下の通りである。
0003840683.tif 000003
したがって、半導体原料の利用率は、Ｗ1÷Ｗt＝約６１％であり、約６割である。
すなわち、上記実験例と比較して、残融液４１の量が多いとともに、半導体原料の利用率も低いことは明らかである。
【００３４】
〔比較例２〕
上記いずれの単結晶引上方法とも異なり、通常ＣＺ法のみにて単結晶の引上を行い、図５に示すような半導体単結晶５０を得た。このとき、各部の重量は、以下の通りである。
0003840683.tif 000004
したがって、半導体原料の利用率は、Ｗ1÷Ｗt＝約５４％である。
すなわち、上記実験例と比較して、半導体原料の利用率が低いことは明らかである。
この比較例２の場合、初期融液の量を１３０ｋｇにすれば、この実験例と同じ半導体原料の利用率となるが、そのためには大口径で深さの大きい石英ルツボを使用する必要があり、成長用部材のコストの上昇や引上軸方向における酸素濃度、不純物濃度の大きな変化等の問題が生じる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の単結晶引上方法によれば、以下の効果を奏する。本発明の単結晶引上方法によれば、残融液量の多いＣＣＺ法で操作を終了せずに、残融液量の少ない通常ＣＺ法で操作を終了するので、引上終了時における残融液の量を少なくすることができ、半導体原料の利用率を向上して生産性を高めることができる。本発明の単結晶引上方法によれば、原料の供給量を徐々に減少させつつＣＣＺ法により半導体単結晶を引き上げることにより、引上終了時点における残融液量を低減し得ることに加えて、ドーパント量を原料の供給量の減少量に対応させて減少させることにより、偏析等による不純物濃度の変動を補償して、不純物濃度を一定に維持することができ、半導体単結晶の品質を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単結晶引上方法における原料供給パターンを時間経過に沿って示すグラフであり、（ａ）は第１実施形態に基づく原料供給パターンを示しており、（ｂ）は第２実施形態に基づく原料供給パターンを示している。
【図２】  単結晶引上装置の一例を示す断面図である。
【図３】  本発明の単結晶引上方法の第１実施形態に基づく実験例により成長させた半導体単結晶を概略的に示す図である。
【図４】  従来の単結晶引上方法により成長させた半導体単結晶を概略的に示す図である。
【図５】  従来の他の単結晶引上方法により成長させた半導体単結晶を概略的に示す図である。
【符号の説明】
２２  原料
４０  半導体単結晶
【図１】
0003840683.tif 000005
【図２】
0003840683.tif 000006
【図３】
0003840683.tif 000007
【図４】
0003840683.tif 000008
【図５】
0003840683.tif 000009