(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密容器と、気密容器内で半導体融液を貯留する互いに連通した外ルツボ及び内ルツボからなる二重ルツボと、気密容器の上部から垂下され、その下端開口から外ルツボの半導体融液中に粒状又は粉状の原料を投入可能に配置された原料供給管とを備え、前記原料供給管内に密閉容器内に向けて流れる不活性ガスとともに前記原料が投入され、前記気密容器内の内圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とし、前記原料供給管単位面積当たりの前記不活性ガス流量をＮ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ２ ）とした場合に、
０．００４８Ｐ＋０．０２６４＜Ｎ
（３〜７）＜Ｐ
Ｎ＜（０．０６６〜０．０７４）Ｐ＋（−０．０２〜０．０２）
Ｐ＜（１８〜２２）
である領域で前記原料を投入し、ボイドの発生を低減しつつ単結晶成長をおこなうことを特徴とする単結晶引上方法。
【請求項２】
気密容器と、気密容器内で半導体融液を貯留する互いに連通した外ルツボ及び内ルツボからなる二重ルツボと、気密容器の上部から垂下され、その下端開口から外ルツボの半導体融液中に粒状又は粉状の原料を投入可能に配置された原料供給管とを備え、前記原料供給管内に密閉容器内に向けて流れる不活性ガスとともに前記原料が投入され、前記原料供給管の下端開口と前記半導体融液の液面との距離を３０ｍｍと設定して、前記気密容器内の内圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とし、前記原料供給管単位面積当たりの前記不活性ガス流量をＮ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ２ ）とした場合に、
０．００４８Ｐ＋０．０２６４＜Ｎ＜０．０７Ｐ
５＜Ｐ＜２０
である領域で前記原料を投入し、ボイドの発生を低減しつつ単結晶成長をおこなう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、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を連続チャージ型磁界印加ＣＺ法で製造するための単結晶引上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法による単結晶引上装置は、気密容器としてのチャンバと、このチャンバの内部に設けられた半導体融液を貯留するルツボと、半導体融液を加熱するヒーターと、半導体単結晶を回転させながら引き上げる引上機構とを有している。この装置は、ルツボ内の半導体融液に半導体単結晶の種結晶を浸し、この種結晶を除々に引き上げ、種結晶と同一方位の大口径の半導体結晶を成長させるものである。
【０００３】
近年、このＣＺ法の一つとして、ルツボに原料を連続的に供給しながら引き上げを行う連続チャージ型磁界印加ＣＺ法（以下、ＣＭＣＺ法と省略する。）が開発されている。この方法は、外ルツボと筒状の仕切り体である内ルツボとからなる二重ルツボの外ルツボに対して、石英製の原料供給管から原料を供給しながら内ルツボより半導体単結晶を引き上げるというものであり、さらに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前記半導体融液内の対流を抑制するものである。この石英製の原料供給管はチャンバの上部から垂下され、その下端開口は外ルツボの半導体融液の液面に近接している。
【０００４】
ところで、原料供給管の下端開口は、半導体融液の液面より数センチメートル上方に開口しており、一方、原料は、ヒーターや半導体融液からの輻射熱にさらされないチャンバの上部に貯留されている。そして、原料供給管内に投入された原料は、当該原料供給管内をチャンバ内に向かって流れる不活性ガス例えばアルゴンガスとともに、前記下端開口から半導体融液内へ投入される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＣＭＣＺ法による単結晶引上方法では、通常のＣＺ法に比べて引き上げられた単結晶の結晶格子にボイド（格子欠陥）の発生する頻度が、操業条件によっては大となる傾向がある。
【０００６】
ＣＭＣＺ法で成長される単結晶中においてボイドの発生頻度が大きくなるのは、原料供給管からの原料の投入方法と関連があると考えられる。すなわち、所定の圧力で保持されたチャンバ内において、原料は原料供給管内を流れる不活性ガスとともに投入されているので、不活性ガスの流速及び炉内圧とボイド発生との間に関係があると推定できる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ボイドの発生を低減することができる単結晶引上方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶引上方法は、気密容器と、気密容器内で半導体融液を貯留する互いに連通した外ルツボ及び内ルツボからなる二重ルツボと、気密容器の上部から垂下され、その下端開口から外ルツボの半導体融液中に粒状又は粉状の原料を投入可能に配置された原料供給管とを備え、前記原料供給管内に密閉容器内に向けて流れる不活性ガスとともに前記原料が投入され、前記気密容器内の内圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とし、前記原料供給管単位面積当たりの前記不活性ガス流量をＮ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ２ ）とした場合に、
０．００４８Ｐ＋０．０２６４＜Ｎ
（３〜７）＜Ｐ
Ｎ＜（０．０６６〜０．０７４）Ｐ＋（−０．０２〜０．０２）
Ｐ＜（１８〜２２）
である領域で前記原料を投入し、ボイドの発生を低減しつつ単結晶成長をおこなうことを特徴とする。
本発明の単結晶引上方法は、気密容器と、気密容器内で半導体融液を貯留する互いに連通した外ルツボ及び内ルツボからなる二重ルツボと、気密容器の上部から垂下され、その下端開口から外ルツボの半導体融液中に粒状又は粉状の原料を投入可能に配置された原料供給管とを備え、前記原料供給管の下端開口と前記半導体融液の液面との距離を３０ｍｍと設定して、前記原料供給管内に密閉容器内に向けて流れる不活性ガスとともに前記原料が投入され、前記気密容器内の内圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とし、前記原料供給管単位面積当たりの前記不活性ガス流量をＮ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ２ ）とした場合に、
０．００４８Ｐ＋０．０２６４＜Ｎ＜０．０７Ｐ
５＜Ｐ＜２０
である領域で前記原料を投入し、ボイドの発生を低減しつつ単結晶成長をおこなうることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の単結晶引上方法に使用される単結晶引上装置について説明する。
【００１０】
図１に示すように、この単結晶引上装置１のチャンバ２の内部には二重ルツボ３、ヒーター４、原料供給管５が配設されている。二重ルツボ３はほぼ半球状の石英製の外ルツボ１１と、外ルツボ１１内に設けられた円筒状の仕切り体である石英製の内ルツボ１２とから構成され、内ルツボ１２の側壁下部には、内ルツボ１２と外ルツボ１１とを連通する連通孔（図示せず）が形成されている。
【００１１】
二重ルツボ３は、チャンバ２の中の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、シャフト１４の軸線を中心として水平面上で所定の速度で回転駆動されるようになっている。そして、この二重ルツボ３内には、半導体融液（加熱溶解された半導体単結晶の原料）２１が貯留されている。ヒーター４は、半導体の原料を外ルツボ１１内で加熱融解すると共に、それによって生じた半導体融液２１を保温するためのものである。ヒーター４は、サセプタ１５および二重ルツボ３を取り囲むように配設されており、ヒーター４の外側は保温用の熱シールド部材（図示せず）により取り囲まれている。
【００１２】
原料供給管５は、半導体融液２１の粒状または粉状の原料を外ルツボ１１の半導体融液２１の液面上に連続的に供給するためのものである。原料投入管５から投入する原料としては、例えば多結晶シリコンのインゴットを粉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等であり、必要に応じてドーパントと呼ばれる添加元素のホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）等がさらに添加される。また、ガリウムヒ素の場合は、添加元素として亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等がさらに添加される。
【００１３】
原料供給管５は上端側が支持されており、下端開口５ａが半導体融液２１の液面上方の所定の距離離間した位置に配置されている。この原料供給管５は、コンタミネーション防止および加工性の点から、矩形断面の石英管で構成されている。
【００１４】
原料供給管５の内部にはアルゴンガスのような不活性ガスが所定の流量でチャンバ２の内部に向けて流されており、原料供給管５内に投入された原料は、不活性ガスとともに、半導体融液２１の液面に向かって搬送・投下される。不活性ガスの流量は、操業条件に応じて流量を連続的に変化させることができるようになっている。
【００１５】
チャンバ２の上部には、引上機構およびチャンバ２にアルゴンガス等の不活性ガスを導入するための導入口等が設けられている。引上機構の一部である引上ワイヤ２４は、二重ルツボ３の上方で、回転しつつ上下動するようになっている。この引上ワイヤ２４の先端には、チャックを介して半導体単結晶の種結晶が取り付けられている。そして、この種結晶を内ルツボ１２内の半導体融液２１に浸した後、上昇させ、種結晶を始点として順次成長した半導体単結晶がアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で引き上げられる。
【００１６】
ここで、チャンバ内圧力（炉内圧）が低くてアルゴンガス等の不活性ガスの流量が大きいと、原料が勢いよく半導体融液２１内に投入され、半導体融液２１の液面の振動が発生する。そして、このような条件下で、単結晶の引き上げを行うと、原料が半導体融液中に深く侵入することに起因するためか、ボイド（格子欠陥）が単結晶中に発生する場合が多い。また、炉内圧が高くてアルゴンガス等の不活性ガスの流量が小さいと、原料が原料供給管５内で停滞してしまい原料が投入できなくなる。炉内圧が高いと、半導体融液からの残留ガスの脱離が抑えられボイドの発生率が増大する。
【００１７】
不活性ガスをアルゴンとし、原料供給管５の下端開口５ａと半導体融液２１の液面との距離を３０ｍｍと設定して、各種のガス流量および炉内圧において、原料の停滞テスト、液面の振動テストおよびボイドの発生テストを行った。その結果を表１及び表２に示す。
【表１】
0003750172.tif 000002
【表２】
0003750172.tif 000003
【００１８】
これらのテスト結果を、横軸に炉内圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）、縦軸に原料供給管の単位面積当りのガス流量Ｎ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ2）をとって整理すると、図２に示すようになる。なお、図２では、前記表１及び表２に示すデータの一部を省略してある。
【００１９】
図中線ａは、液面の振動が発生する領域と発生しない領域とを区分する線であり、データの統計的処理により、この線はＮ＝０．０８Ｐ＋０．１２となる。従って、Ｎ＜０．０８Ｐ＋０．１２である領域では、液面の振動は起こらない。原料の投入速度が炉内圧により抑制される結果と考える。
【００２０】
図中線ｂは、原料の停滞が発生する領域と発生しない領域とを区分する線であり、データの統計的処理により、この線Ｎ＝０．００４８Ｐ＋０．０２６４となる。従って、Ｎ＞０．００４８Ｐ＋０．０２６４である領域では、原料の停滞は起こらない。
【００２１】
図中線ｃは、同一炉内圧の場合にガス流量を大きくしていった場合に、ボイドの発生する領域と発生しない領域とを区分する線であり、データの統計的処理により、この線Ｎ＝０．０７Ｐとなる。従って、Ｎ＜０．０７Ｐである領域では、ボイドの発生は起こらない。原料が大きな速度で半導体融液中に投入されると、原料が半導体融液の深くまで侵入し、これに伴って雰囲気ガスが半導体融液内に巻き込まれ、この雰囲気ガスがボイドの発生の原因となると推定される。したがって、前記線ｃよりも下の領域では、原料の速度が炉内圧により減少させられるので、ボイドの発生が起こらなくなると考えられる。
【００２２】
なお、炉内圧が大きくなると、半導体融液からの残留ガスの離脱が抑えられボイドの発生確率が大きくなる。実験結果から、ボイドの発生する領域と発生しない領域とを区分する線ｄが得られる。線ｄは、Ｐ＝２０である。
【００２３】
以上の結果から、線ａ，ｂ，ｃ，ｄで囲まれた領域であれば、安定してＣＭＣＺ法による単結晶成長を行うことができる。
【００２４】
なお、図２中で線ｅで示すＰ＝５（Ｔｏｒｒ）以下になると、半導体融液２１が沸騰するので、実質的には線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅで囲まれた領域であることが必要である。
【００２５】
また、線ａ，ｃ，ｄは、原料供給管５の下端開口５ａと半導体融液２１の液面との距離によって変動するものである。したがって、
【００２６】
ａ線は、Ｎ＝（０．０７６〜０．０８４）Ｐ＋（０．１０〜０．１４）
ｃ線は、Ｎ＝（０．０６６〜０．０７４）Ｐ＋（−０．０２〜０．０２）
ｄ線は、Ｐ＝１８〜２２で示すように変動する。
【００２７】
また、ｅ線は、融液表面の径方向温度勾配等の熱環境により変動するものである。したがって、Ｐ＝（３〜７）の範囲で変動する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の単結晶引上方法によれば、気密容器と、気密容器内で半導体融液を貯留する互いに連通した外ルツボ及び内ルツボからなる二重ルツボと、気密容器の上部から垂下され、その下端開口から外ルツボの半導体融液中に粒状又は粉状の原料を投入可能に配置された原料供給管とを備え、前記原料供給管内に密閉容器内に向けて流れる不活性ガスとともに前記原料が投入され、前記気密容器内の内圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とし、前記不活性ガスの流量をＮ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ2）とした場合に、０．００４８Ｐ＋０．０２６４＜Ｎ＜０．０７Ｐである領域で前記原料を投入するので、ボイドの発生を低減しつつ単結晶成長を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に使用される単結晶引上装置を示す断面図である。
【図２】原料の停滞テスト、液面の振動テストおよびボイドの発生テストの結果を、横軸に炉内圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）、縦軸に原料供給管の単位面積当りのガス流量Ｎ（ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ2）をとって整理した図を示すものである。
【符号の説明】
１  単結晶引上装置
２  チャンバ（気密容器）
３  二重ルツボ
４  ヒーター
５  原料供給管
５ａ  下端開口
１１  外ルツボ
１２  内ルツボ
【図１】
0003750172.tif 000004
【図２】
0003750172.tif 000005