JP2004137140A - シリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成長炉内の汚染を生じなく、低融点ドーパントの注入濃度の制御が可能で、低融点ドーパントの無駄遣いを最小にしながら、ドーピングの際に生じる酸化物によるシリコン単結晶生産への悪影響を除去したシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法を提供する。
【解決手段】多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボと、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）とを含むシリコン単結晶成長装置において、側壁部及び上部が密閉され、開放された下部に格子状構造の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成され、低融点ドーパントを内部に積載する低融点ドーパント注入管を含んでなる。
【選択図】 図１
【解決手段】多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボと、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）とを含むシリコン単結晶成長装置において、側壁部及び上部が密閉され、開放された下部に格子状構造の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成され、低融点ドーパントを内部に積載する低融点ドーパント注入管を含んでなる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶成長装置およびドーパント（ｄｏｐａｎｔ）の注入方法に係り、特に融点の低い低融点ドーパントを高濃度で注入するための装置が設けられたシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、半導体製造に用いられるシリコンウェーハ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ）は適宜な比抵抗値を有するために、純粋なシリコン単結晶の成長工程において、Ｐ−ｔｙｐｅまたはＮ−ｔｙｐｅのドーパントが添加される。この際、Ｐ−ｔｙｐｅシリコンウェーハの製造のために注入されるホウ素（Ｂ）の融点は約２１８０℃であって、シリコンの融点である１４１２℃より高いため、多結晶シリコンを石英ルツボに積載する際に、石英ルツボの底に多結晶シリコンと共に投入し溶融させることにより、溶融シリコンにドーパントがドープ（ｄｏｐｉｎｇ）されるようにする。このように、シリコンの融点（１４１２℃）より高い融点を有するドーパントを、高融点ドーパントという。
【０００３】
一方、シリコンの融点（１４１２℃）より低い融点を有するドーパントを低融点ドーパントといい、かかる低融点ドーパントとしては、例えばアンチモン（Ｓｂ：６３１℃）、赤リン（ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ：５９３℃）、ゲルマニウム（Ｇｅ：９３７℃）、ヒ素（Ａｓ：８１７℃）などが挙げられる。このような低融点ドーパントを高濃度で添加するために、ホウ素などの高融点ドーパントの添加時に用いられる方法を利用する場合は、最初多結晶シリコンの溶解時において多結晶シリコンが完全に溶解される前に、低融点ドーパントが全て溶融・気化されシリコン成長炉内の汚染を誘発するシリコン融液から蒸発されたシリコン酸化物を除去するために流す不活性気体（例えば、Ａｒなど）と共に成長炉の外部に排出・除去されることにより、所望の比抵抗値を有するシリコン単結晶を生産することができない。なお、低融点ドーパントが気化し排出されることを防ぐために成長炉内に不活性気体を流さず密閉されると、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が成長炉内を汚染し、望ましくない炭素および金属不純物がシリコン融液を汚染させる問題点がある。また、成長炉内壁にシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が蒸着し、シリコン単結晶棒を生産する際、シリコン融液の表面に成長炉内壁に蒸着しているシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が落下し、シリコン単結晶の成長を不可能とし、シリコン単結晶の生産性を低下する原因となっていた。
【０００４】
すなわち、従来においては、低融点ドーパントを高濃度で注入するために、多結晶シリコンを完全に溶かしてから純粋な低融点ドーパントを溶融シリコンの表面に振りかけるドーピングを行っていた。しかし、この場合、ドープされたドーパントが完全にシリコン融液内に溶け込まず、そのうち約３０％は気化し、不活性気体と共に成長炉の外部に排出・除去される。したがって、ドーパントの注入濃度の制御が不完全となり、低融点ドーパントの無駄遣いがあった。
【０００５】
また、添加される低融点ドーパントのドーピングの際、純粋な低融点ドーパント内の不純物により酸化物が生じ、シリコン融液の表面に浮び上がることにより、パーティクル・ヒット（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｈｉｔ）の原因として作用し、シリコン単結晶の生産性低下の致命的な原因とされていた。かかる酸化物を除去するための従来の方法として、第一に、酸化物が石英ルツボの外壁に接触すると、表面張力により石英ルツボの内壁に固着し、シリコン単結晶が成長される固／液界面から酸化物を空間的に分離できる方法がある。しかし、かかる方法は、ただ１、２個の酸化物切れを除去するのに用いられる方法であり、低融点ドーパントのドープされる時に生じる数多くの酸化物を除去するには効果的ではない。
他の方法としては、酸化物をシリコン融液に溶解させる方法がある。酸化物の融点は通常シリコン融液の融点に比べ極めて高く、ある温度で安定した固体が液状の他の物質内に溶解する現象と同じメカニズムでシリコン融液に酸化物が溶解され得る。しかしながら、酸化物のシリコン融液内に溶け込まれる速度は非常に遅いため、酸化物を完全にシリコン融液に溶解させるためには、約３０時間以上も要される。そのため、シリコン単結晶を生産する際に深刻な生産性低下を招いてしまう。しかし、より深刻な問題は、酸化物を溶解する間に、石英ルツボの劣化による腐食で、本来所望のシリコン単結晶を生産する際にシリコン単結晶の生産歩留まりが格段に低下するということであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低融点ドーパントの高濃度ドーピングの際、上記した問題点である成長炉内の汚染を生じなく、低融点ドーパントの注入濃度の制御が可能で、低融点ドーパントの無駄遣いを最小にしながら、ドーピングの際に生じる酸化物によるシリコン単結晶生産への悪影響を除去したシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明の低融点ドーパント注入管を設けたシリコン単結晶成長装置は、多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボと、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）とを含むシリコン単結晶成長装置において、側壁部及び上部が密閉され、開放された下部に格子形構造の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成され、低融点ドーパントを内部に積載する低融点ドーパント注入管を含んでなる。
そして、前記低融点ドーパント注入管は高純度の石英ガラスで形成されることが好ましく、特に、前記低融点ドーパントの注入管の内部に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパント注入管の下部網と前記低融点ドーパントとの間にシリコンウェーハを挿入することがより好ましい。
また、前記低融点ドーパント注入管は前記シリコン単結晶リフターのシードチャック（ｓｅｅｄ ｃｈｕｃｋ）に結合する結合部が形成されており、前記低融点ドーパント注入管の結合部が前記シードチャックに結合・分離されることが好ましく、前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管の内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）される前に、前記溶融シリコンの表面と前記発熱部とから前記低融点ドーパント注入管に放射される輻射熱を遮断する熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）を更に含むか、または、前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップされる前に、前記発熱部から前記低融点ドーパント注入管に放射される熱を遮断するように、前記石英ルツボ内部の溶融シリコンの上部面から一定の距離離れ、内部に冷却水が循環する冷却装置が前記シリコン単結晶成長炉の上部に更に設けられることが好ましい。
【０００８】
そして、本発明の低融点ドーパントの注入方法は、低融点ドーパントを、側壁部及び上部が密閉され、下部が開放され、前記下部に格子状の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成されている低融点ドーパント注入管の内部に積載し、前記低融点ドーパント注入管の下部面を、石英ルツボの内部に溶融されている溶融シリコンにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）することにより、前記溶融シリコンの熱で前記低融点ドーパントを溶融・気化させ、前記溶融・気化された低融点ドーパントを、前記低融点ドーパント注入管の下部網を通じ前記溶融シリコンにドープさせることが特徴である。
また、前記低融点ドーパント注入管に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパントと前記低融点ドーパント注入管の下部網との間にシリコンウェーハを挿入することが好ましく、前記低融点ドーパント注入管の内部に低融点ドーパントを積載した後に、前記低融点ドーパント注入管をシリコン単結晶リフターのシードチャックに結合させ、前記シリコン単結晶リフターを下降させることにより前記低融点ドーパント注入管の下部を前記溶融シリコンにディップし、前記低融点ドーパントをドープし、前記ドープが完了した後は、前記シリコン単結晶リフターを引き上げ、前記低融点ドーパント注入管を分離した後、シリコン種子結晶を設けることにより単結晶成長の後続工程を進めることがより好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明の低融点ドーパント注入管を設けたシリコン単結晶成長装置は、図５に示すように、多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボ１０と、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部２０と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター４０とを含むシリコン単結晶成長装置において、図１および図２に示すように、側壁部１０２と上部１０１とが密閉され、開放された下部に格子状の下部網１０３が形成され、低融点ドーパントＤを内部に積載する低融点ドーパント注入管１００を含んでなる。
【００１１】
したがって、アンチモン（Ｓｂ、融点：６３１℃）、赤リン（Ｒｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ、融点：５９３℃）、ゲルマニウム（Ｇｅ、融点：９３７℃）、ヒ素（Ａｓ、融点：８１７℃）などの低融点ドーパントＤを、図１に示すように、低融点ドーパント注入管１００内に積載し、図４に示すように、下部網１０３に形成されている注入管１００の下端部を溶融シリコンＳにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）することにより、溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）により低融点ドーパントＤが溶融・気化されるようにする。すなわち、低融点ドーパントＤの融点はシリコンに比べ格段に低いため、溶融シリコンＳ自身の温度により溶融・気化され、このように溶融・気化された低融点ドーパントＤは低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３を介してのみ溶融シリコンＳにドープされる。この際、低融点ドーパントＤの注入管１００の上部１０１と側壁部１０２とは完全に密閉されているので、低融点ドーパントＤが気化されても溶融シリコンＳにドープされる以外は成長炉内部に排出しない。また、密閉された空間において気化された低融点ドーパントは注入管１００内の蒸気圧を高めるようになり、このように気化された低融点ドーパントは、高い蒸気圧のため、注入管１００内に存在するより溶融シリコンＳに溶け込むことが熱力学的に格段に安定となるので、溶融シリコンに１００％注入され、これにより、溶融シリコンＳにドープされるドーパントの濃度を定量的に制御することができる。
【００１２】
そして、注入される純粋な低融点ドーパントＤの純度が、シリコン単結晶成長工程において用いられる多結晶シリコンの純度に比べ格段に低い場合、ドーパント内に存在する不純物によりドーパントの注入過程において酸化物が生じ、シリコン融液の表面に浮遊するようになる。図４に示すように、かかるドーパントの酸化物Ｏは、低融点ドーパント注入管１００の内部で浮び上がりつつ、低融点ドーパント注入管１００外部の溶融シリコンの表面と空間的に完全に分離されるようになる。また、低融点ドーパントＤを溶融させて溶融シリコンＳに完全にドープさせた後、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳの表面から除去するとき、酸化物Ｏは表面張力により低融点ドーパント注入管１００の側壁部１０２に接着するか、或いは低融点ドーパント注入管１００の下部に形成された下部網１０３に接着し、溶融シリコンＳから除去されるようになる。特に、低融点ドーパント注入管１００の下部を格子状の下部網１０３として形成し、格子状下部網の表面積が広げられた状態で形成されているので、酸化物Ｏがより容易に低融点ドーパント下部網１０３に接着し、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳから除去した後は、溶融シリコンの表面に酸化物Ｏが残留しないようにすることができる。
【００１３】
また、低融点ドーパント注入管１００は、石英ルツボ内の溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）で溶けず、低融点ドーパントＤが完全にドープされる間においても腐食などを生じてはならないため、高純度の石英ガラスで形成することが好ましい。
【００１４】
なお、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップする過程において、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳにディップする前に、溶融シリコンＳの表面から放射される輻射熱や、発熱部２０から放射される熱が直接に低融点ドーパント注入管１００に加えられ、内部に積載されている低融点ドーパントＤが溶融または気化されシリコン単結晶成長炉の内部に排出されることを防ぐために、図３に示すように、低融点ドーパント注入管１００の内部に低融点ドーパントＤを積載するとき、低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３と低融点ドーパントＤとの間に、シリコンウェーハを挿入することが好ましい。
【００１５】
したがって、溶融シリコンＳの表面や発熱部２０からの熱が低融点ドーパント注入管１００に加えられても、下部のシリコンウェーハＷにより低融点ドーパントＤへの直接的な熱伝達を防止することができる。そして、シリコンウェーハＷを介し熱が伝達され、低融点ドーパントＤが溶融・気化されるとしても、シリコンウェーハＷの融点は約１４１２℃と非常に高く、低融点ドーパント注入管１００のディップ前のごく短い時間中においてはシリコンウェーハＷが溶けないため、注入管１００の内部で低融点ドーパントＤが溶融・気化されていても、注入管１００の下部網１０３を介して注入管１００の外部に排出できなくなる。なお、低融点ドーパント注入管１００が溶融シリコンＳにディップされた後は、図４に示すように、溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）によりシリコンウェーハＷが溶け始め、注入管１００内部の低融点ドーパントＤが注入管１００の下部網１０３を介し溶融シリコンＳにドープされる（ｆ）ようになる。
【００１６】
そして、図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００には、シリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合する結合部１０４が形成されており、低融点ドーパント注入管１００の結合部１０４は、シードチャック４１に結合・分離されることが好ましい。すなわち、低融点ドーパント注入管１００に低融点ドーパントＤを積載した後は、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０を下降させることにより、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップすることができる。次いで、低融点ドーパントのドーピングが完了した後は、シリコン単結晶リフター４０を引き上げてシードチャック４１から低融点ドーパント注入管１００を分離し、シードチャック４１に種子結晶（ｓｅｅｄ）を結合させ、この種子結晶のディップ（ｓｅｅｄ ｄｉｐｐｉｎｇ）などの後続工程を続行する。
【００１７】
また、本発明のシリコン単結晶成長装置は図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０の下降中に、低融点ドーパント注入管１００内部のドーパントＤが石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳにディップされる前に、溶融シリコンＳの表面と発熱部２０とから低融点ドーパント注入管１００に放射される輻射熱を遮断する熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）５０を、更に含むことが好ましい。
【００１８】
そして、本発明のシリコン単結晶成長装置は図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０の下降中に低融点ドーパント注入管１００内部のドーパントＤが石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳにディップされる前に、発熱部２０から低融点ドーパント注入管１００へ放射される輻射熱を遮断するために、石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳに上部面から一定の距離離れ、内部に冷却水の循環する冷却装置６０が、前記シリコン単結晶成長炉の上部３０に更に設けられることが好ましい。
【００１９】
また、低融点ドーパント注入管１００が設けられたシリコン単結晶成長装置は、前記熱シールド５０と冷却装置６０とが同時に設けられることがより好ましい。
【００２０】
したがって、低融点ドーパントＤが積載された低融点ドーパント注入管１００がシリコン単結晶リフター４０に結合し、シリコン単結晶リフター４０の下降中に、溶融シリコンＳにディップされる前に低融点ドーパントＤが低融点ドーパント注入管１００の内部で溶融・気化されることを防止できる。
【００２１】
以下では、本発明の低融点ドーパントの注入方法について詳細に説明する。
【００２２】
本発明の低融点ドーパントの注入方法は、図１に示すように、低融点ドーパントＤを、側壁部１０２及び上部１０１が密閉され、下部が開放され、前記下部に格子状の網（ｎｅｔ）１０３が形成されている低融点ドーパント注入管１００の内部に積載し、図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００の下部面１０３を、石英ルツボ１０の内部に溶融された溶融シリコンＳにディップすることにより、溶融シリコンＳの熱により低融点ドーパントＤを溶融・気化させ、溶融・気化された低融点ドーパントＤを低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３を介し溶融シリコンＳにドープさせることが特徴である。この際、低融点ドーパント注入管１００に低融点ドーパントＤを積載するとき、低融点ドーパントＤと低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３との間にシリコンウェーハＷ（図４参照）を挿入することが好ましい。低融点ドーパント注入管１００を介し溶融シリコンＳに低融点ドーパントＤが注入される原理は、本発明の低融点ドーパント注入管１００が設けられたシリコン単結晶成長装置の実施の形態で、既に説明した通りである。
【００２３】
そして、低融点ドーパント注入管を利用し、低融点ドーパントを溶融シリコンに注入する本発明において、低融点ドーパント注入管１００の内部に低融点ドーパントＤを積載した後に、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０を下降させることにより、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップして低融点ドーパントＤをドープし、ドーピングが完了した後は、シリコン単結晶リフター４０を引き上げ、低融点ドーパント注入管１００を分離した後、シリコン種子結晶を設けることにより、シリコン単結晶成長の後続工程を続行することがより好ましい。すなわち、多結晶シリコンを石英ルツボ１０に積載し、溶融させた後、シードディッピング工程の前に、シリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に低融点ドーパント注入管１００を結合させ、低融点ドーパントＤを溶融シリコンＳにドープさせるのである。
【００２４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変更および改良形態も、本発明の権利範囲に属するものである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上述した構成を含むことにより、純粋な低融点ドーパントの高濃度ドーピング時に成長炉内の汚染を生じることなく、低融点ドーパントの注入濃度の制御が可能となり、ドーパントの浪費を最小化させながらドーピング時に生じる酸化物によるシリコン単結晶の生産性低下の悪影響を除去した低融点ドーパント注入管の設けられたシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管の縦断面図である。
【図２】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管の底面図である。
【図３】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管にシリコンウェーハを挿入した縦断面図である。
【図４】本発明において低融点ドーパントがドープされる過程を示す構成図である。
【図５】本発明である低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置の概略的な縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 石英ルツボ
２０ 発熱部
３０ シリコン単結晶成長炉上部
４０ シリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）
４１ シードチャック（ｓｅｅｄ ｃｈｕｃｋ）
５０ 熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）
６０ 冷却装置
Ｓ 溶融シリコン
１００ 低融点ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）注入管
１０１ 上面部
１０２ 側壁部
１０３ 下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）
１０４ 結合部
Ｄ 低融点ドーパント
Ｗ シリコンウェーハ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶成長装置およびドーパント（ｄｏｐａｎｔ）の注入方法に係り、特に融点の低い低融点ドーパントを高濃度で注入するための装置が設けられたシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、半導体製造に用いられるシリコンウェーハ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ）は適宜な比抵抗値を有するために、純粋なシリコン単結晶の成長工程において、Ｐ−ｔｙｐｅまたはＮ−ｔｙｐｅのドーパントが添加される。この際、Ｐ−ｔｙｐｅシリコンウェーハの製造のために注入されるホウ素（Ｂ）の融点は約２１８０℃であって、シリコンの融点である１４１２℃より高いため、多結晶シリコンを石英ルツボに積載する際に、石英ルツボの底に多結晶シリコンと共に投入し溶融させることにより、溶融シリコンにドーパントがドープ（ｄｏｐｉｎｇ）されるようにする。このように、シリコンの融点（１４１２℃）より高い融点を有するドーパントを、高融点ドーパントという。
【０００３】
一方、シリコンの融点（１４１２℃）より低い融点を有するドーパントを低融点ドーパントといい、かかる低融点ドーパントとしては、例えばアンチモン（Ｓｂ：６３１℃）、赤リン（ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ：５９３℃）、ゲルマニウム（Ｇｅ：９３７℃）、ヒ素（Ａｓ：８１７℃）などが挙げられる。このような低融点ドーパントを高濃度で添加するために、ホウ素などの高融点ドーパントの添加時に用いられる方法を利用する場合は、最初多結晶シリコンの溶解時において多結晶シリコンが完全に溶解される前に、低融点ドーパントが全て溶融・気化されシリコン成長炉内の汚染を誘発するシリコン融液から蒸発されたシリコン酸化物を除去するために流す不活性気体（例えば、Ａｒなど）と共に成長炉の外部に排出・除去されることにより、所望の比抵抗値を有するシリコン単結晶を生産することができない。なお、低融点ドーパントが気化し排出されることを防ぐために成長炉内に不活性気体を流さず密閉されると、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が成長炉内を汚染し、望ましくない炭素および金属不純物がシリコン融液を汚染させる問題点がある。また、成長炉内壁にシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が蒸着し、シリコン単結晶棒を生産する際、シリコン融液の表面に成長炉内壁に蒸着しているシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が落下し、シリコン単結晶の成長を不可能とし、シリコン単結晶の生産性を低下する原因となっていた。
【０００４】
すなわち、従来においては、低融点ドーパントを高濃度で注入するために、多結晶シリコンを完全に溶かしてから純粋な低融点ドーパントを溶融シリコンの表面に振りかけるドーピングを行っていた。しかし、この場合、ドープされたドーパントが完全にシリコン融液内に溶け込まず、そのうち約３０％は気化し、不活性気体と共に成長炉の外部に排出・除去される。したがって、ドーパントの注入濃度の制御が不完全となり、低融点ドーパントの無駄遣いがあった。
【０００５】
また、添加される低融点ドーパントのドーピングの際、純粋な低融点ドーパント内の不純物により酸化物が生じ、シリコン融液の表面に浮び上がることにより、パーティクル・ヒット（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｈｉｔ）の原因として作用し、シリコン単結晶の生産性低下の致命的な原因とされていた。かかる酸化物を除去するための従来の方法として、第一に、酸化物が石英ルツボの外壁に接触すると、表面張力により石英ルツボの内壁に固着し、シリコン単結晶が成長される固／液界面から酸化物を空間的に分離できる方法がある。しかし、かかる方法は、ただ１、２個の酸化物切れを除去するのに用いられる方法であり、低融点ドーパントのドープされる時に生じる数多くの酸化物を除去するには効果的ではない。
他の方法としては、酸化物をシリコン融液に溶解させる方法がある。酸化物の融点は通常シリコン融液の融点に比べ極めて高く、ある温度で安定した固体が液状の他の物質内に溶解する現象と同じメカニズムでシリコン融液に酸化物が溶解され得る。しかしながら、酸化物のシリコン融液内に溶け込まれる速度は非常に遅いため、酸化物を完全にシリコン融液に溶解させるためには、約３０時間以上も要される。そのため、シリコン単結晶を生産する際に深刻な生産性低下を招いてしまう。しかし、より深刻な問題は、酸化物を溶解する間に、石英ルツボの劣化による腐食で、本来所望のシリコン単結晶を生産する際にシリコン単結晶の生産歩留まりが格段に低下するということであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低融点ドーパントの高濃度ドーピングの際、上記した問題点である成長炉内の汚染を生じなく、低融点ドーパントの注入濃度の制御が可能で、低融点ドーパントの無駄遣いを最小にしながら、ドーピングの際に生じる酸化物によるシリコン単結晶生産への悪影響を除去したシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明の低融点ドーパント注入管を設けたシリコン単結晶成長装置は、多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボと、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）とを含むシリコン単結晶成長装置において、側壁部及び上部が密閉され、開放された下部に格子形構造の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成され、低融点ドーパントを内部に積載する低融点ドーパント注入管を含んでなる。
そして、前記低融点ドーパント注入管は高純度の石英ガラスで形成されることが好ましく、特に、前記低融点ドーパントの注入管の内部に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパント注入管の下部網と前記低融点ドーパントとの間にシリコンウェーハを挿入することがより好ましい。
また、前記低融点ドーパント注入管は前記シリコン単結晶リフターのシードチャック（ｓｅｅｄ ｃｈｕｃｋ）に結合する結合部が形成されており、前記低融点ドーパント注入管の結合部が前記シードチャックに結合・分離されることが好ましく、前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管の内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）される前に、前記溶融シリコンの表面と前記発熱部とから前記低融点ドーパント注入管に放射される輻射熱を遮断する熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）を更に含むか、または、前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップされる前に、前記発熱部から前記低融点ドーパント注入管に放射される熱を遮断するように、前記石英ルツボ内部の溶融シリコンの上部面から一定の距離離れ、内部に冷却水が循環する冷却装置が前記シリコン単結晶成長炉の上部に更に設けられることが好ましい。
【０００８】
そして、本発明の低融点ドーパントの注入方法は、低融点ドーパントを、側壁部及び上部が密閉され、下部が開放され、前記下部に格子状の下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）が形成されている低融点ドーパント注入管の内部に積載し、前記低融点ドーパント注入管の下部面を、石英ルツボの内部に溶融されている溶融シリコンにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）することにより、前記溶融シリコンの熱で前記低融点ドーパントを溶融・気化させ、前記溶融・気化された低融点ドーパントを、前記低融点ドーパント注入管の下部網を通じ前記溶融シリコンにドープさせることが特徴である。
また、前記低融点ドーパント注入管に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパントと前記低融点ドーパント注入管の下部網との間にシリコンウェーハを挿入することが好ましく、前記低融点ドーパント注入管の内部に低融点ドーパントを積載した後に、前記低融点ドーパント注入管をシリコン単結晶リフターのシードチャックに結合させ、前記シリコン単結晶リフターを下降させることにより前記低融点ドーパント注入管の下部を前記溶融シリコンにディップし、前記低融点ドーパントをドープし、前記ドープが完了した後は、前記シリコン単結晶リフターを引き上げ、前記低融点ドーパント注入管を分離した後、シリコン種子結晶を設けることにより単結晶成長の後続工程を進めることがより好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明の低融点ドーパント注入管を設けたシリコン単結晶成長装置は、図５に示すように、多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボ１０と、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部２０と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフター４０とを含むシリコン単結晶成長装置において、図１および図２に示すように、側壁部１０２と上部１０１とが密閉され、開放された下部に格子状の下部網１０３が形成され、低融点ドーパントＤを内部に積載する低融点ドーパント注入管１００を含んでなる。
【００１１】
したがって、アンチモン（Ｓｂ、融点：６３１℃）、赤リン（Ｒｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ、融点：５９３℃）、ゲルマニウム（Ｇｅ、融点：９３７℃）、ヒ素（Ａｓ、融点：８１７℃）などの低融点ドーパントＤを、図１に示すように、低融点ドーパント注入管１００内に積載し、図４に示すように、下部網１０３に形成されている注入管１００の下端部を溶融シリコンＳにディップ（ｄｉｐｐｉｎｇ）することにより、溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）により低融点ドーパントＤが溶融・気化されるようにする。すなわち、低融点ドーパントＤの融点はシリコンに比べ格段に低いため、溶融シリコンＳ自身の温度により溶融・気化され、このように溶融・気化された低融点ドーパントＤは低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３を介してのみ溶融シリコンＳにドープされる。この際、低融点ドーパントＤの注入管１００の上部１０１と側壁部１０２とは完全に密閉されているので、低融点ドーパントＤが気化されても溶融シリコンＳにドープされる以外は成長炉内部に排出しない。また、密閉された空間において気化された低融点ドーパントは注入管１００内の蒸気圧を高めるようになり、このように気化された低融点ドーパントは、高い蒸気圧のため、注入管１００内に存在するより溶融シリコンＳに溶け込むことが熱力学的に格段に安定となるので、溶融シリコンに１００％注入され、これにより、溶融シリコンＳにドープされるドーパントの濃度を定量的に制御することができる。
【００１２】
そして、注入される純粋な低融点ドーパントＤの純度が、シリコン単結晶成長工程において用いられる多結晶シリコンの純度に比べ格段に低い場合、ドーパント内に存在する不純物によりドーパントの注入過程において酸化物が生じ、シリコン融液の表面に浮遊するようになる。図４に示すように、かかるドーパントの酸化物Ｏは、低融点ドーパント注入管１００の内部で浮び上がりつつ、低融点ドーパント注入管１００外部の溶融シリコンの表面と空間的に完全に分離されるようになる。また、低融点ドーパントＤを溶融させて溶融シリコンＳに完全にドープさせた後、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳの表面から除去するとき、酸化物Ｏは表面張力により低融点ドーパント注入管１００の側壁部１０２に接着するか、或いは低融点ドーパント注入管１００の下部に形成された下部網１０３に接着し、溶融シリコンＳから除去されるようになる。特に、低融点ドーパント注入管１００の下部を格子状の下部網１０３として形成し、格子状下部網の表面積が広げられた状態で形成されているので、酸化物Ｏがより容易に低融点ドーパント下部網１０３に接着し、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳから除去した後は、溶融シリコンの表面に酸化物Ｏが残留しないようにすることができる。
【００１３】
また、低融点ドーパント注入管１００は、石英ルツボ内の溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）で溶けず、低融点ドーパントＤが完全にドープされる間においても腐食などを生じてはならないため、高純度の石英ガラスで形成することが好ましい。
【００１４】
なお、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップする過程において、低融点ドーパント注入管１００を溶融シリコンＳにディップする前に、溶融シリコンＳの表面から放射される輻射熱や、発熱部２０から放射される熱が直接に低融点ドーパント注入管１００に加えられ、内部に積載されている低融点ドーパントＤが溶融または気化されシリコン単結晶成長炉の内部に排出されることを防ぐために、図３に示すように、低融点ドーパント注入管１００の内部に低融点ドーパントＤを積載するとき、低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３と低融点ドーパントＤとの間に、シリコンウェーハを挿入することが好ましい。
【００１５】
したがって、溶融シリコンＳの表面や発熱部２０からの熱が低融点ドーパント注入管１００に加えられても、下部のシリコンウェーハＷにより低融点ドーパントＤへの直接的な熱伝達を防止することができる。そして、シリコンウェーハＷを介し熱が伝達され、低融点ドーパントＤが溶融・気化されるとしても、シリコンウェーハＷの融点は約１４１２℃と非常に高く、低融点ドーパント注入管１００のディップ前のごく短い時間中においてはシリコンウェーハＷが溶けないため、注入管１００の内部で低融点ドーパントＤが溶融・気化されていても、注入管１００の下部網１０３を介して注入管１００の外部に排出できなくなる。なお、低融点ドーパント注入管１００が溶融シリコンＳにディップされた後は、図４に示すように、溶融シリコンＳの温度（約１４５０℃）によりシリコンウェーハＷが溶け始め、注入管１００内部の低融点ドーパントＤが注入管１００の下部網１０３を介し溶融シリコンＳにドープされる（ｆ）ようになる。
【００１６】
そして、図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００には、シリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合する結合部１０４が形成されており、低融点ドーパント注入管１００の結合部１０４は、シードチャック４１に結合・分離されることが好ましい。すなわち、低融点ドーパント注入管１００に低融点ドーパントＤを積載した後は、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０を下降させることにより、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップすることができる。次いで、低融点ドーパントのドーピングが完了した後は、シリコン単結晶リフター４０を引き上げてシードチャック４１から低融点ドーパント注入管１００を分離し、シードチャック４１に種子結晶（ｓｅｅｄ）を結合させ、この種子結晶のディップ（ｓｅｅｄ ｄｉｐｐｉｎｇ）などの後続工程を続行する。
【００１７】
また、本発明のシリコン単結晶成長装置は図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０の下降中に、低融点ドーパント注入管１００内部のドーパントＤが石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳにディップされる前に、溶融シリコンＳの表面と発熱部２０とから低融点ドーパント注入管１００に放射される輻射熱を遮断する熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）５０を、更に含むことが好ましい。
【００１８】
そして、本発明のシリコン単結晶成長装置は図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０の下降中に低融点ドーパント注入管１００内部のドーパントＤが石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳにディップされる前に、発熱部２０から低融点ドーパント注入管１００へ放射される輻射熱を遮断するために、石英ルツボ１０内部の溶融シリコンＳに上部面から一定の距離離れ、内部に冷却水の循環する冷却装置６０が、前記シリコン単結晶成長炉の上部３０に更に設けられることが好ましい。
【００１９】
また、低融点ドーパント注入管１００が設けられたシリコン単結晶成長装置は、前記熱シールド５０と冷却装置６０とが同時に設けられることがより好ましい。
【００２０】
したがって、低融点ドーパントＤが積載された低融点ドーパント注入管１００がシリコン単結晶リフター４０に結合し、シリコン単結晶リフター４０の下降中に、溶融シリコンＳにディップされる前に低融点ドーパントＤが低融点ドーパント注入管１００の内部で溶融・気化されることを防止できる。
【００２１】
以下では、本発明の低融点ドーパントの注入方法について詳細に説明する。
【００２２】
本発明の低融点ドーパントの注入方法は、図１に示すように、低融点ドーパントＤを、側壁部１０２及び上部１０１が密閉され、下部が開放され、前記下部に格子状の網（ｎｅｔ）１０３が形成されている低融点ドーパント注入管１００の内部に積載し、図５に示すように、低融点ドーパント注入管１００の下部面１０３を、石英ルツボ１０の内部に溶融された溶融シリコンＳにディップすることにより、溶融シリコンＳの熱により低融点ドーパントＤを溶融・気化させ、溶融・気化された低融点ドーパントＤを低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３を介し溶融シリコンＳにドープさせることが特徴である。この際、低融点ドーパント注入管１００に低融点ドーパントＤを積載するとき、低融点ドーパントＤと低融点ドーパント注入管１００の下部網１０３との間にシリコンウェーハＷ（図４参照）を挿入することが好ましい。低融点ドーパント注入管１００を介し溶融シリコンＳに低融点ドーパントＤが注入される原理は、本発明の低融点ドーパント注入管１００が設けられたシリコン単結晶成長装置の実施の形態で、既に説明した通りである。
【００２３】
そして、低融点ドーパント注入管を利用し、低融点ドーパントを溶融シリコンに注入する本発明において、低融点ドーパント注入管１００の内部に低融点ドーパントＤを積載した後に、低融点ドーパント注入管１００をシリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に結合させ、シリコン単結晶リフター４０を下降させることにより、低融点ドーパント注入管１００の下部を溶融シリコンＳにディップして低融点ドーパントＤをドープし、ドーピングが完了した後は、シリコン単結晶リフター４０を引き上げ、低融点ドーパント注入管１００を分離した後、シリコン種子結晶を設けることにより、シリコン単結晶成長の後続工程を続行することがより好ましい。すなわち、多結晶シリコンを石英ルツボ１０に積載し、溶融させた後、シードディッピング工程の前に、シリコン単結晶リフター４０のシードチャック４１に低融点ドーパント注入管１００を結合させ、低融点ドーパントＤを溶融シリコンＳにドープさせるのである。
【００２４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変更および改良形態も、本発明の権利範囲に属するものである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上述した構成を含むことにより、純粋な低融点ドーパントの高濃度ドーピング時に成長炉内の汚染を生じることなく、低融点ドーパントの注入濃度の制御が可能となり、ドーパントの浪費を最小化させながらドーピング時に生じる酸化物によるシリコン単結晶の生産性低下の悪影響を除去した低融点ドーパント注入管の設けられたシリコン単結晶成長装置および低融点ドーパントの注入方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管の縦断面図である。
【図２】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管の底面図である。
【図３】本発明の主構成要素である低融点ドーパント注入管にシリコンウェーハを挿入した縦断面図である。
【図４】本発明において低融点ドーパントがドープされる過程を示す構成図である。
【図５】本発明である低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置の概略的な縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 石英ルツボ
２０ 発熱部
３０ シリコン単結晶成長炉上部
４０ シリコン単結晶リフター（ｌｉｆｔｅｒ）
４１ シードチャック（ｓｅｅｄ ｃｈｕｃｋ）
５０ 熱シールド（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）
６０ 冷却装置
Ｓ 溶融シリコン
１００ 低融点ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）注入管
１０１ 上面部
１０２ 側壁部
１０３ 下部網（ｌｏｗｅｒ ｎｅｔ）
１０４ 結合部
Ｄ 低融点ドーパント
Ｗ シリコンウェーハ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ）
Claims (9)
- 多結晶シリコンを積載・溶融する石英ルツボと、前記石英ルツボに熱を放射し供給する発熱部と、前記石英ルツボに溶融している溶融シリコンからシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶リフターとを含むシリコン単結晶成長装置において、
側壁部及び上部が密閉され、開放された下部に格子形構造の下部網が形成され、低融点ドーパントを内部に積載する低融点ドーパント注入管を含む、ことを特徴とする低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。 - 前記低融点ドーパント注入管は、高純度石英ガラスで形成される、ことを特徴とする請求項１記載の低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。
- 前記低融点ドーパントの注入管の内部に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパント注入管の下部網と前記低融点ドーパントとの間にシリコンウェーハを挿入する、ことを特徴とする請求項１記載の低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。
- 前記低融点ドーパント注入管は、前記シリコン単結晶リフターのシードチャックに結合する結合部が形成されており、前記低融点ドーパント注入管の結合部が前記シードチャックに結合・分離される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。
- 前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップされる前に、前記溶融シリコンの表面と前記発熱部とから前記低融点ドーパント注入管に放射される輻射熱を遮断する熱シールドを更に含む、ことを特徴とする請求項４記載の低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。
- 前記シリコン単結晶リフターの下降中、前記低融点ドーパント注入管内部のドーパントが前記石英ルツボ内部の溶融シリコンにディップされる前に、前記発熱部から前記低融点ドーパント注入管に放射される熱を遮断するように、前記石英ルツボ内部の溶融シリコンの上部面から一定の距離離れ、内部に冷却水が循環する冷却装置が前記シリコン単結晶成長炉の上部に更に設けられる、ことを特徴とする請求項４記載の低融点ドーパント注入管が設けられたシリコン単結晶成長装置。
- 低融点ドーパントを、側壁部及び上部が密閉され、下部が開放され、前記下部に格子状の下部網が形成されている低融点ドーパント注入管の内部に積載し、
前記低融点ドーパント注入管の下部面を石英ルツボの内部に溶融されている溶融シリコンにディップすることにより、前記溶融シリコンの熱で前記低融点ドーパントを溶融・気化させ、前記溶融・気化された低融点ドーパントを前記低融点ドーパント注入管の下部網を通じ前記溶融シリコンにドーピングさせる、ことを特徴とする低融点ドーパントの注入方法。 - 前記低融点ドーパント注入管に低融点ドーパントを積載するとき、前記低融点ドーパントと前記低融点ドーパント注入管の下部網との間にシリコンウェーハを挿入する、ことを特徴とする請求項７記載の低融点ドーパントの注入方法。
- 前記低融点ドーパント注入管の内部に低融点ドーパントを積載した後に、前記低融点ドーパント注入管をシリコン単結晶リフターのシードチャックに結合させ、
前記シリコン単結晶リフターを下降させることにより、前記低融点ドーパント注入管の下部を前記溶融シリコンにディップして前記低融点ドーパントをドープし、
前記ドーピングが完了した後は、前記シリコン単結晶リフターを引き上げ、前記低融点ドーパント注入管を分離する、ことを特徴とする請求項７または８記載の低融点ドーパントの注入方法。
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