JP2005247671A

JP2005247671A - 単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2005247671A
Application number: JP2004064168A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Minami; 俊郎南
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】煩雑な操作を必要とせず、シリコン融液表面でのドープ剤の浮遊、飛散を抑制し、シリコン単結晶育成中のドープ剤の蒸発を補填することにより、シリコン融液に溶け込む量を安定化した単結晶引上装置を提供する。
【解決手段】ルツボ２の上方に配設され、上下方向に移動可能に構成された遮熱板４と、前記遮熱板４の内側に設置されたドープ剤容器５と、前記ドープ剤容器の内部に一端が位置し、他端が遮熱板の外側に導出されたドープ供給管７とを備え、前記遮熱板４が下方向に移動しシリコン融液に近づくことにより、前記ドープ剤容器５の内部に収容されたドープ剤８が昇温し、昇華したドープ剤が前記ドープ供給管７の他端からシリコン融液に供給される。
【選択図】図１

Description

この発明は、ドープ剤の添加装置を備えた単結晶引上装置に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の育成は、石英ルツボに原料となるポリシリコンを入れ、加熱溶融し、このシリコン融液表面に種結晶を浸漬した後、これを徐々に引き上げてシリコン単結晶を成長させることにより行なわれる。
その際、シリコン単結晶の抵抗率は、シリコン融液中に混入しているドープ剤の量によって決定される。このため、ドープ剤をより好適な状態で添加することができる添加装置を備えた単結晶引上装置が数多く提案されている。

その一例として、特許文献１には図６に示す単結晶引上装置が提案されている。図６に示すように、この単結晶引上装置５０にあっては、ルツボ５１の外側に配置されたヒータ５２と、前記ヒータ５２の外側に設けられた断熱材５３と、前記ヒータ５２及びルツボ５１内のシリコン融液からの輻射熱を遮蔽するためにルツボ５１の上方に配設された遮熱板（熱遮蔽部材）５４と、固体状のドープ剤をシリコン融液に導くドープ供給管５５とを備えている。
また、前記ドープ供給管５５は開口を有する遮熱板５４の内側に取り付けられ、その開口部は、ルツボ内側に臨むように配置されている。なお、図中、符号５６はチャンバーである。
そして、この単結晶引上装置５０では、ドープ剤供給治具５１ａから固体状のドープ剤が装置内に導入され、途中まで遮熱板５４の内側を通り、最終的には遮熱板５４の外側でシリコン融液に投入される。

また、特許文献２には、図７に示す単結晶引上装置が提案されている。
この単結晶引上装置６０は、ドープ剤である固体砒素６３が収容される容器体本体６１ａと、放出管６１ｂとからなる容器体６１を備えている。この容器体６１は、種結晶取付部分に取り付けられている。
そして、この単結晶引上装置６０を用いて砒素ドーピングを行なうには、まず容器体６１が、ルツボ６４中のシリコン融液６２の液面６２ａ付近にまで降ろされる。前記容器体６１がシリコン融液６２の付近にまで降ろされると、シリコン融液液面６２ａからの輻射熱によって、容器体本体６１ａ内の固体砒素６３が昇華し、容器体本体６１内に砒素ガスが充填する。そして、更に固体砒素６１の昇華が進行すると、放出管６１ｂを通って、放出管６１ｂの下端から高速の砒素ガスが放出され、シリコン融液６２中に砒素がドーピングされる。なお、図中、符号６５は、外筒体であって、放出管６１ｂの下端から放出された砒素ガスが拡散するのを抑制するものである。

特開平１１−３４３１９６号公報（第３頁左欄第４５行乃至右欄第３５行）特開２００１−３４２０９４号公報（第３頁右欄第１７行乃至同欄第３５行）

ところで、この特許文献１に示されたドープ剤添加装置にあっては、シリコン融液面に固体状のドープ剤が到達してもシリコン融液表面で浮遊、飛散し、シリコン融液に溶け込む量が安定しないという課題があった。
また、飛散したドープ剤あるいはドープ剤投入時の跳ねによるシリコン融液が、遮熱板や石英ルツボ壁面に付着し、これが結晶育成中にはがれ落ちることで、単結晶の歩留まりを悪化させる要因となっていた。
更に、ドープ剤の蒸発がシリコン単結晶育成中のシリコン融液からも継続して起こるため、低抵抗の単結晶が得られないという問題があった。なお、結晶引き上げ中に固体状のドープ剤を液面に落下させると単結晶は有転位化するため、結晶育成中にドープ剤を補填することができないという課題があった。

一方、特許文献２に示された単結晶引上装置にあっては、種結晶取付部分に容器体（ドープ剤供給容器）が取り付けられているため、単結晶育成前に、ドーピングが終わった容器体を取り出しチャンバー側に移動させ、シリコン融液のあるチャンバーとの間をゲートバルブで分離する。その後、減圧雰囲気から大気圧に戻した後、容器体を取り外し、再度、前記取り出しチャンバーを減圧しゲートバルブを開放する等の煩雑な操作が必要であった。
また、容器体の取り出し作業の間、またシリコン単結晶の引き上げ作業の間に、ドープ剤がシリコン融液から蒸発し、所定の低抵抗結晶を得ることができないという課題があった。
更に、添加装置の構成上、単結晶引き上げ中にドープ剤を供給することができず、結晶育成中に、ドープ剤を補填することができないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、煩雑な操作を必要とせず、シリコン融液表面でのドープ剤の浮遊、飛散を抑制し、また結晶育成中にドープ剤を補填することにより、シリコン融液に溶け込む量を安定化した単結晶引上装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、ルツボ内のシリコン融液に種結晶を接触させ、この種結晶を引き上げることでシリコン単結晶体を成長させる単結晶引上装置において、ルツボの上方に配設され、上下方向に移動可能に構成された遮熱板と、前記遮熱板の内側に設置されたドープ剤容器と、前記ドープ剤容器の内部に一端が位置し、他端が遮熱板の外側に導出されたドープ供給管とを備え、前記遮熱板が下方向に移動しシリコン融液に近づくことにより、前記ドープ剤容器の内部に収容されたドープ剤が昇温し、昇華したドープ剤が前記ドープ供給管の他端からシリコン融液に供給されることを特徴としている。

本発明にかかる単結晶引上装置は上記のように構成されているため、前記遮熱板が下方向に移動しシリコン融液に近づけることにより、ドープ剤が昇温し、昇華したドープ剤を前記ドープ供給管の他端から、シリコン融液に供給することができる。
したがって、固体状のドープ剤をシリコン融液に投入した場合のようなシリコン融液やドープ剤の飛散を抑制でき、またシリコン融液表面でのドープ剤の浮遊を抑制でき、シリコン融液に溶け込む量を安定化することができる。また、結晶育成中にもドープ剤を供給でき、蒸発したドープ剤を補填することができ、シリコン融液に溶け込む量を安定化することができる。更に、前記遮熱板を下方向に移動させることにより、昇華したドープ剤を簡単に供給できる。

ここで、前記ドープ剤容器に収容されたドープ剤の温度を測定する温度測定手段と、前記ドープ剤を加熱するレーザ加熱手段とを備え、シリコン単結晶育成中に、レーザ加熱手段及び温度測定手段とによりドープ剤温度を制御し、昇華したドープ剤をシリコン融液に供給することによって、シリコン融液表面から蒸発するドープ剤濃度を補填することが望ましい。

本発明にかかる単結晶引上装置によれば、煩雑な操作を必要とせず、ドープ剤のシリコン融液表面で浮遊、飛散を抑制し、シリコン融液に溶け込む量を安定化し、またシリコン単結晶育成中のドープ剤の蒸発を補填することにより、シリコン融液に溶け込む量を安定化することができる。

本発明の一実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。尚、図１は、単結晶引上装置の要部を概念的に示す図、図２は遮蔽板の斜視図、図３は、遮蔽板の昇降装置を示す概略構成図である。

本発明にかかる単結晶引上装置１は、従来と同様に、ルツボ２と、前記ルツボ２内に種結晶を吊るし、成長したシリコン単結晶を引き上げる引上手段（図示せず）と、ルツボ２の外側に配置されたヒータ３と、前記ヒータ３の外側に設けられた断熱材（図示せず）と、前記ヒータ３及びルツボ２内のシリコン融液Ａからの輻射熱を遮蔽するためにルツボの上方に配設された遮熱板４と、前記ルツボ２、ヒータ３等を収容するチャンバー（図示せず）とを備えている。

この単結晶引上装置１は、前記遮熱板４の内側にドープ剤容器５が設けられると共に、遮熱板４が上下方向に移動可能に構成されている点に特徴を有している。
このドープ剤容器５は密閉可能な逆円錐形状に形成され、その母線が前記遮熱板４の内面に接して取り付けられている。また、図２に示すように、保持部材６に形成された貫通孔６ａに前記ドープ剤容器５を挿入し、ドープ剤容器５の上面部（最大径部）を把持することにより、ドープ剤容器５は保持部材６に固定される。また、前記保持部材６は爪部６ｂが形成され、前記遮蔽板４の鍔部４ａの端部に係止、固定されるように構成されている。

また、前記ドープ剤容器５の内部には、図１、図３に示すように、ドープ供給管７の一端が配置されている。このドープ供給管７は遮熱板４を貫通し、その他端は遮熱板４の外側に導出され、下方に延設されている。
したがって、ドープ剤容器５に収容されたドープ剤８が加熱されると、前記密閉されたドープ容器５の内に昇華したドープ剤８が充満し、前記ドープ供給管７を介して前記昇華したドープ剤８が前記ドープ供給管７の他端からシリコン融液Ａに供給されるように構成されている。

また、図１に示すように、この単結晶引上装置１は、ドープ剤８の温度を測定する温度測定手段９と、ドープ剤容器５に収容されたドープ剤８を加熱するレーザ加熱手段１０とを備えている。なお、図中、符号１１は、レーザ加熱手段１０からのレーザ光を反射し、ドープ剤８に照射するためのミラーである。
これらレーザ加熱手段１０、ミラー１１、温度測定手段９は、必ずしも必要ではないが、このようにレーザ加熱手段１０及び温度測定手段９を設けることにより、シリコン単結晶育成中に、ドープ剤８の温度を制御し、昇華したドープ剤８をシリコン融液に供給し、シリコン融液Ａの表面ａから蒸発するドープ剤濃度を補填することができる。
即ち、後述する遮蔽板の昇降装置２０によって遮熱板４が上昇した位置にあり、ヒータ３及びルツボ２内のシリコン融液Ａからの輻射熱によっては、ドープ剤容器５に収容されたドープ剤８が昇華温度まで達しない場合でも、レーザ加熱手段１０により昇温させ、昇華したドープ剤８をシリコン融液Ａに供給することができる。

更に、遮蔽板の昇降装置２０について、図２、図３に基づいて説明する。
この昇降装置２０は、単結晶引上装置１のチャンバ内で、遮熱板４を上下移動させるのに用いられる。この遮熱板４は、チャンバ内に配置された支持ベース１２に置かれている。
この支持ベース１２は円盤形状であり、その内径は遮蔽板４の上部の径よりも大きく、遮蔽板４の鍔部４ａの外径よりも小さい。そして、この支持ベース１２は、遮蔽板４の最下位置に設けられており、この支持ベース１２に載置された状態において、ドープ供給管７の下端部は、シリコン融液表面ａに最も近接した状態におかれる。

前記遮熱板４は、図２に示すように上端に鍔部４ａを有する鉢筒型であり、３本のワイヤ２１によって支持される。ワイヤ２の先端にはフック２２が取り付けてあり、前記鍔部４ａに形成された貫通孔４ｂに前記フック２２を係止することにより、遮熱板４を支持する。

前記ワイヤ２１は耐熱性、引張応力に対する観点からタングステンが好ましい。また、フック２２は耐熱性、加工性からモリブデンまたはステンレス（直径３ｍｍのワイヤ）で形成されている。
このワイヤ２１は図３に示すように、それぞれローラ２３を経て、ワイヤ駆動機構２４によって個別に巻上げ・繰出しされる。ローラ２３は中央部が細い鼓型をしており、回転自在に支持されている。

ワイヤ駆動機構２４は、ワイヤ２１を巻回するワイヤドラム２５と、ワイヤドラム２５を駆動するステッピングモータ２６と、ステッピングモータ２６を制御するための制御部２７を備えている。ステッピングモータ２６の駆動力は、ベルト２８、プーリ２９を介してワイヤドラム２５に伝達される。このワイヤドラム２２の外周面には溝が螺旋状に形成されており、この溝内にワイヤが入り、巻回される。

ワイヤドラム２５は、周知のスプラインシャフトとネジの組合わせによって、回転しつつ軸方向に移動する構成になっている。この構成により、ワイヤ２は、螺旋状の溝に重なることなく滑らかに巻回される。

次に、前記単結晶引上装置１を用いて、ドープ剤８がドープされたシリコン単結晶を製造する場合の手順について説明する。尚、ドープ剤として砒素を用いた場合を例にとって説明する。
まず、ルツボ２内に塊状の多結晶シリコンを充填すると共に、ドープ剤容器５内に所定量の砒素を収容し、前記ドープ剤容器５が取り付けられた遮熱板４を最上位置におく。その後、チャンバー内を所定の真空度に排気し、ヒータ３によりルツボ２内の多結晶シリコンを溶解し、ルツボ２内にシリコン融液Ａを形成する。
ルツボ２内にシリコン融液Ａが形成されると、昇降装置２０により、遮熱板４を最下位置に下降させ、ドープ剤容器５に収容された砒素を昇温させ、昇華させる。

ここで、ドープ剤容器５にはドープ供給管７が設けられており、その下端部は、遮熱板４を貫通して、シリコン融液Ａの表面ａに近接している。そのため、ドープ剤容器５内に充満した昇華した砒素は、ドープ供給管７を通り、その下端部からルツボ２内のシリコン融液Ａの表面ａに噴射される。このようにして、砒素の供給が行なわれることによって、ルツボ１２内には砒素が所定濃度にドープされたシリコン融液Ａが形成される。

シリコン融液Ａの形成が終わると、引上軸の下端に装着された種結晶をシリコン融液Ａに漬け、この状態から引上軸を回転させながら引き上げる。
これにより、種結晶の下方に、砒素がドープされたシリコン単結晶が育成される。育成結晶は遮熱板４の内側を通り、プルチャンバー内に引き込まれる。なお、引き上げ時、ルツボ２は逆方向に回転すると共に、単結晶の引き上げに伴うルツボ２内の液面低下を相殺すべく上昇する。
また、単結晶育成中、遮熱板４を上昇させる等の理由により、所定の輻射熱が得られない場合には、レーザ加熱手段１０の加熱により砒素を昇華させ、シリコン融液Ａに供給する。これにより、結晶育成中に、砒素を補填することができ、シリコン融液に溶け込む量の安定化を図ることができる。

本発明の実施例として、図１、図３に示した単結晶引上装置を用い、砒素がドープされたシリコン単結晶を育成した。また、比較例として図６に示す装置を用い、同じ条件で結晶を育成した。なお図４，５については、ドーピング装置と方法のみを変更して結晶を育成した結果を相対値として表した。

まず、図４に示すように単結晶化率については、本発明にかかる装置の方が、２５％程度良好であることが認められ、単結晶化の向上が認められた。
この理由は、本発明の装置を適用することによって、ドープ時のドープ材の飛散や、シリコン融液の輻射板への付着が抑えられ、結晶育成時にこれら異物が融液表面に落下し惹起される有転位化を防止する効果と考えられる。
また、図５に示すように、比較例に比べて低抵抗率の単結晶が得られることが認められた。従来例では結晶育成前にドープされたドープ材は一旦融液に溶け込むが、ドープされた瞬間から結晶育成中にかけて融液表面から連続的に蒸発し、その結果融液内のドープ材濃度は、偏析係数により融液に残留する濃度を下回ることになる。本発明を適用することにより、結晶育成中もドープ材を融液に溶け込ませることができ、より低抵抗の結晶を育成することが可能であった。

尚、実施形態にあっては、ドープ剤として砒素を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アンチモンのような融点が低く、減圧下で蒸発速度が速いものに、好適に使用することができる。

本発明は、半導体デバイスに使用されるシリコンウエハの単結晶引上装置に広く適用することができる。

図１は、本発明にかかる一実施形態にかかる構成概念図である。図２は、図１に示した遮熱板の斜視図である。図３は、図１に示した一実施形態の概略断面図である。図４は、実施例と比較例の単結晶化率の関係を示す図である。図５は、抵抗率と固化率の関係を示す図である。図６は、従来の単結晶引上装置を示す図である。図７は、従来の単結晶引上装置を示す図である。

符号の説明

１単結晶引上装置
２ルツボ
３ヒータ
４遮熱板
５ドープ剤容器
６保持部材
７ドープ供給管
８ドープ剤
９温度測定手段
１０レーザ加熱手段
２０昇降装置

Claims

ルツボ内のシリコン融液に種結晶を接触させ、この種結晶を引き上げることでシリコン単結晶を成長させる単結晶引上装置において、
ルツボの上方に配設され、上下方向に移動可能に構成された遮熱板と、前記遮熱板の内側に設置されたドープ剤容器と、前記ドープ剤容器の内部に一端が位置し、他端が遮熱板の外側に導出されたドープ供給管とを備え、
前記遮熱板が下方向に移動しシリコン融液に近づくことにより、前記ドープ剤容器の内部に収容されたドープ剤が昇温し、昇華したドープ剤が前記ドープ供給管の他端からシリコン融液に供給されることを特徴とする単結晶引上装置。
前記ドープ剤容器に収容されたドープ剤の温度を測定する温度測定手段と、前記ドープ剤を加熱するレーザ加熱手段とを備え、
レーザ加熱手段及び温度測定手段とによりドープ剤温度を制御し、シリコン単結晶育成中に、昇華したドープ剤をシリコン融液に供給し、シリコン融液表面から蒸発するドープ剤濃度を補填することを特徴とする請求項１に記載された単結晶引上装置。