JP2007112658A - 半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドープ剤の投入時期、ドープ剤の性状、ドープ剤の投入位置を特定することによって、好適な単結晶を得ることができる半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】粒径を選別した顆粒状のドープ剤１４を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器１０から原料溶融液６に向け、投入する工程において、前記原料溶融液６の湯面からのドープ剤投入位置をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径であって、かつ前記ドープ剤１４が単結晶引上線Ａ上から投入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体単結晶の製造方法に関し、特にドープ剤の投入工程を含む半導体単結晶の製造方法に関する。

シリコン単結晶等の半導体単結晶の製造方法として、ルツボの中で単結晶原料を溶融し、種結晶を単結晶原料の溶融液面に接触させると同時に回転させながら引上げる、いわゆるＣＺ法がよく知られている。この半導体単結晶の製造方法にあっては、一般的に、１回の操業で単結晶を１本引上げるという、１本引き操業がなされている。
しかしながら、今日、生産効率の向上の観点から１回の操業で複数の単結晶を引上げるマルチ引上げ操業が検討されている。

このマルチ引上げ操業は、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボを加熱するヒータ電源をＯＦＦすることなく、単結晶原料をルツボに再度チャージして溶融し、再度単結晶を成長させ引上げる工程を、数回行なうものである。あるいはまた、原料溶融液から単結晶を引上げた後、単結晶原料をルツボにチャージすることなく、再度単結晶を成長させ、複数本の単結晶を連続的に引上げるものである。

この操業方法にあっては、炉内部品の冷却時間やチャンバ清掃時間を数バッチ分省略することができ、また通常は単結晶１本分の引上げ毎に１個必要であったルツボも、数本の単結晶に対して１個の使用で済み、製造コストが低減することができるというメリットがある。

一方、単結晶を１本引上げるごとに操業をやり直す半導体単結晶の製造方法において、従来から所望の比抵抗を得るために所定量のドープ剤を投入することが行われていた。このドープ剤は、一般的には、単結晶原料の隙間にドープ材を入れ、前記単結晶原料とともに溶かすことで投入されていた。尚、例えば、特許文献１に記載されているように、ルツボ内に単結晶原料のみを投入して予め溶融した後、ドープ供給管を湯面近くに配置し、前記投入投入管から溶融シリコン中にドープ剤を投入する方法についても提案されている。
特公平６−１１６８０号公報

ところで、前記したマルチ操業においても、所望の比抵抗を得るために所定量のドープ剤を投入する必要があり、如何なる時期に前記ドープ剤を投入すべきか何ら検討されていなかった。また、如何なる形状のドープ剤を投入すべきか何ら検討されていなかった。

そこで、本発明者らは、いわゆるマルチ操業におけるドープ剤の投入時期について、またドープ剤の性状について、更には、ドープ剤の投入位置について鋭意検討を重ね、本発明を完成するに至った。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、いわゆるマルチ操業で単結晶を引上げる半導体単結晶の製造方法において、ドープ剤の投入時期、ドープ剤の性状、ドープ剤の投入位置を特定することによって、好適な単結晶を得ることができる半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる半導体単結晶の製造方法は、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内に単結晶原料をチャージして溶融し、再度単結晶を成長させ、単結晶を引上げる半導体単結晶の製造方法において、前記原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内の原料溶融液に単結晶原料をチャージし、単結晶原料を溶融する工程と、前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から原料溶融液に向け、投入する工程と、前記ドープ剤の投入工程終了後、単結晶を成長させ、再度単結晶を引上げる引上げ工程とを含み、前記ドープ剤の投入工程において、前記原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径であって、かつ前記ドープ剤が単結晶引上線上から投入されることを特徴としている。

本発明にかかる半導体単結晶の製造方法は、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、再度単結晶を成長させ、複数本の単結晶を連続的に引上げる半導体単結晶の製造方法において、ルツボ内に単結晶原料を収容し、単結晶原料を溶融する工程と、前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から原料溶融液に向け、投入する工程と、前記ドープ剤の投入工程終了後、連続的に複数本の単結晶を引上げる引上げ工程とを含み、前記ドープ剤の投入工程において、前記原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径であって、かつ前記ドープ剤が単結晶引上線上から投入されることを特徴としている。

ここで、前記ドープ剤投入容器から顆粒状のドープ剤を連続的に原料溶融液に向けて自由落下させ、前記原料溶融液の湯面の狭小範囲に投入されることが望ましい。

本発明にかかる半導体単結晶の製造方法にあっては、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内に単結晶原料をチャージして溶融し、再度単結晶を成長させ、単結晶を引上げるマルチ操業、またＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、再度単結晶を成長させ、複数本の単結晶を連続的に引上げるマルチ操業に適用される。

ここで、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内に単結晶原料をチャージして溶融し、再度単結晶を成長させ、単結晶を引上げる半導体単結晶の製造方法（マルチ操業）にあっては、少なくとも、前記原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内の原料溶融液に単結晶原料をチャージし、単結晶原料を溶融する工程と、前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から原料溶融液に向け、投入する工程と、前記ドープ剤の投入工程終了後、単結晶を成長させ、再度単結晶を引上げる引上げ工程とが含まれる。

また、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、再度単結晶を成長させ、複数本の単結晶を連続的に引上げる半導体単結晶の製造方法（マルチ操業）にあっては、少なくとも、ルツボ内に単結晶原料を収容し、単結晶原料を溶融する工程と、前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から原料溶融液に向け、投入する工程と、前記ドープ剤の投入工程終了後、連続的に複数本の単結晶を引上げる引上げ工程とが含まれる。

そして、いずれのマルチ操業おけるドープ剤の投入工程においても、所定の粒径を有する顆粒状のドープ剤が、原料溶融液の湯面上の所定位置から単結晶引上線上を落下、投入される。
そのため、落下途中におけるドープ剤の蒸発が少なく、しかも飛散が少なく、所定の位置にかつ狭小範囲に、正確に投入することができる。したがって、単結晶の抵抗値を精度良くコントロールでき、抵抗値のバラツキを低減でき、所望の比抵抗を得る単結晶を得ることができる。しかも、このドープ剤の投入は、単結晶の無転位化に影響を及ぼすものでない。

本発明の半導体単結晶の製造方法によれば、所望の比抵抗を有した無転位の単結晶を、効率よく得ることができる。

本発明にかかる半導体単結晶の製造方法の一実施形態について、図１及び図２に基づいて説明する。なお、図１はこの方法に用いられる単結晶引上げ装置を示す概略構成図、図２はドープ剤投入容器を示す概略構成図である。

図１に示すように、本発明にかかわる半導体単結晶製造方法に用いられる単結晶引上げ装置１は、メインチャンバ２とそのメインチャンバ２の上部に形成されたドアチャンバ３により構成されている。
前記メインチャンバ２の内部には、従来と同様にヒータ４の内側にルツボ（たとえば石英ガラス製ルツボ）５が回転軸８を中心に回転可能に配置されている。また、前記ルツボ５の中には単結晶原料（たとえば多結晶シリコン）が収容され、前記ヒータ４により加熱されることにより、原料溶融液（たとえばシリコン融液）６が形成されるように構成されている。

また、前記ヒータ４の外周囲には保温筒９が配置されると共に、前記原料溶融液６の上方には、輻射シールド７が設けられている。この輻射シールド７は、単結晶引上線Ａを含む原料溶融液６の中心部分を除いて、原料溶融液６の湯面を覆うように設置されている。

また、前記ドアチャンバ３には、ドープ剤導入容器１０が単結晶引上線Ａ上に進退可能に設けられている。更に、図示しないが、前記ドアチャンバ３には、引上げられた単結晶をドアチャンバ３の外部に搬出するための搬出部が形成され、また前記ドアチャンバの上方には、種結晶を降ろし、成長した単結晶を引上げる引上げ装置が設けられている。
この引上げ装置における、単結晶を引上げるワイヤーは、回転軸の軸線延長線上に位置するように配置される。即ち、単結晶を引上げるワイヤーは、単結晶引上線Ａ上に位置するように配置されている。

尚、図示しないが、チャンバ内部を所定の圧力、雰囲気になすためのガス導入手段と、ガス排出手段を備えている。

次に、ドープ剤投入容器について図２に基づいて説明する。
図２に示したドープ剤導入容器１０は、有底円柱形状に形成され、ドープ剤を収容する収納部１０ａと、前記収容部１０ａ側壁の上端部の一部に形成された、ドープ剤の導出口１０ｂと、前記収容部１０ａを傾斜させる操作棒１０ｃとから構成されている。
即ち、このドープ導入容器１０は、前記操作棒１０ｃを回動させ、収容部１０ａを傾斜させることにより、収納部１０ａに収納されているドープ剤を導出口１０ｂから導出するように構成されている。

また、前記ドープ剤導入容器１０のドープ剤導入口１０ｂは、回転軸の軸線延長線上、即ち、単結晶引上線Ａ上に位置するように配置される。したがって、前記ドープ剤導入容器１０は、ドープ剤投入時に、前記した位置に進行するために、図示しないが進退機構が設けられている。

更に、ドープ剤導入容器に収容されるドープ剤について説明する。
ドープ剤１４は顆粒であって、ボロンとシリコンとの合金だけではなく、ボロンエレメントや、リンとシリコンの合金、アンチモンや砒素について同様に用いることができる。
このドープ剤１４の粒径は、前記原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置（ドープ剤導入容器の導出口１０ｂの位置）によって決定される。

具体的に説明すると、原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置（ドープ剤導入容器の導出口１０ｂの位置）をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤１４の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径のもが用いられる。
このような特定の性状を有するドープ剤１４を用いると、引上げられた単結晶における抵抗値のバラツキが少なく、所望の比抵抗を有する単結晶を得ることができる。

次に、本発明にかかる半導体単結晶の製造方法について説明する。尚、ここでは、ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内に単結晶原料をチャージして溶融し、再度単結晶を成長させ、単結晶を引上げるマルチ操業を例にとって説明する。
先ず、前記メインチャンバ２内においてルツボ５内の単結晶原料６を溶融した後に、ドープ剤１４を投入する。
このドープ剤１４を投入する際、単結晶原料は溶融状態にあり、前記ドープ剤導入容器１０を進行させ、前記ドープ剤導入容器１０のドープ剤導入口１０ｂを、回転軸の軸線延長線上、即ち、単結晶引上線Ａ上に位置させる。
そして、操作棒１０ｃを回動させ、所定の粒径を有するドープ剤をドープ剤導入口１０ｂから、連続的に自由落下させる。なお、メインチャンバ２及びドアチャンバ３内の雰囲気の流れは殆どなく、前記ドープ剤１４は垂直に落下する。

このように、単結晶原料を溶融した後に、所定の粒径を有する顆粒状のドープ剤１４を、原料溶融液６の湯面上の所定位置から単結晶引上線Ａ上を落下、投入するため、落下途中におけるドープ剤１４の蒸発が少なく、しかも飛散が少なく、単結晶引上線Ａ上の湯面上及びその近傍の狭小範囲に、正確に投入することができる。

前記ドープ剤１４の投入後、ドープ剤導入容器１０は後退し、ドアチャンバ３の外部に搬出させる。なお、前記ドープ剤導入容器１０の搬出の際、メインチャンバ２，ドアチャンバ３を真空または減圧あるいは不活性ガスの状態に保持される。

そして、ドープ剤導入容器１０の後退後、図示しないワイヤーに取り付けられた種結晶を原料溶融液の湯面まで降下させる。種結晶を原料溶融液の湯面に接触させた後、単結晶を成長させながら、前記引上げ装置がワイヤーを巻き取ることで前記単結晶が引上げられる。そして、前記引上げられた単結晶は、ドアチャンバ３から搬出される。

続いて、２本目の単結晶の引上げは、まず、前記ルツボ５内に単結晶原料を追加投入する。このとき、ルツボ５を加熱するヒータはＯＦＦすることなく、ＯＮ状態が維持されており、投入された単結晶原料は溶融される。
この後、ドープ剤１４を再び投入する。このドープ剤１４を投入する際、再び、ドープ導入容器１０をドアチャンバ３の内部に搬入し、ドープ剤導入容器１０を進行させ、前記ドープ剤導入容器１０のドープ剤導入口１０ｂを、回転軸の軸線延長線上、即ち、単結晶引上線Ａ上に位置させる。そして、操作棒１０ｃを回動させ、所定の粒径を有するドープ剤をドープ剤導入口１０ｂから、連続的に自由落下させる。

この後、前記したように種結晶を原料溶融液の湯面まで降下させる。種結晶を原料溶融液の湯面に接触させた後、単結晶を成長させながら、前記引上げ装置がワイヤーを巻き取ることで、２本目の単結晶が引上げられる。そして、前記引上げられた２本目の単結晶は、ドアチャンバ３から搬出される。
そして、更に上記説明した工程を繰り返すことで、数本の単結晶を引上げることができる。

尚、本発明にかかるドープ剤導入容器は図２に示した導入容器に限定されるものではなく、図３に示すドープ剤導入容器であっても良い。
図３に示したドープ剤導入容器１１は、有底円柱形状部に上方に円錐形状部が形成された、ドープ剤を収容する収納部１１ａと、前記円錐形状部の頂部に開口して形成された、ドープ剤の導出口１０ｂと、前記収容部１１ａを傾斜させる操作棒１１ｃとから構成されている。
このドープ剤導入容器１１は、前記したドープ剤導入容器１０と同様に、操作棒１１ｃを回動させ、収容部１１ａを傾斜させることにより、収納部１１ａに収納されているドープ剤を導出口１１ｂから導出するように構成されている。

また、本発明にかかるドープ剤導入容器は、図４に示すドープ剤導入容器であっても良い。この図３に示したドープ剤導入容器１１の変形例であって、このドープ剤導入容器１２は、円柱形状部の下方に円錐形状部が形成された、ドープ剤を収容する収納部１２ａと、前記円錐形状部の頂部に開口して形成された、ドープ剤の導出口１２ｂと、前記収容部１２ａを進退させる操作棒１２ｃと構成されている。
そして更に、このドープ剤導入容器１２は、前記ドープ剤導出口１２ｂの開閉を行なう、進退可能な開閉板１３とを備えている。
このドープ剤導入容器１２は、前記開閉板１３を後退させることにより、前記導出口１２ｂを開き、収納部１２ａに収納されているドープ剤を導出するように構成されている。

次に、本発明におけるドープ剤の投入位置とドープ剤の粒径との関係の求める実験を行なった。単結晶はシリコン単結晶で直径８インチとし、マルチ引き操業を行ない、ルツボ内の原料溶融液が１００ｋｇでドープ剤を投入した。ドープ剤導入容器として図２に示したものを用いた。またメインチャンバ内にアルゴンガス流量１５０Ｌ／ｍｉｎ、メインチャンバの圧力を１００ｔｏｒｒとした。

ドープ剤として、ボロンとシリコンとの合金を使用し、投入量は１１ｇとし、更に粒径が０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのものを用いた。そして、原料溶融液の湯面上の所定高さから単結晶引上線上を落下、投入した。投入高さとして、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍ、１９００ｍｍを選択した。

上記条件のもと、単結晶を引上げ、単結晶が有する比抵抗値を測定し、所望の抵抗値からズレ量を測定した。尚、抵抗値が狙い抵抗値に対して１．５％以上高くずれた値の場合、抵抗のずれ有りとし、抵抗値が狙い抵抗値に対して１．５％未満のずれに収まった場合、抵抗のずれなしとし評価した。その結果を、図５に示す。

この図５から明らかなように、ドープ剤粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足することで、抵抗のズレが発生しないことを確認することできた（Ｘｍ：湯面からのドープ剤投入位置（ｍ））

本発明は、半導体単結晶の製造分野において好適に用いることができる。なお、本発明はシリコン単結晶の製造に限定されるものではなく、広く半導体単結晶の製造分野において用いられるものである。

図１は、本発明に用いられる単結晶引上げ装置を示す概略構成図である。 図２は、ドープ剤投入容器を示す概略構成図である。 図３は、他のドープ剤投入容器を示す概略構成図である。 図４は、更に他のドープ剤投入容器を示す概略構成図である。 図５は、ドープ剤の投入位置とドープ剤の粒径との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 単結晶引上げ装置
２ メインチャンバ
３ ドアチャンバ
４ ヒータ
５ ルツボ
６ 原料溶融液
７ 輻射シールド
８ 回転軸
９ 保温筒
１０ ドープ剤投入容器
１１ ドープ剤投入容器
１２ ドープ剤投入容器

Claims (3)

1. ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内に単結晶原料をチャージして溶融し、再度単結晶を成長させ、単結晶を引上げる半導体単結晶の製造方法において、
   前記原料溶融液から単結晶を引上げた後、ルツボ内の原料溶融液に単結晶原料をチャージし、単結晶原料を溶融する工程と、
   前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から原料溶融液に向け、投入する工程と、
   前記ドープ剤の投入工程終了後、単結晶を成長させ、再度単結晶を引上げる引上げ工程とを含み、
   前記ドープ剤の投入工程において、前記原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径であって、かつ前記ドープ剤が単結晶引上線上から投入されることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. ＣＺ法により、原料溶融液から単結晶を引上げた後、再度単結晶を成長させ、複数本の単結晶を連続的に引上げる半導体単結晶の製造方法において、
   ルツボ内に単結晶原料を収容し、前記単結晶原料を溶融する工程と、
   前記工程が終了した後に、粒径を選別した顆粒状のドープ剤を、前記原料溶融液上方に位置するドープ剤投入容器から前記原料溶融液に向け、投入する工程と、
   前記ドープ剤の投入工程終了後、連続的に複数本の単結晶を引上げる引上げ工程とを含み、
   前記ドープ剤の投入工程において、前記原料溶融液の湯面からのドープ剤投入位置をＸ（ｍ）とした場合、前記ドープ剤の粒径Ｙ（ｍｍ）がＹ≧０．８Ｘ＋０．０４の式を満足する粒径であって、かつ前記ドープ剤が単結晶引上線上から投入されることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
3. 前記ドープ剤投入容器から顆粒状の前記ドープ剤を連続的に前記原料溶融液に向けて自由落下させ、前記原料溶融液の湯面の狭小範囲に投入されること特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体単結晶の製造方法。

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