JP2010064930A

JP2010064930A - シリコン単結晶引上方法およびこれに用いるドーピング装置

Info

Publication number: JP2010064930A
Application number: JP2008233893A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakao; 淳中尾
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法を用い、石英ガラスルツボ内のシリコン融液Ｍの表面に固相ドーパントを供給するとともに、この固相ドーパントが融液Ｍの表面に落下する位置から融液Ｍの表面方向に半径１０〜５０ｍｍの範囲内のシリコン融液Ｍ中にキャリアガスであるアルゴンガスとともに気相ドーパントを供給する。
【選択図】図３

Description

本発明はシリコン単結晶引上方法およびこれに用いるドーピング装置に係り、特にドーパントのドーピング方法を改良したシリコン単結晶引上方法およびこれに用いるドーピング装置に関する。

従来、シリコン単結晶は主として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によって製造されており、このＣＺ法は多結晶シリコンの融液に種結晶を浸し、この種結晶を中心としてシリコン単結晶を成長させ、この種晶を徐々に引上げて棒状のシリコン単結晶を製造する方法である。

この単結晶引上げでは通常、所望の抵抗率を得るためにホウ素、リン、アンチモン、ヒ素などのドーパントや、特性向上のため窒素、ゲルマニウムなどの補助ドーパントを投入することが行われている。

単結晶引上げで用いられるドーパントのうちアンチモン、ヒ素およびリンは、蒸気圧が高いためその投入は原料溶融後に行う必要がある。ホウ素などは蒸気圧が低いため原料溶融前に原料と一緒に投入し、原料溶融と同時に融液に添加することができないが、アンチモン、ヒ素およびリンは、通常固相で原料融液に投入しなくてはならず、しかも、単結晶育成中に絶えず融液自由表面から蒸発している。

通常、アンチモン、ヒ素およびリンは原料溶融後に、固体またはガスで添加される。

固体添加は融液上に落下させる方法が主流であり、ガス添加は石英治具に入れた固体の添加剤を融液上に保持してその輻射熱で昇華させて石英管を伝い添加される。

特許文献１に記載のように、固体添加に関して、精確にドーパントを供給する単結晶引上装置が提案されているが、この特許文献１のものは、添加物を精度良く融液中に落下させたとしても、図５に示すように、添加途中での昇華や融液との飛び跳ねによって添加具合にばらつきを生じる。

また、ガス添加についても、特許文献２には治具や添加方法の改善が提案されているが、この特許文献２に記載の引上方法は、確かに効率が固体添加と比較して向上する利点はあるが、添加時の昇華が始まると操作を停止することができないという作業上の欠点がある。

固体であれ、ガスであれ重要なことは、いかに添加効率を向上させるかという点であり、この添加物の固相、気相のそれぞれの利点を生かした添加方法があれば、有用である。
特開平７−８２０７６号公報特開２００８−８７９８１号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法を提供することを目的とする。

また、本発明に係るシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置によれば、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るシリコン単結晶引上方法は、チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上方法において、石英ガラスルツボ内のシリコン融液の表面に固相ドーパントを供給するとともに、この固相ドーパントが前記融液表面に落下する位置から前記融液表面方向に半径１０〜５０ｍｍの範囲内のシリコン融液中にキャリアガスとともに気相ドーパントが供給されることを特徴とする。

また、本発明に係るシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置は、チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上げに用いられる単結晶引上装置において使用され、石英ガラスルツボ内のシリコン融液にドーパントを添加するドーピング装置において、このドーピング装置は、前記シリコン融液の表面に固相ドーパントを供給し、固相ドーパント供給口がシリコン融液の表面と離間して対向する固相ドーパント供給管と、この固相ドーパント供給管から分岐し、前記固相ドーパント供給口が対向する付近からシリコン融液の内部に挿入されて、シリコン融液の内部に気相ドーパントを供給する気相ドーパント供給口が開口する気相ドーパント供給管とを備えることを特徴とする。

本発明に係るシリコン単結晶引上方法によれば、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法を提供することができる。

本発明に係るシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置によれば、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶引上方法に用いるシリコン単結晶引上装置および本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶引上方法に用いる引上装置の概念図であり、図２は本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置の概念図である。

図１に示すように本実施形態の単結晶引上方法に用いる単結晶引上装置１は、チャンバ２と、このチャンバ２内に設けられた石英ガラスルツボ３と、この石英ガラスルツボ３に装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータ４と、この石英ガラスルツボ３を保持する黒鉛ルツボ５とを有する。

チャンバ２は石英ガラスルツボの交換、原料シリコンの石英ガラスルツボへの充填などのために、チャンバ本体２ａと、蓋体２ｂに分割可能になっている。

また、黒鉛ルツボ５はチャンバ２を貫通し、ルツボ回転用モータ６に結合されて回転され、かつルツボ軸昇降装置（図示せず）によって昇降されるルツボ軸７に取り付けられる。

また、単結晶引上装置１には、単結晶引上げ用のシード８を保持するシードチャック９が取り付けられた引上用ワイヤ１０が、石英ガラスルツボ３の上方に設けられており、引上用ワイヤ１０は、チャンバ２外に設けられたモータ（図示せず）により駆動されワイヤ回転装置１１に巻取りあるいは解放自在に取り付けられる。

さらに、石英ガラスルツボ３の上方には、単結晶引上げ領域を囲むように輻射シールド１２が設けられている。この輻射シールド１２は、石英ガラスルツボ３やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引上げ速度の低下を防ぎ、また、チャンバ２上方からシリコン融液Ｍの表面に向かうように供給されるキャリアガスの流れを制御するものである。

また、符号１５は、キャリアガス供給装置（図示せず）に接続されたキャリアガス供給口であり、１６は、不活性ガス排出装置（図示せず）に接続された不活性ガス排出口である。

図２に示すように、石英ガラスルツボ内のシリコン融液にドーパントを添加するのに用いるドーピング装置３１は、一端がドーパント供給装置３２およびアルゴンガス供給源３３に連通し、他端に固相ドーパント供給口３４ａが設けられる固相ドーパント供給管３４と、この固相ドーパント供給管３４から分岐する１本の気相ドーパント供給管３５を備える。

固相ドーパント供給管３４は固相ドーパント供給口３４ａがシリコン融液Ｍの表面に固相ドーパントを供給し、固相ドーパント供給口３４ａがシリコン融液Ｍの表面と離間して対向する。

また、気相ドーパント供給管３５の分岐点ｐから固相ドーパント供給口３４ａの間で水平部３４ｂを有するようにステップ状に折曲される。

一方、気相ドーパント供給管３５はシリコン融液Ｍの内部にキャリアガスとともに気相ドーパントを供給するためのもので、固相ドーパント供給口３４ａが対向する付近例えば固相ドーパント供給口３４ａから排出される固相ドーパントが分散する範囲からシリコン融液Ｍの内部に挿入されて、シリコン融液Ｍの内部に気相ドーパント供給口３５ａが開口する。

また、気相ドーパント供給管３５は分岐点ｐから気相ドーパント供給口３５ａの間で略Ｌ字状に折曲される。

さらに、気相ドーパント供給管３５は水平状態を保ったまま、その他端３５ｂは分岐点ｐで気相ドーパント供給管３５の管壁を貫通して気相ドーパント供給管３５の中心線まで達している。これにより、固相ドーパントが気相ドーパント供給管３５に流入するのが防がれる。

この気相ドーパント供給口３５ａの口径は、固相ドーパント供給口３４ａの口径よりも大きく設定する。

次に本発明に係るシリコン単結晶引上方法について説明する。

図１に示すように、ナゲット状ポリシリコンを石英ガラスルツボ３に入れ、不活性ガスをチャンバ２の上方の不活性ガス供給口１５からチャンバ２内に流入させ、ヒータ４を付勢してポリシリコンを加熱し、シリコン融液Ｍを生成する。

シリコン融液Ｍが生成したら、蓋体２ｂを外して、チャンバ本体２ａの上部を開放する。

予め輻射シールド１２は取り除かれた状態にあり、図２に示すように、ドーピング装置３１を単結晶引上装置１にセットする。

このドーピング装置３１のセットにより、固相ドーパント供給管３４はシリコン融液Ｍの表面と離間して固相ドーパント供給口３４ａが対向し、気相ドーパント供給管３５は固相ドーパント供給口３４ａが対向する付近からシリコン融液Ｍの内部に挿入されて、シリコン融液Ｍの内部に気相ドーパント供給口３５ａが開口する。

しかる後、図３に示すように、ドーパント供給装置３２から固相ドーパント供給管３４に固相ドーパントを供給し、アルゴンガス供給源３３からキャリアガスを供給する。このキャリアガスとしては、アルゴンなどの不活性ガスを用いるのが好ましいが、不活性ガスの混合ガスも用いることもできる。

ドーパントとしてはアンチモン、ヒ素およびリンがあげられるが、例えばアンチモンを例にとり説明する。

固相ドーパント供給管３４に供給された固相アンチモンは、例えば、アルゴンガスとともに固相ドーパント供給管３４を流下し、固相ドーパント供給口３４ａから噴き出されてシリコン融液Ｍの表面に溶け込む。

一方、固相ドーパント供給管３４を流下する過程で昇華したアンチモンは、アルゴンガスとともに気相ドーパント供給管３５を介して、シリコン融液Ｍの内部に供給される。

図４に示すように、アンチモンは、固相ドーパントが融液表面に落下する位置ｐ_０から融液表面方向（ルツボの半径方向）に半径１０〜５０ｍｍの範囲内に供給される。

半径１０ｍｍ未満では、固形ドーパントが気相ドーパント供給管３５と衝突する頻度が高くなり過ぎてこの管に衝突したドーパントが不用意に飛び散るので好ましくなく、また、半径５０ｍｍを超えると、バブリング位置とドーパント落下位置が離れ過ぎてしまい、本発明の効果的なドーパント供給が十分得られにくくなるので、好ましくない。

また、ドーパントをシリコン融液Ｍの内部に供給するために、気相ドーパント供給管３５をシリコン融液Ｍ内に浸漬するが、その浸漬長さは、３〜３０ｍｍにするのが好ましい。３ｍｍより小さいと、融液中へのガス供給が十分でなく、３０ｍｍを超えると、気相ドーパント供給管３５に熱変形が起り好ましくない。

シリコン融液Ｍの内部にアルゴンガスとともに気相アンチモンが供給されると、固相ドーパント供給口３４ａが対向する付近例えば固相アンチモンが落下する範囲のシリコン融液Ｍの添加物のアンチモン濃度が高くなることから、濃度差による未溶融アンチモンの飛び跳ねが抑制される。

このように、固相、気相のアンチモンを同時にシリコン融液Ｍに接触させることによって効率よく添加することができる。

アルゴンガスの流量は、毎分５〜１０リットルであるのが好ましい。

流量が毎分５リットルより少ないと、昇華したアンチモンが押し出されず、シリコン融液Ｍに添加されなくなってしまい、毎分１０リットルを超えると、アルゴンガスのバブリングが過剰に起こり、融液自体が跳ねてしまう。

また、上記のようなドーパント添加過程において、気相ドーパント供給口３５ａの口径は、固相ドーパント供給口３４ａの口径よりも大きく設定されているので、アルゴンガスと昇華した気相アンチモンが固相ドーパント供給管３４より融液表面に、気相ドーパント供給管３５よりシリコン融液Ｍヘバランスよく取り込まれる。

これとは逆に、気相ドーパント供給口３５ａの口径が、固相ドーパント供給口３４ａの口径よりも小さいと、アルゴンガスと昇華した気相アンチモンの大部分が、固相ドーパント供給口３４ａより放出されてしまい、気相ドーパント供給管３５を設けた効果が得られない。

ドーパント添加が終了したら、ドーピング装置３１を取り除き、輻射シールド１２を取り付け、チャンバ本体２ａの上部を蓋体２ｂで塞ぎ、チャンバ２を密閉する。

しかる後、通常の引上げ方法により、アンチモンドープシリコン単結晶を製造する。

アンチモンの添加効率が向上し、添加量ばらつきも抑えたシリコン単結晶を引上げることができる。

なお、上記実施形態のドーピング装置において、固相ドーパント供給管３４から分岐する気相ドーパント供給管３５を１本設ける例で説明したが、図４および図５に示すように、固相ドーパントが融液表面に落下する位置ｐ_０を中心として等間隔に複数本例えば２本の気相ドーパント供給管３５Ａ、３５Ａを配置し、固相ドーパント供給管３４に段違いに設けてもよい。これにより、ドーパントの添加効率がより向上する。

本実施形態のシリコン単結晶引上方法によれば、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法が実現する。

また、本実施形態のシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置によれば、ドーパントの添加効率を向上させ、さらに添加量ばらつきも抑えることができるシリコン単結晶引上方法に用いるドーピング装置が実現する。

図３に示す本発明のシリコン単結晶の育成方法を用いて、アンチモンドープのシリコン単結晶を引上げ（実施例）、図７に示す従来方法で引上げたシリコン単結晶（従来例）とアンチモンの添加率を調べた。

なお、添加効率は、添加後に育成したシリコン単結晶の直胴部のクラウン側（直胴部長０ｍｍ）の抵抗率から算出したものである。また、気相ドーパント供給口の口径は固相ドーパント供給口の１．２５倍にした。

結果を表１に示す。

表１からもわかるように、実施例では、♯６の１例で４８％と５０％を下回るが、他の９例でいずれも５０％を上回り、平均でも５４％に達し、アンチモンの添加効率が向上した。また、標準偏差も０．０２８２２と小さく、添加量のばらつきが抑えられていることがわかる。

これに対して、従来例は４例で５０％を下回り、特に、♯５では２８％、♯６では４２％と極めて低い値を示し、平均も４９％と実施例に比べて低い。また、標準偏差も０．０８５８３と大きく、添加量にばらつきがあることがわかる。

本発明の一実施形態のシリコン単結晶引上方法に用いる引上装置の概念図。本発明の一実施形態のドーピング装置の概念図。本発明の一実施形態のドーピング装置の使用状態の側面を示す概念図。本発明の一実施形態のドーピング装置の使用状態の平面を示す概念図。本発明の他の実施形態のドーピング装置の側面を示す概念図。本発明の他の実施形態のドーピング装置の平面を示す概念図。従来のドーピング装置の概念図。

符号の説明

３１ドーピング装置
３２ドーパント供給装置
３３アルゴンガス供給源
３４固相ドーパント供給管
３４ａ固相ドーパント供給口
３４ｂ水平部
３５気相ドーパント供給管
３５ａ気相ドーパント供給口
３５ｂ他端
ｐ分岐点

Claims

チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上方法において、石英ガラスルツボ内のシリコン融液の表面に固相ドーパントを供給するとともに、この固相ドーパントが前記融液表面に落下する位置から前記融液表面方向に半径１０〜５０ｍｍの範囲内のシリコン融液中にキャリアガスとともに気相ドーパントが供給されることを特徴とするシリコン単結晶引上方法。
前記キャリアガスの流量は、毎分５〜１０リットルであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上方法。
チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上げに用いられる単結晶引上装置において使用され、石英ガラスルツボ内のシリコン融液にドーパントを添加するドーピング装置において、
このドーピング装置は、前記シリコン融液の表面に固相ドーパントを供給し、固相ドーパント供給口がシリコン融液の表面と離間して対向する固相ドーパント供給管と、
この固相ドーパント供給管から分岐し、前記固相ドーパント供給口が対向する付近からシリコン融液の内部に挿入されて、シリコン融液の内部に気相ドーパントを供給する気相ドーパント供給口が開口する気相ドーパント供給管とを備える
ことを特徴とするドーピング装置。
前記気相ドーパント供給口の口径は、前記固相ドーパント供給口の口径よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のドーピング装置。
前記固相ドーパント供給管は前記気相ドーパント供給管の分岐点から前記固相ドーパント供給口の間で水平部を有するようにステップ状に折曲され、前記気相ドーパント供給管は前記分岐点から前記気相ドーパント供給口の間で略Ｌ字状に折曲されることを特徴とする請求項４に記載のドーピング装置。