JP2021075414A - 単結晶引上方法及び単結晶引上装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、肩部形成後、製品部前半形成中において、有転位化を生じさせることなくシリコン溶融液にドーパントを効率よく添加し、低抵抗率の単結晶を得ることのできる単結晶引上方法及び単結晶引上装置を提供する。【解決手段】炉内において育成するシリコン単結晶Ｃを囲むように配置された熱遮蔽板７の内側を、上方からシリコン融液面Ｍ１に向かって流れるとともに、前記シリコン融液面に沿って放射状に広がり、前記ルツボ外に排気される不活性ガス流Ｇを形成する工程と、前記炉内においてドーパントをガス状にする工程と、ガス状となったドーパントを前記熱遮蔽板の内側に放出する工程と、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程と、を備える【選択図】図２
Description
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上方法及び単結晶引上装置に関し、例えばＮ型半導体を形成するために赤燐、砒素などを高濃度にドーピングして低抵抗率の単結晶を得ることのできる単結晶引上方法及び単結晶引上装置に関する。
ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成は、図７に示すようなチャンバ５０内に設置した石英ルツボ５１に原料であるポリシリコンを充填し、石英ルツボ５１の周囲に設けられたヒータ５２によってポリシリコンを加熱して溶融し、シリコン融液Ｍとした後、シードチャックに取り付けた種結晶（シード）Ｐを当該シリコン融液に浸漬し、シードチャックおよび石英ルツボ５１を同方向または逆方向に回転させながらシードチャックを引上げることにより行う。
一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン融液Ｍの温度が安定した後、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐとシリコン融液Ｍとの接触で発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去するための不可欠の工程である。
このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３〜４ｍｍで、その長さが最低でも３０ｍｍ以上が必要で、条件等よっては長さが１００〜５００ｍｍ必要とされている。
このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３〜４ｍｍで、その長さが最低でも３０ｍｍ以上が必要で、条件等よっては長さが１００〜５００ｍｍ必要とされている。
また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を広げる肩部Ｃ１の形成工程、製品となる単結晶を育成する直胴部Ｃ２の形成工程、直胴部形成工程後の単結晶直径を徐々に小さくするテール部（図示せず）の形成工程が行われる。
ところで、低耐圧パワーデバイス向けのＮ型半導体を製造するために、赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗の単結晶Ｃが求められている。揮発性の高いドーパントの赤燐や砒素等をシリコン融液に添加する方法としては、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに浸す前に、固体のドーパントをそのままシリコン融液Ｍに投入する、或いは、ドーパントをガス状にして、シリコン融液Ｍの表面に吹き付ける方法が広く知られている。
しかしながら、そのような従来の方法の場合、肩部を形成するまでにシリコン融液Ｍにドーパントが高濃度に添加されるため、前記ネッキング工程において転位の除去ができないことがあった。
また、ネッキング工程において転位の除去ができたとしても、その後の肩部育成工程において、晶癖線が消失しやすくなり、製品部（直胴部Ｃ２）に達するまでに結晶が有転位化するという課題があった。
また、ネッキング工程において転位の除去ができたとしても、その後の肩部育成工程において、晶癖線が消失しやすくなり、製品部（直胴部Ｃ２）に達するまでに結晶が有転位化するという課題があった。
前記課題を解決する方法として、シリコン融液Ｍへのドーパントの添加を、肩部Ｃ１形成後、製品部（直胴部）前半形成中に行うことが考えられる。
しかしながら、肩部Ｃ１形成後に固体のドーパントをシリコン融液Ｍに投入すると、固体のドーパントが結晶に接触することにより、晶癖線が消失するという課題があった。
しかしながら、肩部Ｃ１形成後に固体のドーパントをシリコン融液Ｍに投入すると、固体のドーパントが結晶に接触することにより、晶癖線が消失するという課題があった。
そのような課題を解決するため、特許文献１には、図８に示すように固形ドーパントを供給するためのドープ管６０を炉内に貫通させ、ドープ管６０において炉内の熱で固形ドーパントを昇華させ、これを前記ドープ管６０に接続された供給管６１を通してシリコン融液Ｍの液面Ｍ１に吹き付ける方法が開示されている。
このような方法によれば、肩部Ｃ１形成後、直胴部Ｃ２前半形成中のタイミングでドーパントをシリコン融液Ｍに添加し、ドーパント供給量に基づきシリコン融液Ｍを所望の濃度にすることができる。
しかしながら、特許文献１に開示された方法にあっては、シリコン融液Ｍの液面Ｍ１にガス化したドーパントを局所的に吹き付けるため、融液Ｍの液面Ｍ１が振動し、有転位化しやすくなるため、単結晶Ｃの育成が困難になるという課題があった。
しかしながら、特許文献１に開示された方法にあっては、シリコン融液Ｍの液面Ｍ１にガス化したドーパントを局所的に吹き付けるため、融液Ｍの液面Ｍ１が振動し、有転位化しやすくなるため、単結晶Ｃの育成が困難になるという課題があった。
一方、シリコン溶融Ｍの液面Ｍ１の振動を抑制するために、前記供給管６１の先端とシリコン融液Ｍ面との距離を大きく空けると、融液面Ｍ１まで到達するドーパント量が減少するという課題があった。
また、前記供給管６１による吹付け領域が局所的であるため、シリコン融液Ｍへのドーパントの取り込み率が低いという課題があった。特に、熱を遮蔽する遮蔽シールド５８の外側に供給管６１の吹出口６１ａが配置されるため、該吹出口６１ａから吹き出されたドーパントのガスがシリコン融液Ｍに接する領域が僅かであり、効率よく融液Ｍに溶け込ませることができなかった。その結果、シリコン融液Ｍに溶け込むドーパント量の割合が低くなり、所望の濃度に到達させるまでにドーパント投入量が増加し、最終的にコストが高くなるという課題があった。
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、肩部形成後、製品部前半形成中において、有転位化を生じさせることなくシリコン溶融液にドーパントを効率よく添加し、低抵抗率の単結晶を得ることのできる単結晶引上方法及び単結晶引上装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するためになされた、本発明に係る単結晶引上方法は、炉内に配置されたルツボ内でシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の引上方法において、炉内において育成するシリコン単結晶を囲むように配置された熱遮蔽板の内側を、上方からシリコン融液面に向かって流れるとともに、前記シリコン融液面に沿って放射状に広がり、前記ルツボ外に排気される不活性ガス流を形成する工程と、前記炉内においてドーパントをガス状にする工程と、ガス状となったドーパントを前記熱遮蔽板の内側に放出する工程と、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程と、を備えることに特徴を有する。
尚、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、ドーパントが砒素の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．５Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。
或いは、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、ドーパントが赤燐の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．９Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。
尚、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、ドーパントが砒素の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．５Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。
或いは、前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、ドーパントが赤燐の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．９Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。
このように本発明によれば、炉体内に形成され、シリコン融液の液面全体に接する不活性ガスの流れに乗せてドーパントガスを運ぶ構成とした。それにより、シリコン融液の液面全体からシリコン融液中にドーパントが取り込まれ、ドーパント取り込み率を向上することができる。また、シリコン融液の液面に当たり、融液中に取り込まれなかったドーパントガスは、不活性ガスとともに炉体外へ排気されるため、シリコン融液の液面が振動することなく、転位の発生を防止することができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶を得ることができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶を得ることができる。
また、前記課題を解決するためになされた、本発明に係る単結晶引上装置は、ヒータにより加熱される炉内に配置されたルツボ内でシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶引上装置において、前記ルツボの上方において育成するシリコン単結晶を囲むように配置された熱遮蔽板と、前記熱遮蔽板の内周面側において、周方向に沿って環状に形成され、周方向に沿って複数の吹出口が形成された昇華室と、先端側が前記昇華室に連通し、前記昇華室にドーパントを供給するための漏斗部と、を備えることに特徴を有する。
尚、前記漏斗部は、逆円錐状の漏斗部本体と、前記漏斗本体の縮径した先端から前記昇華室まで延びる漏斗管と、を有し、前記漏斗部本体の上部開口は、直径４０〜８０ｍｍであり、前記漏斗管は、直径４〜１０ｍｍであり、前記昇華室の管部内径は２０〜５０ｍｍであり、環状の前記昇華室の環内径は、育成するシリコン単結晶の径の１２０〜１５０％の範囲であることが望ましい。
また、前記昇華室において、前記吹出口は、直径５〜１５ｍｍであり、該昇華室の周方向に、１０〜３０個の範囲で所定間隔を空けて配置されていることが望ましい。
また、前記昇華室において、前記吹出口は、直径５〜１５ｍｍであり、該昇華室の周方向に、１０〜３０個の範囲で所定間隔を空けて配置されていることが望ましい。
このような構成を炉体内に形成することで、シリコン融液の液面全体に接する不活性ガスの流れに乗せてドーパントガスを運ぶものとした。それにより、シリコン融液の液面全体からシリコン融液中にドーパントが取り込まれ、ドーパント取り込み率を向上することができる。また、シリコン融液の液面に当たり、融液中に取り込まれなかったドーパントガスは、不活性ガスとともに炉体外へ排気されるため、シリコン融液の液面が振動することなく、転位の発生を防止することができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶を得ることができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶を得ることができる。
本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、肩部形成後、製品部前半形成中において、有転位化を生じさせることなくシリコン溶融液にドーパントを効率よく添加し、低抵抗率の単結晶を得ることのできる単結晶引上方法及び単結晶引上装置を提供することができる。
以下、本発明に係る単結晶引上方法及び単結晶引上装置について図面を用いながら説明する。尚、本発明に係る単結晶引上方法は、単結晶の肩部形成後にシリコン溶融液に高濃度にドーパントを添加し、Ｎ型の電気的性質を持つ低抵抗率のシリコン単結晶を得るためのものである。
図１は、本発明に係る単結晶引上方法が実施される単結晶引上装置の断面図である。図２は、図１の単結晶引上装置の主要部を拡大した断面図である。
この単結晶引上装置１は、炉体２内において鉛直軸回りに回転可能且つ昇降可能に設けられたカーボンサセプタ（或いは黒鉛サセプタ）３と、前記カーボンサセプタ３に収容された石英ガラスルツボ４（以下、単にルツボ４と称する）とを備えている。
この単結晶引上装置１は、炉体２内において鉛直軸回りに回転可能且つ昇降可能に設けられたカーボンサセプタ（或いは黒鉛サセプタ）３と、前記カーボンサセプタ３に収容された石英ガラスルツボ４（以下、単にルツボ４と称する）とを備えている。
前記ルツボ４は、直胴部４ａと、その下に形成された底部（即ち、小Ｒ部４ｂと大Ｒ部４ｃとを含む範囲）と有しており、カーボンサセプタ３の回転と共に鉛直軸回りに回転可能となされている。
尚、カーボンサセプタ３の下方には、このカーボンサセプタ３を鉛直軸回りに回転させる回転モータなどの回転手段（図示せず）と、カーボンサセプタ３を昇降移動させるサセプタ昇降手段（図示せず）とが設けられている。
また単結晶引上装置１は、ルツボ４に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）を溶融してシリコン溶融液Ｍ（以下、単に溶融液Ｍと呼ぶ）とする抵抗加熱によるサイドヒータ５と、ワイヤ６を巻き上げ、育成される単結晶Ｃを引上げる引上機構（図示せず）とを備えている。前記引上機構が有するワイヤ６の先端には、種結晶Ｐが取り付けられている。
また、ルツボ４内に形成される溶融液Ｍの上方には、育成中の単結晶Ｃに対するサイドヒータ５や溶融液Ｍ等からの余計な輻射熱を遮蔽するために、上下に開口を有する円筒状の輻射シールド７（熱遮蔽板）が設けられている。
尚、輻射シールド７の下端と溶融液面との間のギャップは、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を維持するよう制御される。
尚、輻射シールド７の下端と溶融液面との間のギャップは、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を維持するよう制御される。
前記炉体２は、ルツボ４等を収容するメインチャンバ２ａと、前記メインチャンバ２ａの頂部から上方に延びて、単結晶Ｃを引き上げるための引上チャンバ２ｂとにより形成される。前記引上チャンバ２ｂの周面には、不活性ガスＧを炉体２内に導入するためのガス供給管２ｂ１が形成され、メインチャンバ２ａの底面には、炉体２内に導入された前記不活性ガスＧを炉体２外へ排出するためのガス排気管２ａ１が設けられている。
それにより、炉体２内に導入された不活性ガスＧは、図１に矢印で示すように、輻射シールド７の上部開口７ａ側から該輻射シールド７内を下方に流れ、シリコン溶融液Ｍの液面に当たった後、輻射シールド７の外周面側を上ってルツボ４の外側へ流れ、ルツボ４下方の前記ガス排気管２ａ１より炉体２外へ排気されるようになっている。
また、輻射シールド７の内側には、固形のドーパントを昇華させ、ドーパントガスＤとするとともに、炉体２内にドーパントガスＤを放出するための昇華治具１０が設けられている。この昇華治具１０は、全体がシリカガラスにより形成されており、固形ドーパントを昇華させてドーパントガスとするための昇華室部材１１（昇華室）と、前記昇華室部材１１に固形ドーパントを供給するための漏斗管１２（漏斗部）及び漏斗部本体１３（漏斗部）により構成される。
前記昇華室部材１１は、輻射シールド７の内周面に沿って周方向に環状に延設されるとともに、断面円形の管体として形成されている。
また、前記漏斗管１２は、直管状に形成された炉体２内において前記昇華室部材１１に、その下端が連通接続されている。また、前記漏斗管１２の上端は、逆円錐状に形成された前記漏斗部本体１３の下端部に連通接続されている。
また、前記漏斗管１２は、直管状に形成された炉体２内において前記昇華室部材１１に、その下端が連通接続されている。また、前記漏斗管１２の上端は、逆円錐状に形成された前記漏斗部本体１３の下端部に連通接続されている。
即ち、漏斗部本体１３に固形ドーパントが供給されると、供給された固形ドーパントは漏斗管１２を通って管体である昇華室部材１１内に供給される。昇華室部材１１内に供給された固形ドーパントは、高温とされた炉体２内の熱によって昇華され、ドーパントガスとなる。そして、昇華室部材１１内に形成されたドーパントガスは、昇華室部材１１に形成された後述の吹出口１１ａから炉体２内へ吹き出されるようになっている。
図３は、昇華治具１０を拡大した斜視図である。また、図４は、昇華治具１０が有する昇華室部材１１の断面図である。
前記昇華室部材１１は、断面円形の管体が環状に形成されたものであり、シリコン融液Ｍの液面と平行（即ち水平）になるように配置される。
図３に示すように、昇華室部材１１には、内部で昇華したドーパントを例えば環中心に向けて放出するために複数（例えば１０〜３０個）の吹出口１１ａが設けられている。
前記昇華室部材１１は、断面円形の管体が環状に形成されたものであり、シリコン融液Ｍの液面と平行（即ち水平）になるように配置される。
図３に示すように、昇華室部材１１には、内部で昇華したドーパントを例えば環中心に向けて放出するために複数（例えば１０〜３０個）の吹出口１１ａが設けられている。
図示するように、それら複数の吹出口１１ａは、環状の昇華室部材１１の内側側面に周方向に沿って例えば等間隔に形成されている。具体的には、図４に示すように単結晶引上軸に向かった水平方向を０°とし、垂直上方向を９０°とすると、前記吹出口１１ａは０°〜９０°の範囲内に配置されることが望ましい（例えば４５°）。これは、吹出口１１ａから吹き出されたドーパントガスをすぐさま不活性ガスＧの流れに乗せることができるためである。
また、図４に示すように前記昇華室部材１１の管内径Ａは、昇華したドーパントガスの漏斗管１２への逆流を防止し、かつドーパントガスが管内に滞留しないように、直径２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に形成されている。
また、昇華室部材１１の環内径Ｂは、育成する単結晶Ｃの径の１２０％以上１５０％以下とすることが望ましい。これは、環内径Ｂが１２０％より小さいと、育成中の単結晶Ｃと昇華室部材１１とが接触する虞があるためであり、１５０％より大きいと、吹出口１１ａから吹き出されるドーパントガスの量が、吹出口１１ａ間で不均一になりやすい（漏斗管１２に近い吹出口１１ａほど吹き出し量が多くなる）ためである。
また、昇華室部材１１の環内径Ｂは、育成する単結晶Ｃの径の１２０％以上１５０％以下とすることが望ましい。これは、環内径Ｂが１２０％より小さいと、育成中の単結晶Ｃと昇華室部材１１とが接触する虞があるためであり、１５０％より大きいと、吹出口１１ａから吹き出されるドーパントガスの量が、吹出口１１ａ間で不均一になりやすい（漏斗管１２に近い吹出口１１ａほど吹き出し量が多くなる）ためである。
また、前記吹出口１１ａの径は、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下に形成されることが望ましい。これは、吹出口１１ａの径が、５ｍｍよりも小さいと、昇華室部材１１内で昇華したドーパントガスが漏斗管１２へ逆流する虞があるためであり、１５ｍｍより大きいと、昇華していないドーパントが吹出口１１ａから落下する虞があるためである。
また、前記漏斗部本体１３の上部開口１３ａの直径は、４０ｍｍ以上８０ｍｍ以下が望ましい。これは、上部開口１３ａの径が４０ｍｍより小さいと、ドーパント供給管１４から放出されたドーパントが漏斗部本体１３の外側に溢れる虞があるためである。一方、上部開口１３ａの径が８０ｍｍより大きいと、漏斗部本体１３の重量が大きくなり、漏斗管１２への負荷が多きくなりすぎるためである。
また、前記漏斗管１２の管内径は、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下に形成されることが望ましい。これは、管内径が４ｍｍより小さいと、通過させるドーパントが途中で詰まる虞があるためであり、管内径が１０ｍｍより大きいと、昇華室部材１１内で昇華したドーパントが漏斗管１２内へ逆流する虞があるためである。
また、前記漏斗部本体１３の上部開口１３ａには、シリカガラスからなるドーパント供給管１４の下端が挿入され、このドーパント供給管１４は、メインチャンバ２ａの外側に挿通されている。前記ドーパント供給管１４の上端は、炉体２外に配置され、固形のドーパント（赤燐、或いは砒素など）を収容するドーパント室１５に連通接続されている。尚、固形のドーパントの平均粒径は、２．０ｍｍである。
このように構成された単結晶引上装置１において、例えば、直径２０６ｍｍ（製品径２００ｍｍ）、直胴部長さ１６００ｍｍの単結晶Ｃを育成する場合、次のように引き上げが行われる。即ち、最初にルツボ３に原料ポリシリコンを装填し、コンピュータ（図示せず）が有する記憶手段に記憶されたプログラムに基づき結晶育成工程が開始される。
先ず、図１に示すように炉体２の上部に設けられたガス供給管２ｂ１から不活性ガスＧ（主にアルゴンガス）が炉体２内に導入される。不活性ガスＧは、輻射シールド７の内側を上から下へ通過し、ルツボ４に装填された原料ポリシリコン（溶融後はシリコン融液Ｍ）へぶつかる。さらに不活性ガスＧは、輻射シールド７の外周面とルツボ内周面との間を下から上へ流れ、ルツボの外側を上から下へ流れ、ガス排気管２ａ１から炉体２外へ排気される。これにより炉体２内は、不活性ガスＧの雰囲気が形成されるとともに、全体として上方から下方へ流れる不活性ガス流が形成される。
また、ルツボ４内に装填された原料ポリシリコンは、サイドヒータ５による加熱によって溶融され、シリコン融液Ｍとされる。それにより遮蔽シールド７の内側を上方からシリコン融液面Ｍ１に向かって流れる不活性ガスＧは、前記シリコン融液面Ｍ１に沿って放射状に広がり、前記ルツボ４外に排気される。
さらに、ルツボ４が所定の高さ位置において所定の回転速度（ｒｐｍ）で回転動作される。次いで、ワイヤ６が降ろされて種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われ、ネック部Ｐ１が形成開始される。
さらに、ルツボ４が所定の高さ位置において所定の回転速度（ｒｐｍ）で回転動作される。次いで、ワイヤ６が降ろされて種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われ、ネック部Ｐ１が形成開始される。
ネック部Ｐ１が形成されると、サイドヒータ５への供給電力や、引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整され、ルツボ４の回転方向とは逆方向に所定の回転速度で種結晶Ｐが回転開始される。そして、結晶径が拡径されて肩部Ｃ１が形成され、製品部分となる直胴部Ｃ２を形成する直胴工程に移行する。
ここで、シリコン単結晶Ｃの肩部Ｃ１形成後、直胴部Ｃ２形成の前半段階において、ドーパント室１５からドーパント供給管１４を介して漏斗部本体１３に固形のドーパント（赤燐、或いは砒素など）が供給される。漏斗部本体１３に供給された固形のドーパントは、漏斗管１２を通って輻射シールド７の内側に配置された昇華室部材１１内に供給される。そして昇華室部材１１内に供給された固形のドーパントは、炉内の熱によって昇華し、図２に示すようにドーパントガスＤとなって複数の吹出口１１ａから放出される。
尚、昇華室部材１１への固形ドーパントの投入量とシリコン融液Ｍにおけるドーパント濃度との関係式を予め把握しておくことにより、シリコン融液Ｍ及び単結晶Ｃのドーパント濃度、引いては単結晶Ｃの抵抗率を所望の値にすることができる。
本発明に係る方法にあっては、ドーパントが赤燐の場合、シリコン融液Ｍ中のドーパント濃度を、１．９Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とすることが望ましく、それにより単結晶Ｃの抵抗率を１．１ｍΩｃｍ程度にすることができる。また、ドーパントが砒素の場合、シリコン融液Ｍ中のドーパント濃度を、１．５Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とすることが望ましく、それにより単結晶Ｃの抵抗率を１．８ｍΩｃｍ程度にすることができる。
本発明に係る方法にあっては、ドーパントが赤燐の場合、シリコン融液Ｍ中のドーパント濃度を、１．９Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とすることが望ましく、それにより単結晶Ｃの抵抗率を１．１ｍΩｃｍ程度にすることができる。また、ドーパントが砒素の場合、シリコン融液Ｍ中のドーパント濃度を、１．５Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とすることが望ましく、それにより単結晶Ｃの抵抗率を１．８ｍΩｃｍ程度にすることができる。
前記複数の吹出口１１ａから放出されたドーパントガスＤは、輻射シールド７内を上から下へ流れる不活性ガスＧの流れに乗って下方へ流れ、シリコン融液Ｍの液面に接触する。これによりシリコン融液Ｍにドーパントガスが効率的に吸収されて取り込まれ、シリコン融液中のドーパント濃度が上昇する。その結果、シリコン融液Ｍから育成される単結晶Ｃの直胴部は、ドーパント濃度が高くなり、低抵抗率の結晶が形成されていく。
このように、不活性ガスＧの流れに乗って、ドーパントガスＤがシリコン融液Ｍに取り込まれるが、取り込まれなかったドーパントガスＤは不活性ガスＧとともに炉体２外へ排出される。即ち、ドーパントガスＤのシリコン融液Ｍへの吹付けは、炉体２内に形成される不活性ガスＧの流れに乗じるものであるため、シリコン融液Ｍの液面が振動することなく、転位の発生が防止される。
また、ドーパントガスＤが不活性ガスＧの流れによって、シリコン融液Ｍの液面全体に接触するため、シリコン融液Ｍに効率的にドーパントが取り込まれ、ドーパントの取り込み率が上昇する。
また、ドーパントガスＤが不活性ガスＧの流れによって、シリコン融液Ｍの液面全体に接触するため、シリコン融液Ｍに効率的にドーパントが取り込まれ、ドーパントの取り込み率が上昇する。
シリコン単結晶Ｃが引き上げられ、直胴部Ｃ２の形成が進むにつれ、ルツボ４を収容するカーボンサセプタ３は上昇移動され、位置固定された輻射シールド７及びサイドヒータ４に対する溶融液面Ｍ１の位置が維持される。
直胴工程が終了すると、結晶径を縮小して結晶底部（図示せず）を形成する縮径工程が行われ、単結晶Ｃの引き上げが完了する。
直胴工程が終了すると、結晶径を縮小して結晶底部（図示せず）を形成する縮径工程が行われ、単結晶Ｃの引き上げが完了する。
以上のように、本実施の形態によれば、炉体２内に形成され、シリコン融液Ｍの液面全体に接する不活性ガスＧの流れに乗せてドーパントガスＤを運ぶ構成とした。それにより、シリコン融液Ｍの液面全体からシリコン融液Ｍ中にドーパントが取り込まれ、ドーパント取り込み率を向上することができる。また、シリコン融液Ｍの液面に当たり、融液中に取り込まれなかったドーパントガスＤは、不活性ガスＧとともに炉体２外へ排気されるため、シリコン融液Ｍの液面が振動することなく、転位の発生を防止することができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶Ｃを得ることができる。
その結果、例えば赤燐や砒素などのドーパントを高濃度に添加した低抵抗率の単結晶Ｃを得ることができる。
尚、前記実施の形態においては、複数の吹出口１１ａは、図４に示した０°〜９０°の範囲内に配置することが望ましいものとしたが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではない。
例えば、図５（ａ）に示すように昇華室部材１１の下面（２７０°）に吹出口１１ａを配置してもよく、或いは、図５（ｂ）に示すように、昇華室部材１１の上面、下面、側面などに千鳥状に吹出口１１ａを設けてもよい。
例えば、図５（ａ）に示すように昇華室部材１１の下面（２７０°）に吹出口１１ａを配置してもよく、或いは、図５（ｂ）に示すように、昇華室部材１１の上面、下面、側面などに千鳥状に吹出口１１ａを設けてもよい。
また、前記実施の形態においては、昇華室部材１１の管の断面形状を円形としたが、本発明にあっては、その構成に限定されず、断面が台形、矩形、三角形のいずれの形状であってもよい。
本発明に係る単結晶引上方法及び単結晶引上装置について、実施例に基づきさらに説明する。
（実施例１）
実施例１では、上述の実施形態に示した構成の単結晶引上装置において、ルツボに１５０ｋｇの原料ポリシリコンを投入し、直径２０６ｍｍのシリコン単結晶の引上げを行なった。ドーパントとして直胴部の育成前半において赤燐を使用し、本実施形態に示した昇華治具１０を用いてドープした。
（実施例１）
実施例１では、上述の実施形態に示した構成の単結晶引上装置において、ルツボに１５０ｋｇの原料ポリシリコンを投入し、直径２０６ｍｍのシリコン単結晶の引上げを行なった。ドーパントとして直胴部の育成前半において赤燐を使用し、本実施形態に示した昇華治具１０を用いてドープした。
また、昇華治具１０において、漏斗部本体１３の上部開口１３ａの直径は８０ｍｍ、漏斗管１２の直径は６ｍｍ、昇華室部材１１の管内径Ａは４０ｍｍ、昇華室部材１１の環内径Ｂは直径２４０ｍｍとした。
また、昇華室部材１１に形成する吹出口１１ａは、昇華室部材１１の環の周に沿って１０箇所に等分配置した。各吹出口１１ａの直径は、８ｍｍに形成した。また、各吹出口１１ａの配置角度（図４に示す角度の定義）は、４５°とした。
ドーパントの投入は、肩部形成後に５〜１０／回ずつ、複数回に分けて計１０００ｇに達するまで昇華室部材１１内へ投入した。尚、ドーパントを投入する度、固形のドーパントが昇華したことを目視で確認し、次のドーパント投入を行なった。
また、昇華室部材１１に形成する吹出口１１ａは、昇華室部材１１の環の周に沿って１０箇所に等分配置した。各吹出口１１ａの直径は、８ｍｍに形成した。また、各吹出口１１ａの配置角度（図４に示す角度の定義）は、４５°とした。
ドーパントの投入は、肩部形成後に５〜１０／回ずつ、複数回に分けて計１０００ｇに達するまで昇華室部材１１内へ投入した。尚、ドーパントを投入する度、固形のドーパントが昇華したことを目視で確認し、次のドーパント投入を行なった。
上記条件において３本の単結晶育成を行い、シリコン融液面の振動発生の有無、結晶育成過程での転位発生の有無、ドーパント効率を評価項目とした。尚、ドーパント効率とは、製品となる直胴部を縦に割り、抵抗率を測定した結果であり、それはガス化したドーパントの抵抗率への寄与度を示すものである。
（比較例１）
比較例１では、実施例１で使用した昇華治具は用いず、輻射シールドの外側において、シリコン融液の液面に、局所的にガス化したドーパントを吹き付けた。
その他の条件は、実施例１と同じである。
比較例１では、実施例１で使用した昇華治具は用いず、輻射シールドの外側において、シリコン融液の液面に、局所的にガス化したドーパントを吹き付けた。
その他の条件は、実施例１と同じである。
（結果）
実施例１において、すべてのドーパントを投入し、引き上げた単結晶の抵抗率を四探針法で測定した結果、３回の引き上げのいずれにおいても１．１Ωｃｍ以下となった。
一方、比較例１において、すべてのドーパントを投入し、引き上げた単結晶の抵抗率を四探針法で測定した結果、３回の引き上げのいずれにおいても２．０ｍΩｃｍ以上となった。
実施例１において、すべてのドーパントを投入し、引き上げた単結晶の抵抗率を四探針法で測定した結果、３回の引き上げのいずれにおいても１．１Ωｃｍ以下となった。
一方、比較例１において、すべてのドーパントを投入し、引き上げた単結晶の抵抗率を四探針法で測定した結果、３回の引き上げのいずれにおいても２．０ｍΩｃｍ以上となった。
表１に、実施例１及び比較例１の結果として、シリコン融液面の振動発生の有無、結晶育成過程での転位発生の有無を示す。
（表１）
（表１）
表１に示すように実施例１では、液面振動、有転位のいずれも生じなかった。
一方、比較例１では、液面振動が発生し、それが原因と思われる有転位が３回の引き上げ中、２回の引き上げで発生した。
一方、比較例１では、液面振動が発生し、それが原因と思われる有転位が３回の引き上げ中、２回の引き上げで発生した。
また、図６に、ドーパント効率の結果として、製品となる直胴部を縦割りして測定した抵抗率をグラフで示す。図６のグラフにおいて、横軸は直胴部（製品部）の長さ、縦軸は抵抗率（ｍΩｃｍ）を示す。
図６のグラフに示されるように、実施例１では、比較例１の場合よりも抵抗率が低い単結晶が得られ、ドーパントとしてシリコン融液に吸収される割合が約２倍となることを確認した。
図６のグラフに示されるように、実施例１では、比較例１の場合よりも抵抗率が低い単結晶が得られ、ドーパントとしてシリコン融液に吸収される割合が約２倍となることを確認した。
以上の実施例の結果から、本発明によれば、有転位化を生じさせることなくシリコン溶融液に揮発性の高いドーパントを効率よく添加することができ、低抵抗率の単結晶を得ることができると確認した。
１ 単結晶引上装置
２ 炉体
３ サセプタ
４ ルツボ
５ サイドヒータ
６ ワイヤ
７ 輻射シールド（熱遮蔽板）
１０ 昇華治具
１１ 昇華室部材
１１ａ 吹出口
１２ 漏斗管（漏斗部）
１３ 漏斗部本体（漏斗部）
１４ ドーパント供給管
１５ ドーパント室
Ｍ シリコン融液
Ｃ シリコン単結晶
Ｃ１ 肩部
Ｃ２ 直胴部
Ｇ 不活性ガス
Ｄ ドーパントガス
２ 炉体
３ サセプタ
４ ルツボ
５ サイドヒータ
６ ワイヤ
７ 輻射シールド（熱遮蔽板）
１０ 昇華治具
１１ 昇華室部材
１１ａ 吹出口
１２ 漏斗管（漏斗部）
１３ 漏斗部本体（漏斗部）
１４ ドーパント供給管
１５ ドーパント室
Ｍ シリコン融液
Ｃ シリコン単結晶
Ｃ１ 肩部
Ｃ２ 直胴部
Ｇ 不活性ガス
Ｄ ドーパントガス
Claims (6)
- 炉内に配置されたルツボ内でシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の引上方法において、
炉内において育成するシリコン単結晶を囲むように配置された熱遮蔽板の内側を、上方からシリコン融液面に向かって流れるとともに、前記シリコン融液面に沿って放射状に広がり、前記ルツボ外に排気される不活性ガス流を形成する工程と、
前記炉内においてドーパントをガス状にする工程と、
ガス状となったドーパントを前記熱遮蔽板の内側に放出する工程と、
前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程と、を備えることを特徴とする単結晶引上方法。 - 前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、
ドーパントが砒素の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．５Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上と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方法。 - 前記ガス状となったドーパントを前記不活性ガス流に乗せて流す工程において、
ドーパントが赤燐の場合、シリコン融液中のドーパント濃度を少なくとも１．９Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上と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方法。 - ヒータにより加熱される炉内に配置されたルツボ内でシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶引上装置において、
前記ルツボの上方において育成するシリコン単結晶を囲むように配置された熱遮蔽板と、
前記熱遮蔽板の内周面側において、周方向に沿って環状に形成され、周方向に沿って複数の吹出口が形成された昇華室と、
先端側が前記昇華室に連通し、前記昇華室にドーパントを供給するための漏斗部と、を備えることを特徴とする単結晶引上装置。 - 前記漏斗部は、逆円錐状の漏斗部本体と、前記漏斗本体の縮径した先端から前記昇華室まで延びる漏斗管と、を有し、
前記漏斗部本体の上部開口は、直径４０〜８０ｍｍであり、前記漏斗管は、直径４〜１０ｍｍであり、
前記昇華室の管部内径は２０〜５０ｍｍであり、環状の前記昇華室の環内径は、育成するシリコン単結晶の径の１２０〜１５０％の範囲であることを特徴とする請求項４に記載された単結晶引上装置。 - 前記昇華室において、前記吹出口は、直径５〜１５ｍｍであり、該昇華室の周方向に、１０〜３０個の範囲で所定間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載された単結晶引上装置。
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