JP2021134104A - 単結晶成長方法および該方法に用いられる治具 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でかつ高い効率で不純物をシリコン融液にドープさせる。【解決手段】不純物ＩＰを充填したシリコン製の容器１０を備える治具を種結晶Ｓに続いてシードチャックに取り付けて単結晶成長炉内に導入し、該治具を多結晶シリコンの融液１００に浸漬することにより容器を溶融させて不純物ＩＰを融液１００にドープさせる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造用シリコン基板向け単結晶の技術分野に関し、より具体的には、不純物がドープされたシリコン単結晶の成長方法（低抵抗率ウエーハ基板用単結晶）、該方法に用いられる治具、および低抵抗率ウェーハ基板用単結晶に関するものである。

シリコン単結晶の成長装置および単結晶成長方法において、半導体シリコンウェーハの材料や、シリコン単結晶型太陽電池の材料ウェーハとなる材料単結晶の製造には、一般的にＣＺ法（チョクラルスキー法）や磁場を印加したＭＣＺ法が用いられてきた。

ＣＺ法、ＭＣＺ法は、ともにシリコンの多結晶原料を石英ルツボ内に充填し、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた減圧雰囲気中でヒータに電力を供給し、保護用のカーボンルツボの中に多結晶原料を充填した石英ルツボをセットして回転させながら、ルツボの外側からカーボンヒータを用いて加熱溶融し、原料多結晶を完全に融液にした後、引き上げ軸に吊るした種結晶をこの融液表面部に浸し、温度調整しながら種結晶を回転させつつ上方に引き上げる結晶成長方法である。得られる単結晶には不純物を含まないものの他、ｎ型、ｐ型の半導体基板を利用するために予めヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）などの不純物が結晶成長の段階からドープされた単結晶がある。
中でもE P I ウェーハの基盤として用いられるシリコン単結晶基板では、高濃度のヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）などの不純物を大量にドープした単結晶が用いられる場合がある。

前述の高濃度ドープを行う単結晶において、シリコンの融点とりも高いボロン（B）（２０７６℃）は別として、ヒ素（Ａｓ）（８１６.８℃）、赤リン（Ｐ）（５９０℃）などのシリコンの融点よりも低いドーパントを投入する場合、結晶成長の段階から不純物をドープさせるためには、例えばＣＺ法、ＭＣＺ法では石英ルツボ内の多結晶原料の融解が完了した段階で成長装置の上部チャンバ（単結晶収納部）内で容器に入れられたドーパントを一旦融液近傍に下ろし、狙いの不純物が収容された治具を融液に浸漬させ、ドーパントの昇華ガスを融液内に送出し、この治具から不純物を融液内に混入させるという手法が用いられてきた。次に上部チャンバー（単結晶収納部）と下部チャンバー（融液をルツボ内に保持する部分）をゲートバルブによって分断し、上部チャンバを常圧に戻し、上部チャンバを開放した後、ドーパント容器を取り外し、種結晶（ＳＥＥＤ）を取り付け、再び通常の結晶成長が行える位置に上部チャンバを結晶成長位置に戻し、上部チャンバ内部の減圧、ガス置換を行った後、上部チャンバと下部チャンバ内部の圧力を同一にした後ゲートバルブを開き、種結晶を溶融に浸け、単結晶成長を行うという方法がとられて来た。つまり、上部チャンバの開閉操作が原料溶解後に行われていた。

特許文献１には、段落（０００９）に肩部の異常成長は以下のようなメカニズムで発生すると考えられる。すなわち、種結晶のディッピングでは熱ショック転位などが発生するが、それを除去するためにネッキングが行われる。このとき、ドーパント添加融液の近くに水冷体が位置していると、種結晶が冷やされてしまい、着液時に種結晶とドーパント添加融液との温度差が大きくなるため、転位が発生し易くなることが記載されている。また、段落（００１７）には、肩部形成時における水冷体の動きを任意に制御することで、従来、肩部 に発生していた転位を低減できることが記載されている。

特許文献２には、段落（００１２）にシリコン単結晶の直胴部の前半部が形成されるまでは、ドーパントが低濃度に添加された状態か、ドーパントが無添加の状態とし、シリコン単結晶の直胴部の前半部が形成された以降は、ドーパントが所望する高濃度に添加された状態となるように、融液にドーパントを供給することが記載されている。

更に特許文献３には、段落（０００７）に、従来のドーパント添加方法では、シリコン単結晶中のドーパント濃度を高めるためにシリコン単結晶の引き上げ中に大量のドーパントをシリコン融液に添加すると、ドーパント添加後に引き上げたシリコン結晶が有転位化してしまい、無転位のシリコン単結晶が得られずに歩留まりが低下してしまうと いう問題があることが明らかとなったことが記載されている。
更に、特許文献３は、段落（００１０）において、直胴部の育成中に、該シリコン単結晶を回転速度ωｒｐｍ［但し、ω≧２４−（φ／２５）］で回転させながら、引き上げられたシリコン単結晶の抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以下となるようにドーパントを前記融液に添加するドーパント添加工程を含み、前記ドーパント添加工程では、シリコン単結晶の回転速度を、前記ドーパントを前記融液に添加する前のシリコン単結晶の回転速度よりも大きくすることを特徴とする。このように、ω≧２４−（φ／２５）以上の回転速度でシリコン単結晶を回転させながらドーパントを融液 に添加すれば、引き上げた結晶が有転位化することを抑制しつつ、高濃度のドーパントを 含有したシリコン単結晶を製造することができることが記載されており、更に、段落（００１１）において、n型のドーパント、特に砒素やリンを高濃度で融液に 添加すると、引き上げたシリコン単結晶が特に有転位化し易いことが記載されている。

以上３件の特許文献について整理すると、特許文献１では、ドーパント添加融液の近くに水冷体が位置していると、種結晶が冷やされてしまい、着液時に種結晶とドーパント添加融液との温度差が大きくなるため、転位が発生し易くなる。そこで、水冷体かの位置を適正化し、有転移化を防ぐことが記載されている。高濃度のドーパント融液からの結晶成長は、崩れ易いことが記載されている。
特許文献２では、ドーパント添加工程では、シリコン単結晶の回転速度を、前記ドーパントを融液に添加する前のシリコン単結晶の回転速度よりも大きくすることを記載している。直胴部の前半部が形成されるまでは、ドーパントが低濃度に添加状態か、ドーパントが無添加の状態とし、シリコン単結晶の直胴部の前半部が形成された以降は、ドーパントが所望する高濃度に添加された状態となるように、融液にドーパントを供給することが記載されており、初期状態からの高濃度ドープすると結晶成長し難いために、徐々にドーパントを加えていく工夫がなされている。
更に、特許文献３にも、結晶成長の進行と共に結晶回転数を調整しながらドーパントを投入することが記載されている。
ここで、種結晶成長時や結晶の口径を徐々に広げる肩部や、直胴部の前半で結晶が崩れる原因として、ドーパントを投入する時のドーパントの昇華が、溶融より上部の比較的低温の炉内部品に蒸着し、その固形物が落下することで、種結晶、肩部、直胴部初期の成長中の結晶成長界面に落下し、結晶の崩れが生じることを記載し、後にその対策を説明する。

特開２０１７-３１００４ 特開２００８-２６６０９３ 特開２０１１-１０５５３７

しかしながら、上記手法の内、容器を炉に出し入れする方法では不純物を収容した治具を炉内に下ろす段階と、治具を引き上げて種結晶を吊り下ろす段階の２段階で成長炉の上部チャンバ開閉に伴う炉内圧力調整・ガス置換を行う必要があり、時間ロスが生じていた。
また、特許文献３に記載された方法でも成長中に不純物を供給する方法は、ルツボ 壁へのドーパント付着やその落下により、溶融と結晶成長界面にドーパントが付着し、結晶が崩れるリスクも否定できない。

また、従来法における時間ロスの間に融液内の不純物が炉内の空間に蒸発し、高濃度狙いのドーパントが溶融内から抜け出てしまう欠点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短時間でかつ安全に不純物材料のシリコン融液への注入および拡散（以下、適宜「ドープ」と称する。）を可能にする単結晶成長方法、該方法に用いる治具、並びに該方法により製造された単結晶を提供することを主な目的とする。

本発明の第１の側面によれば、種結晶を吊り下げるためのワイヤケーブルに種結晶を介して取り付け可能な治具が提供され、該治具は、不純物材料を収容する容器を備える。ここで容器の材質は、シリコンまたは、シリコンよりも融点が低く、且つ、シリコンデバイスに影響が出ない４価の元素が適する。該材質は、シリコンデバイスへの影響を考慮するとシリコンまたは、ゲルマニュームが最適であるが、コスト面では、シリコンが有利である。
本発明の第２の側面によれば、単結晶成長方法が提供され、該方法は、
上述の治具を種結晶の下方に装着し、で前記ワイヤケーブルに取り付けて単結晶成長炉内に導入し、上記治具を、多結晶シリコンを溶解した融液に浸漬することによりドーパントを収納した容器を融液に浸け、容器ごと溶解させて前記不純物材料を前記融液にドープさせる工程と、
前記ドープさせる工程に引き続き前記単結晶成長炉を閉じたままで前記種結晶を前記融液に浸漬して成長させ、単結晶を取得する工程と、
を備える。
当該容器の上部に、シリコンウェーハの中心に穴を設けて種結晶に固着させたシリコンウェーハをさらに備える場合は、容器から昇華し、上部チャンバ方向へ向かう不純物ドーパントを上記シリコンウェーハで捉え、昇華したドーパントも再びシリコンウェーハと共に溶解し、昇華物が上部炉内部品に蒸着することがなく、高濃度ドープを実現する。
さらに、本発明の第３の側面によれば、上述の単結晶成長方法により得られる単結晶が提供される。-

本発明の一実施形態による治具によれば、種結晶を吊り下げるためのワイヤケーブルの先端部に種結晶を取り付け、その先端に取り付け可能 であって、不純物材料を収容するシリコン製の容器を備えるので、該容器のシリコン融液への溶解により容器ごと不純物材料をシリコン融液に浸け込み、ドープさせることができる。また、容器の上部には、中心に穴を開けたシリコンウェーハ を容器と共に溶解する時、昇華が生じるドーパントの蒸着を受ける傘とする。不純物材料を収容する容器は融液中に消失するため、取り出しのために単結晶成長炉を開ける必要がなく、次工程へ進むことができる。また、ドーパントが昇華して蒸着するウェーハも溶解するので、ドーパントは有効に、溶融内部に供給できる。容器の直上は、種結晶が溶接または嵌めあいで取り付けられており、これにより、高濃度の不純物が炉内に蒸発・拡散する時間が著しく短縮されるため、高濃度の不純物がドープされた融液を安全かつ短時間で取得することができる。また、炉の開放機会が減るため、作業者が毒物であるドーパントに被曝するおそれがなくなる。

また、本発明の他の実施形態による単結晶成長方法によれば、上記治具を用いて不純物を融液にドープさせる工程に引き続いて単結晶成長炉を閉じたまま種結晶の成長工程に移行するので、炉内に不純物が蒸発・拡散することなく高濃度不純物を含むシリコン融液で結晶成長を行うことができる。また、一部ドーパントが蒸発するが、容器の上部に設けたシリコンウェーハ によって大部分を捕獲できるため、高濃度のドーピングが効率的に行える。これにより、高濃度の不純物を含む低抵抗の単結晶を短時間でかつ炉外への毒物の被曝を受けることなく、密閉状態で安全に取得することができる。環境に不純物が飛散することもなく、クリーンな環境を維持できる利点を有する。
本発明のさらに他の実施形態によれば、高濃度の不純物を含む低抵抗率の単結晶を取得することができる。

本発明に係る治具の第1実施形態の概略を説明するための斜視図の一例である。 図１のＡ−Ａ切断線による断面図を含む図１の治具の使用方法の説明図の一例である。 本発明に係る治具の第２実施形態の第1の態様の概略を説明するための斜視図の一例である。 本発明に係る治具の第２実施形態の第２の態様の概略を説明するための斜視図の一例である。 本発明に係る単結晶成長方法の第1実施形態の概略工程を示す図の一例である。 単結晶成長方法の他の一例の概略工程を示す図の一例である。

以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において同一または対応する要素・部材には同一の参照符号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、図中の各部材の形状・サイズについては、説明を容易にするため、適宜拡大・縮小・省略するために現実の縮尺・比率とは合致していない場合がある。また、図面の説明においても、紙面の上下方向に即してそれぞれ「上」「下」の用語を便宜的に用いるために、重力加速度の方向と一致しない場合がある点に留意されたい。また、「実質的に」の用語は、測定誤差をも含む趣旨で使用される。

また、以下で使用される第１、第２等のような用語は、同一または相応する構成要素を区別するための識別記号に過ぎなく、同一または相応する構成要素が、第１、第２等の用語によって限定されるものではない。

また、結合とは、各構成要素間の接触関係において、各構成要素間に物理的に直接接触される場合だけを意味するのではなく、他の構成が各構成要素間に介在され、溶接、嵌合、その他の構成に構成要素がそれぞれ接触されている場合まで含む概念である。シリコンの溶接には、ゲルマニウム（Ｇｅ）など、低融点かつ４価でデバイスに影響しない材料が適する。
（１）治具
（i）第1実施形態
本発明に係る単結晶成長方法の実施形態について説明する前に、該方法に用いる治具について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る治具の第1実施形態の概略を説明するための斜視図の一例であり、図２は、図１のＡ−Ａ切断線による断面図を含む図１の治具の使用方法の説明図の一例である。

図１および図２に示すように、本実施形態の治具は、例えば実質的に円筒形の外形を有する中空の容器１０を備える。容器１０は、高純度シリコン（Ｓｉ）で作製され、内部の中空には不純物ＩＰが充填される。不純物ＩＰは、特に種類の限定はないが、例としてシリコン（Ｓｉ）よりも融点が低いヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）やリン（Ｐ）を挙げることができる。

容器１０の頂面には図示しない係止具が取り付けられ、単結晶引上げ用のワイヤケーブルＣの先端に係止されて単結晶成長炉内に吊り下げ可能であるように構成される。容器１０の蓋をシリコンウェーハで作製し、中心部に溝入Ｕ字穴を開け、穴の短径部に、Ｕ字穴の溝に対応して溝入れした種結晶を通し、短径部に挟み込んでも良い。また、振動で落下しないようにさらに挟み込んだ部分を、ゲルマニューム（Ｇｅ）をロウ材として溶接しても良い。この場合、
シリコンよりも融点が低いゲルマニューム（Ｇｅ）溶接部で容器１０が先に溶解し、切り離れるため容器１０の切り離しにも都合が良い。

図１および図２に示す形態では、円筒状の外形を有する例を取り上げたが、容器１０の形状に特に制限は無く、円筒以外に例えば、楕円体、立方体、または直方体などの形状を有するものでもよい。

使用に際しては、まず、容器１０内に不純物ＩＰを充填し、ワイヤケーブルＣに種結晶Ｓ１を取り付けた後に種結晶S1の先端に容器１０をさらに取り付け、単結晶成長炉を開けて炉内に導入して、次いで、単結晶成長炉を閉じて真空引きを行い、アルゴンガスなどの不活性ガスを流入しガス置換する。原料シリコンが溶解完了するまで、上部チャンバ内に保持する。その後、原料シリコンが溶解完了した時点でルツボ９０内まで引き下ろす。

ルツボ９０内には、前工程でのシリコン多結晶材料の溶融によりシリコン融液１００が形成されており、容器１０の全体がこのシリコン融液１００内に浸漬するよう容器１０を引き下ろす。浸漬後または浸漬前から、ワイヤケーブルＣの軸を中心とする任意の方向に容器１０を回転させてもよい。ルツボ９０は、平底ルツボでも丸底ルツボでもよい。ルツボ９０は石英製の一般のルツボでよいが、例えば、少なくともその内壁に溌液加工がなされることにより溌液性を有する溌液性ルツボを用いると、ルツボからの不純物混入が抑えられ、また、ルツボ側からの結晶成長が抑えられて有利である。
また、溌液性ルツボを用いると結晶直径対ルツボ内径比の口径比率が大きく取れるため、従来の単結晶製造方法よりも大口径の結晶成長に適している。
この効果は、蒸発しやすいドーパント物質を用いる単結晶成長において、蒸発する溶融表面の割合が小さくなり、且つその蒸発を抑えられた分、不純物ドーパントは結晶に取り込まれるので、より低抵抗率の結晶が得られる。

本実施形態において、容器１０はシリコン（Ｓｉ）で作製されているため、ルツボ９０内で前工程での材料多結晶と同様に融液１００内で溶融し、これにより、容器１０に充填されていた不純物ＩＰが融液１００内に放出され、融液１００内に拡散する。これにより、シリコン融液１００に不純物ＩＰがドープされる。この時、容器は、シリコンやゲルマニュウムでできており、融液内に溶け落ちるが、融液と同一または同族の材質で構成された容器であり、高純度部材で加工したものであるので、問題は生じない。ただし、不純物ＩＰの融点がシリコンよりも低い場合、材料多結晶が溶融する温度では気化してしまうので、不純物ＩＰの融点に応じて炉内の温度を調整、また、蒸気圧を上げるため、炉内圧力を高め、蒸発を抑える。
容器１０が溶融によりルツボ９０内に消失するタイミングでワイヤケーブルＣを継続して引き下ろし、溶融の温度設定を行った後、種結晶を融液１００に浸漬する。

その後は既知のＣＺ法、ＭＣＺ法により、ルツボ外側のヒータ（図示せず）により温度調整しながら種結晶を回転させつつ徐々に上方に引き上げ、径の拡大による肩部の形成を経て、直胴部およびテイル部の形成の後に真空を解き、単結晶成長炉を開放して引き上げることにより、低抵抗率の単結晶が得られる。

本実施形態の治具によれば、融液と同じ材料であるシリコン（Ｓｉ）で作製されて不純物を収容する容器をルツボの融液内に浸漬するので、不純物を融液に混入した後に単結晶成長炉を開放することなく単結晶成長の工程に移行することができる。これにより、高濃度の不純物を含む低抵抗率の単結晶を短時間でかつ安全に取得することができる。
（ii）第2実施形態
図３は、本発明に係る治具の第２実施形態の概略を説明するための斜視図の一例である。同図に示すように、本実施形態の治具は、図１に示した治具の構成に加え、種結晶Ｓ１を（ワイヤケーブルＣの移動方向に）水平な方向で取り囲むシリコンウェーハＷをさらに備える。
シリコンウェーハＷは、種結晶Ｓ１の周辺形状に対応した形状・サイズの取り付け穴が中央に設けられ、この取り付け穴が種結晶Ｓ１で塞がれることにより種結晶Ｓ１の周囲に配置される。
種結晶Ｓ１が取り付け穴を塞ぐ態様に特に制限はないが、例えば溶接により取り付け穴の内壁を種結晶S1に固着させてもよいし、また、図４に示すように、種結晶Ｓ３の上部に緩やかな斜度の角錐形状を形成し、該角錐部分と取り付け穴とを位置合わせして上方からシリコンウェーハＷを降ろすことにより、シリコンウェーハＷを種結晶Ｓ３に係止させることとしてもよい。
第２実施形態の治具のその他の構成は、図１に示した第1実施形態の構成と実質的に同一であるので、詳細説明は省略する。なお、図３および図４にはシードチャックＳＣの模式図を加えた。
本実施形態の治具は、周辺から種結晶Ｓ１，Ｓ３を覆うシリコンウェーハＷをさらに備えるので、容器１０の溶融工程において、蒸発・昇華するドーパント物質が種結晶Ｓ１，Ｓ３を超えて結晶成長炉内に入り込むことを阻止する。これにより、結晶成長炉の内面がドーパント物質等で汚染されることなく、結晶成長炉のライフタイムを伸ばすだけでなく、フロー管などに固着したシリコンが溶融して成長中の単結晶に滴下するような事態を防止することができる。

（２）単結晶成長方法
（i）第1実施形態
次いで、図１および図２に示す治具を用いた単結晶成長方法について、本発明に係る単結晶成長方法の第１実施形態として説明する。
図４は、本実施形態による単結晶成長方法の概略工程を示す図の一例である。
まず、不純物材料IＰを充填した容器１０を備える治具を準備し、図１および図２に示すように、ワイヤケーブルＣの先端にシードチャックを装着し、そこに取り付けられた種結晶Ｓの下端に溶接やフック構造でドーパントの入った容器を取り付ける。通常この作業は下部チャンバからずらした位置で作業し、取り付け後、ワイヤーを巻き上げて上部チャンバー（単結晶収納部）に続けて、単結晶成長炉に入れる（ステップＳ１０）。ここで、単結晶成長炉内のルツボ９０には、原料多結晶の完全溶融により得られた融液が収容されている。
原料多結晶がルツボ内で溶解を完了すると、上部チャンバー（単結晶収納部）に待機させていた、種結晶下端に取り付けた容器１０を徐々に下降させ融液に接触させる。容器１０の底近傍の側壁には、微細穴が空いており、昇華したドーパントは融液内に放出すると共に容器も溶解する。さらに徐々に容器を下降させ、容器毎溶解完了させる。容器１０の溶解は、チャンバに設けられた観察窓から監視し、容器１０の溶解が完了した時点で、ヒータの温度を下げ、温度設定を行う。この時、炉内圧力は、できるだけ常圧に近い２００〜４００Ｔоｒｒの低真空に設定する。
この容器を溶解するに当たって、炉内の溶融液面の温度を監視している温度センサーにより、溶解温度を管理し、必要以上に温度を高めることにより、ドーパントの過剰な昇華を抑えることができる。

雰囲気は常に不活性（イナート）ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを流入しながら、チャンバの下部の排気口から真空ポンプにより真空引きされており、炉内圧は１０〜４００Ｔｏｒｒの間の適正な一定圧力に自動制御されている。図示しない駆動機構により、上述した通り、ワイヤケーブルＣを引き下ろして融液１００内に治具を浸漬し、ルツボ９０を回転させながらヒータ（図示せず）により融液１００を加熱し、治具を融解させ、容器１０内に充填されていた不純物材料IＰを融液１００内へ溶かす（ステップＳ２０）。これにより、不純物材料IＰは融液１００内で拡散し、高濃度の不純物を含む融液が得られる。ルツボ９０の回転と併せ、ワイヤケーブルＣを介して治具を低速で回転させてもよい。ワイヤケーブルＣによる治具の回転は、融液１００への浸漬後に行っても浸漬前から継続して行ってもよい。

ワイヤケーブルＣは種結晶Ｓを固定するチャック構造になっており、種結晶Ｓが既に取り付けられているので、治具が融解したタイミングで単結晶成長炉を開放することなくワイヤケーブルＣにより回転させながら種結晶Ｓを下方へ降ろして高濃度不純物を含む融液へ浸漬し、温度調整しつつ徐々に引き上げることにより種結晶Ｓを成長させる（ステップＳ３０）。

その後は、既知のＣＺ法、ＭＣＺ法と同様に、結晶径の拡大による肩部の形成を経て、直胴部およびテイル部の形成の後に冷却工程を経て炉内圧力を常圧（１気圧）にし、単結晶成長炉を開放して製品としての単結晶を取り出すことができる。（ステップＳ４０）。
単結晶成長方法の他の一例につき、図５の概略工程フロー図を参照しながら説明する。

まず、石英製の容器を準備し、原料シリコンが溶解したのちに前述の容器に不純物材料を充填し（ステップＳ１１０）、
上部から下部（融液をルツボ内に保持する部分）に流していた不活性ガスを下部に流すようにガス流ルートを切替え、単結晶成長装置の上部（単結晶収納部）と下部（融液を保持したまま）とをゲートバルブによって分断し、上部を常圧に戻し、上部を開放した後、ドーパント容器種結晶取り付けチャックに容器を取り付ける。上部を結晶成長位置に戻し、上部をガス置換し、下部と同一の圧力にした後、ゲートバルブを開くと同時にガス流を上部から下部に流すようにガス流を切り替えた後、ドーパントが入った容器を吊るしているワイヤーを徐々に下げることにより融液に近づけ、融液につける。容器中のドーパントは融点が低いため、昇華が起こり、出口が融液内に浸かっているＵ字管から融液内に放出される。この状況を観察窓から観察しながら操作を続け、ドーパントの昇華が完了したら、空になった石英容器をゲートバルブに当たらない上部まで引き上げ、再びゲートバルブを締め、上部、下部を雰囲気的に絶縁する。同時にガス流は下部に供給され、下部の圧力は常に一定になるようにする。
次いで種結晶（ＳＥＥＤ）を取り付け、再び通常の結晶成長が行える位置に上部を結晶成長位置に戻し、上部の減圧、ガス置換を行った後、容器に入れられたドーパントを融液近傍に下ろし、狙いの不純物が収容された治具を融液に浸漬させ、ドーパントの昇華ガスを融液内に送出し、この治具から不純物を融液内に混入させるという手法が用いられてきた。具体的には、治具をワイヤケーブルの先端に取り付けて単結晶成長炉の上部（単結晶収納部）に導入する（ステップＳ１２０）。

次いで、単結晶成長炉の真空引きを行い（ステップＳ１３０）、炉内へ不活性ガスを流しながら（ステップＳ１４０）、石英容器をルツボ内へ浸漬し、比較的低い温度でルツボを加熱して石英容器の先端を溶融することにより収容された不純物材料を融液内へ溶かす（ステップＳ１５０）。

不純物材料が融液内へ完全に溶出したタイミングを計って石英容器の単結晶成長炉からの取り出しを行う。具体的には、不活性ガスの流入を止め単結晶成長炉の真空を解いて開放し（ステップＳ１６０）、ワイヤケーブルを引き上げて石英容器を取り出す（ステップＳ１７０）。

その後、種結晶をワイヤケーブルの先端に取り付けて単結晶成長炉内に導入し（ステップＳ１８０）、再び炉の真空引きを行い（ステップＳ１９０）、種結晶をルツボ内の融液へ浸漬する（ステップＳ２００）。
続いて、反応ガスを流入しながら温度調整しつつ回転させながら種結晶を徐々に引き上げて結晶成長させる（ステップＳ２１０）。

その後は、単結晶の径の拡大による肩部の形成を経て、直胴部およびテイル部の形成の後に真空を解いて単結晶成長炉を開放し、引き上げることにより、製品としての単結晶が得られる（ステップＳ２２０）。

図４に示した工程フロー図との比較により明らかなように、ルツボ内にシリコンの融液を形成した後は、従来の技術における単結晶成長方法が１２もの工程を含むのに対し、本実施形態の単結晶成長方法によれば、わずか４つの工程で単結晶が得られることが分かる。

特に、従来の技術による、２度の真空引きおよびガス置換、並びに容器の引き上げに続く種結晶取り付けの工程が無いので、短時間で単結晶を得ることができる。

また、シリコン融液への不純物導入の後に結晶成長炉を開放することなく続いて結晶成長の工程に移行するため、炉内に不純物が拡散することがないので高濃度不純物を含むシリコン融液で結晶成長ができるほか、クリーンルームの清潔を保持できる上に、有害不純物の人体への影響を考慮する必要も無い。また、微量なドーパント物質であっても、半導体特性に与える影響が大きいため、清浄度を保つ必要があり、この点についても優位である。
さらに本手法を用いれば、溶融をルツボ内に保持する時間も短縮できるため、ルツボの内面の溶解も最小限化できるため、ルツボが溶解することでの汚染を低減することができる。
このように、本実施形態によれば、高濃度の不純物を含む低抵抗の単結晶を短時間でかつ安全に取得することができる。

（ii）第２実施形態
次に、図３に示す治具を用いた単結晶成長方法について、本発明に係る単結晶成長方法の第２実施形態として説明する。
図３に示す治具において、シリコンウェーハＷが溶接などにより種結晶Ｓ１に固着されている場合は、上述した第２実施形態の方法と実質的に同一である。
この一方、図４に示すように、種結晶Ｓ３上部の角錐の傾斜を用いてシリコンウェーハＷが傾斜上で種結晶Ｓに係止される場合は、上述の第１実施形態の工程に加え、シリコンウェーハＷを取り付ける工程が必要となる。
より具体的には、種結晶Ｓ３上部とウェーハＷの取り付け穴との間で位置合わせを行い、シリコンウェーハＷを下ろして種結晶Ｓ上部で取り付け穴を塞ぐことにより、シリコンウェーハＷを配置する工程が必要である。このシリコンウェーハＷの配置工程は、原料シリコンの溶解からシードチャックＳＣへの取り付けまでの間の任意のタイミングで行えばよい。シリコンウェーハＷ自体は、単結晶の成長中に裏面に付着したドーパントと共に融解して融液となる。
本実施形態において、シリコンウェーハＷの配置・除去の工程を除くその他の工程は、上述した第１実施形態の結晶成長方法と実質的に同一である。
本実施形態によれば、周辺から種結晶Ｓ１，Ｓ３を覆うシリコンウェーハＷを用いるので、容器１０の溶融工程において、蒸発・昇華するドーパント物質が種結晶Ｓ１，Ｓ３を超えて結晶成長炉内に入り込むことが阻止される。これにより、結晶成長炉の内面がドーパント物質等で汚染されることなく、結晶成長炉のライフタイムが伸びることに加え、フロー管などに固着したシリコンが溶融して成長中の単結晶に滴下するような事態を防止することもできる。
以上、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明したが、これらは発明の容易な理解のためになされたものであり、これらをもって本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。上述の実施の形態に付与した番号は、記載上の便宜を図るためのものに過ぎず、特に実施形態の優劣を示すものではない。また、工程フロー図では論理的な順序を示したが、特定の状況においては、記載されたステップを異なる順序で実行することも複数のステップを同時に実行することも可能である。

当業者であれば、本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない範囲で、種々の変更を加えて本発明を実現でき、例えば、一つの実施例の特徴を別の実施例に組み込むことで、もう一つの実施例を得ることができる。当業者は、特許請求の範囲を逸脱することなく本発明の趣旨に沿って様々な変更、同等な置換、または改良などを行うことができる。

１０…容器
９０…（溌液性）ルツボ
１００…（シリコン）融液
Ｃ…ワイヤケーブル
IＰ…不純物
Ｓ…種結晶

Claims (10)

1. 種結晶を吊り下げるためのワイヤケーブルに種結晶を介して取り付け可能であって、不純物材料を収容する容器を備える治具。
2. 前記容器の材質は、シリコンまたは、シリコンよりも融点が低く、且つ、シリコンデバイスに影響が出ない４価の元素を含む請求項１に記載の治具。
3. 前記材質は、シリコンまたはゲルマニュームを含むことを特徴とする請求項２に記載の治具。
4. 前記容器は、実質的に円筒状の形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の治具。
5. 前記不純物材料は、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびリン（Ｐ）の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の治具。
6. 中央に穴が設けられ該穴で前記種結晶を囲むように配置されるシリコンウェーハをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４に記載の治具。
7. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の治具を種結晶の下方に装着し前記ワイヤケーブルに取り付けて単結晶成長炉内に導入し、前記治具を多結晶シリコンの融液に浸漬することによりドーパントを終了した容器を融液に漬け容器ごと溶解させて前記不純物材料を前記融液にドープさせる工程と、
   前記ドープさせる工程に引き続き前記単結晶成長炉を閉じたままで前記種結晶を前記融液に浸漬して成長させ、単結晶を取得する工程と、
   を備える単結晶成長方法。
8. 前記治具は、中央に穴が設けられ該穴で前記種結晶を囲むように配置されるシリコンウェーハをさらに備え、
   種結晶で前記穴が塞がれるように前記種結晶の周辺に前記シリコンウェーハを配置する工程と、
   前記容器を前記種結晶の下方で前記ワイヤケーブルに取り付けて単結晶成長炉内に導入し、前記容器を多結晶シリコンの融液に浸漬することにより前記容器を融液に漬け容器ごと溶解させて前記不純物材料を前記融液にドープさせる工程と、
   前記ドープさせる工程に引き続き前記単結晶成長炉を閉じたままで前記種結晶を前記融液に浸漬して成長させ、単結晶を取得する工程と、
   を備える請求項７に記載の単結晶成長方法。
9. 前記融液は、溌液性ルツボに収容されることを特徴とする請求項７または８に記載の単結晶成長方法。
10. 請求項７乃至９記載の単結晶成長方法により得られる単結晶。

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