JP4359320B2 - ドーピング装置、及びシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
コドープを行う際には、まず、副ドーパントを半導体融液中に投入した後、主ドーパントを気化させたドーパントガスを半導体融液に吹き付けることにより行われる。
ここで、副ドーパントを直接投下すると、投下により半導体融液が飛散し、チャンバや炉内に付着したものが引き上げ中に落下し、単結晶化を阻害するという問題がある。
このため、特許文献1では、側壁部及び上部が密閉され、下部に格子状の網が形成された低融点用ドーパント注入管を用い、副ドーパントとしての低融点ドーパントをこれに装填し、これを半導体融液内に浸けこむと、低融点ドーパントが半導体融液の熱で溶融し、半導体融液内部に溶け込ませるという技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
半導体融液中に2種類のドーパントを注入するドーピング装置であって、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で気化する第1ドーパントが収容される第1ドーパント収容部と、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で液化する第2ドーパントが収容される第2ドーパント収容部とを備えていることを特徴とする。
ここで、第1ドーパントとしては、赤リン(P)、砒素(As)等を例示することができ、第2ドーパントとしてはゲルマニウム(Ge)を例示することができる。
また、「気化」は、固体から液体、さらに気体に変化する場合だけでなく、固体から直接気体に昇華する場合も含む。
さらに、半導体融液表面近傍とは、半導体融液表面から第1ドーパントが気化する高さ、及び第2ドーパントが液化する高さを意味する。
この発明によれば、ドーピング装置が第1ドーパント収容部及び第2ドーパント収容部を備えているので、このようなドーピング装置を、シリコン単結晶の引き上げ装置内に設置することにより、第1ドーパント及び第2ドーパントを略同時に半導体融液中に拡散させることが可能となる。
ここで、「略同時」とは、コドープする際に完全に同時に行う場合のみならず、半導体原料を溶融化した後、長い時間間隔をおかず、連続的にドープするような場合も含む。
前記第1ドーパント収容部は、有底の筒状体から構成され、上部に開口部が形成されており、
前記第2ドーパント収容部は、液化したドーパントを下方に流す連通孔が形成されたドーパント保持部と、このドーパント保持部に保持された前記第2ドーパントを覆う被覆部とを有し、
下端が開口し、上端が閉塞された筒状体から構成され、前記第1ドーパント収容部及び第2ドーパント収容部を収容し、気化した第1ドーパントのドーパントガスを前記半導体融液表面に案内する案内部を備えているのが好ましい。
この発明によれば、まず、半導体融液の熱によって第1ドーパント収容部内の第1ドーパントが気化して生じたドーパントガスは、第1ドーパント収容部の上部開口部から案内部内の空間に流れ出す。案内部内に流れ出したドーパントガスは、案内部の上部が閉塞されているため、筒状体内面に沿って下方に流れ、案内部下端の開口から半導体融液中に拡散する。
一方、第2ドーパント収容部内の第2ドーパントは、半導体融液の熱によって液化し、液化したドーパントは、連通孔から半導体融液中に拡散する。
従って、本発明によれば、1台のドーピング装置で2種類のドーパントを略同時に半導体融液に注入することができるので、コドープにおけるドーパントの注入作業の手間を大幅に軽減することができる。
この発明によれば、連通孔が長孔状に形成されているので、液化したドーパントが表面張力等の関係で滞留することを防止して、速やかに半導体融液に液化したドーパントを導くことができる。
ここで、第2ドーパント収容部下端の導管は、第2ドーパントの溶解の際に半導体融液に浸け込まずに、液化したドーパントが下方に流れ出し、ドープする際に浸け込んでもよく、逆に溶解の際に浸け込んでおき、ドープする際に浸け込まないようにしてもよい。さらに、溶解の際、ドープする際のいずれの場合でも浸け込んでもよく、浸け込まなくてもよい。
この発明によれば、第2ドーパント収容部が導管を備えているため、第2ドーパント収容部のドーパント保持部で液化した第2ドーパントを液ハネすることなく半導体融液中に注入することができる。特に、第2ドーパントを液化する際、及びドーピングする際に導管を半導体融液中に浸け込んでおくことにより、確実に液ハネを防止することができる。
この発明によれば、ドーピング装置の被覆部にガス抜き用の開口部が形成されているため、被覆部で囲まれた内部の空間と外部の空間の圧力が調整され、液化したGeが滞留することを防止して、液化したGeを連通孔から速やかに半導体融液中にドーピングすることができる。また、開口部によりドーパント保持部のGeを覆う被覆部内部の空間が密閉されないので、滴下後に半導体融液がドーピング装置内部に吸い込まれ、ドーピング装置に割れが生じることもない。
前記第1ドーパント収容部の底面には、鉤状の係止片が複数設けられ、
前記第2ドーパント収容部の被覆部は、上端が開口した筒状体から構成され、上部近傍外周面には、複数の突起が設けられ、
前記第2ドーパント収容部は、前記複数の係止片に前記複数の突起が係合することで前記第1ドーパント収容部の下部に吊り下げられ、
吊り下げられた状態で、前記第1ドーパント収容部の底面と、前記第2ドーパント収容部の上端面との間に隙間が形成されるのが好ましい。
半導体融液中に2種類のドーパントを注入した後、結晶を育成し、シリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で気化する第1ドーパント、及び、常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で液化する第2ドーパントを、請求項1から請求項6までのいずれかに記載のドーピング装置を用いて同時に前記半導体融液中に注入し、
シリコン単結晶を育成することを特徴とする。
この発明によれば、半導体ウェハの原料である多結晶のシリコンとともに第2ドーパントを融解し、シリコンの融液とした後、所定時間経過後に気化する第1ドーパントを注入した場合と比較して、単結晶化率が高く、引き上げ時におけるインゴットの崩れを少なくすることができる。
〔1〕全体構成
図1には、本発明の実施形態に係る引き上げ装置1が示されている。
引き上げ装置1は、引き上げ装置本体2と、ドーピング装置4とを有する。
引き上げ装置本体2は、チャンバ20と、このチャンバ20内に配置された坩堝21と、この坩堝21に熱を放射して加熱する加熱部22と、引き上げ部23と、シールド24と、断熱筒25とを備える。
坩堝21は、半導体ウェハの原料である多結晶のシリコンを融解し、シリコンの融液とするものである。坩堝21は、有底の円筒形状の石英製の第一坩堝211と、この第一坩堝211の外側に配置され、第一坩堝211を収納する黒鉛製の第二坩堝212とを備えている。坩堝21は、所定の速度で回転する支持軸26に支持されている。
引き上げ部23は、坩堝21上部に配置されており、種子結晶又はドーピング装置4が取り付けられる。引き上げ部23は回転可能に構成されている。
断熱筒25は、坩堝21及び加熱部22の周囲を取り囲むように配置されている。
シールド24は、加熱部22からドーピング装置4に向かって放射される輻射熱を遮断する熱遮蔽用シールドである。このシールド24は、ドーピング装置4の周囲を取り巻くように配置されており、融液の表面を覆うように設置されている。このシールド24は、下端側の開口部が上端側の開口部より小さくなった円錐形状となっている。
ドーピング装置4は、図2に示されるように、主ドーパント収容部41、副ドーパント収容部42、案内部43、及び支持部44を備えて構成され、主ドーパント収容部41の下に副ドーパント収容部42が取り付けられ、主ドーパント収容部41及び副ドーパント収容部42の外側を覆うように案内部43が設けられ、案内部43の上面に支持部44が設けられ、支持部44の上端が引き上げ装置1の引き上げ部23に取り付けられる(図1参照)。
より詳細に説明すると、図3に示されるように、主ドーパント収容部41は、円筒状の胴部411と、この胴部411の下端面を塞ぐ底部412と、胴部411の上端面に設けられる蓋部413とを備えて構成される。
胴部411の上部近傍の外周面には、複数の突起414が突出して設けられている。
底部412は、胴部411の下端面を塞ぎ、収容された主ドーパントD1を支持する部分である。この底部412の下面周縁には、係止片としての鉤状の爪412Aが複数下方に突出して設けられている。
蓋部413は、胴部411の上端面を塞ぐように設けられるが、略中央には、主ドーパントD1が気化した際、ドーパントガスを下方に導くための開口部413Aが形成されている。
筒状体421は、上下に開口された円筒状体として構成され、この筒状体421の上端外周面には、複数の突起421Aが突出して設けられている。また、この筒状体421のドーパント保持部422で区画される下側の部分には、筒状体421の内外を貫通する孔421Bが1箇所形成されている。
連通孔422Aは、筒状体421の互いに対向する内面間を結ぶ長孔状に形成され、換言すれば、筒状体421の円筒の直径方向に沿って延びる長孔として構成されている。尚、この連通孔422Aの幅寸法は、収容される副ドーパントD2の粒径よりも小さく設定され、例えば、略3mm程度の幅寸法に設定されている。また、この連通孔422Aの幅寸法が小さすぎると、液化したドーパントの表面張力により、液化したドーパントを完全に坩堝21内に投入できないことがある。
胴部431は、主ドーパント収容部41及び副ドーパント収容部42を囲む大径の円筒状体として構成され、胴部431の上端内面には、係止突起433が複数突出して設けられている。
蓋部432は、胴部431の上面を塞ぐ円板状体から構成され、その外周縁は、胴部431の外周面より突出している。また、この蓋部432の上面略中心には、前述した支持部44が突設されている。
一方、主ドーパント収容部41の爪412A、副ドーパント収容部42の突起421Aは、突起414及び係止突起433の係合部分に対して、下方に位置し、高温となるため、石英部材で形成するのが好ましい。
このようなドーピング装置4を組み立てるに際しては、図2に示されるように、まず、案内部43の係止突起433に主ドーパント収容部41の突起414を引っ掛け、さらに、主ドーパント収容部41の下面の爪412Aに副ドーパント収容部42の突起421Aを引っ掛け、副ドーパント収容部42を主ドーパント収容部41に吊り下げるような状態で組み立てる。
また、このように主ドーパント収容部41に副ドーパント収容部42が吊り下げられた状態では、底部412の下面と、筒状体421の上端面との間に僅かな隙間が形成され、副ドーパント収容部42の被覆部に相当する部分の内外間の通気が確保されることとなる。
これにより、被覆部内部が密閉されないので、副ドーパントD2が液化した際、被覆部内部の圧力状態によって液化した副ドーパントD2が連通孔422Aから流れにくくすることを防止できる。
次に、前述した構造の引き上げ装置1によってシリコン融液S中に主ドーパントD1及び副ドーパントD2を略同時にコドープする方法について、図5を参照して説明する。
まず、案内部43を引き上げ装置1の引き上げ部23に取り付けた後、主ドーパント収容部41内に主ドーパントD1を装填し、案内部43に主ドーパント収容部41を装着する。
次に、副ドーパント収容部42に副ドーパントD2を装填し、主ドーパント収容部41の下部に副ドーパント収容部42を吊り下げる。
ドーピング装置4の組立が終了したら、装置本体2の引き上げ部23を降下させ、副ドーパント収容部42の筒状体421の下端をシリコン融液Sに浸け込む。尚、案内部43の胴部431の下端は浸け込まなくても浸け込んでもよい。
一方、副ドーパントD2の融液面からの高さ寸法H2は、副ドーパントD2の液化が促進される高さ寸法とするのが好ましく、例えば、略10〜20mm程度とするのが好ましい。
一方、副ドーパントD2は、シリコン融液Sの熱によって液化し、液化したドーパントは、ドーパント保持部422の連通孔422Aから筒状体421の内面を経由して、シリコン融液S内に拡散する。
前述した手順によってシリコン融液Sに副ドーパントD2であるゲルマニウム(Ge)及び主ドーパントD1である赤リン(Phos)を略同時にドープを行い、その後、ドープされたシリコン融液Sの引き上げを行ってインゴットを得た。
この際、シリコンのチャージ量23kgに対して、赤リンのドープ量は150g、Geのドープ量は150gであった。
一方、引き上げられたインゴットのトップ部分のGe濃度が狙い値に対してどのような値となっているかを確認したところ、図7に示されるような分布であり、狙い値に対して極めてバラツキの少ないものであった。
これらの結果より、本実施形態のドーピング装置4によって、赤リン及びGeを略同時にドーピングすることを確認することができ、狙い抵抗率に対して大きなバラツキを生じることなくドーピングできることが確認された。
これに対して、略同時にドープした場合、大量のシリコン融液にゲルマニウムを少量ずつ混ぜているので、気泡が発生しにくいものと考えられる。
また、ゲルマニウム初期ドープの場合、特異点状に肩崩れが多くなる部分があるため、長時間経過後に引き上げを行う必要があるが、略同時にドープした場合、このようなことはないので、生産性上も略同時にドープした場合の効果が大きい。
これに対して、略同時にドープした場合では、赤リン及びゲルマニウムを略同時にドープしているため、所望の性能のシリコン単結晶を育成することが可能である。
この現象は、原因詳細は不明な点もあるが、おそらく、ゲルマニウムは比重がシリコンに比較して大きいため、石英坩堝中のシリコン融液下部に偏りがあり、これがこのような結果に影響しているのではないかと推測される。
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
前述の実施形態では、第2ドーパント収容部としての副ドーパント収容部42を構成するドーパント保持部422に形成された連通孔422Aは、導管の互いに対向する面を結ぶ長孔状に構成されていたが、本発明はこれに限られない。すなわち、連通孔を円形状に形成し、ドーパント保持部422を漏斗状に形成してもよい。
また、前述の実施形態では、ドーピング装置4は、主ドーパント収容部31の下に副ドーパント収容部42を配置した構成としていたが、これに限られれない。要するに、各ドーパント収容部内に収容されるドーパントが半導体融液Sの熱により融解する高さ位置であれば、両ドーパント収容部が同じ高さ位置であってもよく、第1ドーパント収容部及び第2ドーパント収容部の位置関係が逆転してもよい。
そして、前述の実施形態では、副ドーパント収容部42のドーパント保持部422が、筒状体421の中間部分に設けられ、ドーパント保持部422から下側の筒状体421の部分を導管としていたが、本発明はこれに限られない。
すなわち、図9に示されるように、ドーパント保持部422を筒状体421の下端近傍に設け、導管のないドーピング装置5を用いてドーパントの注入を行ってもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び手順等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
Claims (7)
- 半導体融液中に2種類のドーパントを注入するドーピング装置であって、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で気化する第1ドーパントが収容される第1ドーパント収容部と、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で液化する第2ドーパントが収容される第2ドーパント収容部とを備えていることを特徴とするドーピング装置。 - 請求項1に記載のドーピング装置において、
前記第1ドーパント収容部は、有底の筒状体から構成され、上部に開口部が形成されており、
前記第2ドーパント収容部は、液化したドーパントを下方に流す連通孔が形成されたドーパント保持部と、このドーパント保持部に保持された前記第2ドーパントを覆う被覆部とを有し、
下端が開口し、上端が閉塞された筒状体から構成され、前記第1ドーパント収容部及び第2ドーパント収容部を収容し、気化した第1ドーパントのドーパントガスを前記半導体融液表面に案内する案内部を備えていることを特徴とするドーピング装置。 - 請求項2に記載のドーピング装置において、
前記連通孔は、長孔状に形成されていることを特徴とするドーピング装置。 - 請求項2又は請求項3に記載のドーピング装置において、
前記第2ドーパント収容部は、前記ドーパント保持部の下部に設けられ、前記連通孔から流れ出した液化した第2ドーパントを前記半導体融液表面に導く導管を備えていることを特徴とするドーピング装置。 - 請求項2乃至請求項4のいずれかに記載のドーピング装置において、
前記第2ドーパント収容部の被覆部の一部には、ガス抜き用の開口部が形成されていることを特徴とするドーピング装置。 - 請求項5に記載のドーピング装置において、
前記第2ドーパント収容部は、前記第1ドーパント収容部の下部に配置され、
前記第1ドーパント収容部の底面には、鉤状の係止片が複数設けられ、
前記第2ドーパント収容部の被覆部は、上端が開口した筒状体から構成され、上部近傍外周面には、複数の突起が設けられ、
前記第2ドーパント収容部は、前記複数の係止片に前記複数の突起が係合することで前記第1ドーパント収容部の下部に吊り下げられ、
吊り下げられた状態で、前記第1ドーパント収容部の底面と、前記第2ドーパント収容部の上端面との間に隙間が形成されることを特徴とするドーピング装置。 - 半導体融液中に2種類のドーパントを注入した後、結晶を育成し、シリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で気化する第1ドーパント、及び、常温で固体状であり、前記半導体融液表面近傍で液化する第2ドーパントを、請求項1から請求項6までのいずれかに記載のドーピング装置を用いて同時に前記半導体融液中に注入し、
シリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
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