JP4755740B2

JP4755740B2 - シリコン単結晶の育成方法

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Publication number: JP4755740B2
Application number: JP23141898A
Authority: JP
Inventors: 建濱田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: JP2000063198A; US6284041B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によりドーパントを投入してシリコン単結晶の育成する方法に関し、さらに詳しくは、蒸発速度の速いドーパントを投入した場合であっても、溶融液内のドーパント濃度を所定の範囲内に調整でき、比抵抗値の変動が少ない単結晶を製造できるシリコン単結晶の育成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶の製造方法は種々あるが、なかでも、シリコン単結晶の引上げに関し、工業的に量産が可能な方式で広く採用されているものとしてＣＺ法がある。このＣＺ法によるシリコン単結晶の育成は、密閉され、雰囲気調整された金属製容器内で行われる。金属製容器の内部には、結晶原料である多結晶シリコンの溶融液を保持した坩堝が配置されており、その溶融液の表面にワイヤ等で構成される引上げ手段の先に取り付けた種結晶の下端を接触させ、この種結晶を上方へ引き上げることによって、その下端に溶融液が凝固した単結晶を育成していく。
【０００３】
シリコン単結晶の育成において、引上げられる単結晶の形状は、種結晶の直下から直径を絞ったネッキング部と、それから直径が漸増する肩（コーン）部と、育成後に製品ウエーハとして利用される直胴部とから構成される。具体的な単結晶の育成に際しては、最初に結晶を無転位化するために、ネッキング部が形成され、その後、単結晶の製品直径を確保するため、ショルダー形成して肩部となし、製品直径になったところで、直径を一定として直胴部を形成しつつ単結晶本体の引上になる。
【０００４】
従来から、所望の比抵抗値を有するシリコン単結晶を育成するため、引上初期から所定量のリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（As）、アンチモン（Sb）等のドーパントを投入することが行われている。通常、比較的蒸発速度の小さなＰ、Ｂなどは、単結晶育成の前段階である結晶原料の融解時からドーパント添加して融解するが、蒸発速度の大きなAs、Sbなどは結晶原料の融解時からドーパントを添加し融解すると、原料融解の加熱過程で多量のドーパントが蒸発する。このため、ドーパント歩留まりを悪化させることから、結晶原料を融解させた後、坩堝内に保持される溶融液中にドーパントが投入される。
【０００５】
図２は、従来のシリコン単結晶の育成方法におけるドーパントの投入工程を説明する流れ図である。上述の通り、ドーパントの投入は、ルツボ内の結晶原料が完全に融解した後、坩堝内に保持される溶融液に対して行われる。ドーパントの投入後は、種結晶を溶融液に接触させて、いわゆる「種結晶なじませ」が行われる。結晶原料を融解した直後の溶融液の温度は、シリコンの溶融温度より高温となっており、局部的には温度変動が大きく、溶融液全体としてはバラツキが著しく大きくなる。このため、通常、「種結晶なじませ」は、結晶原料の融解後から所定の時間経過した後実施される。ここでいう「結晶なじませ」とは、種結晶を溶融液に接触させた際の接触界面のメニスカス形状を観察することで、溶融液表面の温度を推定し、これに基づいてヒータ電力を制御し、溶融液への入熱量を調整して、溶融液表面の温度を安定化させる手段である。
【０００６】
「種結晶なじませ」が完了し、坩堝内に保持される溶融液の安定化が図れた後、単結晶の育成が開始され、前述の通り、ネッキング部を形成して、単結晶の直径が漸増する肩部を経過して、製品直径に相当する直胴部の単結晶本体の引上に移行していく。
【０００７】
上述の通り、「種結晶なじませ」は溶融液の温度を調整するものであるが、実操業においては各種の外乱要因があり、単結晶の育成が適用できるまでの溶融液の安定化に要する時間は一定しない。このため、ドーパント投入から単結晶の育成開始に至る時間、すなわち、ネッキング部の形成に至るまで時間が大きく変動するようになる。このような状況の下で、特にAs、Sbのように溶融液からの蒸発速度の速いドーパントを投入する場合には、ドーパント投入からネッキング部の形成に至るまで時間変動に起因して、シリコン単結晶の育成の際に坩堝内に保持される溶融液内のドーパント濃度が著しく変化することになる。このため、ドーパントを投入して育成されたシリコン単結晶の中には、所定の比抵抗値を確保することができない単結晶も発生するという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年のように、半導体用デバイスの高機能化に対応して、基板の比抵抗値が厳しく規定されるようになると、ドーパントの投入から単結晶の育成開始に至るまでの時間変動によって、溶融液内のドーパント濃度にバラツキが生ずることは重要な問題となり、早急に解決しなければならない課題となった。このため、ドーパントの投入から単結晶の引上に至る時間の変動を前提として、常時、単結晶の育成を開始するまでの時間を長時間サイドに一定に設定することも検討された。しかし、実際の操業において、ドーパントの投入から単結晶の育成開始に至るまでの時間の変動は、最少時間を単位時間の1.0とすると、1.0〜12.0の範囲のバラツキがあることから、長時間サイドに設定することは、製造能率の面から得策ではなかった。
【０００９】
また、ドーパントの投入から単結晶の育成開始に至るまでの時間変動を抑制するため、ドーパントの投入タイミングを溶融液の温度を光学的に測定したデーターに基づいて決定する試みも行われた。しかし、単色温度計や２色温度計のような光学的な測温手段で溶融液の温度を検出する方法では、測定精度に限界があり、信頼性に乏しいものであった。そのため、上記の光学的測定データに基づいて、ドーパントの投入を実施しても、十分な効果が得られなかった。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ドーパントの投入から単結晶の育成開始に至るまでの時間変動を抑制して、溶融液内のドーパント濃度を所定の範囲内に調整でき、比抵抗値の変動が少ない単結晶を製造できるシリコン単結晶の育成方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するため、前記の「種結晶なじませ」が坩堝内に保持される溶融液の安定化には最も有効でることを想定して、種々の検討を行った。この結果、「種結晶なじませ」を行った後、ドーパントを坩堝内に投入することで溶融液の安定化に要する時間が短縮でき、同時に育成開始までの時間変動が抑制されることを知見した。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の(1)および(2)のシリコン単結晶の育成方法を要旨としている。
【００１３】
（１）ＣＺ法によりドーパントを投入してシリコン単結晶を育成する方法であって、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内に保持される溶融液に接触させて種結晶をなじませた後、ネッキング部の形成に至るまでに、ドーパントを坩堝内に投入することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法である。
【００１４】
（２）上記（１）のシリコン単結晶の育成方法において望ましい態様は、ドーパントを坩堝内に投入するに際し種結晶を溶融液に接触させる種結晶なじませを中断し、ドーパントを投入した後再び結晶なじませを行うことである。また、この態様は、融解される多結晶原料量に対し、０．１％以上のドーパント量を坩堝内に投入する場合に適用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のシリコン単結晶の育成方法におけるドーパントの投入工程を説明する流れ図である。図１から明らかなように、本発明のシリコン単結晶の育成方法では、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内に保持される溶融液に接触させて「種結晶なじませ」を行った後、ネッキング部の形成に至るまでに、ドーパントを坩堝内に投入することが特徴になる。この「種結晶なじませ」を終え、坩堝内に保持される溶融液の安定化が図れた後、単結晶の育成が開始され、ネッキング部を形成して、単結晶の直径が漸増する肩部を経過して、製品直径に相当する直胴部の引上に移行していく。
【００１６】
通常、シリコン単結晶の引上に好適な溶融液の安定化温度は、1420℃〜1430℃であるとされる。これに対し、結晶原料を融解した直後の溶融液の温度バラツキの範囲は、100℃を超える場合もあるとされている。このような場合に、溶融液の温度が安定化したかどうかを確認するためには、「種結晶なじませ」を行うことが最も優れた手段であり、種結晶を溶融液に接触させた際の接触界面のメニスカス形状を観察することで、溶融液表面の温度を推定できる。そして、これに基づいてヒータ電力を制御し、溶融液への入熱量を調整することによって、溶融液表面の温度を安定化させることができる。
【００１７】
本発明の態様では、種結晶を溶融液に接触させる「種結晶なじませ」を中断して、ドーパントを投入し、そののち再び「結晶なじませ」を行っている。ここでいう「種結晶なじませを中断」とは、溶融液に接触させた種結晶を溶融液から離す操作であり、比較的ドーパントの投入量が多い場合に採用される。したがって、本発明の態様が対象とする投入量の目安は、融解される多結晶原料に対して０．１％以上のドーパント量を添加することである。このようなドーパント量の投入後に再び種結晶を溶融液に接触させて、「種結晶なじませ」が行われる。
【００１８】
ドーパント量の添加に際し、種結晶を溶融液に接触させる「種結晶なじませ」を行いつつ、ドーパントを坩堝内に投入することがある。この投入は、投入するドーパント量が少ない場合に採用され、種結晶を溶融液に接触させたままの状態でドーパントが投入される。この場合が対象とする投入量の目安は、融解される多結晶原料に対し、０．１％未満のドーパント量を添加することである。
【００１９】
以下に、本発明のシリコン単結晶の育成方法の効果を、実施例に基づいて説明する。
【００２０】
【実施例】
（本発明例）
図１に示すドーパントの投入工程に基づいて、４インチ＜１１１＞のシリコン単結晶を育成した。まず、14インチ石英坩堝内に結晶原料の多結晶シリコンを25Kg充填し、坩堝内の結晶原料を融解した。坩堝内の溶融液に種結晶を接触させて「種結晶なじませ」を行い、次ぎに「種結晶なじませ」を中断して、ドーパントとしてSbを100g投入し、そののち再び「結晶なじませ」を行った。そして溶融液を安定化させたのち、シリコン単結晶の育成を開始した。
【００２１】
（比較例１）
図２に示すドーパントの投入工程に基づいて、４インチ＜１１１＞のシリコン単結晶を育成した。14インチ石英坩堝内に結晶原料の多結晶シリコンを25Kg充填し、坩堝内の結晶原料を融解した後、ドーパントとしてSbを100g投入し、そののち「結晶なじませ」を行った。次いで、溶融液を安定化させたのち、シリコン単結晶の育成を開始した。
【００２２】
（比較例２）
上記比較例１の場合と同様に、４インチ＜１１１＞のシリコン単結晶を育成した。14インチ石英坩堝内に結晶原料の多結晶シリコンを25Kg充填し、坩堝内の結晶原料を融解した後、単色温度計を用いてその測温データーからドーパント投入タイミングを決定して、Sbを100g投入し、そののち「結晶なじませ」を行った。次いで、溶融液を安定化させたのち、シリコン単結晶の育成を開始した。
【００２３】
（比抵抗値の測定）
図３は、本発明例および比較例１、２で育成された各100本の単結晶の製品上端部の比抵抗値の分布を示した図であり、(a)は本発明例で育成された単結晶、(b)は比較例１で育成された単結晶、(c)は比較例２で育成された単結晶の実績分布を示している。
【００２４】
図３に示す測定結果によれば、本発明例で育成された単結晶は、比較例１、２で育成されたものに比べ、比抵抗値が安定していることが分かる。さらに、本実施例ではドーパント投入から単結晶の育成開始、すなわち、ネッキング部の形成に至るまで時間を対比したが、本発明方法では、比較例１に比べてその時間バラツキが約18％まで低減できたことを確認している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、ドーパントの投入から単結晶の育成開始に至るまでの時間変動を抑制して、溶融液内のドーパント濃度を所定の範囲内に調整でき、比抵抗値の変動が少ない単結晶を製造できる。これにより、近年とみに顕著になった半導体用デバイスの高機能化に対応することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶の育成方法におけるドーパントの投入工程を説明する流れ図である。
【図２】従来のシリコン単結晶の育成方法におけるドーパントの投入工程を説明する流れ図である。
【図３】本発明例および比較例で育成された各100本の単結晶の製品上端部の比抵抗値の分布を示した図である。

Claims

チョクラルスキー法によりドーパントを投入してシリコン単結晶を育成する方法であって、坩堝内の結晶原料を融解させ、種結晶を坩堝内に保持される溶融液に接触させて種結晶をなじませた後、ネッキング部の形成に至るまでに、ドーパントを坩堝内に投入することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
ドーパントを坩堝内に投入するに際し種結晶を溶融液に接触させる種結晶なじませを中断し、ドーパントを投入した後再び結晶なじませを行うことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の育成方法。
融解される多結晶原料量に対し、０．１％以上のドーパント量を坩堝内に投入する場合に適用されることを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶の育成方法。