JP6222013B2 - 抵抗率制御方法 - Google Patents
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Description
偏析係数が上記のような関係にある場合に、本発明を好適に適用することができる。
所定値αがこのような範囲であれば、歩留まりの低下を確実に抑制することができる。
所定値αがこのような範囲であれば、歩留まり低下を確実に抑制することができる。
副ドーパントを追加ドープする方法として、このような方法を好適に用いることができる。
まず、シリコン単結晶が所定の導電型を有するように主ドーパントを初期ドーピングする(図1のS11参照)。
なお、シリコン単結晶3の育成は、CZ法を用いて行われる。ここでCZ法とは、磁場を印加するいわゆるMCZ法も含むものとする。
偏析係数が上記のような関係にある場合に、本発明を好適に適用することができる。
このように、1つのルツボから原料を追加チャージすることで複数本のシリコン単結晶を育成するマルチプーリング法において本発明を適用する場合、2本目以降のシリコン単結晶の育成を開始する時点で、原料融液4の中に副ドーパントが含まれているので、これから育成する単結晶には、主ドーパントと反対の導電型を有するドーパントが単結晶トップから含まれてしまう。そこで単結晶トップで含まれる副ドーパントの濃度、つまり副ドーパントの原料融液4中の濃度に副ドーパントの偏析係数を掛けた分の濃度を相殺する分の主ドーパントを追加した上で、狙うべき抵抗率に相当する主ドーパントの量に調整する必要がある。
このように主ドーパントの濃度が調整された原料融液から単結晶を引上げる際にも、固化率が一定値(α)以内では副ドーパントを追加ドープしないことが好ましい。それまでのシリコン結晶育成で追加した副ドーパントを相殺する分の主ドーパントが投入されているので、新たに副ドーパントを追加ドープしない間は(すなわち、固化率が所定値αになるまでは)、有転位化が生じても再溶融が可能である。固化率が所定値α以上になった後には、それまでにドープされている主ドーパント及び副ドーパントの量から求めた、固化率に応じた適正な量を連続的または断続的に追加ドープすることが好ましい。このようにすればその前の単結晶育成までに副ドーパントが追加されているマルチプーリング法であっても、抵抗率を正確に制御することができる。
このように所定値αを設定すれば、副ドーパントを追加ドープしない間は、有転位化しても再溶融が可能である。また、副ドーパントを追加ドープした後に有転位化した場合にも、すでに製品が取れる長さ以上であるので結晶を取り出し製品を取ることができる。さらにはこの状態に更に原料を追加チャージして、次のシリコン単結晶の育成に進むこともできる。
さらには、製品としてとることができる最もトップ側の位置の抵抗率は規格内に入らないが、抵抗率が規格内に入る領域が多少ずれる程度で、歩留まり低下量が少ないと判断されれば、副ドーパントを追加ドープした後であっても再溶融可能である。
しかしながら、これを具体的に表すことは難しい。なぜならその結晶の製品設計に依存するからである。例えばトップ側で酸素濃度や結晶欠陥等の結晶品質が規格に入る位置が直胴長さ10cmであったり30cmであったりする。この長さは抵抗率以外の品質の規格の厳しさに依存するからである。抵抗率は製品となる長さで規格に入るように調整するので、「単結晶引上げ開始前までに投入されたドーパントだけで抵抗率が規格を満たす固化率」は結局その結晶の製品設計に依存することとなり、一義的に決めることができない。そこでこの製品設計による前後のシフト分も考慮しておおよその値を設定すると、固化率の所定値αの範囲は、k/4≦α≦2kとなる。固化率の所定値αをk/4より大きい値とすれば、その固定率に対応するシリコン単結晶長さで有転位化してスリップバックしても製品が取れるようにすることができ、固化率の所定値αを2kより小さい値とすればシリコン単結晶育成開始前までに投入されたドーパントだけで抵抗率が規格を満たすことができる。
このような方法を用いれば、固化率に応じて適切な量を追加ドープすることが可能である。例えば、シリコン細棒15を育成中のシリコン単結晶3とルツボ壁との間の原料融液4へ挿入する場合には、炉内圧を保てるように密閉してトップチャンバー11に取り付けられ、結晶細棒をおおよそ上下方向に移動可能な可動装置(図2の細棒挿入機14)を用いることができる。これは特許文献5などで開示された技術を応用できる。
あるいは、副ドーパントを含むシリコン結晶を粒状に砕いたドープ剤を育成中のシリコン単結晶3とルツボ壁との間の原料融液4へ投入するように、炉内圧を保てるように密閉してトップチャンバー11に取り付けられ、粒状に砕いたドープ剤を育成中の単結晶とルツボ壁との間の原料融液4へ誘導する管を用いることができる。
副ドーパントを追加ドープする機構としては、粒状に砕いたドープ剤を原料融液4へ誘導する管が構造的に簡単であるが、粒状ドーパントを育成中の単結晶のそばに投入するため、粒状ドーパントが飛散あるいは浮遊して有転位化の可能性が高くなる。一方で、結晶細棒15を上下方向に移動可能な可動装置(細棒挿入機14)の設置は、コスト的には上記の誘導管より高いが、育成中の結晶のそばに結晶細棒を挿入しても育成中のシリコン単結晶3が有転位化しにくいという利点がある。
本発明のn型シリコン単結晶は、上述のような抵抗率制御法を用いて製造され、主ドーパントとしてリン(P)を用い、副ドーパントとしてボロン(B)を用い、単結晶中のリン濃度NPとボロン濃度NBとの差NP−NBが1.4×1012atoms/cm3以上、1.4×1015atoms/cm3以下であり、抵抗率が3Ω・cm以上、3000Ω・cm以下である。
このように、主ドーパントをリン(P)、副ドーパントをボロン(B)としたn型シリコン単結晶であれば、どちらの元素もデバイス製造にとって広く用いられている元素であり、予想外の不具合が出る可能性が少ない。特に高耐圧のパワー用の縦型デバイスでは、単結晶中に電流が流れ、また単結晶中に逆バイアスがかかるので、比較的高抵抗率で、かつ抵抗均一性が高い単結晶が望まれることから、単結晶中のリン濃度がボロン濃度より高く、その濃度の差が上記の範囲であり、抵抗率が上記の範囲であるn型シリコン単結晶が適している。また、本発明の抵抗率制御方法を用いれば、CZ法において単結晶のトップ部からボトム部までを、これらの範囲のうちの所望の濃度差および抵抗率に、ほぼ均一に制御することが可能である。従って本発明の抵抗率制御方法を用い、かつ、上記の範囲の中で抵抗率が狭い規格内に入るように制御されたシリコン単結晶は、パワーデバイスなど最新デバイスに最適なシリコン単結晶である。
図2に示したCZ単結晶育成装置100を用いて、n型で、抵抗率の規格が55−75Ω・cm、直径200mmのシリコン単結晶を育成した。原料シリコンの初期チャージ量200kgとし、約160kgのシリコン単結晶を育成した。単結晶トップ部は抵抗率以外の品質(例えば、酸素濃度、等)が入らない場合があるので、これを考慮して、直胴部分のトップから約20cm、固化率約0.09で抵抗率が規格内に入るように、リン(P)を主ドーパントとして初期ドープした。ドープ量は、リン濃度を4×1019atoms/cm3としたシリコン単結晶を粒状に砕いて用意したドープ剤0.82gとした。このドープ量であれば、副ドーパントの追加ドープをしなければ直胴部分の長さ約100cm、固化率約0.4まで抵抗率が規格内に入るものである。従って、直胴部分の長さがこれよりも短く、また、有転位化が発生した場合でも、製品が取れるような直胴部分の長さ85cm、固化率約0.34までシリコン単結晶を育成した時点で、副ドーパントの追加ドープを開始した。すなわち、上記で説明した固化率の所定値αは、約0.34であり、所定値αになるまでは、副ドーパントをドープしなかった。
実施例1の結晶を育成した後、シリコン原料を約160kg追加チャージして原料の総重量を200kgとした。2本目のシリコン単結晶の育成においても、n型で、抵抗率の規格が55−75Ω・cm、直径200mmのシリコン単結晶を育成した。1本目のシリコン単結晶の育成終了時に残っていた原料融液4中のリン(P)濃度は1.7×1014atoms/cm3、ボロン(B)濃度は6.7×1013atoms/cm3と計算される。そこで、これを考慮して、直胴部分の長さ約20cm、固化率約0.09で抵抗率が規格内に入るように、リン(P)濃度を4×1019atoms/cm3としたシリコン結晶を粒状に砕いて用意したドープ剤を0.79gドープして、2本目のシリコン単結晶を育成するための原料融液を用意した。1本目のシリコン単結晶の育成でボロン(B)を追加ドープしているので、このまま追加ドープしないで抵抗率が規格を満たすのは、1本目よりもやや短い直胴部分の長さ95cm、固化率約0.38までである。そこで直胴部分の長さがこれよりも短く、また、有転位化が発生した場合でも、製品が取れる長さである直胴部分の長さ80cm、固化率約0.32となった時点から副ドーパントの追加ドープを開始した。すなわち、上記で説明した固化率の所定値αは、約0.32である。
副ドーパントの追加ドープをシリコン単結晶の直胴部分の育成開始とともに始めたことを除いては、実施例2と同様にしてシリコン単結晶の育成を行った。この設定であれば、図5に示すように単結晶トップ部から単結晶ボトム部までほぼフラットな抵抗率を得ることができる予定であった。しかしながら、直胴部分の長さ60cm、固化率0.24で有転位化が発生してしまった。そこで再溶融しようとしたが、再溶融後に再度結晶を育成した場合、結晶トップ部での抵抗率が約80Ω・cmとなってしまう計算となった。再度単結晶を引上げる際に、再度シリコン単結晶の直胴部分の育成開始とともに副ドーパントの追加ドープを始めたとすると、抵抗率が規格内のシリコン単結晶を全く得ることはできない。そこで、直胴部分の長さ60cm分約48kgのシリコン単結晶を原料融液から切り離しCZ単結晶製造装置から取り出した。取り出したシリコン単結晶には直胴部分のトップから長さ30cm近くまでスリップバックがあった。直胴部分のトップから20cm〜30cmの10cm分が製品として取れる可能性はあったが、ブロック長さが短く、加工ロス等を考慮すると、コストパフォーマンスが悪いので、廃棄処分とした。以上のように追加ドープをシリコン単結晶の直胴部分の育成開始とともに始めたことによって、48kg分の原料から製品が全く取れず、大きな歩留まり低下を招く結果となった。
3…単結晶棒(シリコン単結晶)、 4…原料融液(シリコン融液)、
5…石英ルツボ、 6…黒鉛ルツボ、 7…加熱ヒーター、 8…断熱部材、
9…ガス流出口、 10…ガス導入口、
11…トップチャンバー、 12…ガスパージ筒、 13…遮熱部材、
14…細棒挿入機、 15…細棒結晶(シリコン細棒)、
100…CZ単結晶育成装置、 A…直胴部分。
Claims (5)
- CZ法によってシリコン単結晶を育成する際に、育成されるシリコン単結晶の抵抗率をドーパントによって制御する方法であって、
前記シリコン単結晶が所定の導電型を有するように主ドーパントを初期ドーピングする工程と、
前記シリコン単結晶を育成しながら、(結晶化した重量)/(初期シリコン原料の重量)で表される固化率に応じて、前記主ドーパントと反対の導電型を有する副ドーパントを、連続的又は断続的に追加ドープする工程と
を有し、
前記追加ドープする工程において、前記固化率が所定値α以上のときに前記副ドーパントを追加ドープし、前記固化率が前記所定値αになる前には前記副ドーパントをドープせず、
前記所定値αは、前記主ドーパントの偏析係数をkとしたときに、k/4≦α≦2k(ただし、2k>1の場合は、k/4≦α≦1)の範囲であることを特徴とする抵抗率制御方法。 - 前記副ドーパントの偏析係数が、前記主ドーパントの偏析係数よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の抵抗率制御方法。
- 1本目のシリコン単結晶を育成した後、原料を追加チャージして2本目以降のシリコン単結晶の育成を繰り返す工程をさらに有し、
前記2本目以降のシリコン単結晶の育成を繰り返す工程は、
それまでのシリコン単結晶の育成において追加ドープされた前記副ドーパントの量を考慮して、前記主ドーパントを加える段階と、
シリコン単結晶を育成しながら、前記固化率が前記所定値αになる前には前記副ドーパントをドープしないで、前記固化率が前記所定値α以上になった後に、前記固化率に応じて、前記副ドーパントを連続的または断続的に追加ドープする段階と
を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の抵抗率制御方法。 - 前記所定値αは、その固化率に対応する直胴長さで有転位化してスリップバックしても製品が取れる固化率値以上であり、かつ、シリコン単結晶の育成開始前までに加えられたドーパントだけでシリコン単結晶の抵抗率が所定の規格を満たす固化率値以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の抵抗率制御方法。
- 前記副ドーパントを含むシリコン細棒、又は、前記副ドーパントを含むシリコン結晶を粒状に砕いたドープ剤を、育成中のシリコン結晶とルツボ壁との間の領域のシリコン融液へ挿入又は投入することで、前記副ドーパントを追加ドープすることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の抵抗率制御方法。
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