JP6471492B2 - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶の製造方法に関する。

例えば、パワーＭＯＳトランジスタ用のエピタキシャルシリコンウェーハには、そのシリコンウェーハの基板抵抗率が非常に低いことが要求される。シリコンウェーハの基板抵抗率を十分に低くするために、シリコンウェーハの素材である単結晶のインゴット（以下、単結晶という）の引き上げ工程で（すなわち、シリコン結晶の育成時に）、溶融シリコンに抵抗率調整用のｎ型ドーパントとして砒素（Ａｓ）やアンチモン（Ｓｂ）をドープする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１には、結晶円錐部、すなわち肩部が４０°〜６０°の開き角を有するように単結晶を製造することで、有転位化の発生を抑制できることが開示されている。

特許第３５５５０８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法のように単に肩部の開き角を調節するだけでは、有転位化の発生を抑制できない場合があり得る。
本発明の目的は、抵抗率が低くかつ有転位化の発生が抑制された単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
チョクラルスキー法による単結晶の製造において、坩堝に収容されたドーパント添加融液の中では、坩堝最下部に位置する部分と、融液表面との温度差によって、対流が発生していると考えられる。この対流によって、ドーパント添加融液の下側の熱が、上側に運ばれ、融液表面からの熱放出で温度が下げられた後、下側に戻るため、液温に変動が生じていると考えられる。この液温の変動によって、単結晶に異常成長の発生が増加し、有転位化が発生すると推測した。
また、坩堝内部の最下部から融液表面までの距離が長いほど、ドーパント添加融液の上下での温度差が大きくなるため、対流が強くなると考えられる。
そこで、坩堝にチャージするドーパント添加融液の量を最適化することで、対流に起因する液温の変動が抑制され、有転位化の発生を抑制できる可能性があると推測し、以下の実験を行った。

＜実験１：ドーパント添加融液量と有転位化の発生状況との相関調査＞
まず、円筒部の外径が２２インチ（５５８．８ｍｍ（１インチ＝２５．４ｍｍ））、かつ、内径が２１．１０インチ（５３６．０ｍｍ）の坩堝を有する単結晶引き上げ装置を準備した。
そして、種子結晶に連続するネック部を形成するネック部形成工程と、肩部を形成する肩部形成工程と、直胴部を形成する直胴部形成工程と、テール部を形成するテール部形成工程と、テール部形成工程終了後、単結晶を冷却する冷却工程とを行うことで、単結晶を製造する実験を行った。ここで、直胴部の上端とは、肩部との境界に位置し、例えば図４に符号６３Ａで示す部分である。
なお、単結晶の直胴部上端の抵抗率が１．０ｍΩ・ｃｍ以下となるように、ドーパント
としての赤リンをシリコン融液に添加して、ドーパント添加融液のドーパント濃度を調整した。
また、製造条件は、直胴部の長さが８６０ｍｍの直径２００ｍｍ単結晶を製造するための条件とした。
また、製造中の単結晶を観察して、有転位化を確認した時点で製造を中止し、それ以降の工程を行わなかった。さらに、異常成長の有無についても確認した。
実験結果に基づく、シリコン融液量と、ドーパント量と、Ｈ／Ｒと、有転位化の発生位置と、異常成長の有無との関係を図１に示す。
なお、Ｈは、坩堝内部の最下部から融液表面までの距離であり、Ｒは、融液表面の半径である。本実験１では、全ての実験条件（トライ１〜７）において、融液表面が坩堝円筒部（内径が略均一の部分）に位置し、Ｒは坩堝の内径の半分の１０．７２インチであった。

図１に示すように、有転位化については、トライ１〜２では肩部に発生し、トライ３〜５では直胴部に発生し、トライ６〜７では発生しなかった。また、異常成長については、トライ１〜５では発生し、トライ６〜７では発生しなかった。
ここで、トライ２〜６では、直前のトライ（トライ１〜５）の結晶を、単結晶引き上げ装置から取り出してから、単結晶を製造した。また、トライ２，４，５，６を行う前に、ドーパント濃度を調整するために、ドーパントを添加した。
なお、トライ７は、有転位化および異常成長が発生しなかったトライ６の再現性確認テストである。

図１に示す結果から、Ｈ／Ｒの値が小さくなるほど、すなわち坩堝にチャージされたドーパント添加融液の量が少なくなるほど、有転位化が発生する位置がテール部側に移動し、Ｈ／Ｒの値が０．７８未満の場合、有転位化および異常成長が発生しないことが分かった。
なお、単結晶が軸方向に成長する過程で、坩堝内シリコン融液が減少することによりＨ／Ｒの値は連続して小さくなる。従い、図１には、Ｈ／Ｒの値が０．７７よりも小さい場合の記載はないが、トライ６およびトライ７の結果は、０．７７よりもＨ／Ｒの値が小さくても有転位化および異常成長が発生しないことを示しており、今回のトライ６およびトライ７のシリコン融液の残液量から、少なくともＨ／Ｒの値が０．１まで有転位化および異常成長が発生しないことが判明した。実際、Ｈ／Ｒの値が０．６、０．４のトライも実験１の後に行ったが、有転位化および異常成長が発生することはなかった。

＜実験２：ドーパント添加融液量とドーパントの蒸発に伴う単結晶の抵抗率変化との相関調査＞
単結晶の抵抗率を低くするためのドーパントである、砒素やアンチモンあるいは赤リンは、蒸発しやすいことが分かっている。ドーパント添加融液のドーパント濃度が等しく、かつ、融液の表面積が等しければ、坩堝にチャージされた量が異なっていても、単位時間あたりのドーパントの蒸発量は等しくなると考えられる。このため、ドーパント濃度が等しければ、坩堝にチャージされたドーパント添加融液の量が少ないほど、単位時間あたりのドーパントの蒸発に伴うドーパント濃度の低下が大きいと推測できる。
そこで、実験２として、以下のシミュレーションを行った。

実験１の坩堝と同じ形状の坩堝に、Ｈ／Ｒが、それぞれ０．４、０．５１、０．７８、１．０１となるように、実験１のドーパント濃度と同じ濃度のドーパント添加融液をチャージし、ドーパントとしての赤リンを添加してからの各経過時間において、ドーパントおよびシリコン融液を追加することなく、単結晶製造を開始したと仮定したときの直胴部上端の抵抗率をシミュレートした。なお、ドーパント添加直後に単結晶製造を開始したときの肩部上端の抵抗率を、０．９ｍΩ・ｃｍに設定した。これは、単結晶の抵抗率は肩部側よりテール部側の方が低くなるため、肩部上端の抵抗率を０．９ｍΩ・ｃｍに設定しておけば、直胴部全体の抵抗率を０．９ｍΩ・ｃｍ以下にすることができるためである。
シミュレーション結果を図２に示す。

図２に示すように、ドーパントが蒸発するため、時間の経過に伴い抵抗率が上昇することが確認できた。また、Ｈ／Ｒが小さいほど、抵抗率が上昇しやすいことがわかった。これは、ドーパント添加融液の量が少ないほど、ドーパント濃度の低下が大きいという、上記の推測と合致する。
ここで、製造効率の観点から、ドーパントやシリコン融液を追加せずに、複数の単結晶を１本ずつ連続して引き上げるいわゆる抜き取り引き上げ法を考慮に入れると、時間経過に伴う抵抗率の変化が小さいことが好ましい。また、ドーパント添加後に単結晶の製造をすぐに開始できない場合があることや、１本の単結晶の引き上げに約１０時間かかること、あるいは、シリコンウェーハに要求される性能を考慮に入れると、経過時間が１０時間のときに製造を開始した単結晶の直胴部の抵抗率が１．０ｍΩ・ｃｍを大きく超えないことが好ましい。
このことから、少なくともＨ／Ｒが０．４を超える場合、ドーパント添加から１０時間経過後に単結晶製造を開始しても、直胴部全体の抵抗率を１．０ｍΩ・ｃｍを大きく超えない抵抗率にできる。
本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明の単結晶の製造方法は、チャンバと、このチャンバ内に配置されシリコン融液にドーパントを添加したドーパント添加融液を収納可能な坩堝と、種子結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部と、を備えた単結晶引き上げ装置を利用し、単結晶の肩部を形成する肩部形成工程と、前記単結晶の直胴部を形成する直胴部形成工程と、を備えたチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、複数本の単結晶を製造可能な量の前記ドーパント添加融液を前記坩堝に収容し、前記坩堝にシリコン原料および前記ドーパントを追加することなく、前記複数本の単結晶を１本ずつ製造する際に、前記坩堝内部の最下部から前記ドーパント添加融液表面までの距離をＨ（ｍｍ）、前記ドーパント添加融液表面の半径をＲ（ｍｍ）とし、以下の式（１）を満たす状態で、各単結晶の前記肩部の形成を開始することを特徴とする。
０．４＜Ｈ／Ｒ＜０．７８ … （１）

本発明によれば、上記式（１）を満たすように単結晶を製造することで、抵抗率が低くかつ有転位化の発生が抑制された単結晶を製造することができる。また、ドーパント添加融液を固化する(冷却する)ことなく複数本の単結晶を製造することができ、単結晶製造の効率化を図ることができる。

本発明の単結晶の製造方法において、前記ドーパントは、赤リンであり、前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１．０ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記赤リンが添加されていることが好ましい。
本発明の単結晶の製造方法において、前記ドーパントは、砒素であり、前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が２．０ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記砒素が添加されていることが好ましい。
本発明の単結晶の製造方法において、前記ドーパントは、アンチモンであり、前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１５ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記アンチモンが添加されていることが好ましい。
以上の本発明によれば、所望の低抵抗率のシリコンウェーハを得ることができかつ有転位化の発生が抑制された単結晶を製造することができる。

本発明の単結晶の製造方法において、前記ドーパントは、赤リンとゲルマニウムであり、前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１．２ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記赤リンと前記ゲルマニウムとが添加されていることが好ましい。
本発明によれば、単結晶を用いて製造されたエピタキシャルシリコンウェーハのミスフィット転位を抑制することができる。

本発明における単結晶の製造方法を導くための実験１の結果であり、ドーパント添加融液量と有転位化の発生状況との相関を示す図。 前記製造方法を導くための実験２の結果であり、ドーパント添加融液量とドーパントの蒸発に伴う単結晶の抵抗率変化との相関を示すグラフ。 本発明の一実施形態に係る単結晶引き上げ装置の概略構成を示す模式図。 前記一実施形態におけるマルチ引き上げ法による単結晶の製造方法を示す模式図。 本発明の変形例における抜き取り引き上げ法による単結晶の製造方法を示す模式図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
〔単結晶引き上げ装置の構成〕
まず、単結晶引き上げ装置の構成について説明する。
単結晶引き上げ装置１は、図３に示すように、単結晶引き上げ装置本体３と、図示しないドーピング装置と、図示しない制御部とを備える。
単結晶引き上げ装置本体３は、チャンバ３０と、このチャンバ３０内に配置された坩堝３１と、この坩堝３１に熱を放射して加熱する加熱部３２と、引き上げ部としての引き上げケーブル３３と、断熱筒３４と、シールド３６と備える。

チャンバ３０内には、制御部の制御により、上部に設けられた導入部３０Ａを介して、上方から下方に向かって不活性ガス、例えば、アルゴンガスが所定のガス流量で導入される。また、チャンバ３０内の圧力（炉内圧力）は、制御部により制御可能となっている。

坩堝３１は、シリコンウェーハの原料である多結晶のシリコンを融解し、シリコン融液４とするものである。坩堝３１は、有底の円筒形状の石英製の石英坩堝３１１と、この石英坩堝３１１の外側に配置され、石英坩堝３１１を収納する黒鉛製の黒鉛坩堝３１２とを備えている。坩堝３１は、所定の速度で回転する支持軸３７に支持されている。なお、本実施形態の坩堝３１は、円筒部の外径が２２インチ、かつ、内径が２１．４４インチである。
加熱部３２は、坩堝３１の外側に配置されており、坩堝３１を加熱して、坩堝３１内のシリコンを融解する。
引き上げケーブル３３は、例えば坩堝３１上部に配置された図示しない引き上げ駆動部に、一端が接続されている。また、引き上げケーブル３３は、他端に、種子結晶を保持するシードホルダ３８、または、図示しないドーピング装置が適宜取り付けられる。引き上げケーブル３３は、引き上げ駆動部の駆動により回転可能に構成されている。この引き上げケーブル３３は、制御部による引き上げ駆動部の制御により、所定の引き上げ速度で上昇する。
断熱筒３４は、坩堝３１および加熱部３２の周囲を取り囲むように配置されている。
シールド３６は、加熱部３２から上方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。

ドーピング装置は、固体状態のドーパントとしての赤リンを揮発させて、坩堝３１内のシリコン融液４にドープさせて、すなわち添加してドーパント添加融液４１を生成するためのものである。なお、ドーピング装置としては、筒状部の下端部をシリコン融液４に浸漬させて、赤リンをシリコン融液４に添加する構成や、筒状部の下端部をシリコン融液４から離間させて、揮発した赤リンをシリコン融液４に吹き付けることで、赤リンをシリコン融液４に添加する構成を適用できる。
制御部は、作業者の設定入力に基づいて、チャンバ３０内のガス流量、炉内圧力、引き上げケーブル３３の引き上げ速度を適宜制御して、単結晶６製造時の制御をする。

〔単結晶の製造方法〕
次に、単結晶引き上げ装置１を用いて、単結晶６を製造する方法の一例について説明する。なお、本実施形態では、直胴部の長さが８６０ｍｍの直径２００ｍｍの単結晶を製造する方法について説明する。
まず、図４を参照して、同一の石英坩堝３１１を利用し、かつ、単結晶６を引き上げるごとにポリシリコン素材４１１をチャージして、複数本の単結晶６を引き上げるいわゆるマルチ引き上げ法により、単結晶６を製造する方法について説明する。なお、図３の石英坩堝３１１の図示を簡略にしている。
ここで、図３および図４に示すように、初期段階として８０ｋｇのポリシリコン素材を入れた石英坩堝３１１がセットされた単結晶引き上げ装置１は、制御部の制御により、ポリシリコン素材を加熱して融解させた後、チャンバ３０内のガス流量および炉内圧力を所定の状態にして、シリコン融液４に揮発性ドーパントとしての赤リンを添加してドーパント添加融液４１を生成する。
なお、赤リンの添加量は、単結晶６から切り出したシリコンウェーハの抵抗率が、０．６ｍΩ・ｃｍ以上１．０ｍΩ・ｃｍ以下となるような量である。また、エピタキシャルシリコンウェーハのミスフィット転位を抑制するために、赤リンとともにゲルマニウムを添加してもよい。ゲルマニウムを添加する場合、赤リンおよびゲルマニウムの添加量は、シリコンウェーハの抵抗率が、１．２ｍΩ・ｃｍ以下となるような量であってもよい。

この後、単結晶引き上げ装置１の制御部は、作業者の設定入力に基づいて、種子結晶を融液に浸漬した後、所定の引き上げ速度で引き上げて、単結晶６を製造する。
この種子結晶の引き上げの際、制御部は、単結晶６におけるネック部形成工程、肩部形成工程、直胴部形成工程、テール部形成工程、冷却工程のうち、少なくとも直胴部形成工程における引き上げ時間を従来よりも短くして、寸法が従来のものより短い単結晶６を製造する。
具体的に、図３中実線で示すように、ネック部６１の形成後、坩堝３１内部の最下部からドーパント添加融液４１の表面４１Ａまでの距離をＨ（ｍｍ）、ドーパント添加融液４１の表面４１Ａの半径をＲ（ｍｍ）とし、上記式（１）を満たす状態で、図３中二点鎖線で示すような肩部６２の形成を開始する。肩部６２の形成後、図３中二点鎖線および図４に示すように、直胴部６３、テール部６４を形成する。
なお、引き上げ時間以外の条件、例えば加熱部３２による加熱条件は、従来と同じであってもよい。また、２２インチの坩堝３１を用いる本実施形態では、肩部６２の形成開始時には、３７ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．４）を超え、かつ、９５ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．７８）未満のドーパント添加融液４１が坩堝３１に収容されている。
以上の工程により、抵抗率が０．６ｍΩ・ｃｍ以上１．０ｍΩ・ｃｍ以下と低く、かつ、有転位化の発生が抑制された単結晶６を製造することができる。

そして、１本の単結晶６の製造が終了した後、単結晶引き上げ装置１は、図４に示すように、８０ｋｇのドーパント添加融液４１を生成するための素材４１１（シリコン、赤リン（、ゲルマニウム））を石英坩堝３１１に投入し、肩部６２の形成開始時に上記式（１）を満たす状態にして、次の単結晶６を製造する。
ここで、単結晶引き上げ装置１の制御部は、最後に製造する単結晶６以外の単結晶６の取り出しを待って冷却している間（冷却工程の間）、炉内圧力を１３．３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）以上、６０ｋＰａ（４５０ｔｏｒｒ）以下に調整することが好ましい。炉内圧力が１３．３ｋＰａ未満の場合、揮発性ドーパントである赤リンが蒸発し、次に製造する単結晶６の抵抗率が上昇してしまう。一方、炉内圧力が６０ｋＰａを超える場合、蒸発物がチャンバ３０内に付着しやすくなり、単結晶６の単結晶化を阻害してしまう。
このように製造された単結晶６から得られるシリコンウェーハの抵抗率は、０．６ｍΩ・ｃｍ以上１．０ｍΩ・ｃｍ以下となる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。

例えば、図４に示すようなマルチ引き上げ法ではなく、図５に示すように、単結晶引き上げ装置１を用いて、同一の石英坩堝３１１を利用し、かつ、複数本分のドーパント添加融液４１を一度にチャージして、複数本の単結晶６を１本ずつ引き上げるいわゆる抜き取り引き上げ法により、単結晶６を製造してもよい。
ここで、単結晶引き上げ装置１の制御部は、２本の単結晶６を製造する場合、１本目の単結晶を引き上げた後、取り出しを待って冷却している間（冷却工程の間）、炉内圧力を１３．３ｋＰａ以上、６０ｋＰａ以下に調整することが好ましい。このように炉内圧力を調整することが好ましい理由は、前記実施形態のマルチ引き上げ法の理由と同じである。
なお、マルチ引上げ法を行う場合でも、最後の単結晶を引上げる際に原料を追加せず、上記抜き取り引上げ法が適用できる。
例えば、初期段階として、肩部６２の形成開始時に、Ｈ／Ｒ＝０．６８となるようにドーパント添加融液４１をチャージして、直胴部の長さが４００ｍｍの単結晶６を３回連続で引き上げる方法を適用してもよい。このような方法によっても、抵抗率が０．６ｍΩ・ｃｍ以上１．０ｍΩ・ｃｍ以下と低く、かつ、有転位化の発生が抑制された直径２００ｍｍの単結晶を製造することができる。

また、シリコン融液４に添加するドーパントとして、直胴部６３の上端６３Ａの抵抗率が２．０ｍΩ・ｃｍ以下となるような量の砒素を適用してもよいし、直胴部６３の上端６３Ａの抵抗率が１５ｍΩ・ｃｍ以下となるような量のアンチモンを適用してもよい。

３２インチ、１８インチ、１６インチの坩堝３１を用いる場合、上記式（１）を満たすために、肩部６２の形成開始時に、以下の量のドーパント添加融液４１が坩堝３１に収容されていてもよい。
３２インチの坩堝３１を用いる場合
１１８ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．４）を超え、かつ、
３００ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．７８）未満の量
１８インチの坩堝３１を用いる場合
１９ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．４）を超え、かつ、
５２ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．７８）未満の量
１６インチの坩堝３１を用いる場合
１４ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．４）を超え、かつ、
３６ｋｇ（Ｈ／Ｒ＝０．７８）未満の量

１…単結晶引き上げ装置
６…単結晶
３０…チャンバ
３１…坩堝
３３…引き上げ部としての引き上げケーブル
４１Ａ…表面
４１…ドーパント添加融液
６２…肩部
６３…直胴部

Claims (5)

1. チャンバと、
   このチャンバ内に配置されシリコン融液にドーパントを添加したドーパント添加融液を収納可能な坩堝と、
   種子結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部と、を備えた単結晶引き上げ装置を利用し、
   単結晶の肩部を形成する肩部形成工程と、
   前記単結晶の直胴部を形成する直胴部形成工程と、を備えたチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、
   複数本の単結晶を製造可能な量の前記ドーパント添加融液を前記坩堝に収容し、前記坩堝にシリコン原料および前記ドーパントを追加することなく、前記複数本の単結晶を１本ずつ製造する際に、
   前記坩堝内部の最下部から前記ドーパント添加融液表面までの距離をＨ（ｍｍ）、前記ドーパント添加融液表面の半径をＲ（ｍｍ）とし、以下の式（１）を満たす状態で、各単結晶の前記肩部の形成を開始することを特徴とする単結晶の製造方法。
   ０．４＜Ｈ／Ｒ＜０．７８ … （１）
2. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記ドーパントは、赤リンであり、
   前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１．０ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記赤リンが添加されていることを特徴とする単結晶の製造方法。
3. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記ドーパントは、砒素であり、
   前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が２．０ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記砒素が添加されていることを特徴とする単結晶の製造方法。
4. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記ドーパントは、アンチモンであり、
   前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１５ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記アンチモンが添加されていることを特徴とする単結晶の製造方法。
5. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記ドーパントは、赤リンとゲルマニウムであり、
   前記ドーパント添加融液には、各単結晶の前記直胴部の上端の抵抗率が１．２ｍΩ・ｃｍ以下となるように前記赤リンと前記ゲルマニウムとが添加されていることを特徴とする単結晶の製造方法。

Images