JP6702141B2 - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ルツボに収容された原料融液からシリコン単結晶をチョクラルスキー法で引上げる単結晶引上げ装置に関する。

低耐圧のパワーデバイス向けでＮ型低抵抗率基板の要求が益々強くなってきている。
複数スペックのものを作り分ける方法としては、一度抵抗率の高いＸという製品を引き上げて、残ったメルト（原料融液）にまたドーパントを追加して抵抗率の低いＹという製品を引き上げるＡＢカットという２本の単結晶を引上げる方法がある。
もっと効率良く製造しようとすると、狙い抵抗率の高いＸという製品は初期に投入した燐で結晶のＴＯＰ側から狙い、直胴の引上げ途中でドーパントを追加して抵抗率の低いＹという製品を製造するという１本の単結晶を引上げる方法がある。途中ドープ速度が速い程、ロスを少なくする事ができる。

また抵抗率が低い結晶だけを製造する時には、引上げ前のメルトにたくさんのドーパントを投入する事になるが、ドーパントの投入量が多いと単結晶育成のコーン工程で有転位化しやすいという問題があった。これは、コーン工程の初期において湯面上に設けられたメルトやヒーターからの輻射熱をカットするための遮蔽物とメルト表面との間のガスの線速が遅いため、蒸発したドーパントやその酸化物が結晶に付着するためだと考えられる。
更にＮ型のドーパントは揮発性があり、種付け前に投入すると製品となる直胴工程を引き上げる前に一部が蒸発してしまうという問題もあった。

そうした意味からドーパントが低濃度のメルトでコーン工程を行い、直胴引上げ中に途中ドープをするという方法が取られる事もあるが（例えば特許文献１）、この時も途中ドープ速度が速いほどロスを少なくできる。
途中ドープにあたっては、燐やヒ素は昇華する性質があるため、炉内の熱を利用して昇華させ、チューブを通してキャリアガスと一緒にメルトに吹き付けてドープするという手法が取られる事が多い。

燐の途中ドープを行うＨＺ（ホットゾーン）構造は、図５のようになっている。メインチャンバー１０２ａの外に赤燐投入装置１１６が置かれている。この中には赤燐が収納され、揺動する事で赤燐を所望の速度で落下させる機能がある（特許文献２）。落下した赤燐は連結チューブ１２０内を通り、炉内に設けられた昇華室１１７へと落下する。またキャリアガスもこの連結チューブ１２０内を流れるようになっている。昇華室１１７は１０００℃以上になっているので、落下した赤燐は昇華してガスとなり、キャリアガスと一緒にドープチューブ１２１を通ってメルトに吹き付けられる。

特開２００８−２６６０９３号公報 特開２０１３−１２９５５１号公報

上記のような途中ドープは短時間で行う程望ましい。
しかし途中ドープの速度を上げるとドープされた部分のメルトが高濃度となるため、その領域での蒸発物が増え、期待したほどメルトにドープされなかったり、また蒸発物が結晶に付着して有転位化してしまうという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、昇華性ドーパントをドープするにあたって、ドーパントをできるだけ短時間で効率良くドープすることができる単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ルツボに収容された原料を加熱して原料融液にするためのヒーターと、該ヒーターと前記ルツボを格納するチャンバーと、昇華性のドーパントを前記原料融液に供給するドーパント供給手段とを具備し、前記原料融液からシリコン単結晶をチョクラルスキー法で引上げる単結晶引上げ装置であって、前記ドーパント供給手段は、前記チャンバーの外部に設けられ、前記ドーパントを収納し、前記チャンバー内へ投入する投入装置と、前記チャンバーの内部に設けられ、前記投入装置から投入されたドーパントを保持して昇華させる昇華室と、該昇華室にキャリアガスを導入するキャリアガス導入装置と、該キャリアガス導入装置からのキャリアガスと一緒に、前記昇華室で昇華されたドーパントを前記原料融液面に吹付ける吹付装置とを備えており、該吹付装置は、前記昇華室とつながるチューブと複数の吹付口を備えており、前記原料融液面に前記昇華されたドーパントを、前記チューブを介して前記複数の吹付口から分散して吹付けるものであることを特徴とする単結晶引上げ装置を提供する。

このような単結晶引上げ装置であれば、昇華性ドーパントをガスドープする際の、原料融液中のドーパントの局在化を抑制することができる。このため、従来のように、その局在化した領域においてドーパントの蒸発量が増え、蒸発物等（蒸発したドーパントやその酸化物）の付着により引上げ結晶が有転位化してしまったり、期待したほど原料融液にドープされなかったりするのを防ぐことができる。したがって、実際に原料融液に溶解して結晶に取り込まれる真のドープ速度を速めることができ、短時間で効率良くドープすることができる。このため、ドープのロスを少なくし、製造コストを低減することができる。

また、前記吹付装置の前記チューブは２本以上に分岐しており、該分岐の各先端に開けられた１つ以上の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものとすることができる。
また、前記吹付装置の前記チューブの先端に開けられた複数の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものとすることもできる。

これらのような複数の吹付口を有するものであれば、原料融液にドープする際のドーパントの局在化を効率良く防ぐことができる。

あるいは、前記吹付装置は、前記チューブの先端に脱着可能なアダプタが装備されており、該アダプタに開けられた複数の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものとすることができる。

このようなアダプタに複数の吹付口を有するものであっても、原料融液にドープする際のドーパントの局在化を効率良く防ぐことができる。

さらに上記の場合、前記吹付装置の前記チューブは２本以上に分岐しており、該分岐の各先端に前記アダプタが装備されているものとすることができる。

このようなものであれば、より一層、ドーパントの局在化を防ぎ、より効率良くドープすることが可能である。

また、前記吹付装置は、前記複数の吹付口を塞ぐ脱着可能なキャップを備えたものとすることができる。

このようなキャップを備えたものであれば、例えば引上げ条件等に応じて、不要な吹付口にキャップをして塞ぎ、必要な複数の吹付口のみ開放してドープを行うことができる。キャップの脱着によってドープ量、原料融液へのドーパントの吹付け領域を調整することができる。

また、前記ドーパントは、燐またはヒ素とすることができる。

これらは昇華性ドーパントとして従来からよく用いられているので、本発明が好適である。

以上のように、本発明によれば、昇華性ドーパントをガスドープする際の、原料融液中のドーパントの局在化を抑制することができる。したがって、ドーパントの局在化を起因とする、蒸発量の増加、蒸発物等の付着による引上げ結晶の有転位化、ドープ量の不足を防ぐことができ、短時間で効率良くドープすることが可能である。その結果、単結晶の製造歩留りが向上する。

本発明の単結晶引上げ装置の一例を示す概略図である。 吹付装置の一例を示す側面図である。 吹付装置の一例を示す平面図である。 吹付装置の別の一例を示す概略図である。 吹付装置の別の一例を示す概略図である。 従来の単結晶引上げ装置の一例を示す概略図である。 従来の吹付装置の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明のチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置の一例を示す。この単結晶引上げ装置１は、チャンバー２（メインチャンバー２ａ、引上げチャンバー２ｂ）を有している。メインチャンバー２ａ内に配置された黒鉛ルツボ６内の石英ルツボ５の内部にシリコンメルト（原料融液）４が満たされており、シリコン単結晶３は、この原料融液４から引上げチャンバー２ｂ内に引上げられる。原料融液４を加熱するためのヒーター７は黒鉛ルツボ６の外周に設置され、このヒーター７の外周にはヒーター７からの熱を断熱するために断熱部材８と黒鉛シールド９が設置されている。

ガス導入口１０からは単結晶引上げ装置１内を満たすアルゴン等の不活性ガスが導入され、ガスはガス整流筒１３に沿って流動し、ガス流出口１１から排気される。また、ガス整流筒１３の原料融液４側には、ヒーター７や原料融液４からの放射を遮断する遮熱部材１２が設置されている。
さらに、単結晶引上げ装置１の外には放射温度計１４が設置されており、この位置では断熱部材８の一部が除かれ黒鉛シールド９の温度を測定できるようになっている。

また、ドーパント供給手段１５は単結晶の育成中に昇華性ドーパント（単に、ドーパントともいう）を原料融液４に供給するものであり、投入装置１６、昇華室１７、キャリアガス導入装置１８、吹付装置１９を備えている。
投入装置１６はチャンバー２の外部に設けられ、連結チューブ２０を備えており、チャンバー２の内部に設けられた昇華室１７と連結されている。また、ドーパントを収納しており、連結チューブ２０を介して昇華室１７へドーパントを投入する装置である。収納されたドーパントを投入する量を適宜調整できる機構を有していればよい。例えば、揺動を利用してドーパントを所定速度で投入するものとすることができる。
ドーパントは昇華性のもので、原料融液にガスドープできるものであればよく特に限定されないが、例えば、従来から用いられている燐やヒ素が挙げられる。

昇華室１７は、投入装置１６から投入されたドーパントを保持する部屋である。そして、チャンバー２の内部に設けられており、チャンバー２内の雰囲気の熱により、保持する昇華性ドーパントを昇華させる部屋でもある。効率良く昇華させることができるように、そのチャンバー２内での配置は適宜決めることができる。

また、昇華室１７は連結チューブ２０を介してキャリアガス導入装置１８とも連結されている。キャリアガス導入装置１８は、例えばアルゴン等のキャリアガスを、連結チューブ２０を介して昇華室１７に導入するものである。昇華室１７に導入されたキャリアガスは、昇華されたドーパントと一緒に、吹付装置１９によって原料融液面に到達する。
導入するキャリアガスの流量は、昇華後のドーパントが原料融液４まで届くのに必要な流量で、かつドーパントを吹き付けることで原料融液４が単結晶の育成に不都合なほど振動しない範囲であることが望ましい。

また、吹付装置１９は、昇華室１７からの昇華されたドーパントとキャリアガスを原料融液面に吹付けるものである。本発明においては、この吹付装置１９は昇華室１７とつながるチューブ（なお、ここではドープチューブ２１とする）と複数の吹付口２２を備えている。

以下、この吹付装置１９（ドープチューブ２１と複数の吹付口２２）の実施態様について以下に詳述するが、これらに限定されるものではない。
（第１の実施態様）
図２Ａおよび図２Ｂに吹付装置の一例を示す。図２Ａは側面図であり、図２Ｂは平面図である。
ドープチューブ２１は２本以上に分岐している。ここでは一例として７本に分岐している例を示すが、分岐数は限定されず、所望のドープ速度等に応じて適宜決めることができる。

また、分岐した各々のドープチューブ２１の先端には穴が１つ開けられており、昇華室１７からのドーパントはキャリアガスと共に、この穴から原料融液面に吹付けられる。すなわち、この穴が吹付口２２の役割を担っている。複数の分岐の先端の穴からドーパントを吹付けるので、原料融液面に分散して吹付け可能である。
分岐したドープチューブ２１は、例えば図２Ｂに示すように、引上げるシリコン単結晶３の周囲を囲むように環状に配置することができる。ここではシリコン単結晶３の周囲の１／３程度の範囲に配置した例を示すが、これに限定されず、全周囲を囲むように配置することもできる。

一方で従来装置の構成では、例えば図６に示すように、ドープチューブ１２１は分岐しておらず１本しかなく、吹付口１２２も１つしかなくて、原料融液面の一領域に集中してドーパントが吹付けられてしまう。このような従来装置では、ドーパントが局在化してしまい、そのためにドーパントの蒸発量が増えてしまう。そして、蒸発したドーパントやその酸化物が舞い上がって引上げ中の結晶に付着してしまい、有転位化を引き起こしてしまう。また、蒸発量が多いために予定していた量が単結晶にドープされなかったりした。

これに対して本発明の単結晶引上げ装置１では、上記の吹付装置１９のように特には複数の吹付口２２が形成されているため、原料融液面の１箇所に集中して吹付けてしまうことを防ぐことができ、原料融液中のドーパントの局在化を抑制することができる。それにより、引上げ結晶の有転位化やドープ不足といった従来の問題の発生を抑制することができる。実際に原料融液に溶解する真のドープ速度を速めることができ、従来よりも極めて短時間で効率よくドープすることができる。その結果、従来に比べて製造コストを下げることができる。
このように、図２Ａ、図２Ｂのようなドープチューブ２１の分岐を利用することで、実に簡便に効率よくドーパントの局在化を防ぐことができる。

なお、図２Ａから分かるように、上記の先端の穴（吹付口２２）に対しては、それらを塞ぐことができる、脱着可能なキャップ２３を備えることができる。
図２Ａに示す例では、７つに分岐したドープチューブ２１の各々の先端に開けられた穴のうち、５つがキャップ２３で塞がれており、２つが開放されている。実際にシリコン単結晶を引き上げる際にガスドープを行う場合には、７つのうち２つ以上の穴が開放されていれば良い。キャップ２３の取付け、取外しによって、ドープ量、ドーパントの吹付け領域の調整を行うことができる。各種条件に応じて自由にキャップ２３の脱着を決定すればよく、ドープ条件の調整手段として利用することができる。

（第２の実施態様）
図３に吹付装置の別の一例を示す。この例では、ドープチューブ２１に分岐はなく１本しかないものの、その先端に複数の穴（吹付口２２）が開けられている。このような小さな穴を複数形成しておくことによっても、ドーパントの吹付けを分散させることができ、ドーパントの局在化を防ぐことができる。この場合、ドープチューブ２１の先端のみならず、側面にも吹付口２２を設けてもよい。

なお、第１の実施態様、第２の実施態様を組み合わせることもできる。すなわち、図２Ａ、図２Ｂに示す例では、７つに分岐したドープチューブ２１の先端には穴が１つずつしか開けられていない旨の説明をしたが、複数の穴を開けることも可能である。これにより、ドープチューブ２１の分岐により７つに分散させた上、各々の分岐の先端の複数の穴からさらに分散して原料融液面にドーパントを吹付けることも可能である。その結果、より一層局在化を防ぎ、均等に原料融液に取り込ませることができる。

（第３の実施態様）
図４に吹付装置の別の一例を示す。この例では、ドープチューブ２１の先端にアダプタ２４が脱着可能に取り付けられている。アダプタ２４には複数の穴が開けられており、これらが複数の吹付口２２を構成している。アダプタ２４の形状や穴の数等は自由に決定することができる。ドープチューブ２１に取り付けることができ、複数の吹付口２２から分散してドーパントを原料融液面に対して吹付けられるものであれば良い。
さらに、第１の実施態様、第３の実施態様を組み合わせて、ドープチューブ２１を複数に分岐させ、各分岐の先端に上記アダプタ２４を装着させたものとすることも可能である。

また、第３の実施態様においても、上述したキャップ２３を脱着可能に取り付けることができる。必要に応じてキャップ２３の取付け、取外しを行うことができ、シリコン単結晶３の製造の際に、複数の吹付口２２が開放されていて、ドーパントを分散して吹付けることができれば良い。

以下、実施例及び比較例を示して、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２、比較例）
本発明の単結晶引上げ装置と従来の単結晶引上げ装置を用意し、種々のドープ速度でガスドープしつつシリコン単結晶を引き上げた。より具体的には、吹付装置として、ドープチューブが分岐していない１箇所から原料融液にドープする、図５および図６に示す従来の装置（装置Ａ）（比較例）と、ドープチューブが７本に分岐している図２Ａおよび図２Ｂに示す本発明の装置（装置Ｂ）（実施例１、２）の２種類を用意し、それぞれの装置で単結晶の引上げを実施した。

なお、装置Ｂは引上げた単結晶を囲むように環状にドープチューブが配置されている。また装置Ｂのチューブの先端にはキャップが装着可能であり、穴を塞ぐことも可能である。

石英ルツボにシリコン多結晶を仕込み、原料を溶融し、ドーパントを投入してから種付けを行った。
Ｎ型の低抵抗率結晶はコーン工程で有転位化しやすいため、製造には細心の注意が必要である。コーンの拡がり方が強すぎると（１１１）のファセットが発生してその位置で有転位化してしまうため、コーンの拡がり速度を通常の結晶よりも遅くして、長いコーンを作る。
このとき、コーンを長くしすぎると時間も余計にかかり、ドーパントの蒸発量が益々増える。

初期ドープは、直胴０ｃｍで１．２５ｍΩｃｍとなるように予め初期ドープを行ってある。直胴工程の途中で所定の区間で途中ドープ（燐のガスドープ）を行った。規定の長さになったら丸め工程を行い、更にアフターヒート工程をして単結晶を冷却後、取り出した。

もし途中で結晶が有転位化してしまった場合には、結晶の溶かし直しを行い、操業時間が長くなった分の、蒸発したと推定される燐を直接原料融液に投入してドープしたのちに再び種付け工程を行った。
ここでは、ドープ速度はもっとも少ない条件を１．０の速度と表現する。結晶がＤＦ（無転位）となり成功した場合は徐々に速度を上げて引上げを行った。

比較例として、装置Ａの場合は途中ドープ用のキャリアガスは１．５Ｌ／ｍｉｎとした。キャリアガスは途中ドープを行わない時も流し続けている。ドープ速度が１．０から３．０まではＤＦで引き上がった。ドープ速度３．０の場合はドープ区間が５０ｃｍでドープ後の抵抗率が０．８７ｍΩｃｍとなっていた。
更にドープ速度を４．０としたが、数度のトライでいずれも有転位化した。

実施例１として、装置Ｂで７箇所を開放した場合はドープ速度６．０からトライした。途中ドープ用のキャリアガスは当初は３．０Ｌ／ｍｉｎで行ったが、抵抗率が低くならなかった。つまり燐が充分に原料融液にドープされなかったため、最終的には５．０Ｌ／ｍｉｎとした。キャリアガスについては流しすぎると異物が結晶に到達しやすくなって有転位化しやすくなり、少なすぎるとメインのＡｒガスに飛ばされて燐が原料融液にドープされにくくなってしまうため、バランスが重要である。結果としては、ドープ速度が６．０と９．０の場合には結晶がＤＦとなり、この時ドープ区間が３０ｃｍで抵抗率が０．８６ｍΩｃｍとなった。
なお、ドープ速度１２．０の場合では数度のトライで全て有転位化した。

実施例２として、装置Ｂで５箇所を塞いで２箇所のみを開放した場合も評価した。ドープ速度５．０ではＤＦとなった。この時、キャリアガスが３．０Ｌ／ｍｉｎで、ドープ区間が４０ｃｍでドープ後の抵抗率は０．８８ｍΩｃｍとなった。
ドープ速度が６．０では数度のトライでいずれも有転位化した。

引上げた結晶は円筒研削され、所定の位置からサンプルを切り出して抵抗率の測定を行った。測定された抵抗率は計算プログラムの値と比較して途中ドープした燐が原料融液に何％溶解したかを表す移行率を計算した。
計算プログラムでは、１０分区間で燐のマテリアルバランスを計算している。すなわち１０分区間で新たに作られた結晶中の燐と蒸発した燐を引いた分が原料融液の中に残った燐となる。途中ドープ区間では途中ドープした燐が加わった分が原料融液に残る燐となるが、原料融液に残る燐は移行率を掛けた分だけとなる。
結晶中の燐の濃度のプロファイルから抵抗率のプロファイルが得られる事となり、またそれは移行率の関数となる。実際に測定された抵抗率とフィッティングする事で移行率が計算できる。

このようにして求めたドープ速度、単結晶化の成功や失敗、移行率、真のドープ速度（ドープ速度×移行率）との関係を各装置ごとに、表１にまとめた。

まとめた表１からも分かるように、１箇所からだけドーパントを吹付けた比較例では、有転位化せずにドープするには、せいぜい３．０のドープ速度でしかドープできなかった。また真のドープ速度としても１．１程度であった。

これに対して、２箇所から分散してドーパントを吹付けた実施例２では、５．０ものドープ速度でドープでき、真のドープ速度は１．７５であった。すなわち、比較例に対して約１．６倍効率良くドープすることができた。

また７箇所から分散してドーパントを吹付けた実施例１では、９．０ものドープ速度でドープでき、真のドープ速度は２．７であった。すなわち、比較例に対して約２．５倍効率良くドープすることができた。
真のドープ速度を上げることで、短時間でドープすることができ、結晶のロスが減少し、単結晶の製造コストを低減できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…本発明の単結晶引上げ装置、 ２…チャンバー、 ２ａ…メインチャンバー、
２ｂ…引上げチャンバー、 ３…シリコン単結晶、
４…原料融液、 ５…石英ルツボ、 ６…黒鉛ルツボ、 ７…ヒーター、
８…断熱部材、 ９…黒鉛シールド、 １０…ガス導入口、 １１…ガス流出口、
１２…遮熱部材、 １３…ガス整流筒、 １４…放射温度計、
１５…ドーパント供給手段、 １６…投入装置、 １７…昇華室、
１８…キャリアガス導入装置、 １９…吹付装置、 ２０…連結チューブ、
２１…ドープチューブ、 ２２…吹付口、 ２３…キャップ、 ２４…アダプタ。

Claims (5)

1. ルツボに収容された原料を加熱して原料融液にするためのヒーターと、該ヒーターと前記ルツボを格納するチャンバーと、昇華性のドーパントを前記原料融液に供給するドーパント供給手段とを具備し、前記原料融液からシリコン単結晶をチョクラルスキー法で引上げる単結晶引上げ装置であって、
   前記ドーパント供給手段は、前記チャンバーの外部に設けられ、前記ドーパントを収納し、前記チャンバー内へ投入する投入装置と、前記チャンバーの内部に設けられ、前記投入装置から投入されたドーパントを保持して昇華させる昇華室と、該昇華室にキャリアガスを導入するキャリアガス導入装置と、該キャリアガス導入装置からのキャリアガスと一緒に、前記昇華室で昇華されたドーパントを前記原料融液面に吹付ける吹付装置とを備えており、
   該吹付装置は、前記昇華室とつながるチューブと複数の吹付口を備えており、前記原料融液面に前記昇華されたドーパントを、前記チューブを介して前記複数の吹付口から分散して吹付けるものであり、
   前記吹付装置の前記チューブは２本以上に分岐しており、該分岐の各先端に開けられた１つ以上の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものであることを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. 前記吹付装置の前記チューブの先端に開けられた複数の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
3. 前記吹付装置は、前記チューブの先端に脱着可能なアダプタが装備されており、該アダプタに開けられた複数の穴が、前記複数の吹付口を構成しているものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
4. 前記吹付装置は、前記複数の吹付口を塞ぐ脱着可能なキャップを備えたもの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単結晶引上げ装置。
5. 前記ドーパントは、燐またはヒ素であ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単結晶引上げ装置。
   

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