JP7272343B2 - ｎ型シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ｎ型シリコン単結晶の製造方法に関する。

近年、携帯電話機等の携帯機器が広く普及している。こうした携帯機器では、長時間携行して使用可能なことが強く求められており、携帯機器に内蔵されるバッテリーの大容量化や、携帯機器自体の消費電力を低減させる取り組みがなされている。
携帯機器自体の消費電力を低減させるには、携帯機器の内部に搭載される半導体デバイスの消費電力を低減させることが必要である。

例えば、携帯機器の電力用デバイスとして使用される低耐圧パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semi Conductor Field Effect Transistor）は、通電状態となったときにその内部にある一定の電気抵抗を有するので、低耐圧パワーＭＯＳＦＥＴに流れる電流に応じてそれ自身が電力を消費する。
したがって、低耐圧パワーＭＯＳＦＥＴが通電状態となったときの内部抵抗を小さくすることができれば、携帯機器の消費電力を低減させることが可能となる。そのような背景から、低耐圧パワーＭＯＳＦＥＴが通電状態となったときの抵抗を小さくするために、低電気抵抗率（以下低抵抗率と称す）のｎ型シリコン単結晶が強く求められている。

従来のシリコン単結晶の製造方法では、シリコン単結晶の電気抵抗率が全体で一定となるように、電気抵抗率（以下、抵抗率と称す）を狙い値に制御して引き上げが行われている。
ところで、このような低抵抗率のシリコン単結晶は、チョクラルスキー法等により引き上げて製造する場合、引き上げ途中で有転位化が発生し易いということが知られている。
特許文献１には、シリコン単結晶の引き上げ終了間際のテール部分において、ドーパントの濃度が高くなり、組成的過冷却に起因する異常成長が発生する点に着目して、テール部分における抵抗率を上げていき、テール部分における有転位化の発生を防止する技術が開示されている。

特開２０１０－１８４８３９号公報

前記特許文献１に記載の技術を、低抵抗率のｎ型シリコン単結晶の引き上げに利用しようとすると、揮発性ドーパントである赤リン、ヒ素等のｎ型ドーパントが引き上げ中に蒸発してしまい、所望する低抵抗率範囲となるシリコン単結晶を製造することができない、または、ｎ型ドーパントの添加量増加に伴い、シリコン単結晶の直胴開始部における有転位化が発生するという課題がある。
この場合、種結晶を坩堝内融液に着液させ、再度引き上げを行うこととなるが、引き上げを繰り返せば、シリコン単結晶のインゴットの製造コストが上昇するという課題がある。

本発明の目的は、製造コストを上昇させることがなく、低抵抗率のｎ型シリコン単結晶を得ることのできるｎ型シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明は、直胴部開始位置における有転位化の発生に着目し、直胴部開始位置における抵抗率を、狙い値よりも大きな抵抗率とし、その後、順次抵抗率を下げていくことにより、直胴部開始位置における有転位化の発生を防止することをその要旨とする。

具体的には、本発明のｎ型シリコン単結晶の製造方法は、赤リンを主たるドーパントとして含むルツボ内のシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて成長させるｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、前記ルツボの内径を前記シリコン単結晶の引き上げ時の直胴径に対して１．７倍以上、２．３倍以下とし、前記シリコン単結晶の直胴部開始位置における電気抵抗率を、０．８０ｍΩｃｍ以上、１．０５ｍΩｃｍ以下に制御し、その後、前記シリコン単結晶を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶の電気抵抗率を下げていき、前記シリコン単結晶の一部の電気抵抗率を、０．５ｍΩｃｍ以上、０．７ｍΩｃｍ以下とすることを特徴とする。

この発明によれば、ルツボの内径をシリコン単結晶の引き上げ時の直胴径に対して１．７倍以上、２．３倍以下とし、シリコン単結晶の直胴部開始位置における抵抗率を０．８ｍΩｃｍ以上、１．０５ｍΩｃｍ以下とすることにより、直胴部開始位置における有転位化の発生を防止することができるので、シリコン単結晶の再度の引き上げの繰り返しを防止して、製造コストが上昇することなく、赤リンをドーピングした低抵抗率のシリコン単結晶を製造することができる。

本発明のｎ型シリコン単結晶の製造方法は、ヒ素を主たるドーパントとして含むルツボ内のシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて成長させるｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、前記ルツボの内径を前記シリコン単結晶の引き上げ時の直胴径に対して１．７倍以上、２．３倍以下とし、前記シリコン単結晶の直胴部開始位置における電気抵抗率を、１．９０ｍΩｃｍ以上、２．３０ｍΩｃｍ以下に制御し、その後、前記シリコン単結晶を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶の電気抵抗率を下げていき、前記シリコン単結晶の一部の電気抵抗率を、１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下とすることを特徴とする。
この発明によれば、前記と同様の作用および効果により、製造コストが上昇することなく、ヒ素をドーピングした低抵抗率のシリコン単結晶を製造することができる。

本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の引き上げ装置の構造の一例を示す模式図。 前記実施形態における赤リンをドーパントとした場合のシリコン単結晶の直胴長さと、抵抗率の関係を示すグラフ。 前記実施形態における赤リンをドーパントとした場合のシリコン単結晶における直胴長さと占有率[％]（分母；全try数、分子；有転位化or全長無転位try数）との関係を示すグラフ。 前記実施形態におけるヒ素をドーパントとした場合のシリコン単結晶の直胴長さと、抵抗率の関係を示すグラフ。 前記実施形態におけるヒ素をドーパントとした場合のシリコン単結晶における直胴長さと占有率[％]（分母；全try数、分子；有転位化or全長無転位try数）との関係を示すグラフ。

［１］シリコン単結晶の引き上げ装置１の構造
図１には、本発明の実施形態に係るｎ型シリコン単結晶の製造方法を適用できるシリコン単結晶の引き上げ装置１の構造の一例を表す模式図が示されている。引き上げ装置１は、外郭を構成するチャンバ２と、チャンバ２の中心部に配置されるルツボ３とを備える。
ルツボ３は、内側の石英ルツボ３Ａと、外側の黒鉛ルツボ３Ｂとから構成される二重構造であり、回転および昇降が可能な支持軸４の上端部に固定されている。

ルツボ３の内側の石英ルツボ３Ａの内径は、シリコン単結晶１０の引き上げ時の直胴径に対して、１．７倍以上、２．３倍以下とされる。
具体的には、シリコン単結晶１０の直胴径が２０１ｍｍ以上、２３０ｍｍ以下である場合、石英ルツボ３Ａの内径は、シリコン単結晶１０の直胴径の２．１倍以上、２．３倍以下とするのが好ましい。一方、シリコン単結晶１０の直胴径が３０１ｍｍ以上、３３０ｍｍ以下である場合、石英ルツボ３Ａの内径は、シリコン単結晶１０の直胴径の１．７倍以上、２．０倍以下とするのが好ましい。

ルツボ３の外側には、ルツボ３を囲む抵抗加熱式のヒータ５が設けられ、その外側には、チャンバ２の内面に沿って断熱材６が設けられている。
ルツボ３の上方には、支持軸４と同軸上で逆方向または同一方向に所定の速度で回転するワイヤなどの引き上げ軸７が設けられている。この引き上げ軸７の下端には種結晶８が取り付けられている。

チャンバ２内には、筒状の熱遮蔽板１２が配置されている。
熱遮蔽板１２は、育成中のシリコン単結晶１０に対して、ルツボ３内のシリコン融液９やヒータ５やルツボ３の側壁からの高温の輻射熱を遮断するとともに、結晶成長界面である固液界面の近傍に対しては、外部への熱の拡散を抑制し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を制御する役割を担う。

チャンバ２の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ２内に導入するガス導入口１３が設けられている。チャンバ２の下部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ２内の気体を吸引して排出する排気口１４が設けられている。
ガス導入口１３からチャンバ２内に導入された不活性ガスは、育成中のシリコン単結晶１０と熱遮蔽板１２との間を下降し、熱遮蔽板１２の下端とシリコン融液９の液面との隙間（液面Ｇａｐ）を経た後、熱遮蔽板１２の外側、さらにルツボ３の外側に向けて流れ、その後にルツボ３の外側を下降し、排気口１４から排出される。

このような育成装置を用いたシリコン単結晶１０の育成の際、チャンバ２内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ３に充填した多結晶シリコンなどの固形原料をヒータ５の加熱により溶融させ、シリコン融液９を形成する。ルツボ３内にシリコン融液９が形成されると、引き上げ軸７を下降させて種結晶８をシリコン融液９に浸漬し、ルツボ３および引き上げ軸７を所定の方向に回転させながら、引き上げ軸７を徐々に引き上げ、これにより種結晶８に連なったシリコン単結晶１０を育成する。

［２］シリコン単結晶１０の製造方法
前述した引き上げ装置１を用いて本実施形態のシリコン単結晶１０を製造する場合、シリコン融液９中に、赤リンまたはヒ素を主たるドーパントとして、引き上げ当初に添加したり、または引き上げ中に適宜添加することにより、製造することができる。赤リンまたはヒ素を主たるドーパントとする場合、ｎ型ドーパントのうち５０質量％以上を赤リンまたはヒ素とするが、さらに他のドーパントを添加してもよい。
赤リンをドーパントとした場合では、シリコン単結晶１０の直胴部開始位置で、抵抗率を０．８０ｍΩｃｍ以上、１．０５ｍΩｃｍ以下に制御し、その後、シリコン単結晶１０を引き上げて成長させるにつれて、順次シリコン単結晶１０の抵抗率を下げていき、最終的に０．５ｍΩｃｍ以上、０．７ｍΩｃｍ以下、特に直胴長最後部では０．６ｍΩｃｍ未満のシリコン単結晶１０を得る。

同様に、ヒ素をドーパントとした場合は、シリコン単結晶１０の直胴部開始位置で、抵抗率を１．９０ｍΩｃｍ以上、２．３０ｍΩｃｍ以下に制御し、その後シリコン単結晶１０を引き上げて成長させるにつれて、順次シリコン単結晶１０の抵抗率を下げていき、最終的に１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下のシリコン単結晶を得る。
本実施形態のシリコン単結晶１０のインゴットは、一般的な引き上げ条件で引き上げることができる。その際、ルツボ３内のシリコン融液９における赤リンやヒ素といったドーパント濃度を増加させる手段としては、引き上げ中にドーパントを添加したり、引き上げに伴う偏析現象によるドーパント濃度の上昇を利用したり、チャンバ２内に導入される不活性ガスの導入量を変化させてドーパントの蒸発を抑制したり、チャンバ２内の圧力を変化させることが挙げられる。

具体的には、シリコン単結晶１０の直胴部引き上げの前半においては、ドーパントの蒸発を抑制し、ルツボ３内のシリコン融液９におけるドーパント濃度を上げたい場合、Ａｒ流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～１５０Ｌ／ｍｉｎ、炉内圧を４０ｋＰａ～８０ｋＰａとする。
一方、シリコン単結晶１０の直胴部引き上げの後半においては、ドーパントの蒸発を促進し、シリコン単結晶１０の育成の進行に伴う偏析によるドーパント濃度の濃化と相殺させて、ルツボ３内のシリコン融液９におけるドーパント濃度を維持したい場合、Ａｒ流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～２００Ｌ／ｍｉｎ、炉内圧を２０ｋＰａ～８０ｋＰａとする。

このような引き上げ装置１で引き上げられたシリコン単結晶１０の一部は、赤リンをドーパントとした場合、シリコン単結晶１０のテールに近い部分で、抵抗率が０．５ｍΩｃｍ以上、０．６ｍΩｃｍ未満のシリコン単結晶１０のインゴットが得られる。
当該部分をワイヤーソー等でシリコンウェーハに切り出し、切り出されたシリコンウェーハにラッピング工程、研磨工程を施すことにより、抵抗率０．５ｍΩｃｍ以上、０．６ｍΩｃｍ未満のシリコンウェーハを得ることができる。
さらに、シリコンウェーハの加工後、アニール熱処理を行った後、シリコンウェーハの表面に、エピタキシャル成長膜を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハを製造し、顧客に出荷する。

一方、ヒ素をドーパントとした場合、シリコン単結晶１０のテールに近い部分で、抵抗率が１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下のシリコン単結晶１０が得られる。
当該部分をワイヤーソー等でシリコンウェーハに切り出し、切り出されたシリコンウェーハにラッピング工程、研磨工程を施した後、顧客に出荷する。顧客では、必要に応じてエピタキシャル成長膜を形成し、半導体の製造を行う。

実施例において、結晶径２０１ｍｍ～２３１ｍｍのシリコン単結晶１０を引き上げるに際し、ルツボ３の内径と結晶径の比率（＝ルツボ３の内径／結晶径）を１．８～２．３とし、チャージ量を８０ｋｇ～１８０ｋｇとし、引き上げ速度を０．３ｍｍ／ｍｉｎ～１．０ｍｍ／ｍｉｎとし、結晶回転数を９ｒｐｍ～１７ｒｐｍとした。
また、シリコン単結晶１０の直胴部前半では、アルゴンガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～１５０Ｌ／ｍｉｎとし、炉内圧を４０ｋＰａ～８０ｋＰａとした。シリコン単結晶１０の直胴部後半では、Ａｒ流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～２００Ｌ／ｍｉｎ、炉内圧を２０ｋＰａ～８０ｋＰａとした。

［１］赤リンをドーパントとした場合
シリコン単結晶１０の直胴長の位置に応じて、赤リンドーパントの添加、Ａｒ流量、炉内圧、液面からの熱遮蔽板１２の高さ位置の変更、若しくはシリコン単結晶１０の引き上げ速度の変更、およびこれらの組み合わせによって、抵抗率制御を行いながら、赤リンをドーピングしたシリコン単結晶１０の引き上げを行った。結果を表１および図２に示す。なお、以下の説明において、直胴長０％位置とは、シリコン単結晶１０の直胴部開始位置を意味し、直胴長１００％位置とは、シリコン単結晶１０のテール開始位置を意味する。

また、それぞれの場合における有転位化発生の有無についても検討した。結果を表２および図３に示す。なお、シリコン単結晶は、２０１ｍｍ以上、２３０ｍｍ以下の範囲で直径の制御を行い、２００ｍｍ用ウェーハの単結晶を得た。また、表２中、直胴合格長さとは、抵抗率が合格かつ無転位である直胴領域の長さを、直胴全長さで割った値であり、占有率は、有転位化try数／全try数または全長無転位try数／全try数である。

比較例１のシリコン単結晶は、表２および図３からわかるように、直胴部開始位置から８０ｍｍまでの有転位化発生率が５％と高い確率で有転位化の発生を防止できるが、表１および図２からわかるように、直胴長１００％位置においても、抵抗率０．７ｍΩｃｍの低下に留まり、抵抗率０．７ｍΩｃｍ以下の低抵抗率のシリコン単結晶を製造することができない。
比較例２のシリコン単結晶は、表１および図２からわかるように、直胴部開始位置から８０ｍｍから直胴長２０％の位置までで、すべて有転位化が発生し、シリコン単結晶を製造することができなかった。

これに対して、実施例１のシリコン単結晶は、直胴部開始位置から６０％の位置で抵抗率を０．７ｍΩｃｍ以下とすることができ、しかも直胴部開始位置から８０ｍｍの位置における有転位化発生率を２２％に抑制することができ、０．７ｍΩｃｍ以下の低抵抗率のシリコン単結晶を製造することができることが確認された。特に、直胴長９０％以上では、これまで製造できなかった０．６ｍΩｃｍ未満という極めて低抵抗率の単結晶を製造することができることが確認された。

同様に、実施例２のシリコン単結晶は、直胴部開始位置から３０％の位置で抵抗率を０．７ｍΩｃｍ以下とすることができ、しかも直胴部開始位置から８０ｍｍの位置における有転位化発生率を４４％に抑制することができ、０．７ｍΩｃｍ以下の低抵抗率のシリコン単結晶を製造することが確認された。特に、直胴部長６５％以上では、これまで製造できなかった０．６ｍΩｃｍ未満という極めて低抵抗率の単結晶を製造することができることが確認された。

［２］ヒ素をドーパントとした場合
シリコン単結晶の直胴長の位置に応じて、ヒ素ドーパント添加による抵抗率制御を行いながら、ヒ素をドーピングしたシリコン単結晶の引き上げを行った。結果を表３および図４に示す。

また、それぞれの場合における有転位化発生の有無についても検討した。結果を表４および図５に示す。

比較例３のシリコン単結晶は、表４および図５からわかるように、直胴部開始位置から８０ｍｍまでの有転位化発生率が６％と低く、有転位化の発生を防止できるが、表３および図４からわかるように、直胴長１００％位置においても、抵抗率１．５ｍΩｃｍの低下に留まり、抵抗率１．４ｍΩｃｍ以下の低抵抗率のシリコン単結晶を製造することができない。
比較例４のシリコン単結晶は、表３および図４からわかるように、直胴部開始位置から８０ｍｍから直胴長２０％の位置までで、すべて有転位化が発生し、シリコン単結晶を製造することができなかった。

これに対して、実施例３のシリコン単結晶は、直胴部開始位置から８５％の位置で抵抗率を１．４ｍΩｃｍ以下とすることができ、しかも直胴部開始位置から８０ｍｍの位置における有転位化発生率を９％に抑制することができ、１．４ｍΩｃｍ以下の低抵抗率シリコン単結晶を製造できることができることが確認された。
同様に、実施例４のシリコン単結晶は、直胴部開始位置から５５％の位置で抵抗率を１．４ｍΩｃｍ以下とすることができ、しかも直胴部開始位置から８０ｍｍの位置における有転位化発生率を３８％に抑制することができ、１．４ｍΩｃｍ以下の低抵抗率シリコン単結晶を製造できることが確認された。

以上のように、赤リンをドーパントとして含むシリコン融液９から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶１０を引き上げる場合、シリコン単結晶１０の直胴部開始位置における抵抗率を、０．８０ｍΩｃｍ以上、１．０５ｍΩｃｍ以下に制御し、その後、シリコン単結晶１０を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶１０の抵抗率を下げていくことにより、シリコン単結晶１０の一部の抵抗率を、０．５ｍΩｃｍ以上、０．７ｍΩｃｍ以下、特に、これまで得られなかった０．６ｍΩｃｍ未満という極めて低抵抗率とすることができ、かつシリコン単結晶１０の有転位化の発生を抑えることができた。

同様に、ヒ素をドーパントとして含むシリコン融液９から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶１０を引き上げる場合、シリコン単結晶の直胴部開始位置における抵抗率を、１．９０ｍΩｃｍ以上、２．３０ｍΩｃｍ以下に制御し、その後、シリコン単結晶１０を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶の抵抗率を下げていくことにより、シリコン単結晶１０の一部を、１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下とすることができ、かつシリコン単結晶１０の有転位化の発生を抑えることができた。

１…引き上げ装置、２…チャンバ、３…ルツボ、３Ａ…石英ルツボ、３Ｂ…黒鉛ルツボ、４…支持軸、５…ヒータ、６…断熱材、７…引き上げ軸、８…種結晶、９…シリコン融液、１０…シリコン単結晶、１２…熱遮蔽板、１３…ガス導入口、１４…排気口。

Claims (5)

1. 赤リンを主たるドーパントとして含むルツボ内のシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて成長させるｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、
   前記ルツボの内径を前記シリコン単結晶の引き上げ時の直胴径に対して１．７倍以上、２．３倍以下とし、
   前記シリコン単結晶の直胴部引き上げの前半においては、炉内圧あるいはＡｒ流量を制御して前記ドーパントの蒸発を抑制し、前記シリコン単結晶の直胴部引き上げの後半においては、直胴部引き上げの前半とは異なる条件で炉内圧あるいはＡｒ流量を制御して前記ドーパントの蒸発を促進し、前記シリコン単結晶の育成の進行に伴う偏析によるドーパント濃度の濃化と相殺させ、
   前記シリコン単結晶の直胴部開始位置における電気抵抗率を、０．８０ｍΩｃｍ以上、１．０５ｍΩｃｍ以下に制御し、
   その後、前記シリコン単結晶を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶の電気抵抗率を下げていき、前記シリコン単結晶の直胴部全長の４０％以上の直胴部の電気抵抗率を、０．５ｍΩｃｍ以上、０．７ｍΩｃｍ以下とすることを特徴とするｎ型シリコン単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載のｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、
   シリコン単結晶の直胴部全長の１０％以上の直胴部の電気抵抗率が０．５ｍΩｃｍ以上、０．６ｍΩｃｍ未満であることを特徴とするｎ型シリコン単結晶の製造方法。
3. ヒ素を主たるドーパントとして含むルツボ内のシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて成長させるｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、
   前記ルツボの内径を前記シリコン単結晶の引き上げ時の直胴径に対して１．７倍以上、２．３倍以下とし、
   前記シリコン単結晶の直胴部引き上げの前半においては、炉内圧あるいはＡｒ流量を制御して前記ドーパントの蒸発を抑制し、前記シリコン単結晶の直胴部引き上げの後半においては、直胴部引き上げの前半とは異なる条件で炉内圧あるいはＡｒ流量を制御して前記ドーパントの蒸発を促進し、前記シリコン単結晶の育成の進行に伴う偏析によるドーパント濃度の濃化と相殺させ、
   前記シリコン単結晶の直胴部開始位置における電気抵抗率を、１．９０ｍΩｃｍ以上、２．３０ｍΩｃｍ以下に制御し、
   その後、前記シリコン単結晶を引き上げて成長させるにつれて、順次前記シリコン単結晶の電気抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上、下げていき、前記シリコン単結晶の一部の電気抵抗率を、１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下とすることを特徴とするｎ型シリコン単結晶の製造方法。
4. 請求項３に記載のｎ型シリコン単結晶の製造方法であって、
   シリコン単結晶の直胴部全長の１７％以上の直胴部の電気抵抗率が１．２ｍΩｃｍ以上、１．４ｍΩｃｍ以下であることを特徴とするｎ型シリコン単結晶の製造方法。
5. 直胴部引き上げの前半では、前記ドーパントの蒸発を抑制するため、Ａｒ流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～１５０Ｌ／ｍｉｎ、炉内圧を４０ｋＰａ～８０ｋＰａとし、直胴部引き上げの後半では、前記ドーパントの蒸発促進するため、前記Ａｒ流量を５０Ｌ／ｍｉｎ～２００Ｌ／ｍｉｎ、前記炉内圧を２０ｋＰａ～８０ｋＰａと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ｎ型シリコン単結晶の製造方法。

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