JPS61163188A - シリコン単結晶引上法における不純物のド−プ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は半導体シリコン単結晶（以下単結晶と略す）
引上法における不純物のドープ方法に関し、特に引上炉
のルツボに半導体シリコンを溶解後、溶融シリコン液中
に高濃度の不純物を含むシリコン細棒を浸漬溶解するこ
とにより、単結晶へのドープ量を自由に制御して、抵抗
値の目標に対するばらつきや、ずれの少ない単結晶を得
ることを可能にするとともに、得られる単結晶の大部分
をデバイスの始発材料として利用可能なものにする単結
晶への不純物のドープ方法に関するものである。

［従来の技術とその問題点］ 近年、引上法による単結晶を使って、デバイスを製作す
る場合デバイスの高度化にしたがって単結晶の使用可能
な抵抗値範囲は限定され、がっ、狭くなってくる傾向に
ある。

従来の引上法により単結晶を製造する場合、通常、目的
とする導電型と抵抗値に応じて不純物の必要量を秤量し
、原料シリコンと混合、同時溶解する方法がとられてい
る。これより単結晶を引上げると、不純物の偏析係数及
び引上条件に応じて、固化の始めと終りで結晶の長さ方
向に抵抗値が変化する。

特に、一般に使われるＮ型（燐をドープ）は、燐の偏析
係数から単結晶のトップ側（固化の始め）の抵抗値に対
してボトム側（固化の終り）は、大きな変化をきたすた
め単結晶の一部しかデバイスに供されず、他のところは
製品にならない場合がある。

このように、従来行なわれているような単結晶引上前に
原料シリコンとドーパント不純物とを混合、同時溶解す
る方法では、溶解時間（原料シリコンがルツボ内で全潰
する時間）が長かったり短かったりするため、不純物の
気相への揮散量に差が生じ、したがって、同じドーパン
ト量をドープしても、シリコン液相中の不純物濃度が各
バッチ毎に異なるような状況が起る。すなわち、仕込み
時の原料濃度がたとえ同じであっても、単結晶として出
来上がったもの一本毎比較すると、各単結晶間に抵抗値
の差が生ずるのみでなく、目標とする抵抗値からのずれ
が起る。

この様子を後記実施例１として示す。

実施例１より、単結晶一本毎の抵抗値の適中率のばらつ
きは１０％程度あり、このような状態はデバイス作製上
好ましいことではなく、できるかぎり目標とする抵抗値
に近く、ばらつきの少ない単結晶を得る方法が強く望ま
れている。

ばらつきの原因はＰＬ法（フォトルミネッセンス法）で
詳細に調べると、単結晶にとりこまれているドーパント
の燐の量のばらつきにあることが、判明したが、さらに
調査をすると、その第一の原因が、原料シリコンの溶解
時間を一定にできないこと、第二の原因が、ドープ材自
身の抵抗値のばらつきによること、が明らかとなった。

これらはいずれも解決されなければならない問題である
。

次にもう一つの問題点は、単結晶引上中に、引上に何ら
影響を与えず抵抗値のみを自由に制御する必要があるこ
とである。

この問題解決方法としては、たとえば、特開昭５２−４
０９６６、特開昭５８−１３０１９５゜特開昭５８−１
５８９９３、が提案されているが、これらはいずれも溶
融シリコン液中に、常時浸漬された導管を通じて、引上
途中にドーパント不純物を添加する方式のものである。

これらの方法では、高温のシリコン液に浸漬され続ける
導管より汚染物が溶出し、単結晶の物性を損ねること、
ドーパント不純物を投入する場合、アルゴン雰囲気中で
引上げてはいるが、投入時に空気中の酸素をまき込むお
それがあること、ドーパント投入時、引き上げ中のシリ
コン溶液の液面を乱し、単結晶をくずす危険が大きいこ
と、投入したドーパントがシリコン溶液に溶は終るまで
溶液中に浮遊し、これが引上中の単結晶に当り、単結晶
化を阻害すること、等の問題がある。

以上の問題を解決する手段として、特開昭５９−１９０
２９２ではドーパント不純物としてガスを用いる方法が
提供されている。しかし、この方法では、固体のドーパ
ントを用いる場合に較べて、ドーパントガスの供給量に
対する単結晶への、不純物の取り込み量の割合が極めて
低く、効率的でない上に、単結晶一本毎の抵抗値の適中
率のばらつきが原理上かなり大きいという問題がある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
のであり、単結晶のドープ連中率をあげること、及び、
単結晶化を乱すことなく、かつ、ドーパント供給量に対
する単結晶への取り込み量の割合を低下させずに、引上
中の単結晶の抵抗値を自由に制御するドープ方法を提供
することにある。

本発明の要旨は、引上炉内に予め高濃度の不純物を含む
シリコン細棒４を装填し、該シリコン細棒の所定量を溶
融シリコン内に溶解しドープすることに存する。

以下、本発明を図面を用い、実施例にもとづいて詳述す
る。

第１図は本発明による単結晶引上装置の概略を示す。

第１図において１は溶融シリコン、２は単結晶、３は種
結晶、４はドープ用シリコン細棒、５はシリコン細棒を
昇降する昇降装置、６はモーター、７はシリコン細棒の
昇降を制御するコントローラー、８は単結晶引上長さ測
定器（エンコーダー）を示し、単結晶引上機構（図示せ
ず）に連結されている。

次に本発明による単結晶引上方法を説明する。

本発明には、単結晶引上前に予めドープする方法と、引
上途中にドープする方法とが含まれる。

先ず、単結晶引上前にドープする方法について説明する
。

石英ルツボ９に多結晶を破砕した原料シリコンを装填し
、通常の加熱装置により加熱、溶解する。

次に、予めその濃度について測定済みの、燐、ボロン、
ヒ素、アンチモンの中の一種類のドーパント不純物量を
含むシリコン細棒４を昇降装置５により降下させ溶融シ
リコン１の液面に接触させて、予め設定した長さだけ静
かに下降浸漬し、一定長さのシリコン細棒、即ち、ドー
パントの一定量をドープし、その後、該細棒を上昇させ
る。その後、通常の引上方法により単結晶２を引上成長
させる。

次に、単結晶引上途中においてドープする方法について
説明する。

二のドープ方法を実施する前に、前記「単結晶引上前に
ドープする引上方法」による以下のデータを把握してお
く。

第２図は「単結晶引上前にドープする方法」により作成
した単結晶の引上長さと抵抗率の関係を示す。第２図に
示すごとく、単結晶の引上長さ方向の抵抗率分布を測定
し、製品合格部分（図の斜線部）の長さａを知っておく
。次に、第１図における単結晶引上機構に取付けた、引
上長さ測定器（エンコーダー）８のパルス量を、ドープ
装置のコントローラー７へ入力し単結晶２を引上げる。

単結晶引上長さが予め設定した製品合格長さａになった
とき、自動的に昇降装置５によりシリコン細棒４の所定
長さ、即ち、所定のドープ量を溶融シリコン１中に静か
に溶しこむ。このドープ量は別の製品規格に対応するド
ープ量であり、予めテストして定められる。引上を継続
し、所定の長さの単結晶を得る。

第３図は、本発明により作成された単結晶の長さ方向の
抵抗率分布を示し、横軸は引上長さ、縦軸は抵抗率分布
を示す。この様に、単結晶引上機。

中において、任意の所定量を正確にドープすることによ
り単結晶すの部分の抵抗値は任意に低下させることがで
きる。この結果、ｂの部分が製品合格部に追加され合格
率が格段に向上する。

又、シリコン細棒４と単結晶２間に電圧を加え。

シリコン細棒４が溶融シリコン１の液面に接触したとき
、シリコン細棒４と溶融シリコン１と引上単結晶２とを
通して電流が流れるごとくにしておけば、溶融液面を再
現性良く高精度に検出できる。

第４図はシリコン細棒４と単結晶２間に電位差を設けた
溶融液面検出装置を示す。

以下、本発明を実施例をあげて説明する。

［実施例１］ 本実施例は従来のドープ方法により実施した一実施例と
その結果を示す。

直径１２′　φの石英ルツボ中に、１０００乃至３００
０Ω−ａｍの多結晶２０Ｋｇを原料シリコンとして装填
し、その中に２　Ｘ　１０−”Ω−ｃｉ＋のドープ材８
２７■を投入し、０．０ＩＴｏｒｒまで真空引きした後
、アルゴン置換し、溶解する。その後、種結晶付け、肩
作りを行ない、所定長さに引上げを実施した。

第５図は、本実施例により得られた単結晶２０本のトッ
プ部の一本毎の抵抗値のばらつきを示す分布図である。

横軸はトップ部の抵抗値の狙いに対する外れを％で示し
、縦軸は度数を示している。

この結果より、中心値（狙い値）からの抵抗値の外れ（
図中Ｃの部分）Ｙは約１０％であり、ばらつきの標準偏
差値σは６．１％であった。これらの外れ（【）および
ばらつき（σ）は、前述のとおり、ＰＬ法で調査すると
ドーパントの燐の単結晶に取り込まれる量がばらついて
いるためであり、その原因は、原料多結晶シリコンがル
ツボ内で全港するするまでの溶解時間を一定にするのが
困難なために、燐の揮発量が時間に比例して変ることに
よりばらつくことと、投入されるドーパント自身の不純
物含有量がばらついていることとにある。

［実施例２］ 本実施例は本発明による一実施例とその結果な示す。

先ず、浮遊帯域法（ＦＺ法）により、抵抗率３ＸＩＯ″
″１Ω−ｃｍ、抵抗値ばらつき標準偏差２ＸＩＯ−’Ω
−■である長さ方向に均一な、長さ５００＋ａ＋ａ、断
面積ｔａｌｌのシリコン細棒を第一図の引上装置に取り
付ける。直径１２′　φの石英ルツボ中に１０００乃至
３０００Ω−ａｍの多結晶２０Ｋｇを原料シリコンとし
て装填し、０．０ＩＴｏｒｒまで真空引きした後、アル
ゴン置換し、溶解する。その後、昇降装置５によりシリ
コン細棒４を下降させ、シリコン溶液ｌに接触後、所定
長さ、即ち、所定ドープ量を正確に溶解した。

その後、種結晶付け、肩作りして引上げを行ない、直径
１００ｍｍφ、長さ８００１の単結晶を得た。

第６図は本実施例により得られた単結晶２０本のトップ
部の一本毎の抵抗値のばらつきを示す分布図である。

横軸および縦軸は第５図と同じである。

この結果、中心値（狙い値）からの抵抗率の外れ（第６
図中ｄの部分）（τ）は２％、ばらつきの標準偏差（σ
）は０．８％であった。これは、実施例１の従来方法に
よる結果゛である第５図の値より格段に改良されている
ことがわかる。

さらに、単結晶２への不純物の取り込み量を測定すると
、シリコン細棒４の溶解により供給された不純物の９５
％以上が取り込まれていた。

これは、不純物のドープ方法としてガスを用いる方法に
よる取り込み量の割合が２０％前後であるのに対して、
はるかに高い値を実現したものである。

［実施例３］ 本実施例は本発明による一実施例とその結果を示す。

抵抗値５　Ｘ　ｔｏ−’Ω−唾、６．５關Ｘ６．４画の
角型シリコン細棒４を第１図の引上装置に取り付けた。

直径１２′　φの石英ルツボ中に１０００乃至３０００
Ω−（１）の多結晶２０ｋｇを原料シリコンとして装填
し、０．０ＩＴｏｒｒまで真空引きした後アルゴン置換
し溶解した。

その後、実施例２のドープ方法と同じ方法で、所定量の
ドープ量２７．４ｕだけ溶解した。

その後、種結晶付けし、肩作りし、単結晶１００ｍｍφ
を４５０ｍの長さまで引きあげた。このところで。

引上を続行しながらシリコン細棒４を静かにシリコン溶
液中に９．９膿の長さを溶かしこんだ、引上はさらに続
行し、最終的に直径１００Ｍφ、長さ８００酎の単結晶
を得た。

得られた単結晶からウェーハを切り出し、ウェーハの中
央部の抵抗値を測定した結果を第７図に示す。縦軸は抵
抗値（Ω−口）を示し、横軸は単結晶の引上長さくｍｍ
）を表している。

線１２は理論抵抗値で、線１３は本実施例で得られた単
結晶の抵抗値である。

さらに第８図は、この単結晶を模式的に表したもので、
斜線部分は製品合格部を示している。

第７図に示すように、理論値と本テスト結果は良い一致
を示していることが判る。

本テストの結果、第８図の単結晶ｅの部分に加えて、引
上途中でもう一度ドーブすることにより、目的とする抵
抗の単結晶ｆの部分が得られた。

ｅの部分の長さは４２０ｍ＋Ｉ１．　　ｆの部分の長さ
は３３０ｆｆｌＩ１１であった。

［実施例４］ 本実施例は、実施例３において観察された単結晶化を妨
害すると予想される現象を解消するために行われたもの
である。すなわち、実施例３においては第９図に示すご
とく、溶融シリコン液面ｌＯとシリコン細棒４とが接す
る部分に、一部、結晶１１が成長する場合が見受けられ
た。

これはシリコン細棒４を伝わって熱が逃げるためであり
、これが大きくなれば該シリコン細棒引上の際、シリコ
ン液面１０を乱し、引上中の単結晶の単結晶成長を妨げ
るおそれがある。

これを防止するため、本実施例では、該細棒４の予熱、
該細棒４の溶解スピード、及び該細棒４の太さの検討を
行った。

この結果、シリコン細棒４を溶解する前、溶融シリコン
液面ｌＯ真上で１０乃至２０分子熱し、浸漬スピードを
０．０３ｍｍ／ｍ１１１．以下に保つことにより、シリ
コン細棒の断面積を１．０−まで増しても、単結晶成長
を妨げることな〈実施できることが判った。

ただし、これは本発明の装置での一実施例であり、該予
熱には例えば、レーザーをつかうなど、種々の手段があ
る。

しかしながら、シリコン細棒４をあまり太くすると、予
熱方法やその装置が複雑となるので１．０−以下が妥当
である。

尚、以上のごとく、シリコン細棒４の断面積、ドープ速
度、予熱時間を適当に選ぶことによりドープ時、及びド
ープ終了後、シリコン細棒４を上昇させるときの溶融シ
リコン液面１０の振動を防止することもできる。

［実施例５コ 本実施例は、本発明による一実施例をしめす。

製品単結晶の抵抗値のばらつきを小さくするためには、
溶融シリコン中に一定量のドーパントをドープする、即
ち一定長さのシリコン細棒を精度良く溶かし込む必要が
ある。

このため、第４図に示すごとく、シリコン細棒４と単結
晶２間に電圧を加えておくと、シリコン細棒が下降し先
端が溶融シリコン１の液面に接触したとき、溶融シリコ
ン１を通して電流が流れる。

このことにより、液面位置を再現性良く正確に検出した
。その後、所定の長さのシリコン細棒を溶解した。

この液面検出方法および装置を、たとえば前記実施例２
、又は実施例３に使用することにより、単結晶の抵抗狙
い値に対する高い連中率およびばらつきの小さい単結晶
を得ることができた。

［発明の効果］ 本発明によれば一定量のドーパントを正確にドープする
ことができることから、狙い抵抗中心値からの外れ（２
）が小さく又、一本毎の抵抗値のばらつき（σ）の少な
い単結晶を得ることができる。

又、単結晶引上途中において、所定量のドープが精度良
くできるから、従来法では抵抗外れで不合格になった単
結晶部分もほとんど合格とすることができ、単結晶取得
率は格段に向上する。

しかも；単結晶への不純物の取り込み率は、浜給された
不純物の９５％に達し、ガスを用いてドーピングする方
法に較べてはるかに効率が良い。

更に、ドープ操作は全て引上装置外からできるので、ド
ープ材投入に伴う空気の巻込みがなくなす、単結晶には
好ましくない不純物を混入するおそれがなくなる。

又、シリコン細棒の断面積、ドープ速度、予熱時間を本
発明の実施例に従って適当に選ぶことにより、ドープ時
及び、ドープ終了後、シリコン細棒を上昇させるときの
液面振動を防止することができ、単結晶化を阻害する二
となく引上を続行することができる。

以上、述べたごと〈従来のドープ方法に較べ本発明の方
法によれば、格段に優れた効果が得られるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による単結晶引上装置の概略を示す断面
図。 第２図は本発明の、単結晶引上前にドープする方法によ
り作成した単結晶の引上長さの抵抗率分布を示す図。 第３図は本発明の、引上途中にドープする方法により作
成した単結晶の、長さ方向の抵抗率分布を示す図。 第４図は単結晶とシリコン細棒間に電位差を設けた液面
検出装置の概念図。 第５図は従来のドープ法による単結晶トップ部の抵抗値
のばらつきを示す分布図。 第６図は本発明の一実施例による単結晶トップ部の抵抗
値のばらつきを示す分布図。 第７図は本発明の、引上途中にドープする方法により作
成した単結晶の、長さ方向の抵抗率を、理論抵抗率と比
較した図。 第８図は引上途中にドープする方法により作成した単結
晶の模式図。 第９図は溶融シリコン液面とシリコン細棒が接する部分
に一部結晶が成長する状態を示す図。 特許出願人　　小松電子金属株式会社 第１ｖＡ 第２図　　　　　　第３図 ６１上長で　　　　　　　　　　３１上長フ第４図 第５図　　　　　　第６図 １１上＆で

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体シリコン単結晶引上法における不純物のドー
   プ方法において、引上炉内に予め高濃度の不純物を含む
   シリコン細棒（４）を装填し、該シリコン細棒の所定量
   を溶融シリコン内に溶解し、ドープすることを特徴とす
   る不純物のドープ方法。 ２、シリコン細棒（４）が、該シリコン単結晶引上開始
   前に溶融シリコンに溶解される特許請求の範囲１項記載
   の不純物のドープ方法。 ３、シリコン細棒（４）が、該シリコン単結晶引上途中
   に溶融シリコンに溶解される特許請求の範囲第１項記載
   の不純物のドープ方法。 ４、シリコン細棒（４）の断面積が１ｃｍ＾２以下であ
   る特許請求の範囲第１項記載の不純物のドープ方法。 ５、シリコン細棒（４）に含有される不純物が、燐、ボ
   ロン、ヒ素、アンチモンの中から選択された一種類であ
   る特許請求の範囲第１項記載の不純物のドープ方法。 ６、該シリコン単結晶引上途中、該シリコン単結晶が予
   め定められた長さ又は重量になつたとき、シリコン細棒
   （４）が自動的に下降し、一定量ドープする特許請求の
   範囲第１項記載の不純物のドープ方法。 ７、シリコン細棒（４）と該シリコン単結晶（２）間に
   電位差を設け、シリコン細棒（４）が下降し、溶融シリ
   コン（１）に接触したとき、シリコン細棒（４）と溶融
   シリコン（１）とシリコン単結晶（２）間に電流が流れ
   ることを利用して、シリコン細棒（４）を一定量正確に
   ドープする特許請求の範囲第１項記載の不純物のドープ
   方法。