JP4356517B2 - シリコン単結晶引上装置およびシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶を形成するためのシリコン単結晶引上装置およびシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

半導体デバイスなどの基板として用いられる単結晶シリコンウェハは、シリコン単結晶インゴットをスライスして、鏡面加工等を行うことにより製造される。こうしたシリコン単結晶インゴットの製造方法としては、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）などが挙げられる。このうち、ＣＺ法は、大口径の単結晶インゴットを得やすいことや、欠陥の制御が比較的容易であるなどの理由により、シリコン単結晶インゴットの製造の大部分を占める。

こうしたシリコン単結晶インゴットから製造される単結晶シリコンウェハに要求される重要な特性の１つとして比抵抗がある。この比抵抗は、シリコン単結晶中の不純物濃度に応じて変わり、その値は用途やユーザの規格等に応じて一定の範囲が要求される。このため、要求される比抵抗範囲に応じて、シリコン融液中に一定量の不純物（ドーパント）を予め添加して引上成長を行っている。しかし、引き上げられる半導体単結晶の比抵抗は、単結晶の成長が進むにつれてルツボ内のシリコン融液の減少して不純物濃度が変化するために、成長軸方向に徐々に低下する。

こうした、シリコン単結晶の成長軸方向の比抵抗変化を制御するために、例えば特許文献１には、導管を用いて引上途上でドーパント不純物を添加する装置が記載されている。また、特許文献２には、ドーパントを含有したシリコン細棒を坩堝内のシリコン融液に挿入してドーパントを添加する方法が記載されている。
特開平０５−０３２５４０号公報 特開平０６−２３４５９２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された単結晶引上装置のように、引上げ途上で導管からドーパント不純物を添加する方式では、所定の添加量のみを投入するために抵抗値の的中率は変わらないが、投入したドーパントがシリコン溶液に完全に溶融するまでシリコン融液に固体のドーパントが浮遊し、これが引上げ中のシリコン単結晶に接して単結晶化を阻害するという課題があった。

一方、特許文献２に記載された単結晶引上装置のように、ドーパントを含有したシリコン細棒でドーパントを添加する方式では、溶融前の固体のドーパントをシリコン融液に浮遊させることなく投入できるので、単結晶化を阻害する可能性は少ないものの、mg単位で要求されるドーパントの溶解量が融液の温度変化によりばらつきを生じさせ、結果的に抵抗値の的中率のばらつきも大きくなるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、異なる比抵抗範囲の半導体単結晶を効率的に得ることが可能なシリコン単結晶引上装置およびシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のシリコン単結晶引上装置によれば、シリコン融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータとを有し、チョクラルスキー法により成長軸方向において比抵抗分布が不連続なシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶引上装置であって、
前記シリコン単結晶の引上げ途上で前記シリコン融液に不純物を投入する不純物投入装置を備え、
前記不純物投入装置は、不純物を収容する収納容器と、この収納容器を前記ルツボ内に挿脱させる上下動装置とからなり、
前記収納容器は、筒状の胴部と、この胴部から一体に延びる先端部とからなり、該先端部は、先端部分が開放面を成し、前記胴部の幅よりも狭くなるように窄まって形成されるとともに、
前記収納容器の先端部の開口幅よりも粒径が大きい不純物を収納するか、前記先端部にシリコンプレートを設置した上で前記先端部の開口幅よりも粒径が小さい不純物を収納容器に収納するものとされることを特徴とする。
本発明は、シリコン融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータとを有し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶引上装置であって、前記シリコン単結晶の引上げ途上で前記シリコン融液に不純物を投入する不純物投入装置を備えたことを特徴とするシリコン単結晶引上装置が提供される。また、前記不純物投入装置は、不純物を収容する収納容器と、この収納容器を前記ルツボ内に挿脱させる上下動装置とから構成されれば良い。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、シリコン融液をからシリコン単結晶を引上げる引上工程と、前記引上工程の途上で前記シリコン融液に不純物を投入する不純物投入工程とを有し、成長軸方向において比抵抗分布が不連続なシリコン単結晶を得ることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法が提供される。

本発明のシリコン単結晶引上装置によれば、収納容器内で不純物を溶解させつつ石英ルツボ内のシリコン融液に拡散させることによって、シリコン融液に固形の不純物が漂ってシリコン単結晶インゴットの成長を阻害したり、シリコン融液７の温度変化によって不純物の溶解量にばらつきが生じるといったことがない。こうした不純物投入工程を経たシリコン単結晶インゴットは、成長軸方向に不連続に不純物濃度が変化する。

こうした工程を経て引上げられたシリコン単結晶インゴットは、不純物投入工程の前後出で成長軸方向に比抵抗分布が不連続に変化している。これによって、用途やユーザの規格等に応じて、成長軸方向に不連続に異なる比抵抗範囲を持つシリコン単結晶インゴットを効率的に得ることが可能になる。

本発明のシリコン単結晶引き上げ装置によれば、得ることを可能にする。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のシリコン単結晶引上装置の概略を示す一部破断斜視図である。また図２はシリコン単結晶引上装置の断面図である。シリコン単結晶引上装置１０は、略円筒形の外殻１１を備え、内部にシリコンを溶融して貯留する石英ルツボ１２を収容する。外殻１１は、例えば内部に一定の隙間を形成した二重壁構造であればよく、この隙間に冷却水１３を流すことによって、石英ルツボ１２を加熱した際に外殻１１が高温化することを防止する。

また、外殻１１には、給排気管２１が備えられ、シリコン単結晶の引上時にはシリコン単結晶引上装置１０の内部にアルゴンなどの不活性ガスが導入される。外殻１１の頂部には、引上駆動装置１４が備えられる。引上駆動装置１４は、シリコン単結晶インゴット５の成長核となる種結晶６およびそこから成長するシリコン単結晶インゴット５を回転させつつ上方に引上げる。

外殻１１の内側には、保温筒１５が備えられる。保温筒１５は、例えば黒鉛で形成されれば良く、石英ルツボ１２の加熱中の温度低下を軽減するとともに、外殻１１の昇温を抑制する役割りを果たす。

保温筒１５の内側には、略円筒形の側面ヒータ１６が備えられる。側面ヒータ１６は、石英ルツボ１２の円筒形の胴部１２ａを加熱する。この側面ヒータ１６の内側に、石英ルツボ１２およびルツボ支持体（黒鉛ルツボ）１７が収容される。石英ルツボ１２は、全体が石英で一体に形成され、上方が開放面１２ｃを成す略円筒形の胴部１２ａおよびこの胴部１２ａの下方を閉塞するすり鉢状の底部１２ｂとからなる。

石英ルツボ１２には、固形のシリコンを溶融したシリコン融液７が貯留される。ルツボ支持体１７は、例えば全体が黒鉛で形成され、石英ルツボ１２を包むように密着して支持する。ルツボ支持体１７は、シリコンの溶融時に軟化した石英ルツボ１２の形状を維持し、石英ルツボ１２を支える役割りを果たす。

石英ルツボ１２の上面には、シリコン融液７の上面を覆うように保温カバー３１が形成されている。保温カバー３１は、シリコン単結晶インゴット５や、後述する不純物投入装置２３の収納容器２４を挿通させる開口が形成されている。こうした保温カバー３１は、シリコン融液７の温度変動を抑える。

ルツボ支持体１７の下側にはルツボ支持装置１９が備えられる。ルツボ支持装置１９は、ルツボ支持体１７および石英ルツボ１２を下側から支えるとともに、育成に伴って変化するシリコン融液７の液面位置に対応して、石英ルツボ１２の位置を調節するリフト（図示せず）を備えている。

石英ルツボ１２の上部側方には、不純物投入装置２３が備えられる。不純物投入装置２３は、不純物（ドーパント）を収容する収納容器２４と、この収納容器を石英ルツボ１２に挿脱させる上下動装置２５とから構成されている。

図３に示すように、不純物投入装置２３を構成する収納容器２４は、筒状の胴部２４ａと、この胴部２４ａから一体に延びる先端部２４ｂとからなる。先端部２４ｂは、先端部分が開放面２４ｃを成し、胴部の幅Ｗよりも狭くなるように窄まって形成されている。

こうした収納容器２４には、シリコン単結晶の引上げ途上でシリコン融液に溶融させる不純物（ドーパント）が収容される。例えば、図３のａに示すように、収納容器２４の先端部２４ｂの開口幅Ｓよりも粒径が大きい不純物２６ａが収納容器２４に収納されれば良い。

また、例えば、図３のｂに示すように、先端部２４ｂの開口幅Ｓよりも粒径が小さい不純物２６ｂを収納容器２４に収納する際には、先端部２４ｂにシリコンプレート２７等を設置した上で開口幅Ｓよりも粒径が小さい不純物２６ｂを収納容器２４に収納すればよい。

上下動装置２５は、こうした不純物２６を収容した収納容器２４を石英ルツボ１２上で保持し、引上げ途上で収納容器２４を降下させて、シリコン融液７内に収納容器２４を浸す。上下動装置２５は、図２に示す石英ルツボ１２の外縁Ｐよりも外側に位置するように設置される。これにより上下動装置２５はシリコン融液７の直上を避けた位置になり、上下動に伴う塵埃等がシリコン融液７に落下して引き上げに影響を及ぼすことを防止する。

次に、図４、５を参照して、本発明のシリコン単結晶引上装置を用いた本発明のシリコン単結晶の製造方法を説明する。まず、引上げ開始前に、不純物投入装置２３の収納容器２４に不純物（ドーパント）を収容した後、上下動装置２５を操作して収納容器２４の先端部２４ｂが石英ルツボ１２の上面よりも上になる位置まで収納容器２４を上昇させておく（図４参照）。なお、収納容器２４に収容される不純物（ドーパント）の量は、用途やユーザの規格等に応じた濃度になるように予め計算された分量であればよい。

側面ヒータ１６によって石英ルツボ１２を加熱して原料シリコンを溶融してシリコン融液７を形成し、シリコン単結晶インゴット５を成長させる（引上工程）。そして、シリコン単結晶インゴット５が所定の長さまで引上げられ、石英ルツボ１２内のシリコン融液７が所定量まで減少したら、上下動装置２５を操作して、収納容器２４がシリコン融液７に浸るまで収納容器２４を降下させる（図５参照）。

収納容器２４が降下してシリコン融液７に浸されると、図３に示す収納容器２４の開放面２４ｃから収納容器２４内にシリコン融液７が入り込み、収納容器２４に収容されている不純物２６を溶解させる（不純物投入工程）。そして、溶解された不純物２６は石英ルツボ１２内のシリコン融液７に拡散し、シリコン融液７内の不純物濃度を所定の値まで高める。

このように、収納容器２４内で不純物２６を溶解させつつ石英ルツボ１２内のシリコン融液７に拡散させることによって、シリコン融液７に固形の不純物が漂ってシリコン単結晶インゴットの成長を阻害したり、シリコン融液７の温度変化によって不純物の溶解量にばらつきが生じるといったことがない。こうした不純物投入工程を経たシリコン単結晶インゴット５は、成長軸方向に不連続に不純物濃度が変化し、シリコン単結晶インゴット５の引上げが続けられる。

こうした工程を経て引上げられたシリコン単結晶インゴット５は、不純物投入工程の前後出で成長軸方向に比抵抗分布が不連続に変化している。これによって、用途やユーザの規格等に応じて、成長軸方向に不連続に異なる比抵抗範囲を持つシリコン単結晶インゴットを効率的に得ることが可能になる。

本出願人は、上述したような本発明のシリコン単結晶引上装置を用いて得られるシリコン単結晶インゴットの特性を検証した。検証にあたって、図１、２に示したシリコン単結晶引上装置を用いて引上げられたシリコン単結晶について、予め設定された比抵抗（狙い抵抗）の的中率のばらつき、および単結晶化率を調べた。また、比較例として、従来のシリコン単結晶引上装置を用いて引上げられたシリコン単結晶（２例）について、同様に狙い抵抗的中率のばらつき、および単結晶化率を調べた。こうした検証結果を表１に示す

表１に示す結果によれば、従来の比較例では狙い抵抗的中率のばらつきを下げようとすると単結晶化率が下がり、逆に単結晶化率を上げようとすると狙い抵抗的中率のばらつきが大きくなるという結果になったが、本発明においては、抵抗的中率のばらつきを下げつつ単結晶化率を良好に保てることか確認された。

図１は、本発明のシリコン単結晶引上装置の概略を示す一部破断斜視図である。 図２は、本発明のシリコン単結晶引上装置の概略を示す断面図である。 図３は、不純物投入装置の収納容器を示す断面図である。 図４は、本発明のシリコン単結晶の製造方法を示す説明図である。 図５は、本発明のシリコン単結晶の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ シリコン単結晶引上装置
１２ 石英ルツボ
１２ａ 胴部
１２ｂ 底部
１２ｃ 開放面
１６ 側面ヒータ
２３ 不純物投入装置
２４ 収納容器
２５ 上下動装置

Claims (1)

1. シリコン融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータとを有し、チョクラルスキー法により成長軸方向において比抵抗分布が不連続なシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶引上装置であって、
   前記シリコン単結晶の引上げ途上で前記シリコン融液に不純物を投入する不純物投入装置を備え、
   前記不純物投入装置は、不純物を収容する収納容器と、この収納容器を前記ルツボ内に挿脱させる上下動装置とからなり、
   前記収納容器は、筒状の胴部と、この胴部から一体に延びる先端部とからなり、該先端部は、先端部分が開放面を成し、前記胴部の幅よりも狭くなるように窄まって形成されるとともに、
   前記収納容器の先端部の開口幅よりも粒径が大きい不純物を収納するか、前記先端部にシリコンプレートを設置した上で前記先端部の開口幅よりも粒径が小さい不純物を収納容器に収納するものとされることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。

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