(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボ中のシリコンメルトへ種結晶を着液する種付け工程、及びその後前記種結晶を引き上げて径を細くする絞り込み工程を有するＣＺ法によるＮ型シリコン単結晶の製造において、前記種付け時の温度と前記絞り込み時の温度の差から前記シリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、該予測したシリコンメルト中のドーパント濃度をもとに引上げ単結晶の抵抗率を制御する方法であり、
前記シリコンメルト中のドーパント濃度の予測は、予め温度以外の条件を同じとして求めた前記種付け時の温度と前記絞り込み時の温度の差と、製造された単結晶の抵抗率との相関関係から予測され、
前記種付け時の温度及び前記絞り込み時の温度を、前記シリコンメルトを加熱するヒーターの外周に設けた黒鉛シールドの温度から求めることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記引上げ単結晶を、抵抗率２ｍΩ・ｃｍ以下のＰ又はＡｓドープのシリコン単結晶とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
目標とするシリコンメルト中のドーパント濃度と前記予測したシリコンメルト中のドーパント濃度との差を、単結晶製造中のドーパントの蒸発量で調節することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記ドーパントの蒸発量を、直胴部の成長開始時に炉内圧を変更することで調節することを特徴とする請求項３に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項５】
引上げ中に有転位化したシリコン単結晶を前記シリコンメルトに溶融し再引上げを行う場合において、目標とするドーパント濃度と前記予測したシリコンメルト中のドーパント濃度との差を反映させた量のドーパントをシリコン単結晶溶融後のシリコンメルトに追加投入してシリコン単結晶の再引上げを行う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シリコン単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶の引上げを中心磁場強度が０．１５Ｔ以上の水平磁場を印加しながら行うことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎ型シリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳ半導体の需要が伸びてきており、それに使用される基板として低抵抗率のＮ型シリコン単結晶の開発が重要となっている。
【０００３】
このような低抵抗率のＮ型シリコン単結晶を製造する方法としては、Ｎ型ドーパントを添加したシリコンメルトからＣＺ法によって単結晶を引上げる方法が広く行われている。この方法では、シリコンメルトにＮ型ドーパントを目的の抵抗率となるように添加して単結晶の引上げを行うが、Ｎ型ドーパントはシリコンメルトから蒸発する性質があり、特にヘビードープの単結晶を引上げる場合、得られる単結晶の抵抗率を所望の抵抗率に制御するのは非常に難しい。
【０００４】
また、ヘビードープしたＮ型シリコン単結晶の引上げにおいては有転位化が発生しやすく、有転位化した場合には、例えば特許文献１の段落１５に記載されているように、有転位化した単結晶をシリコンメルトに再溶融させ、再引上げを行っている。この際、上述のようにリンなどのＮ型ドーパントは揮発性のある酸化物となってシリコンメルト中から蒸発する特性があるため、再引上げをする前にドーパント濃度を調整するためにドーパントを追加投入する。
【０００５】
単結晶引上げ中のドーパントの蒸発量はある程度は予測可能であるが、有転位化した単結晶を再溶融する工程ではシリコンメルトを高温にする必要があるため、高温によってドーパントの蒸発量が増えることもあって予測の精度は低下してしまう。
そのため、再溶融と再引上げを何度か繰り返していくと、シリコンメルト中のドーパント濃度が判らなくなってしまい、狙いの濃度から大きく外れてしまう場合が多かった。狙いのドーパント濃度から大きく外れるということは、得られる単結晶の抵抗率が所望の抵抗率から大きく外れるということであり、単結晶を製造しても製品にならないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明では、
ルツボ中のシリコンメルトへ種結晶を着液する種付け工程、及びその後前記種結晶を引き上げて径を細くする絞り込み工程を有するＣＺ法によるＮ型シリコン単結晶の製造において、前記種付け時の温度と前記絞り込み時の温度の差から前記シリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、該予測したシリコンメルト中のドーパント濃度をもとに引上げ単結晶の抵抗率を制御するシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【０００９】
このようなシリコン単結晶の製造方法であれば、操業時間等にかかわりなくシリコンメルト中のドーパント濃度を精度よく予測し、予測した濃度を製造条件に反映させることで、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
【００１０】
またこのとき、前記シリコンメルト中のドーパント濃度の予測は、予め求めた前記種付け時の温度と前記絞り込み時の温度の差と、製造された単結晶の抵抗率との相関関係から予測することができる。
このように予め相関関係を求めておけば、正確に単結晶の抵抗率を制御することができる。
【００１１】
またこのとき、前記種付け時の温度及び前記絞り込み時の温度を、前記シリコンメルトを加熱するヒーターの外周に設けた黒鉛シールドの温度から求めることができる。
シリコンメルトにはシリコンメルトの上方に配置したＨＺ（ホットゾーン）部品やチャンバーの写り込みがあって、直接シリコンメルトの温度を精度よく測定することは困難である。よって、このように、温度は直接シリコンメルトの温度を測定するだけでなく、間接的に温度を測定した方が便宜であり、黒鉛シールドの温度で種付け時の温度と絞り込み時の温度との差を正確に測定することができる。
【００１２】
またこのとき、前記引上げ単結晶を、抵抗率２ｍΩ・ｃｍ以下のＰ又はＡｓドープのシリコン単結晶とすることが好ましい。
【００１３】
低抵抗率のＰ又はＡｓドープのシリコン単結晶であれば、パワーＭＯＳ半導体等の基板として用いられる低抵抗率のＮ型シリコン単結晶として好適である。
【００１４】
またこのとき、目標とするシリコンメルト中のドーパント濃度と前記予測したシリコンメルト中のドーパント濃度との差を、単結晶製造中のドーパントの蒸発量で調節することができる。
【００１５】
特に、前記ドーパントの蒸発量を、直胴部の成長開始時に炉内圧を変更することで調節することができる。
このように炉内圧を変更することで、ドーパントの蒸発量を簡単に制御でき、シリコンメルト中のドーパント濃度を調節することにより引上げ単結晶の抵抗率を制御することができる。
【００１６】
また、引上げ中に有転位化したシリコン単結晶を前記シリコンメルトに溶融し再引上げを行う場合において、目標とするドーパント濃度と前記予測したシリコンメルト中のドーパント濃度との差を反映させた量のドーパントをシリコン単結晶溶融後のシリコンメルトに追加投入してシリコン単結晶の再引上げを行うことが好ましい。
【００１７】
このような方法であれば、シリコン単結晶の再引上げを行う際も、シリコンメルト中のドーパント濃度を目標とする濃度により正確に近づけることができるため、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
【００１８】
また、前記単結晶の引上げを中心磁場強度が０．１５Ｔ以上の水平磁場を印加しながら行うこともできる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明のシリコン単結晶の製造方法であれば、種付け時の温度と絞り込み時の温度との差からシリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、予測した濃度を製造条件に反映させることで、所望の抵抗率、特にパワーＭＯＳ半導体等の基板として好適に用いられる低抵抗率のＮ型シリコン単結晶を効率良く製造することができる。また、再引上げを行う際も、シリコンメルト中のドーパント濃度を目標とする濃度に近づけることができるため、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
さらに、本発明のシリコン単結晶の製造方法であれば、従来と比べて結果として再溶融・再引上げの回数が少なくなるため、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のシリコン単結晶の製造方法に用いられる単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】種付け工程（ａ）と絞り込み工程（ｂ）の説明図である。
【図３】（種付け時温度Ｔ１−絞り込み時温度Ｔ２）と、直胴開始位置の抵抗率の相関関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
上述のように、Ｎ型シリコン単結晶の製造において、ドーパントの蒸発によりシリコンメルト中のドーパント濃度が判らなくなってしまい、ドーパント濃度が狙いの濃度から大きく外れることで、所望の抵抗率の単結晶を効率良く製造できないという問題があった。
【００２２】
シリコンメルトはドーパントの濃度が高くなると凝固点が降下することが知られている。シリコンメルトの温度は放射温度計などで測定されるが、絶対値を精度良く測定することは困難であり、メルトの温度から直接ドーパント濃度を推定するということは現実的な方法ではない。
【００２３】
そこで、本発明者らは単結晶を引上げる際の種付け時の適正温度（Ｔ１）と絞り込み時の適正温度（Ｔ２）に着目した。そして鋭意検討した結果、（Ｔ１−Ｔ２）が、シリコンメルト中のドーパント濃度によって変化することを発見し、このことから（Ｔ１−Ｔ２）によってシリコンメルト中のドーパント濃度を推定できることを見出し、本発明を完成させた。
【００２４】
即ち、本発明は、ルツボ中のシリコンメルトへ種結晶を着液する種付け工程、及びその後前記種結晶を引き上げて径を細くする絞り込み工程を有するＣＺ法によるＮ型シリコン単結晶の製造において、前記種付け時の温度と前記絞り込み時の温度の差から前記シリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、該予測したシリコンメルト中のドーパント濃度をもとに引上げ単結晶の抵抗率を制御するシリコン単結晶の製造方法である。
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明のシリコン単結晶の製造方法に用いられる単結晶引上げ装置の一例を示す概略図である。以下、図１の単結晶引上げ装置について説明する。
【００２７】
メインチャンバー１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４が満たされており、シリコン単結晶３は、このシリコンメルト４から引上げチャンバー２内に引上げられる。シリコンメルト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黒鉛シールド９と断熱部材８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のシリコンメルト４側には、ヒーター７やシリコンメルト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。
【００２８】
以下、図１の単結晶引上げ装置を用いて単結晶を製造する方法について説明する。
まず、石英ルツボ５に多結晶シリコンを入れて、ヒーター７で加熱し原料を溶融する。溶融が完了したら所望の抵抗率が得られるようにドーパントを投入する。
【００２９】
このとき、Ｎ型ドーパントとしてはＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）が好ましく、Ｓｂ（アンチモン）が用いられる場合もある。これらのドーパントを、得られるシリコン単結晶の抵抗率が２ｍΩ・ｃｍ以下となるような量で添加することが好ましい。このような低抵抗率のＰ又はＡｓドープのシリコン単結晶であれば、パワーＭＯＳ半導体等の基板として用いられる低抵抗率のＮ型シリコン単結晶として好適である。
【００３０】
次に、所望する結晶方位をもつ種結晶を使って単結晶の製造を開始する種付け工程を行う。図２（ａ）は種付け工程の説明図である。
種付け工程では、種ホルダー２１にセットした種結晶２２を、予想された適温に調整されたシリコンメルト４に着液する。種付け時の温度としては、種結晶２２を浸してから種結晶２２とシリコンメルト４のなじみ具合を見て最終的な適温（Ｔ１）の見極めを行う。このとき温度が低すぎると種結晶２２のまわりに固化が発生し、逆に温度が高すぎると種結晶２２が溶け出してしまう。そこで、ヒーター７に供給する電力を調整することでＴ１を確定することができる。
【００３１】
ここで、種付け時の温度と後述の絞り込み時の温度は、ヒーター７の外周に設けた黒鉛シールド９の温度から求めることができ、この黒鉛シールド９の温度は、上述のように単結晶引上げ装置の外から放射温度計１４を用いて測定することができる。
黒鉛シールド９の温度はヒーター７の出力を反映したものであり、即ちシリコンメルト４の温度を反映したものと考えることができるため、測定した黒鉛シールド９の温度をもとにヒーター７への供給電力を調整することで、種付け時の温度や後述の絞り込み時の温度の調整を行えばよい。
【００３２】
種付け工程が終了したら、次に絞り込み工程を行う。図２（ｂ）は絞り込み工程の説明図である。絞り込み工程では、直径を細くしながら引上げていくことで種結晶２２をシリコンメルト４に浸した際の熱衝撃によって種結晶２２に導入されたスリップ転位が表面から抜けてスリップ転位のない単結晶になる。
【００３３】
絞り込み工程においては、あらかじめ設定した直径になるように引上げ速度で調整する。ただし、絞り込み時の引上げ速度は遅すぎるとムダに時間がかかり、また逆に速すぎてもスリップ転位が抜けにくいとも言われており、直径だけでなく目標とする引上げ速度も存在する。従って、絞り込み時に目標とする直径と引上げ速度を満足するための適正な温度（Ｔ２）が一義的に存在し、その温度になるように制御する。
【００３４】
絞り込み工程が終了したら、単結晶の直径を最終製品の目標直径にまで拡げるコーン工程、その目標直径に制御して実際の製品となる部分（直胴部）を成長させる直胴工程を行い、コーン工程とは逆に直径を徐々に細くして、単結晶をシリコンメルトから切り離す時の直径を可能な限り小さくし、熱衝撃で単結晶にスリップ転位が入らないようにするテール工程を行う。
【００３５】
以上のような工程でシリコン単結晶を製造する方法において、本発明では、上記の種付け工程時の温度（Ｔ１）と絞り込み工程時の温度（Ｔ２）の差（Ｔ１−Ｔ２）からシリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、予測したシリコンメルト中のドーパント濃度をもとに引上げ単結晶の抵抗率を制御する。
【００３６】
このシリコンメルト中のドーパント濃度の予測は、予め求めた種付け時の温度（Ｔ１）と絞り込み時の温度（Ｔ２）の差（Ｔ１−Ｔ２）と、製造された単結晶の抵抗率との相関関係から予測することができる。
即ち、予め図３のグラフに示されるような（Ｔ１−Ｔ２）と測定した単結晶の抵抗率との相関関係を求めておき、実際の製造において種付け工程時の温度（Ｔ１）と絞り込み工程時の温度（Ｔ２）を測定して、求めておいた相関関係からシリコンメルト中のドーパント濃度を予測することができる。
【００３７】
目標とするシリコンメルト中のドーパント濃度と上述のようにして予測したシリコンメルト中のドーパント濃度とに差がある場合は、その差を例えば単結晶製造中のドーパントの蒸発量で調節することができる。
【００３８】
また、このドーパントの蒸発量は、直胴部の成長開始時に炉内圧を変更することで調節することができる。即ち、ドーパント濃度が高すぎる場合は、炉内圧を低減させてドーパントの蒸発を促進し、ドーパント濃度が低すぎる場合は、炉内圧を上昇させてドーパントの蒸発を抑制することができる。
【００３９】
このような調節を行って実際のシリコンメルト中のドーパント濃度を、目標とするシリコンメルト中のドーパント濃度に近づけることで、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
【００４０】
また、単結晶が有転位化した場合は、有転位化した単結晶をシリコンメルトに再溶融させ、再引上げを行う。この際、リンなどのＮ型ドーパントは揮発性のある酸化物となってシリコンメルト中から蒸発する特性があるため、再引上げをする前にドーパント濃度を調整するためにドーパントを追加投入する。
【００４１】
このとき、ドーパントの蒸発量は時間とともに増えることから、従来は時間の単純な関数として見積もられるドーパント量（ロス時間に応じたドーパント量）を算出し、再引上げの前に追加投入していた。
【００４２】
本発明では、上述のロス時間に応じたドーパント量に、目標とするドーパント濃度と上述のようにして予測したシリコンメルト中のドーパント濃度との差を反映させた量のドーパントをシリコン単結晶再溶融後のシリコンメルトに追加投入してシリコン単結晶の再引上げを行うことで、再引上げを行う際も、シリコンメルト中のドーパント濃度を目標とする濃度に近づけることができるため、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
【００４３】
なお、ドーパントの追加投入は、どのような方法によってもよいが、例えばドーパントを大きいスプーン状の容器に入れて、それを傾けることでチャンバーの上部からメルトに落下させて行うことができる。
【００４４】
また、上述した単結晶の引上げは、中心磁場強度が０．１５Ｔ以上の水平磁場を印加しながら行うこともできる。
【００４５】
なお、（Ｔ１−Ｔ２）がシリコンメルト中のドーパント濃度によって変化する原理については明らかではないが、ドーパント濃度の変化による凝固点降下と熱伝導率等に代表される物理特性の変化がもたらすものであると考えられる。
【００４６】
以上のように、本発明のシリコン単結晶の製造方法であれば、装置内の黒鉛シールドの温度から種付け時の温度と絞り込み時の温度との差を求め、シリコンメルト中のドーパント濃度を予測し、予測した濃度を製造条件に反映させることで、所望の抵抗率、特にパワーＭＯＳ半導体等の基板として好適に用いられる低抵抗率のＮ型シリコン単結晶を効率良く製造することができる。また、再引上げを行う際も、シリコンメルト中のドーパント濃度を目標とする濃度に近づけることができるため、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造することができる。
【００４７】
また、単結晶化には不純物がない方が有利であり、ドーパント濃度が高くなると有転位化しやすくなる。蒸発量を正確に把握できなくなると、濃度が目標値よりも高くなった場合に有転位化の確率が高くなり、再溶融と再引上げを繰り返してしまうと考えられる。このような現象が発生した場合、平均の再溶融・再引上げ回数が高くなってしまう。
これに対し、本発明では、ドーパント濃度を目標とする濃度に近づけることができるため、有転位化が起こりにくく、結果として再溶融・再引上げの回数が減少し、生産性を向上させることができる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例及び比較例を用い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。
【００４９】
（実施例）
（１）口径２６インチ（６６０ｍｍ）のルツボに１７０ｋｇのシリコン多結晶原料を充填し、直径２００ｍｍ、抵抗率が１．１〜１．３ｍΩ・ｃｍのリンドープシリコン単結晶の製造を数バッチ試みた。このときの初期の赤燐のドープ量は７７０ｇであった。また、中心磁場強度が０．４Ｔの水平磁場を印加しながら、リンドープシリコン単結晶の引上げを行った。
【００５０】
（２）種付け時の温度（Ｔ１）はまず放射温度計を参考に粗い調整を行い、最終的には種結晶とシリコンメルトのなじみ具合から決定した。絞り込み工程の途中でそれまでの引上げ速度の状況を見て、絞り込み時の温度（Ｔ２）が適正になるように温度の補正を行い最終的なＴ２を決定した。
【００５１】
（３）直胴部を製造中の炉内圧力は、トップ側で２００ｍｂａｒとし、ボトム側に移行するに従い９０ｍｂａｒまで減圧する条件で行った。炉内圧を徐々に減圧していくのはボトム側でドーパントの偏析により抵抗率が下がり過ぎるのを抑制するためである。
【００５２】
（４）（Ｔ１−Ｔ２）が基準値からずれた場合には、あらかじめ準備していたテーブルに基づいて直胴開始と同時に炉内圧を一律で補正をした。補正量は−５０ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒの間で行い補正の時間は１０時間とし、その後は上記レシピ通りの炉内圧とした。
【００５３】
（５）単結晶が有転位化した場合は、有転位化した単結晶を溶融して再引上げを行った。再引上げの前には、ロス時間に応じたドーパント量に前回試行時の（Ｔ１−Ｔ２）から求めた補正量を加味した量を投入した。補正量は０〜３０ｇであった。
【００５４】
実施例での平均の再溶融・再引上げの回数は３．２回／バッチであった。
なお、補正の仕方は本実施例に留まらず、内圧変化量と時間をよりきめ細やかに制御することでより良い結果が期待できることはいうまでもない。
【００５５】
（比較例）
単結晶引上げ装置は実施例と同じものを用い、上記の（１）、（２）、（３）を同様に行って、直径２００ｍｍのリンドープシリコン単結晶の製造を数バッチ行った。ただし、比較例では（４）の炉内圧の補正は行わず、また単結晶が有転位化した場合は、有転位化した単結晶を溶融して再引上げを行ったが、再引上げの前に追加するドーパント量はロス時間のみによって決定し、（５）のように（Ｔ１−Ｔ２）から求めた補正量は加味しなかった。
なお、比較例での平均の再溶融・再引上げ回数は５．４回／バッチであった。
【００５６】
当初設定した製品長さのうち最終的に製品となった長さから実施例及び比較例の良品率を以下の表１に示す。
【表１】
0006015634.tif 000002
【００５７】
表１に示されるように、（Ｔ１−Ｔ２）の値からドーパント濃度を予測し、炉内圧の調節及び再引上げを行う際のドーパント追加量に反映させた実施例では、このような予測とそれをもとにした製造条件の補正を行わなかった比較例に比べて良品率が向上した。
また、実施例では比較例に比べて再溶融・再引上げの回数が減少した。
【００５８】
以上のように、本発明のシリコン単結晶の製造方法であれば、所望の抵抗率のシリコン単結晶を効率良く製造でき、また再溶融・再引上げの回数が少なくなるため、生産性を向上させられることが明らかとなった。
【００５９】
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。
【符号の説明】
【００６０】
１…メインチャンバー、  ２…引上げチャンバー、  ３…シリコン単結晶、
４…シリコンメルト、  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、
２１…種ホルダー、  ２２…種結晶。
【図１】
0006015634.tif 000003
【図２】
0006015634.tif 000004
【図３】
0006015634.tif 000005