(57)【要約】【課題】混合ガス中の水素ガス濃度を上げずとも、水素量が十分に多くかつ正確に管理された高品質な水素ドープシリコン単結晶を製造する。【解決手段】水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶２１を育成する際に、水素ガスと不活性ガスの混合ガスをガス源１２から引上げ炉内に導入する。原料融液２０の表面近傍でシリコン単結晶２１を包囲する環状のガス吐出手段１５を設け、前記混合ガスの少なくとも一部を、ガス吐出手段１５により原料融液２０の表面近傍から融液表面の固液界面近傍部分に直接供給する。或いは、前記混合ガスの少なくとも一部を、ロート管を用いたバブリングにより原料融液２０中に供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインチャンバ上にプルチャンバが連結されたＣＺ引上げ炉により、水素を含む不活性雰囲気中でシリコン単結晶を育成する際に、ＣＺ引上げ炉内に導入すべき水素ガスと不活性ガスの混合ガスの少なくとも一部を、プルチャンバ内に通すことなくメインチャンバ内のシリコン融液表面に直接供給することを特徴とする水素ドープシリコン単結晶製造方法。
【請求項２】
前記混合ガスの少なくとも一部を、前記融液表面の固液界面近傍部分に直接供給することを特徴とする請求項１に記載の水素ドープシリコン単結晶製造方法。
【請求項３】
シリコン融液の表面近傍でシリコン単結晶を包囲するようにメインチャンバ内に設けられた環状のガス吐出手段から、前記混合ガスの少なくとも一部を融液表面に吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の水素ドープシリコン単結晶製造方法。
【請求項４】
水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、引上げ炉内に導入すべき水素ガスと不活性ガスの混合ガスの少なくとも一部を、シリコン融液中に直接供給することを特徴とする水素ドープシリコン単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する水素ドープシリコン単結晶製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の製造方法として代表的なものは、ＣＺ法と呼ばれる回転引上げ法である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成したシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。
【０００３】
このようなＣＺ引上げにおける炉内雰囲気としては、従来より不活性ガス（主にＡｒガス）が使用されてきた。これは、シリコン融液、炉部材及び結晶との種々の化学反応を抑制し、副生成物として発生する不純物の混入を回避するためである。更に、多量にガス供給を行うことで生じる炉内のガス流れを利用して、金属汚染を回避することもでき、引上げ結晶の高品質化を実現できる。
【０００４】
この炉内雰囲気に関し、最近になって、微量の水素ガスを混合することの有効性が報告され始めた（例えば特許文献１〜特許文献４）。この技術によると、結晶中に導入されたＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥、特にＣＯＰに代表される空孔欠陥に水素が作用することにより、シリコン融液への窒素ドープと同様に空孔欠陥の縮小や消滅が可能になるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１７８４９５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−１８９４９５号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２８１４９１号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開２００１−３３５３９６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＺ引上げにおける水素ドープ技術では、水素ガスと不活性ガスの混合ガスが、不活性ガスに代わって引上げ炉内に導入される。導入形態は、通常のＣＺ引上げにおける不活性ガスの場合と同様に、炉内全体を所定雰囲気に置換することを目的として、プルチャンバの上部から炉内にガス導入を行い、メインチャンバの下部から炉外へガス排出を行うものになっている。つまり引上げ炉の最上部から最下部へ混合ガスが流通される。
【００１０】
しかしながら、このような混合ガス導入形態では、混合ガス中の水素ガスが空孔欠陥の発生防止に有効に機能しないことが判明した。その理由は以下のとおりである。
【００１１】
水素ガスドープのそもそもの目的は、ＣＯＰの基となるシリコン中の空孔が凝集する前に空孔を水素と結合させることにより、空孔の凝集を抑制することにある。このため、シリコンが空孔凝集温度（融液固化温度付近）に冷却される前に、そのシリコン中に水素を供給する必要がある。即ち、炉内に導入された素ガスは、引き上げ結晶の外表面からも供給されるが、その水素は結晶品質に及ぼす影響が少ない。これは、引き上げ時間と水素原子のシリコン中の拡散距離を考えた場合、結晶外表面から入った水素は結晶中心部まで到達せず、結晶中心部で生成されるＣＯＰの抑制効果があらわれないためである。したがって、結晶品質の改善に有効に作用させるためには、所定量の水素ガスを坩堝内の融液表面に供給して水素を含有させたシリコン融液から結晶を育成させることが有効であり、固液界面近傍部、あるいはシリコン融液内に直接水素ガスを供給することが有効となる。
【００１２】
ところが、シリコン融液を収容するルツボは、混合ガス導入点から遠く離れた引上げ炉下部のメインチャンバ内に配置されている。加えて、混合ガス中の水素ガスは、引上げ炉の内面や炉内の各種部材、特にカーボン部材に捕捉されやすい。その上、この水素ガス量は爆発危険防止等の観点から、最大で３ｖｏｌ％程度と微量に制限されている。これらのために、炉内に導入された水素ガスは僅かしかルツボ内の融液表面に到達せず、ＣＯＰの発生抑制に有効に作用しない結果になっているのである。
【００１３】
本発明の目的は、混合ガス中の水素ガス濃度を上げずとも、ＣＺ法により高品質な水素ドープシリコン単結晶を製造できる水素ドープシリコン単結晶製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するめに、本発明者らは水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する場合の水素ガス供給法について鋭意検討した。その結果、以下の結論に到達した。
【００１５】
前述したように、水素ガスをＣＯＰの発生抑制に有効に作用させるには、相当量の水素ガスをルツボ内の融液表面、なかでも融液表面の固液界面近傍部分に供給する必要がある。これを阻害する最大の理由は、混合ガス中に含まれた微量の水素ガスが、シリコン融液を収容するルツボから最も離れたチャンバ最上部に導入されるために、シリコン融液に到達するまでの経路が長くなり、その経路途中で引上げ炉の内面や炉内の各種部材、特にカーボン部材などに多くが捕捉されてしまう点にある。
【００１６】
したがって、混合ガス中に含まれた微量の水素ガスをＣＯＰの発生抑制に有効に作用させるためには、その水素ガスが炉内に吐出されてからシリコン融液に到達するまでの炉内経路長を短くすることが必要となる。
【００１７】
本発明はかかる着想を基礎にして完成されたものであり、その第１の水素ドープシリコン単結晶製造方法は、メインチャンバ上にプルチャンバが連結されたＣＺ引上げ炉により、水素を含む不活性雰囲気中でシリコン単結晶を育成する際に、ＣＺ引上げ炉内に導入すべき水素ガスと不活性ガスの混合ガスの少なくとも一部を、メインチャンバ内のシリコン融液の表面、好ましくはその表面の固液界面近傍部分に直接供給されるようにメインチャンバ内に導入するものである。
【００１８】
また、本発明の第２の水素ドープシリコン単結晶製造方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、引上げ炉内に導入すべき水素ガスと不活性ガスの混合ガスの少なくとも一部をシリコン融液中に直接供給するものである。
【００１９】
本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法においては、混合ガスが炉内に導入されてからルツボ内のシリコン融液に到達するまでの経路長が短く、経路途中における炉内部材との衝突が可及的に回避されることにより、水素ガスの捕捉が抑制され、その利用度が上がる。このため、混合ガス中の水素ガス濃度を上げたり混合ガス流量を増大させずとも、シリコン融液を介して結晶中に所望量の水素をドープすることが可能となる。加えて、シリコン融液にガスの供給が行われることにより、空孔の凝集防止に有効な凝固前のシリコンに水素ガスが効率的に導入される点からも、水素ガスの利用度が上がる。
【００２０】
前記混合ガスをシリコン融液の表面に直接供給する形態としては、シリコン融液の表面近傍でシリコン単結晶を包囲するようにメインチャンバ内に設けられた環状のガス吐出手段から、前記混合ガスを融液表面、好ましくはその表面の固液界面近傍部分に吹き付けるものが、効率等の点から推奨される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適したＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【００２２】
ＣＺ引上げ炉は、図１に示すように、炉体として、円筒形状のメインチャンバ１と、メインチャンバ１の下面開口部を塞ぐベースチャンバ２と、メインチャンバ１の上面開口部を塞ぐトップチャンバ３と、トップチャンバ３を介してメインチャンバ１の上に同心状に連結される細長い円筒形状のプルチャンバ４とを備えている。
【００２３】
メインチャンバ１内には、ルツボ５が中心部に位置して配置されている。ルツボ５は内側の石英ルツボを外側の黒鉛ルツボで保持した二重構造であり、ベースチャンバ２を貫通してメインチャンバ１内に挿入されたペディスタルと呼ばれる支持軸の上に受け皿を介して支持されている。支持軸は、ルツボ５の昇降及び回転のために、ボトムチャンバ２の下方に配置された駆動機構により、軸方向及び周方向に駆動される。
【００２４】
ルツボ５の外側には環状のヒータ６が配置されており、その更に外側には断熱材７がメインチャンバ１の内面に沿って配置されている。
【００２５】
メインチャンバ１内には又、ガス吐出手段１５がルツボ５の上方に位置して設けられている。ガス吐出手段１５は、ルツボ５の上方に同心状に配置されたリング状のヘッダー１６と、ヘッダー１６をルツボ５の上方の定位置に水平に吊り下げ支持する２本の支持部材１７，１７とを有している。ヘッダー１６は円形に曲成されたチューブであり、その底部には複数のノズル孔が全周にわたって等間隔で形成されている。２本の支持部材１７，１７は、トップチャンバ３の下面に逆ハ字状に傾斜して取り付けられた管状部材であり、前記ガス吐出管１６に後述の混合ガスを供給するガス供給管を兼ねている。
【００２６】
メインチャンバ１上のプルチャンバ４内には、引上げ軸としてのワイヤ８が垂らされている。ワイヤ８は、プルチャンバ４の上に設けられた駆動機構９により、巻き上げ及び回転を行う。
【００２７】
プルチャンバ４の上部には、炉体内の雰囲気管理のために、ガス導入口１１が設けられている。ガス導入口１１は、水素ガスと不活性ガスの混合ガスを供給するガス源１２に配管１３により接続されている。ガス源１２は、前述したガス供給管を兼ねる２本の支持部材１７，１７に、配管１３とは別の独立した配管１８により接続されている。プルチャンバ４の下部には、メインチャンバ１内に挿入されるドローチューブ１４が設けられている。ドローチューブ１４は、プルチャンバ４の周壁部と同様のジャケット構造により水冷された円筒体であり、ルツボ５内のシリコン融液から引上げられるシリコン単結晶の冷却を促進すると共に、ガス導入口１１からプルチャンバ４内に導入された混合ガスを整流してメインチャンバ１内に導入する整流体筒を兼ねている。一方、ベースチャンバ２にはガス排出口１９が設けられている。ガス排出口１９は図示されない真空ポンプと接続されている。
【００２８】
ドローチュープ１４の直径は、大きすぎると単結晶を冷却する効果が薄れ、小さすぎると引き上げ時に結晶の振れ等が発生した場合、育成中の結晶とドローチューブ内壁とが接触して結晶落下の危険性がある。この観点から、ドローチューブ１４の直径は育成結晶の直径の１．１〜１．３倍が適当である。そしてリング状のヘッダー１６の直径については、小さすぎると結晶に接触する危険性があり、大きすぎると結晶と融液界面に直接吹き付ける作用効果が低減することから、育成結晶の１．１〜１．３倍が適当である。
【００２９】
操業では、まず、ルツボ５内にシリコンの原料融液２０を形成する。ワイヤ８の下端部に装着した種結晶を原料融液２０に漬ける。ルツボ５及びワイヤ８を回転させながら、ワイヤ８を巻き上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶２１を育成する。育成結晶は、環状のヘッダー１６及びドローチューブ１４の各内側を通ってプルチャンバ４内に徐々に引き込まれる。
【００３０】
このとき、ガス排出口１９に接続された真空ポンプを作動させることにより、炉体内を所定の真空度に減圧し、この状態で、ガス源１２から配管１３及びガス導入口１１を介して炉体内に水素ガスと不活性ガス（Ａｒガス）の混合ガスを導入する。ガス導入口１１から炉体内に導入された混合ガスは、炉体内を上から下に流通し、ガス排出口１９から炉外へ排出される。これにより、炉体内が一応混合ガス雰囲気に管理される。
【００３１】
これと同時に、ガス源１２から別の配管１８を介して２本の支持部材１７，１７に前記混合ガスを供給する。支持部材１７，１７に供給された混合ガスは、水平なリング状のヘッダー１６に送られ、ヘッダー１６の底部に設けられた複数のノズル孔から、プルチャンバ４内を通過することなくメインチャンバ１内へ下向きに吐出される。メインチャンバ１内へ下向きに吐出された混合ガスは、主にルツボ５内の原料融液２０の表面、より具体的には、その表面の単結晶２１からその外側にかけての範囲に、至近距離からフレッシュ状態で衝突することになる。この結果、複数のノズル孔から吐出される混合ガス中の水素ガスは、単結晶２１中の空孔防止に効率的に作用する。
【００３２】
なぜなら、ヘッダー１６から吐出される混合ガスが至近距離からルツボ５内の融液面に衝突し、水素ガスが炉内の流通経路途中でカーボン部材に捕捉されることなどによる無駄な水素消費が回避されると共に、混合ガスの衝突位置が、主にルツボ５内の融液表面の固液界面近傍部分であることにより、混合ガス中の水素ガスが空孔の凝集抑制に効果的な凝固直前のシリコンに効率よく取り込まれ、単結晶２１などへの水素の無駄な取り込みが回避されるからである。
【００３３】
こうした効率的な水素取り込みにより、凝固直前の段階でシリコンに所定濃度の水素がドープされ、空孔欠陥の発生が効果的に抑制された高品質な水素ドープシリコン単結晶２１が製造されることになる。
【００３４】
図２は本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適した別のＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【００３５】
この引上げ炉は、ガス吐出手段１５の構造が、前述した引上げ炉と相違する。他の構造は、前述した引上げ炉と実質同一であり、同一部分に同一番号を付して説明を省略する。
【００３６】
ここにおけるガス吐出手段１５は、メインチャンバ１内に挿入されるドローチューブ１４の外側に設けられた円筒状のヘッダー２２を有している。ヘッダー２２は、ドローチューブ１４とその外側に設けた円筒状の外筒とで構成された２重筒構造であり、そのヘッダー２２の底面には複数のノズル孔が全周にわたって等間隔で設けられているそして、このヘッダー２２には、ガス源１２が、当該ガス源１２をプルチャンバ４の上部に接続する配管１３とは別の独立した配管１８により、接続されている。
【００３７】
操業中、ガス源１２からプルチャンバ４内に水素ガスと不活性ガスの混合ガスが供給される。同時に、ガス吐出手段１５のヘッダー２２内にもこの混合ガスが供給される。ヘッダー２２内に供給された混合ガスは、当該ヘッダーの底面に設けられた複数のノズル孔からメインチャンバ１内へ下向きに吐出される。メインチャンバ１内へ下向きに吐出された混合ガスは、前述した引上げ炉の場合と同様に、主にルツボ５内の原料融液２０の表面、より具体的には、その表面の単結晶２１からその外側にかけての範囲に至近距離から衝突する。この結果、複数のノズル孔から吐出される混合ガス中の水素ガスは、単結晶２１中の空孔欠陥防止に効率的に作用することになる。
【００３８】
図３は本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適した更に別のＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【００３９】
この引上げ炉は、ルツボ５内の原料融液２０に混合ガスを供給する形態が、前述した二つの引上げ炉と相違する。即ち、ルツボ５内の原料融液２０に混合ガスを供給する形態は、前述した二つの引上げ炉では、環状のガス吐出手段１５から原料融液２０の表面、特に融液面の固液界面近傍部分に混合ガスを吹き付けるものであるのに対し、この引上げ炉では、ルツボ５内の原料融液２０に浸漬するように、トップチャンバ３を貫通してメインチャンバ１内に差し込まれた石英からなるロート管２４を用いて、原料融液２０中に混合ガスを吹き込む構成になっている。
【００４０】
この形態によっても、炉内に吐出される混合ガスが原料融液２０に直接供給され、原料融液２０に到達するまでの経路長が実質０に大幅短縮されることにより、混合ガス中の水素ガスが経路途中でカーボン部材に捕捉されることなどによる無駄な水素消費が回避される。また、その水素ガスが空孔の凝集抑制に効果的な凝固直前のシリコンに効率よく取り込まれ、単結晶２１などへの水素の無駄な取り込みが回避される。こうした効率的な水素取り込みの結果、凝固直前の段階でシリコンに所定濃度の水素がドープされ、空孔欠陥の発生が効果的に抑制された高品質な水素ドープ単結晶２１が製造される。
【００４１】
本発明法の実施例として、図１に示す形態により、種々の水素濃度の混合ガスをプルチャンバの上部からとリング状のヘッダーからとに別けて炉内に供給し、混合ガス中の水素濃度と単結晶中の水素濃度との関係を調べた。また、従来例として、混合ガスの全量をプルチャンバの上部から供給し、この場合の混合ガス中の水素濃度と単結晶中の水素濃度との関係を調べた。結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
結晶径は１５０ｍｍ、本発明法に用いたリング状ヘッダーの管径は１０ｍｍ、リング径は内径１６５ｍｍ、混合ガスのガス吐出管への分流比は５０％とした。また、結晶中の水素濃度の測定には光吸収測定装置（ＦＴ−ＩＲ）を用いた。結晶中の水素濃度が十分の場合には、光吸収測定装置によってシリコンと水素との複合体としての吸収ピークが観察されるため、この吸収ピークの有無によって水素濃度の適否を判断することができる。表中、○印は十分な大きさの吸収ピークが観察されたものを示し、△印は観察された吸収ピークが小さかったもの、×印は全く吸収ピークが観察されないかったものを示している。
【００４４】
表１から明らかなように、本発明例の場合、混合ガス中の水素濃度が３％あたりからシリコンと水素の複合体ピークが確認され、従来法と比較して複合体ピークが確認される水素濃度が低水素濃度側にシフトしていることが分かる。これは、シリコン融液表面に直接供給した水素が効率よく結晶中に取り込まれた結果である。また、本発明例では水素濃度５％の供給で水素が十分に結晶中に取り込まれており、従来法よりもより安全な低水素濃度の操業が可能となる。
【００４５】
以上より、本発明法により安全上有利である低水素濃度範囲内で十分に結晶中に水素を導入することが可能になることが分かる。
【００４６】
前述した本発明法の各例では、炉内に導入すべき雰囲気ガスの全部を混合ガスとし、その混合ガスの一部をメインチャンバ内の原料融液に至近距離から直接供給し、残りの混合ガスをプルチャンバ上部から炉内に導入したが、混合ガスの全部をメインチャンバ内の原料融液に至近距離から直接供給することもできる。また、炉内に導入すべき雰囲気ガスの一部を混合ガスとしてメインチャンバ内の原料融液に至近距離から直接供給することもできる。この場合、残りの雰囲気ガスは全て不活性ガスであり、例えばプルチャンバの上部から炉内に導入される。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、炉内に導入された水素ガスがルツボ内のシリコン融液に到達するまでの炉内経路長を短く制限することにより、その経路途中における水素ガスの捕捉及びシリコン単結晶への水素ガスの取り込みを回避でき、その水素ガスの効率的な利用を可能にする。これにより、混合ガス中の水素ガス濃度を上げずに、水素量が十分に多くかつ正確に管理された高品質な水素ドープシリコン単結晶を安全に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適したＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【図２】本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適した別のＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【図３】本発明の水素ドープシリコン単結晶製造方法を実施するのに適した更に別のＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【符号の説明】
１  メインチャンバ
４  プルチャンバ
５  ルツボ
６  ヒータ
８  ワイヤ
１１  ガス導入口
１２  ガス源
１３，１８  配管
１４  ドローチューブ
１５  ガス吐出手段
１６，２２  ヘッダー
１７  支持部材
１９  ガス排出口
２０  原料融液
２１  単結晶
２４  ロート管
【図１】
2004217460.tif 000004
【図２】
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【図３】
2004217460.tif 000006