特許 7439723 シリコン単結晶の育成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-19

(45)【発行日】2024-02-28

(54)【発明の名称】シリコン単結晶の育成方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20240220BHJP

   C30B 15/22 20060101ALI20240220BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502E

C30B29/06 502H

C30B15/22

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020170959

(22)【出願日】2020-10-09

(65)【公開番号】P2022062819

(43)【公開日】2022-04-21

【審査請求日】2022-10-14

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】川上 泰史

(72)【発明者】

【氏名】酒谷 和幸

【審査官】宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１９８６０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／００３９６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２２２５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８３０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６１８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００３／０２９５３３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／０６

Ｃ３０Ｂ １５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバと、
前記チャンバ内に配置された坩堝と、
前記坩堝に収容されたシリコン融液を加熱する加熱部と、
前記シリコン融液に揮発性ドーパントを添加してドーパント添加融液とするドーパント供給装置と、
種結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部とを備えたシリコン単結晶育成装置を利用し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の育成方法であって、
前記加熱部は、前記坩堝の上部を加熱する上加熱部と、前記坩堝の下部を加熱する下加熱部とを備えており、シリコン単結晶の育成は、
前記シリコン融液に前記揮発性ドーパントを添加して前記ドーパント添加融液とするドーパント添加工程と、
前記種結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に、前記シリコン単結晶を引き上げる引き上げ工程と、を有し、
前記ドーパント添加工程は、前記シリコン融液の液面に固化層を形成することなく、前記下加熱部の発熱量Ｑｄと前記上加熱部の発熱量Ｑｕとが、Ｑｄ＞Ｑｕとなるように前記坩堝を加熱するシリコン単結晶の育成方法。

【請求項2】

前記揮発性ドーパントは、赤リン、ヒ素、またはアンチモンである請求項１に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【請求項3】

前記ドーパント添加工程は、前記下加熱部の発熱量Ｑｄを前記上加熱部の発熱量Ｑｕで除した発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１．５以上、４．０以下となるように前記坩堝を加熱する請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【請求項4】

前記引き上げ工程は、ネック部を育成するネック部育成工程を有し、前記ネック部育成工程における発熱比Ｑｄ／Ｑｕは前記ドーパント添加工程における発熱比Ｑｄ／Ｑｕの１００±１０％である請求項３に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【請求項5】

前記引き上げ工程は、肩部を育成する肩部育成工程を有し、
直胴部の狙い酸素濃度が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である場合は、少なくとも肩部育成工程の終了時における発熱比Ｑｄ／Ｑｕを３．５以上、４．５以下とし、
直胴部の狙い酸素濃度が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である場合は、少なくとも肩部育成工程の終了時における発熱比Ｑｄ／Ｑｕを０．７５以上、１．２５以下とする請求項３または請求項４に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【請求項6】

前記肩部育成工程以降に、前記肩部に有転位化が発生しているか否かを判定する第１の有転位化判定工程を有し、前記第１の有転位化判定工程にて前記肩部に有転位化が発生と判定された場合に、引き上げを中止して前記シリコン単結晶を前記シリコン融液に溶かすメルトバック工程を実施し、前記メルトバック工程における前記発熱比Ｑｄ／Ｑｕを１．５以上、３．０以下とする請求項５に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【請求項7】

前記引き上げ工程の後に、前記坩堝と同一の坩堝を用いて他のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げ工程を有し、
前記マルチ引き上げ工程の前に、前記他のシリコン単結晶用のシリコン融液に揮発性ドーパントを添加する工程において、前記発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１．５以上、４．０以下となるように前記坩堝を加熱する請求項３から請求項６のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の育成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコン単結晶の育成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、チョクラルスキー法（Czochralski method、以下「ＣＺ法」と略す。）を用いてシリコン単結晶を育成する際、シリコン融液にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などの揮発性ドーパントを高濃度に添加することにより、低抵抗率のシリコン単結晶を育成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
揮発性ドーパントは、シリコン原料を溶解してシリコン融液とした後、シリコン融液の液面から吸収させている。揮発性ドーパントは、ドーピング作業直後から蒸発し続けるため、その供給量は蒸発量を考慮して決定している。

【0003】

揮発性ドーパントの蒸発量が大きいと、例えばシリコン単結晶の狙い抵抗率の的中率が悪くなるなどの不具合があるため、揮発性ドーパントの蒸発を抑制する試みがなされている。揮発性ドーパントの蒸発を抑制する方法として、チャンバ内の圧力を高くする方法が知られている。すなわち、シリコン融液の液面にかかる圧力を大きくすることにより、液面から蒸発する揮発性ドーパントを少なくする試みがなされている。

【0004】

また、特許文献２には、シリコン融液の液面に固化層を形成することで、揮発性ドーパントの蒸発を抑制する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－１４０８号公報

【文献】特開２０１１－７３８９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、チャンバ内の圧力を高くすると、シリコン融液からのＳｉＯｘ蒸発物がチャンバ内面などに付着し、シリコン単結晶の引き上げ中に落下し、有転位化の要因となるという課題がある。
また、特許文献２に記載の方法は、シリコン融液の液面に固化層が形成される領域を制御することが難しいという課題がある。
当該課題について、具体的に以下に説明する。特許文献２に記載の方法は、ドーパント供給装置をワイヤにより吊り下げて、ドーパント供給装置内でドーパントを気化させてドーパントガスを形成し、気化したドーパントガスをシリコン融液面に直接噴射することによってドーピングする方法である。この方法の場合、特に熱遮蔽体を有する引き上げ炉では、シリコン融液面の中央領域に噴射することになる。
そのため、ヒーターから離れたシリコン融液面の中央領域には固化層を形成せずに、ヒーターに近いシリコン融液面の外周領域に固化層を形成する必要がある。しかし、引き上げ炉の構造上、シリコン融液面における温度分布は、ヒーターに近い外周領域の温度が高く、ヒーターから離れた中央領域の温度は低くなるため、固化層を液温の低いシリコン融液面の中央領域に形成せずにヒーターに近く液温の高い外周領域に形成させることは極めて難しい。

【0007】

本発明は、有転位化の発生を抑制しながら、揮発性ドーパントの蒸発を抑制することができるシリコン単結晶の育成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】

発明者らは、揮発性ドーパントの蒸発を抑制すべく誠意検討を進める中で、坩堝の下部を上部と比較してより加熱し、シリコン融液の液面に固化層を形成することなく、液面を低温度化することにより、揮発性ドーパントの蒸発を抑制できることを見出した。具体的には、加熱部を構成する上加熱部による発熱量Ｑｕ（出力）と下加熱部による発熱量ＱｄとがＱｄ＞Ｑｕとなるように坩堝を加熱することにより、揮発性ドーパントの蒸発速度を低下させることができることを見出した。
図１は、その実験結果であり、横軸は下加熱部による発熱量Ｑｄを上加熱部による発熱量Ｑｕで除した発熱比Ｑｄ／Ｑｕ、縦軸は揮発性ドーパントの蒸発速度（ｇ／ｈ）である。当該実験により、発熱比Ｑｄ／Ｑｕを約３．５とすることによって、揮発性ドーパントの蒸発速度を、発熱比Ｑｄ／Ｑｕを約１とした場合と比較して、５７．３％まで下げることが可能であることがわかった。また、揮発性ドーパントの投入量を５．２％低減できることがわかった。

【0009】

本発明のシリコン単結晶の育成方法は、チャンバと、前記チャンバ内に配置された坩堝と、前記坩堝に収容されたシリコン融液を加熱する加熱部と、種結晶を前記シリコン融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部とを備えたシリコン単結晶育成装置を利用し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の育成方法であって、前記加熱部は、前記坩堝の上部を加熱する上加熱部と、前記坩堝の下部を加熱する下加熱部とを備えており、シリコン単結晶の育成は、前記シリコン融液に揮発性ドーパントを添加するドーパント添加工程と、前記ドーパント添加工程の後に、前記シリコン単結晶を引き上げる引き上げ工程と、を有し、前記ドーパント添加工程は、前記シリコン融液の液面に固化層を形成することなく、前記下加熱部の発熱量Ｑｄと前記上加熱部の発熱量Ｑｕとが、Ｑｄ＞Ｑｕとなるように前記坩堝を加熱することを特徴とする。

【0010】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記揮発性ドーパントは、赤リン、ヒ素、またはアンチモンであってよい。

【0011】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記ドーパント添加工程は、前記下加熱部の発熱量Ｑｄを前記上加熱部の発熱量Ｑｕで除した発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１．５以上、４．０以下となるように前記坩堝を加熱してよい。

【0012】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記引き上げ工程は、ネック部を育成するネック部育成工程を有し、前記ネック部育成工程における発熱比Ｑｄ／Ｑｕは前記ドーパント添加工程における発熱比Ｑｄ／Ｑｕの１００±１０％であってよい。

【0013】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記引き上げ工程は、肩部を育成する肩部育成工程を有し、直胴部の狙い酸素濃度が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である場合は、少なくとも肩部育成工程の終了時における発熱比Ｑｄ／Ｑｕを３．５以上、４．５以下とし、直胴部の狙い酸素濃度が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である場合は、少なくとも肩部育成工程の終了時における発熱比Ｑｄ／Ｑｕを０．７５以上、１．２５以下としてよい。

【0014】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記肩部育成工程以降に、前記肩部に有転位化が発生しているか否かを判定する第１の有転位化判定工程を有し、前記第１の有転位化判定工程にて前記肩部に有転位化が発生と判定された場合に、引き上げを中止して前記シリコン単結晶を前記シリコン融液に溶かすメルトバック工程を実施し、前記メルトバック工程における前記発熱比Ｑｄ／Ｑｕを１．５以上、３．０以下としてよい。

【0015】

上記シリコン単結晶の育成方法において、前記引き上げ工程の後に、前記坩堝と同一の坩堝を用いて他のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げ工程を有し、前記マルチ引き上げ工程の前に、前記他のシリコン単結晶用のシリコン融液に揮発性ドーパントを添加する工程において、前記発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１．５以上、４．０以下となるように前記坩堝を加熱してよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、有転位化の発生を抑制しながら、揮発性ドーパントの蒸発を抑制することができる。また、揮発性ドーパントの蒸発量のばらつきが小さくなり、製品の狙い抵抗率の的中率を上げることができる。
また、シリコン融液の液面に固化層を形成することなく、坩堝を加熱することによって、固化層によりドーピングが阻害されることがなく、より確実にドーピングを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】発熱比を変化させてドーパントの蒸発速度への影響を調査した実験結果である。

【図2】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の育成方法を適用したシリコン単結晶育成装置の構成の一例を示す概念図である。

【図3】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶育成装置のドーパント供給装置の構成の一例を示す概念図である。

【図4】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の育成方法を説明するフローチャートである。

【図5】直胴部最頂部の抵抗率／狙い抵抗率を示すグラフと、データのばらつきを示す箱ひげ図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
本発明のシリコン単結晶の育成方法は、揮発性ドーパントを使用したシリコン単結晶の育成において、シリコン融液の液面を低温度化して、揮発性ドーパントの蒸発速度を低下させることを特徴としている。また、本発明のシリコン単結晶の育成方法は、ガス化した揮発性ドーパントをシリコン融液の液面の中央部に直接的に噴射してドーピングする場合に適した発明である。

【0019】

〔シリコン単結晶育成装置〕
図２は、本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の育成方法を適用したシリコン単結晶育成装置１０の構成の一例を示す概念図である。シリコン単結晶育成装置１０は、ＣＺ法を用いてシリコン単結晶１を育成する。

【0020】

図２に示されるように、シリコン単結晶育成装置１０は、装置本体１１と、メモリ１２と、制御部１３とを備えている。装置本体１１は、チャンバ２１と、坩堝２２と、加熱部２３と、引き上げ部２４と、熱遮蔽体２５と、断熱材２６と、坩堝駆動部２７と、を備えている。

【0021】

また、図３に示されるように、シリコン単結晶育成装置１０は、ドーパント供給装置５４を有する。ドーパント供給装置５４は、揮発性ドーパントＤが収容される容器本体５５と、容器本体５５に設けられ、下方に向けて開放された放出管５６と、容器本体５５を上下動可能に支持する、支持ワイヤ５７と、を有する。

【0022】

図２に示されるように、チャンバ２１は、メインチャンバ３１と、このメインチャンバ３１の上部に接続されたプルチャンバ３２とを備えている。プルチャンバ３２の上部には、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスをチャンバ２１内に導入するガス導入口３３Ａが設けられている。メインチャンバ３１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２１内の気体を排出するガス排気口３３Ｂが設けられている。

【0023】

ガス導入口３３Ａからチャンバ２１内に導入された不活性ガスは、育成中のシリコン単結晶１と熱遮蔽体２５との間を下降し、熱遮蔽体２５の下端とドーパント添加融液ＭＤの液面との隙間を経た後、熱遮蔽体２５と坩堝２２の内壁との間、さらに坩堝２２の外側に向けて流れ、その後に坩堝２２の外側を下降し、ガス排気口３３Ｂから排出される。

【0024】

坩堝２２は、メインチャンバ３１内に配置され、ドーパント添加融液ＭＤを貯留する。坩堝２２は、側部２２ａ、底部２２ｃ、および側部２２ａと底部２２ｃを接続する湾曲部２２ｂ（図３参照）によって構成されている。坩堝２２は、支持坩堝４１と、支持坩堝４１に収容された石英坩堝４２と、支持坩堝４１と石英坩堝４２との間に挿入された黒鉛シート４３とを備えている。なお、黒鉛シート４３は設けなくても良い。

【0025】

支持坩堝４１は、例えば、黒鉛又は炭素繊維強化型炭素から構成されている。支持坩堝４１は、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）化表面処理又は熱分解炭素被覆処理が施されていても良い。石英坩堝４２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする。黒鉛シート４３は、例えば、膨張黒鉛から構成されている。

【0026】

加熱部２３は、坩堝２２の外側に所定間隔を隔てて配置され、坩堝２２内のシリコン融液Ｍ（図３参照）、またはドーパント添加融液ＭＤを加熱する。加熱部２３は、坩堝２２の上部を加熱する上加熱部２３１と、上加熱部２３１の下方に配置され、坩堝２２の下部を加熱する下加熱部２３２とを備えている。
上加熱部２３１の加熱対象である坩堝２２の上部には、少なくともシリコン融液Ｍの液面と同じ高さレベルの坩堝２２の側部２２ａが含まれる。
下加熱部２３２の加熱対象である坩堝２２の下部には、少なくとも坩堝２２の湾曲部２２ｂまたは底部２２ｃが含まれる。

【0027】

上加熱部２３１の高さ寸法をＨ１、下加熱部２３２の高さ寸法をＨ２とすると、加熱部２３は、Ｈ１：Ｈ２＝１：１となるように形成されている。また、上加熱部２３１と下加熱部２３２とは、可能な限り近接するように配置されている。

【0028】

上加熱部２３１の高さ寸法Ｈ１と下加熱部２３２の高さ寸法Ｈ２とは、上記のような寸法とする必要はなく、例えば、Ｈ１：Ｈ２＝２：３とすることもできる。上加熱部２３１と下加熱部２３２の出力は高さ寸法に比例するため、Ｈ１：Ｈ２＝２：３とした場合、上加熱部２３１と下加熱部２３２とに同じ電力を供給すると、出力比も２：３となる。

【0029】

引き上げ部２４は、一端に種結晶２が取り付けられるケーブル５１と、このケーブル５１を昇降及び回転させる引き上げ駆動部５２とを備えている。

【0030】

熱遮蔽体２５は、少なくとも表面がカーボン材で構成されている。熱遮蔽体２５は、シリコン単結晶１を製造する際にシリコン単結晶１を囲むように設けられる。熱遮蔽体２５は、育成中のシリコン単結晶１に対して、坩堝２２内のドーパント添加融液ＭＤや加熱部２３、坩堝２２の側壁から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、外部への熱拡散を抑制し、シリコン単結晶１の中心部及び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。

【0031】

断熱材２６は、ほぼ円筒状を呈し、カーボン部材（例えば、グラファイト）から構成されている。断熱材２６は、加熱部２３の外側に所定間隔を隔てて配置されている。坩堝駆動部２７は、坩堝２２を下方から支持する支持軸５３を備え、坩堝２２を所定の速度で回転及び昇降させる。

【0032】

メモリ１２は、チャンバ２１内のＡｒガスのガス流量や炉内圧、加熱部２３に供給する電力、坩堝２２やシリコン単結晶１の回転数、坩堝２２の位置など、シリコン単結晶１の製造に必要な各種情報を記憶している。また、メモリ１２は、例えば、抵抗率プロファイル、引き上げ速度プロファイルを記憶する。

【0033】

制御部１３は、メモリ１２に記憶された各種情報や、作業者の操作に基づいて、各部を制御してシリコン単結晶１を製造する。

【0034】

上記シリコン単結晶育成装置１０によれば、種結晶２をドーパント添加融液ＭＤに接触させた後に引き上げることにより、まずネック部３が育成され、次いで、漸次拡径する肩部４と、直胴部５と、漸次縮径するテール部（図示せず）とからなるシリコン単結晶１が育成される。

【0035】

また、図３において、ドーパント供給装置５４は、容器本体５５が、シリコン融液Ｍの液面付近にまで降ろされると、シリコン融液Ｍの液面からの輻射熱によって、容器本体５５内の揮発性ドーパントＤが昇華し、容器本体５５内にガス化した揮発性ドーパントＤが充満するようになる。さらに、揮発性ドーパントＤの昇華が進行すると、放出管５６を介して、ガス化した揮発性ドーパントＤがシリコン融液Ｍの液面に向けて放出される。ガス化した揮発性ドーパントＤがシリコン融液Ｍの表面に噴射されると、シリコン融液Ｍ中に揮発性ドーパントＤがドーピングされ、ドーパント添加融液ＭＤ（図２参照）となる。
ドーパント供給装置の構成は上記構成に限ることはなく、例えば粒状の揮発性ドーパントを落下させてシリコン融液Ｍ中に投入する形態を採用してもよい。

【0036】

〔シリコン単結晶の育成方法〕
次に、本発明の実施形態のシリコン単結晶の育成方法の一例について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、製品直径が２００ｍｍであるｎ型シリコン単結晶を製造する場合について例示するが、製品直径はこれに限ることはない。
また、添加する揮発性ドーパントとしては、例えば、赤リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）が挙げられるが、これに限ることはない。

【0037】

図４のフローチャートに示すように、シリコン単結晶の育成方法は、引き上げ条件設定工程Ｓ１と、原料溶解工程Ｓ２と、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３と、ドーパント添加（ドーピング）工程Ｓ４と、引き上げ工程Ｓ５と、結晶冷却工程Ｓ６と、を有し、上記順番で工程を実行する。シリコン単結晶１を引き上げる引き上げ工程Ｓ５は、ネック部育成工程Ｓ５Ａと、肩部育成工程Ｓ５Ｂと、第１の有転位化判定工程Ｓ５Ｃと、直胴部育成工程Ｓ５Ｄと、第２の有転位化判定工程Ｓ５Ｅと、テール部育成工程Ｓ５Ｆと、を有する。
また、シリコン単結晶の育成方法は、シリコン単結晶１をドーパント添加融液ＭＤに溶かすメルトバック工程Ｓ７を有し、第１の有転位化判定工程Ｓ５Ｃ、または、第２の有転位化判定工程Ｓ５ＥでＹｅｓと判定され、シリコン単結晶１に有転位化が発生した場合に、引き上げを中止して、メルトバック工程Ｓ７に送られる。

【0038】

本実施形態のシリコン単結晶の育成方法では、ｎ型ドーパント（赤リン、ヒ素、アンチモン）を添加したドーパント添加融液ＭＤからシリコン単結晶１を引き上げることによって、低抵抗率のシリコン単結晶１を育成する。また、狙いのドーパント濃度も設定される。ドーパント濃度は、シリコン単結晶１中のドーパント濃度であり、例えば揮発性ドーパントが赤リンである場合は、シリコン単結晶１中のリンの濃度である。

【0039】

引き上げ条件設定工程Ｓ１は、シリコン単結晶１の直胴部５における狙いの抵抗率、狙いのドーパント濃度などに基づいて、ルツボ回転などの引き上げ条件を設定する工程である。

【0040】

シリコン単結晶１の直胴部５における狙いの抵抗率は、揮発性ドーパントを赤リンとした場合、０．５ｍΩ・ｃｍ以上、１．３ｍΩ・ｃｍ以下とすることができる。シリコン単結晶１内の狙いのドーパント濃度は、揮発性ドーパントを赤リンとした場合、３．４×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．６×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。
シリコン単結晶１の直胴部５における狙いの抵抗率は、揮発性ドーパントをヒ素とした場合、１．０ｍΩ・ｃｍ以上、５．０ｍΩ・ｃｍ以下とすることができる。シリコン単結晶１内の狙いのドーパント濃度は、揮発性ドーパントをヒ素とした場合、１．２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、７．４×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。
シリコン単結晶１の直胴部５における狙いの抵抗率は、揮発性ドーパントをアンチモンとした場合、１０．０ｍΩ・ｃｍ以上、３０．０ｍΩ・ｃｍ以下とすることができる。シリコン単結晶１内の狙いのドーパント濃度は、揮発性ドーパントをアンチモンとした場合、０．２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、０．６×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

【0041】

本発明は、上記したような非常に低い抵抗率のシリコン単結晶１の製造に好適である。また、シリコン単結晶１の直胴部５の一部が上記した狙いの抵抗率である場合は、当該シリコン単結晶１は、本発明の範囲内に含まれる。

【0042】

作業者は、上記した狙い抵抗率および狙いドーパント濃度などに基づいて、引き上げ速度などの引き上げ条件を設定し、制御部１３に入力する。制御部１３は、設定した引き上げ条件などをメモリ１２に記憶する。制御部１３は、メモリ１２から、引き上げ条件などを読み出し、それらに基づいて各工程を実行する。

【0043】

原料溶解工程Ｓ２は、坩堝２２に収容された多結晶シリコン（シリコン原料）を溶解して、シリコン融液Ｍにする工程である。制御部１３が、図示しない電源装置を制御することにより、加熱部２３に電力が供給される。加熱部２３により、坩堝２２が加熱されることにより坩堝２２内の多結晶シリコンが融解し、シリコン融液Ｍが生成する。

【0044】

シリコン融液温度安定化工程Ｓ３は、シリコン融液Ｍの温度を、シリコン単結晶１を育成するのに適した温度に調整する工程である。シリコン融液温度安定化工程Ｓ３では、制御部１３は、種結晶２をシリコン融液Ｍに付け込んだ際に種結晶２が溶融せず、かつ、シリコン融液Ｍの液面に結晶が析出しない温度（例えば、１４１２℃）となるように、加熱部２３の出力を制御する。
この際、シリコン融液Ｍの液面には、固化層が形成されることはない。固化層とは、シリコン融液Ｍが固体化したものである。固化層が形成されると、固化層に阻害されてドーピングすることができない。

【0045】

シリコン融液温度安定化工程Ｓ３において、制御部１３は、下加熱部２３２の発熱量Ｑｄが上加熱部２３１の発熱量Ｑｕよりも大きくなるように、加熱部２３の上加熱部２３１および下加熱部２３２を制御する。換言すれば、下加熱部の発熱量Ｑｄ＞前記上加熱部の発熱量Ｑｕとなるように、加熱部２３を制御する。
好ましくは、下加熱部２３２の発熱量Ｑｄを上加熱部２３１の発熱量Ｑｕで除した発熱比Ｑｄ／Ｑｕを、１．５以上、４．０以下とする。発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、３．０以上、３．８以下がより好ましい。

【0046】

すなわち、本実施形態のシリコン単結晶の育成方法では、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３以降で、シリコン融液Ｍの下方がより高温となるように、下加熱部２３２の発熱量Ｑｄを上加熱部２３１の発熱量Ｑｕよりも大きくする。
加熱部２３の発熱量は、加熱部２３への供給電力と同じである。すなわち、発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、下加熱部２３２への供給電力を上加熱部２３１への供給電力で除した値である。

【0047】

制御部１３は、加熱部２３の高さ寸法などの仕様に基づいて加熱部２３を制御する。すなわち、制御部１３は、上加熱部２３１と下加熱部２３２の高さ寸法が異なる場合でも、上記すなわち、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが実現されるよう、上加熱部２３１および下加熱部２３２に供給される電力を制御する。

【0048】

ドーパント添加工程Ｓ４は、シリコン融液Ｍに揮発性ドーパントＤを添加してドーパント添加融液ＭＤとする工程である。ドーパント添加工程Ｓ４では、制御部１３によりドーパント供給装置５４が制御され、ガス化した揮発性ドーパントＤがシリコン融液Ｍの液面の中央部に直接的に噴射される。なお、ガス化した揮発性ドーパントＤをシリコン融液Ｍの液面に全面的に噴射してもよい。
ドーパント添加工程Ｓ４において、制御部１３は、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３と同様の発熱量Ｑｕ、Ｑｄとなるように、加熱部２３を制御する。すなわち、下加熱部の発熱量Ｑｄ＞前記上加熱部の発熱量Ｑｕとなるように加熱部２３を制御する。ドーパント添加工程Ｓ４における発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、１．５以上、４．０以下が好ましく、３．０以上、３．８以下がより好ましい。最も好ましい発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、３．５±０．１である。

【0049】

発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１．５より小さいと、シリコン融液Ｍの液面温度が十分に下がらず、シリコン融液Ｍに添加した揮発性ドーパントＤの蒸発量が大きくなるとともに、蒸発量のバラつきも大きくなる。そのため、抵抗率が狙いの抵抗率から外れ易くなり、好ましくない。また、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが４．０より大きいと、シリコン融液Ｍ内に意図しない対流が発生するなどしてシリコン融液Ｍの液面温度が変化してしまい、添加した揮発性ドーパントＤの蒸発量をコントロール出来ない為、抵抗率が狙いの抵抗率から外れ易くなり却って好ましくない。

【0050】

次に、制御部１３は、ガス導入口３３Ａからチャンバ２１内にＡｒガスを所定の流量で導入するとともに、図示しない真空ポンプを制御し、ガス排気口３３Ｂからチャンバ２１内の気体を排出することにより、チャンバ２１内の圧力を減圧して、チャンバ２１内を減圧下の不活性雰囲気に維持する。

【0051】

次に、制御部１３は、引き上げ駆動部５２を制御し、ケーブル５１を下降させることにより、種結晶２をドーパント添加融液ＭＤに着液させる。

【0052】

次に、制御部１３は、坩堝駆動部２７を制御し、坩堝２２を所定の方向に回転させるとともに、引き上げ駆動部５２を制御し、ケーブル５１を所定の方向に回転させつつ、ケーブル５１を引き上げることにより、シリコン単結晶１を育成する。
具体的には、ネック部育成工程Ｓ５Ａでネック部３を育成し、肩部育成工程Ｓ５Ｂで肩部４を育成し、直胴部育成工程Ｓ５Ｄで直胴部５を育成し、テール部育成工程Ｓ５Ｆでテール部（図示せず）を育成する。

【0053】

ネック部育成工程Ｓ５Ａにおいて、制御部１３は、ドーパント添加工程Ｓ４と略同じの発熱比Ｑｄ／Ｑｕとなるように、加熱部２３を制御する。具体的には、ネック部育成工程Ｓ５Ａにおける発熱比Ｑｄ／Ｑｕはドーパント添加工程Ｓ４における発熱比Ｑｄ／Ｑｕの１００±１０％とすることが好ましい。
すなわち、ネック部育成工程Ｓ５Ａでは、坩堝２２内のシリコン融液Ｍの液面のほとんどが暴露した状態であり、揮発性ドーパントＤの蒸発量が大きくなる状態にあるため、ドーパント添加工程Ｓ４と略同じの発熱比Ｑｄ／Ｑｕに維持して、揮発性ドーパントＤの蒸発を抑制することが好ましい。

【0054】

肩部育成工程Ｓ５Ｂでは、直胴部５において要求される酸素濃度（直胴部５中の酸素濃度）に基づいて発熱比Ｑｄ／Ｑｕを調整することができる。なお、上記酸素濃度は格子間酸素の濃度であり、ＡＳＴＭ Ｆ１２１－１９７９に基づく濃度である。
例えば、直胴部５で要求される酸素濃度（狙い酸素濃度）が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の場合、少なくとも肩部育成工程Ｓ５Ｂの終了時において発熱比Ｑｄ／Ｑｕが３．５以上、４．５以下、好ましくは、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが３．９以上、４．１以下となるように、発熱比Ｑｄ／Ｑｕを調整する。
直胴部５で要求される酸素濃度が１２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の場合、少なくとも肩部育成工程Ｓ５Ｂの終了時において発熱比Ｑｄ／Ｑｕが０．７５以上、１．２５以下、好ましくは、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが０．９以上、１．１．以下となるように、発熱比Ｑｄ／Ｑｕを調整する。

【0055】

このように直胴部５で要求される酸素濃度によって肩部育成工程Ｓ５Ｂにおける発熱比Ｑｄ／Ｑｕを変える理由は、直胴部５の肩部４に近い部位の酸素濃度は肩部育成工程Ｓ５Ｂにおける坩堝内の融液温度の影響を強く受けるので、発熱比Ｑｄ／Ｑｕにより融液温度を調整して、直胴部５の肩部４に近い部位の酸素濃度が、要求される酸素濃度の範囲内になることを容易にするためである。
なお、直胴部育成工程Ｓ５Ｄにて、磁場強度や坩堝回転数等の調整をさらに加えることにより直胴部５の酸素濃度が調整される。

【0056】

肩部育成工程Ｓ５Ｂにおいては、揮発性ドーパントＤの蒸発を抑制することを重視して、上記した直胴部５において要求される酸素濃度に基づいた調整を行わずに、単に、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが一定となるように制御してもよい。発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、１．０以上、４．０以下が好ましく、２．５以上、３．８以下がより好ましい。

【0057】

第１の有転位化判定工程Ｓ５Ｃは、肩部育成工程Ｓ５Ｂ以降に、シリコン単結晶１の肩部４に有転位化が発生しているか否かを判定する工程である。
有転位化が発生していた場合（Ｙｅｓ）、引き上げ工程Ｓ５を中止して、シリコン単結晶１をドーパント添加融液ＭＤに溶かすメルトバック工程Ｓ７を実行し、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３からシリコン単結晶１の育成を再開する。メルトバック工程Ｓ７においては、発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、１．５以上、３．０以下が好ましく、２．０以上、２．５以下がより好ましい。メルトバック工程Ｓ７において、有転位化が発生していない場合（Ｎｏ）、直胴部育成工程Ｓ５Ｄを実行する。

【0058】

直胴部育成工程Ｓ５Ｄでは、制御部１３は、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１となるように、加熱部２３を制御して直胴部５を育成する。すなわち、直胴部育成工程Ｓ５Ｄでは、上加熱部２３１と下加熱部２３２の出力が略同じとなるように、加熱部２３を制御する。

【0059】

第２の有転位化判定工程Ｓ５Ｅでは、シリコン単結晶１の直胴部５に有転位化が発生しているか否かを判定する。有転位化が発生していた場合（Ｙｅｓ）、引き上げ工程Ｓ５を中止して、メルトバック工程Ｓ７を行い、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３からシリコン単結晶１の育成を再開する。有転位化が発生していない場合（Ｎｏ）、テール部育成工程Ｓ５Ｆを実行する。

【0060】

テール部育成工程Ｓ５Ｆでは、制御部１３は、発熱比Ｑｄ／Ｑｕが１となるように、加熱部２３を制御してテール部を育成する。すなわち、テール部育成工程Ｓ５Ｆでは、上加熱部２３１と下加熱部２３２の出力が略同じとなるように、加熱部２３を制御する。

【0061】

次に、制御部１３は、引き上げ駆動部５２を制御し、シリコン単結晶１のテール部をドーパント添加融液ＭＤから切り離す。
結晶冷却工程Ｓ６では、制御部１３は、引き上げ駆動部５２を制御し、ケーブル５１をさらに引き上げつつ、ドーパント添加融液ＭＤから切り離されたシリコン単結晶１を冷却する。
最後に、冷却されたシリコン単結晶１がプルチャンバ３２に収容されたことを確認した後、プルチャンバ３２からシリコン単結晶１を取り出す。

【0062】

上記実施形態によれば、ドーパント添加工程Ｓ４において、下加熱部２３２の出力を上加熱部２３１の出力よりも大きくすることによって、揮発性ドーパントＤ添加時のシリコン融液Ｍの液面の温度を低温度化することができる。これにより、液面における揮発性ドーパントＤの蒸発速度が小さくなり、シリコン融液Ｍに添加する揮発性ドーパントＤの量を少なくすることが可能となる。
このような方法で揮発性ドーパントＤの蒸発を抑制することによって、チャンバ内の圧力を高圧化し蒸発を抑制する方法と比較して、有転位化の発生を抑制しながら、低抵抗率のシリコン単結晶の取得が可能となる。
また、シリコン融液Ｍの液面に固化層を形成することなく揮発性ドーパントＤの添加を行うことによって、固化層によりドーピングが阻害されることがなく、より確実にドーピングを行うことができる。

【0063】

また、揮発性ドーパントＤを、赤リン、ヒ素、またはアンチモンとすることによって、低抵抗率のｎ型シリコン単結晶１を育成することができる。

【0064】

また、ネック部育成工程Ｓ５Ａにおける発熱比Ｑｄ／Ｑｕを、ドーパント添加工程Ｓ４における発熱比Ｑｄ／Ｑｕと略同じとすることによって、ネック部育成工程Ｓ５Ａにおける発熱比調整を省略することができる。

【0065】

また、肩部育成工程Ｓ５Ｂにおいて、直胴部５において要求される酸素濃度に基づいて発熱比Ｑｄ／Ｑｕを調整することによって、直胴部５における酸素濃度を要求される数値に近づけることができる。

【0066】

また、本発明のシリコン単結晶の育成方法は、同一の坩堝２２を使用して、複数本のシリコン単結晶１を引き上げる、いわゆるマルチ引き上げ法を採用したシリコン単結晶の育成方法にも応用が可能である。
マルチ引き上げ法を採用したシリコン単結晶の育成方法では、引き上げ工程Ｓ５および結晶冷却工程Ｓ６の後に、引き上げ工程Ｓ５で使用した坩堝２２と同一の坩堝２２を用いて他のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げ工程を有する。

【0067】

マルチ引き上げ工程の前には、坩堝２２に他のシリコン単結晶用のシリコン原料を供給し、シリコン原料を加熱することにより得られるシリコン融液に揮発性ドーパントを添加する。この他のシリコン単結晶用のシリコン融液に揮発性ドーパントを添加する工程においても、発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、１．５以上、４．０以下が好ましく、３．０以上、３．８以下がより好ましい。最も好ましい発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、３．５±０．１である。
このように、マルチ引き上げ法を採用したシリコン単結晶の育成方法において、再供給されたシリコン融液のドーピング時に発熱比Ｑｄ／Ｑｕを制御することによっても、揮発性ドーパントＤの蒸発速度が小さくし、シリコン融液に添加する揮発性ドーパントＤの量を少なくすることが可能となる。

【実施例】

【0068】

シリコン融液温度安定化工程Ｓ３から肩部育成工程Ｓ５Ｂまでの発熱比Ｑｄ／Ｑｕを３．５とした実施例と、シリコン融液温度安定化工程Ｓ３から肩部育成工程Ｓ５Ｂまでの発熱比Ｑｄ／Ｑｕを１とした比較例とを比較した。
なお、実施例および比較例との相違は発熱比Ｑｄ／Ｑｕのみであり、その他の条件は同一である。
図５は、直胴部最頂部の抵抗率／狙い抵抗率を示すグラフと、データのばらつきを示す箱ひげ図である。縦軸は、直胴部最頂部の抵抗率／狙い抵抗率であり、直胴部最頂部の抵抗率が狙い抵抗率と同一の場合、１００％となる。横軸は、同じ直胴部最頂部の抵抗率／狙い抵抗率の出現回数である。

【0069】

図５に示されるように、実施例（発熱比３．５）は比較例（発熱比１）と比較して、直胴部最頂部の抵抗率／狙い抵抗率は１００％が突出して多く、ばらつきが少ない結果となった。すなわち、シリコン単結晶の育成において、発熱比Ｑｄ／Ｑｕを３．５とすることにより、揮発性ドーパントの蒸発量のばらつきが小さくなり、製品の狙い抵抗率の的中率を上げることができる。

【0070】

なお、上記実施形態では、加熱部２３を上加熱部２３１と下加熱部２３２とからなるものとしたが、これに限ることはなく、例えば、坩堝２２の底部を加熱する底加熱部（ボトムヒーター）を有する３段の加熱部としてもよい。この場合、発熱比Ｑｄ／Ｑｕは、下加熱部の発熱量と底加熱部の発熱量の和を、上加熱部の発熱量で除した値とする。

【符号の説明】

【0071】

１０…シリコン単結晶育成装置、１２…メモリ、１３…制御部、２１…チャンバ、２２…坩堝、２３加熱部、２３１…上加熱部、２３２…下加熱部、２４…引き上げ部、５４…ドーパント供給装置、Ｄ…揮発性ドーパント、Ｍ…シリコン融液、Ｓ１…引き上げ条件設定工程、Ｓ２…原料溶解工程、Ｓ３…シリコン融液温度安定化工程、Ｓ４…ドーパント添加（ドーピング）工程、Ｓ５…引き上げ工程、Ｓ５Ａ…ネック部育成工程、Ｓ５Ｂ…肩部育成工程、Ｓ５Ｃ…第１の有転位化判定工程、Ｓ５Ｄ…直胴部育成工程、Ｓ５Ｅ…第２の有転位化判定工程、Ｓ５Ｆ…テール部育成工程、Ｓ６…冷却工程、Ｓ７…メルトバック工程。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】