特許 7567929 シリコン単結晶の製造方法

(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】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】シリコン単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20241008BHJP

   C30B 15/04 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502H

C30B15/04

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022553849

(86)(22)【出願日】2021-09-21

(86)【国際出願番号】 JP2021034487

(87)【国際公開番号】W WO2022071014

(87)【国際公開日】2022-04-07

【審査請求日】2023-03-16

(31)【優先権主張番号】P 2020163638

(32)【優先日】2020-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】小林 省吾

(72)【発明者】

【氏名】深津 宣人

(72)【発明者】

【氏名】金原 崇浩

(72)【発明者】

【氏名】山本 瞳

【審査官】▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１８－５２５３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６０６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２５４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０２５３３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５１１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０６８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４０９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０１４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３０７３０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ １／００－３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、
前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、
前記結晶引き上げ工程は、前記主ドーパントと反対の導電型を有する副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、
前記副ドーパントを投下していない第１期間中に引き上げ炉内に供給するＡｒガスの流量を第１流量に設定し、
前記副ドーパントを投下している期間を含む第２期間中に前記引き上げ炉内に供給する前記Ａｒガスの流量を前記第１流量よりも大きい第２流量に設定す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】

前記第１流量に対する前記第２流量の増加量は、室温且つ大気圧下での換算流量で４０Ｌ／ｍｉｎ以上３００Ｌ／ｍｉｎ以下である、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項3】

前記第２流量は、室温且つ大気圧下での換算流量で１２０Ｌ／ｍｉｎ以上である、請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項4】

前記第２流量は、前記第１流量の１．５倍以上５倍以下である、請求項１乃至３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5】

前記追加ドープ工程は、前記副ドーパントの投下を開始する前に前記Ａｒガスの流量を前記第２流量まで増加し、前記副ドーパントの投下が終了した後に前記Ａｒガスの流量を前記第１流量に戻す、請求項１乃至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】

前記第１期間中に前記引き上げ炉内の圧力を第１炉内圧に設定し、
前記第２期間中に前記引き上げ炉内の前記圧力を前記第１炉内圧よりも低い第２炉内圧に設定する、請求項１乃至５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7】

前記第１炉内圧に対する前記第２炉内圧の減少量は、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下である、請求項６に記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項8】

前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を取り囲むように前記シリコン融液の上方に略円筒状の熱遮蔽部材を配置する、請求項１乃至７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9】

前記シリコン単結晶中の酸素濃度が６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ－１２１，１９７９）以下である、請求項１乃至８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10】

前記シリコン単結晶の電気抵抗率が１０Ωｃｍ以上１０００Ωｃｍ以下である、請求項１乃至９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11】

主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、
前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、
前記結晶引き上げ工程は、前記主ドーパントと反対の導電型を有する副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、
前記副ドーパントを投下していない第１期間中に引き上げ炉内の圧力を第１炉内圧に設定し、
前記副ドーパントを投下している期間を含む第２期間中に前記引き上げ炉内の前記圧力を前記第１炉内圧よりも低い第２炉内圧に設定することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

【請求項12】

前記第１炉内圧に対する前記第２炉内圧の減少量は、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下である、請求項１１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、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、結晶引き上げ工程の途中でドーパントを追加供給する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶及び石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下方に大きな直径の単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば、高品質のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造することが可能である。

【0003】

シリコン単結晶の育成では、単結晶の電気抵抗率（以下、単に抵抗率と称す）を調整するために各種のドープ剤（ドーパント）が使用される。代表的なドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などである。通常、これらのドーパントは、多結晶シリコン原料と共に石英ルツボ内に投入され、ヒータによる加熱で多結晶シリコンと共に融解される。これにより、所定量のドーパントを含んだシリコン融液が生成される。

【0004】

しかし、シリコン単結晶中のドーパント濃度は偏析によって引き上げ軸方向に変化するため、引き上げ軸方向に均一な抵抗率を得ることが難しい。この問題を解決するには、シリコン単結晶の引き上げ途中でドーパントを供給する方法が有効である。例えば、ｎ型シリコン単結晶の引き上げ途中でシリコン融液にｐ型トーパントを加えることにより、ｎ型ドーパントの偏析の影響によるシリコン単結晶の抵抗率の低下を抑制することができる。このような主ドーパントと逆の導電型の副ドーパントを追加供給する方法は、カウンタードープと呼ばれている。

【0005】

カウンタードープ技術に関し、例えば特許文献１には、初期に投入した型（例えばｎ型）と反対の型（例えばｐ型）のドーパントの投入速度が所定の関係式を満たすようにドーパントを添加することが記載されている。また特許文献２には、副ドーパントを含む棒状シリコン結晶を原料融液へ挿入することで、育成されるシリコン単結晶の軸方向の抵抗率を制御する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平３－２４７５８５号公報

【文献】特開２０１６－２１６３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、石英ルツボ内のシリコン融液に粒状のドーパントを投下するカウンタードープでは、固体のドーパントが融液に溶けきる前に固液界面に取り込まれ、シリコン単結晶が有転位化するという問題がある。このような有転位化の問題は、単結晶の低酸素化のため引き上げ炉内に導入するＡｒガスの流量を少なくするＩＧＢＴ用シリコン単結晶の引き上げにおいて顕著であり、改善が求められている。

【0008】

したがって、本発明の目的は、結晶引き上げ途中で副ドーパントを投下するカウンタードープ法において単結晶の有転位化を防止することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、前記結晶引き上げ工程は、副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、前記副ドーパントを投下していない第１期間中に引き上げ炉内に供給するＡｒガスの流量を第１流量に設定し、前記副ドーパントを投下している期間を含む第２期間中に前記引き上げ炉内に供給する前記Ａｒガスの流量を前記第１流量よりも大きい第２流量に設定することを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、シリコン融液に投下した副ドーパントが未溶融の状態で固液界面に到達してシリコン単結晶中に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0011】

本発明において、前記第１流量に対する前記第２流量の増加量は、室温且つ大気圧下での換算流量で４０Ｌ／ｍｉｎ以上３００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。４０Ｌ／ｍｉｎ未満の場合、効果が小さく、３００Ｌ／ｍｉｎ超の場合、液面温度の低下を招き単結晶の有転位化の恐れがある。特に、前記第１流量に対する前記第２流量の増加量は８０Ｌ／ｍｉｎ以上１６０Ｌ／ｍｉｎ以下が好ましい。また、前記第２流量は、室温且つ大気圧下での換算流量で１２０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、前記第１流量の１．５倍以上５倍以下であることが好ましく、特に２倍以上３倍以下が好ましい。これにより、未溶融の副ドーパントが固液界面に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0012】

本発明において、前記追加ドープ工程は、前記副ドーパントの投下を開始する前に前記Ａｒガスの流量を前記第２流量まで増加し、前記副ドーパントの投下が終了した後に前記Ａｒガスの流量を前記第１流量に戻すことが好ましい。これにより、シリコン融液に投下したドーパントが未溶融の状態で固液界面に取り込まれる確率をさらに低減することができる。

【0013】

本発明において、前記第１期間中に前記引き上げ炉内の圧力を第１炉内圧に設定し、前記第２期間中に前記引き上げ炉内の前記圧力を前記第１炉内圧よりも低い第２炉内圧に設定することが好ましい。Ａｒガス流量と同時に炉内圧も変更することで有転位化の確率をさらに低減することができる。

【0014】

本発明において、前記第１炉内圧に対する前記第２炉内圧の減少量は、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。一般的に第１炉内圧は数十Ｔｏｒｒである場合が多く、第２炉内圧の減少量を１０Ｔｏｒｒ超とすると、第２炉内圧が低くなり過ぎて引き上げている単結晶の有転位化を招くおそれがある。また、第２炉内圧の減少量を１Ｔｏｒｒ未満とすると、第２炉内圧は第１炉内圧とほとんど変わらないため、有転位化の確率を低減する効果を得にくくなる。これに対し、第１炉内圧に対する第２炉内圧の減少量が１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下であれば、単結晶の有転位化の確率をさらに低減することができる。

【0015】

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を取り囲むように前記シリコン融液の上方に略円筒状の熱遮蔽部材を配置し、前記熱遮蔽部材の下端と融液面との間のギャップを通過する前記Ａｒガスの流速を制御しながら前記シリコン単結晶を引き上げることが好ましい。熱遮蔽部材が設置された炉内で酸素濃度が低いシリコン単結晶を引き上げる場合、前記熱遮蔽部材の下端と融液面との間のギャップを流れるＡｒガスの流速を精密に制御する必要がある。本発明によれば、カウンタードープ中のＡｒガス流量を増加させることにより、シリコン融液の液面近傍においてシリコン単結晶の中心側から外側に向かって流れるＡｒガスの流速を強めることができ、未溶融のドーパントが固液界面に近づくことを防止することができる。特に熱遮蔽部材の下端よりも石英ルツボ側に副ドーパントを投下する場合、熱遮蔽部材の下端と融液面との間のギャップを通過するシリコン単結晶の中心軸側から外側に向かうＡｒガスの流速を強めることができ、未溶融のドーパントが固液界面に近づくことを防止する上で効果的である。

【0016】

本発明において、前記シリコン単結晶中の酸素濃度は６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ－１２１，１９７９）以下であることが好ましく、４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ－１２１，１９７９）以下であることが特に好ましい。また、前記シリコン単結晶の電気抵抗率は１０Ωｃｍ以上１０００Ωｃｍ以下であることが好ましく、２０Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であることが特に好ましい。このように、酸素濃度が低くかつ抵抗率範囲が狭いシリコン単結晶を引き上げる場合には、結晶引き上げ工程中の炉内のＡｒガス流量を少なくする必要があり、Ａｒガス流量が少ない条件下でカウンタードープを実施した場合にはシリコン単結晶の有転位化の確率が高くなる。しかし、本発明のようにカウンタードープ工程中のみＡｒガス流量を増加させた場合には、シリコン単結晶の有転位化の確率を低くすることができる。

【0017】

また、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、前記結晶引き上げ工程は、副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、前記副ドーパントを投下していない第１期間中に引き上げ炉内の圧力を第１炉内圧に設定し、前記副ドーパントを投下している期間を含む第２期間中に前記引き上げ炉内の前記圧力を前記第１炉内圧よりも低い第２炉内圧に設定することを特徴とする。

【0018】

本発明によれば、シリコン融液に投下した副ドーパントが未溶融の状態で固液界面に到達してシリコン単結晶中に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0019】

本発明において、前記第１炉内圧に対する前記第２炉内圧の減少量は、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。一般的に第１炉内圧は数十Ｔｏｒｒである場合が多く、第２炉内圧の減少量を１０Ｔｏｒｒ超とすると、第２炉内圧が低くなり過ぎて引き上げている単結晶の有転位化を招くおそれがある。また、第２炉内圧の減少量を１Ｔｏｒｒ未満とすると、第２炉内圧は第１炉内圧とほとんど変わらないため、有転位化の確率を低減する効果を得にくくなる。これに対し、第１炉内圧に対する第２炉内圧の減少量が１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下であれば、単結晶の有転位化の確率をさらに低減することができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、結晶引き上げ途中で副ドーパントを投下するカウンタードープ法において単結晶の有転位化を防止することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図3】図３は、カウンタードープ工程を含む直胴部育成工程Ｓ１６を説明するためのフローチャートである。

【図4】図４は、ドーパント投下期間とＡｒガス流量及び炉内圧との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、２回のカウンタードープを実施したときのシリコン単結晶中の抵抗率の変化を示すグラフである。

【図6】図６は、実施例によるシリコン単結晶の抵抗率を四探針法にて測定した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

【0023】

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。

【0024】

図１に示すように、単結晶製造装置１は、シリコン単結晶２の引き上げ炉を構成するチャンバー１０と、チャンバー１０内に設置された石英ルツボ１２と、石英ルツボ１２を支持するグラファイト製のサセプタ１３と、サセプタ１３を昇降及び回転可能に支持するシャフト１４と、サセプタ１３の周囲に配置されたヒータ１５と、石英ルツボ１２の上方に配置された熱遮蔽部材１６と、石英ルツボ１２の上方であってシャフト１４と同軸上に配置された単結晶引き上げワイヤー１７と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１８と、石英ルツボ１２内にドーパント原料５を供給するドーパント供給装置２０と、各部を制御する制御部３０とを備えている。

【0025】

チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口を覆うトップチャンバー１０ｂと、トップチャンバー１０ｂの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｃとで構成されており、石英ルツボ１２、サセプタ１３、ヒータ１５及び熱遮蔽部材１６はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。サセプタ１３はチャンバー１０の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられたシャフト１４の上端部に固定されており、シャフト１４はシャフト駆動機構１９によって昇降及び回転駆動される。

【0026】

ヒータ１５は、石英ルツボ１２内に充填された多結晶シリコン原料を融解してシリコン融液３を生成するために用いられる。ヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒータであり、サセプタ１３内の石英ルツボ１２を取り囲むように設けられている。ヒータ１５の外側には断熱材１１が設けられている。断熱材１１はメインチャンバー１０ａの内壁面に沿って配置されており、これによりメインチャンバー１０ａ内の保温性が高められている。

【0027】

熱遮蔽部材１６は、ヒータ１５及び石英ルツボ１２からの輻射熱によってシリコン単結晶２が加熱されることを防止すると共に、シリコン融液３の温度変動を抑制するために設けられている。熱遮蔽部材１６は上方から下方に向かって直径が縮小した略円筒状の部材であり、シリコン融液３の上方を覆うと共に、育成中のシリコン単結晶２を取り囲むように設けられている。熱遮蔽部材１６の材料としてはグラファイトを用いることが好ましい。熱遮蔽部材１６の中央にはシリコン単結晶２の直径よりも大きな開口部が設けられており、シリコン単結晶２の引き上げ経路が確保されている。図示のように、シリコン単結晶２は開口部を通って上方に引き上げられる。熱遮蔽部材１６の開口の直径は石英ルツボ１２の口径よりも小さく、熱遮蔽部材１６の下端部は石英ルツボ１２の内側に位置するので、石英ルツボ１２のリム上端を熱遮蔽部材１６の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽部材１６が石英ルツボ１２と干渉することはない。

【0028】

シリコン単結晶２の成長と共に石英ルツボ１２内の融液量は減少するが、融液面と熱遮蔽部材１６との間隔（ギャップ）が一定になるように石英ルツボ１２の上昇を制御することにより、シリコン融液３の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍（パージガス誘導路）を流れるＡｒガスの流速を一定にしてシリコン融液３からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、単結晶の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。

【0029】

石英ルツボ１２の上方には、シリコン単結晶２の引き上げ軸であるワイヤー１７と、ワイヤー１７を巻き取るワイヤー巻き取り機構１８が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１８はワイヤー１７と共にシリコン単結晶２を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１８はプルチャンバー１０ｃの上方に配置されており、ワイヤー１７はワイヤー巻き取り機構１８からプルチャンバー１０ｃ内を通って下方に延びており、ワイヤー１７の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶２がワイヤー１７に吊設された状態が示されている。単結晶の引き上げ時には種結晶をシリコン融液３に浸漬し、石英ルツボ１２と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１７を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。

【0030】

プルチャンバー１０ｃの上部にはチャンバー１０内にＡｒガス（パージガス）を導入するためのガス吸気口１０ｄが設けられており、メインチャンバー１０ａの底部にはチャンバー１０内のＡｒガスを排気するためのガス排気口１０ｅが設けられている。ここで、Ａｒガスとは、ガスの主成分（５０vol.%超）がアルゴンであるものを意味し、水素や窒素といったガスを含んでも構わない。

【0031】

Ａｒガス供給源３１はマスフローコントローラ３２を介してガス吸気口１０ｄに接続されており、Ａｒガス供給源３１からのＡｒガスはガス吸気口１０ｄからチャンバー１０内に導入され、その導入量はマスフローコントローラ３２により制御される。また密閉されたチャンバー１０内のＡｒガスはガス排気口１０ｅからチャンバー１０の外部へ排気されるので、チャンバー１０内のＳｉＯガスやＣＯガスを回収してチャンバー１０内を清浄に保つことが可能となる。ガス吸気口１０ｄからガス排気口１０ｅに向かうＡｒガスは、熱遮蔽部材１６の開口を通過し、融液面に沿って引き上げ炉の中心部から外側に向かい、さらに降下してガス排気口１０ｅに到達する。

【0032】

ガス排気口１０ｅには配管を介して真空ポンプ３３が接続されており、真空ポンプ３３でチャンバー１０内のＡｒガスを吸引しながらバルブ３４でその流量を制御することでチャンバー１０内は一定の減圧状態に保たれている。チャンバー１０内の気圧は圧力計によって測定され、ガス排気口１０ｅからのＡｒガスの排気量はチャンバー１０内の気圧が一定となるように制御される。

【0033】

ドーパント供給装置２０は、チャンバー１０の外側からその内部に引き込まれたドーパント供給管２１と、チャンバー１０の外側に設置され、ドーパント供給管２１の上端に接続されたドーパントホッパー２２と、ドーパント供給管２１が貫通するトップチャンバー１０ｂの開口部１０ｆを密閉するシールキャップ２３とを備えている。

【0034】

ドーパント供給管２１は、ドーパントホッパー２２の設置位置からトップチャンバー１０ｂの開口部１０ｆを通って石英ルツボ１２内のシリコン融液３の直上まで到達する配管である。シリコン単結晶２の引き上げ途中において、ドーパント供給装置２０から石英ルツボ１２内のシリコン融液３にドーパント原料５が追加供給される。ドーパントホッパー２２から排出されたドーパント原料５は、ドーパント供給管２１を通ってシリコン融液３に供給される。

【0035】

ドーパント供給装置２０から供給されるドーパント原料５は、副ドーパントを含む粒状シリコンである。このようなドーパント原料５は、副ドーパントを高濃度に含むシリコン結晶を例えばＣＺ法により育成した後、細かく破砕して作製される。ただし、カウンタードープに用いるドーパント原料５は副ドーパントを含むシリコンに限定されず、ドーパント単体であってもよく、ドーパント原子を含む化合物であってもよい。またドーパント原料５の形状は粒状に限定されず、板状や棒状であってもよい。

【0036】

図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【0037】

図２に示すように、シリコン単結晶２の製造では、まず石英ルツボ１２内に主ドーパントと共に多結晶シリコン原料を充填する（原料充填工程Ｓ１１）。ｎ型シリコン単結晶を引き上げる場合の主ドーパントは例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）あるいはアンチモン（Ｓｂ）であり、ｐ型シリコン単結晶を引き上げる場合の主ドーパントは例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）である。次に、石英ルツボ１２内の多結晶シリコンをヒータ１５で加熱して溶融し、主ドーパントを含むシリコン融液３を生成する（溶融工程Ｓ１２）。

【0038】

次に、ワイヤー１７の先端部に取り付けた種結晶を降下させてシリコン融液３に着液させる（ステップＳ１３）。その後、シリコン融液３との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長させる結晶引き上げ工程（ステップＳ１４～Ｓ１７）を実施する。

【0039】

結晶引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部を形成するネッキング工程Ｓ１４と、結晶直径が徐々に大きくなったショルダー部を形成するショルダー部育成工程Ｓ１５と、結晶直径が規定の直径（例えば約３００ｍｍ）に維持された直胴部を形成する直胴部育成工程Ｓ１６と、結晶直径が徐々に小さくなったテール部を形成するテール部育成工程Ｓ１７が順に実施され、最終的には単結晶が融液面から切り離される。以上により、シリコン単結晶インゴットが完成する。

【0040】

直胴部育成工程Ｓ１６は、シリコン単結晶２に含まれる主ドーパントと反対の導電型を有する副ドーパントをシリコン融液３中に投入する少なくとも１回のカウンタードープ工程（追加ドープ工程）を有することが好ましい。これにより、シリコン単結晶２の直胴部の結晶長手方向における抵抗率の変化を抑制することができる。

【0041】

ＩＧＢＴ用シリコン単結晶中の酸素濃度は６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ－１２１，１９７９）以下であることが好ましく、４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ－１２１，１９７９）以下であることが特に好ましい。また、ＩＧＢＴ用シリコン単結晶の抵抗率は１０Ωｃｍ以上１０００Ωｃｍ以下であることが好ましく、２０Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であることが特に好ましい。

【0042】

このように、酸素濃度が低くかつ抵抗率範囲が狭いＩＧＢＴ用シリコン単結晶の引き上げでは、引き上げ炉の中心軸側から外側に向かう融液面に沿ったＡｒガスの流速を遅くすることが好ましく、このような炉内条件下で追加ドープを実施した場合にはシリコン単結晶の有転位化の確率が高くなる。しかし、本実施形態のようにカウンタードープ工程中の炉内条件を変更した場合には、シリコン単結晶の有転位化の確率を低くすることができる。

【0043】

図３は、カウンタードープ工程を含む直胴部育成工程Ｓ１６を説明するためのフローチャートである。

【0044】

図３に示すように、直胴部育成工程Ｓ１６の開始時には、Ａｒガス流量及び炉内圧がシリコン単結晶の育成に適した値にそれぞれ設定される（ステップＳ２１）。例えば、ＩＧＢＴ用シリコン単結晶の場合、抵抗率が低く、且つ格子間酸素濃度が低いことが求められる。このようなシリコン単結晶を育成するためには、一般的な半導体デバイス用のシリコン単結晶よりもＡｒガス流量を小さくする必要がある。通常の直胴部育成工程Ｓ１６に必要なＡｒガス流量を第１流量Ｆ_１、炉内圧を第１炉内圧Ｐ_１とする。

【0045】

シリコン単結晶中のドーパント濃度は結晶引き上げが進むにつれて上昇するため、所望の抵抗率範囲から外れてしまう。そのため、工程中、カウンタードープが必要なタイミングになると、カウンタードープを開始する（ステップＳ２２Ｙ，Ｓ２３～Ｓ２５）。

【0046】

カウンタードープでは、シリコン融液３に副ドーパントを含むドーパント原料５を投下する（ステップＳ２４）。ｎ型シリコン単結晶を引き上げる場合の副ドーパントは例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）であり、ｐ型シリコン単結晶を引き上げる場合の副ドーパントは例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）あるいはアンチモン（Ｓｂ）である。

【0047】

ドーパント投下期間中は、Ａｒガス流量及び炉内圧がカウンタードープに適した値にそれぞれ変更される。ドーパント投下期間（第２期間）中のＡｒガス流量Ｆ_２（第２流量）は、通常の結晶引き上げ期間（第１期間）中のＡｒガス流量Ｆ_１（第１流量）よりも大きい値（Ｆ_２＞Ｆ_１）に設定される。またカウンタードープ期間中の炉内圧Ｐ_２（第２炉内圧）は、通常の結晶引き上げ期間中の炉内圧Ｐ_１（第１炉内圧）よりも低い値（Ｐ_２＜Ｐ_１）に設定される。なお、ドーパント投下期間とは、狭義にはドーパント原料５を実際に投下している期間であるが、広義にはシリコン融液中に投下したドーパントが溶け切って有転位化の問題が生じなくなるまでに必要な期間のことを言う。

【0048】

Ａｒガス流量Ｆ_１に対するＡｒガス流量Ｆ_２の増加量は、室温且つ大気圧下での換算流量で４０Ｌ／ｍｉｎ以上３００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。また、Ａｒガス流量Ｆ_２は、室温且つ大気圧下での換算流量で１２０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、Ａｒガス流量Ｆ_１の１．５倍以上５倍以下であることが好ましい。これにより、未溶融の副ドーパントが固液界面に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0049】

炉内圧Ｐ_１に対する炉内圧Ｐ_２の減少量は、１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。Ａｒガス流量と同時に炉内圧も変更することで有転位化の確率をさらに低減することができる。

【0050】

カウンタードープが終了すると、通常の結晶引き上げ期間（第１期間）中のＡｒガス流量Ｆ_１及び炉内圧Ｐ_１に戻され、直胴部の育成を継続する（ステップＳ２５，Ｓ２６）。

【0051】

カウンタードープ工程は求められる結晶長さに応じて繰り返し行われる（ステップＳ２７Ｙ，Ｓ２２Ｙ，Ｓ２３～Ｓ２５）。カウンタードープ終了後も直胴部の育成を継続し、カウンタードープが再び必要なタイミングになると、カウンタードープを開始する。カウンタードープの繰り返し回数は予め決められており、規定回数のカウンタードープが終了するまで繰り返し行われる。カウンタードープ中は毎回、Ａｒガス流量及び炉内圧をカウンタードープに適した値（Ｆ_２，Ｐ_２）にそれぞれ変更する。こうして、規定回数のカウンタードープを行いながら所望の長さのシリコン単結晶を引き上げることにより、抵抗率の引き上げ軸方向の変化が小さなシリコン単結晶の歩留まりを高めることができる。

【0052】

図４は、ドーパント投下期間とＡｒガス流量及び炉内圧との関係を示すグラフである。

【0053】

図４に示すように、ドーパント投下期間中はＡｒガス流量を増加させると共に、炉内圧を減少させる。例えば、ドーパント投下期間（第２期間）中のＡｒガス流量は、ドーパントを投下していない通常の引き上げ期間（第１期間）におけるＡｒガス流量の２倍に設定される。また、ドーパント投下期間（第２期間）における炉内圧は、通常の引き上げ期間（第１期間）における炉内圧の８０％に設定される。

【0054】

チャンバー１０内に導入するＡｒガスの流量を増加させると、チャンバー１０の中心側から外側に向かって流れる融液面に沿ったＡｒガスの流速が速くなるので、融液面近傍に漂う未溶融のドーパントがシリコン単結晶２とシリコン融液３との固液界面に近づくことを抑制することができる。炉内圧を高くした場合も同様に、チャンバー１０の中心側から外側に向かって流れる融液面に沿ったＡｒガスの流速が速くなるので、ドーパントが固液界面に近づくことを抑制することができる。したがって、Ａｒガス流量及び炉内圧を一時的に変化させることにより、ドーパントがシリコン単結晶２とシリコン融液３との固液界面に取り込まれることによる単結晶の有転位化を防止することができる。

【0055】

図５は、２回のカウンタードープを実施したときのシリコン単結晶中の抵抗率の変化を示すグラフであって、横軸は結晶長（直胴部の全長を１としたときの相対値）、縦軸は抵抗率（相対値）をそれぞれ示している。

【0056】

図５に示すように、主ドーパントとしてリンを単独でドープしたシリコン単結晶の場合、シリコン単結晶の抵抗率は引き上げ開始時が最も高く、引き上げが進むにつれて徐々に低下するだけであるため、結晶長が約０．４４を超えたところで抵抗率が規格から外れることになる。

【0057】

しかし、１回目のカウンタードープを結晶長が約０．４４の位置で実施し、２回目カウンタードープを結晶長が０．６３の位置で実施することにより、抵抗率が規格内に収まる単結晶の長さをできるだけ長くすることができる。

【0058】

以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン単結晶の引き上げ工程中にシリコン単結晶の主ドーパントと逆導電型の副ドーパントをシリコン融液に投下する工程を含み、副ドーパント投下期間中のＡｒガス流量を副ドーパント非投下期間中よりも大きくし、炉内圧を低くしているので、単結晶の有転位化を防止することができる。

【0059】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【実施例】

【0060】

（比較例）
リン（Ｐ）を主ドーパントとするｎ型シリコン単結晶の直胴部育成工程中にＡｒガス流量及び炉内圧を変更することなくカウンタードープを行った。カウンタードープでは、Ｐの偏析による抵抗率の変化を予測し、抵抗率が規格から外れる直前で副ドーパントであるボロン（Ｂ）を投下した。その結果、副ドーパントの投下直後にシリコン単結晶の有転位化が発生した。

【0061】

（実施例）
リン（Ｐ）を主ドーパントとするｎ型シリコン単結晶の直胴部育成工程の途中で２回のカウンタードープを行った。カウンタードープ時にはＡｒガス流量を通常時の２倍まで増加させ、このＡｒガス流量が増加した状態を１５分間維持した後、通常時のＡｒガス流量に戻した（図４参照）。またこれと同じタイミングで炉内圧を通常時よりも５Ｔｏｒｒ低下させ、この炉内圧が低下した状態を１５分間維持した後、通常時の炉内圧に戻した（図４参照）。Ａｒガス流量及び炉内圧の変更（増加及び減少）には２０分を要した。副ドーパントの投下は、Ａｒガス流量が増加した状態及び炉内圧が低下した状態が一定に維持された期間中に行った。その結果、シリコン単結晶は有転位化することなく最後まで引き上げることができた。

【0062】

こうして得られたシリコン単結晶の結晶長手方向の抵抗率分布を確認するため、ドーパント投下位置近辺の結晶ブロックを縦割りしてサンプルを取得し、サンプルの厚さが１．０ｍｍとなるように研削加工し、さらに抵抗率測定のためのドナーキラー処理（６５０℃、４０分の熱処理）を行った。

【0063】

続いてサンプルの抵抗率を四探針法にて測定した。抵抗率の測定ピッチは、副ドーパント投下位置近傍では１ｍｍピッチ、それ以外では５ｍｍピッチとした。抵抗率連続測定の結果を図６に示す。図示のように、ドーパント投下直後に抵抗率が上昇し、その後は偏析に従った抵抗率を得た。２回目の副ドーパント投下後の抵抗率は狙いの抵抗率よりも少し低くなったが、概ね良好な結果が得られた。

【0064】

以上のようなカウンタードープを伴うシリコン単結晶の引き上げを４回行ったが、いずれのシリコン単結晶においても有転位化は発生せず、良好な結果が得られた。

【符号の説明】

【0065】

１ 単結晶製造装置
２ シリコン単結晶
３ シリコン融液
５ ドーパント（副ドーパント）
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ トップチャンバー
１０ｃ プルチャンバー
１０ｄ ガス吸気口
１０ｅ ガス排気口
１０ｆ 開口部
１１ 断熱材
１２ 石英ルツボ
１３ サセプタ
１４ シャフト
１５ ヒータ
１６ 熱遮蔽部材
１７ ワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９ シャフト駆動機構
２０ ドーパント供給装置
２１ ドーパント供給管
２２ ドーパントホッパー
２３ シールキャップ
３０ 制御部
３１ Ａｒガス供給源
３２ マスフローコントローラ
３３ 真空ポンプ
３４ バルブ
Ｓ１１ 原料充填工程
Ｓ１２ 溶融工程
Ｓ１３ 着液工程
Ｓ１４ ネッキング工程
Ｓ１５ ショルダー部育成工程
Ｓ１６ 直胴部育成工程
Ｓ１７ テール部育成工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】