特表 2025-534170 ＣＺ法によるｎ型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを製造するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-10-14

(54)【発明の名称】ＣＺ法によるｎ型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを製造するための方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20251006BHJP

   C30B 15/04 20060101ALI20251006BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502H

C30B15/04

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2025521162

(86)(22)【出願日】2023-09-28

(85)【翻訳文提出日】2025-06-02

(86)【国際出願番号】 EP2023076932

(87)【国際公開番号】W WO2024078888

(87)【国際公開日】2024-04-18

(31)【優先権主張番号】22201615.6

(32)【優先日】2022-10-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599119503

【氏名又は名称】ジルトロニック アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｌｔｒｏｎｉｃ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｅｉｎｓｔｅｉｎｓｔｒａｓｓｅ １７２，８１６７７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ラミンク，ゲオルク

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル，マティアス

(72)【発明者】

【氏名】フーバー，ヨハン－アンドレアス

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077AB06

4G077BA04

4G077CF10

4G077EB01

4G077EB04

4G077EG22

4G077EG25

4G077EH05

4G077EH06

4G077HA06

4G077HA12

4G077PB02

4G077PB05

4G077PB07

(57)【要約】

下端を有する熱シールドによって囲まれた単結晶を、るつぼに包含される溶融物からCZ法によってリアクタチャンバ内で引き上げることによって、n型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを生成するための方法であって、るつぼヒータによって前記リアクタチャンバの外側の昇華ユニットのドーパントるつぼ内の固体ドーパントを、気体ドーパントが形成される温度まで加熱することと、ドーパントガスの体積流の形態の前記気体ドーパントを、下端を有する導管を通じて前記溶融物の表面へと供給することとを含み、前記供給することは、前記昇華ユニット内の圧力と前記リアクタチャンバ内の圧力との間の圧力差が所定の値まで増大すると直ちに、前記昇華ユニットと前記リアクタチャンバとの間の制御弁を強制開状態にすることと、前記昇華ユニット内の設定点圧力をコマンド変数とし、前記圧力差を制御の被制御変数として、前記制御弁の前記開状態を制御することとを含む、方法。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下端を有する熱シールドによって囲まれた単結晶を、るつぼに包含される溶融物からCZ法によってリアクタチャンバ内で引き上げることによって、n型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを生成するための方法であって、
るつぼヒータによって前記リアクタチャンバの外側の昇華ユニットのドーパントるつぼ内の固体ドーパントを、気体ドーパントが形成される温度まで加熱することと、
ドーパントガスの体積流の形態の前記気体ドーパントを、下端を有する導管を通じて前記溶融物の表面へと供給することとを含み、前記供給することは、
前記昇華ユニット内の圧力と前記リアクタチャンバ内の圧力との間の圧力差が所定の値まで増大すると直ちに、前記昇華ユニットと前記リアクタチャンバとの間の制御弁を強制的に開状態にすることと、前記昇華ユニット内の設定圧力をコマンド変数とし、前記圧力差を制御の被制御変数として、前記制御弁の前記開状態を制御することとを含む、方法。

【請求項2】

前記制御は、PID制御の形態をとる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記導管の前記下端は、前記熱シールドの前記下端と同じ、前記溶融物の前記表面からの距離を有する、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記導管は前記熱シールドを通過し、前記導管の前記下端は前記るつぼの壁と前記熱シールドの前記下端との間に配置される、請求項１～３のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

前記導管は、ステンレス鋼から成る上側部分、CFCから成る中間部分、およびCFCをクラッドした石英から成る下側部分に区分される、請求項１～４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

前記導管は、前記ドーパントるつぼにさらなる固体ドーパントが再装填される前に、隔離弁によって前記昇華ユニットと前記リアクタチャンバとの間で閉じられる、請求項１～５のいずれかに記載の方法。

【請求項7】

前記ドーパントるつぼの前記温度は、その中に含まれる前記固体ドーパントが使い果たされる直前に上昇する、請求項１～６のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の主題は、るつぼに包含される溶融物からCZ法によってリアクタチャンバ内で単結晶を引き上げることによって、n型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを製造するための方法である。

【背景技術】

【0002】

従来技術／課題
n型ドーパントを比較的多く包含する単結晶シリコンは、主としてパワー半導体部品の生産のための原料として必要とされる。

【0003】

リン、ヒ素またはアンチモンなどの昇華性ドーパント元素は、典型的にはそれらが気体状態にあるときに溶融物と接触する。ここでの課題は、ドーパントの高い蒸気圧にもかかわらず、溶融物中のドーパントの十分に高い濃度を確保することである。さらに、ドーパントの導入は、結晶の単結晶成長を終了させる転位を形成することを防止するために、最大限の精度で調整されなければならない。

【0004】

国際公開第２０２１／１１５９０４号は、ドーパントガスが昇華設備内で生成され、キャリアガスと共に導管を通ってリアクタチャンバに入り、熱シールドの下端にある環状チャネルに到達する方法を記載している。

【0005】

米国特許出願公開第２０１０／０２９４９９９号は、リアクタチャンバ内の加熱されたユニット内の固体ドーパントの昇華、および昇華速度の制御、ならびに得られたドーパントガスのキャリアガスを伴う溶融物への導管の通過を記載している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、単純な手段を使用して、単結晶の円筒部分の長さに関係なく、円筒部分の軸方向長さにわたってドーパント分布を極めて均一にすることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的は、下端を有する熱シールドによって囲まれた単結晶を、るつぼに包含される溶融物からCZ法によってリアクタチャンバ内で引き上げることによって、n型ドーパントがドープされた単結晶シリコンを生成するための方法であって、
るつぼヒータによってリアクタチャンバの外側の昇華ユニットのドーパントるつぼ内の固体ドーパントを、気体ドーパントが形成される温度まで加熱することと、
ドーパントガスの体積流の形態の気体ドーパントを、下端を有する導管を通じて溶融物の表面へと供給することとを含み、供給することは、
昇華ユニット内の圧力とリアクタチャンバ内の圧力との間の圧力差が所定の値まで増大すると直ちに、昇華ユニットとリアクタチャンバとの間の制御弁を強制的に開状態にすることと、昇華ユニット内の設定圧力をコマンド変数とし、圧力差を制御の被制御変数として、制御弁の開状態を制御することとを含む、方法によって達成される。

【0008】

本発明は、単結晶の引き上げ中に、比較的長い期間にわたってドーパントガスの実質的に一定の流れを溶融物へと通し、溶融物へのドーパントガスの継続的な供給を確実にするために必要に応じて固体ドーパントを再装填することを可能にする。このソリューションは、単純で信頼性が高い。

【0009】

気体ドーパントは、アルゴンなどのキャリアガスなしで、またはキャリアガスと共に、ドーパントガスの体積流として溶融物へと通される。キャリアガスは、特に、気体ドーパントの濃度が比較的低い場合に気体ドーパントの流れを安定化させるために使用される。キャリアガスの供給は、好ましくはマスフローコントローラ（MFC：Mass Flow Controller）によって制御される。

【0010】

固体ドーパントは、単結晶の引き上げ前および／または引き上げ中にドーパントるつぼに投入されてもよい。ドーパントるつぼに固体ドーパントを再装填するために、リアクタチャンバの外側の導管は、制御弁を完全に閉じることによって遮断される。安全のために、遮断弁も同様に作動されることが好ましく、この弁は、場合によってはリアクタチャンバと制御弁との間に配置される。遮断弁は、制御弁の気密性に関係なく、昇華ユニットへの確実なアクセスが保証されるようにする。ドーパントるつぼの温度、したがって昇華ユニット内の温度は、好ましくは、その中に包含される固体ドーパントが使い果たされる直前に上昇される。これは、昇華ユニットが開く前にドーパントが完全に脱出していることを確実にする。ドーパントの脱出は、昇華ユニット内の関連する圧力降下を介して監視することができる。

【0011】

昇華ユニットは、ドーパントるつぼを収容し、ドーパントるつぼへのアクセスを提供するハウジングを備える。ハウジングは、好ましくは二重壁構造を有し、冷却回路によって能動的に冷却することができる。

【0012】

るつぼヒータと同様に、好ましくは、特にドーパントの再昇華に対抗するために、他のヒータが存在する。例としては、ハウジングのための内部ヒータ、制御弁および任意選択の遮断弁のための外部ヒータ、ならびにリアクタチャンバの外側に位置する導管の領域が挙げられる。キャリアガスおよび周囲空気を昇華ユニットに導入するための弁を加熱するために、さらなるヒータが提供されてもよい。ドーパントとしての赤リンの場合、昇華温度は、１００００Paの圧力において３６２℃であり、ヒ素の場合、この圧力における昇華温度は５０８℃である。特に、ドーパント搬送導管の温度は、対応する昇華温度よりも高くなければならない。

【0013】

圧力は、リアクタチャンバ内および昇華ユニット内で測定される。制御弁の開状態は、昇華ユニット内の圧力とリアクタチャンバ内の圧力との間の差に応じて作られ、制御弁アクチュエータを介して調整される。アクチュエータは、弁を通る流れを遮断することができるストッパの位置など、弁を通る流れを決定する要素のストロークを調整する。アクチュエータは、好ましくは、電気的に動作し、制御装置の制御要素を形成する。溶融物の表面への気体ドーパントの供給中、昇華ユニット内の圧力は、リアクタチャンバ内の圧力よりも大きい。

【0014】

単結晶シリコンを引き上げる手順の間に再現可能かつ調整された様式でドーパントガスの体積流が溶融物に到達することを確実にするために、体積流は、好ましくは安定化段階の後にのみ制御弁を通過する。安定化段階は、昇華ユニット内の圧力が所定の値に上昇するまで、制御弁を閉じた状態で、固体ドーパントが昇華し始める温度よりも低い温度へとドーパントるつぼを加熱することを含む。安定化段階の後、ドーパントるつぼは、固体ドーパントが昇華し始める温度を超える温度まで加熱される。固体ドーパントが昇華する速度（蒸発速度）は、特に、ドーパントるつぼが加熱される温度によって決定される。ドーパントるつぼヒータの温度が一定であるかまたはわずかに上昇しているときに昇華ユニット内に生じるさらなる圧力上昇は、昇華の開始を示す。制御弁は、昇華ユニット内の圧力とリアクタチャンバ内の圧力との差が所定値まで大きくなると直ちに開く。圧力差は、好ましくは少なくとも１０００Pa、より好ましくは５０００～１００００Paである。その後、制御弁の開放状態は、昇華ユニット内の設定点圧力をコマンド変数とし、圧力差を制御の制御変数として、制御の一部として制御弁アクチュエータによって制御される。制御は、好ましくはPID制御の形態をとる。昇華ユニット内の圧力は、制御による周期的な圧力変動を除いて、ドーパントるつぼ内の固体ドーパントの供給が減少するために圧力降下が発生するまで、実質的に一定のままである。圧力が想定値まで低下すると、制御弁も閉じる。

【0015】

溶融物から脱出したドーパントを置換する必要がある場合、ドーパントるつぼに固体ドーパントを再充填することができる。これは、転位の発生後に結晶が再溶融されて新たな単結晶引き上げ運動が開始される場合、または昇華ユニット内のドーパントのストックが成長する単結晶の円筒部分の長さのために使い果たされる場合であり得る。その場合、制御弁を閉じ、任意の隔離弁を閉じた状態で、昇華ユニットをパージおよび冷却し、必要量の追加の固体ドーパントをドーパントるつぼに入れる。

【0016】

導管を通じて溶融物の表面にドーパントガスの体積流を供給することは、例えば、種結晶を溶融物と接触させた直後、または単結晶の円錐形部分を引き上げる前またはその最中など、好ましくは、単結晶の円筒部分を引き上げる前に開始される。代替的な可能性は、円筒部分を引き上げる間の開始時にのみこの方法を開始することである。これとは無関係に、例えば、固体ドーパントを有するドーピングベルをシリコン溶融物に浸漬することによって、ドーパントガスの体積流を供給する前であっても、溶融物はドーパントで富化されていてもよい。

【0017】

ドーパントガスの体積流が出現する導管の下端は、好ましくは、成長する単結晶を取り囲む熱シールドの下端と同じ高さで溶融物の上方に配置される。その上、導管の下端は、好ましくは、熱シールドの下端と溶融物を有するるつぼの壁との間に位置する。リアクタチャンバ内の導管が、熱シールドの壁を通過するように配置されることも好ましい。導管が水によって冷却され得るリアクタチャンバの壁の領域内で、上記導管は、好ましくは、例えばステンレス鋼などの金属から成り、そこで６００℃以下の温度に曝される。成長する単結晶および比較的高温のグラファイト部分の周囲では、グラファイト、炭素繊維補強複合材（CFC：Carbon Fiber-Reinforced Composite）材料および／または石英などの高温ゾーンの温度安定材料を使用しなければならない。リアクタチャンバ内の導管をステンレス鋼から成る上側部分、CFCから成る中間部分、およびその下端にCFCをクラッドした石英から成る下側部分に区分することが特に好ましい。クラッドは、石英管を過熱から保護する。

【0018】

下記に、図面を参照して本発明をさらに説明する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明を実施するのに適したリアクタチャンバおよび昇華ユニットの垂直断面図である。

【図2】図１からの拡大詳細図である。

【図3】単結晶の円筒部分の軸方向位置Pの関数としての単結晶シリコンの電気抵抗率Rのプロファイルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明による例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、本発明を実施するのに適したリアクタチャンバ１および昇華ユニット２の垂直断面を示す。以下の説明は、示されているいくつかの特徴を参照するものではなく、それらの特徴は本発明の説明に寄与しない。リアクタチャンバ１内には、シリコン溶融物４を有するるつぼ３が配置され、シリコン溶融物４は、単結晶５の引き上げの過程で溶融物から気体n型ドーパントでドープされ、気体n型ドーパントは導管６を通じて溶融物４の表面に通される。溶融物４は、るつぼ３を取り囲む加熱装置７によって液体に保たれる。単結晶５は、加熱装置７の熱放射を遮蔽する熱シールド１０によって囲まれている。引き上げ装置８によって単結晶５を回転させて溶融物から引き上げている間、るつぼ３が上昇および回転される。リアクタチャンバ１の周囲に配置された１つまたは複数の磁場コイル９によって、水平磁場などの磁場を溶融物４に作用させることは可能であるが、絶対に必要ではない。単結晶５の引き上げ中、リアクタチャンバ１は、例えば、それを通過するアルゴン流によってパージされる。

【0021】

気体ドーパントは、リアクタチャンバの外側に位置する昇華ユニット２内で生成され、そこからドーパントガスの体積流の形態で導管６を通じて溶融物４の表面まで案内される。体積流は、マスフローコントローラ１４を介して昇華ユニットに通されるキャリアガス（一例としてアルゴン）の一部を包含し得る。気体ドーパントを生成するために、固体ドーパント、一例として赤リンをドーパントるつぼ１１に導入し、昇華ユニット２内のるつぼヒータ１２によってドーパントるつぼ１１を加熱する。昇華ユニット２は、ドーパントるつぼ１１内の固体ドーパントの現在の重量に関する情報を提供する秤量セル１３を保有することができる。導管６を通るその経路上で、昇華ユニット２を出た後、リアクタチャンバ１に入る前に、ドーパントガスの体積流は、制御弁１６および任意選択的に遮断弁１７を通過する。

【0022】

リアクタチャンバ１および昇華ユニット２内の圧力および温度は、センサによってコントローラ１５に伝達され、コントローラは、溶融物４の表面へのドーパントガスの供給を制御するために使用される。図示の実施形態では、コントローラ１５はまた、引き上げ動作、例えば、単結晶５の回転および取り出し、ならびにるつぼ３の回転および上昇を案内するために使用される。溶融物４の表面への気体ドーパントの供給を開始するために、ドーパントるつぼ１１はるつぼヒータ１２によって加熱される。この間、コントローラ１５は、制御弁１６および遮断弁１７（存在する場合）を閉じたままにする。ドーパントるつぼ１１内の固体ドーパントは、昇華ユニット２内の圧力が所定の閾値に達するまで、昇華温度未満の温度に最初に予熱される。続いて、るつぼヒータ１２の温度が昇華温度よりも高い目標温度まで上昇され、結果として、昇華ユニット２の圧力がさらに増大する。コントローラ１５は、制御弁１６を強制開状態にし、必要に応じて、昇華ユニット２内の圧力とリアクタチャンバ１内の圧力との差が所定の値まで大きくなると直ちに遮断弁１７を開く。その後、制御のコマンド変数を昇華ユニット２内の設定点圧力として、制御弁１６の開状態が制御される。ドーパントるつぼ内の固体ドーパントのストックが減少すると、昇華ユニット２内の圧力が低下する。圧力が強制値まで低下すると、制御弁１６、および存在する場合には遮断弁１７が閉じられる。その後、必要に応じて、単結晶５の引き上げプロセス中にも、ドーパントるつぼ１１にさらなる固体ドーパントを充填することができ、気体ドーパントを溶融物４の表面に供給する新たなサイクルを開始することができる。

【0023】

図１に示す好ましい実施形態によれば、導管６の下端は、熱シールド１０の下端と同じ、溶融物４の表面からの距離を有する。さらに、この実施形態の場合、リアクタチャンバ１内の導管６のプロファイルは、導管６が熱シールド１０を通過し、導管６の下端がるつぼ３の壁と熱シールド１０の下端との間に配置されるように設計される。

【0024】

この好ましい構成および図２の表現によれば、リアクタチャンバ１内の導管６は、３つの部分、すなわち、ステンレス鋼から成る上側部分１８、CFC（炭素繊維複合材）から成る中間部分１９、およびその下端がCFCジャケットによって囲まれた石英から成る下側部分２０に区分される。

【0025】

本発明の有効性は、一例として、図１に表されている特徴を実質的に含む設備内で２００mmの直径を有する単結晶シリコンの生成を使用して試験された。．昇華ユニットは、フランスの製造元Riber製のものとした。

【0026】

まず、単結晶を、ドーピングベルによる引き上げの前に溶融物に添加されていた塩基性リンドーピングを有する上側円筒形部分の点まで引き上げた。本発明の方法を使用して、単結晶の電気抵抗率をさらに下げることができ、引き上げ手順の終了まで、下限LSLと上限USLとの間で実質的に一定に保つことができることを示した。図３は、結果を抵抗測定値の形式で表している。抵抗プロファイルは、位置P＝０の円筒部分の始まりから位置P＝１００の円筒部分の終端まで示されている。本発明による気体ドーパントの供給は、ドーパントガスの体積流の形態で、始まりと示されている位置と終端と示されている位置との間で単結晶の円筒部分を引き上げる間に行われた。本発明の方法を適用することにより、単結晶中の抵抗率を１mΩcm未満に低下させることが可能であった。

【符号の説明】

【0027】

使用されている参照符号のリスト
１ リアクタチャンバ
２ 昇華ユニット
３ るつぼ
４ 溶融物
５ 単結晶
６ 導管
７ 加熱装置
８ 引き上げ装置
９ 磁場コイル
１０ 熱シールド
１１ ドーパントるつぼ
１２ るつぼヒータ
１３ 秤量セル
１４ マスフローコントローラ
１５ コントローラ
１６ 制御弁
１７ 遮断弁
１８ 上側部分
１９ 中間部分
２０ 下側部分
２１ CFCジャケット

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】