JP5418009B2 - シリコン単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造装置及び製造方法、特に、ヒ素等の不純物を添加したシリコン融液を有する溶融炉内のガスを排出し減圧雰囲気にした状態で、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げを行うシリコン単結晶の製造装置に関するものである。

シリコンウェーハの製造工程において、シリコン単結晶の電気抵抗率を変化させるため、単結晶の引上げに用いられるシリコン融液中に、不純物（ｐ型としてB、ｎ型としてP、As等）を添加する方法がある。また、電気抵抗率を低くするためには、ヒ素や赤リン、アンチモン等の不純物を添加するのが有効である。

ただし、前記シリコン融液中に添加された不純物は、一般的に、揮発性が高く蒸発しやすいものが多い。シリコン融液内の不純物が蒸発すると、シリコン融液が所望の不純物濃度を確保できないため、製品の抵抗率が悪化するという問題や、蒸発した不純物が単結晶製造装置内に充満するという環境上の問題の原因となることから、不純物の蒸発を防ぐために種々の方法が開発されている。

不純物の蒸発を防ぐ方法の１つとして、通常低圧（2666〜15998Pa程度）に制御されている溶融炉内の圧力を、高めに設定する方法が挙げられる。例えば図２に示す半導体結晶の製造装置１のように、圧力調整バルブ１６０等を用いて溶融炉内ガスの排気量を調整することで、溶融炉内の圧力を比較的高めの減圧雰囲気にする方法等である。

しかしながら、従来の方法では、シリコン融液中に添加された不純物の蒸発を防ぐ点では有効であるものの、実際に、圧力調整バルブ１６０等による炉内ガスの排出量の調整だけでは、炉内圧力を高く制御することが困難となり、特に、20ｋPa以上の炉内圧力に達した場合には、圧力制御が不安定になるという問題がある。

また、上述の課題を解決するための手段として、溶融炉内ガスを排気するための排気ポンプの能力を低いものに交換するという手段が考えられるが、その場合、製造するシリコン単結晶によって、製造装置内の真空ポンプを交換しなければならず、工業的に製品を量産するという点からは現実的ではない。

本発明の目的は、装置の複雑な調整を必要とすることなく、シリコン単結晶引上げ時の溶融炉内の圧力を高く制御し、シリコン融液中に添加された不純物の蒸発を抑制できるシリコン単結晶の製造装置及び製造方法を提供することにある。

本発明者らは、シリコン単結晶の引上げのためのシリコン融液を有する溶融炉と、該溶融炉内のガスを排出し炉内圧力を減圧するための排気手段とを具えるシリコン単結晶の製造装置について、上記の課題を解決するため検討を重ねた結果、ガス供給手段をさらに具え、前記排気手段とガス供給手段の相互調整により、従来の方法のように減圧の調整を図るのではなく、減圧は通常通り行いながらも、ガス供給手段により積極的に排気手段の配管近くにガスを取り込んで圧力の調整を図ることができ、比較的容易に、前記溶融炉内の圧力を26kPa以上の減圧雰囲気を実現できることを見出した。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ヒ素、赤リン又はアンチモンを含有するシリコン単結晶の引上げのためのシリコン融液を有する溶融炉と、該溶融炉とガス管を介して接続し、該溶融炉内のガスを排出し炉内圧力を減圧するための排気手段とを具えるシリコン単結晶の製造装置であって、
該製造装置は、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から、前記ガス供給手段をフィードバック制御する制御手段、並びに、前記排気手段の排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図る排気調整手段、をさらに具えるとともに、
前記排気手段の接続されたガス管と同一のガス管に接続したガス供給手段をさらに具え、該排気手段及び該ガス供給手段は、前記同一のガス管からそれぞれ分岐して配設されており、前記排気手段によって減圧を行いながら、該ガス供給手段によりガス（アルゴンを除く）を取り込んで排気手段へ送りこみ圧力の調整を図ることで、前記溶融炉内の圧力を、26kPa以上の減圧雰囲気に維持することを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。

（２）ヒ素、赤リン又はアンチモンを含有するシリコン融液を有する溶融炉内のガスを排出し減圧雰囲気にした状態で、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げを行うシリコン単結晶の製造方法であって、
前記溶融炉内のガスを該溶融炉とガス管を介して接続された排気手段によって排出するとともに、炉内圧力が26kPa以上の減圧雰囲気を維持するように、ガス（アルゴンを除く）を、前記溶融炉外部から、前記排気手段の接続されたガス管と同一のガス管に接続されたガス供給手段へ取り込んで、該ガス管を通じて取り込んだガスを前記排気手段へ送りこみ、さらに、シリコン単結晶引上げ時に、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から前記溶融炉外部のガスの取り込み量のフィードバック制御を行い、排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図ることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

この発明によれば、装置の複雑な調整を必要とすることなく、シリコン単結晶引上げ時の溶融炉内の圧力を高く制御し、シリコン融液中に添加された不純物の蒸発を抑制できるシリコン単結晶の製造装置及び製造方法の提供が可能となった。

本発明に従うシリコン単結晶の製造装置を説明するための図である。 従来のシリコン単結晶の製造装置を説明するための図である。 実施例及び比較例のシリコン単結晶製造装置について、時間に対する圧力の変動を示したグラフである。 実施例及び比較例の製造装置中のシリコン融液について、結晶固化率に対する電気抵抗率を示したグラフである。 シリコン単結晶中に含有されるヒ素濃度とシリコン単結晶の電気抵抗率との関係を示したグラフである。

本発明によるシリコン単結晶の製造装置について、図面を参照しながら説明する。
本発明のシリコン単結晶の製造装置は、図１に示すように、シリコン単結晶の引上げのためのシリコン融液を有する溶融炉１０と、該溶融炉１０内のガスを排出し炉内圧力を減圧するための排気手段３０とを具えるシリコン単結晶の製造装置１である。

そして、本発明の製造装置１は、ガス供給手段３０をさらに具え、排気手段２０とガス供給手段３０の相互調整により、前記溶融炉１０内の圧力を、26kPa以上の減圧雰囲気に維持することを特徴とする。

上記構成を採用することで、排気手段２０を用いて減圧は通常通り行いながら、ガス供給手段３０を用いて、外部から溶融炉１０内に積極的にガス３１を取り込み、排気手段２０による減圧とガス供給手段３０による取り込んだガスとの調整によって、溶融炉１０内の圧力の調整を比較的容易、かつ確実に行うことができ、従来の製造装置では制御が困難であった26kPa以上という、高い減圧雰囲気を実現することができる。

ここで、前記減圧雰囲気の圧力を26kPa以上としたのは、炉内の圧力が26kPa未満の場合、炉内圧力が低すぎるため、シリコン融液に添加された不純物の蒸発を、十分に抑制できない恐れがあるからである。

なお、図２に示すように、従来のシリコン単結晶製造装置１００では、圧力調整バルブ１６０のみによって、溶融炉１１０内の圧力を調整しており、高い減圧雰囲気（約20kPa以上）については、バルブ１６０の動きの制御が煩雑となる結果、実現は困難である。

前記溶融炉１０は、図１に示すように、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げに用いられるシリコン融液が充填された炉のことである。本発明では、通常用いられる溶融炉であれば特に限定はないが、溶融炉内のシリコン融液については、本発明による効果を発揮する点から、不純物が添加されていることが好ましい。

また、前記シリコン融液は、ヒ素、赤リン又はアンチモンを含有する。これらの材料がシリコン融液中に添加された場合、揮発性が非常に高く、蒸発する量が大きいことため、本発明の製造装置による26kPa以上に炉内圧力を上昇させて、不純物の蒸発を抑制する効果が最も顕著に発揮できるためである。また、その他の不純物、例えばボロン等を添加した場合には、炉内圧力を高くする必要はないためである。

ここで、上述の不純物をシリコン融液に添加した場合、得られるシリコン単結晶については、電気抵抗率が低くなる。図５は、シリコン単結晶中に含有されるヒ素濃度（atoms／cm³）とシリコン単結晶の電気抵抗率の関係を示したグラフであるが、図５からわかるように、ヒ素の含有量が多くなるほど、電気抵抗率（Ω／cm）が低下することがわかる。

前記排気手段２０は、図１に示すように、ガス管８０を通して溶融炉１０に接続した状態で設けられ、前記溶融炉内のガスを排出し、炉内圧を低下させるための手段である。前記排気手段２０については、炉内ガスを排出できれば特に限定する必要はないが、例えば、真空ポンプ等を用いることができる。

前記ガス供給手段は、図１に示すように、ガス管８０に接続した状態で設けられ、外部からガス３１を供給し、炉内圧を上昇させるための手段である。具体的なガス供給手段３０としては、専用のバルブや、ガス供給用のポンプ等が挙げられる。このガス供給手段３０によるガス１３の供給と、前記排気手段３０による炉外へのガスの排出との相互作用によって、前記溶融炉１内の圧力を26kPa以上に調整することが可能となる。

また、本発明のシリコン単結晶製造装置１は、図１に示すように、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から、前記ガス供給手段３０へのガス供給量をフィードバック制御する制御手段４０をさらに具える。この制御手段４０を用いることによって、より正確に、目標炉内圧力を実現できるからである。

ここで、フィードバック制御の一例を示す。
炉内圧力は、排気手段２０（真空ポンプ）の排気能力が一定である場合、
炉内圧力(Pa)＝炉内ガス流量(L/min)×大気圧(Pa)／排気量(L/min)
で定められる。そして、ガス供給手段３０によって炉内圧力の調整を図った場合、
炉内圧力(Pa)＝（炉内ガス流量(L/min)×大気圧(Pa)＋供給したガス流量(L/min)×大気圧(Pa)）／排気量(L/min)
で定められる。
例えば、炉内圧力：715.65 Pa、炉内ガス（Ar）流量：60 L/min、排気量：8495.04 L/minの炉内雰囲気で、炉内圧力を13332 Paに設定する場合、上記の式から
供給流量(L/min)＝（13332(Pa)×8495.04(L/min)）／101325(Pa)−60(L/min)
となり、炉内へのガスの供給量（L/min）を、1057.749 L／minとなるように、ガス供給手段３０のフィードバック制御を行えばいいことがわかる。

なお、前記制御手段４０のフィードバック制御については、上述の方法でなくとも、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差に基づき制御できればよい。また、図１に示すように、前記制御手段４０は、前記ガス供給手段３０及び溶融炉内の圧力を測定するための真空計５０に接続した状態で設けられることが好ましい。

さらに、本発明による製造装置１は、図１に示すように、さらに高い精度で、所望の炉内圧を実現する点から、前記排気手段２０の排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図る排気調整手段６０を具える。この排気調整手段６０は、排気手段２０の排気量を調整できれば特に限定はされず、例えば、従来の製造装置で用いられている圧力調整バルブ等を用いることができる。また、前記排気調整手段６０についても、前記制御手段４０と接続されることが好ましい。前記ガス供給手段３０の動きと調整を図ることで、炉内圧力を高い精度で維持できることに加え、高炉内圧、低炉内圧制御の切り替えが容易に可能となるためである。

次に、本発明によるシリコン単結晶の製造方法を説明する。
本発明の製造方法は、シリコン融液を有する溶融炉内のガスを排出し減圧雰囲気にした状態で、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げを行うシリコン単結晶の製造方法であって、シリコン単結晶引上げ時に、前記溶融炉内のガスを排出するとともに、炉内圧力が26kPa以上の減圧雰囲気を維持するように排気手段の配管近くにガスを供給することを特徴とする。

上記構成を採用することで、炉内ガスの排出によって、前記溶融炉内の減圧は通常通り行いながら、外部から溶融炉内に積極的にガスを取り込み、減圧と取り込んだガスとの調整によって、溶融炉内の圧力の調整を比較的容易、かつ確実に行うことができ、従来の製造方法では制御が困難であった26kPa以上という、高い減圧雰囲気を実現することができる。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例）
実施例として、図１に示すように、シリコン単結晶の引上げのためのシリコン融液を有する溶融炉１０と、該溶融炉１０内のガスを排出し炉内圧力を減圧するための排気手段２０と、排気手段２０との相互調整により前記溶融炉１０内の圧力を調整するガス供給手段３０と、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から、前記ガス供給手段３０へのガス供給量をフィードバック制御する制御手段４０と、前記排気手段２０の排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図る排気調整手段６０とを具えるシリコン単結晶の製造装置１を製造した。

（比較例）
比較例１として、図２に示すように、ガス供給手段３０を具えていないこと以外は、実施例と同様の構成を具えるシリコン単結晶の製造装置１００を製造した。

（評価方法）
（１）炉内圧力の変動
実施例の製造装置を用いて、溶融炉内の圧力を、11998Paから所定の圧力（26664Pa、39996Pa、53328Pa）まで上昇させた後、200分間、圧力の維持を行ったときの、炉内圧力（Pa）の変動を測定した。また、比較例の製造装置を用いて、溶融炉内の圧力を、11998Paから26664Paまで上昇させた後、200分間、圧力の維持を行ったときの、炉内圧力（Pa）の変動を測定した。
時間（分）に対する圧力（Pa）の変動を示したグラフを図３に示す。

（２）シリコン単結晶の抵抗率
実施例及び比較例の製造装置を用いて、表１に示す条件（シリコンチャージ量、ヒ素添加量、引上げ速度（結晶直胴部育成途中に速度が変化する）、溶融炉内の圧力、Ar流量）に従って、200mmサイズの単結晶シリコンを製造した。
そして製造されたシリコン単結晶について、電気抵抗率（Ω／cm）を測定し、結晶固化率に対する電気抵抗率を図４に示す。なお、単結晶シリコンの電気抵抗率（Ω／cm）は、実施例では２つのサンプル、比較例では３つのサンプルについて測定した。ここで、電気抵抗率は、低いほどシリコン単結晶中にヒ素が含有されていることを意味する。また、結晶固化率が高くなるにつれて、シリコン融液中のヒ素濃度が濃くなり、抵抗率が低くなることがわかる。

図３から、比較例のシリコン単結晶製造装置では、26664Paの圧力制御がバラついているのに対し、実施例のシリコン単結晶製造装置では、26664Pa、39996Pa、53328Paのいずれの炉内圧力であっても、一定に圧力制御できていることがわかる。これは、実施例の製造装置には、ガス供給手段が具えられているためだと考えられる。
また、図４から、単結晶の引上げが進む（結晶固化率が高くなる）につれて、実施例のシリコン単結晶の電気抵抗率が比較例のそれよりも小さくなっていることから、本願発明の圧力制御によって、融液中のヒ素が蒸発されずに含有し続けていることがわかる。

この発明によれば、装置の複雑な調整を必要とすることなく、シリコン単結晶引上げ時の溶融炉内の圧力を高く制御し、シリコン融液中に添加された不純物の蒸発を抑制できるシリコン単結晶の製造装置及び製造方法を提供することが可能になった。

１、１００ シリコン単結晶の製造装置
１０、１１０ 溶融炉
２０、１２０ 排気手段
３０ ガス供給手段
４０、１４０ 制御手段
５０、１５０ 真空計
６０、１６０ 排気調整手段

Claims (2)

1. ヒ素、赤リン又はアンチモンを含有するシリコン単結晶の引上げのためのシリコン融液を有する溶融炉と、該溶融炉とガス管を介して接続し、該溶融炉内のガスを排出し炉内圧力を減圧するための排気手段とを具えるシリコン単結晶の製造装置であって、
   該製造装置は、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から、前記ガス供給手段をフィードバック制御する制御手段、並びに、前記排気手段の排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図る排気調整手段、をさらに具えるとともに、
   前記排気手段の接続されたガス管と同一のガス管に接続したガス供給手段をさらに具え、該排気手段及び該ガス供給手段は、前記同一のガス管からそれぞれ分岐して配設されており、前記排気手段によって減圧を行いながら、該ガス供給手段によりガス（アルゴンを除く）を取り込んで排気手段へ送りこみ圧力の調整を図ることで、前記溶融炉内の圧力を、26kPa以上の減圧雰囲気に維持することを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
2. ヒ素、赤リン又はアンチモンを含有するシリコン融液を有する溶融炉内のガスを排出し減圧雰囲気にした状態で、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げを行うシリコン単結晶の製造方法であって、
   前記溶融炉内のガスを該溶融炉とガス管を介して接続された排気手段によって排出するとともに、炉内圧力が26kPa以上の減圧雰囲気を維持するように、ガス（アルゴンを除く）を、前記溶融炉外部から、前記排気手段の接続されたガス管と同一のガス管に接続されたガス供給手段へ取り込んで、該ガス管を通じて取り込んだガスを前記排気手段へ送りこみ、さらに、シリコン単結晶引上げ時に、目標炉内圧力と実際の炉内圧力との差から前記溶融炉外部のガスの取り込み量のフィードバック制御を行い、排気量を制御することで、前記炉内圧力の調整を図ることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

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