JPS6090899A - 半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、単結晶シリコンのドーピングに係り、更に具
体的にいえば、半導体シリコン結晶中に酸素及び／もし
くはＮ型又はＰ型のドーパントの如き、制御されたドー
ピング材料を導入するための、改良された浮遊帯溶融法
（ＦＺ法）による結晶成長方法に係る。

［従来技術］ ＦＺ法によるシリコン結晶成長方法においては。

溶融したシリコンはるつぼ内に入れられていない。

典型的には、多結晶シリコン供給ロッドを包囲している
、シングル・ターンの高周波負荷コイルを該ロッドに関
して上方に移動させることによって、単結晶が成長され
る。上記コイルは、約２　、４　ＭＨｚの周波数におけ
る誘導加熱によりパワーを直接シリコン中に伝達し、シ
リコンの浮遊する液体のプールを生せしめて、多結晶シ
リコンを単結晶シリコンに変化させる手段を与える。

上記ＦＺ法により成長される単結晶シリコンは、結晶成
長中に、気体の源を用いてドーピングされる。それらの
気体のドーパントは、アルゴンの如き不活性ギヤリア・
ガス中に希釈されて、液体シリンの浮遊帯の表面に吹付
けられる。その結果、それらの気体のドーパントの一部
がに記浮遊帯における液体中に溶解されて、成長してい
るシリコンの結晶中に導入される。そのドーピング・レ
ベルは、溶融したシリコン中のドーパント濃度及びその
平衡偏析係数に依存する。典型的には、Ｎ型のドーピン
グにはホフフイン（ＰＲ，）を又はアルシンＡｓＨ，が
用いられ、Ｐ型のドーピングにはジボランが用いられて
いる。

気体を用いたドーピングの場合には、ＦＺ法は、大気圧
よりも僅かに大きな圧力を用いて、不活性の気体雰囲気
中で行なわれなければならない。高周波負荷コイルの２
つのリードの間における不活性ガスのイオン化及びプラ
ズマ形成が、結晶成長中にしばしば生じる。これは、定
常状態の結晶成長を動揺させ、多結晶シリコンの形成を
生ぜしめて、ＦＺ法の収率及び生産高を低下させる。更
に、それらのドーパントの気体（ホスフィン、アルシン
及びジボラン）は、極めて有害であり、安全な取扱いの
ために厳しい予防策を必要とする−。

シリコン結晶中の酸素は、ＬＳＩ及びＶＬＳＩ素子の処
理において、ウェハ上に何らかの有利な効果を与える。

酸素の析出は、不純物のためのゲッタリング中心として
働いて、ウェハにおける少数キャリアの寿命を改善する
ことができる。他方において、シリコン結晶中の酸素の
濃度が成るレベル以上になると、処理中にウェハにおけ
る少数キャリアの寿命が低下することがある。従って、
シリコン中の酸素のレベルを、特定の素子の適用例に最
も適するレベルに制御することが望ましい。

ＦＺ法によるシリコン結晶は、広く用いられているチョ
クラルスキ法により成長された結晶よりも。

相当に高い純度を有しているが、従来のＦＺ法によるシ
リコン結晶成長方法を用いた場合に得られる低い酸素の
レベルは、従来において、ＬＳＩ及びＶＬＳ　Ｉ素子の
処理への適用を妨げている。

米国特許第３８５８５４９号、第３９０８５８６号及び
第４１０７４４８号の明細書は、従来のＦＺ法による結
晶成長方法において、シリコンの如き半導体材料をＮ型
又はＰ型にドーピングするための典型的な装置について
開示している。

［発明の解決すべき問題点］ 本発明の目的は、（ａ）　Ｆ　Ｚ法によるシリコン結晶
が、従来技術により開示されている如き有害なドーピン
トの気体を用いずに固体の源からドーピングされること
を可能にし、（ｂ）　Ｆ　Ｚ法による結晶における酸素
のドーピングがドーピングされていない結晶の約１０倍
程高く、チョクラルスキ法により成長されたシリコン結
晶において得られる酸素の濃度に近い濃度を有している
、ＬＳＩ及びＶＬＳＩ技術において最適である、ＦＺ法
による高純度のシリコン結晶が得られるように、制御さ
れた方法で行なわれることを可能にし、（ｃ）　Ｆ　Ｚ
法による結晶に所望の酸素の濃度を与える溶融シリカの
ロッドに、抵抗率を与える不純物として所望の制御され
た量のＮ型及び／もしくはＰ型のドーパントが供給され
ることを可能にして、Ｎ型及び／もしくはＰ型のドーパ
ントを用いたドーピングを容易にし、（ｄ）　Ｆ　Ｚ法
による結晶の収率および生産高の増加を可能にする、改
良されたＦＺ法によるシリコン結晶成長方法を提供する
ことである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、ＦＺ法による結晶成長方法により、半導体シ
リコン結晶中に制御されたドーピング材料を導入するた
めの改良された半導体単結晶の製造方法を提供する。

本発明の方法は、多結晶半導体材料より成るロッドを回
転させ、上記ロッドの一部を巻回する誘導加熱コイルに
よって上記ロッドを局部的に加熱すると共に、上記ロッ
ドに関して上記コイルを相対的に移動させて、溶融した
半導体材料の浮遊帯を形成し；ドーピング・ロッドを上
記浮遊帯内部へ上記ロッドの中心部に向って移動させる
ことにより、上記ドーピング・ロッドの組成及び形状寸
法並びに上記ドーピング・ロッドの移動速度に応じて、
ドーパントを添加することを含む。

本発明による方法は、多結晶半導体シリコン材料のロッ
ドを支持及び回転されるための従来の手段を用いる。シ
ングル・ターンの誘導加熱コイルが上記ロッドを包囲し
ており、該コイルは付勢されたときロッドを局部的に溶
融させて、溶融した浮遊帯を限定する液状シリコンのプ
ールを生ゼしぬるように働く。上記コイルは、加熱され
た浮遊帯を移動させて、上記ロッドの構造、を多結晶か
ら単結晶に漸進的に変化させるために、上記ロッドに関
して上方に移動される。

本発明の一実施例においては、高周波コイルが、一般的
には該コイルの周辺部から中心部へ半径方向に延びる開
孔を有しており、溶融シリカより成る固体のドーピング
・ロッドが上記開孔を経て半導体材料のロッドの溶融し
た浮遊帯中へ挿入及び案内され、上記ドーピング・ロッ
ドの組成及び形状寸法並びに該ドーピング・ロッドが上
記浮遊帯中へ移動される速度に応じて、ドーパントが上
記浮遊帯に加えられる。しかしながら、所望であれば、
固体のドーピング・ロッドを、上記コイルに隣接して、
該コイルの上又は下において、上記浮遊帯中入移動させ
ることもできる。

従来のＦＺ法によるシリコン結晶成長方法の場合と同様
に、多結晶シリコン・ロッド１０が、一方の端部におい
て支持されて、適当な手段（図示せず）により連続的に
回転される。シングル・ターンの環状の高周波コイル１
１が、初めは種領域１０ａにおいて、ロッド１０を包囲
している。

コイル１１は、コイル・リード１２（第２図）を介して
付勢させると、ロッド１ｏを誘導加熱して、局部的に溶
融させるように働き、溶融した半導体シリコン材料の帯
域即ち浮遊帯１３を生ぜしぬる。

その浮遊帯１３は、単結晶シリコンが溶融したシリコン
のプールの先端にシーディングされるとき、従来の如く
、適当な手段（図示せず）により、回転しているロッド
１０に関して上方に移動される。

この相対的移動は、コイル１１をロッド１ｏに沿って上
方に移動させることにより、又はロッド１０をコイル１
１中を上方に移動させることにより行なわれる。いずれ
の場合でも、浮遊帯１３がａラド１０に関して上方に移
動させるに従って、種領域１０ａと浮遊帯１３との間の
領域１０ｂにおけるロッドの構造が多結晶がら単結晶に
変化する。

コイル１１は装着ブロック１４上に支持されており、装
着ブロック１４は水又は他の冷却剤の源１６に対して開
かれている穴１５を有している。

穴１５は、コイルの加熱を防ぐために、冷却剤が該コイ
ルの周辺部内に形成されている環状路１８に供給されて
循環されるように、管１７を介して該環状路１８と連結
している。源１６は又、高周波電源も含んでいる。

本発明においては、第１図乃至第３図に示されている如
く、シングル・ターンの環状の高周波コイル１１は、全
体的に三角形のくさびの形の断面を有しており、開孔２
０が、コイル中を半径方向に、上記断面における寸法の
長い一辺に沿って、即ちコイルの平面に対して鋭角の方
向に形成されている。開孔２０は、中空の接地スタッド
２１中の穴と同軸的に整合されており、従って該開孔の
電圧が実質的に接地レベルに望ましく維持されている。

好ましくは３ｍの直径を有する固体のドーピング・ロッ
ド２２が、僅かな許容範囲でスタッド２１及び開孔２０
を経て、液状シリコンの浮遊帯１３中に挿入される。ロ
ッド２２は酸素のドーピングを与えるための溶融シリカ
である。又は、所望であれば、制御された量のＮ型ドー
パント（例えば、燐又は砒素）及び／もしくはＰ型ドー
パント（例えば、硼素）を含む溶融シリカのロッド２２
を用いることもできる。溶融シリカは液状シリコン中に
極めて可溶性であり、Ｎ型又はＰ型のドーパントは溶融
シリカのロッドとともに容易に溶解する。浮遊帯１３に
おいては、流体が激しく流れているので、溶融されたド
ーピン１−は溶融したシリコン中に完全に混和されて、
単結晶シリコン領域１０ｂ中に均一に導入される。

シリコン中における酸素の平衡偏析係数（ｋｏ）は比較
的高く、１．２５である。従って、溶融したシリコン中
における２　ｐｐｍの酸素の濃度は、ＦＺ法によるシリ
コン結晶において、約Ｉ　ＸＩＯ”Ｊｊｌ子／ｄの濃度
を生じる。溶融シリカのロッド２２の直径及び／もしく
は該ロッドが遊浮帯１３における溶融したシリコン中に
移動される速度を変えることにより、ＦＺ法による単結
晶領域１０ｂ中の酸素レベルを、１乃至２５ｐｐｍの酸
素濃度が得られるように、極めて正確に制御することが
できる。

実際のテストにおいて、ＦＺ法による２つのシリコン結
晶における酸素の濃度及び抵抗率が、赤外線技術及び４
点プローブ法を用いて測定されて、次の表に示される結
果が得られた。

Ａ　Ｂ 酸素レベル （ｐｐｍ）　０．３　２．５ （Ｈ子／ａＩ）　１．５Ｘ１０”　、１．３Ｘ１０”抵
抗率（Ω／ａｓ）４６０、Ｎ型　５．Ｏ，Ｎ型結晶Ａは
、前述の従来技術に記載されている如き、気相のドーピ
ングを用いた従来のＦＺ法によるシリコン結晶成長方法
によって成長されたが、結晶Ｂは、固体のドーピング・
ロッド２２を用いた本発明による改良された方法を用い
て成長された。それらのテスト結果は、固体のドーピン
グ・ロッド２２を真空の雰囲気中で用いる本発明の方法
によって、Ｆｚ＠によるシリコン結晶における酸素の導
入及び抵抗率を与えるドーピングにおいて、信頼性が得
られることを示している。結晶Ｂにおける酸素のレベル
は結晶Ａの場合よりも約１０倍高く、所望であれば、チ
ョクラルスキ法による結晶における酸素濃度に近い酸素
濃度が、ｉｚ法による結晶においても制御された方法で
得られることに注目されたい。゛ 第４図及び第５図は、本発明の他の実施例を示している
。第４図及び第５図に示されている如く、所望であれば
、固体のドーピング・ロッド２２は、スタッド２１中に
挿入されてコイル１１により支持されずに、高周波コイ
ルの上又は下に挿入されてもよい。そのような場合には
、ドーピング・ロッド２２を浮遊帯１３中に支持し且つ
移動させる適当な手段（図示せず）が設けられねばなら
ない。

以上の説明から、固体の源であるドーピング・ロッド２
２を用いる本発明の方法は、Ｎ型又はＰ型の結晶が高真
空状態の下で、注意深く制御された方法で成長されるこ
とを可能にすることが理解されよう。本発明の方法は、
気体の源のドーピングを用いる従来のＦＺ法において生
じるイオン化及びプラズマの形成による悪影響を実質的
に除くことにより、ＦＺ法における収率及び生産高を増
加させる。更に、固体の源を用いるドーピングは、気体
の源を用いるドーピングよりも相当に安全であり、気体
の源を用いるドーピングは、一般的に、ホスフィン、ア
ルシン及びジボランの如き、有害な気体を用いるので、
安全な取扱いのためにやっかいで高価な予防策を必要と
する。

［発明の効果］ 本発明によれば、有害なドーパントの気体を用いずに安
全に行なわれ、ＬＳＩ及びＶＳＬＩ技術において最適で
ある高純度のシリコン結晶が制御された方法で得られ、
ＦＺ法による結晶の収率及び生産高が改善されることを
可能にする、改良されたＦＺ−法によるシリコン結晶成
長方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法の動作を示す部分的概略図、
第２図は本発明による方法における高周波コイルを拡大
して示す図、第３図は第２図の線３−３における断面図
、第４図及び第５図は各々本発明による方法の他の実施
例を示す図である。 １０・・・・多結晶シリコン・ロッド、１０ａ・・・・
種領域、１０ｂ・・・・単結晶領域、１１・・・・高周
波コイル、１２・・・・コイル・リード、１３・・・・
浮遊帯、１４・・・・装着ブロック、１５・・・・穴、
１６・・・・冷却剤の源、１７・・・・管、１８・・・
・環状路、２０・・・・開孔、２１・・・・中空の接地
スタッド、２２・・・・固体のドーピング・ロッド。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　岡　１）　次　生 （外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多結晶半導体材料よりなる口、ラドを回転させ、上記凸
   ツドの一部を巻回する誘導加熱コ、イルによって上記ロ
   ッドを局部的に加熱すると共に、上記ロンドに関して上
   記コイルを相対的に移動させて、溶融した半導体材料の
   浮遊帯を形成し、ドーピング・ロッドを上記浮遊帯内部
   へ上記ロッドの中心部に向って移動させ２事により、上
   記ドーピング・ロンドの組成及び形状寸法並びに上記ド
   ーピング・ロンドの移動速度に応じて、ドーパントを添
   加する事を含む半導体単結晶の製造方法。