JP2013040087A - 単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造する単結晶の直径及び方位毎の適切な操業発振周波数を決定することにより、良好な抵抗率バラツキの単結晶を安定して製造する単結晶製造方法を提供する。
【解決手段】高周波発振器から高周波電圧が供給される誘導加熱コイルで原料結晶を部分的に加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動させて単結晶を製造するＦＺ法（フローティングゾーン法又は浮遊帯溶融法）による単結晶製造方法であって、予め、前記製造する単結晶と同一直径及び同一方位を有する単結晶に関して、供給する高周波電圧の発振周波数を変化させた場合の発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べ、該発振周波数と抵抗率バラツキの関係に応じて前記製造する単結晶の直径及び方位毎の操業発振周波数を決定し、該決定した操業発振周波数に合わせて前記高周波発振器の調整を行い、該調整した高周波発振器を使用して単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波発振器から高周波電圧が供給される誘導加熱コイルで原料結晶を部分的に加熱溶融して浮遊帯域を形成し、浮遊帯域を移動させて単結晶を製造するＦＺ法（フローティングゾーン法又は浮遊帯溶融法）による単結晶製造方法に関する。

ＦＺ法は、現在半導体素子用として多く使用されているシリコン単結晶の製造方法の一つである。ＦＺ法による単結晶製造方法は、先ず、原料結晶棒（原料結晶）を、チャンバー内に設置された上軸の上部保持治具に保持する。一方、直径の小さい単結晶の種（種結晶）を、原料結晶棒の下方に位置する下軸の下部保持治具に保持する。

次に、高周波発振器から誘導加熱コイルに高周波電圧が供給される事で、原料結晶棒を溶融して、種結晶に融着させる。供給される高周波電圧の発振周波数は、１〜３ＭＨｚであり（非特許文献１参照）、従来この発振周波数は、製造する単結晶の種類に関わらず同一発振周波数に設定していた。

その後、種絞りにより絞り部を形成して無転位化する。そして、上軸と下軸を回転させながら原料結晶棒と単結晶棒を下降させることで浮遊帯域（溶融帯あるいはメルトともいう。）を原料結晶棒と育成単結晶棒の間に形成しながら、結晶径を徐々に大きくし、コーン部分を形成する。その後、目標とする直径に達したら、その直径を維持して、直胴部を形成し、浮遊帯域を原料結晶棒の上端まで移動させてゾーニングを行う。尚、この単結晶成長は、Ａｒガスに微量の窒素ガスを混合した雰囲気中で行われ、Ｎ型ＦＺ単結晶を製造するためには、ドープノズルより、製造する抵抗率に応じた量のＡｒベースのＰＨ_３ガスを流し、Ｐ型ＦＺ単結晶を製造するためには、ドープノズルより、製造する抵抗率に応じた量のＡｒベースのＢ_２Ｈ_６ガスを流す。

ＦＺ法により得られたシリコン単結晶から製造されるウェーハには、ウェーハ面内での抵抗率のバラツキができる限り低減され、均一であることが望まれており、これはウェーハの原料であるＦＺ単結晶の抵抗率分布をより均一化することによってなされる。

ウェーハ抵抗率バラツキを低減するため、原料結晶棒と単結晶棒の回転軸をずらし（以後、偏芯という）、融液の攪拌を非軸対称にし、また、特許文献１、特許文献２のような、単結晶の回転の方向を正転と逆転とで交互に行う方法（以後、交互回転という）が行われている。

特開平７−３１５９８０号公報 特開２００８−２６６１０２号公報

阿部孝夫著：シリコン 結晶成長とウェーハ加工,倍風館(1994)

上述のように、抵抗率バラツキの改善のために、偏芯量、交互回転、成長速度等の操業条件の最適化が図られてきたが、直径及び方位により、抵抗率バラツキの挙動が異なるため、直径や方位の種類に関わらず、良好な抵抗率分布を得る事は困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、直径・方位の種類によらず、抵抗率バラツキが小さく品質が優れた単結晶を安定して製造することができる単結晶製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、高周波発振器から高周波電圧が供給される誘導加熱コイルで原料結晶を部分的に加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動させて単結晶を製造するＦＺ法による単結晶製造方法であって、
予め、前記製造する単結晶と同一直径及び同一方位を有する単結晶に関して、供給する高周波電圧の発振周波数を変化させた場合の発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べ、該発振周波数と抵抗率バラツキの関係に応じて前記製造する単結晶の直径及び方位毎の操業発振周波数を決定し、
該決定した操業発振周波数に合わせて前記高周波発振器の調整を行い、
該調整した高周波発振器を使用して単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法を提供する。

このように、発振周波数により単結晶の抵抗率バラツキが変化するため、予め製造する単結晶の直径及び方位毎の適切な操業発振周波数を決定することにより、直径・方位の種類によらず、良好な抵抗率バラツキの単結晶を安定して製造する事が可能となる。

またこのとき、前記予め発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べる単結晶を、前記製造する単結晶と直径及び方位以外も同一条件で製造されたものとすることが好ましい。

このように、前記予め発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べる単結晶を、前記製造する単結晶と直径及び方位以外の条件（例えば、偏芯量、交互回転等）も同一条件で製造されたものとすることで、より確実に抵抗率バラツキの低い単結晶を製造することができる。

以上説明したように、本発明の単結晶製造方法によれば、製造する単結晶の直径・方位の種類によらず、良好な抵抗率バラツキの結晶を安定して製造する事が可能となる。

本発明の単結晶製造方法を説明するフロー図である。 本発明の単結晶製造方法で用いる単結晶製造装置の一例を示す概略断面図である。 本発明で用いる誘導加熱コイルの一例を示す概略図である。 実施例における直径１２８ｍｍ、＜１００＞方位のシリコン単結晶における、発振周波数による抵抗率バラツキの変化を示すグラフである。 実施例における直径１２８ｍｍ、＜１１１＞方位のシリコン単結晶における、発振周波数による抵抗率バラツキの変化を示すグラフである。

以下、本発明について詳述する。
本発明者らは、ＦＺ単結晶の抵抗率バラツキ改善について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、同一の発振周波数の下では、発振周波数以外の操業条件の最適化を図っても、全ての直径・方位で、抵抗率バラツキが小さい良好な品質の単結晶を製造する事は難しく、直径及び方位毎に、発振周波数を変更する必要がある事に想到した。

例えば、＜１１１＞方位の単結晶は、中心部がファセット成長しやすいため、中心部の抵抗率が非常に低くなり、凹型の面内抵抗率分布になりやすい。この改善のためには、発振周波数を高くする事で中心部のメルト攪拌を強める事が効果的であるが、＜１１１＞方位の単結晶の面内抵抗率分布がフラットになる発振周波数を＜１００＞方位の単結晶の製造に適用すると、中心部の抵抗率が高くなりすぎ凸型の面内抵抗率分布となり、抵抗率分布は悪化してしまう。

そこで、本発明者らは、予め、同一直径・方位において発振周波数を変化した場合の抵抗率バラツキの変化を調査し、直径及び方位毎の操業発振周波数を決定しておき、ＦＺ法単結晶製造装置で結晶製造を行う直径及び方位に応じて、製造前に操業発振周波数に合わせるよう高周波発振器の調整を行えば、直径・方位の種類によらず、良好な抵抗率バラツキの単結晶を安定して製造する事が可能となる事を見出し、本発明を完成させた。

本発明の単結晶製造方法について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の単結晶製造方法の一例を説明するフロー図である。

まず、本発明では、予め、前記製造する単結晶と同一直径及び同一方位を有する単結晶に関して、供給する高周波電圧の発振周波数を変化させた場合の発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べる（図１（Ａ））。
本発明において、抵抗率バラツキは、ＲＲＧ（Ｒａｄｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｇｒａｄｉｅｎｔ）やロット内バラツキから求めることができる。
尚、この予め発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べる単結晶を、製造する（目的とする）単結晶と直径及び方位以外も同一条件で製造されたものとすることによって、より抵抗率バラツキの低い単結晶を製造することができる。ここで、直径及び方位以外の条件とは、偏芯量、交互回転、成長速度等のことをいう。

次いで、調べた発振周波数と抵抗率バラツキの関係に応じて前記製造する単結晶の直径及び方位毎の操業発振周波数を決定する（図１（Ｂ））。
この際、抵抗率バラツキが最も低い最適発振周波数を選ぶことが好ましいが、抵抗率バラツキ以外の単結晶品質や単結晶化率等のファクターも考慮して抵抗率バラツキが従来より改善するような発振周波数を選ぶ場合も、本発明の範囲内である。

そして、目的とする単結晶を製造するが（図１中、結晶製造指示）、上記決定した直径及び方位に応じた操業発振周波数に合わせて高周波発振器の調整を行い（図１（Ｃ））、該調整した高周波発振器を使用して単結晶を製造する（図１（Ｄ））。
単結晶の製造は、従来のＦＺ単結晶製造装置を用いて行うことができる。以下に、図２に示すＦＺ単結晶製造装置２０を用いて、単結晶を製造する方法について説明する。

先ず、原料結晶棒（原料結晶）１を、チャンバー２内に設置された上軸３の上部保持治具４に保持する。一方、直径の小さい単結晶の種（種結晶）５を、原料結晶棒１の下方に位置する下軸６の下部保持治具７に保持する。
次に、高周波発振器８から誘導加熱コイル９に上記で決定した操業発振周波数の高周波電圧が供給される事で、原料結晶棒１を溶融して、種結晶５に融着させる。
尚、高周波発振器の発振周波数の調整は、発振回路を構成するコンデンサの数の変更、容量の異なるコンデンサへの交換、及び、径やターン数の異なる変流器（ＣＴ）へ交換することで行うことができる。

その後、種絞りにより絞り部１０を形成して無転位化する。そして、上軸３と下軸６を回転させながら原料結晶棒１と単結晶棒１１を下降させることで浮遊帯域（溶融帯あるいはメルトともいう。）１２を原料結晶棒１と育成単結晶棒１１の間に形成しながら、結晶径を徐々に大きくし、コーン部分１１−ａを形成する。その後、目標とする直径に達したら、その直径を維持して、直胴部１１−ｂを形成し、浮遊帯域１２を原料結晶棒１の上端まで移動させてゾーニングを行う。尚、この単結晶成長は、例えば、Ａｒガスに微量の窒素ガスを混合した雰囲気中で行われ、Ｎ型ＦＺ単結晶を製造するためには、ドープノズル１３より、製造する抵抗率に応じた量のＡｒベースのＰＨ_３ガスを流し、Ｐ型ＦＺ単結晶を製造するためには、ドープノズル１３より、製造する抵抗率に応じた量のＡｒベースのＢ_２Ｈ_６ガスを流す。

誘導加熱コイル９としては、銅または銀からなる単巻または複巻の冷却用の水を流通させた誘導加熱コイル９が用いられており、例えば図３に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この誘導加熱コイル９は、スリット１４を有するリング状のコイルで、コイル外周面１５からコイル内周面１６に向かって断面先細り状に形成されている。また、コイル外周面１５には、コイル端部１７に対応する位置に電源端子１８が設けられている。この両端子１８が接続されたコイル端部１７の対向面を、スリット１４を介して極力接近させるようにしており、これにより、誘導加熱コイル９の周方向における電流回路の対称性を維持し、ほぼ均一な電界分布が得ることができる。

また、単結晶製造後に別の単結晶を製造する場合は、製造する別の単結晶の直径及び方位に応じて決定した適切な操業発振周波数に合わせて再度高周波発振器の調整を行い、その後再度調整した高周波発振器を用いて別の単結晶の製造を行う。

以下、実施例、比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例）＜１００＞及び＜１１１＞シリコン単結晶（直径１２８ｍ）の製造
予め、直径１２８ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍの＜１００＞及び＜１１１＞シリコン単結晶を成長させ、供給する高周波電圧の発振周波数を変化させた場合の発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べた（偏芯量：１０ｍｍ、結晶回転速度：２０ｒｐｍ交互回転）。
図４に、直径１２８ｍｍ、＜１００＞シリコン単結晶における、発振周波数による抵抗率バラツキの変化を調べた結果を示す。図５に、直径１２８ｍｍ、＜１１１＞シリコン単結晶における、発振周波数による抵抗率バラツキの変化を調べた結果を示す。
尚、抵抗率バラツキは、以下のように計測した。
製造したインゴットから３０枚のウェーハを切り出し、平面研削後、ＸＹ方向に２．５ｍｍピッチで抵抗率を測定した。図中のＲＲＧａｖｅ．は、各ウェーハ毎に算出したＲＲＧ［ＲＲＧ（％）＝（ρ最大値―ρ最小値）／ρ最小値×１００］の平均値であり、ロット内バラツキは、全抵抗率測定値の標準偏差である。

次いで、上記で調べた発振周波数と抵抗率バラツキの関係に応じて操業発振周波数を決定する。＜１００＞シリコン単結晶を製造する際の操業発振周波数は、図４に示されたように、抵抗率バラツキが最も低い２．３ＭＨｚに決定した。同様に、＜１１１＞シリコン単結晶を製造する際の操業発振周波数は、図５に示されたように、抵抗率バラツキが最も低い３．０ＭＨｚに決定した。

決定した操業発振周波数（２．３ＭＨｚ）に合わせて高周波発振器の調整を行い、直径１３０ｍｍのシリコン原料棒を、ＦＺ法によりゾーニングを行い、Ｎ型１００Ωｃｍ以下の直径１２８ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍの＜１００＞シリコン単結晶を製造し、次いで、同様に、決定した操業発振周波数（３．０ＭＨｚ）に合わせて高周波発振器の調整を行い＜１１１＞シリコン単結晶を製造した。
これらのシリコン単結晶の製造の際には、偏芯量を１０ｍｍとし、結晶回転速度は２０ｒｐｍ交互回転とした。
この条件でＦＺ単結晶の製造を実施した所、＜１００＞シリコン単結晶のロット内バラツキは１．６２％、ＲＲＧは８．３％となり、＜１１１＞シリコン単結晶のロット内バラツキは１．５９％、ＲＲＧは９．７％と、いずれも良好な抵抗率バラツキであった。

（比較例）＜１００＞及び＜１１１＞シリコン単結晶（直径１２８ｍ）の製造
直径１３０ｍｍのシリコン原料棒を、ＦＺ法によりゾーニングを行い、Ｎ型１００Ωｃｍ以下の直径１２８ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍの＜１００＞及び＜１１１＞シリコン単結晶を製造した。
このシリコン単結晶の製造の際には、偏芯量を１０ｍｍとし、結晶回転速度は２０ｒｐｍ交互回転とした。また、発振周波数は、結晶製造前に調整せず、２．３ＭＨｚ一定とした。この条件でＦＺ単結晶を製造した結果、＜１００＞シリコン単結晶のロット内バラツキは、１．６５％、ＲＲＧは、８．０％となり、＜１１１＞シリコン単結晶のロット内バラツキは、２．６２％、ＲＲＧは、１２．２％と、＜１１１＞シリコン単結晶の抵抗率バラツキは大きかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…原料結晶棒（原料結晶）、 ２…チャンバー、 ３…上軸、 ４…上部保持治具、 ５…種結晶、 ６…下軸、 ７…下部保持治具、 ８…高周波発振器、 ９…誘導加熱コイル、 １０…絞り部、 １１…単結晶棒、 １１−ａ…コーン部、 １１−ｂ…直胴部、 １２…浮遊帯域、 １３…ドープノズル、 １４…スリット、 １５…コイル外周面、 １６…コイル内周面、 １７…コイル端部、 １８…電源端子、 ２０…ＦＺ単結晶製造装置。

Claims (2)

1. 高周波発振器から高周波電圧が供給される誘導加熱コイルで原料結晶を部分的に加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動させて単結晶を製造するＦＺ法による単結晶製造方法であって、
   予め、前記製造する単結晶と同一直径及び同一方位を有する単結晶に関して、供給する高周波電圧の発振周波数を変化させた場合の発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べ、該発振周波数と抵抗率バラツキの関係に応じて前記製造する単結晶の直径及び方位毎の操業発振周波数を決定し、
   該決定した操業発振周波数に合わせて前記高周波発振器の調整を行い、
   該調整した高周波発振器を使用して単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法。
2. 前記予め発振周波数毎の抵抗率バラツキを調べる単結晶を、前記製造する単結晶と直径及び方位以外も同一条件で製造されたものとすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造方法。
   

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