JP2014031290A - Fz単結晶の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 CZ法で製造した単結晶を原料として製造したFZ単結晶の製造方法において、酸素濃度が低減され、抵抗率変化の少ないFZ単結晶を製造する方法を提供する。
【解決手段】 CZ法で製造した単結晶を原料として、FZ法によるゾーニングを行うことにより、FZ単結晶を製造する方法において、前記ゾーニングを2回以上行い、前記ゾーニングを1回行った後のFZ単結晶中の酸素濃度よりも、前記ゾーニングを2回以上行った後のFZ単結晶中の酸素濃度を低減することを特徴とするFZ単結晶の製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、原料結晶棒を誘導加熱コイルで加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動することで単結晶棒を育成するFZ法(フローティングゾーン法又は浮遊帯溶融法)によるFZ単結晶の製造方法に関する。
従来、サイリスタ等の高耐圧パワーデバイス作製用にはFZ法により製造されたシリコン単結晶から切り出されたシリコンウェーハが使用されてきた。また近年、半導体デバイスの性能向上とコストの低減のため、大直径のシリコンウェーハが求められ、これに伴って大直径のシリコン単結晶の育成が要求されている。
通常、FZ単結晶シリコンを製造するための原料としては、棒状の多結晶シリコンを使用する。しかし、FZ法で原料として必要である多結晶シリコン(FZ用多結晶シリコン棒)は、高純度で、クラックやワレが生じにくく、均一な粒界組織であり、製造するFZ単結晶シリコンに適した直径値で、扁平やクランクが少なく、表面状態の良い円柱状であることが必要とされる。このようなFZ用多結晶シリコン棒の製造は、CZ法で使用されるナゲット状の多結晶シリコンの製造に比較して、歩留りや、生産性が非常に低い。
その上、近年、直径300mm向けを中心としたCZ法で使用される多結晶シリコン(CZ用多結晶シリコン)の需要が大幅に増加しており、更に、太陽電池向けの多結晶シリコンの需要も急激に増加している。このことから、形状、純度等の品質規格が厳しく、生産性も低い上に、コストも高いFZ用多結晶シリコン棒の供給が需要に対して逼迫しており、また価格も非常に高くなっている。その結果、良質なFZ用多結晶シリコンの確保が難しくなり、FZ単結晶シリコンを安定して製造することが困難になってきている。
そのため、近年、製造コストの改善や製造されるFZ単結晶の抵抗率の調整、安定した品質のFZ単結晶の供給のために、CZ法で製造した単結晶を原料としてFZ単結晶を製造する方法が検討されてきた(特許文献1、特許文献2)。
図3に、FZ法による単結晶の製造装置の概略図を示した。このFZ単結晶製造装置30を用いて、FZ単結晶を製造する方法について説明する。
まず、原料棒1を、チャンバー20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)8を、原料棒1の下方に位置する下軸5の下部保持治具6に保持する。
次に、高周波発振機40に接続された誘導加熱コイル7により原料棒1を溶融して、種結晶8に融着させる。その後、種絞りにより絞り部9を形成して無転位化する。そして、上軸3と下軸5を回転させながら原料棒1と単結晶棒(FZ単結晶)2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。)10を原料棒1と単結晶棒2の間に形成し、当該浮遊帯域10を原料棒1の上端まで移動させてゾーニングし、単結晶棒2を成長させる。尚、このFZ単結晶の成長は、通常、Arガスに微量の窒素ガスを混合した雰囲気中で行われる。また、ガス吹き付け用ノズル11から浮遊帯域10にドーピング用ガス等を吹き付けることもできる。誘導加熱コイル7としては、通常、銅又は銀からなる単巻又は複巻の冷却用の水を流通させた誘導加熱コイルが用いられている。
特開2007−314374号公報 特開2011−116570号公報
通常のFZ単結晶製造用の原料としては、円柱状の結晶(多結晶、単結晶、多結晶種により成長させた中間結晶、有転位結晶を含む)を使用する。このうち、CZ法(チョクラルスキー法)で製造した単結晶を原料とする場合、CZ単結晶の製造時の石英ルツボからの酸素混入によって原料とするCZ単結晶中の酸素濃度が高くなるため、ゾーニング後のFZ単結晶の酸素濃度も、多結晶シリコンを原料として製造されたFZ単結晶に比べて高くなる。このように単結晶中の酸素濃度が高くなると、酸素濃度自体が微量なものであっても、酸素単体によるドナー、又は、窒素及び酸素の複合体によるドナーが発生し、製造されたFZ単結晶の抵抗率変化の原因となるため、CZ単結晶を原料として製造したFZ単結晶中の酸素濃度の低減技術の開発が望まれていた。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであって、CZ法で製造した単結晶を原料として製造したFZ単結晶の製造方法において、酸素濃度が低減され、抵抗率変化の少ないFZ単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、CZ法で製造した単結晶を原料として、FZ法によるゾーニングを行うことにより、FZ単結晶を製造する方法において、前記ゾーニングを2回以上行い、前記ゾーニングを1回行った後のFZ単結晶中の酸素濃度よりも、前記ゾーニングを2回以上行った後のFZ単結晶中の酸素濃度を低減することを特徴とするFZ単結晶の製造方法を提供する。
このように、ゾーニングを2回以上行うFZ単結晶の製造方法により、ゾーニング中に酸素をSiOxとして蒸発させる機会を増やすことができるので、結晶中の酸素濃度を低減し、抵抗率変化の少ないFZ単結晶を製造することができる。
また、前記2回以上のゾーニングを、該FZ単結晶中の酸素濃度が8×1015atoms/cm(ASTM−79)以下になるまで繰り返し行うことが好ましい。尚、以下の結晶中の酸素濃度の表示はASTM−79表示である。
このように、FZ単結晶中の酸素濃度が上記の値になるまでゾーニングを繰り返すことで、酸素単体によるドナー、又は、窒素及び酸素の複合体によるドナーの発生をより抑制することができ、FZ単結晶の抵抗率変化をより少なくすることができる。
また、前記2回目以降のゾーニングを行った後、前記ゾーニングを行ったFZ単結晶の端面から採取したウェーハサンプルの酸素濃度を測定し、該測定した酸素濃度に基づいて再度のゾーニングが必要か否かを判定し、該判定により前記再度のゾーニングが必要と判定された場合に前記再度のゾーニングを行うことが好ましい。
このようにして各ゾーニング工程後のFZ単結晶の端面の酸素濃度を測定して判定に用いることにより、酸素濃度を低減したFZ単結晶をより確実に得ることができる。
本発明に係るFZ単結晶の製造方法であれば、CZ単結晶を原料として用いても、ゾーニングを2回以上行うことによってゾーニング中に酸素をSiOxとして蒸発させる機会を増やすことができるので、結晶中の酸素濃度を低減し、抵抗率変化の少ないFZ単結晶を製造することができる。
本発明のFZ単結晶の製造方法の一例(第1の実施形態)を示すフローチャートである。 本発明のFZ単結晶の製造方法の別の一例(第2の実施形態)を示すフローチャートである。 FZ単結晶の製造装置の一例を示す概略図である。 実施例と比較例の結果を示すグラフである。
以下、本発明について詳述する。
前述のように、CZ単結晶を原料として製造したFZ単結晶中の酸素濃度の低減技術の開発が望まれていた。特に、CZ法で製造した単結晶は元々の酸素濃度が高いため、これを原料とする場合、1回のゾーニング後のFZ単結晶は、ほとんどの場合8×1015atoms/cmを超えるような濃度の酸素を含んでおり、また、そのうちの多くは2×1016atoms/cmを超える濃度の酸素を含む。このようにFZ単結晶中に含まれる酸素によって、前述のように、酸素単体によるドナー、又は、窒素及び酸素の複合体によるドナーが発生し、特に1000Ωcm以上の高抵抗率領域での抵抗率変化の原因となる。
本発明者らは、ゾーニング中に浮遊帯域表面から浮遊帯域に含まれる酸素がSiOxとして蒸発することにより、1回のゾーニングでFZ単結晶中の酸素濃度が原料結晶中の酸素濃度の約1/50に低下するものの、CZ法で製造した単結晶を原料としてFZ単結晶を製造した場合、多結晶原料を原料として製造したFZ単結晶における、ドナー化の影響がほぼない結晶中の酸素濃度の値、即ち8×1015atoms/cm以下に比べて酸素濃度の減少効果が足りないことを見出した。酸素濃度を8×1015atoms/cm以下にすることで例えば1000Ωcmといった高抵抗であっても窒素及び酸素の複合体によるドナーによって生じる抵抗率変化を10%以下に抑えることができる。
以上のような知見に基づき、本発明者らは、浮遊帯域表面からのSiOxの蒸発機会を増やすために、2回以上のゾーニングを行うことで、FZ単結晶中の酸素濃度を大幅に低減することができることに想到し、本発明を完成させた。
本発明は、CZ法で製造した単結晶を原料として、FZ法によるゾーニングを2回以上行ってFZ単結晶を製造する方法である。このとき、本発明では、ゾーニングを1回行った後のFZ単結晶中の酸素濃度よりも、ゾーニングを2回以上行った後のFZ単結晶中の酸素濃度を低減する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1に、本発明のFZ単結晶の製造方法の一例として、第1の実施形態のフローの概略を示した。図1にはFZ法によるゾーニングを計2回行う場合を示しているが、後述のようにゾーニングは3回又はそれ以上行ってもよい。
まず、図1の(a)に示したように、原料としてCZ法で製造した単結晶(以下、単にCZ単結晶とも称する。)を準備する(工程a)。ここで準備するCZ単結晶は、CZ法により製造できる単結晶であって、FZ法の原料棒として用いることのできる単結晶であれば特に限定されない。例えば、CZ単結晶の導電型や抵抗率は特に限定されず、直径はFZ法の原料棒として用いることのできる範囲であればよい。
次に、図1の(b)に示したように、工程aで準備したCZ単結晶を用いて1回目のゾーニングを行う(工程b)。この工程bでは、図3に示したような通常のFZ単結晶の製造装置を使用することができる。この工程bについて、図3を参照して説明する。
原料棒1として、工程aで準備したCZ単結晶を用いる。原料棒(CZ単結晶)1の溶融を開始する部分をコーン形状に加工し、加工歪みを除去するために表面のエッチングを行う。その後、FZ法による単結晶製造装置30中のチャンバー20内に原料棒(CZ単結晶)1を収容し、チャンバー20内に設置された上軸3の上部保持治具4にネジ等で固定する。一方、下軸5の下部保持治具6には種結晶8を取り付ける。
次に、原料棒(CZ単結晶)1のコーン部の下端をカーボンリング(不図示)で予備加熱する。その後、チャンバー20の下部から窒素ガスを含んだArガスを供給し、チャンバー上部より排気する。そして、原料棒(CZ単結晶)1を誘導加熱コイル7で加熱溶融した後、コーン部先端を種結晶8に融着させ、絞り部9により無転位化し、上軸3と下軸5を回転させながら原料棒(CZ単結晶)1を、例えば1〜5mm/minの速度で下降させることで浮遊帯域10を原料棒(CZ単結晶)1の上端まで移動させてゾーニングし、単結晶棒2を成長させる。このとき、原料棒(CZ単結晶)1の回転中心となる上軸3と、製造される単結晶の回転中心となる下軸5をずらして(偏芯させて)単結晶を育成することが好ましい。このように両中心をずらすことにより単結晶化の際に溶融部を攪拌させ、製造する単結晶の品質を均一化することができる。偏芯量は単結晶の直径に応じて設定すればよい。また、必要に応じてガス吹き付け用ノズル11から浮遊帯域10にドーピング用ガス等を吹き付けることもできる。誘導加熱コイル7としては、銅又は銀からなる単巻又は複巻の冷却用の水を流通させた誘導加熱コイルを用いることができる。
次に、図1の(c)に示したように、工程bで得られたFZ単結晶に2回目のゾーニングを行う(工程c)。工程cで用いるFZ単結晶の製造装置としては、工程bで用いた装置と同様に、図3に示した通常のFZ単結晶の製造装置を用いることができる。ただし、この時用いられる原料棒1として工程bの1回目のゾーニングを経たFZ単結晶を用いる。
また、図1には、工程cを1回のみ行う場合を示しているが、この工程c、すなわち、既にゾーニングを経たFZ単結晶を再度ゾーニングする工程は、複数回繰り返してもよい。例えば、工程cを1回行う場合は、全工程において工程bと合わせて計2回のゾーニングを行うこととなり、工程cを2回行う場合は、全工程において計3回のゾーニングを行うことになる。
この工程cを行うことにより、工程bの後のFZ単結晶よりも、FZ単結晶中の酸素濃度をさらに低減する。すなわち、ゾーニングを1回行った後のFZ単結晶中の酸素濃度よりも、ゾーニングを2回以上行った後のFZ単結晶中の酸素濃度を低減する。このとき、工程cにおいて行うゾーニングをFZ単結晶中の酸素濃度が8×1015atoms/cm(ASTM−79)以下になるまで繰り返し行うことが好ましい。このような酸素濃度であれば、酸素単体によるドナー、又は、窒素及び酸素の複合体によるドナーの発生をより抑制することができ、FZ単結晶の抵抗率変化をより少なくすることができるからである。
以上のようにして、本発明に係る方法(第1の実施態様)に従ってFZ単結晶を製造することができる。本発明では、工程b及び工程cにおいて合わせてゾーニングを計2回以上行うことにより、ゾーニング中に酸素をSiOxとして蒸発させる機会を増やすことができるので、結晶中の酸素濃度を低減し、抵抗率変化の少ないFZ単結晶を製造することができる。
このようにして製造したFZ単結晶は、図1(d)〜(f)に示したように、インゴット加工及びウェーハ加工を施して製品ウェーハとすることができる。
この場合、図1の(d)に示したように、工程cで得られたFZ単結晶に対してインゴット加工を行う(工程d)。この工程は公知の外周研削やエッチングによって行うことができる。
次に、図1の(e)に示したように、工程dで得られたインゴットをウェーハ加工する(工程e)。この工程は、公知のスライス方法、研削、研磨、エッチング等により行うことができる。
このようにして、図1の(f)に示したように、製品ウェーハとすることができる。
図2に、本発明のFZ単結晶の製造方法の別の一例として、第2の実施形態のフローの概略を示した。この第2の実施形態は、2回目以降のゾーニングを行った後、ゾーニングを行ったFZ単結晶の端面から採取したウェーハサンプルの酸素濃度を測定し、該測定した酸素濃度に基づいて再度のゾーニングが必要か否かを判定し、該判定により再度のゾーニングが必要と判定された場合に再度のゾーニングを行うものである。図2の(a)、(b)、(d)、(e)、(f)に示したことは、第1の実施形態と同様である。
この第2の実施態様では、まず、図2の(a)に示したように、原料としてCZ単結晶を準備する(工程a)。次に、図2の(b)に示したように、工程aで準備したCZ単結晶を用いて1回目のゾーニングを行う(工程b)。これらの工程は第1の実施形態と同様である。
次に、図2の(c1)に示したように、工程bで得られたFZ単結晶に2回目のゾーニングを行う(工程c1)。この工程c1は図1に示された工程cと同様である。ただし、後述する酸素濃度の判定結果によっては、再度この工程を行い、その場合、3回目以降となる。
次に、図2の(c2)に示したように、工程c1で得られたFZ単結晶の端面からウェーハサンプルを採取し、酸素濃度の測定を行う(工程c2)。この工程では、公知の単結晶中の酸素濃度の測定方法を用いることができる。例えばASTM−79に準拠した測定方法を用いることができる。
次に、図2の(c3)に示したように、測定した酸素濃度に基づいて再度のゾーニングが必要か否かを判定する(工程c3)。この判定により再度のゾーニングが必要と判定された場合に再度のゾーニング(工程c1)を行う。この判定の基準値は、例えば上記の8×1015atoms/cm(ASTM−79)を用いることができる。工程c2で測定した単結晶の酸素濃度が基準値以下であれば、再度のゾーニングを行う必要はない。
判定により再度のゾーニングが必要と判定された場合は、再度工程c1〜c3を繰り返す。再度の工程c1〜c3を経て、2回目のゾーニング(工程bと合わせて計3回目のゾーニング)を行っても基準を満たしていないと判定された場合は、3回目(工程bと合わせて計4回目のゾーニング)を行うことになる。
以上のようにして、本発明に係る方法(第2の実施態様)に従ってFZ単結晶を製造することができる。第2の実施態様では、各ゾーニング工程後のFZ単結晶の端面の酸素濃度を測定して判定に用いることにより、酸素濃度を低減したFZ単結晶をより確実に得ることができる。
このようにして製造したFZ単結晶に対し、図2の(d)、(e)に示した工程d、eでは、第1の実施形態の場合と同様にインゴット加工及びウェーハ加工を行うことができる。このようにして、図2の(f)に示したように、製品ウェーハとすることができる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
(実施例1)
抵抗率が1000Ω・cm以上の直径130mmのCZ単結晶91本を原料棒として、図1に示した本発明の方法に従い、FZ法により2回のゾーニングを行い、直径75mm〜125mmのFZ単結晶を製造した。このFZ単結晶の製造の際には、図3に示すFZ単結晶製造装置を用いた。炉内圧を0.1〜0.2MPa、Arガス流量を30〜100L/minとした。
このようにして2回のゾーニングを行って、FZ単結晶を91本取得した。その後、得られたFZ単結晶端面からウェーハサンプルを採取し、結晶中の酸素濃度を測定した。測定結果を図4に示す。図4に示したように結晶中の酸素濃度は、平均6.01×1015atoms/cm、最大1.60×1016atoms/cm、最小4.00×1015atoms/cm以下であり、8×1015atoms/cm以下の比率は92.3%(84本)であった。
(実施例2)
実施例1で2回のゾーニングを行った後も結晶中の酸素濃度が8×1015atoms/cmより高かったFZ単結晶7本を原料棒として、図2に示した本発明の方法に従い、FZ法により3回目のゾーニングを行い、直径75mm〜125mmのFZ単結晶を製造した。この3回目のゾーニングの際にも、図3に示すFZ単結晶製造装置を用いた。炉内圧を0.1〜0.2MPa、Arガス流量を30〜100L/minとした。
このようにして計3回のゾーニングを行って、FZ単結晶を7本取得した。その後、得られたFZ単結晶端面からウェーハサンプルを採取し、結晶中の酸素濃度を測定した。結晶中の酸素濃度は、平均6.57×1015atoms/cm、最大8.00×1015atoms/cm、最小4.00×1015atoms/cm以下であり、8×1015atoms/cm以下の比率は100%(7本)であった。
(比較例1)
抵抗率が1000Ω・cm以上の直径130mmのCZ単結晶1028本を原料棒として、FZ法により1回のみのゾーニングを行い、直径75mm〜125mmのFZ単結晶を製造した。このFZ単結晶の製造の際には、図3に示すFZ単結晶製造装置を用いた。炉内圧を0.1〜0.2MPa、Arガス流量を30〜100L/minとした。
このようにして1回のみのゾーニングを行って、FZ単結晶を1028本取得した。その後、得られたFZ単結晶端面からウェーハサンプルを採取し、結晶中の酸素濃度を測定した。測定結果を図4に示す。図4に示したように結晶中の酸素濃度は、平均2.59×1016atoms/cm、最大5.04×1016atoms/cm、最小5.6×1015atoms/cmであり、8×1015atoms/cm以下の比率は0.4%(4本)であった。
(比較例2)
抵抗率が1000Ω・cm以上の直径75〜135mmのFZ用多結晶原料727本を原料棒として、FZ法により1回のみのゾーニングを行い、直径75mm〜125mmのFZ単結晶を製造した。このFZ単結晶の製造の際には、図3に示すFZ単結晶製造装置を用いた。炉内圧を0.1〜0.2MPa、Arガス流量を30〜100L/minとした。
このようにして1回のみのゾーニングを行って、FZ単結晶を727本取得した。その後、得られたFZ単結晶端面からウェーハサンプルを採取し、結晶中の酸素濃度を測定した。測定結果を図4に示す。図4に示したように結晶中の酸素濃度は、平均6.43×1015atoms/cm、最大1.12×1016atoms/cm、最小4.00×1015atoms/cmであり、8×1015atoms/cm以下の比率は95.5%(694本)であった。
本発明のFZ単結晶の製造方法に従った実施例1,2では、CZ法で製造した単結晶を原料として用いた場合でも、多結晶シリコン原料を原料として製造されたFZ単結晶と遜色ない低酸素濃度を有するFZ単結晶を得ることができた。
尚、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…原料棒、 2…単結晶棒、 3…上軸、 4…上部保持治具、
5…下軸、 6…下部保持治具、7…誘導加熱コイル、
8…種結晶、 9…絞り部、 10…浮遊帯域、 20…チャンバー、
11…ガス吹き付け用ノズル、 30…FZ単結晶製造装置、 40…高周波発振機。

Claims (3)

  1. CZ法で製造した単結晶を原料として、FZ法によるゾーニングを行うことにより、FZ単結晶を製造する方法において、
    前記ゾーニングを2回以上行い、
    前記ゾーニングを1回行った後のFZ単結晶中の酸素濃度よりも、前記ゾーニングを2回以上行った後のFZ単結晶中の酸素濃度を低減することを特徴とするFZ単結晶の製造方法。
  2. 前記2回以上のゾーニングを、該FZ単結晶中の酸素濃度が8×1015atoms/cm(ASTM−79)以下になるまで繰り返し行うことを特徴とする請求項1に記載のFZ単結晶の製造方法。
  3. 前記2回目以降のゾーニングを行った後、前記ゾーニングを行ったFZ単結晶の端面から採取したウェーハサンプルの酸素濃度を測定し、該測定した酸素濃度に基づいて再度のゾーニングが必要か否かを判定し、
    該判定により前記再度のゾーニングが必要と判定された場合に前記再度のゾーニングを行うことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のFZ単結晶の製造方法。
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