JP2014172774A

JP2014172774A - 半導体単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2014172774A
Application number: JP2013045666A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 聡鈴木; Yoshihiro Kodama; 義博児玉; Keiichi Nakazawa; 慶一中澤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP5895875B2

Abstract

【課題】特に大直径の単結晶を製造する場合においても、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減しつつ、単結晶の形状悪化及び多結晶化を抑制できる半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより部分的に加熱溶融して溶融帯を形成し、該溶融帯を前記原料結晶の一端部から他端部へ移動させて半導体単結晶を成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、
前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、該回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＦＺ法（フローティングゾーン法または浮遊帯溶融法）による半導体単結晶の製造方法に関する。

ＦＺ法は、例えば、現在半導体素子の材料として最も多く使用されているシリコン単結晶等の半導体単結晶の製造方法の一つとして使用される。
通常、シリコン単結晶に所望の抵抗率を与えるためにはＮ型或いはＰ型の不純物ドーピングが必要である。ＦＺ法においては、ドーパントガスを溶融帯に吹き付けるガスドーピング法が知られている（非特許文献１参照）。

ドーパントガスとして、例えばＮ型ドーパントであるＰ（リン）のドーピングにはＰＨ_３等が、Ｐ型ドーパントであるＢ（ホウ素）のドーピングにはＢ_２Ｈ_６等が用いられる。
シリコン単結晶の抵抗率は、これらＮ型ドーパントとＰ型ドーパントの結晶中の濃度差により変化するが、通常の結晶製造においてＮ型ドーパントのみ、或いはＰ型ドーパントのみをドーピングする場合には、抵抗率はドーパント添加量が増加するにつれて低くなる。

所望の抵抗率のシリコン単結晶を得るためには、原料の抵抗率と所望の抵抗率を基に算出されたドーパント添加量が適正に保たれる必要がある。供給されるドーパントガスの濃度や流量等を調整することによりドーパント添加量を適正に保ちつつＦＺ法により単結晶を成長させることで、所望の抵抗率を持つＦＺシリコン単結晶を得ることができる。

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、特に、ウェーハ面内での抵抗率バラツキが小さく面内全域で抵抗率ができる限り均一であることが望まれる。そのため、ウェーハの原料であるＦＺ単結晶の断面内の抵抗率分布をより均一化することが要求される。この要求を満たすために、特に直径１５０ｍｍ以上の大直径ＦＺ単結晶の製造においては、単結晶の回転方向を交互に変更させながら成長させる方法（例えば特許文献１参照）が提案され、抵抗率分布の均一化が図られている。

また特許文献２では、単結晶の面内の抵抗率分布を安定化させるために、ＦＺ単結晶の製造中において、正逆回転比、回転角度等の単結晶の回転条件をある条件範囲に定めることが提案されている。
また特許文献３では、成長させる単結晶の形状を安定させ、円筒形の外観を実現するために、単結晶の回転方向を交互に変更させながら成長させる際の結晶回転条件が提案されている。

特開平７−３１５９８０号公報特開２００８−２６６１０２号公報特開２００３−１１２９９２号公報

ＷＯＬＦＧＡＮＧＫＥＬＬＥＲ、ＡＬＦＲＥＤＭＵＨＬＢＡＵＥＲ著「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−ＺｏｎｅＳｉｌｉｃｏｎ」ｐ．８２−９２、ＭＡＲＣＥＬＤＥＫＫＥＲ，ＩＮＣ．発行

近年、求められるＦＺウェーハの直径が拡大してきており、特に直径２００ｍｍ以上のＦＺウェーハの需要が増加している。一方、ウェーハ面内の抵抗率バラツキは、直径が拡大したとしても、より小さい直径のウェーハと同等以上が要求され、ＦＺ単結晶の断面内抵抗率バラツキをより小さくする必要がある。

上記したように、単結晶回転方向を交互に変更させながらＦＺ単結晶を製造する方法を用いることは、単結晶の断面内抵抗率バラツキを小さくするために有効である。例えば、特許文献２のようにＦＺ単結晶製造時の結晶回転条件をある範囲に収めることで、更に断面内抵抗率の分布の調整が可能となる。しかし、結晶直径が大きい場合（例えば２００ｍｍ以上）、断面内抵抗率分布が十分均一になっているとは言えず、より均一な断面内抵抗率分布を得ることができる結晶回転条件が求められる。

更に、特に直径が大きい単結晶を製造する場合には、回転方向の反転時の反動により結晶形状悪化が頻繁に発生し、単結晶化が阻害されることにより、生産性が低下するという問題もある。均一な断面内抵抗率分布を得ることができる結晶回転条件が、必ずしも上記した特許文献３の単結晶の形状を安定させる条件に当てはまるとは限らず、単結晶形状の悪化に起因して生産性が低下する場合が極めて多い。
このように、従来の方法では、断面内抵抗率分布の均一性と単結晶の取得安定性とを両立するのは非常に困難である。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、特に大直径の単結晶を製造する場合においても、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減しつつ、単結晶の形状悪化及び多結晶化を抑制できる半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより部分的に加熱溶融して溶融帯を形成し、該溶融帯を前記原料結晶の一端部から他端部へ移動させて半導体単結晶を成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、該回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法が提供される。

このような半導体単結晶の製造方法であれば、特に大直径の単結晶を製造する場合においても、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減可能な単結晶の回転条件を適用しつつ、単結晶の形状悪化及び多結晶化を抑制できる。

このとき、前記回転方向を変更している最中に回転速度をサインカーブ状に変化させることが好ましい。
このようにすれば、単結晶の形状悪化及び多結晶化をより確実に抑制できる。

また、前記一方向から逆方向に回転方向を変更している最中の減速時の回転加速度と加速時の回転加速度をそれぞれ異なる回転加速度にすることが好ましい。
このようにすれば、単結晶断面内の抵抗率バラツキを確実に低減できる。

本発明では、ＦＺ法による半導体単結晶の製造において、半導体単結晶の成長中に、半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、該回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させるので、特に大直径の単結晶を製造する場合においても、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減しつつ、単結晶の形状悪化及び多結晶化を抑制できる。これにより生産性及び歩留まりを向上できる。

ＦＺ法による単結晶製造装置の一例を示す概略図である。本発明の半導体単結晶の製造方法における半導体単結晶の回転パターンの一例を示す図である。本発明の半導体単結晶の製造方法における半導体単結晶の回転パターンの別の一例を示す図である。実施例１、２、比較例１における単結晶の直径変動の評価方法を説明する図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者等は、ＦＺ法による半導体単結晶（ＦＺ単結晶）の製造において単結晶の回転方向を交互に変更させる方法を用いる場合に、単結晶製造条件を大幅に変更せず、かつ単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減しつつ、単結晶の形状悪化を抑制し、単結晶の取得安定性を向上するための方法について鋭意検討を重ねた。

その結果、まず、単結晶の形状悪化及び多結晶化が以下に示す原因により起こることが判明した。
ＦＺ単結晶製造で使用される誘導加熱コイルの形状は完全に軸対称ではなく、それによって形成される磁場分布も完全に軸対称にすることができないことから、単結晶の加熱は軸対称でなく不均一である。このため軸方向の単結晶移動速度が一定であっても結晶部位毎の成長速度に差が生ずる。

ＢｕｒｔｏｎらのＢＰＳ理論（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．２１（１９５８）、１９８７）によれば、結晶成長速度の大小によって有効偏析係数は変化し、メルトから結晶へのドーパント不純物の導入が変化するため、結晶の抵抗率にも影響を及ぼすことになる。結晶部位毎の成長速度の差により結晶内の抵抗率が変動し、さらには得られるウェーハ面内のミクロ／マクロな抵抗率変動に繋がる。そのため、誘導加熱コイルでの加熱状態をできる限り軸対称に近づける、もしくは非軸対称加熱の影響を低減するような施策を行うなど、成長速度の差を極めて小さくするようにすることが望ましい。

単結晶の成長中に単結晶の回転方向を交互に変更させる方法では、一般的に単結晶の回転数をある程度大きくし、結晶成長不均一の緩和、すなわち抵抗率変動を小さくすることができる。ただし、単結晶の回転方向を変える際にその所要時間をゼロにすることは事実上不可能であるため、回転方向の反転時には回転の減速、停止が必ず生ずる。この減速、停止時には不均一加熱の影響を避けることができず、結果として結晶成長が不均一になる。つまりこの方法を用いた場合は、周期的に起こる回転方向反転時の回転の減速、停止によって結晶成長が不均一になる状態が繰り返されることになる。

上記のように、抵抗率変動を小さくするためには低速回転させる時間を少なくする、すなわち回転加速度を大きくすることが望ましい。一方で、回転加速度が大きいということは回転方向の反転時に回転速度が急激に変化するということになるので、結果として回転の反動が大きくなる。そのため不均一な結晶成長傾向が増加し、結晶形状が悪化したり、多結晶化する。特に、大直径の単結晶を製造する場合には、同じ回転速度でも外周部の周速度は大きくなるため、回転の反動の影響をより受けやすい。

これに対して本発明者等は、単結晶の回転方向を交互に変更する際に、回転の反動が大きくならないように回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させることで、結晶形状の悪化及び多結晶化を抑制できることに想到し、本発明を完成させた。

まず、本発明の半導体単結晶の製造方法で用いられるＦＺ法による単結晶製造装置（ＦＺ単結晶製造装置）について図１を参照して説明する。ここでは、半導体単結晶としてシリコン単結晶を製造する場合について説明する。
図１に示すように、ＦＺ単結晶製造装置１は、チャンバー１１を有しており、該チャンバー１１内には、回転可能な上軸１２および下軸１３が設けられている。該上軸１２には原料結晶１４として所定の直径のシリコン棒が取り付けられ、また下軸１３には種結晶１５が取り付けられる。またチャンバー１１内には、原料結晶１４を溶融するための誘導加熱コイル１６や、ガスドーピングの際に、原料結晶１４が溶融された溶融帯１８にドーパントガスを噴出するためのドープノズル２０が配置されている。

本発明の半導体単結晶の製造方法では、このようなＦＺ単結晶製造装置１を用いて、まず、原料結晶１４の先端を誘導加熱コイル１６で溶融した後、種結晶１５に融着させる。その後、絞り１７により無転位化し、上軸１２及び下軸１３を回転させながら下降させ、溶融帯１８を原料結晶１４に対して相対的に移動させながらシリコン単結晶１９を成長させる。

この時、シリコン単結晶１９を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させる。このようにすれば、回転方向の反転時に単結晶の回転とメルトの回転の相対回転速度は増大する。すなわち結晶径方向のメルト対流と比べて十分に大きな結晶周方向のメルト対流が発生しているということであり、一定の回転方向・回転速度で回転させる場合には大きな影響を及ぼす結晶径方向メルト対流の影響が打ち消されるため、交互回転時の断面内抵抗率分布は平坦に近づく。この際に非軸対称加熱の影響を小さくするため単結晶回転をより高速にすることで、全体的な抵抗率バラツキを低減できる。
このとき、下記に詳細に説明するように、単結晶１９の回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させる。

上記絞り後には、所望の直径までシリコン単結晶１９の直径を徐々に拡大させてコーン部を形成し、所望直径まで達した後は所望直径を保ったまま結晶成長を行い、直胴部を形成する。成長中に、ドープノズル２０からドーパントガスを溶融帯１８に噴射してドーパントを供給し、所望の抵抗率を持つ単結晶棒とする。溶融帯１８を原料結晶１４の上端まで移動させてシリコン単結晶１９の製造を終える。

単結晶１９の回転加速度は、例えば図２に示すように変化させることができる。すなわち、一方向（プラス方向）の回転の減速を開始する段階（図２のａ）及び逆方向（マイナス方向）の回転の加速を停止する段階（図２のｄ）では回転加速度を小さくする。これらの段階において回転加速度を小さくする、すなわち、回転速度の変化を長い時間掛けて行えば、回転方向反転時における反動を抑制でき、単結晶の形状が悪化したり、多結晶化したりするのを抑制でき、円筒形状の単結晶棒を得ることができる。しかも、これらの段階では回転速度が最高速に近い高速であるので、回転加速度を小さくすることによる単結晶断面内の抵抗率への影響はほとんどない。

一方、回転速度が減少し、回転停止に至る段階（図２のｂ）及び逆方向に回転を加速していく段階（図２のｃ）では回転加速度を大きくする。これらの段階において回転加速度を大きくする、すなわち回転速度の変化を速く行えば、低速回転の時間を少なくすることができるので、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減できる。

回転加速度を変化させる際には、回転加速度が連続的に経時変化するように変化させることが好ましい。例えば、図３に示すように、回転方向を変更している最中に回転速度をサインカーブ状に変化させることができる。このようにすれば、回転方向反転時における反動をより効果的に抑制でき、単結晶の形状悪化、多結晶化をより確実に抑制できる。

このとき、一方向から逆方向に回転方向を変更している最中の減速時の回転加速度と加速時の回転加速度をそれぞれ異なる回転加速度にすることもできる。
このようにすれば、メルト対流速度を増加させることができるので、単結晶断面内の抵抗率バラツキを確実に低減できる。特に、後述するように回転量比率を変化させて回転させる場合と組み合わせて実施することでこの効果を高めることができる。ここで、一方向から逆方向に回転方向を変更している最中とは、左から右回転、右から左回転のいずれの方向へ変更する場合も含み、どちらか一方へ回転方向を変更する場合に限定される訳ではない。

また、各方向に回転させる際の回転量は特に限定されない。例えば、一方向（プラス方向）と逆方向（マイナス方向）に同じ回転量で交互に回転させることができる。或いは、一方向（プラス方向）に回転する回転量を逆方向（マイナス方向）に回転する回転量よりも大きくして、各方向への回転量比率（小さい方の回転量／大きい方の回転量）を小さくすることができる。

このように回転量比率を小さくする場合には、メルトは回転量の大きい方向に継続して回転するようになるので、特に単結晶中心部におけるメルト対流速度は、同じ回転量で交互に回転させる回転パターンを適用した場合に比べて増加する。従って、抵抗率のバラツキをより確実に低減できる。更に、回転量の大きい方向から回転量の小さい方向に結晶の回転方向を変更する最中の減速時の回転加速度を加速時の回転加速度よりも小さくすることで、上記の継続したメルトの回転を更に強めることができる。これにより、特に単結晶中心部のメルト対流速度をより増加することができ、抵抗率のバラツキをより効果的に低減できる。

本発明における単結晶の回転パターンは、単結晶の回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させている限り特に限定されない。本発明では、単結晶断面内の抵抗率バラツキを低減するために、例えば上記したような回転数、回転周期、回転加速度などを調整した様々な回転パターンを適用しても、回転方向の反転時における回転の反動を抑制し、単結晶の取得安定性を向上できるので、量産化を前提とする場合にも有利である。

以下、本発明の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、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すようなＦＺ単結晶製造装置を用いて、直径２０３ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。単結晶の成長中に同じ回転量で回転方向を交互に変更させ、図２に示すようなパターンで回転加速度を変化させた。このとき、回転の減速を開始する段階（図２のａ）及び回転の加速を停止する段階（図２のｄ）における回転加速度（絶対値）を７５°／ｓ^２とした。また、回転が停止に至る段階（図２のｂ）及び回転を加速していく段階（図２のｃ）における回転加速度（絶対値）を４５０°／ｓ^２とした。以降、実施例、比較例において回転加速度を示す数値は絶対値である。

（実施例２）
図３に示すような回転速度をサインカーブ状に変化させた以外、実施例１と同様な条件でＦＺシリコン単結晶を製造した。このとき、回転加速度を０〜３１３°／ｓ^２の範囲内で変化させた。

（比較例１）
回転方向を変更する際、回転加速度を２００°／ｓ^２の一定値とした以外、実施例１と同様な条件でＦＺシリコン単結晶を製造した。
実施例１、２及び比較例１の各々の製造条件で、１０本のシリコン単結晶をそれぞれ製造したところ、実施例１、２では多結晶化することなく１０本のシリコン単結晶を得ることができた。これに対し、比較例１ではシリコン単結晶製造中の多結晶化が２回発生し、得られたシリコン単結晶は８本であった。

また、実施例１、２及び比較例１で製造したＦＺ単結晶の直径変動の度合いを評価した。ここで、直径変動は、目標直径（Ｄ＝２０３ｍｍ）となるように単結晶を成長させる直胴プロセスで評価した。直径は、図４に示すように、カメラを用いて検出し、検出直径の最大値（Ｄｍａｘ）、最小値（Ｄｍｉｎ）及び検出直径値と目標直径値の偏差のバラツキ（σ）を求めた。更に検出直径の最大値、最小値と目標直径との偏差をＭＡＸ＝（Ｄｍａｘ−Ｄ）／Ｄ、ＭＩＮ＝（Ｄｍｉｎ−Ｄ）／Ｄとして算出し、結果を比較した。

その結果を表１に示す。表１に示すように、比較例１ではＭＡＸ＝０．２２０％、ＭＩＮ＝−０．２２３％であった。これに対し、実施例１のＭＡＸは０．０４６％、ＭＩＮは−０．０５５％であり、実施例２のＭＡＸは０．０４７％、ＭＩＮは−０．０５３％と、両実施例とも比較例１よりも低減された。検出直径値と目標直径値の偏差のバラツキについても、比較例１が０．０８０％に対して、実施例１が０．０１８％、実施例２が０．０１３％と、両実施例とも比較例１より減少した。

（実施例３）
回転量比率を０．７５として回転方向を交互に変更させ、回転量の大きい方向から回転量の小さい方向に単結晶の回転方向を変更する時の回転が停止に至る段階の回転加速度を１００°／ｓ^２とし、回転を加速していく段階における回転加速度を２４０°／ｓ^２とした。また、回転の減速を開始する段階及び回転の加速を停止する段階における回転加速度を７５°／ｓ^２とした。

（比較例２）
回転方向を変更する際、回転加速度を１００°／ｓ^２の一定値とした以外、実施例３と同様な条件でＦＺシリコン単結晶を製造した。
実施例３及び比較例２で製造したシリコン単結晶をウェーハ状に切断し、５０枚のウェーハの中心部の抵抗率バラツキ及び全体的な抵抗率バラツキを評価した。ここで、全体的な抵抗率バラツキとして、ＲＲＧ（＝ウェーハ面内の抵抗率最大値−ウェーハ面内の抵抗率最小値）／（ウェーハ面内の抵抗率最小値）を定義した。

その結果、比較例２のＲＲＧの値は５．４〜２１．２％、中心部の抵抗率バラツキは５．４％であった。これに対し、実施例３のＲＲＧの値は４．５〜２１．２％、中心部の抵抗率バラツキは４．０％であり、比較例２に比べて同等以上の全体的な抵抗率バラツキを維持したまま、中心部の抵抗率バラツキが低減できた。

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…ＦＺ単結晶製造装置、１１…チャンバ−、１２…上軸、１３…下軸、
１４…原料結晶、１５…種結晶、１６…誘導加熱コイル、１７…絞り、
１８…溶融帯、１９…半導体単結晶、２０…ドープノズル。

Claims

原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより部分的に加熱溶融して溶融帯を形成し、該溶融帯を前記原料結晶の一端部から他端部へ移動させて半導体単結晶を成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、
前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、該回転方向を変更している最中に回転加速度を変化させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
前記回転方向を変更している最中に回転速度をサインカーブ状に変化させることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造方法。
前記一方向から逆方向に回転方向を変更している最中の減速時の回転加速度と加速時の回転加速度をそれぞれ異なる回転加速度にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造方法。