JP4831203B2 - 半導体単結晶の製造方法および半導体単結晶の製造装置 - Google Patents

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および製造装置に関する。

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元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法による単結晶製造を行った結果として、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エーハには、特には、ウエ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ており、これはウエーハの原料であるＦＺ単結晶の断面内の抵抗率分布をより均一化することによってなされる。前記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、面内の抵抗率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。

特開平７−３１５９８０号公報 特開２００８−２６６１０２号公報

ＷＯＬＦＧＡＮＧ ＫＥＬＬＥＲ、ＡＬＦＲＥＤ ＭＵＨＬＢＡＵＥＲ著「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ」ｐ．８２−９２、ＭＡＲＣＥＬ ＤＥＫＫＥＲ， ＩＮＣ．発行

しかしながら、近年は求められるＦＺシリコン単結晶の直径が拡大してきており、直径１５０ｍｍ以上のＦＺシリコン単結晶から製造されたウエーハでは、前記の単結晶の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た場合、面内の抵抗率バラツキを低減するにあたってある程度は有効ではあるが、例えば直径１２５ｍｍ以下のＦＺシリコン単結晶から製造されたウエーハに比べると、ウエーハ面内での抵抗率バラツキは大きくなりがちである。

特に直径２００ｍｍ以上のＦＺシリコン単結晶製造の場合には、特許文献２のようなＦＺ単結晶の製造条件の範囲内に収めたとしても、面内の抵抗率分布が十分均一になっているとは言えず、特に結晶面内の中心部の抵抗率を制御することは困難である。

また、更なる面内の抵抗率分布の均一化を単結晶の回転条件の変更により求めようとすれば、大直径の単結晶の製造の場合には、単結晶の回転の反転時の反動などによる結晶形状の悪化がより頻繁に生じ、単結晶の成長が阻害される。そして、これによって生産性の低下といったＦＺ単結晶の製造上の問題が顕在化する。このように、面内の抵抗率分布の均一性と結晶成長の安定性との両立を実現するのは簡単なことではない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、特に１５０ｍｍ以上の大直径の半導体単結晶でも、結晶形状の悪化が抑えられ、径方向の面内抵抗率分布を制御することができ、特には面内での抵抗率のバラツキを低減することが可能なＦＺ法による半導体単結晶の製造方法、およびこのような製造方法を実施可能な半導体単結晶の製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、誘導加熱コイルにより原料結晶を回転させながら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、半導体単結晶を回転させながら成長させて製造するＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、前記半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更するとともに原料結晶の回転方向および／または回転数を変更して、前記半導体単結晶を成長させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法を提供する。

ＦＺ法により半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更することによって面内の抵抗率分布の制御（特には均一化）を図ろうとしても、この半導体単結晶の回転制御だけでは十分には面内全体の抵抗率分布を制御することができず、特には面内の中心部付近において抵抗率が低下しやすい。
しかしながら、本発明の半導体単結晶の製造方法では、上記の半導体単結晶の回転制御に加えて、単結晶成長中に原料結晶について回転方向および／または回転数の変更を行う。このような原料結晶の回転制御により、溶融帯における溶融メルト内の中心部付近のメルト対流に影響を与えることができ、それにより面内中心部付近における抵抗率分布の制御が可能となる。
この結果、上記半導体単結晶の回転制御と原料結晶の回転制御による相乗効果によって、結晶面内全体における抵抗率分布の制御が可能となる。特には面内の抵抗率バラツキを抑えた半導体単結晶、さらには半導体単結晶ウエーハを得ることができる。

また、半導体単結晶と原料結晶の両方の回転制御により面内抵抗率分布の制御を図るので、特に半導体単結晶の回転条件が結晶成長にあたって比較的容易な回転条件からはずれるのを防ぐことができる。従来のように、半導体単結晶の回転条件の制御のみにより面内抵抗率分布の制御を図る場合、半導体単結晶の回転条件を大きく変化させる必要があり、結晶形状の悪化を招いてしまうが、本発明であれば、単結晶の成長が阻害されるのを抑えることができ、容易に安定して結晶を成長させることができる。

このとき、前記半導体単結晶の回転方向の変更に同期して、前記原料結晶の回転方向および／または回転数を変更するのが好ましい。
このようにすれば、半導体結晶と原料結晶の各々を個別に互いに無関係に回転させるよりも面内抵抗率分布の制御をより効果的に実現することが出来る。

また、前記原料結晶の回転方向を変更して半導体単結晶を成長させるとき、前記回転方向を交互に変更する半導体単結晶の回転方向とは逆方向に、前記原料結晶の回転方向を変更することができる。
このようにすれば、溶融帯における溶融メルト内の中心部付近のメルト対流の発生をさらに促進することができ、中心部付近の抵抗率の低下を抑制しやすく、面内抵抗率分布への影響をより高めることができる。

また、前記原料結晶の回転数を変更して半導体単結晶を成長させるとき、前記回転方向を交互に変更する半導体単結晶の回転量が大きい回転方向に、前記原料結晶の回転方向を固定することができる。
そしてこのとき、前記原料結晶と前記半導体単結晶の回転方向が逆方向のとき、原料結晶の回転数を、前記原料結晶と前記半導体単結晶の回転方向が同じときの原料結晶の回転数よりも大きくするのが好ましい。

このように、原料結晶の回転方向を固定することもでき、そのような場合であっても、原料結晶の回転数を上記のように制御することで、原料結晶と半導体結晶の相対的な回転数の差を大きくすることができ、中心部付近のメルト対流、ひいては面内抵抗率分布への影響をより高めることができる。

また、前記原料結晶の回転数を、前記半導体単結晶の回転数以下にするのが好ましい。
原料結晶の回転数が大きいほどメルト対流に及ぼす影響は大きくなるが、このように半導体単結晶の回転数以下にとどめることによって、溶融メルトが局所的に不均一な状態になる等、結晶育成上の問題が顕在化してくるのを抑制し、結晶成長の容易性が低減するのを防ぐことができる。

また、前記製造する半導体単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることができる。
結晶直径が大きくなるほど面内の抵抗率分布の制御や結晶成長の安定性を図ることは厳しくなるが、本発明ではこのように直径が１５０ｍｍ以上の半導体単結晶を製造する場合においても有効であり、結晶の直径が小さい場合に比べて、得られる効果をより大きなものとすることができる。

また、本発明は、少なくとも、原料結晶を部分的に加熱溶融して溶融帯を形成するための誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルで原料結晶を加熱溶融して半導体単結晶を成長させるときに原料結晶と半導体単結晶を各々回転させるための回転機構を具備するＦＺ法による半導体単結晶の製造装置であって、前記回転機構は、前記原料結晶と前記半導体単結晶の回転方向と回転数を自動的に変更制御する回転制御手段を備えており、該回転制御手段は、前記半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更するとともに原料結晶の回転方向および／または回転数を変更することができるものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置を提供する。

このようなものであれば、半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更するとともに原料結晶の回転方向および／または回転数を変更することができるものであるので、上記半導体単結晶の回転制御によって面内の抵抗率分布をある程度まで制御できるとともに、上記原料結晶の回転制御によって溶融帯における溶融メルト内の中心部付近のメルト対流に影響を与え、それによって面内中心部付近における抵抗率分布の制御が可能である。
そして、これらの半導体単結晶および原料結晶の回転制御による相乗効果によって、結晶面内全体における抵抗率分布が制御された半導体単結晶を得ることができ、特には面内の抵抗率バラツキが抑制された半導体単結晶を製造することができる。

また、半導体単結晶と原料結晶の両方の回転制御により面内抵抗率分布の制御を図ることができるので、特に半導体単結晶の回転条件が結晶成長にあたって比較的容易な回転条件からはずれるのを防ぐことができ、結晶形状の悪化を防ぎ、容易に安定して結晶成長が可能なものである。

このとき、前記回転制御手段は、前記半導体単結晶の回転方向の変更と前記原料結晶の回転方向および／または回転数の変更の同期化が可能なものであるのが好ましい。
このようなものであれば、半導体単結晶の回転方向の変更と原料結晶の回転方向および／または回転数の変更を同期化することができ、半導体結晶と原料結晶の各々を個別に互いに無関係に回転させるよりも面内抵抗率分布の制御をより効果的に実現することが出来る。

以上のように、本発明の半導体単結晶の製造方法および半導体単結晶の製造装置であれば、たとえ大直径結晶でも結晶成長が比較的容易な製造条件からかけ離れること無しに、半導体単結晶、さらには該結晶から得られるウエーハの面内抵抗率分布をより所望の状態に、特には均一に近づけることができる。そして、ウエーハ面内での抵抗率の変動が低減されることで、ウエーハから素子を製造する際の歩留まり及び生産性が向上するため、結果として半導体単結晶の供給の安定性の向上も可能となる。

本発明のＦＺ法による半導体単結晶を製造するための装置の一例を示す概略図である。 本発明における原料結晶およびシリコン単結晶の回転パターンの一例を示すグラフである。 本発明における原料結晶およびシリコン単結晶の回転パターンの他の一例を示すグラフである。 本発明における原料結晶およびシリコン単結晶の回転パターンの他の一例を示すグラフである。 従来における原料結晶およびシリコン単結晶の回転パターンの一例を示すグラフである。 実施例１におけるウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフである。 実施例２におけるウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフである 実施例３におけるウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフである。 実施例４におけるウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフである。 比較例１におけるウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフである。 従来のＦＺ法による半導体単結晶を製造するための装置の一例を示す概略図である。 ＦＺ法による半導体単結晶製造時の溶融メルト内固液界面近傍の径方向のメルト対流の状態を示す模式図である。（ａ）半導体単結晶の回転数が小さい場合。（ｂ）半導体単結晶の回転数が大きい場合。 メルト対流のシミュレーションの解析の結果の例を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来では、ＦＺ法により半導体単結晶を製造した場合、大直径になるほど、結晶面内の抵抗率分布が十分に均一になっているとは言えず、特には中心部の抵抗率が低減するという問題があった。

そこで本発明者らは、たとえ大直径の半導体単結晶の製造の際であっても、従来に比して生産性を低下させること無く、かつ、半導体単結晶の中心部近傍エリアの抵抗率も制御し、面内全体の抵抗率分布を制御することができ、特にはその面内抵抗率分布をより均一化することができるＦＺ法による半導体単結晶の製造装置および製造方法を開発すべく鋭意検討を重ねた。以下に、本発明者らが行った検討について説明する。

ここで、まず、従来の一般的なＦＺ法による半導体単結晶の製造装置およびその製造方法について説明する。ここではシリコン単結晶を製造する場合を例に挙げて説明する。
図１１にＦＺ法による半導体単結晶を製造するための装置（ＦＺ単結晶製造装置）の一例の概略を示す。ＦＺ単結晶製造装置１０１は、チャンバー１０２を有しており、該チャンバー１０２内には、回転可能な上軸１０３および下軸１０４が設けられている。該上軸１０３には原料結晶１０５として所定の直径のシリコン棒が取り付けられ、また前記下軸１０４には種結晶１０６が取り付けられる。またチャンバー１０２内には、原料結晶１０５を溶融するための誘導加熱コイル１０７や、ガスドーピングの際に、原料結晶１０５が溶融された溶融帯１０８にドーパントガスを噴出するためのドープノズル１０９が配置されている。

このようなＦＺ単結晶製造装置１０１を用いてＦＺ単結晶を製造するには、上軸１０３に取り付けた原料結晶１０５の先端を誘導加熱コイル１０７で溶融した後、下軸１０４に取り付けた種結晶１０６に融着させ、絞り１１０により無転位化し、上軸１０３および下軸１０４を回転させながら（ここではそれぞれ一定方向に一定回転数で回転させる）下降させ、溶融帯１０８を原料結晶１０５に対して相対的に移動させながらシリコン単結晶１１１を成長させる。この時、絞り後、所望の直径までシリコン単結晶１１１の直径を徐々に拡大させてコーン部１１２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１１３を形成する。成長中に、ドープノズル１０９からドーパントガスを溶融帯１０８に噴射してドーパントを供給し、所望の抵抗率を持つシリコン単結晶棒とする。溶融帯１０８を原料結晶１０５の上端まで移動させてシリコン単結晶１１１の製造を終える。

本発明者らは、このようにして製造する半導体単結晶（シリコン単結晶）の結晶面内の抵抗率分布に影響を与える要素について検討したところ、溶融帯における溶融メルトに着目し、以下のように、溶融メルトと結晶面内の抵抗率分布の関係について詳しく調査した。

図１２は、シリコン単結晶の中心部を通り、結晶成長軸方向と平行な断面で切り取ったＦＺ単結晶製造時のメルト対流を示した模式図である。溶融メルト内の固液界面近傍における結晶径方向の溶融メルトの流れを図中に矢印で示した。原料結晶が誘導加熱コイルによって溶融され（原料結晶側の溶融帯）、ネックの下方で溶融メルト（シリコン単結晶側の溶融帯）が冷えてシリコン単結晶が形成されている。

図１２（ａ）に示すように、低速結晶回転、すなわちシリコン単結晶の回転数が小さい場合には、溶融メルト内の固液界面近傍における結晶径方向のメルト対流は、結晶外周部から中心部に向かう方向で流れるが、結晶中心部付近では対流速度が極めて小さくなる。
また、高速結晶回転、すなわちシリコン単結晶の回転数が大きい場合には、図１２（ｂ）に示すように、固液界面近傍において、結晶中心部付近で結晶中心部から結晶外周部に向かう方向の流れが生じるが、結晶回転数が小さい場合と比較すると、固液界面近傍の対流速度は全体的に小さくなる。

ＢｕｒｔｏｎらのＢＰＳ理論（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ． ２１（１９５８）、１９８７）によれば、製造する半導体単結晶の回転数を増すと有効偏析係数が小さくなり、溶融メルトから結晶へのドーパント不純物の導入が少なくなるため、結晶抵抗率は上昇する。これは結晶回転数の増加によりメルト対流が発生することにより、固液界面近傍の高ドーパント濃度のメルトが攪拌されて（境界拡散層厚さが減少して）有効偏析係数が小さくなるということであるから、溶融メルト内の固液界面近傍において、面内でメルト対流速度に差異があれば、結晶面内の抵抗率に分布が生ずることになる。

また、メルト対流の速度が大きい部分ではメルトがよく攪拌され、メルト対流速度が小さい部分ではメルトの攪拌も小さいことから、メルト対流速度が小さい部分に高ドーパント濃度のメルトが滞留することになり、溶融メルト内のドーパント濃度に分布が生ずる。このことも結晶面内の抵抗率に分布が生ずる原因となりうる。

前記の通り、シリコン単結晶の回転数が小さい場合、溶融メルト内の固液界面近傍においては、結晶径方向で結晶外周部から結晶中心部に向かうメルト対流が生じ、その対流速度は結晶外周部側が大きく結晶中心部に向かうにつれて小さくなることから、面内での有効偏析係数の変化が生じ、面内抵抗率は結晶外周部が高く結晶中心部に向かって低くなるような分布となる。

これに加えて、低速結晶回転であり結晶周方向のメルト攪拌も比較的小さいため、より中心部付近に高濃度ドーパントが滞留しやすくなり、中心部の抵抗率が下がる傾向はさらに助長される。このように、シリコン単結晶の回転数が小さい場合の面内抵抗率分布はバラツキが大きいものとなる。

一方、シリコン単結晶の回転数が大きい場合、溶融メルト内の固液界面近傍における結晶径方向のメルト対流速度は全体的に低下し、径方向速度差が小さくなるため径方向抵抗率の変動は小さくなり、また、結晶中心部付近で結晶中心部から結晶外周部の方向のメルト対流も僅かではあるが生じるため、中心部付近の抵抗率低下が緩和され、結晶回転数が小さい場合と比較すると面内抵抗率分布のバラツキは小さくなる。

しかし、高速結晶回転であるから結晶周方向のメルト攪拌は大きくなり、結晶中心部と結晶外周部での周速度の差が拡大するため、結晶中心部は面内で相対的に高ドーパント濃度のメルトが滞留しやすい状態となり、依然として面内中心部付近の抵抗率は低くなる。

ここで、図１１や図１２の例のように、シリコン単結晶１１１を製造中、原料結晶１０５は誘導加熱コイル１０７により溶融され、原料結晶１０５の直径よりも小さくなった部分で（この部分をネックと呼ぶ）溶融メルトと接続している（ネックより上側が原料結晶側の溶融帯、ネックより下側がシリコン単結晶側の溶融帯）。さらに下方でこの溶融メルトは凝固し、シリコン単結晶１１１となる。

この時、例えば、原料結晶の回転の中心とシリコン単結晶の回転の中心、及び誘導加熱コイルの中心が同軸上にあるようなＦＺ単結晶製造方法であれば、原料結晶は溶融メルトを介して結晶中心部付近の直上にあり、原料結晶の回転の操作により、メルト対流に影響を及ぼすことが可能であると本発明者らは考えた。

溶融メルトと接続している原料結晶のネック部における直径はシリコン単結晶の直径よりも小さいため、原料結晶の回転を操作しても溶融メルト全域に対して影響を及ぼすには至らないが、シリコン単結晶の中心部付近についてはメルト対流の変化を引き起こすことが可能である。そこで、原料結晶の回転を操作することによって結晶面内の中心部付近の抵抗率分布を変化させることができる。

一方で、シリコン単結晶の回転軸を原料結晶の回転軸及び誘導加熱コイルの中心から偏芯させるようなＦＺ単結晶の製造方法においても、ネック部の直径は数十ｍｍであるから、単結晶の偏芯量が実用レベルである数ｍｍから２０ｍｍ程度までであれば、単結晶の中心部に与える影響は単結晶の偏芯無しの場合とほとんど同じと見なすことができる。
さらには、単結晶の偏芯量が２０ｍｍを超える場合でも、原料結晶の回転の操作によるメルト対流の変化は、単結晶中心部付近まで影響を及ぼすことができるため、やはり面内における抵抗率分布の変化を引き起こすことが可能である。

以上のことから、本発明者らは、シリコン単結晶の中心部近傍の抵抗率分布に効果的に影響を与える方法として、原料結晶の回転を利用し、溶融帯における溶融メルト中の対流を変化させることに着目した。

そして、本発明者らは、ＦＺ法でシリコン単結晶を製造する場合の溶融メルト内の対流について、ＦＥＭＡＧ−ＦＺ等のソフトウェアによるシミュレーション解析を行い、結晶溶融メルト内の対流状態を調査した。ここで、ＦＥＭＡＧ−ＦＺは、ＦＥＭＡＧ ｓｏｆｔ社及びＬｏｕｖａｉｎ大学内ＣＥＳＡＭＥリサーチセンター（ベルギー）の開発による総合伝熱解析ソフトである。
図１３に、メルト対流のシミュレーションの解析の結果の例を示す。図１３はシリコン単結晶の中心部を含み結晶成長軸と平行な断面で、結晶中心部から結晶外周部までの半分の範囲を表している。溶融メルト内の各位置における結晶径方向の対流速度を速度ベクトルで表示している。

さらに、本発明者らは上記のようなソフトウェアを用いて計算を行い、どのような回転制御によって、効果的にメルト対流に影響を与えることができるかどうかについて調査を行ったところ、面内中心部付近の固液界面近傍のメルト対流は、特には、原料結晶の回転数をシリコン単結晶の回転方向と逆方向に大きくすると大きくなるという結果が得られた。

ここで、例えば、シリコン単結晶を製造中にシリコン単結晶を単に一定方向に一定回転数で回転させる場合、前記のように原料結晶をシリコン単結晶の回転方向とは逆方向に回転させることで、結晶固液界面近傍の面内中心部付近にメルト対流を生じさせ、結晶面内の抵抗率分布のバラツキを多少は減少させることが出来る。

しかしながら、シリコン単結晶を一定方向に一定回転数で回転させる場合は、そのシリコン単結晶の製造条件により製造されるシリコン単結晶の面内の抵抗率分布の変動自体がそもそも大きい。したがって、たとえ原料結晶の回転を調整したとしても、原料結晶の回転の調整を行わない場合の元の面内の抵抗率分布に比べて変動をある程度低減することはできるものの、それだけでは不十分であるため、面内全体で見れば、依然として抵抗率分布の変動は大きいままである。

原料結晶の回転は、あくまでもＦＺ単結晶製造条件の一つであり、前記の通り結晶面内全体にわたって抵抗率分布に影響を及ぼすまでには至らないが、他のＦＺ単結晶製造条件と組み合わせることにより、面内抵抗率分布の改善のための相乗効果をもたらすことが出来る。

本発明者らはこのような考えに基づいて、面内全体の抵抗率分布を制御し、特に均一化を図るにあたっては、まず、シリコン単結晶の回転方向を交互に変更しながら単結晶を成長させる方法を用いて単結晶製造を行うことにより、基本となる面内抵抗率分布の変動を小さくすることが有効であることを見出した。さらに、原料結晶の回転方向および／または回転数を変更することで、結晶面内の中心部付近のメルト対流に影響を及ぼし、特には抵抗率が低減するのを抑制できることを見出した。そして、シリコン単結晶製造中に、これらのシリコン単結晶および原料結晶の回転制御を併せて行うことによって、それらの相乗効果により、シリコン単結晶の面内全体の抵抗率分布を制御でき、そしてその均一化が可能になると想到し、本発明を完成させた。

以下では、まず、本発明の半導体単結晶の製造装置について説明する。なお、シリコン単結晶を製造する場合を例に説明するが、これに限定されず、半導体単結晶を製造することができるものであれば良い。
図１に、本発明のＦＺ法による半導体単結晶の製造装置の一例の概略を示す。このＦＺ単結晶製造装置１は、チャンバー２を有しており、該チャンバー２内には、回転可能な上軸３および下軸４が設けられている。該上軸３には原料結晶５として所定の直径のシリコン棒が取り付けられ、また前記下軸４には種結晶６が取り付けられる。またチャンバー２内には、原料結晶５を溶融するための誘導加熱コイル７や、ガスドーピングの際に、原料結晶５が溶融された溶融帯８にドーパントガスを噴出するためのドープノズル９が配置されている。

本発明の製造装置１は、原料結晶５、種結晶６（また、成長するシリコン単結晶１１）を回転させるための回転機構１４を有しており、上記上軸３や下軸４の他、これらの回転を制御する回転制御手段１５が備えられている。
この回転制御手段１５は特に限定されないが、例えばコンピュータが挙げられ、プログラムを予め組み込んでおくことにより、上軸３および下軸４の回転を自動制御することができる。実際にシリコン単結晶１１を成長させる際に、少なくとも、上軸３（原料結晶５）の回転方向や回転数の変更、および下軸４（シリコン単結晶１１）の回転方向の交互の変更が自動的に予定通りに行われるようにプログラムされている。このようなものであれば、低コストでかつ簡単に回転制御を行うことができる。

原料結晶５やシリコン単結晶１１のより具体的な回転の変更条件は特に限定されず、例えば、所望のように溶融メルトの対流を制御でき、目標とする結晶面内の抵抗率分布が得られるように、その都度、適切な回転制御が行われるようにプログラムされていれば良い。

特には、シリコン単結晶１１の回転方向の変更と原料結晶５の回転方向や回転数の変更が同期化されたプログラムであるのが好ましい。シリコン単結晶１１と原料結晶５の各々を個別に互いに無関係に回転させるよりも面内抵抗率分布の制御をより効果的に実現することが出来るためである。

なお、この回転機構１４以外は特に限定されず、例えば従来と同様の部品を用いることができる。

このような本発明の製造装置１であれば、シリコン単結晶１１を成長中に、シリコン単結晶１１の回転方向を交互に変更できるだけでなく、原料結晶５についても回転方向や回転数を所望のように変更制御することができる。
したがって、この本発明の製造装置１を用いれば、特には、シリコン単結晶１１の回転方向の交互の変更から溶融帯における全体的な溶融メルト対流の制御を行い、結晶面内の抵抗率分布の均一化を図ることができるし、同時に、原料結晶５の回転制御から結晶中心部付近の溶融メルトの対流を制御し、結晶中心部付近の抵抗率の制御を行うことができる。そしてその結果、極めて効果的に結晶面内全体における抵抗率の変動を抑え、均一化することができる。

次に、上記のような本発明の製造装置１を用いて、本発明の半導体単結晶の製造方法について説明する。
ここでは、図１に示すようにシリコン単結晶１１を製造する場合について説明するが、これに限定されず、所望の半導体単結晶とすることができる。また、単結晶の直径についても特に限定されないが、本発明の製造方法は、１５０ｍｍ以上、さらには２００ｍｍ以上の直径が比較的大きな単結晶に対して特に有効である。従来法では、このような直径が大きなものほど結晶面内の抵抗率分布の制御が難しいからである。

まず、上軸３に取り付けた原料結晶５の先端を誘導加熱コイル７で溶融した後、下軸４に取り付けた種結晶６に融着させ、絞り１０により無転位化し、上軸３および下軸４を回転させながら下降させ、溶融帯８を原料結晶５に対して相対的に移動させながらシリコン単結晶１１を成長させる。この時、絞り後、所望の直径までシリコン単結晶１１の直径を徐々に拡大させてコーン部１２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１３を形成する。

このシリコン単結晶１１を成長中、ドープノズル９からドーパントガスを溶融帯８に噴射してドーパントを供給する。さらには、回転制御手段１５を用いて、シリコン単結晶１１（下軸４）の回転方向を交互に変更し、かつ、原料結晶５（上軸３）の回転方向や回転数を変更制御することによって、溶融帯における溶融メルト対流を制御し、所望の結晶面内の抵抗率分布を有するシリコン単結晶棒とする。

回転制御手段１５によって、原料結晶５やシリコン単結晶１１の回転パターンを自動制御すれば、効率良く所望のシリコン単結晶１１を得ることができる。例えば、シミュレーションや予備試験等を行うことによって、所望のシリコン単結晶１１を得られるようなプログラムをコンピュータ等により組み込んでおき、それによって自動制御すれば良い。

ここで、本発明におけるシリコン単結晶１１を成長中の原料結晶５やシリコン単結晶１１の回転パターンの例を示す。なお、当然、以下に示すパターンに限定されるものではなく、シリコン単結晶１１の回転方向を交互に変更する（回転数も変更可）とともに、原料結晶の回転方向や回転数を変更しながらシリコン単結晶１１を成長させる方法であれば良い。
また、比較のため、従来法における回転パターンの例についても説明する。
図２から図４に本発明における製造方法の場合の回転パターンを示す。また、図５に従来における製造方法の場合の回転パターンを示す。

まず、従来法に該当する図５では、シリコン単結晶は回転方向を交互に変更する回転を行っている。また、回転数は、回転方向の変更前後で同じになっている。一方、原料結晶は、一定の回転方向に一定回転数である。

この場合、原料結晶の回転数が大きいほど、シリコン単結晶が原料結晶と同じ回転方向に回転する場合と反転して原料結晶と逆方向に回転する場合とでは、メルト対流の変化が大きい。特にシリコン単結晶と原料結晶が同一回転方向に回転している時は、結晶面内の中心部付近のメルト対流の発生が抑えられ、その後、シリコン単結晶が回転方向を反転してシリコン単結晶と原料結晶の回転方向が逆方向となった時も、結晶面内の中心部付近のメルト対流は反転前の影響を受けて本来生じるはずのレベルよりも弱まることになり、十分な効果が得られないことになる。

これに対し、後述する本発明における回転パターンでは、このシリコン単結晶の回転方向の違いにより生じるメルト対流のギャップを抑え、効果的に面内の中心部付近のメルト対流を発生させるために、原料結晶を交互に回転させながらシリコン単結晶の製造を行う。或いは原料結晶の回転方向を変えるまでには至らなくとも、回転数を変化させることにより加速、減速を繰り返しつつ原料結晶を回転させながら、シリコン単結晶の製造を行う。

このような本発明の製造方法を行うことにより、シリコン単結晶を交互に回転させながらシリコン単結晶の成長を行う場合でも、結晶中心部付近の固液界面近傍においてメルト対流を発生させ、かつシリコン単結晶の交互回転の回転方向による状態の差異を低減し、結晶面内の中心部付近のメルト対流を安定して保つことが出来る。

本発明の製造方法に該当する図２の例では、シリコン単結晶１１は回転方向を交互に変更する回転を行っている。また、回転数は、回転方向の変更前後で同じになっている。原料結晶５も回転方向を交互に変更させており、回転数は回転方向の前後で同じである。
なお、図２に示すように、一定時間毎に繰り返す同一の回転パターンを１周期、一回の回転の変更（回転方向や回転数の変更）から次の変更までの間を１セットと呼ぶことにする。また、図２では、ある方向に回転開始し、その後反転して逆方向に回転し、回転終了するまでが１周期であるが、この区切り方に限定されず、先に定義したとおり一定時間毎に繰り返す同一の回転パターンであれば良い。

この時、原料結晶５の回転の変化を、シリコン単結晶１１の回転方向の変更と同期させるように回転方向や回転数を変更させるのが好ましい。さらに、原料結晶５の回転方向を、シリコン単結晶１１の回転方向とは逆方向に変更するのがより好ましい。
図２では、シリコン単結晶１１の回転方向の変更に同期して、それとは逆方向に、同様のタイミングで原料結晶５の回転方向を変更している。原料結晶５とシリコン単結晶１１をそれぞれ単独で回転させるよりも、図２のようにシリコン単結晶１１と同期させて原料結晶５を回転させることで、結晶面内の中心部付近において、メルト対流の発生効果が増し、より効果的に抵抗率の低下を抑制することができるためである。

次に、図２とは異なる他の回転パターンの例を図３に示す。
図３では、シリコン単結晶１１は回転方向を交互に変更する回転を行っている。また、回転数は、回転方向の変更前後で同じになっている。原料結晶５は、回転方向は不変で固定しているが、回転数を周期的に変更させるものである。

ここで、図３からわかるように、シリコン単結晶１１に関して、回転方向の変更前後で回転数は同じものの、１セットあたりの時間が異なっているため（＋が長く、−が短い）、シリコン単結晶１１の１セットあたりの回転量が回転方向により異なっている。
このような場合、原料結晶５の回転方向は回転量の大きい方向に同一とするのが好ましい。これに加えて、原料結晶５の回転方向がシリコン単結晶１１の回転方向の逆方向となる場合に、原料結晶５とシリコン単結晶１１の回転方向が同一の方向となる場合の原料結晶５の回転数よりも大きくするのが好ましい。

このようにすることで、原料結晶５の回転方向をわざわざ変更せずとも、原料結晶５とシリコン単結晶１１の相対的な回転数の差を大きくすることができ、中心部付近のメルト対流の発生を促し、ひいては抵抗率の低下を防止して面内抵抗率分布を均一にすることができる。

また、図３のような回転パターンにおいても、シリコン単結晶１１と同期させて原料結晶５の回転の変更を行うのが好ましい。

さらに他に、図４のような回転パターンも挙げられる。
図２、図３では、シリコン単結晶１１の回転方向の変更に対し、同様のタイミングで原料結晶５の回転方向や回転数を変更し、シリコン単結晶１１の回転方向の変更に原料結晶５の回転方向や回転数を同期化させている。一方、図４では、同様のタイミングで変更するのではなく、１セット、１周期あたりの時間は同じに保ちつつ時間差を設けてそれぞれ回転の変更を行うことにより、シリコン単結晶１１の回転方向の変更に加えて原料結晶５の回転方向や回転数を変更させている。

また、原料結晶５から結晶の固液界面までの軸方向距離は数十ｍｍあり、シリコン単結晶１１の回転と原料結晶５の回転を完全に同期させると固液界面近傍まで上軸回転が及ぼす影響が減少してしまう。そこで、シリコン単結晶１１の回転の変更と原料結晶５の回転の変更に時間差をわざと設けること、即ち図４のような回転パターンとすることにより、メルト対流への影響が現れやすくすることができる。

また、図２から図４のように、特に原料結晶５の回転パターンをシリコン単結晶１１の回転パターンに合わせて同期化させたり周期性を持たせたりするのではなく、シリコン単結晶１１の回転パターンと全く関係なしに、原料結晶５の回転方向や回転数を変更することもできる。

以上述べてきたような本発明におけるシリコン単結晶１１および原料結晶５の回転パターンにおいて、特に原料結晶５の回転方法によって、シリコン単結晶１１の面内中心部付近の抵抗率を調整することができ、さらに、シリコン単結晶１１を交互に回転させることで面内の基本的な抵抗率分布の制御を図る。そして、これらの両方の回転の制御によって、結晶面内全体の抵抗率分布を制御し、特には抵抗率の変動を抑制して均一化を達成することができる。

また、シリコン単結晶１１のみならず、原料結晶５の回転方向や回転数を変更させて結晶面内の抵抗率分布の制御を図るので、シリコン単結晶１１のみの回転制御により制御を図る場合よりも負荷なく実施することができ、結晶成長を安定して容易に行うことが可能になる。

ところで、原料結晶５とシリコン単結晶１１との相対的な回転数の差が大きいほど、メルト対流が発生する効果が大きく、面内の中心部付近の抵抗率を高くすることができるが、本発明における原料結晶５の回転方法はどのようなシリコン単結晶１１の製造条件においても適用することが可能であるため、元々のシリコン単結晶１１の製造条件（すなわち、シリコン単結晶１１の成長中に原料結晶５の回転方向の変更や回転数の変更を行わない）から取得できる結晶面内の抵抗率分布、及びシリコン単結晶１１に求められる品質または顧客仕様を鑑みて、原料結晶５の回転方向および回転数を適宜調整すればよい。

また、実用的には、特に図２に示す回転パターンの例のように、原料結晶５の回転は周期的に回転方向の変更を行い、１セットの回転は一定回転数で定常回転させることが好ましい。この場合、原料結晶５の１セットあたりの一方向の回転量は１回転以下であることが好ましく、さらには原料結晶５の回転量が大きい方向を回転量正方向、原料結晶５の回転量が小さい方向を回転量逆方向とした時（これ以降、「回転量正方向」と「回転量逆方向」は前記の通り定義したものとする）の回転量の比（正逆回転比＝回転量逆方向における回転量／回転量正方向における回転量）は０．８以下とすることが好ましい。

一方、品質面だけでなく結晶製造における生産性についても考慮するのが当然好ましい。すなわち本発明の半導体単結晶の製造方法では、原料結晶５の回転条件以外には従来の製造方法の結晶製造条件からの変更点はないため、結晶成長に関する結晶製造を阻害する要素には変化はない。しかしながら、原料結晶５の回転条件の変更によっても結晶製造を困難にする要素が顕在化する可能性を考慮すると、原料結晶５の回転数を過剰に大きくしないことが好ましい。

一例として、原料結晶５の回転が速くなり過ぎると、原料溶融が局所的に不均一な状態に陥りやすく、原料溶融面が成長軸方向に凹凸状になり、原料の一部が未溶解の突起として形成されやすい（この突起を「ハナ」と呼ぶ）。ハナの形成が著しい場合には誘導加熱コイルへの接触・放電を引き起こす可能性があり好ましくない。
このような状態を効率良く避けるためには、原料結晶５の回転数を、少なくともシリコン単結晶１１の回転数よりも小さい範囲で抑えるのが好ましく、さらなる結晶製造の安定性を求める場合には、原料結晶５の回転数は５ｒｐｍ以下とするのがより好ましい。

以上のようにして、シリコン単結晶１１の成長中に、シリコン単結晶１１の回転方向を交互に変更し、かつ原料結晶の回転方向や回転数を変更し、溶融帯８を原料結晶５の上端まで移動させてシリコン単結晶１１の製造を終える。

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、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１の本発明におけるＦＺ単結晶製造装置１を用い、本発明における半導体単結晶の製造方法により、径方向面内における抵抗率分布が均一なシリコン単結晶ウエーハの製造を図った。結晶回転数１５ｒｐｍで回転方向を交互に変えながら、結晶直径が１５０ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を行った。この際に、本発明における原料結晶の回転方法を適用し、原料結晶をシリコン単結晶の回転とは無関係に回転数２ｒｐｍで交互に回転方向を変更して回転させた。この時の原料結晶における回転パターンは、１セットあたり、回転量正方向に０．５回転、回転量逆方向に０．４回転させるものとした。
このようにして製造したシリコン単結晶から２５枚のウエーハを採取し、それぞれの面内の直径方向の抵抗率を測定した。

図６にこの時の製造結晶を代表するウエーハ面内の抵抗率分布を示す。
図６及び後述する図７から図１０のウエーハ面内の抵抗率分布を示すグラフにおいては、面内の平均抵抗率に対する各点の抵抗率偏差で分布を表示した。
また、ＲＲＧ＝（（ウエーハ面内の抵抗率最大値−ウエーハ面内の抵抗率最小値）／（ウエーハ面内の抵抗率最小値））×１００と定義する。このＲＲＧの値が大きいほど、径方向の面内における抵抗率の変動が大きい。

実施例１におけるＲＲＧ値は１１．７％であった。また、面内での最大抵抗率値部分の平均値からの偏差は５．９％、最小抵抗率値部分の平均値からの偏差は−５．２％となった。面内中心部の抵抗率が落ち込まずに上昇したため、面内抵抗率分布形状はＷ字のような形となった。
ウエーハ間のバラツキを考慮すると、製品として±１２％の抵抗率公差に対応できる面内抵抗率分布であった。

（実施例２）
原料結晶の回転条件を変更した以外は、実施例１と全て同一条件で、本発明の製造方法により単結晶の製造を行った。この際に適用した原料結晶の回転条件は、原料結晶をシリコン単結晶の回転と同期させるように、同じタイミングで回転数１ｒｐｍで交互に回転方向を変更して回転させた。この時の原料結晶の回転パターンは、シリコン単結晶の回転方向と常に逆方向に原料結晶を回転させるもので、１セットあたり、回転量は回転量正方向に０．２回転、回転量逆方向に０．０１８回転とした。すなわち、図２に示すようなシリコン単結晶および原料結晶の回転パターンである。
この時の製造結晶から、実施例１と同様の方法で面内の直径方向の抵抗率の測定を行った。

図７にこの時の製造結晶を代表するウエーハ面内抵抗率分布を示す。
実施例２におけるＲＲＧ値は１０．１％であった。面内での最大抵抗率値部分の平均値からの偏差は５．０％、最小抵抗率値部分の平均値からの偏差は−４．６％となった。面内中心部の抵抗率が上昇し、落ち込みが解消されるような面内抵抗率分布形状となった。
ウエーハ間のバラツキを考慮すると、製品として±１０％の抵抗率公差に対応できる面内抵抗率分布であった。

（実施例３）
原料結晶の回転条件を変更した以外は、実施例１と全て同一条件で、本発明の製造方法により単結晶の製造を行った。この際に適用した原料結晶の回転条件は、原料結晶を一方向に回転させながら、原料結晶の回転数をシリコン単結晶の回転方向の変更と同期させるように、同じタイミングで変化させた。この時の原料結晶の回転パターンは、原料結晶とシリコン単結晶の回転方向が同じときに、回転数が０．５ｒｐｍで回転量が０．２回転、原料結晶とシリコン単結晶の回転方向が逆方向のときに、回転数が５ｒｐｍで回転量が０．０１８回転とした。すなわち、図３に示すようなシリコン単結晶および原料結晶の回転パターンである。
この時の製造結晶から、実施例１と同様の方法で面内の直径方向の抵抗率の測定を行った。

図８にこの時の製造結晶を代表する面内抵抗率分布を示す。
実施例３におけるＲＲＧ値は１２．１％であった。面内での最大抵抗率値部分の平均値からの偏差は５．４％、最小抵抗率値部分の平均値からの偏差は−６．０％となった。やや狭い範囲で面内中心部の抵抗率が上昇し、面内の抵抗率分布形状はＷ字のような形となった。
ウエーハ間のバラツキを考慮すると、製品として±１２％の抵抗率公差に対応できる面内抵抗率分布であった。

（実施例４）
原料結晶の回転条件を変更した以外は、実施例１と全て同一条件で、本発明の製造方法により単結晶の製造を行った。この際に適用した原料結晶の回転条件は、原料結晶をシリコン単結晶の回転と同期させた周期性は保ちつつ、シリコン単結晶の回転方向の変更から１．５秒後に原料結晶の回転方向を変更させるように、回転数１ｒｐｍで交互に回転方向を変更して回転させた。この時の原料結晶の回転パターンは、時間差を設けてシリコン単結晶の回転方向と逆方向に原料結晶を回転させるもので、回転量は回転量正方向に０．２回転、回転量逆方向に０．０１８回転とした。すなわち、図４に示すようなシリコン単結晶および原料結晶の回転パターンである。
この時の製造結晶から、実施例１と同様の方法で面内の直径方向の抵抗率の測定を行った。

図９にこの時の製造結晶を代表する面内抵抗率分布を示す。
実施例４におけるＲＲＧ値は９．７％であった。面内での最大抵抗率値部分の平均値からの偏差は５．０％、最小抵抗率値部分の平均値からの偏差は−４．３％となった。面内中心部の抵抗率が上昇し、落ち込みが解消されるような面内抵抗率分布形状となった。
ウエーハ間のバラツキを考慮すると、製品として±１０％の抵抗率公差に対応できる面内抵抗率分布であった。

（比較例１）
図１１に示すような従来のＦＺ単結晶製造装置１０１を用い、従来法により、径方向面内における抵抗率分布が均一なシリコン単結晶ウエーハの製造を図った。
結晶回転数１５ｒｐｍで回転方向を交互に変えながら、結晶直径が１５０ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を行った。この際に、原料結晶は一定方向に０．５ｒｐｍで回転させた。
この時の製造結晶から、実施例１と同様の方法で面内の直径方向の抵抗率の測定を行った。

図１０にこの時の製造結晶を代表するウエーハ面内抵抗率分布を示す。
比較例１におけるＲＲＧ値は１５．５％であった。面内での最大抵抗率値部分の平均値からの偏差は６．４％、最小抵抗率値部分の平均値からの偏差は−７．９％となった。面内外周部から中心部に向かうにつれて抵抗率が落ち込み、面内抵抗率分布形状はＶ字のような形となった。
ウエーハ間のバラツキを考慮すると、製品として±１５％の抵抗率公差に対応できる面内抵抗率分布であった。

以上のように、実施例１〜４のように本発明の半導体単結晶の製造装置および製造方法を使用することによって、特に面内中心部の抵抗率分布を制御することができ、比較例１のような従来における装置および製造方法を使用した場合に生じてしまう面内中心部付近の抵抗率の落ち込みを解消することができ、面内の抵抗率のバラツキを狭い範囲に収め、従来に比べて均一なものとすることができる。結晶成長も容易であるし、しかも安定している。

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、 ２…チャンバー、 ３…上軸、 ４…下軸、
５…原料結晶、 ６…種結晶、 ７…誘導加熱コイル、 ８…溶融帯、
９…ドープノズル、 １０…絞り、 １１…シリコン単結晶、
１２…コーン部、 １３…直胴部、 １４…回転機構、 １５…回転制御手段。

Claims (6)

1. 誘導加熱コイルにより原料結晶を回転させながら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、半導体単結晶を回転させながら成長させて製造するＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、
   前記半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更するとともに原料結晶の回転方向か、回転方向および回転数を変更して半導体単結晶を成長させるとき、
   前記回転方向を交互に変更する半導体単結晶の回転方向とは逆方向に、前記原料結晶の回転方向を変更することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. 前記半導体単結晶の回転方向の変更に同期して、前記原料結晶の回転方向か、回転方向および回転数を変更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。
3. 前記原料結晶の回転数を、前記半導体単結晶の回転数以下にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
4. 前記製造する半導体単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体単結晶の製造方法。
5. 少なくとも、原料結晶を部分的に加熱溶融して溶融帯を形成するための誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルで原料結晶を加熱溶融して半導体単結晶を成長させるときに原料結晶と半導体単結晶を各々回転させるための回転機構を具備するＦＺ法による半導体単結晶の製造装置であって、
   前記回転機構は、前記原料結晶と前記半導体単結晶の回転方向と回転数を自動的に変更制御する回転制御手段を備えており、該回転制御手段は、前記半導体単結晶を成長中に、半導体単結晶の回転方向を交互に変更するとともに原料結晶の回転方向か、回転方向および回転数を変更することができるものであり、
   前記回転方向を交互に変更する半導体単結晶の回転方向とは逆方向に、前記原料結晶の回転方向を変更するようにプログラムされているものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
6. 前記回転制御手段は、前記半導体単結晶の回転方向の変更と前記原料結晶の回転方向か、回転方向および回転数の変更の同期化が可能なものであることを特徴とする請求項５に記載の半導体単結晶の製造装置。

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