JP4957600B2

JP4957600B2 - Ｆｚ法による半導体結晶製造方法および半導体結晶製造装置

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Publication number: JP4957600B2
Application number: JP2008069823A
Authority: JP
Inventors: 聡鈴木; 義博児玉; 一徳渡邉
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: JP2009221079A

Description

本発明は、原料となる半導体棒を誘導加熱コイルで加熱溶融して溶融帯域を形成し、溶融帯域を移動することで半導体結晶を製造するＦＺ法（フローティングゾーン法または浮遊帯溶融法）による半導体結晶の製造に関し、さらに詳しくは、ドーパントガスを溶融帯域に吹き付けて半導体結晶に所望の電気抵抗率を与えるガスドーピングを使用したＦＺ法による半導体結晶の製造に関する。

ＦＺ法は、例えば、現在半導体素子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用いられているものである。
図６はＦＺシリコン単結晶の製造工程の一例を示す。すなわち、原料となる半導体棒５４の下端部を溶融して種結晶５５に融着させ（（ａ）種付け工程）、さらにこの種付けの際に結晶に生じた転位を抜くための絞り（ネッキング）を行い（（ｂ）ネッキング工程）、その後に晶出側半導体棒５９を所望の直径まで拡大させながら成長させる（（ｃ）コーン部形成工程）。さらに、晶出側半導体棒５９を所望の直径に制御しつつ成長を行い（（ｄ）直胴部形成工程）、原料の供給を止め、晶出側半導体棒５９の直径を縮小させて該晶出側半導体棒５９を原料半導体棒５４から切り離す（（ｅ）切り離し工程）。以上のような工程を経てＦＺシリコン単結晶を製造することができる。

通常、シリコン単結晶に所望の電気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域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）。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。シリコン単結晶の電気抵抗率は、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、電気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。所望の電気抵抗率のシリコン単結晶を得るためには、ドーパント添加量が適正に保たれる必要がある。

所望の電気抵抗率のＦＺシリコン単結晶を得るために必要なドーパントの添加量は、原料単結晶棒の電気抵抗率と所望の電気抵抗率を元に算出される。この必要ドーパント添加量を保つために、単結晶の直径や成長速度などの所定の単結晶製造条件に応じて供給されるドーパントガスの濃度や流量等を調整し、結果として所望の電気抵抗率を持つＦＺシリコン単結晶を得ることができる。１本の半導体結晶棒製造途中でドープガス濃度を変更することにより複数の電気抵抗率部分を１本の単結晶棒中に形成するマルチドープＦＺ単結晶棒製造方法が提案されている（特許文献１）が、これも所望の電気抵抗率を複数設定し、所望の抵抗率それぞれについて前記と同様に必要ドーパント添加量を算出し、ドーパントガス濃度を所定値に保つことで、所望抵抗率の結晶を育成するものである。

特開平５−２８６７９２号公報ＷＯＬＦＧＡＮＧＫＥＬＬＥＲ、ＡＬＦＲＥＤＭＵＨＬＢＡＵＥＲ著「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−ＺｏｎｅＳｉｌｉｃｏｎ」ｐ.８２−９２、ＭＡＲＣＥＬＤＥＫＫＥＲ, ＩＮＣ.発行

従来、コーン部形成工程のように結晶直径を始め結晶製造条件を変化させつつ結晶成長を行う場合は、結晶の成長につれて結晶成長状態も変化するが、直胴部形成工程では結晶成長状態はほぼ一定となると考えられていた。このことから、上述したような従来のＦＺシリコン単結晶製造工程の直胴部形成工程においては、直胴部形成工程におけるドーパント添加量を、変化させず一定にすることで、製造するＦＺシリコン単結晶を所望の電気抵抗率にできるとしていた。しかしながら、実際のＦＺ単結晶製造においては結晶成長中の成長状態は完全に一定ではなく、変動が存在することが判った。そして、この結晶成長状態の変動が結晶成長軸方向での電気抵抗率の変動に大きく影響することが明らかとなった。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ＦＺ法による半導体結晶の製造において、結晶成長中に供給するドーパント添加量を制御することにより、１本の結晶棒の成長軸方向全体にわたって電気抵抗率がほぼ一定であるか、軸方向プロファイルを有する結晶が取得可能な製造方法および製造装置を提供する事を目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、少なくとも、原料半導体棒を溶融して種結晶に融着させる工程と、該種結晶から成長させる晶出側半導体棒を所望の直径まで拡径させながら成長させてコーン部を形成する工程と、前記原料半導体棒と前記晶出側半導体棒との間に溶融帯域を形成して、前記晶出側半導体棒を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部を形成する工程と、前記晶出側半導体棒の直径を縮径させて該晶出側半導体棒を前記原料半導体棒から切り離す工程を含むＦＺ法による半導体結晶の製造方法において、前記直胴部形成工程中に、結晶成長状態の変化に応じて前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量を制御することを特徴とする半導体結晶の製造方法を提供する。

このように、直胴部形成中に、予め設定したドーパント添加量をベースとしつつも結晶成長状態の変化に応じてドーパント添加量を適正に調整するようにすれば、結晶製造中に結晶成長状態に変動があったとしても結晶中ドーパント濃度の変動を抑制し、１本の結晶棒の成長軸方向全体にわたって電気抵抗率がほぼ一定であるか、所望の軸方向プロファイルとなる半導体結晶を製造することが可能となる。

この場合、前記ドーパントは、前記溶融帯域にドーパントガスを吹き付けることにより添加されることが好ましい。

このように、前記原料半導体棒と前記晶出側半導体棒との間に形成される溶融帯域にノズル等を用いてドーパントガスを吹き付けることで、ドーパントを添加させるようにすれば、ドーパントを均一に高効率で添加させることができるため好適である。

また、前記ドーパント添加量の制御を、供給されるドーパントガスの流量及び／又は濃度を変化させることにより行うことが好ましい。

このように、ドーパント添加量の制御を、供給されるドーパントガスの流量及び／又は濃度を変化させることにより行うことにより、精度よくドーパントの添加量を調整することができる。

また、前記ドーパントガスは濃厚ドーパントガスとＡｒガスの混合ドーパントガスとするのが好ましい。

このように、供給するドーパントガスを濃厚ドーパントガスとＡｒガスの混合ドーパントガスとすれば、濃厚ドーパントガス及び／又はＡｒガスの比率を変えることで容易にドーパントガス濃度の調節ができるため好ましい。

さらに、前記結晶成長状態の変化は、前記溶融帯域の長さ、該溶融帯域の直径、結晶温度、上軸速度のいずれか１つ以上の変化とすることが好ましい。

このように、前記溶融帯域の長さ、該溶融帯域の直径、結晶温度、上軸速度（原料供給速度）のいずれか１つ以上の結晶成長状態の変化に応じてドーパント添加量を適正に調整するようにすれば、結晶中ドーパント濃度の変動を効果的に抑制し、１本の結晶棒の成長軸方向全体にわたって電気抵抗率がほぼ一定であるか、所望の軸方向プロファイルを有する半導体結晶をより効率的に製造することが可能となる。

また、前記製造する半導体結晶を、シリコン単結晶とすることが好ましい。

このように、本発明は、特に半導体単結晶として有用なシリコン単結晶を、成長軸方向全体にわたって電気抵抗率がほぼ一定であるか、所望の軸方向プロファイルを有するものとなるように製造することができる。

また、本発明では、さらに、ＦＺ法による半導体結晶の製造装置であって、少なくとも、Ａｒガス供給手段と、濃厚ドーパントガス供給手段と、該濃厚ドーパントガス供給手段から供給された濃厚ドーパントガスを前記Ａｒガス供給手段から供給されたＡｒガスで希釈した混合ドーパントガスを製造装置に供給する手段と、それぞれのガス供給手段を制御するガス供給制御手段と、結晶製造条件を制御する結晶製造条件制御手段と、結晶成長状態を検出する検出手段と、各制御手段に信号を与えるコントローラを有しており、原料半導体棒が溶融して形成される溶融帯域から晶出する晶出側半導体棒の直胴部を形成する時に、前記検出手段により検出された結晶成長状態の変化に応じて、前記Ａｒガス供給量、濃厚ドーパントガス供給量、混合ドーパントガス供給量のいずれか１つ以上を前記ガス供給制御手段で制御することにより、前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量の制御を行うものであることを特徴とする半導体結晶の製造装置を提供する。

このようなＦＺ法による半導体結晶の製造装置を用いて、少なくとも、直胴部形成工程中に、検出した結晶成長状態に応じて、Ａｒガス、濃厚ドーパントガス、混合ドーパントガスの各々のガス供給量を制御して自動的に晶出側半導体棒へ供給するドーパント添加量を制御しながら半導体結晶を製造すれば、成長軸方向全体にわたって所望の電気抵抗率を持つ半導体結晶を容易に且つ安定して製造することができる。

本発明によれば、ＦＺ法による半導体結晶の製造方法において、少なくとも、直胴部形成工程中に、結晶成長状態の変化に応じて晶出側半導体棒に供給するドーパントの添加量を制御しながら成長させるようにするので、結晶成長軸方向で電気抵抗率が変動することなく全長にわたってほぼ一定であるか、所望の軸方向プロファイルを有する半導体結晶を容易に取得できる。これにより、例えば半導体結晶において電気抵抗率が所望の範囲を超えてしまい使用できなくなる部分の発生を防止し、製造工程における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安定性の向上も可能となる。

従来、コーン部形成工程のように結晶直径を始め結晶製造条件を変化させつつ結晶成長を行う場合は、結晶の成長につれて結晶成長状態も変化するが、直胴部形成工程では結晶成長状態はほぼ一定となると考えられていた。このため、従来のＦＺシリコン単結晶製造工程の直胴部形成工程においては、ＦＺシリコン単結晶の直径を所望とする直径に制御しながら結晶成長を行う際、製造する結晶直胴部全体で品質を均一化・安定化させるために、結晶移動速度や結晶回転数等の結晶製造条件は変化させず、一定条件を用いていた。同様に、直胴部形成工程におけるドーパント添加量についても、変化させず一定にすることで、製造するＦＺシリコン単結晶を所望の電気抵抗率にすることができるとしていた。すなわち、従来、所定の製造条件で単結晶棒製造を行えば、結晶成長状態も一定に保たれるということが前提とされていた。

しかしながら、本発明者らが、直胴部形成工程における単結晶成長状態について調査を行ったところ、実際のＦＺ単結晶製造においては結晶成長中の結晶直径や溶融帯域の長さ等の結晶成長状態は完全に一定ではなく、変動が存在することがわかった。
結晶移動速度や結晶回転数のようなパラメータは機械精度を高める等で比較的一定条件にしやすいが、このような結晶直径や溶融帯域の長さ等は完全に一定にすることは困難である。

さらに、近年、ＦＺシリコン単結晶の直径拡大化が進み直径１５０ｍｍ以上が主流となっているが、特に結晶直径が大きい場合では、前述したような成長状態の変動が結晶成長軸方向での電気抵抗率の変動に大きく影響する。一方、半導体結晶に要求される電気抵抗率の公差はより小さくなっており、必然的にＦＺ単結晶製造時に所望とする電気抵抗率の範囲も小さくなる。そして、このような状況下でＦＺシリコン単結晶成長中に結晶成長軸方向の電気抵抗率の変動が存在する場合、結晶内で所望とする電気抵抗率範囲を超える部分が発生しやすくなり、これにより単結晶製品としては使用できないロス部分が増え、結果として歩留・生産性が極めて低くなってしまうという問題があることがわかった。さらに、近年では単結晶の軸方向で複数の抵抗率部分を有するように育成する場合もあるが、この場合に、軸方向の抵抗率プロファイルが単結晶の成長状態に影響されて変動し、所望のものに精度よくならないとの問題があることが判った。

本発明者は、上記のような問題に対処すべく、鋭意・検討を行った結果、ＦＺ法による半導体結晶の製造において、結晶成長中に結晶成長状態の変化に応じて供給するドーパント添加量を制御することにより、１本の結晶棒の成長軸方向全体にわたって電気抵抗率がほぼ一定であるか、所望の軸方向プロファイルを有する結晶が取得可能な半導体結晶の製造方法及び半導体結晶製造装置を発明するに至った。

以下本発明について図面を参照して、更に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。
まず、図１は、本発明における半導体結晶の製造装置の一例を示す概略図である。
図１に示されるように、本発明における半導体結晶製造装置１は、混合ドーパントガスドープノズル２０（混合ドーパントガス供給手段２０）、Ａｒガス供給菅２２（Ａｒガス供給手段２２）と、濃厚ドーパントガス供給菅２４（濃厚ドーパントガス供給手段２４）を備えており、該濃厚ドーパントガス供給手段２４から供給された濃厚ドーパントガスを前記Ａｒガス供給手段２２から供給されたＡｒガスで希釈した混合ドーパントガスを混合ドーパントガス供給手段２０により製造装置のチャンバー１１内に供給することができるようになっている。また、それぞれのガス供給手段を制御するガス供給制御手段（混合ドーパントガス供給制御手段２１、Ａｒガス供給制御手段２３、濃厚ドーパントガス供給制御手段２５）を有している。

さらに、本発明における半導体製造装置１は、結晶製造条件を制御する結晶製造条件制御手段２６と、結晶成長状態を検出する検出手段２７と、各制御手段に信号を与えるコントローラ２８を有している。ここで、結晶製造条件を制御する結晶製造条件制御手段２６は、高周波コイル１６への供給電力、上軸速度、駆動回路等、制御する結晶製造条件に対して複数設けることもできる。同様に、各制御手段に信号を与えるコントローラ２８も伝える信号の種類や、信号を与える制御手段等に応じて複数設けることができる。

次に、図２は、図１に示される本発明における半導体結晶製造装置１のチャンバー１１内を拡大した図である。チャンバー１１内には上軸１２及び下軸１３が設けられている。上軸１２には原料半導体棒１４として所定の直径の半導体棒が、下軸１３には種結晶１５が取り付けられるようになっている。さらに、原料半導体棒１４を溶融する高周波コイル１６を備え、溶融帯域１８を原料半導体棒１４に対して相対的に移動させながら晶出側半導体棒１９を成長させることができる。また、成長中に、混合ドーパントガスドープノズル２０（混合ドーパントガス供給手段２０）からドーパントガスを供給できるようになっている。

本発明における半導体結晶製造装置１は、このような特徴的な構成により、原料半導体棒１４が溶融して形成される溶融帯域１８から晶出する晶出側半導体棒９の直胴部１９を形成する時に、前記検出手段２７により検出された結晶成長状態の変化に応じて、Ａｒガス供給量、濃厚ドーパントガス供給量、混合ドーパントガス供給量のいずれか１つ以上を前記ガス供給制御手段（混合ドーパントガス供給制御手段２１、Ａｒガス供給制御手段２３、濃厚ドーパントガス供給制御手段２５）で制御することにより、前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量の制御を行うものである。

本発明に係る半導体結晶の製造方法は、例えば図１、図２のような半導体結晶製造装置１を用いることができる。まず、上軸１２には原料半導体棒１４として、例えば所定の直径のシリコン多結晶棒を取り付け、また下軸１３に種結晶１５を取り付ける。原料半導体棒１４を高周波コイル１６等で溶融した後、種結晶１５に融着させる。種結晶から成長させる晶出側半導体棒９を絞り１７により無転位化し、両軸を回転させながら相対的に下降させ、溶融帯域１８を原料半導体棒１４に対して相対的に上へと移動させながらシリコン単結晶（晶出側半導体棒）９を成長させる。

絞り１７を形成した後、種結晶から成長させる晶出側半導体棒９を所望の直径まで拡径させながら成長させてコーン部１０を形成し、前記原料半導体棒１４と前記晶出側半導体棒との間に溶融帯域１８を形成して、前記晶出側半導体棒９を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部１９を形成する。

ここで、本発明では、直胴部１９を形成する工程中に、結晶成長状態の変化に応じて前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量を制御する。ドーパントは、成長中に、例えばドープノズル２０から溶融帯域にドーパントガスを供給することにより添加され、その結果、所望の電気抵抗率を持つ晶出側半導体棒（シリコン単結晶）９とすることができる。このドーパントガスは、濃厚ドーパントガスとＡｒガスの混合ドーパントガスであることが好ましい。

そして、溶融帯域１８を原料半導体棒１４の上端まで移動させてシリコン単結晶９の成長を終え、晶出側半導体棒９の直径を縮径させて該晶出側半導体棒９を前記原料半導体棒１４から切り離して、半導体結晶を製造する。

ここで、本発明では、例えば検出手段２７により検出した結晶成長状態から濃厚ドーパントガス流量、Ａｒガス流量、混合ドーパントガス流量のいずれか１以上にフィードバックをかけて、供給されるドーパントガスの流量及び／又は濃度を変化させることにより、ドーパント添加量を制御することができる。結晶成長状態として制御に用いるパラメータは、ゾーン長、すなわち溶融帯域の長さの変化、溶融帯域の直径の変化、結晶温度の変化、上軸速度（原料供給速度）の変化等が挙げられる。本発明において、これらの変化のうち一つ以上の変化に応じてドーパント添加量を制御することが好ましい。

以下、本発明に係る半導体結晶の製造方法に用いられるドーパント添加量の制御システムについて、さらに具体例を挙げて説明する。図３は、本発明に係る半導体結晶の製造方法に用いられるドーパント添加量の制御システムの一例を説明するブロックダイヤグラムである。例えば、図１に示される本発明の半導体結晶製造装置１を用いて、原料半導体棒１４から半導体結晶棒９を製造する場合、検出手段２７の一部であるＣＣＤカメラ１１１等により撮影され、取り込まれた溶融帯域周辺の画像を画像処理回路１１２で処理し、晶出界面１３０における結晶直径（シングルダイア）Ｄｓ、高周波コイル１６の下面１３１から晶出界面１３０までの溶融帯域の長さ（ゾーン長）Ｌ、溶融帯域の晶出側融液ネック部の直径（ネックダイア）Ｄｎ、晶出側融液ネック部と晶出界面との間の晶出側融液肩部の直径（メルトダイア）Ｄｍを検出する。メルトダイアＤｍを一定に保つことでシングルダイアＤｓを一定にでき、ネックダイアＤｎを一定に保つことでゾーン長Ｌを、それぞれ一定に保つことができる。

そして、メルトダイアＤｍの検出値と設定値の偏差の信号は、コントローラ２８から高周波コイル１６調整用の結晶製造条件制御手段２６の第１ＰＩＤ調節器１１４に伝達され、第１ＰＩＤ調節器１１４からの出力信号は発振器１１６へ伝達され、高周波コイル１６への供給電力Ｐが調整され、メルトダイアＤｍを設定値通りに保つよう制御することができる。

一方、ネックダイアＤｎの検出値と設定値の偏差の信号は、速度調整および駆動回路の制御用の結晶製造条件制御手段２６の第２ＰＩＤ調節器１１３に伝達されることで、第２ＰＩＤ調節器１１３からの出力信号が上軸１２の速度調整および駆動するための回路１１５に伝達され、上軸速度＝原料供給速度Ｖｐが調整され、ネックダイアＤｎを設定値に保つよう制御することができる。

ここで、例えばメルトダイアＤｍが増加した場合、供給ドーパントに対して溶融シリコン量が増加するため、相対的にドーパント濃度が低下し、その結果電気抵抗率は上昇する。メルトダイアＤｍが減少した場合は、逆に電気抵抗率は下降する。
一方、例えばゾーン長Ｌが増加した場合はメルトダイアと同様に溶融シリコン量が増加する。しかし、ゾーン長Ｌの増加と同時に、高周波コイル下面１３１から原料溶融面１３２までの距離も増加する。ドーパントガスからドーパントが取り込まれるのは、主に原料が溶融してから溶融帯メルト中に流れ込むまでの間であるため、前記のような場合は滞留時間が長くなり、ドーパントが多く導入される。このため、溶融シリコン量の増加の影響に比べてドーパント導入量増加の影響が大きくなり、相対的にドーパント濃度が増大し、電気抵抗率は下降する。ゾーン長Ｌが減少した場合は、逆に電気抵抗率は上昇する。

そこで、本発明では、例えば、これらのパラメータの検出値と設定値の偏差の信号をコントローラ２８から、半導体結晶製造装置１における濃厚ドーパントガス供給制御手段２５、Ａｒガス供給制御手段２３、混合ドーパントガス供給制御手段２１のそれぞれに与えるようにする。そして、検出値と設定値が等しい場合には結晶成長条件を元に事前に設定したガス流量となるよう、各制御手段を調整すればよい。これに対し、検出値と設定値に偏差がある場合は、ドーパントガス流量、ドーパントガス濃度、又はその両方を変化させればよい。
例えば、ドーパントガス流量で調整するとすれば、濃厚ドーパントガス流量とＡｒガス流量の調整は行わず一定として、混合ドーパントガス流量をメルトダイアＤｍ及びゾーン長Ｌの変動に応じて混合ドーパントガス供給制御手段２１によって調整することにより、ドーパント添加量を制御することができる。もしくは、混合ドーパントガス濃度で調整するとすれば、濃厚ドーパントガス流量とＡｒガス流量の比を同様にメルトダイアＤｍ及びゾーン長Ｌの変動に応じて、濃厚ドーパントガス供給制御手段２５及びＡｒガス供給制御手段２３によって調整することにより、ドーパント添加量を制御することができる。

以下に本発明の実施例をあげてさらに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。

（比較例、実施例）
結晶直径１５０ｍｍ、導電型Ｎ型、狙い電気抵抗率６０Ωｃｍのシリコン単結晶製造において、本発明のガスドープ制御方法を使用しない流量一定とした従来方法の場合（Ａ：比較例）と、本発明のガスドープ制御方法を使用する場合（Ｂ：実施例）で、製造したシリコン単結晶の結晶成長軸方向での電気抵抗率を測定し、その変化の度合いを比較した。（Ｂ）は混合ドーパントガス濃度を一定とし、混合ドーパントガス流量を調整してドーパント添加量を制御する方法を採用した。

（Ａ）、（Ｂ）各々の場合の直胴部形成工程中の混合ドーパントガス流量Ｑは、前記のシリコン単結晶製造の製造条件下における必要ドーパント添加量に合致する混合ドーパントガス流量をＱ１とすると、以下の通りに設定した。

式中、Ｄｍｉは検出メルトダイア、Ｄ_０は設定メルトダイア、Ｌｉは検出ゾーン長、Ｌ_０は設定ゾーン長、α、βはゾーン長定数、ｋはゾーン長係数を示す。尚、ここではα＝３．８７５、β＝０、ｋ＝０．０９７として引上を行った。

図４に比較例による取得結晶の、結晶成長軸方向の電気抵抗率の分布（ａ）及び直胴部形成工程におけるメルトダイアとゾーン長の変動（ｂ）をそれぞれ示す。また、図５に実施例による取得結晶の結晶成長軸方向の電気抵抗率の分布（ａ）及び直胴部形成工程におけるメルトダイアとゾーン長の変動（ｂ）をそれぞれ示す。尚、図４（ａ）と図５（ａ）では、目標値（この例では６０Ωcm、図中の中心線）からの偏差に換算してプロットした。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）からわかるように、比較例と実施例のいずれの結晶製造においても直胴部形成工程にメルトダイアは変動しながら全体としては結晶成長初期（コーン部側）から後期（テール部側）にかけて増加し、ゾーン長は変動しながら全体としては結晶成長初期から後期にかけて減少するという傾向が見られた。

この結晶成長状態の変化に対し、比較例の場合は電気抵抗率が結晶成長軸方向で徐々に上昇する結果となった。一方、実施例の場合は比較例のような電気抵抗率の上昇というような現象は見られず、結晶成長軸方向でほぼ一定な電気抵抗率が得られた。表１に比較例と実施例の電気抵抗率の比較を示す。尚、表１中のバラツキは標準偏差σを示す。

上記表１に示されるように、本発明のガスドーピング制御方法を使用した場合（実施例）、使用しなかった場合（比較例）に比べて結晶成長軸方向での電気抵抗率の均一性が大きく改善された。

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、同様な効果を奏する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。
例えば、上記では、融液帯域の長さ（ゾーン長）および直径（メルトダイア）の変化に応じてドーパント添加量を制御するようにしたが、結晶温度変化や上軸速度変化、若しくは、これらの変化の他の組み合わせに応じてドーパント添加量を制御するようにしてもよい。

本発明における半導体結晶製造装置の一例の概略図である。図１における半導体結晶製造装置のチャンバー内の概略図である。本発明に係る半導体結晶の製造方法に用いられるドーパント添加量の制御システムの一例を示すブロックダイヤグラムである。比較例における結晶成長軸方向の電気抵抗率の分布（ａ）及び直胴部形成工程におけるメルトダイアとゾーン長の変動（ｂ）を示す図である。本発明の実施例における結晶成長軸方向の電気抵抗率の分布（ａ）及び直胴部形成工程におけるメルトダイアとゾーン長の変動（ｂ）を示す図である。従来のＦＺシリコン単結晶の製造工程の一例を説明する図である。

符号の説明

１…半導体結晶製造装置、９、５９…晶出側半導体棒、１０…コーン部、
１１…チャンバー、１２…上軸、１３…下軸、
１４、５４…原料半導体棒、１５、５５…種結晶、１６…高周波コイル、
１７…絞り、１８…溶融帯域、１９…直胴部、
２０…混合ドーパントガスノズル（混合ドーパントガス供給手段）、
２１…混合ドーパントガス供給制御手段、
２２…Ａｒガス供給菅（Ａｒガス供給手段）、２３…Ａｒガス供給制御手段、
２４…濃厚ドーパントガス供給菅（濃厚ドーパントガス供給手段）、
２５…濃厚ドーパントガス供給制御手段、２６…結晶製造条件制御手段、
２７…検出手段、２８…コントローラ、１１１…カメラ、
１１２…画像処理回路、１１３…第２ＰＩＤ調節器、１１４…第１ＰＩＤ調節器、
１１５…上軸速度調整・駆動回路、１１６…発振器、１３０…晶出界面、
１３１…高周波コイルの下面、１３２…原料溶融面、Ｄｓ…シングルダイア、
Ｄｍ…メルトダイア、Ｄｎ…ネックダイア、Ｌ…ゾーン長、
Ｐ…供給電力、Ｖｐ…原料供給速度。

Claims

少なくとも、原料半導体棒を溶融して種結晶に融着させる工程と、該種結晶から成長させる晶出側半導体棒を所望の直径まで拡径させながら成長させてコーン部を形成する工程と、前記原料半導体棒と前記晶出側半導体棒との間に溶融帯域を形成して、前記晶出側半導体棒を所望の直径に制御しつつ成長させて直胴部を形成する工程と、前記晶出側半導体棒の直径を縮径させて該晶出側半導体棒を前記原料半導体棒から切り離す工程を含むＦＺ法による半導体結晶の製造方法において、前記直胴部形成工程中に、結晶成長状態の変化である前記溶融帯域の長さ、該溶融帯域の直径、結晶温度、上軸速度のいずれか１つ以上の変化に応じて前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量を制御することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
前記ドーパントは、前記溶融帯域にドーパントガスを吹き付けることにより添加されることを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶の製造方法。
前記ドーパント添加量の制御を、供給されるドーパントガスの流量及び／又は濃度を変化させることにより行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体結晶の製造方法。
前記ドーパントガスは濃厚ドーパントガスとＡｒガスの混合ドーパントガスとすることを特徴とする請求項２又は請求項３項に記載の半導体結晶の製造方法。
前記製造する半導体結晶を、シリコン単結晶とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体結晶の製造方法。
ＦＺ法による半導体結晶の製造装置であって、少なくとも、Ａｒガス供給手段と、濃厚ドーパントガス供給手段と、該濃厚ドーパントガス供給手段から供給された濃厚ドーパントガスを前記Ａｒガス供給手段から供給されたＡｒガスで希釈した混合ドーパントガスを製造装置に供給する手段と、それぞれのガス供給手段を制御するガス供給制御手段と、結晶製造条件を制御する結晶製造条件制御手段と、結晶成長状態を検出する検出手段と、各制御手段に信号を与えるコントローラを有しており、原料半導体棒が溶融して形成される溶融帯域から晶出する晶出側半導体棒の直胴部を形成する時に、前記検出手段により検出された結晶成長状態の変化である溶融帯域の長さ、該溶融帯域の直径、結晶温度、上軸速度のいずれか１つ以上の変化に応じて、前記Ａｒガス供給量、濃厚ドーパントガス供給量、混合ドーパントガス供給量のいずれか１つ以上を前記ガス供給制御手段で制御することにより、前記晶出側半導体棒へのドーパント添加量の制御を行うものであることを特徴とする半導体結晶の製造装置。