JP5234148B2 - 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
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Description
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (7)
- 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を特徴とする半導体単結晶の製造方法。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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4のいずれか一項に記載の半導体単結晶の製造方法。
- 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。 - 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6に記載の半導体単結晶の製造装置。
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