JP6248816B2 - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶の製造方法に関し、特に、浮遊帯域溶融法（フローティングゾーン法、ＦＺ（Floating Zone）法）における単結晶の回転制御に関するものである。

シリコンなどの単結晶を育成する方法の一つとしてＦＺ法が知られている。ＦＺ法では、多結晶の原料ロッドの一部を加熱して溶融帯域を形成し、溶融帯域を表面張力によって支えながら溶融帯域の上方及び下方にそれぞれ位置する原料ロッド及び単結晶を下方にゆっくりと移動させて単結晶を徐々に成長させる。特に、単結晶育成の初期段階では、原料ロッドの先端部を溶融してこの溶融部を種結晶に融着させた後、無転位化のため直径を細く絞りながら単結晶を一定の長さまで成長させる絞り工程が実施される。その後、単結晶の直径を徐々に拡大させてコーン部を形成し、直径を一定に保ったまま単結晶をさらに成長させて直胴部を形成する。

シリコン単結晶を半導体デバイスとして機能させるためにはｐ型或いはｎ型の不純物のドーピングが必要である。ＦＺ法においては、ドーパンドガスを溶融帯域に吹き付けるガスドーピングによってシリコン単結晶への不純物のドーピングが行われている。例えば特許文献１には、単結晶の回転方向を交互に変更するとともに、原料ロッドの回転方向および／または回転数を変更することにより、単結晶中に取り込まれるドーパントの面内分布を制御し、単結晶から製造されるウェーハの抵抗率の面内分布のばらつきを低減する方法が記載されている。

特開２０１１−２２５４５１号公報

近年、ＦＺ法においては原料ロッドの大口径化が進み、これに伴って製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきが問題となっている。単結晶ウェーハの耐圧ばらつきが悪化すると例えばパワー半導体デバイスの信頼性が著しく低下することから改善が求められている。

したがって、本発明の目的は、製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきを小さくすることが可能な単結晶の製造方法を提供することにある。

本願発明者は、製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきの原因について鋭意研究を重ねた結果、製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきは、単結晶の抵抗率の面内ばらつきと相関があり、単結晶ウェーハの抵抗率の面内ばらつきは原料直径の変化の影響を受けており、原料直径の変化に合わせて、単結晶を正逆交互回転する制御における回転角度の組み合わせを調整することにより、単結晶ウェーハの抵抗率の面内ばらつきを抑えることができることを見出した。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による単結晶の製造方法は、原料ロッドの一部を加熱し、前記原料ロッドの下方に位置する単結晶との間に溶融帯域を形成し、前記溶融帯域を表面張力によって支えながら前記原料ロッド及び前記単結晶を下方に移動させて前記単結晶を成長させる浮遊帯域溶融法による単結晶の製造方法であって、前記単結晶を回転させながら、前記溶融帯域にドーパントガスを供給して、前記単結晶にドーパントを添加する工程を含み、前記単結晶の回転では、前記単結晶をベース角度で回転させるベース回転と、前記単結晶を前記ベース回転とは逆方向に前記ベース角度よりも小さなカウンター角度で回転させるカウンター回転とを交互に繰り返すと共に、前記原料ロッドの直径に応じて、前記ベース角度と前記カウンター角度を定めることを特徴とする。

いわゆる交互回転法による単結晶の育成において、単結晶の抵抗率の面内分布は、原料ロッドの直径が小さくなるほど単結晶中心部の抵抗率が下がるが、ベース回転とカウンター回転の回転角度の組み合わせを変えることでウェーハ中心部の抵抗率の低下を抑えることができる。すなわち、本発明によれば、原料ロッドの直径を測定し、原料直径と１対１で対応させたテーブルなどを用いて前記回転角度の組み合わせを変化させることで、単結晶の抵抗率の面内ばらつきを小さくすることができる。したがって、単結晶育成中に原料ロッドの直径が変化した場合でも単結晶の抵抗率の面内ばらつきを抑えることができ、高品質な単結晶を製造することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、溶融帯域との固液界面における前記原料ロッドの直径と前記回転角度の組み合わせの関係を一対一で対応付けたテーブル、数式、図、あるいはプログラム（以下、テーブル類とする）を用いることにより、前記原料ロッドの直径に応じた前記回転角度の組み合わせを定めることが好ましい。これによれば、現在の原料直径に対応する回転角度の組み合わせを容易に導出して設定することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記溶融帯域に前記ドーパントガスを吹き付けながら前記単結晶を成長させることが好ましい。これによれば、単結晶中にドーパントを確実に添加することができ、さらにドーパント濃度の面内ばらつきに起因する単結晶の抵抗率の面内ばらつきを確実に抑えることができる。

本発明において、前記原料ロッドは、先端部から後端部に向かって直径が徐々に太くなる第１のテーパー部と、前記第１のテーパー部よりも後端側に位置し、後端部に向かって直径が徐々に細くなる前記第２のテーパー部とを有してもよく、前記第１のテーパー部と前記第２のテーパー部との間に位置し、直径が一定である直胴部をさらに有してもよい。このような原料ロッドを用いる場合には、原料直径の変化の影響を受けて単結晶の抵抗率の面内ばらつきが変化するが、本発明によればそのような面内ばらつきを抑えることができる。

本発明において、原料ロッドの溶融した先端部に種結晶を融着させる融着工程と、前記種結晶の上方に成長する単結晶の直径を増加させながら成長させるコーン部育成工程と、前記単結晶の直径を一定に保ちながら成長させる直胴部育成工程とを有し、前記直胴部育成工程において、前記単結晶を回転させながら、前記溶融帯域にドーパントガスを供給して、前記単結晶にドーパントを添加することが好ましい。本発明によれば、直胴部育成工程において単結晶の抵抗率の面内ばらつきを抑制できる。したがって、高品質な単結晶を提供することができる。

本発明によれば、単結晶の抵抗率の面内ばらつきを抑え、これにより製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきを小さくすることが可能な単結晶の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるＦＺ法による単結晶製造装置１０の構成を示す模式図である。 図２は、単結晶製造装置１０により製造される単結晶インゴットの形状を示す略側面図である。 図３は、ＦＺ法による単結晶の製造工程を概略的に示すフローチャートである。 図４は、単結晶の直胴部育成工程における単結晶の回転制御方法を説明するための図である。 図５は、本実施形態による交互回転法を説明するためのフローチャートである。 図６（ａ）〜（ｃ）は、原料ロッドの形状の変形例を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるＦＺ法による単結晶製造装置１０の構成を示す模式図である。

図１に示すように、単結晶製造装置１０は、上軸１１の下端に取り付けられた原料ロッド１を回転させながら降下させる原料送り機構１２と、下軸１３の上端に取り付けられた種結晶２の上部に晶出した単結晶３を回転させながら降下させる結晶送り機構１４と、原料ロッド１を加熱するための誘導加熱コイル１５（ワークコイル）と、溶融帯域４にパージガスを吹き付けるためのパージノズル１６と、原料ロッド１と単結晶３との間の溶融帯域を撮影するＣＣＤカメラ１７と、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像データを処理する画像処理部１８と、画像データに基づいて原料送り機構１２、結晶送り機構１４及び誘導加熱コイル１５を制御する制御部１９とを有している。

原料送り機構１２は、制御部１９からの指示に従って原料ロッド１の送り速度Ｖｐと回転速度Ｎｐとを制御する。また、結晶送り機構１４は、制御部１９からの指示に従って単結晶３の送り速度Ｖｓと回転速度Ｎｓとを制御する。

誘導加熱コイル１５は原料ロッド１の周囲を取り囲むループ導体であり、誘導加熱コイル１５に発振器から高周波電流が供給されることで原料ロッド１が発熱する。パージノズル１６からはドーパントを含むパージガスが供給される。本実施形態において、ＣＣＤカメラ１７は複数台設けられていてもよい。マルチカメラシステムを採用した場合には、単結晶及び原料ロッドの直径及び位置並びに溶融帯域のゾーン長をより正確に測定することが可能となる。

図２は、単結晶製造装置１０により製造される単結晶インゴットの形状を示す略側面図である。

図２に示すように、単結晶インゴット３は、無転位化のため直径が細く絞られた絞り部３ａと、絞り部３ａの上端から直径が徐々に拡大するコーン部３ｂと、一定の直径を有する直胴部３ｃと、直径が縮小するボトム部３ｄとを有している。ＦＺ法では、単結晶インゴット３が絞り部３ａ、コーン部３ｂ、直胴部３ｃ、ボトム部３ｄの順に育成され、直胴部３ｃが実際に製品として提供される部分である。なお、図１の単結晶３は直胴部３ｃの途中まで育成された状態である。単結晶インゴット３の長さは原料ロッド１の量に依存する。一回の引き上げ工程でできるだけ多くの単結晶を育成するためには、原料ロッドの大口径化が有効である。

図３は、ＦＺ法による単結晶の製造工程を概略的に示すフローチャートである。

図３に示すように、ＦＺ法による単結晶の育成では、原料ロッド１の先端部を溶融して種結晶２に融着させる融着工程Ｓ１、無転位化のため単結晶を細く絞る絞り工程Ｓ２、単結晶の直径を目標の直径まで徐々に拡大させてコーン部を育成するコーン部育成工程Ｓ３、単結晶の直径を一定に維持して直胴部を育成する直胴部育成工程Ｓ４、単結晶の直径を縮小させてボトム部を育成するボトム部育成工程Ｓ５、及び単結晶の育成を終了して冷却する冷却工程Ｓ６が順に実施される。

図４は、単結晶の直胴部育成工程における単結晶の回転制御方法を説明するための図である。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、直胴部育成工程では、単結晶の正転と逆転とを交互に繰り返すいわゆる交互回転法が実施される。すなわち、図４（ａ）に示すように単結晶３を時計回りに所定の回転角度θ_１で回転させるステップと、図４（ｂ）に示すように単結晶３を反時計回りに所定の回転角度θ_２で回転させるステップとが交互に繰り返される。

本実施形態において、図４（ａ）に示す時計回りの回転角度θ_１は図４（ｂ）に示す反時計回りの回転角度θ_２よりも大きい。回転角度が大きいほうの回転はベース回転、小さいほうの回転はカウンター回転と呼ばれる。さらに、相対的に大きな回転角度θ_１のほうはベース角度と呼ばれ、相対的に小さな回転角度θ_２のほうはカウンター角度と呼ばれる。そしてベース角度θ_１がカウンター角度θ_２を上回ることにより、単結晶３は時計回り方向に少しずつ向きを変えていく。このような単結晶３の回転制御により、パージガスから単結晶中に取り込まれるドーパントの面内分布をできるだけ均一にすることができるが、さらなる均一化のために以下の交互回転制御が行われる。

図５は、本実施形態による交互回転法を説明するためのフローチャートである。

図５に示すように、交互回転法による単結晶の直胴部育成工程では、溶融帯域４との固液界面における原料ロッド１の直径（原料直径）Ｄｐを測定する（ステップＳ１１）。次に、原料直径Ｄｐとベース角度θ_１およびカウンター角度θ_２の大きさとの関係を一対一で対応付けたテーブルを参照して、原料直径Ｄｐに対応するベース角度θ_１およびカウンター角度θ_２を設定する（ステップＳ１２）。なおベース角度θ_１は原料直径の変化とは無関係な固定値であることが好ましいが、可変値であってもよい。

次に、設定されたベース角度θ_１で単結晶を正転（ベース回転）させると共に、設定されたカウンター角度θ_２で単結晶を逆転（カウンター回転）させる（ステップＳ１３）。そして単結晶の直胴部の育成工程においてベース回転とカウンター回転とが交互に繰り返し行われる（ステップＳ１４Ｎ、Ｓ１１〜Ｓ１３）。カウンター回転速度はベース回転速度と同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。さらに原料直径に合わせてカウンター回転速度を調整してもよい。

カウンター角度θ_２が小さいときの単結晶の抵抗率の面内分布は単結晶中心部の抵抗率が低下し、単結晶の中心部の抵抗率のばらつきは小さくなる。逆に、カウンター角度θ_２が大きいときの単結晶の抵抗率の面内分布は単結晶中心部の抵抗率の低下は小さくなるが、単結晶の中心部の抵抗率のばらつきは大きくなる。ここで、単結晶の抵抗率の面内分布とは、単結晶インゴットの中心軸と直交する平面内の抵抗率の分布である。

一方、原料直径Ｄｐとウェーハの抵抗率の面内分布との関係については、原料直径Ｄｐが小さいとき単結晶の抵抗率の面内分布はウェーハ中心部の抵抗率が大きく低下し、原料直径Ｄｐが大きいとき単結晶の抵抗率の面内分布はウェーハ中心部の抵抗率の低下は小さくなる。

そこで、原料直径Ｄｐが大きいときにはカウンター角度θ_２を小さくし、逆に原料直径Ｄｐが小さいときにはカウンター角度θ_２を大きくする。このようなカウンター角度θ_２の制御により、カウンター角度θ_２の影響と原料直径Ｄｐの影響とを相殺するので、単結晶の抵抗率の面内分布の均一化を図ることができ、抵抗率の面内分布を所定の偏差内（例えば１０％以内）に収めることができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、原料ロッドの形状の変形例を示す略断面図である。

図６（ａ）に示す原料ロッド１は、先端部に設けられたテーパー部１ａと、テーパー部１ａよりも後端側に設けられた直胴部１ｂとを有している。テーパー部１ａは先端部から後端部に向かって徐々に太くなる形状を有するが、直胴部１ｂの太さは一定であるため、原料直径の変化を考慮しない従来の交互回転制御でも対応可能である。

これに対し、図６（ｂ）に示す原料ロッド１は、先端部に設けられたテーパー部１ａと、テーパー部１ａよりも後端側に設けられた直胴部１ｂと、直胴部１ｂよりも後端側に設けられたテーパー部１ｃとを有している。テーパー部１ｃは後端に向かって徐々に細くなる形状を有している。さらに、図６（ｃ）に示す原料ロッド１は直胴部を有しておらず、先端部に設けられたテーパー部１ａと、テーパー部１ａよりも後端側に設けられたテーパー部１ｄのみを有している。テーパー部１ｄは後端に向かって徐々に細くなる形状を有している。

原料ロッドの大口径化の要求に応えながらその製造歩留まりの向上を図るため、最近は図６（ｂ），（ｃ）のようなテーパー部１ａ以降でも直径が変化する原料ロッドが提供される機会が増えている。これらの原料ロッドを用いる場合、従来の回転制御方法では原料直径の変化の影響を受けてウェーハの抵抗率の面内分布のばらつきが大きくなってしまう。

しかし、本実施形態による単結晶の回転制御方法は、原料直径の変化に合わせてカウンター角度を調整するので、図６（ｂ），（ｃ）に示した原料ロッドを用いたとしても高品質な単結晶を製造可能である。すなわち、原料直径の変化が単結晶の抵抗率の面内分布に与える影響を低減させることができ、単結晶ウェーハの耐圧ばらつきを改善することができる。

以下に、本発明の効果について、より具体的に説明する。

直径約２００ｍｍのシリコン単結晶をＦＺ法により育成した。直胴部育成工程では交互回転法を採用し、ベース角度θ_１とカウンター角度θ_２との差を２７８度とした。さらに原料ロッドは図６（ａ）の形状を有し、直胴部の直径が１５２．９ｍｍのものを用いた。こうして育成されたシリコン単結晶インゴットのサンプル＃１から、単結晶インゴットの直胴部域の端から端までの範囲から等間隔に切り出して１０枚のシリコンウェーハを作製し、それぞれの抵抗率の面内分布（ＲＲＧ：Resistivity Radial Gradient）を求めた。

ベース角度θ_１とカウンター角度θ_２との差を１９８度とし、上記サンプル＃１よりもカウンター角度θ_２の相対値を大きくした点以外は上記サンプル＃１と同一条件下でシリコン単結晶インゴットのサンプル＃２を製造し、このサンプル＃２からサンプル＃１と同様に１０枚のシリコンウェーハを作製し、それぞれの抵抗率の面内分布（ＲＲＧ）を求めた。

ベース角度θ_１とカウンター角度θ_２との差を１３８度とし、上記サンプル＃２よりもカウンター角度θ_２の相対値をさらに大きくした点以外は上記サンプル＃１およびサンプル＃２と同一条件下でシリコン単結晶インゴットのサンプル＃３を製造し、このサンプル＃３からサンプル＃１と同様に１０枚のシリコンウェーハを作製し、それぞれの抵抗率の面内分布（ＲＲＧ）を求めた。

なおＲＲＧの値は、ウェーハの外周５ｍｍを除いた範囲における面内抵抗値の最大値及び最小値をそれぞれρ_ｍａｘ及びρ_ｍｉｎとするとき、以下の計算式により算出される。
ＲＲＧ（％）=（ρ_ｍａｘ−ρ_ｍｉｎ）／ρ_ｍｉｎ×１００

これらサンプル＃１〜＃３の抵抗率の面内分布の測定結果から以下のことが判明した。

ベース角度に対してカウンター角度が相対的に小さい場合、ウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向は小さかった。カウンター角度を相対的に大きくすることでウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向が大きくなった。このように、ウェーハの抵抗率の面内分布は回転角度の組み合わせで制御できることが分かった。

直胴部の直径が１４２．６ｍｍである原料ロッドを用いた点以外は上記サンプル＃１と同一条件下でシリコン単結晶インゴットのサンプル＃４を製造し、サンプル＃４の単結晶インゴットの直胴部域の端から端までの範囲から等間隔に切り出して１０枚のシリコンウェーハを作製し、それぞれの抵抗率の面内分布（ＲＲＧ）を求めた。

直胴部の直径が１４８．５ｍｍである原料ロッドを用いた点以外は上記サンプル＃１と同一条件下でシリコン単結晶インゴットのサンプル＃５を製造し、サンプル＃５の単結晶インゴットの直胴部域の端から端までの範囲から等間隔に切り出して１０枚のシリコンウェーハを作製し、それぞれの抵抗率の面内分布（ＲＲＧ）を求めた。

これらサンプル＃４〜＃５の抵抗率の面内分布の測定結果から以下のことが判明した。

角度差が２７８度となるベース角度θ_１とカウンター角度θ_２の組み合わせにおいて、原料直径が１４２．６ｍｍと相対的に小さい場合における抵抗率の面内分布は、ウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向が大きくなった。また、原料直径が１４８．５ｍｍと相対的に大きい場合における抵抗率の面内分布は、ウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向は見られたが、原料直径が１４２．６ｍｍのときほど大きくはなかった。さらに角度差が１９８度となるベース角度θ_１とカウンター角度θ_２の組み合わせにおいて、原料直径が１５２．９ｍｍと相対的に大きい場合における抵抗率の面内分布は、ウェーハ中心部の抵抗率の上昇傾向が見られた。

このように、ウェーハの抵抗率の面内分布は原料直径が小さくなるほどウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向が大きくなり、逆に原料直径が大きくなるほどウェーハ中心部の抵抗率の低下傾向が小さくなることが分かった。

なお、サンプル＃１〜＃５の抵抗率の面内分布（ＲＲＧ）の測定結果を表１にまとめる。

次に、上記の知見およびデータに基づいて、抵抗率の面内分布を改善するために、原料直径に応じたベース角度θ_１とカウンター角度θ_２の組合せのテーブルを作成し、そのテーブルに基づいて、ベース角度θ_１とカウンター角度θ_２を変化させてシリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．６〜Ｎｏ．８を製造した。

このとき用いた原料は主に図６（ｂ）のカテゴリーに分類される原料であり、定径部が１４５〜１５２ｍｍであり、テーパー部において原料径が５〜１０ｍｍ減径するものであった。これらサンプルＮｏ．６〜Ｎｏ．８について、上記と同様に抵抗率の面内分布を評価した。その結果を表２に示す。

比較例として、シリコン単結晶の製造中にベース角度θ_１およびカウンター角度θ_２を固定した場合も表２のＮｏ．９〜Ｎｏ．１１に示す。

表２に示すように、実施例のＲＲＧは比較例に比べて値が小さく、抵抗率の面内分布が本発明を適用することにより改善されることが分かる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、時計回りにベース角度、反時計回りにカウンター角度をそれぞれ設定したが、反時計回りにベース角度、時計回りにカウンター角度を設定してもよい。また、上記実施形態においてはベース角度θ_１を固定値としたが、ベース角度θ_１を可変値とすることも可能である。

また、上記実施形態においてはパージノズルを用いて溶融帯域にドーパントを含むパージガスを吹き付けているが、必ずしもパージノズルを用いる必要はなく、炉内雰囲気中のドーパント濃度を高めて自然に注入されるようにしてもよい。

１ 原料ロッド
１ａ テーパー部
１ｂ 直胴部
１ｃ テーパー部
１ｄ テーパー部
２ 種結晶
３ 単結晶（インゴット）
３ａ 絞り部
３ｂ コーン部
３ｃ 直胴部
３ｄ ボトム部
４ 溶融帯域
１０ 単結晶製造装置
１１ 上軸
１２ 原料送り機構
１３ 下軸
１４ 結晶送り機構
１５ 誘導加熱コイル
１６ パージノズル
１７ ＣＣＤカメラ
１８ 画像処理部
１９ 制御部

Claims (6)

1. 原料ロッドの一部を加熱して溶融帯域を形成し、前記溶融帯域の上方及び下方にそれぞれ位置する前記原料ロッド及び単結晶を下方に移動させて前記単結晶を成長させる浮遊帯域溶融法による単結晶の製造方法であって、
   前記単結晶を回転させながら、前記溶融帯域にドーパントガスを供給して前記単結晶にドーパントを添加する工程を含み、
   前記単結晶の回転では、前記単結晶をベース角度で回転させるベース回転と、前記単結晶を前記ベース回転とは逆方向に前記ベース角度よりも小さなカウンター角度で回転させるカウンター回転とを交互に繰り返すと共に、前記原料ロッドの直径に応じて、前記ベース角度と前記カウンター角度を定めることを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記原料ロッドの直径と、前記ベース角度および前記カウンター角度の大きさとの関係を一対一で対応付けたテーブル、数式、図、あるいはプログラムを用いることにより、前記原料ロッドの直径に応じた、前記ベース角度と前記カウンター角度を定める、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 前記溶融帯域に前記ドーパントガスを吹き付けながら前記単結晶を成長させる、請求項１又は２に記載の単結晶の製造方法。
4. 前記原料ロッドは、先端部から後端部に向かって直径が徐々に太くなる第１のテーパー部と、前記第１のテーパー部よりも後端側に位置し、先端部から後端部に向かって直径が徐々に細くなる前記第２のテーパー部とを有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
5. 前記原料ロッドは、前記第１のテーパー部と前記第２のテーパー部との間に位置し、直径が一定である直胴部をさらに有する、請求項４に記載の単結晶の製造方法。
6. 原料ロッドの溶融した先端部に種結晶を融着させる融着工程と、
   前記種結晶の上方に成長する単結晶の直径を増加させながら成長させるコーン部育成工程と、
   前記単結晶の直径を一定に保ちながら成長させる直胴部育成工程とを有し、
   前記直胴部育成工程において、前記単結晶を回転させながら、前記溶融帯域にドーパントガスを供給して前記単結晶にドーパントを添加する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。

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