JP7259722B2 - 単結晶製造装置及び単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＺ法（Floating Zone法）による単結晶製造装置及び単結晶の製造方法に関し、特に、シリコン単結晶中にドーパントを添加するための装置及び方法に関する。

シリコン単結晶の製造方法としてＦＺ法が知られている。ＦＺ法は、多結晶シリコンからなる原料ロッドの一部を誘導加熱コイルで加熱して溶融帯を生成し、溶融帯の上方及び下方にそれぞれ位置する原料ロッド及び種結晶を徐々に降下させることにより、種結晶の上方に大きな単結晶を成長させる方法である。ＦＺ法ではＣＺ法（Czochralski）法のように石英ルツボを使用しないため、酸素濃度が非常に低い単結晶を製造することができる。

シリコン単結晶中にドーパントを添加する方法として、溶融帯にドーパントを含むガスを吹き付けてドーパントを添加する方法が知られている。例えば特許文献１には、誘導加熱コイルの上方に設けたドーパントガス吹き付け用ノズルから溶融帯のネック部に向けてＡｒベースのＰＨ_３ガスを吹き付けることが記載されている。

また特許文献２及び３には、ＦＺ法による単結晶の製造方法おいて、誘導加熱コイルの下方に配置されたドーピングノズルから単結晶側の溶融帯に向けてドーパントガスを吹き付けることが記載されている。

特開２０１１－８８７５８号公報 特開２０１５－２２９６１２号公報 特開２０１１－２２５４５１号公報

ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、単結晶の抵抗率の面内分布の均一化は重要な課題の一つである。本発明者らは、特許文献１のように溶融帯のネック部に向けてドーパントガスを供給した場合には、シリコン単結晶の外周部のドーパント濃度が低くなり、単結晶の外周部における抵抗率が高くなりやすいという問題があることを知見した。

一方、特許文献２のように誘導加熱コイルの下方かつ単結晶より外側に配置したドーパント供給管から溶融帯にドーパントガスを供給した場合は、常に単結晶の最外周部に位置する溶融帯に向かう流れによるドーパント供給しか実現できず、単結晶面内のドーパント分布を任意に調整することができない。しかも、特許文献２のような供給形態では、溶融帯に取り込まれることなくそのまま排出されるドーパント量が増大してしまい、製造コストの上昇を招いてしまう問題がある。

また、特許文献３では誘導加熱コイルと単結晶との空間内にドーパント供給管を設置した例が示されているが、誘導加熱コイルと単結晶との隙間が狭く、この隙間にドーピングノズルを安定的に設置することは困難であり、ドーパント供給管が溶融帯と接触するおそれがある。ドーパント供給管が溶融帯と接触してしまうと、単結晶成長そのものが行えなくなってしまう。

したがって、本発明の目的は、ドーパント供給管を安定的に設置しつつ、単結晶の抵抗率の面内分布をできるだけ均一にすることが可能な単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による単結晶製造装置は、ＦＺ法による単結晶の製造に用いられる装置であって、原料ロッドを回転可能及び昇降可能に支持する上軸と、前記上軸と同軸配置され、前記原料ロッドの下方に配置された種結晶を回転可能及び昇降可能に支持する下軸と、前記原料ロッドを加熱して溶融帯を生成する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの上面側に設置され、前記溶融帯にドーパントガスを供給するドーパント供給管とを備え、前記誘導加熱コイルは、上面から下面まで貫通する開口部を有し、前記ドーパント供給管の先端部は、前記開口部内に挿入されていることを特徴とする。

また、本発明による単結晶の製造方法は、原料ロッドを誘導加熱コイルで加熱して溶融帯を形成し、前記溶融帯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降下させて前記単結晶を成長させるＦＺ法による単結晶の製造方法であって、前記誘導加熱コイルの上面側から前記誘導加熱コイルの下面側に位置する前記溶融帯に向けてドーパントガスを吹き付けることを特徴とする。

本発明によれば、誘導加熱コイルよりも下方に位置する溶融帯の単結晶側溶融部にドーパントを供給することができる。単結晶側溶融部から導入されたドーパントは中心部に向かって拡散するため、単結晶の外周部のドーパント濃度を高めつつ、抵抗率の面内分布が均一な単結晶を製造することができる。また、ドーパント供給管は誘導加熱コイルの上面側に設置されているため、ドーパント供給管を安定的に設置することができ、単結晶側溶融部の上方から下向きにドーパントガスを供給することができる。

本発明において、前記ドーパント供給管の先端部は、前記単結晶の中心から０．７Ｒ以上１Ｒ以下の領域内（ただしＲは前記単結晶の最大半径）の直上に配置されていることが好ましく、前記単結晶の中心から０．７Ｒ以上１Ｒ以下の領域内に存在する前記溶融帯に向けて前記ドーパントガスを供給する好ましい。これにより、単結晶面内の抵抗率分布を十分に均一化させることができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記誘導加熱コイルの内側開口部から最外周まで伸びるスリットを通じて前記溶融帯にドーパントガスを吹き付けることが好ましい。このように、誘導加熱コイルのスリットを利用することで、専用の開口部を用意することなくドーパント供給管の先端部が誘導加熱コイルを貫通するように構成することができる。

本発明によれば、ドーパント供給管を安定的に設置しつつ、単結晶の抵抗率の面内分布をできるだけ均一にすることが可能なＦＺ法による単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す模式図である。 図２は、誘導加熱コイル及びドーパント供給管の構成の一例を詳細に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）の矢印Ｘ_０方向から見た側面図である。 図３は、誘導加熱コイル及びドーパント供給管の構成の他の例を詳細に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図である。 図４は、本発明例及び比較例によるウェーハサンプルの抵抗率の面内分布の最大偏差を示す図である。 図５は、シリコンウェーハ面内の抵抗率分布（（抵抗率測定値－抵抗率目標値）／抵抗目標値）を示すグラフであって、（ａ）は比較例、（ｂ）は本発明例をそれぞれ示している。

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、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、この単結晶製造装置１は、ＦＺ法によりシリコン単結晶を育成するための装置であって、原料ロッド２を回転可能及び昇降可能に支持する上軸１１と、上軸１１と共に原料ロッド２を回転させながら下方に送る原料送り機構１２と、上軸１１と同軸配置され、原料ロッド２の下方に配置された種結晶３を回転可能及び昇降可能に支持する下軸１３と、下軸１３と共に種結晶３を回転させながら下方に送る結晶送り機構１４と、結晶成長が進んで大型化したシリコン単結晶４のテーパー部４ａに当接してシリコン単結晶４の重量を支える単結晶重量保持具１７と、原料ロッド２の下端部を加熱する誘導加熱コイル２０と、原料ロッド２とシリコン単結晶４との間の溶融帯５（シリコン融液）にドーパントを供給するドーパント供給装置３０とを有している。

原料ロッド２はモノシラン等のシリコン原料を精製して得られた高純度多結晶シリコンからなり、原料ロッド２の上端部は原料保持具１５を介して上軸１１の下端部に取り付けられている。また種結晶３の下端部は種結晶保持具１６を介して下軸１３の上端部に取り付けられている。通常、原料ロッド２の最大直径はシリコン単結晶４の最大直径よりも小さい。

誘導加熱コイル２０は、原料ロッド２又は溶融帯５を取り囲む高周波コイルである。誘導加熱コイル２０に高周波電圧を印加することにより、原料ロッド２の一部は誘導加熱されて溶融帯５が生成される。こうして生成された溶融帯５に種結晶３を融着させた後、原料ロッド２及びシリコン単結晶４を回転させながら下降させることにより、溶融帯５からシリコン単結晶４を成長させることができる。

ドーパント供給装置３０は、溶融帯５にドーパントガスを吹き付けるドーパント供給管３１を有している。図示のように、溶融帯５は、誘導加熱コイル２０の上方に位置する原料側溶融部５ａと、誘導加熱コイル２０の内側開口部内に位置するネック部５ｂと、誘導加熱コイル２０の下方に位置する単結晶側溶融部５ｃとを有しており、ドーパント供給管３１は単結晶側溶融部５ｃにドーパントガスを吹き付ける。溶融帯５へのドーパントの供給量はドーパントガスの濃度を変えることによって調整される。ドーパントの供給量を安定的に制御するためにはドーパントガスの流量を一定に維持し、ドーパントガスの濃度のみを調整することが好ましい。

ドーパント供給管３１は、石英ガラス製の細長い配管である。本実施形態によるドーパント供給管３１は略Ｌ字型の配管であって、誘導加熱コイル２０の上面に沿って略水平方向に伸びた後、略直角に折り曲げられた下向きの先端部を有している。ドーパント供給管３１の先端部は、誘導加熱コイル２０を貫通してその下面よりも下方に突出しており、単結晶側溶融部５ｃの外周部にドーパントガスを吹き付けることができるように構成されている（図１参照）。ドーパント供給管３１の先端部は、単結晶側溶融部５ｃから離間して設けられると共に、平面視にてシリコン単結晶４の中心から好ましくは０．７Ｒ以上１Ｒ以下の領域内（ただしＲは単結晶の最大半径）、より好ましくは０．８Ｒ以上０．９５Ｒ以下の領域内に配置されている。

図２は、誘導加熱コイル２０及びドーパント供給管３１の構成の一例を詳細に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）の矢印Ｘ_０方向から見た側面図である。

図２（ａ）～（ｃ）に示すように、誘導加熱コイル２０は、略円環状の導体板からなるコイル導体２１と、コイル導体２１に高周波電圧を印加するための一対の端子電極２２，２２とを有している。コイル導体２１は主に銅又は銀からなり、一対の端子電極２２，２２は図示しない交流電源に接続されている。

コイル導体２１は、円板状の導体の中心部に内側開口部２３が形成され、さらに内側開口部２３から径方向に伸びるスリット２４によって円環状の導体の一部が周方向に分断されている。スリット２４は周方向に近接する一対の端子電極２２，２２の間に配置されており、一対の端子電極２２，２２の接続位置を周方向に分断している。コイル導体２１の外径は原料ロッド２及びシリコン単結晶４の直径（直胴部４ｂの直径）よりも大きく、コイル導体２１の内径（内側開口部２３の直径）は原料ロッド２及びシリコン単結晶４の直径よりも小さい。

ドーパント供給管３１は、誘導加熱コイル２０の上面に沿って略水平方向に伸びるストレート部３１ａと、ストレート部３１ａの先端部が略直角に折り曲げられてなる下向きの先端部３１ｂとを有している。ドーパント供給管３１のストレート部３１ａは、平面視でスリット２４の延在方向（Ｘ方向）と異なる方向に延設されていることが好ましい。このようにすることで、ドーパント供給管３１を誘導加熱コイル２０の上面に安定的に設置することができる。

また誘導加熱コイル２０に設けられたスリット２４を開口部として利用してドーパント供給管３１を設けることにより、専用の開口部を設けることなく下向きのドーパント供給管３１を設置することができる。ドーパント供給管３１の先端部３１ｂは、誘導加熱コイル２０の上面側からスリット２４を通って下面側に達しており、下面よりも下方に突出している。単結晶側溶融部５ｃの外周部（肩部）の上方から下方に向けてドーパントガスを吹き付けることにより、ドーパントガスは単結晶側溶融部５ｃに取り込まれやすくなるので、単結晶側溶融部５ｃに取り込まれるドーパントの量を増やすことができる。

誘導加熱コイル２０のスリット２４内には放電防止用の絶縁部材２５が充填されていることが好ましい。この場合、ドーパント供給管３１の挿入位置には絶縁部材２５を設けず、径方向に伸びるスリット２４の一部を開口部として残しておくことにより、スリット２４を開口部として利用することができ、さらに絶縁部材２５をドーパント供給管３１の位置決め部材及び固定部材として利用することができる。なお説明の便宜上、図２（ｃ）では絶縁部材２５の図示を省略している。

誘導加熱コイル２０と単結晶側溶融部５ｃとの間隔は狭いため、従来のように誘導加熱コイル２０の下面側にドーパント供給管３１を配置することは非常に困難である。誘導加熱コイル２０の上面側にドーパント供給管３１を設置することも難しいが、原料ロッド２のサイズ（直径）がシリコン単結晶４よりも小さいため、誘導加熱コイル２０の外周部寄りであればドーパント供給管３１の設置は可能であり、これにより単結晶側溶融部５ｃへの局所的なドーパント供給が可能である。

図３は、誘導加熱コイル２０及びドーパント供給管３１の構成の他の例を詳細に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図である。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、誘導加熱コイル２０には、ドーパント供給管３１の先端部３１ｂを貫通させるための専用の開口部２６がスリット２４とは別に設けられていてもよい。このような構成であっても、ドーパント供給管３１を誘導加熱コイル２０の上方に配置しつつ、単結晶側溶融部５ｃにドーパントガスを吹き付けることができる。

以上説明したように、本実施形態による単結晶製造装置１は、原料ロッド２を誘導加熱コイル２０により加熱して溶融帯５を生成すると共に、誘導加熱コイル２０を貫通するように下向きに配置されたドーパント供給管３１を用いて溶融帯５の単結晶側溶融部５ｃにドーパントガスを吹き付けるので、ドーパントを単結晶側溶融部５ｃの隅々まで均一に行き渡らせることができ、シリコン単結晶４の外周部の抵抗率の増加を抑えて面内均一な抵抗率分布を実現することができる。またドーパント供給管３１は誘導加熱コイル２０の上面側に設置され、ドーパント供給管３１の先端部３１ｂが誘導加熱コイル２０を貫通するように設けられているので、ドーパント供給管３１を安定的に設置することができ、単結晶側溶融部５ｃの上方から下向きにドーパントガスを供給することができる。

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シリコン単結晶の製造方法を例に挙げたが、本発明はシリコン単結晶に限定されず、種々の単結晶を対象とすることができる。

本発明例として、図１に示す誘導加熱コイルを貫通するドーパント供給管を用いて溶融帯の単結晶側溶融部の外周部にドーパントガスを吹き付けて、直径２００ｍｍのシリコン単結晶の育成を行った。具体的には、単結晶の中心から０．８Ｒ位置にドーパント供給管先端部の外径が位置するようにして、ホスフィンガスをアルゴンガスで希釈したドーパントガスを吹き付けた。

比較例として、誘導加熱コイルの上側に設けたドーパント供給管から溶融帯のネック部に向けてホスフィンガスをアルゴンガスで希釈したドーパントガスを吹き付けて、直径２００ｍｍのシリコン単結晶の育成を行った。なお、ドーパントガスの吹き付け態様を変更した以外は、本発明例と比較例の単結晶育成条件は同条件とした。

次に、本発明例及び比較例で育成したシリコン単結晶をそれぞれ加工してシリコンウェーハのサンプルを２５枚ずつ用意した。ウェーハサンプルの抵抗率を直径方向にスキャンし、ウェーハの一方の外周位置（最外周から内側に６ｍｍの位置）、一方の中間位置（－Ｒ／２）、ウェーハ中心位置（Ｃ）、他方の中間位置（＋Ｒ／２）、ウェーハの他方の外周位置（最外周から内側に６ｍｍの位置）の合計５点の抵抗率を測定した。その後、２５枚のウェーハサンプルの抵抗率の面内分布の最大偏差を比較した。その結果、図４に示すように、本発明例では比較例と比べて良化傾向にあることが分かった。

図５は、シリコンウェーハ面内の抵抗率分布（（抵抗率測定値－抵抗率目標値）／抵抗目標値）を示すグラフであって、（ａ）は比較例、（ｂ）は本発明例をそれぞれ示している。

図５（ａ）に示す比較例によるシリコンウェーハの抵抗率分布はウェーハ外周部における抵抗率の増加が大きいのに対して、図５（ｂ）に示す本発明例によるシリコンウェーハの抵抗率分布はウェーハ外周部における抵抗率の増加が小さく、抵抗率の面内ばらつきが小さいことが確認された。

１ 単結晶製造装置
２ 原料ロッド
３ 種結晶
４ シリコン単結晶
４ａ テーパー部
４ｂ 直胴部
５ 溶融帯
５ａ 原料側溶融部
５ｂ ネック部
５ｃ 単結晶側溶融部
１１ 上軸
１２ 料送り機構
１３ 下軸
１４ 晶送り機構
１５ 原料保持具
１６ 種結晶保持具
１７ 単結晶重量保持具
２０ 誘導加熱コイル
２１ コイル導体
２２ 端子電極
２３ 内側開口部
２４ スリット
２５ 絶縁部材
２６ 開口部
３０ ドーパント供給装置
３１ ドーパント供給管
３１ａ ストレート部
３１ｂ ノズル部

Claims (6)

1. ＦＺ法による単結晶の製造に用いられる単結晶製造装置であって、
   原料ロッドを回転可能及び昇降可能に支持する上軸と、
   前記上軸と同軸配置され、前記原料ロッドの下方に配置された種結晶を回転可能及び昇降可能に支持する下軸と、
   前記原料ロッドを加熱して溶融帯を生成する誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの上面側に設置され、前記溶融帯にドーパントガスを供給するドーパント供給管とを備え、
   前記誘導加熱コイルの外径は前記原料ロッド及び前記単結晶の直胴部の直径よりも大きく、かつ前記誘導加熱コイルの内径は前記原料ロッド及び前記単結晶直胴部の直径よりも小さく、
   前記誘導加熱コイルは、上面から下面まで貫通する開口部を有し、
   前記ドーパント供給管の先端部は、前記開口部内に挿入され、
   前記ドーパント供給管の先端部は、前記単結晶の中心から０．７Ｒ以上１Ｒ以下の領域内（ただしＲは前記単結晶の最大半径）の直上に配置されていることを特徴とする単結晶製造装置。
2. 前記開口部は、前記誘導加熱コイルの内側開口部から最外周まで伸びるスリットである、請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. ＦＺ法による単結晶の製造に用いられる単結晶製造装置であって、
   原料ロッドを回転可能及び昇降可能に支持する上軸と、
   前記上軸と同軸配置され、前記原料ロッドの下方に配置された種結晶を回転可能及び昇降可能に支持する下軸と、
   前記原料ロッドを加熱して溶融帯を生成する誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの上面側に設置され、前記溶融帯にドーパントガスを供給するドーパント供給管とを備え、
   前記誘導加熱コイルは、上面から下面まで貫通する開口部を有し、
   前記ドーパント供給管の先端部は、前記開口部内に挿入され、
   前記開口部は、前記誘導加熱コイルの内側開口部から最外周まで伸びるスリットであることを特徴とする単結晶製造装置。
4. 原料ロッドを誘導加熱コイルで加熱して溶融帯を形成し、前記溶融帯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降下させて前記単結晶を成長させるＦＺ法による単結晶の製造方法であって、
   前記誘導加熱コイルは、上面から下面まで貫通する開口部を有し、
   前記誘導加熱コイルの上面側に設置され、前記溶融帯にドーパントガスを供給するドーパント供給管を有し、
   前記ドーパント供給管の先端部は前記開口部内に挿入され、かつ前記単結晶の中心から０．７Ｒ以上１Ｒ以下の領域内（ただしＲは前記単結晶の最大半径）の直上に配置され、
   前記ドーパント供給管の先端部から前記誘導加熱コイルの下面側に位置する前記溶融帯に向けてドーパントガスを吹き付けることを特徴とする単結晶の製造方法。
5. 前記誘導加熱コイルの内側開口部から最外周まで伸びるスリットを通じて前記溶融帯に前記ドーパントガスを吹き付ける、請求項４に記載の単結晶の製造方法。
6. 原料ロッドを誘導加熱コイルで加熱して溶融帯を形成し、前記溶融帯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降下させて前記単結晶を成長させるＦＺ法による単結晶の製造方法であって、
   前記誘導加熱コイルは、上面から下面まで貫通する開口部を有し、
   前記誘導加熱コイルの上面側に設置され、前記溶融帯にドーパントガスを供給するドーパント供給管の先端部を前記開口部内に挿入して、前記誘導加熱コイルの下面側に位置する前記溶融帯に向けてドーパントガスを吹き付け、
   前記開口部は、前記誘導加熱コイルの内側開口部から最外周まで伸びるスリットであることを特徴とする単結晶の製造方法。

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