JPWO2006003782A1 - シリコン単結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープしつつＦＺ法によりシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法、及びＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行うことにより、シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法及び製造装置である。これにより、抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶であっても効率よく、安定して製造する方法及び装置が提供される。
Description
本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法及び製造装置に関するものであり、特に高抵抗率のシリコン単結晶を効率よく製造する方法及び製造装置に関する。
従来、高耐圧パワーデバイスやサイリスタ等のパワーデバイス用に、フローティングゾーン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ、ＦＺ）法により製造されたシリコン単結晶（以下、ＦＺ単結晶と記述することがある）を用いた高抵抗率のシリコンウェーハが使用されてきた。さらに、特に近年では、移動体通信用の半導体デバイスや最先端のＣ−ＭＯＳデバイスでは、寄生容量の低減が必要とされている。信号の伝送ロスやショットキーバリヤダイオードにおける寄生容量は、高抵抗率の基板を用いることによって効果的に低減できることが報告されている。従って、このようなデバイスの用途に用いられる基板として、抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率ＦＺシリコン単結晶ウェーハの要求が強くなってきている。
ＦＺ法によってシリコン単結晶棒を製造する場合、多結晶シリコンの原料棒の先端を、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中でヒータコイル等を用いた高周波誘導加熱により溶解し、種結晶と接触させてなじませた後、部分的な溶融帯域（溶融部）を、通常、原料棒の下部から上部に向かって移動させることにより、種結晶と同じ結晶軸をもつ単結晶を、溶融部下方に成長させる。このとき、ドーパントのドーピング方法としては、Ｎ型単結晶にする場合はホスフィン（ＰＨ３）、Ｐ型単結晶にする場合はジボラン（Ｂ２Ｈ６）をそれぞれ含むアルゴンガスを、ノズルを用いて溶融部に吹きつけるガスドープ法があり、これによりシリコン単結晶の抵抗率を制御することができる（例えば、ＷＯＬＦＧＡＮＧ ＫＥＬＬＥＲ、 ＡＬＦＲＥＤ ＭＵＨＬＢＡＵＥＲ 著、「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−ｚｏｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ」、ＭＡＲＣＥＬ ＤＥＫＫＥＲ ＩＮＣ．発行、ｐｐ．８２−９２ 参照）。
ところで、ＦＺ法において原料となる多結晶シリコンの製造方法としてシーメンス法が知られている。この方法は、トリクロロシランと水素の混合ガス等からなる原料ガスを赤熱した多結晶シリコン芯棒に接触させて、原料ガスの熱分解等により生じたシリコンをその芯棒の表面に析出させ、次第に径の太い多結晶のシリコン棒に成長させる製造方法である。この場合、密閉したベルジャー（反応炉）に多数のシリコン芯棒を立設した装置が用いられている。そして、通常ベルジャー単位の１回の反応で製造される多結晶シリコン棒を１ロットとしている。
従来、抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率ＦＺシリコン単結晶を使用する場合には、単結晶を成長させる際に、上記のように製造した多結晶シリコン棒を原料棒として、ガスドープ等の不純物添加をせずにノンドープでＦＺ法による単結晶製造を行い、こうして製造したシリコン単結晶の導電型及び抵抗率を測定、評価し、その評価結果から目的とする導電型及び抵抗率に適合するシリコン単結晶を選別して使用していた。
本発明の目的は、抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶を効率よく、安定して製造する方法及び装置を提供することにある。
上記目的達成のため、本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープしつつＦＺ法により前記所望の値の抵抗率のシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
このように、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープすれば、製造されるシリコン単結晶の抵抗率が所望の値の高抵抗率のものであっても、目標とする導電型及び抵抗率に確実に制御することが可能になるため、効率的で安定した高抵抗率シリコン単結晶の製造が可能になる。
この場合、前記所望の値を３０００Ω・ｃｍ以上とすることができる。
このように、製造されるシリコン単結晶の抵抗率が特に３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率のものであっても、目標とする導電型及び抵抗率に確実に制御することが可能になるため、効率的で安定した高抵抗率シリコン単結晶の製造が可能になる。
このように、製造されるシリコン単結晶の抵抗率が特に３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率のものであっても、目標とする導電型及び抵抗率に確実に制御することが可能になるため、効率的で安定した高抵抗率シリコン単結晶の製造が可能になる。
この場合、前記予め行なう測定は、前記多結晶シリコンと同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なうことが好ましい。
このように、前記予め行なう測定は、前記多結晶シリコンと同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なえば、より正確に目標とする導電型及び抵抗率に制御することが可能となる。
このように、前記予め行なう測定は、前記多結晶シリコンと同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なえば、より正確に目標とする導電型及び抵抗率に制御することが可能となる。
この場合、前記予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が前記製造するシリコン単結晶の目標抵抗率より高い場合は、前記多結晶シリコンと同一の導電型のドーパントをガスドープすることにより、また目標抵抗率より低い場合は、前記多結晶シリコンとは反対の導電型のドーパントをガスドープすることにより、抵抗率が前記所望の値となるシリコン単結晶を製造することが好ましい。
このように、前記予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が前記製造するシリコン単結晶の目標抵抗率より高い場合は、それに応じて前記多結晶シリコンと同一の導電型のドーパントをガスドープし、極微量のドープ量により抵抗率を確実に低下させることができ、また目標抵抗率より低い場合は、それに応じて前記多結晶シリコンとは反対の導電型のドーパントをガスドープし、極微量のコンペンセート量で抵抗率を確実に高めることができ、その結果目標とする導電型であって且つ抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶を容易に且つ効率的に製造することが可能となる。
このように、前記予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が前記製造するシリコン単結晶の目標抵抗率より高い場合は、それに応じて前記多結晶シリコンと同一の導電型のドーパントをガスドープし、極微量のドープ量により抵抗率を確実に低下させることができ、また目標抵抗率より低い場合は、それに応じて前記多結晶シリコンとは反対の導電型のドーパントをガスドープし、極微量のコンペンセート量で抵抗率を確実に高めることができ、その結果目標とする導電型であって且つ抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶を容易に且つ効率的に製造することが可能となる。
また、前記ドーパントをＰＨ３またはＢ２Ｈ６とし、該ドーパントを含むガスをＦＺの溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行うことが好ましい。
このように、前記ドーパントをＰＨ３またはＢ２Ｈ６とし、該ドーパントを含むガスをＦＺの溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行えば、より優れた抵抗率制御を行なうことができるので、抵抗率不良のおそれがなくなり、極めて安定したシリコン単結晶の製造が可能となる。
このように、前記ドーパントをＰＨ３またはＢ２Ｈ６とし、該ドーパントを含むガスをＦＺの溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行えば、より優れた抵抗率制御を行なうことができるので、抵抗率不良のおそれがなくなり、極めて安定したシリコン単結晶の製造が可能となる。
また、不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながらシリコン単結晶を製造することが好ましい。
このように、アルゴン等の不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながらシリコン単結晶を製造すれば、ドーパントガスを溶融部に吹き付けてガスドープを行なう際に溶融部上方の原料棒表面にドーパントが付着することを防止できるため、所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率であっても結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して製造することができる。
このように、アルゴン等の不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながらシリコン単結晶を製造すれば、ドーパントガスを溶融部に吹き付けてガスドープを行なう際に溶融部上方の原料棒表面にドーパントが付着することを防止できるため、所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率であっても結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して製造することができる。
また、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造することが好ましい。
このように、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造すれば、原料棒表面へのドーパントの付着の防止をより確実に行なうことができる。
このように、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造すれば、原料棒表面へのドーパントの付着の防止をより確実に行なうことができる。
また、本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行うことにより、シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
このように、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行なえば、ドーパントガスを溶融部に吹き付けてガスドープを行なう際に溶融部上方の原料棒表面にドーパントが付着することを防止できるため、抵抗率によらず、結晶棒の軸方向の抵抗率分布が均一なシリコン単結晶を安定して効率よく製造することができる。
この場合、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造することが好ましい。
このように、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造すれば、原料棒表面へのドーパントの付着防止をより確実に行なうことができる。
このように、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造すれば、原料棒表面へのドーパントの付着防止をより確実に行なうことができる。
また、本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造装置であって、少なくとも、ＦＺの溶融部に近接し、ドーパントを含むガスを該溶融部に吹き付けてガスドープを行うためのノズルと、不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気するための給排気機構とを備えるものであることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置を提供する。
このように、少なくとも、ＦＺの溶融部に近接し、ドーパントを含むガスを該溶融部に吹き付けてガスドープを行うためのノズルと、不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気するための給排気機構とを備えるＦＺ単結晶製造装置であれば、ドーパントガスを溶融部に吹き付けてガスドープを行なう際に溶融部上方の原料棒表面にドーパントが付着することを防止できるものとなるため、抵抗率によらず、結晶棒の軸方向の抵抗率分布が均一なシリコン単結晶を安定して効率よく製造できる製造装置となる。
この場合、前記溶融部の上方に設置されるガス整流筒を備えるものであることが好ましい。
このように、前記溶融部の上方に設置されるガス整流筒を備えるものであれば、原料棒表面へのドーパントの付着防止をより確実に行なうことができる製造装置となる。
このように、前記溶融部の上方に設置されるガス整流筒を備えるものであれば、原料棒表面へのドーパントの付着防止をより確実に行なうことができる製造装置となる。
本発明に従い、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープすれば、効率的で安定して所望の高抵抗率シリコン単結晶の製造が可能になる。
また、本発明に従い、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行なえば、抵抗率によらず結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して効率よく製造することができる。
また、本発明に従う製造装置であれば、抵抗率によらず結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して効率よく製造できる製造装置となる。
また、本発明に従い、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行なえば、抵抗率によらず結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して効率よく製造することができる。
また、本発明に従う製造装置であれば、抵抗率によらず結晶棒の軸方向に均一な抵抗率分布のシリコン単結晶を安定して効率よく製造できる製造装置となる。
以下、本発明について詳述する。
前述のように、特に抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率ＦＺシリコン単結晶を製造する場合には、多結晶シリコンの原料棒からノンドープでＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、こうして製造したシリコン単結晶の導電型及び抵抗率を測定、評価し、その評価結果から目的とする導電型及び抵抗率に適合するシリコン単結晶を選別して使用していた。
前述のように、特に抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率ＦＺシリコン単結晶を製造する場合には、多結晶シリコンの原料棒からノンドープでＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、こうして製造したシリコン単結晶の導電型及び抵抗率を測定、評価し、その評価結果から目的とする導電型及び抵抗率に適合するシリコン単結晶を選別して使用していた。
しかし、多結晶シリコンは製造の際にトリクロロシランや水素中及びベルジャーから不純物（ドーパント）が導入されてその導電型及び抵抗率が決まるが、このドーパントの種類及び汚染量は不安定であり多結晶シリコンを反応させるロット間で異なる。従ってこの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ単結晶を製造した後、ＦＺ単結晶棒の導電型及び抵抗率を測定すると、ロット間で導電型及び抵抗率が大きく異なっていた。図６は、異なる複数のロットの多結晶シリコンを原料棒として、ノンドープで直径１５０ｍｍのＮ型ＦＺ単結晶を３０１本製造したときの抵抗率のヒストグラムの一例を示す。このように、異なる複数のロットの多結晶シリコンから製造したＦＺ単結晶は抵抗率のバラツキが極めて大きい。例えば５０００〜１００００Ω・ｃｍの抵抗率のデバイスを作製するとすると、面内抵抗率分布を考慮するとシリコンウェーハの平均抵抗率（シリコン単結晶の抵抗率）は６５００〜７７００Ω・ｃｍとする必要があり、これに適合するシリコン単結晶は全体のわずか１３％しかない。
そのため、予め何本ものシリコン単結晶を製造しておいて、その評価結果から目的とする導電型及び抵抗率に適合する単結晶を選別するといった、製造時の不安定な要因で決まる原料の抵抗率に依存した、極めて効率の低い、高コストの製造方法となっていた。
また、ガスドープにより抵抗率を制御してＦＺ法によりシリコン単結晶を製造する場合には、結晶棒の軸方向に抵抗率分布が不均一となり、目標の抵抗率のシリコン単結晶を安定して製造できない場合があった。本発明者らは、この原因は、溶融部に吹き付けるドーパントガスの一部が溶融部上方の原料棒表面に付着し、その付着量は結晶成長工程が進行するに従って増加するため、溶融部に供給されるドーパントの量が徐々に増加するためであると考えた。
そして、本発明者らは、特に抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率ＦＺシリコン単結晶への要求が近年強くなっていることに鑑み、上記の問題の解決のため、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープすれば、目標とする導電型及び抵抗率に確実に制御することが可能になることに想到した。また不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行なえば、ガスドープを行なう際に溶融部上方の原料棒表面にドーパントが付着することを防止できることに想到し、本発明を完成させた。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明に係るシリコン単結晶の製造に用いるＦＺ単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
本発明のＦＺ単結晶製造装置１は、少なくとも、ガスドープを行うためのドープガスノズル２２と、チャンバー２６内にアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを上方から導入し、下方から排気するためのガス供給機構２８ａ、排気機構２８ｂとを備える。図１では、供給機構２８ａはノズル２２にドープガスも供給するが、別々に供給するものであってもよい。また、ガス整流筒２４を備えることが好ましい。
図１は、本発明に係るシリコン単結晶の製造に用いるＦＺ単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
本発明のＦＺ単結晶製造装置１は、少なくとも、ガスドープを行うためのドープガスノズル２２と、チャンバー２６内にアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを上方から導入し、下方から排気するためのガス供給機構２８ａ、排気機構２８ｂとを備える。図１では、供給機構２８ａはノズル２２にドープガスも供給するが、別々に供給するものであってもよい。また、ガス整流筒２４を備えることが好ましい。
次に、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について述べる。
まず、本発明ではＦＺ法によりシリコン単結晶を製造するが、その際に、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープしつつＦＺ法によりシリコン単結晶を製造する。この時、好ましくは同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なう。
まず、本発明ではＦＺ法によりシリコン単結晶を製造するが、その際に、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープしつつＦＺ法によりシリコン単結晶を製造する。この時、好ましくは同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なう。
多結晶シリコン棒を原料棒としてノンドープのＦＺ単結晶を製造したときの抵抗率は同一ロット間ではほぼ同じ値となるので、上記のように、同一ロットから代表として1本の多結晶シリコン棒を選び、それを原料棒として製造したＦＺ単結晶の導電型及び抵抗率を測定すれば、同一ロットのその他の多結晶シリコン棒を原料棒としてノンドープのＦＺ単結晶を製造したときの抵抗率を正確に予測することができる。従って、同一ロットのその他の多結晶シリコン棒を原料棒とした場合、上記抵抗率の測定結果から目標とする導電型及び抵抗率になるように、ガスドープのドーパントの種類を決定し、ドーパント濃度及びガス流量を算出して決定することができる。これによって、元々多結晶シリコン原料棒に不確定に含まれていたドーパントの影響によって発生していた抵抗率のバラツキを解消することができる。
次に、多結晶シリコン棒の溶融を開始する部分をコーン形状に加工し、加工歪みを除去するために表面のエッチングを行なう。その後、チャンバー２６内に設置された上軸４の上部保持冶具６にネジ等で固定してシリコン原料棒２をセットし、下軸８の下部保持冶具１０には種結晶１２を取り付ける。
次に、シリコン原料棒２のコーン部の下端をカーボンリング（不図示）で予備加熱する。その後、ガス供給機構２８ａによりチャンバー２６上部から不活性ガス、例えば窒素ガスを含んだＡｒガスを供給し、チャンバー２６下部の排気機構２８ｂにより排気して、例えば炉内圧力を０．０５ＭＰａ、Ａｒガスの流量を２０〜３０ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内窒素濃度を０．１〜０．５％とする。そして、シリコン原料棒２を誘導加熱コイル（高周波コイル）１４で加熱溶融した後、コーン部先端を種結晶１２に融着させ、絞り１６により無転位化し、上軸４と下軸８を回転させながらシリコン原料棒２を例えば２．３ｍｍ／ｍｉｎの速度で下降させることで溶融部である溶融帯（メルト）１８をシリコン原料棒の下端から上端まで移動させてゾーニングし、抵抗率が所望の値、特に３０００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶３を溶融帯１８下方に成長させる。該成長は、前記のようにして決定されたドーパントガスをガスドープしつつ行なう。
ガスドープは、公知の方法に従いＦＺの溶融帯１８に近接したドープガスノズル２２から前記のように決定された導電型、濃度及びガス流量のドープガスを溶融帯１８に吹きつけることにより行うことができる。ドーパントガスについては限定されないが、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）やホスフィン（ＰＨ３）を用いれば、優れた抵抗率制御ができ、抵抗率不良のおそれがなくなる。これらのドーパントガスをＡｒガスで希釈して所定の濃度のドープガスとすることができる。
このとき、予め測定したシリコン原料棒２の抵抗率が製造するシリコン単結晶の目標抵抗率より高い場合は、シリコン原料棒２と同一の導電型のドーパントをガスドープし、目標抵抗率より低い場合は、シリコン原料棒２とは反対の導電型のドーパントをガスドープすることが好ましい。例えば、シリコン原料棒２の抵抗率が５０００Ω・ｃｍ以上の場合は、同一導電型のドーパントをガスドープして抵抗率３０００Ω・ｃｍ以上のＦＺ単結晶を製造できるし、シリコン原料棒２の抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上３０００Ω・ｃｍ未満の場合は、反対導電型のドーパントをガスドープして抵抗率３０００Ω・ｃｍ以上のＦＺ単結晶を製造できる。この場合、ドープ量の調整により、シリコン単結晶の導電型を多結晶シリコン棒の導電型と同じものにすることも反対のものにすることもできる。
なお、炉内のガスフローを従来のようにチャンバー下部から供給し、上部から排気する場合、チャンバー内に下方から上方に向かってガスの流れが発生するので、溶融帯に吹き付けたドープガスの一部が溶融帯より上部の原料棒表面に付着するため、原料棒と同じ導電型のドーパントをドープする場合は成長に伴い抵抗率の低下が顕著になる。またこれとは逆に、原料棒と反対の導電型のドーパントでコンペンセートする場合は成長に伴い抵抗率の上昇が顕著となる。
従って、上記のように、チャンバー上部で溶融帯１８より上方から窒素ガスを含んだＡｒガスを供給し、チャンバー下部より排気すれば、ドープガスが溶融帯より上部の原料棒表面に付着することがなくなるため、軸方向の抵抗率分布を均一にすることができる。
従って、上記のように、チャンバー上部で溶融帯１８より上方から窒素ガスを含んだＡｒガスを供給し、チャンバー下部より排気すれば、ドープガスが溶融帯より上部の原料棒表面に付着することがなくなるため、軸方向の抵抗率分布を均一にすることができる。
さらに、溶融帯の上方にガス整流筒２４を設置すれば、上方から下方に向かうガスの流れが整流されるため、原料棒表面へのドーパントの付着防止をより確実に行うことができ、軸方向の抵抗率分布をより均一にすることができる。
なお、単結晶育成の際、シリコン原料棒２を育成する際に回転中心となる軸４と、単結晶化の際に単結晶の単結晶の回転中心となる軸８とをずらして（偏芯させて）単結晶を育成することが好ましい。このように両中心をずらすことにより単結晶化の際に溶融状態を攪拌させ、製造する単結晶の品質を均一化することができるので好ましい。偏芯量は例えば単結晶の直径に応じて設定すればよい。
また、上記のようにチャンバー２６内を窒素を含む雰囲気にすれば、シリコン単結晶３に窒素がドープされ、シリコン単結晶３の成長時にＦＰＤやスワール欠陥等の結晶欠陥が形成されるのを防止でき、より高品質のシリコン単結晶を成長させることができるので好ましい。この場合、雰囲気中の窒素濃度を０．１〜０．５％とすれば、上記の欠陥形成を防止するのに適当な濃度の窒素がドープされるので好ましい。また、窒素ガスの代わりにアンモニア、ヒドラジン、三フッ化窒素等の窒素を含む化合物ガスを用いてもよい。このときシリコン単結晶にドープされる窒素濃度は、例えば３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度である。
以下に本発明の実施例と比較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。
（実施例１）
直径１３０ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＮ型で抵抗率が２４２００Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、Ａｒガスで希釈した原料棒と同一導電型のＰＨ３ガス（Ａｒ希釈ＰＨ３ガス）のガスドープにより、直径１５４ｍｍ、直胴長さ２６ｃｍの原料棒と同じＮ型の導電型で目標抵抗率が７０００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
（実施例１）
直径１３０ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＮ型で抵抗率が２４２００Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、Ａｒガスで希釈した原料棒と同一導電型のＰＨ３ガス（Ａｒ希釈ＰＨ３ガス）のガスドープにより、直径１５４ｍｍ、直胴長さ２６ｃｍの原料棒と同じＮ型の導電型で目標抵抗率が７０００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
このとき、溶融帯よりも上方のチャンバー上部から窒素ガスを含んだＡｒガスを２０ｌ／ｍｉｎ供給し、チャンバー下部から排気して、炉内圧を０．０５ＭＰａ、窒素濃度を０．３０％とした。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７０００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈ＰＨ３ガス０．５ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．３ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７０００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈ＰＨ３ガス０．５ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．３ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、シリコン単結晶を製造後、直胴長さ０ｃｍ、１２ｃｍ、２６ｃｍの部位からウェーハを採取し、ドライ酸素中で１２００℃、１００分の熱処理後、任意の直行する２方向に２．５ｍｍピッチで全点の抵抗率ρを４探針測定法により測定し、軸方向抵抗率分布を評価した。
このとき、上記各部位の抵抗率ρは各部位におけるウェーハ全点の平均値とし、上記部位のρの最大値をρｍａｘ、最小値をρｍｉｎとして、軸方向抵抗率分布を次の式で定義した。
軸方向抵抗率分布＝（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）／ρｍｉｎ ×１００％
さらに、直胴２６ｃｍの位置ではライフタイムについても測定した。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率は６８９０〜７４４０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は８．０％であった（図２参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
軸方向抵抗率分布＝（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）／ρｍｉｎ ×１００％
さらに、直胴２６ｃｍの位置ではライフタイムについても測定した。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率は６８９０〜７４４０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は８．０％であった（図２参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
（実施例２）
ガス整流筒を設置した以外は実施例１と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例１と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６６５０〜６８００Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は２．３％であった（図２参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
ガス整流筒を設置した以外は実施例１と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例１と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６６５０〜６８００Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は２．３％であった（図２参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
（実施例３）
直径１０５ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＮ型で抵抗率が１１５０Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、原料棒と反対導電型のＡｒ希釈Ｂ２Ｈ６ガスのガスドープにより、直径１０５ｍｍ、直胴長さ１０５ｃｍの原料棒と同じＮ型の導電型で目標抵抗率が７５００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
直径１０５ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＮ型で抵抗率が１１５０Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、原料棒と反対導電型のＡｒ希釈Ｂ２Ｈ６ガスのガスドープにより、直径１０５ｍｍ、直胴長さ１０５ｃｍの原料棒と同じＮ型の導電型で目標抵抗率が７５００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
このとき、溶融帯よりも上方のチャンバー上部から窒素ガスを含んだＡｒガスを２０ｌ／ｍｉｎ供給し、チャンバー下部から排気して、炉内圧を０．０５ＭＰａ、窒素濃度を０．１０％とした。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７５００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈Ｂ２Ｈ６ガス１．０ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．４ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７５００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈Ｂ２Ｈ６ガス１．０ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．４ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、シリコン単結晶を製造後、直胴長さ０ｃｍ、３０ｃｍ、６０ｃｍ、１０５ｃｍの部位からウェーハを採取し、実施例１と同じ測定方法により抵抗率、軸方向抵抗率分布を評価した。また、直胴１０５ｃｍの位置ではライフタイムについても測定した。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率は７１２５〜８１５０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は１４．４％であった（図３参照）。また、ライフタイムは８００μｓｅｃであった。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率は７１２５〜８１５０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は１４．４％であった（図３参照）。また、ライフタイムは８００μｓｅｃであった。
（実施例４）
ガス整流筒を設置した以外は実施例３と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例３と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が７４２０〜８１１４Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は９．４％であった（図３参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
ガス整流筒を設置した以外は実施例３と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例３と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が７４２０〜８１１４Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は９．４％であった（図３参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
（実施例５）
直径１０５ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＰ型で抵抗率が２３００Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、原料棒と反対導電型のＡｒ希釈ＰＨ３ガスのガスドープにより、直径１０５ｍｍ、直胴長さ１０５ｃｍの原料棒と反対のＮ型の導電型で目標抵抗率が７０００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
直径１０５ｍｍの多結晶シリコン棒のロットから１本を選び、これを原料棒としてノンドープのＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、その導電型と抵抗率を測定したところ、導電型がＰ型で抵抗率が２３００Ω・ｃｍであった。この測定結果に基づき、該多結晶シリコン棒と同一ロットの多結晶シリコン棒を原料棒として、原料棒と反対導電型のＡｒ希釈ＰＨ３ガスのガスドープにより、直径１０５ｍｍ、直胴長さ１０５ｃｍの原料棒と反対のＮ型の導電型で目標抵抗率が７０００Ω・ｃｍのシリコン単結晶をＦＺ法により製造した。
このとき、溶融帯よりも上方のチャンバー上部から窒素ガスを含んだＡｒガスを２０ｌ／ｍｉｎ供給し、チャンバー下部から排気して、炉内圧を０．０５ＭＰａ、窒素濃度を０．１０％とした。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７０００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈ＰＨ３ガス４．６ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．４ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、上記実測値から決定した条件に従い、目標とする導電型および抵抗率（Ｎ型、７０００Ω・ｃｍ）になるように濃度２０ｐｐｍのＡｒ希釈ＰＨ３ガス４．６ｃｃ／ｍｉｎをＡｒガス５０００ｃｃ／ｍｉｎと混合し、この混合ガスをノズルから５００ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹き付けてガスドープしながら、２．４ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、シリコン単結晶を製造後、直胴長さ０ｃｍ、３０ｃｍ、６０ｃｍ、１０５ｃｍの部位からウェーハを採取し、実施例１と同じ測定方法により抵抗率、軸方向抵抗率分布を評価した。また、直胴１０５ｃｍの位置ではライフタイムについても測定した。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６６２０〜６９３０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は４．７％であった（図４参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６６２０〜６９３０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は４．７％であった（図４参照）。また、ライフタイムは１０００μｓｅｃであった。
（実施例６）
ガス整流筒を設置した以外は実施例５と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例５と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６９２０〜７１４０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は３．２％であった（図４参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
ガス整流筒を設置した以外は実施例５と同じ製造条件でシリコン単結晶を製造し、実施例５と同様の結晶品質特性の評価を行った。
その結果、得られた単結晶はＮ型の導電型で抵抗率が６９２０〜７１４０Ω・ｃｍとなり、軸方向抵抗率分布は３．２％であった（図４参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
（比較例１）
直径１３０ｍｍの多結晶シリコンを原料棒として、導電型及び抵抗率の実測は行なわず、ノンドープにより、直径１５４ｍｍ、直胴長さ３０ｃｍのＮ型の導電型で目標抵抗率が７５００Ω・ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
直径１３０ｍｍの多結晶シリコンを原料棒として、導電型及び抵抗率の実測は行なわず、ノンドープにより、直径１５４ｍｍ、直胴長さ３０ｃｍのＮ型の導電型で目標抵抗率が７５００Ω・ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
このとき、溶融部よりも上方のチャンバー上部から窒素ガスを含んだＡｒガスを３０ｌ／ｍｉｎ供給し、チャンバー下部から排気して、炉内圧を０．０５ＭＰａ、窒素濃度を０．３０％とした。
そして、２．３ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、２．３ｍｍ／ｍｉｎの成長速度でＦＺ法によりシリコン単結晶を育成した。
そして、シリコン単結晶を製造後、直胴長さ０ｃｍ、１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍの部位からウェーハを採取し、実施例１と同様にして、抵抗率、軸方向抵抗率分布およびライフタイムを測定した。
その結果、Ｎ型の導電型で抵抗率が９４３０〜１０２０６Ω・ｃｍとなり、目標抵抗率から大きく外れた値となった。なお、軸方向抵抗率分布は５．９％であった（図５参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
このように、抵抗率に関しては目標抵抗率から大きく外れた値となったが、軸方向抵抗率分布に関しては、Ａｒガスを上方から供給し、下方から排気したので、小さい値となった。
その結果、Ｎ型の導電型で抵抗率が９４３０〜１０２０６Ω・ｃｍとなり、目標抵抗率から大きく外れた値となった。なお、軸方向抵抗率分布は５．９％であった（図５参照）。また、ライフタイムは９００μｓｅｃであった。
このように、抵抗率に関しては目標抵抗率から大きく外れた値となったが、軸方向抵抗率分布に関しては、Ａｒガスを上方から供給し、下方から排気したので、小さい値となった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
例えば、予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が製造するシリコン単結晶の目標抵抗率と同じ場合は、ドーパントガスのガス流量をゼロと決定し、ＦＺ法によりシリコン単結晶を製造することもできる。
例えば、予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が製造するシリコン単結晶の目標抵抗率と同じ場合は、ドーパントガスのガス流量をゼロと決定し、ＦＺ法によりシリコン単結晶を製造することもできる。
Claims (11)
- ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、原料棒とする多結晶シリコンの導電型及び抵抗率を予め測定した後、該測定値に基づいて製造される単結晶の抵抗率が所望の値となるようにドーパントガスの導電型、濃度及びガス流量を決定し、該決定されたドーパントガスをガスドープしつつＦＺ法により前記所望の値の抵抗率のシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
-
請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記所望の値を３０００Ω・ｃｍ以上とすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１又は請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記予め行なう測定は、前記多結晶シリコンと同一ロットの多結晶シリコンを原料棒としてＦＺ法によりシリコン単結晶を製造し、該シリコン単結晶を用いて導電型及び抵抗率の測定を行なうことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記予め測定した多結晶シリコンの抵抗率が前記製造するシリコン単結晶の目標抵抗率より高い場合は、前記多結晶シリコンと同一の導電型のドーパントをガスドープすることにより、また目標抵抗率より低い場合は、前記多結晶シリコンとは反対の導電型のドーパントをガスドープすることにより、抵抗率が前記所望の値となるシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記ドーパントをＰＨ３またはＢ２Ｈ６とし、該ドーパントを含むガスをＦＺの溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながらシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、不活性ガスをＦＺの溶融部よりも上方から導入し、下方から排気しながら、ドーパントを含むガスを前記溶融部に近接したノズルより吹き付けてガスドープを行うことにより、シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項８に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記溶融部の上方にガス整流筒を設置してシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造装置であって、少なくとも、ＦＺの溶融部に近接し、ドーパントを含むガスを該溶融部に吹き付けてガスドープを行うためのノズルと、不活性ガスを前記溶融部よりも上方から導入し、下方から排気するための給排気機構とを備えるものであることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
- 請求項１０に記載のシリコン単結晶の製造装置において、前記溶融部の上方に設置されるガス整流筒を備えるものであることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
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