(57)【要約】【課題】単結晶断面内の特に中心部における抵抗率バラツキを低減可能な半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより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成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、  前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、前記一方向から前記逆方向に回転方向を変更する際の回転加速度を、前記逆方向から前記一方向に回転方向を変更する際とは異なる回転加速度とすることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより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成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、
前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、前記一方向から前記逆方向に回転方向を変更する際の回転加速度を、前記逆方向から前記一方向に回転方向を変更する際とは異なる回転加速度とすることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記半導体単結晶を前記一方向に回転させる際の回転量を、前記逆方向に回転させる際の回転量より大きく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。
【請求項３】
前記回転加速度を９００°／ｓ２以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＺ法（フローティングゾーン法または浮遊帯溶融法）による半導体単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＺ法は、例えば、現在半導体素子の材料として最も多く使用されているシリコン単結晶等の半導体単結晶の製造方法の一つとして使用される。
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）。
【０００３】
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ＰＨ３等が、Ｐ型ドーパントであるＢ（ホウ素）のドーピングにはＢ２Ｈ６等が用いられる。
シリコン単結晶の抵抗率は、これらＮ型ドーパントとＰ型ドーパントの結晶中の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、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。
【０００４】
所望の抵抗率のシリコン単結晶を得るためには、原料の抵抗率と所望の抵抗率を基に算出されたドーパント添加量が適正に保たれる必要がある。供給されるドーパントガスの濃度や流量等を調整することによりドーパント添加量を適正に保ちつつＦＺ法により単結晶を成長させることで、所望の抵抗率を持つＦＺシリコン単結晶を得ることができる。
【０００５】
ＦＺ法により得られたシリコン単結晶から製造されるウェーハには、特に、ウェーハ面内での抵抗率バラツキが小さく面内全域で抵抗率ができる限り均一であることが望まれる。そのため、ウェーハの原料であるＦＺ単結晶の断面内の抵抗率分布をより均一化することが要求される。この要求を満たすために、特に直径１５０ｍｍ以上の大直径ＦＺ単結晶の製造においては、単結晶の回転方向を交互に変更させながら成長させる方法（例えば特許文献１参照）が提案され、抵抗率分布の均一化が図られている。
【０００６】
また特許文献２では、単結晶の面内の抵抗率分布を安定化させるために、ＦＺ単結晶の製造中において、正逆回転比、回転角度等の単結晶の回転条件をある条件範囲に定めることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３１５９８０号公報
【特許文献２】特開２００８−２６６１０２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＷＯＬＦＧＡＮＧ  ＫＥＬＬＥＲ、ＡＬＦＲＥＤ  ＭＵＨＬＢＡＵＥＲ著「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ」ｐ．８２−９２、ＭＡＲＣＥＬ  ＤＥＫＫＥＲ，  ＩＮＣ．発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、求められるＦＺウェーハの直径が拡大してきており、特に直径２００ｍｍ以上のＦＺウェーハの需要が増加している。一方、ウェーハ面内の抵抗率バラツキは、直径が拡大したとしても、より小さい直径のウェーハと同等以上が要求され、ＦＺ単結晶の断面内抵抗率バラツキをより小さくする必要がある。
【００１０】
上記したように、単結晶回転方向を交互に変更させながらＦＺ単結晶を製造する方法を用いることは、単結晶の断面内抵抗率バラツキを小さくするために有効である。例えば、特許文献２のようにＦＺ単結晶製造時の結晶回転条件をある範囲に収めることで、更に断面内抵抗率の分布の調整が可能となる。しかし、結晶直径が大きい場合（例えば２００ｍｍ以上）、断面内抵抗率分布が十分均一になっているとは言えず、特に単結晶断面内の中心部の抵抗率を制御することは困難である。
【００１１】
このように、従来の方法では、単結晶断面内の抵抗率分布の全体的な形状はある程度平坦化できるものの、単結晶中心部では抵抗率の大きな変動が存在し、単結晶から得られたウェーハ間の抵抗率バラツキが大きくなる。
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、単結晶断面内の特に中心部における抵抗率バラツキを低減可能な半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明によれば、原料結晶を回転させながら、該原料結晶を誘導加熱コイルにより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成長させるＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であって、前記半導体単結晶の成長中に、前記半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、前記一方向から前記逆方向に回転方向を変更する際の回転加速度を、前記逆方向から前記一方向に回転方向を変更する際とは異なる回転加速度とすることを特徴とする半導体単結晶の製造方法が提供される。
【００１３】
このような半導体単結晶の製造方法であれば、メルトの回転を強めることができるので、特に単結晶中心部でのメルト対流の速度を増加することができる。これにより、単結晶断面内の特に結晶中心部における抵抗率バラツキを低減できる。
【００１４】
このとき、前記半導体単結晶を前記一方向に回転させる際の回転量を、前記逆方向に回転させる際の回転量より大きくすることが好ましい。
このようにすれば、メルトが一方向に継続して回転するようになるので、メルト対流の速度をより増加することができ、抵抗率バラツキをより効果的に低減できる。
【００１５】
また、前記回転加速度を９００°／ｓ２以下とすることを特徴とすることが好ましい。
このようにすれば、単結晶化が阻害されることもなく、歩留まり及び生産性の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、ＦＺ法による半導体単結晶の製造において、半導体単結晶の成長中に、半導体単結晶を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させ、前記一方向から前記逆方向に回転方向を変更する際の回転加速度を、前記逆方向から前記一方向に回転方向を変更する際とは異なる回転加速度とするので、特に単結晶中心部でのメルト対流を増大することができ、単結晶断面内の特に中心部における抵抗率バラツキを低減できる。これにより、半導体単結晶の製造歩留まり及び生産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＦＺ法による単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】メルト内固液界面付近のメルト対流の例を示す図である。
【図３】本発明の半導体単結晶の製造方法における半導体単結晶の回転パターンの例を示す図である。
【図４】本発明の半導体単結晶の製造方法における半導体単結晶の回転パターンの別の例を示す図である。
【図５】結晶回転方向の反転時の回転加速度と抵抗率バラツキσの最大値の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者等は、ＦＺ法による半導体単結晶（ＦＺ単結晶）の製造において単結晶の回転方向を交互に変更させる方法を用いる場合に、単結晶製造条件を大幅に変更せず、かつ従来と比べて単結晶の取得成功率を低下させることなく、単結晶断面内の特に中心部における軸方向の抵抗率分布を更に均一化させるために鋭意検討を重ねた。
【００１９】
その結果、まず、単結晶中心部の抵抗率バラツキが以下に示す原因により大きくなることが判明した。
ＦＺ単結晶製造で使用される誘導加熱コイルの形状は完全に軸対称ではなく、それによって形成される磁場分布も完全に軸対称にすることができないことから、原料結晶の加熱は軸対称でなく不均一である。このため回転速度が一定であっても結晶部位毎の成長速度に差が生ずる。
【００２０】
ＢｕｒｔｏｎらのＢＰＳ理論（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．  ２１（１９５８）、１９８７）によれば、結晶成長速度の大小によって有効偏析係数は変化し、メルトから結晶へのドーパント不純物の導入が変化するため、結晶の抵抗率にも影響を及ぼすことになる。結晶部位毎の成長速度の差により結晶内の抵抗率が変動し、さらには得られるウェーハ面内のミクロ／マクロな抵抗率変動に繋がる。そのため、誘導加熱コイルでの加熱状態をできる限り軸対称に近づける、もしくは非軸対称加熱の影響を低減するような施策を行うなど、成長速度の差を極めて小さくするようにすることが望ましい。
【００２１】
単結晶の成長中に単結晶の回転方向を交互に変更させる方法では、一般的に単結晶の回転数をある程度大きくし、結晶成長不均一の緩和、すなわち抵抗率変動を小さくすることができる。ただし、単結晶の回転方向を変える際にその所要時間をゼロにすることは事実上不可能であるため、回転方向の反転時には回転の減速、停止が必ず生ずる。この減速、停止時には不均一加熱の影響を避けることができず、結果として結晶成長が不均一になる。つまりこの方法を用いた場合は、回転方向反転の周期に沿った抵抗率バラツキが生ずることになる。
【００２２】
特に単結晶外周部においては、非軸対称加熱による不均一加熱の影響が大きいため、単結晶外周部の面内部位で温度差が生ずる。これにより単結晶外周部の面内部位で成長速度差が生じ、抵抗率が不均一となる。上記したように、不均一加熱は誘導加熱コイルによるものであるから、単結晶外周部における抵抗率バラツキは単結晶の回転周期に対応して繰り返されることになる。
【００２３】
他方、単結晶中心部は回転中心軸の近傍であるので、非軸対称加熱の影響を受けた結晶成長速度の差が生じるようなことはない。しかし、単結晶成長中には単結晶外周部側から中心部側へのメルトの流れが存在するため、単結晶外周部の不均一加熱の影響を受けた温度差のあるメルトが単結晶中心部に流入する。また、単結晶外周部では、結晶成長速度差があることでメルトと結晶の固液界面近傍における面内でドーパント濃度差を生ずるが、このようなドーパント濃度差が生じたメルトも単結晶中心部に流入する。このように、単結晶中心部でも単結晶外周部側から流入するメルトの影響を受けて抵抗率が変動する。
【００２４】
ここで、単結晶中心部付近のメルトの温度やドーパント濃度を均一に制御することができれば抵抗率バラツキを低減することは可能であるが、実際には非常に複雑であり困難で、単結晶外周部では、比較的に温度や濃度の変動が周期的・規則的になるのに対し、単結晶中心部では、それら変動が大きく不規則となる傾向があり、軸方向の抵抗率バラツキが大きくなる。
【００２５】
これに対して本発明者等は、単結晶の回転方向を交互に変更する際に、一方向からその逆方向に回転方向を変更する区間の回転加速度を、逆方向から一方向に回転方向を変更する区間とは異なる回転加速度とすることで、特に単結晶中心部のメルト対流の速度を増加し、抵抗率分布を均一化するのに有効であることに想到し、本発明を完成させた。
【００２６】
まず、本発明の半導体単結晶の製造方法で用いられるＦＺ法による単結晶製造装置（ＦＺ単結晶製造装置）について図１を参照して説明する。ここでは、半導体単結晶としてシリコン単結晶を製造する場合について説明する。
図１に示すように、ＦＺ単結晶製造装置１は、チャンバー１１を有しており、該チャンバー１１内には、回転可能な上軸１２および下軸１３が設けられている。該上軸１２には原料結晶１４として所定の直径のシリコン棒が取り付けられ、また下軸１３には種結晶１５が取り付けられる。またチャンバー１１内には、原料結晶１４を溶融するための誘導加熱コイル１６や、ガスドーピングの際に、原料結晶１４が溶融された溶融帯１８にドーパントガスを噴出するためのドープノズル２０が配置されている。
【００２７】
本発明の半導体単結晶の製造方法では、このようなＦＺ単結晶製造装置１を用いて、まず、原料結晶１４の先端を誘導加熱コイル１６で溶融した後、種結晶１５に融着させる。その後、絞り１７により無転位化し、上軸１２及び下軸１３を回転させながら下降させ、溶融帯１８を原料結晶１４に対して相対的に上方に移動させながらシリコン単結晶１９を成長させる。
この時、シリコン単結晶１９を中心軸周りに一方向に回転させた後、該一方向とは逆方向に回転させるように回転方向を交互に変更させる。更に、このとき、回転加速度を、下記に詳細に説明するように調整する。
【００２８】
上記絞り後には、所望の直径までシリコン単結晶１９の直径を徐々に拡大させてコーン部を形成し、所望直径まで達した後は所望直径を保ったまま結晶成長を行い、直胴部を形成する。成長中に、ドープノズル２０からドーパントガスを溶融帯１８に噴射してドーパントを供給し、所望の抵抗率を持つ単結晶棒とする。溶融帯１８を原料結晶１４の上端まで移動させてシリコン単結晶１９の製造を終える。
【００２９】
従来の製造方法のように、単結晶を一定の回転方向・回転数で定常回転させる場合、単結晶断面内の抵抗率分布は、単結晶製造時に使用される誘導加熱コイルなどによる加熱分布及び結晶回転数などの結晶製造条件に応じて変化する径方向のメルト対流により決定される。
図２に、径方向メルト対流の模式図を示す。図２は単結晶中心部を含み結晶成長軸と平行な断面で、単結晶中心部から外周部までの半分のメルト部分の範囲を表しており、メルト内各位置における結晶径方向のメルト対流を模式的に矢印で表示している。
【００３０】
前記のＢＰＳ理論によれば、メルト対流の速度が大きい場合（例えば、図２のＩのようなメルトフローの場合）は境界拡散層厚さが減少し抵抗率は上昇する。逆に、メルト対流速度が小さい場合（例えば、図２のＩＩのようにメルトが滞留する場合）は抵抗率は減少する。結晶固液界面近傍のメルト対流の速度分布により、面内抵抗率分布が形成される。この現象は、結晶の回転とほぼ同様にメルトが回転しているためである。
【００３１】
一方、本発明のように、単結晶の回転方向を交互に変更しながら単結晶を成長させる場合は、回転方向の反転時に単結晶の回転とメルトの回転の相対回転速度は増大する。すなわち結晶径方向のメルト対流と比べて十分に大きな結晶周方向のメルト対流が発生しているということであり、上記した定常回転時には大きな影響を及ぼす結晶径方向メルト対流の影響が打ち消されるため、交互回転時の断面内抵抗率分布は平坦に近づく。この際に非軸対称加熱の影響を小さくするため単結晶回転をより高速にすることで、全体的な抵抗率バラツキを低減できる。
【００３２】
更に本発明では、図３に示すように、一方向からその逆方向に回転方向を変更する際（図３のＡで示す区間）の回転加速度を、逆方向から一方向に回転方向を変更する際（図３のＢで示す区間）とは異なる回転加速度とする。
このように両区間で異なる回転加速度を用いることで、特に単結晶中心部でのメルト対流を増大させることができる。その結果、単結晶中心部の軸方向の抵抗率バラツキを低減できる。
【００３３】
このとき、各方向に回転させる際の回転量は特に限定されない。例えば図３に示すように、一方向（プラス方向）と逆方向（マイナス方向）に同じ回転量で交互に回転させることができる。
【００３４】
或いは、例えば図４に示すように、一方向（プラス方向）に回転する回転量を逆方向（マイナス方向）に回転する回転量よりも大きくして、各方向への回転量比率（小さい方の回転量／大きい方の回転量）を小さくすることができる。
このように回転量比率を小さくする場合には、メルトは回転量の大きい方向（図４の場合ではプラス方向）に継続して回転するようになるので、単結晶中心部におけるメルト対流速度は図３のような回転パターンを適用した場合に比べて増加する。
【００３５】
このとき、図４に示すように、回転量の大きい方向から回転量の小さい方向に結晶の回転方向を変更する時（図４のＡの区間）の回転加速度を、回転量の小さい方向から回転量の大きい方向に結晶の回転方向を変える時（図４のＢの区間）の回転加速度よりも小さくすれば、上記の継続したメルトの回転を更に強めることができ、すなわち、単結晶中心部のメルト対流の速度をより増加することができる。これにより、抵抗率のバラツキをより効果的に低減できる。
【００３６】
回転加速度の絶対値は、単結晶製造条件に応じて適宜設定できるが、大きくすることが好ましい。図５に、図３に示す回転パターンでＡ区間の回転加速度を固定し、Ｂ区間の回転加速度を増加させたときの抵抗率バラツキσを示す。図５に示すように、回転加速度を大きくすることで抵抗率バラツキσの面内最大値も減少する。これは、メルト対流速度が小さく滞留する傾向にある単結晶中心部においても、回転加速度の絶対値を大きくすることによりメルト対流速度が増加した効果によるものである。
【００３７】
このとき、回転加速度の絶対値を大きくする上限として、９００°／ｓ２以下とすることが好ましい。このようにすれば、単結晶化が阻害される頻度を低減でき、大直径の単結晶を製造する場合であっても、歩留まり、生産性を向上できる。
また、回転加速度の絶対値の下限として、２０°／ｓ２以上とすることが好ましい。このようにすれば、回転方向の反転が遅くなりすぎることで誘導加熱コイルの加熱不均一の影響が大きくなり、結晶形状の悪化から単結晶取得率が低下するのを防ぐことができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより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。
【００３９】
（実施例）
図１に示すようなＦＺ単結晶製造装置を用いて、直径２０３ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。図４に示すような回転方向を交互に変更するパターンで単結晶を回転させながら成長させた。このときの回転量比率を０．７５とし、回転量の大きい方向から回転量の小さい方向に単結晶の回転方向を変更する時（図４のＡの区間）の回転加速度を１００°／ｓ２とし、回転量の小さい方向から回転量の大きい方向に単結晶の回転方向を変える時（図４のＢの区間）の回転加速度を３５０°／ｓ２とした。
【００４０】
製造したシリコン単結晶をウェーハ状に切断し、５０枚のウェーハの中心部の抵抗率バラツキφ及び全体的な抵抗率バラツキを評価した。ここで、全体的な抵抗率バラツキとして、ＲＲＧ（＝ウェーハ面内の抵抗率最大値−ウェーハ面内の抵抗率最小値）／（ウェーハ面内の抵抗率最小値）を定義した。
その結果、ＲＲＧの値は４．５〜２１．２％、中心部の抵抗率バラツキφは４．０％であり、後述する比較例の結果と比べて同等以上の全体的な抵抗率バラツキを維持したまま、中心部の抵抗率バラツキが低減されていることが分かった。
【００４１】
（比較例）
回転方向を変更する時の回転加速度をいずれも１００°／ｓ２とした以外、実施例と同様な条件でＦＺシリコン単結晶を製造し、実施例と同様に抵抗率バラツキを評価した。
その結果、ＲＲＧの値は５．４〜２１．２％、中心部の抵抗率バラツキφは５．４％であり、実施例と比べ抵抗率バラツキが悪化してしまった。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
１…ＦＺ単結晶製造装置、  １１…チャンバ−、  １２…上軸、  １３…下軸、
１４…原料結晶、  １５…種結晶、  １６…誘導加熱コイル、  １７…絞り、
１８…溶融帯、  １９…半導体単結晶、  ２０…ドープノズル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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