JP5888264B2 - 半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料結晶を部分的に誘導加熱コイルで加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動する事で単結晶を育成する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わり、さらに詳しくは、前記浮遊帯域を移動させて単結晶を製造させ、成長中の半導体単結晶の回転方向を交互に変更して半導体単結晶を成長させる半導体単結晶の製造方法に関する。

図６は、従来技術におけるＦＺ法単結晶製造装置の一例を示す概略図である。このＦＺ単結晶装置６０を用いて、単結晶を製造する方法について説明する。
まず、原料結晶棒１を、チャンバー１１内に設置された上軸３の上部保持治具４に保持する。一方、直径の小さい単結晶の種（種結晶）８を、原料結晶棒１の下方に位置する下軸５の下部保持治具６に保持する。

次に、誘導加熱コイル７により原料結晶棒１を溶融して、種結晶８に融着させる。その後、種絞りにより絞り部９を形成して無転位化する。そして、上軸３と下軸５を回転させながら原料結晶棒１と単結晶棒２を下降させることで浮遊帯域（溶融帯あるいはメルトという）１０を原料結晶棒１と育成単結晶棒２の間に形成し、結晶径を徐々に大きくし、コーン部分２ａを形成する。その後、直胴部２ｂを形成し、該浮遊帯域１０を原料結晶棒１の上端まで移動させてゾーニングして単結晶棒２を育成する。

なお、この単結晶成長は、不活性ガス雰囲気中で行われ、また、ｎ型ＦＺ単結晶またはｐ型ＦＺ単結晶を製造するために、ドープノズル（不図示）により、製造する導電型、抵抗率に応じた量の不活性ガスベースのＰＨ_３又はＢ_２Ｈ_６を流す。

誘導加熱コイル７としては、銅又は銀の冷却用の水を流通させた誘導加熱コイルが用いられており、例えば図２に示すものを用いている。誘導加熱コイル７は高周波発振機との接続部３０側のスリット３１付近の加熱がその他の部位より強く、非対称性を持っている。

ここで、ウェーハ抵抗率のバラツキを低減するため、原料棒１と単結晶棒２の回転軸をずらして（偏芯させて）融液の撹拌を非対称としている。加えて、単結晶（下軸側）の回転の方向を正転と逆転とで交互に回転させる（以下、交互回転と呼ぶ）方法が行われている（例えば特許文献１）。

この交互回転においては単結晶のコーン部２ａより行っており、コーン部における交互回転条件は直胴部と同様、すなわち、正転と逆転の回転回数を直胴部と同様としている。コーン部より交互回転をさせることにより直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることができ、直胴全体で要求された品質を得ることができている。

特開２０１２−１４８９５３号公報

ところが、単結晶の直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることを目的として、単結晶のコーン部から半導体単結晶（下軸側）を交互回転させると、正転から逆転、逆転から正転に切り替わるときに誘導加熱コイルのスリットの影響による非対称性加熱の周方向温度差により、単結晶コーン部において成長ムラが発生していることがわかった。従って、従来のように半導体単結晶の製品の取得ができないコーン部と、製品となる直胴部で同様の交互回転条件を使用たままでは、コーン部での単結晶成長ムラが大きくなってしまい、コーン部で有転位化する可能性が高くなるという問題が生じた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ＦＺ法により単結晶の直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることを目的とした単結晶側の交互回転において、コーン部成長中、正転から逆転、逆転から正転に切り替わる際の誘導加熱コイルの非対称性加熱の影響による半導体単結晶の成長ムラを改善し、半導体単結晶を安定して製造できる半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、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ることで半導体単結晶を成長させる際に、成長中の半導体単結晶の回転方向を交互に変更するＦＺ法による半導体単結晶の製造方法において、前記半導体単結晶のコーン部の成長における交互回転の正転と逆転の回転回数を、前記半導体単結晶の直胴部の成長における交互回転の正転と逆転の回転回数より増加させて半導体単結晶を成長させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法を提供する。

このように、単結晶コーン部成長での交互回転条件における正転と逆転の回転回数を、単結晶直胴部成長での交互回転条件の正転と逆転の回転回数より増加させて半導体単結晶を成長させることで、単結晶コーン部における単結晶の成長ムラを改善しつつ、且つ、単結晶の直胴部においては直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布となった半導体単結晶を安定して製造することができる。

また本発明において、前記半導体単結晶のコーン部の成長中に、連続的に交互回転の条件を変更しながら前記半導体単結晶の直胴部の成長における交互回転の条件に移行させることが好ましい。
このように、単結晶コーン部の成長工程において、コーン部形成の途中から直胴部の直前にかけて、連続的に交互回転の条件を変更しながら単結晶直胴部の成長における交互回転の条件に移行させることで、より安定した単結晶の製造が可能となる。

さらに本発明において、前記半導体単結晶のコーン部の成長中に、前記半導体単結晶の成長中のコーン部の直径に応じて自動で交互回転の条件を変更するプログラムを用いることができる。
これにより、コーン部から直胴部にかけての交互回転条件の変更を容易に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、単結晶側の交互回転により単結晶の直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることができ、且つ、コーン部成長中、正転から逆転、逆転から正転に切り替わる際の誘導加熱コイルの非対称性加熱の影響による半導体単結晶の成長ムラを改善し、半導体単結晶を安定して製造できる半導体単結晶の製造方法を提供することができる。

単結晶の直径に対する単結晶（下軸側）の回転回数の関係について実施例と比較例とを比較するために表１をグラフで示した図である。 従来技術における誘導加熱コイルの一例を示す概略図である。 本発明と従来技術の単結晶の直径に対するコーン部成長中での３分間当たりの反転回数の関係の一例をグラフで示した図である。 本発明での単結晶直径１５０ｍｍ〜１６０ｍｍまでの浮遊帯域の変動をグラフで示した図である。 従来技術での単結晶直径１５０ｍｍ〜１６０ｍｍまでの浮遊帯域の変動をグラフで示した図である。 従来技術におけるＦＺ法単結晶製造装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながらより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ちなみに、本発明の半導体単結晶の製造方法において使用される単結晶製造装置は、図６に示されるような従来のものを用いることができるため、装置に関しては本発明においても図６を参照することとする。

まず、原料結晶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うことで、原料結晶１を準備する。
原料結晶１の直径については例えば１００〜２０５ｍｍとすることができるが、これに限定されるわけではなく当業者が適宜選択して決定することができる。

次に、図６に示すＦＺ法による単結晶製造装置６０のチャンバー１１内に先ほど準備した原料結晶１を収容し、チャンバー１１内に設置された上軸３の上部保持治具４にネジ等で固定する。
一方、下軸５の下部保持治具６には種結晶８を取り付け、高周波発振機１２には誘導加熱コイル７を電気的に接続する。次に原料結晶１のコーン部分の下端をカーボンリング（不図示）で予備加熱し、その後、チャンバー１１に不活性ガスを供給し、加圧の状態とする。

そして、原料結晶１を誘導加熱コイル７で加熱溶融した後、原料結晶のコーン部先端を種結晶８に融着させ、絞り部９により無転位化し、上軸３と下軸５を回転させながら原料結晶１と育成単結晶２を例えば１〜５ｍｍ／ｍｉｎの速度で下降させることで浮遊帯域１０を原料結晶１の上端まで移動させてゾーニングし、単結晶２を成長させる。

また、ｎ型ＦＺ単結晶またはｐ型ＦＺ単結晶を製造するために、ドープノズル（不図示）により、製造する導電型、抵抗率に応じた量の不活性ガスベースのＰＨ_３又はＢ_２Ｈ_６を流してもよい。
尚、製造する単結晶２の抵抗率、直径、直胴長さは、例えば単結晶の抵抗率を１〜５０００Ωｃｍ、単結晶の直径を１００〜２０５ｍｍ、直胴長さを１０〜１５０ｃｍとすることができるが、これらに限定されるわけではなく当業者が適宜選択して決定することができる。

このとき、単結晶を育成する際に原料結晶１の回転中心となる上軸３と、単結晶化の際に育成単結晶２の回転中心となる下軸５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。このように両中心軸をずらすことにより単結晶化の際に溶融部を撹拌させ、製造する単結晶の品質を均一化させることができる。尚、上記偏芯における偏芯量は、単結晶の直径に応じて当業者が適宜選択して設定することなので、これに限定されるわけではないが、例えば１０ｍｍとすることができる。

そして、図１のように、単結晶のコーン部２ａの成長における交互回転の正転と逆転の回転回数を、半導体単結晶の直胴部２ｂの成長における交互回転の正転と逆転の回転回数より増加させて半導体単結晶２を成長させる。即ち、コーン部２ａの反転回数を直胴部２ｂの反転回数よりも少なくする（図３参照）。但し、直胴部の成長にスムーズに移行するために、直胴部直前においてはコーン部２ａの交互回転による正転と逆転の回転回数（又は反転回数）と、直胴部２ｂの交互回転による正転と逆転の回転回数（又は反転回数）とが同数となる場合があってもよい。

これにより、ＦＺ法により単結晶を成長させる際に直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることを目的として単結晶側を交互回転させる場合、従来は製品の取得できないコーン部の交互回転条件が直胴部の交互回転条件と同様であったため、誘導加熱コイルの非対称性加熱の影響による交互回転において正転から逆転、逆転から正転に切り替わる時の単結晶コーン部での成長ムラの発生頻度が直胴部と同様であり、有転位化し易いコーン部では直胴部より有転位化する頻度が高いという問題があったが、上記のように本発明の技術を採用することで、コーン部における正転から逆転、逆転から正転となる反転頻度を直胴部よりも減少させるとともに成長ムラの程度を改善させることが可能となり、コーン部での有転位化を減少させることができる。

半導体単結晶のコーン部の成長中に交互回転させる際は、図１のように単結晶のコーン部２ａの成長における交互回転の正転と逆転の回転回数を、半導体単結晶の直胴部２ｂの成長における交互回転の正転と逆転の回転回数より増加させつつ、連続的に交互回転の条件を変更しながら半導体単結晶の直胴部の成長における交互回転の条件に移行させることが好ましい。
このように、単結晶コーン部の成長工程において、コーン部形成の途中から直胴部の直前にかけて、連続的に交互回転の条件を変更しながら単結晶直胴部の成長における交互回転の条件に移行させることで、より安定した単結晶の製造が可能となる。

また、半導体単結晶のコーン部の成長中に、上記のように連続的に交互回転の条件を変更しながら単結晶直胴部の成長における交互回転の条件に移行させる場合、成長中の半導体単結晶のコーン部の直径に応じて自動で交互回転の条件を変更するプログラムを用いることにより、コーン部から直胴部にかけての交互回転条件の変更を容易に行うことができる。
このプログラムは、下軸の回転回数を制御している制御手段に組み込まれてもよく、または、別途該プログラムが入っている制御手段を用意してもよい。

以下、実施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。
（実施例）
図６に示す単結晶製造装置６０を使用し、１０００Ωｃｍ以上のＣＺシリコン単結晶を原料結晶棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い、２０本の直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造する。
まず、チャンバー１１内に不活性ガスを流し、炉内圧は加圧とし、成長速度を２．０ｍｍ／ｍｉｎ以下、下軸５を偏芯させた。ドープはドープノズル（不図示）により不活性ガスベースのＰＨ_３を浮遊帯域に吹き掛け、ｎ型５０Ωｃｍのシリコン単結晶の製造を行った。
このとき、製品の取得できないコーン部において下記表１に示すように直胴部と異なる交互回転条件を採用した。

具体的には、コーン部の成長条件は、直胴部より反転頻度を少なくする条件として、表１に示すようにコーン部の直径が１５０ｍｍのときに単結晶の交互回転を開始し、この時の回転回数は正転での回転量を２０回転、逆転では１９．２回転、回転速度は２０ｒｐｍとした。その後、表１のように連続的に交互回転条件を変更し直胴部における交互回転条件に近づけるように移行させた。そして、単結晶の直胴部での交互回転条件は、正転での回転量は１．０回転、逆転では０．２回転、回転速度は２０ｒｐｍとした。この条件の場合、平均時間として約３秒に一度反転させた。また、単結晶の直径に応じて自動で交互回転条件を変更するプログラムを使用した。

評価項目として、単結晶の３分間当たりの反転回数、成長ムラ（浮遊帯域長さの変動）の程度、コーン部の交互回転が始まる直径１５０ｍｍからコーン部終わりの直径２００ｍｍまでの成功率を調査した。
コーン部の直径が１５０ｍｍのとき、平均時間として約６０秒に一度反転（回転回数を正転での回転量を２０回転、逆転では１９．２回転、回転速度は２０ｒｐｍ）となり、直胴部の条件（正転での回転量は１．０回転、逆転では０．２回転、回転速度は２０ｒｐｍ）に比べ、コーン部での単結晶の成長ムラの発生頻度が約１／２０となった。

また、図４に示すようにコーン部の直径１５０ｍｍ〜１６０ｍｍまでの浮遊帯域長さ（単結晶側）２０の変動、すなわち単結晶の成長ムラの変動幅が４．４％であった。これは回転回数を増やしていることで浮遊帯域であるメルト部の回転速度が速くなり、誘導加熱コイルの非対称性加熱の周方向温度差の影響を受けにくいことから単結晶の成長ムラの程度が小さくなったためである。
さらに本実施例では、コーン部の交互回転が始まる直径１５０ｍｍからコーン部終わりの直径２００ｍｍまでの成功率は２０回中１７回成功であった（成功率８５％）。

但し、単結晶の成長ムラの程度については以下の内容で測定した。すなわち、単結晶の交互回転において正転から逆転、逆転から正転に切り替わるときに誘導加熱コイルの加熱の非対称性が顕著に現れ、浮遊帯域長さ（単結晶側）が周方向でばらつく（成長ムラ）傾向があるため、この程度をＣＣＤカメラにより測定することで単結晶の成長ムラの程度を測定した。

（比較例）
図６に示す単結晶製造装置６０を使用し、１０００Ωｃｍ以上のＣＺシリコン単結晶を原料結晶棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い、２０本の直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造した。
まず、チャンバー１１内に不活性ガスを流し、炉内圧は加圧とし、成長速度を２．０ｍｍ／ｍｉｎ以下、下軸５を偏芯させた。ドープはドープノズル（不図示）により不活性ガスベースのＰＨ_３を浮遊帯域に吹き掛け、ｎ型５０Ωｃｍのシリコン単結晶の製造を行った。

製品の取得できないコーン部において上記表１のように直胴部と同様の交互回転条件を使用し、コーン部の直径が１５０ｍｍとなったときに単結晶の交互回転を開始した。コーン部、直胴部での単結晶の交互回転条件は、正転での回転量は１．０回転、逆転では０．２回転、回転速度は２０ｒｐｍとした。この条件の場合、平均時間として約３秒に一度反転することとなる。

評価項目として、単結晶の３分間当たりの反転回数、成長ムラ（浮遊帯域長さ（単結晶側）２０の変動）の程度、コーン部の交互回転が始まる直径１５０ｍｍからコーン部終わりの直径２００ｍｍまでの成功率を調査した。
図３のように単結晶の３分間当たりの反転頻度は、交互回転が始まったコーン部の直径１５０ｍｍから直胴まで同様の２７回程度である。

図５に示すようにコーン部の直径１５０ｍｍ〜１６０ｍｍまでの浮遊帯域長さ（単結晶側）２０の変動、すなわち単結晶の成長ムラの変動幅が５．３％であった。
また、コーン部の交互回転が始まる直径１５０ｍｍからコーン部終わりの直径２００ｍｍまでの成功率は２０回中１３回成功であった（成功率６５％）。
但し、単結晶の成長ムラの程度については実施例と同様に測定した。

実施例と比較例を比較すると、本発明のコーン部での交互回転の条件を採用することで、コーン部の直径が１５０ｍｍのとき単結晶の３分間当たりの反転回数が約１／２０となった。併せて回転回数の増加により浮遊帯域であるメルト部の回転速度が速くなり、誘導加熱コイルの非対称性加熱の周方向温度差の影響を受けにくくなることで浮遊帯域長さ（単結晶側）２０の周方向でばらつき（成長ムラ）が０．９％改善した（図４と図５の比較）。これらの効果でコーン部の交互回転が始まる直径１５０ｍｍからコーン部終わりの直径２００ｍｍまでの成功率が２０％改善する結果となり、かつ、直胴部においては単結晶の交互回転により従来と同様に単結晶の直胴部開始位置から安定した面内抵抗率分布を得ることができた。

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、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。

１…原料結晶、 ２…半導体単結晶、 ２ａ…コーン部、 ２ｂ…直胴部、
３…上軸、 ４…上部保持治具、 ５…下軸、 ６…下部保持治具、
７…誘導加熱コイル、 ８…種結晶、 ９…絞り部、 １０…浮遊帯域、
１１…チャンバー、 １２…高周波発振機、 ２０…浮遊帯域長さ（単結晶側）、
３０…高周波発振機との接続部、 ３１…スリット、 ６０…単結晶製造装置。

Claims (3)

1. 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ることで半導体単結晶を成長させる際に、成長中の半導体単結晶の回転方向を交互に変更するＦＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
   前記半導体単結晶のコーン部の成長における交互回転の正転と逆転の回転回数を、前記半導体単結晶の直胴部の成長における交互回転の正転と逆転の回転回数より増加させて半導体単結晶を成長させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. 前記半導体単結晶のコーン部の成長中に、連続的に交互回転の条件を変更しながら前記半導体単結晶の直胴部の成長における交互回転の条件に移行させ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。
3. 前記半導体単結晶のコーン部の成長中に、前記半導体単結晶の成長中のコーン部の直径に応じて自動で交互回転の条件を変更するプログラムを用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。

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