JP4367213B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法に関するものであり、より詳しくはＦＺ法による高抵抗率でかつ大口径のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶を低コストで製造する方法に関する。

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作製用にはフローティングゾーン法（ＦＺ法）により製造された高抵抗率のシリコンウェーハが使用されてきた。また近年、半導体デバイスの性能向上とコストの低減のため、大口径のシリコンウェーハが求められ、これに伴って大口径シリコン単結晶の育成が要求されている。

さらに、特に近年、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。

また、前記半導体デバイスを更に高性能にするために、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハが用いられることもある。このＳＯＩウェーハの代表的な製造方法として、ウェーハの貼り合わせ法がある。この方法は、デバイス形成層となるボンドウェーハと支持基板となるベースウェーハとを酸化膜を介して密着させ、熱処理を加えて両者を強固に結合し、その後ボンドウェーハを薄膜化してＳＯＩ層として、貼り合わせＳＯＩウェーハを製造するというものである。

このような方法で製造された貼り合わせＳＯＩウェーハを用いて半導体デバイスを製造する場合においても、前述したウェーハの大口径化が要求され、また信号の伝送ロス等の問題を解決するために高抵抗率のウェーハをベースウェーハとして用いることが望まれていた。

そして、このような大口径化の要求が強い半導体デバイスに用いられるウェーハには、ＦＺ法に代わり結晶の大型化に有利な、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によって製造されたシリコン単結晶が使われるようになってきた。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法は、一般に良く知られているように、単結晶製造装置に配置された石英ルツボ内で多結晶シリコン原料を溶融させたシリコン融液に種結晶を浸漬し、石英ルツボと種結晶を反対方向に回転させながら融液に浸漬した種結晶を上方に静かに引上げることにより、略円柱状のシリコン単結晶を育成するというものである。

このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法ではシリコン融液の保持に石英ルツボを使用しているため、高温のシリコン融液とルツボ内壁の石英が反応して、シリコン融液中に酸素原子が溶け出し、この酸素が融液を通して育成中の単結晶に取り込まれる。

単結晶中に取り込まれた酸素原子は通常単独では電気的に中性であるが、単結晶に３５０〜５００℃の低温熱処理が施されると複数個の酸素原子が集まって電子を放出して電気的に活性な酸素ドナーとなる。そのため、ＣＺ法により得られた高抵抗率のウェーハに、デバイス製造工程、例えば酸化膜形成、不純物拡散、配線工程等で３５０〜５００℃程度の熱処理が施されると、この酸素ドナーの形成により高抵抗率ＣＺウェーハの抵抗率が低下してしまうという問題がある。

このような酸素ドナーの形成による抵抗率の低下を防ぎ、ＣＺ法を用いて高抵抗率のシリコンウェーハを得る方法の一つとして、結晶育成時に格子間酸素濃度が低くなるようにシリコン単結晶を製造する方法が開示されている。例えば、合成石英ルツボを用いてＭＣＺ法（ＣＺ法においてシリコン融液に磁場を印加する方法）で単結晶の育成を行うことにより、単結晶に溶け込む酸素量を制御して、１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率を有するシリコン単結晶を製造できることが開示されている（特許文献１参照）。

また、ＣＺ法によって高抵抗率ウェーハを製造する別の方法として、酸素ドナーが形成される現象を逆に利用することによって、高抵抗率シリコンウェーハを製造する方法も提案されている。すなわち、低不純物濃度で低酸素濃度のＰ型シリコンウェーハに４００〜５００℃の熱処理を行って酸素ドナーを発生させる。この発生した酸素ドナーは電子を放出するＮ型であるから、これによりシリコンウェーハ中のＰ型不純物の抵抗率に対する寄与を打ち消してウェーハの導電型をＮ型化することによって、高抵抗率Ｎ型シリコンウェーハを製造することができる（特許文献２参照）。

ＣＺ法により高抵抗率のウェーハを製造するさらに別の方法として、ＣＺ法により抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上で初期格子間酸素濃度が１０〜２５ｐｐｍａであるシリコン単結晶棒を育成して、該シリコン単結晶棒をウェーハに加工し、その後、該ウェーハに酸素析出熱処理を行なって格子間酸素を析出させることにより、ウェーハ中の残留格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下としてシリコンウェーハを製造する方法も提案されている（特許文献３参照）。

また、ＣＺ法により、抵抗率が１００Ω・ｃｍで初期格子間酸素濃度が５〜１０ｐｐｍａであるシリコン単結晶棒を育成することにより、酸素ドナーの発生による抵抗率低下の影響がほとんどない高抵抗率ＣＺシリコンウェーハを製造することができることが開示されている（特許文献４参照）。

しかし、以上のようなＣＺ法によって製造されたシリコンウェーハであっても、ＦＺ法により製造されたシリコンウェーハと比較すると、デバイス製造工程、例えば酸化膜形成、不純物拡散、配線工程における熱処理を加えるとウェーハの抵抗率が低下する問題が依然として存在する。従って、デバイス製造工程で抵抗率が低下することのないＦＺ法により育成された高抵抗率のシリコン単結晶であって、直径が例えば２００ｍｍ以上の大口径のものを製造する方法の開発が望まれていた。

ＦＺ法による直径２００ｍｍのシリコン単結晶の製造方法としては、直径１４５ｍｍ以上の多結晶シリコンをシリコン原料棒とする方法が開示されている（特許文献５参照）。

通常は出来るだけ直径の大きいシリコン原料棒からシリコン単結晶を製造する方が生産性等の点で有利であるが、直径の大きい、特に直径１６０ｍｍ以上の多結晶シリコンを製造するのは極めて困難である。また、多結晶シリコンは大口径になると均一な粒界組織にならないという欠点を有するものとなる。従って、例えば直径１６０ｍｍの多結晶シリコン原料棒を使用してＦＺ法により直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造した場合、１回のＦＺ法によるゾーニングでは無転位にならず、ゾーニングを繰り返す必要があるため、製造歩留りが極めて低くなってしまうという問題がある。また、大口径の多結晶シリコンは単価が極めて高いという欠点も有する。

なお、ＣＺ法で製造された抵抗率が１０〜１５Ω・ｃｍ程度のシリコン単結晶棒に関しては、結晶成長時の冷却条件の違いにより、軸方向で酸素析出物の量等に差が生じている場合があり、それを軸方向で均一にするために、ＣＺ法により上部から下部に向けて格子間酸素濃度を増大させたシリコン単結晶棒を引き上げ、これをＦＺ法を用いて再結晶化させる方法が開示されている（特許文献６参照）。

特開平５−５８７８８号公報 特公平８−１０６９５号公報 国際公開第００／５５３９７号パンフレット 特開２００３−６８７４４号公報 特開２００３−５５０８９号公報 特開平５−４３３８２号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、大口径で抵抗率１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率のＰ型またはＮ型の高品質なシリコン単結晶を、デバイス製造工程で抵抗率が低下することのないＦＺ法により低コスト且つ高歩留まりで製造する方法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、ＣＺ法により製造された抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒をシリコン原料棒として、該シリコン原料棒をＦＺ法により抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させ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、ＣＺ法により製造された抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒をシリコン原料棒とすれば、大口径のシリコン原料棒であっても多結晶シリコンのものよりも結晶品質がはるかに高く且つ安価に製造できるものなので、これをＦＺ法により抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させれば、高抵抗率で且つデバイス製造工程でも抵抗率が低下することのない高品質な大口径シリコン単結晶を、低コストで且つ高歩留まりで製造することができる。

この場合、前記再結晶化を行なう際に、前記シリコン原料棒の導電型とは反対の導電型の不純物をガスドープすることにより、前記シリコン原料棒を抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させることが好ましい。
このように、再結晶化を行なう際に、シリコン原料棒の導電型とは反対の導電型の不純物（ドーパント）をガスドープすれば、元々シリコン原料棒にドープされていたドーパントの抵抗率に対する寄与を減少させるまたは打ち消すことができるので、これによって抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶を極めて容易に製造することができる。

また、前記再結晶化させるシリコン単結晶の直径を２００ｍｍ以上とすることができる。
このように、本発明ではＣＺ法により製造された大口径であっても結晶品質が高く且つ安価なシリコン原料棒を使用するので、最終的に製造する高品質シリコン単結晶の直径を低コスト且つ高歩留まりで容易に２００ｍｍ以上とすることができ、これによって高性能半導体デバイスを低コストで製造するのに適する大口径で高抵抗率のＦＺシリコンウェーハを提供できる。

この場合、前記シリコン原料棒の直径を１５０ｍｍ以上とすることが好ましい。
このように、ＣＺ法で製造したシリコン原料棒の直径を１５０ｍｍ以上とすれば、直径２００ｍｍ以上の大口径の高品質ＦＺシリコン単結晶を高歩留まりで且つ容易に製造できる。なお、例えば最終的に製造するシリコン単結晶の直径を２００ｍｍとする場合には、シリコン原料棒の直径を２１０ｍｍ以下とするのが好ましい。直径が２１０ｍｍより大きい場合は、そのような太い原料棒を溶融するためにそれだけ高電力が必要となるので、２００ｍｍ用の誘導加熱コイルではコイルから放電が生じるおそれがあり、またゾーニングの際の溶融帯に対する原料の供給スピードが遅くなりすぎ、溶融状態が悪化してネック部が切れる問題が生じるおそれがあるので好ましくない。

また、前記シリコン単結晶に含まれる酸素濃度を１ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下とすることが好ましい。
このように、ＦＺ法により再結晶化させることにより、シリコン単結晶に含まれる酸素濃度を１ｐｐｍａ以下とすることが容易にできるので、この単結晶に３５０〜５００℃程度の熱処理を施しても酸素ドナーの形成は確実に防止される。従って、デバイス製造工程において抵抗率が低下することが確実にない高抵抗率のＦＺウェーハを作製可能なシリコン単結晶を製造できる。

また、前記再結晶化を行なう際に、成長炉のチャンバー内雰囲気の窒素濃度を０．２〜０．５％とすることが好ましい。
このように、再結晶化を行なう際に、成長炉のチャンバー内雰囲気の窒素濃度を０．２〜０．５％とすれば、再結晶化したシリコン単結晶には適量の窒素がドープされ、シリコン原料棒内に存在するＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）やスワール欠陥を消滅させることができるので、より高品質なシリコン単結晶が製造できる。

また、前記再結晶化を行なう際に、前記シリコン原料棒の低抵抗側から高抵抗側に向かってゾーニングすることにより、前記シリコン原料棒を再結晶化させることが好ましい。
このように、ＦＺ法による再結晶化を行なう際に、シリコン原料棒の低抵抗側から高抵抗側に向かってゾーニングすることによりシリコン原料棒を再結晶化させれば、低抵抗側から高抵抗側にドーパントが偏析するので、再結晶化したシリコン単結晶棒の軸方向の抵抗率分布を、元々のシリコン原料棒の軸方向の抵抗率分布よりも均一にすることができる。

本発明に従い、ＣＺ法により製造された抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒をシリコン原料棒として、これをＦＺ法により抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させれば、高抵抗率で且つデバイス製造工程でも抵抗率が低下することのない高品質な大口径シリコン単結晶を、低コスト且つ高歩留まりで製造することができる。これによって、高性能半導体デバイスを低コストで製造するのに適する大口径で高抵抗率のＦＺシリコンウェーハを提供できる。

以下、本発明について詳述する。
前述のように、近年大口径化の要求が強い高抵抗率のシリコンウェーハの材料として、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶が使われるようになってきたが、デバイス製造工程での酸素ドナーの形成によるウェーハの抵抗率の低下の問題が依然として存在していた。特に、高抵抗率のウェーハの場合は、酸素ドナーの形成がわずかであってもその抵抗率に与える影響は大きいので、このような酸素ドナーの形成を防止する必要性が高い。
一方、ＦＺ法により製造されたシリコン単結晶は酸素濃度が極めて低いものとなるので、このような抵抗率の変化は発生しないが、従来ＦＺ法においてシリコン原料棒として用いられていた多結晶シリコン棒は大口径のものを高品質で安価に製造するのが困難であり、１回のゾーニングでの無転位化の成功率が低く、このことはＦＺシリコン単結晶の製造歩留まりの低下と高コスト化とを招いていた。

本発明者らは、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＦＺシリコン単結晶を製造する際に、ＣＺ法により製造された抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒をシリコン原料棒として、該シリコン原料棒をＦＺ法により再結晶化させれば、ＣＺ法により製造された酸素濃度の高いシリコン結晶を原料棒として用いたとしても、ＦＺ中に、原料棒中の酸素を飛散させることができるので、デバイス製造工程で酸素ドナーの発生しないウェーハを作製できるシリコン単結晶とすることができることに想到した。さらに、ＣＺ法で製造された大口径のシリコン結晶の原料棒は多結晶シリコンのものよりもはるかに高品質であるから、これを用いればゾーニングの回数の減少及びゾーニングによる無転位化の成功率の向上が達成できるし、しかも同じ大口径の多結晶棒よりもむしろ安価であるから、結果として高品質のシリコン単結晶を低コスト且つ高歩留まりで製造することが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模式的部分断面図である。
まず、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いるシリコン原料棒となるシリコン結晶棒をＣＺ法により育成する。例えば導電型がＰ型、直径２００ｍｍのシリコン結晶棒を育成する場合、例えば口径２４インチ（６００ｍｍ）の石英ルツボに１５０ｋｇのシリコン多結晶を充填し、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上の所望の抵抗率となるようにドーパントとして所定量のボロンやガリウム等のＰ型のドーパントを石英ルツボ内に投入する。ドーパントとしては、例えばボロンを高濃度にドープしたシリコン片を用いることができる。なお、導電型をＮ型とする場合には、リン、ヒ素、アンチモン等のＮ型のドーパントを投入すればよい。

そして、その後、ヒータによりシリコン多結晶を加熱溶融した原料融液に種結晶を浸し、種結晶とルツボを反対方向に回転させながら所定の成長速度で例えば直径２０５ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍのシリコン結晶を成長させる。このとき、シリコン結晶は抵抗率が目標とする１０００Ω・ｃｍ以上の抵抗率に制御されたものであればよく、その他の製造条件や特性、例えば酸素濃度、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）密度、ＦＰＤ密度は特に限定されない。なお、結晶方位としては、最終的に製造するＦＺシリコン単結晶と同じとすることが好ましい。また、育成したシリコン結晶中のボロンやリン等のドーパント濃度は、例えば１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

なお、本発明ではＣＺ法により製造された大口径であっても結晶品質が高く且つ安価なシリコン原料棒を使用するので、上記のように最終的に製造する高品質ＦＺシリコン単結晶の直径を２００ｍｍ以上とする場合でも、低コスト且つ高歩留まりで容易に製造を行なうことができるので好ましい。
その場合、ＣＺ法で製造したシリコン原料棒の直径を１５０ｍｍ以上とすれば、直径２００ｍｍ以上の大口径の高品質ＦＺシリコン単結晶を高歩留まりで且つ容易に製造できるので好ましい。なお、例えば最終的に製造するシリコン単結晶の直径を２００ｍｍとする場合には、シリコン原料棒の直径を２１０ｍｍ以下とするのが好ましい。直径が２１０ｍｍより大きい場合は、そのような太い原料棒を溶融するためにそれだけ高電力が必要となるので、２００ｍｍ用の誘導加熱コイルではコイルから放電が生じるおそれがあり、またゾーニングの際の上軸下降速度（溶融帯に対する原料の供給スピード）が遅くなりすぎ、溶融状態が悪化してネック部が切れる問題が生じるおそれがあるので好ましくない。但し、原料棒の直径の好ましい上限値は、製造するＦＺシリコン単結晶の直径に応じて定めることができる。

次に、こうしてＣＺ法で育成したシリコン結晶の抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定し、またスリップ転位の有無を確認する。スリップ転位が存在していると、シリコン結晶棒をＦＺのシリコン原料棒としてＦＺ単結晶製造装置にセットする時やＦＺ法でシリコン単結晶を再結晶化中に原料棒落下の原因となり得るので、スリップ転位がある場合は、スリップ転位の部分を予め取り除く必要がある。なお、このようなスリップ転位以外の結晶欠陥は存在していても特に問題はなく、シリコン結晶棒が完全に高品質な単結晶となっているものでなくともよい。すなわち、このようにＣＺ法で製造されたシリコン結晶棒であれば、従来ＦＺ法のシリコン原料棒として用いられていたシリコン多結晶原料棒と比較して結晶性がはるかに高いので、ＦＺ法により再結晶化して得られるシリコン単結晶は従来のものより高品質とできるし、例えば所望の品質のシリコン単結晶を得るために従来ではゾーニングを複数回行なう必要がある場合であっても、本発明では１回のゾーニングで所望の品質が得られる確率がはるかに高いものとなる。

次に、こうしてＣＺ法により得られたシリコン結晶棒を円筒研削後、ＦＺ法で溶融を開始する部分をコーン形状に加工し、その後、加工歪みを除去するために表面のエッチングを行なう。このシリコン結晶棒は、例えばボロンをドープした場合には、シリコン結晶が成長するに従ってドープされるボロン濃度が高くなるので、抵抗率は低くなる。その結果、シリコン結晶棒には軸方向に抵抗率分布が生じている。従って、シリコン結晶棒の一端をコーン形状に加工してコーン部を形成する際に、シリコン結晶棒の低抵抗側から高抵抗側に向かってゾーニングするときはシリコン結晶棒の低抵抗側をコーン形状に加工し、シリコン結晶棒の高抵抗側から低抵抗側に向かってゾーニングするときは、シリコン結晶棒の高抵抗側をコーン形状に加工する。

そして、このようにＣＺ法により製造された抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒を、ＦＺ成長炉のチャンバー内に設置された図１に示すＦＺ単結晶製造装置１の上軸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とし、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、チャンバー下部より窒素ガスを含んだＡｒガスを供給しチャンバー上部より排気して、例えば炉内圧力を０．２０ＭＰａ、Ａｒガスの流量を５０ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内窒素濃度を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の成長速度で下降させることで溶融帯（メルト）１８をシリコン原料棒上端まで移動させてゾーニングし、シリコン原料棒２を再結晶化してシリコン単結晶３を成長させる。このとき、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、再結晶化の際に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再結晶化の際に溶融状態を攪拌させ、製造する単結晶の面内抵抗率分布等の品質を均一化することができる。偏芯量は例えば単結晶の直径に応じて設定すればよい。

こうして、ＣＺ法により製造されたシリコン原料棒中に不可避的に含まれる酸素を溶融帯中に飛散させることができるので、ＦＺ単結晶中の酸素濃度を極めて低いものとできる、その結果３５０〜５００℃の熱処理が施されても酸素ドナーが発生しないだけでなく、ＣＯＰに代表される酸素起因欠陥が極めて低密度なシリコン単結晶とできる。

なお、上記のようにチャンバー内を窒素を含む雰囲気にすれば、シリコン単結晶中に窒素がドープされ、シリコン原料棒２の内部に存在したＦＰＤやスワール欠陥が消滅するので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は上記の０．５％に限らず、０．２〜０．５％とすれば、上記の欠陥を消滅させ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３×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度である。

また、再結晶化の際に、シリコン原料棒２の低抵抗側をコーン部として低抵抗側から高抵抗側に向かってゾーニングすれば、シリコン単結晶３の軸方向の抵抗率分布をシリコン原料棒２の軸方向の抵抗率分布よりも均一にすることができるので、ここからシリコンウェーハを作製すれば、それらはウェーハ間で抵抗率のバラツキがないものとできるので好ましい。また逆に、シリコン原料棒２の高抵抗側をコーン部として高抵抗側から低抵抗側に向かってゾーニングすれば、シリコン単結晶３の軸方向の抵抗率分布を、シリコン原料棒２の軸方向の抵抗率分布よりも大きな傾きをもつ抵抗率分布とすることもでき、これによってウェーハ間で抵抗率がより大きく異なる複数のシリコンウェーハを製造することもできる。これにより種々の抵抗率規格に対応することができる。

さらに、再結晶化を行なう際に、シリコン原料棒の導電型とは反対の導電型の不純物（ドーパント）をガスドープすれば、元々シリコン原料棒にドープされていたドーパントの抵抗率に対する寄与を減少させるまたは打ち消すことができるので、これによって抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶を極めて容易に製造することができる。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原料棒の導電型と同じものにも反対のものにもできる。

ガスドープは、公知の方法に従いドープガスノズル２２から反対導電型のドーパントガスを極微量含むドープガスを所定の流量で溶融帯に吹きつけることにより行なうことができる。例えば、シリコン原料棒がＮ型であれば、ドーパントガスとしてジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）をＡｒガス等に極微量だけ含ませたドープガスを用いることができるし、Ｐ型であればホスフィン（ＰＨ_３）を用いることができる。

そして、上記のようにＦＺ法により再結晶化を行なうことにより、シリコン単結晶に含まれる酸素濃度を１ｐｐｍａ以下とすることが容易にできる。このような極めて低い酸素濃度であれば、この単結晶に３５０〜５００℃程度の熱処理を施しても酸素ドナーの形成は確実に防止される。従って、このように製造されたシリコン単結晶は、デバイス製造工程において抵抗率が低下することが確実にない高抵抗率のＦＺウェーハを作製可能なものとなる。

以下に本発明の実施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）
一般的なＣＺ法の製造方法により、肩部の抵抗率が１５００Ω・ｃｍになるようにボロンのドーパントを添加して、導電型Ｐ型、直径１５０ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍのシリコン単結晶を２０本製造し、抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した。その結果、抵抗率は１０００〜１５００Ω・ｃｍ、酸素濃度は１７〜１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、ライフタイムは３０００μｓｅｃであった。また、全長にわたってスリップ転位がないことを確認した。

このＣＺシリコン単結晶をシリコン原料棒として、ＦＺ法により低抵抗側から高抵抗側へゾーニングを行い、直径２０５ｍｍ、直胴長さ４０ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
なお、この単結晶の製造の際には、誘導加熱コイルは内側の第一加熱コイルの外径を１７０ｍｍ、外側の第二加熱コイルの外径を２８０ｍｍのパラレルコイルとし、炉内圧を０．１８ＭＰａ、Ａｒガス流量を３０ｌ／ｍｉｎ、窒素ガス濃度を０．３％、成長速度を２．１ｍｍ／ｍｉｎ、原料回転中心と製品単結晶回転中心のずれ量(偏芯量)を１２ｍｍとした。

そして、このように製造したシリコン単結晶の抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した結果、抵抗率は１５００〜２０００Ω・ｃｍ、酸素濃度は０．３ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、ライフタイムは５０００μｓｅｃであった。また、この場合の１パス成功率は６０％であった。なお、ここでの１パス成功率とは、上記のように製造したシリコン単結晶のうち、１回のゾーニングで無転位化したものの割合を示すものである。

（実施例２）
実施例１と同様に、ＣＺ法により、肩部の抵抗率が１５００Ω・ｃｍになるようにボロンのドーパントを添加して、導電型Ｐ型、直径２００ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍのシリコン単結晶を２０本製造し、抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した。その結果、抵抗率は１０００〜１５００Ω・ｃｍ、酸素濃度は１７〜１８ｐｐｍａ、ライフタイムは２０００μｓｅｃであった。また、全長にわたってスリップ転位がないことを確認した。

このＣＺシリコン単結晶をシリコン原料棒として、ＦＺ法により低抵抗側から高抵抗側へゾーニングを行い、直径２０５ｍｍ、直胴長さ９０ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
なお、この単結晶の製造の際には、誘導加熱コイルは内側の第一加熱コイルの外径を２２０ｍｍ、外側の第二加熱コイルの外径を３００ｍｍのパラレルコイルとし、炉内圧を０．２０ＭＰａ、Ａｒガス流量を５０ｌ／ｍｉｎ、窒素ガス濃度を０．５％、成長速度を２．３ｍｍ／ｍｉｎ、偏芯量を１２ｍｍとした。

そして、このように製造したシリコン単結晶の抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した結果、抵抗率は１０００〜１５００Ω・ｃｍ、酸素濃度は０．２ｐｐｍａ、ライフタイムは５０００μｓｅｃであった。また、この場合の１パス成功率は５０％であった。

（実施例３）
実施例１と同様に、ＣＺ法により、肩部の抵抗率が１５００Ω・ｃｍになるようにリンのドーパントを添加して、導電型Ｎ型、直径２００ｍｍ、直胴長さ１５０ｃｍのシリコン単結晶を２０本製造し、抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した。その結果、抵抗率は１０００〜１５００Ω・ｃｍ、酸素濃度は１７〜１８ｐｐｍａ、ライフタイムは２０００μｓｅｃであった。また、全長にわたってスリップ転位がないことを確認した。

このＣＺシリコン単結晶をシリコン原料棒として、ＦＺ法により低抵抗側から高抵抗側へゾーニングを行い、直径２０５ｍｍ、直胴長さ９０ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
なお、この単結晶の製造の際には、誘導加熱コイルは内側の第一加熱コイルの外径を２２０ｍｍ、外側の第二加熱コイルの外径を３００ｍｍのパラレルコイルとし、炉内圧を０．２０ＭＰａ、Ａｒガス流量を５０ｌ／ｍｉｎ、窒素ガス濃度を０．５％、成長速度を２．３ｍｍ／ｍｉｎ、偏芯量を１２ｍｍとし、さらにＰ型のドーパントガスであるジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を濃度０．０１ｐｐｍａで含有させたＡｒガスをドープガスノズルから流量５ｃｃ／ｍｉｎで溶融帯に吹きつけることにより極微量のガスドープを行なった。

そして、このように製造したシリコン単結晶の抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した結果、抵抗率は５０００〜１００００Ω・ｃｍと元のシリコン原料棒の抵抗率の５倍以上となり、また酸素濃度は０．３ｐｐｍａ、ライフタイムは４０００μｓｅｃであった。また、この場合の１パス成功率は５０％であった。

（比較例１）
直径１５０ｍｍのシリコン多結晶をシリコン原料棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い、直径２０５ｍｍ、直胴長さ４０ｃｍのシリコン単結晶を製造した。
なお、この単結晶の製造の際には、誘導加熱コイルは内側の第一加熱コイルの外径を１７０ｍｍ、外側の第二加熱コイルの外径を２８０ｍｍのパラレルコイルとし、炉内圧を０．１８ＭＰａ、Ａｒガス流量を３０ｌ／ｍｉｎ、窒素ガス濃度を０．３％、成長速度を２．１ｍｍ／ｍｉｎ、偏芯量を１２ｍｍとした。

そして、このようにシリコン多結晶から製造したシリコン単結晶の抵抗率、酸素濃度、ライフタイムを測定した結果、抵抗率は３０００〜８０００Ω・ｃｍ、酸素濃度は０．３ｐｐｍａ、ライフタイムは６０００μｓｅｃであった。このときの抵抗率はガスドープをしていないので、シリコン原料棒の抵抗率とほぼ等しいものであった。また、この場合の１パス成功率は１０％と低かった。

すなわち、実施例のように、本発明に従い抵抗率１０００Ω・ｃｍ以上のＣＺシリコン単結晶をシリコン原料棒として、これをＦＺ法によりゾーニングを行って再結晶化させてシリコン単結晶を製造すれば、直径２００ｍｍのような大口径のものでも多結晶シリコンを原料棒とした場合よりも１パス成功率が３倍近く高くなり、本発明の効果が確認された。しかも、原料棒に多結晶を用いる場合、ＦＺ法の原料として使えるような緻密で割れの生じないものは製造が困難であるため、きわめて高価であった。

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、実施例では直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造したが、それ以上の直径のシリコン単結晶を製造する場合は、そのような大口径のシリコン単結晶の製造に適する大口径の多結晶シリコンを高品質で製造するのはより困難かつ高コストであるから、本発明の効果はますます顕著なものとなる。

本発明に係るＦＺ単結晶製造装置の一例を示す模式的部分断面図である。

符号の説明

１…ＦＺ単結晶製造装置、 ２…シリコン原料棒、 ３…シリコン単結晶、
４…上軸、 ６…上部保持治具、 ８…下軸、 １０…下部保持治具、
１２…種結晶、 １４…誘導加熱コイル、 １６…絞り、 １８…溶融帯（メルト）、
２２…ドープガスノズル。

Claims (5)

1. ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、ＣＺ法により製造された、直径が１５０ｍｍ以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン結晶棒をシリコン原料棒として、該シリコン原料棒をＦＺ法により、直径が２００ｍｍ以上であり、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法であって、前記再結晶化を行なう際に、前記シリコン原料棒の導電型とは反対の導電型の不純物をガスドープすることにより、前記シリコン原料棒を抵抗率が３０００Ω・ｃｍ以上のＰ型またはＮ型のシリコン単結晶に再結晶化させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶に含まれる酸素濃度を１ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下とすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
4. 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であって、前記再結晶化を行なう際に、成長炉のチャンバー内雰囲気の窒素濃度を０．２〜０．５％とすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
5. 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であって、前記再結晶化を行なう際に、前記シリコン原料棒の低抵抗側から高抵抗側に向かってゾーニングすることにより、前記シリコン原料棒を再結晶化させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

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