JP5029637B2 - 半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

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し、さらに詳しくは、ドーパントガスを溶融帯域に噴射して半導体結晶を所望の電気抵抗率（これ以降、単に抵抗率と呼ぶ）にするガスドーピングを使用したＦＺ法による半導体単結晶の製造方法に関する。

ＦＺ法は、半導体単結晶、例えば、現在半導体素子として最も多く使用されているシリコン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型の不純物の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域に噴射するガスドーピング法が知られている（非特許文献１参照）。

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ＰＨ_３等が、Ｐ型ドーパントであるＢ（ホウ素）のドーピングにはＢ_２Ｈ_６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、通常の単結晶製造において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のドープ量が増加するにつれて低くなる。

所望の抵抗率のシリコン単結晶を得るためには、原料の抵抗率を考慮して、所望の抵抗率となるようにドーパントのドープ量を適正に調整する必要がある。供給されるドーパントガスの濃度や流量（噴射量）等を調整することによりドーパントのドープ量を適正に保ちつつＦＺ法による単結晶製造を行った結果として、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。

所望の抵抗率を有するＦＺ法による半導体単結晶（ＦＺ単結晶と呼ぶことがある）を得るためのガスドープ方法の工夫として、１本の半導体単結晶棒の製造途中でドープガス濃度を変更することにより、複数の抵抗率部分を１本の単結晶棒中に形成するマルチドープＦＺ単結晶棒製造方法（特許文献１参照）や、原料棒としてＣＺシリコン単結晶を用いる場合に、原料棒の成長軸方向に沿った抵抗率の変化に応じてガスドープによるドーパントのドープ量も変化させるＦＺ法（特許文献２参照）等が提案されている。

ＦＺ法により得られたシリコン単結晶から製造されるウエーハは、ウエ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ている。なお、ここでいうウエーハ面内抵抗率分布の均一化とは、ＦＺ単結晶の成長軸方向に垂直な断面内（すなわち、径方向面内）の抵抗率分布の均一化である。

この要求を満たすために、結晶製造条件を所定の範囲に調整する方法（例えば特許文献３参照）や、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４）等が提案され、ウエーハ面内の抵抗率の均一化が図られている。

特許第２６１７２６３号公報 特開２００８−８７９８４号公報 特許第２６２１０６９号公報 特許第２８２００２７号公報

ＷＯＬＦＧＡＮＧ ＫＥＬＬＥＲ、ＡＬＦＲＥＤ ＭＵＨＬＢＡＵＥＲ著「Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ」ｐ．８２−９２、ＭＡＲＣＥＬ ＤＥＫＫＥＲ， ＩＮＣ．発行

近年はディスクリートデバイス等の分野でも製造コスト低減のため、その材料であるＦＺシリコン単結晶から得られるウエーハの直径の拡大も求められ、直径１５０ｍｍ以上の大直径のＦＺシリコン単結晶の需要が増加し続けている。

しかし、特に直径１５０ｍｍ以上のＦＺシリコン単結晶の場合では、上記特許文献３、特許文献４のような方法を用いた場合は面内の抵抗率のバラツキを低減するのにもちろん有効ではあるが不十分であり、直径１２５ｍｍ以下のＦＺシリコン単結晶の場合に比べると、面内での抵抗率のバラツキは大きくなる。また、ＦＺシリコン単結晶の直径が拡大する／しないにかかわらず、面内の抵抗率のバラツキのより一層の低減は継続的に求められている。

そこで、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、製造される半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を制御することができ、特には面内での抵抗率のバラツキを低減することが可能なＦＺ法による半導体単結晶の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくともドーパントガスを溶融帯域に噴出して半導体結晶にドーパントをドープし所望の抵抗率にするガスドーピングを使用したＦＺ法による半導体単結晶の製造方法において、少なくとも、予め前記半導体単結晶を製造して該半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を取得し、製品となる半導体単結晶を製造するとき、直胴部を形成中に、該製品となる半導体単結晶への前記ガスドーピングによるドーパントのドープ量を、前記予め取得した径方向の面内抵抗率分布に応じて調節し、製品となる半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を制御す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、本発明は、ガスドーピングを使用したＦＺ法による半導体単結晶の製造方法であり、まず、予め半導体単結晶を製造し、その径方向の面内抵抗率分布を取得する。そして、実際に、製品となる半導体単結晶の製造時に、直胴部を形成中、該製品となる半導体単結晶へのガスドーピングによるドーパントのドープ量を、上述の予め取得した径方向の面内抵抗率分布に応じて調節し、製品となる半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を制御する。

このようにして実際に製品となる半導体単結晶を製造すれば、径方向の面内抵抗率分布を所望のように制御した半導体単結晶、さらには半導体ウエーハを得ることができる。例えば、面内での抵抗率のバラツキが低減され、面内抵抗率分布が従来よりも均一なものとすることができる。さらには、ウエーハから製造される素子の歩留りや生産性を向上させることが可能である。

このとき、例えば径方向の面内抵抗率分布をより均一にするのであれば、前記予め取得した径方向の面内抵抗率分布が、前記半導体単結晶の中心部における抵抗率が低く周辺部における抵抗率が高い、下に凸の形状の分布の場合、前記製品となる半導体単結晶が結晶成長するにつれて、ドーパントのドープ量を減少するように調節して抵抗率を上昇させ、前記半導体単結晶の中心部における抵抗率が高く周辺部における抵抗率が低い、上に凸の形状の分布の場合、前記製品となる半導体単結晶が結晶成長するにつれて、ドーパントのドープ量を増加するように調節して抵抗率を低下させるのが好ましい。

ＦＺ法による結晶成長では結晶成長界面、すなわち溶融メルトと凝固した結晶の境界面（固液境界面）は下に凸な形状であり結晶中心部は相対的に遅れて凝固するため、予め取得した径方向の面内抵抗率分布の形状に応じ、上記のようにドーパントのドープ量を調節することによって、適切に、径方向の面内抵抗率分布を均一なものとすることができる。

このとき、前記製品となる半導体単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることができる。
本発明の半導体単結晶の製造方法により、従来は困難であった大直径を有する結晶の面内抵抗率分布の更なる均一化をなすことも可能になる。製造するＦＺ結晶の直径が１５０ｍｍ以上の場合にその効果がより発揮され、２００ｍｍ以上の場合に更に顕著に発揮される。

また、前記製品となる半導体単結晶へのドーパントのドープ量の調節を、溶融帯域へ噴射するドーパントガスの噴射量および／または濃度を調整することにより行うことができる。
このようにすれば、簡便に製品となる半導体単結晶へのドーパントのドープ量を調節することができる。

また、前記製品となる半導体単結晶へのドーパントのドープ量の調節を、さらに、直胴部全体にわたって所定の範囲の抵抗率を有するように行うのが好ましい。
このようにしてドーパントのドープ量を調節すれば、直胴部全体にわたって、所定の範囲の抵抗率とすることができ、直胴部の全てを有効に利用することが可能になり、歩留りおよび生産性を向上させることができる。

以上、説明したように、本発明の半導体単結晶の製造方法であれば、径方向の面内抵抗率分布が制御された半導体単結晶を得ることができる。特には、大直径の単結晶の径方向の面内抵抗率分布の均一化を図ることができる。このことにより、当該結晶より製造されるウエーハの径方向面内での抵抗率の変動が低減され、更にはウエーハから素子を製造する際の歩留まり及び生産性が向上するため、結果として半導体単結晶供給安定性の向上も可能となる。

ＦＺ法による半導体単結晶を製造するための装置の一例を示す概略図である。 ＦＺ法による半導体単結晶の成長状態を示す模式図である。（Ａ）結晶中心を通り結晶成長軸と平行な面で切り取った結晶断面の模式図である。（Ｂ）結晶中心を通り結晶成長軸と垂直な面で切り取った結晶断面の模式図である。 本発明の半導体単結晶の製造方法の手順の一例を示したフロー図である。 予備試験における単結晶から取得した抵抗率分布を示すグラフである。（Ａ）結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布を示すグラフである。（Ｂ）直胴部の始点（Ｌ１）における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｃ）直胴部の中間点（Ｌ２）における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｄ）直胴部の終点（Ｌ３）における径方向の面内抵抗率分布である。 本試験における製品となる単結晶から取得した抵抗率分布を示すグラフである。（Ａ）結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布を示すグラフである。（Ｂ）直胴部の始点（Ｌ１）における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｃ）直胴部の中間点（Ｌ２）における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｄ）直胴部の終点（Ｌ３）における径方向の面内抵抗率分布である。 実施例の予備試験におけるシリコン単結晶から取得した抵抗率分布を示すグラフである。（Ａ）結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布を示すグラフである。（Ｂ）直胴部の０ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｃ）直胴部の３５０ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｄ）直胴部の７００ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。 実施例の本試験におけるシリコン単結晶から取得した抵抗率分布を示すグラフである。（Ａ）結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布を示すグラフである。（Ｂ）直胴部の０ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｃ）直胴部の３５０ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。（Ｄ）直胴部の７００ｍｍの位置における径方向の面内抵抗率分布である。

以下では、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者は、ＦＺ法による半導体単結晶（ＦＺ単結晶）の径方向の面内抵抗率のバラツキの低減を達成するため、ＦＺ単結晶の製造方法について鋭意調査を行った。具体的には、まず、ＦＺ単結晶を製造し、結晶内の結晶成長の状態、さらには抵抗率分布について調査した。
なお、以下ではシリコン単結晶を例に挙げて説明する。

図１にＦＺ法による半導体単結晶を製造するための装置の一例の概略を示す。ＦＺ単結晶製造装置１は、チャンバー２を有しており、該チャンバー２内には、回転可能な上軸３および下軸４が設けられている。該上軸３には原料棒５として所定の直径のシリコン棒が取り付けられ、また該下軸４には種結晶６が取り付けられる。またチャンバー２内には、原料棒５を溶融するための高周波コイル７や、ガスドーピングの際に、原料棒５が溶融された溶融帯域８にドーパントガスを噴出するためのドープノズル９が配置されている。

このようなＦＺ単結晶製造装置１を用いてＦＺ単結晶を製造するには、上軸３に取り付けた原料棒５の先端を高周波コイル７で溶融した後、下軸４に取り付けた種結晶６に融着させ、絞り１０により無転位化し、上軸３および下軸４を回転させながら下降させ、溶融帯域８を原料棒５に対して相対的に移動させながらシリコン単結晶１１を成長させる。この時、絞り後、所望の直径までシリコン単結晶１１の直径を徐々に拡大させてコーン部１２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１３を形成する。成長中に、ドープノズル９からドーパントガスを溶融帯域８に噴射してドーパントを供給し、所望の抵抗率を持つシリコン単結晶棒とする。溶融帯域８を原料棒５の上端まで移動させてシリコン単結晶１１の製造を終える。

このようにして得られたシリコン単結晶１１の結晶内の結晶成長の状態を調べた。
図２（Ａ）は、結晶中心を通り結晶成長軸と平行な面で切り取った結晶成長の状態を示す結晶断面の模式図である。原料棒５が溶融された溶融メルト１４が再結晶化してシリコン単結晶１１となる様子が示されており、溶融メルト１４とシリコン単結晶１１の境界には固液境界面１５が存在する。シリコン単結晶１１が成長するにつれて、固液境界面１５は相対的に上方へ移動する。

ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造においては、製造単結晶の径方向の温度勾配が大きく、図２（Ａ）に示す通り固液境界面１５は下に凸な形状となる。固液境界面１５において、結晶の周辺部と中心部との結晶成長軸方向における位置の差（固液境界面深さ１６）は、製造するシリコン単結晶１１の直径が大きくなるほど大きくなる。

この製造するシリコン単結晶１１の結晶部位による品質差異を無くすため、通常は単結晶製造中の状態をできるだけ一定に保つように製造条件が設定されており、固液境界面の形状は大きく変化することなく実質的に一定で推移する。
一方、製造したシリコン単結晶棒からウエーハを製造する場合は、結晶軸方位から指定方向、指定角度傾いた方位のウエーハを取得したい場合等の例外を除き、結晶成長軸方向に垂直（すなわち、結晶の径方向）に直線的に切断する（例えば、図２（Ａ）の点線Ｐ参照）。このため１枚のウエーハ表面は結晶成長時の固液境界面とは一致しない。すなわち、ウエーハの径方向の面内において各位置は同時に生成されたわけではなく、該ウエーハ全体は所定の時間（固液境界面深さ÷結晶成長速度）をかけて生成されたものである。

図２（Ｂ）は結晶成長軸と垂直な面で切り取った、ある位置・ある時点（図２（Ａ）の点線Ｐに示す部分）での結晶断面（径方向の断面）を示す。結晶断面で見たときの生成履歴を考えると、図２（Ｂ）の断面のように、周辺部から同心円状に内側に向かって徐々に凝固していき、最後に中心部が凝固するような履歴となっているはずである。これは切断後に製品仕様に応じてウエーハに研磨等の処理を行った後の表面についても同じことである。

ところで、面内抵抗率分布は以下の様なプロセスにより決定されると考えられる。
１． ＦＺ単結晶製造中は溶融帯域内にメルトの対流が発生するが、メルト対流はＦＺ製造条件毎に異なる。
２． メルト対流はメルト全体で一様ではなく、結晶径方向の位置により差異が存在する。
３． メルト中のドーパント濃度はマクロ的にはメルト全体で一様であるが、メルト対流の差異の影響で、固液境界面から結晶中に取り込まれるドーパント量にも差異が生ずる。
４． 固液境界面上においても径方向の各位置での抵抗率の差異があり、抵抗率分布（＝固液境界面内抵抗率分布）が生ずる。
５． ＦＺ単結晶製造中は継続してドーパントが供給されるため、メルト中のドーパント濃度が一定に保たれ、かつＦＺ製造条件も保たれるためメルト対流は実質的に不変であることから、結晶成長が進んでも固液境界面内抵抗率分布は軸方向では不変であり、結晶径方向の各位置における抵抗率も経時的変化は少なく、結晶成長軸方向ではほぼ同じ径方向分布を有したまま一定に保たれる。

このため、前記のように、例え結晶中のある部分の径方向の断面全体が同時に生成されておらず、面内の位置によって生成タイミングにズレが存在していたとしても、結晶径方向の各位置における抵抗率は、結晶成長軸方向で変動無く実質的に均一となり、面内抵抗率分布はバラツキを有したまま変化せず同じものが得られる。

ここで、本発明者は、結晶成長するにつれて供給するドーパント量を変化させることにより、面内抵抗率分布を変化させることに想到した。
結晶成長中に供給するドーパント量を変化させても、単結晶製造中の固液境界における面内抵抗率の分布形状自体はメルト対流が不変であるため変化しない。しかしながら、メルト中のドーパント濃度の変化及び抵抗率の変化が生ずるため、結晶径方向における各位置の成長軸方向に沿った抵抗率は、供給するドーパント量の変化の前後で変化する。後のウエーハ面となる単結晶成長軸に垂直な結晶断面は、同時にではなく所定の時間をかけて生成されるため、ある断面の一部を生成（凝固）中に、供給するドーパント量を変化させた場合、当該断面内のそれ以降生成される部分の抵抗率は、供給するドーパント量の変化に応じて変化する。よって実際に得られる当該断面の抵抗率分布は、供給するドーパント量の変化時の既生成部分が生成された時点で予想される面内抵抗率分布から変化する。

さらには、所定のＦＺ単結晶製造条件を用い、実際に製品となる単結晶を製造するに先立って、予め、その所定のＦＺ単結晶製造条件を用いて得られる単結晶における径方向の面内抵抗率分布を求めておく。そして、その分布に基づき、実際に製品となる単結晶を製造するときに供給するドーパント量を調節すれば、有効に面内抵抗率分布を変化させることができ、所望の分布に制御することが可能であることを本発明者は見出し、本発明を完成させた。

図３に、本発明の半導体単結晶の製造方法の具体的な手順の一例を示す。
なお、製造する半導体単結晶の種類は特に限定されず、以下に例として示すシリコン単結晶の他、適宜、所望の半導体単結晶を製造することができる。
また、結晶の直径のサイズ等も特に限定されない。特に直径が１５０ｍｍ以上、さらには２００ｍｍ以上の場合、従来では例えば径方向の面内抵抗率分布の均一化を図るのは困難であったが、本発明であれば均一に制御することも可能であり、より顕著に本発明の効果を発揮することができる。製造する単結晶の直径が大きくなるほど、固液境界面深さは増大し、また面内抵抗率バラツキ低減の必要性が高まるため、本発明の適用は特に大直径結晶の製造時に効果的である。
また、図１に示すＦＺ単結晶製造装置１を用いて製造する例について説明するが、これに限定されず、その都度適切なＦＺ単結晶製造装置を用いることが可能である。

（予備試験）
まず、後に実際に製品となるシリコン単結晶を製造するときと同様の製造条件（ただし、ガスドーピングの条件は除く）により、シリコン単結晶を製造する（単結晶の製造）。
このように、予備試験用のシリコン単結晶を製造するにあたり、製品となるシリコン単結晶を製造するときと同様の製造条件とすることで、当然、より有効な予備試験を行うことができ、最終的に、製品となるシリコン単結晶の径方向の面内抵抗率分布を一層精密に制御することが可能になるので好ましい。

シリコン単結晶の製造方法としては、上述したように、ＦＺ単結晶製造装置１を用い、上軸３に取り付けた原料棒５（シリコン多結晶棒）の先端を高周波コイル７で溶融した後、下軸４に取り付けた種結晶６に融着させ、絞り１０により無転位化し、上軸３および下軸４を回転させながら下降させ、溶融帯域８を原料棒５に対して相対的に移動させながらシリコン単結晶１１を成長させる。この時、絞り後、所望の直径までコーン部１２を形成し、さらに直胴部１３を形成する。溶融帯域８を原料棒５の上端まで移動させてシリコン単結晶１１の製造を終える。
成長中に、ドープノズル９からドーパントガスを溶融帯域８に噴射してドーパントを供給し、所望の抵抗率を持つシリコン単結晶棒とする。ここでは、簡単のため、ドーパントガスの噴射量および濃度は一定とするが特には限定されない。

次に、製造したシリコン単結晶１１について、径方向の面内抵抗率分布を取得する（製造した単結晶の径方向の面内抵抗率分布の取得）。
径方向の面内抵抗率分布の取得方法は、例えば、シリコン単結晶１１の直胴部１３からウエーハを切り出し、各ウエーハにおいて径方向の面内抵抗率分布を得る。これが、シリコン単結晶１１のウエーハを切り出した位置における径方向の面内抵抗率分布に該当する。そして、各ウエーハにおける面内抵抗率分布の情報を集積すれば、シリコン単結晶１１の直胴部１３全体の径方向の面内抵抗率分布を得ることができる。抵抗率の測定方法等は、既存の方法を用いれば良い。
なお、このとき固液境界面の形状についても取得する。固液境界面の形状により、例えば結晶の径方向の中心部と周辺部を比較してどちらが先に凝固して再結晶化されるのかを把握することができる。ただし、上述したように、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造では、一般に固液境界面は下に凸な形状となる。

このようにして取得した径方向の面内抵抗率分布の例を図４に示す。図４（Ａ）は、結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布（径方向の面内抵抗率分布の各平均を結晶成長軸方向に沿って示したもの）であり、図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、それぞれ直胴部１３の始点（Ｌ１）、中間点（Ｌ２）、終点（Ｌ３）における径方向の面内抵抗率分布である。

図４（Ａ）に示すように、この例では、直胴部１３の始めから終わりまでの、各径方向の面内における抵抗率の平均はほぼ一定である。すなわち、ドーパントのドープ量は終始ほぼ一定となっている。

また、図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、この例では、各Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の位置において、径方向の面内における抵抗率は、結晶の中心部では低く、周辺部では高くなっているため、下に凸の形状になっている。これは、上述したように、径方向の位置により差異が生じるメルト対流のため、固液境界面から結晶中に取り込まれるドーパントのドーパント量にも差異が生じているためと考えられる。

（本試験）
次に、実際に製品となるシリコン単結晶を製造する（製品となる単結晶の製造）。
このとき、予備試験で取得した単結晶の径方向の面内抵抗率分布（図４（Ｂ）〜（Ｄ）参照）に応じ、ガスドーピングの条件を調節することにより、ドーパントのドープ量を調節する。そしてこれによって、製品となるシリコン単結晶の径方向の面内抵抗率分布を所望のように制御する。

例えば、市場での要求に応じるため、径方向の面内抵抗率分布が均一なシリコン単結晶を製造するのであれば、図４（Ｂ）〜（Ｄ）のような下に凸の分布形状の上下幅を狭めるように、ドーパントのドープ量を調節する。
具体的には、図４（Ｂ）〜（Ｄ）の分布から、後から成長する径方向の中心の方が抵抗率が低いことから、この場合は、結晶成長するにつれてドーパントのドープ量を減少させ、結晶成長軸方向で抵抗率を上昇させながら製品となるシリコン単結晶の製造を行うのが効果的である。すなわち、先に凝固する周辺部の生成時よりも中心部の生成時の抵抗率を上げることにより、径方向の面内における抵抗率のバラツキを低減することができる。

なお、このときの結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布（径方向の面内抵抗率分布の各平均を結晶成長軸方向に沿って示したもの）を図５（Ａ）、直胴部１３の始点（Ｌ１）、中間点（Ｌ２）、終点（Ｌ３）における径方向の面内抵抗率分布を図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。

図４（Ｂ）〜（Ｄ）とは逆に、中心部の抵抗率が高く、周辺部の抵抗率が低い、上に凸の径方向の面内抵抗率分布が得られるシリコン単結晶の製造条件を用いる場合は、結晶成長するにつれてドーパントのドープ量を増加させ、抵抗率を結晶成長軸方向で低下させながら製品となるシリコン単結晶の製造を行うのが効果的である。

ガスドーピングによるドーパントのドープ量を調節するにあたっては、例えば、ドープノズル９から噴射するドーパントガスの噴射量や、濃度を調整することによって行うことができる。これらの調整方法であれば、簡単に結晶へのドーパントのドープ量を調節することが可能であり好ましい。この他、適切にドーパントのドープ量を調節することができる方法であれば、特に限定されず、適宜用いることができる。

なお、事前に取得した径方向の面内抵抗率分布に応じて、上記ドーパントのドープ量を調節するにあたっては、コンピュータ等を用いてドーパントガスの噴射量の変化等を計算し、ガスドーピングの条件を設定しパターン化しておくと良い。このようにすれば、より適正かつ簡便に、所望の抵抗率分布が得られるようにドープ量を調節することが可能である。

以上のようにして、シリコン単結晶、さらにはそれから切り出したウエーハの径方向の面内における抵抗率の変動（抵抗率の分布の上下幅）を最小限にするドーパントのドープ量の変化を求め、調節することが可能であるが、一方では結晶成長軸方向の抵抗率の変化は避けられない（図５（Ａ）参照）。

このため、結晶製造の際には、面内抵抗率の変動の程度の他、さらに所望とする抵抗率範囲、直胴部長さ等の条件を鑑みて、ドーパントのドープ量を調節して結晶成長軸方向における抵抗率の変化の度合を調整するのが好ましい。
特には、直胴部１３の全体にわたって、抵抗率が狙いの所定の範囲内（例えば規格内）に収めることができるように調節すれば（図５（Ａ）参照）、直胴部の全てを有効に利用することが可能になり、径方向の面内抵抗率分布が優れており、かつ歩留りおよび生産性高く素子を製造することができるシリコン単結晶を得ることができる。

以上のような本発明によって、径方向の面内抵抗率分布を所望のように制御することができ、目的（特には径方向の面内抵抗率分布の均一化）に一層適した半導体単結晶を得ることが可能である。そして、その結果、素子製造の歩留りおよび生産性を高めることができる。

以下、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。
（実施例）
本発明の半導体単結晶の製造方法を用いてＦＺシリコン単結晶を製造する。結晶直径１５０ｍｍ、直胴部長さ７００ｍｍ、導電型Ｎ型、狙い抵抗率範囲４５−７５Ωｃｍ（狙い中心値６０Ωｃｍ）のシリコン単結晶（直胴部長さが７００ｍｍ）の製造を行う。

まず、予備試験として、製造するシリコン単結晶の抵抗率が、結晶成長軸方向で一定となるようにガスドーピングの条件を調整した。そして、得られた単結晶の抵抗率分布について調査した。なお、固液境界面形状は下に凸であった。
図６（Ａ）はこの時のシリコン単結晶の結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布（径方向の面内抵抗率分布の各平均を結晶成長軸方向に沿って示したもの）を示す。また、図６（Ｂ）〜（Ｄ）はこの時の単結晶から切り出したウエーハの径方向の面内抵抗率分布である。図６（Ｂ）は単結晶直胴部の始点である０ｍｍの位置から、図６（Ｃ）は３５０ｍｍの位置から、図６（Ｄ）は終点である７００ｍｍの位置から、それぞれ切り出したウエーハの径方向の面内抵抗率分布を示す。

図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、この時の径方向の面内抵抗率分布は製造した単結晶全体にわたって、単結晶（ウエーハ）の中心部の抵抗率が低く周辺部の抵抗率が高い、下に凸のすり鉢状の分布形状となった。
ここで、ＲＲＧ＝（（ウエーハ面内の抵抗率最大値−ウエーハ面内の抵抗率最小値）／（ウエーハ面内の抵抗率最小値））×１００
と定義すると、この場合のＲＲＧ値は、単結晶直胴部の０ｍｍの位置で１０．５％、３５０ｍｍの位置で１１．８％、７００ｍｍの位置で１２．３％であった。また、単結晶直胴部全体において、ＲＲＧ値の最低値は１０．５％であった。このＲＲＧの値が大きいほど、径方向の面内における抵抗率の変動が大きい。

そこで、径方向の面内における抵抗率の変動が、予備試験用に製造した単結晶よりも低減されるように、図６の抵抗率の分布に基づいて、次に行う本試験の製品となる単結晶の製造において、実際に、結晶成長軸方向でガスドーピングの条件を変化させてドーパントのドープ量を調節した。すなわち、次に製造する製品となるシリコン単結晶の径方向の面内抵抗率分布がより均一になるように制御した。

より具体的には、元となる径方向の面内抵抗率分布（図６（Ｂ）〜（Ｄ）参照）は、中心部の抵抗率が低く周辺部の抵抗率が高い、下に凸形状であるため、結晶成長するにつれてドーパントガスの噴射量を低減していき、ドーパントのドープ量を減少するように調節した。また、狙い抵抗率範囲４５−７５Ωｃｍもさらに考慮し、結晶の直胴部全体がその範囲内で収まるようにドーパントのドープ量を調節した。
なお、ガスドーピングの条件以外は予備試験と同様の製造条件とした。
以上のような条件で、製品となるシリコン単結晶を製造し、抵抗率分布について調査した。

図７（Ａ）はこの時のシリコン単結晶の結晶成長軸方向に沿った抵抗率分布（径方向の面内抵抗率分布の各平均を結晶成長軸方向に沿って示したもの）を示す。また、図７（Ｂ）〜（Ｄ）はこの時の単結晶から切り出したウエーハの径方向の面内抵抗率分布である。図７（Ｂ）は単結晶直胴部の始点である０ｍｍの位置から、図７（Ｃ）は３５０ｍｍの位置から、図７（Ｄ）は終点である７００ｍｍの位置から、それぞれ切り出したウエーハの径方向の面内抵抗率分布を示す。
また、表１に、結晶成長軸方向における抵抗率上昇率を示す。

まず、図７（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、得られたウエーハの径方向の面内抵抗率分布は、依然として中心部の抵抗率が周辺部の抵抗率より低い、下に凸の分布形状ではあるが、図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示す予備試験における抵抗率の分布形状と比較すると抵抗率のバラツキは格段に小さくなり、目標としていたように、径方向の面内抵抗率分布の形状をより均一になるようにすることができたことがわかる。ＲＲＧ値を計算すると、結晶成長軸方向の抵抗率の上昇率が最も大きい単結晶直胴部の０ｍｍの位置で４．７％、結晶成長軸方向の抵抗率の上昇率が小さい３５０ｍｍ、７００ｍｍの位置でそれぞれ６．０％、５．５％であった。したがって、予備試験における単結晶と本試験における単結晶のＲＲＧ値の変化に関して、単結晶直胴部から０ｍｍの位置では−５．８％（４．７％−１０．５％）、３５０ｍｍの位置では−５．８％（６．０％−１１．８％）、７００ｍｍの位置では−６．８％（５．５％−１２．３％）であり全て減少させることができた。
なお、全体的には、結晶成長軸方向の抵抗率の上昇率が大きい方が、よりＲＲＧ値の減少の程度が大きくなる傾向があった。

また、本試験での単結晶直胴部全体において、ＲＲＧ値の最高値は６．０％であった。すなわち、直胴部全体にわたって予備試験時の値（最低値１０．５％）よりも小さくすることができ、直胴部全体にわたって径方向の面内の抵抗率の変動を低減することができた。
さらには、直胴部全体を、狙い抵抗率範囲４５−７５Ωｃｍに収めることができた。

すなわち、径方向の面内抵抗率分布がより均一であり、品質面でより優れているとともに、直胴部全体が、所望の抵抗率の範囲内に収まっていて全て利用可能なシリコン単結晶を得ることができた。

（比較例）
従来の半導体単結晶の製造方法を用いてＦＺシリコン単結晶を製造する。結晶直径１５０ｍｍ、結晶長さ７００ｍｍ、導電型Ｎ型、狙い抵抗率範囲４５−７５Ωｃｍ（狙い中心値６０Ωｃｍ）のシリコン単結晶の製造を行う。

実施例の予備試験と同様の製造条件でシリコン単結晶の製造を行った。そして、得られた単結晶の抵抗率分布について調査した。なお、固液境界面形状は下に凸であった。
その結果、図６と同様の結果が得られた。ＲＲＧ値も同様の値であった。

以上のように、従来法による比較例では、直胴部全体が狙い抵抗率範囲内であるものの（図６（Ａ）参照）、結晶成長軸方向の各位置における径方向の面内抵抗率分布を見ると、抵抗率の変動が比較的大きくなってしまう（図６（Ｂ）〜（Ｄ）参照）。一方、本発明の製造方法を用いれば、実施例のように所望のように径方向の面内抵抗率の分布を制御することができ、特にはその均一化を図ることが可能であり、実際に、結晶成長軸方向の各位置における径方向の面内の抵抗率の変動を比較例に比べて格段に小さくすることができる（図７参照）。しかも、同時に、直胴部全体を狙い抵抗率範囲内に収めることもできる。

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…ＦＺ単結晶製造装置、 ２…チャンバー、 ３…上軸、 ４…下軸、
５…原料棒、 ６…種結晶、 ７…高周波コイル、 ８…溶融帯域、
９…ドープノズル、 １０…絞り、 １１…シリコン単結晶、
１２…コーン部、 １３…直胴部、 １４…溶融メルト、
１５…固液境界面、 １６…固液境界面深さ。

Claims (4)

1. 少なくともドーパントガスを溶融帯域に噴出して半導体結晶にドーパントをドープし所望の抵抗率にするガスドーピングを使用したＦＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
   少なくとも、予め前記半導体単結晶を製造して該半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を取得し、製品となる半導体単結晶を製造するとき、直胴部を形成中に、該製品となる半導体単結晶への前記ガスドーピングによるドーパントのドープ量を、前記予め取得した径方向の面内抵抗率分布に応じて調節し、製品となる半導体単結晶の径方向の面内抵抗率分布を制御するにあたって、
   前記予め取得した径方向の面内抵抗率分布が、
   前記半導体単結晶の中心部における抵抗率が低く周辺部における抵抗率が高い、下に凸の形状の分布の場合、前記製品となる半導体単結晶が結晶成長するにつれて、ドーパントのドープ量を減少するように調節して抵抗率を上昇させ、
   前記半導体単結晶の中心部における抵抗率が高く周辺部における抵抗率が低い、上に凸の形状の分布の場合、前記製品となる半導体単結晶が結晶成長するにつれて、ドーパントのドープ量を増加するように調節して抵抗率を低下させることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
2. 前記製品となる半導体単結晶の直径を１５０ｍｍ以上と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。
3. 前記製品となる半導体単結晶へのドーパントのドープ量の調節を、溶融帯域へ噴射するドーパントガスの噴射量および／または濃度を調整することにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
4. 前記製品となる半導体単結晶へのドーパントのドープ量の調節を、さらに、直胴部全体にわたって所定の範囲の抵抗率を有するように行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体単結晶の製造方法。

Images