JP6756244B2 - 半導体シリコン単結晶の製造方法 - 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）による半導体シリコン単結晶（以下、ＦＺシリコン単結晶と言う場合もある）の製造方法に関する。

ＦＺ法は、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等の半導体単結晶の製造方法の一つとして、使用される。

図９はＦＺ法によるＦＺシリコン単結晶の製造方法における各製造工程の一例を説明する概略図である。図９に示すように、原料となる半導体棒（原料棒）１０４の下端部を溶融して種結晶１０５に融着させ（（ａ）種付工程）、更にこの種付の際に結晶に生じた転位を抜くための絞り（ネッキング）を行い（（ｂ）ネッキング工程）、その後に晶出側半導体棒（半導体単結晶棒）１０９を所望の直径まで拡大させながら成長させる（（ｃ）コーン部形成工程）。更に、晶出側半導体棒１０９を所望の直径に制御しつつ成長を行い（（ｄ）直胴部形成工程）、原料の供給を止め、晶出側半導体棒１０９の直径を縮小させて該晶出側半導体棒１０９を原料半導体棒１０４から切り離す（（ｅ）切り離し工程）。以上のような工程を経て、半導体結晶（ＦＺシリコン単結晶）を製造することができる。

通常、半導体シリコン単結晶に所望の電気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域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）。

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。シリコン単結晶の電気抵抗率は、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、電気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。

所望の電気抵抗率の半導体シリコン単結晶を得るためには、原料の電気抵抗率と所望の電気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、所望の電気抵抗率を持つＦＺシリコン単結晶を得ることができる。

ＦＺ法ではシリコン融液は浮遊帯域であり、炉内雰囲気以外には他のいずれの部材とも接触することなく製造されるため、ＦＺ法により製造されるＦＺシリコン単結晶の不純物濃度は極めて低く高純度であることが特徴である。

例えば、石英坩堝を用いてシリコン単結晶を製造するＣＺ法（チョクラルスキー法）では、シリコン融液と坩堝のＳｉＯ_２との反応によりＳｉＯが生成されてシリコン融液に酸素が溶け込むため、製造されるＣＺシリコン単結晶には酸素が混入して高酸素濃度となるが、これに対しＦＺシリコン単結晶は極めて酸素濃度が低くなる。高純度ポリシリコン棒に比べて酸素濃度が高いＣＺシリコン結晶棒を原料として使用したＦＺ法の場合でも、通常はその酸素濃度は可能な限り低いことが求められる。

一方で、ＦＺシリコンウェーハにもＣＺシリコンウェーハ同様のイントリンシックゲッタリング効果或いはスリップ耐性を付与するために、ＦＺシリコン単結晶製造中にシリコン融液に高純度石英のような酸素供給物を接触もしくは挿入させて、シリコン融液に酸素をドープすることによりＣＺシリコン単結晶並みの酸素濃度であるＦＺシリコン単結晶を取得する方法（例えば特許文献１、２、３）や、ＦＺシリコン単結晶の周辺部のみ酸素濃度をＣＺシリコン単結晶並みにすることで機械的強度を上げる方法（例えば特許文献４）が提案されている。

また、特許文献５には、炉内雰囲気の酸素分圧を高圧にすることによりメルトの温度変動を変化させ、酸素濃度バラツキを均一にするという方法が開示されている。また、特許文献６には不純物、例えば酸素を多く含む原料を準備し、取得するＦＺシリコン単結晶が所望の酸素濃度となるような成長条件に決定し導入量を制御する方法が開示されている。

特開昭５９−１０２８９１号公報 特開平０２−１９７１１８号公報 特許第２８０７６８８号公報 特開平０７−２９１７８３号公報 特開２０００−３３５９９５号公報 特開２０１５−１６０８００号公報

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

近年、省エネルギーの面からパワーデバイスが脚光を浴びているが、サイリスタ、ダイオード、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで、Ｈｅ照射や電子線照射を行って格子欠陥を導入しキャリアライフタイムを制御する技術を使用したデバイスがある。このようなデバイスの製造に用いられる半導体ウェーハにおいては、その酸素濃度をある程度高くすることで、比較的簡単に所望の格子欠陥量に制御することができる。

このようなスイッチングデバイスに用いられるシリコンウェーハの原料となるＦＺ法による半導体シリコン単結晶は、高純度ポリシリコン棒或いはＣＺ法により製造されたＣＺシリコン結晶棒を原料として製造されるものである。これらの半導体シリコン単結晶の酸素濃度は、高純度ポリシリコン棒を原料とした場合では５．６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より小さくなり、またＣＺシリコン結晶を原料として使用した場合では１．４×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１．９×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といずれも低いレベルである。一方、ＣＺ法による半導体シリコン単結晶の場合は、その酸素濃度は１．６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上と高いレベルである。デバイス特性を更に高めようとすると、材料であるシリコンウェーハの酸素濃度を、前記のＦＺ法による半導体シリコン単結晶とＣＺ法による半導体シリコン単結晶の間のレベルである程度狭い範囲に収めることが望ましく、実質的にはＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を前記で述べた従来のレベルよりも高める必要がある。

また、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を高めることについては、ＣＺシリコン単結晶と同等の酸素濃度まで高める目的で製造されることはあっても、所定の範囲に酸素濃度を収めるという目的で製造されることは無かった。

そこで、所望の酸素濃度であるＦＺ法による半導体シリコン単結晶を製造しようとした時に、先行文献の方法はいずれも、酸素濃度の低い半導体シリコン単結晶に対してＦＺ中に何らかの形で外部から酸素を追加するという手法により行う。この場合、半導体シリコン単結晶の酸素濃度はＣＺシリコン単結晶並みのかなりの高濃度となる。更に、近年のＦＺ法による大直径半導体シリコン単結晶製造（例えば２００ｍｍ）において、このような手法を適用した場合、半導体シリコン単結晶の取得自体が困難になる、酸素濃度以外の品質（例えば面内抵抗率分布）が悪化する、などの不具合が出ることが確実であり、結晶取得可能でより簡単・確実な方法での所望品質のＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造が望まれている。

このような場合、ＣＺシリコン結晶を原料としてＦＺ法によるシリコン単結晶を製造する方法を用い、その際に半導体シリコン単結晶が所望の酸素濃度となるようなＣＺシリコン結晶を予め準備し、従来通りの製造条件で半導体シリコン単結晶製造を行うことで、半導体シリコン単結晶の生産性を損なうことなく所望の品質を得ることがある程度は可能である。この場合原料に要求される酸素濃度は所望とする半導体シリコン単結晶の酸素濃度の５０倍以上となる。

しかしながら、半導体シリコン単結晶はその成長方向に直行する断面、すなわちウェーハ面内において酸素濃度が完全に均一ではなく分布を持つものである。更に、原料となるＣＺシリコン結晶においてもその酸素濃度は結晶全体で均一というわけではなく、成長方向に酸素濃度分布が生じている。このため、製造する半導体シリコン単結晶全体が所望とする酸素濃度範囲に収まるようにするためには断面内及び成長方向の酸素濃度分布を考慮する必要があり、特に要求される酸素濃度範囲が小さくなる場合には、品質不適合な部分が生じてしまう可能性が高くなるため、工夫が必要となる。

また、要求される酸素濃度範囲が、ある程度の変動が許容される程度に広く、品質不適合な部分が生ずることが無くても、同一結晶内の各部分により酸素濃度レベルに差があれば、サーマルドナー発生の程度も変化するなど品質差に繋がり、半導体デバイス製造時の歩留に影響を与える可能性がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造において、製造する半導体シリコン単結晶全体で酸素濃度が所望とする範囲に収まるような、半導体シリコン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、本発明によれば、ＣＺ法により製造したＣＺシリコン結晶を原料としたＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造方法において、
前記ＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度を予め測定して酸素濃度分布を取得する工程と、
前記ＣＺシリコン結晶を原料として用い、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により前記半導体シリコン単結晶を製造する工程とを有することを特徴とするＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造方法を提供する。

このように、予め取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を製造することにより、製造するＦＺ半導体シリコン単結晶全体で酸素濃度が所望とする範囲に収まるように制御することができる。

このとき、前記製造条件は結晶成長速度、炉内圧力、炉内雰囲気ガス流量のうち一つ以上とすることが好ましい。

これらの製造条件を調整することで、より円滑にＦＺ法による半導体シリコン単結晶全体の酸素濃度をより均一に近づけることができる。

またこのとき、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記結晶成長速度に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記結晶成長速度が速くなるように製造条件を変更することが好ましい。

このように、予め取得した原料の酸素濃度分布の大小に合わせて、それを打ち消すように結晶成長速度の製造条件に変化を与えながら結晶製造することにより、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を成長方向で均一に近づけて、結晶全体で所望の酸素濃度範囲に制御することがより確実にできる。

またこのとき、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記炉内圧力に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記炉内圧力が高くなるように製造条件を変更することが好ましい。

このように、予め取得した原料の酸素濃度分布の大小に合わせて、それを打ち消すように炉内圧力の製造条件に変化を与えながら結晶製造することにより、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を成長方向で均一に近づけて、結晶全体で所望の酸素濃度範囲に制御することがより確実にできる。

またこのとき、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記炉内雰囲気ガス流量に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記炉内雰囲気ガス流量が少なくなるように製造条件を変更することが好ましい。

このように、予め取得した原料の酸素濃度分布の大小に合わせて、それを打ち消すように炉内雰囲気ガス流量の製造条件に変化を与えながら結晶製造することにより、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を成長方向で均一に近づけて、結晶全体で所望の酸素濃度範囲に制御することがより確実にできる。

またこのとき、前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることが好ましい。

このような大直径単結晶の製造においても、本発明では確実に酸素濃度が均一な単結晶を取得することが可能となる。

またこのとき、所望とする前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の酸素濃度の５０倍以上の酸素濃度を有する前記ＣＺシリコン結晶を原料として用いることが好ましい。

このようにすれば、高品質なＦＺ単結晶を取得するための製造条件で、所望とする酸素濃度範囲の半導体シリコン単結晶を得ることができ、ＦＺ法の製造条件を大幅に変更するような制約を設けることがない。

またこのとき、前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が２．１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは、４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲であることが好ましい。なお、本発明において用いる酸素濃度は、ＡＳＴＭ’７９に基づくものである。

このようにすれば、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で酸素濃度が、従来のＦＺ法による半導体シリコン単結晶より高いレベルで、かつ所定の狭い範囲内に収まる半導体シリコン単結晶を製造することができる。

本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法であれば、予め取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を製造することにより、製造するＦＺ半導体シリコン単結晶全体で酸素濃度が所望とする範囲に収まるように制御することができる。これにより半導体シリコン単結晶全体においてデバイス製造時に要求される品質を満たすことができるため、当該結晶の品質および生産性が向上するとともに、安定するため、製品の安定供給が可能となる。

本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法の一例を示した工程図である。 本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法に用いられる半導体シリコン単結晶製造装置を示す概略図である。 半導体シリコン単結晶の断面内の酸素濃度分布の一例を示すグラフである。 ＣＺシリコン原料結晶の軸方向の酸素濃度分布の一例を示すグラフである。 不純物導入率（ＦＺ結晶中酸素濃度／原料中酸素濃度）と数値Ｋとの関係を表すグラフである。 実施例において、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて変更した結晶成長速度を示したグラフである。 実施例において製造したＦＺシリコン単結晶の軸方向の酸素濃度分布を示したグラフである。 比較例において製造したＦＺシリコン単結晶の軸方向の酸素濃度分布を示したグラフである。 ＦＺ法による半導体単結晶の製造方法における各製造工程の一例を説明する概略図である。

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。

前述のように、従来、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶に求められる品質としては高純度化、すなわちできるだけ不純物濃度は低くすることが望ましく、またそれがＦＺ法による半導体シリコン単結晶の特徴の一つでもあった。

しかしながら、ＦＺ法による半導体シリコンウェーハから製造されるデバイスの製造方法によっては、ある程度の不純物、例えば酸素が半導体シリコン単結晶に一定量含有していた方が好ましい場合があり、本発明者らは前記のような問題に対処すべく鋭意・検討を行った。その結果、予め取得した原料のＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を製造することにより、製造する半導体シリコン単結晶全体で酸素濃度が所望とする範囲に収まるように制御することができることを見出した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

まず、本発明の半導体シリコン単結晶の製造を行うことができる半導体シリコン単結晶製造装置の一例について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、半導体シリコン単結晶製造装置１０のチャンバー１１内には上軸１２及び下軸１３が設けられている。上軸１２には原料半導体棒（ＣＺシリコン結晶１４）として所定の直径のＣＺシリコン結晶１４が、下軸１３には種結晶１５が取り付けられるようになっている。

さらに、ＣＺシリコン結晶１４を溶融する高周波加熱コイル１６を備え、溶融帯域１８をＣＺシリコン結晶１４に対して相対的に移動させながら晶出半導体棒（半導体シリコン単結晶１９）を成長させることができる。また、成長中に、ドープノズル２０（ドーパントガス供給手段）からドーパントガスを供給できるようになっている。

次に、本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法について図１を参照して説明する。以下では、上記した図２の半導体シリコン単結晶製造装置を用いる場合について説明する。

まず、原料として、ＣＺ法により製造したＣＺシリコン結晶を準備する。そして、ＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度を予め測定して酸素濃度分布を取得する工程を行う（図１のＳＰ１）。

ここで、所望とするＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の酸素濃度の５０倍以上の酸素濃度を有するＣＺシリコン結晶を原料として用いることが好ましい。このようにすれば、例え、ＦＺ中に酸素が飛散して低酸素となったとしても、高品質なＦＺ単結晶を取得するための製造条件で、所望とする酸素濃度範囲の半導体シリコン結晶を得ることができ、製造条件を大幅に変更するような制約を設けることがない。

またこのとき、上記所望とする酸素濃度は、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が２．１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは、４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲であることが好ましい。なお、本発明において用いる酸素濃度は、ＡＳＴＭ’７９に基づくものである。

このように、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で酸素濃度が、従来のＦＺ法による半導体シリコン単結晶より高いレベルで、かつ所定の狭い範囲内に収まる半導体シリコン単結晶を製造することができる。

次に、ＣＺシリコン結晶を原料として用い、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を製造する工程を行う（図１のＳＰ２）。

このとき、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることが好ましい。本発明では、このような大直径単結晶の製造においても確実に所望の酸素濃度範囲の単結晶を取得することが可能となる。

まず、上軸１２には原料半導体棒として、上記のように予め軸方向の酸素濃度を測定したＣＺシリコン結晶１４を取り付ける。また、下軸１３には種結晶１５を取り付ける。

そして、ＣＺシリコン結晶１４を高周波加熱コイル１６等で溶融した後、種結晶１５に融着させる。種結晶から成長させる晶出側半導体棒（半導体シリコン単結晶１９）を絞り１７により無転位化し、両軸を回転させながら高周波加熱コイル１６に対して相対的に下降させ、溶融帯域１８をＣＺシリコン結晶１４に対して相対的に上へと移動させながら半導体シリコン単結晶１９を成長させる。

絞り１７を形成した後、種結晶１５から成長させる半導体シリコン単結晶１９を所望の直径まで拡径させながら成長させてコーン部２２を形成し、ＣＺシリコン結晶１４と半導体シリコン単結晶１９との間に溶融帯域１８を形成して、原料結晶の直径に応じて上軸の下降速度を調整しつつ、半導体シリコン単結晶１９を所望の直径に制御しながら成長させて、直胴部２１を形成する。このとき、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更する。

そして、溶融帯域１８をＣＺシリコン結晶１４の上端まで移動させて半導体シリコン単結晶１９の直胴部２１の成長を終え、半導体シリコン単結晶１９の直径を縮径させて該半導体シリコン単結晶１９をＣＺシリコン結晶１４から切り離して、半導体シリコン単結晶の製造を終了する。

ここで、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて変更する製造条件は、結晶成長速度、炉内圧力、炉内雰囲気ガス流量のうち一つ以上とすることが好ましい。これらの製造条件を調整することで、より円滑にＦＺ法による半導体シリコン単結晶全体の酸素濃度をより均一に近づけることができる。

以下にこれらの製造条件（結晶成長速度、炉内圧力、炉内雰囲気ガス流量）を調整することで、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の酸素濃度分布を改善できることについて説明する。

ＦＺ法により製造する半導体シリコン単結晶に導入される酸素は、ＣＺ原料中の含有酸素がメルト（図２中の溶融帯域１８）に供給され、メルトから蒸発する分を除いた量がＦＺ単結晶に導入されるものと考えられ、実際に単結晶に導入される酸素量を決定するのはその時々のメルト内酸素濃度、特に凝固界面近傍の酸素濃度であると考えられる。メルト中の酸素は炉内雰囲気と接するメルト表面から蒸発するため、メルト表面近傍ではメルト内酸素濃度は低くなる。このため結晶直径方向での凝固界面近傍のメルト内酸素濃度分布は、メルト表面に近い結晶外周側は低くなり、結晶中央は高くなる。よって、半導体シリコン単結晶の断面方向の酸素濃度も一様にはならず、メルト内酸素濃度分布と同様の傾向となる。図３に半導体シリコン単結晶の断面内酸素濃度分布の一例を示す。

更に、メルトに供給される酸素はＣＺ原料中の含有酸素であるため、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶成長中の各時点で溶融する原料の酸素濃度によって供給される酸素量は変化する。すなわち、原料として使用するＣＺシリコン結晶の軸方向（長手方向）の酸素濃度変化が、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の成長方向（軸方向）の酸素濃度変化に影響する。

前記のように、製造する半導体シリコン単結晶全体で考えた場合、結晶のどの部分でもその酸素濃度が完全に均一とは言い難く、断面内及び結晶成長方向の酸素濃度の変化によりある程度の酸素濃度範囲を持つことになる。このため、結晶全体を所望の酸素濃度範囲に収める場合、断面内の酸素濃度変化及び／又は結晶成長方向の酸素濃度変化を小さくする必要がある。

しかしながら、半導体シリコン単結晶断面内の酸素濃度変化を均一にすることはその成長原理上難しく、結晶が断面内酸素濃度分布を持つことは避けられないと考えられる。このため、結晶成長方向の酸素濃度変動を抑える必要があるが、そのための一つの方法として原料となるＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度変動を抑えることが考えられる。ところが、特に従来のレベルよりも高い酸素濃度となる半導体シリコン単結晶を取得しようとする時には原料となるＣＺシリコン結晶もより高酸素濃度にする必要があり、このような場合、ＣＺシリコン結晶の長手方向の酸素濃度変化を抑えることも難しい。

よって、原料となるＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度の変化も避けられないものとして、原料中の酸素濃度変化に応じて製造条件の調整を行いながら、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を成長させることで、取得するＦＺシリコン単結晶の酸素濃度を軸方向の全体で、所望の範囲内に収めることを実現する。

そこで、上記したように、予め原料となるＣＺシリコン結晶の酸素濃度を測定し（ＳＰ１）、長手方向の変化を確認しておく。図４に典型的なＣＺシリコン原料結晶の軸方向の酸素濃度分布の一例を示す。例えば図４のような酸素濃度分布を持つ原料を用いた場合、半導体シリコン単結晶の成長とともにメルトに供給される酸素量が減少するため、通常では、取得するＦＺ半導体シリコン単結晶の酸素濃度は成長初期の方が高く、終盤の方が低くなる。すなわち、半導体シリコン単結晶の成長方向酸素濃度分布はＣＺシリコン原料結晶の軸方向の酸素濃度分布の傾向と同様となる。

ここで、実際に半導体シリコン単結晶に導入される酸素量は、蒸発により大半は除去されてしまうためにメルトに供給される酸素量よりも少なくなる。

半導体シリコン単結晶成長中のメルトからの酸素蒸発量は、メルト滞留時間、メルト表面積と比例し、炉内圧力と相反する関係にある。更に、炉内雰囲気である不活性ガスの流量（炉内雰囲気ガス流量）の調整により、酸素蒸発量を調整することも可能であり、酸素蒸発量は炉内雰囲気ガス流量とは相関する関係にある。よって、原料酸素濃度を分母とし、ＦＺシリコン単結晶酸素濃度を分子とした酸素導入率は、（メルト滞留時間）×（メルト表面積）×（炉内ガス流量）／（炉内圧力）という関係で求められる数値Ｋでコントロールできる。

図５は半導体シリコン単結晶製造における数値Ｋと、原料結晶と半導体シリコン単結晶の酸素濃度比（酸素導入率）との関係を示す。メルト滞留時間は直胴時の溶融メルト量と結晶単位時間内の原料溶融量（結晶成長量）から算出し、メルト表面積は製造結晶断面積を近似的に用いた。図５に示すように、数値Ｋと酸素導入率は逆相関の関係となる。

予め測定しておいた原料酸素濃度変化、すなわちＦＺ結晶成長各時点の供給酸素濃度変化と数値Ｋにより、取得する半導体シリコン単結晶の成長方向の酸素濃度変化範囲が推定できる。

このときに結晶断面内の酸素濃度の変化量（ＲＯＧ、Ｒａｄｉａｌ Ｏｘｙｇｅｎ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｇｒａｄｉｅｎｔ）を考慮して、取得する半導体シリコン単結晶の所望とする酸素濃度範囲と比較して、その範囲に収まるようであればそのまま従来通り結晶製造を行えばよいが、そうでない場合は結晶成長中に製造条件の変更を行うことにより原料の酸素濃度変化を相殺するような操作を行う。

すなわち、酸素導入率に関わる数値Ｋの構成要素の中で、メルト対流時間に関わるパラメータである結晶成長速度、及び／または炉内圧力、及び／または炉内雰囲気ガス流量を、結晶成長中に変化させながらＦＺシリコン単結晶を製造することによって、ＦＺシリコン単結晶の成長方向の酸素濃度変動を低減させることができる。

このとき、結晶成長速度、炉内圧力については原料酸素濃度の増減に対して逆方向の動きで変化させることにより、炉内ガス流量については原料酸素濃度の増減に対して順方向の動きで変化させることにより、ＦＺシリコン単結晶の成長方向の酸素濃度変動を低減し、結晶全体の酸素濃度変化を断面内酸素濃度変化範囲まで抑えることができる。

より具体的には、結晶成長速度については、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が高い位置における結晶成長速度に比べて、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が低い位置における結晶成長速度が速くなるように製造条件を変更することが好ましい。

また、炉内圧力については、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が高い位置における炉内圧力に比べて、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が低い位置における炉内圧力が高くなるように製造条件を変更することが好ましい。

また、炉内雰囲気ガス流量については、取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が高い位置における炉内雰囲気ガス流量に比べて、ＣＺシリコン結晶の酸素濃度が低い位置における炉内雰囲気ガス流量が少なくなるように製造条件を変更することが好ましい。

このように、予め取得した原料の酸素濃度分布の大小に合わせて、それを打ち消すように結晶成長速度、炉内圧力、炉内雰囲気ガス流量のうち一つ以上の製造条件に変化を与えながら結晶製造することにより、ＦＺ法による半導体シリコン単結晶の酸素濃度を成長方向で均一に近づけて、結晶全体で所望の酸素濃度範囲に制御することがより確実にできる。

以上のような本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法であれば、予め取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により半導体シリコン単結晶を製造することにより、製造するＦＺ半導体シリコン単結晶全体で酸素濃度が所望とする範囲に収まるように制御することができる。これにより半導体シリコン単結晶全体においてデバイス製造時に要求される品質を満たすことができるため、当該結晶の生産性が向上、かつ安定し製品の安定供給が可能となる。

また、ＣＺシリコン結晶を原料として用いたＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造方法において、製造された半導体シリコン単結晶断面における酸素濃度分布を考慮しても、結晶全体で所定の酸素濃度範囲となる半導体シリコン単結晶を製造することができる。例えば、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が２．１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは、４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲にすることができる。

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。

（実施例）
本発明の半導体シリコン単結晶の製造方法により、ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜５．３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲に収まるように、結晶直径２００ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。

まず、原料としてＣＺシリコン結晶を準備し、このＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度を予め測定して酸素濃度分布を取得した。このときの、予め測定した長手方向の酸素濃度変化は図４の通りであった。

次に、図４に示す原料の酸素濃度変化から、結晶成長方向の酸素濃度変化を抑えるために必要な、原料の供給タイミングに応じた結晶成長速度の変化を計算した。図６は直胴開始時の結晶成長速度を１．０として結晶成長中の成長速度の変化割合を示したものである。結晶直胴部製造時に図６のように、酸素濃度が高い位置の結晶成長速度に比べて、酸素濃度が低い位置の結晶成長速度が速くなるように結晶成長速度を変化させながらＦＺシリコン単結晶製造を行った。

取得した結晶を任意の間隔でサンプリングし各位置で酸素濃度を測定した結果、図７に示すような酸素濃度範囲となった。図７に示すように、ＦＺ法により製造した半導体シリコン単結晶全体での酸素濃度の最大値は５．３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、最小値は４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となり、全体が所望とする酸素濃度範囲に収まるような結晶が取得できた。

（比較例）
実施例で使用した原料と長手方向の酸素濃度変化がほぼ同等のＣＺシリコン結晶を原料として用い、実施例のような製造条件の変更を行わずに、直胴中の製造条件を一定として製造したこと以外は、実施例と同条件で、結晶直径２００ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を行った。この時の、メルト滞留時間、メルト表面積、炉内圧力から算出したＫの値は１８．６であった。（この場合、ＦＺシリコン単結晶／原料棒の酸素導入率は２．７％と計算された）

比較例の結晶製造により取得した結晶から任意の間隔でサンプリングし各位置で酸素濃度を測定した結果、図８に示すような酸素濃度範囲となった。結晶全体での酸素濃度の最大値は５．３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、最小値は３．５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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。

１０…半導体シリコン単結晶製造装置、 １１…チャンバー、 １２…上軸、
１３…下軸、 １４…ＣＺシリコン結晶、 １５…種結晶、
１６…高周波加熱コイル、 １７…絞り、 １８…溶融帯域、
１９…半導体シリコン単結晶、 ２０…ドープノズル、 ２１…直胴部、
２２…コーン部。

Claims (5)

1. ＣＺ法により製造したＣＺシリコン結晶を原料としたＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造方法において、
   前記ＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度を予め測定して酸素濃度分布を取得する工程と、
   前記ＣＺシリコン結晶を原料として用い、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布に応じて製造条件を変更して、ＦＺ法により前記半導体シリコン単結晶を製造する工程とを有し、
   前記製造条件は結晶成長速度、炉内圧力、炉内雰囲気ガス流量のうち一つ以上とし、
   変更する前記製造条件が前記結晶成長速度である場合、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記結晶成長速度に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記結晶成長速度が速くなるように製造条件を変更し、
   変更する前記製造条件が前記炉内圧力である場合、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記炉内圧力に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記炉内圧力が高くなるように製造条件を変更し、
   変更する前記製造条件が前記炉内雰囲気ガス流量である場合、前記取得したＣＺシリコン結晶の軸方向の酸素濃度分布における、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が高い位置における前記炉内雰囲気ガス流量に比べて、前記ＣＺシリコン結晶の前記酸素濃度が低い位置における前記炉内雰囲気ガス流量が少なくなるように製造条件を変更することを特徴とするＦＺ法による半導体シリコン単結晶の製造方法。
2. 前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の直径を１５０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体シリコン単結晶の製造方法。
3. 所望とする前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の酸素濃度の５０倍以上の酸素濃度を有する前記ＣＺシリコン結晶を原料として用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体シリコン単結晶の製造方法。
4. 前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が２．１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲である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シリコン単結晶の製造方法。
5. 前記ＦＺ法で製造する半導体シリコン単結晶の軸方向の全体で、酸素濃度が４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の半導体シリコン単結晶の製造方法。

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