JP6954088B2

JP6954088B2 - シリコン単結晶の製造方法

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Publication number: JP6954088B2
Application number: JP2017242866A
Authority: JP
Inventors: 優作鈴木
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: CN110004491A; JP2019108248A; CN110004491B

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関する。

ＦＺ（Floating Zone）法は、高抵抗率の多結晶の原料素材を溶融させ、その溶融帯域にリン（ＰＨ_３）、ホウ素（Ｂ_２Ｈ_６）等を含むドープガスを吹き付け、電気抵抗率を制御することにより、シリコン単結晶を育成する。シリコン単結晶の電気抵抗率を制御するには、ホットゾーンの種々の条件を考慮しながら、育成制御を行う必要がある。
このため、特許文献１には、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、シリコン単結晶の育成中に、ネック直径、メルト直径、ゾーン長、結晶温度、上軸速度等の電気抵抗率に影響をする複数のパラメータを測定しながら、シリコン単結晶を育成する技術が開示されている。

特開２０１５−１０１５２１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、シリコン単結晶の育成中に、様々なパラメータの測定を行い、測定結果を多変量解析により解析し、解析結果に基づいて次回の育成におけるドーパント供給量を調整しなければならない。したがって、様々なパラメータの測定や、多変量解析等の複雑な処理を行わなければならず、ＦＺ法における育成条件の設定の煩雑化を招くという課題がある。

本発明の目的は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の育成において、シリコン単結晶に所望の電気抵抗率を付与するにあたって、複雑な処理を行うことなく、ドープガスの供給量を適切に求めることのできるシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、溶融帯域にドープガスを吹き付けながら、電気抵抗率を制御するＦＺ（Floating Zone）法により、シリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、所定の育成装置によるシリコン単結晶の育成実績データを取得する第１の工程と、取得された前記シリコン単結晶の育成実績データに基づいて、前記シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、前記シリコン単結晶のドープガス吸収率との関係を演算する第２の工程と、演算された電気抵抗率の実績値およびドープガス吸収率の関係に基づいて、同一の育成装置を用いて製造するシリコン単結晶の電気抵抗率の狙い値から、ドープガス供給量を演算する第３の工程と、演算されたドープガス供給量によりドープガスを吹き付けながら、育成するシリコン単結晶の電気抵抗率を制御する第４の工程と、を実施することを特徴とする。

この発明によれば、第１の工程によりシリコン単結晶の育成実績データを取得し、第２の工程によりシリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、シリコン単結晶のドープガス吸収率との関係を演算している。そして、第３の工程により、電気抵抗率の狙い値に応じたドープガス供給量を演算し、第４の工程により、演算されたドープガス供給量によりドープガスを吹き付けながら、育成するシリコン単結晶の電気抵抗率を制御してシリコン単結晶を育成できる。
したがって、狙い抵抗値の変化に応じたドープガス吸収率を考慮して、ドープガス供給量を設定しているので、電気抵抗率の狙い値と、育成したシリコン単結晶の電気抵抗率とのずれを少なくすることができる。

本発明では、前記第２の工程におけるシリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、ドープガス吸収率との関係は、比例関係となるのが好ましい。
たとえば、シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、ドープガス吸収率との関係が比例関係にあれば、次のシリコン単結晶の育成に際して、その比例関係にしたがって次のシリコン単結晶の育成における電気抵抗率の狙い値から、ドープガス供給量を簡単に求めることができる。

本発明では、前記第１の工程は、同一の育成装置の前回の育成実績データを取得するのが好ましい。
この発明によれば、前回の育成実績データを用いて電気抵抗率の実測値と、ドープガス供給量との関係を求めているため、直近の育成実績データからドープガス供給量を求めることができ、電気抵抗率の狙い値により近い電気抵抗率のシリコン単結晶を育成できる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、溶融帯域にドープガスを吹き付けながら、電気抵抗率を制御するＦＺ（Floating Zone）法により、同一の育成装置を用いてシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、前回のシリコン単結晶製造におけるシリコン単結晶の育成実績データと、前記シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値から、前回のシリコン単結晶製造における前記シリコン単結晶のドープガス吸収率を演算する工程と、今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率の狙い値が、前回のシリコン単結晶の電気抵抗率の実測値よりも大きな場合には、前回のシリコン単結晶のドープガス吸収率よりも小さなドープガス吸収率を用い、今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率が、前回のシリコン単結晶の電気抵抗率の実測値よりも小さな場合には、前回のシリコン単結晶のドープガス吸収率よりも大きなドープガス吸収率を用いて、今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率を制御する工程と、を実施することを特徴とする。
このような本発明によっても、前記と同様の作用および効果を奏することができる。

本発明では、前記シリコン単結晶の育成実績データは、少なくとも、前記シリコン単結晶の狙い径、電気抵抗率、結晶送り速度、ドープガス流量、およびドープガス濃度を含むのが好ましい。
これらのデータは、育成中のシリコン単結晶の電気抵抗率を制御する上で大きな影響を及ぼすデータであるため、育成中のシリコン単結晶の電気抵抗率を高精度に制御することができる。

本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶の育成装置の構造を示す模式図。前記実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法を示すフローチャート。前記実施形態におけるシリコン単結晶の電気抵抗率とドープガス吸収率との関係を示すグラフ。実施例および比較例の電気抵抗率の狙い値の的中率を示すグラフ。

［１］シリコン単結晶の育成装置１の全体構成
図１には、本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶の育成装置１の模式図が示されている。このシリコン単結晶の育成装置１は、ＦＺ（Floating Zone）法により、多結晶シリコン原料２からシリコン単結晶３を育成する装置である。シリコン単結晶の育成装置１は、結晶保持具４、高周波誘導加熱コイル５、保温筒６、ガスドープ装置７、原料素材保持具８、および製品単結晶重量保持具９を備える。

結晶保持具４は、シリコン単結晶３の先端部分を保持する部材であり、上部に種結晶が固定され、シリコン単結晶３の育成とともに、下方に引き下げられる。製品単結晶重量保持具９は、シリコン単結晶３の肩部に当接し、シリコン単結晶３の重量を保持する。
原料素材保持具８は、リング状体から構成され、多結晶シリコン原料２の上端の胴部をチャッキングする。

高周波誘導加熱コイル５は、リング状体から構成され、図示を略したが、高周波電源に接続され、高周波誘導加熱によって多結晶シリコン原料２を溶融し、シリコンの溶融帯域３Ａを形成する。
保温筒６は、育成されたシリコン単結晶３の周囲を囲むリング状体から構成される。保温筒６は、溶融帯域３Ａが固化する過程におけるシリコン単結晶３の温度を制御する。

ガスドープ装置７は、ドープガスノズル７１、ガスボンベ７２、流量制御バルブ７３、およびコントローラ７４を備える。
ドープガスノズル７１は、先端がシリコンの溶融帯域３Ａの近傍に突出し、溶融帯域３Ａにドープガスを吹き付ける。
ガスボンベ７２には、ドープガスが高圧状態で収容される。シリコン単結晶３のドーパントには、たとえば、ｎ型ドーパントとしてリン（ＰＨ_３）、ｐ型ドーパントとしてボロン（Ｂ_２Ｈ_６）等を用いることができる。また、ドープガスとして、これらドーパントを含むアルゴンや窒素等の不活性ガスを用いることができる。
流量制御バルブ７３は、ガスボンベ７２に収容されたドープガスの流量を制御するバルブであり、コントローラ７４からの制御指令に基づいて、ドープガスノズル７１から噴出されるドープガスの流量が制御される。

このようなシリコン単結晶の育成装置１では、多結晶シリコン原料２の上端を、原料素材保持具８で保持し、炉内に固定された高周波誘導加熱コイル５により、多結晶シリコン原料２の下端が溶融される。シリコンの溶融帯域３Ａに、結晶保持具４に固定された種結晶を接触させ、下方に引き下げつつ、所望の直胴径となるように増径させながら融液を凝固させ、直胴径に達した後は、その直胴径を維持するように融液を凝固させてシリコン単結晶３を製造する。このとき、同時に多結晶シリコン原料２を下方に移動させることにより、連続的に多結晶シリコン原料２の下端を溶融させ、単結晶化に必要な量の融液を供給する。
結晶は、ある程度成長したところで、製品単結晶重量保持具９により保持される。
このようなシリコン単結晶３の育成過程において、ドープガスノズル７１を介して、形成される溶融帯域３Ａにドープガスを吹き付けることにより、ドーパントをシリコン単結晶３に取り込ませる。

［２］シリコン単結晶の製造方法
次に、本実施の形態によるシリコン単結晶３の製造方法を、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
［2-1］育成実績データの取得（工程Ｓ１：第１の工程）
まず、シリコン単結晶３の育成実績データを取得する。育成実績データは、同一の育成装置１における過去の育成実績データであれば採用することは可能だが、前回あるいは２〜３回前の育成時の育成実績データを採用するのが最も好ましい。前回あるいは２〜３回前の実績データであれば、育成装置内の部材の劣化や部材の相対的な位置関係等の径時的に変化する要素の影響が少ないからである。
取得する育成実績データとしては、たとえば、多結晶シリコン原料２の素材抵抗率（Ω・ｃｍ）、育成されたシリコン単結晶３の狙い径（ｍｍ）、測定した電気抵抗率（Ω・ｃｍ）、シリコン単結晶３の結晶送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、ドープガス流量（ｃｍ^３／ｍｉｎ）、ドープガス濃度（ｐｐｍ）が挙げられる。

［2-2］電気抵抗率とドープガス吸収率の関係の演算（工程Ｓ２：第２の工程）
シリコン単結晶３の育成実績データを取得したら、育成実績データから同一の育成装置１におけるシリコン単結晶３の電気抵抗率と、シリコン単結晶３のドープガス吸収率との関係を演算する。ここで、ドープガス吸収率とは、ドーパントガスがどれだけ吸収されたかを算出したものであり、次回のシリコン単結晶３の育成に際して、電気抵抗率の狙い値とするためのドープ量を決める際に使用する指標である。

具体的には、ドープガス量ｆ（ｘ）は、ドープガス吸収率αを用いて、次のようにして求めることができる。
シリコン単結晶３の狙い抵抗率に基づいて算出されたシリコン単結晶３の不純物濃度Ｃｓ、および素材長さ位置ｘに応じた不純物濃度Ｃｐ（ｘ）の差分Ｃｓ−Ｃｐ（ｘ）を求め、この差分Ｃｓ−Ｃｐ（ｘ）を素材長さ位置ｘに応じてガスドープ法により供給すべき不純物濃度Ｃｇ（ｘ）に設定したときに、シリコン単結晶３の直径をＤｓ（ｍｍ）、結晶送り速度Ｖｃ、ドープガス濃度をｎ、シリコン単結晶３のドープガス吸収率をαとすると、下記式（１）によって求めることができる。なお、Ａは定数である。

所定の育成装置１について、取得された育成実績データに基づいて、シリコン単結晶３の電気抵抗率と、ドープガス吸収率との関係を調べたところ、図３に示すように、電気抵抗率と、ドープガス吸収率とは、比例関係にあり、電気抵抗率が大きくなると、ドープガス吸収率は次第に低下していくことが確認された。すなわち、電気抵抗率に応じて、そのシリコン単結晶３のドープガス吸収率を算出しなければならないことが確認された。測定結果を表１にも示す。
図３の比例関係は、電気抵抗率をｘ、ドープガス吸収率をｙとすると下記式（２）で表される。
ｙ＝−０．０３２４ｘ＋７２．１６５・・・（２）
なお、式（２）は、所定の育成装置１についての結果であるが、他の育成装置についても測定したところ、式（２）の係数値は異なるが、いずれも負の勾配の比例関係となった。

［2-3］電気抵抗率の狙い値からドープガス供給量の演算（工程Ｓ３：第３の工程）
第２の工程で演算されたドープガス吸収率を用いて、第３の工程におけるドープガス供給量を演算する。なお、ＦＺ法によるシリコン単結晶３の育成では、他品種少量生産を前提としている。
したがって、育成されたシリコン単結晶３の電気抵抗率の狙い値はバッチ毎に異なり、原料となる多結晶シリコン原料２の素材電気抵抗率もバッチ毎に異なる。

具体的には、シリコン単結晶３の電気抵抗率の狙い値から、多結晶シリコン原料２の素材抵抗率を減算して必要なドープ量を演算する。
必要なドープ量が演算されたら、シリコン単結晶３の結晶送り速度、狙い径から単位時間当たり製造されるシリコン単結晶の体積を求め、単位時間当たりの必要ドープ量を算出する。
そして、図３に示す比例関係を利用して、電気抵抗率の狙い値に対応するドープガス吸収率を求め、前述した式（１）から必要なドープガス流量を算出する。

［2-4］シリコン単結晶の育成（工程Ｓ４：第４の工程）
ドープガス流量の指示値が演算されたら、コントローラ７４を操作して、ガスドープ装置７の流量制御バルブ７３の指示値を演算された指示値に設定する。
次に、高周波誘導加熱コイル５のスイッチを入れ、たとえば、狙い径１５５（ｍｍ）、結晶送り速度２．５（ｍｍ／ｍｉｎ）、ドープガス濃度３０（ｐｐｍ）、ドープガス流量１３．０（ｃｍ^３／ｍｉｎ）に設定し、多結晶シリコン原料２の溶融を開始してシリコン単結晶３の育成を行う。

［３］実施の形態の効果
このような本実施の形態によれば、以下のような効果がある。
第１の工程Ｓ１によりシリコン単結晶３の育成実績データを取得し、第２の工程Ｓ２によりシリコン単結晶３の電気抵抗率の実績値と、シリコン単結晶３のドープガス吸収率との関係を演算している。そして、第３の工程Ｓ３により、電気抵抗率の狙い値に応じたドープガス供給量を演算し、第４の工程Ｓ４により、演算されたドープガス供給量によりドープガスを吹き付けながら、シリコン単結晶３の電気抵抗率を制御してシリコン単結晶３を育成できる。
したがって、電気抵抗率の狙い値の変化に応じたドープガス吸収率を考慮して、ドープガス供給量を設定しているので、電気抵抗率の狙い値と、育成したシリコン単結晶３の実際の電気抵抗率とのずれを少なくすることができる。

シリコン単結晶３の電気抵抗率の実績値と、ドープガス吸収率との関係が、図３に示すように、負の勾配の比例関係にある。したがって、次のシリコン単結晶３の育成に際して、その比例関係にしたがって次のシリコン単結晶３の育成における電気抵抗率の狙い値から、ドープガス供給量を簡単に求めることができる。

前回の育成実績データを用いて電気抵抗率の実測値と、ドープガス供給量との関係を求めているため、直近の育成実績データからドープガス供給量を求めることができる。したがって、電気抵抗率の狙い値により近い電気抵抗率のシリコン単結晶３を育成できる。
育成実績データとして、少なくとも、シリコン単結晶３の狙い径、電気抵抗率、結晶送り速度、ドープガス流量、およびドープガス濃度を取得している。これにより、育成中のシリコン単結晶３の電気抵抗率を制御する上で大きな影響を及ぼすデータを取得することができるため、育成中のシリコン単結晶の電気抵抗率を高精度に制御することができる。

前述した実施の形態で説明したように、第１の工程における育成実績データから、第２の工程で測定電気抵抗率と、ドープガス吸収率との関係を演算し、第３の工程において、演算されたドープガス吸収率から、次回育成におけるドープガス流量を設定したもの（実施例）と、前回ドープガス吸収率を考慮せずに一定とした場合とを比較した（比較例）。なお、実施例および比較例との相違はドープガス流量のみであり、その他のプロセス条件は同一である。

具体的な比較の方法は、電気抵抗率の狙い値に対して、育成されたシリコン単結晶３の電気抵抗率の実績値がどの程度のずれが生じているか否かを的中率のずれとして評価した。すなわち、的中率は、以下の式（３）で与えられる。
［的中率のずれ］＝（［実績値］−［狙い値］）／［狙い値］×１００（％）
・・・（３）
結果を図４に示す。図４に示すように、実施例は的中率のばらつきが少なく、電気抵抗率の狙い値と、育成されたシリコン単結晶３の実績値とのずれがほとんどないことが確認された。

１…育成装置、２…多結晶シリコン原料、３…シリコン単結晶、３Ａ…溶融帯域、４…結晶保持具、５…高周波誘導加熱コイル、６…保温筒、７…ガスドープ装置、８…原料素材保持具、９…製品単結晶重量保持具、３０…ドープガス濃度、７１…ドープガスノズル、７２…ガスボンベ、７３…流量制御バルブ、７４…コントローラ、Ｓ１…第１の工程、Ｓ２…第２の工程、Ｓ３…第３の工程、Ｓ４…第４の工程。

Claims

溶融帯域にドープガスを吹き付けながら、電気抵抗率を制御するＦＺ（Floating Zone）法により、シリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、
所定の育成装置によるシリコン単結晶の育成実績データを取得する第１の工程と、
取得された前記シリコン単結晶の育成実績データに基づいて、前記シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、前記シリコン単結晶のドープガス吸収率との関係を演算する第２の工程であって、シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、ドープガス吸収率との関係は、ドープガス供給量に対して独立し、電気抵抗率が大きくなるに従ってドープガス吸収率が低下していく比例関係となる第２の工程と、
演算された電気抵抗率の実績値およびドープガス吸収率の関係に基づいて、同一の育成装置を用いて製造するシリコン単結晶の電気抵抗率の狙い値から、ドープガス供給量を演算する第３の工程と、
演算されたドープガス供給量によりドープガスを吹き付けながら、育成するシリコン単結晶の電気抵抗率を制御する第４の工程と、
を実施することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記第１の工程は、同一の育成装置における前回の育成実績データを取得することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
溶融帯域にドープガスを吹き付けながら、電気抵抗率を制御するＦＺ（Floating Zone）法により、同一の育成装置を用いてシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、
前回のシリコン単結晶製造におけるシリコン単結晶の育成実績データと、前記シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値から、前回のシリコン単結晶製造における前記シリコン単結晶のドープガス吸収率を演算する工程であって、シリコン単結晶の電気抵抗率の実績値と、ドープガス吸収率との関係は、ドープガス供給量に対して独立し、電気抵抗率が大きくなるに従ってドープガス吸収率が低下していく比例関係となる工程と、
今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率の狙い値が、前回のシリコン単結晶の電気抵抗率の実測値よりも大きな場合には、前回のシリコン単結晶のドープガス吸収率よりも小さなドープガス吸収率を用い、今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率が、前回のシリコン単結晶の電気抵抗率の実測値よりも小さな場合には、前回のシリコン単結晶のドープガス吸収率よりも大きなドープガス吸収率を用いて、今回育成するシリコン単結晶の電気抵抗率を制御する工程と、
を実施することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記シリコン単結晶の育成実績データは、少なくとも、前記シリコン単結晶の狙い径、電気抵抗率、結晶送り速度、ドープガス流量、およびドープガス濃度を含むことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。