JP2007284260A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造する方法、及び、この安定条件を決定するための方法を提供すること。
【解決手段】ＣＺ法によりシリコン単結晶１１を引き上げて製造する方法は、当該引き上げ時には、シリコン単結晶１１を囲むように配置されたクーラー２４と、当該クーラー２４の外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体２３とによって、シリコン単結晶１１を冷却する冷却工程を行い、あらかじめ、クーラー２４の下側に設けられた熱遮蔽体２３の下面からシリコン融液１３の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することによって、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶１１が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定するＭｓ調整工程を行い、当該決定された許容範囲内の引き上げ速度で前記引き上げを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する方法に関し、更に詳しくは、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造する方法、及び、この安定条件を決定するための方法に関する。

半導体素子の基板には主として高純度のシリコン単結晶（以下、場合に応じて「結晶」と略す。）が使用されているが、その製造方法として、最も広く採用されている方法がチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法）である。ＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置（ＣＺ炉）では、図１に示すようにチャンバ２の中心に自ら回転するルツボ２１が昇降自在に設置されている。ルツボ２１は、黒鉛ルツボ２１ａの中に石英ルツボ２１ｂを収容したもので、石英ルツボ２１ｂに塊状の多結晶シリコンを装填し、上記ルツボ２１を取り囲むように設けられた円筒状のヒーター２２によって原料を加熱溶解してシリコン融液１３とする。そして、シードホルダ９に取り付けた種結晶をシリコン融液１３に浸漬し、シードホルダ９およびルツボ２１を互いに同方向または逆方向に回転しつつシードホルダ９を引き上げてシリコン単結晶１１を所定の直径及び長さに成長させる。

上記ＣＺ法によるシリコン単結晶（単結晶インゴット）の製造過程において、デバイスの特性を劣化させる原因になり得る結晶欠陥が、シリコン単結晶の成長中に発生する場合がある。この結晶欠陥はデバイスの製造過程で顕在化し、結果的にデバイスの性能を低下させる。

一般に、結晶欠陥というのは、以下の３種の欠陥であると考えられている。
（１） 空孔が凝集して生じたと考えられているボイド（空洞）欠陥。
（２） 酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ：Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）。
（３） 格子間シリコンが凝集して生じたと考えられている転位クラスタ欠陥。

これらの結晶欠陥の発生挙動は、成長条件によって以下のように変化することが知られている。
（１） 成長速度が速い場合には、シリコン単結晶は空孔過剰となり、ボイド欠陥のみが発生する。
（２） そして、そこから成長速度を減じると、シリコン単結晶の外周付近にリング状にＯＳＦが発生し、ＯＳＦ部の内側にはボイド欠陥が存在する構造となる。
（３） 成長速度を更に減じると、リング状ＯＳＦの半径は減少し、リング状ＯＳＦ部の外側に転位クラスタが生じ、ＯＳＦ部の内側にはボイド欠陥が存在する構造となる。
（４） さらに成長速度を減じると、シリコン単結晶全体に転位クラスタ欠陥が生じた構造となる。

上記のような現象が起こるのは、成長速度の減少に伴い、シリコン単結晶が空孔過剰状態から格子間シリコン過剰状態に変化するためであると考えられており、その変化はシリコン単結晶の外周側から始まると理解されている。

ここで、ＯＳＦはリーク電流増大など電気特性を劣化させるが、リング状ＯＳＦにはこれが高密度に存在する。そこで、通常のシリコン単結晶の製造においては、リング状ＯＳＦがシリコン単結晶の最外周に分布するように、比較的高速の引き上げ速度でシリコン単結晶を育成させる。この方法によって、シリコン単結晶の大部分が、リング状ＯＳＦの内側部分となり、転位クラスタ欠陥を回避することが可能となる。これは、リング状ＯＳＦの内側部分は、デバイスの製造過程にて発生する重金属汚染に対するゲッタリング作用が、外側部分の作用よりも大きいためでもある。

また、近年ＬＳＩの集積度増大にともない、ゲート酸化膜が薄膜化されて、デバイス製造工程での温度が低温化してきているため、高温処理で発生しやすいＯＳＦが低減され、更には、結晶の低酸素化も重なり、リング状ＯＳＦなどのＯＳＦは、デバイス特性を劣化させる因子としての問題が少なくなってきた。

しかし、高速育成単結晶中に主として存在するボイド欠陥の存在は、薄膜化したゲート酸化膜の耐圧特性を大きく劣化させることが明らかになっており、特にデバイスのパターンが微細化してくると、その影響が大きくなって高集積度化への対応が困難になるとされている。

このように、現在におけるシリコン単結晶の製造においては、ボイド欠陥及び転位クラスタ欠陥（以下、これらの欠陥を含んだものを「Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥」、「結晶欠陥」という）を回避することが重要になってきている。

従来、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない結晶（以下、「無欠陥結晶」という。）を製造するために様々な知見が得られている。例えば、シリコン単結晶中心部の固液界面近傍での軸方向温度勾配（以下、「結晶中心部の温度勾配」という）とシリコン単結晶側面の固液界面近傍での軸方向温度勾配（以下、「結晶側面の温度勾配」という。）において、結晶側面の温度勾配が結晶中心部の温度勾配と同等か小さくなる、つまり、固液界面近傍での軸方向温度勾配が結晶径方向で均一に近い状態とすることで無欠陥結晶が製造可能であることが一般的に知られている。ここで、「結晶中心部の温度勾配」とは、図５に示すように、シリコン単結晶１１の中心部（結晶中心線）１１ａにおける長手方向の温度勾配をいい、「結晶側面の温度勾配」とは、図５に示すように、シリコン単結晶１１の側面１１ｂにおける長手方向の温度勾配をいう。

シリコン単結晶の中心部の長手方向の温度勾配と、結晶側面の温度勾配とを均一にする方法としては、炉内部品の配置やヒーターの温度分布調整などにより、結晶側面の温度勾配を小さくする方法が採用されている。しかし、この方法では引き上げ速度が落ちるためシリコン単結晶の生産性が著しく低下することになる。

そこで、特許文献１では、シリコン単結晶製造装置にクーラー２４（図１参照）を設けることにより、シリコン単結晶の引き上げ速度を向上させることができることが開示されている。しかし、クーラー２４の設置は、シリコン単結晶の引き上げ速度の向上に寄与するのみで、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲（引き上げ速度の許容範囲の幅）の拡大に寄与しない。引き上げ速度の許容範囲を外れると、ボイド欠陥や転位クラスタ欠陥が発生し、良品のシリコン単結晶の取得率が低下してしまう。これに対して、引き上げ速度の許容範囲を広くすることにより、引き上げ速度の変動があった場合でも、良品のシリコン単結晶を安定的に生産することができる。従って、引き上げ速度の許容範囲を拡大できない場合、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶をより安定的に製造することが困難であった。

そのため、特許文献１に開示された発明は、結晶中心部の温度勾配と、結晶側面の温度勾配とを均一にするために、シリコン単結晶製造装置にクーラー２４（図１参照）及び熱遮蔽体２３（図１参照）を設け、更には、クーラー２４の配置及び寸法、所定の温度範囲におけるシリコン単結晶の中心部の温度と周辺部（結晶側面）の温度との高低、並びに、シリコン単結晶の中心部の温度勾配と周辺部の温度勾配との大小について規定して、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶を安定して製造できることを目的としている。
特許第３５７３０４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明では、シリコン融液１３からクーラー２４の下端面までの距離（以下、Ｃｓ）について規定しているものの、石英ルツボ２１ｂからの輻射熱を実際に受ける領域を示すために規定されるべき、クーラー２４の下側に設けられた熱遮蔽体２３の下面からシリコン融液１３の表面までの距離（以下、Ｍｓ）については何ら規定されていない。

本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造する方法、及び、この安定条件を決定するための方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく本発明者らが鋭意検討した結果、クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面からシリコン融液の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することにより、引き上げ速度の許容範囲を向上させることが可能となり、これによって、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造することが可能となることを見出した。具体的には本発明は以下のものを提供する。

（１） ＣＺ法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げて製造する方法であって、前記引き上げ時には、前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却する冷却工程を行い、あらかじめ、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することによって、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定するＭｓ調整工程を行い、当該決定された許容範囲内の引き上げ速度で前記引き上げを行うシリコン単結晶の製造方法。

結晶欠陥の少ないシリコン単結晶を安定して製造するためには、結晶径方向の軸方向温度勾配分布を均一にする必要がある。結晶径方向の軸方向温度勾配分布を均一にするための要素として、結晶側面の温度勾配について検討してみると、結晶側面の温度勾配はルツボ（例えば、石英ルツボ２１ｂ）の表面からの輻射熱に少なくとも影響を受けていると考えることができる。そして、ルツボ表面からの輻射熱はＭｓによってのみ制御できるとすれば、Ｍｓを規定していない特許文献１に開示された発明では、結晶側面の温度勾配を完全に制御できないため、結晶径方向の軸方向温度勾配分布を均一にできない場合があると考えられる。従って、特許文献１に開示された発明では、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶を安定して製造できるとは考えにくい。

これに対して、（１）の発明によれば、従来は検討されていなかったＭｓが、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲（引き上げ速度の許容範囲の幅）を決定するパラメーターとなる。したがって、Ｍｓをあらかじめ最適範囲に調整することで、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲が最も広いところ、すなわち、最も安定的に製造できる条件を決定することができる。

（２） 前記Ｍｓ調整工程において、更に、前記シリコン単結晶の引き上げ時の結晶中心の固液界面の高さに応じて前記Ｍｓを調整する（１）記載のシリコン単結晶の製造方法。

上記の引き上げ速度の許容範囲は、Ｍｓ以外にも、シリコン単結晶の引き上げ時の結晶中心の固液界面の高さに応じて変化するものである。したがって、（２）の発明によれば、更に引き上げ速度の許容範囲が最も広いところ、すなわち、最も安定的に製造できる条件を決定することができる。

（３） 前記Ｍｓ調整工程において、前記結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲は、ボイド欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍａｘ、転位クラスタ欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍｉｎとして、Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎで表される範囲である（１）又は（２）記載のシリコン単結晶の製造方法。

引き上げ速度を下げて行くと、それに応じて欠陥分布が変化する。この場合、引き上げ速度の許容範囲は、空孔型欠陥（ボイド欠陥）が無くなる速度から、転位クラスタ欠陥が発生する速度までの範囲として見積もることができる。（３）の発明によれば、許容範囲をこの範囲に制御することで、結晶欠陥の少ない結晶を得ることができる。

（４） 前記Ｍｓ調整工程において、前記結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲は、０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以上である（１）から（３）いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。

従来、引き上げ速度の許容範囲０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以下では、シリコン結晶の直径を安定させながら引き上げ速度の変動幅を抑える必要があり、高度な温度制御が要求されるため、シリコン単結晶を安定的に生産することが困難であった。

（４）の発明によれば、充分な許容範囲である引き上げ速度の許容範囲０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以上が確保でき、より好ましくは０．０７ｍｍ／ｍｉｎ程度までの許容範囲を得ることができる。この許容範囲は、生産技術上大変有利であり、製品品質のブレを無くして安定的な品質を常時供給することができる。

（５） 前記Ｍｓ調整工程において、前記引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、前記Ｍｓを０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下に調整する（１）から（４）いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。

（５）の発明によれば、Ｍｓを０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下とすることで、シリコン融液の表面やルツボ内壁から結晶側面への熱輻射を適切なものとすることにより、好ましい結晶側面の温度勾配を生じさせるという効果を奏する。

（６） 前記Ｍｓ調整工程において、前記引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、（ａ）前記クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下、（ｂ）前記クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上、（ｃ）前記クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｃｓ）を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下、（ｄ）前記クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下、（ｅ）前記Ｍｓを０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下、となるように調整する（１）から（５）いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。

（６）の発明によれば、上記（５）の発明に加え、（ａ）クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下とすることで、結晶側面の冷却を適切なのとすることができる。また、（ｂ）クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上とすることで、適切な温度勾配を実現することが可能となる。また、（ｃ）クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下とすることで、結晶側面の温度勾配が結晶中心部の温度勾配よりも小さい、という適切な温度分布を実現することが可能となる。また、（ｄ）クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下とすることで、融液表面からの結晶側面への熱輻射を適切なものにして、より好ましい結晶面内の温度勾配を生じさせるという効果を奏する。

（７） 前記Ｍｓ調整工程において、更に、前記クーラーの下面から、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の上面までの距離（以下、Ｐｓ）を調整する（１）から（６）いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。

（８） 前記Ｐｓを０．６５Ｄ以下に調整する（７）記載のシリコン単結晶の製造方法。

（９） 前記Ｐｓを０．４５Ｄ以下に調整する（７）記載のシリコン単結晶の製造方法。

上記の引き上げ速度の許容範囲は、Ｍｓ以外にも、Ｐｓに応じて変化するものである。したがって、（７）の発明によれば、更に引き上げ速度の許容範囲が最も広いところ、すなわち、最も安定的に製造できる条件を決定することができる。具体的には（８）、（９）の態様のように、Ｐｓは０．６５Ｄ以下とすることが好ましく、０．４５以下とすることがより好ましく、特に好ましくは０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下である。

（１０） ＣＺ法によるシリコン融液からのシリコン単結晶の引き上げにおいて、前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却しながら前記引き上げを行う際に、あらかじめ、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することによって、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定する方法。

（１０）の発明によれば、Ｍｓが、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定する最も支配的なパラメーターとなる。したがって、Ｍｓをあらかじめ最適範囲に調整することで、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲が最も広いところ、すなわち、最も安定的に製造できる条件を決定することができる。

（１１） ＣＺ法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げて製造する方法であって、前記引き上げ時には、前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却する冷却工程を行い、引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、（ａ）前記クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下、（ｂ）前記クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上、（ｃ）前記クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下、（ｄ）前記クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下、（ｅ）前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離を０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下、とするシリコン単結晶の製造方法。

（１１）の発明によれば、（ａ）クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下とすることで、結晶側面の冷却を適切なものとすることができる。また、（ｂ）クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上とすることで、適切な温度勾配を実現することが可能となる。また、（ｃ）クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下とすることで、結晶側面の温度勾配が結晶中心部の温度勾配と同等か小さくなるという適切な温度分布を実現することが可能となる。また、（ｄ）クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下とすることで、融液表面や石英ルツボからの結晶側面への熱輻射を適切なものにして、より好ましい結晶面内の温度勾配を生じさせることが可能となる。また、（ｅ）クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面からシリコン融液の表面までの距離を０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下とすることで、融液表面からの結晶側面への熱輻射を適切なものにして、より好ましい結晶面内の温度勾配を生じさせることが可能となる。したがって、（１１）の発明によれば、引き上げ速度の許容範囲を向上させることが可能となり、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造することが可能となる。

本発明によれば、引き上げ速度の許容範囲を向上させることが可能となり、これによって、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造することが可能となる

以下、図面を用いて本発明を更に詳細に説明する。

［シリコン単結晶製造装置の概要］
まず、本実施形態に係るシリコン単結晶製造装置（ＣＺ炉）について、図１を用いて説明する。図１に示すように、シリコン単結晶製造装置には、ホットゾーンの構成として、チャンバ２の中心に必要に応じて自ら回転するルツボ２１が昇降自在に設置されている。このルツボ２１は、黒鉛ルツボ２１ａの中に石英ルツボ２１ｂを収容したもので、石英ルツボ２１ｂに塊状の多結晶シリコンを装填し、上記ルツボ２１を取り囲むように設けられたヒーター２２によって原料を加熱溶解してシリコン融液１３とする。そして、シードホルダ９に取り付けた種結晶をシリコン融液１３に浸漬し、シードホルダ９およびルツボ２１を互いに同方向または逆方向に必要に応じて回転しつつシードホルダ９を引き上げてシリコン単結晶１１を所定の直径及び長さに成長させる。

また、ＣＺ炉のホットゾーン構成は、シリコン融液１３から回転させられながら引き上げられるシリコン単結晶１１を取り囲んで当該シリコン単結晶１１への輻射熱量を調整する熱遮蔽体（熱遮蔽板）２３と、シリコン単結晶１１の側面１１ｂの冷却を行うクーラー２４と、を含む。なお、ホットゾーン構成にシリコン融液１３に磁場を印加するためのソレノイドを採用することによって、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御をしてもよい。更には、ソレノイドを採用することによって、シリコン融液１３の対流を制御することにより、シリコン単結晶１１全体にわたる安定成長、ドーパントや不純物元素の均一化などを図ることが可能である。また、水平方向の磁場や、カスプ磁場を印加するようにしてもよい。

熱遮蔽体２３は、一般的にはカーボン部材で構成され、シリコン融液１３等からの輻射熱を遮蔽することによってシリコン単結晶１１の側面１１ｂの温度調整を行うものである。また、熱遮蔽体２３と同様に、クーラー２４は、シリコン単結晶１１を取り囲んで設置されている。このクーラー２４は、熱伝導のよい、たとえば銅、ステンレス鋼、モリブデンなどの金属製とし、その内部に冷却用水などを通流させる。そして、このクーラー２４の外側及び下側を囲むように、上記熱遮蔽体２３が配置されている。クーラー２４と、熱遮蔽体２３とによって、シリコン単結晶１１が冷却される。

［石英ルツボ表面からの輻射熱の影響］
次に、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶を安定して製造するための方法について検討する。前述したように、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶を安定して製造するためには、結晶径方向の軸方向温度勾配分布を均一にして、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲（引き上げ速度の許容範囲の幅）を拡大する必要がある。ここで、「結晶欠陥の少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲」とは、図２に示すように、ボイド欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍａｘ、転位クラスタ欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍｉｎとして、Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎで表される範囲である。

従来、この引き上げ速度の許容範囲を広げるために、シリコン単結晶製造装置（図１参照）にクーラー２４を設けて、更には、クーラー２４の下端（下面）からシリコン融液１３の表面までの距離（以下、Ｃｓ）について規定することにより、結晶中心部の温度勾配と、結晶側面の温度勾配とを均一にすることが行われている。

しかし、本発明者らは、クーラー２４によるシリコン単結晶の１１の冷却ばかりでなく、石英ルツボ２１ｂ表面からの輻射熱が、結晶径方向の軸方向温度勾配分布を均一にするためには重要な要素であると考えた。更に、本発明者らは、石英ルツボ２１ｂ表面からの輻射熱を制御するためには、熱遮蔽体２３下面（下端）からシリコン融液１３の表面までの距離（以下、「Ｍｓ」と略して表現する。）を調整することにより、結晶側面への輻射熱の量を制御して、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶１１の引き上げ速度の許容範囲を広げることができると考えた。そこで、図３に示すように、固液界面の高さと、Ｍｓとを変化させた場合のシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲の変化を調べた。図３は、横軸を固液界面の高さ、縦軸をＭｓとした場合の結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲の変化を示す図であり、図１に示すシリコン単結晶製造装置を用いて直径３００ｍｍのシリコン単結晶を製造したときのものである。なお、クーラー２４の長さは３００ｍｍであり、クーラー２４の下面からクーラー２４の下側に設けられた熱遮蔽体２３の上面までの距離（以下、Ｐｓ）を１２０ｍｍで固定している。

［Ｍｓと引き上げ速度の許容範囲の関係］
図３に示すように、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲は、Ｍｓ、更には、固液界面高さに応じて変化している。すなわち、Ｍｓ、更には、固液界面高さを調整することによって、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を決定することができる。

具体的には、固液界面の高さを５ｍｍ以上８ｍｍ未満としてＭｓを７７ｍｍ以上１１０ｍｍ未満とすることにより、固液界面の高さを８ｍｍ以上１１ｍｍ未満としてＭｓを７５ｍｍ以上１０５ｍｍ未満とすることにより、固液界面の高さを１１ｍｍ以上１４ｍｍ未満としてＭｓを７２ｍｍ以上１０３ｍｍ未満とすることにより、固液界面の高さを１４ｍｍ以上１７ｍｍ未満としてＭｓを６９ｍｍ以上１０１ｍｍ未満とすることにより、固液界面の高さを１７ｍｍ以上２０ｍｍ未満としてＭｓを６７ｍｍ以上９８ｍｍ未満とすることにより、または、固液界面の高さが２０ｍｍ以上２３ｍｍ未満として６３ｍｍ以上９４ｍｍ未満とすることにより、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることができる。

次に、Ｍｓの他に、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を広げることが可能なパラメーターがないか検討してみたところ、本発明者らは、図４に示すように、Ｐｓを調整することによって、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を広げることができると考えたので、以下説明する。図４は、Ｐｓを横軸、Ｍｓを縦軸とした場合の結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲の変化を示す図であり、図１に示すシリコン単結晶製造装置を用いて直径３００ｍｍのシリコン単結晶を製造したときのものである。なお、クーラー２４の長さは３００ｍｍであり、固液界面の高さを１１ｍｍで固定している。

［Ｐｓと引き上げ速度の許容範囲の関係］
図４に示すように、Ｐｓが広がると結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲が狭くなる傾向にあることがわかる。これは、クーラー２４の位置が固液界面から離れすぎると、クーラー２４によるシリコン単結晶１１の引き上げ速度を上げる効果が減少するためだと考えられる。そして、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を広げるためのＰｓは、２００ｍｍ以下（シリコン単結晶１１の直径をＤとすると０．６５Ｄ以下）であることが好ましく、更に、１４０ｍｍ以下（シリコン単結晶１１の直径をＤとすると０．４５Ｄ以下）であることがより好ましい。

具体的には、Ｐｓを５０ｍｍ以上１４０ｍｍ未満としてＭｓを７２ｍｍ以上１０５ｍｍ未満とすることにより、Ｐｓを１４０ｍｍ以上２２０ｍｍ未満としてＭｓを７４ｍｍ以上１１０ｍｍ未満とすることにより、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることができる。

［シリコン結晶製造装置の構成の数値限定］
図１内に示したように、シリコン単結晶１１の直径をＤ、クーラー２４の内径をＣｄ、クーラー２４の引き上げ方向の長さをＣｈ、クーラー２４の下端（下面）からシリコン融液１３の表面までの距離をＣｓ、熱遮蔽体２３の内径をＨｄ、熱遮蔽体２３下端からシリコン融液１３の表面までの距離をＭｓ、クーラー２４の下端（下面）から、クーラー２４下側に設けられた熱遮蔽体の上面までの距離をＰｓとするとき、本実施形態では、これらそれぞれの大きさを次のように規制する。

（１） Ｃｄ ：１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下
（２） Ｃｈ ：０．３０Ｄ以上
（３） Ｃｓ ：０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下
（４） Ｈｄ ：１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下
（５） Ｍｓ ：０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下
（６） Ｐｓ ：０．６５Ｄ以下

これらの寸法の限定理由を以下に説明する。

クーラー２４の内径であるＣｄは、シリコン単結晶１１の直径をＤとすると、１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下の範囲内にすることが好ましい。このようにシリコン単結晶１１の直径に比例させて、クーラー２４の内径を規制するのは、クーラー２４の内径が１．２０Ｄを下回って近づきすぎると、単結晶化の確認が困難となり、また、１．５０Ｄを超えて離れすぎると、冷却の効果が不十分となるためである。

クーラー２４のシリコン単結晶１１に面する側の内面の形状は、単結晶引き上げ軸と同軸の回転対称面とし、図１に例示したように、シリコン単結晶１１の外面にほぼ平行な円筒状でもよいが、シリコン単結晶１１に面した内径が１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下の範囲内にある限り、異型形状であってもよい。例えば、下の方の部分の内径を上方より小さくした段付きの形状としたり、上の方に行くほど径の大きくなる円錐台を逆転させたような形状とすることもできる。このような異型形状にする場合、最小内径となる部分はシリコン融液表面に近い下端部にあることが好ましい。

クーラー２４の引き上げ方向の長さであるＣｈは、０．３０Ｄ以上であることが好ましい。これはＣｈが０．３０Ｄ未満では、必要とする温度勾配を実現するという効果が得られなくなるからである。

クーラー２４の下端（下面）からシリコン融液１３の表面までの距離であるＣｓは０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下であることが好ましい。これはＣｓが０．４０Ｄ未満であると、結晶側面の温度勾配が大きくなりすぎて、結晶径方向で均一な軸方向温度勾配分布が得られなくなるからである。また、１．００Ｄを超えると、凝固直後のシリコン単結晶１１に対する冷却が不十分になり、やはりクーラー２４によって結晶界面近傍の軸方向温度勾配を嵩上げする効果がなくなってしまい、引き上げ速度の向上や引き上げ速度の許容範囲を拡大する効果がなくなってしまう。

クーラー２４には、外側側面にルツボ２１内壁に面して熱遮蔽体２３ａ、下端部下側のシリコン融液１３面に面して熱遮蔽体２３ｂを配置する。これは、クーラー２４の冷却効果が、装置内の不必要な部分にまで及ぶのを抑止し、必要とする温度分布を得やすくするため、およびクーラー２４の加熱を防止するためである。熱遮蔽体２３ａおよび２３ｂには、黒鉛、カーボンフェルト、セラミック製耐火材、あるいはこれらの複合材等を用いる。

クーラー２４の下端のシリコン融液１３面に面した位置の熱遮蔽体２３ｂは、その内径Ｈｄを１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下であることとする。１．１５Ｄ未満であると、結晶が変形した場合に結晶と熱遮蔽体２３ｂが接触する恐れがあり、１．５Ｄを超えると石英輻射による結晶面内の温度勾配の均一化の効果とクーラー２４による軸方向の全体的な温度勾配の嵩上げ効果とを同時に満たすことが出来なくなり、結晶径方向で均一な軸方向温度勾配分布が得られない。

熱遮蔽体１１０の下面からシリコン融液１３の表面までの距離であるＭｓは、０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下であることが好ましい。これはＭｓが０．２０Ｄ未満であると、凝固直後の結晶側面へのシリコン融液１３の表面やルツボ２１内壁（具体的には、石英ルツボ２１ｂ）からの熱輻射が減少し、結晶側面の温度勾配が結晶中心部の温度勾配よりも大きくなりすぎて適切な温度勾配が得られなくなるので好ましくない。また、０．４０Ｄを超えると、結晶側面へのシリコン融液１３の表面やルツボ２１内壁からの熱輻射が増加するので、やはり、結晶側面の温度勾配が結晶中心部の温度勾配よりも小さくなりすぎて適切な温度勾配が得られなくなるので好ましくない。

クーラー２４の下面からクーラー２４の下側に設けられた熱遮蔽体２３の上面までの距離であるＰｓは、０．６５Ｄ以下であることが好ましく、０．４５Ｄ以下であることがより好ましい。クーラー２４がシリコン融液１３の表面から遠ざかるとクーラー２４によって結晶界面近傍の軸方向温度勾配を嵩上げする効果が無くなり、結果として結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を得られる引き上げ速度の許容範囲を拡大できなくなる。クーラー２４によって界面近傍の軸方向温度勾配を高めるためには少なくとも０．６５Ｄ以下にしないと効果が得られない。また、０．４５Ｄ以下であれば軸方向温度勾配をさらに大きくすることができる。

上述の冷却用部材および熱遮蔽体を設置した単結晶製造装置を用いて、単結晶を製造する場合、単結晶全体をＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥（結晶欠陥）のきわめて少ない状態とするには、無欠陥領域を拡大できる最適速度で引き上げなければならない。この最適速度に対しては、これらの冷却用部材および熱遮蔽体の材質、形状、あるいは構造だけではなく、装置全体としての熱的状態も強く影響する。したがって、たとえば単結晶の引き上げ速度を育成中に徐々に変えていき、得られた単結晶を引き上げ軸に沿った面で縦断し、その縦断面における欠陥の分布を調査することによって、最適引き上げ速度を選定して、その速度にて引き上げることが好ましい。

以下に、本発明の実施例を示す。

［実施例］
図１に模式的に示したシリコン単結晶製造装置にて、直径３００ｍｍのシリコン単結晶１１の引き上げを行った。クーラー２４の内径、クーラーの長さ、Ｐｓ、Ｃｓ、熱遮蔽体２３の内径、及び、Ｍｓを表１に示す条件で、シリコン単結晶１１の引き上げを行った。表１に示すシリコン単結晶１１の引き上げ条件の具体的な例を表２に示す（実施例１及び２）。本実施例によるシリコン単結晶１１の引き上げ速度と、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を表３に示す。

［比較例］
Ｍｓ、Ｃｓ、Ｐｓを表２に示す以外は、実施例と同じ条件でシリコン単結晶１１の引き上げを行った（比較例１〜４）。本比較例によるシリコン単結晶１１の引き上げ速度と、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲を表３に示す。

表３に示すように、比較例に対して、実施例の方が、シリコン単結晶１１の引き上げ速度を速くすることができ、更には、結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲が広いことがわかる。従って、実施例の条件で行った引き上げ条件の方が、比較例の引き上げ条件よりも、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を安定的に製造することが可能であることがわかる。

本発明を実施するためにシリコン単結晶製造装置を模式的に示した断面図である。 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を示す図である。 横軸を固液界面の高さ、縦軸をＭｓとした場合の結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲の変化を示す図である。 横軸をＰｓ、縦軸をＭｓとした場合の結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の引き上げ速度の許容範囲の変化を示す図である。 「結晶中心部の温度勾配」と「結晶側面の温度勾配」とを説明するための部分破断図である。

符号の説明

２ チャンバ
９ シードホルダ
１１ シリコン単結晶
１１ａ 結晶中心線
１１ｂ 結晶側面
１３ シリコン融液
２１ ルツボ
２２ ヒーター
２３ 熱遮蔽板
２４ クーラー

Claims (11)

1. ＣＺ法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げて製造する方法であって、
   前記引き上げ時には、前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却する冷却工程を行い、
   あらかじめ、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することによって、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定するＭｓ調整工程を行い、
   当該決定された許容範囲内の引き上げ速度で前記引き上げを行うシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記Ｍｓ調整工程において、更に、前記シリコン単結晶の引き上げ時の結晶中心の固液界面の高さに応じて前記Ｍｓを調整する請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記Ｍｓ調整工程において、前記結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲は、ボイド欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍａｘ、転位クラスタ欠陥が発生する引き上げ速度をＶｍｉｎとして、Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎで表される範囲である請求項１又は２記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記Ｍｓ調整工程において、前記結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲の幅は、０．０４ｍｍ／ｍｉｎ以上である請求項１から３いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記Ｍｓ調整工程において、前記引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、前記Ｍｓを０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下に調整する請求項１から４いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記Ｍｓ調整工程において、前記引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、
   （１）前記クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下、
   （２）前記クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上、
   （３）前記クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｃｓ）を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下、
   （４）前記クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下、
   （５）前記Ｍｓを０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下、
   となるように調整する請求項１から５いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。
7. 前記Ｍｓ調整工程において、更に、前記クーラーの下面から、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の上面までの距離（以下、Ｐｓ）を調整する請求項１から６いずれか記載のシリコン単結晶の製造方法。
8. 前記Ｐｓを０．６５Ｄ以下に調整する請求項７記載のシリコン単結晶の製造方法。
9. 前記Ｐｓを０．４５Ｄ以下に調整する請求項７記載のシリコン単結晶の製造方法。
10. ＣＺ法によるシリコン融液からのシリコン単結晶の引き上げにおいて、
    前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却しながら前記引き上げを行う際に、
    あらかじめ、前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離（以下、Ｍｓ）を調整することによって、結晶欠陥が少ない前記シリコン単結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を決定する方法。
11. ＣＺ法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げて製造する方法であって、前記引き上げ時には、前記シリコン単結晶を囲むように配置されたクーラーと、当該クーラーの外側及び下側を囲むように配置される熱遮蔽体とによって、前記シリコン単結晶を冷却する冷却工程を行い、引き上げるシリコン単結晶の直径をＤとしたとき、
    （１）前記クーラーの内径を１．２０Ｄ以上１．５０Ｄ以下、
    （２）前記クーラーの引き上げ方向の長さを０．３０Ｄ以上、
    （３）前記クーラーの下端から前記シリコン融液の表面までの距離を０．４０Ｄ以上１．００Ｄ以下、
    （４）前記クーラーの外側を囲む熱遮蔽体の内径を１．１５Ｄ以上１．５０Ｄ以下、
    （５）前記クーラーの下側に設けられた熱遮蔽体の下面から前記シリコン融液の表面までの距離を０．２０Ｄ以上０．４０Ｄ以下、
    とするシリコン単結晶の製造方法。

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