(57)【要約】      （修正有）【課題】空洞欠陥のない高品質なシリコン単結晶を製造することが可能な製造方法を提供する。【解決手段】石英ガラスルツボ１４内に充填されたシリコン原料をチャンバー１１内で溶融してシリコン融液２１を生成する工程と、チャンバー１１内の圧力及び温度の少なくとも一方を急激に変化させてシリコン融液２１中の気泡を除去する工程と、気泡が除去された後のシリコン融液２１からシリコン単結晶２０を引き上げる工程とを備える。圧力を急激に変化させる場合には、チャンバー１１内の圧力を所定の変化率で急激に低下させる。また、温度を急激に変化させる場合には、チャンバー１１内の温度を所定の変化率で急激に上昇させる。これにより、ＳｉＯガスの発生の起点となるルツボ１４の内表面に付着したＡｒガスが除去される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスルツボ内に充填されたシリコン原料を減圧且つ高温下のチャンバー内で溶融してシリコン融液を生成する工程と、
チャンバー内の圧力及び温度の少なくとも一方を急激に変化させて前記シリコン融液中の気泡を除去する工程と、
前記気泡が除去された後のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程とを備えることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の圧力変化率は、前記シリコン原料を溶融するために前記チャンバー内を減圧する際の圧力変化率よりも大きく、
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の温度変化率は、前記シリコン原料を溶融するために前記チャンバー内を高温にする際の温度変化率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の圧力変化率は、前記シリコン原料を溶融するために前記チャンバー内を減圧する際の圧力変化率の５倍以上１０００倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の減圧速度が１．５ｈＰａ／ｓｅｃ以上２０ｈＰａ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の温度変化率は、前記シリコン原料を溶融するために前記チャンバー内を高温にする際の温度変化率の５倍以上１００倍以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記シリコン融液中の気泡を除去する工程における前記チャンバー内の昇温速度が０．５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関し、特に、シリコン単結晶中の空洞欠陥の発生を防止する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の製造には石英ガラスルツボが使用される。チョクラルスキー法（ＣＺ法）では、ポリシリコンを石英ガラスルツボに入れて加熱溶融し、このシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長させる。半導体デバイス用の高純度なシリコン単結晶を製造するためには、石英ガラスルツボ中に含まれる不純物の溶出によってシリコン単結晶が汚染されないことが求められ、また石英ガラスルツボには十分な耐熱強度も必要である。
【０００３】
ところで、近年のシリコンインゴッドの大型化により、ルツボ内に充填されるシリコンの重量が大きくなっているため、シリコン融液中に含まれる気泡がシリコン融液中から抜けにくくなっており、育成中のシリコン単結晶にこの気泡が取り込まれ、結晶内に空洞欠陥（ボイド又はエアポケットとも呼ばれる）が形成される問題が目立つようになってきた。空洞欠陥の原因は、石英ガラスルツボの内表面に付着したアルゴン（Ａｒ）ガスや、石英ガラスルツボとシリコン融液との反応によって生じる一酸化ケイ素（ＳｉＯ）ガスと考えられている。気泡に起因する空洞欠陥は概ね球状であり、その大きさ（直径）は３００〜５００μｍが大部分を占めるが、１５０μｍ以下の小さな空洞欠陥や１ｍｍ以上の非常に大きな空洞欠陥が形成されることもある。このように、気泡に起因する空洞欠陥は、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）のようなGrown-in欠陥とは明らかに異なる特徴を有している。現在、このような空洞欠陥の有無を非破壊検査することはできず、インゴッドからウェハーを切り出して初めて検出可能であり、空洞欠陥はウェハーの表面又は内部に貫通又は非貫通の穴（ピンホール）として表れる。
【０００４】
この問題を解決するため、例えば特許文献１及び２では、ポリシリコン溶融時の炉内圧を調整する方法が提案されている。また特許文献３では、ルツボに振動を与えてルツボ内表面に付着した気泡を減少させてからシリコン単結晶の育成を開始する方法が提案されている。
【０００５】
近年、ウェハー中のピンホールが最新の高集積な半導体デバイスに対して与える影響は極めて大きい。ピンホールの影響は、その大きさ、個数、発生位置、半導体デバイスの種類によっても異なるが、ピンホールはＣＯＰと比較して非常に大きいサイズであるため、ピンホールが存在する空間にはデバイスを全く形成できない。特に、ウェハー中のピンホールの個数が多い場合には歩留まりが著しく低下するため、ウェハー自体を廃棄せざるを得ない。したがって、ウェハー中にピンホールが含まれる確率を限りなくゼロに近づける必要がある。
【特許文献１】特開平５−９０９７号公報
【特許文献２】特開２０００−１６９２８７号公報
【特許文献３】特開２００７−２１０８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ポリシリコン溶融時の炉内圧をシリコン単結晶の引き上げ時よりも高く設定したり低く設定したりするだけでは、気泡を十分に除去することができず、気泡を十分に除去するためのより良い方法が求められている。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するものであり、気泡に起因する空洞欠陥のない高品質なシリコン単結晶を製造することが可能な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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ルツボ内の気泡を除去するためには、チャンバー内の環境を急激に変化させてルツボ内表面に付着した気泡を離脱させることが有効であることを見出した。
【０００９】
本発明はこのような技術的見知に基づいてなされたものであって、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、石英ガラスルツボ内に充填されたポリシリコン原料をチャンバー内で溶融する工程と、チャンバー内の圧力及び温度の少なくとも一方を急激に変化させて石英ガラスルツボ内のシリコン融液から気泡を除去する工程と、気泡が除去された後のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、チャンバー内環境を急激に変化させて石英ガラスルツボ内のシリコン融液に含まれる気泡を除去した後、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを開始するので、シリコン単結晶の引き上げ中に気泡が発生し、結晶中に取り込まれて空洞欠陥が形成される事態を回避することができ、高品質なシリコン単結晶を製造することが可能となる。
【００１１】
本発明において、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の圧力変化率は、シリコン原料を溶融するためにチャンバー内を減圧する際の圧力変化率よりも大きく、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の温度変化率は、シリコン原料を溶融するためにチャンバー内を高温にする際の温度変化率よりも大きいことが好ましい。
【００１２】
本発明において、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の圧力変化率は、シリコン原料を溶融するためにチャンバー内を減圧する際の圧力変化率の５倍以上１０００倍以下であることが好ましい。この場合において、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の減圧速度は１．５ｈＰａ／ｓｅｃ以上２０ｈＰａ／ｓｅｃ以下であることが特に好ましい。
【００１３】
チャンバー内の圧力を急激に低下させた場合には、ルツボ内にＳｉＯガスが析出し、ルツボの内表面に付着したＡｒガスにＳｉＯガスが付着し、より大きな気泡となってシリコン融液を浮上するものと考えられる。したがって、ＳｉＯガスの発生の起点となるルツボの内表面に付着したＡｒガスを除去することができ、特に、本工程を複数回繰り返した場合には、気泡をさらに確実に除去することが可能となる。
【００１４】
また、本発明において、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の温度変化率は、シリコン原料を溶融するためにチャンバー内を高温にする際の温度変化率の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。この場合において、シリコン融液中の気泡を除去する工程におけるチャンバー内の昇温速度は０．５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下であることが特に好ましい。
【００１５】
チャンバー内の温度を急激に上昇させた場合も、圧力を低下させた場合と同様、ＳｉＯガスの発生の起点となるルツボの内表面に付着したＡｒガスを除去することができ、特に、本工程を複数回繰り返した場合には、気泡をさらに確実に除去することが可能となる。
【００１６】
本発明において、気泡を除去する工程は、チャンバー内の圧力と温度を同時に変化させることがより好ましい。これによれば、ルツボ内の気泡を十分に除去することができる。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、気泡に起因する空洞欠陥のない高品質なシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図である。
【００２０】
図１に示すように、シリコン単結晶引き上げ装置１０は、チャンバー１１と、チャンバー１１の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられた支持軸１２と、支持軸１２の上端部に固定されたグラファイトサセプタ１３と、グラファイトサセプタ１３内に収容された石英ガラスルツボ１４と、グラファイトサセプタ１３の周囲に設けられたヒーター１５と、支持軸１２を昇降及び回転させるための支持軸駆動機構１６と、種結晶を保持するシードチャック１７と、シードチャック１７を吊設する引き上げワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るためのワイヤー巻き取り機構１９と、ヒーター１５及び石英ガラスルツボ１４からの輻射熱によるシリコン単結晶２０の加熱を防止すると共にシリコン融液２１の温度変動を抑制するための熱遮蔽部材２２と、各部を制御する制御装置２３とを備えている。
【００２１】
チャンバー１１の上部には、Ａｒガスをチャンバー１１内に導入するためのガス導入口２４が設けられている。Ａｒガスはガス管２５を介してガス導入口２４からチャンバー１１内に導入され、その導入量はコンダクタンスバルブ２６により制御される。
【００２２】
チャンバー１１の底部には、チャンバー１１内のＡｒガスを排気するためのガス排出口２７が設けられている。密閉したチャンバー１１内のＡｒガスはガス排出口２７から排ガス管２８を経由して外へと排出される。排ガス管２８の途中にはコンダクタンスバルブ２９及び真空ポンプ３０が設置されており、真空ポンプ３０でチャンバー１１内のＡｒガスを吸引しながらコンダクタンスバルブ２９でその流量を制御することでチャンバー１１内の減圧状態が保たれている。
【００２３】
本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、直径３２インチ（約８００ｍｍ）以上の大型ルツボを使用する場合に効果的である。そのような大型の石英ガラスルツボではポリシリコンの溶融時にＡｒガスがルツボ内に捕獲されやすく、シリコン単結晶中に空洞欠陥が形成される可能性が非常に高いからである。石英ガラスルツボとしては、天然石英のみを原料とするものから内表面に合成シリカガラスを使用した高純度石英ガラスルツボまで様々なタイプものを用いることができる。
【００２４】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、シリコン単結晶の製造方法について詳細に説明する。
【００２５】
図２に示すように、シリコン単結晶の製造では、まずシリコン単結晶の原料となるポリシリコンを用意し（ステップＳ１１）、適量のポリシリコン砕片を石英ガラスルツボ１４内に充填した後（ステップＳ１２）、石英ガラスルツボ１４をチャンバー１１内のグラファイトサセプタ１３内に収容する（ステップＳ１３）。
【００２６】
次に、真空ポンプ３０でチャンバー１１内を減圧（初期真空引き）した後、ガス導入口２４からＡｒガスを導入してチャンバー１１内を減圧のＡｒガス雰囲気とする（ステップＳ１４）。その後、ヒーター１５でチャンバー１１内の石英ガラスルツボ１４を加熱（初期加熱）し、石英ガラスルツボ１４内のポリシリコンを溶融する（ステップＳ１５）。このとき、チャンバー１１内の圧力は２５〜２００ｈＰａであり、チャンバー１１内の温度は１５００〜１６００℃である。また、チャンバー１１内の減圧速度は、０．０１２〜０．３ｈＰａ／ｓｅｃあることが好ましく、チャンバー１１内の昇温速度は、０．０２〜０．５℃／ｓｅｃであることが好ましい。その後、しばらく放置してシリコン融液中のガスを十分に放出させる（ステップＳ１６）。このとき、ルツボ内に存在するほとんどの気体は抜け出すが、Ａｒガスは取り残されやすいことは上述した通りである。
【００２７】
次に、コンダクタンスバルブ２９の制御によってチャンバー１１内の圧力を急激に低下させると共に、ヒーター１５の出力を上げてチャンバー１１内の温度を急激に上昇させる（ステップＳ１７）。チャンバー１１内の圧力は７〜１００ｈＰａまで低下させることが好ましく、そのときの減圧速度は１．５〜２０ｈＰａ／ｓｅｃであることが好ましい。減圧速度が１．５ｈＰａ／ｓｅｃよりも小さい場合には気泡を除去する所望の効果が得られず、２０ｈＰａ／ｓｅｃよりも大きい場合には石英ガラスルツボ内表面において石英ガラスルツボ中の気泡の破裂を招くおそれがあるからである。また、チャンバー１１内の温度は１６００〜１７００℃まで上昇させることが好ましく、そのときの昇温速度は、０．５〜５℃／ｓｅｃであることが好ましい。昇温速度が０．５℃／ｓｅｃよりも小さい場合には気泡を除去する所望の効果が得られず、５℃／ｓｅｃよりも大きい場合には石英ガラスルツボの熱分布が不均一になり、石英ガラスルツボの変形を招くおそれがあるからである。
【００２８】
ポリシリコンを溶融するためチャンバー内を減圧且つ高温下にする際の変化率を基準とした場合、気泡を除去する際のチャンバー内の圧力変化率は、ポリシリコンを溶解するためにチャンバー内を減圧する際の圧力変化率の５倍以上１０００倍以下であることが好ましい。また、気泡を除去する際のチャンバー内の温度変化率は、ポリシリコンを溶融するためにチャンバー内を高温にする際の温度変化率の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。
【００２９】
このようにチャンバー１１内の圧力及び温度を急激に変化させた場合には、ルツボとシリコン融液の急激な反応によってＳｉＯガスが発生し、ＳｉＯガスの気泡がルツボの内表面に付着したＡｒガスの気泡と一体化し、より大きな気泡となってシリコン融液を浮上するものと考えられる。したがって、ＳｉＯガスの発生の起点となるルツボの内表面に付着したＡｒガスを除去することができる。
【００３０】
チャンバー１１内の圧力及び温度の急激に変化させる工程は、１回に限るものではなく、複数回行ってもよい（ステップＳ１８Ｙ）。この場合、圧力又は温度を各工程で同一の変化率としてもよく、異なる変化率としてもよい。また、いくつかの工程で圧力を急激に変化させる工程を省略し、温度のみを急激に変化させてもよく、逆にいくつかの工程で圧力のみを急激に変化させてもよい。圧力及び温度の急激に変化させる工程を複数回行う場合には、石英ガラスルツボ１４の内表面に付着したＡｒガスの気泡を確実に除去することができる。
【００３１】
その後、シリコン融液が１５００℃程度に安定するまで温度調整を行った後（ステップＳ１９）、シリコン単結晶２０の引き上げを開始する（ステップＳ２０）。シリコン単結晶２０の引き上げでは、支持軸１２及びワイヤー１８を互いに逆方向に回転させながらシードチャック１７に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２１に着液させ、種結晶をシリコン融液２１に馴染ませた後、種結晶をゆっくりと引き上げることにより、種結晶の下端にシリコン単結晶２０を成長させていく。ここで、シリコン単結晶２０の育成を開始する前にチャンバー１１内の圧力及び温度を急激に変化させてシリコン融液中の気泡を除去しているため、Ａｒガスは石英ガラスルツボ１４内にほとんど残っていない。したがって、Ａｒガスの気泡が育成中のシリコン単結晶２０に取り込まれる可能性は極めて低い。
【００３２】
シリコン単結晶２０の引き上げでは、まず単結晶を無転位化するためにダッシュ法によるシード絞り（ネック部の形成）を行う。次に、必要な直径の単結晶を得るためにショルダー部を育成し、単結晶が求める直径になったところで直径を一定にしてボディ部を育成する。ボディ部を所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶をシリコン融液から切り離すためにテール絞り（テール部の形成）を行なう。その後、シリコン融液２１から切り離したシリコン単結晶インゴッドを所定の条件で冷却する。このようにして得られたシリコン単結晶インゴッドから加工製造されたシリコンウェ−ハは、種々の半導体デバイスの基板材料として用いられる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャンバー１１内の圧力を急激に低下させると共にチャンバー１１内の温度を急激に上昇させて、石英ガラスルツボ１４内のシリコン融液に含まれる気泡を除去した後、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを開始するので、シリコン単結晶の引き上げ中に気泡が発生し、結晶中に取り込まれて空洞欠陥が形成される事態を回避することができ、高品質なシリコン単結晶を製造することができる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。
【００３５】
例えば、上記実施形態においては、チャンバー内の圧力と温度の両方を急激に変化させているが、チャンバー内の圧力のみを変化させてもよく、チャンバー内の温度のみを変化させてもよい。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
直径３２インチ（口径８００ｍｍ）の石英ガラスルツボ内にポリシリコン砕片４００ｋｇを充填し、この石英ガラスルツボを単結晶引き上げ装置内のグラファイトサセプタに収容し、石英ガラスルツボ内のポリシリコンをチャンバー内で溶融した。次いで、チャンバー内の圧力及び温度の両方を急激に変化させて石英ガラスルツボ内のＡｒガスの除去を行った。このとき、圧力の低下率は１０ｈＰａ／ｓｅｃ、温度の上昇率は４℃／ｓｅｃとした。その後、シリコン融液から直径約３００ｍｍのシリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。
【００３７】
次に、得られたシリコン単結晶インゴッドから厚さ１ｍｍ程度のウェハーをワイヤソーにより切り出し、表面が鏡面研磨されたポリッシュドウェハーを作製した。そして、このポリッシュドウェハーのピンホール発生率を測定した。ピンホール発生率の測定にはパーティクル測定装置を使用し、ポリッシュドウェハーの表面のピンホールの数を測定した。ピンホール発生率は、1本のシリコン単結晶から得られる多数のウェハー中に含まれるピンホールの総数をそのウェハーの枚数で割った値である。測定結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．０５％となり、０．１％未満の非常に良好な結果が得られた。
【００４０】
（実施例２）
チャンバー内の温度を一定とし、チャンバー内の圧力のみを急激に変化させて石英ガラスルツボ内のＡｒガスの除去を行った点以外は実施例１と同様の条件にて、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。このときの圧力の低下率は１０ｈＰａ／ｓｅｃとした。次に、実施例１と同様にしてピンホール発生率を求めた結果、表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．０８％となり、０．１％未満の非常に良好な結果となった。
【００４１】
（実施例３）
チャンバー内の圧力を一定とし、チャンバー内の温度のみを急激に変化させて石英ガラスルツボ内のＡｒガスの除去を行った点以外は実施例１と同様の条件にて、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。このときの温度の上昇率は４℃／ｓｅｃとした。次に、実施例１と同様にしてピンホール発生率を求めた結果、表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．１５％となり、０．１％程度の良好な結果となった。
【００４２】
（比較例１）
チャンバー内の圧力及び温度を全く変化させなかった点以外は実施例１と同様の条件にて、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。次に、実施例１と同様にしてピンホール発生率を求めた結果、表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．６０％となった。
【００４３】
（比較例２）
チャンバー内の圧力を緩やかに変化させた点以外は実施例１と同様の条件にて、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。このときの圧力の低下率は０．５ｈＰａ／ｓｅｃとした。次に、実施例１と同様にしてピンホール発生率を求めた結果、表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．５０％となった。
【００４４】
（比較例３）
チャンバー内の温度を緩やかに変化させた点以外は実施例１と同様の条件にて、シリコン単結晶インゴッドの引き上げを行った。このときの温度の上昇率は０．１℃／ｓｅｃとした。次に、実施例１と同様にしてピンホール発生率を求めた結果、表１に示すように、本実施例による条件で製造されたシリコン単結晶から得られたウェハーのピンホール発生率は０．５５％となった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の好ましい実施形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるシリコン単結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０    シリコン単結晶引き上げ装置
１１    チャンバー
１２    支持軸
１３    グラファイトサセプタ
１４    石英ガラスルツボ
１５    ヒーター
１６    支持軸駆動機構
１７    シードチャック
１８    ワイヤー
１９    ワイヤー巻き取り機構
２０    シリコン単結晶
２１    シリコン融液
２２    熱遮蔽部材
２３    制御装置
２４    ガス導入口
２５    ガス管
２６    コンダクタンスバルブ
２７    ガス排出口
２８    排ガス管
２９    コンダクタンスバルブ
３０    真空ポンプ
【図１】
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【図２】
2010155762.tif 000005