(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の引上げ域の周囲に輻射熱遮断スクリーンを配設して単結晶を製造する方法において、単結晶の引上げ初期段階には引上炉内圧力を０．６７〜１．３３ｋＰａ（５〜１０Ｔｏｒｒ）の低圧力雰囲気にするとともに坩堝の回転を低速にして、単結晶の引上げの進行に応じて引上炉内の圧力を高めて行き、引上炉内圧力が３．３３〜５．３３ｋＰａ（２５〜４０Ｔｏｒｒ）の高圧力雰囲気に到達した後、坩堝の回転を増加させて行くことを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項２】
単結晶の引上げ初期段階には坩堝の回転を０〜５ｒｐｍの低速にして、引上炉内を所定の高圧力雰囲気に保持した後、坩堝の回転を６〜２０ｒｐｍの範囲に増加させて行くことを特徴とする請求項１記載の単結晶の製造方法。
【請求項３】
引上炉内に供給されるＡｒガスの流量が一定であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の単結晶の製造方法。
【請求項４】
輻射スクリーンの下端と溶融液の表面との間隔を３０ｍｍ以下とし、輻射スクリーン内に供給されるＡｒガスの供給流量を４５リットル／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チョクラルスキー法によって単結晶を製造する方法に関し、さらに詳しくは酸素濃度が低く、かつ引上げ方向の酸素濃度分布が均一な単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶の製造方法は種々あるが、なかでも単結晶の工業的な量産が可能な方式として、いわゆるチョクラルスキー法が汎く用いられている。このチョクラルスキー法による単結晶の製造は、例えば引上炉内に配設した坩堝内に結晶用原料を投入し、これをヒーターによって加熱溶融させたのち、この溶融液中に種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に引上げて種結晶下端に単結晶を成長させることによって行われる。
【０００３】
単結晶の引上げにおいては、その引上速度は引上げられる単結晶の引上げ方向における温度勾配と密接な関係があり、温度勾配を大きくすることによって引上速度を速くすることができる。このため、工業的な量産を行う場合には、引き上げられる単結晶の周囲を囲撓するようにスクリーンを配設し、坩堝、加熱ヒーターおよび溶融液からの輻射熱を遮断し、単結晶の引上げ方向における温度勾配を大きくする方法が採用されている。
【０００４】
図２は、後述する輻射熱遮断スクリーン（以下、単に「輻射スクリーン」という）を配設してシリコン単結晶を製造する装置の縦断面図である。通常、シリコン単結晶の製造に使用される坩堝２は二重構造であって、内側の石英容器2aと、外側の黒鉛容器2bとで構成される。坩堝２の外側には加熱ヒーター３が設けられ、坩堝２内にはこの加熱ヒーターによって溶融されたシリコン溶融液５が収容されており、溶融液５上ではシリコン単結晶を囲撓するように輻射スクリーン９が配設されている。この輻射スクリーン９によって加熱ヒーター３および溶融液５からの輻射熱が遮断され、引上げられる単結晶８の温度勾配が大きくなる。このとき、引上炉１の上方の中央部から常時不活性ガス（例えば、Arガス）を流して、シリコン溶融液５の表面から蒸発する一酸化珪素（ SiO）を坩堝２の周縁部側に導き、坩堝の下方から排出するようにしている。
【０００５】
チョクラルスキー法によって製造されたシリコン単結晶は、前述の通り、石英坩堝内のシリコン溶融液から引き上げて成長させるため、成長した単結晶内には坩堝の石英(SiO2)から融出した多くの酸素を含んでいる。このため、この単結晶から製造されたウエーハは、ICやLSI の製造プロセスにおいて繰返し熱処理を受けても、スリップや反りを発生しにくい。更に、内部の酸素析出物は、1000℃近傍の熱処理で高密度欠陥層を形成し、ウエーハの表面領域に存在する不純物を低減する作用（いわゆるイントリンシックゲッタリング) を有する等の利点がある。しかしながら、このような利点を有効に発揮させるには、シリコン単結晶中の酸素濃度を用途に応じて調整する必要がある。そのため、単結晶の製造においては、所定の酸素濃度であって均一な濃度分布を示す単結晶を得ることが重要となる。
【０００６】
次に、チョクラルスキー法によって製造されたシリコン単結晶の実際の酸素濃度分布について説明する。引上げの初期段階としてネック工程が採られ単結晶の上端にショルダー（肩）が形成されて、その後一定径の直胴部を有するシリコン単結晶が引上げられる。単結晶の直胴部を引上げる場合、坩堝の回転および引上げ単結晶の回転が一定に保たれていれば、引上げ初期、すなわち単結晶のトップ側では坩堝内の溶融液が多く、溶融液と石英坩堝との接触面積が大きいために、溶融液に溶けだす酸素量が多くなり単結晶中の酸素濃度が高くなる。一方、引上げ後半、すなわち単結晶のテイル側では坩堝内の溶融液が少なくなり、溶融液と石英坩堝との接触面積が小さくなるために、溶融液中に溶けだす酸素が少なくなって、トップ側と比べて酸素濃度が低くなる。したがって、単結晶のトップ側からテイル側に向けて引上げ方向の酸素濃度が漸減することになり、均一な酸素濃度分布をもつ単結晶が製造できないという問題がある。
【０００７】
上記の問題を解決するため、従来から、次の▲１▼〜▲２▼の方法が試みられている。
【０００８】
▲１▼  単結晶の引上げの進行に応じて、坩堝の回転数を適宜増加させることによって、石英坩堝とシリコン溶融液との相対速度を増大させ、石英坩堝から溶けだす酸素量を積極的に増やして、引上げ後半における単結晶のテイル側での酸素濃度低下を抑制する方法。
【０００９】
この方法では、中酸素または高酸素レベルでの酸素濃度の均一化が図れるものの、低酸素レベル（例えば、11.5〜13.5×1017atoms/cm3 ）の単結晶を得ようとする場合、引上げ前半（単結晶のトップ側) で坩堝の回転を十分に遅くしても、所期の低酸素濃度に比べその濃度は依然として高く、低酸素濃度の許容範囲内になるのは相当引上げを行った後となる。このため、低酸素濃度の単結晶製品として使用できる単結晶の範囲が少なくなり、歩留が低下するという問題がある。
【００１０】
▲２▼  輻射スクリーン内に供給するArガス流量を増大させることにより、輻射スクリーン下端とシリコン溶融液の表面との間を流れるArガスの流速を速めて、溶融液の表面から蒸発する SiOの蒸発量を増大させ、引き上げ前半（単結晶のトップ側) での酸素濃度を低下させる方法（例えば特開昭64− 61383号公報、特開平１−160893号公報参照）。
【００１１】
この提案の方法では、引上げ前半（単結晶のトップ側) における酸素濃度を低酸素レベルにすることができるものの、多量のArガスを使用するので、費用が割高となる。さらに輻射スクリーン内に供給するArガスの流量を増大（例えば、60リットル/min程度）させると、供給された多量のArガスによってシリコン溶融液の表面が冷却され、融液表面が固化し結晶成長が行えないという問題を生じる。
【００１２】
また、引上げ中にArガス流量を極端に変化させてArガスの流速を調節すると、溶融液の温度変化が大きくなり、無転位単結晶が得られないという問題もある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、前記のように低酸素濃度のレベル（例えば、11.5〜13.5×1017atoms/cm3 ) であって、均一な酸素濃度分布を示す単結晶が製造できないという問題を有していた。
【００１４】
本発明は、この問題に鑑み、低酸素濃度のレベルであっても、均一な酸素濃度分布を示す単結晶の引上げが可能となる製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の単結晶の製造方法を要旨とする。
【００１６】
単結晶の引上げ域の周囲に輻射熱遮断スクリーンを配設して単結晶を製造する方法において、単結晶の引上げ初期段階には引上炉内圧力を０．６７〜１．３３ｋＰａ（５〜１０Ｔｏｒｒ）の低圧力雰囲気にするとともに坩堝の回転を低速にして、単結晶の引上げの進行に応じて引上炉内の圧力を高めて行き、引上炉内圧力が３．３３〜５．３３ｋＰａ（２５〜４０Ｔｏｒｒ）の高圧力雰囲気に到達した後、坩堝の回転を増加させて行くことを特徴とする単結晶の製造方法。
【００１７】
上記の製造方法では、単結晶の引上げ初期段階には坩堝の回転を０〜５ｒｐｍの低速にして、引上炉内を所定の高圧力雰囲気に保持した後、坩堝の回転を６〜２０ｒｐｍの範囲に増加させて行くことが望ましい。
【００１８】
さらに、引上炉内に供給されるＡｒガスの流量を一定にし、または輻射スクリーンの下端と溶融液の表面との間隔を３０ｍｍ以下とし、輻射スクリーン内に供給されるＡｒガスの供給流量を４５リットル／ｍｉｎ以下とするのが望ましい。
【００１９】
【作用】
図１は、本発明にかかる単結晶の製造方法の特徴を示す引上炉内圧力と坩堝回転との関係の一例を説明する図である。図１に示すように、本発明においては、単結晶中の酸素濃度を低酸素レベル（例えば、11.5〜13.5×1017atoms/cm3 ) で均一に成長させるため、単結晶の引上げ域の周囲に輻射スクリーンを配設して単結晶を製造する方法において、単結晶の引上げ初期段階では、引上炉内圧力を低圧力にするとともに坩堝の回転を低速にする。その後、単結晶の引上げの進行に応じて引上炉内の圧力を高めて行き、炉内圧力が所定の高圧力に到達した後、坩堝の回転を増加させて行くことを特徴としている。ここで、単結晶の引上げ初期段階とは、単結晶の上端にショルダー（肩）を形成後、一定径の直胴部を有する単結晶の引上げを開始して炉内圧力が所定の高圧力に到達するまでをいう。
【００２０】
単結晶の引上げ初期段階において、引上炉内圧力を低圧力にすることとしているのは、次の理由による。すなわち、引上炉内の圧力を低圧力に保持することによって、溶融液の表面上の SiO分圧が平衡分圧より低い状態となり、シリコン溶融液表面から蒸発する SiOの蒸発量が増大し、シリコン融液中の酸素量が減少する。また、シリコン溶融液の表面上を通過するArガスの流速を速めて、表面からの SiO蒸発を促進する。
【００２１】
引上炉内におけるArガスの流速Ｖｇは、ガス供給圧力Ｐｇ、ガス流量Ｑｇおよびガス通過空間断面積Ａｇの影響を受けるとともに炉内圧力Ｐｆに依存し、次の（１）式によって表される。
【００２２】
Ｖｇ＝（Ｑｇ／Ａｇ）×（Ｐｇ／Ｐｆ）      ・・・（１）
したがって、ガス供給圧力Ｐｇ、ガス流量Ｑｇおよびガス通過空間断面積Ａｇ（輻射スクリーン下端とシリコン融液表面とで形成する断面積）が一定の条件のもとで炉内圧力Ｐｆを小さくすると、輻射スクリーン下端とシリコン融液表面との間を流れるArガスの流速が速められ、シリコン溶融液の表面から蒸発する SiOが一層増加し、シリコン融液中の酸素量を著しく減少させることができる。
【００２３】
同時に、単結晶の引上げ初期段階においては、坩堝の回転を低速回転にする必要がある。これは、石英坩堝からシリコン融液への酸素溶け込み量を少なくするためである。このように引上炉内を低圧力雰囲気にすると同時に坩堝の回転を低速にすることによって、これらの作用が相まって、単結晶の直胴部の引上げ初期においても、直ちに単結晶中の酸素濃度を低酸素レベルにすることができる。
【００２４】
その後、引上げの進行とともに坩堝内の溶融液が少なくなり、溶融液と石英坩堝との接触面積が小さくなり溶けだす酸素量が減少してくる。そこで、溶融液内の酸素濃度の低下を防止するため、単結晶の成長に応じて引上炉内の圧力を高めて、Arガスの流速Ｖｇを遅くすること、または坩堝の回転を速くして、石英坩堝とシリコン溶融液との相対速度を高めることが必要となる。しかし、坩堝の回転を速くするには、引上炉内を所定の高圧力雰囲気に保持することが前提となる。
【００２５】
引上炉内が所定の圧力に達しない状態で坩堝の回転を速くすると、引上げられた単結晶のテイル側で酸素濃度が一層低下するという現象が発生する。これは、単結晶中の酸素濃度の調整にあたって、坩堝の回転を速くすることによる溶融液内の酸素濃度の上昇よりも、引上炉内の低圧力雰囲気に伴うシリコン溶融液からの SiO蒸発の方が大きいからである。すなわち、坩堝の回転を速めることによって、シリコン溶融液中の強制対流が増強されるが、低圧力雰囲気によって速められたArガスの流れの影響を受けて極低酸素化したシリコン溶融液の表面層がより多く結晶成長界面に運ばれて、得られる単結晶中の酸素濃度が低下するのである。このため、坩堝回転の増加は、引上炉内が所定の高圧力雰囲気に到達した後に行わなければならない。さらにArガスの流速を一定値以下に制限するのが好ましい。
【００２６】
本発明において、単結晶の引上げ初期段階の低圧力雰囲気における初期設定の引上炉内圧力を０．６７〜１．３３ｋＰａ（５〜１０Ｔｏｒｒ）とする。炉内圧力が０．６７ｋＰａ（５Ｔｏｒｒ）未満であると、輻射スクリーンと融液表面との間を流れるＡｒガスの流速が速くなりすぎて、溶融液表面が振動し無転位の単結晶が引上げられない。一方、引上げ初期段階で１．３３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）を超えると、溶融液表面からのＳｉＯの蒸発量が少なくなり、所定の低酸素濃度レベルの単結晶を得るための製品歩留が悪化する。
【００２７】
また、高圧力雰囲気における引上炉内圧力は３．３３〜５．３３ｋＰａ（２５〜４０Ｔｏｒｒ）とする。
【００２８】
炉内圧力が３．３３ｋＰａ（２５Ｔｏｒｒ）未満の場合には、坩堝回転を増加しても引上げ方向に均一な酸素濃度分布を示す単結晶が得られない。炉内圧力が５．３３ｋＰａ（４０Ｔｏｒｒ）を超す場合には、単結晶中の酸素濃度が低レベルにならない。
【００２９】
なお、低圧力雰囲気における初期設定の炉内圧力から高圧力雰囲気における炉内圧力に至るまでの圧力調整は、シリコン溶融液に急激な温度変化を与えないように留意して行われる。
【００３０】
坩堝の回転は、単結晶の引上げ初期段階において０〜５rpm の低速にするのが好ましい。坩堝の回転数が５rpm を超えると、坩堝から溶融液への酸素の溶け込み量が多くなりすぎて、単結晶中の酸素濃度が低レベルにならないからである。
【００３１】
また、坩堝の回転数が５rpm を大幅に超える場合には、逆に酸素濃度が下がり過ぎるという不安定な状態が生じることもある。
【００３２】
炉内圧力が高圧力雰囲気に到達した後、単結晶の引上げの進行に応じて坩堝の回転数を６〜20rpm の範囲に増加させるのが好ましい。このとき、坩堝の回転数が６rpm 未満では、坩堝から溶融液への酸素の溶け込み量が不足し、単結晶中の酸素濃度が低下しすぎて、所定の酸素濃度レベルが得られない。一方、坩堝の回転数が20rpm を超える場合には、坩堝から溶融液への酸素の溶け込み量が多くなりすぎて、単結晶のテイル側の酸素濃度が低酸素濃度レベルに達しなくなる。
【００３３】
本発明において、単結晶の引上げ中に引上炉内に供給されるArガスの供給圧力および流量は一定とするのが良い。そうすると、輻射スクリーンの下端と溶融液の表面との間を流れるArの流速は炉内圧力によって調整される。発明者らの検討結果によれば、本発明で規定する圧力変動の範囲内であって、輻射スクリーンの下端と溶融液の表面との間隔を30mm以下とする場合には、供給されるArガスの供給流量を45リットル/min以下にすれば、単結晶の引上中、溶融液に温度変化を与えることがなく、溶融液表面の固化を回避できて、無転位単結晶を得ることができる。また、引上げ炉内に供給されるArガス流量も少量となるので、経済的に単結晶を製造することができる。
【００３４】
なお、本発明の製造方法で得られた単結晶は、均一な低酸素濃度の単結晶が得られるだけではなく、単結晶中の不純物（例えば、炭素) を低減することができる。これは、単結晶の引上げ初期段階においてArガスの流速が速いために、炭素の混入を積極的に防止できて、その後の炭素等の不純物量の溶け込みを抑制しているからである。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の効果を、単結晶の全長にわたる酸素濃度の分布状況の調査（実施例１）および種々の製造条件を変化させた場合の製品歩留の調査（実施例２）の結果に基づいて説明する。
【００３６】
図２は、本発明の単結晶の製造方法を実施するための製造装置の構造例を説明する縦断面図である。引上炉１の内部には保温筒４が設けられ、これらの中心部には坩堝２が配設され、坩堝２の外周であって保温壁４との間にはヒーター３が同心状に配される。坩堝２は石英容器2aと黒鉛容器2bとで構成され、その下底部中央を坩堝昇降軸10で支持されて、坩堝２の上方には下端に種結晶６を固定した引上軸７が垂直に配設されている。そして坩堝２内の溶融液５の表面上方には、単結晶８を囲続するように逆円錐筒形の輻射スクリーン９が設けられている。
【００３７】
さらに図示する製造装置には、輻射スクリーン９内に供給するArガスの流量を調整するマスフローコントローラ11、炉内圧力を調整する圧力コントローラ12およびシリコン溶融液の表面位置を検出する手段13が設置されている。制御盤14にはマスフローコントローラ11、圧力コントローラ12および坩堝２の回転や昇降位置等を調整する自動制御回路（図示せず）を備えられており、マスフロコントローラ11、圧力コントローラ12および溶融液の表面位置検出手段13等からの各出力値をコンピュータ15に送信し、コンピュータ15の指令に基づき、炉内圧力および坩堝の回転が調整される。
【００３８】
（実施例１）
図２に示す製造装置を用いて本発明例と比較例とにより単結晶を製造し、引上げ方向の全長にわたる酸素濃度分布を比較した。製造した単結晶は、いずれも外径は２０４ｍｍで、引上げ長さは  ７５０ｍｍとして、本発明例では図１に示す製造条件を採用し、比較例では炉内圧力を４．００ｋＰａ（３０Ｔｏｒｒ）一定で、引上げの進行に応じて坩堝の回転数を４ｒｐｍから６ｒｐｍまで増加させた。また、Ａｒガスの流量は、いずれも３０リットル／ｍｉｎとしている。
【００３９】
図３は、本発明例における引上げ方向の酸素濃度分布を示しているが、単結晶引上げ直後（直胴部の先端）から所望の低酸素レベル（11.5〜13.5×1017atoms/cm3 ) に達しており、さらに引上げ方向の全長にわたって均一であることが明らかである。
【００４０】
図４は、比較例における引上げ方向の酸素濃度分布を示しているが、低酸素レベルを満足するのは単結晶のトップ側から約 270mm引上げた部分からであり、製品単結晶として使用できる範囲が少なく、製品歩留が悪いことが分かる。
【００４１】
さらに単結晶中の炭素濃度も測定したが、比較例では炭素濃度は平均で0.53×1016atoms/cm3 であったのに対し、本発明例では平均で0.15×1016atoms/cm3 であった。
【００４２】
（実施例２）
図２に示す製造装置を用いて、炉内圧力、坩堝の回転等の製造条件を変化させたときの低酸素レベル（11.5〜13.5×1017atoms/cm3 ) を満足する単結晶の製品歩留を調査した。本発明例と比較例の製造条件および調査結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
0003635694.tif 000002
【００４４】
表１から明らかなように、比較例に比べ、いずれの本発明例でも低酸素レベルを満足する製品歩留が良好となっている。本発明例のうち、引上初期の炉内圧力が０．６７〜１．３３ｋＰａ（５〜１０Ｔｏｒｒ）、引上後期の炉内圧力が３．３３〜５．３３ｋＰａ（２５〜４０Ｔｏｒｒ）または引上初期の坩堝回転が０〜５ｒｐｍ、引上後期の坩堝回転が６〜２０ｒｐｍの範囲を外れるＮｏ１、Ｎｏ４およびＮｏ８は、他の本発明例に比べ製品歩留が若干低下している。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来は製造が困難であった低酸素レベルで、かつ引上げ方向の酸素濃度分布が均一な単結晶を容易に製造することができる。これによって低酸素レベルの単結晶の製品歩留を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる単結晶の製造方法の特徴を示す引上炉内圧力と坩堝回転との関係の一例を説明する図である。
【図２】本発明の単結晶の製造方法を実施するための製造装置の構造例を説明する縦断面図である。
【図３】本発明例における単結晶の引上げ方向の酸素濃度分布を示す図である。
【図４】比較例における単結晶の引上げ方向の酸素濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１…引上炉、  ２…坩堝、  2a…石英製容器、  2b…黒鉛製容器
３…加熱ヒーター、  ４…保温筒、  ５…溶融液、  ６…種結晶
７…引上軸、  ８…単結晶、  ９…輻射スクリーン（輻射熱遮断スクリーン）
10…坩堝昇降軸、  11…マスフローコントローラ、  12…圧力コントローラ
13…溶融液表面の位置検出手段、  14…制御盤、  15…コンピュータ
【図１】
0003635694.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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