(57)【要約】【課題】チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するにあたり、単結晶が融液に落下することなく、無転位の大口径、高重量のシリコン単結晶の育成方法を得る。【解決手段】直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を作成して、ネック部の先端を無転位化させた。次に、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍ（Ｌ≧Ｌ’＝１２．７０×ｔａｎ５４．７４°＝１２．７０×１．４１＝１７．９６ｍｍ）の位置までメルトバックさせた。その後、ネック部を育成しないで、直径３００ｍｍまで拡径して、直径３００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を育成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶引上装置を用いたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、種結晶を準備する工程と、前記種結晶の先端を融液に接触させる工程と、前記種結晶を融液から引上げてネック部を育成してそのネック部先端を無転位化させる第一引上工程と、少なくとも前記ネック部に加えて融液に接触させた前記種結晶の先端から距離Ｌ（Ｌ＝ｄ×ｔａｎθ（ｄ：融液に接触させたときの種結晶面の直径、又は、種結晶面の対角長、θ：転位の伝播方向と融液面とのなす角）だけ融液に溶かし込むメルトバック工程と、前記溶かし込んだ種結晶を引上げてシリコン単結晶を育成する第二引上工程とを含むことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記メルトバック工程を複数回行う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】
前記メルトバック工程における溶かし込み速度は、０．５〜２．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲内であることを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第二引上工程は、ネック部を育成させずに所望の直径まで拡径してシリコン単結晶を育成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記単結晶引上装置は、融液の輻射熱からシリコン単結晶を保護するための輻射シールドを備え、前記第一引上工程後、前記メルトバック工程前に、前記輻射シールドを上昇させて、融液と輻射シールド下端までの距離を、１００ｍｍ以上とする工程を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１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、チョクラルスキー法により大口径、高重量の単結晶を無転位で育成するシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子形成用基板として用いられるシリコン単結晶を育成する場合は、坩堝内で加熱、溶融された融液に種結晶を接触させて引上げるチョクラルスキー法（以下、単にＣＺ法という。）が一般的に使用されている。ＣＺ法では、高温に加熱された融液に種結晶を接触させるため、接触させた際に種結晶表面と融液との温度差によって、種結晶に熱ショック転位が高密度で発生する。この発生した熱ショック転位からシリコン単結晶に伝播する転位を防止し、無転位で単結晶を育成するために、一般的にダッシュネック法が広く用いられている。このダッシュネック法は、融液に種結晶を接触させた後、種結晶を細く絞って直径が３ｍｍ程度まで縮径することによって、融液接触時に発生した熱ショック転位から伝播する転位を消滅させて、無転位の単結晶を育成する方法である。
【０００３】
しかしながら、近年の単結晶の大口径化、高重量化に伴い、ダッシュネック法を用いる場合はネック部の強度不足により、単結晶育成中にネック部が破損し、単結晶が融液に落下するという大事故が発生する問題が懸念されている。
【０００４】
そこで、種結晶を融液に接触させた際に導入された転位を軽減又は消滅させて、種絞り工程の時間をより一層短縮し、かつ、大直径で大重量の単結晶を支持する方法が提案されている。例えば、シリコン融液に接触させた種結晶を接触点より０．０１〜０．０５ｍｍ／ｓｅｃの速度で更に降下させ種結晶の先端部を少なくとも３０ｍｍだけシリコン融液に浸漬溶融させた後、種結晶を引上げるものである（例えば、特許文献１参照）
また、ダッシュネック法によらず、高重量のシリコン単結晶を、結晶保持機構のような複雑な装置を使用することなく引上げる方法も提案されている。例えば、先端部の形状が尖った形状または尖った先端を切り取った形状である種結晶を使用し、シリコン融液にその先端部をしずかに接触させた後、低速度で下降させて、その先端部が所望の太さとなるまで溶解し、その後、ゆっくりと上昇させるものである。（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−１６５２９７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０３８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された発明では、種結晶をシリコン融液に接触させた瞬間に導入された転位は、いかに低速で溶解しても転位発生部から種結晶上方に向かって転位が伝播してしまい、完全に転位を消滅させることが難しい。
【０００６】
また、特許文献２に開示された発明では、種結晶の先端部を尖った形状または尖った先端を切り取った形状としても、種結晶は固体であるため、高温の融液に接触する際の熱応力を軽減するには限界があった。さらに、単結晶引上げの都度、先端部が所定の形状に加工された種結晶を使用しなければならなかった。また、単結晶引上げの途中で、他の不具合により種結晶切り離し等の必要性が生じた場合でも、常に、種結晶を交換しなければならならず、コスト、生産性の面で劣るものであった。加えて、種結晶の加工時において残存する破砕層等の影響が、熱ショック転位発生の要因となっていた。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するにあたり、単結晶が融液に落下するという大事故が発生することなく、大口径、高重量の単結晶を無転位で育成することが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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、単結晶引上装置を用いたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、種結晶を準備する工程と、前記種結晶の先端を融液に接触させる工程と、前記種結晶を融液から引上げてネック部を育成してそのネック部先端を無転位化させる第一引上工程と、少なくとも前記ネック部に加えて融液に接触させた前記種結晶の先端から距離Ｌ（Ｌ＝ｄ×ｔａｎθ（ｄ：融液に接触させたときの種結晶面の直径、又は、種結晶面の対角長、θ：転位の伝播方向と融液面とのなす角）だけ融液に溶かし込むメルトバック工程と、前記溶かし込んだ種結晶を引上げてシリコン単結晶を育成する第二引上工程とを含むことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するにあたり、単結晶が融液に落下するという大事故が発生することなく、大口径、高重量の単結晶を無転位で育成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、例えば、図１に示すような単結晶引上装置１が用いられる。この単結晶引上装置１は、収容容器であるチャンバ２と、このチャンバ２内に配置された石英ルツボ３と、この石英ルツボ３を保持するカーボンサセプタ４と、このカーボンサセプタ４の外周部を囲うヒータ５と、このヒータ５の放熱を防止する保温筒６を有している。カーボンサセプタ４の底部は、図示しないチャンバ２外部の駆動機構に連結されており、昇降および回転が可能である。さらに、石英ルツボ３の上方には、チャンバ２外部の駆動機構７にワイヤ８を介して連結されたシードチャック９の下端部に、例えば、直径ｄの円柱形状の種結晶１０が取り付けられている。そして、石英ルツボ３にポリシリコンとドープ剤を充填し、ヒータ５により加熱、溶融して融液１１とする。
【００１２】
次に、図２（ａ）に示すように、種結晶１０を回転させながら降下させて、融液１１と接触させる（図２（ｂ））。なお、種結晶１０の先端部は、融液１１と接触させた際に種結晶１０と融液１１との温度差によって熱衝撃が発生し、種結晶１０には熱ショック転位１２が発生する（以下、ここで発生した熱ショック転位を、「初期発生転位」という）。
【００１３】
次に、種結晶１０を回転させながら引上げ、ネック部１３を育成してその先端を無転位化させる（以下、「第一引上工程」という）。なお、この第一引上工程では、ネック部１３の直径を例えば３ｍｍ程度となるように制御する。これは、熱衝撃で発生した熱ショック転位１２から伝播する転位１２’を消滅させ、ネック部先端を無転位化させるためである（図２（ｃ））。
【００１４】
次に、無転位化されたネック部１３の先端から再び種結晶１０を下降させて、第一工程で育成したネック部１３と種結晶１０の一部を融液に溶かし込む（以下、「メルトバック」という）。詳しくは、メルトバックを、ネック部１３の無転位化された位置から開始して、直径ｄである種結晶１０の先端部（図２（ｃ）中、Ａの位置））から距離Ｌ分だけ（図２（ｃ）中、Ｂの位置）溶かし込む（図２（ｄ））。
【００１５】
ここで、距離Ｌの定義を図３を用いて説明する。一般的に、図３に示すように、初期発生転位は、種結晶と融液との接触面（水平面）から角度θで上方に伝播される。なお、この角度は、例えば、種結晶と融液との接触面が＜１００＞結晶の場合は、融液接触面から５４．７４°の方向に伝播といわれている。すなわち、融液に接触させた面の最大長さがｄ（融液接触面が円なら直径、四角ならその対角線の長さ）であるとき、初期発生転位の種結晶上方への最大伝播距離Ｌ’（例えば、図３中、αの転位）は、Ｌ’＝ｄ×ｔａｎθで定義することができる。したがって、初期発生転位を完全に除去するためには、 Ｌ≧Ｌ’となるように、少なくとも距離Ｌ分上方までメルトバックさせる必要がある。
【００１６】
最後に、溶かし込んだ種結晶を引上げてシリコン単結晶を育成する（以下、「第二引上工程」という）ことで、初期発生転位が除去されたいわゆる無転位シリコン単結晶を育成することができる。すなわち、この第二引上工程において、ネック部を育成させずに所望の直径まで拡径して育成しても、無転位化率が高い大口径、高重量のシリコン単結晶を、育成することができる。
【００１７】
さらに、この第二引上工程では、例えば、４〜１０ｍｍφ程度の大口径のネック部を育成してから拡径してシリコン単結晶を育成させてもよい。ただし、ネック部を育成すると、ネック部の径によって育成可能なシリコン単結晶の重量は制限されてしまうため、ネック部を育成することなく、拡径してシリコン単結晶を育成するほうが、生産性、コストの面においてもはるかに優れており、好ましい。
【００１８】
上述したメルトバック工程は複数回行うことが好ましい。メルトバック工程を複数回行うことで、初期発生転位等の残留転位をより低減することができるため、無転位化成功率が向上する。
【００１９】
さらに、メルトバック工程における溶かし込み速度は、０．５〜２．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲内であることが好ましい。溶かし込み速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎ未満の場合は、メルトバック後、種結晶内に初期発生転位が残存する等の品質的な問題はないが、溶かし込みに要する時間が長くなるため、生産性の面において好ましくない。また、溶かし込み速度が２．０ｍｍ／ｍｉｎを超える場合は、溶かし込み速度が速いため、溶かし込み中の融液と種結晶との温度勾配が大きくなり、上述した距離Ｌ分上方までメルトバックさせた時点で、新たに、熱ショック転位が発生しやすくなるため無転位化成功率が低下してしまい好ましくない。
【００２０】
図４は単結晶引上装置の構成を示す概念図であるが、図１に示す単結晶引上装置に加えて、さらに、チャンバ２内に融液１１面を覆うように輻射シールド１４が配設されている。この輻射シールド１４は、融液１１から輻射される輻射熱からシリコン単結晶を保護するためのものである。
【００２１】
上述した第一引上工程後、メルトバック工程前に、輻射シールド１４を上昇させて、融液１１と輻射シールド１４下端までの距離Ｔを、１００ｍｍ以上とすることが好ましい。このように、第一引上工程後、メルトバック工程前に、輻射シールド１４を上昇させて、上記距離Ｔを大きくすることで、融液の輻射熱を融液近傍のみならず種結晶の上部まで伝えることができるため、ネック部、及び種結晶の温度勾配をより小さくすることができるからである。
【００２２】
（実施例１）
直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成して、ネック部の先端を無転位化させた。次に、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍ（Ｌ≧Ｌ’＝１２．７０×ｔａｎ５４．７４°＝１２．７０×１．４１＝１７．９６ｍｍ）の位置までメルトバックさせた。その後、ネック部を育成しないで、直径３００ｍｍまで拡径して、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ６０％であった（１０本中６本）。
【００２３】
（実施例２）
直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成して、ネック部の先端を無転位化させた。次に、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置までメルトバックさせた。その後、直径８ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成してから、直径３００ｍｍまで拡径して、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ８０％であった（１０本中８本）。
【００２４】
（実施例３）
直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成して、ネック部の先端を無転位化させた。次に、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置までメルトバックさせた。その後、さらに、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を作成して、ネック部の先端を無転位化させ、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置まで再メルトバックさせた。その後、ネック部を育成しないで、直径３００ｍｍまで拡径して、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ８０％であった（１０本中８本）。
【００２５】
（実施例４）
直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成して、ネック部の先端を無転位化させた。次に、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置までメルトバックさせた。その後、さらに、直径３ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を作成して、ネック部の先端を無転位化させ、ネック部の先端を融液から切り離すことなく、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置まで再メルトバックさせた。その後、直径８ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成してから、直径３００ｍｍまで拡径して、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ１００％であった（１０本中１０本）。
【００２６】
（比較例１）
直径１２．７ｍｍの＜１００＞結晶をシリコン融液表面に接触させた後、ネック部を育成させないで、そのまま種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置までメルトバックさせた。その後、直径８ｍｍ、長さ１００ｍｍのネック部を育成してから、直径３００ｍｍまで拡径して、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ０％であった（１０本中０本）。
【００２７】
（実施例５〜７、比較例２〜３）
実施例１と同様な条件で、直径３００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。ただし、メルトバック時における溶かし込み速度を、０．５ｍｍ／ｍｉｎ（実施例５）、１．０ｍｍ／ｍｉｎ（実施例６）、２．０ｍｍ／ｍｉｎ（実施例７）、３．０ｍｍ／ｍｉｎ（比較例２）、４．０ｍｍ／ｍｉｎ（比較例３）と振ってシリコン単結晶を作成した。得られたシリコン単結晶をＸ線トポグラフにより無転位化成功率を評価した。結果を表１に示す。
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、メルトバック時における溶かし込み速度を２．０ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることで、育成した単結晶の無転位化成功率が８０％以上と非常に高くなることが確認された。なお、溶かし込み速度が３．０ｍｍ／ｍｉｎ以上の場合は、無転位化成功率が１０％以下となり、育成させたシリコン単結晶の無転位化が図られていないことが確認された。
【００２９】
（実施例８）
実施例１と同様な条件で、直径３００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。ただし、メルトバック時における溶かし込み速度を、メルトバック開始位置（無転位化されたネック部の先端）から１０ｍｍ上方まで（以下、「第一段階」という）と、上記ネック部上方１０ｍｍの位置から種結晶のシリコン融液接触面から２０ｍｍの位置まで（以下、「第二段階」という）、の２つの段階を、それぞれ表２に示すような条件で溶かし込み速度を振ってメルトバックした。得られたシリコン単結晶をＸ線トポグラフにより無転位化成功率を評価した。結果を表２に示す。
【表２】
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【００３０】
表２に示すように、メルトバック時における溶かし込み速度を２段階としても、その範囲が０．５〜２．０ｍｍ／ｍｉｎである場合には、いずれも無転位化成功率が高いシリコン単結晶を得ることができる。
【００３１】
（比較例４）
実施例１と同様な条件で、直径３００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。ただし、育成させるネック部は、直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍで、ネック部の先端が無転位化されない位置からメルトバックを開始した。また、このときの溶かし込み速度は、１．０ｍｍ／ｍｉｎである。得られたシリコン単結晶を、Ｘ線トポグラフにより無転位化成功率を評価したところ２０％であった（１０本中２本）。
【００３２】
（実施例９〜１１、比較例５〜７）
図４に示すように、石英ルツボの上方に中空筒状の輻射シールドを昇降自在に配置し、実施例１と同様な条件で、直径３００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのシリコン単結晶を１０本育成させた。ただし、ネック部の先端を無転位化させた後、メルトバックを行う前に、輻射シールドを上昇させて、融液と輻射シールド下端までの距離（以下、「ギャップ」という）を、５０ｍｍ（比較例５）、７０ｍｍ（比較例６）、９０ｍｍ（比較例７）、１００ｍｍ（実施例９）、１３０ｍｍ（実施例１０）、１５０ｍｍ（実施例１１）とそれぞれ条件を振ってメルトバックを開始した。なお、輻射シールドの上昇前のギャップは５０ｍｍである。また、このときの溶かし込み速度は、１．０ｍｍ／ｍｉｎである。得られたシリコン単結晶をＸ線トポグラフにより無転位化成功率を評価した。
【００３３】
結果を表３に示す。
【表３】
2006069874.tif 000005
【００３４】
表３に示すように、ネック部の先端を無転位化させた後、メルトバックを行う前に、輻射シールドを上昇させて、ギャップを、１００ｍｍ以上にあげることで、得られるシリコン単結晶の無転位化成功率を向上することができる。
【００３５】
以上の実施例、比較例の結果は、下記のように推察される。
【００３６】
前述したように、種結晶の初期発生転位をメルトバックで消滅させるためには、第一引上工程で、ネック部を育成しその先端を無転位化させることが必要である。メルトバックを開始すると、種結晶と融液との温度差により、ネック部上方に向かって新たに熱ショック転位が発生する。すなわち、無転位化されたネック部にもメルトバック時において新たに熱ショック転位が発生し、上方に向かって熱ショック転位が伝播していく。なお、その伝播していく上方には、初期発生転位が伝播した転位領域が存在しており、この転位領域の存在が、メルトバック時に新たに発生した熱ショック転位を上方に伝播させるのを止める効果を有していると考えられる。なお、第一引上工程で育成したネック部の先端が無転位化されていない状態でメルトバックを開始した場合、メルトバック時に新たに発生する熱ショック転位は、初期発生転位が伝播した転位領域の存在により、上方に伝播されるのを止まると考えられるが、初期発生転位が種結晶上方に向かって伝播してしまうため、さほど無転位化成功率は向上しないと考えられる。
【００３７】
本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法で用いられる単結晶引上装置の構成を示す概念図。
【図２】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法を説明する概念図。
【図３】融液接触面における熱ショック転位の状態図。
【図４】本発明の実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法で用いられる単結晶引上装置の構成を示す概念図。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・  単結晶引上装置、  ２・・・  チャンバ、  ３・・・  石英ルツボ、  ４・・・  カーボンサセプタ、  ５・・・  ヒータ、  ６・・・  保温筒、７・・・  駆動機構、８・・・  ワイヤ、９・・・  シードチャック、１０・・・  種結晶、１１・・・  融液、１２・・・  熱ショック転位、１３・・・  ネック部、１４・・・  輻射シールド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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