(57)【要約】【課題】チョクラルスキー法により育成する大直径のシリコン結晶の割れ発生を有効に抑止することができる製造方法およびその製造装置を提供する。【解決手段】引き上げ中の結晶の周囲に熱遮蔽体および冷却体が配置されているシリコン結晶の製造装置を用い、育成されつつある結晶の、１１００〜９００℃の温度域における熱応力の値を、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満として引き上げるシリコン結晶の製造方法、および上記装置を用いてシリコン結晶を育成する際、有転位化し多結晶化した部分が生じたとき、その部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から結晶を切り離すシリコン結晶の製造方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によるシリコン結晶を引き上げる際に、育成されつつある結晶の１１００〜９００℃の温度域における熱応力の値を、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満として引き上げることを特徴とするシリコン結晶の製造方法。
【請求項２】
チョクラルスキー法によりシリコン結晶を引き上げる結晶製造装置であって、育成されつつある結晶の１１００〜９００℃の温度域における熱応力が、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満となるように、引き上げ中の結晶の周囲に熱遮蔽体および冷却体が配置されていることを特徴とするシリコン結晶の製造装置。
【請求項３】
チョクラルスキー法によりシリコン結晶を育成する際、引き上げ途中で有転位化した場合、その有転位化位置からの多結晶部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から切り離すことを特徴とするシリコン結晶の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載のシリコン結晶の製造方法において、引き上げ途中で有転位化した場合、その有転位化位置からの多結晶部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から切り離すことを特徴とすることを特徴とするシリコン結晶の製造方法。
【請求項５】
育成する結晶の直径が３００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１、３または４に記載のシリコン結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」と略称する）によりシリコン結晶を製造する方法およびその製造装置に関し、さらに詳しくは、ＣＺ法により育成される大口径のシリコン結晶の割れ発生を有効に抑止することができる、シリコン結晶の製造方法およびその方法が適用できる製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料のシリコンウェーハに用いるシリコン単結晶の製造に、最も広く採用されている方法がＣＺ法による単結晶の引き上げ育成方法である。
【０００３】
このＣＺ法では、石英るつぼ内の溶融したシリコンに種結晶を浸けて引き上げ、単結晶を成長させる。このシリコン単結晶に関し、半導体デバイスの高集積化に対応した欠陥の低減ばかりでなく、コスト低減、生産性の向上に対応して結晶径の増大化が要望され、従来の主流であった直径２００ｍｍのものから直径３００ｍｍのものに移行しつつあり、さらに直径４００ｍｍにまで拡大されようとしている。
【０００４】
育成する単結晶の直径が大きくなると、結晶の体積に対する表面積が減少するので融液の凝固による凝固潜熱の除去を十分に行うのが難しくなり、引き上げ速度の低下を余儀なくさせられる。このため、通常、単結晶の周囲に熱遮蔽体を設置して、引き上げられつつある単結晶の側面が融液表面、るつぼ内壁、または溶融加熱用発熱体からの輻射熱で加熱されるのを防止する対策が採用されることはよく知られている。
【０００５】
さらに、例えば特許文献１、２、または３に開示されるように、熱遮蔽体の内側の単結晶表面に近い位置に水冷など強制的に冷却された環状の冷却体を置き、育成中単結晶の冷却をより一層強化して、引き上げ速度の向上を図ることも提案されている。
【０００６】
また、特許文献４などには、この熱遮蔽体と冷却体との組み合わせにより表面の冷却条件を変え、凝固直後の単結晶内部の温度分布を制御し、酸素析出や原子空孔および格子間原子の分布を変えて、単結晶から育成されるウェーハのｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥などの発生を抑止しようとする製造方法も開示されている。
【０００７】
引き上げ速度を向上するために、冷却体を用いた強制冷却をおこなう場合、特に直径が３００ｍｍ以上となる大径結晶においては、結晶育成中に割れが発生しやすく、有転位化し多結晶化しやすい傾向があることに対し、特許文献５にはその対策となる製造方法に関する発明が開示されている。
【０００８】
具体的には、特許文献５に開示される発明は、強制冷却して高速引き上げを行う場合に、単結晶中に発生する割れの原因が固液界面における熱応力の増加にあるとして、冷却体を用いての強制冷却を行うとともに、冷却部下方となる結晶下部を強制加熱しようとする方法である。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−２５６５９３号公報
【特許文献２】特開平８−２３９２９１号公報
【特許文献３】特開平１１−２９２６８４号公報
【特許文献４】特開２００１−２２０２８９号公報
【特許文献５】特開２００３−１６５７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
シリコン結晶をＣＺ法にて育成する際に、冷却体を引き上げ中の結晶の周囲に配置して冷却を速め、引き上げ速度の向上を図るとともに、結晶内部の欠陥発生を制御する方法が採用されている。この冷却体を配置して積極的に結晶から抜熱する手段は、引き上げる結晶の直径が大きくなるほど必須となり、かつ重要になってくる。しかし、それによる冷却が適切に行われなければ、引き上げ速度を向上できないばかりでなく、結晶の割れを発生させるおそれがある。
【００１１】
この結晶の割れは、育成中の結晶内部に生じる熱応力に起因すると推測されるが、結晶の育成終了後ブロックに切断するまでに発生することがしばしば確認される。そして、さらに結晶引き上げ中にも発生するおそれもあり、最悪の事態として、引き上げ中または装置からの取り出し中に発生し破損にまで至れば、重大な事故につながる危険性がある。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みて完成されたものであり、ＣＺ法により製造される大直径のシリコン結晶の割れ発生を有効に抑止することができる、シリコン結晶の製造方法およびその製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、直径が約３００ｍｍ、またはそれ以上のシリコン結晶を育成する際に、引き上げ中の単結晶に近接して冷却体を設置することによる引き上げ速度の向上について、種々検討を実施した。
【００１４】
冷却体を設置することにより、引き上げ速度は速くすることができる。ところが、大直径の結晶にて冷却体を設置し引き上げをおこなう場合、引き上げ終了後にブロックに切断してみると、結晶に割れが発生していることがしばしば認められた。
【００１５】
最悪の事態として、この割れが引き上げ中に発生すれば、引き上げが続行できなくなるだけでなく、事態によっては、冷却体が破損し炉内にその冷却水が流入して水蒸気爆発など重大な事故につながるおそれがある。また、引き上げ終了後に発生したとしても、作業者の安全確保や、割れ進展による良品歩留まりの低下など、生産性の低下を来すおそれがある。
【００１６】
特許文献５によれば、ＣＺ法による単結晶育成において結晶径が３００ｍｍ以上の場合、引き上げ速度を大きくしようとして、冷却体設置により強制冷却をおこなうと、結晶の固液界面の熱応力が増加し、これが有転位化あるいは結晶割れの原因になるとしている。そして、その対策として冷却体の設置とともにその冷却部の下方に加熱体を置き、結晶の下部を保温する製造方法を提案している。
【００１７】
この結晶割れの発生に関し、さらに原因を詳しく調査していくと、割れの発生した結晶はいずれも引き上げ途中または終期で有転位化し多結晶化しており、割れは単結晶から多結晶へと変わる遷移領域に起点を持っていることがわかってきた。特に、育成終了後、取り出し時に割れ発生が顕在化した。
【００１８】
特許文献５では結晶育成中に割れることを予防したものであり、固液界面での熱応力に着目するものであるが、上記の育成終了後の結晶割れの発生は、結晶内の熱応力によるものと推定し、冷却体の形状や設置位置の変更により、引き上げ中の結晶内部の温度分布を変えて熱応力の状態を変化させた場合に、引き上げ中の１１００〜９００℃の温度域における熱応力が高くなると、割れが発生する頻度が大となる傾向を見出した。特に、この温度域の熱応力が高かった結晶では、引き上げ直後に割れが見いだされなくても、運搬中のわずかな衝撃で割れが生じることになる。
【００１９】
この１１００〜９００℃の温度域での熱応力が割れ発生に大きく影響する理由については、次のように推測することができる。熱応力は、冷却過程の熱収縮により生じ、その大きさは、育成中単結晶の温度分布または温度勾配により、その温度におけるシリコンの弾性率、熱膨張係数、結晶寸法、ポアソン比などから定まる。
【００２０】
一般に、金属材料は高温では降伏強度が低下し、割れ発生の前に塑性変形してしまうが、シリコン単結晶の場合、塑性変形を起こすと転位が増殖され転位密度が増大するので、冷却過程の熱収縮により生じる熱応力が、塑性変形の始まる降伏強度を超えないようにして冷却される。そして、高温では降伏強度が低いため、温度勾配が大きくても塑性変形を起こしてしまうので、割れを発生させるほどの熱応力は生じない。
【００２１】
しかしながら、シリコン単結晶では１０００℃前後の温度を境に、それ以下の温度では降伏強度が上昇する。このため、単結晶部分は降伏強度が大きいので、塑性変形せず除加されると直ちに歪みは解消するが、多結晶部は１０００℃より高温では容易に塑性変形し、応力を除加するとクリープ現象により時間の経過とともに歪みが減少する。
【００２２】
ところが、１０００℃より低温では容易に塑性変形できず歪みが残存するため、１０００℃前後で生じた歪みは、冷却され低温になるにしたがい残存することから、この温度域の応力が大きいほど残留する歪みも増加する。さらに、歪みは高温部で釣り合うように形成されるが、歪みが元に戻らないと冷却後は釣り合いがとれない状態になり、残留応力として応力が発生する。
【００２３】
このとき、有転位化近傍では残留している歪みが大きく異なる単結晶部と多結晶部が隣接していることから、歪みの違いにより応力が増大することになる。このような見地から、有転位化部分と単結晶部分との変形挙動が大きく異なり、しかも熱収縮による熱応力が増大する温度域である１０００℃前後において、発生する熱応力が大きくならないようにすれば割れの発生が防止できるのではないかと考え、さらに、実験および検討を進めた。
【００２４】
その結果、９００〜１１００℃において結晶に生じる熱応力を、ミーゼスの降伏条件式で示される相当応力にてある値以下に規制すれば、育成結晶の割れの発生を大きく低減させ得ることを見いだしたのである。
【００２５】
割れの発生した結晶は、いずれも引き上げ途中または終期で有転位化し、多結晶化しており、単結晶から多結晶へと変わる遷移領域に割れの起点のあることが分かった。遷移領域には、それより上側の単結晶部分と、下側の多結晶部分との熱収縮挙動の違いによる剪断応力が作用して、割れが発生することが推測される。
【００２６】
したがって、有転位化が生じたとき、多結晶部を短くしてやれば、遷移領域に発生する剪断応力が緩和され、割れの発生が低減できるのではないかと考えられる。結晶割れの起点は遷移領域であっても、単結晶部分に割れが伝播し、健全部分の採取率を低下させる。
【００２７】
そこで、有転位化が発生してから、しばらく多結晶成長させた後、融液から切り離すことにより、多結晶部分の長さを種々変えた結晶を育成し割れの発生を調べた結果、その長さをある程度以下にすれば、割れ発生の頻度を大きく低減できることが明らかになる。
【００２８】
本発明は、上記の検討結果に基づいて完成されたものであり、下記のシリコン結晶の製造方法、およびシリコン結晶の製造装置を要旨としている。
（１）ＣＺ法によりシリコン結晶を引き上げる際に、育成されつつある結晶の１１００〜９００℃の温度域における熱応力の値を、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満として引き上げることを特徴とするシリコン結晶の製造方法である。
（２）ＣＺ法によりシリコン結晶を引き上げる結晶製造装置であって、育成されつつある結晶の１１００〜９００℃の温度域における熱応力が、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満となるように、引き上げ中の結晶の周囲に熱遮蔽体および冷却体が配置されていることを特徴とするシリコン結晶の製造装置である。
（３）ＣＺ法によりシリコン結晶を育成する際、引き上げ途中で有転位化した場合、その有転位化位置からの多結晶部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から切り離すことを特徴とすることを特徴とするシリコン結晶の製造方法である。
（４）上記（１）のシリコン結晶の製造方法において、引き上げ途中で有転位化した場合、その有転位化位置からの多結晶部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から切り離すことを特徴とすることを特徴とするシリコン結晶の製造方法である。
（５）育成する結晶の大直径であり、例えば、直径が３００ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）、（３）または（４）のシリコン結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のシリコン結晶の製造方法およびその製造装置によれば、ＣＺ法によるシリコン結晶の製造において、引き上げ中および引き上げ後の結晶の割れ発生の抑止に有効である。引き上げられるシリコン結晶の直径が増すほど、割れ発生の危険性が増してくるが、結晶の割れによる不良品の発生を低減できるばかりでなく、引き上げ途中の割れによる事故の発生も抑止でき、コスト低減と安全性向上に大きく寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明のシリコン結晶の製造方法および製造装置は、上述の検討結果に基づいて限界条件を明確にし、その完成に至ったものであり、以下にその内容を説明する。まず、本発明では、ＣＺ法によるシリコン結晶を引き上げる際に、育成されつつある結晶の１１００〜９００℃の温度域における熱応力の値を、ミーゼスの相当応力において４０ＭＰａ未満として引き上げる。
【００３１】
この温度域でのミーゼスの相当応力の値を４０ＭＰａ未満に限定するのは、４０ＭＰａ以上の値になると割れの発生が増大するからである。この相当応力の値は小さくすればするほど、割れ発生を低減させることができる。しかしながら、相当応力の値を低くするには限度があり、そのためには、引き上げ中、結晶の冷却を緩和して引き上げ速度を大幅に遅くすることになって生産性の低下を来すので、２５ＭＰａまでにするのがよい。望ましいのは３０〜３６ＭＰａとすることである。
【００３２】
熱応力は冷却過程の熱収縮により発生する。熱収縮の大きさは結晶内の温度分布から求まるが、結晶内の温度分布は総合伝熱解析ソフトなど、一般に用いられる計算機シミュレーションにより推測することができる。
【００３３】
本発明で規定するミーゼスの相当応力は、例えば、有限要素法などによる汎用構造解析ソフトなど、一般に用いられる計算機シミュレーションにより各方向の応力を、温度分布と単結晶の寸法とから、シリコンの９００〜１１００℃の弾性率を１９０ＧＰａ、線膨張係数を４×１０-6／Ｋ、密度を２．３３ｋｇ／ｍ3、ポアソン比を０．２３とし、得られた応力を主応力に変換することによって求めることができる。具体的な有限要素法などによる汎用構造解析ソフトとしては、ＡＢＡＱＵＳ（ＡＢＡＱＵＳ社）、ＡＮＳＹＳ（ＣＹＢＥＲＮＥＴ  ＳＹＳＴＥＭ社）等が例示される。
【００３４】
引き上げ中に結晶の９００〜１１００℃である温度域でのみ、ミーゼスの相当応力を４０ＭＰａ未満とするのは、前述の通り、９００〜１１００℃の高温領域では多結晶のみ塑性変形が生じること、低温側では単結晶部分、または多結晶部分にかかわらず塑性変形が起こらないことによる。
【００３５】
図１は、本発明が適用できる、熱遮蔽体と冷却体とを備えたシリコン結晶の製造装置の模式的構造を示した図である。本発明の９００〜１１００℃の温度域にある単結晶内部のミーゼスの相当応力が４０ＭＰａ未満となるようなシリコン結晶の製造装置としては、図１に示す構造であって、熱遮蔽体１１の内側に引き上げ中結晶７を囲んで冷却体１０が設置された構造のものであればよい。
【００３６】
上記の冷却体１０は、単結晶表面から冷却体表面までの距離が３０〜８０ｍｍの範囲にあり、引き上げ軸方向の長さが５０〜１８０ｍｍ、その下端と融液面との距離が１７０〜３００ｍｍで、結晶に面する表面の温度が５０〜２２０℃であればよい。この冷却体１０の形状、位置および表面温度を調整し、引き上げ速度を制御して、結晶の９００〜１１００℃の部分における相当応力を４０ＭＰａ未満になるようにする。
【００３７】
本発明では、熱応力をミーゼスの相当応力で規定したが、これに限定されるものではなく、例えば、トレスカの相当応力やすべり方向の応力で規定することができ、トレスカの相当応力等の手法により求められた熱応力値が、本発明で規定するミーゼス相当応力に該当する場合には本発明で規定する範囲となる。
【００３８】
また、本発明においては、ＣＺ法にてシリコン結晶を育成する際に、引き上げ途中で有転位化しその育成を中断する場合、その有転位化位置からの多結晶部分の長さを結晶直径Ｄ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下として、融液から切り離すこととする。
【００３９】
これは、有転位化の進展は固液界面の熱応力に依存するためであり、例えば直径３００ｍｍの結晶であれば、多結晶部分を１００ｍｍ以内、直径４００ｍｍであれば、多結晶部分を７５ｍｍ以内にすることを意味する。このように単結晶の育成途中に有転位化し多結晶した場合、その部分の長さを限定するのは、長ければ割れが発生しやすいが、短くなれば単結晶部分と多結晶部分の遷移領域における割れの起点の発生が抑止され、割れが発生しなくなるからである。
【００４０】
この有転位化位置からの限定条件は、通常のＣＺ法における大直径の結晶育成の場合にも割れ発生防止に有効であるが、本発明の製造方法である９００〜１１００℃の温度域で相当応力を限定した、シリコン結晶の製造方法に適用すればさらに効果がある。
【００４１】
また、本発明の規定内容を直径３００ｍｍのシリコン結晶を対象に説明しているが、これらの限定条件は、さらに直径の大きい４００ｍｍ、またはそれ以上の結晶に適用しても効果のあることはいうまでもない。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
熱遮蔽体および冷却体を具備した、前記図１に模式的に示す構造のシリコン結晶製造装置を用い、４２０ｋｇの融液から引き上げ速度を０．６ｍｍ／ｍｉｎとし、直径３００ｍｍ、直胴の長さ５５０ｍｍの結晶を、同一条件にて４本繰り返し育成する試験をおこなった。
【００４３】
育成条件としては、熱遮蔽体１１下端の融液面からの距離を６０ｍｍ一定とし、結晶７の周囲にその表面から１２０ｍｍの距離に配置した冷却体１０の、長さ、下端部の融液面からの位置、および冷却体の表面温度を変えることにより、結晶７内の温度分布を変えた。これらの冷却体条件を表１に示す。
【００４４】
結晶内の温度分布は総合伝熱解析ソフトを用いて推測し、それによって求まる９００〜１１００℃の範囲内での各方向における応力成分を数値解析し、その応力成分からミーゼスの相当応力に変換して求めた。この温度域における最大の相当応力が、結晶割れを発生させる。得られた応力の値を合わせて表１に示す。
【００４５】
【表１】
2006213582.tif 000002
【００４６】
いずれの場合も、引き上げ中、胴の長さが４００ｍｍになったとき、微小な石英片を融液面に投下して有転位化させた。引き上げ終了後ブロックに切断し、それまでに割れが発生、または割れが検出されたものを割れが発生した結晶とした。この割れ発生の結晶個数を表１に示す。
【００４７】
表１の結果から明らかなように、９００〜１１００℃において結晶内に生じたミーゼスの相当応力が４０ＭＰａ以上であった場合、４本中４本に割れが発生している。
（実施例２）
実施例１の試験番号２の冷却体条件の製造装置を使用し、引き上げ速度および熱遮蔽体１１の下端と融液面との距離を変えて、直径３００ｍｍ、長さ５５０ｍｍの結晶を同一条件にて４本繰り返し育成する試験をおこなった。
【００４８】
引き上げ速度および熱遮蔽体下端と融液面間の距離を表２に示す。実施例１と同様にして、９００〜１１００℃におけるミーゼスの相当応力を求め、４００ｍｍにて有転位化させた後、割れ発生の本数を調べた結果を合わせて表２に示す。
【００４９】
【表２】
2006213582.tif 000003
【００５０】
表２の結果から明らかなように、引き上げ速度および熱遮蔽体位置を変えて相当応力を変えた場合も、相当応力が４０ＭＰａ以上になると４本中３本まで、割れが発生しており、相当応力が４０ＭＰａ未満であれば割れが発生していないことが分かる。
（実施例３）
実施例１の試験番号７の冷却体条件の製造装置を使用し、引き上げ速度０．６ｍｍ／ｍｉｎで、直径３００ｍｍの単結晶を胴の長さ８００ｍｍまで育成し、その時点で融液表面に微小石英片を融液面に投下して有転位化させ、その位置からの多結晶化部分の長さを種々変えた後、るつぼを下降させて融液から切り離す育成をおこなった。この場合も先の実施例と同様、同意条件で４本繰り返して育成をおこない、割れ発生本数を調査した。
【００５１】
結果を表４に合わせて示すが、多結晶部分があれば割れ発生が生じる、９００〜１１００℃における相当応力が４０ＭＰａの育成条件であっても、多結晶部分の長さが結晶径のＤ（ｍｍ）に対し（１／Ｄ）×３×１０4（ｍｍ）以下、すなわち１００ｍｍ以下であれば割れの発生はなく、１００ｍｍを超えると割れが発生しやすくなることが明らかになる。
【００５２】
【表３】
2006213582.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のシリコン結晶の製造方法およびその製造装置によれば、ＣＺ法によるシリコン結晶の製造において、引き上げ中および引き上げ後の結晶の割れ発生の抑止に有効である。引き上げられるシリコン結晶の直径が増すほど、割れ発生の危険性が増してくるが、結晶の割れによる不良品の発生を低減できるばかりでなく、引き上げ途中の割れによる事故の発生も抑止でき、コスト低減と安全性向上に大きく寄与することができるので、半導体用ウェーハの製造分野において広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明が適用できる、熱遮蔽体と冷却体とを備えたシリコン結晶の製造装置の模式的構造を示した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：断熱材、  ２：支持軸
３：加熱ヒーター、  ４：るつぼ受け皿
５：石英るつぼ、  ６：シリコン融液
７：シリコン育成結晶、  ８：引き上げ軸
９：種結晶チャック、１０：冷却体
１１：熱遮蔽体
【図１】
2006213582.tif 000005