(57)【要約】【課題】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、ＰｖＰｉマージンを拡大して無欠陥結晶の製造歩留まりを高める。【解決手段】シリコン原料をメインヒータで加熱することにより生成されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げると共に、シリコン融液から引き上げられたシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を第１の冷却速度で冷却する結晶育成工程Ｓ１３〜Ｓ１６と、シリコン単結晶をシリコン融液から切り離した後、シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程Ｓ１７とを備え、冷却工程Ｓ１７では、シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を第１の冷却速度よりも速い第２の冷却速度で冷却する。【選択図】図２
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【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単結晶の製造方法であって、
メインヒータで加熱されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げると共に、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を第１の冷却速度で冷却する結晶育成工程と、
前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後、前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を前記第１の冷却速度よりも速い第２の冷却速度で冷却す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】
前記シリコン単結晶の製品取得領域の上端が８００℃の温度位置に到達したときに前記冷却工程を開始する、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記結晶育成工程は、
結晶直径が徐々に増加したショルダー部を育成するショルダー部育成工程と、
前記ショルダー部の育成後に前記結晶直径が一定に維持されたボディ部を育成するボディ部育成工程とを含み、
前記シリコン単結晶の製品取得領域の上端は、前記ボディ部の結晶成長方向の中央よりも結晶トップ側に位置する、請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記シリコン単結晶の製品取得領域の上端は、前記ボディ部の上端近傍に位置する、請求項３に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記ボディ部育成工程終了直後に前記冷却工程を開始する、請求項３又は４に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記結晶育成工程は、前記ボディ部の育成後に前記結晶直径が徐々に減少したテール部を育成するテール部育成工程をさらに含み、
前記テール部育成工程終了直後に前記冷却工程を開始する、請求項３又は４に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記ボディ部の直径は４５０ｍｍ以上である、請求項３乃至６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８】
サブヒータを用いて前記シリコン単結晶を加熱することにより前記冷却工程開始直前における前記シリコン単結晶の８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げる、請求項１乃至７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９】
前記サブヒータの下方に水冷体を配置して前記シリコン単結晶の８００℃以上の温度域の冷却を促進させる、請求項８に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記冷却工程中に前記サブヒータの出力を停止又は低下させることにより、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の冷却を促進させる、請求項８又は９に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記冷却工程中に前記メインヒータの出力を停止又は低下させることにより、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の冷却を促進させる、請求項１乃至１０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１２】
前記結晶育成工程と前記シリコン単結晶を引き上げた後のシリコン残液にシリコン原料を追加する原料追加工程とを交互に繰り返すマルチプリング法によって複数本のシリコン単結晶を引き上げる、請求項１乃至１１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１３】
前記複数本のシリコン単結晶のうち、最後の一本以外のシリコン単結晶の結晶育成工程が終了した後の前記冷却工程では、前記メインヒータの出力を維持し、最後の一本のシリコン単結晶の結晶育成工程が終了した後の前記冷却工程では、前記メインヒータの出力を停止又は低下させる、請求項１１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１４】
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、
育成結晶の温度分布を伝熱解析により求め、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度とシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の滞在時間との関係式を用いた点欠陥数値解析を行うことにより、目標とするＰｖＰｉマージンが得られるシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の基準滞在時間を決定する工程と、
前記結晶育成条件下でシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶育成工程と、
前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後、前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間が前記基準滞在時間以下となるように、前記シリコン単結晶の冷却速度を制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１５】
前記Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度をΔＣV_Pv-OSF（×１０１２／ｃｍ３）とし、
前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間をＲＴ（×１０−３／ｍｉｎ−１）とするとき、
ΔＣV_Pv-OSF≦６．１９４×１０１５（ＲＴ）−１−２．８１８×１０１２
を満たすように前記シリコン単結晶の冷却速度を制御する、請求項１４に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１６】
ルツボ内のシリコン融液を加熱するメインヒータと、
前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる引き上げ軸と、
少なくとも前記メインヒータ及び前記引き上げ軸を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
結晶育成工程において、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域が第１の冷却速度で冷却されるように結晶育成条件を制御し、
前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後に前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程において、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域が前記第１の冷却速度よりも速い第２の冷却速度で冷却されるように冷却条件を制御することを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
【請求項１７】
前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を８００℃以上に加熱するサブヒータをさらに備え、
前記サブヒータは、前記結晶育成工程における前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を結晶トップ側に持ち上げる、請求項１６に記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記冷却工程において前記サブヒータの出力を停止又は低下させる、請求項１７に記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項１９】
前記サブヒータの下方に配置され、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の８００℃以上の温度域の冷却を促進させる水冷体をさらに備える、請求項１７又は１８に記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項２０】
前記制御部は、前記冷却工程において前記メインヒータの出力を停止又は低下させる、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項２１】
前記シリコン融液の上方に配置され、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶が貫通する開口を有する熱遮蔽体をさらに備え、
前記熱遮蔽体の前記開口の直径は５００ｍｍ以上である、請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
【請求項２２】
結晶直径が徐々に増加したショルダー部と、
前記ショルダー部の下方に設けられ、前記結晶直径が４５０ｍｍ以上且つ一定に維持されたボディ部とを有し、
前記ボディ部は、結晶成長方向と直交する断面内がＰｖ領域及びＰｉ領域の少なくとも一方からなる無欠陥結晶領域を有し、
前記結晶成長方向における前記無欠陥結晶領域の長さは２２０ｍｍ以上であることを特徴とするシリコン単結晶。
【請求項２３】
前記ボディ部は、前記無欠陥結晶領域の上方に位置し、前記断面内にＣＯＰ及びＯＳＦ核の少なくとも一方を含む結晶欠陥含有領域をさらに有する、請求項２２に記載のシリコン単結晶。
【請求項２４】
前記結晶成長方向における前記無欠陥結晶領域の長さは、前記結晶成長方向における前記結晶欠陥含有領域の長さよりも長い、請求項２３に記載のシリコン単結晶。
【請求項２５】
前記ボディ部の下方に設けられ、結晶直径が徐々に減少したテール部をさらに備え、前記テール部の長さが４００ｍｍ以下である、請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶。
【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」という）によるシリコン単結晶の製造方法及び装置に関し、特に、結晶欠陥が制御されたシリコン単結晶の製造方法に関するものである。また本発明は、そのような製造方法及び装置によって製造されたシリコン単結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法では石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶及び石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に上昇させることにより、種結晶の下端に大きな直径の単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば大きな直径のシリコン単結晶インゴットを高い歩留りで製造することが可能である。
【０００３】
ＣＺ法により製造されるシリコン単結晶に含まれる結晶欠陥の種類や分布は、シリコン単結晶の成長速度（引き上げ速度）Ｖと、融点から１３００℃までの温度域内における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇに依存することが知られている。Ｖ／Ｇが大きい場合には空孔が過剰となり、その凝集体であるボイド欠陥が発生する。ボイド欠陥は一般的にＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と称される結晶欠陥である。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、その凝集体である転位クラスターが発生する。したがって、ＣＯＰや転位クラスターを含まない単結晶を製造するためには、Ｖ／Ｇを厳密に制御しなければならない。現在では、結晶引き上げ速度Ｖを制御することによって、ＣＯＰや転位クラスターを含まない３００ｍｍウェーハ用のシリコン単結晶が量産されている。
【０００４】
しかしながら、Ｖ／Ｇを制御して引き上げられたシリコン単結晶から切り出されたＣＯＰ及び転位クラスターを含まないシリコンウェーハであっても、その全面は必ずしも均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、Ｖ／Ｇが大きいほうから順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。
【０００５】
ＯＳＦ領域とは、as-grown状態でＯＳＦ核を含んでおり、１０００〜１２００℃の高温下で１〜１０時間の熱酸化処理した場合にＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Fault：酸化誘起積層欠陥）が発生する領域である。Ｐｖ領域とは、as-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生しやすい領域である。Ｐｉ領域とは、as-grown状態で酸素析出核をほとんど含んでおらず、熱処理を施しても酸素析出物が発生しにくい領域である。
【０００６】
結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を製造する方法として、例えば特許文献１には、シリコン結晶を囲むように設置した冷却部とその上方に加熱部を有する製造装置を用い、結晶凝固温度から結晶温度１３００℃までの冷却勾配２℃／ｍｍ以上とし、その後結晶温度が１２００℃以上凝固温度以下での保持領域が２００ｍｍ以上となる条件での結晶引き上げを行うことが記載されている。特許文献１に記載のシリコン単結晶の製造方法によれば、ＣＯＰ欠陥又は転位欠陥が著しく少なく、酸化膜耐圧特性、ＰＮ接合リーク電流特性などのデバイス特性に優れたＣＺシリコン単結晶を製造することが可能である。
【０００７】
また特許文献２には、インゴットが成長している間に、インゴットにおける真性点欠陥の凝集が起こる温度ＴＡ（例えば１０５０℃）よりも低い温度にインゴットのどの部分も冷却しないようにインゴットの温度を調整することにより、凝集真性点欠陥を実質的に有さない単結晶シリコンインゴットを成長させることが記載されている。この方法では、凝集反応が生じる温度ＴＡより高い温度に単結晶が滞在する時間を十分に与えて、格子間シリコン原子及び空孔を対消滅させるか、あるいは外方拡散させることで、少なくとも定直径部分が凝集真性点欠陥を実質的に有さない単結晶シリコンインゴットを成長させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−４３３９６号公報
【特許文献２】特表２００３−５１７４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
最近、４５０ｍｍウェーハ用のシリコン単結晶の量産化が進められているが、結晶直径がこれまでの主流である３００ｍｍから４５０ｍｍになると、結晶中心部が冷えにくくなり、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇが小さくなるため、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面をＰｖ領域又はＰｉ領域にすることができるＶ／Ｇの許容幅が非常に狭くなり、結晶引き上げ速度Ｖの制御が急激に難しくなるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面をＰｖ領域又はＰｉ領域にすることができる結晶引き上げ速度Ｖの許容幅（以下、「ＰｖＰｉマージン」という）を拡大して結晶欠陥がない大口径シリコン単結晶の製造歩留まりを高め、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることが可能なシリコン単結晶並びにその製造方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、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、メインヒータで加熱されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げると共に、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を第１の冷却速度で冷却する結晶育成工程と、前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後、前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程とを備え、前記冷却工程では、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を前記第１の冷却速度よりも速い第２の冷却速度で冷却することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、冷却工程を利用してシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を急冷することができ、これによりＰｖＰｉマージンを広げて無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、特に４５０ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶の製造において長尺な無欠陥結晶を育成することができる。したがって、無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００１３】
上記のように、特許文献１にはシリコン結晶を囲むように設置した冷却部とその上方に加熱部を有する製造装置が記載されている。しかし、特許文献１において着目する温度域は１２００℃以上であり、シリコン結晶の冷却過程における６００±２００℃の温度域の滞在時間がＰｖＰｉマージンに影響を与えるという知見を開示するものではない。また特許文献２は、単結晶が１０５０℃以上の温度域（凝集反応が生じる温度ＴＡより高い温度）に滞在する時間を十分に与えることを特徴としており、６００±２００℃の温度域の滞在時間を積極的に短くすることを開示するものではない。
【００１４】
これに対し、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、ＰｖＰｉマージンが固液界面近傍の温度勾配以外にも６００±２００℃の温度域の影響を受けることに着目し、シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を急冷してＰｖＰｉマージンを広げているので、無欠陥結晶の製造歩留まりを高め、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。なお、冷却工程直前における８００℃以上の結晶領域は、その冷却過程で６００±２００℃の温度域を必ず通過し、６００±２００℃の温度域が冷却工程で急冷されるので、本発明の効果が確実に得られる領域であり、製品対象から除外されるものではない。
【００１５】
本発明において、前記冷却工程は前記シリコン単結晶の製品取得領域の上端が８００℃の温度位置に到達したときに開始されることが好ましい。ここで「製品取得領域」とは、シリコン単結晶インゴット全体の中でシリコンウェーハとして製品化する領域のことを言い、結晶直径が一定であるボディ部全体を対象としてもよく、ボディ部の一部を対象としてもよい。ボディ部の一部を対象とする場合、格子間酸素濃度やドーパント濃度の面内分布などの結晶欠陥以外の条件が所定の基準を満たしている領域を製品取得領域とすることが好ましい。これによれば、シリコン単結晶の引き上げ時において製品取得領域の最上部が８００℃以上となった時点で冷却工程に移行することでシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を急冷させて、酸素析出を抑制することでＰｖＰｉセンターマージンを大きくすることができる。
【００１６】
本発明において、前記結晶育成工程は、結晶直径が徐々に増加したショルダー部を育成するショルダー部育成工程と、前記ショルダー部の育成後に前記結晶直径が一定に維持されたボディ部を育成するボディ部育成工程とを含み、前記シリコン単結晶の製品取得領域の上端は、前記ボディ部の結晶成長方向の中央よりも結晶トップ側に位置することが好ましく、前記ボディ部の上端近傍に位置することがさらに好ましい。
【００１７】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記ボディ部育成工程終了直後に前記冷却工程を開始することが好ましい。ボディ部育成工程の終了後にテール部を育成する場合には、結晶直径の減少によりボディ部がシリコン融液からの輻射熱の影響を受けやすくなり、ボディ部育成工程中とは異なる熱履歴となる。またテール部は製品対象外となるため、テール部が長くなるほどボディ部の無欠陥結晶領域が減少し、無欠陥結晶の製造歩留まりが低くなる。しかし、ボディ部育成工程の終了後にテール絞りをすることなく冷却工程を開始した場合には、冷却工程による急冷効果の恩恵を受ける領域を広げることができ、無欠陥結晶の取得領域を拡大することができる。
【００１８】
本発明において、前記結晶育成工程は、前記ボディ部の育成後に前記結晶直径が徐々に減少したテール部を育成するテール部育成工程をさらに含み、前記テール部育成工程終了直後に前記冷却工程を開始することが好ましい。このように、テール部を育成する場合であってもテール部をできるだけ短尺化することにより、冷却工程による急冷効果の恩恵を受ける領域を広げることができ、無欠陥結晶の取得領域を拡大することができる。
【００１９】
本発明において、前記ボディ部の直径は４５０ｍｍ以上であることが好ましい。結晶直径が４５０ｍｍ以上になると結晶中心部が冷えにくくなり、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇが小さくなるため、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面をＰｖ領域又はＰｉ領域にすることができるＶ／Ｇの許容幅が非常に狭くなり、結晶引き上げ速度Ｖの制御が急激に難しくなる。しかし、本発明によればそのような問題を解決することができ、結晶欠陥がない大口径シリコン単結晶の製造歩留まりを高めることができ、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００２０】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、サブヒータを用いて前記シリコン単結晶を加熱することにより前記冷却工程開始直前における前記シリコン単結晶の８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げることが好ましい。これによれば、冷却工程による急冷効果の恩恵を受けるシリコン単結晶の８００℃以上の温度域を広げることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００２１】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記サブヒータの下方に水冷体を配置して前記シリコン単結晶の８００℃以上の温度域の冷却を促進させることが好ましい。例えば直径約４５０ｍｍの大口径シリコン単結晶の場合、直径約３００ｍｍの小口径シリコン単結晶に比べて冷却に時間がかかり、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇが小さいため、所望のＶ／Ｇを得るためには結晶引き上げ速度Ｖを小さくしなければならず、生産性が低下する。上記のようにサブヒータを用いてシリコン単結晶を加熱する場合には上記問題がさらに深刻化する。しかし、水冷体を設けて引き上げ直後のシリコン単結晶の強制的に冷却する場合には、結晶内温度勾配Ｇを大きくすることができるので、結晶引き上げ速度Ｖを大きくして生産性を向上させることができる。
【００２２】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記冷却工程中に前記サブヒータの出力を停止又は低下させることにより、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の冷却を促進させることが好ましい。これによれば、６００±２００℃の温度域の滞在時間を十分に短くしてＰｖＰｉマージンを広げることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００２３】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記冷却工程中に前記メインヒータの出力を停止又は低下させることにより、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の冷却を促進させることが好ましい。これによれば、６００±２００℃の温度域の滞在時間を十分に短くしてＰｖＰｉマージンを広げることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００２４】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記結晶育成工程と前記シリコン単結晶を引き上げた後のシリコン残液にシリコン原料を追加する原料追加工程とを交互に繰り返すマルチプリング法によって複数本のシリコン単結晶を引き上げることが好ましい。冷却工程を利用して無欠陥結晶を製造する本発明によるシリコン単結晶の製造方法によれば、無欠陥結晶の取得領域を長くすることができるが、従来に比べるとシリコン単結晶インゴットが短く、一回の結晶育成工程で引き上げられるシリコン単結晶の量が少なく、残りのシリコン融液が無駄になってしまう。しかしマルチプリング法によって短尺なシリコン単結晶インゴットを何本も引き上げることにより、シリコン融液の無駄を防ぎ、無欠陥結晶の製造歩留まりをさらに高めることができる。
【００２５】
本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記複数本のシリコン単結晶のうち、最後の一本以外のシリコン単結晶の結晶育成工程が終了した後の前記冷却工程では、前記メインヒータの出力を維持し、最後の一本のシリコン単結晶の結晶育成工程が終了した後の前記冷却工程では、前記メインヒータの出力を停止又は低下させることが好ましい。これによれば、マルチプリング法を適切に実施しながら冷却工程における冷却効果を高めることができる。
【００２６】
また、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、育成結晶の温度分布を伝熱解析により求め、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度とシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の滞在時間との関係式を用いた点欠陥数値解析を行うことにより、目標とするＰｖＰｉマージンが得られるシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の基準滞在時間を決定する工程と、前記結晶育成条件下でシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶育成工程と、前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後、前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程とを備え、前記冷却工程では、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間が前記基準滞在時間以下となるように、前記シリコン単結晶の冷却速度を制御することを特徴とする。この場合において、前記Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度をΔＣV_Pv-OSF（×１０１２／ｃｍ３）とし、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間をＲＴ（×１０−３／ｍｉｎ−１）とするとき、ΔＣV_Pv-OSF≦６．１９４×１０１５（ＲＴ）−１−２．８１８×１０１２を満たすように前記シリコン単結晶の冷却速度を制御することが好ましい。このように、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFを６００±２００℃の滞在時間の変数として点欠陥数値解析に導入することにより、ＰｖＰｉマージンを正確に計算することが可能となる。したがって、実際の６００±２００℃の滞在時間が、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度となる６００±２００℃の滞在時間よりも短くなるように結晶引き上げ速度Ｖやホットゾーンなどの結晶引き上げ条件を制御することができ、Ｐｖ領域又はＰｉ領域からなる無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００２７】
また、本発明によるシリコン単結晶製造装置は、ルツボ内のシリコン融液を加熱するメインヒータと、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる引き上げ軸と、少なくとも前記メインヒータ及び前記引き上げ軸を制御する制御部とを備え、前記制御部は、結晶育成工程において、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域が第１の冷却速度で冷却されるように結晶育成条件を制御し、前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離した後に前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程において、前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域が前記第１の冷却速度よりも速い第２の冷却速度で冷却されるように冷却条件を制御することを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、冷却工程を利用してシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を急冷することができ、これによりＰｖＰｉマージンを広げて無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、特に４５０ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶の製造において長尺な無欠陥結晶を育成することができる。したがって、無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００２９】
本発明によるシリコン単結晶製造装置は、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を８００℃以上に加熱するサブヒータをさらに備え、前記サブヒータは、前記結晶育成工程における前記シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を結晶トップ側に持ち上げることが好ましい。これによれば、冷却工程による急冷効果の恩恵を受けるシリコン単結晶の８００℃以上の温度域を広げることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００３０】
本発明において、前記制御部は、前記冷却工程において前記サブヒータの出力を停止又は低下させることが好ましい。これによれば、６００±２００℃の温度域の滞在時間を十分に短くしてＰｖＰｉマージンを広げることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、これにより無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００３１】
本発明によるシリコン単結晶製造装置は、前記サブヒータの下方に配置され、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶の８００℃以上の温度域の冷却を促進させる水冷体をさらに備えることが好ましい。これによれば、固液界面近傍での結晶内温度勾配を大きくすることができる。したがって、大口径シリコン単結晶であっても結晶引き上げ速度を大きくして生産性を向上させることができる。
【００３２】
本発明において、前記制御部は、前記冷却工程において前記メインヒータの出力を停止又は低下させることが好ましい。これによれば、冷却工程における冷却効果を高めることができる。
【００３３】
本発明によるシリコン単結晶製造装置は、前記シリコン融液の上方に配置され、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶が貫通する開口を有する熱遮蔽体をさらに備え、前記熱遮蔽体の前記開口の直径は５００ｍｍ以上であることが好ましい。このような熱遮蔽体を備えたシリコン単結晶製造装置は、直径４５０ｍｍ以上の大口径のシリコン単結晶の製造に用いることができ、結晶欠陥がない大口径シリコン単結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００３４】
また、本発明によるシリコン単結晶は、結晶直径が徐々に増加したショルダー部と、前記ショルダー部の下方に設けられ、前記結晶直径が４５０ｍｍ以上且つ一定に維持されたボディ部とを有し、前記ボディ部は、結晶成長方向と直交する断面内がＰｖ領域及びＰｉ領域の少なくとも一方からなる無欠陥結晶領域を有し、前記結晶成長方向における前記無欠陥結晶領域の長さは２２０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００３５】
従来、直径４５０ｍｍ以上の大口径のシリコン単結晶の製造において結晶長が２２０ｍｍ以上の長尺な無欠陥結晶を製造することはできなかった。しかし上述した本発明によるシリコン単結晶の製造方法よれば、冷却工程を利用してＰｖＰｉマージンを広げることにより長尺な無欠陥結晶の製造が可能となった。本発明によれば、このように長尺な大口径シリコン単結晶を用いて無欠陥シリコンウェーハを製造することでその生産性を向上させることができる。
【００３６】
本発明において、前記ボディ部は、前記無欠陥結晶領域の上方に位置し、前記断面内にＣＯＰ及びＯＳＦ核の少なくとも一方を含む結晶欠陥含有領域をさらに有することが好ましい。この場合において、前記結晶成長方向における前記無欠陥結晶領域の長さは、前記結晶成長方向における前記結晶欠陥含有領域の長さよりも長いことが好ましい。これによれば、無欠陥シリコンウェーハの製造歩留まりを高めることができる。
【００３７】
本発明によるシリコン単結晶は、前記ボディ部の下方に設けられ、結晶直径が徐々に減少したテール部をさらに備え、前記テール部の長さが４００ｍｍ以下であることが好ましい。これによれば、無欠陥結晶の取得領域を拡大することができ、無欠陥シリコンウェーハの製造歩留まりをさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ＰｖＰｉマージンを拡大して結晶欠陥がないシリコン単結晶の製造歩留まりを高めることが可能な製造方法及び装置を提供することができる。また本発明によれば、無欠陥シリコンウェーハの製造歩留まりを高めることが可能なシリコン単結晶を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。
【図２】図２は、本実施形態によるシリコン単結晶３の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。
【図４】図４は、Ｖ／Ｇと結晶欠陥の種類及び分布との一般的な関係を示す図である。
【図５】図５は、シリコン単結晶インゴットの熱履歴と冷却工程の影響を効果的に受ける領域との関係を説明するための図である。
【図６】図６は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられていないホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図である。
【図７】図７は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図である。
【図８】図８は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図７のシリコン単結晶３の結晶長を短くした場合を示すものである。
【図９】図９は、シリコン単結晶３の製品取得領域について説明するための図である。
【図１０】図１０は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図８のシリコン単結晶３のテール部３ｄを短尺化した場合を示すものである。
【図１１】図１１は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられていないホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図６のシリコン単結晶３の結晶長を短くし、さらにテール部３ｄを短尺化した場合を示すものである。
【図１２】図１２は、点欠陥数値解析結果からＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度を求める方法を説明するための図である。
【図１３】図１３は、上述した５つの結晶引き上げ条件（条件＃１〜＃５）の６００±２００℃の滞在時間と結晶中心のＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度との関係を示す散布図である。
【図１４】図１４は、４５０ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーンで引き上げた条件＃５の解析結果を示す図である。
【図１５】図１５は、２００ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーンで引き上げた条件＃１の解析結果を示す図である。
【図１６】図１６は、比較例及び実施例１、２によるホットゾーン条件を説明するための図である。
【図１７】図１７は、シリコン単結晶の結晶成長方向の位置と８００〜４００℃の滞在時間との関係を示すグラフである。
【図１８】図１８は、シリコン単結晶の結晶成長方向の位置とＰｖＰｉセンターマージンとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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。
【００４１】
図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。
【００４２】
図１に示すように、単結晶製造装置１は、水冷式のチャンバー１０と、チャンバー１０内においてシリコン融液２を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持する黒鉛ルツボ１２と、黒鉛ルツボ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、黒鉛ルツボ１２の周囲に配置されたメインヒータ１５と、メインヒータ１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸上に配置された単結晶引き上げ用のワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９と、装置内の各部を制御する制御部２０とを備えている。
【００４３】
チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１、黒鉛ルツボ１２、メインヒータ１５及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）やドーパントガスを導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部にはチャンバー１０内の雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。また、メインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、シリコン単結晶３の育成状況を覗き窓１０ｅから観察可能である。
【００４４】
石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。黒鉛ルツボ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及び黒鉛ルツボ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。
【００４５】
黒鉛ルツボ１２は回転シャフト１３の上端部に固定されており、回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。黒鉛ルツボ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１の回転機構及び昇降機構を構成している。
【００４６】
メインヒータ１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液２を生成すると共に、シリコン融液２の溶融状態を維持するために用いられる。メインヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒータであり、黒鉛ルツボ１２内の石英ルツボ１１を取り囲むように設けられている。さらにメインヒータ１５の外側には断熱材１６がメインヒータ１５を取り囲むように設けられており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。
【００４７】
メインヒータ１５は単一の部材で構成されていてもよく、独立に制御可能な複数の部材を組み合わせて構成されたものであってもよい。したがって、例えば図示のようなルツボの側部に配置されたサイドヒータとルツボの底部に配置されたボトムヒータとの組み合わせからなるものであってもよい。さらにサイドヒータが複数個に分割されていてもよい。メインヒータ１５の出力は制御部２０によって制御される。
【００４８】
熱遮蔽体１７は、シリコン融液２の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成するとともに、メインヒータ１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶３の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は略円筒状の黒鉛製の部材であり、シリコン単結晶３の引き上げ経路を除いたシリコン融液２の上方の領域を覆うように設けられている。
【００４９】
熱遮蔽体１７の下端の開口１７ａの直径はシリコン単結晶３の直径よりも大きく、これによりシリコン単結晶３の引き上げ経路が確保されている。また熱遮蔽体１７の下端部の外径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。
【００５０】
ボディ部３ｃの直径が約４５０ｍｍとなる４５０ｍｍウェーハ用シリコン単結晶（以下、「４５０ｍｍ結晶」（他のサイズの結晶についても同様）という）を引き上げる場合、熱遮蔽体１７の開口１７ａの直径は引き上げ品種によって多少異なるが、５００ｍｍ以上６００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５１】
シリコン単結晶３の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、融液面と熱遮蔽体１７との間隔（ギャップ）が一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液２の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液２からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、シリコン単結晶３の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。
【００５２】
石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶３の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共にシリコン単結晶３を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９は制御部２０によって制御される。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１８の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶３がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。シリコン単結晶３の引き上げ時には石英ルツボ１１とシリコン単結晶３とをそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶３を成長させる。
【００５３】
熱遮蔽体１７の内側であって当該熱遮蔽体１７の下端よりも上方にはシリコン単結晶３の引き上げ経路の周囲を取り囲むように水冷体２１が設けられている。例えば直径約４５０ｍｍの大口径シリコン単結晶の場合、直径約３００ｍｍの小口径シリコン単結晶に比べて冷却に時間がかかり、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇが小さいため、水冷体２１を設けずに所望のＶ／Ｇを得るためには結晶引き上げ速度Ｖを小さくしなければならない。しかし、水冷体２１を設けて引き上げ直後のシリコン単結晶３を強制的に冷却する場合には、結晶内温度勾配Ｇを大きくすることができるので、結晶引き上げ速度Ｖを大きくして生産性を向上させることができる。
【００５４】
水冷体２１の上方にはサブヒータ２２が設けられている。サブヒータ２２も水冷体２１と同様にシリコン単結晶３の引き上げ経路の周囲を取り囲むように設けられている。サブヒータ２２は、シリコン単結晶３の６００±２００℃（すなわち、８００〜４００℃）の温度域を結晶トップ側に持ち上げるために設けられている。シリコン単結晶３を８００℃以上に加熱するためには、サブヒータ２２が８００℃以上で発熱する必要があり、１０００℃以上で発熱することが好ましい。サブヒータ２２はメインヒータ１５と共に制御部２０によって制御される。
【００５５】
サブヒータ２２の上方にはドローチューブ２３が設けられている。ドローチューブ２３も水冷体の一種であり、シリコン単結晶３の冷却を促進させるために設けられている。ドローチューブ２３は円筒状の部材であり、プルチャンバー１０ｂから下方に延びてシリコン単結晶３の引き上げ経路の周囲を取り囲むように設けられている。
【００５６】
このように、サブヒータ２２は、ドローチューブ２３と水冷体２１との間にあって、サブヒータ２２を配置しない場合における６００℃の結晶温度の位置付近に設置され、これにより８００℃の結晶温度の位置がより上方に持ち上げられる。また水冷体２１は、ドローチューブ２３と熱遮蔽体１７の底部との間にあって、サブヒータ２２を設置する場合にはサブヒータ２２と熱遮蔽体１７との間に設置される。
【００５７】
図２は、本実施形態によるシリコン単結晶３の製造工程を示すフローチャートである。また、図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。
【００５８】
図２に示すように、本実施形態によるシリコン単結晶３の製造工程は、石英ルツボ１１内のシリコン原料をメインヒータ１５で加熱して融解することによりシリコン融液２を生成する原料融解工程Ｓ１１と、ワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２に着液させる着液工程Ｓ１２と、シリコン融液２との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する結晶育成工程（Ｓ１３〜Ｓ１６）を有している。
【００５９】
結晶育成工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部３ａを形成するネッキング工程Ｓ１３と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に増加したショルダー部３ｂを形成するショルダー部育成工程Ｓ１４と、４５０ｍｍ以上の規定の結晶直径に維持されたボディ部３ｃを形成するボディ部育成工程Ｓ１５と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に減少したテール部３ｄを形成するテール部育成工程Ｓ１６とが順に実施される。
【００６０】
その後、シリコン単結晶３が融液面から切り離され、結晶育成工程（特に、ボディ部育成工程Ｓ１５）中の引き上げ速度（第１の引き上げ速度）よりも速い引き上げ速度（第２の引き上げ速度）でシリコン単結晶３を引き上げることにより冷却する冷却工程Ｓ１７が実施される。このとき、サブヒータ２２やメインヒータ１５の出力を停止又は低下させることで冷却効果を高めることができる。以上により、図３に示すようなネック部３ａ、ショルダー部３ｂ、ボディ部３ｃ及びテール部３ｄを有するシリコン単結晶インゴットが完成する。
【００６１】
上記のように、シリコン単結晶３に含まれる結晶欠陥の種類や分布は、結晶引き上げ速度Ｖと結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇに依存するため、シリコン単結晶３中の結晶品質を制御するためにはＶ／Ｇを制御する必要がある。
【００６２】
図４は、Ｖ／Ｇと結晶欠陥の種類及び分布との一般的な関係を示す図である。
【００６３】
図４に示すように、Ｖ／Ｇが大きい場合には空孔が過剰となり、空孔の凝集体であるボイド欠陥（ＣＯＰ）が発生する。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、格子間シリコンの凝集体である転位クラスターが発生する。さらに、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、Ｖ／Ｇが大きいほうから順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。シリコン単結晶が無欠陥結晶であると言うためには、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面が無欠陥領域であることが必要である。ここで「無欠陥領域」とは、ＣＯＰや転位クラスターなどのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まず、且つ、評価熱処理後にＯＳＦリングが発生しない領域のことを言い、Ｐｖ領域又はＰｉ領域であることを言う。
【００６４】
結晶引き上げ速度Ｖを制御してＰｖ領域又はＰｉ領域からなる無欠陥結晶を高い歩留まりで育成するためには、ＰｖＰｉマージンができるだけ広いことが好ましい。ここでＰｖＰｉマージンとは、広義には、シリコン単結晶３中の任意の領域をＰｖ領域又はＰｉ領域とすることができる結晶引き上げ速度Ｖの許容幅のことを言うが、狭義には、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内のＰｖＰｉマージンの最小値（ＰｖＰｉ面内マージン）のことを言う。通常、結晶内温度勾配Ｇは一定であるため、ＰｖＰｉマージンは図４におけるＰｖ−ＯＳＦ境界からＰｉ−転位クラスター境界までのＶ／Ｇの幅の広さである。
【００６５】
シリコン単結晶３の直径制御は主に引き上げ速度Ｖを調整することにより行われ、直径変動を抑えるために結晶引き上げ速度Ｖを適宜変化させており、結晶引き上げ工程中は０．０１５ｍｍ／ｍｉｎ程度の速度変動が生じている。すなわち、引き上げ速度Ｖの変動を完全になくすことはできないため、０．０１５ｍｍ／ｍｉｎ程度の速度変動を許容するＰｖＰｉマージンが必要となる。
【００６６】
例えば３００ｍｍウェーハ用シリコン単結晶（以下、単に「３００ｍｍ結晶」（他のサイズの結晶についても以下同様）という。）の場合、０．０２ｍｍ／ｍｉｎ以上のＰｖＰｉ面内マージンを確保することができた。しかし、４５０ｍｍ結晶の場合、大口径化に伴い固液界面近傍での結晶内温度勾配が小さくなるため、３００ｍｍ結晶と比べてＰｖＰｉマージンは小さくなり、現状の４５０ｍｍ結晶のＰｖＰｉ面内マージンは０．０１２ｍｍ／ｍｉｎ以下である。そのため、全面が無欠陥領域となるシリコン単結晶を引き上げることが極めて困難な状況である。
【００６７】
一方、ＰｖＰｉマージンの広さは、融点近傍の温度勾配以外にも、６００±２００℃の温度域の滞在時間の影響を受け、当該温度域の滞在時間が短いほどＰｖＰｉマージンは広くなる。そこで本実施形態においては、シリコン単結晶３を急冷して６００±２００℃の温度域の滞在時間を短くすることにより、ＰｖＰｉ面内マージンを拡大させて、無欠陥結晶の製造歩留まりの向上を図っている。
【００６８】
シリコン融液２から引き上げられたシリコン単結晶３は、融液面から遠ざかるほど温度が低下して冷却され、その冷却過程で６００±２００℃の温度域を通過するが、このときシリコン単結晶３が６００±２００℃の温度域を素早く通過することにより、空孔の凝集を抑えてＰｖＰｉマージンを広げることができる。６００±２００℃の温度域の滞在時間がどのくらい短ければＰｖＰｉマージンがどのくらい広くなるかは、空孔及び格子間シリコンの拡散・対消滅を解析する点欠陥数値解析から求めることができる。このように、ＰｖＰｉマージンが広くなればＰｖＰｉマージン内に収まる結晶引き上げ速度Ｖの制御も容易となることから、無欠陥結晶を安定的に育成することが可能となる。
【００６９】
本実施形態においては、冷却工程Ｓ１７の開始直前におけるシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域を広げ、冷却工程Ｓ１７を利用してシリコン単結晶３を急冷することにより、６００±２００℃の温度域の滞在時間を短くする。このように、冷却工程Ｓ１７を利用してシリコン単結晶３の冷却効果を高めることにより、ＰｖＰｉマージンを拡大させることができ、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００７０】
冷却工程Ｓ１７を利用してシリコン単結晶３の６００±２００℃の温度域の滞在時間を短くする方法において、当該温度域の滞在時間が短い結晶領域を広げて無欠陥結晶の製造歩留まりを高める方法は２つある。一つは、ホットゾーンを変更する方法である。冷却工程Ｓ１７の開始直前におけるシリコン単結晶の８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げることにより、無欠陥結晶の取得領域を拡大することができる。冷却工程Ｓ１７の開始直前まで結晶を温めて８００℃以上の領域が広くなるホットゾーンであれば、冷却工程Ｓ１７での急冷効果を利用して結晶領域を広げることができる。図１におけるサブヒータ２２は、冷却工程Ｓ１７の開始直前における８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げるためのホットゾーン変更手段を構成している。
【００７１】
もう一つは、ホットゾーンを変更することなく無欠陥結晶となる領域を拡大する方法であり、テール部育成工程Ｓ１６による熱履歴の影響を改善する方法である。テール部育成時は結晶形状の影響によりボディ部育成時とは異なる熱履歴となるため、製品取得領域（ボディ部）の６００±２００℃の滞在時間に影響を及ぼす。しかし、テール部の省略又は短尺化することができればテール部育成工程Ｓ１６の影響を抑えて結晶品質を向上させることができる。
【００７２】
図５は、シリコン単結晶インゴットの熱履歴と冷却工程の影響を効果的に受ける領域との関係を説明するための図であって、（ａ）は冷却工程直前における８００℃の温度位置が相対的に低いシリコン単結晶インゴットの模式図、（ｂ）は８００℃の温度位置が相対的に高いシリコン単結晶インゴットの模式図、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）に示すシリコン単結晶インゴットの中心軸上のＰ点及びＱ点それぞれの位置の温度変化を示すグラフである。
【００７３】
図５（ａ）に示すシリコン単結晶インゴット３Ａでは、冷却工程直前における８００℃の温度位置がＱ点と同じ高さにあり、Ｑ点よりも上方に位置するＰ点の温度は冷却がさらに進んで８００℃よりも低い。そのため、Ｑ点は冷却工程Ｓ１７の影響を受けて急冷され、８００〜４００℃の滞在時間Ｔ１は短い。Ｐ点も冷却工程Ｓ１７の影響を受けるが、ボディ部育成工程Ｓ１５及びテール部育成工程Ｓ１６の影響を受けて既に徐冷されているため、Ｐ点の８００〜４００℃の滞在時間Ｔ２は長い。
【００７４】
一方、図５（ｂ）に示すシリコン単結晶インゴット３Ｂでは、冷却工程直前における８００℃の温度位置がＰ点と同じ高さにあり、Ｐ点よりも下方に位置するＱ点の温度は８００℃以上である。そのため、Ｑ点のみならずＰ点も冷却工程Ｓ１７の影響を受けて急冷され、Ｐ点の８００〜４００℃の滞在時間Ｔ１はＱ点の滞在時間Ｔ３と同様に短い。
【００７５】
このように、図５（ｂ）のシリコン単結晶インゴット３Ｂは、図５（ａ）のシリコン単結晶インゴット３Ａと比較して冷却工程直前における８００℃の温度位置が結晶トップ側に持ち上げられているため、８００℃以上となる結晶領域が図５（ａ）よりも広くなる。したがって、冷却工程Ｓ１７による急冷効果の影響を受けるシリコン単結晶３の８００℃以上の温度域の範囲を広げることができ、無欠陥結晶の取得領域の拡大につなげることができる。
【００７６】
次に、サブヒータ２２を用いて冷却工程直前の８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げる方法についてより詳細に説明する。
【００７７】
図６は、水冷体２１のみが設けられ、サブヒータ２２が設けられていないホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図である。
【００７８】
図６に示すように、サブヒータ２２が設けられていないホットゾーン内でシリコン融液２から引き上げたシリコン単結晶３は冷却され、冷却工程直前におけるシリコン単結晶３中の８００℃の温度位置は例えば図示の位置Ｐ１になり、位置Ｐ１よりも上方のボディ部３ｃの結晶領域Ａ１の温度は８００℃未満となり、位置Ｐ１よりも下方のボディ部３ｃの結晶領域Ｂ１の温度は８００℃以上となる。
【００７９】
ボディ部３ｃの８００℃未満の結晶領域Ａ１は、ボディ部育成工程Ｓ１５又はテール部育成工程Ｓ１６中の引き上げ速度（第１の引き上げ速度）で８００〜４００℃の温度域をすでに通過しているか、あるいは通過途中であるため、８００〜４００℃の滞在時間が長くなる。そのためＰｖＰｉマージンが狭くなり、引き上げ速度ＶをＰｖＰｉマージン内に収めることができず、引き上げ速度Ｖの変動の影響を受けて結晶欠陥（ＣＯＰ又はＯＳＦ核の少なくとも一方）を含む単結晶が育成されてしまう。
【００８０】
一方、８００℃以上の結晶領域Ｂ１は、冷却工程Ｓ１７によって急冷されて８００〜４００℃の滞在時間が短くなる。すなわち、結晶領域Ｂ１の８００〜４００℃の温度域の冷却速度（第２の冷却速度）は、結晶領域Ａ１の８００〜４００℃の温度域の冷却速度（第１の冷却速度）よりも速い。具体的には、第１の冷却速度が０．１６５〜０．２９５℃／ｍｉｎであるのに対し、第２の冷却速度は第１の冷却速度の２．５倍以上、つまり０．４１２５℃／ｍｉｎ以上であることが好ましい。そのため、ＰｖＰｉマージンを広くすることができ、引き上げ速度ＶをＰｖＰｉマージン内に収めることができ、結晶領域Ｂ１を無欠陥結晶として育成することができる。
【００８１】
しかしながら、結晶領域Ａ１と比較して結晶領域Ｂ１の長さは非常に短いため、無欠陥結晶の製造歩留まりが非常に悪い。そこで本実施形態では、サブヒータ２２を用いて冷却工程直前におけるシリコン単結晶３中の８００℃以上の温度域を広げることにより、冷却工程による急冷効果を受ける範囲を広げ、これにより無欠陥結晶の取得領域の拡大を図っている。
【００８２】
図７は、サブヒータ２２が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図である。
【００８３】
図７に示すように、サブヒータ２２が設けられたホットゾーン内でシリコン融液２から引き上げられたシリコン単結晶３はサブヒータ２２によって再加熱され、冷却工程直前におけるシリコン単結晶３中の８００℃の温度位置は図示の位置Ｐ２になり、位置Ｐ１よりも上方の結晶領域Ａ２は８００℃未満となり、位置Ｐ２よりも下方の結晶領域Ｂ２は８００℃以上となる。
【００８４】
このように、８００℃の温度位置がサブヒータ２２によって図７の位置Ｐ１よりも結晶トップ側に持ち上げられることにより、図７の結晶領域Ｂ２は図６の結晶領域Ｂ１よりも長くなり、逆に図７の結晶領域Ａ２は図６の結晶領域Ａ１よりも短くなるので、結晶品質が悪い部分の取得を少なくすることができる。すなわち、無欠陥結晶の取得領域を増やすと共に結晶欠陥含有領域を減らして無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００８５】
図８は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図７のシリコン単結晶３の結晶長を短くした場合を示すものである。
【００８６】
図８に示すように、冷却工程直前におけるシリコン単結晶３中の８００℃の温度位置がボディ部３ｃの上端近傍の位置Ｐ３にある場合には、８００℃以上の温度域が位置Ｐ３よりも下方の結晶領域Ｂ３となり、ボディ部３ｃのほぼ全部が８００℃以上の温度となる。
【００８７】
図７のシリコン単結晶３のように結晶長を十分に長くする場合には、８００℃の温度位置Ｐ２よりもトップ側に位置する結晶領域Ａ２が結晶欠陥を含むようになるため、当該結晶領域Ａ２の製造は無駄になる。しかし、図８に示すようにシリコン単結晶３のボディ部３ｃの上端近傍が８００℃の温度位置まで到達したときに冷却工程Ｓ１７を開始する場合には、結晶欠陥含有領域を無くして無欠陥結晶の製造歩留まりを大幅に高めることができる。
【００８８】
図９は、シリコン単結晶３の製品取得領域について説明するための図である。
【００８９】
図９（ａ）に示すように、シリコン単結晶３のボディ部３ｃの全体を製品取得領域とする場合には、８００℃の温度位置がボディ部３ｃの上端近傍Ｐ３に到達したときに冷却工程を開始すればよい。また、図９（ｂ）に示すように、シリコン単結晶３のボディ部の一部を製品取得領域とする場合には、８００℃の温度位置が製品取得領域の上端Ｐ３'に到達したときに冷却工程を開始すればよい。例えば、格子間酸素濃度やドーパント濃度の面内分布などの結晶欠陥以外の条件が所定の基準を満たしている領域がボディ部の一部である場合には、当該ボディ部の一部を製品取得領域とし、製品取得領域に対してのみ無欠陥結晶が形成されるように制御することにより、無欠陥結晶の製造効率を高めることができる。
【００９０】
シリコン単結晶３の製品取得領域の上端Ｐ３'は、ボディ部３ｃの結晶成長方向の中央よりも結晶トップ側に位置することが好ましく、ボディ部３ｃの上端近傍に位置することが好ましい。製品取得領域がボディ部３ｃの大半を占めることにより無欠陥シリコンウェーハの製造歩留まりを高めることができる。なお、ボディ部３ｃの上端近傍としたのは、シリコン単結晶のボディ部の上端は、酸素濃度やドーパント濃度の面内分布などの結晶欠陥以外の他の品質が安定せず、製品対象領域とされないことが多いからである。なおボディ部３ｃの上端近傍とは、例えばボディ部の上端０〜５０ｍｍの範囲であると定義することができる。
【００９１】
図１０は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられたホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図８のシリコン単結晶３のテール部３ｄを短尺化した場合を示すものである。
【００９２】
図１０に示すように、本実施形態においてはシリコン単結晶３のテール部３ｄの長さを短くするか、或いはテール部３ｄを完全に省略し、さらにその分だけボディ部３ｃの長さを長くすることにより、無欠陥結晶の取得領域の拡大を図っている。
【００９３】
テール部３ｄは、シリコン単結晶３をシリコン融液２から切り離す際に熱衝撃等による転位の発生を防止するために形成されるものであるが、結晶直径が小さいため製品化することができず、本来必要ない部分である。また、テール部育成工程Ｓ１６中は、結晶直径の減少により熱遮蔽体１７の開口１７ａとシリコン単結晶３との間の隙間が広くなり、これによりシリコン単結晶３がシリコン融液２からの輻射熱の影響を受けて冷却されにくくなり、６００±２００℃の滞在時間がボディ部育成工程Ｓ１５中よりも長くなる。すなわちテール部育成工程Ｓ１６は冷却工程Ｓ１７のようにシリコン単結晶３の急冷にも寄与しないばかりか、むしろ６００±２００℃の滞在時間に悪影響を与える。
【００９４】
しかし、本実施形態においては、テール部３ｄの短尺化又は省略によりテール部育成工程Ｓ１６をできるだけ短くしているので、８００℃以上の温度域が位置Ｐ３よりも下方のボディ部３ｃの結晶領域Ｂ３を拡大することができ、テール部育成工程Ｓ１６の影響をできるだけ抑えて無欠陥結晶の製造歩留まりをさらに高めることができる。
【００９５】
テール部３ｄの長さは４００ｍｍ以下であることが好ましい。従来長５００ｍｍ程度に対しテール部３ｄの長さが４００ｍｍ以下に短尺化されたものであれば、テール部３ｄの短尺化による十分な効果を得ることができる。
【００９６】
以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン融液２からシリコン単結晶３を引き上げる結晶育成工程（Ｓ１３〜Ｓ１６）と、シリコン単結晶３をシリコン融液２から切り離した後、シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却工程Ｓ１７とを備え、当該冷却工程Ｓ１７を利用して、冷却工程Ｓ１７の開始直前におけるシリコン単結晶３中の６００±２００℃の温度域を結晶育成工程中の冷却速度（第１の冷却速度）よりも速い冷却速度（第２の冷却速度）で冷却するので、シリコン単結晶３の６００±２００℃の温度域を急冷することがで、これによりＰｖＰｉマージンを広げて無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００９７】
また、本実施形態においては、サブヒータ２２を用いてシリコン単結晶３を加熱することにより当該シリコン単結晶３中の８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げるので、シリコン単結晶３のできるだけ広い結晶領域を急冷の対象とすることができる。したがって、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができ、無欠陥シリコンウェーハの生産性を向上させることができる。
【００９８】
さらに、本実施形態においては、シリコン単結晶３のボディ部３ｃの製品取得領域の上端が８００℃の温度位置まで到達したときに冷却工程Ｓ１７を開始するので、冷却工程Ｓ１７によって急冷されない結晶領域を極力少なくすることができる。したがって、シリコン単結晶の断面内の全面が無欠陥領域となるシリコン単結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【００９９】
図１１は、サブヒータ２２及び水冷体２１が設けられていないホットゾーン内で引き上げられたシリコン単結晶３の熱履歴を示す模式図であって、図６のシリコン単結晶３の結晶長を短くし、さらにテール部３ｄを短尺化した場合を示すものである。
【０１００】
図１１に示すように、本実施形態においては、サブヒータ２２及び水冷体２１を設けずシリコン単結晶３を引き上げて自然に冷却したときにそのボディ部３ｃの上端が８００℃の温度位置となるタイミングでシリコン単結晶３をシリコン融液２から切り離すようにしている。冷却工程直前におけるシリコン単結晶３中の８００℃の温度位置がボディ部３ｃの上端近傍の位置Ｐ４にある場合には、８００℃以上の温度域が位置Ｐ４よりも下方の結晶領域Ｂ４となり、ボディ部３ｃのほぼ全部が８００℃以上の温度となるので、結晶欠陥含有領域を無くして無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【０１０１】
しかし、図７のように８００℃の温度位置を持ち上げない場合には無欠陥結晶の長さが非常に短くなる。そこで、これを改善するために結晶ボトム側においてテール部３ｄの短尺化あるいは完全な省略を図り、無欠陥結晶の取得領域の拡大を図るものである。
【０１０２】
本実施形態においては、無欠陥結晶の取得領域を長くすることができるが、従来に比べるとシリコン単結晶インゴットが短く、一回の結晶育成工程で引き上げられるシリコン単結晶の量が少なく、残りのシリコン融液が無駄になってしまう。シリコン融液の無駄を防ぎ、無欠陥結晶の製造歩留まりをさらに高めるためには、いわゆるマルチプリング法によって短尺なシリコン単結晶インゴットを何本も引き上げることが好ましい。
【０１０３】
マルチプリング法では、石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げた後、同一の石英ルツボ内のシリコン残液にシリコン原料を追加供給して融解し、得られたシリコン融液からシリコン単結晶の引き上げを行い、このような結晶育成工程と原料追加工程とを交互に繰り返すことにより、一つの石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を製造する。上記のように短尺なインゴットを引き上げる場合には、石英ルツボ内に多くのシリコン融液が残っていることから、これを利用して新たなシリコン単結晶インゴットを引き上げることが可能である。シリコン融液の残量が次の一本のシリコン単結晶インゴットの引き上げに必要な量に満たない場合には、多結晶シリコン原料を石英ルツボ１１内に追加してから次の結晶育成工程を開始すればよい。マルチプリング法によれば、シリコン単結晶一本当たりの石英ルツボの原価コストを低減することが可能である。またチャンバーを解体して石英ルツボを交換する頻度を低減できるため、操業効率を向上させることが可能である。
【０１０４】
マルチプリング法においては、シリコン単結晶の最後の一本を除き、メインヒータ１５の出力はそのまま維持し、サブヒータ２２の出力だけを停止又は低下させることにより、シリコン融液２の固化や石英ルツボ１１の破損を防止して結晶引き上げを継続することができる。シリコン単結晶の最後の一本の結晶育成工程では、メインヒータ１５とサブヒータ２２の出力の両方を停止又は低下させることができ、冷却工程Ｓ１７の冷却効果をさらに高めることができる。
【０１０５】
また、１回の結晶製造工程で一本のシリコン単結晶３のみを引き上げるいわゆるシングルプリング法においては、一本のシリコン単結晶３をシリコン融液２から切り離した後の冷却工程Ｓ１７の開始時にメインヒータ１５とサブヒータ２２の両方の出力を停止又は低下させることができ、冷却工程Ｓ１７の冷却効果をさらに高めることができる。
【０１０６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【０１０７】
例えば、上記実施形態においては、サブヒータ２２及び水冷体２１を追加してＰｖＰｉマージンを拡大させるホットゾーンを変更しているが、本発明はそのような構成に限定されるものではなく、既存の炉内構造物の変更又は新たな炉内構造物の追加によりホットゾーンを変更してもよい。さらに上述のようにホットゾーンを変更することなく冷却工程Ｓ１７だけを利用してＰｖＰｉマージンを拡大させることも可能である。
【実施例】
【０１０８】
シリコン融液から引き上げられたシリコン単結晶の冷却過程における６００±２００℃の温度域の滞在時間がＰｖＰｉセンターマージンに与える影響について考察した。ＣＯＰ、ＯＳＦ、Ｐｖ、Ｐｉ、Ｌ／ＤＬ（転位クラスター）といった各欠陥の境界は、点欠陥数値解析より得られる１０００℃での相対空孔過飽和度により決定され、従来は表１に示すような固定値が用いられていた。
【０１０９】
【表１】
2018035028.tif 000003
【０１１０】
しかしながら、Ｐｖ−ＯＳＦ境界を決定する相対空孔過飽和度は、６００±２００℃の滞在時間によって変化する可変値であるため、６００±２００℃の滞在時間によって変化する変数として点欠陥数値解析に導入することができれば、ＰｖＰｉセンターマージンを正確に計算することが可能となり、ＰｖＰｉセンターマージンを考慮した無欠陥結晶の引き上げ条件の制御も可能となる。そこで、結晶直径やホットゾーンなどの結晶引き上げ条件が異なる複数の引き上げ試験の結果に基づいて、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度と６００±２００℃の滞在時間との関係を調査した。
【０１１１】
表２は、結晶直径やホットゾーンなどの結晶引き上げ条件が異なる５つの引き上げ試験結果に基づいて、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度と６００±２００℃の滞在時間との関係を調査した結果を示す表であり、Ｇ１ｃは融点近傍（１４１２〜１３５０℃）の結晶中心温度勾配、ＲＴ600±200℃は６００±２００℃の滞在時間である。
【０１１２】
またＰｖＰｉセンターマージンは、結晶中心のＰｖＰｉマージンである。ＰｖＰｉセンターマージンは挙動が単純であり、ＰｖＰｉ面内マージンにも展開しやすいため、点欠陥数値解析ではＰｖＰｉセンターマージンを計算することが好ましい。通常、ＰｖＰｉ面内マージンはＰｖＰｉセンターマージンよりも狭い。ＰｖＰｉ面内マージンがＰｖＰｉセンターマージンの８割程度になると仮定すると、０．０１５ｍｍ／ｍｉｎのＰｖＰｉ面内マージンを確保するためには０．０１９ｍｍ／ｍｉｎのＰｖＰｉセンターマージンを確保する必要がある。
【０１１３】
【表２】
2018035028.tif 000004
【０１１４】
表２に示すように、５つの結晶引き上げ条件のうち、条件＃１は２００ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーン内で引き上げた場合、条件＃２は３００ｍｍ結晶を非水冷式のホットゾーン内で引き上げた場合、条件＃３は３００ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーン内で引き上げた場合、条件＃４，＃５は４５０ｍｍ結晶を水冷式の同じホットゾーン内で引き上げた場合であり、両者の違いは結晶育成条件だけである。なお水冷式とは、図１における水冷体２１が有ることを意味し、非水冷式とは水冷体２１が無いことを意味する。
【０１１５】
次に、これら５つの結晶引き上げ条件下で育成されるシリコン単結晶の温度分布を伝熱解析により求めると共に、応力効果を導入した点欠陥数値解析を行って、図１２（ａ）に示すような結晶内の１０００℃での相対空孔過飽和度の分布を求めた。伝熱解析はシミュレーションソフトＣＧＳｉｍを用いて行った。また点欠陥数値解析はKozo Nakamura et al., "Experimental Study of the Impact of Stress on the Point Defect Incorporation during Silicon Growth" ECS Solid State Letters, 3(3) N5-N7(2014) に記載される手法を用いて行った。
【０１１６】
一方、図１２（ｂ）に示すように、実際に引き上げたシリコン単結晶の欠陥分布を評価し、この評価結果から結晶中心のＰｖ−ＯＳＦ境界を読み取ると共に、その位置に対応する相対空孔過飽和度を図１２（ａ）から読み取った。例えば、図１２（ａ）及び（ｂ）の場合、結晶中心のＰｖ−ＯＳＦ境界は矢印で示す位置となり、相対空孔過飽和度は約２．２×１０１２ｃｍ−３となる。
【０１１７】
図１３は、上述した５つの結晶引き上げ条件（条件＃１〜＃５）の６００±２００℃の滞在時間と結晶中心のＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度との関係を示す散布図であり、横軸は６００±２００℃の滞在時間ＲＴ−１（×１０−３／ｍｉｎ−１）、縦軸はＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSF（×１０１２／ｃｍ３）をそれぞれ示している。なお横軸のＲＴ−１は逆数であるため、値が大きい右側ほど滞在時間が短くなり、逆に値が小さい左側ほど滞在時間が長くなることを示している。
【０１１８】
図１３に示すように、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFは６００±２００℃の滞在時間ＲＴに反比例することが分かる。滞在時間ＲＴ−１が例えば１／１．３であれば、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度は６となるが、滞在時間ＲＴ−１が例えば１／１のように長くなると、相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFが小さくなり、これによりＰｖＰｉセンターマージンも狭くなる。逆に、滞在時間ＲＴ−１が１／２．５のように短くなると、相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFが大きくなり、これによりＰｖＰｉセンターマージンも広くなる。
【０１１９】
さらに、図１３に示した５つのプロット値の回帰直線から以下の関係式を導き出すことができた。
【０１２０】
ΔＣV_Pv-OSF＝６．１９４×１０１５（ＲＴ）−１−２．８１８×１０１２        （１）
【０１２１】
このように、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFは６００±２００℃の滞在時間ＲＴの影響を受けており、滞在時間ＲＴが短ければＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFが大きくなることが分かった。結晶中心のＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度ΔＣV_Pv-OSFが大きくなればＰｖＰｉセンターマージンも広がり、さらにＰｖＰｉ面内マージンも広がるので、無欠陥結晶の引き上げが可能となる。さらに、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度となる６００±２００℃の滞在時間よりも短い滞在時間となるように結晶引き上げ速度Ｖやホットゾーンなどの結晶引き上げ条件を制御することにより、Ｐｖ領域又はＰｉ領域からなる無欠陥結晶を育成することが可能となる。
【０１２２】
上記関係式を用いて冷却条件を制御する方法は以下のとおりである。まず、育成結晶の温度分布を伝熱解析により求め、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度とシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の滞在時間との関係式を用いた点欠陥数値解析を行うことにより、目標とするＰｖＰｉマージン（例えば０．０１５ｍｍ／ｍｉｎ）が得られるシリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の基準滞在時間を決定する。その後、前記結晶育成条件下で結晶育成工程を行い、さらに冷却工程を行う。冷却工程では、シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間が基準滞在時間以下となるように、シリコン単結晶の冷却速度を制御する。特に、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度をΔＣV_Pv-OSF（×１０１２／ｃｍ３）とし、シリコン単結晶の６００±２００℃の温度域の実際の滞在時間をＲＴ（×１０−３／ｍｉｎ−１）とするとき、
ΔＣV_Pv-OSF≦６．１９４×１０１５（ＲＴ）−１−２．８１８×１０１２
を満たすようにシリコン単結晶の冷却条件を制御すればよい。このような条件でシリコン単結晶を冷却することにより、ＰｖＰｉマージンを拡大して無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
【０１２３】
図１４は、４５０ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーンで引き上げた条件＃５の解析結果であって、（ａ）は実際に引き上げたシリコン単結晶中の欠陥分布、（ｂ）はＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度の従来の指標（固定値）を用いて点欠陥数値解析した場合に得られる欠陥分布、（ｃ）は新たな指標（６００±２００℃の滞在時間の関数）を用いて点欠陥数値解析した場合に得られる欠陥分布をそれぞれ示している。
【０１２４】
図１４（ｂ）に示す従来の指標を用いて計算した欠陥分布は、図１４（ａ）に示す実際の評価結果と大きく異なり、ＰｖＰｉセンターマージンの広さも大きく異なった。図１４（ｂ）に示した従来の指標を用いた点欠陥数値解析結果から引き上げ条件を決定する場合には、ＯＳＦが結晶中心部にディスク状に発生すると想定されるので、ギャップ（熱遮蔽体から融液表面までの距離）を大きくすべきと判断されることになる。
【０１２５】
一方、図１４（ｃ）に示す新たな指標を用いて計算した欠陥分布は、図１４（ａ）に示す実際の評価結果とほぼ一致しており、ＯＳＦの位置やＰｖＰｉセンターマージンの広さを正しく表現していることが分かった。図１４（ｃ）に示した新たな指標を用いた点欠陥数値解析結果から引き上げ条件を決定する場合には、結晶中心と外周側に発生するＯＳＦがほぼ同じ位置（速度）で発生すると予想されるので、最適なギャップであると判断されることになる。
【０１２６】
図１５は、２００ｍｍ結晶を水冷式のホットゾーンで引き上げた条件＃１の解析結果であって、（ａ）は実際に引き上げたシリコン単結晶中の欠陥分布、（ｂ）はＰｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度の従来の指標（固定値）を用いて点欠陥数値解析した場合に得られる欠陥分布、（ｃ）は新たな指標（６００±２００℃の滞在時間の関数）を用いて点欠陥数値解析した場合に得られる欠陥分布をそれぞれ示している。
【０１２７】
４５０ｍｍ結晶の解析結果と同様、図１５（ｂ）に示す従来の指標を用いて計算した欠陥分布は、図１５（ａ）に示す実際の評価結果と大きく異なった。これに対し、図１５（ｃ）に示す新たな指標を用いて計算した２００ｍｍ結晶の欠陥分布は、図１５（ａ）に示した実際の評価結果とほぼ一致しており、ＯＳＦの位置やＰｖＰｉセンターマージンの広さを正しく表現していることが分かった。
【０１２８】
このように、Ｐｖ−ＯＳＦ境界の相対空孔過飽和度が６００±２００℃の滞在時間により変化するという効果を点欠陥数値解析に導入し、ＰｖＰｉ面内マージンの計算に利用することにより、点欠陥数値解析の精度が向上するので、ホットゾーンの設計や結晶引き上げ条件の設定に役立てることができる。また、６００±２００℃の滞在時間をどのくらい短くすればＰｖ領域又はＰｉ領域からなる無欠陥結晶を育成できるかを判断することが可能となる。
【０１２９】
次に、４５０ｍｍウェーハ用シリコン単結晶の製造において、シリコン融液から引き上げられた後の６００±２００℃の温度域の滞在時間を短くするため、冷却工程（Ｓ１７）を利用したシリコン単結晶３の急冷を行った。その際、石英ルツボ１１へのシリコン原料の充填量を５００ｋｇとし、シリコン単結晶３のボディ部３ｃの長さを１０００ｍｍとした。
【０１３０】
冷却工程直前の８００〜４００℃の温度域を結晶トップ側へ持って行くためには、結晶全体を温めるホットゾーンになっていなければならない。ホットゾーン条件としては、図１６に示すように、水冷体２１のみを設けた従来構造（比較例）、サブヒータ２２のみを設けた構造（実施例１）、水冷体２１とサブヒータ２２の両方を設けた構造（実施例２）の３通りとした。サブヒータ２２の温度は約１０００℃に設定した。
【０１３１】
図１７は、シリコン単結晶の結晶成長方向の位置と８００〜４００℃の滞在時間との関係を示すグラフであり、横軸はシリコン単結晶の結晶成長方向の位置Ｌ（ｍｍ）、縦軸は８００〜４００℃の滞在時間（ｍｉｎ）をそれぞれ示している。
【０１３２】
図１７に示すように、水冷体２１のみを設置した比較例において、ボディ部育成工程Ｓ１５中の８００〜４００℃の滞在時間はほぼ一定であり、テール部育成工程Ｓ１６中の前記滞在時間は結晶ボトム側でわずかに増加し、冷却工程Ｓ１７の開始直前にピークを形成した。その後、８００〜４００℃の滞在時間は冷却工程Ｓ１７の急冷効果により急激に低下した。８００〜４００℃の滞在時間が短くなる結晶領域は、結晶トップ側から約３００ｍｍ以降（３００〜１０００ｍｍの範囲）であった。
【０１３３】
これに対し、サブヒータ２２のみを設置して８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げた実施例１において、８００〜４００℃の滞在時間が短くなる結晶領域は、結晶トップ側から約０ｍｍ以降（０〜１０００ｍｍの範囲）であった。すなわち、結晶の８００〜４００℃の滞在時間が低下し始める位置が結晶トップ側にシフトし、これにより８００℃の温度位置が結晶トップ側に持ち上がった。さらに、サブヒータ２２と水冷体２１の両方を設置した実施例２において、８００〜４００℃の滞在時間が短くなる結晶領域は、結晶トップ側から約１００ｍｍ以降（１００〜１０００ｍｍの範囲）であった。
【０１３４】
図１８は、シリコン単結晶の結晶成長方向の位置とＰｖＰｉセンターマージンとの関係を示すグラフであり、横軸はシリコン単結晶の結晶成長方向の位置Ｌ（ｍｍ）、縦軸はＰｖＰｉセンターマージンΔＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）をそれぞれ示している。
【０１３５】
図１８に示すように、水冷体２１のみを設置した比較例において、結晶トップ側から約８００ｍｍ以下の結晶領域でＰｖＰｉセンターマージンが０．０２ｍｍ／ｍｉｎ以上となった。これに対し、サブヒータ２２のみを設置して８００℃の温度位置を結晶トップ側に持ち上げた実施例１では、結晶トップ側から約４００ｍｍ以下の結晶領域でＰｖＰｉセンターマージンが０．０２ｍｍ／ｍｉｎ以上となった。さらにサブヒータ２２と水冷体２１の両方を設置した実施例２では、結晶トップ側から約５００ｍｍ以下の結晶領域でＰｖＰｉセンターマージンが０．０２ｍｍ／ｍｉｎ以上となった。
【０１３６】
比較例及び実施例１、２によるシリコン単結晶のボディ部の結晶引き上げ速度及び無欠陥結晶領域の長さを表３に示す。
【０１３７】
【表３】
2018035028.tif 000005
【０１３８】
表３に示すように、まず水冷体２１のみを設けた比較例によるホットゾーン内でシリコン単結晶３を引き上げたときのボディ部３ｃの引き上げ速度Ｖは０．３５ｍｍ／ｍｉｎとなり、またＰｖ領域又はＰｉ領域となる無欠陥結晶領域（第１の結晶領域）の長さは２２０ｍｍとなった。
【０１３９】
また、サブヒータ２２のみを設けた実施例１によるホットゾーン内でシリコン単結晶３を引き上げたときのボディ部３ｃの引き上げ速度Ｖは０．２６ｍｍ／ｍｉｎとなり、また無欠陥結晶領域の長さは６２０ｍｍとなった。比較例と比べると、実施例１の引き上げ速度Ｖは低下したが、無欠陥結晶領域は約２．８倍増加した。すなわちサブヒータ２２のみを設けたことにより、無欠陥結晶の製造歩留まりは向上したが、引き上げ速度の低下により生産性が低下した。
【０１４０】
さらに、サブヒータ２２の下方に水冷体２１を設けた実施例２によるホットゾーン内でシリコン単結晶３を引き上げたときのボディ部３ｃの引き上げ速度Ｖは０．３３ｍｍ／ｍｉｎとなり、また無欠陥結晶領域の長さは４９０ｍｍとなった。比較例と比べると、引き上げ速度Ｖが大きく低下することなく、無欠陥結晶領域は約２．２倍増加した。すなわちサブヒータ２２と水冷体２１の両方を設けたことにより、無欠陥結晶の製造歩留まりの向上と引き上げ速度のアップによる生産性の向上を図ることができた。
【符号の説明】
【０１４１】
１    単結晶製造装置
２    シリコン融液
３    シリコン単結晶（インゴット）
３Ａ，３Ｂ    シリコン単結晶インゴット
３ａ    ネック部
３ｂ    ショルダー部
３ｃ    ボディ部
３ｄ    テール部
１０    チャンバー
１０ａ    メインチャンバー
１０ｂ    プルチャンバー
１０ｃ    ガス導入口
１０ｄ    ガス排出口
１０ｅ    覗き窓
１１    石英ルツボ
１２    黒鉛ルツボ
１３    回転シャフト
１４    シャフト駆動機構
１５    メインヒータ
１６    断熱材
１７    熱遮蔽体
１７ａ    熱遮蔽体の開口
１８    ワイヤー
１９    ワイヤー巻き取り機構
２０    制御部
２１    水冷体
２２    サブヒータ
２３    ドローチューブ
Ａ１，Ａ２    ８００℃以下の結晶領域
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４    ８００℃以上の結晶領域
Ｓ１１    原料融解工程
Ｓ１２    着液工程
Ｓ１３    ネッキング工程
Ｓ１４    ショルダー部育成工程
Ｓ１５    ボディ部育成工程
Ｓ１６    テール部育成工程
Ｓ１７    冷却工程
【図１】
2018035028.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018035028.tif 000011
【図７】
2018035028.tif 000012
【図８】
2018035028.tif 000013
【図９】
2018035028.tif 000014
【図１０】
2018035028.tif 000015
【図１１】
2018035028.tif 000016
【図１２】
2018035028.tif 000017
【図１３】
2018035028.tif 000018
【図１４】
2018035028.tif 000019
【図１５】
2018035028.tif 000020
【図１６】
2018035028.tif 000021
【図１７】
2018035028.tif 000022
【図１８】
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