(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンが収容された石英坩堝を加熱部で加熱することで、前記シリコンを融解する融解工程と、
種結晶を前記石英坩堝内のシリコン融液に接触させるディップ工程と、
前記種結晶を引き上げることで、シリコン単結晶を育成する引き上げ工程とを備え、
前記引き上げ工程は、前記加熱部の消費電力量が１００００ｋｗｈ以上になってから前記シリコン単結晶の直胴部の形成を開始して、前記シリコン単結晶全体を育成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】
請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記ディップ工程と前記引き上げ工程との間に行われる仮育成工程とメルトバック工程とを備え、
前記仮育成工程は、前記シリコン融液に接触している前記種結晶を引き上げることで、シリコン単結晶の一部を育成し、
前記メルトバック工程は、前記仮育成工程で育成したシリコン単結晶を前記シリコン融液に溶かすことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記融解工程と前記ディップ工程との間に行われる放置工程を備え、
前記放置工程は、前記融解工程時における前記加熱部への電力供給量を変えることなく、前記シリコン融液を放置することを特徴とする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する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン単結晶を製造する方法として、磁場を印加するＭＣＺ（磁場印加チョクラルスキー）法や、磁場を印加しないＣＺ（チョクラルスキー）法が知られている。このようなＭＣＺ法やＣＺ法では、直胴部に有転位化が発生する場合があるという問題があり、これを解決するための検討がなされている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
ＣＺ法に関する特許文献１の装置では、熱輻射体を熱遮蔽体に対して昇降させ、石英坩堝の上端に位置させることで、シリコン融液の熱の放散を抑制するとともに、石英坩堝を介して熱を効率よくシリコン融液に伝達し、シリコン融液を少ない電力で所定温度に加熱することができる。また、石英坩堝内の側部上端までの温度を均一にすることができ、石英坩堝の上端内周面にシリコン融液が付着することを防止し、有転位化を抑制できる。
【０００４】
ＭＣＺ法に関する特許文献２の方法では、多結晶シリコンの融解工程後、シリコン単結晶を育成する引き上げ工程前に、シリコン融液に磁場を印加して放置する工程と、その後、磁場の印加を止めて放置する工程とを行う。これにより、シリコン融液に対し磁場を印加した放置で石英坩堝表面にクリストバライトを形成し、続いて行われる磁場の印加を止めた放置でクリストバライトを適度に溶解することで、有転位化を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５５５７７号公報
【特許文献２】特開２０１２−８２１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置では、熱輻射体を設けるため、単結晶引き上げ装置の設計変更が必要になるという問題がある。
また、特許文献２の方法では、ＣＺ法には適用できないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、汎用性がありかつ簡単な方法で有転位化の発生を低減可能な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】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、石英坩堝を加熱する加熱部の消費電力量が所定値（石英坩堝に与えられるエネルギー量が３．６×１０１７ｋＪ）以上になってから、シリコン単結晶の直胴部の形成を開始することで、直胴部における有転位化の発生を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、シリコンが収容された石英坩堝を加熱部で加熱することで、前記シリコンを融解する融解工程と、種結晶を前記石英坩堝内のシリコン融液に接触させるディップ工程と、前記種結晶を引き上げることで、シリコン単結晶を育成する引き上げ工程とを備え、前記引き上げ工程は、前記加熱部の消費電力量が１００００ｋｗｈ以上になってから前記シリコン単結晶の直胴部の形成を開始して、前記シリコン単結晶全体を育成することを特徴とする。
【００１０】
本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記ディップ工程と前記引き上げ工程との間に行われる仮育成工程とメルトバック工程とを備え、前記仮育成工程は、前記シリコン融液に接触している前記種結晶を引き上げることで、シリコン単結晶の一部を育成し、前記メルトバック工程は、前記仮育成工程で育成したシリコン単結晶を前記シリコン融液に溶かすことが好ましい。
本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記融解工程と前記ディップ工程との間に行われる放置工程を備え、前記放置工程は、前記融解工程時における前記加熱部への電力供給量を変えることなく、前記シリコン融液を放置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図。
【図２】前記一実施形態および本発明の実施例１におけるシリコン単結晶の製造方法の説明図。
【図３】本発明の変形例および実施例２におけるシリコン単結晶の製造方法の説明図。
【図４】本発明の比較例におけるシリコン単結晶の製造方法の説明図。
【図５】前記比較例における有転位化発生時の消費電力量の度数分布。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態］
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
〔単結晶引き上げ装置の構成〕
図１に示すように、単結晶引き上げ装置１は、ＣＺ法に用いられる装置であって、引き上げ装置本体２と、制御部３とを備えている。
引き上げ装置本体２は、チャンバ２１と、このチャンバ２１内の中心部に配置された坩堝２２と、この坩堝２２に熱を放射して加熱する加熱部としてのヒータ２３と、断熱筒２４と、引き上げケーブル２５と、熱遮蔽体２６とを備えている。
【００１３】
チャンバ２１の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ２１内に導入するガス導入口２１Ａが設けられている。チャンバ２１の下部には、図示しない真空ポンプの駆動により、チャンバ２１内の気体を排出するガス排気口２１Ｂが設けられている。
チャンバ２１内には、制御部３の制御により、チャンバ２１上部のガス導入口２１Ａから、不活性ガスが所定のガス流量で導入される。そして導入されたガスが、チャンバ２１下部のガス排気口２１Ｂから排出されることで、不活性ガスがチャンバ２１内の上方から下方に向かって流れる構成となっている。
チャンバ２１内の圧力（炉内圧）は、制御部３により制御可能となっている。
【００１４】
坩堝２２は、シリコンウェーハの原料である多結晶のシリコンを融解し、シリコン融液Ｍとするものである。坩堝２２は、所定の速度で回転および昇降が可能な支持軸２７に支持されている。坩堝２２は、有底円筒形状の石英坩堝２２１と、この石英坩堝２２１を収納する黒鉛坩堝２２２とを備えている。なお、石英坩堝２２１および黒鉛坩堝２２２としては、以下のスペックのものを用いることができる。
石英坩堝
・外径：３２インチ
・材質：天然石英または合成石英
・肉厚：１３ｍｍ〜３５ｍｍ
黒鉛坩堝
・内径：３２インチ（石英坩堝を収容可能な寸法）
・材質：等方性黒鉛またはカーボンカーボン複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）
【００１５】
ヒータ２３は、坩堝２２の外側に配置されており、坩堝２２を加熱して、坩堝２２内のシリコンを融解する。
断熱筒２４は、坩堝２２およびヒータ２３の周囲を取り囲むように配置されている。
引き上げケーブル２５は、一端が、坩堝２２上方に配置された図示しない引き上げ駆動部に接続され、他端に、種結晶ＳＣが取り付けられる。引き上げケーブル２５は、制御部３による引き上げ駆動部の制御により、所定の速度で昇降するとともに、当該引き上げケーブル２５の軸を中心にして回転する。
熱遮蔽体２６は、ヒータ２３から上方に向かって放射される輻射熱を遮断する。
【００１６】
制御部３は、メモリ３１に記憶された制御プログラムと、作業者の設定入力となどに基づいて、チャンバ２１内のガス流量や炉内圧、ヒータ２３によるチャンバ２１内の加熱温度、坩堝２２やシリコン単結晶ＳＭの回転数、種結晶ＳＣの昇降タイミングなどを制御して、シリコン単結晶ＳＭを製造する。
【００１７】
〔シリコン単結晶の製造方法〕
次に、シリコン単結晶ＳＭの製造方法について説明する。
図２は、本実施形態におけるシリコン単結晶ＳＭの製造方法の説明図であって、縦軸はヒータ２３に供給する電力を示し、横軸はヒータ２３の消費電力量を示す。
なお、本実施形態において、肩部は、種結晶ＳＣに連続し直径が徐々に増加する領域であり、直胴部は、肩部に連続し直径が略均一の領域であり、テール部は、直胴部の下端に連続し直径が徐々に低下してゼロになる領域である。
【００１８】
まず、単結晶引き上げ装置１の制御部３は、図２に示すように、ヒータ２３の消費電力量が０の状態からヒータ２３への電力の供給を開始し、消費電力量がＷａ（ｋＷｈ）（Ｗａ＜１００００）に到達するまでの間、ポリシリコン素材およびドーパントが収容された坩堝２２を加熱することでこれらを融解させ、ドーパント添加融液ＭＤを生成する（融解工程）。この融解工程中、制御部３は、ガス導入口２１Ａからチャンバ２１内にＡｒガスを所定の流量で導入するとともに、チャンバ２１内を減圧して、チャンバ２１内を減圧下の不活性雰囲気に維持する。
【００１９】
その後、消費電力量がＷａに到達すると、制御部３は、ヒータ２３に供給する電力を減らし、引き上げケーブル２５を下降させることで種結晶ＳＣをドーパント添加融液ＭＤに接触させる（ディップ工程）。
そして、制御部３は、坩堝２２および引き上げケーブル２５を所定の方向に回転させながら、引き上げケーブル２５を引き上げることで、シリコン単結晶ＳＭの一部を育成する（仮育成工程）。なお、この仮育成工程において、シリコン単結晶ＳＭの肩部の一部または全体を育成してもよいし、肩部全体に加えて直胴部の一部または全体を育成してもよい。
【００２０】
次に、仮育成工程が終了し、消費電力量がＷｂ（ｋＷｈ）（Ｗｂ＜１００００）に到達すると、制御部３は、ヒータ２３に供給する電力を融解工程とほぼ同じ量まで増やし、引き上げケーブル２５を下降させることで、仮育成工程で育成したシリコン単結晶ＳＭをドーパント添加融液ＭＤに溶かす（メルトバック工程）。
そして、メルトバック工程が終了し、消費電力量がＷｃ（ｋＷｈ）（Ｗｃ＜１００００）に到達すると、制御部３は、ヒータ２３に供給する電力を仮育成工程とほぼ同じ量まで減らしてから、仮育成工程と同様の制御を行い、シリコン単結晶ＳＭ全体を育成する（引き上げ工程）。
【００２１】
この引き上げ工程のうち、肩部形成工程は、消費電力量がＷｄ（ｋＷｈ）（１００００＜Ｗｄ＜１２０００）に到達するまで行われ、その後、直胴部形成工程およびテール部形成工程は、Ｗｆ（ｋＷｈ）（１００００＜Ｗｆ）に到達するまで行われる。すなわち、引き上げ工程は、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋｗｈ以上１２０００ｋｗｈ以下の状態でシリコン単結晶ＳＭの直胴部の形成を開始して、シリコン単結晶ＳＭ全体を育成する。
以上の工程により、直胴部における有転位化の発生が低減されたシリコン単結晶ＳＭが製造される。
【００２２】
［実施形態の作用効果］
上記実施形態では、特許文献１の装置のように熱輻射体を設けることなく、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋｗｈ以上になったときに、直胴部の形成を開始するだけの簡単な方法で、有転位化の発生を抑制できる。また、後述するように上記製造方法をＭＣＺ法にも適用できることから、汎用性があるシリコン単結晶ＳＭの製造方法を提供することができる。
特に、ヒータ２３の消費電力量が１２０００ｋｗｈ以下の状態で直胴部の形成を開始することにより、シリコン単結晶ＳＭの製造時間が長くなり生産性が低下することを抑制できる。
【００２３】
［他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能であり、その他、本発明の実施の際の具体的な手順、及び構造などは本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。
【００２４】
例えば、図３に示すようなシリコン単結晶ＳＭの製造方法を用いてもよい。
この製造方法において、制御部３は、ヒータ２３の消費電力量が０からＷａに到達するまでの間、上記実施形態と同様の融解工程を行い、その後、電力供給量を変えずに消費電力量がＷｇ（ｋＷｈ）（Ｗｇ＜１００００）に到達するまでの間、ドーパント添加融液ＭＤを融解させたまま放置する（放置工程）。
次に、制御部３は、ヒータ２３に供給する電力を減らし、上記実施形態と同様のディップ工程を行った後、仮育成工程およびメルトバック工程を行わずに、シリコン単結晶ＳＭ全体を育成する（引き上げ工程）。
この引き上げ工程のうち、肩部形成工程は、消費電力量がＷｈ（ｋＷｈ）（１００００＜Ｗｈ＜１２０００）に到達するまで行われ、その後、直胴部形成工程およびテール部形成工程は、Ｗｉ（ｋＷｈ）（１００００＜Ｗｉ）に到達するまで行われる。
このような製造方法においても、引き上げ工程は、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋｗｈ以上１２０００ｋｗｈ以下の状態でシリコン単結晶ＳＭの直胴部の形成を開始して、シリコン単結晶ＳＭ全体を育成することになるため、直胴部における有転位化の発生が低減される上、生産性が低下することを抑制できる。
【００２５】
図２に示すシリコン単結晶の製造方法において、仮育成工程とメルトバック工程とをそれぞれ２回以上行ってもよい。
図３に示すシリコン単結晶の製造方法において、消費電力量が１００００ｋｗｈ以上になるまで放置工程を行ってもよい。
図３に示すシリコン単結晶の製造方法において、ディップ工程後に仮育成工程とメルトバック工程とをそれぞれ１回以上行ってもよい。
図３に示すシリコン単結晶の製造方法において、放置工程の代わりにメルトバックシミュレーション工程を行ってもよい。メルトバックシミュレーション工程とは、ヒータ２３に供給する電力を、図２に示す消費電力量がＷａ（ｋＷｈ）からＷｃ（ｋＷｈ）に到達するまでの間のように制御しつつ、種結晶ＳＣをドーパント添加融液ＭＤに接触させないまま放置する工程を意味する。
図２，３に示すシリコン単結晶の製造方法において、ヒータ２３の消費電力量が１２０００ｋｗｈを超えてからシリコン単結晶ＳＭの直胴部の形成を開始してもよい。
石英坩堝２２１、黒鉛坩堝２２２のスペックは、本発明の効果を奏する範囲であれば、上述したスペック以外であってもよい。
本発明のシリコン単結晶の製造方法を、磁場を印加するＭＣＺ法に適用してもよい。この場合、図１に二点鎖線で示すように、チャンバ２１の外側において坩堝２２を挟んで対向するように一対の電磁コイル２８を配置し、水平方向の横磁場でシリコン融液Ｍの自然対流を抑制すればよい。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００２７】
以下に示す比較例および実施例１，２のシリコン単結晶の製造方法に基づき、シリコン単結晶を製造し、直胴部形成開始時におけるヒータ２３の消費電力量と、有転位化の発生状況との関係を調べた。比較例および実施例１，２では、図１に示す単結晶引き上げ装置１を用いて、直径が３００ｍｍ、直胴部の酸素濃度が１３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のｐ＋シリコン単結晶を製造した。
【００２８】
まず、比較例のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
比較例の製造方法では、図４に示すように、ヒータ２３の消費電力量が０からＷａに到達するまでの間、上記実施形態と同様の融解工程を行う。その後、直ちにヒータ２３に供給する電力を減らし、上記実施形態と同様のディップ工程を行い、仮育成工程およびメルトバック工程を行わずに、シリコン単結晶全体を育成する（引き上げ工程）。
この引き上げ工程のうち、肩部形成工程は、消費電力量がＷｊ（ｋＷｈ）（Ｗｊ＜１００００）に到達するまで行われ、その後、直胴部形成工程およびテール部形成工程は、Ｗｋ（ｋＷｈ）（１００００＜Ｗｋ）に到達するまで行われる。
すなわち、比較例では、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋｗｈ未満の状態で直胴部の形成が開始される。
【００２９】
そして、比較例の製造方法を用い、直胴部に有転位化が発生したか否かを観察しながら複数のシリコン単結晶を製造した。有転位化の発生状況を以下の表１に示す。また、有転位化が発生した時点におけるヒータ２３の消費電力量の度数分布を図５に示す。
なお、表１の「ＡＬＬ  ＤＦ率」は、全てのシリコン単結晶のうち、直胴部に有転位化が発生しなかったシリコン単結晶の割合を示し、以下の式（１）に基づき算出される。
ＡＤ（％）＝Ｂ１／Ｂ２×１００  …  （１）
ＡＤ：ＡＬＬ  ＤＦ率
Ｂ１：直胴部に有転位化が発生しなかったシリコン単結晶の総数
Ｂ２：製造したシリコン単結晶の総数
【００３０】
【表１】
0006515791.tif 000002
【００３１】
表１に示すように、比較例では、ＡＬＬ  ＤＦ率が０％であり、全てのシリコン単結晶の直胴部で有転位化が発生したことが確認できた。
また、図５に示すように、消費電力量が７０００ｋＷｈ以上１００００ｋＷｈ未満の範囲において、直胴部に有転位化が集中的に発生していることが確認できた。
【００３２】
本発明者は、上述の範囲において有転位化が集中的に発生する理由を、以下のように推定した。
酸素濃度が高いシリコン単結晶を製造するための一つの方法として、石英坩堝２２１からシリコン融液（ドーパント添加融液）への酸素の溶け込みを促進することが挙げられる。この溶け込みを促進する方法では、石英坩堝２２１内面の反応が促進され、その内面の状態がアモルファスからブラウンリング、再結晶化へと変化していく。石英坩堝２２１内面には複数の組織が存在するため、この変化の過程における組織間での熱膨張差から、内面の石英片が剥離していく。この石英片がシリコン単結晶に取り込まれると局所的な応力が発生し、有転位化しやすくなると考えられる。
一方、石英坩堝２２１の反応は、酸素濃度、加熱温度および加熱時間と相関があり、石英坩堝２２１の加熱温度および加熱時間は、ヒータ２３（加熱部）の消費電力量と相関がある。
以上のことから、ヒータ２３の消費電力量が７０００ｋＷｈ以上１００００ｋＷｈ未満の範囲において、石英坩堝２２１の反応による石英片の剥離が発生しやすく、この石英片が直胴部に取り込まれることで有転位化が集中的に発生すると推定した。
【００３３】
そこで、本発明者は、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋＷｈ以上になってから直胴部の形成を開始すれば、直胴部形成開始前に石英片が剥離し、開始後に石英片の剥離が抑制されるため、直胴部に石英片が取り込まれる確率が低くなり、有転位化の発生を低減できる、という仮説を立てた。この仮説を検証するために、以下の実施例１，２の実験を行った。
【００３４】
実施例１として図２に示す実施形態の製造方法を用い、実施例２として図３に示す変形例の製造方法を用い、比較例と同様に直胴部に有転位化が発生したか否かを観察しながらシリコン単結晶を製造した。
上記表１に示すように、実施例１、実施例２のＡＬＬ  ＤＦ率は、７０％、１００％であり、比較例よりも有転位化の発生を低減できることが確認できた。なお、実施例１において有転位化が発生したときの消費電力量は、約１７０００ｋＷｈ、約１９０００ｋＷｈ、約２００００ｋＷｈであった。
【００３５】
以上のことから、上述の仮説が正しく、ヒータ２３の消費電力量が１００００ｋＷｈ以上になってから直胴部の形成を開始することで、直胴部における有転位化の発生を低減できることが確認できた。
【符号の説明】
【００３６】
２３…ヒータ（加熱部）、２２１…石英坩堝、Ｍ…シリコン融液、ＳＣ…種結晶、ＳＭ…シリコン単結晶。
【図１】
0006515791.tif 000003
【図２】
0006515791.tif 000004
【図３】
0006515791.tif 000005
【図４】
0006515791.tif 000006
【図５】
0006515791.tif 000007