(57)【要約】【課題】大口径シリコン単結晶においても、短時間でしかも結晶特性に悪影響せず無転位のまま切り離すことが可能である、シリコン単結晶とその製造方法を提供する。【解決手段】チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されたシリコン単結晶である。また、シリコン単結晶のテイル端面の外周部には傾斜部を有しており、その内側部に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されたシリコン単結晶である。【選択図】　図４
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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り製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【請求項２】
チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、単結晶外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤の凸部の中心に切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【請求項３】
円環状の凹部の最上部から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下部までの高低差は２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のシリコン単結晶。
【請求項４】
円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶。
【請求項５】
シリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引き上げ速度を０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に落とし、しかるのちに、切り離し速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上とすることを特徴とする、請求項１〜４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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコン単結晶と、ＣＺ法（チョクラルスキー法）によりシリコン単結晶を製造する方法に関するものである。
【０００２】
更に、この発明は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際に、そのテイル工程を短縮または省略する製造方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材として用いられるシリコン単結晶の製造には、ＣＺ引上げ法が多く採用されている。この方法では、まず石英ルツボ内に融解した原料融液にシリコンの種結晶を浸漬する。次に、石英ルツボと種結晶を同方向または逆方向に回転させながら種結晶を引上げることによって、その下方にシリコン単結晶を育成する。これらは、通常、ネック、ショルダー、ボディー、テイルの各工程からなる。
【０００４】
ネック工程では、種結晶を原料融液に浸漬させたときの熱衝撃によって生じた転位を除去するために結晶径が小さく絞られる。ショルダー工程では、結晶径が目標径まで広げられる。ボディー工程では結晶を目標径で維持しつつ育成が続行される。これによって円柱状の直胴部が形成される。最後のテイル工程では、結晶径を徐々に絞っていき、融液から切り離す。これによって、直胴部の下方に逆円錐状のテイル部が形成される。テイル工程は、結晶が融液から切り離される際に発生するスリップバック（ほぼ結晶直径の分だけ上方に伸びること）を防ぐために実施される。
【０００５】
シリコン単結晶のうち、ネック、クラウン、ショルダー、テイルの各部は、それらの結晶径が所定以下であることや一定でないことから製品として利用されない。そのように製品として使用されない部位の内で最も作製に原料と時間がかかるのは、テイル部である。テイル工程は結晶の径を徐々に絞っていくことから、結晶径が安定せず、ヒーターパワーや引上げ速度の制御が困難である。
【０００６】
また、近年、シリコン単結晶の大口径化により、そのテイル作製には長時間を要する傾向にある。
【０００７】
シリコン単結晶を無転位のまま切り離してテイル工程を短縮または省略する方法は、特許文献１、特許文献２、特許文献３などで報告されている。いずれも、シリコン単結晶の切り離し端面は、下向きの凸形状が好ましいとされている。
【０００８】
しかし、近年のシリコン単結晶の大口径化により、シリコン単結晶の切り離し端面を完全に下向きに凸形状にすることは困難である。小口径シリコン単結晶の場合、その単結晶の中心部と外周部の温度差が小さいため、引き上げ速度を切り離し直前に落とすなどの操作をすることによって、切り離し端面を下向きに凸形状にできるが、引上げ単結晶の直径が３００ｍｍ以上ともなると、単結晶の中心部と外周部の温度差が大きくなり、相対的に温度の低い外周部が温度の高い中心部よりも速く固化し切り離し端面が上向きに凹形状になりやすい。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２０８３７６号
【００１０】
【特許文献２】
特開平９−２０８３７９号
【００１１】
【特許文献３】
特開平１１−３３５１９７号
特許文献３においては、その対策として、引上げているシリコン単結晶を一度融液に沈み込ませ、単結晶の外周部を溶解する方法があげられている。しかし、この従来方法では、一度固化した結晶を溶解することになるので、有転位化の原因になる可能性が高い。また、切り離し直前の引上げ速度の減速や、沈み込ませによる単結晶の外周部の溶解を行うと、結晶径が大きくなるに伴い製造に多くの時問を要してしまう。その場合、融液から引上げ単結晶への熱流動が特性へ悪影響を及ぼしてしまう。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大口径のシリコン単結晶においても、短時間でしかも結晶特性に悪影響をせず無転位のまま切り離すことが可能である、シリコン単結晶とその製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。
【００１４】
（１）　チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【００１５】
（２）　チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、単結晶外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤の凸部の中心に切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【００１６】
（３）　円環状の凹部の最上部から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下部までの高低差は２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のシリコン単結晶。
【００１７】
（４）　円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶。
【００１８】
（５）　シリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引き上げ速度を０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に落とし、しかるのちに、切り離し速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【００１９】
晶の製造方法。
【００２０】
【発明の実施の態様】
本発明の第一の実施態様においては、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されるシリコン単結晶の端面を改良するにあたり、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が上方にくぼんだ形で形成され、その円環状の凹部の内側に同心に連続して円盤状の凸部が下方にふくらむ形で形成される。その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成される。
【００２１】
上記、円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことが好ましい。
また、円環状の凹部の最上面（最高の部位）から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下面（最低の部位）までの高低差が２０ｍｍ以下であることが好ましい。
上記、本発明の製造方法としては、シリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引上げ速度を０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に落とし、切り離し速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上として、無転位とする。とくに、引上げ速度を落とした状態での引上げ時間を３０分以下にする。
【００２２】
通常、無転位シリコン単結晶を引上げ中に切り離すと転位が発生してしまう。その要因としては、図１のように切り離し時に固体結晶に引っ張られる形で融液が持ち上げられ、その融液部が外周部より固化し、最後に中心部が固化するため、そのときの発生する体積膨張が周囲の固体部分を圧迫して転位を引き起こしてしまう。そのため、転位の発生を防ぐには切り離し時に、結晶によって持ち上げられる融液を少量に抑える必要がある。図１のように固液界面が大きく上に凸の場合、融液は周囲の融液面よりも持ち上がっているため、この状態で高速で切り離すと多量の融液が結晶に張り付いてしまう。そこで、切り離し直前に引上げ速度を落とすことで固液界面を下げ、図２のように切り離し時に持ち上げられる融液の量を少なくすることができる。そして、そのときできる融液の薄い膜は固体結晶から切り離し端面に向かい固化し、体積膨張による固体結晶への圧迫は起こらず転位は発生しない。
【００２３】
本発明のもう一つの特徴は、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されるシリコン単結晶の端面の形状を改良することである。好ましくは、シリコン単結晶のテイル端面の外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されている。そのため、シリコン単結晶の端面の形状の最外周部が上方に傾斜した形状として切り離すことになる。
【００２４】
また、上記、円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことが好ましい。また、円環状の凹部の最上面（最高の部位）から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下面（最低の部分）までの高低差が２０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２５】
また、上記、本発明の製造方法としては、シリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引上げ速度を０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に落とした状態の引き上げ時間を３０分以上として、切り離し速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上とする。そのようにすることで容易に上記形状の結晶を引き上げることができる。
【００２６】
なお、このように外周部に傾斜部を設けることにより、すなわち、単結晶の内側に径を食い込ませることによって、単結晶切り離し時に持ち上げられる融液の固化の流れを均一な方向にスムーズにかつ一方的することができ、無転位の結晶が得やすくなる。逆に、この時点で径が広がってしまうと、外周のくぼみを境に結晶径方向で外から内への流れと、内から外への流れが出来やすくなり、固化の進行が切り離し端面で複雑となって転位が発生しやすくなると考えられる。このため、外周部を内側に傾斜させることが望ましい。
【００２７】
特許文献４には、ＣＺ法による半導体単結晶の製造において、テール形成を省略してもボディにおける転位の発生を防止することができるような半導体単結晶の製造方法として、単結晶８のボディ育成が終了した直後に引き上げ速度を上げて（実施例では５００ｍｍ／ｍｉｎ）融液２から単結晶８を切り離し、その後、引き上げ速度を制御して任意の温度領域を徐冷し、具体的には、切り離し端面８ａの近傍の、融点〜１０００℃間における冷却速度が３５℃／分以下となるように冷却するか、又は、切り離し端面８ａの近傍の温度が１２５０℃〜１０００℃となる範囲内で３０分以上保持することが記載されている。
【００２８】
【特許文献４】
特開平９−３０９７９１号（図１）
しかしながら、この特許文献４の先行技術は、単結晶のボディ育成が終了した直後に引き上げ速度を上げて（実施例では５００ｍｍ／ｍｉｎ）融液から単結晶を切り離すことを特徴としているため、上述した現象（切り離し時に固体結晶に引っ張られる形で融液が持ち上げられる）により、端部の持ち上げられた融液量にバラツキが生じ、結果、この先行技術に示されているような切り離し端面が凹状又は凹凸状の単結晶インゴットを効率よく得ることは難しい。
【００２９】
そこで、本発明は、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、ヒーター電力を調節しながら引上げ速度０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に低下させたのちに切り離し時の速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上に上げて切り離すことで、容易にテイル部を形成できる。より好ましくは、引上げ速度０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に低下させた時の継続時間を１５分以下とすることが望ましい。　さらに、結晶切り離しの際にはその径を減少傾向にし、図２および図３のように結晶底部の外周を内側に傾斜させる形状にすることによって、結晶をよりスムーズに融液から切り離すことができる。この時の製造方法としては、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、ヒーター電力を調節しながら引上げ速度０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に低下させた時点での継続時間を３０分以上として、のちに切り離し時の速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上に上げることを特徴としている。このとき、図３のように切り離し端面の最外周部から中央突起先端までの長さｄ１は、切り離し時に保持する距離ｄ２（切り離し端面の最外周部から原料融液表面までの距離）の１／２とするのが好ましい。引上げ結晶の固化は、融液から切り離された瞬間に結晶側から切り離し端面に向かって開始されるため、切り離しは瞬時に行う必要がある。ｄ１がｄ２の１／２より大きいの場合、切り離しを行っても原料融液の表面張力により引上げ結晶と原料融液が繋がったままの状態になり、瞬時に切り離すことができない。そのため、原料融液からの熱が固化した部位に達して再融解してしまい、その後切り離されたとしても、固化の流れが固体結晶から切り離し端面ではなくなり有転位化してしまう。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図４は、本発明によるシリコン単結晶のテイル端部の中心における縦断面形状の一例を示す。
【００３２】
図４において、２０は、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたシリコン単結晶のテイル端部を示している。そのシリコン単結晶のテイル端部２０は、外周部に沿って円環状の凹部２１が形成されており、その円環状の凹部２１の内側に同心に連続して円盤状の凸部２２が形成されており、その円盤状の凸部２２の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部２３が形成されている。
シリコン単結晶のテイル端部の直径Ｒが２８６〜３２５ｍｍのとき、円環状の凹部２１の深さａは、１０ｍｍ以下（好ましくは１〜６ｍｍ）であり、円盤状の凸部２２の高さｂ（液滴部２３を除く）は１５ｍｍ以下（好ましくは６〜８ｍｍ）である。凹部２１の最上部（最も深い部位）から、液滴部２３を除いた円盤状の凸部２２の最下部（最も高い部位）までの高低差ｃは２０ｍｍ以下である。
【００３３】
円盤状の凸部２３の直径ｒは、円環状の凹部２１の幅ｗよりも大きい。たとえば、その直径ｒは、１６０〜１８０ｍｍで、幅ｗは、６５〜８５ｍｍであって、ｒとｗの差（ｒ−ｗ）は、７５〜１１５ｍｍとするのが好ましい。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態に関わる単結晶製造方法を実施するための結晶育成装置の模式断面図である。
【００３５】
図５において、メインチャンバー１内にはルツボ３が設置されている。ルツボ３は内側の石英ルツボ３ａと外側の黒鉛ルツボ３ｂを組み合わせた二重構造である。
【００３６】
支持軸４は石英ルツボ３ａの回転及び昇降を行う。ルツボ３の外側にはヒーター５が配置され、ヒーター５の外側には断熱材６がメインチャンバー１の内側に沿って配置されている。そして、石英ルツボ３ａの内側（育成結晶７の外側）には引上げ速度の向上や結晶欠陥の発生の抑制に効果のある輻射シールド８が吊り下げられている。
【００３７】
一方、引上げ軸９はプルチャンバー２内で垂下し、その下端に種結晶を保持する。支持軸４でルツボ３の回転及び昇降を行う。ルツボ３の外周に設けたヒーター５を作動させる。さらに、種結晶の下端を別のヒーターによって加熱する。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態による単結晶育成方法では、まず炉のメインチャンバー１内を所定の雰囲気にした状態で、ルツボ３内に原料融液１０を形成する。次いで、種結晶を原料融液１０に浸漬する。そして、引上げ軸９を回転させながら、その種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶７を育成する。このとき、ルツボ３は、引上げ軸９と同方向または逆方向に回転駆動され、かつ、原料融液１０の液面が一定に維持されるように育成の進行に伴って上方に駆動される。
【００３９】
育成結晶７の引上げは、ネック部、ショルダー部、ボディー部、テイル部の順で行われる。これにより、ネック部の下方にショルダー部が形成され、引き続きその下方に円柱状のボディー部の育成が開始される。
【００４０】
以上のようにボディー部の育成工程を行った後、一旦単結晶の引上げ速度を０．２ｍｍ／ｍｉｎ．以下に落とし、ヒーター５のパワーを調節しながら結晶径を一定に（この状態の維持は例えば１５分以内）保ったあと、シリコン単結晶７を原料融液１０から切り離す。
【００４１】
または、所定の径までテイル部を作製し、上記と同様の操作を行い、シリコン単結晶７を切り離す。
【００４２】
そのときの切り離し速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ．以上が望ましい。この場合、シリコン単結晶７は、融液１０より滑らかに切り離され、その固液界面の形状は、図４のｃの距離が２０ｍｍ以下でほぼＭ字型または逆Ｗ字型になり、無転位のまま切り離される。
【００４３】
また、この場合シリコンの固体結晶の切り離し端面には、融液の薄い膜が形成され、固体結晶側より切り離し端面に向かい固化し、体積膨脹による固体結晶への圧迫は起こらず転位は発生しない。
【００４４】
とくに、大口径シリコン単結晶の場合、図４のｃの距離を２０ｍｍ以下にして、液滴部２３が１つの場合、融液１０は単結晶２０の外周部の上方への窪みの部分（つまり凹部２１）から中心へ滑らかに無転位のまま切り離される。ｃの距離が２０ｍｍを超えると、表面張力によって融液１０の液面から盛り上がった部分が、切り離し時に跳ね返りとなって単結晶のテイル端部２０に付着し、単結晶２０が有転位化しやすくなってしまう。
【００４５】
実施例１
直径４００ｍｍのシリコン単結晶の引上げを図２の装置を使用して実施した。シリコン単結晶のテイル部２０を直径３００ｍｍまで絞り、引上げ速度を一旦０．４ｍｍ／ｍｉｎ．から０．１５ｍｍ／ｍｉｎ．に落とし、１５分後に、切り離し速度５００ｍｍ／ｍｉｎ．で切り離した。
【００４６】
図６は、その無転位切り離し端面付近のＸ線トポグラフ像を示す。
【００４７】
図６からもわかるように、切り離されたシリコン単結晶は無転位であることが確認できる。
【００４８】
大口径シリコン単結晶の場合、その外周部が速く固化するが、ｃの距離を２０ｍｍ以下にして、切り離し端面をほぼＭ字型または逆Ｗ字型にすることによって、融液１０からの結晶７の切り離しは、外周部から内周部へと滑らかに行われ、最後に中心にできる液滴部２３によって無転位のまま切り離される。
【００４９】
実施例２
直径４００ｍｍシリコン単結晶の引上げにおいて、そのテールを直径３００ｍｍまで絞り、引上げ速度を一旦０．１５ｍｍ／ｍｉｎ．に落として３０分後に切り離し速度５００ｍｍ／ｍｉｎ．で切り離した。切り離し保持距離は５０ｍｍで、切り離し端面の最外周部から中央突起先端までの長さは８ｍｍである。
【００５０】
図７はその無転位切り離し端面付近のＸ線トポグラフ像を示す。
【００５１】
図７からもわかるように、切り離されたシリコン単結晶は無転位である。切り離し時にシリコン固体結晶の持ち上げる融液を少量に抑え薄い膜を形成することによって、融液部を固体結晶側より切り離し端面に向かい固化させることができ、無転位単結晶を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、大口径シリコン単結晶の引上げにおいても、そのテイル工程を短縮または省略することができ、歩留を向上させることができると共に、単結晶製造工程の作業負担を軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】体積膨脹による有転位化模式図。
【図２】無転位切り離し模式図。
【図３】切り離し模式図。
【図４】本発明の単結晶製造方法により製造されたシリコン単結晶のテイル端部の模式図。
【図５】本発明の単結晶製造方法を実施するための結晶育成装置の模式断面図。
【図６】本発明の単結晶製造方法により製造されたシリコン単結晶の無転位切り離し端面付近のＸ線トポグラフである。２つのグラフを組合せて１つの端面を示している。
【図７】無転位切り離し端面付近のＸ線ポトグラフ像を示す。端面の約半分が示されている。液滴部２３を中心として対称形になっている。
【符号の説明】
１　メインチャンバー
２　プルチャンバー
３　ルツボ
４　支持軸
５　ヒーター
６　断熱材
７　育成結晶
８　輻射シールド
９　引上げ軸
【図１】
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【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】
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【図７】
2004083389.tif 000009