(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により初期チャージされたシリコン原料を溶解し、さらに目標の充填量を満たすまで追加チャージされたシリコン原料を溶解して、石英ルツボ内に融液を形成したのちシリコン単結晶を製造する方法であって、
前記石英ルツボに目標の充填量の２／５〜１／２の重量のシリコン原料を初期チャージし、この初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を、目標の充填量を溶解する全溶解時間の１／３〜１／２に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】
直径が３００ｍｍ以上となる大口径のシリコン単結晶を引き上げる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。
【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を製造する方法に関し、さらに詳しくは、引き上げられる単結晶の大口径化にともない、シリコン原料の溶解に時間を要する場合であっても、石英ルツボの損傷を抑制し、結晶品質の安定化を図ることができるシリコン単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成において、石英ルツボ内に初期チャージとして投入された固形のシリコン原料は、ルツボを囲繞するヒーターによって加熱されて溶解される。そして、石英ルツボ内に結晶原料となる融液が形成されると、ルツボを一定方向に回転させながら、ルツボ上に保持された種結晶を下降させ、石英ルツボ内の融液に浸漬する。その後、種結晶を所定の方向に回転させながら種結晶を上昇させることにより、種結晶の下方に円柱状のシリコン単結晶を引き上げて育成する。
【０００３】
初期チャージとして石英ルツボ内に投入されるシリコン原料は、ロッド状、塊状、または粒状等の各種形状の多結晶シリコンが用いられ、それぞれが単独、または複合して供給され、シリコン単結晶を育成する融液の原料となる。
【０００４】
このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、使用する多結晶シリコン原料は多種多様な形をしているため、石英ルツボ内にチャージ可能なシリコン原料量には制限があり、石英ルツボへの初期チャージでは目標とする充填量をチャージすることができない場合がある。
【０００５】
上述したシリコン原料量の制限による生産性の低下を回避するには、結晶原料となる融液の不足分を補充して、目標の充填量を確保することが必要になる。このため、石英ルツボへの初期チャージ後に、シリコン原料を追加供給する技術として「追加チャージ」が行われている。
【０００６】
すなわち、「追加チャージ」では、石英ルツボ内に初期チャージされたシリコン原料を溶解した後、形成された融液にシリコン原料をさらに追加投入することによって、石英ルツボ内の充填量を増加させる技術である。この「追加チャージ」を適用することによって、使用する石英ルツボの容積を有効に活用することができ、シリコン単結晶育成における生産性を向上させることができる。
【０００７】
ところで、近年の半導体デバイスの高集積化、低コスト化および生産性の向上等に対応して、ウェーハも大口径化が要請されており、現在では直径３００ｍｍ以上のウェーハや、さらに直径４００ｍｍ〜４５０ｍｍウェーハに対応できる、大口径のシリコン単結晶の製造技術の開発が急務になっている。
【０００８】
大口径のシリコン単結晶を製造するのに必要な技術として、シリコン原料の充填量アップが大きな課題となる。このような充填量増加の課題に関し、特許文献１では、シリコン単結晶を製造する過程で、多結晶原料をルツボに追加充填する工程と、ルツボに追加充填した多結晶原料を溶解して原料融液とする工程とを繰り返すことにより、充填量の増量を図る方法が提案されている。
【０００９】
しかし、特許文献１で提案の方法は、シリコン単結晶の育成後にルツボに多結晶原料を追加充填することで、１つのルツボから複数本の単結晶棒を製造するマルチプーリング法に限定されるものである。
【００１０】
大口径のシリコン単結晶を製造技術においては、シリコン原料の充填量アップに加え石英ルツボの大口径化の課題もともなうものであるから、これらについて考慮がなされていないマルチプーリング法での充填技術をそのまま適用するのは困難である。このため、大口径のシリコン単結晶の製造技術の開発には、新たな観点から石英ルツボの大容量化やシリコン原料の充填量アップに関する課題に取り組む必要がある。
【特許文献１】特開２０００４−３１５２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の通り、大口径のシリコン単結晶を製造する技術の開発には、シリコン原料の充填量アップに加え、石英ルツボの大口径化が大きな課題となる。これらの課題を解決するには石英ルツボの大型化が必須になるが、これにともなって多量に投入されたシリコン原料を溶解するようになると、その原料の溶解に多くの時間を要するようになる。
【００１２】
シリコン原料の溶解時間が長くなると、石英ルツボの内表面は融液によって長時間に亘り高温に晒され、特に融液の表面（以下、単に「融液面」という）に接するルツボ表面が損傷し易くなる。ルツボ表面の損傷現象としては、石英ルツボに含まれる不純物の融液中への溶出、また、石英（Ｓｉ酸化物）剥離が発生する。このような損傷現象が発生すると、これらの不純物や剥離物が融液から結晶中に取り込まれ、育成される単結晶を有転位化させるおそれがある。
【００１３】
本発明は、このような大口径のシリコン単結晶の製造技術の開発における新たな課題に鑑みなされたものであり、シリコン原料の溶解時間が長くなるのに対応して、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を制御することにより、ルツボ表面の損傷を抑制し、結晶品質の安定化に優れたシリコン単結晶の製造方法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】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、石英ルツボ内に初期チャージされたシリコン原料を溶解し、形成された融液にシリコン原料をさらに追加投入し目標の充填量を確保する「追加チャージ」を適用することを前提として、ルツボ表面の損傷現象について検討を加えた。
【００１５】
図１は、初期チャージおよび追加チャージされたシリコン原料の石英ルツボ内での溶解状態を説明する図であり、（ａ）は初期チャージの状態、（ｂ）は初期チャージされたシリコン原料の溶解後期の状態、（ｃ）は追加チャージの状態、および（ｄ）は追加チャージされたシリコン原料の溶解完了の状態を示している。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、初期チャージとしてルツボ内に投入されるシリコン原料１は、ロッド状、塊状、または粒状等の各種形状の多結晶シリコンが用いられ、それぞれが単独、または複合して充填される。石英ルツボ４に充填されたシリコン原料１は、ルツボの外側に配置されたヒーターによって溶解されることから、石英ルツボ４の内表面に近い箇所、すなわち、シリコン原料１の側方および下方から溶解していく。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、シリコン原料１の溶解が進展し溶解後期に至ると、未溶解のシリコン原料１が融液２中に浮遊する状態になり、融液面３が形成される。このとき、融液面３は、ルツボ表面と一定の高さ位置で接触し、未溶解のシリコン原料１がなくなるまでその高さ位置が維持され、これにともなって接触するルツボ表面は損傷を受け易くなる。
【００１８】
以下の説明で、ルツボ表面が融液面３と一定の高さ位置で接触して損傷を受ける現象を「液面ダメージ」という。さらに損傷を受けたルツボ表面の部位を「液面ダメージ部」という。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示す追加チャージでは、初期チャージされたシリコン原料を溶解した後、形成された融液２にシリコン原料１をさらに追加投入することによって、石英ルツボ４内の融液２を増加させる。追加チャージされたシリコン原料１は、未溶解のまま融液２中に浮遊する状態になるが、直ちに、追加チャージ量に応じて、融液面３の高さを上昇させる。
【００２０】
図１（ｄ）に示すように、追加チャージされたシリコン原料の溶解完了の状態では、シリコン原料１の追加チャージにより石英ルツボ４内の融液２を増加させることから、融液面３が上昇し、初期チャージで形成された液面ダメージ部の高さ位置Ｈ１と、異なった高さ位置Ｈ２に融液面３が接触することになる。引き続き、追加チャージは、目標の充填量を満たすまで繰り返される。
【００２１】
上記図１（ｂ）に示す初期チャージされたシリコン原料の溶解過程において、未溶解のシリコン原料１が融液２中に浮遊する状態が継続し、原料溶解に長時間を要する場合には、液面ダメージ部が長時間に亘り継続して形成される。液面ダメージ部の形成が継続すると、液面ダメージが著しくなり、不純物の溶出や石英（Ｓｉ酸化物）剥離を生じ易くなる。
【００２２】
液面ダメージ部の形成は、初期チャージでの溶解過程に限定されるものではないが、初期チャージでの原料溶解と追加チャージでの原料溶解とを比較した場合に、初期チャージでの溶解過程での溶解時間が著しく長くなる。液面ダメージの程度は、ルツボ表面が融液面と一定の高さ位置で接触する時間に依存する。このため、液面ダメージ部は、初期チャージでの溶解過程で形成されることになる。
【００２３】
図２は、石英ルツボ内で初期チャージおよび追加チャージされたシリコン原料を溶解した融液からシリコン単結晶を引き上げる状態を説明する図であり、（ａ）は引上げ開始直後の状態、（ｂ）は引上げが進展した状態を示している。同図中では、初期チャージで形成された液面ダメージ部の高さ位置Ｈ１および目標充填量（追加チャージ後）で形成された液面ダメージ部の高さ位置Ｈ２を示している。初期チャージで形成された液面ダメージ部は、その後の追加チャージで形成された融液２内に位置する。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、シリコン単結晶５の引上げが進展し、融液２の減少から初期チャージで形成された液面ダメージ部が露出するようになると、その液面接触部からの石英（Ｓｉ酸化物）剥離や不純物の溶出が生じ易くなり、シリコン単結晶５の有転位化を誘発することになる。
【００２５】
このような液面ダメージによる石英（Ｓｉ酸化物）剥離等は、液面ダメージ部の形成に起因し、前述の通り、初期チャージでの溶解時間が長くなるほど発生し易くなる。さらに、引き上げられるシリコン単結晶が大口径化し、初期チャージ量が増加するようになると、初期チャージでの原料溶解により長時間を要することから、液面ダメージが顕著なものとなる。
【００２６】
石英ルツボ内に目標の充填量を相当する融液を確保するには、所定の全溶解時間を要することになる。また、目的の充填量を確保するため追加チャージを適用することになるが、液面ダメージ部の形成を防止するには、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を短時間に制御するのが有効である。これにより、シリコン単結晶の引上げ過程での石英（Ｓｉ酸化物）剥離や不純物の溶出を抑制し、結晶の有転位化をなくし、生産効率の向上とともに、結晶品質の安定化を図ることができる。
【００２７】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記（１）および（２）のシリコン単結晶の製造方法を要旨としている。
（１）ＣＺ法により初期チャージされたシリコン原料を溶解し、さらに目標の充填量を満たすまで追加チャージされたシリコン原料を溶解して、石英ルツボ内に融液を形成したのちシリコン単結晶を製造する方法であって、前記石英ルツボに目標の充填量の２／５〜１／２の重量のシリコン原料を初期チャージし、この初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を、目標の充填量を溶解する全溶解時間の１／３〜１／２にすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
（２）上記（１）のシリコン単結晶の製造方法は、直径が３００ｍｍ以上となる大口径のシリコン単結晶の引上げに最適な方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を制御することにより、液面ダメージを抑制し、不純物の溶出や石英（Ｓｉ酸化物）剥離に起因する有転位化を防止できる。これにより、直径が３００ｍｍ以上となる大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、製品歩留まりを改善し生産効率の向上を図るとともに、結晶品質の安定化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図３は、本発明のシリコン単結晶の製造が適用される引上げ装置の要部構成を示す断面図である。引上げ装置は、ルツボ内に供給されるシリコン原料を加熱するためのヒーター６と断熱材７が内部に配置されたメインチャンバー８と、引き上げられた単結晶５を一旦収納するプルチャンバー９と、これら両チャンバー８、９を接続するトップチャンバー１０とを有している。
【００３０】
結晶原料を溶融するルツボは、二重構造からなり、有底円筒状をなす石英ルツボ４と、その石英ルツボ４の外側を保持する黒鉛ルツボ４ａとから構成されており、回転および昇降が可能な支持軸１１の上端部に固定されている。さらに、ヒーター６と断熱材７はルツボの外側に概ね同心円状に配設されており、石英ルツボ４内に投入されたシリコン原料は溶解され、結晶原料となる融液２が形成される。
【００３１】
融液２が充填された石英ルツボ４の中心軸上には、支持軸１１と同一軸上で逆方向または同方向に所定の速度で回転する引上げワイヤー１２が配設されており、引上げワイヤー１２の巻取り部１３がプルチャンバー９の上方に取り付けられている。引上げワイヤー１２の下端には種結晶１４が保持されている。
【００３２】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、前記図３に示すように構成された引上げ装置を用いて、ＣＺ法により初期チャージされたシリコン原料を溶解し、さらに目標の充填量を満たすまで追加チャージされたシリコン原料を溶解して、石英ルツボ内に融液を形成したのちシリコン単結晶を製造する方法であって、前記石英ルツボに初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を、目標の充填量を溶解する全溶解時間の１／３〜１／２にすることを特徴としている。
【００３３】
本発明の製造方法では、充填量を確保するため追加チャージを適用する。具体的には、初期チャージされたシリコン原料を溶解し、さらに目標の充填量を満たすまでシリコン原料を追加チャージしたのち、石英ルツボ内に形成された融液から単結晶を引き上げる。
【００３４】
追加チャージを適用することによって、初期チャージされるシリコン原料の投入量を制限でき、溶解時間を短縮できる。これにより、ルツボ表面と融液面との接触時間に依存する液面ダメージ部の形成を抑制し、結晶の有転位化をなくし、生産効率の向上とともに、結晶品質の安定化を図ることができる。
【００３５】
本発明の製造方法では、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を、目標の充填量を溶解する全溶解時間の１／３〜１／２にする。初期チャージの溶解時間が全溶解時間の１／２を超えて長時間になると、ルツボ表面と融液面との接触が長時間に亘り継続することから、液面ダメージ部が形成され、引上げ過程での液面ダメージの現象が顕著になる。
【００３６】
一方、初期チャージの溶解時間が全溶解時間の１／３未満と短時間になると、初期チャージ量が過小となり追加チャージ回数の増加にともない生産効率が低下するおそれがある。また、初期チャージ量が過小な状態で石英ルツボを高温に晒すことから、石英ルツボの撓み（変形）が懸念される。
【００３７】
本発明の製造方法は、大口径のシリコン単結晶の引上げに最適な方法であり、例えば、直径が３００ｍｍ、４００ｍｍ、さらには４５０ｍｍのシリコン単結晶の製造に適用できる。この場合、引き上げられる単結晶が大口径化されるほど、原料の溶解が長時間になる傾向があることから、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を制御し、液面ダメージ部の形成を抑制するのは有効な手段となる。
【００３８】
通常、直径が３００ｍｍのシリコン単結晶を製造する場合には、後述する実施例で示すように、３２インチの石英ルツボが用いられ、直径が４００ｍｍ、４５０ｍｍのシリコン単結晶を製造する場合には、それぞれ３６インチ、４０インチの石英ルツボが用いられるとされている。
【００３９】
シリコン単結晶の引上げに際しては、それぞれ石英ルツボの口径に応じて、３２インチホットゾーン、３６インチホットゾーンおよび４０インチホットゾーンが設計されて大口径のシリコン単結晶の引上げが行われる。そのため、いずれの大口径のシリコン単結晶の引上げにおいても、本発明で規定する範囲に初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を制御することにより、所期の効果を達成させることができる。
【実施例】
【００４０】
前記図３に示す引上げ装置を用いて、直径が３００ｍｍで直胴部の長さを１０００ｍｍとし、引上げ後の総重量が約３００ｋｇとなるシリコン単結晶を育成した。使用した石英ルツボは３２インチ（口径が８１３ｍｍ）とした。
【００４１】
準備した石英ルツボに、初期チャージとしてロッド状、塊状、または粒状の多結晶シリコンを複合して投入し、初期チャージによるシリコン原料のチャージ量を１２０ｋｇ〜３００ｋｇの範囲で変動させた。石英ルツボに充填されたシリコン原料は、ヒーターによって加熱され、シリコン原料の側方および下方から溶解し、未溶解のシリコン原料が融液中に浮遊する状態から、未溶解のシリコン原料がなくなるまで溶解した。初期チャージの溶解時間を表１に示す。
【００４２】
初期チャージのシリコン原料を溶解したのち、粒状の多結晶シリコンを主体に追加チャージを実施した。このときの追加チャージおよび追加チャージ後の目的充填量の３００ｋｇを全溶解する溶解時間を表１に示す。
【００４３】
表１に示す条件で３０本のシリコン単結晶を引き上げ、得られた単結晶の無転位の比率（ＤＦ（Dislocation Free) 率）を調査した。具体的には、引き上げた単結晶を引上げ方向に平行にスライスし、得られた単結晶をＸ線トポグラフで測定し、少しでも転位が認められた単結晶は、転位ありと判断した。Ｘ線トポグラフでの測定結果により、引き上げた単結晶３０本のうち、転位のない比率（ＤＦ率）を調べた。調査結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
0005167942.tif 000002
【００４５】
表１の結果から、初期チャージの溶解時間を全溶解時間の１／３〜１／２の範囲にコントロールすることにより、石英ルツボ表面に液面ダメージ部が形成されるのをなくし、ＤＦ率を向上できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、初期チャージされたシリコン原料の溶解時間を制御することにより、液面ダメージを抑制し、不純物の溶出や石英（Ｓｉ酸化物）剥離に起因する有転位化を防止できる。これにより、直径が３００ｍｍ以上となる大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、製品歩留まりを改善し生産効率の向上を図るとともに、結晶品質の安定化を達成することができるので、直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶の引上げに際し好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】初期チャージおよび追加チャージされたシリコン原料の石英ルツボ内での溶解状態を説明する図であり、（ａ）は初期チャージの状態、（ｂ）は初期チャージされたシリコン原料の溶解後期の状態、（ｃ）は追加チャージの状態、および（ｄ）は追加チャージされたシリコン原料の溶解完了の状態を示している。
【図２】石英ルツボ内で初期チャージおよび追加チャージされたシリコン原料を溶解した融液からシリコン単結晶を引き上げる状態を説明する図であり、（ａ）は引上げ開始直後の状態、（ｂ）は引上げが進展した状態を示している。
【図３】本発明のシリコン単結晶の製造が適用される引上げ装置の要部構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：シリコン原料、  ２：融液
３：融液面、  ４：石英ルツボ
４ａ：黒鉛ルツボ
５：シリコン単結晶、  ６：ヒーター
７：断熱材、  ８：メインチャンバー
９：プルチャンバー、  １０：トップチャンバー
１１：支持軸、  １２：引上げワイヤー
１３：巻取り部、  １４：種結晶
【図１】
0005167942.tif 000003
【図２】
0005167942.tif 000004
【図３】
0005167942.tif 000005