(57)【要約】【課題】所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を容易に歩留まりよく製造できる半導体単結晶の製造装置及び製造方法を実現すること。【解決手段】ルツボに収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させる単結晶引上げ装置を用いて引き上げた前記シリコン単結晶に熱処理を行うための熱処理炉１０と、前記熱処理炉１０内の温度を制御する制御手段１１とを備え、前記制御手段１１は、前記シリコン単結晶が欠陥リセット温度となるように前記熱処理炉１０を制御する第１制御と、前記第１制御後に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させるときの温度履歴を前記シリコン単結晶に与えるように、熱処理時間に対する前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配を制御する第２制御とを行う半導体単結晶の製造装置とする。【選択図】図２
2007284324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、
前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、
を有することを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、
この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることを特徴とする請求項１記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記半導体単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉内の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことを特徴とする請求項２記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記半導体単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことを特徴とする請求項２記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記熱処理炉内における前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇと引上げ速度Ｖとに対応して、これらの比であるＶ／Ｇ値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することを特徴とする請求項３および請求項４に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた半導体単結晶インゴットに熱履歴リセット及び再付与の熱処理を行うものであることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項７】
前記熱処理炉が、複数の前記半導体単結晶インゴットを同時に支持して熱履歴リセットおよび再付与可能とされてなることを特徴とする請求項６に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項８】
半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、
前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、
を有することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【請求項９】
前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることを特徴とする請求項８記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することを特徴とする請求項９記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御することを特徴とする請求項９記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１２】
前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとに対応して、これらの比であるＶ／Ｇ値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することを特徴とする請求項１０および請求項１１に記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１３】
前記リセット加熱工程の前に、前記半導体単結晶を軸方向に分離して半導体単結晶インゴットとするスライス工程を有することを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。
【請求項１４】
前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行うことを特徴とする請求項８から請求項１２に記載の半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体単結晶の製造装置及び製造方法に関し、特に、結晶直径が所望となるように育成し、その後、結晶中の欠陥制御を単結晶成長後に行うことができる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶を成長させる方法にＦＺ法やチョクラルスキー法(ＣＺ法)と呼ばれる方法がある。ＣＺ法によって育成されたシリコン単結晶中にはＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と呼ばれる欠陥が結晶育成時に形成され、結晶育成後に得られたシリコン単結晶を評価した場合に検出される。
【０００３】
図４は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させたシリコン単結晶の縦断面における欠陥分布図である。図４に示すように、Ｒ-ＯＳＦ(Ring - Oxidation induced Stacking Fault)が現われる領域は、引上げ速度を小さくしていくと結晶の外周側から内側に収縮していく。また、Ｒ−ＯＳＦよりも高速で引き上げられた結晶と低速で引き上げられた結晶とでは、結晶育成後に観察されるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が異なる。高速引上げ結晶では、ＣＯＰ(crystal originated particle)あるいはＦＰＤ（flow pattern defect）ともよばれるボイド欠陥（空孔型欠陥）が検出される。低速引上げ結晶では、転位を伴う格子間Ｓｉの凝集体が発生し、格子間Ｓｉ欠陥（転位クラスター欠陥）が検出される。また、Ｒ−ＯＳＦと格子間Ｓｉ欠陥領域との間には、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が検出されない無欠陥領域がある。
シリコン単結晶中のボイド欠陥は、ウエハの初期の酸化膜耐圧特性の劣化因子である。また、シリコン単結晶中の格子間Ｓｉ欠陥もデバイス特性を劣化させる。そのため、シリコン単結晶の品質特性上、無欠陥領域での結晶育成が望まれる。
【０００４】
これらのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、シリコン単結晶を成長させるときの引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）と固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇ（℃／ｍｍ）との比であるＶ／Ｇ（ｍｍ２／℃・ｍｉｎ）値により、その導入量が決定されると考えられている。
Ｖ／Ｇ値の意味するところは、引上げ速度に従う空孔の移流と温度勾配に従う格子間Ｓｉの拡散とのバランスを示している。すなわち、Ｖ／Ｇ値が大きい場合、空孔の引上速度に従う移流が温度勾配に従う格子間Ｓｉの拡散を上回り、空孔濃度が高くなる。シリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により空孔過飽和となると空孔型欠陥が発生する。逆に、Ｖ／Ｇ値が小さい場合、空孔の引上げ速度に従う移流が温度勾配に従う格子間Ｓｉの拡散を下回り、格子間Ｓｉ濃度が相対的に高くなる。さらにシリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により格子間Ｓｉ過飽和となり格子間Ｓｉ欠陥が発生する。
【０００５】
すなわち、Ｖ／Ｇ値を所定の値で一定に制御しながらシリコン単結晶の育成を行うことにより、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を製造することが可能となる。このため、従来から、シリコン単結晶の径方向の全面が無欠陥領域となるように引上げることのできる引上げ速度のマージンが常に所定値以上となるように、単結晶の引上げ中に成長軸方向で引上げ条件を変更する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１５２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の技術では、シリコン単結晶の径方向の全面が無欠陥領域となるシリコン単結晶を製造するためにＶ／Ｇ値が所定の値で一定となるように制御しながら単結晶の育成を行うので、以下に示す問題があり、製造歩留まりが低かった。
【０００７】
１．引き上げ速度はＶ／Ｇ値として結晶欠陥の状態を左右するパラメータとしての側面と、これ以外に、単結晶引き上げ時における結晶径方向寸法（結晶直径）の制御パラメータでもある。したがって、シリコン単結晶の直径を制御するために、引上速度を変化させる必要があり、Ｖ／Ｇ値が無欠陥となる範囲から外れてしまう場合があった。
２．シリコン単結晶の育成時において、シリコン単結晶のショルダー形成から直胴部形成に移行する際に、結晶温度勾配Ｇと引上げ速度Ｖの急激な変化が生じ、結晶温度勾配Ｇおよび引上げ速度Ｖが安定するまでにかなりのプロセス進行を余儀なくされ、直胴部のＴＯＰ側は無欠陥結晶とすることが困難であった。そのため、引き上げた直胴部のうち、かなりの部分が所望の品質を有する製品にできないという問題があった。
３．結晶面内全域において無欠陥化するには、Ｖ／Ｇ値を面内均一にする必要があるため結晶温度勾配Ｇを結晶面内均一にする必要がある。ところが、シリコン単結晶の引上げ進行に伴って炉内の熱的環境が変化するので、シリコン単結晶の引上げ中、面内結晶温度勾配を常に均一にすることは極めて困難である。すなわち、結晶引き上げにおける制御パラメータをなるべく減らし、製造効率の高い単結晶の製造方法が求められていた。
４．ホットゾーンの断熱材の劣化やチャンバー内壁面の輻射率の変化等により、シリコン単結晶を引上げる度に、わずかではあるが熱的環境が変化し、結晶温度勾配Ｇが変化する。このため、元々、狭いＶ／Ｇ値の範囲でしか無欠陥とはならないので、以前と全く同じプロセス条件で結晶を製造しても、無欠陥結晶とならないことがしばしばあった。つまり、収率が悪くなる可能性があり、これらを改善したいという要求があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶などの半導体単結晶を容易に歩留まりよく製造できる半導体単結晶の製造装置及び製造方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ね、以下に示すように、製造時におけるＶ／Ｇ値の制御を容易にし、歩留まりを向上させる半導体用単結晶の製造方法を発明した。
具体的には、本願発明の半導体単結晶製造装置においては、半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、
前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明においては、前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、
この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることが好ましい。
本発明は、前記半導体単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉内の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことが好ましい。
本発明は、前記半導体単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉内における前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇ（℃／mm）と引上げ速度Ｖ(mm/min)とに対応して、これらの比であるＶ／Ｇ（mm２/℃min）値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた半導体単結晶インゴットに熱履歴リセット及び再付与の熱処理を行うものであることが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉が、複数の前記半導体単結晶インゴットを同時に支持して熱履歴リセットおよび再付与可能とされてなることが好ましい。
本発明の半導体単結晶の製造方法は、半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、
前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明は、前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることが好ましい。
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することが好ましい。
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御することが好ましい。
本発明は、前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度Ｖ(mm/min)と固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇ（℃／mm）とに対応して、これらの比であるＶ／Ｇ（mm２/℃min）値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することが好ましい。
本発明は、前記リセット加熱工程の前に、前記半導体単結晶を軸方向に分離して半導体単結晶インゴットとするスライス工程を有することが好ましい。
本発明は、前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行うことができる
【００１０】
本発明の半導体単結晶の製造方法においては、ＣＺ法やＦＺ法もしくはその他の方法において所望の径寸法として製造した半導体単結晶に対して、半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、ＣＺ法による引き上げ等による単結晶の製造後に、半導体の融点付近の温度にて維持することで、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に寄与する結晶状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、を有することにより、以下に示すように望ましい結晶状態を実現させることができる。
すなわち、本発明の半導体単結晶の製造方法では、ＣＺ法の引き上げ等における結晶製造時に、単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴、つまり、シリコン単結晶でいえば、空孔、格子間シリコンの分布状態や、それぞれの拡散速度、対消滅状態などを気にせずに、例えば、もっとも生産効率が高くなるように、径寸法を設定した引き上げ速度によって単結晶を引き上げることができる。そして引き上げ後、引き上げ時（製造時）に単結晶に付与された熱履歴を、リセット加熱工程として、熱履歴リセット温度、つまり、融点付近に単結晶を加熱して維持する等の手法で、シリコン単結晶でいえば、空孔、格子間シリコンの分布状態やボイド欠陥、酸素析出物等といったＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥をリセット、すなわち、ＣＺ法において、いわば、融液に近い固化したのみの状態とでもいう、なにも結晶状態が決まっていない状態にまで戻す。さらに、熱履歴再付与工程として、ＣＺ法において引き上げ時にもっとも好ましいとされる熱履歴を単結晶に与えるような温度状態を再現すること、具体的には、熱履歴リセット温度から所定の状態で単結晶を降温させることによって、単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に寄与する結晶状態に影響を与える熱履歴を最も好ましい状態として、ＣＺ法における引き上げ速度等を気にすることなく、この熱履歴再付与工程のみで、例えば、空孔と格子間シリコンとの分布状態など、望ましい結晶状態を実現させることができるものである。これにより、従来、引き上げ速度などの条件を極めて狭い範囲に制御することを強いられていた欠陥フリーのシリコン単結晶等を容易に、高い製造効率で製造することが可能となる。  このように、本発明では、半導体単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態の制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、前記熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、を有する半導体単結晶の製造装置により上記製造方法を実現したものである。
【００１１】
本発明においては、前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に対して所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることにより、前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることができる。これにより、引き上げによって製造される単結晶における温度状態とは関係なく単結晶内部のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を自由に設定することが可能となるため、欠陥フリーの単結晶など、所望の状態の単結晶を容易に、高歩留まりで製造することが可能となる。ここで、引き上げによって製造される単結晶における温度状態とは、引き上げ炉内で最も高温なのが融液であり、固液界面を経て、引き上げ単結晶の高さ位置が上に向かうほど（融液から離れるほど）温度が低下する状態をトータルで含む温度状態、および、このような温度状態の位置関係を意味しているが、本願発明は、これらを気にせずに、単結晶内の熱履歴を制御し再付与することができるものである。
【００１２】
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することにより、例えば、引き上げ炉内における温度状態とは異なり、単結晶の径方向に温度勾配を形成しつつ単結晶全体を降温する等の手段を採ることができる。このように結晶軸方向に温度勾配を与える以外に、径方向に温度勾配を与えて無欠陥結晶化させることも可能であるし、結晶軸に対して斜めの温度勾配等、他の方向も可能であり、任意の方向に温度勾配を形成しつつ単結晶全体を降温することが可能である。
さらに、直径寸法と軸方向寸法がほぼ等しいような、径方向と軸方向との両方向で温度変化に対する熱履歴がなるべく等しく設定可能な形状になるように単結晶を処理し、そのまま単結晶外部から冷却することで点対称に近い状態に温度勾配を形成しつつ降温する手段を採ることができる。
さらに、この際、単結晶の形状として、軸方向と径方向のみならず、重心付近を中心としてこの点から表面までの寸法が、ほぼ全ての方向においてなるべく寸法差が小さくなるように単結晶を処理すること、すなわち、なるべく球に近い形状とする、あるいは、同一体積でなるべく表面積が小さくなる形状とすることで、そのまま単結晶外部から冷却した際に点対称の状態に温度勾配を形成しつつ降温し、単結晶内部のＧｒｏｗ−ｉｎ欠陥状態分布等を点対称とすることも可能である。
これにより、融液とホットゾーンの関係等の温度状態位置に対する規制を気にすることなく、より多彩なＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態の制御をおこなうことが可能となる。この際、引き上げ時のＶ／Ｇの値に対応するように単結晶中の温度勾配および降温速度を決定することが重要である。
【００１３】
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御することにより、例えば、第１方向を鉛直上向きとして、引き上げ炉内における温度状態を再現して単結晶に熱履歴を再付与することができる。これにより、これまで蓄積された膨大な引き上げ時のデータを利用して、単結晶に上述した所望の熱履歴を付与することができる。つまり、言うなれば、熱履歴再付与工程において、所望のＣＺ法における引き上げにおける熱履歴状態を単結晶における熱履歴として再現することを主目的として、引き上げ炉内の温度状態を再現した温度勾配と、その温度勾配中で単結晶を移動する状態に等しくなるよう降温することとによって熱履歴を再付与することで、融液の状態とそれに続く引き上げ・冷却の状態とを再現し、そのなかで、好ましい結晶状態となるように、熱履歴を再付与するものである。これにより、実際に単結晶を成長させる際の引き上げ速度とは関係なく、純粋にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態のみを考えてＶ／Ｇの値を決定することができるため、径寸法等は実際の引き上げ時に、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態は熱履歴再付与工程において考慮すればよくなり、作業性が向上するとともに、所望のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態の単結晶を製造することが容易になる。
なお、本発明において、第１方向とは、上述した鉛直上向きに限定されるものではなく、例えば、第１方向を径方向あるいは斜め方向としてもよく、特に限定されない。
【００１４】
本発明は、前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとに対応して、これらの比であるＶ／Ｇ値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与すること、例えば、前記熱履歴再付与工程において、Ｖ/Ｇ値を結晶が無欠陥状態となる０．１８〜０．２４mm２/(min℃)と容易にすることができる。これにより、引き上げにおける条件制御を気にすることなく欠陥フリーの内部状態であるシリコン単結晶を実現することが可能となる。
【００１５】
より、具体的には、本発明の半導体製造装置は、前記半導体単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことができる。
この際、これまで収拾された引き上げ時における様々なデータを活用するためには、半導体原料を融解するルツボ、および、引き上げ時に結晶を冷却してゆくホットゾーンに類似して、リセット加熱手段、および熱履歴再付与手段の傾斜加熱手段とを配置して、結晶引き上げ速度を制御する引き上げ側の速度、および、ルツボの上昇速度に類似して、単結晶を熱処理する加熱手段を配することが好ましい。すなわち、ルツボのように筒状とされるリセット加熱手段と、この上方に連続してホットゾーン内で冷却するように徐々に降温する温度勾配を形成するように熱履歴再付与手段としての両方の機能を有するヒータが柱状（筒状）に設けられて加熱手段とされ、これらを前記リセット加熱制御および熱履歴再付与制御する制御手段が設けられることができる。この場合、制御手段は、単結晶がリセット加熱手段としてのヒータの内部で所定時間加熱されるようにした後、例えば上下方向に形成された温度勾配を維持した状態で熱履歴再付与手段としてのヒータ中で降温させることで、熱履歴のリセットおよび再付与をおこなうことになる。
なお、温度勾配の形成は上方が高温のほうが形成しやすいため、実際の引き上げ機とは上下逆さまのように、上側が高く下側が低温に加熱手段を制御することもできる。
さらに、加熱手段の温度勾配の降温する方向は引き上げ炉内の上方に模して温度勾配が形成すればよく、装置構成自体は、上下方向、あるいは水平方向等、降温方向にはこだわらないものである。
【００１６】
また、本発明においては、温度勾配の形成及び所定の降温速度での降温が可能であれば加熱手段の構成は問わないものであり、例えば、シリコン融点から１３００℃まで急冷する等の熱処理をおこなう場合には、冷却可能な手段を用いること、具体的には温度交換機等を採用することも可能である。
さらに、円筒状（筒状）のヒータのみならず、さらに加えて、単結晶の上下に、この単結晶径方向に位置する径方向ヒータを設けることも可能である。具体的には、枚葉式のランプ加熱炉等で使用されるハロゲンランプ等の加熱手段を用いることもできる。
【００１７】
本発明の製造方法においては、前記リセット加熱工程の前に、前記単結晶を軸方向に分離して単結晶インゴットとするスライス工程を有することによって、熱履歴リセット加熱工程と熱履歴再付与工程との両工程において、引き上げ等によって得られた単結晶を軸方向に分離して所望の高さとした単結晶インゴットに対して、リセット加熱、熱履歴再付与をおこなうことができる。これにより、リセット加熱工程において、熱履歴をリセットするために、融点付近にまで加熱した際に、結晶が自重で変形することを最小限に抑え、熱履歴のリセットに必要な時間加熱可能とすることができる。
また、前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた単結晶インゴットを載置し前記熱履歴リセット温度に加熱しても前記単結晶インゴットを支持可能な支持部を備えてなることにより、上記の製造方法をおこなうことができる。具体的には、単結晶インゴットを載置する載置皿等を有する構成とすることができる。
【００１８】
本発明の製造方法は、前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行ってもよく、これにより、引き上げ時の単結晶における軸方向寸法に対して、分割された単結晶インゴットを同時に複数処理して、作業性を向上することが可能となる。
ここで、本発明は、前記熱処理炉が、複数の前記単結晶インゴットを同時に支持可能とされてなることにより、上記の製造方法が可能となる。具体的には、熱処理炉に設けられた支持手段がその温度勾配方向に複数の支持部を有する構成や、一つの支持部に複数の単結晶インゴットを同時に載置できる構成、あるいはこれらの組み合わせからなる構成とすることが可能である。
【００１９】
また、シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の制御を考慮せずにシリコン単結晶の引き上げを行い、シリコン単結晶の引き上げが終了した後に、シリコン単結晶中の欠陥の制御を行うための熱履歴リセットおよび再付与用熱処理とを行うことで、従来のシリコン単結晶の引き上げ時よりＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥制御、すなわちＶ／Ｇ値の制御を容易にすることができる。
【００２０】
すなわち、シリコン単結晶の引き上げ時には、シリコン単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態制御に関して考慮するパラメータを低減し、単結晶製造効率を向上させるとともに所望のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を有する単結晶を容易に得ることが可能となる。また、従来引き上げ時に制御していたパラメータである、シリコン単結晶の直径、シリコン融液からの熱、酸素濃度の制御などついては、上述したリセット加熱工程および熱履歴再付与工程などの熱履歴再付与に関する熱処理時に考慮する必要がほとんどない。そのため、Ｖ／Ｇ値の制御を阻害する要因が少なくなることにより、Ｖ／Ｇ値の制御を容易にできるので、従来の技術と比較して、シリコン単結晶の熱履歴再付与に関する熱処理において、断熱材の劣化やチャンバー内壁面の輻射率の変化等、装置の経時変化やバッチごとの条件変化がシリコン単結晶の品質に与える影響を低減することができる。その結果、所望の結晶品質を維持した状態で歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００２１】
また、本発明者は、シリコン単結晶の引き上げ後の熱処理については、以下に示すようにすればよいことを見出した。シリコン単結晶中にボイド欠陥が発生するか、格子間Ｓｉ欠陥が発生するかあるいは無欠陥となるのかは、シリコン単結晶を成長させるときの引上げにより、シリコン単結晶の下から上へ移動する空孔濃度と拡散に従って下から上へ移動する格子間Ｓｉ濃度のバランスにより決定される。従って、引き上げ後のシリコン単結晶に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させるときの温度履歴を与えて、空孔と格子間Ｓｉの移動現象を熱履歴に関する熱処理として再現することにより、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を得ることができる。
【００２２】
シリコン単結晶の引き上げ時において、固液界面で凝固したシリコン単結晶の温度は、結晶引き上げに伴って低下していく。シリコン単結晶の温度低下過程における空孔および格子間Ｓｉの挙動については、次のように理解される。
空孔および格子間Ｓｉは、シリコン単結晶を引き上げる際に取り込まれる。シリコン単結晶の上部の部位を引き上げる際に固液界面で取り込まれた空孔濃度と格子間Ｓｉ濃度とでは、空孔濃度の方が高い。その高い空孔濃度の部位は、シリコン単結晶の引き上げに伴って上昇していく。一方、拡散現象としては、空孔と格子間Ｓｉとでは、格子間Ｓｉ拡散速度が空孔のそれを上回る。格子間Ｓｉは、拡散により温度の高いところから低いところへ移動するため、結晶の下から上へ上昇する。なお、固液界面で凝固したシリコン単結晶中では、引き上げに伴って温度が低下していく過程において、空孔と格子間Ｓｉとの対消滅反応が生じるが、同数消滅のため空孔と格子間Ｓｉの濃度差には無関係である。
【００２３】
さらに、本発明者は、鋭意研究を重ね、シリコン単結晶中にボイド欠陥が発生するか、格子間Ｓｉ欠陥が発生するかあるいは無欠陥となるのかは、概ね１２５０℃での空孔濃度と格子間Ｓｉ濃度の差で決定されることを見出した。すなわち、概ね１２５０℃での空孔濃度よりも格子間Ｓｉ濃度が低い場合にはボイド欠陥が発生し、空孔濃度よりも格子間Ｓｉ濃度が高い場合には格子間Ｓｉ欠陥が発生し、空孔濃度と格子間Ｓｉ濃度とがほぼ等しくなる場合には無欠陥となる。
【００２４】
このため、本発明のシリコン単結晶の製造装置は、ルツボに収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させる単結晶引上げ装置を用いて引き上げた前記シリコン単結晶に熱処理を行うための熱処理炉と、前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記シリコン単結晶が欠陥リセット温度（熱履歴リセット温度）となるように前記熱処理炉内の加熱手段を制御する第１制御（リセット加熱制御）と、前記第１制御後に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させるときの温度履歴を前記シリコン単結晶に与えるように、熱処理時間に対する前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配を制御する第２制御（熱履歴再付与制御）とを行うこともできる。
【００２５】
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ルツボに収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させる単結晶成長工程と、前記単結晶成長工程において育成された前記シリコン単結晶を熱処理炉で熱処理する熱処理工程（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に影響を与える熱履歴リセット及び再付与工程）とを備え、前記熱処理工程は、前記シリコン単結晶を欠陥リセット温度となるように加熱する加熱工程（リセット加熱工程）と、熱処理時間に対する前記熱処理炉内の第１方向の温度勾配を制御することにより、前記加熱工程後の前記シリコン単結晶に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させるときの温度履歴を与える温度制御工程（熱履歴再付与工程）とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
なお、本発明において「欠陥リセット温度（熱履歴リセット温度）」とは、単結晶成長工程において育成されたシリコン単結晶の形状を保ちつつ、シリコン単結晶に内在している酸素析出物やボイド等の二次欠陥（Grown-in欠陥）が消去され、さらに空孔量と格子間Ｓｉ量とのリバランスが可能とされる温度のことをいい、具体的には、１３２０℃〜溶融温度未満の温度のことを意味し、より好ましくは１３５０℃〜溶融温度未満とされる。ここで、このリセット温度との関係で、リセット加熱時間が決められ、リセット温度が高い場合には、リセット加熱時間は短時間ですみ、リセットか温度が低い場合には、リセット加熱時間が長くなる。具体的には、１４００℃、１０分以上、１３５０℃、３０分以上とされることが好ましい。
【００２７】
本発明によれば、シリコン単結晶を引き上げる単結晶成長工程と、単結晶成長工程において育成されたシリコン単結晶に熱処理を行うための熱処理工程（リセット加熱工程および熱履歴再付与工程）とを、それぞれ独立したＶ／Ｇ値の制御範囲で行うことができる。そのため、従来のシリコン単結晶の引き上げ時より結晶欠陥状態を決定する指標であるＶ／Ｇ値の制御が容易である。
すなわち、単結晶成長工程においては、上述したように、シリコン単結晶中の欠陥について考慮せずに済むので、引き上げ時においては結晶欠陥状態の制御を行うために必要なＶ／Ｇ値の範囲外で行うことが出来る。そのため、容易にシリコン単結晶の直径が所定の範囲内となるようにシリコン単結晶を成長させることができる。また、熱処理工程においては、上述したように、シリコン単結晶の直径、シリコン融液からの熱、不純物による汚染、酸素濃度等のパラメータ制御について、熱処理時には除外してＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の制御のみを重点的に考慮することができるため、容易に所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶となる最適なＶ／Ｇ値の制御範囲で熱処理を行うことができる。よって、所望のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態の単結晶において製造効率を向上して歩留まりを向上させることができる。
【００２８】
また、本発明の単結晶成長工程においては、Ｖ／Ｇ値の制御範囲を拡大でき、容易にＶ／Ｇ値の制御範囲でシリコン単結晶を成長させることができるので、例えば、シリコン単結晶の直径が所定の範囲内となる最大の引き上げ速度でシリコン単結晶を成長させた場合、従来の技術と比較して、非常に高速でシリコン単結晶の直径が所定の範囲内となるシリコン単結晶を成長させることができる。
また、本発明の熱処理時には、シリコン単結晶を移動させる必要がなく、シリコン単結晶を固定した状態で熱処理を行うことができるので、熱処理時間に対する熱処理炉内の第１方向の温度勾配を制御することのみにより、容易にＶ／Ｇ値の制御ができるようになる。したがって、引き上げ、あるいは、単結晶を移動する速度をパラメータとして制御するものに比べて、制御を容易におこなうことができる。
【００２９】
また、本発明のシリコン単結晶の製造装置および製造方法では、温度履歴を、前記単結晶引上げ装置を用いて前記シリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇ値を所定の範囲とした場合と同じにすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造装置および製造方法とすることで、所望の状態を有する欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を容易に製造可能な装置となる。
【００３０】
また、本発明のシリコン単結晶の製造装置および製造方法では、熱処理炉が、前記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコン単結晶インゴットを載置する支持部を有し、この支持部に載置した単結晶インゴットに熱処理を行うものとすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造装置および製造方法とすることで、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴットを容易に製造できる。また、熱処理工程における温度制御がより一層容易となる。さらに、熱処理炉には引き上げに必要な磁場印加装置、炉内圧、熱輻射等を制御する大型の部分がなくてもよいので、熱処理炉としては引き上げ装置に比べて装置の小型化が可能となる。
【００３１】
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法では、前記シリコン単結晶を降温する速度および温度勾配を、引き上げ時の速度をＶ、固液界面付近の温度勾配をＧとしたとき、Ｖ/Ｇ値に対応する値を０．１８〜０．２４mm２/(min℃)とすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、シリコン単結晶を空孔起因の欠陥および格子間シリコン起因の欠陥のない状態とすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、所望のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥状態を有する半導体単結晶を容易に歩留まりよく製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の第一実施形態による半導体単結晶の製造装置および製造方法について詳細に説明する。図１は、本発明において使用するシリコン単結晶引上げ装置の一例を示した概略断面図である。
図１において符号４はルツボを示している。ルツボ４は、有底円筒状の石英製の内層保持容器４aと、内層保持容器４aの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器４bとから構成されている。ルツボ４は、所定の速度で回転する支持軸７に支持されている。ルツボ４の外側には、ヒータ６が同心円筒状に配設されている。ルツボ４内には、ヒータ６により溶融されたシリコン融液５が充填されており、ルツボ４の中心軸には引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸３が配設されている。ルツボ４の上側には、ガス流れ整流筒９等が設けられ、ホットゾーンを形成している。この引き上げ軸３の先にはシ−ドチャック２および種結晶１ａが取り付けられている。
【００３４】
図２は、本発明を構成する熱処理炉と制御手段の一例を示した概略断面図である。図２において符号１０はシリコン単結晶インゴット１７に熱処理を行うための熱処理炉を示し、符号１１は熱処理炉１０内の温度を制御する制御手段を示す。
熱処理炉１０内には、制御手段１１に配線１５を介して接続された円筒状のヒータ（加熱手段）１４が配置され、円筒状のヒータ１４の中心部にはシリコン単結晶インゴット１７が配置可能とされている。熱処理炉１０内は、後述する加熱工程において、制御手段１１により、シリコン単結晶インゴット１７の温度が１３２０℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度（熱履歴リセット温度）に均一に保持されるように制御可能とされている。また、熱処理炉１０内は、後述する温度制御工程において、所望のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させる引き上げ時と等しい温度履歴をシリコン単結晶インゴット１７に与えるように、熱処理時間に対する下が高く上が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされている。
【００３５】
制御手段１１は、シリコン単結晶インゴット１７を１３２０℃〜シリコン融点温度未満の欠陥リセット温度となるように熱処理炉１０を制御する第１制御（熱履歴リセット制御）と、第１制御後に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させるときの温度履歴をシリコン単結晶インゴット１７に与えるように、熱処理時間に対する熱処理炉１０内の上下方向の温度勾配および降温速度を制御する第２制御（熱履歴再付与制御）とを行うものである。
制御手段１１としては、その機能として、上記の第１制御と第２制御を実現するためのプログラムを、該制御手段に備わる記憶装置（メモリ）からロードしてＣＰＵ（中央処理装置）が実行することによりその機能が実現されるものとする。具体的には、例えば、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合のＶ／Ｇ値を制御する際に用いる従来の制御装置によって、ルツボ４等におけるシリコン融液５温度制御、および引き上げ速度やホットゾーンの温度状態の制御に対応した状態で、これら第１制御と第２制御をおこなう制御手段として使用することができる。
【００３６】
次に、本発明の第一実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
（単結晶成長工程）
まず、図１に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶１ａをルツボ４に収容されたシリコン融液５の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で回転させながら、引き上げ軸３を引き上げていくことにより、シリコン融液が凝固して形成されるシリコン単結晶１を成長させる。
シリコン単結晶１を成長させる際には、まず、シリコン単結晶１を無転位化するためにシ−ドしぼりを行なってネック部１ｂを形成し、その後ボディとして必要な直径を得るためにショルダ−１ｃを育成する。シリコン単結晶１が求める直径になったところで肩変えを行ない、直径が一定状態の直胴部１ｄを育成する。直胴部１ｄを求める長さまで育成した後、さらに直胴部１ｄ中を無転位の状態で融液から切り離すためにテイルしぼりを行なう。そして、融液からシリコン単結晶１が離れたら、所定の条件でシリコン単結晶１を炉外に取り出し、冷却する。冷却後、シリコン単結晶１をスライスしてシリコン単結晶インゴット１７とする。
このとき、シリコン単結晶１の引き上げ速度としては、単結晶状態が維持できてかつ所望の径寸法が維持できる最も速い引き上げ速度とすることができ、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を考慮した引き上げ速度に制約されることがない。
【００３７】
ここでのシリコン単結晶インゴット１７の大きさは、直径が１１０〜４６０ｍｍ程度、厚み（高さ）が５００ｍｍ以下とされ、この上限値を超えると熱処理炉が大型になるので好ましくない。
径の大きいインゴット１７の場合、後述の熱処理工程においてインゴット１７の径方向に温度分布が出来やすくなり、狙いの降温速度の速い場合、その温度分布の均一化が難しいため、好ましくない。より詳細には、径が大きく、降温速度が速いと、結晶内部が高温のまま取り残されやすくなり、径方向に温度分布が出やすくなる。温度分布の均一化を達成するためには、インゴットをゆっくり冷やす必要があり、インゴットの降温速度を低速にせざるを得なくなり生産性が低下する。そのため、Φ３００ｍｍ結晶インゴットにおいては３００ｍｍ以下、Φ２００結晶インゴットにおいては４００ｍｍ以下にするのがより好ましい。
【００３８】
（熱処理工程）
次に、図２に示す熱処理炉と制御手段とを用いて、単結晶成長工程において形成されたシリコン単結晶インゴット１７中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥分布状態のコントロールをおこなうための熱履歴をリセット及び再付与するための制御を行うための熱処理工程を行う。
まず、図２に示すように、シリコン単結晶インゴット１７をヒータ１４の中心位置に結晶成長軸が熱処理炉１０の中心軸方向（上下方向）となるとともにヒータ１４の中心軸と同位置となるように載置し、制御手段１１によってヒータ１４を制御する（第１制御）ことにより、熱処理炉１０の内部がシリコン融点温度程度となるようにするとともに、シリコン単結晶インゴット１７の温度が１３２０℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度となるように加熱させる（リセット加熱工程）。このリセット加熱工程により、引き上げ工程においてインゴット１７に与えられている熱履歴をリセットして、これにより、シリコン単結晶インゴット１７に内在している酸素析出物やボイド等の二次欠陥（Grown-in欠陥）が消去される。続いて、制御手段１１により、ヒータ１４を制御して熱処理時間に対する熱処理炉１０内の上下方向の温度勾配と降温速度を制御する（第２制御）して、ヒータ（熱処理再付与手段）１４内に上下方向上側が低くなるように所定の温度勾配を形成するとともに、形成した温度勾配を維持した状態でインゴット１７を降温することにより、加熱工程後のシリコン単結晶インゴット１７に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させる際の熱履歴と等しい状態の熱履歴を再付与する（熱履歴再付与工程）。
【００３９】
ここで、例えば、シリコン単結晶インゴット１７を無欠陥化する場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇ値を０．１８〜０．２４mm２/(min℃)とした場合と同じとなるように、制御手段１１により第２制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット１７は、熱処理炉１０内での温度制御工程において、格子間Ｓｉ濃度と空孔濃度がほぼ等しくなるように調整され、無欠陥化される。
【００４０】
また、例えば、ボイド欠陥を有するシリコン単結晶インゴット１７の場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇ値が０．２４mm２/(min℃)を超える場合と同じとなるように、制御手段１１により第２制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット１７は、熱処理炉１０内での温度制御工程において、空孔濃度よりも格子間Ｓｉ濃度が低くなるように調整され、ボイド欠陥を有するものとされる。
【００４１】
また、例えば、格子間Ｓｉ欠陥を有するシリコン単結晶インゴット１７の場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Ｖと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇ値が０．１８未満mm２/(min℃)である場合と同じとなるように、制御手段１１により第２制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット１７は、熱処理炉１０内での温度制御工程において、空孔濃度よりも格子間Ｓｉ濃度が高くなるように調整され、格子間Ｓｉ欠陥を有するものとされる。
【００４２】
このようにして得られたシリコン単結晶インゴット１７は、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するものであり、これを加工することにより、種々のデバイスの基板材料として用いられるウゥーハを得ることができる。
なお、上記のように、本発明の熱処理前段階としての引き上げ工程において、シリコン単結晶１の引き上げ速度としては、単結晶状態が維持できてかつ所望の径寸法が維持できる最も速い引き上げ速度とすることができ、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を考慮した引き上げ速度に制約されることがなく、また、熱履歴リセット及び熱履歴再付与工程においては、単結晶径寸法あるいは引き上げ炉内に形成される温度勾配等に制約されることがなく、それぞれ単結晶外形形成とＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥分布とを別々の工程で制御することが可能となるため、従来の引き上げ時にこれら２つのファクターを同時に制御する製法に比べて、結晶欠陥状態および外形の制御を容易におこなうことができる。さらに、ヒータ１４の出力を制御手段１１によって制御するだけでよく、インゴット１７の移動速度等のパラメータを制御する必要がないため、容易に所望の温度状態（熱履歴リセット温度、温度勾配、降温速度）を実現することが可能となる。したがって、これまで、制御することが難しかったＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの単結晶等を容易に製造することが可能となり、所望の単結晶を歩留まりよく製造することが可能となる。
また、本実施形態においては、ヒータ１４を上下方向に軸線を有する円筒形としたため上下方向に温度勾配を形成したが、これに限るものではなく、任意の方向に降温する温度勾配を形成して熱履歴をリセットおよび、再付与することも可能である。
【００４３】
次に、本発明の第二実施形態による単結晶単結晶の製造装置および製造方法について説明する。第二実施形態においては、第一実施形態と同様に、図１に示す単結晶引上げ装置を用いることができる。図３は、本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。なお、第二実施形態において、第一実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図３に示す熱処理炉と制御手段とが図２と異なるのは、熱処理炉１０内に、制御手段１１に配線１３を介して接続され、シリコン単結晶インゴット１７を上方から加熱するヒータ１８と、制御手段１１に配線１３を介して接続され、シリコン単結晶インゴット１７を下方から加熱するヒータ１９とが配置されている点である。
【００４４】
次に、本発明の第二実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
本発明の第二実施形態においては、加熱工程は、図３に示すように、シリコン単結晶インゴット１７をヒータ１４の中心部に載置し、制御手段１１によって、ヒータ１４、１８、１９を制御する（第１制御）ことにより、シリコン単結晶インゴット１７を側面、上面、下面から加熱させて、シリコン単結晶インゴット１７の温度が１３５０℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度となるようにする。続いて、制御手段１１により、ヒータ１４、１８、１９を制御して熱処温度に対する熱処理炉１０内の上下方向の温度勾配および降温速度をより精密に制御する（第２制御）ことにより、リセット加熱工程後のシリコン単結晶インゴット１７に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させる熱履歴と等しい熱履歴を与え（熱履歴再付与工程）、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴット１７を製造する。
【００４５】
なお、上述した実施形態においては、熱処理炉１０内は、下が高く上が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしたが、上が高く下が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしてもよい。この場合、温度制御が容易となる。さらに、熱処理炉１０内は、左右方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしてもよく、熱処理炉１０内での温度勾配の方向は特に限定されない。
また、ヒータ１２，１８、１９は、それぞれ一体であるように図示したが、これらは、より精密な温度状態制御を実現可能とするために複数に分割されてそれぞれが制御手段１１により出力制御可能なものとすることも可能である。
【００４６】
さらに、本実施形態のように、インゴット１７を上下左右全体から包み込むようにヒータ（加熱手段）１４，１８，１９を設け、これらを制御して、インゴット１７の径方向に温度勾配を形成することで、引き上げ時の温度勾配、降温速度等とは異なる熱処理として熱履歴を再付与することが可能となる。あるいは、ネック部１ｂとボトムを切断しない状態で径寸法と同程度の直胴部１ｃを形成した単結晶のように、なるべく球に近い形状のように径寸法と軸寸法を設定する、すなわち、比表面積が小さく、熱放射が全表面で等しい形に近い形状として、これを上記の熱処理炉１０内部に位置し、この球形に近い単結晶を、炉内がほぼ均一な温度状態として降温することにより、単結晶中心部から表面へ放射状の温度勾配を形成して熱履歴を再付与することが可能となる。
また、熱処理炉と制御手段とは、上述した実施形態に示すように、別体とすることができるが、熱処理炉と制御手段とは一体化されていてもよい。
【００４７】
次に、本発明の第三実施形態による半導体単結晶の製造装置および製造方法について説明する。図５，６は、本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。なお、本実施形態において、第一、第二実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図５に示す熱処理炉が図２に示す熱処理炉と異なるのは、熱処理炉１０に支持手段１６が設けられ、支持軸に支持された複数の載置皿１６ａ、１６ｃを備え、複数のシリコン単結晶インゴット１７を同時に支持するものである点である。載置皿１６ｃは、支持体１６ｄにより載置皿１６ａに固定されている。載置皿１６ａと載置皿１６ｃとは、それぞれ上下方向に異なる位置として、かつ、それぞれの載置皿１６ａ、１６ｃに載置されたシリコン単結晶インゴット１７、１７がシリコン単結晶インゴット１７の径方向に対して同位置となるように設けられている。
【００４８】
図５に示す熱処理炉１０において、シリコン単結晶インゴット１７、１７は、支持手段１６により、加熱手段１２内で複数のシリコン単結晶インゴット１７、１７の中心とヒータ１４の中心とをシリコン単結晶インゴット１７の径方向に対して同位置とした状態で支持されるとともに、シリコン単結晶インゴット１７、１７の中心とヒータ１４の中心とを同じとした状態で、熱処理炉１０内を上下方向に昇降可能とされている。
これにより、複数のインゴット１７を同時に処理可能となるとともに、インゴット１７が上下方向、すなわち温度勾配の方向に熱処理炉１０内において移動可能となるため、ヒータ１４，１８，１９による温度勾配・降温速度の制御に加えて、支持手段１６の上下移動によって、インゴット１７の温度状態制御をより精密におこなうことが可能となる。
また、インゴット１７を回転させながら前記熱処理させることは温度分布の周方向の均一化が図られ好ましい。
【００４９】
さらに、図６に示す熱処理炉が図２に示す熱処理炉と異なるのは、熱処理炉１０に支持手段１６が設けられ、支持軸に支持された複数の載置皿１６ａを備え、複数のシリコン単結晶インゴット１７を同時に支持するものである点である。載置皿１６ａには、それぞれ左右方向に異なる位置としてかつシリコン単結晶インゴット１７、１７がヒータ１４の中心軸に対して対象な位置となるように載置されている。
図６に示す熱処理炉１０において、シリコン単結晶インゴット１７、１７は、支持手段１６により、加熱手段１２の中心軸に対称な位置に複数のシリコン単結晶インゴット１７、１７支持されるとともに、載置皿１６ａが熱処理炉１０内を上下方向に昇降可能とされている。
これにより、複数のインゴット１７を同時に処理可能となるとともに、インゴット１７が上下方向、すなわち温度勾配の方向に熱処理炉１０内において移動可能となるため、ヒータ１４，１８，１９による温度勾配・降温速度の制御に加えて、支持手段１６の上下移動によって、インゴット１７の温度状態制御をより精密におこなうことが可能となる。
【００５０】
（実験例１）
（単結晶成長工程）
まず、図１に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶１ａをルツボ４に収容されたシリコン融液５の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で所定の速度で回転させながら、引き上げ軸３を引き上げていくことによりシリコン単結晶を成長させた。
このときの、引き上げ条件は、引き上げ速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、引き上げ径寸法２１３ｍｍ、直胴部長さ１０００ｍｍ、Ｖ／Ｇの値０．３３mm２／℃minとされている。
その後、得られたシリコン単結晶をスライスしてΦ２１０ｍｍ×１００ｍｍのシリコン単結晶インゴットとした。シリコン単結晶インゴットと同じシリコン単結晶をスライスすることにより得られたサンプルのＦＤＰを以下に示す方法により調べた。すなわち、サンプルをフッ硝酸液で表面を侵食させてミラー状にした後、セコエッチング液（純水＋フッ酸＋重クロム酸カリウムの配合液）中に垂直に無攪拌で浸し、光学顕微鏡で観察する方法によって検出した。その結果、ＦＤＰが検出された。
【００５１】
（熱処理工程）
次に、図２に示す熱処理炉と制御手段を用いて、シリコン単結晶インゴット中の欠陥の制御を行うための熱処理工程を行った。まず、シリコン単結晶インゴットを熱処理炉１０内のヒータ１４の中心部に載置し、制御手段１１によってヒータ１４を制御する（第１制御）ことにより１，４００℃、５時間の欠陥リセット温度に加熱した（加熱工程）。その後、制御手段１１によりヒータ１４を制御（第２制御）して、熱処理時間に対する熱処理炉１０内の上下方向の温度勾配により、シリコン単結晶インゴット内部の上下方向に２℃／ｍｍの温度勾配が形成され、表１に示す上昇速度（ｍｍ／ｍｉｎ）で５００℃以下になるまで上方へと移動させたときの温度履歴を加熱工程後のシリコン単結晶インゴットに与え（温度制御工程）た。その後、シリコン単結晶インゴット１７を熱処理炉１０から取出し、評価した。その結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2007284324.tif 000003
【００５３】
（実験例２）
（単結晶成長工程）
まず、図１に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶１ａをルツボ４に収容されたシリコン融液５の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で所定の速度で回転させながら、引き上げ軸３を引き上げていくことによりシリコン単結晶を成長させた。
このときの、引き上げ条件は、引き上げ速度０．３ｍｍ／ｍｉｎ、引き上げ径寸法２１３ｍｍ、直胴部長さ１０００ｍｍ、Ｖ／Ｇの値０．１０mm２／℃minとされている。
その後、得られたシリコン単結晶をスライスしてΦ２１０ｍｍ×１００ｍｍのシリコン単結晶インゴットとした。シリコン単結晶インゴットと同じシリコン単結晶をスライスすることにより得られたサンプルの格子間Ｓｉ欠陥を実験例１におけるＦＤＰの検出方法と同様の方法により調べた。その結果、格子間Ｓｉ欠陥が検出された。
（熱処理工程）
次に、実験例１と同様にして熱処理工程を行った。その結果を表１に示す実験例１と同じ結果となった。
【００５４】
表１に示すように、上昇速度が０．３（ｍｍ／ｍｉｎ）以下の場合には格子間Ｓｉ欠陥、上昇速度が０．４（ｍｍ／ｍｉｎ）の場合には無欠陥、上昇速度が０．５（ｍｍ／ｍｉｎ）以上の場合には、ボイド欠陥を有するものが得られた。このことより、ＦＤＰが検出されたシリコン単結晶から得られたシリコン単結晶インゴットであっても、格子間Ｓｉ欠陥が検出されたシリコン単結晶から得られたシリコン単結晶インゴットであっても同様に、本発明の熱処理工程を行うことにより所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴットが製造できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明において使用する単結晶引上げ装置の一例を示した概略断面図である。
【図２】本発明を構成する熱処理炉の一例を示した概略断面図である。
【図３】本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。
【図４】引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布図である。
【図５】本発明を構成する熱処理炉の別の例を示した概略断面図である。
【図６】本発明を構成する熱処理炉の別の例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ａ：種結晶、２：シ−ドチャック、３：引き上げ軸、４：ルツボ、４ａ：内層保持容器、４ｂ：外層保持容器、５：シリコン融液、６：ヒータ、７：支持軸、９：ガス流れ整流筒、１０：熱処理炉、１１：制御手段、１３：配線、１４：ヒータ、１５：配線、１７：シリコン単結晶インゴット、１８：ヒータ、１９：ヒータ。
【図１】
2007284324.tif 000004
【図２】
2007284324.tif 000005
【図３】
2007284324.tif 000006
【図４】
2007284324.tif 000007
【図５】
2007284324.tif 000008
【図６】
2007284324.tif 000009