(57)【要約】【課題】不活性ガスに基づく気泡に起因してシリコン単結晶中に微小欠陥が発生するのを防止することができるシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法を提供する。【解決手段】シリコン単結晶１１から派生した非製品部１３をスライスし、このスライス片１４を、ルツボ２内に充填した多結晶シリコン１２の上に敷き詰めた後、不活性ガス雰囲気中でスライス片１４および多結晶シリコン１２を溶融させてシリコン融液１０を形成する。このシリコン融液１０からシリコン単結晶２１を引き上げる。これにより、シリコン原料の溶融時に、多結晶シリコン１２がスライス片１４によって不活性ガスの吹き付けから遮断され、シリコン融液１０に不活性ガスが溶け込むのを抑制することができ、不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられる。【選択図】図３
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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育成に用いられるシリコン融液の形成方法であって、
シリコン単結晶から派生した非製品部をスライスし、このスライス片を、ルツボ内に充填したシリコン原料の上に敷き詰めた後、不活性ガス雰囲気中でスライス片およびシリコン原料を溶融させてシリコン融液を形成することを特徴とするシリコン融液の形成方法。
【請求項２】
前記非製品部として、シリコン単結晶のショルダー部およびテイル部、並びに直胴部から分離された結晶欠陥部および規格外れ部のうちの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコン融液の形成方法。
【請求項３】
前記非製品部を派生するシリコン単結晶の直径が４５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン融液の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン融液の形成方法で形成したシリコン融液を用い、このシリコン融液からシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
【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の育成に用いられるシリコン融液の形成方法、およびそのシリコン融液を用いたシリコン単結晶の育成方法に関し、特に、ルツボ内に充填するシリコン原料として、シリコン単結晶から派生した製品とならない部分を活用することにより、育成されるシリコン単結晶の品質向上を図ったシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶は、半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハの素材であり、その製造には、ＣＺ法が広く採用されている。
【０００３】
図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に適した単結晶引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、単結晶引き上げ装置は、その外郭をチャンバ１で構成され、その中心部にルツボ２が配置されている。ルツボ２は二重構造であり、内側の石英ルツボ２ａと、外側の黒鉛ルツボ２ｂとから構成され、回転および昇降が可能な支持軸３の上端部に固定されている。
【０００４】
ルツボ２の外側には、ルツボ２を囲繞する抵抗加熱式のヒータ４が配設され、そのさらに外側には、チャンバ１の内面に沿って断熱材５が配設されている。ルツボ２の上方には、支持軸３と同軸上で逆方向または同一方向に所定の速度で回転するワイヤなどの引き上げ軸６が配され、この引き上げ軸６の下端に種結晶７が取り付けられている。
【０００５】
さらに、チャンバ１内には、引き上げ中のシリコン単結晶１１を囲繞し、ルツボ２内のシリコン融液１０やヒータ４からの輻射熱を遮る筒状の熱遮蔽体８が配設されている。また、チャンバ１の上部には、Ａｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスをチャンバ１内に導入する図示しないパージガス導入口が設けられ、チャンバ１の下部には、図示しない外部の真空ポンプにより、チャンバ１内の気体を吸引して排気する排気口９が設けられている。
【０００６】
このような単結晶引き上げ装置を用いたシリコン単結晶の育成は、一般に以下のように行われる。ルツボ２内にシリコン原料として慣用される多結晶シリコンを充填した後、排気口９を通じてチャンバ１内の気体を排出するとともに、パージガス導入口を通じてチャンバ１内に不活性ガスを導入し、チャンバ１内を減圧された不活性ガス雰囲気にする。不活性ガスの導入および排出を継続しその雰囲気を維持したまま、ヒータ４の加熱により、ルツボ２内でシリコン原料を溶融させる。
【０００７】
ルツボ２内にシリコン融液１０が形成されると、引き上げ軸６を下降させ、種結晶７をシリコン融液１０の表面に浸漬する。この状態からルツボ２および引き上げ軸６を所定の方向に回転させながら、引き上げ軸６を徐々に引き上げる。これにより、種結晶７の下方にシリコン単結晶１１が育成される。
【０００８】
その際、シリコン単結晶１１としては、種結晶７の直下に形成されたネック部から所望の直径まで逐次直径を増加させた円錐状のショルダー部が形成され、次いで、所望の直径の直胴部が形成され、さらに、育成の最終段階で転位の導入を防止するために直胴部から逐次直径を減少させた逆円錐状のテイル部が形成される。
【０００９】
育成されたシリコン単結晶１１は、その後の切断工程で、ショルダー部と、直胴部と、テイル部とに分断される。これらのうち、直胴部はシリコンウェーハ用に製品部として取り扱われるが、ショルダー部とテイル部は、製品とならない部分（以下、「非製品部」という）とされる。また、直胴部に含まれる部分であっても、スリップ転位や酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）などが著しい結晶欠陥部、および抵抗率や酸素濃度などが規格を満足しない規格外れ部は、直胴部を径方向に切断することにより直胴部の良質部分から分離され、非製品部とされる。
【００１０】
このショルダー部やテイル部などの非製品部の処理に関して、特許文献１には、非製品部がシリコン単結晶から派生したもので、それ自体が高純度であることから、非製品部をシリコン原料として再利用する方法が提案されている。
【００１１】
ところで、上述したシリコン単結晶の育成においては、シリコン原料の溶融に伴って、シリコン融液を貯留するルツボの内壁面に、気泡が発生し滞留することがある。この気泡は、シリコン単結晶の育成過程でルツボの内壁面から剥離し、シリコン融液中を浮遊して結晶成長界面に到達した場合、シリコン単結晶中に微小な欠陥（以下、「微小欠陥」という）を引き起こす。したがって、シリコン単結晶の品質向上のために、気泡に起因した微小欠陥を防止することが強く望まれている。
【００１２】
通常、その微小欠陥を引き起こす気泡は、シリコン原料やルツボそのものに含まれる気体が発生源であって、この気体がシリコン融液中に溶け込んで発生するものと考えられている。このような気泡の発生には、シリコン原料の溶融時およびシリコン単結晶の育成時におけるチャンバ内の圧力が深く関係しており、これまで、両圧力それぞれを適正に規定することにより、気泡の発生を抑制しつつ、シリコン融液から気泡を促進的に放出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
しかし、シリコン原料の溶融時およびシリコン単結晶の育成時におけるチャンバ内の圧力を規定しても、実情では、シリコン単結晶中の微小欠陥に対する防止効果が十分に認められない。最近の見識では、シリコン原料の溶融時に雰囲気ガスとして用いる不活性ガスが気泡の主な発生源であるとしており、この不活性ガスに基づく気泡が微小欠陥を引き起こしていると考えられるからである。
【００１４】
図２は、不活性ガスに基づいてシリコン原料の溶融時に気泡が発生する状況を模式的に示す図であり、同図（ａ）は溶融前の状態を、同図（ｂ）は溶融中の状態を、同図（ｃ）は溶融後の状態をそれぞれ示している。シリコン原料の溶融に際し、図２（ａ）に示すように、ルツボ２内には、シリコン原料として、ロッド状、塊状または粒状といった種々の形状の多結晶シリコン１２が充填される。このルツボ２は、チャンバ内において減圧下の不活性ガス雰囲気中でヒータにより加熱される。
【００１５】
その際、チャンバ内を不活性ガス雰囲気に維持するために、チャンバ内には上部のパージガス導入口から不活性ガスが導入され、この不活性ガスは、熱遮蔽体に沿って下降した後、ルツボ２の周囲を経て、チャンバの下部の排気口から排出される。このような不活性ガスの流通により、ルツボ２に充填された多結晶シリコン１２には、ルツボ２の上方から不活性ガスが吹き付けられる状態になる。
【００１６】
この状態でルツボ２内の多結晶シリコン１２は、ヒータの加熱により徐々に溶融していくが、その溶融は、図２（ｂ）に示すように、ヒータに接近して配されて放熱も少ないルツボ２の底の隅部から始まり、ルツボ２の中心部かつ上方に向けて進行する。このとき、ルツボ２には上方から不活性ガスが吹き付けられているため、この不活性ガスが、ルツボ２の上部に残存する多結晶シリコン１２同士の間に侵入し、ルツボ２の底に形成されつつあるシリコン融液１０中に次々と溶け込む。シリコン融液１０中に溶け込んだ不活性ガスは、通常、対流や浮力により浮上してシリコン融液１０の表面から放出されるが、ルツボ２の内壁面に肌荒れなどで凹凸が存在した場合、その凹凸部に集積し気泡１７となって現れる。
【００１７】
そして、ルツボ２内の多結晶シリコン１２が全て溶融し、図２（ｃ）に示すように、ルツボ２内にシリコン融液１０が形成されても、ルツボ２の内壁面の凹凸部に発生した不活性ガスに基づく気泡１７は、そのまま滞留することが多い。
【００１８】
こうしてルツボ２の内壁面に発生して滞留した不活性ガスに基づく気泡１７が、シリコン単結晶の育成過程でルツボ２の内壁面から剥離することにより、シリコン単結晶中に微小欠陥を引き起こすのである。
【００１９】
これに対し、上記特許文献２には、上述した通り、シリコン原料の溶融時およびシリコン単結晶の育成時におけるチャンバ内の圧力を規定することにより、シリコン原料やルツボそのものに基づく気泡の発生を抑制しつつ、シリコン融液から気泡を促進的に放出する方法が提案されているが、この方法では、不活性ガスに基づく気泡に起因した微小欠陥を防止することはできない。
【００２０】
また、上記特許文献１には、シリコン単結晶から派生した非製品部をシリコン原料として再利用する方法が提案されているが、気泡に起因したシリコン単結晶中の微小欠陥に対しては何ら考慮されていない。
【００２１】
【特許文献１】特開２００５−１１２６６９号公報
【特許文献２】特許第２６３５４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、雰囲気ガスとして用いる不活性ガスに基づく気泡に起因してシリコン単結晶中に微小欠陥が発生するのを防止し、シリコン単結晶の品質向上を図ることができるシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、シリコン原料を溶融させる際に、ルツボ内に充填されたシリコン原料を不活性ガスの吹き付けから遮断することにより、シリコン融液に不活性ガスが溶け込むのを抑制することができ、その結果として不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられ、シリコン単結晶中の微小欠陥の発生を防止できることを知見した。また、不活性ガスの吹き付けからシリコン原料を遮断するには、シリコン原料として扱うことが可能なシリコン単結晶から派生した非製品部を用いるのが有効であることを知見した。
【００２４】
本発明は、これらの知見に基づいて完成させたものであり、下記（１）のシリコン融液の形成方法、および（２）のシリコン単結晶の育成方法を要旨とする。
【００２５】
（１）ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に用いられるシリコン融液の形成方法であって、シリコン単結晶から派生した非製品部をスライスし、このスライス片を、ルツボ内に充填したシリコン原料の上に敷き詰めた後、不活性ガス雰囲気中でスライス片およびシリコン原料を溶融させてシリコン融液を形成することを特徴とするシリコン融液の形成方法である。
【００２６】
このシリコン融液の形成方法では、前記非製品部として、シリコン単結晶のショルダー部およびテイル部、並びに直胴部から分離された結晶欠陥部および規格外れ部のうちの少なくとも一つを用いることができる。
【００２７】
また、前記非製品部を派生するシリコン単結晶として、シリコン単結晶の大口径化に伴い、直径が４５０ｍｍ以上であるものを適用することができる。
【００２８】
（２）上記のシリコン融液の形成方法で形成したシリコン融液を用い、このシリコン融液からシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法によれば、シリコン単結晶の非製品部から成るスライス片を、ルツボ内のシリコン原料上に敷き詰めるため、不活性ガス雰囲気中でシリコン原料を溶融させる際に、シリコン原料がスライス片によって不活性ガスの吹き付けから遮断され、これにより、シリコン融液に不活性ガスが溶け込むのを抑制することができ、不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられる。その結果、そのシリコン融液を用いてシリコン単結晶を育成する際に、その気泡に起因した微小欠陥の発生を防止することが可能になり、シリコン単結晶の品質向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明のシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法について、その実施形態を詳述する。本実施形態でのシリコン融液の形成方法は、シリコン単結晶から派生した非製品部をスライスし、このスライス片を、ルツボ内に充填したシリコン原料の上に敷き詰めた後、不活性ガス雰囲気中でスライス片およびシリコン原料を溶融させてシリコン融液を形成することを特徴とする。さらに、本実施形態でのシリコン単結晶の育成方法は、上記のシリコン融液の形成方法で形成したシリコン融液を用い、このシリコン融液からシリコン単結晶を育成することを特徴とする。
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態であるシリコン融液の形成方法を含むシリコン単結晶の育成方法における工程を模式的に示す図である。図４は、ルツボ内のシリコン原料の充填状態を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は上面図である。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶１１を切断し、製品部となる直胴部１１ａを得る。これに伴って、シリコン単結晶１１からは、非製品部１３となるショルダー部１１ｂとテイル部１１ｃが派生する。非製品部１３には、そのほかにも、直胴部１１ａに含まれる結晶欠陥部や規格外れ部などがあり、これらは、直胴部１１ａを径方向に切断することにより直胴部１１ａの良質部分から分離され、円柱状部１１ｄとして派生する。さらに、シリコン単結晶１１から派生した非製品部１３を径方向に切断することによりスライスし、円板状のスライス片１４を得る。
【００３３】
次に、図３（ｂ）、および図４（ａ）に示すように、ルツボ２内に、先ず、シリコン原料として慣用される多結晶シリコン１２を充填する。多結晶シリコン１２には、ロッド状、塊状または粒状といった種々の形状のものを用いることができる。さらに、図３（ｂ）、並びに図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ルツボ２内に充填した多結晶シリコン１２の上に、シリコン単結晶１１から派生した非製品部１３のスライス片１４を敷き詰める。これにより、ルツボ２内の多結晶シリコン１２は、上方の全域が複数枚のスライス片１４により覆われた状態になる。
【００３４】
続いて、シリコン原料として多結晶シリコン１２とスライス片１４が充填されたルツボ２を、チャンバ内において減圧下の不活性ガス雰囲気中でヒータにより加熱する。これにより、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、ルツボ２内の多結晶シリコン１２とスライス片１４は、ルツボ２の上方から不活性ガスが吹き付けられながら、徐々に溶融し、シリコン融液１０が形成される。
【００３５】
その際、シリコン原料の溶融は、ヒータに接近して配されて放熱も少ないルツボ２の底の隅部から始まり、ルツボ２の中心部かつ上方に向けて進行する（図３（ｃ）参照）。すなわち、ルツボ２内の多結晶シリコン１２が先ず溶融し、その上に敷き詰めたスライス片１４が最後に溶融する。このため、ルツボ２には上方から不活性ガスが吹き付けられているが、多結晶シリコン１２は、スライス片１４によって不活性ガスの吹き付けから遮断された状態で溶融する。これにより、不活性ガスが多結晶シリコン１２同士の間に侵入することはなく、ルツボ２の底に形成されつつあるシリコン融液１０中に不活性ガスが溶け込むのを抑制することができる。その結果、シリコン融液１０中やルツボ２の内壁面において、不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられる。
【００３６】
また、多結晶シリコン１２上のスライス片１４は、放熱を防止する機能も発揮する。このため、シリコン原料全体の溶融が促進し、溶融時間を短縮することができる。これにより、ヒータから石英ルツボが受ける熱負荷の時間が短縮され、その結果として石英ルツボの劣化が抑制され、石英ルツボの延命化も期待できる。
【００３７】
ルツボ２内にシリコン融液１０が形成されると、図３（ｅ）に示すように、ルツボ２内のシリコン融液１０の表面に種結晶７を浸漬し、通常の製造条件に従って上方に引き上げる。これにより、図３（ｆ）に示すように、種結晶７の下方にシリコン単結晶２１が育成される。
【００３８】
こうして育成したシリコン単結晶２１も、切断工程を経ることにより、製品部となる直胴部が得られ、これに伴って、非製品部となるショルダー部やテイル部などが派生し、この非製品部をさらに径方向にスライスすることにより、円板状のスライス片が得られる。このスライス片も、上記の図３（ｂ）に示す工程で、ルツボ２内に充填した多結晶シリコン１２の上に敷き詰めて充填することができる。そして、上記の図３（ｃ）〜（ｆ）に示す工程を繰り返しシリコン単結晶２１を育成することができる。
【００３９】
このようなシリコン単結晶の育成方法によれば、シリコン単結晶から派生した高純度の非製品部をシリコン原料の一部として用いているため、品質上で問題のないシリコン単結晶を育成することができる。
【００４０】
上述したように、シリコン原料を溶融させる際、スライス片により、不活性ガスがシリコン融液中に溶け込むのを抑制することができ、不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられるため、続くシリコン単結晶の育成の際に、その気泡に起因した微小欠陥の発生を防止することが可能になる。しかも、シリコン原料を溶融させる際に、スライス片によって放熱を防止することができるため、シリコン原料全体の溶融が促進し、溶融時間の短縮も期待できる。
【００４１】
上記の図３に示す実施形態において、シリコン原料上に敷き詰めるスライス片に用いる非製品部としては、ショルダー部、テイル部および円柱状部をそれぞれ単独で用いても構わないが、複数組み合わせて用いても構わない。もちろん、直径の異なるシリコン単結晶から派生した非製品部を複数組み合わせて用いることもできる。
【００４２】
最近では、シリコン単結晶の大口径化が図られ、現在実用化されている直径３００ｍｍのシリコン単結晶から、直径４００〜４５０ｍｍのシリコン単結晶への実用化が検討されている。大口径のシリコン単結晶から派生した非製品部は、直径の大きいスライス片を形成することができる。このため、小口径のシリコン単結晶を育成するに際し、ルツボに充填されたシリコン原料の上に、その大直径のスライス片を敷き詰めるようにすれば、スライス片の所要枚数を減少させることができる。
【００４３】
さらに、非製品部として取り扱うショルダー部やテイル部や円柱状部については、個々の品質調査や、派生の元になるシリコン単結晶の直胴部の品質検査に基づき、抵抗値や酸素濃度や炭素濃度などに対応して管理するのが望ましい。育成するシリコン単結晶の仕様に応じ、適正な非製品部を選定し、これをスライスしてルツボに充填できるからである。
【００４４】
また、ルツボ内に先に充填してスライス片で覆われるシリコン原料としては、多結晶シリコンのみならず、シリコン単結晶から派生した非製品部を混合して用いることも可能である。この場合、ショルダー部やテイル部や円柱状部を切断したままの状態で用いることができるが、これらのショルダー部やテイル部や円柱状部をさらに切断したり、粉砕したものでも構わず、場合によっては、洗浄処理が施されたものであってもよい。
【実施例】
【００４５】
本発明のシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法による効果を確認するため、前記図１に示す単結晶引き上げ装置を用いて、以下の試験を行った。本実施例の試験では、内径２２インチのルツボを使用し、これにシリコン原料として多結晶シリコンと非製品部のスライス片を総重量で１４０ｋｇ充填した。このとき、ルツボ内に先ず多結晶シリコンを充填し、その上にスライス片を敷き詰めた。このルツボをアルゴンガス雰囲気中で加熱し、溶融して得られたシリコン融液からシリコン単結晶の育成を行った。また、比較のために、多結晶シリコンのみをルツボに充填し、そのシリコン融液からシリコン単結晶を育成した。
【００４６】
育成したシリコン単結晶の直胴部からサンプルウェーハを採取して品質評価を実施した。具体的には、サンプルウェーハの表面観察を行い、微小欠陥の有無を調査した。これと合わせて、サンプルウェーハの酸素濃度、比抵抗、ＯＳＦ密度、ＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｆｅｃｔ）密度、およびＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ：析出欠陥）密度を調査した。
【００４７】
その結果、多結晶シリコンの上にスライス片を敷き詰めた場合は、微小欠陥がまったく認められなかったが、多結晶シリコンのみを使用した場合は、微小欠陥が僅かではあるが認められた。また、酸素濃度、比抵抗、ＯＳＦ密度、ＬＰＤ密度、およびＢＭＤ密度は、シリコン原料の一部にスライス片を使用しても、多結晶シリコンのみを使用した場合と差がなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のシリコン融液の形成方法およびシリコン単結晶の育成方法によれば、シリコン単結晶から派生した非製品部をスライスし、このスライス片を、ルツボ内に充填されたシリコン原料の上に敷き詰めるため、不活性ガス雰囲気中でのシリコン原料の溶融時に、シリコン原料がスライス片によって不活性ガスの吹き付けから遮断され、これにより、シリコン融液に不活性ガスが溶け込むのを抑制することができ、不活性ガスに基づく気泡の発生が抑えられる。その結果、そのシリコン融液を用いたシリコン単結晶の育成時に、その気泡に起因した微小欠陥の発生を防止することが可能になり、シリコン単結晶の品質向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に適した単結晶引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】不活性ガスに基づいてシリコン原料の溶融時に気泡が発生する状況を模式的に示す図であり、同図（ａ）は溶融前の状態を、同図（ｂ）は溶融中の状態を、同図（ｃ）は溶融後の状態をそれぞれ示している。
【図３】本発明の一実施形態であるシリコン融液の形成方法を含むシリコン単結晶の育成方法における工程を模式的に示す図である。
【図４】ルツボ内のシリコン原料の充填状態を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は上面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    チャンバ
２    ルツボ
３    支持軸
４    ヒータ
５    断熱材
６    引き上げ軸
７    種結晶
８    熱遮蔽体
９    排気口
１０    シリコン融液
１１、２１    シリコン単結晶
１１ａ    直胴部
１１ｂ    ショルダー部
１１ｃ    テイル部
１１ｄ    円柱状部
１２    多結晶シリコン
１３    シリコン単結晶から派生した非製品部
１４    非製品部のスライス片
【図１】
2009286667.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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