(57)【要約】      （修正有）【課題】大口径で大重量のシリコン単結晶を製造する際、ネッキング工程でネック部の中心軸部分に残った転位を、確実に除去できるシリコン単結晶の育成方法を提供する。【解決手段】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成方法において、溶融液に浸漬した種結晶７を上方に引き上げて種結晶径を減径する絞り部８を形成した後、ネック部９を形成する過程で、ネック部９の直径ｄを増大させた後縮小させてなる増径部９ａ−１、またはネック部９の直径ｄを縮小させてｄ１とした後増大させてなる減径部９ｂ−１〜９ｂ−４を形成してネック部径ｄを増減させる。ネック部径ｄの増減を、ネック部９を形成する過程の最終段階で行うこととすれば、軸上転位を含む全ての転位を、より効率よく除去することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内に結晶用シリコン原料を充填して溶解し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下端にシリコン単結晶を成長させるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成方法において、
溶融液に浸漬した種結晶を上方に引き上げて種結晶径を減少させる絞り部を形成した後、定径のネック部を形成する過程で、ネック部の直径を増大させた後縮小させてなる増径部、またはネック部の直径を縮小させた後増大させてなる減径部を形成してネック部径を増減させることを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
【請求項２】
前記ネック部径の増減を、ネック部を形成する過程の最終段階で行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項３】
前記増径部または減径部を複数回形成す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方法に関し、特に大口径で大重量のシリコン単結晶を育成する際のシード絞りにおいて、ネック部の直径が太くてもその中心軸部分に存在する転位を確実に除去することができるシリコン単結晶の育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に用いられるシリコン単結晶を製造する方法には種々の方法があるが、そのなかでも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引き上げ方法を実施するのに適した引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその一部（（ａ）において破線の円で囲んだ部分）の拡大図である。図１（ａ）に示すように、引き上げ装置の外観は図示しないチャンバーで構成され、その中心部にルツボ１が配設されている。このルツボ１は二重構造であり、有底円筒状をなす石英製の内層保持容器（以下、「石英ルツボ」という）１ａと、その石英ルツボ１ａの外側を保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器（以下、「黒鉛ルツボ」という）１ｂとから構成されている。
【０００４】
ルツボ１は回転および昇降が可能な支持軸６の上端部に固定され、ルツボ１の外側には抵抗加熱式ヒーター２が概ね同心円状に配設されている。前記ルツボ１内に投入された所定重量の半導体用シリコン原料は溶融され、溶融液３が形成される。
【０００５】
溶融液３が充填された前記ルツボ１の中心軸上には、支持軸６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き上げ軸（またはワイヤー、以下両者を合わせて「引き上げ軸」という）５が配設されており、引き上げ軸５の下端には種結晶７が保持されている。
【０００６】
このような引き上げ装置を用いてシリコン単結晶の引き上げを行う際には、石英ルツボ１ａ内に半導体用のシリコン単結晶原料を投入し、減圧下の不活性ガス雰囲気中でこの原料をルツボ１の周囲に配設したヒーター２にて溶融した後、形成された溶融液３の表面に引き上げ軸５の下端に保持された種結晶７を浸漬し、ルツボ１および引き上げ軸５を回転させつつ、引き上げ軸５を上方に引き上げて種結晶７の下端面に単結晶を成長させる。
【０００７】
その際、図１（ｂ）に示すように、引き上げ速度を調節して種結晶７の径を減少させて絞り部８およびネック部９を形成するネッキングプロセス（工程）を経た後、引き上げ速度を低下させて結晶径を徐々に増大させ、肩部１０を形成し、定径部１１の引き上げに移行する。定径部が所定長さに達した後、結晶径を徐々に減少させ、最先端部を溶融液３から引き離すことにより１回の引き上げが終了し、所定形状のシリコン単結晶４が得られる。
【０００８】
前記のネッキング（この工程を、「シード絞り」ともいう）は、種結晶をシリコン溶融液と接触させるときのヒートショックにより種結晶内に導入される高密度の転位を除去するために行われる必須の工程である。この転位除去方法はダッシュ（Ｄａｓｈ）法と呼ばれている。
【０００９】
このシリコン単結晶の引き上げ時に種結晶内に導入される転位の除去については、従来、種々の技術が提案されてきた。例えば、特許文献１には、種結晶に続くテーパー状の絞り込み部の長さを種結晶の太さ寸法の２．５倍〜１５倍の長さに保ち、絞り込み部に続く略円柱形状の絞り部の直径を種結晶の太さ寸法の０．０９倍〜０．９倍の太さとし、絞り部直径の変動幅を１ｍｍ以下に保ち、かつ絞り部の長さを２００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲に保って種結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法が開示されている。このように、種結晶下端から絞り部下端までを特定の形状にすることによって、種絞り部分の直径を太くしても無転位化することができるとしている。
【００１０】
また、特許文献２では、１２インチ以上の大口径、大重量の単結晶を引き上げるため、ネックの下に一旦結晶の径を拡大させた拡大部を形成した後、径を縮小させた縮小部を形成し、この縮小部を単結晶保持手段で保持しながら単結晶を引き上げる方法、装置が開示されている。この引き上げ方法によれば、大型の単結晶を、破損や落下等の事故を発生させることなく容易に引き上げることができるとともに、前記縮小部を形成する間、光学的計測手段により、常時、単結晶の成長界面（メニスカス）の輝度を測定することにより径の制御を行うので、溶融液温度等の条件の変化に対応し易く、縮小部への転位の導入を防止することができるとしている。
【００１１】
近年の半導体デバイスの高集積化、低コスト化及び生産性の効率化に対応して、ウェーハも大口径化が要求されてきており、育成されるシリコン単結晶も大口径化の一途を辿り、大口径の無転位シリコン単結晶が製造可能な技術開発が急務の状況下にある。
【００１２】
しかしながら、ダッシュ法により直径３ｍｍ程度の細いネック部を形成する場合には、転位を除去することができるものの、直径４ｍｍ以上のネック径になると、ネック部の中心軸部分に残った転位は外周へ移動しにくく、ネック部の長さを長くしてもネック部の中心軸部分に僅かに転位が残ることがある。その場合は、ネック部を通じて転位が成長結晶に引き継がれ、無転位のシリコン単結晶の育成ができないという問題があることが判明した。
【００１３】
前掲の特許文献には、シード絞りを行った場合でも中心軸部分に残ることがある僅かな転位の除去についての記載はない。
【００１４】
【特許文献１】特許第８２２９０４号
【特許文献２】特開平１０−７２２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、シリコン単結晶の引き上げ時における上記の問題に鑑みなされたもので、特に大口径で大重量のシリコン単結晶を製造する際、ネック部の中心軸部分に残った転位を確実に除去することができるシリコン単結晶の育成方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明者らは、先ず、シリコン溶融液に浸漬させた種結晶に導入される転位を通常のダッシュ法により除去する処理を行い、ネック部の無転位化の状況を調査した。
【００１７】
図２は、通常のダッシュ法により形成したネック部の転位除去の様子を例示するＸ線トポグラフ（ＸＲＴ）写真で、結晶方位が［１００］の種結晶を用い、これをシリコン溶融液に浸漬させ、シード絞りを行った際の状況を示している。図中に白く見える部分が、転位が存在している部分である。なお、図２では、便宜上、引き上げ方向を紙面上の左方向にとって示している。
【００１８】
図２において、「着液」と記した位置が種結晶をシリコン溶融液に浸漬させた位置であり、その位置から種結晶を引き上げ、シード絞りを行った。図中に記した「着液」位置から下向きの白抜き矢印（図２（ｃ）で符号ＤＦを付した矢印）で示した位置までの「転位抜け引き上げ長」は、ＸＲＴ検査で転位が除去されたと判断された引き上げ長さである。
【００１９】
図２に示されるように、（ａ）および（ｂ）の引き上げ例では、１００ｍｍに満たない引き上げ長で転位が除去されており、（ｃ）の引き上げ例では、１１５ｍｍの引き上げ長で転位が除去されている。すなわち、ＸＲＴ検査で観察する限り、１００ｍｍ程度の種結晶の引き上げで転位は除去されている。しかし、図２には表されていないが、ネック部の中心軸部分（中心とその極近傍をいう）に、ネック部の中心軸に平行に転位が残っている場合が往々にして認められる（この転位を、ここでは「軸上転位」と記す）。熟練者が軸の状況を観察することにより判別することができる。
【００２０】
このダッシュ法による転位除去後において、ネック部の中心軸部分に残存する転位（軸上転位）を完全に除去する方法を検討する過程で、本発明者らは、ネック部を僅かに（１ｍｍ程度以内）減径することにより転位密度が減少することを知見した。
【００２１】
図３は、ネック部の減径によるネック部無転位化の様子を例示するＸ線トポグラフ（ＸＲＴ）写真と転位密度の減少を模式的に示す図とを対応させて示した図である。
【００２２】
この例では、結晶方位が［１００］の種結晶をシリコン溶融液に浸漬し、直ちに引き上げ速度を若干速めてネック部を僅かに減径し、その後元の径に戻して引き上げを継続した。減径の程度は、同図中に示した８ｍｍを表すスケールとの対比により認められるように、１ｍｍ程度であった。
【００２３】
図３に示すように、ネック部の減径と同時に転位密度が急激に低下し、無転位化している。さらに、シリコン溶融液から取り出し後に軸の状況を観察したところ、軸上転位は存在しなかった。このネック部の減径による無転位化および軸の状況の観察結果は、図３に示した例に限らず、他の種結晶の引き上げでも認められた。したがって、このネック部の減径による転位の除去は、軸上転位の除去にも有効であると考えられる。
【００２４】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は、下記のシリコン単結晶の育成方法にある。
【００２５】
すなわち、坩堝内に結晶用シリコン原料を充填して溶解し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下端にシリコン単結晶を成長させるＣＺ法によるシリコン単結晶の育成方法において、溶融液に浸漬した種結晶を上方に引き上げて種結晶径を減少させる絞り部を形成した後、定径のネック部を形成する過程で、ネック部の直径を増大させた後縮小させてなる増径部、またはネック部の直径を縮小させた後増大させてなる減径部を形成してネック部径を増減させることを特徴とするシリコン単結晶の育成方法である。
【００２６】
ここで、「絞り部」および「ネック部」とは、それぞれ前記図１の拡大図に示したとおり、絞り部８およびネック部９のことである。なお、以下において、絞り部とネック部の両方を指す場合は、「ネック部分」と記す。また、「シード絞り」とは、種結晶の径を減少させて絞り部およびネック部を形成するネッキングの工程をいう。また、「シード絞り長」とは、シード絞りを行う種結晶の引き上げ高さで、種結晶の下端面からのネック部分（絞り部およびネック部）の長さをいう。
【００２７】
本発明のシリコン単結晶の育成方法において、前記ネック部径の増減を、ネック部を形成する過程の最終段階で行うこととすれば、軸上転位を含む全ての転位を、より効率よく除去することができる。
【００２８】
また、本発明のシリコン単結晶の育成方法において、前記増径部または減径部を複数回形成することとすれば、転位除去効果を高める上できわめて有効である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、大口径で大重量のシリコン単結晶を育成する際のシード絞りにおいて、絞り部を細くできず直径が太い場合でも、ネック部の中心軸部分に残った転位（軸上転位）を、簡便な手段で確実に除去することができる。したがって、完全に無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明のシリコン単結晶の育成方法は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成方法において、溶融液に浸漬した種結晶を上方に引き上げて種結晶径を減少させる絞り部を形成した後、定径の（すなわち、概ね円柱状の）ネック部を形成する過程で、ネック部の直径を増大させた後縮小させてなる増径部（すなわち、凸部）、またはネック部の直径を縮小させた後増大させてなる減径部（凹部）を形成してネック部径を増減させることを特徴とする方法である。
【００３１】
図４は、本発明のシリコン単結晶の育成方法の一形態を実施するに際し、絞り部を形成した後、ネック部を形成する過程で、ネック部に減径部（凹部）を形成した状態を模式的に示す図である。
【００３２】
絞り部を形成した後、ネック部を形成する過程では、シリコン溶融液の表面に種結晶を浸漬し、種結晶の下端面に単結晶を成長させるのであるが、その際に、図４に示したように、種結晶７の径を減少させて絞り部８を形成し、続いてネック部９を形成する。本発明の単結晶育成方法では、このネック部９を形成する段階で、ネック部９の直径ｄを縮小させてｄ１とした後、増大させてなる減径部（凹部）９ｂ−１を形成する。この例では、同様に、減径部９ｂ−４まで合わせて４個の減径部が形成されている。
【００３３】
減径部を形成する代わりに、増径部を形成してもよい。例えば、前記の図４では、減径部９ｂ−１と９ｂ−２の間の凸部９ａ−１が増径部となっている。すなわち、ネック部９の直径ｄを一旦ｄ１に縮小させた後、増径部９ａ−１を形成している例である。この場合は、３個の増径部が形成されている。
【００３４】
絞り部を形成した後、ネック部を形成する過程でこのようにネック部径を増減させて増径部または減径部を形成するのは、それによって、ネック部の中心軸部分に残った転位（軸上転位）を除去することができるからである。特に、シリコン単結晶が大口径、大重量であって、ネック部を細くできず直径が太い場合であっても、軸上転位を確実に除去することが可能である。
【００３５】
増径または減径によるネック部径の増大または減少幅は、１ｍｍ以内とするのが望ましい。直径３００ｍｍのシリコン単結晶引き上げを例にとると、通常は、直径１０ｍｍ以上のシリコン種結晶を使用して、直径４ｍｍ〜６ｍｍ程度のネック部となるようにネック径を減径するので、１ｍｍ以内の増径または減径を行った後のネック部径がこの範囲に入るようにすればよい。
【００３６】
増径部または減径部を形成する回数（つまり、何箇所に形成するか）は、特に規定しない。図４に示した例では、減径部の形成回数は４回であるが、前記図３に示したように、減径部を１回形成するだけで転位を完全に除去できる場合もある。
【００３７】
増径部または減径部の形成は、シリコン単結晶の引き上げ速度を変化させることにより行えばよい。引き上げ速度を僅かに減少させまたは増大させることにより、容易に増径部または減径部を形成させることができる。
【００３８】
ネック部形成過程でネック部径を増大または減少させることにより、ネック部の中心軸部分に残存する転位（軸上転位）を除去することができるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、シリコン単結晶の引き上げ速度を変化させることにより固液界面（シリコン溶融液から結晶へと相変態する際の溶融液／結晶界面）の形状が変化するが、固液界面の形状が頻繁に変化することで、ネック部の中心軸部分に残り、なかなか外周へ移動しなかった転位はその移動方向を変化させ、外周部に吐き出される。これにより転位は完全に除去される。
【００３９】
前記引き上げ速度の変化は、緩やかに行うよりも、小幅にかつ頻繁に行う方が効果的である。また、ネック部径の増大と減少は、固液界面の形状変化という観点からすれば同じとみられ、したがって同質の効果を奏するものとみることができるが、一般的には、ネック部を細くする方が転位の除去には有利なので、ネック部径を減少させることが望ましい。
【００４０】
なお、前掲の特許文献１に、絞り部直径の変動幅を１ｍｍ以下に保つことが記載され、同文献の図２には、前記変動により生じた凹凸が模式的に示されているが、本発明の一実施形態においてネック部に形成させる増径部（凸部）または減径部（凹部）は、この特許文献１に記載の絞り部に生じる凹凸とは明白に異なるものである。
【００４１】
すなわち、前者（本発明の一実施形態においてネック部に形成させる凸部または凹部）は、前述のように、シリコン単結晶の引き上げ速度を強制的に変化させて凸部または凹部を形成させる過程で固液界面の形状を頻繁に変化させ、それによりネック部の中心軸部分に残存する転位（軸上転位）を除去するという目的のもとに形成され、そのような作用効果を有するものであるのに対し、後者（特許文献１に記載の絞り部に生じる凹凸）は、この凹凸（つまり、溶融液の温度変動や溶融液の対流変動などの外乱による絞り部直径の変動）を極力小さくしてその部分への応力集中をなくし、塑性変形を生じにくくして強度を高めることを目的とするものである。
【００４２】
また、本発明のシリコン単結晶の育成方法において、前記ネック部径の増減を、ネック部を形成する過程の最終段階で行うこととすれば、軸上転位を含む全ての転位を一層効率よく除去することができ、より望ましい実施形態である。ネック部内に転位が高密度に存在する状態でネック部径を増減させると、逆に転位が増殖してしまう恐れがある。なお、ネック部形成中に中心軸部分に存在する転位以外の転位が除去されたかどうかについては、熟練者がネック部外表面のシーム（晶癖線）の形状を観察することにより判別することができる。
【００４３】
図５は、本発明のシリコン単結晶の育成方法の一実施形態において行うネック部分（絞り部およびネック部）の形成過程を工程順に示す図である。図示するように、「増径・減径部形成」工程の後、直ちに「肩部形成」工程に移行しており、前記のより望ましい実施形態でのネック部分の形成過程が示されている。
【００４４】
本発明のシリコン単結晶の育成方法において、前記増径部または減径部を複数回形成することとすれば、転位除去効果をより高める上できわめて有効である。前記の図４に示したネック部９がその一例であり、減径部が４回（４箇所に）形成されている。
【００４５】
本発明の単結晶育成方法においてネック部に増径部または減径部を形成するのは、前述のように、シリコン単結晶の引き上げ速度を意図的に変化させることにより固液界面の形状を変化させて、ネック部の外周へ移動しにくい軸上転位の移動方向を外周方向へ変えるためであるが、増径部または減径部を複数回形成することにより固液界面の形状変化を頻繁に起こさせて、転位の移動方向を変化させる機会を何度も与えることができる。固液界面の形状変化を頻繁に起こさせるのであるから、増径部または減径部の形成（すなわち、引き上げ速度の変化）は、間をおかず、図４に示したように連続して行うことが望ましい。
【００４６】
なお、ネック部への増径部または減径部の形成回数は、引き上げようとする単結晶育成条件によって適宜変更すればよく、例えば、ネック径を大きくしなければならない場合や、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶育成では、増径部または減径部の形成回数を増大させるようにすればよい。結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶では、結晶構造上、引き上げ軸方向と平行なスベリ面である（１１１）面を有しているので、シリコン溶融液との接触により発生した転位は、シード絞りを行った場合でも種結晶外に抜けにくく、ネック部の中心軸部分に転位が残ることが多いからである。
【００４７】
以上述べた本発明のシリコン単結晶の育成方法およびその実施形態によれば、シリコン単結晶が大口径で重量が大きく、シード絞りの際に絞り部の直径を細くできない場合でも、ネック部の中心軸部分に残った転位（軸上転位）を、簡便な手段で確実に除去することができる。したがって、軸上転位を含め、転位が完全に除去されたシリコン単結晶を育成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のシリコン単結晶の育成方法は、ＣＺ法により単結晶を育成する際に、絞り部を形成した後、ネック部を形成する過程で、ネック部径を増減させる育成方法である。この育成方法によれば、絞り部の直径を細くできない場合でも、ネック部の中心軸部分に残った転位を確実に除去して、完全に無転位のシリコン単結晶を育成することができる。
【００４９】
したがって、本発明のシリコン単結晶の育成方法は、半導体基板材料の製造分野において広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げ方法を実施するのに適した引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその一部の拡大図である。
【図２】通常のダッシュ法によるネック部の転位除去の様子を例示するＸＲＴ写真である。
【図３】ネック部の減径によるネック部の無転位化の様子を例示するＸＲＴ写真と転位密度の減少を模式的に示す図とを対応させて示した図である。
【図４】本発明のシリコン単結晶の育成方法を実施するに際し、絞り部を形成した後、ネック部を形成する過程で、ネック部に減径部を形成した状態を模式的に示す図である。
【図５】本発明のシリコン単結晶の育成方法において行うネック部分（絞り部およびネック部）の形成過程を工程順に示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：ルツボ、１ａ：石英ルツボ、１ｂ：黒鉛ルツボ
２：ヒーター
３：溶融塩
４：シリコン単結晶
５： 引き上げ軸
６：支持軸 
７：種結晶
８：絞り部
９：ネック部 
９ｂ−１、９ｂ−２、９ｂ−３、９ｂ−４：減径部
９ａ−１：増径部
１０：肩部
１１：定径部
【図１】
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【図２】
2009263142.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009263142.tif 000006
【図５】
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