シリコン単結晶の育成方法
【課題】径方向全域にわたりＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない無欠陥領域の単結晶を歩留り良く安定して育成することができるシリコン単結晶の育成方法を提供する。
【解決手段】育成中の単結晶を囲繞する水冷体１１と、この水冷体１１の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体１０と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂとを配置し、各ヒータ４ａ、４ｂの出力を調整してルツボ底中心部での融液温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液９に横磁場を印加しながら、単結晶８の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で引き上げを行う。これにより、径方向全域で無欠陥領域となる引き上げ速度の許容範囲が拡大し、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶８を歩留り良く安定して育成できる。
【解決手段】育成中の単結晶を囲繞する水冷体１１と、この水冷体１１の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体１０と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂとを配置し、各ヒータ４ａ、４ｂの出力を調整してルツボ底中心部での融液温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液９に横磁場を印加しながら、単結晶８の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で引き上げを行う。これにより、径方向全域で無欠陥領域となる引き上げ速度の許容範囲が拡大し、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶８を歩留り良く安定して育成できる。
【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、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のいずれも発生しない無欠陥領域を径方向の全域に拡大させたシリコン単結晶、さらに無欠陥領域のうちでゲッタリング能にも優れる酸素析出促進領域（Ｐｖ領域）を径方向全域に拡大させたシリコン単結晶を歩留り良く育成する方法に関する。
【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。ＣＺ法による単結晶の育成では、減圧下の不活性ガス雰囲気に維持されたチャンバ内において、石英ルツボに貯溜されたシリコンの原料融液に種結晶を浸漬し、浸漬した種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。
【０００３】
図１は、シリコン単結晶から採取したウェーハで観察される欠陥分布の一例を示す模式図である。同図に示す欠陥分布は、引き上げ速度を徐々に低下させながら単結晶を育成し、育成した単結晶のうちで比較的中速の引き上げ速度で育成した部分からウェーハを採取し、そのウェーハの表面にＣｕを付着させ、熱処理を施した後、そのウェーハ内部をＸ線トポグラフ法により観察した結果を示している。
【０００４】
図１に示すウェーハでは、半径の約１／２の位置に、リング状に分布したＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault：酸化誘起積層欠陥）の領域が現れている。ＯＳＦ領域の内側の領域には、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）などの赤外線散乱体欠陥が現れる。ウェーハの外周部の領域には、転位クラスタが現れる。ＣＯＰは、結晶格子を構成すべき原子が欠けた空孔の凝集体に起因する欠陥であり、転位クラスタは、結晶格子間にＳｉ原子が入り込んだ格子間シリコンの凝集体に起因する欠陥である。これらのＣＯＰや転位クラスタは、単結晶の育成過程でその原因が導入されることから、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と称される。
【０００５】
また、図１に示すように、ＯＳＦ領域と転位クラスタ領域との間には、ＣＯＰおよび転位クラスタのいずれのｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も発生しない無欠陥領域が存在する。この無欠陥領域は、ＯＳＦ領域に隣接するＰｖ領域と、このＰｖ領域の外側で転位クラスタ領域に隣接するＰｉ領域とに区分される。Ｐｖ領域は、空孔が優勢に存在する無欠陥領域であり、熱処理により酸素析出物が発生し易い特質を有する。このため、Ｐｖ領域は、酸素析出促進領域とも称される。一方、Ｐｉ領域は、格子間シリコンが優勢に存在する領域であり、酸素析出物が発生し難い特質を有する。
【０００６】
通常、上記の欠陥分布は、単結晶を育成する際の引き上げ速度により変動する。すなわち、引き上げ速度を高速にして単結晶の育成を行った場合、単結晶の径方向全域にわたり赤外線散乱体欠陥領域が発生する。引き上げ速度を低下させていくと、単結晶の外周部からＯＳＦ領域がリング状に出現する。ＯＳＦ領域は、引き上げ速度の低下に伴って、その径が次第に縮小し、やがて消滅する。これに伴い、ＯＳＦ領域の外側に相当する無欠陥領域（Ｐｖ領域、Ｐｉ領域）が出現し、ついには無欠陥領域に代わって転位クラスタ領域が出現する。
【０００７】
近年、半導体デバイスの高集積化の進展により、シリコンウェーハは、要求される品質がますます高まり、ＯＳＦを含め、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の存在が問題視されている。ＣＯＰは、ゲート酸化膜の耐圧特性を劣化させる因子であり、ＯＳＦや転位クラスタは、半導体デバイスの活性領域となるウェーハ表面に存在した場合、電気特性を悪化させる。このため、単結晶の育成では、ＯＳＦやｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を排除し、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる高品質の単結晶を育成する技術が強く望まれている。
【０００８】
このような要求に対し、例えば、特許文献１には、単結晶を育成する際に、引き上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とし、シリコンの融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、単結晶中心部より外周から３０ｍｍまでの内部ではＶ／Ｇを０．２０〜０．２２とし、単結晶外周に向かってはＶ／Ｇを漸次増加させるように温度勾配を制御する単結晶の育成方法が開示されている。この育成方法によれば、育成中の単結晶を囲繞する熱遮蔽体を配置し、規定のＶ／Ｇを満足する条件で単結晶の引き上げを行うことにより、ＯＳＦおよび転位クラスタを発生させることなく、ＯＳＦ領域外側の無欠陥領域のみを径方向全域にわたり拡大することができる。
【０００９】
また、特許文献２には、結晶中の固液界面形状が周辺５ｍｍを除いて固液界面の平均値に対し±５ｍｍ以内となるように単結晶を引き上げることにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない無欠陥領域の単結晶を育成する方法が開示されている。この育成方法では、±５ｍｍ以内の固液界面形状を実現するにあたり、育成中の単結晶を囲繞する熱遮蔽体を配置し、単結晶育成時に、結晶中の固液界面近傍の温度が１４２０℃から１３５０℃までの範囲、またはシリコンの融点から１４００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、これらの温度勾配の差ΔＧ（＝Ｇｅ−Ｇｃ）が５℃／ｃｍ以内となるように炉内温度を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３３０３１６号公報
【特許文献２】特開平１１−０７９８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の通り、前記特許文献１、２に開示された単結晶の育成方法によれば、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる単結晶を育成することが可能である。しかし、径方向全域を無欠陥領域にすることが可能な引き上げ速度は、実質的に狭い範囲に限られ、その狭い範囲内に引き上げ速度を維持しながら単結晶を育成するのは、実操業ではかなり難しい。
【００１２】
さらに、近年、無欠陥領域のうちでＰｖ領域が注目され、Ｐｖ領域のみのウェーハが求められることがある。Ｐｖ領域は、ＣＯＰおよび転位クラスタのいずれのｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も存在しない上、半導体デバイス製造工程での熱処理によりゲッタリングに寄与する酸素析出物が形成されるという優れた特質を有するからである。しかし、径方向全域をＰｖ領域にする場合、単結晶育成時に許容される引き上げ速度の範囲は一層狭まることから、その要求に十分に応えることは極めて困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶、さらには無欠陥領域のうちのＰｖ領域（酸素析出促進領域）のみとなる単結晶を育成する際、それらの単結晶を育成することが可能な引き上げ速度の範囲の拡大を図り、それらの単結晶を歩留り良く安定して育成することができる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】
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成するため、単結晶の育成条件を詳細に検討し、種々の試験を行った。その結果、径方向全域を無欠陥領域、さらにＰｖ領域のみにすることが可能な引き上げ速度の範囲を十分拡大するには、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために、単結晶を囲繞する熱遮蔽体に加えその内側に水冷体を配置した単結晶育成装置を用い、ルツボを囲繞してシリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを採用し、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制限した条件で、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加しながら単結晶の引き上げを行うのが有効であることを知見した。
【００１５】
図２は、単結晶育成時の引き上げ速度と欠陥分布との関係を育成条件ごとに示す模式図であり、同図（ａ）は水冷体を配置することなく熱遮蔽体を配置し、ルツボ内の融液に磁場を印加しない状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、同図（ｂ）は熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、および、同図（ｃ）は熱遮蔽体と水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度を低温に設定した条件で、それぞれ単結晶の育成を行った場合を示す。
【００１６】
図２（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示す欠陥分布は、引き上げ速度を徐々に低下させながら単結晶を育成し、育成した単結晶を中心軸に沿って縦方向に切断して板状試片とし、その表面にＣｕを付着させ、熱処理を施した後、その板状試片の内部をＸ線トポグラフ法により観察した結果を示している。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）に示す単結晶の育成では、シリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割されていない慣用の一体ヒータを採用した。通常、一体ヒータを採用した場合、その均一な発熱により、ルツボ全域が概ね均一に加熱されるため、ルツボ底中心部での融液温度は１５００℃以上の高温となる。特に、水冷体を配置して一体ヒータを採用した場合、固液界面近傍の融液の熱が水冷体に吸収されることから、単結晶育成時、融液温度の低下を抑えるためにヒータの出力を高く調整する傾向にあり、ルツボ底中心部での融液温度は顕著に高温となる。
【００１８】
一方、図２（ｃ）に示す単結晶の育成では、シリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割されたヒータを採用し、各ヒータの出力を個別に調整することにより、ルツボ底中心部での融液温度を意図的に低い温度に設定した。さらに、図２（ｃ）に示す単結晶の育成では、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加した。
【００１９】
また、水冷体を配置した図２（ｂ）、（ｃ）に示す単結晶の育成では、引き上げ速度を０．９０ｍｍ／ｍｉｎから０．６０ｍｍ／ｍｉｎまで徐々に低下させた。水冷体を配置していない図２（ａ）に示す単結晶の育成では、水冷体を配置した場合と比較して、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配が低下する傾向にあるため、欠陥分布を観察できるように、より引き上げ速度を低下させた。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、水冷体を配置しない場合、育成中の単結晶を冷却する効果が十分でないことから、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配Ｇが小さく、径方向全域をＰｖ領域およびＰｉ領域からなる無欠陥領域にすることが可能な引き上げ速度の範囲（以下、「無欠陥引き上げ速度マージン」ともいう）が著しく狭い。
【００２１】
一方、図２（ｂ）に示すように、水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である場合、図２（ａ）に示す場合と比較して、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配Ｇが大きくなり、これに伴って無欠陥引き上げ速度マージンが拡大する。ただし、この場合は、無欠陥引き上げ速度マージンが拡大するが、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界が半径の約１／２の位置でＰｖ領域に張り出しているため、径方向全域をＰｖ領域のみにすることが可能な引き上げ速度の範囲（以下、「Ｐｖ引き上げ速度マージン」ともいう）は十分に広いといえない。
【００２２】
これに対し、図２（ｃ）に示すように、水冷体を配置し、ルツボ底中心部での融液温度が低温であり、さらに横磁場を印加する場合、図２（ｂ）に示す場合と同様に無欠陥引き上げ速度マージンが拡大し、これに加え、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンも拡大する。
【００２３】
図３は、単結晶育成時の固液界面の形状を育成条件ごとに示す模式図であり、同図（ａ）は熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、一体ヒータを用いてルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、および、同図（ｂ）は熱遮蔽体と水冷体を配置し、上下に分割されたヒータを用いてルツボ底中心部での融液温度を低温に設定した条件で、それぞれ単結晶の育成を行った場合を示す。すなわち、図３（ａ）は前記図２（ｂ）に対応し、図３（ｂ）は前記図２（ｃ）に対応する。
【００２４】
通常、単結晶育成時には、ルツボ底中心部から単結晶直下に向けて原料融液の上昇流が発生する。一体ヒータを用いてルツボ全域を加熱した場合、上述の通り、原料融液は、ルツボ底中心部で１５００℃以上の高温になる。このため、図３（ａ）に示すように、ルツボ底中心部での融液温度が高温である場合、高温の原料融液がルツボ底中心部からの上昇流に伴って上昇し、単結晶直下に到達するため、単結晶直下の融液温度が高温になり、固液界面形状の上凸度合いが増大する。その結果、結晶欠陥の面内分布が不均一となりやすく、結晶欠陥の面内均一化を十分に実現することができない。
【００２５】
これに対し、上下に分割された上側ヒータおよび下側ヒータを用いる場合、各ヒータの出力を調整して、ルツボの側壁の上部よりも下部の発熱量を低下させることにより、ルツボ底中心部での融液温度を低温にすることができる。この場合、図３（ｂ）に示すように、低温の原料融液がルツボ底中心部からの上昇流に伴って上昇し、単結晶直下に到達するため、単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小し、固液界面形状の平坦化が図られる。その結果、結晶欠陥の面内均一化を十分に実現することができる。
【００２６】
上述の通り、水冷体を配置した場合に、ルツボ底中心部の融液温度を低温にし、横磁場を印加しながら単結晶を育成することによりＰｖ引き上げ速度マージンが拡大するのは、以下の理由によると推察される。
【００２７】
ルツボ底中心部の融液温度が低温であると、ルツボ底中心部から単結晶直下への上昇流に起因して単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小する。このとき、横磁場の印加により、固液界面近傍の温度の急激な変動が抑制される。このため、固液界面は、点欠陥の外方拡散（半径方向の拡散）が影響する外周部を除いて平坦化し、点欠陥の引き上げ軸方向の拡散が均一化する。
【００２８】
また、育成中の単結晶は、熱遮蔽体の下端より上側では水冷体により冷却される一方、熱遮蔽体の下端より下側では原料融液からの輻射熱により加熱され、点欠陥濃度の取り込み量が決まる固液界面近傍において、単結晶外周部での熱放散が抑制される。このため、無欠陥領域の単結晶を育成する温度分布として重要な単結晶外周部において、引き上げ軸方向の温度勾配が中心よりも小さい状態で保持され易くなる。
【００２９】
これらの相乗効果により、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンが拡大する。
【００３０】
以上の知見に基づき、さらに効果が顕著になる条件の限界を確認して本発明を完成させた。本発明の要旨は、下記のシリコン単結晶の育成方法にある。
【００３１】
ＣＺ法により、チャンバ内に配置したルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成する方法であって、育成中の単結晶を囲繞する水冷体と、この水冷体の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータおよび下側ヒータとを配置し、各ヒータの出力を調整してルツボ底の中心部での原料融液の温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液に横磁場を印加しながら、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で単結晶の引き上げを行い、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる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。
【００３２】
この育成方法では、前記上側ヒータの出力を前記下側ヒータの出力の１．５倍以上に設定することが好ましい。また、前記上側ヒータの引き上げ軸方向長さを前記下側ヒータの引き上げ軸方向長さ以上とすることが好ましい。
【００３３】
従来、水冷体を融液の上に配置したホットゾーンを採用した場合、ボディ部の引き上げ前半で、固液界面形状の上凸度合いが大きくなる傾向がある。このため、上記の育成方法において、前記上側ヒータおよび前記下側ヒータの出力調整は、前記単結晶のボディ部の引き上げ前半で行うことが有効である。すなわち、ボディ部の引き上げ前半で、下側ヒータの出力を上側ヒータの出力よりも低く設定して、ルツボ底中心部での融液温度を低下させ、固液界面形状の上凸度合いを小さくすることにより、Ｐｖ領域の面内分布を均一化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンを拡大することが可能となる。もちろん、Ｐｖ引き上げ速度マージンを有効に拡大させるには、ボディ部の引き上げ方向の全長にわたり、上側ヒータおよび下側ヒータの出力調整を行ってもよい。
【００３４】
それらの育成方法は、前記無欠陥領域が酸素析出促進領域である単結晶を育成対象とすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、さらに、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを配置して、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制限しつつ、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加することにより、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを拡大させることができ、その結果、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶、さらにはＰｖ領域のみとなる単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリコン単結晶から採取したウェーハで観察される欠陥分布の一例を示す模式図である。
【図２】単結晶育成時の引き上げ速度と欠陥分布との関係を育成条件ごとに示す模式図である。
【図３】単結晶育成時の固液界面の形状を育成条件ごとに示す模式図である。
【図４】本発明のシリコン単結晶の育成方法を適用できる単結晶育成装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明の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。
図４は、本発明のシリコン単結晶の育成方法を適用できる単結晶育成装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、単結晶育成装置は、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。
【００３８】
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。ヒータ４は、上下に分割された上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂから構成され、上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂは個別に出力の調整が可能である。
【００３９】
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。
【００４０】
チャンバ１内には、ルツボ２内の原料融液９の上方で育成中のシリコン単結晶８を囲繞する円筒状の水冷体１１が配置されている。水冷体１１は、例えば、銅などの熱伝導性の良好な金属からなり、内部に流通される冷却水により強制的に冷却される。この水冷体１１は、育成中のシリコン単結晶８の冷却を促進し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を制御する役割を担う。
【００４１】
さらに、水冷体１１の外周面および下端面を包囲するように、筒状の熱遮蔽体１０が配置されている。熱遮蔽体１０は、育成中のシリコン単結晶８に対して、ルツボ２内の原料融液９やヒータ４やルツボ２の側壁からの高温の輻射熱を遮断するとともに、固液界面近傍に対して、低温である水冷体１１への熱の放散を抑制し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を水冷体１１とともに制御する役割を担う。
【００４２】
また、チャンバ１の外側には、ルツボ２を挟んで対向する一対の電磁コイル１４が配設されている。電磁コイル１４は、電磁コイル１４同士の間に水平方向の横磁場を発生させ、ルツボ２内の原料融液９に横磁場を印加する。横磁場の印加により、原料融液９の自然対流が抑制され、固液界面における融液温度の急激な変動が抑えられる。
【００４３】
チャンバ１の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ１内に導入するガス導入口１２が設けられている。チャンバ１の下部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ１内の気体を吸引して排出する排気口１３が設けられている。
【００４４】
このような育成装置を用いたシリコン単結晶８の育成では、チャンバ１内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ２に充填した多結晶シリコンなどの固形原料を
上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの加熱により溶融させ、原料融液９を形成する。ルツボ２内に原料融液９が形成されると、引き上げ軸６を下降させて種結晶７を原料融液９に浸漬し、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、種結晶７の下方にシリコン単結晶８を育成する。
【００４５】
単結晶の育成に際しては、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶を育成するために、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の単結晶中心部の温度勾配Ｇｃと単結晶外周部の温度勾配Ｇｅとの関係がＧｃ／Ｇｅ＞１の条件を満足するように、熱遮蔽体１０および水冷体１１の寸法形状を設定するとともに、単結晶の引き上げ速度を調整し、単結晶の引き上げを行う。
【００４６】
熱遮蔽体１０の下端と原料融液９の液面との隙間は、３０〜１００ｍｍの範囲が好ましく、製品直径が２００ｍｍの単結晶を育成する場合は、育成時に変更することなく４５ｍｍ程度に確保することがより好ましい。この場合、融点から１３７０℃までの温度範囲ではＧｃ／Ｇｅが０．８８〜０．９９、さらに１３７０℃から１３１０℃までの温度範囲ではＧｃ／Ｇｅが１．２８〜１．３４をそれぞれ満足し、融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ速度をＶとするとき、Ｖ／Ｇｃが０．１６〜０．１８となる条件で、単結晶の引き上げを行うのが好ましい。径方向全域で無欠陥領域となる単結晶をより確実に育成することができるからである。
【００４７】
これと合わせて、ルツボ２の底の中心部での原料融液９の温度を１４９０℃以下の低温とした条件で、電磁コイル１４により原料融液９に横磁場を印加しながら、単結晶の引き上げを行う。ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温にすると、ルツボ底中心部から単結晶直下への上昇流に起因して単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小し、固液界面形状の平坦化が図られる。
【００４８】
これにより、固液界面形状の上凸度合いを最大で５ｍｍに抑制することができ、その結果、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、無欠陥引き上げ速度マージンが拡大すると同時に、Ｐｖ引き上げ速度マージンも顕著に拡大する。このため、単結晶育成中に、単結晶の引き上げ速度が多少変動したとしても、径方向全域を無欠陥領域にするだけでなく、Ｐｖ領域のみにすることもでき、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない高品質の単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【００４９】
このような融液温度の調整は、上側ヒータ４ａと下側ヒータ４ｂの出力を個別に調整することにより行える。すなわち、上側ヒータ４ａの出力を下側ヒータ４ｂの出力よりも高く設定すれば、ルツボ２の側壁を有効に発熱させ、ルツボ２の底壁の発熱を抑えることができるため、ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温にすることができる。具体的には、上側ヒータ４ａの出力を下側ヒータ４ｂの出力の１．５倍以上に設定するのが好ましい。
【００５０】
また、上側ヒータ４ａと下側ヒータ４ｂの出力調整によって融液温度分布を調整する際、ルツボ２の底における中心部の温度を指標とすることができる。ルツボ底の中心部温度は、当該ルツボ底中心部での融液温度と一致するからである。
【００５１】
ところで、ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温に調整する際、ルツボ底の中心部温度が原料融液９の融点以下になり、ルツボ２の底で原料融液９が凝固し固層が形成される場合がある。この場合であっても、育成中の単結晶８の回転速度を増加させることにより、ルツボ底中心部から単結晶直下への原料融液９の上昇流を促進し、単結晶直下に低温の融液が供給されるため、固液界面形状の上凸度合いが縮小するのに伴い、固液界面形状の平坦化が図られることに変わりはない。
【００５２】
上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂそれぞれの引き上げ軸方向長さは、両ヒータ４ａ、４ｂによってルツボ２を囲繞する限り特に限定しないが、両ヒータ４ａ、４ｂの個別の出力調整により、効果的にルツボ底中心部での融液温度を低温にすることができる態様として、上側ヒータ４ａの引き上げ軸方向長さを下側ヒータ４ｂの引き上げ軸方向長さ以上とするのが好ましい。ただし、上側ヒータ４ａの長さに比べて下側ヒータ４ｂの長さが短過ぎると、ルツボ底中心部での融液温度の低温化を十分に行えないおそれがあるため、下側ヒータ４ｂの長さを上側ヒータ４ａの長さの１／３以上とするのが好ましい。
【００５３】
電磁コイル１４により印加する横磁場の強さは、０．２５〜０．４５Ｔ（２５００〜４５００Ｇ）とするのが好ましい。０．２５Ｔ未満では、融液流れを抑制する効果が薄れ、固液界面近傍の急激な温度変動を抑制する効果が十分でなく、単結晶の直径の制御性が乱れることがあり、その結果、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界の平坦化を安定して図ることができないからである。一方、０．４５Ｔを超えると、磁場強度が強いため、漏れ磁場が大きくなって、単結晶引き上げの装置や環境に悪影響を与えたり、磁場印加装置の設備コストが高くなるからである。
【００５４】
上述した上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの出力調整を伴う単結晶の育成は、製品となるボディ部の引き上げ方向の全長にわたり行ってもよいが、ボディ部のトップ側の育成、すなわちボディ部の引き上げ前半に特定して行うこともできる。ここでいう「ボディ部の引き上げ前半」とは、ボディ部の育成に移行してから、ボディ部の育成長さが目標長さの１／２の範囲内を意味する。実操業では、ボディ部の引き上げ前半において、固液界面形状の上凸度合いが大きくなって、引き上げ速度マージンが狭めになり、ボディ部の引き上げ後半においては、固液界面形状の上凸度合いが小さくなって、引き上げ速度マージンが広めになる場合が多く、この場合には、ボディ部の引き上げ前半で、上述した上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの出力調整を行うことにより、無欠陥引き上げ速度マージンやＰｖ引き上げ速度マージンが拡大し、安定して無欠陥領域の単結晶を育成することが可能になる。
【実施例】
【００５５】
本発明の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４に示す育成装置を用い、ボディ部の目標直径を２１０ｍｍ、ボディ部の目標長さを１７００ｍｍとするＢドープのｐ型シリコン単結晶の育成試験を行った。
【００５６】
（実施例１）
実施例１の試験では、上側ヒータと下側ヒータの出力比を種々変更し、この変更に伴ってルツボ底の中心部温度を変更した各条件で、横磁場を印加しつつ、引き上げ速度を０．９０ｍｍ／ｍｉｎから０．６０ｍｍ／ｍｉｎまで徐々に低下させながら、単結晶を育成した。このとき、熱遮蔽体の下端と原料融液の液面との隙間は４５ｍｍに設定した。なお、比較のために、一体ヒータを想定して上側ヒータと下側ヒータの出力比を１とした条件で単結晶を育成した。
【００５７】
育成した各単結晶を中心軸に沿って縦方向に切断し、板状試片とした。各板状試片を硝酸銅水溶液に浸漬して、その表面にＣｕを付着させ、９００℃×２０ｍｉｎの熱処理を施した後、その板状試片の内部をＸ線トポグラフ法により観察し、引き上げ速度と欠陥分布との関係を調査した。そして、各板状試片での引き上げ速度と欠陥分布との関係に基づき、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを求めた。下記の表１に、その試験条件と結果を示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
同表に示すように、本発明で規定する条件、すなわち熱遮蔽体に加えて水冷体を配置した条件、横磁場を印加する条件、およびルツボ底中心部での融液温度に相当するルツボ底の中心部温度を低温にする条件のいずれの条件も満足する試験番号２〜７では、それらの条件のうちでルツボ底中心部での融液温度に関する条件を満足しない試験番号１と比較し、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンが顕著に拡大した。そして、下側ヒータに対し上側ヒータの出力が増加するのに伴って、引き上げ速度マージンが大きくなる傾向であるが、上側ヒータの出力が下側ヒータの出力の５倍以上になると、引き上げ速度マージンの拡大は飽和することがわかった。
【００６０】
（実施例２）
実施例２の試験では、熱遮蔽体の下端と原料融液の液面との隙間は４５ｍｍに設定し、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて上記Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する引き上げ速度、すなわち上記実施例１のＰｖ引き上げ速度マージン内の引き上げ速度を目標値として設定し、単結晶の育成を行った。このとき、上側ヒータと下側ヒータの出力比を３：１として、ルツボ底中心部での融液温度を本発明の規定範囲内の低温に設定する操作を、ボディ部のトップ側からボトム側の全長にわたり行った場合と、ボディ部の育成に移行してから８５０ｍｍの範囲内で行った場合とで、それぞれ単結晶を育成した。
【００６１】
育成した各単結晶について、上記実施例１と同様の手法で板状試片にし、Ｘ線トポグラフ法により欠陥分布を調査した。その結果、いずれの場合も、ボディ部の全長にわたり、Ｐｖ領域であることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、さらに、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを配置して、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制御しつつ、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加することにより、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを拡大させることができ、その結果、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない無欠陥領域の単結晶、さらにはＰｖ領域のみの単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【符号の説明】
【００６３】
１：チャンバ、 ２：ルツボ、 ２ａ：石英ルツボ、 ２ｂ：黒鉛ルツボ、
３：支持軸、 ４：ヒータ、 ４ａ：上側ヒータ、 ４ｂ：下側ヒータ、
５：断熱材、 ６：引き上げ軸、 ７：種結晶、 ８：シリコン単結晶、
９：原料融液、 １０：熱遮蔽体、 １１：水冷体、 １２：ガス導入口、
１３：排気口、 １４：電磁コイル
【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、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のいずれも発生しない無欠陥領域を径方向の全域に拡大させたシリコン単結晶、さらに無欠陥領域のうちでゲッタリング能にも優れる酸素析出促進領域（Ｐｖ領域）を径方向全域に拡大させたシリコン単結晶を歩留り良く育成する方法に関する。
【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。ＣＺ法による単結晶の育成では、減圧下の不活性ガス雰囲気に維持されたチャンバ内において、石英ルツボに貯溜されたシリコンの原料融液に種結晶を浸漬し、浸漬した種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。
【０００３】
図１は、シリコン単結晶から採取したウェーハで観察される欠陥分布の一例を示す模式図である。同図に示す欠陥分布は、引き上げ速度を徐々に低下させながら単結晶を育成し、育成した単結晶のうちで比較的中速の引き上げ速度で育成した部分からウェーハを採取し、そのウェーハの表面にＣｕを付着させ、熱処理を施した後、そのウェーハ内部をＸ線トポグラフ法により観察した結果を示している。
【０００４】
図１に示すウェーハでは、半径の約１／２の位置に、リング状に分布したＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault：酸化誘起積層欠陥）の領域が現れている。ＯＳＦ領域の内側の領域には、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）などの赤外線散乱体欠陥が現れる。ウェーハの外周部の領域には、転位クラスタが現れる。ＣＯＰは、結晶格子を構成すべき原子が欠けた空孔の凝集体に起因する欠陥であり、転位クラスタは、結晶格子間にＳｉ原子が入り込んだ格子間シリコンの凝集体に起因する欠陥である。これらのＣＯＰや転位クラスタは、単結晶の育成過程でその原因が導入されることから、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と称される。
【０００５】
また、図１に示すように、ＯＳＦ領域と転位クラスタ領域との間には、ＣＯＰおよび転位クラスタのいずれのｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も発生しない無欠陥領域が存在する。この無欠陥領域は、ＯＳＦ領域に隣接するＰｖ領域と、このＰｖ領域の外側で転位クラスタ領域に隣接するＰｉ領域とに区分される。Ｐｖ領域は、空孔が優勢に存在する無欠陥領域であり、熱処理により酸素析出物が発生し易い特質を有する。このため、Ｐｖ領域は、酸素析出促進領域とも称される。一方、Ｐｉ領域は、格子間シリコンが優勢に存在する領域であり、酸素析出物が発生し難い特質を有する。
【０００６】
通常、上記の欠陥分布は、単結晶を育成する際の引き上げ速度により変動する。すなわち、引き上げ速度を高速にして単結晶の育成を行った場合、単結晶の径方向全域にわたり赤外線散乱体欠陥領域が発生する。引き上げ速度を低下させていくと、単結晶の外周部からＯＳＦ領域がリング状に出現する。ＯＳＦ領域は、引き上げ速度の低下に伴って、その径が次第に縮小し、やがて消滅する。これに伴い、ＯＳＦ領域の外側に相当する無欠陥領域（Ｐｖ領域、Ｐｉ領域）が出現し、ついには無欠陥領域に代わって転位クラスタ領域が出現する。
【０００７】
近年、半導体デバイスの高集積化の進展により、シリコンウェーハは、要求される品質がますます高まり、ＯＳＦを含め、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の存在が問題視されている。ＣＯＰは、ゲート酸化膜の耐圧特性を劣化させる因子であり、ＯＳＦや転位クラスタは、半導体デバイスの活性領域となるウェーハ表面に存在した場合、電気特性を悪化させる。このため、単結晶の育成では、ＯＳＦやｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を排除し、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる高品質の単結晶を育成する技術が強く望まれている。
【０００８】
このような要求に対し、例えば、特許文献１には、単結晶を育成する際に、引き上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とし、シリコンの融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、単結晶中心部より外周から３０ｍｍまでの内部ではＶ／Ｇを０．２０〜０．２２とし、単結晶外周に向かってはＶ／Ｇを漸次増加させるように温度勾配を制御する単結晶の育成方法が開示されている。この育成方法によれば、育成中の単結晶を囲繞する熱遮蔽体を配置し、規定のＶ／Ｇを満足する条件で単結晶の引き上げを行うことにより、ＯＳＦおよび転位クラスタを発生させることなく、ＯＳＦ領域外側の無欠陥領域のみを径方向全域にわたり拡大することができる。
【０００９】
また、特許文献２には、結晶中の固液界面形状が周辺５ｍｍを除いて固液界面の平均値に対し±５ｍｍ以内となるように単結晶を引き上げることにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない無欠陥領域の単結晶を育成する方法が開示されている。この育成方法では、±５ｍｍ以内の固液界面形状を実現するにあたり、育成中の単結晶を囲繞する熱遮蔽体を配置し、単結晶育成時に、結晶中の固液界面近傍の温度が１４２０℃から１３５０℃までの範囲、またはシリコンの融点から１４００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、これらの温度勾配の差ΔＧ（＝Ｇｅ−Ｇｃ）が５℃／ｃｍ以内となるように炉内温度を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３３０３１６号公報
【特許文献２】特開平１１−０７９８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の通り、前記特許文献１、２に開示された単結晶の育成方法によれば、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる単結晶を育成することが可能である。しかし、径方向全域を無欠陥領域にすることが可能な引き上げ速度は、実質的に狭い範囲に限られ、その狭い範囲内に引き上げ速度を維持しながら単結晶を育成するのは、実操業ではかなり難しい。
【００１２】
さらに、近年、無欠陥領域のうちでＰｖ領域が注目され、Ｐｖ領域のみのウェーハが求められることがある。Ｐｖ領域は、ＣＯＰおよび転位クラスタのいずれのｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も存在しない上、半導体デバイス製造工程での熱処理によりゲッタリングに寄与する酸素析出物が形成されるという優れた特質を有するからである。しかし、径方向全域をＰｖ領域にする場合、単結晶育成時に許容される引き上げ速度の範囲は一層狭まることから、その要求に十分に応えることは極めて困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶、さらには無欠陥領域のうちのＰｖ領域（酸素析出促進領域）のみとなる単結晶を育成する際、それらの単結晶を育成することが可能な引き上げ速度の範囲の拡大を図り、それらの単結晶を歩留り良く安定して育成することができる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】
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成するため、単結晶の育成条件を詳細に検討し、種々の試験を行った。その結果、径方向全域を無欠陥領域、さらにＰｖ領域のみにすることが可能な引き上げ速度の範囲を十分拡大するには、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために、単結晶を囲繞する熱遮蔽体に加えその内側に水冷体を配置した単結晶育成装置を用い、ルツボを囲繞してシリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを採用し、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制限した条件で、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加しながら単結晶の引き上げを行うのが有効であることを知見した。
【００１５】
図２は、単結晶育成時の引き上げ速度と欠陥分布との関係を育成条件ごとに示す模式図であり、同図（ａ）は水冷体を配置することなく熱遮蔽体を配置し、ルツボ内の融液に磁場を印加しない状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、同図（ｂ）は熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、および、同図（ｃ）は熱遮蔽体と水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度を低温に設定した条件で、それぞれ単結晶の育成を行った場合を示す。
【００１６】
図２（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示す欠陥分布は、引き上げ速度を徐々に低下させながら単結晶を育成し、育成した単結晶を中心軸に沿って縦方向に切断して板状試片とし、その表面にＣｕを付着させ、熱処理を施した後、その板状試片の内部をＸ線トポグラフ法により観察した結果を示している。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）に示す単結晶の育成では、シリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割されていない慣用の一体ヒータを採用した。通常、一体ヒータを採用した場合、その均一な発熱により、ルツボ全域が概ね均一に加熱されるため、ルツボ底中心部での融液温度は１５００℃以上の高温となる。特に、水冷体を配置して一体ヒータを採用した場合、固液界面近傍の融液の熱が水冷体に吸収されることから、単結晶育成時、融液温度の低下を抑えるためにヒータの出力を高く調整する傾向にあり、ルツボ底中心部での融液温度は顕著に高温となる。
【００１８】
一方、図２（ｃ）に示す単結晶の育成では、シリコン原料を溶融させるヒータとして、上下に分割されたヒータを採用し、各ヒータの出力を個別に調整することにより、ルツボ底中心部での融液温度を意図的に低い温度に設定した。さらに、図２（ｃ）に示す単結晶の育成では、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加した。
【００１９】
また、水冷体を配置した図２（ｂ）、（ｃ）に示す単結晶の育成では、引き上げ速度を０．９０ｍｍ／ｍｉｎから０．６０ｍｍ／ｍｉｎまで徐々に低下させた。水冷体を配置していない図２（ａ）に示す単結晶の育成では、水冷体を配置した場合と比較して、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配が低下する傾向にあるため、欠陥分布を観察できるように、より引き上げ速度を低下させた。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、水冷体を配置しない場合、育成中の単結晶を冷却する効果が十分でないことから、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配Ｇが小さく、径方向全域をＰｖ領域およびＰｉ領域からなる無欠陥領域にすることが可能な引き上げ速度の範囲（以下、「無欠陥引き上げ速度マージン」ともいう）が著しく狭い。
【００２１】
一方、図２（ｂ）に示すように、水冷体を配置し、ルツボ内の融液に横磁場を印加した状態で、ルツボ底中心部での融液温度が高温である場合、図２（ａ）に示す場合と比較して、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配Ｇが大きくなり、これに伴って無欠陥引き上げ速度マージンが拡大する。ただし、この場合は、無欠陥引き上げ速度マージンが拡大するが、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界が半径の約１／２の位置でＰｖ領域に張り出しているため、径方向全域をＰｖ領域のみにすることが可能な引き上げ速度の範囲（以下、「Ｐｖ引き上げ速度マージン」ともいう）は十分に広いといえない。
【００２２】
これに対し、図２（ｃ）に示すように、水冷体を配置し、ルツボ底中心部での融液温度が低温であり、さらに横磁場を印加する場合、図２（ｂ）に示す場合と同様に無欠陥引き上げ速度マージンが拡大し、これに加え、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンも拡大する。
【００２３】
図３は、単結晶育成時の固液界面の形状を育成条件ごとに示す模式図であり、同図（ａ）は熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、一体ヒータを用いてルツボ底中心部での融液温度が高温である条件、および、同図（ｂ）は熱遮蔽体と水冷体を配置し、上下に分割されたヒータを用いてルツボ底中心部での融液温度を低温に設定した条件で、それぞれ単結晶の育成を行った場合を示す。すなわち、図３（ａ）は前記図２（ｂ）に対応し、図３（ｂ）は前記図２（ｃ）に対応する。
【００２４】
通常、単結晶育成時には、ルツボ底中心部から単結晶直下に向けて原料融液の上昇流が発生する。一体ヒータを用いてルツボ全域を加熱した場合、上述の通り、原料融液は、ルツボ底中心部で１５００℃以上の高温になる。このため、図３（ａ）に示すように、ルツボ底中心部での融液温度が高温である場合、高温の原料融液がルツボ底中心部からの上昇流に伴って上昇し、単結晶直下に到達するため、単結晶直下の融液温度が高温になり、固液界面形状の上凸度合いが増大する。その結果、結晶欠陥の面内分布が不均一となりやすく、結晶欠陥の面内均一化を十分に実現することができない。
【００２５】
これに対し、上下に分割された上側ヒータおよび下側ヒータを用いる場合、各ヒータの出力を調整して、ルツボの側壁の上部よりも下部の発熱量を低下させることにより、ルツボ底中心部での融液温度を低温にすることができる。この場合、図３（ｂ）に示すように、低温の原料融液がルツボ底中心部からの上昇流に伴って上昇し、単結晶直下に到達するため、単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小し、固液界面形状の平坦化が図られる。その結果、結晶欠陥の面内均一化を十分に実現することができる。
【００２６】
上述の通り、水冷体を配置した場合に、ルツボ底中心部の融液温度を低温にし、横磁場を印加しながら単結晶を育成することによりＰｖ引き上げ速度マージンが拡大するのは、以下の理由によると推察される。
【００２７】
ルツボ底中心部の融液温度が低温であると、ルツボ底中心部から単結晶直下への上昇流に起因して単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小する。このとき、横磁場の印加により、固液界面近傍の温度の急激な変動が抑制される。このため、固液界面は、点欠陥の外方拡散（半径方向の拡散）が影響する外周部を除いて平坦化し、点欠陥の引き上げ軸方向の拡散が均一化する。
【００２８】
また、育成中の単結晶は、熱遮蔽体の下端より上側では水冷体により冷却される一方、熱遮蔽体の下端より下側では原料融液からの輻射熱により加熱され、点欠陥濃度の取り込み量が決まる固液界面近傍において、単結晶外周部での熱放散が抑制される。このため、無欠陥領域の単結晶を育成する温度分布として重要な単結晶外周部において、引き上げ軸方向の温度勾配が中心よりも小さい状態で保持され易くなる。
【００２９】
これらの相乗効果により、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンが拡大する。
【００３０】
以上の知見に基づき、さらに効果が顕著になる条件の限界を確認して本発明を完成させた。本発明の要旨は、下記のシリコン単結晶の育成方法にある。
【００３１】
ＣＺ法により、チャンバ内に配置したルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成する方法であって、育成中の単結晶を囲繞する水冷体と、この水冷体の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータおよび下側ヒータとを配置し、各ヒータの出力を調整してルツボ底の中心部での原料融液の温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液に横磁場を印加しながら、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で単結晶の引き上げを行い、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる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。
【００３２】
この育成方法では、前記上側ヒータの出力を前記下側ヒータの出力の１．５倍以上に設定することが好ましい。また、前記上側ヒータの引き上げ軸方向長さを前記下側ヒータの引き上げ軸方向長さ以上とすることが好ましい。
【００３３】
従来、水冷体を融液の上に配置したホットゾーンを採用した場合、ボディ部の引き上げ前半で、固液界面形状の上凸度合いが大きくなる傾向がある。このため、上記の育成方法において、前記上側ヒータおよび前記下側ヒータの出力調整は、前記単結晶のボディ部の引き上げ前半で行うことが有効である。すなわち、ボディ部の引き上げ前半で、下側ヒータの出力を上側ヒータの出力よりも低く設定して、ルツボ底中心部での融液温度を低下させ、固液界面形状の上凸度合いを小さくすることにより、Ｐｖ領域の面内分布を均一化し、Ｐｖ引き上げ速度マージンを拡大することが可能となる。もちろん、Ｐｖ引き上げ速度マージンを有効に拡大させるには、ボディ部の引き上げ方向の全長にわたり、上側ヒータおよび下側ヒータの出力調整を行ってもよい。
【００３４】
それらの育成方法は、前記無欠陥領域が酸素析出促進領域である単結晶を育成対象とすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、さらに、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを配置して、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制限しつつ、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加することにより、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを拡大させることができ、その結果、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶、さらにはＰｖ領域のみとなる単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリコン単結晶から採取したウェーハで観察される欠陥分布の一例を示す模式図である。
【図２】単結晶育成時の引き上げ速度と欠陥分布との関係を育成条件ごとに示す模式図である。
【図３】単結晶育成時の固液界面の形状を育成条件ごとに示す模式図である。
【図４】本発明のシリコン単結晶の育成方法を適用できる単結晶育成装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明の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。
図４は、本発明のシリコン単結晶の育成方法を適用できる単結晶育成装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、単結晶育成装置は、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。
【００３８】
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。ヒータ４は、上下に分割された上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂから構成され、上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂは個別に出力の調整が可能である。
【００３９】
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。
【００４０】
チャンバ１内には、ルツボ２内の原料融液９の上方で育成中のシリコン単結晶８を囲繞する円筒状の水冷体１１が配置されている。水冷体１１は、例えば、銅などの熱伝導性の良好な金属からなり、内部に流通される冷却水により強制的に冷却される。この水冷体１１は、育成中のシリコン単結晶８の冷却を促進し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を制御する役割を担う。
【００４１】
さらに、水冷体１１の外周面および下端面を包囲するように、筒状の熱遮蔽体１０が配置されている。熱遮蔽体１０は、育成中のシリコン単結晶８に対して、ルツボ２内の原料融液９やヒータ４やルツボ２の側壁からの高温の輻射熱を遮断するとともに、固液界面近傍に対して、低温である水冷体１１への熱の放散を抑制し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を水冷体１１とともに制御する役割を担う。
【００４２】
また、チャンバ１の外側には、ルツボ２を挟んで対向する一対の電磁コイル１４が配設されている。電磁コイル１４は、電磁コイル１４同士の間に水平方向の横磁場を発生させ、ルツボ２内の原料融液９に横磁場を印加する。横磁場の印加により、原料融液９の自然対流が抑制され、固液界面における融液温度の急激な変動が抑えられる。
【００４３】
チャンバ１の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ１内に導入するガス導入口１２が設けられている。チャンバ１の下部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ１内の気体を吸引して排出する排気口１３が設けられている。
【００４４】
このような育成装置を用いたシリコン単結晶８の育成では、チャンバ１内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ２に充填した多結晶シリコンなどの固形原料を
上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの加熱により溶融させ、原料融液９を形成する。ルツボ２内に原料融液９が形成されると、引き上げ軸６を下降させて種結晶７を原料融液９に浸漬し、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、種結晶７の下方にシリコン単結晶８を育成する。
【００４５】
単結晶の育成に際しては、径方向全域にわたり無欠陥領域となる単結晶を育成するために、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の単結晶中心部の温度勾配Ｇｃと単結晶外周部の温度勾配Ｇｅとの関係がＧｃ／Ｇｅ＞１の条件を満足するように、熱遮蔽体１０および水冷体１１の寸法形状を設定するとともに、単結晶の引き上げ速度を調整し、単結晶の引き上げを行う。
【００４６】
熱遮蔽体１０の下端と原料融液９の液面との隙間は、３０〜１００ｍｍの範囲が好ましく、製品直径が２００ｍｍの単結晶を育成する場合は、育成時に変更することなく４５ｍｍ程度に確保することがより好ましい。この場合、融点から１３７０℃までの温度範囲ではＧｃ／Ｇｅが０．８８〜０．９９、さらに１３７０℃から１３１０℃までの温度範囲ではＧｃ／Ｇｅが１．２８〜１．３４をそれぞれ満足し、融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ速度をＶとするとき、Ｖ／Ｇｃが０．１６〜０．１８となる条件で、単結晶の引き上げを行うのが好ましい。径方向全域で無欠陥領域となる単結晶をより確実に育成することができるからである。
【００４７】
これと合わせて、ルツボ２の底の中心部での原料融液９の温度を１４９０℃以下の低温とした条件で、電磁コイル１４により原料融液９に横磁場を印加しながら、単結晶の引き上げを行う。ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温にすると、ルツボ底中心部から単結晶直下への上昇流に起因して単結晶直下の融液温度が低温になり、固液界面形状の上凸度合いが縮小し、固液界面形状の平坦化が図られる。
【００４８】
これにより、固液界面形状の上凸度合いを最大で５ｍｍに抑制することができ、その結果、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界が径方向に平坦化し、無欠陥引き上げ速度マージンが拡大すると同時に、Ｐｖ引き上げ速度マージンも顕著に拡大する。このため、単結晶育成中に、単結晶の引き上げ速度が多少変動したとしても、径方向全域を無欠陥領域にするだけでなく、Ｐｖ領域のみにすることもでき、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない高品質の単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【００４９】
このような融液温度の調整は、上側ヒータ４ａと下側ヒータ４ｂの出力を個別に調整することにより行える。すなわち、上側ヒータ４ａの出力を下側ヒータ４ｂの出力よりも高く設定すれば、ルツボ２の側壁を有効に発熱させ、ルツボ２の底壁の発熱を抑えることができるため、ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温にすることができる。具体的には、上側ヒータ４ａの出力を下側ヒータ４ｂの出力の１．５倍以上に設定するのが好ましい。
【００５０】
また、上側ヒータ４ａと下側ヒータ４ｂの出力調整によって融液温度分布を調整する際、ルツボ２の底における中心部の温度を指標とすることができる。ルツボ底の中心部温度は、当該ルツボ底中心部での融液温度と一致するからである。
【００５１】
ところで、ルツボ底中心部での原料融液９の温度を低温に調整する際、ルツボ底の中心部温度が原料融液９の融点以下になり、ルツボ２の底で原料融液９が凝固し固層が形成される場合がある。この場合であっても、育成中の単結晶８の回転速度を増加させることにより、ルツボ底中心部から単結晶直下への原料融液９の上昇流を促進し、単結晶直下に低温の融液が供給されるため、固液界面形状の上凸度合いが縮小するのに伴い、固液界面形状の平坦化が図られることに変わりはない。
【００５２】
上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂそれぞれの引き上げ軸方向長さは、両ヒータ４ａ、４ｂによってルツボ２を囲繞する限り特に限定しないが、両ヒータ４ａ、４ｂの個別の出力調整により、効果的にルツボ底中心部での融液温度を低温にすることができる態様として、上側ヒータ４ａの引き上げ軸方向長さを下側ヒータ４ｂの引き上げ軸方向長さ以上とするのが好ましい。ただし、上側ヒータ４ａの長さに比べて下側ヒータ４ｂの長さが短過ぎると、ルツボ底中心部での融液温度の低温化を十分に行えないおそれがあるため、下側ヒータ４ｂの長さを上側ヒータ４ａの長さの１／３以上とするのが好ましい。
【００５３】
電磁コイル１４により印加する横磁場の強さは、０．２５〜０．４５Ｔ（２５００〜４５００Ｇ）とするのが好ましい。０．２５Ｔ未満では、融液流れを抑制する効果が薄れ、固液界面近傍の急激な温度変動を抑制する効果が十分でなく、単結晶の直径の制御性が乱れることがあり、その結果、Ｐｖ領域とＰｉ領域の境界およびＰｉ領域と転位クラスタ領域の境界の平坦化を安定して図ることができないからである。一方、０．４５Ｔを超えると、磁場強度が強いため、漏れ磁場が大きくなって、単結晶引き上げの装置や環境に悪影響を与えたり、磁場印加装置の設備コストが高くなるからである。
【００５４】
上述した上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの出力調整を伴う単結晶の育成は、製品となるボディ部の引き上げ方向の全長にわたり行ってもよいが、ボディ部のトップ側の育成、すなわちボディ部の引き上げ前半に特定して行うこともできる。ここでいう「ボディ部の引き上げ前半」とは、ボディ部の育成に移行してから、ボディ部の育成長さが目標長さの１／２の範囲内を意味する。実操業では、ボディ部の引き上げ前半において、固液界面形状の上凸度合いが大きくなって、引き上げ速度マージンが狭めになり、ボディ部の引き上げ後半においては、固液界面形状の上凸度合いが小さくなって、引き上げ速度マージンが広めになる場合が多く、この場合には、ボディ部の引き上げ前半で、上述した上側ヒータ４ａおよび下側ヒータ４ｂの出力調整を行うことにより、無欠陥引き上げ速度マージンやＰｖ引き上げ速度マージンが拡大し、安定して無欠陥領域の単結晶を育成することが可能になる。
【実施例】
【００５５】
本発明の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４に示す育成装置を用い、ボディ部の目標直径を２１０ｍｍ、ボディ部の目標長さを１７００ｍｍとするＢドープのｐ型シリコン単結晶の育成試験を行った。
【００５６】
（実施例１）
実施例１の試験では、上側ヒータと下側ヒータの出力比を種々変更し、この変更に伴ってルツボ底の中心部温度を変更した各条件で、横磁場を印加しつつ、引き上げ速度を０．９０ｍｍ／ｍｉｎから０．６０ｍｍ／ｍｉｎまで徐々に低下させながら、単結晶を育成した。このとき、熱遮蔽体の下端と原料融液の液面との隙間は４５ｍｍに設定した。なお、比較のために、一体ヒータを想定して上側ヒータと下側ヒータの出力比を１とした条件で単結晶を育成した。
【００５７】
育成した各単結晶を中心軸に沿って縦方向に切断し、板状試片とした。各板状試片を硝酸銅水溶液に浸漬して、その表面にＣｕを付着させ、９００℃×２０ｍｉｎの熱処理を施した後、その板状試片の内部をＸ線トポグラフ法により観察し、引き上げ速度と欠陥分布との関係を調査した。そして、各板状試片での引き上げ速度と欠陥分布との関係に基づき、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを求めた。下記の表１に、その試験条件と結果を示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
同表に示すように、本発明で規定する条件、すなわち熱遮蔽体に加えて水冷体を配置した条件、横磁場を印加する条件、およびルツボ底中心部での融液温度に相当するルツボ底の中心部温度を低温にする条件のいずれの条件も満足する試験番号２〜７では、それらの条件のうちでルツボ底中心部での融液温度に関する条件を満足しない試験番号１と比較し、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンが顕著に拡大した。そして、下側ヒータに対し上側ヒータの出力が増加するのに伴って、引き上げ速度マージンが大きくなる傾向であるが、上側ヒータの出力が下側ヒータの出力の５倍以上になると、引き上げ速度マージンの拡大は飽和することがわかった。
【００６０】
（実施例２）
実施例２の試験では、熱遮蔽体の下端と原料融液の液面との隙間は４５ｍｍに設定し、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて上記Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する引き上げ速度、すなわち上記実施例１のＰｖ引き上げ速度マージン内の引き上げ速度を目標値として設定し、単結晶の育成を行った。このとき、上側ヒータと下側ヒータの出力比を３：１として、ルツボ底中心部での融液温度を本発明の規定範囲内の低温に設定する操作を、ボディ部のトップ側からボトム側の全長にわたり行った場合と、ボディ部の育成に移行してから８５０ｍｍの範囲内で行った場合とで、それぞれ単結晶を育成した。
【００６１】
育成した各単結晶について、上記実施例１と同様の手法で板状試片にし、Ｘ線トポグラフ法により欠陥分布を調査した。その結果、いずれの場合も、ボディ部の全長にわたり、Ｐｖ領域であることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、育成中の単結晶の温度勾配を制御するために熱遮蔽体に加えて水冷体を配置し、さらに、上下に分割され個別に出力の調整が可能なヒータを配置して、ルツボ底中心部での融液温度を低温に制御しつつ、ルツボ内の原料融液に横磁場を印加することにより、無欠陥引き上げ速度マージンおよびＰｖ引き上げ速度マージンを拡大させることができ、その結果、ＯＳＦおよびｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のない無欠陥領域の単結晶、さらにはＰｖ領域のみの単結晶を歩留り良く安定して育成することが可能になる。
【符号の説明】
【００６３】
１：チャンバ、 ２：ルツボ、 ２ａ：石英ルツボ、 ２ｂ：黒鉛ルツボ、
３：支持軸、 ４：ヒータ、 ４ａ：上側ヒータ、 ４ｂ：下側ヒータ、
５：断熱材、 ６：引き上げ軸、 ７：種結晶、 ８：シリコン単結晶、
９：原料融液、 １０：熱遮蔽体、 １１：水冷体、 １２：ガス導入口、
１３：排気口、 １４：電磁コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により、チャンバ内に配置したルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成する方法であって、
育成中の単結晶を囲繞する水冷体と、この水冷体の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータおよび下側ヒータとを配置し、各ヒータの出力を調整してルツボ底の中心部での原料融液の温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液に横磁場を印加しながら、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で単結晶の引き上げを行い、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる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。
【請求項２】
前記上側ヒータの出力を前記下側ヒータの出力の１．５倍以上に設定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。
【請求項３】
前記上側ヒータの引き上げ軸方向長さを前記下側ヒータの引き上げ軸方向長さ以上とすることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項４】
前記上側ヒータおよび前記下側ヒータの出力調整は、前記単結晶のボディ部の引き上げ前半で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項５】
前記単結晶の前記無欠陥領域が酸素析出促進領域であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項１】
チョクラルスキー法により、チャンバ内に配置したルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成する方法であって、
育成中の単結晶を囲繞する水冷体と、この水冷体の外周面および下端面を包囲する熱遮蔽体と、上下に分割されてルツボを囲繞する上側ヒータおよび下側ヒータとを配置し、各ヒータの出力を調整してルツボ底の中心部での原料融液の温度を１４９０℃以下に制御しつつ、原料融液に横磁場を印加しながら、単結晶の温度が融点から１３００℃までの範囲にて、引き上げ軸方向の温度勾配を単結晶の中心部ではＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ＞１を満足する条件で単結晶の引き上げを行い、径方向の全域にわたり無欠陥領域となる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。
【請求項２】
前記上側ヒータの出力を前記下側ヒータの出力の１．５倍以上に設定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。
【請求項３】
前記上側ヒータの引き上げ軸方向長さを前記下側ヒータの引き上げ軸方向長さ以上とすることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項４】
前記上側ヒータおよび前記下側ヒータの出力調整は、前記単結晶のボディ部の引き上げ前半で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項５】
前記単結晶の前記無欠陥領域が酸素析出促進領域であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン単結晶の育成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１０５５２６（Ｐ２０１１−１０５５２６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５９２８５（Ｐ２００９−２５９２８５）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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