シリコン単結晶の製造方法
【課題】 ＣＺ法による無欠陥シリコン単結晶の製造方法において、双晶欠陥が抑制された良質なシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【解決手段】 ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造することを特徴とする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、半導体素子の製造に用いられるＣＺ法（以下、ＭＣＺ法含む）によ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】
半導体素子の製造に用いられるシリコン単結晶の製造方法として、チャンバ内の石英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成長させつつ引き上げるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が広く実施されている。
ＣＺ法は、不活性ガス雰囲気下で石英ルツボ内のシリコン融液に種結晶を浸し、該石英ルツボ及び種結晶を回転させながら引き上げることにより所定のシリコン単結晶を育成するものである。更に、結晶の大型化に伴い、充填するシリコン多結晶の重量が増大している。そのためシリコン融液に磁場を印加し熱対流を抑制する方法（ＭＣＺ法）が開示されており、直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶の製造には広く適応されている。
【０００３】
一方、近年、半導体素子の高集積化とそれに伴う微細化の進展によりシリコンウェーハ内の成長欠陥（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥）が問題となってきた。ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶中の成長欠陥としては、空孔の凝集体である八面体のボイド状欠陥（非特許文献１参照）や、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター（非特許文献２参照）などが知られており、これらは半導体素子の特性を劣化させる要因となる。
【０００４】
これらの欠陥の種類及び濃度は、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖ及び固液界面近傍の結晶温度勾配Ｇの比、Ｖ／Ｇによって決定されることが知られている（非特許文献３参照）。
【０００５】
図１０は、Ｖ／Ｇと欠陥分布の関係の一例を示している。単結晶育成時の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）を変化させることによって、シリコン融点から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分布の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）との比であるＶ／Ｇを変化させた場合のものである。
【０００６】
まず、図１０の単結晶インゴットの縦割りサンプルの概略図に示すように、引き上げ速度Ｖが比較的高速な領域ではベーカンシー（以下、Ｖａともいう）と呼ばれる点欠陥である空孔が凝集したボイドと考えられているＣＯＰやＦＰＤと呼ばれる空孔型のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在し、Ｖ−Ｒｉｃｈ領域（Ｖ領域）と呼ばれている。
【０００７】
これより引き上げ速度Ｖが少し遅くなると、結晶周辺からＯＳＦがリング状に発生し（ＯＳＦ領域）、引き上げ速度が低下するに従ってＯＳＦは中心に向ってシュリンクしていき、ついには結晶中心でＯＳＦは消滅する。
さらに引き上げ速度Ｖを遅くすると、ベーカンシーやインタースティシャルシリコン（以下、Ｉともいう）と呼ばれる格子間型の点欠陥の過不足が少ないニュートラル（以下、Ｎともいう）領域が存在する。このＮ領域は、ＶａやＩの偏りはあるが飽和濃度以下であるため、凝集した欠陥としては存在しないか、あるいは現在の欠陥検出方法では欠陥の存在が検出できないほど小さいことが判明してきた。
このＮ領域は、空孔が優勢なＮｖ領域と、格子間シリコンが優勢なＮｉ領域に分別される。
【０００８】
引き上げ速度Ｖを更に遅くすると、Ｉが過飽和となり、その結果、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスターが発生し、この領域はＩ−Ｒｉｃｈ領域（Ｉ領域）と呼ばれる。
【０００９】
これらのような結晶欠陥の領域の判定に関しては、例えば、Ｎ領域とＶ領域の判定については、セコエッチング後の光学顕微鏡によるＦＰＤ密度の観察とＯＳＦ熱処理後のＯＳＦ密度を併用することにより決定することができる。
また、Ｉ領域とＮ領域の判定については、Ｉ領域に観察される転位クラスターがセコエッチング後にピットとして観察されることから判別することができる。
【００１０】
近年、全面Ｎ領域（成長欠陥フリー領域）結晶、即ち無欠陥結晶の要求が増えており、特許文献１には、無欠陥シリコン単結晶の製造方法について、成長欠陥が成長界面における結晶の温度勾配とシリコン単結晶の成長速度により導入量が決まることを利用し、シリコン単結晶の成長速度を低めることが開示されている。
特許文献２ではシリコン単結晶の固相／液相における境界領域の温度勾配にほぼ比例する単結晶の最大引き上げ速度を超えない速度で引き上げることが開示されている。さらに結晶成長中の温度勾配Ｇと成長速度Ｖに着目した改善ＣＺ法などが報告されている（非特許文献４参照）。このＶ/Ｇの比が一定のときに無欠陥結晶が得られるとされている。
【００１１】
しかし、このような無欠陥結晶を製造した場合、新たに双晶欠陥の発生があり、製造したシリコン単結晶には品質不良部が発生する場合があり、そのために製品歩留まりが低下する問題が生じた。ここで、双晶とは例えば、シリコン単結晶の成長方向に垂直な面の方位＜１１１＞とした場合に同一結晶中に異なる面方位の＜５１１＞面が形成される欠陥であることが報告されている（非特許文献５参照）。
また、この双晶欠陥の形成要因として、シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン融液から蒸発するＳｉＯが炉内の上部に設置した低温部にて析出し、これらが剥離してシリコン融液に落下することにより、シリコン単結晶の結晶方位が変化してしまうことが知られている。
【００１２】
特許文献３には、このような双晶欠陥の改善策として、単結晶製造装置内の不活性ガスの流れを、結晶の周囲に配置した整流筒を用いて制御する技術が開示されている。つまり、双晶欠陥は、シリコン融液表面に浮遊するシリコン単結晶のマトリクスと異なる異物が、結晶成長界面に付着することにより生ずる格子ひずみを緩和するために、それまで成長した面方位から異なる結晶方位の領域が成長することにより発生すると考えられていた。ここで、半導体素子向けのシリコン単結晶では、面方位は最も重要な特性であり重大な特性である。
【００１３】
しかし、微細化した半導体素子向けの無欠陥結晶の製造において、従来双晶欠陥の原因と考えられていたシリコン融液のＳｉＯ酸化物などの異物の付着がない状態で結晶を製造したとしても、双晶欠陥が発生し、製品歩留まりが低下する場合が見られた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−５６５８８
【特許文献２】特開平７−２５７９９１
【特許文献３】特開昭６３−５０３９１
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｉｄｅ−ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒｏｗｎ−ｉｎ ｔｗｉｎ−ｔｙｐｅ ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｓｉｌｉｃｏｎ， Ｊｐｎ． Ｊ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐ−ｐ．１６６７−１６７０
【非特許文献２】Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ａｓ−ｇｒｏｗｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ， Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ． Ｖｏｌ．２６２（１９９２） ｐ−ｐ５１−５６
【非特許文献３】Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｗｉｒｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ，１９８２，ｐ−ｐ６２５−６４３
【非特許文献４】日本結晶成長学会 ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．５，１９９８
【非特許文献５】シリコン 結晶成長とウェーハ加工 培風館
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ＣＺ法（ＭＣＺ法を含む）による無欠陥シリコン単結晶の製造方法において、双晶欠陥が抑制された良質なシリコン単結晶の製造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】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明では、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度（以下、成長速度ともいう）Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００１８】
このように、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、無欠陥結晶を得るためにＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲とし、かつ、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−Ｒｉｃｈ領域）と格子間シリコン優勢の無欠陥領域（Ｎｉ領域）の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい値の範囲とすることによって、格子間シリコン濃度が過剰である格子間シリコン優勢領域（格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域近傍の格子間シリコン優勢の無欠陥領域）を除く結晶品質で無欠陥結晶を製造することができる。
即ち、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きいＶ／Ｇ値の範囲で無欠陥結晶を製造することにより、過剰な格子間シリコンの濃度を下げることができ、従って、双晶欠陥の原因となる積層欠陥の形成を抑制することができ、双晶欠陥の発生が抑制された良質なシリコン単結晶、特には、双晶欠陥の発生が抑制された格子間シリコン優勢領域を含む良質な無欠陥結晶を製造することができる。
【００１９】
またこのとき、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記結晶温度勾配Ｇを一定とし、前記引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００２０】
このように、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で制御する方法としては、結晶温度勾配Ｇを一定とし、引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００２１】
またこのとき、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、前記チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって行うことできる。
【００２２】
このように、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で制御する方法としては、引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによっても行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、無欠陥結晶（特に、格子間シリコン優勢領域を含む無欠陥結晶）の育成において、双晶欠陥の発生が抑制され、高品質なシリコン単結晶の製造が可能となる。特に、無欠陥結晶における双晶欠陥の幅は非常に狭く、検出することが困難な場合において、品質判定のコストが省け、品質安定化に多大な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のシリコン単結晶製造方法において制御するＶ／Ｇ値と欠陥分布の関係を示す説明図である。
【図２】従来の製造方法により得られた無欠陥結晶から採取したシリコンウェーハのパーティクル測定装置による観察結果である。
【図３】無欠陥結晶の断面方向のサンプルの透過型電子顕微鏡による観察結果である。
【図４】双晶欠陥の透過型電子顕微鏡による観察図（ａ）、及びこの模式図（ｂ）である。
【図５】本発明のシリコン単結晶製造方法で用いることができるシリコン単結晶製造装置の一例を示す。
【図６】比較例１及び実施例１における単結晶育成中の成長速度を示す図である。
【図７】実施例１と比較例１の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図８】比較例１と比較例２の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図９】比較例１と実施例２の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図１０】Ｖ／Ｇ値と欠陥分布の関係の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、微細化した半導体素子向けの無欠陥結晶の製造において、シリコン融液のＳｉＯ酸化物などの異物がない状態で結晶を製造したとしても、双晶欠陥が発生し、製品歩留まりの低下する問題が生じていた。
【００２６】
本発明者らは、上記の課題を達成すべく、以下のように双晶欠陥の詳細を調査したところ、双晶欠陥は一般に領布された文献（非特許文献５）とは異なる原因によっても形成されることを見出した。
【００２７】
従来のシリコン単結晶の製造方法を用いて製造した面方位＜１００＞、比抵抗が１０Ω・ｃｍのボロンドープ無欠陥結晶から採取し、表面研磨により仕上げた直径３００ｍｍのシリコンウェーハの面内マップを、パーティクル測定装置（ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社 モデル名＝ＳＰ２ 粒径サイズは０．０３７μｍ ｕｐ）にて観察した結果を図２に示す。尚、このシリコンウェーハを採取した無欠陥結晶を製造する際に用いた装置は、Ａｒガスの遮蔽筒は具備しており、融液表面からのＳｉＯの蒸発による酸化物の炉内部品への付着、メルト表面への落下はいずれも問題ない構造である。
【００２８】
図２より、ウェーハ表面全体にまばらにパーティクルが付着した点が観察されるが、右下に長さ２２ｍｍの線状の欠陥が観察された。このウェーハを、通常のウェーハのクリーニングに用いられる、フッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液と、塩酸及び過酸化水素水の混合液で洗浄した後に、本ウェーハを測定しても、ウェーハ右下に確認できた長さ２２ｍｍの線状の欠陥は変化しなかった。つまり、表面の欠陥がウェーハ表面にわずかな凹凸を形成し、レーザー式のパーティクルカウンターにより擬似的にパーティクルとして観察されたものであることが判った。
【００２９】
上記の擬似的にパーティクルとして観察された長さ２２ｍｍの線状の欠陥の実態を調査するために、該当領域より、表面を含む断面方向のサンプルを採取した。本サンプルの透過型電子顕微鏡による観察結果を図３に示した。本観察は＜１１０＞方向からの観察結果であるが、図３より幅９．５ｎｍの非常に狭い領域にて方位の変わった領域が観察できた。つまり、パーティクルカウンターにより観察された長さ２２ｍｍの欠陥は双晶であることが確認された。
【００３０】
この双晶欠陥の原因を調査するために、双晶欠陥の起点部の調査を行った。分析には高分解能の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた。サンプルは未熱処理であり、図４（ａ）にＴＥＭ写真の結果を、図４（ｂ）に模式図を示した。これらの結果より、積層欠陥の終端部より双晶が形成されていることが確認できた。
【００３１】
ここで、一般にシリコンウェーハ中の積層欠陥は、ウェーハの状態にて熱酸化処理をすることにより、格子間シリコンがシリコンウェーハ表面の酸化膜界面よりウェーハ内に拡散し、積層欠陥の核となる欠陥に格子間シリコンが集合して余剰な格子面を形成することに起因することが開示されている（シリコンの酸化と格子欠陥、応用物理第４６巻 第１１号、１９７７年 ｐ１０５６、又はＣＺシリコンウェーハ中のリング状分布積層欠陥、応用物理 第５７巻 第１９号、１９８８年 ｐ１５４２）。
【００３２】
しかし、本サンプルには、熱処理を施していない。つまり、熱処理による格子間シリコンの供給がないにもかかわらず、積層欠陥の形成が見られる。
これより、無欠陥結晶の育成時、特に格子間シリコン優勢な領域を育成中に余剰の格子間シリコンが集合して積層欠陥を形成し、この形成された積層欠陥より引き続き、双晶欠陥が連続的に形成されたと推察された。
即ち、上記サンプルで観察された双晶は、一般に開示されている結晶成長界面への異物の付着により形成される双晶とは異なることが判った。
【００３３】
上述したように、無欠陥結晶には、空孔優勢な無欠陥領域（以下、Ｎｖ領域ともいう）、格子間シリコンが優勢な無欠陥領域（以下、Ｎｉ領域ともいう）の２つが存在することが知られている（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、結晶成長学会誌 ｖｏｌ２７、Ｎｏ．２）。このうち、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−ｒｉｃｈ領域）近傍の格子間シリコンが優勢な領域（Ｎｉ領域）にて結晶育成を行うと、育成界面で積層欠陥を形成し、その終端部より、双晶構造が形成される。形成された双晶は＜１１１＞面に沿って成長を続け、結晶側面の外周に抜け正常な方位の結晶成長となる。つまり、本発明者は、無欠陥結晶の双晶欠陥の発生の起点は、優勢な格子間シリコンの濃度を下げるために形成された積層欠陥（ＳＦ：Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）であることを見出した。
【００３４】
そして、このような双晶欠陥の発生を抑制するためには、優勢な格子間シリコンの濃度を下げ、積層欠陥の形成を抑制することが重要であることが判り、この知見を基に本発明を完成させた。
【００３５】
即ち、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、シリコン単結晶を製造することを特徴とする。
【００３６】
無欠陥結晶は、Ｖ／Ｇの比を一定にすることにより達成されるが（日本結晶成長学会 ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．５，１９９８）、このＶ／Ｇの値が大きくなると空孔優勢領域（Ｎｖ領域）側の結晶品質となり、逆にＶ／Ｇの値が小さくなると格子間シリコン優勢領域（Ｎｉ領域）側の結晶品質となる。
つまり、本発明では、Ｖ／Ｇの値を、無欠陥結晶を得るためにＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲で、かつ、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−ｒｉｃｈ領域）と格子間シリコン優勢の無欠陥領域（Ｎｉ領域）の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲とすることにより、優勢な格子間シリコン濃度が多い領域（格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域近傍の格子間シリコン優勢の無欠陥領域）を含まない無欠陥結晶として、格子間シリコンの濃度を軽減することで、積層欠陥の発生を抑制し双晶欠陥の発生率を改善することができる。
【００３７】
Ｖ／Ｇの値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より大きくする割合が０．２％未満である場合、格子間シリコンの濃度の低下が不十分であり、積層欠陥の発生を完全に抑制することができず、即ち、双晶欠陥の発生を抑制することができない。また、０．５％より大きい場合には、無欠陥結晶となる製造マージンが低下し、結晶育成における製品歩留まりが低下し、効率的な生産ができないという問題が生ずる。
【００３８】
ここで、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲とするには、結晶温度勾配Ｇを決定するチャンバ内の構造を変化させずに、結晶温度勾配Ｇを一定とし、引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００３９】
即ち、図１に示すように、無欠陥結晶を得るためのシリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、結晶温度勾配Ｇは変化させずに、引き上げ速度Ｖを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００４０】
本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、従来一般的に用いられている、図５に示すような単結晶引き上げ装置１０を用いることができる。
図５に示すように、単結晶引上げ装置１０は、チャンバ１内で、シリコン融液２を収容する石英ルツボ３と、この石英ルツボ３を保護する黒鉛ルツボ４とが、ルツボ駆動機構（不図示）によって自在に回転・昇降する保持軸で支持されており、またこれらのルツボ３、４を取り囲むように加熱ヒーター５と断熱材６が配置されている。さらに、チャンバ１の内部には整流筒７が設けられており、この整流筒７の下部に熱遮蔽材８が設置されている。
このような装置を用い、チャンバ１内の石英ルツボ３に収容されたシリコン融液２からシリコン単結晶９を成長させつつ引き上げる。
【００４１】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、具体的には、予めシミュレーションとして、上述したようなシリコン単結晶の引き上げ装置を用いてシリコン単結晶の成長に伴い引き上げ速度Ｖを漸減させることにより格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度を求める。そして、シミュレーションで用いたシリコン単結晶引き上げ装置のチャンバ内構造は変化させずに結晶温度勾配Ｇを一定として、引き上げ速度Ｖをシミュレーションで求めた最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることで行うことができる。
【００４２】
このように、無欠陥結晶のウェーハ面内において非常に狭い領域に形成される双晶欠陥の発生を抑制することにより、高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上する。更に、品質評価のための分布判定（パーティクル測定）が不要となり、ウェーハ製品の品質判定での検査コストの削減、ひいては、高品質シリコンウェーハ用結晶の更なる品質安定化に効果的である。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態としては、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きくするために、引き上げ速度Ｖを一定とした場合、Ｖ／Ｇの値が大きくなるように結晶温度勾配Ｇを制御すれば良いこととなる。
【００４４】
即ち、引き上げ速度Ｖを一定とし、結晶温度勾配Ｇを、チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きくすることができる。
尚、結晶温度勾配を変えるには、例えば結晶周囲に配置した熱遮蔽材の先端からシリコン融液との間隔を広くする条件とすることにより達成することができる。
【００４５】
なお、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、特定の結晶口径を有する単結晶の製造に限定されるものではなく、結晶口径が４５０ｍｍの単結晶の製造等、適時な展開が可能である。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明のシリコン単結晶の製造方法をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４７】
（比較例１）
図５に示したような、Ａｒガスを整流するための整流筒、整流筒の先端に結晶を冷却するために熱輻射を制御する熱遮蔽材が具備された装置を用いた。
この単結晶製造装置を用い、直径８１ｃｍの石英ルツボに原料多結晶シリコンを３８０ｋｇ充填し、結晶方位＜１００＞の直径３００ｍｍのボロンドープシリコン単結晶（Ｐ型、比抵抗１０Ω・ｃｍ）を育成した。この際、図６に示すような成長速度でシリコン単結晶の製造を行った。
比較例１の成長条件では、双晶欠陥の発生率は結晶成長方向の長さ比が０．２から０．４の位置にて高かった。これは、図５に示した通り、炉内の熱輻射を制御するための熱遮蔽材は、設置上の制約よりシリコン融液に直接つけることができない。そのためにシリコン融液から熱遮蔽材までの区間では結晶を冷却できない領域がある。この結晶成長方向の長さ比が０．２から０．４の範囲は、整流筒先端に具備した熱遮蔽材に結晶が差し掛かる領域で、急激な結晶中の温度勾配の変化が生ずる部分である。そのために格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域になりやすい領域、即ち、転位クラスター領域が出現する最高成長速度の領域となる。
【００４８】
（実施例１）
上記比較例１と同様のチャンバ内構造を有する装置を用い、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．４％高速化した条件にてシリコン単結晶を育成した。成長速度の違い以外は、比較例１と同様の条件とした。
【００４９】
図７に実施例１と比較例１の双晶欠陥の発生率を比較した結果を示す。引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．４％高速化することにより双晶発生不良率を改善することができた。これにより、育成した高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上し、効率的に無欠陥結晶を得ることができた。
【００５０】
尚、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．２％高速化した条件とした場合、更には、０．５％高速化した条件とした場合も双晶発生不良率を改善することができた。
しかし、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．１％高速化した条件とした場合は、格子間シリコンの濃度低下が不十分であり、双晶欠陥の発生を抑制することができなかった。また、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．６％高速化した条件とした場合は、無欠陥結晶の製造歩留まりが低下し、無欠陥結晶の効率的な生産ができないという問題が生じた。
【００５１】
（比較例２）
エピタキシャルウェーハ用として、上記比較例１と同様のチャンバ内構造を有する装置を用いて、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、約２倍の引き上げ速度で引き上げて空孔優勢領域にて製造した高速成長結晶から得られるウェーハの双晶欠陥を調べた。
図８に、比較例１と比較例２の双晶欠陥の発生率の比較図を示す。図８により、高速成長結晶（比較例２）から得られるウェーハにおいては、双晶欠陥の発生が見られず、無欠陥結晶製造の際に双晶発生不良率が高いことが確認された。
【００５２】
（実施例２）
結晶温度勾配を制御することにより格子間シリコンの濃度を低減するために、図５に示した装置において結晶温度勾配を小さく、つまりＶ/Ｇの値を大きくした。具対的には、熱遮蔽材の先端からシリコン融液との間隔を１ｍｍ広くした条件にて直径３００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
このときの結晶温度勾配は格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．４％低い値である。前記に示した条件以外は実施例１の従来の成長条件と同一とした。
【００５３】
図９に比較例１及び実施例２の双晶欠陥の発生率を比較した結果を示す。
シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．４％大きくすることによって、即ち、引き上げ速度Ｖは変化させずに、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．４％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整することにより、双晶発生不良率を改善することができた。これにより、育成した高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上し効率的な製造方法であることが確認できた。
【００５４】
また、同様に、引き上げ速度Ｖは変化させずに、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２％小さい、また、０．５％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整することにより、双晶発生不良率を改善することができた。
一方、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．１％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整した場合には、双晶欠陥の発生を抑制することができず、０．６％小さい結晶温度勾配Ｇとなるように調整した場合には、無欠陥結晶の製造歩留まりが低下し、無欠陥結晶の効率的な生産ができないという問題が生じた。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５６】
１…チャンバ、 ２…シリコン融液、 ３…石英ルツボ、 ４…黒鉛ルツボ、 ５…加熱ヒーター、 ６…断熱材、 ７…整流筒、 ８…熱遮蔽材、 ９…シリコン単結晶、 １０…単結晶引き上げ装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造に用いられるＣＺ法（以下、ＭＣＺ法含む）によ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】
半導体素子の製造に用いられるシリコン単結晶の製造方法として、チャンバ内の石英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成長させつつ引き上げるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が広く実施されている。
ＣＺ法は、不活性ガス雰囲気下で石英ルツボ内のシリコン融液に種結晶を浸し、該石英ルツボ及び種結晶を回転させながら引き上げることにより所定のシリコン単結晶を育成するものである。更に、結晶の大型化に伴い、充填するシリコン多結晶の重量が増大している。そのためシリコン融液に磁場を印加し熱対流を抑制する方法（ＭＣＺ法）が開示されており、直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶の製造には広く適応されている。
【０００３】
一方、近年、半導体素子の高集積化とそれに伴う微細化の進展によりシリコンウェーハ内の成長欠陥（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥）が問題となってきた。ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶中の成長欠陥としては、空孔の凝集体である八面体のボイド状欠陥（非特許文献１参照）や、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター（非特許文献２参照）などが知られており、これらは半導体素子の特性を劣化させる要因となる。
【０００４】
これらの欠陥の種類及び濃度は、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖ及び固液界面近傍の結晶温度勾配Ｇの比、Ｖ／Ｇによって決定されることが知られている（非特許文献３参照）。
【０００５】
図１０は、Ｖ／Ｇと欠陥分布の関係の一例を示している。単結晶育成時の引き上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）を変化させることによって、シリコン融点から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分布の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）との比であるＶ／Ｇを変化させた場合のものである。
【０００６】
まず、図１０の単結晶インゴットの縦割りサンプルの概略図に示すように、引き上げ速度Ｖが比較的高速な領域ではベーカンシー（以下、Ｖａともいう）と呼ばれる点欠陥である空孔が凝集したボイドと考えられているＣＯＰやＦＰＤと呼ばれる空孔型のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在し、Ｖ−Ｒｉｃｈ領域（Ｖ領域）と呼ばれている。
【０００７】
これより引き上げ速度Ｖが少し遅くなると、結晶周辺からＯＳＦがリング状に発生し（ＯＳＦ領域）、引き上げ速度が低下するに従ってＯＳＦは中心に向ってシュリンクしていき、ついには結晶中心でＯＳＦは消滅する。
さらに引き上げ速度Ｖを遅くすると、ベーカンシーやインタースティシャルシリコン（以下、Ｉともいう）と呼ばれる格子間型の点欠陥の過不足が少ないニュートラル（以下、Ｎともいう）領域が存在する。このＮ領域は、ＶａやＩの偏りはあるが飽和濃度以下であるため、凝集した欠陥としては存在しないか、あるいは現在の欠陥検出方法では欠陥の存在が検出できないほど小さいことが判明してきた。
このＮ領域は、空孔が優勢なＮｖ領域と、格子間シリコンが優勢なＮｉ領域に分別される。
【０００８】
引き上げ速度Ｖを更に遅くすると、Ｉが過飽和となり、その結果、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスターが発生し、この領域はＩ−Ｒｉｃｈ領域（Ｉ領域）と呼ばれる。
【０００９】
これらのような結晶欠陥の領域の判定に関しては、例えば、Ｎ領域とＶ領域の判定については、セコエッチング後の光学顕微鏡によるＦＰＤ密度の観察とＯＳＦ熱処理後のＯＳＦ密度を併用することにより決定することができる。
また、Ｉ領域とＮ領域の判定については、Ｉ領域に観察される転位クラスターがセコエッチング後にピットとして観察されることから判別することができる。
【００１０】
近年、全面Ｎ領域（成長欠陥フリー領域）結晶、即ち無欠陥結晶の要求が増えており、特許文献１には、無欠陥シリコン単結晶の製造方法について、成長欠陥が成長界面における結晶の温度勾配とシリコン単結晶の成長速度により導入量が決まることを利用し、シリコン単結晶の成長速度を低めることが開示されている。
特許文献２ではシリコン単結晶の固相／液相における境界領域の温度勾配にほぼ比例する単結晶の最大引き上げ速度を超えない速度で引き上げることが開示されている。さらに結晶成長中の温度勾配Ｇと成長速度Ｖに着目した改善ＣＺ法などが報告されている（非特許文献４参照）。このＶ/Ｇの比が一定のときに無欠陥結晶が得られるとされている。
【００１１】
しかし、このような無欠陥結晶を製造した場合、新たに双晶欠陥の発生があり、製造したシリコン単結晶には品質不良部が発生する場合があり、そのために製品歩留まりが低下する問題が生じた。ここで、双晶とは例えば、シリコン単結晶の成長方向に垂直な面の方位＜１１１＞とした場合に同一結晶中に異なる面方位の＜５１１＞面が形成される欠陥であることが報告されている（非特許文献５参照）。
また、この双晶欠陥の形成要因として、シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン融液から蒸発するＳｉＯが炉内の上部に設置した低温部にて析出し、これらが剥離してシリコン融液に落下することにより、シリコン単結晶の結晶方位が変化してしまうことが知られている。
【００１２】
特許文献３には、このような双晶欠陥の改善策として、単結晶製造装置内の不活性ガスの流れを、結晶の周囲に配置した整流筒を用いて制御する技術が開示されている。つまり、双晶欠陥は、シリコン融液表面に浮遊するシリコン単結晶のマトリクスと異なる異物が、結晶成長界面に付着することにより生ずる格子ひずみを緩和するために、それまで成長した面方位から異なる結晶方位の領域が成長することにより発生すると考えられていた。ここで、半導体素子向けのシリコン単結晶では、面方位は最も重要な特性であり重大な特性である。
【００１３】
しかし、微細化した半導体素子向けの無欠陥結晶の製造において、従来双晶欠陥の原因と考えられていたシリコン融液のＳｉＯ酸化物などの異物の付着がない状態で結晶を製造したとしても、双晶欠陥が発生し、製品歩留まりが低下する場合が見られた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−５６５８８
【特許文献２】特開平７−２５７９９１
【特許文献３】特開昭６３−５０３９１
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｉｄｅ−ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒｏｗｎ−ｉｎ ｔｗｉｎ−ｔｙｐｅ ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｓｉｌｉｃｏｎ， Ｊｐｎ． Ｊ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐ−ｐ．１６６７−１６７０
【非特許文献２】Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ａｓ−ｇｒｏｗｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ， Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ． Ｖｏｌ．２６２（１９９２） ｐ−ｐ５１−５６
【非特許文献３】Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｗｉｒｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ，１９８２，ｐ−ｐ６２５−６４３
【非特許文献４】日本結晶成長学会 ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．５，１９９８
【非特許文献５】シリコン 結晶成長とウェーハ加工 培風館
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ＣＺ法（ＭＣＺ法を含む）による無欠陥シリコン単結晶の製造方法において、双晶欠陥が抑制された良質なシリコン単結晶の製造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】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明では、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度（以下、成長速度ともいう）Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００１８】
このように、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、無欠陥結晶を得るためにＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲とし、かつ、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−Ｒｉｃｈ領域）と格子間シリコン優勢の無欠陥領域（Ｎｉ領域）の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい値の範囲とすることによって、格子間シリコン濃度が過剰である格子間シリコン優勢領域（格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域近傍の格子間シリコン優勢の無欠陥領域）を除く結晶品質で無欠陥結晶を製造することができる。
即ち、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きいＶ／Ｇ値の範囲で無欠陥結晶を製造することにより、過剰な格子間シリコンの濃度を下げることができ、従って、双晶欠陥の原因となる積層欠陥の形成を抑制することができ、双晶欠陥の発生が抑制された良質なシリコン単結晶、特には、双晶欠陥の発生が抑制された格子間シリコン優勢領域を含む良質な無欠陥結晶を製造することができる。
【００１９】
またこのとき、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記結晶温度勾配Ｇを一定とし、前記引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００２０】
このように、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で制御する方法としては、結晶温度勾配Ｇを一定とし、引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００２１】
またこのとき、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、前記チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって行うことできる。
【００２２】
このように、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で制御する方法としては、引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによっても行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、無欠陥結晶（特に、格子間シリコン優勢領域を含む無欠陥結晶）の育成において、双晶欠陥の発生が抑制され、高品質なシリコン単結晶の製造が可能となる。特に、無欠陥結晶における双晶欠陥の幅は非常に狭く、検出することが困難な場合において、品質判定のコストが省け、品質安定化に多大な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のシリコン単結晶製造方法において制御するＶ／Ｇ値と欠陥分布の関係を示す説明図である。
【図２】従来の製造方法により得られた無欠陥結晶から採取したシリコンウェーハのパーティクル測定装置による観察結果である。
【図３】無欠陥結晶の断面方向のサンプルの透過型電子顕微鏡による観察結果である。
【図４】双晶欠陥の透過型電子顕微鏡による観察図（ａ）、及びこの模式図（ｂ）である。
【図５】本発明のシリコン単結晶製造方法で用いることができるシリコン単結晶製造装置の一例を示す。
【図６】比較例１及び実施例１における単結晶育成中の成長速度を示す図である。
【図７】実施例１と比較例１の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図８】比較例１と比較例２の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図９】比較例１と実施例２の双晶欠陥の発生率を比較した図である。
【図１０】Ｖ／Ｇ値と欠陥分布の関係の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、微細化した半導体素子向けの無欠陥結晶の製造において、シリコン融液のＳｉＯ酸化物などの異物がない状態で結晶を製造したとしても、双晶欠陥が発生し、製品歩留まりの低下する問題が生じていた。
【００２６】
本発明者らは、上記の課題を達成すべく、以下のように双晶欠陥の詳細を調査したところ、双晶欠陥は一般に領布された文献（非特許文献５）とは異なる原因によっても形成されることを見出した。
【００２７】
従来のシリコン単結晶の製造方法を用いて製造した面方位＜１００＞、比抵抗が１０Ω・ｃｍのボロンドープ無欠陥結晶から採取し、表面研磨により仕上げた直径３００ｍｍのシリコンウェーハの面内マップを、パーティクル測定装置（ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社 モデル名＝ＳＰ２ 粒径サイズは０．０３７μｍ ｕｐ）にて観察した結果を図２に示す。尚、このシリコンウェーハを採取した無欠陥結晶を製造する際に用いた装置は、Ａｒガスの遮蔽筒は具備しており、融液表面からのＳｉＯの蒸発による酸化物の炉内部品への付着、メルト表面への落下はいずれも問題ない構造である。
【００２８】
図２より、ウェーハ表面全体にまばらにパーティクルが付着した点が観察されるが、右下に長さ２２ｍｍの線状の欠陥が観察された。このウェーハを、通常のウェーハのクリーニングに用いられる、フッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液と、塩酸及び過酸化水素水の混合液で洗浄した後に、本ウェーハを測定しても、ウェーハ右下に確認できた長さ２２ｍｍの線状の欠陥は変化しなかった。つまり、表面の欠陥がウェーハ表面にわずかな凹凸を形成し、レーザー式のパーティクルカウンターにより擬似的にパーティクルとして観察されたものであることが判った。
【００２９】
上記の擬似的にパーティクルとして観察された長さ２２ｍｍの線状の欠陥の実態を調査するために、該当領域より、表面を含む断面方向のサンプルを採取した。本サンプルの透過型電子顕微鏡による観察結果を図３に示した。本観察は＜１１０＞方向からの観察結果であるが、図３より幅９．５ｎｍの非常に狭い領域にて方位の変わった領域が観察できた。つまり、パーティクルカウンターにより観察された長さ２２ｍｍの欠陥は双晶であることが確認された。
【００３０】
この双晶欠陥の原因を調査するために、双晶欠陥の起点部の調査を行った。分析には高分解能の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた。サンプルは未熱処理であり、図４（ａ）にＴＥＭ写真の結果を、図４（ｂ）に模式図を示した。これらの結果より、積層欠陥の終端部より双晶が形成されていることが確認できた。
【００３１】
ここで、一般にシリコンウェーハ中の積層欠陥は、ウェーハの状態にて熱酸化処理をすることにより、格子間シリコンがシリコンウェーハ表面の酸化膜界面よりウェーハ内に拡散し、積層欠陥の核となる欠陥に格子間シリコンが集合して余剰な格子面を形成することに起因することが開示されている（シリコンの酸化と格子欠陥、応用物理第４６巻 第１１号、１９７７年 ｐ１０５６、又はＣＺシリコンウェーハ中のリング状分布積層欠陥、応用物理 第５７巻 第１９号、１９８８年 ｐ１５４２）。
【００３２】
しかし、本サンプルには、熱処理を施していない。つまり、熱処理による格子間シリコンの供給がないにもかかわらず、積層欠陥の形成が見られる。
これより、無欠陥結晶の育成時、特に格子間シリコン優勢な領域を育成中に余剰の格子間シリコンが集合して積層欠陥を形成し、この形成された積層欠陥より引き続き、双晶欠陥が連続的に形成されたと推察された。
即ち、上記サンプルで観察された双晶は、一般に開示されている結晶成長界面への異物の付着により形成される双晶とは異なることが判った。
【００３３】
上述したように、無欠陥結晶には、空孔優勢な無欠陥領域（以下、Ｎｖ領域ともいう）、格子間シリコンが優勢な無欠陥領域（以下、Ｎｉ領域ともいう）の２つが存在することが知られている（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、結晶成長学会誌 ｖｏｌ２７、Ｎｏ．２）。このうち、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−ｒｉｃｈ領域）近傍の格子間シリコンが優勢な領域（Ｎｉ領域）にて結晶育成を行うと、育成界面で積層欠陥を形成し、その終端部より、双晶構造が形成される。形成された双晶は＜１１１＞面に沿って成長を続け、結晶側面の外周に抜け正常な方位の結晶成長となる。つまり、本発明者は、無欠陥結晶の双晶欠陥の発生の起点は、優勢な格子間シリコンの濃度を下げるために形成された積層欠陥（ＳＦ：Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）であることを見出した。
【００３４】
そして、このような双晶欠陥の発生を抑制するためには、優勢な格子間シリコンの濃度を下げ、積層欠陥の形成を抑制することが重要であることが判り、この知見を基に本発明を完成させた。
【００３５】
即ち、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、シリコン単結晶を製造することを特徴とする。
【００３６】
無欠陥結晶は、Ｖ／Ｇの比を一定にすることにより達成されるが（日本結晶成長学会 ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．５，１９９８）、このＶ／Ｇの値が大きくなると空孔優勢領域（Ｎｖ領域）側の結晶品質となり、逆にＶ／Ｇの値が小さくなると格子間シリコン優勢領域（Ｎｉ領域）側の結晶品質となる。
つまり、本発明では、Ｖ／Ｇの値を、無欠陥結晶を得るためにＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲で、かつ、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域（Ｉ−ｒｉｃｈ領域）と格子間シリコン優勢の無欠陥領域（Ｎｉ領域）の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲とすることにより、優勢な格子間シリコン濃度が多い領域（格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域近傍の格子間シリコン優勢の無欠陥領域）を含まない無欠陥結晶として、格子間シリコンの濃度を軽減することで、積層欠陥の発生を抑制し双晶欠陥の発生率を改善することができる。
【００３７】
Ｖ／Ｇの値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より大きくする割合が０．２％未満である場合、格子間シリコンの濃度の低下が不十分であり、積層欠陥の発生を完全に抑制することができず、即ち、双晶欠陥の発生を抑制することができない。また、０．５％より大きい場合には、無欠陥結晶となる製造マージンが低下し、結晶育成における製品歩留まりが低下し、効率的な生産ができないという問題が生ずる。
【００３８】
ここで、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲とするには、結晶温度勾配Ｇを決定するチャンバ内の構造を変化させずに、結晶温度勾配Ｇを一定とし、引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００３９】
即ち、図１に示すように、無欠陥結晶を得るためのシリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、結晶温度勾配Ｇは変化させずに、引き上げ速度Ｖを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって行うことができる。
【００４０】
本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、従来一般的に用いられている、図５に示すような単結晶引き上げ装置１０を用いることができる。
図５に示すように、単結晶引上げ装置１０は、チャンバ１内で、シリコン融液２を収容する石英ルツボ３と、この石英ルツボ３を保護する黒鉛ルツボ４とが、ルツボ駆動機構（不図示）によって自在に回転・昇降する保持軸で支持されており、またこれらのルツボ３、４を取り囲むように加熱ヒーター５と断熱材６が配置されている。さらに、チャンバ１の内部には整流筒７が設けられており、この整流筒７の下部に熱遮蔽材８が設置されている。
このような装置を用い、チャンバ１内の石英ルツボ３に収容されたシリコン融液２からシリコン単結晶９を成長させつつ引き上げる。
【００４１】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、具体的には、予めシミュレーションとして、上述したようなシリコン単結晶の引き上げ装置を用いてシリコン単結晶の成長に伴い引き上げ速度Ｖを漸減させることにより格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度を求める。そして、シミュレーションで用いたシリコン単結晶引き上げ装置のチャンバ内構造は変化させずに結晶温度勾配Ｇを一定として、引き上げ速度Ｖをシミュレーションで求めた最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることで行うことができる。
【００４２】
このように、無欠陥結晶のウェーハ面内において非常に狭い領域に形成される双晶欠陥の発生を抑制することにより、高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上する。更に、品質評価のための分布判定（パーティクル測定）が不要となり、ウェーハ製品の品質判定での検査コストの削減、ひいては、高品質シリコンウェーハ用結晶の更なる品質安定化に効果的である。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態としては、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きくするために、引き上げ速度Ｖを一定とした場合、Ｖ／Ｇの値が大きくなるように結晶温度勾配Ｇを制御すれば良いこととなる。
【００４４】
即ち、引き上げ速度Ｖを一定とし、結晶温度勾配Ｇを、チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きくすることができる。
尚、結晶温度勾配を変えるには、例えば結晶周囲に配置した熱遮蔽材の先端からシリコン融液との間隔を広くする条件とすることにより達成することができる。
【００４５】
なお、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、特定の結晶口径を有する単結晶の製造に限定されるものではなく、結晶口径が４５０ｍｍの単結晶の製造等、適時な展開が可能である。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明のシリコン単結晶の製造方法をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４７】
（比較例１）
図５に示したような、Ａｒガスを整流するための整流筒、整流筒の先端に結晶を冷却するために熱輻射を制御する熱遮蔽材が具備された装置を用いた。
この単結晶製造装置を用い、直径８１ｃｍの石英ルツボに原料多結晶シリコンを３８０ｋｇ充填し、結晶方位＜１００＞の直径３００ｍｍのボロンドープシリコン単結晶（Ｐ型、比抵抗１０Ω・ｃｍ）を育成した。この際、図６に示すような成長速度でシリコン単結晶の製造を行った。
比較例１の成長条件では、双晶欠陥の発生率は結晶成長方向の長さ比が０．２から０．４の位置にて高かった。これは、図５に示した通り、炉内の熱輻射を制御するための熱遮蔽材は、設置上の制約よりシリコン融液に直接つけることができない。そのためにシリコン融液から熱遮蔽材までの区間では結晶を冷却できない領域がある。この結晶成長方向の長さ比が０．２から０．４の範囲は、整流筒先端に具備した熱遮蔽材に結晶が差し掛かる領域で、急激な結晶中の温度勾配の変化が生ずる部分である。そのために格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域になりやすい領域、即ち、転位クラスター領域が出現する最高成長速度の領域となる。
【００４８】
（実施例１）
上記比較例１と同様のチャンバ内構造を有する装置を用い、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．４％高速化した条件にてシリコン単結晶を育成した。成長速度の違い以外は、比較例１と同様の条件とした。
【００４９】
図７に実施例１と比較例１の双晶欠陥の発生率を比較した結果を示す。引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．４％高速化することにより双晶発生不良率を改善することができた。これにより、育成した高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上し、効率的に無欠陥結晶を得ることができた。
【００５０】
尚、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．２％高速化した条件とした場合、更には、０．５％高速化した条件とした場合も双晶発生不良率を改善することができた。
しかし、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．１％高速化した条件とした場合は、格子間シリコンの濃度低下が不十分であり、双晶欠陥の発生を抑制することができなかった。また、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、０．６％高速化した条件とした場合は、無欠陥結晶の製造歩留まりが低下し、無欠陥結晶の効率的な生産ができないという問題が生じた。
【００５１】
（比較例２）
エピタキシャルウェーハ用として、上記比較例１と同様のチャンバ内構造を有する装置を用いて、比較例１において成長方向に無欠陥結晶が得られている成長速度プロファイルに対し、約２倍の引き上げ速度で引き上げて空孔優勢領域にて製造した高速成長結晶から得られるウェーハの双晶欠陥を調べた。
図８に、比較例１と比較例２の双晶欠陥の発生率の比較図を示す。図８により、高速成長結晶（比較例２）から得られるウェーハにおいては、双晶欠陥の発生が見られず、無欠陥結晶製造の際に双晶発生不良率が高いことが確認された。
【００５２】
（実施例２）
結晶温度勾配を制御することにより格子間シリコンの濃度を低減するために、図５に示した装置において結晶温度勾配を小さく、つまりＶ/Ｇの値を大きくした。具対的には、熱遮蔽材の先端からシリコン融液との間隔を１ｍｍ広くした条件にて直径３００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
このときの結晶温度勾配は格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．４％低い値である。前記に示した条件以外は実施例１の従来の成長条件と同一とした。
【００５３】
図９に比較例１及び実施例２の双晶欠陥の発生率を比較した結果を示す。
シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．４％大きくすることによって、即ち、引き上げ速度Ｖは変化させずに、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．４％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整することにより、双晶発生不良率を改善することができた。これにより、育成した高品質シリコン単結晶の製品歩留まりが向上し効率的な製造方法であることが確認できた。
【００５４】
また、同様に、引き上げ速度Ｖは変化させずに、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２％小さい、また、０．５％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整することにより、双晶発生不良率を改善することができた。
一方、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．１％小さい結晶温度勾配Ｇとなるようにチャンバ内構造を調整した場合には、双晶欠陥の発生を抑制することができず、０．６％小さい結晶温度勾配Ｇとなるように調整した場合には、無欠陥結晶の製造歩留まりが低下し、無欠陥結晶の効率的な生産ができないという問題が生じた。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５６】
１…チャンバ、 ２…シリコン融液、 ３…石英ルツボ、 ４…黒鉛ルツボ、 ５…加熱ヒーター、 ６…断熱材、 ７…整流筒、 ８…熱遮蔽材、 ９…シリコン単結晶、 １０…単結晶引き上げ装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造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】
前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記結晶温度勾配Ｇを一定とし、前記引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって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製造方法。
【請求項３】
前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、前記チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって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製造方法。
【請求項１】
ＣＺ法によってチャンバ内でシリコン単結晶をシリコン融液から引上げて製造する方法において、双晶欠陥のない無欠陥結晶を得るために、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値を、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域と格子間シリコン優勢の無欠陥領域の境界Ｖ／Ｇ値より０．２〜０．５％大きい範囲で、かつ、ＯＳＦ領域が出現するＶ／Ｇ値よりも小さい範囲内で制御し、前記シリコン単結晶を製造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】
前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記結晶温度勾配Ｇを一定とし、前記引き上げ速度Ｖを、格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現する最高成長速度より０．２〜０．５％高速とすることによって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製造方法。
【請求項３】
前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比のＶ／Ｇ値の制御を、前記引き上げ速度Ｖを一定とし、前記結晶温度勾配Ｇを、前記チャンバを格子間シリコンの凝集体として形成される転位クラスター領域が出現するチャンバ内の最低結晶温度勾配より０．２〜０．５％小さい結晶温度勾配となるチャンバ内構造とすることによって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製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２２５４０９（Ｐ２０１１−２２５４０９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９９０９３（Ｐ２０１０−９９０９３）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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