炭素ドープシリコン単結晶の製造方法
【課題】炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位化を効果的に抑制して、歩留まりを向上させることができる炭素ドープ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】炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法。
【解決手段】炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープ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、メモリーやＣＰＵなどの半導体デバイス基板として用いられるシリコンウェーハを切り出すシリコン単結晶の製造方法に関するものであり、特に最先端分野で用いられている炭素をドープして結晶欠陥及び不純物ゲッタリングのための酸素析出量やＢＭＤ密度を制御した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】
メモリーやＣＰＵなど半導体デバイスの基板として用いられるシリコンウェーハを切り出すシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されている。ＣＺ法により作製されたシリコン単結晶中には酸素原子が含まれており、該シリコン単結晶から切り出されるシリコンウェーハを用いてデバイス製造する際、シリコン原子と酸素原子とが結合し、酸素析出物やＢＭＤが形成される。これらは、ウェーハ内部の重金属などの汚染原子を捕獲することでデバイス特性を向上させるＩＧ能力を有することが知られ、ウェーハのバルク部での酸素析出量やＢＭＤ密度が高くなるほど高性能かつ信頼性の高いデバイスを得ることができる。
【０００３】
近年では、シリコンウェーハ中の結晶欠陥を制御しつつ十分なＩＧ能力を付与するために、炭素や窒素を意図的にドープしてシリコン単結晶を製造することが行われている。シリコン単結晶に炭素をドープする方法に関しては、ガスドープ、高純度炭素粉末、炭素塊などが提案されている。
しかしながらこれらの方法は、ガスドープでは結晶が有転位化した場合の再溶融が不可能であり、高純度炭素粉末では原料溶融時に導入ガス等によって高純度粉末が飛散する、炭素塊の投入では炭素が溶けにくいうえに育成中の結晶が有転位化するという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決できる手段として、炭素粉末を入れたシリコン多結晶製容器、炭素を気相成膜したシリコンウェーハ、炭素粒子を含む有機溶剤を塗布してベーキングしたシリコンウェーハ、あるいは炭素を所定量含有させた多結晶シリコンをルツボ内に投入する等により、シリコン単結晶に炭素をドープする方法が提案されている。これらの方法を用いれば前述のような問題を解決することが可能であるが、いずれも多結晶シリコンの加工やウェーハの熱処理などを伴い、炭素ドープ剤の準備が容易ではない上、ドープ剤を調整するための加工やウェーハ熱処理において不純物の汚染を受ける可能性もあった。
【０００５】
そこで、これらの問題を解決すべく、特許文献１に記載されている炭素ドープ単結晶の製造方法が提案されている。
一方、特許文献２−７には、シリコン単結晶の引き上げ時の割れ、転位等の発生を抑制する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２１０６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３７９８８号公報
【特許文献３】特開２００３−１６５７９１号公報
【特許文献４】特開２００６−２１３５８２号公報
【特許文献５】特開２００９−２９２７０２号公報
【特許文献６】特開２０１０−２４１２９号公報
【特許文献７】特開２００６−３０６６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１−７の方法でも、育成中のシリコン単結晶の固液界面から炭素原子がシリコン単結晶のバルク中に取り込まれる際に起きる内部応力起因の有転位化の問題が解決されていなかった。特に近年のシリコン単結晶の大口径化に伴いそのような問題が顕在化し、炭素ドープのシリコン単結晶の無転位化を困難にしている背景がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位化を効果的に抑制して、歩留まりを向上させることができる炭素ドープ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げることを特徴とする炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００１０】
このように炭素ドープシリコン単結晶を引き上げることで、転位の発生を防止しながら、効率的に引き上げることができる。このため、高品質の炭素ドープシリコン単結晶を歩留まり良く製造することができる。
【００１１】
このとき、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯での前記シリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることが好ましい。
このように引き上げることで、本発明の条件での引き上げを容易にでき、さらに、極端な冷却を防いで安定的に無転位で結晶を引き上げることができる。
【００１２】
このとき、前記引き上げるシリコン単結晶の炭素濃度を、１×１０１６〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）とすることが好ましい。
このように１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）、特には５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）を超えるような高濃度の炭素濃度であっても容易に引き上げることができ、本発明であれば、有転位化を効果的に抑制しながら生産性良く製造できる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、有転位化を効果的に抑制しながら炭素ドープシリコン単結晶を製造することができ、従って、十分なＩＧ能力のウェーハを生産性良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる単結晶引上機の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる単結晶引上機の他の例を示す概略図である。
【図３】炭素ドープシリコン単結晶の引き上げにおいて、原料に炭素を添加する方法の説明図である。
【図４】比較例１−４において用いた単結晶引上機を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
従来、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げの際に転位が生じて、歩留まりが悪化する問題があった。
これに対して本発明者らは、特に炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ特有の問題である内部応力起因の有転位化に着目して、鋭意検討し、以下のことを見出した。
【００１６】
本発明者らは、炭素ドープシリコン単結晶成長の際の熱応力の大きさを示す指標として、成長方向の結晶温度変化による熱応力変化を数値的に表現できるＳｒｃｓ値を用いることに想到した。ここで、Ｓｒｃｓ値は、ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力（以下、単に「相当応力」とも呼ぶ）をＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ：臨界分解剪断応力）で割った値である。
【００１７】
さらに、炭素ドープシリコン単結晶の有転位発生の抑制には、成長中の熱応力の緩和とともに、応力を更に助長する結晶冷却過程における体積収縮応力の緩和が重要である。本発明者らは、その制御パラメーターとして、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）に注目した。炭素ドープシリコン単結晶の場合、結晶冷却過程における収縮応力が炭素をドープしない結晶と比べて大きい。すなわち、直径３００ｍｍ、特には４５０ｍｍ以上の大口径の炭素ドープシリコン単結晶の場合、結晶冷却過程において急冷し過ぎないことが重要であり、Ｇの大きさがその指標となる。
【００１８】
そして、本発明者らは、上記Ｓｒｃｓ値は０．９以下、Ｇは１．０〜３．５という最適な条件を見出し、これらの条件を同時に満たすことで炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位化を効果的に抑制できることを見出した。さらに、成長初期の固化率２０％までは有転位化が生じやすいため、少なくとも当該成長初期において、上記条件で引き上げを行うことで、効率的に無転位での引き上げを行うことができることを見出して、本発明を完成させた。
【００１９】
ここで、育成するシリコン単結晶の内部応力起因の転位の発生を誘起しているのは、１４００℃付近の結晶温度帯に働く熱応力である。シリコン単結晶の固液界面近傍の熱応力の増加が大きい場合には、引き上げるシリコン単結晶の割れの発生起因となり、その解決方法として、特許文献２−６に開示されている方法がある。
【００２０】
ただし、これらの方法、特に特許文献３、特許文献４に記載されているような引き上げ結晶の強制冷却のための冷却体は、本発明の方法では設備に付加しない。特に大口径の炭素ドープシリコン単結晶の場合、強制冷却体設備による冷却効果を排除する方が引き上げ時の有転位を助長せず、本発明の方法により直胴部全域にわたって無転位結晶を引上げることができるという良好な結果が得られる。
また、特許文献２には、育成するシリコン単結晶の内部応力と結晶成長界面形状の関係に関する記述がある。確かに結晶成長界面の凸形状の適正な制御は重要であるが、炭素ドープシリコン単結晶成長の場合、界面形状の制御だけでは根本的解決には至らず、やはり熱応力の緩和が重要である。
【００２１】
特許文献４−６には、引き上げ中の結晶割れに影響を及ぼす熱応力（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力）の大きさに関する具体的な記述がある。しかし、本発明で制御する、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位を発生させる熱応力は、結晶割れの熱応力より小規模で、１４００℃付近の結晶温度帯において２ＭＰａ以下の大きさの熱応力（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力）である。本発明者らは、炭素ドープシリコン単結晶成長の場合、特に直胴部成長工程の前半部分において、結晶割れに至らない極めて小規模な熱応力でさえ有転位化を高い確率で生じさせる現象を確認している。
有転位（スリップ）発生のメカニズムについては、特許文献７に具体的に記載されているが、炭素ドープシリコン単結晶の有転位化は、Ｖリッチ結晶、Ｉリッチ結晶、Ｎｖ結晶、Ｎｉ結晶の領域に係わらず発生する傾向があり、特許文献７に記載の発生メカニズムとは本質的に異なる。
【００２２】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明は、炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げる。
【００２３】
炭素ドープシリコン単結晶の製造において、上記Ｇの値が１．０℃／ｍｍを下回るような制御は、結晶成長速度の高速化が困難であり、非効率な生産を強いられることになる。また、Ｇの値が３．５℃／ｍｍを上回るような制御は、炭素ドープのシリコン単結晶が育成中に有転位化しやすく無転位での結晶引き上げが困難である。したがって、Ｇの値が１．０℃／ｍｍ以上３．５℃／ｍｍ以下の条件となるように引き上げ条件を制御することが必要であり、更に好ましくは、Ｇの値が２．０℃／ｍｍ以上３．５℃／ｍｍ以下の条件となるように制御することで、引き上げ速度を速くでき、より効率的に単結晶の引き上げを実施できる。
【００２４】
また、これと同時に、シリコン単結晶成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値が０．９以下となるようにする必要があり、さらには０．７以下とすることが好ましい。このような固液界面の中心部の１４００℃の結晶温度におけるＳｒｃｓ値が、シリコン単結晶成長中に０．９を超えるような場合、固液界面の径方向面内中心部に働く内部応力集中が炭素ドープのシリコン単結晶の無転位化を阻害する。このため、無転位での結晶引き上げが困難である。
なお、ＣＲＳＳは、以下の式で求めることができ、１４００℃（１６７３．１５Ｋ）をＴに代入することで本発明で用いる結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳを求めることができる。
ＣＲＳＳ［Ｐａ］＝０．１×１０＾（４４０６．０８／Ｔ＋４．５８）
Ｔ：絶対温度
【００２５】
このような本発明のＧとＳｒｃｓ値の制御を、炭素ドープしたシリコン単結晶の結晶成長固化率が、原料の全チャージ量に対し２０％までの成長工程で少なくとも行う。
炭素をドープしたシリコン単結晶は、２０％以下の低固化率（単結晶成長の初期段階）の成長工程の育成中に有転位化し易い特徴があるため、当該成長初期に上記本発明の制御を行う。
【００２６】
なお、上記本発明のＧとＳｒｃｓ値の制御は、固化率２０％を超えてからも継続して行っても良いが、固化率２０％を超えてからは、Ｇを３．５℃／ｍｍより大きくなるように制御することで、結晶成長後半は成長速度の高速化を容易にでき、効率的である。この場合も、Ｓｒｃｓ値は０．９以下になるように維持することが好ましい。
【００２７】
また、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯でのシリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることが好ましい。
このように、本発明において炭素ドープのシリコン単結晶の冷却速度の制御も重要であり、上記通過時間４０分以上となるように引き上げ速度を制御することで、炭素ドープのシリコン単結晶にとっても急冷却とはならず、有転位化をより効果的に抑制できる。また単結晶通過時間が２２０分以下であれば、過剰な徐冷却とはならず、グローイン欠陥の成長を抑制し、結晶成長速度の高速化も達成可能である。従って、極端な熱の流出を防ぎ、さらに安定的に無転位化が達成できるため生産性が良い。
【００２８】
次に、本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる図１、２の単結晶引上機を以下説明する。
【００２９】
図１の単結晶引上機１０は、メインチャンバー１１及びプルチャンバー２９で炉を構成している。メインチャンバー１１の内部には溶融されたシリコン融液１３を収容するための石英ルツボ１５と石英ルツボ１５を支持する黒鉛ルツボ１６が設けられている。
これらのルツボ１５，１６は、ペデスタルと呼ばれる支持軸１４の上の受け皿３０を介して支持されている。ルツボ１５，１６の周りにはメインヒーター１２が設置され、さらにその外側に断熱材１７がメインチャンバー１１の内壁に沿って設置されている。ルツボ１５，１６の上方には、下端部に断熱カラー３１を取り付けた円筒形状の黒鉛材からなるガス整流筒１８が設置されている。また、種結晶１９下端にシリコン単結晶２２を成長させながら引き上げるための引き上げ軸２０（ワイヤー等）が設けられている。
【００３０】
本発明において、Ｇ、Ｓｒｃｓ及びシリコン融点〜１３００℃の単結晶通過時間ｔを本発明の範囲内に制御するために好ましい装置とするために、以下のように炉内上部の断熱性（徐冷効果）を向上させることが好ましい。
例えば、図１に示すように、メインチャンバー１１内壁の側方の冷却部や上部からの除熱量を抑えるため、シリコン融液１３より上の位置、すなわちホットゾーン上部を断熱部材２１で覆うことができる。
【００３１】
また、図２（ａ）に示すように、メインチャンバーの上方からの除熱を抑えてさらに徐冷効果を高めるために、メインチャンバー上方のプルチャンバーの引き上げる単結晶の通路部の内壁を、断熱部材２３で覆った引上機１０’とすることができる。
また、図２（ｂ）に示すように、単結晶の強制冷却のための水冷ジャケット（冷却筒）２４が付帯設備である引上機１０’’の場合は、水冷ジャケット２４の内壁を断熱部材２５で覆うことができる。
あるいは、シリコン融液より上方のガス整流筒の設置部分に加熱手段を設ける、ガス整流筒の下端からシリコン融液の融液面までの距離を広げる、メインヒーターの発熱部分（スリット）の延伸若しくは発熱中心の上方移動などの方法により、さらに徐冷効果を高めることができる。
【００３２】
上記のような引上機、例えば図１の引上機１０を用いて、チョクラルスキー（ＣＺ）法、特には磁場印加チョクラルスキー（ＭＣＺ）法により、本発明の方法で炭素ドープシリコン単結晶を以下のように製造することができる。
例えば、まず石英ルツボ１５内に炭素ドープ剤及び多結晶シリコンを充填する。このとき、基板の抵抗率を決定するリンやホウ素等の抵抗率制御用のドーパントも添加する。本発明において用いる炭素ドープ剤、ドープ方法は、特許第４５０７６９０号、特開２００８−２９７１３９号公報等に記載の方法で添加することができる。例えば図３に示すように、石英ルツボ１５内に多結晶シリコン２６とともに、ケミカルエッチドウェーハ２７で挟んだ炭素粉末２８を添加することができる。
【００３３】
次に、真空ポンプを稼動させて、メインチャンバー１１の不図示のガス流出口から排気しながらプルチャンバー２９の不図示のガス導入口からＡｒガスを流入させ、炉内をＡｒ雰囲気に置換する。次に、黒鉛ルツボ１６を囲繞するように配置されたメインヒーター１２で加熱し、多結晶シリコン等の原料を溶融させてシリコン融液１３を得る。原料溶融後、種結晶１９をシリコン融液１３に浸漬させ、引き上げ軸２０により種結晶１９を回転させながら引き上げて、棒状のシリコン単結晶２２を育成する。こうして所望濃度の炭素がドープされたシリコン単結晶２２を製造することができる。
【００３４】
このような本発明の製造において、図１，２に示すようなメインチャンバー内に装備するホットゾーンの最適構造や融液面、発熱中心の位置関係などの最適条件は熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧの計算により算出して設定することができる。
さらに、ＦＥＭＡＧによる熱数値解析結果から、ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］及びＣＲＳＳ値［Ｐａ］を算出してＳｒｃｓの推定を行い、これを指標として引き上げ速度、ヒーターパワー等の引き上げ条件を設定して、シリコン単結晶の引き上げを行うことができる。すなわち、ＦＥＭＡＧによる熱数値解析結果により、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］の範囲内、かつ、シリコン単結晶成長中の固液界面の中心部のＳｒｃｓ値が０．９以下となるような条件、さらに好ましくは、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの高温領域の温度帯の引き上げ単結晶通過時間が４０〜２２０分の範囲内となるような条件を適用して、シリコン単結晶を引き上げることができる。
【００３５】
また、上記した固化率２０％を超えてから単結晶育成中にＧを大きくする制御方法としては、例えば、ルツボの上方駆動の変速制御によってガス整流筒の下端からシリコン融液の融液面までの距離を縮めたり、メインヒーターの駆動によって発熱中心を下方へ移動させるなどの方法によって実施できる。
【００３６】
以上のような本発明であれば、例えば５×１０１６ａｔｏｍ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）以上の高濃度の炭素ドープのシリコン単結晶の製造に有効であり、有転位化を効果的に抑制しながら歩留まり良く炭素ドープシリコン単結晶を引き上げることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２）
実施例１では図２（ａ）の引上機、実施例２では図１の引上機のメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと、ケミカルエッチドウェーハで挟んだ高純度炭素粉末を充填した（図３参照）。このとき、引き上げる単結晶の直胴１４０ｃｍでシリコン中の炭素濃度が６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに、抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。
そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型の炭素ドープシリコン単結晶を育成した。
【００３８】
上記条件により、シリコン単結晶を１０本ずつ育成した。熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧによる計算結果を基に、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ、シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部の（結晶温度１４００℃における）Ｓｒｃｓ値、シリコン融点から１３００℃までの温度帯での単結晶通過時間ｔを表１のように制御した。
実施例１，２において引き上げた無転位結晶の本数と無転位成功率を表１に示す。
また、引き上げた単結晶について、直胴１４０ｃｍの位置でウェーハ状のサンプルを採取し炭素濃度を測定したところ、炭素濃度は６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となっていることを確認した。
【００３９】
（比較例１−４）
比較例１では図４（ｃ）の引上機、比較例２では図４（ｄ）の引上機、比較例３では図４（ｂ）の引上機、比較例４では図４（ａ）の引上機を用いた。この引上機のメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと、ケミカルエッチドウェーハで挟んだ高純度炭素粉末を充填した（図３参照）。このとき、引き上げる単結晶の直胴１４０ｃｍでシリコン中の炭素濃度が６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに、抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。
そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型の炭素ドープシリコン単結晶を上記条件で１０本ずつ育成した。引き上げ速度、ルツボ回転、結晶回転等の引き上げ条件は実施例１と同様に設定した。
【００４０】
熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧによる各製造条件での計算結果を確認したところ、表１に示す結果となった。また、無転位で引き上げることのできた単結晶について、直胴１４０ｃｍの位置でウェーハ状のサンプルを採取し炭素濃度を測定したところ、炭素濃度は６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となっていることを確認した。
比較例１−４において引き上げた無転位結晶の本数と無転位成功率を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から分かるように、実施例１，２では無転位の結晶を１００％の成功率で引上げることができた。一方比較例１−４では、有転位が生じた場合に再溶融を繰り返したが結局無転位で引き上げることができない場合があり、成功率は２０〜８０％と１００％にはならなかった。
また、比較例１、３では、Ｇは３．５以下であったがＳｒｃｓは０．９を超えており、無転位結晶引上げの成功率は８０％以下となった。
【００４３】
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】
【００４４】
１０、１０’、１０’’…単結晶引上機、 １１…メインチャンバー、
１２…メインヒーター、 １３…シリコン融液、 １４…支持軸、
１５…石英ルツボ、 １６…黒鉛ルツボ、 １７…断熱材、 １８…ガス整流筒、
１９…種結晶、 ２０…引き上げ軸、 ２１、２３、２５…断熱部材、
２２…シリコン単結晶、 ２４…水冷ジャケット、 ２６…多結晶シリコン、
２７…ケミカルエッチドウェーハ、 ２８…炭素粉末、 ２９…プルチャンバー、
３０…受け皿、 ３１…断熱カラー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メモリーやＣＰＵなどの半導体デバイス基板として用いられるシリコンウェーハを切り出すシリコン単結晶の製造方法に関するものであり、特に最先端分野で用いられている炭素をドープして結晶欠陥及び不純物ゲッタリングのための酸素析出量やＢＭＤ密度を制御した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】
メモリーやＣＰＵなど半導体デバイスの基板として用いられるシリコンウェーハを切り出すシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されている。ＣＺ法により作製されたシリコン単結晶中には酸素原子が含まれており、該シリコン単結晶から切り出されるシリコンウェーハを用いてデバイス製造する際、シリコン原子と酸素原子とが結合し、酸素析出物やＢＭＤが形成される。これらは、ウェーハ内部の重金属などの汚染原子を捕獲することでデバイス特性を向上させるＩＧ能力を有することが知られ、ウェーハのバルク部での酸素析出量やＢＭＤ密度が高くなるほど高性能かつ信頼性の高いデバイスを得ることができる。
【０００３】
近年では、シリコンウェーハ中の結晶欠陥を制御しつつ十分なＩＧ能力を付与するために、炭素や窒素を意図的にドープしてシリコン単結晶を製造することが行われている。シリコン単結晶に炭素をドープする方法に関しては、ガスドープ、高純度炭素粉末、炭素塊などが提案されている。
しかしながらこれらの方法は、ガスドープでは結晶が有転位化した場合の再溶融が不可能であり、高純度炭素粉末では原料溶融時に導入ガス等によって高純度粉末が飛散する、炭素塊の投入では炭素が溶けにくいうえに育成中の結晶が有転位化するという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決できる手段として、炭素粉末を入れたシリコン多結晶製容器、炭素を気相成膜したシリコンウェーハ、炭素粒子を含む有機溶剤を塗布してベーキングしたシリコンウェーハ、あるいは炭素を所定量含有させた多結晶シリコンをルツボ内に投入する等により、シリコン単結晶に炭素をドープする方法が提案されている。これらの方法を用いれば前述のような問題を解決することが可能であるが、いずれも多結晶シリコンの加工やウェーハの熱処理などを伴い、炭素ドープ剤の準備が容易ではない上、ドープ剤を調整するための加工やウェーハ熱処理において不純物の汚染を受ける可能性もあった。
【０００５】
そこで、これらの問題を解決すべく、特許文献１に記載されている炭素ドープ単結晶の製造方法が提案されている。
一方、特許文献２−７には、シリコン単結晶の引き上げ時の割れ、転位等の発生を抑制する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２１０６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３７９８８号公報
【特許文献３】特開２００３−１６５７９１号公報
【特許文献４】特開２００６−２１３５８２号公報
【特許文献５】特開２００９−２９２７０２号公報
【特許文献６】特開２０１０−２４１２９号公報
【特許文献７】特開２００６−３０６６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１−７の方法でも、育成中のシリコン単結晶の固液界面から炭素原子がシリコン単結晶のバルク中に取り込まれる際に起きる内部応力起因の有転位化の問題が解決されていなかった。特に近年のシリコン単結晶の大口径化に伴いそのような問題が顕在化し、炭素ドープのシリコン単結晶の無転位化を困難にしている背景がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位化を効果的に抑制して、歩留まりを向上させることができる炭素ドープ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げることを特徴とする炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００１０】
このように炭素ドープシリコン単結晶を引き上げることで、転位の発生を防止しながら、効率的に引き上げることができる。このため、高品質の炭素ドープシリコン単結晶を歩留まり良く製造することができる。
【００１１】
このとき、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯での前記シリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることが好ましい。
このように引き上げることで、本発明の条件での引き上げを容易にでき、さらに、極端な冷却を防いで安定的に無転位で結晶を引き上げることができる。
【００１２】
このとき、前記引き上げるシリコン単結晶の炭素濃度を、１×１０１６〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）とすることが好ましい。
このように１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）、特には５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）を超えるような高濃度の炭素濃度であっても容易に引き上げることができ、本発明であれば、有転位化を効果的に抑制しながら生産性良く製造できる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、有転位化を効果的に抑制しながら炭素ドープシリコン単結晶を製造することができ、従って、十分なＩＧ能力のウェーハを生産性良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる単結晶引上機の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる単結晶引上機の他の例を示す概略図である。
【図３】炭素ドープシリコン単結晶の引き上げにおいて、原料に炭素を添加する方法の説明図である。
【図４】比較例１−４において用いた単結晶引上機を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
従来、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げの際に転位が生じて、歩留まりが悪化する問題があった。
これに対して本発明者らは、特に炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ特有の問題である内部応力起因の有転位化に着目して、鋭意検討し、以下のことを見出した。
【００１６】
本発明者らは、炭素ドープシリコン単結晶成長の際の熱応力の大きさを示す指標として、成長方向の結晶温度変化による熱応力変化を数値的に表現できるＳｒｃｓ値を用いることに想到した。ここで、Ｓｒｃｓ値は、ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力（以下、単に「相当応力」とも呼ぶ）をＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ：臨界分解剪断応力）で割った値である。
【００１７】
さらに、炭素ドープシリコン単結晶の有転位発生の抑制には、成長中の熱応力の緩和とともに、応力を更に助長する結晶冷却過程における体積収縮応力の緩和が重要である。本発明者らは、その制御パラメーターとして、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）に注目した。炭素ドープシリコン単結晶の場合、結晶冷却過程における収縮応力が炭素をドープしない結晶と比べて大きい。すなわち、直径３００ｍｍ、特には４５０ｍｍ以上の大口径の炭素ドープシリコン単結晶の場合、結晶冷却過程において急冷し過ぎないことが重要であり、Ｇの大きさがその指標となる。
【００１８】
そして、本発明者らは、上記Ｓｒｃｓ値は０．９以下、Ｇは１．０〜３．５という最適な条件を見出し、これらの条件を同時に満たすことで炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位化を効果的に抑制できることを見出した。さらに、成長初期の固化率２０％までは有転位化が生じやすいため、少なくとも当該成長初期において、上記条件で引き上げを行うことで、効率的に無転位での引き上げを行うことができることを見出して、本発明を完成させた。
【００１９】
ここで、育成するシリコン単結晶の内部応力起因の転位の発生を誘起しているのは、１４００℃付近の結晶温度帯に働く熱応力である。シリコン単結晶の固液界面近傍の熱応力の増加が大きい場合には、引き上げるシリコン単結晶の割れの発生起因となり、その解決方法として、特許文献２−６に開示されている方法がある。
【００２０】
ただし、これらの方法、特に特許文献３、特許文献４に記載されているような引き上げ結晶の強制冷却のための冷却体は、本発明の方法では設備に付加しない。特に大口径の炭素ドープシリコン単結晶の場合、強制冷却体設備による冷却効果を排除する方が引き上げ時の有転位を助長せず、本発明の方法により直胴部全域にわたって無転位結晶を引上げることができるという良好な結果が得られる。
また、特許文献２には、育成するシリコン単結晶の内部応力と結晶成長界面形状の関係に関する記述がある。確かに結晶成長界面の凸形状の適正な制御は重要であるが、炭素ドープシリコン単結晶成長の場合、界面形状の制御だけでは根本的解決には至らず、やはり熱応力の緩和が重要である。
【００２１】
特許文献４−６には、引き上げ中の結晶割れに影響を及ぼす熱応力（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力）の大きさに関する具体的な記述がある。しかし、本発明で制御する、炭素ドープシリコン単結晶の引き上げ時の有転位を発生させる熱応力は、結晶割れの熱応力より小規模で、１４００℃付近の結晶温度帯において２ＭＰａ以下の大きさの熱応力（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力）である。本発明者らは、炭素ドープシリコン単結晶成長の場合、特に直胴部成長工程の前半部分において、結晶割れに至らない極めて小規模な熱応力でさえ有転位化を高い確率で生じさせる現象を確認している。
有転位（スリップ）発生のメカニズムについては、特許文献７に具体的に記載されているが、炭素ドープシリコン単結晶の有転位化は、Ｖリッチ結晶、Ｉリッチ結晶、Ｎｖ結晶、Ｎｉ結晶の領域に係わらず発生する傾向があり、特許文献７に記載の発生メカニズムとは本質的に異なる。
【００２２】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明は、炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げる。
【００２３】
炭素ドープシリコン単結晶の製造において、上記Ｇの値が１．０℃／ｍｍを下回るような制御は、結晶成長速度の高速化が困難であり、非効率な生産を強いられることになる。また、Ｇの値が３．５℃／ｍｍを上回るような制御は、炭素ドープのシリコン単結晶が育成中に有転位化しやすく無転位での結晶引き上げが困難である。したがって、Ｇの値が１．０℃／ｍｍ以上３．５℃／ｍｍ以下の条件となるように引き上げ条件を制御することが必要であり、更に好ましくは、Ｇの値が２．０℃／ｍｍ以上３．５℃／ｍｍ以下の条件となるように制御することで、引き上げ速度を速くでき、より効率的に単結晶の引き上げを実施できる。
【００２４】
また、これと同時に、シリコン単結晶成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値が０．９以下となるようにする必要があり、さらには０．７以下とすることが好ましい。このような固液界面の中心部の１４００℃の結晶温度におけるＳｒｃｓ値が、シリコン単結晶成長中に０．９を超えるような場合、固液界面の径方向面内中心部に働く内部応力集中が炭素ドープのシリコン単結晶の無転位化を阻害する。このため、無転位での結晶引き上げが困難である。
なお、ＣＲＳＳは、以下の式で求めることができ、１４００℃（１６７３．１５Ｋ）をＴに代入することで本発明で用いる結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳを求めることができる。
ＣＲＳＳ［Ｐａ］＝０．１×１０＾（４４０６．０８／Ｔ＋４．５８）
Ｔ：絶対温度
【００２５】
このような本発明のＧとＳｒｃｓ値の制御を、炭素ドープしたシリコン単結晶の結晶成長固化率が、原料の全チャージ量に対し２０％までの成長工程で少なくとも行う。
炭素をドープしたシリコン単結晶は、２０％以下の低固化率（単結晶成長の初期段階）の成長工程の育成中に有転位化し易い特徴があるため、当該成長初期に上記本発明の制御を行う。
【００２６】
なお、上記本発明のＧとＳｒｃｓ値の制御は、固化率２０％を超えてからも継続して行っても良いが、固化率２０％を超えてからは、Ｇを３．５℃／ｍｍより大きくなるように制御することで、結晶成長後半は成長速度の高速化を容易にでき、効率的である。この場合も、Ｓｒｃｓ値は０．９以下になるように維持することが好ましい。
【００２７】
また、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯でのシリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることが好ましい。
このように、本発明において炭素ドープのシリコン単結晶の冷却速度の制御も重要であり、上記通過時間４０分以上となるように引き上げ速度を制御することで、炭素ドープのシリコン単結晶にとっても急冷却とはならず、有転位化をより効果的に抑制できる。また単結晶通過時間が２２０分以下であれば、過剰な徐冷却とはならず、グローイン欠陥の成長を抑制し、結晶成長速度の高速化も達成可能である。従って、極端な熱の流出を防ぎ、さらに安定的に無転位化が達成できるため生産性が良い。
【００２８】
次に、本発明の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法を実施する際に用いることができる図１、２の単結晶引上機を以下説明する。
【００２９】
図１の単結晶引上機１０は、メインチャンバー１１及びプルチャンバー２９で炉を構成している。メインチャンバー１１の内部には溶融されたシリコン融液１３を収容するための石英ルツボ１５と石英ルツボ１５を支持する黒鉛ルツボ１６が設けられている。
これらのルツボ１５，１６は、ペデスタルと呼ばれる支持軸１４の上の受け皿３０を介して支持されている。ルツボ１５，１６の周りにはメインヒーター１２が設置され、さらにその外側に断熱材１７がメインチャンバー１１の内壁に沿って設置されている。ルツボ１５，１６の上方には、下端部に断熱カラー３１を取り付けた円筒形状の黒鉛材からなるガス整流筒１８が設置されている。また、種結晶１９下端にシリコン単結晶２２を成長させながら引き上げるための引き上げ軸２０（ワイヤー等）が設けられている。
【００３０】
本発明において、Ｇ、Ｓｒｃｓ及びシリコン融点〜１３００℃の単結晶通過時間ｔを本発明の範囲内に制御するために好ましい装置とするために、以下のように炉内上部の断熱性（徐冷効果）を向上させることが好ましい。
例えば、図１に示すように、メインチャンバー１１内壁の側方の冷却部や上部からの除熱量を抑えるため、シリコン融液１３より上の位置、すなわちホットゾーン上部を断熱部材２１で覆うことができる。
【００３１】
また、図２（ａ）に示すように、メインチャンバーの上方からの除熱を抑えてさらに徐冷効果を高めるために、メインチャンバー上方のプルチャンバーの引き上げる単結晶の通路部の内壁を、断熱部材２３で覆った引上機１０’とすることができる。
また、図２（ｂ）に示すように、単結晶の強制冷却のための水冷ジャケット（冷却筒）２４が付帯設備である引上機１０’’の場合は、水冷ジャケット２４の内壁を断熱部材２５で覆うことができる。
あるいは、シリコン融液より上方のガス整流筒の設置部分に加熱手段を設ける、ガス整流筒の下端からシリコン融液の融液面までの距離を広げる、メインヒーターの発熱部分（スリット）の延伸若しくは発熱中心の上方移動などの方法により、さらに徐冷効果を高めることができる。
【００３２】
上記のような引上機、例えば図１の引上機１０を用いて、チョクラルスキー（ＣＺ）法、特には磁場印加チョクラルスキー（ＭＣＺ）法により、本発明の方法で炭素ドープシリコン単結晶を以下のように製造することができる。
例えば、まず石英ルツボ１５内に炭素ドープ剤及び多結晶シリコンを充填する。このとき、基板の抵抗率を決定するリンやホウ素等の抵抗率制御用のドーパントも添加する。本発明において用いる炭素ドープ剤、ドープ方法は、特許第４５０７６９０号、特開２００８−２９７１３９号公報等に記載の方法で添加することができる。例えば図３に示すように、石英ルツボ１５内に多結晶シリコン２６とともに、ケミカルエッチドウェーハ２７で挟んだ炭素粉末２８を添加することができる。
【００３３】
次に、真空ポンプを稼動させて、メインチャンバー１１の不図示のガス流出口から排気しながらプルチャンバー２９の不図示のガス導入口からＡｒガスを流入させ、炉内をＡｒ雰囲気に置換する。次に、黒鉛ルツボ１６を囲繞するように配置されたメインヒーター１２で加熱し、多結晶シリコン等の原料を溶融させてシリコン融液１３を得る。原料溶融後、種結晶１９をシリコン融液１３に浸漬させ、引き上げ軸２０により種結晶１９を回転させながら引き上げて、棒状のシリコン単結晶２２を育成する。こうして所望濃度の炭素がドープされたシリコン単結晶２２を製造することができる。
【００３４】
このような本発明の製造において、図１，２に示すようなメインチャンバー内に装備するホットゾーンの最適構造や融液面、発熱中心の位置関係などの最適条件は熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧの計算により算出して設定することができる。
さらに、ＦＥＭＡＧによる熱数値解析結果から、ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］及びＣＲＳＳ値［Ｐａ］を算出してＳｒｃｓの推定を行い、これを指標として引き上げ速度、ヒーターパワー等の引き上げ条件を設定して、シリコン単結晶の引き上げを行うことができる。すなわち、ＦＥＭＡＧによる熱数値解析結果により、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］の範囲内、かつ、シリコン単結晶成長中の固液界面の中心部のＳｒｃｓ値が０．９以下となるような条件、さらに好ましくは、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの高温領域の温度帯の引き上げ単結晶通過時間が４０〜２２０分の範囲内となるような条件を適用して、シリコン単結晶を引き上げることができる。
【００３５】
また、上記した固化率２０％を超えてから単結晶育成中にＧを大きくする制御方法としては、例えば、ルツボの上方駆動の変速制御によってガス整流筒の下端からシリコン融液の融液面までの距離を縮めたり、メインヒーターの駆動によって発熱中心を下方へ移動させるなどの方法によって実施できる。
【００３６】
以上のような本発明であれば、例えば５×１０１６ａｔｏｍ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）以上の高濃度の炭素ドープのシリコン単結晶の製造に有効であり、有転位化を効果的に抑制しながら歩留まり良く炭素ドープシリコン単結晶を引き上げることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２）
実施例１では図２（ａ）の引上機、実施例２では図１の引上機のメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと、ケミカルエッチドウェーハで挟んだ高純度炭素粉末を充填した（図３参照）。このとき、引き上げる単結晶の直胴１４０ｃｍでシリコン中の炭素濃度が６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに、抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。
そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型の炭素ドープシリコン単結晶を育成した。
【００３８】
上記条件により、シリコン単結晶を１０本ずつ育成した。熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧによる計算結果を基に、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ、シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部の（結晶温度１４００℃における）Ｓｒｃｓ値、シリコン融点から１３００℃までの温度帯での単結晶通過時間ｔを表１のように制御した。
実施例１，２において引き上げた無転位結晶の本数と無転位成功率を表１に示す。
また、引き上げた単結晶について、直胴１４０ｃｍの位置でウェーハ状のサンプルを採取し炭素濃度を測定したところ、炭素濃度は６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となっていることを確認した。
【００３９】
（比較例１−４）
比較例１では図４（ｃ）の引上機、比較例２では図４（ｄ）の引上機、比較例３では図４（ｂ）の引上機、比較例４では図４（ａ）の引上機を用いた。この引上機のメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと、ケミカルエッチドウェーハで挟んだ高純度炭素粉末を充填した（図３参照）。このとき、引き上げる単結晶の直胴１４０ｃｍでシリコン中の炭素濃度が６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに、抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。
そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型の炭素ドープシリコン単結晶を上記条件で１０本ずつ育成した。引き上げ速度、ルツボ回転、結晶回転等の引き上げ条件は実施例１と同様に設定した。
【００４０】
熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧによる各製造条件での計算結果を確認したところ、表１に示す結果となった。また、無転位で引き上げることのできた単結晶について、直胴１４０ｃｍの位置でウェーハ状のサンプルを採取し炭素濃度を測定したところ、炭素濃度は６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となっていることを確認した。
比較例１−４において引き上げた無転位結晶の本数と無転位成功率を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から分かるように、実施例１，２では無転位の結晶を１００％の成功率で引上げることができた。一方比較例１−４では、有転位が生じた場合に再溶融を繰り返したが結局無転位で引き上げることができない場合があり、成功率は２０〜８０％と１００％にはならなかった。
また、比較例１、３では、Ｇは３．５以下であったがＳｒｃｓは０．９を超えており、無転位結晶引上げの成功率は８０％以下となった。
【００４３】
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】
【００４４】
１０、１０’、１０’’…単結晶引上機、 １１…メインチャンバー、
１２…メインヒーター、 １３…シリコン融液、 １４…支持軸、
１５…石英ルツボ、 １６…黒鉛ルツボ、 １７…断熱材、 １８…ガス整流筒、
１９…種結晶、 ２０…引き上げ軸、 ２１、２３、２５…断熱部材、
２２…シリコン単結晶、 ２４…水冷ジャケット、 ２６…多結晶シリコン、
２７…ケミカルエッチドウェーハ、 ２８…炭素粉末、 ２９…プルチャンバー、
３０…受け皿、 ３１…断熱カラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げることを特徴とする炭素ドープ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において、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯での前記シリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることを特徴とする請求項１に記載の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記引き上げるシリコン単結晶の炭素濃度を、１×１０１６〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１】
炭素を添加したシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる炭素ドープシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、少なくとも固化率が２０％までは、Ｇの値が１．０〜３．５［℃／ｍｍ］で、かつ、前記シリコン単結晶の成長中の固液界面の径方向面内中心部のＳｒｃｓ値（ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ相当応力［Ｐａ］を、結晶温度１４００℃におけるＣＲＳＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ）［Ｐａ］で割った値）が０．９以下になるようにシリコン単結晶を引き上げることを特徴とする炭素ドープ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において、引上機炉内におけるシリコン融点から１３００℃までの温度帯での前記シリコン単結晶の通過時間を４０分以上２２０分以下とすることを特徴とする請求項１に記載の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記引き上げるシリコン単結晶の炭素濃度を、１×１０１６〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＮＥＷ ＡＳＴＭ）とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の炭素ドープシリコン単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４３８０９（Ｐ２０１３−４３８０９Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３４４５（Ｐ２０１１−１８３４４５）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【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２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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