JP2004256322A - シリコン単結晶の製造方法、シリコン単結晶およびシリコン単結晶の引上げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅を拡大して、たとえ結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化したとしても、成長条件Ｖ／Ｇの制御を容易ならしめ、無欠陥の結晶の取得率を向上させて、結晶の製造コストを低減して、無欠陥のシリコン単結晶を工業的に容易かつ安定して製造することを可能にする。さらに引上げ装置の製造コストを低減する。
【解決手段】シリコン単結晶中の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下になると、無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）の幅が急激に拡大する。ＣＺ炉２に既存の熱遮蔽体８がＣＺ炉２の内壁に接触する位置Ａに位置決めされ、引き上げられるシリコン単結晶内の炭素濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下に低減させる。引上げの工程では、引き上げられるシリコン単結晶からボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除されるように、成長条件Ｖ／Ｇを調整しつつ、シリコン単結晶が引き上げられる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン単結晶の製造方法およびシリコン単結晶に関し、特に、ボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除された無欠陥のシリコン単結晶を製造する方法およびこの製造方法によって製造された無欠陥のシリコン単結晶並びに上記無欠陥のシリコン単結晶を引き上げる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン結晶はＣＺ（チョクラルスキー法）によって引上げ成長されることによって製造される。しかしこの結晶成長の過程でグローイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥（結晶成長時導入欠陥）と呼ばれる結晶欠陥が発生する。
【０００３】
近年、半導体回路の高集積化、微細化の進展に伴い、シリコンウェーハのうちデバイスが作成される表層近くには、こうしたグローイン欠陥が存在することが許されなくなってきている。このため無欠陥結晶の製造の可能性が検討されている。デバイスの特性を劣化させる結晶欠陥は、以下の３種類の欠陥である。
【０００４】
ａ） 空孔が凝集して生じるボイド欠陥 （ 空洞 ）。
【０００５】
ｂ）ＯＳＦ （ 酸化誘起積層欠陥， Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ ）
ｃ） 格子間シリコンが凝集して生じる転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥、Ｉ−ｄｅｆｅｃｔ）。
【０００６】
無欠陥のシリコン単結晶とは、上記３種の欠陥のいずれも含まないか、実質的に含まない結晶として認識ないしは定義されている。
【０００７】
上記３種の欠陥の発生挙動は成長条件によって以下のように変化することが知られている。成長条件はＶ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）であり、Ｇを固定とすれば成長速度Ｖによって空孔型点欠陥が変化する。
【０００８】
ｉ）成長速度Ｖが速い場合には、シリコン結晶は空孔型点欠陥が過剰となり、ボイド欠陥のみが発生する。
【０００９】
ｉｉ）成長速度Ｖを減じると、シリコン結晶の外周付近にリング状にＯＳＦ（Ｒ−ＯＳＦ）が発生し、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にボイド欠陥が存在する構造となる。
【００１０】
ｉｉｉ）成長速度Ｖを更に減じると、リング状のＯＳＦ（Ｒ−ＯＳＦ）の半径は減少し、リング状ＯＳＦ部の外側に欠陥が存在しない領域が、その外側には転位ループクラスタが生じ、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にボイド欠陥が存在する構造となる。
【００１１】
ｉＶ）さらに成長速度Ｖを減じると、Ｒ−ＯＳＦ部は消滅し、シリコン結晶全体に転位ループクラスタが存在する構造となる。
【００１２】
上述した現象が起こるのは成長速度Ｖの減少に伴いシリコン結晶が空孔型点欠陥過剰な状態（空孔過剰状態）から格子間シリコン型点欠陥過剰な状態（格子間シリコン過剰状態）へと変化するためであると考えられており、その変化はシリコン結晶の外周部から始まると理解されている。
【００１３】
したがって、デバイス回路が作成される表層付近においてグローイン欠陥を含まないシリコンウェーハを得るために、従来より、「結晶の成長条件を制御して、無欠陥の単結晶インゴットを製造する」という手法が試みられ、下記に示すように特許公報により公知となっている。
【００１４】
【従来技術１】
後掲する特許文献１には、「結晶の成長条件を制御して、無欠陥の単結晶インゴットを製造する」という上記１） の方法が開示されている。すなわち結晶中の空孔や格子間シリコンが過剰とならないように成長条件Ｖ／Ｇ （Ｖ： 成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配） を制御して、欠陥を含まない結晶を製造するという発明が記載されている。
【００１５】
すなわちこの特許文献１には、Ｒ−ＯＳＦ部と転位ループクラスタ発生領域との間に無欠陥（３種の欠陥のいずれも含まない）領域が存在することが記載されている。無欠陥領域は、空孔過剰状態から格子間シリコン過剰状態への遷移領域に対応し、いずれの欠陥も発生し得る過剰量に達していないニュートラル状態に対応する。そこで、結晶の引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とし、シリコンの融点から１３００゜Ｃの間の軸方向の結晶内の温度分布の平均をＧ（゜Ｃ／ｍｍ）としたとき、これらの比Ｖ／Ｇが０．２０〜０．２２ｍｍ^２／゜Ｃｍｉｎとなるように制御して結晶を引き上げれば、上述したニュートラルな状態を結晶全体において実現できるとしている。
【００１６】
ここで、上記条件に従えば、Ｇが半径方向に均一であるとすると、例えばＧ＝３．０゜Ｃ／ｍｍのとき、引上げ速度Ｖを、０．６３±０．０３ｍｍ／ｍｉｎにコントロールすればよいことになる。この制御を実現するのは工業的に不可能なことではない。
【００１７】
しかし、これは原理上の引上げ速度Ｖの最大許容幅を意味するに過ぎない。その理由は、通常、Ｇは半径方向に一様ではないからである。Ｇが変化することを想定すると引上げ速度Ｖの許容幅は著しく減少し、Ｇの半径方向での変化が１０％に達したとき、引上げ速度Ｖの許容幅はゼロとなる。このことは、Ｇの僅かな均一性の低下でも引上げ速度Ｖの変化は許容されず上記範囲内に成長条件Ｖ／Ｇを収めることは非常に困難であることを意味する。またＶ／Ｇは結晶成長中において動的に変化する。このため成長条件Ｖ／Ｇを許容幅内に収める制御が難しく、無欠陥の結晶の取得率が悪くなり、結晶の製造コストが高コストとなる。したがって実質的には、無欠陥結晶を工業的に安定して製造することは不可能である。
【００１８】
【従来技術２】
後掲する特許文献２では、上述したニュートラルな無欠陥領域にも、空孔の優位な無欠陥領域と格子間シリコンが優位な無欠陥領域の２種類があることに着目し、格子間シリコン優位な無欠陥結晶の製造方法を提案している。特許文献２では、Ｇの結晶の半径方向での変化が、Ｇｍａｘを最大値、Ｇｍｉｎを最小値として（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎ＜２０％の範囲内に収まる成長条件であれば、無欠陥結晶が引き上げられるとしているが、この成長条件も実質的には許容幅が狭く、上述した従来技術１と同様に実質的には無欠陥結晶の工業的な製造は不可能であると考えられる。
【００１９】
【従来技術３】
後掲する特許文献３では、上述したニュートラルな無欠陥領域を結晶全体にわたり実現するために、固液界面の形状を平滑な状態、つまり固液界面の各部の高さを平均高さの±５ｍｍ以内に収めるように結晶を引き上げることを提案している。また平滑な形状の固液界面を得るには、融液への磁場印加が有効であり、特に水平磁場２０００ガウス以上であればよいとしている。固液界面の形状をこのように平滑にすることによって、Ｇが均一となり、結晶の端部におけるＧをＧｅｄｇｅ、結晶の中央におけるＧをＧｃｅｎｔｅｒとすると、Ｇｅｄｇｅ−Ｇｃｅｎｔｅｒ＜０．５゜Ｃ／ｍｍというＧが一定の均一範囲内に収まり、無欠陥結晶が得られるとしている。
【００２０】
しかし固液界面を平滑にすることが直ちにＧが均一になることを意味するわけではなく、固液界面を平滑に制御することで無欠陥結晶を工業的に製造することは不可能であると考えられる。
【００２１】
【従来技術４】
後掲する特許文献４では、上述したニュートラルな無欠陥領域を結晶全体にわたり実現するために、Ｖ／Ｇが０．１６〜０．１８ｍｍ^２／゜Ｃｍｉｎとなり、かつＧｅｄｇｅ／Ｇｃｅｎｔｅｒ＜１．１０となるように制御して結晶を引き上げることを提案している。
【００２２】
しかし、この成長条件も実質的には許容幅が狭く、無欠陥の結晶の取得率が悪く、高コストになるおそれがある。
【００２３】
【従来技術５】
後掲する本発明者らに係る特許文献５では、固液界面の結晶中心における高さと結晶の周辺位置における高さとの差と、固液界面近傍での結晶外周部の軸方向温度勾配という２つの指標を調整することによって無欠陥の結晶を製造することを提案している。この特許文献５によって、従来まちまちな指標で示されてきた無欠陥結晶の育成条件が上記２つの指標により統一的に整理され、また無欠陥結晶を最も容易に育成できる成長条件を見いだすことが可能になった。
【００２４】
しかし最適な育成条件においても成長条件Ｖ／Ｇの許容幅は狭いということも明らかにしている。その狭い許容幅の範囲に成長条件Ｖ／Ｇを制御することは不可能ではないが、無欠陥の結晶の取得率が悪く高コストとなることは避けられない。
【００２５】
以上のように上述した従来技術１〜５のいずれも、無欠陥の結晶を得るために、成長速度Ｖと固液界面近傍の軸方向温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇを極めて狭い許容幅内で制御するというものであり、結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化することもあいまって、制御が困難で、無欠陥の結晶の取得率は悪く、結晶の製造コストは高コストになり、実質的に無欠陥のシリコン単結晶を工業的に安定して製造することは不可能であった。
【００２６】
一方において、多結晶シリコン原料を溶融している工程で、炭素が融液に取り込まれ、引上げられるシリコン単結晶中の炭素濃度が増加するという問題が従来より指摘されている。シリコン単結晶中の炭素濃度が高濃度になると、それによって製造される半導体デバイスの電気的特性に悪影響を与えるとともに、結晶欠陥の原因にもなる。
【００２７】
ＣＺ法で育成されるシリコン単結晶中に炭素が含まれる主要な原因はつぎの２つであると考えられている。
【００２８】
１）図５に示すように石英るつぼ３ａとこれを覆い保持する黒鉛るつぼ３ｂとの反応によってＣＯガス１２が生じ、ＣＯガス１２がシリコン融液５に接触することで炭素が融液５に供給される。
【００２９】
２）高温に加熱されたＣＺ炉２内のヒータ９等の黒鉛部材と雰囲気中の微量な酸素との反応によってＣＯガス１２が生じ、ＣＯガス１２がシリコン融液５に接触することによって炭素が融液５に供給される。
【００３０】
ＣＺ炉２内の部材には、ヒータ９等の黒鉛部材が多用されており、これら黒鉛部材は高温に晒されている。このためＣＺ炉２内でのＣＯガス１２の発生は避けられない。この結果引き上げられるシリコン単結晶中にはある程度の量の炭素が含まれることになる。シリコンウェーハを熱処理したときに生じる酸素析出物の密度は、炭素濃度に依存して増加することが知られている。炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ を上回ると、上述した炭素濃度依存の効果が顕著となるため、従来よりシリコン単結晶中の炭素濃度を１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下に制御する方法が提案されている。また近年、より精密な酸素析出制御が要求されるようになってきているため、さらに低炭素化するための技術が提案されている。
【００３１】
シリコン単結晶中の炭素濃度を低減することに関する従来技術として以下に示すものがある。
【００３２】
【従来技術６】
後掲する特許文献６には、黒鉛部材からなるるつぼ３ｂ、ヒータ９、シールド（熱遮蔽体８）等にＳｉＣ（シリコンカーバイト）を被覆することによってＣＯガス１２の発生を防止して、シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させるという技術が記載されている。
【００３３】
【従来技術７】
後掲する特許文献７、８、９、１０、１１には、ＣＺ炉２内にパージチューブを設けてアルゴンガス７の流量を増やして、ＣＯガス１２を融液５に向かわせることなく効率的にＣＺ炉２の外に排気する技術が記載されている。
【００３４】
すなわち、ＣＺ炉２内にパージチューブを新設することによって、黒鉛部材からなるるつぼ３ｂ、ヒータ９等から発生するＣＯガス１２がシリコン融液５側に流れて触れることを、パージガスの流れにより有効に防止して、シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させるというものである。
【００３５】
【従来技術８】
構成する特許文献１２には、ＣＺ炉２内に「るつぼ頂部隔壁手段」を新設して、これにより最も黒鉛部材が高温となりＣＯガス１２の発生が甚だしい原料シリコンの溶融工程において、炉内雰囲気と、原料が収容されたるつぼ３ａ内の雰囲気とを遮蔽して、シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させるという技術が記載されている。
【００３６】
【従来技術９】
後掲する特許文献１３、１４には、ＣＺ炉２内の黒鉛部材を、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＢＮのいずれかで被覆するとともに、ＣＯガス１２を排気する専用の通路、排出口を新設して、これによりパージガスの流れを制御し、黒鉛部材からなるるつぼ３ｂ、ヒータ９等から発生するＣＯガス１２がシリコン融液５側に流れて触れることを防止し、シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させるという技術が記載されている。また、この装置構成により、炭素濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ にまで低減できると記載されている。
【００３７】
しかし、上述した従来技術６〜９のいずれも、ＣＺ炉の部材を新たに被覆したり、パージチューブ、通路、排出口、「るつぼ頂部隔壁手段」を新設したりする必要があり、ＣＺ炉を製造するにあたり製造工数が増加するとともに、部品点数が増加して、高コスト化を招く。
【００３８】
【従来技術１０】
なお後掲する非特許文献１には、シリコン単結晶中の炭素濃度が高いほど格子間シリコンに関連する欠陥（Ｂ欠陥という）の発生が促進されると記載されている。
【００３９】
しかし、Ｂ欠陥の実体およびＢ欠陥と転位クラスタ（Ａ欠陥と呼ばれることがある）との関係は、現在も明らかになっていない。また炭素濃度と転位クラスタとの関係についても記載されていない。
【００４０】
【特許文献１】
特開平８−３３０３１６１号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９９３８７号公報
【特許文献３】
特開平１１−７９８８９号公報
【特許文献４】
特開２０００−１５９５９４号公報
【特許文献５】
特開２００１−２６１４９５号公報
【特許文献６】
特開昭５３−４５６７９号公報
【特許文献７】
特開昭５４−１１９３７５号公報
【特許文献８】
特開昭５６−２１７５８号公報
【特許文献９】
特開昭６３−３１９２８８号公報
【特許文献１０】
特開平２−１７２８８４号公報
【特許文献１１】
特開平６−１６４９０号公報
【特許文献１２】
特開平６−５６５７２号公報
【特許文献１３】
特開平５−３１９９７６号公報
【特許文献１４】
特開平７−８９７８９号公報
【非特許文献１】
Ａ．Ｊ．Ｒ．ｄｅ ｋｏｃｋ ａｎｄ Ｗ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ Ｗｉｊｇｅｒｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｕｗｔｈ ｖｏｌ．４９（１９８０）７１８
【発明が解決しようとする課題】
第１発明は、上述した従来技術１〜５の問題点を解決すべくなされたものであり、無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅を拡大して、たとえ結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化したとしても、成長条件Ｖ／Ｇの制御を容易ならしめ、無欠陥の結晶の取得率を向上させて、結晶の製造コストを低減して、無欠陥のシリコン単結晶を工業的に容易かつ安定して製造することを可能にすることを、第１の解決課題とするものである。
【００４１】
また第２発明は、上記第１の解決課題を達成することに加えて、上述した従来技術６〜９の問題点を解決すべくなされたものであり、ＣＺ炉の部材を被覆したり新たに部材を新設することなく既存の部材を有効に利用することによって、低炭素化を図るようにして、引上げ装置の製造コストを低減することを第２の解決課題とするものである。
【００４２】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
第１発明は、第１の解決課題を達成するための製造方法であり、
炭素の濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下とし、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整することによって、ボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）を排除した無欠陥のシリコン単結晶を製造する方法であることを特徴とする。
【００４３】
第２発明は、第１の解決課題を達成するためのシリコン単結晶であり、
炭素の濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下の範囲で、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整することによって、製造されてなる、ボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除された無欠陥のシリコン単結晶であることを特徴とする。
【００４４】
第３発明は、第２の解決課題を達成するためのシリコン単結晶引上げ装置であり、
上方よりキャリアガスが供給され下方より排気される単結晶引上げ用チャンバと、前記単結晶引上げ用チャンバ内に設けられ、原料が供給されて原料を溶融するるつぼと、前記るつぼの上方に配置されキャリアガスを前記るつぼ内の融液表面に導く熱遮蔽体とが備えられ、前記るつぼ内の融液からシリコン単結晶を引き上げるようにしたシリコン単結晶の引上げ装置において、
前記熱遮蔽体を、昇降自在とし、
引き上げられるシリコン単結晶内の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下となる位置に、前記熱遮蔽体を位置決めするとともに、
引き上げられるシリコン単結晶からボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除されるように、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整しつつ、シリコン単結晶を引き上げること
を特徴とする。
【００４５】
本発明の知見は、シリコン単結晶に含まれる炭素濃度を従来のレベルの濃度よりも低下させると、転位クラスタの発生が抑制されることを見いだした点と、ある一定レベル以下に低減すると転位クラスタの発生が急激に抑制され無欠陥結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅が急激に拡大される点を見いだした点にある。
【００４６】
上記従来技術１０との関連でいえば、従来技術１０にはＢ欠陥の発生が炭素濃度に依存する点のみが示唆されているが、本発明の知見は、Ｂ欠陥が転位クラスタ発生の前駆体であり、シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させることでＢ欠陥の発生が抑制されこれにより転位クラスタの発生が抑制されて、無欠陥結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅が拡大されることを見いだした点にある。
【００４７】
本発明は図１に示される。図１の横軸はシリコン単結晶中の炭素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）であり、縦軸は炭素無添加結晶におけるＶ／Ｇの臨界値（Ｖ／Ｇ）０で規格化した成長条件Ｖ／Ｇを示す。
【００４８】
同図１に示すようにシリコン単結晶中の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下になると、無欠陥で結晶を製造できる範囲（無欠陥領域）が急激に拡大することがわかる。それによって縦軸の無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅が拡大されることになり、たとえ結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化したとしても、成長条件Ｖ／Ｇの制御が容易となり、無欠陥の結晶の取得率が向上し、結晶の製造コストが低減する。この結果、無欠陥のシリコン単結晶を工業的に容易かつ安定して製造することが可能になる。シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させる手段、手法は、上述した従来技術６〜９を適用してもよく、本明細書に開示された技術を適用してもよい。
【００４９】
特に第３発明では、図８に示すように、ＣＺ炉２に既存の熱遮蔽体８を利用して炭素濃度の低減が図られる。
【００５０】
すなわち熱遮蔽体８が、その上端がＣＺ炉２の内壁に接触する位置Ａに位置される。
【００５１】
熱遮蔽体８がＡ位置に位置決めされると、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れは形成されなくなる。すなわちアルゴンガス７は整流され、ＣＺ炉２内で生成されたＣＯガス１２をのせて、ＣＺ炉２の上方から熱遮蔽体８の下方、ヒータ９と黒鉛るつぼ３ｂとの間を介してＣＺ炉２の下方より効率よく排気される。このようにアルゴンガス７が整流されることによって、ＣＺ炉２の上部に漂うＣＯガス１２のみならず石英るつぼ３ａと黒鉛るつぼ３ｂとの反応で発生したＣＯガス１２も下方に向かって効率よく排気されるため、溶解中に融液５に取り込まれる炭素の量が図９の場合と比較して格段に減少する。これにより、引き上げられるシリコン単結晶内の炭素濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下まで低減することができる。
【００５２】
なおアルゴンガス７の整流作用によってガスが効率的に排気されるため、ＣＺ炉２内のシリコンアモルファス等の不純物も炉外に効率よく排出され、炉内の汚染を従来よりも低減できるという副次的な効果も得られる。
【００５３】
また熱遮蔽体８をＣＺ炉２の内壁に接触させた位置Ａに位置させているので、ガス流によって熱遮蔽体８が揺動することが抑制され、安定したガスの流れが形成される。
【００５４】
引上げの工程では、引き上げられるシリコン単結晶からボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除されるように、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整しつつ、シリコン単結晶が引き上げられる。このとき図１に示すように、シリコン単結晶中の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下になっており、無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅が拡大している。このため、たとえ結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化したとしても、成長条件Ｖ／Ｇの制御を容易に行うことができる。
【００５５】
第３発明によれば、単結晶引上げ装置１に既存の熱遮蔽体８を利用し、その位置決めを行うだけで、シリコン単結晶中の炭素濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にまで低減することができる。このため従来技術６〜９と比較して、単結晶引上げ装置１自体の製造コストを減らすことができるとともに、シリコン単結晶中の炭素濃度を安定して低くすることができる。
【００５６】
また本発明としては、熱遮蔽体８をＣＺ炉２の内壁に接触する位置Ａまで上昇させ、必ずしも完全に内壁に接触させる必要はなく、図８と同様なガスの流れが実現できるのであれば、熱遮蔽体８の上端とＣＺ炉２の内壁とが近接（０〜３０ｍｍ程度）した状態になっていたとしてもよい。
【００５７】
また炭素濃度を定めるパラメータには、熱遮蔽体８の位置以外にるつぼ位置Ｃ／Ｐがあり、るつぼ位置Ｃ／Ｐを変化させることで、炭素濃度を制御することができる。図１３の水準▲４▼に示すように（熱遮蔽体８の位置がＡ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが−１００ｍｍ）、るつぼ位置Ｃ／Ｐをマイナス、つまり黒鉛るつぼ３ｂの上端をヒータ９の上端よりも下方に位置させることで、シリコン単結晶中の炭素濃度を更に低くすることができる。
【００５８】
また炭素濃度を定めるパラメータには、熱遮蔽体８の位置以外にアルゴンガス７の流量があり、アルゴンガス７の流量を変化させることで、炭素濃度を制御することができる。アルゴンガス７の流量を増加させることで、シリコン単結晶中の炭素濃度を更に低下させることができる。
【００５９】
または本発明は、溶融工程のうちゲートバルブ１１が閉じられた状態のときに、図８ないしは図１３（水準▲４▼）ないしは図１０（水準▲１▼）で示される位置に、熱遮蔽体８、るつぼ３ａ、３ｂを位置決めすることが望ましいが、溶融工程のうちゲートバルブ１１が閉じられていない状態のときに、図８ないしは図１３（水準▲４▼）ないしは図１０（水準▲１▼）で示される位置に、熱遮蔽体８、るつぼ３ａ、３ｂを位置決めしてもよい。さらに溶融工程以外の工程で、同様に位置決めを行うようにしてもよい。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して実施形態について説明する。
【００６１】
図５は実施形態の装置の構成を側面からみた図である。
【００６２】
同図５に示すように、実施形態の単結晶引上げ装置１は、単結晶引上げ用チャンバとしてのＣＺ炉２を備えている。
【００６３】
ＣＺ炉２内には、多結晶シリコンの原料を溶融して融液５として収容する石英るつぼ３ａが設けられている。石英るつぼ３ａの外側は黒鉛るつぼ３ｂによって覆われている。黒鉛るつぼ３ｂの外側にあって側方には、石英るつぼ３ａ内の多結晶シリコン原料を加熱して溶融するヒータ９が設けられている。
【００６４】
ヒータ９とＣＺ炉２の内壁との間には、保温筒１３が設けられている。
【００６５】
石英るつぼ３ａの上方には図示しない引上げ機構が設けられている。溶融が安定化すると、この引上げ機構により種結晶が融液５に浸漬されて融液５からシリコン単結晶のインゴットが引き上げられる。
【００６６】
ＣＺ炉２の上方には、ゲートバルブ１１が取り付けられている。ゲートバルブ１１が閉じられることにより炉２内と外気が遮断され炉２内を真空（たとえば２０Ｔｏｒｒ程度）に維持することができる。
【００６７】
単結晶引上げのプロセス（１バッチ）の間で、ＣＺ炉２内には種々の蒸発物が発生する。そこでＣＺ炉２にはキャリアガスとしてアルゴンガス７が上方より供給され図示しない下方の排気口からポンプによって排気される。これにより炉２内は所定の低圧に減圧されるとともに炉２内の不純物がアルゴンガス７とともに排気され炉２内がクリーンに保たれる。アルゴンガス７の供給流量は１バッチ中の各工程毎に設定される。
【００６８】
石英るつぼ３ａの容量には限りがあることから、引き上げられるシリコン単結晶の重量に応じて、あるいは引上げ回数に応じて、石英るつぼ３ａ内に追いチャージやリチャージによって多結晶シリコン原料が追加供給される。石英るつぼ３ａ内に多結晶シリコン原料を追加供給することで、石英るつぼ１個当たりで製造されるシリコン単結晶の量を増やすことができ、製造コストを低減させることができる。
【００６９】
黒鉛るつぼ３ｂの底には回転軸１０が固定されている。シリコン単結晶が引き上げられる際に、石英るつぼ３ａは黒鉛るつぼ３ｂとともに回転軸１０によって所定の回転速度で回転する。
【００７０】
また回転軸１０は鉛直方向に昇降自在であり、石英るつぼ３ａを黒鉛るつぼ３ｂとともに上下動させて任意の位置に移動させることができる。ここでヒータ９の上端に対する黒鉛るつぼ３ｂの上端の相対距離を、るつぼ位置Ｃ／Ｐと定義する。るつぼ位置Ｃ／Ｐの極性は、ヒータ９の上端よりも黒鉛るつぼ３ｂの上端が上方に位置した場合をプラス（＋）とし、ヒータ９の上端よりも黒鉛るつぼ３ｂの上端が下方に位置した場合をマイナス（−）とする。
【００７１】
石英るつぼ３ａの上方にあって、引き上げられるシリコン単結晶の周囲には、略逆円錐台形状の熱遮蔽体（ガス整流筒）８が設けられている。熱遮蔽体８は、種結晶により成長されるシリコン単結晶を、石英るつぼ３ａ、黒鉛るつぼ３ｂ、融液５、ヒータ９などの高温部で発生する輻射熱から断熱、遮蔽するために設けられている。また熱遮蔽体８は、引き上げられるシリコン単結晶に、炉内で発生した不純物（シリコンアモルファス）等が付着して、単結晶の育成を阻害することを防止する。熱遮蔽体８の下端と融液５の表面との間隙のギャップＨの大きさは、シリコン単結晶の成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を制御する上で重要なパラメータである。そこでギャップＨの大きさを調整するために、熱遮蔽体８を昇降させる昇降機構が設けられている。この昇降機構により熱遮蔽体８はＣＺ炉２内で鉛直方向に昇降自在であり、熱遮蔽体８を上下動させて任意の位置に移動させることができる。
【００７２】
図６は熱遮蔽体８を斜視的に示す。同図６に示すように、熱遮蔽体８には、上面が平坦となるようにフレーム材として吊り部８ａが架け渡されている。この吊り部８ａは、たとえばＣ．Ｃ．Ｍ（カーボン・カーボンファイバ複合材料）で構成されている。
【００７３】
吊り部８ａには吊りケーブル１４が接続されており、吊りケーブル１４によって熱遮蔽体８が吊り下げられている。吊りケーブル１４は、たとえばタングステンで構成されている。
【００７４】
図７は熱遮蔽体８を昇降させる昇降機構を示している。
【００７５】
同図７に示すように吊りケーブル１４は巻上ドラム１６に巻かれている。巻上ドラム１６は駆動モータ１６が作動することによって回転される。駆動モータ１６は直流の電源２１より電気信号線２２を介して印加される電圧（たとえば１２Ｖ）によって作動する。電源２１と駆動モータ１６との間の電気信号線２２には電流制限抵抗２０が介在されており、駆動モータ１６に流れる電流が制限される。
【００７６】
熱遮蔽体８、吊りケーブル１４、巻上ドラム１６は電気信号線２２に電気的に接続されている。また電気信号線２２に印加されている電圧を検出する電圧検出器１８が設けられている。電圧検出器１８にはリレー１９が付設されており、このリレー１９は、電圧検出器１８で検出される電圧が、所定のしきい値（たとえば６Ｖ）以下になると、付勢されて、駆動モータ１６を停止させる。ＣＺ炉２は接地（アース）されている。
【００７７】
図５に示すように、熱遮蔽体８の外径は、保温筒１３の上端開口部に応じた大きさに形成されている。熱遮蔽体８が上昇しその端がＣＺ炉２の内壁に接触したときの位置をＡ、熱遮蔽体８が位置Ａよりも下降して、熱遮蔽体８の下部が保温筒１３の開口部に位置したときの位置をＢ、熱遮蔽体８が位置Ｂよりも更に下降して、熱遮蔽体８の上部が保温筒１３の開口部に位置したときの位置をＣとする。
【００７８】
熱遮蔽体８は、図８に示すように、ＣＺ炉２内に上方より供給されるアルゴンガス７を、融液５の表面の中央に導き、さらに融液５の表面を通過させて融液５の表面の周縁部に導く。そして、アルゴンガス７は、ＣＺ炉２内で生成されたＣＯガス１２、特にＣＺ炉２の上部に漂うＣＯガス１２や石英るつぼ３ａと黒鉛るつぼ３ｂが上端で接触する部分Ｄで生成されたＣＯガス１２を、そのアルゴンガス７の流れにのせて、ＣＺ炉２の下部に設けた排気口から排出させる。
【００７９】
また熱遮蔽体８によって融液５の液面上のガス流速が安定化し、融液５から蒸発する酸素を安定な状態に保つことができる。
【００８０】
つぎに上述した実施形態装置の動作について説明する。
【００８１】
ＣＺ法によるプロセスは概略すると、溶融、溶融安定化、引上げ、冷却、取り出しの各工程からなる。リチャージによる方法ではこのプロセスが繰り返され複数本のシリコン単結晶が引き上げられ、１本シリコン単結晶が引き上げられる毎に、つぎの溶融工程で多結晶シリコン原料の追加供給が行われる。追いチャージによる方法では溶融工程で初期の多結晶シリコン原料を供給しで初期の分が溶融した後に追加分の原料が供給される。リチャージや追いチャージが行われる際にはゲートバルブ１１が閉じられる。シリコン単結晶の製造のプロセス中、特に溶融工程でＣＯガス１２が融液５に取り込まれる易く、さらに溶融工程のうちゲートバルブ１１が閉じられた状態でＣＯガス１２が融液５に特に取り込まれる易いといわれている。
【００８２】
・溶融工程
溶融工程ではゲートバルブ１１が閉じられる。そしてゲートバルブ１１が閉じられた状態では、熱遮蔽体８は図５に示す位置Ａまで上昇される。
【００８３】
すなわち図７の昇降機構において駆動モータ１７が作動し巻上ドラム１６が回転する。これにより吊りケーブル１４が上昇し熱遮蔽体８が上昇される。熱遮蔽体８が位置Ａに達すると熱遮蔽体８の上端がＣＺ炉２の内壁に接触する。このため熱遮蔽体８がアースされた状態となり、熱遮蔽体８、吊りケーブル１４、巻上ドラム１６を介して電気信号線２２が接地電位となる。このため電圧検出器１８で検出される電圧がしきい値以下となりリレー１９が付勢され、駆動モータ１７が停止する。このため熱遮蔽体８は、ＣＺ炉２の内壁に接触した位置Ａで丁度停止する。
【００８４】
なお熱遮蔽体８の吊り部８ａは、可撓性のあるＣ．Ｃ．Ｍで構成されているため、駆動モータ１７がオーバーランしたときに吊りケーブル１４の撓みを吸収することができる。
熱遮蔽体８が位置Ａに位置されたときのガスの流れは図８に示される。従来にあっては熱遮蔽体８は図９に示されるように位置Ｂに位置されていた。以下図９の対比において図８のガスの流れについて説明する。
【００８５】
図９に示すように、通常、溶融工程ではヒータ９からの熱吸収をよくするため、そしてＣＯガス１２の巻き込みを抑制するために、るつぼ位置Ｃ／Ｐを、引上げ工程の位置よりも高く保っている。一方、熱遮蔽体８は多結晶シリコン原料の熔解の熱効率を高める観点からはなるべく低い位置（Ｃ位置）に位置させる必要があるが、原料や融液５との接触を回避するために中間の位置Ｂに位置させるようにしている。この状態では、アルゴンガス７の一部は、ＣＺ炉２内で生成されたＣＯガス１２とともに、ＣＺ炉２の上方から熱遮蔽体８の下方、ヒータ９と黒鉛るつぼ３ｂとの間を介してＣＺ炉２の下方より排気されるものの、アルゴンガス７の一部は、ＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８を上下方向に回流する流れを形成する。このためＣＯガス１２が融液５に接触し炭素が融液５に取り込まれる易くなる。
【００８６】
これに対して図８に示すように熱遮蔽体８を、その上端がＣＺ炉２の内壁に接触する位置Ａに位置させた場合には、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れは形成されない。すなわちアルゴンガス７は整流され、ＣＺ炉２内で生成されたＣＯガス１２をのせて、ＣＺ炉２の上方から熱遮蔽体８の下方、ヒータ９と黒鉛るつぼ３ｂとの間を介してＣＺ炉２の下方より効率よく排気される。このようにアルゴンガス７が整流されることによって、ＣＺ炉２の上部に漂うＣＯガス１２のみならず石英るつぼ３ａと黒鉛るつぼ３ｂとの反応で発生したＣＯガス１２も下方に向かって効率よく排気されるため、溶解中に融液５に取り込まれる炭素の量が図９の場合と比較して格段に減少する。
【００８７】
これにより、引き上げられるシリコン単結晶内の炭素濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下まで低減することができる。
【００８８】
なおアルゴンガス７の整流作用によってガスが効率的に排気されるため、ＣＺ炉２内のシリコンアモルファス等の不純物も炉外に効率よく排出され、炉内の汚染を従来よりも低減できるという副次的な効果も得られる。
【００８９】
また本実施形態では、熱遮蔽体８をＣＺ炉２の内壁に接触させた位置Ａに位置させているので、ガス流によって熱遮蔽体８が揺動することが抑制され、安定したガスの流れが形成される。
【００９０】
・引上げ工程
引上げ工程では、種結晶が融液５に浸漬され種結晶を引き上げることでシリコン単結晶のインゴットが生成される。
【００９１】
引上げ工程では、熱遮蔽体８は、本来の機能を果たすことができる位置、つまり石英るつぼ３ａ内の融液５で発生する輻射熱から、引き上げられるシリコン単結晶を遮蔽できる位置に位置決めされる。溶融工程でＡ位置に位置されていた場合には、熱遮蔽体８はＢ位置まで下降される。
【００９２】
引上げの工程では、引き上げられるシリコン単結晶からボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除されるように、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整しつつ、シリコン単結晶が引き上げられる。
【００９３】
図１の詳細は、後述するが、ここでは図１を用いて、シリコン単結晶中の炭素濃度と引上げの際の成長条件Ｖ／Ｇとの関係について説明する。図１の横軸はシリコン単結晶中の炭素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）であり、縦軸は（Ｖ／Ｇ）０で規格化した成長条件Ｖ／Ｇである。ここで（Ｖ／Ｇ）０は、炭素無添加結晶におけるＶ／Ｇの臨界値つまり極微量炭素条件でのニュートラルな状態を表すＶ／Ｇ値である。
【００９４】
同図１に示すようにシリコン単結晶中の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下になると、無欠陥で結晶を製造できる範囲（無欠陥領域）が急激に拡大することがわかる。それによって縦軸の無欠陥の結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの許容幅が拡大される。このため、たとえ結晶成長中にＶ／Ｇが動的に変化したとしても、引上げ速度Ｖの許容幅が大きく、成長条件Ｖ／Ｇの制御が容易となる。
【００９５】
このため無欠陥のシリコン単結晶の取得率が向上し、無欠陥のシリコン単結晶の製造コストが低減する。この結果、無欠陥のシリコン単結晶を工業的に容易かつ安定して製造することが可能になる。たとえばＩＣおよびＬＳＩの基板として優れたシリコンウェーハを高い歩留まりで製造することができるとともに、ＩＣおよびＬＳＩの製造工程には欠かせないパーティクルモニタ用シリコンウェーハを安価に製造することができる。
【００９６】
また本実施形態によれば、単結晶引上げ装置１に既存の熱遮蔽体８を利用し、その位置決めを行うだけで、ＣＯガス１２が融液５に取り込まれないアルゴンガス７の流れを安定して形成することができ、ＣＯガス１２を効率よく炉外に排出することができる。このため従来技術６〜９と比較して、単結晶引上げ装置１自体の製造コストを減らすことができるとともに、シリコン単結晶中の炭素濃度を安定して低くすることができる。
【００９７】
上述した説明では、熱遮蔽体８をＣＺ炉２の内壁に接触する位置Ａまで上昇させているが、必ずしも完全に接触させる必要はなく、図８と同様なガスの流れが実現できるのであれば、熱遮蔽体８の上端とＣＺ炉２の内壁との距離が０〜３０ｍｍ程度に近接した距離になっていたとしてもよい。
【００９８】
また上述した説明では、るつぼ位置Ｃ／Ｐが通常（従来）の溶融工程と同じ位置（図９と同じ位置）であるものとして説明したが、回転軸１０を下降させて、るつぼ位置Ｃ／Ｐを通常（従来）の溶融工程よりも低い位置まで下降させて、更にシリコン単結晶中の炭素濃度を低下させてもよい。
【００９９】
また上述した説明では、アルゴンガス７の流量については言及しなかったが、アルゴンガス７の流量を通常（従来）の溶融工程で設定される流量よりも増加させることで、更にシリコン単結晶中の炭素濃度を低下させてもよい。
【０１００】
図１７は、熱遮蔽体８が位置Ａに位置されている状態で、るつぼ位置Ｃ／Ｐ（ｍｍ）、アルゴンガス７の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を変化させたときのシリコン単結晶中の炭素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を示した表である。同図１７に示すように。るつぼ位置Ｃ／Ｐをマイナスの位置にするか、ガス流量を増加することで炭素濃度の低減が図られることが確認された。るつぼ位置Ｃ／Ｐを−７０（ｍｍ）まで下げ、アルゴンガス７の流量を１２０（Ｌ／ｍｉｎ）まで増加させたときに炭素濃度が０．０１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ となり、最も炭素濃度が減っているのがわかる。
【０１０１】
つぎに熱遮蔽体８の位置、るつぼ位置Ｃ／Ｐと、ガスの流れ、炭素濃度との関係について図１０〜図１５を参照して説明する。図１６は図１０〜図１５の各水準▲１▼〜▲６▼に対応させて熱遮蔽体８の位置、るつぼ位置Ｃ／Ｐ、炭素濃度の低い順位（（１）〜（６））を表で示している。図１６に示すように、図１３の水準▲４▼→図１０の水準▲１▼→図１５の水準▲６▼→図１２の水準▲３▼→図１４の水準▲５▼→図１１の水準▲２▼の順番にシリコン単結晶中の炭素濃度が高くなった。以下炭素濃度が低い順にガスの流れと炭素濃度との関係について説明する。
【０１０２】
図１３は、熱遮蔽体８が位置Ａに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが−１００（ｍｍ）に位置決めされた水準▲４▼のガスの流れを示している。同図１３に示すように、水準▲４▼では、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れは形成されていない。すなわちアルゴンガス７は整流化されている。図１３の水準▲４▼は全ての水準の中で最もガス流れが層流化しており、石英るつぼ３ａ内で内側に巻き込む渦も形成されていない。このため水準▲４▼は全ての水準の中で最も炭素濃度が低くなっている（炭素濃度順位（１））。
【０１０３】
図１０は、熱遮蔽体８が位置Ａに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが２３（ｍｍ）に位置決めされた水準▲１▼のガスの流れを示している。同図１０に示すように、水準▲１▼では、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れは形成されていない。すなわちアルゴンガス７は整流化されている。しかし図１０の水準▲１▼は図１３の水準▲４▼と比較して石英るつぼ３ａ内で内側に巻き込む渦が形成されている。このため図１３の水準▲４▼よりも炭素濃度の低減の効果が低くなっている（炭素濃度順位（２））。
【０１０４】
図１５は、熱遮蔽体８が位置Ｃに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが−１００（ｍｍ）に位置決めされた水準▲６▼のガスの流れを示している。同様に図１２は、熱遮蔽体８が位置Ｃに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが２３（ｍｍ）に位置決めされた水準▲３▼のガスの流れを示している。
【０１０５】
これら図１５、図１２に示すように、水準▲６▼、▲３▼では、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れは形成されていない。すなわちアルゴンガス７は整流化されている。ガスの流れとしては層流的であるといえるが、融液５の上方からガスが舞い上がり熱遮蔽体８の内側をとおり熱遮蔽体８の上方に逆流するガスの流れが形成されているため、水準▲４▼、▲１▼よりも炭素濃度の低減の効果が低くなっている（水準▲６▼は炭素濃度順位（３）、水準▲３▼は炭素濃度順位（４））。なお、熱遮蔽体８がＣ位置に位置決めされると熱遮蔽体８の上部が保温筒１３と開口部と接触し、炭素が発生するおそれがある。このため炭素の発生要因を少なくするためにも熱遮蔽体８をＣ位置に位置決めするのは望ましくない。
【０１０６】
図１４は、熱遮蔽体８が位置Ｂに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが−１００（ｍｍ）に位置決めされた水準▲５▼のガスの流れを示している。同様に図１１は、熱遮蔽体８が位置Ｂに位置決めされ、るつぼ位置Ｃ／Ｐが２３（ｍｍ）に位置決めされた水準▲２▼のガスの流れを示している。
【０１０７】
これら図１４、図１１に示すように、水準▲５▼、▲２▼では、アルゴンガス７がＣＯガス１２とともに、熱遮蔽体８の外側から熱遮蔽体８の上端、内側を介して融液５に向かう流れ、つまり熱遮蔽体８の回りを上下方向に回流する流れが形成されている。すなわちアルゴンガス７は整流化されていない。このためＣＯガス１２が融液５に取り込まれやすく、炭素濃度が高くなっている（水準▲５▼は炭素濃度順位（５）、水準▲２▼は炭素濃度順位（６））。
【０１０８】
なお上記各水準▲１▼〜▲６▼それぞれについてアルゴンガス７を流量を８０（Ｌ／ｍｉｎ）から１００（Ｌ／ｍｉｎ）に増加させたところ、流量を増加させた場合の方が各水準で炭素濃度が低くなるという結果を得た。
【０１０９】
以上のことから、シリコン単結晶中の炭素濃度に影響を与えるパラメータには、熱遮蔽体８の位置、るつぼ位置Ｃ／Ｐ、アルゴンガス７の流量があり、図１３（水準▲４▼）に示すように、熱遮蔽体８の位置をＣＺ炉２の内壁に接触する位置ＡかＣＺ炉２の内壁に近接させた位置に位置させ、かつるつぼ位置Ｃ／Ｐをマイナスの位置つまり黒鉛るつぼ３ｂの上端がヒータ９の上端よりも下方にある位置に位置させ、更にアルゴンガス７の流量を増加させることで、炭素濃度を最も低下させることができることがわかった。ただし重要なパラメータは、熱遮蔽体８の位置であり、図１３（水準▲４▼）、図１０（水準▲１▼）に示すように、るつぼ位置Ｃ／Ｐに関係なく、熱遮蔽体８の位置をＣＺ炉２の内壁に接触する位置ＡかＣＺ炉２の内壁に近接させた位置に位置させることで、炭素濃度を低下させることができることがわかった。
【０１１０】
なお上述した説明では、溶融工程のうちゲートバルブ１１が閉じられた状態のときに、図８ないしは図１３（水準▲４▼）ないしは図１０（水準▲１▼）で示される位置に、熱遮蔽体８、るつぼ３ａ、３ｂが位置決めされる場合を想定したが、溶融工程のうちゲートバルブ１１が閉じられていない状態のときに、図８ないしは図１３（水準▲４▼）ないしは図１０（水準▲１▼）で示される位置に、熱遮蔽体８、るつぼ３ａ、３ｂを位置決めしてもよい。さらに溶融工程以外の工程で、同様に位置決めを行うようにしてもよい。
【０１１１】
シリコン単結晶中の炭素濃度を低下させる手段、手法は、上述した従来技術６〜９を併用してもよい。たとえば黒鉛るつぼ３ｂ、ヒータ９、熱遮蔽体８などの高温に晒される黒鉛部材をＳｉＣで被覆して、ＣＯガス１２の発生自体を抑制してもよい。
【０１１２】
つぎに図１〜図４を用いてシリコン単結晶中の炭素濃度と成長条件Ｖ／Ｇとの関係について考察する。
【０１１３】
図２は、石英るつぼ３ａの直径が２２インチの単結晶引上げ装置１を用いて、結晶の直径が２００ｍｍで炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ のシリコン単結晶を引き上げた場合の実験結果であり、成長速度Ｖを変化させたときの結晶内の欠陥種の分布を示している。実験では成長速度Ｖを徐々に低下させてシリコン単結晶を得た。図３は、炭素濃度を図２よりも６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ と更に低下させた他は、図２と同じ条件で結晶内の欠陥種の分布を調べた結果を示している。
【０１１４】
図２、図３の横軸は成長速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）であり、縦軸は結晶の中心からの距離（半径方向位置）（ｍｍ）である。
【０１１５】
実験では結晶の各位置における欠陥種の分布を、酸素析出熱処理後の Ｘ線トポグラフ法、銅デコレーション後の Ｘ 線トポグラフ法、Ｓｅｃｃｏ エッチング法の併用により、判定、評価した。図２のシリコン単結晶中の炭素濃度（３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）は、厚さ２ｍｍのサンプルを用いて、ＦＴＩＲ法により測定した。また図３のシリコン単結晶中の炭素濃度（６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）は、放射化分析により評価、測定した。
【０１１６】
図２、図３に示すように、横軸位置、縦軸位置に対応させて各欠陥種が顕れる。それらはボイド欠陥が顕れるボイド欠陥領域であり、ＯＳＦのリングであるＲ−ＯＳＦが顕れるＯＳＦリング領域であり、転位クラスタが顕れる転位クラスタ領域である。無欠陥結晶が得られる無欠陥領域は、転位クラスタ領域とボイド欠陥領域との間に顕れる。無欠陥領域は空孔型無欠陥領域と格子間シリコン型無欠陥領域とに分けられ、それらのニュートラルな境界は破線で示している。
【０１１７】
図２と図３を比較すると、図２よりも炭素濃度が低く極低炭素濃度（６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）となっている図３の方が、無欠陥領域に対応する成長速度Ｖの幅が著しく拡大しているのがわかる。図２では結晶の半径方向の全領域で無欠陥となるような成長速度Ｖは存在せず、成長速度Ｖを一定とすれば必ずいずれかの欠陥が結晶の半径方向のどこかには存在することになる。しかし図３では極低炭素化によって無欠陥領域に対応する成長速度Ｖの幅が著しく拡大されており、成長速度Ｖを多少変化させたとしても結晶の半径方向の全領域で無欠陥となる。
【０１１８】
つぎに炭素濃度と欠陥種との関係を調べるために、炭素濃度がそれぞれ６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、 、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 、３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 、 ６×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ のシリコン単結晶を育成し、図２、図３に示す実験と同様な評価を行った。ここで高炭素濃度６×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ のシリコン単結晶は、炭素を故意にドープすることで取得したものであり、低炭素濃度６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ のシリコン単結晶は、図５に示す実施形態装置１を用いＣＯガス１２を効率的に排出することよって取得したものである。
【０１１９】
図４に示す表は実験結果を示しており、各炭素濃度に対応させて各欠陥種が変化する境界における（Ｖ／Ｇ）／（Ｖ／Ｇ）０値を示している。図４では、低成長速度Ｖ側のＯＳＦ境界α、ニュートラル位置β、転位クラスタ発生境界γの（Ｖ／Ｇ）／（Ｖ／Ｇ）０値を示している。ここで低成長速度Ｖ側のＯＳＦ境界αとはＯＳＦリング領域と無欠陥領域との境界のことであり、ニュートラル位置βとは無欠陥領域中で空孔型無欠陥領域と格子間シリコン型無欠陥領域とを分ける境界のことであり、転位クラスタ発生境界γとは無欠陥領域と転位クラスタ領域との境界のことである。
【０１２０】
なお（Ｖ／Ｇ）／（Ｖ／Ｇ）０は、前述したようにＶ／Ｇ０で規格化した成長条件Ｖ／Ｇであり、Ｖ／Ｇ０は極微量炭素条件でのニュートラル状態を表すＶ／Ｇ値である。Ｇは前述した本発明者らに係る特許文献５に開示された方法を用いて計算により求めた。
【０１２１】
図１は、図４に表として示される実験結果を、炭素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ ）、規格化した成長条件（Ｖ／Ｇ）／（Ｖ／Ｇ）０に対応させて欠陥種の分布として表したものである。前述したようにシリコン単結晶中の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下になると急激に、無欠陥のシリコン単結晶が得られる成長条件Ｖ／Ｇの幅が拡大しているのがわかる。
【０１２２】
なお上述した説明では、図５に示す引上げ装置１を用い効率的にＣＯガス１２を排出することにより炭素濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下に低下させているが、この技術を適用することなく従来技術６〜９に示される従来技術のみを適用して炭素濃度を低下させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は炭素濃度と成長条件とに対応させて欠陥種の分布を表したグラフである。
【図２】図２は成長速度（引上げ速度）と結晶の中心からの距離とに対応させて欠陥種の分布を表したグラフであり、炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ の場合のグラフである。
【図３】図３は成長速度（引上げ速度）と結晶の中心からの距離とに対応させて欠陥種の分布を表したグラフであり、炭素濃度が６×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ の場合のグラフである。
【図４】図４は各炭素濃度に対応させて各欠陥種が変化する境界における（Ｖ／Ｇ）／（Ｖ／Ｇ）０値を示した表である。
【図５】図５は実施形態の装置構成を示す側面図である。
【図６】図６は熱遮蔽体の斜視図である。
【図７】図７は熱遮蔽体を昇降させる機構を示す図である。
【図８】図８は実施形態のガスの流れを示す図である。
【図９】図９は従来のガスの流れを示す図である。
【図１０】図１０は水準▲１▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１１】図１１は水準▲２▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１２】図１２は水準▲３▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１３】図１３は水準▲４▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１４】図１４は水準▲５▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１５】図１５は水準▲６▼の位置決めがなされたときのガスの流れを示す図である。
【図１６】図１６は図１０〜図１５の各水準▲１▼〜▲６▼に対応させて、熱遮蔽体の位置、るつぼ位置と炭素濃度の低い順位（（１）〜（６））を示した表である。
【図１７】図１７はガス流量とるつぼ位置と炭素濃度との関係を示した表である。
【符号の説明】
１ 単結晶引上げ装置
２ 単結晶引上げ用チャンバ（ＣＺ炉）
３ａ 石英るつぼ
３ｂ 黒鉛るつぼ
５ 融液
７ アルゴンガス
９ ヒータ
１０ 回転軸
１１ ゲートバルブ
１２ ＣＯガス

Claims (3)

1. 炭素の濃度を３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下とし、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整することによって、ボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）を排除した無欠陥のシリコン単結晶を製造する方法。
2. 炭素の濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下の範囲で、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整することによって、製造されてなる、ボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除された無欠陥のシリコン単結晶。
3. 上方よりキャリアガスが供給され下方より排気される単結晶引上げ用チャンバと、前記単結晶引上げ用チャンバ内に設けられ、原料が供給されて原料を溶融するるつぼと、前記るつぼの上方に配置されキャリアガスを前記るつぼ内の融液表面に導く熱遮蔽体とが備えられ、前記るつぼ内の融液からシリコン単結晶を引き上げるようにしたシリコン単結晶の引上げ装置において、
   前記熱遮蔽体を、昇降自在とし、
   引き上げられるシリコン単結晶内の炭素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下となる位置に、前記熱遮蔽体を位置決めするとともに、
   引き上げられるシリコン単結晶からボイド欠陥、ＯＳＦ（酸素誘起積層欠陥）および転位クラスタ（格子間シリコン型転位欠陥）が排除されるように、成長条件Ｖ／Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：結晶の軸方向温度勾配）を調整しつつ、シリコン単結晶を引き上げること
   を特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。

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