JP2007022864A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 無転位化の成功率を更に向上させることが可能となるシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】 シリコン融液に接触させた種結晶を徐々に引き上げることにより、減径部と定径部からなるネッキング部を形成し、続いて、シリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、前記ネッキング部を形成する際の雰囲気を、不活性ガス中に水素含有物質が含まれてなる水素含有雰囲気とし、前記水素含有雰囲気中の水素含有物質の濃度を、水素ガス換算濃度で３％以上２０％以下の範囲とすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を採用する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関するものであり、特に、ネッキング部を安定して形成することを可能とするシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

シリコン単結晶の製造方法は種々あるが、なかでも、シリコン単結晶の引上げに関し、工業的に量産が可能な方式で広く応用されているものとしてＣＺ法がある。
図５には、このＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げ装置の構成を説明するための縦断面図を示す。図５に示すように、シリコン単結晶の育成はチャンバー１９の容器内で行われ、その中心位置に坩堝１が配されている。この坩堝１１は、石英製の内層保持容器１１ａとこの外側に嵌合された黒鉛製の外層保持容器１１ｂとから構成されている。坩堝１１の外層保持容器１１ｂの底部には、坩堝１１を回転、並びに昇降させる軸１８が設けられている。そして、坩堝１１の外周には、ヒーター１２が同心円筒状に配設され、坩堝１１内にはこの加熱ヒーターにより溶融された結晶原料、つまり多結晶シリコンの融液１３が収容されている。さらに、ヒーター１２の外側には保温筒１７が周設されている。

坩堝１１の上方には、チャンバー１９の上部に連設形成された小型の円筒形状のプルチャンバー２０を通して、引上げ軸１４が回転、並びに昇降可能に設けられており、引上げ軸１４の下端には種結晶１６がシードチャック１５に着脱可能に装着されている。そして、この種結晶１６の下端を融液１３の表面に接触させた後、種結晶１６を坩堝１の回転と反対方向に回転させつつ上昇させることにより、種結晶１６の下端から単結晶を成長させていく。

図５に示すようにシリコン融液１３の表面に種結晶１６を接触させると、その熱的衝撃に起因して、種結晶に高密度の転位が発生する。そこで、シリコン単結晶を無転位の状態で引き上げるために、種結晶１６の下方にネッキング部を設けて、いわゆるダッシュ法によって、発生した転位を結晶表面から排除し、ネッキング部の下端に無転位の結晶を凝固させつつ引き上げていくようにする。

図６は、ＣＺ法による引上げの際に種結晶の下方に設けられるネッキング部の形状を示す図である。通常、シリコン単結晶の引上げの際に形成されるネッキング部１６ｎは、図６に示すように、シリコン融液１３の表面に種結晶１６を接触させたのちに種結晶１６を引き上げて、その下端部を徐々に細く絞り込んで減径部１６ｎ_１（テーパー部）を形成し、次いで所定直径の定径部１６ｎ_２を成長させる。そのため、ネッキング部１６ｎは、減径部１６ｎ_１と定径部１６ｎ_２とから構成される。一般的に、シリコン単結晶を無転位化させるためには、ネッキング部１６ｎの定径部１６ｎ_２は直径Ｄが約３ｍｍ以下で、長さＬが３０ｍｍ以上のものが必要とされている。
しかし、直径３ｍｍ以下の定径部１６ｎ_２を備えたネッキング部１６ｎの無転位化の成功率は７０％程度であり、更なる無転位化の成功率の向上が求められている。

また、最近になって、半導体用ウェーハの効率生産にともなう要請から、引上げられるシリコン単結晶の大口径化および長尺化の必要性が増加している。そのため、例えば所謂１２インチ結晶においては、単結晶の重量が３００ｋｇを超えることが想定されている。

シリコン単結晶の引上げの際には、単結晶の重量はネッキング部で支持され、単結晶の総重量はネッキング部の定径部に加わることになる。シリコン単結晶の機械的性質から算定すると、上述のように、３００ｋｇを超える大重量の結晶を保持する場合には、ネッキング部の定径部では、直径で４．５ｍｍ以上確保する必要があり、さらに、引上げ過程での振動、衝撃を考慮すると、安全性を加味して直径６．０ｍｍが必要になる。ネッキング部がこれらの強度を具備できない場合には、単結晶の引上げ段階において、ネッキング部が切断する可能性が高く、そのためにシリコン単結晶が落下するという重大事故に結び付くことが想定される。一方で、定径部の直径が４ｍｍ以上になると、無転位化の成功率が大幅に低下するという問題が生じる。

そこで、シリコン単結晶の落下防止と無転位化の成功率向上を同時に達成するための手段として、特許文献１には、ダッシュ法による無転位化作業時にネッキング部を補助加熱機構を用いて加熱することにより、ネッキング部の温度分布を制御してネッキング部に作用する熱応力を軽減し、比較的直径が大きなネッキング部であってもシリコン単結晶を無転位化できる方法が開示されている。
また、特許文献２には、シリコン融液の温度と種結晶の引き上げ速度を制御することによって、４〜１０ｍｍ程度の直径を有するネッキング部を安定して形成する方法が開示されている。
特開平１１−１８９４８８号公報 特開２００１−１３０９９５号公報

しかし、特許文献１に記載された方法を採用するためには、引き上げ装置に補助加熱機構を組み込む必要があり、引き上げ装置全体の構成が大がかりになってしまう問題があった。
また、特許文献２に記載された方法では、ネッキング部の直径が４〜１０ｍｍと比較的大きいために無転位化の成功率が１５％程度と充分ではなく、成功率の更なる向上が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、無転位化の成功率を更に向上させることが可能となる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。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、シリコン融液に接触させた種結晶を徐々に引き上げることにより、減径部と定径部からなるネッキング部を形成し、続いて、シリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、前記ネッキング部を形成する際の雰囲気を、不活性ガス中に水素含有物質が含まれてなる水素含有雰囲気とすることを特徴とする。
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、前記水素含有雰囲気中の水素含有物質の濃度を、水素ガス換算濃度で３％以上２０％以下の範囲とすることが好ましい。

また、本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、前記水素含有物質が水素ガスであり、前記水素ガス含有雰囲気中における水素ガス濃度が３％以上２０％以下であることが好ましい。
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、前記ネッキング部の前記定径部の直径を３ｍｍ以下に制御することが好ましい。
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、前記ネッキング部の前記定径部の直径を４ｍｍ以上１０ｍｍ以下に制御するとともに、前記定径部を形成する際の前記種結晶の引き上げ速度を２．５ｍｍ／分以上とすることが好ましい。

ここで、水素含有物質とは、水素原子をその分子中に含む物質であって、シリコン融液中に溶け込んだ際に熱分解されることによって水素ガスを発生させる気体状の物質である。この水素含有物質には水素ガス自体も含まれる。この水素含有物質を不活性ガスに混合してネッキング部形成時の雰囲気中に導入することにより、シリコン融液中の水素濃度を向上させることができる。水素含有物質の具体例としては、水素ガス、Ｈ_２Ｏ、ＨＣｌ等の水素原子を含む無機化合物や、シランガス、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２などの炭化水素、アルコール、カルボン酸等の水素原子を含む有機化合物を例示できるが、特に水素ガスを用いることが望ましい。また、不活性ガスとしては、安価なＡｒガスが好ましく、これ以外にもＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの各種希ガス単体またはこれらの混合ガスを用いることができる。

また本発明では、水素含有雰囲気中における水素含有物質の濃度を、水素ガス換算濃度で３％以上２０％以下の範囲としている。ここで、水素ガス換算濃度としたのは、水素含有物質が熱分解等して得られる水素原子の量が、水素含有物質に元来含まれる水素原子の数量等によって左右されるためである。例えば、Ｈ_２Ｏの１モルには１モル分のＨ_２が含まれるが、ＨＣｌの１モルには０．５モル分のＨ_２しか含まれない。従って本発明においては、水素ガスが３〜２０％の濃度で不活性ガス中に導入されてなる水素含有雰囲気を基準とし、この基準となる雰囲気と同等の雰囲気が得られるように、水素含有物質の濃度を決めることが望ましく、このときの好ましい水素含有物質の濃度を水素ガス換算濃度として規定したものである。
即ち、本発明においては、水素含有物質がシリコン融液に溶解し高温のシリコン融液中で熱分解して水素原子に変換されると仮定した上で、変換後の雰囲気中の水素ガス換算濃度が３〜２０％の範囲になるように水素含有物質の添加量を調整すればよい。

本発明の単結晶シリコンの製造方法によれば、水素ガス換算濃度で３％以上２０％以下の水素含有物質が不活性ガス中に含まれてなる水素含有雰囲気においてネッキング部を形成することにより、水素含有物質に由来する水素原子がシリコン融液に溶け込まれ、更にこの水素原子が、シリコンが凝固する際にシリコンの格子間に取り込まれる。シリコンの格子間に水素が取り込まれることによって、種結晶がシリコン融液に接触した際の熱衝撃によって発生する転位を、ネッキング部の途中で固着させると共に、転位の発生自体を防止することができる。即ち、水素含有物質の添加によって、ネッキング部内における転位の伝搬を止めると共に発生を防止することができる。
その結果、ネッキング部に続いて形成されるショルダー部やボディ部に対する転位の伝搬が防止され、無転位のシリコン単結晶を効率よく製造することができる。

また、一般に、シリコン融液と種結晶との間の固液界面が下凸状となる場合にネッキング部における転位除去を促進させることができるが、シリコン融液に水素が溶け込まれることによって、この転位除去の効果をより促進させることができる。

また、本発明の単結晶シリコンの製造方法によれば、水素含有雰囲気中でネッキング部を形成すると共に、ネッキング部の定径部の直径を３ｍｍ以下にすることにより、ネッキング部の形成による無転位化の成功率を１００％程度に高めることができる。
更に、本発明の単結晶シリコンの製造方法によれば、水素含有雰囲気中でネッキング部を形成すると共に、ネッキング部の定径部の直径を４ｍｍ以上１０ｍｍ以下に制御し、かつ定径部を形成する際の種結晶の引き上げ速度を２．５ｍｍ／分以上にすることによって、直径４ｍｍ以上の定径部を有するネッキング部の形成による無転位化の成功率を、従来よりも飛躍的に高めることができる。

本発明の単結晶シリコンの製造方法によれば、水素含雰囲気中でネッキングの形成を行うことにより、無転位化の成功率を更に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（ＣＺ炉の構成）
図１は、本発明の実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法を実施するのに適したＣＺ炉の縦断面図である。
図１に示すＣＺ炉は、チャンバー内の中心部に配置された坩堝１と、坩堝１の外側に配置されたヒータ２と、ヒータ２の外側に配置された磁場供給装置９とを備えている。坩堝１は、内側にシリコン融液３を収容する石英坩堝１ａを外側の黒鉛坩堝１ｂで保持する二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸１ｃにより回転および昇降駆動される。
坩堝１の上方には、円筒形状の熱遮蔽体７が設けられている。熱遮蔽体７は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造である。熱遮蔽体７の内面は、上端部から下端部にかけて内径が漸減するテーパー面になっている。熱遮蔽体７の上部外面は内面に対応するテーパー面であり、下部外面は、熱遮蔽体７の厚みを下方に向かって漸増させるようにほぼストレート面に形成されている。
そして、シードチャック５に取り付けた種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬し、坩堝１および引き上げ軸４を回転させつつ種結晶Ｔを引き上げることにより、シリコン単結晶６を形成できるようになっている。図１に示すシリコン単結晶６は、種結晶Ｔの下に形成されたネッキング部６ｎと、ネッキング部６ｎに続いて形成されたショルダー部６ａと、ショルダー部６ａに続いて形成されたボディ部６ｂとからなる。

熱遮蔽体７は、ヒータ２およびシリコン融液３面からシリコン単結晶６の側面部への輻射熱を遮断するものであり、育成中のシリコン単結晶６の側面を包囲するとともに、シリコン融液３面を包囲するものである。熱遮蔽体７の仕様例を挙げると次のとおりである。
半径方向の幅Ｗは例えば５０ｍｍ、逆円錐台面である内面の垂直方向に対する傾きθは例えば２１°、熱遮蔽体７の下端の融液面からの高さＨ１は例えば６０ｍｍとする。

また、磁場供給装置９から供給される磁場の強度は、水平磁場（横磁場）にあっては２０００〜４０００Ｇ（０．２Ｔ〜０．４Ｔ）、より好ましくは２５００〜３５００Ｇ（０．２５Ｔ〜０．３５Ｔ）とされ、磁場中心高さが融液液面に対して−１５０〜＋１００ｍｍ、より好ましくは−７５〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される。
また、カスプ磁場にあっては、磁場供給装置９から供給される磁場の強度は、２００〜１０００Ｇ（０．０２Ｔ〜０．１Ｔ）、より好ましくは３００〜７００Ｇ（０．０３Ｔ〜０．０７Ｔ）とされ、磁場中心高さが融液液面に対して−１００〜＋１００ｍｍ、より好ましくは−５０〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される。
上記の磁場の強度で上記の磁場中心高さ範囲で磁場供給装置９から磁場を供給することで、対流を抑えることができ、固液界面の形状を好ましい形状とすることができる。

（第１の実施形態のシリコン単結晶の製造方法）
次に、図１に示すＣＺ炉を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして不活性ガスと含有物質との混合ガスを用いた、第１の実施形態のシリコン単結晶６の製造方法を説明する。
先ず、坩堝１内に高純度シリコンの多結晶を例えば３００Ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率を所望の値、例えば１０Ωｃｍになるようにｐ型（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ等）またはｎ型（Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等）のドーパントを添加する。

次に、ＣＺ炉内を水素含有物質と不活性ガスとの混合ガスからなる水素含有雰囲気とし、雰囲気圧力を１．３〜１３．３ｋＰａ（１０〜１００ｔｏｒｒ）とし、雰囲気ガス中における水素含有物質の濃度を水素ガス換算濃度で３〜２０％とする。水素含有物質として水素ガスを選択した場合には、水素ガス濃度を３〜２０％とすればよい。尚、このときの水素分圧は、全圧（雰囲気圧力）を１．３〜１３．３ｋＰａとした場合に、３９Ｐａ〜２．７ｋＰａの範囲になる。

水素含有物質の水素ガス換算濃度（水素の濃度）が３％未満（水素分圧にして３９Ｐａ未満）では、シリコン中に導入される転位の伝搬及び転位の発生を低減できなくなるので好ましくない。また、水素含有物質の水素ガス換算濃度（水素の濃度）が高い程、転位発生の抑制効果が増大する。ただし、水素ガス換算濃度が５０％（水素分圧にして６．７５ｋＰａ）を超えると、ＣＺ炉内に酸素リークを生じた場合に爆発などの危険性が増大するので安全上好ましくなく、その濃度が２０％（水素分圧にして２．７ｋＰａ）を超えると、爆発しないまでも燃焼の危険が増大するので好ましくない。水素濃度が２０％以下であれば、酸素リークなどを生じた場合に、例え炉内で燃焼が発生したとしても、燃焼した際の圧力変動が１気圧を超えることがないので、安全上なにも問題ない。このため、より好ましい水素含有物質（水素ガス）の濃度は３％以上２０％以下の範囲であり、特に好ましい濃度は３％〜１０％の範囲である。

水素含有物質は、シリコン融液中に溶け込んだ際に熱分解されて、シリコン融液中に水素原子を供給できる物資である。この水素含有物質を不活性ガスに混合してネッキング部形成時の雰囲気中に導入することにより、シリコン融液中の水素濃度を向上させることができる。水素含有物質の具体例としては、水素ガス、Ｈ_２Ｏ、ＨＣｌ等の水素原子を含む無機化合物や、シランガス、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２などの炭化水素、アルコール、カルボン酸等の水素原子を含む各種物質を例示できるが、特に水素ガスを用いることが望ましい。また、不活性ガスとしては、安価なＡｒが好ましく、これ以外にもＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの各種希ガス単体、またはこれらの混合ガスを用いることができる。

なお、不活性雰囲気中に酸素ガス（Ｏ_２）が存在する場合には、気体の水素分子換算での濃度と酸素ガスの濃度の２倍との濃度差が３体積％以上の濃度で存在できる。水素原子含有ガスの水素分子換算での濃度と酸素ガスの濃度の２倍の濃度差が３体積％未満であると、シリコン結晶中に取り込まれた水素原子によるＣＯＰおよび転位クラスター等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の生成を抑制する効果が得られないことによる。

また、不活性ガス中の不純物としての窒素が高濃度になると、シリコン結晶が有転位化するので、通常の炉内圧１．３〜１３．３ｋＰａ（１０〜１００Ｔｏｒｒ）の範囲では、窒素濃度２０％以下にすることが好ましい。

次いで、磁場供給装置９から例えば３０００Ｇ（０．３Ｔ）の水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍとなるように供給するとともに、ヒータ２によりシリコンの多結晶を加熱してシリコン融液３とする。
次に、シードチャック５に取り付けた種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬し、坩堝１および引き上げ軸４を回転させつつ結晶引き上げを行って、まずはネッキング部６ｎを形成する。尚、引き上げの際の結晶方位は｛１００｝、｛１１１｝または｛１１０｝のいずれかとする。

ネッキング部６ｎの形成について詳細に説明すると、種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬させてから、るつぼ１および引き上げ軸４を回転させつつ種結晶Ｔを引き上げることにより、図２に示すような減径部６ｎ_１を形成する。このときの引き上げ速度は、１．０ｍｍ／分〜２．５ｍｍ／分の範囲にすることが望ましい。この減径部６ｎ_１は、ネッキング部６ｎの一部であって、引き上げ方向の反対方向に沿って直径が徐々に減少されるように引き上げられたものである。本実施形態においては、最小直径Ｄ_１が３ｍｍ以下になるまで減径部６ｎ_１の形成を行うことが望ましい。

次に、減径部６ｎ_１の端部の直径Ｄ_１が３ｍｍ以下になった後に、今度は引き上げ速度を２．０ｍｍ／分〜４．０ｍｍ／分の範囲に設定して引き上げを続行することにより、図３に示すような定径部６ｎ_２を形成する。この定径部６ｎ_２は、減径部６ｎ_１と共にネッキング部６ｎを構成するものであり、引き上げ方向またはその反対方向に沿って直径が一定になるように引き上げられたものである。本実施形態においては、定径部６ｎ_２の直径Ｄ_２を３ｍｍ以下とし、定径部６ｎ_２の長さを少なくとも５ｍｍ以上にすることが望ましい。このようにしてネッキング部６ｎを形成する。

ネッキング部６ｎを形成する間においては、シリコン融液３と種結晶Ｔの固液界面Ｋ、またはシリコン融液３と形成途上のネッキング部６ｎとの固液界面Ｋを、シリコン融液３側に突出する下凸状に維持し続けることが好ましい。図４に示すように、種結晶Ｔがシリコン融液３に接した際の熱衝撃によってシリコン中に導入される転位ｄは、固液界面Ｋの法線方向に沿って成長する性質があるので、固液界面Ｋを下凸状にすることで、導入された転位ｄをネッキング部６ｎの表面にまで到達させて転位ｄを除去することができる。

尚、ネッキング部６ｎの形成が終了したならば、ＣＺ炉内の雰囲気を、水素含有雰囲気から水素含有物質を含まない雰囲気（例えば１００％不活性ガス雰囲気）としても良く、水素含有雰囲気を保持したままで後述するショルダー部６ａ及びボディ部６ｂの形成を行っても良い。

続いて、坩堝１及び種結晶５の回転速度並びに引き上げ速度を調整してショルダー部６aを形成させ、肩変えして目標ボディ径とする。
そして、ボディ長さが例えば３００ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を臨界速度よりも充分大きな、例えば１．０ｍｍ／ｍｉｎに調整し、その後引き上げ長さに応じてほぼ直線的に引き上げ速度を低下させ、ボディ長さが例えば６００ｍｍに達したときに臨界速度よりも小さい例えば０．３ｍｍ／ｍｉｎとなるようにし、その後はこの引き上げ速度で例えば１６００ｍｍまでボディ部６ｂを育成し、通常条件でテイル絞りを行った後、結晶成長を終了する。

本実施形態のシリコン単結晶の製造方法においては、ネッキング部６ｎの定径部６ｎ_２の直径Ｄ_２が３ｍｍ以下であって、転位除去に関しては比較的有利な条件であるところ、ネッキング部６ｎの形成時の雰囲気を水素含有雰囲気とすることで、ネッキング部６ｎ内における転位の伝搬を止めると共に転位の発生を防止することができ、これによりボディ部６ｂへの転位の伝搬をより効果的に防止することができる。これは、水素含有雰囲気においてネッキング部６ｎを形成することで、水素含有物質に由来する水素がシリコン融液３に溶け込まれ、更にこの水素が、シリコンが凝固する際にシリコンの格子間に取り込まれ、これにより種結晶Ｔがシリコン融液３に接触した際の熱衝撃によって発生する転位を、ネッキング部６ｎの途中で固着させると共に、転位の発生自体を防止できるためである。
よって、本実施形態によれば、ネッキング部６ｎの形成による無転位化の成功率を、従来の７０％程度から１００％程度に向上させることができる。

（第２の実施形態のシリコン単結晶の製造方法）
次に、図１に示すＣＺ炉を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして不活性ガスと含有物質との混合ガスを用いた、第２の実施形態のシリコン単結晶６の製造方法を説明する。
先ず、第１の実施形態と同様に、坩堝１内に高純度シリコンの多結晶を例えば３００Ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率を所望の値、例えば１０Ωｃｍになるようにｐ型（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ等）またはｎ型（Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等）のドーパントを添加する。
また、第１の実施形態と同様にして、ＣＺ炉内を水素含有物質と不活性ガスとの混合ガスからなる水素含有雰囲気とする。

次に、磁場供給装置９から例えば３０００Ｇ（０．３Ｔ）の水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍとなるように供給するとともに、ヒータ２によりシリコンの多結晶を加熱してシリコン融液３とする。このときのシリコン融液の温度は、シリコン融液３に種結晶５を接触させて種結晶Ｔを１．５ｍｍ／分の引き上げ速度で引き上げた場合に、種結晶Ｔの下端部の直径が減径しない温度とすることが好ましい。

「シリコン融液３に種結晶Ｔを接触させて種結晶Ｔを１．５ｍｍ／分の引き上げ速度で引き上げた場合に、種結晶下端部の直径が減径しない温度」とは、シリコン融液３に種結晶を接触させて引上げを開始したときに、その引上げ速度を１．５ｍｍ／分とすれば、種結晶下端部の直径が少なくとも減径しない、すなわち、そのままの直径で引上げられるか、または直径が漸増しつつ引上げられるようなシリコン融液３の液温条件を意味している。シリコン融液３が上記を超える高温状態になると、ネッキング部６ｎの減径部形成での固液界面の形状を下凸状態に十分にすることができず、無転位化が図れなくなるので好ましくない。
上述したように、種結晶Ｔがシリコン融液３に接した際の熱衝撃によってシリコン中に導入される転位は、固液界面Ｋの法線方向に沿って成長する性質があるので、固液界面Ｋを下凸状にすることで、導入された転位をネッキング部６ｎの表面にまで到達させて転位を除去することができる。

そして、シードチャック５に取り付けた種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬し、坩堝１および引き上げ軸４を回転させつつ結晶引き上げを行って、まずはネッキング部６ｎを形成する。尚、引き上げの際の結晶方位は、第１の実施形態と同様に、｛１００｝、｛１１１｝または｛１１０｝のいずれかとする。

ネッキング部の形成について詳細に説明すると、第１の実施形態において参照した図２と同様に、種結晶をシリコン融液３に浸漬させてから、るつぼ１および引き上げ軸４を回転させつつ種結晶を引き上げることにより、減径部６ｎ_１を形成する。このときの引き上げ速度は、２．５ｍｍ／分以上にすることが望ましい。この減径部６ｎ_１は、ネッキング部６ｎの一部であって、引き上げ方向の反対方向に沿って直径が徐々に減少されるように引き上げられたものである。本実施形態においては、直径Ｄ_１が４〜１０ｍｍになるまで減径部６ｎ_１の形成を行うことが望ましい。

本実施形態において減径部６ｎ_１の引き上げ速度を２．５ｍｍ／分以上にするのは、２つの理由に基づく。第１の理由は、シリコン結晶に導入された転位は引上げにともなって移動する固液界面に向かって成長するため、その成長速度を上回る速度で結晶を引上げなければ、転位密度を減少することができないことである。また、第２の理由は、ネッキング部６ｎを形成する工程で固液界面Ｋが下凸状態であることを利用して転位を除去するには、下凸状態を保持する引上げ長さをある程度長くする必要があるからである。例えば、中心近傍にある転位を除去するには、半径方向に結晶半径の長さだけ移動させることが必要になるが、引上げ方向の移動距離が大きいほど、半径方向の移動距離が稼げることになる。したがって、引上げ方向の移動距離を確保することによって、転位密度を確実に低減することができる。そして、固液界面が下凸状態である引上げ方向の移動距離を長く確保するには、引上げ速度を速くことが有効である。言い換えれば、引上げ速度を速くすることによって、固液界面が下凸状態にある時間が短くなるが、この時間短縮による下凸状態での引上げ長さの減少作用より、引上げ速度を速くすることによる固液界面の下凸状態での引上げ方向の移動距離の延長作用の方が大きくなる。

本発明によれば、ネッキング部６ｎの定径部６ｎ_２を４．５ｍｍ以上の大径にする場合であっても、前述の通り、シリコン融液の液温を比較的低温に設定し、ネッキング部６ｎの減径部６ｎ_１における引上げ速度を２．５ｍｍ／分以上にすることにより、導入された転位を確実に除去することができる。すなわち、引上げ速度を２．５ｍｍ／分以上にすれば、種結晶の中心近傍に存在する転位であっても、下凸状態の固液界面を通して、結晶外に排除することが可能になる。
尚、引上げ速度の上限は、ネッキング部６ｎの形成不良のうち結晶が融液から切り離される、いわゆる絞り切れの発生状況によって制限される。一般的に、シリコン融液３に磁場が印加されていない場合には上限を６ｍｍ／分とし、磁場を印加した場合には上限を１０ｍｍ／分とするのが望ましい。このように、シリコン融液３に磁場を印加した場合に、引上げ速度の上限を大きく採れるのは、融液の温度変動が小さくなり、絞り切れが発生し難くなるためである。

次に、第１の実施形態において参照した図３と同様に、減径部６ｎ_１の端部の直径が４．５〜１０ｍｍになった後に、今度は引き上げ速度を２．５ｍｍ／分〜４．０ｍｍ／分の範囲に設定して引き上げを続行することにより、定径部６ｎ_２を形成する。この定径部６ｎ_２は、減径部６ｎ_１と共にネッキング部６ｎを構成するものであり、引き上げ方向またはその反対方向に沿って直径が一定になるように引き上げられたものである。本実施形態においては、定径部６ｎ_２の直径Ｄ_２を４．５〜１０ｍｍとし、定径部６ｎ_２の長さを少なくとも１０ｍｍ以上にすることが望ましい。このようにしてネッキング部６ｎを形成する。

第１の実施形態と同様に、ネッキング部６ｎを形成する間においては、シリコン融液３と種結晶Ｔの固液界面Ｋ、またはシリコン融液３と形成途上のネッキング部６ｎとの固液界面Ｋを、下凸状に維持し続けることが好ましい。固液界面Ｋを下凸状にすることで、導入された転位をネッキング部６ｎの表面にまで到達させて転位を除去することができる。

尚、ネッキング部６ｎの形成が終了したならば、ＣＺ炉内の雰囲気を、水素含有雰囲気から水素含有物質を含まない雰囲気（例えば１００％不活性ガス雰囲気）としても良く、水素ガス含有雰囲気を保持したままでショルダー部６ａ及びボディ部６ｂの形成を行っても良い。
そして、第１の実施形態と同様にして、ショルダー部６ａ及びボディ部６ｂの形成を行い、通常条件でテイル絞りを行った後、結晶成長を終了する。

本実施形態のシリコン単結晶の製造方法においては、ネッキング部６ｎの定径部６ｎ_２の直径Ｄ_２が４．５〜１０ｍｍ以下であって、転位除去に関しては比較的不利な条件であるところ、ネッキング部６ｎの形成時の雰囲気を水素含有雰囲気とすることで、ネッキング部６ｎ内における転位の伝搬を止めると共に転位の発生を防止することができ、これによりボディ部６ｂへの転位の伝搬をより効果的に防止することができる。これは、水素含有雰囲気においてネッキング部６ｎを形成することで、水素含有物質に由来する水素がシリコン融液３に溶け込まれ、更にこの水素が、シリコンが凝固する際にシリコンの格子間に取り込まれ、これにより種結晶Ｔがシリコン融液３に接触した際の熱衝撃によって発生する転位を、ネッキング部６ｎの途中で固着させると共に、転位の発生自体を防止できるためである。
よって、本実施形態によれば、ネッキング部６ｎの形成による無転位化の成功率を、飛躍的に向上させることができる。

ＣＺ法によりシリコン単結晶インゴットを下記の実験例１〜実験例９に示す条件のもとで製造し、得られた単結晶インゴットについて、ネッキング部による無転位化の成功率を調べた。
尚、各実験例において、２つのＣＺ炉を用いて、各ＣＺ炉において１０回、合計で２０回の製造実験を行って２０本のインゴットを製造し、各インゴットについて無転位化の成功の有無を調べ、その結果から無転位化の成功率を算出した。
また、無転位化の成功の有無は、ネッキング部の定径部を切り出して、Ｘ線トポグラフによって判定した。

（実験例１）
図１に示す坩堝１に高純度シリコンの多結晶を３００Ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率が１２Ωｃｍになるようにｐ型のドーパントとしてＢ（ホウ素）を添加した。

次に、ＣＺ炉内をアルゴンガス雰囲気とし、雰囲気圧力を４．０ｋＰａとした。
次いで、磁場供給装置９から３０００Ｇの水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍとなるように供給するとともに、ヒータ２によりシリコンの多結晶を加熱してシリコン融液３とした。
次に、シードチャック５に直径１５ｍｍの種結晶Ｔを取り付け、この種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬し、坩堝１および引き上げ軸４をそれぞれ２ｒｐｍ、４ｒｐｍで相互に逆回転させつつ結晶引き上げを行った。引き上げの際の結晶方位は｛１００｝とした。

引き上げは、先ず、種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬させてから、引き上げ速度２．４ｍｍ／分の条件で直径が３ｍｍになるまでで引き上げを行い、減径部を形成した。
次に、引き上げ速度を３．２ｍｍ／分に設定して引き上げを続行して、直径３ｍｍ、長さ７ｍｍの定径部を形成した。このようにして、減径部と定径部からなるネッキング部を形成した。
ネッキング部の形成後、ネッキング部をシリコン融液から切り離し、ＣＺ炉外に取り出した。そして、定径部を無転位化の判定に供した。

（実験例２）
図１に示す坩堝１に高純度シリコンの多結晶を３００Ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率が１２Ωｃｍになるようにｐ型のドーパントとしてＢを添加した。

次に、ＣＺ炉内をアルゴンガス雰囲気とし、雰囲気圧力を４．０ｋＰａとした。
次いで、磁場供給装置９から３０００Ｇの水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍとなるように供給するとともに、ヒータ２によりシリコンの多結晶を加熱してシリコン融液３とした。シリコン融液の温度は、「シリコン融液３に種結晶を接触させて種結晶を１．５ｍｍ／分の引き上げ速度で引き上げた場合に、種結晶下端部の直径が減径しない温度」とした。
次に、シードチャック５に直径１５ｍｍの種結晶Ｔを取り付け、この種結晶Ｔをシリコン融液３に浸漬し、坩堝１および引き上げ軸４をそれぞれ２ｒｐｍ、４ｒｐｍで相互に逆回転させつつ結晶引き上げを行った。引き上げの際の結晶方位は｛１００｝とした。

引き上げは、先ず、種結晶をシリコン融液３に浸漬させてから、引き上げ速度２．２ｍｍ／分の条件で直径が５ｍｍになるまでで引き上げを行い、減径部を形成した。
次に、引き上げ速度を２．８ｍｍ／分に設定して引き上げを続行して、直径５ｍｍ、長さ１２ｍｍの定径部を形成した。このようにして、減径部と定径部からなるネッキング部を形成した。
ネッキング部の形成後、ネッキング部をシリコン融液から切り離し、ＣＺ炉外に取り出した。そして、定径部を無転位化の判定に供した。

（実験例３）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度１％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を２．６ｍｍ／分とし、定径部の直径を５．２ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例４）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度３％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気としたこと以外は、実験例１と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例５）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度３％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を２．７ｍｍ／分とし、定径部の直径を５．４ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例６）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度３％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を２．５ｍｍ／分とし、定径部の直径を８．９ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例７）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度６％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を２．６ｍｍ／分とし、定径部の直径を８．１ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例８）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度６％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を２．１ｍｍ／分とし、定径部の直径を８．０ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

（実験例９）
ＣＺ炉内の雰囲気を、濃度１８％の水素がアルゴンガス中に混合されてなる水素含有雰囲気とし、定径部形成時の引き上げ速度を３．２ｍｍ／分とし、定径部の直径を９．１ｍｍとしたこと以外は実験例２と同様にしてネッキング部の形成を行い、このネッキング部を無転位化の判定に供した。

表１に、各実験例における無転位化成功率を示す。

表１に示すように、実験例１及び実験例４は、定径部の直径を３ｍｍとした実験例であり、第１の実施形態に対応するものである。
実験例１と４を比較すると、実験例４では水素を３％導入することで、無転位化の成功率が実験例１の７０％から１００％まで上昇していることが分かる。

また、表１に示すように、実験例２、３及び５〜９は、定径部の直径を４．５ｍｍ以上とした実験例であり、第２の実施形態に対応するものである。
実験例２及び３と、実験例５〜７及び９とを比較すると、実験例５〜７及び９では水素を３〜２０％導入することで、無転位化の成功率が実験例５〜７の０〜１５％から９０〜９５％まで上昇していることが分かる。
また、実験例７と８を比較すると、実験例７では定径部の引き上げ速度を２．６ｍｍ／分とすることで、引き上げ速度が２．１ｍｍ／分の実験例８に対して、無転位化の成功率が実験例８の２５％から９５％まで上昇していることが分かる。

以上のように、本実施例によれば、水素含雰囲気中でネッキングの形成を行うことにより、無転位化の成功率を向上させることができることが分かる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えばＣＺ炉内への水素ガスの供給は、市販の水素ガスボンベ、水素ガス貯蔵タンク、水素吸蔵済みの水素吸蔵合金を充填したタンク等から、専用の配管を通じて引き上げ炉内に供給すればよい。

図１は、本発明の実施形態のシリコン単結晶の製造方法を実施する際に使用されるＣＺ炉の縦断面模式図である。 図２は、本発明の実施形態のシリコン単結晶の製造方法を説明するための図であって、ネッキング部の模式図である。 図３は、本発明の実施形態のシリコン単結晶の製造方法を説明するための図であって、ネッキング部の模式図である。 図４は、本発明の実施形態のシリコン単結晶の製造方法を説明するための図であって、ネッキング部の模式図である。 図５は、従来のシリコン単結晶の製造方法を実施する際に使用されるＣＺ炉の縦断面模式図である。 図６は、従来のシリコン単結晶の製造方法を説明するための図であって、ネッキング部の模式図である。

符号の説明

３…シリコン融液、６…シリコン単結晶、６ｎ…ネッキング部、６ｎ_１…減径部、６ｎ_２…定径部、Ｔ種結晶

Claims (5)

1. シリコン融液に接触させた種結晶を徐々に引き上げることにより、減径部と定径部からなるネッキング部を形成し、続いて、シリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
   前記ネッキング部を形成する際の雰囲気を、不活性ガス中に水素含有物質が含まれてなる水素含有雰囲気とすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記水素含有雰囲気中の水素含有物質の濃度を、水素ガス換算濃度で３％以上２０％以下の範囲と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製造方法。
3. 前記水素含有物質が水素ガスであり、前記水素含有雰囲気中における水素ガス濃度が３％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記ネッキング部の前記定径部の直径を３ｍｍ以下に制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記ネッキング部の前記定径部の直径を４ｍｍ以上１０ｍｍ以下に制御するとともに、前記定径部を形成する際の前記種結晶の引き上げ速度を２．５ｍｍ／分以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
   
   

Images