JP2007022865A

JP2007022865A - シリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2007022865A
Application number: JP2005208527A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ono; 敏昭小野; Wataru Sugimura; 渉杉村; Masataka Horai; 正隆宝来; Akira Higuchi; 朗樋口
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】無転位化の成功率が高く、かつ高速な引き上げ速度を必要としないテイル処理を備えた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、シリコン単結晶からなる直胴部を引き上げ、続いて、前記シリコン単結晶を先窄まり状にしてから前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離すテイル処理を行うシリコン単結晶の製造方法であって、前記テイル処理の際の雰囲気を、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。
【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、テイル処理の際に転位を直胴部まで伝搬させることなく、無転位のシリコン単結晶を安定して製造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３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３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１１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３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４には、ＣＺ法による単結晶の引き上げ工程を模式図で示す。図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、坩堝１１内のシリコン融液１３に種結晶１６を接触させてから種結晶１６を引き上げることにより、シリコン単結晶２１を成長させていくと、ネック部２１ｎ、ショルダ部２１ａと移行し、その後、直胴部２１ｂの引き上げとなる。次に、図４（ｃ）〜（ｄ）に示すように、所定長の直胴部２１ｂを引き上げた後に、シリコン単結晶２１を無転位で成長させるために、直胴部２１ｂの最後からは直胴部２１ｂで保持した直径を除々に小さくしてテイル部２１ｃを形成し（この操作を「テイル絞り」と呼ぶ）、直径が所定の値ｄ_１に達した時点でシリコン単結晶２１を一気に引き上げてシリコン融液１３から切り離す（図４（ｅ））。これにより、直胴部２１ｃへの転位の侵入が防止される。尚、シリコン単結晶２１のテイル部２１ｃは、直胴部２１ｂとは異なり結晶の直径が一定でない等の理由により、ウェーハ加工時には切り落とされてしまう不要の部位となる。

仮に、直胴部２１ｂの形成が終了した時点で、テイル部２１ｃを形成することなくシリコン単結晶２１をシリコン融液１３から切り離すと、直胴部２１ｂ中で有転位化した場合に固液界面から転位が直胴部２１ｂを斜め上に貫いていき、シリコン単結晶２１の直径ぐらいの融液直上の直胴部２１ｂが有転位化してしまう。これを防ぐために、直胴部２１ｂのボトムから除々にシリコン単結晶２１の直径を小さくしてテイル部２１ｃを形成し、テイル部２１ｃの途中で有転位化した場合に直胴部２１ｂへの転位の侵入を極力抑えようとするのがテイル絞りの目的である。

シリコン単結晶２１を一定の直径で引き上げているよりも、テイル絞りではその直径を小さくしていくので、除々に引き上げ速度を大きくしていくか、シリコン融液１３の温度を高くしていく必要がある。テイル絞りの通常の制御は、はじめ僅かに引き上げ速度とシリコン融液の温度とを上げて直径が小さくなるようにして、しばらくそのままにして直径が除々に小さくなるようにする。その後、再び除々に引き上げ速度とシリコン融液の温度とを上げていき、直径が小さくなるようにし、最終的には直径が小さくなった時点でシリコン融液１３からシリコン単結晶２１を切り離す。（図４（ｅ））。

しかし、テイル絞りは制御が難しく、しばしばシリコン融液１３の温度上昇を大きくしすぎたり、引き上げ速度を大きくしすぎることによって、充分に細くならずに融液８から単結晶９が切り離れてしまって有転位化する場合がある。逆に、シリコン融液１３の温度が下がりすぎるとシリコン融液１３表面での結晶化が始まり、シリコン単結晶２１の引き上げを続行できなくなる場合もある。さらに、テイル絞り工程ではシリコン単結晶２１の径変動が著しいので有転位化しやすい傾向がある。

そこで特許文献１には、テイル絞りを省略し、３００ｍｍ／分以上の引き上げ速度でシリコン単結晶をシリコン融液から切り離すことで、無転位のシリコン単結晶を得る方法が開示されている。
特開平９−２０８３７６号公報

以上のように、テイル絞りはシリコン単結晶２１のボディを無転位で引き上げるために必要な処理であるが、その制御が難しく、無転位化の成功率が充分でないという問題がある。
また、特許文献１に記載された方法では、３００ｍｍ／分以上のかなり高速の引き上げ速度で引き上げる必要があり、引き上げの途中でシリコン単結晶が落下する可能性があった。特に、大口径のシリコン単結晶では落下の際の危険度が大きいという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、無転位化の成功率が高く、かつ高速な引き上げ速度を必要としないテイル処理を備えた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、シリコン単結晶からなる直胴部を形成し、続いて、前記シリコン単結晶を先窄まり状にしてから前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離すテイル処理を行うシリコン単結晶の製造方法において、前記テイル処理の雰囲気を、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、前記テイル処理の開始時から前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離す直前までの、前記シリコン単結晶の引き上げ速度の変動幅を、０．５ｍｍ／分以下に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て、シリコン融液中に水素原子を供給できる物質である。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テイル処理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、水素ガスのほか、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、Ａｒ、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。

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テイル処理を行うことにより、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、テイル処理時に発生する転位をテイル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、テイル部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る。
その結果、テイル部から直胴部への転位の伝搬が防止され、無転位化成功率が向上し、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、テイル処理の開始時からシリコン単結晶をシリコン融液から切り離す直前までの、シリコン単結晶の引き上げ速度の変動幅を０．５ｍｍ／分以下に設定することにより、シリコン融液とシリコン単結晶との間の固液界面の変化を抑制することができ、テイル部における有転位化を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、無転位化の成功率が高く、かつ高速な引き上げ速度を必要としないテイル処理を備えたシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

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は引き上げ育成中のものであり、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直胴部６ｂとからなる。また、シリコン単結晶６が更に引き上げられることによって、直胴部６ｂの下にテイル部が形成される。即ち、最終的にシリコン単結晶は、ネッキング部６ｎ、ショルダー部６ａ、直胴部６ｂ及びテイル部とから形成される。形成されたシリコン単結晶は、ネッキング部６ｎ、ショルダー部６ａ及びテイル部が切り離されて直胴部のみが残され、直胴部には更に円筒研削がなされ、切断工程、ラッピング、エッチング等を経てシリコンウェーハに加工される。

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。

（本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炉を用いた、本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炉内を例えば不活性ガス雰囲気とし、雰囲気圧力を１．３〜１３．３ｋＰａ（１０〜１００ｔｏｒｒ）とする。尚、ＣＺ炉内の雰囲気は不活性ガス雰囲気に限らず、不活性ガス雰囲気中に３〜１０体積％の水素ガスを添加させてなる雰囲気であっても良い。不活性ガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスまたはこれらの混合ガスを用いることができる。
水素ガスを含む雰囲気中でシリコン単結晶６のネッキング部６ｎから直胴部６ｂまでの育成を行うことにより、シリコン単結晶内部に存在するＯＳＦリング領域（リング状の酸化誘起積層欠陥：ring likely distributed oxidation-induced stackingfaults）の幅を非常に狭くすることができる。ＯＳＦリング位置に該当する領域は、エピタキシャル欠陥が発生する領域であるから、ＯＳＦリングの幅が狭くなることによって、エピタキシャル欠陥の発生する領域が非常に狭くなり、エピタキシャル欠陥が非常に少ないシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を提供できる。

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。

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、肩変えして目標直胴径とする。
そして、直胴長さが例えば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、直胴長さが例えば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まで直胴部６ｂを育成する。

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、水素含有雰囲気中の水素濃度が高濃度になって爆発等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るか、あるいはテイル部を形成する際の雰囲気中に導入された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。この水素含有物質を不活性ガスに混合してテイル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、水素ガスのほかに、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、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスまたはこれらの混合ガスを用いることができる。

次に、水素含有雰囲気中でテイル処理を行う。テイル処理は、直胴部６ｂの底部から除々にシリコン単結晶６の直径を小さくしてテイル部を形成することで、テイル部の途中で有転位化した場合に直胴部６ｂへの転位の侵入を極力抑えることを目的とするものである。
具体的には例えば、直胴部６ｂの直径が３００ｍｍ程度の場合には、シリコン単結晶６の直径を５０〜１００ｍｍ程度まで小さくしてテイル処理を行う。この場合のテイル部は、シリコン単結晶の直径が３００ｍｍ程度から５０ｍｍいないし１００ｍｍ程度までに徐々に先窄まりになる部分である。

テイル部の形成は、シリコン単結晶６の直径を徐々に小さくして先窄まり状に成形する工程であるから、除々に引き上げ速度を大きくしていくか、シリコン融液３の温度を高くしていくことにより行う。テイル部形成時の通常の制御は、はじめ僅かに引き上げ速度とシリコン融液の温度とを上げて直径が小さくなるようにして、しばらくそのままにして直径が除々に小さくなるようにする。その後、再び除々に引き上げ速度とシリコン融液の温度とを上げていき、直径が小さくなるようにし、最終的には直径が小さくなった時点で引き上げ速度を高速にして、シリコン融液３からシリコン単結晶６を切り離す。

図２には、直径３００ｍｍの直胴部を形成した後、直径が５０ｍｍになるまでテイル処理を行う際の、引き上げ速度及び輻射温度計にて測定されたシリコン融液の温度の制御の一例をタイムチャートで示す。この図２に示す例では、テイル処理の開始と同時にシリコン融液３の温度を初期温度Ｔ_０から徐々に高めて最終的にＴ_１としている。また、引き上げ速度を初期速度ｖ_０からＶmin〜Vmaxの間で調整している。引き上げ速度が速くなるとシリコン単結晶の直径の減少傾向が大きくなり、逆に引き上げ速度が遅くなると直径の減少傾向が小さくなることから、図２に示す例では、テイル部の形状を目視で確認しながら引き上げ速度をＶmin〜Vmaxの間で調整している。

尚、初期温度Ｔ_０とは、直胴部６ｂの育成時のシリコン融液の温度、即ちテイル部形成の直前のシリコン融液の温度である。テイル部の形成は直胴部６ｂの形成に引き続いて行う処理であるから、直胴部６ｂの育成時のシリコン融液の温度が、テイル部形成時の初期温度となる。初期温度Ｔ_０の具体例は例えば１４００℃〜１４８０℃の範囲が良く、１４３０℃〜１４５０℃の範囲がより良い。
同様に、初期速度ｖ_０とは、直胴部６ｂの育成時の引き上げ速度、即ちテイル部形成の直前の引き上げ速度である。テイル部の形成は直胴部６ｂの形成に引き続いて行う処理であるから、直胴部６ｂの育成時の引き上げ速度が、テイル部形成時の初期速度となる。初期速度ｖ_０の具体例は例えば０．１ｍｍ／分〜２．０ｍｍ／分の範囲が良く、０．３ｍｍ／分〜１．８ｍｍ／分の範囲がより良い。

また、テイル処理時のシリコン融液の最終温度Ｔ_１は、例えば１４３０℃〜１５００℃の範囲にすることが好ましく、１４６０℃〜１４９０℃の範囲にすることがより好ましい。
また、ｖminは例えば０．１ｍｍ／分〜０．８ｍｍ／分の範囲が好ましく、０．２ｍｍ／分〜０．６ｍｍ／分の範囲がより好ましい。更に、ｖmaxは例えば０．３ｍｍ／分〜２．０ｍｍ／分の範囲が好ましく、０．４ｍｍ／分〜１．８ｍｍ／分の範囲がより好ましい。

そして、シリコン単結晶の直径が所定の値、例えば５０ｍｍにまで低下したならば、引き上げ速度を段階的に速めてシリコン単結晶をシリコン融液から切り離す。このときの引き上げ速度は、１．０ｍｍ／分〜５．０ｍｍ／分程度が好ましく、１．２ｍｍ／分〜４．０ｍｍ／分程度がより好ましく、３００ｍｍ／分以上の高速にする必要はない。これは、水素含有雰囲気中でテイル処理を行うことにより、無転位化の成功率が格段に向上するためである。
このようにして、ネッキング部６ｎ、ショルダー部６ａ、直胴部６ｂ及びテイル部からなるシリコン単結晶を製造する。

また、テイル部の形成時においては、シリコン融液３とテイル部を含むシリコン単結晶との固液界面の形状を、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。テイル部の形成時にシリコン中に導入される転位は、固液界面の法線方向に沿って成長する性質があるので、固液界面を下凸状にすることで、導入された転位をテイル部の表面にまで到達させて転位を除去することができ、直胴部への転位の伝搬を防止することができる。また、テイル処理を行う間の雰囲気を水素含有雰囲気とすることで、シリコン融液３とシリコン単結晶との固液界面の形状を、下凸状に維持し続けることができ、転位の除去が容易になる。

更に、引き上げ速度について、（Vmax−Ｖmin）を引き上げ速度の変動幅とすると、テイル処理の開始時からシリコン単結晶をシリコン融液から切り離す直前までの、引き上げ速度の変動幅を０．５ｍｍ／分以下に設定することが好ましく、０．４ｍｍ／分以下にすることがより好ましい。変動幅を０．５ｍｍ／分以下にすることで、シリコン融液３とシリコン単結晶との固液界面の形状の乱れを防止し、固液界面を下凸状に維持し続けることができる。

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テイル処理を行うことにより、水素含有物質に由来する水素がシリコン融液に溶け込まれ、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、テイル処理時に発生する転位をテイル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、テイル部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る。
その結果、テイル部から直胴部への転位の伝搬が防止され、無転位化成功率が向上し、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。

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、テイル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、１つのＣＺ炉を用いて１０回の製造実験を行って１０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、テイル部を切り出して、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に浸漬させてネッキング部を形成した。
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を形成し、肩変えして直胴径を３００ｍｍとした。
そして、直胴長さが例えば３００ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を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、直胴長さが６００ｍｍに達したときに引き上げ速度が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まで直胴部６ｂを育成した。

次に、例えば図２に示したように、シリコン融液３の温度を徐々に高くすると共に、引き上げ速度を調整し、更に引き上げ速度の変動幅が０．３２ｍｍ／分となるように調整することにより、シリコン単結晶６の直径を徐々に小さくしてテイル部を形成した。そして、シリコン単結晶の直径が４８ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を段階的に引き上げてシリコン単結晶をシリコン融液から切り離した。尚、テイル部の長さは２９０ｍｍとなった。
その後、シリコン単結晶をＣＺ炉外に取り出し、シリコン単結晶からテイル部を切り出した。そして、テイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例２）
直胴部の形成後、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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．３９ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例３）
直胴部の形成後、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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．３８ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例４）
直胴部の形成後、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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．４１ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例５）
直胴部の形成後、ＣＺ炉内の雰囲気を濃度１０％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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．２９ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例６）
直胴部の形成後、ＣＺ炉内の雰囲気を濃度２０％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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．３２ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル部を無転位化の判定に供した。

（実験例７）
直胴部の形成後、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、テイル部形成時の引き上げ速度の変動幅を０．３５ｍｍ／分としたこと以外は実験例１と同様にしてテイル部の形成を行い、このテイル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。

雰囲気中の水素濃度が３％未満である実験例１及び２と、他の実験例３〜７を比較すると、実験例３〜７では３％以上の水素を導入することで、無転位化の成功率が実験例１及び２の６０〜７０％から９０〜１００％まで大幅に上昇していることが分かる。

水素濃度が３％（実験例３）〜２０％（実験例６）の範囲で、無転位化の成功率が高くなっているが、水素濃度が増大による危険性を回避することからも、水素濃度は３〜１０％程度が好ましいと考えられる。

また、引き上げ速度の変動幅を見ると、実験例３〜７の変動幅はいずれも０．５ｍｍ／分以下となっている。このため実験例３〜７においては、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面が下凸状に維持されたものと考えられ、これにより無転位化の成功率が９０％以上を示したものと考えられる。

以上のように、本実施例によれば、水素含雰囲気中でテイル部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。

また、水素含有雰囲気はテイル処理に限らず、ネッキング部、ショルダー部、直胴部の形成時における雰囲気を水素含有雰囲気としても良い。こうすることで、シリコン単結晶を無転位化することができると共に、シリコン単結晶内部に存在するＯＳＦリング領域の幅を非常に狭くすることができ、エピタキシャル欠陥が非常に少ないシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を提供できる。

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、テイル部形成時における引き上げ速度及びシリコン融液の温度の制御の一例を示すタイムチャートである。図３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４は、従来のシリコン単結晶の製造方法を説明する工程図である。

符号の説明

３…シリコン融液、６…シリコン単結晶、６ｂ…直胴部、Ｔ…種結晶

Claims

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、シリコン単結晶からなる直胴部を形成し、続いて、前記シリコン単結晶を先窄まり状にしてから前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離すテイル処理を行うシリコン単結晶の製造方法において、
前記テイル処理の雰囲気を、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。
前記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記載のシリコン単結晶の製造方法
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に記載のシリコン単結晶の製造方法。
前記テイル処理の開始時から前記シリコン単結晶を前記シリコン融液から切り離す直前までの、前記シリコン単結晶の引き上げ速度の変動幅を、０．５ｍｍ／分以下に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。