JP2010248013A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶や育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合であっても、新しい種結晶を使用せずに、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成する方法等を提供する。
【解決手段】特定の濃度のドーパントを含有する種結晶７を使用し、シリコン単結晶６の製造中に、種結晶７もしくは育成中のシリコン単結晶６に転位が導入された場合には、種結晶７を新たな種結晶７に交換することなく、種結晶７を融液５に前回着液させたときよりも深く融液５に浸漬させ、又は、種結晶７が別のシリコン単結晶６の製造で使用されたことのある再生品であり、かつ種結晶７が転位を含む場合には、種結晶７の端部のうち転位を含む端部を融液５に着液させてから、種結晶７のうち転位を含む部分を融液５に浸漬させ、種結晶７のうち融液５に浸漬させた浸漬部分を溶融させた後、種結晶７からネッキング部を設けずにシリコン単結晶６を育成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関し、さらに詳しくは、種結晶を融液に着液させ、当該種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成させるシリコン単結晶の製造方法に関する。

半導体素子を作製するためにシリコン単結晶が使用されている。シリコン単結晶を製造する方法として、チョクラルスキー法が広く使用されている。チョクラルスキー法は、坩堝に投入した多結晶シリコンを加熱して融液とし、この融液に種結晶を浸漬させた後、坩堝及び種結晶を回転させつつ当該種結晶をゆっくり引き上げて円柱状のシリコン単結晶を育成させる製造方法である。

種結晶としては、シリコン単結晶から切り出したものが使用される。通常、種結晶は無転位のものが使用されるが、上記のように種結晶を高温の融液に浸漬させると、熱ショック転位と呼ばれる高密度の転位が導入される。種結晶に転位が導入されたままシリコン単結晶の育成を行なうと、その転位がシリコン単結晶に引き継がれて、シリコン単結晶が多結晶化する原因となる。そこで、シリコン単結晶を育成するに際し、種結晶を引き上げる際に種結晶よりも径の細い縮径部分を長さ１５０ｍｍ〜４００ｍｍに亘って継続的に設ける（ネッキング部）ことにより、種結晶に導入された転位を表面に逃がし、育成しようとするシリコン単結晶に転位が引き継がれないようにするのが一般的である。このような製造方法は、ＤａｓｈＮｅｃｋｉｎｇ法として広く知られている。

ところで近年、大直径のシリコン単結晶が強く求められている。このようなシリコン単結晶から切り出されたシリコンウェーハは、大きな面積を有し、一枚のシリコンウェーハに作り込むことのできる半導体素子の個数を多くすることが可能であり、半導体素子の生産性を飛躍的に向上させることができる。そのため、直径が２００ｍｍや３００ｍｍの大径のシリコン単結晶が生産されており、近年、直径が４５０ｍｍのシリコン単結晶も生産されようとしている。

このように大きな直径を有するシリコン単結晶は、その重量も大きい。したがって、ＤａｓｈＮｅｃｋｉｎｇ法により、強度の小さなネッキング部を設けると、ネッキング部が大直径のシリコン単結晶の重量に耐えられない場合もある。この場合、育成中のシリコン単結晶が融液に落下することにより、生産効率が低下することにもつながる。このように、ネッキング部を設けることが大径のシリコン単結晶を育成することを難しくしているともいえる。

ネッキング部を設けることに伴う上記問題に対応するため、特許文献１には、先端部の形状が尖った形状又は尖った先端を切り取った形状の種結晶を使用し、種結晶を融液に接触させた後、所望の太さになるまで溶融させた後に、種結晶をゆっくりと上昇させることにより、ネッキングを行なうことなくシリコン単結晶を育成する技術が開示されている。

また、特許文献２には、所定の濃度のドーパントを含有する種結晶を使用して、ネッキングを行なうことなくシリコン単結晶を育成する技術が開示されている。

特開平１０−３２４５９６号公報 特開平９−２４９４９２号公報

特許文献１に記載されたように、種結晶の先端部の形状を特定のものとするのみでは種結晶又は育成中のシリコン単結晶に転位が導入されることを完全に防止することはできない。したがって、これらに転位が導入された場合には、種結晶を新たな無転位の種結晶に交換してから、再度、シリコン単結晶の育成を行なう必要がある。そのため、種結晶を交換する手間がかかるばかりでなく、１本のシリコン単結晶を育成するために無転位の種結晶が何本も必要になる場合もあり、シリコン単結晶の製造コストが高くなるという問題を有していた。

また、特許文献２に記載された方法によれば、確かに、種結晶が融液に着液した際に、種結晶へ熱ショック転位が導入されることを防止できるので、ネッキング部を設けなくてもシリコン単結晶を育成することが可能である。しかし、育成中のシリコン単結晶に何らかの原因で転位が導入された場合には、種結晶を新たな無転位の種結晶に交換してから、再度、シリコン単結晶の育成を行なう必要がある。また、この方法は、ネッキング部を設けずにシリコン単結晶を育成するものなので、使用される種結晶は、必ず無転位のものでなければならない。したがって、シリコン単結晶の育成が終了した後にシリコン単結晶から切り離された種結晶を再利用して、新たにシリコン単結晶の育成を行なうことができない。なぜなら、製造後のシリコン単結晶から切り離された種結晶は、切断時の衝撃によって転位が導入されるからである。このため、シリコン単結晶の育成を行なうごとに、新たな種結晶を用意する必要があった。

本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、種結晶や育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合であっても、新しい種結晶を使用せずに、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成する方法を提供することを第一の目的とする。また、本発明は、シリコン単結晶の育成が終了した後にシリコン単結晶から切り離された種結晶を再利用して、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成する方法を提供することを第二の目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行なった結果、種結晶に転位が導入されたとしても、特定の濃度以上のドーパントを含有した種結晶を使用し、種結晶のうち転位を含む部分を融液に浸漬させて溶融させれば、ネッキング部を設けなくても無転位のシリコン単結晶を育成させることが可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。

（１）本発明は、種結晶を融液に着液させ、前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成させるシリコン単結晶の製造方法であり、前記種結晶及び前記融液は、同じ種類のドーパントを含有し、前記種結晶に含有されるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントが砒素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがリンの場合には５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつゲルマニウムが４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがアンチモンの場合には前記種結晶の抵抗率が２０ｍΩｃｍ以下となる濃度、であり、シリコン単結晶の育成中に、前記種結晶もしくは育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合には、前記種結晶を新たな種結晶に交換することなく、前記種結晶を前記融液に前回着液させたときよりも深く前記融液に浸漬させ、又は、前記種結晶が別のシリコン単結晶の製造で使用されたことのある再生品であり、かつ前記種結晶が転位を含む場合には、前記種結晶の端部のうち転位を含む端部を前記融液に着液させてから、前記種結晶のうち転位を含む部分を前記融液に浸漬させ、前記種結晶のうち前記融液に浸漬させた浸漬部分を溶融させた後、前記種結晶からネッキング部を設けずにシリコン単結晶を育成することを特徴とする。

（２）前記浸漬部分の長さが下記数式（１）で示されるＬ以上であることが好ましい。
Ｌ＝Ｄ×ｔａｎθ ・・・（１）
［数式（１）中、Ｄは、前記種結晶のうち前記融液に浸漬する側の先端部分の直径であり、θは、前記種結晶の結晶方位が＜１００＞のとき５４．７４°、＜１１１＞のとき７０．５３°である。］

（３）前記種結晶に含有されるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントが砒素の場合には４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがリンの場合には７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下かつゲルマニウムが８．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがアンチモンの場合には前記種結晶の抵抗率が８ｍΩｃｍ以上となる濃度、であることが好ましい。

（４）種結晶が融液に着液する際の種結晶と融液との温度差が、種結晶に生じる熱応力が臨界分解剪断応力を超えることにより、種結晶に転位が導入されることのない上限の温度差である許容温度差になるように許容温度差と種結晶の直径と種結晶に含まれるドーパントの濃度との関係を予め設定し、前記関係に基づいて、前記融液に浸漬される前記種結晶の直径、及び前記種結晶に含まれるドーパントの濃度に対応する許容温度差を求め、前記種結晶を前記融液に浸漬させる際に、前記種結晶と前記融液との温度差が、求めた許容温度差以下になるように前記種結晶及び前記融液の温度を調節することが好ましい。

本発明によれば、第一には、種結晶や育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合であっても、新しい種結晶を使用せずに、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成する方法が提供される。また、第二には、シリコン単結晶の育成が終了した後にシリコン単結晶から切り離された種結晶を再利用して、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成する方法が提供される。

本発明のシリコン単結晶の製造方法の第一実施態様で使用されるシリコン単結晶引き上げ装置を示す断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、本実施形態の着液工程から再着液工程に至る様子を逐次説明する図である。 種結晶に転位が導入される様子を示す側面図である。 種結晶の直径Ｄ（ｍｍ）を横軸にとり、融液に着液する際の種結晶の先端の温度と融液の温度との許容温度差ΔＴ（Ｋ）を縦軸にとり、直径Ｄと許容温度差ΔＴとの間の対応関係を特性Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３にて示すグラフである。 （ａ）から（ｄ）は、製造後のシリコン単結晶から種結晶を分離し、その種結晶を別のシリコン単結晶の製造時に再生使用する様子を示す図である。

以下、本発明のシリコン単結晶の製造方法の第一実施態様について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のシリコン単結晶の製造方法の第一実施態様で使用されるシリコン単結晶の引き上げ装置を示す断面図である。

まず、図１を参照しながら、本発明の第一実施態様で使用されるシリコン単結晶引き上げ装置１について説明する。

［引き上げ炉］
図１に示すように、本実施態様で使用されるシリコン単結晶引き上げ装置１は、チョクラルスキー法による結晶育成に用いることのできる引き上げ炉（チャンバ）２を備える。引き上げ炉２の内部には、多結晶シリコン（Ｓｉ）からなる原料を溶融した融液５を収容する坩堝３が設けられる。坩堝３は、黒鉛坩堝３２とその内側の石英坩堝３１とから構成される。坩堝３の周囲には、坩堝３の中にある原料を加熱して溶融するヒータ９が設けられる。このヒータ９と引き上げ炉２の内壁との間には保温筒１３が設けられる。

また、坩堝３の上方には、引き上げ機構４が設けられる。引き上げ機構４は、引き上げ用ケーブル４ａと、引き上げ用ケーブル４ａの先端に取り付けられた種結晶ホルダ４ｂとからなる。この種結晶ホルダ４ｂによって種結晶が把持される。

ここで、坩堝３の中に原料を投入した後、ヒータ９を用いて坩堝３を加熱し、坩堝３の内部の原料を溶融して融液５にする。融液５の溶融状態が安定となった後、引き上げ用ケーブル４ａを降下して、種結晶ホルダ４ｂに把持させた種結晶７を融液５に浸漬する。その後、引き上げ用ケーブル４ａを上昇させ、融液５からシリコン単結晶（シリコンインゴット）６を引き上げて育成させる。シリコン単結晶６を育成させる際、坩堝３を回転軸１６によって回転させる。それとともに、引き上げ機構４の引き上げ用ケーブル４ａを、回転軸１６の回転方向と同じ方向又は逆の方向に回転させる。ここで、回転軸１６は、鉛直方向にも昇降させることができ、坩堝３を鉛直方向の任意の位置に上下動させることもできる。

坩堝３の上方でシリコン単結晶６の周囲には、熱遮蔽部材８が設けられる。熱遮蔽部材８は、坩堝３、融液５、ヒータ９等の高温部で発生する輻射熱から種結晶及び育成するシリコン単結晶６を遮断する作用を有する。熱遮蔽部材８の下端は、略円形であり、シリコン単結晶６の周囲を囲んで設けられる。

［シリコン単結晶の製造方法］
次に、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法を説明する。本実施態様のシリコン単結晶の製造方法において、種結晶７及び融液５は、同じ種類のドーパントを含有する。また、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法は、融液５に種結晶７を着液させる着液工程と、当該着液工程を経て引き上げられたシリコン単結晶６を育成させる育成工程とを備え、着液工程又は育成工程で種結晶７及び／又はシリコン単結晶６に転位が導入された場合のために、さらに再着液工程を備える。

［着液工程］
まず、着液工程について説明する。この工程は、種結晶７を融液５に着液させる工程である。

種結晶７は、融液５と同じ種類のドーパントを含む。なお、種結晶７に含まれるドーパントの濃度は、融液５に添加されるドーパントの濃度と必ずしも一致する必要はない。種結晶７に含まれるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、３．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。同じく、ドーパントが砒素の場合には、２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、２．５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。また同じく、ドーパントがリンの場合には、５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、５．５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。また同じく、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合には、リンが５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつゲルマニウムが４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、リンが５．５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつゲルマニウムが５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。さらに同じく、ドーパントがアンチモンの場合には、種結晶７の抵抗率が２０ｍΩｃｍ以下となる濃度であり、１８ｍΩｃｍ以下となる濃度がより好ましい。

種結晶７に含まれるドーパントの濃度が上記の条件を満たすことにより、種結晶７を着液させたり、種結晶７を融液５に浸漬させたりした際に、種結晶７に熱ショック転位が導入されることを抑制できる。

また、種化粧７に含まれるドーパントの濃度が大きい場合には、育成されるシリコン単結晶６と種結晶７との間で格子間不整合によるミスフィット転位を生じる場合がある。このような観点から、種結晶７に含まれるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には、２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。同じく、ドーパントが砒素の場合には、４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。また同じく、ドーパントがリンの場合には、７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。また同じく、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合には、リン７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下かつゲルマニウム８．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。さらに同じく、ドーパントがアンチモンの場合には、種結晶７の抵抗率が８ｍΩｃｍ以上となる濃度が好ましい。

種結晶７に含まれるドーパントの濃度が上記の条件を満たすことにより、育成中のシリコン単結晶６にミスフィット転位が導入されることを抑制できる。

なお、本実施形態のシリコン単結晶の育成方法では、種結晶７を融液５に着液させてから引き上げを行なうに際して、種結晶７とシリコン単結晶６との間にネッキング部を設ける必要がない。ここで、「ネッキング部」とは、種結晶７とシリコン単結晶６との間に、長さ１５０ｍｍ〜４００ｍｍに亘って継続的に設けられた縮径部分を意味する。従来、このようなネッキング部を設ける必要があった理由は、既に述べたように、種結晶を融液に着液した際に、種結晶に導入される熱ショック転位がシリコン単結晶に引き継がれないようにするためである。本実施形態では、上記のように、種結晶７に所定濃度のドーパントを添加することにより、種結晶７が融液５に着液した際に、種結晶７に熱ショック転位が導入されることを抑制する。したがって、種結晶７とシリコン単結晶６との間にネッキング部を設ける必要がない。このため、重量の大きな大直径のシリコン単結晶を安全に引き上げることができる。

［育成工程］
次に、育成工程について説明する。この工程は、従来のシリコン単結晶の育成と同様に、種結晶７を引き上げて、シリコン単結晶６を育成させる工程である。シリコン単結晶６は、目的とする直径となるまで徐々に拡径する肩部分、ほぼ同一の直径を有する直胴部分、及び徐々に縮径するテール部分の順に育成される。

［再着液工程］
次に、再着液工程について説明する。この工程は、上記着液工程又は育成工程で、種結晶７及び／又は育成中のシリコン単結晶６に転位が導入された場合に、再度、無転位状態でシリコン単結晶６を引き上げる前に行なわれる工程である。

再着液工程は、種結晶７又は育成中のシリコン単結晶６に転位が導入された場合に、種結晶７を新たな種結晶に交換することなく、種結晶７を融液５に前回着液させたときよりも深く融液５に浸漬させ、当該浸漬部分を溶融させる工程である。この工程の後、種結晶７からネッキング部を設けずに上記育成工程を行い、シリコン単結晶６を製造する。

この工程では、種結晶７を融液５に前回着液させたときよりも深く浸漬させる。これについて、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）から図２（ｃ）は、本実施形態の着液工程から再着液工程に至る様子を逐次説明する図である。

まず、着液工程において、上記のように、種結晶７を融液５に着液する（図２（ａ））。このとき、種結晶７を融液５に浸漬してもよい。その際、種結晶７において、種結晶７と融液５との境界となった箇所を境界部分７ａと呼ぶ。例えば、種結晶７を融液５に着液させたのみで融液５に浸漬させない場合は、種結晶７のうち、融液５と接触した部分が境界部分７ａとなる。また、種結晶７を融液５に浸漬させた場合は、種結晶７のうち融液５の液面に存在する部分が境界部分７ａとなる。その後、図２（ｂ）に示すように、育成工程において、シリコン単結晶６の肩部分の引き上げが行なわれる。シリコン単結晶６の肩部分は、既に述べたように、シリコン単結晶６が目的とする直径となるまで徐々に拡径する部分のことである。このとき、種結晶７とシリコン単結晶６との間には、上記境界部分７ａが存在する。

育成工程を実施している際、シリコン単結晶６又は種結晶７に転位（図示せず）が導入される場合がある。この場合、シリコン単結晶６の引き上げを中止し、育成中のシリコン単結晶６を降下させることによりシリコン単結晶６を融液５に埋没させる。これにより、シリコン単結晶６は、融液５に再溶融される。その後、シリコン単結晶６が完全に融液５に没した状態から、さらに、図２（ｃ）に示すように、種結晶７を融液５に浸漬させる。このとき、上記境界部分７ａが融液５に埋没するように種結晶７を融液５に浸漬させる。このため、種結晶７は、融液５に前回着液させたときよりも深く浸漬されることになる。種結晶７のうち、前回融液５に着液させたときよりも深く融液５に浸漬された部分を浸漬部分ｄ（図２（ｃ）において破線で示す）とする。

浸漬部分ｄは、融液５の熱により溶融し、種結晶７と融液５との境界には、新たな境界部分である境界部分７ｂが生じる。その後、育成工程に移行するが、育成工程の途中で再度シリコン単結晶６又は種結晶７に転位が導入され、再着液工程を再度実施する必要がある場合には、この境界部分７ｂを新たな境界部分７ａとして再着液工程を実施すればよい。

なお、上記説明では、育成工程を実施している際にシリコン単結晶６又は種結晶７に転位が導入された場合を説明したが、着液工程を実施している際に種結晶７に転位が導入された場合も、同様に再着液工程を実施することができる。この場合、シリコン単結晶６の引き上げは未だ行なわれていないので、図２（ｃ）に示すように、境界部分７ａが融液５に埋没するように種結晶７を融液５に浸漬させるのみでよい。

上記のように、種結晶７のうち浸漬部分ｄは、融液５の熱により溶融する。これにより、浸漬部分ｄに転位が存在していたとしても、その転位を消滅させることができる。したがって、種結晶７のうち浸漬部分ｄ以外の部分を再度引き上げることにより、ネッキング部を設けなくても、新たに無転位のシリコン単結晶６を育成させることができる。すなわち、シリコン単結晶６の引き上げの「やり直し」が可能になる。

ところで、このような「やり直し」は、上記［着液工程］の項で述べたように、本実施態様で使用される種結晶７が特定濃度のドーパントを含有することによって初めて可能になるものである。特定濃度のドーパントを含有しない種結晶の場合、種結晶が融液に接触すると同時に、種結晶に熱ショック転位が導入される。この熱ショック転位は、種結晶のうち、融液に接触している箇所のみに導入されるのではなく、スリップバックによって、融液に接触している箇所よりも上方の部分にも導入される。スリップバックによって導入された転位は、種結晶をさらに深く融液に浸漬させることにより消滅させることができるが、種結晶をさらに深く融液に浸漬させると、新たな熱ショック転位が次々に種結晶に導入される。したがって、特定濃度のドーパントを含有しない種結晶を使用する場合、ネッキング部を設けてからシリコン単結晶の育成を行なわなければ、無転位のシリコン単結晶を製造することができない。この場合、重量の大きな大直径のシリコン単結晶を製造する際、ネッキング部分の強度が問題となる。

これに対して、本実施態様の製造方法では、ネッキング部を設けなくても、シリコン単結晶６の引き上げの「やり直し」が可能である。本実施態様で使用される種結晶７は、特定濃度のドーパントを含有するので、熱ショックに対する耐性が大きい。したがって、スリップバックによって導入された転位を、種結晶７を深く浸漬させることによって消滅させたとしても、種結晶７には新たな熱ショック転位が導入されない。このため、ネッキング部を設けなくても、種結晶７から無転位のシリコン単結晶６を育成させることができる。

浸漬部分ｄの長さは、下記数式（１）で示されるＬ以上であることが好ましい。
Ｌ＝Ｄ×ｔａｎθ ・・・（１）
ここで、上記数式において、Ｄは、種結晶７のうち融液５に浸漬する側の先端部分の直径であり、θは、種結晶７の結晶方位が＜１００＞のとき５４．７４°、＜１１１＞のとき７０．５３°である。

育成中のシリコン単結晶６に転位が導入されると、スリップバックにより、種結晶７にも転位が導入される場合がある。また、図３に示すように、種結晶７の融液５側の先端に転位ｔが導入された場合、スリップバックにより、種結晶７の他端の方向（種結晶ホルダ４ｂの方向）へ転位ｔが導入されることになる。図３は、種結晶に転位が導入される様子を示す側面図である。

ここで、結晶面に対してスリップバックが発生する角度θは、種結晶７の結晶方位によって決定され、種結晶７の結晶方位が同一であれば常に同一の角度となる。したがって、種結晶７の一端に転位が導入された場合、スリップバックによって転位が進む最大の長さは、計算で求めることが可能である。つまり、種結晶７の一端に転位が導入された場合、スリップバックによって種結晶７の他端の方向に転位が導入される最大の長さは、図３におけるＬで示され、その大きさは、上記数式（１）で示されるＬと同じである。したがって、浸漬部分の長さを上記数式（１）で示されるＬ以上とすることにより、種結晶７のうち、転位を含む部分を完全に融液５に溶融させることができる。このため、種結晶７に導入された転位は消滅し、ネッキング部を設けなくても、無転位のシリコン単結晶６を新たに引き上げることが可能になる。この場合、種結晶７を新たな種結晶に交換する必要はない。

次に、種結晶７を融液５に浸漬させる際における、種結晶７と融液５との温度差について説明する。既に述べたように、本実施態様で使用される種結晶７には、所定濃度のドーパントが含まれ、これにより種結晶７の熱ショックに対する耐性が向上し、種結晶７を融液５に浸漬させたときに新たな熱ショック転位が次々に導入されることが抑制される。しかし、種結晶７を融液５に浸漬させる際、両者の間の温度差が大きければ、種結晶７の熱ショックに対する耐性の限界を超えることとなり、種結晶７を融液５に浸漬させたときに新たな熱ショック転位が導入される。

そのため、種結晶７に生じる熱応力が臨界分解剪断応力を超えることにより種結晶７に転位が導入されることのない上限の温度差である許容温度差になるように、許容温度差と種結晶７の直径と種結晶７に含まれるドーパントの濃度との関係を予め求めておくことが好ましい。その上で、当該関係に基づいて、融液５に浸漬される種結晶７の直径、及び種結晶７に含まれるドーパントの濃度に対応する許容温度差を求め、種結晶７を融液５に浸漬させる際に、種結晶７と融液５との温度差が許容温度差以下になるように両者の温度を調節することが好ましい。

許容温度差とは、種結晶７に転位が導入されない上限の温度差を意味する。種結晶７を融液５に接触させると、種結晶７が融液５に接触した部分が加熱され、種結晶７の内部に熱応力が発生する。そして、種結晶７の内部に生じた熱応力が種結晶７の臨界分解剪断応力を超えると、種結晶７に転位が導入される。臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ，単位；ＭＰａ）とは、種結晶７の機械的強度の指標の一つであり、この応力を超えると種結晶に転位が導入される臨界的な応力である。

ここで、種結晶７にドーパントが添加されると、種結晶７は硬くなり、臨界分解剪断応力は大きくなる。したがって、種結晶７に含まれるドーパントの濃度が高くなると、種結晶７はより大きな熱応力に耐えることができる。このため、種結晶７に含まれるドーパントの濃度が高くなると、許容温度差が大きくなる。

一方、種結晶７の直径が大きくなると、融液５に着液した際に種結晶７に印加される熱応力が大きくなる。このため、種結晶７の直径が大きくなると許容温度差が小さくなる。

図４は、種結晶７の直径Ｄ（ｍｍ）を横軸にとり、融液５に着液する際の種結晶７の先端の温度と融液５の温度との許容温度差ΔＴ（Ｋ）を縦軸にとり、直径Ｄと許容温度差ΔＴとの間の対応関係を特性Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３にて示すグラフである。特性Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、種結晶７の臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）の大きさの違いを示す。図４中、特性Ｌ１は、臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）が最も小さく（５ＭＰａ）、特性Ｌ２は、特性Ｌ１よりも臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）が大きく（１０ＭＰａ）、特性Ｌ３は、臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）が最も大きい（１５ＭＰａ）。

特性Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に示すように、種結晶７の直径Ｄと許容温度差ΔＴとの間にはほぼ反比例の関係が成立する。つまり、種結晶７の直径Ｄが大きくなるに伴い、着液時に種結晶７に印加される熱応力が大きくなり、それに応じて許容温度差ΔＴを小さくする必要がある。

臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）は、種結晶７に添加されるドーパントの種類、濃度Ｃによって変化する。

種結晶７に添加されるドーパントの濃度Ｃが高くなるにつれて臨界分解剪断応力（ＣＲＳＳ）が大きくなる。このため、種結晶７に添加されるドーパントの濃度ＣがＣ１、Ｃ２、Ｃ３と高くなるにつれて特性がＬ１、Ｌ２、Ｌ３と変化する。なお、図４では、ドーパントの濃度Ｃが３段階の場合を代表して示しているが、ドーパントの濃度Ｃが、より段階的に、また連続的に変化する場合は、特性は多段階に、あるいは連続的に変化する。

次に、図４に示す関係を用いて、種結晶７と融液５との温度を調整する手順を説明する。

まず、種結晶７に添加されているドーパントの濃度Ｃに対応する特性が図４に示す特性Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の中から選択される。例えば、ドーパントの濃度ＣがＣ３の場合には特性Ｌ３が選択される。次に、種結晶７の直径Ｄに対応する許容温度差ΔＴが、選択された特性Ｌ３から求められる。例えば、種結晶７の直径ＤがＤ３’であれば特性Ｌ３上の対応する点から許容温度差ΔＴ１が求められる。

このような手順により、許容温度差ΔＴが求められるので、種結晶７を融液５に着液させる際は、両者の温度差がその許容温度差ΔＴ以内となるようにすればよい。両者の温度差を許容温度差以内となるようにするには、例えば、融液５の上方に種結晶７を留置し、融液５からの輻射熱により種結晶７を加熱する方法が挙げられる。種結晶７の温度は、例えば、放射温度計等により種結晶７からの放射温度を測定することにより把握される。

上記のように、図４に示すような関係から、融液５と種結晶７との間の許容温度差が求められるが、両者の温度差は、１００℃以下であることが好ましく、５０℃以下であることがより好ましい。

本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、以下のような効果が奏される。

本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、種結晶７及び融液５は、同じ種類のドーパントを含有し、種結晶７に含有されるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントが砒素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがリンの場合には５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつゲルマニウムが４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、ドーパントがアンチモンの場合には種結晶７の抵抗率が２０ｍΩｃｍ以下となる濃度、であり、シリコン単結晶６の育成中に、種結晶７もしくは育成中のシリコン単結晶６に転位が導入された場合には、種結晶７を新たな種結晶に交換することなく、種結晶７を融液５に前回着液させたときよりも深く融液５に浸漬させ、当該浸漬部分を溶融させた後、種結晶７からネッキング部を設けずにシリコン単結晶を育成することを特徴とする。
そのため、種結晶７又は育成中のシリコン単結晶６に転位が導入されても、種結晶７を新しい種結晶に交換することなく、再度シリコン単結晶６の引き上げをやり直すことができる。これにより、製造コストが上昇することを防止することができ、また、作業の手間を省くことが可能になる。さらに、種結晶７が上記の濃度のドーパントを含有するので、種結晶７を再度融液５に着液させた際に、種結晶７に熱ショック転位が導入されることを抑制できる。これにより、ネッキング部を設けなくても無転位のシリコン単結晶６を育成することが可能となり、大きな重量を有する大直径のシリコン単結晶６を製造する際におけるネッキング部分の強度の問題を解消することができる。

また、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、上記浸漬部分の長さが下記数式（１）で示されるＬ以上である。
Ｌ＝Ｄ×ｔａｎθ ・・・（１）
［数式（１）中、Ｄは、種結晶７のうち融液５に浸漬する側の先端部分の直径であり、θは、種結晶７の結晶方位が＜１００＞のとき５４．７４°、＜１１１＞のとき７０．５３°である。］
そのため、種結晶７のうち、スリップバックによって種結晶７に導入された転位を含む部分を融液５に浸漬させて確実に溶融させることができる。したがって、溶融せずに残った種結晶７は、無転位の種結晶となるので、ネッキング部を設けなくても無転位のシリコン単結晶６を育成させることができる。

また、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、種結晶７に含有されるドーパントの濃度は、ドーパントがホウ素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントが砒素の場合には４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがリンの場合には７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下かつゲルマニウムが８．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、ドーパントがアンチモンの場合には前記種結晶の抵抗率が８ｍΩｃｍ以上となる濃度とされる。そのため、育成されるシリコン単結晶６にミスフィット転位が導入されることを抑制できる。

また、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、種結晶７が融液５に着液する際の種結晶と融液との温度差が、種結晶に生じる熱応力が臨界分解剪断応力を超えることにより種結晶に転位が導入されることのない上限の温度差である許容温度差になるように、許容温度差と種結晶の直径と種結晶に含まれるドーパントの濃度との関係を予め設定し、当該関係に基づいて、融液５に浸漬される種結晶７の直径、及び種結晶７に含まれるドーパントの濃度に対応する許容温度差を求め、種結晶７を融液５に浸漬させる際に、種結晶７と融液５との温度差が、求めた許容温度差以下になるように種結晶７及び融液５の温度を調節する。これにより、種結晶７が融液５に接触した際に、種結晶７に熱ショック転位が導入されることを抑制できる。

次に、本発明のシリコン単結晶の製造方法の第二実施態様について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）から図５（ｄ）は、製造後のシリコン単結晶から種結晶を分離し、その種結晶を別のシリコン単結晶の製造時に再生使用する様子を示す図である。なお、第二実施態様の説明において、上記第一実施態様と重複する内容については説明を省略し、第一実施態様と異なる部分を中心に説明する。

第二実施態様で使用される種結晶７は、別のシリコン単結晶の製造で使用されたことのある再生品である。そして、種結晶７が転位ｔを含む場合には、種結晶７の端部のうち転位を含む端部７ｃを融液５に着液させてから、種結晶７のうち転位ｔを含む部分を融液５に浸漬させ、当該浸漬部分ｄを溶融させた後、種結晶７からネッキング部を設けずにシリコン単結晶を育成する。

図１に示すように、シリコン単結晶６は、種結晶７に連結した状態で育成される。このため、シリコン単結晶６の育成が終了した後で、図５（ａ）に示すように、種結晶７は、切断部位ｃで切断工具（図示せず）によりシリコン単結晶６から切断されて分離される。このとき、種結晶７には、図５（ｂ）に示すように、切断の衝撃によって転位ｔが導入される。したがって、通常、この種結晶７を別のシリコン単結晶の製造における種結晶として再生使用するためには、種結晶７に導入された転位が育成されるシリコン単結晶６に伝播しないように、通常、ネッキング部を設ける必要がある。しかし、既に述べたように、ネッキング部を設けるとその部分の機械的強度が低下してしまい、大きな重量を有する大直径のシリコン単結晶を育成する際に問題となる。

このため、本実施態様のシリコン単結晶の製造方法では、種結晶７のうち、シリコン単結晶６から切断されたときに種結晶７に導入された転位が含まれる部分を、融液５に浸漬させ、当該浸漬部分を溶融させた後、種結晶７からネッキング部を設けずにシリコン単結晶６を育成する。

本実施態様で使用される種結晶７は、別のシリコン単結晶の製造で既に種結晶として使用されたことがあるので、種結晶７として再生使用するために、種結晶７の形状の加工や洗浄等の処理が必要となる。以下に、種結晶７として再利用するために、必要となる処理の一例を説明する。

まず、育成の終わったシリコン単結晶６から切断、分離された種結晶７は、種結晶として再生使用する際に不要となる部分が除去される。その後、超音波洗浄によるパーティクルの除去、混酸（フッ酸、硝酸）エッチングによる加工歪みの除去、超音波洗浄によるパーティクルの除去、及び赤外線による乾燥が順に施される。なお、これらの処理のフローは、一例であり、これに限定されるものではない。

上記処理が施された種結晶７は、図５（ｃ）に示すように、種結晶ホルダ４ｂに把持されて、再びシリコン単結晶６の引き上げに使用される。種結晶ホルダ４ｂに把持された種結晶７は、融液５の表面５ａに着液し、図５（ｄ）に示すように、そのまま融液５に浸漬される。このとき、種結晶７が転位ｔを含む場合には、種結晶７の端部のうち転位ｔを含む端部７ｃを融液５に着液させてから、種結晶７のうち転位を含む部分を融液５に浸漬させる。

種結晶７を融液５に浸漬させる浸漬部分ｄの長さは、第一実施態様で説明した通りである。浸漬部分ｄには転位ｔが含まれるので、浸漬部分ｄを融液５に溶融させることにより、種結晶７から転位ｔが消滅する。その後、種結晶７を引き上げてシリコン単結晶６の育成を開始する。

なお、種結晶７を着液させた際や、シリコン単結晶６の育成中に、種結晶７又はシリコン単結晶６が有転位化した場合には、第一実施態様で説明したように、シリコン単結晶６の引き上げをやり直せばよい。

本実施態様のシリコン単結晶の製造方法によれば、以下のような効果が奏される。

本実施態様のシリコン単結晶の製造方法は、種結晶７が別のシリコン単結晶の製造で使用されたことのある再生品であり、かつ種結晶７が転位を含む場合には、種結晶７の端部のうち転位を含む端部を融液５に着液させてから、種結晶７のうち転位を含む部分を融液５に浸漬させ、当該浸漬部分を溶融させた後、種結晶７からネッキング部を設けずにシリコン単結晶６を育成することを特徴とする。そのため、シリコン単結晶６の育成が終了した後にシリコン単結晶６から切り離された種結晶７を再生使用して、無ネッキング法によりシリコン単結晶６を育成することができる。これにより、シリコン単結晶６の製造コストを低減させることができる。

以上、本発明のシリコン単結晶の製造方法について、二つの実施態様を示して具体的に説明したが、本発明は、上記実施態様に限定されるものではなく、本発明の構成の範囲内において適宜変更を加えて実施することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。

Ｐ型結晶としてホウ素（Ｂ）をドーパントとし、チョクラルスキー法により、表１の条件で実施例１〜２及び比較例１〜２のシリコン単結晶を作製した。また、Ｎ型結晶として砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、リン（Ｐ）＋ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）をドーパントとし、チョクラルスキー法により、表２の条件で実施例３〜１０及び比較例３〜６のシリコン単結晶を作製した。
実施例１〜１０及び比較例１〜６のいずれについても、種結晶を融液に着液させたときの両者の温度差は、およそ８０℃である。なお、種結晶に含まれるドーパント及び融液に含まれるドーパントは、いずれも同一である。また、表２におけるアンチモン（Ｓｂ）の濃度については、シリコン単結晶中のアンチモンの濃度の測定が困難であることから、アンチモンをドーパントとして含むシリコン単結晶の抵抗率（ｍΩｃｍ）で表した。すなわち、シリコン単結晶の抵抗率は、それに含まれるドーパントの濃度に対応するため、シリコン単結晶の抵抗率の値をドーパントの濃度に代えて使用した。さらに、表２の融液中のドーパント濃度における「〜ｍΩｃｍ相当」とは、その融液からシリコン単結晶を育成したとき、当該シリコン単結晶の肩部から直胴部に変わる位置の抵抗率の値（Ｔｏｐρ）を意味する。

実施例１〜２及び実施例３〜１０の条件でシリコン単結晶の育成を行なったところ、種結晶を融液に着液した際の有転位化が防止された。なお、育成中のシリコン単結晶が有転位化した場合には、そのシリコン単結晶を融液中に溶融させ、さらに、種結晶を最初に融液に着液させた位置よりも１０ｍｍ深く融液に浸漬させ、当該浸漬部分を融液中に溶融させた。このとき、種結晶には熱ショック転位は導入されず、その後、ネッキング部分を設けずにシリコン単結晶の引き上げを行なった結果、無転位のシリコン単結晶を育成させることができた。

これに対して、比較例１〜２及び比較例３〜６の条件でシリコン単結晶の育成を行なったところ、種結晶を融液に着液させた時点で、種結晶に熱ショック転位が導入された。その後、種結晶の熱ショック転位が導入された部分を溶融させるために、種結晶をさらに１０ｍｍ、融液に浸漬させたが、浸漬とともに熱ショック転位が種結晶に次々と導入され、種結晶中の熱ショック転位を消失させることができなかった。そのため、シリコン単結晶の育成を打ち切った。

次に、Ｐ型結晶としてホウ素（Ｂ）を、Ｎ型結晶として砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、リン（Ｐ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）、又はアンチモン（Ｓｂ）をドーパントとしてそれぞれ使用して、チョクラルスキー法により、表３の条件で実施例１１〜１５及び比較例７〜１１のシリコン単結晶を作製した。実施例１１〜１５及び比較例７〜１１において使用した種結晶は、別のシリコン単結晶の製造で使用した種結晶の再生品である。種結晶を再生使用するにあたり、種結晶の不要部分を除去した後、超音波洗浄、混酸（フッ酸、硝酸）エッチング、超音波洗浄、及び赤外線乾燥を順に施した。種結晶を融液に着液させる際の両者の温度差は、８０℃とした。なお、種結晶に含まれるドーパント及び融液に含まれるドーパントは、いずれも同一である。また、表３におけるアンチモン（Ｓｂ）の濃度については、表２と同様に、アンチモンをドーパントとして含むシリコン単結晶の抵抗率（ｍΩｃｍ）で示した。さらに、表３の融液中のドーパント濃度における「〜ｍΩｃｍ相当」についても、表２と同様に、その融液からシリコン単結晶を育成したとき、当該シリコン単結晶の肩部から直胴部に変わる位置の抵抗率の値（Ｔｏｐρ）を意味する。

実施例１１〜１５及び比較例７〜１１のいずれについても、種結晶を融液に着液させた後、さらに種結晶を融液に１０ｍｍ浸漬させて、当該浸漬部分を溶融させた。その結果、実施例１１〜１５の条件では、種結晶を融液に浸漬させた際、種結晶に熱ショック転位は導入されず、種結晶の浸漬部分を溶融させた後に、ネッキング部分を設けずにシリコン単結晶の引き上げを行なった結果、無転位のシリコン単結晶を育成させることができた。

これに対して、比較例７〜１１の条件では、種結晶を融液に浸漬させた際、種結晶に熱ショック転位が導入され、当該熱ショック転位が導入された箇所を溶融させるために、種結晶をさらに深く融液に浸漬させたところ、種結晶に次々と熱ショック転位が導入された。そのため、種結晶中の熱ショック転位を消失させることができず、シリコン単結晶の育成を打ち切った。

以上の結果から、本願発明所定の方法でシリコン単結晶の引き上げを行なうことにより、種結晶や育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合であっても、新しい種結晶を使用せずに、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成できることが理解される。また、シリコン単結晶の育成が終了した後にシリコン単結晶から切り離された種結晶を再利用して、無ネッキング法によりシリコン単結晶を育成できることが理解される。

１ 単結晶引き上げ装置
２ 引き上げ炉
３ 坩堝
４ 引き上げ機構
４ｂ シードホルダ
５ 融液
６ シリコン単結晶
７ 種結晶
８ 熱遮蔽部材
９ ヒータ
ｄ 浸漬部分

Claims (4)

1. 種結晶を融液に着液させ、前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成させるシリコン単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶及び前記融液は、同じ種類のドーパントを含有し、
   前記種結晶に含有されるドーパントの濃度は、
   ドーパントがホウ素の場合には１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、
   ドーパントが砒素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、
   ドーパントがリンの場合には５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、
   ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが５．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつゲルマニウムが４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、
   ドーパントがアンチモンの場合には前記種結晶の抵抗率が２０ｍΩｃｍ以下となる濃度、であり、
   シリコン単結晶の育成中に、前記種結晶もしくは育成中のシリコン単結晶に転位が導入された場合には、前記種結晶を新たな種結晶に交換することなく、前記種結晶を前記融液に前回着液させたときよりも深く前記融液に浸漬させ、又は、前記種結晶が別のシリコン単結晶の製造で使用されたことのある再生品であり、かつ前記種結晶が転位を含む場合には、前記種結晶の端部のうち転位を含む端部を前記融液に着液させてから、前記種結晶のうち転位を含む部分を前記融液に浸漬させ、
   前記種結晶のうち前記融液に浸漬させた浸漬部分を溶融させた後、前記種結晶からネッキング部を設けずにシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記浸漬部分の長さが下記数式（１）で示されるＬ以上であ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。
   Ｌ＝Ｄ×ｔａｎθ ・・・（１）
   ［数式（１）中、Ｄは、前記種結晶のうち前記融液に浸漬する側の先端部分の直径であり、θは、前記種結晶の結晶方位が＜１００＞のとき５４．７４°、＜１１１＞のとき７０．５３°である。］
3. 前記種結晶に含有されるドーパントの濃度は、
   ドーパントがホウ素の場合には２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、
   ドーパントが砒素の場合には４．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、
   ドーパントがリンの場合には７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、
   ドーパントがリン及びゲルマニウムの場合にはリンが７．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下かつゲルマニウムが８．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、
   ドーパントがアンチモンの場合には前記種結晶の抵抗率が８ｍΩｃｍ以上となる濃度、
   であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 種結晶が融液に着液する際の種結晶と融液との温度差が、種結晶に生じる熱応力が臨界分解剪断応力を超えることにより種結晶に転位が導入されることのない上限の温度差である許容温度差になるように、許容温度差と種結晶の直径と種結晶に含まれるドーパントの濃度との関係を予め設定し、
   前記関係に基づいて、前記融液に浸漬される前記種結晶の直径、及び前記種結晶に含まれるドーパントの濃度に対応する許容温度差を求め、
   前記種結晶を前記融液に浸漬させる際に、前記種結晶と前記融液との温度差が、求めた許容温度差以下になるように前記種結晶及び前記融液の温度を調節することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のシリコン単結晶の製造方法。

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