JP2010254487A - 単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低酸素濃度で、かつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を引き上げることができる単結晶成長方法を提供する。
【解決手段】周囲に配置されたカーボンヒータ１８によりルツボ１４内の原料融液２３を溶融し、該原料融液２３から単結晶Ｓを引き上げる単結晶製造方法において、前記単結晶Ｓを引き上げる際、該単結晶Ｓの直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、結晶中心部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｃ（℃／ｍｍ）、結晶周辺部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｅ（℃／ｍｍ）で表したとき、下部より上部の方が薄肉なカーボンヒータ１８を使用し、前記結晶中心部の温度勾配Ｇｃと前記結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるように前記原料融液２３および前記単結晶Ｓを加熱するとともに、引上げ速度Ｖを所望の欠陥領域を有する前記単結晶Ｓが引き上げ可能なように制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は単結晶成長方法、詳しくは低酸素濃度で、かつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を育成可能な単結晶成長方法に関する。

半導体デバイスの基板形成用のシリコンからなる単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されている。近年、半導体デバイスでは高集積化が促進され、素子の微細化が進み、それに伴い、単結晶の結晶成長中に導入されるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が問題となっている。

以下、図１１を参照して、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を詳細に説明する。
Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥とは、単結晶の成長時に結晶成長速度（結晶引上げ速度）Ｖが比較的高速の場合、空孔型の点欠陥が集合したボイド起因の赤外線散乱体欠陥またはＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）などをいう。このように結晶成長速度Ｖが比較的高速の場合、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が単結晶の直径方向の全域に高密度に存在する。これらのボイド起因の欠陥が存在する領域は、Ｖ（Ｖａｃａｎｃｙ）領域と称されている。

また、結晶成長速度Ｖが低速の場合には、その速度の低下に伴いＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥；Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）領域が単結晶の周辺からリング状に発生する。ＯＳＦは、シリコンウェーハの表面または内部に発生する結晶欠陥の１つで、酸化により誘起される積層欠陥である。さらに成長速度が低速化すれば、ＯＳＦリングがウェーハの中心に収縮して消滅する。そして、それ以上に成長速度が低速化すれば、格子間シリコンが集合した転位ループ起因のＬ／ＤＬ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ Ｌｏｏｐ）が低密度に現出する。これらの欠陥が存在する領域は、Ｉ（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）領域と呼ばれている。

近年、Ｖ領域とＩ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、ボイド起因のＣＯＰ等の欠陥も、格子間シリコン起因のＬ／ＤＬの欠陥も存在しない領域が発見されている。この領域は無欠陥領域と称されている。また、無欠陥領域をさらに分類すれば、ＯＳＦリングの外側に隣接するＰｖ領域（空孔の多い領域）とＩ領域に隣接するＰｉ領域（格子間シリコンが多い領域）とに分かれ、Ｐｖ領域では、熱酸化処理した際に酸素析出量が多く、Ｐｉ領域では、熱酸化処理時に酸素析出がほとんどない。Ｐｖ領域、Ｐｉ領域はいずれもＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が極めて少ない無欠陥領域である。

ところで、前記ＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素との混合液で洗浄したときにウェーハ表面に出現する、結晶起因のピットである。ＣＯＰを含むシリコンウェーハの表面をパーティクルカウンタにより測定すれば、このピットも本来のパーティクルとともに、光散乱欠陥として検出される。ＣＯＰは、電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Ｔｉｍｅ Ｚｅｒｏ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。

また、ＣＯＰがウェーハ表面に存在すればデバイスの配線時に段差が生じ、断線の原因となり得る。しかも、ＣＯＰは素子分離部分においてもリーク等の原因となり、製品の歩留りを低下させる。さらに、Ｌ／ＤＬは、転位クラスタとも呼ばれるとともに、この欠陥を含むシリコンウェーハを、主成分がフッ酸の選択エッチング液に浸漬した際にピットが現出することから、転位ピットとも呼ばれる。このＬ／ＬＤも、電気的特性、例えばリーク特性、アイソレーション特性等を劣化させる原因となる。以上のことから、ＣＯＰ、Ｌ／ＤＬおよびＯＳＦリングの何れも検出されない無欠陥領域からなる高品質なシリコン単結晶が求められている。

一方、ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。近年ではデバイス工程が低温化され、ＯＳＦリングの悪影響が低減されている。しかしながら、未だにＯＳＦリングが発生しないような低酸素濃度の結晶が求められている。これを実現させる方法の一つとして、例えば単結晶の欠陥分布において、無欠陥領域の成長速度の許容範囲（無欠陥領域を形成可能な引き上げ速度の範囲、マージン）を大きくすることが考えられる。ウェーハ全面に無欠陥領域が存在するシリコンウェーハの歩留まりを高められる。

Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、単結晶の引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）と固液界面近傍のシリコンの融点から、１３００℃の間の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇ（℃／ｍｍ）の比であるＶ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）というパラメータにより、その導入量が決定されると言われている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、Ｖ／Ｇを所定の値で一定に制御しながら単結晶の育成を行うことで、所望の欠陥領域または所望の無欠陥領域を有した単結晶の製造が可能となる。

例えば特許文献１には、単結晶を育成する際、結晶中心でＶ／Ｇ値を所定の範囲内（例えば、０．１１２〜０．１４２ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）に制御して単結晶を引上げることで、ボイド起因の欠陥および転位ループ起因の欠陥が存在しない単結晶ウェーハが得られると記載されている。また、近年では、Ｃｕデポ欠陥領域を含まない無欠陥領域の無欠陥結晶に対する要求が高まり、Ｖ／Ｇを所望の無欠陥領域に高精度に制御しながら単結晶の引上げを行う単結晶の製造が要求されている。

一般に、引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇは、単結晶の育成が行われる単結晶引上げ装置のＨＺ（ホットゾーン：炉内構造）により一義的に決まると言われている。しかしながら、単結晶引上げ中のＨＺの変更は極めて困難である。そのため、Ｖ／Ｇを制御して単結晶の育成を行う場合、引上げ速度Ｖを調節してＶ／Ｇ値を制御し、所望の欠陥領域を有した単結晶を製造している。

従来の単結晶の製造では、単結晶の引上げ速度は、育成する単結晶の直径を制御するパラメータの一つとしても使用されている。つまり、単結晶引き上げ中に直径が所定の値より大きくなれば引上速度を高め、直径が小さくなれば引上速度を低下させて単結晶を所定の直径に制御している。そのため、上述したように所望の欠陥領域で単結晶を育成する際には、引上げ速度を調節することで、Ｖ／Ｇの制御を行うと同時に単結晶の直径制御も行わなければならない。
したがって、例えば単結晶の引上げ中にＶ／Ｇの制御と単結晶の直径制御とを行う場合、それぞれの制御に基づき、互いに異なる条件で引上げ速度の変更を行いたくても、どちらか一方の制御だけしか行えず、その結果、単結晶引上げ中に単結晶の直径が大きく変動したり、欠陥領域などの結晶品質が所望領域から外れてしまい、歩留まりの著しい低下を招いていた。

一般に、直胴部を成長させるときの結晶中心部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｃ（℃／ｍｍ）、結晶周辺部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｅ（℃／ｍｍ）で表したとき、この差を小さくすることにより直径方向の欠陥分布が均一になり、無欠陥領域が拡大することが知られている。
ここで、Ｇｃ＞Ｇｅのときの引上速度に対応させた欠陥分布の一例を図１２に示す。この条件での欠陥分布は、シリコンウェーハの中心部にＩ領域が存在し、ＯＳＦリングの外側にＶ領域が存在するものとなる。一方、Ｇｃ＜Ｇｅのときの引上速度に対応させた欠陥分布の一例を図１３に示す。この条件での欠陥分布は、シリコンウェーハの中心部にＶ領域、ＯＳＦリングの外側にＩ領域というものとなる。

このような欠陥の発生を解消する従来技術として、例えば特許文献２が知られている。これは、チョクラルスキー法によって単結晶を育成する際、結晶中心部の結晶温度勾配Ｇｃおよび結晶周辺部の結晶温度勾配Ｇｅを、石英からなるルツボ内の原料融液の液面と、チャンバ内でこの液面に対向配置された遮熱部材（熱遮蔽板）との距離を変更することで制御し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．５℃／ｍｍ以下となるようにする。しかも、引上げ速度Ｖと結晶中心部の温度勾配Ｇｃとの比Ｖ／Ｇｃ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）を所望の欠陥領域を有する単結晶が育成できるように制御する技術である。

ところで、シリコン単結晶成長装置の熱源として、ルツボの外周に設けられた円筒形状のカーボンヒータが知られている。カーボンヒータは、高電圧を印加することで発熱する抵抗加熱式の熱源である。カーボンヒータの一種として、例えば特許文献３のように、ルツボの上部を加熱する上部ヒータと、ルツボの下部を加熱する下部ヒータとからなるマルチヒータが開発されている。特許文献３では、上部ヒータの出力と下部ヒータの出力とを調整することにより、前記ΔＧを｜０．４℃／ｍｍ｜以下に制御する。

特許第３４６０５５１号公報 特開２００５−１５３１３号公報 特許第３７１９０８８号公報

このように、特許文献２では、結晶中心部の結晶温度勾配Ｇｃおよび結晶周辺部の結晶温度勾配Ｇｅの制御方法として、原料融液面と、チャンバ内でこの液面に対向配置された遮熱部材との距離を変更する方法を採用していた。しかしながら、この方法によれば、結晶に取り込まれる酸素濃度も同時に変化するため所望の酸素濃度に制御することが難しくなる。例えば酸素濃度が高くなってしまった場合にはＯＳＦが発生しやすくなる。

また、特許文献３では、シリコン単結晶成長装置の熱源として、上部ヒータと下部ヒータとからなるマルチヒータを採用していたので、電源盤を複数設置しなければならず、設備コストが高くなっていた。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、結晶中心部の結晶温度勾配Ｇｃおよび結晶周辺部の結晶温度勾配Ｇｅを制御する方法として、厚さの調整を行うことで発熱量を制御可能なカーボンヒータに着目した。すなわち、カーボンヒータの下部より上部を薄肉にすれば、特許文献３のように電源盤が複数必要なマルチヒータにしなくても、カーボンヒータの上部の電気抵抗を高めて発熱量が大きくなる一方、その下部の電気抵抗を低下させてその発熱量が小さくなり、これにより、ルツボの底部内の原料融液の温度を下げることができ、原料融液中に溶け込む総酸素量を減少させることができる。その結果、低酸素濃度でかつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を引き上げることができることを知見し、この発明を完成させた。

すなわち、この発明は、低酸素濃度で、かつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を引き上げることができる単結晶成長方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、チョクラルスキー法によって、周囲に配置されたカーボンヒータによりルツボ内の原料融液を溶融し、該原料融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、前記単結晶を引き上げる際、該単結晶の直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、結晶中心部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｃ（℃／ｍｍ）、結晶周辺部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｅ（℃／ｍｍ）で表したとき、下部より上部の方が薄肉なカーボンヒータを使用し、前記結晶中心部の温度勾配Ｇｃと前記結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるように前記原料融液および前記単結晶を加熱するとともに、引上げ速度Ｖを所望の欠陥領域を有する前記単結晶が引き上げ可能なように制御する単結晶製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、下部より上部の方が薄肉なカーボンヒータを使用し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるように、ルツボ、原料融液および単結晶を加熱する。すなわち、カーボンヒータの上部はその下部に比べて薄肉で、電気抵抗が大きくかつ発熱量も高い。これにより、単結晶の引上げにおいて、無欠陥領域の成長速度の許容範囲が大きくなり、引上速度を所望の欠陥領域の単結晶が育成できるように、容易に制御することができる。無欠陥領域の成長速度の許容範囲が大きくなれば、引き上げ中の単結晶の直径が変動し、それを制御する引上速度が変動しても無欠陥結晶が得られる。

しかも、カーボンヒータとして、下部より上部の方が薄肉なものを採用したので、カーボンヒータの上部の電気抵抗が高まり発熱量は大きくなる一方、その下部の電気抵抗が低下してその発熱量は小さくなる。これにより、ルツボの底部内の原料融液の温度を下げることができ、原料融液中に溶け込む総酸素量を減少させることができる。その結果、低酸素濃度でかつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を引き上げることができる。

単結晶としては、例えばシリコン単結晶を採用することができる。
カーボンヒータとは、カーボンからなる抵抗加熱式の円筒形状のヒータで、電気抵抗は、抵抗体（カーボン）の厚さ、すなわち断面積に反比例し、発熱量は抵抗値に比例する。カーボンヒータは、その上部が下部より薄肉化されているので、カーボンヒータの上部の発熱量はその下部の発熱量より大きくなる。
「カーボンヒータの厚さ」とは、カーボンヒータの直径方向の厚さ（幅）である。
カーボンヒータの上部の厚さは、その下部の厚さより薄ければ任意である。例えば、カーボンヒータの下部の厚さの３０〜７０％である。３０％未満では、カーボンヒータの強度が低下し、カーボンヒータのハンドリング時に破損しやすい。また、７０％を超えれば、ヒータ上部の発熱量が低下して酸素濃度が高まり、さらに所望の欠陥分布が得られない。カーボンヒータの好ましい上部の厚さは、その下部の厚さの３０〜６０％である。この範囲であれば、カーボンヒータの強度低下が発生することなく所望の単結晶の欠陥分布、酸素濃度が得られる。

カーボンヒータの上部の長さは、カーボンヒータの全長の１０〜７０％である。１０％未満では、ヒータ上部の発熱量が低下して所望の欠陥分布、酸素濃度が得られない。また、７０％を超えれば、ヒータ下部の発熱量が増加して酸素濃度が高まり、所望の欠陥分布が得られない。カーボンヒータの上部の好ましい長さは、カーボンヒータの全長の３０〜７０％である。この範囲であれば、低酸素濃度でかつ無欠陥領域が大きい単結晶を得ることができる。
結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとは、単結晶温度が１３００℃以上の高温部分における温度勾配である。
結晶中心部の温度勾配Ｇｃと前記結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧが０．３℃／ｍｍを超えれば、単結晶の直径方向の欠陥分布が不均一となり、無欠陥領域の成長速度の許容範囲が小さくなる。ΔＧの好ましい値は、０．２５℃／ｍｍ以下である。

請求項２に記載の発明は、前記ΔＧを、前記単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわたって無欠陥領域となるように制御する請求項１に記載の単結晶製造方法である。

請求項２に記載の発明によれば、単結晶育成中にΔＧを単結晶の欠陥領域が直径方向の全面で無欠陥領域となるように制御することで、ＣＯＰなどのボイド起因の欠陥も、またＬ／ＤＬなどの転位ループ起因の欠陥も存在しない高品質の単結晶を高生産性、高歩留まりで製造することができる。
ここでいう無欠陥領域とは、ＣＯＰおよびＬ／ＤＬが検出されない領域を意味する。

請求項３に記載の発明は、前記ΔＧを、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、かつ前記単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域となるように制御する請求項１に記載の単結晶製造方法である。

請求項３に記載の発明によれば、ΔＧを、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、かつ単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域となるように制御するので、さらに低酸素濃度でかつ単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域の単結晶を引き上げることができる。

単結晶の酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃを超えれば、デバイス工程でＯＳＦが発生しやすい。

請求項４に記載の発明は、前記チャンバ内で前記原料融液の液面に対向配置された熱遮蔽板の下端と、前記原料融液の液面との距離をＬＧとし、前記カーボンヒータの温度分布のピークが、前記原料融液の液面より０．５×ＬＧの分だけ上方となる高さ位置から、前記液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置までの範囲となるように、前記カーボンヒータの上部と下部との厚さを調整する請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の単結晶製造方法である。

請求項４に記載の発明によれば、熱遮蔽板の下端と原料融液の液面との距離をＬＧとし、カーボンヒータの温度分布のピークが、原料融液の液面より０．５×ＬＧの分だけ上方となる高さ位置から、この液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置までの範囲となるように、カーボンヒータの上部と下部との厚さを調整する。これにより、ルツボの底部の温度が下がり、成長中の単結晶に取り込まれる酸素が減少して低酸素濃度のシリコン単結晶が得られる。

「前記原料融液の液面より０．５×ＬＧの分だけ上方となる高さ位置から、前記液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置までの範囲」とは、原料融液の液面から上方へ０．５×ＬＧの高さ位置を温度分布のピークの上限値とし、原料融液の液面から下方へ１．５×ＬＧの高さ位置をそのピークの下限値とすることを意味している。すなわち、この上限値を基準に下限値を考えた場合、下限値はこの上限値より下方へ２．０×ＬＧの高さ位置となる。
カーボンヒータの温度分布のピークが、原料融液の液面から上方へ０．５×ＬＧを超えれば、石英ルツボが熱変形して単結晶成長ができなくなる。カーボンヒータの温度分布のピークの好ましい範囲は、原料融液の液面を上限値とし、この液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置を下限値とした範囲である。この範囲であれば、ルツボを熱変形させることなく原料融液の上部を高温加熱し、ルツボの底部の温度が従来に比べて下がり、融液内に溶解する酸素量が低減されて単結晶に取り込まれる酸素濃度を下げることができる。

請求項１に記載の発明によれば、下部より上部の方が薄肉なカーボンヒータを使用し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるように、ルツボ、原料融液および単結晶を加熱する。これにより、無欠陥領域の成長速度の許容範囲が大きくなり、Ｖを所望の欠陥領域の単結晶の育成が可能なように容易に制御することができる。しかも、カーボンヒータは下部より上部の方が薄肉であるため、カーボンヒータの上部の電気抵抗が高まり発熱量は大きくなる一方、その下部の電気抵抗が低下してその発熱量は小さくなる。これにより、ルツボの底部内の原料融液の温度を下げることができ、原料融液中に溶け込む総酸素量を減少させることができる。その結果、低酸素濃度でかつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥の単結晶を引き上げることができる。

請求項２に記載の発明によれば、ΔＧを調整し、かつ単結晶育成中に引き上げ速度Ｖを単結晶の欠陥領域が直径方向の全面で無欠陥領域となるように制御するので、ＣＯＰなどのボイド起因の欠陥も、またＬ／ＤＬなどの転位ループ起因の欠陥も存在しない高品質の単結晶を高生産性、高歩留まりで製造することができる。

請求項３に記載の発明によれば、ΔＧを調整し酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、かつ単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域となるように制御するので、さらに低酸素濃度でかつ単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域の単結晶を引き上げることができる。

請求項４に記載の発明によれば、熱遮蔽板の下端と原料融液の液面との距離をＬＧとし、カーボンヒータの温度分布のピークが、原料融液の液面から０．５×ＬＧの分だけ上方となる高さ位置から、この液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置までの範囲となるように、カーボンヒータの上部と下部との厚さを調整する。これにより、ルツボの変形もなく融液上部を加熱し、ルツボの底部の温度が下がり、融液内に溶解する酸素量が低減されて単結晶に取り込まれる酸素濃度が低下する。

この発明の実施例１に係る単結晶製造方法に使用されるシリコン単結晶成長装置の縦断面図である。 この発明の実施例１に係る単結晶製造方法に使用されるシリコン単結晶成長装置のカーボンヒータの一部縦断面図である。 この発明の実施例１に係る単結晶製造方法により引き上げ中の単結晶の引き上げ速度と単結晶の胴部長さとの関係を示すグラフである。 この発明の実施例１に係る単結晶製造方法におけるカーボンヒータの位置と温度分布を示すグラフである。 この発明の実施例１に係る単結晶製造方法において、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５で、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が０．５の条件で引き上げた単結晶の胴部の欠陥分布を示す縦断面図である。 図５の条件で引き上げられた単結晶の結晶部位と酸素濃度との関係を示すグラフである。 この発明の実施例１に係る単結晶製造方法において、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５で、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が０３の条件で引き上げた単結晶の欠陥分布を示す縦断面図である。 図７の条件で引き上げられた単結晶の結晶部位と酸素濃度との関係を示すグラフである。 カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５で、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が１の従来条件で引き上げた単結晶の欠陥分布を示す縦断面図である。 図９の従来条件で引き上げられた単結晶の結晶部位と酸素濃度との関係を示すグラフである。 従来手段に係る条件で引き上げられた単結晶の詳細な欠陥分布を示す縦断面図である。 従来手段に係るＧｃ＞Ｇｅの条件で引き上げられた単結晶の詳細な欠陥分布を示す縦断面図である。 従来手段に係るＧｃ＜Ｇｅ条件で引き上げられた単結晶の詳細な欠陥分布を示す縦断面図である。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、単結晶としてシリコン単結晶を例とする。

図１において、１０はこの発明の実施例１に係る単結晶成長方法で使用されるチョクラルスキー方式のシリコン単結晶成長装置（以下、結晶成長装置）で、これにより製造されるシリコン単結晶の直胴部の直径は、３００ｍｍのシリコンウェーハを形成可能な３２０ｍｍである。
結晶成長装置１０は、中空円筒形状のチャンバ１１を備えている。チャンバ１１は、メインチャンバ１２と、メインチャンバ１２上に連設固定され、メインチャンバ１２より小径なプルチャンバ１３とからなる。メインチャンバ１２内の中心部には、ルツボ１４が、回転および昇降が可能な支持軸（ペディスタル）１５の上に固定されている。ルツボ１４は、内側の石英ルツボ１６と外側の黒鉛ルツボ１７とを組み合わせた二重構造である。

ルツボ１４の外側には、円筒形状のカーボンヒータ１８がルツボ１４の壁部と同心円状に配置されている。カーボンヒータ１８は、カーボンからなる抵抗加熱式のヒータで、厚肉な下部１８ａと、薄肉な上部１８ｂとが一体形成されたものである。カーボンヒータ１８の寸法は、全体の高さ（軸線方向の長さ）Ｌ１が６００ｍｍ、上部１８ｂの高さＬ２が３００ｍｍ、下部の厚さ（カーボンヒータ１８の直径方向の幅）ｔ１が３０ｍｍ、上部の厚さｔ２が１０ｍｍである（図２）。これにより、熱遮蔽板２０の下端とシリコン溶融液２３の液面２３ａとの距離をＬＧとしたとき、カーボンヒータ１８の温度分布のピークが、シリコン溶融液２３の液面２３ａから下方へ１．５×ＬＧの範囲内となる（図４のグラフ）。

カーボンヒータ１８の外側には、円筒状の保温筒１９がメインチャンバ１２の周側壁内面に沿って配置されている。メインチャンバ１２の底面上には、円形の熱遮蔽板２０が配置されている。
ルツボ１４の中心線上には、支持軸１５と同一軸心で回転および昇降が可能な引き上げ軸（ワイヤでも可能）１５がプルチャンバ１３を通って吊設されている。引き上げ軸１５の下端には、種結晶Ｃが装着されている。
図１において、２１は引き上げ軸１５のウインチ、２２は引き上げ軸１５の水平旋回器である。また、Ｐはカーボンヒータ１８の温度分布のピーク許容領域である。

次に、この結晶成長装置１０を用いた単結晶成長方法を具体的に説明する。
ルツボ１４内に結晶用シリコン原料３６０ｋｇおよび不純物としてのボロンを、シリコン単結晶Ｓの比抵抗値が０．０２Ω・ｃｍとなる分量だけ投入する。このとき、チャンバ１１内を２５Ｔｏｒｒに減圧し、１００Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスを含むアルゴンガスを導入する。このとき、ルツボ１４の回転速度は０．１ｒｐｍ、引き上げ軸１５の回転速度は８ｒｐｍ、シリコン単結晶Ｓの引き上げ速度は、結晶引き上げ長さに応じて０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上０．７ｍｍ／ｍｉｎとする（図３のグラフ）。また、熱遮蔽板２０の下端と原料融液２３の液面２３ａとの距離ＬＧは６５ｃｍ、カーボンヒータ１８の温度分布のピークの許容範囲は９７．５ｃｍとする。ただし、カーボンヒータ１８は、使用により劣化して薄肉となる。そのため、引き上げバッチ間で熱遮蔽板２０の下端とシリコン溶融液２３の液面２３ａとの距離を調整する。

さらに、あらかじめ総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ， Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ， Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ， Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ， ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ， Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を用いて、カーボンヒータ１８の厚さに対して、単結晶温度が１３００℃以上の高温部分での結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜のデータを求める。

次いで、ルツボ１４内の投入物をカーボンヒータ１８により溶解し、ルツボ１４内にシリコン溶融液２３を形成する。
それから、引き上げ軸１５の下端に装着された種結晶Ｃをシリコン溶融液２３に浸漬し、ルツボ１４および引き上げ軸１５を互いに逆方向へ回転させつつ、引き上げ軸１５を軸方向に引き上げ、種結晶Ｃの下方にシリコン単結晶Ｓを成長させる。これにより、窒素元素が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ボロン添加による比抵抗値が０．０２Ω・ｃｍで、胴部の直径が３００ｍｍのシリコン単結晶（インゴット）Ｓが徐々に引き上げられる。

このとき、ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるようにシリコン単結晶Ｓを引き上げる。
カーボンヒータ１８の上部１８ｂはその下部１８ａに比べて薄肉で、かつ電気抵抗が大きく、その発熱量も高い。これにより、引上げ速度Ｖを一定の値にしてシリコン単結晶Ｓを引上げても、Ｖ／Ｇｃを所望の欠陥領域のシリコン単結晶Ｓが育成できるように、容易に制御することができる。しかも、シリコン単結晶Ｓの各結晶部位の平均引上げ速度が一定の値となれば、シリコン単結晶Ｓの直径を高精度化するため、各結晶部位における平均引上げ速度に対して、所定範囲内でＶを変動させることができる。

さらに、ここでは、下部１８ａより上部１８ｂの方が薄肉なカーボンヒータ１８を使用し、カーボンヒータ１８の発熱分布のピークの位置を、シリコン溶融液２３の液面２３ａから下方へ１．５×ＬＧの範囲内となるようにしている。そのため、ルツボ１４の底部内のシリコン溶融液２３の温度を下げても結晶引き上げに支障はない。これにより、シリコン溶融液２３中に溶け込む酸素量を減少させることができる。その結果、１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下という低酸素濃度でかつ直径方向の欠陥分布が均一な無欠陥のシリコン単結晶Ｓを引き上げることができる。
このように、結晶育成中にＶ／Ｇｃを、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、シリコン単結晶Ｓの欠陥領域が直径方向の全面で無欠陥領域となるように制御することで、ＦＰＤやＣＯＰなどのボイド起因の欠陥も、またＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤなどの転位ループ起因の欠陥も存在しない高品質のシリコン単結晶Ｓを高生産性、高歩留まりで製造することができる。

ここで、実際に、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が０．５の条件でシリコン単結晶を引き上げたとき、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１を０．３〜０．７で変化させときのΔＧを表１に示す。

また、実際に、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５の条件でシリコン単結晶を引き上げたとき、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１を０．３〜１で変化させときのΔＧを表２に示す。

ｔ２／ｔ１が０．５、Ｌ２／Ｌ１が０．５の条件で引き上げられたシリコン単結晶の胴部の欠陥分布の状態を図５に示す。また、その結晶部位と酸素濃度との関係を図６のグラフに示す。

同様にして、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５で、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が０.３の条件で引き上げられたシリコン単結晶の胴部の欠陥分布の状態を図７に示す。また、その結晶部位と酸素濃度との関係を図８のグラフに示す。
また、カーボンヒータの上部長さＬ２／全長Ｌ１が０．５で、カーボンヒータの上部厚さｔ２／下部厚さｔ１が１の従来条件で引き上げられたシリコン単結晶の胴部の欠陥分布の状態を図９に示す。また、その結晶部位と酸素濃度との関係を図１０のグラフに示す。これらの図およびグラフから明らかなように、従来条件の場合に比べて、この発明の条件でシリコン単結晶を引き上げた場合の方が、酸素濃度が低い良質なシリコン単結晶を多量に育成することができる。

この発明は、低酸素濃度の無欠陥結晶を高い歩留まりで製造可能な方法であり、例えば、高品質のシリコンウェーハの製造または高品質の化合物半導体ウェーハの製造に有用である。

１１ チャンバ、
１４ ルツボ、
１６ 石英ルツボ、
１７ カーボンルツボ
１８ カーボンヒータ、
１８ａ 下部、
１８ｂ 上部、
２０ 熱遮蔽板、
２３ シリコン溶融液（原料融液）、
２３ａ 液面、
Ｓ シリコン単結晶（単結晶）。

Claims (4)

1. チョクラルスキー法によって、周囲に配置されたカーボンヒータによりルツボ内の原料融液を溶融し、該原料融液から単結晶を引き上げる単結晶製造方法において、
   前記単結晶を引き上げる際、該単結晶の直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、結晶中心部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｃ（℃／ｍｍ）、結晶周辺部の固液界面近傍の結晶温度勾配をＧｅ（℃／ｍｍ）で表したとき、下部より上部の方が薄肉なカーボンヒータを使用し、前記結晶中心部の温度勾配Ｇｃと前記結晶周辺部の温度勾配Ｇｅとの差ΔＧ＝｜（Ｇｃ−Ｇｅ）｜が０．３℃／ｍｍ以下となるように前記原料融液および前記単結晶を加熱するとともに、引上げ速度Ｖを所望の欠陥領域を有する前記単結晶が引き上げ可能なように制御する単結晶製造方法。
2. 前記ΔＧを、前記単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわたって無欠陥領域となるように制御する請求項１に記載の単結晶製造方法。
3. 前記ΔＧを、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下で、かつ前記単結晶の欠陥領域が直径方向の全面にわって無欠陥領域となるように制御する請求項１に記載の単結晶製造方法。
4. 前記チャンバ内で前記原料融液の液面に対向配置された熱遮蔽板の下端と、前記原料融液の液面との距離をＬＧとし、
   前記カーボンヒータの温度分布のピークが、前記原料融液の液面より０．５×ＬＧの分だけ上方となる高さ位置から、前記液面より下方へ１．５×ＬＧの高さ位置までの範囲となるように、前記カーボンヒータの上部と下部との厚さを調整する請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の単結晶製造方法。

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