JP4433865B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、単に「ＣＺ法」という）によってシリコン単結晶を製造する方法に関し、さらに詳しくは、引上げ過程に応じて炉内圧力を調整することにより、効率的に引上げることができるシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

半導体材料のシリコンウェーハに用いるシリコン単結晶の製造に、最も広く採用されている方法としてＣＺ法による単結晶の引上げ方法がある。

図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げに用いられる装置の構成を示す断面図である。単結晶引上げ装置１の中心部に配置される坩堝２は二重構造であって、内側の石英坩堝２ａと、外側の黒鉛坩堝２ｂとで構成される。坩堝２の外側には黒鉛製のヒーター３が設けられ、坩堝２内にはこのヒーターによって溶融されたシリコン溶融液４が収容される。

単結晶の引上げ手段として引上げワイヤー５が用いられ、その先端に種結晶（シード）６が取り付けられる。種結晶がシリコン融液となじむ程度に溶融液４の温度を調節し、溶融液４表面に種結晶６の下端を接触させて上方へ引き上げることによって、その下端に単結晶７を凝固させ成長させる。

通常、単結晶７の回りには溶融液４面および坩堝２内面からの熱輻射を遮るため熱遮蔽材８が設置されており、装置内の不活性ガスとしてアルゴンガス（以下、単に「Ａｒガス」という）が用いられ、単結晶７の引上げはＡｒガス雰囲気で行われる。

図１において、Ａｒガスは単結晶上方の流入口９から注入され、単結晶７の表面と熱遮蔽材８との間を流下して溶融液４表面を通り坩堝２の外側へと導かれ、炉の底部から排気口１０により炉外へ放出される。このとき、シリコン融液４の表面から蒸発する酸化物（ＳｉＯ、ＳｉＯｘ等）は、Ａｒガスに随伴されて炉外へ放出される。

ＣＺ法によって単結晶を引き上げる場合には、種結晶に残存している転位や種結晶を溶融液に接触させたときの熱応力により発生する転位を完全に除去し、これらが単結晶の直胴部（本体部）に及ばないようにする必要がある。このため、転位を結晶表面から排除し単結晶が無転位化するように、種結晶を上方に引上げながら直径５ｍｍ前後のシード絞りを行う。

このシード絞りでは、引上げ速度と溶融液の温度を制御することによって、所望の形状からなるシード絞り部を形成することができる。すなわち、引上げ速度を速く、または溶融液温度を高くすることによって、シード直径を細く形成でき、逆に、引上げ速度を遅く、また溶融液温度を低くすることによって、シード直径を大きく形成することができる。

次に、シード絞りを行った後、製品径に相当する直胴部を確保するため、肩部を形成する。肩部を形成する場合には、引上げ速度と溶融液の温度を調整しながら、結晶径がシード直径から直胴部の直径になるように、結晶径を円錐状に拡大させる。

肩部の形成により結晶径が直胴部の直径に達したのち、直胴部の引上げに移行し、製品となる単結晶本体部の育成を行う。そして、所定長さの本体部を育成したのち、結晶径を減少させて、テール部を形成し、融液から切り離すことによりシリコン単結晶の製造を終了する。

上述のＣＺ法を用いてシリコン単結晶を製造する際には、単結晶の極性およびその抵抗率を調整するためにシリコン溶融液中に各種のドープ剤が添加される。代表的なドープ剤としては、ｐ型ではボロン、ｎ型ではリンが一般的に使用されており、ｎ型の低抵抗の単結晶育成では、ヒ素、アンチモン、赤燐などが使用されている。

前述の通り、シリコン単結晶の製造過程において、シリコン溶融液表面から酸化物（ＳｉＯ、ＳｉＯｘ等）が蒸発するため、Ａｒガスによる酸化物の排出が充分に行われないと、酸化物に起因する異物が成長中のシリコン単結晶に付着し、引き上げられる単結晶に有転位が発生することがある。特に、ｎ型のドープ剤であるヒ素、アンチモン等は揮発性が高く、溶融液中の酸素と容易に結合して複合酸化物として溶融液表面から多量に蒸発する性質があるため、複合酸化物の蒸発量の増大に伴い、単結晶に有転位が発生し易くなる。

引上げ中にシリコン単結晶に有転位化があると、それ以降のシリコン単結晶の育成を継続することが困難になる。このため、比較的早い段階でシリコン単結晶に有転位化が発生した場合には、有転位化したシリコン単結晶を一旦溶融液に浸漬させ、液温を調整してこれを再溶解する操作、いわゆるメルトバックを行って、再び、溶解、シード絞りおよび肩部の形成を経て引上げを行うことがある。

このような場合には、単結晶の育成に多大な時間を要するため、溶融液表面から蒸発する複合酸化物量の増大に伴い、原料融液内のドープ量（濃度）が低下し所望の比抵抗の単結晶が得られなくなる。特に、ヒ素、アンチモン等を高濃度にドープしたｎ型の低抵抗シリコン単結晶を育成する場合、所定の比抵抗を維持するため、シリコン融液中に新たにドープ剤を追加することが必要になる場合もある。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造において、炉内圧力は酸化物の蒸発量やシリコン融液中に存在する気泡、さらには石英坩堝内の気泡にも影響を及ぼすことから、不活性ガスとしてのＡｒガスの供給条件とともに、重要な操業条件となっている。このため、従来から、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造における炉内圧力の条件について、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、シリコン原料を６．５〜４０．０ｋＰａ（６５〜４００ｍｂａｒ）の炉内圧力で溶解し、そのシリコン融液から単結晶の引上げを９．５ｋＰａ（９５ｍｂａｒ）以下の炉内圧力で行う単結晶の製造方法が提案されている。

特許文献１の製造方法によれば、適正な炉内圧力で高圧溶解・低圧引上げを行うことにより、高圧操業（高圧溶解・高圧引上げ）で発生するピンホール発生の問題をなくすとともに、低圧操業（低圧溶解・低圧引上げ）で問題となる蒸発ＳｉＯに起因する有転位化を効果的に抑制することができるとしている。

また、特許文献２には、多結晶シリコン原料を０．５〜６．０ｋＰａ（５〜６０ｍｂａｒ）の炉内圧力で溶融し、１０．０ｋＰａ（１００ｍｂａｒ）以上の炉内圧で引上を行うシリコン単結晶の引上方法が提案されている。

特許文献２の製造方法では、特許文献１で採用する炉内圧力の条件と異なる圧力調整になるが、提案による操業条件によれば、単結晶のピンホールの発生を抑止し、初期の操業トラブルを解消し、かつ単結晶中のカーボン濃度を低下させることができることが開示されている。

さらに、特許文献３では、シリコンの溶融から肩部育成から直胴部育成への移行までの間、すなわち引上げ初期段階を０．６７〜１．３３ｋＰａ（５〜１０Ｔｏｒｒ）の炉内圧力とし、その後３．３３〜５．３２ｋＰａ（２５〜４０Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で引上げることにより単結晶を製造する方法が提案されている。

特許文献３の製造方法では、引上げ初期段階で炉内圧を低くし、さらにるつぼの回転を低速として融液自由表面から蒸発するＳｉＯを低減し、加えてシリコン融液中の酸素量を減少させ、また、引上げ後半になるとるつぼの回転を調整することで、石英坩堝から酸素が溶け出す量を制御し、単結晶のテール側での酸素濃度の低下を防止できるとしている。

前述の通り、ＣＺ法によりｎ型低抵抗のシリコン単結晶を製造するに際し、ヒ素、アンチモン、または赤燐をドープして引上げを行う場合に、これらの酸化物の蒸発が多く、これらが炉内で凝縮し落下することにより、結晶界面に異物が侵入し有転位化することがある。この場合には、引上げ状況に応じてメルトバックを行い、これにともなってシリコン融液中にドープ剤を追加することが必要になることがある。

ところが、前記の特許文献１〜３で提案される製造方法は、上述のヒ素、アンチモン、または赤燐をドープしたｎ型低抵抗結晶の製造を意図するものでないため、提案される製造方法では、ドープ酸化物が溶融液の表面からの蒸発することを抑制できない。このため、引上げ過程において、特に肩部の形成において不安定となり、酸化物に起因する異物による単結晶の有転位化が発生し易く、メルトバックを行う頻度が増加することになる。
そこで、特許文献４では、アンチモンをドープし、比抵抗が０．０１〜０．０３Ωｃｍのシリコン単結晶を製造する方法であり、炉内圧力を５．３３〜１３．３ｋＰａ（４０〜１００Ｔｏｒｒ）とし、Ａｒガスを供給して酸化ケイ素（ＳｉＯ）を排出しながらアンチモンの蒸発を抑えることが提案されている。

特許文献４で提案された製造方法によれば、炉内圧力を５．３３〜１３．３ｋＰａ（４０〜１００Ｔｏｒｒ）としたので、炉内圧力と溶融液中のアンチモンの蒸気圧との差を小さくでき、溶融液からアンチモンの蒸発量を大幅に減少させることができるとしている。

しかし、この製造方法では、炉内圧力を高く維持した状態で酸化ケイ素（ＳｉＯ）を排出することが必要になるので、例えば、Ａｒガスの供給量を５０〜２００リットル／分程度と多量に必要になる。このため、排出ガスへの熱負担が大きくなり、排出ガスの冷却装置を大型化する必要があるとともに、Ａｒガスの流量が増加することによって、溶融液の表面が振動するなど不安定な状態になり易い。このことから、引上げ初期段階の肩部の形成において結晶に乱れが発生し、有転位化等のトラブルが発生することがある。

特許第３３６０６２６号公報

特開平５−９０９７公報 特開平８−１３３８８６号公報 特許第２５７５３６０号公報

前述の通り、従来のシリコン単結晶の製造方法として、引上げ過程で発生するピンホールや、溶融液の表面から蒸発するＳｉＯに起因する有転位化を抑制し、または酸素濃度分布が均一な単結晶を引き上げるために、炉内圧力を調整する方法が開示されている（特許文献１〜３）。さらに、アンチモンによるｎ型低抵抗のシリコン単結晶を製造する際に、炉内圧力を若干、高めた状態でＡｒガスを供給して酸化ケイ素（ＳｉＯ）を排出しながらアンチモンの蒸発を抑制する方法が提案されている（特許文献４）。しかし、いずれの方法であっても、引上げ初期段階のシリコン単結晶の肩部形成において、単結晶に有転位が発生し易いという問題がある。

シリコン単結晶の肩部形成の過程にあっては、引き上げ速度などを調整して急激な結晶径の拡径操作が実施されるため、肩部形成における結晶成長状態が非常に不安定であり、融液表面から蒸発する酸化物が取り込まれ易い状態にあること、および単結晶形状が変化することにより溶融液表面を流れるＡｒガスの流れも変化することから、肩部形成の過程において単結晶が有転位化し易いという問題がある。特に、ドープ剤の複合酸化物の蒸発が激しいｎ型低抵抗のシリコン単結晶の肩部育成において有転位化が顕著になるという問題がある。

まず、所定の低抵抗率を有するシリコン単結晶を育成するためには、溶融液の表面から蒸発するドープ剤の蒸発そのものを低減させる必要がある。この酸化物の蒸発を抑制するには、引き上げ過程で炉内圧力を高く維持することにより溶融液表面からのドープ剤の蒸発を抑制することができる。ただし、炉内圧力を高く維持すると、溶融液表面上を流れるＡｒガスの流速が低下し、溶融液表面から蒸発する蒸発物を炉外に排出する効果が低減してしまい、蒸発物が結晶の育成界面の近傍に異物として落下し易くなる。

このため、炉内圧力を高く維持した状態で炉内に供給するＡｒガス流量を増加させると、溶融液表面上を流れるＡｒガスの流速を速められ、溶融液表面から蒸発する蒸発物を炉外に排出する効果を高めることができる。しかしながら、溶融液の表面を流れるＡｒガスの総流量が過大となり、溶融液の表面が振動したり、溶融液の表面温度が低下して融液表面が凍り付いたりするので、単結晶の引き上げそのものができなくなってしまい、Ａｒガス供給量を増大させてＡｒガス流速を速めることは望ましくない。

一方、炉内圧力を低く維持すると、溶融液表面から蒸発する蒸発物を炉外に排出する効果を高めることができるものの、溶融液表面からのドープ剤の蒸発を抑制することができず、所定の低抵抗率を有するｎ型のシリコン単結晶を育成することができなくなる。また、炉内圧力が低いと、石英坩堝内に残留する気泡の膨張が促進され、石英坩堝の表面が剥離し易くなるので、剥離した異物が単結晶内に取り込まれ有転位化を発生することがある。

このように、炉内圧力を調整することによる効果は、その圧力条件により一長一短があり、これまで提案されている炉内圧力の調整法では、肩部形成における単結晶の有転位の発生を抑制することができず、所定の抵抗率を有する無転位の単結晶を引き上げることが困難であった。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ＣＺ法によりｎ型の低抵抗のシリコン単結晶を製造する場合であっても、所望とする低抵抗率を有するシリコン単結晶が得られ、かつ肩部形成における有転位の発生を可及的に低減して無転位シリコン単結晶の収率を向上させることのできる、シリコン単結晶の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者は、前記の課題を解決するため、引上げ初期段階で行われる肩部の形成における溶融液、および単結晶の挙動について、詳細な検討を加えた。

図２は、引上げ初期段階で行われるシード絞り〜肩部形成〜直胴部引上げの過程を模式的に示した部分拡大図である。図２（ａ）では、種結晶６を降下させて、その先端部を溶融液４の表面に接触させて、溶融液と十分になじませる。十分になじませることによって、種結晶６との溶融液４との温度差を小さくし、温度差に起因する熱応力が小さくし、導入される転位数を減少させることができる。

図２（ｂ）では、速い速度で引き上げることによって、種結晶６の先端部に溶融液４を凝固させつつ、直径が５ｍｍ程度のシード絞りを行う。次に、図２（ｃ）では、種結晶６の引き上げ速度を低下させて、シード絞り部７ａの直径を直胴部の直径まで成長させて肩部７ｂを形成する。さらに、図２（ｄ）では、肩部７ｂの形成に続く直胴部７ｃへの遷移過程を経て本体部の引上げに移行している。

図２（ｃ）に示す肩部を形成する過程では、溶融液４の温度分布を急激に変化させると、単結晶の直径制御が困難になり、結晶の急激な変形や、さらには有転位化を誘発することになる。また、図２（ｄ）に示す肩部形成に続く直胴部への遷移過程では、結晶形状の変化にともなってＡｒガス流れが変動し易く、また固液界面形状が変わるため、異物の影響を受け易くなる。

このため、肩部を形成する過程およびそれに続く直胴部への遷移過程では、固液界面の周辺には、可能な限り蒸発物が存在しない環境で単結晶を育成することが肝要であり、蒸発した酸化物を排出するための十分なＡｒガス流速を確保する必要がある。ただし、Ａｒガス供給量を増大してＡｒガスの流速を速める操作を行うと、溶融液の表面が振動したり、溶融液の表面温度が低下して融液表面が凍り付き、単結晶の引き上げそのものができなくなってしまうので、Ａｒガスの供給量を増大させることは避けなければならない。

そこで、肩部を形成する過程およびそれに続く直胴部への遷移過程では、炉内圧力を低圧に維持することにより、炉内のＡｒ流速を速めて酸化物の排出効果を高めることが有効となる。ここで、炉内圧力を低圧に維持することから、石英坩堝内に残留する気泡の膨張が促進され、石英坩堝の表面剥離を誘発することが懸念されるが、肩部を形成する過程およびそれに続く直胴部への遷移過程に要する時間は、他の原料溶解形成時間、直胴部形成時間に比べ遙かに短く、石英坩堝の気泡成長に起因した異物混入の危険性はない。

一方、所定の抵抗率を有するシリコン単結晶を得るためには、溶融液表面から蒸発するドープ剤の酸化物発生量そのものを低減する必要がある。また、転位のないシリコン単結晶を得るためには、石英坩堝内に残留する気泡の膨張を抑制することも考慮しなければならい。このため、シリコン原料の溶融、シード絞り、および直胴部以降の引上げは炉内圧力を高圧に維持することにより、ドープ剤の蒸発そのものを抑制し、残留気泡の膨張を抑制することが有効となる。

このように、本発明者等は単結晶の肩部形成における有転位の発生を抑制することを最重要課題とし、肩部形成においては炉内圧を低圧に維持することで有転位の発生を抑制し、肩部形成以外の工程においては、炉内圧力を高圧に維持することでドープ剤の蒸発そのものを抑制することが有効であると結論付けたものである。

本発明は、上記の検討結果に基づいて完成されたものであり、下記（１）の単結晶製造方法を要旨としている。

（１）ＣＺ法によりＡｒガスを２０〜４００リットル／分の範囲で流量を一定とする雰囲気でシリコン単結晶を製造する方法において、１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力でシリコン原料を溶融し種結晶をなじませてシード絞りを行い、次いで０．６７〜６．７ｋＰａ（５〜５０Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で肩部を形成したのち、引き続いて１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で直胴部の引上げを行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。

（２）上記（１）に記載のシリコン単結晶の製造方法では、上記シリコン原料の溶融として、メルトバックにともなう溶融を行うことができる。

本発明でいう「Ａｒガス雰囲気でシリコン単結晶を製造する」とは、前記図１に示す装置構成の引上炉内の圧力を減圧調整するとともに、不活性ガスとしてＡｒガスを用い、一定の流量で供給し続けることにより炉内雰囲気を構成することをいう。

本発明が規定する、炉内圧力を低圧に維持して「肩部を形成」する過程は、シード絞りを終了した後であって、前記図２（ｃ）に示す肩部を形成する過程、およびこれに続く直胴部の直径までの成長が完了して直胴部へ遷移する過程を含む。具体的な炉内圧力の切り換えおよび調整は、引上げ作業への影響が少ない「肩部形成」の初期に行うとともに、直胴部へ遷移し直胴部の引上げが安定したタイミング、例えば、直胴部に移行し５０ｍｍの引上げを行った時点とすることができる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、安定して肩部を形成することができ、歩留まりよく単結晶を製造でき、石英坩堝の劣化を緩和するので、坩堝寿命を大幅に改善し、製造コストの顕著な低減を図ることができる。

さらに、ヒ素、アンチモン、または赤燐等をドープしてｎ型低抵抗のシリコン単結晶を製造する場合には、安定して肩部を形成するとともに、引上げ過程の全般にわたってシリコン溶融液およびドープ剤の反応によって生じる酸化物の蒸発を抑制し、所望とする低抵抗率を有するシリコン単結晶を効率よく製造することが可能になる。しかも、ドープ剤の蒸発量を抑えられることから、追加ドープの頻度を減らすことができ、生産性の向上と同時に、ドープ剤の投入を低減し製造コストの低減に結びつけることができる。

本発明の製造方法は、Ａｒガス雰囲気中において、１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力でシリコン原料を溶融し種結晶をなじませてシード絞りを行い、次いで０．６７〜６．７ｋＰａ（５〜５０Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で肩部を形成したのち、引き続いて１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で直胴部の引上げを行うことを特徴としている。

ここで、Ａｒガス雰囲気は、一定の流量でＡｒガスを炉内に供給し続けることによって構成することができ、引上げ装置や育成される結晶によっても異なるが、例えば、２０ 〜４００リットル／分の流量を採用することができる。

本発明の製造方法では、対象とするシリコン単結晶をヒ素、アンチモン、または赤燐でドープされたｎ型低抵抗の結晶とするのが望ましい。通常、結晶の比抵抗を下げるには、原料溶融液に添加するドープ量を増加し、結晶中に含有するドーパント濃度を増やせばよい。しかし、ヒ素、アンチモン、または赤燐をドープ剤とする場合には、その添加量を増加してゆくと、溶融液の表面から蒸発するドープ剤の酸化物が増加し、低抵抗結晶を育成することが困難になることがある。

そこで、ドープ剤の酸化物の蒸発を抑制するには、炉内圧力を高く維持するのが有効である。そのため、本発明の製造方法では、単結晶の本体となる直胴部の引上げのみならず、シリコン原料の溶融、その後の液温安定、およびシード絞りの過程に加え、さらにメルトバックにともなう再溶融の過程において炉内圧力を高く維持する。

炉内圧力を高圧にする場合には、１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）に維持する必要がある。炉内圧力の上限を４０．０ｋＰａとしたのは、これを超えて高圧にすると、Ａｒガス流れが遅くなり過ぎてしまい、パージ効果が低減することから単結晶が有転位化し、良品率の低下が懸念されるからである。一方、炉内圧力の下限を１３．３ｋＰａとしたのは、これよりも低圧にすると、溶融液表面からのドープ剤の蒸発が促進され過ぎてしまい定量的に所定の抵抗率が得られ難く、酸化物の蒸発量が増大することによる酸化物起因の単結晶の有転位化を生じてしまうからである。さらに、望ましい炉内圧は１３．３〜２６．６ｋＰａである。

また、炉内圧力を高く維持することにより、石英坩堝内に残留する気泡の膨張をなくし、石英坩堝の表面剥離を防止することによって、肩部の形成を安定して行うことができる。これにより、さらに石英坩堝の寿命延長が図れ、引き上げられる単結晶の良品率が向上し、効率的なシリコン単結晶の製造が可能となる。

一方、Ａｒガスの流量を一定とした状態で炉内圧力を高く維持することにより、Ａｒガスの流速が遅くなるので、Ａｒガスが溶融液からの蒸発物を排出する作用（パージ効果）が低下することになる。このため、原料溶融、シード絞りおよび直胴部の引上げに比べ、不安定になり易い肩部の形成過程において有転位化が発生し易くなる。

前述の通り、炉内のＡｒガスの流速を確保するためその流量を増加させると、溶融液の表面を流れるＡｒガスの流量が過大となり、一層、肩部の形成が不安定になる。したがって、安定して肩部を形成するには、Ａｒガスの流速を確保しつつ、Ａｒガスの供給条件の変動をなくすことが必要になる。

このため、本発明の製造方法では、不安定となり易い肩部を形成する過程および直胴部への遷移過程においてＡｒガスの流量を２０〜４００リットル／分の範囲で一定とし、同時にＡｒガスの流速を確保するために炉内圧力を低圧に維持する必要がある。

炉内圧力を低圧にする場合には、０．６７〜６．７ｋＰａ（５〜５０Ｔｏｒｒ）に維持する必要がある。炉内圧力の上限を６．７ｋＰａとしたのは、これを超えて高圧にすると、Ａｒガスの流速が遅くなり過ぎてしまい、溶融液表面から蒸発する酸化物が十分に排出されず、肩部形成において単結晶に有転位が発生してしまうからである。一方、炉内圧力の下限を０．６７ｋＰａとしたのは、本発明を適用することができる引上げ装置の設備仕様に基づくためである。さらに、炉内圧力を低圧にする場合の望ましい範囲は、２．６６〜５．３２ｋＰａである。

本発明の製造方法は、シリコン単結晶の極性がｐ型、ｎ型に関係なく適用できるが、特に、肩部形成において有転位が発生し易い、ヒ素、アンチモンまたは赤燐を高濃度にドープしたｎ型の低抵抗シリコン単結晶の製造に有効である。具体的には、四深針測定法により、その抵抗率がヒ素で２．７ｍΩｃｍ未満、アンチモンで１８ｍΩｃｍ未満、赤燐で１．５ｍとΩｃｍ未満となるように高濃度にドープ剤がドープされたシリコン単結晶の製造に有効である。

以下に、本発明のシリコン単結晶の製造方法による効果を、具体的な実施例１および２に基づいて説明する。
（実施例１）
前記図１に示す引上げ装置を用いて、ヒ素をドープし直径６インチのシリコン単結晶の引上げを実施した。引上げに際しシリコン原料の溶融液にヒ素をドープしたのち、種結晶をなじませてシード絞りを行い、肩部を育成し、引き続いて直胴部の引上げを行った。直胴部の結晶長さが８００ｍｍになったときの炉内圧力が結晶良品指数、初期トラブル発生頻度、および比抵抗に及ぼす影響について調査した。その調査結果を表１に示す。

ここで示す結晶良品指数は、歩留の指標となる数値であり、１操業当たりの製品となる結晶重量を使用した原料重量で除したものであり、後述するように「従来例（ベース条件）」における値を１として相対的に比較し、１．１０以上を良品とした。
一方、初期トラブルの発生頻度は、１操業中に単結晶乱れ（有転位化）を発生した回数であり、同様に、「従来例（ベース条件）」における値を１として相対的に比較し、１．０２以下を良品とした。さらに、比抵抗は、直胴部の引上げを開始した部位（直胴部０ｍｍ位置）での測定値である。

炉内圧力の調整は、シリコン原料を溶融する「溶融」過程、種結晶をなじませシード絞りを行う「シード絞り」過程、肩部の育成およびそれに続く直胴部への遷移（直胴部５０ｍｍ未満）を含む「肩部形成」過程、および直胴部の引上げ（直胴部５０ｍｍ以降）から終了までの「直胴部」過程に区分して実施した。メルトバックがある場合には、上記の「シード絞り」過程に含ませることにした。

表１の結果から、本発明の製造方法で得られた本発明例１は、「従来例」との相対的な比較で、結晶良品指数は０．１ポイント程度改善され、また初期トラブルの発生頻度は１．０１と、ほぼ変動がなかった。さらに、本発明例１では、比抵抗が０．１９ｍΩｃｍほど改善されており、炉内圧力を「肩部形成」過程を除いて高圧に維持することによって、ヒ素ドープの酸化物の蒸発が抑制されたことによる。

本発明例２では、上記の本発明例１に比べ「溶融」過程、「シード絞り」過程、および「直胴部」過程での炉内圧力を高めたが、「肩部形成」過程では同様に低圧に維持した。このため、初期トラブルは「従来例」とそれほど変わりがなかったが、結晶良品指数および比抵抗は従来例に比べ大きく改善されている。

比較例３では、「シード絞り」過程、「肩部形成」過程、および「直胴部」過程における炉内圧力を高圧に維持して引上げを実施した。このため、「従来例」に比べ、比抵抗は十分に低い値が得られたが、初期トラブル発生頻度の約２倍程度と多発しており、良好な結果は得られなかった。
（実施例２）
実施例１の場合と同様に、前記図１に示す引上げ装置を用いて、ボロンをドープして直径８インチのシリコン単結晶の引上げを実施した。そのため、シリコン原料の溶融液にボロンをドープしたのち、種結晶をなじませてシード絞りを行い、肩部を形成し、引き続いて直胴部の引上げを行った。直胴部の結晶長さが１４００ｍｍになったときの炉内圧力が結晶良品指数、初期トラブル発生頻度、および比抵抗に及ぼす影響について調査した。その調査結果を表２に示す。

このとき、結晶良品指数および初期トラブル発生頻度は実施例１の場合と同様としたが、ボロンをドープした場合は、炉内圧力の調整によって比抵抗の変動が予測されにくいので、比抵抗の測定は行わなかった。

表２の結果から、本発明例１、２ともに、本発明規定する炉内圧力に調整することによって、「従来例」に比べ初期トラブル発生頻度は同等であったが、結晶良品指数のまま良品率が０．１１〜０．１３ポイント向上した。

比較例３では、「シード絞り」過程、「肩部形成」過程、および「直胴部」過程における炉内圧力を高圧に維持して引上げを実施した。このため、「従来例」に比べ、初期トラブル頻度が増加し、メルトバックの回数が増える結果となった。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、安定して肩部を形成することができ、歩留まりよく単結晶を製造でき、石英坩堝の劣化を緩和するので、坩堝寿命を大幅に改善し、製造コストの低減が顕著になる。

さらに、ヒ素、アンチモン、または赤燐等をドープしてｎ型低抵抗のシリコン単結晶を製造する場合には、安定して肩部を形成するとともに、引上げ過程の全般にわたってシリコン溶融液およびドープ剤の反応によって生じる酸化物の蒸発を抑制し、低抵抗結晶を効率よく製造することが可能になる。

しかも、ドープ剤の蒸発量を抑えられることから、追加ドープの頻度を減らすことができ、生産性の向上と同時に、ドープ剤の投入を低減し製造コストの低減に結びつけることができる。したがって、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、半導体基板用として用いられるシリコンウェーハの製造に広く適用することができる。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げに用いられる装置の構成を示す断面図である。 引上げ初期段階で行われるシード絞り〜肩部形成〜直胴部引上げの過程を模式的に示した部分拡大図である。

符号の説明

１：単結晶引上げ装置、 ２：坩堝
２ａ：石英坩堝、 ２ｂ：黒鉛坩堝
３：ヒーター、 ４：溶融液
５：引上げワイヤー、 ６：種結晶（シード）
７：単結晶、 ７ａ：シード絞り部
７ｂ：肩部、 ７ｃ：直胴部（本体部）
８：熱遮蔽材、 ９：流入口
１０：排出口

Claims (2)

1. チョクラルスキー法によりアルゴン（Ａｒ）ガスを２０〜４００リットル／分の範囲で流量を一定とする雰囲気でシリコン単結晶を製造する方法において、
   １３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力でシリコン原料を溶融し種結晶をなじませてシード絞りを行い、
   次いで０．６７〜６．７ｋＰａ（５〜５０Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で肩部を形成したのち、引き続いて１３．３〜４０．０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）の炉内圧力で直胴部の引上げを行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 上記シリコン原料の溶融がメルトバックにともなう溶融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。
   

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