JP4438701B2 - シリコン単結晶製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関し、特に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）によりシリコン溶融液からシリコン単結晶を引き上げる際に適用され、結晶中の格子間酸素濃度を容易に制御できるシリコン単結晶の製造方法に関する。

半導体の材料となるシリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、その一つにＣＺ法がある。ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する場合、まず、石英ルツボ内にシリコン原料を装入し、真空ポンプを駆動させてチャンバ内を所定圧力に設定すると共に、ガス供給装置を駆動させてチャンバ内に所定流量の不活性ガスを導入する。次に、ヒータでルツボを加熱し、溶融液を形成する。次に、ワイヤに吊設された種結晶を溶融液表面に接触させ、ルツボ及び引き上げ装置を所定速度で回転させながらワイヤを巻き上げ、溶融液を凝固させてシリコン単結晶を成長させる。

ところで、引き上げられたシリコン単結晶に関する品質評価項目の一つとして結晶中の格子間酸素濃度が挙げられる。結晶中の酸素はシリコンウェーハ内の不純物を捕獲するイントリンシックゲッタリング作用を有し、シリコン単結晶内に所定濃度の酸素が固溶していると半導体素子の性能を向上させ得る一方、過多に含まれると素子形成領域にまで結晶欠陥を導入することがあるため、結晶中の格子間酸素濃度を所定の範囲内に収めることは重要な管理項目となっている。

結晶中の酸素は、石英ルツボから溶融液に溶け出した酸素の一部が固液界面を通してシリコン単結晶に取り込まれたものである。従来のＣＺ法では、シリコン単結晶が引き上げられてシリコン溶融液面の高さが低くなるにつれて、溶融液と石英ルツボの接触面積が減少し、石英ルツボからシリコン溶融液への酸素の溶け込み量が減少するので、シリコン単結晶の引き上げ長さが長くなるにつれて結晶中の格子間酸素濃度が低くなってしまう。このため、シリコン単結晶の軸方向（引き上げ方向）における格子間酸素濃度が不均一になり易いという問題があった。

結晶中の格子間酸素濃度を制御する方法として、従来から、シリコン単結晶の引き上げ長さが長くなるにつれて、炉本体内に供給する不活性ガスの流量を増加させて、シリコン単結晶の引き上げ長さが長くなることに伴う格子間酸素濃度の減少を抑制する方法（例えば、特許文献１）がある。

また、従来からシリコン融液の対流を抑制することができ均一なシリコン単結晶が得られる方法として、磁場中チョクラルスキー法（以下、「ＭＣＺ法」と略記する。）が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
特開平１−１６０８９３号公報 特開昭６４−２４０９０号公報

しかしながら、ＭＣＺ法を用いる場合、特許文献１に記載されている技術では、結晶中の格子間酸素濃度と不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象が発生する場合があった。通常、ガス流量を制御することで、引き上げた結晶における格子間酸素濃度を制御していたが、不連続現象が発生すると、ガス流量を制御することのみでは格子間酸素濃度を制御できないために、不連続現象により、得られたシリコン単結晶中に、結晶中の格子間酸素濃度が所定の範囲外となった不連続領域が形成される場合があり、所望の単結晶を引き上げられず、不活性ガスの流量を調整しても結晶中の格子間酸素濃度の制御が十分にできないという問題があった。

本発明の目的は、ＭＣＺ法において、結晶中の格子間酸素濃度と不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象を抑制し、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶を容易に製造することができるシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記の製造方法を用いて製造され、結晶中の格子間酸素濃度が所定の範囲内であるシリコン単結晶を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者は、ＭＣＺ法により不連続領域が形成されたシリコン単結晶について鋭意研究を重ね、ルツボ内における溶融液面の位置と得られたシリコン単結晶の不連続領域の位置との関係を調べることにより、図１から図４に示すように、ルツボ内における溶融液面が、内径が一定の値である直胴部と前記直胴部から底部に向かって内径が減少する湾曲部との境界付近の高さ範囲であるときに不連続現象が発生することを見出した。

本発明者は、上記課題を解決するために、図１に示すルツボを使用して以下に示す試験を行った。図１において、符号１はルツボを示している。ルツボ１は、１２インチ（３００ｍｍ）単結晶引き上げ用で、その内径が一定の値である直胴部２と、底部３と、直胴部２から底部３に向かって内径が減少する湾曲部５とを備えている。ルツボ１の直径ａは３２インチ（８０８±５ｍｍ）、厚みｂは１４±３ｍｍ、高さｄは４８０±５ｍｍ、ルツボ１の上端から直胴部２と湾曲部５との境界４までの長さｅは２７０±１０ｍｍである。また、湾曲部５の深さ方向断面形状は半径Ｒ１の円弧からなり、底部３の深さ方向断面形状は半径Ｒ２の円弧からなる。半径Ｒ１は１４５±１０ｍｍ、半径Ｒ２は８００±１０ｍｍである。

そして、本発明者は、チャンバに供給する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、Ａｒガスの流量を６０ｓｌｐｍまたは８０ｓｌｐｍとし、図１に示すルツボを０．１ｒｐｍで回転させてＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度およびルツボ内における溶融液面の半径との関係を調べた。その結果を図２に示す。なお、ｓｌｐｍとは、１ａｔｍ、０℃における１分間当たりの流量（リットル）を示す。

図２は、図１に示すルツボを使用してＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。図２において、点線はＡｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示し、実線はＡｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示す。
通常、Ａｒ流量と結晶中の格子間酸素濃度との関係は、Ａｒ流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係にある。しかしながら、図２において、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合と８０ｓｌｐｍである場合とを比較すると、シリコン単結晶の相対長さが図２に示す符号Ａの範囲のとき、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合と８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度が逆転している。すなわち、シリコン単結晶の相対長さが図２に示す符号Ａの範囲であるときに、結晶中の格子間酸素濃度とＡｒガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象が発生していることがわかる。このことから、シリコン単結晶の相対長さが図２に示す符号Ａの範囲のとき、Ａｒガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御ができないことがわかった。
不連続現象は、以下に示す理由によって発生すると考えられる。通常、Ａｒ流量を多くすると結晶中の格子間酸素濃度が低下するのは、Ａｒによってシリコン融液からの酸素蒸発が促進され、低酸素化したシリコン融液がシリコン単結晶中に取り込まれるためである。しかし、ＭＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する場合にルツボ回転数を下げると、ルツボ回転による強制対流が極端に小さくなる。とくに、溶融液面がルツボの直胴部から湾曲部にさしかかるときは、ルツボ外側から内側へ向かう流れの力が弱くなる。また、湾曲部にさしかかるあたりは、シリコン単結晶とルツボ壁面との距離が大きく空いており、ルツボ外側からきてシリコン単結晶に取り込まれるシリコン融液の割合も小さくなる。このため、Ａｒにより低酸素化されたシリコン融液がシリコン単結晶中に取り込まれる割合が小さくなるので、高酸素化する。

さらに、本発明者は、図２に示すシリコン単結晶の相対長さと、ルツボ１内における溶融液面の半径との関係を求めるとともに、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動するルツボ１内における液面範囲（不連続液面範囲）を求めた。
その結果、図１および図２に示すように、不連続液面範囲は、湾曲部５の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をＲ１とするとき、境界４から直胴部２方向に（１／２）Ｒ１の高さから湾曲部５方向に（２／３）Ｒ１の高さまでの範囲（図１および図２に示す符号Ａの範囲）であることがわかった。
また、ルツボ１内における溶融液面が、湾曲部５の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をＲ１とするとき、境界４から直胴部２方向に（２／５）Ｒ１の高さから湾曲部５方向に（１／３）Ｒ１の高さまでの範囲（図１および図２に示す符号Ｂの範囲）であるとき、Ａｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度が、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度の最低値を下回る可能性が特に高く、不連続現象による変動量が非常に大きいことがわかった。
また、ルツボ１内における溶融液面が、直胴部２と湾曲部５との境界４付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
なお、ルツボ１内における溶融液面が、直胴部２と湾曲部５との境界４の高さより少し下を中心とする境界４付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。

さらに、本発明者は、図１に示すルツボと寸法の異なる図３に示すルツボを使用して図１に示すルツボを用いた上記の試験と同様の試験を行った。その結果を図４に示す。図３において、ルツボ１の直径ｆは２８インチ（７０６±５ｍｍ）、厚みｇは１２±４ｍｍ、高さｉは４８０±５ｍｍ、ルツボ１の上端から直胴部２と湾曲部５との境界４までの長さｅは２９５±１０ｍｍである。半径Ｒ１は１３０±１０ｍｍ、半径Ｒ２は７００±１０ｍｍである。なお、図３において、図１と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、図３に示すルツボを使用してＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。図４において、点線はＡｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示し、実線はＡｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示す。
図４において、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合と８０ｓｌｐｍである場合とを比較すると、シリコン単結晶の相対長さが図４に示す符号Ｃの範囲のとき、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合と８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度が逆転している。すなわち、シリコン単結晶の相対長さが図４に示す符号Ｃの範囲であるときに、不連続現象が発生していることがわかる。このことから、シリコン単結晶の相対長さが図４に示す符号Ｃの範囲のとき、Ａｒガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御ができないことがわかった。

さらに、本発明者は、図４に示すシリコン単結晶の相対長さと、ルツボ１内における溶融液面の半径との関係を求めるとともに、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動するルツボ１内における液面範囲（不連続液面範囲）を求めた。
その結果、図１に示すルツボを用いた場合と同様、図３および図４に示すように、不連続液面範囲は、湾曲部５の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をＲ１とするとき、境界４から直胴部２方向に（１／２）Ｒ１の高さから湾曲部５方向に（２／３）Ｒ１の高さまでの範囲（図３および図４に示す符号Ｃの範囲）であることがわかった。
また、図１に示すルツボを用いた場合と同様、ルツボ１内における溶融液面が、湾曲部５の深さ方向断面形状を規定する円弧の半径をＲ１とするとき、境界４から直胴部２方向に（２／５）Ｒ１の高さから湾曲部５方向に（１／３）Ｒ１の高さまでの範囲（図３および図４に示す符号Ｄの範囲）であるとき、Ａｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度が、Ａｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度の最低値を下回る可能性が特に高く、不連続現象による変動量が非常に大きいことがわかった。
また、図１に示すルツボを用いた場合と同様、ルツボ１内における溶融液面が、直胴部２と湾曲部５との境界４付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。
なお、ルツボ１内における溶融液面が、直胴部２と湾曲部５との境界４の高さより少し下を中心とする境界４付近の高さ範囲であるときに、不連続現象による変動量が最も大きいことがわかった。

さらに、本発明者は、図１に示すルツボを使用して以下に示す試験を行い、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲（図１に示す符号Ａの範囲）であるときであっても、不連続現象を抑制でき、不活性ガスの流量を調整することにより結晶中の格子間酸素濃度が制御できる、ルツボ回転数を見出した。
すなわち、チャンバに供給する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、Ａｒガスの流量を６０ｓｌｐｍまたは８０ｓｌｐｍとし、図１に示すルツボを０．８ｒｐｍで回転させてＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を調べた。その結果を図５に示す。図５において、点線はＡｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示し、実線はＡｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示す。また、図５において符号Ｅは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図１に示す不連続液面範囲Ａを示す。

図５より、ルツボ１を０．８ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、Ａｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合と６０ｓｌｐｍである場合とで結晶中の格子間酸素濃度の最低値が同程度となり、不連続現象が抑制されることを確認できた。また、ルツボ１を０．８ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、図５に示すように、Ａｒガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御が可能であることを確認できた。

また、本発明者は、チャンバに供給する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、Ａｒガスの流量を６０ｓｌｐｍまたは８０ｓｌｐｍとし、図１に示すルツボを１．２ｒｐｍで回転させてＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を調べた。その結果を図６に示す。図６において、点線はＡｒガスの流量が６０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示し、実線はＡｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合の結晶中の格子間酸素濃度を示す。また、図６において符号Ｅは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図１に示す不連続液面範囲Ａを示す。

図６より、ルツボ１を１．２ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、Ａｒガスの流量が８０ｓｌｐｍである場合に６０ｓｌｐｍである場合よりも結晶中の格子間酸素濃度が高くなり、不連続現象が抑制されることを確認できた。また、ルツボ１を１．２ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、図６に示すように、Ａｒガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御効果が顕著に得られることを確認できた。
また、ルツボ内における溶融液面が直胴部と湾曲部との境界付近の高さ範囲であるときのルツボ回転数を高くすると、以下に示すように、シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差が大きくなるので好ましくない。図１１は、シリコン単結晶の相対長さとＲＯＧとの関係を示すグラフである。なお、ＲＯＧとは、シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差の指標であり、具体的には「ＲＯＧ（％）＝（シリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差の絶対値／中心部の酸素濃度）×１００」で示される。図１１に示すように、ルツボ回転数が高くなるにつれてＲＯＧが高くなっている。より詳細には、ルツボ回転数が２．０ｒｐｍのときは、ＲＯＧの平均値が５％以下の非常に好ましい値となっている。また、ルツボ回転数が３．０ｒｐｍのときは、ＲＯＧの平均値が８％以下の好ましい値となっている。しかし、ルツボ回転数が３．５ｒｐｍのときは、ＲＯＧの平均値が製造歩留まりに悪影響を与える１０％を越えている。

そして、本発明者は、上記の知見に基づいて、ルツボ内における溶融液面が、直胴部と湾曲部との境界付近の高さ範囲であるときのルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとすることで、ルツボ内における溶融液面が直胴部と湾曲部との境界付近の高さ範囲であるときであっても、不活性ガスの流量を調整することにより結晶中の格子間酸素濃度が制御でき、しかも、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差も小さいものとなることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、チャンバ内に収納され、内径が一定の値である直胴部と、底部と、前記直胴部から前記底部に向かって前記内径が減少する湾曲部とを備えたルツボを用い、磁場中チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、前記ルツボ内における溶融液面が、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が、不活性ガス流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係を満たさなくなる液面範囲にあるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍに変化させることを特徴とする。
また、本発明では、上記ルツボ内における溶融液面の高さが、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度と前記チャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が、不活性ガス流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係を満たさなくなる液面範囲にあるとき、さらに、不活性ガスの流量を低下させることができる。
本発明では、上記ルツボ回転数は、１．２〜２ｒｐｍとすることができる。
また、本発明では、上記液面範囲は、上記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、上記境界から直胴部方向に（２／５）Ｒの高さから湾曲部方向に（１／３）Ｒの高さまでの範囲とすることができる。
本発明では、上記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に（１／２）Ｒの高さから湾曲部方向に（２／３）Ｒの高さまでの範囲とすることもできる。
また、本発明では、前記不活性ガスは、Ａｒとすることができる。
さらに、本発明では、格子間酸素濃度が１．４×１０ ^１８ 〜１．６×１０ ^１８ ａｔｏｍｓ/ｃｍ ^３ であるシリコン単結晶を製造することを特徴とする上記いずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法を提供する。

本発明の製造方法では、前記ルツボ内における溶融液面が、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲の少なくとも一部を含む液面範囲であるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとする。ここでのルツボ回転数が、０．８ｒｐｍ未満であると、結晶中の格子間酸素濃度と不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象の抑制効果が十分に得られない。また、ルツボ回転数が、３ｒｐｍを越えると、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差が大きくなるため好ましくない。
本発明の製造方法によれば、前記ルツボ内における溶融液面が、不連続現象による変動量が最も大きい液面範囲である上述した液面範囲であるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとするので、結晶中の格子間酸素濃度と不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続現象が効果的に抑制され、不活性ガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御が容易となる。また、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差が小さいものとなる。よって、本発明の製造方法によれば、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶を容易に精度よく高い歩留まりで製造することができる。

上記シリコン単結晶の製造方法では、ルツボ回転数を１．２〜２ｒｐｍとすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、不連続現象をより一層効果的に抑制することができ、不活性ガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御効果が顕著に得られるので、結晶中の格子間酸素濃度の制御がより一層容易となる。また、得られたシリコン単結晶の中心部と外周部との酸素濃度差がより一層小さいものとなる。

また、上記シリコン単結晶の製造方法では、液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に（２／５）Ｒの高さから湾曲部方向に（１／３）Ｒの高さまでの範囲である方法とすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲のうちの、不連続現象による変動量が非常に大きい液面範囲であるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとするものとなるので、不連続現象の抑制効果が非常に効果的に得られる。

また、上記シリコン単結晶の製造方法では、前記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に（１／２）Ｒの高さから湾曲部方向に（２／３）Ｒの高さまでの範囲である方法とすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、不連続液面範囲であるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとするものとなるので、不連続現象が生じることがない。また、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、境界から直胴部方向に（１／２）Ｒの高さから湾曲部方向に（２／３）Ｒの高さまでの範囲を超える液面範囲とした場合、不連続液面範囲を除く領域における格子間酸素濃度制御に支障を来たす虞が生じるため好ましくない。

また、上記シリコン単結晶の製造方法では、前記不活性ガスがＡｒである方法とすることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明のシリコン単結晶は、上記いずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明のシリコン単結晶は、上記いずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法によって製造されたものであるので、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有し、不連続現象に起因する不連続領域のない優れたものとなる。

また、上記シリコン単結晶では、格子間酸素濃度が１．４×１０^１８〜１．６×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３となるように製造されたものとすることができる。
このようなシリコン単結晶とすることで、ゲッタリング能を充分に確保できる酸素析出物の密度が得られ、なおかつ、十分なウェーハ強度が確保できる優れたウェーハとなる。

本発明によれば、不連続現象が効果的に抑制され、不活性ガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御が容易となり、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有するシリコン単結晶を容易に精度よく製造することができる。また、本発明によれば、所定の範囲内の格子間酸素濃度を有する優れたシリコン単結晶を提供することができる。

以下、本発明に係る第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図７は、本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製造装置の概略図である。図７において、符号１０はチャンバであり、下チャンバ１０ａと中チャンバ１０ｂと図示しない上チャンバとからなる。チャンバ内には、ルツボ１が収納されている。ルツボ１は、図示しない黒鉛ルツボを介して、昇降自在かつ回転自在な下軸３１に取り付けられている。また、符号５１はルツボ１内の原料融液４１の温度を制御するヒータであり、符号６は保温筒である。保温筒６の上面にはリング状の支持部材７が設けられ、支持部材７にはリフレクタ９が支持されている。

また、単結晶１１を引き上げるためにチャンバ１０の上部には、種結晶を下端部に把持するワイヤ１６が昇降自在かつ回転自在に吊設されている。また、符号８は磁場供給装置である。磁場供給装置８から供給される磁場の強度は、水平磁場にあっては２０００Ｇ以上、カスプ磁場にあっては４００Ｇ以上にそれぞれ設定されるのが好ましい。また、前記磁場は、その中心高さが融液液面から上下２０ｃｍの範囲内になるように設定されればよい。また、チャンバ１０はＡｒガスなどの不活性ガスが例えば５０〜３００ｓｌｐｍの任意の流量で内部に供給されるようになっている。

ルツボ１としては、内径が一定の値である直胴部と、底部と、前記直胴部から前記底部に向かって前記内径が減少する湾曲部とを備えたものであれば特に限定されないが、上述した図１や図３に示す石英からなるものなどを使用することができる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法では、図７に示す製造装置を用いて磁場中チョクラルスキー法により製造する。そして、ルツボ１内における溶融液面が、図１および図３に示すように、ルツボ１の直胴部２と湾曲部５との境界４を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度とチャンバ１０に供給する不活性ガスの流量との関係が不連続に変動する不連続液面範囲の少なくとも一部を含む液面範囲にあるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとする。ルツボ回転数は、１．２〜２ｒｐｍとすることが望ましい。また、チャンバに供給する不活性ガスとしては、Ａｒガスを用いることが望ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとするルツボ内における液面範囲は、湾曲部５の深さ方向断面形状が半径Ｒ１の円弧からなるとき、境界４から直胴部２方向に（２／５）Ｒ１の高さから湾曲部５方向に（１／３）Ｒ１の高さまでの範囲（図１における符号Ｂ、図３における符号Ｄ）であることが望ましく、湾曲部５の深さ方向断面形状が半径Ｒ１の円弧からなるとき、境界４から直胴部２方向に（１／２）Ｒの高さから湾曲部５方向に（２／３）Ｒの高さまでの範囲（図１における符号Ａ、図３における符号Ｃ）であることがより望ましい。
なお、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍとするルツボ内における液面範囲は、製造しようとするシリコン単結晶に要求される格子間酸素濃度の精度などに応じて適宜決定することができる。

本発明のシリコン単結晶は、上記の製造方法によって製造されたものであり、格子間酸素濃度が１．４×１０^１８〜１．６×１０^１８ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３であることが望ましい。

[実験例１]
図１に示すルツボ１がチャンバ１０内に収納された図７に示す製造装置を用い、チャンバ１０に供給する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数とＡｒガスの流量とを図８に示すように制御して、ＭＣＺ法によりシリコン単結晶を製造した。なお、図８において符号Ｆは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図１に示す不連続液面範囲Ａを示す。また、図８において、実線はルツボ回転数を示し、点線はＡｒガスの流量を示す。
図８に示すように、シリコン単結晶の相対長さに対するＡｒガスの流量を、相対長さ０から２０までの範囲は７０ｓｌｐｍ、２０〜４０までの範囲で徐々に５０ｓｌｐｍまで低下させ、４０〜６０までの範囲は５０ｓｌｐｍ、６０〜７０までの範囲で徐々に６０ｓｌｐｍまで上昇させ、７０〜９０までの範囲は６０ｓｌｐｍとした。また、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数を、相対長さ０から１０までの範囲は０．１ｒｐｍ、１０〜３０までの範囲で徐々に１．２ｒｐｍまで上昇させ、３０〜９０までの範囲は１．２ｒｐｍとし、不連続液面範囲Ｆのルツボ回転数を１．２ｒｐｍとした。

[実験例２]
図１に示すルツボ１がチャンバ１０内に収納された図７に示す製造装置を用い、チャンバ１０に供給する不活性ガスとしてＡｒガスを用い、シリコン単結晶の相対長さに対するＡｒガスの流量とルツボ回転数とを図９に示すように制御して、ＭＣＺ法によりシリコン単結晶を製造した。なお、図９において符号Ｆは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図１に示す不連続液面範囲Ａを示す。また、図９において、実線はルツボ回転数を示し、点線はＡｒガスの流量を示す。
図９に示すように、シリコン単結晶の相対長さに対するＡｒガスの流量を、相対長さ０から１５までの範囲は７０ｓｌｐｍ、１５〜３５までの範囲で徐々に４０ｓｌｐｍまで低下させ、３５〜９０までの範囲は４０ｓｌｐｍとした。また、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数を、相対長さ０から１０までの範囲は０．１ｒｐｍ、１０〜２０までの範囲で徐々に０．７ｒｐｍまで上昇させ、２０〜９０までの範囲は０．７ｒｐｍとし、不連続液面範囲Ｆのルツボ回転数を０．７ｒｐｍとした。

実験例１および実験例２において製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を調べた。その結果を図１０に示す。図１０において、実線は実験例１の結果を示し、点線は実験例２の結果を示し、符号Ｆは、シリコン単結晶の相対長さに対応する図１に示す不連続液面範囲Ａを示す。

図１０より、ルツボ１を１．２ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、不連続現象が抑制されることを確認できた。また、ルツボ１を１．２ｒｐｍで回転させることで、ルツボ１内における溶融液面が不連続液面範囲Ａであるときであっても、Ａｒガスの流量を調整することによる結晶中の格子間酸素濃度の制御効果が得られることを確認できた。

図１は、本発明において用いられるルツボの一例を示した図である。 図２は、図１に示すルツボを使用してＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。 図３は、本発明において用いられるルツボの一例を示した図である。 図４は、図３に示すルツボを使用してＭＣＺ法により製造したシリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。 図５は、シリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。 図６は、シリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。 図７は、本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製造装置の概略図である。 図８は、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数とＡｒガスの流量を示したグラフである。 図９は、シリコン単結晶の相対長さに対するルツボ回転数とＡｒガスの流量を示したグラフである。 図１０は、シリコン単結晶の相対長さと、結晶中の格子間酸素濃度との関係を示したグラフである。 図１１は、シリコン単結晶の相対長さとＲＯＧとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１：ルツボ、２：直胴部、３：底部、４：境界、５：湾曲部、６：保温筒、８：磁場供給装置、７：支持部材、９：リフレクタ、１０：チャンバ、１１：単結晶、１６：ワイヤ、３１：下軸、４１：原料融液、５１：ヒータ、

Claims (7)

1. チャンバ内に収納され、内径が一定の値である直胴部と、底部と、前記直胴部から前記底部に向かって前記内径が減少する湾曲部とを備えたルツボを用い、磁場中チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、
   前記ルツボ内における溶融液面の高さが、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度と前記チャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が、不活性ガス流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係を満たさなくなる液面範囲にあるとき、ルツボ回転数を０．８〜３ｒｐｍに変化させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記ルツボ内における溶融液面の高さが、前記直胴部と前記湾曲部との境界を含み、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度と前記チャンバに供給する不活性ガスの流量との関係が、不活性ガス流量を少なくすると結晶中の格子間酸素濃度が上昇する連続的な関係を満たさなくなる液面範囲にあるとき、さらに、不活性ガスの流量を低下させ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。
3. 前記ルツボ回転数を１．２〜２ｒｐｍとす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. 前記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に（２／５）Ｒの高さから湾曲部方向に（１／３）Ｒの高さまでの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記液面範囲は、前記湾曲部の深さ方向断面形状が半径Ｒの円弧からなるとき、前記境界から直胴部方向に（１／２）Ｒの高さから湾曲部方向に（２／３）Ｒの高さまでの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記不活性ガスがＡｒであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
7. 格子間酸素濃度が１．４×１０ ^１８ 〜１．６×１０ ^１８ ａｔｏｍｓ/ｃｍ ^３ であるシリコン単結晶を製造することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。

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