JP4461781B2 - シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置の設計方法並びにシリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶において、ＯＳＦ、ＦＰＤ、Ｌ／Ｄ等の結晶欠陥が極めて少ないシリコン単結晶を高歩留かつ高生産性で製造するシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置の設計方法並びにシリコン単結晶製造装置に関するものである。

近年は、半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板材料となるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略記する）で製造されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。特に単結晶中には、ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）、ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ）、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）、転位ループクラスタ等のグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる、酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる単結晶成長起因の欠陥が存在し、その密度とサイズの低減が重要視されている。

これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、結晶成長中にシリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間シリコン型の点欠陥のそれぞれの濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。

シリコン単結晶において、Ｖ領域とは、シリコン原子の不足から発生するボイドが多い領域であり、Ｉ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生するシリコン原子の凝集体や転位ループクラスタが多い領域のことであり、そしてＶ領域とＩ領域の間には、原子の過不足が少ないニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ、以下Ｎと略記することがある）領域が存在している。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、上記グローンイン欠陥としては存在しないことが判ってきた。

この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）と結晶中の固液界面近傍のシリコンの融点から例えば１４００℃の間の引上げ軸方向の温度勾配Ｇとの関係から決まり、Ｖ領域の周囲には、ＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）と呼ばれる欠陥が、結晶成長軸に対する垂直方向（結晶径方向）の断面で見た時に、リング状に分布（以下、ＯＳＦリングということがある）していることが確認されている。

直径が２００ｍｍのシリコン単結晶の製造において、これらグローンイン欠陥を分類すると、例えば成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔型の点欠陥が凝集して出来たボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、Ｖ領域となる。また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、前述のＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側には格子間シリコンの凝集に基づく転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、Ｉ領域となる。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後以下に低速にすると、ＯＳＦリングがウェーハ中心に収縮して消滅し、全面がＩ領域となる。

また、前述のように、Ｖ領域とＩ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、空孔起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、格子間シリコンに基づく転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも、さらにはＯＳＦも存在しないＮ領域が存在する。
このＮ領域は、通常は成長速度を下げた時に成長軸を含む面内において、成長軸方向に対して斜めに存在するため、単結晶を成長軸方向に垂直な面に平行に切断した面内では一部分にしか存在しなかった。このＮ領域について、ボロンコフ理論（例えば非特許文献１参照）では、引上げ速度（Ｖ）と結晶固液界面軸方向温度勾配（Ｇ）の比であるＶ／Ｇというパラメータが点欠陥のトータルな濃度を決定すると唱えている。面内で引上げ速度はほぼ一定のはずであるが、面内でＧが分布を持つので、例えば、ある引上げ速度では中心がＶ領域でＮ領域を挟んで周辺でＩ領域となるような面となる結晶しか得られなかった。

そこで最近、面内のＧの分布を改良して、例えば、引上げ速度Ｖを徐々に下げながら引上げることにより、ある引上げ速度では面内の一部にしか存在しなかったＮ領域を結晶径方向全面に広げた全面Ｎ領域の結晶を製造できるようになった。また、この全面Ｎ領域の結晶を長さ方向へ拡大するには、このＮ領域が結晶径方向全面に広がった時の引上げ速度を維持して引上げればある程度達成できる。また、結晶が成長するに従ってＧが変化することを考慮し、それを補正して、あくまでもＶ／Ｇが一定になるように、引上げ速度を調節すれば、それなりに成長方向にも、全面Ｎ領域となる結晶が拡大できるようになった。

このＮ領域をさらに分類すると、ＯＳＦリングの外側に隣接するＮｖ領域（空孔が優勢な領域）とＩ領域に隣接するＮｉ領域（格子間シリコンが優勢な領域）とがあり、Ｎｖ領域では、熱酸化処理をした際に酸素析出が多く、Ｎｉ領域では酸素析出が殆どないことがわかっている。

しかし、この全面Ｎ領域で単結晶を育成する場合、その引上げ速度マージン（制御可能範囲：ΔＶ）は、例えば直径２００ｍｍの結晶ではΔＶ≒０．０２ｍｍ／ｍｉｎ程度（例えば非特許文献２参照）であるが、例えば直径３００ｍｍの結晶ではΔＶ≒０．００５ｍｍ／ｍｉｎと狭く、このマージンを超えた引上げ速度の変動ではグローンイン欠陥が発生し、品質の安定した単結晶の引上げが困難となり、製造歩留まりの低下の要因となる。

そこで、全面Ｎ領域が得られる引上げ速度のマージンを広げる方法に関して、主に２つの方法が検討されてきた。一つはＶ／Ｇの引上げ速度Ｖに対する変化を小さくする方法で、例えば、結晶成長界面の急冷化等によって軸方向温度勾配Ｇを大きくすることにより、引上げ速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎ以上の高速で、全面Ｎ領域の単結晶を製造する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

もう一方はグローンイン欠陥が凝集する温度帯での結晶の冷却速度を大きくする方法で、例えば、成長結晶内で空孔点欠陥が凝集してボイド欠陥を形成するような温度帯を成長結晶が通過する時の平均冷却速度が１℃／ｍｉｎ以上と高速になるように制御して育成することにより、全面Ｎ領域あるいは全面Ｎｖ領域の単結晶を製造するための引上げ速度のマージンを拡大させる方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。

その他、融液側温度勾配に着目した製造方法として、例えば、結晶成長界面における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配Ｇｍと結晶側温度勾配Ｇｓとの比Ｇｍ／Ｇｓを結晶成長界面内で０．１６±０．０５にすることにより、全面Ｎ領域の単結晶を製造する方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。

国際公開第０２／０２８５２号パンフレット 特開２００２−２２６２９６号公報 特開２０００−２７２９９２号公報 Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｋｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．５９（１９８２），ｐｐ．６２５〜６４３ Ｊ．Ｇ．Ｐａｒｋ，日本結晶成長学会誌，ｖｏｌ．２７（２０００），ｐ．１４

上述の提案された方法は、単結晶製造装置の炉内構造（ホットゾーン：ＨＺ）の条件等を調整することにより達成できるが、その調整範囲にも限界があるため、更なる結晶の急冷化によるこれ以上のＧの増大によって引上げ速度のマージンを拡大するのは困難である。
例えば、直径３００ｍｍの結晶では、直径２００ｍｍの結晶に比べて急冷化によるＧの増大の効果が得られにくいため、全面Ｎ領域となる引上げ速度のマージンは狭くなり、全面Ｎ領域である結晶の製造の歩留は低くなり、結晶の品質を保証することは困難であった。
従来、このようにＧの増大が困難な状況では、全面Ｎ領域となる引上げ速度のマージンを効率的に拡大する方法がなく、Ｖ／Ｇを所望の値とする多くの試行錯誤の実験により十分なマージンが得られる最適製造条件を見出すしかなかったため、多大なるコストと時間が消費されていた。
従って、結晶固液界面における軸方向温度勾配Ｇをこれ以上増大させることなく、全面Ｎ領域の結晶を得ることができる引上げ速度のマージンを拡大する引上げ方法が望まれていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、引上げ速度のマージンが広く、制御し易い安定した製造条件の下で、所望の欠陥領域の単結晶、特に全面Ｎ領域からなるシリコン単結晶を、高歩留まりかつ高生産性で製造できるシリコン単結晶の製造方法および単結晶製造装置の設計方法並びに単結晶製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、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、少なくとも、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）が−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となるようにして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を提供する。

このように、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の温度勾配であって、特に融液側の温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）が−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となるようにシリコン単結晶を育成すれば、Ｇの増大や冷却速度の高速化によらず引上げ速度のマージンを広くすることができるので、Ｇの増大等が困難な場合でも、全面Ｎ領域等の所望の欠陥領域のシリコン単結晶を高歩留まりかつ高生産性で製造することができる。

この場合、少なくともシリコン単結晶を育成するための操業条件ならびに育成炉内部のホットゾーン条件から、電子計算機を用いたシミュレーションにより前記αを求め、該求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるような育成炉内部の温度分布条件を用いて、シリコン単結晶を育成することが好ましい。
このように、引上げ速度等のシリコン単結晶育成の操業条件ならびに育成炉内部の炉内構造等のホットゾーン条件を用いてシミュレーションにより求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるような育成炉内部の温度分布条件を用いてシリコン単結晶を育成すれば、引上げ速度のマージンを拡大できる温度分布条件を効率的に決定できるので、より効率的に全面Ｎ領域等の所望の結晶領域のシリコン単結晶を製造することができる。

また、前記育成するシリコン単結晶の引上げ軸に垂直な面が全面Ｎ領域となるように単結晶を育成することが好ましい。
このように、シリコン単結晶の引上げ軸に垂直な面が全面Ｎ領域となるように単結晶を育成すれば、このシリコン単結晶から全面Ｎ領域のシリコン単結晶ウェーハを作製することができるで、デバイスを作製しても酸化膜耐圧特性等の電気特性の劣化が生じず、近年の高集積度の半導体回路の基板作製に適するシリコン単結晶を高歩留まりかつ高生産性で製造することができる。

この場合、前記面内が全面Ｎｖ領域または全面Ｎｉ領域となるように単結晶を育成することが好ましい。
このように、マージンが広がったことにより、全面がＮｖ領域またはＮｉ領域となるように単結晶を育成することが可能になるので、全面にわたって酸素析出が十分高くゲッタリング能力の高い全面Ｎｖ領域となるシリコン単結晶ウェーハの提供や、過剰な酸素析出によりウェーハのソリなどの不具合が発生する恐れのあるデバイス工程においては、酸素析出がほとんど生じない全面Ｎｉ領域となるシリコン単結晶ウェーハの提供に適するシリコン単結晶を高歩留まりかつ高生産性で製造することができる。

また、本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置の設計方法であって、少なくとも、シリコン単結晶を育成するための操業条件ならびに育成炉内部のホットゾーン条件から、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）を電子計算機を用いたシミュレーションにより求め、該求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるように、育成炉内部の温度分布設計を行うことを特徴とするシリコン単結晶製造装置の設計方法を提供する。

このように、引上げ速度等のシリコン単結晶育成の操業条件ならびに育成炉内部の炉内構造等のホットゾーン条件を用いてシミュレーションにより求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるよう、育成炉内部の温度分布設計を行なえば、Ｇの増大や冷却速度の高速化によらず引上げマージンを拡大できる温度分布条件を効率的に決定できるので、全面Ｎ領域等の所望の結晶領域のシリコン単結晶を高歩留まりかつ高生産性で製造するのに適するシリコン単結晶製造装置をより効率的に設計することができる。

また、本発明は、上記の方法によって設計されたシリコン単結晶製造装置を提供する。
上記の方法によって設計されたシリコン単結晶製造装置は、全面Ｎ領域等の所望の結晶領域のシリコン単結晶を高歩留まりかつ高生産性で製造するのに適するシリコン単結晶製造装置となる。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
前述のように、全面Ｎ領域が得られる引き上げ速度のマージンを拡大させる方法として、結晶成長界面におけるＶ／Ｇの引き上げ速度Ｖに対する変化を小さくする方法と、グローンイン欠陥が凝集する温度帯での結晶の冷却速度を大きくする方法とがあるが、本発明では、前者の方法に着目した。

このＶ／Ｇの引上げ速度Ｖに対する変化を小さくするのに、従来は専ら結晶の急冷等によるＧの増大により達成してきたが、Ｇの増大のためにホットゾーン条件等を調整するのが困難であったり、十分効果的でない場合があった。
本発明者らは、Ｇの増大以外で、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）という新たな指標に着目した。
結晶成長界面では結晶側に流出する熱流速、融液側から流入する熱流速、および固化潜熱が以下の式のようにバランスを保っている。
Ｋ_ｃＧ＝Ｈ_ｆρＶ＋Ｋ_ｍＧ_ｍ
ここで、Ｋ_ｃおよびＫ_ｍはそれぞれ結晶と融液の熱伝導率、Ｈ_ｆは単位結晶重量当たりの固化潜熱、ρは結晶の密度である。また、ＧおよびＧ_ｍは正の値をもつ温度勾配の絶対値である。このバランスに基づいてＶ／ＧのＶによる変化を詳細に検討した結果、その変化は以下の式のようにＧとαによって決まることが分った。
∂（Ｖ／Ｇ）／∂Ｖ＝（Ｋ_ｃ−Ｈ_ｆρξ−ξＫ_ｍα）／（Ｋ_ｃＧ）
ここでξは無欠陥領域を形成するＶ／Ｇの臨界値を示す。
そして、αが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となるようにシリコン単結晶を育成すれば、Ｇを増大させなくても、Ｖ／Ｇの引上げ速度Ｖに対する変化が小さくなり、その結果、全面Ｎ領域の結晶が得られる引上げ速度のマージンを十分に拡大させることができることを見出し、本発明を完成させた。

また、すでに説明したとおり、グローンイン欠陥は、単結晶の引上げ速度等の操業条件や育成した結晶が冷却される際の冷却熱履歴によって、欠陥サイズや密度が左右される。従って、全面Ｎ領域の結晶品質を有するシリコン単結晶を育成するためには、シリコン単結晶製造装置の育成炉内部の温度分布の設計を適切なものにする必要がある。しかし、育成炉内部構造を、新規に、あるいは仕様変更のために設計する場合、炉内構造物を実際に種々の態様にて作製して単結晶の引上げ試験を繰り返しながら、目的とする品質を有するシリコン単結晶を得ることは、膨大な手間と時間を要し、非常に効率が悪い。特に、Ｇの増大が困難であるとか効果的でない場合には、それに代わる適当な設計指針が存在しなかった。

そこで、シリコン単結晶製造装置の育成炉内部を構成する炉内構造物を検討するにあたり、引き上げ速度等の操業条件と炉内構造物の配置や形状あるいは材質等のホットゾーン条件をもとに計算機シミュレーションを行い、育成炉内に形成される温度雰囲気と育成した単結晶にもたらされる結晶欠陥との関係を数値的に求め、この結果に基づいてαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となるような温度分布条件を実現するようにホットゾーン条件等を決めるようにすれば、より効率的に、かつ確実に全面Ｎ領域の結晶品質を有するシリコン単結晶の育成が可能なシリコン単結晶製造装置を設計することが可能になる。
そして、そのように設計した製造装置によりシリコン単結晶の育成を行なえば、単結晶の引上げ実験等を必要以上に繰り返し行なうことなく、全面Ｎ領域となるシリコン単結晶を精度よく育成可能となる。また、さらに狭い全面Ｎｖ領域または全面Ｎｉ領域とすることも可能である。
また、これは、全面Ｎ領域とする場合に限らず、その他の所望とされる欠陥領域のシリコン単結晶を育成する場合にも適用できる。

特に、最近では、直径が３００ｍｍを超えるシリコン単結晶を育成するための、大型のＣＺ法シリコン単結晶製造装置が開発されつつあるが、育成炉の大型化により炉内構造物の設計がますます困難となり、また炉内構造物自体も高価になることから、設計の失敗に伴う経済的損失のリスクを軽減する意味においても、本発明に示すシリコン単結晶製造装置の設計方法を用いれば、より適切なシリコン単結晶製造装置を容易に得ることができる。

本発明によれば、例えば結晶全面にわたりＮ領域の結晶を製造する場合において、引上げ速度のマージンが大きいシリコン単結晶の製造条件を設計する際に、電子計算機（総合伝熱解析）によるシミュレーション等によって得られたＧｍとＶの関係を利用した指標である変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）を検討に加えることにより、Ｖ／Ｇの検討だけで設計したシリコン単結晶の製造条件よりも、引上げ速度のマージンが広いシリコン単結晶の製造条件を確実にしかも効率よく設計することができ、結晶全面にわたりＮ領域の結晶を高歩留、高生産性で製造することができる。
さらに、引上げ速度のマージンが広がったことにより、全面にわたって酸素析出が十分高くゲッタリング能力の高い全面Ｎｖ領域となるシリコン単結晶ウェーハの提供や、過剰な酸素析出によりウェーハのソリなどの不具合が発生する恐れのあるデバイス工程においては、酸素析出がほとんど生じない全面Ｎｉ領域となるシリコン単結晶ウェーハの提供をすることができる。

以下では、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のシリコン単結晶製造装置の一例を示す概略断面図である。該シリコン単結晶製造装置１００の金属製の育成炉１には、内側が石英製ルツボで外側が黒鉛製ルツボからなるルツボ７が配置されている。さらに、ルツボ７の外側周囲には、ルツボ７内に収容された多結晶シリコン塊原料を加熱溶融しシリコン融液１０とするための加熱ヒータ６が設置され、シリコン単結晶の育成時は、この加熱ヒータ６に供給される電力を調整してシリコン融液１０の温度を所望の値とし、シリコン単結晶を育成する。

また、加熱ヒータ６と育成炉１の間には、金属製の育成炉１の炉壁を保護し、育成炉１内部を効率的に保温するために断熱材５が置かれている。また、ルツボ７は、ルツボ支持軸１４によって育成炉１の略中央に配置され、ルツボ支持軸１４の下端に取り付けられた不図示のルツボ軸駆動機構によって、上下動、回転動自在とされている。一方、シリコン融液１０を収容したルツボ７の上方には、引き上げられたシリコン単結晶８を囲繞するように冷却筒１９が設けられている。冷却筒１９は金属あるいはグラファイトにより構成され、シリコン単結晶８の冷却熱履歴を所望の値に調整して、シリコン単結晶の育成を行なう役割を果たす。

また、育成炉１の上部には、シリコン単結晶８を引き上げるための引上げワイヤー９を巻き出しあるいは巻き取る不図示のワイヤー巻取り機構が備えられている。そして、このワイヤー巻取り機構から巻き出された引上げワイヤー９の先端部に、種結晶２を保持するための種ホルダー１３があり、この種ホルダー１３に種結晶２を係止して種結晶２の下方に、シリコン単結晶８を育成するものである。なお、育成炉１の上方には、育成炉１内部に不活性ガスを導入するためのガス導入管１１が備えられており、シリコン単結晶８の育成条件に合わせて、ガス導入管１１上に設けられたガス流量制御装置３により、所望量のアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを育成炉１内部に送入可能とされている。

そして、育成炉１の下部には、シリコン単結晶８の育成時にシリコン融液１０からの蒸発物を育成炉１の外部に排出しながら、シリコン単結晶８の育成を行なう必要があることから、育成炉１内部に還流するＡｒガス等の不活性ガスを排気するための排ガス管１２と、育成炉１内部の圧力を制御し不活性ガスを育成炉１の外部へ排出するための炉内圧力制御装置４が備えられている。シリコン単結晶８の育成時には、この炉内圧制御装置４によって、育成炉１の内部の圧力が所望の値とされる。

このようなシリコン単結晶製造装置の設計は次のようにして行なう。まず、結晶径方向のＧの分布が均一で、且つ、結晶成長界面における結晶中心での融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）の絶対値が小さくなるように育成炉内部の構造を設計する。このとき、Ｇｍは実際の測温に基づいて算出しても良いが、一般に、結晶成長中における成長界面中の温度の実測は効率的でない。したがって、総合伝熱解析を用いてＧｍを算出するのが好ましい。
そして、育成炉内部のホットゾーン条件（冷却筒、熱遮蔽物、断熱材、ヒータ等の材質、形状や配置、熱輻射率等の物性値）を設定し、結晶中心でのＶ／Ｇが所望の値近くになるように引上げ速度Ｖを与えて、総合伝熱解析を行なう。

総合伝熱解析ソフトとして、例えば、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｔｈｏｌｉｃ Ｌｏｕ ｖａｉｎにて開発された総合伝熱解析プログラムＦＥＭＡＧ（Ｆ． Ｄｕｐｒｅｔ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎｔ． Ｊ． Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ， ｖｏｌｕｍｅ３３， １８４９（１９９０））や、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙで開発されたＩＴＣＭ（Ｄ． Ｂｏｒｎｓｉｄｅ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎｔ． Ｊ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｖｏｌｕｍｅ３０，１３３（１９９０））等を用いる。

次に、引上げ速度Ｖを例えば±０．０５ｍｍ／ｍｉｎの範囲内でいくつか変化させて、総合伝熱解析を行う。そして、それぞれの引上げ速度Ｖでの総合伝熱解析から結晶中心のＧｍを求め、引上げ速度Ｖに対する変化率αを算出する。
このとき、融液内対流を考慮して総合伝熱解析を実施しても良いが、総合伝熱解析の計算時間を短縮するために、融液内対流は無視して計算を行ってもよい。

図２は、結晶の冷却速度が充分に遅くなるＨＺにおいてＧｍのＶに対する変化率αと結晶中心がＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンとの関係を、Ｖ＝０．４ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ＝０．５ｍｍ／ｍｉｎのそれぞれの場合において示した図である。このようにαは負の値となり、いずれの引上げ速度の場合も、αの値が０に近づくほど、結晶中心においてＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンが拡大する。
従来の直径３００ｍｍの無欠陥結晶の製造では、Ｖ＝０．４ｍｍ／ｍｉｎのときのαは−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２より小さく、引上げ速度Ｖのマージンは０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以下であった。このため、引上げられた結晶の無欠陥領域の歩留まりが低く、この歩留まりを維持するのでさえも、結晶育成中に高精度のプロセス制御を必要としていた。そして、本発明であるαを−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２以上にすることにより、引上げ速度Ｖのマージンが０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以上となり、無欠陥領域の歩留まりも飛躍的に向上し、且つ、結晶育成中のプロセス制御の許容範囲が広くなった。また、αの上限値は０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２であり、ＨＺを改善することにより、この上限値に近づけることができる。
図３は、結晶の冷却速度が充分に遅くなるＨＺにおいて引上げ速度Ｖと結晶中心がＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンとの関係を、α＝−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２とα＝０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２のそれぞれの場合において示した図である。例えば、Ｖ＝０．４ｍｍ／ｍｉｎでα＝−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２のときの結晶中心での引上げ速度Ｖのマージンは０．０１０２ｍｍ／ｍｉｎとなり、αがこれ以上であればマージンは拡大し、実際のシリコン単結晶の製造におけるＶの制御が充分に可能となる。さらに、Ｖが上記と同じ０．４ｍｍ／ｍｉｎで、αのみα＝０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２としたときの引上げ速度Ｖのマージンは０．０１２ｍｍ／ｍｉｎとなり、結晶中心がＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンはさらに拡大する。
この変化率αの調節は育成炉内部のホットゾーン条件（冷却筒、熱遮蔽物、断熱材、ヒータ等の材質、形状や配置、熱輻射率等の物性値）を変えることによって行う。

次に、変化率αが変動する理由について簡単に説明する。例えば、引上げ速度Ｖが変化すると、結晶界面形状が変化し、結晶直径を維持するためのヒーターパワーが変化する。その結果、結晶成長界面における結晶中心の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍが変化するのでαがある値で算出される。異なる炉内構造では炉内の熱環境が異なるため、引上げ速度Ｖの変化に対する結晶界面形状の変化やヒーターパワーに対する炉内の熱的状態の変化も異なる。このことにより、炉内構造が異なる場合も、結晶成長界面における結晶中心の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍが変化し、その結果、変化率αが変動する。

このような総合伝熱解析を育成炉内部のホットゾーン条件を変えて繰り返し行うことにより、変化率αが０に近い条件に絞り込む。このようにして得られた、計算上引上げ速度Ｖのマージンが大きくなるように操業条件と炉内温度分布を設計する。

次に、上記の装置を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の育成方法について説明する。まず、シリコン単結晶製造装置１００の育成炉１内部に設置されたルツボ７に多結晶シリコン塊を仕込み、育成炉１内部を不活性ガスで満たした後に、ルツボ７周囲に置かれた加熱ヒータ６に電力を供給して、シリコンの融点である１４２０℃以上に多結晶シリコン塊を加熱することによってシリコン融液１０を得る。

そして、ルツボ７内の全ての多結晶シリコン塊がシリコン融液１０となったところで、融液温度をシリコン単結晶８の成長に適した温度に安定させ、引上げワイヤー９を巻き出して種結晶２の先端をシリコン融液１０の表面に接融させ、ルツボ７と種結晶２をそれぞれ反対方向に回転させながら静かに引上げ、シリコン単結晶８のネック部８ａと拡径部８ｂとを形成する。その後、シリコン単結晶８の拡径部８ｂが所望の値の直径となったところで、シリコン単結晶８の引上げ速度とシリコン融液の温度を調整し、単結晶定径部８ｃの形成工程に移行する。

シリコン単結晶８の定型部８ｃの形成工程では、引上げワイヤー９の巻き上げ速度を調整し、上述のシミュレーションで得られた単結晶の成長速度となるように引上げワイヤー９を徐々に巻き取って引上げ、シリコン単結晶の定型部８ｃを形成していく。このときαは−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２であり、引上げ速度Ｖのマージンが十分にあるので、シリコン単結晶８の定型部８ｃの結晶中心が安定してＮ領域となる。
また、このとき、結晶中心をＮｖ領域やＮｉ領域となるように単結晶８を引上げてもよいし、その他所望の欠陥領域となるようにしてもよい。

その後、定型部８ｃを必要長さ引き上げたら、再びシリコン単結晶８の引上げ速度とシリコン融液の温度を変化させて、不図示の単結晶縮径部の形成工程に移行し、シリコン単結晶８の直径を徐々に縮径していってシリコン単結晶８をシリコン融液１０から切り離す。
シリコン単結晶８をシリコン融液１０から切り離した後は、静かに育成炉１の上方で単結晶が常温付近まで冷えるのを待ち、最後にシリコン単結晶８を育成炉１から取り出して育成を終了する。

なお、実際の引き上げにおいては、上記のシミュレーションで検討した結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率αの影響の他にグローンイン欠陥の凝集温度帯での冷却速度の影響が加わるため、全面がＮ領域となる引き上げ速度Ｖのマージンは図３に示された値以上になる。例えば、α＝−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２として直径２００ｍｍの結晶を実際に引き上げたとき、Ｖ＝０．４５ｍｍ／ｍｉｎにおいて、結晶中心がＮ領域となる引き上げ速度Ｖのマージンは約０．０２５ｍｍ／ｍｉｎであった。

このように、シミュレーションを実施するにあたり、総合伝熱解析プログラムから得られる算出値に誤差を生じる場合もある。このような場合は、当然ではあるが実際にシリコン単結晶を引き上げて品質を確認した後にシミュレーション結果に補正を加えることによって、適切な操業条件や育成炉内雰囲気を見出すことができる。

本発明は、上記に結晶中心における引き上げ速度Ｖのマージンについて説明したが、これは、結晶径方向のＧの分布が均一であれば、結晶中心でのαの値を代表値として検討すれば、結晶全面にわたりＮ領域が得られる引き上げ速度Ｖのマージンが拡大することを意味している。
したがって、まず結晶径方向のＧの分布が均一となる育成炉内部の構造を設計した上で、伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ等により結晶中心でのαの値が−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となる製造条件を検討し、その結果得られた最適製造条件を選択し、結晶中心がＮ領域となる引き上げ速度Ｖに設定することにより、マージンを十分広くして結晶全面にわたってＮ領域とすることができる。
特に、マージンが広いので、結晶全面にわたってＮｖ領域または結晶全面にわたってＮｉ領域となるようなより狭い製造条件にすることができ、このような条件でシリコン単結晶を育成すれば、ゲッタリング能力の高い全面Ｎ領域シリコン単結晶ウェーハの作製や、あるいは、ウェーハソリを生じない全面Ｎ領域シリコン単結晶ウェーハの作製に適するものとすることができる。

以上、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成を例に挙げて本発明の具体例を説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではない。例えば、本発明のシリコン単結晶の育成に用いる種結晶ならびにシリコン単結晶の製造方法は、シリコン融液に磁場を印加しながら単結晶を育成するＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いたシリコン単結晶の製造にも、当然適用することが可能である。

以下に本発明の実施例及び比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
実施例として、図１に示す装置１００を用いて、結晶径方向のＧの分布が均一となるような育成炉内部の構造を設計し、冷却筒１９の輻射率のみを変えて（０．７７（実施例１）と０．４０（比較例１）の２種類）、総合伝熱解析プログラムＦＥＭＡＧを用いて、シリコン単結晶の製造装置の加熱ヒータ、断熱材、ルツボ等の炉内構造物の配置や組成および熱物性値等を入力し、シリコン融液１５０ｋｇを収容した口径が６００ｍｍルツボから直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引上げた場合の、結晶中心におけるＶ／Ｇおよび変化率αを求めた。

そして、上記のシミュレーションを行なった結果、結晶中心における引上げ軸方向のＶ／Ｇのシミュレーション結果では、Ｎ領域を形成する引上げ速度の臨界値は、上記の実施例１および比較例１とも同じ０．４ｍｍ／ｍｉｎであると予測された。

一方、結晶成長界面の結晶中心における変化率αのシミュレーションの結果では、比較例１では変化率αが−０．７１Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２、実施例１では変化率αが−０．５４Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となり、図２または図３に示す関係から、Ｖ＝０．４ｍｍ／ｍｉｎにおいて、結晶中心におけるＮ領域を形成する引上げ速度Ｖのマージンを予測した結果、変化率αが本発明の範囲内である実施例１の方が約４％拡大し、実際の製造の際に十分なマージンになると予測された。

次に、上記のシミュレーション結果をもとに、上記比較例１と実施例１の炉内構造を用いて、シリコン融液１５０ｋｇを収容した口径が６００ｍｍのルツボから直径２００ｍｍのシリコン単結晶を実際に引上げた。そして、シリコン単結晶の結晶中心におけるＮ領域を形成する引上げ速度Ｖのマージンを確認したところ、上記シミュレーションの予測通り実施例１の方が比較例１に比べ、引上げ速度のマージンが大きくなり、その値は上記シミュレーション結果よりもさらに大きくなり、約３０％拡大していたことが確認された。

このように、実際のシリコン単結晶を引上げたときの引上げ速度のマージンが、ＦＥＭＡＧのシミュレーションの値より大きくなる理由は、すでに上記に説明したように、変化率αの影響の他にグローンイン欠陥の凝集温度帯での冷却速度の影響が加わったためと考えられるが、αが本発明の範囲内の場合、上記の冷却速度の影響によるマージンの拡大がなくても、製造上十分なマージンとなった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、実施例では直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引上げたが、直径はこれ以上、例えば３００ｍｍであってもよい。本発明はこのように大直径化の際に引上げ速度のマージンの拡大を効果的に行なうことができる。

本発明のシリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。 引上げ速度Ｖ＝０．４ｍｍ／ｍｉｎおよび０．５ｍｍ／ｍｉｎにおいて、変化率αと結晶中心がＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンとの関係の一例を示した図である。 変化率α＝−０．６３Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２および０．０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２において、引上げ速度Ｖと結晶中心がＮ領域となる引上げ速度Ｖのマージンとの関係の一例を示した図である。

符号の説明

１…育成炉、 ２…種結晶、 ３…ガス流量制御装置、 ４…炉内圧力制御装置、
５…断熱材、 ６…加熱ヒータ、 ７…ルツボ、 ８…シリコン単結晶、
８ａ…ネック部、 ８ｂ…拡径部、 ８ｃ…単結晶定径部、
９…ワイヤー、 １０…シリコン融液、 １１…ガス導入管、 １２…排ガス管、
１３…種ホルダー、 １４…ルツボ支持軸、 １９…冷却筒、
１００…シリコン単結晶製造装置。

Claims (5)

1. 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、少なくとも、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）が−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２となるようにして、育成するシリコン単結晶の引上げ軸に垂直な面が全面Ｎ領域となるよう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. 少なくともシリコン単結晶を育成するための操業条件ならびに育成炉内部のホットゾーン条件から、電子計算機を用いたシミュレーションにより前記αを求め、該求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるような育成炉内部の温度分布条件を用いて、シリコン単結晶を育成することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記面内が全面Ｎｖ領域または全面Ｎｉ領域となるように単結晶を育成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
4. チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置の設計方法であって、少なくとも、シリコン単結晶を育成するための操業条件ならびに育成炉内部のホットゾーン条件から、結晶成長界面の結晶中心における結晶引上げ軸方向の融液側温度勾配の絶対値Ｇｍの単結晶引上げ速度Ｖに対する変化率α（＝ｄＧｍ／ｄＶ）を電子計算機を用いたシミュレーションにより求め、該求めたαが−０．６３〜０Ｋ・ｍｉｎ／ｍｍ^２の値となるように、育成炉内部の温度分布設計を行うことにより、全面Ｎ領域のシリコン単結晶の製造条件を設計することを特徴とするシリコン単結晶製造装置の設計方法。
5. 請求項４に記載された方法によって設計されたシリコン単結晶製造装置。

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