JP4901487B2

JP4901487B2 - 半導体単結晶の製造方法

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Publication number: JP4901487B2
Application number: JP2007001327A
Authority: JP
Inventors: 良太末若; 浩三中村; 俊昭最勝寺
Original assignee: Sumco Techxiv Corp
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-01-09
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Description

本発明は、半導体単結晶の製造方法に関し、特にＣＺ法により半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法に関する。

シリコン単結晶はＣＺ（チョクラルスキー法）によって引上げ成長されることによって製造される。引上げ成長されたシリコン単結晶のインゴットはシリコンウェーハにスライスされる。半導体デバイスはシリコンウェーハの表面にデバイス層を形成するデバイス工程を経て作成される。

しかし、シリコン単結晶の成長の過程でグローイン（Grown-in）欠陥（結晶成長時導入欠陥）と呼ばれる結晶欠陥あるいは酸素析出核が発生する。グローイン欠陥は、結晶成長中に取り込まれた点欠陥の２次欠陥と考えられている。

近年、半導体回路の高集積化、微細化の進展に伴い、シリコンウェーハのうちデバイスが作成される表層近くには、こうしたグローイン欠陥が存在することが許されなくなってきている。このため無欠陥結晶の製造の可能性が検討されている。

一般にシリコン単結晶に含まれデバイスの特性を劣化させる結晶欠陥は、以下の３種類の欠陥である。

ａ）ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）などと呼ばれる、空孔が凝集して生じるボイド ( 空洞 )欠陥（Ｖ欠陥）。

ｂ）OSF ( 酸化誘起積層欠陥, Oxidation Induced Stacking Fault ；Ｒ−ＯＳＦ)
ｃ）格子間シリコンが凝集して生じる転位ループクラスタ（格子間シリコン型転位欠陥、I欠陥）。

Ｖ欠陥は、半導体デバイス工程の酸化膜耐圧特性や素子分離などの不良の原因となる。Ｒ−ＯＳＦ、Ｉ欠陥は、リーク電流特性などに悪影響を及ぼす。

無欠陥のシリコン単結晶とは、上記３種の欠陥のいずれも含まないか、実質的に含まない結晶として認識ないしは定義されている。

上記３種の欠陥の発生挙動は、シリコン単結晶の成長条件Ｖ/Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：シリコン単結晶の融点近傍での軸方向温度勾配）が大きく関与していることが、従来より知られている。

シリコン単結晶中の欠陥分布は、その成長速度や成長中の周りの熱環境に大きく影響を受ける。近年は、シリコンウェーハ全面にわたりグローイン欠陥を排除し無欠陥領域となっている無欠陥結晶の要求が高まっており、結晶の成長速度や温度分布条件を制御する製造条件の提案が数多くなされている。上述したように、Ｖ欠陥、Ｒ−ＯＳＦ、Ｉ欠陥といった３種の欠陥の発生挙動は、シリコン単結晶の成長速度Ｖなどの成長条件によって、変化することが知られている。

すなわち、単結晶引き上げ軸に対して垂直に切り出した縦割りのシリコンウェーハ面でみたとき、上記３種の欠陥の分布は、その成長速度や成長中の周りの熱環境に大きく影響を受ける。

図１（ａ）、（ｂ）は、成長速度Ｖと結晶内（シリコンウェーハ面内）の欠陥分布との関係の一例を示した図である。

同図１（ａ）は、欠陥分布の概略図で、横軸は、結晶の中心から表面までの半径方向位置（シリコン単結晶の結晶中心から結晶外周（結晶端）までの各結晶半径位置）を示し、縦軸は、結晶の直胴位置を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）に対応させて成長速度Ｖの変化を示した図で、横軸は、成長速度Ｖを示し、縦軸は、図１（ａ）と同じく結晶の直胴位置を示している。シリコン単結晶の直胴部のトップからボトムに向かうに伴い成長速度Ｖが徐々に減じられる。

図１において、Ｖｄとあるのは、空孔型欠陥領域（Ｖ欠陥領域）であり、Ｖｐとあるのは、空孔型無欠陥領域であり、Ｉｐとあるのは、格子間シリコン型無欠陥領域であり、Ｉｄとあるのは、格子間シリコン型欠陥領域（Ｉ欠陥領域）である。ＶｐとＩｐが無欠陥領域となる。

図１（ａ）、（ｂ）からもわかるように、一般的につぎのようなことが知られている。

ｉ）成長速度Ｖが速い場合には、シリコン単結晶は空孔型点欠陥が過剰となり、ボイド欠陥、つまりＶ欠陥のみが発生する。

ｉｉ）成長速度Ｖを減じると、シリコン単結晶の外周付近にリング状にＯＳＦ、つまりＲ−ＯＳＦが発生し、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にＶ欠陥（ボイド欠陥）が存在する構造となる。

ｉｉｉ）成長速度Ｖを更に減じると、リング状のＯＳＦ（Ｒ−ＯＳＦ）の半径は減少し、リング状ＯＳＦ部の外側に欠陥が存在しない領域、つまり無欠陥領域が生じ、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にＶ欠陥（ボイド欠陥）が存在する構造となる。

ｉＶ）さらに成長速度Ｖを減じると、シリコン単結晶全体に転位ループラスタ、つまりＩ欠陥が存在する構造となる。

上述した現象が起こるのは成長速度Ｖの減少に伴いシリコン単結晶が空孔型点欠陥過剰な状態から格子間型点欠陥過剰な状態へと変化するためであると考えられている。

このようにシリコン単結晶の成長速度Ｖの減少に伴い、Ｖ欠陥領域（Ｖｄ）−Ｒ−ＯＳＦ−無欠陥領域（Ｖｐ、Ｉｐ）−Ｉ欠陥領域（Ｉｄ）と分布しており、無欠陥領域は、Ｒ−ＯＳＦとＩ欠陥領域の間に存在していると考えられている。

そこで、Ｒ−ＯＳＦと無欠陥領域（Ｖｐ）との境界に相当する成長速度Ｖの最小成長速度と、Ｉ欠陥領域（Ｉｄ）と無欠陥領域（Ｉｐ）との境界に相当する成長速度Ｖの最大成長速度との差を、成長速度許容幅ΔＶと定義する。

図１（ａ）に示すように、成長速度許容幅ΔＶが正となる場合には、シリコン単結晶面の半径方向位置全体、つまりシリコンウェーハの全面にわたって、無欠陥領域が存在することになる。

ただし、成長速度許容幅ΔＶが正となる場合であっても、その幅ΔＶが狭いと、わずかな製造条件等の変動によって欠陥が生じるおそれがあるため、安定してシリコン単結晶全面にわたり無欠陥領域となるシリコン単結晶を製造することが難しくなる。このため、ある程度の大きさの成長速度許容幅ΔＶが必要と考えられる。

しかしながら、一般に、シリコンウェーハ全面にわたり上記３種の欠陥を排除した無欠陥領域となる成長速度（引上げ速度）の範囲、つまり上述の成長速度許容幅ΔＶは、非常に狭いことが知られている。このため無欠陥のシリコン単結晶製造には、非常に精密な引上げ速度の制御が必要であり、安定性に欠け、生産性も劣り歩留まりが悪いといわれている。よって、無欠陥のシリコン単結晶を安定して歩留まりよく製造できるようにすることが要請されている。

ところで、「ＯＳＦリングについては、最近の研究からウェーハ全面内で低酸素濃度の場合には、ＯＳＦリングの核が存在しても熱酸化処理によりＯＳＦリングを発生することはなく、デバイスに影響を与えないことが判ってきている。」このことは、下記特許文献１に記載されている。

すなわち、酸素濃度がある低酸素濃度にあるときには、ＯＳＦリング発生の有無を確認する熱酸化処理をしてもＯＳＦの核は、ＯＳＦリング（Ｒ-ＯＳＦ）として顕在化せず、デバイスの性能に影響を与えない、事実上の無欠陥として扱うことができる。

特許文献１には、ＯＳＦリング（Ｒ-ＯＳＦ）として顕在化させないための酸素濃度条件として、シリコン単結晶引上げ中のウェーハ全面内の酸素濃度が２４ｐｐｍａ未満、つまり１２×１０１７（ｃｍ^−３ OLD ASTM）未満であることが必要であると記載されている。

また、特許文献１には、シリコン単結晶引上げ中に、１０５０℃〜８５０℃の温度帯域を１４０分以下で通過する熱履歴を与えた結晶については、その後ＯＳＦリング発生の有無を確認する熱酸化処理を施しても、ＯＳＦリング（Ｒ-ＯＳＦ）は顕在化しないということが記載されている。ここで、１０５０℃〜８５０℃の温度帯域を１４０分以下で通過する熱履歴は、冷却速度ＣＲに換算すると、１．４３（℃／ｍｉｎ）以上に相当する。

仮に、特許文献１に記載された条件が、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できる条件であるとしてシリコン単結晶を製造すれば、「無欠陥」の領域は、図１（ａ）において、Ｒ−ＯＳＦの領域まで広げることができる。このため、図１（ｂ）に示すごとく、「無欠陥」となる成長速度許容幅は、Ｖ欠陥領域（Ｖｄ）とＲ−ＯＳＦとの境界に相当する成長速度Ｖの最小成長速度と、Ｉ欠陥領域（Ｉｄ）と無欠陥領域（Ｉｐ）との境界に相当する成長速度Ｖの最大成長速度との差である幅ΔＶＲとなり、従来の幅ΔＶよりも成長速度許容幅を拡げることができる。このため、引上げ速度の精密な制御が緩和され、無欠陥のシリコン単結晶を安定して歩留まりよく製造できるようになることが期待される。
特開平１１−１５７９９６号公報

しかしながら、上述の特許文献１では、「酸素濃度を２４ｐｐｍａ未満、つまり１２×１０１７（ｃｍ^−３ OLD ASTM）未満にすること」、「冷却速度ＣＲを１．４３（℃／ｍｉｎ）以上にすること」と各条件を開示しているが、両者の条件が同時に成立することが必要であるのか、いずれか一方の条件が成立すればよいのかが明確となっていない。

仮に、両者の条件が同時に成立しなければ、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できないとすると、その条件範囲は、あまりにも狭い。このため、より広い条件範囲でシリコン単結晶を引き上げたいとの要請がある。

また、いずれかの条件が成立すれば、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できる、ということも正確性に欠ける。本発明者らが、「酸素濃度を２４ｐｐｍａ未満、つまり１２×１０^１７（ｃｍ^−３ OLD ASTM）未満にする」という条件で、実験を行なったところ、冷却速度ＣＲの大きさによっては、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できない場合があることが確認された。

また、上述の特許文献１は、直径６インチ（１５０ｍｍ）のシリコン単結晶を対象としている。

しかしながら、近年、シリコン単結晶の大口径化に伴い結晶が冷却されにくくなっている、つまり冷却速度ＣＲが低下しているのが実情である。このため特許文献１に開示された条件である「冷却速度ＣＲを１．４３（℃／ｍｉｎ）以上」にすることが難しくなっている。よって、高い冷却速度でＲ-ＯＳＦを非顕在化できるようにすることが求められている。

本発明は、こうした実情に鑑みなされたもので、酸素濃度と冷却速度に関して、正確かつ広範な条件範囲で半導体単結晶を引上げるようにして、無欠陥のシリコン単結晶を安定して歩留まり製造できるようにして生産性の向上を図ることを解決課題とするものである。

第１発明は、
ＣＺ法により半導体単結晶を引上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
Ｒ-ＯＳＦ領域を含む条件で半導体単結晶を引上げ成長させるに際して、
半導体単結晶の酸素濃度をＯi（×１０^１７ｃｍ^−３ OLD ASTM）、半導体単結晶の１０５０℃から９８０℃までの温度域の冷却速度をＣＲ（℃／ｍｉｎ）としたとき、
ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３
となる条件で、半導体単結晶を引き上げること
を特徴とする。

第２発明は、第１発明において、
融液に磁場を印加すること
を特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明において、
融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造すること
を特徴とする。

本発明者は、Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する条件として、シリコン単結晶１０中の酸素濃度Ｏi（×１０^１７ｃｍ^−３ OLD ASTM）と、シリコン単結晶１０の冷却速度ＣＲ（℃／ｍｉｎ）との間に、一定の関係が成立するのではないかと考え、実験を行なった。その結果、図３に示す実験結果が得られた。

同図３から明らかなように、Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する領域は、
ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３ …（１）
となることがわかった。すなわち、上記（１）式が得られるように酸素濃度Ｏi、冷却速度ＣＲを調整してシリコン単結晶１０を引き上げれば、Ｒ-ＯＳＦは確実に非顕在化できるということがわかった。

本発明によれば、図１（ａ）に示すように、Ｒ−ＯＳＦ領域に入るようにシリコン単結晶１０を引上げた場合にＲ-ＯＳＦを非顕在化することができる。このため、シリコン単結晶１０を「無欠陥」とすることができる成長速度許容幅ΔＶ_Rを広くとれる（図１（ｂ））。そして、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化するための酸素濃度Ｏiと冷却速度ＣＲの条件範囲は、図３に示すごとく従来技術（斜線部）に比して正確かつ広範なものとなる。このため本発明によれば、無欠陥のシリコン単結晶を安定して歩留まり製造できるようになり生産性が飛躍的に向上する。

第２発明では、石英るつぼ３内の融液５に対して、たとえば水平磁場（横磁場）が印加される。融液５に水平磁場が印加されると、石英るつぼ３内での融液５の対流が抑制され、安定した結晶成長が行なわれる。また、融液５に磁場が印加されることでシリコン単結晶１０と融液５との間の固液界面の形状を所望する形に安定化されて、冷却速度ＣＲを安定して高めることができる。

第３発明によれば、クーラ２０により、シリコン単結晶１０が冷却され、シリコン単結晶１０が固化する際に凝固潜熱を吸熱するように作用する。このためクーラ１０の設置により、シリコン単結晶１０の冷却速度ＣＲ（℃／ｍｉｎ）を高めシリコン単結晶１０が成長する時間を大幅に短縮することができる。また、シリコン単結晶１０の成長時間の短縮は、シリコン融液５からの蒸発物による炉内環境の悪化や、石英るつぼ３の劣化による単結晶崩れを抑制できる。このためシリコン単結晶１０の成長速度Ｖの高速化を図ることによって、シリコン単結晶１０の生産性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体単結晶の製造方法の実施の形態について説明する。

図２は、実施形態に用いられるシリコン単結晶製造装置の構成の一例を側面からみた図である。

同図２に示すように、実施形態の単結晶引上げ装置１は、単結晶引上げ用容器としてのＣＺ炉（チャンバ）２を備えている。

ＣＺ炉２内には、多結晶シリコンの原料を溶融して融液５として収容する石英るつぼ３が設けられている。石英るつぼ３は、その外側が黒鉛るつぼ１１によって覆われている。石英るつぼ３の周囲には、石英るつぼ３内の多結晶シリコン原料を加熱して溶融するヒータ９が設けられている。ヒータ９は円筒状に形成されている。ヒータ９は、その出力（パワー；ｋＷ）が制御されて、融液５に対する加熱量が調整される。たとえば、融液５の温度が検出され、検出温度をフィードバック量とし融液５の温度が目標温度になるように、ヒータ９の出力が制御される。

石英るつぼ３の上方には引上げ機構４が設けられている。引上げ機構４は、引上げ軸４ａと引上げ軸４ａの先端のシードチャック４ｃを含む。シードチャック４ｃによって種結晶１４が把持される。

石英るつぼ３内で多結晶シリコン（Ｓi）が加熱され溶融される。融液５の温度が安定化すると、引上げ機構４が動作し融液５からシリコン単結晶１０（シリコン単結晶）が引き上げられる。すなわち引上げ軸４ａが降下され引上げ軸４ａの先端のシードチャック４ｃに把持された種結晶１４が融液５に着液される。種結晶１４を融液５になじませた後引上げ軸４ａが上昇する。シードチャック４ｃに把持された種結晶１４が上昇するに応じてシリコン単結晶１０が成長する。

引上げの際、石英るつぼ３は回転軸１５によって回転する。また引上げ機構４の引上げ軸４ａは回転軸１５と逆方向にあるいは同方向に回転する。

回転軸１５は鉛直方向に駆動することができ、石英るつぼ３を上下動させ任意のるつぼ位置に移動させることができる。

ＣＺ炉２内と外気を遮断することで炉２内は真空（たとえば数十Torr程度）に維持される。すなわちＣＺ炉２には不活性ガスとしてのアルゴンガス７が供給され、ＣＺ炉２の排気口からポンプによって排気される。これにより炉２内は所定の圧力に減圧される。

単結晶引上げのプロセス（１バッチ）の間で、ＣＺ炉２内には種々の蒸発物が発生する。そこでＣＺ炉２にアルゴンガス７を供給してＣＺ炉２外に蒸発物とともに排気してＣＺ炉２内から蒸発物を除去しクリーンにしている。アルゴンガス７の供給流量は１バッチ中の各工程ごとに設定する。

シリコン単結晶１０の引上げに伴い融液５が減少する。融液５の減少に伴い融液５と石英るつぼ３との接触面積が変化し石英るつぼ３からの酸素溶解量が変化する。この変化が、引き上げられるシリコン単結晶１０中の酸素濃度分布に影響を与える。

石英るつぼ３の上方にあって、シリコン単結晶１０の周囲には、熱遮蔽板８（ガス整流筒）が設けられている。熱遮蔽板８は、ＣＺ炉２内に上方より供給されるキャリアガスとしてのアルゴンガス７を、融液表面５ａの中央に導き、さらに融液表面５ａを通過させて融液表面５ａの周縁部に導く。そして、アルゴンガス７は、融液５から蒸発したガスとともに、ＣＺ炉２の下部に設けた排気口から排出される。このため液面上のガス流速を安定化することができ、融液５から蒸発する酸素を安定な状態に保つことができる。

また熱遮蔽板８は、種結晶１４および種結晶１４により成長されるシリコン単結晶１０を、石英るつぼ３、融液５、ヒータ９などの高温部で発生する輻射熱から、断熱、遮蔽する。また熱遮蔽板８は、シリコン単結晶１０に、炉内で発生した不純物（たとえばシリコン酸化物）等が付着して、単結晶育成を阻害することを防止する。熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤ１の大きさは、回転軸１５を上昇下降させ、石英るつぼ３の上下方向位置を変化させることで調整することができる。また熱遮蔽板８を昇降装置により上下方向に移動させてギャップＤを調整してもよい。

融液５から引き上げられるシリコン単結晶１０の周囲には、クーラ２０を配置されている。クーラ２０は、熱遮蔽板８の内側に配置されている。クーラ２０は、シリコン単結晶１０を冷却しつつシリコン単結晶１０を引き上げ成長させるために設けられている。

本実施例では、水冷型のクーラ２０がＣＺ炉２内に配置される場合を想定する。

クーラ２０は、シリコン単結晶１０を冷却し、シリコン単結晶１０が固化する際に凝固潜熱を吸熱するように作用する。このためクーラ１０の設置により、シリコン単結晶１０の冷却速度ＣＲ（℃／ｍｉｎ）を高めシリコン単結晶１０が成長する時間を大幅に短縮することができる。また、シリコン単結晶１０の成長時間の短縮は、シリコン融液５からの蒸発物による炉内環境の悪化や、石英るつぼ３の劣化による単結晶崩れを抑制できる。このためシリコン単結晶１０の成長速度Ｖの高速化を図ることによって、シリコン単結晶１０の生産性を向上させることができる。

本実施例では、磁場印加引上げ法（ＭＣＺ法）によってシリコン単結晶１０が引き上げられる場合を想定する。なお、ＭＣＺ法は、ＣＺ法の一形態である。

すなわち、ＭＣＺ法では、たとえばＣＺ炉２の周囲に、磁石３０が配置される。これにより石英るつぼ３内の融液５に対して、水平磁場（横磁場）が印加される。融液５に水平磁場が印加されると、石英るつぼ３内での融液５の対流が抑制され、安定した結晶成長が行なわれる。また、融液５に磁場が印加されることでシリコン単結晶１０と融液５との間の固液界面の形状を所望する形に安定化されて、冷却速度ＣＲを安定して高めることができる。なお、水平磁場の代わりにカスプ磁場を印加してもよい。

そこで、本実施例では、Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する条件として、シリコン単結晶１０中の酸素濃度Ｏi（×１０^１７ｃｍ^−３ OLD ASTM）と、シリコン単結晶１０の冷却速度ＣＲ（℃／ｍｉｎ）との間に、一定の関係が成立するのではないかと考え、実験を行なった。その結果、図３に示す実験結果が得られた。

図３の横軸は、シリコン単結晶１０の酸素濃度Ｏi（×１０^１７ｃｍ^−３ OLD ASTM）であり、縦軸は、シリコン単結晶１０の１０５０℃から９８０℃までの温度域の冷却速度ＣＲ（℃／ｍｉｎ）である。

シリコン単結晶１０の酸素濃度Ｏiは、シリコン単結晶１０の引上げ中に、るつぼ回転数、引上げ軸回転数、アルゴンガス流量、炉内圧等を調整することによって、制御することができる。

シリコン単結晶１０の冷却速度ＣＲは、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤ、引上げ軸４ａの引上げ速度Ｖ、クーラ２０の設置位置、クーラ２０の吸熱量、水平磁場の強度等を調整することによって、制御することができる。

ここで、「Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する」とは、たとえ図１（ａ）の欠陥分布領域でＲ-ＯＳＦ領域にあってＯＳＦの核がシリコン単結晶１０中に存在したとしても、その後、ＯＳＦリング発生の有無を確認する熱酸化処理をしたときに、ＯＳＦの核は、ＯＳＦリング（Ｒ-ＯＳＦ）として顕在化せず、デバイスの性能に影響を与えない、事実上の無欠陥として扱うことができることをいう。

Ｒ-ＯＳＦ部のＲ-ＯＳＦの検出は、検査試料ウエーハに１１００℃×２時間の酸化熱処理を施した後に、欠陥検出のための選択エッチングであるライトエッチングを施して光学顕微鏡にてＯＳＦ観察を行なうことにより行なった。また、Ｒ-ＯＳＦにおけるＯＳＦの顕在化および非顕在化の判断は、光学顕微鏡の１視野（１ｍｍ×１ｍｍ）の領域内に観察されるＯＳＦの個数が３個以下、つまり面密度が３００個／ｃｍ2の場合を非顕在化できているものと判断した。

実験は、シリコン単結晶１０の直胴部の直径が２００ｍｍの場合と、３００ｍｍの場合のそれぞれについて行った。比較例として、直径３００ｍｍのシリコン単結晶１０を製造するときには、図２の単結晶引き上げ装置１において、クーラ２０が設置されていない構成のものと対比した。

同図３では、「Ｒ-ＯＳＦが非顕在化した」点に黒丸印をプロットし、「Ｒ-ＯＳＦが顕在化した」点に×印をプロットしている。また、直径３００ｍｍのシリコン単結晶１０をクーラ２０を設置しクーラ２０の高さを変えて引き上げたときの実験結果を、点Ｐ１、Ｐ２で示し、直径３００ｍｍのシリコン単結晶１０をクーラ２０を設置しないで引き上げたときの実験結果を、点Ｐ３で示している。直径３００ｍｍのシリコン単結晶１０についての各プロット点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の具体的な数値を、実験の条件と併せて図４に表として示す。図４の表中、Ｄ１は、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップの大きさであり、Ｄ２は、クーラ２０の下端から熱遮蔽板８の下端板８ａの上面までの距離である（図２参照）。

同図３、４から明らかなように、従来にあっては、Ｒ-ＯＳＦ部でＯＳＦが顕在化してしまうため、無欠陥状態で結晶が成長可能な成長速度許容幅は、僅かに０．００７ｍｍ／ｍｉｎしかなく安定成長が困難であった。しかし、本発明によれば、クーラ２０の設置と磁場の印加の効果によりＲ−ＯＳＦの非顕在化ができたので成長速度幅を３倍に拡げることが可能となった。

同図３から明らかなように、Ｒ-ＯＳＦの非顕在化と顕在化の境界のライン（しきい値）は、
ＣＲ＝０．１８〔Ｏi〕−１．５３
という１次関数で表され、Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する領域は、
ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３ …（１）
となることがわかった。すなわち、上記（１）式が得られるように酸素濃度Ｏi、冷却速度ＣＲを調整してシリコン単結晶１０を引き上げれば、Ｒ-ＯＳＦは確実に非顕在化できるということがわかった。

また、図３において、従来技術で「Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できる」とする条件範囲、つまり「酸素濃度が２４ｐｐｍａ未満、つまり１２×１０^１７（ｃｍ^−３ OLD ASTM）未満」であり、「冷却速度ＣＲが１．４３（℃／ｍｉｎ）以上」である各条件を、比較のために斜線部にて示している。本実施例の領域（ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３）は、従来技術の領域（斜線部）と比較して、特に酸素濃度Ｏiがより高濃度に広がり、広範な範囲に拡大されていることがわかる。

なお、本実験では、クーラ２０を設置しないで直径３００ｍｍのシリコン単結晶１０を引き上げたとき（点Ｐ３）には、冷却し難くなったため、Ｒ-ＯＳＦは顕在化するという結果を得ている。しかしながら、クーラ２０が設置されていない場合であっても、冷却速度ＣＲを高めるように他の条件を調整すれば、Ｒ-ＯＳＦは非顕在化するという結果になるものと推測される。

以上のように本実施例によれば、上記（１）式（ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３）に示すごとく、酸素濃度Ｏiと冷却速度ＣＲに関して、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化できる条件が明確なものとなった。これにより、上記（１）式が得られるように酸素濃度Ｏi、冷却速度ＣＲを調整してシリコン単結晶１０を引き上げれば、Ｒ-ＯＳＦを確実に非顕在化することができる。

また、従来技術と比較して、酸素濃度Ｏiと冷却速度ＣＲの条件範囲が、より広範な条件範囲に拡大された。

以上のように本実施例によれば、図１（ａ）に示すように、Ｒ−ＯＳＦ領域に入るようにシリコン単結晶１０を引上げた場合にＲ-ＯＳＦを非顕在化することができる。このため、シリコン単結晶１０を「無欠陥」とすることができる成長速度許容幅ΔＶ_Rを広くとれる（図１（ｂ））。そして、Ｒ-ＯＳＦを非顕在化するための酸素濃度Ｏiと冷却速度ＣＲの条件範囲は、図３に示すごとく従来技術に比して正確かつ広範なものとなる。このため本実施例によれば、無欠陥のシリコン単結晶を安定して歩留まり製造できるようになり生産性が飛躍的に向上する。

なお、実施例では、水冷型のクーラを想定して説明したが、クーラに用いる冷却媒体は任意であり、シリコン単結晶１０から放熱された熱を吸熱してシリコン単結晶１０を冷却することができる熱交換器であればよい。

なお、実施例では、半導体単結晶としてシリコン単結晶を製造する場合を想定して説明したが、本発明は、ガリウム砒素などの化合物半導体を製造する場合にも同様にして適用することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、成長速度と結晶内内（シリコン単結晶面内（シリコンウェーハ面内）の欠陥分布との関係の一例を示した図である。図２は、実施形態の単結晶引上げ装置の構成を概略的に示す図である。図３は、Ｒ-ＯＳＦが非顕在化する条件として、シリコン単結晶中の酸素濃度と、シリコン単結晶の冷却速度との間に成立する関係を示した図である。

符号の説明

１シリコン単結晶製造装置、２ＣＺ炉、１０シリコン単結晶、２０クーラ３０磁石

Claims

ＣＺ法により半導体単結晶を引上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
Ｒ-ＯＳＦ領域を含む条件で半導体単結晶を引上げ成長させるに際して、
半導体単結晶の酸素濃度をＯi（×１０^１７ｃｍ^−３ OLD ASTM）、半導体単結晶の１０５０℃から９８０℃までの温度域の冷却速度をＣＲ（℃／ｍｉｎ）としたとき、
ＣＲ＞０．１８〔Ｏi〕−１．５３
（ただし、前記酸素濃度Ｏiが１２（×１０ ^１７ｃｍ ^−３ OLD ASTM）未満となる範囲、前記酸素濃度Ｏiが１３．５（×１０ ^１７ｃｍ ^−３ OLD ASTM）以下であって、かつ前記冷却速度ＣＲが１．４３（℃／ｍｉｎ）以上となる範囲を除く）
が得られるように酸素濃度Ｏiおよび冷却速度ＣＲを調整して、ＯＳＦの核が、ＯＳＦリングとして顕在化しない無欠陥の半導体単結晶を引き上げること
を特徴とする半導体単結晶の製造方法。
前記冷却速度ＣＲを、融液に印加する磁場を調整することによって制御すること
を特徴とする請求項１記載の半導体単結晶の製造方法。
融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、
前記冷却速度ＣＲを、前記クーラの設置位置、前記クーラの吸熱量を調整することによって制御すること
を特徴とする請求項１または２記載の半導体単結晶の製造方法。
前記冷却速度ＣＲを、熱遮蔽板の下端と融液表面とのギャップまたは引上げ軸の引上げ速度を調整することによって制御すること
を特徴とする請求項１から３に記載の半導体単結晶の製造方法。
前記酸素濃度Ｏiを、前記半導体単結晶の引き上げ中に、るつぼ回転数または引上げ軸回転数またはアルゴンガス流量または炉内圧を調整することによって制御すること
を特徴とする請求項１から４に記載の半導体単結晶の製造方法。