JP7238709B2 - シリコン単結晶の製造方法 - 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（ＣＺ法）により育成されるシリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法に関する。

半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法では、石英ルツボ内に多結晶シリコン原料を充填し、チャンバー内で原料を加熱してシリコン融液を生成する。次いで、石英ルツボの上方から種結晶を降下させてシリコン融液に浸漬し、種結晶及び石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に上昇させることにより、種結晶の下方に大きな単結晶を成長させる。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法としてマルチ引き上げ法が知られている。マルチ引き上げ法では、シリコン単結晶を引き上げた後、同一の石英ルツボ内にシリコン原料をリチャージして融解し、得られたシリコン融液からシリコン単結晶の引き上げを行い、このような原料追加工程と結晶引き上げ工程を繰り返すことにより、一つの石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を製造する。マルチ引き上げ法によれば、シリコン単結晶一本当たりの石英ルツボの原価コストを低減することが可能である。またチャンバーを解体して石英ルツボを交換する頻度を低減できるため、操業効率を向上させることが可能である。

ＣＺ法では石英ルツボが酸素の供給源となるため、シリコン単結晶中には製造工程由来の酸素が不純物として含まれている。シリコン単結晶中の過剰な酸素は転位や酸素誘起欠陥の原因となり、またデバイス特性を劣化させる原因にもなる。一方、シリコン単結晶中の酸素は、重金属不純物を捕獲するゲッタリングサイトとして有効に作用し、ウェーハの反りを抑制する効果もあることから、製品用途に応じてシリコン単結晶中の酸素濃度を適切に制御する必要がある。

シリコン単結晶中の酸素濃度を制御する方法に関し、例えば特許文献１には、同一装置・同一操作条件下で引き上げを行った場合の操業時間と、シリコン単結晶の同一成長位置の酸素濃度との関係を、ルツボの回転数ごとにあらかじめ求めておき、シリコン単結晶の同一成長装置の所望の酸素濃度範囲と操業時間との関係からルツボの回転数を設定するとともに、当該回転数以外の条件は前記関係を求めたときと同一装置・同一操作条件下で引き上げを行う酸素制御方法が記載されている。

特許文献２には、マルチ引き上げ法において、１本目の単結晶の酸素濃度と、単結晶の酸素濃度と石英ルツボを収納する支持ルツボの合計使用時間との関係を表す濃度推定用情報と、支持ルツボの合計使用時間とに基づいて、２本目以降の単結晶の同じ成長位置における酸素濃度を推定する方法が記載されている。

特許文献３には、無欠陥結晶を育成するための引き上げ速度の調整方法であって、シリコン単結晶の直胴部の引き上げ条件にヒータ電力をフィードバックして結晶欠陥分布を制御するため、単結晶の絞り部でのヒータの消費電力と過去の消費電力の平均値との差から、単結晶の直胴部成長速度の補正量ΔＶを算出し、直胴部成長速度Ｖ_０に補正量ΔＶを加える方法が記載されている。

特開平９－１１０５７８号公報 特開２０１７－０８８４６２号公報 特開２００３－３２７４９４号公報

特許文献１に記載の酸素濃度の制御方法は、操業時間の経過に伴ってシリコン単結晶中の酸素濃度が低下することを前提とするため、操業時間の経過に伴ってシリコン単結晶中の酸素濃度が上昇する場合には酸素濃度を制御できないという問題がある。

特許文献２に記載の方法は、支持ルツボの劣化を考慮しながらルツボの回転数を制御するので、シリコン単結晶中の酸素濃度を適切に制御することが可能である。しかしながら、過去に実績がない結晶引き上げ条件下では、酸素濃度の変化を推定することが難しいという問題がある。

特許文献３には、結晶欠陥分布を制御して全面がニュートラル（Ｎ）領域のシリコン単結晶を製造する方法が開示されているが、単結晶中の酸素濃度を制御する方法は開示されていない。

したがって、本発明の目的は、操業時間の経過に伴うシリコン単結晶中の酸素濃度の変化に合わせて、酸素濃度制御パラメータを適切に制御することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本願発明者らは、シリコン単結晶中の酸素濃度のばらつきを小さくする方法について鋭意研究を重ねた結果、シリコン単結晶中の酸素濃度と当該シリコン単結晶の育成中にヒータが消費する電力との間には一定の相関があり、ヒータ電力に基づいてルツボ回転数等の酸素濃度制御パラメータを調整することで複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度のばらつきを低減できることを見出した。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、第１シリコン単結晶の引き上げ工程中にシリコン融液を加熱するヒータが消費した電力と前記シリコン融液から引き上げられた前記第１シリコン単結晶中の酸素濃度との関係から酸素濃度推定用情報を取得し、前記第１シリコン単結晶と同じ結晶引き上げ条件下で第２シリコン単結晶の引き上げを開始し、前記第２シリコン単結晶の引き上げ工程の特定期間中に取得したヒータ電力の実測値Ｐ_１と、前記第１シリコン単結晶の引き上げ工程の前記特定期間と同一期間中に取得したヒータ電力の参照値Ｐ_０との電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０を算出し、前記電力差ΔＰ及び前記酸素濃度推定用情報から前記第２シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度を推定し、前記第２シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度が前記第１シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度に近づくように酸素濃度制御パラメータを制御しながら前記第２シリコン単結晶の直胴部を引き上げることを特徴とする。

本発明によれば、単結晶引き上げ装置の固体差や炉内部品の劣化等によって生じる時系列変動因子にも対応でき、酸素濃度が均一化された複数本のシリコン単結晶をより高精度且つ安定的に製造することができる。

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記第１シリコン単結晶を引き上げた際に前記ヒータ電力と前記第１シリコン単結晶中の酸素濃度との関係から求めた前記酸素濃度推定用情報に含まれる係数α及び定数βと前記電力差ΔＰから、前記第２シリコン単結晶の酸素濃度の補正量ΔＸ＝α・ΔＰ＋βを算出し、前記酸素濃度の補正量ΔＸに対応する酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを算出し、前記第１シリコン単結晶を引き上げた際の酸素濃度制御パラメータの第１の目標値Ｙ_０に前記酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを加えて酸素濃度制御パラメータの第２の目標値Ｙ_１＝Ｙ_０＋ΔＹを算出し、前記酸素濃度制御パラメータの第２の目標値Ｙ_１を用いて前記第２シリコン単結晶の直胴部の引き上げを制御することが好ましい。これにより、複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度のばらつきを低減することができる。

本発明において、前記酸素濃度制御パラメータは、前記シリコン融液を支持する石英ルツボの回転数、前記シリコン単結晶が引き上げられる引き上げ炉内に導入されるＡｒガスの流量、及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一つであることが好ましい。これらの酸素濃度制御パラメータのいずれかを補正することにより、シリコン単結晶中の酸素濃度を制御することができる。

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記酸素濃度の補正量ΔＸが閾値ΔＸ_ＴＨ以上である場合に前記酸素濃度制御パラメータとして前記石英ルツボの回転数を選択し、前記酸素濃度の補正量ΔＸが前記閾値ΔＸ_ＴＨよりも小さい場合に前記酸素濃度制御パラメータとして前記Ａｒガスの流量及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一方を選択することが好ましい。このように、酸素濃度の補正量に応じて適切な酸素濃度制御パラメータを選択することにより、酸素濃度を精密に制御することができる。

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、前記シリコン融液に種結晶を着液させる着液工程と、前記種結晶の下端部に成長する前記シリコン単結晶の直径を細く絞るネッキング工程と、前記シリコン単結晶の直径を徐々に大きくしながら成長させるショルダー部育成工程と、前記シリコン単結晶の直径を一定に維持しながら成長させる直胴部育成工程と、前記シリコン単結晶の直径を徐々に小さくしながら成長させるテイル部育成工程とを有し、前記特定期間は、前記着液工程、前記ネッキング工程及び前記直胴部育成工程における前記直胴部の上端から下方に１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の部位の育成工程の少なくとも一つであることが好ましい。ヒータ電力が安定している期間中にヒータ電力を取得することにより、酸素濃度の推定精度を高めることができる。

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、同一の石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げ法により前記第１及び第２シリコン単結晶を引き上げることが好ましい。本発明によれば、マルチ引き上げ法で引き上げられる複数本のシリコン単結晶中の酸素濃度のばらつきを低減することができる。特に、先行のシリコン単結晶よりも後続のシリコン単結晶の酸素濃度が増加するような場合でも、酸素濃度を制御してそのばらつきを低減することができる。

本発明によれば、操業時間の経過に伴うシリコン単結晶中の酸素濃度の変化に合わせて、酸素濃度制御パラメータを適切に制御することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶引き上げ装置の構成を示す略断面図である。 図２は、マルチ引き上げ法によるシリコン単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 図３は、個々のシリコン単結晶の引き上げ工程を示すフローチャートである。 図４は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略側面図である。 図５は、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法を示す制御ブロック図である。 図６は、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法を示すフローチャートである。 図７（ａ）及び（ｂ）は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２の結晶引き上げ中におけるヒータ電力比率を示す棒グラフであって、（ａ）は着液時におけるヒータ電力比率、（ｂ）は直胴部の上端よりも下方に２００ｍｍの位置におけるヒータ電力比率をそれぞれ示している。 図８は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２の直胴部の結晶長さ方向の酸素濃度分布を示すグラフである。 図９（ａ）及び（ｂ）は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．３，Ｎｏ．４の結晶引き上げ中におけるヒータ電力比率を示す棒グラフであって、（ａ）は着液時におけるヒータ電力比率、（ｂ）は直胴部の上端よりも下方に２００ｍｍの位置におけるヒータ電力比率をそれぞれ示している。 図１０は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ３，Ｎｏ．４の結晶引き上げ中のルツボ回転数（相対値）を示すグラフである。 図１１は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ３，Ｎｏ．４の直胴部の結晶長さ方向の酸素濃度分布を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶引き上げ装置の構成を示す略断面図である。

図１に示すように、単結晶引き上げ装置１０は、引き上げ炉１１と、引き上げ炉１１内においてシリコン融液２を支持する石英ルツボ１２と、石英ルツボ１２を支持する黒鉛ルツボ１３と、黒鉛ルツボ１３を支持する回転シャフト１４と、黒鉛ルツボ１３の周囲に配置されたヒータ１５と、石英ルツボ１２の上方に配置された熱遮蔽体１６と、石英ルツボ１２の上方であって回転シャフト１４と同軸上に配置された単結晶引き上げワイヤー１７と、引き上げ炉１１の上方に配置されたとワイヤー巻き取り機構１８とを備えている。

引き上げ炉１１は、メインチャンバー１１ａと、メインチャンバー１１ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１１ｂとで構成されており、石英ルツボ１２、黒鉛ルツボ１３、ヒータ１５及び熱遮蔽体１６は、メインチャンバー１１ａ内に設けられている。プルチャンバー１１ｂにはＡｒガス（パージガス）を導入するためのガス導入口１１ｃが設けられており、メインチャンバー１１ａの底部にはＡｒガスを排気するためのガス排気口１１ｄが設けられており、メインチャンバー１１ａ内には上方から下方に向かってＡｒガスの流れが発生している。メインチャンバー１１ａの上部には観察窓１１ｅが設けられており、シリコン単結晶１の育成状況を観察窓１１ｅから観察可能である。

石英ルツボ１２は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有するシリカガラス製の容器である。黒鉛ルツボ１３は、加熱によって軟化した石英ルツボ１２の形状を維持するため、石英ルツボ１２の外表面に密着して石英ルツボ１２を包むように保持する。石英ルツボ１２及び黒鉛ルツボ１３はメインチャンバー１１ａ内においてシリコン融液２を支持する二重構造のルツボを構成している。

黒鉛ルツボ１３は鉛直方向に伸びる回転シャフト１４の上端部に固定されており、回転シャフト１４の下端部はメインチャンバー１１ａの底部中央を貫通してメインチャンバー１１ａの外側に設けられたシャフト駆動機構１９に接続されている。黒鉛ルツボ１３、回転シャフト１４及びシャフト駆動機構１９は、石英ルツボ１２の回転機構及び昇降機構を構成している。

ヒータ１５は、石英ルツボ１２内に充填された多結晶シリコン原料を融解してシリコン融液２を生成すると共に、シリコン融液２の溶融状態を維持するために用いられる。ヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱ヒータであり、黒鉛ルツボ１３の外側に同心円状に配置されている。ヒータ１５の外側には断熱材１１ｆがヒータ１５を取り囲むように設けられており、これによりメインチャンバー１１ａ内の保温性が高められている。

熱遮蔽体１６は、シリコン融液２の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒータ１５及び石英ルツボ１２からの輻射熱によるシリコン単結晶１の高温化を防止するために設けられている。熱遮蔽体１６は黒鉛製の略円筒状の部材であり、シリコン単結晶１の引き上げ経路を除いたシリコン融液２の上方の領域を覆うように設けられている。

熱遮蔽体１６の下端の開口１６ａの直径はシリコン単結晶１の直径よりも大きく、これによりシリコン単結晶１の引き上げ経路が確保されている。また熱遮蔽体１６の下端部の外径は石英ルツボ１２の口径よりも小さく、熱遮蔽体１６の下端部は石英ルツボ１２の内側に位置するので、石英ルツボ１２のリム上端を熱遮蔽体１６の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１６が石英ルツボ１２と干渉することはない。

石英ルツボ１２の上方には、シリコン単結晶１の引き上げ軸である引き上げワイヤー１７と、引き上げワイヤー１７を巻き取るワイヤー巻き取り機構１８が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１８は、プルチャンバー１１ｂの上方に配置されており、引き上げワイヤー１７はワイヤー巻き取り機構１８からプルチャンバー１１ｂ内を通って下方に延びており、引き上げワイヤー１７の先端部はメインチャンバー１１ａの内部空間まで達している。図１には育成途中のシリコン単結晶１が引き上げワイヤー１７に吊設された状態が示されている。

シリコン単結晶１の引き上げ時には引き上げワイヤー１７の先端に取り付けた種結晶をシリコン融液２に浸漬し、石英ルツボ１２と種結晶をそれぞれ回転させながら引き上げワイヤー１７を徐々に引き上げることにより、種結晶の下端に大きな単結晶を成長させる。単結晶が成長すると融液量が減少し、石英ルツボ内のシリコン融液２の液面レベルは低下するため、石英ルツボ１２を上昇させて熱遮蔽体１６の下端から融液面までの距離を一定に維持する制御が行われる。

メインチャンバー１１ａの内部を観察するための観察窓１１ｅの外側にはカメラ２０が設けられている。単結晶引き上げ工程中、カメラ２０は観察窓１１ｅから熱遮蔽体１６の開口１６ａを通して見えるシリコン単結晶１とシリコン融液２との境界部の画像を撮影する。カメラ２０が撮影した画像は画像処理部２１に送られる。制御部２２は、画像処理部２１による画像解析結果に基づいて結晶引き上げ速度、ヒータ電力、ルツボ回転数等の結晶引き上げ条件を制御する。

マルチ引き上げ法は、一本目のシリコン単結晶の引き上げに使用した石英ルツボ１２内にシリコン原料をリチャージして融解し、得られたシリコン融液２から二本目のシリコン単結晶の引き上げを行い、このような原料リチャージ工程と結晶引き上げ工程とを交互に繰り返すことにより、一つの石英ルツボ１２から複数本のシリコン単結晶を製造する方法である。

図２は、マルチ引き上げ法によるシリコン単結晶の製造方法を示すフローチャートである。

図２に示すように、マルチ引き上げ法は、石英ルツボ１２内にシリコン原料を初期チャージした後（Ｓ１１）、一本目のシリコン単結晶インゴットの引き上げ工程を実施する（Ｓ１２）。その後、マルチ引き上げを終了する既定の引き上げ本数に到達するまでシリコン原料のリチャージ工程とシリコン単結晶インゴットの引き上げ工程とを交互に繰り返す（Ｓ１３Ｎ、Ｓ１４、Ｓ１２）。そしてマルチ引き上げを終了する既定本数の結晶引き上げ工程が終了したときにマルチ引き上げ工程を終了する（Ｓ１３Ｙ）。

図３は、個々のシリコン単結晶の引き上げ工程を示すフローチャートである。また、図４は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略側面図である。

図３に示すように、シリコン単結晶の引き上げ工程（Ｓ１２）は、石英ルツボ１２内にチャージされたシリコン原料を融解してシリコン融液２を生成する原料融解工程Ｓ２１と、シリコン融液２に種結晶を着液させた後、その状態を一定時間維持して種結晶をシリコン融液２に馴染ませる着液工程Ｓ２２と、熱衝撃等によって種結晶中に発生した転位を排除するため結晶直径を細く絞るネッキング工程Ｓ２３と、既定の結晶直径（例えば約３００ｍｍ）の単結晶を得るために結晶直径を徐々に広げるショルダー部育成工程Ｓ２４と、既定の結晶直径を維持する直胴部育成工程Ｓ２５と、引き上げ終了のために結晶直径を細く絞り、単結晶を融液面から切り離すテイル部育成工程Ｓ２６を有している。

以上により、結晶直径が細く絞られたネック部１ａと、結晶直径が徐々に広げられたショルダー部１ｂと、結晶直径が一定に維持された直胴部１ｃと、結晶直径が徐々に絞られたテイル部１ｄとを有するシリコン単結晶インゴット１Ｉが完成する。

マルチ引き上げ法では、次の結晶引き上げ工程のために石英ルツボ内にシリコン融液２を少し多く残して結晶引き上げを終了させるため、１本目から（ｎ－１）本目までのシリコン単結晶インゴット１Ｉは短く引き上げられることが多い。逆に、ｎ本目（最後）のシリコン単結晶インゴット１Ｉの引き上げでは石英ルツボ１２内にシリコン融液２をできるだけ残さないようにするので、長尺なシリコン単結晶インゴット１Ｉが引き上げられる。

通常、マルチ引き上げ法によって製造されるシリコン単結晶中の酸素濃度は、引き上げ本数が増加するほど低下する傾向がある。従来のシリコン単結晶の製造方法は、このようなマルチ引き上げ本数の増加に伴う酸素濃度の低下傾向に合わせて石英ルツボ１２の回転数を増加させることにより、複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度の均一化を図っていた。しかし、実際には、マルチ引き上げ本数が増加してもシリコン単結晶中の酸素濃度が低下せず、マルチ引き上げの２本目のシリコン単結晶中の酸素濃度が１本目よりも高くなる場合などもあり、従来の制御方法ではそのような場合に対応することができなかった。

そこで、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン単結晶中の酸素濃度と当該シリコン単結晶を引き上げた時のヒータの消費電力との関係に着目し、結晶引き上げ工程中のヒータ電力の変化に応じて石英ルツボ１２の回転数等の酸素濃度パラメータを制御する。

通常、結晶引き上げ制御では、予め設定した結晶引き上げ速度プロファイルを目標値とする結晶引き上げ速度のＰＩＤ制御を行う。また同時に、結晶直径が部位ごとに決められた所定の直径になるように、予め設定したヒータ電力プロファイルを目標値とするヒータ電力のＰＩＤ制御も行う。着液工程Ｓ２２以降のヒータ電力の制御では、結晶成長できるように固液界面近傍の熱分布を制御する必要があり、融液と単結晶との境界部の温度をシリコンの融点にする必要がある。そのような温度制御に必要なヒータ電力は、炉内の環境（炉内部品の保温性）により異なる。

このように結晶引き上げ速度及び結晶直径を優先した引き上げ制御を行ってヒータ電力を随時変化させることにより、所定の結晶引き上げ速度で引き上げながら所望の結晶直径を維持することができる。しかし、同じ引き上げ条件下で単結晶を引き上げた場合でも、引き上げバッチ間でヒータ電力に差が出る場合がある。ヒータ電力の差は、例えば石英ルツボや炉内部品の消耗等により炉内環境が変化し、所定の直径及び引き上げ速度で結晶成長するために必要な熱バランスが変化することが原因であると推定される。

ヒータ電力とシリコン単結晶中の酸素濃度との関係を調査した結果、ヒータ電力とシリコン単結晶中の酸素濃度との間には一定の相関があることが分かった。これはヒータ電力が動的に変化することにより、結晶成長に必要な固液界面近傍の熱バランスは維持される一方で、酸素の供給源となる石英ルツボの温度が変化するためと推定される。そのためヒータ電力と酸素濃度との関係から酸素濃度を予測し、酸素濃度が一定になるようにルツボ回転数等を制御することにより、複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度のばらつきを低減することができる。次に、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法について説明する。

図５は、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法を示す制御ブロック図である。また図６は、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御方法を示すフローチャートである。

図５及び図６示すように、シリコン単結晶中の酸素濃度の制御では、まずシリコン単結晶中の酸素濃度とヒータ電力との関係が予め把握できている結晶引き上げ条件（ベース条件）下でシリコン単結晶（第２シリコン単結晶）の引き上げを開始する（ステップＳ３１）。

ヒータ電力Ｐとシリコン単結晶中の酸素濃度Ｘとの関係は、予め設定したベース条件下で所望の結晶品質及び酸素濃度を有するシリコン単結晶（第１シリコン単結晶）を実際に引き上げた時のヒータ電力Ｐの結晶長手方向における変化（経時変化）と、引き上げられたシリコン単結晶中の酸素濃度ＸをＦＴ－ＩＲ法等により測定して得られる酸素濃度の結晶長手方向における変化（経時変化）との関係を一対一で対応させることにより求めることができる。

通常、ＣＺ法により育成されるシリコン単結晶中の酸素濃度はヒータ電力が大きくなるほど高くなる。これは、ヒータ電力が大きくなるほど石英ルツボ１２の溶損量が増加し、シリコン融液２への酸素の溶け込み量が増えるからである。すなわち、シリコン単結晶中の酸素濃度Ｘはヒータ電力Ｐに比例し、Ｘ＝α・Ｐ＋βの関係式が成り立つ。係数αや定数βは結晶引き上げ装置や結晶引き上げ条件ごとに異なる。通常、係数αはゼロよりも大きい値（α＞０）であり、ヒータ電力が大きくなるほど単結晶中の酸素濃度は高くなる。

第２のシリコン単結晶の引き上げに用いる各種制御プロファイルは、第１のシリコン単結晶の引き上げに用いる各種制御プロファイルと同じである。各種制御プロファイルとしては、結晶引き上げ速度プロファイル、ヒータ電力プロファイル、ルツボ回転数プロファイル、Ａｒガス流量プロファイル、炉内圧プロファイル等を挙げることができる。

次に、シリコン単結晶の引き上げ工程の特定期間中にヒータ電力の実測値Ｐ_１を取得し、過去にベース条件下で同一品質（同一酸素濃度範囲）のシリコン単結晶を引き上げたときのヒータ電力の参照値Ｐ_０との電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０を算出する（ステップＳ３２）。

ヒータ電力Ｐ_１を取得するタイミングは、ヒータ電力Ｐ_１が大きく変化せず安定している期間（ヒータ電力安定期間）中であることが好ましく、着液工程Ｓ２２、ネッキング工程Ｓ２３、又は直胴部育成工程Ｓ２５であることが好ましい。ショルダー部育成工程Ｓ２４は、結晶直径を拡大するためにヒータ電力を大きく変化させているので、ヒータ電力Ｐ_１を取得するタイミングとして好ましくない。

シリコン単結晶の直胴部１ｃは製品化対象部位であるため、直胴部育成工程Ｓ２５中にヒータ電力Ｐ_１を取得する場合には、直胴部１ｃの育成を開始してからできるだけ早いうちに取得する必要がある。一方、直胴部育成開始直後はヒータ電力の制御が不安定であるため、ヒータ電力Ｐ_１の取得は直胴部１ｃの上端から下方に１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の成長位置で行うことが好ましい。

着液工程Ｓ２２やネッキング工程Ｓ２３でヒータ電力Ｐ_１を取得する場合には、直胴部育成工程Ｓ２５を開始する前に酸素濃度の制御条件を決定することができるので、直胴部育成開始直後から酸素濃度を制御ことができる。逆に、直胴部育成工程Ｓ２５にヒータ電力Ｐ_１を取得する場合には、着液工程Ｓ２２やネッキング工程Ｓ２３よりもさらに安定したヒータ電力Ｐ_１に基づいて酸素濃度の制御条件を決定することができ、酸素濃度の推定精度を高めることができる。

次に、過去に同一装置・同一操業条件下で同一品質（同一酸素濃度範囲）のシリコン単結晶を引き上げたときのヒータ電力と酸素濃度との関係から算出した係数α及び定数βと電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０から、酸素濃度の補正量ΔＸ＝Ｘ_１－Ｘ_０＝α・ΔＰ＋βを算出する（ステップＳ３３）。

次に、酸素濃度の補正量ΔＸに対応する酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを求める（ステップＳ３４）。ここで、シリコン単結晶中の酸素濃度を制御するための代表的な酸素濃度制御パラメータＹは、ルツボ回転数である。ルツボ回転数を大きくすると石英ルツボ１２とシリコン融液２との反応量が多くなるのでシリコン融液２中の酸素濃度が増加し、これにより単結晶中の酸素濃度も増加する。逆に、ルツボ回転数を小さくすると単結晶中の酸素濃度が低下する。このように、酸素濃度はルツボ回転数に比例関係するので、酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹ＝ｃ_１・ΔＸ＋ｄ_１として求めることができる。通常、酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹは、酸素濃度の補正量ΔＸの算出ステップを経由することなく、電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０から直接的に求めることができる。

酸素濃度制御パラメータＹは、Ａｒガス流量や炉内圧であってもよい。例えば、予め調べられている酸素濃度との関係を利用してＡｒガス流量又は炉内圧を増加又は減少させることにより、酸素濃度を制御することができる。Ａｒガス流量や炉内圧による制御はルツボ回転数よる制御よりも酸素濃度の制御可能幅が小さいため、酸素濃度の制御量が少ない時に使用することが好ましい。したがって、例えば酸素濃度の補正量ΔＸが閾値ΔＸ_ＴＨ以上である場合に酸素濃度制御パラメータとしてルツボ回転数を選択し、酸素濃度の補正量ΔＸが閾値ΔＸ_ＴＨよりも小さい場合に酸素濃度制御パラメータとしてＡｒガスの流量及び炉内圧の少なくとも一方を選択することが好ましい。

次に、酸素濃度制御パラメータの第１の目標値Ｙ_０に酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを加えて酸素濃度制御パラメータの第２の目標値Ｙ_１＝Ｙ_０＋ΔＹを算出する（ステップＳ３５）。ここで、酸素濃度制御パラメータの第１の目標値Ｙ_０は、結晶成長段階に対応させて予め設定した酸素濃度制御パラメータの標準プロファイルから求められる。ルツボ回転数、Ａｒガス流量及び炉内圧については、予め設定したプロファイルの通りに動かす制御が行われる。したがって、例えばルツボ回転数を補正する場合には、ルツボ回転数の標準プロファイル（第１の目標値Ｙ_０）にルツボ回転数の補正量（ΔＹ）を加えることにより、ルツボ回転数の補正済みプロファイル（第２の目標値Ｙ_１）を算出し、この補正済みプロファイルの通りにルツボを回転させる。Ａｒガス流量や炉内圧もルツボ回転数と同様に補正することができる。

その後、酸素濃度制御パラメータの補正後の目標値Ｙ_１を用いてルツボ回転数等の酸素濃度制御パラメータを実際に制御しながらシリコン単結晶の直胴部１ｃを引き上げる（ステップＳ３６）。

以上の制御についてより具体的に説明する。例えば、シード着液時におけるヒータ電力（実測値）Ｐ_１がベース条件のヒータ電力（参照値）Ｐ_０よりも高かった場合（Ｐ_１＞Ｐ_０）、このままでは実際のシリコン単結晶中の酸素濃度が目標の酸素濃度レベルよりも高くなると判断し、酸素濃度が下がるように直胴部育成工程２５でルツボ回転数を少し下げる。逆に、シード着液時におけるヒータ電力Ｐ_１（実測値）がベース条件のヒータ電力Ｐ_０（参照値）よりも低かった場合（Ｐ_１＜Ｐ_０）、このままでは実際のシリコン単結晶中の酸素濃度が目標の酸素濃度レベルよりも低くなると判断し、酸素濃度が上がるように直胴部育成工程２５でルツボ回転数を少し上げる。ルツボ回転数をどれくらい変化させるかは、電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０に基づいて決定することができる。

マルチ引き上げにおいては、同じ引き上げ本数であっても操業時間の違いによって酸素濃度に違いが生じることがある。例えば、同じマルチ引き上げの２本目の単結晶であっても、シリコン単結晶を再融解して引き上げをやり直すなど、引き上げ時間（ヒータオンからの経過時間）が長くなった場合には、１本目よりも酸素濃度が増加する。しかし、本実施形態においては、引き上げ時間が長くなったことによる影響が反映されたヒータ電力の変化に基づいて石英ルツボ１２の回転数等の酸素濃度制御パラメータを調整するので、操業時間を特に気にせずにヒータ電力だけを参照して酸素濃度を制御することができる。

マルチ引き上げが終了した後は、引き上げ炉１１を解体清掃し、引き上げ炉１１内に新しい石英ルツボ１２を設置して、次のマルチ引き上げ工程を実施する。このとき、たとえ石英ルツボ１２を交換したとしても、黒鉛ルツボ１３等の炉内部品の消耗等の影響があるため、前回のマルチ引き上げ工程と同一品質のシリコン単結晶を引き上げることは難しい。しかし、本実施形態のようにヒータ電力に基づいて酸素濃度制御パラメータを制御する場合には、酸素濃度レベルを同等に維持することができる。

以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、マルチ引き上げの２本目のシリコン単結晶中の酸素濃度が１本目よりも低下する場合にはヒータ電力も低くなり、１本目よりも増加する場合にはヒータ電力も高くなることに着目し、ヒータ電力の変化に合わせてルツボ回転数等の酸素濃度制御パラメータを変化させるようにしたので、マルチ引き上げされる複数本のシリコン単結晶中の酸素濃度を目標の酸素濃度Ｘ_０にそれぞれ近づけることができ、複数本のシリコン単結晶インゴット間の酸素濃度のばらつきを小さくすることができる。さらに、本実施形態においては、結晶引き上げ工程中のヒータ電力が比較的安定している期間におけるヒータ電力を参照して酸素濃度制御パラメータを補正するので、酸素濃度の推定精度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においてはマルチ引き上げ法によって引き上げられる複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度を均一化する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常のシングル引き上げ法によって引き上げられる複数本のシリコン単結晶間の酸素濃度を均一化する場合にも有効である。

（比較例）
ヒータ電力の実測値（Ｐ_１）と参照値（Ｐ_０）との電力差ΔＰに基づいて結晶引き上げ条件の酸素濃度制御パラメータを調整しない従来の方法で直径３００ｍｍウェーハ用シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２を引き上げた。サンプルＮｏ．１及びＮｏ．２はマルチ引き上げの２本目のインゴットであり、同じ結晶引き上げ条件で引き上げた。サンプルＮｏ．１の結晶引き上げ開始時までの経過時間は２１４時間であったが、サンプルＮｏ．２の結晶引き上げ開始時までの経過時間は結晶有転位化による引き上げのやり直しによりサンプルＮｏ．１よりも長くなり、経過時間は３２６時間であった。

サンプルＮｏ．１，Ｎｏ２の結晶引き上げ中におけるヒータ電力を比較したところ、図７（ａ）に示すように、着液時におけるサンプルＮｏ．２のヒータ電力はサンプルＮｏ．１のヒータ電力よりも低くなった。また、図７（ｂ）に示すように、直胴部の上端よりも下方に２００ｍｍの位置におけるサンプルＮｏ．２のヒータ電力はサンプルＮｏ．１のヒータ電力よりも低くなった。

次に、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２の結晶長さ方向の酸素濃度分布を評価した。酸素濃度分布の評価では、シリコン単結晶インゴットの直胴部から切り出したウェーハの面内の酸素濃度をＦＴ－ＩＲ法（ASTM F-121 1979）により測定した。その結果を図８に示す。

図８は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．１，Ｎｏ．２の直胴部の結晶長さ方向の酸素濃度分布を示すグラフであり、横軸は結晶長さ方向の位置（相対値）、縦軸は酸素濃度（×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）をそれぞれ示している。図８から明らかなように、結晶引き上げ時のヒータ電力が低かったサンプルＮｏ．２の酸素濃度は、結晶引き上げ時のヒータ電力が高かったサンプルＮｏ．１の酸素濃度よりも低くなった。

（実施例）
次に、ヒータ電力の実測値（Ｐ_１）と参照値（Ｐ_０）との電力差ΔＰに基づいて結晶引き上げ条件の酸素濃度パラメータを調整する本発明の方法で直径３００ｍｍウェーハ用シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．３，Ｎｏ．４を引き上げた。サンプルＮｏ．３及びＮｏ．４はマルチ引き上げの２本目のインゴットであり、同じ結晶引き上げ条件で引き上げた。サンプルＮｏ．３の結晶引き上げ開始時までの経過時間は２１９時間であったが、サンプルＮｏ．４の結晶引き上げ開始時までの経過時間は有転位化による引き上げのやり直しによりサンプルＮｏ．３よりも長くなり、経過時間は３５７時間であった。

サンプルＮｏ．３，Ｎｏ．４の結晶引き上げ中におけるヒータ電力を比較したところ、図９（ａ）に示すように、着液時におけるサンプルＮｏ．４のヒータ電力はサンプルＮｏ．３のヒータ電力よりも低くなった。また、図９（ｂ）に示すように、直胴部の上端よりも下方に２００ｍｍの位置におけるサンプルＮｏ．４のヒータ電力はサンプルＮｏ．３のヒータ電力よりも低くなった。この結果を踏まえて、サンプルＮｏ．４のその後の結晶引き上げでは、図１０に示すようにサンプルＮｏ．３よりもルツボ回転数を高くするプロファイル補正を行った。

次に、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．３，Ｎｏ．４の結晶長さ方向の酸素濃度分布を評価した。酸素濃度分布の評価では、シリコン単結晶インゴットの直胴部から切り出したウェーハの面内の酸素濃度をＦＴ－ＩＲ法（ASTM F-121 1979）により測定した。その結果を図１１に示す。

図１１は、シリコン単結晶インゴットのサンプルＮｏ．３，Ｎｏ．４の直胴部の結晶長さ方向の酸素濃度分布を示すグラフであり、横軸は結晶長さ方向の位置（相対値）、縦軸は酸素濃度Ｏｉ（×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）をそれぞれ示している。図１１から明らかなように、結晶引き上げ時のヒータ電力が低かったサンプルＮｏ．４の酸素濃度は、結晶引き上げ時のヒータ電力が高かったサンプルＮｏ．３の酸素濃度とほぼ同じになった。

以上の結果から、ヒータ電力に基づいてルツボ回転数を制御することにより、シリコン単結晶インゴット間の酸素濃度のばらつきを低減できることを確認できた。

１ シリコン単結晶
１Ｉ シリコン単結晶インゴット
１ａ ネック部
１ｂ ショルダー部
１ｃ 直胴部
１ｄ テイル部
２ シリコン融液
１０ 単結晶引き上げ装置
１１ 引き上げ炉
１１ａ メインチャンバー
１１ｂ プルチャンバー
１１ｃ ガス導入口
１１ｄ ガス排気口
１１ｅ 観察窓
１１ｆ 断熱材
１２ 石英ルツボ
１３ 黒鉛ルツボ
１４ 回転シャフト
１５ ヒータ
１６ 熱遮蔽体
１６ａ 熱遮蔽体の開口
１７ 引き上げワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９ シャフト駆動機構
２０ カメラ
２１ 画像処理部
２２ 制御部
Ｐ，Ｐ_０，Ｐ_１ ヒータ電力
Ｖ_０，Ｖ_１ 直胴部成長速度
Ｘ，Ｘ_０ 酸素濃度
Ｙ，Ｙ_１，Ｙ_２ 酸素濃度制御パラメータ
α 係数
β 定数
ΔＰ 電力差
ΔＸ 酸素濃度補正量
ΔＹ 酸素濃度制御パラメータ補正量

Claims (5)

1. チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
   第１シリコン単結晶の引き上げ工程中にシリコン融液を加熱するヒータが消費した電力と前記シリコン融液から引き上げられた前記第１シリコン単結晶中の酸素濃度との関係から酸素濃度推定用情報を取得し、
   前記第１シリコン単結晶と同じ結晶引き上げ条件下で第２シリコン単結晶の引き上げを開始し、
   前記第１シリコン単結晶の引き上げ工程の特定期間中に取得したヒータ電力の実測値Ｐ _０ と、前記第２シリコン単結晶の引き上げ工程の前記特定期間と同一期間中に取得したヒータ電力の参照値Ｐ _１ との電力差ΔＰ＝Ｐ_１－Ｐ_０を算出し、
   前記電力差ΔＰ及び前記酸素濃度推定用情報から前記第２シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度を推定し、
   前記第２シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度が前記第１シリコン単結晶の直胴部の酸素濃度に近づくように酸素濃度制御パラメータを制御しながら前記第２シリコン単結晶の直胴部を引き上げ、
   前記酸素濃度制御パラメータは、前記シリコン融液を支持する石英ルツボの回転数、前記シリコン単結晶が引き上げられる引き上げ炉内に導入されるＡｒガスの流量、及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一つであることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記第１シリコン単結晶を引き上げた際に前記ヒータ電力と前記第１シリコン単結晶中の酸素濃度との関係から求めた前記酸素濃度推定用情報に含まれる係数α及び定数βと前記電力差ΔＰから、前記第２シリコン単結晶の酸素濃度の補正量ΔＸ＝α・ΔＰ＋βを算出し、
   前記酸素濃度の補正量ΔＸに対応する酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを算出し、
   前記第１シリコン単結晶を引き上げた際の酸素濃度制御パラメータの第１の目標値Ｙ_０に前記酸素濃度制御パラメータの補正量ΔＹを加えて酸素濃度制御パラメータの第２の目標値Ｙ_１＝Ｙ_０＋ΔＹを算出し、
   前記酸素濃度制御パラメータの第２の目標値Ｙ_１を用いて前記第２シリコン単結晶の直胴部の引き上げを制御する、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記酸素濃度の補正量ΔＸが閾値ΔＸ_ＴＨ以上である場合に前記酸素濃度制御パラメータとして前記石英ルツボの回転数を選択し、
   前記酸素濃度の補正量ΔＸが前記閾値ΔＸ_ＴＨよりも小さい場合に前記酸素濃度制御パラメータとして前記Ａｒガスの流量及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一方を選択する、請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記シリコン融液に種結晶を着液させる着液工程と、
   前記種結晶の下端部に成長する前記シリコン単結晶の直径を細く絞るネッキング工程と、
   前記シリコン単結晶の直径を徐々に大きくしながら成長させるショルダー部育成工程と、
   前記シリコン単結晶の直径を一定に維持しながら成長させる直胴部育成工程と、
   前記シリコン単結晶の直径を徐々に小さくしながら成長させるテイル部育成工程とを有し、
   前記特定期間は、前記着液工程、前記ネッキング工程及び前記直胴部育成工程における前記直胴部の上端から下方に１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の部位の育成工程の少なくとも一つである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 同一の石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げ法により前記第１及び第２シリコン単結晶を引き上げる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。

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