JPWO2017082112A1 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素濃度が低いシリコン単結晶を製造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。【解決手段】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、カーボンヒータ１５を用いて石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱してシリコン融液５を生成する原料融解工程と、原料融解工程により生成されたシリコン融液５から単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備える。原料融解工程では、石英ルツボ１１の上端１１ａよりも上方にあるヒータ１５の第１の部分１５ｚｕの最高表面温度を１５００℃未満に維持して、シリコン原料を加熱する。【選択図】図７

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、シリコン融液を生成する原料融解工程におけるシリコン原料の加熱方法に関するものである。

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などの原料を充填し、チャンバー内で原料を加熱して融解する。次に、引き上げ軸の下端に取り付けられた種結晶を石英ルツボの上方から降下させてシリコン融液に浸漬し、種結晶および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、種結晶の下端に大きなシリコン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プリング法も知られている（例えば、特許文献１参照）。マルチプリング法では、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追加供給して融解し、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、このような原料供給工程と単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。マルチプリング法によれば、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。

シリコン原料の加熱方法には様々な方法があるが、例えば特許文献２には、ルツボの外側に配置された上側ヒータおよび下側ヒータにより原料を融解した後、下側ヒータへの電力供給を直ちに零に減少させて原料の固体層を形成し、その上に共存する溶融層からシリコン単結晶を成長させる方法が記載されている。また特許文献３には、ルツボの周囲を加熱するサイドヒータとルツボの底部を加熱するボトムヒータとで構成される分割ヒータを用いてルツボ内の原料を溶融することにより、原料を短時間で溶融する方法が開示されている。さらに特許文献４には、シリコン原料を溶融するための消費電力を抑制するため、シリコン原料の温度が２００〜３００℃の範囲の基準温度を超えるまではヒータの出力を低く抑え、基準温度を超えてからヒータの出力を上げる方法が記載されている。

シリコン単結晶中の炭素濃度の低減は重要な課題の一つである。シリコン単結晶中の炭素は酸素析出を促進させることが知られており、酸素析出物は電流リークの増加などのデバイス性能に影響を与えるからである。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）においてキャリアライフタイムが電子ビーム放射およびアニールによって制御されるとき、炭素は飽和電圧などのデバイス特性に悪影響があることが報告されている。

シリコン単結晶中の炭素濃度の上昇は、主にカーボン製のヒータから発生したＣＯガスによって引き起こされるものと考えられている。シリコン融液から蒸発したＳｉＯガスが高温のヒータと反応することによりＣＯガスが発生し、このＣＯガスが未溶融のシリコン原料に付着し、原料融解時にカーボンが溶け込むことにより融液中のカーボン濃度が上昇し、このシリコン融液から引き上げられるシリコン単結晶中のカーボン濃度も上昇する。特に、上述したマルチプリング法では引き上げ回数が増えるほど単結晶中の炭素濃度が上昇するため、炭素汚染の問題が顕著である。

炭素濃度が低いシリコン単結晶を引き上げるため、例えば特許文献５は、石英ルツボを保持するカーボン製のサセプタの上部に不活性ガスの流速を速める整流部材を設ける方法を提案している。整流部材が不活性ガスの流速を速めることにより、ヒータから発生するＣＯガスを効率よく排出させることが可能となる。

特開２０１０−０１８５０６号公報 特開平６−２２７８９０号公報 特開平２−２２１１８４号公報 特開２０１３−２３７５８６号公報 特開２０１２−２０１５６４号公報

しかしながら、特許文献５に記載の方法では、整流部材によってサセプタの高さが増すため、実際には石英ルツボを上昇させた時に整流部材がチャンバー内の構造体と衝突する可能性が高い。すなわち、単結晶の引き上げが進んで石英ルツボ内のシリコン融液が減少した時、液面レベルが一定に維持されるように石英ルツボを上昇させる制御が行われるが、このとき石英ルツボと一緒に上昇するサセプタに取り付けられた整流部材がチャンバー内の構造体に干渉するため、石英ルツボを上昇させることが不可能となる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、炭素濃度が低いシリコン単結晶を製造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。

上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、カーボン製のヒータを用いて石英ルツボ内のシリコン原料を加熱してシリコン融液を生成する原料融解工程と、前記原料融解工程により生成された前記シリコン融液から単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、前記原料融解工程では、少なくとも前記石英ルツボの上端よりも上方にある前記ヒータの第１の部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持して、前記シリコン原料を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、石英ルツボの上端よりも上方に位置するヒータの第１の部分からのＣＯガスの発生を抑制することができ、石英ルツボ内のシリコン原料へのＣＯガスの溶け込みを抑制することができる。したがって、カーボン濃度が低いシリコン単結晶を製造することができる。

本発明において、前記原料融解工程では、前記石英ルツボの上端よりも下方にある前記ヒータの第２の部分の最高表面温度を１５００℃以上に昇温して、前記シリコン原料を加熱することが好ましい。ヒータの第２の部分の最高表面温度を１５００℃以上に昇温することにより、石英ルツボ内のシリコン原料を十分に加熱して融解することができる。ヒータの第２の部分の最高表面温度、特に第２の部分全体の表面温度を１５００℃以上とした場合、ヒータからのＣＯガスの発生は増加するが、石英ルツボの下方で発生するので石英ルツボ内に入り込みにくい。よってヒータの第２の部分の最高表面温度、あるいは第２の部分全体の表面温度を１５００℃以上に昇温したとしてもカーボン濃度が低いシリコン単結晶を製造することができる。

本発明において、前記ヒータは、上下方向にそれぞれ分割配置された上部ヒータと下部ヒータとを含み、前記上部ヒータは前記第１の部分を含み、前記下部ヒータは前記第２の部分を含むことが好ましい。この場合、前記上部ヒータの上端は前記石英ルツボの上端よりも上方に位置し、前記下部ヒータの上端は前記石英ルツボの上端よりも下方に位置することが好ましい。この構成によれば、上下方向にそれぞれ分割配置された上部ヒータと下部ヒータとを用いてシリコン原料へのＣＯガスの溶け込みの抑制と原料の融解とを容易かつ確実に実施することができる。

本発明の前記原料融解工程において、前記石英ルツボの上端は、前記上部ヒータの上端と下端との間であって前記上端よりも前記下端に近い位置に配置されることが好ましい。上部ヒータの出力を抑えて下部加熱を優勢にすると、石英ルツボの底部の温度が上昇して石英ルツボにかかる熱負荷が増大し、ルツボ表面の荒れや溶損が加速し、シリコン単結晶の有転位化が増加するおそれがある。しかし、石英ルツボの上端が上部ヒータの下端よりも下方に配置することでルツボの底部の温度上昇を抑えることができ、単結晶の有転位化を抑制することができる。

本発明の前記原料融解工程において、前記石英ルツボの上方から前記石英ルツボおよび前記ヒータが収容されたチャンバー内に不活性ガスを導入すると共に、前記石英ルツボの下方から前記チャンバー内の前記不活性ガスを排気することが好ましい。ヒータの第２の部分の最高表面温度を１５００℃以上に昇温した場合、ヒータの第２の部分からのＣＯガスの発生は増加するが、このＣＯガスは炉内を流れる不活性ガスの影響を受けて石英ルツボ内に入り込みにくいので、ヒータの第２の部分の最高表面温度を１５００℃以上に昇温したとしてもカーボン濃度が低いシリコン単結晶を製造することができる。

本発明は、前記原料融解工程と前記結晶引き上げ工程とを交互に繰り返すことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を製造するマルチプリング方法によるシリコン単結晶の製造方法であって、複数の原料融解工程の各々では、前記ヒータの前記第１の部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持して、前記シリコン原料を加熱することが好ましい。マルチプリング法では引き上げ回数が増えるほど単結晶中の炭素濃度が上昇するため、炭素汚染の問題が顕著である。しかし、原料融解工程中のヒータの第１の部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持することにより、炭素汚染を抑制することができ、マルチプリング法において顕著な効果を奏することができる。

本発明によれば、炭素濃度が低いシリコン単結晶を製造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、本発明の第１の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。 図２は、シリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。 図３は、原料融解工程におけるシリコン原料の加熱方法を説明するための模式図である。 図４は、ＳｉＯとカーボンとの２つの反応の標準生成ギブスエネルギーの分布を示すグラフであり、横軸は温度、縦軸はギブスエネルギーをそれぞれ示している。 図５は、本発明の第２の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。 図６は、本発明の第３の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。 図７は、本発明の第４の実施の形態による単結晶製造装置の構成及び動作を説明するための図であって、特に単一のヒータを用いたシリコン原料の加熱方法をヒータの温度分布と共に説明するための模式図である。

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、本発明の第１の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。

図１に示すように、単結晶製造装置１は、チャンバー１０と、チャンバー１０内に設置された石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を支持するカーボン製のサセプタ１２と、サセプタ１２の底部に接続された回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転および昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱するヒータ１５と、チャンバー１０の内側に設けられた断熱材１７と、石英ルツボ１１の上方に設けられた熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の中央の上方に吊設された単結晶引き上げ用ワイヤ１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤ巻き取り機構１９とを備えている。

チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａ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１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１およびヒータ１５はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）を導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部にはアルゴンガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。また、メインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、石英ルツボ１１内のシリコン融液の状態を観察可能となっている。

ヒータ１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解して溶融状態を維持するために設けられている。ヒータ１５は抵抗加熱式のカーボンヒータであり、石英ルツボ１１の全周を取り囲むように設けられている。断熱材１７はメインチャンバー１０ａの内側の側面および底面を覆っており、これによりシリコン原料の加熱効率が高められている。

本実施形態によるヒータ１５は、上下方向に２分割された分割ヒータであり、上部ヒータ１５ａと下部ヒータ１５ｂとで構成されている。上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂはそれぞれ独立に制御可能であり、上部ヒータ１５ａのパワーを下部ヒータ１５ｂよりも大きくしたり小さくしたりすることができる。また、上部ヒータ１５ａと下部ヒータ１５ｂは共に石英ルツボ１１の側壁部と対向するように配置されたいわゆるサイドヒータを構成している。

熱遮蔽体１７は石英ルツボ１１の上方を覆う略逆円錐台形状のカーボン製の部材であり、固液界面付近の引き上げ軸方向の温度勾配の最適化が図られている。熱遮蔽体１７は引き上げられる単結晶６の最大直径よりも大きな開口１７ａを有し、単結晶６は開口１７ａを通過して上方に引き上げられる。

サセプタ１２、回転シャフト１３およびシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１の回転昇降機構を構成している。回転シャフト１３の下端部はメインチャンバー１０ａの底部中央を貫通しており、メインチャンバー１０ａの外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。

ワイヤ１８およびワイヤ巻き取り機構１９は結晶引き上げ機構を構成している。ワイヤ１８は単結晶６の引き上げ軸であり、石英ルツボ１１の回転中心軸と一致している。ワイヤ巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤ１８の下端はワイヤ巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びてメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１は、育成途中の単結晶６がワイヤ１８に吊設された状態を示している。

シリコン単結晶６の製造工程では、まずサセプタ１２内にセットされた石英ルツボ１１内に多結晶シリコンなどの原料を充填し、ワイヤ１８の下端にシードチャック（不図示）を介して種結晶を取り付ける。次に石英ルツボ１１内のシリコン原料をヒータ１５で加熱して融液５を生成する。次に種結晶を降下させて融液５に着液させた後、種結晶および石英ルツボ１１をそれぞれ回転さながら、種結晶をゆっくり上昇させることにより、略円柱状のシリコン単結晶６を成長させる。シリコン単結晶６の直径は、その引き上げ速度やヒータ１５のパワーを制御することにより制御される。

単結晶の製造工程中、チャンバー１０内は減圧状態に保たれている。チャンバー１０内には石英ルツボ１１の上方に設けられたガス導入口１０ｃからアルゴンガスが供給され、石英ルツボ１１の下方に設けられたガス排出口１０ｄからアルゴンガスが排気され、チャンバー１０内の上方から下方に向かってアルゴンガスの流れが発生している。チャンバー１０内で発生したＳｉＯガスやＣＯガスはアルゴンガスと共にガス排出口１０ｄから排気される。

図２は、シリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。

図２に示すように、シリコン単結晶６の製造では、石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱して融液５を生成する原料融解工程Ｓ１１と、種結晶を融液５に着液させる着液工程Ｓ１２と、結晶直径が細く絞られたネック部を形成するネッキング工程Ｓ１３と、規定の直径（例えば約３００ｍｍ）の単結晶を得るために結晶直径が徐々に広げられたショルダ部を形成するショルダ部育成工程Ｓ１４と、規定の直径に維持されたボディ部を形成するボディ部育成工程Ｓ１５と、引き上げ終了時に直径を細く絞り、最終的に液面から切り離すテール部育成工程Ｓ１６が順に実施される。

図３は、原料融解工程Ｓ１１におけるシリコン原料の加熱方法を説明するための模式図である。

図３に示すように、シリコン融液５を生成する原料融解工程Ｓ１１では、上部ヒータ１５ａの最高表面温度を１５００℃未満に維持すると共に、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上に昇温する。また原料融解工程Ｓ１１において、石英ルツボ１１の高さ方向の位置は、上部ヒータ１５ａの上端１５ａ_１が石英ルツボ１１の上端１１ａよりも上方に位置し、下部ヒータ１５ｂの上端１５ｂ_１が石英ルツボ１１の上端１１ａよりも下方に位置するように設定される。このように、上部ヒータ１５ａの最高表面温度を１５００℃未満にすることで上部ヒータ１５ａとＳｉＯガスとの反応を抑えてＣＯガスの発生を抑制することができ、石英ルツボ１１内のシリコン原料へのＣＯガスの溶け込みを防止することができる。また下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上にすることにより、石英ルツボ１１内のシリコン原料を十分に加熱して融解することができる。

上記のように、シリコン単結晶６の炭素汚染はヒータ１５から発生したＣＯガスに由来する。すなわち、シリコン融液５から蒸発したＳｉＯガスが高温のヒータ１５と反応してＣＯガスが発生し、このＣＯガスが未溶融のシリコン原料の表面に付着し、原料融解時にカーボンがシリコン融液中に溶け込むことにより、融液中のカーボン濃度が上昇し、融液から引き上げられる単結晶中のカーボン濃度も上昇する。

チャンバー１０内でのＳｉＯとカーボンの反応には２つの反応があり、一つは（１）式で示すＳｉＯとカーボンからＳｉＣとＣＯガスが発生する反応であり、もう一つは（２）式で示すＳｉＯとカーボンからＳｉＣとＳｉＯ_２が発生する反応である。
ＳｉＯ＋２Ｃ＝ＳｉＣ＋ＣＯ ・・・（１）
ＳｉＯ＋１／２・Ｃ＝１／２・ＳｉＣ＋１／２・ＳｉＯ_２ ・・・（２）

上記のように、（１）式（第１の反応式）の反応ではＣＯガスが発生するが、（２）式（第２の反応式）の反応ではＣＯガスが発生しない。そのため、前者よりも後者の反応を優勢にすることによってＣＯガスの増加を抑え、これにより単結晶中のカーボン濃度を低減することが可能となる。２つの反応の優劣は各々の標準生成ギブスエネルギーから知ることができ、標準生成ギブスエネルギーが低いほうの反応が優勢となる。

図４は、上記２つの反応の標準生成ギブスエネルギーの温度変化を示すグラフであり、横軸は温度、縦軸はギブスエネルギーをそれぞれ示している。

図４に示すように、（１）式および（２）式の反応の標準生成ギブスエネルギーはともに温度変化に対してリニアなグラフとなり、特に、（１）式の反応のグラフの傾きは小さく、（２）式の反応のグラフの傾きは大きい。２つのグラフの交点の位置の温度は１５００℃であり、１５００℃以上では２つの反応のうちＣＯガスが発生する（１）式の反応が優勢であるのに対し、１５００℃未満ではＣＯガスが発生しない（２）式の反応が優勢であることが分かる。したがって、ヒータの最高表面温度を１５００℃未満にすることでカーボン濃度上昇の原因となるＣＯガスの発生を抑えることができ、これによりシリコン単結晶中のカーボン濃度上昇を抑えることが可能となる。

原料融解工程Ｓ１１では、石英ルツボ１１の上端１１ａが上部ヒータ１５ａの下端１５ａ_２を下回らない程度まで石英ルツボ１１を降下させることが好ましい（図３参照）。上部ヒータ１５ａの最高表面温度を低く抑える代わりに下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を非常に高くして下部加熱を優勢にすると、ルツボ底部の温度が過度に上昇して石英ルツボ１１にかかる熱負荷が増大し、ルツボ表面の荒れや溶損が加速し、シリコン単結晶の有転位化が増加するおそれがある。しかし、石英ルツボ１１の上端１１ａが上部ヒータ１５ａの下端１５ａ_２を下回らない程度まで石英ルツボ１１を下方に引き下げた場合には、上部ヒータ１５ａからの輻射熱が石英ルツボ１１内のシリコン原料に直接照射されるようになるので、シリコン原料の加熱効率を高めることができる。したがって、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を非常に高くすることなくシリコン原料を融解することができ、ルツボ底部の温度上昇を抑えて単結晶の有転位化を抑制することができる。

下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上した場合、下部ヒータ１５ｂからのＣＯガスの発生は増加する。しかし、下部ヒータ１５ｂは石英ルツボ１１の上端よりも下方に位置し、さらにチャンバー１０内にはその上方から下方に向かってアルゴンガスの流れが発生しているので、下部ヒータ１５ｂから発生するＣＯガスはアルゴンガスの流れの影響を受けて石英ルツボ１１内に入り込みにくい。したがって、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上したとしても問題はなく、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を高くすることでシリコン原料を確実に融解することができる。

上部ヒータ１５ａは、その全体の表面温度が１５００℃未満であってもよく、石英ルツボ１１の上端１１ａの高さ位置よりも上方にある上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕ（図３参照）の最高表面温度が１５００℃未満であってもよい。少なくとも上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度が１５００℃未満であれば、上部ヒータ１５ａとＳｉＯガスとの反応によって発生するＣＯガスが石英ルツボ１１内のシリコン原料に溶け込む確率を十分に低減することができる。また上部ヒータ１５ａの全体の表面温度が１５００℃未満である場合には、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度も１５００℃未満となるので問題はない。

上部ヒータ１５ａの最低表面温度は１３００℃以上であることが好ましい。上部ヒータ１５ａの最低表面温度が１３００℃よりも低い場合には原料の融解に長時間を要し、生産性の低下を招くからである。

下部ヒータ１５ｂの最高表面温度は１８５０℃以下であることが好ましく、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕ（第１の部分）よりも下方の部分（上部ヒータ１５ａの下部１５ａｌ（第２の部分））の最高表面温度も下部ヒータ１５ｂと同様に１８５０℃以下であることが好ましい。ヒータの表面温度を高くすることにより石英ルツボ１１内の原料を短時間で融解することができるが、石英ルツボ１１はその温度が１６００℃を超えると軟化して変形する。そのため、下部ヒータ１５ｂおよび上部ヒータ１５ａの下部１５ａｌは１８５０℃以下とすることが好ましい。

本実施形態において下部ヒータ１５ｂの最高表面温度が１５００℃以上であることは重要である。上部ヒータ１５ａの少なくとも上部１５ａｕの最高表面温度を１５００℃未満としているため、石英ルツボ１１内の原料を融解するのは主に下部ヒータ１５ｂからの輻射熱であり、シリコン原料の融点が１４１２℃であるため、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度が１５００℃以上でなければシリコン原料を融点以上にすることができないからである。原料融解時間を短縮して生産性を向上させるためには、下部ヒータ１５ｂの表面全体の温度を１５００℃以上とすることが好ましい。すなわち、下部ヒータ１５ｂの最低表面温度を１５００℃とすることにより、シリコン融液５から蒸発したＳｉＯガスが高温のヒータ１５と反応してＣＯガスが発生するにもかかわらず、単結晶に取り込まれるカーボン濃度を低下しつつ、原料溶解を短時間に行うことができる。

上部ヒータ１５ａは上端１５ａ_１よりも下端１５ａ_２の表面温度のほうが常に高くなる温度分布をもつものであってもよい。上部ヒータ１５ａがそのような温度分布を持つ場合には、原料融解工程における上記加熱制御を比較的簡単に実施することができる。

なお上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂが所定の表面温度を得るために必要なパワーは単結晶製造装置の熱シミュレーションから求めることができる。シミュレーション結果から算出したパワーを上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂにそれぞれ供給することにより、上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂの各々を所定の表面温度で実際に発熱させることができる。

原料融解工程Ｓ１１の終了後（着液工程Ｓ１２以降）において、上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂの表面温度は特に限定されない。ＣＯガス中の炭素は液体状態のシリコンに溶け込みにくく、シリコン融液中のカーボン濃度はＣＯガスの影響をほとんど受けないからである。したがって、上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を共に１５００℃以上にすることも可能である。あるいは、上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を共に１５００℃未満に維持してもよい。

原料融解工程とその後の結晶引き上げ工程とを交互に繰り返すことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を製造するマルチプリング方法を実施する場合、複数の原料融解工程の各々で上部ヒータ１５ａの最高表面温度を１５００℃未満に維持すると共に、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上に昇温して、シリコン原料を加熱すればよい。上記のように、マルチプリング法では引き上げ回数が増えるほど単結晶中の炭素濃度が上昇するため、炭素汚染の問題が顕著である。しかし、本実施形態のように原料融解工程中の上部ヒータ１５ａの最高表面温度を１５００℃未満に維持することにより、炭素汚染を抑制することができ、マルチプリング法において顕著な効果を奏することができる。

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、原料融解工程Ｓ１１において上部ヒータ１５ａの最高表面温度を１５００℃未満に維持し、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上に昇温するので、上部ヒータ１５ａがＳｉＯガスと反応することによる多量のＣＯガスの発生を抑制することができ、これによりシリコン単結晶６中のカーボン濃度の上昇を抑えることができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。

図５に示すように、この単結晶製造装置２の特徴は、ヒータ１５の上部ヒータ１５ａが石英ルツボ１１の側壁部と対向するように配置されたいわゆるサイドヒータを構成しており、下部ヒータ１５ｂが石英ルツボ１１の底部と対向するように配置されたボドムヒータを構成している点にある。また、上部ヒータ１５ａは図１に示した上部ヒータ１５ａよりも高さ方向の幅が広く、広範囲を加熱できるようになっている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施形態においても、原料融解工程Ｓ１１において上部ヒータ１５ａの少なくとも上部の最高表面温度を１５００℃未満に維持し、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上に昇温する。また石英ルツボ１１の上端１１ａが上部ヒータ１５ａの下端１５ａ_２を下回らない程度まで石英ルツボ１１を降下させた位置においてシリコン原料の融解を実施する。このようにすることで、上部ヒータ１５ａがＳｉＯガスと反応することによるＣＯガスの発生を抑制することができ、これによりシリコン単結晶中のカーボン濃度の上昇を抑えることができる。

図６は、本発明の第３の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。

図６に示すように、この単結晶製造装置２の特徴は、ヒータ１５が上部ヒータ１５ａとその下方に配置された第１の下部ヒータ１５ｂ_１および第２の下部ヒータ１５ｂ_２との組み合わせからなることを特徴としている。第２の下部ヒータ１５ｂ_２は第１の下部ヒータ１５ｂ_１の下方に位置しており、第１の下部ヒータ１５ｂ_１はサイドヒータ、第２の下部ヒータ１５ｂ_２はボトムヒータをそれぞれ構成している。なお第２の下部ヒータ１５ｂ_２をサイドヒータとして構成してもよい。

このように、本発明は３段以上の多段ヒータを用いた原料融解工程に適用することも可能である。この場合、少なくとも最上段のヒータ（上部ヒータ）の石英ルツボの上端よりも上方にあるヒータ部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持し、その他のヒータ（下部ヒータ）の最高表面温度を１５００℃以上に昇温すればよい。

図７は、本発明の第４の実施の形態による単結晶製造装置の構成及び動作を説明するための図であって、特に単一のヒータを用いたシリコン原料の加熱方法をヒータの温度分布と共に説明するための模式図である。

図７に示すように、この単結晶製造装置４の特徴は、上下方向に温度勾配を持たせることができる単一のヒータ１５（サイドヒータ）を用いる点にある。原料融解工程において、ヒータ１５の上端１５ｚ_１は石英ルツボ１１の上端１１ａよりも上方に位置し、ヒータ１５の下端１５ｚ_２は石英ルツボ１１の上端１１ａよりも下方に位置する。そのため、ヒータ１５は、石英ルツボ１１の上端１１ａよりも上方にある第１の部分（上側部分）１５ｚｕと、石英ルツボ１１の上端１１ａよりも下方にある第２の部分（下側部分）１５ｚｌとを有する。

原料融解工程において、ヒータ１５の第１の部分１５ｚｕの最高表面温度は１５００℃未満に維持される。また、原料融解工程において、ヒータ１５の第２の部分１５ｚｌの最高表面温度は１５００℃以上に昇温されることが好ましい。したがって、例えば、ヒータ１５の温度分布はグラフＴＧ_１のようにヒータ１５の下端１５ｚ_２から上端１５ｚ_１に向かって例えば１６００℃〜１４００℃の範囲内でリニアに変化し、１５００℃となる位置Ｐｚは石英ルツボ１１の上端１１ａよりも下方に位置している。

ヒータ１５の第２の部分１５ｚｌの最高表面温度は、原料融解工程の最初から最後まで一貫して１５００℃以上であることが好ましい。あるいは、ヒータ１５の第２の部分１５ｚｌの最高表面温度は、例えば温度分布のグラフＴＧ_２のように原料融解工程の開始時には１５００℃未満であるが、原料融解工程の進行と共に徐々に上昇し、原料融解工程の中盤又は終盤でグラフＴＧ_１のように１５００℃以上（例えば１６００℃）に達してもよい。さらに原料の融解が可能である限り、ヒータ１５の第２の部分１５ｚｌの最高表面温度は、原料融解工程の最初から最後まで常に１５００℃未満を維持してもかまわない。

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、単一のヒータ１５を用いた原料融解工程Ｓ１１において、石英ルツボ１１の上端１１ａよりも上方に位置するヒータ１５の第１の部分１５ｚｕの最高表面温度を１５００℃未満に維持するので、ヒータ１５がＳｉＯガスと反応することによる多量のＣＯガスの発生を抑制することができ、これによりシリコン単結晶６中のカーボン濃度の上昇を抑えることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施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、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上に昇温したが、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度は１５００℃以上でなくてもよく、下部ヒータ１５ｂのパワーを上部ヒータ１５ａのパワーよりも大きくすればよい。このようにすることで上部ヒータ１５ａの最高表面温度を抑えることによるヒータ全体の出力不足を補うことができ、下部ヒータ１５ｂによる加熱を強めることでシリコン原料の融解が可能となる。

原料融解工程においてヒータ１５の表面温度条件を以下の条件１〜４まで変えて育成したシリコン単結晶中のカーボン濃度を評価した。シリコン単結晶の引き上げには図１に示した単結晶製造装置を用いた。条件１〜４におけるヒータの表面温度をシミュレーションから求めたところ、表１に示すように、条件１における上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度は１４０６℃、下部ヒータ１５ｂの表面温度は１４２１〜１４４５℃であった。また条件２における上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度は１５２７℃、下部ヒータ１５ｂの表面温度は１５３７〜１５４９℃であった。また、条件３における上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度は１４８２℃、下部ヒータ１５ｂの表面温度は１５０７〜１５９０℃であった。さらにまた、条件４における上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度は１４６４℃、下部ヒータ１５ｂの表面温度は１４８９〜１５７３℃であった。

次に、原料融解工程で生成されたシリコン融液から直径約３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットをＣＺ法により引き上げ、シリコン単結晶インゴットの最下端部のカーボン濃度をＦＴ−ＩＲ法により測定した。なおシリコン単結晶インゴットの最下端部のカーボン濃度を測定する理由は、シリコン単結晶インゴット中のカーボン濃度は偏析によって引き上げ軸方向の最下端の濃度が最も高くなり、カーボン濃度を最も評価しやすいからである。

表１に示すように、条件１（比較例１）では、上部ヒータ１５ａのみならず下部ヒータ１５ｂの表面温度が１５００℃未満と低すぎたため、原料を融解させることができず、シリコン単結晶を育成することができなかった。また条件２（比較例２）では、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度が高く、シリコン単結晶中のカーボン濃度が相対的に高くなった。

一方、条件３（実施例１）では、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度が１５００℃未満であり、下部ヒータ１５ｂの最低表面温度が１５００℃以上であったため、シリコン単結晶中のカーボン濃度を相対的に低くすることができ、条件２に対するカーボン濃度の相対値は９１となった。

また、条件４（実施例２）では、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度が条件３と同様に１５００℃未満であったが、下部ヒータ１５ｂの最低表面温度が１５００未満であった。しかし、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度が１５７３℃（１５００℃以上）であったため、原料を融解することができ、シリコン単結晶を育成することができた。そしてシリコン単結晶中のカーボン濃度は条件３よりもさらに低くなり、条件２に対するカーボン濃度の相対値は８４となった。

以上の結果から、原料融解工程において上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度を１５００℃未満とし、下部ヒータ１５ｂの最高表面温度を１５００℃以上とした場合のシリコン単結晶中のカーボン濃度は、上部ヒータ１５ａの上部１５ａｕの最高表面温度を１５００℃以上とした場合よりも低くなることが明らかとなった。

１，２，３，４ 単結晶製造装置
５ シリコン融液
６ シリコン単結晶
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１１ａ 石英ルツボの上端
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒータ（カーボンヒータ）
１５ａ 上部ヒータ
１５ａｕ 上部ヒータの上部
１５ａｌ 上部ヒータの下部
１５ａ_１ 上部ヒータの上端
１５ａ_２ 上部ヒータの下端
１５ｂ 下部ヒータ
１５ｂ_１ 上部ヒータの上端
１５ｂ_２ 上部ヒータの下端
１５ｚ_１ ヒータ１５の上端
１５ｚ_２ ヒータ１５の下端
１５ｚｕ ヒータの第１の部分（上側部分）
１５ｚｌ ヒータの第２の部分（下側部分）
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１７ａ 熱遮蔽体の開口
１８ ワイヤ
１９ ワイヤ巻き取り機構

本発明の前記原料融解工程において、前記石英ルツボの上端は、前記上部ヒータの上端と前記上部ヒータの下端との間であって前記上部ヒータの上端よりも前記上部ヒータの下端に近い位置に配置されることが好ましい。上部ヒータの出力を抑えて下部加熱を優勢にすると、石英ルツボの底部の温度が上昇して石英ルツボにかかる熱負荷が増大し、ルツボ表面の荒れや溶損が加速し、シリコン単結晶の有転位化が増加するおそれがある。しかし、石英ルツボの上端を上部ヒータの下端よりも上方に配置することでルツボの底部の温度上昇を抑えることができ、単結晶の有転位化を抑制することができる。

図１に示すように、単結晶製造装置１は、チャンバー１０と、チャンバー１０内に設置された石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を支持するカーボン製のサセプタ１２と、サセプタ１２の底部に接続された回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転および昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱するヒータ１５と、チャンバー１０の内側に設けられた断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に設けられた熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の中央の上方に吊設された単結晶引き上げ用ワイヤ１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤ巻き取り機構１９とを備えている。

ヒータ１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解して溶融状態を維持するために設けられている。ヒータ１５は抵抗加熱式のカーボンヒータであり、石英ルツボ１１の全周を取り囲むように設けられている。断熱材１６はメインチャンバー１０ａの内側の側面および底面を覆っており、これによりシリコン原料の加熱効率が高められている。

シリコン単結晶６の製造工程では、まずサセプタ１２内にセットされた石英ルツボ１１内に多結晶シリコンなどの原料を充填し、ワイヤ１８の下端にシードチャック（不図示）を介して種結晶を取り付ける。次に石英ルツボ１１内のシリコン原料をヒータ１５で加熱してシリコン融液５を生成する。次に種結晶を降下させてシリコン融液５に着液させた後、種結晶および石英ルツボ１１をそれぞれ回転さながら、種結晶をゆっくり上昇させることにより、略円柱状のシリコン単結晶６を成長させる。シリコン単結晶６の直径は、その引き上げ速度やヒータ１５のパワーを制御することにより制御される。

図５に示すように、この単結晶製造装置２の特徴は、ヒータ１５の上部ヒータ１５ａが石英ルツボ１１の側壁部と対向するように配置されたいわゆるサイドヒータを構成しており、下部ヒータ１５ｂが石英ルツボ１１の底部と対向するように配置されたボトムヒータを構成している点にある。また、上部ヒータ１５ａは図１に示した上部ヒータ１５ａよりも高さ方向の幅が広く、広範囲を加熱できるようになっている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

図６に示すように、この単結晶製造装置３の特徴は、ヒータ１５が上部ヒータ１５ａとその下方に配置された第１の下部ヒータ１５ｂ_１および第２の下部ヒータ１５ｂ_２との組み合わせからなることを特徴としている。第２の下部ヒータ１５ｂ_２は第１の下部ヒータ１５ｂ_１の下方に位置しており、第１の下部ヒータ１５ｂ_１はサイドヒータ、第２の下部ヒータ１５ｂ_２はボトムヒータをそれぞれ構成している。なお第２の下部ヒータ１５ｂ_２をサイドヒータとして構成してもよい。

Claims (6)

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、
   カーボン製のヒータを用いて石英ルツボ内のシリコン原料を加熱してシリコン融液を生成する原料融解工程と、
   前記原料融解工程により生成された前記シリコン融液から単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、
   前記原料融解工程では、
   少なくとも前記石英ルツボの上端よりも上方にある前記ヒータの第１の部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持して、前記シリコン原料を加熱することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記原料融解工程では、
   前記石英ルツボの上端よりも下方にある前記ヒータの第２の部分の最高表面温度を１５００℃以上に昇温して、前記シリコン原料を加熱する、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記ヒータは、上下方向にそれぞれ分割配置された上部ヒータと下部ヒータとを含み、
   前記上部ヒータは前記第１の部分を含み、
   前記下部ヒータは前記第２の部分を含む、請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記原料融解工程において、前記石英ルツボの上端は、前記上部ヒータの上端と下端との間であって前記上端よりも前記下端に近い位置に配置される、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記原料融解工程において、前記石英ルツボの上方から前記石英ルツボおよび前記ヒータが収容されたチャンバー内に不活性ガスを導入すると共に、前記石英ルツボの下方から前記チャンバー内の前記不活性ガスを排気する、請求項１または２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記原料融解工程と前記結晶引き上げ工程とを交互に繰り返すことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を製造するマルチプリング方法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
   複数の原料融解工程の各々では、前記ヒータの前記第１の部分の最高表面温度を１５００℃未満に維持して、前記シリコン原料を加熱する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。