WO2022254885A1 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

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WO2022254885A1
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single crystal
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diameter
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吉亮 安部
寛之 坪田
Original Assignee
グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the present invention relates to a silicon single crystal manufacturing method, and more particularly to a silicon single crystal manufacturing method for growing a silicon single crystal with a high defect-free area ratio by the Czochralski method (CZ method).
  • CZ method Czochralski method
  • a quartz crucible 51 placed in a chamber 50 as shown in FIG. After being heated and melted to form a silicon melt M, a seed crystal (seed) P attached to a seed chuck is immersed in the silicon melt M, and the seed chuck and the quartz crucible 51 are rotated in the same direction or in the opposite direction. while pulling up the seed chuck.
  • seed seed
  • the seed crystal P is brought into contact with the silicon melt M to melt the tip of the seed crystal P for necking.
  • Necking is an essential process for removing dislocations that occur in a silicon single crystal due to thermal shock that occurs when the seed crystal P and the silicon melt M come into contact with each other.
  • a neck portion P1 is formed by this necking.
  • the neck portion P1 generally needs to have a diameter of 3 to 4 mm and a length of at least 30 mm, and depending on conditions, a length of 100 to 500 mm.
  • a step of forming a shoulder portion C1 in which the crystal is widened to the diameter of the straight body portion a step of forming a straight body portion C2 for growing a single crystal to be a product, and a straight body portion formation step.
  • a process of forming a tail (not shown) is performed to gradually reduce the single crystal diameter after the process.
  • crystals grown by the CZ method incorporate point defects during crystallization.
  • Grown-in defects are formed by these point defects, but crystals generally called defect-free crystals are controlled so that v/G is a certain constant value, where v is the pulling speed and G is the temperature gradient at the solid-liquid interface. Using this as an index, crystals with a very low defect density are grown.
  • Patent Document 1 discloses a method of predicting changes in the temperature gradient G in the crystal length direction in advance and changing the pulling speed v in accordance with the changes in the temperature gradient G. According to this method, the value of v/G can be kept constant if the prediction of changes in the temperature gradient G is accurate.
  • the single crystal pulling method disclosed in Patent Document 1 assumes that the crystal diameter of the single crystal is always constant. However, in general single crystal pulling, the pulling speed v is kept constant and the output of the heater that heats the quartz crucible is changed to control the temperature gradient G at the solid-liquid interface to be constant. , the melt convection in the crucible changes under the influence of the amount of heating, and as schematically shown in FIG. When such periodic variations in crystal diameter occur, the defect density also varies periodically in the crystal length direction. In addition, when the variation is large, there is a problem in that the region partially changes to a region where vacancies or interstitial silicon is dominant, resulting in growth of a crystal containing high-density defects, resulting in a decrease in yield.
  • the inventor of the present application keeps the pulling speed v constant and changes the output of the heater that heats the quartz crucible to keep the value of the temperature gradient G at the solid-liquid interface constant (keep the value of v/G constant).
  • An object of the present invention is to keep the value of v/G constant when pulling a silicon single crystal from a silicon melt by the Czochralski method, even if periodic crystal diameter fluctuations occur. It is an object of the present invention to provide a method for producing a silicon single crystal that can grow a silicon single crystal with a low defect density over the entire length of the crystal and a high defect-free area rate by controlling it within the range.
  • a method for producing a silicon single crystal according to the present invention which has been devised to solve the above problems, is a silicon single crystal in which a silicon melt is formed in a crucible by heating with a heater and a silicon single crystal is grown by the Czochralski method.
  • the crystal rotation speed is controlled so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (silicon single crystal diameter change/time (mm/min)) ⁇ 0.0335.
  • the crystal rotation speed is controlled so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (silicon single crystal diameter change/time (mm/min)) ⁇ 0.0335.
  • the crystal rotation speed is controlled so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (silicon single crystal diameter change/time (mm/min)) ⁇ 0.0335.
  • the pulling speed is kept constant, and the output of the heater is controlled so that the temperature gradient at the solid-liquid interface and the diameter of the silicon single crystal become constant.
  • the crystal rotation speed is controlled so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (change in diameter/time (mm/min)) ⁇ 0.0335.
  • the present invention when a silicon single crystal is pulled from a silicon melt by the Czochralski method, even if the value of v/G is kept constant and periodic crystal diameter fluctuations occur, the amount of diameter change is kept constant. By controlling it within the range, it is possible to provide a method for producing a silicon single crystal that can grow a silicon single crystal with a low defect density over the entire crystal length and a high defect-free area ratio.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a single crystal pulling apparatus in which the method for producing a silicon single crystal according to the present invention is carried out.
  • FIG. 2 is a flow of a method for manufacturing a silicon single crystal according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of Experiment 1 in the example of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a schematic configuration of a conventional single crystal pulling apparatus.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing periodic changes in crystal diameter.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a single crystal pulling apparatus in which the method for producing a silicon single crystal according to the present invention is carried out.
  • This single crystal pulling apparatus 1 comprises a furnace body 10 formed by stacking a pull chamber 10b on a cylindrical main chamber 10a. and a quartz glass crucible 3 held by the carbon crucible 2 (hereinafter simply referred to as crucible 3).
  • the crucible 3 is rotatable around the vertical axis together with the rotation of the carbon crucible 2 .
  • a rotary drive unit 14 such as a rotary motor that rotates the carbon crucible 2 about a vertical axis and an elevation drive unit 15 that moves the carbon crucible 2 up and down are provided below the carbon crucible 2.
  • a rotation drive control section 14a is connected to the rotation drive section 14, and an elevation drive control section 15a is connected to the elevation drive section 15. As shown in FIG.
  • the single crystal pulling apparatus 1 also includes a side heater 4 by resistance heating that melts the semiconductor raw material (raw polysilicon) loaded in the crucible 3 to form a silicon melt M (hereinafter simply referred to as melt M),
  • melt M silicon melt M
  • a pulling mechanism 9 is provided for winding up the wire 6 and pulling up the single crystal C to be grown.
  • a seed crystal P is attached to the tip of the wire 6 of the pulling mechanism 9 .
  • a heater control section 4a for controlling the amount of power supplied is connected to the side heater 4, and a rotational drive control section 9a for controlling the rotational drive of the lifting mechanism 9 is connected.
  • a magnetic field applying electromagnetic coil 8 is installed outside the furnace body 10. As shown in FIG. When a predetermined current is applied to the magnetic field applying electromagnetic coil 8 , a horizontal magnetic field of a predetermined strength is applied to the silicon melt M in the crucible 3 .
  • the magnetic field applying electromagnetic coil 8 is connected to an electromagnetic coil control section 8a for controlling its operation.
  • a magnetic field applied CZ method (MCZ method) is performed in which a single crystal is grown by applying a magnetic field in the melt M, thereby controlling the convection of the silicon melt M and increasing the single crystal. It is designed to stabilize the process.
  • a radiation shield 7 surrounding the single crystal C is arranged above the melt M formed in the crucible 3 .
  • the radiation shield 7 has openings at the top and bottom, shields the single crystal C during growth from excess radiation heat from the side heater 4 and the molten liquid M, and rectifies the gas flow in the furnace. .
  • the gap between the lower end of the radiation shield 7 and the melt surface M1 is controlled so as to maintain a predetermined distance constant (for example, 50 mm) depending on the desired properties of the single crystal to be grown.
  • the single crystal pulling apparatus 1 also includes an optical diameter measuring sensor 16 such as a CCD camera for measuring the diameter of the growing single crystal.
  • An optical diameter measuring sensor 16 such as a CCD camera for measuring the diameter of the growing single crystal.
  • a small window 10a1 for observation is provided in the upper surface of the main chamber 10a, and the change in the position of the crystal edge (position indicated by the dashed arrow) at the solid-liquid interface is detected from the outside of the small window 10a1. ing.
  • the single crystal pulling apparatus 1 also includes a radiation thermometer 17 for measuring the temperature of the melt surface M1.
  • a small window 10a2 different from the small window 10a1 is provided on the upper surface of the main chamber 10a, and the temperature of the melt surface M1 is measured from the outside of the small window 10a2.
  • the single crystal pulling apparatus 1 includes a computer 11 having a storage device 11a and an arithmetic control device 11b, a rotation drive control section 14a, an elevation drive control section 15a, an electromagnetic coil control section 8a, and a rotation drive control section 9a.
  • the diameter measuring sensor 16, and the radiation thermometer 17 are each connected to the arithmetic control unit 11b.
  • the pulling is performed as follows. First, the crucible 3 is loaded with raw material polysilicon (for example, 350 kg), and the crystal growth process is started based on the program stored in the storage device 11a of the computer 11.
  • raw material polysilicon for example, 350 kg
  • the inside of the furnace body 10 is made into a predetermined atmosphere (mainly an inert gas such as argon gas).
  • a furnace atmosphere is formed with a furnace pressure of 65 torr and an argon gas flow rate of 90 l/min.
  • the raw material polysilicon charged in the crucible 3 is melted by heating by the side heater 4 to form a molten liquid M. (Step S1 in FIG. 2).
  • a predetermined current is passed through the magnetic field applying electromagnetic coil 8, and a horizontal magnetic field is started to be applied to the melt M with a magnetic flux density (for example, 3000 Gauss) set within the range of 1000 to 4000 Gauss (step in FIG. 2 S2).
  • the pulling conditions are adjusted with parameters such as the power supplied to the side heater 4, the pulling speed, and the strength of the applied magnetic field, and the seed crystal P starts rotating around the axis at a predetermined rotational speed.
  • the direction of rotation is opposite to the direction of rotation of the crucible 3 .
  • the wire 6 is lowered to bring the seed crystal P into contact with the melt M, and after the tip of the seed crystal P is melted, necking is performed to form the neck portion P1 (step S3 in FIG. 2).
  • the crystal diameter is gradually expanded to form the shoulder portion C1 (step S4 in FIG. 2), and the process proceeds to the step of forming the straight body portion C2 as the product portion (step S5 in FIG. 2).
  • the computer 11 drives and controls the elevation drive section 15 by the elevation drive control section 15a to keep the pulling speed v constant at 0.55 mm/min, for example.
  • the computer 11 controls the temperature at the solid-liquid interface detected by the radiation thermometer 17 so that the temperature gradient G is constant, that is, the value of v/G is constant, and the solid-liquid interface detected by the diameter measurement sensor 16 is converted into a crystal diameter, and the heater controller 4a controls the amount of power supplied to the side heater 4 so that the value of this crystal diameter is constant. Through this control, the crystal diameter can be brought close to a constant value (310 mm in the case of the present embodiment). occurs.
  • the crystal rotation speed is controlled in the present embodiment. Specifically, the computer 11 sets the initial value of the crystal rotation number based on the crystal rotation number (for example, average value) in the straight body forming step in the previous lot, and starts control. Since the crystal diameter in the crystal length direction changes periodically, the computer 11 determines the amount of diameter change/time (mm/ min) and the crystal rotation speed (rpm) is monitored, and based on the result, the crystal rotation speed in the subsequent formation of the straight body portion is adjusted.
  • the crystal rotation number for example, average value
  • the computer 11 monitors the amount of change in crystal diameter per minute (diameter change amount/time (mm/min)), and until the change in crystal diameter passes through one cycle, - It is determined whether 0.0335 ⁇ (change in diameter/time (mm/min)) ⁇ 0.0335 is maintained.
  • the diameter change amount/time (mm/min) exceeds ⁇ 0.0335, the diameter change amount is too large, the defect density changes periodically in the crystal length direction, and a region with too high defect density occurs. Therefore, it is not preferable.
  • regions with too high defect densities vacancies, interstitial silicon Dominant region
  • a decrease in the yield of the single crystal to be grown can be suppressed.
  • the process moves to the final tail portion step (step S8 in FIG. 2).
  • the contact area between the bottom end of the crystal and the melt M gradually decreases, and the single crystal C is separated from the melt M, thereby producing a silicon single crystal.
  • the pulling speed v is constant, the temperature gradient G at the solid-liquid interface is constant, and the diameter of the silicon single crystal is is constant, and the number of rotations of the crystal is controlled so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (change in diameter/time (mm/min)) ⁇ 0.0335.
  • the amount of periodic change in the crystal diameter can be suppressed small, and the occurrence of regions with excessively high defect densities (vacancies, interstitial silicon dominant regions) in the crystal length direction of the single crystal C can be prevented. It is possible to suppress a decrease in the yield of single crystals.
  • the initial value of the crystal rotational speed is based on the set value at the time of pulling the previous lot, but the present invention is not limited to this example. That is, the most characteristic feature of the present invention is that the crystal is rotated so as to maintain ⁇ 0.0335 ⁇ (diameter change/time (mm/min)) ⁇ 0.0335 regardless of the initial value of the crystal rotation speed. To control the number of revolutions.
  • the MCZ method in which a single crystal is grown by applying a magnetic field in the melt M is applied, but the present invention is not limited to this, and a magnetic field is not applied. It can also be applied to the CZ method.
  • Example 1 In Experiment 1, 350 kg of silicon raw material was filled in a quartz crucible and melted. Further, the distance between the radiation shield and the melt surface was set to 50 mm, the furnace pressure was 65 torr, argon gas was flowed at a flow rate of 90 l/min, and the strength of the horizontal magnetic field was set to 3000 Gauss. Then, the single crystal was grown at a crucible rotation speed of 0.5 rpm, a reference crystal rotation speed of 10.0 rpm (in the opposite direction to the crucible rotation), and a pulling speed of 0.55 mm/min with a target crystal diameter of 310 mm. .
  • the crystal rotational speed (rpm) was changed from the reference value of 10.0 rpm in the negative direction, and the diameter change amount/time (mm/min) at that time was measured.
  • the results of Experiment 1 are shown in the graph of FIG.
  • the horizontal axis x of the graph in FIG. 3 is the adjustment width (rpm) from the reference value of 10.0 rpm of the crystal rotation speed (rpm), and the vertical axis y is the diameter change amount/time (mm/min).
  • Example 2 In Experiment 2, the same furnace environment as in Experiment 1 was formed, the crucible rotation speed was 0.5 rpm, the reference crystal rotation speed was 10.0 rpm (in the opposite direction to the crucible rotation), and the temperature gradient of the solid-liquid interface and The output of the heater was controlled so that the diameter of the silicon single crystal was constant. In the examples, the single crystal was grown while adjusting the crystal rotation speed. In the comparative example, the crystal rotation speed was not adjusted. Then, the relationship between the size of the diameter change amount and the defect-free area ratio (non-defective product ratio) of the grown single crystal was verified.
  • Example 1 at a pulling speed of 0.55 mm/min, a silicon single crystal having a periodic diameter change amount of ⁇ 3.1 mm during a crystal length of 51 mm was grown up to a straight body length of 1500 mm, and a defect-free area rate was obtained. (non-defective product rate) was obtained.
  • Example 2 at a pulling speed of 0.56 mm/min, a silicon single crystal having a periodic diameter change amount of ⁇ 2.3 mm during a crystal length of 41 mm was grown up to a straight body length of 1500 mm, and a defect-free area rate was obtained. (non-defective product rate) was obtained.
  • Comparative Example 1 at a pulling rate of 0.55 mm/min, a silicon single crystal having a periodic diameter change amount of ⁇ 4.1 mm in a crystal length of 57 mm was grown up to a straight body length of 1500 mm, and a defect-free area rate was obtained. (non-defective product rate) was obtained.
  • Comparative Example 2 at a pulling rate of 0.55 mm/min, a silicon single crystal with a periodic diameter change amount of ⁇ 9.8 mm in a crystal length of 60 mm was grown up to a straight body length of 1500 mm, and a defect-free area rate was obtained. (non-defective product rate) was obtained.
  • Table 1 shows the results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2 and 3.

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Abstract

チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、ｖ／Ｇの値を一定に維持して周期的な結晶径変動が生じても、直径変化量を一定の範囲内に制御することで、結晶全長に亘り欠陥密度が小さく、無欠陥領域率の高いシリコン単結晶を育成する。ヒータ４の加熱によりルツボ内にシリコン融液Ｍを形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶Ｃを育成するシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の製造における直胴部の引上げにおいて、軸周りに回転させながら引き上げる結晶の引上げ速度を一定とし、固液界面の温度勾配が一定となるように前記ヒータの出力を制御する工程と、前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程と、を備える。

Description

シリコン単結晶の製造方法
　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）により無欠陥領域率の高いシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法に関する。
　ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成は、図４に示すようなチャンバ５０内に設置した石英ルツボ５１に原料であるポリシリコンを充填し、石英ルツボ５１の周囲に設けられたヒータ５２によってポリシリコンを加熱して溶融し、シリコン融液Ｍとした後、シードチャックに取り付けた種結晶（シード）Ｐを当該シリコン融液Ｍに浸漬し、シードチャックおよび石英ルツボ５１を同方向または逆方向に回転させながらシードチャックを引上げることにより行う。
　一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン融液Ｍの温度が安定した後、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐとシリコン融液Ｍとの接触で発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去するための不可欠の工程である。
　このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３～４ｍｍで、その長さが最低でも３０ｍｍ以上が必要で、条件等よっては長さが１００～５００ｍｍ必要とされている。
　また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を広げる肩部Ｃ１の形成工程、製品となる単結晶を育成する直胴部Ｃ２の形成工程、直胴部形成工程後の単結晶直径を徐々に小さくするテール部（図示せず）の形成工程が行われる。
　ところで、ＣＺ法により育成される結晶は、結晶化する際に点欠陥が取り込まれる。この点欠陥により、Ｇｒｏｗｎ－ｉｎ欠陥が形成されるが、一般に無欠陥結晶と呼ばれる結晶は引上げ速度をｖ、固液界面における温度勾配をＧとすると、ｖ／Ｇがある一定値となるよう制御し、これを指標にして、欠陥密度が非常に少ない結晶を育成するようにしている。
　しかしながら、単結晶の育成において、無欠陥領域とするためのｖ／Ｇ値のマージンが非常に小さいため、結晶全長にわたり無欠陥結晶を得るのは難しいという課題があった。
　このような課題に対し、特許文献１では、事前に結晶長方向の温度勾配Ｇの変化を予測し、この温度勾配Ｇの変化に合わせて引上げ速度ｖを変化させる方法を開示している。この方法によれば、温度勾配Ｇの変化の予測が正確であれば、ｖ／Ｇの値を一定に維持することができる。
特開２００５－１５２９７号公報
　特許文献１に開示された単結晶引上方法は、単結晶の結晶径が常に一定であることを前提としている。
　しかしながら、一般的な単結晶引上げにあっては、引上げ速度ｖを一定とし、石英ルツボを加熱するヒータの出力を変化させて、固液界面における温度勾配Ｇが一定となるよう制御しているため、ルツボ内の融液対流が加熱量の影響を受けて変化し、図５に模式的に示すように、直胴部Ｃ２の育成時において微小ではあるが周期的な径変動が生じる。
　この様な周期的な結晶径の変動が起きると、欠陥密度も結晶長方向に周期的に変化することになる。そして、変動が大きい場合には、部分的に空孔もしくは格子間シリコン優勢の領域に変化し、高密度な欠陥を含む結晶を育成することになり、歩留まりが低下するという課題があった。
　本願発明者は、引上げ速度ｖを一定とし、石英ルツボを加熱するヒータの出力を変化させて、固液界面における温度勾配Ｇの値を一定にする（ｖ／Ｇの値を一定に維持する）ことを前提とし（即ち、上述の周期的な結晶径の変動が生じることを前提とし）、無欠陥領域率の高い単結晶を育成するために鋭意研究を行い、本発明をするに至った。
　本発明の目的は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、ｖ／Ｇの値を一定に維持して周期的な結晶径変動が生じても、直径変化量を一定の範囲内に制御することで、結晶全長に亘り欠陥密度が小さく、無欠陥領域率の高いシリコン単結晶を育成することの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。
　前記課題を解決するためになされた、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、ヒータの加熱によりルツボ内にシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、前記シリコン単結晶の製造における直胴部の引上げにおいて、軸周りに回転させながら引き上げるシリコン単結晶の引上げ速度を一定とし、固液界面の温度勾配とシリコン単結晶の直径とが一定となるように前記ヒータの出力を制御する工程と、前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程と、を備えることに特徴を有する。
　尚、前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、結晶回転数の初期値を、前ロットの引上げ時における結晶回転数に基づき設定することが望ましい。
　また、前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、結晶長方向において結晶径の変化が少なくとも１周期経過するまでの直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）と結晶回転数との関係に基づき、その後の結晶回転数を制御することが望ましい。
　また、前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）をｙ、結晶回転数の基準値からの調整幅（ｒｐｍ）をｘとすると、ｙ＝０．００４９ｘの関係式に基づき結晶回転数を制御してもよい。
　このように本発明によれば、単結晶直胴部の引上げにおいて、引上げ速度を一定とし、固液界面の温度勾配とシリコン単結晶の直径とが一定となるようにヒータの出力を制御することに加え、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する。
　これにより結晶径の周期的な変化量が小さく抑えられ、単結晶の結晶長方向において、欠陥密度が高すぎる領域（空孔、格子間シリコン優勢領域）の発生を防止することができ、育成する単結晶の歩留まり低下を抑制することができる。
　本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶をシリコン溶融液から引き上げる際、ｖ／Ｇの値を一定に維持して周期的な結晶径変動が生じても、直径変化量を一定の範囲内に制御することで、結晶全長に亘り欠陥密度が小さく、無欠陥領域率の高いシリコン単結晶を育成することのできる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、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法が実施される単結晶引上装置の断面図である。 図２は、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のフローである。 図３は、本発明の実施例における実験１の結果を示すグラフである。 図４は、従来の単結晶引上装置の概略構成を示す断面図である。 図５は、結晶径の周期的変化を模式的に示す断面図である。
　以下、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について図面を用いながら説明する。図１は、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法が実施される単結晶引上装置の断面図である。
　この単結晶引上装置１は、円筒形状のメインチャンバ１０ａの上にプルチャンバ１０ｂを重ねて形成された炉体１０を備え、この炉体１０内に鉛直軸回りに回転可能、且つ昇降可能に設けられたカーボンルツボ（或いは黒鉛ルツボ）２と、前記カーボンルツボ２によって保持された石英ガラスルツボ３（以下、単にルツボ３と称する）とを具備している。このルツボ３は、カーボンルツボ２の回転とともに鉛直軸回りに回転可能となされている。
　また、カーボンルツボ２の下方には、このカーボンルツボ２を鉛直軸回りに回転させる回転モータなどの回転駆動部１４と、カーボンルツボ２を昇降移動させる昇降駆動部１５とが設けられている。
　尚、回転駆動部１４には回転駆動制御部１４ａが接続され、昇降駆動部１５には昇降駆動制御部１５ａが接続されている。
　また単結晶引上装置１は、ルツボ３に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）を溶融してシリコン溶融液Ｍ（以下、単に溶融液Ｍと呼ぶ）とする抵抗加熱によるサイドヒータ４と、ワイヤ６を巻き上げ、育成される単結晶Ｃを引き上げる引き上げ機構９とを備えている。前記引き上げ機構９が有するワイヤ６の先端には、種結晶Ｐが取り付けられている。
　尚、サイドヒータ４には供給電力量を制御するヒータ制御部４ａが接続され、引き上げ機構９には、その回転駆動の制御を行う回転駆動制御部９ａが接続されている。
　また、本実施の形態において、この単結晶引上装置１においては、例えば、炉体１０の外側に磁場印加用電磁コイル８が設置される。この磁場印加用電磁コイル８に所定の電流が印加されると、ルツボ３内のシリコン溶融液Ｍに対し所定強度の水平磁場が印加されるようになっている。磁場印加用電磁コイル８には、その動作制御を行う電磁コイル制御部８ａが接続されている。
　即ち、本実施形態においては、溶融液Ｍ内に磁場を印加して単結晶を育成するＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ＣＺ法）が実施され、それによりシリコン溶融液Ｍの対流を制御し、単結晶化の安定を図るようになされる。
　また、ルツボ３内に形成される溶融液Ｍの上方には、単結晶Ｃの周囲を包囲する輻射シールド７が配置されている。この輻射シールド７は、上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶Ｃに対するサイドヒータ４や溶融液Ｍ等からの余計な輻射熱を遮蔽すると共に、炉内のガス流を整流するものである。
　尚、輻射シールド７の下端と融液面Ｍ１との間のギャップは、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を一定（例えば５０ｍｍ）に維持するよう制御される。
　また、単結晶引上装置１は、育成中の単結晶の直径を測定するためのＣＣＤカメラ等の光学式の直径測定センサ１６を備える。メインチャンバ１０ａの上面部には、観測用の小窓１０ａ１が設けられており、この小窓１０ａ１の外側から固液界面における結晶端（破線矢印で示す位置）の位置変化を検出するようになされている。
　また、単結晶引上装置１は、融液面Ｍ１の温度を測定するための放射温度計１７を備える。メインチャンバ１０ａの上面部には、前記小窓１０ａ１とは別の小窓１０ａ２が設けられており、この小窓１０ａ２の外側から融液面Ｍ１の温度を測定するようになされている。
　また、この単結晶引上装置１は、記憶装置１１ａと演算制御装置１１ｂとを有するコンピュータ１１を備え、回転駆動制御部１４ａ、昇降駆動制御部１５ａ、電磁コイル制御部８ａ、回転駆動制御部９ａ、直径測定センサ１６、放射温度計１７は、それぞれ演算制御装置１１ｂに接続されている。
　このように構成された単結晶引上装置１において、例えば、直径３１０ｍｍの単結晶Ｃを育成する場合、次のように引き上げが行われる。
　即ち、最初にルツボ３に原料ポリシリコン（例えば３５０ｋｇ）を装填し、コンピュータ１１の記憶装置１１ａに記憶されたプログラムに基づき結晶育成工程が開始される。
　先ず、炉体１０内が所定の雰囲気（主にアルゴンガスなどの不活性ガス）となされる。例えば、炉内圧６５ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量９０ｌ／ｍｉｎの炉内雰囲気が形成される。
　そして、ルツボ３が所定の回転速度（ｒｐｍ）で所定方向に回転動作された状態で、ルツボ３内に装填された原料ポリシリコンが、サイドヒータ４による加熱によって溶融され、溶融液Ｍとされる（図２のステップＳ１）。
　次いで、磁場印加用電磁コイル８に所定の電流が流され、溶融液Ｍ内に１０００～４０００Ｇａｕｓｓの範囲内で設定された磁束密度（例えば３０００Ｇａｕｓｓ）で水平磁場が印加開始される（図２のステップＳ２）。
　また、サイドヒータ４への供給電力や、引き上げ速度、磁場印加強度などをパラメータとして引き上げ条件が調整され、種結晶Ｐが軸回りに所定の回転速度で回転開始される。回転方向はルツボ３の回転方向とは逆方向になされる。そして、ワイヤ６が降ろされて種結晶Ｐが溶融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解した後、ネッキングが行われ、ネック部Ｐ１が形成される（図２のステップＳ３）。
　そして、結晶径が徐々に拡径されて肩部Ｃ１が形成され（図２のステップＳ４）、製品部分となる直胴部Ｃ２を形成する工程に移行する（図２のステップＳ５）。
　ここで、コンピュータ１１は、昇降駆動制御部１５ａにより昇降駆動部１５を駆動制御し、引上げ速度ｖを例えば０．５５ｍｍ／ｍｉｎに一定とする。
　また、コンピュータ１１は、放射温度計１７により検出される固液界面における温度について温度勾配Ｇが一定、即ちｖ／Ｇの値が一定となるように、且つ直径測定センサ１６により検出した固液界面における結晶端の位置変化を結晶径として換算し、この結晶径の値が一定となるように、サイドヒータ４への供給電力量をヒータ制御部４ａに制御させる。
　この制御により、結晶径が一定値（本実施の形態の場合、３１０ｍｍ）に近づけられるが、実際には、ルツボ内の融液対流が変化し、単結晶Ｃにおいては周期的な微小な径変動が生じる。
　この周期的な径変動を抑制するために、本実施の形態においては、結晶回転数を制御する。具体的に説明すると、コンピュータ１１は、前ロットにおける直胴部形成工程での結晶回転数（例えば平均値）に基づき結晶回転数の初期値を設定して制御開始する。
　結晶長方向の結晶径は周期的に変化するため、コンピュータ１１は、結晶径の変化が少なくとも１周期経過するまでの（例えば、直胴長が２５０ｍｍとなるまで）直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）と結晶回転数（ｒｐｍ）との関係を監視し、その結果に基づき、その後の直胴部形成における結晶回転数を調整する。
　より具体的には、コンピュータ１１は、１分あたりの結晶径の変化量（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））を監視し、結晶径の変化が１周期を経過するまでの間、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持しているか判定する。
　ここで、コンピュータ１１は、１分あたりの結晶径の変化量（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））が、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５でない場合には、結晶の回転数を回転駆動制御部９ａにより制御させる。
　時間当たりの結晶回転数が少ないほど、結晶径の変化量は小さくなり、結晶回転数が多いほど、結晶径の変化量は大きくなるが、具体的には、コンピュータ１１は、直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）をｙ、結晶回転数の基準値からの調整幅（ｒｐｍ）をｘとすると、式１：ｙ＝０．００４９ｘの関係式に基づき結晶回転数を制御する。直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）がｙ＝０．０３３５以上になると（図２のステップＳ６）、前記式１から結晶回転数ｘの調整幅を決定する（図２のステップＳ７）。
　尚、直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）が±０．０３３５を超えると、直径変化量が大きすぎ、欠陥密度も結晶長方向に周期的に変化し、欠陥密度が高すぎる領域が発生するため、好ましくない。
　このように結晶回転数を制御して、周期的な結晶径の変化量を小さい範囲内に抑えることにより、単結晶Ｃの結晶長方向において、欠陥密度が高すぎる領域（空孔、格子間シリコン優勢領域）の発生を防止することができ、育成する単結晶の歩留まり低下を抑制することができる。
　所定の長さまで直胴部Ｃ２が形成されると、最終のテール部工程に移行する（図２のステップＳ８）。このテール部工程においては、結晶下端と溶融液Ｍとの接触面積が徐々に小さくなり、単結晶Ｃと溶融液Ｍとが切り離され、シリコン単結晶が製造される。
　以上のように、本実施の形態によれば、単結晶直胴部Ｃ２の引上げにおいて、引上げ速度ｖを一定とし、固液界面の温度勾配Ｇが一定となるように、且つシリコン単結晶の直径が一定となるようにサイドヒータ４の出力を制御し、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する。
　これにより結晶径の周期的な変化量が小さく抑えられ、単結晶Ｃの結晶長方向において、欠陥密度が高すぎる領域（空孔、格子間シリコン優勢領域）の発生を防止することができ、育成する単結晶の歩留まり低下を抑制することができる。
　尚、前記実施の形態においては、結晶回転数の初期値を、前ロットの引上げ時における設定値に基づくものとしたが、本発明にあっては、その例に限定されるものではない。即ち、本発明の最も特徴とするところは、結晶回転数の初期値にかかわらず、－０．０３３５＜（直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御することにある。
　また、前記実施の形態においては、溶融液Ｍ内に磁場を印加して単結晶を育成するＭＣＺ法を適用したが、本発明にあっては、それに限定されるものではなく、磁場を印加しないＣＺ法にも適用することができる。
　本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。
（実験１）
　実験１では、石英ルツボ内に３５０ｋｇのシリコン原料を充填して溶融した。また、輻射シールドと融液面との距離を５０ｍｍとし、炉内圧６５ｔｏｒｒ、アルゴンガスを流量９０ｌ／ｍｉｎで流し、横磁場の強度を３０００Ｇａｕｓｓの炉内環境を作った。そして、ルツボ回転数を０．５ｒｐｍ、基準とする結晶回転数を１０．０ｒｐｍ（ルツボ回転とは逆方向）とし、引上げ速度０．５５ｍｍ／ｍｉｎで結晶径３１０ｍｍを目標とし単結晶育成を行った。
　ここで、結晶引上工程において、結晶回転数（ｒｐｍ）を基準値１０．０ｒｐｍからマイナス方向に変化させ、そのときの直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）を測定した。
　図３のグラフに実験１の結果を示す。図３のグラフの横軸ｘは結晶回転数（ｒｐｍ）の基準値１０．０ｒｐｍからの調整幅（ｒｐｍ）、縦軸ｙは直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）である。
　図３のグラフに示すように結晶回転数と、直径変化量／時間との比例関係（関係式ｙ＝０．００４９ｘ）が認められた。
　この関係式に基づき、直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）の値を制御する上で、結晶回転数（ｒｐｍ）の調整幅を調整すればよいことを確認した。
（実験２）
　実験２では、実験１と同じ炉内環境を形成し、ルツボ回転数を０．５ｒｐｍ、基準とする結晶回転数を１０．０ｒｐｍ（ルツボ回転とは逆方向）とし、固液界面の温度勾配とシリコン単結晶の直径とが一定となるようにヒータの出力を制御した。実施例においては、結晶回転数を調整しながら単結晶育成を行った。比較例においては、結晶回転数の調整を実施しなかった。
　そして、直径変化量の大きさと育成した単結晶の無欠陥領域率（良品率）との関係を検証した。
　実施例１では、引上げ速度０．５５ｍｍ／ｍｉｎで、結晶長５１ｍｍの間での周期的な直径変化量が±３．１ｍｍとなるシリコン単結晶を直胴長１５００ｍｍまで育成し、無欠陥領域率（良品率）を求めた。
　実施例２では、引上げ速度０．５６ｍｍ／ｍｉｎで、結晶長４１ｍｍの間での周期的な直径変化量が±２．３ｍｍとなるシリコン単結晶を直胴長１５００ｍｍまで育成し、無欠陥領域率（良品率）を求めた。
　比較例１では、引上げ速度０．５５ｍｍ／ｍｉｎで、結晶長５７ｍｍの間での周期的な直径変化量が±４．１ｍｍとなるシリコン単結晶を直胴長１５００ｍｍまで育成し、無欠陥領域率（良品率）を求めた。
　比較例２では、引上げ速度０．５５ｍｍ／ｍｉｎで、結晶長６０ｍｍの間での周期的な直径変化量が±９．８ｍｍとなるシリコン単結晶を直胴長１５００ｍｍまで育成し、無欠陥領域率（良品率）を求めた。
　比較例３では、引上げ速度０．５４ｍｍ／ｍｉｎで、結晶長６３ｍｍの間での周期的な直径変化量が±４．０ｍｍとなるシリコン単結晶を直胴長１５００ｍｍまで育成し、無欠陥領域率（良品率）を求めた。
　実施例１、２、及び比較例１、２、３の結果を表１に示す。尚、表１の結果には、無欠陥領域率（良品率）とともに、直径変化量／時間＝０．００００（ｍｍ／ｍｉｎ）に対する直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）の変動幅を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）が±０．０３３５（ｍｍ／ｍｉｎ）内の範囲であれば、無欠陥領域率（良品率）が十分に高くなることを確認した。
　以上の実施例の結果から、直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）が－０．０３３５より大きく０．０３３５より小さい範囲となるように結晶回転数（ｒｐｍ）を制御すれば、無欠陥領域率の高い単結晶を得ることができると確認した。
　　１　　　単結晶引上装置
　　２　　　カーボンルツボ
　　３　　　石英ガラスルツボ
　　４　　　サイドヒータ（ヒータ）
　　６　　　ワイヤ
　　７　　　輻射シールド
　　Ｍ　　　シリコン融液
　　Ｍ１　　融液面
　　Ｃ　　　シリコン単結晶
　　Ｃ２　　直胴部

Claims (4)

  1. 　ヒータの加熱によりルツボ内にシリコン融液を形成し、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法であって、
    　前記シリコン単結晶の製造における直胴部の引上げにおいて、
    　軸周りに回転させながら引き上げるシリコン単結晶の引上げ速度を一定とし、固液界面の温度勾配とシリコン単結晶の直径とが一定となるように前記ヒータの出力を制御する工程と、
    　前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程と、
    　を備えることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
  2. 　前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、
    　結晶回転数の初期値を、前ロットの引上げ時における結晶回転数に基づき設定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. 　前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、
    　結晶長方向において結晶径の変化が少なくとも１周期経過するまでの直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）と結晶回転数との関係に基づき、その後の結晶回転数を制御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。
  4. 　前記ヒータの出力を制御する工程の間、－０．０３３５＜（シリコン単結晶の直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ））＜０．０３３５を維持するように、結晶回転数を制御する工程において、
    　直径変化量／時間（ｍｍ／ｍｉｎ）をｙ、結晶回転数の基準値からの調整幅（ｒｐｍ）をｘとすると、ｙ＝０．００４９ｘの関係式に基づき結晶回転数を制御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。
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