WO2023243357A1

WO2023243357A1 - シリコン単結晶の製造方法

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Publication number: WO2023243357A1
Application number: PCT/JP2023/019599
Authority: WO
Inventors: 佳祐三原
Original assignee: 信越半導体株式会社
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2023-05-26
Publication date: 2023-12-21
Also published as: JP2023184253A

Abstract

本発明は、引き上げ炉に備えられた上側コイル及び下側コイルで形成するカスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、直胴工程において、シリコン単結晶の回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、前記カスプ磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、磁場極小面と同じ高さの面と石英ルツボ内壁の交点における前記カスプ磁場の磁場強度を８００～１２００Ｇとしてシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。これにより、従来技術に比べてより低い酸素濃度でかつ良好な酸素濃度の面内分布のシリコン単結晶を効率よく製造する方法を提供する。

Description

シリコン単結晶の製造方法

　本発明は、引き上げ炉に備えられた上側コイル及び下側コイルで形成するカスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法に関する。

　近年、省電力を実現するためのデバイスとしてパワーデバイスが注目されている。パワーデバイスにおける電流が流れる領域は、表層から数十～数百μｍ程度の厚さ範囲のものや、場合によってはウェーハ全体に電流が流れるものもある。この電流が流れる領域に酸素析出物やＢＭＤ（Ｂｕｌｋ　Ｍｉｃｒｏ　Ｄｅｆｅｃｔ）が存在すると、耐圧不良やリーク不良が発生する場合がある。

　上記の不良を発生させないためにも、パワーデバイス向けのシリコン単結晶ウェーハでは、酸素析出物が発生しない程度の低い酸素濃度であること、酸素濃度の面内分布がフラットであることが要求されている。また、スマートフォンなど通信用に用いられるＲＦ（高周波）デバイスでは酸素ドナーが存在すると高周波特性が悪化するため、ＲＦデバイス向けのシリコン単結晶ウェーハにおいても低い酸素濃度であることや酸素濃度の面内分布がフラットであることが要求されている。

　パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けのシリコン単結晶を製造する代表的な手法の一つに、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ）法がある。ＣＺ法を用いたシリコン単結晶の製造を行う場合、原料融液に磁場を印加して単結晶の引き上げを行う磁場印加ＣＺ（ＭＣＺ）法を用いるのが主流となっている。パワーデバイス向けの低酸素結晶の育成方法として、水平磁場を用いた方法とカスプ磁場を用いた方法が知られている。

　水平磁場を用いた方法として、例えば、特許文献１には水平磁場下では結晶回転数とルツボ回転数を規定して低酸素結晶を得る手法、特許文献２には磁場強度を２０００Ｇ以上とし、石英ルツボ回転数を０．２ｒｐｍ以下、結晶回転数を５ｒｐｍ以下とする手法が開示されている。

　他方、カスプ磁場を用いた方法として、例えば、特許文献３に記載のシリコン融液の減少量に応じてカスプ磁場の磁場中心位置（＝磁場極小面位置）を温度が安定する位置に移動させる手法がある。

　また、特許文献４には、磁場中心位置（＝磁場極小面位置）を液面より上方１０～１００ｍｍに設定し、結晶回転を１５～２０ｒｐｍとする方法、特許文献５には、熱遮蔽材の下端から融液表面の距離を５０～１２０ｍｍ、磁場中心位置を融液表面～融液深さの１／２の間に設定し、結晶回転を１３ｒｐｍ以上とする方法が開示されている。

　特許文献６には、カスプ磁場の磁場強度を０．０５Ｔ～０．１２Ｔ、磁場中心位置を融液面に対し０ｍｍ～－３０ｍｍ（下方に３０ｍｍ）、結晶回転を８～１４ｒｐｍ、ルツボ回転数を１．３～２．２ｒｐｍとする方法が開示されている。

特開２００９－１８９８４号公報国際公開第２００９／０２５３４０号特開２００１－８９２８９号公報特開２０２０－３３２００号公報特許第３７８３４９５号公報特開２０１９－３１４３６号公報

　特許文献１や特許文献２に記載の手法では、結晶回転数を５ｒｐｍ程度（特許文献１）もしくはそれ以下の回転数（特許文献２）とするが、結晶回転数を低速にすると抵抗率や酸素の面内分布が悪化し、デバイス不良の要因となることが問題となる。

　特許文献３に記載の手法では単結晶の固化率の上昇とともにカスプ磁場の磁場極小面位置を上昇させるが、製品部で磁場極小面位置を変化させると製品部における酸素濃度の変化量が大きくなってしまい、酸素濃度の規格幅が狭い結晶や低酸素結晶を製造する場合は歩留まりが著しく低下することが問題となる。

　直径２００ｍｍ以下の小直径の単結晶を製造する際には特許文献４、５に記載されている結晶回転の速度で問題はないが、直径３００ｍｍ以上の大直径の単結晶を製作する際に結晶回転を１３ｒｐｍ以上とすると、単結晶引き上げ時に直径変動が大きくなり操業を継続できなくなることが問題となる。

　特許文献６に記載されている酸素濃度は数値解析に基づいたモデル予想の結果となっており、酸素濃度は中心付近の１点のみとなっている。直径３００ｍｍ以上の大直径の単結晶の製造において、特許文献６に記載されているように石英ルツボの回転数≧１．３ｒｐｍと高速にすると、酸素濃度の値が上昇、酸素濃度の面内分布が悪化することが問題となる。

　本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、従来技術に比べてより低い酸素濃度でかつ良好な酸素濃度の面内分布のシリコン単結晶を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。

　本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、引き上げ炉に備えられた上側コイル及び下側コイルで形成するカスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、直胴工程において、シリコン単結晶の回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、前記カスプ磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、磁場極小面と同じ高さの面と石英ルツボ内壁の交点における前記カスプ磁場の磁場強度を８００～１２００Ｇとしてシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法を提供する。

　このようなシリコン単結晶の製造方法によれば、ルツボ回転数を高速とした時の酸素濃度の上昇や酸素濃度の面内分布の悪化といった問題がなくなるため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を効率よく製造することが可能となる。

　このとき、前記シリコン単結晶として、ＡＳＴＭ’７９に基づく酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり、かつ、前記シリコン単結晶の成長方向と直交する結晶断面内のＲＯＧが８％以下のものを製造するシリコン単結晶の製造方法とすることができる。

　本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、このような高品質のシリコン単結晶を安定して製造することができる。

　以上のように、本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、ルツボ回転数を高速とした時の酸素濃度の上昇や酸素濃度の面内分布の悪化といった問題がなくなるため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を効率よく製造することが可能となる。

単結晶製造装置の一例を説明する図である。実施例１、２の直胴１００ｃｍで得られた酸素濃度の面内分布を示す。単結晶における酸素濃度のルツボ回転数依存性を示す。比較例２の直胴１００ｃｍで得られた酸素濃度の面内分布を示す。

　以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　上述のように、従来技術に比べてより低い酸素濃度でかつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を効率よく製造するシリコン単結晶の製造方法が求められていた。

　本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、引き上げ炉に備えられた上側コイル及び下側コイルで形成するカスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、直胴工程において、シリコン単結晶の回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、前記カスプ磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、磁場極小面と同じ高さの面と石英ルツボ内壁の交点における前記カスプ磁場の磁場強度を８００～１２００Ｇとしてシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法により、ルツボ回転速度を高速とした時の酸素濃度の上昇や酸素濃度の面内分布の悪化といった問題がなくなるため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を効率よく製造することが可能となることを見出し、本発明を完成した。

　上述のように、近年、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの低酸素結晶の品質については、従来のレベルよりも高いレベルが求められている。特に、酸素濃度については、低温熱処理で発生するサーマルドナーの影響をなくすために、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下であることが望ましいとされている。加えて、酸素濃度の面内分布に関しても、チップ間の品質ばらつきをなくすためにも均一化することが望ましい。例えば、ウェーハ外周側の酸素濃度が低い場合、熱処理中に外周部でスリップ転位が発生しデバイスプロセスの歩留に悪影響を及ぼすケースがある。

　このケースに対する対策として、面内の酸素濃度を均一化することが重要である。以後、酸素濃度の面内分布の良好さを図る指標として、ＲＯＧ（Ｒａｄｉａｌ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｇｒａｄｉｅｎｔ：酸素濃度勾配）を用いる。ＲＯＧは、少なくともウェーハ中心及びウェーハ外周から所定の位置の２箇所の酸素濃度を測定し、
　（最大値－最小値）×１００／最大値
の式で得られる値とする。近年、ＲＯＧについても従来のレベルよりも高いレベルが求められており、ＲＯＧ＜８％を満たした良好な分布が要求されている。

　ところで、ＣＺ法では、結晶引き上げ中に結晶を回転させながら単結晶の育成を行う。カスプ磁場を用いたＣＺ法で直径３００ｍｍ以上の大直径の単結晶を引き上げる場合、結晶回転速度を極端な高速回転とすると単結晶引き上げ時に直径変動が大きくなり、操業を継続できなくなることが問題となる。逆に、結晶回転速度を極端な低速にすると抵抗率や酸素濃度の面内分布が悪化し、デバイス不良の要因となることも問題となる。これらの問題を回避するために、カスプ磁場を用いたＣＺ法では、結晶回転速度が極端に高速となる条件や極端に低速となる条件は避ける必要がある。

　また、ＭＣＺ法では石英ルツボ中にシリコン融液（以下、「原料融液」ともいう）が収容されるが、結晶引き上げ中に石英ルツボから酸素が溶出しシリコン融液中に取り込まれることで単結晶中の酸素濃度が上昇してしまう。シリコン融液表面（湯面）を鉛直方向から俯瞰すると、水平磁場を用いたＭＣＺ法では磁力線と平行な方向には磁場が作用することで対流が抑制されるが、磁力線と垂直な方向にはほとんど磁場が作用していないため対流が活発になってしまう。このように局所的に対流が活発になっている領域が生じるため水平磁場では石英ルツボから酸素が溶出しやすくなってしまい、その結果として結晶の高酸素濃度化を招いてしまう。

　他方、カスプ磁場の場合、石英ルツボ内壁（以下、単に「ルツボ壁」又は「ルツボ内壁」と表現する場合がある）付近は全周にわたって磁場が作用するため、ルツボ壁付近の対流は全周にわたって抑制される。このため、カスプ磁場では、ルツボ回転速度が十分速くかつ磁場強度が強磁場になると石英ルツボと原料融液間の相対速度が高速となり酸素の溶出が促進されるが、逆にルツボ回転速度が十分遅くかつ磁場強度が弱磁場になると石英ルツボと原料融液間の相対速度が低速となり酸素の溶出が抑制される。

　上記に加えて、カスプ磁場中の磁場極小面位置を単結晶とシリコン融液間の固液界面に近い条件ないし上方位置にすることで、カスプ磁場固有の自然対流によりシリコン融液表面の酸素濃度が低い層から単結晶側に酸素が取り込まれやすくなる。よって、カスプ磁場を用いてルツボ回転速度を十分遅くし、磁場強度を弱磁場、磁場極小面位置を単結晶－シリコン融液間の固液界面に近い位置ないし上方位置にすることで、初めて結晶の低酸素濃度化を実現することが可能となる。

　すなわち、本発明は、カスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、直胴工程における単結晶の結晶回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下とし、前記磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、磁場極小面と同じ高さの面と石英ルツボ内壁の交点におけるカスプ磁場の磁場強度（以下、単に「磁場強度」と表現する場合がある）を８００～１２００Ｇとすることを特徴とする。

　以下では、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法に好適に使用される単結晶製造装置の一例を、図を参照しながら説明する。なお、従来装置と同じものについては説明を適宜省略することがある。

　図１に単結晶製造装置（単結晶引き上げ装置）の一例を示す。図１の単結晶製造装置（単結晶引き上げ装置）１００は、断熱材９と、その内部の加熱ヒーター８と、黒鉛ルツボ７内に配置された石英ルツボ６に収容されたシリコンの原料融液５と対向するように熱遮蔽部材１２が筒部１１の下端に配置されている。中心軸１０を有する引き上げ炉１と引き上げ炉１の周囲に設けられ、上コイル３０ａと下コイル３０ｂを有する磁場発生装置３０とを備え、上コイル３０ａと下コイル３０ｂに通電することによりシリコン融液にカスプ磁場を印加して単結晶を中心軸方向に引き上げる構成となっている。また、引き上げ炉１の中心軸１０上であって、ワイヤーに接続された種ホルダ３で保持された種結晶２を原料融液５に接触させて種付けを行い、シリコン単結晶を拡径し、製品部となる直胴部を引上げ方向に引き上げてシリコン単結晶４を製造する構成となっている。

　磁場発生装置３０は鉛直方向に上下移動可能な昇降装置３０ｃの上に設置されており、引き上げ炉１の側面を取り囲むように上コイル３０ａと下コイル３０ｂが配置されている。カスプ磁場では、上下２本のコイルに対し互いに反対方向の電流を流すことにより上下で反発する磁力線を発生させる。このとき、上コイル３０ａと下コイル３０ｂのそれぞれが形成する磁場分布の作用により、上コイル３０ａと下コイル３０ｂの間で、中心軸１０近傍に磁場強度が最も小さくなる領域（磁場極小面３２）が形成される。例えば、上コイル３０ａと下コイル３０ｂの電流値を同じ値に設定し上下２本のコイルに対し互いに反対方向の電流を流すことで上下対称かつ左右対称な磁場分布となる。この時、中心軸１０と磁場極小面３２との交点の磁場強度が最も弱くなる。なお、図１では、磁場極小面３２の高さ位置（すなわち磁場極小面と同じ高さの面３１の高さ位置）と原料融液表面３３の高さ位置とが同じ場合を示している。なお、図１中の黒点線の矢印が実際の磁場分布を示しており、中心軸上の白矢印は磁場の鉛直方向の成分が支配的であること、２コイル間の中線上にある白矢印は磁場の水平方向の成分が支配的であることを示したものである。

　また、上コイル３０ａと下コイル３０ｂの電流値を互いに異なる値に設定し、上下２本のコイルに対し互いに反対方向の電流を流す不平衡励磁を行うことで、上下非対称かつ左右対称な磁場分布となり（以後、「不平衡励磁」と称する）、上下コイルの電流値を同じ値に設定した場合と比べて磁場極小面３２の位置が変化する。例えば、
　上コイル電流値＞下コイル電流値
とすると磁場極小面３２は上下コイルの電流値を同じ値に設定した場合に比べて下側にシフトし、
　上コイル電流値＜下コイル電流値
とすると磁場極小面３２は上下コイルの電流値を同じ値に設定した場合に比べて上側にシフトする。

　本発明では、製品部（直胴工程）において、磁場極小面３２の位置を原料融液表面３３から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内に設定するが、製品部の引き上げ（直胴工程）を行う前に磁場極小面位置の移動を行う必要がある。この時の磁場極小面を移動させる手段については、昇降装置３０ｃを用いて磁場発生装置３０を上下に移動させることで磁場極小面の位置を移動させても良いし、上下コイル３０ａ、３０ｂの電流値を異なる値とした不平衡励磁を行うことで磁場極小面の位置を移動させても良い。

　また、前述した通り、石英ルツボ内壁付近の磁場強度によって石英ルツボ内壁付近の対流抑制力の強さが決まるため、石英ルツボ内壁付近の磁場強度はカスプ磁場を用いたＭＣＺ法において酸素濃度を決定する重要な要素となる。よって、本発明における磁場強度は、磁場極小面と同じ高さの面３１と石英ルツボ内壁との交点３５における値を８００～１２００Ｇと規定することとする。なお、磁場極小面と同じ高さの面３１は磁場極小面３２を含む面であり、交点３５は、石英ルツボ内壁における磁場極小面３２の高さ位置と同じ高さの位置の点と言い換えることができる。

　なお、上記以外のＨＺ（ホットゾーン）の構造は、一般的なＣＺシリコンの単結晶製造装置と同じ構造とすることができる。ただし、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下に設定可能とすることが必須の条件となる。

　ＣＺ法では単結晶を回転させながら単結晶の育成を行うが、操業性を損なうことなく低酸素濃度で良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を得るために、本発明では、直胴工程における単結晶の結晶回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下とする。

　また、ＣＺ法では石英ルツボも回転させながら単結晶の育成を行うが、カスプ磁場ではルツボ壁付近は全周にわたって磁場が作用するため、ルツボ壁付近の対流は全周にわたって抑制されることになる。このため、カスプ磁場中で石英ルツボの回転速度を高速にしすぎると、石英ルツボと原料融液間の相対速度が高速となり酸素の溶出が促進され、単結晶中の酸素濃度が上昇することが問題となる。

　上記の問題に加えて、特に大直径、例えば直径３００ｍｍ以上の単結晶の製造において石英ルツボの回転速度を高速にしすぎると、酸素濃度の面内分布が悪化してしまうことも問題となる。これらの問題を解決するために、本発明では、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下とする。石英ルツボの回転速度の下限値は特に限定されないが、例えば０．１ｒｐｍ以上とすることができる。

　このように、直胴工程における単結晶の結晶回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下とし、前記磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、カスプ磁場の磁場強度を８００～１２００Ｇとすることで、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下の低い酸素濃度を維持したまま良好な酸素濃度の面内分布が得られる。なお、酸素濃度の下限値は特に限定されないが、例えば、５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以上である。酸素濃度の面内分布（ＲＯＧ）の下限値も特に限定されないが、例えば、０％以上である。

　以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

　ＣＺ引き上げ機中の３２インチ（約８００ｍｍ）のルツボに３６０ｋｇの原料を溶融し、カスプ磁場を印加して、直径３００ｍｍの単結晶の引き上げを行った。本実施例及び比較例では、カスプ磁場の上下コイルの電流値を同一とした上下対称励磁と、上下コイル間の電流値を異なる値とした不平衡励磁を行った。なお、製品部で不平衡励磁を行う場合は、予め磁場極小面位置を原料融液表面よりも７０ｍｍ下方となるように昇降装置を用いて磁場位置を設定しておき、その後、非製品部で不平衡度を所定の値に設定し製品部に移行する。
　この時、上下コイル間の不平衡度は、
　不平衡度＝下コイル電流値／上コイル電流値
なる式で得られる値とする。

　引き上げ後の単結晶について、直胴２０ｃｍ、５０ｃｍ、７５ｃｍ、１００ｃｍからサンプルを切り出し、ＦＴ－ＩＲを用いて酸素濃度の面内分布を検証した。以下に示す酸素濃度の値はウェーハ中心の値を示す。

　また、ＲＯＧはウェーハ中心及びウェーハ外周から２ｍｍの位置の２箇所の酸素濃度を測定し、
　（最大値－最小値）×１００／最大値
なる式で得られる値とした。加えて、表中のＲＯＧは直胴位置２０ｃｍ～１００ｃｍ間の平均値とする。

　（実施例１、２）
　実施例１及び実施例２では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも下方１０ｍｍ
　上下コイル間の不平衡度：１．００（上下対称励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：１０００Ｇ
　ルツボ回転速度：０．５ｒｐｍ（実施例１）、１．０ｒｐｍ（実施例２）
　単結晶回転速度：１０ｒｐｍ

　実施例１、２では直胴工程において、カスプ磁場の磁場極小面位置、上下コイル間の不平衡度、磁場強度、単結晶回転速度を固定し、ルツボ回転速度を０．５ｒｐｍ（実施例１）、１．００ｒｐｍ（実施例２）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例１、２の条件及び結果を表１に、実施例１、２の直胴１００ｃｍで得られた酸素濃度の面内分布を図２に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例１、２の条件とした場合は、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（実施例３、４）
　実施例３及び実施例４では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも上方５ｍｍ
　不平衡度：１．００（上下対称励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：８００Ｇ（実施例３）、１２００Ｇ（実施例４）
　ルツボ回転速度：１．００ｒｐｍ
　単結晶回転速度：１０ｒｐｍ

　実施例３、４では、直胴工程におけるカスプ磁場の磁場極小面位置、不平衡度、ルツボ回転速度、単結晶回転速度を固定し、磁場強度８００Ｇ（実施例３）、１２００Ｇ（実施例４）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例３、４の条件及び結果を表２に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例３、４の条件とした場合も、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、全ての場合で、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（実施例５、６）
　実施例５、６では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも上方５ｍｍ
　不平衡度：１．００（上下対称励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：１０００Ｇ
　ルツボ回転速度：１．００ｒｐｍ
　単結晶回転速度：７ｒｐｍ（実施例５）、１２ｒｐｍ（実施例６）

　実施例５、６では、直胴工程におけるカスプ磁場の磁場極小面位置、不平衡度、磁場強度、ルツボ回転速度を固定し、単結晶回転速度を７ｒｐｍ（実施例５）、１２ｒｐｍ（実施例６）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例５、６の条件及び結果を表３に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例５、６の条件とした場合も、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、全ての場合で、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（実施例７、８）
　実施例７、８では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも下方１０ｍｍ
　不平衡度：１．１０（不平衡励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：１０００Ｇ
　ルツボ回転速度：０．５ｒｐｍ（実施例７）、１．０ｒｐｍ（実施例８）
　単結晶回転速度：１０ｒｐｍ

　実施例７、８では、励磁形態を不平衡励磁に変更した上で、直胴工程における磁場極小面位置、不平衡度、磁場強度、単結晶回転速度を固定し、ルツボ回転速度を０．５ｒｐｍ（実施例７）、１．０ｒｐｍ（実施例８）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例７、８の条件及び結果を表４に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例７、８の条件とした場合も、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、全ての場合で、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（実施例９、１０）
　実施例９、１０では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも下方１０ｍｍ
　不平衡度：１．１０（不平衡励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：８００Ｇ（実施例９）、１２００Ｇ（実施例１０）
　ルツボ回転速度：１．０ｒｐｍ
　単結晶回転速度：１０ｒｐｍ

　実施例９、１０では、励磁形態を不平衡励磁に変更した上で、直胴工程における磁場極小面位置、不平衡度、ルツボ回転速度、単結晶回転速度を固定し、磁場強度を８００Ｇ（実施例９）、１２００Ｇ（実施例１０）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例９、１０の条件及び結果を表５に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例９、１０の条件とした場合も、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、全ての場合で、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（実施例１１、１２）
　実施例１１、１２では、以下に示す条件でシリコン単結晶の製造を行った。
［直胴工程（製品部）］
　磁場極小面位置：融液表面よりも下方１０ｍｍ
　不平衡度：１．１０（不平衡励磁）
　磁場極小面と同じ高さの面とルツボ内壁の交点における磁場強度：１０００Ｇ
　ルツボ回転速度：１．０ｒｐｍ
　単結晶回転速度：７ｒｐｍ（実施例１１）、１２ｒｐｍ（実施例１２）

　実施例１１、１２では、励磁形態を不平衡励磁に変更した上で、直胴工程における磁場極小面位置、不平衡度、磁場強度、ルツボ回転速度を固定し、単結晶回転速度を７ｒｐｍ（実施例１１）、１２ｒｐｍ（実施例１２）として計２本の単結晶の製造を実施した。実施例１１、１２の条件及び結果を表６に示す。

　本発明に係るシリコン単結晶製造方法の実施例１１、１２の条件とした場合も、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功した。製品部の結晶品質についても、全ての場合で、酸素濃度２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）以下で、なおかつ、ＲＯＧ＜８％が得られている。操業性を損なうことなく低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を引き上げることに成功した。

　（比較例１）
　比較例１では、直胴工程（製品部）のルツボ回転速度を１．５ｒｐｍとして、その他の条件は全て実施例１と同条件として単結晶の製造を行った。比較例１の条件及び結果を表７に示す。

　比較例１の条件とした場合、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功したが、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなり、ＲＯＧ＞８％となっている。

　念のため、ルツボ回転速度を１．０～２．２ｒｐｍの範囲で振って、その他の条件は比較例１と同条件として単結晶の製造を行ったところ、図３に示す通り、ルツボ回転数の増加とともに酸素濃度が単調に増加する結果となった。このため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、ルツボの回転数を１．０ｒｐｍ以下とする必要があることがわかる。

　（比較例２、３）
　比較例２、３では、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を６ｒｐｍ（比較例２）もしくは１３ｒｐｍ（比較例３）とし、その他の条件は実施例１と同条件として単結晶の引き上げを実施した。比較例２、３の条件及び結果を表８に、比較例２の直胴１００ｃｍで得られた酸素濃度の面内分布を図４に示す。

　直胴工程（製品部）の結晶回転速度を６ｒｐｍとした場合は、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功したものの、酸素の面内分布が悪化してしまい、ＲＯＧ≦８％を満たすことができなかった。また、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を１３ｒｐｍとした場合は、引き上げ中に結晶変形が強くなり、操業を継続することが困難であった。このため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下とする必要があることがわかる。

　（比較例４－７）
　比較例４－７では、直胴工程（製品部）の磁場強度を７００Ｇ（比較例４）もしくは１３００Ｇ（比較例５）、直胴工程における磁場極小面位置を不平衡励磁により融液表面よりも上方１０ｍｍ（比較例６）もしくは融液表面よりも下方１５ｍｍ（比較例７）とし、その他の条件は実施例２と同条件として単結晶の引き上げを実施した。比較例４～７の条件及び結果を表９に示す。

　直胴工程（製品部）の磁場強度を７００Ｇとした場合は、引き上げ中に結晶変形が強くなり、操業を継続することが困難であった。他方、直胴工程（製品部）の磁場強度を１３００Ｇとした場合は、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなってしまった。また、直胴工程（製品部）の磁場極小面位置を融液表面よりも上方１０ｍｍとした場合、融液表面よりも下方１５ｍｍとした場合においても、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなってしまった。このため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、直胴工程（製品部）においては磁場強度の絶対値を８００Ｇ以上１２００Ｇ以下、磁場極小面位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内とする必要があることがわかる。

　（比較例８）
　比較例８では、直胴工程（製品部）のルツボ回転速度を１．５ｒｐｍとして、その他の条件は全て実施例７と同条件（不平衡励磁）として単結晶の製造を行った。比較例８の条件及び結果を表１０に示す。

　比較例８の条件とした場合、直胴工程中に１回も有転位化することなく単結晶を引き上げることに成功したが、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなり、ＲＯＧ＞８％となっている。このため、励磁形態を不平衡励磁とした場合においても、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、ルツボの回転数は１．０ｒｐｍ以下とする必要があることがわかる。

　（比較例９、１０）
　比較例９、１０では、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を６ｒｐｍ（比較例９）もしくは１３ｒｐｍ（比較例１０）とし、その他の条件は実施例７と同条件として単結晶の引き上げを実施した。比較例９、１０の条件及び結果を表１１に示す。

　直胴工程（製品部）の結晶回転速度を６ｒｐｍとした場合は、直胴工程中にクランクが発生してしまい操業を継続することが困難であった。また、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を１３ｒｐｍとした場合は、引き上げ中に結晶変形が強くなり操業を継続することが困難であった。このため、励磁形態を不平衡励磁とした場合においても、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、直胴工程（製品部）の結晶回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下とする必要があることがわかる。

　（比較例１１－１４）
　比較例１１－１４では、直胴工程（製品部）の磁場強度を７００Ｇ（比較例１１）もしくは１３００Ｇ（比較例１２）、直胴工程（製品部）における磁場極小面位置を融液表面よりも上方１０ｍｍ（比較例１３）もしくは融液表面よりも下方１５ｍｍ（比較例１４）とし、その他の条件は実施例８と同条件として単結晶の引き上げを実施した。比較例１１～１４の条件及び結果を表１２に示す。

　直胴工程（製品部）の磁場強度を７００Ｇとした場合は、引き上げ中に結晶変形が強くなり操業を継続することが困難であった。他方、直胴工程（製品部）の磁場強度を１３００Ｇとした場合は、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなってしまった。また、直胴工程（製品部）の磁場極小面位置を融液表面よりも上方１０ｍｍとした場合、融液表面よりも下方１５ｍｍとした場合においても、酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高くなってしまった。このため、励磁形態を不平衡励磁とした場合においても、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ酸素濃度の面内分布が良好な単結晶を得るには、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法のように、直胴工程（製品部）においては磁場強度の絶対値を８００Ｇ以上１２００Ｇ以下、磁場極小面位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内とする必要があることがわかる。

　以上の通り、本発明の実施例によれば、ルツボ回転数を高速とした時の酸素濃度の上昇や酸素濃度の面内分布の悪化といった問題がなくなるため、パワーデバイス向けやＲＦデバイス向けの要求品質を満たした低酸素濃度で、かつ良好な酸素濃度の面内分布の単結晶を効率よく製造することができた。

　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。

Claims

　引き上げ炉に備えられた上側コイル及び下側コイルで形成するカスプ磁場を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
　直胴工程において、シリコン単結晶の回転速度を７ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下、石英ルツボの回転速度を１．０ｒｐｍ以下、前記カスプ磁場の磁場極小面の位置を原料融液表面から下方に１０ｍｍ～上方に５ｍｍの範囲内、磁場極小面と同じ高さの面と石英ルツボ内壁の交点における前記カスプ磁場の磁場強度を８００～１２００Ｇとしてシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
　前記シリコン単結晶として、ＡＳＴＭ’７９に基づく酸素濃度が２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり、かつ、前記シリコン単結晶の成長方向と直交する結晶断面内のＲＯＧが８％以下のものを製造することを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。