JP2005015288A - 単結晶の製造方法及び単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＺ法により単結晶を育成する際に、引上げ速度Ｖを低速化させずに結晶引上げ中の結晶温度勾配Ｇの変化を制御することによりＶ／Ｇを制御して、所望の欠陥領域を有する単結晶を短時間で効率的に、かつ高い歩留まりで製造することのできる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って単結晶を原料融液から引上げて製造する方法において、前記単結晶を育成する際に、前記単結晶の直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）で表したとき、該結晶温度勾配Ｇを前記原料融液を加熱するヒーターの位置を変更することにより制御して、引上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）を所望の欠陥領域を有する単結晶が育成できるように制御することを特徴とする単結晶の製造方法。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の製造方法に関し、特に所望の欠陥領域を有する単結晶を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板として用いられる単結晶には、例えばシリコン単結晶等があり、主にチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ、以下ＣＺ法と略称する）により製造されている。近年、半導体デバイスでは高集積化が促進され、素子の微細化が進んでいる。それに伴い、単結晶の結晶成長中に導入されるグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥の問題がより重要となっている。
【０００３】
ここで、グローンイン欠陥について図５を参照しながら説明する。
一般に、シリコン単結晶を成長させるときに、結晶成長速度Ｖ（結晶引上げ速度）が比較的高速の場合には、空孔型の点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）やＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在する。これらのボイド起因の欠陥が存在する領域はＶ（Ｖａｃａｎｃｙ）領域と呼ばれている。
【０００４】
また、結晶成長速度を低くしていくと成長速度の低下に伴いＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）領域が結晶の周辺からリング状に発生し、さらに成長速度を低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に収縮して消滅する。一方、さらに成長速度を低速にすると格子間シリコンが集合した転位ループ起因と考えられているＬＳＥＰＤ（Ｌａｒｇｅ Ｓｅｃｃｏ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｆｅｃｔ）、ＬＦＰＤ（Ｌａｒｇｅ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）等の欠陥が低密度に存在し、これらの欠陥が存在する領域はＩ（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）領域と呼ばれている。
【０００５】
近年、Ｖ領域とＩ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、ボイド起因のＦＰＤ、ＣＯＰ等の欠陥も、格子間シリコン起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等の欠陥も存在しない領域の存在が発見されている。この領域はＮ（ニュートラル、Ｎｅｕｔｒａｌ）領域と呼ばれる。また、このＮ領域をさらに分類すると、ＯＳＦリングの外側に隣接するＮｖ領域（空孔の多い領域）とＩ領域に隣接するＮｉ領域（格子間シリコンが多い領域）とがあり、Ｎｖ領域では、熱酸化処理をした際に酸素析出量が多く、Ｎｉ領域では酸素析出が殆ど無いことがわかっている。
【０００６】
さらに、熱酸化処理後、酸素析出が発生し易いＮｖ領域の一部に、Ｃｕデポジション処理で検出される欠陥が著しく発生する領域（以下、Ｃｕデポ欠陥領域という）があることが見出されており、これは酸化膜耐圧特性のような電気特性を劣化させる原因になることがわかっている。
【０００７】
これらのグローンイン欠陥は、単結晶を成長させるときの引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）と固液界面近傍のシリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇ（℃／ｍｍ）の比であるＶ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）というパラメーターにより、その導入量が決定されると考えられている（例えば、非特許文献１参照）。すなわち、Ｖ／Ｇを所定の値で一定に制御しながら単結晶の育成を行うことにより、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有する単結晶を製造することが可能となる。
【０００８】
例えば特許文献１では、シリコン単結晶を育成する際に、結晶中心でＶ／Ｇ値を所定の範囲内（例えば、０．１１２〜０．１４２ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）に制御して単結晶を引上げることによって、ボイド起因の欠陥及び転位ループ起因の欠陥が存在しないシリコン単結晶ウエーハを得ることができることが示されている。また、近年では、Ｃｕデポ欠陥領域を含まないＮ領域の無欠陥結晶に対する要求が高まりつつあり、Ｖ／Ｇを所望の無欠陥領域に高精度に制御しながら単結晶を引上げる単結晶の製造が要求されてきている。
【０００９】
一般的に、引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇは、単結晶の育成が行われる単結晶引上げ装置のＨＺ（ホットゾーン：炉内構造）により一義的に決まるものとされていた。しかしながら、単結晶引上げ中にＨＺを変更することは極めて困難であることから、上記のようにＶ／Ｇを制御して単結晶の育成を行う場合、結晶温度勾配Ｇを単結晶引上げ中に制御することは行われず、引上げ速度Ｖを調節することによってＶ／Ｇ値を制御して所望の欠陥領域を有する単結晶を製造することが行われている。
【００１０】
また、一般に結晶温度勾配Ｇは単結晶の成長が進むにつれて低下する傾向にあることが知られており、単結晶直胴部の成長開始時より成長終了時の方が小さくなる。したがって、Ｖ／Ｇを所望の値でほぼ一定に制御するためには、単結晶の成長が進むにつれて、引上げ速度Ｖを結晶温度勾配Ｇの変化（低下）に合わせて低速となるように変更していかなければならず、その結果、単結晶直胴部の育成にかかる時間が長くなるため生産性が低下するという問題が生じていた。
【００１１】
さらに、単結晶直胴部の成長終了時における引上げ速度は、その後単結晶尾部を形成するために行う丸め工程での単結晶の引上げ速度及び引上げ時間に影響を与えている。そのため、上記のように直胴部成長終了時の引上げ速度が低速になると、丸め工程における引上げ速度も低速化して引上げ時間をさらに長引かせてしまうため、単結晶製造における生産性を著しく低下させて製造コストの上昇を招くといった問題があった。
【００１２】
加えて、従来の単結晶の製造においては、単結晶の引上げ速度は、育成する単結晶の直径を制御するパラメーターの一つとしても使用されている。そのため、上記のように所望の欠陥領域で単結晶を育成する場合は、引上げ速度を調節することによりＶ／Ｇの制御を行うと同時に単結晶の直径制御も行わなければならない。したがって、例えば単結晶の引上げ中にＶ／Ｇの制御と単結晶の直径制御を行う際に、それぞれの制御で互いに異なる条件で引上げ速度を変更したい場合ではどちらか一方の制御しか行うことができず、その結果、単結晶引上げ中に単結晶直径が大きく変動したり、または欠陥領域等の結晶品質が所望領域から外れてしまい、歩留まりの著しい低下を招いていた。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−１４７７８６号公報
【非特許文献１】
Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｋｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，５９（１９８２），６２５〜６４３
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ＣＺ法により単結晶を育成する際に、引上げ速度Ｖを低速化させずに結晶引上げ中の結晶温度勾配Ｇの変化を制御することによりＶ／Ｇを制御して、所望の欠陥領域を有する単結晶を短時間で効率的に、かつ高い歩留まりで製造することのできる単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、チョクラルスキー法によって単結晶を原料融液から引上げて製造する方法において、前記単結晶を育成する際に、前記単結晶の直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）で表したとき、該結晶温度勾配Ｇを前記原料融液を加熱するヒーターの位置を変更することにより制御して、引上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）を所望の欠陥領域を有する単結晶が育成できるように制御することを特徴とする単結晶の製造方法が提供される（請求項１）。
【００１６】
このように、ＣＺ法によって単結晶を育成する際に、原料融液を加熱するヒーターの位置を変更することによって結晶温度勾配Ｇを制御することができ、それによって、引上げ速度Ｖを低速化させずにＶ／Ｇを制御することが可能となり、所望の欠陥領域を有する単結晶を短時間で効率的に製造することができる。そして、このように単結晶を効率的に製造することができれば、単結晶の製造における生産性を向上させて、コストの低減を図ることができる。さらに、このようにヒーターの位置を変更することによってＶ／Ｇを制御すれば、Ｖ／Ｇの制御を高精度で行うと同時に引上げ速度による単結晶の直径制御も高精度に安定して行うことが可能となるので、所望の結晶品質及び結晶直径を有する高品質の単結晶を高い歩留まりで安定して製造することができる。
【００１７】
このとき、前記引上げ速度Ｖを一定の値にして単結晶の引上げを行うことができる（請求項２）。
本発明の単結晶の製造方法によれば、上記のように原料融液を加熱するヒーターの位置を変更して結晶温度勾配Ｇを制御できるので、引上げ速度Ｖを一定の値にして単結晶の引上げを行っても、Ｖ／Ｇを所望欠陥領域の単結晶が育成できるように容易に制御することができる。したがって、引上げ速度Ｖを高速で一定に保ったまま、結晶成長軸方向で同じ欠陥領域を有する単結晶を容易に引上げることができる。尚、本発明で言う引上げ速度Ｖを一定の値にするとは、単結晶直胴部の各結晶部位におけるそれぞれの平均引上げ速度を一定にすることを意味するものであり、単結晶の各結晶部位における平均引上げ速度が一定の値となれば、単結晶の直径を所定値に精度良く制御するために、各結晶部位で平均引上げ速度に対して所定範囲内でＶを変動させることができるものである。
【００１８】
この場合、前記Ｖ／Ｇを、前記育成する単結晶の欠陥領域が径方向の全面にわたってＮ領域となるように制御することが好ましい（請求項３）。
このように、Ｖ／Ｇを単結晶の欠陥領域が径方向全面でＮ領域となるように制御することによって、ＦＰＤやＣＯＰ等のボイド起因の欠陥も、またＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等の転位ループ起因の欠陥も存在しない非常に高品質の単結晶を高生産性、高歩留まりで製造することができる。
【００１９】
また、本発明では、前記ヒーターの位置を、予め試験を行って求めた変更条件に従って自動的に変更することが好ましい（請求項４）。
このように、ヒーターの位置を変更して結晶温度勾配Ｇを制御する際に、実際に単結晶の製造が行われる製造環境でのヒーターの位置と結晶温度勾配Ｇとの関係を予めシミュレーション解析、あるいは実生産等の試験を行って明らかにし、そこで得られた情報を基にヒーターの位置を変更する変更条件を求めておく。そして、その求めた変更条件に従って単結晶引上げ中にヒーターの位置を自動的に変更することによって、結晶温度勾配Ｇを高精度に自動制御することが可能となり、所望の欠陥領域を有する単結晶を安定して製造することができる。
【００２０】
さらに、前記ヒーター位置を変更する変更条件を、単結晶の製造バッチ間で調節することが好ましい（請求項５）。
通常、単結晶の製造を複数バッチ繰り返して行うと、単結晶引上げ装置でＨＺを構成するパーツの劣化等の原因により、単結晶の製造バッチ間で製造環境が変化してしまう場合がある。しかしながら、本発明のようにヒーターの位置を変更する変更条件を単結晶の製造バッチ間で調節することによって、製造環境の変化を補正することが可能となり、単結晶の製造を複数バッチ繰り返し行っても製造バッチ間で品質のバラツキが生じずに非常に安定して単結晶の製造を行うことができる。
【００２１】
さらに、前記製造する単結晶をシリコン単結晶とすることができる（請求項６）。
このように、本発明の単結晶の製造方法は、シリコン単結晶を製造する場合に特に好適に用いることができ、それにより、引上げ速度Ｖを低速化させずにＶ／Ｇを制御して、所望の欠陥領域を有するシリコン単結晶を短時間で効率的に、また高い歩留まりで製造することができる。
【００２２】
そして、本発明によれば、前記単結晶の製造方法により製造された単結晶が提供される（請求項７）。
本発明により製造された単結晶は、所望の欠陥領域を有し、結晶直径も均一な非常に高品質の単結晶とすることができる。さらに、本発明の単結晶は、短時間で効率的にまた高歩留まりで製造されたものであるので、従来に比べて安価なものとなる。
【００２３】
さらに、本発明によれば、チョクラルスキー法により原料融液から単結晶を引き上げる際に使用する単結晶引上げ装置であって、少なくとも、前記原料融液を収容するルツボと、前記原料融液を加熱するヒーターと、該ヒーターの位置を上下に調節するヒーター駆動手段と、前記単結晶を回転させながら引上げる引上げ機構と、前記原料融液の融液面に対向配置された遮熱部材と、前記ヒーター駆動手段を調節してヒーターの位置を変更する駆動制御手段とを具備することを特徴とする単結晶引上げ装置が提供される（請求項８）。
【００２４】
このような構成を有する単結晶引上げ装置であれば、ヒーターの位置を容易に変更することができるようになり、単結晶引上げ中に結晶温度勾配Ｇを制御して引上げ速度Ｖを低速化させずにＶ／Ｇを所望欠陥領域を有する単結晶が育成できるように制御できる単結晶引上げ装置とすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者等は、所望の欠陥領域を有する単結晶を短時間で効率的に製造する方法について鋭意実験及び検討を重ねた結果、Ｖ／Ｇの制御を結晶温度勾配Ｇを制御して行えば良いと考え、単結晶を育成する際に結晶温度勾配Ｇに与える影響が大きいと思われる原料融液の加熱を行うヒーターの位置（ヒーターポジション）に注目した。
【００２６】
従来のＣＺ法による単結晶の育成では、通常原料融液を加熱するヒーターはチャンバ内で固定されていたため、単結晶の育成中にヒーターの位置を変化させることはなかったが、本発明者等は、加熱ヒーターの位置をチャンバ内で独立して移動調節できるようにしておき、単結晶引上げ中に加熱ヒーターの位置を故意に変化させることによって固液界面近傍のシリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇを制御できること、またそれによって単結晶引上げ中に引上げ速度Ｖを低速に変更させずにＶ／Ｇの制御が可能であることを見出した。
【００２７】
ここで、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ， Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ， Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ， Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ， ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ， Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を用いて、単結晶の引上げ中にチャンバ内で原料融液を加熱するヒーターの位置を変化させた場合のヒーターの発熱中心位置と原料融液の融液面との相対距離Ｌに対する引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇの変化についてシミュレーション解析した結果の一例を図１に示す。
【００２８】
図１に示したように、シミュレーション解析の結果、ヒーターの位置を変化させてヒーターの発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌを変えることによって結晶温度勾配Ｇが変化することが明らかとなり、例えばヒーターの位置を変化させてヒーターの発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌを増大させれば、結晶温度勾配Ｇを大きくすることができ、また一方相対距離Ｌを減少させれば結晶温度勾配Ｇを小さくできることがわかった。
【００２９】
本発明は、このような単結晶引上げ中のヒーターの位置と結晶温度勾配Ｇとの関係を利用したものである。
すなわち、本発明の単結晶の製造方法は、ＣＺ法によって単結晶を育成する際に、結晶温度勾配Ｇが小さくなるような領域ではヒーターの発熱中心位置と原料融液面との相対距離が増大するようにヒーターの位置を変更して（ヒーターの位置を下げる）、また逆に結晶温度勾配Ｇが大きくなるような領域では上記の相対距離が減少するようにヒーターの位置を変更して（ヒーターの位置を上げる）単結晶の成長を行うことにより成長軸方向で結晶温度勾配Ｇを制御して、所望の欠陥領域を有する単結晶が育成できるようにＶ／Ｇを所望値に制御することに特徴を有するものである。
【００３０】
以下、本発明の単結晶の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の単結晶の製造方法で用いられる単結晶引上げ装置は、単結晶の引上げ中に原料融液を加熱するヒーターの位置を独立して変更できるものであれば特に限定されないが、例えば図４に示すような単結晶引上げ装置を用いることができる。先ず、図４を参照しながら、本発明の単結晶の製造方法を実施する際に使用することのできる単結晶引上げ装置について説明する。
【００３１】
図４に示した単結晶引上げ装置２０は、メインチャンバ１内に、原料融液４を収容する石英ルツボ５と、この石英ルツボ５を保護する黒鉛ルツボ６とがルツボ駆動機構（不図示）によって回転・昇降自在に保持軸１３で支持されており、またこれらのルツボ５、６を取り囲むようにして原料融液を加熱するための加熱ヒーター７と断熱材８が配置され、さらに加熱ヒーター７の位置を上下に調節できるようにヒーター駆動手段１９が設けられている。
【００３２】
また、メインチャンバ１の上部には育成した単結晶３を収容し、取り出すための引上げチャンバ２が連接されており、引上げチャンバ２の上部には単結晶３をワイヤー１４で回転させながら引上げる引上げ機構１７が設けられている。
【００３３】
さらに、メインチャンバ１の内部にはガス整流筒１１が設けられており、このガス整流筒１１の下部には原料融液４と対向するように遮熱部材１２を設置して、原料融液４の表面からの輻射をカットするとともに原料融液４の表面を保温するようにしている。さらに、引上げチャンバ２の上部に設けられたガス導入口１０からはアルゴンガス等の不活性ガスを導入でき、引上げ中の単結晶３とガス整流筒１１との間を通過させた後、原料融液４の融液面上を通過させ、ガス流出口９から排出することができる。
【００３４】
また、上記のヒーター駆動手段１９は駆動制御手段１８に接続されており、例えばこの駆動制御手段１８に、加熱ヒーター７の位置、ＣＣＤカメラ２１で測定した原料融液４の融液面の位置、引上げ結晶の直径、引上げ機構１７から得られる単結晶の引上げ長さ等の情報がフィードバックされることにより、駆動制御手段１８でヒーター駆動手段１９を調節して単結晶の引上げ長さ等に応じて加熱ヒーターの位置を精度良く制御・変更することができるようになっている。
【００３５】
このような単結晶引上げ装置２０を用いて、ＣＺ法により例えばシリコン単結晶を育成する場合、種ホルダー１５に固定された種結晶１６を石英ルツボ５中の原料融液４に浸漬し、その後回転させながら静かに引上げて種絞りを形成した後所望の直径まで拡径し、略円柱形状の直胴部を有するシリコン単結晶３を成長させることができる。このとき、単結晶の育成が進むにつれて原料融液４の融液量は減少するが、融液量の減少に伴ってルツボ駆動機構（不図示）で石英ルツボ５及び黒鉛ルツボ６を上昇させることによって、原料融液４の融液面の位置を常に一定の高さに維持することができる。尚、本発明の単結晶の製造では、単結晶引上げ中の原料融液面は必ずしも一定の高さに維持する必要はないが、このように単結晶の引上げ中に原料融液面の位置を常に一定の高さに維持することによって、所望の結晶品質（欠陥領域）を有する単結晶を非常に安定して育成することができる。
【００３６】
本発明は、このようにしてシリコン単結晶３を育成する際に、加熱ヒーター７の位置を独立して変更することによって、加熱ヒーター７の発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌを結晶成長方向で変化させて固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Ｇを制御することができ、それによって、引上げ速度Ｖを低速化させずに一定の値に維持しながらＶ／Ｇを制御して、所望の欠陥領域を有する単結晶を短時間で効率的に育成することができるものである。
【００３７】
具体的に説明すると、例えばシリコン単結晶を欠陥領域が径方向の全面にわたってＮ領域となるように育成する場合、単結晶の直胴部をＮ領域で育成できるように引上げ速度Ｖを単結晶の製造が行われる製造環境（例えば、単結晶引上げ装置のＨＺ等）に応じて設定する。このとき、引上げ速度Ｖは、単結晶をＮ領域で育成できる範囲の最大値に設定することができる。
【００３８】
そして、このように設定した引上げ速度Ｖで単結晶直胴部を育成するときに、そのまま直胴部を引上げた場合に結晶温度勾配Ｇが小さくなる領域では加熱ヒーター７の発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌが大きくなるように加熱ヒーター７の位置をヒーター駆動手段１９によって変更し、また逆に結晶温度勾配Ｇが大きくなる領域では上記相対距離Ｌが小さくなるように加熱ヒーター７の位置を変更して単結晶の育成を行うことによって、単結晶引上げ中に結晶温度勾配Ｇを制御することができ、引上げ速度Ｖに依らずにＶ／Ｇを所定値（Ｎ領域）に制御することが可能となる。
【００３９】
この場合、加熱ヒーター７の位置を変更するときのヒーター位置の制御範囲については、加熱ヒーター７で原料融液を例えば原料の融点以上の温度まで十分に加熱することができれば特に限定されず、実際に単結晶の製造が行われる製造環境等に応じて適宜決定することができる。例えば、通常一般的に行われているＣＺ法による単結晶の製造であれば、加熱ヒーター７の発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌが０〜５００ｍｍの範囲で、好ましくは１０〜２００ｍｍ、さらに好ましくは３０〜１００ｍｍの範囲で変化するように加熱ヒーター７の位置を変更することができ、それによって、原料融液の加熱を十分に行うことができるとともにＶ／Ｇの制御を非常に高精度で安定して行うことができる。また、ここでは、原料融液面の位置よりヒーター発熱中心が下となる場合を例として説明しているが、もちろんヒーター発熱中心を融液面より上となるように制御することも可能である。
【００４０】
このように、本発明によれば、単結晶引上げ中に加熱ヒーターの位置を独立に変更して結晶温度勾配Ｇを制御することにより、引上げ速度Ｖを従来のように低速化させることなく所定の値以上に、特にはその欠陥領域となる最大引上げ速度で一定に維持したまま、所望の欠陥領域、例えばＮ領域を有する単結晶が得られるようにＶ／Ｇを容易に制御することができる。もちろん、本発明は加熱ヒーターの位置を変化させることにより結晶温度勾配Ｇを制御し、所望欠陥領域内で単結晶を成長させるのであれば、引上げ速度Ｖは必ずしも一定の値にする必要はないが、上記のように所望欠陥領域となる引上げ速度の最大値で一定になるようにすれば、単結晶の生産性を大幅に向上させることができる。
【００４１】
すなわち、本発明の単結晶の製造方法は、単結晶直胴部を引上げる際の平均結晶引上げ速度を向上できるので、従来よりも単結晶直胴部の育成を短時間で行うことができるし、さらに単結晶直胴部の成長終了時の引上げ速度が低速にならないので、その後の丸め工程における引上げ時間も短縮することができるため、結晶径方向の全面がＮ領域となる非常に高品質のシリコン単結晶を高い生産性で製造することができる。また、製造時間が短縮されることにより、結晶が有転位化する可能性も低減し、生産性だけでなく、歩留りをも向上させることができる。その結果、単結晶の生産性が向上して大幅なコストダウンを図ることができ、非常に安価に単結晶を提供することができる。
【００４２】
また、本発明は、上記のように引上げ速度Ｖに依らずにＶ／Ｇを所定値に制御できるため、平均引上げ速度を例えば一定にして、加熱ヒーターの位置と供給電力を変更してＶ／Ｇの制御を高精度で行うと同時に単結晶の直径を安定して制御することが可能となる。したがって、結晶成長軸方向で単結晶の直径のバラツキを低減して不良の発生を防止することができ、所望の結晶品質及び均一な結晶直径を有する非常に高品質の単結晶を高歩留まりで製造することができる。
【００４３】
さらに、単結晶を育成する際に本発明のようにして結晶温度勾配Ｇを制御することによって、Ｖ／Ｇの制御性を向上させることができる。そのため、例えば図５に示すような、Ｃｕデポ欠陥領域を含まないＮ領域中のＮｖ領域やＮｉ領域といった狭い領域にＶ／Ｇを高精度に制御して単結晶を製造することが可能となり、所望の欠陥領域を結晶成長軸方向の全域に渡って有する高品質の単結晶を非常に安定して得ることができる。
【００４４】
また、このような本発明の単結晶の製造方法では、予め、単結晶の製造を行う製造環境において結晶温度勾配Ｇの状態や結晶温度勾配Ｇと加熱ヒーターの位置との関係（例えば、結晶温度勾配Ｇとヒーター発熱中心位置から原料融液面までの相対距離Ｌとの関係）等を例えばシミュレーション解析、あるいは実測等の試験を行って調べておくことによって、単結晶引上げ中に加熱ヒーターの位置を変更させる変更条件を詳細に求めることができる。
【００４５】
そして、このようにして予め求めたヒーター位置を変更する変更条件を図４に示した駆動制御手段１８に入力しておき、単結晶を育成する際に駆動制御手段１８でヒーター駆動手段１９を、例えば引上げ機構１７から得られる単結晶引上げ長さやＣＣＤカメラ２１で測定した原料融液面の位置等の情報に基づいて変更条件に従って調節することによって、加熱ヒーター７の位置を自動的に変更して結晶温度勾配Ｇを高精度に制御することができる。したがって、Ｖ／Ｇの制御を自動で高精度に行うことが可能となり、所望の欠陥領域を有する単結晶の製造を容易に安定して行うことができる。
【００４６】
さらに、本発明の単結晶の製造方法において、ＣＺ法により単結晶を複数バッチ連続して製造する場合、加熱ヒーターの位置を変更する変更条件を単結晶の製造バッチ間で調節することが好ましい。
通常、単結晶の製造を複数バッチ繰り返して行うと、単結晶引上げ装置でＨＺを構成するパーツの劣化等の原因により、単結晶の製造バッチ間でＨＺ等の製造環境が変化してしまうことがある。特に、ＨＺのパーツは黒鉛製のものが多く用いられ、その中でもヒーターは通常黒鉛ヒーターであることが多く、使用により徐々に温度分布が変化する。そして、このように単結晶の製造バッチ間で製造環境が変化すると、結晶温度勾配Ｇも製造バッチ間で変化することになる。
【００４７】
したがって、単結晶を複数バッチ製造する場合、上記のようにヒーター位置の変更条件を単結晶の製造バッチ間で製造環境の変化等に応じて調節することによって、製造環境の変化を補正することが可能となり、製造バッチ間で品質のバラツキを生じさせずに高品質の単結晶を非常に安定して製造することができる。具体的には、前バッチにおける加熱ヒーターの位置と欠陥分布の関係をフィードバックして、次バッチ以降の製造条件を調整すれば良い。
【００４８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図４に示した単結晶引上げ装置２０を用いて、直径２４インチ（６００ｍｍ）の石英ルツボに原料多結晶シリコンを１５０ｋｇチャージし、ＣＺ法により、方位＜１００＞、直径２００ｍｍ、酸素濃度が２２〜２３ｐｐｍａ（ＡＳＴＭ’７９）となるシリコン単結晶を育成した（単結晶直胴部の長さは約１４０ｃｍ）。
【００４９】
このとき、単結晶引上げ中の引上げ条件については、予めシミュレーション解析を行って結晶温度勾配Ｇを調べておき、その解析の結果に基づいて、単結晶引上げ中に加熱ヒーターの発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌが以下の表１に示した値となるように加熱ヒーター７の位置を変更するとともに、引上げ速度を単結晶直胴部の１０ｃｍ以降で一定の値となるように制御して、Ｃｕデポジション欠陥が検出されないＮ領域で単結晶の育成を行った。尚、直胴部０ｃｍでの引上げ速度が高速であるのは、拡径部から直胴部に入るためのいわゆる肩部の引上げであるためで、肩部を形成することで直胴部の引上げに移行し、１０ｃｍ以内に引上げ速度を安定化させることができる。
【００５０】
【表１】

【００５１】
次に、上記のようにして育成した単結晶の成長軸方向１０ｃｍ毎の部位から約２ｍｍ厚のウエーハを切り出した後、平面研削及び研磨を行って検査用のサンプルを作製し、以下に示すような結晶品質特性の検査を行った。
【００５２】
（１）ＦＰＤ（Ｖ領域）及びＬＳＥＰＤ（Ｉ領域）の検査
検査用のサンプルに３０分間のセコエッチングを無攪拌で施した後、ウエーハ面内を顕微鏡で観察することにより結晶欠陥の有無を確認した。
（２）ＯＳＦの検査
検査用のサンプルにウエット酸素雰囲気下、１１００℃で１００分間の熱処理を行った後、ウエーハ面内を顕微鏡で観察することによりＯＳＦの有無を確認した。
（３）Ｃｕデポジション処理による欠陥の検査
検査用のサンプルの表面に酸化膜を形成した後、Ｃｕデポジション処理を行って酸化膜欠陥の有無を確認した。その際の評価条件は以下の通りである。
酸化膜：２５ｎｍ
電解強度：６ＭＶ／ｃｍ
電圧印加時間：５分間
（４）酸化膜耐圧特性の検査
検査用のサンプルに乾燥雰囲気中で熱酸化処理を行って２５ｎｍのゲート酸化膜を形成し、その上に８ｍｍ^２の電極面積を有するリンをドープしたポリシリコン電極を形成した。そして、この酸化膜上に形成したポリシリコン電極に電圧を印加して酸化膜耐圧の評価を行った。このとき、判定電流は１ｍＡ／ｃｍ^２とした。
【００５３】
（比較例）
上記実施例と同様の単結晶引上げ装置２０を用いて、直径２４インチ（６００ｍｍ）の石英ルツボに原料多結晶シリコンを１５０ｋｇチャージし、ＣＺ法により、引上げ速度が以下の表２に示した値となるように引上げ条件を制御してシリコン単結晶を育成した。このとき、加熱ヒーターの発熱中心位置と原料融液面との相対距離Ｌが以下の表２に示したように一定の値となるように加熱ヒーター７の位置を固定しておき、Ｃｕデポジション欠陥が検出されないＮ領域で単結晶の育成を行った。
そして、得られた単結晶の成長軸方向１０ｃｍ毎の部位から約２ｍｍ厚のウエーハを切り出した後、平面研削及び研磨を行って検査用のサンプルを作製し、実施例と同様の結晶品質特性の検査を行った。
【００５４】
【表２】

【００５５】
ここで、実施例及び比較例における単結晶の引上げ条件を比較するために、図２に、単結晶直胴部の結晶成長軸方向の長さと相対距離Ｌとの関係を表すグラフを示し、また図３に、直胴部の結晶成長軸方向の長さと引上げ速度との関係を表すグラフを示す。さらに、実施例及び比較例において単結晶直胴部を育成したときの直胴部１０ｃｍ以降の平均引上げ速度を計算して比較したところ、実施例の平均引上げ速度が比較例よりも０．０１４ｍｍ／ｍｉｎ程度大きかった。
【００５６】
また、上記のようにして実施例及び比較例で作製したシリコン単結晶にそれぞれ結晶品質特性の検査を行った結果、両シリコン単結晶とも単結晶直胴部１０ｃｍから直胴部終端までの領域において、ＦＰＤ、ＬＳＥＰＤ、ＯＳＦの何れの欠陥も検出されず、またＣｕデポジション処理による欠陥も観察されなかった。さらに酸化膜耐圧特性の評価では、酸化膜耐圧レベルは１００％の良品率であった。
【００５７】
一方、実施例及び比較例で得られたシリコン単結晶の直胴部形状を目視にて観察したところ、実施例のシリコン単結晶には結晶成長軸方向で直径のバラツキは見られず不良となる箇所は確認されなかったが、比較例のシリコン単結晶には直胴部の４０〜６０ｃｍの領域で結晶形状に変形が見られた。
【００５８】
以上の結果より、引上げ速度を一定の値にして単結晶を育成した実施例は、比較例と比べて、結晶品質が同等以上となるシリコン単結晶をより短い時間で効率的に製造できることがわかった。また、歩留まりの点においても、実施例のシリコン単結晶に不良箇所が観察されなかったことから、比較例に対して同等以上の高い歩留まりを達成できることが確認できた。
【００５９】
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。
【００６０】
例えば、上記実施の形態では単結晶をＮ領域で育成する場合を例に挙げて説明を行っているが、本発明はこれに限定されず、Ｖ領域またはＩ領域、あるいはＯＳＦ領域といった所望の欠陥領域で単結晶を育成することもできる。また、本発明は、シリコン単結晶を製造する場合に好適に用いることができるが、これに限定されるものではなく、化合物半導体単結晶等を製造する場合にも同様に適用することができる。
【００６１】
尚、本発明の単結晶の製造方法は、必ずしも単結晶直胴部の全長で実施する場合に限られず、一部の長さに渡って結晶温度勾配Ｇをヒーターの位置を変更することによって制御し、所望の欠陥領域とする場合を含む。特に上記のように、直胴部の前半である肩部から１０ｃｍの領域は、引上げ速度や直径が安定しないことがあるので、これが定常状態となり易い直胴部の５ｃｍ以降あるいは１０ｃｍ以降で行うのが好ましい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単結晶を引上げる際に原料融液を加熱するヒーターの位置を変更することによって結晶温度勾配Ｇを制御することができ、それによって、引上げ速度Ｖに依らずにＶ／Ｇを高精度に制御することができる。したがって、引上げ速度Ｖを低速化させずに一定の値にして所望の欠陥領域を有する単結晶を育成することができ、従来よりも短時間で効率的な単結晶製造を行うことが可能となるし、また単結晶の直径のバラツキも低減できるので、単結晶の製造における生産性や歩留まりを向上させて大幅なコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒーターの発熱中心位置から原料融液面までの相対距離Ｌと結晶温度勾配Ｇとの関係の一例を示すグラフである。
【図２】実施例及び比較例において単結晶を育成するときの単結晶直胴部の成長軸方向の長さと相対距離Ｌとの関係を示したグラフである。
【図３】実施例及び比較例において単結晶を育成するときの単結晶直胴部の成長軸方向の長さと引上げ速度との関係を示したグラフである。
【図４】本発明の単結晶の製造方法を実施する際に使用することのできる単結晶引上げ装置の一例を説明する構成概略図である。
【図５】Ｖ／Ｇと結晶欠陥分布の関係を表す説明図である。
【符号の説明】
１…メインチャンバ、 ２…引上げチャンバ、
３…単結晶（シリコン単結晶）、 ４…原料融液、 ５…石英ルツボ、
６…黒鉛ルツボ、 ７…加熱ヒーター、 ８…断熱材、
９…ガス流出口、 １０…ガス導入口、 １１…ガス整流筒、
１２…遮熱部材、 １３…保持軸、 １４…ワイヤー、
１５…種ホルダー、 １６…種結晶、 １７…引上げ機構、
１８…駆動制御手段、 １９…ヒーター駆動手段、
２０…単結晶引上げ装置、 ２１…ＣＣＤカメラ。

Claims (8)

1. チョクラルスキー法によって単結晶を原料融液から引上げて製造する方法において、前記単結晶を育成する際に、前記単結晶の直胴部を成長させるときの引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）で表したとき、該結晶温度勾配Ｇを前記原料融液を加熱するヒーターの位置を変更することにより制御して、引上げ速度Ｖと結晶温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）を所望の欠陥領域を有する単結晶が育成できるように制御することを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記引上げ速度Ｖを一定の値にして単結晶の引上げを行うことを特徴とする請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 前記Ｖ／Ｇを、前記育成する単結晶の欠陥領域が径方向の全面にわたってＮ領域となるように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶の製造方法。
4. 前記ヒーターの位置を、予め試験を行って求めた変更条件に従って自動的に変更することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
5. 前記ヒーター位置を変更する変更条件を、単結晶の製造バッチ間で調節することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
6. 前記製造する単結晶をシリコン単結晶とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法により製造された単結晶。
8. チョクラルスキー法により原料融液から単結晶を引き上げる際に使用する単結晶引上げ装置であって、少なくとも、前記原料融液を収容するルツボと、前記原料融液を加熱するヒーターと、該ヒーターの位置を上下に調節するヒーター駆動手段と、前記単結晶を回転させながら引上げる引上げ機構と、前記原料融液の融液面に対向配置された遮熱部材と、前記ヒーター駆動手段を調節してヒーターの位置を変更する駆動制御手段とを具備することを特徴とする単結晶引上げ装置。

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