JP5104437B2 - 炭素ドープ単結晶製造方法 - Google Patents

Description

本発明はメモリーやＣＰＵなど半導体デバイスの基板として用いられるシリコンウェーハを切り出す炭素ドープ単結晶製造方法に関するものであり、特に最先端分野で用いられている炭素をドープして結晶欠陥及び不純物ゲッタリングのためのＢＭＤ密度を制御した炭素ドープ単結晶製造方法に用いて好適なものである。

メモリーやＣＰＵなど半導体デバイスの基板として用いられるシリコンウェーハを切り出すシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー法（ＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉＭｅｔｈｏｄ、以下ＣＺ法と略称する）により製造されている。

ＣＺ法により作製されたシリコン単結晶中には酸素原子が含まれており、該シリコン単結晶から切り出されるシリコンウェーハを用いデバイスを製造する際、シリコン原子と酸素原子とが結合し酸素析出物（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ；以下ＢＭＤと略称する）が形成される。このＢＭＤは、ウェーハ内部の重金属などの汚染原子を捕獲しデバイス特性を向上させるＩＧ（ＩｎｔｒｉｎｓｉｃＧｅｔｔｅｒｉｎｇ）能力を有することが知られ、ウェーハのバルク部でのＢＭＤ濃度が高くなるほど高性能のデバイスを得ることができる。
近年では、シリコンウェーハ中の結晶欠陥を制御しつつ十分なＩＧ能力を付与するために、炭素や窒素を意図的にドープしてシリコン単結晶を製造することが行われている。

シリコン単結晶に炭素をドープする方法に関しては、ガスドープ（特許文献１参照）、高純度炭素粉末（特許文献２参照）、炭素塊（特許文献３参照）などが提案されている。しかしながら、ガスドープでは結晶が有転位化した場合の再溶融が不可能である、高純度炭素粉末では原料溶融時に導入ガス等によって高純度炭素粉末が飛散する、炭素塊では炭素が溶けにくい上育成中の結晶が有転位化する、という問題がそれぞれあった。

これらの問題を解決できる手段として、特許文献４では、炭素粉末を入れたシリコン多結晶製容器、炭素を気相成膜したシリコンウェーハ、炭素粒子を含む有機溶剤を塗布しベーキングしたシリコンウェーハ、あるいは炭素を所定量含有させた多結晶シリコンをルツボ内に投入することによりシリコン単結晶に炭素をドープする方法が提案されている。これらの方法を用いれば前述のような問題を解決可能である。しかしながら、これらの方法はいずれも多結晶シリコンの加工やウェーハの熱処理などが伴い、炭素ドープ剤の準備が容易ではない。更にはドープ剤を調整するための加工やウェーハ熱処理において不純物の汚染を受ける可能性もあった。

また、炭素と窒素を同時にドープして、グローンイン欠陥が少なく且つＩＧ能力が高いシリコン単結晶を得る方法が特許文献５及び特許文献６に開示されている。シリコン単結晶中に窒素をドープする方法としては、表面に窒化珪素膜を形成したウェーハを多結晶原料に混入する方法（ 例えば特許文献７参照） が一般的に用いられている。

特開平１１−３０２０９９号公報 特開２００２−２９３６９１号公報 特開２００３−１４６７９６号公報 特開平１１−３１２６８３号公報 特開２００１−１９９７９４号公報 国際公開第０１／７９５９３号公報 特開平５−２９４７８０号公報 特開２００６−０６９８５２号公報 特開２００５−３２０２０３号公報

さらに、上記の問題を解決するとして、特許文献７〜９が提案されている。

しかし、特許文献７〜９の技術であっても、以下のような問題が解決されていなかった。
１． るつぼ中に供給した炭素が、原料融解後に、ルツボ内表面と反応して、ＳｉＣが形成されて、このＳｉＣが引き上げる単結晶品質を低下する。
２． 原料純度、コスト面から、炭素粉末を利用したいという要求があるが、依然として、飛散、粉末故の難溶解性に伴う予期しない部分への付着、およびこれらに付随したＳｉＣ形成や、引き上げ単結晶品質低下への悪影響が改善されない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものである。

本発明の炭素ドープ単結晶製造方法は、チョクラルスキー法によりチャンバ内において炭素をドープしてシリコン単結晶を製造する方法であって、
ルツボ内にシリコン原料を配置する工程において、炭素ドープ剤を、前記ルツボ内面に対して５ｃｍ以上離れた位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうとともに、
前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、配置した前記シリコン原料の上側表面から５ｃｍ以上内側位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことを特徴とする。
本発明の炭素ドープ単結晶製造方法は、チョクラルスキー法によりチャンバ内において炭素をドープしてシリコン単結晶を製造する方法であって、ルツボ内にシリコン原料を配置する工程において、炭素ドープ剤を、前記ルツボ内面に対して５ｃｍ以上離れた位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことで、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、粉末故の難溶解性に伴い、未溶融の粉末により有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、配置した前記シリコン原料の上側表面から５ｃｍ以上内側位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことにより、炭素ドープ剤が充分シリコン原料の内側に位置しているので、ヒートキャップからルツボに配置された溶融前のシリコン原料に吹き付けることになるガス流が炭素ドープ剤に直接吹き付けるといった影響を低減して、たとえ炭素ドープ剤が粉末であっても飛散したり、炭素ドープ剤がシリコン原料の溶融前から溶融中においてその配置位置が変化することがなく、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することができる。これにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、配置した前記シリコン原料内で、前記ルツボ底面から前記シリコン原料上側表面までの高さＨに対して、Ｈ／２であるこの中心位置から上下Ｈ／４の高さ位置範囲内に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことにより、炭素ドープ剤が充分シリコン原料の内側に位置しているので、ヒートキャップからルツボに配置された溶融前のシリコン原料に吹き付けることになるガス流が炭素ドープ剤に直接吹き付けるといった影響を低減して、たとえ炭素ドープ剤が粉末であっても飛散したり、炭素ドープ剤がシリコン原料の溶融前から溶融中においてその配置位置が変化することがなく、同時に、溶融前の配置位置から炭素ドープ剤が落下し、ルツボ底面付近に近づいた状態でシリコン原料を溶融することがなく、ルツボ底面でのＳｉＣ発生等の不具合を低減して、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することができる。これにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、前記ルツボ半径Ｒに対して、平面視した前記ルツボ中心から、Ｒ／２である横方向位置範囲内に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことにより、炭素ドープ剤が充分シリコン原料の内側に位置しているので、シリコン原料の溶融途中で炭素ドープ剤がルツボ内側面などに接触してしまうことを低減でき、ルツボ内側面でのＳｉＣ発生等の不具合を低減して、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することができる。これにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記炭素ドープ剤が炭素粉末とされることにより、高純度のドープ剤を利用でき、これにより、単結晶における好ましくない不純物の混入を防止して、単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記炭素ドープ剤が純度９９．９９９％の炭素粉末とされることにより、単結晶における好ましくない不純物の混入を防止して、単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、配置した前記シリコン原料が少なくとも平面視して１０ｃｍ^２ 以上の塊状の原料を有し、該塊状のシリコン原料は前記炭素ドープ剤が載置可能な（炭素ドープ剤が落下しない）平面形状とされるとともに、該塊状のシリコン原料上に前記炭素ドープ剤が載置されることにより、溶融前の配置位置である塊状のシリコン原料上側から炭素ドープ剤が落下し、ルツボ底面付近に近づくか接触した状態でシリコン原料を溶融することを防止でき、ルツボ底面でのＳｉＣ発生等の不具合を低減して、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することが可能となる。これにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。
ここで、塊状のシリコン原料は前記炭素ドープ剤が載置可能とは、このシリコン原料に載置した炭素ドープ剤が落下しない程度の平面視した大きさを有し、かつ、炭素ドープ剤が落下しない程度に平坦であるか、シリコン原料を配置した際に、炭素ドープ剤が落下しない程度にシリコン原料表面に凹部を有することを意味する。具体的には、配置したシリコン原料の上側表面に凹部が存在し、その凹部の周囲が、凹部内側に比べて高さ方向５ｍｍ程度突出していれば充分である。

本発明は、前記炭素ドープ剤がシート状とされることにより、ヒートキャップからルツボに配置された溶融前のシリコン原料に吹き付けたガス流によって、炭素ドープ剤における位置変化の発生を低減して、炭素ドープ剤の飛散や、シリコン原料の溶融前から溶融中において炭素ドープ剤の配置位置の変化の発生を防止し、同時に、溶融前の配置位置から炭素ドープ剤が落下してルツボ底面でのＳｉＣ発生等の不具合を低減することができ、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することができる。これにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、ガス流による炭素ドープ剤配置位置の変化で起こりうる、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。
なお、シート状とは、炭素繊維を編み込んで作製した布状あるいはシート状のもののことをいう。また、炭素ドープ剤として、炭素繊維の素線、数本〜数千本の炭素繊維の素線の束をも適応することができ、この場合にも、純度９９．９９９％の炭素とされることが好ましい。

本発明は、配置した前記シリコン原料が、少なくとも前記炭素ドープ剤を挟むためのスリットが形成された塊状の原料を有することにより、あらかじめ選択した１以上の塊状のシリコン原料にスリットを形成するだけなので、炭素ドープ剤が落下することを防止でき、また、ガス流によって、炭素ドープ剤の配置（充填）位置が変化することを防止でき、シリコン原料の溶融状態によって、炭素ドープ剤のシリコン融液への浸漬状態を制御することができ、シリコン融液への炭素ドープをより高精度にコントロールすることができる。
なお、直径３００ｍｍの単結晶シリコンを引き上げる場合の例を示すと、シリコン単結晶のインゴットは、直径３０６ｍｍで直胴部２０００ｍｍ、原料総重量４００ｋｇとなり、インゴットトップ部のカーボン濃度が１〜２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃとなるように設定すると、カーボン重量４７０〜９５０ｍｇが必要である。従って、シート状の炭素ドープ剤では、厚さ１ｍｍの場合で２．６〜５．３ｃｍ^２ 程度の分量が必要となる。
従って、炭素ドープ剤がこのようなシート状とされた場合には、スリットの幅寸法１．５ｍｍ程度、奥行き１０〜１５ｍｍ、長さ寸法２ｃｍ以上シリコン原料塊のスリットに沿った最大サイズ寸法以下とされることが好ましく、このように設定されることにより、前記スリットにシート状の炭素ドープ剤を挟むことが容易となる。
上記の寸法のスリットを形成すれば、このスリット内に、必要なカーボン量を精度良く添加でき、成長軸方向のカーボン濃度の偏析のばらつき幅が少ないシリコン単結晶を、重金属等の汚染を伴うことなく、所定量の高純度カーボンをドーピングすることが可能で、成長軸方向のカーボン濃度の偏析のばらつき幅改善が可能である。
また、粉末状の炭素ドープ剤の場合には、スリットの幅寸法３ｍｍ程度、奥行き１０〜１５ｍｍ、長さ寸法２ｃｍ以上シリコン原料塊のスリットに沿った最大サイズ寸法以下とされることが好ましく、このように設定されることにより、前記スリットに粉末状の炭素ドープ剤を挟むことが容易となる。

本発明は、前記シリコン原料のスリットが、少なくとも前記シート状炭素ドープ剤の半分以上の面積を挿入可能な寸法に設定されることにより、炭素ドープ剤の配置位置が変化することを充分防止できる。
具体的には、炭素ドープ剤がシート状とされた場合には、スリットの幅寸法１ｍｍ程度、奥行き５〜７ｍｍ、長さ寸法１．５ｃｍ以上シリコン原料塊のスリットに沿った最大サイズ寸法以下とされることが好ましく、このように設定されることにより、前記スリットに挟むことが容易となる。

本発明は、前記配置填工程後の溶融状態制御工程において、前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、配置した前記シリコン原料の上側表面から２０〜５０ｃｍ上側位置とし、この状態で前記シリコン原料を溶融する溶融工程を開始することにより、ヒートキャップからルツボに配置された溶融前のシリコン原料に吹き付けることになるガス流により、炭素ドープ剤の配置位置が変化することを充分防止して、炭素ドープ剤に対するガス流の影響を低減して、たとえ炭素ドープ剤が粉末であっても飛散したり、炭素ドープ剤がシリコン原料の溶融前から溶融中においてその配置位置が変化することがない。
同時に、溶融前のシリコン原料配置中から溶融途中までの間、炭素ドープ剤に対するガス流の影響を低減することができる。これにより、配置位置から炭素ドープ剤が移動し、ルツボ内表面付近に近づいた状態でシリコン原料を溶融することがなく、ルツボ内表面でのＳｉＣ発生等の不具合を低減して、所望の炭素を含有したシリコン融液状態を実現することができ、炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応したＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、飛散した粉末の炭素ドープ剤が単結晶育成時に悪影響を与えることや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記溶融状態制御工程において、前記チャンバ内の炉内圧が２〜１３．３ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定され、この状態で前記シリコン原料を溶融する溶融工程を開始することができ、より好ましくは、前記チャンバ内の炉内圧が６．６６７ｋＰａ（５０ｔｏｒｒ）に設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、５０（L／ｍｉｎ）に設定されることができる。上記の範囲よりガス流量が大きいおよび／または炉内圧が低いと、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流が強くなってしまい、ガス流により炭素ドープ剤を配置した際に配置位置が変化する可能性や、粉末の炭素ドープ剤を配置した際に飛散する可能性があり好ましくない。また、上記の範囲よりガス流量が小さいおよび／または炉内圧が高いと、融液表面から蒸発した後、凝固したＳｉＯ粒子を効率的に排出することができず、引き上げる単結晶の特性を所望の状態にすることができないので好ましくない。

本発明は、前記溶融工程において、配置した前記シリコン原料の下側に比べて上側から先に融解するように、ヒータを制御することにより、シリコン原料を溶融する際に、ルツボ下部には溶融されたシリコン原料により融液が形成されつつもルツボ上部では原料が溶融せずにルツボ内壁に突っ張って固体のまま残るいわゆるブリッジと称される状態を引き起こしたり、シリコン原料の一部が、ルツボ上部の側壁に付着して固体のまま残るといった状態を生じさせ、こうしたブリッジが発生したりルツボ内壁にシリコン原料の固体が付着した状態のままルツボを加熱して原料の溶融を続けると、炭素ドープ剤が融液中に浸らずに、シリコン融液中の炭素濃度が所望の値にならない可能性があり、これにより引き上げる単結晶が所定の特性を有さないことを防止できる。
さらに、ブリッジや付着原料の重量により、加熱によって軟化しているルツボの形状を著しく変形させ、変形が著しい場合には結果的に引き上げがおこなえなくなるといった状態になったり、固体として残っていた原料やブリッジが崩落してルツボ内のシリコン融液に落下してルツボ内壁等に損傷を与えるといった問題や、このるつぼ内壁の損傷に起因して、引き上げる単結晶の特性が低下するという問題をも防止することができる。
ここで、前記シリコン原料の下側に比べて上側から先に融解するように、ヒータを制御するとは、具体的に、ルツボの周囲の上サイドヒータと下サイドヒータを有する構成の場合には、溶融開始時に、上サイドヒータの出力が下サイドヒータの１．０５〜２．３倍となるように制御し、シリコン融液の液面が引き上げ開始時の約半分の高さになった状態で、上サイドヒータの出力が下サイドヒータの１．０５〜０．９５倍となるように制御するものである。

さらに、具体的に、ルツボの周囲のサイドヒータとルツボ底部の下側にボトムヒータを有する構成の場合には、溶融開始時に、ボトムヒータに電力供給しないとともに、シリコン融液の液面が引き上げ開始時の約半分の高さになった状態で、ボトムヒータの出力がサイドヒータの０．５〜１．０５倍となるように制御することができる。

本発明は、前記溶融工程において、前記ルツボの中心部よりも外周部の温度が高くなる温度勾配を生じさせるように前記ルツボ内に磁場を印加することにより、シリコン原料溶解中に、シリコン融液表面においてルツボ中心方向に向かう融液中の対流を発生させて、炭素ドープ剤がルツボ中心部に向かう流れを作ることで、炭素ドープ剤がルツボ内壁面に付着してＳｉＣを形成することを防止できる。さらに、上述したブリッジの発生や、固定シリコン原料がルツボ内壁面に付着してしまうことを防止できる。

本発明は、前記磁場の強度が、水平磁場にあっては１０００Ｇ以上、カスプ磁場にあっては３００Ｇ以上にそれぞれ設定し、前記磁場の中心高さが前記ルツボの上端から底部の範囲内になるように設定した状態で前記溶融工程を開始するとともに、前記溶融工程において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、開始からＴ／３の間は磁場中心高さがルツボ底面からルツボの高さの１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、終了までＴ／３の間は磁場中心高さが融解終了時のシリコン融液面から上下１０ｃｍの範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の高さまで徐々に移動させるように、原料融解に伴うルツボ高さ位置変化に対応して、印加磁場の高さを制御するとともに、前記溶融工程において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、終了までＴ／３の間は磁場強度が最強強度で一定になるように設定し、開始からＴ／３の間は磁場強度が前記最強強度に対して１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の強度まで徐々に変化させるように、印加する磁場を制御することにより、シリコン原料の溶融段階における炭素ドープ剤への好ましくない溶融状態を防止するとともに、ほとんどの固体シリコン原料が溶融された状態より後に、炭素ドープ剤への好ましくない対流を防止して、シリコン原料中の炭素の振る舞いを制御して、引き上げる結晶への悪影響を防止することができる。
具体的には、直径３００ｍｍの結晶を引き上げるために４００ｋｇの融液を作る場合、溶融開始から６時間は、磁場中心を坩堝底面から７０ｍｍの位置におき、その後１２時間まで液面から８０ｍｍ下の位置まで移動させ、その後、原料溶解が終了するまで、当該位置で固定する。このとき、原料溶解に要した時間は約１８時間であった。

本発明は、前記ルツボ内面のラフネスがＲＭＳ３〜５０ｎｍに設定されることにより、炭素ドープ剤がルツボ内壁面に付着してＳｉＣを形成することを低減できる。

本発明は、前記ルツボ内面に１０〜１０００μｍの失透層が形成されることにより、炭素ドープ剤がルツボ内壁面に付着してＳｉＣを形成することを低減できる。

本発明は、前記溶融工程において、前記ルツボを１〜５ｒｐｍで回転させるとともに、１５〜３００ｓｅｃの周期で反転させることにより、炭素ドープ剤がルツボ内壁面に付着してＳｉＣを形成することを低減できる。さらに、上述したブリッジの発生や、固定シリコン原料がルツボ内壁面に付着してしまうことによる結晶特性の低下を防止できる。
さらに、前記ルツボの回転速度を０〜５ｒｐｍの範囲内で周期的に変化させることができ、前記ルツボの回転は一時停止を含むことができる。これにより、角速度の増加に伴う遠心力の増加により、溶融液内部に混入している微小異物となっている融け残った炭素ドープ剤やＳｉＣは中心に向かう流れに逆らってルツボ壁側へと押しやられる。その後、角加速度を減少させて遠心力を低減すると、ルツボ壁側からルツボ中心側へ向かう流れにより微小異物は中心へ向かおうとするが、再度の角加速度の増加に伴う遠心力の増加によりルツボ壁へと押しやられる。これを繰り返すことにより微小異物はルツボ壁付近で停滞した状態を維持することができる。
また、ルツボを反転させることで、ルツボ内の融液流れを変化させ、ルツボ内壁に接触しない状態で、融け残った炭素ドープ剤を充分溶融することが可能となる。

本発明は、前記炭素ドープ剤が前記ルツボ内に１×１０^−６〜１０ｇ配置されることにより、後述する所望の範囲の炭素濃度を有する単結晶を引き上げることができるとともに、上記の製造方法により、飛散等の不具合を防止して、炭素ドープ剤がルツボ内壁面に付着してＳｉＣを形成することによる結晶特性の低下を防止できる。
ここで、引き上げる単結晶サイズとしては、φ３００ｍｍ、１５００〜３０００ｍｍ程度のものとされ、３００〜５５０ｋｇとされることができる。

本発明は、引き上げたシリコン単結晶が、酸素濃度が０．１〜１８×１０^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＯＬＤＡＳＴＭ法）、炭素濃度が１〜２０×１０^１６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＮＥＷ ＡＳＴＭ法）の各範囲に制御されることにより、充分なＩＧ効果を有するためのゲッタリングサイトとなるＢＭＤを所望の状態に発生可能なウェーハを作成可能なシリコン単結晶を引き上げることができる。

本発明は、引き上げたシリコン単結晶からスライスされたウェーハの比抵抗値が０．１Ω・ｃｍ〜９９Ω・ｃｍに制御されることにより、ボロン（Ｂ）やヒ素（Ａｓ）などの不純物添加量の少ない低抵抗のウェーハを製造する際にも、充分なＩＧ効果を有するためのゲッタリングサイトとなるＢＭＤを所望の状態に発生可能なウェーハを作成可能なシリコン単結晶を引き上げることができる。

本発明は、前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減するように、前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、前記シリコン融液面から１〜２０ｃｍ上側位置に設定されることにより、ヒートキャップ内側からシリコン融液面付近に吹き付けられこの融液面付近でルツボ中心部から外側に向かうガス流を形成して、このガス流により、引き上げ中に融液においてルツボ内壁側から引き上げ中の単結晶側へ形成される融液流れによって、融液表面付近に存在するＳｉＣ等が固液界面付近へ流れてゆき、結晶に取り込まれてＤＦ切れ等を発生することを防止できる。

本発明は、前記溶融工程後、前記引き上げ工程を開始するまでの引き上げ状態制御工程において、
前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、溶融したシリコン融液面から１０〜５０ｃｍ上側位置に設定されることにより、高温である溶融工程においてヒートキャップ下端の温度が上昇しないようにヒータから離間していたヒートキャップ下端に対して、その後、引き上げを開始するまでの間において、融液においてルツボ中央付近からルツボ内壁側へ流れが形成されてしまい、融液表面付近に炭素ドープ剤が存在していた場合でもこのドープ剤がルツボ内壁付近へ流れてゆきルツボ内壁に接触してＳｉＣが発生することを防止できる。
さらに、この引き上げ状態制御工程、つまり、ルツボ内でシリコン原料及び炭素ドープ剤を溶融して融液を生成した後に、該融液を結晶原料の融点よりも１５℃以上高い表面温度を維持して２時間以上放置することができ、さらに、シリコン原料の融点よりも２０℃を超える温度とし、かつ放置する時間を１０時間以下とすることがより好ましい。これにより、従来は溶融液中で溶け残ることの多かった炭素ドープ剤等を溶融液中に十分に溶け込ませることができる。従って、続く引き上げ工程における有転位化の発生の原因の一つであった、溶融液中に炭素ドープ剤等が溶け残っているという問題が解消できるので、結晶育成中に発生する単結晶の有転位化の回数を減らすことができる。これにより、単結晶製造時の生産性や歩留りを向上させることができる。

本発明は、前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減し前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の平面視して内側にＳｉＣや混入物などの有転位化原因物が流入することを防止するように、前記チャンバ内の炉内圧が１．３〜６．６ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定されることにより、ヒートキャップ内側からシリコン融液面付近に吹き付けられこの融液面付近でルツボ中心部から外側に向かうガス流を形成して、このガス流により、引き上げ中に融液においてルツボ内壁側から引き上げ中の単結晶側へ形成される融液流れによって、融液表面付近に存在するＳｉＣ等が固液界面付近へ流れてゆき、結晶に取り込まれてＤＦ切れ等を発生することを防止できる。

本発明は、前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減し前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の平面視して内側にＳｉＣが流入することを防止するように、前記シリコン融液と前記単結晶との固液下面の形状が上に凸になるようにヒータ出力状態を制御することにより、引き上げ中に融液においてルツボ内壁側から引き上げ中の単結晶側への融液対流を形成し、この流れによって融液表面付近に存在するＳｉＣ等が固液界面付近へ流れることを防止し、結晶に取り込まれてＤＦ切れ等を発生することを防止できる。

本発明は、前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
単結晶直胴部における引き上げ速度を０．１〜１．５ｍｍ／ｍｉｎとすることにより、炭素ドープ結晶の結晶特性を向上することができる。

本発明の炭素ドープ単結晶製造装置は、チャンバ内のルツボと、その周囲に設けられたサイドヒータとを有し、上記の製造方法により単結晶引き上げをおこなう炭素ドープ単結晶製造装置であって、
前記ルツボにシリコン原料を配置する際に、炭素ドープ剤を配置する前記ルツボ内面に対して５ｃｍ以上離れた配置位置を設定するドープ位置設定手段を有することにより、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、粉末故の難溶解性に伴い、未溶融の粉末により有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できる。

本発明は、前記ドープ位置設定手段が、前記ルツボ上端位置および該ルツボとの相対位置として炭素ドープ剤配置位置のうち高さ位置および水平方向位置を検出する検出手段と、該検出手段からの出力を表示する表示手段と、を有することか、前記ドープ位置設定手段が、前記炭素ドープ剤配置位置データをあらかじめ登録する記憶手段と、前記検出手段の出力を前記記憶手段のデータと比較する演算手段と、該演算結果を表示させる前記表示手段と、を有することか、前記ドープ位置設定手段が、前記ルツボ側壁にルツボ中心位置を通って掛け渡すルツボ上端位置検出棒部材と、該ルツボ上端位置検出棒部材の中心位置から下方に向かって垂設される高さ位置設定棒部材と、（該高さ位置設定棒部材下端に設けられ水平方向範囲を設定する水平方向範囲位置設定部材と、）を有することができ、これにより、上記炭素ドープ剤の配置位置を効率よく確認して設定することが可能となる。

本発明によれば、投入した炭素ドープ剤がルツボ内表面と反応してＳｉＣとなり、このＳｉＣが異物として単結晶育成時に取り込まれてしまうことや、粉末の炭素ドープ剤がガス流で飛散してしまうことや、シリコン融液における炭素濃度が所望状態とならずに、引き上げた単結晶における所望の炭素濃度を実現できないことや、有転位化が発生する等により単結晶特性が低下することを防止できるという効果を奏することができる。

以下、本発明に係る炭素ドープ単結晶製造方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造装置の一部を示す正面図であり、図において、符号１は、ＣＺ法を用いた炭素ドープ単結晶製造装置（単結晶引上装置）のチャンバである。

この炭素ドープ単結晶製造装置には、図１に示すように、まず密閉容器であるチャンバ１と、チャンバ１内部のカーボン製サセプタ２と、サセプタ２上に配設した石英ルツボ３と、ルツボ３を載置したサセプタ２を上下動可能に支持するシャフト９と、シャフト９の上下動および回転制御する回転制御手段２Ａと、ルツボ３の周囲に配置したカーボン製ヒータ４（円筒状の上サイドヒータ４ａと下サイドヒータ４ｂ、底部側で略円盤状のボトムヒータ４ｃ）と、その外側に配された保温筒５と、保温筒５の内側面に支持板として設けられたカーボン板６と、ルツボ３上側に設けられて下側に向かって縮径する円筒状のフロー管７ｃとその上部のフランジ部７ｄとを有するヒートキャップ（フロー管）７と、フランジ部７ｄに垂設されヒートキャップ７を上下動可能に支持する支持手段７ａと（図８参照）、支持手段７ａの高さを制御する図示しない高さ位置制御手段と、単結晶を引き上げるワイヤーＷと、このワイヤーＷの巻き上げ装置を配置するヘッド部１０と、磁場印加手段Ｂと、を有する。

図２は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法を示すフローチャートである。
本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法は、図２に示すように、シリコン原料配置工程Ｓ１と、炭素ドープ剤配置工程Ｓ２と、炭素ドープ剤配置位置確認工程Ｓ３と、溶融状態制御工程Ｓ４と、溶融工程Ｓ５と、引き上げ状態制御工程Ｓ６と、引き上げ工程Ｓ７とを有するものである。

図３、図４は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す正断面図である。
シリコン原料配置工程Ｓ１においては、前記ルツボ３内に前記シリコン原料Ｓを配置する際、炭素ドープ剤を、前記ルツボ３内面３ａに対して距離Ｄ１とされる５ｃｍ以上離れた位置すなわち、図３に示す領域Ｋ１内に配置することが好ましい。さらに、シリコン原料配置工程Ｓ１においては、前記シリコン原料Ｓの上側表面Ｓ１１から距離Ｄ２とされる５ｃｍ以上内側位置、すなわち、図４に示す領域Ｋ２内に配置することが好ましい。

図５は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す正断面図である。
さらに、シリコン原料配置工程Ｓ１においては、配置した前記シリコン原料Ｓ内で、前記ルツボ底面３ｂから前記シリコン原料上側表面Ｓ１１までの高さＨに対して、Ｈ／２であるこの中心位置Ｏから上Ｈ／４の高さＨ１，下Ｈ／４の高さＨ２の間とされる位置つまり、図５に示す領域範囲Ｋ３内に、炭素ドープ剤が配置（充填）され、また、ルツボ３の半径Ｒ（直径２Ｒ）に対して、平面視したルツボ３中心Ｏから、Ｒ／２である横方向位置Ｒ１，Ｒ２の範囲である図５に示す領域範囲Ｋ３内に、炭素ドープ剤が配置されることが好ましい。

炭素ドープ剤配置工程Ｓ２においては、配置される炭素ドープ剤が、炭素粉末とされ、この際、炭素粉末の純度が９９．９９９％とされることができる。

図７は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す平面図（ａ）、および、正断面図（ｂ）である。
炭素ドープ剤配置工程Ｓ２においては、配置した前記シリコン原料Ｓとして、図３〜図５、図７に示すように、少なくとも平面視して１０ｃｍ^２ 以上の塊状の原料Ｓ１２を有し、該塊状のシリコン原料Ｓ１２は前記炭素ドープ剤が載置可能な平面形状とされるとともに、図７で矢印ＳＳで示すように、この塊状のシリコン原料Ｓ１２上に前記炭素ドープ剤が載置されることにより、溶融前の配置位置である塊状のシリコン原料Ｓ１２上側から炭素ドープ剤が落下し、ルツボ底面３ｂ付近に近づくか接触した状態でシリコン原料Ｓを溶融することを防止できる。
ここで、塊状のシリコン原料Ｓ１２においては、前記炭素ドープ剤が載置可能な平面形状であり、このシリコン原料Ｓ１２に載置した炭素ドープ剤が落下しない程度の平面視した大きさを有し、かつ、炭素ドープ剤が落下しない程度に平坦であるか、シリコン原料を配置した際に、炭素ドープ剤が落下しない程度にシリコン原料Ｓ１２の上側表面に凹部Ｓ１２ａを有し、その凹部Ｓ１２ａの周囲Ｓ１２ｂが、凹部Ｓ１２ａ内側に比べて高さ方向寸法ＳＨとして５ｍｍ程度突出していれば充分である。

炭素ドープ剤配置工程Ｓ２においては、前記炭素ドープ剤がシート状とされることができ、シート状とは、炭素繊維を編み込んで作製した布状あるいはシート状のもののことをいう。また、炭素ドープ剤として、炭素繊維の素線、数本〜数千本の炭素繊維の素線の束をも適応することができ、この場合にも、純度９９．９９９％の炭素とされることる。シート状の炭素ドープ剤では、１ｃｍ^２ 程度の分量が必要となる。

図６は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるシリコン原料を示す斜視図（ａ）、および、平面図（ｂ）である。
このとき、シリコン原料Ｓ１３として、図６に示すように、炭素ドープ剤を挟むためのスリットＳＬが形成された塊状とされ、炭素ドープ剤が１ｃｍ^２ 程度のシート状とされた場合には、スリットＳＬが、少なくともシート状炭素ドープ剤の半分以上の面積を挿入可能な寸法に設定され、具体的には、スリットの幅寸法ＳＬ１；３ｍｍ程度、奥行きＳＬ２；１０〜１５ｍｍ、長さ寸法ＳＬ３；２ｃｍ以上シリコン原料塊のスリットに沿った最大サイズ寸法ＳＬ４以下とされることが好ましく、このように設定される。ここで、スリットＳＬを設ける方向は、シリコン原料Ｓ１３の最大寸法ＳＬ５に沿っていることは必要ではなく、長さ運寸法ＳＬが１．５ｃｍより大きく設定して炭素ドープ剤を挟めでばどの方向に形成してもよい。
また、粉末状の炭素ドープ剤の場合には、スリットＳＬの幅寸法ＳＬ１；２ｍｍ程度、奥行きＳＬ；５〜１０ｍｍ、長さ寸法ＳＬ３；１．５ｃｍ以上シリコン原料塊のスリットに沿った最大サイズ寸法ＳＬ４以下とされることが好ましく、このように設定されることにより、前記スリットに粉末状の炭素ドープ剤を挟むことが容易になる。

炭素ドープ剤配置位置確認工程Ｓ３においては、図７に示すドープ位置設定手段２０を用いて、炭素ドープ剤配配置工程Ｓ２に炭素ドープ剤を配置した位置を確認する。
本実施形態のドープ位置設定手段２０は、前記ルツボ３上端３ｄ位置および該ルツボ３との相対位置として炭素ドープ剤配置位置のうち高さ位置および水平方向位置を検出する検出手段２０ａと、該検出手段からの出力を表示する表示手段２０ｂと、を有するものとされ、図７に示すように、前記ルツボ３側壁３ａにルツボ３中心位置を通って掛け渡すルツボ上端位置検出棒部材２１と、該ルツボ上端位置検出棒部材２１の中心位置から下方に向かって高さ方向移動可能に垂設される高さ位置設定棒部材２２と、該高さ位置設定棒部材２２下端に設けられ水平方向範囲を設定する略円板である水平方向範囲位置設定部材２３と、を有する。

ここで、高さ位置設定棒部材２２には、ルツボ３上端３ｄ位置から水平方向範囲位置設定部材２３の高さ位置を示す目盛りが設けられ、これが表示手段２０ｂを構成するとともに、ルツボ上端位置検出棒部材２１、高さ位置設定棒部材２２、水平方向範囲位置設定部材２３が、検出手段２０ａを構成する。
炭素ドープ剤配置位置確認工程Ｓ３においては、ルツボ上端位置検出棒部材２１をルツボ３上端３ｄに載置し、高さ位置設定棒部材２２がルツボ３中心位置にくるようにして、水平方向範囲位置設定部材２３をシリコン原料に接触しない程度に下げて、検出手段２０ｂの目盛りを読み、これが、あらかじめ設定した領域Ｋ１〜Ｋ３の範囲内にあるかどうか確認することで高さ位置を設定する。また、平面視して、水平方向範囲位置設定部材２３によって、炭素ドープ剤の配置位置が覆われているかどうかで、水平方向の配置位置があらかじめ設定した領域Ｋ１〜Ｋ３の範囲内にあるかどうか確認することで水平方向位置を設定する。
さらに、前記ドープ位置設定手段が、前記炭素ドープ剤配置位置データをあらかじめ登録する記憶手段と、前記検出手段の出力を前記記憶手段のデータと比較する演算手段と、該演算結果を表示させる前記表示手段と、を有することもできる。

図８は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるヒートキャップ高さを示す正面図である。
溶融状態制御工程Ｓ４においては、図８に示すように、ルツボ３上方に位置して同心状に設けられるヒートキャップ７のフロー管７ｃの下端７ｂの高さ位置が、配置したシリコン原料Ｓの上側表面Ｓ１１から２０〜５０ｃｍ上側となる位置ＳＨ１とされ、この状態で、次のシリコン原料を溶融する溶融工程Ｓ５を開始する。

溶融状態制御工程Ｓ４においては、チャンバ１内の炉内圧が２〜１３．３ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ７上側からルツボ３側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定され、この状態で、次の溶融工程Ｓ５を開始する。より好ましくは、前記チャンバ１内の炉内圧が６．６６７ｋＰａ（５０ｔｏｒｒ）に設定され、前記ヒートキャップ７上側からルツボ３側に流れるガス流量が、５０（L／ｍｉｎ）に設定される。上記の範囲よりガス流量が大きいおよび／または炉内圧が低いと、前記ヒートキャップ７上側からルツボ３側に流れるガス流が強くなってしまい、ガス流により炭素ドープ剤を配置した際に配置位置が変化する可能性や、粉末の炭素ドープ剤を配置した際に飛散する可能性があり好ましくない。また、上記の範囲よりガス流量が小さいおよび／または炉内圧が高いと、融液表面から蒸発した後、凝固したＳｉＯ粒子を効率的に排出することができず、引き上げる単結晶の特性を所望の状態にすることができないので好ましくない。

溶融工程Ｓ５において、配置した前記シリコン原料Ｓの下側に比べて上側から先に融解するように、ヒータ４を制御する。
具体的には、溶融開始時に、図１に示すルツボ３の周囲のヒータのうち、その上側の上サイドヒータ４ａの出力が、下側の下サイドヒータ４ｂの１．０５〜２．３倍となるように制御し、シリコン融液Ｌの液面が引き上げ開始時の液面高さＬＳの約半分の高さになった状態で、上サイドヒータ４ａの出力が下サイドヒータ４ｂの１．０５〜０．９５倍となるように制御するものである。
さらに、溶融開始時に、ルツボ３底部３ｂ下側のボトムヒータ４ｃに電力供給しないとともに、シリコン融液Ｌの液面が引き上げ開始時の液面ＬＳの約半分の高さになった状態で、ボトムヒータ４ｃの出力がサイドヒータ４ａ，４ｂの０．５倍程度となるように制御する。

溶融工程Ｓ５において、図１に示す磁場印加手段Ｂにより、ルツボ３の中心部よりも外周部の温度が高くなる温度勾配を生じさせるように前記ルツボ３内に磁場を印加する。印加する磁場は、水平磁場であってもカスプ磁場であってもよいが、この印加する磁場強度は、水平磁場にあっては２０００Ｇ以上、カスプ磁場にあっては４００Ｇ以上にそれぞれ設定し、前記磁場の中心高さが前記ルツボ３の上端３ｄから底部３ｂの範囲内になるように設定した状態で前記溶融工程Ｓ５を開始する。
さらに、溶融工程Ｓ５において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、開始からＴ／３の間は磁場中心高さがルツボ３底面３ｂからルツボ３の高さの１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、終了までＴ／３の間は磁場中心高さが融解終了時のシリコン融液面ＬＳから上下１０ｃｍの範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の高さまで徐々に移動させるように、原料融解に伴うルツボ３高さ位置変化に対応して、印加磁場の高さを制御する。
また、前記溶融工程Ｓ５において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、終了までＴ／３の間は磁場強度が最強強度で一定になるように設定し、開始からＴ／３の間は磁場強度が前記最強強度に対して１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の強度まで徐々に変化させるように、印加する磁場を制御する。

本実施形態においては、ルツボ３として、その内面のラフネスがＲＭＳ３〜５０ｎｍに設定されることができ、また、ルツボ３内面に１０〜１０００μｍの失透層が形成されることができる。

溶融工程Ｓ５において、回転制御手段２Ａによって、ルツボ３を１〜５ｒｐｍで回転させるとともに、１５〜３００ｓｅｃの周期で反転させる。さらに、回転制御手段２Ａによって、前記ルツボ３の回転速度を０〜５ｒｐｍの範囲内で周期的に変化させる。

引き上げ状態制御工程Ｓ６において、ヒートキャップ７下端７ｂの高さ位置ＳＨ２が、図８に示すように、溶融したシリコン融液面ＬＳから１０〜５０ｃｍ上側位置に設定されることにより、高温である溶融工程Ｓ５においてヒートキャップ７下端７ｂの温度が上昇しないようにヒータ４から離間していたヒートキャップ７下端７ｂに対して、その後、引き上げを開始するまでの間において、融液Ｌにおいてルツボ３中央付近からルツボ内壁３ａ側へ流れが形成されることを防止できる。
さらに、この引き上げ状態制御工程Ｓ６において、融液Ｌをシリコン原料の融点よりも１５℃以上高い表面温度を維持して２時間以上放置することができ、さらに、シリコン原料の融点よりも２０℃を超える温度とし、かつ放置する時間を１０時間以下とすることがより好ましい。

図９は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における引き上げ工程を示す正面図である。
引き上げ工程Ｓ７において、図９に示すように、チャンバ１上部の縦型筒部１ａ内に垂下されたＷ（タングステン）等のワイヤーＷにより、縦型筒部１ａ下方に配置されたルツボ３内の半導体融液Ｌから半導体単結晶Ｃを引き上げる。このとき、シリコン融液面ＬＳにおけるルツボ内壁面３ａからルツボ３中心部へ向かう融液流を低減するように、ヒートキャップ７下端７ｂの高さ位置ＳＨ２が、シリコン融液面ＬＳから１〜２０ｃｍ上側位置に設定されることにより、ヒートキャップ内側からシリコン融液面付近に吹き付けられこの融液面付近でルツボ中心部から外側に向かうガス流Ｇを図９に示すように形成する。
この引き上げ工程Ｓ７において、前記チャンバ内の炉内圧が１．３〜６．６ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定される。

引き上げ工程Ｓ７において、図９に示すように、シリコン融液面付近ＬＳにおいて前記ルツボ内壁面３ａからルツボ３中心部へ向かう融液流を低減するように、シリコン融液Ｌと前記単結晶Ｃとの固液界面Ｃ１の形状が上に凸になるようにヒータ４の出力状態を制御する。
具体的には、上サイドヒータ４ａ、下サイドヒータ４ｂ、ボトムヒータ４ｃの出力を、上サイドヒータ４ａ：下サイドヒータ４ｂ＝３：１の比とし、ボトムヒータ４ｃの出力は０とする。
引き上げ工程Ｓ７において、単結晶Ｃ直胴部における引き上げ速度を０．１〜１．５ｍｍ／ｍｉｎとする。

図１０〜図１７は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における各パラメータのタイムチャートである。
本実施形態においては、ヒータ出力、ヒートキャップ高さ、ガス流量、炉内圧、磁場強度、磁場高さ、ルツボ回転、をそれぞれ図１０〜図１７、表２，表３、に示すように制御することで、引き上げたシリコン単結晶Ｃが、酸素濃度が０．１〜１８×１０^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＯＬＤＡＳＴＭ法）、炭素濃度が１〜２０×１０^１６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＮＥＷ ＡＳＴＭ法）の各範囲に、また、引き上げたシリコン単結晶Ｃからスライスされたウェーハの比抵抗値が０．１Ω・ｃｍ〜９９Ω・ｃｍに制御される。

炭素をドープした直径３０６ｍｍの結晶を、表３の狙い条件に対し、ヒータ出力、ヒートキャップ高さ、ガス流量、炉内圧、磁場強度、磁場高さ、ルツボ回転、をそれぞれ図１０〜図１７、表２，表３、に示すように制御して、４００ｋｇの融液量から引上げた場合の比抵抗、酸素濃度、炭素濃度を図１８に示す。

この結果から、酸素、抵抗及び炭素のいずれにおいても狙い通りの結晶を、全域無転位で引上げることができた。

図１は、本発明に係る一実施形態における炭素ドープ単結晶製造装置の一部を示す正面図である。 図２は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す正断面図である。 図４は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す正断面図である。 図５は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す正断面図である。 図６は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるシリコン原料を示す斜視図（ａ）、および、平面図（ｂ）である。 図７は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における配置方法を示す平面図（ａ）、および、正断面図（ｂ）である。 図８は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるヒートキャップ高さを示す正面図である。 図９は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における引き上げ工程を示す正面図である。 図１０は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるヒーターパワーのタイムチャート例である。 図１１は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるヒートキャップー原料表面間の距離のタイムチャート例である。 図１２は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法におけるガス流量のタイムチャート例である。 図１３は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における炉内圧のタイムチャート例である。 図１４は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における磁場強度のタイムチャート例である。 図１５は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における磁場中心―坩堝間の距離のタイムチャート例である。 図１６は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における坩堝回転数のタイムチャート例である。 図１７は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法における坩堝回転変動パターンのタイムチャート例である。 図１８は、本実施形態における炭素ドープ単結晶製造方法により引上げた結晶の酸素濃度、比抵抗、炭素濃度の評価結果である。

符号の説明

１…チャンバ、４…ヒータ、Ｓ…シリコン原料

Claims (25)

1. チョクラルスキー法によりチャンバ内において炭素をドープしてシリコン単結晶を製造する方法であって、
   ルツボ内にシリコン原料を配置する工程において、炭素ドープ剤を、前記ルツボ内面に対して５ｃｍ以上離れた位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうとともに、
   前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、配置した前記シリコン原料の上側表面から５ｃｍ以上内側位置に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことを特徴とする炭素ドープ単結晶製造方法。
2. 前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、配置した前記シリコン原料内で、前記ルツボ底面から前記シリコン原料上側表面までの高さＨに対して、Ｈ／２であるこの中心位置から上下Ｈ／４の高さ位置範囲内に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことを特徴とする請求項１記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
3. 前記ルツボ内に前記シリコン原料を配置する工程において、前記炭素ドープ剤を、前記ルツボ半径Ｒに対して、平面視した前記ルツボ中心から、Ｒ／２である横方向位置範囲内に配置し、この状態で前記配置工程後に前記シリコン原料を溶融する溶融工程をおこなうことを特徴とする請求項１または２記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
4. 前記炭素ドープ剤が炭素粉末とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
5. 前記炭素ドープ剤が純度９９．９９９％の炭素粉末とされることを特徴とする請求項４記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
6. 配置した前記シリコン原料が少なくとも平面視して１０ｃｍ^２ 以上の塊状の原料を有し、該塊状のシリコン原料は前記炭素ドープ剤が載置可能な平面形状とされるとともに、該塊状のシリコン原料上に前記炭素ドープ剤が載置されることを特徴とする請求項４または５記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
7. 前記炭素ドープ剤がシート状とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
8. 配置した前記シリコン原料が、少なくとも前記炭素ドープ剤を挟むためのスリットが形成された塊状の原料を有することを特徴とする請求項４または７記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
9. 前記シリコン原料のスリットが、少なくとも前記シート状炭素ドープ剤の半分以上の面積を挿入可能な寸法に設定されることを特徴とする請求項８記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
10. 前記配置工程後の溶融状態制御工程において、前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、配置した前記シリコン原料の上側表面から２０〜５０ｃｍ上側位置とし、この状態で前記シリコン原料を溶融する溶融工程を開始することを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
11. 前記溶融状態制御工程において、前記チャンバ内の炉内圧が２〜１３．３ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定され、この状態で前記シリコン原料を溶融する溶融工程を開始することを特徴とする請求項１０記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
12. 前記溶融工程において、配置した前記シリコン原料の下側に比べて上側から先に融解するように、ヒータを制御することを特徴とする請求項１から１１のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
13. 前記溶融工程において、前記ルツボの中心部よりも外周部の温度が高くなる温度勾配を生じさせるように前記ルツボ内に磁場を印加することを特徴とする請求項１から１２のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
14. 前記磁場の強度が、水平磁場にあっては１０００〜５０００Ｇ、カスプ磁場にあっては３００〜１０００Ｇにそれぞれ設定し、前記磁場の中心高さが前記ルツボの上端から底部の範囲内になるように設定した状態で前記溶融工程を開始するとともに、
    前記溶融工程において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、融解開始からＴ／３の間は磁場中心高さがルツボ底面からルツボの高さの１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、融解終了までのＴ／３の間は磁場中心高さが融解終了時のシリコン融液面から上下１０ｃｍの範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の高さまで徐々に移動させるように、原料融解に伴うルツボ高さ位置変化に対応して、印加磁場の高さを制御するとともに、
    前記溶融工程において、融解開始から融解終了までの時間Ｔに対して、終了までＴ／３の間は磁場強度が最強強度で一定になるように設定し、開始からＴ／３の間は磁場強度が前記最強強度に対して１／８以上１／３以下の範囲となるように設定し、開始からＴ／３〜２Ｔ／３の間は前記開始時の高さから終了時の強度まで徐々に変化させるように、印加する磁場を制御することを特徴とする請求項１３記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
15. 前記ルツボ内面のラフネスがＲＭＳ３〜５０ｎｍに設定されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
16. 前記ルツボ内面に１０〜１０００μｍの失透層が形成されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
17. 前記溶融工程において、前記ルツボを１〜５ｒｐｍで回転させるとともに、１５〜３００ｓｅｃの周期で反転させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
18. 前記炭素ドープ剤が前記ルツボ内に１×１０^−６〜１０ｇ配置されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
19. 引き上げたシリコン単結晶が、酸素濃度が０．１〜１８×１０^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＯＬＤＡＳＴＭ法）、炭素濃度が１〜２０×１０^１６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ （ＮＥＷ ＡＳＴＭ法）の各範囲に制御されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
20. 引き上げたシリコン単結晶からスライスされたウェーハの比抵抗値が０．１Ω・ｃｍ〜９９Ω・ｃｍに制御されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
21. 前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
    溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減するように、前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、前記シリコン融液面から１〜２０ｃｍ上側位置に設定されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
22. 前記溶融工程後、前記引き上げ工程を開始するまでの引き上げ状態制御工程において、
    前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の高さ位置が、溶融したシリコン融液面から１０〜５０ｃｍ上側位置に設定されることを特徴とする請求項２１記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
23. 前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
    溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減し前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の平面視して内側にＳｉＣや混入物などの有転位化原因物が流入することを防止するように、前記チャンバ内の炉内圧が１．３〜６．６ｋＰａに設定され、前記ヒートキャップ上側からルツボ側に流れるガス流量が、３〜１５０（L／ｍｉｎ）に設定されることを特徴とする請求項１から２２のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
24. 前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
    溶融したシリコン融液面において前記ルツボ内壁面から前記ルツボ中心部へ向かう融液流を低減し前記ルツボ上方に位置して同心状に設けられ略円筒形とされるヒートキャップ下端の平面視して内側にＳｉＣが流入することを防止するように、前記シリコン融液と前記単結晶との固液下面の形状が上に凸になるようにヒータ出力状態を制御することを特徴とする請求項１から２２のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。
25. 前記溶融工程後における単結晶引き上げ工程において、
    単結晶直胴部における引き上げ速度を０．１〜１．５ｍｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１から２２のいずれか記載の炭素ドープ単結晶製造方法。

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