JP6729484B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

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、シリコン融液に磁場を印加しながら単結晶の引き上げを行うＭＣＺ（Magnetic field applied CZ）法に関するものである。また本発明は、そのような製造方法によって製造されるシリコン単結晶に関する。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法としてＭＣＺ法が知られている（例えば特許文献１、２参照）。ＭＣＺ法では、石英ルツボ内のシリコン融液に磁場を印加することにより融液対流を抑えて石英ルツボからの酸素の溶出を抑制するものである。磁場の印加方法は様々であるが、水平方向の磁場（横磁場）を印加しながら単結晶の引き上げを行うＨＭＣＺ（Horizontal MCZ）法の実用化が進んでいる。

ＭＣＺ法に関し、例えば特許文献１には、磁場中心位置を液面上０〜８０ｍｍにすることで、結晶外周部の酸素濃度の低下を軽減する方法が記載されている。また特許文献２には、直径４５８ｍｍ＋αのシリコン単結晶を引き上げた後、４５０ｍｍまで外周研削することにより、ウェーハ周縁部に低酸素領域がなく、酸素濃度の面内分布がより均一な直径が４５０ｍｍのシリコンウェーハを製造する方法が記載されている。

特許文献３には、固液界面近くの結晶引き上げ方向の温度勾配の面内分布を均一化するため、結晶の成長最前線の中心部に集中的に熱を供給し、これによりシリコン融液の流動を中心で上昇流（特許文献３の図５参照）にする方法が記載されている。特許文献３では、カスプ磁場を印加すると共に、ルツボの下方に底部ヒーターを配置し、底部ヒーターがルツボ底部の中心部をルツボ底部の周辺部よりも強く加熱することにより、ルツボ底部の中心部の温度を集中的に高めている。

シリコン融液の加熱制御に関し、例えば特許文献４には、２分割ヒーターの上ヒーターに対する下ヒーターの出力比を４以上に制御することで、結晶中の酸素濃度を低く抑える方法が記載されている。また特許文献５にはカスプ磁場を印加するＭＣＺ法においてサイドヒーター及びボトムヒーターを設け、引き上げの進行に伴ってサイドヒーター及びボトムヒーターのトータル加熱量Ｑに対するボトムヒーターの加熱量ｑの比（ｑ／Ｑ）を大きくすることで、シリコン融液の残量低下に伴う酸素濃度の低下を回避し、結晶引き上げ方向の酸素濃度分布を均一化する方法が記載されている。

特開２００７−２０４３１２号公報 特開２００９−２７４９０３号公報 特開２００４−２９２３０９号公報 特開２０１１−５１８０６号公報 特開平１０−２７３３９２号公報

従来のＨＭＣＺ法では、石英ルツボを取り囲む単一のヒーターを用いた融液の加熱方法が一般的であるが、そのようなヒーターで融液を加熱しながらシリコン単結晶を引き上げる場合には、単結晶の外周部の酸素濃度が低くなり、酸素濃度の面内分布を均一にすることが難しいという問題がある。

外周部の酸素濃度が低いシリコン単結晶であっても、シリコンウェーハの目標直径よりも十分に大きな直径で引き上げた後、外周研削によって酸素濃度が低い部分を除去することにより、シリコンウェーハの酸素濃度の面内分布を均一にすることが可能である。しかしこの場合、インゴットの直径をより一層大きくする必要があるため製造コストが増加するという問題がある。

特許文献３において、ルツボ中心部で上昇する融液対流は、４つの大きな渦流のうち内側の２つの渦流に伴って発生するものであり、この融液対流は気液界面近傍を経由することなく固液界面に供給される。一方、外側の２つの渦流は、ルツボ内壁面に沿って上昇した後、ルツボ中心部（固液界面）に向かう融液対流を発生させている。この外側の２つの渦流のループサイズが大きい場合には、気液界面近傍を経由することによって酸素濃度が低下した融液対流が固液界面に供給されることになるため、単結晶の外周部の酸素濃度が低下するという問題がある。特に、カスプ磁場型ＭＣＺ法では、径方向における融液対流の揺らぎが発生しやすく、外側の２つの渦流のループサイズが変動して一時的に大きくなることにより、外周部の酸素濃度が低下するおそれがある。

したがって、本発明の目的は、シリコン単結晶の外周部の酸素濃度の低下を抑え、これにより酸素濃度の面内分布の均一性を高めることが可能なＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。また本発明の目的は、酸素濃度の面内分布の均一性が高められたシリコンウェーハを容易に製造することが可能なシリコン単結晶を提供することにある。

本願発明者らは、シリコン単結晶の外周部の酸素濃度が低下するメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、シリコン単結晶の外周部の酸素濃度の低下は、気液界面を経由することによって酸素濃度が低下した融液対流が固液界面に供給されることが原因であり、そのような融液対流の発生を抑えることで酸素濃度の低下を抑制できることを見出した。そのためには、シリコン融液の下部に印加される熱量をシリコン融液の上部に印加される熱量よりも大きくし、特にシリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上となり、且つ、この最大点が石英ルツボ内壁面へのシリコン単結晶の投影領域（以下、投影領域と称す。図４（ｂ）参照）内に存在するように結晶引き上げ条件を制御する必要がある。シリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上となるように加熱する場合、石英ルツボの中心付近で湧き上がる上昇流を伴う２つの大きな渦流を発生させることができる。逆に２つの大きな渦流が発生していればシリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上となっているといえる。この場合、石英ルツボからの酸素が高濃度に溶け込んだ融液が石英ルツボから気液界面を経ずに固液界面へと直接流れ込む流動分布となるため、単結晶の外周部の酸素濃度の低下を抑制することが可能となる。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、石英ルツボの周囲に配置されたヒーターを用いて前記石英ルツボ内のシリコン融液を加熱し、且つ、前記シリコン融液に横磁場を印加しながら、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる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、結晶中心軸を通り且つ前記横磁場の印加方向に垂直な断面において、前記シリコン融液と接触する前記石英ルツボの内壁面の温度の最大点が前記シリコン単結晶の投影領域内にあり、且つ１４３８℃以上となる結晶引き上げ条件下で前記シリコン単結晶を引き上げることを特徴とする。

本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、３次元シミュレーション（以下、３Ｄシミュレーションと称す）による前記石英ルツボ及び前記シリコン融液の伝熱解析の計算結果に基づいて、前記結晶引き上げ条件を決定することが好ましい。これにより、シリコン融液中に中心上昇流を伴う２つの大きな渦流が発生する結晶引き上げ条件を正確に予測することができ、実際の結晶引き上げにおいて酸素濃度の面内分布の均一性が高められたシリコン単結晶の製造歩留まりを高めることができる。

本発明において、前記ヒーターは、鉛直方向に分割された多段ヒーターであり、最上段ヒーターに対する最下段ヒーターの出力比は１よりも大きいことが好ましい。この場合において、前記ヒーターは、鉛直方向に２分割された上段ヒーターと下段ヒーターからなり、前記上段ヒーターに対する前記下段ヒーターの出力比は２以上５以下であることが好ましい。これにより、シリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上となり、且つ、この最大点がシリコン単結晶の投影領域内に存在させるシリコン融液の加熱条件を実施することができる。

本発明において、前記結晶中心軸上の前記シリコン融液内の前記横磁場の最大強度は、一般的なＨＭＣＺの磁場強度範囲である０．１５Ｔ以上０．６Ｔ以下であることが好ましい。また、前記シリコン単結晶の回転速度は５ｒｐｍ以上３０ｒｐｍ以下であることが好ましい。さらに、前記石英ルツボの回転速度は０．１ｒｐｍ以上４ｒｐｍ以下であることが好ましい。これらの結晶引き上げ条件によれば、シリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点を１４３８℃以上とし、且つ、この最大点をシリコン単結晶の投影領域内に発生させることができる。この場合、シリコン融液は石英ルツボの内壁面に沿って降下した後、石英ルツボの中心付近で上昇して固液界面へと直接流れ込む熱対流を形成するので、蒸発によって酸素濃度が低下した融液が固液界面の外周部に供給されることを防止することが可能となる。

本発明において、前記シリコン単結晶の最大直径は３００ｍｍ以上であることが好ましい。そのような大口径のシリコン単結晶は、外周部において酸素濃度が低下しやすく、本発明の効果が顕著だからである。この場合において、シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ルツボの口径は８００ｍｍ以上であることが好ましい。

また、本発明によるシリコン単結晶は、ＨＭＣＺ法により製造されたバルクシリコン単結晶であって、その直胴部の最外周から径方向内側に１５ｍｍまでの外周近傍領域における酸素濃度の複数の測定値から酸素濃度の最大値、最小値及び平均値を求め、前記最大値と前記最小値との差を前記平均値で除した値からなる酸素濃度の落ち込み量が０．０１以下であることを特徴とする。これによれば、酸素濃度の面内分布の均一性が高められたシリコンウェーハを容易に製造することができる。なお、バルクシリコン単結晶とは、単結晶引上げ装置から取り出された後、外周研削加工により単結晶の外周部分を取り除く前の状態のシリコン単結晶のことを言う。

本発明によれば、横磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げるＨＭＣＺ法において、シリコン単結晶の外周部の酸素濃度の低下を抑えることができる。したがって、酸素濃度の面内分布の均一性が高められたシリコンウェーハを容易に製造することができる。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。 図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するフローチャートである。 図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。 図４は、ＨＭＣＺ法において結晶中心軸を通り且つ磁場印加方向に垂直な断面におけるシリコン融液の流動分布を説明する図であって、特に（ａ）は単一のヒーターを用いた一般的な加熱方法の場合、（ｂ）は分割ヒーターの上段ヒーターと下段ヒーターとの出力比を１：２とした加熱方法の場合をそれぞれ示している。 図５は、条件１〜７のシリコン単結晶の直胴部における半径方向の酸素濃度分布の計算値を示すグラフである。 図６は、条件１〜７における外周近傍の酸素濃度の落ち込みの大きさを示す棒グラフである。 図７は、条件２及び条件７のシリコン融液の流動分布図であり、特に上段の図は、結晶中心軸を通り且つ横磁場の印加方向に垂直な断面の流動分布、また下段の図は、結晶中心軸を通り且つ横磁場の印加方向と平行な断面の流動分布をそれぞれ示している。 図８は、条件１〜７におけるルツボ底部の単結晶の投影領域内の最大温度（相対値）を示す棒グラフである。 図９は、シリコンウェーハの径方向の酸素濃度分布を示すグラフであり、横軸は半径方向の位置、縦軸は酸素濃度である。 図１０は、シリコンウェーハの径方向の酸素濃度分布を示すグラフであり、横軸は半径方向の位置、縦軸は酸素濃度である。

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、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。

図１に示すように、単結晶製造装置１は、チャンバー１０（ＣＺ炉）と、チャンバー１０内においてシリコン融液２を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持するグラファイト製のサセプタ１２と、サセプタ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、サセプタ１２の周囲に配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸上に配置された単結晶引き上げ用のワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９とを備えている。

また単結晶製造装置１は、チャンバー１０の外側に配置された磁場発生装置２１と、チャンバー１０内を撮影するＣＣＤカメラ２２と、ＣＣＤカメラ２２で撮影された画像を処理する画像処理部２３と、画像処理部２３の出力に基づいてシャフト駆動機構１４、ヒーター１５及びワイヤー巻き取り機構１９を制御する制御部２４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、サセプタ１２、ヒーター１５及び熱遮蔽体１７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の下部には不活性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、シリコン単結晶３の育成状況（固液界面）を覗き窓１０ｅから観察可能である。

石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。サセプタ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及びサセプタ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。

サセプタ１２は鉛直方向に延びる回転シャフト１３の上端部に固定されている。また回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部中央を貫通してチャンバー１０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。サセプタ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１の回転機構及び昇降機構を構成している。

ヒーター１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を溶融して溶融状態を維持するために用いられる。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、サセプタ１２内の石英ルツボ１１の全周を取り囲むように設けられた略円筒状の部材である。さらにヒーター１５の外側は断熱材１６に取り囲まれており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。

本実施形態によるヒーター１５は、鉛直方向に２分割された分割ヒーターであり、上段ヒーター１５ａと下段ヒーター１５ｂとで構成されている。上段ヒーター１５ａと下段ヒーター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ーを構成している。上段ヒーター１５ａ及び下段ヒーター１５ｂはそれぞれ独立に制御可能であり、上段ヒーター１５ａのパワーを下段ヒーター１５ｂよりも大きくしたり小さくしたりすることができる。詳細は後述するが、結晶引き上げ中において、上段ヒーター１５ａに対する下段ヒーター１５ｂの出力比は２〜５に設定される。

熱遮蔽体１７は、シリコン融液２の温度変動を抑制して固液界面付近に適切なホットゾーンを形成するとともに、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶３の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は、シリコン単結晶３の引き上げ経路を除いたシリコン融液２の上方の領域を覆うグラファイト製の円筒部材である。

熱遮蔽体１７の下端中央にはシリコン単結晶３の直径よりも大きな円形の開口が形成されており、シリコン単結晶３の引き上げ経路が確保されている。図示のように、シリコン単結晶３は開口１７ａを通過して上方に引き上げられる。熱遮蔽体１７の開口の直径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。

シリコン単結晶３の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、融液面と熱遮蔽体１７との間隔（ギャップ）が一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液２の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍（パージガス誘導路）を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液２からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、単結晶の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。

石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶３の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共に単結晶を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１８の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶３がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。単結晶の引き上げ時には種結晶をシリコン融液２に浸漬し、石英ルツボ１１と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。

プルチャンバー１０ｂの上部にはチャンバー１０内に不活性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の底部にはチャンバー１０内の不活性ガスを排気するためのガス排出口１０ｄが設けられている。不活性ガスはガス導入口１０ｃからチャンバー１０内に導入され、その導入量はバルブにより制御される。また密閉されたチャンバー１０内の不活性ガスはガス排出口１０ｄからチャンバー１０の外部へ排気されるので、チャンバー１０内で発生するＳｉＯガスやＣＯガスを回収してチャンバー１０内を清浄に保つことが可能となる。図示していないが、ガス排出口１０ｄには配管を介して真空ポンプが接続されており、真空ポンプでチャンバー１０内の不活性ガスを吸引しながらバルブでその流量を制御することでチャンバー１０内は一定の減圧状態に保たれている。

磁場発生装置２１はシリコン融液２に横磁場（水平磁場）を印加する。結晶中心軸上（結晶引き上げ軸の延長線上）のシリコン融液２内の横磁場の最大強度は、一般的なＨＭＣＺの磁場強度範囲である０．１５〜０．６（Ｔ）であることが好ましい。シリコン融液２に磁場を印加ことで磁力線に直交する方向の融液対流を抑制することができる。したがって、石英ルツボ１１からの酸素の溶出を抑えることができ、シリコン単結晶中の酸素濃度を低減することができる。

メインチャンバー１０ａの上部には内部を観察するための覗き窓１０ｅが設けられており、ＣＣＤカメラ２２は覗き窓１０ｅの外側に設置されている。単結晶引き上げ工程中、ＣＣＤカメラ２２は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口１７ａを通して見えるシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部の画像を撮影する。ＣＣＤカメラ２２は画像処理部２３に接続されており、撮影画像は画像処理部２３で処理され、処理結果は制御部２４において結晶引き上げ条件の制御に用いられる。

図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するフローチャートである。また、図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。

図２及び図３示すように、シリコン単結晶３の製造では、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２を生成する（ステップＳ１１）。その後、ワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２に着液させる（ステップＳ１２）。

次に、シリコン融液２との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する単結晶の引き上げ工程を実施する。単結晶の引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部３ａを形成するネッキング工程（ステップＳ１３）と、規定の直径を得るために結晶直径が徐々に増加したショルダー部３ｂを形成するショルダー部育成工程（ステップＳ１４）と、結晶直径が一定に維持されたボディー部３ｃ（直胴部）を形成するボディー部育成工程（ステップＳ１５）と、結晶直径が徐々に減少したテール部３ｄを形成するテール部育成工程（ステップＳ１６）が順に実施され、単結晶が融液面から最終的に切り離されることによりテール部育成工程が終了する。以上により、単結晶の上端（トップ）から下端（ボトム）に向かって順に、ネック部３ａ、ショルダー部３ｂ、ボディー部３ｃ、及びテール部３ｄを有するシリコン単結晶インゴット３が完成する。

単結晶の引き上げ工程中は、シリコン単結晶３の直径及びシリコン融液２の液面位置を制御するため、ＣＣＤカメラ２２でシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部の画像を撮影し、撮影画像から固液界面における単結晶の直径及び融液面と熱遮蔽体１７との間隔（ギャップ）を算出する。制御部２４は、シリコン単結晶３の直径が目標直径となるようにワイヤー１８の引き上げ速度、ヒーター１５のパワー等の引き上げ条件を制御する。また制御部２４は、融液面と熱遮蔽体１７との間隔が一定となるように石英ルツボ１１の高さ位置を制御する。

本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、横磁場型ＭＣＺ法においてヒーター１５として２分割ヒーターを用いると共に、結晶引き上げ中における上段ヒーター１５ａと下段ヒーター１５ｂとの出力比を１：２〜１：５の範囲内に設定する。シリコン単結晶３の回転速度は５〜３０ｒｐｍであることが好ましく、石英ルツボ１１の回転速度は０．１〜４ｒｐｍであることが好ましい。結晶回転速度が５ｒｐｍより小さい場合には融液の流動分布が中心上昇流とならず、外周部の酸素濃度の低下を抑制できないからであり、また３０ｒｐｍよりも大きい場合には結晶回転制御が不安定となり、結晶の揺れが大きくなって結晶品質が低下するからである。

以上のような結晶引き上げ条件下でシリコン単結晶を引き上げる場合、シリコン融液と接触する石英ルツボ１１の内壁面の温度の最大点は１４３８℃以上となる。石英ルツボ１１の内壁面の温度の最大点は、ルツボ底部中心に発生することが望ましいが、融液対流の偏りによって中心からずれる場合がある。このような場合でも、最大点がシリコン単結晶の投影領域内に発生していれば、石英ルツボ１１の中心付近で上昇し、気液界面を経ずに固液界面へと直接流れ込む流動分布となるので、単結晶の外周部の酸素濃度の低下を抑制することができ、酸素濃度の面内分布の均一化を実現することができる。

結晶引き上げ中のシリコン融液２の流動分布や石英ルツボ１１の内壁面の温度は、総合伝熱解析の３Ｄシミュレーションから予測することができる。結晶引き上げ中にシリコン融液が石英ルツボ１１の内壁面に沿って降下し、石英ルツボ１１の中心部で上昇し、気液界面を経ずに固液界面へと直接流れ込む流動分布となるように結晶引き上げ条件を制御する。そのような結晶引き上げ条件は、３Ｄシミュレーションによる石英ルツボ１１及びシリコン融液の温度分布の計算結果に基づいて決定することができる。すなわち、磁場強度、結晶回転速度、ルツボ回転速度、上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比、結晶引き上げ速度、アルゴン流量、炉内圧、融液量を可変パラメータとし、これらのパラメータを変更した種々の計算を行い、シリコン融液と接触する石英ルツボ１１の内壁面の温度の最大点の位置が投影領域内かどうか、その温度が１４３８℃以上であるかどうかを判断することによって、最適な結晶引き上げ条件を選定することができる。

また、結晶引き上げ中における石英ルツボ１１の底部の内壁面の実際の温度は、サセプタ１２の外表面に取り付けた熱電対の測定温度から求めることができる。サセプタ１２の底部中心の温度を熱電対で測定し、この温度を伝熱解析３Ｄシミュレーションの条件に与えることにより、石英ルツボ１１の底部の内壁面の温度の算出が可能である。

さらに、ウェーハの酸素濃度の面内分布を測定することにより、石英ルツボ１１の底部の内壁面の温度の推定が可能である。すなわち、ウェーハの面内酸素濃度分布が均一であれば、シリコン融液と接触する石英ルツボ１１の内壁面の温度の最大点は１４３８℃以上となっていると結論付けることができる。

次に、単結晶の外周部の酸素濃度の低下を抑制するメカニズムについて説明する。

まず、引き上げ中のシリコン単結晶３への酸素の導入経路について説明する。酸素は、シリコン融液２を保持する石英ルツボ１１の溶融によってシリコン融液２中へ導入され、拡散とシリコン融液２の対流により輸送される。溶融酸素の大部分は気液界面にて一酸化珪素（ＳｉＯ）として蒸発し、融液外へと排出されるが、一部は成長界面へと輸送されシリコン単結晶中へ取り込まれる。従って、単結晶中の酸素濃度はシリコン融液の対流挙動に大きく依存する。

次に、ＨＭＣＺ法におけるシリコン融液の流動分布を説明する。ＨＭＣＺ法において、シリコン融液は印加磁場の向きに対して垂直な面に循環流を形成し、その循環流は形状を維持しながら磁場印加方向に伸びるロール状の流動となっている。これら流動を把握するには、結晶中心軸を通りかつ磁場印加方向に対し垂直な断面の流動状態を見ればよい。

図４は、ＨＭＣＺ法において結晶中心軸を通り且つ磁場印加方向に垂直な断面におけるシリコン融液の流動分布を説明する図であって、特に（ａ）は単一のヒーターを用いた一般的な加熱方法の場合、（ｂ）は分割ヒーターの上段ヒーターと下段ヒーターとの出力比を１：２とした加熱方法の場合であって、投影領域内の石英ルツボ内壁面の最大温度が１４３８℃以上である場合をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示すように、シリコン融液中にはシリコン融液全体にルツボ側面壁で上昇し結晶下で下降する循環流と、結晶下に成長界面を中心から外周部へ向かう方向の循環流の２種類が存在する。前者は、ルツボ側面に対向配置された円筒状のヒーター１５によってルツボ側面の温度が上昇し、それに伴う熱対流に起因する流動であり、後者は結晶回転に伴う吐き出し流である。

図４（ａ）において、石英ルツボ１１から導入されたシリコン融液中の酸素は、熱対流に起因する循環流によってルツボ側面を鉛直上方向に輸送され、気液界面を経由した後に、結晶回転に伴う循環流により結晶成長界面へと輸送される。このとき、気液界面では溶解酸素は蒸発するため、気液界面を経た後のシリコン融液中の溶解酸素濃度は著しく低下する。この酸素濃度が低下したシリコン融液が結晶成長界面の外側より輸送されるため、結晶成長界面における酸素濃度は外周で極端な低濃度となる。従って、結晶中の酸素濃度は一般に外周部で低濃度となる。

一方、図４（ｂ）に示すように、結晶回転速度を５．０ｒｐｍ以上とし、且つ、ヒーター１５の上段ヒーター１５ａと下段ヒーター１５ｂとの出力比を１：２とする場合、結晶成長界面を経由せずルツボから固液界面へと直接シリコン融液が流れ込む流動分布を得ることができる。これは、結晶回転速度を大きくすることで結晶下の結晶成長界面へ向かう流れが相対的に速くなったこと、及び下段ヒーター１５ｂの出力を相対的に高めることでシリコン融液の側面から流れ込む熱量よりも下部から流れ込む熱量のほうが大きくなり、下部近傍にて浮力が生じたことから、中心近傍で上昇流を形成したためと考えられる。

上記のメカニズムによれば、石英ルツボ１１の中心付近で上昇流が存在する流動分布が得られる条件は、シリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上であり、且つ、その最大点の位置が結晶中心軸を通りかつ横磁場の印加方向に垂直な断面においてルツボ中心から結晶半径までの範囲内にあることである。なおシリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点は１５３７℃以下であることが好ましい。１５３７℃以下であれば、石英ルツボが軟化して大きく変形することなく、安全に単結晶を製造することができる。

以上のように、従来のＨＭＣＺ法では、シリコン融液の流動経路が気液界面を経由して固液界面へと向かうことにより、結晶外周部において酸素濃度が極端に低い領域が形成されてしまうが、本発明によるＨＭＣＺ法では、シリコン融液が気液界面を経由することなく結晶界面へと流れる流動経路を形成することができるため、結晶外周部において酸素濃度が極端に低くなることを回避して酸素濃度の面内分布の均一化を図ることができる。

図３に示した本実施形態によるシリコン単結晶インゴットは上記のように製造されるため、酸素濃度の面内分布の均一性が良好である。外周研削加工を行っていないas-grown状態のバルク単結晶において、最外周から径方向内側に１５ｍｍまでの外周近傍領域の酸素濃度を半径方向に一定間隔で測定し、複数の測定値から酸素濃度の最大値、最小値及び平均値を求め、さらに最大値と最小値との差を平均値で除した値を「酸素濃度の落ち込み量」として求めるとき、この酸素濃度の落ち込み量の値は０．０１以下である。

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、横磁場を印加するＨＭＣＺ法においてシリコン融液の加熱に２分割ヒーターを用い、結晶引き上げ中における上段ヒーター１５ａに対する下段ヒーター１５ｂの出力比を２以上に設定することにより、シリコン融液２と接触する石英ルツボ１１の内壁面の温度の最大点を１４３８℃以上とし、且つ、その最大点の位置が結晶中心軸を通りかつ横磁場の印加方向に垂直な断面においてルツボ中心から結晶半径までの範囲内に発生させることができる。これにより、シリコン融液中に中心上昇流を伴う２つの大きな渦流を発生させることができ、シリコン融液が気液界面を経由することなく結晶界面へと流れる流動経路を形成することができる。したがって、シリコン単結晶の外周部において酸素濃度が低下を抑えることができ、酸素濃度の面内分布の均一化を達成することができる。

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、上記実施形態では、上段ヒーター１５ａ及び下段ヒーター１５ｂからなる２分割ヒーターを用いているが、ヒーター１５の鉛直方向の分割数は特に限定されず、３分割以上であってもよい。このような多段ヒーターを用いる場合、最上段ヒーターに対する最下段ヒーターの出力比を１よりも大きくすることにより、シリコン融液と接触する石英ルツボの内壁面の温度の最大点を１４３８℃以上とすることが可能となる。

また上記実施形態においては３００ｍｍウェーハの製造に用いられる結晶直径が３００ｍｍ以上（直径３００〜３４０ｍｍ）のシリコン単結晶インゴットの製造方法を例に挙げたが、４５０ｍｍウェーハ用シリコン単結晶の製造方法（直径４５０〜４９０ｍｍ）であってもよく、直径２００ｍｍ以下のシリコンウェーハの原料となるシリコン単結晶の製造方法であってもよい。ただし、結晶直径が大きなシリコン単結晶では結晶外周部の酸素濃度の低下が顕著であることから、本発明は、最大直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶の製造に好ましく用いることができる。

ＣＺ炉内を模擬した３Ｄシミュレーションによる総合伝熱解析を行い、様々なパラメータを変更した際のシリコン単結晶の酸素濃度の面内分布、及びシリコン融液の対流を予測計算した。３Ｄシミュレーションでは、シリコン融液の側面に配置された円筒状のヒーター１５として２分割ヒーターを用い、上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比のほか、結晶回転やルツボ回転といった一般的な制御因子を様々に設定して、シリコン融液の流動分布の計算を行った。

３ＤシミュレーションではＣＺ炉内全体の３次元形状をモデリングし、シリコン融液及びアルゴン雰囲気を流体として扱い、それ以外の部材を固体として扱った。このとき、少なくとも、シリコン融液形状のモデリングについては、複雑な３次元の流動状態を把握するために３次元メッシュ構造で表現する必要がある。温度は熱伝導、熱伝達、輻射を考慮した方程式、流体の流動はナビエ＝ストークス方程式から、両者を連成して計算した。また横磁場を印加し、これによりシリコン融液中に発生する誘導電流、ローレンツ力を計算した。計算したローレンツ力はナビエ＝ストークス方程式中の外力項に返すことにより、両者を連成した。

酸素は石英ルツボの溶融によりシリコン融液中へ導入され、両者の界面にて飽和濃度になるまで酸素が溶け込むと仮定した。シリコン融液とアルゴン雰囲気との気液界面において、シリコン融液中の酸素は一酸化珪素の平衡濃度になるまで化学変化すると仮定した。また、量反応の反応速度は無限に速いと仮定した。シリコン融液とシリコン単結晶との固液界面において、シリコン融液中の酸素は偏析係数１でシリコン単結晶中に取り込まれると仮定した。

３００ｍｍ結晶の引き上げに対応したＣＺ炉を対象とし、結晶直径は３１０ｍｍ、石英ルツボの口径は８００ｍｍ（３２インチ）、シリコン融液量は２００ｋｇ、結晶引き上げ速度は１．０ｍｍ／ｍｉｎに固定した。結晶中心軸上の坩堝内融液における横磁場の最大強度は他の条件に合わせて０．２Ｔ〜０．４Ｔの範囲内で適切な値に設定した。一方、結晶回転速度、ルツボ回転速度、アルゴン流量、炉内圧、及び上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比の５つを可変パラメータとし、それぞれを表１の通り設定し、条件１〜７の計算を実施した。

図５は、条件１〜７のシリコン単結晶の直胴部における半径方向の酸素濃度分布の計算値を示すグラフである。結晶中心から最外周まで半径方向に５ｍｍ間隔の領域に区切り、その領域における酸素濃度の平均値を示している。この値は、酸素濃度を測定する場合においては、その領域の中央位置で測定した値に相当する。横軸は結晶中心からの径方向の位置（m）、縦軸は酸素濃度（atoms/cm³）をそれぞれ示している。

図５から明らかなように、条件１〜６では、結晶中心から半径１４０ｍｍ〜１５５ｍｍの外周近傍の酸素濃度が低下し、これが酸素濃度の面内分布の均一性を悪化させていることが分かった。一方、条件７は、外周近傍の酸素濃度が低下せず、酸素濃度の面内分布の均一性は非常に良好であることが分かった。

次に、外周近傍の酸素濃度の落ち込みの大きさを評価した。

図６は、条件１〜７における外周近傍の酸素濃度の落ち込みの大きさ（落ち込み量）を示す棒グラフである。酸素濃度の落ち込みの大きさは、（最大値−最小値）／平均値により求めた。この指標が小さいほど、結晶中心から半径１４０ｍｍ〜１５５ｍｍの外周近傍における酸素濃度の低下が小さいことを示している。

条件７の酸素濃度の落ち込みの大きさは、０．００２７３５であり、図６から明らかなように、条件７は、他の条件１〜６と比較して、単結晶の外周近傍における酸素濃度の低下が著しく小さいことが明らかとなった。

次に、単結晶の外周近傍における酸素濃度の低下がどのような現象によるものかを明らかにするため、酸素濃度の低下が大きい条件２と、酸素濃度の低下が小さい条件７の流動分布を比較した。

図７は、条件２及び条件７のシリコン融液の流動分布図であり、特に上段の図は、結晶中心軸を通り且つ横磁場の印加方向に垂直な断面の流動分布、また下段の図は、結晶中心軸を通り且つ横磁場の印加方向と平行な断面の流動分布をそれぞれ示している。

図７の上段に示すように、条件２及び条件７は共に磁場印加の方向に垂直な面に渦を形成し、それが形状を保持したまま磁場印加方向に伸びる流動分布となった。特に、条件２では１つの大きな渦流が存在するが、条件７では２つの大きな渦流が存在し、石英ルツボの中心付近に融液の上昇流が発生していた。なお、条件７を除く全ての条件（条件１〜６）の流動分布が条件２のような１つの渦流を有するものであった。

酸素の輸送経路を考えるとき、条件２では、石英ルツボから融液中に導入された酸素は１つの渦流によって輸送され、片側の気液界面を経由して固液界面へと運ばれる。気液界面を経由する際に酸素は一酸化珪素としてアルゴン雰囲気中へ蒸発し、酸素濃度が低下したシリコン融液がそのまま固液界面へと運ばれるために、結晶の外周近傍において酸素濃度の低下が発生すると考えられる。

一方、条件７のような石英ルツボの中心付近で上昇流を伴う２つの渦流が存在する場合、石英ルツボから融液中に導入された酸素は気液界面を経ずに固液界面へと直接輸送されるため、結晶外周近傍における酸素濃度の低下が発生しないと考えられる。よって、このような中心上昇流を結晶中心軸から結晶半径までの範囲内に発生させることにより、外周近傍領域における酸素濃度の低下を回避できると考えられる。

上記のように、条件７において石英ルツボの中心付近で上昇流を伴う２つの渦流が発生する要因は、他の条件と異なり、２分割ヒーターの出力比を上：下で１：２とし、石英ルツボの下方からの加熱量を大きくしているからである。これにより、ルツボ底部の温度が上昇し、シリコン融液は下方から強く加熱され、それによりルツボ中心部での熱対流による上昇流が形成されたものと考えられる。

この考察から、中心上昇流を伴う２つの渦流を形成するためには、ルツボ内の融液の中心部にて熱対流を促進させればよいと考えられる。熱対流の大きさは流体の上部と下部の温度差が大きいほど強い。ＣＺ法において流体の上部は固液界面であり、固液界面の温度は融点（１４１２℃）に固定されている。従って、ルツボ底部の温度を高くすることにより、中心上昇流の発生を促進させることができるものと考えられる。

図８は、条件１〜７におけるルツボ底部の単結晶の投影領域内の最大温度を示す棒グラフである。

図８に示すように、ルツボ底部の結晶径内の領域における最大温度は条件７が最も大きく１４３８℃である。それ以外の条件では、条件５が最も高く１４３７℃であるが、条件５では中心上昇流は形成されない。したがって、ルツボ底部の結晶径内の領域における温度の最大値が１４３８℃以上であれば、中心上昇流を形成でき、これにより外周近傍における酸素濃度の低下を防止し、酸素濃度の面内分布の均一性が良好なシリコン単結晶を得ることができることが分かった。

次に、上記シミュレーション結果に基づき、シリコン単結晶の実際の引き上げ工程を実施した。その際、シリコン融液の周囲に配置した２分割ヒーターの上下段の出力比を様々に変化させた。上段ヒーターと下段ヒーターとの出力比は、１：１（水準Ａ），１：１．５（水準Ｂ），１：２（水準Ｃ），１：３（水準Ｄ），１：４（水準Ｅ），１：５（水準Ｆ）の６通りとした。それ以外の結晶引き上げ条件は全て同等とし、結晶回転速度は５ｒｐｍ、横磁場の強度は０．３Ｔ、直胴部の結晶直径は３２０ｍｍとした。

次に、それぞれのシリコン単結晶の直胴部の上端から下方に５００ｍｍの位置からウェーハを切り出し、ウェーハの径方向の酸素濃度分布を測定した。酸素濃度の測定にはＦＴＩＲを用い、ウェーハ中心から半径方向に１５０ｍｍまでの領域を１０ｍｍ間隔で測定し、その平均値を求めた。なお本明細書中に記載する結晶中の酸素濃度の測定値はすべてASTM F-121(1979)の規格に従った測定値である。酸素濃度の測定結果を表２に示す。

表２から明らかなように、水準Ａから水準Ｅまではシリコン単結晶を引き上げることができた。しかしながら、水準Ｆでは直胴部において結晶が有転位化し、単結晶を得ることが出来なかった。

次に、ウェーハ中心から半径方向に１４０ｍｍ〜１５７ｍｍの領域の酸素濃度を１ｍｍ間隔で測定し、外周近傍の酸素濃度分布を詳細に測定した。なお、ウェーハ中心から半径方向に１５８ｍｍ〜１６０ｍｍの最外周領域は、測定値がウェーハ側面形状の影響を受けるため除外した。その結果を図９に示す。

図９に示すように、ウェーハ外周部の酸素濃度の低下に着目すると、水準Ａと水準Ｂでは半径１５２ｍｍの位置以降で酸素濃度の低下が見られた。水準Ｃでは水準Ａ，Ｂと比較して酸素濃度の低下領域が狭まっており、ウェーハ中心から半径方向に１５７ｍｍの位置一点のみであった。水準Ｄと水準Ｅの結果も水準Ｃと同様であった。

次に、表２で示した酸素濃度平均値の±５％からはずれる領域を低酸素領域として定義し、低酸素領域の幅を求めた。その結果を表３にまとめる。ここで、ウェーハ中心から半径方向１５７ｍｍよりも外側の領域の酸素濃度については、１５５〜１５７ｍｍの位置における酸素濃度から外挿して低酸素領域かどうかを判断した。

表３に示すように、水準Ａ，Ｂの低酸素領域の幅が８ｍｍであるのに対し、水準Ｃ，Ｄ，Ｅの低酸素領域の幅は４ｍｍであった。この結果から、ウェーハ外周部の酸素濃度の低下を抑えるためには２分割ヒーターの上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比を２〜５にすることが効果的であることが分かった。上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比を２〜５にすることで、シリコン融液の流動分布が変化し、上記のように石英ルツボから気液界面を経由せず直接固液界面へと流れる流動分布に変化したためと考えられる。

次に、２分割ヒーターの上下出力比を１：２に固定し、結晶回転速度を様々に変化させ、シリコン単結晶の引き上げを実施した。結晶回転速度を、２．５ｒｐｍ（水準Ｇ）、７．５ｒｐｍ（水準Ｈ）、１０．０ｒｐｍ（水準Ｉ）とした。結晶直径は３２０ｍｍとし、上記以外のプロセス条件は全て同等とした。その後、ウェーハ中心から１５０ｍｍまでの領域内の酸素濃度を１０ｍｍ間隔で測定し、その平均値を求めた。表２の水準Ｃと共に酸素濃度の測定結果を表４に示す。

表４に示すように、水準Ｇ，Ｈ，Ｉはいずれも水準Ｃと同様にシリコン単結晶を引き上げることができた。だたし、水準Ｇでは酸素濃度の平均値が７．７９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３と低かった。

次に、半径１４０ｍｍから１５７ｍｍまでの領域を１ｍｍ間隔で測定し、外周近傍の酸素濃度分布を詳細に測定した。その結果を図１０に示す。
示す。

図１０に示すように、水準Ｇではウェーハ中心から外周に向かって酸素濃度が緩やかな減少傾向を示した。一方、水準Ｃ，Ｈ，Ｉにおいて酸素濃度が減少傾向を示す領域はウェーハ中心から半径方向に１５７ｍｍの位置一点のみであった。

次に、表４で示した酸素濃度平均値の±５％からはずれる領域を低酸素領域として定義し、低酸素領域の幅を求めた。その結果を表５にまとめる。

表５に示すように、水準Ｇの低酸素領域の幅が１１であったのに対し、水準Ｃ，Ｈ，Ｉの低酸素領域の幅は４ｍｍであった。このように、結晶回転速度が２．５ｒｐｍでは低酸素領域の幅が非常に広くなり、酸素濃度の面内分布が悪化した。これに対し、結晶回転速度が５．０ｒｐｍ以上である水準Ｃ，Ｈ，Ｉでは低酸素領域の幅が狭まっており、酸素濃度の面内分布は良好となった。これは、結晶回転速度が５．０ｒｐｍ以上において流動分布が大きく変化していると考えられる。

上記の測定結果を検証するために、水準ＡからＩまでの９条件のシミュレーションを行い、石英ルツボ底部への単結晶の投影領域内の最大温度を抽出した。その結果、外周部の低酸素領域の幅が小さい水準Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｈ、Ｉについては、全て１４３８℃以上であり、るつぼ中心付近にて上昇流が存在する流動分布であった。

以上の結果から、ＨＭＣＺ法において、２分割ヒーターの上段ヒーターに対する下段ヒーターの出力比を２〜５とし、かつ結晶回転速度５．０以上とした場合には、シリコン単結晶の外周部の酸素濃度の低下を大幅に抑制できることが分かった。

１ 単結晶製造装置
２ シリコン融液
３ シリコン単結晶（インゴット）
３ａ ネック部
３ｂ ショルダー部
３ｃ ボディー部（直胴部）
３ｄ テール部
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
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１５ａ 上段ヒーター
１５ｂ 下段ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２１ 磁場発生装置
２２ カメラ
２３ 画像処理部
２４ 制御部

Claims (7)

1. 石英ルツボの周囲に配置されたヒーターを用いて前記石英ルツボ内のシリコン融液を加熱し、且つ、前記シリコン融液に横磁場を印加しながら、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる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、
   結晶中心軸を通り且つ前記横磁場の印加方向に垂直な断面において、前記シリコン融液と接触する前記石英ルツボの内壁面の温度の最大点が１４３８℃以上となり、且つ、前記最大点の位置が前記シリコン単結晶の投影領域内に存在し、前記シリコン融液中に前記石英ルツボの底部中心付近から結晶成長界面に向かって上昇した後、径方向の外周側に向かう循環流が優勢な流動分布が発生することとなる結晶引き上げ条件下で前記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。
2. ３Ｄシミュレーションによる前記石英ルツボ及び前記シリコン融液の伝熱解析結果に基づいて、前記結晶引き上げ条件を決定する、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記ヒーターは、鉛直方向に２以上に分割された多段ヒーターであり、最上段ヒーターに対する最下段ヒーターの出力比は１よりも大きい、請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記ヒーターは、鉛直方向に２分割された上段ヒーターと下段ヒーターからなり、
   前記上段ヒーターに対する前記下段ヒーターの出力比は２以上５以下である、請求項３に記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記結晶中心軸上の前記シリコン融液内の前記横磁場の強度は０．１５Ｔ以上０．６Ｔ以下である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記シリコン単結晶の回転速度は５ｒｐｍ以上３０ｒｐｍ以下である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
7. 前記シリコン単結晶の最大直径は３００ｍｍ以上である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。

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