特許 7359241 シリコン単結晶の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-02

(45)【発行日】2023-10-11

(54)【発明の名称】シリコン単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20231003BHJP

   C30B 15/04 20060101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502H

C30B15/04

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022040339

(22)【出願日】2022-03-15

(65)【公開番号】P2023135234

(43)【公開日】2023-09-28

【審査請求日】2022-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】吹留 佳祐

(72)【発明者】

【氏名】八木 大地

(72)【発明者】

【氏名】金原 崇浩

(72)【発明者】

【氏名】深津 宣人

【審査官】▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０６０６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１６７８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０１５３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０１３１８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２８０２１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／０６

Ｃ３０Ｂ １５／００ －１５／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

引き上げ炉内で主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、
前記引き上げ炉内にＡｒガスを供給しながら、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、
前記結晶引き上げ工程は、副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、
前記追加ドープ工程は、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を取り囲むように前記シリコン融液の上方に設置された熱遮蔽体の下端と前記シリコン融液の液面との間のギャップを通過するＡｒガスの流速を０．７５～１．１ｍ／ｓに調節し、
前記追加ドープ工程開始前及び前記追加ドープ工程終了後における前記結晶引き上げ工程中の前記Ａｒガスの流速は、前記追加ドープ工程中の前記Ａｒガスの流速よりも低い値に設定されることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

【請求項2】

前記結晶引き上げ工程は、前記ギャップの幅を５０～９０ｍｍに制御する、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項3】

前記追加ドープ工程は、前記引き上げ炉内に供給するＡｒガスの流量及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一方を制御することにより、前記Ａｒガスの流速を調節する、請求項１又は２記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項4】

前記追加ドープ工程は、前記引き上げ炉の炉内圧を１０～３０Ｔｏｒｒに制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。

【請求項5】

前記結晶引き上げ工程は、前記追加ドープ工程終了後における前記Ａｒガスの流速を前記追加ドープ工程開始前における前記Ａｒガスの流速に戻す、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。

【請求項6】

前記追加ドープ工程開始前及び前記追加ドープ工程終了後における前記結晶引き上げ工程中の前記Ａｒガスの流速は、０．３～０．５ｍ／ｓに設定される、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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、結晶引き上げ工程の途中でドーパントを追加供給する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶及び石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下方に大きな直径の単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば、高品質のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造することが可能である。

【0003】

シリコン単結晶の育成では、単結晶の電気抵抗率（以下、単に抵抗率と称す）を調整するために各種のドープ剤（ドーパント）が使用される。代表的なドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などである。通常、これらのドーパントは、多結晶シリコン原料と共に石英ルツボ内に投入され、ヒータによる加熱で多結晶シリコンと共に融解される。これにより、所定量のドーパントを含んだシリコン融液が生成される。

【0004】

しかし、シリコン単結晶中のドーパント濃度は偏析によって引き上げ軸方向に変化するため、引き上げ軸方向に均一な抵抗率を得ることが難しい。この問題を解決するには、シリコン単結晶の引き上げ途中でドーパントを供給する方法が有効である。例えば、ｎ型シリコン単結晶の引き上げ途中でシリコン融液にｐ型ドーパントを加えることにより、ｎ型ドーパントの偏析の影響によるシリコン単結晶の抵抗率の低下を抑制することができる。引き上げ途中にドーパントを投入する工程を追加ドープ工程と呼び、このような主ドーパントと逆の導電型の副ドーパントを追加供給する方法は、特にカウンタードープと呼ばれている。

【0005】

カウンタードープ技術に関し、例えば特許文献１には、初期に投入した型（例えばｎ型）と反対の型（例えばｐ型）のドーパントの投入速度が所定の関係式を満たすようにドーパントを添加することが記載されている。また特許文献２には、副ドーパントを含む棒状シリコン結晶を原料融液へ挿入することで、育成されるシリコン単結晶の軸方向の抵抗率を制御する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平３－２４７５８５号公報

【文献】特開２０１６－２１６３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、石英ルツボ内のシリコン融液に粒状のドーパントを投下するカウンタードープでは、固体のドーパントが融液に溶けきる前にシリコン融液と単結晶との固液界面を通じて単結晶に取り込まれ、シリコン単結晶が有転位化するという問題がある。このような問題は、主ドーパントと逆の導電型の副ドーパントを投入する場合に限らず、主ドーパントと同じ導電型の副ドーパントを追加供給する場合にも起こり得ることである。

【0008】

したがって、本発明の目的は、結晶引き上げ途中で固体の副ドーパントを投下する追加ドープ工程において単結晶の有転位化を防止することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、引き上げ炉内で主ドーパントを含むシリコン融液を生成する溶融工程と、前記引き上げ炉内にＡｒガスを供給しながら、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ工程とを備え、前記結晶引き上げ工程は、副ドーパントを前記シリコン融液に投下する少なくとも１回の追加ドープ工程を含み、前記追加ドープ工程は、前記シリコン融液から引き上げられた前記シリコン単結晶を取り囲むように前記シリコン融液の上方に設置された熱遮蔽体の下端と前記シリコン融液の液面との間のギャップを通過するＡｒガスの流速を０．７５～１．１ｍ／ｓに調節することを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、シリコン融液に投下した副ドーパントが未溶融の状態で固液界面に到達してシリコン単結晶中に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0011】

本発明において、前記結晶引き上げ工程は、前記ギャップの幅を５０～９０ｍｍに制御することが好ましい。このように、熱遮蔽体と融液面との間のギャップが比較的広い場合には、シリコン融液に投下した副ドーパントがシリコン単結晶中に取り込まれやすく、シリコン単結晶の有転位化が発生しやすい。しかし本発明においては、ギャップを通過して融液面近傍を流れるＡｒガスの流速を０．７５～１．１ｍ／ｓに調節するので、シリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0012】

本発明において、前記追加ドープ工程は、前記引き上げ炉内に供給するＡｒガスの流量及び前記引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一方を制御することにより、前記Ａｒガスの流速を調節することが好ましい。このような制御により、シリコン融液の表面近傍を流れるＡｒガスの流速を０．７５～１．１ｍ／ｓに調節することができる。

【0013】

本発明において、前記追加ドープ工程は、前記引き上げ炉の炉内圧を１０～３０Ｔｏｒｒに制御することが好ましい。炉内圧が３０Ｔｏｒｒよりも高くなると、シリコン融液の表面近傍のＡｒガスの流速が低下し、シリコン単結晶の有転位化が発生しやすい。しかし、本発明によれば、炉内圧を１０～３０Ｔｏｒｒに制御するので、シリコン融液の表面近傍のＡｒガスの流速の低下を防止することができる。したがって、シリコン融液に投下したドーパントが未溶融の状態で固液界面に取り込まれる確率を低減することができる。

【0014】

本発明において、前記結晶引き上げ工程は、前記追加ドープ工程終了後における前記Ａｒガスの流速を前記追加ドープ工程開始前における前記Ａｒガスの流速を戻すことが好ましい。これにより、結晶引き上げに適したＡｒガス供給条件下で結晶引き上げを継続することができ、追加ドープ時の単結晶の有転位化を防止しながら所望の結晶品質を維持することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、結晶引き上げ途中で固体の副ドーパントを投下する追加ドープ工程において単結晶の有転位化を防止することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】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示す略断面図である。

【図2】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ためのフローチャートである。

【図3】図３は、カウンタードープ工程（追加ドープ工程）を含む直胴部育成工程を説明するためのフローチャートである。

【図4】図４は、Ａｒ流速の算出方法を説明するための図である。

【図5】図５は、ドーパント投下期間とＡｒ流速との関係の一例を示す図である。

【図6】図６は、２回のカウンタードープを実施したときのシリコン単結晶中の抵抗率の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

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示す略断面図である。

【0019】

図１に示すように、単結晶製造装置１は、シリコン単結晶２の引き上げ炉を構成するチャンバー１０と、チャンバー１０内に設置された石英ルツボ１２と、石英ルツボ１２を支持するグラファイト製のサセプタ１３と、サセプタ１３を昇降及び回転可能に支持するシャフト１４と、サセプタ１３の周囲に配置されたヒータ１５と、石英ルツボ１２の上方に配置された熱遮蔽体１６と、石英ルツボ１２の上方であってシャフト１４と同軸上に配置された単結晶引き上げワイヤー１７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１８と、石英ルツボ１２内にドーパント原料５を供給するドーパント供給装置２０と、各部を制御する制御部３０とを備えている。

【0020】

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の上部開口を覆うトップチャンバー１０ｂと、トップチャンバー１０ｂ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１０ｃとで構成されており、石英ルツボ１２、サセプタ１３、ヒータ１５及び熱遮蔽体１６はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。サセプタ１３はチャンバー１０の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられたシャフト１４の上端部に固定されており、シャフト１４はシャフト駆動機構１９によって昇降及び回転駆動される。

【0021】

ヒータ１５は、石英ルツボ１２内に充填された多結晶シリコン原料を融解してシリコン融液３を生成するために用いられる。ヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒータであり、サセプタ１３内の石英ルツボ１２を取り囲むように設けられている。ヒータ１５の外側には断熱材１１が設けられている。断熱材１１はメインチャンバー１０ａの内壁面に沿って配置されており、これによりメインチャンバー１０ａ内の保温性が高められている。

【0022】

熱遮蔽体１６は、ヒータ１５及び石英ルツボ１２からの輻射熱によってシリコン単結晶２が加熱されることを防止すると共に、シリコン融液３の温度変動を抑制するために設けられている。熱遮蔽体１６は上方から下方に向かって直径が縮小した略円筒状の部材であり、シリコン融液３の上方を覆うと共に、育成中のシリコン単結晶２を取り囲むように設けられている。熱遮蔽体１６の材料としてはグラファイトを用いることが好ましい。熱遮蔽体１６の中央にはシリコン単結晶２の直径よりも大きな開口部が設けられており、シリコン単結晶２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２は開口部を通って上方に引き上げられる。熱遮蔽体１６の開口の直径は石英ルツボ１２の口径よりも小さく、熱遮蔽体１６の下端部は石英ルツボ１２の内側に位置するので、石英ルツボ１２のリム上端を熱遮蔽体１６の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１６が石英ルツボ１２と干渉することはない。

【0023】

シリコン単結晶２の成長と共に石英ルツボ１２内の融液量は減少するが、融液面から熱遮蔽体１６の下端までの距離（ギャップ値、あるいはギャップの幅と称す）が一定になるように石英ルツボ１２の上昇を制御することにより、シリコン融液３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Ａｒガスの流速を一定にしてシリコン融液３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。

【0024】

石英ルツボ１２の上方には、シリコン単結晶２の引き上げ軸であるワイヤー１７と、ワイヤー１７を巻き取るワイヤー巻き取り機構１８が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１８はワイヤー１７と共にシリコン単結晶２を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１８はプルチャンバー１０ｃの上方に配置されており、ワイヤー１７はワイヤー巻き取り機構１８からプルチャンバー１０ｃ内を通って下方に延びており、ワイヤー１７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２がワイヤー１７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３に浸漬し、石英ルツボ１２と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１７を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。

【0025】

プルチャンバー１０ｃの上部にはチャンバー１０内にＡｒガス（パージガス）を導入するためのガス吸気口１０ｄ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Ａｒガスを排気するためのガス排気口１０ｅが設けられている。ここで、Ａｒガスとは、ガスの主成分（５０vol.%超）がアルゴンであるものを意味し、水素や窒素といったガスを含んでも構わない。

【0026】

Ａｒガス供給源３１はマスフローコントローラ３２を介してガス吸気口１０ｄに接続されており、Ａｒガス供給源３１からのＡｒガスはガス吸気口１０ｄからチャンバー１０内に導入され、その導入量はマスフローコントローラ３２により制御される。また密閉されたチャンバー１０内のＡｒガスはガス排気口１０ｅ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内の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。ガス吸気口１０ｄからガス排気口１０ｅに向かうＡｒガスは、熱遮蔽体１６の開口を通過し、融液面に沿って引き上げ炉の中心部から外側に向かい、さらに降下してガス排気口１０ｅに到達する。

【0027】

ガス排気口１０ｅには配管を介して真空ポンプ３３が接続されており、真空ポンプ３３でチャンバー１０内のＡｒガスを吸引しながらバルブ３４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。チャンバー１０内の気圧は圧力計によって測定され、ガス排気口１０ｅからのＡｒガスの排気量はチャンバー１０内の気圧が一定となるように制御される。

【0028】

ドーパント供給装置２０は、チャンバー１０の外側からその内部に引き込まれたドーパント供給管２１と、チャンバー１０の外側に設置され、ドーパント供給管２１の上端に接続されたドーパントホッパー２２と、ドーパント供給管２１が貫通するトップチャンバー１０ｂの開口部１０ｆを密閉するシールキャップ２３とを備えている。

【0029】

ドーパント供給管２１は、ドーパントホッパー２２の設置位置からトップチャンバー１０ｂの開口部１０ｆを通って石英ルツボ１２内のシリコン融液３の直上まで到達する配管である。シリコン単結晶２の引き上げ途中において、ドーパント供給装置２０から石英ルツボ１２内のシリコン融液３にドーパント原料５が追加供給される。ドーパントホッパー２２から排出されたドーパント原料５は、ドーパント供給管２１を通ってシリコン融液３に供給される。

【0030】

ドーパント供給装置２０から供給されるドーパント原料５は、副ドーパントを含む粒状シリコンである。このようなドーパント原料５は、副ドーパントを高濃度に含むシリコン結晶を例えばＣＺ法により育成した後、細かく破砕して作製される。ただし、カウンタードープに用いるドーパント原料５は副ドーパントを含むシリコンに限定されず、ドーパント単体であってもよく、ドーパント原子を含む化合物であってもよい。またドーパント原料５の形状は粒状に限定されず、板状や棒状であってもよい。

【0031】

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ためのフローチャートである。

【0032】

図２に示すように、シリコン単結晶２の製造では、まず石英ルツボ１２内に主ドーパントと共に多結晶シリコン原料を充填する（原料充填工程Ｓ１１）。ｎ型シリコン単結晶を引き上げる場合の主ドーパントは例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）あるいはアンチモン（Ｓｂ）であり、ｐ型シリコン単結晶を引き上げる場合の主ドーパントは例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）である。次に、石英ルツボ１２内の多結晶シリコンをヒータ１５で加熱して溶融し、主ドーパントを含むシリコン融液３を生成する（溶融工程Ｓ１２）。

【0033】

次に、ワイヤー１７の先端部に取り付けた種結晶を降下させてシリコン融液３に着液させる（ステップＳ１３）。その後、シリコン融液３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成長させる結晶引き上げ工程（ステップＳ１４～Ｓ１７）を実施する。

【0034】

結晶引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部を形成するネッキング工程Ｓ１４と、結晶直径が徐々に大きくなったショルダー部を形成するショルダー部育成工程Ｓ１５と、結晶直径が規定の直径（例えば約３００ｍｍ）に維持された直胴部を形成する直胴部育成工程Ｓ１６と、結晶直径が徐々に小さくなったテイル部を形成するテイル部育成工程Ｓ１７が順に実施され、最終的には単結晶が融液面から切り離される。以上により、シリコン単結晶インゴットが完成する。

【0035】

直胴部育成工程Ｓ１６は、シリコン単結晶２に含まれる主ドーパントと反対の導電型を有する副ドーパントをシリコン融液３中に投入する少なくとも１回のカウンタードープ工程（追加ドープ工程）を有することが好ましい。これにより、シリコン単結晶２の直胴部の結晶長手方向における抵抗率の変化を抑制することができる。

【0036】

３００ｍｍウェーハ用シリコン単結晶のＣＺ引き上げにおいて、ウェーハ面内の所望の結晶欠陥分布（無欠陥結晶）を実現するためには、熱遮蔽体１６の下端とシリコン融液３の液面との間のギャップの幅（ギャップ値）を５０～９０ｍｍに制御することが好ましい。このようにギャップ値を比較的大きく設定した場合、同じＡｒガス流量でギャップ値が小さい場合と比べて、引き上げ炉の中心軸側から外側に向かう融液面に沿ったＡｒガスの流速が遅くなりやすく、このような条件下で追加ドープを実施した場合にはシリコン単結晶の有転位化の確率が高くなる。しかし、本実施形態のようにカウンタードープ工程中の炉内条件を変更した場合には、シリコン単結晶の有転位化の確率を低くすることができる。

【0037】

図３は、カウンタードープ工程（追加ドープ工程）を含む直胴部育成工程Ｓ１６を説明するためのフローチャートである。

【0038】

図３に示すように、直胴部育成工程Ｓ１６の開始時には、融液面に沿って流れるＡｒガスの流速（Ａｒ流速）がシリコン単結晶の育成に適した値に設定される（ステップＳ２１）。直胴部育成工程Ｓ１６に必要なＡｒ流速Ｆ_１（第１流速）は、例えば、０．３～０．５ｍ／ｓに設定される。

【0039】

シリコン単結晶中のドーパント濃度は結晶引き上げが進むにつれて上昇するため、所望の抵抗率範囲から外れてしまう。そのため、直胴部育成工程中、カウンタードープが必要なタイミングになると、カウンタードープを開始する（ステップＳ２２Ｙ，Ｓ２３～Ｓ２５）。

【0040】

カウンタードープでは、シリコン融液３に副ドーパントを含むドーパント原料５を投下する（ステップＳ２４）。ｎ型シリコン単結晶を引き上げる場合の副ドーパントは例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）であり、ｐ型シリコン単結晶を引き上げる場合の副ドーパントは例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）あるいはアンチモン（Ｓｂ）である。

【0041】

ドーパント投下期間中は、Ａｒ流速がカウンタードープに適した値にそれぞれ変更される。ドーパント投下期間（第２期間）中のＡｒ流速Ｆ_２（第２流速）は、結晶引き上げ期間（第１期間）中のＡｒ流速Ｆ_１（第１流速）よりも大きい値（Ｆ_２＞Ｆ_１）に設定される。なお、ドーパント投下期間とは、狭義にはドーパント原料５を実際に投下している期間であるが、広義にはシリコン融液中に投下したドーパントが溶け切って有転位化の問題が生じなくなるまでに必要な期間のことを言う。

【0042】

ドーパント投下期間中のＡｒ流速Ｆ_２は、０．７５～１．１ｍ／ｓであることが好ましい。Ａｒ流速が０．７５ｍ／ｓよりも小さいと投下したドーパントが融液対流に乗ってシリコン単結晶の方へ流れ、単結晶の有転位化の原因となるからである。一方、Ａｒ流速が１．１ｍ／ｓよりも大きいと乱気流の発生等によりドーパントの落下位置が安定せず、シリコン単結晶付近に落下して、単結晶の有転位化の原因となる。Ａｒ流速Ｆ_２が０．７５ｍ／ｓ以上１．１ｍ／ｓ以下であれば、未溶融の副ドーパントが単結晶に取り込まれることによるシリコン単結晶の有転位化を防止することができる。

【0043】

Ａｒ流速の制御は、引き上げ炉内に供給するＡｒガスの流量及び引き上げ炉の炉内圧の少なくとも一方を調整することによって行うことができる。Ａｒガスの流量が増加すればＡｒ流速は増加し、Ａｒ流量が減少すればＡｒ流速も減少する。炉内圧が増加すればＡｒ流速は減少し、炉内圧が減少すればＡｒ流速は増加する。Ａｒ流速はギャップ値を変えることによっても変化するので、ギャップ値をＡｒ流速の操作因子とすることも可能である。ギャップ値が大きくなればＡｒ流速は減少し、ギャップ値が小さくなればＡｒ流速は増加する。

【0044】

図４は、Ａｒ流速の算出方法を説明するための図である。

【0045】

融液面近傍を流れるＡｒガスの流速は、熱遮蔽体１６の下端とシリコン融液３の液面との間のギャップを通過するＡｒガスの平均流速として計算により求めることができる。Ａｒ流速をＶ_Ａｒ（ｍ／ｓ）、引き上げ炉内のＡｒ流量をＱ_Ａｒ（ｍｍ^３／ｓ）、熱遮蔽体と融液面との間のギャップにおける断面積をＳ（ｍｍ^２）とするとき、Ｖ_Ａｒを求める計算式は以下のようになる。
Ｖ_Ａｒ＝Ｑ_Ａｒ×１０^－３／Ｓ

【0046】

ここで、引き上げ炉内のＡｒ流量Ｑ_Ａｒは、引き上げ炉に流入する前のＡｒ流量Ｑ_Ａｒ'（ｍｍ^３／ｓ）と炉内圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）から以下のように求められる。
Ｑ_Ａｒ＝Ｑ_Ａｒ'×７６０／Ｐ

【0047】

また、熱遮蔽体と融液面との間の断面積Ｓは、熱遮蔽体の開口径ｄ_１（ｍｍ）と熱遮蔽体から融液表面までの距離（ギャップ値）ｄ_２（ｍｍ）から以下のように求められる。
Ｓ＝ｄ_１×π×ｄ_２

【0048】

引き上げ炉に流入する前のＡｒ流量Ｑ_Ａｒ'は、室温且つ大気圧下での換算流量であり、マスフローコントローラ３２によって制御される。また。Ａｒガスに他のガスを混合させる場合は、Ａｒガスと他のガスの前記換算流量の合計流量をＡｒ流量Ｑ_Ａｒ'とする。他のガスの例としては窒素ガス、水素ガス等が挙げられる。以上のように、融液面近傍を流れるＡｒガスの流速は、引き上げ炉内のＡｒ流量、炉内圧及び炉内構造物の寸法から計算により求めることができる。

【0049】

図４において熱遮蔽体１６の下端面は水平面であるため、熱遮蔽体１６の下端部の内周端から外周端までの範囲内どの位置でもギャップ値は同じである。しかし、熱遮蔽体１６の下端面が水平面でない場合には、熱遮蔽体１６の径方向の位置によってギャップ値が変化するので、Ａｒ流速の算出値も変わってくる。ここで、熱遮蔽体１６の下端部の内径位置が最下端となり、下端面が外径方向に向かって上りの傾斜面となる場合、当該内径位置でＡｒ流速を評価すればよく、当該Ａｒ流速が０．７５～１．１ｍ／ｓを満たせば足りる。また熱遮蔽体１６の下端面が外径方向に向かって下りの傾斜面となる場合には、熱遮蔽体１６の下端部の内径位置からそれよりも外径側の最下端位置までの範囲内のどこか一箇所でのＡｒ流速を評価すればよい。その際、上述のように計算によりＡｒ流速を求めるが、上述の熱遮蔽体の開口径ｄ_１（ｍｍ）を、熱遮蔽体１６の中心軸からＡｒ流速を評価する位置までの径方向距離の２倍の値に置き換えて計算すれば良い。いずれにしても、Ａｒ流速を求める位置は、ドーパントが投下される位置よりも熱遮蔽体１６の径方向の内側（結晶側）の位置であることが必要である。

【0050】

図３に示すように、カウンタードープが終了すると、カウンタードープ工程前の結晶引き上げ期間（第１期間）中のＡｒ流速Ｆ_１に戻され、直胴部の育成を継続する（ステップＳ２５，Ｓ２６）。

【0051】

カウンタードープ工程は求められる結晶長さに応じて繰り返し行われる（ステップＳ２７Ｙ，Ｓ２２Ｙ，Ｓ２３～Ｓ２５）。カウンタードープ終了後も直胴部の育成を継続し、カウンタードープが再び必要なタイミングになると、カウンタードープを開始する。カウンタードープの繰り返し回数は予め決められており、規定回数のカウンタードープが終了するまで繰り返し行われる。カウンタードープ中は毎回、Ａｒ流速をカウンタードープに適した値（Ｆ_２）に変更する。こうして、規定回数のカウンタードープを行いながら所望の長さのシリコン単結晶を引き上げることにより、抵抗率の引き上げ軸方向の変化が小さなシリコン単結晶の歩留まりを高めることができる。

【0052】

図５は、ドーパント投下期間とＡｒ流速との関係の一例を示す図である。

【0053】

図５に示すように、ドーパント投下期間中はＡｒ流速を増加させる。例えば、ドーパントを投下していない引き上げ期間（第１期間）におけるＡｒ流速は０．３～０．５ｍ／ｓに設定され、ドーパント投下期間（第２期間）中のＡｒ流速は０．７５～１．１ｍ／ｓに設定される。

【0054】

ドーパント投下期間中の炉内圧は１０～３０Ｔｏｒｒであることが好ましい。ドーパント投下期間中の炉内圧が３０Ｔｏｒｒを超えると、シリコン単結晶の有転位化の確率が高くなるからである。これは、シリコン融液の表面近傍におけるＡｒ流速には流速分布があり、シリコン融液に極めて近い領域おけるＡｒ流速の低下が原因と考えられる。カウンタードープ工程以外の引き上げ期間（第１期間）における炉内圧はドーパント投下期間の炉内圧と同じであってもよく、ドーパント投下期間の炉内圧と異なってもよい。したがって、カウンタードープ工程以外の引き上げ期間（第１期間）における炉内圧を例えば３５～４５Ｔｏｒｒに設定することも可能である。

【0055】

チャンバー１０の中心側から外側に向かって流れる融液面に沿ったＡｒガスの流速を高くすることにより、融液面近傍に漂う未溶融のドーパントがシリコン単結晶２とシリコン融液３との固液界面に近づくことを抑制することができる。したがって、ドーパントがシリコン単結晶２とシリコン融液３との固液界面に取り込まれることによる単結晶の有転位化を防止することができる。

【0056】

図６は、２回のカウンタードープを実施したときのシリコン単結晶中の抵抗率の変化を示すグラフであって、横軸は結晶長（直胴部の全長を１としたときの相対値）、縦軸は抵抗率（相対値）をそれぞれ示している。

【0057】

図６に示すように、主ドーパントとしてリンを単独でドープしたシリコン単結晶の場合、シリコン単結晶の抵抗率は引き上げ開始時が最も高く、引き上げが進むにつれて徐々に低下するだけであるため、結晶長が約０．４４を超えたところで抵抗率が規格から外れることになる。

【0058】

しかし、１回目のカウンタードープを結晶長が約０．４４の位置で実施し、２回目カウンタードープを結晶長が０．６３の位置で実施することにより、抵抗率が規格内に収まる単結晶の長さをできるだけ長くすることができる。

【0059】

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、シリコン単結晶の引き上げ工程中にシリコン単結晶の主ドーパントと逆の導電型の副ドーパントをシリコン融液に投下する工程を含み、副ドーパント投下期間中のＡｒ流速を副ドーパント非投下期間中よりも大きくしているので、単結晶の有転位化を防止することができる。

【0060】

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。

【0061】

例えば、上記実施形態においては、シリコン単結晶の引き上げ工程中にシリコン単結晶の主ドーパントと逆の導電型の副ドーパントを追加するカウンタードープについて説明したが、本発明はカウンタードープに限定されず、主ドーパントと同じ導電型の副ドーパントを追加する追加ドープ工程に適用することもできる。また上記実施形態においては、シリコン単結晶を引き上げる際にシリコン融液に磁場を印加しないＣＺ引き上げを例に挙げたが、本発明はシリコン融液に磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げる、いわゆるＭＣＺ法に適用することも可能である。

【0062】

また上記実施形態においては、副ドーパント投下前のＡｒ流速Ｆ_１よりも副ドーパント投下期間中のＡｒ流速Ｆ_２を高くして０．７５～１．１ｍ／ｓとするものである。しかし、本発明はドーパント投下前のＡｒ流速Ｆ_１を変化させてドーパント投下期間中のＡｒ流速Ｆ_２を０．７５～１．１ｍ／ｓの範囲内にすればよく、ドーパント投下前のＡｒ流速Ｆ_１よりもドーパント投下期間中のＡｒ流速Ｆ_２を低くしてもよい。

【実施例】

【0063】

Φ３００ｍｍウェーハ用シリコン単結晶のＣＺ引き上げ工程において、カウンタードープ時のＡｒ流速がシリコン単結晶の引き上げ結果に与える影響を評価した。評価試験では、リン（Ｐ）を主ドーパントとするｎ型シリコン単結晶の直胴部育成工程の途中で２回のカウンタードープを行った。カウンタードープ工程以外のシリコン単結晶の引き上げ工程中ではＡｒ流速を０．３～０．５ｍ／ｓに維持した。またカウンタードープ工程のカウンタードープ時には表１のようにＡｒ流速をカウンタードープ工程前のＡｒ流速と異なる値（又は同じ値）に変化させ、このＡｒ流速を変更した状態を１５分間維持した後、変更前のＡｒ流速に戻した（図５参照）。Ａｒ流速の変更（増加及び減少）には２０分を要した。副ドーパントの投下は、Ａｒ流速を変化させ一定に維持した１５分間の期間中に行った。

【0064】

また評価試験では、同じＡｒ流速に対して異なるギャップ値を適用した場合についても評価した。ギャップ値は、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍ、９０ｍｍ、１００ｍｍの７通りとした。Ａｒ流速の評価試験の結果を表１に示す。

【0065】

【表1】

【0066】

表１から明らかなように、Ａｒ流速が０．２０ｍ／ｓ～０．７０ｍ／ｓのときには、カウンタードープ時の副ドーパントの影響によりシリコン単結晶の有転位化が発生した。Ａｒ流速が比較的高い１．１５ｍ／ｓ～４．０ｍ／ｓのときにも、カウンタードープ時の副ドーパントの影響によりシリコン単結晶の有転位化が発生した。しかし、Ａｒ流速が０．７５ｍ／ｓ～１．１０ｍ／ｓのときには、シリコン単結晶の有転位化は発生しなかった。以上は、ギャップ値を４０～１００ｍｍの範囲内で変化させた場合についても同様となった。

【0067】

次に、こうして得られたシリコン単結晶についてＣＯＰ（Crystal Originated Particle）やＯＳＦ（Oxidation-induced Stacking Fault）などの赤外線散乱帯欠陥や、ＬＤ（interstitial-type Large Dislocation）などの転位クラスタといった欠陥の有無を調査した。その結果を表２に示す。

【0068】

【表2】

【0069】

表２から明らかなように、ギャップ値を５０～９０ｍｍに制御しながら引き上げたシリコン単結晶では、無欠陥結晶であったが、ギャップ値を４０ｍｍ及び１００ｍｍに制御しながら引き上げたシリコン単結晶では、欠陥が検出され無欠陥結晶ではなかった。

【符号の説明】

【0070】

１ 単結晶製造装置
２ シリコン単結晶
３ シリコン融液
５ ドーパント（副ドーパント）
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ トップチャンバー
１０ｃ プルチャンバー
１０ｄ ガス吸気口
１０ｅ ガス排気口
１０ｆ 開口部
１１ 断熱材
１２ 石英ルツボ
１３ サセプタ
１４ シャフト
１５ ヒータ
１６ 熱遮蔽体
１７ ワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９ シャフト駆動機構
２０ ドーパント供給装置
２１ ドーパント供給管
２２ ドーパントホッパー
２３ シールキャップ
３０ 制御部
３１ Ａｒガス供給源
３２ マスフローコントローラ
３３ 真空ポンプ
３４ バルブ
Ｓ１１ 原料充填工程
Ｓ１２ 溶融工程
Ｓ１３ 着液工程
Ｓ１４ ネッキング工程
Ｓ１５ ショルダー部育成工程
Ｓ１６ 直胴部育成工程
Ｓ１７ テイル部育成工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】