JP4806974B2 - シリコン単結晶育成方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の育成方法に関し、特に熱応力に起因する有転位化を抑制でき、無転位部を歩留まりよく育成できるシリコン単結晶の育成方法に関する。

シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）による育成方法が知られている。従来から、ＣＺ法で所望の品質のシリコン単結晶を効率よく製造するために、育成中のシリコン単結晶の温度を調整する技術が知られている。例えば、引き上げ中のシリコン単結晶の固液界面近傍を急冷することにより、最大引き上げ速度を増大する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９９３８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている技術では、シリコン単結晶を冷却することによる熱応力に起因する有転位化が生じやすく、生産性や歩留まりが悪いことが問題となっていた。
通常、引き上げ中のシリコン単結晶に有転位化が生じた場合、引き上げたシリコン単結晶を溶かし、再度引き上げることにより無転位部の長いシリコン単結晶の育成を目指す。しかし、シリコン単結晶の引き上げと溶解を繰り返すと、引き上げに要する時間が長時間となるので生産性が低下してしまう。また、無転位結晶の育成を断念して結晶育成を打ち切った場合には坩堝内に多量のシリコン融液が残ってしまうため、原料が無駄になるし、残ったシリコン融液が凝固するときの体積膨張により坩堝やヒーターが破損してしまう虞が生じる。このため、従来から、有転位化が多数回発生し、引き上げたシリコン単結晶を溶かして再度引き上げたとしても、無転位部の長いシリコン単結晶の引き上げが期待できない場合には、有転位化が生じたままのシリコン単結晶が引き上げられている。

さらに、このような有転位化が多数回発生したシリコン単結晶は、育成中の熱応力に起因する結晶粒のずれが大きいものとなるので、引き上げたシリコン単結晶を室温まで冷却した後に、結晶粒のずれによる大きな残留応力が発生する。このため、引き上げたシリコン単結晶を炉外に取り出す際や、炉外に取り出したシリコン単結晶を運搬する際などにわずかな衝撃が加わることで、容易にシリコンの降伏応力以上の応力が発生して結晶が割れてしまうという不都合があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却することで生じる熱応力に起因する有転位化を抑制でき、割れにくく、無転位部の長さの長いシリコン単結晶を歩留まりよく育成できる生産性に優れたシリコン単結晶の育成方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明のシリコン単結晶の育成方法は、育成中のシリコン単結晶の周囲を取り囲んでその内周面が引上軸と同軸である冷却用部材によりシリコン単結晶の少なくとも一部を冷却しながらチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する方法であって、
融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃと融点から１３５０℃までの結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅとの比Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４となるように育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却するとともに、 前記結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍとされ、
単結晶を育成する雰囲気ガスが水素原子含有物質の気体を含み、
前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜４００Ｐａとし、
前記雰囲気ガス中における酸素ガス（Ｏ _２ ）の濃度は、前記水素原子含有物質の気体の水素分子換算での濃度をαとし、酸素ガス（Ｏ _２ ）濃度をβとしたとき、α−２β≧３％（体積％）を満たすものとされることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜１６０Ｐａとして、全面がＰＶ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成するか、または、前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を１６０〜４００Ｐａとして、全面がＰＩ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成することができる。
本発明の前記水素分圧が１００〜２５０Ｐａとされてなることがある。
本発明において、前記水素原子含有物質の気体が、水素ガスであることが好ましい。
本発明において、育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間が、８０〜１８０分とされてなることができる。
本発明において、３０〜４５ＭＰａの熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される時間が、８０〜１８０分とされてなることができる。
本発明において、前記シリコン単結晶の直胴部を、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域とすることができる。
本発明では、炉内圧が４〜６．７ｋＰａの範囲である場合、雰囲気ガス中には、２０体積％以下の濃度で窒素が存在してなることがある。
本発明では、水平磁場（横磁場）にあっては磁場強度が２０００〜４０００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定され、カスプ磁場にあっては、磁場強度が３００〜７００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−５０〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される磁場を供給することができる。
本発明において、引き上げる単結晶の直径をＤｃとするとき、前記冷却用部材はその内周面の径が１．２０Ｄｃ〜２．５０Ｄｃ、長さが０．２５Ｄｃ以上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの距離が０．３０Ｄｃ〜０．８５Ｄｃであることがある。
本発明のシリコン単結晶の育成方法は、育成中のシリコン単結晶の周囲を取り囲んでその内周面が引上軸と同軸である冷却用部材によりシリコン単結晶の少なくとも一部を冷却しながらチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する方法であって、単結晶を育成する雰囲気ガスが水素原子含有物質の気体を含むことを特徴とする。本発明において、育成中のシリコン単結晶の少なくとも一部とは、直胴部、ネック部、テイル部などシリコン単結晶のどの部分であってもよく、例えば、ホットゾーンを通過するシリコン単結晶の側面部とすることができる。
また、上記のシリコン単結晶の育成方法においては、前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜４００Ｐａとする方法とすることができる。
さらに、上記のシリコン単結晶の育成方法においては、前記水素原子含有物質の気体が、水素ガスである方法とすることができる。
また、上記のシリコン単結晶の育成方法においては、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃと融点から１３５０℃までの結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅとの比Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４となるように育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却する方法とすることができる。
さらに、上記のシリコン単結晶の育成方法においては、冷却用部材の設置により、前記結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍである方法とすることができる。
また、上記のシリコン単結晶の育成方法においては、前記シリコン単結晶の直胴部を、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域とする方法とすることができる。
本発明のシリコン単結晶は、上記のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法によって育成されたことを特徴とする。

ここで、ＣＺ法で製造されたシリコン単結晶の品質（欠陥状態）と生産性（引き上げ速度）について説明する。
ＣＺ法で製造されたシリコン単結晶には、デバイスの製造過程で顕在化してくる微細欠陥、すなわちＧｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥が生じることが知られている。図１は、ＣＺ法にて得られたシリコン単結晶の径方向における欠陥分布状態を説明するための断面図である。図１に示すように、ＣＺ法にて得られたシリコン単結晶のＧｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥は、赤外線散乱体欠陥またはＣＯＰ（Crystal Originated Particle）などと呼ばれる大きさが０．１〜０．２μｍ程度の空孔欠陥、および転位クラスターと呼ばれる大きさが１０μｍ程度の微小転位からなる。

また、図１に示すシリコン単結晶では、酸素誘起積層欠陥（以下、「ＯＳＦ（Oxygen induced Stacking Fault）」という。）が外径の約２/３の領域にリング状に現れている。ＯＳＦが発生するＯＳＦ発生領域の内側部分には、赤外線散乱体欠陥が１０⁵〜１０^６個／cm^３程度検出される領域（赤外線散乱体欠陥発生領域）があり、外側部分には、転位クラスターが１０^３〜１０^４個／cm^３程度存在する領域（転位クラスター発生領域）がある。

図２は、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。なお、図１は、図２におけるＡの位置に相当する引き上げ速度で育成されたシリコン単結晶の断面図である。
図２に示すように、引き上げ速度の早い段階では、結晶周辺部にリング状のＯＳＦ発生領域が現れ、ＯＳＦ発生領域の内側部分が赤外線散乱体欠陥の多数発生する赤外線散乱体欠陥発生領域となっている。そして、引き上げ速度の低下にしたがって、ＯＳＦ発生領域の径が次第に小さくなってＯＳＦ発生領域の外側部分に転位クラスターの発生する転位クラスター発生領域が現れ、やがてＯＳＦ発生領域が消滅して、全面に転位クラスター発生領域が現れる。

また、リング状のＯＳＦ発生領域に接する外側には、酸素析出物（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）を形成させることのできる酸素析出促進領域（ＰＶ領域）があり、酸素析出促進領域と転位クラスター発生領域との間に酸素析出を生じない酸素析出抑制領域（ＰＩ領域）がある。酸素析出促進領域（ＰＶ領域）、酸素析出抑制領域（ＰＩ領域）、リング状のＯＳＦ発生領域は、いずれもＧｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥の極めて少ない無欠陥領域である。

赤外線散乱体欠陥が検出されるシリコン単結晶は、転位クラスターが検出されるシリコン単結晶と比較してデバイスへの悪影響が小さく、引き上げ速度を速くすることができるため生産性に優れている。
また、近年の集積回路の微細化に伴って、赤外線散乱体欠陥による酸化膜耐圧性の低下が指摘され、赤外線散乱体欠陥も転位クラスターも検出されない無欠陥領域からなる高品質なシリコン単結晶が求められている。

所望の欠陥状態のシリコン単結晶は、引き上げ速度Ｖ（mm／min）と固液界面近傍での結晶側の温度勾配をＧ（℃／mm）との比Ｖ／Ｇを制御することによって得られる。
図１および図２を用いて説明したシリコン単結晶の育成例は、シリコン単結晶の側面部において温度勾配Ｇを制御するための温度調整を行なわないホットゾーン構造を用いて育成されたものである。このようなホットゾーン構造では、結晶中心部での温度勾配（Ｇｃ）が結晶外周部での温度勾配（Ｇｅ）より小さく（Ｇｃ＜Ｇｅ）なる。また、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間、言い換えると、育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間は、１８０分を越える時間となる。育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間は、シリコン単結晶中でＯＳＦ核が成長する温度領域である。

ここで、固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御することにより、所望の欠陥状態のシリコン単結晶を育成する方法について例を挙げて説明する。
例えば、結晶中心部での温度勾配（Ｇｃ）が結晶外周部での温度勾配（Ｇｅ）と同一かこれより大きく（Ｇｃ≧Ｇｅ）なるホットゾーン構造を用いて、ウェーハ面全面にわたって均一な無欠陥領域からなるシリコン単結晶を育成する方法が考えられる。

具体的には、凝固直後の単結晶の周囲を取り囲む熱遮蔽体の寸法や位置を改良するとともに、冷却手段により冷却することでホットゾーン構造を改良し、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却して固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御し、融点から１２５０℃近傍までの温度域においてＧｃ≧Ｇｅとなるようにする。図３は、結晶中心部での温度勾配（Ｇｃ）が結晶外周部での温度勾配（Ｇｅ）と同一かこれより大きく（Ｇｃ≧Ｇｅ）なるホットゾーン構造をもつ育成装置を用い、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。

図３より（Ｇｃ≧Ｇｅ）となるホットゾーン構造を有する育成装置にて、図３に示すＢからＣの範囲の引き上げ速度で育成すると、固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇが制御され、無欠陥領域となるシリコン単結晶が得られることがわかる。また、図３を用いて説明したシリコン単結晶の育成例では、図２に示す例と比較して、無欠陥結晶を引き上げることのできる引き上げ速度を相対的に速くすることができる。なお、無欠陥結晶を引き上げることのできる引き上げ速度範囲（図３ではＢからＣの範囲）を無欠陥結晶の引き上げ速度マージンという。
また、図３を用いて説明したシリコン単結晶の育成例では、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間、言い換えると、育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間は、８０〜１８０分となる。したがって、図３を用いて説明したシリコン単結晶の育成例では、図２に示す例と比較して、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間が短くなり、シリコン単結晶中でのＯＳＦ核の成長が抑制され、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンを大きくすることができる。

しかし、図３を用いて説明したシリコン単結晶の育成例では、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却して固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御するので、シリコン単結晶の側面部において温度勾配Ｇを制御するための温度調整を行なわない図２に示す例と比較して、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力が大きくなり、熱応力に起因する有転位化が発生しやすくなる。

本発明のシリコン単結晶の育成方法は、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却するホットゾーン構造を有する育成装置を用いる場合にも好適に使用できる。本発明のシリコン単結晶の育成方法では、単結晶を育成する雰囲気ガスを、不活性ガスと水素原子含有物質の気体との混合ガスなど、水素原子含有物質の気体を含むガスとするので、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却して固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御する場合のように、育成中のシリコン単結晶の側面部に熱応力が負荷される条件であっても、以下に示すように、熱応力に起因する有転位化を抑制できる。

熱応力に起因する有転位化の一つとして、熱応力に抗することができずに発生する転位クラスターを起点とするスリップが挙げられる。本発明では、水素原子含有物質の気体中の水素元素が、シリコン結晶の格子間に入り込むので、シリコンの格子間原子の濃度を高めたのと同じこととなり、シリコンの凝固の過程でシリコン融液から結晶内に取り込まれる格子間原子の数自体を低減させることができる。

このように、本発明では、水素によって格子間原子に起因する転位クラスターの発生を抑制することができるので、転位クラスターを起点とするスリップが発生しにくくなり、有転位化が抑制される。その結果、本発明によれば、雰囲気ガス中に水素を添加しない場合と比較して、有転位化が少なく、割れにくく、無転位部の長さの長い高品質なシリコン単結晶を育成できる。

また、シリコン単結晶の側面部において温度勾配Ｇを制御するための温度調整を行なわない図２に示す例では、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力は、通常２８ＭＰａ程度であり３０ＭＰａ未満となる。これに対し、図３に示す例のように、（Ｇｃ≧Ｇｅ）となるホットゾーン構造を有する育成装置を用いる場合、通常３０〜４５ＭＰａ程度であり３０ＭＰａ以上の熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷されることになる。熱応力に起因する有転位化は、熱応力が３０ＭＰａ以上になると顕著となり、熱応力が４０ＭＰａ以上になると、有転位化や割れが非常に生じやすくなる。
本発明によれば、熱応力に起因する有転位化が顕著となる３０ＭＰａ以上の熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される条件であっても、効果的に熱応力に起因する有転位化を抑制できる。
さらに、従来、有転位化が多数回発生し、育成して冷却した後のシリコン単結晶に、シリコンの降伏応力に近い残留応力が発生していた４０ＭＰａ以上の熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される条件であっても、効果的に熱応力に起因する有転位化を抑制できる。

本発明のシリコン単結晶の育成方法において、水素原子含有物質の気体は、水素ガスとすることができるが、例えば、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、ＨＣＬ等の水素原子を含む無機化合物や、シランガス、ＣＨ_４・Ｃ_２Ｈ_２などの炭化水素、アルコール、カルボン酸等の水素原子を含む各種物質の気体から選択される１種または複数のガスを用いることができる。
なお、水素原子含有物質の気体として水素ガスを用いる場合には、市販の水素ガスボンベ、水素ガス貯蔵タンク、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させた水素タンク等から専用の配管を通じて引き上げ炉内に供給させることができる。
また、不活性ガス(希ガス)としては、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅから選択される１種または複数のガスを用いることができる。通常、安価なアルゴン（Ａｒ）ガスが用いられるが、ＡｒガスにＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの他の不活性ガスを混合したものを用いてもよい。

なお、雰囲気ガス中における酸素ガス（Ｏ_２）の濃度は、水素原子含有物質の気体の水素分子換算での濃度をαとし、酸素ガス（Ｏ_２）濃度をβとしたとき、α−２β≧３％（体積％）を満たすものとされる。上記式を満たさない場合、雰囲気ガス中における酸素ガス（Ｏ_２）の濃度βと水素原子含有物質の気体の水素分子換算での濃度αとが上記式を満たさない場合、シリコン単結晶中に取り込まれた水素原子によるＧｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥の生成を抑制する効果が得られない。

図４は、本発明のシリコン単結晶の育成方法を用いて得られたシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。図４に示すシリコン単結晶は、図３と同じ（Ｇｃ≧Ｇｅ）となるホットゾーン構造を有する育成装置を用い、引き上げ炉内に水素分圧が２５０Ｐａとなるように水素が添加された不活性ガスを供給し、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したものである。

単結晶を育成する雰囲気ガスを不活性ガスと水素との混合ガスとした場合、上述したように、水素によって格子間原子に起因する転位クラスターの発生が抑制されるので、無欠陥領域が引き上げ速度の低速側に移行する。したがって、雰囲気ガスを不活性ガスとした図３に示す例と比較して、図４に示すように、無欠陥結晶を引き上げることのできる最低引き上げ速度が遅くなり、無欠陥結晶を引き上げることのできる引き上げ速度範囲（無欠陥結晶の引き上げ速度マージン（図４ではＤからＥの範囲））が大きくなる。
なお、Ｇｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥の形成に影響を及ぼした水素のほとんどは、その後の冷却の過程でシリコン単結晶外に逸散する。

また、雰囲気ガスを不活性ガスと水素との混合ガスとした場合、育成中の装置内では、不活性ガス雰囲気中に含まれる水素の分圧に比例した水素が、シリコン融液中に溶け込んで凝固するシリコン結晶中に分配される。
シリコン融液中の水素濃度は、ヘンリーの法則から気相中の水素分圧に依存して決まり、
Ｐ_Ｈ２＝ｋＣ_ＬＨ２と表される。
ここで、Ｐ_Ｈ２は雰囲気中の水素分圧、Ｃ_ＬＨ２はシリコン融液中の水素濃度、ｋは両者の間の係数である。
一方、シリコン単結晶中の濃度は、シリコン融液中の濃度と偏析との関係で決まり、
Ｃ_ＳＨ２ ＝ｋ′Ｃ_ＬＨ２ ＝（ｋ′／ｋ）Ｐ_Ｈ２と表される。
ここで、Ｃ_ＳＨ２は結晶中の水素濃度、ｋ′は水素のシリコン融液−結晶間の偏析係数である。
以上から、水素を含む不活性ガス雰囲気中で育成する際、凝固直後のシリコン単結晶中の水素濃度は、雰囲気中の水素分圧を制御することで結晶の軸方向に一定に所望する濃度で制御できる。この水素分圧は水素濃度と炉内圧力により制御できる。

また、図５は、雰囲気中の水素分圧とＶ／Ｇとの関係を示したグラフである。引き上げ中の単結晶内部の温度分布は、ホットゾーン構造が同じであれば引き上げ速度が変化してもほとんど変化しないので、図５に示したＶ／Ｇは、引き上げ速度とみなされる。図５に示すように、雰囲気中の水素分圧の増加にしたがって、無欠陥結晶の得られる引き上げ速度は低下しているが、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンは大きくなっている。
また、ＯＳＦ領域の引き上げ速度マージンは、水素分圧の増加にしたがって、狭くなっている。ＰＩ領域の引き上げ速度マージンは、水素分圧の増加にしたがって、大幅に拡大される。また、ＰＶ領域の引き上げ速度マージンは、水素分圧の増加にしたがって、広がったり狭まったりしているが、水素分圧が１００〜２５０Ｐａのときに引き上げ速度マージンが大きくなっている。

本発明のシリコン単結晶の育成方法においては、雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜４００Ｐａとすることで、効果的に熱応力に起因する有転位化を抑制できる。水素分子分圧を４０Ｐａ未満とした場合、有転位化を抑制する効果が十分に得られない虞が生じる。また、水素分子分圧が４００Ｐａを越える場合、水素欠陥呼ばれる巨大空洞欠陥が発生しやすくなるため好ましくない。また、雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４００Ｐａ以下とすることで、仮に、シリコン単結晶の育成装置内にリークして空気が流入したとしても、燃焼することなく安全に操業することが可能である。

さらに、図５に示すように、雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜４００Ｐａとすることで、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンを大きくすることができる。このため、全面が無欠陥結晶である大口径のシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を容易に育成することができる。さらに、全面がＰＶ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶と、全面がＰＩ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶の作り分けが容易になる。なお、水素分子分圧を４０Ｐａ未満とした場合、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンを大きくする効果が十分に得られないため好ましくない。

さらに、図５に示すように、雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜１６０Ｐａ（図５ではＩの範囲）とすることで、全面がＰＶ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を容易に育成することができる。水素分子分圧が１６０Ｐａを越える場合、ＰＩ領域が混在しやすくなり、全面がＰＶ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成しにくくなる。ＰＶ領域は酸素析出物を形成しやすく、ＰＶ領域からなるシリコンウェーハでは、例えば、表面にいわゆるＤＺ（Denuded Zone）層形成処理を施したときに、内部にゲッタリング作用を有するＢＭＤを容易に形成することができる。

さらに、図５に示すように、雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を１６０〜４００Ｐａ（図５ではＩＩの範囲）とすることで、全面がＰＩ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を容易に育成することができる。また、ＯＳＦ発生領域を縮小させることができるので、酸素濃度を高くした無欠陥結晶からなるウェーハが容易に製造できるようになる。水素分子分圧を１６０Ｐａ未満とした場合、ＰＶ領域が混在しやすくなり、全面がＰＩ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成しにくくなる。

図７は、本発明のシリコン単結晶の育成方法を用いて得られた他のシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。図７に示すシリコン単結晶は、凝固直後の単結晶の周囲を取り囲む熱遮蔽体の寸法や位置を改良するとともに、冷却手段により育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却することによって、Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用いて、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却して固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御し、かつ、引き上げ炉内に水素分圧が２４０Ｐａとなるように水素が添加された不活性ガスを供給し、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したものである。
また、図６は、図７と同様のホットゾーン構造を有する育成装置を用いて、育成中のシリコン単結晶の側面部の温度を調整して固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇを制御し、引き上げ炉内に不活性ガスのみを供給し、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。

このようなホットゾーン構造を有する育成装置を用いる場合にも、通常３０〜４５ＭＰａ程度の熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷され、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間、言い換えると、育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間は、８０〜１８０分となる。

本発明のシリコン単結晶の育成方法では、単結晶を育成する雰囲気ガスを、不活性ガスと水素原子含有物質の気体との混合ガスとするので、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃと融点から１３５０℃までの結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅとの比Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用いる場合であっても、熱応力に起因する有転位化を効果的に抑制できる。

図７に示すように、上記の方法で育成することにより、雰囲気ガスを不活性ガスとした図６に示す例と比較して、無欠陥結晶の引き上げ速度マージン（図６ではＦからＧの範囲、図７ではＦからＧの範囲）を大きくすることができる。また、Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用いることで、固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇが大きくなり、Ｖ／Ｇを変更することなく引き上げ速度Ｖを大きくすることができ、無欠陥結晶を引き上げることのできる最低引き上げ速度を向上させることができる。また、上記の方法で育成することにより、シリコン単結晶を引き上げる際におけるＶ／Ｇの制御性を向上させることができる。また、図７に示すように、上記の方法で育成することにより、酸素析出促進領域（ＰＶ領域）の引き上げ速度マージンおよび酸素析出抑制領域（ＰＩ領域）の引き上げ速度マージン（図７ではＨからＧの範囲）が大きくなるので、ウェーハ面全面にわたってＰＶ領域となるシリコン単結晶や、ウェーハ面全面にわたってＰＩ領域となるシリコン単結晶を得ることができる。
また、図６および図７に示すように、Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用いることで、ＰＶ領域とＯＳＦ発生領域との間で形成される境界面において、図６に示すように中央部が結晶軸方向に盛り上がっている部分ｍの育成に相当する速度をｆｐＤとし、図６に示すようにリング状に盛り上がっている部分（結晶の径方向で結晶中心と最外部との中間位置で結晶軸方向に凸状をなす部分）ｎの育成に相当する速度をｆｐＲとすると、
（fpD-fpR）/fpD×１００＝±２０（％）
となるように制御できる。

なお、本発明においては、炉内圧が４〜６．７ｋＰａ（３０〜５０Ｔｏｒｒ）の範囲である場合、雰囲気ガス中には、２０体積％以下の濃度で窒素（Ｎ_２）が存在してもよい。窒素濃度が２０体積％を超える場合、シリコン単結晶が有転位化する恐れがある。

本発明によれば、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却することで生じる熱応力に起因する有転位化を抑制でき、割れにくく、無転位部の長さの長いシリコン単結晶を歩留まりよく育成できる生産性に優れたシリコン単結晶の育成方法を提供することができる。

以下、本発明に係る第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図８は、本実施形態におけるシリコン単結晶の育成方法を実施するのに適したＣＺ炉の縦断面図である。
図８に示すＣＺ炉は、チャンバー内の中心部に配置された坩堝１と、坩堝１の外側に配置されたヒータ２と、ヒータ２の外側に配置された磁場供給装置９とを備えている。坩堝１は、内側にシリコン融液３を収容する石英坩堝１ａを外側の黒鉛坩堝１ｂで保持する二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転および昇降駆動される。
坩堝１の上方には、円筒形状の熱遮蔽体７が設けられている。熱遮蔽体７は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造である。熱遮蔽体７の内面は、上端部から下端部にかけて内径が漸減するテーパー面になっている。熱遮蔽体７の上部外面は内面に対応するテーパー面であり、下部外面は、熱遮蔽体７の厚みを下方に向かって漸増させるようにほぼストレート面に形成されている。

このＣＺ炉は、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃと融点から１３５０℃までの結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅとの比Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４より好ましくは、１．２〜１．４、温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍより好ましくは、３．２〜３．３となるホットゾーン構造を備えたものであり、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間、言い換えると、育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間が、８０〜１８０分、より好ましくは１００〜１５０分とされるものである。このようなホットゾーン構造は、熱遮蔽体７および水冷手段８（冷却手段）により構成される。

熱遮蔽体７は、ヒータ２およびシリコン融液３面からシリコン単結晶６の側面部への輻射熱を遮断するものであり、育成中のシリコン単結晶６の側面を包囲するとともに、シリコン融液３面を包囲するものである。熱遮蔽体７の仕様例を挙げると次のとおりである。半径方向の幅Ｗは例えば５０ｍｍ、逆円錐台面である内面の垂直方向に対する傾きθは例えば２１°、熱遮蔽体７の下端の融液面からの高さＨ１は例えば６０ｍｍとする。

水冷手段８は、熱遮蔽体７の内側に取り付けられている。水冷手段８を熱遮蔽体７の内側に取り付けることで、効果的にシリコン単結晶６の側面部を冷却できるとともに、熱遮蔽体７の内側を高速で下降する不活性ガス流により、水冷手段８へのＳｉＯの析出が抑制されるようになる。
ここで使用される水冷手段８としては、銅やステンレス等からなるコイル状の通水管や、通水隔壁を有する水冷ジャケット等を挙げることができる。水冷手段８の通水量は、１０リットル／分以上とすることが好ましい。水冷手段８の冷却能力は、水冷手段８の結晶引上方向の高さや融液表面からの設置距離を調整することによって調整可能であり、通水量に応じて通水管や水冷ジャケットの構成を適宜変更することができる。また、水冷手段８の冷却能力を調整することで、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力が３０〜４５ＭＰａの範囲で変化するとともに、育成中のシリコン単結晶の温度が１０００〜８００℃の範囲である時間が、８０〜１８０分の範囲で変化する。
また、水冷手段８は引き上げる単結晶の直径をＤｃとするとき、冷却用部材はその内周面の径が１．２０Ｄｃ〜２．５０Ｄｃ、長さが０．２５Ｄｃ以上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの距離が０．３０Ｄｃ〜０．８５Ｄｃの範囲で設計することが一般的である。

また、磁場供給装置９から供給される磁場の強度は、水平磁場（横磁場）にあっては２０００〜４０００Ｇ、より好ましくは２５００〜３５００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−１５０〜＋１００ｍｍ、より好ましくは−７５〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される。
また、カスプ磁場にあっては、磁場供給装置９から供給される磁場の強度は、２００〜１０００Ｇ、より好ましくは３００〜７００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−１００〜＋１００ｍｍ、より好ましくは−５０〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される。
上記の磁場の強度で上記の磁場中心高さ範囲で磁場供給装置９から磁場を供給することで、対流を抑えることができ、固液界面の形状を好ましい形状とすることができる。

図８に示すＣＺ炉を用いてシリコン単結晶６の引き上げを行う場合、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．２℃／ｍｍであり、結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅが２．３〜２．５℃／ｍｍであり、Ｇｃ／Ｇｅは１．３程度となる。また、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力は、３０〜４５ＭＰａとなる。この状態は、引き上げ速度を変えてもほとんど変わらない。

次に、図８に示すＣＺ炉を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスを用いて、直胴部がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域であるシリコン単結晶６の育成を行う方法について説明する。
（操業条件の設定）
まず、目標とする無欠陥結晶のシリコン単結晶を育成するための操業条件の設定を行なう。はじめに、水素濃度と無欠陥結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を把握するために、雰囲気ガス中における水素分子分圧を例えば、０、２０、４０、１６０、２４０、４００Ｐａの混合比率とし、それぞれの条件で目標直径、例えば３００ｍｍの単結晶を育成する。

すなわち、るつぼ内に高純度シリコンの多結晶を例えば３００Ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率を所望の値、例えば１０Ωｃｍになるようにｐ型（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ等）またはｎ型（Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等）のドーパントを添加する。装置内をアルゴン雰囲気で、減圧の１．３３〜２６．７ｋＰａ（１０〜２００ｔｏｒｒ）とし、雰囲気ガス中における水素分子分圧が上記の所定の混合比率となるように設定して炉内に流入させる。

次いで、磁場供給装置９から例えば３０００Ｇの水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍとなるように供給するとともに、ヒータ２によりシリコンの多結晶を加熱してシリコン融液３とし、シードチャック５に取り付けた種結晶をシリコン融液３に浸漬し、るつぼ１および引き上げ軸４を回転させつつ結晶引き上げをおこなう。結晶方位は｛１００｝、｛１１１｝または｛１１０｝のいずれかとし、結晶無転位化のためのシード絞りをおこなった後、ショルダー部を形成させ、肩変えして目標ボディ径とする。

そして、ボディ長さが例えば３００ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を臨界速度よりも充分大きな、例えば１．０ｍｍ／ｍｉｎに調整し、その後引き上げ長さに応じてほぼ直線的に引き上げ速度を低下させ、ボディ長さが例えば６００ｍｍに達したときに臨界速度よりも小さい例えば０．３ｍｍ／ｍｉｎとなるようにし、その後はこの引き上げ速度で例えば１６００ｍｍまでボディ部を育成し、通常条件でテイル絞りを行った後、結晶成長を終了する。

このようにして、異なる水素濃度で育成された単結晶を引き上げ軸に沿って縦割りし、引き上げ軸近傍を含む板状試片を作製し、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の分布を観察するために、Ｃｕデコレーションを行う。まず、それぞれの試片を硫酸銅水溶液に浸漬した後自然乾燥し、窒素雰囲気中で９００℃で、２０分程度の熱処理を施す。その後、試片表層のＣｕシリサイド層を除去するために、ＨＦ／ＨＮＯ_３ 混合溶液中に浸漬し、表層数十ミクロンをエッチング除去した後、Ｘ線トポグラフ法によりＯＳＦリングの位置や各欠陥領域の分布を調査する。また、このスライス片のＣＯＰの密度を、例えばＯＰＰ法、転位クラスタの密度を例えばＳｅｃｃｏエッチング法にてそれぞれ調査する。

上記のような引き上げ実験によって、赤外線散乱体欠陥発生領域、ＯＳＦ発生領域、ＰＶ領域、ＰＩ領域、転位クラスター発生領域の各欠陥領域のＶ／Ｇと水素濃度との関係が得られる。また、引き上げ速度を変化させる位置を、３００ｍｍから６００ｍｍ、５００ｍｍから８００ｍｍおよび７００ｍｍから１０００ｍｍように異なる部位で数箇所実施することで、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンと結晶軸方向位置との関係が求められ、無欠陥結晶を得るための操業条件の設定が可能となる。

（シリコン単結晶の育成）
次に、図８に示すＣＺ炉を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスを用いて、上述した方法により設定された適切な操業条件で、直胴部がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域であるシリコン単結晶６の育成を行う。

本実施形態のシリコン単結晶の育成方法によれば、単結晶を育成する雰囲気ガスを、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスとするので、育成中のシリコン単結晶の側面部に熱応力が負荷される条件であっても、熱応力に起因する有転位化を効果的に抑制できる。また、無欠陥結晶の引き上げ速度マージンを大きくすることができので、直胴部がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域であるシリコン単結晶６を容易に育成することができる。
なお、上述した実施形態では、水冷手段８（冷却手段）により育成中のシリコン単結晶の側面部を積極的に冷却した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、水冷手段８（冷却手段）により育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却する場合のみに限定されるものではなく、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却できれば他のいかなる手段を用いて冷却してもよい。

（実験例）
本発明を検証するために以下に示す実験を行なった。
すなわち、表１および以下に示す１〜３のホットゾーン構造を有する育成装置を用い、雰囲気ガスとして、アルゴンガスまたはアルゴンガスと水素ガスとの混合ガスを用いて、外径３００ｍｍ、ボディ長さ１８００ｍｍの無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。

（ホットゾーン構造１）
図８に示すＣＺ炉を用い、水冷手段８の冷却能力を、寸法が内径６００ｍｍ、高さ２００ｍｍとし、その下面が融液表面から１５０ｍｍとなるように設置するとともに、磁場供給装置９から３０００Ｇの水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して０ｍｍとなるように供給し、供給融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．２℃／ｍｍであり、結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅが２．２℃／ｍｍであり、Ｇｃ／Ｇｅが１．３となるホットゾーン構造とした。

（ホットゾーン構造２）
図８に示すＣＺ炉を用い、水冷手段８の冷却能力を、寸法が内径６００ｍｍ、高さ１５０ｍｍとし、その下面が融液表面から２００ｍｍとなるように設置するとともに、ホットゾーン構造１と同様にして水平磁場を供給し、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．０℃／ｍｍであり、結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅが２．５℃／ｍｍであり、Ｇｃ／Ｇｅが１．２となるホットゾーン構造とした。

（ホットゾーン構造３）
水冷手段８および熱遮蔽体７のないＣＺ炉を用い、ホットゾーン構造１と同様にして水平磁場を供給し、融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが ２．８℃／ｍｍであり、結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅが２．５℃／ｍｍであり、Ｇｃ／Ｇｅが１．１となるホットゾーン構造とした。

このような１〜３のホットゾーン構造を有する育成装置を用いてシリコン単結晶を育成した場合に、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力を以下に示す方法により求めた。

＜伝熱計算＞
熱応力は、図９に示す伝熱計算を行った結果を用いて求めた。
伝熱計算では、まず、引き上げ炉のモデリング（Ｓ１）を行なった。引き上げ炉のモデリングでは、外形およびメッシュ形状の数値化を行なう形状の数値化と、熱伝導率と表面ふく射率を材質により設定する材料の物性値の設定とを行なった。
次に、２つの表面要素が互いにどのように見えているか表す形態係数の計算（Ｓ２）を行なった。形態係数の計算は、表面の要素ごとに行なった。
続いて、伝熱計算を実行（Ｓ３）した。伝熱計算では、ＳＯＲ法により繰り返し計算を実行して、ふく射伝熱を求め、熱バランスに基づく収束計算を行なった。
熱バランスに基づく収束計算は、引上速度が設定範囲内で安定するという収束条件で以下に示すように行なった。
１． ｎ回目の伝熱計算終了後に、シリコン単結晶内を流れる熱流速をＨｓｏ、固液界面で発生する凝固線熱をＨｌａ、シリコン融液内を流れる熱流速をＨｌｑとしたとき、Ｈｓｏ＝Ｈｌａ＋Ｈｌｑが満足するようにＨｌａを決める。ここで、Ｈｌａは引上速度の関数なので、熱バランスを満足する引上速度が求められる。
２． 引上速度が収束目標よりも速ければヒーターの発熱量を増やし、収束目標よりも遅ければヒーターの発熱量を減らす。
３． ｎ＋１回目の伝熱計算を実行する。

＜熱応力計算＞
熱応力は、図１０に示すように行なった。まず、結晶のモデリング（Ｓ４）を行なった。結晶のモデリングでは、シリコン単結晶の外形およびメッシュ形状の数値化を行なう形状の数値化と、シリコン単結晶の物性値である熱膨張率、ヤング率、ポアソン比の設定とを行なった。
次に、伝熱計算結果の入力を行なうことにより、温度分布の入力（Ｓ５）を行なった。
その後、有限要素法による熱応力計算を行うことにより結晶中の熱応力を計算（Ｓ６）した。

このようにして求めた１〜３のホットゾーン構造を有する育成装置を用いてシリコン単結晶を育成した場合に、育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される熱応力の結果を表１に示す。

「実験例１」
表１に示すホットゾーン構造１を有する育成装置を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして、アルゴンガス中に水素分子分圧が２４０Ｐａとなるように水素ガスを混合した混合ガスを用いて、上述した方法により設定された操業条件で、無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。

「実験例２」
表１に示すホットゾーン構造３を有する育成装置を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いて、無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。
「実験例３」
表１に示すホットゾーン構造２を有する育成装置を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いて、無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。
「実験例４」
表１および以下に示すホットゾーン構造１を有する育成装置を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いて、上述した方法により設定された操業条件で、無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。

「実験例５」
表１に示すホットゾーン構造３を有する育成装置を用い、単結晶を育成する雰囲気ガスとして、アルゴンガス中に水素分子分圧が２４０Ｐａとなるように水素ガスを混合した混合ガスを用いて、上述した方法により設定された操業条件で、無欠陥結晶であるシリコン単結晶の育成を行った。

このようにして得られた実験例１〜実験例５のシリコン単結晶の引き上げ速度（ｍｍ／ｍｉｎ）と無欠陥結晶の引き上げ速度マージン（ｍｍ／ｍｉｎ）とを表２に示す。

また、実験例１〜実験例５のシリコン単結晶をそれぞれ複数育成して試験体とし、育成時の１引上試験あたりの有転位化回数を以下に示すようにして求めた。
引上長１０００ｍｍ以降で有転位化したものは結晶を溶かし再度無転位の結晶引上を試みる。このような作業を繰り返し、全長に渡って無転位な結晶を得られた場合は、引き上げた結晶を溶かした回数が有転位化回数であり、１０００ｍｍ以降に有転位化した結晶が得られた場合には、引き上げた結晶を溶かした回数＋１回が有転位化回数となる。
実験例１〜実験例４の結果の平均値を図１１に示す。

また、実験例１〜実験例５のシリコン単結晶をそれぞれ複数育成して試験体とし、育成後に無転位部の長さを調べた。実験例１〜実験例４の結果の平均値を図１２に示す。

さらに、実験例１〜実験例５のシリコン単結晶の無転位性を以下に示す評価基準に基づいて評価した。その結果を表２に示す。
○：無転位部の長さの平均値が１４００ｍｍを越え、なおかつ有転位化回数の平均値が０．５回未満である。
△：無転位部の長さの平均値が１０００〜１４００ｍｍの範囲であり、有転位化回数の平均値が０．５〜１回の範囲である。
×：無転位部の長さの平均値が１０００ｍｍ未満であり、なおかつ有転位化回数の平均値が１回を越える。

さらに、実験例１〜実験例５のシリコン単結晶について、炉外に取り出す作業および炉外に取り出したシリコン単結晶を運搬する作業による割れの有無を以下に示す評価基準に基づいて評価した。その結果を表２に示す。
○：全ての試験体に割れが生じなかった。
△：一部の試験体に割れが生じた。
×：全ての試験体に割れが生じた。

表２より、本発明の実施例でありホットゾーン構造１を用い、雰囲気ガス中に水素を添加した実験例１およびホットゾーン構造３を用い、雰囲気ガス中に水素を添加した実験例５では、無転位性および割れの評価が○となった。
また、雰囲気ガス中に水素を添加しないことのみ実験例１と異なるホットゾーン構造１を用いた本発明の比較例である実験例４では、無転位性および割れの評価が×となった。よって、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却する同じホットゾーン構造１を用いた場合、雰囲気ガス中に水素を添加することで、無転位性を向上させることができ、雰囲気ガス中に水素を添加しない場合と比較して、有転位化が少なく、無転位部の長さの長いシリコン単結晶を育成できることが確認できた。
また、表２より、熱応力が３５．７ＭＰａであるホットゾーン構造２を用いた実験例３では、実験例１よりも熱応力が小さいにも関わらず、無転位性および割れの評価が△であった。

また、表２より、実験例１の引き上げ速度は、実験例２および実験例５と比較して非常に早く、実験例３および実験例４よりも遅くはなったものの、遜色ない結果となった。さらに、実験例５の引き上げ速度は、実験例２よりも遅くはなったものの、遜色ない結果となった。
また、表２より、実験例１の引き上げ速度マージンは、実験例２と比較して非常に広く、実験例３〜実験例５と比較しても広い結果となった。さらに、実験例５の引き上げ速度マージンは、実験例２と比較して非常に広い結果となった。

また、図１１より、実験例１では、実験例４と比較して、有転位化回数が非常に少ないことが確認できた。
また、実験例１では、ホットゾーン構造２を用いた実験例３よりも有転位化回数が少なく、ホットゾーン構造３を用いた実験例２よりも有転位化回数が多いものの、遜色ない結果となった。
よって、実験例１では、育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却しない場合と同等の有転位化回数でシリコン単結晶を育成できることが確認できた。

また、図１２より、実験例１では、実験例４と比較して、無転位部の長さが４００ｍｍ以上長くなった。よって、雰囲気ガス中に水素を添加することで、無転位部の長さの長いシリコン単結晶を育成できることが確認できた。
また、図１２より、実験例１では、実験例２および実験例３よりも無転位部の長さが短いものとなったが、無転位部の長さの差は２５０ｍｍ未満であり、実験例１と実験例４との差と比較してわずかであった。

ＣＺ法にて得られたシリコン単結晶の径方向における欠陥分布状態を説明するための断面図である。 シリコン単結晶の側面部において温度勾配Ｇを制御するための温度調整を行なわないことにより、結晶中心部での温度勾配（Ｇｃ）が結晶外周部での温度勾配（Ｇｅ）より小さく（Ｇｃ＜Ｇｅ）なるホットゾーン構造をもつ育成装置を用い、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。 育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却することにより、結晶中心部での温度勾配（Ｇｃ）が結晶外周部での温度勾配（Ｇｅ）と同一かこれより大きく（Ｇｃ≧Ｇｅ）なるホットゾーン構造をもつ育成装置を用い、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。 本発明のシリコン単結晶の育成方法を用いて得られたシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。 雰囲気中の水素分圧とＶ／Ｇとの関係を示したグラフである。 Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用い、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。 Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４であり、軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍであるホットゾーン構造を有する育成装置を用い、かつ、引き上げ炉内に水素が添加された不活性ガスを供給し、引き上げ時の引き上げ速度を徐々に低下させて育成したシリコン単結晶の断面の欠陥分布状態を説明するための図である。 本発明のシリコン単結晶の育成方法を実施するのに適したＣＺ炉の縦断面図である。 伝熱計算の方法を説明するためのフローチャートである。 熱応力計算の方法を説明するためのフローチャートである。 実験例ごとの有転位化回数を示したグラフである。 実験例ごとの無転位部の長さを示したグラフである。

符号の説明

１ 坩堝、１ａ 石英坩堝、１ｂ 黒鉛坩堝、２ ヒータ、３ シリコン融液、４ 引上げ軸、５ シードチャック ６ 単結晶 ７ 熱遮蔽体、８ 水冷手段、９磁場供給装置

Claims (10)

1. 育成中のシリコン単結晶の周囲を取り囲んでその内周面が引上軸と同軸である冷却用部材によりシリコン単結晶の少なくとも一部を冷却しながらチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する方法であって、
   融点から１３５０℃までの結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃと融点から１３５０℃までの結晶外周部での軸方向温度勾配Ｇｅとの比Ｇｃ/Ｇｅが１．１〜１．４となるように育成中のシリコン単結晶の側面部を冷却するとともに、 前記結晶中心部での軸方向温度勾配Ｇｃが３．０〜３．５℃／ｍｍとされ、
   単結晶を育成する雰囲気ガスが水素原子含有物質の気体を含み、
   前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜４００Ｐａとし、
   前記雰囲気ガス中における酸素ガス（Ｏ _２ ）の濃度は、前記水素原子含有物質の気体の水素分子換算での濃度をαとし、酸素ガス（Ｏ _２ ）濃度をβとしたとき、α−２β≧３％（体積％）を満たすものとされることを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
2. 前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を４０〜１６０Ｐａとして、全面がＰＶ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成するか、または、前記雰囲気ガス中における水素原子含有物質の気体の水素分子分圧を１６０〜４００Ｐａとして、全面がＰＩ領域であるシリコンウェーハが得られるシリコン単結晶を育成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育成方法。
3. 前記水素分圧が１００〜２５０Ｐａとされてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶育成方法。
4. 前記水素原子含有物質の気体が、水素ガスであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
5. 育成中のシリコン単結晶が１０００〜８００℃温度範囲を通過する時間が、８０〜１８０分とされてなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
6. ３０〜４５ＭＰａの熱応力が育成中のシリコン単結晶の側面部に負荷される時間が、８０〜１８０分とされてなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
7. 前記シリコン単結晶の直胴部を、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まない無欠陥領域とすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
8. 炉内圧が４〜６．７ｋＰａの範囲である場合、雰囲気ガス中には、２０体積％以下の濃度で窒素が存在してなることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
9. 水平磁場（横磁場）にあっては磁場強度が２０００〜４０００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−７５〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定され、カスプ磁場にあっては、磁場強度が３００〜７００Ｇとされ、磁場中心高さが融液液面に対して−５０〜＋５０ｍｍの範囲内になるように設定される磁場を供給することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。
10. 引き上げる単結晶の直径をＤｃとするとき、前記冷却用部材はその内周面の径が１．２０Ｄｃ〜２．５０Ｄｃ、長さが０．２５Ｄｃ以上であり、融液表面から冷却用部材の下端面までの距離が０．３０Ｄｃ〜０．８５Ｄｃであることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のシリコン単結晶育成方法。

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