JP2000016897A - 高品質シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＣＺ法にて転位クラスターや赤外線散乱体のよ
うなGrown-in欠陥を、できるだけ少なくしたウェーハを
採取できる大径長尺の高品質単結晶の育成方法の提供。 【解決手段】育成時の単結晶の凝固点から1250℃までの
温度範囲の部分において、中心軸に平行な垂直方向の温
度勾配が、結晶中心部では2.6℃/mm以上、外周面部では
中心部よりも小さい温度勾配であって、かつリング状酸
化誘起積層欠陥の外径が育成された結晶の直径の0〜60
％の範囲に含まれる条件にて育成する、高品質シリコン
単結晶の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料として
使用されるシリコンウェーハ用の単結晶に関し、より詳
しくはチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）により
育成するウェーハ用シリコン単結晶の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料のシリコンウェーハに用いる
シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、そ
の中で最も広く採用されている方法がＣＺ法による単結
晶育成方法である。図１は、通常のＣＺ法による単結晶
育成装置の模式的断面図である。この図においてルツボ
１は、有底円筒状の石英製内層保持容器１a と、その外
側に嵌合された同じ形状の有底円筒黒鉛製の外層保持容
器１b とから構成されている。このルツボ１は、所要の
速度で回転できる支持軸１c に支持され、ルツボ１の外
側には円筒状ヒーター２が同心位置に配設されている。
ルツボ１の中心軸上方には引き上げ棒あるいはワイヤー
等からなる回転できる引き上げ軸４が配設され、その下
部先端にはシードチャック５が設置されている。単結晶
を成長させるときは、ルツボ１の内部にはヒーター２に
より加熱溶融した原料シリコンの溶融液３を充填し、引
き上げ軸のシードチャック５に取り付けられた種結晶
を、始めに溶融液３の表面に接触させる。次いで支持軸
１c により回転されるルツボと、同方向または逆方向に
引き上げ軸を回転させながら引き上げて、種結晶の先端
に溶融液３を凝固成長させていくことによって単結晶を
育成する。

【０００３】単結晶の育成は、まず結晶を無転位化する
ために種結晶に付着した初期径よりも細く成長させるシ
ード絞りをおこない、次ぎに所要単結晶ボディ直径とす
るためのショルダー部を形成させ、その後、肩変えして
一定ボディ直径で単結晶を育成する。所定の長さまで育
成すると、無転位の状態で単結晶を溶融液から切り離す
ためにテイル絞りをおこない育成を終了する。溶融液か
ら切り離された単結晶は、育成装置から取り出され、所
定の条件で冷却されて、結晶軸と垂直にスライスされウ
ェーハに加工される。このようにして得られたウェーハ
は、種々のデバイスの基板材料として用いられる。

【０００４】ウェーハが切り出される部分には、結晶の
欠陥ができるだけ少なくなるように条件を厳選して単結
晶は製造されるが、その育成条件によりウェーハには結
晶軸を中心とするリング状の酸化誘起積層欠陥―以下Ｏ
ＳＦ(Oxygen induced Stacking Fault)という―が発生
する。ＯＳＦはウェーハを熱処理することによって現れ
てくる欠陥であるが、その他に、ウェーハにはGrown-in
欠陥と呼ばれる単結晶の育成時にその原因となるものが
形成され、ウェーハの熱処理ないしは特定の評価処理を
することにより検出される欠陥がある。これらの欠陥
は、いずれもその上に形成されるデバイス回路に悪影響
をおよぼす。したがって、デバイスがより小さくそして
より高集積度化していく傾向にともない、ウェーハ用単
結晶のこれら欠陥の低減に対する要求は、ますます厳し
くなっている。

【０００５】図２は、ＣＺ法によって単結晶を育成した
場合の、一般的な単結晶引き上げ速度と上記欠陥の発生
位置との関係を、模式的に説明した図である。生産性を
維持し、健全な単結晶を得る育成速度の範囲内にて、引
き上げ速度を変え成長させた単結晶について、結晶の成
長軸に垂直に切断されたウェーハの面にて欠陥を観察す
れば次のようになる。ショルダー部を形成させた後、育
成速度を下げていくと、結晶外周部からリング状ＯＳＦ
が現れ、このリング状ＯＳＦは育成速度の低下にともな
い、その径が次第に小さくなり、やがてはウェーハ全面
がリング状ＯＳＦの外側部分に相当するものになってし
まう。すなわち、リング状ＯＳＦを基準にすれば、育成
速度の速い場合は、リング状ＯＳＦの内側領域の単結晶
となり、遅い場合はリング状ＯＳＦの外側領域の単結晶
となる。この内側領域の結晶にも外側領域の結晶にもGr
own-in欠陥が発生するが、その欠陥の様相はそれぞれ異
なり、内側領域には赤外線散乱体と呼ばれる欠陥（ＣＯ
Ｐ、ＦＰＤともいわれ、それぞれ検出するための評価方
法が異なるが、すべて同一の欠陥種）、外側領域には転
位クラスターと呼ばれる欠陥が検出される。 ＯＳＦ
は、デバイス作製の高温熱酸化プロセスで顕在化してリ
ーク電流増大など電気的特性を悪くし、転位クラスター
もデバイス特性を著しく劣化させることから、通常は育
成速度を調整して、リング状ＯＳＦがウェーハの外周部
に位置するように単結晶を製造する。一方赤外線散乱体
欠陥は、初期の酸化膜耐圧性を劣化させる因子であり、
これもできるだけ少なくしなければならない。

【０００６】最近、デバイス製造工程が低温化し、高温
処理で発生しやすいＯＳＦの悪影響が低減されてきたこ
と、および結晶が低酸素化してきたこともあって、リン
グ状ＯＳＦは、デバイス特性を劣化させる因子として、
それほど大きな問題にはならなくなってきている。しか
し、Grown-in欠陥の低減を目的に、リング状ＯＳＦの位
置を変えることも種々検討されている。リング状ＯＳＦ
の位置には、育成単結晶の最高温部の引き上げ軸方向の
温度勾配とそのときの引き上げ速度が大きく影響する。
引き上げ速度が同一であれば温度勾配を小さくし、また
は温度勾配が同一であれば引き上げ速度を大きくして、
リング状ＯＳＦを外周側に移動させることができるが、
そのようにしてリング状ＯＳＦの位置を変えることによ
り、Grown-in欠陥の発生要因を低減させ得る可能性があ
る。

【０００７】例えば、特開平8-330316号公報では、単結
晶育成時の引き上げ速度と結晶内の温度勾配を制御し
て、転位クラスターを生成させることなくリング状ＯＳ
Ｆの外側部分のみを全面に広げる方法の発明が提示され
ている。しかし、この方法は非常に限られた育成条件、
すなわち極めて狭く限定された面内の温度勾配と引き上
げ条件とを同時に要求されるので、大径化し大量生産を
要求される製造現場では採用困難である。また特開平7-
257991号公報、およびJournal of Crystal Growth;151
(1995),p.273-277.には、引き上げ軸方向の温度勾配を
大きくすることにより、高速の引き上げ育成条件でリン
グ状ＯＳＦを単結晶の中心側に消滅させ、結晶全面を外
側領域にすることができる製造方法が開示されている。
しかし、この場合、Grown-in欠陥を低減する対策につい
ては何も示されていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＣＺ
法にて転位クラスターや赤外線散乱体のようなGrown-in
欠陥をできるだけ少なくしたウェーハを採取できる大径
長尺の高品質単結晶を、容易に製造し得る単結晶育成方
法の提供にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、直径が6
インチ、および8インチの単結晶の通常生産の育成方法
を基本とし、その範囲内にて種々条件を変え、Grown-in
欠陥におよぼす育成条件の影響を調査した。

【００１０】調査の方法は、育成後の単結晶の種々の位
置から試験片を結晶軸方向に垂直に切り出してウェーハ
状に加工し、それらを用いて欠陥の検出をおこない、単
結晶全体としての欠陥分布を確認した。各欠陥の分布状
態検出は、ウェーハを硝酸銅水溶液に浸漬してＣｕを付
着させ、900℃にて20分間加熱する熱処理（Ａ法）をお
こなった後のＸ線トポグラフ法によった。酸素濃度が低
くなると、この条件ではＯＳＦの分布が十分観察できな
いことがあるので、その場合は試験片のウェーハを約65
0℃に到達した炉内に投入し、5℃/分にて900℃まで加熱
後、20時間均熱し、その後10℃/分で1000℃に昇温し、
その温度で10時間均熱する熱処理（Ｂ法）を施した後、
Ｘ線トポグラフ法を適用した。転位クラスター欠陥の密
度については、試験片ウェーハの表面をSecco液にてエ
ッチし、光学顕微鏡を用いて欠陥観察をおこなった。ま
た、赤外線散乱体については赤外線トモグラフィの手法
を用いた。

【００１１】これらＯＳＦ、酸素析出物、転位クラスタ
ーおよび赤外線散乱体等の欠陥は、種々の育成条件の組
み合わせによりその単結晶内での分布が様々に変化す
る。そこで発生状況を単純化するため、他の要因をでき
るだけ一定とし、引き上げ速度のみ変化させた場合の欠
陥の分布を模式的に整理してみると、前出の図２のよう
な結果が得られる。リング状ＯＳＦがウェーハ内にある
場合、例えば図２のＡ位置から採取したリング状ＯＳＦ
の径が単結晶直径の約1/2のところにあるようなウェー
ハでは、リング状ＯＳＦの外側の外周近くには転位クラ
スター欠陥、内側の中心部には赤外線散乱体欠陥が分布
している。

【００１２】このＡ位置のウェーハの欠陥分布を詳細に
調べると、リング状ＯＳＦのすぐ外側に酸素析出が生じ
やすい領域、すなわち酸素析出促進領域があり、さらに
その外側に転位クラスターなどの欠陥が検出されない無
欠陥領域が存在し、そして最も外周に近い部分には転位
クラスター欠陥の発生しやすい領域のあることがわか
る。また、リング状ＯＳＦの内側にもリングに接して赤
外線散乱体の検出できない無欠陥領域が存在しているこ
ともわかった。そこでこの無欠陥領域を拡大することが
できれば、欠陥の極めて少ないウェーハが得られるので
はないかと考え、さらに検討を進めることとした。

【００１３】リング状ＯＳＦと酸素析出促進領域には、
赤外線散乱体および転位クラスター欠陥は見出されな
い。前述のように、デバイス製造工程が低温化し結晶が
低酸素化することによって、ＯＳＦおよび酸素析出の悪
影響の問題は低減されてきており、リング状ＯＳＦの存
在は以前ほど重要ではなくなっている。したがって、無
欠陥領域にリング状ＯＳＦと酸素析出促進領域を加えた
部分の拡大が可能なら、Grown-in欠陥を低減できると考
えられた。

【００１４】リング状ＯＳＦの成因については、諸説が
あり必ずしも明らかではない。現象として知られている
のは、単結晶育成の引き上げ速度を速くするとリング径
は外側へ連続的に拡大し、遅くすると収縮して小さくな
り消滅することである。ここで、図２の引き上げ速度変
化に基づくリング状ＯＳＦの分布を見れば、Ｖ字をして
いることが明らかである。そしてリング状ＯＳＦに接し
て内外の狭い範囲に無欠陥領域があることから、このＶ
字の形態をできるだけ上開きに、可能なら水平にして、
その時のリング状ＯＳＦがウェーハ内の適当な位置に来
る育成条件を見出すことができれば、欠陥の極めて少な
いウェーハを採取し得る単結晶ができるはずである。リ
ング状ＯＳＦの位置は、上記の引き上げ速度の他、凝固
後の冷却速度ないしは引き上げ軸方向の温度勾配も大き
く影響するとされている。

【００１５】そこで次に、引き上げ中の単結晶の冷却に
ついて、単なる自然放冷ではなく、冷却条件を制御して
凝固後の単結晶内部の温度分布を積極的に変えることを
検討した。ただし、引き上げ育成中の単結晶内部温度分
布は実測困難なので、伝熱解析シミュレーション法によ
り、計算で求めることにした。

【００１６】図３に、引き上げ中の単結晶内部の温度分
布を模式的に示す。通常、引き上げ中の単結晶は表面か
ら冷却されるので、図３(ａ)に示すように内部よりも表
面の方が温度が低下する。すなわち垂直の引き上げ軸に
対し水平であるウェーハ面を考えれば、中央部の温度が
高く周辺部が低い。凝固がほぼ溶融液面に等しい水平面
で進行しているとすれば、凝固直後の水平面における温
度は中心部も外周面部も同じ筈なので、育成中単結晶の
固液界面から少し離れた位置における引き上げ軸と平行
な垂直方向の温度分布を考えると、中心部の温度勾配よ
りも、外周面部の温度勾配の方が大きくなっている。

【００１７】これに対し、引き上げ中の単結晶表面の冷
却方法を変え、単結晶内部が通常とは違った温度分布と
なるようにして、種々異なる条件で単結晶を育成し、こ
れから採取したウェーハの欠陥の分布を調査したとこ
ろ、次のようなことが明らかになった。 (i) 単結晶の中心部の温度が凝固直後（1412℃）から12
50℃までの冷却の過程で、単結晶内部の温度分布を変え
ると、リング状ＯＳＦは外径は同じでもその幅を広くす
ることができる。 (ii) リング状ＯＳＦの幅が広がると、そのすぐ外側の
酸素析出促進領域および無欠陥領域の幅も広がる。 (iii) リング状ＯＳＦの幅を広げる結果をもたらす引き
上げ中の温度分布は、単結晶引き上げ軸に平行な垂直方
向の温度勾配が、結晶中心部よりも外周面部の方が小さ
いこと、すなわち図３(ｂ)に示すように、結晶内水平面
ないしはウェーハ面で中心部よりも周辺部の方が温度が
高いことである。

【００１８】(ix) 垂直方向の温度勾配を、結晶中心部
よりも外周面部の方が小さくなるようにするためには、
ホットゾーン、すなわち引き上げ中の単結晶部分におけ
る冷却方法を変えなければならないが、欠陥の少ない単
結晶を得るためには、単結晶全体の垂直方向の温度勾配
を従来より大きくして、引き上げ速度を速くすることも
実現させる必要がある。

【００１９】前述のように、リング状ＯＳＦの存在は必
ずしも重要問題ではないとしても、その位置を知ること
は単結晶の育成条件を定めるのに一つの指針となると考
えられた。そこで、リング状ＯＳＦの位置と引き上げ中
の結晶内温度分布との関係から、無欠陥領域をできるだ
け広げる育成条件を選定することとした。その場合、リ
ング状ＯＳＦの幅が変化するので、得られた単結晶から
採取したウェーハにて、前述のＡ法またはＢ法により検
出できるリング状ＯＳＦの外径を測定した。このように
して、リング状ＯＳＦの外径と、単結晶引き上げ中の結
晶内温度分布とが欠陥分布におよぼす影響を明らかにす
ることができ、本発明を完成するに至ったのである。す
なわち、本発明方法の要旨とするところは以下の通りで
ある。

【００２０】育成時の単結晶の凝固点から1250℃までの
温度範囲の部分において、結晶の引き上げ軸に平行な垂
直方向の温度勾配が、外周面部の方が中心部よりも小さ
く、かつ中心部では2.6℃/mm以上であり、そしてリング
状酸化誘起積層欠陥の外径が育成された結晶の直径の0
〜60％の範囲に含まれる条件にて育成することを特徴と
する、高品質シリコン単結晶の製造方法。

【００２１】冷却時の温度分布を変えるとなぜ無欠陥領
域が拡大するのか、その理由については次のように考え
られる。まず、単結晶育成の引き上げ時、溶融液は凝固
して固体結晶に変化していくが、ランダムな原子配列の
液相からから整然と原子が配列する固相に移行するた
め、その固液境界面近傍の固相には有るべき原子の欠け
た空孔や、余分のＳｉ原子が原子の結晶格子配列の間に
入り込んだ格子間原子が大量に存在する。原子間間隔の
大きい液体が固体に変化するので、凝固直後は格子間原
子よりも原子が欠けた状態の空孔の方が多いと推定され
る。引き上げにより凝固して単結晶になった部分が固液
界面から離れるにつれて、原子や空孔の移動や拡散、あ
るいは空孔と格子間原子の合体などによってこれらはど
んどん消失し、整然とした原子配列となっていくが、ど
うしても多少は残存することになる。

【００２２】凝固の過程で取り込まれた空孔と格子間原
子とは、数としては空孔の方が多く、そして高温の間か
なり自由に結晶内を動き回ることができ、その移動速度
または拡散速度は、空孔の方が格子間原子より速い。そ
してこれらの空孔や格子間原子は次のように、主として
温度勾配に基づく拡散、表面への拡散、および合体など
の過程で消失し低減していくと考えられる。

【００２３】まず、高温の結晶中の空孔や格子間原子の
飽和限界濃度は、いずれも温度が低いほど低下する。こ
のため、同じ量存在していたとしても、実質的な効果と
して温度の低い方が濃度としては高く、温度の高い方は
濃度が低いことになる。育成中の単結晶には垂直方向に
温度勾配があり、この温度の違いによる実質的濃度差の
ため、低温側から高温側、すなわち育成されつつある単
結晶の上方から固液界面の方向への拡散が起きており、
温度が低下するほど空孔や格子間原子の数は低減してい
く。そして、空孔は結晶格子を構成する原子が欠けた状
態であり、格子間原子は原子が余計に存在する状態なの
で、この二つがぶつかれば、お互いに相補い合体して消
失し、完全な結晶格子となる。

【００２４】育成中の結晶の垂直軸方向の温度勾配は、
引き上げ速度が変わってもほとんど変化しない。すなわ
ち温度勾配が同じであれば空孔の固液界面方向へ拡散し
ていく時間当たりの量が同じなので、引き上げ速度が速
くなると、過剰の空孔が取り残された状態で温度が低下
していき、表面への拡散や合体による消失が進んでも、
これが結晶内に欠陥となって痕跡を残す結果となり、赤
外線散乱体の原因になると考えられる。一方、引き上げ
速度が遅い場合、空孔の拡散消失は十分進むが格子間原
子は空孔よりも拡散速度が遅いため、これが取り残され
たまま温度が低下して転位クラスターの原因となる。こ
のように、図２において引き上げ速度が速い場合の欠陥
は赤外線散乱体が主となり、引き上げ速度が遅い場合に
は転位クラスターが主となるのは、このような理由によ
ると考えられる。

【００２５】しかし、その中間の引き上げ速度の場合、
例えば、図２のＡの引き上げ速度の位置から採取したウ
ェーハを調べると、中心部には赤外線散乱体欠陥、外周
近くには転位クラスター欠陥が主として分布し、その間
の部分にはリング状ＯＳＦ、酸素析出促進領域、および
無欠陥領域がある。通常の単結晶引き上げ育成方法の場
合、図３(ａ)に示したように単結晶の中心部より表面部
の方が垂直軸方向の温度勾配は大きい。このことは、温
度勾配に基づく拡散が表面部では中心部より速く進み、
空孔の方が拡散速度が速いので、引き上げ速度が遅くな
ると格子間原子の濃度が相対的に大きくなり、転位クラ
スター欠陥が現れるようになる。この時点において、温
度勾配の小さい中心部ではまだ空孔が相対的に多く存在
し、その結果、赤外線散乱体欠陥となって残存する。そ
してそれらの中間部では、空孔と格子間原子の数がバラ
ンスし、この二つが合体して単結晶の欠陥の原因となる
ものが消失してしまうので、無欠陥領域ができると考え
られる。ＯＳＦ生成の原因は、酸素析出物が核になるた
めとも言われており、リング状ＯＳＦに接して酸素析出
促進領域が存在することも、これを裏付けているようで
ある。

【００２６】このようにして、空孔や格子間原子の移動
が容易な、すなわち温度が高く拡散速度が大きい時期
に、空孔と格子間原子の数がバランスする位置にて無欠
陥領域が発生するとすれば、引き上げ速度が速ければ空
孔の拡散低減が不十分でバランスする位置が外側に移動
し、引き上げ速度が遅くなれば、空孔の量が減ってバラ
ンス位置が中心部に近くになり、外周近くの部分での転
位クラスター欠陥発生部分が増加するのであろう。ここ
で、空孔と格子間原子の数がバランスする位置よりも、
多少空孔が多い場所に空孔を消費する形で酸素析出が起
こりやすいとすれば、無欠陥領域の内側に隣接する部分
にて酸素析出やリング状ＯＳＦが発生する結果になるの
ではないかと思われる。

【００２７】無欠陥領域の生成原因が空孔と格子間原子
の数のバランスによっており、そのバランスは、上述の
ように凝固直後の高温域での垂直方向の温度勾配により
支配されるとすれば、無欠陥領域の拡大には、引き上げ
中の単結晶における垂直軸方向の温度勾配が、中心部外
周表面部とで等しくなるようにして、引き上げ速度を調
整すればよいと考えられる。しかし実際には、温度勾配
を全く同じにすれば、中心部の赤外線散乱体がほぼ消失
する条件で、ウェーハの周辺部に転位クラスターが現れ
る傾向があり、ウェーハ全体としてのGrown-in欠陥を低
減させるには狭い条件で育成しなければならない。これ
は、空孔や格子間原子はいずれも結晶の表面にまで達す
ると消失してしまうので、単結晶の表面に近い部分では
これらの濃度が低く、内部から表面への水平方向の濃度
拡散が起きているためと考えられる。この場合も、空孔
の方が拡散速度が速いため格子間原子の濃度が相対的に
増加して、表面部に転位クラスターを発生させる傾向と
なる。したがって、中心部よりも表面部の垂直方向温度
勾配を小さくしてやれば、空孔の表面への拡散による消
失を補うことができ、表面近くでの転位クラスター発生
を抑止できるのである。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の方法を単結晶育成に適用
する場合、単結晶が凝固後1250℃に冷却するまでの温度
範囲にて、結晶内温度分布を制御する。1250℃までとす
るのは、これを下回る温度にまで冷却されると、温度分
布の制御による無欠陥領域拡大の効果が得られなくなる
からである。

【００２９】育成中の凝固後1250℃に冷却するまでの温
度範囲における単結晶中心部の垂直方向の温度勾配は、
2.6℃/mm以上となるようにする。これは、2.6℃/mmを下
回るとリング状ＯＳＦの幅を広げることは困難となり、
Grown-in欠陥のない部分を拡大することができなくなる
からである。これは、空孔の単結晶表面方向への拡散よ
りも、温度勾配による垂直方向の拡散による消失を優先
させ、リング状ＯＳＦの幅を広げるために重要であると
考えられる。この温度勾配は、Grown-in欠陥の発生抑止
の点では大きくてもかまわないが、冷却手段をより一層
強化する必要があり、その上短距離での収縮による歪み
のため、好ましくない転位が発生するので、現実には6.
0℃/mm程度までである。なお望ましいのは3.5〜4.5℃/m
mである。

【００３０】また本発明では、単結晶の引き上げ育成中
の凝固点から1250℃まで冷却する部分において、中心軸
に平行な垂直方向の温度勾配を、結晶中心部に対して外
周面部を小さくする。通常の育成の場合、単結晶引き上
げ中のこの温度域においては、外周面部の温度勾配は中
心部よりも大きい。すなわち、育成中の単結晶の固液境
界面は、溶融液面とほぼ同じ面上にあり同じ温度である
ので、溶融液面から垂直方向に等しい距離にある位置で
は、中心部に対し外周面部の方が温度が低くなってい
る。

【００３１】これに対して本発明方法の場合、外周面部
の温度勾配を中心部より小さくするので、溶融液面から
垂直方向に等しい距離にある位置では、外周部の温度は
中心部より高くなる。言い換えれば、結晶の引き上げ軸
に平行な垂直方向の温度勾配が、引き上げ軸に直交する
面上の任意の位置においては、中心部とその位置を結ぶ
線上のどの位置よりも小さい、ということである。この
ように、外周面部の垂直方向の温度勾配を、中心部より
小さくするのは、これによりウェーハ上にて観察される
リング状ＯＳＦの幅を広くすることができるからであ
る。外周面部の温度勾配が中心部より大きくなると、リ
ング状ＯＳＦの幅を広げることができなくなる。

【００３２】単結晶から切り出した成長軸と垂直な面、
すなわちウェーハ面にて検出されるリング状ＯＳＦの外
径は、育成された結晶の直径の0〜60％となる範囲とす
る。このリング状ＯＳＦの外径は、育成速度により変化
するが、引き上げ中の単結晶の温度条件、または育成中
の単結晶のホットゾーンの構成により、同じ外径になる
速度は異なる。そこで、育成に使用する設備にて、引き
上げ速度を変えてリング状ＯＳＦの外径の変化を実験的
に求め、その外径が上記範囲内となる速度で育成をおこ
なう。

【００３３】ウェーハ面でのリング状ＯＳＦの検出は、
通常おこなわれる手法でよいが、一例を示せば、ウェー
ハを硝酸銅水溶液に浸漬してＣｕを付着させ、900℃に
て20分間加熱する熱処理（Ａ法）をおこなった後の、Ｘ
線トポグラフ法によりおこなう。ただし、酸素濃度が低
くなると、この条件ではＯＳＦの分布が十分観察できな
いことがあるので、その場合は、試験片のウェーハを約
650℃に到達した炉内に投入し、5℃/分にて900℃まで加
熱後、20時間均熱し、その後10℃/分で1000℃に昇温
し、その温度で10時間均熱する熱処理（Ｂ法）を施した
後、Ｘ線トポグラフ法を適用すればよい。

【００３４】リング状ＯＳＦの外径が60％を超える速い
引き上げ速度では、単結晶の中心部に赤外線散乱体が生
ずる部分が残る。また引き上げ速度が遅くなるとリング
状ＯＳＦの外径は次第に小さくなり、ついには0％とな
る。0％になった速度よりさらに引き上げ速度を低下さ
せると、転位クラスター欠陥が発生してくるようにな
る。そこで、リング状ＯＳＦの外径が、単結晶の直径の
0〜60％となるような引き上げ速度で育成するものとす
る。

【００３５】単結晶引き上げ育成時に、結晶の中心部の
垂直方向の温度勾配を2.6℃/mm以上とし、外周面部では
中心部より低い温度勾配とするには、引き上げ中の単結
晶の上部は放冷ではなく強制的に冷却し、溶融液面から
一定の高さまでは表面を保温ないしは加熱しなければな
らない。上部を冷却することにより、凝固直後の単結晶
の中心部は熱伝導で冷却され、その外周部は保温ないし
は加熱により内部よりも温度を高くすることができるの
である。引き上げ中に単結晶上部を強制冷却するにはど
んな方法でもよいが、冷却すべき部位に冷たい雰囲気ガ
スを吹き付けるとか、冷却した物体を近づける等の手段
が適用できる。例えば、単結晶と同軸の水冷円筒で単結
晶上部を覆う方法を採用するとすれば、円筒の下端を溶
融液面から特定の距離だけあけて設置すると、単結晶の
溶融液面から円筒の下端までの間の表面部は、溶融液面
からの輻射とルツボ加熱用のヒーターからの熱により保
温され、単結晶上部の冷却による熱伝達から同じ水平位
置の中心部は、より温度が低いという状況を実現でき
る。

【００３６】その場合の単結晶内部の温度分布は、単結
晶表面の温度実測と、伝熱解析シュミレーション法で計
算により求める。この伝熱解析の方法は通常シリコン単
結晶育成の際に用いられるシュミレーション法を適用す
ればよい。その場合、ホットゾーン、すなわち上記の単
結晶内部の温度分布を実現するための溶融液面から上の
冷却部分の構成を定めてから、育成中の単結晶に熱電対
を挿入して温度を実測、あるいは引き上げ中の単結晶表
面温度の測定などの方法によってデータを取り補正すれ
ば、さらに正確に温度分布を推定できる。

【００３７】なお、このように育成中単結晶の垂直方向
の温度勾配の分布を制御するために冷却の制御をおこな
い、リング状ＯＳＦの外径を60％以下とする場合、とく
に冷却を制御しない通常の場合に比して、引き上げ速度
を速くしなければならない。このことは、より欠陥の少
ない単結晶を、より速い引き上げ速度で育成できること
を示している。

【００３８】

【実施例】〔実施例１〕単結晶引き上げ装置を用いて、
８インチのシリコン単結晶育成をおこなった。ルツボ内
に原料として多結晶シリコン120kgを充填し、その中に
結晶の電気抵抗が10Ωcm程度となるようにｐ型ドーパン
トのボロンを添加した。図４に、用いた単結晶引き上げ
装置の断面の模式図を示すが、この単結晶引き上げ装置
には引き上げる単結晶６の上部を冷却するために、下端
を密閉し内部を水冷できるようにした２重のステンレス
製の冷却用円筒７を、引き上げる単結晶の中心軸と同軸
の位置にて上下に移動できるように取り付けてある。8
インチのシリコン単結晶に対し、冷却用円筒７の内径は
240mmとした。

【００３９】装置内をアルゴン減圧の雰囲気とし、ヒー
ター２によりルツボ内シリコンを溶解した後、種結晶を
溶融液３に接触させて引き上げ、ネック、ショルダー、
ボディに移行した。冷却用円筒７は、その下端の位置を
溶融液面から150mmとした。所定単結晶径に達してか
ら、ヒーター２の電流を調整して引き上げ速度を1.5mm/
minとして育成を継続し、冷却用円筒７の中にショルダ
ー部が入ったところで、引き上げ速度を下げ始めた。単
結晶６の成長にともない、ルツボ内溶融液３は減少して
いくので、ルツボ１を上昇させて溶融液面は常に同じ位
置にあるようにした。単結晶のボディ長さを800mmにま
で成長させる間に、連続して引き上げ速度を低下させ、
0.5mm/minに達してから、その状態でさらに200mm成長さ
せた後、絞りをおこなって育成を終了した。引き上げ中
の単結晶の溶融点から1250℃までの間の温度勾配につい
ては、伝熱解析シミュレーション計算の結果、結晶中心
部では3.8〜4.0℃/mm、外周表面部では3.2〜3.7℃/mmで
あり、引き上げ速度が変化しても、ほとんど変わらなか
った。得られた単結晶を、結晶の中心軸に沿って縦方向
に切断し、厚さ1.4mmの中心軸を含むスライス片を切り
出して、16重量％の硝酸銅水溶液に浸漬してＣｕを付着
させ、900℃にて20分間加熱し冷却後、Ｘ線トポグラフ
法により欠陥の分布を調査した。

【００４０】欠陥分布の調査結果を図５に示す。この図
は育成の引き上げ速度に対応させた欠陥分布を模式的に
示したものである。通常の、単結晶中心軸に対し垂直な
面のウェーハを採取したとすれば、引き上げ速度が、0.
87mm/minでリング状ＯＳＦの外径は結晶直径の60％とな
り、これより遅い引き上げ速度では小さくなる。この0.
87mm/minの速度で引き上げた場合、中心部にリング状Ｏ
ＳＦの内側領域が残存するが、この部分の赤外線散乱体
の密度は、従来の方法によるウェーハの1/3以下であっ
た。引き上げ速度が0.85mm/min以下になると、リング状
ＯＳＦはほぼ消失し、さらに0.79mm/minを下回るように
なると、単結晶外周部近傍から転位クラスター欠陥が発
生するようになる。

【００４１】このように、育成中の単結晶の垂直方向の
温度勾配が中心部より外周面部の方が低くなるようにし
て、引き上げの速度を制御することにより、赤外線散乱
体欠陥も、転位クラスター欠陥も極めて少ないウェーハ
の得られる単結晶が育成できることがわかる。

【００４２】〔実施例２〕図４の、実施例１で用いた単
結晶引き上げ装置により、8インチのシリコン単結晶の
育成をおこなった。冷却用円筒およびその設定位置は実
施例１と全く同様で、中心部より外周部が小さい同じ温
度勾配とし、ショルダー形成後の引き上げ速度は、0.82
〜0.83mm/minのほぼ一定として、120kgの多結晶シリコ
ンの素材からボディ長1000mmの単結晶を育成した。引き
上げ中の単結晶の溶融点から1250℃までの間の温度勾配
は、伝熱解析シミュレーション計算の結果では、結晶中
心部で3.9〜4.0℃/mm、外周表面部では3.3〜3.5℃/mmで
あった。

【００４３】比較のため、同じ単結晶引き上げ装置を用
い、今度は冷却用円筒７を取り去った従来方法での８イ
ンチの単結晶育成をおこなった。引き上げ速度は、従来
と同様リング状ＯＳＦが外周部にくるよう、0.47mm/min
とした。この場合の育成中単結晶の、溶融点から1250℃
までの間の温度勾配は、伝熱解析シミュレーション計算
の結果によれば、結晶中心部では2.0〜2.1℃/mm、外周
表面部では1.8〜1.9℃/mmであった。

【００４４】得られた２種の単結晶について、それぞれ
上部、中央部および下部の３カ所から採取したウェーハ
により、リング状ＯＳＦの外径を、実施例１と同様の手
法により検出し測定した。また、各ウエーハの中心部、
直径の1/2の位置、および外周部の３カ所から採取した
試片により、赤外線散乱体欠陥の密度を赤外線トモグラ
フ法、転位クラスター欠陥の密度をSeccoエッチング法
にてそれぞれ調査した。さらにこのような欠陥の分布を
調査したウェーハに隣接する位置より採取したウェーハ
にて、所定熱処理等をおこなった後、デバイスのゲート
構造を施工し、25nmの酸化膜厚における初期酸化膜耐圧
特性（TZDB）を測定し、その良品率を求めた。

【００４５】表１に、これらの調査結果をまとめて示
す。赤外線散乱体欠陥および転位クラスター欠陥の密度
は、ウェーハの３カ所の位置における結果の平均値を示
している。これから明らかなように、本発明で定める方
法にて育成した単結晶から得られたウェーハは、従来の
製造方法によるものに比較して、赤外線散乱体や転位ク
ラスターなどのGrown-in欠陥は少なく、TZDBの良品率が
高い品質のすぐれたものとなっている。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【発明の効果】本発明のシリコン単結晶育成方法によれ
ば、ＣＺ法にて転位クラスターや赤外線散乱体のような
Grown-in欠陥をできるだけ少なくした大径長尺の高品質
単結晶を、より速い引き上げ速度、すなわちより生産性
よく製造することができる。このようにして得られた単
結晶から得られるウェーハは、デバイス特性を劣化させ
る有害な欠陥が少ないため、今後のさらなるデバイスの
高集積度化や小型化に対し、効果的に適用できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のＣＺ法による単結晶の引き上げ育成に用
いられている単結晶育成装置の模式的断面図である。

【図２】単結晶育成時の引き上げ速度と結晶欠陥の発生
位置との一般的な関係を模式的に説明した図である。

【図３】引き上げ育成中の単結晶内部の温度分布を説明
した図である。

【図４】実施例にて用いた単結晶育成装置の模式的断面
図である。

【図５】実施例にて作製した、引き上げ速度を連続して
変えた単結晶について、縦断面における欠陥の分布を模
式的に示した図である。

【符号の説明】

１．ルツボ １a．ルツボ内層保持容器 １
b．ルツボ外層保持容器 １c．ルツボ支持軸 ２．ヒーター ３．
溶融液 ４．引き上げ軸 ５．シードチャック ６．
単結晶 ７．冷却用円筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江頭 和幸 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地住 友シチックス株式会社内 (72)発明者 久保 高行 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地住 友シチックス株式会社内 (72)発明者 堀井 淳二 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地住 友シチックス株式会社内 (72)発明者 木崎 信吾 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地住 友シチックス株式会社内 Ｆターム(参考） 4G050 FF51 FF55 4G077 AA02 BA04 CF00 EH06 EH09

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 育成時の単結晶の凝固点から1250℃までの温度範囲の部
   分において、結晶の引き上げ軸に平行な垂直方向の温度
   勾配が、外周面部の方が中心部よりも小さく、かつ中心
   部では2.6℃/mm以上であり、そしてリング状酸化誘起積
   層欠陥の外径が育成された結晶の直径の0〜60％の範囲
   に含まれる条件にて育成することを特徴とする、高品質
   シリコン単結晶の製造方法。