JP2000159595A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チュクラルスキー法により生産されるシリコ
ン単結晶ウェーハに対して広い無欠陥領域を安定して付
与することができる方法を提供する。 【解決手段】チュクラルスキー法によりシリコン単結晶
バルクを製造する方法において、シリコン融点から１３
５０℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内
温度勾配の平均値Ｇの結晶の外側面と結晶中心での値の
比であるＧ ｏｕｔｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒを１．１０か
ら１．５０の間とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はチュクラルスキー法
によりシリコン単結晶を製造する方法、特に成長欠陥が
実用に耐えうるまで十分に低減され、最終的なＩＣ製造
までをも含めた半導体製造工程の経済的効果を十分に高
めることができるシリコン単結晶製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】チュクラルスキー法（以下、ＣＺ法）に
より得られるＣＺシリコン単結晶の成長中に発生する結
晶欠陥は、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜の信頼性やＰ
Ｎジャンクションリーク特性などに悪影響を及ぼすの
で、それをできる限り低減することが必要となる。

【０００３】ＣＺシリコン単結晶に含まれる成長欠陥と
して代表的なものには、転位クラスタ、八面体状のボイ
ド欠陥、熱酸化処理をした際に発生するリング状の酸化
誘起積層欠陥部（以下ＯＳＦリングと略す）があり、ボ
イド欠陥はＭＯＳデバイスのゲート酸化膜の信頼性を劣
化させ、転位クラスタは半導体素子の特性を劣化させる
というのは周知の事実である。また、これらの欠陥はＣ
Ｚシリコン単結晶中に無秩序に発生するのではなく、Ｏ
ＳＦリングを挟んでその内側にはボイド欠陥、その外側
には転位クラスタが発生するということも知られてい
る。

【０００４】ここで、ＯＳＦリングの位置には、引き上
げ軸方向の結晶内温度勾配（これは、結晶の半径方向の
位置によって変化する）が影響することが知られている
（Ｅ．Ｄｏｒｎｂｅｒｇｅｒ，Ｗ．ｖ．Ａｍｍｏｎ，
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｖｏｌ．１４３
（１９９６）ｐ１６４８）。また、宝来らは、ＯＳＦリ
ングの外側の領域には転位クラスタを含まない無欠陥の
領域が生じることがあるということを示し、更には、結
晶の成長速度と引き上げ軸方向の結晶内温度勾配との関
係を特殊な範囲の比となるように調整することによって
成長欠陥を含まない無欠陥単結晶が得られたということ
を報告している（１９９３年（平成５年）、第５４回応
用物理学会学術講演会（１９９３年９月２７日から３０
日）、第５４回応用物理学会学術講演会講演予稿集Ｎ
ｏ．１、ｐ３０３、２９ａ−ＨＡ−７： 特開平８−３
３０３１６号公報 ： Ｍ．Ｈｏｕｒａｉ,Ｈ．Ｎｉｓ
ｈｉｋａｗａ,Ｔ．Ｔａｎａｋａら、Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｏｃｔｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ，１９９８，Ｐ４５３）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、宝来らの方
法は、結晶の成長速度と引き上げ軸方向の結晶内温度勾
配との関係を特殊な極狭い範囲の比となるように調整す
るものであって、その制御が困難であった。そして、こ
の操作制御の困難に起因して、それを行うためのコスト
の高騰を招き、成長欠陥低減による歩留まりの向上によ
って経済効果が高められていた場合でも、半導体製造工
程全体としての経済効果は落ちてしまうという問題も生
じる。

【０００６】また、無欠陥領域の発生挙動が明らかでは
ないため、無欠陥領域を十分に含む製品が一定の割合を
もって確実に得られるというわけではなく、不安定であ
った。

【０００７】本発明は以上のような課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、ＣＺ法により生産されるシ
リコン単結晶ウェーハに対して広い無欠陥領域を安定し
て付与することができる方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、種々の成長条
件による無欠陥領域の発生挙動を詳細に調べることによ
り、ＣＺ法により生産されるシリコン単結晶バルクにお
いて、広い無欠陥領域を確実かつ低コストで作製する方
法を提供し、更には、成長欠陥の少ない高品質なシリコ
ンウェーハを低コストにて安定して供給し得る方法を提
供するものである。

【０００９】本発明はまた、宝来らにより示された「Ｏ
ＳＦリングの外側の領域には転位クラスタを含まない無
欠陥の領域が生じることがある」という事実を前提とし
て、ＯＳＦリングの外側のこの無欠陥領域を拡大するこ
とにより、高品質なシリコンウェーハを得ることができ
ることを予想し、それに基づいてなされたものである。
しかしながら本発明は、無欠陥領域の発生挙動が明らか
ではなく、同時に不安定であったことに起因して、それ
まで不可能とされていた「ＯＳＦリングの外側の無欠陥
領域の拡大、及び、広い無欠陥領域を含むシリコンウェ
ーハの低コスト安定供給」ということを可能にしたもの
である。

【００１０】具体的には、本発明は、以下のようなシリ
コン単結晶バルクの製造方法及びシリコン単結晶ウェー
ハを提供する。

【００１１】（１） チュクラルスキー法によりシリコ
ン単結晶バルクを製造する方法であって、シリコン融点
から１３５０℃までの温度範囲における引き上げ軸方向
の結晶内温度勾配の平均値Ｇの結晶の外側面と結晶中心
での値の比であるＧ ｏｕｔｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒを
１．１０から１．５０の間とすることを特徴とするシリ
コン単結晶バルクの製造方法。なお、シリコン融点につ
いては定説はなく、１４１２℃ないしは１４２０℃であ
ると言われているが、シリコン融点が何℃であるかとい
うことは本発明において問題ではなく、定説となるシリ
コン融点が何℃であろうと、「シリコン融点から１３５
０℃までの温度範囲」であれば、本発明の範囲に含まれ
る。

【００１２】（２） チュクラルスキ一法シリコン単結
晶製造装置に備え付けられている熱遮蔽体とシリコン融
液との間の距離を調整しながらシリコン単結晶バルクの
製造を行うことを特徴とする上記記載のシリコン単結晶
バルクの製造方法。

【００１３】（３） シリコン単結晶バルクの製造の際
に、シリコン単結晶バルクの引き上げ速度を変化させる
ことを特徴とする上記記載のシリコン単結晶バルクの製
造方法。

【００１４】（４） 上記記載のシリコン単結晶バルク
から得られる、内径が全体の７０％以下のＯＳＦリング
が存在し、かつ、その周囲に全体の５０％以上の表面積
（片面）を占める無欠陥領域が存在するシリコン単結晶
ウェーハ。

【００１５】（５） 上記記載のシリコン単結晶バルク
から得られる、内径が全体の５０％以下のＯＳＦリング
が存在し、かつ、その周囲に全体の７５％以上の表面積
（片面）を占める無欠陥領域が存在するシリコン単結晶
ウェーハ。

【００１６】［シリコン単結晶ウェーハ］以上のような
本発明は、結晶欠陥の存在を敢えて容認しつつ、成長欠
陥を低減させるための条件を監視するのに要するコスト
を低減し、半導体製造工程全体として経済効果を高める
ということを実現したものである。従って、その結晶欠
陥の存在を容認した上でのコスト低減という観点から、
本発明により製造されたシリコン単結晶ウェーハには、
無欠陥領域とともに、必ずある程度のＯＳＦリングが存
在することになり、少なくともその割合が上記の範囲に
あるのであれば、本発明の範囲に含まれることになる。

【００１７】なお、本発明に係るシリコン単結晶ウェー
ハは、本発明に係るシリコン単結晶バルクから切り出し
を行い、常法に従って所定の加工を施すことにより製造
することができる。

【００１８】［シリコン単結晶バルク製造装置］図２
は、本発明に係るシリコン単結晶バルク製造装置の要部
を示すブロック図である。本発明に係るシリコン単結晶
バルク製造装置は、通常のＣＺ法シリコン単結晶製造装
置と同様に、密閉容器たるチャンバー１１内に、シリコ
ン融液１２の製造・貯蔵のためのルツボ１３（このルツ
ボ１３は、通常のＣＺ法シリコン単結晶製造装置と同様
に、黒鉛ルツボ１３ａの内側に石英ルツボ１３ｂが配設
されたものからなる）と、このルツボ１３を加熱するた
めのヒータ１４と、このヒータ１４に電力を供給する電
極１５と、ルツボ１３を支持するルツボ受け１６と、ル
ツボ１３を回転させるペディスタル１７と、を備える。
チャンバー１１内には適宜、断熱材２１、メルトレシー
ブ２３、内筒２４が備え付けられる。また、この装置に
は、ヒータ１４からシリコンバルク２７への熱の輻射を
遮蔽するための熱遮蔽体２５が備え付けられている。更
に、本発明に係るシリコン単結晶バルク製造装置は、特
に図示していないが、この種のＣＺ法シリコン単結晶製
造装置に通常装備される不活性ガスの導入・排気システ
ムを備えている。そして、このようなシステム下にあっ
て、熱遮蔽体２５は不活性ガスの流通路を調整する働き
も兼ね備えている。

【００１９】本発明に係るシリコン単結晶バルク製造装
置において特徴的なことは、熱遮蔽体２５を動かし、当
該熱遮蔽体２５の先端部分とシリコン融液１２の液面か
らの距離ｈを調整することによって、本発明遂行のポイ
ントとなるＶ／Ｇ値（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）やＧ ｏｕ
ｔｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒを調整することである。実際
に、距離ｈを調整することによってヒータ１４やシリコ
ン融液１２の液面からシリコンバルク２７への熱の遮蔽
量が変化するのと同時に、シリコンバルク２７表面を流
れる不活性ガスの量や速度が微妙に変化するので、これ
によって本発明ではシリコンバルク２７表面における結
晶引上げ軸方向の結晶内温度勾配、ひいてはその中心部
分における結晶引上げ軸方向の結晶内温度勾配との比を
調整することができるものと考えられている。

【００２０】なお、この実施の形態において、当該熱遮
蔽体２５の先端部分とシリコン融液１２の液面からの距
離ｈの調整は、熱遮蔽体２５の高さを調整するリフター
２５ａと、熱遮蔽体２５の傾きを調整するアンギュラー
２５ｂの連動により行うこととしている。しかしなが
ら、距離ｈの調整はこの機構に限られるものではない。
即ち、本発明が、ＣＺ法シリコン単結晶製造装置に装備
されている熱遮蔽体を利用してＶ／Ｇ値（ｍｍ^２／℃・
ｍｉｎ）やＧ ｏｕｔｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒを調整する
最初のものである以上、距離ｈの調整を行えるものであ
ればいかなる実施態様も本発明の範囲に含まれると解釈
されるべきである。

【００２１】また、本発明においては、距離ｈの調整
は、例えば総合電熱解析のようなシュミレーション解析
による計算結果に基づいて行うようにしてもよく、実測
値に基づいたフィードバック制御などによって行うよう
にしてもよい。

【００２２】

【実施例】種々の成長条件による無欠陥領域の発生挙動
を調べた結果、引き上げ速度によるＯＳＦリングの半径
方向位置および無欠陥領域の分布範囲は、図１のようで
あることが解った。つまり、ＯＳＦリングは引き上げ速
度の低下により収縮する一方で、ＯＳＦリングの半径が
特定の値より小さくなると無欠陥領域は消滅してしまう
のである。従って、一定の無欠陥領域を得るためには、
引き上げ速度は大きすぎても小さすぎても不適当で、適
切なある所定の範囲内になければならないことになる
（図１中、Ｖ1からＶ2の間）。

【００２３】また、前述のように、ＯＳＦリングの位置
は、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配（これは、結晶の
半径方向の位置によって変化する）が影響することが知
られているので、半径方向の各位置での引き上げ軸方向
の結晶内温度勾配について、最も広い範囲で無欠陥が得
られるものを調査をした。この調査にあたって、結晶バ
ルクの引き上げ速度と結晶内温度勾配の間には相関があ
ることから、図１の例のように徐々に引き上げ速度を低
下させたときの欠陥の分布を調べることによって実験結
果を得た。

【００２４】ボイド欠陥及び転位クラスタは無撹拌Ｓｅ
ｃｃｏエッチングにより調査し、ＯＳＦリングの位置は
７８０℃で３時間とそれに続く１０００℃で１６時間の
酸化性熱処理後のＸ線トポグラフにより評価した。ま
た、半径方向の各位置での引き上げ軸方向の結晶内温度
勾配は、現在確立されている成長装置内の総合伝熱解析
により求めた。なお、実験は直径２００ｍｍの結晶を用
いて行った。

【００２５】

【実施例１】表１は、図１で見られるような無欠陥領域
がＯＳＦリングの外側から結晶外周にまで広がった状態
が維持される最小のＯＳＦリングの外半径を各成長条件
毎に示したものである。従って、この表１においては、
この半径が小さいほど無欠陥部の占める面積が大きいこ
とを意味することになる。

【００２６】ここで、表１から、シリコン融点から１３
５０℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内
温度勾配の平均値Ｇの結晶の外側面と結晶中心での値の
比Ｇｏｕｔｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒが１．１０から１．
５０の間にあるときに、最小ＯＳＦリングの外半径が小
さい（つまり、無欠陥領域の占める面積が大きい）とい
うことが解り、この範囲が適切な割合の無欠陥領域を得
るための好適な成長条件であることが解った。一方、Ｇ
ｏｕｅｒ／Ｇ ｃｅｎｔｅｒが１．１０から１．５０の
間にないときは、ウェーハにおいて無欠陥部の占める面
積が１／２以下となり、無欠陥領域を付与した効果が大
きく減殺される。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【実施例２】表１にて求められた成長条件において、引
き上げ速度を一定にして結晶を成長させた場合、成長中
における結晶内温度勾配の変化のため、徐々に最適な成
長条件からずれていき、無欠陥領域の占める領域が縮小
してしまう場合がある（一例として、表２）。

【００２９】

【表２】

【００３０】このような場合は、結晶の長さの変化に追
従させて引き上げ速度を変化させることにより、一定の
無欠陥領域を付与することができるようになる（表
３）。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【実施例３】この実施例は、実施例２と同様に成長中に
おける結晶内温度勾配の変化のために徐々に最適な成長
条件からずれていってしまったときに、シリコン融液と
熱遮蔽体との間の距離の変化を与えることにより、一定
の無欠陥領域を付与することができるということを示す
ためのものである（表４）。

【００３３】

【表４】

【００３４】表４に示すように、引き上げ速度一定の条
件下で、シリコン融液と熱遮蔽体との間の距離を、結晶
の長さの変化に追従させて変化させることにより、一定
の無欠陥領域を付与することができた。ここで、この実
施例３によって、シリコン融液と熱遮蔽体との間の距離
を変化させれば、引き上げ速度を変化させた場合（実施
例２）と同じ効果が得られることがわかる。そしてこの
ことから、一定の無欠陥領域を得るという観点からすれ
ば、シリコン単結晶バルク製造装置においてシリコン融
液と熱遮蔽体との間の距離を変化させることは、引き上
げ速度を変化させることと等価の効果が得られるという
ことが明らかになった。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る方法もしくは装置によれ
ば、一定の無欠陥領域を確実に含むシリコン単結晶ウェ
ーハを安定かつ低コストで製造することができる。この
ため、半導体製造工程全体のコストを下げ、その経済性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 引き上げ速度によるＯＳＦリングの半径方向
位置および無欠陥領域の分布範囲を図示した概念図であ
る。

【図２】 本発明に係るシリコン単結晶バルク製造装置
の要部を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１ チャンバー（密閉容器） １２ シリコン融液 １３ ルツボ １３ａ 黒鉛ルツボ １３ｂ 石英ルツボ １４ ヒータ １５ 電極 １６ ルツボ受け １７ ペディスタル ２１ 断熱材 ２３ メルトレシーブ ２４ 内筒 ２５ 熱遮蔽体 ２７ シリコンバルク ｈ 熱遮蔽体２５の先端部分とシリコン融液１２の液面
からの距離 ２５ａ リフター ２５ｂ アンギュラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チュクラルスキー法によりシリコン単結
   晶バルクを製造する方法であって、 シリコン融点から１３５０℃までの温度範囲における引
   き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値Ｇの結晶の外側
   面と結晶中心での値の比であるＧ ｏｕｔｅｒ／Ｇ ｃｅ
   ｎｔｅｒを１．１０から１．５０の間とすることを特徴
   とするシリコン単結晶バルクの製造方法。
2. 【請求項２】 チュクラルスキ一法シリコン単結晶製造
   装置に備え付けられている熱遮蔽体とシリコン融液との
   間の距離を調整しながらシリコン単結晶バルクの製造を
   行うことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶バ
   ルクの製造方法。
3. 【請求項３】 シリコン単結晶バルクの製造の際に、シ
   リコン単結晶バルクの引き上げ速度を変化させることを
   特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコン単結
   晶バルクの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１から３いずれか１項に記載のシ
   リコン単結晶バルクから得られる、内径が全体の７０％
   以下のＯＳＦリングが存在し、かつ、その周囲に全体の
   ５０％以上の表面積（片面）を占める無欠陥領域が存在
   するシリコン単結晶ウェーハ。
5. 【請求項５】 請求項１から３いずれか１項に記載の
   シリコン単結晶バルクから得られる、内径が全体の５０
   ％以下のＯＳＦリングが存在し、かつ、その周囲に全体
   の７５％以上の表面積（片面）を占める無欠陥領域が存
   在するシリコン単結晶ウェーハ。