JP2002293690A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶中の赤外線散乱体欠陥の密度が低く、
単結晶外周部において再結合ライフタイムの低下が抑制
されたシリコン単結晶を提供する。 【解決手段】 ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する
場合に、石英坩堝を収容する坩堝として、灰分1ppm以下
の炭素繊維強化炭素材からなる坩堝（Ｃ／Ｃ坩堝）を使
用し、0.3〜0.5mm／minの引き上げ速度でシリコン単結
晶を引き上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＣＺ法によりシリコ
ン単結晶を製造する方法に関し、より詳細には、シリコ
ン単結晶中の赤外線散乱体欠陥の密度が低減され、単結
晶外周部における再結合ライフタイムの低下が抑制され
たシリコン単結晶の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造に使用されるシリ
コンウエーハは、主にＣＺ法により育成された単結晶か
ら採取される。ＣＺ法とは、周知の如く、坩堝内に収容
されたシリコンの原料融液に種結晶を漬け、種結晶及び
坩堝を逆方向に回転させながら種結晶を引き上げること
により、その下にシリコンの単結晶を育成する方法であ
る。

【０００３】ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する場
合、通常、前述した坩堝はシリコン原料融液を収容する
石英坩堝と、この石英坩堝を収容する坩堝から構成され
ている。石英坩堝を収容する坩堝は、従来から機械的強
度及び耐熱性に優れた等方性で高密度かつ高純度の黒鉛
材からなる黒鉛坩堝が用いられ、近年では、黒鉛坩堝よ
りも軽量でありながらそれ以上の機械的強度を有する炭
素繊維強化炭素複合材からなる坩堝（以下Ｃ／Ｃ坩堝）
の採用も試みられつつある。

【０００４】一方、ＣＺ法による育成プロセスを経て製
造されたシリコンウエーハは、熱酸化処理を受けたとき
に、ＯＳＦ(Oxidation induced Stacking Fault)リング
と呼ばれるリング状の酸化誘起積層欠陥を生じることが
知られており、このＯＳＦリングの発生領域は、単結晶
育成中の引き上げ速度に依存しており、引き上げ速度を
遅くすると、ＯＳＦリングが現れる領域が結晶の外側か
ら内側へと収縮する。

【０００５】近年、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リングの悪影響が低減されて
きたこと、および単結晶が低酸素化してきたこともあっ
て、ＯＳＦリングは、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。

【０００６】また、このＯＳＦリングの外側と内側では
物性が異なり、ＯＳＦリングの外側には格子間シリコン
原子の凝集が原因とされる転位クラスタが発生し、ＯＳ
Ｆリングの内側には空孔の凝集が原因とされる空孔クラ
スタが発生する。この空孔クラスタは、赤外線散乱体欠
陥（ＣＯＰ、ＦＰＤ）とも呼ばれ、ウエーハ表面をエッ
チングすると小さなピットとなって現れるが、非常にサ
イズが小さいため、これまでは特に問題視されることは
なかった。

【０００７】しかし、著しい集積度の増大に伴ってデバ
イス工程でのパターン幅が非常に微細化したため、高グ
レードの単結晶ではこの赤外線散乱体欠陥さえも問題に
なり、酸化膜耐圧特性を低下させる因子としてその低減
が望まれ、赤外線散乱体欠陥（ＣＯＰ、ＦＰＤ）密度の
少ないシリコンウエーハやパーティクルモニターウエー
ハの提供が望まれている。

【０００８】上記の問題を解決するため、単結晶製造時
における単結晶の引き上げ速度を遅くすることにより、
ＯＳＦリング外側に転位クラスター欠陥を発生させず
に、ＯＳＦリングを引き上げ単結晶の最外周部より内側
に発生させて、赤外散乱体欠陥の発生領域を中心部に集
中させるか、若しくは中心部で消滅させて赤外線散乱体
欠陥の低減を図る低速引き上げ法が採用されつつある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、シリコン
単結晶中の赤外線散乱体欠陥密度の低減を目的に、上述
した低速引き上げ法の採用を試みたところ、以下のこと
を知見した。

【００１０】これまで一般的に使用されている黒鉛坩堝
を使用して、引き上げ速度を遅くしてシリコン単結晶を
引き上げた場合、黒鉛坩堝の大口径化に伴いヒータから
の黒鉛坩堝への加熱量を相対的に大きくしなければなら
ず、しかも、赤外線散乱体欠陥密度を低減するために引
き上げ速度をかなり遅くして単結晶を引き上げる必要が
あることから、黒鉛坩堝が高温に晒される延引時間が長
くなるために、黒鉛坩堝の劣化が激しく再使用できない
問題があることを知見した。

【００１１】このため、機械的強度に優れるＣ／Ｃ坩堝
を使用し、引き上げ速度を遅くして単結晶を引き上げた
ところ、Ｃ／Ｃ坩堝の劣化はあまり見られなかった。し
かしながら、製造されたシリコン単結晶の外周部が金属
不純物により汚染され、単結晶外周部の再結合ライフタ
イムが著しく低下する問題があることが新たに判明し
た。

【００１２】一般的に、単結晶中の金属不純物の汚染量
を評価する目安として、単結晶中の半導体キャリアの再
結合ライフタイム評価が用いられ、単結晶が金属不純物
で汚染されると再結合ライフタイム低下することが知ら
れている。再結合ライフタイムを低下させる金属不純物
としては、Fe、Cu、Ni等が挙げられるが、本発明者の実
験によれば中でもFeによる金属汚染が特に顕著であっ
た。

【００１３】この原因としては、前述したとおり坩堝自
体の温度は相当高く、Ｃ／Ｃ坩堝内に含まれる金属不純
物が蒸発し易い状況にあり、加えて、赤外散乱体欠陥密
度を低減するために、引き上げ速度をかなり遅くしてシ
リコン単結晶を引き上げることから、成長直後の高温の
シリコン単結晶部分において、Ｃ／Ｃ坩堝から蒸発した
金属不純物を含有する炉内雰囲気ガスが接触する時間が
長くなり、金属不純物が結晶内部に拡散して単結晶外周
部の再結合ライフタイムが低下するものと推測される。

【００１４】この単結晶外周部の再結合ライフタイムが
低下する現象は、これまでの黒鉛坩堝を用いた高速引き
上げ法では余り見られず、Ｃ／Ｃ坩堝を用いた低速引き
上げ法においてのみ、単結晶外周部で再結合ライフタイ
ムが著しく低下する現象が見られた。

【００１５】本発明は、上記問題に鑑みなされたもので
あり、単結晶中の赤外線散乱体欠陥密度が低く、単結晶
外周部において再結合ライフタイムの低下が抑制され
た、シリコン単結晶を提供することを目的とするもので
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣＺ法により
シリコン単結晶を製造する方法において、石英坩堝を収
容する坩堝として、灰分1ppm以下の炭素繊維強化炭素材
からなる坩堝（Ｃ／Ｃ坩堝）を使用し、0.3〜0.5mm／mi
nの引き上げ速度でシリコン単結晶を引き上げることを
特徴とするものである。

【００１７】本発明によれば、灰分1ppm以下の高純度の
Ｃ／Ｃ坩堝を使用することで、シリコン単結晶製造で特
に問題となる坩堝高温化による単結晶外周部の金属不純
物汚染を低減することができる。灰分1ppmを超えるＣ／
Ｃ坩堝を使用し、0.3〜0.5mm／minの引き上げ速度で単
結晶を引き上げた場合には、単結晶外周部の再結合ライ
フタイムが著しく低下していまい、例えばＳＥＭＩ規格
等で規定される基準値を満足するシリコン単結晶を製造
することができない。

【００１８】本発明では、灰分1ppm以下の高純度のＣ／
Ｃ坩堝を使用するものであるが、Ｃ／Ｃ坩堝中の含まれ
る金属不純物のうち、特にFeは単結晶を汚染するため、
Fe濃度が0.2ppm以下のＣ／Ｃ坩堝を使用することが望ま
しい。

【００１９】また、本発明によれば、シリコン単結晶の
引き上げ速度を0.3〜0.5mm／minの範囲に設定して引き
上げることで、ＯＳＦリングの外側に転位クラスターを
発生させることなく、ＯＳＦリングを結晶外周部より内
側に収縮あるいは消滅させることができ、ＯＳＦの内側
領域に発生する赤外線散乱体欠陥の密度を可及的に低減
することができる。

【００２０】一方、引き上げ速度が0.3mm／minよりも遅
い場合には、生産性が大幅に低下するだけでなく、無転
位シリコン単結晶そのものが製造できなくなる。また、
引き上げ速度が0.5mm／minよりも速い場合には、育成単
結晶が高温領域に晒される時間が短いことから、本発明
で規定する高純度のＣ／Ｃ坩堝を使用しなくても、単結
晶外周部の再結合ライフタイムの低下はさほど見られな
いが、これでは、本発明が目的とするＯＳＦリングを結
晶外周部より内側に収縮あるいは消滅させて、赤外線散
乱体欠陥の密度が低減されたシリコン単結晶そのものを
製造することができない。

【００２１】このように本発明は、赤外線散乱体欠陥密
度が少ないシリコン単結晶の製造を目的に、0.3〜0.5mm
／minの低速引き上げを実施し、このとき問題となる単
結晶外周部での再結合ライフタイムの低下を防止すべ
く、灰分1ppm以下の高純度のＣ／Ｃ坩堝を使用するもの
であるが、一方では、赤外線散乱体欠陥密度の低減があ
まり要求されない比較的低コストのシリコン単結晶の製
造が要求される場合には、0.5mm／minを超える高速の引
き上げを実施し、この場合には、比較的高価な高純度の
Ｃ／Ｃ坩堝を使用しなくてもよいことを示唆するもので
もある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係わる単
結晶製造方法の説明図である。

【００２３】単結晶製造装置は、メインチャンバ１と、
その上面中心部に連結されたブルチャンバ２とを備えて
いる。これらは、軸方向を垂直とした略円筒状の真空容
器からなり、図示されない水冷機構を有している。メイ
ンチャンバ１内の略中央にはＣ／Ｃ坩堝３が配置され、
この内面に石英坩堝４が内装され、Ｃ／Ｃ坩堝３を包囲
するように黒鉛ヒータ５が設けられ、その外周に保温筒
６が設置されている。

【００２４】単結晶製造を行うには先ず、チャンバを解
体した状態で、石英坩堝４内にシリコンの多結晶原料を
装填する。次いでチャンバを組み立て、その内部を真空
排気した状態でヒータ５を作動させて、石英坩堝４内の
原料を溶解し、シリコンの原料融液８を得る。その後、
原料融液８に引き上げ軸７の下端に装着された種結晶を
浸漬し、引き上げ軸７を回転上昇させる。これにより種
結晶の下端にシリコンの単結晶９が育成される。

【００２５】単結晶９の引き上げに伴って原料融液８の
量が減少し融液面レベルが低下するため、Ｃ／Ｃ坩堝２
を上昇させて黒鉛ヒータ５の設置位置に対して原料融液
８の融液面レベルを一定に維持しながら単結晶９を育成
する。引き上げられた単結晶９は、その外周囲を囲繞す
るように設けられた逆円錐台形状の輻射スクリーン１０
により、引き上げ軸方向に適度な温度勾配が付与されて
いる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例に係る単結晶引き上げ装置につ
いて説明する。

【００２７】〔実施例１〕上述した単結晶製造装置を使
用し、灰分1ppmおよび灰分3ppmの２種類のＣ／Ｃ坩堝を
使用し、単結晶直胴部における引き上げ速度を0.3mm／m
in、0.5mm／min、0.7mm／minにそれぞれ設定して、直径
8インチのシリコン単結晶の育成をおこなった。具体的
には、22インチの石英坩堝内に原料として多結晶シリコ
ン130kgを充填し、P型ドーパントとしてボロンを添加し
て比抵抗15Ωcmに調整した8インチのシリコン単結晶の
育成をおこなった。その後、得られたシリコン単結晶そ
れぞれについて、単結晶頂部より同一高さの位置からウ
エーハ状にサンプルを切り出した。得られたそれぞれの
サンプルウエーハについて、光導電減衰法により、ウエ
ーハ半径方向の再結合ライフタイムを測定した。その測
定結果を図２および図３に示す。

【００２８】図２は、灰分3ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用した
ときの再結合ライフタイムの測定結果を示すものであ
り、この図から明らかなように、0.7mm／minの高速引き
上げを行った場合には、ウエーハ外周部での再結合ライ
フタイムの低下は余り見られないものの、0.3mm／min、
0.5mm／minの低速引き上げではウエーハ外周部で著しく
再結合ライフタイムが低下した。

【００２９】図３は、灰分1ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用した
ときの再結合ライフタイムの測定結果を示すものである
が、0.7mm／minの高速引き上げを行った場合と同様に、
0.3mm／min、0.5mm／minの低速引き上げにおいても、ウ
エーハ外周部で再結合ライフタイムが低下しないことが
わかる。

【００３０】〔実施例２〕実施例１で得られたそれぞれ
のサンプルウエーハについて、特に単結晶外周部を汚染
し易い金属不純物であるFeについて、実際の汚染量を調
べるため、ＳＰＶ（surface photovoltaic）装置を使用
して、ウエーハ最外周部より内側5mm位置のFe濃度を測
定した。また、それぞれのサンプルウエーハについて、
その表面の赤外線散乱体欠陥密度を調べるため、レーザ
ーパーティクルカウンターを使用して、ウエーハ表面の
0.13μmサイズ以上のＬＰＤ密度（Light Point Defec
t）を測定した。これらの測定結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】灰分1ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用し、0.3mm／m
in、0.5mm／minの低速引き上げ（本発明例１、２）で育
成された単結晶から切り出されたサンプルウエーハは、
ウエーハ外周部でのFe汚染量は極めて低く、0.13μmサ
イズ以上のＬＰＤ密度も非常に少なく、酸化膜耐圧特性
に優れるシリコンウエーハとして、あるいはパーティク
ルモニターウエーハとして十分に使用できるものであっ
た。

【００３３】これに対し、灰分1ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用
して、0.7mm／minの高速引き上げ（比較例１）で育成さ
れた単結晶から切り出されたサンプルウエーハは、引き
上げ速度が速いことからウエーハ外周部でのFe汚染量は
低減されるものの、ウエーハ面内のＬＰＤ密度が多く、
酸化膜耐圧特性に優れるシリコンウエーハとして、また
はパーティクルモニターウエーハとして使用できるもの
ではなかった。

【００３４】また、灰分3ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用して、
0.3mm／min、0.5mm／minの低速引き上げ（比較例２、
３）で育成された単結晶から切り出されたサンプルウエ
ーハは、ウエーハ外周部でのFe汚染量が高く、0.7mm／m
inの高速引き上げ（比較例４）で育成された単結晶から
切り出されたサンプルウエーハは、ウエーハ外周部での
Fe汚染量は低減されるものの、ウエーハ面内のＬＰＤ密
度が多い結果であり、酸化膜耐圧特性に優れるシリコン
ウエーハとして、またはパーティクルモニターウエーハ
として使用できるものではなかった。

【００３５】

【本発明の効果】以上、説明したように本発明によれ
ば、石英坩堝を収容する坩堝として、灰分1ppm以下の炭
素繊維強化炭素材からなる坩堝（Ｃ／Ｃ坩堝）を使用
し、0.3〜0.5mm／minの引き上げ速度でシリコン単結晶
を引き上げることで、単結晶中の赤外線散乱体欠陥密度
が低く、単結晶外周部において再結合ライフタイムの低
下が抑制されたシリコン単結晶を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る単結晶製造装置を模
式的に示した縦断面図である。

【図２】灰分3ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用して育成された単
結晶から切り出されたウエーハの半径方向の再結合ライ
フタイム測定結果を示す図である。

【図３】灰分1ppmのＣ／Ｃ坩堝を使用して育成された単
結晶から切り出されたウエーハの半径方向の再結合ライ
フタイム測定結果を示す図である。

【符号の説明】

１ メインチャンバ ２ プルチャンバ ３ 石英坩堝 ４ Ｃ／Ｃ坩堝 ５ ヒータ ６ 保温筒 ７ 引き上げ軸 ８ 溶融液 ９ 単結晶 １０ 輻射スクリーン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する
   方法において、石英坩堝を収容する坩堝として、灰分1p
   pm以下の炭素繊維強化炭素材からなる坩堝（Ｃ／Ｃ坩
   堝）を使用し、0.3〜0.5mm／minの引き上げ速度でシリ
   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。