JP2004196655A - シリコンからなる単結晶、前記単結晶から得られた半導体ウェハ、及び単結晶を製造する方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内因性欠陥及び不純物、例えば酸素及びドーパントの濃度を半径方向に向かって意図的にかつ狭い範囲内で調節可能であるような改善された方法を提供すること
【解決手段】回転する坩堝中に存在する融液からチョクラルスキー法により単結晶を引き上げる際に、融液中の凝固フロントの領域内で、回転対称とは相違する温度分布を生じさせる単結晶の製造方法、及びその方法により製造された、全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、均一な欠陥イメージを示しかつ半径方向の少ないドーパント変化率及び少ない酸素変化率を示すシリコンからなる単結晶。
【選択図】図5

Description

本発明の対象はシリコンからなる単結晶及びその製造方法であり、その際、単結晶はチョクラルスキー法により融液から引き上げられる。この方法は以前から公知であり、かつ電子部品の製造のための基本材料である半導体ウェハを製造するために工業的規模で使用されている。
さらに、200mm以上の直径を有する単結晶の製造は、特に半径方向の単結晶特性をできる限り狭い範囲内で意図的に調節するという多大な難点があるために、特別な挑戦であることは知られている。主に、これは不純物又はドーパント及び結晶欠陥もしくはその集合体(Agglomerate)の濃度が該当する。半径方向の単結晶特性は、主に凝固フロントでの熱的関係及びそのフロントに存在する材料濃度によって決まる。熱源は使用したヒータと、凝固の際に放出される結晶化熱である。この結晶化熱は、例えば300mmの直径を有するシリコンからなる単結晶の場合に、引き上げ速度0.4mm/minで凝固フロントですでに約2kWの付加的熱出力を生じさせる。直接的な放射及び熱伝導の他に、融液の流れにより伝えられる熱輸送が重要である。凝固フロントの領域内での放熱は、主に放射される熱と、単結晶への放熱とによって決定される。従って、全体としてこの熱収支は、坩堝装置の構造、つまり熱伝導部、熱シールド及び付加的熱源の幾何学的配置によって調節される。しかしながら、例えば成長速度、圧力、洗浄ガスの量、種類及び導入のようなプロセス条件も、引き上げ装置を通して根本的に熱収支に寄与する。圧力の上昇又は洗浄ガス量の増加と共に、例えば温度低下が達成される。より大きな引き上げ速度は生じる結晶化熱を上昇させる。
熱輸送する融液の流れを調節することは、完全な理論的概算が複雑であるため困難なことが多いことが実証されている。この融液の流れは、坩堝及び単結晶の回転数及び回転方向に依存する。同一方向の回転は例えば逆方向の回転とは完全に異なる対流パターンが生じる。一般に同一方向の回転が有利であり、この回転により比較的酸素濃度の低い材料が生じ、単結晶の引き上げた長さにわたり比較的安定である。この融液の流れに、印加された電磁場の力の作用によって影響を及ぼすこともできる。静磁場は速度低下のために用いられ、動的磁場は融液の流れの量ならびに方向を意図的に変化させかつ高めることができる。
単結晶の凝固領域内での半径方向の温度分布は、主に周辺部で放射される熱によって決定される。従って、一般に単結晶の中心部よりも、周辺部でより著しい温度低下が観察される。軸方向での温度低下はたいていはG(軸方向温度勾配)で示される。この温度勾配の半径方向変動G(r)は、主に結晶内因性点欠陥分布、ひいては他の結晶特性を決定する。熱収支から生じる、温度勾配Gの半径方向の変化率は一般に数値シミュレーション計算から決定される。計算の制御のために、単結晶の軸方向の縦断面をプロットし、凝固フロントの半径方向の推移を適当な作成方法によって視覚化可能にする。一般に、上方に向かって明らかに湾曲した凝固フロントが生じる。平面の形は均質な温度勾配を示唆する。この温度勾配の半径方向の変化率は、多様な成長速度に対する半径方向の結晶欠陥分布の挙動から正確に推測することができる。
結晶欠陥の発生の観点で、割合v/G(r)が極めて重要であり、この場合に、G(r)は単結晶中の半径方向の位置に依存する単結晶の凝固フロントの軸方向温度勾配であり、vは融液から単結晶を引き上げる速度である。割合v/Gが臨界値k1を超える場合、主に空孔(vacancies)が出現し、この空孔は集合することがあり、例えばCOP(結晶に起因するパーティクル)として同定することができる。これは検出方法に応じてしばしばLPD(light point defects)又はLLSともいわれる。たいていはv/Gの低下する半径方向の推移に基づいて、このCOPは単結晶の中心に最も頻繁に出現する一般にこれは約100nmの直径であり、部品製造時に問題となり得る。COPのサイズ及び数は出発濃度、冷却速度及び集合時の不純物の存在から決定される。窒素の存在は、例えばサイズ分布を、より大きな欠陥密度を有するより小さなCOPへとシフトさせる。
v/Gの割合が、k1より下にある臨界値k2を下回る場合、主にシリコン内因性点欠陥が格子間原子(silicon selfinterstitials)の形で出現し、これは同様に集合体を形成することがあり、巨視的に転移ループとして示される。これはA−スワールとして表され、小さい形はB−スワールとして表されるか、又はその出現に基づきLpit−欠陥(large etch pits)として表される。そのサイズに関して、Lpitは10μmを上回る範囲にある。一般に、エピタキシャル層でもこの欠陥をもはや無欠陥に覆うことはできない。従ってこの欠陥も部品において歩留まりに不利に影響しかねない。
最も広い意味において、空孔の集合も格子間原子の集合も生じていない領域、つまりv/Gがk1とk2との間にある領域は、中性区域又は完全区域といわれる。しかしながら、遊離したなお集合していない空孔が存在する領域と格子間原子と定義された領域とは区別される。v−領域(vacancies)ともいわれる空孔領域は、単結晶の十分に高い酸素含有量の際にそこで酸素により誘導される積層欠陥が生じ、i−領域(interstitials)は完全に無欠陥のままである。より狭い意味において、従ってi−領域だけが実際に完全な結晶領域である。
約70nmを上回る直径の大きな酸素析出は、酸素により誘導される積層欠陥(OSF)として可視化することができる。このため、単結晶から切り出された半導体ディスクは、特別な温度処理によって調整され、この処理は湿式酸化といわれる。結晶成長プロセス時に生じる酸素析出物の増大(これはしばしばas grown BMD(バルク微小欠陥;bulk micro defects)ともいわれる)は、シリコン格子の空孔によって促進される。従って、OSFはv−領域にのみ見られる。
単結晶は、欠陥関数V/G(r)の半径方向の推移がCOP形成又はLpit形成の臨界境界内にあるように引き上げ条件を調節することができる場合に実際に無欠陥となる。しかしながら、これは、比較的大きな直径の単結晶を引き上げる場合には簡単に実現できない、それというのもGの値が半径に著しく依存するためである。この場合に、結晶周辺部での温度勾配は熱放射損失により中心部よりも極めて高いためである。
この欠陥関数v/G(r)もしくは温度勾配G(r)の半径方向の推移により、単結晶から切り出された半導体ディスク上に多数の欠陥領域が存在してしまうことになる。中心部には優先してCOPが出現する。集合した空孔のサイズ分布は、単結晶の冷却速度から凝固フロントの範囲内に生じる。高い冷却速度によるか又は融液の窒素ドーピングによって、COPのサイズ分布は少ないが大きいCOPから、あまり害とはならない多くて小さいCOPへ意図的に変えることができる。COP領域に続いて、シリコン空孔と酸素析出との相互作用の結果として、酸素により誘導された積層欠陥環(OSF)が隣接する。外側に向かって完全に無欠陥の領域が続き、この領域はシリコン格子間集合からなる結晶欠陥(LPIT)を有する領域により区切られている。単結晶の周辺部には中間格子原子が熱的な割合に依存して拡散しているため、センチメートル幅の欠陥のない環が生じることができる。
半径方向のv/G推移と関連して出現するこの結晶欠陥領域は、Eidenzon/Puzanov著Inorganic Materials, Vol.33, No3, 1997, pp. 219-255に記載されている。この寄稿論文では、無欠陥材料を製造する可能性をすでに示唆している。この場合、集合の温度範囲内での必要な冷却速度、窒素ドーピングを用いた影響化、及び振動成長速度のような方法が示唆されている。所定の程度まで、結晶直径にわたるv/G(r)の均一化は、凝固フロントの範囲内に受動的又は能動的熱シールドを取り付けることにより達成でき、このことは例えばEP 866150 B1又はUS 6153008に記載されている。しかしながら、この方法を用いた温度勾配の均一化は、大きな単結晶の場合に次第に困難となる。
今までの知識を考慮して、特に200mm以上の結晶直径に関して、顧客により要求された欠陥特性を維持するために必要な成長条件を調節するための新規の経済的方法を見出す挑戦がなされた。COPだけ、特に所定のサイズ分布及び密度分布を有するCOPだけを有する半導体ウェハ及び点欠陥の集合を有していない半導体ウェハはこの関係で特に重要である。積層欠陥(ring-wafer)、両方の点欠陥型又は一方だけの点欠陥型を有する半導体ウェハも、顧客から条件として指定されていてもよい。この挑戦は、特に、特別な欠陥特性を有する、できる限り多くの半導体ウェハを単結晶から切り出すことができるように成長条件を調節することにある。
凝固フロントでの軸方向温度勾配G(r)の半径方向の推移及び成長速度vの意図的な制御は、単結晶中の所定の欠陥分布を調節することを可能にするだけではない。単結晶内への酸素及びドーパントの組み込みが同様に著しく成長界面に依存するため、温度勾配の意図的な制御によってドーパント分布及び酸素分布の半径方向の変化率も減少する。
このような制御は単結晶引き上げの間で磁場を使用することによって可能である、それというのも磁場を用いて融液中の流れの挙動に影響を及ぼし、ひいては凝固フロントの範囲内での温度収支に影響を及ぼすことができる。静磁場(水平方向、垂直方向及びCUSP磁場)、単相又は多相の交番磁場、回転する磁場及び移動性磁場の適用について記載されている。特許明細書EP-1225255 A1及びUS-2002/0092461 A1によると、単結晶内への酸素の組み込みを制御するために、例えば移動性磁場(magnetisches Wanderfeld)が使用される。
EP 866150 B1 US 6153008 EP-1225255 A1 US-2002/0092461 A1 Eidenzon/Puzanov著Inorganic Materials, Vol.33, No3, 1997, pp. 219-255
本発明の課題は、内因性欠陥及び不純物、例えば酸素及びドーパントの濃度を半径方向に向かって意図的にかつ狭い範囲内で調節可能であるような改善された方法を提供することである。
本発明の対象は、回転する坩堝中に存在する融液からチョクラルスキー法による単結晶引き上げによるシリコンからなる単結晶の製造方法において、融液中の凝固フロントの領域内で、回転対称とは相違する温度分布を生じさせることを特徴とする、単結晶の製造方法である。
慣用のチョクラルスキー法の場合では、対称の物理的条件が維持され、つまり、融液の流れ及び温度分布は結晶引き上げ時に回転対称の配置に従っている。
次に記載する方法の発明者は、融液中の、特に凝固フロントの範囲内の温度フィールドの回転対称の意図的妨害が、結晶の直径にわたる軸方向の温度勾配G(r)及び酸素及びドーパントの材料濃度に関して均一化する作用を示すことを見出した。この作用は例えば凝固フロントの湾曲が、回転対称の温度フィールドの場合に観察される湾曲よりも極端にわずかになることにより現れる。
本発明の場合には、このことが、半径方向に向かって欠陥、酸素及びドーパントの濃度が狭い許容領域内にある単結晶の製造のために利用され、その際、この濃度はv/Gの関係を考慮しながら意図的に調節できる。
従って、本発明の対象は、全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、均一な欠陥イメージ及び半径方向に向かって少ないドーパント変化率及び酸素変化率を有するシリコンからなる単結晶でもある。特に有利な実施態様は、全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり横断面積の60%以上に関して集合した内因性点欠陥を有していない単結晶、全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり集合した空孔だけを有する単結晶及び全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり集合した格子間原子だけを有する単結晶である。これらの単結晶はさらに有利に少なくとも直径200mmを有し、かつ有利に全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり10%を下回る半径方向のドーパント変化率を示し、かつ全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり10%を下回る半径方向の酸素変化率を示す。
この方法の特に有利な実施態様の場合には、融液に印加される磁場、有利に移動性磁場(traveling field)は部分的に遮閉されるため、磁力線は坩堝の回転軸に関して回転対称になっていない。凝固フロントの領域内での温度分布に対しては、特に使用したシールドの形状及び材料、磁場の振幅及び周波数及び坩堝回転数が作用する。
磁気シールドとして金属材料、例えば1〜数センチメートルの厚さの銅板を使用することができ、これは磁気コイルの内側に配置されている。動的磁場の侵入深さは使用した周波数に依存する。従って、10Hz〜約1000Hzの周波数が使用される。長方形の銅板の形の部分的シールドと一緒に移動性磁場を使用する場合には、周波数は30Hzの範囲内が特に適している。磁場の強度は同様にこの作用を決定する。交番磁場を作成するために、巻き数50までのコイル巻線の場合に有利に500Aまでの電流を利用する。高い坩堝回転数、特に3rpm以上の回転数は、磁場の影響を減少させる、つまり融液の流れに対する所望の非回転対称作用を明らかに減少させる。さらに考慮すべきなのは、坩堝中に存在する融液量でもある、それというのもその融液量に依存して異なる融液流れパターンが生じることがあるためである。これらの必要な条件、つまり磁場、シールド及び引き上げプロセスパラメータ、例えば坩堝回転数の関係は、試験及び評価するシミュレーション計算によってそれぞれさらに詳しく測定される。
この方法の他の実施態様の場合には、この単結晶を軸からはずして引き上げる、換言すると、単結晶の引き上げ時に単結晶の回転軸と坩堝の回転軸とは一致しておらず、これは同様の有利な結果を生じさせ、特に不純物又はドーパントの濃度の半径方向の変化率の減少に該当する。この実施態様の場合には、もちろん引き上げプロセスにおいて制御可能な操作法は限定される。個々の試験において、特に酸素含有量の半径方向の変化率は1パーセント分まで改善できた。
本発明を次に図面を用いてさらに詳説する。図1には従来型の結晶引き上げ法が図式的に表されている。これと比較して、図2には第2の実施態様の方法による軸をはずした結晶引き上げが表されている。図3は先行技術のタイプの回転対称の配置を示し、この場合に移動性磁場が使用されている。図4による配置は、付加的に磁気シールドが設けられていることによって異なり、この磁気シールドにより回転対称の関係は崩れている。図5は2つに分けられた磁気シールドを用いた有利な配置が示している。図6〜図10には、測定結果及びシミュレーション計算の結果が示されており、この結果は本発明による有利な作用を明確に示している。
図1には従来型の結晶引き上げ法が図式的に表されている。これは単結晶1、凝固フロント2、坩堝、融液の流れ3及び坩堝ヒータ4の配置を示している。これと比較して、図2には、本発明による方法の第2の実施態様による軸をはずした結晶引き上げの配置が示されていて、坩堝回転軸5と結晶回転軸6との異なる位置により明確に示されている。1センチメートルを超える回転軸間隔により、凝固フロントで明らかに変化した、もはや回転対称でない関係が生じる。
次の図面において、本発明を移動性磁場を使用した例で詳説する。それぞれの図式的に表された融液の流れは、同時に行ったシミュレーション計算からの結果である。図3は移動性磁場を使用した先行技術のタイプの回転対称の配置を示し、融液の流れへの力の作用はTMF−ともいわれ、この配置は単結晶1、凝固フロント2及びヒータ4を有する。磁気コイル8により形成されかつ磁力線7で明確に示した移動性磁場の作用は、生じる融液の流れ3で示す。坩堝から軸方向へ引き上げられた単結晶1と、単結晶及び坩堝と同心にある坩堝ヒータ4及び磁気装置8とを備えた図3による配置は、従来利用された融液流れ3を示し、これは先行技術に記載された方法にとって典型的である。図式的に表された磁気コイル8は50までの巻き数を有し、500mmのコイル直径の場合に500Aまでの電流を流すことができる。
図4は本発明による有利な実施態様を実施するための配置を表し、従って、図3による配置と比較して、さらに、回転対称の関係を崩す磁気シールド9を有する。完全に変化した熱輸送する融液流れ3が生じ、この流れにより凝固フロント2が明らかに平坦化され、この流れは温度勾配G(r)の変形方向での均一化のために利用することができる。使用した金属シールドにより、融液及び単結晶に作用する磁場の回転対称は失われ、かつ非対称の移動性磁場(ATMF−)が生じ、これは回転対称と相違する融液流れ3を生じさせる。シミュレーション計算は、全体で単結晶に向かう側の磁気コイル面の2/3までを遮閉しかつ回転軸に対して対称に配置された2以上のシールドが、明らかに有利な融液流れを作り出し、その結果、凝固フロントでの温度勾配G(r)の優れた均一化が期待できることを示した。図5には、具体化のために、磁場発生装置8と坩堝との間に取り付けられた2つに分けられた磁気シールド9及び10を備えた特に有利な配置を表す。
次に、実施例を用いて、本発明による配置の作用を従来型の配置と比較して詳細に説明する。
図6は、図3に図示した配置に対応する回転対称の移動性磁場を用いる従来型の条件下で引き上げた単結晶の軸方向の縦断面図を示す。縦断面図に示したライフタイム測定(μPCD)から、著しく湾曲した凝固フロント11の半径方向の推移が明らかとなる。図7では、これと比較して、移動性磁場を部分的に遮閉した作用を明らかにするライフタイム測定を示す。結晶製造時に、図4に図式的に示した非対称の磁場(ATMF−)を有する配置で、他は同じ結晶化条件で利用した。この単結晶の縦断面で測定されたライフタイムは、図6とは異なり凝固フロントの湾曲ははるかに少ない。強調した曲線12で明らかに示されたこの平坦な凝固フロントは、凝固フロントの領域内での軸方向の温度勾配G(r)の均一化の結果である。
図8には、複数のライフタイム測定の結果がまとめられていて、図3もしくは図4に図示したような配置での、対称の移動性磁場(TMF−)と非対称の移動性磁場(ATMF−)との凝固フロント(凝固境界面)を対比して示した。
この試験結果から、シミュレーション計算を用いて、軸方向温度勾配の図9に図示した半径方向の推移を評価した。平坦な凝固フロントと同様に、温度勾配ならびにそれによるv/G(r)の均一化が期待された。この平坦な凝固フロントは、不純物、特に酸素濃度の半径方向の分配の形でもはっきりと示される。図10において、対称の移動性磁場(TMF−)と非対称の移動性磁場(ATMF−)との下で引き上げられた単結晶の半径方向の酸素変化率(radial oxygen variations)の統計的対比は、本発明による配置を使用した場合に、単結晶の直径にわたり酸素の組み込みが均一化されたことを示した。
従来型の結晶引き上げ法を示す図 第2の実施態様の方法による軸をはずした結晶引き上げ法を示す図 先行技術のタイプの回転対称の配置を示す図 磁気シールドにより回転対称の関係は崩れている配置を示す図 2つに分けられた磁気シールドを用いた有利な配置を示す図 測定結果及びシミュレーション計算の結果を示す図 測定結果及びシミュレーション計算の結果を示す図 測定結果及びシミュレーション計算の結果を示す図 測定結果及びシミュレーション計算の結果を示す図 測定結果及びシミュレーション計算の結果を示す図
符号の説明
1 単結晶、 2 凝固フロント、 3 融液流れ、 4 坩堝ヒータ、 5 坩堝回転軸、 6 結晶回転軸

Claims (20)

  1. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、均一な欠陥イメージを示しかつ半径方向の少ないドーパント変化率及び少ない酸素変化率を示すシリコンからなる単結晶。
  2. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、横断面積の60%又はそれ以上に関して集合した内因性点欠陥を有していない、請求項1記載の単結晶。
  3. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり集合した空孔だけを有する、請求項1記載の単結晶。
  4. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり集合した格子間原子だけを有する、請求項1記載の単結晶。
  5. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、半径方向のドーパント変化率が10%を下回る、請求項1から4までのいずれか1項記載の単結晶。
  6. 全インゴット長さの10%を超えるインゴット長さにわたり、半径方向の酸素変化率が10%を下回る、請求項1から5までのいずれか1項記載の単結晶。
  7. 少なくとも200mmの直径を有する、請求項1から6までのいずれか1項記載の単結晶。
  8. 請求項1から7までのいずれか1項記載の単結晶から得られたシリコンからなる半導体ウェハ。
  9. 回転する坩堝中に存在する融液からチョクラルスキー法による単結晶引き上げによりシリコンからなる単結晶を製造する方法において、融液中の凝固フロントの領域内で、回転対称とは相違する温度分布を生じさせることを特徴とする、単結晶の製造方法。
  10. 温度分布の非対称を、部分的に遮閉した移動性磁場を印加することにより生じさせる、請求項9記載の方法。
  11. 部分的に遮閉した移動性磁場を、融液の流れの制御のために利用し、結晶の直径にわたる軸方向の温度勾配の均一化を達成する、請求項10記載の方法。
  12. 移動性磁場の振幅によって、温度分布の非対称に影響を与える、請求項10又は11記載の方法。
  13. 移動性磁場の周波数によって、温度分布の非対称に影響を与える、請求項10から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 遮閉部の形状及び材料特性によって、温度分布の非対称に影響を与える、請求項10から13までのいずれか1項記載の方法。
  15. 坩堝回転数によって、温度分布の非対称に影響を与える、請求項9から14までのいずれか1項記載の方法。
  16. 軸をはずした単結晶引き上げによって、温度分布の非対称に影響を与える、請求項9から15までのいずれか1項記載の方法。
  17. 軸をはずした単結晶引き上げによって、結晶の直径にわたり、軸方向の温度勾配の均一化を達成する、請求項16記載の方法。
  18. 凝固フロントの湾曲を減少させる、請求項9から17までのいずれか1項記載の方法。
  19. 凝固フロントにおける軸方向の温度勾配の均一化を生じさせる、請求項9から18までのいずれか1項記載の方法。
  20. 坩堝中に存在する融液を有する坩堝と、加熱装置と、坩堝を取り囲むように配置された、移動性磁場を作り出す磁気装置とを有する、チョクラルスキー法によるシリコンからなる単結晶の引き上げ装置において、磁気装置から作り出された磁場の回転対称を崩す1つの遮閉部又は複数の部分遮閉部が設けられていることを特徴とする、単結晶引き上げ装置。
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