JP2005162599A - 均一なベイカンシ欠陥を有するシリコン単結晶インゴット、シリコンウエハ、シリコン単結晶インゴットの製造装置、及びシリコン単結晶インゴットの製造方法 - Google Patents
均一なベイカンシ欠陥を有するシリコン単結晶インゴット、シリコンウエハ、シリコン単結晶インゴットの製造装置、及びシリコン単結晶インゴットの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 チョクラルスキ法によってシリコン単結晶インゴットを製造する際、シリコン単結晶インゴットの温度が1000乃至1100℃である区間において、インゴットの温度変化量が20K/cm、または、これより小さい値の状態でシリコン単結晶インゴットを成長させる。
【選択図】 図4
Description
まず、種子結晶より細くて長い結晶を成長させるネッキング(necking)段階を経た後、結晶を直径方向に成長させるショルダリング(shouldering)段階を経るようになり目標直径に形成し、その後は、一定の直径を有する結晶が成長される。この過程をボディグローイング(body growing)段階と呼ぶが、この時に成長した部分からウエハが切り出される。
所定の長さにボディグローイングが進んだ後、結晶の直径を徐々に減少させ、結局は溶融シリコンから分離するテーリング(tailing)工程段階を経て結晶成長段階が終了する。
つまり、V/G値がある臨界値を超えるとベイカンシタイプが、そしてその臨界値以下ではインタスティシャルタイプの欠陥が形成される。したがって、与えられたホットゾーンで結晶を成長させる場合、引き上げ速度によって結晶内に分布する欠陥の種類、大きさ、密度などが影響を受ける。
また、速い冷却で形成された微細なベイカンシ欠陥により酸化膜耐圧特性を低下させるが、このような現象は主に冷却速度の速いウエハの外周部で頻繁に発生する。
V.V. Voronkov, "The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon", Journal of Crystal Growth 59 (1982) 625
また、本発明は、酸化膜耐圧特性を含んでデバイス特性に優れた高品質シリコンウエハを提供することを第2の目的とする。
さらに、本発明は、高品質シリコンウエハの生産性を向上させ、製造費用を節減することができるシリコン単結晶インゴットの製造方法及び製造装置を提供することを第3の目的とする。
さらに、本発明は、冷却速度が中心部に比べて相対的に速いインゴットの外周部を徐々に冷却させ、ウエハ全面にわたって均一な熱履歴分布を有するようにするシリコン単結晶インゴットの製造装置を提供することを第4の目的とする。
さらに、本発明は、シリコンインゴットの半径方向への成長及び冷却条件を均一にするホットゾーン構造を有するシリコン単結晶インゴットの製造装置を提供することを第5の目的とする。
つまり、本発明では、チョクラルスキ法によってシリコン単結晶インゴットを製造する際、シリコン単結晶インゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、インゴットの温度変化量(温度勾配)が20K/cm、または、これより小さい状態でシリコン単結晶インゴットを成長させる。
この時の温度変化量は、インゴットの外周部での温度変化量を意味し、垂直方向への温度変化量であるのが好ましい。
また、インゴットの温度が1000℃乃至1100℃の区間において、インゴット中心部での垂直温度勾配とインゴット外周部での垂直温度勾配との間の差が1.5K/cm、または、これより小さいことが好ましい。
そして、インゴットの中心部におけるインゴットとシリコン融液の界面での垂直温度勾配(G)が20K/cm、または、これより大きい状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることが好ましい。
この時、ウエハの外周部には酸化誘起積層欠陥環が存在し、この酸化誘起積層欠陥環の内側が既に設定された大きさより大きいかまたは同一であるベイカンシが存在する領域であることができる。酸化誘起積層欠陥環はウエハ半径の90%以上外側に位置することができ、または、酸化誘起積層欠陥環はウエハ半径の外側に突き出て除去された状態であることもできる。
既に設定された大きさは0.065μm以下であることができる。
また、シリコンウエハに対してNSMDを測定した半径方向ボイド欠陥密度が200ea/cm2、または、これより小さいことが好ましい。
そして、酸化膜耐圧特性に悪影響を及ぼす既に設定された大きさ、または、これより小さいベイカンシが存在する領域の半径方向の幅は、ウエハ半径の20%以下を占める。
また、インゴットをウエハに加工した後、NSMDを測定した半径方向ボイド欠陥密度が200ea/cm2、または、これより小さい値を有する領域のインゴット長さが、インゴットボディ長さの40%以上であるのが好ましい。
そして、インゴットの初期酸素濃度は15ppma以下であるのが好ましい。
つまり、本発明によるシリコン単結晶インゴット製造装置は、チョクラルスキ法によってシリコン単結晶インゴットを製造する装置であって、チャンバと、チャンバの内部に設置され、シリコン融液を収納するためのるつぼと、るつぼを加熱するヒータと、シリコン単結晶インゴットを取り囲むようにインゴットとるつぼとの間に設置され、インゴットより放射される熱を遮断する熱シールドと、インゴットの温度が1000乃至1100℃である部分の側傍に位置するように、熱シールドとインゴットとの間に設置された局部発熱体と、を含む構成である。
局部発熱体は、インゴットの成長中のインゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、インゴットの温度変化量を20K/cm、または、これより小さい値にすることができる。
この時の温度変化量は、インゴットの外周部での温度変化量であることが好ましく、垂直方向への温度変化量であることが好ましい。
また、局部発熱体は、インゴットの成長中に、インゴットの中心部において、インゴットとシリコン融液との界面での垂直温度勾配が20K/cm、または、これより大きい値にすることができる。
局部発熱体は、インゴットの成長中のインゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、インゴット中心部での垂直温度勾配とインゴット外周部での垂直温度勾配との間の差を1.5K/cm、または、これより小さい値にすることができる。
局部発熱体は1乃至5kWの電力で稼動したり、または目的とする熱処理サイクルに従って稼動できる。
熱シールドとインゴットとの隔離距離は15乃至40mmであるのが好ましく、熱シールドはシリコン融液上部に位置し、厚さが10乃至40mmである下端部を含むことができる。
また、本発明では、インゴットで温度が1000乃至1100℃である部分の側傍に位置するように熱シールドとインゴットとの間に局部発熱体を設置して、ベイカンシが成長する温度区間である1000乃至1100℃の区間において、インゴット外周部の温度変化量が20K/cmより小さいかまたは同一である状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることによって、インゴットの外周部を徐々に冷却してウエハ全面にわたって均一な熱履歴分布を有するようにするシリコン単結晶インゴット製造装置を提供する効果がある。
したがって、本発明では、シリコンインゴットの半径方向への成長及び冷却条件が均一なホットゾーン構造を提供する効果がある。
本発明の装置を利用すれば、酸化膜耐圧特性に悪影響を及ぼす臨界サイズ以下の微細なベイカンシ欠陥が除去されたシリコン単結晶インゴットを成長させる効果がある。
したがって、本発明によれば、酸化膜耐圧特性を含んでデバイス特性に優れた高品質シリコンウエハを提供する効果がある。
また、本発明によれば、局部発熱体を設置したり熱シールドの設計を単純に設定する方法を含み、インゴットの温度を調節する簡単な方法で高品質のシリコンウエハを製造するので費用を節減することができ、生産性も高いという効果がある。
シリコン単結晶を基板として用いたデバイスの酸化膜耐圧は、シリコンウエハ上に形成するシリコン酸化膜が破壊されるまでに耐える電圧の強さ及び絶縁維持時間で表現できる。
例えば、チョクラルスキ法によって成長させたシリコン単結晶を用いた場合の酸化膜耐圧特性は、浮遊帯溶解法(Float Zone法)によって製造されたシリコン単結晶を用いた場合より悪く、また、チョクラルスキ法によって成長させたシリコン単結晶から作った(例えば切り出した)ウエハ上にシリコン膜をエピタキシャル成長させたウエハの場合に比べても悪い。
この時の温度変化量(ΔT)は、少なくともインゴット外周部での温度変化量を意味し、インゴットの中心部ではこれよりさらに小さな幅で温度が変化すると充分予想される。
また、ここで温度変化量(ΔT)は、垂直方向への温度変化量を意味する。
また、インゴットをウエハに加工した後、NSMDをMO601装置を利用して測定した半径方向ボイド欠陥密度が200ea/cm2、または、これより小さい値を有する領域のインゴット長さは、インゴットボディ長さの40%以上であった。
さらに、本発明によって成長させたシリコン単結晶インゴットの初期酸素濃度は15ppma以下であった。
図3に示されているように、ウエハの外周部には酸化誘起積層欠陥環200が形成されており、この酸化誘起積層欠陥環200の内側には粗大ベイカンシ欠陥が均一に存在する粗大ベイカンシ欠陥領域100がある。
この時、酸化誘起積層欠陥環200はウエハ半径の90%以上外側に位置しており、または、酸化誘起積層欠陥環200が完全にウエハの外側に突き出されて除去された状態になる場合もある。したがって、本発明では粗大ベイカンシ欠陥領域100が従来に比べて相対的にさらに広くなっている。
これは従来の粗大ベイカンシ領域が中心部に制限されており、その外側を微小欠陥領域が取り囲んでいた図1及び図2と比較してみると、微小欠陥領域にあった微細なベイカンシ欠陥が徐冷効果及び均一な熱履歴分布を通じて拡散及び凝集して、酸化膜耐圧特性に影響を与えない臨界サイズ以上に成長した結果である。
また、インゴットの温度が900℃以下に落ちる区間は酸素析出が発生する酸化誘起積層欠陥環の成長温度であるので、熱シールドの位置及びホットゾーン構成を調節することによって約900℃近くの温度勾配を大きくして、酸化誘起積層欠陥環の発生抑制を期待することもできる。
図4は、本発明の一実施形態によるシリコン単結晶インゴット成長装置の内部を示した断面図である。
図4に示されているように、本発明によるシリコン単結晶インゴットの製造装置はチャンバ10を含み、このチャンバ10の内部でシリコン単結晶インゴットが成長される。
チャンバ10内にはシリコン融液SMを入れる石英るつぼ20が設置され、この石英るつぼ20の外部には、黒鉛からなるるつぼ支持台25が石英るつぼ20を取り囲むように設置される。
ヒータ40は、石英るつぼ20内に積載された高純度の多結晶シリコンの塊りを溶融してシリコン融液SMを作り、保温桶45は、ヒータ40から発散される熱がチャンバ10の壁側に拡散することを防止して熱効率を向上させる。
引き上げ手段は、単結晶インゴットIG成長時にケーブルを巻いて引き上げながら回転運動し、この時のシリコン単結晶インゴットIGは、るつぼ20の回転軸30と同心の軸を中心にしてるつぼ20の回転方向と反対方向に回転させながら引き上げるようにする。
チャンバ10の上部からは、成長させる単結晶インゴットIGとシリコン融液SMにアルゴン(Ar)のような不活性ガスを供給し、用いられた不活性ガスはチャンバ10の下部を通して排出させる。
熱シールド50は、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、炭素(C)、またはSiCがコーティングされた黒鉛からなり、様々な形状に製作できる。
例えば、熱シールド50は、インゴットIGとるつぼ20との間に設置された円筒形状の第1遮蔽部と、この第1遮蔽部の上部に連結されて保温桶45上部に固定されるフランジ形状の第2遮蔽部と、第1遮蔽部の下部に連結されて前記単結晶インゴット側に突き出すように形成された第3遮蔽部とからなることもできる。
しかし、熱シールド50の形状は前述した構造に限定されず、本発明ではいかなる形状の熱シールドでも可能である。
この局部発熱体60は、連結ロッド70を媒介として熱シールド50によって支持され、例えば、図4に示されているように、熱シールド50からインゴットIGに向かって突出するように熱シールド50に設置される連結ロッド70の末端と結合設置されることができる。しかし、局部発熱体60が必ず連結ロッド70と結合設置されると限定する必要はなく、様々な方法によって熱シールド50に付着できる。
この時の温度変化量(ΔT)は、少なくともインゴットの外周部での温度変化量を意味し、インゴットの中心部ではこれよりさらに小さな幅で温度が変化すると十分予想される。
また、ここで温度変化量(ΔT)は、垂直方向への温度変化量を意味する。
前述したインゴット成長条件をシミュレーションしてインゴット中心部での垂直温度勾配とインゴット外周部での垂直温度勾配との間の差(ΔG)を求めると、その値が1.5K/cmより小さいかまたは同一である。
図5は、局部発熱体60の熱処理サイクルの一例を示したグラフである。しかし、局部発熱体の熱処理サイクルは図5のグラフに限定されるものではなく、インゴットの大きさ、熱シールド50の形状を含んでホットゾーン構造などに応じて適切に変更可能である。
図6に示されているように、本発明の実施形態の場合、インゴットの温度が1000乃至1100℃である区間におけるインゴットの温度変化量(ΔT)は15℃/cm以下であり、比較例の場合に比べて小さいことを確認できた。
半径方向への冷却条件の均一度は、停止実験(Halt Test)を通じて確認できる。ボロンコーワの論文(V.V. Voronkov and R. Falster, "Grown-in Microdefects, Residual Vacancies and Oxygen Precipitation Bands in Czochralski Silicon", Journal of Crystal Growth 204 (1999) 462)によれば、停止実験をした結晶には特徴的な析出パターンが現れる。
図7(a)は、一般的なホットゾーンで停止実験をした結晶の垂直断面図であり、図7(a)で明るく現れる領域は、酸素析出が多く起こった領域であって、このような酸素析出物の上部にはボイド(void)核生成領域(Ava)が存在する。この付近は、停止実験当時に約1070℃の温度で過剰熱履歴を経験したインゴット部分で現れる。
これに対し、図7(b)は、図4に示された本発明の一実施形態による装置によって半径方向への熱環境が均一に制御されたホットゾーンで停止実験したインゴットの垂直断面図である。
図7(b)では、ボイド核生成領域(Ava)と酸素析出領域の境界が図7(a)とは違って、半径方向に水平に形成された形態を示す。これは結晶内の点欠陥濃度及び冷却速度が半径方向に均一であることを間接的に証明するものである。
図8に示されているように、本発明の実施例1及び2では、無欠陥領域が深さ10乃至20μm程度確保され、このような無欠陥領域がウエハの半径方向に沿って大略4μm以内の幅に変化して、比較的に均一に形成されたことを確認できた。
また、図9に示されているように、本発明の実施例1及び2では、ゲッタリング作用をするBMDが一般的に要求される水準である105乃至106個/cm2以上に確保され、このようなBMDがウエハの半径方向に沿って比較的に均一に分布していることが確認できた。
図10に示されているように、本発明の実施例1の場合、ボイド欠陥密度がウエハの半径方向に沿って非常に均一であることが確認でき、これに対し、比較例1及び2の場合はボイド欠陥密度がウエハの外周部側に行くほど低くなることが確認できた。
図11(a)及び図11(b)において、灰色で塗った部分は酸化膜耐圧特性が悪くて不良処理されている。これら図面に示されているように、本発明の実施例1及び2の場合は比較例1及び2の場合に比べて収率が非常に高いことが確認できた。
20 るつぼ
25 るつぼ支持台
30 回転軸
40 ヒータ
45 保温桶
50 熱シールド
60 局部発熱体
65 連結ロッド
IG シリコン単結晶インゴット
SM シリコン融液
100 粗大ベイカンシ欠陥領域
200 酸化誘起積層欠陥環
300 微小ベイカンシ欠陥領域
Ava ボイド核生成領域
Claims (26)
- チョクラルスキ法によりシリコン単結晶インゴットを製造する時に、
シリコン単結晶インゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、前記インゴットの温度変化量(温度勾配)が20K/cm、または、これより小さい状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることを特徴とするシリコン単結晶インゴットの製造方法。 - 前記温度変化量は前記インゴットの外周部での温度変化量であることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
- 前記温度変化量は垂直方向への温度変化量であることを特徴とする請求項2に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
- 前記インゴットの中心部で、前記インゴットとシリコン融液の界面での垂直温度勾配(G)が20K/cm、または、これより大きい状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
- 前記インゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、前記インゴット中心部での垂直温度勾配と前記インゴット外周部での垂直温度勾配との 差が1.5K/cm、または、これより小さい状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
- チョクラルスキ法によって成長させたシリコン単結晶インゴットより製作されるシリコンウエハにおいて、
シリコンウエハ上に酸化膜を形成した後、酸化膜耐圧特性を測定した際、前記酸化膜耐圧特性に悪影響を及ぼすベイカンシサイズの最大値として、既に設定された大きさ、または、これより大きいベイカンシが存在する領域の半径方向の幅がウエハ半径の80%以上を占めることを特徴とするシリコンウエハ。 - 前記ウエハの外周部には酸化誘起積層欠陥環が存在し、この酸化誘起積層欠陥環の内側が前記既に設定された大きさ、または、これより大きいベイカンシが存在する領域であることを特徴とする請求項6に記載のシリコンウエハ。
- 前記既に設定された大きさは0.065μm以下であることを特徴とする請求項6または7に記載のシリコンウエハ。
- 前記酸化誘起積層欠陥環は前記ウエハ半径の90%以上外側に位置することを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハ。
- 前記酸化誘起積層欠陥環は前記ウエハ半径の外側に突き出たことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハ。
- NSMD(near surface micro defect)を測定した半径方向ボイド欠陥密度が200ea/cm2 、または、これより小さいことを特徴とする請求項6に記載のシリコンウエハ。
- 前記酸化膜耐圧特性に悪影響を及ぼすベイカンシサイズの最大値として既に設定された大きさ、または、これより小さいベイカンシが存在する領域の半径方向の幅がウエハ半径の20%以下を占めることを特徴とする請求項6に記載のシリコンウエハ。
- チョクラルスキ法によって成長させたインゴットであって、ウエハとした際に酸化膜耐圧特性に悪影響を及ぼすベイカンシサイズの最大値として既に設定された大きさ、または、これより大きいベイカンシが存在する領域の半径方向の幅がウエハ半径の80%以上を占める状態を有する領域のインゴット長さが、インゴットボディ長さの40%以上であることを特徴とするシリコン単結晶インゴット。
- 前記既に設定された大きさは0.065μm以下であることを特徴とする請求項13に記載のシリコン単結晶インゴット。
- 前記インゴットをウエハに加工した後、NSMDを測定した半径方向ボイド欠陥密度が200ea/cm2、または、これより小さい値を有する領域のインゴット長さが、インゴットボディ長さの40%以上であることを特徴とする請求項13に記載のシリコン単結晶インゴット。
- 前記インゴットの初期酸素濃度は15ppma以下であることを特徴とする請求項13に記載のシリコン単結晶インゴット。
- チョクラルスキ法によってシリコン単結晶インゴットを製造する装置において、
チャンバと、
前記チャンバの内部に設置されて、シリコン融液を収納するためのるつぼと、
前記るつぼを加熱するヒータと、
シリコン単結晶インゴットを取り囲むように前記インゴットと前記るつぼとの間に設置され、前記インゴットから放射される熱を遮断する熱シールドと、
前記インゴットが成長している時に、前記インゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、前記インゴットの温度変化量を20K/cm、または、これより小さい値にする局部発熱体と、
を含むことを特徴とするシリコン単結晶インゴットの製造装置。 - 前記局部発熱体は、前記インゴットにおいて温度が1000℃乃至1100℃である部分の側傍に位置するように、前記熱シールドと前記インゴットとの間に設置されることを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記局部発熱体は、連結ロッドを媒介として前記熱シールドによって支持されることを特徴とする請求項18に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記局部発熱体は、前記熱シールドから前記インゴットに向かって突出するように、前記熱シールドに設置される連結ロッドの末端と結合設置されることを特徴とする請求項18に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記温度変化量は前記インゴットの外周部での温度変化量であることを特徴とする請求項20に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記温度変化量は垂直方向への温度変化量であることを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記局部発熱体は、前記インゴットの成長中に、前記インゴットの中心部の前記インゴットとシリコン融液との界面での垂直温度勾配(G)が20K/cm、または、これより大きい値にすることを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記局部発熱体は、前記インゴットの成長中の前記インゴットの温度が1000℃乃至1100℃である区間において、前記インゴット中心部での垂直温度勾配と前記インゴット外周部での垂直温度勾配との間の差を1.5K/cm、または、これより小さい値にすることを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記熱シールドと前記インゴットとの隔離距離が15乃至40mmであることを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
- 前記熱シールドは、前記シリコン融液上部に位置し、厚さが10乃至40mmである下端部を含むことを特徴とする請求項17に記載のシリコン単結晶インゴットの製造装置。
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