JP2008088056A

JP2008088056A - 結晶育成方法

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Publication number: JP2008088056A
Application number: JP2007335974A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kubo; 高行久保; Takashi Fujikawa; 孝藤川
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JP4453756B2

Abstract

【課題】引き上げ速度を低下させずとも、空孔クラスタの発生を抑制することができる結晶育成方法を提供する。
【解決手段】ＣＺ法により単結晶１３を育成する。原料融液１２を生成する際に、結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となるように、坩堝３の内底面上に炭素粉末１０を投入し、その後に多結晶原料１１を装填する。この原料融液１２より単結晶１３を引き上げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの素材として使用されるシリコンウエーハを製造するための結晶育成方法に関する。

半導体デバイスの素材として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シリコン単結晶から採取される。ＣＺ法とは、周知の如く、石英坩堝内に生成されたシリコンの原料融液に種結晶を漬け、種結晶及び石英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。

このような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いる。ＯＳＦリングはそれ自体が半導体素子の特性を劣化させる原因になるだけでなく、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原子の凝集が原因とされる転位クラスタが発生するが、ＯＳＦリングの内側は比較的健全とされている。一方、このＯＳＦリングについては、引き上げ速度が速くなるに連れて単結晶の外周側へ移動することが知られている。

このような事情から、これまでは、ＯＳＦリングが、デバイス形成の際の有効部から除外される結晶最外周部に分布するような高速引き上げ条件で単結晶の育成を行っており、生産性の点からもこの高速引き上げは好ましいものである。

しかし、ＯＳＦリングの内側にも問題がないわけではない。この部分には空孔の凝集が原因とされる空孔クラスタが発生している。この欠陥は、ウエーハの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、非常に小さなため、これまでは特に問題視されることはなかった。しかし、近年の著しい集積度の増大に伴ってパターン幅が非常に微細化したため、高グレードのウエーハではこの空孔クラスタさえも問題になり始めた。

この空孔クラスタは、ウエーハ上にシリコン単結晶の薄膜を成長させた所謂エピタキシャルウエーハには殆ど発生しないが、このウエーハは非常に高価であるため、ＣＺ法による単結晶の引き上げで空孔クラスタの少ない結晶を育成することが要求されるようになり、この観点から、高グレードの結晶育成では、これまでとは逆に引き上げ速度を遅くし、ＯＳＦリングを引き上げ結晶の最外周部より内側に発生させて欠陥部分を中心部に集中させるか、若しくは中心部で消滅させて空孔クラスタ個数の低減を図る低速引き上げ法が考えられている。

しかしながら、この低速引き上げでは、高速引き上げに比べて生産性が著しく低下するという問題がある。また、引き上げ速度を遅くすることにより、引き上げ時間が長くなるため、有転位化を生じる危険性が大きくなり、この有転位化による歩留りの低下も問題になる。

従って、この低速引き上げによる育成工程を経て製造されるシリコンウエーハは、高速引き上げによるものに比べて高価となる。

ちなみに、ＯＳＦリングを結晶半径方向の１／２位置に発生させる場合は、最大引き上げ速度の０．７倍程度の低速で引き上げを行うことが必要とされており、ＯＳＦリングを結晶中心部で消滅させる場合は、最大引き上げ速度の０．６倍程度の低速引き上げが必要とされている。

本発明の目的は、引き上げ速度を低下させずとも、空孔クラスタの発生を抑制することができる結晶育成方法を提供することにある。

ところで、半導体デバイス材料として使用される一般のシリコン単結晶では、炭素は不純物として扱われており、不可避的に混入する分を除き、この炭素は含まれていないのが通例である。不可避的に混入する炭素としては、大きく別けてシリコンの多結晶原料に不純物として含まれるものと、単結晶の育成過程で周囲のグラファイト製ヒータから混入するものの２つがあるが、その濃度は一般のウエーハで０．５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。また、一部ではウエーハを強化するために炭素を積極的に添加することも行われているが、そのような炭素強化型ウエーハでも、炭素濃度は１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満である。

ところが、この炭素は意図的に多量添加された場合に、空孔クラスタの発生を抑制する因子になり得ることが本発明者らによる種々の実験調査から明らかとなった。これを踏まえて、本発明者らは空孔クラスタに及ぼす炭素濃度の影響を子細に調査した結果、炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の場合に、ＯＳＦリング内側での空孔クラスタの発生が顕著に抑制され、低速引き上げが必要とされなくなることを知見した。

炭素によって空孔クラスタの発生が抑制される理由は現時点では定かではないが、一応次のように考えられる。炭素起因の析出物により、その周辺のＳｉ格子が圧縮して歪み、この歪みを緩和させるのに空孔が消費されるためと考えられる。

炭素が積極添加されたウエーハを簡易に製造するためには、炭素がドープされた原料融液から単結晶を引き上げる必要がある。本発明者らは、坩堝内の原料融液に炭素をドープする方法についても調査検討した。その結果、以下の知見を得ることができた。

炭素はシリコンより融点が高いために、原料融液に炭素粉末を添加する方法では、溶け残りや飛散が生じ、原料融液の炭素濃度が正確に管理されないだけでなく、溶け残った粉末や飛散した粉末が単結晶に取り込まれて有転位化を生じるという問題がある。

本発明者らはこの問題を解決するために炭素粉末の添加方法について検討した結果、坩堝内で多結晶原料を溶解して原料融液を生成する際に、多結晶原料の装填に先立って坩堝の内底面上に炭素粉末を敷いておくと、その粉末の飛散が防止されるだけでなく、高温の坩堝底部によって炭素粉末が効率的に加熱され、その粉末の溶け残りが生じなくなることを知見した。

本発明の結晶成長方法により得られるシリコンウエーハは、炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であり、且つ、空孔クラスタ発生域における０．１３μｍ以上の空孔クラスタの単位面積当たりの発生個数が、１回のＳＣ１洗浄後で０．５個／ｃｍ²以下である。

シリコンウエーハ中の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることにより、空孔クラスタ発生域における空孔クラスタの発生が顕著に抑制される。また、最近の結晶育成は低酸素化及び低温化により酸素が析出しにくい傾向にあり、その結果、ウエーハは酸素析出物によるゲッタリング能力を低下させているが、結晶中の炭素は酸素が析出するときの析出核となり、その酸素析出を促進するので、炭素濃度の増大はウエーハのゲッタリング能力を高める点からも好都合である。

この炭素濃度は、空孔クラスタの発生を抑制する点から２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上が好ましく、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上が特に好ましい。しかし、余りに高濃度であると、有転位化の原因となるので、上限については５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下が好ましく、２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下が特に好ましい。

空孔クラスタ発生域とは、ＯＳＦリングが発生するものについてはそのリングの内側を意味し、ＯＳＦリングが外側に消滅したものについてはウエーハ全体を意味する。また、ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅したものにおいては、空孔クラスタ発生域は存在しない。

空孔クラスタはウエーハ表面をエッチング処理することによりその表面に発現し観察が可能となり、その処理程度によって観察可能な空孔クラスタの大きさ及び個数が変化する。本発明で言う空孔クラスタの大きさ及び個数は、１回のＳＣ１洗浄を行った段階で発現する空孔クラスタについてのものである。なお、ＳＣ１洗浄は、ウエーハの欠陥検査に広く用いられている前処理法であり、代表的なものとしてＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５のＳＣ１洗浄液により７５℃×２０分の条件でウエーハを洗浄する処理を挙げることができる。

クラスタ個数は、０．１個／ｃｍ²以下が好ましく、０．０３個／ｃｍ²以下が特に好ましい。

本発明の結晶成長方法は、ＣＺ法を用いてシリコン単結晶を育成する結晶育成方法において、育成結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となるように炭素がドープされたシリコン融液より単結晶を引き上げる結晶育成方法であって、坩堝内でシリコンの多結晶原料を溶解してシリコン融液を生成する際に、坩堝の内底面上に炭素粉末を投入し、その後に多結晶原料を装填することを特徴とするものである。

本発明において育成結晶中の炭素濃度を１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上としたのは、これ未満ではウエーハの炭素濃度として１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上が確保されなくなり、空孔クラスタの発生が十分に抑制されないからである。好ましい下限は２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であり、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上が特に好ましい。炭素濃度の上限は特に規定しないが、極端に高濃度となると有転位化の原因となるので、５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下が好ましく、２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下が特に好ましい。

引き上げ速度については、生産性を上げ、且つ有転位化による歩留り低下を抑制するために、ＯＳＦリングが結晶の最外周部に発生するか外側に消滅する高速引き上げが好ましいが、ＯＳＦリングが結晶の最外周部より内側に発生する低速引き上げを採用して、空孔クラスタの発生域を狭めることも可能である。

本発明の結晶育成方法は、引き上げ速度を低下させずとも空孔クラスタの発生を抑えることができるので、生産性及び無転位歩留りが高い。従って、高品質のウエーハを安価に製造することができる。

そのシリコンウエーハは、空孔クラスタが少ない上に、結晶育成工程で引き上げ速度を低下させずとも製造されるので、低速育成工程を経て製造されたウエーハと比べて安価である。

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る結晶育成方法の説明図で、（ａ）は原料溶解工程、（ｂ）は引き上げ工程を示す。

結晶育成装置は、メインチャンバ１と、その上面中心部に連結されたプルチャンバ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の内部には、略中央に位置して坩堝３が配置されると共に、坩堝３の外側に位置してヒータ４及び保温筒５が配置されている。

坩堝３は石英製の内層容器と黒鉛製の外層容器とからなり、回転式かつ昇降式の支持軸６により支持されている。坩堝３の上方には、回転式かつ昇降式の引き上げ軸７がプルチャンバ２を通して吊り下げられ、引き上げ軸７の下端には種結晶８が装着されている。

結晶成長を行うには先ず、図１（ａ）に示すように、チャンバを解体した状態で、坩堝３の内底面上に炭素粉末１０を投入し、その上からシリコンの多結晶原料１１を装填する。炭素粉末１０の投入量は、結晶前半部の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となるように調整され、これにより結晶後半部の炭素濃度は５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となる。

原料装填が終わると、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４を作動させて、坩堝３内の原料を溶解する。このようにして、所定量の炭素がドープされたシリコンの原料融液１２を坩堝３内に生成する〔図１（ｂ）参照〕。

原料融液１２の生成が終わると、図１（ｂ）に示すように、引き上げ軸７の下端に装着された種結晶８を原料融液１２に浸漬し、この状態から坩堝３と引き上げ軸７を逆方向に回転させながら引き上げ軸７を上昇させる。これにより、種結晶８の下方にシリコンの単結晶１３が育成される。ここにおける引き上げ速度は、ＯＳＦリングが結晶の最外周部に生じるか若しくはその外側に消滅する高速度とされる。

育成された単結晶１３は、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の炭素を含むものとなり、その結果、高速引き上げによって育成された単結晶であるにもかかわらず空孔クラスタの発生が抑制された高品質結晶となる。

そして、この単結晶１３は、高速引き上げによって育成されているので、生産性が高く安価である。加えて、有転位化の危険性が低いので、歩留りが高く、この点からも経済性に優れる。

また、炭素ドープのための炭素粉末を坩堝３の内底面上に敷いて原料溶解を行うので、炭素粉末が完全に溶け、その溶け残りによる炭素濃度のバラツキ及び有転位化が防止される。しかも、炭素粉末の飛散が生じないので、飛散粉末の落下による有転位化も防止される。従って、無転位化引き上げ歩留りが一層高い。

次に本発明の実施例を示し、従来例と比較することにより、本発明の効果を明らかにする。

坩堝の内底面上に種々の量の炭素粉末を投入した。粉末サイズは約１μｍである。次に、通常のシリコン多結晶原料１００ｋｇを装填し、その後、ｐ型ドーパントとしてボロン−シリコン合金０．６ｇ添加した。このようにして原料の装填を行った後、チャンバ内を１０ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気にし、ヒータパワーを７０ｋｗに設定して、多結晶原料を溶解した。そして、この溶解により生成された原料融液から、１００方位の種結晶により直径が８インチのシリコン単結晶を１０００ｍｍ育成した。このときの結晶成長速度（引き上げ速度）は、ＯＳＦリングが結晶の最外周部に発生する０．８ｍｍ／分に設定した。

比較のために、炭素粉末を投入しない場合、及び多結晶原料の装填後に炭素粉末を投入した場合についても、同様の結晶育成を実施した。炭素粉末を投入しない場合の引き上げ速度は、上述の０．８ｍｍ／分（高速引き上げ）と、ＯＳＦリングが中心部に発生する０．５ｍｍ／分（低速引き上げ）の２種類とした。

炭素粉末の投入法及び投入量、無転位引き上げ率、育成結晶のトップから５００ｍｍの位置で切り出したサンプルウエーハの炭素濃度及び空孔クラスタ個数を調査した結果を表１に示す。空孔クラスタ個数は、サンプルウエーハを鏡面研磨し、ＳＣ１洗浄後パーティクルカウンタにより０．１３μｍ以上の空孔クラスタの個数（ＣＯＰ数）をカウントしたものである。

表１から分かるように、原料融液中に炭素が積極的にドープされていない場合は、ウエーハ１枚当たり１８０個（密度は０．５７個／ｃｍ²）の空孔クラスタが発生するが、結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となるように炭素粉末を投入することにより、空孔クラスタ数は３５個以下（密度は０．１１２個／ｃｍ²以下）に減少する。但し、多結晶原料装填後に炭素粉末を投入した場合は、粉末の溶け残り等のため無転位引き上げ率が低下し、結晶中の炭素濃度も狙い値より低下する。

炭素をドープしなくても引き上げ速度を低下させた場合も空孔クラスタの個数はウエーハ１枚当たり２５個に減少するが、無転位引き上げ率は２０％に低下する。また、速度低下による生産性の低下が大きいことは言うまでもない。

本発明の結晶育成方法によれば、引き上げ速度を低下させずとも空孔クラスタの発生を抑えることができるので、生産性及び無転位歩留りが高い。従って、高品質のウエーハを安価に製造することができる。そのシリコンウエーハは、空孔クラスタが少ない上に、結晶育成工程で引き上げ速度を低下させずとも製造されるので、低速育成工程を経て製造されたウエーハと比べて安価である。これらのことから、本発明の結晶育成方法は、シリコンウエーハの製造に広く適用することができる。

本発明の実施形態に係る結晶成長方法の説明図であり、（ａ）は原料溶解工程、（ｂ）は引き上げ工程を示す。

符号の説明

１メインチャンバ
２プルチャンバ
３坩堝
４ヒータ
５保温筒
６支持軸
７引き上げ軸
８種結晶
１０炭素粉末
１１多結晶原料
１２原料融液
１３単結晶

Claims

ＣＺ法を用いてシリコン単結晶を育成する結晶育成方法において、育成結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上となるように炭素がドープされたシリコン融液より単結晶を引き上げる結晶育成方法であって、坩堝内でシリコンの多結晶原料を溶解してシリコン融液を生成する際に、坩堝の内底面上に炭素粉末を投入し、その後に多結晶原料を装填することを特徴とする結晶育成方法。