JP2008189544A - シリコン半導体ウェハの製造方法及びシリコン半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【解決手段】界面で成長する単結晶をルツボ中に含まれる融液から引き上げる工程と、引き上げられた単結晶から半導体ウェハを切り分ける工程とを有するシリコン半導体ウェハの製造方法において、単結晶の引き上げの間に、界面の中心に熱を供給し、界面の中心から縁部までの比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを、界面に対して垂直方向の温度勾配であるＧ及び融液から単結晶を引き上げる引き上げ速度であるＶを用いて制御する。比Ｖ／Ｇの半径方向ｒ／ｒｍａｘのプロフィールを、界面に接する単結晶中の熱機械応力場の影響が内因性点欠陥の発生に関して補償するように制御する。
【効果】０．６ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げた単結晶から、３００ｍｍの直径を有する無欠陥のシリコン半導体ウェハを高い歩留まりで得ることができた。この半導体ウェハに関して、Ａスワール欠陥も、ＦＰＤも、ＯＳＦ欠陥も検出できなかった。
【選択図】図３

Description

本発明は、ルツボ中に含まれる融液から界面で成長する単結晶を引き上げ、前記の引き上げられた単結晶から半導体ウェハを切り分けるシリコン半導体ウェハの製造方法において引き上げの間に熱を界面の中心に供給し、かつ界面に対して垂直方向の温度勾配であるＧ及び単結晶を融液から引き上げる引き上げ速度であるＶを用いて、界面の中心から縁部までの比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを制御する、シリコン半導体ウェハの製造方法に関する。

本発明は、前記方法により製造することができる無欠陥のシリコン半導体ウェハにも関する。シリコン半導体ウェハは、本発明の文脈において、ＯＳＦ欠陥も、Ａスワール欠陥も、３０ｎｍよりも大きいサイズを有するＣＯＰ欠陥も検出されない場合に無欠陥であるとされる。

方法は、本発明の文脈において、特に、少なくとも３００ｍｍの直径を有する単結晶を、ルツボから少なくとも０．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げることでき、かつ半導体ウェハの全歩留まりに対して、高い歩留まりで無欠陥半導体ウェハを供給することができる場合に、経済的であるとされる。

DE103 39 792 A1は、シリコン単結晶を製造する方法を記載されていて、前記方法はその欠陥特性に関して最適化される。この研究の焦点は、内因性点欠陥及びその集合体並びにこのような欠陥の形成についての予測を可能にしているボロンコフモデル（Voronkov-Modell）にある。内因性点欠陥の場合に、シリコン格子間原子（interstitials）及び空孔とに区別される。単結晶が冷却される際に点欠陥が過飽和になると、シリコン格子間原子は集合体を形成し、この集合体は転移ループ（Ａスワール欠陥、ＬＰＩＴ）及びより小さなクラスター（Ｂスワール欠陥）の形で検出することができる。過飽和の場合に、空孔が空孔集合体（ボイド）を形成し、これは検出方法に応じて特にＣＯＰ欠陥（crystal originated particies, COPs）、ＦＰＤ（flow pattern defects）、ＬＬＳ（localized light scatterers）又はＤＳＯＤ（direct surface oxide defects）と言われる。シリコンの半導体ウェハは素子の製造のために重要な領域内にＡスワール欠陥を有することはなく、かつできる限り素子の構造幅の範囲以上のサイズのＣＯＰ欠陥がないことを保証する必要がある。前記の必要性を満たす半導体ウェハは、その結晶格子が原則として小さなＣＯＰ欠陥又はＢスワール欠陥又は両方の欠陥タイプを含んでいるにもかかわらず、しばしば無欠陥又はパーフェクトといわれる。ボロンコフモデルにより、結晶格子内へ過剰に組み込まれる内因性点欠陥タイプは、単結晶の引き上げ時に、主に単結晶を融液から引き上げる引き上げ速度Ｖと、成長する単結晶と融液との間の界面に対して垂直方向の温度勾配Ｇとの比に依存する。しばしば、モデル計算において、界面に対して垂直方向の温度勾配に代えて、融液表面に対して垂直方向の軸方向温度勾配も使用される。この比Ｖ／Ｇが臨界比を下回る場合には、過剰なシリコン格子間原子が生じる。臨界比を上回る場合に、空孔が優勢となる。空孔が過剰に存在する場合に、形成されるＣＯＰ欠陥のサイズは主に２つのプロセスパラメータに依存する、つまり既に述べた比Ｖ／Ｇと、ボイドの核形成温度の約１１００℃〜１０００℃までの範囲内で単結晶を冷却する速度とに依存する。このＣＯＰ欠陥は、従って、比Ｖ／Ｇを臨界比の近くにしかつ前記の温度範囲内での単結晶をより急速に冷却すればそでだけ小さくなる。従って、実際には、この２つのプロセスパラメータを単結晶の引き上げの間に制御して、空孔の過飽和により生じる欠陥を十分に小さくして、電子素子の製造の際に害にならないように努められる。素子の構造幅は各世代と共に小さくなるため、許される欠陥サイズも相応して小さくなる。

通常では石英からなるルツボの腐食により酸素は融液内へ侵入する。この酸素は、単結晶中でいわゆる小さな析出物（as grown bulk micro defects、ＢＭＤ）を形成する。これは、所定の範囲内で望ましい、それというのも、これはそれ自体、金属不純物を結合（ゲッタリング）し、このような不純物を半導体ウェハの表面の領域から内部（バルク）へ移動させるために利用できるためである。

比Ｖ／Ｇが臨界比を僅かにだけ越える条件下で前記単結晶を引き上げる場合に、空孔と酸素原子との相互作用が、ＯＳＦ欠陥（oxidation induced stacking faults）を引き起こす核も形成させる。このような核を有する領域（ＯＳＦ領域）の存在は、通常では、単結晶からスライシングされた半導体ウェハを数時間約１１００℃でウェット酸素中で酸化させ、それによりＯＳＦ欠陥を形成させることにより検出される。この欠陥タイプは、電子素子の機能適性に対して同様に不利であるため、例えばＯＳＦ欠陥の形成に必要な酸素より少ない酸素が単結晶中に運び込まれるように融液中の酸素濃度を低下させることにより、前記ＯＳＦ形成を抑制するように努められる。このＯＳＦ領域は、例えば高い又は低い引き上げ速度を使用することによる比Ｖ／Ｇの変更によっても回避することができる。更に、ＯＳＦ核の形成は、高い冷却速度（９００℃での析出温度領域での）によって回避することができる。さらに、ＯＳＦ欠陥の抑制のために、単結晶にとって僅かな濃度の水素を含有する場合が有利であることは公知である。

比Ｖ／Ｇの制御の場合の特別な難点は、単結晶の周辺が通常では中心よりもより速く冷却し、それにより比Ｖ／Ｇが中心から周辺に向かって低下するという事実から生じる。これにより、相応する制御にもかかわらず、中心では許容できない大きなＣＯＰ欠陥が形成され、及び／又は周辺領域でＡスワール欠陥が形成されることになる。半径方向位置ｒに関するＧの依存性Ｇ（ｒ）は、従って、特に、大きな直径を有する無欠陥のシリコン半導体ウェハを経済的に製造すべき場合に考慮しなければならない。

上記のDE 103 39 792 A1では、下側から界面の中心へ向かって熱の輸送を生じさせることが提案されている。それにより２つの目的が達成される。一方で、熱輸送に関連する温度勾配Ｇの上昇により、それにより欠陥を生じさせることなく、引き上げ速度Ｖを相応して高めることが達成される。他方で、比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールは均質化され、つまり同等化されるため、前記比は界面の中心から縁部に向かって可能な限りわずかに変動し、かつ可能な限り臨界比付近にされる。この手法によって、３００ｍｍの直径を有する無欠陥半導体ウェハの製造が達成され、その際、単結晶は０．３６ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げることができる。

US 6,869,478 B2には、単結晶の方向に向かって湾曲する界面が、界面に対して垂直方向に最も高い温度勾配を生じることが記載されている。点欠陥を温度勾配の方向に向かって拡散させかつシリコン格子間原子を空孔よりも速く拡散させて、ボロンコフモデルを考慮しながら、さらに、前記界面の湾曲により生じるシリコン格子間原子の半径方向の拡散が界面の中心での空孔の濃度を高めることが記載されている。従って、空孔及びシリコン格子間原子の濃度に互いに相当するＶ／Ｇの比も、前記界面が単結晶方向に向かってより強く湾曲すればそれだけ、より低下する。

本発明の発明者は、欠陥分布の予測は、これが半径方向の拡散を考慮した場合であっても、単結晶を引き上げる速度が速くなればそれだけかつ単結晶の直径が大きくなればそれだけ、実験において観察された欠陥分布からより著しく相違することを確認した。

図１は、この観察に対する極端な例を示す。３００ｍｍの公称径を有するシリコン単結晶を、高い引き上げ速度で引き上げ、Ｖ／Ｇの不均一な半径方向プロフィールを調節した。中央領域では、Ｖ／Ｇは、ボロンコフモデルの予想通りにこの領域でＡスワール欠陥の形成を期待できるように低く調節された。しかしながら、実際には３０ｎｍより大きな直径を有するＣＯＰ欠陥が見られた。縁部領域では、比Ｖ／Ｇは、そこで大きなＣＯＰ欠陥が形成されるように高く調節された。しかしながら、実際には、Ａスワール欠陥が見られた。

この結果は、今まで先行技術で行われた比Ｖ／Ｇを調節し、その半径方向プロフィールを可能な限り変化させず、かつ可能な限り臨界比に一致させる手法は、無欠陥のシリコン半導体を経済的に製造すべき場合には有効でないことが示された。
DE103 39 792 A1 US 6,869,478 B2

従って、本発明の課題は、経済的に行われる方法を提供することによりこの状況を改善することであった。

本発明は、ルツボ中に含まれる融液から界面で成長する単結晶を引き上げ、前記の引き上げられた単結晶から半導体ウェハを切り分けるシリコン半導体ウェハの製造方法において、引き上げの間に熱を界面の中心に供給し、かつ界面に対して垂直方向の温度勾配であるＧ及び単結晶を融液から引き上げる引き上げ速度であるＶを用いて、界面の中心から縁部までの比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを制御し、かつ、その際、前記界面に接する単結晶中の熱機械応力場（thermomechanical stress fields）の効果を内因性点欠陥の発生に関して補償するように比Ｖ／Ｇの前記半径方向プロフィールを制御する、シリコン半導体ウェハの製造方法に関する。

集中的な研究により、発明者は、熱機械応力場が、この実験的所見を理解可能に説明できる可能な原因であると確認した。熱機械応力場は、意外にも内因性点欠陥の濃度に、ひいては欠陥形成に直接的に著しく影響を及ぼすことができる。発明者の認識によると、特に、無欠陥の半導体ウェハを供給する少なくとも３００ｍｍの直径を有する単結晶を経済的に引き上げるために、熱機械応力場の強度は減少させなければならず、その作用をＶ／Ｇの半径方向プロフィールの構成で補償しなければならない。

K. Tanahashi及びN. Inoue, Journal of Materials Science： Materials in Electronics 10 (1999) 359-363は、結晶化するシリコン中での熱機械応力場及び内因性点欠陥の拡散率及び溶解性に関するその作用に取り組んでいる。前記文献は、引っ張り応力の領域内ではシリコン格子間原子の形成が、圧縮応力の領域内では空孔の形成が熱力学的に促進されるが、そのモデル計算は前記欠陥形成に特別な影響を及ぼさないことも示すとする結論に達している。

しかしながら、本願発明の発明者は、前記熱機械応力場の影響は著しくなることがあることを認識し、かつ本発明は応力場の強度を制限しなければならないことを教示する。さらに、内因性点欠陥の発生に関してその影響を補償しなければならない。これは、単結晶の圧縮応力の下で生じかつ界面の中心領域に接する領域中の温度勾配Ｇは、界面の縁部領域に接しかつ単結晶の縁部にまで延びる、引っ張り応力の下で生じる領域中の温度勾配Ｇよりも大きく維持されることにより有利に生じる。圧縮応力の領域中でのより大きな温度勾配により、より多数のシリコン格子間原子が提供され、これは圧縮応力のために付加的に存在する空孔を消失させる。引張応力の領域中でのより小さな温度勾配により、より多数の空孔が提供され、これは引張応力のために付加的に存在するシリコン格子間原子を消失させる。結果として、空孔とシリコン格子間原子とのバランスのとれた関係が得られ、これは、無欠陥半導体ウェハの製造のための重要な前提条件であるために望ましい。

比Ｖ／Ｇに関して、本発明は、Ｖ／Ｇの可能な限り均一な半径方向プロフィールを達成しようとするのではなく、圧縮応力の領域内での界面での、臨界比より小さなＶ／Ｇを有し、かつ引っ張り応力の領域内での界面での、臨界比より大きなＶ／Ｇを有する不均一な半径方向プロフィールを達成しようとすることを教示する。前記臨界比は、平坦な界面の場合にボロンコフモデルに従う前提条件である比Ｖ／Ｇであり、それにより欠陥形成する過剰量の点欠陥は生じない。

図２には、比Ｖ／Ｇは熱機械応力場の領域内で、前記熱機械応力場の強度の増加と共に、臨界比から次第に大きく相違することを示す。期待すべき圧縮応力及び引っ張り応力は、シミュレーション計算により予想することができる。この計算のために、市販のプログラム、例えばSemiconductor Technology Research, Inc社のFlow Moduleプログラムを利用することができる。

図３は、特に、圧縮応力の領域内のＶ／Ｇと引っ張り応力の領域内のＶ／Ｇとの比が重要であることを示す。Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを、有利に（Ｖ／Ｇ）ｔ／（Ｖ／Ｇ）ｃが少なくとも１．５より大きく、より有利に１．８より大きく、さらに有利に２より大きくなるように制御し、その際、（Ｖ／Ｇ）ｃは圧縮応力の下の領域内での最低の比Ｖ／Ｇであり、（Ｖ／Ｇ）ｔは引っ張り応力の下の領域内での最高の比Ｖ／Ｇである。もっぱらボロンコフモデルに合わせた、例えばDE 103 39 792 A1に記載されたような手法は、均一でかつ可能な限り臨界比から相違しないＶ／Ｇの半径方向プロフィールを達成しようとしている。さらに、シリコン格子間原子の半径方向の拡散率を考慮しかつ例えばUS 6,869,478 B2に記載されたような手法は、比（Ｖ／Ｇ）ｔ／（Ｖ／Ｇ）ｃが未だに明らかに１．５を下回り、従ってほぼ均一であることを示すＶ／Ｇの半径方向プロフィールを開示している。最後に挙げた手法を用いて、最近の見方により無欠陥であると見なされるシリコン半導体ウェハを製造することはできるが、あまり経済的ではないと見なさなければならない方法によって製造できるにすぎない。本発明は、それというのも本発明による方法により、少なくとも３００ｍｍの直径を有しかつ少なくとも０．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で経済的に引き上げられる単結晶から無欠陥のシリコンウェハを得ることもできるため、前記の欠点を克服している。

エピタキシャル半導体ウェハ及びＳＯＩウェハの製造のための基板としても適している半導体ウェハは、公知のように引き上げられた単結晶から得られた無欠陥のシリコン半導体ウェハとは、特に酸素ストライプ又はドーパントストライプの傾き角θの半径方向プロフィールに関して簡単に区別することができる。このボロンコフモデルは、無欠陥の半導体ウェハ用の単結晶は、基本的に温度勾配Ｇを上昇させた場合にだけ極めて急速に引き上げることができることを予測している。こうして、引き上げ速度Ｖを高めることができかつ同時に臨界比Ｖ／Ｇを維持することができる。この上昇する熱供給は、界面が単結晶に対して凸型に湾曲する面の形を取る結果となる。この湾曲の程度は、高さｈにより表すことができる。この高さは、融液の表面と界面の中心との間の距離と同じである。本発明により引き上げられる単結晶の場合に、界面の湾曲は著しい。この界面は等温面と解釈することもでき、つまり、同じ温度の位置により形成される面である。酸素及びドーパント、例えばホウ素、リン、ヒ素又はアンチモンが単結晶中に取り入れられる濃度は、界面の領域での温度に敏感に依存する。不可避な温度変動により、時間経過において界面の軸方向位置は僅かな程度変動するだけでなく、時間経過において変動する単結晶中への酸素及びドーパントの取り込みも変動する。この元素の多様な濃度は、界面のプロフィールにより形成される成長縞の形で見ることができる半導体ウェハを上から見た図では、前記成長縞はリングとして現れ、前記半導体ウェハの断面又は単結晶の部分の縦方向の断面を横から見た図では湾曲した線として現れる。前記の線の傾き角θのプロフィールは、単結晶の引き上げ時の界面の湾曲に関する情報を提供する。このような傾き角のプロフィールを有する単結晶は、これが無欠陥のシリコン半導体ウェハを提供する限り、本発明による方法でだけ製造することができるため、傾き角θのプロフィールは本発明による方法の適用についての明確な指標である。

従って、本発明は、ＯＳＦ欠陥も、Ａスワール欠陥も、３０ｎｍより大きなサイズを有するＣＯＰ欠陥も有しない、酸素又はドーパントの成長縞の半径方向プロフィールを有するシリコン半導体ウェハにおいて、水平線と成長縞に接する接線との間の傾き角θは、傾き角θがｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で測定される場合（その際、ｒは接線が成長縞に接する半径方向位置であり、ｒｍａｘは半導体ウェハの半径を表す）に、不等式θ＜−１７ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）により記載される角度で表す数値範囲にある、シリコン半導体ウェハにも関する。つまり半導体ウェハは、ｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内に少なくとも１つの傾き角θが存在し、その値が前記不等式により設定された数値範囲にある限り、本発明による半導体ウェハである。

前記傾き角θがｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で完全に前記の数値範囲内に留まる場合が有利である。この有利な定義によると、半導体ウェハは、つまりｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で全ての傾き角θが前記不等式により設定された数値範囲内にある場合に本発明による半導体ウェハである。

傾き角θがｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で完全に、変更された不等式−５０ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）＜θ＜−１７ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）により記載される数値範囲にとどまる場合が特に有利である。この特に有利な定義によると、半導体ウェハは、つまりｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で全ての傾き角θが前記の変更された不等式により設定された数値範囲内にある場合に本発明による半導体ウェハである。

図４では、本発明による半導体ウェハが先行技術による半導体ウェハとどのように異なるかをグラフにより示す。傾き角θを半導体ウェハの半径にわたりプロットした場合、本発明による半導体ウェハの場合にだけ、前記の特定の不等式で記載された範囲内で明らかな曲線を生じる。この範囲は０．１〜０．９の半径方向位置ｒ／ｒｍａｘに限定される、それというのも境界を接する範囲中の傾き角θは不正確に測定できるにすぎないためである。比較のために、図４には、US 6,869,478 B2又はDE 103 39 792 A1に記載された方法により製造された半導体ウェハについて生じる傾き角θのプロフィールも記載する。

本発明による半導体ウェハは、酸素及び少なくとも１種のドーパントの他に、有利に少なくとも１種の代表的な元素の炭素、窒素及び水素も含有する。窒素が存在する場合に、その濃度は有利に２．０×１０¹³〜１．０×１０¹⁵原子／ｃｍ³である。炭素、窒素又は両方の元素の存在は、ＢＭＤの形成を促進し、従って、ゲッター能力を改善する。これは酸素濃度が比較的低い場合に特に有利である。水素の存在は、ＯＳＦ欠陥の形成を抑制する。従って、これは酸素濃度が比較的高い場合に特に有利である。

比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを本発明により制御するために、基本的に、前記パラメータの一つに影響を及ぼすことが知られている全ての処置が挙げられる。可能な限り経済的に、従って可能な限り速く引き上げなければならないという条件に従って、引き上げ速度を変更する許容範囲は僅かであるため、大抵の措置は、温度勾配Ｇの半径方向プロフィールを、特に圧縮応力及び引っ張り応力の領域内で、本発明の基準に従って調節することに向けられる。これは、単結晶の近傍の周辺領域、いわゆる「ホットゾーン」の適切な形成及び影響によって、ひいては単結晶への熱の供給及び単結晶からの熱の搬出の適切な措置によっても最適に達成される。例えばDE 103 39 792 A1に既に比Ｖ／Ｇの制御のために記載された措置が特に有利である。前記措置はこの文献の言及により、本発明の明らかな要素としても通用する。特に挙げられる例は熱源の使用であり、前記熱源により特別な程度で熱を界面の中心に輸送することができ、これは特にルツボ中心の下方に配置されかつルツボと共に上昇及び加工することができるヒーターの形態である。このようなヒーターは、ルツボ底部で、ルツボ底部の中心で明らかな温度最大値を有する半径方向の温度プロフィールを生じさせる場合に、特に有利である。付加的に、前記ルツボ底部は、ルツボの下方に固定配置され、従って単結晶の引き上げ時にルツボと一緒に引き上げられない熱源を用いて加熱することができる。ルツボを取り囲む通常の側面加熱器と一緒に、有利に３つの経路で熱は融液に供給される。界面の中心に向かう有利な熱輸送は、ルツボと単結晶との同じ向きの回転によって、それにより達成されるＧの上昇があまり明らかでない場合でも生じさせることができる。磁場、特に水平磁界又はＣＵＳＰ磁界又は移動磁界の付加的な使用によって、単結晶中の酸素濃度が制限できるばかりでなく、熱輸送に影響を及ぼすことができる。特別にＣＵＳＰ磁界は、界面の中心に上方向に向かって熱を輸送する融液流を集束するための手段として適している。この作用は、ＣＵＳＰ磁界の中立面が軸対称の水平磁界と同様であり、融液の表面からの距離が少なくとも５０ｍｍである場合に特に明らかである。温度勾配Ｇを高めるための更なる機器は、単結晶を取り囲みかつ単結晶から熱を有効に搬送する冷却器である。同様に、温度勾配Ｇを制御し、さらに単結晶中の熱機械応力を低減させるために、界面に接する単結晶の縁部を加熱する熱源が適していて、これは融液の表面付近で単結晶を取り囲む環状ヒーターの形態であるのが特に有利である。

環状ヒーター及び冷却器は、有利に、単結晶の表面での軸方向温度プロフィールが、少なくとも１つの変曲点を有する曲線によって描くことができるように運転され、つまり少なくとも３つの次数の多項式により近似することができ、従って、US6,869,478 B2に記載された放物線状の温度プロフィールとは異なっている。有利な軸方向の温度プロフィールは図５に図示されている。この単結晶は、有利に、界面の中心と融液の表面との間の高さｈよりも長い、融液表面からの距離まで冷却しない。

図６ａと６ｂとは、大きな単結晶を急速に引き上げる際に、一方でＶ／Ｇの半径方向プロフィールを可能な限り均質にかつ臨界比付近に保持する手法（図６ａ）で処理し、他方で本発明による手法（図６ｂ）で処理する場合の、温度勾配Ｇの半径方向プロフィール及び熱機械応力場の強度を比較して示す。Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールが均一である場合に、単結晶中で、界面の中心領域に接する極めて明らかな圧縮応力を有する領域と、単結晶の縁部領域及び界面に接する極めて明らかな引っ張り応力を有する領域とが形成される。これは、臨界比に調節された比Ｖ／Ｇがこの両方の領域で、内因性点欠陥の欠陥形成する過剰量を抑制するために必要な値から明らかに相違する結果となる。これに対して、図６ｂでは等温線の異なる間隔が示され、本発明による方法を用いて比Ｖ／Ｇのこのような不利な調節は行われない。圧縮応力の領域ではより高い温度勾配Ｇが調節され、引っ張り応力の領域ではより低い温度勾配Ｇが調節され、その結果、内因性点欠陥の欠陥形成する過剰量が生じることは抑制される。図６ｂは、さらに、環状ヒーターの使用により応力場の強度は弱まり、従ってＶ／Ｇの半径方向プロフィールを本発明に適合させることにより欠陥形成へのその影響に対向することがより容易となることを示す。この高さｈは有利に少なくとも２０ｍｍである。

単結晶中の酸素濃度は、有利に同様に制御され、ＯＳＦ欠陥の形成を促進するような条件で単結晶を引き上げた場合であってもＯＳＦ欠陥を生じさせない。他方で、有利に十分な酸素が存在し、それにより酸素析出物（ＢＭＤ）についての十分な核形成中心が存在しているのも好ましい。ＡＳＴＭ規格Ｆ１２１−８３による濃度は５×１０¹⁷原子／ｃｍ³から６．５×１０¹⁷原子／ｃｍ³の範囲内に調節するのが有利である。この酸素濃度は、有利に、電磁コイルにより作成される電界強度、引き上げ装置中の圧力、及び不活性ガス、例えばアルゴンが引き上げ装置を通過するように導入される時間単位当たりの流量又はこれらの制御機器の組合せによって制御される。単結晶中の酸素濃度は融液流に依存する。単結晶とルツボとが同じ向きで回転する場合、例えばルツボ回転を高めることにより高い酸素含有量が生じる。融液中で少なくとも１０ｍＴ（７９６０Ａ／ｍ）〜８０ｍＴ（６３７００Ａ／ｍ）の引き上げ軸の範囲内での電界強度、並びに０．００４〜０．０３ｍｂａｒ／（ｌ／ｈ）の圧力−流量比が特に有利である。

比較例：
可能な限り多くの無欠陥半導体ウェハを得ることを目的として、シリコン単結晶を０．６５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げることを試験した。この目的を達成するために、比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを、DE 103 39 792 A1に記載されたできる限り均一にかつ臨界比にある半径方向プロフィールを得る手法に従って制御した。臨界比との最大の相違は、実際に９％よりも大きくなかった。しかしながら、この手法を用いて、無欠陥の半導体ウェハを得ることはできなかった。

実施例：
本発明による半導体ウェハを製造するために、比較例の場合と同じ装置を使用した。

図７に示された装置は、融液を含有するルツボ８と、前記ルツボを取り囲む側面ヒーター６、並びに熱シールド２を有する。さらに、ＣＵＰＳ磁界を作成する２つの相互に向かい合う電磁場コイル５と、成長する単結晶９の界面の中心に向かって熱を搬送するための前記ルツボと一緒に引き上げ可能な底部ヒーター１０を有する。この引き上げ装置の他の特徴は、固定式底部ヒーター７、単結晶を取り囲む、水で冷却されかつ内面が黒色化された冷却器１、並びに環状ヒーター３である。

このホットゾーンについて、シミュレーション計算を用いて、単結晶中で熱機械応力場を表したマップを作成した。シミュレーションプログラムとして、弾性応力を二次元的に軸対称でかつ等方性に計算する、既に記載したプログラムFlow Moduleを使用した。この計算は、シリコンのヤング率Ｅ＝１５０ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．２５及び線形膨張係数α＝２．６×１０^-6／Ｋに基づく。図８に示すように、圧縮応力の領域内で−２６ＭＰａまでの熱機械応力が見られ、引っ張り応力の領域内で７．５３ＭＰａまでの熱機械応力が見られた。この知見を考慮するために、Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを変更し、図３のグラフに応じて、約１．９３の比（Ｖ／Ｇ）ｔ／（Ｖ／Ｇ）ｃ、０．７の（Ｖ／Ｇ）ｃ／（Ｖ／Ｇ）ｃｒｉｔ及び１．３５の（Ｖ／Ｇ）ｔ／（Ｖ／Ｇ）ｃｒｉｔ及び臨界比として（Ｖ／Ｇ）ｃｒｉｔで調節した。

この条件下で０．６ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げた単結晶から、３００ｍｍの直径を有する無欠陥のシリコン半導体ウェハを高い歩留まりで得ることができた。この半導体ウェハに関して、Ａスワール欠陥も、ＦＰＤも、ＯＳＦ欠陥も検出できなかった。ＣＯＰ欠陥に関する試験は、Mitsui, Mining社のタイプＭＯ−４の散乱レーザー光測定器を用いて、例えばNakai et al.著、Jap. Journal of Applied Physics, Vol.43, No.4A, 2004, pp.1247-1253に記載されている適用を行った。３０ｎｍより大きな直径を有するＣＯＰ欠陥が見られなかった。

図９ａ及び９ｂは、ドーパント縞のプロフィールを表したフォトスキャニングの結果を示す。この方法の場合に、電荷キャリアをレーザー光により励起させ、電気的に検出する。図９ａは、引き上げられた単結晶の８０ｍｍの長さの片の板状の縦断面の側面図を示す。図９ｂには、どのような傾き角θの半径方向プロフィールが半導体ウェハの断面の側面図の評価により確認されたかを示す。実施例中で確認された傾き角θの半径方向プロフィールは、図４に示されたプロフィールに相当する。

傾き角θの半径方向プロフィールは、これとは別に又はドーパント縞のプロフィール評価のため補足して、酸素縞の同様の評価によって確認することができる。この酸素縞は、熱処理による酸素の析出させた後に断片をエッチングしかつＵＶ光の斜めからの入射の下で評価することにより表される。

本発明の観察についての極端な例を示す図。 比Ｖ／Ｇは熱機械応力場の領域内で、前記熱機械応力場の強度の増加と共に、臨界比から次第に大きく相違することを示す図。 圧縮応力の領域内のＶ／Ｇと引っ張り応力の領域内のＶ／Ｇとの比が重要であることを示す図。 本発明による半導体ウェハと先行技術による半導体ウェハとが異なることを示す図。 本発明による有利な軸方向の温度プロフィールを示す図。 先行技術による温度勾配Ｇの半径方向プロフィール及び熱機械応力場の強度を示す図。 本発明による手法による温度勾配Ｇの半径方向プロフィール及び熱機械応力場の強度を示す図。 本発明による半導体ウェハを製造するための装置を示す図。 単結晶中で熱機械応力場を示す図。 引き上げられた単結晶の片の板状の縦断面図。 傾き角θの半径方向プロフィールを示す図。

Claims (15)

1. ルツボ中に含まれる融液から界面で成長する単結晶を引き上げ、前記の引き上げられた単結晶から半導体ウェハを切り分けるシリコン半導体ウェハの製造方法において、引き上げの間に熱を界面の中心に供給し、かつ界面に対して垂直方向の温度勾配であるＧ及び単結晶を融液から引き上げる引き上げ速度であるＶを用いて、界面の中心から縁部までの比Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを制御し、かつ、界面に接する単結晶中の熱機械応力場の効果を内因性点欠陥の発生に関して補償するように比Ｖ／Ｇの前記半径方向プロフィールを制御する、シリコン半導体ウェハの製造方法。
2. 圧縮応力下にありかつ界面の中心領域に接する単結晶の領域内の温度勾配Ｇを、引っ張り応力下にありかつ単結晶の縁部領域と界面とに接する領域の温度勾配よりも大きく維持する、請求項１記載の方法。
3. Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを、平らな界面の場合に欠陥形成する過剰量の内因性点欠陥が生じない前提条件の臨界比Ｖ／Ｇよりも、Ｖ／Ｇは圧縮応力の領域内でより低く、かつ引っ張り応力の領域内でより高くなるように調節する、請求項１又は２記載の方法。
4. Ｖ／Ｇの半径方向プロフィールを、（Ｖ／Ｇ）ｔ／（Ｖ／Ｇ）ｃが少なくとも１．５より大きくなるように調節し、その際、（Ｖ／Ｇ）ｃは圧縮応力下にある領域中の最も低い比Ｖ／Ｇであり、（Ｖ／Ｇ）ｔは引っ張り応力下にある領域中の最も高い比Ｖ／Ｇである、請求項３記載の方法。
5. ３００ｍｍ以上の直径を有する単結晶を少なくとも０．５ｍｍ／ｍｉｎの平均引き上げ速度で引き上げる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 単結晶を、界面の中心と融液の表面との間の高さｈよりも大きい融液の表面からの距離で冷却する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 融液に接する単結晶の領域を加熱し、単結晶の縁部で、少なくとも１つの変曲点を有する軸方向温度プロフィールを生じさせる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 融液にＣＵＳＰ磁界又は水平磁界又は移動磁界を印加する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 融液に、融液の表面から少なくとも５０ｍｍ上方にある中立面を有するＣＵＳＰ磁界を印加する、請求項８記載の方法。
10. ＯＳＦ欠陥も、Ａスワール欠陥も、３０ｎｍより大きなサイズを有するＣＯＰ欠陥も有しない、酸素又はドーパントの成長縞の半径方向プロフィールを有するシリコン半導体ウェハにおいて、水平線と成長縞に接する接線との間の傾き角θは、傾き角θがｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で測定される場合（その際、ｒは接線が成長縞に接する半径方向位置であり、ｒｍａｘは半導体ウェハの半径を表す）に、不等式θ＜−１７ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）により記載される角度で表す数値範囲にある、シリコン半導体ウェハ。
11. 傾き角θはｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で例外なくθ＜１７ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）の数値範囲にある、請求項１０記載の半導体ウェハ。
12. 傾き角θはｒ／ｒｍａｘ＝０．１〜ｒ／ｒｍａｘ＝０．９の範囲内で例外なく前記数値範囲の部分領域にあり、その際、前記部分領域は不等式−５０ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）＜θ＜−１７ｘ（ｒ／ｒｍａｘ）により記載される、請求項１０又は１１記載の半導体ウェハ。
13. 炭素、窒素及び水素の元素により形成される元素のグループからなる少なくとも１種の元素の添加を有する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の半導体ウェハ。
14. ２．０×１０¹³〜１．０×１０¹⁵原子／ｃｍ³の窒素濃度を有する、請求項１３記載の半導体ウェハ。
15. ５×１０¹⁷原子／ｃｍ³〜６．５×１０¹⁷原子／ｃｍ³の酸素濃度を有する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の半導体ウェハ。