JP2010208877A - シリコン単結晶の育成方法及びシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン単結晶に中性子を照射せずに済み、単結晶の引上げ速度の幅を比較的広くすることができ、更にシリコン単結晶の引上げ軸方向における抵抗率及び径方向の面内抵抗率のバラツキを低減する方法を提供する。
【解決手段】石英るつぼ１３から、シリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、シリコン単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であるｎ型ドーパントを含有するシリコン単結晶１１を引上げた後、石英るつぼ１３内にシリコン原料５２を供給して溶融させ、石英るつぼ１３から新たにシリコン単結晶１１を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶１１を育成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに適したシリコンウェーハを製造するために、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する方法と、ウェーハ内部の欠陥が低減されたシリコンウェーハの製造方法に関するものである。

近年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下、ＩＧＢＴという）の開発などが進められている。ＩＧＢＴは、メモリ等のＬＳＩのようにウェーハの表面近傍だけ（ウェーハの径方向だけ）を使う素子ではなく、ウェーハの厚さ方向（ウェーハの引上げ軸方向）をも使う素子であるので、その特性はウェーハのバルクの品質に影響される。このため、ウェーハ表層部に存在するＣＯＰ（Crystal Originated Particle：空孔型凝集欠陥）や酸素析出物だけではなく、ウェーハ内部のＣＯＰや酸素析出物をも低減する必要がある。

そのため、従来は、このようなＩＧＢＴ用のシリコンウェーハを製造する場合、フローティングゾーン法（以下、ＦＺ法という）でシリコン単結晶を育成していた。ところが、このＦＺ法では、ウェーハの大口径化が困難であるという問題があり、近年では、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）でシリコン単結晶を引上げ、このシリコン単結晶からＩＧＢＴ用のシリコンウェーハを製造する試みが成されている。例えば、特許文献１には、水素ガス雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成し、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除され、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度が８．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、このシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハの面内における抵抗率のばらつきが５％以下であるＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハが開示されている。このように構成されたＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハでは、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除されているので、ウェーハを縦方向に使う素子であるＩＧＢＴ用のウェーハとして好適である。即ち、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除されているので、ＩＧＢＴ製造工程におけるウェーハ表面でのゲート酸化膜の形成時に、ＣＯＰがゲート酸化膜に取込まれることがなく、ＧＯＩ（Gate Oxide Integrity：ゲート酸化膜の耐圧特性）を劣化させることがない。また転位クラスタが排除されることにより、集積回路におけるリーク電流を防止できるようになっている。

一方、特許文献２には、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理するシリコンウェーハの製造方法が開示されている。この製造方法では、シリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理する温度をＴ℃とし、シリコンウェーハの格子間酸素濃度を［Ｏi］ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とするとき、温度Ｔと格子間酸素濃度［Ｏi］との関係が次の式（１）を満たすように熱処理される。

［Ｏi］≦２．１２３×１０²¹ｅｘｐ（−１．０３５／ｋ（Ｔ＋２７３）） （１）
上記式（１）において、格子間酸素濃度［Ｏi］は、ＦＴ−ＩＲ法で測定した値（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９年）であり、ｋはボルツマン定数８．６１７×１０^-5ｅＶ／Ｋである。また、シリコン単結晶として、中性子照射によりリンがドープされた単結晶が用いれる。このように製造されたシリコンウェーハでは、シリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理するとき、熱処理温度Ｔと格子間酸素濃度［Ｏi］とが上記関係を満たすように熱処理温度Ｔを設定すると、酸化熱処理によりシリコンウェーハの表面に生じた格子間シリコン原子がシリコンウェーハの内部に拡散し、これらが空洞であるＣＯＰを埋めるため、シリコンウェーハ内の浅い位置から深い位置まで全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。またＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際、リンなどのドーパントをドープせずにシリコン単結晶を育成し、育成後のシリコン単結晶に中性子を照射することにより、シリコン単結晶にリンをドープするので、シリコン単結晶の引上げ軸方向の比抵抗を均一にすることができるようになっている。

特開２００７−２５４２７４号公報（請求項１、段落［００１５］） 再公表特許 ＷＯ２００４／０７３０５７号公報（請求項１及び２、明細書第３頁第２５行〜第４頁第８行、明細書第４頁第１４行〜同頁第１８行）

しかし、上記従来の特許文献１に示されたＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハでは、水素ガス雰囲気中でシリコン単結晶を育成することにより、グローイン欠陥の無い領域を得るために許容される引上げ速度の幅（無欠陥マージン）は拡大するけれども、ＣＯＰ及び転位クラスタが排除されたグローイン欠陥の無いシリコン単結晶を得るためには、これまでのアルゴンガス雰囲気によるシリコン単結晶の育成と同様に、引上げ速度を遅くしなければならず、生産性の低下を招く不具合があった。また、水素ガス雰囲気中でＣＯＰが発生するような育成条件でシリコン単結晶を育成すると、ＣＯＰ発生領域内に水素欠陥と呼ばれる巨大空洞欠陥が発生する問題点もあった。

一方、上記従来の特許文献２に示されたシリコンウェーハの製造方法では、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際には、リン等をドープせずにシリコン単結晶を育成して、育成後のシリコン単結晶に中性子を照射することにより、単結晶の径方向及び引上げ軸方向に抵抗率の均一なシリコンウェーハを得ることができる。このような、中性子照射の技術はドーパント濃度の均一化を図る上で有効な方法であるけれども、中性子照射は重水炉などの原子炉を用いて行なわなければならず、このような処理が行なえる機関は全世界を通しても僅かしか存在しない。このため、中性子照射を採用する場合、工業生産的に大量に製品ウェーハを製造できなくなることが予想される。また、中性子照射により単結晶内に導入された照射ダメージを回復するための熱処理が必要となり、製造コストを押上げてしまうとともに、中性子照射ではリンをドープした単結晶しか製造することができないという問題点もあった。

また、上記従来の特許文献２に示されたシリコンウェーハの製造方法では、特定の格子間酸素濃度と特定の酸化熱処理温度との関係を満足するように、シリコンウェーハ中の酸素濃度とその後の酸化熱処理条件を調整することにより、ウェーハ表層部だけではなく、ウェーハ内の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができるけれども、元々単結晶内に存在するＣＯＰのサイズが大きい場合やＣＯＰの密度が高い場合には、酸化熱処理を施してもＣＯＰを完全に消滅させることはできない問題があった。このため、単結晶の育成段階でＣＯＰのサイズが小さくなるようにシリコン単結晶を育成する必要がある。これまで、単結晶中のＣＯＰサイズを小さくする技術として、単結晶の育成段階での冷却を促進させ、引上げ速度を大きくすることにより、単結晶内に形成されるＣＯＰのサイズを小さくすることができるということが知られている。一方、ＩＧＢＴ用ウェーハとしては一般に高い抵抗率を有するウェーハの提供が要求されるが、このようなウェーハを作るための単結晶を育成する際に、ドーパント濃度の僅かな差が、育成される単結晶の抵抗率を大きく変化させる原因になる。そのため、ＣＯＰサイズを小さくするために高冷却速度、高速引上げを行なうと、単結晶と融液との固液界面形状が上側に凸となる形状になり過ぎてしまうことから、単結晶の径方向のドーパント濃度が大きくばらついてしまう問題点もあった。

また、ＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハとしては、これまで以上に酸素濃度が可及的に低減され、かつ面内の抵抗分布が均一なシリコンウェーハの提供が要求される。シリコン単結晶中の酸素濃度を低下させる技術として、これまでシリコン融液に水平磁場を印加してるつぼの回転速度を遅くすることにより、石英るつぼからシリコン融液中への酸素の取込み量を低減することができ、単結晶中の格子間酸素濃度を低下できることが知られていた。しかしながら、本発明者らの実験によれば、シリコン融液に水平磁場を印加しるつぼの回転速度を低速にするだけでは、格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下というような極めて酸素濃度の低いシリコン単結晶の育成が行えないことが明らかとなった。また、シリコン単結晶の回転速度を速めると、シリコン単結晶の面内のドーパント濃度（抵抗率分布）が均一化することが知られているが、単結晶の回転速度を速めると酸素濃度が上昇してしまう問題がある。ところが、単結晶とシリコン融液との固液界面の形状が平坦化するような育成条件であれば、単結晶の回転速度を遅くしても単結晶の径方向のドーパント濃度分布が悪化せず、格子間酸素濃度をより低減できることを知見した。

本発明の目的は、シリコン単結晶に中性子を照射せずに済み、単結晶の引上げ速度の幅を比較的広くすることができ、更にシリコン単結晶の引上げ軸方向における抵抗率及び径方向の面内抵抗率のバラツキを低減することができる、シリコン単結晶の育成方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに酸化熱処理を施すことにより、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる、シリコン単結晶の育成方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、チャンバに収容された石英るつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引上げることにより、種結晶からシリコン単結晶を引上げて育成するシリコン単結晶の育成方法において、石英るつぼから、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であるｎ型ドーパントを含有するシリコン単結晶を引上げた後、石英るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、石英るつぼから更に別のシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を育成することを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に石英るつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、石英るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、育成中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下であることを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更にシリコン単結晶の引上げ速度をＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除可能な引上げ速度とすることを特徴とする。

本発明の第４の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更にシリコン単結晶の引上げ速度をＣＯＰ欠陥の発生領域を含む引上げ速度とすることを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第４の観点に基づく方法で育成されたシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰ欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法である。

本発明の第１の観点の育成方法では、ｎ型ドーパントを含有するシリコン融液からＣＺ法を用いてシリコン単結晶を引上げるので、シリコン単結晶に中性子を照射せずに済む。この結果、中性子照射によるリンドープにおける問題点、即ち中性子照射によるリンドープを行った単結晶の生産性が極めて低く十分な量を市場に供給できなかったり、或いは中性子照射による単結晶のダメージの回復処理が必要となるという問題点を解消することができる。また、シリコン単結晶を引上げた石英るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、石英るつぼから先に育成したシリコン単結晶と同等の品質特性を有するシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を育成する、いわゆるマルチプリングで引上げる。これにより、シリコン単結晶の直胴部トップからボトムまで、引上げ軸方向における抵抗率のバラツキが少ないシリコン単結晶を複数本引上げることができる。

本発明の第２の観点の育成方法では、シリコン融液に水平磁場を印加し、るつぼの回転速度を遅くし、更に単結晶の回転速度を遅くしたので、単結晶の径方向のｎ型ドーパントの濃度分布を均一に保ったまま、単結晶内の格子間酸素濃度を低減できる。

本発明の第５の観点の製造方法では、上記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ内のＣＯＰのサイズ及びその密度が所望のサイズ及び密度であるため、このウェーハに所定の酸化熱処理を施すと、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。

本発明実施形態のシリコン単結晶の育成装置の縦断面構成図である。 左半分は冷却速度の速いホットゾーンで育成したシリコン単結晶中に発生する結晶欠陥の生成挙動を示す模式図であり、右半分は無欠陥単結晶の育成に適したホットゾーンで育成したシリコン単結晶中に発生する結晶欠陥の生成挙動を示す模式図である。 実施例１のシリコン単結晶内の格子間酸素濃度を示す図である。 実施例１のシリコン単結晶内の面内抵抗率を示す図である。 実施例１のシリコン単結晶内の面内抵抗率のバラツキを示す図である。 実施例３及び比較例１のウェーハについて光散乱体（ＣＯＰ）発生状況を示す図である。 実施例３及び比較例１のウェーハについて測定したＧＯＩの歩留まりを示す図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。本発明に使用される装置は、特に限定されないが、例えば、図１に示す育成装置を用いることができる。このシリコン単結晶１１の育成装置は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１２と、このチャンバ１２内の中央に設けられた石英るつぼ１３とを備える。メインチャンバ１２は円筒状の真空容器である。この石英るつぼ１３は、黒鉛るつぼに載置され、この黒鉛るつぼの底部にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下端にはシャフト１４を介して石英るつぼ１３を回転させかつ昇降させる駆動手段１６が設けられる。更に石英るつぼ１３の外周面は円筒状のヒータ１７により石英るつぼ１３の外周面から所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８によりヒータ１７の外周面から所定の間隔をあけて包囲される。

一方、メインチャンバ１２の上端には、内部が連通するようにメインチャンバ１２より小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバ１９の上端には引上げ回転手段２０が設けられる。この引上げ回転手段２０は、下端にシードチャック２１が取付けられた引上げ軸２２を昇降させるとともに、この引上げ軸２２をその軸線を中心に回転させるように構成される。また上記シードチャック２１には種結晶２３が着脱可能に装着される。この種結晶２２の下端をシリコン融液１５中に浸漬した後、種結晶２２を引上げ回転手段２０により回転させかつ引上げるとともに、石英るつぼ１３をるつぼ駆動手段１６により回転させかつ上昇させることにより、種結晶２３の下端からシリコン単結晶１１を引上げて育成するように構成される。

また、この育成装置には、減少したシリコン融液１５を補給するため、石英るつぼ１３に多結晶シリコン原料５２を供給するための原料供給管５１が設けられ、シリコン単結晶１１を育成装置から取り出した後の石英るつぼ１３内に残るシリコン融液１５の液面上に供給するようになっている。原料供給管５１は上端側が、図示しない支持手段により支持されて垂下される。これにより、マルチプリングによる引上げが可能となっている。なお、ここでは育成装置の外部から原料供給管５１を挿入するようにした原料供給形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば育成装置内に底部が開閉可能な原料供給装置内部に多結晶シリコン原料５２を充填するようにして原料供給を行う形態等であってもよい。

メインチャンバ１２内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通される。プルチャンバ１９の側壁にはガス供給パイプ２４の一端が接続され、このガス供給パイプ２４の他端は不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続される。またメインチャンバ１２の下壁にはガス排出パイプ２６の一端が接続され、このガス排出パイプ２６の他端は真空ポンプ２７の吸入口に接続される。タンク内の不活性ガスは、ガス供給パイプ２４を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１２内を通った後、ガス排出パイプ２６を通ってメインチャンバ１２から排出されるように構成される。なお、ガス供給パイプ２４及び排出パイプ２６にはこれらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁４１，４２がそれぞれ設けられる。

またメインチャンバ１２内には、シリコン単結晶１１外周面へのヒータ１７の輻射熱の照射を遮るとともに、上記不活性ガスを整流するための熱遮蔽体２８が設けられる。この熱遮蔽体２８は、下方に向うに従って直径が次第に小さくなりかつシリコン融液１５から引上げられるシリコン単結晶１１の外周面をこの外周面から所定の間隔をあけて包囲する円錐台状の筒体２８ａと、この筒体２８ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部２８ｂとを有する。熱遮蔽体２８は、フランジ部２８ｂを保温筒１８上にリング板２８ｃを介して載置することにより、筒体２８ａの下縁がシリコン融液１５表面から所定のギャップをあけて上方に位置するようにメインチャンバ１２内に固定される。更にシリコン融液１５には水平磁場２９を印加しながらシリコン単結晶１１を引上げるように構成される。この水平磁場２９は、同一のコイル直径を有する第１及び第２コイル３１，３２を、石英るつぼ１３の外周面から水平方向に所定の間隔をあけた外側方に、石英るつぼ１３を中心として互いに対向するように配設し、これらのコイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより発生する。

このように構成された装置を用いてシリコン単結晶１１を育成する方法を説明する。先ずシリコン原料の溶解前（溶解後であってもよい。）にＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）等のｎ型ドーパントを添加してシリコン融液１５にｎ型ドーパントを含有させる。ＩＧＢＴ用として要求されるシリコンウェーハの抵抗率範囲は１０Ωｃｍ〜１０００Ωｃｍであり、この抵抗率範囲を満足するようにｎ型ドーパントの含有量が調整される。

また第１及び第２コイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより水平磁場２９を発生させる。この水平磁場２９の磁場強度はシリコン融液１５表面と石英るつぼ１３の中心軸との交点で測定され、その磁場強度が０．２Ｔ（テスラ）以上となるように、第１及び第２コイル３１，３２に流れる電流が制御される。磁場強度が０．２Ｔ未満ではシリコン単結晶１１への酸素の取込みを低減するという効果が薄れてしまうからである。但し、過度に磁場強度を高くすると、石英るつぼ１３の内表面の劣化を促進し単結晶１１の有転位化を招くおそれがあるため、磁場強度を０．５Ｔ以下とすることが望ましい。

本発明の第１の実施の形態では、ＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除されたシリコン単結晶を育成する方法である。図２は、単結晶の引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、固液界面近傍の引上げ軸方向の温度勾配をＧ（℃／ｍｉｎ）としたときの比Ｖ／Ｇを縦軸とした場合の、結晶欠陥の生成挙動を示す模式図である。この実施の形態では、シリコン単結晶の引上げ速度をＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除可能な条件、即ち図２におけるＡ領域或いはＡ領域とＯＳＦリングが含まれる領域となる育成条件で引上げる。引上げ速度、ホットゾーン以外の条件は、後述する本発明の第２の実施の形態の引上げ条件と同じ条件とすることができる。

この実施の形態では、育成後のシリコン単結晶において、ＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが既に排除されているため、後述する本発明の第２の実施の形態に比べ、引上げ速度が遅く、シリコン単結晶の生産性という点では不利なものの、その後の酸化熱処理を行う工程を省略することができるという利点がある。

本発明の第２の実施の形態では、ＣＯＰ欠陥の発生領域を含むシリコン単結晶を育成する方法である。この実施の形態では、育成後のシリコン単結晶において、所定サイズ及び密度のＣＯＰ欠陥を含んでいるため、その後の酸化熱処理を行う必要がある。しかし、上記本発明の第１の実施の形態に比べ、引上げ速度を速くすることができるため、シリコン単結晶の生産性の点において有利である。

育成されたシリコン単結晶に含まれるＣＯＰ欠陥は、後工程の熱処理において、消滅させ得るサイズ及び密度にする必要があるため、所望の引上げ条件とする必要がある。例えば、育成するシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を育成する。Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を育成することにより、ＣＯＰのサイズが小さくかつその密度が低い単結晶１１を得ることができる。

図２においてホットゾーンＡとは、温度勾配ＧcとＧeがＧc／Ｇe＜１となる条件で引上げたものであり、ホットゾーンＢとは、温度勾配ＧcとＧeがＧc／Ｇe≧１という関係を満たす条件で引上げたものである。図２に示すように、ホットゾーンＡ、即ち引上げ速度を速くしてＣＯＰサイズを縮小化させるのに適した冷却速度の速いホットゾーンで単結晶を育成すると、単結晶内のＣＯＰのサイズは小さくなるけれども、その密度は高くなってしまう。そのため、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向、即ち引上げ軸方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることは困難となる。一方、ホットゾーンＢで単結晶を育成すると、シリコン単結晶中のＣＯＰサイズは、ホットゾーンＡで引上げたものよりもサイズが小さい。特に、図２の２点鎖線で囲まれたＢ領域では、ＣＯＰサイズが小さく、密度も低いため、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。この実施の形態では、シリコン単結晶中のＣＯＰサイズ及び密度が、上記図２のＢ領域になるような条件で引上げる。このような条件で引上げられるシリコン単結晶内のＣＯＰ欠陥は、具体的には、サイズが１００ｎｍ以下であり、かつ密度が３×１０⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であるのが好ましい。

シリコン単結晶１１の育成中における石英るつぼ１３の回転速度は１．５ｒｐｍ以下、好ましくは０．３ｒｐｍ以下に設定するのが好ましく、育成中のシリコン単結晶１１の回転速度は７ｒｐｍ以下、更に好ましくは５ｒｐｍ以下に設定する。ここで、石英るつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下とし、シリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下としたのは、シリコン単結晶１１の格子間酸素濃度を６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に保つとともに、ｎ型ドーパントを含有するシリコン融液１５からシリコン単結晶１１を引上げても、シリコン単結晶１１内の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下に保つためである。なお、シリコン単結晶１１の回転速度の下限は０．５ｒｐｍ以上とすることが望ましく、これよりも遅い場合にはシリコン単結晶１１に変形を生じたり、面内の抵抗率分布が悪化することになる。上述のように、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件とすることで、単結晶１１とシリコン融液１５との固液界面の形状が平坦化し、この状態でシリコン融液１５に水平磁場２９を印加し、石英るつぼ１３の回転速度を遅くし、更に単結晶１１の回転速度を遅くすることで、単結晶１１の径方向のｎ型ドーパントの濃度分布を均一に保ったまま、単結晶１１内の格子間酸素濃度を低減できる。

また、本発明では、マルチプリング法によって、シリコン単結晶１１の引上げを行う。このマルチプリング法による引上げでは、引上げる単結晶１１の直径、目標とする抵抗率の範囲及びシリコン融液１５に添加するｎ型ドーパントの偏析係数から、単結晶１１における引上げ軸方向の抵抗率のバラツキが所定の値以下となるように、引上げる単結晶１１の直胴部トップからボトムまでの長さを予め設定しておく。そして、この予め設定した長さまで単結晶１１を引上げた後、育成装置に設けられた原料供給管５１から石英るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、再び種結晶２２をシリコン融液１５中に浸漬させて石英るつぼから新たにシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を育成する。これにより、単結晶１１における引上げ軸方向の抵抗率のバラツキがより少ない単結晶１１を育成することができる。

このように育成されたシリコン単結晶１１から、ＩＧＢＴ用のウェーハを製造するには、このシリコン単結晶１１からスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃、好ましくは１１５０〜１２００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間、好ましくは３〜４時間保持する熱処理を施す。これによりウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。ここで、熱処理の保持温度を１１００〜１３００℃の範囲内に限定したのは、１１００℃未満ではＣＯＰが消滅し難くなり、１３００℃を超えるとウェーハに与える熱負荷が大きくなり過ぎてウェーハにスリップ転位などが発生してしまうからである。更に上記熱処理の保持時間を２〜５時間の範囲内に限定したのは、２時間未満ではＣＯＰを十分に消滅させることができず、５時間を超えて熱処理を行ってもＣＯＰ消滅効果はさほど変わらないからである。これにより、育成されたシリコン単結晶内に存在していた上記ＣＯＰ欠陥をシリコンウェーハ全域にわたって消滅させることができ、ＩＧＢＴ用のウェーハとして利用できる。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜実施例１＞
図１に示す育成装置を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶１１を育成した。具体的には、先ず、引上げるシリコン単結晶１１の直径を２１０ｍｍ、目標とする抵抗率を７０Ωｃｍとし、シリコン融液１５に添加するｎ型ドーパントであるリンの偏析係数から、引上げ軸方向の抵抗率のバラツキが５％以下となるように、引上げる単結晶１１の直胴部トップからボトムまでの長さを７００ｍｍに予め設定した。

次に、シリコン原料を初期チャージ量１４０ｋｇで育成装置に設置された石英るつぼ１３内に投入し、抵抗率を調整するためのｎ型ドーパントとしてリンを添加して溶融させた。このシリコン融液１５に対して、育成装置の第１及び第２コイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより、磁場強度０．３Ｔ（テスラ）水平磁場を印加した。

次に、シリコン融液１５に種結晶２３を浸漬させ、種結晶２３の回転速度、即ち育成中の単結晶１１の回転速度を５ｒｐｍ、石英るつぼ１３の回転数を０．１ｒｐｍとして、互いに逆方向に回転させながら、種結晶２３を引上げてシリコン単結晶１１を育成した。このとき、図２のＡ領域となるように、即ちＶ／Ｇを０．２１［ｍｍ²／（分・℃）］の条件に設定した。また、単結晶１１の中心部の温度勾配Ｇc、単結晶１１の外周部の温度勾配Ｇeについては、Ｇc／Ｇe＝１．１とした。

このようにして、引上げる単結晶１１の直胴部トップからボトムまでの長さが７００ｍｍであり、ＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除されたシリコン単結晶１１を育成した。

続いて、育成装置に設けられた原料供給管５１から石英るつぼ１３内に多結晶シリコン原料５２を供給して溶融させた後、上記条件と同じ条件で、直胴部トップからボトムまでの長さが７００ｍｍシリコン単結晶１１を石英るつぼ１３から引上げることにより、更に別のシリコン単結晶１１を育成し、計３本のシリコン単結晶１１を育成した。

＜評価１＞
実施例１により育成した計３本のシリコン単結晶について、ＣＯＰ欠陥の有無、クラスタ転位の有無、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度（Ｏｉ）、径方向の面内抵抗率、面内抵抗率のバラツキ（Δρ）を評価した。具体的には、育成したそれぞれのシリコン単結晶について、直胴部トップから１００ｍｍ、３００ｍｍ、５００ｍｍ、７００ｍｍの位置で切り出したそれぞれのウェーハについて上記評価項目を評価した。その結果を、次の表１及び図３〜図５に示す。図４については、３本目に引上げたシリコン単結晶についての評価したものである。なお、ＣＯＰの発生状況は赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて確認した。格子間酸素濃度（Ｏｉ）は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した値である。また、面内抵抗率のバラツキ（Δρ）は、ウェーハ面内の抵抗率から次の式（２）により算出した値Δρを示す。

Δρ＝（面内抵抗率の最大値−面内抵抗率の最小値）／面内抵抗率の最小値 （２）

表１及び図３〜図５から明らかなように、育成されたシリコン単結晶は、直胴部トップからボトムまでＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除されている。また、直胴部トップからボトムまでの格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。更に、直胴部トップからボトムまでの径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であり、径方向の面内抵抗率及び引上げ軸方向の抵抗率のバラツキが共に少ないことが判る。このことから、本発明の育成方法により育成されたシリコン単結晶は、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハの製造に好適であることが確認された。

＜実施例２＞
図１に示す育成装置を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶１１を育成した。具体的には、先ず、引上げるシリコン単結晶１１の直径を２１０ｍｍ、目標とする抵抗率を７０Ωｃｍとし、シリコン融液１５に添加するｎ型ドーパントであるリンの偏析係数から、引上げ軸方向の抵抗率のバラツキが５％以下となるように、引上げる単結晶１１の直胴部トップからボトムまでの長さを７００ｍｍに予め設定した。

次に、シリコン原料１５を初期チャージ量１４０ｋｇで育成装置に設置された石英るつぼ１３内に投入し、抵抗率を調整するためのｎ型ドーパントとしてリンを添加して溶融させた。このシリコン融液１５に対して、育成装置の第１及び第２コイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより、磁場強度０．３Ｔ（テスラ）水平磁場を印加した。

次に、シリコン融液１５に種結晶２３を浸漬させ、種結晶２３の回転速度即ち育成中の単結晶１１の回転速度を５ｒｐｍ、石英るつぼ１３の回転数を０．１ｒｐｍとして、互いに逆方向に回転させながら、種結晶２３を引上げてシリコン単結晶１１を育成した。このとき、図２のＢ領域となるように、即ちＶ／Ｇを０．２３〜０．３３［ｍｍ²／（分・℃）］の条件に設定した。このＶ／Ｇの範囲は伝熱計算により求めた。また、単結晶１１の中心部の温度勾配Ｇc、単結晶１１の外周部の温度勾配Ｇeについては、Ｇc／Ｇe＝１．１２とした。

このようにして、引上げる単結晶１１の直胴部トップからボトムまでの長さが７００ｍｍであり、ＣＯＰ欠陥が含まれるシリコン単結晶１１を育成した。

続いて、育成装置に設けられた原料供給管５１から石英るつぼ１３内に多結晶シリコン原料５２を供給して溶融させた後、上記条件と同じ条件で、直胴部トップからボトムまでの長さが７００ｍｍシリコン単結晶１１を石英るつぼ１３から引上げることにより、更に別のシリコン単結晶１１を育成し、計３本のシリコン単結晶１１を育成した。

＜評価２＞
実施例２により育成した計３本のシリコン単結晶について、ＣＯＰ欠陥のサイズ及び密度、クラスタ転位の有無、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度（Ｏｉ）、径方向の面内抵抗率、面内抵抗率のバラツキ（Δρ）を評価した。具体的には、育成したそれぞれのシリコン単結晶について、直胴部トップから１００ｍｍ、３００ｍｍ、５００ｍｍ、７００ｍｍの位置で切り出したそれぞれのウェーハについて上記評価項目を評価した。その結果を、次の表１に示す。なお、ＣＯＰ欠陥のサイズ及び密度は赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて測定した。格子間酸素濃度（Ｏｉ）は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した値である。また、面内抵抗率のバラツキ（Δρ）については、ウェーハ面内の抵抗率から次の式（３）により算出した値Δρを示す。

Δρ＝（面内抵抗率の最大値−面内抵抗率の最小値）／面内抵抗率の最小値 （３）

表２から明らかなように、実施例２で育成されたシリコン単結晶内のＣＯＰは、直胴部トップからボトムまで、そのサイズが小さく、また密度も低いことが判る。また、直胴部トップからボトムまでの格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。更に、直胴部トップからボトムまでの径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であり、径方向の面内抵抗率及び引上げ軸方向の抵抗率のバラツキが共に少ないことが判る。このことから、本発明の育成方法により育成されたシリコン単結晶は、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハの製造に好適であることが確認された。

＜実施例３＞
実施例２で育成したシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハ（３本目シリコン単結晶から切り出したウェーハのうち、直胴部トップから３００ｍｍのウェーハ）に、酸化熱処理を施したウェーハを実施例３とした。具体的には、酸素ガス１００％の雰囲気中で、１１８０℃まで加熱し、この温度に３時間保持する熱処理を施した。

＜比較例１＞
実施例２で育成したシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハ（３本目シリコン単結晶から切り出したウェーハのうち、直胴部トップから３００ｍｍのウェーハ）に、酸化熱処理を施さないウェーハを比較例１とした。

＜評価３＞
実施例３のシリコンウェーハについて、ＣＯＰ欠陥の有無、ＧＯＩの歩留まりを評価した。なお、ＣＯＰの発生状況は赤外散乱トモグラフ（ＭＯ６０１）を用いて確認した。また、ＧＯＩの歩留まりは、具体的には、ＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown：瞬時絶縁破壊）法により求めた。ＧＯＩの歩留まりは、シリコンウエーハ上にゲート酸化膜（酸化膜）と電極を形成してＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を作製した後、電極に電圧を印加しゲート酸化膜を破壊させて、ブレイクダウン電圧を測定することにより求めた。ここで、ゲート酸化膜の絶縁破壊はウェーハの欠陥部分で生じた。なお、ＴＺＤＢ法による具体的なゲート酸化膜の耐圧の測定は次のようにして行った。先ずウェーハ表面上に厚さ２５ｎｍのゲート酸化膜（ＳｉＯ₂）を形成した。次にこのゲート酸化膜上にゲート電極面積１０ｍｍ²のポリシリコン電極を形成した。更にウェーハとポリシリコン電極との間にステップ電圧印加法により電圧を印加し、最終的に判定電界強度１１ＭＶ／ｃｍの電圧を印加した。測定温度は室温（２５℃）とした。これらの結果を、図６及び図７に示す。

図６及び図７から明らかなように、酸加熱処理を施すことにより、ＣＯＰ欠陥が消滅すること、また、ＧＯＩの歩留まりが１００％まで向上することが判る。このことから、本発明の育成方法により育成されたシリコン単結晶、及び本発明の製造方法により製造されたシリコンウェーハは、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハに好適であることが確認された。

１１ シリコン単結晶
１２ メインチャンバ（チャンバ）
１３ 石英るつぼ
１５ シリコン融液

Claims (5)

1. チャンバに収容された石英るつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引上げて育成するシリコン単結晶の育成方法において、
   前記石英るつぼから、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度が６．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であるｎ型ドーパントを含有するシリコン単結晶を引上げた後、
   前記シリコン単結晶を引上げた石英るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、前記石英るつぼから新たにシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を育成する
   ことを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
2. 石英るつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、前記石英るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、育成中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下である請求項１又は２記載のシリコン単結晶の育成方法。
3. シリコン単結晶の引上げ速度をＣＯＰ欠陥及び転位クラスタが排除可能な引上げ速度とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶の育成方法。
4. シリコン単結晶の引上げ速度をＣＯＰ欠陥の発生領域を含む引上げ速度とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶の育成方法。
5. 請求項４に記載の方法で育成されたシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰ欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
   
   

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