JP2013147407A - シリコン単結晶ウエーハ、その酸素析出量の面内均一性評価方法、シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハを提供する。
【解決手段】シリコン単結晶ウエーハであって、該シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理を施した後、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理を施した場合に、前記シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、前記低温熱処理前の酸素濃度と前記高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎとの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、前記分割された全区間の８５％以上を占めるものであることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。Ｘ線トポグラフィーイメージによれば、明瞭な析出酸素のストリエーションパターンは認められず、ウエーハ面内の酸素析出量が均一なシリコン単結晶ウエーハとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶ウエーハ、その酸素析出量の面内均一性評価方法、シリコン単結晶の製造方法に関する。

メモリーＣＰＵや撮像素子など半導体デバイスの基板として用いられるシリコン単結晶ウエーハを切り出すシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されている。ＣＺ法により作製されたシリコン単結晶中には酸素原子が含まれており、該シリコン単結晶から切り出されるシリコン単結晶ウエーハを用いてデバイスを製造する際、シリコン原子と酸素原子とが結合し酸素析出物やＢＭＤが形成される。これらはウエーハ内部の重金属などの汚染原子を捕獲しデバイス特性を向上させるＩＧ能力を有することが知られており、ウエーハのバルク部での酸素析出量やＢＭＤ密度が高くなるほど高性能かつ信頼性の高いデバイスを得ることができる。

近年ではシリコン単結晶ウエーハ中の結晶欠陥を制御しつつ十分なＩＧ能力を付与するために、単結晶成長中に酸素を高濃度に取り込むように制御したり、炭素や窒素を意図的にドープすることが行われている。このような方法によって育成されたシリコン単結晶から切り出されるシリコン単結晶ウエーハに鏡面加工を施しポリッシュドウエーハとして供給したり、鏡面加工後にウエーハ表層部の欠陥の抑制又はバルク内にＩＧ層の形成を目的とするアニール処理を施したり、エピタキシャル層を付与したり、あるいはＳＯＩウエーハを作製したりするなど、種々のウエーハ供給の要求が高まっている。これらのウエーハは何段階ものデバイスプロセスを通過するため、プロセス中に素子領域へ侵入し電気特性を阻害するなど、有害となり得る不純物の拡散を防止する技術の進歩は必須課題である。最近ではＩＧ層を形成するＢＭＤの密度のミリメートルオーダーの周期的な面内不均一性を精密に抑制し、面内分布の制御や均一性の制御技術の確立が望まれている。そのような技術の進歩は、メモリーＣＰＵや撮像素子のみならず、太陽電池向け材料の特性の向上に貢献するため、極めて応用範囲が広く、前述の如く電気特性の向上や、その他プロセス中の反りあるいはスリップ転位の発生を防止するなどの効果がある。

ここで特許文献１および特許文献２に、酸素濃度の面内不均一性を低く抑えてウエーハ面内のＢＭＤ密度を均一にする技術について記述がある。単結晶成長中に取り込まれる格子間酸素濃度のばらつきを抑制することは極めて重要であるが、単結晶成長中は酸素のみならず種々の欠陥が導入される。デバイスプロセスにおいてＩＧ層を形成する場合、空孔欠陥の存在が重要であり、その密度の高さによって十分なゲッタリング能力を与えるＢＭＤ密度の大きさが決まる。しかしながら単結晶成長中に格子間シリコンが導入される場合、空孔と格子間シリコンとの反応によって空孔が消滅し、ＢＭＤ形成のソースとなる単結晶中の空孔濃度が低下し、所望のＢＭＤ密度が得られないことがある。またウエーハ面内においてＢＭＤ密度を均一に制御する場合、重要となるのがデバイスプロセス前の格子間酸素濃度１ｐｐｍａの単位変化量に対するデバイスプロセス後酸素析出量の変化量である。その格子間酸素濃度の単位変化量あたりの酸素析出変化量が大きくなるような単結晶成長工程を経て作製されたウエーハの場合、デバイスプロセス前のウエーハ面内の格子間酸素濃度のばらつきを小さく制御できていてもデバイスプロセス後のウエーハ面内の酸素析出量のばらつきが大きくなる。したがって、これらの技術だけではＢＭＤの密度のミリメートルオーダーの周期的な面内不均一性を精密に抑制するのには不十分である。

一方、特許文献３にはシリコン融液表面の温度変動を低く抑えて酸素析出物のストリエーションを抑制する技術について記述がある。確かに温度変動を低く抑えれば酸素析出物のストリエーションを抑えることが可能ではあるが、結晶成長方向に対して十分な酸素析出量を制御できるとは限らない。例えばある単結晶成長領域のウエーハ面内全域においてストリエーションが抑制され、かつ、析出量が十分であっても、他の単結晶成長領域のウエーハ面内全域においてストリエーションが抑制されてはいるものの析出量が不足し、低密度で巨大なサイズの析出物が形成されるなどの懸念がある。最も重要なのが、単結晶成長中における空孔と格子間シリコンとの反応の制御であり、更に言えば、デバイスプロセス中に前記の反応による欠陥の凝集によって低密度で巨大な析出物を形成しないことである。

特開平５−９７５８４号公報 特開平６−３１６４８３号公報 特開平１１−１１６３９０号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハおよび該シリコン単結晶ウエーハを作製するためのシリコン単結晶の製造方法及び評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、シリコン単結晶ウエーハであって、
該シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理を施した後、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理を施した場合に、
前記シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、前記低温熱処理前の酸素濃度と前記高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎとの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、前記分割された全区間の８５％以上を占めるものであることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハを提供する。

このようなシリコン単結晶ウエーハであればＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有するものとなる。

また、前記１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、高温熱処理後の酸素濃度［Ｏｉ］の最大値［Ｏｉ］ｍａｘと最小値［Ｏｉ］ｍｉｎとの比［Ｏｉ］ｍａｘ／［Ｏｉ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、分割された全区間の８５％以上を占めるものであることが好ましい。さらに、前記区間は、１０ｍｍ毎に分割した区間であることが好ましい。

このようなシリコン単結晶ウエーハであればＢＭＤがより均一に形成され、より均一なゲッタリング能力を有するものとなる。

また、本発明では前記シリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハ、前記シリコン単結晶ウエーハによって作製された貼り合わせ用ウエーハ、又は前記シリコン単結晶ウエーハに１１００〜１３５０℃の熱処理を施したアニールウエーハを提供する。

このようなエピタキシャルウエーハ、貼り合わせ用ウエーハ、又はアニールウエーハは高品質なものとなる。

さらに、本発明では、シリコン単結晶の製造方法であって、引き上げ速度をＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）としたときに、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値のシリコン単結晶の成長方向の全てで０．２３以上又は０．１９以上０．２０以下の範囲となるように制御してシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法を提供する。

これにより、ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハを安定して製造することができる。

また、本発明では、シリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価する方法であって、
シリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理と、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理とを施し、その後更にシリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、
シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、低温熱処理前の酸素濃度と高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間の、分割された全区間に占める割合によりシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価するシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性評価方法を提供する。

このような評価方法により、シリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の均一性を評価することができる。

さらに、前記区間は１０ｍｍ毎に分割した区間とし、及び／又は前記低温熱処理前及び前記高温熱処理後の酸素濃度測定は０．５ｍｍ間隔のＦＴ−ＩＲスキャン測定で行うことが好ましい。

これにより、より精度よくシリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の均一性を評価することができる。

以上説明したように、本発明のシリコン単結晶ウエーハであれば、種々のデバイスプロセスにおいて、ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有する優れたものとなる。また、本発明のシリコン単結晶ウエーハを作製するためのシリコン単結晶の製造方法であれば、半導体デバイス又は太陽電池用として電気的に特性が優れたシリコン単結晶を安定的に製造することができる。さらに、このような評価方法であれば、シリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の均一性を精度よく判定することができる。

（ａ）実施例１のウエーハ熱処理後のＸ線トポグラフィーイメージと、（ｂ）比較例のウエーハ熱処理後のＸ線トポグラフィーイメージである。 実施例１のウエーハ径方向の［Ｏｐ］値の分布図である。 比較例のウエーハ径方向の［Ｏｐ］値の分布図である。 本発明のシリコン単結晶の製造方法で用いることができる（Ａ）炉内上部を上部断熱材で覆った引き上げ装置、（Ｂ）冷却チャンバー上方の引き上げ結晶通路部の内壁を断熱材で覆った断熱筒を有する引き上げ装置、及び（Ｃ）冷却筒の内壁を冷却筒被覆断熱材で覆った引き上げ装置の概略断面図である。 比較例で用いた引き上げ装置の概略断面図である。 本発明のシリコン単結晶ウエーハと従来のシリコン単結晶ウエーハの、熱処理前後の酸素濃度の相関を示す概念図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。上述のように、ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハが望まれていた。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、熱処理前後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎとの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎを用いてシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価できることを見出し、更に、所定の比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎを面内で一定の範囲で有するシリコン単結晶ウエーハであれば上記の不良要因を著しく低減できるものとなることを見出して、本発明を完成させた。以下、本発明をより詳細に説明する。

すなわち、本発明は、シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理を施した後、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理を施した場合に、前記シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、低温熱処理前の酸素濃度と高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎとの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、分割された全区間の８５％以上を占めるシリコン単結晶ウエーハである。

このように６００℃〜７００℃の低温熱処理を施すことで、単結晶成長中に形成され、電気特性の阻害要因となるサーマルドナーが消去され、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理を施すことでデバイス工程中に導入される金属不純物等のゲッタリング層が形成される。このような熱処理後のシリコン単結晶ウエーハの酸素濃度はデバイスプロセス後のシリコン単結晶ウエーハの酸素濃度と想定することができ、熱処理前と熱処理後の酸素濃度の差（析出酸素濃度）が後述する所定の要件を満たすことで均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハとなる。なお、その後想定されるデバイスプロセスに応じて、高温熱処理を２段階として３段階熱処理としてもよい。

また、本発明者らが行った直径方向の酸素析出量［Ｏｐ］の最大値と最小値の変動周期の評価によると変動周期は１０ｍｍ未満であるので前記区間を１０ｍｍ以上として算出すれば適正に評価することができる。一方、前記区間が１０ｍｍ未満の場合は酸素析出量［Ｏｐ］の最大値と最小値の変動周期より小さくなり、過小に評価する危険性があり、前記区間が１５ｍｍより大きい場合は、酸素析出量の長周期の変動の影響を受ける場合があり、酸素析出量の微少変動評価の正当性が失われる可能性がある。

前記区間を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さに分割する方法としては、ウエーハ直径を１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲に収まるように等分してもよいし、あるいは１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲の所定の区間の起点を例えば０．５ｍｍずつ（測定点のピッチずつ）直径方向へ移動させてもよい。そして、上記区間内の酸素析出量［Ｏｐ］の最大値と最小値の比（［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎ比）を測定点ピッチずつ移動させて算出する。

低温熱処理前及び高温熱処理後の酸素濃度の測定方法は、特に制限されないが、シリコン単結晶ウエーハの直径方向に０．５ｍｍ間隔のＦＴ−ＩＲスキャン測定で行うことが好ましい。０．５ｍｍ間隔のＦＴ−ＩＲスキャン測定の手段については、フーリエトランスフォーム計算機能の付いた赤外分光器に顕微鏡を付けたいわゆる顕微ＦＴ−ＩＲとすることができる。

デバイスプロセスにおいて高温熱処理により酸素析出物を形成すると、形成密度の多いところと少ないところが析出縞となることが知られている。デバイス製造にとっては、不純物のゲッタリングなどのためには酸素析出物の密度は均一であることが好ましい。ところが酸素析出物のストリエーションの現れる間隔は１ｍｍ以下と微小であり、そのような変動でさえデバイス構造の微細化に伴い、特に撮像素子などで様々な電気特性不良を引き起こすケースが増加している。その他にも酸素析出物の密度の不均一性は、デバイスプロセスにおいてウエーハの反りや変形の機械的不良要因となり得る場合もある。

そのため、本発明のシリコン単結晶ウエーハは、前記の熱処理をした場合において、シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間、好ましくは１０ｍｍ毎に分割した区間において、比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、分割された全区間の８５％以上を占めるものとする。これにより、均一で十分な不純物ゲッタリング能力が発揮され、デバイスプロセス後の電気特性が良好なものとなる。逆に、比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５より大きいと一区間内での酸素析出濃度の変動が大きいため均一なゲッタリング能力を有することができない。また、このような区間が全区間の８５％未満であると均一なゲッタリング能力を有する領域が狭く、結局シリコン単結晶ウエーハの全面で均一なゲッタリング能力を有することができない。

更に、これに加えて前記熱処理後の酸素濃度測定値［Ｏｉ］の最大値［Ｏｉ］ｍａｘと最小値［Ｏｉ］ｍｉｎの比［Ｏｉ］ｍａｘ／［Ｏｉ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、分割された全区間の８５％以上を占めるようにすることもできる。このような条件を満たすことでより均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハとなる。

また、このようにゲッタリング能力が高く均一な本発明のシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハや、このような本発明のシリコン単結晶ウエーハによって作製された貼り合わせ用のウエーハであるＳＯＩ用ボンドウエーハ、ＳＯＩ用ベースウエーハ、前記シリコン単結晶ウエーハに１１００〜１３５０℃の熱処理を施したアニールウエーハは品質の高いものとなる。

また、上記のように、シリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理と、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理とを施し、その後更にシリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、低温熱処理前の酸素濃度と高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間の、分割された全区間に占める割合によりシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価することができる。すなわち、比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが低く、このような比を有する区間の分割された全区間に占める割合が高ければシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性が高いと評価される。このように評価されたシリコン単結晶ウエーハは十分な不純物ゲッタリング能力を有し、デバイスプロセス後の電気特性が良好となる。

さらに、この区間は１０ｍｍ毎に分割した区間とし、及び／又は低温熱処理前及び高温熱処理後の酸素濃度測定は０．５ｍｍ間隔のＦＴ−ＩＲスキャン測定で行うことが好ましい。これにより、より精度よくシリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の均一性を評価することができる。

このシリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の不均一性は、例えばＸ線トポグラフィーにおいて、ストリエーション状のパターンとして確認できる。そのストリエーションの濃淡が強い場合はウエーハ面内の酸素析出量の最大値と最小値の格差が大きく不均一であることを示す。ストリエーションの原因は単結晶成長時のシリコン融液中の対流による不均一温度変動にあるといわれている。引き上げ速度をＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）としたときに、シリコン融液の温度変動はＦ／Ｇの変動に影響を与える。更にそのＦ／Ｇが単結晶成長中における成長固液界面からの空孔および格子間シリコンの点欠陥導入の駆動力となっている。前記ストリエーションはＦ／Ｇの変動によって変化する単結晶成長界面の空孔および格子間シリコンの比によって決定される。Ｆ／Ｇの値が大きい場合は空孔濃度優勢の成長界面上の欠陥形成となり、逆にＦ／Ｇが小さい場合は格子間シリコン優勢の欠陥形成となる。デバイスプロセス後には空孔濃度優勢の成長界面には酸素析出量やＢＭＤの密度が多く、格子間シリコン濃度優勢の場合は酸素析出量やＢＭＤの密度が少なくなるため、Ｆ／Ｇの変動が大きい場合はウエーハ面内において鮮明なストリエーションが形成され、酸素析出量やＢＭＤ密度が不均一の分布となる。酸素析出量やＢＭＤ密度のウエーハ面内における均一性は極めて重要であり、酸素析出量やＢＭＤ密度が多い場合はプロセス中に取り込まれる不純物のゲッタリング能力を十分に備えることができるが、そうでない場合はゲッタリング能力が不十分となり、電気特性にも悪影響を及ぼす恐れがある。そしてプロセス次第では電気特性不良の分布が基板に形成されるストリエーションと同じパターンとなることがある。

そこで、均一なゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハを製造するためのシリコン単結晶の製造方法では、高速成長においては格子間シリコン濃度優勢とならないよう、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値のシリコン単結晶の成長方向の全てで０．２３以上の範囲となるように制御してシリコン単結晶を引上げる。なお、特に制限されないが、この場合には０．２３以上０．５０以下の範囲であることが好ましい。

一方、低速成長の場合では、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値が０．１９以上０．２０以下の範囲となるように制御してシリコン単結晶を引き上げる。Ｆ／Ｇが０．２０より大きく０．２２以下の場合は積層欠陥が形成され易く、これがデバイスプロセス後の電気特性の阻害要因となり得る。また、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値が０．１９未満であると分割された全区間に格子間シリコンリッチの領域が形成されるため、ゲッタリング能力が不足する。

またウエーハ面内においてＢＭＤ析出量を均一に制御する場合、重要となるのがデバイスプロセス前の格子間酸素濃度１ｐｐｍａの単位変化量に対するデバイスプロセス後酸素析出量の変化量である。その格子間酸素濃度の単位変化量あたりの酸素析出変化量が大きくなるような単結晶成長工程を経て作製されたウエーハの場合、デバイスプロセス前のウエーハ面内の格子間酸素濃度のばらつきを小さく制御できてもデバイスプロセス後にはウエーハ面内の酸素析出量のばらつきが大きくなる。したがって、ＢＭＤの密度のミリメートルオーダーの周期的な不均一性を精密に抑制するのには、図６に示すように、熱処理前（デバイスプロセス前）の格子間酸素濃度１ｐｐｍａの単位変化量（図６横軸）に対するデバイスプロセス後酸素析出量の変化量（図６縦軸）が小さく、特に２．５ｐｐｍａ以下となるようにすることが望ましく、具体的には８００℃〜６５０℃までの引き上げ装置炉内温度帯の結晶成長時間を制御しつつシリコン単結晶を引き上げることが望ましい。

酸素析出ストリエーションを抑制するためには、デバイスプロセスの高温熱処理で発生する酸素析出物析出量の多い領域と少ない領域のうち、酸素析出物析出量の少ない領域においても酸素析出物が多く形成されその密度が増加すれば良い。酸素析出物の密度を増加させるためには、シリコン単結晶の成長中に析出核を増加させる必要があり、その増加を促進させる引き上げ装置炉内温度帯が８００℃〜６５０℃である。引上げ中のシリコン単結晶がこの引き上げ装置炉内温度帯を長時間かけて通過すれば、析出酸素が飽和濃度あるいは飽和濃度に近づくため、デバイスプロセス前の格子間酸素濃度１ｐｐｍａの単位変化量に対するデバイスプロセス後［Ｏｐ］の変化量を２．５ｐｐｍａ以下に抑制することができる。

図４に、本発明のシリコン単結晶を製造する方法を実施する際に用いることのできる単結晶引き上げ装置の例を示す。図４に記載の引き上げ装置はメインチャンバー１１及びプルチャンバー１２を備えており、メインチャンバー１１内には、溶融された原料融液を収容するための石英ルツボ１３と石英ルツボ１３を支持する黒鉛ルツボ１４が設けられている。

このメインチャンバー内に装備する炉内部品の最適構造や湯面、発熱中心の位置関係などの最適条件は、熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧの計算により算出した結果である。デバイスプロセス前の格子間酸素濃度１ｐｐｍａの単位変化量に対するデバイスプロセス後［Ｏｐ］の変化量が２．５ｐｐｍａ以下となるように制御するために、ＦＥＭＡＧによる熱数値解析結果から８００℃から６５０℃までの引き上げ装置炉内温度帯の推定を行い、引上げ中のシリコン単結晶通過時間を２００分以上５００分以下となるような条件を適用した。

８００℃から６５０℃までの引き上げ装置炉内温度帯の引上げ中のシリコン単結晶通過時間を２００分以上５００分以下となるような具体的な方法として、図４に示すようなメルトより上部に冷却チャンバー側方から上部内壁までの除熱量を抑えるため、ホットゾーン上部を上部断熱材１で覆った引き上げ装置（装置Ａ）、冷却チャンバーの上方からの徐熱を抑えてさらに徐冷効果を高めるため、冷却チャンバー上方の引き上げ結晶通路部の内壁を断熱材で覆った断熱筒４を有する引き上げ装置（装置Ｂ）、強制冷却のための水冷ジャケットが付帯設備である引き上げ装置であって水冷筒５の内壁を水冷筒被覆断熱材６で覆った引き上げ装置（装置Ｃ）が例示される。あるいは、メルトより上部のガス整流筒設置部分に加熱手段を設ける、ヒーターの加熱部分（スリット）の延伸若しくは発熱中心の上方移動などの方法により、さらに徐冷効果を高める手段を用いてもよい。

また、シリコン単結晶の引き上げにおいて、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値が０．２３以上又は０．１９以上０．２０以下に制御可能なように、引き上げ装置のチャンバーおよび引き上げ装置炉内部品のレイアウトを変更したり、ルツボの上方に下端部に断熱カラー付きの円筒形状の黒鉛材からなるガス整流筒２を設置したり、ガス整流筒２の下端からシリコンメルト表面までの距離、あるいはヒーター３の駆動により発熱中心の位置を調整したりするなどの手段を講じることもできる（図４）。

上記の炉内構造は、熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧの計算から単結晶成長中のＦ／Ｇが予め大きくなるように設計されており、例えメルト温度の変動によって制御パラメーターの成長速度（Ｆ）が変動しようとも、酸素析出ストリエーションを現出させるＦ／Ｇ領域に抵触しないよう工夫されている。また、引上げ中のシリコン単結晶が、酸素析出ストリエーションの析出量の少ない領域において酸素析出物の析出核増加を促進させる引き上げ装置炉内温度帯である、８００℃から６５０℃の領域を長時間通過できるように設計されている。

このような装置を用いて、まず、石英ルツボ中に、シリコン単結晶の原料である多結晶シリコンを充填する。この時基板の抵抗率を決定するリン、ホウ素、砒素、アンチモン、ガリウム、ゲルマニウム、アルミニウムなど所望の抵抗率制御用のドーパントも添加する。抵抗率制御用のドーパント以外に用途に応じて窒素や炭素をドープする場合もある。石英ルツボに原料を充填した後、真空ポンプを稼動させてガス流出口から排気しながら引き上げチャンバーに設置されたガス導入口からＡｒガスを流入し、内部をＡｒ雰囲気に置換する。次に黒鉛ルツボを囲繞するように配置されたヒーターで加熱し、原料を溶融させて原料融液を得る。原料溶融後、種結晶を原料融液に浸漬し、種結晶を回転させながら引き上げて棒状のシリコン単結晶を育成することができる。

以下、本発明の実施例および比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図４（装置Ａ）の引き上げ装置のメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇを充填した。さらに抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型シリコン単結晶を育成した。その際、引き上げ速度をＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）で表した時、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）のシリコン単結晶の成長方向の変動幅が０．２４〜０．２７となるようにした。

引き上げたシリコン単結晶からスライスしたウエーハを鏡面加工し、下記の３段熱処理を施した。下記３段熱処理前後のウエーハを赤外分光器に顕微鏡を付けた顕微ＦＴ−ＩＲによって、ウエーハの直径方向に０．５ｍｍステップで走査させ、１１０７ｃｍ^−１格子間酸素とシリコンのＳｉ−Ｏピークを使用して格子間酸素濃度を測定した。その際、顕微ＦＴ−ＩＲの空間分解能を１００μｍ×１００μｍとし、酸素濃度の測定ばらつきを０．０１ｐｐｍａ（１９７９年ＡＳＴＭ基準）以下に抑えることを可能にし、測定に供した。
（３段熱処理条件）
１段目・・・６５０℃窒素雰囲気中・２０分間
２段目・・・８００℃・４時間ドライ酸化
３段目・・・１０００℃・１４時間ドライ酸化処理後冷却

更に酸素析出発生領域の重金属不純物ゲッタリング能力を評価するため、ウエーハにＮｉを故意汚染して、８００℃のドライブイン熱処理を施して急冷した後、任意の位置の比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎと表面のシャローピットを観察した。結果を表１に示す。

実施例１は、ウエーハ直径方向を１０ｍｍ毎に分割した区間あたりの熱処理前後の酸素濃度測定値の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが、１．２５以下である区間が、分割された全区間のほぼ全域（９４．７％）を占めていた。図１（ａ）に実施例のウエーハの前記熱処理後のＸ線トポグラフィーイメージを示し、図２に実施例の顕微ＦＴ−ＩＲの測定によるウエーハ径方向の［Ｏｐ］値の分布を示す。Ｘ線トポグラフィーイメージによれば、明瞭な析出酸素のストリエーションパターンが見当たらなかった。

また、下記表１に示すとおり、Ｎｉの故意汚染によりウエーハ表面のシャローピットを観察した結果、シャローピットを検出できなかった。

（実施例２）
Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）のシリコン単結晶の成長方向の変動幅が０．２４〜０．２８となるようにした以外は実施例１と同様にシリコン単結晶を育成した。その後、実施例１と同様に引き上げたシリコン単結晶からスライスしたウエーハを鏡面加工し、上記の３段熱処理を施し、格子間酸素濃度を測定した。結果を表１に示す。

実施例２は、ウエーハ直径方向を１０ｍｍ毎に分割した区間あたりの熱処理前後の比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが、１．２５以下である区間が、分割された全区間の８６．０％を占めていた。また、下記表１に示すとおり、Ｎｉの故意汚染によりウエーハ表面のシャローピットを観察した結果、シャローピットを検出できなかった。

（比較例）
図５の引き上げ装置に、実施例と同様にメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇを充填した。さらに抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。そして、ＭＣＺ法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型シリコン単結晶を育成した。その際、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）のシリコン単結晶の成長方向の変動幅が０．２２〜０．２５となるようにした。

その後、実施例１と同様に引き上げたシリコン単結晶からスライスしたウエーハを鏡面加工し、上記の３段熱処理を施し、格子間酸素濃度を測定した。結果を表１に示す。

比較例は、ウエーハ直径方向を１０ｍｍ毎に分割した区間あたりの熱処理前後の比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが、１．２５以下である前記区間が、分割された全区間の２２％程度であった。図１（ｂ）に比較例のウエーハの前記熱処理後のＸ線トポグラフィーイメージを示し、図３に比較例の顕微ＦＴ−ＩＲの測定によるウエーハ径方向の［Ｏｐ］値の分布を示す。Ｘ線トポグラフィーイメージによれば、実施例のウエーハと異なり、析出酸素のストリエーションパターンの濃淡が明瞭に観察できた。

また、下記表１に示すとおり、Ｎｉの故意汚染によりウエーハ表面のシャローピットを観察した結果、シャローピットがある部分とない部分が混在する結果であった。特に、［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎの比が１．３を超える領域において、シャローピットが検出され、ゲッタリング能力が不十分であることが分かった。

※ＮＤ：検出限界以下

このように、本発明のシリコン単結晶ウエーハであれば、種々のデバイスプロセスにおいて、ＢＭＤが均一に形成され、均一なゲッタリング能力を有する優れたものとなる。また、本発明のシリコン単結晶の製造方法を用いれば、容易に半導体デバイス又は太陽電池の電気的に特性を阻害しないシリコン単結晶を安定して製造できる。さらに、本発明の評価方法であれば、シリコン単結晶ウエーハ面内の酸素析出量の均一性を精度よく判定することができることが分かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本発明は製造されるシリコン単結晶の結晶方位、導電型、抵抗率などに限定されることなく適用できる。

１…上部断熱材、 ２…ガス整流筒、 ３…ヒーター、 ４…断熱筒、 ５…冷却筒、 ６…冷却筒被覆断熱材、 １１…メインチャンバー、 １２…プルチャンバー、 １３…石英ルツボ、 １４…黒鉛ルツボ

Claims (9)

1. シリコン単結晶ウエーハであって、
   該シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理を施した後、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理を施した場合に、
   前記シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、前記低温熱処理前の酸素濃度と前記高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎとの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、前記分割された全区間の８５％以上を占めるものであることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
2. 前記１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、前記高温熱処理後の酸素濃度［Ｏｉ］の最大値［Ｏｉ］ｍａｘと最小値［Ｏｉ］ｍｉｎとの比［Ｏｉ］ｍａｘ／［Ｏｉ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間が、前記分割された全区間の８５％以上を占めるもの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ウエーハ。
3. 前記区間は、１０ｍｍ毎に分割した区間であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン単結晶ウエーハ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を有するものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶ウエーハによって作製されたものであることを特徴とする貼り合わせ用ウエーハ。
6. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶ウエーハに１１００〜１３５０℃の熱処理を施したものであることを特徴とするアニールウエーハ。
7. シリコン単結晶の製造方法であって、
   引き上げ速度をＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）、シリコン融点から１４００℃の間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）としたときに、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値の前記シリコン単結晶の成長方向の全てで０．２３以上又は０．１９以上０．２０以下の範囲となるように制御して前記シリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
8. シリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価する方法であって、
   前記シリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、前記シリコン単結晶ウエーハに６００℃〜７００℃の低温熱処理と、７５０℃〜１０５０℃の高温熱処理とを施し、その後更に前記シリコン単結晶ウエーハの直径方向の酸素濃度測定を行い、
   前記シリコン単結晶ウエーハの直径を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さ毎に分割した区間のうち、前記低温熱処理前の酸素濃度と前記高温熱処理後の酸素濃度の差［Ｏｐ］の最大値［Ｏｐ］ｍａｘと最小値［Ｏｐ］ｍｉｎの比［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎが１．２５以下となる区間の、前記分割された全区間に占める割合により前記シリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性を評価することを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性評価方法。
9. 前記区間は１０ｍｍ毎に分割した区間とし、及び／又は前記低温熱処理前及び前記高温熱処理後の酸素濃度測定は０．５ｍｍ間隔のＦＴ−ＩＲスキャン測定で行うことを特徴とする請求項８に記載のシリコン単結晶ウエーハの酸素析出量の面内均一性評価方法。

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