JP2017095296A - シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法およびシリコン単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン単結晶の酸素濃度の変動を適切に評価可能なシリコン単結晶の酸素濃度評価方法の提供。
【解決手段】直胴部から評価サンプルを切り出しＳ１，評価サンプルにおける第１の評価範囲の酸素濃度をシリコン単結晶の軸方向に沿って第１の長さのピッチで測定しＳ２、第１の評価範囲に含まれる第２の評価範囲における測定結果の最大値と最小値との差分を算出しＳ３、第１の評価範囲全体に対して差分算出を行っていないと判断した場合Ｓ４（Ｎ）、第２の評価範囲を軸方向に沿って第２の長さだけ移動させた範囲を新しい第２の評価範囲として設定して差分算出を行いＳ５、第１の評価範囲全体に対して差分算出を行っていると判断した場合Ｓ４（Ｙ）、全ての差分の中央値をシリコン単結晶の酸素濃度の変動値として算出するＳ６、シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法およびシリコン単結晶に関する。

従来、シリコン単結晶を製造する方法として、ＣＺ法（チョクラルスキー法）が知られている。このＣＺ法で製造されたシリコン単結晶から得られるシリコンウェーハは、ＣＩＳ（ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｃｅｎｓｏｒ）に用いられている。

ＣＩＳの製品不良としては、画像のムラが挙げられ、この画像のムラの原因の一つとして、シリコンウェーハ面内における酸素濃度の変動が挙げられる。
シリコンウェーハ面内の酸素濃度の変動は、酸素不純物に起因する成長縞の発生状態に対応すると考えられている。詳細に説明すると、成長縞は、平面状ではなく、シリコン単結晶製造時の固液界面の形状に対応する曲面状に発生する。このため、シリコン単結晶を軸に直交する方向に切断して得られるシリコンウェーハの面内には、複数の成長縞が同心状に存在することになり、この成長縞の存在状態が酸素濃度の変動に対応すると考えられている。

このような酸素濃度の変動を算出する方法としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
この特許文献１に記載の方法では、シリコン単結晶から切り出した評価サンプルの格子間酸素濃度を、シリコン単結晶の軸方向に約７ｍｍ幅１００μｍステップで測定し、この測定値のピークの山と谷の部分の濃度差に基づいて、格子間酸素濃度の変動を評価する。

特開平５−９７５８４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、測定値のピークの山と谷とのそれぞれ１点ずつしか評価に用いないため、酸素濃度の変動を適切に評価できないおそれがある。

本発明の目的は、シリコン単結晶の酸素濃度の変動を適切に評価可能なシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法、および、この評価方法により酸素濃度の変動値が所定値以下であると評価されたシリコン単結晶を提供することにある。

本発明のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法は、シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法であって、前記シリコン単結晶の直胴部から評価サンプルを切り出すサンプル取得工程と、前記評価サンプルにおける第１の評価範囲の酸素濃度を前記シリコン単結晶の軸方向に沿って第１の長さのピッチで測定する測定工程と、前記第１の評価範囲に含まれる第２の評価範囲における前記測定工程での測定結果の最大値と最小値との差分を算出する差分算出工程と、前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行ったか否かを判断する判断工程と、前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行っていないと判断した場合、前記第２の評価範囲を前記軸方向に沿って第２の長さだけ移動させた範囲を新しい第２の評価範囲として設定して、前記差分算出工程を行う評価範囲移動工程と、前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行っていると判断した場合、前記差分算出工程で求められた全ての差分の中央値を前記シリコン単結晶の酸素濃度の変動値として算出する変動値算出工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、シリコン単結晶の酸素濃度の変動を適切に評価することができる。

本発明のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法において、前記第２の評価範囲の前記軸方向に沿う長さは、前記シリコン単結晶育成時における固液界面の中央の高さ位置から外縁の高さ位置までの長さに等しいことが好ましい。

ここで、第２の評価範囲の長さを、固液界面の中央の高さ位置から外縁の高さ位置までの長さ（以下、「固液界面の中央高さ」という）より長くする場合、第２の評価範囲に含まれる成長縞の数が、この第２の評価範囲から得られるシリコンウェーハに存在する成長縞の数より多くなってしまう。このため、１回の第２の評価範囲の測定結果に、シリコンウェーハに存在しない成長縞の測定値も含まれることになる。一方、第２の評価範囲の長さを固液界面の中央高さより短くする場合、逆に、第２の評価範囲に含まれる成長縞の数が、シリコンウェーハの成長縞の数より少なくなってしまうため、１回の第２の評価範囲の測定結果に、シリコンウェーハに存在する成長縞の測定値が含まれないことになる。したがって、第２の評価範囲の長さが固液界面の中央高さと異なる場合、シリコンウェーハの酸素濃度の変動を適切に評価できないおそれがある。
本発明によれば、第２の評価範囲の長さを固液界面の中央高さと等しくするため、第２の評価範囲に含まれる成長縞の数と、この第２の評価範囲から得られるシリコンウェーハに存在する成長縞の数とを等しくすることができる。したがって、１回の第２の評価範囲の測定結果に、シリコンウェーハに存在する全ての成長縞のみの測定値を含めることができ、シリコンウェーハの酸素濃度の変動を適切に評価することができる。なお、「中央」とは、厳密な中心に加えて、本発明の課題を解決できる範囲で中心からずれた位置も含む概念である。

本発明のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法において、前記評価サンプルの前記軸方向に沿う長さは、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。

ここで、評価サンプルの長さが５０ｍｍを超える場合、評価サンプルは製品として使用できないため、直胴部の製品領域が小さくなってしまうおそれがある。一方、評価サンプルの長さが３０ｍｍ未満の場合、評価範囲が小さくなり、適切に評価できないおそれがある。
本発明によれば、評価サンプルの長さを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にすることで、上述の不具合を抑制することができる。

本発明のシリコン単結晶は、上述のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法を用い、前記第１の評価範囲の前記軸方向に沿う長さを、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、前記第２の評価範囲の前記軸方向に沿う長さを、前記シリコン単結晶育成時における固液界面の中央の高さ位置から外縁の高さ位置までの長さに等しい４ｍｍ、前記第１の長さおよび前記第２の長さを０．１ｍｍにした条件で評価した結果、前記変動値が３．３０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である直胴部を有することを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法の説明図。 図１の領域Ｐにおける成長縞の発生状態の説明図。 前記一実施形態のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法を示すフローチャート。 前記一実施形態の酸素濃度の測定結果の一例を示すグラフ。 評価方法の検討に用いる模擬的な酸素濃度の測定結果を示すグラフ。 実施例、比較例１〜３の評価方法の評価結果を示すグラフ。 実施例１の酸素濃度の測定結果を示すグラフ。 実施例２の酸素濃度の測定結果を示すグラフ。 実施例３の酸素濃度の測定結果を示すグラフ。 実施例４の酸素濃度の測定結果を示すグラフ。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態として、シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法について、図面を参照して説明する。なお、図１は、シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法の説明図であり、図２は、図１の領域Ｐにおける成長縞の発生状態の説明図である。

まず、図１に示すようなシリコン単結晶１を準備する。シリコン単結晶１は、ＣＺ法またはＭＣＺ法で製造され、肩部２と、直胴部３と、テール部４とを備えている。
このシリコン単結晶１の育成時における固液界面は、その中央が外縁よりも引き上げ方向側に位置する曲面形状（以下、「上凸形状」という）になっている。その結果、図２に示すように、成長縞３４は、固液界面の上凸形状と同様に、シリコン単結晶１の軸Ｃ上の位置が外縁３Ａ側よりも上側に位置する曲面形状になる。

次に、シリコン単結晶１の直胴部３から評価サンプル３２を切り出す（ステップＳ１：サンプル取得工程）。具体的には、図１に示すように、まず、直胴部３から（短尺）円柱状のブロック３１を切り出す。この後、このブロック３１から、軸Ｃを含む面が評価面３３になるような板状の評価サンプル３２を切り出して、評価面３３とその反対側の面とを研磨する。この評価サンプル３２の軸Ｃに沿う方向の長さは、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましい。

次に、評価サンプル３２の評価面３３における第１の評価範囲Ａの酸素濃度を、軸Ｃの方向に沿って第１の長さのピッチで測定する（ステップＳ２：測定工程）。
第１の評価範囲Ａの長さは、図１に示すように、評価面３３の長さと同じであってもよいし、評価面３３の長さより短くてもよい。また、第１の長さは、特に限定されず、測定装置の性能や評価精度などに応じて設定することができる。
このステップＳ２の処理により、例えば図４に示すような結果が得られる。

この後、第２の評価範囲Ｂにおける測定工程での測定結果の最大値と最小値との差分を算出する（ステップＳ３：差分算出工程）。
第２の評価範囲Ｂは、図１，４に示すように、第１の評価範囲Ａよりも小さく設定されている。また、第２の評価範囲Ｂの軸Ｃに沿う方向の長さは、図２に点線で示すように、当該第２の評価範囲Ｂの一端（上端）が任意の成長縞３４Ａの中央と同じ高さに位置し、他端（下端）が当該成長縞３４Ａの外縁と同じ高さに位置するように設定されている。すなわち、第２の評価範囲Ｂの軸Ｃに沿う方向の長さは、固液界面の中央高さと等しい値に設定されている。このような構成により、１回の第２の評価範囲Ｂの測定結果に、シリコンウェーハに存在する全ての成長縞３４のみの測定値を含めることができ、シリコンウェーハの酸素濃度の変動を適切に評価することができる。
なお、第２の評価範囲Ｂの長さ設定に用いる固液界面の形状は、シリコン単結晶１の製造条件に基づき推定したものであってもよいし、直胴部３から切り出したサンプルをＸ線トポグラフ法などで測定することで得られたものであってもよい。また、１回目のステップＳ３の処理は、図４に示すように、端部が第１の評価範囲Ａの端部と重なる第２の評価範囲Ｂ１に対して行われる。

次に、第１の評価範囲Ａ全体の差分算出が終了したか否かを判断する（ステップＳ４：差分算出工程）。
このステップＳ４において、差分算出が終了していないと判断した場合、新しい第２の評価範囲Ｂを設定して（ステップＳ５：評価範囲移動工程）、この新しい第２の評価範囲Ｂに対してステップＳ３の処理を行う。例えば、図４に示すように、第２の評価範囲Ｂ１を軸Ｃに沿って第２の長さＬだけ移動させた範囲を、新しい第２の評価範囲Ｂ２として設定する。なお、第２の長さＬは、第１の長さ、すなわち第１の評価範囲Ａの測定ピッチと等しいことが好ましいが、第１の長さより長くてもよい。第２の長さＬを第１の長さと等しくすることにより、第１の長さより長くした場合と比べて、多くの第２の評価範囲Ｂに対するステップＳ３の処理を行うことができ、評価精度を高めることができる。

一方、ステップＳ４において、第１の評価範囲Ａ全体の差分算出が終了したと判断した場合、全ての差分の中央値をシリコン単結晶１の酸素濃度の変動値として算出して（ステップＳ６：変動値算出工程）、処理を終了する。例えば、図４に示すように、第２の評価範囲Ｂｎに対するステップＳ３の処理終了後に、ステップＳ６が行われる。

上述の酸素濃度の評価終了後、ステップＳ６で得られた変動値が所定値以下のシリコン単結晶を製品（画像ムラが発生しないＣＩＳを得ることができる単結晶）として選別し、所定値を超えるシリコン単結晶を、製品として選別しない。
なお、所定値としては、第１の評価範囲Ａの軸Ｃに沿う長さを、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、第２の評価範囲Ｂの軸Ｃに沿う長さを、固液界面の中央高さに等しい４ｍｍ、第１の長さおよび第２の長さＬを０．１ｍｍにした場合であって、ＣＩＳの画像ムラの発生状況を推定するための評価においては、３．３０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることが挙げられるが、第１，第２の評価範囲Ａ，Ｂの長さ、第１，第２の長さ、あるいは、発生状況を推定する不具合の種類に応じて、他の値にすることができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能であり、その他、本発明の実施の際の具体的な手順、及び構造などは本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。

例えば、第２の評価範囲Ｂの軸Ｃに沿う方向の長さを、固液界面の中央高さより長くしてもよいし、短くしてもよい。
本発明の酸素濃度の評価方法を、育成時における固液界面が下凸形状（中央が外縁よりも引き上げ方向に対して反対側に位置する曲面形状）のシリコン単結晶の評価に用いてもよい。
評価サンプル３２をシリコン単結晶１の外縁側から切り出すことで、評価面３３が軸Ｃを含まない面になるようにしてもよい。

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

〔評価方法の検討〕
まず、図５に示す模擬的な酸素濃度の測定結果（変動１〜５）を設定し、この変動１〜５を適切に評価できる方法の検討を行った。変動１〜５を表す波形の特性は、以下の表１に示す通りである。なお、表１中、周期ｆ１〜ｆ４および振幅Ｍ１〜Ｍ２は、それぞれ以下の関係を満たす。また、表１中の「濃度分布の評価」は、本発明者が設定したものであり、「良い」は許容できる変動であり、「悪い」は許容できない変動であり、「少し悪い」は「良い」と「悪い」との間の変動であり、許容の余地があることを表す。
・周期：ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４
・振幅：Ｍ１＜Ｍ２

そして、以下に示す実施例、比較例１〜３の評価方法を用いて、変動１〜５を評価した。その評価結果を図６に示す。
＜実施例の評価方法＞
上記実施形態の図３に基づく本発明の酸素濃度の評価方法において、以下の条件を用いて酸素濃度の変動値を算出した。
第１の評価範囲：１００ｍｍ
第２の評価範囲：４．０ｍｍ
第１の長さ ：０．１ｍｍ
第２の長さ ：０．１ｍｍ
＜比較例１の評価方法＞
上記特許文献１の評価方法であって、測定値の最大値と最小値との差分を酸素濃度の変動値として算出した。
＜比較例２の評価方法＞
測定値の標準偏差を酸素濃度の変動値として算出した。
＜比較例３の評価方法＞
隣接する測定値の差分を全ての測定値に対して算出し、この算出した差分の標準偏差を酸素濃度の変動値として算出した。

図６に示すように、実施例の評価方法では、濃度分布の評価が悪いほど変動値が大きくなることが確認できた。これに対して、比較例１〜３の評価方法では、濃度分布の評価が悪いほど変動値が大きくなるという関係が見られなかった。
以上のことから、図３に示すような本発明の酸素濃度の評価方法を用いることで、シリコン単結晶の酸素濃度の変動を適切に評価できることが確認できた。

〔シリコン単結晶の酸素濃度の評価〕

次に、本発明を用いたシリコン単結晶の酸素濃度の評価について説明する。
まず、ＭＣＺ法により互いに異なる条件で製造された実施例１〜４のシリコン単結晶を準備した。シリコン単結晶の主な特性を以下に示す。
直径：２００ｍｍ
固液界面形状：上凸形状
固液界面の中央高さ：４．０ｍｍ

次に、シリコン単結晶の直胴部から、軸を含む面が評価面になるような板状の評価サンプルを切り出した。評価サンプルの高さ（シリコン単結晶の軸方向長さ）を、実施例１，４では５０ｍｍ、実施例２，３では３０ｍｍにした。また、実施例１〜４の評価サンプルの厚さ（シリコン単結晶の径方向長さ）を、１．５ｍｍにした。
そして、評価サンプルの評価面とその反対側の面とを厚さが１．２ｍｍになるまで研磨し、ビーム径１００μｍの顕微ＦＴＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：フーリエ変換赤外分光法）（パーキンエルマー社製、Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ）を用い、以下の条件で評価面の酸素濃度を測定した。実施例１〜４の測定結果を図７〜１０に示す。
第１の評価範囲：５０ｍｍ（実施例１，４）、３０ｍｍ（実施例２，３）
第１の長さ ：０．１ｍｍ

その後、図７〜１０に示す結果に基づき、以下の条件で酸素濃度の変動値を算出した。また、実施例１〜４とそれぞれ同じ条件で製造したシリコン単結晶を用いてＣＩＳを製造し、画像ムラの発生状況を評価した。これらの結果を表２に示す。なお、酸素濃度はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）による測定値である。
第２の評価範囲：４．０ｍｍ
第２の長さ ：０．１ｍｍ

表２に示すように、変動値が３．３０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の実施例１，２では、画像ムラが発生しておらず、３．３０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える実施例３，４では、画像ムラが発生していることが確認できた。

１…シリコン単結晶、３…直胴部、３２…評価サンプル、３３…評価面。

Claims (4)

1. シリコン単結晶の酸素濃度の評価方法であって、
   前記シリコン単結晶の直胴部から評価サンプルを切り出すサンプル取得工程と、
   前記評価サンプルにおける第１の評価範囲の酸素濃度を前記シリコン単結晶の軸方向に沿って第１の長さのピッチで測定する測定工程と、
   前記第１の評価範囲に含まれる第２の評価範囲における前記測定工程での測定結果の最大値と最小値との差分を算出する差分算出工程と、
   前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行ったか否かを判断する判断工程と、
   前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行っていないと判断した場合、前記第２の評価範囲を前記軸方向に沿って第２の長さだけ移動させた範囲を新しい第２の評価範囲として設定して、前記差分算出工程を行う評価範囲移動工程と、
   前記第１の評価範囲全体に対して前記差分算出工程を行っていると判断した場合、前記差分算出工程で求められた全ての差分の中央値を前記シリコン単結晶の酸素濃度の変動値として算出する変動値算出工程とを備えていることを特徴とするシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法。
2. 請求項１に記載のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法において、
   前記第２の評価範囲の前記軸方向に沿う長さは、前記シリコン単結晶育成時における固液界面の中央の高さ位置から外縁の高さ位置までの長さに等しいことを特徴とするシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法において、
   前記評価サンプルの前記軸方向に沿う長さは、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とするシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法。
4. 請求項１に記載のシリコン単結晶の酸素濃度の評価方法を用い、
   前記第１の評価範囲の前記軸方向に沿う長さを、３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、
   前記第２の評価範囲の前記軸方向に沿う長さを、前記シリコン単結晶育成時における固液界面の中央の高さ位置から外縁の高さ位置までの長さに等しい４ｍｍ、
   前記第１の長さおよび前記第２の長さを０．１ｍｍにした条件で評価した結果、前記変動値が３．３０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である直胴部を有することを特徴とするシリコン単結晶。