JP2785585B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

シリコン単結晶の製造方法

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泉 布施川
雅規 木村
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  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はチョクラルスキー(C
Z)法によりシリコン単結晶を製造する方法に関し、特
に、単結晶に発生するセコエッチピットの発生を抑制す
ることのできるシリコン単結晶製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコンウェーハに発生するセコエッチ
ピットはデバイスの電気的特性とりわけ酸化膜耐圧を低
下させることが知られている。かかるセコエッチピット
の発生を防止する方法は、すでに幾つか提案されてい
る。
【0003】それらの方法の一つとして、セコエッチピ
ットの原因となる単結晶成長プロセス中の結晶欠陥の導
入を抑制すべく、単結晶の引上げ速度を従来よりも低速
(約0.4mm/min)で行う方法がある。
【0004】他の方法としては、シリコンウエーハ内部
に格子間酸素等を析出させてゲッタリング源として、欠
陥を取り込む技術がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、単結晶の引上
げ速度を従来よりも低速で行う前者の方法は、生産性の
著しい低下を招き実用的でなく、また、シリコンウエー
ハ内部にゲッタリング源として欠陥を取り込む後者の方
法は、1000℃以上の熱処理工程を必要とし、生産工
程が複雑化して好ましくない。
【0006】本発明は上記問題点を解決するものであ
り、極めて簡単な手段でセコエッチピットの発生を効果
的に抑制することのできるシリコン単結晶製造方法を提
供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1に係る本発明のシリコン単結晶製造方法で
は、CZ法によるシリコン単結晶の製造工程において、
窒素濃度を管理したFZシリコン結晶を原料シリコンに
添加して単結晶引き上げを行い、セコエッチピットの発
生数をコントロールすることを特徴としている。
【0008】さらに、請求項2に係る本発明のシリコン
単結晶製造方法では、CZ法によるシリコン単結晶の製
造工程において、表面に窒化珪素膜を形成したウエーハ
を原料シリコンに混入することにより原料シリコンに窒
素を添加し、セコエッチピットの発生数をコントロール
するようにしている。
【0009】
【作用】上記手段からなる本発明のうち請求項1に係る
ものにおいては、原料シリコン中に添加した窒素が点欠
陥の一種である空孔と相互に作用又は結合してクラスタ
ーの生成を抑制する。従って、空孔が関与したクラスタ
ーからなると考えられているセコエッチピットの発生が
抑制される。
【0010】また、本発明のうち請求項2に係るものに
おいては、原料シリコンに窒化珪素膜を形成したウエー
ハを混入して溶融シリコン中に窒素を混入する。この溶
融シリコン中から単結晶を引上げることにより単結晶中
に窒素原子が容易に導入される。
【0011】通常のアルゴンガス中のFZ結晶の工程に
おいて、その初期に窒素(N2 )ガスを適当量、アルゴ
ンガス雰囲気中に混入させることによって、FZ結晶全
長に亘って均一に窒素をドープしたものが容易に得られ
る。窒素濃度としては1×1014 〜1×1016 個/c
3 のものが調整される。前記窒素ガスの混入量は、そ
の流量および時間で決めるが、得られるFZ単結晶棒中
の窒素濃度は目標値の±10%に管理することができ、
かかる管理されたFZ結晶の適当量をCZ法原料シリコ
ンに添加することによって、定量的に引上げ単結晶用シ
リコン融液中の窒素濃度を制御できる。しかし、かかる
シリコン融液中の窒素濃度制御は他の方法でも可能であ
る。
【0012】
【実施例】以下、本発明のシリコン単結晶製造方法のい
くつかの実施例を説明する。
【0013】まず、第1の実施例について説明する。こ
の実施例は、窒素をドープして製造したFZ結晶を窒素
添加用原料として用いることにより、CZ結晶に窒素の
導入を行うものである。つまり、窒素をドープして製造
したFZ結晶を小塊に砕き、これを石英るつぼ内であら
かじめ溶融させて形成したシリコン融液中に所定量添加
し、次いで種結晶を浸し、石英るつぼと種結晶を同方向
あるいは逆方向に回転させつつ当該種結晶を引き上げて
CZ結晶に窒素の導入を行うものであるが、本実施例で
は、引上げ速度を1mm/minにし、ボロンドーパン
トを加え、石英るつぼと種結晶とを逆方向に回転させ
た。
【0014】なお、通常1×1014 〜1×1016 個/
cm3 程度の窒素濃度となるように製造管理されたFZ
結晶を原料として用いるが、この実施例ではFZ結晶の
窒素濃度が1×1016 個/cm3 程度になっているも
のを用いた。
【0015】シリコン単結晶中に導入される窒素原子の
濃度を試算すると次の通りである。本実施例により上述
の原料を45kg準備して6インチ[100]結晶の引
上げを行った。この場合、固体原料のバルク中に含まれ
ていた窒素原子は原料の溶融にともない一部は蒸発する
が、大部分はメルト中に残留し、偏析現象を経てCZ単
結晶中に取り込まれると考えられる。従って、原料中の
窒素濃度(1×1016)と窒素の偏析係数(7×10-4
)とから1×1016 ×7×10-4 =7×1012 個/
cm3 程度の窒素原子がCZ単結晶中に含まれる。
【0016】以上説明した条件に従い実際にCZ法によ
りシリコン単結晶の引上げをおこなったところ、従来1
500個/cm2 程度の密度で発生していたセコエッチ
ピットが約700個/cm2 以下にまで減少することが
確認された。
【0017】次に、第2の実施例について説明する。こ
の実施例は多結晶シリコンの溶融工程を窒素雰囲気中で
行うことにより原料シリコン中に窒素を添加するもので
ある。つまり、原料シリコン(多結晶シリコン)の溶融
工程の初期段階でアルゴンガス中に小量の窒素ガスを混
入してそれを原料シリコンに向けて流すことにより、多
結晶シリコン表面に一旦窒化珪素膜が生成し、しかる後
に窒化珪素膜が融液シリコン中に溶解する。本実施例で
は、2リットル/minの窒素ガスをアルゴンガス中に
混入して溶融初期の10分間流した使用した。
【0018】この場合には、引き上げられたCZ単結晶
中には4×1014 個/cm 3の密度で窒素原子が含まれ
ることになる。次に、この点について詳しく説明する。
【0019】FZ結晶にあっては、窒素の添加を行って
いるが、4インチの窒素ドープFZ結晶のコーン形成時
に、N2 ガスを400cc/min、40分間(計16
リットル)流すことにより、4×1015 個/cm3 のN
原子がドープされることが実験的に確かめられている。
【0020】これを参考に、CZ単結晶中の窒素濃度を
試算する。
【0021】CZ法の成長は自然凝固の一形態なので、
成長方向の不純物分布Csは次式で表される。 Cs=kC0 (1−l)k-1 ここで、kは偏析係数であって窒素の偏析係数は7×1
-4 と小さい。なお、C0 は初期不純物濃度であり、
lは固化率である。よって、固化率を90パーセントで
CZ残湯中の窒素濃度はスタート時の肩の部分とテール
の部分とを比較すれば、テールの部分では1桁濃縮され
ることになる。
【0022】したがって、CZシリコンメルト量を45
kgとし、先ほどのFZ結晶の4インチメルト体積を1
55cm3 とした場合、テールの部分で4×1015
/cm3のN原子をドープするのに必要なN2 ガス流量
は、 (16/155)×(45000/2.33)×(1/10)=199.4 となる。なお、ここで、2.33はシリコンの比重であ
る。その結果、2リットル/minの窒素ガスをアルゴ
ンガス中に混入して溶融初期の10分間流すとすれば、
テールの部分で4×1014 個/cm 3 のN原子のドープ
が行えることになる。
【0023】以上説明した条件に従い実際にCZ法によ
りシリコン単結晶の引上げをおこなったところ、セコエ
ッチピットが約300個/cm2 以下にまで減少するこ
とが確認された。
【0024】次に、第3の実施例について説明する。こ
の実施例は表面に窒化珪素膜を形成したウエーハを原料
シリコンに混入することにより窒素の添加を行うもので
ある。つまり、CVD法により5インチ径のシリコンウ
エーハ片面に窒化珪素膜を成長させ、これをCZ法の原
料の多結晶シリコン原料50kgに対して20枚混入し
た。ここで使用したウエーハ表面には片面当たり厚さ
0.5μmの窒化珪素膜が生成しており、ウエーハ一枚
の重量は約30.4gである。なお、CVD法で成長し
た窒化珪素膜はアモルファス状になっており正確な構造
は不明だが、その大半はSi34 であると考えられ
る。
【0025】続いて、本実施例によりシリコン単結晶中
に導入される窒素原子の濃度を試算すると次の通りであ
る。すなわち、ウエーハ表面の窒化珪素を全てSi34
として計算すると、窒化珪素の体積はウエーハの表面
積(122.7cm2)と窒化珪素膜の厚さ(0.5μ
m)とから2.45×10-1cm3 であり、Si34分子
は3.35×1021 個含まれ、従ってN原子の数は
1.34×1022 個となる。このウエーハを多結晶シ
リコン原料50kg当たり20枚混入した場合の融液シリ
コン中の窒素濃度は、1.34×1022 ÷(5×104
÷2.33)=6.24×1017 個/cm3 となる。こ
こで窒素の偏析係数は7×10-4 であるから、引上げ
後のCZ単結晶中の窒素濃度は6.24×1017 ×7
×10-4 =4.73×1014 個/cm3 である。
【0026】以上説明した条件に従い実際にCZ法によ
りシリコン単結晶の引上げをおこなったところ、セコエ
ッチピットが約300個/cm2 以下にまで減少するこ
とが確認された。
【0027】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、原料シリ
コンに窒素を添加して単結晶引き上げを行うという、極
めて簡単な方法でシリコン単結晶内部に発生するセコエ
ッチピットの発生を効果的に抑制することのできる効果
がある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布施川 泉 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越 半導体株式会社 半導体研究所内 (72)発明者 木村 雅規 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越 半導体株式会社 半導体研究所内 (72)発明者 山岸 浩利 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越 半導体株式会社 半導体研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−17495(JP,A) 特開 昭57−17497(JP,A) 特開 昭60−251190(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/208

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CZ法によるシリコン単結晶の製造工程に
    おいて、窒素濃度を管理したFZシリコン結晶を原料シ
    リコンに添加して単結晶引き上げを行い、セコエッチピ
    ットの発生数をコントロールすることを特徴とするシリ
    コン単結晶の製造方法。
  2. 【請求項2】CZ法によるシリコン単結晶の製造工程に
    おいて、表面に窒化珪素膜を形成したウエーハを原料シ
    リコンに混入することにより原料シリコンに窒素を添加
    し、セコエッチピットの発生数をコントロールすること
    を特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
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