JP3634133B2 - 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ - Google Patents
結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3634133B2 JP3634133B2 JP36414397A JP36414397A JP3634133B2 JP 3634133 B2 JP3634133 B2 JP 3634133B2 JP 36414397 A JP36414397 A JP 36414397A JP 36414397 A JP36414397 A JP 36414397A JP 3634133 B2 JP3634133 B2 JP 3634133B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- single crystal
- crystal
- silicon single
- wafer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略記する）で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。特に、ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる単結晶成長起因の欠陥が存在し、その密度とサイズの低減が重要視されている。
【０００３】
これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、シリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間型シリコン点欠陥のそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。
【０００４】
シリコン単結晶において、Ｖ領域とは、Ｖａｃａｎｃｙ、つまりシリコン原子の不足から発生する凹部、穴のようなものが多い領域であり、Ｉ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位や余分なシリコン原子の塊が多い領域のことであり、そしてＶ領域とＩ領域の間には、原子の不足や余分が無い（少ない）ニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ、以下Ｎと略記することがある）領域が存在していることになる。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、欠陥としては存在しないことが判ってきた。
【０００５】
この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）と結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係から決まり、Ｖ領域とＩ領域との境界近辺にはＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）と呼ばれるリング状の欠陥の存在が確認されている。
【０００６】
これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔タイプの点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＶ−リッチ領域と呼ばれている（図４（ａ）参照）。 また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、上記したＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側に転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＩ−リッチ領域と呼ばれている（図４（ｂ）参照）。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後と低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に凝集して消滅し、全面がＩ−リッチ領域となる（図４（ｃ））。
【０００７】
また、最近Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、Ｎ（ニュートラル）領域と呼ばれる、空孔起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも存在しない領域の存在が発見されている（特開平８−３３０３１６号参照）。この領域はＯＳＦリングの外側にあり、そして、酸素析出熱処理を施し、Ｘ−ｒａｙ観察等で析出のコントラストを確認した場合に、酸素析出がほとんどなく、かつ、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤが形成されるほどリッチではないＩ−Ｓｉ側であると報告している（図３（ａ）参照）。そして、従来のＣＺ引上げ機ではウエーハの極一部にしか存在しないニュートラル（Ｎ）領域を、引上げ機の炉内温度分布を改良し、引上げ速度を調節して、Ｆ／Ｇ値（単結晶引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１３００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］とするとき、Ｆ／Ｇで表わされる比）をウエーハ全面で０．２０〜０．２２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎに制御すれば、Ｎ領域をウエーハ全面に広げることが可能であると提案している（図３（ｂ）参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この発明に開示されていた欠陥分布図は、本発明者らが実験・調査して求めたデータや、データを基にした作成した欠陥分布図（図１参照）とは大幅に異なることが判明した。
また、ＯＳＦリングの外側に分布するＮ領域には、酸素析出量が多い領域と少ない領域があることが判明した。従って、従来法のように、単にＯＳＦリング外側のＮ領域でウエーハを製造すると、酸素析出量の多いＮ２ （Ｖ）領域と少ないＮ（Ｉ）領域がウエーハ内に混在し、ゲッタリング能力の相違からデバイス歩留りを低下させる原因となった。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、Ｖ−リッチ領域およびＩ−リッチ領域のいずれも存在せず、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤおよびＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しない、結晶全面に亙って極低欠陥密度であると共に、酸素析出によるゲッタリング能力のあるＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを、高生産性を維持しながら得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために為されたもので、本発明の請求項１に記載した発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ［ｍｍ］を横軸とし、Ｆ／Ｇ［ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎ］の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図（図１参照）において、Ｖ−リッチ領域とＮ１ （Ｖ）領域の境界線、ならびにＮ１ （Ｖ）領域とＯＳＦリング領域の境界線で囲繞されたＮ１ （Ｖ）領域内で結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
さらに具体的な条件としては、前記欠陥分布図において、前記Ｆ／Ｇの値を結晶中心で、０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとして引上げることとした（請求項２）。
【００１１】
このように、Ｎ１ （Ｖ）領域内での結晶の引上げは、図１の欠陥分布図に示したように領域幅が狭く、しかも結晶中心から外周にかけて急傾斜しているので結晶全面に亙って同じ領域を確保するように引上げ条件を制御するのは難しいが、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域で引上げるよりも引上げ速度を速くすることができ、生産性が向上する。品質的には図２（ｂ）に示したようにＮ１ （Ｖ）領域のみをウエーハ全面に拡大した極低欠陥密度のシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。
【００１２】
そして、本発明の請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２の製造方法により製造されたシリコン単結晶から作製された、Ｎ 1 （Ｖ）領域のみから成ることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハである。
【００１３】
このようにして作製されたシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶ウエーハにおいて、該ウエーハ全面に熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤ及びＬ／Ｄ（ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ）もウエーハ全面内に存在しないというウエーハで、いわゆるウエーハ全面にＶ−リッチ領域とＩ−リッチ領域は存在せず、中性（ニュートラル）であると共に、析出酸素濃度（Ｏｉ）が高く、ゲッタリング能力が大きくて均一なＮ１ （Ｖ）領域のみから成る、ほぼ完全無欠陥なシリコン単結晶ウエーハであり、デバイス歩留りを著しく向上させることができる。
【００１４】
以下、本発明につき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。説明に先立ち各用語につき予め解説しておく。
１）ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウェーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、Ｋ２ Ｃｒ２ Ｏ７ と弗酸と水の混合液で表面をエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）することによりピットおよびさざ波模様が生じる。このさざ波模様をＦＰＤと称し、ウェーハ面内のＦＰＤ密度が高いほど酸化膜耐圧の不良が増える（特開平４−１９２３４５号公報参照）。
【００１５】
２）ＳＥＰＤ（Ｓｅｃｃｏ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、ＦＰＤと同一のＳｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様（ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ）を伴うものをＦＰＤと呼び、流れ模様を伴わないものをＳＥＰＤと呼ぶ。この中で１０μｍ以上の大きいＳＥＰＤ（ＬＳＥＰＤ）は転位クラスターに起因すると考えられ、デバイスに転位クラスターが存在する場合、この転位を通じて電流がリークし、Ｐ−Ｎジャンクションとしての機能を果たさなくなる。
【００１６】
３）ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウエーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、ウエーハを劈開する。この劈開面より赤外光を入射し、ウエーハ表面から出た光を検出することでウエーハ内に存在する欠陥による散乱光を検出することができる。ここで観察される散乱体については学会等ですでに報告があり、酸素析出物とみなされている（Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ． Ｖｏｌ．３２，Ｐ３６７９，１９９３参照）。また、最近の研究では、八面体のボイド（穴）であるという結果も報告されている。
【００１７】
４）ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）とは、ウエーハの中心部の酸化膜耐圧を劣化させる原因となる欠陥で、Ｓｅｃｃｏ エッチではＦＰＤになる欠陥が、アンモニア過酸化水素水洗浄（ＮＨ４ ＯＨ：Ｈ２ Ｏ２ ：Ｈ２ Ｏ＝１：１：１０の混合液による洗浄）では選択エッチング液として働き、ＣＯＰになる。このピットの直径は１μｍ以下で光散乱法で調べる。
【００１８】
５）Ｌ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号）には、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等があり、転位ループ起因と考えられている欠陥である。ＬＳＥＰＤは、上記したようにＳＥＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいう。また、ＬＦＰＤは、上記したＦＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいい、こちらも転位ループ起因と考えられている。
【００１９】
本発明者らは、先に特願平９−１９９４１５号で提案したように、ＣＺ法によるシリコン単結晶成長に関し、Ｖ領域とＩ領域の境界近辺について、詳細に調査したところ、この境界近辺の極く狭い領域にＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰの数が著しく少なく、ＬＳＥＰＤも存在しないニュートラルな領域があることを発見した。
【００２０】
そこで、このニュートラルな領域をウエーハ全面に広げることができれば、点欠陥を大幅に減らせると発想した。すなわち成長（引上げ）速度と温度勾配の関係の中で、結晶の水平方向、すなわちウエーハ面内では、引上げ速度はほぼ一定であるから、面内の点欠陥の濃度分布を決定する主な因子は温度勾配である。つまり、ウエーハ面内で、軸方向の温度勾配に差があることが問題で、この差を減らすことが出来れば、ウエーハ面内の点欠陥の濃度差も減らせることを見出し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅとの差を△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）≦５℃／ｃｍとなるように炉内温度を制御して引上げ速度を調節すれば、ウエーハ全面がＮ領域からなる欠陥のないウエーハが得られるようになった。
【００２１】
本発明では、上記のような温度勾配の差△Ｇが小さいＣＺ法による結晶引上げ装置を使用し、引上げ速度を変えて結晶面内を調査した結果、新たに次のような二つの知見を得た。
本発明者らが実験・調査した結果、Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の間に存在するＮ領域は、従来はＯＳＦリング（核）の外側［以下、Ｎ（Ｉ）領域という。図２（ａ）参照］のみと考えられていたが、ＯＳＦリングの内側にもＮ領域が存在することを確認した［以下、Ｎ１ （Ｖ）領域という。図２（ａ）参照］。すなわち、上記特願平９−１９９４１５号の場合、ＯＳＦリングは、Ｖ−リッチ領域とＮ領域の境界領域となっていた（図３（ａ）参照）が、この二つは必ずしも一致しないことがわかった。
【００２２】
もう一つの発見は、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域に酸素析出の多い領域と少ない領域が存在し、ＯＳＦリング領域に隣接する内側の方が酸素析出が多いことが判ってきた。すなわち、ＯＳＦリングの外側に隣接するＩがリッチではないＶ側のＮ領域［以下、Ｎ２ （Ｖ）領域という］が存在することが判ってきた［図１、図２（ａ）参照］。
【００２３】
従って、上記特開平８−３３０３１６号公報に開示された方法のように、単にＯＳＦリング外側のＮ領域のみでウエーハを作製すると、ウエーハ全面がＮ領域であることは確かではあるが、ウエーハの内側と外側では酸素析出に差が生じ、面内でゲッタリング能力が異なるウエーハができてしまうことになる。ちなみに、ＯＳＦリング領域に隣接する内側のＮ２ （Ｖ）領域は、酸素析出が多く十分にゲッタリング能力があり、Ｉ−リッチ領域側のＮ（Ｉ）領域は酸素析出が少なく、ゲッタリング能力が低い。
【００２４】
そこで、図１の欠陥分布図に示したように、全面Ｎ領域でかつＯＳＦリング領域の内側に隣接するＮ１ （Ｖ）領域だけのウエーハを作製するのが理想的であり、ほぼ完全無欠陥のシリコン単結晶を得ることができる［図２（ａ）、（ｂ）参照］。しかし、その領域は非常に狭く、かつ、結晶の径方向に急上昇している領域なので、引上げ速度Ｆや温度勾配Ｇを調整してＦ／Ｇの値をこの領域に収まるように制御するにはかなりの困難を伴うが、結晶の引上げは可能であり、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域で引上げるよりも引上げ速度を速くすることができるので生産性が向上する。
【００２５】
この調査における引上げ装置の炉内温度を、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ，Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ，Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ，Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を使用して鋭意解析を行った。その結果、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、Ｎ１ （Ｖ）領域内の引上げは、Ｆ／Ｇの値を結晶中心で０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎの範囲内となるように引上げ速度Ｆと温度勾配平均値Ｇとを制御して結晶を引上げれば、結晶欠陥のないシリコン単結晶が得られる。
【００２６】
図１は、結晶の径（直径６インチ）方向位置を横軸とし、Ｆ／Ｇ値を縦軸とした場合の諸欠陥分布を表している。図１から明らかなように、Ｖ−リッチ領域／Ｎ１ （Ｖ）領域の境界は、結晶中心位置と中心から約５０ｍｍまでの位置との間で０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎから緩やかに上昇し、この位置から外周にかけては急激にＦ／Ｇ値を増大した線上にある。ＯＳＦリング領域の中心は、約０．１２５ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎで、結晶外周にかけては、Ｎ１ （Ｖ）領域／ＯＳＦリング領域の境界線もＯＳＦリング領域／Ｎ２ （Ｖ）領域の境界線もほぼ平行して緩やかに上昇し、結晶中心位置から約６５ｍｍから外周にかけては急激にＦ／Ｇ値を増大した線上にある。
また、Ｎ（Ｉ）領域／Ｉ−リッチ領域との境界線は、結晶中心位置と中心から約６０ｍｍまでの位置との間で約０．１１２〜０．１１７ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとなり、その後、結晶外周に向けて急激に落ち込んでいる。
従って、ウエーハ内のＶ−リッチ領域とＯＳＦリング領域の外側の領域を除いたＮ１ （Ｖ）領域を最大限に利用するには、結晶中心位置でＦ／Ｇ値が０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとなるようにＦとＧを制御すればよい。
【００２７】
これをウエーハの面で説明すると、従来は、図３（ａ）に示したように、通常の引上げ速度と結晶引上げ装置におけるＯＳＦリングの外側に存在するＮ領域を結晶全面に拡大すべく［図３（ｂ）参照］、特別な結晶引上げ装置を用いて引上げ速度と△Ｇを制御し、無欠陥結晶を製造しようとしていたが、引上げ速度、温度勾配等製造条件の制御幅が極めて狭く、制御が困難で生産性に難点があり、実用的でなかった。その上、ＯＳＦリングの外側に存在するＮ領域には、ＯＳＦリング領域に隣接する内側に酸素析出の多い領域（Ｎ２ （Ｖ）領域）があり、その外側に酸素析出の少ない領域（Ｎ（Ｉ）領域）が存在するので、単にＯＳＦリング外側のＮ領域のみでウエーハを作製すると、ウエーハ全面がＮ領域であることは確かではあるが、ウエーハの内側と外側では酸素析出に差が生じ、面内でゲッタリング能力が異なるウエーハができてしまうことになる。
【００２８】
本発明では、今回発見したＯＳＦリングの内側のＮ１ （Ｖ）領域だけに限定した場合［図２（ａ）、（ｂ）参照］、狭い領域内で引上げることになり、引上げ条件の制御は容易ではないが結晶の引上げは可能であり、前述したようにゲッタリング能力をもった極低欠陥密度で全面Ｎ領域の極めて高品質のウエーハを作製することができる。
この場合、上記のように、本発明では制御範囲が狭いため、引上げ単結晶棒の周辺部でＯＳＦが発生する可能性がある。しかし、引上げ単結晶棒の周辺部のＯＳＦは、その後、単結晶棒を円筒研削、スライスしてウエーハに加工する際になくなるので問題はない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図５により説明する。図５に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３及びその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるケーブル７と、ケーブル７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
【００３０】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶の固液界面の外周に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９が配置されている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面との間に３〜５ｃｍの隙間１０を設けて設置されている。上部囲繞断熱材９は条件によっては使用しないこともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する筒状の冷却装置３６を設けている。
別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるＭＣＺ法が用いられることも多い。
【００３１】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による単結晶育成方法について説明する。まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。次に、ケーブル７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ケーブル７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒１を得ることができる。
【００３２】
この場合、本発明では、本発明の目的を達成するために特に重要であるのは、図５に示したように、引上げ室３１の湯面上の単結晶棒１中の液状部分の外周空間において、湯面近傍の結晶の温度が１４２０℃から１４００℃までの温度域に環状の固液界面断熱材８を設けたことと、その上に上部囲繞断熱材９を配置したことである。さらに、必要に応じてこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置、例えば冷却装置３６を設けて、これに上部より冷却ガスを吹きつけて結晶を冷却できるものとし、筒下部に輻射熱反射板を取り付けた構造としてもよい。
【００３３】
このように液面の直上の位置に所定の隙間を設けて断熱材を配置し、さらにこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置を設けた構造とすることによって、結晶成長界面近傍では輻射熱により保温効果が得られ、結晶の上部ではヒータ等からの輻射熱をカットできるので、本発明の製造条件を満足させることができる。
この結晶の冷却装置としては、前記筒状の冷却装置３６とは別に、結晶の周囲を囲繞する空冷ダクトや水冷蛇管等を設けて所望の温度勾配を確保するようにしても良い。
【００３４】
本発明で使用した単結晶引上げ装置と比較のために従来の装置を図６に示した。 基本的な構造については、本発明で使用した引上げ装置と同じであるが、固液界面断熱材８、上部囲繞断熱材９や冷却装置３６は装備していない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施の形態を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図５に示した引上げ装置３０で、２０インチ石英ルツボに原料多結晶シリコンを６０Ｋｇチャージし、直径６インチ、方位＜１００＞のシリコン単結晶棒を平均引上げ速度を０．８８〜０．５０ｍｍ／ｍｉｎに変化させて引上げた（単結晶棒の直胴長さ約８５ｃｍ）。
シリコン融液の湯温は約１４２０℃、湯面から環状の固液界面断熱材の下端までは、４ｃｍの空間とし、その上に１０ｃｍ高さの環状固液界面断熱材を配置し、湯面から引上げ室天井までの高さをルツボ保持軸を調整して３０ｃｍに設定し、上部囲繞断熱材を配備した。
そして、結晶中心部でのＦ／Ｇ値を０．２２〜０．１０ｍｍ２ ・℃／ｍｉｎに変化させて引上げた。
【００３６】
ここで得られた単結晶棒から、ウエーハを切り出し、鏡面加工を施してシリコン単結晶の鏡面ウエーハを作製し、グローンイン欠陥の測定を行った。また、熱酸化処理を施してＯＳＦリング発生の有無を確認した。
その結果、結晶中心でＦ／Ｇ値が０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎの範囲内において、Ｎ１ （Ｖ）領域を最大限拡大した極低欠陥ウエーハを得た。なお、このウエーハの酸化膜耐圧特性は、Ｃ−モード良品率１００％となった。
なお、Ｃ−モード測定条件は、次の通りである。
１）酸化膜厚：２５ｎｍ、 ２）測定電極：りんドープ・ポリシリコン、
３）電極面積：８ｍｍ２ 、 ４）判定電流：１ｍＡ／ｃｍ２ 、
５）良品判定：絶縁破壊電界が８ＭＶ／ｃｍ以上のものを良品と判定した。
【００３７】
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。
【００３８】
例えば、上記実施形態においては、直径６インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、前記欠陥分布図においてＯＳＦリング領域の内側に存在するＮ１ （Ｖ）領域内で結晶を引上げるようにすれば、直径にかかわりなく、例えば直径８〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
また、本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるＭＣＺ法にも適用できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、全面Ｎ１ （Ｖ）領域で、Ｖ−リッチ領域およびＩ−リッチ領域のいずれも存在せず、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤおよびＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しない、結晶全面に亙って極低欠陥密度であると共に、酸素析出によるゲッタリング能力のあるＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを、高生産性を維持しながら製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で発見したシリコン単結晶ウエーハ面内における、結晶の径方向位置を横軸とし、Ｆ／Ｇ値を縦軸とした場合の諸欠陥分布図である。
【図２】本発明で発見した結晶面内諸欠陥分布を表した説明図である。（ａ）通常の引上げ条件で引上げた場合、（ｂ）本発明の特定引上げ条件で引上げた場合。
【図３】従来の引上げ方法における結晶面内諸欠陥分布を表した説明図である。（ａ）通常の引上げ条件で引上げた場合、（ｂ）引上げ速度と結晶内温度勾配を精密制御して引上げた場合。
【図４】従来の引上げ方法における引上げ速度と結晶面内欠陥分布との関係を表した説明図である。（ａ）高速引上げの場合、（ｂ）中速引上げの場合、（ｃ）低速引上げの場合。
【図５】本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【図６】ＣＺ法による従来の単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１…成長単結晶棒、
２…シリコン融液、
３…湯面、
４…固液界面、
５…種結晶、
６…シードチャック、
７…ケーブル、
８…固液界面断熱材、
９…上部囲繞断熱材、
１０…湯面と固液界面断熱材下端との隙間、
３０…単結晶引上げ装置、
３１…引上げ室、
３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、
３４…ヒータ、
３５…断熱材、
３６…冷却装置。
Ｖ …Ｖ−リッチ領域、
Ｎ …Ｎ−領域、
Ｎ１ （Ｖ）…Ｎ１ （Ｖ）領域、
Ｎ２ （Ｖ）…Ｎ２ （Ｖ）領域、
Ｎ（Ｉ） …Ｎ（Ｉ）領域、
Ｉ …Ｉ−リッチ領域、
ＯＲ…ＯＳＦリング。
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶欠陥が少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略記する）で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。特に、ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる単結晶成長起因の欠陥が存在し、その密度とサイズの低減が重要視されている。
【０００３】
これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、シリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間型シリコン点欠陥のそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。
【０００４】
シリコン単結晶において、Ｖ領域とは、Ｖａｃａｎｃｙ、つまりシリコン原子の不足から発生する凹部、穴のようなものが多い領域であり、Ｉ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位や余分なシリコン原子の塊が多い領域のことであり、そしてＶ領域とＩ領域の間には、原子の不足や余分が無い（少ない）ニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ、以下Ｎと略記することがある）領域が存在していることになる。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、欠陥としては存在しないことが判ってきた。
【０００５】
この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）と結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係から決まり、Ｖ領域とＩ領域との境界近辺にはＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）と呼ばれるリング状の欠陥の存在が確認されている。
【０００６】
これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔タイプの点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＶ−リッチ領域と呼ばれている（図４（ａ）参照）。 また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、上記したＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側に転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＩ−リッチ領域と呼ばれている（図４（ｂ）参照）。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後と低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に凝集して消滅し、全面がＩ−リッチ領域となる（図４（ｃ））。
【０００７】
また、最近Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、Ｎ（ニュートラル）領域と呼ばれる、空孔起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも存在しない領域の存在が発見されている（特開平８−３３０３１６号参照）。この領域はＯＳＦリングの外側にあり、そして、酸素析出熱処理を施し、Ｘ−ｒａｙ観察等で析出のコントラストを確認した場合に、酸素析出がほとんどなく、かつ、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤが形成されるほどリッチではないＩ−Ｓｉ側であると報告している（図３（ａ）参照）。そして、従来のＣＺ引上げ機ではウエーハの極一部にしか存在しないニュートラル（Ｎ）領域を、引上げ機の炉内温度分布を改良し、引上げ速度を調節して、Ｆ／Ｇ値（単結晶引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１３００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］とするとき、Ｆ／Ｇで表わされる比）をウエーハ全面で０．２０〜０．２２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎに制御すれば、Ｎ領域をウエーハ全面に広げることが可能であると提案している（図３（ｂ）参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この発明に開示されていた欠陥分布図は、本発明者らが実験・調査して求めたデータや、データを基にした作成した欠陥分布図（図１参照）とは大幅に異なることが判明した。
また、ＯＳＦリングの外側に分布するＮ領域には、酸素析出量が多い領域と少ない領域があることが判明した。従って、従来法のように、単にＯＳＦリング外側のＮ領域でウエーハを製造すると、酸素析出量の多いＮ２ （Ｖ）領域と少ないＮ（Ｉ）領域がウエーハ内に混在し、ゲッタリング能力の相違からデバイス歩留りを低下させる原因となった。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、Ｖ−リッチ領域およびＩ−リッチ領域のいずれも存在せず、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤおよびＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しない、結晶全面に亙って極低欠陥密度であると共に、酸素析出によるゲッタリング能力のあるＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを、高生産性を維持しながら得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために為されたもので、本発明の請求項１に記載した発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ［ｍｍ］を横軸とし、Ｆ／Ｇ［ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎ］の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図（図１参照）において、Ｖ−リッチ領域とＮ１ （Ｖ）領域の境界線、ならびにＮ１ （Ｖ）領域とＯＳＦリング領域の境界線で囲繞されたＮ１ （Ｖ）領域内で結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
さらに具体的な条件としては、前記欠陥分布図において、前記Ｆ／Ｇの値を結晶中心で、０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとして引上げることとした（請求項２）。
【００１１】
このように、Ｎ１ （Ｖ）領域内での結晶の引上げは、図１の欠陥分布図に示したように領域幅が狭く、しかも結晶中心から外周にかけて急傾斜しているので結晶全面に亙って同じ領域を確保するように引上げ条件を制御するのは難しいが、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域で引上げるよりも引上げ速度を速くすることができ、生産性が向上する。品質的には図２（ｂ）に示したようにＮ１ （Ｖ）領域のみをウエーハ全面に拡大した極低欠陥密度のシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。
【００１２】
そして、本発明の請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２の製造方法により製造されたシリコン単結晶から作製された、Ｎ 1 （Ｖ）領域のみから成ることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハである。
【００１３】
このようにして作製されたシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶ウエーハにおいて、該ウエーハ全面に熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤ及びＬ／Ｄ（ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ）もウエーハ全面内に存在しないというウエーハで、いわゆるウエーハ全面にＶ−リッチ領域とＩ−リッチ領域は存在せず、中性（ニュートラル）であると共に、析出酸素濃度（Ｏｉ）が高く、ゲッタリング能力が大きくて均一なＮ１ （Ｖ）領域のみから成る、ほぼ完全無欠陥なシリコン単結晶ウエーハであり、デバイス歩留りを著しく向上させることができる。
【００１４】
以下、本発明につき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。説明に先立ち各用語につき予め解説しておく。
１）ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウェーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、Ｋ２ Ｃｒ２ Ｏ７ と弗酸と水の混合液で表面をエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）することによりピットおよびさざ波模様が生じる。このさざ波模様をＦＰＤと称し、ウェーハ面内のＦＰＤ密度が高いほど酸化膜耐圧の不良が増える（特開平４−１９２３４５号公報参照）。
【００１５】
２）ＳＥＰＤ（Ｓｅｃｃｏ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、ＦＰＤと同一のＳｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様（ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ）を伴うものをＦＰＤと呼び、流れ模様を伴わないものをＳＥＰＤと呼ぶ。この中で１０μｍ以上の大きいＳＥＰＤ（ＬＳＥＰＤ）は転位クラスターに起因すると考えられ、デバイスに転位クラスターが存在する場合、この転位を通じて電流がリークし、Ｐ−Ｎジャンクションとしての機能を果たさなくなる。
【００１６】
３）ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウエーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、ウエーハを劈開する。この劈開面より赤外光を入射し、ウエーハ表面から出た光を検出することでウエーハ内に存在する欠陥による散乱光を検出することができる。ここで観察される散乱体については学会等ですでに報告があり、酸素析出物とみなされている（Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ． Ｖｏｌ．３２，Ｐ３６７９，１９９３参照）。また、最近の研究では、八面体のボイド（穴）であるという結果も報告されている。
【００１７】
４）ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）とは、ウエーハの中心部の酸化膜耐圧を劣化させる原因となる欠陥で、Ｓｅｃｃｏ エッチではＦＰＤになる欠陥が、アンモニア過酸化水素水洗浄（ＮＨ４ ＯＨ：Ｈ２ Ｏ２ ：Ｈ２ Ｏ＝１：１：１０の混合液による洗浄）では選択エッチング液として働き、ＣＯＰになる。このピットの直径は１μｍ以下で光散乱法で調べる。
【００１８】
５）Ｌ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号）には、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等があり、転位ループ起因と考えられている欠陥である。ＬＳＥＰＤは、上記したようにＳＥＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいう。また、ＬＦＰＤは、上記したＦＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいい、こちらも転位ループ起因と考えられている。
【００１９】
本発明者らは、先に特願平９−１９９４１５号で提案したように、ＣＺ法によるシリコン単結晶成長に関し、Ｖ領域とＩ領域の境界近辺について、詳細に調査したところ、この境界近辺の極く狭い領域にＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰの数が著しく少なく、ＬＳＥＰＤも存在しないニュートラルな領域があることを発見した。
【００２０】
そこで、このニュートラルな領域をウエーハ全面に広げることができれば、点欠陥を大幅に減らせると発想した。すなわち成長（引上げ）速度と温度勾配の関係の中で、結晶の水平方向、すなわちウエーハ面内では、引上げ速度はほぼ一定であるから、面内の点欠陥の濃度分布を決定する主な因子は温度勾配である。つまり、ウエーハ面内で、軸方向の温度勾配に差があることが問題で、この差を減らすことが出来れば、ウエーハ面内の点欠陥の濃度差も減らせることを見出し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅとの差を△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）≦５℃／ｃｍとなるように炉内温度を制御して引上げ速度を調節すれば、ウエーハ全面がＮ領域からなる欠陥のないウエーハが得られるようになった。
【００２１】
本発明では、上記のような温度勾配の差△Ｇが小さいＣＺ法による結晶引上げ装置を使用し、引上げ速度を変えて結晶面内を調査した結果、新たに次のような二つの知見を得た。
本発明者らが実験・調査した結果、Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の間に存在するＮ領域は、従来はＯＳＦリング（核）の外側［以下、Ｎ（Ｉ）領域という。図２（ａ）参照］のみと考えられていたが、ＯＳＦリングの内側にもＮ領域が存在することを確認した［以下、Ｎ１ （Ｖ）領域という。図２（ａ）参照］。すなわち、上記特願平９−１９９４１５号の場合、ＯＳＦリングは、Ｖ−リッチ領域とＮ領域の境界領域となっていた（図３（ａ）参照）が、この二つは必ずしも一致しないことがわかった。
【００２２】
もう一つの発見は、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域に酸素析出の多い領域と少ない領域が存在し、ＯＳＦリング領域に隣接する内側の方が酸素析出が多いことが判ってきた。すなわち、ＯＳＦリングの外側に隣接するＩがリッチではないＶ側のＮ領域［以下、Ｎ２ （Ｖ）領域という］が存在することが判ってきた［図１、図２（ａ）参照］。
【００２３】
従って、上記特開平８−３３０３１６号公報に開示された方法のように、単にＯＳＦリング外側のＮ領域のみでウエーハを作製すると、ウエーハ全面がＮ領域であることは確かではあるが、ウエーハの内側と外側では酸素析出に差が生じ、面内でゲッタリング能力が異なるウエーハができてしまうことになる。ちなみに、ＯＳＦリング領域に隣接する内側のＮ２ （Ｖ）領域は、酸素析出が多く十分にゲッタリング能力があり、Ｉ−リッチ領域側のＮ（Ｉ）領域は酸素析出が少なく、ゲッタリング能力が低い。
【００２４】
そこで、図１の欠陥分布図に示したように、全面Ｎ領域でかつＯＳＦリング領域の内側に隣接するＮ１ （Ｖ）領域だけのウエーハを作製するのが理想的であり、ほぼ完全無欠陥のシリコン単結晶を得ることができる［図２（ａ）、（ｂ）参照］。しかし、その領域は非常に狭く、かつ、結晶の径方向に急上昇している領域なので、引上げ速度Ｆや温度勾配Ｇを調整してＦ／Ｇの値をこの領域に収まるように制御するにはかなりの困難を伴うが、結晶の引上げは可能であり、ＯＳＦリング領域の外側のＮ領域で引上げるよりも引上げ速度を速くすることができるので生産性が向上する。
【００２５】
この調査における引上げ装置の炉内温度を、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ，Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ，Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ，Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を使用して鋭意解析を行った。その結果、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、Ｎ１ （Ｖ）領域内の引上げは、Ｆ／Ｇの値を結晶中心で０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎの範囲内となるように引上げ速度Ｆと温度勾配平均値Ｇとを制御して結晶を引上げれば、結晶欠陥のないシリコン単結晶が得られる。
【００２６】
図１は、結晶の径（直径６インチ）方向位置を横軸とし、Ｆ／Ｇ値を縦軸とした場合の諸欠陥分布を表している。図１から明らかなように、Ｖ−リッチ領域／Ｎ１ （Ｖ）領域の境界は、結晶中心位置と中心から約５０ｍｍまでの位置との間で０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎから緩やかに上昇し、この位置から外周にかけては急激にＦ／Ｇ値を増大した線上にある。ＯＳＦリング領域の中心は、約０．１２５ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎで、結晶外周にかけては、Ｎ１ （Ｖ）領域／ＯＳＦリング領域の境界線もＯＳＦリング領域／Ｎ２ （Ｖ）領域の境界線もほぼ平行して緩やかに上昇し、結晶中心位置から約６５ｍｍから外周にかけては急激にＦ／Ｇ値を増大した線上にある。
また、Ｎ（Ｉ）領域／Ｉ−リッチ領域との境界線は、結晶中心位置と中心から約６０ｍｍまでの位置との間で約０．１１２〜０．１１７ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとなり、その後、結晶外周に向けて急激に落ち込んでいる。
従って、ウエーハ内のＶ−リッチ領域とＯＳＦリング領域の外側の領域を除いたＮ１ （Ｖ）領域を最大限に利用するには、結晶中心位置でＦ／Ｇ値が０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎとなるようにＦとＧを制御すればよい。
【００２７】
これをウエーハの面で説明すると、従来は、図３（ａ）に示したように、通常の引上げ速度と結晶引上げ装置におけるＯＳＦリングの外側に存在するＮ領域を結晶全面に拡大すべく［図３（ｂ）参照］、特別な結晶引上げ装置を用いて引上げ速度と△Ｇを制御し、無欠陥結晶を製造しようとしていたが、引上げ速度、温度勾配等製造条件の制御幅が極めて狭く、制御が困難で生産性に難点があり、実用的でなかった。その上、ＯＳＦリングの外側に存在するＮ領域には、ＯＳＦリング領域に隣接する内側に酸素析出の多い領域（Ｎ２ （Ｖ）領域）があり、その外側に酸素析出の少ない領域（Ｎ（Ｉ）領域）が存在するので、単にＯＳＦリング外側のＮ領域のみでウエーハを作製すると、ウエーハ全面がＮ領域であることは確かではあるが、ウエーハの内側と外側では酸素析出に差が生じ、面内でゲッタリング能力が異なるウエーハができてしまうことになる。
【００２８】
本発明では、今回発見したＯＳＦリングの内側のＮ１ （Ｖ）領域だけに限定した場合［図２（ａ）、（ｂ）参照］、狭い領域内で引上げることになり、引上げ条件の制御は容易ではないが結晶の引上げは可能であり、前述したようにゲッタリング能力をもった極低欠陥密度で全面Ｎ領域の極めて高品質のウエーハを作製することができる。
この場合、上記のように、本発明では制御範囲が狭いため、引上げ単結晶棒の周辺部でＯＳＦが発生する可能性がある。しかし、引上げ単結晶棒の周辺部のＯＳＦは、その後、単結晶棒を円筒研削、スライスしてウエーハに加工する際になくなるので問題はない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図５により説明する。図５に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３及びその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるケーブル７と、ケーブル７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
【００３０】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶の固液界面の外周に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９が配置されている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面との間に３〜５ｃｍの隙間１０を設けて設置されている。上部囲繞断熱材９は条件によっては使用しないこともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する筒状の冷却装置３６を設けている。
別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるＭＣＺ法が用いられることも多い。
【００３１】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による単結晶育成方法について説明する。まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。次に、ケーブル７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ケーブル７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒１を得ることができる。
【００３２】
この場合、本発明では、本発明の目的を達成するために特に重要であるのは、図５に示したように、引上げ室３１の湯面上の単結晶棒１中の液状部分の外周空間において、湯面近傍の結晶の温度が１４２０℃から１４００℃までの温度域に環状の固液界面断熱材８を設けたことと、その上に上部囲繞断熱材９を配置したことである。さらに、必要に応じてこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置、例えば冷却装置３６を設けて、これに上部より冷却ガスを吹きつけて結晶を冷却できるものとし、筒下部に輻射熱反射板を取り付けた構造としてもよい。
【００３３】
このように液面の直上の位置に所定の隙間を設けて断熱材を配置し、さらにこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置を設けた構造とすることによって、結晶成長界面近傍では輻射熱により保温効果が得られ、結晶の上部ではヒータ等からの輻射熱をカットできるので、本発明の製造条件を満足させることができる。
この結晶の冷却装置としては、前記筒状の冷却装置３６とは別に、結晶の周囲を囲繞する空冷ダクトや水冷蛇管等を設けて所望の温度勾配を確保するようにしても良い。
【００３４】
本発明で使用した単結晶引上げ装置と比較のために従来の装置を図６に示した。 基本的な構造については、本発明で使用した引上げ装置と同じであるが、固液界面断熱材８、上部囲繞断熱材９や冷却装置３６は装備していない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施の形態を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図５に示した引上げ装置３０で、２０インチ石英ルツボに原料多結晶シリコンを６０Ｋｇチャージし、直径６インチ、方位＜１００＞のシリコン単結晶棒を平均引上げ速度を０．８８〜０．５０ｍｍ／ｍｉｎに変化させて引上げた（単結晶棒の直胴長さ約８５ｃｍ）。
シリコン融液の湯温は約１４２０℃、湯面から環状の固液界面断熱材の下端までは、４ｃｍの空間とし、その上に１０ｃｍ高さの環状固液界面断熱材を配置し、湯面から引上げ室天井までの高さをルツボ保持軸を調整して３０ｃｍに設定し、上部囲繞断熱材を配備した。
そして、結晶中心部でのＦ／Ｇ値を０．２２〜０．１０ｍｍ２ ・℃／ｍｉｎに変化させて引上げた。
【００３６】
ここで得られた単結晶棒から、ウエーハを切り出し、鏡面加工を施してシリコン単結晶の鏡面ウエーハを作製し、グローンイン欠陥の測定を行った。また、熱酸化処理を施してＯＳＦリング発生の有無を確認した。
その結果、結晶中心でＦ／Ｇ値が０．１３０〜０．１４２ｍｍ２ ／℃・ｍｉｎの範囲内において、Ｎ１ （Ｖ）領域を最大限拡大した極低欠陥ウエーハを得た。なお、このウエーハの酸化膜耐圧特性は、Ｃ−モード良品率１００％となった。
なお、Ｃ−モード測定条件は、次の通りである。
１）酸化膜厚：２５ｎｍ、 ２）測定電極：りんドープ・ポリシリコン、
３）電極面積：８ｍｍ２ 、 ４）判定電流：１ｍＡ／ｃｍ２ 、
５）良品判定：絶縁破壊電界が８ＭＶ／ｃｍ以上のものを良品と判定した。
【００３７】
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。
【００３８】
例えば、上記実施形態においては、直径６インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、前記欠陥分布図においてＯＳＦリング領域の内側に存在するＮ１ （Ｖ）領域内で結晶を引上げるようにすれば、直径にかかわりなく、例えば直径８〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
また、本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるＭＣＺ法にも適用できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、全面Ｎ１ （Ｖ）領域で、Ｖ−リッチ領域およびＩ−リッチ領域のいずれも存在せず、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦリングあるいはＯＳＦリングの核が存在せず、かつ、ＦＰＤおよびＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しない、結晶全面に亙って極低欠陥密度であると共に、酸素析出によるゲッタリング能力のあるＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを、高生産性を維持しながら製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で発見したシリコン単結晶ウエーハ面内における、結晶の径方向位置を横軸とし、Ｆ／Ｇ値を縦軸とした場合の諸欠陥分布図である。
【図２】本発明で発見した結晶面内諸欠陥分布を表した説明図である。（ａ）通常の引上げ条件で引上げた場合、（ｂ）本発明の特定引上げ条件で引上げた場合。
【図３】従来の引上げ方法における結晶面内諸欠陥分布を表した説明図である。（ａ）通常の引上げ条件で引上げた場合、（ｂ）引上げ速度と結晶内温度勾配を精密制御して引上げた場合。
【図４】従来の引上げ方法における引上げ速度と結晶面内欠陥分布との関係を表した説明図である。（ａ）高速引上げの場合、（ｂ）中速引上げの場合、（ｃ）低速引上げの場合。
【図５】本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【図６】ＣＺ法による従来の単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１…成長単結晶棒、
２…シリコン融液、
３…湯面、
４…固液界面、
５…種結晶、
６…シードチャック、
７…ケーブル、
８…固液界面断熱材、
９…上部囲繞断熱材、
１０…湯面と固液界面断熱材下端との隙間、
３０…単結晶引上げ装置、
３１…引上げ室、
３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、
３４…ヒータ、
３５…断熱材、
３６…冷却装置。
Ｖ …Ｖ−リッチ領域、
Ｎ …Ｎ−領域、
Ｎ１ （Ｖ）…Ｎ１ （Ｖ）領域、
Ｎ２ （Ｖ）…Ｎ２ （Ｖ）領域、
Ｎ（Ｉ） …Ｎ（Ｉ）領域、
Ｉ …Ｉ−リッチ領域、
ＯＲ…ＯＳＦリング。
Claims (4)
- チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、引上げ速度をＦ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ［ｍｍ］を横軸とし、Ｆ／Ｇ［ｍｍ2 ／℃・ｍｉｎ］の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図において、Ｖ−リッチ領域とＮ1 （Ｖ）領域の境界線、ならびにＮ1 （Ｖ）領域とＯＳＦリング領域の境界線で囲繞されたＮ1 （Ｖ）領域内で結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 前記Ｆ／Ｇの値を結晶中心で、０．１３０〜０．１４２ｍｍ2 ／℃・ｍｉｎとして引上げることを特徴とする請求項１に記載したシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項１または請求項２の製造方法により製造されたシリコン単結晶から作製された、Ｎ 1 （Ｖ）領域のみから成ることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
- ＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハであって、Ｎ 1 （Ｖ）領域のみから成ることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36414397A JP3634133B2 (ja) | 1997-12-17 | 1997-12-17 | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36414397A JP3634133B2 (ja) | 1997-12-17 | 1997-12-17 | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11180800A JPH11180800A (ja) | 1999-07-06 |
| JP3634133B2 true JP3634133B2 (ja) | 2005-03-30 |
Family
ID=18481084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36414397A Expired - Lifetime JP3634133B2 (ja) | 1997-12-17 | 1997-12-17 | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3634133B2 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69801903T2 (de) | 1997-04-09 | 2002-03-28 | Memc Electronic Materials | Freistellenbeherrschendes silicium mit niedriger fehlerdichte |
| US6379642B1 (en) | 1997-04-09 | 2002-04-30 | Memc Electronic Materials, Inc. | Vacancy dominated, defect-free silicon |
| WO1998045507A1 (en) | 1997-04-09 | 1998-10-15 | Memc Electronic Materials, Inc. | Low defect density, ideal oxygen precipitating silicon |
| CN1326518A (zh) | 1998-06-26 | 2001-12-12 | Memc电子材料有限公司 | 任意大直径无缺陷硅晶体的生长方法 |
| WO2000013211A2 (en) | 1998-09-02 | 2000-03-09 | Memc Electronic Materials, Inc. | Silicon on insulator structure from low defect density single crystal silicon |
| CN1296526C (zh) | 1998-10-14 | 2007-01-24 | Memc电子材料有限公司 | 热退火后的低缺陷密度单晶硅 |
| EP1133590B1 (en) | 1998-10-14 | 2003-12-17 | MEMC Electronic Materials, Inc. | Epitaxial silicon wafers substantially free of grown-in defects |
| US6312516B2 (en) | 1998-10-14 | 2001-11-06 | Memc Electronic Materials, Inc. | Process for preparing defect free silicon crystals which allows for variability in process conditions |
| US6858307B2 (en) | 2000-11-03 | 2005-02-22 | Memc Electronic Materials, Inc. | Method for the production of low defect density silicon |
| US7105050B2 (en) | 2000-11-03 | 2006-09-12 | Memc Electronic Materials, Inc. | Method for the production of low defect density silicon |
| EP1356139B1 (en) | 2001-01-26 | 2006-08-09 | MEMC Electronic Materials, Inc. | Low defect density silicon substantially free of oxidation induced stacking faults having a vacancy-dominated core |
| US8673248B2 (en) | 2006-05-19 | 2014-03-18 | Memc Electronic Materials, Inc. | Silicon material with controlled agglomerated point defects and oxygen clusters induced by the lateral surface |
| JP5150865B2 (ja) * | 2008-04-30 | 2013-02-27 | 株式会社Ｓｕｍｃｏ | シリコン単結晶インゴットの製造方法 |
-
1997
- 1997-12-17 JP JP36414397A patent/JP3634133B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11180800A (ja) | 1999-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3943717B2 (ja) | シリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法 | |
| JP3747123B2 (ja) | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ | |
| US6364947B1 (en) | Method and apparatus for manufacturing a silicon single crystal having few crystal defects, and a silicon single crystal and silicon wafers manufactured by the same | |
| US6077343A (en) | Silicon single crystal wafer having few defects wherein nitrogen is doped and a method for producing it | |
| EP1310583B1 (en) | Method for manufacturing of silicon single crystal wafer | |
| JP3994665B2 (ja) | シリコン単結晶ウエーハおよびシリコン単結晶の製造方法 | |
| JP3460551B2 (ja) | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法 | |
| JP3919308B2 (ja) | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法ならびにこの方法で製造されたシリコン単結晶およびシリコンウエーハ | |
| JP4020987B2 (ja) | ウエーハ周辺部に結晶欠陥がないシリコン単結晶およびその製造方法 | |
| JP3692812B2 (ja) | 窒素ドープした低欠陥シリコン単結晶ウエーハおよびその製造方法 | |
| US20130323153A1 (en) | Silicon single crystal wafer | |
| JP3627498B2 (ja) | シリコン単結晶の製造方法 | |
| JP3787472B2 (ja) | シリコンウエーハおよびその製造方法ならびにシリコンウエーハの評価方法 | |
| JP3634133B2 (ja) | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶ウエーハ | |
| JP3601324B2 (ja) | 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法 | |
| JP4218080B2 (ja) | シリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法 | |
| JP4082394B2 (ja) | シリコンウエーハの評価方法 | |
| JP2005119964A (ja) | 窒素ドープした低欠陥シリコン単結晶ウエーハおよびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040816 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A132 Effective date: 20040907 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041105 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041209 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041222 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080107 Year of fee payment: 3 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080107 Year of fee payment: 3 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090107 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090107 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100107 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110107 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110107 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120107 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120107 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130107 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130107 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140107 Year of fee payment: 9 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |