JP4048660B2 - CZ silicon single crystal manufacturing method - Google Patents
CZ silicon single crystal manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP4048660B2 JP4048660B2 JP28272599A JP28272599A JP4048660B2 JP 4048660 B2 JP4048660 B2 JP 4048660B2 JP 28272599 A JP28272599 A JP 28272599A JP 28272599 A JP28272599 A JP 28272599A JP 4048660 B2 JP4048660 B2 JP 4048660B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- pulling
- temperature
- grown
- pulled
- 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
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体材料として使用されるシリコンウェーハ用単結晶の、より詳しくはチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）により育成するウェーハ用シリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体材料のシリコンウェーハに用いるシリコン単結晶の製造に、最も広く採用されている方法がＣＺ法による単結晶の引き上げ育成方法である。
【０００３】
ＣＺ法は、石英るつぼ内の溶融したシリコンに種結晶を浸けて引き上げ、単結晶を成長させるものであるが、このシリコン単結晶の引き上げ育成技術の進歩により、欠陥の少ない、無転位の大型単結晶が製造されるようになってきている。半導体デバイスは、単結晶から得られたウェーハを基板とし、多数のプロセスを経過して製品化される。その過程で基板には数多くの物理的処理、化学的処理、さらには熱的処理が施され、中には1150℃を超える高温処理など、過酷な熱的環境での処理も含まれる。このため、デバイスの製造過程で顕在化してその性能を低下させる結果をもたらす酸素析出物のような欠陥はもちろんのこと、結晶育成時に形成され、デバイスの性能に大きく影響する微細欠陥、すなわちGrown-in欠陥が問題になる。
【０００４】
Grown-in欠陥の代表的なものの分布は、たとえば図１のように観察される。これは、成長直後の単結晶からウェーハを切り出し、硝酸銅水溶液に浸けてＣｕを付着させ、熱処理後、Ｘ線トポグラフ法により微小欠陥分布の観察をおこなった結果を模式的に示した図である。このウェーハは、リング状に分布した酸素誘起積層欠陥―以下ＯＳＦ(Oxygen induced Stacking Fault)という―が現れたものであるが、そのリングの内側部分には大きさが0.1μm程度のＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼ばれる欠陥が105〜106個／cm3程度検出される。また、リング状ＯＳＦに接してすぐ外側には酸素析出領域があり、ここでは酸素析出物が形成されやすいが、その外側には酸素析出も起こりにくい酸素析出抑制領域がある。その外側には、転位クラスターと呼ばれる大きさが10μm程度の欠陥が103〜104個／cm3程度存在する。このＣＯＰおよび転位クラスターがGrown-in欠陥といわれるものである。
【０００５】
上記の欠陥の発生位置は、通常単結晶引き上げの際の引き上げ速度に大きく影響される。たとえば、引き上げ速度を徐々に低下させつつ成長させた単結晶について、結晶中心の引き上げ軸に沿って縦方向に切断した断面で各種の欠陥の分布を調べると、模式的に示せば図２のような結果が得られる。ショルダー部を形成させ所要の単結晶径とした後、引き上げ速度を下げていくと、引き上げ軸に対し垂直に切り出した板状の試験片の面でみる場合、まず結晶周辺部からリング状ＯＳＦが現れる。周辺部に現れたこのリング状ＯＳＦは、引き上げ速度の低下にともない、その径が次第に小さくなり、やがてはなくなって、ウェーハ全面がリング状ＯＳＦの外側部分に相当するものになってしまう。すなわち図１は、図２におけるＡの位置、ないしはこの引き上げ速度にて育成した単結晶のウェーハを示したものである。
【０００６】
シリコン単結晶の転位は、その上に形成されるデバイスの特性を劣化させる原因になることはよく知られている。また、ＯＳＦはリーク電流増大など電気特性を劣化させるが、リング状ＯＳＦにはこれが高密度に存在する。そこで、現在通常のＬＳＩ用には、リング状ＯＳＦが単結晶の最外周に分布するような、比較的高速の引き上げ速度で単結晶が育成されている。それによって、ウェーハの大部分をリング状ＯＳＦの内側部分として、転位クラスターの発生を回避する。これは、リング状ＯＳＦの内側部分は、デバイスの製造過程にて発生する重金属汚染に対するゲッタリング作用が、外側部分よりも大きいことにもよっている。
【０００７】
近年ＬＳＩの集積度増大にともない、ゲート酸化膜が薄膜化されて、デバイス製造工程での温度が低温化してきている。このため、高温処理で発生しやすいＯＳＦが低減され、結晶の低酸素化もあってリング状ＯＳＦなどのＯＳＦは、デバイス特性を劣化させる因子としての問題が少なくなってきた。また、リング状ＯＳＦ内側部分のＣＯＰ密度低減のため、この欠陥の形成される1100℃近傍の温度域を徐冷する方法も採用されている。しかし徐冷すると欠陥密度は低減するが、欠陥の大きさが増すという問題が生じてくる。ＣＯＰの存在は、薄膜化したゲート酸化膜の耐圧特性を大きく劣化させるが、とくにデバイスのパターンが微細化してくると、その影響が大きくなって高集積度化への対応が困難になるとされている。このようなＣＯＰを発生させないため、引き上げ速度を低下させ、図２のＢで示したような位置、ないしは引き上げ速度にて育成することにより、リング状ＯＳＦをウェーハ中心部に消滅させることができるが、代わって転位クラスターが発生してくる。
【０００８】
図１に示した欠陥分布において、リング状ＯＳＦ領域、酸素析出領域、および酸素析出抑制領域は、Grown-in欠陥が存在しない領域であり、この無欠陥領域を全面に拡大できれば、欠陥のきわめて少ないウエーハ、ないしは単結晶の得られる可能性がある。たとえば、特開平8-330316号公報では、単結晶育成時の引き上げ速度をＶ（mm／min）、融点から1300℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配をＧ（℃／mm）とするとき、結晶中心部より外周から30mmまでの内部位置ではＶ／Ｇを0.20〜0.22とし、結晶外周に向かってはこれを漸次増加させるよう温度勾配を制御して、転位クラスターを生成させることなく、リング状ＯＳＦの外側部分の無欠陥領域のみをウェーハ全面さらには単結晶全体に広げる方法の発明が提示されている。この場合、るつぼとヒーターの位置、育成単結晶の周囲に設置されたカーボンからなる半円錐形状の熱輻射体の位置、ヒーター周囲の断熱体構造等の種々条件を総合伝熱計算によって検討し、上記条件の温度条件になるように設定し育成をおこなうとしている。
【０００９】
また、特開平11-79889号公報には、単結晶育成中の固液界面の形状が単結晶の周辺5mmを除き、固液界面の平均位置に対し±5mm以内となるようにして引き上げること、そして1420℃から1350℃まで、または融点から1400℃までの引き上げ軸方向の結晶内温度勾配を結晶中心部分ではＧｃ、結晶周辺部分ではＧｅとしたとき、この二つの温度勾配の差ΔＧ（＝Ｇｅ−Ｇｃ）が5℃／cm以内であるように炉内温度を制御することによる製造方法の発明が開示されている。要するに、育成中の固液界面をできるだけ平坦に保ち、かつ単結晶内部の固液界面からの温度勾配をできるだけ均一な状態に保つという製造方法である。このような条件下で単結晶育成をおこなえば、上記無欠陥領域を拡大でき、さらに2000Ｇ以上の水平磁場を融液に印加すれば、Grown-in欠陥の少ない単結晶をより容易に得ることができるとしている。
【００１０】
Grown-in欠陥のＣＯＰまたは転位クラスターは、いずれも結晶内の点欠陥に由来すると考えられている。単結晶引き上げ時の融液が凝固する際に、固相中に取り込まれる点欠陥の空孔や格子間Ｓｉ原子は、凝固後の冷却過程で拡散あるいは結合により消失していく。しかし、これらが過飽和に残存していると、空孔はＣＯＰの原因となり、格子間Ｓｉ原子は転位クラスターの原因となる。すなわちリング状ＯＳＦの内側領域は空孔が過剰の状態、外側領域には格子間Ｓｉ原子過剰の状態で冷却され、そして空孔の数と格子間Ｓｉ原子の過飽和度が下がった領域に、上記無欠陥領域が生じる。したがって、凝固後にこれら点欠陥はできるだけ速やかに拡散消失させ、その過飽和度を低下させる必要があるが、それとともにできるだけ広範囲にわたって空孔の数と格子間Ｓｉ原子の数をバランスさせ、冷却の過程で結合消滅をはかることも、無欠陥領域の拡大に効果があると考えられる。
【００１１】
上述の、引き上げ軸方向の温度勾配に関し融点から1300℃まで結晶内の分布の制御する方法や、1420℃から1350℃までの間においてできるだけ温度勾配を均一化する方法は、このような空孔と格子間原子の挙動を制御するものと思われるが、必ずしも安定してGrown-in欠陥を結晶全体で低減するまでには至っていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配を制御することにより、ＣＯＰや転位クラスターのようなGrown-in欠陥をできるだけ少なくしたウェーハを採取できる、大径長尺の高品質単結晶を安定して製造し得る単結晶製造方法の提供にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
単結晶の引き上げにおいて、冷却を速くして引き上げ速度を大きくするために、凝固直後の単結晶表面がるつぼ壁面や融液面からの熱輻射を受けないよう、熱遮蔽材で単結晶周囲を囲う方法が採用されている。この熱遮蔽材の用い方によっては、単結晶内部の温度分布が変わる。本発明者らは、単結晶引き上げ軸方向の温度勾配の単結晶内部の場所による違いが、取り込まれた空孔や格子間Ｓｉ原子の挙動に影響し、これが単結晶の無欠陥領域の拡大を可能にすると考えられることから、引き上げ直後の単結晶の周囲を熱遮蔽材で覆うことによる、Grown-in欠陥低減の可能性を種々検討した。
【００１４】
熱遮蔽材を用いる場合、単結晶表面からの距離、厚さ、高さ、融液面からの距離、形状、材質、等が様々に温度分布に影響すると考えられる。そこでまず引き上げ中単結晶の中に熱電対を埋め込み、引き上げに伴う温度変化を計測した。この場合、下部を引き上げ軸と垂直に切断した引き上げ途中の単結晶を用意し、これに軸方向平行に中心部、中間部、周辺部等に貫通孔を設け、この孔に石英ガラス保護管に入れた熱電対を先端が下面から約50mm程度出るよう挿入しておき、これを単結晶引き上げ装置に設置して、融液となじませた後引き上げ、温度を検出する、という方法によった。
【００１５】
この熱電対埋め込みによる実測とともに、通常このような単結晶の引き上げ中の温度分布の予測に用いられる総合伝熱計算法により温度を求めて、実測値との対比をおこない、実測と計算の温度指示値の相違を補正して、計算による予測が実測値に一致するようにした。それと同時に熱遮蔽材についても、その寸法、形状、位置を変えて設置し、それによる単結晶内温度分布の変化を調査した。これらの結果から、引き上げ中単結晶の結晶内温度分布が、計算によりほぼ正確に推測できることを確認し、さらに、引き上げ装置の構造や加熱方法、熱遮蔽材等によってもたらされる単結晶内の温度分布が、単結晶が成長していってもほぼ同じ状態に維持され、また、引き上げ速度が異なっても大きくは変わらないことを知ることができた。
【００１６】
このような結果に基づき、熱電対の挿入では健全な単結晶が得られないので、熱計算により単結晶内部の温度分布を確認しつつ、熱遮蔽材の寸法、形状、および設置位置を変えて、引き上げ速度を連続的に変えた単結晶の引き上げをおこない、単結晶の引き上げ軸を含む縦断面にて各欠陥の分布を調査した。
【００１７】
引き上げ中単結晶内部の温度分布の表し方は色々考えられるが、Grown-in欠陥の発生に関連するのは空孔や格子間Ｓｉ原子の点欠陥であり、これらの濃度や拡散に影響するのは、温度および垂直方向の温度勾配である。そこで、引き上げ軸に垂直な面、すなわちウェーハ相当の面において、その中心部の温度と、中心部および周辺部の垂直方向の温度勾配とに着目し、欠陥発生との関係を調査することとした。この場合、温度勾配を求める周辺部としては、単結晶表面ではなく表面から3〜5mm程度中に入った、ウェーハとしての最終製品の外周辺位置とした。
【００１８】
図３にその調査結果の例を示す。これは、引き上げ中の単結晶の中心部の温度Ｔを横軸に取り、縦軸に中心部の垂直方向温度勾配Ｇcと、周辺部の中心部と同じ温度を示す位置での垂直方向温度勾配Ｇpとの比、Ｇc／Ｇpを取ったものである。
【００１９】
図中Ａの線は、引き上げ中単結晶の周囲に配置した垂直軸と同心の円筒状熱遮蔽材を単結晶に近づけ、その下端もできるだけ融液面に近づけて、融液面やるつぼ壁面からの熱輻射による加熱を抑止した場合である。この場合1360℃以上の高温域ではＧc／Ｇpの値が1.0を下回っており、この温度域では結晶中心部よりも周辺部の方がより冷却されていることを示している。しかしこれより下の温度では、Ｇc／Ｇpの値が1.0より大きくなっており、中心部に比し周辺部が冷えにくくなっていることがわかる。これは、熱遮蔽材が近くにあるため、保温効果が出たものと思われる
この結晶内温度分布の状態にて、引き上げ速度を1.0mm／minから0.３mm/minまで徐々に低下させ、垂直方向断面にて欠陥分布を調査した結果を図４に示す。この結果は、とくに熱遮蔽材など用いずに引き上げをおこなった場合の図２に示した結果と大きくは変わらない。
【００２０】
次に熱遮蔽材は同じものを用い、その下端と融液との間隔を大きくして、引き上げ直後の単結晶表面が、熱輻射により温められるようにした場合の、単結晶温度とＧc／Ｇpの値の例を図３のＢに示す。この場合、1340℃より高温においてはＡに比較してＧc／Ｇpの値が大きいが、1300℃前後ではＧc／Ｇpの値が1.0を下回っており、高温の熱輻射によって温められた後に熱遮蔽材によって冷却された影響が現れたものと思われる。このように、熱遮蔽材の位置によって、結晶中心温度に対する温度勾配比Ｇc／Ｇpの値を種々変えることができるが、図３のＢの温度分布にて、引き上げ速度を徐々に低下させて欠陥の分布を調査した結果でも、図４に示した結果と大きくは変わらなかった。
【００２１】
ところが、熱遮蔽材の単結晶表面からの距離、下端部の融液面からの距離、さらには熱遮蔽材の形状を変えることにより、Ｔに対するＧc／Ｇpを種々変え、引き上げ速度を徐々に低下させる単結晶引き上げを試みた結果、欠陥の分布が大きく変わる場合のあることが明らかになってきた。そこで、ウェーハ面全面にわたってGrown-in欠陥のない状態とし得る可能性をさらに追究した結果、図３において、Ｇc／Ｇpの値が図中に示した破線よりも常に上にあるようにすることにより、実現できることががわかったのである。
【００２２】
Ｇc／Ｇpの値が図３の破線とほぼ同じか、やや上にある状態にて速度を低下させつつ引き上げをおこなった単結晶の欠陥分布の例を図５に示す。この場合、リング状ＯＳＦが完全に消失し、しかも転位クラスターの発生する部分のないウェーハを得ることはできない。しかし、リング状ＯＳＦ上にはGrown-in欠陥が発生しないので、引き上げ速度を図５中のｗ〜ｘ間に選ぶことにより、リング状ＯＳＦは中心部に残るが、全面にわたってGrown-in欠陥のないウェーハとすることができる。さらにＧc／Ｇpの値をこの破線より十分大きい状態にすることができれば、ＯＳＦのない無欠陥ウェーハも得られるようになる。
【００２３】
この破線は、Ｔが1360℃を超えるときはＧc／Ｇp＝−0.007Ｔ＋10.62、1360℃以下ではＧc／Ｇp＝1.0である。したがって図３においてＧc／Ｇpが破線より上にあるのは、
Ｔ＞1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧−0.007Ｔ＋10.62 ・・・・ ▲１▼
Ｔ＝1230〜1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧1.0 ・・・・・・・ ▲２▼
であることになる。
【００２４】
このように、上式を満足する状態の温度分布が実現されるとき、図５に示したｗ〜ｘ間の、全面にわたってGrown-in欠陥のないウェーハを得ることのできる引き上げ速度がなぜ現れるのか、その理由は明らかではない。
【００２５】
前述のように、Grown-in欠陥の発生する領域、およびこれらの欠陥の発生しない領域は、空孔および格子間Ｓｉ原子の数のバランスによって現れると考えられる。単結晶引き上げ時の融液が凝固して固体結晶に変化していく際、ランダムな原子配列の液相から原子が規則正しく整列する固相に移行するため、固液界面近傍の固相には、あるべきＳｉ原子の欠けた空孔や、余分のＳｉ原子がＳｉの結晶格子配列の間に入り込んだ格子間Ｓｉ原子が大量に存在する。そして、引き上げにより凝固して単結晶になった部分が固液界面から離れるにつれ、空孔や格子間Ｓｉ原子は移動や拡散、あるいは結合などによって消失し、整然とした原子配列となっていく。
【００２６】
この空孔と格子間Ｓｉ原子とは、固液界面で取り込まれる数は相互に相違があり、拡散速度もそれぞれ異なっている。さらに、凝固直後の単結晶内の温度勾配は、これら空孔や格子間Ｓｉ原子の拡散に大きく影響する。一般的に空孔または格子間Ｓｉ原子の固体シリコン中の飽和平衡濃度は、温度が高いほど高く、温度が低くなると低くなると考えられる。したがって、同じ量存在する場合、温度が低いほど実質的濃度は増大したことになり、凝固の過程で取り込まれた空孔や格子間Ｓｉ原子に対し、通常の濃度差による拡散の他、温度勾配に逆行して低温側から高温側に向けての拡散も進行する。また、これら空孔や格子間Ｓｉ原子は単結晶表面に達すると消滅するので、表面近くは濃度が低く内部から表面へ向けての拡散もある。
【００２７】
これら各種の拡散や空孔と格子間Ｓｉ原子の結合などは、高温では温度勾配に逆行する拡散が主で、温度が低くなるとこれに加えて結合や表面への拡散が進行し、温度が高いほど活発であると考えられる。前出のように、1360℃を境にそれを超える温度では▲１▼式を満足し、それとともに1360℃以下では▲２▼式を満足させることによって、図５に示されるような欠陥分布が得られるのは、このような拡散や結合が組み合わされた結果によると思われる。
【００２８】
次に、安定してこのような単結晶内温度分布の得られる熱遮蔽体の形状について検討をおこなった。考慮すべき要因は、単結晶表面から熱遮蔽体までの距離、融液面と熱遮蔽体下端までの距離、熱遮蔽体の材質およびその厚さ、等である。
【００２９】
熱遮蔽材がない場合、あるいはあっても単結晶表面からの距離が近すぎる場合は、ＴとＧc／Ｇpとの関係が、図３に示したＡに近いものとなり、▲１▼式と▲２▼式とを同時に満足できる温度分布は得られなかった。熱遮蔽材の内面は、高さが変わっても径の変わらない垂直円筒形とすると、下端部の融液面からの距離を短くすれば図３に示したＡに近く、大きくすればＢに近くなり、これも十分な温度分布にならない。
【００３０】
さらに検討を進めた結果、熱遮蔽材の形状としては図６に示すような、単結晶の引き上げ軸と同軸であって、単結晶表面との距離が上に行くほど大きくなる漏斗状の内面を有するものが好ましいことが明らかになってきた。これを融液面から離して配置し、引き上げ直後の単結晶表面が、るつぼ壁や融液表面からの熱輻射を受けて暖められるようにするのである。すなわち、熱遮蔽体の下端を単結晶表面に近づけ、その上で融液面と下端との距離をあけ、かつ熱遮蔽体は上の方に行くほど単結晶表面から離れるようにする。熱遮蔽体の下端位置を選定することにより、▲１▼式を満足できる状態が得られ、熱遮蔽体を表面から離していくことにより▲２▼式を満足できる状態が得られたものと思われる。
【００３１】
しかしこのようなＴとＧc／Ｇpとの満足すべき状態が得られても、引き上げ速度が不適当であれば、ウェーハ全面にわたってGrown-in欠陥のない単結晶は得られない。この欠陥のない最適引き上げ速度は、熱遮蔽材の形状以外の、るつぼ形状、ヒーター形状、加熱条件、ホットゾーンの形状等、引き上げ装置の熱的条件によって決まるので、現実には装置毎に引き上げ速度を変えて選定する必要がある。
【００３２】
以上のような検討結果に基づき、さらに限界条件を明らかにして本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
(1)チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げ育成するシリコン単結晶の製造方法であって、引き上げ中単結晶の中心部の温度をＴ（℃）とし、その温度を示す位置での引き上げ軸に垂直な面上において、引き上げ軸方向に対する温度勾配が、中心部ではＧｃ（℃／mm）、ウェーハとしての最終製品の外周辺位置に相当する周辺部ではＧｐ（℃／mm）であるとするとき、垂直方向温度勾配の比Ｇｃ／Ｇｐが、Ｔ≧1230℃の範囲で下記▼１▲および▼２▲式を満足している状態にて、引き上げをおこなうことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【００３３】
Ｔ＞1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧−0.007Ｔ＋10.62 ・・・・ ▲１▼
Ｔ＝1230〜1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧1.0 ・・・・・・・ ▲２▼
(2) チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げ育成するシリコン単結晶の製造方法であって、引き上げる単結晶の周囲に配置される引き上げ軸と同軸の円筒状の熱遮蔽体が、高さ200〜400mmで、その内面は下端部の単結晶表面からの距離を20〜60mmとし垂直方向に対する傾きを10°〜30°とする上方ほど大きくなる漏斗状形状を有しており、この熱遮蔽体の下端面の融液面からの高さを50〜110mmとして引き上げをおこなうことを特徴とする上記(1)のシリコン単結晶の製造方法。
(3) 引き上げ速度を連続的に変えて単結晶を育成することにより、引き上げ軸に垂直な断面においてGrown-in欠陥の発生しない引き上げ速度範囲を見出し、その範囲内の速度にて単結晶の引き上げをおこなうことを特徴とする、上記(1)または(2)のシリコン単結晶の製造方法。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、引き上げ中の単結晶内部の、中心部の温度をＴ（℃）とするとき、その温度を示す位置での引き上げ軸に垂直な面上において、引き上げ軸方向に対する温度勾配が、中心部ではＧc（℃／mm）、周辺部ではＧp（℃／mm）であるとすれば、垂直方向温度勾配の比Ｇc／Ｇpが、Ｔ≧1230℃の範囲で下記▲１▼および▲２▼式を満足している状態にて、単結晶の引き上げをおこなうものである。
【００３５】
Ｔ＞1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧−0.007Ｔ＋10.62 ・・・・ ▲１▼
Ｔ＝1230〜1360℃のとき Ｇc／Ｇp≧1.0 ・・・・・・・ ▲２▼
Ｇc／Ｇpが上記の範囲を満足できないときは、引き上げ速度を種々変えても、単結晶引き上げ軸に垂直なウェーハ面のほぼ全面が、Grown-in欠陥の発生しない状態である単結晶を製造することができない。Ｇc／Ｇpは上記▲１▼式および▲２▼式を満足するのであれば、大きくてもかまわない。ただし、健全な単結晶を引き上げるためには、Ｇc／Ｇpは1.5程度までとするのが望ましい。また、上記▲１▼および▲２▼式は、単結晶が融液から凝固し冷却していく連続した過程においていずれもが満足されている必要があり、一方の式のみ満足されても、Grown-in欠陥を十分低下させることができない。
【００３６】
このような単結晶内部の温度分布が、欠陥の発生に影響を及ぼすのは1230℃以上の温度域であって、この温度以下ではどのような温度分布であってもかまわない。
【００３７】
ここで、周辺部というのは単結晶の表面より3〜5mm程度中に入った、ウェーハとしての最終製品の外周辺位置とする。このような単結晶内部の温度分布状況は、総合伝熱解析法により計算機を用いて求めるが、この推測値をより正確にするために、単結晶中に熱電対を埋め込み温度を実測し、計算機による結果を補正しておくことが望ましい。
【００３８】
上記のような引き上げ中単結晶内部の温度分布状況を実現するためには、単結晶の周囲に引き上げ軸と同軸の円筒状の熱遮蔽体を配置する。この熱遮蔽体は、高さ200〜400mmで、その単結晶に面する内面が下端部において単結晶表面からの距離を20〜60mmとし、垂直方向に対する傾きを10°〜30°とする上方ほど大きくなる漏斗状形状を有しており、下端面の融液面からの高さを50〜110mmとする。この熱遮蔽体を所要位置に固定するための保持用具は、上端の内径よりも外側の単結晶表面から遠い位置にあって、単結晶の温度に影響をおよぼさないものであれば、どんな形状のものであってもよい。
【００３９】
図６にこの熱遮蔽体を引き上げ装置内に配置した状態を模式的に示す。円筒状で漏斗のように上方になるほど内径の大きい滅遮蔽体８を、引き上げられる単結晶７と同軸に、その下端と融液面との距離ｂを50〜110mmとして設置する。この距離ｂが50mmを下回ると、Ｇc／Ｇpが前記▲１▼式の条件を満足できなくなるからであり、110mmを超えると、Ｇc／Ｇpは高温側では大きくなっても、単結晶温度Ｔが1360℃近くになるとやはり▲１▼式が満足できない。
【００４０】
熱遮蔽体８の下端部の単結晶表面からの距離ｃは、20〜60mmとし、熱遮蔽体８の下端部の内径は、単結晶外径にこの距離を加えたものとする。これを60mm以下とするのは、上記の融液面との距離との組み合わせによって、1360℃を超え融点までの温度範囲にてＧc／Ｇpが▲１▼式を満足するために重要であって、これより大きくなるとｂが大きくなった場合と同じく▲１▼式の条件が維持できない。しかし20mmを下回る距離では、引き上げ中の変形などで単結晶に接触するおそれがあるので、20mm以上とする。
【００４１】
熱遮蔽体８の内面は、上になるほど径の大きくなる漏斗状とするが、その径は、引き上げ軸に垂直な円筒内面に対し、10°〜30°の傾きをもって広がるものとする。これは、傾きが10°未満の円筒面、ないしはそれに近い形状とすると、前出▲２▼式が満足できずＧc／Ｇpが1を下回ることがあるからであり、30°より大きくなると熱遮蔽体の効果が小さくなって、▲１▼の条件が実現できなくなるからである。
【００４２】
このように上になるほど径を大きくするのは、熱遮蔽体の影響を徐々に軽減していくためである。このような効果は、熱遮蔽体を上方ほど薄くするなど、厚さａを変えることによっても得ることができる。しかしながら、厚さａを変える場合、熱遮蔽体の熱特性により効果が左右されるので、上方ほど内径の大きくなる漏斗状とし、その厚さは少なくとも20mm以上と十分厚くしておくのが望ましい。
【００４３】
なお、熱遮蔽体の材質は、断熱効果が大きく、融液に接近させてもシリコンを汚染させるおそれのないものであれば特には限定しない。
【００４４】
熱遮蔽体の長さｄは200〜400mmとするが、これは200mmを下回る高さの場合、熱遮蔽体の効果が不十分で、▲１▼式および▲２▼式の条件が得られなくなる。一方400mmを超えて大きくしても、1230℃未満の温度域に対して影響するだけであり、有意な効果は得られない。
【００４５】
上記の熱遮蔽体を用い、▲１▼式および▲２▼式を満足する温度分布の状態が得られたとしても、図５から分かるように単結晶のウェーハ相当面にて全面が無欠陥領域となる最適の速度で引き上げなければ、欠陥のない単結晶は得られない。この最適引き上げ速度は、黒鉛るつぼ１bやその内側に嵌合させた石英るつぼ１aの形状、ヒーター４の形状や加熱の仕方、装置全体の断熱材や冷却部材の配置等、熱的環境によって変わってくるので、実際に引き上げをおこなう装置毎に異なる。しかし、このような装置の状態および熱遮蔽体の形状やその位置を定めた上で、見いだされた最適速度は、これらの状況を変えない限り、ほぼ一定値を示す。
【００４６】
そこで、単結晶の製造に際し、上記の熱遮蔽体を用い、▲１▼式および▲２▼式を満足するような状態とした後、あらかじめ引き上げ速度を連続的に変えて単結晶を育成することにより、引き上げ軸に垂直な断面においてGrown-in欠陥の発生しない引き上げ速度範囲を見出しておく。そしてその後は、その範囲内の速度にて単結晶の引き上げをおこなう。
【００４７】
【実施例】
図６に示した単結晶引き上げ装置および熱遮蔽体８を用い、単結晶の引き上げをおこなった。るつぼ１aに装荷するシリコン量は100kgでドーパントとしてＢを添加し目標比抵抗を13Ωcmとした。熱遮蔽体は黒鉛フェルトを黒鉛板で覆ったもので、下端部の内径が300mm、内面の上方へ向けての傾斜角は20°で、高さｄは350mm、厚さaは60mmとした。熱遮蔽体の下端から融液面までの距離ｂを80mmとし、単結晶の直径を210mmとした。したがって、単結晶表面と、熱遮蔽体下端部の単結晶表面からの距離ｃは45mmであった。
【００４８】
るつぼ１a内の、ヒーター４によって加熱溶融されてたシリコン融液３に、引き上げ軸５の先端のシードチャック６に取り付けられた種結晶を接触させ、種結晶先端に融液を凝固成長させながら引き上げて、単結晶７を成長させる。るつぼ１aおよび１bは支持軸２により回転でき、単結晶も引き上げ軸５により回転される。単結晶はまず結晶を無転位化するために、種結晶に付着した初期径よりも細くして成長させるシード絞りをおこない、次いでショルダー部を形成させ、肩変えして一定ボディ径とする。
【００４９】
単結晶は、目標径を210mm、ボディ長さを1000mmとした。この場合、引き上げ速度を、ボディ長さが300mmに達した時点で0.6mm／minとし、その後引き上げ長さに応じてほぼ直線的に徐々に低下させ、ボディ長が600mmに達したときに、0.3mm/minとなるようにした。引き上げ中の単結晶の中心部の温度Ｔと、垂直方向温度勾配の比Ｇc／Ｇpとを計測した結果を図７に示すが、破線で示した▲１▼式および▲２▼式の関係を十分満足する結果となっていた。
【００５０】
得られた単結晶を引き上げ軸に沿って縦割りし、引き上げ軸を含む板状サンプルに加工して、酸素雰囲気中にて800℃、4時間加熱し、さらに1000℃、16時間の熱処理後Ｘ線観察、および硝酸銅水溶液に浸漬してＣｕデコレーションをおこない、窒素雰囲気中で900℃、20分の熱処理後Ｘ線観察、をおこなって欠陥の分布を調査した。
【００５１】
欠陥の分布状況を図８に示す。これからわかるように、引き上げ速度をｙ〜ｚ間に選べば、リング状ＯＳＦもGrown-in欠陥も発生しないウェーハが得られる。この場合、ｙ〜ｚ間の最適引き上げ速度差は0.03mm/minであった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の方法にてＣＺ法のシリコン単結晶の引き上げをおこなえば、転位クラスターや赤外線散乱体のようなGrown-in欠陥のきわめて少ないウェーハを採取できる大径長尺の高品質単結晶を安定して製造し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分布の例を模式的に示した図である。
【図２】引き上げ速度を徐々に低下させて引き上げた単結晶の、引き上げ軸に平行な垂直断面における欠陥分布の例を模式的に示した図である。
【図３】引き上げ中単結晶の中心部の温度（Ｔ）と、その中心部の温度を示す位置における引き上げ軸と垂直な水平断面での、中心部の垂直方向温度勾配Ｇcに対する周辺部の垂直方向温度勾配Ｇpの比Ｇc／Ｇpとの関係を示した図である。
【図４】図３のＡまたはＢの単結晶内温度分布にて、速度を変えて引き上げをおこなった単結晶の、垂直断面における欠陥分布を示した図である。
【図５】Ｇc／Ｇpが図３の破線で示した位置よりも若干上にある単結晶内温度分布条件にて、速度を変えて引き上げをおこなった単結晶の、垂直断面における欠陥分布を示した図である。
【図６】熱遮蔽体を設置したシリコン単結晶引き上げ装置の断面を示す模式図である。
【図７】実施例にて引き上げをおこなった単結晶の中心部の温度（Ｔ）とＧc／Ｇpとの関係を示した図である。
【図８】実施例にて引き上げをおこなった単結晶の、垂直断面における欠陥分布を示した図である。
【符号の説明】
１a．石英るつぼ １b．黒鉛るつぼ
２．るつぼ支持軸 ３．シリコン溶融液
４．ヒーター ５．引き上げ軸
６．シードチャック ７．単結晶
８．熱遮蔽材[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a method for producing a silicon single crystal for a wafer, which is grown by a Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method) of a silicon wafer single crystal used as a semiconductor material.
[0002]
[Prior art]
The most widely adopted method for manufacturing a silicon single crystal used for a semiconductor material silicon wafer is a method of pulling and growing a single crystal by the CZ method.
[0003]
In the CZ method, a single crystal is grown by immersing a seed crystal in melted silicon in a quartz crucible to grow a single crystal. Due to the advancement of this silicon single crystal pulling growth technology, there are few defects and no dislocation large single crystals. Crystals are being manufactured. A semiconductor device is made into a product through a number of processes using a wafer obtained from a single crystal as a substrate. In the process, the substrate is subjected to a number of physical treatments, chemical treatments, and thermal treatments, including treatment in harsh thermal environments such as high-temperature treatment exceeding 1150 ° C. For this reason, not only defects such as oxygen precipitates that manifest themselves in the device manufacturing process and result in degradation of the performance, but also fine defects that are formed during crystal growth and greatly affect the performance of the device, namely Grown- In defects become a problem.
[0004]
The distribution of typical Grown-in defects is observed as shown in FIG. This is a diagram schematically showing the result of observing a micro defect distribution by an X-ray topography method after cutting a wafer from a single crystal immediately after growth, immersing it in an aqueous copper nitrate solution to attach Cu, and performing heat treatment. . In this wafer, oxygen-induced stacking faults distributed in a ring shape (hereinafter referred to as OSF (Oxygen induced Stacking Fault)) appeared, but the inner part of the ring has a COP (Crystal Originated) of about 0.1 μm in size. Defects called Particles are 10 Five ~Ten 6 Piece / cm Three The degree is detected. In addition, there is an oxygen precipitation region immediately outside the ring-shaped OSF, and here, an oxygen precipitate is easily formed, but there is an oxygen precipitation suppression region on the outer side where oxygen precipitation is less likely to occur. On the outside, there are 10 defects called dislocation clusters with a size of about 10 μm. Three ~Ten Four Piece / cm Three Exists to a certain extent. This COP and dislocation cluster are called Grown-in defects.
[0005]
The position where the above defects are generated is greatly influenced by the pulling speed when pulling a single crystal. For example, for a single crystal grown while gradually reducing the pulling rate, the distribution of various defects in a cross section cut in the vertical direction along the pulling axis at the center of the crystal is schematically shown in FIG. Results. If the shoulder portion is formed to obtain the required single crystal diameter and then the pulling speed is lowered, when viewed from the surface of a plate-shaped test piece cut perpendicular to the pulling axis, the ring-shaped OSF is first formed from the periphery of the crystal. appear. The ring-shaped OSF that appears in the peripheral portion gradually decreases in diameter as the pulling speed decreases, and eventually disappears, and the entire surface of the wafer corresponds to the outer portion of the ring-shaped OSF. That is, FIG. 1 shows a single crystal wafer grown at the position A in FIG. 2 or at this pulling speed.
[0006]
It is well known that dislocations in a silicon single crystal cause deterioration of the characteristics of a device formed thereon. In addition, the OSF deteriorates electrical characteristics such as an increase in leakage current, but the ring-shaped OSF has a high density. Therefore, at present, for ordinary LSIs, single crystals are grown at a relatively high pulling speed such that ring-shaped OSFs are distributed on the outermost periphery of the single crystal. Thereby, most of the wafer is used as the inner part of the ring-shaped OSF to avoid the generation of dislocation clusters. This is because the inner part of the ring-shaped OSF has a larger gettering action against heavy metal contamination generated in the manufacturing process of the device than the outer part.
[0007]
In recent years, with the increase in the degree of integration of LSI, the gate oxide film has been made thinner, and the temperature in the device manufacturing process has been lowered. For this reason, the OSF that is likely to be generated by high-temperature treatment is reduced, and the crystal has low oxygen, so that the OSF such as a ring-shaped OSF has less problems as a factor that deteriorates device characteristics. In order to reduce the COP density in the inner part of the ring-shaped OSF, a method of gradually cooling the temperature range near 1100 ° C. where the defect is formed is also employed. However, slow cooling reduces the defect density but raises the problem of increasing the defect size. The presence of COP greatly deteriorates the breakdown voltage characteristics of the thinned gate oxide film, but it is said that the influence of the device becomes large and it becomes difficult to cope with high integration, especially when the device pattern becomes finer. Yes. Since such a COP is not generated, the ring-shaped OSF can be extinguished at the center of the wafer by lowering the pulling speed and growing it at the position shown by B in FIG. Instead, dislocation clusters are generated.
[0008]
In the defect distribution shown in FIG. 1, the ring-shaped OSF region, the oxygen precipitation region, and the oxygen precipitation suppression region are regions in which no Grown-in defects exist. If this defect-free region can be expanded over the entire surface, the number of defects is extremely small. There is a possibility of obtaining a wafer or a single crystal. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 8-330316, the pulling speed during single crystal growth is V (mm / min), and the temperature gradient in the pulling axis direction in the temperature range from the melting point to 1300 ° C. is G (° C./mm). , V / G is 0.20 to 0.22 at the internal position from the outer periphery to 30 mm from the center of the crystal, and the temperature gradient is controlled so as to gradually increase toward the outer periphery of the crystal to generate dislocation clusters. There is also proposed an invention of a method of expanding only the defect-free region of the outer portion of the ring-shaped OSF over the entire surface of the wafer and further over the entire single crystal. In this case, various conditions such as the position of the crucible and the heater, the position of the semi-conical heat radiator made of carbon installed around the grown single crystal, the heat insulator structure around the heater, etc. are examined by comprehensive heat transfer calculation, The temperature is set to satisfy the above conditions and the growth is performed.
[0009]
Further, in JP-A-11-79889, the shape of the solid-liquid interface during single crystal growth is pulled up so that it is within ± 5 mm with respect to the average position of the solid-liquid interface, except for 5 mm around the single crystal. When the temperature gradient in the crystal in the pulling axis direction from 1420 ° C. to 1350 ° C. or from the melting point to 1400 ° C. is Gc in the crystal central portion and Ge in the crystal peripheral portion, the difference ΔG (= Ge An invention of a manufacturing method by controlling the furnace temperature so that -Gc) is within 5 ° C / cm is disclosed. In short, it is a manufacturing method in which the solid-liquid interface being grown is kept as flat as possible and the temperature gradient from the solid-liquid interface inside the single crystal is kept as uniform as possible. If single crystal growth is performed under such conditions, the defect-free region can be expanded, and if a horizontal magnetic field of 2000 G or more is applied to the melt, a single crystal with few Grown-in defects can be obtained more easily. I can do it.
[0010]
Grown-in defect COPs or dislocation clusters are all thought to originate from point defects in the crystal. When the melt at the time of pulling up the single crystal solidifies, the vacancy of point defects and interstitial Si atoms taken into the solid phase disappear by diffusion or bonding in the cooling process after solidification. However, if these remain supersaturated, vacancies cause COP, and interstitial Si atoms cause dislocation clusters. That is, the inner region of the ring-shaped OSF is cooled in a state where vacancies are excessive and the outer region is in a state where interstitial Si atoms are excessive, and the number of vacancies and the degree of supersaturation of interstitial Si atoms are reduced. A defect-free region occurs. Therefore, after solidification, these point defects need to be diffused and disappeared as soon as possible, and the degree of supersaturation must be reduced. At the same time, the number of vacancies and the number of interstitial Si atoms are balanced over a wide range as much as possible. It can be considered that the elimination of the bond is also effective in expanding the defect-free region.
[0011]
The above-mentioned method for controlling the distribution in the crystal from the melting point to 1300 ° C with respect to the temperature gradient in the pulling axis direction and the method for making the temperature gradient as uniform as possible between 1420 ° C and 1350 ° C Although it seems to control the behavior of interstitial atoms, it does not necessarily lead to stable reduction of Grown-in defects throughout the crystal.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By controlling the temperature gradient in the pulling axis direction of the single crystal, the present invention can stably collect large-length and long-quality single crystals that can collect wafers with as few Grown-in defects as COP and dislocation clusters. The present invention provides a method for producing a single crystal that can be produced.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
When pulling a single crystal, in order to increase the pulling speed by increasing the cooling speed, the single crystal surface immediately after solidification is surrounded by a heat shielding material so that it does not receive heat radiation from the crucible wall surface or melt surface. The method is adopted. Depending on how this heat shielding material is used, the temperature distribution inside the single crystal changes. The inventors found that the temperature gradient in the direction of the single crystal pulling axis depends on the location inside the single crystal, which affects the behavior of the introduced vacancies and interstitial Si atoms, which increases the defect-free region of the single crystal. We considered various possibilities for reducing Grown-in defects by covering the periphery of the single crystal immediately after the pulling with a heat shielding material.
[0014]
When using a heat shielding material, it is considered that the distance, thickness, height from the surface of the single crystal, the distance from the melt surface, shape, material, and the like affect the temperature distribution in various ways. First, a thermocouple was embedded in the single crystal being pulled, and the temperature change associated with the pulling was measured. In this case, a single crystal in the middle of pulling is prepared by cutting the lower part perpendicular to the pulling shaft, and through holes are provided in the center, middle, and peripheral parts in parallel to the axial direction, and the quartz glass protective tube is formed in this hole. The inserted thermocouple was inserted so that the tip protrudes about 50 mm from the lower surface, installed in a single crystal pulling device, pulled up after being melted with the melt, and the temperature was detected.
[0015]
In addition to the actual measurement by embedding this thermocouple, the temperature is obtained by the general heat transfer calculation method usually used for predicting the temperature distribution during pulling of such a single crystal, and compared with the actual measurement value. The difference in values was corrected so that the calculated predictions matched the measured values. At the same time, the heat shielding material was installed in different dimensions, shapes, and positions, and changes in the temperature distribution in the single crystal were investigated. From these results, it was confirmed that the temperature distribution in the single crystal during pulling can be estimated almost accurately by calculation, and the temperature distribution in the single crystal brought about by the structure of the pulling device, heating method, heat shielding material, etc. However, it was found that even when the single crystal was grown, it was maintained in the almost same state, and it did not change greatly even if the pulling rate was different.
[0016]
Based on these results, a healthy single crystal cannot be obtained by inserting a thermocouple, so change the size, shape, and installation position of the heat shield while checking the temperature distribution inside the single crystal by thermal calculation. Then, the single crystal was pulled with the pulling rate continuously changed, and the distribution of each defect was investigated in the longitudinal section including the single crystal pulling axis.
[0017]
There are various ways of expressing the temperature distribution inside the single crystal during pulling, but the growth of Grown-in defects is related to the point defects of vacancies and interstitial Si atoms, which affect their concentration and diffusion. Is the temperature and the temperature gradient in the vertical direction. Therefore, we focused on the temperature at the center of the surface perpendicular to the pulling axis, that is, the surface corresponding to the wafer, and the temperature gradient in the vertical direction at the center and the periphery, and investigated the relationship with the occurrence of defects. . In this case, the peripheral portion for obtaining the temperature gradient was not the single crystal surface, but the outer peripheral position of the final product as a wafer which entered about 3 to 5 mm from the surface.
[0018]
FIG. 3 shows an example of the investigation result. This is because the temperature T at the center of the single crystal being pulled is taken on the horizontal axis, the vertical temperature gradient Gc at the center on the vertical axis, and the vertical temperature gradient at the position showing the same temperature as the center at the periphery. The ratio to Gp is Gc / Gp.
[0019]
The line A in the figure shows that the cylindrical heat shielding material concentric with the vertical axis arranged around the single crystal being pulled up is brought close to the single crystal, and its lower end is brought as close to the melt surface as possible from the melt surface and the crucible wall surface. This is a case where heating by heat radiation is suppressed. In this case, the value of Gc / Gp is lower than 1.0 at a high temperature range of 1360 ° C. or higher, which indicates that the peripheral portion is cooled more than the crystal central portion in this temperature range. However, at temperatures below this, the value of Gc / Gp is greater than 1.0, indicating that the peripheral part is less likely to cool than the central part. This seems to have been because of the heat shielding material nearby.
FIG. 4 shows the result of investigating the defect distribution in the vertical cross section by gradually decreasing the pulling rate from 1.0 mm / min to 0.3 mm / min in the state of the temperature distribution in the crystal. This result is not much different from the result shown in FIG. 2 when the lifting is performed without using a heat shielding material.
[0020]
Next, the same heat shielding material is used, and the space between the lower end and the melt is increased so that the surface of the single crystal immediately after the pulling is heated by heat radiation and the single crystal temperature and Gc / Gp. An example of this value is shown in FIG. In this case, although the value of Gc / Gp is larger than that of A at a temperature higher than 1340 ° C., the value of Gc / Gp is lower than 1.0 at around 1300 ° C., and the heat shielding is performed after being heated by high-temperature heat radiation. It seems that the effect of cooling by the material appeared. As described above, the value of the temperature gradient ratio Gc / Gp with respect to the crystal center temperature can be variously changed depending on the position of the heat shielding material. However, in the temperature distribution of B in FIG. The result of investigating the distribution of was not significantly different from the result shown in FIG.
[0021]
However, by changing the distance from the single crystal surface of the heat shielding material, the distance from the melt surface at the lower end, and the shape of the heat shielding material, Gc / Gp with respect to T can be changed variously, and the pulling speed is gradually reduced. As a result of attempts to pull up the single crystal, it has become clear that the distribution of defects may change significantly. Therefore, as a result of further pursuing the possibility of having no Grown-in defect over the entire wafer surface, in FIG. 3, by making the value of Gc / Gp always above the broken line shown in the figure. It turns out that it can be realized.
[0022]
FIG. 5 shows an example of the defect distribution of a single crystal that is pulled up while reducing the speed in a state where the value of Gc / Gp is substantially the same as or slightly above the broken line in FIG. In this case, it is impossible to obtain a wafer in which the ring-like OSF completely disappears and no dislocation cluster is generated. However, since no Grown-in defect occurs on the ring-shaped OSF, the ring-shaped OSF remains at the center by selecting the pulling speed between w and x in FIG. There can be no wafer. Further, if the value of Gc / Gp can be made sufficiently larger than this broken line, a defect-free wafer without OSF can be obtained.
[0023]
The broken line indicates Gc / Gp = −0.007T + 10.62 when T exceeds 1360 ° C., and Gc / Gp = 1.0 when T is 1360 ° C. or lower. Therefore, in FIG. 3, Gc / Gp is above the broken line.
When T> 1360 ° C. Gc / Gp ≧ −0.007T + 10.62 ・ ・ ・ ・ ▲ １ ▼
When T = 1230 ~ 1360 ℃ Gc / Gp ≧ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ▲ ２ ▼
It will be.
[0024]
Thus, when the temperature distribution satisfying the above equation is realized, why the pulling speed that can obtain a wafer having no Grown-in defect over the entire surface between w and x shown in FIG. 5 appears. The reason is not clear.
[0025]
As described above, it is considered that a region where a Grown-in defect occurs and a region where these defects do not occur appear due to the balance of the number of vacancies and interstitial Si atoms. When the melt at the time of single crystal pulling solidifies and changes to a solid crystal, it shifts from a liquid phase with a random atomic arrangement to a solid phase in which atoms are regularly arranged. There are a large number of vacancies lacking Si atoms or interstitial Si atoms in which extra Si atoms enter between Si crystal lattice arrangements. Then, as the portion solidified by pulling to become a single crystal is separated from the solid-liquid interface, the vacancies and interstitial Si atoms disappear due to movement, diffusion, bonding, etc., and become an orderly atomic arrangement.
[0026]
The numbers of vacancies and interstitial Si atoms taken in at the solid-liquid interface are different from each other, and the diffusion rates are also different. Furthermore, the temperature gradient in the single crystal immediately after solidification greatly affects the diffusion of these vacancies and interstitial Si atoms. In general, the saturation equilibrium concentration of vacancies or interstitial Si atoms in solid silicon is considered to be higher as the temperature is higher and lower as the temperature is lower. Therefore, when the same amount is present, the lower the temperature, the higher the substantial concentration. For the vacancies and interstitial Si atoms incorporated during the solidification process, in addition to the diffusion due to the normal concentration difference, the temperature gradient In reverse, the diffusion from the low temperature side to the high temperature side also proceeds. Moreover, since these vacancies and interstitial Si atoms disappear when they reach the surface of the single crystal, the concentration is low near the surface and there is also diffusion from the inside to the surface.
[0027]
These various diffusions and bonds between vacancies and interstitial Si atoms are mainly diffusion that goes against the temperature gradient at high temperatures, and in addition to this, bonding and diffusion to the surface proceed and the temperature is high. It is considered as active. As described above, when the temperature exceeds 1360 ° C, the equation (1) is satisfied, and at 1360 ° C or less, the equation (2) is satisfied. As a result, the defect distribution as shown in FIG. The result is probably due to the combination of such diffusion and bonding.
[0028]
Next, the shape of the heat shield that can stably obtain such a temperature distribution in the single crystal was examined. Factors to be considered are the distance from the surface of the single crystal to the heat shield, the distance from the melt surface to the lower end of the heat shield, the material and thickness of the heat shield, and the like.
[0029]
If there is no heat shielding material or if the distance from the single crystal surface is too short, the relationship between T and Gc / Gp will be close to A shown in FIG. A temperature distribution that satisfies the formula (2) at the same time was not obtained. If the inner surface of the heat shielding material is a vertical cylindrical shape whose diameter does not change even if the height is changed, the distance from the melt surface at the lower end is close to A shown in FIG. It becomes close, and this also does not have a sufficient temperature distribution.
[0030]
As a result of further investigation, the shape of the heat shielding material is a funnel-shaped inner surface that is coaxial with the single crystal pulling shaft as shown in FIG. 6 and increases as the distance from the surface of the single crystal increases. It has become clear that what it has is preferred. This is arranged away from the melt surface so that the surface of the single crystal immediately after the pulling is heated by receiving heat radiation from the crucible wall or the melt surface. That is, the lower end of the heat shield is brought closer to the surface of the single crystal, and the distance between the melt surface and the lower end is made higher, and the heat shield is moved away from the surface of the single crystal as it goes upward. By selecting the lower end position of the heat shield, it is possible to obtain a state satisfying the formula (1), and by separating the heat shield from the surface, a state satisfying the formula (2) is obtained. It is.
[0031]
However, even if such a satisfactory state of T and Gc / Gp is obtained, a single crystal having no Grown-in defects over the entire surface of the wafer cannot be obtained if the pulling speed is inappropriate. The optimum pulling speed without defects is determined by the thermal conditions of the lifting device such as the crucible shape, heater shape, heating conditions, hot zone shape, etc. other than the shape of the heat shielding material. It is necessary to select differently.
[0032]
Based on the above examination results, the present invention was completed by further clarifying the limit conditions. The gist of the present invention is as follows.
(1) A method for producing a silicon single crystal that is pulled and grown by the Czochralski method (CZ method), where the temperature of the center portion of the single crystal being pulled is T (° C.) and the pulling shaft at the position indicating the temperature. On the surface perpendicular to the temperature gradient, the temperature gradient with respect to the pulling axis direction is Gc (° C./mm) at the center, Corresponds to the outer peripheral position of the final product as a wafer Assuming Gp (° C / mm) at the periphery, the vertical temperature gradient ratio Gc / Gp satisfies the following formulas ▼ 1 ▲ and ▼ 2 ▲ within the range of T ≧ 1230 ° C. A method for producing a silicon single crystal, wherein the silicon single crystal is pulled up.
[0033]
When T> 1360 ° C. Gc / Gp ≧ −0.007T + 10.62 ・ ・ ・ ・ ▲ １ ▼
When T = 1230 ~ 1360 ℃ Gc / Gp ≧ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ▲ ２ ▼
(2) A method for producing a silicon single crystal that is raised and grown by the Czochralski method (CZ method), and a cylindrical thermal shield that is coaxial with a pulling shaft disposed around the single crystal to be raised has a height of 200 The inner surface has a funnel-like shape that increases in the upward direction with the distance from the single crystal surface of the lower end portion being 20 to 60 mm and the inclination with respect to the vertical direction being 10 ° to 30 °. (1) The method for producing a silicon single crystal according to (1), wherein the lower end surface is pulled up with a height from the melt surface of 50 to 110 mm.
(3) By continuously changing the pulling speed and growing the single crystal, a pulling speed range in which no Grown-in defect occurs in the cross section perpendicular to the pulling axis is found, and the single crystal is pulled at a speed within that range. The method for producing a silicon single crystal according to (1) or (2) above, wherein:
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method of the present invention, when the temperature of the central portion inside the single crystal being pulled is T (° C.), the temperature gradient with respect to the pulling axis direction is on the plane perpendicular to the pulling axis at the position indicating the temperature. If the central portion is Gc (° C./mm) and the peripheral portion is Gp (° C./mm), the vertical temperature gradient ratio Gc / Gp is within the range of T ≧ 1230 ° C. The single crystal is pulled up while satisfying the formula (2).
[0035]
When T> 1360 ° C. Gc / Gp ≧ −0.007T + 10.62 ・ ・ ・ ・ ▲ １ ▼
When T = 1230 ~ 1360 ℃ Gc / Gp ≧ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ▲ ２ ▼
When Gc / Gp cannot satisfy the above range, a single crystal is produced in which almost all of the wafer surface perpendicular to the single crystal pulling axis is free from Grown-in defects even if the pulling speed is varied. I can't. Gc / Gp may be large as long as the above formulas (1) and (2) are satisfied. However, in order to pull a healthy single crystal, it is desirable to set Gc / Gp to about 1.5. Further, the above formulas (1) and (2) need to be satisfied in a continuous process in which the single crystal is solidified from the melt and cooled, and even if only one formula is satisfied, the Grown -In defects cannot be reduced sufficiently.
[0036]
Such temperature distribution within the single crystal affects the generation of defects in a temperature range of 1230 ° C. or higher, and any temperature distribution below this temperature may be used.
[0037]
Here, the peripheral portion is the outer peripheral position of the final product as a wafer, which is about 3 to 5 mm from the surface of the single crystal. The temperature distribution inside such a single crystal is obtained using a computer by the comprehensive heat transfer analysis method.To make this estimate more accurate, a thermocouple is embedded in the single crystal and the temperature is measured. It is desirable to correct the result of.
[0038]
In order to realize the temperature distribution inside the single crystal during pulling as described above, a cylindrical heat shield coaxial with the pulling shaft is disposed around the single crystal. This heat shield has a height of 200 to 400 mm, the inner surface facing the single crystal has a distance from the surface of the single crystal of 20 to 60 mm at the lower end, and the upper part with an inclination with respect to the vertical direction of 10 ° to 30 °. It has a large funnel shape, and the height of the lower end surface from the melt surface is 50 to 110 mm. The holding tool for fixing the heat shield in a required position is located at a position far from the surface of the single crystal outside the inner diameter of the upper end and does not affect the temperature of the single crystal. It may be of a shape.
[0039]
FIG. 6 schematically shows a state in which this heat shield is arranged in the lifting device. A cylindrical shield 8 having a larger inner diameter as it goes upward, such as a funnel, is placed coaxially with the
[0040]
The distance c from the single crystal surface of the lower end portion of the heat shield 8 is 20 to 60 mm, and the inner diameter of the lower end portion of the heat shield 8 is obtained by adding this distance to the outer diameter of the single crystal. Setting this to 60 mm or less is important for Gc / Gp satisfying the formula (1) in the temperature range exceeding 1360 ° C. up to the melting point, depending on the combination with the distance from the melt surface. If the value is larger than this, the condition of the expression (1) cannot be maintained as in the case where b is large. However, if the distance is less than 20 mm, there is a risk of contact with the single crystal due to deformation during pulling, so the distance is set to 20 mm or more.
[0041]
The inner surface of the heat shield 8 has a funnel shape with a larger diameter as it goes up, and its diameter widens with an inclination of 10 ° to 30 ° with respect to the inner surface of the cylinder perpendicular to the pulling axis. This is because if the cylindrical surface has an inclination of less than 10 ° or a shape close to it, the above equation (2) may not be satisfied and Gc / Gp may be less than 1, and if it exceeds 30 °, the heat shield This is because the effect of the body is reduced and the condition (1) cannot be realized.
[0042]
The reason for increasing the diameter as it goes up is to gradually reduce the influence of the heat shield. Such an effect can also be obtained by changing the thickness a, such as making the heat shield thinner toward the top. However, when the thickness a is changed, the effect depends on the thermal characteristics of the heat shield. Therefore, it is desirable that the upper part has a funnel shape whose inner diameter becomes larger and the thickness is at least 20 mm or more.
[0043]
The material of the heat shield is not particularly limited as long as it has a large heat insulation effect and does not cause the silicon to be contaminated even when it is brought close to the melt.
[0044]
The length d of the heat shield is 200 to 400 mm. However, when the height is less than 200 mm, the effect of the heat shield is insufficient and the conditions of the formulas (1) and (2) cannot be obtained. . On the other hand, even if it exceeds 400 mm, it only affects the temperature range below 1230 ° C., and no significant effect is obtained.
[0045]
Even if the temperature distribution satisfying the formulas (1) and (2) is obtained using the above-mentioned heat shield, the entire surface of the surface corresponding to the single crystal wafer is defect-free as shown in FIG. Unless it is pulled at an optimum speed, a single crystal having no defect cannot be obtained. The optimum pulling speed varies depending on the thermal environment such as the shape of the graphite crucible 1b and the quartz crucible 1a fitted inside, the shape of the
[0046]
Therefore, in the production of a single crystal, the above heat shield is used, and after satisfying the formulas (1) and (2), the single crystal is grown by changing the pulling rate continuously in advance. Thus, a pulling speed range in which no Grown-in defect occurs in a cross section perpendicular to the pulling axis is found. Thereafter, the single crystal is pulled at a speed within the range.
[0047]
【Example】
The single crystal was pulled using the single crystal pulling apparatus and the heat shield 8 shown in FIG. The amount of silicon loaded in the crucible 1a was 100 kg, B was added as a dopant, and the target specific resistance was 13 Ωcm. The heat shield was a graphite felt covered with a graphite plate. The inner diameter of the lower end portion was 300 mm, the inclination angle upward of the inner surface was 20 °, the height d was 350 mm, and the thickness a was 60 mm. The distance b from the lower end of the heat shield to the melt surface was 80 mm, and the diameter of the single crystal was 210 mm. Therefore, the distance c between the single crystal surface and the single crystal surface at the lower end of the heat shield was 45 mm.
[0048]
The seed melt attached to the
[0049]
The single crystal had a target diameter of 210 mm and a body length of 1000 mm. In this case, the lifting speed is set to 0.6 mm / min when the body length reaches 300 mm, and then gradually decreases substantially linearly according to the lifting length, and 0.3 mm when the body length reaches 600 mm. It was set to mm / min. FIG. 7 shows the results of measuring the temperature T at the center of the single crystal being pulled and the ratio Gc / Gp of the vertical temperature gradient. The relationship between the formulas (1) and (2) indicated by the broken lines is shown in FIG. The result was fully satisfactory.
[0050]
The obtained single crystal is vertically divided along the pulling axis, processed into a plate-like sample including the pulling axis, heated in an oxygen atmosphere at 800 ° C. for 4 hours, and further after heat treatment at 1000 ° C. for 16 hours X The defect distribution was investigated by performing X-ray observation after heat treatment at 900 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere by performing X-ray observation and immersion in a copper nitrate aqueous solution.
[0051]
FIG. 8 shows the distribution of defects. As can be seen, if the pulling speed is selected between y and z, a wafer in which neither the ring-shaped OSF nor the Grown-in defect occurs can be obtained. In this case, the optimum pulling speed difference between y and z was 0.03 mm / min.
[0052]
【The invention's effect】
By pulling a silicon single crystal of the CZ method using the method of the present invention, a large-length long high-quality single crystal that can collect wafers with very few Grown-in defects such as dislocation clusters and infrared scatterers can be stabilized. Can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a typical defect distribution observed on a silicon wafer.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of defect distribution in a vertical cross section parallel to a pulling axis of a single crystal pulled at a gradually decreasing pulling speed.
FIG. 3 shows the temperature (T) of the central portion of the single crystal being pulled and the vertical of the peripheral portion with respect to the vertical temperature gradient Gc of the central portion in a horizontal section perpendicular to the pulling axis at the position indicating the temperature of the central portion. It is the figure which showed the relationship with ratio Gc / Gp of direction temperature gradient Gp.
4 is a diagram showing a defect distribution in a vertical section of a single crystal that is pulled up at different speeds in the temperature distribution in the single crystal of A or B of FIG.
FIG. 5 shows defect distribution in a vertical section of a single crystal pulled at different speeds under the temperature distribution condition in the single crystal where Gc / Gp is slightly above the position shown by the broken line in FIG. It is a figure.
FIG. 6 is a schematic view showing a cross section of a silicon single crystal pulling apparatus provided with a heat shield.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the temperature (T) at the center of a single crystal pulled up in Examples and Gc / Gp.
FIG. 8 is a diagram showing a defect distribution in a vertical section of a single crystal pulled up in an example.
[Explanation of symbols]
1a. Quartz crucible 1b. Graphite crucible
2. 2. Crucible support shaft Silicon melt
4). 4. Heater Lifting shaft
6).
8). Heat shielding material
Claims (3)
Ｔ＞1360℃のとき Ｇｃ／Ｇｐ≧−0.007Ｔ＋10.62 ・・・・ ▼１▲
Ｔ＝1230〜1360℃のとき Ｇｃ／Ｇｐ≧1.0 ・・・・・・・ ▼２▲A method for producing a silicon single crystal that is pulled and grown by the Czochralski method (CZ method), wherein the temperature of the central portion of the single crystal being pulled is T (° C.) and is perpendicular to the pulling axis at the position indicating the temperature. When the temperature gradient on the surface is Gc (° C./mm) at the center and Gp (° C./mm) at the peripheral portion corresponding to the outer peripheral position of the final product as a wafer, it is vertical. A method for producing a silicon single crystal, wherein the pulling is performed in a state where the ratio Gc / Gp of the directional temperature gradient satisfies the following formulas (1) and (2) in the range of T ≧ 1230 ° C.
When T> 1360 ° C. Gc / Gp ≧ −0.007T + 10.62 ・ ・ ・ ・ ▼ 1 ▲
When T = 1230 ~ 1360 ° C Gc / Gp ≧ 1.0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ▼ 2 ▲
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28272599A JP4048660B2 (en) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | CZ silicon single crystal manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28272599A JP4048660B2 (en) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | CZ silicon single crystal manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001106591A JP2001106591A (en) | 2001-04-17 |
| JP4048660B2 true JP4048660B2 (en) | 2008-02-20 |
Family
ID=17656241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28272599A Expired - Lifetime JP4048660B2 (en) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | CZ silicon single crystal manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4048660B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103305905A (en) * | 2013-05-30 | 2013-09-18 | 浙江长兴众成电子有限公司 | Variable crucible ratio monocrystal silicon growth method |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5120337B2 (en) * | 2009-06-01 | 2013-01-16 | 株式会社Ｓｕｍｃｏ | Silicon single crystal manufacturing method, silicon single crystal temperature estimation method |
| CN107130295B (en) * | 2017-04-17 | 2019-07-09 | 宜昌南玻硅材料有限公司 | A kind of device and method for eliminating silicon plug crack |
-
1999
- 1999-10-04 JP JP28272599A patent/JP4048660B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103305905A (en) * | 2013-05-30 | 2013-09-18 | 浙江长兴众成电子有限公司 | Variable crucible ratio monocrystal silicon growth method |
| CN103305905B (en) * | 2013-05-30 | 2015-08-05 | 浙江中晶科技股份有限公司 | A kind of monocrystalline silicon growing method becoming crucible ratio |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001106591A (en) | 2001-04-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6702892B2 (en) | Production device for high-quality silicon single crystals | |
| JP3782387B2 (en) | Method for producing low defect density self-interstitial dominated silicon | |
| JP3783495B2 (en) | Manufacturing method of high quality silicon single crystal | |
| JP4644729B2 (en) | Low defect density silicon with vacancy-dominated cores substantially free of oxidation-induced stacking faults | |
| JP3943717B2 (en) | Silicon single crystal wafer and manufacturing method thereof | |
| KR101929506B1 (en) | Method for producing silicon single crystal wafer | |
| US20090301385A1 (en) | Method for producing silicon wafer | |
| KR100717237B1 (en) | Process for preparing single crystal silicon having uniform thermal history | |
| WO1999010570A1 (en) | High-quality silicon single crystal and method of producing the same | |
| JP5145721B2 (en) | Method and apparatus for producing silicon single crystal | |
| TWI568897B (en) | Cultivation method of silicon single crystal | |
| JP2002519283A (en) | Low defect, self-penetrating type crystal pulling equipment for growing predominant silicon | |
| JP4048660B2 (en) | CZ silicon single crystal manufacturing method | |
| JP4158237B2 (en) | Method for growing high-quality silicon single crystals | |
| US6338757B1 (en) | Single crystal pull-up apparatus | |
| KR100847700B1 (en) | Device for preparing silicon single crystal and method for preparing silicon single crystal using the same | |
| JP5724890B2 (en) | Silicon single crystal wafer, method for evaluating in-plane uniformity of the amount of precipitated oxygen, method for producing silicon single crystal | |
| JP2000016897A (en) | Production of high quality silicon single crystal | |
| JP2004250263A (en) | High-quality wafer and its manufacture method | |
| JP4842861B2 (en) | Method for producing silicon single crystal | |
| JP2001220285A (en) | Method for determining temperature gradient for silicon single crystal, thermosensor and method for growing silicon single crystal using the same | |
| JP4078782B2 (en) | Manufacturing method of high quality silicon single crystal | |
| JP4501507B2 (en) | Silicon single crystal growth method | |
| KR100468117B1 (en) | Production method for high-quality silicon single crystal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041227 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070517 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070529 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070727 |
|
| 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: 20071106 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071119 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4048660 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101207 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101207 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111207 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111207 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121207 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121207 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131207 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| 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 |