JP4150167B2

JP4150167B2 - シリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP4150167B2
Application number: JP2001039556A
Authority: JP
Inventors: 忠神田; 俊二倉垣; 匡人渡邉; 実江口
Original assignee: Sumco Corp; NEC Corp
Current assignee: Sumco Corp; NEC Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: KR100639177B1; JP2002249397A; US20030140843A1; KR20020081442A; WO2002064866A1; EP1365048A4; EP1365048A1; EP1365048B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶を製造する方法に関するものであり、更には０．１μｍサイズ以上のＣＯＰが存在せず、転位クラスタも含まない結晶領域から成るシリコン単結晶を高生産で製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造に用いられるシリコンウエーハは主にＣＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されている。ＣＺ法は、石英坩堝内で溶融したシリコン融液に種結晶を浸け、石英坩堝および種結晶を回転させながら種結晶を引き上げることにより、種結晶の下端に円柱状のシリコン単結晶を成長させるものである。
【０００３】
このＣＺ法により製造されたシリコン単結晶中には、ＣＯＰ(Crystal Originated Particle)や転位クラスタ等と呼称される欠陥が存在していることがある。これら欠陥は、その後の熱処理により結晶内に新たに形成されたものではなく、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥とも呼ばれ単結晶引き上げ過程で結晶内に形成される欠陥である。
【０００４】
このｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の代表的なものの分布は、例えば図３のように観察される。これは成長直後の単結晶からウエーハを切り出し、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結晶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。
【０００５】
このウエーハは、熱処理誘起欠陥の一種である酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ：Oxidation-induced Stacking Fault）がリング状に現れたものであるが、この酸化誘起積層欠陥リング（以下、Ｒ−ＯＳＦという）の内側には、単結晶育成後の評価で観察されるｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のうちのＣＯＰが検出され、Ｒ−ＯＳＦ領域の内側に近接する部分には０．１μｍサイズ以上のＣＯＰが検出されない無欠陥領域が存在する。一方、Ｒ−ＯＳＦ領域の外側に近接する部分には酸素析出が起こり易くｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない酸素析出促進領域が存在し、その外側には酸素析出が起こり難くｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない酸素析出抑制領域がある。その外側にはｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のうちの転位クラスターと呼ばれる欠陥が存在する。
【０００６】
上記の欠陥の発生位置は、単結晶の引き上げ速度に大きく影響され、引き上げ速度が大きい場合にはＲ−ＯＳＦが潜在的に発生する領域は単結晶外周部に発生し、引き上げ速度の低下に伴い、Ｒ−ＯＳＦが現れる領域が結晶の外側から内側へと収縮していき、やがては単結晶中心部で消滅することとなる。
【０００７】
ＯＳＦは、酸化熱処理時に生じる格子間型の転位ループであり、デバイスの活性領域であるウエハ表面に生成、成長した場合には、リーク電流の原因となり、デバイス特性を劣化させる欠陥となる。このため従来では、単結晶の育成時の引き上げ速度をできるだけ速くして、例えば引き上げ速度を０．８ｍｍ／ｍｉｎ以上に設定してＲ−ＯＳＦが潜在的に発生する領域を結晶の外周側に移動させるように制御することにより、ＯＳＦの高密度発生領域を外周側に押し出していた。
【０００８】
ところが、最近、デバイスの製造工程が低温化してきたことや高温熱処理時間が短くなってきたことで、ＯＳＦによるデバイスへの悪影響が抑えられ、ＯＳＦはあまりデバイス特性を劣化させる因子としては大きな問題とはならなくなってきている。これに対し、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のうちＣＯＰは初期の酸化膜耐圧特性を劣化させる因子であり、また転位クラスターはデバイス特性を著しく劣化させる因子であり、これらｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の結晶内における密度を低減させることが最近では重要課題となっている。
【０００９】
しかしながら、前述したように単結晶育成時の引き上げ速度をできるだけ速くして、Ｒ−ＯＳＦの発生領域を結晶の外周側に移動させる方法で得られた単結晶は、生産性に優れ、転位クラスタが無い結晶が得られるものの、Ｒ−ＯＳＦの内側にはサイズの大きなＣＯＰが高密度で発生し、これがＭＯＳデバイスのゲート酸化膜耐圧特性を劣化させることが明らかになってきた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このため、デバイス特性を劣化させるＣＯＰや転位クラスタを含まないシリコン単結晶を育成する方法として、結晶内の軸方向温度勾配Ｇと引き上げ速度Ｖの比Ｖ／ＧおよびＶ／Ｇの面内分布をある一定の範囲内に制御する方法が、特開２０００−３２７４８６号公報により提案されている。確かにこの方法によれば、ＣＯＰや転位クラスタを含まない高品質なシリコン単結晶を得ることができるものの、ＣＺ炉内のホットゾーン構造を調整して結晶内の軸方向温度勾配Ｇを大きくするには限界があり、結果的に単結晶の引き上げ速度をかなり遅くしなければならず、シリコン単結晶の生産効率が悪いという問題があった。
【００１１】
また、特開平１１-７９８８９号公報には、磁場印加ＣＺ法により比較的速い引き上げ速度でＣＯＰも転位クラスタも含まない無欠陥領域を形成でき、この無欠陥領域を形成できる引き上げ速度の許容範囲も拡げられることが示されている。しかし、この方法でも引き上げ速度は十分でなく、無欠陥領域を形成できる引き上げ速度の許容範囲の幅も不十分であった。
【００１２】
一方、近年、坩堝を強制的に回転させずに坩堝内のシリコン溶融液のみを回転させることにより、結晶面内の不純物濃度が均一なシリコン単結晶を得る引き上げ方法が提案されている。この手法については例えば、特許第２９５９５４３号公報で詳しく開示されており、具体的には、シリコン単結晶育成において、シリコン融液に磁界を印加し、さらにシリコン融液にその磁界と直交する電流を印加することにより、ローレンツ力により融液を回転させる方法であって、ＥＭＣＺ法と呼ばれるシリコン単結晶の製造方法である。
【００１３】
このＥＭＣＺ法によれば、坩堝を回転させずにシリコン融液を自発的に回転させて、融液の回転数を任意に設定することができるため、結晶中に混入する不純物元素の濃度の変化を容易に制御することが可能となる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥がないあるいはその密度が極めて低減化されたシリコン単結晶を高生産性で、しかも引き上げ速度の許容範囲が広い条件で製造することを目的に、各種のシリコン単結晶育成方法について鋭意研究した結果、シリコン溶融液に磁界を印加し、かつこの磁界と直交する成分を含む電流をシリコン溶融液に印加しながら単結晶を引き上げることが引き上げ速度の向上に有効であることを見い出し、本発明を完成させた。
【００１５】
本発明の要旨は、ＣＺ法により、融点〜１３００℃までの温度域において、引き上げ軸方向における単結晶中心部の温度勾配をＧｃとし、単結晶外周部の温度勾配をＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ≧１．０を満足する育成条件で引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、結晶面内に現れる酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％の範囲になるように引き上げ速度を調整して、かつシリコン溶融液に磁界を印加し、この磁界と直交する成分を含む電流をシリコン溶融液に印加し、前記酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％である部分が、０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスターを含まない領域から成るリコン単結晶の製造方法を特徴とするものである。
【００１６】
結晶面内に現れる酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％の範囲に位置する結晶領域から切り出されたウエーハは、酸化膜耐圧特性に優れた結晶品質を有するウエーハとなる。７０％を超える場合には、結晶中心部に比較的サイズの大きなＣＯＰが高密度で発生してしまうため、これを超えないように、引き上げ速度を調整する必要がある。
【００１７】
本発明によって、酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％の範囲に調整されたシリコン単結晶を高速で製造できる理由については明らかではないが、恐らく、通常のＣＺ法または磁場印加ＣＺ法では坩堝を回転させているため、坩堝内の融液対流は坩堝壁に近いほど大きく、単結晶成長界面の直下では小さいのに対し、ＥＭＣＺ法では、ローレンツ力で直接シリコン融液を回転させていることから、育成中の結晶直下でも比較的大きな融液対流が得られる。このため、結晶直下の融液中の温度勾配が通常のＣＺ法や磁場印加ＣＺ法よりも小さいことから、引き上げ速度およびその許容範囲の増大をもたらしているものと推定される。
【００１８】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、引き上げ軸に垂直なシリコン単結晶断面において、酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％である部分が、単結晶直胴部の長さの１／３以上とすることが望ましい。
【００１９】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、結晶面内に現れる酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％である部分が、０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスターを含まない領域から成る結晶とする。
【００２０】
前述したとおり、Ｒ−ＯＳＦの発生領域を結晶半径の７０％〜０％の範囲に調整することで酸化膜耐圧特性に優れたウエーハを得ることができる。しかし、Ｒ−ＯＳＦの内側に発生するＣＯＰのうち、サイズが０．１μｍ以上のＣＯＰは熱的に極めて安定であることから、デバイス製造プロセスにおける高温熱処理を受けても消滅せず、ウエーハ表面近傍の活性領域に残留し接合リーク特性を劣化させる懸念があるため、更なる高品質なシリコン単結晶の育成を考慮すると、実質的に０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスターを含まない領域から成るように育成条件を調整する必要がある。
【００２１】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、引き上げ速度は０．６〜１．６ｍｍ／ｍｉｎの範囲内に調整することが望ましい。０．６ｍｍ／ｍｉｎよりも遅い場合には、結晶外周部に転位クラスタが発生して酸化膜耐圧特性を低下させてしまい、１．６ｍｍ／ｍｉｎを超える場合には、Ｒ−ＯＳＦの発生領域を結晶直径の７０％の範囲に調整することができなくなり、逆に結晶中心部からサイズの大きなＣＯＰが高密度で発生して、酸化膜耐圧特性および接合リーク特性を低下させてしまうこととなる。更なる結晶の高品質化の観点からは、平均引き上げ速度を１．２ｍｍ／ｍｉｎ以内に調整することで、実質的に０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスタを含まない領域から成るシリコン単結晶を育成することができる。
【００２２】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、融点〜１３００℃までの温度域において、引き上げ軸方向における単結晶中心部の温度勾配をＧｃとし、単結晶外周部の温度勾配をＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ≧１．０を満足する単結晶引き上げ装置を使用する。特に、０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスターを含まない領域を結晶径方向に均一に拡大させる際に有効であり、Ｇｃ／Ｇｅが１．０よりも小さい場合には、結晶径方向に結晶品質が均一な結晶を得ることができなくなる。
【００２３】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、シリコン溶融液に印加する磁界が、縦磁場成分を含む磁界であることが望ましく、特に、ウェーハ面内の酸素濃度分布および抵抗率分布の均一性の観点からは、カスプ磁界を印加することが望ましい。
【００２４】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、シリコン溶融液に印加するカスプ磁界の強度としては、０．０３Ｔ以上の磁場を印加することが望ましい。０．０３Ｔより小さい場合にはローレンツ力によるシリコン溶融液の攪拌効果が小さいために、引き上げ速度の増大を図ることができない。なお、磁場強度は結晶品質面からは強いほど好ましいが、装置の構造、能力上の制約がある。
【００２５】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、シリコン溶融液に流す電流値は、１〜２０Ａの範囲内で通電することが望ましい。１Ａより小さい場合にはローレンツ力によるシリコン溶融液の回転が小さくなりすぎて、単結晶直下の融液対流が低減してしまい引き上げ速度の増大が図れず、２０Ａを超えると、通常のネック部径は３ｍｍ程度であってその抵抗が大きいため、このネック部にジュール熱が発生してネック部の強度が低下する問題がある。
【００２６】
本発明のシリコン単結晶の製造方法にあっては、シリコン単結晶の直胴部を製造する過程では坩堝を回転させないことが望ましい。坩堝を回転させた場合には、単結晶成長界面の直下における融液の対流が小さくなり、引き上げ速度の向上を図ることができなくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００２８】
図１は、本発明のシリコン単結晶を得るために適したシリコン単結晶引き上げ装置を模式的に示す断面図である。この単結晶引き上げ装置は、予め、融点〜１３００℃までの温度域において、この温度域での引き上げ軸方向における単結晶中心部の平均温度勾配をＧｃとし、単結晶外周部の平均温度勾配をＧｅとしたとき、Ｇｃ／Ｇｅ≧１．０の温度勾配を満足するホットゾーン条件を総合伝熱計算によって求め、この条件を満たすように、坩堝１とヒーター２との相対位置、熱遮蔽体９の厚み、輻射遮蔽体９の先端と融液表面４との距離、断熱材１０の構造等が調整された単結晶引き上げ装置である。
【００２９】
この単結晶引き上げ装置の炉体８の周囲には、坩堝１を介して上方および下方に相対向するように磁場印加用のコイル６を一対に設けて、一対の上部コイル６ａおよび下部コイル６ｂには互いに逆向きに回る電流を流すことによって、坩堝内の溶融液４にカスプ磁場が形成される構造とした。また、坩堝１ａ内のシリコン溶融液４と単結晶５との間に電流が流れるように、炉体８外部に設けた電源装置１４により、溶融液４に浸漬させた電極１３および引き上げ軸７に電流を流す構造とした。
【００３０】
上述した単結晶引き上げ装置を使用して０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスタを含まない領域を含むシリコン単結晶を得るために必要な引き上げ速度範囲を調査すべく、以下の条件で引き上げ速度変更実験を行った。
【００３１】
ここで、製造するシリコン単結晶の仕様は、酸素濃度が２４ｐｐｍａ、直径２００ｍｍ、直胴部長さ１２００ｍｍ、結晶方位＜００１＞のシリコン単結晶とした。まず、直径２６インチの石英坩堝に１２０ｋｇの多結晶シリコン原料を入れ、単結晶中の電気抵抗率が１０Ωｃｍとなるようにｐ型ドーパントのボロンを添加して、黒鉛坩堝１ｂの周囲に設置した円筒状の黒鉛ヒーター２で石英坩堝１ａ内の多結晶シリコン原料を加熱溶融する。
【００３２】
その後、カスプ磁場強度が０となるカスプ磁場中心位置が溶融液表面から８０ｍｍ下方の溶融液内中心部に位置するようにコイル６の配置を調節して、融液表面から８０ｍｍ下の高さで坩堝１側壁と直交する水平磁場強度が０．０９Ｔ、引き上げ初期の坩堝１底壁中心部での垂直磁場強度が０．０７Ｔとなるようにカスプ磁場を印加する。以後、種結晶３の下端部を溶融液４に浸漬し、坩堝昇降軸１１及び引き上げ軸７を互いに逆方向に回転させつつ、引き上げ軸７を上方に引き上げて種結晶３の下端にシリコン単結晶５を成長させる。ここで、坩堝１は単結晶の成長に応じて上方に上昇するため、溶融液表面位置はヒータおよびカスプ印加位置に対して常に一定に保たれる。
【００３３】
次に、単結晶無転位化のためのシード絞りをおこなった後、肩部を形成し、肩変えして目標直胴部径とする。目標直胴部径に達した時点で、シリコン溶融液４とシリコン単結晶５との間に８Ａの電流を流し、シリコン融液中に周方向のローレンツ力を発生させることにより石英坩堝１ａ内の融液を回転させた。このときの結晶回転速度は６ｒｐｍ、坩堝回転速度は０ｒｐｍとした。
【００３４】
直胴部長さが３００ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を１．０ｍｍ／ｍｉｎに調整し、その後引き上げ長さに応じてほぼ直線的に引き上げ速度を低下させ、直胴部長さが６００ｍｍに達したときに０．３ｍｍ／ｍｉｎとなるようにし、その後はこの引き上げ速度で育成を終了した。
【００３５】
比較例１として、シリコン溶融液に対してカスプ磁場を印加せず、電流を通電しない以外は、上述したプロセスと同一条件で通常のＣＺ法によりシリコン単結晶を育成した。同様に、比較例２として、シリコン溶融液に０．３Ｔの横磁場を印加しながらシリコン単結晶を育成した。どちらも単結晶直胴部形成における坩堝回転数は５ｒｐｍとした。
【００３６】
本発明例および比較例１、２から得られたそれぞれのシリコン単結晶について、引き上げ軸に垂直なウエーハを引き上げ軸方向から複数枚切り出し作製した。それぞれのウエーハについて面検機（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ＳＰ−１）を使用して０．１μmサイズ以上のＣＯＰ数を計測した。また、これらのウエーハをＳｅｃｃｏ液（Ｋ_２Ｃｒ_２Ｏ_７＋ＨＦ＋Ｈ_２Ｏ）に浸漬してウエーハ表面をエッチングした後、光学顕微鏡によりウエーハ表面に存在する転位クラスタの有無を検査した。
【００３７】
図２は、上記の評価試験結果に基づき、０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスタを含まない結晶領域を満足するウエーハが得られたときの引き上げ速度を示すものである。この図から明らかなように、従来、引き上げ速度が速いとされるシリコン溶融液に横磁場を印加した比較例２でも、その速度範囲は０．５５±０．０５ｍｍ／ｍｉｎ程度であったのに対し、本発明例では引き上げ速度０．８±０．０８ｍｍ／ｍｉｎの範囲であり、引き上げ速度の高速化およびその引き上げ速度範囲が広がっていることが分かる。
【００３８】
また、上記の評価試験結果から、本発明例ではＲ−ＯＳＦの外側領域に発生する酸素析出抑制領域のみからなるシリコンウエーハが得られたときの引き上げ速度範囲が、０．７５±０．０３ｍｍ／ｍｉｎであったため、実際に単結晶直胴部の形成過程においてこの引き上げ速度を用いて、上述した引き上げ条件にてシリコン単結晶の製造を行って単結晶直胴部における欠陥発生分布を調査した。その結果、肩下直胴部上端から１００ｍｍの部分を除いて、直胴部全域に亘り酸素析出抑制領域からなるシリコン単結晶を製造することができた。
【００３９】
【本発明の効果】
本発明によれば、酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％の範囲に制御された酸化膜耐圧特性に優れたシリコン単結晶を高生産で製造することができ、更には半導体デバイスにおいて、接合リーク特性を劣化させる０．１μｍサイズ以上のＣＯＰや転位クラスタを含まないシリコン単結晶を生産性よく、引き上げ速度の許容範囲の広い育成条件で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る単結晶引上げ装置を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明のシリコン単結晶と従来のシリコン単結晶における高品質結晶領域が形成される引き上げ速度範囲の結果を示すグラフである。
【図３】単結晶育成時における引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との一般的な関係を示した模式図である。
【符号の説明】
１坩堝
２ヒータ
３種結晶
４溶融液
５単結晶
６磁場印加用コイル
７引き上げ軸
８炉体
９熱遮蔽体
１０断熱材
１１坩堝昇降軸
１２電極
１３電源装置

Claims

ＣＺ法により、融点〜１３００℃までの温度域において、引き上げ軸方向における単結晶中心部の温度勾配をＧｃとし、単結晶外周部の温度勾配をＧｅとするとき、Ｇｃ／Ｇｅ≧１．０を満足する育成条件で引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
結晶面内に現れる酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％の範囲になるように引き上げ速度を調整して、かつシリコン溶融液に磁界を印加し、この磁界と直交する成分を含む電流をシリコン溶融液に印加し、
前記酸化誘起積層欠陥の潜在領域の外径が結晶直径の７０％〜０％である部分が、０．１μｍサイズ以上のＣＯＰ及び転位クラスターを含まない領域から成ることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
引き上げ速度が０．６〜１．６ｍｍ／ｍｉｎの範囲であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
シリコン溶融液に印加する磁界が、縦磁場成分を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコン単結晶の製造方法。
シリコン溶融液に印加する磁界が、カスプ磁界であることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載のシリコン単結晶の製造方法。
シリコン単結晶の直胴部を製造する過程において、坩堝を回転させないことを特徴とする請求項１ないし請求項４記載のシリコン単結晶の製造方法。