JP4193470B2

JP4193470B2 - A method for predicting the relationship between the flow rate of inert gas and the pure margin.

Info

Publication number: JP4193470B2
Application number: JP2002329118A
Authority: JP
Inventors: 森林符; 和浩原田; 宣人深津; 洋二鈴木
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004161534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により流下させる不活性ガスと、引き上げるピュアシリコン単結晶におけるピュアマージンとの関係を予測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路の超微細化にともないデバイスの歩留まりを低下させる要因として、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）や、酸化誘起積層欠陥（Oxidation induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、或いは侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、Ｌ／Ｄという。）の存在が挙げられている。
ＣＯＰは、鏡面研磨されたシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液でＳＣ−１洗浄すると、ウェーハ表面に出現する結晶起因のピットである。このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、このピットがパーティクル（Light Point Defect、ＬＰＤ）として検出される。ＣＯＰは電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Time Dependent dielectric Breakdown、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Time Zero Dielectric Breakdown、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。またＣＯＰがウェーハ表面に存在するとデバイスの配線工程において段差を生じ、断線の原因となり得る。そして素子分離部分においてもリーク等の原因となり、製品の歩留りを低くする。
【０００３】
ＯＳＦは、結晶成長時に形成される微小な酸素析出が核となっていると考えられ、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化する積層欠陥である。このＯＳＦは、デバイスのリーク電流を増加させる等の不良原因になる。Ｌ／Ｄは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬すると方位を持ったエッチングピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。このＬ／Ｄも、電気的特性、例えばリーク特性、アイソレーション特性等を劣化させる原因となる。
【０００４】
以上のことから、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＣＯＰ、ＯＳＦ及びＬ／Ｄを減少させることが必要となっている。
このＣＯＰ、ＯＳＦ及びＬ／Ｄを有しない無欠陥のインゴット及びこのインゴットからスライスされたシリコンウェーハが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この無欠陥のインゴットは、インゴット内での空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体がそれぞれ検出されないパーフェクト領域を［Ｐ］とするとき、パーフェクト領域［Ｐ］からなるインゴット、即ちピュアシリコン単結晶インゴットである。パーフェクト領域［Ｐ］は、インゴット内で空孔型点欠陥が優勢であって過飽和な空孔が凝集した欠陥を有する領域［Ｖ］と、格子間シリコン型点欠陥が優勢であって過飽和な格子間シリコンが凝集した欠陥を有する領域［Ｉ］との間に介在する。
【０００５】
パーフェクト領域［Ｐ］からなるピュアシリコン単結晶インゴットは、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、シリコン融液とシリコンインゴットの固液界面近傍における軸方向温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦ（Ｐバンド）がウェーハ中心部で消滅し、かつＬ／Ｄ（Ｂバンド）を発生しない領域のＶ／Ｇ（ｍｍ²／分・℃）の範囲内で作られる。
このピュアシリコン単結晶の生産性や収率等を向上するためには、ピュアマージンを拡大することが必要である。ピュアマージンは引上げ時における固液界面形状と何らかの相関性があると考えられている。
そこで固液界面形状をピュアシリコン単結晶インゴット製造の制御因子として用いる方法が研究されている。例えば固液界面形状を考慮して無欠陥結晶を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法では、結晶側面の温度分布とシリコン融液とシリコン単結晶との固液界面形状を考慮することによって、広範囲に無欠陥領域を備えるシリコンインゴットを安定かつ再現性よく製造することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１３９３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６１４９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した特許文献２に示された方法では、固液界面の形状と、固液界面近傍のインゴット側面における温度分布との関係を適切に調整することによって、無欠陥結晶を安定かつ再現性よく製造しているが、インゴットを引き上げる際にそのインゴットの外周面を流下する不活性ガスについて考慮されていないため、上記公報に示された方法を用いてインゴットを引上げたとしても、ピュアマージンの幅が予測できず、無欠陥結晶を安定かつ再現性よく得ることは実際に難しかった。
本発明の目的は、ピュアマージンの幅を予測することにより、実際に引上げて確認する作業やコストを大幅に低減する、不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を予測する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ヒータにより融解されたシリコン融液からシリコン単結晶インゴットを引上げる引上げ条件を任意に決めて総合熱解析手法を利用することによりシリコン融液の対流を数値的にシミュレーションを行ってインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分を流れる不活性ガスの流速とインゴットのピュアマージンとの関係を予測する方法である。
【０００９】
その特徴ある点は、シミュレーションにより得られたインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分のシリコン融液に生じる対流の中心とインゴット中心との半径方向距離をＲｆとし、インゴットの半径をＲｃとするとき、式（１）を満たすときインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが増加すると予測し、式（２）を満たすときインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分を流れる不活性ガスの流速とピュアマージンはともに無関係であると予測し、式（３）を満たすときインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが減少すると予測するところにある。
Ｒｆ≦（Ｒｃ／２） …（１）
（Ｒｃ／２）＜Ｒｆ≦Ｒｃ …（２）
Ｒｃ＜Ｒｆ …（３）
【００１０】
この請求項１に係る発明では、任意の引上げ条件を設定し、総合熱解析手法を利用して数値的にシミュレーションを行うことにより得られたＲｃとＲｆ関係が上記式（１）〜（３）のいずれに該当するかにより、不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を予測し、その関係に基づいて不活性ガスの流速等を変化させることによりピュアマージンの幅を拡大することが可能になる。そしてピュアマージンの幅を拡大した引上げ条件を設定することにより、実際に引上げて確認する作業やコストを大幅に低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、インゴットを引き上げる際にそのインゴットの外周面を流下する不活性ガスの流速により、インゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分（以下、「メニスカス近傍」という。）のシリコン融液に生じる対流が変化することの知見から本発明を導き出した。即ち、パーフェクト領域からなるピュアシリコン単結晶の引上げ条件を規定する制御因子にインゴットの外周面を流下する不活性ガスの流速を含め、シリコン単結晶インゴット成長時のシリコン融液の対流を数値的にシミュレーション解析することにより導き出した。
【００１２】
図１に示すように、先ず、ヒータにより融解されたシリコン融液からシリコン単結晶インゴットを引上げる引上げ条件を任意に決めて定常計算を行い、シリコン融液の対流を考慮した固液界面形状を解析した。任意の引上げ条件としては、るつぼの回転速度、インゴットの回転速度、チャンバ内を流通させる不活性ガスの流量、ホットゾーンの形状、ヒートキャップの形状、ヒータの形状やその配置、ボトムヒータの形状やその配置、ヒータ電力の大きさ、ヒートキャップとシリコン融液面との距離（Ｇａｐ）、印加する磁場の種類、コイルの形状、コイルの位置、磁場強度、外的な機械振動の状態等が挙げられる。この解析から、引上げ時における対流パターンは次の３種類に分類されることが判った。即ち、メニスカス近傍のシリコン融液に生じる対流の中心とインゴット中心との半径方向距離をＲｆとし、インゴットの半径をＲｃとするとき、図２（ａ）に示すようなＲｆ≦（Ｒｃ／２）のパターン（式（１））、図２（ｂ）に示すような（Ｒｃ／２）＜Ｒｆ≦Ｒｃのパターン（式（２））、図２（ｃ）に示すようなＲｃ＜Ｒｆのパターン（式（３））である。
【００１３】
次いで、上記３種類に分類された対流パターンについての多くのシミュレーション解析を行った。先ず、図２（ｂ）に示すようなシリコン融液の対流をシミュレーション解析した。この解析図を図３に示す。図３より明らかなように、シリコン融液の対流は、最も高い変位点Ａよりもインゴット周辺側の直下で小さい対流渦が発生していることが判った。即ち、インゴットの半径をＲｃ、メニスカス近傍のシリコン融液に生じる対流の中心とインゴット中心との半径方向距離をＲｆとするとき、（Ｒｃ／２）＜Ｒｆ≦Ｒｃからなる式（２）の関係を満たすことが確認された。そして、他の条件を変化させずにチャンバ内を流通させる不活性ガスの流量を変化させて、その固液界面の形状がどのように変化するかについてミュレーション解析を行った。その結果、不活性ガスの流速を変化させてもその対流パターンが変化することは認められなかった。
【００１４】
また、図２（ｃ）に示すようなシリコン融液の対流をシミュレーション解析した。この解析図を図４に示す。図４より明らかなように、シリコン融液の対流は、インゴット周辺より外側で小さい対流渦が発生していることが確認された。即ち、Ｒｃ＜Ｒｆからなる式（３）の関係を満たすとき、メニスカス近傍を流れる不活性ガス流により下凸型の固液界面が生じることが判った。そして、他の条件を変化させずにチャンバ内を流通させる不活性ガスの流量を変化させて、その固液界面の形状がどのように変化するかについてミュレーション解析を行った。その結果、不活性ガスの流速を増加させると固液界面中央の下側に突出する割合が増加し、不活性ガスの流速を減少させると固液界面中央の下側に突出する割合が減少することが判った。
【００１５】
更に、図２（ａ）に示すようなシリコン融液の対流をシミュレーション解析した。この解析図を図５に示す。図５より明らかなように、シリコン融液の対流は、インゴットの中心近傍で小さい対流渦が発生していることが確認された。即ち、Ｒｆ≦（Ｒｃ／２）からなる式（１）の関係を満たすとき、メニスカス近傍を流れる不活性ガス流により上凸型の固液界面が生じることが判った。そして、他の条件を変化させずにチャンバ内を流通させる不活性ガスの流量を変化させて、その固液界面の形状がどのように変化するかについてミュレーション解析を行った。その結果、不活性ガスの流速を増加させると固液界面中央の上側に突出する割合が増加し、不活性ガスの流速を減少させると固液界面中央の上側に突出する割合が減少することが判った。
【００１６】
一方、図３に示す変位点Ａにおける軸方向温度勾配は大きく変化する。またその変位点Ａの近傍においてもシリコン融液からの熱流束も他の部分より特に大きくなり、その変位点Ａにおける軸方向温度勾配は他の固液界面形状位置における軸方向温度勾配よりも大きくなることが判る。ここで、ボロンコフの理論に基づいた場合、シリコン単結晶棒を最適な引上げ速度で引上げることによりシリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布を略均一にする必要がある。してみると、ピュアマージンの幅は温度勾配の径方向分布を略均一か否かにより決定される。
【００１７】
そこで、上記３種類に分類された対流パターンのそれぞれについて、引上げられるシリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布と不活性ガスの流速との関係を検討する。先ず、図３に示すような対流パターンであると、不活性ガスの流速を変化させてもその対流パターンが変化することは認められないことから、不活性ガスの流速とピュアマージンとは無関係であり、上述した式（２）を満たすときメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速とピュアマージンはともに無関係であると予測することができる。従って、この場合においてピュアマージンを拡大するためには、この他の条件、即ちチャンバ内におけるホットゾーンの形状、ヒートキャップの形状、ヒータの形状やその配置、ボトムヒータの形状やその配置、ヒータ電力の大きさ、ヒートキャップとシリコン融液面との距離（Ｇａｐ）、印加する磁場の種類、コイルの形状、コイルの位置、磁場強度、外的な機械振動の状態等を変化させることが必要であることが判る。
【００１８】
次に、図４に示すような対流パターンが生じる場合を検討すると、不活性ガスの流速を増加させると固液界面中央の下側に突出する割合が増加することから、シリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布は、不活性ガスの流速の増加に伴い拡大することになる。その一方、不活性ガスの流速を減少させると固液界面中央の下側に突出する割合が減少することから、シリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布は、不活性ガスの流速の減少に伴い減少することになる。従って、上述した式（３）を満たすときメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが減少すると予測することができる。
【００１９】
更に、図５に示すような対流パターンが生じる場合を検討すると、不活性ガスの流速を増加させると固液界面中央の上側に突出する割合が増加することから、シリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布は、不活性ガスの流速の増加に伴い減少することになる。その一方、不活性ガスの流速を減少させると固液界面中央の上側に突出する割合が減少することから、シリコン単結晶棒の軸方向における温度勾配の径方向分布は、不活性ガスの流速の減少に伴い増加することになる。従って、上述した式（１）を満たすときメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが増加すると予測することができる。
【００２０】
以上のことからすると、図１に示すように、実際にインゴットを引上げる前に、先ず任意の引上げ条件を設定して定常計算を行い、次いでこの条件から総合熱解析手法を利用して融液対流を数値的にシミュレーションし、シミュレーションにより得られたメニスカス近傍のシリコン融液に生じる対流の中心とインゴット中心との半径方向距離をＲｆとし、インゴットの半径をＲｃとするとき、上述した式（２）を満たすときメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速とピュアマージンはともに無関係であるので、そのまま温度勾配分布をシミュレーションして良ければ実際に引上げて確認し、悪ければ最初に入力された任意の引上げ条件を変更する。
【００２１】
また、シミュレーションを行うことにより得られたＲｃとＲｆの関係が上記式（１）に該当する場合には、メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが増加すると予測できるので、不活性ガスの流速を増加するように変更入力し、その不活性ガスの流速と連動した対流を更に解析し、その後温度勾配分布をシミュレーションして良ければ実際に引上げて確認する。
更に、シミュレーションを行うことにより得られたＲｃとＲｆの関係が上述した式（３）に該当する場合には、メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速の増加とともにピュアマージンが減少すると予測できるので、不活性ガスの流速を減少するように変更入力し、その不活性ガスの流速と連動した対流を更に解析し、その後温度勾配分布をシミュレーションして良ければ実際に引上げて確認する。このようにして、ピュアマージンの幅を拡大した引上げ条件を予測できるため、実際に引上げて確認する作業やコストを大幅に低減できる。
【００２２】
一方、不活性ガスの流速を変更入力してガス流連動対流解析した後の温度勾配分布が不適切な場合には、その温度勾配分布をチェックし、ガス流の調整で温度勾配分布を是正し得るものか否かを判断する。そして、その温度勾配分布をガス流の調整で是正し得る範囲内のものであればそのガス流を更に調整し、その温度勾配分布がガス流の調整で是正できない範囲内のものであれば、最初に入力された任意の引上げ条件を変更する。このように、不活性ガスの流速を変更入力してガス流連動対流解析した後の温度勾配分布が不適切な場合であっても、実際に引上げて確認する作業やコストを大幅に低減できる。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
＜実施例＞
先ず、任意の引上げ条件を設定し、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合と図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合の２種類の引き上げ条件を決定した。そして、他の条件を変化させずにチャンバ内を流通させる不活性ガスの流量をそれぞれ変化させてインゴットの外周面及びシリコン融液の表面の境界部分におけるメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速を徐々に変化させ、総合熱解析手法を用い、数値的にシミュレーション解析を行って、不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を予測した。メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速は０．１〜０．５ｍ／ｓｅｃ、０．５〜１．０ｍ／ｓｅｃ、１．０〜３．０ｍ／ｓｅｃ及び３．０〜５．０ｍ／ｓｅｃの範囲を選定した。
【００２４】
この結果、メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が０．１〜０．５ｍ／ｓｅｃの場合、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは僅かに減少したが、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンに変化は認められなかっら。メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が０．５〜１．０ｍ／ｓｅｃの場合、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは明らかに減少したが、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンに変化は認められなかった。メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が１．０〜３．０ｍ／ｓｅｃである場合、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは非常に減少したが、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは僅かに拡大した。そして、メニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が３．０〜５．０ｍ／ｓｅｃである場合、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは消滅したが、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のピュアマージンは著しく拡大した。
【００２５】
次に、他の条件を変化させずにチャンバ内を流通させる不活性ガスの流量を変化させてメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速を０．３ｍ／ｓｅｃ、０．８ｍ／ｓｅｃ、２．０ｍ／ｓｅｃ及び４．０ｍ／ｓｅｃとする任意の引上げ条件を図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合と図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のそれぞれについて４パターンづつ設定した。これらの引上げ条件を用い、実際にシリコン融液からシリコン単結晶インゴットを実際にそれぞれ４本引上げた。次いで、引上げたシリコン単結晶インゴットを軸方向にスライスし、かつミラーエッチングすることにより、表面が鏡面化したシリコンサンプルを作製した。次に、このスライスしたシリコンサンプルを所定の熱処理条件で熱処理して、パーフェクト領域［Ｐ］を含むサンプルを作製した。熱処理条件は、窒素又は酸化性雰囲気下で８００℃で４時間保持し、更に続いて１０００℃で１６時間保持した。この熱処理したサンプルを銅デコレーション（copperdecoration）、セコエッチング（secco-etching）、Ｘ線トポグラフ像分析（X-Ray Topography）分析、再結合ライフタイム（lifetime）測定等の方法により測定して、パーフェクト領域［Ｐ］に対応される速度範囲をピュアマージンと規定した。
【００２６】
具体的には、図６に示すように、先ず、上記各測定方法により領域［Ｖ］、領域［Ｐ］及び領域［Ｉ］をそれぞれ観察した。次いで、領域［Ｖ］と領域［Ｐ］の境界位置の×印で示される変曲点のうち、最も領域［Ｉ］に近い変曲点位置における引上げ速度を引上げ速度Ｖ₁と規定した。次に、領域［Ｐ］と領域［Ｉ］の境界位置の×印で示される変曲点のうち、最も領域［Ｖ］に近い変曲点位置における引上げ速度を引上げ速度Ｖ₂と規定した。そしてこの引上げ速度Ｖ₁〜Ｖ₂の範囲内をピュアマージンと規定した。この結果、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を示す図を図７に示し、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を示す図を図８に示す。なおピュアマージンはピュアマージンの最大値で除すことにより、相対的に表記した。
【００２７】
図７より明らかなように、図４に示すＲｃ＜Ｒｆの関係を有する対流パターンが生じる場合のメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が大きくなるにつれて、ピュアマージンが減少していることが判る。また、図８より明らかなように、図５に示すＲｆ≦（Ｒｃ／２）の関係を有する対流パターンが生じる場合のメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速が大きくなるにつれて、ピュアマージンが拡大していることが判る。一方、図３に示す（Ｒｃ／２）＜Ｒｆ≦Ｒｃの関係を有する対流パターンが生じる場合はそれらの中間にあるため、そのピュアマージンはメニスカス近傍を流れる不活性ガスの流速富む関係であろうと推認される。この結果から、本発明の予測方法による制御因子が引上げ条件の設定において有効であることを確認した。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の予測方法では、不活性ガスの流速を含む任意の引上げ条件を設定し、総合熱解析手法を利用して数値的にシミュレーションすることにより得られたメニスカス近傍のシリコン融液に生じる対流の中心とインゴット中心との半径方向距離との関係が上記式（１）〜（３）のいずれに該当するかにより、不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を予測し、その関係に基づいて不活性ガスの流速等を変化させることによりピュアマージンの幅を拡大することが可能になる。そしてピュアマージンの幅を拡大した引上げ条件を設定することにより、実際に引上げて確認する作業やコストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を予測する方法を含む引き上げ条件の設定を示すフローチャート。
【図２】引上げ条件の違いによる対流パターンの違いを示す図。
【図３】図２（ｂ）おける対流を示すシミュレーション図。
【図４】図２（ｃ）における対流を示すシミュレーション図。
【図５】図２（ａ）における対流を示すシミュレーション図。
【図６】ピュアマージンを規定するための説明図。
【図７】図４に示す対流パターンが生じる場合における不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を示す図。
【図８】図５に示す対流パターンが生じる場合における不活性ガスの流速とピュアマージンとの関係を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for predicting the relationship between an inert gas flowing down by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method) and a pure margin in a pure silicon single crystal to be pulled up.
[0002]
[Prior art]
Factors that reduce device yields due to the recent miniaturization of semiconductor integrated circuits include crystal-originated particles (hereinafter referred to as COP) and oxidation-induced stacking faults (hereinafter referred to as COP). The presence of microdefects of oxygen precipitates that are the core of OSF) or the presence of interstitial-type large dislocation (hereinafter referred to as L / D).
COP is a crystal-derived pit that appears on the wafer surface when a mirror-polished silicon wafer is SC-1 cleaned with a mixture of ammonia and hydrogen peroxide. When this wafer is measured by a particle counter, this pit is detected as a particle (Light Point Defect, LPD). COP causes deterioration of electrical characteristics, for example, dielectric breakdown characteristics (Time Dependent dielectric Breakdown, TDDB) of oxide film, breakdown voltage characteristics of oxide film (Time Zero Dielectric Breakdown, TZDB), and the like. Further, if COP exists on the wafer surface, a step is generated in the device wiring process, which may cause disconnection. In addition, the element isolation portion also causes leakage and the like, thereby reducing the product yield.
[0003]
The OSF is considered to have a minute oxygen precipitate formed during crystal growth as a nucleus, and is a stacking fault that is manifested in a thermal oxidation process or the like when manufacturing a semiconductor device. This OSF causes a defect such as an increase in the leakage current of the device. L / D is also called a dislocation cluster, or it is also called a dislocation pit because an etching pit having an orientation is generated when a silicon wafer having such a defect is immersed in a selective etching solution mainly containing hydrofluoric acid. This L / D also causes deterioration of electrical characteristics such as leakage characteristics and isolation characteristics.
[0004]
From the above, it is necessary to reduce COP, OSF and L / D from a silicon wafer used for manufacturing a semiconductor integrated circuit.
A defect-free ingot having no COP, OSF, and L / D and a silicon wafer sliced from the ingot are disclosed (for example, see Patent Document 1). This defect-free ingot is composed of a perfect region [P], where [P] is a perfect region in which agglomerates of vacancy type point defects and agglomerates of interstitial silicon type point defects are not detected in the ingot, respectively. It is an ingot, that is, a pure silicon single crystal ingot. The perfect region [P] includes a region [V] having defects in which vacancy-type point defects are dominant and supersaturated vacancies are agglomerated in an ingot, and a supersaturated lattice in which interstitial silicon-type point defects are dominant. The interstitial silicon intervenes between the regions [I] having defects.
[0005]
A pure silicon single crystal ingot consisting of a perfect region [P] has an ingot pulling speed V (mm / min) and an axial temperature gradient near the solid-liquid interface between the silicon melt and the silicon ingot G (° C./mm). V / G (mm ² / min) in a region where the OSF (P band) generated in a ring shape during the thermal oxidation treatment disappears at the center of the wafer and does not generate L / D (B band).・ It is made within the range of ° C.
In order to improve the productivity and yield of this pure silicon single crystal, it is necessary to expand the pure margin. The pure margin is considered to have some correlation with the solid-liquid interface shape at the time of pulling.
Therefore, a method of using the solid-liquid interface shape as a control factor for producing a pure silicon single crystal ingot has been studied. For example, a method for producing a defect-free crystal in consideration of the solid-liquid interface shape is disclosed (for example, see Patent Document 2). In this method, a silicon ingot having a defect-free region in a wide range can be stably and reproducibly manufactured by considering the temperature distribution on the crystal side surface and the solid-liquid interface shape between the silicon melt and the silicon single crystal.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-1393 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-261495
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method disclosed in Patent Document 2 described above, a defect-free crystal can be stably and reproducibly adjusted by appropriately adjusting the relationship between the shape of the solid-liquid interface and the temperature distribution on the side of the ingot near the solid-liquid interface. Although it is often manufactured, since the inert gas flowing down the outer periphery of the ingot is not considered when pulling up the ingot, even if the ingot is pulled up using the method disclosed in the above publication, the pure margin The width was unpredictable, and it was actually difficult to obtain defect-free crystals stably and with good reproducibility.
An object of the present invention is to provide a method for predicting the relationship between the flow rate of an inert gas and a pure margin, which significantly reduces the work and cost of actual pulling up and checking by predicting the width of the pure margin. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 numerically simulates the convection of the silicon melt by arbitrarily determining the pulling conditions for pulling up the silicon single crystal ingot from the silicon melt melted by the heater and using a comprehensive thermal analysis method. which is a method of predicting the relationship between the flow rate and ingot pure margin of inert gas flowing through the boundary portion of the outer peripheral surface and the surface of the silicon melt ingot performed.
[0009]
The characteristic point is that the radial distance between the center of the convection generated in the silicon melt at the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt obtained by simulation and the center of the ingot is Rf and the radius of the ingot is Rc. ingot time when, predicts that pure margin is increased with an increase in the flow rate of the inert gas flowing through the boundary portion of the outer peripheral surface and the surface of the silicon melt ingot when satisfying the formula (1), which satisfies the equation (2) to It is predicted that the flow rate of inert gas flowing on the boundary between the outer peripheral surface of the silicon melt and the surface of the silicon melt and the pure margin are both unrelated, and when the equation (3) is satisfied , the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt The pure margin is expected to decrease as the flow rate of the inert gas flowing through the part increases.
Rf ≦ (Rc / 2) (1)
(Rc / 2) <Rf ≦ Rc (2)
Rc <Rf (3)
[0010]
In the first aspect of the present invention, the relationship between Rc and Rf obtained by setting an arbitrary pulling condition and performing a numerical simulation using a comprehensive thermal analysis method is the above formulas (1) to (3). It is possible to expand the pure margin width by predicting the relationship between the flow rate of inert gas and the pure margin and changing the flow rate of inert gas based on that relationship Become. By setting a pulling condition in which the width of the pure margin is expanded, it is possible to greatly reduce the work and cost to be checked by actually pulling up.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors use a flow rate of an inert gas flowing down the outer peripheral surface of the ingot when the ingot is pulled up, so that a boundary portion between the outer surface of the ingot and the surface of the silicon melt (hereinafter referred to as “near meniscus”). The present invention was derived from the knowledge that the convection generated in the silicon melt changes. In other words, the control factor that defines the pulling condition of the pure silicon single crystal consisting of the perfect region includes the flow rate of the inert gas flowing down the outer peripheral surface of the ingot, and numerically represents the convection of the silicon melt during the growth of the silicon single crystal ingot. Derived by simulation analysis.
[0012]
As shown in FIG. 1, first, a steady calculation is performed by arbitrarily determining pulling conditions for pulling up a silicon single crystal ingot from a silicon melt melted by a heater, and a solid-liquid interface shape considering the convection of the silicon melt is obtained. Analyzed. The optional pulling conditions include: crucible rotation speed, ingot rotation speed, inert gas flow rate in the chamber, hot zone shape, heat cap shape, heater shape and arrangement, bottom heater shape and Examples include the arrangement, the magnitude of the heater power, the distance (Gap) between the heat cap and the silicon melt surface, the type of magnetic field to be applied, the shape of the coil, the position of the coil, the magnetic field strength, and the state of external mechanical vibration. . From this analysis, it was found that the convection pattern at the time of pulling was classified into the following three types. That is, when the radial distance between the center of the convection generated in the silicon melt near the meniscus and the center of the ingot is Rf and the radius of the ingot is Rc, Rf ≦ (Rc / 2) as shown in FIG. Pattern (formula (1)), pattern (Rc / 2) <Rf ≦ Rc as shown in FIG. 2B (formula (2)), pattern of Rc <Rf as shown in FIG. (Expression (3)).
[0013]
Next, many simulation analyzes were performed on the convection patterns classified into the above three types. First, simulation analysis of the convection of the silicon melt as shown in FIG. This analysis diagram is shown in FIG. As is clear from FIG. 3, it was found that a small convection vortex was generated in the convection of the silicon melt immediately below the ingot periphery from the highest displacement point A. That is, when the radius of the ingot is Rc and the radial distance between the center of the convection generated in the silicon melt in the vicinity of the meniscus and the center of the ingot is Rf, the relationship of the formula (2) consisting of (Rc / 2) <Rf ≦ Rc It was confirmed that Then, a simulation analysis was performed on how the shape of the solid-liquid interface changes by changing the flow rate of the inert gas flowing through the chamber without changing other conditions. As a result, it was not recognized that the convection pattern changed even when the flow rate of the inert gas was changed.
[0014]
In addition, the convection of the silicon melt as shown in FIG. This analysis diagram is shown in FIG. As is clear from FIG. 4, it was confirmed that a small convection vortex was generated outside the periphery of the ingot in the convection of the silicon melt. That is, when satisfying the relationship of the expression (3) consisting of Rc <Rf, it has been found that a downward convex solid-liquid interface is generated by the inert gas flow flowing in the vicinity of the meniscus. Then, a simulation analysis was performed on how the shape of the solid-liquid interface changes by changing the flow rate of the inert gas flowing through the chamber without changing other conditions. As a result, when the flow rate of the inert gas is increased, the proportion protruding below the center of the solid-liquid interface increases, and when the flow rate of the inert gas is decreased, the proportion protruding below the center of the solid-liquid interface decreases. I found out.
[0015]
Furthermore, simulation analysis of the convection of the silicon melt as shown in FIG. The analysis diagram is shown in FIG. As is clear from FIG. 5, it was confirmed that a small convection vortex was generated near the center of the ingot in the convection of the silicon melt. That is, when satisfying the relationship of the formula (1) consisting of Rf ≦ (Rc / 2), it was found that an upward convex solid-liquid interface is generated by the inert gas flow flowing in the vicinity of the meniscus. Then, a simulation analysis was performed on how the shape of the solid-liquid interface changes by changing the flow rate of the inert gas flowing through the chamber without changing other conditions. As a result, when the flow rate of the inert gas is increased, the proportion protruding above the center of the solid-liquid interface increases, and when the flow rate of the inert gas is decreased, the proportion protruding above the center of the solid-liquid interface is decreased. understood.
[0016]
On the other hand, the axial temperature gradient at the displacement point A shown in FIG. In addition, the heat flux from the silicon melt is also particularly greater near the displacement point A than at other portions, and the axial temperature gradient at the displacement point A is larger than the axial temperature gradient at other solid-liquid interface shape positions. It turns out that it becomes. Here, based on the Boronkov theory, it is necessary to make the radial distribution of the temperature gradient in the axial direction of the silicon single crystal rod substantially uniform by pulling the silicon single crystal rod at an optimum pulling speed. Accordingly, the width of the pure margin is determined by whether or not the radial distribution of the temperature gradient is substantially uniform.
[0017]
Therefore, the relationship between the radial distribution of the temperature gradient in the axial direction of the pulled silicon single crystal rod and the flow rate of the inert gas is examined for each of the three types of convection patterns. First, in the case of the convection pattern as shown in FIG. 3, since the convection pattern does not change even if the flow rate of the inert gas is changed, the flow rate of the inert gas and the pure margin are irrelevant. Yes, it can be predicted that both the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus and the pure margin are irrelevant when the above equation (2) is satisfied. Therefore, in this case, in order to increase the pure margin, other conditions, that is, the shape of the hot zone in the chamber, the shape of the heat cap, the shape of the heater and the arrangement thereof, the shape and arrangement of the bottom heater, the heater power It is necessary to change the size, the distance (Gap) between the heat cap and the silicon melt surface, the type of magnetic field to be applied, the shape of the coil, the position of the coil, the magnetic field strength, the state of external mechanical vibration, etc. I understand that.
[0018]
Next, when considering the case where the convection pattern as shown in FIG. 4 occurs, the ratio of projecting to the lower side of the center of the solid-liquid interface increases when the flow rate of the inert gas is increased. The radial distribution of the temperature gradient in the direction will expand as the flow rate of the inert gas increases. On the other hand, when the flow rate of the inert gas is decreased, the ratio of the temperature gradient in the axial direction of the silicon single crystal rod in the radial direction is reduced because the rate of protrusion below the center of the solid-liquid interface decreases. It will decrease with the decrease. Therefore, when the above-described equation (3) is satisfied, it can be predicted that the pure margin decreases as the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus increases.
[0019]
Further, when considering the case where the convection pattern as shown in FIG. 5 occurs, since the ratio of protruding upward at the center of the solid-liquid interface increases when the flow rate of the inert gas is increased, the axial direction of the silicon single crystal rod is increased. The radial distribution of the temperature gradient will decrease with increasing inert gas flow rate. On the other hand, when the flow rate of the inert gas is reduced, the ratio of the protrusion to the upper center of the solid-liquid interface decreases, so the radial distribution of the temperature gradient in the axial direction of the silicon single crystal rod is the flow rate of the inert gas. It will increase with the decrease. Therefore, when the above-described equation (1) is satisfied, it can be predicted that the pure margin increases as the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus increases.
[0020]
From the above, as shown in FIG. 1, before actually pulling up the ingot, first, an arbitrary pulling condition is set and a steady calculation is performed. When the convection is numerically simulated, and the radial distance between the center of the convection generated in the silicon melt near the meniscus and the ingot center obtained by the simulation is Rf, and the radius of the ingot is Rc, the above formula (2 ), The flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus and the pure margin are irrelevant. Therefore, if the temperature gradient distribution can be simulated as it is, it is actually pulled up and confirmed, and if it is bad, the first pull-up entered first Change the condition.
[0021]
In addition, when the relationship between Rc and Rf obtained by the simulation corresponds to the above formula (1), it can be predicted that the pure margin increases with the increase of the flow velocity of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus. The change is input so as to increase the flow rate of the active gas, the convection linked with the flow rate of the inert gas is further analyzed, and then the temperature gradient distribution is actually raised and confirmed if it is ok.
Furthermore, when the relationship between Rc and Rf obtained by performing the simulation corresponds to the above-described equation (3), it can be predicted that the pure margin decreases as the flow rate of the inert gas flowing near the meniscus increases. The change is input so as to decrease the flow rate of the inert gas, the convection linked with the flow rate of the inert gas is further analyzed, and then the temperature gradient distribution is actually raised and confirmed. In this way, since the pulling condition with an expanded pure margin can be predicted, it is possible to greatly reduce the work and cost of the pulling up and checking.
[0022]
On the other hand, if the temperature gradient distribution after changing the flow rate of the inert gas and performing gas flow-linked convection analysis is inappropriate, check the temperature gradient distribution and correct the temperature gradient distribution by adjusting the gas flow. Judge whether or not to get. Further, if the temperature gradient distribution is within a range that can be corrected by adjusting the gas flow, the gas flow is further adjusted, and if the temperature gradient distribution is within a range that cannot be corrected by adjusting the gas flow, Change any pulling condition that was entered first. In this way, even if the temperature gradient distribution after changing the flow rate of the inert gas and performing the gas flow-linked convection analysis is inappropriate, the work and cost to be actually pulled up and confirmed can be greatly reduced.
[0023]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described in detail.
<Example>
First, an arbitrary pulling condition is set, and two types of cases where a convection pattern having a relation of Rc <Rf shown in FIG. 4 occurs and a convection pattern having a relation of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. The raising conditions were determined. Then, the flow rate of the inert gas flowing through the chamber without changing other conditions is changed, and the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus at the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt is gradually increased. In order to predict the relationship between the flow rate of the inert gas and the pure margin, numerical simulation analysis was performed using the comprehensive thermal analysis method. The flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 0.1 to 0.5 m / sec, 0.5 to 1.0 m / sec, 1.0 to 3.0 m / sec, and 3.0 to 5.0 m / sec. The range was selected.
[0024]
As a result, when the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 0.1 to 0.5 m / sec, the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. No change is recognized in the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. 5 is generated. When the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 0.5 to 1.0 m / sec, the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. No change was observed in the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. When the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 1.0 to 3.0 m / sec, the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. 4 occurs is greatly reduced. The pure margin when the convection pattern having the relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. When the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 3.0 to 5.0 m / sec, the pure margin when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. 4 occurs disappears. The pure margin when the convection pattern having the relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG.
[0025]
Next, the flow rate of the inert gas flowing through the chamber without changing other conditions is changed, so that the flow velocity of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is 0.3 m / sec, 0.8 m / sec, and 2.0 m. When a convection pattern having a relationship of Rc <Rf shown in FIG. 4 is generated under an arbitrary pulling condition of / sec and 4.0 m / sec, a convection pattern having a relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. Four patterns were set for each case. Using these pulling conditions, four silicon single crystal ingots were actually pulled from the silicon melt. Next, the pulled silicon single crystal ingot was sliced in the axial direction and mirror-etched to produce a silicon sample having a mirror-finished surface. Next, the sliced silicon sample was heat-treated under a predetermined heat treatment condition to produce a sample including a perfect region [P]. The heat treatment conditions were kept at 800 ° C. for 4 hours under nitrogen or an oxidizing atmosphere, and then kept at 1000 ° C. for 16 hours. This heat-treated sample is measured by methods such as copper decoration, secco-etching, X-ray topography analysis, recombination lifetime measurement, etc. The speed range corresponding to [P] was defined as a pure margin.
[0026]
Specifically, as shown in FIG. 6, first, the region [V], the region [P], and the region [I] were observed by the measurement methods described above. Next, the pulling speed at the inflection point position closest to the area [I] among the inflection points indicated by the crosses at the boundary positions of the area [V] and the area [P] was defined as the pulling speed V ₁ . Then, among the inflection point represented by × mark the boundary position of the region [P] and region [I], defines the pulling rate in most areas [V] inflection point located closer to the pulling speed V _2. The range of the pulling speeds V _{1 to} V ₂ was defined as a pure margin. As a result, when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. 4 is generated, a diagram showing the relationship between the flow velocity of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus and the pure margin is shown in FIG. FIG. 8 shows the relationship between the flow rate of the inert gas flowing near the meniscus and the pure margin when a convection pattern having the relationship (Rc / 2) occurs. Note that the pure margin is expressed relatively by dividing by the maximum value of the pure margin.
[0027]
As can be seen from FIG. 7, the pure margin decreases as the flow velocity of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus when the convection pattern having the relationship of Rc <Rf shown in FIG. 4 is generated increases. Further, as apparent from FIG. 8, the pure margin increases as the flow velocity of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus increases when the convection pattern having the relationship of Rf ≦ (Rc / 2) shown in FIG. 5 is generated. You can see that On the other hand, when the convection pattern having the relationship of (Rc / 2) <Rf ≦ Rc shown in FIG. 3 is generated, the pure margin is considered to be a relationship in which the flow rate of the inert gas flowing in the vicinity of the meniscus is rich. Inferred. From this result, it was confirmed that the control factor by the prediction method of the present invention is effective in setting the pulling condition.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, in the prediction method of the present invention, silicon near the meniscus obtained by setting an arbitrary pulling condition including the flow rate of the inert gas and performing a numerical simulation using a comprehensive thermal analysis method is used. The relationship between the flow rate of the inert gas and the pure margin is predicted depending on whether the relationship between the radial distance between the center of the convection generated in the melt and the center of the ingot corresponds to the above formulas (1) to (3). By changing the flow rate of the inert gas based on the relationship, the width of the pure margin can be expanded. By setting a pulling condition in which the width of the pure margin is expanded, it is possible to greatly reduce the work and cost to be checked by actually pulling up.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing setting of pulling conditions including a method for predicting the relationship between the flow rate of an inert gas and a pure margin according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a difference in convection pattern due to a difference in pulling conditions.
FIG. 3 is a simulation diagram showing convection in FIG.
FIG. 4 is a simulation diagram showing convection in FIG.
FIG. 5 is a simulation diagram showing convection in FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram for defining a pure margin.
7 is a diagram showing the relationship between the flow rate of an inert gas and a pure margin when the convection pattern shown in FIG. 4 occurs.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the flow rate of inert gas and the pure margin when the convection pattern shown in FIG. 5 occurs.

Claims

By arbitrarily determining the pulling conditions for pulling up the silicon single crystal ingot from the silicon melt melted by the heater and using a comprehensive thermal analysis method, the convection of the silicon melt is numerically simulated and the outer periphery of the ingot is a method of predicting the relationship between the surface and the flow rate of the inert gas flowing through the boundary portion of the surface of the silicon melt and the pure margin of the ingot,
The radial distance between the center of the convection generated in the silicon melt at the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt obtained by simulation and the center of the ingot is Rf, and the radius of the ingot is Rc. When
When the equation (1) is satisfied, it is predicted that the pure margin will increase as the flow rate of the inert gas flowing through the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt increases.
When satisfying the formula (2), it is predicted that both the flow rate of the inert gas flowing through the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt and the pure margin are irrelevant,
A method for predicting that the pure margin decreases as the flow rate of the inert gas flowing through the boundary between the outer peripheral surface of the ingot and the surface of the silicon melt increases when the expression (3) is satisfied.
Rf ≦ (Rc / 2) (1)
(Rc / 2) <Rf ≦ Rc (2)
Rc <Rf (3)