JP4218080B2

JP4218080B2 - シリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法

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Publication number: JP4218080B2
Application number: JP22933798A
Authority: JP
Inventors: 昌弘桜田; 誠飯田; 友彦太田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-07-30
Also published as: JP2000044388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶欠陥が少なく、ゲッタリング能力を備えたシリコン単結晶ウエーハ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略記する）で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。特に、ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる、単結晶成長起因の欠陥が存在しその密度とサイズの低減が重要視されている。
【０００３】
これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、シリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間型シリコン点欠陥のそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。
【０００４】
シリコン単結晶において、Ｖ領域とは、Ｖａｃａｎｃｙ、つまりシリコン原子の不足から発生する凹部、穴のようなものが多い領域であり、Ｉ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位や余分なシリコン原子の塊が多い領域のことであり、そしてＶ領域とＩ領域の間には、原子の不足や余分が無い（少ない）ニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ、以下Ｎと略記することがある）領域が存在していることになる。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、欠陥としては存在しないことが判ってきた。
【０００５】
この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）と結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係から決まり、Ｖ領域とＩ領域との境界近辺にはＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、ＯｘｉｄａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ）と呼ばれる欠陥が、結晶成長軸に対する垂直方向の断面で見た時に、リング状に分布（以下、ＯＳＦリングということがある）していることが確認されている。
【０００６】
これら結晶成長起因の欠陥は、通常の結晶中固液界面近傍の温度勾配Ｇが大きい炉内構造（ホットゾーン：ＨＺということがある）を使用したＣＺ引上げ機で結晶軸方向に成長速度を高速から低速に変化させた場合、図５に示したような欠陥分布図として得られる。
【０００７】
そしてこれらを結晶径方向（面）で分類すると、図６に示したように、例えば成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔タイプの点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＶ−リッチ領域と呼ばれている（図５のライン（Ａ）、図６（Ａ）参照）。また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、ＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側に転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（ＬａｒｇｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＩ−リッチ領域（Ｌ／Ｄ領域ということがある）と呼ばれている。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後以下と低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に凝集して消滅し、全面がＩ−リッチ領域となる（図５のライン（Ｃ）、図６（Ｃ））。
【０００８】
また、最近Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、Ｎ領域と呼ばれる、空孔起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも存在しない領域の存在が発見されている。この領域はＯＳＦリングの外側にあり、そして、酸素析出熱処理を施し、Ｘ−ｒａｙ観察等で析出のコントラストを確認した場合に、酸素析出がほとんどなく、かつ、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤが形成されるほどリッチではないＩ−リッチ領域側であると報告している（図５のライン（Ｂ）、図６（Ｂ）参照）。
【０００９】
そして、従来のＣＺ引上げ機ではウエーハの極一部にしか存在しないＮ領域を、引上げ機の炉内温度分布を改良し、引上げ速度を調節して、Ｖ／Ｇ値（単結晶引上げ速度をＶ［ｍｍ／ｍｉｎ］とし、シリコンの融点から１３００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ［℃／ｍｍ］とするとき、Ｖ／Ｇで表わされる比）を０．２０〜０．２２ｍｍ² ／℃・ｍｉｎとしてウエーハ全面及び結晶全長に対して制御すれば、Ｎ領域をウエーハ全面に広げることが可能であると提案（特開平８−３３０３１６号公報）している。
【００１０】
しかしながら、このような極低欠陥領域を結晶全体に広げて製造しようとすると、この領域がＩ−リッチ領域側のＮ領域のみに限定されるため、製造条件の上で制御範囲が極めて狭く、実験機ならともかく生産機では精密制御が難しく、生産性に難点があって実用的でない。
【００１１】
一方、現行の通常のシリコン単結晶は、図５に示すように結晶軸方向に成長速度を故意に高速から低速に変化させる操業を行った場合、図６に示したように（Ａ）全面Ｖ−リッチ領域型、（Ｂ）Ｖ−リッチ領域とＮ−領域の共存型、（Ｃ）全面Ｉ−リッチ領域型（Ｌ／Ｄリッチ領域型ということがある）及び（Ｄ）Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域共存型（不図示）が形成され、目的用途に応じて各品質が得られるよう結晶軸方向の成長速度を調整して製造している。
【００１２】
そしてこれらの内、（Ａ）の全面Ｖ−リッチ領域型は標準品として量産されている。（Ｂ）のＶ−Ｎ共存型は（Ａ）の改良品として製造されているが、デバイス工程でＮ−領域は高歩留りであってもＶ−リッチ領域では低下し、不完全なものである。（Ｃ）の全面Ｉ−リッチ領域型はパーティクルモニターとして製造しているが、Ｌ／Ｄが障害となり、デバイス作製用としては使用されていない。
また、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）各タイプのウエーハは、デバイス工程に投入しても、ウエーハ表面に残存しているサイズが大きい空孔や格子間転位等の影響により、デバイスの歩留りが悪化する傾向がある。
【００１３】
最近では、（Ｅ）タイプ（不図示）として全面Ｎ−領域型が提案されており、全面で高歩留りが得られるものの前述したように量産性が低いのが現状である。さらに、（Ｂ）、（Ｅ）タイプの場合、熱処理しても酸素が析出しないＩ−リッチ側のＮ−領域ではゲッタリング能力が不足する場合もあり、必ずしも安定的ではない。
一方、シリコン単結晶ウエーハを基板として使用するエピタキシャルウエーハにおいては、ゲッタリング能力向上のために、析出および欠陥の多い基板が望まれている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、熱酸化処理をした際に結晶全面あるいは外周部を除いた全面にＯＳＦまたはＯＳＦの核が形成され、高いゲッタリング能力を有するＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを安定した製造条件下に得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために為されたもので、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、熱酸化処理をした際に結晶全面あるいは外周部を除いた全面にＯＳＦまたはＯＳＦの核が存在するシリコン単結晶ウエーハである。
このように、本発明のウエーハは、ＯＳＦあるいはその潜在核が結晶全面あるいは外周部を除いた全面に形成されたことにより、ゲッタリング能力が著しく向上したものとなった。
【００１６】
そして、本発明は、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、熱酸化処理をした際にウエーハ全面の９０％以上の面積にＯＳＦまたはＯＳＦの核が存在するシリコン単結晶ウエーハである。
【００１７】
この場合、上記いずれかに記載したシリコン単結晶ウエーハであって、ＦＰＤ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しないシリコン単結晶ウエーハである。
【００１８】
また、ウエーハの酸素濃度が２４ｐｐｍａ（ＡＳＴＭ’７９値）未満であることが好ましい。
このようにすると、熱酸化処理をした際にＯＳＦの核は存在するが、ＯＳＦは発生せず、かつ、ＦＰＤ、ＣＯＰ、Ｌ／Ｄ等がウエーハ全面内に存在しないシリコン単結晶ウエーハとなる。
【００１９】
さらに、前記熱酸化処理をした際に発生するＯＳＦの密度が１００個／ｃｍ² 以下であるという極低欠陥のシリコン単結晶ウエーハである。この程度のＯＳＦ密度ならば、エピタキシャル層の結晶性に悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
本発明は、上記いずれかに記載したシリコン単結晶ウエーハを基板としたエピタキシャルウエーハであり、ゲッタリング能力に優れており、高抵抗のｐ型基板でもゲッタリングが十分に実現できる。
【００２１】
そして、このようなシリコン単結晶ウエーハの製造方法としては、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する場合において、育成されるシリコン単結晶が結晶成長時に、結晶中の固液界面近傍の融点から１４００℃の間の温度勾配をＧ（温度変化量／結晶軸方向長さ）［℃／ｃｍ］とし、結晶中心部分の温度勾配Ｇｃ［℃／ｃｍ］と結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅ［℃／ｃｍ］との差を△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）で表した時、△Ｇが０または負となるように、用いる装置の炉内温度を制御し、かつ結晶直径を横軸に、引上げ速度を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図において、ＯＳＦ領域が帯状逆Ｍ字型またはＵ字型を形成する時、ＯＳＦ領域の内側ラインの最小値に対応する引上げ速度と、ＯＳＦ領域の外側ラインの最大値に対応する引上げ速度の範囲内に制御しながら結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法である。
【００２２】
このように、実験・調査の結果を解析して求めた図１の欠陥分布図を元に、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇの結晶中心と結晶周辺との差△Ｇが０または負となるように用いる装置の炉内温度を制御し、引上げ速度を上記で規定した範囲内に制御しながら結晶を引上げれば、本発明のような、熱酸化処理をした際に結晶全面あるいは外周部を除いた全面にＯＳＦまたはＯＳＦの核が存在し、かつ、ＦＰＤ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄ等の欠陥がウエーハ全面内に存在しないシリコン単結晶を作製することができる。
【００２３】
この場合、前記チョクラルスキー法によるシリコン単結晶を製造する場合に、磁場を印加するＭＣＺ法を用いれば、より安定してシリコン単結晶を製造することができる。
そして特に、前記ＭＣＺ法によるシリコン単結晶を製造する場合に、横磁場で２０００Ｇａｕｓｓ以上の磁場を印加すれば、より一層安定性が得られる。
【００２４】
さらに、前記結晶成長時の引上げ速度の精度を、結晶定径部（単結晶の直胴部分をいう）の成長長さ１０ｃｍごとに算出した引上げ速度の平均値±０．０１［ｍｍ／ｍｉｎ］以内とすることが望ましい。引上げ速度の精度をこのように高精度にすれば、容易に上記いずれかに規定する条件下でシリコン単結晶を安定して製造することができる。
【００２５】
また、炉内温度を制御するためには、引上げ装置内に環状固液界面断熱材を設け、この下端と融液表面との間隔を５〜１０ｃｍに設定すればよい。
こうすれば、上記結晶中心部分の温度勾配Ｇｃ［℃／ｃｍ］と結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅ［℃／ｃｍ］との差△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）が０または負、すなわち結晶周辺の温度勾配と結晶中心の温度勾配が等しいか、あるいは結晶周辺の温度勾配の方が結晶中心より低くなるように炉内温度を制御することができ、ＯＳＦ分布を帯状逆Ｍ字型あるいはＵ字型にすることができる。
【００２６】
そして、上記いずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法で製造されたシリコン単結晶をスライスして得られるシリコン単結晶ウエーハは、これを基板として、エピタキシャル層を成長すれば、ゲッタリング能力に優れたエピタキシャルウエーハを製造することができる。
【００２７】
以下、本発明につき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。説明に先立ち各用語につき予め解説しておく。
１）ＦＰＤ（ＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＤｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウェーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、Ｋ₂ Ｃｒ₂ Ｏ₇ と弗酸と水の混合液で表面をエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）することによりピットおよびさざ波模様が生じる。このさざ波模様をＦＰＤと称し、ウェーハ面内のＦＰＤ密度が高いほど酸化膜耐圧の不良が増える（特開平４−１９２３４５号公報参照）。
【００２８】
２）ＳＥＰＤ（ＳｅｃｃｏＥｔｃｈＰｉｔＤｅｆｅｃｔ）とは、ＦＰＤと同一のＳｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様（ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎ）を伴うものをＦＰＤと呼び、流れ模様を伴わないものをＳＥＰＤと呼ぶ。この中で１０μｍ以上の大きいＳＥＰＤ（ＬＳＥＰＤ）は転位クラスターに起因すると考えられ、デバイスに転位クラスターが存在する場合、この転位を通じて電流がリークし、Ｐ−Ｎジャンクションとしての機能を果たさなくなる。
【００２９】
３）ＬＳＴＤ（ＬａｓｅｒＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＤｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウエーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、ウエーハを劈開する。この劈開面より赤外光を入射し、ウエーハ表面から出た光を検出することでウエーハ内に存在する欠陥による散乱光を検出することができる。ここで観察される散乱体については学会等ですでに報告があり、酸素析出物とみなされている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２，Ｐ３６７９，１９９３参照）。また、最近の研究では、八面体のボイド（穴）であるという結果も報告されている。
【００３０】
４）ＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）とは、ウエーハの中心部の酸化膜耐圧を劣化させる原因となる欠陥で、ＳｅｃｃｏエッチではＦＰＤになる欠陥が、ＳＣ−１洗浄（ＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ＝１：１：１０の混合液による洗浄）では選択エッチング液として働き、ＣＯＰになる。このピットの直径は１μｍ以下で光散乱法で調べる。
【００３１】
５）Ｌ／Ｄ（ＬａｒｇｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号）には、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等があり、転位ループ起因と考えられている欠陥である。ＬＳＥＰＤは、上記したようにＳＥＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいう。また、ＬＦＰＤは、上記したＦＰＤの中でも先端ピットの大きさが１０μｍ以上の大きいものをいい、こちらも転位ループ起因と考えられている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明者らは、先に特願平９−１９９４１５号で提案したように、ＣＺ法によるシリコン単結晶成長に関し、Ｖ領域とＩ領域の境界近辺について、詳細に調査したところ、この境界近辺の極く狭い領域にＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰの数が著しく少なく、Ｌ／Ｄも存在しないニュートラルな領域があることを発見した。
【００３３】
そこで、このニュートラルな領域をウエーハ全面に広げることができれば、点欠陥を大幅に減らせると発想し、成長（引上げ）速度と温度勾配の関係の中で、結晶のウエーハ面内では、引上げ速度はほぼ一定であるから、面内の点欠陥の濃度分布を決定する主な因子は温度勾配である。つまり、ウエーハ面内で、軸方向の温度勾配に差があることが問題で、この差を減らすことが出来れば、ウエーハ面内の点欠陥の濃度差も減らせることを見出し、結晶中心部の温度勾配Ｇｃと結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅとの差を△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）≦５℃／ｃｍとなるように炉内温度を制御して引上げ速度を調節すれば、ウエーハ全面がＮ領域からなる欠陥のないウエーハが得られるようになった。
【００３４】
本発明では、上記のような温度勾配の差△Ｇが小さいＣＺ法による結晶引上げ装置を使用し、炉内構造を組み変えて△Ｇを変化させ、引上げ速度を変えて結晶面内を調査した結果、新たに次のような知見を得た。
使用した装置の炉内構造は図４（ａ）に示したように、湯面から環状固液界面断熱材の下端までの間隔を変えて△Ｇを変化させ、単結晶定径部の平均引上げ速度を例えば０．６〜０．３ｍｍ／ｍｉｎまで、１０ｃｍ毎に０．０５ｍｍ／ｍｉｎづつ減速して変化させて、ＯＳＦリングが結晶バルク中心で消滅し、Ｌ／Ｄ領域が形成される様子を調査した。
【００３５】
その結果を解析して図１に欠陥分布図として示した。横軸は結晶直径方向、縦軸は成長速度である。
図１は、△Ｇが０または負、すなわち結晶周辺の温度勾配Ｇｅと結晶中心の温度勾配Ｇｃが等しいか、あるいは結晶周辺の温度勾配Ｇｅの方が結晶中心の温度勾配Ｇｃより低い場合で、かつ成長速度が０．４８〜０．４５ｍｍ／ｍｉｎの範囲において、ＯＳＦが帯状で逆Ｍ字型あるいはＵ字型に分布していることを表している。そしてこの分布の内、成長速度が０．４７〜０．４５ｍｍ／ｍｉｎの範囲を結晶面として見ると、図３（ａ）のように外周部（Ｉ−リッチ側のＮ−領域）を除いた９０％以上の面積がＯＳＦ領域で、ＯＳＦまたはその潜在核が存在するウエーハとなっていることが判る。
【００３６】
そして、本発明は図１の欠陥分布図において、ＯＳＦ領域が帯状逆Ｍ字型またはＵ字型を形成する時、ＯＳＦ領域の内側ラインの最小値に対応する引上げ速度と、ＯＳＦ領域の外側ラインの最大値に対応する引上げ速度の範囲内に引上げ速度を制御しながら結晶を引上げようというもので、上記の例で具体的に言えば、成長速度を０．４７〜０．４５ｍｍ／ｍｉｎの範囲内に設定し、結晶定径部の成長長さ１０ｃｍごとに算出した目標成長速度の平均値±０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以内となるように高精度に制御して引上げる。こうして得られた単結晶棒を縦割りにし、前記同様欠陥分布を調査した。その結果を図２に示す。図２から明らかなように最適成長速度を維持して引上げた部分はその全長に亙ってＯＳＦ領域が円柱状に分布し、ＯＳＦ領域以外の外周部がＩ−リッチ側のＮ−領域であることが判る。
【００３７】
図３（ｂ）は、こうして得られた単結晶棒の外周のＯＳＦ未発生領域（Ｎ−領域）を研削して除去し、スライスして得たウエーハを表しており、面内１００％にＯＳＦあるいはその潜在核が存在しているシリコン単結晶ウエーハである。
【００３８】
逆に△Ｇが０を超えてプラスの場合、すなわち結晶周辺の温度勾配Ｇｅの方が結晶中心の温度勾配Ｇｃより高い場合は、成長速度が約０．６〜０．４ｍｍ／ｍｉｎの範囲において、図５に示したようにＯＳＦは帯状で三日月型に分布しており、図６の結晶面内分布で見ても本発明品のように、全面或は外周部を除いた全面がＯＳＦ領域で、ウエーハ全面の９０％以上と言った広い面積でＯＳＦまたはその潜在核が存在し、外周部がＩ−リッチ側のＮ−領域で形成されたウエーハが現れることはないことが判る。
以上のことは従来の△Ｇがプラス側に大きい結晶引上げ装置で実験した場合には発見されず、今回上記の△Ｇが０または負の結晶引上げ装置を使用した結晶を調査した結果、発見したものである。
【００３９】
この調査における引上げ装置の炉内温度については、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ，Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ，Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ，Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ，ａｎｄＭ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．ＨｅａｔＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を使用して鋭意解析を行った結果、判明したものである。
【００４０】
一方、本発明のウエーハに存在するＯＳＦについては、最近の研究からウエーハ全面内で低酸素濃度とした場合には、ＯＳＦの核が存在しても熱酸化処理によりＯＳＦを発生することはなく、デバイスに影響を与えないということが判ってきている。
この酸素濃度の限界値は、同一の結晶引上げ装置を使用して、数種類の酸素濃度レベルの結晶を引上げた結果、ウエーハ全面内の酸素濃度が２４ｐｐｍａ（ＡＳＴＭ’７９）未満であれば、ウエーハの熱酸化処理を行った時にＯＳＦ密度を１００個／ｃｍ² 以下に抑制できること、あるいは発生しないことが確認された。
【００４１】
すなわち、調査によれば、一本の結晶を引上げ中に徐々に酸素濃度を下げていった時に、結晶全長にわたってＯＳＦとなる核は存在するが、ウエーハの熱酸化処理を行った時にＯＳＦが観察されるのは２４ｐｐｍａまでで、２４ｐｐｍａ未満ではＯＳＦの核は存在するが、熱酸化処理によるＯＳＦは発生していないことが判った。
【００４２】
ちなみに、成長結晶中の酸素濃度を２４ｐｐｍａ未満にするには、従来から一般に用いられている方法で行えばよく、例えば、ルツボの回転数あるいは融液内温度分布等を調整して融液の対流を制御する等の手段により簡単に行うことができる。
【００４３】
なお、本発明により作製されたウエーハの熱酸化処理をした際に発生するＯＳＦの密度は、１００個／ｃｍ² 以下と極めて低欠陥で、この程度のＯＳＦ密度ならば、エピタキシャルウエーハとした場合に、エピタキシャル層の結晶性に悪影響を及ぼすことはない。
この場合、ＯＳＦ密度の測定は、シリコン単結晶ウエーハに、１２００℃／１００分の熱処理を施したのち、ライト（Ｗｒｉｇｈｔ）液で選択エッチング処理して測定した。
【００４４】
以下、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図４（ａ）により説明する。
図４（ａ）に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３及びその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるワイヤ７と、ワイヤ７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
【００４５】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶の固液界面４の外周に環状の固液界面断熱材８を設けている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面３との間に５〜１０ｃｍの間隔１０を設けて設置されている。図４（ｂ）に示したヒータを囲繞する断熱材３５の上に設けられた上部断熱材９は、炉内温度条件によって使用するもので、その場合は、間隔１０を調節することになる。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する筒状の冷却装置（不図示）を設けることもある。
別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるＭＣＺ法が用いられることも多い。
【００４６】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による単結晶育成方法について説明する。
まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。次に、ワイヤ７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒１を得ることができる。
【００４７】
この場合、本発明では、本発明の目的を達成するために特に重要であるのは、図４（ａ）または図４（ｂ）に示したように、引上げ室３１の湯面上の単結晶棒１中の液状部分の外周空間において、湯面近傍の結晶の融点から１４００℃までの温度域が制御できるように環状の固液界面断熱材８を設けたことと、断熱材３５の上に上部断熱材９を配置したことである。
【００４８】
すなわち、この炉内温度を制御するために、図４（ａ）に示したように、引上げ室３１内に環状固液界面断熱材８を設け、この下端と融液表面との間隔１０を５〜１０ｃｍに設定すればよい。こうすれば、上記結晶中心部分の温度勾配Ｇｃ［℃／ｃｍ］と結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅ［℃／ｃｍ］との差△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）が０または負、すなわち結晶周辺の温度勾配と結晶中心の温度勾配が等しいか、あるいは結晶周辺の温度勾配の方が結晶中心より低くなるように炉内温度を制御することができる。
別の方法としては、図４（ｂ）に示したように、上記間隔１０を調節すると共に、上部断熱体９を断熱材３５の上に継ぎ足して上部空間からの放熱を制御する方法もある。
【００４９】
また、前記結晶成長時の引上げ速度の精度については、結晶定径部の成長長さ１０ｃｍごとに算出した引上げ速度の平均値±０．０１［ｍｍ／ｍｉｎ］以内とすることが望ましく、引上げ速度の精度がこの範囲にあれば、上記炉内温度（△Ｇ）と引上げ速度条件値との相乗効果により、結晶全長に亙り、かつ、面内９０％以上に円柱状のＯＳＦ領域またはその潜在核が存在するシリコン単結晶を安定して製造することができる。
【００５０】
以上述べたシリコン単結晶の製造方法で製造されたシリコン単結晶をスライスして得られるシリコン単結晶ウエーハは、ウエーハに熱酸化処理をした際に、結晶全面あるいは外周部を除いた全面にＯＳＦまたはＯＳＦの核が形成されることによりゲッタリング能力が著しく向上し、かつＦＰＤ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しないために酸化膜耐圧も良好な極低欠陥品である。
そして、低酸素化を併用すれば、熱酸化処理をした際に発生するＯＳＦの密度が１００個／ｃｍ² 以下の低密度となり、エピタキシャルウエーハの基板として、エピタキシャル層に悪影響を与えることなく、ゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図４（ａ）に示した引上げ装置３０で、２４インチ石英ルツボに原料多結晶シリコンを１００Ｋｇチャージし、直径８インチ、方位＜１００＞、直胴長さ約１ｍのシリコン単結晶棒を引上げた。
使用した炉内構造（ホットゾーン：ＨＺ）は、湯面３と環状固液界面断熱材８の下端との間隔１０を６０ｍｍに設定し、シリコン融液２の湯温を約１４２０℃に保持した。
そしてこの場合、磁場として３０００Ｇａｕｓｓの横磁場を印加した。
【００５２】
以上の条件下で平均引上げ速度を０．６〜０．３ｍｍ／ｍｉｎまで、１０ｃｍ毎に０．０５ｍｍ／ｍｉｎづつ減速して変化させて、ＯＳＦが結晶バルク中心で消滅し、Ｌ／Ｄ領域が形成される様子を調査した。調査方法は、結晶を厚さ２ｍｍに縦割りにし、表面の加工歪みをエッチング除去して２枚の試料を作製した。１枚は３０分間セコ・エッチングを施した後、ＦＰＤ、Ｌ／Ｄを観察した。また、残りの１枚については、１２００℃／１００分間の熱処理を施した後、ライト液で選択エッチング処理してＯＳＦの発生状況を確認した。その結果をまとめて図１に欠陥分布図として示した。横軸は結晶直径方向、縦軸は引上げ速度である。図からＯＳＦが帯状で逆Ｍ字型またはＵ字型に分布していることが判る。これを見ると、この炉内構造では、本発明品を得るためには、成長速度を０．４７〜０．４５ｍｍ／ｍｉｎに制御すれば良いことが判る。
【００５３】
次に、上記調査・実験結果を元に、結晶面内全面がＯＳＦ領域である本発明品を結晶軸方向に拡大するために、最適成長速度（０．４７〜０．４５ｍｍ／ｍｉｎ）に設定し、結晶定径部の成長長さ１０ｃｍごとに算出した目標成長速度の平均値±０．０１以内となるように制御して引上げた。こうして得られた単結晶棒を縦割りにし、前記同様欠分布を調査した。その結果を図２に示す。図から明らかなように最適成長速度を維持して引上げた部分はその全長に亙ってＯＳＦ領域が円柱状に分布し、ＯＳＦ領域以外の外周がＩ−リッチ側のＮ−領域であることが判る。
【００５４】
別に上記と同条件で単結晶棒を引上げ、鏡面研磨仕上げウエーハに加工し、ＦＰＤ、Ｌ／Ｄ、ＯＳＦの評価を行った。その結果、図３（ａ）に示したようなＯＳＦが９５％の円形に分布し、ＯＳＦ領域以外の外周がＩ−リッチ側のＮ−領域であるウエーハであった。そして、ＦＰＤ、Ｌ／Ｄは観察されなかった。
なお、このウエーハの酸化膜耐圧特性は、Ｃ−モード良品率で１００％となった。Ｃ−モード測定条件は、次の通りである。
１）酸化膜厚：２５ｎｍ、２）測定電極：リンドープ・ポリシリコン、
３）電極面積：８ｍｍ² 、４）判定電流：１ｍＡ／ｃｍ² 、
５）判定：絶縁破壊電界が８ＭＶ／ｃｍ以上のものを良品と判定した。
【００５５】
（実施例２）
炉内構造を図４（ｂ）に示したように、断熱材３５の上に上部断熱材９を設置し、シリコン融液面３と環状固液界面断熱材８の下端との間隔１０を５０ｍｍとした以外は実施例１と同じ条件で引上げた結果、実施例１とほぼ同じ品質の単結晶棒を得た。
【００５６】
（実施例３）
成長結晶中の酸素濃度を２４ｐｐｍａ以下に抑えた以外は、実施例１と同条件で引上げ、欠陥を評価したところ、ＯＳＦ領域におけるＯＳＦの密度は、０〜１０個／ｃｍ² 、平均約２個／ｃｍ² であり、極めて低密度であり、殆ど観察されなかった。
【００５７】
（実施例４）
本発明の実施例で得たシリコン基板を用い、エピタキシャル成長を行った。実施例１で作製した基板上にエピタキシャル層を通常行われている方法で成長させた。そして、エピタキシャル層の表面をライト液による選択エッチング処理を施し、観察したが、ＳＦ（積層欠陥、ＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ）等の結晶欠陥は全く観察されず、極めて良好なエピタキシャルウエーハであった。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００５９】
例えば、上記実施形態においては、直径８インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、直径１０〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。また、本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるＭＣＺ法にも適用できることは言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱酸化処理をした際に、結晶全面あるいは外周部を除いた全面にＯＳＦまたはＯＳＦの核が形成されることによりゲッタリング能力が著しく向上し、かつＦＰＤ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄがウエーハ全面内に存在しないウエーハを容易に高歩留りで作製することができる。そして、低酸素化を併用すればＯＳＦも低密度となり、エピタキシャルウエーハの基板としてゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶軸方向における、結晶の径方向位置を横軸とし、成長速度を縦軸とした場合の諸欠陥分布図である。
【図２】本発明で作製した単結晶棒の軸方向の諸欠陥分布を表した縦断面説明図である。
【図３】本発明の引上げ条件で引上げた場合の結晶面内諸欠陥分布を表した説明図である。（ａ）本発明の引上げ条件で引上げた場合、（ｂ）：（ａ）の外周を研削除去した場合。
【図４】本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。（ａ）特定の炉内構造とした例、（ｂ）：（ａ）の炉内構造に上部断熱材を付加した例。
【図５】従来の引上げ方法によるシリコン単結晶軸方向における、結晶の径方向位置を横軸とし、成長速度を縦軸とした場合の諸欠陥分布図である。
【図６】従来の引上げ方法における引上げ速度と結晶面内欠陥分布との関係を表した説明図である。（Ａ）高速引上げの場合、（Ｂ）中速引上げの場合、（Ｃ）低速引上げの場合。
【符号の説明】
１…成長単結晶棒、２…シリコン融液、３…シリコン融液面（湯面）、
４…固液界面、５…種結晶、６…シードチャック、７…ワイヤ、
８…環状固液界面断熱材、９…上部断熱材、
１０…湯面と固液界面断熱材下端との間隔、
３０…単結晶引上げ装置、３１…引上げ室、３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、３４…ヒータ、３５…断熱材。
Ｖ…Ｖ−リッチ領域、Ｎ…Ｎ−領域、ＯＲ…ＯＳＦ領域、
Ｌ／Ｄ…Ｌ／Ｄ領域（Ｉ−リッチ領域）。

Claims

チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造する場合において、育成されるシリコン単結晶が結晶成長時に、結晶中の固液界面近傍の融点から１４００℃の間の温度勾配をＧ（温度変化量／結晶軸方向長さ）［℃／ｃｍ］とし、結晶中心部分の温度勾配Ｇｃ［℃／ｃｍ］と結晶周辺部分の温度勾配Ｇｅ［℃／ｃｍ］との差を△Ｇ＝（Ｇｅ−Ｇｃ）で表した時、△Ｇが０または負となるように、用いる装置の炉内温度を制御し、かつ結晶直径を横軸に、引上げ速度を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図において、ＯＳＦ領域が帯状逆Ｍ字型またはＵ字型を形成する時、ＯＳＦ領域の内側ラインの最小値に対応する引上げ速度と、ＯＳＦ領域の外側ラインの最大値に対応する引上げ速度の範囲内に制御しながら結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
前記チョクラルスキー法によるシリコン単結晶を製造する場合に、磁場を印加するＭＣＺ法を用いることを特徴とする請求項１に記載したシリコン単結晶の製造方法。
前記ＭＣＺ法によるシリコン単結晶を製造する場合に、横磁場で２０００Ｇａｕｓｓ以上の磁場を印加することを特徴とする請求項２に記載したシリコン単結晶の製造方法。
前記結晶成長時の引上げ速度の精度を、結晶定径部の成長長さ１０ｃｍごとに算出した引上げ速度の平均値±０．０１［ｍｍ／ｍｉｎ］以内とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載したシリコン単結晶の製造方法。
前記炉内温度を制御するために、引上げ装置内に環状固液界面断熱材を設け、これと融液表面との間隔を５〜１０ｃｍに設定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載したシリコン単結晶の製造方法。
請求項１ないし請求項５の方法で得られたシリコン単結晶から得られるシリコン単結晶ウエーハを基板として、エピタキシャル層を成長することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。