JP4953386B2 - シリコン単結晶の引上げ方法 - Google Patents

Description

本発明は、カスプ磁場を印加しながら行うチョクラルスキー法（Czochralski Method；以下、ＣＺ法という）によるシリコン単結晶の引上げ方法に関する。

半導体集積回路等のデバイス作製用のウェーハには、主に、ＣＺ法により育成された単結晶シリコンウェーハが使用されている。
このシリコンウェーハについて、その強度や金属汚染のゲッタリング効果が得られるＢＭＤ等は、シリコン単結晶に含まれる酸素の濃度により大きな影響を受ける。酸素濃度が低いウェーハは、強度が低く、デバイスメーカーでの処理中に、変形等が生じ、微細な回路の形成時のパターンずれ等による歩留まりの低下を招く。
また、アニールウェーハの場合には、熱処理中にウェーハ表面から酸素が拡散するため、デバイスが形成されるウェーハ表層での酸素濃度が低下し、ウェーハ強度が低下する。
このため、近年、半導体デバイスメーカーから、従来よりも、高水準の酸素濃度のシリコンウェーハが求められている。

シリコン単結晶中の酸素は、主に、ＣＺ法による単結晶製造時に、原料シリコン融液が充填されている石英ルツボから、前記融液の流れによって結晶に取り込まれる。
このように、シリコン単結晶中の酸素濃度は、石英ルツボから溶け込むことによってもたらされるため、前記酸素濃度は、原料シリコン融液とルツボ内壁面との接触面積が大きい単結晶育成の前半の方が高く、後半になるにつれて、低くなる傾向にある。

ところで、近年、シリコンウェーハの大口径化に伴い、直径２００ｍｍや３００ｍｍの単結晶インゴットが製造されている。このような大型シリコン単結晶の製造においては、原料シリコン融液の量が多くなり、融液の流れが複雑になることから、安定した単結晶および所望の結晶特性を得るために、ＭＣＺ法（Magnetic field applied CZ 法）と呼ばれる横磁場やカスプ磁場等の磁場を印加したＣＺ法が用いられている。

ＭＣＺ法においては、シリコン単結晶中の酸素濃度の調整は、主に、石英ルツボの回転数や磁場強度の調整による原料シリコン融液への酸素の溶け込み量の制御、引上げ炉内に導入される不活性ガスの流量や流速等による融液の蒸発量の制御等により行われていた。
しかしながら、上記のような制御手段は、シリコン単結晶の変形や有転位化等による歩留まりの低下、酸素濃度やその他の特性の面内分布状態の悪化等を招く場合もあり、限界があった。

これに対しては、例えば、特許文献１に、上部磁場よりも下部磁場の強度が高くなるように制御して、融液内温度分布・酸素濃度分布を独立的に制御することにより、所望の酸素濃度・欠陥分布を得る方法が開示されている。

特開２００７−３１２６０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている方法は、低酸素濃度の単結晶を得ることを目的とするものであり、高酸素濃度の単結晶を得るために適した方法であるとは言えない。
なお、本発明において、高酸素濃度とは、約１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上を指す。

そこで、本発明者らは、結晶中の酸素の高濃度化および酸素分布の面内均一化を図るべく、上記特許文献１に記載されたようなＭＣＺ法での磁場強度の影響およびその重要性に鑑み、シリコン単結晶引上げ時における磁場環境について検討を重ね、上下のコイルの磁場強度比と位置との相関関係を見出した。

すなわち、本発明は、ＭＣＺ法での上下のコイルの磁場強度比についての関係式に基づいて引上げ条件の最適化を図り、これにより、酸素濃度分布の均一化を図り、かつ、高酸素濃度結晶を引上げることができるシリコン単結晶の引上げ方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコン単結晶の引上げ方法は、カスプ磁場方式のＭＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて、２つの上下コイルの磁場強度比（上コイル出力／下コイル出力）ｘと、前記単結晶の中心軸上においてシリコン融液面の高さ位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰ（ｍｍ）を、下記式（１）
ＭＰ＜９０．９ｘ−１４０．９ …（１）
及びＭＰ＞−１００の関係を満たし、かつ、ｘ≧１．２の関係を満たすように引上げ条件を制御することを特徴とする。
このように、上下のコイルの磁場強度比と磁場の中心位置との関係式によって、引上げ方向において酸素濃度が均一な高酸素濃度単結晶を引上げるための条件の最適化を図ることができる。また、酸素濃度が１．３×１０ ¹⁸ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 以上で径方向に均一な単結晶を安定して得ることができる。

前記引上げ方法においては、前記ｘがｘ＜２．０の関係を満たすように制御することが好ましい。

上述したとおり、本発明に係るシリコン単結晶の引上げ方法によれば、上下の磁場強度比と上下コイル中心位置との関係式に基づいて、カスプ磁場方式のＭＣＺ法において、酸素濃度分布の均一化が図られた高酸素濃度単結晶を得るための引上げ条件の最適化を図ることができる。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコン単結晶の引上げ方法は、カスプ磁場方式のＭＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて、２つの上下コイルの磁場強度比（上コイル出力／下コイル出力）ｘと、前記単結晶の中心軸上においてシリコン融液面の高さ位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰ（ｍｍ）を、下記式（１）
ＭＰ＜９０．９ｘ−１４０．９ …（１）
の関係を満たすように引上げ条件を制御することを特徴とする。
このような引上げ条件によれば、引上げ方向において酸素濃度が均一な単結晶を得ることができる。

カスプ磁場方式のＭＣＺ法においては、上下コイル磁場強度比を変化させることにより、融液に印加される磁場強度の分布が変わる。融液の各位置において、所望の磁場強度で印加すれば、融液の対流を効率的に生じさせ、結晶への酸素の取り込み量を調整することが可能となる。

前記カスプ磁場方式では、通常、結晶と融液との境界付近における磁場強度が低くなるため、結晶回転による結晶特性の均一化の効果を低下させることなく結晶を育成することができ、酸素濃度等の結晶特性の面内分布が良好となる。また、石英ルツボ壁側では、融液の液面と平行な方向の磁場が印加されるため、ルツボ壁面側からの融液の自然対流の抑制効果が得られる。
しかしながら、カスプ磁場は、一般的に、磁場強度が比較的低く、横磁場方式に比べて、上記のような対流の抑制効果は低い。たとえ強磁場を印加した場合であっても、結晶付近において渦流が発生し、結晶特性の面内分布の不均一化を招く。

一方、高濃度の酸素を結晶内に取り込むためには、融液内への酸素の溶け込み量を多くし、かつ、蒸発量を抑制する必要がある。
融液の流れは、大きく分けると、結晶直下の湧き上がりの流れと、ルツボ壁面に沿って自由表面を通って結晶へ到達する流れとの２つがあり、この２つの流れを制御することによって、結晶への酸素の取り込み量を調整することができる。

ここで、上コイルから発生する磁場を強くすると、結晶へ向かう流れと逆方向の力が発生する。それに伴い、上コイルからルツボ壁面に印加される磁場強度も高くなるため、必然的に、結晶へ向かう流れが弱まる。また、相対的に、下コイルからの磁場が弱くなるため、ルツボ中心からの湧き上がりの流れが強くなる。
したがって、融液温度が最も高くなる石英ルツボの底部から側壁への立ち上がり部分（Ｒ部分）付近において、酸素濃度が最も高くなり、この部分から、酸素濃度の高い融液が直接、結晶へ流れ込む。

また、上コイルの磁場強度を高くした場合、結晶と融液との境界部分に縦磁場が発生する。これにより、結晶特性の面内分布が不均一化することが懸念されるが、結晶中心部からの湧き上がりが促進され、結晶中心部から外周部への融液の流れが強まるため、むしろ、面内分布の改善につながる。

上記のような結晶特性の面内分布の改善効果を得る観点から、本発明においては、下記実施例に基づいて、単結晶中心軸上においてシリコン融液面の高さ位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰについて、２つの上下コイルの磁場強度比（上コイル出力／下コイル出力）ｘとの上記式（１）に示す関係式を導き出した。

さらに、前記関係式を満たす単結晶引上げ方法においては、ＭＰ＞−１００（ｍｍ）、かつ、ｘ≧１．２となるように制御することにより、酸素濃度が１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上で径方向に均一な単結晶を安定して得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
直径３２インチの石英ルツボ内に、原料シリコン融液３５０ｋｇを充填し、カスプ磁場方式のＭＣＺ法単結晶引上げ装置を用いて、直径３００ｍｍ用のシリコン単結晶を育成した。
磁場強度は、上下コイルの出力の平均値５００ガウスを基準として、上下コイルの磁場強度比ｘおよびシリコン融液面の高さ位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰを表１に示すような条件とし、その他の引上げ条件はいずれも同様とした。

［実験１］
上下コイルの磁場強度比ｘを変化させ、シリコン融液面の位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置の高さＭＰを一定（＝−５０［ｍｍ］）として単結晶を引き上げて（条件１〜５、ｒｅｆ）、各単結晶をスライスしてウェーハを採取し、ウェーハ表面の酸素濃度を測定した。
図１に、このときの結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さとその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度との関係を表すグラフを示す。なお、酸素濃度の測定装置としては、ＦＴ−ＩＲを用いた。
また、図２に、結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬとその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉ（＝ウェーハ面内を径方向に５ｍｍ間隔で測定した値の（最大値／最小値）／最小値×１００［％］）の関係を表すグラフを示す。

図１に示すグラフから、上下コイルの磁場強度比ｘを５５／４５以上とすることにより（条件１〜３）、酸素濃度が１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の高濃度で、かつ、軸方向において酸素濃度がほぼ均一な結晶が得られることが認められた。
ただし、ｘを７０／３０とした場合（条件１）は、結晶育成時に、原料シリコン融液がルツボ壁面側から固化し始めたため、引上げを中止した。
一方、下コイルの磁場強度を高くするにつれて、酸素濃度が低濃度側にシフトすることが認められた。
また、図２に示したグラフから、上下コイル比を５５／４５以上とすることにより（条件１〜３）、引き上げるにつれて、酸素濃度の面内におけるバラツキも抑制されることが認められた。

［実験２］
上下コイルの磁場強度比ｘを一定（＝５５／４５）とし、シリコン融液面の位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置の高さＭＰを変化させて単結晶を引上げ（条件３，６〜９）、各単結晶をスライスしてウェーハを採取し、ウェーハ表面の酸素濃度を測定した。
図３に、このときの結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬとその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度との関係を表すグラフを示す。なお、ｒｅｆについてのグラフも併せて示す。
また、図４に、結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬとその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉの関係を表すグラフを示す。なお、ｒｅｆについてのグラフも併せて示す。

図３に示したグラフから、上下コイル中心位置が融液面よりも下方であるほど、得られる結晶の酸素濃度は高くなることが認められた。
ただし、融液面から上下コイル中心位置までの高さが大きく（ｘが小さく）なりすぎると（条件９）、結晶と融液との固液界面における縦磁場成分が大きくなりすぎ、図４のグラフに示すように、酸素濃度の面内におけるバラツキが大きくなることが認められた。

［実験３］
条件３、ｒｅｆの条件で引上げた各単結晶をスライスして採取したウェーハを、アルゴン１００％雰囲気下、１２００℃で１時間アニール処理した。
図５に、このときの結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬとその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度との関係を表すグラフを示す。なお、アニール処理前についてのグラフも併せて示す。
また、図６に、結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬとその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉの関係を表すグラフを示す。なお、アニール処理前についてのグラフも併せて示す。

図５，６に示したグラフから、条件３により引上げた単結晶は、アニール処理後のウェーハについても、十分な残存酸素濃度であることが確認された。

上記実験１，２の結果に基づいて、図７に、上下コイルの磁場強度比ｘとシリコン融液面の高さ位置を０としたとき前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰとの関係をグラフにして示す。
図７のグラフに示したように、ＭＰ＜９０．９ｘ−１４０．９の関係を満たす条件であれば、結晶を高酸素濃度に制御可能であることが認められた。
さらに、ＭＰ＞−１００（ｍｍ）であれば、ウェーハ面内における酸素濃度分布が均一な結晶が得られる。
ＭＰが−１００ｍｍ以下の場合は、図１に示すように、酸素の面内分布均一性の安定性が損なわれる。また、ｘ≧２．０の場合は、ルツボ壁と融液表面とが接する付近において融液温度が低下し、結晶育成中に融液が固化する現象が生じやすくなり、単結晶引上げの歩留まりが低下するため、ｘ＜２であることが好ましい。

実験１における、結晶軸方向における単結晶の径が拡大完了した部位からの長さＬ［ｍｍ］とその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度［×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³］との関係を表すグラフである。 実験１におけるＬ［ｍｍ］とその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉ（＝ウェーハ面内を径方向に５ｍｍ間隔で測定した値の（最大値／最小値）／最小値×１００［％］）との関係を表すグラフである。 実験２におけるＬとその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度との関係を表すグラフである。 実験２におけるＬとその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉとの関係を表すグラフである。 実験３におけるＬとその位置の断面（ウェーハ面）でのウェーハ面中心位置の酸素濃度との関係を表すグラフである。 実験３におけるＬとその位置の断面における面内での酸素濃度のバラツキΔＯｉとの関係を表すグラフである。 実施例における上下コイルの磁場強度比ｘとシリコン融液面の高さ位置を０としたとき前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰとの関係を表すグラフである。

Claims (2)

1. カスプ磁場方式のＭＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて、２つの上下コイルの磁場強度比（上コイル出力／下コイル出力）ｘと、前記単結晶の中心軸上においてシリコン融液面の高さ位置を０としたときの前記上下コイルにより形成される磁場の中心位置ＭＰ（ｍｍ）が、下記式（１）
   ＭＰ＜９０．９ｘ−１４０．９ …（１）
   及びＭＰ＞−１００の関係を満たし、かつ、ｘ≧１．２の関係を満たすように引上げ条件を制御することを特徴とするシリコン単結晶の引上げ方法。
2. 前記ｘがｘ＜２．０の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ方法。

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