JP5249498B2 - シリコン単結晶の成長方法，成長装置及びそれから製造されたシリコンウエハ - Google Patents

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Description

本発明は高品質のシリコン単結晶を成長させる方法に関し，より詳しくは，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる際，シリコン融液の温度分布を制御して高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させる方法と成長装置及びそれから製造されたシリコンウエハに関する。
従来，半導体素子の歩留まりを増大させることができる高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させるために主に結晶化以後の単結晶インゴットの高温領域の温度分布を制御していた。これは結晶化以後，冷却による収縮などにより誘起される応力などを制御したり，凝固時に発生した点欠陥の挙動を制御するためのものである。
一般に，チョクラルスキ法によってシリコン単結晶インゴットを成長させる方法では，石英坩堝の内部に多結晶シリコンを収容し，ヒーターから輻射される熱で多結晶シリコンを溶融させてシリコン融液を作った後，シリコン融液の表面からシリコン単結晶インゴットを成長させる。
シリコン単結晶インゴットを成長させる時には，坩堝を支持する軸を回転させながら坩堝を上昇させて固−液界面が同一な高さを維持するようにし，シリコン単結晶インゴットは坩堝の回転軸と同一な軸を中心にして坩堝の回転方向と反対方向に回転させながら引き上げる。
また，円滑なシリコン単結晶インゴット成長のために，アルゴン(Ar)ガスのような非活性ガスをインゴット成長装置の上部に流入してからインゴット成長装置の下部に排出させる方法が多く利用されている。
このような従来のシリコン単結晶インゴット製造方法では，成長中のシリコン単結晶インゴットの温度勾配を調節するために熱シールド及び水冷管などを設けていた。熱シールドなどを利用してシリコン単結晶インゴットの温度勾配を調節する従来技術としては，大韓民国特許登録番号第３７４７０３号（特許文献１），大韓民国特許登録番号第４１１５７１号（特許文献２），米国特許登録番号６，５２７，８５９（特許文献１５）などがある。
しかしながら，このようなシリコン単結晶インゴットの温度勾配の調節だけでは点欠陥濃度の低い高品質のシリコン単結晶インゴット及びシリコンウエハを生産することに限界がある。
特に，従来方法により製造されたシリコンウエハを使用して半導体デバイスを製造すれば，デバイス製造工程中に数回の熱処理を経ることにより，前記点欠陥から微小析出欠陥(micro precipitates)が形成されて不良を起こすので結果的にデバイス歩留まりが低下する問題があった。
一方，米国特許登録番号５，９１９，３０２（特許文献１１），６，２８７，３８０（特許文献１２），６，４０９，８２６（特許文献１３）に記載されているように，従来には結晶の垂直温度勾配(G0)がG0=c+ax2の形態を有するので，ウエハの外周から中心方向に向けてバカンシー濃度は増加する一方，インタスティシャル濃度は減少する傾向を有する。ウエハの外周の近くで充分な外部拡散(out-diffusion)が発生しなければＬＤＰ等，インタスティシャル特性の結晶欠陥が表れるので，通常は中心部のバカンシー濃度が高い状態で結晶成長をすることになる。したがって，平衡濃度よりはるかに高いバカンシー濃度のためにウエハ中心部からバカンシー特性の結晶欠陥(例えば，ボイド(void)，酸化積層欠陥(OiSF : oxidation induced stacking fault))が発生しやすいのであり，たとえボイドや酸化積層欠陥領域が制御されるとしても半導体工程の数回の熱処理から潜在していた微小析出欠陥が発生する。
高品質シリコン単結晶を製造するために，シリコン単結晶インゴットの温度分布を制御する他の従来技術としては次のようなもの等がある。特願平２−１１９８９１号（特許文献６）では単結晶が冷却される過程で高温領域のホットゾーンを採用してシリコン単結晶インゴットの中心と外周の温度分布を制御することによって凝固変形(strain of solidification)によるシリコン単結晶の格子欠陥を減少させようとしたのであり，特に，ここでは冷却スリーブ(sleeve)により単結晶成長方向に固化率(solidification rate)が増大し，格子欠陥が減少した。また，特願平７−１５８４５８号（特許文献１０）では結晶内温度分布と結晶の引上速度を制御しようとしたのであり，特願平７−６６０７４号（特許文献９）ではホットゾーンを改善し，冷却速度を制御することによって，欠陥密度を制御しようとした。特願平４−１７５４２号（特許文献７）と米国特許登録番号６，２８７，３８０（特許文献１２）ではホットゾーンを変更し，冷却速度を制御することによって，点欠陥の拡散を利用して結晶欠陥形成を抑制しようとした。大韓民国特許出願２００２−００２１５２４（特許文献４）では熱シールドと水冷管を改善することによって，高品質単結晶生産性を向上させたと主張している。特願平５−６１９２４号（特許文献８）では結晶の成長速度の周期的な変化を加えることによって，酸素有機積層欠陥(OSF)や酸素析出欠陥など，結晶欠陥発生領域の履歴(hysteresis)を活用してシリコン単結晶インゴット内に結晶欠陥が生じないようにした。
しかしながら，このような従来技術は固相反応に基づいているので，次のような問題を有している。第１に，高品質シリコン単結晶という目的の達成に多くの制約を伴う。例えば，米国特許登録番号６，２８７，３８０（特許文献１２）では過飽和した点欠陥を結晶欠陥に成長する前に高温領域で十分拡散反応させることによって，点欠陥の濃度を低めようとするが，それにかかる温度維持時間が甚だしくは１６時間以上であるので，理論的に可能であるだけであり，実際の適用が不可能な問題があった。
第２に，実質的な効果を挙げられない場合が大部分である。特願平５−６１９２４号（特許文献８）及びEidenzon達(Defect-free Silicon Crystals Grown by the Czochralski Technique，Inorganic Materials，Vol. 33，No. 3，1997，pp. 272-279)（非特許文献１）が提案したような方式により結晶の引上速度を周期的に変化させながら２００mmシリコン単結晶インゴットを成長させた結果，目的とする高品質の達成に失敗したのであり，むしろ工程の不安定性をもたらした。
第３に，固相反応理論に基づいた発明は高い生産性を達成できない。大韓民国特許出願２００１−７００６４０３（特許文献５）では，できる限り最適の熱シールドと水冷管を設計したが，実際に高品質単結晶が得られる引上速度が０.４mm/min程度で低い生産性を見せた。
高品質のシリコン単結晶を得るための又別の従来の方法は，固−液界面(結晶成長界面)を制御するものである。大韓民国特許出願１９９８−０２６７９０（特許文献３）と米国登録６，４５８，２０４（特許文献１４）は，高品質のシリコン単結晶を得るための固−液界面の形態を限定している。しかしながら，米国登録番号５，９１９，３０２（特許文献１１）や６，２８７，３８０（特許文献１２）では，前記発明が主張した固−液界面の形態を持っているが，充分な高品質単結晶が得られなかった。
また，上述の従来方法では目的とする高品質単結晶の獲得歩留まりが低かった。
この発明の先行技術文献情報としては次のものがある。
大韓民国特許登録番号第３７４７０３号 大韓民国特許登録番号第４１１５７１号 大韓民国特許出願１９９８−０２６７９０ 大韓民国特許出願２００２−００２１５２４ 大韓民国特許出願２００１−７００６４０３ 日本特願平２−１１９８９１ 日本特願平４−１７５４２ 日本特願平５−６１９２４ 日本特願平７−６６０７４ 日本特願平７−１５８４５８ 米国特許登録番号５，９１９，３０２ 米国特許登録番号６，２８７，３８０ 米国特許登録番号６，４０９，８２６ 米国特許登録番号６，４５８，２０４ 米国特許登録番号６，５２７，８５９ Defect-free Silicon Crystals Grown by the Czochralski Technique，Inorganic Materials，Vol. 33，No. 3，1997，pp. 272-279
本発明は上述のような問題を解決するために案出したものであって，実際のデバイス製造時にも不良を起こさない程度で点欠陥濃度が極小に制御された高品質のシリコン単結晶を成長させる方法及びその装置を提供することをその目的とする。
本発明の他の目的は生産性の高い高品質シリコン単結晶成長方法を提供するものである。
本発明の又他の目的は獲得歩留まりが高い高品質シリコン単結晶成長方法を提供するものである。
上述の技術的課題を達成するために，本発明では，シリコン単結晶をチョクラルスキ法により成長させる際，シリコン融液の温度分布を制御することにより点欠陥の発生を極小に制御して高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させた。
即ち，本発明では，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる方法であって，前記シリコン単結晶の半径方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度の傾きの最大値をΔTmax，最小値をΔTminとしたときに，
を満足させる条件でシリコン単結晶を成長させるシリコン単結晶成長方法を提供する。
前記式を満足させながら，前記単結晶の長手方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度を，融液と単結晶との界面から遠ざかるに従い上昇し，最高点に到達後徐々に下降するように変化させ，前記融液の上昇側の温度の傾きが，前記下降側の温度の傾きより大きい状態を維持する条件で前記シリコン単結晶を成長させることが好ましい。
この際，前記単結晶の長手方向と平行した軸は前記シリコン単結晶の中心を貫通する中心軸であることが好ましい。
前記単結晶の半径方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度の傾きは，固液界面から最高点温度を有する高さまでの融液で測定することが好ましい。
シリコン融液の温度を単結晶の長手方向と平行した軸に沿って測定する際，この軸はシリコン単結晶の中心を貫通する中心軸と交わるものであることが好ましい。
最高点はシリコン融液の全体深さに対して融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に存在することができ，好ましくは，シリコン融液の全体深さに対して表面から１／３地点乃至１／２地点に存在することができる。
シリコン融液を受容する坩堝の回転速度をＶｃといい，前記シリコン単結晶の回転速度をVsという時，
を満す条件でシリコン単結晶を成長させることが好ましい。
また，シリコン融液に磁気場を印加した状態でシリコン単結晶を成長させることが好ましく，この際，磁気場には単結晶の長手方向に対して垂直方向または水平方向の磁気場を印加するか，または，カスプ(CUSP) 形態の磁気場を印加することができる。
また，前記シリコン融液の側方にヒーターを設置し，ヒーターでシリコン融液の全体深さに対して融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分の発熱量を周辺に比べて増加させた状態で前記シリコン単結晶を成長させることができる。
磁気場はヒーターとの最隣接部から固液界面の中心乃至融液の高温領域に向う熱の流れを促進させることができる。
また，本発明では，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる装置において，チャンバーと，チャンバーの内部に設けられ，シリコン融液を受容する坩堝と，坩堝の側方に設けられて前記シリコン融液を加熱し，シリコン融液の全体深さに対して表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分の発熱量が周辺に比べて増加したヒーターと，シリコン融液から成長するシリコン単結晶を引上げる引上機構及び坩堝の側方に設けられてシリコン融液に磁気場を印加する磁石を含むシリコン単結晶成長装置を提供する。
この成長装置は，シリコン単結晶インゴットを囲むようにシリコン単結晶インゴットと坩堝との間に設けられてインゴットから放射される熱を遮断する熱シールドを更に含むことができ，熱シールドにおいてシリコン単結晶インゴットとの最隣接部に付着され，シリコン単結晶インゴットを囲む円筒形の熱遮蔽部を更に含むことができる。
上述の装置及び方法により製造されたシリコンウエハは，含まれた点欠陥濃度が，熱処理により微小析出欠陥(micro precipitates)を形成することができるバカンシー(vacancy)の最小濃度であるバカンシーしきい飽和濃度以下である。
前記熱処理は７００−８００℃で５―７時間行う１次熱処理及び１０００−１１００℃で１４−１８時間行う２次熱処理を含むことが好ましくて，前記微小析出欠陥は０.３μm以下の大きさであって，前記ウエハ表面から少なくとも１μm以上の深さ内に形成されることが好ましい。
前記装置及び方法により成長したシリコン単結晶インゴット及びそのインゴットから製作されたシリコンウエハに含まれた点欠陥濃度は１０10〜１０12個／cm3であることが好ましい。
前記シリコン単結晶インゴットまたはウエハの中心部はインタスティシャル優勢領域(interstitial dominant region)であり，前記中心部の外部はバカンシー優勢領域(vacancy dominant region)であることが好ましい。
前記シリコン単結晶インゴットまたはウエハの中心から半径の９０％以内の領域で，最高点欠陥濃度(Cmax)と最低点欠陥濃度(Cmin)との差が，最も低い点欠陥濃度(Cmin)に対し１０％以内の範囲で点欠陥の分布が均一なことが好ましい。
上述のように，本発明によれば，シリコン融液の温度分布を本発明で提示した特定条件で制御することにより，高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させることができ，また，高い成長速度によって生産性の高い高品質シリコン単結晶インゴットの成長方法を提供する効果がある。
また，本発明では実際のデバイス製造過程で熱処理により微小析出欠陥のような２次欠陥が発生しない水準に，点欠陥濃度が低い高品質のシリコン単結晶インゴット及びシリコンウエハを提供する効果がある。
このような高品質の単結晶から加工されたウエハを基板として使用すれば電子素子の歩留まりを向上させることができる効果がある。
以下，本発明について詳細に説明する。
本発明は，シリコン融液から固状のシリコン単結晶を成長させることにおいて，点欠陥が最小化した高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させることが単結晶インゴットの温度勾配調節及び固−液界面の形態調節だけでは達成できないという点の認識から出発して，高品質シリコン単結晶インゴット成長のためのより決定的な因子があるという事実に着眼したのである。
本発明では結晶化以後に起きる固相反応の限界を克服するために，固化以前の液状の流体状態を徹底的に分析したのであり，その結果，融液の温度分布が非常に重要であるということを見出した。
一般に，結晶成長は原子または分子形態の成長単位が結晶成長界面または準安定領域へ移動して界面に固着することによってなされるが，シリコン融液内の温度傾きが大きくなることによって，流体状態の結晶成長単位が結晶成長界面または準安定領域へ移動しようとする駆動力が大きくなる。
ここで，結晶成長界面とは，結晶化界面または固液界面ともいい，固状であるシリコン単結晶インゴットと液状であるシリコン融液との境界面である。準安定領域とは，液状であるシリコン融液が結晶化する直前の状態であって，結晶性はあるが完全でない領域を意味する。
したがって，シリコン融液内の温度傾きが大きければ成長単位の結晶成長参加が高まるので，結晶の引上速度が十分高くない場合，過剰の原子が結晶化し，その結果，シリコン単結晶インゴットはセルフインタスティシャル優勢(self-interstitial rich)特性を有することになる。逆に，シリコン融液内の温度傾きが低ければ結晶化しようとする原子が充分でないので，高い結晶の引上速度はバカンシー優勢(vacancy rich)特性を有するシリコン単結晶インゴットを作ることになる。
図１は本発明の一実施形態によりチョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる過程を示す断面図である。図１に示すように，本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶インゴットの製造装置はチャンバー１０を含み，チャンバー１０の内部でシリコン単結晶インゴットの成長がなされる。
チャンバー１０内にはシリコン融液(SM)を受容する石英坩堝２０が設けられ，この石英坩堝２０の外部には黒鉛からなる坩堝支持台２５が石英坩堝２０を囲むように設けられる。
坩堝支持台２５は回転軸３０上に固定設置され，この回転軸３０は駆動手段(図示していない)により回転されて石英坩堝２０を回転させながら上昇させて，固−液界面が同一な高さを維持するようにする。坩堝支持台２５は所定間隔をおいて円筒形のヒーター４０に囲まれるのであり，このヒーター４０は保温筒４５により囲まれる。
即ち，ヒーター４０は坩堝２０の側方に設けられて石英坩堝２０内に積載された高純度の多結晶シリコンの塊を熔融してシリコン融液(SM)に作り，保温筒４５はヒーター４０から発散する熱がチャンバー１０の壁側に広がることを防止して熱効率を向上させる。
チャンバー１０の上部にはケーブルを巻いて引上げる引上手段(図示していない)が設けられ，このケーブルの下部に石英坩堝２０内のシリコン融液(SM)に接触して引上げながら単結晶インゴット(IG)を成長させる種結晶が設けられる。引上手段は単結晶インゴット(IG)成長の際，ケーブルを巻いて引上げながら回動し，この際，シリコン単結晶インゴット(IG)は坩堝２０の回転軸３０と同一な軸を中心にして坩堝２０の回転方向と反対方向に回転させながら引き上げるようにする。
チャンバー１０の上部には，成長する単結晶インゴット(IG)とシリコン融液(SM)にアルゴン(Ar)，ネオン(Ne)及び窒素(N)などの不活性ガスを供給し，使われた不活性ガスはチャンバー１０の下部を通じて排出させる。
シリコン単結晶インゴット(IG)と坩堝２０との間にはインゴット(IG)を囲むように熱シールド５０を設けて，インゴットから放射する熱を遮断することができ，熱シールド５０からインゴット(IG)との最隣接部には円筒形の熱遮蔽部６０を取り付けて熱の流れを更に遮断して熱を保存することもできる。
本発明ではシリコン融液(SM)の温度を単結晶(IG)の半径方向に均一になるように制御する。
より具体的に説明するために，図１にはシリコン融液(SM)内に等温線を図示し，また単結晶インゴットの半径方向と平行した仮想の軸に沿って測定された融液の温度傾きプロファイルを共に図示した。
一般に，シリコン融液(SM)の温度を注意深くみれば，熱供給源であるヒーター４０と最も近い坩堝の側面部分で最も高い融液温度(図１にＴＰ領域と表示)を表し，結晶成長が起きる固液界面部分で固化温度(solidification temperature)である最も低い融液温度を表す。
シリコン融液(SM)の温度の傾きを単結晶(IG)の半径方向と平行した軸に沿って測定する際，この温度の傾きは垂直方向瞬間温度傾きであり，単結晶(IG)の下部に位置する融液で測定することが好ましい。
測定された温度の傾き中，最大値をΔTmax，最小値をΔTminとしたとき，次式を満す条件でシリコン単結晶を成長させる。
上述の式は温度の傾きの最大値(ΔTmax)と最小値 (ΔTmin)の差が最小値に対して１０％以下になるように制御することを意味する。この際，５％以下ならば好ましく，また，３％以下ならばより好ましく，また，１％以下ならばより一層好ましい。
もし，最大値 (ΔTmax)と最小値 (ΔTmin)の差が最小値に対して１０％を超過する程度でシリコン融液(SM)の温度が単結晶(IG)の半径方向に不均一になれば，本発明で提示する高品質のシリコン単結晶が得られない。シリコン融液の温度は融液対流の影響などにより周期的に変化できるので，その測定温度は平均値を取ることが好ましい。
また，本発明では融液の内部に周辺に比べて相対的に温度が高い高温領域(図１にTH領域と表示)が存在するようにし，特にその高温領域(TH)の上部の温度傾きと下部の温度傾きを制御する。
より具体的に説明するために，図２には単結晶インゴットの長手方向と平行した軸(X)に沿って測定された融液の温度プロファイルを共に図示している。
シリコン融液(SM)の温度をシリコン単結晶インゴット(IG)の長手方向と平行した軸(X)に沿って測定する際，固液界面からインゴット(IG)との距離が遠ざかるほど融液(SM)の温度が上昇して最高点(H)に到達し，またこの最高点(H)を越えてインゴット(IG)からの距離が最も遠い地点である融液(SM)の底部側に行くに従い降下する。
この際，固液界面から最高点(H)に至る上昇時の融液温度の傾き(ΔTi)が，最高点(H)から融液底部に向かう下降時の融液温度の傾き(ΔTd)より大きい状態，即ち，ΔＴｉ>ΔＴｄの条件を維持しながら，単結晶インゴットを成長させることが好ましい。ここで，温度測定位置を表示する基準となる軸(X)は単結晶インゴットの中心を貫通する中心軸であることが好ましい。
この際，最高点(H)はシリコン融液(SM)の全体深さに対して融液(SM)の表面から１／５地点乃至２／３地点に存在することが好ましくて，より好ましくは，１／３地点乃至１／２地点に存在することができる。
ここで，上述の数式を満すと共に，上述のΔＴｉ>ΔＴｄの条件を維持しながら単結晶インゴットを成長させるならばより好ましい。
この場合，上記数式で言及した，シリコン融液の温度傾きを単結晶の半径方向と平行した軸に沿って測定する時には，結晶成長がなされる固液界面から最高点(H)温度を有する高さ(D1)までの融液で測定することが好ましい。
図１に図示された温度傾きプロファイルは融液(SM) 表面から１／５地点で測定されたものである。
一方，本発明では単結晶半径方向への融液温度分布はシリコン融液(SM)を受容した坩堝２０の回転速度と関連があることを見出した。シリコン融液を受容している坩堝を回転させればシリコン融液は遠心力を受けることになるが，この際，融液の単位体積が受ける遠心力(F)はF=mrω2と表現される。ここで，ｍは融液の単位体積の質量，ｒは中心軸からの距離であり，ωは融液の単位体積が経る角速度であって，坩堝の回転速度と考えても差し支えない。遠心力の他に摩擦力等はシリコン融液の粘性が比較的低いので考慮しないことにする。
即ち，単結晶中心位置から半径方向に外周部に向かって融液の位置が変わるほど融液の単位体積が受ける遠心力(F)は直線的に増加し，また，その遠心力(F)は坩堝回転速度の自乗に比例して増加する。
図３はシリコン融液の(表面から)１／５地点で，中心位置から半径方向に坩堝壁までの融液の温度差ΔＴｒを坩堝の回転速度別に示すグラフであって，坩堝の回転速度が減少することによって，即ち，ω3曲線からω1曲線に推移するほど半径方向への融液温度差(ΔTr)が減少して半径方向への融液温度分布が均一になるように改善されることが分かる。
したがって，シリコン融液の温度を単結晶の半径方向に均一にさせるためには坩堝の回転速度をできる限り低めなければならず，例えば，２rpm以下に，好ましくは１rpm以下に，より好ましくは０.６rpm以下に低下しなければならない。
また，高品質の単結晶を高い生産性で製造するためには坩堝２０の回転速度を考慮して単結晶(IG) 回転速度の運用範囲を決定しなければならない。図４は坩堝の回転速度Ｖｃとシリコン単結晶の回転速度Vsにより得られるログ値であるLn[Vs／Vc]に対する単結晶の成長速度を示すグラフである。図４のグラフにおいてVpは本発明により高品質の単結晶が具現される成長速度を意味し，Voは従来技術による成長速度である。
図４のグラフからLn[Vs／Vc]値が増加することにつれて高品質の単結晶が具現される成長速度が増加し，ある一定区間を過ぎてから，再度減少する傾向を表示すことを確認することができる。これは本発明者が既に出願した大韓民国特許出願第２００３−００８０９９８号でのように，低い坩堝回転速度に比べて単結晶回転速度があまりに大きくなる場合には坩堝の底部の冷たい融液の上昇により高温領域の温度が減少し，したがって融液の垂直方向温度傾きが減少するためである。また，Ln[Vs／Vc]値を設定する際，単結晶(固体)−融液(液体)−雰囲気(気体)が合う三重点近くの単結晶半径方向への融液温度傾きが過度に小さくなる場合，結晶の異常成長が発生し得るので，そのような値は避けることが好ましい。このような結果を通じて，本発明では坩堝の回転速度をＶｃとし，シリコン単結晶の回転速度をVsとする時，次式を満す条件でシリコン単結晶を成長させることにする。
また別の方法として，本発明では磁気場を利用してシリコン融液の温度を単結晶の半径方向に一層均一にする。即ち，本発明ではシリコン融液に磁気場を印加した状態でシリコン単結晶を成長させる。この際，磁気場には単結晶の長手方向に対して垂直方向または水平方向の磁気場を印加することもでき，または，カスプ(CUSP)形態の磁気場を印加することもできる。
図５は，一例として，カスプ形態の磁気場を印加した状態でシリコン単結晶を成長させることを示す断面図であって，図４には磁力線プロファイルを図示した。磁気場はシリコン融液の対流を制御するが，より具体的には磁力線に垂直な方向への融液の流れを抑制するので，熱の流れにまで影響を与える。そうして，シリコン融液に加えられた磁気場はヒーターとの最隣接部(TP)から固液界面の中心乃至融液の高温領域(TH)に向ける熱の流れを促進させる。
即ち，磁気場は最高温領域(TP)から熱損失を最小化しながら高温領域(TH)に熱を伝達するように手助けするので，これによって，固液界面と高温領域(TH)との温度差，即ち，上昇側の融液温度の傾きが大きくなり，かつ高品質の結晶成長速度が増加できるものである。
また，本発明では最高点(H)の位置及び融液(SM)内の温度傾きを上述のような条件で作るために，ヒーターを改善することができる。例えば，シリコン融液の側方には設けられたヒーター４０において，シリコン融液の全体深さに対して融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分の発熱量を周辺に比べて増加させた状態でシリコン単結晶インゴットを成長させることができる。
より好ましくは，ヒーターにおいて，シリコン融液の全体深さに対して融液の表面から１／３地点乃至１／２地点に対応する部分の発熱量を周辺に比べて増加させることができる。
例えば，抵抗線に電流を流して発生するジュール熱を利用するヒーターの場合，融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分，より好ましくは，１／３地点乃至１／２地点に対応する部分の抵抗を増加させることができる。このようにヒーターで特定部位の抵抗を増加させるためには抵抗が比抵抗及び長さに比例し，断面積に反比例する特性を利用して，断面積を狭くするか，または，比抵抗が高いヒーター材質を利用する。
実施形態１では図１に示すような単結晶成長装置を利用したのであり，融液表面から１／５深さに対応するヒーター部分の抵抗を増加させた。
シリコン単結晶インゴットとシリコン融液の温度は熱電対(thermocouple)を利用して測定したのであり，その結果を各々表１及び表２に表した。
表１には固液界面と固液界面から50mm離れた単結晶地点の温度差，即ち，固液界面での温度1410℃で固液界面から50mm離れた単結晶地点での温度(T50mm)を引いた値(結晶ΔT(50mm)=1410℃-T50mm)，固液界面と100mm離れた単結晶地点の温度差(結晶ΔT(100mm)=1410℃-T100mm)を各々求め，これらを各々基準値に対する割合で表現して表した。
表２にはシリコン融液の深さ方向温度差(ΔT)を測定した結果を表したのであり，この値は固液界面での温度(1410℃)と，シリコン融液の全体深さに対して表面から各々１／５深さ地点，１／４深さ地点，１／３深さ地点，１／２深さ地点，２／３深さ地点，３／４深さ地点，４／５深さ地点での融液温度間の差を各々求め，これらを各々基準値に対する割合で表現したのである。例えば，「融液ΔT(１／５深さ)」は，1410℃でシリコン融液の全体深さに対して固液界面から１／５深さ地点での融液温度を引いた値を基準値ＬＴ１／５に対する割合で表現したものである。
即ち，表１及び２に表れた実施形態１乃至３の結果及び比較例１乃至３の結果は，基準値に対する割合で表現された値である。この際，基準値はシリコン融液の温度が固液界面で遠ざかって坩堝の底部に行くに従い続けて上昇するものの，その上昇する温度の傾きがますます小さくなる温度プロファイルを表す。
表２に表れるように，実施形態１ではシリコン融液の温度が固液界面から遠ざかる方向に，表面から１／５深さを過ぎると基準値に比べて略１.３倍高い状態に上昇し，表面から１／２深さ地点を過ぎた後に最高点に到達した。その最高点からシリコン融液の温度が更に下降し，３／４深さと４／５深さ間で基準値と同一温度である地点があり，以後，基準値より温度が低くなった。この際，上昇側温度の傾きが下降側温度の傾きより大きかったのであり，上述の融液の温度条件下においてシリコン単結晶を成長させた。
実施形態２では実施形態１と同一の成長装置を利用するものの，融液の表面から１／３深さに対応するヒーター部分の抵抗を増加させた。実施形態１と同一の方法で単結晶インゴットと融液の温度を測定したのであり，その結果を表２に共に表した。
実施形態３では，実施形態１と同一の成長装置を利用するものの，融液の表面から２／３深さに対応するヒーター部分の抵抗を増加させた。実施形態１と同一の方法で単結晶インゴットと融液の温度を測定したのであり，その結果を表２に共に表した。
比較例１では，シリコン単結晶インゴットの温度分布を制御する従来技術により単結晶を成長させたのであり，実施形態１と同一の方法で単結晶インゴットと融液の温度を測定した結果を表２に共に表した。
比較例２では，大韓民国特許出願１９９８−０２６７９０（特許文献３）のように，結晶成長が起きる固液界面の形態を単結晶側に膨らんでいるように制御するために強い水平磁場を印加する従来技術により単結晶を成長させたのであり，実施形態１と同一な方法で単結晶インゴットと融液の温度を測定した結果を表２に共に表した。
比較例３では特願平５−６１９２４号（特許文献８）のように，結晶の引上速度を周期的に変化させる従来技術により200mmシリコン単結晶インゴットを成長させたのであり，実施形態１と同一な方法で単結晶インゴットと融液の温度を測定した結果を表２に共に表した。
また，比較例３によって成長したシリコン単結晶インゴットの結晶欠陥評価結果を図6に図示した。比較例３において，引上速度の変化周期は３０分乃至６０分であったのであり，引上速度変動幅は最大引上速度が最低引上速度の２乃至３倍であった。このような周期的な引上速度変化にも関わらず，図２に図示された品質結果のように，高品質シリコン単結晶の成長速度が向上しないのみならず，インゴット半径方向に完全な高品質を具現化することができなかったバカンシー優勢欠陥分布を表した。即ち，従来の技術が実現可能であるとしてもシリコン単結晶インゴットの直径サイズは略80mm以内に制限されるということを意味し，比較例３のようにシリコン単結晶インゴットの直径サイズが200mm程度の場合は固体状態の拡散反応を利用して高品質のシリコン単結晶を製造することができなかった。
表２に示すように，比較例１乃至３ではシリコン融液の温度が本発明で提示した条件に符合しなかった。即ち，比較例１乃至３では融液の温度が固液界面から遠ざかる方向に坩堝の底部に達する時まで続けて上昇した。
単結晶成長を完了した後，結晶の品質を確認した結果，高品質の単結晶が確保される成長速度が実施形態１乃至３の場合，全て比較例１との対比で２０％程度向上することを確認することができた。
図7ａ乃至7ｂ及び図8ａ乃至8ｄは，実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対する表１及び２の結果から高品質の単結晶が確保される成長速度(V/V0)と温度差との関係を示すグラフである。
この際，図7ａ乃至7ｂでの温度差は各々固液界面と50mm地点での単結晶温度差(ΔTs50/ΔT０)，固液界面と100mm地点での単結晶温度差(ΔTs100/ΔT０)である。
図8ａ乃至8ｄでの温度差は固液界面と各々シリコン融液の全体深さに対して表面から１／５深さ地点での融液温度差(ΔTl5/ΔT0)，１／４深さ地点での融液温度差(ΔTl4/ΔT0)，１／３深さ地点での温度差(ΔT13/ΔT0)，１／２深さ地点での融液温度差(ΔT12/ΔT0)である。
図7ａ乃至7ｂでは，V/Gは一定の値を表していない。したがって高品質の単結晶が確保される成長速度は結晶の温度差とは相関関係がないことを確認することができた。
一方，図8ａ乃至8ｄでは，高品質単結晶成長速度と融液の温度差，即ち，融液の温度傾きが相当な相関関係を表して{成長速度}／{融液の温度傾き}が一定の値を表しており，したがって高品質の単結晶を成長させるために融液の温度傾きが結晶的因子であることを確認することができ，また，実施形態１乃至３での高品質単結晶確保成長速度が比較例１乃至３に比べて向上したことを確認することができた。
上述のように，融液の温度分布を最適化した結果，各種結晶欠陥が排除された高品質の単結晶が容易に得られたのであり，具現化される成長速度が非常に向上することを確認した。
このような現状は固液界面から最高点までの上昇側における融液温度の傾きを増加させることによって，原子や分子などの成長単位が結晶成長界面へ移動しようとする駆動力が増加するので，これによって，バカンシー，インタスティシャルなどの点欠陥発生が最小化する高品質の結晶成長速度，即ち，結晶の引上速度は向上できるものである。
上述のようなヒーターの改善，磁気場の印加，坩堝及び単結晶の回転速度などを制御すれば，いわゆる「チャネル効果(channel effect)」によりシリコン融液の温度分布が単結晶半径方向及び単結晶長手方向で上述するような条件で最適化される。
「チャネル効果」とは，図４に示すように，融液の最高温領域から高温領域に向けた仮想のチャネル１００に沿って熱損失が最小化しながら熱伝逹されることを意味する。このように，チャネル効果によれば，固液界面から高温領域までの融液温度傾き，即ち，上昇側における融液温度の傾きを増加させることができるだけでなく，坩堝の底部の温度が相対的に低くなるので，坩堝の底部からの酸素溶出量を最大限抑制させることができることになる。
上述の方法によって，本発明では，バカンシー及びインタスティシャル等，点欠陥発生を制御することによって，成長欠陥である電位欠陥(エッジ(edge)，スクリュー(screw)，ループ(loop)形態の電位(dislocation))，積層欠陥(stacking fault)，バカンシー集合体であるボイド(void)などの欠陥を全て抑制するものである。
そうして上述の装置及び方法を利用して成長したシリコン単結晶インゴットは，その内部に含まれた点欠陥濃度が１０10〜１０12個／cm3程度に低い。この程度の点欠陥濃度は，以後インゴットをウエハで製作し，そのウエハで半導体デバイスを製造する際，熱処理によりデバイス活性領域に微小析出欠陥(micro precipitates)を形成できるバカンシー(vacancy)の最小濃度であるバカンシーしきい飽和濃度に該当する。
最近，シリコンウエハ製造技術が発展して，点欠陥濃度が１０11〜１０13個／cm3程度に低く，成長直後の状態(as-grown)では無欠陥ウエハ水準を実現させている。しかしながら，１０11〜１０13個／cm3程度の点欠陥濃度を有するas-grown無欠陥ウエハとしても，そのウエハで実際の半導体デバイスを製造する過程では，熱処理によりデバイス活性領域に微小析出欠陥のような２次欠陥が発生している。
したがって，本発明ではそのような２次欠陥が発生しないように，より低い点欠陥濃度を有するウエハを提供するものである。即ち，熱処理によりデバイス活性領域に微小析出欠陥を形成できるバカンシーの最小濃度であるバカンシーしきい飽和濃度以下の水準の点欠陥濃度を有するウエハを高い生産性で製造するものである。
この際，バカンシーしきい飽和濃度を定義する際，基準となる熱処理条件は７００−８００℃で５−７時間行う１次熱処理と，その後，１０００−１１００℃で１４−１８時間行う２次熱処理を含む。また，微小析出欠陥は０.３μm以下の大きさであって，ウエハ表面から少なくとも１μm以上の深さ内に形成されるものである。
このように，点欠陥濃度が１０10〜１０12個／cm3である本発明のシリコンウエハは如何なるデバイス工程を経ても微小析出欠陥のような２次欠陥が生じない。
過去にはウエハ中心部がバカンシー優勢領域であり，その外側部がインタスティシャル優勢領域であったが，最近ウエハ製造技術の発展によって，その分布が逆転されている。そうして，本発明でもシリコンインゴット及びウエハの中心部はインタスティシャル優勢領域(interstitial dominant region)であり，中心部の外側部はバカンシー優勢領域(vacancy dominant region)とすることができる。それだけでなく，インタスティシャル優勢またはバカンシー優勢のいずれかに特定することができない，インタスティシャル濃度とバカンシー濃度が均衡をなしている均衡領域(balanced region)が確保される場合もあった。
また，本発明が流体現状を基にしているので，インタスティシャル優勢領域及びバカンシー優勢領域が必ずインゴット長手方向の中心軸を中心にして対称に表れてはいないが，高品質単結晶及びシリコンウエハの確保においては，何らの問題が発生しない。即ち，本発明により製造されたシリコンウエハにはインタスティシャル優勢領域及びバカンシー優勢領域がウエハの中心に対して非対称をなすことができる。
また，本発明により製造されたシリコン単結晶インゴット及びウエハは，点欠陥の分布が均一である。例えば，インゴット及びウエハの中心から半径の９０％以内の領域で点欠陥濃度を測定した際，最も高い点欠陥濃度(Cmax)と最も低い点欠陥濃度(Cmin)との差が最も低い点欠陥濃度(Cmin)に対し１０％以内の範囲に，即ち，
の条件を満す程度に点欠陥の分布が均一である。
一方，融液内には大別して２種類の対流が分布する。即ち，融液の対流分布は坩堝の底部と側壁部に沿って融液(SM)の表面に上がってから融液(SM)の表面に沿って単結晶側に循環する外側領域と，外側領域の内部傾斜面に沿って単結晶の下部近接部分で循環する内側領域に区分される。
本発明での好ましい融液の対流分布は大韓民国特許出願番号第２００３−００８０９９８号に詳細に説明されている。このようにすれば単結晶の品質を半径方向に一層均一にすることができる。
本発明の一実施形態に関し，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる過程と，単結晶インゴットの半径方向と平行した軸に沿って測定された融液温度の傾きプロファイルを示す断面図である。 本発明の一実施形態に関し，チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる過程と，単結晶インゴットの長手方向と平行した軸に沿って測定された融液の温度プロファイルを示す断面図である。 シリコン融液の深さ１／５地点で中心位置から半径方向に坩堝壁までの融液の温度差ΔＴｒを坩堝の回転速度別に示すグラフである。 坩堝の回転速度Ｖｃとシリコン単結晶の回転速度Vsにより得られるログ値であるLn[Vs／Vc]に対する高品質単結晶の成長速度を示すグラフである。 本発明に関し，磁気場を印加した状態でシリコン単結晶を成長させることを示す断面図である。 比較例３により成長したシリコン単結晶インゴットの結晶欠陥評価結果を図示したものである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン単結晶の温度差との関係を示すグラフである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン単結晶の温度差との関係を示すグラフである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン融液の温度差との関係を示すグラフである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン融液の温度差との関係を示すグラフである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン融液の温度差との関係を示すグラフである。 実施形態１乃至３及び比較例１乃至３に対して，高品質のシリコン単結晶が確保される成長速度とシリコン融液の温度差との関係を示すグラフである。
符号の説明
１０ チャンバー
２０ 石英坩堝
２５ 支持台
３０ 回転軸
４０ ヒーター
５０ 保温筒
６０ 熱遮蔽部

Claims (14)

  1. チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させる方法であって，
    前記シリコン単結晶の半径方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度の傾きの最大値をΔTmax，最小値をΔTminとしたときに，前記シリコン融液の温度の傾きが次式，
    ｛（ΔＴmax-ΔＴmin）／ΔＴmin｝×100≦10
    の条件を満たし，且つ，単結晶の長手方向と平行した軸に沿った前記シリコン融液の温度を，前記融液と単結晶との界面から遠ざかるに従い上昇し，最高点に到達後徐々に下降するように変化させ，前記融液の上昇側温度の傾きが，前記下降側温度の傾きより大きい状態を維持する条件で，前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とするシリコン単結晶成長方法。
  2. 前記温度の傾きは，前記融液の垂直方向における平均温度の傾き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成長方法。
  3. 前記シリコン単結晶の半径方向と平行した軸が，前記シリコン単結晶の中心を貫通する中心軸と交わることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶成長方法。
  4. 前記単結晶の半径方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度の傾きを，前記界面から前記最高点温度を有する高さまでの融液によって測定することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
  5. 前記単結晶の半径方向と平行した軸に沿ったシリコン融液の温度の傾きを，前記単結晶の下部に位置する融液によって測定することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
  6. 前記単結晶の長手方向と平行した軸が，前記シリコン単結晶の中心を貫通する中心軸であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のシリコン単結晶成長方法。
  7. 前記最高点は前記シリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に存在することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
  8. 前記最高点は前記シリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から１／３地点乃至１／２地点に存在することを特徴とする請求項７記載のシリコン単結晶成長方法。
  9. 前記シリコン融液を受容する坩堝の回転速度をＶｃ，前記シリコン単結晶の回転速度をVsとする時，下記式を満す条件で成長させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
    3≦Ｌn［Ｖs／Ｖc］≦5
  10. 前記シリコン融液に磁気場を印加した状態で前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
  11. 前記磁気場には前記単結晶の長手方向に対して垂直方向または水平方向の磁気場を印加するか，または，カスプ(CUSP) 形態の磁気場を印加することを特徴とする請求項１０記載のシリコン単結晶成長方法。
  12. 前記シリコン融液の側方にヒーターを設置し，
    前記ヒーターで前記シリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分の発熱量を周辺に比べて増加させた状態で前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載のシリコン単結晶成長方法。
  13. 前記シリコン融液の側方にヒーターを設置し，
    前記ヒーターで前記シリコン融液の全体深さに対して前記融液の表面から１／５地点乃至２／３地点に対応する部分の発熱量を周辺に比べて増加させた状態で前記シリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項１０記載のシリコン単結晶成長方法。
  14. シリコンウエハ製造方法において，
    請求項１乃至１３のいずれかの１項記載の方法により成長したシリコン単結晶インゴットをウエハ加工して高品質シリコンウエハに製造することを特徴とするシリコンウエハ製造方法。
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