JP5509636B2 - シリコン単結晶の欠陥解析方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン単結晶に含まれる結晶欠陥を予測、解析する技術に関する。
一方、シリコン単結晶は結晶製造中の冷却過程で、二次欠陥を発生し、デバイス特性に影響を与えるためその制御が必要である。この制御のため結晶製造プロセス条件を最適なものに調整するが、多くの場合、時間と費用がかかる。そのため数値シミュレーションによる結晶欠陥の制御検討を行うことが必要である。
しかしながら、水平方向に磁場を印加（横磁場印加）してシリコン融液の対流を制御したＭＣＺによって育成するシリコン単結晶の温度分布や固液界面形状から、結晶欠陥を予測する場合、少なくともシリコン融液の対流に関しては３次元解析、即ち、ルツボの全周に渡ってシリコン融液の対流を解析する必要があった。これは、横磁場印加によりルツボ内のシリコン融液の対流状態が、シリコン単結晶の中心軸（引上げ時の回転軸）に対して２次元軸対称でないためである。
このため、特に、近年主流となりつつある直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶を引上げるための大型のルツボでは、ルツボ内のシリコン融液の３次元対流を解析しようとすると、融液部分のメッシュ数が１０万以上となることも多く、解析に多くの時間を要する。例えば、計算機能力が向上した現在でも、１回の解析に平均して１ヶ月以上の計算時間を必要としている。このため、実質的に横磁場を印加するＭＣＺ法によるルツボ内シリコン融液の対流計算をタイムリーに行い、結晶欠陥の分布等を次の製造にフィードバックさせるといったことは困難であった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、水平方向に磁場を印加するＭＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げにおいても、ルツボ内シリコン融液の対流に基づく温度分布を短時間で簡易に計算し、シリコン単結晶の結晶欠陥の分布を容易に解析することが可能なシリコン単結晶の欠陥解析方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明は次のようなシリコン単結晶の欠陥解析方法を提供する。
すなわち、シリコン単結晶の欠陥解析方法は、ルツボに収容した多結晶シリコンを溶融して前記ルツボにシリコン融液を形成し、該シリコン融液に対して水平方向に沿った磁場を印加し、チョクラルスキー法により前記シリコン融液からシリコン単結晶を回転させつつ引上げるシリコン単結晶の欠陥解析方法であって、
前記シリコン融液と、前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面とを含む前記シリコン単結晶の回転軸に対称な２次元平面において、パラメータとして少なくとも前記シリコン融液の動粘性係数、熱膨張率と前記シリコン単結晶およびルツボの回転数とを実際に測定した前記固液界面の深さ位置に合致するように調整して前記シリコン融液の層流モデルにより２次元軸対称による対流データを算出し、前記対流データに基づいて、前記シリコン単結晶の引上げ時の固液界面を含むシリコン融液の回転軸を通る２次元平面における温度分布を算出し、
該温度分布の予測から、前記シリコン単結晶内部の空孔の過剰領域と格子間シリコンの領域とを予測することを特徴とする。
さらに、前記調整するパラメータとして、動粘性係数を標準値×１５０、熱膨張率を標準値×０．２３、前記ルツボ回転数を１ｒｐｍ、を用いて、前記実験結果の固液界面の深さ位置に合うようにシリコン融液の物性値を調整し、前記２次元軸対称による対流データを算出することができる。
本発明は、ルツボに収容した多結晶シリコンを溶融して前記ルツボにシリコン融液を形成し、該シリコン融液に対して水平方向に沿った磁場を印加し、チョクラルスキー法により前記シリコン融液からシリコン単結晶を回転させつつ引上げるシリコン単結晶の欠陥解析方法であって、
前記シリコン融液と、前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面とを含む前記シリコン単結晶の回転軸に対称な２次元平面において、前記シリコン融液の層流モデルによる対流データに基づいて、前記シリコン単結晶の引上げ時の温度分布を予測し、該温度分布の予測から、前記シリコン単結晶内部の結晶欠陥を解析することを特徴とする。
すなわち、シリコン単結晶の欠陥解析方法は、ルツボに収容した多結晶シリコンを溶融して前記ルツボにシリコン融液を形成し、該シリコン融液に対して水平方向に沿った磁場を印加し、チョクラルスキー法により前記シリコン融液からシリコン単結晶を回転させつつ引上げるシリコン単結晶の欠陥解析方法であって、
前記シリコン融液と、前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面とを含む前記シリコン単結晶の回転軸に対称な２次元平面において、パラメータとして少なくとも前記シリコン融液の動粘性係数、熱膨張率と前記シリコン単結晶およびルツボの回転数とを実際に測定した前記固液界面の深さ位置に合致するように調整して前記シリコン融液の層流モデルにより２次元軸対称による対流データを算出し、前記対流データに基づいて、前記シリコン単結晶の引上げ時の固液界面を含むシリコン融液の回転軸を通る２次元平面における温度分布を算出し、
該温度分布の予測から、前記シリコン単結晶内部の空孔の過剰領域と格子間シリコンの領域とを予測することを特徴とする。
さらに、前記調整するパラメータとして、動粘性係数を標準値×１５０、熱膨張率を標準値×０．２３、前記ルツボ回転数を１ｒｐｍ、を用いて、前記実験結果の固液界面の深さ位置に合うようにシリコン融液の物性値を調整し、前記２次元軸対称による対流データを算出することができる。
本発明は、ルツボに収容した多結晶シリコンを溶融して前記ルツボにシリコン融液を形成し、該シリコン融液に対して水平方向に沿った磁場を印加し、チョクラルスキー法により前記シリコン融液からシリコン単結晶を回転させつつ引上げるシリコン単結晶の欠陥解析方法であって、
前記シリコン融液と、前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面とを含む前記シリコン単結晶の回転軸に対称な２次元平面において、前記シリコン融液の層流モデルによる対流データに基づいて、前記シリコン単結晶の引上げ時の温度分布を予測し、該温度分布の予測から、前記シリコン単結晶内部の結晶欠陥を解析することを特徴とする。
前記対流データを得るためのパラメータとして、前記シリコン融液の粘性係数、前記シリコン融液の熱膨張率、および前記シリコン単結晶とルツボの回転数を少なくとも含むことが好ましい。
前記シリコン単結晶の回転数は、シリコン単結晶の回転により生じる前記シリコン融液の強制対流の影響を示す係数によって実際の回転数を補正したパラメータであることが好ましい。
前記シリコン単結晶の回転数は、シリコン単結晶の回転により生じる前記シリコン融液の強制対流の影響を示す係数によって実際の回転数を補正したパラメータであることが好ましい。
前記シリコン融液の粘性係数、熱膨張率およびルツボの回転数は、前記シリコン融液の流動性に影響を与える、そのため前記シリコン融液に印加される磁場の強度を加味したパラメータであることが好ましい。
本発明のシリコン単結晶の欠陥解析方法によれば、シリコン単結晶の回転軸に対して対称な２次元軸対称の平面でのシリコン融液の対流を算出する。これによって、従来のような、３次元対流モデルによる計算と比較して、飛躍的にメッシュ数が減少する。このため、大口径のシリコン単結晶であっても、従来の３次元モデルをもちいた結晶欠陥の分布予測と比較して、飛躍的に短時間で、かつ少ないコストで正確にシリコン単結晶の結晶欠陥を解析することが可能になる。
以下、本発明に係るシリコン単結晶の欠陥解析方法の実施形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために、一例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図１は、本発明のシリコン単結晶の欠陥解析方法を好適に用いる事ができる、磁場印加によるシリコン単結晶の育成（引上げ）を示した模式図である。シリコン単結晶を育成（引上げ）に用いるＣＺ炉１０は、チャンバー内の中心部に配置されたルツボ（石英ルツボ）１１と、このルツボ１１の外側に配置されたヒータ１２と、磁場印加装置１５とを備えている。ルツボ１１は、内側にシリコン融液１３を収容するルツボ１１を外側の黒鉛ルツボ１１ａで保持する二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸１１ｂにより回転および昇降駆動される。
ルツボ１１の上方には、例えば、円筒形状の熱遮蔽体１７が設けられている。熱遮蔽体１７は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造である。
このＣＺ炉１０は、例えば、目標直径が３１０ｍｍ、ボディ長が例えば１２００ｍｍの３００ｍｍのシリコン単結晶育成が可能なものとされる。
こうしたＣＺ炉１０を用いてシリコン単結晶２１を育成する際には、ルツボ１１内に原料シリコンを投入し、ヒータ１２を用いて加熱、溶融して、ルツボ１１内にシリコン融液１３を形成する。次に、シードチャック１８に取り付けた種結晶をシリコン融液１３に浸漬し、ルツボ１１および引き上げ軸１４を回転させつつシリコン単結晶２１の引き上げを行う。この引上げ時に磁場印加装置１５によって水平方向に沿った磁場Ｍを印加することによって、ルツボ１１内のシリコン融液１３の乱流を抑制させ、シリコン単結晶２１とシリコン融液１３との固液界面Ｓを安定させる。
こうしたＣＺ炉１０を用いてシリコン単結晶２１を育成する際には、ルツボ１１内に原料シリコンを投入し、ヒータ１２を用いて加熱、溶融して、ルツボ１１内にシリコン融液１３を形成する。次に、シードチャック１８に取り付けた種結晶をシリコン融液１３に浸漬し、ルツボ１１および引き上げ軸１４を回転させつつシリコン単結晶２１の引き上げを行う。この引上げ時に磁場印加装置１５によって水平方向に沿った磁場Ｍを印加することによって、ルツボ１１内のシリコン融液１３の乱流を抑制させ、シリコン単結晶２１とシリコン融液１３との固液界面Ｓを安定させる。
そして、一定の引き上げ速度で例えば１２００ｍｍまでボディ部を育成し、テイル絞りを行った後、結晶成長を終了する。ここで、引き上げ速度は、抵抗率、シリコン単結晶径サイズ、使用する単結晶引き上げ装置のホットゾーン構造（熱環境）などに応じて適宜選定されるが、例えば、定性的には単結晶面内でＯＳＦリングが発生する領域が含まれる引き上げ速度を採用することができ、その下限は単結晶面内にＯＳＦリング領域が発生しかつ転位クラスタが発生しない引き上げ速度以上とすることができる。
上述したような磁場印加により育成するシリコン単結晶の欠陥解析方法を説明する。図２は、本実施形態におけるシリコン単結晶の欠陥解析方法を示すフローチャートである。本発明のシリコン単結晶の欠陥解析方法は、シリコン融液の物性値設定工程Ｓ１、シリコン融液のルツボ内対流算出工程Ｓ２、ルツボ内温度予測工程Ｓ３、および、シリコン単結晶の欠陥解析工程Ｓ４を有するものとされる。
シリコン融液の物性値設定工程Ｓ１では、予め実験した固液界面の形状に合致するように、シリコン融液の物性値を調整する。シリコン融液の物性値を調整するためのパラメータとしては、動粘性係数、熱膨張率、熱輻射率、シリコン単結晶およびルツボの回転数が挙げられる。この動粘性係数、および熱膨張率を用いて、シリコン融液とシリコン単結晶との境界部分である固液界面の形状を、実験結果の固液界面の形状に一致させるようにする。
なお、粘性係数は標準値の１倍〜１０００００倍の範囲とする。このような広い範囲を取るのは、磁場強度の影響を強く受け、幅広い磁場強度範囲を想定しているためである。 また、熱膨張率に対しても同様に標準値の１倍〜０．０００１倍の範囲とする。ルツボ回転数は実際の回転速度に関わらず６ｒｐｍ以下が好ましい。。
なお、ここで言う標準値とは、通常の数値計算において物性値として使用する値を意味する。
なお、ここで言う標準値とは、通常の数値計算において物性値として使用する値を意味する。
なお、シリコン単結晶の回転数は、シリコン単結晶の回転によって生じるシリコン融液の強制対流の影響を示す係数によって、実際の回転数を補正した値を用いるのが好ましい。また、シリコン融液の動粘性係数は、シリコン融液の流動性を抑制する水平磁場の強度を加味した値、即ち、磁場の影響をシリコン融液の粘性に換算したパラメータを用いる事により、シリコン融液に印加される磁場の影響を簡易に取り扱うことができる。
ルツボ内対流算出工程Ｓ２では、調整されたシリコン融液の物性値を用いて、層流モデルによりシリコン融液の対流を算出する。この時、シリコン単結晶の回転軸に対して対称な２次元軸対称の平面でのシリコン融液の対流を算出する。これによって、従来のような、３次元対流モデルによる計算と比較して、飛躍的にメッシュ数が減少する。このため、例えば、直径が３１０ｍｍ程度のシリコン単結晶であっても、１日程度でシリコン融液の対流を算出する事が可能になる。
次のルツボ内温度予測工程Ｓ３では、こうして得られたでシリコン融液の２次元軸対称による対流データに基づいて、固液界面を含むシリコン融液の回転軸を通る２次元平面における温度分布を算出する。
そして、この軸対称の２次元平面での温度分布に基づいて、引上げられるシリコン単結晶の結晶欠陥の分布を解析する（欠陥解析工程Ｓ４）。これによって結晶欠陥の分布予測、例えば、Ｒ−ＯＳＦ(Ring-Oxidation induced Stacking Fault)、ＣＯＰ(crystal originated particle) 、ＦＰＤ（flow pattern defect）酸素析出物（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）などの分布予測を得ることができる。結晶欠陥の分布予測を用いれば、Ｇｒｏｗｎ-ｉｎ欠陥の極めて少ない無欠陥領域での結晶育成など、好ましい状態でのシリコン単結晶の育成に迅速に反映させる事ができる。
ある結晶引き上げ炉を用いて、本発明の効果を検証した。本発明例として、実験結果の固液界面形状に合うようにシリコン融液の物性値を調整した。具体的には動粘性係数と熱膨張率を調整パラメータとした（動粘性係数：標準値×１５０、熱膨張率：標準値×０．２３）。坩堝回転数は１ｒｐｍと固定。このような調整パラメータを用いて、２次元軸対称による対流データを算出した。図３に、この実施例１による固液界面の深さ位置と、実際に測定した固液界面の深さ位置との比較をしたグラフを示す。
図３によれば、動粘性係数と熱膨張率を調整パラメータとしたシリコン融液の物性値により、計算による固液界面の位置と、実際の固液界面の位置とをほぼ一致させられることが確認された。
次に、上述した条件とは異なるプロセス条件、即ち表１に示すプロセス条件で育成した水平磁場の印加によるシリコン単結晶の結晶欠陥の分布を予測した。そして、得られたシリコン単結晶の結晶欠陥の分布予測と、実際の結晶欠陥の分布とを図４に示す。
なお、図において、中央付近の点線部分が、結晶に空孔が生じる部分と、格子間にシリコンが余分に入る部分との境界、即ち格子状態が崩れていない部分を示す。そして、この点線より上部が空孔の過剰領域、点線より下部が格子間シリコンの領域となる。
図４に示す結果によれば、分布予測と、実際の結晶欠陥の分布とは極めて相似していることが確認された。これにより、本発明のように、短時間で計算可能な２次元軸対象の層流対流モデルを用いても、実際の結晶欠陥の分布を正確に予測可能なことが確認された。
図４に示す結果によれば、分布予測と、実際の結晶欠陥の分布とは極めて相似していることが確認された。これにより、本発明のように、短時間で計算可能な２次元軸対象の層流対流モデルを用いても、実際の結晶欠陥の分布を正確に予測可能なことが確認された。
次に、上述した実施例１とは異なる条件、表２に示すプロセス条件によるシリコン単結晶の結晶欠陥の分布予測と、実際の結晶欠陥の分布とを図５に示す。
図５においても、分布予測と、実際の結晶欠陥の分布とは極めて相似していることが確認された。これにより、本発明のように、短時間で計算可能な２次元軸対象の層流対流モデルを用いても、実際の結晶欠陥の分布を正確に予測可能なことが確認された。
１０ エピタキシャルシリコンウェーハ、１１ シリコンウェーハ（シリコン基板）、１２ 第一のシリコン単結晶層（第一エピタキシャル層）、１３ 第二のシリコン単結晶層（第二エピタキシャル層）、１４ 第一のゲッタリング領域、１５ 第二のゲッタリング領域。
Claims (3)
- ルツボに収容した多結晶シリコンを溶融して前記ルツボにシリコン融液を形成し、該シリコン融液に対して水平方向に沿った磁場を印加し、チョクラルスキー法により前記シリコン融液からシリコン単結晶を回転させつつ引上げるシリコン単結晶の欠陥解析方法であって、
前記シリコン融液と、前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面とを含む前記シリコン単結晶の回転軸に対称な２次元平面において、パラメータとして少なくとも前記シリコン融液の動粘性係数、熱膨張率、熱輻射率と前記シリコン単結晶およびルツボの回転数とを実際に測定した前記固液界面の深さ位置に合致するように調整して前記シリコン融液の層流モデルにより２次元軸対称による対流データを算出し、前記対流データに基づいて、前記シリコン単結晶の引上げ時の固液界面を含むシリコン融液の回転軸を通る２次元平面における温度分布を算出し、
該温度分布の予測から、前記シリコン単結晶内部の空孔の過剰領域と格子間シリコンの領域とを予測することを特徴とするシリコン単結晶の欠陥解析方法。 - 前記シリコン単結晶の回転数は、シリコン単結晶の回転により生じる前記シリコン融液の強制対流の影響を示す係数によって実際の回転数を補正したパラメータであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の欠陥解析方法。
- 前記シリコン融液の粘性係数は、前記シリコン融液の流動性に影響を与える、前記シリコン融液に印加される磁場の強度を加味したパラメータであることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶の欠陥解析方法。
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