JP5743511B2 - 直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法に関する。

単結晶は、単結晶の種結晶が、るつぼ内に収容された融液から所定の引上げ速度ｖ_ｐで持ち上げられる間に成長する。この方法の目的は、半導体ウェハを形成するためのその後の加工に適した所定の目標直径を有した円筒状の区分をできるだけ長く有したシリコンから成る単結晶を形成することである。融液における温度変動は、単結晶が成長する結晶化速度ｖを変化させる。引上げ速度ｖ_ｐと結晶化速度ｖとが適合しないと、単結晶の直径が変化してしまう。従って、融液の温度変動により生じる、目標直径からの直径のずれを、直径の制御により最小にする必要がある。

直径が一定の区分における直径を、目標直径からできるだけ少ないずれで得たいという要求は、それ自体を考えると、満足できる程度に満たされている。即ち、この場合、目標直径からのずれは、引上げ速度ｖ_ｐの制御及び／又は、るつぼの周りに配置された熱源による融液への熱の供給の制御により戻される。結晶化速度ｖと、単結晶と融液との間の相境界における軸方向温度勾配Ｇとの比ｖ／Ｇを狭い範囲に保持しなければならないことが同時に求められるならば、目標直径の維持という要求を満たすのは極めて困難である。このようなことは通常、ｖ／Ｇが、内部の点欠陥としての空孔又はシリコン格子間原子が、単結晶内に存在するかどうかの基準となるので、求められる。過飽和状態では、空孔若しくはシリコン間隙は集まってより大きなユニットとなり、ＦＰＤｓ（flow pattern defects）若しくはＬｐｉｔｓ（large etch pits）のような欠陥となる。通常、このような欠陥の形成は回避されなければならないが、それは直径が一定の区分の引上げ中にｖ／Ｇができるだけ狭い範囲に留まる場合にだけ回避できるものである。直径が一定の区分における直径を目標直径に適合させたいという要求、及び、ｖ／Ｇを狭い範囲に保ちたいという要求は互いに対立するものである。何故ならば、一方では融液内の温度変動により変化する結晶化速度ｖに引上げ速度ｖ_ｐを適合させることにより、ｖ／Ｇの狭い範囲は逸脱され、他方では、変化する結晶化速度ｖを、るつぼの周りに配置された熱源により融液に供給される熱の変更により修正することにより、目標直径からのずれが生じるからである。即ち、ｖ／Ｇの制御をおろそかにすることなく、直径を目標直径に制御することは困難であり、逆も同様である。

ＥＰ１５４１７２１Ａ１には、直径を制御するための措置及びｖ／Ｇを制御するための措置が記載されているが、上記の対立は解消されていない。

ＥＰ１５４１７２１Ａ１ ＥＰ０８６６１５０Ａ１ ＥＰ０９２６２７０Ａ１

本発明の課題は、直径の効果的な制御を維持しつつ、同時に、ＦＰＤｓ又はＬｐｉｔｓのような不都合な欠陥の形成を確実に回避できるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の方法では、直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法であって、
予め規定された目標引上げ速度ｖ_ｐ［ｍｍ／ｍｉｎ］で単結晶を引上げ、
単結晶と、単結晶に隣接する融液の領域に熱を供給する、融液の上方に配置された第１の熱源の熱出力を、（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐよりも長くない一定の期間Ｔで直径変動が修正されるように制御することにより、直径が一定の区分における単結晶の直径を予め規定された目標直径に制御するようにした。

ＥＰ１５４１７２１Ａ１に記載の方法とは異なり、本発明による方法では、引上げ速度ｖ_ｐを円筒状区分における直径の制御のための調節値として使用していない。このようにして、直径の制御により、引上げ速度ｖ_ｐと結晶化速度ｖとの間のずれが生じるのを回避している。その代わりに直径は、単結晶と、融液の単結晶に隣接する領域に熱を供給し、融液の上方に配置されている第１の熱源の熱出力によって制御される。

ＥＰ０８６６１５０Ａ１には、このような熱源の使用により、軸方向温度勾配Ｇが相境界に沿って均一となることが記載されている。

ＥＰ０９２６２７０Ａ１には、このような熱源の使用は、直径変動及び引上げ速度変動を減じるために適していると記載されている。

両文献を考慮した場合、同様に、引上げ速度ｖ_ｐの制御による直径の制御を、これとは異なる、融液の上方に配置された熱源の熱出力を調整値として使用する制御と代替することにより、上述した対立を解決することはできないことが推測される。このような熱源による代替も、ＥＰ０８６６１５０Ａ１によれば、軸方向温度勾配Ｇの変化、その結果の、欠陥特性を決定する比ｖ／Ｇの変化も引き起こすからである。

しかしながら本発明者が発見したように、比ｖ／Ｇへの影響は、直径変動が、（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐよりも長くない一定の期間Ｔで修正される場合には欠点となる結果を伴わない。この条件を厳守するならば、内部の点欠陥の分布差は、拡散と相殺により減じられる。一定の期間Ｔが長いならば、過剰な空孔を有する領域の長さは、約１８ｍｍであるシリコン格子間原子の拡散長さが、相殺のためにはもはや十分でないような長さに達してしまう。

シリコンから成る単結晶１の直径が一定の区分（円筒状区分）を、るつぼ３内に収容された融液２から引上げている間の状態を示した図である。 引上げ速度ｖ_ｐの典型的な規準曲線を示した図である。 熱的な外乱によって生じる結晶化速度ｖの変化と、第１の熱源の熱出力の制御によるこれに対する修正が、内部の点欠陥の形成にどのように作用するかを示した図である。 結晶化速度ｖの変動を示した図である。 本発明の実施例を示した図である。

以下に、本発明を図面につき詳しく説明する。

図１は、シリコンから成る単結晶１の直径が一定の区分（円筒状区分）を、るつぼ３内に収容された融液２から引上げている間の状態を示している。図示した炉の構成（hot zone）は本発明を実行するために特に適している。炉は、融液２の上方かつ成長する単結晶１の周りに配置された第１の熱源４と、この第１の熱源４と単結晶１とを取り囲んで配置された、単結晶１を熱放射から遮蔽する熱シールド５と、第１の熱源４の上方かつ単結晶１の周りに配置された、単結晶１を冷却するための装置６と、磁場、有利にはカスプ磁場（ＣＵＳＰ ｆｉｅｌｄ）を発生させ融液２に印加するための装置７と、るつぼ３を取り囲んで配置された第２の熱源８とを有している。第１の熱源４の底面と融液２の表面との間の間隔Ｄは有利には３０〜７０ｍｍである。単結晶１の側面と第１の熱源４の内面との間の間隔ｄは有利には１０〜５０ｍｍである。

図示されていない制御システムは、カメラと、直径を光学的に測定するための画像処理装置と、目標直径からの直径のずれが検出された際に第１の熱源４の熱出力を制御するためのＰＩＤ制御装置と、規準曲線からの第１の熱源４の熱出力のずれが検出された際に第２の熱源８の熱出力を制御するためのＰＩＤ制御装置とを備えたユニットを有している。

図２には、引上げ速度ｖｐと、融液２の上方に配置された第１の熱源４の熱出力ＬｓｔＲと、るつぼ３の周りに配置された第２の熱源８の熱出力ＬｓｔＦの典型的な規準曲線が示されている。これらの規準曲線は、外乱のない経過で単結晶１の円筒状区分を引上げる間に比ｖ／Ｇができるだけ一定に維持され、有利には、内部の点欠陥の蓄積が生じないような値を有するように選択されている。市販のシミュレーションプログラムの支援により、所定の炉構成における、軸方向温度勾配Ｇの時間的な進展が規定される。同様に、試験的に引上げられた単結晶の縦断面における欠損分布の評価によっても規定される。

特に一定の直径を有した単結晶の区分の引上げ開始時に生じ、その原因が主として対流であるような融液２内の温度変動は、結晶化速度ｖを変化させる熱的な外乱であり、修正するための介入をしなければ単結晶１の直径を変化させることとなる。目標直径となるように直径を制御すると、反作用として、熱的な外乱により生じる、所定の結晶化速度からの結晶化速度ｖのずれの修正が行われる。本発明によれば、このような外乱が生じた際に修正する介入が行われる。その際、第１の熱源４の熱出力が、直径制御のための制御装置の調節値として変更され、即ち、（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐよりも長くない一定期間Ｔ内で直径変動が修正されるようにされる。直径の制御のためには、通常、平均して±１ｋｗの幅をもった出力帯域で十分である。第１の熱源４は有利には、２５ｋＷまでのピーク出力をもった熱を放出できるように設計されている。

図３には、引上げ速度ｖ_ｐ、第１の熱源４の熱出力ＬｓｔＲ、第２の熱源８の熱出力ＬｓｔＦの外乱のない場合の規準曲線が、比ｖ／Ｇが、空孔もシリコン格子間原子も過度に生じることがないような臨界値に相当するように選択されている場合に、熱的な外乱によって生じる結晶化速度ｖの変化と、第１の熱源４の熱出力の制御によるこれに対する修正が、内部の点欠陥の形成にどのように作用するかが示されている。制御により、結晶化速度ｖの周期的な変動が生じ、ひいては比ｖ／Ｇの周期的な変動が生じる。結晶化速度ｖの変動により、過剰な空孔を有する結晶領域Ｖと、過剰なシリコン格子間原子を有する結晶領域Ｉが交互に形成される。単結晶の成長方向での結晶領域の長さは、変動の半分の周期の間に成長する結晶長さにほぼ相当する。図３に二重矢印で示されたような点欠陥の拡散が、全範囲における相殺により過剰を減じるように作用するために、１つの結晶領域の長さは、拡散長さ又は１８ｍｍよりも長くてはならない。このことを保証するために、第１の熱源の熱出力の制御による直径の制御は、所定の引上げ速度ｖ_ｐで、１つの結晶領域が１８ｍｍよりも長い長さになることはない一定の期間が生じるために十分に短い一定の時間で行わなければならない。これは一定の期間Ｔが（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐ［min］よりも長くなければ得られる。本発明により行われる直径の制御が軸方向温度勾配Ｇに及ぼす影響は短期間で行われ、特に、成長する単結晶の中心における軸方向温度勾配Ｇへ及ぼす影響は短期間で行われる。一方のタイプの内部の点欠陥の形成に有利である、単結晶の縁部近傍における軸方向温度勾配の変化は、不都合には作用しない。何故ならば、このような過剰な点欠陥は単結晶の縁部への半径方向の拡散により減じられるからである。

図４には、生じる熱的な外乱への反応としての第１の熱源の熱出力の制御の結果、直径が一定の区分における単結晶の長さに関する、結晶化速度ｖの変動を示した図である。結晶化速度ｖは、過剰な内部の点欠陥が形成されない、目標直径に対して比例する所定の結晶化速度を中心として所定の振幅及び周波数で変動する。所定の結晶化速度よりも高くなるように変動すると、空孔が多く存在する結晶領域Ｖが生じ、所定の結晶化速度よりも低くなるように変動すると、シリコン格子間原子が多く存在する結晶領域Ｉが生じ
る。本発明によれば、直径の制御、ひいては結晶化速度ｖの制御は、一定の期間Ｔが（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐ［min］よりも長くないように行われる。即ちこの制御は、一方のタイプの内部の点欠陥が存在する、１８ｍｍよりも長い長さを有する結晶領域が成長し得ない程十分に短い一定の時間内で行われる。

るつぼを取り囲んで配置されている第２の熱源の熱出力ＬｓｔＦの制御により、直径が一定の区分における単結晶の直径を制御することは、選択肢として考慮されない。るつぼと融液とから生じる熱量は、熱的な外乱に対する十分に迅速な反応を阻害する。しかしながら、長い時間にわたってずれが生じたままである場合には特に、第２の熱源の熱出力ＬｓｔＦを、規準曲線からの第１の熱源の熱出力ＬｓｔＲのずれの後から行われる制御の調整値として考慮することは有利である。従ってこれは、単結晶の中心における比ｖ／Ｇの外乱とも言える。このような外乱は、内部の点欠陥の半径方向の拡散にもかかわらず解消されない。後から行われる制御は、第１の熱源の熱出力の規準曲線からのずれが例えば平均して（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐ［min］よりも長い場合に、第２の熱源の熱出力の変更によりこのずれを戻すように行われる。

外乱のない経過のもとで、ＦＰＤｓやＬｐｉｔｓの形の内部の点欠陥の蓄積が生じないように選択された、引上げ速度ｖ_ｐ、第１の熱源の熱出力ＬｓｔＲ、第２の熱源の熱出力ＬｓｔＦの規準曲線で、３０５ｍｍの目標直径を有したシリコンから成る単結晶を引上げた。第１の熱源４の底面と融液２の表面との間の間隔Ｄは５０ｍｍであり、単結晶１の側面と第１の熱源４の内面との間の間隔ｄは３０ｍｍであった（図１）。直径が一定の区分の所定の成長長さＬに相当する異なる結晶成長時点で、融液に熱的外乱を発生させた。即ち、第２の熱源の熱出力ＬｓｔＦを、長さが１５０ｍｍと４００ｍｍのところで急激に１ｋｗ下げた（外乱１と２）、若しくは長さ６５０ｍｍと９００ｍｍのところで急激に１ｋＷ上げた（外乱３と４）（図５）。

直径を変化させるこのような熱的な外乱に対して、１５０ｍｍと６５０ｍｍのところの外乱１と３においては引上げ速度ｖ_ｐの制御により、４００ｍｍと９００ｍｍのところの外乱２と４においては第１の熱源４の熱源の熱出力ＬｓｔＲの制御により反応させた。この場合、ＬｓｔＲによって制御する場合の直径変動は、（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐよりも小さい周期時間Ｔで制御された。

図５に示された結果によれば、ＦＰＤｓやＬｐｉｔｓのような内部の点欠陥の不都合な蓄積は、引上げ速度ｖ_ｐによる直径の制御を行った場合の、外乱１と３への反応の際にしか生じなかった。

１ 単結晶、 ２ 融液、 ３ るつぼ、 ４第１の熱源、 ５ 熱シールド、 ６ 冷却装置、 ７ 磁場を印加するための装置、 ８ 第２の熱源

Claims (1)

1. 直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法であって、
   単結晶と該単結晶に隣接する融液の領域に熱を供給する第１の熱源を設け、該第１の熱源は融液の上方に配置され、
   るつぼの周りに配置された第２の熱源を設け、
   予め規定された目標引上げ速度ｖ_ｐ［ｍｍ／ｍｉｎ］で単結晶を引上げ、速度ｖ _ｐ 、第１の熱源の熱出力、第２の熱源の熱出力の外乱のない場合の規準曲線が、結晶化速度ｖと、単結晶と融液との間の相境界における軸方向温度勾配Ｇとの比ｖ／Ｇが、空孔もシリコン格子間原子も過度に生じることがないような臨界値に相当するように選択され、
   第１の熱源の熱出力を、（２×１８ｍｍ）／ｖ_ｐよりも長くない一定の期間Ｔで直径変動が修正されるように制御することにより、直径が一定の区分における単結晶の直径を予め規定された目標直径に制御し、長い時間にわたってずれが生じたままである場合には、第２の熱源の熱出力を、規準曲線からの第１の熱源の熱出力のずれを戻すための後に行われる制御の調整値として用いることを特徴とする、直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法。

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