JP6645408B2 - シリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶ウェーハ - Google Patents

シリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶ウェーハ Download PDF

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Description

本発明は、磁場を印加したチョクラルスキー法により大口径<111>シリコン単結晶を製造する方法、及びシリコン単結晶ウェーハに関する。
Siトランジスタの微細化・高集積化による性能向上が限界に近づきつつある中、Siよりもキャリア移動度に優れたGeやIII−V族化合物半導体をチャネル材料として用いる次世代トランジスタによる大幅な性能向上に期待が集まっている。
これらの次世代チャネル材料は、地殻中に27.7%存在するSiと異なって、Geは1.8ppma、Ga、Asはそれぞれ18ppma、1.5ppmaと資源量が少ないことに加え、GaAsなどの化合物半導体においては、もろく壊れ易い点、熱伝導の悪い点が産業的な利用における課題の一つとなっている。
これらの課題に対して、資源量が豊富で安価・高品質、かつ電子デバイスに十分な使用実績のあるSi基板の上に、Ge、GaAs等を配置するヘテロ構造は有効な解決策となり得る。
しかしながら、Si基板上にこれら異種原子層を形成する際には、(1)格子定数不整合によるミスフィット転位の導入、(2)熱膨張率差による膜内部熱歪みによる残留応力、転位、ウェーハ反り、及び(3)無極性のSiと異種元素から構成される極性を有するIII−V族との極性差によるAnti−phase domain(逆位相領域)の発生などが問題となる。
これらの問題のうち、ミスフィット転位については、成長領域選択成長と呼ばれる、Si基板上をSiOなどで覆い、部分的に露出させたSi基板面から成長させる方法によって、成長した異種原子層中の転位をかなり抑制できることが知られている。
熱膨張率差については、成長温度を低温化することで影響を軽減できることが知られているが、低温化により結晶性が悪くなる弊害がある。そのため、Siと異種原子層を分離して熱膨張による相互の影響をなくすため、この問題に対してもSiOなどで形成したパターン内部に成長させる方法や、パターンを通したラテラル成長をする方法が有効となる。
しかしながら、これらの方法は熱膨張率の影響をかなり抑制できるものの、パターン内の成長面での熱膨張率差の影響を回避することができない。また、チャネル部への歪導入がキャリア移動度の高速化につながる有益な面もある。そのため、ウェーハ自体が強固で、転位やウェーハ反りを抑制できる方が好ましい。この点で、Si(111)面は最密面で最も機械的強度が強く、転位やウェーハ反りを抑制できるため、他の面方位と比較して優位性がある。
Anti−phase domainについては、基板表面が偶数原子ステップを有するようにすることで抑制できることが知られており、(100)基板上の成長の場合であればオフ角度基板を用いるなどの方法が有効となる。この点でも、Si(111)面は元々2原子層ステップであるため、オフ角度の調整などの必要もない。
このように、Si基板上に高キャリア移動度材料をヘテロエピタキシャル成長させるヘテロ構造において、Si(111)面は、熱膨張率差による転位やウェーハ反りの抑制につながる機械的強度の点と、Anti−phase domain抑制につながる表面2原子層ステップの点で、Siの他の面方位に対して優位性がある。
上述のように、次世代チャネル材料のヘテロエピタキシャル用基板としてはSi(111)面が優位性を備えている。しかしながら、現在主流となっているSiをチャネル材料とするMOSトランジスタにおいては、Si(111)−SiO界面の界面準位がMOSトランジスタの高速動作の妨げとなるため、結晶方位<111>のシリコン単結晶から切り出したシリコン単結晶ウェーハ(以下、(111)シリコンウェーハとも呼ぶ)は使用されてこなかった。そのため、高歩留まりの先端微細化技術を適用できる300mm以上の大口径シリコンウェーハとして、(111)シリコンウェーハが工業上実用された例はなく、シリコン単結晶製造においても、300mm以上の大口径を有する結晶方位<111>のシリコン単結晶(以下、<111>結晶とも呼ぶ)の成長例は報告されていないのが実状である。
そのため、(111)シリコンウェーハの面内品質について、微細なデザインルールで構成される先端デバイス向けには十分に検討されていない。
従来の(111)シリコンウェーハの面内品質については、例えば、非特許文献1にあるように、固液成長界面の形状が平坦となって(111)面に近づくと沿面成長(ファセット成長)が生じることが知られている。このような沿面成長部を面内で含むことによって、非特許文献2にあるように、(100)シリコンウェーハと比較して(111)シリコンウェーハでは抵抗率面内分布(RRG)が悪化することが示されている。
この<111>結晶成長時の特徴である沿面成長と、それに伴うRRG分布の悪化から、従来技術では一様に沿面成長を回避する試みが取られてきた。
例えば、特許文献1では、結晶回転を変速回転とすることで結晶回転による固液成長界面近傍の対流を促進して沿面成長を回避する技術が、特許文献2では、成長軸を<111>から1〜6°傾斜させてずらすことで沿面成長を回避する技術が、特許文献3では、ルツボ内溶融層の下層に固体層を形成するDLCZ(Double Layer CZ)法によって沿面成長を回避する技術が開示されている。
特許文献1に記載の結晶回転による対流促進による沿面成長回避は、巨視的な分布は改善するが、固液界面部で対流による温度変動が起こりやすく、微視的な分布は逆に悪化してしまう。また、特許文献2の方法では、傾斜した(111)面に沿った沿面成長が起こるため、改善効果は小さい。これに対し、特許文献3では、DLCZ法で固液界面を平坦化するが、特許文献4にあるように、DLCZ法では微視的な抵抗率分布が悪化する弊害が生じてしまう。
特開平05−208892号公報 特開平11−186121号公報 特開平07−277870号公報 特開平06−263583号公報
宮澤信太郎編(2002),メルト成長のダイナミクス,共立出版 Simura(1989),Semiconductor silicon crystal technology,ACADEMIC PRESS. INC.
次世代チャネル材料を用いたヘテロエピタキシャルウェーハを使用する最先端デバイスにおいては、ArF液浸やEUVを用いたリソグラフィー技術でナノメートルオーダーの極微細パターンを形成するため、抵抗率や格子間酸素原子について、巨視的のみならず、微視的な均一性も重要となる。しかしながら、上述のように、<111>結晶成長の微視的な分布の均一化について、有効な技術は示されていない。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、巨視的なRRG分布(面内抵抗率分布)及び微視的な抵抗率変動が良好な大口径<111>結晶が製造可能となるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、原料融液に磁場を印加してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げる際、前記シリコン単結晶の引上げ直径を300mm以上とし、前記シリコン単結晶の成長軸方位を<111>とし、前記シリコン単結晶の引上げ直径をD[mm]、前記原料融液表面の中心磁場強度をM[Gauss]、前記シリコン単結晶の回転速度をR[rpm]として、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすように前記シリコン単結晶の成長を行なうことを特徴とするシリコン単結晶製造方法を提供する。
上記の関係を満たすように結晶成長させることで、(111)沿面成長を促進し、結晶面内の直径の7割以上を沿面成長させることができる。このような沿面成長促進条件では、巨視的なRRG分布及び微視的な抵抗率変動の小さい良好な、直径300mm以上の大口径<111>シリコン単結晶が製造可能となる。
本発明のシリコン単結晶製造方法において、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>1の関係を満たすように前記シリコン単結晶の成長を行なうことが好ましい。
これにより、(111)沿面成長をさらに促進し、結晶面内全面を沿面成長させることができる。このような<111>シリコン単結晶では、巨視的なRRG分布がさらに良好となり、かつ微視的な抵抗率変動が良好となる。
本発明のシリコン単結晶製造方法において、製品採取直径をDp[mm]として、0.7<1096/Dp−(0.134×M+80×R)/Dp<1の場合に、前記引上げ直径DをDp/{1096−(0.134×M+80×R)}とすることが好ましい。
このような引上げ直径であれば、本発明の方法により製造された<111>結晶から、ウェーハ全面が沿面成長部である(111)シリコンウェーハを得ることができる。
このとき、前記印加する磁場を、水平磁場とすることが好ましい。
印加する磁場を水平磁場とすれば、シリコン融液の縦方向の対流が効率よく抑制され、結晶周辺部における酸素蒸発量を制御することができるし、大口径単結晶の製造も比較的容易である。
また、本発明は、ウェーハ面内の7割以上が(111)沿面成長部からなる、直径300mm以上の(111)シリコン単結晶ウェーハを提供する。
このような(111)シリコンウェーハであれば、巨視的なRRG分布が良好となり、かつ沿面成長部ではウェーハ表面における微視的な抵抗率変動が良好となる。
以上のように、本発明のシリコン単結晶製造方法であれば、(111)沿面成長を促進し、結晶面内の直径の7割以上を沿面成長させることで、巨視的なRRG分布及び微視的な抵抗率変動が良好な、直径300mm以上の大口径<111>シリコン単結晶が製造可能となる。また、本発明の方法により製造されたシリコン単結晶から得られた(111)シリコンウェーハであれば、ウェーハ面内の7割以上が(111)沿面成長部からなるため、巨視的なRRG分布及び微視的な抵抗率変動が良好となる。さらに、このようなシリコンウェーハは、面方位が(111)であるため、高キャリア移動度を有するGeやIII−V族化合物半導体などの次世代チャネル材料を用いたヘテロエピタキシャル用基板として有益である。
本発明のシリコン単結晶製造方法を実施可能な結晶製造装置の一例を示す概略図である。 MCZ法により<111>シリコン単結晶を成長させた際の、(111)沿面成長径と結晶回転速度及び中心磁場強度の関係を示すグラフである。 MCZ法により<111>シリコン単結晶を成長させた際の、(111)沿面成長径と中心磁場強度及び結晶回転速度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例において製造されたシリコン単結晶の沿面成長部のXRT画像及び面内抵抗率分布の一例を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例において、沿面成長径比率を縦軸に、1096/D−(0.134×M+80×R)/Dの値を横軸にプロットしたグラフである。 沿面成長径比率とRRG分布の関係を示すグラフである。
上述のように、巨視的なRRG分布及び微視的な抵抗率変動が良好な<111>結晶が製造可能となるシリコン単結晶製造方法が求められている。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、従来技術では回避されてきた<111>結晶成長時に生じる沿面成長が、結晶回転と磁場強度に強く依存すること、また、ウェーハ直径に対する沿面成長部の直径の比率が7割以上となるような条件ではシリコンウェーハの面内品質が均一化されることを発見した。さらに、本発明者らは、シリコン単結晶の引上げ直径をD[mm]、原料融液表面の中心磁場強度をM[Gauss]、シリコン単結晶の回転速度をR[rpm]として、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なうことで、結晶の引上げ直径に対する沿面成長部の直径の比率(以下、「沿面成長径比率」とも呼ぶ)を7割以上とし、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
<(111)シリコン単結晶ウェーハ>
本発明の(111)シリコン単結晶ウェーハは、直径が300mm以上であり、ウェーハ面内の7割以上、好ましくはウェーハ全面が(111)沿面成長部からなる。このような(111)シリコンウェーハであれば、ウェーハ直径の7割以上が沿面成長部であるため、巨視的なRRG分布が良好となる。また、沿面成長部は成長面と平行となるため、理論的に成長時の温度変動等によって生じる成長ストリエーションがウェーハ表面に存在せず、ウェーハ表面の微視的な変動が抑制される。
また、本発明のシリコン単結晶ウェーハは、面方位が(111)であるため、高キャリア移動度を有するGeやIII−V族化合物半導体などの次世代チャネル材料を用いたヘテロエピタキシャル用基板として有用である。これにより、資源量が豊富で安価・高品質なSiをヘテロエピタキシャル用基板として、その上に資源量が少ないGe、GaAs等のチャネル材料を配置するヘテロ構造デバイスに好適に用いることができる。尚、本発明のシリコン単結晶ウェーハは、後述する本発明のシリコン単結晶製造方法により得られるシリコン単結晶からスライスして、容易に採取することができる。
<シリコン単結晶製造方法>
まず、本発明のシリコン単結晶製造方法を実施可能な結晶製造装置の構成例を図1により説明する。図1に示すように、結晶製造装置100は、メインチャンバー1と、メインチャンバー1の上部に接続され、育成した単結晶棒(シリコン単結晶)3を収納する引上げチャンバー2とを具備する。メインチャンバー1の内部には、原料融液4を収容する石英ルツボ5、石英ルツボ5を支持する黒鉛ルツボ6が設けられている。また、石英ルツボ5及び黒鉛ルツボ6と同心円状に、メインの熱源である加熱ヒーター7が配置されている。加熱ヒーター7の外側には、断熱部材8が設けられている。また、メインチャンバー1にはガス流出口9、引上げチャンバー2にはガス導入口10が設けられており、メインチャンバー1及び引上げチャンバー2の内部に不活性ガス(例えばアルゴンガス)などを導入し、排出できるようになっている。円筒形状のガス整流筒11が引上げ中の単結晶棒3を囲繞するように原料融液4の表面の上方に配設されている。また、原料融液4の融液面の上方には遮熱部材12が対向配置されている。さらに、メインチャンバー1の外周部には、磁場印加装置13が設けられている。
次に、本発明のシリコン単結晶製造方法について説明する。
本発明のシリコン単結晶製造方法では、まず、一例として図1に示したような結晶製造装置100を使用し、シリコン原料を石英ルツボ5内に供給し、シリコン単結晶成長の準備を行う。シリコン原料を加熱溶融後、シリコン単結晶の引上げ直径を300mm以上とし、シリコン単結晶の成長軸方位を<111>とし、磁場印加装置13を用いて磁場を印加しつつ、シリコン単結晶の成長を行ない、通常のCZ法によりシリコン単結晶を製造する。
本発明では、シリコン単結晶の引上げ直径をD[mm]、原料融液表面の中心磁場強度をM[Gauss]、シリコン単結晶の回転速度をR[rpm]として、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なう。
ここで、1096/D−(0.134×M+80×R)/Dは、沿面成長径比率を表す指標として用いられる。図2及び3に示されるように、沿面成長は、シリコン単結晶の回転速度と原料融液表面の中心磁場強度に強く依存する。より具体的には、結晶回転速度が低く、かつ、中心磁場強度が弱いほど、<111>結晶成長時の沿面成長径が増大する。これは、結晶回転と磁場強度によって形成されるメルト対流及び温度場により、固液界面付近の融点等温線が(111)面に近づくことで沿面成長が優勢となるためだと考えられる。本発明者らは、この<111>結晶成長時の沿面成長の結晶回転依存性と磁場強度依存性を統合し、沿面成長径比率が1096/D−(0.134×M+80×R)/Dで表されることを見出した。
更に詳述すると、<111>結晶成長において、図2は、融液表面の中心磁場強度一定での結晶回転速度による沿面成長径への影響を、図3は、結晶回転一定での融液表面の中心磁場強度による沿面成長径への影響を示している。この関係性の物理的な意味は、結晶回転によって生じる強制対流の違いによる融液温度分布の変化や、磁場強度による自然対流抑制力の違いによる融液温度分布の変化によって、固液界面部の融液等温線が変化し、融液等温線が(111)面に近づくことで沿面成長が優勢になることを示している。そして、その沿面成長径への影響は、結晶回転に関しては、結晶回転マイナス1回転当たり沿面成長径が概ね80mm拡大し、磁場強度に関しては、磁場強度マイナス1Gauss当たり沿面成長径が概ね0.134mm拡大する。これらの影響度を統合した、1096/D−(0.134×M+80×R)/Dを沿面成長径比率を表す指標として用いることができる。
本発明のシリコン単結晶製造方法では、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なうことで、従来技術では回避されてきた(111)沿面成長を促進し、沿面成長径比率を7割以上とすることができる。このような方法で製造されたシリコン単結晶を切り出すことで、上述したようなウェーハ直径の7割以上が沿面成長部である(111)シリコンウェーハを容易に得ることができる。1096/D−(0.134×M+80×R)/Dが0.7以下であると、沿面成長径比率が7割未満となる。この場合、巨視的なRRG分布が悪化するとともに、成長ストリエーションがシリコン単結晶に生じて、微視的な抵抗率変動が悪化してしまう(後述する図4〜6参照)。
本発明において、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>1の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なうことが好ましい。これにより、(111)沿面成長をさらに促進し、結晶面内全面を沿面成長させることができる。このような<111>シリコン単結晶では、巨視的なRRG分布がさらに良好となり、かつ微視的な抵抗率変動が良好となる。
本発明において、原料融液表面の中心磁場強度Mは、上記の関係を満している限り特に限定されないが、例えば、1650〜4000Gaussとすることができる。
また、シリコン単結晶の回転速度Rは、特に限定されないが、例えば、4〜8rpmとすることができる。
また、本発明のシリコン単結晶において、製品採取直径をDp[mm]として、0.7<1096/Dp−(0.134×M+80×R)/Dp<1の場合に、引上げ直径DをDp/{1096−(0.134×M+80×R)}とすることが好ましい。このような引上げ直径であれば、本発明の方法により製造された<111>結晶から、ウェーハ全面が沿面成長部である(111)シリコンウェーハを容易に得ることができる。
また、本発明のシリコン単結晶において、印加する磁場を、水平磁場とすることが好ましい。印加する磁場を水平磁場とすれば、シリコン融液の縦方向の対流が効率よく抑制され、結晶周辺部における酸素蒸発量を制御することができるとともに、300mm以上の大口径単結晶の製造効率も向上する。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例及び比較例)
直径32インチ(800mm)の石英ルツボに360kgの原料を溶融し、水平磁場を印加し、Pをドープし、結晶成長速度0.5mm/minで、引上げ直径310mmの<111>シリコン単結晶の引上げを実施した。この際、シリコン単結晶の回転速度をそれぞれ4、5、6、7、8rpmとし、原料融液表面の中心磁場強度をそれぞれ4000、3650、3250、2650、1650Gaussとした。引上げた結晶を、直径301mmに円筒研削した後、PW加工を行い、四探針法の1mmピッチの抵抗率測定及び酸素析出処理(650℃、2hr(N)+800℃、4hr(N)+1000℃、16hr(O))を実施した。その後、XRT装置での析出縞観察により、各条件の沿面成長径を調査した。結果を表1、図4〜図6に示す。
図4は、本発明の実施例において製造されたシリコン単結晶の沿面成長部のXRT画像及び面内抵抗率分布の一例を示すグラフである。図4に示されるように、沿面成長部では、ストリエーションが存在せず、微視的な抵抗率変動が抑制された。
また、図5は、実施例及び比較例で製造された<111>結晶の沿面成長径比率を縦軸に、1096/D−(0.134×M+80×R)/Dの値を横軸にプロットしたグラフである。図5から、磁場印加下における<111>結晶引上げ時の(111)沿面成長径は、シリコン単結晶の引上げ直径D、シリコン単結晶の回転速度R、原料融液表面の中心磁場強度Mによって制御可能であり、結晶引上げ直径に対する沿面成長径の比率は、1096/D−(0.134×M+80×R)/Dにて表すことができることが分かる。即ち、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の場合(実施例)には、沿面成長径比率は0.7より大きくなり、1096/D−(0.134×M+80×R)/D≦0.7の場合(比較例)には、沿面成長径比率は0.7以下となった。さらに、図6に示されるように、沿面成長径比率が0.7より大きい場合は、RRG分布が2〜3%と良好な値となった。一方、沿面成長径比率が0.7以下の場合は、RRG分布が悪化した。
これらの結果から、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なうことで、沿面成長径比率を7割以上とし、巨視的なRRG分布及び微視的な抵抗率変動が良好な<111>結晶を製造可能であることが分かった。
以上のように、本発明によれば、MCZ法により直径300mm以上の<111>結晶を製造する際に、シリコン単結晶の引上げ直径をD[mm]、原料融液表面の中心磁場強度をM[Gauss]、シリコン単結晶の回転速度をR[rpm]として、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすようにシリコン単結晶の成長を行なうことで、(111)沿面成長を促進し、結晶面内の直径比7割以上を沿面成長させることが可能となる。このようなシリコン単結晶から得られた(111)シリコンウェーハの沿面成長部は成長面と平行であるため、理論的に成長時の温度変動等によって生じる成長ストリエーションをウェーハ表面から除外し、ウェーハ表面の微視的な変動を抑制することができる。さらに、このような沿面成長促進条件では、巨視的なRRG分布も良好なものが得られる。
また、このようにして製造された300mm以上の大口径(111)シリコンウェーハウェーハは、次世代チャネル材料を用いる最先端デバイスにおいて重要となる面内品質の微視的な均一性を得ることができ、(111)シリコンウェーハの機械的強度による転位やウェーハ反りの抑制効果、並びに、表面2原子層ステップに由来するAnti−phase domainの抑制効果と合わせて、次世代チャネル材料向けのへテロエピタキシャル用基板として有益なものとなる。
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。
1…メインチャンバー、 2…引上げチャンバー、
3…単結晶棒(シリコン単結晶)、 4…原料融液、 5…石英ルツボ、
6…黒鉛ルツボ、 7…加熱ヒーター、 8…断熱部材、
9…ガス流出口、 10…ガス導入口、 11…ガス整流筒、 12…遮熱部材、
13…磁場印加装置、100…結晶製造装置

Claims (5)

  1. 原料融液に磁場を印加してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げる際、前記シリコン単結晶の引上げ直径を300mm以上とし、前記シリコン単結晶の成長軸方位を<111>とし、前記シリコン単結晶の引上げ直径をD[mm]、前記原料融液表面の中心磁場強度をM[Gauss]、前記シリコン単結晶の回転速度をR[rpm]として、1096/D−(0.134×M+80×R)/D>0.7の関係を満たすように前記シリコン単結晶の成長を行なうことを特徴とするシリコン単結晶製造方法。
  2. 1096/D−(0.134×M+80×R)/D>1の関係を満たすように前記シリコン単結晶の成長を行なうことを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶製造方法。
  3. 製品採取直径をDp[mm]として、0.7<1096/Dp−(0.134×M+80×R)/Dp<1の場合に、前記引上げ直径DをDp/{1096−(0.134×M+80×R)}とすることを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶製造方法。
  4. 前記印加する磁場を、水平磁場とすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造方法。
  5. ウェーハ面内の7割以上が(111)沿面成長部からなる、直径300mm以上の(111)シリコン単結晶ウェーハ。
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