JPH04270190A - 半導体結晶およびより均一な不純物を析出する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は結晶成長方法に関し、さらに詳
しくは、析出物（例えば、酸素）の軸方向濃度が所定の
分布を有する材料（例えば、シリコン）の伸び単結晶を
成長させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン、ゲルマニウム、サファイヤ等
の材料から単結晶を製造することは、エレクトロニクス
技術で重要な役割を占めている。このような結晶を成長
させる適切な方法には、チョクラルスキー方（ＣＺ法）
があり、この方法では所望の方位を有する小さな種結晶
を融成原料に導入し、徐々に引き出して大きな伸び単結
晶を形成する。通常、この単結晶は、端部を除き、実質
的に均一な円筒形となっている。このような伸び円筒形
単結晶は、当技術では「ボウル（ｂｏｕｌｅ）　」と呼
ばれる。 当技術では周知のとおり、融成物には最終単端結晶の電
気特性を変える特定の不純物が含まれている。半導体単
結晶のＣＺ成長法は、例えば米国特許第４３５２７８４
号，第４４９７７７７号および第４５１１４２８号に説
明されており、これらは参考として本明細書に内包され
る。より詳細な説明は、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ，　ｂｙ　Ｆ．　Ｓｈｉｍｕｒａ，　Ａｃａｄｅｍｉ
ｃ　Ｐｒｅｓｓ，　Ｉｎｃ．，　ＮｅｗＹｏｒｋ，　Ｎ
．Ｙ．，　１９８９，　Ｃｈａｐｔｅｒ　５にみること
ができる。

【０００３】一般に、融成物は、例えばカーボン・サセ
プタに保持されたシリカのるつぼに入れられ、これは不
活性（例えば、アルゴン）またはその他の雰囲気中で加
熱され、るつぼ内の物質が溶融点よりも若干高くなるよ
うにする。融成物の表面では、わずかな温度勾配が存在
し、種がゆっくりと融成物から引き出されるにつれて、
半導体材料は種の上で凝固し、単結晶ボウルが成長され
る。るつぼ近傍のボウル温度は、融点に近いがそれより
低く、るつぼから離れるにつれてその温度は低くなる。 るつぼから離れたボウルの温度を個別に制御するため、
補助ヒータを用いても用いなくてもよい。融成物から引
き抜きながら結晶を回転させることにより、円筒形のボ
ウルが得られる。従来、るつぼはボウルとは反対の方向
に回転され、融成物を連続的に混合する。

【０００４】一般に融成物を生成するために高温（例え
ば、Ｓｉの場合〜１４１２°Ｃ）を必要とするので、小
量のるつぼ材料が融成物に溶け込み、成長結晶に取り込
まれるこががよくある。例えば、石英るつぼに保持され
た融成物から形成されるシリコンの単結晶の場合、融解
するるつぼからの酸素がシリコン結晶に取り込まれる。 単結晶中の酸素濃度は、概して均一ではない。従来技術
では、ボウル中の酸素濃度は、ボウルの種端部近傍の比
較的大きな値からボウルのテール端部の近傍の小さな値
までばらつきがあるのが一般的であった。従来、軸方向
の酸素濃度をより均一にすべく多大な努力がなされてき
た。半導体単結晶ボウル中の酸素濃度および酸素濃度勾
配を制御する手段および方法は、米国特許第４０１００
６４号，第４４３６５７７号，第４０４０８９５号，第
４４１７９４３号，第４５４５８４９号において説明さ
れており、これらは参考として本明細書に内包される。

【０００５】

【発明の解決すべき課題】この分野における過去の研究
は、伸び単結晶ボウルにおける融解不純物の軸方向濃度
をより均一にする点では一部成功しているが、他の問題
が残っている。例えば、融解酸素の単結晶半導体材料に
対する影響は、酸素の状態に依存する。結晶が酸素含有
融成物から凝固すると、ある量の溶解酸素が、凝固温度
における酸素の固体溶解度に応じて、間隙部の成長結晶
に取り込まれる。結晶が冷却すると、固体溶解度が低下
し、結晶は酸素過飽和状態となる。しばらくして、その
後の結晶の熱処理に応じて、融解酸素の一部が析出する
。すなわち、均一であるはずの単結晶格子内に微小Ｓｉ
Ｏｘ　錯体が形成される。この挙動については、例えば
Ｈｅｒｎｇ−Ｄｅｒ　Ｃｈｉｏｕ　が”Ｏｘｙｇｅｎ　
Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎ
ｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔ
ａｌｓ，”　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ，　Ｍａｒｃｈ　１９８７，　ｐａｇｅｓ　７７
−８１において説明している。

【０００６】結晶の電気的および物理的特性は、析出錯
体の濃度，サイズおよび分布に重要な点で依存する。例
えば、シリコン中の適切な量の酸素析出は、他の好まし
くない不純物（例えば、重金属）に対するゲッタリング
・サイトとして機能し、これはそれ以降のウェーハ処理
において導入され、それにより製造歩留まりおよび単結
晶から切り出されたウェーハに形成されるデバイスの動
作を向上させる。逆に、析出酸素が多すぎると、それに
関連する結晶欠陥がその後形成されるエピタキシャル層
に広がったり、また結晶欠陥に特に弱いデバイス領域に
発生し、好ましくない影響を与え、それにより、デバイ
ス製造および動作を損なうことになる。故に、析出濃度
および分布を制御することは、電子デバイス製造におい
て極めて重要である。

【０００７】さまざまな熱処理により酸素析出濃度およ
び／または分布を調整する方法は、例えば米国特許第４
８６８１３３号，第４６６１１６６号において説明され
ており、これらを参考として本明細書に内包する。これ
らの方法および当技術で周知のその他の方法は、最適デ
バイス構造および動作を得るうえで望ましい酸素析出濃
度および分布を実現することに部分的にしか成功してい
ない。そのため、析出濃度をより綿密に制御する改善さ
れた単結晶成長手段および方法が必要とされている。

【０００８】本発明は、シリコン単結晶中の酸素の場合
について一例としてまた説明の便宜を図るうえで説明し
ているが、本発明は他の析出不純物および結晶材料にも
適用できることが当業者に理解される。他の析出不純物
として、窒素および炭素があり、また他の結晶材料とし
てゲルマニウムやサファイヤがあるが、それらに限定さ
れるものではない。

【０００９】本発明の目的は、結晶長さ方向の析出濃度
がより均一な、伸び単結晶体を形成する改善された手段
および方法を提供することである。特に重要な点は、シ
リコンおよび／またはゲルマニウムなどの半導体材料中
の酸素，窒素および／またはゲルマニウムなどの不純物
であるが、その他の不純物や結晶材料も考慮にいれてい
る。

【００１０】本発明の他の目的は、結晶形成に固有の熱
サイクルまたは単結晶から切り出された個々のウェーハ
におけるデバイス製造に関する熱サイクルは別にして、
成長させたままの結晶に対してほとんどあるいは全くポ
スト・プル熱処理を施さずにより均一な析出濃度を可能
にすることである。

【００１１】さらに本発明の目的は、単結晶のことなる
部分から切り出されたウェーハ中の後処理（デバイス製
造のウェーハ処理後）の析出濃度のばらつきを低減させ
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
および利点は、電子結晶およびデバイスを形成する方法
によって実現され、この方法は、例えば半導体など（た
だし、これに限定されるものではない）の電子材料を含
有する融成物を設ける段階，電子材料に溶解するが、凝
固後に電子材料中に一部析出する不純物に融成物を晒す
段階および不純物の一部が取り入れられた電子材料の単
結晶を形成する段階から成り、低濃度の析出可能不純物
が単結晶の最初に形成された部分に取り込まれ、高濃度
の析出可能不純物が単結晶の後でつぎに形成された部分
に取り込まれる。

【００１３】形成段階が、融成物中の液／固相界面から
析出可能不純物を含有した電子材料の単結晶を形成する
段階から成ることが望ましく、ここで単結晶の最初の部
分が融成物から形成されるとき、液／固相界面は析出可
能不純物濃度が低く、また単結晶のつぎの部分が融成物
から形成されるとき、析出可能不純物濃度が高い。

【００１４】結晶に取り込まれる析出可能不純物濃度が
上述のようにばらつきがあることによって、後で形成さ
れる結晶部分に比較して、単結晶の最初に形成される部
分が析出核発生促進温度に晒される時間が長いことを補
正する。また、結晶から切り出されたウェーハが後段の
デバイス製造のためウェーハ処理中に受ける熱処理も考
慮にいれている。

【００１５】成長結晶中の析出可能不純物濃度は、成長
中の単結晶の各部が析出核発生および／または核発生と
成長とを促進する温度に晒される時間に反比例して適宜
変化させることが望ましい。析出可能不純物濃度は、結
晶成長中に前記の温度に晒される時間が長い最初に形成
される結晶部分では低く、また結晶成長中に前記の温度
に晒される時間が短い後で形成される結晶部分では高い
。改善された結晶成長法では、軸方向（即ち、結晶の端
から端まで）の析出濃度は実質的により均一になるので
、析出濃度を均一化するため成長後に結晶に熱処理を施
すことは最小限に押さえられるか、あるいは避けること
ができる。また、従来のデバイス製造で用いられるウェ
ーハ処理工程に伴う後段の熱サイクル後においても、改
善された析出濃度均一性が得られる。

【００１６】

【実施例】図１は、従来のＣＺ結晶プラー１０の概略図
であり、このＣＺ結晶プラー１０は雰囲気が一般にアル
ゴン、またはその他の不活性もしくは還元ガスまたはそ
の組み合わせである雰囲気制御室１２を有する。雰囲気
１３中には、サセプタ１５（例えば、グラファイト）で
支持され、融成物１６（例えば、シリコン）が入ったる
つぼ１４（例えば、石英）が配置され、発熱体１８によ
って加熱される。例えば、シリコンの単結晶が、引き上
げ装置２４に取付けられた種２２によって融成物１６か
ら引き上げられる。引き上げ装置２４は、種２２および
単結晶ボウル２０を矢印の方向に回転させ、融成物１６
から２８の方向に引き上げさせ、またるつぼ１４および
サセプタ１５の下にある別の装置（図示せず）は、るつ
ぼ１４を矢印３０の方向に回転させる。ＣＺ結晶プラー
１０の構造は従来のとおりである。

【００１７】本発明について製造し検査したさまざまな
シリコン結晶は、Ｈａｍｃｏ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ
　Ｋａｙｅｘ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，　Ｒｏｃｈｅ
ｓｔｅｒ　Ｎ．Ｙ．　製モデル２０００ＣＺ結晶プラー
で成長させた。種の回転速度は、約２６ｒｐｍであった
。 このプラーは、外径約３６ｃｍ，内径約３４ｃｍ，深さ
約２７ｃｍの石英るつぼを使用した。約２８Ｋｇｍｓの
多結晶充填物をるつぼに入れた。石英リングをるつぼの
底に置き、米国特許第４５４５８４９号で説明している
ように溶融シリコンに浸せきさせて、融成物に対する別
の酸素源とした。石英るつぼは、従来のように、回転可
能な石英サセプタにより支持した。アルゴンを保護雰囲
気として用いた。

【００１８】本発明について以下で述べる変更を除けば
、Ｈａｍｃｏ　製結晶プラーの動作は従来通りである。 引き上げ後、先細り状態の種およびタングが切り取られ
、直径約１００ｍｍおよび長さ約１．１ｍの円筒形のボ
ウルが得られる。このボウルは、常法により、ウェーハ
として切り出された。その後、ウェーハは、当技術で周
知の手段を用いて半導体デバイスまたは集積回路の製造
に伴う一般的なウェーハ処理の場合と同様に、常法によ
りラッピング，エッチング，研磨処理が施され、洗浄さ
れた。酸素濃度および酸素析出濃度が以下で説明する方
法で測定された。

【００１９】ＣＺ結晶成長装置１０を作動させると、石
英るつぼ１４はゆっくりと融成物１６中に溶解する。そ
の結果、異なる量の酸素が単結晶ボウル２０に取り込ま
れる。るつぼ１４（または他の源）からボウル２０に取
り込まれる酸素の量は、るつぼの壁温，るつぼの回転速
度，引張り速度，雰囲気および当技術では周知のその他
多くの要因に依存する。概して、ＣＺプラー１０の動作
パラメータは、種端部およびタング端部における比較的
短い先細り部分を除き、実質的に均一な径を有する円筒
径ボウルが得られるように調整される。

【００２０】ＣＺ装置１０でボウル２０が形成されると
、ヒータ１８をオフにして、ボウル２０を保護雰囲気１
３中に放置して実質的に約５０〜１５０°Ｃまで冷やす
。つぎに、ボウルは装置１０から取り出され、先細り種
端部およびタング端部を切り取る。その結果得られた円
筒ボウルは、当技術で周知の手段および方法を用いてス
ライスし、例えば０．２５〜１．０ｍｍ厚のウェーハに
する。ボウルの各領域から取ったウェーハ中の酸素濃度
および酸素析出濃度を、従来技術で周知の手段および方
法を用いて測定する。便宜上、ウェーハの位置は、先細
り部を切り取った後のボウルの種端部からの距離に従っ
て参照する。サンプル・ウェーハは約１．５ｍｍ厚、す
なわち従来のウェーハより幾分厚くなっている。これは
、従来デバイスや集積回路製造で用いられる肉薄のウェ
ーハに比べ、肉厚のウェーハの方がより正確な酸素濃度
測定値を得られることが判明しているためである。

【００２１】単結晶ボウルが装置１０で形成されるが、
ボウルの異なる部分は時間を変えて異なる温度に晒され
る。これは、結晶成長装置内ではかなりの温度勾配があ
り（例えば、るつぼ１４では＞１４１２°Ｃであり、種
２２では＜４００°Ｃ）、また最初に成長させた結晶部
分は最後に成長させた結晶部分よりも長時間異なる温度
に晒されるためである。

【００２２】図２は、種端部（曲線Ｓ）およびタング端
部（曲線Ｔ）近傍の結晶部分の異なる温度における典型
的な露出時間を示すグラフである。種端部近傍の結晶部
分は、６００〜８００°Ｃの範囲の温度で、タング端部
近傍の結晶部分に比べはるかに長時間晒されていること
がわかる。

【００２３】異なる温度における異なる露出時間は、結
晶の異なる部分における相対的不純物析出量に対して多
大な影響を及ぼしうる。これは、析出量が初期不純物濃
度および単結晶の熱履歴に依存するためである。ボウル
中の初期不純物濃度が高く、また析出核発生を促進する
温度にボウルが晒される時間が長いほど、析出核発生サ
イトの濃度は高くなる。析出錯体の大きさも、熱履歴に
依存する。析出核発生サイトが形成されると、さらに加
熱されると大きくなる。ただし、温度が十分高ければ、
析出錯体は結晶中に再度融解し、析出核発生サイトの数
および大きさは低下することがある。

【００２４】例えば、シリコン中の酸素の場合、つぎの
３つの幾分重複する温度範囲が知られている。（１）約
４００〜９００°Ｃの範囲で、この範囲では析出核発生
は選択的に発生する、すなわち結晶格子中に融解し、最
初に間隙サイトにある酸素の一部が析出し、当技術では
核発生サイトと呼ばれる微小ＳｉＯｘ錯体を形成する。 （２）約８００〜１２００°Ｃの範囲で、この範囲では
すでに形成された析出核発生サイトが大きく成長する。 （３）約１２００°Ｃ以上の範囲で、この範囲では析出
酸素が間隙サイト中の結晶の溶液中に徐々に戻る。図２
において、核発生が選択的に起こる温度範囲は矢印「Ｎ
」で示されており、既存の核発生サイトがより大きな錯
体に成長することが選択的に起こる温度範囲は矢印「Ｇ
」で示されており、また再溶解が顕著になる低温度境界
は記号「ＲＤ」で示されている。

【００２５】析出核形成速度，核成長速度および析出酸
素の再溶解速度は、時間，温度および初期濃度に依存す
る。例えば、４００°Ｃで１０１〜１０２時間および９
００°Ｃで１０−１〜１００時間では、十分な融解酸素
供給源を有するシリコンで有意の酸素核発生が生じる。 また、ほぼ同じ時間帯域において、８００°Ｃおよび１
２００°Ｃで既存の核の有意の成長が生じる。すでに形
成された錯体の大きさに応じて、約１２００〜１３００
で１００〜１０１時間、および１３００〜１４００°Ｃ
で１０−１〜１００時間では、有意の再溶解が生じ、温
度が高いほど再融解速度は早くなり、また既存の錯体の
大きさが大きいほど再融解速度は遅くなる。さらに、一
定の温度では、臨界サイズより大きい核はさらに大きく
成長するが、臨界サイズより小さい核は再融解する。温
度が高ければ高いほど、臨界サイズは大きくなる。これ
らの異なる温度範囲の境界ははっきりしておらず、かな
りの重複が存在する。上記の温度範囲は、示された特定
の影響が支配的になる可能性の高い温度の範囲を伝える
ことを意図する。

【００２６】図３は、結晶形成後の初期（成長させたま
まの状態の）酸素濃度（曲線Ａ）および簡略デバイス処
理を模擬した熱サイクル後の析出酸素濃度（曲線Ｂ）を
示すグラフである。これらの結果は、１つの単結晶ボウ
ルの異なる部位から採取したウェーハにおいて測定して
得られたものである。横軸は、種端部からの供試ウェー
ハの距離（単位ｃｍ）であり、縦軸は酸素濃度測定値（
曲線Ａ）または酸素析出濃度測定値（曲線Ｂ）（単位Ｐ
ＰＭＡ：ｐａｒｔｓ　ｐｅｒ　ｍｉｌｌｉｏｊ　ａｔｏ
ｍｉｃ）である。

【００２７】初期の引き上げられたままの状態のボウル
中の酸素濃度（曲線Ａ）は、種端部からさまざまな距離
のウェーハに対して、Ｎｉｃｏｌｅｔ　Ｃｏｒｐｏｒａ
ｔｉｏｎ，　Ｍａｄｉｓｏｎ，　ＷＩ　５３７１１製フ
ーリエ変換赤外線分光計（ＦＴＩＲ）モデルＥＣＯ−Ｄ
Ｘを用いて測定する。これにより、結晶の長さ方向の距
離の関数としての融解酸素濃度についての情報が得られ
、この濃度を以下軸方向濃度という。試験の結果から、
一定のウェーハ内には酸素濃度の有意の半径方向のばら
つきはないことがわかる。

【００２８】ＦＴＩＲ方法は、指示された箇所における
ボウル中の溶解酸素量を測定する。この方法は、析出酸
素に対して感度はあまりよくない。従って、引き上げ中
に一部の融解酸素がすでに析出している程度には、析出
酸素は現われておらず、曲線Ａは任意の軸位置における
結晶中の酸素の総量を過小評価している可能性がある。 しかしながら、この測定結果は重要である。なぜならば
、デバイス製造時にウェーハが受ける後工程の熱サイク
ル中ににおいて核発生に利用される溶解酸素量をこの結
果が反映しているためである。

【００２９】引き出されたままの状態の酸素濃度の測定
に続き、ウェーハはさまざまな熱サイクルに供され、デ
バイスを製造するために用いられる熱工程を模擬する。 ＦＴＩＲ測定を再度行ない、この処理後の溶解酸素量を
求める。

【００３０】ある一定のボウルからの供試ウェーハすべ
ては、同じ熱サイクル、すなわち同じ模擬「ウェーハ処
理」を受ける。図３，４のウェーハに加えられる模擬ウ
ェーハ処理熱サイクルは、窒素と１０％酸素の混合雰囲
気において８００°Ｃで２時間、１０５０°Ｃで１６時
間である。これは、ＡＳＴＭ作業委員会（Ａｍｅｒｉｃ
ａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ　Ｔａｓｋ　Ｆｏｒｃｅ　Ｃｏｍｍｉｔ
ｔｅｅ）　の報告書”Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｏｘｙ
ｇｅｎ　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ　Ｗａｆｅｒｓ”，　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｍａｒｃｈ　１９８７，　ｐ
ａｇｅｓ　８５−８９，　Ｔａｂｌｅ　ＩＩ　で奨励さ
れている条件「試験Ｂ　　−　　熱処理条件」（７５０
°Ｃで４時間、および１０５０°Ｃで１６時間）にほぼ
対応するものである。別段規定のない限り、各試験にお
いて使用する「ウェーハ処理」という言葉は、さまざま
な種類の半導体デバイスを製造する際に用いる実際のウ
ェーハ処理加熱の代用としての模擬試験を指すものとす
る。

【００３１】第２ＲＴＩＲ測定値（ウェーハ処理後）と
第１ＦＴＩＲ測定値（引き抜き後、ただしウェーハ処理
前）との間の差は、析出酸素濃度の変化、すなわち、結
晶中でＳｉＯｘ　錯体内に析出した融解酸素の量の尺度
となる。この差を曲線Ｂに示す。

【００３２】初期酸素濃度（曲線Ａ）は、種端部近傍の
最大値約３９ＰＰＭＡからタング端部（すなわち、種端
部から離れた部位）近傍の最小値約３２．５ＰＰＭＡま
で変化し、平均値は約３６±３ＰＰＭＡである。ウェー
ハ処理後の酸素析出濃度は、種端部の最大値約１９ＰＰ
Ｍからタング端部近傍の最小値約２ＰＰＭＡ、すなわち
、〜１１±８ＰＰＭＡまで変化する。

【００３３】同一ボウルから切り出されたウェーハごと
の酸素析出濃度のばらつき（曲線Ｂ）は、単なる初期酸
素濃度のばらつき（曲線Ａ）に比べはるかに大きい。こ
れは、異なるボウル位置において熱履歴が異なるからで
ある。種端部近傍の部位は、タング端部近傍の部位に比
べ、析出核発生温度に晒される時間が長い。従って、ウ
ェーハ処理後には、結晶の種端部近傍にはより大きなＳ
ｉＯｘ　がより多く観察される。

【００３４】従来技術では、成長させたままのボウルま
たはウェーハを長時間高温で熱処理に供して、軸方向酸
素析出濃度を均一化しようとすることが一般的であった
。この熱サイクルは、ウェーハ処理に通常必要な熱サイ
クルとは別に施され、デバイスのウェーハ処理が始まる
前に行なわれる。

【００３５】２つの方法が用いられている。最初の方法
は、ボウルから切り出されたウェーハのすべてを１２０
０〜１３００°Ｃの温度で１〜５時間加熱し、結晶成長
中に形成された析出酸素のほとんどを再溶解する方法で
、２番目の方法は、ボウルの異なる箇所から取られた複
数のウェーハを核発生温度範囲において異なる温度で異
なる時間加熱し、ボウルの異なる箇所から取られたウェ
ーハにおける核発生量を均等化しようとする方法である
。一般的な加熱温度は６００〜８００°Ｃで１〜５時間
であり、種端部からのウェーハはタング端部およびその
中間のウェーハに比べ短い時間または低い温度で加熱さ
れる。しかし、これらの補助加熱方法は実施するコスト
が高く、また軸方向の析出濃度のばらつきを低減するこ
とに部分的にしか成功していない。

【００３６】ボウルに沿ったウェーハごとの軸方向析出
濃度のばらつきは、従来技術とは異なる方法でボウル成
長中に初期酸素濃度を変えることにより実質的に低減で
きることが判明した。これを図４に示す。この図４では
、曲線Ｃは本発明に従った成長させたままの初期酸素濃
度であり、曲線Ｄは結晶成長後および図３の曲線Ｂの場
合と同じ熱処理を施した後の酸素析出濃度である。結晶
中の溶解酸素濃度（曲線Ｃ）は、種近傍で意図的に低く
しており、中間部では単調に変化している。これにより
、タング端部に比べ種端部が受ける長い核発生温度が部
分的に補正される。

【００３７】成長させたままの状態の総酸素濃度が種端
部で約３２ＰＰＭＡでありタング端部で約３７ＰＰＭＡ
の場合、酸素析出濃度は最大値約４ＰＰＭＡから最小値
約２ＰＰＭＡまで、すなわち〜３±１ＰＰＭＡまで変化
する。これは、従来の結果と比較して実質的な改善であ
る。

【００３８】種端部近傍で低くまたタング端部近傍で高
くなるようにボウルの酸素濃度を変えることは、いろい
ろな方法で実現でき、例えば、るつぼの回転速度を変え
たり、ヒータに対するるつぼの位置を変えたり、処理中
に融成物に異なる量の石英を添加したり、ガス流を融成
物表面に当てて融成物からの酸素揮発を高めたりあるい
は抑制したり、および／またはその組み合わせによって
実現できる。

【００３９】従来技術では（すなわち、図３の曲線Ａ，
Ｂおよび図５の曲線ＡＡ，ＢＢ）、るつぼ回転速度は例
えば約１２〜１３ｒｐｍにほぼ固定されている。るつぼ
の回転速度を変えることにより結晶中の溶解酸素濃度が
変わることが判明している。図４に示す初期酸素濃度を
得るためには、るつぼ回転速度は種端部近傍では最初は
比較的低く（例えば、約６ｒｐｍ）、それからタング近
傍に引き上げが進むにつれて高くする（例えば、約１３
ｒｐｍ）。

【００４０】るつぼをヒータに対して昇降させることに
よっても、ボウル中の溶解酸素濃度が変化する。例えば
、従来技術では、引き上げ開始時において、るつぼ１４
の頂部はヒータ１８の頂部とほぼ等しいかあるいはそれ
よりわずかに上になる（すなわち、図１のサイズ３２が
０ないし＋２０ｍｍ）ように設定される。処理が進むに
つれて、るつぼはゆっくりと上昇され、引き上げ終了時
にはヒータ１８の頂部から約１７５ｍｍ上方にくるよう
にする。これにより、従来の分布である図３の曲線Ａ，
Ｂおよび図５の曲線ＡＡ，ＢＢが得られる。初期溶解酸
素濃度は、るつぼ１４の頂部をヒータ１８の頂部より下
にして開始する、すなわち、図４のサイズ３２が最初に
約−２０ｍｍに等しくなるようにして開始することによ
り初期溶解酸素濃度は低下される。上記のるつぼ回転速
度の組み合わせて調整することにより、図４の曲線Ｃ，
Ｄおよび図６の曲線ＣＣ，ＤＤに示す酸素分布の結晶を
得る。

【００４１】また、引き上げが進むにつれてボウルに溶
解される酸素の量は、るつぼ内の石英リングを取り除く
か、そのサイズを小さくし、引き上げが進むにつれて石
英破片を融成物に添加することにより高めることができ
る。さらに、融成物に溶解される酸素は、融成物の表面
から連続的に揮発するので、酸素（またはその他の析出
可能不純物）の揮発速度を変えることにより、液／固相
界面における酸素濃度を調整でき、従って成長中の結晶
中の酸素濃度を調整できる。限定するものではないが一
例として、アルゴン・ガス流を引き上げ開始時に融成物
の表面に当てて、融成物表面上部の酸素分圧を低下させ
て、揮発量を上げて、ボウルの最初の部分の初期酸素濃
度を低下させる方法がある。

【００４２】上述のように回転速度およびるつぼの高さ
を変えることにより、良好な結果が得られることが判明
しており、好ましい。しかし、以下の説明に基づき当業
者には理解できるように、上記の方法および成長させた
ままの結晶の初期酸素濃度を調節するその他の方法の組
み合わせも利用できる。例えば、結晶径に対してるつぼ
の寸法を変えるおよび／または融成物とるつぼの接触面
積に対する融成物の自由表面を変えることにより、溶解
酸素濃度は所望の方法で変化させることができる。これ
を実施する方法の１つは、側壁が先細りしている（例え
ば、るつぼの開放端方向に向かって先細りしている）る
つぼあるいは段差または突出部を有するるつぼを設ける
ことである。このようなるつぼでは、結晶成長が進み、
融成物の液面が下がるにつれて、融成物の接触している
るつぼの面積および融成物の自由表面が変化し、液／固
相界面における融解酸素濃度も変化する。

【００４３】図５および図６は図３および図４と同様の
ものであるが、例えば集積回路を製造するために用いら
れる複雑なウェーハ処理により類似しているポスト・プ
ル加熱サイクルに対応している。図５の曲線ＡＡは、図
３の曲線Ａに対応しているが、典型的な従来の条件下で
の異なる結晶引き上げに対するものである。初期酸素濃
度は、種端部における最大値約３８ＰＰＭＡからタング
端部における最小値約３３ＰＰＭＡまで、すなわち約３
６±３ＰＰＭＡまで変化する。

【００４４】図５の曲線ＢＢは、図３の曲線Ｂと同様で
あるが、より複雑なポスト・プル・ウェーハ処理加熱サ
イクルに供されるたものである。すなわち、水蒸気中に
おいて〜１０００°Ｃで２時間，窒素／２％酸素中にお
いて〜１２００°Ｃで４．５時間，水蒸気中において〜
１０００°Ｃで２時間，乾燥酸素中において〜１０００
°Ｃで０．１時間，窒素／２％酸素中において〜８００
°Ｃで２時間，窒素／２％酸素中において〜１０２５°
Ｃで１．５時間，窒素／２％酸素中において〜９００°
Ｃで１１時間の加熱サイクルに供され、ウェーハの使用
を模擬し、比較的複雑な集積回路を製造する。曲線ＢＢ
は、このようなウェーハ処理後のボウル沿ったウェーハ
位置の関数としての酸素析出濃度を示す。酸素析出濃度
は、種端部における最大値３２ＰＰＭＡから、タング端
部における最小値３ＰＰＭＡまで変化し、その間に中間
最大値および最小値があり、平均は約１８±１５ＰＰＭ
Ａである。より複雑なポスト・プル・ウェーハ処理加熱
サイクルにより、図３のデータと比較して、ボウル中に
おけるウェーハごとの析出濃度のばらつきは実質的に大
きくなるが、全体的な傾向は同じである。

【００４５】図６の曲線ＣＣは、図４の曲線Ｃと同様で
あるが、本発明による別の引き上げに対応したものであ
る。曲線ＣＣに示される初期酸素濃度は、種端部におけ
る最小値３３ＰＰＭＡからタング端部における最大値３
８ＰＰＭＡｍまで変化し、平均値は約３６±２ＰＰＭＡ
である。図６の曲線ＤＤは、図４の曲線Ｄと同様である
が、ただし、曲線ＢＢで説明したものより複雑なポスト
・プル熱サイクルを受けている点が異なる。曲線ＤＤに
よって示される酸素析出濃度は、最小値約４ＰＰＭＡか
ら最大値約１６ＰＰＭＡまで、すなわち、平均約１０±
６ＰＰＭＡまで変化している。

【００４６】図５，６で示される処理から観察される析
出濃度のばらつきは、図３，４で示される処理から観察
されるばらつきよりも概して大きいが、全体的な傾向は
同じである。すなわち、結晶に沿って（種端部から上方
傾斜の方向で）本発明による初期酸素濃度分布を施すこ
とにより、結晶の異なる部分から取られるウェーハ中の
酸素析出核濃度はより均一となり、そのためこれらのウ
ェーハが単純および複雑なデバイス製造のための通常の
ウェーハ処理中に受ける熱サイクルと同等な熱サイクル
に供せられると、その結果得られる析出錯体も、ウェー
ハごとに密度およびサイズの点でより均一となる。これ
は重要かつ有利な結果である。なぜならば、それにより
デバイスを製造する材料の特性がより均一になるためで
ある。

【００４７】上記の説明および添付の図面に基づいて、
本発明は結晶の長さ方向に沿ってより均一な不純物析出
核濃度を有する単結晶ボウルを形成する改善された手段
および方法を提供することが明らかである。本発明の手
段および方法は、シリコンおよび／またはゲルマニウム
などの半導体材料における酸素，窒素および／または炭
素などの不純物に対して特に重要である。

【００４８】さらに、本発明は、単結晶から切り出され
た個々のウェーハにおけるデバイス製造に関連する熱サ
イクルは別にして、成長させたままのボウルに対し実質
的なポスト・プル熱処理を施さずに、より均一な析出核
濃度を可能にすることが明らかである。また、本発明の
手段および方法は、単結晶ボウルの長さ方向に沿って初
期不純物濃度を変化させ、ボウルの異なる部分から切り
出されたウェーハ中の後処理不純物析出濃度が実質的に
同様になり、またデバイス製造のためのその後のウェー
ハ処理中において高温熱処理をウェーハに施すことを鑑
みても、結晶引き上げ中におけるボウルの異なる部分の
核発生温度露出の相違を補正する。

【００４９】本発明を説明してきたが、本発明の手段お
よび方法は他の析出可能不純物およびその他の結晶材料
にも適用されることが当業者により理解される。さらに
、本発明を適用することにより、ボウルから切り出され
て、デバイスまたは集積回路に処理された後あるいはそ
の組み合わせの後にウェーハが受ける熱処理が析出形成
に及ぼす影響を含む、成長中にボウルの各部が受ける時
間／温度差を補正することができることが当業者に理解
される。

【００５０】さらに、ボウルの最初に成長させた部分の
初期不純物濃度を低下させ、かつボウルの後で成長させ
た部分の濃度を高くする好的な手段として結晶成長条件
を変えることを示してきたが、その他の手段も利用でき
る。その例として、非均一的にボウルを加熱しながら処
理済みボウルを酸素またはその他の析出可能不純物に晒
して、融解不純物濃度がボウルに沿った位置に応じて変
化させる方法もあるが、これに限定されるものではない
。この方法は、放射方向の均一な不純物濃度を確保する
ためには長い加熱時間を必要とするという欠点がある。

【００５１】本明細書の説明に基づき考えられるこれら
およびその他の変形例は請求の範囲に含まれるものとす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＣＺ結晶プラーの概略図である。

【図２】種端部（Ｓ）近傍およびタング端部（Ｔ）近傍
のＣＺ成長結晶部分への異なる温度に対する近似露出時
間を示すグラフである。

【図３】従来技術に従った、結晶の種端部からの距離の
関数として、濃度をＰＰＭＡで表した、結晶形成後の初
期（成長させたままの状態の）酸素濃度（曲線Ａ）およ
び簡略デバイス処理を模擬した加熱サイクル後の析出酸
素濃度（曲線Ｂ）を示すグラフである。

【図４】図３と同様のグラフであるが、本発明による初
期酸素濃度を示すグラフであり、曲線Ｃは図３の曲線Ａ
と同様の初期酸素濃度であり、曲線Ｄは図３の曲線Ｂの
場合と同じ模擬デバイス処理後の酸素析出濃度である。

【図５】従来技術に従った、結晶種端部からの距離を関
数として、濃度をＰＰＭＡで表した、結晶形成後の初期
（成長させたままの状態の）酸素濃度（曲線ＡＡ）およ
びより複雑なデバイス処理を模擬した加熱サイクル後の
析出酸素濃度（曲線ＢＢ）を示すグラフである。

【図６】図４と同様のグラフであるが、本発明による初
期酸素濃度を示すグラフであり、曲線ＣＣは図５の曲線
ＡＡと同様の初期酸素濃度であり、曲線ＤＤは図５の曲
線ＢＢの場合と同じ模擬デバイス処理後の酸素析出濃度
である。

【符号の説明】

１０　　ＣＺ結晶プラー １４　　るつぼ １６　　融成物 ２０　　単結晶（ボウル）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不純物析出がより均一な単結晶半導体デバ
   イスを形成する方法であって：半導体材料を含有する融
   成物（１６）を設け、融成物（１６）を、半導体材料に
   融解するが凝固後に半導体材料中に部分的に析出する不
   純物に晒す段階；および融成物（１６）の一部から、不
   純物の一部が取り入れられた半導体材料の単結晶（２０
   ）を形成する段階によって構成され、低濃度の不純物が
   単結晶（２０）の最初に形成された部分に取り入れられ
   、高濃度の不純物が単結晶（２０）の後で形成された部
   分に取り入れられることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】結晶材料のボウルからのウェーハに半導体
   デバイスを形成する方法であって：析出可能不純物源に
   晒される半導体材料の融成物（１６）を設ける段階；融
   成物（１６）からの単結晶半導体材料を冷却して、結晶
   材料のボウル（２０）を形成し、所定の量の析出可能不
   純物をボウル（２０）に取り入れる段階であって、第１
   の所定の析出可能不純物量がボウル（２０）の最初に形
   成された部分に取り入れられ、該第１の所定の析出可能
   不純物量よりも大きい第２の所定の析出可能不純物量が
   ボウル（２０）の後で形成された部分に取り入れられる
   ところの冷却段階；ボウル（２０）をスライスしてウェ
   ーハとする段階；およびウェーハにデバイスを形成する
   段階によって構成され、析出可能不純物の一部がデバイ
   ス形成中にウェーハ内に析出することを特徴とする方法
   。
3. 【請求項３】析出可能不純物を含有し、第１の所定の初
   期濃度が結晶（２０）の第１端部近傍の第１位置におけ
   る第１の値から、結晶（２０）に沿って該第１位置から
   離間した第２位置における第２のより大きい値へと増加
   する半導体材料の結晶（２０）であって、不純物の一部
   が結晶（２０）から取られたウェーハ内に析出し、かつ
   第１位置からのウェーハにおいて第１の濃度を有し、第
   ２位置からのウェーハにおいて実質的に同じ濃度を有す
   ることを特徴とする結晶（２０）。