JPH05294778A - 単結晶引き上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 単結晶原料を溶融させるるつぼ１１と、るつ
ぼ１１の周囲に配設されたヒータ１４と、るつぼ１１を
所定の速度で回転させる回転軸１３と、るつぼ１１内の
溶融液１７から単結晶１８を成長させながら引き上げる
引き上げ軸１５とを備えた単結晶引き上げ装置におい
て、るつぼ１１から溶融液１７中に溶け出したクラスタ
ー状物質を捕獲するフィルタ１９がるつぼ１１内に配設
されている単結晶引き上げ装置。 【効果】 高温で安定な酸素析出物の核となるクラスタ
ー状物質が結晶中に取り込まれる量を低減することがで
きる。従って、酸化膜の耐圧特性等が向上した単結晶シ
リコンを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶引き上げ装置、よ
り詳しくはＬＳＩ等の集積回路素子の基板を形成するた
めに用いられる半導体単結晶を引き上げる単結晶引き上
げ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＬＳＩ等の集積回路素子の基板を
形成するために用いられている単結晶シリコンの大部分
は、石英るつぼ内のシリコン溶融液からの回転引き上げ
法、すなわちチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称
す）により作製されている。このＣＺ法を用いた場合、
石英るつぼ自身がシリコン溶融液に溶解して酸素を溶出
するため、引き上げられた結晶中には約１０¹⁸atoms/cm
³ の酸素不純物が含有されている。

【０００３】一方、シリコン中の酸素の固溶度は、例え
ばＬＳＩ製造時に行われる熱酸化の代表的温度である１
０００℃のとき、約３×１０¹⁷atoms/cm³ である。従っ
て、ＬＳＩ製造のための熱処理過程ではシリコン基板に
含有される酸素は常に過飽和状態となっており、シリコ
ン基板内に酸素が析出しやすい状態にある。

【０００４】またシリコン単結晶中の酸素の働きは複雑
であり、かつ多岐にわたっている。酸素が結晶格子間に
存在するときは転位を固着する効果があり、熱処理によ
るシリコン基板の反りを抑制する。一方、酸素が析出し
てＳｉＯ₂ に変化すると体積膨張によりシリコン原子が
放出されて積層欠陥を形成したり、さらに歪みが大きい
場合にはパンチアウト転位等の微小欠陥を形成する。

【０００５】シリコン基板においては、これら微小欠陥
が表面から十分にはなれた内部にのみに発生すれば、Ｌ
ＳＩを製造する工程でシリコン基板の表面に付着した重
金属等の汚染物質を吸着して素子の活性領域から除去す
る作用、いわゆるゲッタリング作用が働き、高品質のＬ
ＳＩを製造する上で有用となる。しかし、上記した微小
欠陥が素子の活性領域に存在すると、リーク電流を増大
させる原因となる等、ＬＳＩにとって有害となる。

【０００６】そこで、ＬＳＩ製造の前処理として、シリ
コン基板の表面に無欠陥層（Denuded Zone、以下「ＤＺ
層」と記す）を形成し、シリコン基板の内部に欠陥層
（Intrinsic Gettering 、以下「ＩＧ層」と記す）を形
成するために、単結晶シリコンのインゴットをスライス
して得たシリコン基板を窒素雰囲気中で、例えば１１０
０℃程度の高温で加熱し、基板表面近傍の酸素を外方へ
拡散させて酸素濃度を低下させ、次いで、例えば７００
℃程度の低温で熱処理を施してシリコン基板内に酸素の
析出核を形成する処理が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＺ法
で作製した単結晶シリコン中には、結晶引き上げ時にす
でに高温で安定な酸素の析出物が形成されており、この
ような場合ＤＺ層を形成するための例えば１１００℃程
度の熱処理では酸素の析出物が完全には溶解せず、これ
が半導体基板素子の活性領域となるウエハ表面層に存在
すると、酸化膜の耐圧特性を劣化させるなどといった課
題があった。

【０００８】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであって、素子の活性領域となる部分に高温で安定
な酸素の析出物が存在しない単結晶を引き上げることが
できる単結晶引き上げ装置を提供することを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶引き上げ装置は、単結晶原料を溶
融させるるつぼと、該るつぼの周囲に配設された加熱手
段と、前記るつぼを所定の速度で回転させる回転手段
と、前記るつぼ内の溶融液から単結晶を成長させながら
引き上げる引き上げ手段とを備えた単結晶引き上げ装置
において、前記るつぼから溶融液中に溶け出したクラス
ター状物質を捕獲するフィルタが前記るつぼ内に配設さ
れていることを特徴とし、また上記記載の単結晶引き上
げ装置において、前記フィルタの目の大きさが直径１０
００Å以下であることを特徴としている。

【００１０】

【作用】上記した装置によれば、るつぼから溶融液中に
溶け出したクラスター状物質を捕獲するフィルタが前記
るつぼ内に配設されているので、高温で安定な酸素析出
物の核となる前記クラスター状物質が結晶中に取り込ま
れる量を低減することができる。従って酸化膜の耐圧特
性等を劣化させる要因である前記クラスター状物質の含
有量が低減した単結晶シリコンが得られる。

【００１１】また従来の方法により引き上げた結晶中の
ＳｉＯ_x の評価を光散乱トモグラフ、透過電子顕微鏡に
より行った結果、結晶中のＳｉＯ_x は５×１０⁶cm^-3 の
密度で直径１１００〜１７００Åであることが観察され
た。この結果よりフィルタの目の大きさとしては直径１
０００Å以下が望ましいことが判明した。

【００１２】よって上記記載の単結晶引き上げ装置にお
いて、前記フィルタの目の大きさが直径１０００Å以下
である場合、前記フィルタによってＳｉＯ_x クラスター
が効率よく捕獲され、結晶中に取り込まれるＳｉＯ_x 量
が低減する。

【００１３】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ装置の実施例を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１は実施例におけるＣＺ法で使用される
単結晶引き上げ装置の要部を示した模式的断面図であ
り、図中１１はるつぼを示しており、るつぼ１１は有底
円筒状の石英製の内層容器１１ａと、この内層容器１１
ａの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層
保持容器１１ｂとから構成され、るつぼ１１は回転軸１
３を中心に回転させられるように構成されている。また
るつぼ１１の外側にはヒータ１４が同心円筒状に配設さ
れている。またるつぼ１１内にはヒータ１４により溶融
された原料となる溶融液１７が充填されており、この溶
融液１７の上層に浸されたフィルタ１９がるつぼ１１の
上部に配設されている。このフィルタ１９は厚さ１mmの
石英板をリソグラフィー技術を用い、電子線による露光
により直径１０００Åの目を多数開けた構成となってい
る。さらに石英るつぼ１１の中心軸上に引き上げ軸１５
が吊設されており、引き上げ軸１５先端には種結晶１６
が取り付けられ、単結晶１８を成長させるようになって
いる。

【００１５】この単結晶引き上げ装置を用いて単結晶１
８を成長させる場合、るつぼ１１にポリシリコンを入
れ、回転軸１３を回転させながらヒータ１４により前記
ポリシリコンを溶融させて溶融液１７にし、溶融液１７
に種結晶１６を浸して引き上げ軸１５を回転させながら
引き上げ冷却を行なう。このとき、内層容器１１ａから
溶融液１７中に溶け出すクラスター状ＳｉＯ_X が結晶中
に取り込まれないように溶融液１７をフィルタ１９に通
しながら引き上げる。なお単結晶１８の直径は６インチ
になるよう成長させた。

【００１６】上記した単結晶引き上げ装置を用いて得ら
れたシリコン単結晶１８中のＳｉＯ_x クラスター量と、
比較例としてフィルタ１９が配設されていない従来の装
置を用いて得られたシリコン単結晶中のＳｉＯ_x クラス
ター量とを下記の方法により確認した。本実施例に係る
単結晶１８及び比較例に係る単結晶により共に厚さ２mm
のウエハを切り出し、両面鏡面研磨を施したものを試料
とした。

【００１７】この２種のウエハの赤外吸収スペクトルを
フーリエ変換型赤外分光装置で測定し、スペクトルより
１１０７cm^-1の格子間酸素の吸収を引き去り、ＳｉＯ_x
による吸収の大小を比較した。このときの本実施例及び
比較例における試料の赤外吸収スペクトルを図２に示し
た。この図２の縦軸は吸光度を、横軸は波数を示してい
る。

【００１８】図２より明らかなように、実施例に係るウ
エハの方が比較例に係るウエハよりＳｉＯ_x による１０
５０〜１２００cm^-1における吸収量が小さく、結晶引き
上げ中に取り込まれたＳｉＯ_x クラスター量がフィルタ
１９を通すことによって減少したことがわかる。

【００１９】次に、酸化膜の耐圧特性の向上を下記の方
法により確認した。実施例及び比較例に係る単結晶より
厚さ０．８mmのウエハを切り出し、片面鏡面研磨を施し
た。前記ウエハを洗浄後、拡散炉で酸素雰囲気中９５０
℃の熱処理で２５０Åの酸化膜を形成した。

【００２０】次にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical
Vapor Deposition）装置でＨｅをベースとした濃度２０
％のＳｉＨ₄ ガスを流しながら６３０℃で電極となる多
結晶シリコンを４０００Å形成し、次にＰＯＣｌ₃ 、Ｏ
₂ 及びＮ₂ ガスを流しながら９００℃で熱処理を施し、
電極となる多結晶シリコンにＰを拡散させた。さらにウ
エハ裏面の多結晶シリコン層上に形成されたＰを含む酸
化膜を除去するためにＨＦ（５０％）：Ｈ₂ Ｏ＝１：１
０の溶液を用い、１０秒間のエッチング処理を行った。
その後、フォトリソグラフィにより８mm² の多結晶シリ
コンの電極をウエハ全面に２５４個作製した。

【００２１】このようにして実施例及び比較例に係るウ
エハに作製した酸化膜耐圧評価素子の特性をそれぞれ図
３及び図４に示す。

【００２２】図３、図４では１mmＡの電流が電極間に流
れた時をブレークダウンとし、その時の電界強度が０〜
２ＭＶ／cmのとき黒塗りし、２〜５ＭＶ／cmのとき×印
を、５〜８ＭＶ／cmのとき／印を付け、８ＭＶ／cm以上
のとき無印とした。

【００２３】図３より明らかなように、実施例に係る場
合、８ＭＶ／cmの電界強度でもブレークダウンしない素
子数は２５４素子中２１６素子であり、良品率は８５％
という結果が得られた。

【００２４】これに対して比較例に係る場合、図４より
明らかなように、８ＭＶ／cmの電界強度でもブレークダ
ウンしない素子数は２５４素子中１０６素子であり、良
品率は４２％という結果となった。

【００２５】このように上記実施例に係る単結晶引き上
げ装置においては、石英るつぼ１１から融液中に溶けだ
すＳｉＯ_x クラスターが結晶中に取り込まれないよう
に、石英るつぼ１１内にフィルタ１９が配設されてお
り、しかもＳｉＯ_x クラスターの直径は１１００〜１７
００Åであり、フィルタ１９の目の大きさを直径１００
０Å以下に形成しているので、単結晶中に取り込まれる
ＳｉＯ_x 量を少なくすることができる。従って、酸化膜
の耐圧特性がよい単結晶シリコンを提供することができ
る。またフィルタの材質としては、例えば石英が使用さ
れる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る単結晶
引き上げ装置にあっては、るつぼから溶融液中に溶け出
したクラスター状物質を捕獲するフィルタが前記るつぼ
内に配設されているので、高温で安定な酸素析出物の核
となる前記クラスター状物質が結晶中に取り込まれる量
を低減することができる。

【００２７】また上記記載の単結晶引き上げ装置におい
て、フィルタの目の大きさが直径１０００Å以下である
場合、ＳｉＯ_x クラスターは通常直径が１１００〜１７
００Åであることから、前記フィルタによってＳｉＯ_x
クラスターをほぼ完全に捕獲することができる。

【００２８】従って酸化膜の耐圧特性等を劣化させる要
因である前記クラスター状物質の含有量が低減した単結
晶シリコンを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶引き上げ装置の実施例の要
部を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例及び比較例に係る単結晶シリコンの赤外
吸収スペクトルを示すグラフである。

【図３】実施例に係る単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性
のウエハ面内分布を示す図である。

【図４】比較例に係る単結晶シリコンの酸化膜耐圧特性
のウエハ面内分布を示す図である。

【符号の説明】

１１ るつぼ １３ 回転軸（回転手段） １４ ヒータ（加熱手段） １５ 引き上げ軸（引き上げ手段） １７ 溶融液 １８ 単結晶 １９ フィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶原料を溶融させるるつぼと、該る
   つぼの周囲に配設された加熱手段と、前記るつぼを所定
   の速度で回転させる回転手段と、前記るつぼ内の溶融液
   から単結晶を成長させながら引き上げる引き上げ手段と
   を備えた単結晶引き上げ装置において、前記るつぼから
   溶融液中に溶け出したクラスター状物質を捕獲するフィ
   ルタが前記るつぼ内に配設されていることを特徴とする
   単結晶引き上げ装置。