(57)【要約】      （修正有）【課題】リンをドープするための中性子を照射することなく結晶径方向の面内抵抗率のバラツキを低減することが可能なシリコン単結晶の育成方法を提供する。【解決手段】シリコン単結晶の融点から１３７０℃までの温度勾配を中心部でＧc、外周部でＧeとしたとき、Ｇc／Ｇe≧１とし、るつぼ１３内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加しながら、前記るつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下、シリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下として、ｎ型ドーパント含有シリコン融液からシリコン単結晶１１を育成する。これにより、シリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、シリコン単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下となり、更にシリコン単結晶１１内にサイズが１００ｎｍ以下でかつ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるＣＯＰの発生領域を含むシリコン単結晶１１が得られる。【選択図】図１
2010202414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバに収容されたるつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引上げて育成するシリコン単結晶の育成方法において、
前記るつぼ内に貯留されたシリコン融液がｎ型ドーパントを含有し、
前記シリコン単結晶内の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、
前記シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であり、
前記シリコン単結晶内にサイズが１００ｎｍ以下でありかつ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるＣＯＰの発生領域を含む
ことを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
【請求項２】
育成中のシリコン単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における前記シリコン単結晶の引上げ軸方向の温度勾配のうち、前記育成中のシリコン単結晶の中心部の温度勾配をＧcとし、前記育成中のシリコン単結晶の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下で前記シリコン単結晶を育成する請求項１記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項３】
るつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、前記るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、育成中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下である請求項１又は２記載のシリコン単結晶の育成方法。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項に記載の方法で育成されたシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰを消滅させることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに適したシリコンウェーハを製造するために、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する方法と、ウェーハ内部の欠陥が低減されたシリコンウェーハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下、ＩＧＢＴという）の開発などが進められている。ＩＧＢＴは、メモリ等のＬＳＩのようにウェーハの表面近傍だけ（ウェーハの横方向だけ）を使う素子ではなく、ウェーハの厚さ方向（ウェーハの縦方向）をも使う素子であるので、その特性はウェーハのバルクの品質に影響される。このため、ウェーハ表層部に存在するＣＯＰ（Crystal Originated Particle：空孔型凝集欠陥）や酸素析出物だけではなく、ウェーハ内部のＣＯＰや酸素析出物をも低減する必要がある。
【０００３】
従来、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハ又はその製造方法が、例えば、特許文献１及び２に開示されている。特許文献１には、水素ガス雰囲気中でチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によりシリコン単結晶を育成し、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除され、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度が８．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、このシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハの面内における抵抗率のバラツキが５％以下であるＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハが開示されている。このように構成されたＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハでは、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除されているので、ウェーハを縦方向に使う素子であるＩＧＢＴ用のウェーハとして好適である。即ち、シリコン単結晶の径方向全域においてＣＯＰ及び転位クラスタが排除されているので、ＩＧＢＴ製造工程におけるウェーハ表面でのゲート酸化膜の形成時に、ＣＯＰがゲート酸化膜に取込まれることがなく、ＧＯＩ（Gate Oxide Integrity：ゲート酸化膜の耐圧特性）を劣化させることがない。また転位クラスタが排除されることにより、集積回路におけるリーク電流を防止できるようになっている。
【０００４】
一方、特許文献２には、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理するシリコンウェーハの製造方法が開示されている。この製造方法では、シリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理する温度をＴ℃とし、シリコンウェーハの格子間酸素濃度を［Ｏi］ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とするとき、温度Ｔと格子間酸素濃度［Ｏi］との関係が次の式（１）を満たすように熱処理される。
【０００５】
［Ｏi］≦２．１２３×１０21ｅｘｐ（−１．０３５／ｋ（Ｔ＋２７３））…（１）
上記式（１）において、格子間酸素濃度［Ｏi］は、ＦＴ−ＩＲ法で測定した値（ＡＳＴＭ  Ｆ−１２１，１９７９年）であり、ｋはボルツマン定数８．６１７×１０-5ｅＶ／Ｋである。また、シリコン単結晶として、中性子照射によりリンがドープされた単結晶が用いれる。このように製造されたシリコンウェーハでは、シリコンウェーハを酸化性雰囲気で熱処理するとき、熱処理温度Ｔと格子間酸素濃度［Ｏi］とが上記関係を満たすように熱処理温度Ｔを設定すると、酸化熱処理によりシリコンウェーハの表面に生じた格子間シリコン原子がシリコンウェーハの内部に拡散し、これらが空洞であるＣＯＰを埋めるため、シリコンウェーハ内の浅い位置から深い位置まで全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。またリンなどのドーパントをドープせずにシリコン単結晶を育成し、このシリコン単結晶に中性子を照射することにより、シリコン単結晶にリンをドープするので、シリコン単結晶の成長軸方向の比抵抗を均一にすることができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５４２７４号公報（請求項１、段落［００１５］）
【特許文献２】再公表特許 ＷＯ２００４／０７３０５７号公報（請求項１及び２、明細書第５頁第９行〜同頁第１７行、明細書第５頁第２２行〜同頁第２６行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来の特許文献１に示されたＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハでは、水素ガス雰囲気中でシリコン単結晶を育成することにより、グローイン欠陥のない領域を得るために許容される引上げ速度の幅（無欠陥マージン）が拡大するけれども、ＣＯＰ及び転位クラスタが排除されたグローイン欠陥のないシリコン単結晶を得るためには、これまでのアルゴンガス雰囲気によるシリコン単結晶の育成と同様に、引上げ速度を遅くしなければならず、生産性の低下を招く不具合があった。また、水素ガス雰囲気中でＣＯＰが発生するような育成条件でシリコン単結晶を育成すると、ＣＯＰ発生領域内に水素欠陥と呼ばれる巨大空洞欠陥が発生する問題点もあった。
【０００８】
一方、上記従来の特許文献２に示されたシリコンウェーハの製造方法では、リン等をドープせずにシリコン単結晶を育成して、このシリコン単結晶に中性子を照射することにより、単結晶の径方向及び軸方向に抵抗率の均一なシリコンウェーハを得ることができ、上記中性子照射の技術はドーパント濃度の均一化を図る上で有効な方法であるけれども、中性子照射は重水炉などの原子炉を用いて行わなければならず、このような処理が行える機関は全世界を通しても僅かしか存在しない。このため、中性子照射を採用する場合、工業生産的に大量に製品ウェーハを製造できなくなることが予想される。また、中性子照射により単結晶内に導入された照射ダメージを回復するための熱処理が必要となり、製造コストを押上げてしまうとともに、中性子照射ではリンをドープした単結晶しか製造することができないという問題点もあった。
【０００９】
また、上記従来の特許文献２に示されたシリコンウェーハの製造方法では、特定の格子間酸素濃度と特定の酸化熱処理温度との関係を満足するように、シリコンウェーハ中の酸素濃度とその後の酸化熱処理条件を調整することにより、ウェーハ表層部だけではなく、ウェーハ内の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができるけれども、元々単結晶内に存在するＣＯＰのサイズが大きい場合やＣＯＰの密度が高い場合には、酸化熱処理を施してもＣＯＰを完全に消滅させることができない問題があった。
【００１０】
一方、ＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハとしては、これまで以上に酸素濃度が可及的に低減され、かつ面内の抵抗分布が均一なシリコンウェーハの提供が要求される。シリコン単結晶中の酸素濃度を低下させる技術として、これまでシリコン融液に水平磁場を印加してるつぼの回転速度を遅くすることにより、るつぼからシリコン融液中への酸素の取込み量を低減することができ、単結晶中の格子間酸素濃度を低下できることが知られていた。しかしながら、本発明者らの実験によれば、シリコン融液に水平磁場を印加しるつぼの回転速度を低速にするだけでは、格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下というような極めて酸素濃度の低いシリコン単結晶を育成できないことが明らかとなった。また、シリコン単結晶の回転速度を速めると、シリコン単結晶の面内のドーパント濃度（抵抗率分布）が均一化することが知られているけれども、単結晶の回転速度を速めると酸素濃度が上昇してしまう問題がある。ところが、単結晶とシリコン融液との固液界面の形状が平坦化するような育成条件であれば、単結晶の回転速度を遅くしても単結晶の径方向のドーパント濃度分布が悪化せず、格子間酸素濃度をより低減できることを知見した。
【００１１】
本発明の目的は、シリコン単結晶に中性子を照射せずに済み、単結晶の引上げ速度の幅を比較的広くすることができ、更にシリコン単結晶内の径方向の面内抵抗率のバラツキを低減することができる、シリコン単結晶の育成方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに酸化熱処理を施すことにより、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の観点は、チャンバに収容されたるつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引上げることにより、種結晶からシリコン単結晶を引上げて育成するシリコン単結晶の育成方法において、るつぼ内に貯留されたシリコン融液がｎ型ドーパントを含有し、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキが５％以下であり、シリコン単結晶内にサイズが１００ｎｍ以下でありかつ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるＣＯＰの発生領域を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に育成中のシリコン単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域におけるシリコン単結晶の引上げ軸方向の温度勾配のうち、育成中のシリコン単結晶の中心部の温度勾配をＧcとし、育成中のシリコン単結晶の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下でシリコン単結晶を育成することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更にるつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、育成中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点のいずれかに記載の方法で育成されたシリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰを消滅させることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の観点の育成方法では、ｎ型ドーパントを含有するシリコン融液からＣＺ法を用いてシリコン単結晶を引上げるので、シリコン単結晶に中性子を照射せずに済む。この結果、中性子照射によるリンドープにおける問題点、即ち中性子照射によるリンドープを行った単結晶の生産性が極めて低く十分な量を市場に供給できなかったり、或いは中性子照射による単結晶のダメージの回復処理が必要となるという問題点を解消することができる。また所定のサイズ及び密度のＣＯＰ発生領域を含む結晶領域を対象とするので、無欠陥単結晶における問題点、即ち無欠陥単結晶の生産性が低下したり、或いは許容される引上げ速度の幅が狭いことによる単結晶の育成制御が困難となるという問題点を解消することができる。
【００１８】
本発明の第２の観点の育成方法では、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶を育成することにより、ＣＯＰのサイズが小さくかつその密度が低い単結晶を得ることができる。従来の育成方法のＧc／Ｇe＜１の関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するように単結晶を育成すると、即ち引上げ速度を速くしてＣＯＰサイズを縮小化させるのに適した冷却速度の速いホットゾーンで単結晶を育成すると、単結晶内のＣＯＰのサイズは小さくなるけれども、その密度は高くなってしまう。この結果、従来のホットゾーンで育成された単結晶では、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることはできないけれども、本発明のホットゾーンで育成された単結晶では、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。
【００１９】
本発明の第３の観点の育成方法では、シリコン融液に水平磁場を印加し、るつぼの回転速度を遅くし、更に単結晶の回転速度を遅くしたので、単結晶の径方向のｎ型ドーパントの濃度分布を均一に保ったまま、単結晶内の格子間酸素濃度を低減できる。
【００２０】
本発明の第４の観点の製造方法では、上記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるため、このウェーハに所定の酸化熱処理を施すと、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明実施形態のシリコン単結晶の育成方法に用いられる装置の縦断面構成図である。
【図２】左半分は冷却速度の速いホットゾーンで育成したシリコン単結晶中に発生する結晶欠陥の生成挙動を示す模式図であり、右半分は無欠陥単結晶の育成に適したホットゾーンで育成したシリコン単結晶中に発生する結晶欠陥の生成挙動を示す模式図である。
【図３】比較例２及び３のウェーハ内の光散乱体（ＣＯＰ）のサイズ及び密度の関係を示す図である。
【図４】比較例４及び実施例２のウェーハ内の光散乱体（ＣＯＰ）のサイズ及び密度の関係を示す図である。
【図５】比較例２及び３のウェーハについて酸化熱処理を施す前後におけるＧＯＩの歩留まりを示す図である。
【図６】比較例４及び実施例２のウェーハについて酸化熱処理を施す前後におけるＧＯＩの歩留まりを示す図である。
【図７】比較例５及び６のウェーハについて酸化熱処理を施す前後におけるＧＯＩの歩留まりを示す図である。
【図８】実施例３〜５のウェーハについて酸化熱処理を施す前後におけるＧＯＩの歩留まりを示す図である。
【図９】実施例６の無欠陥単結晶の育成に適したホットゾーンで育成したシリコン単結晶内の育成方向の酸素濃度分布を示す図である。
【図１０】実施例６の無欠陥単結晶の育成に適したホットゾーンで育成したシリコン単結晶内の径方向の比抵抗の面内分布を示す図である。
【図１１】るつぼの回転速度と単結晶の回転速度と格子間酸素濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、シリコン単結晶１１の育成装置は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１２と、このチャンバ１２内の中央に設けられたるつぼ１３とを備える。メインチャンバ１２は円筒状の真空容器である。またるつぼ１３は、石英により形成されシリコン融液１５が貯留される有底円筒状の内層容器１３ａと、黒鉛により形成され上記内層容器１３ａの外側に嵌合された有底円筒状の外層容器１３ｂとからなる。外層容器１３ｂの底部にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下端にはシャフト１４を介してるつぼ１３を回転させかつ昇降させるるつぼ駆動手段１６が設けられる。更にるつぼ１３の外周面は円筒状のヒータ１７によりるつぼ１３の外周面から所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８によりヒータ１７の外周面から所定の間隔をあけて包囲される。なお、るつぼ１３に貯留されるシリコン融液１５には、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）等のｎ型ドーパントが含有される。
【００２３】
一方、メインチャンバ１２の上端には、内部が連通するようにメインチャンバ１２より小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバ１９の上端には引上げ回転手段２０が設けられる。この引上げ回転手段２０は、下端にシードチャック２１が取付けられた引上げ軸２２を昇降させるとともに、この引上げ軸２２をその軸線を中心に回転させるように構成される。また上記シードチャック２１には種結晶２３が着脱可能に装着される。この種結晶２３の下端をシリコン融液１５中に浸漬した後、種結晶２３を引上げ回転手段２０により回転させかつ引上げるとともに、るつぼ１３をるつぼ駆動手段１６により回転させかつ上昇させることにより、種結晶２３の下端からシリコン単結晶１１を引上げて育成するように構成される。
【００２４】
メインチャンバ１２内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通される。プルチャンバ１９の側壁にはガス供給パイプ２４の一端が接続され、このガス供給パイプ２４の他端は不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続される。またメインチャンバ１２の下壁にはガス排出パイプ２６の一端が接続され、このガス排出パイプ２６の他端は真空ポンプ２７の吸入口に接続される。タンク内の不活性ガスは、ガス供給パイプ２４を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１２内を通った後、ガス排出パイプ２６を通ってメインチャンバ１２から排出されるように構成される。なお、ガス供給パイプ２４及び排出パイプ２６にはこれらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁４１，４２がそれぞれ設けられる。
【００２５】
またメインチャンバ１２内には、シリコン単結晶１１外周面へのヒータ１７の輻射熱の照射を遮るとともに、上記不活性ガスを整流するための熱遮蔽体２８が設けられる。この熱遮蔽体２８は、下方に向うに従って直径が次第に小さくなりかつシリコン融液１５から引上げられるシリコン単結晶１１の外周面をこの外周面から所定の間隔をあけて包囲する円錐台状の筒体２８ａと、この筒体２８ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部２８ｂとを有する。熱遮蔽体２８は、フランジ部２８ｂを保温筒１８上にリング板２８ｃを介して載置することにより、筒体２８ａの下縁がシリコン融液１５表面から所定のギャップをあけて上方に位置するようにメインチャンバ１２内に固定される。更にシリコン融液１５には水平磁場２９を印加しながらシリコン単結晶１１を引上げるように構成される。この水平磁場２９は、同一のコイル直径を有する第１及び第２コイル３１，３２を、るつぼ１３の外周面から水平方向に所定の間隔をあけた外側方に、るつぼ１３を中心として互いに対向するように配設し、これらのコイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより発生する。
【００２６】
このように構成された装置を用いてシリコン単結晶１１を育成する方法を説明する。先ずシリコン原料の溶解前（溶解後であってもよい。）にＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）等のｎ型ドーパントを添加してシリコン融液１５にｎ型ドーパントを含有させる。ＩＧＢＴ用として要求されるシリコンウェーハの抵抗率範囲は１０Ωｃｍ〜１０００Ωｃｍであり、この抵抗率範囲を満足するようにｎ型ドーパントの含有量が調整される。また第１及び第２コイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより水平磁場２９を発生させる。この水平磁場２９の磁場強度はシリコン融液１５表面とるつぼ１３の中心軸との交点で測定され、その磁場強度が０．２Ｔ（テスラ）以上となるように、第１及び第２コイル３１，３２に流れる電流が制御される。ここで、磁場強度を０．２Ｔ以上に限定したのは、磁場強度が０．２Ｔ未満ではシリコン単結晶１１への酸素の取込みを低減するという効果が薄れてしまうからである。但し、過度に磁場強度を高くすると、るつぼ１３の内層容器１３ａの内表面の劣化を促進し単結晶１１の有転位化を招くおそれがあるため、磁場強度を０．５Ｔ以下とすることが望ましい。
【００２７】
次に上記育成装置を用いて育成するシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を育成する。ここで、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を育成するのは、ＣＯＰのサイズが小さくかつその密度が低い単結晶１１を得るためである。具体的には、単結晶１１内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下、かつその密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、好ましくは１×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるＣＯＰの発生領域を含む単結晶１１を育成する。ここで、単結晶１１内におけるＣＯＰのサイズを１００ｎｍ以下に限定したのは、このサイズよりもＣＯＰサイズが大きい場合には高温の酸化熱処理を施してもＣＯＰが消滅し難くなるからであり、単結晶１１内におけるＣＯＰの密度を３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に限定したのは、３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えるとそのＣＯＰ密度が多いため、酸化熱処理を施しても消滅されないＣＯＰ密度が増加してしまうからである。
【００２８】
更にシリコン単結晶１１の育成中におけるるつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下、好ましくは０．３ｒｐｍ以下に設定し、育成中のシリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下、好ましくは５ｒｐｍ以下に設定する。ここで、るつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下に限定し、シリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下に限定したのは、シリコン単結晶１１の格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に保つとともに、ｎ型ドーパントを含有するシリコン融液１５からシリコン単結晶１１を引上げても、シリコン単結晶１１内の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下に保つためである。なお、シリコン単結晶１１の回転速度の下限は０．５ｒｐｍ以上とすることが望ましく、これよりも遅い場合にはシリコン単結晶１１に変形を生じたり、面内の抵抗率分布が悪化することになる。上述のように、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件とすることで、単結晶１１とシリコン融液１５との固液界面の形状が平坦化し、この状態でシリコン融液１５に水平磁場２９を印加し、るつぼ１３の回転速度を遅くし、更に単結晶１１の回転速度を遅くすることで、単結晶１１の径方向のｎ型ドーパントの濃度分布を均一に保ったまま、単結晶１１内の格子間酸素濃度を低減できる。
【００２９】
このようにシリコン単結晶１１を製造することにより、単結晶１１内の格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、好ましくは４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下とする。なお、本明細書における格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値である。ここで、単結晶１１内の格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に限定したのは、６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えると単結晶１１内に酸素析出物が形成されて再結合ライフタイムが低下したり、酸素ドナー形成による抵抗率の変動を生じるという不具合があり、更に酸化熱処理によってＣＯＰを消滅することが困難となるからである。また単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下、好ましくは４％以下とする。ここで、単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下とすることでＩＧＢＴの品質を安定にできデバイス工程における歩留まりが向上する。
【００３０】
上記単結晶１１をスライスして得られたシリコンウェーハについて、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃、好ましくは１１５０〜１２００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間、好ましくは３〜４℃保持する熱処理を施す。これによりウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。ここで、熱処理の保持温度１１００〜１３００℃の範囲内に限定したのは、１１００℃未満ではＣＯＰが消滅し難くなり、１３００℃を超えるとウェーハに与える熱負荷が大きくなり過ぎてウェーハにスリップ転位などが発生してしまうからである。更に上記熱処理の保持時間を２〜５時間の範囲内に限定したのは、２時間未満ではＣＯＰを十分に消滅させることができず、５時間を超えて熱処理を行ってもＣＯＰ消滅効果はさほど変わらないからである。
【実施例】
【００３１】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示す育成装置を用いて育成するシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe＝１．２という関係を満たす条件下で、即ち図２のホットゾーンＢで、引上げ速度を徐々に低下させて単結晶１１を育成した。ここで、育成した単結晶１１の直胴部トップの位置における径方向の面内抵抗率が１００Ωｃｍとなるように、溶解前にシリコン原料にリンを添加してシリコン融液１５にリンを含有させ、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．３Ｔの水平磁場を印加して、格子間酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶と、格子間酸素濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶を育成した。上記格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。
【００３２】
一方、単結晶内の欠陥分布を調べるためには、ＯＳＦリングの発生分布を確認する必要がある。そこで、ＯＳＦリングの発生分布を確認するために、故意に酸素濃度の高いシリコン単結晶（酸素濃度：１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）も育成した。この結果に基づき酸素濃度の低いシリコン単結晶（酸素濃度：３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の欠陥分布を推定した。この場合、酸素濃度が異なるだけでその他の仕様は同一とした。具体的には、単結晶の直径を２１０ｍｍとし、結晶方位を＜１００＞とし、単結晶の直胴部の長さを１７００ｍｍとした。更に単結晶の引上げ速度をいくら速くしても、ＯＳＦリングの発生領域は単結晶の最外周部より外に排除する（消滅させる）ことができない。このため、単結晶の最外周部にＯＳＦリングの発生領域が存在することになるけれども、このＯＳＦリング領域はその後の単結晶の丸め加工、即ち単結晶の直径が２１０ｍｍから２００ｍｍになるように単結晶の外周面を切削することにより排除される。このため、育成する実際の単結晶の直径を目標直径よりも大きいものとした。
【００３３】
＜比較例１＞
育成する単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域の冷却が促進されるように、炉内の構造部品（断熱材や熱遮蔽体等）の配設位置や構造を調整したホットゾーン、即ちＧc＜Ｇeの関係、具体的にはＧc／Ｇe＝０．９８という関係を満たす図２のホットゾーンＡを有するシリコン単結晶の育成装置（図示せず）を用いたこと以外は、実施例１と同一条件でシリコン単結晶を育成した。
【００３４】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の育成装置により育成したシリコン単結晶のうち酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である高酸素濃度の単結晶を縦割りにして、評価用サンプルをそれぞれ作製した。そしてこれらの評価用サンプルについて酸素析出物を評価するための熱処理を施した。具体的には、評価用サンプルを酸化雰囲気中で８００℃に４時間保持した後に、１０００℃に１６時間保持する熱処理を行った。次に熱処理後の評価用サンプルの表面に銅デコレーション法により欠陥を顕在化させた。具体的には、評価用サンプル表面を銅で汚染し、１０００℃に１時間保持する熱処理を行って、銅を評価用サンプル中に拡散させた後に、評価用サンプルを急冷することにより、評価用サンプルの表面の欠陥を顕在化させた。更に急冷後の評価用サンプルをライト液で選択エッチングを行い、評価用サンプル表面に現れたピットを光学顕微鏡で観察した。その結果を図２に示す。
【００３５】
図２から明らかなように、実施例１のホットゾーンＢでは図２の右側に示すようなＯＳＦリングがＶ／Ｇが小さくなったときに中心部に向けて急激に縮小するような略Ｕ字状になり、比較例１のホットゾーンＡでは図２の左側に示すようなＯＳＦリングがＶ／Ｇが小さくなるに従って中心部に向けて徐々に縮小するような略Ｖ字状になることを確認できた。また、実施例１のホットゾーンＢと、比較例１のホットゾーンＡでは、ＣＯＰ領域におけるＣＯＰのサイズ及び密度の分布が大きく異なり、比較例１のホットゾーンＡの評価用サンプルでは、引上げ速度が速くなるほどＣＯＰのサイズは小さくなるけれども、ＣＯＰの密度が高くなるのに対し、実施例１のホットゾーンＢの評価用サンプルでは、引上げ速度が遅いほどＣＯＰのサイズが小さくなるとともに、ＣＯＰの密度も減少する傾向があることが判明した。
【００３６】
＜実施例２＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例２とした。なお、[B-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
【００３７】
＜比較例２＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例２とした。なお、[A-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
【００３８】
＜比較例３＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例３とした。なお、[A-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
【００３９】
＜比較例４＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例４とした。なお、[B-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
【００４０】
＜比較試験２及び評価＞
実施例２及び比較例２〜４のウェーハ内のＣＯＰのサイズ及び密度を測定した。具体的には、各ウェーハについて、赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いてＣＯＰのサイズ及び密度の分布をそれぞれ測定した。その結果を図３及び図４に示す。なお、ＣＯＰは赤外散乱トモグラフにより光散乱体として測定された。即ち、図３及び図４の縦軸の光散乱体の密度はＣＯＰの密度を意味する。
【００４１】
図３から明らかなように、比較例２のウェーハ（引上げ速度が速い条件で育成された[A-1]領域のウェーハ）では、ＣＯＰのサイズが小さいけれどもその密度が高かった。また比較例３のウェーハ（引上げ速度が遅い条件で育成された[A-2]領域のウェーハ）では、ＣＯＰの密度が低いけれどもそのサイズが大きかった。更に比較例２のウェーハは比較例３のウェーハに比べてＣＯＰのサイズが小さいけれどもそのサイズが１００ｎｍを超えるものが半数以上あった。一方、図４から明らかなように、比較例４のウェーハ（引上げ速度が速い条件で育成された[B-1]領域のウェーハ）では、ＣＯＰの密度は小さかったけれども、そのサイズが大きかったのに対し、実施例２のウェーハ（引上げ速度が遅い条件で育成された[B-2]領域のウェーハ）では、ＣＯＰのサイズが小さく１００ｎｍを超えるものが存在せず、かつその密度も３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であった。
【００４２】
＜比較試験３及び評価＞
実施例１及び比較例１の育成装置を用いてシリコン単結晶を育成するときのＶ／Ｇ範囲について調査した。具体的には、実施例２の[B-2]領域が得られる条件、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であって、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域が得られるＶ／Ｇ［ｍｍ2／(分・℃)］範囲を調査した。ここで、Ｖは引上げ速度（ｍｍ／分）であり、Ｇは固液界面近傍の引上げ軸方向の温度勾配（℃／ｍｍ）である。その結果、実施例２の[B-2]領域が得られるＶ／Ｇは０．２３〜０．３３［ｍｍ2／(分・℃)］の範囲であった。このＶ／Ｇの範囲はコンピュータを用いた伝熱計算により求めた。なお、図２の破線で囲む領域は、実施例２の[B-2]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域の範囲を模式的に示したものである。一方、図２の二点鎖線で囲む領域は、比較例４の[B-1]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であるけれども、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを満たさない結晶領域の範囲を模式的に示したものである。
【００４３】
＜比較試験４及び評価＞
実施例２及び比較例２〜４のウェーハについて、酸素ガス１００％の雰囲気中で１１００℃の温度に４時間保持する酸化熱処理を施した。この酸化熱処理の前後におけるＧＯＩの歩留まりをＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown：瞬時絶縁破壊）法により求めた。ＧＯＩの歩留まりは、シリコンウェーハ上にゲート酸化膜（酸化膜）と電極を形成してＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を作製した後、電極に電圧を印加しゲート酸化膜を破壊させて、ブレイクダウン電圧を測定することにより求めた。ここで、ゲート酸化膜の絶縁破壊はウェーハの欠陥部分で生じた。なお、ＴＺＤＢ法による具体的なゲート酸化膜の耐圧の測定は次のようにして行った。先ずウェーハ表面上に厚さ２５ｎｍのゲート酸化膜（ＳｉＯ2）を形成した。次にこのゲート酸化膜上にゲート電極面積１０ｍｍ2のポリシリコン電極を形成した。更にウェーハとポリシリコン電極との間にステップ電圧印加法により電圧を印加し、最終的に判定電界強度１１ＭＶ／ｃｍの電圧を印加した。測定温度は室温（２５℃）とした。その結果を図５及び図６に示す。
【００４４】
図５及び図６から明らかなように、比較例２〜４のウェーハでは、酸化熱処理によりＧＯＩ歩留まりは多少向上したけれども、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩ歩留まりは８０％程度であったのに対し、実施例２のウェーハでは、ＧＯＩ歩留まりが１００％に向上した。また赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて、酸化熱処理後の比較例４及び実施例２のウェーハについてＣＯＰの発生状況を確認したところ、比較例４のウェーハにはＣＯＰが観察されたけれども、実施例２のウェーハにはＣＯＰは観察されなかった。
【００４５】
＜実施例３＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例３とした。なお、[B-2-1]領域は単結晶の径方向の中央から外周に向ってＣＯＰの発生領域、ＯＳＦリング及び無欠陥領域がこの順に存在することを意味する。
＜実施例４＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例４とした。なお、[B-2-2]領域は単結晶の径方向の中央にＣＯＰの発生領域が存在し、径方向の外周部にＯＳＦリングが存在することを意味する。
＜実施例５＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-3]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例５とした。なお、[B-2-3]領域は単結晶の径方向の全面にＣＯＰ領域が存在することを意味する。
【００４６】
＜比較例５＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例５とした。なお、[B-1-1]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の速い側のＣＯＰの発生領域（ＣＯＰ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える領域）であることを意味する。
＜比較例６＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例６とした。なお、[B-1-2]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の遅い側のＣＯＰの発生領域（[B-2]領域に近い側の領域）であることを意味する。
【００４７】
＜比較試験５及び評価＞
実施例３〜５と比較例５及び６のウェーハについても上記比較試験４と同様にしてＧＯＩの歩留まりを求めた。この比較試験５は各結晶領域の有効性を更に検証するために行った。その結果を図７及び図８に示す。図７から明らかなように、比較例５及び６では、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが８０％程度と低かったのに対し、実施例３〜５のウェーハでは、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが１００％まで向上した。また赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて、酸化熱処理後の実施例３〜５のウェーハについてＣＯＰの発生状況を確認したところ、いずれもＣＯＰは観察されなかった。
【００４８】
＜実施例６＞
実施例２のウェーハを作製したときのＶ／Ｇの条件で、シリコン単結晶を育成した。このシリコン単結晶を実施例６とした。なお、Ｖ／Ｇを一定としたこと以外は、実施例１の育成装置を用いて作製したシリコン単結晶をスライスして実施例２のウェーハを得たときと同一条件とした。
【００４９】
＜比較試験６及び評価＞
実施例６のシリコン単結晶の径方向の比抵抗（抵抗率）ρのバラツキと引上げ軸方向の酸素濃度分布とを測定した。その結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０から明らかなように、単結晶の育成方向の位置（直胴部の引上げ長さ）に拘らず、単結晶内の酸素濃度は均一であり、単結晶の径方向の比抵抗（抵抗率）ρの分布は多少単結晶のトップ部で変動が見られたけれども、目標とする５％以内のバラツキ範囲であった。
【００５０】
＜比較試験７及び評価＞
図１に示す育成装置を用いてシリコン単結晶１１を育成した。この育成中のシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係、具体的にはＧc／Ｇe＝１．２という関係を満たす図２のホットゾーンＢを用いた。またＶ／Ｇが０．２３〜０．３３の範囲内になるように引上げ速度を調整した。また育成した単結晶１１の直胴部トップの位置における径方向の面内抵抗率が１００Ωｃｍとなるように、溶解前にシリコン原料にリンを添加してシリコン融液１５にリンを含有させ、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．２Ｔの水平磁場を印加した。更に単結晶の直径は２１０ｍｍであり、単結晶の結晶方位は＜１００＞であり、単結晶の直胴部の長さは１７００ｍｍであった。一方、るつぼの回転速度を０．１ｒｐｍ、０．３ｒｐｍ、０．７ｒｐｍ、１．０ｒｐｍ、１．７ｒｐｍ及び２．０ｒｐｍの６水準とし、単結晶の回転速度を１〜８ｒｐｍの８水準として、互いに逆方向に回転させながらシリコン単結晶を育成した。これらのシリコン単結晶の直胴部トップ部から２００ｍｍの位置で切り出したウェーハ内の格子間酸素濃度を測定した。格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。その結果を図１１に示す。
【００５１】
図１１から明らかなように、るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、かつ単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下であると、ウェーハ中の格子間酸素濃度を６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にすることができることが分かった。
【符号の説明】
【００５２】
１１  シリコン単結晶
１２  メインチャンバ（チャンバ）
１３  るつぼ
１５  シリコン融液
【図１】
2010202414.tif 000003
【図２】
2010202414.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010202414.tif 000009
【図８】
2010202414.tif 000010
【図９】
2010202414.tif 000011
【図１０】
2010202414.tif 000012
【図１１】
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