【手続補正書】
【提出日】平成17年2月3日(2005.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  低欠陥密度シリコンの製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  チョクラルスキー法に従って溶融シリコンを凝固させて結晶とし、中心軸、シードコーン、エンドコーン、側表面を有する、シードコーンとエンドコーンの間の直径一定部分、および中心軸から側表面に向かって延在する少なくとも約75mmの半径R(なお、この直径一定部分は軸方向長さLを有する)を有するインゴットを形成するシリコン単結晶の製造方法であって、
結晶の直径一定部分の成長中、v/G0比(ここで、vは成長速度であり、G0は凝固温度から約1325℃以上の温度への温度範囲にわたる平均軸方向温度勾配である)を制御して、最初にインゴットの直径一定部分に、軸に沿って交互する一連の優勢な真性点欠陥を作り出し［この一連の真性点欠陥はNvac.の空孔優勢領域およびNint.のシリコン自己格子間原子優勢領域.(ここで、Nvac.は少なくとも2であり、Nint.は少なくとも1である)を含んでなり、この空孔優勢領域は各々軸方向長さLvac.と、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約10%である、インゴットの軸から側表面に向かって延在する半径Rvacを有し、このシリコン自己格子間原子優勢領域は各々軸方向長さLintと、このシリコン単結晶の直径一定部分の半径Rに等しい半径方向幅を有する。］、
これらの領域を、シリコン自己格子間原子を側表面に向かって半径方向に拡散させ、かつ、空孔優勢領域へ向かって軸方向に拡散させ、シリコン自己格子間原子が最初の優勢な真性点欠陥であった領域ではシリコン自己格子間原子の濃度を減少させ、また、結晶格子空孔が最初の優勢な真性点欠陥であった領域では結晶格子空孔の濃度を減少させるような速度で凝固温度から冷却することを含んでなる、方法。
【請求項２】  v/G0比が成長速度vを制御することにより制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】  結晶格子空孔が優勢な真性点欠陥である領域が、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約50%である、インゴットの軸から側表面に向かって延在する半径Rvacを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】  結晶格子空孔が優勢な真性点欠陥である領域が、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約90%である、インゴットの軸から側表面に向かって延在する半径Rvacを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】  インゴットの冷却速度が、その領域が凝固温度から凝集真性点欠陥が核形成する温度TAまで冷却され、その領域が、格子間原子優勢領域における凝集真性点欠陥の形成を防ぐのに必要な少なくとも有効滞留時間tdw-effの間TAより高い温度に維持されるように制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】  凝集格子間原子が核形成する温度TAが約850〜約1,100℃である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】  凝集格子間原子が核形成する温度TAが約870〜約970℃である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】  成長速度が空孔優勢領域の形成中の成長速度vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約1.5倍であり、格子間原子優勢領域の形成中の成長速度vint.が臨界値vcrit.の約0.9倍未満である、請求項２に記載の方法。
【請求項９】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.23である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】  空孔優勢領域の成長中、vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約2倍である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.17である、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】  空孔優勢領域の成長中、vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約2.5倍である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.14である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】  成長速度が空孔優勢領域の形成中の成長速度vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約1.5倍であり、格子間原子優勢領域の形成中の成長速度vint.が臨界値vcrit.の約0.5倍未満である、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.12である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】  空孔優勢領域の成長中、vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約2倍である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.1である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】  空孔優勢領域の成長中、vvac.が臨界値vcrit.の少なくとも約2.5倍である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】  Lvac./Lint.比が少なくとも約0.08である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】  シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域が、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約25%である軸方向長さLint.を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】  インゴットの直径一定部分全体でシリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥であるインゴットにおいて、有効滞留時間tdw-effが、凝集真性点欠陥が核形成するに必要な臨界濃度より低くに、シリコン自己格子間原子濃度を抑えることのみを目的にインゴットの表面に十分な量のシリコン自己格子間原子を拡散させるのに必要な滞留時間の少なくとも約20%である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】  シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域が、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約2倍未満である軸方向長さLint.を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】  インゴットの直径一定部分全体でシリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥であるインゴットにおいて、有効滞留時間tdw-effが、凝集真性点欠陥が核形成するに必要な臨界濃度より低くに、シリコン自己格子間原子濃度を抑えることのみを目的にインゴットの表面に十分な量のシリコン自己格子間原子を拡散させるのに必要な滞留時間の約85%未満である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】  シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域が、結晶の直径一定部分の半径Rにほぼ等しい軸方向長さLint.を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】  インゴットの直径一定部分全体でシリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥であるインゴットにおいて、有効滞留時間tdw-effが、凝集真性点欠陥が核形成するに必要な臨界濃度より低くに、シリコン自己格子間原子濃度を抑えることのみを目的にインゴットの表面に十分な量のシリコン自己格子間原子を拡散させるのに必要な滞留時間の約60%である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】  インゴットの直径一定部分の半径Rが少なくとも約100mmである、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】  インゴットの直径一定部分の半径Rが少なくとも約150mmである、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】  インゴットの直径一定部分の長さLが少なくとも約400mmである、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】  インゴットの直径一定部分の長さLが少なくとも約600mmである、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】  インゴットの直径一定部分の長さLが少なくとも約1000mmである、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】  インゴットの直径一定部分が最初に少なくとも2つの空孔優勢領域を有してなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】  インゴットの直径一定部分が最初に少なくとも4つの空孔優勢領域を有してなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】  インゴットの直径一定部分が最初に少なくとも6つの空孔優勢領域を有してなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】  インゴットの直径一定部分が最初に少なくとも8つの空孔優勢領域を有してなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】  最初の空孔優勢領域の空孔の総量が最初の格子間原子優勢領域の格子間原子の総量よりも多い、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】  凝集真性点欠陥が核形成する温度よりも低い温度までインゴットを急冷することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３７】  中心軸、シードコーン、エンドコーン、周囲縁と中心軸から周囲縁へ向かって延在する半径を有する、シードコーンとエンドコーンの間の直径一定部分を有する単結晶シリコンインゴットであって、単結晶シリコンインゴットが、成長させて凝固温度から冷却した後に、インゴットの軸に沿って空孔が優勢な真性点欠陥である領域と格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域とが交互する複数の軸対称領域を有してなる直径一定部分を有し、インゴットが、インゴットの直径一定部分の軸に沿って空孔優勢領域によって隔てられた凝集格子間原子欠陥を実質的に含まない少なくとも2つの格子間原子優勢領域を有し、インゴットの直径一定部分の半径が少なくとも約75mmである、単結晶シリコンインゴット。
【請求項３８】  少なくとも約100mm以上の半径を有する、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項３９】  少なくとも約150mmの半径を有する、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項４０】  インゴットの直径一定部分の長さが少なくとも約400mmである、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項４１】  インゴットの直径一定部分の長さが少なくとも約600mmである、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項４２】  インゴットの直径一定部分の長さが少なくとも約800mmである、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項４３】  インゴットの直径一定部分の長さが少なくとも約1000mmである、請求項３７に記載のインゴット。
【請求項４４】  請求項１に記載の方法によって製造された中心軸、シードコーン、エンドコーンを有するインゴットからスライスされ、凝集格子間原子欠陥を実質的に含まないウエハの集団であって、ウエハがウエハの直径に基づいて選択される、ウエハの集団。
【請求項４５】  単一シリコンインゴットからスライスされ、各々凝集真性点欠陥を実質的に含まないウエハの集団であって、少なくとも1つのウエハがそのウエハ中の優勢真性点欠陥として結晶格子空孔を有し、かつ、少なくとも1つのウエハがそのウエハ中の優勢真性点欠陥としてシリコン自己格子間原子を有する、ウエハの集団。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、電子部品の製造で用いる半導体級の単結晶シリコンの製造に関する。より詳しくは、本発明は、チョクラルスキー法により、その実質的部分が凝集真性点欠陥を実質的に含まない単結晶シリコンインゴットを製造する方法に関し、そこでは結晶成長条件を変更し、最初にインゴットの直径一定部分内にシリコン自己格子間原子優勢材と空孔優勢材の交互領域を作り出す。これらの空孔優勢材領域は、自己格子間原子を拡散および消滅させるシンクとして働く。
【０００２】
（背景技術）
大部分の半導体電子部品製造方法の出発物質である単結晶シリコンは、一般に、いわゆるチョクラルスキー(Ｃｚ)法によって製造される。この方法においては、多結晶シリコン(ポリシリコン)をルツボに装填し、溶融し、種結晶を溶融シリコンと接触させ、単結晶を遅い引き上げによって成長させる。ネックの形成後、所望される、または目的とする直径に到達するまで、引き上げ速度および／または溶融温度を低下させることによって、結晶の直径を大きくする。次に、メルト液位の低下を補いながら、引き上げ速度および溶融温度を調節することによって、ほぼ一定の直径を有する結晶のシリンダ状本体を成長させる。成長プロセスの終了近くであるが、ルツボから溶融シリコンがなくなる前に、結晶直径を徐々に減少させて、エンドコーンを形成しなければならない。一般に、エンドコーンは、結晶引き上げ速度およびルツボに供給される熱を、増加させることによって形成される。直径が充分に小さくなったときに、結晶をメルトから分離する。
【０００３】
単結晶シリコンにおける多くの欠陥が、凝固後に結晶が冷却する際に、結晶成長室において形成されることが最近確認された。そのような欠陥は、一部は、空孔および自己格子間原子(self-interstitials)として既知の、過剰の(即ち、溶解極限より以上の濃度)真性点欠陥の存在によって生じる。メルトから成長するシリコン結晶は一般に、結晶格子空孔(Ｖ)またはシリコン自己格子間原子(Ｉ)の、どちらか一方のタイプの過剰の真性点欠陥を有して成長する。シリコンにおけるこれらの点欠陥のタイプおよび初期濃度が凝固時に測定され、これらの濃度がシステムにおいて臨界的過飽和のレベルに達し、点欠陥の可動性が充分に高い場合は、反応または凝集事象が起こる可能性があることが報告されている。シリコンにおける凝集真性点欠陥は、複雑な高度集積回路の製造において、材料の歩留り可能性に大きな影響を与えうる。
【０００４】
空孔タイプの欠陥は、Ｄ欠陥、フローパターン欠陥(ＦＰＤ)、ゲートオキシドインテグリティ(ＧＯＩ)欠陥、クリスタルオリジネーテッドパーティクル欠陥(ＣＯＰ)、クリスタルオリジネーテッドライトポイント(ＬＰＤ)欠陥、および、赤外線散乱法、例えば、走査赤外線鏡検法およびレーザー走査断層撮影法によって観察されるある種のバルク欠陥のような、観察可能な結晶欠陥の原因であることが確認されている。環酸化誘起積層欠陥(ring oxidation induced stacking faults)(ＯＩＳＦ)の核として作用する欠陥も、過剰空孔の領域に存在する。この特定の欠陥は、過剰空孔の存在によって引き起こされる高温有核酸素凝集塊であると考えられる。
【０００５】
自己格子間原子に関係する欠陥は、あまり研究されていない。それらは一般に、低密度の格子間原子タイプのディスロケーション(転位)のループまたはネットワークであると考えられている。そのような欠陥は、重要なウエハ性能規準であるゲートオキシドインテグリティ欠陥の原因ではないが、電流漏出問題に一般に関係する他のタイプのデバイス欠陥の原因であることが広く認識されている。
【０００６】
チョクラルスキーシリコンにおける、そのような空孔および自己格子間原子の凝集欠陥の密度は通常、約１*１０３／ｃｍ３〜約１*１０７／ｃｍ３の範囲である。これらの数値は比較的低いが、凝集真性点欠陥は、デバイス製造者にとって重大性が急激に高まっており、事実上、デバイス製造プロセスにおける歩留り制限要因であると今や考えられている。
【０００７】
凝集欠陥の形成を制御するために提案されているある試みは、ということは、溶融シリコン塊からの凝固の際に単結晶シリコンが生じる場合の、溶融シリコン塊からの単結晶シリコンインゴットの成長速度(v)を制御し(なお、成長速度が大きいほど空孔豊富な材料となり、成長速度が小さいほど格子間原子の豊富な材料となる傾向がある)、かつ、所定の温度勾配に対して成長している結晶の固相-液相界面付近の軸方向温度勾配Gを制御することにより、点欠陥の初期濃度を制御することである。特にこの軸方向温度勾配の半径方向変動はせいぜい5℃/cmまたはそれ未満であることが示唆されている。例えば、Iida et al., EP0890662参照。しかし、この試みは結晶引き上げ装置のホットゾーンの厳しい設計と制御を要する。
【０００８】
溶融シリコン凝集欠陥の形成を制御するために提案されている他の試みは、溶融シリコン塊からの凝固の際に単結晶シリコンが生じる場合の、空孔または格子間原子点欠陥の初期濃度を制御することであり、凝固温度から約1,050℃の温度までの結晶の冷却速度を制御してインゴットの側表面に向けて、あるいは相互に向けて、シリコン自己格子間原子または空孔を半径方向に拡散させて再結合させ、それにより真性点欠陥の濃度を抑えて凝集反応が起こるよりも低い値で空孔系または格子間原子系の過飽和を維持することである。例えば、Falster et al., 米国特許第5,919,302号およびFalster et al., WO98/45509参照。これらの試みは凝集空孔や格子間原子欠陥を実質的に含まない単結晶シリコンを製造するのに首尾良く用いることができるが、空孔および格子間原子を十分に拡散させるのにかなりの時間を要する。これは、結晶引き上げ装置の処理量を減少させる影響を有する。
【０００９】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
本発明のいくつかの目的および特徴としては、そのかなりの部分がシリコンの半導体特性に悪影響を及ぼす凝集真性点欠陥を実質的に含まない単結晶シリコンインゴットの製造方法；空孔優勢領域とシリコン自己格子間原子優勢領域の交互領域を有する単結晶シリコンインゴットの製造方法(このシリコン自己格子間原子優勢領域は凝集真性点欠陥を実質的に含まない)の提供；結晶引き上げ装置の処理量を実質的に低下させないような方法の提供；成長速度に対する制限を結晶引き上げ装置について実質的に減らすような方法の提供；平均軸方向温度勾配G0に対する制限を結晶引き上げ装置について実質的に減らすような方法の提供；および凝集真性点欠陥を実質的に含まないウエハが目で確認できるように、上記単結晶シリコンインゴットからスライスしたウエハを分別する方法の提供に着目される。
【００１０】
（その解決方法）
従って、要するに、本発明はその実質的部分が凝集真性点欠陥を実質的に含まないシリコン単結晶インゴットの製造方法に向けられる。本方法は成長速度v、および平均軸方向温度勾配G0を制御してv/G0比を変え、最初にインゴットの直径一定部分に、軸に沿って、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥となる1以上の領域に分離され、結晶格子空孔が優勢な真性点欠陥となる2以上の領域を作り出すことを含んでなる。結晶格子空孔が最初の優勢な真性点欠陥となる領域は軸方向長さLvacと、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約10%である、インゴットの軸から側表面に向かって延在する半径Rvacを有する。シリコン自己格子間原子が最初の優勢な真性点欠陥となる領域は軸方向長さLintを有し、シリコン単結晶の直径一定部分の全長半径Rに沿って延在する。これらの領域は、これらの領域からのシリコン自己格子間原子および空孔を拡散させ、再結合させて、シリコン自己格子間原子が初めに優勢な真性点欠陥であった領域ではシリコン自己格子間原子の濃度を減少させ、また、結晶格子空孔が初めに優勢な真性点欠陥であった領域では結晶格子空孔の濃度を減少させるような速度で凝固温度から冷却する。
【００１１】
本発明はさらに、その実質的部分が凝集真性点欠陥を実質的に含まないシリコン単結晶インゴットの製造方法に向けられる。本方法は成長速度vを制御して、最初にインゴットの直径一定部分に、軸に沿って、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥となる1以上の領域によって分離され、結晶格子空孔が優勢な真性点欠陥となる2以上の領域を作り出すことを含んでなる。結晶格子空孔が最初の優勢な真性点欠陥となる領域は軸方向長さLvacと、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約10%である、インゴットの軸から側表面に向かって延在する半径Rvacを有する。シリコン自己格子間原子が最初の優勢な真性点欠陥となる領域は軸方向長さLintを有し、シリコン単結晶の直径一定部分の全長半径Rに沿って延在する。これらの領域は、これらの領域からのシリコン自己格子間原子および空孔を拡散させ、再結合させて、シリコン自己格子間原子が初めに優勢な真性点欠陥であった領域ではシリコン自己格子間原子の濃度を減少させ、また、結晶格子空孔が初めに優勢な真性点欠陥であった領域では結晶格子空孔の濃度を減少させるような速度で凝固温度から冷却する。
【００１２】
本発明はさらに、インゴットの軸に沿って、空孔が優勢な真性点欠陥である領域と格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域との間で交互する複数の軸対称領域を有してなる直径一定部分を有する単結晶シリコンインゴットに向けられ、該インゴットは、インゴットの直径一定部分の軸に沿って空孔優勢領域によって隔てられた、凝集真性点欠陥を実質的に含まない、少なくとも2つの格子間原子優勢領域を有する。
【００１３】
以下、本発明のその他の目的および特徴を明らかにし、部分的に指し示す。
【００１４】
これまでに明らかな実験に基づけば、真性点欠陥のタイプおよび初期濃度は凝固温度(すなわち、約1410℃)から1300℃を超える温度(すなわち、少なくとも約1375℃、少なくとも約1350℃、あるいは少なくとも約1375℃といった温度)までインゴットを冷却するにつれて初めに決められることが明らかである。すなわち、これらの欠陥のタイプおよび初期濃度はv/G0比(ここで、vは成長速度であり、G0はこの温度範囲の平均軸方向温度勾配である)によって制御される。
【００１５】
空孔と格子間原子優勢材間の遷移は、軸方向温度勾配が上記で定義された温度範囲で一定である条件下でG0が決定されれば、現在入手できる情報に基づくと、約2.1×10-5cm2/sＫであることが分かっているv/G0の臨界値で起こる。このような臨界値では、得られるこれらの真性点欠陥の濃度は等しい。v/G0値が臨界値を超えると、空孔が優勢な真性点欠陥となり、v/G0が大きくなるにつれて空孔濃度が高まる。v/G0値が臨界値未満であれば、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥となり、v/G0が小さくなるにつれてシリコン自己格子間原子の濃度が高まる。
【００１６】
v/G0比、従って特定の領域において最初に優勢な真性点欠陥のタイプは温度勾配G0、または成長速度ｖを制御することによるか、あるいはG0とvの両者を制御することによって制御しうる。しかし、v/G0比は成長速度vを制御することによって制御するのが好ましい。従って、所定のG0では、成長速度vが小さくなるとシリコン自己格子間原子の濃度が高まる傾向にあり、成長速度vが大きくなると空孔の濃度が高まる傾向にある。
【００１７】
真性点欠陥の初期濃度が確立されれば、凝集欠陥の形成はその系の自由エネルギーに依存すると考えられる。ある濃度の真性点欠陥では、温度を低下させると、真性点欠陥から凝集欠陥を形成する反応の自由エネルギーの変化が大きくなる。このように、ある空孔または格子間原子濃度を含む領域を凝固温度から凝集欠陥が核をなす温度へと冷却すると、凝集空孔または格子間原子欠陥の形成のエネルギーバリアがもたらされる。冷却を続けると、このエネルギーバリアは凝集反応が起こるという点をやがて超える(例えば、Falster et al., 米国特許第5,919,302号およびFalster et al., WO98/45509参照)。
【００１８】
凝集欠陥の核形成が起こる温度、すなわち凝集温度TAは優勢な真性点欠陥の濃度とタイプ(空孔かシリコン自己格子間原子か)に依存する。一般に、凝集温度TAは真性点欠陥の濃度が高まるにつれて上昇する。さらにまた、凝集空孔タイプの欠陥の核形成温度の範囲は凝集格子間原子タイプの欠陥の核形成温度よりも若干高く、言い換えればチョクラルスキー成長単結晶シリコンにおいて典型的に生じる空孔濃度の範囲では、凝集空孔欠陥の凝集温度TAは一般に約1,000℃〜約1,200℃の間、典型的には約1,000℃〜約1,100℃の間であり、一方、チョクラルスキー成長単結晶シリコンで典型的に生じるシリコン自己格子間原子濃度の範囲では、凝集温度TAは一般に約850℃〜約1,100℃の間、典型的には約870℃〜約970℃の間である。
【００１９】
しかしながら、空孔または格子間原子の濃度は、空孔または格子間原子をインゴットの表面に半径方向に拡散させるに十分な時間、インゴットを凝集温度TAより高い温度に留めておくことによって抑えられる。しかし、大きな径のインゴットでは、インゴットの軸に位置する空孔または格子間原子をその表面に拡散させるにはかなりの時間を要する。
【００２０】
同心円状に位置する空孔領域および格子間原子領域を有するインゴットは空孔および格子間原子の濃度を減少させるさらなるメカニズムを提供し、ここでは、空孔および格子間原子を互いに向かって半径方向に拡散させて、それらが再結合し、互いに消滅させるに十分な時間、インゴットを凝集温度TAはより高く維持すればよい。
【００２１】
本発明によれば、成長条件を制御して最初にインゴットの直径一定部分に、優勢な真性点欠陥を交互して有し、軸に沿って隔離された領域を作り出すことにより、凝集真性点欠陥を実質的に含まない、インゴットの直径一定部分の少なくとも実質的部分が成長しうる。言い換えれば、優勢な真性点欠陥が、空孔優勢領域とシリコン自己格子間原子優勢領域との間でインゴットの直径一定部分の軸に沿って交互している。その結果、軸付近に位置する空孔および格子間原子は互いに向かって軸方向に拡散して再結合し、一方、側表面付近の真性点欠陥は表面に向かって半径方向に拡散でき、このように半径方向拡散と軸方向拡散の双方を用いて真性点欠陥濃度を抑えることができる。格子間原子は空孔よりも遙かに速く拡散するので、再結合前には格子間原子は空孔よりもずっと長い距離を移動することになる。従って、実施上の問題として、インゴットの直径一定部分は最初、高濃度の空孔を有する比較的小さな空孔優勢領域によって隔てられたシリコン自己格子間原子優勢領域の比較的大きな領域を有することが好ましい。このようにして、空孔優勢領域は拡散の速いシリコン自己格子間原子のシンクとして働き、そこではそれらは凝集温度以下に冷却される前に、消滅してシリコン自己格子間原子の濃度が抑えられる。
【００２２】
特定の理論にとらわれるものではないが、軸方向に２つの空孔優勢領域の間に位置する格子間原子優勢領域からのシリコン自己格子間原子の外方拡散は格子間原子の濃度場（フィールド）をモデリングすることによって記述することができると考えられる。従って、格子間原子の濃度は、格子間原子濃度場Ci(r,z,t)を一連の固有関数へ膨張することにより、時間の関数として記述することができるが、ここでこのような関数は各々、半径方向濃度プロファイルに関するベッセル関数Jo(λr/R)と軸方向濃度プロファイルのシヌソイド関数sin(μz/L)との積であり、λおよびμは、その領域の半径(R)に等しい距離(r)、その領域の長さ(L)に等しい軸に沿った距離(z)におけるこれら2つの関数の根である。著しい濃度の減衰は一連の工程の初期段階にのみ関連するものと考えられるので、
Ci/Cm = A Jo(λr/R) sin(πz/L) exp(-t/τ)          (2)
となり、ここで、λ=2.4048であり、Cmは溶融点平衡濃度であり、Ci/Cm比は正規化格子間原子濃度を表す。減衰時間τは2つの固有値λ/Rおよびπ/Lによって表されるので、
1/τ= D [(λ/R)2 + (π/L)2]                       (3)
(式中、Dはシリコン自己格子間原子の拡散係数である) 
となる。
【００２３】
式(2)において膨張係数Aはインプリント格子間原子濃度Cimp=B(1-V/Vcr)(式中、Bは約0.5である)によって表されるので、
A = 2.04 B (1-V/Vcr)                                (4)
となり、ここで、係数2.04は半径方向膨張係数1.602と軸方向膨張係数4/π=1.27の積であり、vは成長速度であり、Vcrは臨界成長速度である。
【００２４】
なお、成長速度、凝集温度TAより高くなるまでインゴットが滞留する時間、およびインゴットが凝固温度付近からTAまで冷却される間に所定の軸方向位置が移動する距離に相当する滞留距離Ldwの間には相関がある。この距離、すなわち「滞留距離」(Ldw)、成長速度vおよび滞留時間tdwの間の相関は以下のように表される。
tdw = Ldw/v                                         (5)
【００２５】
凝集真性点欠陥の形成を防ぐには、滞留時間tdwが格子間原子または空孔を十分拡散させて消滅させ、その濃度を十分に抑えるのに十分な時間であることが好ましく、このようにすればインゴットのその部分が滞留距離を超え、凝集温度より低くなった際に凝集真性点欠陥の形成が防げる。
【００２６】
結晶成長装置のホットゾーンにおける温度プロファイルは成長速度vの変動によってほとんど影響を受けないと考えられるので、滞留距離Ldwは所定のホットゾーンに対しては一定であるとみなすことができる。従って、このホットゾーンは望まれる一連の成長条件、例えば結晶の直径および成長速度に基づいて十分な滞留時間を与えるのに必要な滞留距離となるように設計することができる。
【００２７】
安定成長プロセス(すなわち、インゴットの成長中、成長速度を制御して、中心から端部へと、優勢的に格子間原子豊富または空孔豊富なインゴットを製造するプロセス)下では、滞留距離Ldw、臨界成長速度Vcrおよびインゴットの半径Rの間には相関があり、所定のインゴット半径および臨界成長速度に対して、真性点欠陥の凝集温度より高い温度で、インゴットの表面へ拡散するのに十分で、凝集真性点欠陥の濃度を抑え、かつ、形成を防ぐ滞留時間tdwを与える滞留距離が存在する。この相関は以下のように表される。
Ldw = 0.35VcrR2                              (6)
【００２８】
インゴットの軸に沿って優勢真性点欠陥として、空孔が優勢真性点欠陥である領域とシリコン自己格子間原子が優勢真性点欠陥である領域とが交互するセグメントを有するインゴットにも同じ必要条件が当てはまる。空孔優勢領域の空孔量が少なくともほぼ、再結合を見込んで、格子間原子優勢領域の格子間原子量であれば、濃度、すなわち、軸方向の拡散および再結合を抑えるさらなるメカニズムが存在する。従って、格子間原子の濃度は主として半径方向拡散にたよるインゴットよりも速やかに抑えられる。言い換えれば、インゴットの半径Rに等しい半径を有し、かつ、インゴットの軸に沿って格子間原子優勢領域の前後に位置する空孔優勢領域を有する格子間原子優勢領域のシリコン自己格子間原子はその領域から軸方向および半径方向の双方に拡散し、より速くシリコン自己格子間原子の濃度を抑えることになる。すなわち、軸付近のシリコン自己格子間原子は軸方向に空孔優勢領域へと拡散できるので、シリコン自己格子間原子が再結合して消滅するまでに必要とされる最大距離は著しく短くなる。拡散速度および格子間原子濃度の抑制を記述するため、この領域はインゴットの実際の半径Rより小さい有効半径Reffを有するものとして特定することができる。有効半径Reffは一般に結晶半径より小さく、インゴット半径Rと、半径方向に軸を含むおよび軸付近のコア領域において軸に沿って空孔優勢領域によって結びつけられた格子間原子優勢領域の軸方向長さの関数として、以下のように表せる。
Reff = R / [1 + (πR/λL)2]1/2                         (7)
このように、式(6)のRに有効半径Reffを代入することにより、真性点欠陥の凝集を防ぐために必要な滞留距離が求められる。従って、成長・冷却速度を著しく増加させるには、インゴットの軸に沿って格子間原子領域の前後に空孔領域を有する格子間原子領域の長さLint.は半径Rの約2倍(またはそれ未満)に匹敵するものであることが好ましく、従ってReffはRより小さくなくなり、式(6)および(7)の必要滞留距離が短くなり、それに応じて式(5)の必要滞留時間tdwが短くなる。従って、シリコン自己格子間原子が軸方向に拡散してシリコン自己格子間原子の濃度を抑える利点なく主として半径方向に拡散した場合に必要とされる滞留時間の約85%未満、約60%未満、約40%未満、また、約20%未満である有効滞留時間tdw-effが達成できる。
【００２９】
格子間原子優勢領域における凝集真性点欠陥の形成を防ぐには、正規化格子間原子濃度Ci/Cmを臨界値(Ci/Cm)cr(TA=920℃では約0.01に相当)よりもいくらか低い値に抑えることが好ましい。これは式(2)から(4)に従い、Ci/Cmを臨界レベル(Ci/Cm)cr=0.01(TA=920℃)より低く抑えるには、tdwは以下の条件を満たすように十分に長いことが好ましい。
Dtdw [(λ/R)2 + (p/L)2] > log [(1-V/Vcr) / (Ci/Cm)cr]           (8)
【００３０】
従って、滞留時間が特定されれば(特定のホットゾーンにより)、式(8)から、シリコン自己格子間原子優勢領域を形成する成長速度比V/Vcrに対して、シリコン自己格子間原子優勢領域の長さLint.の必要な値が求められる。例えばV/Vcr比が約0.09であるすると、式(8)の右側は1となる。従って、インゴットの半径Rと結晶成長装置の滞留時間tdwが分かれば、そのホットゾーンによって特定された滞留時間内で格子間原子の濃度が臨界レベル(Ci/Cm)cr=0.01(TA=920℃)より低い値に抑えられるような格子間原子優勢領域の長さLint.を求めることができる。
【００３１】
空孔優勢領域における最初の空孔の濃度はシリコン自己格子間原子と再結合するに十分なものであることが理想的であり、その結果、空孔濃度は、インゴットを冷却した際に凝集空孔が形成するのを防ぐように十分抑えられる。しかし、空孔はシリコン自己格子間原子よりも実質的に拡散速度が遅いので、実施上の問題として、空孔優勢領域の濃度は凝集空孔を妨げるように十分抑えられるわけではない。さらにまた、空孔優勢領域は、シリコン自己格子間原子の濃度を抑えるためにシリコン自己格子間原子と結合し、それを消滅させるに必要な空孔量よりも過剰な空孔を含むことが好ましい。この過剰量により、凝集温度より低い温度に冷却した際、凝集空孔が生じる。
【００３２】
各領域の空孔および格子間原子の濃度は成長速度比(V/Vcr)vacancyおよび(V/Vcr)interstitialに比例する。従って、シリコン自己格子間原子の数に等しい相当する空孔の量を与えるのに必要な、格子間原子優勢領域に対する空孔優勢領域の最小長比は正規化成長速度比に相関して表示できることから、
[Lvacency/Linterstitial]min = 0.37 [(V/Vcr)interstitial/(V/Vcr)vacancy]           (9)
【００３３】
空孔領域の形成中の成長速度は本発明の範囲から逸脱しない限り、臨界成長速度を超えるいずれの成長速度であってもよい。しかし、成長速度を減少させて臨界成長速度に近づける、すなわち(V/Vcr)vacancyを1に近づけると、空孔の濃度および典型的には空孔優勢領域の半径が小さくなり、再結合に利用できる空孔の総量が少なくなる。従って、式(9)によれば、(V/Vcr)vacancyを小さくすると、シリコン自己格子間原子領域の長さに対して必要とされる空孔優勢領域の長さが長くなる。これに応じ、この成長速度を高めると、空孔の濃度、および典型的には空孔優勢領域の直径が大きくなり、再結合に利用できる空孔の総量が多くなることから、シリコン自己格子間原子優勢領域の長さに対して必要とされる空孔優勢領域の長さが短くなる。従って、空孔優勢領域の形成中、成長速度は(V/Vcr)vacancy比が少なくとも約1.5、より好ましくは少なくとも約2.0、より好ましくは少なくとも約2.5となるように制御するのが好ましいが、特定のホットゾーンのデザインによっては少なくとも約3.5以上であってもよい。
【００３４】
逆に、シリコン自己格子間原子領域の成長速度が臨界成長速度に近づくと、すなわち(V/Vcr)interstitial比が大きくなると、シリコン自己格子間原子の濃度が低くなり、式(9)によれば[Lva./Lint.]minが小さくなる。シリコン自己格子間原子領域の成長中、成長速度は(V/Vcr)interstitial比が約0.5〜約0.95、より好ましくは約0.7〜約0.9、より好ましくは約0.8〜約0.9となるように制御するのが好ましい。本発明の範囲を逸脱しない限り、それより遅い成長速度も使用できるが、実施上の問題として、成長速度を減少させると結晶成長プロセスの処理量が減ることから望ましくない。さらに、成長速度がさらに臨界成長速度より低くなると、シリコン自己格子間原子の総量が増える。
【００３５】
空孔優勢領域はできるだけ短いことが好ましく、インゴットの直径一定部分の総体積のより高いものがシリコン自己格子間原子優勢材として成長して、実質的に欠陥のないシリコンの総収率が改善されることが好ましい。しかし、また、空孔の総数はシリコン自己格子間原子の総数と少なくともほぼ同じことが好ましい。従って、成長速度は臨界成長速度について非対称なサイクルであることが好ましい。すなわち、成長速度は、空孔優勢領域の形成中には少なくとも臨界成長速度の少なくとも約150%に高めるのが好ましく、350%程度に大きい速度とし、格子間原子優勢領域の形成中には臨界成長速度のわずか約90%に減少させるのが好ましい。
【００３６】
格子間原子は空孔より速く拡散することから、格子間原子優勢領域と空孔優勢領域の間の境界はシフトし、実質的に凝集真性点欠陥を含まない得られる格子間原子優勢領域がLint.よりもいくらか長い軸方向長さを持つようになる。空孔優勢領域における空孔の数は格子間原子優勢領域におけるシリコン自己格子間原子の量を超えることが好ましい。従って、空孔過剰とするには、長さの比[Lvac./Lint.]は、ある一連の成長速度の最小値よりもいくらか高い値に選択すればよい。
【００３７】
一般に、中心軸、シードコーン、エンドコーン、側表面を有する、シードコーンとエンドコーンの間の直径一定部分、および中心軸から側表面に向かって延在する半径Rを有するインゴットを形成するには、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を成長させればよい。インゴットの直径一定部分の半径Rは好ましくは少なくとも約75mm、少なくとも約100mmであるのが好ましいが、少なくとも約150mm以上といったものでもよく、さらに少なくとも約400mm、少なくとも約600mmの軸方向長さLを有し、これは少なくとも約1000mm以上といったものでもよい。
【００３８】
本発明によれば、平均軸方向温度勾配に対する成長速度の比v/G0を制御し、v/G0を故意に変えることにより、最初にインゴットの直径一定部分に、軸に沿って、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である1以上の領域によって隔てられた、結晶格子空孔が優勢な真性点欠陥である2以上の領域を作り出す。好ましい実施形態では、この比は上記のように成長速度を変えることによって制御される。
【００３９】
特に、成長速度は、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域がインゴットの直径一定部分の半径の2倍未満である軸方向長さLint.を有し、インゴットの直径一定部分の全長半径Rを超えて延在する半径Rint.を有しており、インゴットの軸付近の領域での真性点欠陥の軸方向の拡散および再結合を利用する。インゴットは、インゴットの実質的部分が、シリコン自己格子間原子が優勢な真性点欠陥である領域を有するような条件下で成長させるのが好ましい。従って、好ましくは、格子間原子優勢領域の軸方向長さLint.はインゴットの直径一定部分の半径の少なくとも約25%である。
【００４０】
従って、好ましくは、格子間原子優勢領域の軸方向長さLint.はインゴットの直径一定部分の半径Rの少なくとも約25%で約2R未満、少なくとも約50%で約1.5R未満、好ましくは半径Ｒにほぼ等しいものである。格子間原子優勢領域の軸方向長さLint.は2Rを超えてもよいし、あるいはRの25%未満であってもよいが、2Rを超える軸方向長さを有する領域は、軸から側表面へ向かう半径方向拡散にたよる度合いが次第に大きくなる格子間原子濃度を抑えるに必要な拡散時間が長くなり、25%未満の軸方向長さを有する領域は、インゴットにおいて実質的に欠陥を含まないシリコンの総体積が低下する。
【００４１】
この成長速度はさらに、結晶格子空孔が最初に優勢真性点欠陥となる領域が、結晶の直径一定部分の半径Rの少なくとも約10%、少なくとも約50%、少なくとも約90%以上である、インゴットの軸から側表面へ向かって延在する半径Rvac.を有するように制御する。空孔優勢領域の最初の軸方向長さLvac.は好ましくは格子間原子優勢領域の最初の軸方向長さLint.の少なくとも約0.05倍であるが、式(9)で示されるように、空孔優勢領域の正規化成長速度と格子間原子優勢領域の正規化成長速度との間の比に依存し、格子間原子優勢領域の最初の軸方向長さLint.の少なくとも約0.1倍、あるいは少なくとも約0.5倍といったものであってもよい。例えば、Vvac.がVcrの1.5倍であって、Vint.がVcrの0.9倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.22である。同様に、Vvac.がVcrの2倍であって、Vint.がVcrの0.9倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.17であり；Vvac.がVcrの2.5倍であって、Vint.がVcrの0.9倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.14であり；Vvac.がVcrの1.5倍であって、Vint.がVcrの0.5倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.12であり；Vvac.がVcrの2倍であって、Vint.がVcrの0.5倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.1であり；また、Vvac.がVcrの2.5倍であって、Vint.がVcrの0.5倍であれば、(Lvac./Lint.)は好ましくは少なくとも約0.08である。
【００４２】
このように本発明の方法によれば、好ましくは成長速度を制御して、最初に、インゴットの直径一定部分に、軸方向に沿って、少なくとも1つの格子間原子優勢領域によって隔てられた少なくとも約2つの空孔優勢領域を作り出す。より好ましくは、成長速度を制御して、最初に、インゴットの直径一定部分に、軸に沿って、1以上の格子間原子優勢領域によって隔てられた少なくとも約4、6、10、さらには16以上もの空孔優勢領域を作り出す。
【００４３】
上記のように、空孔優勢領域の半径はインゴットの直径一定部分の半径未満であってよい。さらにまた、インゴットの直径一定部分の半径より小さい半径を有する空孔優勢領域は、一般にインゴットの側表面から空孔優勢領域に向かって半径方向に内向きに延在するシリコン自己格子間原子優勢領域を有する。このように、複数の空孔優勢領域がインゴットの軸に沿って、最小は空孔優勢領域の半径とインゴットの直径一定部分の半径との間の差にほぼ等しいものから、最大はインゴットの直径一定部分の半径に等しいものまで変動する半径を有する単一の連続格子間原子優勢領域によって隔てられていてよい。例えば、インゴットの直径一定部分の半径の10%に相当する半径を各々有するいくつかの空孔優勢領域が、インゴットの軸に沿って、インゴットの直径一定部分の半径の90%〜100%の間で変動する半径を有する単一の連続格子間原子優勢領域によって隔てられるが、ここで、空孔優勢領域は、格子間原子優勢領域がインゴットの直径一定部分の半径の100%に相当する半径を有する場合に軸に沿って隔てられる。あるいは、インゴットの直径一定部分の半径に等しい半径を有する複数の空孔優勢領域が、インゴットの直径一定部分の半径に等しい半径を各々有する複数の格子間原子優勢領域により、軸に沿って隔てられる。
【００４４】
従って、本発明の方法によれば、好ましくは成長速度を制御して、最初にインゴットに、軸に沿って上記の空孔優勢領域によって隔てられた1以上の格子間原子優勢領域を形成するが、ここで、格子間原子優勢領域は、インゴットの直径一定部分の半径に等しい半径を有する複数の空孔優勢領域により、軸に沿って完全に隔てられた不連続領域であってもよいし、あるいはインゴットの直径一定部分の半径より小さい半径を有する複数の空孔優勢領域により、軸に沿って隔てられた1以上の連続領域であってもよい。このように、本発明によれば、成長速度を制御して、最初に、軸方向に格子間原子優勢領域に隣接する少なくとも1つの空孔優勢領域を有する1以上の格子間原子優勢領域を形成するが、この空孔優勢領域は軸付近のシリコン自己格子間原子が拡散して消滅するシンクとして働く。
【００４５】
次にこの格子間原子優勢領域を、シリコン自己格子間原子が最初に優勢な真性点欠陥であった領域ではシリコン自己格子間原子の濃度を減少させ、かつ、結晶格子空孔が最初に優勢な真性点欠陥であった領域では結晶格子空孔の濃度を減少させるに十分な数のシリコン自己格子間原子が空孔と再結合するように、シリコン自己格子間原子および空孔をこれらの領域から半径方向および軸方向の双方に拡散させる速度で凝固温度から冷却する。好ましくはこれらの領域は、シリコン自己格子間原子が最初に優勢な真性点欠陥であった領域においてシリコン自己格子間原子の濃度を、凝集真性点欠陥が核形成するのに必要な臨界濃度より低く抑えるに十分なシリコン自己格子間原子量をインゴットの表面および空孔優勢領域に拡散させるのに必要な、少なくとも有効滞留時間tdw-effの間、TAより高い温度に維持する。
【００４６】
この領域の格子間原子の濃度が抑えられたところでその領域を冷却すれば、得られるインゴットのかなりの部分は凝集真性点欠陥を実質的に含まなくなる。
【００４７】
インゴットの種々の領域で生じる空孔および自己格子間原子の濃度と分布に依存して、その後、真性点欠陥の拡散を制御することにより、かつ／またはインゴットを急冷することにより凝集真性点欠陥の形成は避けられる。このように、生じる空孔またはシリコン自己格子間原子の濃度が、空孔またはシリコン自己格子間原子が冷却時に凝集しうる濃度より低ければ、その領域は標準的なチョクラルスキー法によって冷却することができる。しかし、空孔または格子間原子優勢領域あるいはその一部が、冷却時に格子間原子または空孔が凝集しうる濃度よりも高い空孔または格子間原子濃度を有する場合には、その領域の冷却速度を、シリコン自己格子間原子および／または空孔をインゴットの側表面へ向けて半径方向に拡散させ、かつ／または互いに向けて拡散させて再結合させ、さらに得られるインゴットが凝集真性点欠陥を実質的に含まないように冷却時に空孔および／またはシリコン自己格子間原子の濃度を抑える追加的時間を見込んで制御すればよい(例えば、同時係属米国特許出願番号09/344,036および同09/344,709参照、なお、いずれも参照により本明細書の一部とする)。さらにまた、空孔またはシリコン自己格子間原子の濃度が、その空孔またはシリコン自己格子間原子が冷却時に凝集しうる濃度よりも高ければ、そのインゴットまたはその一部を、空孔またはシリコン自己格子間原子を、それらを凝集させるのに十分な時間を与えることなく所定位置で効果的に凍結すべく急冷すればよく、その結果、得られるインゴットは参照により本明細書の一部とする仮出願番号60/155,725の優先権を主張する米国出願番号09/661,745に記載のように、凝集真性点欠陥を実質的に含まないものである。
【００４８】
あるいは、冷却時に領域がいくらかの凝集格子間原子型の欠陥を含むように格子間原子優勢領域の格子間原子濃度が抑えられるに過ぎず、このような凝集格子間原子型の欠陥はB型欠陥に限られる。
【００４９】
一般に、平均軸方向温度勾配G0の制御は主として結晶引き上げ装置の「ホットゾーン」、すなわち中でもヒーター、断熱材、熱および輻射遮蔽材を構成するグラファイト(またはその他の材料)のデザインによって行うことができる。デザイン詳細は引き上げ装置の型およびモデルによって著しく異なるが、一般に、G0は反射材、輻射遮蔽材、パージ管、光パイプ、およびヒーターをはじめ、溶融／固体界面で熱伝達を制御するための、当技術分野でこれまでに知られているいずれかの手段を用いて制御してもよい。一般に、G0における半径方向の変動は溶融／固体界面の上で約１の結晶直径以内にそのような装置を配置することにより最小化される。さらにG0は溶融物および結晶に対する装置の位置を調節することによって制御することができる。これはホットゾーン内の装置の位置を調節することによるか、あるいはホットゾーンにおける溶融表面の位置を調節することにより達成される。また、ヒーターを用いる場合には、G0はさらにヒーターに供給されるエネルギーを調節することによっても制御できる。工程中、溶融量が消耗する回分式のチョクラルスキー法では、これらの方法のいずれか、または全てを使用することができる。
【００５０】
典型的に直径一定部分と呼ばれるインゴットの部分、すなわち、シードコーンとエンドコーンの間の部分の成長の際の成長速度を変化させると、典型的には軸に沿った直径の変動が起こる。すなわち、空孔優勢領域の直径は格子間原子優勢領域の直径よりも小さい。直径の小さいインゴットから切断されたウエハはそれ自体、空孔優勢となるのが典型であり、直径の大きなインゴットから切断されたウエハは格子間原子優勢となるのが典型である。従って、インゴットの直径、ひいてはそのインゴットから切断されたウエハの直径は、得られたウエハを、空孔を優勢な真性点欠陥とするウエハと、シリコン自己格子間原子を優勢な真性点欠陥とするウエハとに選別するのに使用できる。
【００５１】
定義
本明細書において以下のフレーズは所定の意味を有することに留意すべきである。「凝集真性点欠陥」とは、(i)空孔が凝集する反応によって生じる、または(ii)自己格子間原子が凝集する反応によって生じる欠陥を意味する。「凝集空孔欠陥」とは、結晶格子空孔が凝集する反応によって生じる凝集空孔点欠陥を意味する。例としては、D-欠陥、フローパターン欠陥、ゲートオキシドインテグリティ欠陥、クリスタルオリジネーテッドパーティクル欠陥、およびクリスタルオリジネーテッドライトポイント欠陥がある。「凝集格子間原子欠陥」とは、シリコン自己格子間原子が凝集してA欠陥(転位ループおよびネットワークを含む)、およびB欠陥を形成する反応によって生じる凝集真性点欠陥を意味する。「B欠陥」とは、A欠陥よりも小さく、熱処理を受けた場合に溶解しうる凝集真性点欠陥を意味する。「半径」とは、ウエハ、またはインゴットスラグもしくはスラブなどの単結晶シリコンサンプルの中心軸から周囲縁までを測定した距離を意味する。「凝集真性点欠陥を実質的に含まない」とは、これらの欠陥の検出限界(現在のところ約104欠陥/cm3)より低い、凝集欠陥濃度を意味する。「空孔優勢」および「自己格子間原子優勢」とは、その真性点欠陥が主としてそれぞれ空孔または自己格子間原子である材料を意味する。「凝集真性点欠陥の視覚検出」ならびにその派生語は、通常の白熱光源または蛍光光源、あるいは所望により視準光源またはその他の増強光源下、裸眼で、光学もしくは赤外顕微鏡、X線回折、またはレーザー光散乱などの欠陥検出の助けとなる、あるいは欠陥拡大像を得るいずれの装置も使わずに、かかる欠陥を検出することをさす。
【００５２】
凝集欠陥の検出
凝集欠陥はいくつかの異なる技術によって検出することができる。例えば、フローパターン欠陥またはD欠陥は典型的には単結晶シリコンサンプルをSeccoエッチング溶液中で約30分間選択的にエッチングした後、サンプルの顕微鏡観察を行うことによって検出する(例えば、H. Yamagishi et al., Semicond. Sci. Technol. 7, A135 (1992)参照)。この方法は凝集空孔欠陥の検出に標準的なものであるが、A欠陥を検出するためにも使用できる。この技術を用いると、かかる欠陥は存在する場合にはサンプル表面上の大きなピットとして見られる。
【００５３】
さらにまた、凝集真性点欠陥は、加熱時に単結晶シリコンマトリックス中に拡散しうる金属でこれらの欠陥を修飾することによっても視覚検出できる。特に、ウエハ、スラグまたはスラブなどの単結晶シリコンサンプルは、濃硝酸銅溶液など、これらの欠陥を修飾しうる金属を含有する組成物でサンプル表面をまず被覆することにより、かかる欠陥の存在を視覚検査することができる。次に、このような被覆サンプルを約5分〜約15分間、約900℃〜約1000℃の間の温度に加熱してサンプル中に金属を拡散させる。この加熱処理サンプルを次に室温まで冷却し、金属を臨界過飽和にし、欠陥が存在するサンプルマトリックス内の部位に析出させる。
【００５４】
冷却後、サンプルをブライトエッチング溶液で約8〜約12分間処理することで、まずサンプルに非欠陥描出エッチングを行い、表面残渣や析出物を除去する。典型的なブライトエッチング溶液としては、約55%の硝酸(70重量%溶液)、約20%のフッ化水素酸(49重量%溶液)、および約25%の塩酸(濃溶液)を含む。
【００５５】
次にこのサンプルを脱イオン水ですすぎ、約35〜約55分間、サンプルをSeccoまたはWrightエッチング溶液に浸漬するか、それで処理することによる第二のエッチング工程を行う。典型的には約1:2比率の0.15M二クロム酸カリウムおよびフッ化水素酸(49重量%溶液)を含むSeccoエッチング溶液を用いてサンプルのエッチングを行う。このエッチング工程は存在しうる凝集欠陥を露出させ、描出する働きをする。
【００５６】
この「欠陥修飾」プロセスのもう1つの実施形態では、単結晶シリコンサンプルに金属含有組成物の塗布前に熱アニーリングを行う。典型的には、サンプルを約3時間〜約5時間、約850℃〜約950℃の範囲の温度まで加熱する。この実施形態は特にB型シリコン自己格子間原子凝集欠陥を検出する目的に好ましい。特定の理論にとらわれるものではないが、一般に、この熱処理はB欠陥を安定化させ、成長させる働きをし、その結果、修飾および検出がより容易なものとなると考えられる。
【００５７】
凝集空孔欠陥はレーザー散乱断層撮影法など、典型的には他のエッチング技術よりも低い欠陥密度検出限界を有するレーザー散乱法を用いて検出してもよい。
【００５８】
一般に、凝集欠陥を含まない格子間原子および空孔優勢材の領域は、上記の銅修飾技術によって、互いに、また、凝集欠陥を含む材料から識別できる。欠陥を含まない格子間原子優勢材の領域はエッチングによって露出され、修飾された特徴を含まず、一方、欠陥を含まない空孔優勢材の領域は(上記のような高温酸素核分解処理の前に)、酸素核の銅修飾による小さなエッチピットを含む。
【００５９】
上記の点から、本発明のいくつかの目的が達成されることが分かるであろう。本発明の範囲から逸脱しない限り、上記のプロセスにおいては種々の変更が可能であるので、上記の説明に含まれる全ての事柄は例として説明されるものであり、限定を意味するものではない。また、本発明またはその好ましい実施形態の要素を導入する場合、冠詞の"a"、"an"、"the"および"said"は1以上の要素があることを意味するものとする。「含んでなる（有してなる）(comprising)」、「含む（有する）(including)」および「有する(having)」は挙げられている要素以外の付加要素が存在することも含め、意味するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  v/G0(ここで、vは成長速度であり、G0は平均軸方向温度勾配である)比の値の上昇に伴い、自己格子間原子[I]および空孔[V]の初期濃度がどのように変化するか、一例を示したグラフである。
【図２】  所定の初期濃度の自己格子間原子[I]に関して、温度Tが低下するにつれて凝集格子間原子欠陥の形成に必要な自由エネルギーの変化ΔGIがどのように増加するか、一例を示したグラフである。
【図３】  凝集真性点欠陥が核をなす温度範囲にインゴットを急冷することによって製造されたインゴットの横断面画像である。
【図４】  B欠陥消滅熱処理を受ける前のB欠陥を有するウエハと、B欠陥消滅熱処理を受けたB欠陥を有するウエハとを比較する画像である。