(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英るつぼに収容された半導体メルト（Ｍｅｌｔ）にシード（Ｓｅｅｄ）を浸した後、前記シードを回転させながら上部に徐々に引き上げ固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚ）法を用いた半導体単結晶製造方法において、
単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して半導体メルト表面上部の熱空間を増加あるいは減少させ無欠陷マージンを制御し、
前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物と前記単結晶の外周面との間隔を単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を調節することを特徴とする極低欠陥半導体単結晶製造方法。
【請求項２】
前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物の下端と前記半導体メルト表面との間のメルトギャップを単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を調節することを特徴とする請求項１に記載の極低欠陥半導体単結晶製造方法。
【請求項３】
前記メルトギャップを２５ｍｍ以下の範囲内で調節することを特徴とする請求項２に記載の極低欠陥半導体単結晶製造方法。
【請求項４】
Ｖ＝ａ＋ｂ×Ｌ＋ｃ×（ΔＧａｐ）（ａ,ｂ,ｃ：定数、Ｌ：単結晶の長さ、ΔＧａｐ：メルトギャップの変化量）
の関係式を満足するように前記単結晶の引上げ速度Ｖを変化させることを特徴とする請求項２に記載の極低欠陥半導体単結晶製造方法。
【請求項５】
石英るつぼに収容された半導体メルトにシードを浸した後、前記シードを回転させながら上部に徐々に引き上げ固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー法を行うための半導体単結晶製造装置において、
単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して半導体メルト表面上部の熱空間を増加あるいは減少させ無欠陷マージンを制御する熱空間制御部；を備え、
前記熱空間制御部は、前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物と前記単結晶の外周面との間隔を単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を調節することを特徴とする極低欠陥半導体単結晶製造装置。
【請求項６】
前記熱空間制御部は、前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物の下端と前記半導体メルト表面との間のメルトギャップを単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を調節することを特徴とする請求項５に記載の極低欠陥半導体単結晶製造装置。
【請求項７】
前記熱空間制御部は、前記メルトギャップを２５ｍｍ以下の範囲内で調節することを特徴とする請求項６に記載の極低欠陥半導体単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体単結晶製造方法及びその製造装置に関するものであって、さらに詳しくは、単結晶の半径方向に均一な温度勾配を実現し、長さ方向に無欠陷マージンが維持できる極低欠陥半導体単結晶製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの工程が漸次ナノ級に微細化されるに伴い、数十ナノサイズの結晶欠陷さえもデバイスの歩留まり悪化の要因になってきている。これによって、結晶欠陷が制御されたウェハーを半導体基板として用いる半導体デバイスメーカーが増えている。
【０００３】
しかし、ヴォロンコフの理論（Ｖｏｒｏｎｋｏｖ Ｔｈｅｏｒｙ）に従って、いわゆる無欠陷単結晶製造の工程マージンは半径方向の垂直温度勾配に影響を受けるので、必ず半径方向に大きくて均一な温度勾配を実現しなければならないという困難がある。
【０００４】
ヴォロンコフ理論によれば、図１に示すように、高速成長によりＶ／Ｇ値が閾値より大きければ、ボイド（Ｖｏｉｄ）由来の欠陷が存在するベイカンシー‐豊富（Ｖａｃａｎｃｙ‐ｒｉｃｈ；Ｖ‐ｒｉｃｈ）領域が発生し、低速成長によりＶ／Ｇ値が閾値より小さければ、ＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）領域が結晶の周辺部に発生し、さらに低速で成長が行われば、格子間シリコンが集合した転位ループに起因するインタースティシャル‐豊富（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ‐ｒｉｃｈ；Ｉ‐ｒｉｃｈ）領域が発生する。また、Ｖ‐ｒｉｃｈ領域とＩ‐ｒｉｃｈ領域との境界には、Ｖ‐ｒｉｃｈ領域でもＩ‐ｒｉｃｈ領域でもない無欠陷領域が存在する。無欠陷領域はさらに、残留ベイカンシー（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｖａｃａｎｃｙ）性無欠陷領域であるＰｖ領域と、残留インタースティシャル（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）性無欠陷領域であるＰｉ領域とに分けられる。Ｖ／Ｇにおいて、Ｖは、単結晶の引上げ速度であり、シリコン単結晶内で点欠陷の対流パラメーター（Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｒｍ）である。また、Ｇは、結晶とメルト（Ｍｅｌｔ）との界面付近における軸方向の垂直温度勾配であり、結晶内の温度勾配による点欠陷の拡散パラメーター（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｔｅｒｍ）である。
【０００５】
一般に、単結晶ウェハーを製造するとき、無欠陷領域のマージンは半径方向の温度勾配に影響を受けるので、単結晶のセンター部のＧ値とエッジ部のＧ値との間の偏差（ΔＧ）を小さくして、半径方向に均一な温度勾配を実現しなければならない。
【０００６】
従来には、無欠陷の製造マージンの高い単結晶ウェハーを製造するために、固液界面の上部に位置した熱シールド構造物のホットゾーン（Ｈｏｔ Ｚｏｎｅ；ＨＺ）を多様な形状に設計して単結晶のＧ値を調節するか、ヒーターの最大発熱部位からメルト表面までの相対的位置を調節してメルトの対流や熱伝逹経路を制御しようとする試みがあった。さらに、アルゴン（Ａｒ）フロー（ｆｌｏｗ）の割合、単結晶の回転（Ｓｅｅｄ Ｒｏｔａｔｉｏｎ：ＳＲ）速度と、るつぼの回転（Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ：ＣＲ）速度との比、磁場の形態などのパラメーターを改善しようとする試みがあった。これに係る先行特許としては、特開２００５−１５２９６、特開２００６−６９８０３、特開２００４−１３７０９３などが挙げられる。
【０００７】
しかし、ホットゾーンのデザインを改造するためには追加的な装置が必要であるため、装備の体積拡大が不可避なだけでなく、単結晶のセンター部とエッジ部のうち何れか一方のＧ値を改善すれば、他方は悪化する問題が発生する。例えば、熱シールド構造物の下端部を大きくするか厚く設計すれば、エッジ部のＧ値上昇程度に比べてセンター部のＧ値上昇程度は僅かであるため、結果的に△Ｇ値が悪化する問題が発生する。
【０００８】
一方、磁場の形態を改善する場合には、磁場の変化に応じたメルト対流形態の変化をもたらして、むしろＧ値を低下させるか△Ｇを悪化させる恐れがあり、Ａｒ、圧力、ＳＲ／ＣＲの比などのようなパラメーターを最適化する方法はその効果が些細である。
【０００９】
３００ｋｇ以上または４００ｋｇ以上の１２インチの単結晶を製造する場合、従来技術によれば、図２の（ａ）に示すように、エッジ部のＧ値低下によって工程マージンが狭いだけでなく、Ｓｉウェハーを製造するときウェハーの周辺部にリング形状のＤＳＯＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｏｘｉｄｅ Ｄｅｆｅｃｔ）欠陷（図２の（ｂ）参照）が発生して、半径方向に均一な無欠陷ウェハーの製造が不可能になる。
【００１０】
また、特開２００５−１５２９６に開示されたように、マージンを確保するために固化率に応じてヒーターの位置などを調節する場合には、実際の単結晶の成長時、結晶成長開始から終了までは固化によるＳｉ残留メルト量の変化によって固化潜熱（Ｌａｔｅｎｔ Ｈｅａｔ）と結晶側Ｇ値及びメルト側Ｇ値の変化を伴うことで熱平衡の均衡が変わり、メルトレベルを維持するためのるつぼの上昇によってヒーターから固液界面までの熱伝逹経路が変わるなど、結晶の長手方向に沿うＧ／△Ｇの維持に限界がある。また、チャージサイズ（Ｃｈａｒｇｅ Ｓｉｚｅ）が小さい場合、例えば４００ｋｇまたは３００ｋｇ以下に成長させる場合には、相対的に固化潜熱が小さいので、同一のマージン維持のために成長開始から終了まで同一の引上げ速度で制御しなければならないので生産性が低いという問題がある。
【００１１】
従来技術の一例として、図３には、単結晶成長工程の後半に単結晶エッジ部のＧ値が下落することによって、前半（ａ）に対比して後半（ｂ）の無欠陷マージンが０.０１ｍｍ／ｍｉｎ以下に急激に低下する結果が示されている。このような結果の最も大きな要因としては、前述したように、残留メルトの変化に応じた潜熱の変化、ホットゾーンに起因するメルトフローの形態変化及び熱伝逹によってエッジ部のＧ値が低くなった点が挙げられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記のような問題点を解決するために創案されたものであって、単結晶の長さに応じて単結晶の冷却効率を制御して工程の全区間に亘って均一に無欠陷マージンを維持または増加させ、引上げ速度を向上させることができる極低欠陥半導体単結晶製造方法及びその製造装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記のような目的を達成するために、本発明は、石英るつぼに収容された半導体メルト（Ｍｅｌｔ）にシード（Ｓｅｅｄ）を浸した後、前記シードを回転させながら上部に徐々に引き上げ固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚ）法を用いた半導体単結晶製造方法において、単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して半導体メルト表面上部の熱空間を増加あるいは減少させ無欠陷マージンを制御することを特徴とする極低欠陥半導体単結晶製造方法を開示する。
【００１４】
望ましくは、本発明においては、前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物の下端と前記半導体メルト表面との間のメルトギャップを単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を増加あるいは減少させることができる。
前記メルトギャップは、２５ｍｍ以下の範囲内で調節することが望ましい。
前記単結晶の引上げ速度Ｖは、Ｖ＝ａ＋ｂ×Ｌ＋ｃ×（ΔＧａｐ）（ａ,ｂ,ｃ：定数、Ｌ：単結晶の長さ、ΔＧａｐ：メルトギャップの変化量）の関係式を満足するように設定することが望ましい。
本発明においては、前記単結晶の外周面から離隔して配置される熱シールド構造物と前記単結晶の外周面との間隔を単結晶の長さごとに異ならせて前記熱空間を増加あるいは減少させることもできる。
本発明の他の側面によれば、石英るつぼに収容された半導体メルトにシードを浸した後、前記シードを回転させながら上部に徐々に引き上げ固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー法を行うための半導体単結晶製造装置において、単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して半導体メルト表面上部の熱空間を増加あるいは減少させ無欠陷マージンを制御する熱空間制御部を備えたことを特徴とする極低欠陥半導体単結晶製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリコンメルト上部の熱空間を調節することで、単結晶の中心部からエッジ部に至る半径方向の温度勾配を均一に維持して、結晶成長開始から終了まで無欠陷マージンを実質的に均等に充分確保できる。
また、本発明によれば、単結晶の長さごとの全体Ｇ値が増大するので引上げ速度が向上して生産性を高めることができ、熱シールド構造物の設計を変更しなくてもよいので設備費用が節減できて経済的である。
上述のような本発明は、特に１２インチの無欠陷シリコン単結晶の成長に有用に適用できる。すなわち、３００ｋｇ以上または４００ｋｇ以上の大容量チャージから製造される１２インチのシリコン単結晶の場合には、シリコンメルトを入れるるつぼとこれを取り囲む熱シールド構造物のサイズ増加によって熱シールド構造物内部の熱蓄積量が大きく増加し、工程中に印加される２０００Ｇまたは３０００Ｇ以上の強磁場によってシリコンメルトの対流が抑制されることで熱発散が抑制されて単結晶エッジ部のＧ値が下落することになるが、本発明によれば、熱蓄積空間を減少させることでこのような問題が解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００１７】
図４は、本発明の望ましい実施例による極低欠陥単結晶製造方法を説明するための構成図である。
本発明においては、石英るつぼに収容されたシリコンメルトにシードを浸した後、シードを回転させながら上部に徐々に引き上げ固液界面を通じてシリコン単結晶１００を成長させるチョクラルスキー工程を行い、結晶成長の進行中にシリコンメルト表面上部の熱空間（斜線部分）または熱空間の効率を調節して無欠陷マージンを制御する。
【００１８】
熱空間とは、シリコン単結晶１００の外周面と熱シールド構造物１０１との間の空間及び、シリコンメルトの表面と熱シールド構造物１０１の下端部との間の空間を含む空間であって、シリコン単結晶１００から放出される熱が蓄積される空間を指称する。
【００１９】
望ましくは、熱空間の調節は、単結晶の成長によるシリコン単結晶１００の長さ変化に対応して熱シールド構造物１０１の位置を変更して熱空間を増加あるいは減少させることで行われる。例えば、熱空間は、シリコンメルトの表面と熱シールド構造物１０１の下端との間のギャップであるメルトギャップ（Ａ）を変化させることで調節でき、また、シリコン単結晶１００の外周面と熱シールド構造物１０１との間の間隔（Ｂ）を変化させることで調節でき、前記二つの方法を並行して調節することもできる。
【００２０】
本発明においては、単結晶の成長工程の進行中に単結晶の長さごとにメルトギャップを変化させることで、結晶成長開始［図５の（ａ）参照］から結晶成長中半以後［図５の（ｂ）参照］まで半径方向の温度勾配を均一に維持する。これによって、無欠陷マージンが均一に維持でき、中心部及びエッジ部のＧ値が同伴上昇することで引上げ速度が向上できる。
【００２１】
図６には、本発明によって成長した単結晶の垂直方向の欠陥分布を銅汚染（Ｃｕ‐ｈａｚｅ）法を用いて分析した結果が示されている。図面を参照すれば、単結晶の長さごとにメルトギャップの変化に応じて無欠陷マージンが維持されることが確認でき、特に結晶成長の中・後半以後に０.０２ｍｍ／ｍｉｎ以上に引上げ速度を変更しても結晶成長前半の無欠陷マージンが維持されて、従来の結晶エッジ部の小さいサイズベイカンシー欠陷が改善し、ＤＳＯＤの測定結果（図６の（ｂ）参照）、ウェハーの全面に亘って無欠陷領域が分布することになることが確認できる。
【００２２】
図７には、成長する単結晶の長さ変化に対応してメルトギャップを漸次減少させ熱空間を縮小維持することで熱放出を円滑にする実際の実験例が示されている。図面において、横軸は結晶成長に応じて変化する単結晶の長さを示し、左側の縦軸はメルトギャップの変化量（減少量）を示し、右側の縦軸は引上げ速度（Ｐｕｌｌｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ：ＰＳ）の増加率を示す。ここで、ＰＳ増加率は、既存のＰＳ値に対比して向上したＰＳ値の程度を百分率で示したものである。
【００２３】
図７を参照すれば、結晶成長の開始からメルトギャップを減少し始め、中半以後から開始点の引上げ速度に対比した増加率が著しく上昇し始めて後半に行くほど効果が増大することが確認できる。ここで、単結晶の引上げ速度Ｖは、以下の数式を満足するように設定することが望ましい。
［数１］
Ｖ＝ａ＋ｂ×Ｌ＋ｃ×（ΔＧａｐ）（ａ,ｂ,ｃ：定数、Ｌ：単結晶の長さ、ΔＧａｐ：メルトギャップの変化量）
【００２４】
図８は、メルトギャップの減少による熱空間の減少レベルに応じた無欠陷マージンの変化例を示すグラフであって、メルトギャップを１２〜１４ｍｍまで減少させることによって従来（０.０１ｍｍ／ｍｉｎ）に対比して０.０２５ｍｍ／ｍｉｎ以上に無欠陥マージンが増加することになり、以後には減少することが確認できる。これは、単結晶エッジ部のＧ値下落がメルトギャップのレベルに応じて改善して品質マージンが改善し、閾値を越えれば、エッジ部Ｇ値の過度な上昇のため相対的に単結晶中心部のＧ値が下落して、従来とは反対になる逆転現象が生じるからである。従って、図８の例においては、メルトギャップを１２〜１４ｍｍまでに減少させることが望ましい。このように、本発明は、熱空間を適切に制御することで単結晶の半径方向の温度勾配を均一に制御して無欠陷マージンを充分確保し、単結晶の全体Ｇ値の上昇を通じて引上げ速度の向上が可能である。
【００２５】
本発明において、熱空間の調節パターンは、熱シールド構造物の構造や形状によって多様に変形できる。すなわち、例えば、熱シールド構造物によって取り囲まれた空間が相対的に狭小な場合には、メルトギャップ変化のレベルを比較的小さく設定して熱空間を制御することができる。通常の熱シールド構造物の構造や形状、サイズなどを考慮すれば、メルトギャップの減少レベルは、図７に示したように２５ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００２６】
また、熱空間の調節は、単結晶の中心部及びエッジ部のＧ値及び△Ｇのレベルに応じてメルトギャップを徐々に増加させることで行うこともできる。
【００２７】
図９には、本発明の望ましい実施例による半導体単結晶製造装置の主要構成が示されている。
図９を参照すれば、半導体単結晶製造装置は、多結晶シリコンが高温で溶融されたシリコンメルト（ＳＭ）が収容される石英るつぼ１０；石英るつぼ１０の外周面を取り囲み、高温環境で石英るつぼ１０を一定の形態に支持するるつぼ支持台２０；るつぼ支持台２０の下端に設けられ、るつぼ支持台２０とともに石英るつぼ１０を回転させ、これと同時に固液界面の高さを一定に維持するために石英るつぼ１０を徐々に上昇させる石英るつぼ回転手段３０；るつぼ支持台２０の側壁から所定距離離隔して石英るつぼ１０を加熱する加熱手段４０；加熱手段４０の外郭に設けられ、加熱手段４０から発生する熱が外部に流出されることを防止する断熱手段５０；一定の方向に回転するシード結晶を用いて石英るつぼ１０に収容されたシリコンメルトからシリコン単結晶１００を引き上げる単結晶引上げ手段６０；単結晶引上げ手段６０によって引き上げられるシリコン単結晶１００の外周面から所定距離離隔してシリコン単結晶１００から放出される熱を遮蔽する熱シールド構造物１０１；シリコン単結晶１００の外周面に沿ってシリコンメルトの上部表面に不活性ガス（例えば、Ａｒガス）を供給する不活性ガス供給手段（図示せず）；及びシリコンメルト上部の熱空間を制御するための熱空間制御部２００を含む。
【００２８】
熱空間制御部２００は、単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して熱空間を増加あるいは減少させる調節機能を行う。熱空間の調節は熱シールド構造物の位置を変更することで行え、その他の方法も採用可能である。図面には示さなかったが、熱空間制御部２００は、熱シールド構造物１０１を移動させ熱空間を増加または減少させるための所定の駆動機構と、この駆動機構を制御するコントローラとを含む。
【００２９】
熱シールド構造物１０１の位置を変更して熱空間を調節する場合、熱空間制御部２００は、シリコンメルトの表面と熱シールド構造物１０１との間のメルトギャップを変化させる駆動制御を行い、あるいは、シリコン単結晶の外周面と熱シールド構造物との間の間隔を変化させる駆動制御を行うことができ、前記二つの方法を並行することも可能である。
【００３０】
望ましくは、熱空間制御部２００は、単結晶の成長による単結晶の長さ変化に対応して熱シールド構造物１０１を下降させメルトギャップを減少させる。このとき、メルトギャップは、図７のように引上げ速度の増加率と無欠陷マージンなどを考慮すれば、２５ｍｍ以下の範囲内で調節することが望ましい。
【００３１】
半導体単結晶製造装置において、熱空間制御部２００以外の構成要素は、本発明が属する技術分野においてよく知られているチョクラルスキー法を用いた半導体単結晶製造装置の通常の構成要素であるので、各構成要素に対する詳細な説明は省略する。
【００３２】
以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。
【００３３】
本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の１２インチ、４００ｋｇのシリコン単結晶の成長時の垂直方向の欠陷分布図である。
【図２】図１のシリコン単結晶に対する実際の欠陷分布を示す温度分布図と断面写真である。
【図３】従来技術による単結晶の成長工程に応じて無欠陷マージンが変化した結果を示す欠陷分布図である。
【図４】本発明の望ましい実施例による極低欠陥単結晶製造方法を説明するために、シリコンメルト上部の熱空間を概略的に示す側面図である。
【図５】本発明の望ましい実施例による極低欠陥単結晶製造方法に従って無欠陷マージンが一定に維持された結果を示す欠陷分布図である。
【図６】本発明の望ましい実施例によって製造された単結晶の実際の欠陷分布を銅汚染法を用いて分析した断面写真である。
【図７】本発明の望ましい実施例によって制御される単結晶の長さごとのメルトギャップの変化量と引上げ速度の増加率とを示すグラフである。
【図８】メルトギャップの変化に応じた無欠陷マージンの変化を示すグラフである。
【図９】本発明の望ましい実施例による単結晶製造装置の主要構成図である。
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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