(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配がシリコン融点に近い高温部での結晶中心の軸方向温度勾配より低いか同等となるＣＺ炉を用い、かつシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとし、前記結晶の引き上げ速度をＶとするときに、酸化誘起積層欠陥発生領域が結晶の中心部で消滅するとともに転位クラスタが発生しないように前記結晶軸方向温度勾配Ｇの変化に対して前記引き上げ速度Ｖを調整することにより、Ｖ／Ｇを一定にして、無欠陥領域のみからなる条件でシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶育成方法。
【請求項２】
シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配がシリコン融点に近い高温部での結晶中心の軸方向温度勾配より低いか同等となるＣＺ炉を用い、かつシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとし、前記結晶の引き上げ速度をＶとするときに、酸化誘起積層欠陥発生領域が結晶の中心部に発生するように前記結晶軸方向温度勾配Ｇの変化に対して前記引き上げ速度Ｖを調整することにより、Ｖ／Ｇを一定にして、結晶中心部が酸化誘起積層欠陥発生領域となり、かつ前記結晶中心部以外が無欠陥領域となる条件でシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶育成方法。
【請求項３】
欠陥分布をＶ／Ｇ値と結晶径方向位置との関係で整理して示した欠陥分布図を作成し、結晶径方向でのＶ／Ｇ値の変化を示すＶ／Ｇ曲線が前記欠陥分布図上で無欠陥領域のみからなる領域、或いは結晶中心部が酸化誘起積層欠陥発生領域となり、かつ前記結晶中心部以外が無欠陥領域となる領域を通るように固液界面から結晶に流入した熱流の方向が結晶の外周よりも主に上方に流れかつシリコン融点に近い結晶表面が融液、石英坩堝、ヒーターからの輻射によって温度が相対的に高くなる、結晶が冷却されにくいホットゾーン構造を決定し、決定されたホットゾーン構造で結晶育成を行う請求項１または２に記載のシリコン単結晶育成方法。
【請求項４】
Ｖ／Ｇ値が一定になるように、引き上げ速度Ｖを調整する際に、ヒータパワーの制御と連動または独立に数秒の時間毎に一定のスパンで引き上げ速度Ｖを変動させて直径制御しつつ、平均の引き上げ速度Ｖを変えずに目標とするＶ／Ｇ値を維持する請求項１ないし３いずれか１項に記載のシリコン単結晶育成方法。
【請求項５】
軸方向温度勾配Ｇは、伝熱計算により求めた結晶表面での温度と、実結晶から固液界面形状を計測して得た固液界面での温度（シリコン温度）とを境界条件として、計算により算出した軸方向温度分布により求めたものである請求項１ないし４いずれか１項に記載のシリコン単結晶育成方法。
【請求項６】
チョクラルスキー法でシリコン単結晶を育成する際の引き上げ速度をＶとし、シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとするとき、育成結晶における径方向欠陥分布の軸方向変化を予め調査し、結晶軸方向の所定部分で得られた径方向欠陥分布を軸方向で連続して再現するために、その所定部分におけるＶ／Ｇ値を軸方向で維持するのに必要な結晶軸方向での引き上げ速度Ｖの目標値を設定し、これに従って結晶育成を行うシリコン単結晶育成方法。
【請求項７】
請求項１、３ないし５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の直胴部を軸方向に垂直に切り出して、酸化誘起積層欠陥発生領域がウエーハの中心部で消滅するとともに転位クラスタが発生しない無欠陥領域のみからなるシリコンウエーハを製造するシリコンウエーハ製造方法。
【請求項８】
請求項２ないし５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の直胴部を軸方向に垂直に切り出して、ウエーハ中心部が酸化誘起積層欠陥発生領域であって、かつ前記中心部以外のウエーハ全面が無欠陥領域であるシリコンウエーハを製造するシリコンウエーハ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン単結晶の育成方法、及びそのシリコン単結晶から得られる、半導体素子等の製造に用いられるシリコンウエーハの製造方法に関し、特にチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）によるシリコン単結晶育成方法及びシリコンウエーハ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造に用いられるシリコン単結晶ウェーハは主にＣＺ法により製造されている。ＣＺ法とは周知の如く石英坩堝内のシリコン融液に種結晶を漬け、石英坩堝および種結晶を回転させながら種結晶を引き上げることにより、円柱状のシリコン単結晶、即ち直胴部を育成するものである。このときの直胴部の引き上げ速度、すなわち単結晶育成速度は通常１．０〜２．０ｍｍ／ｍｉｎ  である。
【０００３】
ところで、このようなＣＺ法により育成したシリコン単結晶ウエーハは、熱酸化処理（例えば１０００〜１２００℃×１〜１０時間）を受けたときに、リング状に発生する酸化誘起積層欠陥（以下、「ＯＳＦ」という。）を生じることがある。このＯＳＦリングは引き上げ速度が速くなるにつれて単結晶の外周側へ移動することが知られており、現在ＬＳＩの製造には、ＯＳＦリングが単結晶の最外周に分布するように比較的高速の引き上げ速度、すなわち1.０〜2.０ｍｍ／min で育成された高速育成ウエーハが用いられている。
【０００４】
しかしながら、このような高速で育成されたシリコン単結晶ウェーハには数種の微小欠陥（以下Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と称す）が存在し、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜耐圧特性を劣化させることが明らかになってきた。また、これらのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は熱的に極めて安定であることから、デバイスの製造プロセス中においても消滅せず、ウェーハ表面近傍の活性領域に残留し、酸化膜耐圧特性だけでなく接合リーク特性を劣化させることも明らかになってきた（例えばＭ．Ｈｏｒｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  １９９４，ｐ９８７）。
【０００５】
近年ＬＳＩ等のＭＯＳ型高集積半導体素子の集積度増大に伴ってゲート酸化膜が薄膜化され、ソース・ドレイン等の拡散層深さが浅くなったため、ゲート酸化膜の絶縁耐圧特性の向上および接合リーク電流の低減が強く要請されているが、現在ＬＳＩの製造に使用されている高速育成ウェーハは、これらの特性が劣るため、最近の特に高い集積度に対しては対応が困難になってきた。
【０００６】
そこで最近になって、引き上げ速度が０．８ｍｍ／ｍｉｎ  以下の中速または低速でシリコン単結晶を育成する方法が特開平２−２６７１９５号公報により提案された。しかしながら、このような中速〜低速で育成したシリコン単結晶ウェーハにも下記のような結晶品質上の問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、単結晶内の温度分布はＣＺ炉内の構造に依存しており、引き上げ速度が変化しても、その分布は大きくは変わらない。そのため、同じ構造を有する装置により、引き上げ速度を変化させて単結晶を育成すると、図１に示すような引き上げ速度と欠陥発生分布との関係が見られる。装置が異なるとこの関係は若干変化するが、傾向まで変化することはない。
【０００８】
引き上げ速度が０．８〜０．６ｍｍ／ｍｉｎ  の中速育成の場合には、同図（Ａ）に示すように、シリコン単結晶ウェーハの半径の１／２付近にＯＳＦリングが発生する。リングの外側と内側とでは物性が異なり、ＯＳＦリングより外側の領域では、ゲート酸化膜の耐圧特性は良好である。
【０００９】
しかし、リングより内側の領域では、いくつかの種類のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在するため、その耐圧特性は良好でない。なかでも結晶育成中に形成されａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で赤外トモグラフ法で観察される赤外散乱欠陥が約１０６  個／ｃｍ３  の密度で発生する。酸素析出物と考えられるこの欠陥は熱的に極めて安定であるので、デバイスの熱処理プロセスでも消滅することはなく、デバイス活性領域に残留して接合リーク特性も劣化させる。
【００１０】
またＯＳＦリング自体は、数ｍｍ〜１０ｍｍ程度の幅で発生し、約１０４  個／ｃｍ２  の高密度でＯＳＦを含むことから、半導体素子の特性、例えば接合リーク特性を悪化させる原因になる。更に、この領域には、ウェーハを熱処理した際に１０８  〜１０９  ｃｍ−３の密度で酸素析出物が発生する。この酸素析出物の核も熱的に安定であり、１２５０℃の熱処理でも成長する。従って、ＯＳＦリング自体もデバイスプロセス後の特性を劣化させる原因になる。
【００１１】
シリコン単結晶の引き上げ速度を０．６〜０．５ｍｍ／ｍｉｎ  に低下させた場合には、図１（Ｂ）に示すように、ＯＳＦリングの直径が更に小さくなり、ウェーハの中心付近にリング状または円盤状にＯＳＦが発生する。リングより外側の面積が増大するために、酸化膜耐圧特性は向上するが、代わってリング外側の外周部に転位クラスタが発生する。この転位クラスタは大きさが約１０〜２０μｍで密度が約１０３  個／ｃｍ２  程度であり、これも半導体素子の特性を劣化させる原因になることは周知の通りである。
【００１２】
また、ＣＺ法で育成されたシリコン単結晶ウェーハには、酸素不純物が１〜２×１０１８  ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  の濃度で含まれている。そして、この酸素不純物のためにデバイスプロセスでの熱処理（例えば６００〜１１５０℃×数十時間）により酸素析出が起こることは上述した通りである。この酸素析出物はデバイス活性領域に発生してデバイスの特性を劣化させる一方で、デバイスプロセス中に発生する重金属汚染をゲッタリングするサイトとして作用する。
【００１３】
ＯＳＦリングより内側の領域では酸素析出が強く起こるため、通常のイントリンシックゲッタリング能（以下ＩＧ能という）が得られるが、ＯＳＦリングより外側の転位クラスタが発生する領域では、この酸素析出が起こりにくいためＩＧ能は低下する。
【００１４】
このように、引き上げ速度が０．８〜０．５ｍｍ／ｍｉｎ  の中速で育成されたウェーハは、ＯＳＦリングが残り、そのリング自体が欠陥発生領域であるだけなく、リングの内外にも欠陥が発生するため、高集積度の半導体素子の製造には適さない。
【００１５】
一方、引き上げ速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎ  以下の低速で育成されたウェーハでは、図１（Ｃ）に示すように、ＯＳＦリング領域はウェーハの中央部で消滅し、これに伴いリングより内側の赤外散乱欠陥が発生する領域も消える。しかし、ウェーハの全面に転位クラスタが発生する。転位クラスタの発生がデバイス特性の低下やＩＧ能の低下の原因になることは上述した通りである。従って、低速育成ウェーハも高集積度半導体素子の製造に適さない。
【００１６】
以上のように、現状のＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、引き上げ速度をいかに調整しても結晶径方向の少なくとも一部に有害欠陥が生じ、全面無欠陥のウェーハは製造されない。
【００１７】
本発明の目的は、有害欠陥を低減できるシリコン単結晶育成方法及びシリコンウエーハ製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
ところで本発明者らは先にＯＳＦリングの発生位置に関し次のような重要な事実を得た。
【００１９】
同一の構造を有する結晶育成装置では、ＯＳＦリングの径は結晶の引き上げ速度に依存して変化し、引き上げ速度の低下と共にその径は減少するが、育成装置が相違し、ホットゾーン構造が変化すると、同一の引き上げ速度であってもＯＳＦリングの径は異なる。しかし、単結晶の引き上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ  ）とし、シリコン融点から１３００℃までの高温域における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｖ／Ｇで表わされる比によりＯＳＦリングの径は一義的に決定される。つまり、Ｖ／Ｇ値を制御することにより、ＯＳＦリングを狙いとする位置に発生させることができ、また消滅させることも可能となる。
【００２０】
しかしながら、Ｖ／Ｇ値の制御によりＯＳＦリングの発生位置を制御しても赤外散乱欠陥、転位クラスタ等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥まで消滅させることはできない。
【００２１】
そこで本発明者らは欠陥分布に及ぼすＶ／Ｇ値の影響を次のようにして調査した。単結晶の肩からそれぞれ１００，２００，３００，４００ｍｍの各位置に固液界面がある場合の温度分布を総合伝熱解析により求めた。この伝熱解析においては、融液内の対流による温度分布の効果が考慮されていないと、実際と異なる固液界面形状が得られ、またこれによって結晶内の特に固液界面に近い高温部での温度分布が実際のものと若干異なることが懸念される。この計算上の問題を改善し、高温部におけるより正確な温度分布を得るために、さらに上記各位置での固液界面の形状を実結晶から計測し、界面での温度をシリコンの融点として、これと上記伝熱計算による結晶表面での温度を境界条件として再び結晶内部の軸方向温度分布を計算し、これから軸方向温度勾配の径方向分布を計算した。径方向位置を横軸とし、Ｖ／Ｇ値を縦軸として欠陥分布を示したのが図２である。
【００２２】
図２から分かるように、Ｖ／Ｇ値が０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  未満の場合、径方向全域において転位クラスタが発生する。Ｖ／Ｇ値が０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  より大きくなるに連れて無欠陥領域、ＯＳＦリング発生領域、赤外散乱欠陥発生領域の順に領域が変化する。ここで無欠陥領域の下限は径方向位置に関係なく一定（０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  ）であるが、上限は結晶中心と結晶外周から３０ｍｍまでの位置との間では一定（０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  ）となり、結晶外周から３０ｍｍまでの位置と結晶外周位置との間では、結晶外周に近づくに連れて大となる。そして、ホットゾーン構造が異なる場合でも各種欠陥はこの図に従って分布する。
【００２３】
すなわち、ホットゾーン構造と引き上げ速度が決まると、その育成装置が持つ結晶径方向でのＶ／Ｇ値が破線のように決定される。引き上げ速度がＶ１  の場合、そのＶ／Ｇ曲線が赤外散乱欠陥発生領域を横切る結晶部位で赤外散乱欠陥が生じ、ＯＳＦリング発生領域を横切る結晶部位でＯＳＦリングが発生する。よって引き上げ速度がＶ１  の場合はウェーハの最外周部にＯＳＦリングが発生し、その内側の領域には赤外散乱欠陥が生じる。引き上げ速度が低下するとＶ／Ｇ曲線はＶ２  ，Ｖ３  ，Ｖ４  ，Ｖ５  のように移動し、結晶に発生する欠陥の径方向分布が変化する。
【００２４】
ここで注目すべきことは、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では単結晶の径方向全域において無欠陥となるＶ／Ｇが存在すること、換言すればＶ／Ｇによっては単結晶の径方向全域において欠陥を無くすのが可能であること、しかし従来の育成では単結晶の引き上げ速度に関係なくＶ／Ｇ曲線が一般に右下がりとなるため径方向全域において無欠陥とするのができないことの２点である。
【００２５】
Ｖ／Ｇ曲線が右下がりとなるのは、後で詳しく述べるが、結晶内の軸方向温度勾配が中心部に比して外周部で大きいことによる。すなわち、Ｖが一定の状態でＧが中心から外周へ向かうに連れて増大するためにＶ／Ｇ曲線は右下がりとなる。そのため径方向の全域において無欠陥となるＶ／Ｇが存在するにもかかわらず、ウェーハ全面を無欠陥にすることはできない。
【００２６】
例えばＶがＶ１  の場合はウェーハの最外周部にＯＳＦリングが発生し、その内側に赤外散乱欠陥が発生する。これは従来一般の高速育成である。ＶがＶ１  より遅いＶ２  ，Ｖ３  になると、ウェーハの径方向中間部にＯＳＦリングが発生し、その外側は無欠陥領域となるが、内側には赤外散乱欠陥が発生する。これは中速育成であり図１（Ａ）に相当する。Ｖが更に遅いＶ４  になると、ウェーハ中心部にＯＳＦリングが発生し、その外側に無欠陥領域が残るが、最外周部には転位クラスタが発生する。これは図１（Ｂ）に相当する中速育成である。Ｖが更に遅いＶ５  になると、ＯＳＦリングは中心部で消滅するが、ウェーハ全面に転位クラスタが発生する。これは図１（Ｃ）に相当する低速育成である。また仮に、結晶中心部でＶ／Ｇを欠陥が生じない０．２０〜０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  に管理しても、結晶中心部から外れるに連れてＶ／Ｇが低下するために、中心部以外は転位クラスタを生じる。
【００２７】
このように、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、単結晶の径方向全域において無欠陥領域を形成し得るＶ／Ｇが存在するにもかかわらず、Ｖ／Ｇが右下がりの曲線であるために、ウェーハ全面を無欠陥とすることができない。
【００２８】
しかしながら、もし仮に、単結晶の径方向においてＶ／Ｇを径方向に一定の直線、あるいは外周部において漸増する右上りの曲線とすることができれば、径方向の全域において欠陥の発生を防止することができる。この仮定に基づき本発明者らは更なる調査解析を行なった。その結果、結晶育成装置のホットゾーンの構造によってはＶ／Ｇを図２に実線で示すような直線乃至は右上りの曲線とすることができ、その結果、単結晶の径方向全域において無欠陥領域が形成され、ここにこれまで不可能であった全面無欠陥ウェーハの製造が可能になる。
【００２９】
即ち、欠陥分布をＶ／Ｇ値と結晶径方向位置との関係で整理して示した図２上において、結晶径方向でのＶ／Ｇ値の変化を示すＶ／Ｇ曲線が無欠陥領域を通るようにホットゾーン構造を決定し、決定されたホットゾーン構造で結晶育成を行うことにより、単結晶の径方向全域において無欠陥領域が形成される。
【００３３】
本願請求項１に係る発明は、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配がシリコン融点に近い高温部での結晶中心の軸方向温度勾配より低いか同等となるＣＺ炉を用い、かつシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとし、この結晶の引き上げ速度をＶとするときに、ＯＳＦ発生領域が結晶の中心部で消滅するとともに転位クラスタが発生しないように結晶軸方向温度勾配Ｇの変化に対して引き上げ速度Ｖを調整することにより、Ｖ／Ｇを一定にして、無欠陥領域のみからなる条件でシリコン単結晶を育成する方法である。
【００３４】
本願請求項２に係る発明は、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配がシリコン融点に近い高温部での結晶中心の軸方向温度勾配より低いか同等となるＣＺ炉を用い、かつシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとし、この結晶の引き上げ速度をＶとするときに、ＯＳＦ発生領域が結晶の中心部に発生するように結晶軸方向温度勾配Ｇの変化に対して引き上げ速度Ｖを調整することにより、Ｖ／Ｇを一定にして、結晶中心部がＯＳＦ発生領域となり、かつ上記結晶中心部以外が無欠陥領域となる条件でシリコン単結晶を育成する方法である。
【００３６】
本願請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載された発明であって、欠陥分布をＶ／Ｇ値と結晶径方向位置との関係で整理して示した欠陥分布図を作成し、結晶径方向でのＶ／Ｇ値の変化を示すＶ／Ｇ曲線が前記欠陥分布図上で無欠陥領域のみからなる領域、或いは結晶中心部がＯＳＦ発生領域となり、かつ前記結晶中心部以外が無欠陥領域となる領域を通るように固液界面から結晶に流入した熱流の方向が結晶の外周よりも主に上方に流れかつシリコン融点に近い結晶表面が融液、石英坩堝、ヒーターからの輻射によって温度が相対的に高くなる、結晶が冷却されにくいホットゾーン構造を決定し、決定されたホットゾーン構造で結晶育成を行うシリコン単結晶育成方法である。
【００３８】
本願請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に記載された発明であって、Ｖ／Ｇ値が一定になるように、引き上げ速度Ｖを調整する際に、ヒータパワーの制御と連動または独立に数秒の時間毎に一定のスパンで引き上げ速度Ｖを変動させて直径制御しつつ、平均の引き上げ速度Ｖを変えずに目標とするＶ／Ｇ値を維持するシリコン単結晶育成方法である。
本願請求項５に係る発明は、請求項１ないし４いずれか１項に記載された発明であって、軸方向温度勾配Ｇは、伝熱計算により求めた結晶表面での温度と、実結晶から固液界面形状を計測して得た固液界面での温度（シリコン温度）とを境界条件として、計算により算出した軸方向温度分布により求めたものであるシリコン単結晶育成方法である。
【００３９】
本願請求項６に係る発明は、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際の引き上げ速度をＶとし、シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとするとき、育成結晶における径方向欠陥分布の軸方向変化を予め調査し、結晶軸方向の所定部分で得られた径方向欠陥分布を軸方向で連続して再現するために、その所定部分におけるＶ／Ｇ値を軸方向で維持するのに必要な結晶軸方向での引き上げ速度Ｖの目標値を設定し、これに従って結晶育成を行うシリコン単結晶育成方法である。
【００４０】
本願請求項７に係る発明は、請求項１、３ないし５いずれか１項に記載された方法で育成されたシリコン単結晶の直胴部を軸方向に垂直に切り出して、ＯＳＦ発生領域がウエーハの中心部で消滅するとともに転位クラスタが発生しない無欠陥領域のみからなるシリコンウエーハを製造する方法である。
本願請求項８に係る発明は、請求項２ないし５いずれか１項に記載された方法で育成されたシリコン単結晶の直胴部を軸方向に垂直に切り出して、ウエーハ中心部がＯＳＦ発生領域であって、かつ前記中心部以外のウエーハ全面が無欠陥領域であるシリコンウエーハを製造する方法である。
【００４１】
軸方向温度勾配Ｇ′は又、伝熱計算により求めた結晶表面での温度と、実結晶から固液界面形状を計測して得た固液界面での温度（シリコン温度）とを境界条件として、計算により算出した軸方向温度分布により正確に求めることができる。
【００４２】
以下に、本発明の作用を説明する。
【００４３】
一般に結晶内の軸方向温度勾配は中心部に比較して外周部が大きい。これは、ＣＺ炉内の発熱部が結晶よりも下にあり、結晶の上方と周囲が低温部であることから、固液界面から流入した熱流が結晶中を引き上げ軸にそって上方及び結晶の表面方向（外周）に向かって流れることで、結晶が冷却されるためであり、結晶が冷却され易い炉ほど結晶表面からの放熱が大きく、外周部での温度勾配は大きくなる傾向がある。従って、結晶冷却能の大きい構造を有する一般のＣＺ炉では、一定の引き上げ速度で成長中の結晶内のＶ／Ｇの径方向分布は、中心から外周に向かって低下する傾向がある。このようなＣＺ炉では、中心部でＶ／Ｇ値が図２の無欠陥領域にあったとしても、外周に近づくとこの領域から外れ、転位クラスタが発生する領域を横切るため、転位クラスタの発生は避けられない。
【００４４】
しかし逆に、結晶が冷却されにくいＣＺ炉は、熱流の方向が外周よりも主に上方に向かって流れ、逆に融点に近い高温部の結晶表面は、融液や石英坩堝、ヒーター等からの輻射によって、温度が相対的に高くなる傾向があるため、温度勾配は中心よりも若干低くなる。ただし、結晶表面からの放熱も少なからずあるため、無制限に温度勾配が小さくなることはない。このことから、結晶が冷却されにくい構造を有するＣＺ炉では、Ｖ／Ｇ値は径方向に一定か、もしくは若干増大し、無制限に増大しない傾向となる。従って、このようなＣＺ炉を使用し、且つ結晶中心部でＶ／Ｇ値を無欠陥領域に存在させておけば、Ｖ／Ｇ値は径方向全域において無欠陥領域から外れることはない。その結果、ＯＳＦリングが結晶の中心部で消滅した低速育成結晶でありながら、転位クラスタが発生しない単結晶が得られる。
【００４５】
即ち、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配が結晶中心の軸方向温度勾配より低くなるＣＺ炉を用い、結晶中心部が無欠陥領域となる条件で育成を行うことにより、径方向全域で無欠陥のシリコン単結晶が得られる。
【００４６】
具体的には、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際に、Ｖ／Ｇ値を結晶中心位置と結晶外周から３０ｍｍまでの位置との間では０．２０〜０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  とし、結晶外周から３０ｍｍまでの位置と結晶外周位置との間では０．２０〜０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  とするか若しくは結晶外周に向かって漸次増加させる。
【００４７】
即ち、結晶径方向でＶ／Ｇ値が無欠陥領域のみを横切るようにＣＺ炉の温度分布を調節する。ここで無欠陥領域の下限値は、０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  で一定であり、上限値は、外周から３０ｍｍを除く部分においては、０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  で一定であり、外周から３０ｍｍまでの部分においては外周に向かって漸次増大している。従って、Ｖ／Ｇ値を結晶中心位置と結晶外周から３０ｍｍまでの位置との間では０．２０〜０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  とし、結晶外周から３０ｍｍまでの位置と結晶外周位置との間では０．２０〜０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  とするか若しくは結晶外周に向かって漸次増加させる。
【００４８】
これにより、ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅し、且つ転位クラスタを含まない低速育成結晶が得られる。この育成結晶から得られるウエーハは、ＯＳＦリングがウェーハ中心部で消滅した低速育成ウェーハであるので、ＯＳＦおよびその内側に発生する赤外散乱欠陥を含まない。そして、外側に発生するはずの転位クラスタも排除されている。よって全面にわたり有害欠陥のない高品質ウェーハとなる。
【００４９】
このように、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配が結晶中心の軸方向温度勾配より低くなるＣＺ炉を用い、結晶中心部が無欠陥領域となる条件で育成を行うことにより、径方向全域で無欠陥のシリコン単結晶が得られ、この単結晶からは全面無欠陥のウエーハが得られる。
【００５０】
また、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配が結晶中心の軸方向温度勾配より低くなるＣＺ炉を用い、結晶中心部がＯＳＦ発生領域となる条件で育成を行うことにより、結晶中心部がＯＳＦ発生領域となり、その外側が無欠陥領域となるシリコン単結晶が得られ（図３中の５００ｍｍ参照）、この単結晶からはＯＳＦ発生領域及び無欠陥領域のみからなるウエーハが得られる。このウエーハは、転位クラスタが排除され、且つ、径方向の一部に無欠陥領域を含むので、有害欠陥が少ない。
【００５１】
また、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配が結晶中心の軸方向温度勾配より低くなるＣＺ炉を用い、結晶中心部が赤外散乱欠陥発生領域となる条件で育成を行うことにより、結晶径方向の中心部が赤外散乱欠陥発生領域となり、その外側がＯＳＦ発生領域となり、その更に外側が無欠陥領域となるシリコン単結晶が得られ（図３中の６００ｍｍ，７００ｍｍ参照）、この単結晶からは赤外散乱欠陥発生領域、ＯＳＦ発生領域及び無欠陥領域のみからなるウエーハが得られる。このウエーハも、転位クラスタが排除され、且つ、径方向の一部に無欠陥領域を含むので、有害欠陥が少ない。
【００５２】
このように、シリコン融点に近い高温部での結晶表面の軸方向温度勾配が結晶中心の軸方向温度勾配より低くなるＣＺ炉を用いて育成を行うことにより、径方向において全域無欠陥を含む有害欠陥の少ない高品質な単結晶及びウエーハが得られる。
【００５３】
また、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際の引き上げ速度をＶとし、シリコン融点に近い高温部での軸方向温度勾配をＧ′とするとき、欠陥分布をＶ／Ｇ′値と結晶径方向位置との関係で整理して示した欠陥分布図を作成し、結晶径方向でのＶ／Ｇ′値の変化を示すＶ／Ｇ′曲線が前記欠陥分布図上で無欠陥領域等の所望の領域を通るようにホットゾーン構造を決定し、決定されたホットゾーン構造で結晶育成を行うことにより、径方向において全域無欠陥を含む有害欠陥の少ないシリコン単結晶が得られる。
【００５４】
ところで、結晶内の融点に近い高温部における温度勾配は、結晶軸方向で必ずしも一定ではなく、トップ部からテイル部にかけて若干変化する。これは、結晶成長時に一定の直径を維持するためにヒーターパワーが変化することや、結晶長、残融液量等の変化によってＣＺ炉内の熱的な環境が徐々に変化することによって、結晶に流入流出する熱流が変化するためである。従って、従来のＣＺ法においては、引き上げ量の増大に伴う結晶軸方向の温度勾配の変化によってＶ／Ｇ値も変化し、発生する径方向の欠陥分布も軸方向にわずかずつ変化する（図３参照）。
【００５５】
そこで、結晶軸方向の温度勾配Ｇの変化に対して、Ｖ／Ｇが一定になるように引き上げ速度Ｖを調整する（図５参照）。そうすることにより、軸方向全域においても全面無欠陥とすることが可能となる。
【００５６】
即ち、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際の引き上げ速度をＶとし、シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとするとき、結晶育成の進行に伴う軸方向温度勾配Ｇの変化に対して、Ｖ／Ｇ値が一定になるように、引き上げ速度Ｖを調整して結晶育成を行うことにより、径方向における所定の欠陥分布が軸方向で連続して得られ、軸方向で有害欠陥の少ないシリコン単結晶を得ることができる。
【００５７】
このように、欠陥制御の目的で引き上げ速度を制御したとしても、結晶の直径制御は従来と同様に可能である。すなわち、ヒーターパワーの制御とそれと連動または独立に、欠陥制御のために必要な目標引上速度の周りで、数秒の時間毎に一定のスパンで引き上げ速度を変動させたとしても、平均の引き上げ速度Ｖは変わらず、目的とするＶ／Ｇ値は維持される。これは、このような短時間の引き上げ速度の変動に対して、欠陥の発生が影響されないためである。
【００５８】
即ち、Ｖ／Ｇ値が一定になるように、引き上げ速度Ｖを調整する際に、ヒータパワーの制御と連動または独立に一定のスパンで引き上げ速度Ｖを変動させて直径制御しつつ、平均の引き上げ速度Ｖを変えずに目標とするＶ／Ｇ値を維持することで、従来と同様の直径制御を行いつつ、径方向における所定の欠陥分布を軸方向で連続して得ることができる。
【００５９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を説明する。
【００６０】
１８”石英坩堝及びカーボン坩堝が設置された６”単結晶の育成可能なＣＺ炉において、坩堝の周囲に設置された円筒状のカーボンヒーターと坩堝との相対位置、育成結晶の周囲に設置されたカーボンからなる厚さ５ｍｍ、開口径２００ｍｍの半円錐形状の輻射遮蔽体の先端と融液表面との距離、ヒータ周囲の断熱材構造等の種々条件を総合伝熱計算によって種々検討し、結晶外周から３０ｍｍまでの領域を除く部分においてはＶ／Ｇがほぼ一定で、外周から３０ｍｍまでの領域においては外周に向かってＶ／Ｇが単調に増大するように、上記条件を決定した。計算結果を図３に示す。図中の０，１００…７００ｍｍは結晶引き上げ量である。
【００６１】
上記条件を決定した後、１８”石英坩堝に高純度多結晶シリコンを６５ｋｇ入れ、ボロンをドープして、多結晶シリコンを加熱溶解し、直径が１５０ｍｍで結晶成長方位が〈１００〉の単結晶を引き上げ速度が０．４５ｍｍ／ｍｉｎ  の低速で長さ１３００ｍｍまで育成した。
【００６２】
育成後の結晶を結晶軸方向と平行に厚さ１．５ｍｍで切り出し、ＨＦおよびＨＮＯ３  からなる混酸溶液中で加工歪を溶解除去し、さらに希ＨＦ溶液中に浸漬し、その後超純水でリンスし乾燥させた。このサンプルを８００℃／４ｈｒ＋１０００℃／１６ｈｒ乾燥酸素中で熱処理した後、Ｘ線トポグラフによって欠陥の発生分布を調べた。欠陥の分布を図４に示すが、調べた欠陥の分布は以下のように図３の計算結果に対応するものとなった。なお、図４中の数字は単結晶の肩からの長さで、図３中の引き上げ量に対応する。
【００６３】
引き上げ速度Ｖと融点から１３００℃までの結晶軸方向温度勾配の平均値Ｇとの比Ｖ／Ｇは、結晶の径方向に中心から４５ｍｍの位置まではほぼ一定値で、４５ｍｍの位置からは外周部に向かって単調に増大している。なお、中心から４５ｍｍの位置は外周から３０ｍｍの位置である。
【００６４】
Ｖ／Ｇをこのように管理した結果、結晶トップから２００ｍｍまでの軸方向部位では、結晶中心部でのＶ／Ｇが０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  未満であり、径方向全域に転位クラスタが発生した。２００ｍｍから５００ｍｍにかけては、結晶中心部でのＶ／Ｇが０．２２〜０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  となっており、特に４００ｍｍ近傍では結晶中心から４５ｍｍまでの領域でＶ／Ｇが０．２２〜０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  に維持され、４５ｍｍから外側の領域でＶ／Ｇが単調に増加し、これらにより径方向全域でＶ／Ｇが無欠陥領域内に管理されたため、径方向全域でＯＳＦリングや赤外散乱欠陥等のその他の有害なＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の発生は見られなかった。５００ｍｍから結晶テールにかけての部位では、結晶中心部でのＶ／Ｇが０．２２ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  を超えたため、ＯＳＦリングが発生し、その内側には赤外散乱欠陥が発生した。
【００６５】
即ち、５００ｍｍから結晶テールにかけての部位では、結晶径方向の中心部が赤外散乱欠陥発生領域となり、その外側がＯＳＦ発生領域となり、その更に外側が無欠陥領域となる。
【００６６】
また、５００ｍｍ付近の部位では、結晶中心部に発生したＯＳＦの外側全体が無欠陥となり、ここからは有害欠陥の非常に少ないウエーハが得られる。即ち、Ｖ／Ｇ曲線が右下がりの場合は、結晶中心部にＯＳＦを発生させると、結晶外周部に転位クラスタが発生するが、Ｖ／Ｇが径方向に一定の直線、あるいは外周部において漸増する右上がりの曲線の場合は、中心部のＯＳＦ発生領域の外側全体を無欠陥領域とすることができる。
【００６７】
このような結果をふまえて次に、図５に示すように、前記実施例における４００ｍｍ近傍でのＶ／Ｇ曲線を結晶軸方向の全長において再現した。すなわち、結晶中心から４５ｍｍまでの領域でＶ／Ｇが０．２２〜０．２０ｍｍ２  ／℃・ｍｉｎ  に維持され、４５ｍｍから外側の領域でＶ／Ｇが単調に増加するように結晶軸方向での目標引き上げ速度を設定した。引き上げ速度を除く他の操業条件は前記実施例と同様に設定し、６”Ｂドープ〈１００〉、結晶長１３００ｍｍの単結晶を育成した。前記実施例と同様の方法によってこの結晶内の欠陥の発生分布を調べた。トップ部からテイル部、即ち直胴部の全長において、ＯＳＦリング、赤外散乱欠陥、転位クラスタの発生は見られなかった。
【００６８】
このように、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際の引き上げ速度をＶとし、シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における結晶軸方向温度勾配の平均値をＧとするとき、育成結晶における径方向欠陥分布の軸方向変化を予め調査し、結晶軸方向の所定部分で得られた径方向欠陥分布を軸方向で連続して再現するために、その所定部分におけるＶ／Ｇ値を軸方向で維持するのに必要な結晶軸方向での引き上げ速度Ｖの目標値を設定し、これに従って結晶育成を行うことにより、軸方向で欠陥の少ないシリコン単結晶を得ることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のシリコンウエーハ製造方法及びシリコン単結晶育成方法は、熱的に極めて安定でデバイス活性領域に残留または成長し、ゲート酸化膜の信頼性や接合リーグ特性を劣化させる有害なＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥（赤外散乱欠陥、ＯＳＦリング、転位クラスタ）を低減できるために、高集積半導体素子の特性劣化を防ぎ、素子製造歩留の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ法で育成したシリコン単結晶ウェーハの欠陥分布を示す模式図である。
【図２】横軸を結晶径方向位置とし縦軸をＶ／Ｇとしたときの両者の関係（Ｖ／Ｇ曲線）および欠陥分布を示す図表で、Ｖ／Ｇ曲線の傾きが欠陥の発生に及ぼす影響を示す。
【図３】横軸を結晶径方向位置とし縦軸をＶ／Ｇとしたときの両者の関係（Ｖ／Ｇ曲線）および欠陥分布を示す図表で、Ｖ／Ｇ曲線のレベルが欠陥の発生に及ぼす影響を示す。
【図４】結晶軸を含む平面での欠陥分布を示す模式図である。
【図５】横軸を結晶径方向位置とし縦軸をＶ／Ｇとしたときの両者の関係（Ｖ／Ｇ曲線）および欠陥分布を示す図表で、軸方向全長にわたって欠陥の発生を防止する場合を示す。
【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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