(57)【要約】      （修正有）【課題】パーティクルとして検出される結晶欠陥が低密度であり、パーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶を生産性よく安価に引上げることができるシリコン単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】ＣＺ法を用い、輻射シールド６と融液表面のギャップを１５〜３０ｍｍ、固化後１１００〜１０００℃の温度を経験する時間が２０分以上、２００分以下になるように温度帯幅と引上速度を設定するとともに、固液界面高さが３０ｍｍ以下となるよう結晶回転、ルツボ回転及び磁場強度を調整し、窒素濃度が５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようドープする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
輻射シールドを備え融液に磁場を印加するシリコン単結晶引上装置を用いてチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法において、
輻射シールドと融液表面のギャップを１５〜３０ｍｍ、
固化後１１００〜１０００℃の温度を経験する時間が２０分以上、２００分以下になるように温度帯幅と引上速度を設定するとともに、
固液界面高さが３０ｍｍ以下となるよう結晶回転、ルツボ回転及び磁場強度を調整し、
窒素濃度が５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるよう窒素ドープすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項２】
引上げられたシリコン単結晶から切り出され加工されたシリコンウェーハを、アルゴンガスあるいは水素ガスまたはこれらの混合ガス雰囲気で１０００〜１２００℃の温度でアニールすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項３】
引上げられたシリコン単結晶の結晶径が２００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン単結晶の製造方法に係り、特に半導体デバイス製造工程で用いられるパーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にシリコン単結晶の引上には、チョクラルスキー（ＣＺ）法が用いられる。
【０００３】
このＣＺ法は、炉体内のルツボに充填された原料を加熱して融液にし、引上領域を囲むように、ルツボの上方に輻射シールドを設け、融液にシードを浸漬して単結晶を引上げる。
【０００４】
一方、半導体デバイスの集積高密度化に伴い、シリコンウェーハの品質への要求が厳しくなり、そして、デザインルールの一層の微細化に伴い、製造ラインでのパーティクルに対する厳しい管理が要求される。
【０００５】
シリコンウェーハへのパターン形成時、０．１μｍのパーティクルが存在すると、パターン切れ等の異常を引き起こす要因となるので、製造ラインにおけるパーティクル管理を徹底するために、ラインには製品用のウェーハだけでなく、パーティクルのモニター用として使われるダミーウェーハも投入される。
【０００６】
このパーティクルモニター用ウェーハには、表面検査機器によってパーティクルとして検出される結晶欠陥が低密度であることが要求される。
【０００７】
しかし、ＣＺ法による単結晶の従来の引上条件では、結晶欠陥が低密度のパーティクルモニター用ウェーハを製造するのに適する単結晶を生産性よく安価に引上げることができない。
【０００８】
例えば、特許文献１には、ＣＺ法により窒素ドープのシリコン融液からシリコン単結晶を１．０ｍｍ／分より大きい速度で引上げ、ウェーハ表面のピットの少ないパーティクルモニター用シリコンウェーハを高生産性で製造できる製造方法が提案されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の方法では、φ３００ｍｍを超える大口径単結晶の引上速度を１ｍｍ／分以上とした場合、結晶曲りや、結晶の晶癖線の異常成長による変形などが発生しやすくなり、その結果有転位化したり、さらに変形程度が大きい場合には、輻射シールドに接触し、結晶落下や炉内部材の破損の原因となり、大口径単結晶を引上げることができない。
【００１０】
これらを改善する方法として、輻射シールドに内装された水冷体を結晶の近くに配するとともに、融液の表面と輻射シールド（整流用筒体）の下端とのギャップを３０〜７０ｍｍに拡げ、結晶からの抜熱効果を高め、引上速度を上げる方法が提案されている（特許文献２）。
【００１１】
しかしながら、冷却体の効果は固液界面から離れた位置では、不十分でその効果は限定的であり、特にφ３００ｍｍ以上の大口径結晶では、冷却体の効果は結晶外周にしか及ばず、ギャップを３０ｍｍ以上拡げて引上速度を１ｍｍ／分以上に上げることはできない。また、ギャップを拡げると結晶軸方向の温度勾配が小さくなるため、引上速度を高く維持することが困難であり、引上速度を上げると凝固潜熱が増大するため、大口径結晶になるほど結晶中心部の熱が逃げにくくなる結果、固液界面が上凸形状となり、結晶内の熱応力が大きくなることで有転位化やクラックが発生する。
【００１２】
また、酸素ドーピング密度が少なくとも４Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素ドーピング密度が少なくとも１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、１０００℃の温度で少なくとも１時間アニールする低欠陥密度を有するシリコンウェーハの製造方法が提案されている（特許文献３）。
【００１３】
しかしながら、窒素ドープの場合には、固化後の温度帯幅と引上速度を特定しないと、パーティクルモニターに適するウェーハを製造することができない。
【特許文献１】特許第３６２１２９０号公報
【特許文献２】特開２００３−２７７１８５号公報
【特許文献３】特開平１０−９８０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、パーティクルとして検出される結晶欠陥が低密度であり、パーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶を生産性よく安価に引上げることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、上記目的実現のために、鋭意研究した結果、パーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶の製造において、従来検討されていなかった固液界面高さに着目し、この固液界面高さを所定の高さ以下にすることで、有転位化やクラック発生を抑えることができることを突き止め、本発明に想到した。
【００１６】
すなわち、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、輻射シールドを備え融液に磁場を印加する単結晶引上装置を用いてチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法において、輻射シールドと融液表面のギャップを１５〜３０ｍｍ、固化後１１００〜１０００℃の温度を経験する時間が２０分以上、２００分以下になるように温度帯幅と引上速度を設定するとともに、固液界面高さが３０ｍｍ以下となるよう結晶回転、ルツボ回転及び磁場強度を調整し、窒素濃度が５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるよう窒素ドープしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るシリコン単結晶の製造方法によれば、パーティクルとして検出される結晶欠陥が低密度であり、パーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶を生産性よく引上げることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法に用いるシリコン単結晶引上装置の概念図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶の製造方法に用いるシリコン単結晶引上装置１は、融液に磁場を印加するＭＣＺ法を用い、密閉容器を構成する炉本体２の内部には石英ルツボ３と、この石英ルツボ３を加熱し、石英ルツボ３に供給されたポリシリコンを溶融しシリコン融液４にするためのヒータ５を備える。
【００２１】
また、石英ルツボ３およびシリコン融液４の上方にはこのシリコン融液４からの熱輻射を防止しかつ炉本体２内を流れる不活性ガス、例えばアルゴンガス（以下Ａｒという。）の流路を制御する耐熱部材製の輻射シールド６を配する。
【００２２】
一方、炉本体２の外部には、２個の超伝導磁石７が炉本体２を挟むように直径方向に対向して配され、各超伝導磁石７は各々コイル７ａから構成される。
【００２３】
超伝導磁石７はコイル７ａの中心を結ぶ直線Ｌがシリコン融液４の液面近傍になるように配される。
【００２４】
さらに、炉本体２の上方から導入されたＡｒが、輻射シールド６に設けられ種結晶８ａから成長したシリコン単結晶８が貫通する開口部９および石英ルツボ３とヒータ５の間に形成された通気路１０を介し炉本体２外に排出されるように、炉本体２の底部１１に複数個例えば２個の排気口１２が設けられる。
【００２５】
また、石英ルツボ３はルツボ回転用モータ（図示せず）に結合される回転軸１３により、支持、回転され、また、成長するシリコン単結晶８は、回転引上機構（図示せず）に接続され、回転、昇降される引上げワイヤー１４により、石英ルツボ３と反対方向の所定回転数の回転及び所定速度で引上げられる。ルツボ回転用モータ及び回転引上機構は制御装置（図示せず）によって回転及び引上げ速度が制御される。
【００２６】
次に、シリコン単結晶引上装置１を用いた本発明のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
【００２７】
原料のナゲット状ポリシリコン及びドープ剤例えばＳｉ３Ｎ４を石英ルツボ３に入れ、Ａｒを炉本体２の上方より炉本体２内に流入させ、ヒータ５を付勢して石英ルツボ３を加熱し、モータを付勢してこのモータに結合された回転軸１３を回転させて石英ルツボ３を回転させる。
【００２８】
一定時間が経過した後、ワイヤー１４を下ろし、種結晶８ａをシリコン融液４の液面に接触させる。しかるのち、超伝導磁石７のコイル７ａを付勢し、磁界をシリコン融液４の液面近傍に集中させる。
【００２９】
このシリコン融液４の溶融状態で、シリコン融液４は石英ルツボ３内で対流を起こすが、シリコン融液４の対流が磁界の方向に対して直角の場合には、起電力が有効動粘性係数を増加させるため対流は抑制される。
【００３０】
このシリコン融液４の対流の抑制により、石英ルツボ３からシリコン融液４に溶出する酸素を抑制し、従ってシリコン単結晶８に取り込まれる酸素を相当減少させることができるが、石英ルツボ３近傍に存在して酸素濃度が比較的高いシリコン融液４は磁界の方向に平行な流れに沿ってシリコン単結晶８の成長界面に輸送され、酸素が成長界面からシリコン単結晶８内に取り込まれる。
【００３１】
一方、炉本体２上部から導入されたＡｒはワイヤー１４、シリコン単結晶８に沿って降下し、輻射シールド６に設けられた開口部９を通過し、通気路１０、炉本体２の底部１１に設けられた排気口１２を介して炉本体２外に排出される。
【００３２】
ネック育成、拡径部時、直胴部及びテール部を育成して、直径２００ｍｍ以上例えば３００ｍｍのシリコン単結晶の引上げが行われる。
【００３３】
上記シリコン単結晶引上げ工程において、図２に示すように、輻射シールドと融液表面のギャップＧを１５〜３０ｍｍに保つ。これにより、輻射シールドが融液の振動で接触融液表面に接触することがなく、結晶の有転位化が防止される。
【００３４】
輻射シールドと融液表面のギャップＧは、小さいほど結晶の軸方向の温度勾配が大きくなることから引上速度を上げ易くなるが、ギャップが１５ｍｍより小さいと輻射シールドが融液の振動で接触しやすくなり、結晶が有転位化する原因となる。また同じガス流量を流した場合、融液表面のガス流速が増大することから融液表面の流れを乱し有転位化しやすくなる。ギャップが３０ｍｍを超えると、融液からの輻射熱が結晶外周を暖める効果が増大し、１１００〜１０００℃の温度帯幅が広がるとともに、引上速度を高く維持することができず、１１００〜１０００℃の体験時間を２００分以下に維持できない。
【００３５】
固化後１１００〜１０００℃の温度を経験する時間が２０分以上、２００分以下になるように温度帯幅と引上速度を設定する。これにより、ボイド欠陥が抑制され、また、結晶変形がなく、パーティクルモニター用ウェーハを製造できる。
【００３６】
１１００〜１０００℃の体験時間が２００分を超えると、窒素濃度を高くしても、ボイド欠陥が成長してサイズが大きくなり、パーティクル評価装置に検出される欠陥数が増加し、その結果パーティクルモニター用ウェーハとしては使用できない。また、１１００〜１０００℃の体験時間を２０分より小さくするような結晶育成条件は、φ２００ｍｍ以上の結晶径では、結晶変形などを引き起こしＣＺ法による単結晶の育成ができない。
【００３７】
また、図２に示すように、固液界面高さＨが３０ｍｍ以下となるよう結晶回転、ルツボ回転及び磁場強度を調整する。これにより、有転位化やクラック発生を抑えることができる。
【００３８】
固液界面高さを３０ｍｍ以内に抑えるのは、下記の理由による。
【００３９】
体験時間を２００分以下にする条件として、引上速度を上げることが必要であるが、引上速度を上げると上述のように固液界面形状が上凸方向に変化するため、熱応力の増大を引き起こし、有転位化やクラックの原因となる。各種引上試験を行い、引上げ速度を高くしても、固液界面形状の上凸度を固液界面高さ（結晶中心での固液界面高さと結晶最外周の固液界面高さの差）３０ｍｍ以内好ましくは１１〜２０ｍｍに抑えることで、有転位化やクラック発生を抑えることが可能であることを確認した。固液界面高さの制御は、ルツボ回転と結晶回転を変化、磁場強度の変化によって可能である。例えば、ルツボ回転を下げ、結晶回転を上げると固液界面形状は上凸側に変化させることができる。上記のように、有転位化やクラックが発生することなく、引上げ速度を上げることで、生産性を高めることができる。
【００４０】
窒素濃度が５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようドープ剤をドープする。
【００４１】
窒素濃度は、１１００〜１０００℃の体験時間が２００〜２０分であるＣＺ法による結晶の場合、窒素を５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度になるようドープすることで、シリコンウェーハに加工した際の表面のボイド欠陥サイズを小さくすることができるため、所定サイズ以上のパーティクルとして検出される欠陥密度を減少させることができ、その結果パーティクルモニターとして使用することが可能となる。
【００４２】
窒素濃度が５Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より小さいと、欠陥サイズの抑制効果がない。５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、シリコン融液の固溶限界を超え、窒化珪素が融液に析出し有転位化の原因となる。
【００４３】
上記のようにして引上げられたシリコン単結晶からシリコンウェーハを切り出し、加工
することで所定サイズ以上の欠陥が少ないシリコンウェーハが製造できる。またこのウェーハをアルゴンガスあるいは水素ガスまたはこれらの混合ガス雰囲気で１０００〜１２００℃の温度でアニールすることで、シリコンウェーハ表面の欠陥密度はさらに減少させることが可能である。
【００４４】
本実施形態のシリコン単結晶の製造方法によれば、パーティクルとして検出される結晶欠陥が低密度であり、パーティクルモニター用シリコンウェーハを製造するのに適するシリコン単結晶を生産性よく引上げることができるシリコン単結晶の製造方法が実現する。
【００４５】
なお、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、パーティクルモニターに用いるシリコンウェーハを製造するのに適する製造方法であるが、パーティクルモニター用ウェーハと同等の特性を備えた他の用途のシリコンウェーハの製造にも使用可能であり、また、２００ｍｍに限らず、３００ｍｍ以上のシリコンウェーハの製造にも用いることができる。
【実施例】
【００４６】
試験１：窒素濃度、体験時間を変えたＣＺ法により引上げた結晶径φ３００ｍｍシリコン単結晶をウェーハに加工し、ウェーハ表面のパーティクルをパーティクルカウンターで測定し、０．１μｍ以上の大きさのパーティクルがウェーバ全面で１０ケ未満のウェーハが９５％以上の歩留で生産できる部位を合格、歩留が９５％未満の部位を不合格と判定する。
【００４７】
結果１：（１）判定結果を図３（合格部位）及び図４（不合格部位）に示す。
【００４８】
図３からもわかるように、合格部位はパーティクル数／Ｗａｆｅｒが０ケ、３ケのものが多く、ほぼ５ケ以下に集中して分布している。これに対して、図３からもわかるように、不合格部位は４ケ、５ケのものが多く、１７ケまで分散分布している。
【００４９】
（２）図５に示すように、合格部位及び不合格部位を、横軸１１００〜１０００℃の体験時間、縦軸窒素密度の座標にプロットし、合格部位の分布から体験時間、縦軸窒素密度の限界値を求め、体験時間２０分以上、２００分以下、及び窒素濃度５Ｅ１３〜５Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とを得た。
【００５０】
試験２：ルツボ回転数と単結晶回転数を変化させ、結晶径φ３００ｍｍシリコン単結晶を引上げ、目視により転位発生状態を調べ、さらに、引き上げた結晶を中心軸を含む面で縦にスライスし、熱処理後Ｘ線トポグラフで固液界面を撮影後、結晶外周部高さと結晶中心部高さの差（固液界面高さ）を調べ、固液界面高さと有転移発生率の相関を求めた。
【００５１】
結果２：表１に示す。
【表１】
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【００５２】
表１からもわかるように、固液界面高さが３０ｍｍ以下では、転位発生率が２０％以上であり、特に１１〜２０ｍｍでは、転位発生率が０％であり、無転位割合が１００％となった。これに対して、固液界面高さが３０ｍｍを超えると、転位発生率が１００となり、無転位割合が０となった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法に用いるシリコン単結晶引上装置の概念図。
【図２】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法に用いるシリコン単結晶引上装置の融液近傍の拡大図。
【図３】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法の条件内で製造されたシリコンウェーハ（合格部位）のパーティクル測定結果図。
【図４】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法の条件外で製造されたシリコンウェーハ（不合格部位）のパーティクル測定結果図。
【図５】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法により製造されたシリコンウェーハの１１００〜１０００℃の体験時間と窒素密度の相関線図。
【符号の説明】
【００５４】
１  シリコン単結晶引上装置
２  炉本体
３  石英ルツボ
４  シリコン融液
５  ヒータ
６  輻射シールド
７  超伝導磁石
７ａ  コイル
８ａ  種結晶
８  シリコン単結晶
９  開口部
１０  通気路
１１  底部
１２  排気口
１３  回転軸
１４  引上げワイヤー
【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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