(57)【要約】【課題】チャンバ内に取付けた黒鉛部材中の不純物を短時間加熱で除去し、ＯＳＦの発生が抑制された高品質のシリコン単結晶を低コスト製造する方法。【解決手段】チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際、チャンバに黒鉛及び断熱材からなる熱遮蔽部材を取り付け、かつ黒鉛質サセプタを取り除いた状態でチャンバ内を加熱し、その後に黒鉛質サセプタ及び多結晶シリコン充填石英るつぼをチャンバ内に装填して単結晶引上げ操作を行う。  熱容量の比較的大きいサセプタを取り除き、ヒータの熱を熱遮蔽部材に直接照射することができるため、短時間で熱遮蔽部材に含まれる不純物を除去することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際、チャンバに黒鉛及び断熱材からなる熱遮蔽部材を取り付け、かつ黒鉛質サセプタを取り除いた状態でチャンバ内を加熱し、その後に黒鉛質サセプタ及び多結晶シリコン充填石英るつぼをチャンバ内に装填して単結晶引上げ操作を行うことを特徴とする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、単結晶引上げ装置を構成する黒鉛部材等に含まれる不純物に起因するＯＳＦ欠陥の発生が少ないシリコン単結晶を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスで用いられるシリコン単結晶は、図１に示されるような装置を使用した、いわゆるチョクラルスキー法（以下ＣＺ法）によって製造されている。
ＣＺ法の概略について説明すると次のようになる。すなわち、まず、多結晶シリコン塊（或いは粒状多結晶シリコン）を石英るつぼに充填し、これを融解してシリコン融液とする。その後、引上げワイヤの下端に吊下げられた無転位の結晶種を前記シリコン融液中に浸し、種結晶の先端自体を融解した後に引上げを開始する。引上げを継続させて結晶径を徐々に増大させ、ネック，コーン及び肩の形成工程を経て、定径部の引上げを行い、所定長のシリコン単結晶を得ている。
【０００３】
そして、ＣＺ法を実施する引上げ装置においては、石英るつぼ内の多結晶シリコン塊は、チャンバ内に配置したカーボンヒータにより溶融されているが、カーボンヒータからの熱をチャンバ内或いは生成されたシリコン単結晶に輻射されるのを防ぐために、或いはカーボンヒータからの熱を多結晶シリコン塊ないしシリコン融液に効率的に供給し、生成されたシリコン単結晶への供給を遮断するために、熱遮蔽部材が配置されている。
また、多結晶シリコン塊ないしシリコン融液が充填された石英るつぼは、熱変形による軟化変形を防止するため、シャフトによってその軸線回りに回転可能に支持されているサセプタ内に収容されている。そして、このサセプタは、冷却時等における割れを防止するために周方向に分割されて石英るつぼの外周に組み付けられている。
一般的には、前記熱遮蔽部材は黒鉛及び断熱材からなり、サセプタには黒鉛が用いられている。
【０００４】
ところで、一方、半導体集積回路を製造する工程において、歩留りを低下させる原因として酸化誘起積層欠陥（Oxidation‐induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰと言う。）や、或いは侵入型転位（Interstitial‐type Large Dislocation、以下、L／Dという。）の存在等が挙げられている。殊にＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になるので、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＯＳＦを減少させることが必要となっている。
【０００５】
このＯＳＦの核となる微小欠陥は結晶育成中に形成されることがわかっており、ＯＳＦ核の形成には以下の特徴があることが知られている。（例えば、特許文献１参照）
・シリコン単結晶中に含まれる重金属濃度が高くなるとＯＳＦ核が形成されやすい。
・酸素濃度が高くなるとＯＳＦ核が形成されやすい。
・サーマルドナー濃度が高くなるとＯＳＦ核が形成されやすい。
ここで、サーマルドナーとは結晶引上げ中の４５０℃程度の温度域をゆっくり通過すると発生するドナーの性質をもった結晶欠陥であり、シリコン結晶中の固溶酸素原子が集合したものと考えられている。結晶育成中に４５０℃付近の冷却を長く受け、このサーマルドナー濃度が高い結晶部位でＯＳＦ核が発生しやすくなる。
しかし、ＯＳＦ発生に影響を及ぼす上記三つの因子の間の明確な相関についてはわかっていない。
【０００６】
これらの知見に基づいて、ＯＳＦを抑制するために、従来から以下の対策が取られている。すなわち、（ａ）金属不純物濃度を小さくする。（ｂ）酸素濃度を下げる。（ｃ）４５０℃付近の熱履歴を制御する。
上記特許文献１でも、対策（ａ）の金属不純物は石英ルツボから混入するため、石英ルツボの純度を改善しない限りは低減することはできない。対策（ｂ）の酸素濃度はシリコンウェーハの製品スペックとしてユーザーが設定する条件であるため、自由に変更することができない。対策（ｃ）の熱履歴制御を行うとサーマルドナーだけではなく、他の品質にも影響を及ぼしてしまう。このように従来知られていた（ａ）〜（ｃ）の方法は十分な方法ではなかったと記載した上で、次のような技術を提案している。
【０００７】
すなわち、特許文献１では、シリコン単結晶製造上の制約を受けず、かつ、より簡便な方法で、引上げ後のシリコン単結晶をウェーハ形状に加工して熱処理を行ってもＯＳＦの発生が抑制された高品質のシリコン単結晶を製造するために、ＣＺ法によってシリコン単結晶を育成するにおいて、シリコン単結晶が引上げられる領域を区画するチャンバ内の雰囲気ガスとして、当該チャンバへの雰囲気ガス供給管路に設けられたガス純化設備で純化したアルゴンガスを使用することを提案している。
【０００８】
一方、本出願人は、ＯＳＦ発生原因の一つとしてチャンバ内に配置した黒鉛部材等に含まれる水分や酸素等の不純物が挙げられるとの考えから、これらの不純物を除去するため、多結晶シリコンを充填した石英るつぼをチャンバ内に挿入する前に、黒鉛製サセプタを含め黒鉛部材及び断熱材を一定時間高温で加熱していた。
【特許文献１】特許第３７０９３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、チャンバ内に送り込むアルゴンガスを純化することは、雰囲気ガス供給管路に高価なガス純化設備を設置することを必要とし、コストの著しい上昇を招くことになる。しかも、アルゴンガスを純化してもＯＳＦの発生を完全に抑えることはできない。
また、黒鉛部材を予め一定時間加熱することは、サイクル時間が長くなることによる時間的なロスばかりでなく、使用する電力，アルゴンガスの量が増えてコスト増に繋がる。このため、加熱時間の短縮化が求められる。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、より簡便な方法で、チャンバ内に取付けた黒鉛部材及び断熱材中の不純物を除去し、ＯＳＦの発生が抑制された高品質のシリコン単結晶を低コスト製造する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】
【００１０】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、その目的を達成するため、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際、チャンバに黒鉛及び断熱材からなる熱遮蔽部材を取り付け、かつ黒鉛質サセプタを取り除いた状態でチャンバ内を加熱し、その後に黒鉛質サセプタ及び多結晶シリコン充填石英るつぼをチャンバ内に装填して単結晶引上げ操作を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、黒鉛質サセプタを取り除いた状態で加熱することにより、ヒータからの熱が直接黒鉛及び断熱材からなる熱遮蔽部材に当り、より高温の状態に加熱される。このため、黒鉛及び断熱材からなる熱遮蔽部材に含まれる水分，酸素等の不純物を短時間で除去することができ、結果的にＯＳＦの発生が抑制された高品質のシリコン単結晶を低コストで製造できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
前記特許文献１にも記載されているように、水分、あるいは酸素が含まれているアルゴンガスをＣＺ法による引上げの雰囲気ガスとして用いて育成したシリコン単結晶をウェーハ形状に加工して酸化熱処理を行うとシリコンウェーハにＯＳＦが発生する。このＯＳＦ発生の原因としてサーマルドナーの形成が考えられる。雰囲気アルゴン中の水分と炉内のグラファイトが反応してＣＯガスと水素が発生し、この水素がシリコン融液、あるいは単結晶表面から単結晶内部に取り込まれる。成長中に取り込まれた水素が単結晶内部に存在すると、成長中の高温から低温までに結晶が受ける冷却過程において、酸素に関係するクラスターが単結晶内部に多量につくられると推測する。
【００１３】
つまり成長雰囲気中の水分はサーマルドナーの形成を加速すると考えられる。サーマルドナーの濃度が高くなると、ＯＳＦ核が形成されやすい。雰囲気アルゴン中の酸素がサーマルドナー形成にどのように影響するかは明確に判っていないが、酸素とグラファイトの反応、あるいは、水分とグラファイトの反応で発生したＣＯ、あるいはＣＯ2ガスがシリコン融液に取り込まれ、さらにシリコン単結晶に炭素として混入されると、ＯＳＦ核を形成する要因となりうる。このように、アルゴン中の水分、または酸素の存在によりＯＳＦ核が形成されている可能性がある。あるいは、アルゴン中の水分と酸素の共存によりＯＳＦ核が形成されている可能性もある。特許文献１に記載されている通りである。
【００１４】
ところで、チャンバ内のシリコン単結晶育成雰囲気中における水分や酸素等の不純物の混入源はアルゴンガスのみではない。前記しているように、熱遮蔽部材を構成する黒鉛や断熱材，サセプタを構成する黒鉛からも揮散・混入させる。
このため、本出願人は、断熱材及び黒鉛質部材を予め一定時間高温で加熱し、当該断熱材及び黒鉛質部材に含まれている不純物を除去する手段を採用している。
しかし、長時間を要するために効率的ではなかった。
そこで、本発明者等は、チャンバ内に装填する断熱材及び黒鉛質部材からシリコン単結晶に悪影響を及ぼす不純物を短時間で効率的に除去する手段について種々検討を重ね、本発明に到達したものである。以下にその詳細を説明する。
【００１５】
ＣＺ法を実施するチャンバにおいては、アルゴンガスは上方から導入され、下端に設けられた排出口から排出される形態が一般的である。
しかも、通常上方から導入されたアルゴンガスは、育成中のシリコン単結晶と熱遮蔽部材の間の空隙を通り、石英るつぼの上端で流れが変えられた後、サセプタとヒータの間の空隙を通って下方に排出される。アルゴンガスが常に流されている状態であれば、黒鉛質サセプタからの水分や酸素等の不純物は、育成中のシリコン単結晶に対して大きな影響を与えることはない。
【００１６】
一方、本出願人等が、熱遮蔽部材やサセプタからの不純物の影響を除去するために行っている、例えば図２に示すような態様では、ヒータからの熱は熱容量の大きいサセプタの加熱に利用され、また、当該サセプタにより遮蔽されて遮蔽部材を効率的に加熱することには利用されない。
しかも、前記しているように、サセプタから排出される不純物は育成中のシリコン単結晶に大きな影響を与えることはない。
【００１７】
そこで、本発明では、育成中のシリコン単結晶に悪影響を及ぼす不純物が、熱遮蔽部材からのものであると判断し、この不純物のみを、単結晶育成操作前に予め除去する態様を採ったものである。
すなわち、図３に示すように、チャンバに熱遮蔽部材を取り付け、かつ黒鉛質サセプタを取り除いた状態でチャンバ内を加熱し、その後に黒鉛質サセプタ及び多結晶シリコン充填石英るつぼをチャンバ内に装填して単結晶引上げ操作を開始することにしたものである。
ヒータからの熱が効率的に熱遮蔽部材に照射され、同部材中に含まれている水分や酸素等の不純物が短時間に効率的に除去される。このため、従来の加熱態様と比べて、加熱時間を大幅に短縮することができ、作業時間のみならずエネルギコストを大幅に削減することができる。
【実施例】
【００１８】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
図１に示す構造のシリコン単結晶の引上げ装置であって、次に示すようなサイズを有する装置を使用し、直径が２００ｍｍのシリコン単結晶を引上げた際に、用いた黒鉛部材に予め施す熱処理の影響を調査した。
すなわち、径が１０００ｍｍで、高さが４０００ｍｍのチャンバ内に、内径が６００ｍｍ，肉厚４０ｍｍ，高さ４５０ｍｍの黒鉛質サセプタとその内部に外径が９５０ｍｍの石英るつぼを配置し、石英るつぼの上部に、肉厚が４０ｍｍで、円筒部高さが６５０ｍｍの熱遮蔽部材を配置した装置で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引上げた。
なお、チャンバ内は予め１００ｔｏｒｒ以下に減圧し、上部からチャンバ内に１００Ｌ／ｍｉｎの流量で、酸素含有量０．５体積％以下で、露点が−７６℃以下のＡｒガスを供給した。そして、使用したＡｒガス中の前記酸素含有量や含有水分は、通常ＯＳＦの形成に影響を及ぼさないレベルといわれている数値であった。
また、熱遮蔽部材やサセプタを作製した素材黒鉛の灰分は４００ｐｐｍであり、含有水分は０．１質量％であった。
【００１９】
比較例１：
上記引上げ装置を用い、図１に示すように、予め加熱処理を施すことなく、多結晶シリコンを充填した石英るつぼを収容したサセプタをチャンバ内に装填し、そのまま加熱して引上げ操作を行った。
比較例２：
図２に示すように、サセプタを熱遮蔽部材とともに装填した状態で、２０００℃×１２ｈの熱処理を施した後、多結晶シリコンを充填した石英るつぼをサセプタ内に装填し、加熱して引上げ操作を行った。
実施例：
図３に示すように、サセプタを外し、熱遮蔽部材のみを装着した状態で、２０００℃×６ｈの熱処理を行った後、サセプタと多結晶シリコンを充填した石英るつぼをチャンバ内に装填し、加熱して引上げ操作を行った。
【００２０】
上記態様で得られた三種類のシリコン単結晶から切り出したウェーハを試料とし、ＯＳＦの発生状況を観察した。
すなわち、各シリコン単結晶から切り出した試料を湿潤酸素雰囲気中、１１００℃×５ｈの熱処理を行った後、その表面状況を顕微鏡で観察した。
その結果、比較例１のウェーハでは約５％にＯＳＦの発生が認められた。これに対して、比較例２及び発明例のウェーハではＯＳＦの発生は検出限界以下であった。
【００２１】
以上の実施例及び比較例から、サセプタや熱遮蔽部材を構成する黒鉛を予め熱処理し、その中に含まれる不純物を除去すると、品質に優れるシリコン単結晶が得られることがわかる。
比較例２のように、サセプタをチャンバ内に装填した状態で熱処理しても、不純物除去効果は得られる。しかし、本発明実施例のように、黒鉛質のサセプタを装填せず、熱遮蔽部材のみを取付けた状態で熱処理を施すと、黒鉛質サセプタを装填した場合と比較して約半分の加熱時間で、黒鉛中の不純物物を単結晶に影響を及ぼさない程度まで除去できることがわかる。本発明方法の採用により、エネルギ効率を大幅に向上することができ、結果的に製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】シリコン単結晶引上げ装置での引上げ状況を説明する図
【図２】シリコン単結晶引上げ装置での黒鉛部材予備加熱の従来の態様を説明する図
【図３】シリコン単結晶引上げ装置での黒鉛部材予備加熱の本発明方法を説明する図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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