(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法を用い、且つＯＳＦリングが引き上げ結晶の最外周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速引き上げ条件で単結晶を育成する結晶育成方法において、
前記単結晶の引き上げに伴って坩堝を上昇させることにより、坩堝内に収容された原料融液の液面位置を一定に維持するとともに、前記液面位置を坩堝の外側に配置された加熱ヒータの発熱部上端位置に対し、発熱部高さの１／５〜４／５下方に保持し、且つ前記ヒータの外側に円筒状の保温材を配置するとともに、ヒータの上端より上の部分の保温材の厚さを下の部分の厚さの１／４〜３／４とし、結晶温度が１３００℃以上の高温部分で、結晶外周部の温度勾配を結晶中心部の温度勾配の±０．３℃／ｍｍ以下に抑制することを特徴とする結晶育成方法。
【請求項２】
坩堝内に収容された原料融液の液面位置を、坩堝の外側に配置された加熱ヒータの発熱部上端位置に対し、発熱部高さの１／５〜４／５下方に保持することを特徴とする請求項１に記載の結晶育成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により単結晶を育成する結晶育成方法に関し、更に詳しくは、ＯＳＦリングが引き上げ結晶の最外周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速引き上げ条件で実施される結晶育成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造に使用されるシリコンウエーハは、主にＣＺ法により育成された単結晶から採取される。ＣＺ法とは、周知の如く、石英坩堝内に収容されたシリコンの原料融液に種結晶を漬け、種結晶及び石英坩堝を逆方向に回転させながら種結晶を引き上げることにより、その下にシリコンの単結晶を育成する方法である。
【０００３】
このようなＣＺ法による育成プロセスを経て製造されたシリコンウエーハは、熱酸化処理を受けたときに、ＯＳＦリングと呼ばれるリング状の酸化誘起積層欠陥を生じることが知られている。ＯＳＦリングはそれ自体が半導体素子の特性を劣化させる原因になるだけでなく、リングの外側と内側では物性が異なり、ＯＳＦリングの外側には格子間原子の凝集が原因とされる転位クラスタが発生するが、ＯＳＦリングの内側は比較的健全とされている。一方、このＯＳＦリングについては、引き上げ速度が速くなるに連れて単結晶の外周側へ移動することが知られている。
【０００４】
このような事情から、これまでは、ＯＳＦリングが、デバイス形成の際に有効部から除外される結晶最外周部に分布するような高速引き上げ条件で単結晶の育成が行われている。
【０００５】
しかし、ＯＳＦリングの内側にも問題がないわけではない。この部分には空孔の凝集が原因とされる空孔クラスタが発生している。この欠陥は、ウエーハの表面をエッチングすると小さなピットとなって現れるが、非常に小さなため、これまでは特に問題視されることはなかった。しかし、近年の著しい集積度の増大に伴ってパターン幅が非常に微細化したため、高グレードの単結晶ではこの空孔クラスタさえも問題になり始めた。
【０００６】
この空孔クラスタは、ウエーハ上にシリコン単結晶の薄膜を成長させた所謂エピタキシャルウエーハには殆ど発生しないが、このウエーハは非常に高価であるため、ＣＺ法による単結晶の引き上げで空孔クラスタの少ない結晶を育成することが要求されるようになり、この観点から、高グレードの結晶育成では、これまでとは逆に引き上げ速度を遅くし、ＯＳＦリングを引き上げ結晶の最外周部より内側に発生させて欠陥部分を中心部に集中させるか、若しくは中心部で消滅させて歩留りの改善を図る低速引き上げ法が考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この低速引き上げでは、ＯＳＦリングの外側に発生する転位クラスタを少なくすることが、とりもおさず必要である。なぜなら、ＯＳＦリングを結晶中心部に発生させても、その外側の転位クラスタが放置されたままであると、高い品質は確保されないからである。
【０００８】
本発明の目的は、低速引き上げにより空孔クラスタ発生領域を結晶中心部に集中させたときに問題となる結晶外周部での転位クラスタの発生を効果的に抑制することができる結晶育成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは低速引き上げによって空孔クラスタ発生領域を結晶中心部に集中させたときの、転位クラスタの発生原因について詳細な解析を行った。その結果、以下の知見を得ることができた。
【００１０】
空孔クラスタについては、単結晶引き上げ中の熱履歴よって生じる空孔と格子間シリコンの濃度差によって発生すること、及び引き上げ速度を低下することによりこの濃度差が小さくなることが知られている。
【００１１】
より詳細には、引き上げ中の固液界面で取り込まれた過剰な空孔と格子間シリコンのうち、高温部で拡散係数の大きい空孔が、結晶成長方向の温度勾配による平衡濃度の差による拡散、いわゆる坂道拡散により固液界面に向かって拡散移動する。また、結晶半径方向の温度分布と結晶表面の空孔の放出により、結晶表面では空孔は低濃度となる。これらのため、空孔の濃度は、温度勾配の小さい結晶中心部で高く、温度勾配の大きい外周部で低い分布となる。
【００１２】
一方、高温部での格子間シリコンは、拡散係数が空孔のそれの１／１００〜１／１０００と低いため殆ど動かない。このため、格子間シリコンの濃度は、結晶半径方向では熱履歴によらずほぼ一定となり、ここに空孔と格子間シリコンの濃度差が結晶半径方向で生じる。通常の高速引き上げの場合の空孔濃度分布及び格子間シリコン濃度分布を図１（ａ）に示す。
【００１３】
図１（ａ）から分かるように、空孔の濃度は結晶中心部ほど高くなるのに対し、格子間シリコン濃度は結晶半径方向で一定である。そして温度勾配の小さい結晶中心部では、空孔濃度が格子間シリコン濃度より大となり、その濃度差Ｂが大きくなると、空孔クラスタが発生する。一方、温度勾配の大きい結晶外周部では、格子間シリコン濃度が空孔濃度より大となり、その濃度差Ａが大きくなると、転位クラスタが発生する。
【００１４】
図１（ａ）に示す高速引き上げから引き上げ速度を低下させると、図１（ｂ）に示すように、高温部の熱履歴が長くなって坂道拡散が促進されるため、空孔濃度が低下する。しかし、結晶半径方向の分布形態は変化しない。このため、結晶中心部では過剰な空孔が減少し、濃度差Ｂが小さくなるが、結晶外周部では過剰な格子間シリコンが増加し、濃度差Ａは大きくなる。結果、結晶の外周から転位クラスタが発生し、その発生位置が通常の発生位置より中心側へ拡大する。
【００１５】
このように、引き上げ速度を低下させるだけでは、転位クラスタの発生は避けられない。しかし、図１（ｃ）に示すように、引き上げ速度を低下させ、空孔濃度を低下させても、結晶外周部でその濃度低下率を抑え、空孔濃度分布を結晶半径方向で均一化することを合わせて行えば、濃度差Ａを大きくすることなく濃度差Ｂが小さくなり、その結果、転位クラスタを発生させることなく、空孔クラスタの発生を抑えることが可能となる。そして、この結晶外周部での空孔濃度低下率の抑制は、結晶高温部で外周部の温度勾配を中心の温度勾配に近づけ、高温熱履歴を長くすることにより実現される。
【００１６】
本発明の結晶育成方法は、上記知見に基づいて開発されたものであり、ＣＺ法を用い、且つＯＳＦリングが引き上げ結晶の最外周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速引き上げ条件で単結晶を育成する結晶育成方法において、結晶温度が１３００℃以上の高温部分で、結晶外周部の温度勾配を結晶中心部の温度勾配の±０．３℃／ｍｍ以下に抑制することを構成上の特徴点とする。
【００１７】
結晶高温部分での外周部と内周部の温度勾配差が±０．３℃／ｍｍを超えると、低速引き上げにより結晶中心部での濃度差Ｂは小さくなるが、これに伴って結晶外周部での濃度差Ａが大きくなり、その結果、転位クラスタの発生が顕著となる。特に好ましい温度勾配差は±０．１５℃／ｍｍ以下である。
【００１８】
このような温度勾配差は、例えば坩堝内に収容された原料融液の液面位置を、坩堝の外側に配置された加熱ヒータの発熱部上端位置に対し、発熱部高さの１／５〜４／５下方に保持することにより比較的簡単に実現される。
【００１９】
原料融液の液面位置がこの範囲より上方にあると、結晶高温部分での外周部と内周部の温度勾配差が±０．３℃／ｍｍを超え、転位クラスタの発生が顕著となる。反対に、原料融液の液面位置がこの範囲より下方にあると、原料融液の温度制御が困難になり、その結果、結晶の直径制御が不安定になるとか有転位化が発生するといった問題が生じる。また、石英坩堝が加熱量の増加のために軟化し、倒れ込みや変形を生じることにより、結晶の引き上げができなくなる危険がある。特に好ましい範囲は、下限については１／４以上であり、上限については３／４以下である。
【００２０】
また、上記した原料融液の液面位置管理以外には、加熱ヒータの外側に配置される保温材の、ヒータ上端より上の部分の厚みを下の部分の厚みより薄くするのも有効なことが、本発明者らによる実験により確認されている。具体的には、上の部分の厚みは下の部分の厚みの１／４〜３〜４が好ましい。上の部分の厚みを極端に薄くすると、原料融液から発生したガスが急冷固化し、融液内に落下し異物となって結晶有転位化を発生しやすくするからである。
【００２１】
引き上げ速度は、空孔クラスタの発生域を狭めるために、ＯＳＦリングが結晶径方向の１／２位置より内側に生じる速度とするのが好ましく、ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅する速度とするのが特に好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明の実施形態に係る結晶育成方法の説明図である。
【００２３】
結晶育成装置は、メインチャンバ１と、その上面中心部に連結されたプルチャンバ２とを備えている。これらは、軸方向を垂直とした略円筒状の真空容器からなり、図示されない水冷機構を有している。メインチャンバ１の内部には、略中央に位置して坩堝３が配置されると共に、坩堝３の外側に位置して円筒状のヒータ４及び保温材５が配置されている。
【００２４】
坩堝３は石英製の内層容器と黒鉛製の外層容器とからなり、回転式かつ昇降式の支持軸６により支持されている。坩堝３の上方には、回転式かつ昇降式の引き上げ軸７がプルチャンバ２を通して吊り下げられている。
【００２５】
結晶育成を行うには先ず、チャンバを解体した状態で、坩堝３内にシリコンの多結晶原料を装填する。次いで、チャンバを組み立て、その内部を真空排気した状態でヒータ４を作動させて、坩堝３内の原料を溶解する。
【００２６】
このようにして、坩堝３内にシリコンの原料融液８が生成されると、引き上げ軸７の下端に装着された種結晶を原料融液８に浸漬し、この状態から坩堝３と引き上げ軸７を逆方向に回転させながら引き上げ軸７を上昇させる。これにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶９が育成される。
【００２７】
ここにおける引き上げ速度は、ＯＳＦリングが結晶の最外周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速度とされる。また、単結晶９の引き上げに伴って坩堝３を上昇させることにより、原料融液８の液面レベルを一定に維持する。このとき、原料融液８の液面はヒータ４の発熱部上端より低く、液面から発熱部上端までのレベル差Ｌは、発熱部高さＨの１／５〜４／５である。
【００２８】
育成された単結晶９では、低速引き上げにより、ＯＳＦリングが小さくなり、空孔クラスタの発生領域が結晶中心に制限される。また、原料融液８の液面レベル管理により、結晶温度が１３００℃以上の高温部分が、ヒータ４の発熱により外側から効率的に保温され、高温部での外周部の温度勾配が中心部の温度勾配の±０．３℃／ｍｍ以下に抑制されることにより、ＯＳＦリングの外側での転位クラスタの発生が抑制される。
【００２９】
なお、ヒータ４が高さ方向に分割されている場合の発熱部高さＨは最上段ヒータの上端から最下段ヒータの下端までの距離であり、例えば上下２段のいわゆるダブルヒータの場合は上段ヒータの上端から下段ヒータの下端までの距離が発熱部高さＨとなる。
【００３０】
図３は本発明の別の実施形態に係る結晶育成方法の説明図である。
【００３１】
ここでは、ヒータ４の外側に配置される円筒状の保温材５の、ヒータ４の上端より上の部分５ａの厚さＴａが下の部分５ｂの厚さＴｂより薄くされている。本発明者らの実験によると、この構成によっても結晶温度が１３００℃以上の高温部分が、ヒータ４の発熱により外側から効率的に保温され、高温部での外周部の温度勾配が中心部の温度勾配の±０．３℃／ｍｍ以下に抑制されることにより、ＯＳＦリングの外側での転位クラスタの発生が抑制される。
【００３２】
この構成は、図２の実施形態で採用された原料融液８の液面レベル管理と組み合わせるほうが、より効果的である。
【００３３】
【実施例】
次に本発明の実施例を示し、従来例と比較することにより、本発明の効果を明らかにする。
【００３４】
１８インチの石英坩堝内にシリコンの多結晶原料を７０ｋｇチャージし溶解して生成した原料融液から、（１００）方位の６インチ結晶を引き上げる際に、従来例として、原料融液の液面から発熱部上端までのレベル差Ｌを、従来どおりの５０ｍｍとした。ヒータはシングルヒータであり、その発熱部高さＨは４００ｍｍであるので、レベル差Ｌと発熱部高さＨの比（Ｌ／Ｈ）は１／８となる。
【００３５】
結晶温度が１３００℃以上の高温部分における外周部と中心部の温度勾配差は０．５２℃／ｍｍであった。外周部及び中心部の各温度勾配は伝熱シュミレーションによる計算及び炉内にシミュレータを配置しての温度測定により求めた。
【００３６】
引き上げ速度を変更したときの、空孔クラスタ発生域及び転位クラスタ発生域を調査した結果を図４（ａ）に示す。引き上げ速度が０．７ｍｍ／分より遅くなると、空孔クラスタの発生域が小さくなり始め、０．４ｍｍ／分以下でこの発生域が消滅する。しかし、引き上げ速度が０．６ｍｍ／分より遅くなると、外周から転位クラスタが発生し始める。このため、空孔クラスタの発生域を結晶中心部に制限しても、その外側全体に転位クラスタが発生するので、高品質なウエーハは得られない。
【００３７】
参考例１として、原料融液の液面から発熱部上端までのレベル差Ｌを、従来より大きい１００ｍｍとし、発熱部高さＨに対する比（Ｌ／Ｈ）を１／４とした。結晶温度が１３００℃以上の高温部分における外周部と中心部の温度勾配差は０．１８℃／ｍｍであった。このときの結果を図４（ｂ）に示す。
【００３８】
引き上げ速度が０．７ｍｍ／分より遅くなると、空孔クラスタの発生域が小さくなり始め、０．４ｍｍ／分以下でこの発生域が消滅することは従来例と同じである。しかし、外周から転位クラスタが発生し始める引き上げ速度は０．４５ｍｍ／分まで低下する。その結果、空孔クラスタの発生域を結晶中心部に制限した場合でも、転位クラスタの発生域は結晶外周部に限定され、この間に比較的広い無欠陥領域が形成される。
【００３９】
参考例２として、原料融液の液面から発熱部上端までのレベル差Ｌを、従来どおりの５０ｍｍとする一方、ヒータの外側に配置される円筒状の保温材の、ヒータ上端より上の部分の厚さＴａを、下の部分の厚さＴｂ（１５０ｍｍ）より薄い５０ｍｍとした。結晶温度が１３００℃以上の高温部分における外周部と中心部の温度勾配差は０．２３℃／ｍｍであった。このときの結果を図５（ａ）に示す。参考例１に近い成果が得られた。
【００４０】
実施例１として、原料融液の液面から発熱部上端までのレベル差Ｌを、従来より大きい１００ｍｍとすると共に、ヒータの外側に配置される円筒状の保温材の、ヒータ上端より上の部分の厚さＴａを、下の部分の厚さＴｂ（１５０ｍｍ）より薄い５０ｍｍとした。結晶温度が１３００℃以上の高温部分における外周部と中心部の温度勾配差は０．０８℃／ｍｍまで減少した。このときの結果を図５（ｂ）に示す。転位クラスタが発生し始める引き上げ速度が参考例１よりも更に低下し、引き上げ速度が０．３５〜０．４ｍｍ／分の範囲では、空孔クラスタも転位クラスタも発生しない無欠陥・高品質の単結晶が製造される。
【００４１】
実施例２として、原料融液の液面から発熱部上端までのレベル差Ｌを、参考例１より大きい１５０ｍｍとし、発熱部高さＨに対する比（Ｌ／Ｈ）を３／８とした。結晶温度が１３００℃以上の高温部分における外周部と中心部の温度勾配差は０．１０℃／ｍｍであった。このときの結果を図５（ｃ）に示す。転位クラスタが発生し始める引き上げ速度が参考例１よりも低下し、実施例１に近い結果が得られた。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の結晶育成方法は、空孔クラスタの発生領域を狭めるために低速引き上げを行った場合に問題となる転位クラスタの発生を抑え、これにより欠陥の少ない高品質ウエーハの製造を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】クラスタの発生理由を説明するための濃度分布図である。
【図２】本発明の実施形態に係る結晶育成方法の説明図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る結晶育成方法の説明図である。
【図４】引き上げ速度とクラスタ発生域の関係を示す図表である。
【図５】引き上げ速度とクラスタ発生域の関係を示す図表である。
【符号の説明】
１  メインチャンバ
２  プルチャンバ
３  坩堝
４  ヒータ
５  保温材
６  支持軸
７  引き上げ軸
８  原料融液
９  単結晶
【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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