(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際に、ボロン濃度が４．８９×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の原料融液を使用し、ボディの育成を終えた後、シリコン単結晶の引き上げ速度を２００ｍｍ／分以上として、シリコン単結晶を無転位状態のまま原料融液から切り離すことで、ＡＯＰの発生領域をシリコン単結晶の下端から１０ｍｍ以下とすることを特徴とする単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶製造方法、特に、ボディの育成を終えた単結晶を、テール絞りを行わずに、しかも無転位状態のまま、原料融液から切り離す単結晶製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材として使用されるシリコン単結晶の製造には、ＣＺ法（チョクラルスキー法）と呼ばれる引上げ法が多用されている。この方法では、まず、石英るつぼ内に形成されたシリコンの原料融液にシリコンの種結晶を浸漬する。次いで、るつぼと種結晶を同方向又は逆方向に回転させながら、種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を育成する。ここにおける育成工程は通常、種絞り、肩部形成、ボディ形成、テール絞りの４工程からなる。
【０００３】
種絞りでは、種結晶を原料融液に浸漬したときの熱衝撃により生じた転位を排除するために、結晶径が小さく絞られる。肩部形成では、結晶径が所定の直径まで増大される。これにより、種絞り部の下方に肩部が形成される。ボディ形成では、結晶径を所定の直径に維持しつつ、育成が続行される。これにより、肩部の下方に円柱形状のボディ部が形成される。最後のテール絞りでは、結晶径を徐々に減少させて、単結晶を融液から切り離す。これにより、ボディ部の下方に逆円錐形状のテール部が形成される。
【０００４】
テール絞りは、単結晶を融液から切り離す際に転位が発生するのを防止して、ボディを無転位で引上げるために必要な工程とされているが、テール絞りで単結晶のボトム部に形成される逆円錐形状のテール部は、結晶径が不足するため、単結晶のトップ部に形成される肩部と共に、ウエーハ採取に際して切り捨てられてしまい、製品として利用されない。加えて、テール絞りの工程では、育成の全工程の１／１０程度を占める時間が必要であり、しかも、複雑な制御操作が必要となるなど、問題が多い。
【０００５】
このような事情に鑑みて、ボディの形成後、結晶引上げ速度を、ボディ部の引上げ速度である１ｍｍ／分前後から数１００ｍｍ／分へ一時的に急増させることにより、単結晶を無転位状態のまま原料融液から一気に切り離す無転位切り離し技術が、特開平９−２０８３７６号公報及び特開平９−３０９７９１号公報により提示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この高速引上げによる無転位切り離し技術によると、テール部の形成が不要になるので、その形成に要する時間が省略され、単結晶の製造に要する時間が短縮されると共に、結晶切り離しの際の制御操作が簡略化される。
【０００７】
しかし、歩留りについては、テール部の形成が不要になるにもかかわらず、期待するほどの効果は得られない。なぜなら、この無転位切り離し技術によると、ボディ部は無転位のまま原料融液から切り離されるが、その切り離しに伴って、ボディ部の下端から１００ｍｍ程度の領域に、ＡＯＰと呼ばれる異常酸素析出の現象が発生するからである〔図２（ａ）参照〕。
【０００８】
一般に、ＡＯＰは引上げ速度等の引上げ条件が変化することにより発生し、デバイスのリーク特性等を悪化させるため、その領域は無転位であっても使用されない。単結晶のトップ部に形成される肩部やボトム部に形成されるテール部はＡＯＰを生じているが、結晶径の不足という他の理由によって製品化されないため、これらの部分のＡＯＰが歩留りの上で直接問題になることはなかった。
【０００９】
しかし、高速引上げによる無転位切り離し技術では、テール部が形成されない反面、ボディ下部にＡＯＰが発生し、その下部が製品として使用不能となる。ＡＯＰの発生領域は、前述した通り下端から１００ｍｍ程度に達し、ボディ長を１０００ｍｍとすると、ボディ長の１／１０を占める。このため、テール部が形成されないことによる歩留り向上の効果が著しく阻害される結果になる。
【００１０】
本発明の目的は、シリコン単結晶引き上げの経済性および比抵抗をそれぞれ必要以上に低下させることなく、高速引上げによる無転位切り離し技術で問題となる単結晶下部でのＡＯＰ現象の発生を、シリコン単結晶の下端から１０ｍｍ以下まで大幅に抑制できる単結晶製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
単結晶を原料融液から切り離した際に生じるＡＯＰ現象を引き起こしているのは、単結晶中に取り込まれた過飽和な空孔である。テール絞りを行う通常の切り離しの場合、固液界面から結晶中に取り込まれた過飽和な空孔は、その後の冷却過程で徐々に拡散し、テール部には残っても、ボディ部ではＡＯＰ現象を起こす空孔の臨界濃度以下まで減少するが、高速引上げによる無転位取り離しを行った場合は、単結晶が急冷されることにより、過飽和に取り込まれた空孔が拡散できずにそのまま固定され、ＡＯＰ発生の臨界濃度を超える界面上１００ｍｍ程度の部位にＡＯＰ現象が生じることになる。
【００１２】
本発明者らは、単結晶中にドーパントとして添加されるボロンに空孔を低減させる作用がある点に着目して、原料融液中に種々の量のボロンを加え、その添加量がＡＯＰの発生に及ぼす影響を調査した。その結果、４．８９×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  という極めて多量の添加を境界として、ＡＯＰ発生領域の長さが激減することを知見した〔図２（ａ），（ｂ）及び図３参照〕。
【００１３】
本発明の単結晶製造方法は、この知見に基づいて開発されたものであり、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際に、ボロン濃度が４．８９×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の原料融液を使用し、ボディの育成を終えた後、シリコン単結晶の引き上げ速度を２００ｍｍ／分以上として、シリコン単結晶を無転位状態のまま原料融液から切り離すことで、シリコン単結晶の下部に発生するＡＯＰの発生領域をシリコン単結晶の下端から１０ｍｍ以下と従来より大幅に低減するものである。
【００１４】
本発明でのボロン濃度が４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  未満の場合は、単結晶下部に発生するＡＯＰ領域の長さが十分に抑制されない。このボロン濃度は、４．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上が好ましく、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上が特に好ましい。ボロン濃度の上限については特に規定しないが、１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  を超えると効果が飽和するだけでなく、経済性や後述する比抵抗を必要以上に低下させる原因となるので、１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以下としている。
【００１５】
ところで、原料融液中あるいは単結晶中のボロン濃度は、ウエーハユーザーから要求されるウエーハの比抵抗によって決定される。比抵抗から見た場合、従来のボロン濃度は１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以下が一般的であり（１．３５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  で比抵抗は１０Ωｃｍ）、これと比べて、本発明でのボロン濃度（４．８９×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  ）は相当にハイドープである。
【００１６】
このようなハイドープの単結晶では、当然のことながら、高速引上げによる無転位切り離しを行った事例は存在しないが、その一方では、単結晶から採取されるウエーハの比抵抗が従来の要求レベルより相当低くなる。このような低抵抗のウエーハは、デバイス形成用のウエーハとしては用途が制限されるが、エピタキシャルウエーハや張り合わせウエーハといった、ウエーハ基板上にデバイス形成用ウエーハを積層した複合型ウエーハの基板側ウエーハに使用することにより、複合型ウエーハのＧＥ能等を高めることができる。
【００１７】
本発明の単結晶製造方法で製造される単結晶は、ハイドープではあるが、テール絞りを行っていないので、生産性に優れ、しかも、ボディ下部に発生するＡＯＰ領域の長さが短く、ロスが少ないので、非常に安価である。したがって、その単結晶から採取されるウエーハは、経済性に優れた低抵抗ウエーハとなり、その低抵抗ウエーハは、例えばエピタキシャルウエーハや張り合わせウエーハといった複合型ウエーハの基板側ウエーハに使用して、そのウエーハの製造コストを低減し、合わせてＧＥ能等を高めることができる。
【００１８】
【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１は本発明の実施形態に係る単結晶製造方法を実施するための単結晶育成装置の模式断面図である。
【００１９】
単結晶育成装置は、ＣＺ法による通常の単結晶製造に使用される装置と基本的に同じ構成であり、メインチャンバ１の上にプルチャンバ２を重ねた２段構造の炉体を備えている。
【００２０】
メインチャンバ１内にはるつぼ３が設置されている。るつぼ３は、内側の石英るつぼ３ａと外側の黒鉛るつぼ３ｂを組み合わせた２重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸４の上に支持されている。支持軸４は、るつぼ３の回転及び昇降を行うために、メインチャンバ１の下方に設けられたるつぼ駆動部５により駆動される。るつぼ３の外側にはヒータ６が配置され、ヒータ６の外側には断熱材７がメインチャンバ１の内面に沿って配置されている。
【００２１】
一方、プルチャンバ２の上方には、引上げ軸８としてのワイヤを回転させながら巻き上げる引上げ駆動部９が設けられている。引上げ軸８は、プルチャンバ２内に垂下し、その下端に、種結晶を保持するシードチャック１０を保持している。
【００２２】
本発明の実施形態に係る単結晶製造方法では、まず、炉体内を所定の雰囲気に維持した状態で、るつぼ３内にシリコンの原料融液１１を形成する。原料融液１１中のボロン濃度は４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上である。次いで、シードチャック１０に保持された種結晶を原料融液１１に浸漬する。そして、引上げ軸８を回転させながら引上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶１２を育成する。このとき、るつぼ３は引上げ軸８と同方向または逆方向に回転駆動され、且つ、原料融液１１の液面レベルが一定に維持されるように育成の進行に伴って上方へ駆動される。
【００２３】
単結晶１２の育成は、種絞り、肩部形成、ボディ形成の順で行われる。これにより、種絞り部１２ａの下方に肩部１２ｂが形成され、その下方に円柱形状のボディ部１２ｃが形成される。
【００２４】
ここまでの操作は、ＣＺ法による通常の単結晶製造方法と同じであり、従来の高速引上げによる無転位切り離しの場合の操作とも同じである。従来の高速引上げによる無転位切り離しの場合と相違するのは、るつぼ３内に形成されたシリコンの原料融液１１のボロン濃度が４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上と高い点である。このため、種結晶の下方に育成される単結晶１２中のボロン濃度も４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上となる。
【００２５】
ボディ部１２ｃの長さが所定長に達すると、高速引上げによる無転位切り離しを行う。この切り離しは、例えば特開平９−２０８３７６号公報に記載されている方法により行われる。具体的には、単結晶１２が２０ｍｍ以上上昇する間、育成速度を２００ｍｍ／分以上に急増させる。これにより、単結晶１２のボディ部１２ｃは、図１に示されるように、テール絞りを行わずとも、るつぼ３内に残存する原料融液１１から無転位のまま切り離される。
【００２６】
高速引上げによる無転位切り離しが終わると、単結晶１２を原料融液１１の液面上にしばらくの間保持し、プルチャンバ２内に徐々に引き込む。
【００２７】
このような無転位切り離しによると、ボディ部１２ｃの下部は、テール絞りを行う通常の切り離しの場合と比べて急冷されるが、原料融液１１のボロン濃度、即ち単結晶１２のボロン濃度を４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上と高く設定しているため、ボディ部１２ｃの下部に生じるＡＯＰ現象はボディ部１２ｃの下端から１０ｍｍ以下の限られた領域に限定され、その発生領域の長さが大幅に低減される。しかも、このような効果を、単結晶引き上げの経済性および比抵抗をそれぞれ必要以上に低下させることなく得ることができる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と対比することにより、本発明の効果を明らかにする。
【００２９】
比較例として、ボロン濃度が３．２４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  に調整されたシリコンの原料融液から、直径が６インチのシリコン単結晶を、速度１．０ｍｍ／分で引上げ、ボディ長が８００ｍｍとなった時点で、速度を７００ｍｍ／分に急増して、単結晶を原料融液から切り離した。切り離された単結晶は、融液上３０ｍｍの位置に１０分間保持し、その後、３０ｍｍ／分の速度でプルチャンバ内に引き込んだ。
【００３０】
こうして製造された単結晶のボトム部から縦割りサンプルを切り出し、８００℃×４時間＋１０００℃×１６時間（Ｏ２  ）の熱処理を施した後のＸ線トポグラフ写真を図２に示す。切り離した部位からの有転位化は見られないが、下端から約１２０ｍｍの領域にＡＯＰが発生した。
【００３１】
本発明の実施例として、原料融液中のボロン濃度を４．８９×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  とした。他の条件は比較例と同じである。製造された単結晶のボトム部から縦割りサンプルを切り出し、８００℃×４時間＋１０００℃×１６時間（Ｏ２  ）の熱処理を施した後のＸ線トポグラフ写真を図２（ｂ）に示す。切り離した部位からの有転位化の発生がないことは勿論、ＡＯＰ発生領域も下端から１０ｍｍ以下の僅かの領域に限定された。
【００３２】
別の実施例として、切り離しの際の引上げ速度を２００ｍｍ／分とした。他の条件は上記実施例と同じである。上記実施例と同様、切り離した部位からの有転位化はなく、ＡＯＰ発生領域も下端から１０ｍｍ以下の領域に限定された。
【００３３】
原料融液中のボロン濃度とＡＯＰ発生領域の長さとの関係を、更に多くの例について調査した。その調査結果を図３に示す。原料融液中のボロン濃度が４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  未満であれば、通常のボロン濃度である１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  の場合と大差ない。原料融液中のボロン濃度が４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  以上で、ＡＯＰ発生領域の長さが激減することが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明の単結晶製造方法は、高速引上げによる無転位切り離し技術において、原料融液中のボロン濃度を４．８９×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることにより、単結晶引き上げの経済性および比抵抗をそれぞれ必要以上に低下させることなく、その切り離し技術で問題となる単結晶下部でのＡＯＰの発生をシリコン単結晶の下端から１０ｍｍ以下と大幅に抑制できる。その結果、単結晶下部の切り捨てロスが僅かとなり、テール部の形成を省略できることとあいまって、歩留りを著しく改善でき、単結晶の製造コスト低減に大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る単結晶製造方法を実施するための単結晶育成装置の模式断面図である。
【図２】  製造された単結晶のボトム部から切り出された縦割りサンプルのＸ線トポグラフ写真である。
【図３】  原料融液中のボロン濃度とＡＯＰ発生領域の長さと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  るつぼ
３ａ  石英るつぼ
３ｂ  黒鉛るつぼ
【図１】
0004038750.tif 000002
【図２】
0004038750.tif 000003
【図３】
0004038750.tif 000004