(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により結晶育成するシリコン単結晶の製造方法において、
結晶の育成は、前記結晶中の水素濃度が５×１０11〜１×１０15atoms/cm3の濃度となるように水素ガスを添加した不活性ガス雰囲気中で行うとともに、
単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇを、リング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定する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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスとして使用されるシリコン単結晶の製造方法に関し、詳しくは、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によって育成されるシリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体材料に用いられるシリコン単結晶の製造には、種々の方法があるが、一般にＣＺ（Czochralski）法、又は、ＦＺ（Floating Zone）法が用いられている。
【０００３】
ＣＺ法は、石英ルツボに充填したシリコン多結晶をヒーターで加熱溶融した後、この融液に種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に引き上げることによって単結晶を成長させる方法である。
【０００４】
また、ＦＺ法は、多結晶シリコンインゴットの一部を高周波で加熱溶融して溶融帯域を作り、この溶融帯域を移動させながら単結晶を成長させる方法である。
【０００５】
前記ＣＺ法は、大きな直径の結晶の形成が容易であるため、ＣＺ法で製造したシリコン単結晶から切り出したウエハが、高集積度半導体素子基板として用いられている。
【０００６】
ＣＺ法によって育成された結晶中には、結晶育成条件によって、リング状の酸誘起積層欠陥（以下、ＯＳＦ(Oxidation induced Stacking Fault)という）が発生する場合がある。その他に、数種類の微小欠陥（以下、Grown-in欠陥という）が形成される。
【０００７】
ＯＳＦリングの結晶内の発生部位は、単結晶の成長速度Ｖと、育成される単結晶のシリコン融点〜１３００℃の引き上げ軸方向の結晶内での温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇによって決定される。
【０００８】
比Ｖ／Ｇが、ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅する臨界値（以下、単に臨界値と記す。）より大きい場合には、空孔が凝集して、０．１μｍ程度の八面体を基本構造とした空洞（ボイド）欠陥が形成される。
【０００９】
一方、比Ｖ／Ｇが、臨界値より小さい場合は、格子間シリコンが凝集して転位クラスタが形成される。
【００１０】
一般に半導体素子基板として用いられているウエハは、ボイドが形成される条件で成長させた単結晶から切り出されたウエハである。このボイドは、半導体素子の電気特性の一つである酸化膜耐圧を低下させる。
【００１１】
結晶中、単位体積あたりのボイド数（欠陥密度）を低減させるために、結晶育成時に、ボイドが形成される温度領域（１１００℃前後）で徐冷する方法が行われている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、欠陥密度が１０5ｃｍ-3程度までしか低減できず、また、欠陥密度は低減されても、欠陥のサイズが粗大化することが明らかにされており、次世代の半導体素子に用いるシリコン単結晶の育成においては、更なる改善が必要とされている。
【００１３】
ここで、比Ｖ／Ｇが臨界値以下となる条件で育成された単結晶から切り出されたウエハは、ボイドが存在せず、従って、酸化膜耐圧特性が良好となる。しかし、前記ウエハは、転位クラスタが存在するため、ｐｎ接合リーク特性を劣化させる。
【００１４】
そこで、本発明は、ボイドや、転位クラスタ等のGrown-in欠陥を含まず、シリコン単結晶の高品質化、及び、高品質単結晶を得ることの可能な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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願第１請求項に記載した発明は、チョクラルスキー法により結晶育成するシリコン単結晶の製造方法において、結晶の育成は、前記結晶中の水素濃度が５×１０11〜１×１０15atoms/cm3の濃度となるように水素ガスを添加した不活性ガス雰囲気中で行うとともに、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇを、リング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定する構成のシリコン単結晶の製造方法である。
【００１６】
前述したように、比Ｖ／Ｇを臨界値以下とする条件下で結晶を成長させると、ボイドは発生しない。また、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で結晶の育成を行うと、転位クラスタが発生しない。これは、不活性ガス雰囲気中に含まれる水素ガスがシリコン融液に溶け込み、融液が固化するときに、単結晶中に水素ガスが取り込まれ、あるいは、高温下において、固化した後、直接単結晶に取り込まれる。そして、単結晶中に取り込まれた水素ガスが、格子間シリコン原子の拡散を抑制するため、格子間シリコン原子の凝集が起きず、結果として転位クラスタが発生しないからである。
【００１７】
このように、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気中において、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下となるように設定した条件下で、結晶育成を行うと、ボイドや転位クラスタ等のGrown-in欠陥が形成されない高品質単結晶の育成が可能となる。
【００１９】
しかし、減圧下において結晶育成を行うチョクラルスキー法においては、不活性ガス雰囲気中に、５％濃度以上の水素を添加すると、結晶中に巨大な異常欠陥が形成されたり、カーボンヒータが水素と反応して、メタンとなる反応が激しくなり、メタンやカーボン中の不純元素が結晶の汚染原因となる問題を生じたり、ヒータの消耗や、劣化が激しくなる等の問題を生じるおそれがある。
【００２０】
また、転位クラスタ抑制効果があるのは、シリコン単結晶中の水素濃度が５×１０11atoms/cm3以上であり、前述した巨大な異常欠陥を生じる水素濃度は、１×１０15atoms/cm3以上である。
【００２１】
従って、本発明においては、結晶中の水素濃度を５×１０11〜１×１０15atoms/cm3に設定し、ボイドや転位クラスタ等のGrown-in欠陥が形成されない高品質単結晶の育成を可能としている。
【００２２】
本願発明の参考例としての発明は、チョクラルスキー法により結晶が育成されるシリコン単結晶であって、前記結晶中の水素濃度が５×１０11〜１×１０15atoms/cm3となるように不活性ガス中に水素ガスが添加され、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇが、リング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定される条件下で育成されることを特徴とするシリコン単結晶である。
【００２４】
このような、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で、比Ｖ／Ｇが臨界値以下になる条件で単結晶を成長させると、ボイド及び転位クラスタ等の欠陥のない高品質なシリコン単結晶を得ることが可能となる。
【００２５】
また、結晶中の水素濃度が５×１０11〜１×１０15atoms/cm3となるように設定した条件下でシリコン単結晶を成長させることにより、高品質なシリコン単結晶を得ることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の製造方法に用いられる、ＣＺ法を用いた単結晶成長装置の概略構成図である。
【００２８】
図１に示すように、１は、石英ルツボを示し、このルツボ１は、有底円筒状の石英製の内層保持容器１ａと、この内層保持容器１ａの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ｂとから構成されている。
【００２９】
このような構成からなるルツボ１は、所定の速度で回転する支持軸１ｃに支持され、ルツボ１の外側には、ヒータ２が同心円筒状に配設されている。このルツボ１の内部には、前記ヒータ２の加熱によって溶融された原料の溶融液３が充填されており、ルツボ１の中心に引き上げ棒或はワイヤー等からなる引き上げ軸４が配設されている。この引き上げ軸４の先にはシードチャック及び種結晶５を溶融液３の表面に接触させる。
【００３０】
更に、引き上げ軸４を、支持軸１ｃによって回転されるルツボ１と反対方向に所定の速度で回転させながら種結晶５を引き上げることによって、種結晶５の先端に溶融液３を凝固させて単結晶６を成長させていく。尚、図中９と１０は、雰囲気ガスの供給口と排出口である。
【００３１】
単結晶の育成に際し、最初に結晶を無転位化するために、シード絞りを行う。
【００３２】
その後、単結晶のボディ直径を確保するため、ショルダーを形成し、ボディ直径になったところで肩変えを行い、ボディ直径を一定にして単結晶本体の育成へ移行する。ボディ直径で所定長さの単結晶を育成すると、無転位の状態で単結晶を溶融液から切り離すためのテイル絞りを行う。
【００３３】
単結晶の成長速度Ｖは、単結晶の引き上げ速度である。また、溶融液３の温度を変えることにより、単結晶の直径を一定に保持したまま、成長速度Ｖを変化させることができる。
【００３４】
また、温度勾配Ｇは、一般に引き上げ方向に平行な同一軸上のシリコン融点近傍の１４００℃と１３００℃での結晶温度を計測し、その値の温度差と当該二点間の間隔との比である温度勾配Ｇとして算出する。
【００３５】
この温度勾配Ｇは、炉内の熱的環境を変更することにより、変化させることができる。
【００３６】
次に、図１に示す結晶成長装置を用いて、シリコン単結晶の育成を行った実施例を示す。
【００３７】
（実施例１）
本例においては、結晶成長速度Ｖを０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることにより、Ｖ／Ｇ値は臨界値以下となる。
【００３８】
前記結晶成長速度Ｖ（０．４ｍｍ／ｍｉｎ）で、水素を添加せずに単結晶を育成し、所定のサンプル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の欠陥密度を測定した。
【００３９】
水素無添加条件下において、育成した結晶には、１０4ｃｍ-3程度の転位クラスタが検出された。
【００４０】
また、結晶成長速度Ｖを０．４ｍｍ／ｍｉｎ、アルゴン流量４０リットル／分、水素流量０．４リットル／分の条件下において、結晶の育成を行い、所定のサンプル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の欠陥密度を測定した。
【００４１】
前記水素添加条件下において育成した結晶には、転位クラスタは検出されなかった。この水素条件下において育成した結晶中の水素濃度は、５×１０11ｃｍ-3であった。
【００４２】
このように結晶中の水素濃度が所定値となるように、不活性ガス中に水素を添加し、Ｖ／Ｇ値が臨界値以下となる条件で結晶育成を行うと、成長した結晶は、Ｖ／Ｇ値が臨界値以下のため、ボイドの発生がなく、転位クラスタの発生も確認されない、高品質なシリコン単結晶を得ることができる。
【００４３】
次に、前記実施例１と同一の装置を用いて、また、実施例１と同一の温度勾配Ｇ値を有する条件下において、結晶育成を行った場合の実施例を示す。
【００４４】
（実施例２）
本例においては、結晶成長速度Ｖを１．０ｍｍ／ｍｉｎとすることにより、Ｖ／Ｇ値は、臨界値以上となる。
【００４５】
前記結晶成長速度Ｖ（０．４ｍｍ／ｍｉｎ）で、水素を添加せずに単結晶を育成し、所定のサンプル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の欠陥密度を測定した。
【００４６】
水素無添加条件下において、育成した結晶には、１０6ｃｍ-3程度のボイドが検出された。
【００４７】
また、前記結晶成長速度Ｖを１．０ｍｍ／ｍｉｎ、アルゴン流量４０リットル／分、水素流量０．４リットル／分の条件下において、結晶の育成を行い、所定のサンプル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の欠陥密度を測定した。
【００４８】
前記水素添加条件下において育成した結晶には、水素無添加条件下で育成した結晶と同様に、１０6ｃｍ-3程度のボイドが検出された。
【００４９】
本例によって、Ｖ／Ｇ値を臨界値以上となるように、成長速度Ｖを設定して結晶成長を行うと、水素無添加条件下及び水素添加条件下においても同様に、ボイドの発生が確認された。
【００５０】
このように、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下に設定し、結晶中の水素濃度が５×１０11〜１×１０15atoms/cm3となるように、不活性ガス中に水素ガスを添加した条件で結晶育成を行うと、成長した結晶中に、ボイド及び転位クラスタのない高品質なシリコン単結晶を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、チョクラルスキー法により結晶育成するシリコン単結晶の製造方法において、結晶の育成は、水素を含む不活性ガス雰囲気中で行うとともに、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲における成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇは、リング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定し、結晶中の水素濃度が、５×１０11〜１×１０15atoms/cm3となるように水素を不活性ガス雰囲気中に添加することにより育成されたシリコン単結晶及び前記条件下において製造するシリコン単結晶の製造方法である。
【００５２】
このように、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下とすることにより、ボイドの発生抑制するとともに、不活性ガス雰囲気中に添加された水素が育成された結晶中に取り込まれ、格子間シリコン原子の拡散を抑制し、格子間シリコン原子の凝集が起きずに、転位クラスタの発生をなくすことができる。
【００５３】
従って、本発明の方法によれば、ボイド及び転位クラスタの発生のない無欠陥結晶を育成することができ、シリコン単結晶の高品質化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係り、ＣＺ法による単結晶の育成に用いられている単結晶育成装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１    ルツボ
１ａ    内層保持容器
１ｂ    外層保持容器
１ｃ    支持軸
２    ヒーター
３    溶融液
４    引き上げ軸
５    種結晶
６    単結晶
９    雰囲気ガスの供給口
１０    雰囲気ガスの排出口
Ｍ    モータ
【図１】
0004147599.tif 000002