(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引き上げ軸とルツボとの間に電圧の印加が可能な引き上げ装置を用いてチョクラルスキー法により育成されるシリコン単結晶の金属汚染評価方法であって、
シリコン単結晶の非製品部の育成過程で引き上げ軸を負極としルツボを正極として電圧印加を行い、この電圧印加を伴って育成された部位からサンプルを採取し、このサンプルの金属汚染を評価することを特徴とするシリコン単結晶の金属汚染評価方法。
【請求項２】
前記サンプルの金属汚染の評価は、ライフタイムの測定により行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の金属汚染評価方法。
【請求項３】
前記サンプルの金属汚染の評価は、表面光起電力法（ＳＰＶ法）による測定により行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の金属汚染評価方法。
【請求項４】
前記サンプルの金属汚染の評価は、全溶解法による測定により行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の金属汚染評価方法。
【請求項５】
前記シリコン単結晶の製品部の育成過程では、前記引き上げ軸を正極とし前記ルツボを負極として電圧印加を行う、または電圧無印加にすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシリコン単結晶の金属汚染評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）により育成されるシリコン単結晶の金属汚染評価方法に関し、特に、シリコン単結晶の金属汚染の要因となる引き上げ装置の金属不純物の発生状況を把握するために用いるシリコン単結晶の金属汚染評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶は、半導体デバイスの基板の素材として用いられ、その製造には種々の方法があり、その中でも、石英ルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成するＣＺ法が広く採用されている。
【０００３】
図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に適した引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、引き上げ装置の外郭を構成するチャンバ１の内部には、その中心部にルツボ２が配置されている。ルツボ２は二重構造になっており、内側の石英ルツボ２ａと、その外側に嵌合される黒鉛ルツボ２ｂとから構成される。このルツボ２は、支持軸３の上端部に黒鉛ルツボ２ｂを固定され、その支持軸３の回転駆動および昇降駆動を介して、周方向に回転するとともに軸方向に昇降する。
【０００４】
ルツボ２の外側には、ルツボ２を囲繞する抵抗加熱式のヒータ４が配置され、そのさらに外側には、チャンバ１の内面に沿って保温筒５が配置されている。ヒータ４はルツボ２内に充填された多結晶シリコン原料を溶融させ、これにより、ルツボ２内に原料融液６が形成される。
【０００５】
一方、ルツボ２の上方には、支持軸３と同軸上にワイヤなどの引き上げ軸７が配されている。引き上げ軸７は、チャンバ１の上端部に設けられた図示しない引き上げ機構により回転駆動されるとともに、軸方向に昇降駆動される。引き上げ軸７の下端部には、種結晶８が取り付けられている。種結晶８をルツボ２内の原料融液６に浸漬し、その種結晶８を回転させながら徐々に上昇させることにより、種結晶８の下方にシリコン単結晶９が育成される。
【０００６】
シリコン単結晶９の育成では、種結晶８の直下のネック部、所望の直径まで逐次直径を増加させたショルダー部、シリコンウェーハ用に製品部として取り扱われる所望の直径の直胴部、および、育成の最終段階で転位の導入を防止するために直胴部から逐次直径を減少させたテイル部が順に形成される。
【０００７】
また、ＣＯＰや転位クラスターといったＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のないシリコン単結晶９を効率良く育成するため、ルツボ２の上方に、引き上げ中のシリコン単結晶９を囲繞する黒鉛製の熱遮蔽体１０が配設され、この熱遮蔽体１０の内側の下部でその単結晶９を囲繞する銅などの金属製の水冷体１１が配設されている。
【０００８】
さらに、引き上げ軸７と支持軸３には、電源装置１２から配線が接続されている。電源装置１２は、引き上げ軸７と支持軸３との間に電圧を印加し、これにより、シリコン単結晶９とルツボ２との間に原料融液６を介在して電圧印加を行うことができる。
【０００９】
例えば、特許文献１では、シリコン単結晶とルツボとの間に−５０Ｖ以上、＋５０Ｖ以下の電圧を印加しながら、単結晶育成を行うのがよいとされている。これは、引き上げ軸側で−５０Ｖ〜０Ｖとなる電圧を印加することにより、原料融液中で負（マイナス）に帯電している不純物を結晶成長界面から原料融液中に排除でき、一方、引き上げ軸側で０Ｖ〜＋５０Ｖとなる電圧を印加することにより、原料融液中で正（プラス）に帯電している金属不純物を結晶成長界面から原料融液中に排除できることから、不純物に起因する単結晶育成時の有転位化を防止することを意図している。
【００１０】
ところで、シリコン単結晶中に含有される金属不純物、特に鉄、銅、ニッケルなどの重金属は、その後にシリコン単結晶が切断され半導体デバイス用の基板に処理された後に、酸化膜耐圧の劣化やリーク電流の増加を引き起こす要因となり、半導体デバイスの性能を劣化させる。この金属不純物によるシリコン単結晶の汚染は、ルツボ、ヒータ、熱遮蔽体、水冷体などの引き上げ装置を構成する種々のホットゾーン部品や、多結晶原料などからもたらされる。
【００１１】
すなわち、引き上げ装置を構成する部品は、使用により劣化し、これに伴って、金属不純物が拡散し、単結晶育成の過程でシリコン単結晶に取り込まれる。これにより、シリコン単結晶は金属不純物で汚染される。
【００１２】
したがって、高品質のシリコン単結晶を育成するには、引き上げ装置を構成する部品や多結晶原料などを、シリコン単結晶に金属汚染を生じさせない状態に管理することが重要である。従来は、育成したシリコン単結晶ごとにサンプルウェーハを切り出し、順次、サンプルウェーハの金属汚染を評価することにより、金属汚染の要因となる引き上げ装置の金属不純物の発生状況を経時的に把握し、これにより引き上げ装置の構成部品を管理している。このサンプルウェーハの金属汚染評価には、ライフタイムの測定、表面光起電力法（Surface Photo Voltage：ＳＰＶ法）による測定、さらには全溶解法による測定が用いられる。
【００１３】
ライフタイムの測定は、例えば、特許文献２に記載されているように、ボロンをドーパントとしたｐ型シリコン単結晶から採取したサンプルウェーハについて、マイクロ波光導電率減衰法（Microwave Photo Conductivity Decay：μ−ＰＣＤ法）により、レーザ光を照射したときの照射時間に対するサンプルウェーハ中のキャリアの再結合ライフタイムの変化率を求め、この変化率によって鉄の有無を検出する手法である。さらに、過渡容量分光法（Deep Level Transient Spectroscopy：ＤＬＴＳ法）などによって鉄の濃度ごとの再結合ライフタイムを示す検量線を作成しておくことにより、この検量線に基づいて鉄の濃度を求めることができる。
【００１４】
ＳＰＶ法による測定は、例えば、特許文献３に記載されているように、ｐ型シリコン単結晶から採取したサンプルウェーハについて、その表面を光照射または加熱により活性化させ、この活性化によりＦｅ−Ｂペアが解離した直後、および再びＦｅ−Ｂペアの状態に戻ったときの少数キャリアの拡散長をそれぞれ測定し、これらの拡散長から鉄の濃度を測定する手法である。
【００１５】
全溶解法による測定は、例えば、特許文献４に記載されているように、ｐ型シリコン単結晶から採取したサンプルウェーハについて、その一部をフッ化水素酸と硝酸などの混酸で溶解し、この溶解液を原子吸光分光光度分析装置または誘導結合プラズマ質量分析装置を用いて銅などの金属の濃度を測定する手法である。
【００１６】
しかし、ライフタイムの測定、ＳＰＶ法による測定、または全溶解法による測定では、シリコン単結晶中すなわちサンプルウェーハ中に含まれる金属不純物の濃度が検出能以下である場合は、金属汚染の評価を行うことができない。すなわち、シリコン単結晶中の金属不純物の濃度が検出能以上になるまで、金属汚染の評価を行えず、引き上げ装置の金属不純物の発生状況を経時的に把握することができない。このため、引き上げ装置の構成部品の管理が不十分になり、突然、金属汚染の著しいシリコン単結晶の育成が発現するおそれがある。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−１２３９３号公報
【特許文献２】特開平９−２１８１７５号公報
【特許文献３】特開２００５−６４０５４号公報
【特許文献４】特開２００７−２２７５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、金属汚染のない高品質のシリコン単結晶を育成するため、引き上げ装置の金属不純物の発生状況を確実に把握することができるシリコン単結晶の金属汚染評価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】
【００１９】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、原料融液中の金属不純物がイオン化により正に帯電していることに着目し、この正帯電の金属不純物を電気的な引力でシリコン単結晶に取り込むことにより、シリコン単結晶中の金属不純物の濃度を高めることができ、金属汚染の評価を十分に行えることを知見し、本発明を完成させた。
【００２０】
本発明は、引き上げ軸とルツボとの間に電圧の印加が可能な引き上げ装置を用いてＣＺ法により育成されるシリコン単結晶の金属汚染評価方法であって、シリコン単結晶の非製品部の育成過程で引き上げ軸を負極としルツボを正極として電圧印加を行い、この電圧印加を伴って育成された部位からサンプルを採取し、このサンプルの金属汚染を評価することを特徴とする。
【００２１】
このような構成により、引き上げ軸を負極とする電圧印加を伴って育成される部位（非製品部）は、負極になることから、原料融液中で正帯電している金属不純物を電気的な引力により取り込むことができ、金属不純物の濃度が高まる。このため、その電圧印加部位から採取したサンプルは、金属不純物の濃度が高く、金属汚染の評価を十分に行える。したがって、このような金属汚染評価を、順次育成するシリコン単結晶ごとに行うことにより、シリコン単結晶の金属汚染の要因となる引き上げ装置内の金属不純物の発生状況を確実に把握することができる。
【００２２】
ここで、引き上げ軸を負極として電圧印加を行う「シリコン単結晶の非製品部の育成過程」とは、単結晶育成の各段階のうち、ショルダー部、テイル部、または、直胴部の上端部もしくは下端部を育成する段階を意味する。これらの各段階のうち、単結晶育成の終期段階である直胴部の下端部またはテイル部を育成する段階で、引き上げ軸を負極として電圧印加を行い、この直胴部の下端部またはテイル部から金属汚染評価用のサンプルを採取することが好ましい。
【００２３】
シリコン単結晶の育成では、不純物元素の偏析現象により、シリコンに対して偏析係数の小さい金属不純物の濃度は、原料融液中よりもシリコン単結晶中の方がはるかに低くなる。これに起因して、シリコン単結晶中の金属不純物の濃度は、シリコン単結晶の固化率（初期原料融液量に対するシリコン単結晶の引き上げ重量の比率）との相関関係から、固化率の上昇、すなわち単結晶育成の進行に従って高くなり、固化率が１００％に近い育成終期段階で急激に高くなる。例えば、固化率が８０％の育成終期段階では、シリコン単結晶中の金属不純物の濃度は、固化率が０％に近い育成初期段階よりも５倍程度高い。このため、育成終期段階で引き上げ軸を負極として電圧印加を行う方が、育成初期段階で行うよりも、不純物元素の偏析に起因する作用との相乗効果により、サンプル中の金属不純物の濃度を一層高めることができる。
【００２４】
また、前記サンプルの金属汚染の評価は、ライフタイムの測定、ＳＰＶ法による測定、または全溶解法による測定により行うことができる。
【００２５】
また、前記シリコン単結晶の製品部の育成過程では、前記引き上げ軸を正極とし前記ルツボを負極として電圧印加を行うこと、または電圧無印加にすることが好ましい。シリコン単結晶の製品部を育成する際に、引き上げ軸を負極として電圧印加を行うと、その製品部は、金属不純物の取り込みが促進されることから、金属不純物の濃度が高まり、品質の悪化が懸念されるからである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のシリコン単結晶の金属汚染評価方法によれば、シリコン単結晶の金属汚染の評価を十分に行えるため、金属汚染の要因となる引き上げ装置の金属不純物の発生状況を確実に把握することができ、ひいては、引き上げ装置の構成部品を、シリコン単結晶に金属汚染を生じさせない状態に管理することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明のシリコン単結晶の金属汚染評価方法について、その実施形態を詳述する。本発明のシリコン単結晶の金属汚染評価方法は、引き上げ軸とルツボとの間に電圧の印加が可能な引き上げ装置を用い、シリコン単結晶の非製品部の育成過程で引き上げ軸を負極としルツボを正極として電圧印加を行い、この電圧印加を伴って育成された部位からサンプルを採取し、このサンプルの金属汚染を評価することを特徴としている。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態であるシリコン単結晶の金属汚染評価方法における工程を説明する図である。ここでは、シリコン単結晶の育成に前記図１に示す引き上げ装置を用いる。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、ルツボ２内の原料融液６からシリコン単結晶９を育成する場合、ネック部の形成に続いてショルダー部９ａを形成し、その後肩変えして目標直径の直胴部９ｂを育成する。
【００３０】
その際、電源装置１２により、引き上げ軸７を正極（プラス）とし支持軸３を負極（マイナス）として電圧を印加しており、これにより、原料融液６を介在し、シリコン単結晶９を正極としルツボ２を負極とする電圧印加が行われている。一方、原料融液６中では、金属不純物が正帯電して存在している。このため、育成中の直胴部９ｂは、正極になることから、原料融液６からの金属不純物の取り込みが電気的な反発力により抑制され、製品部としての品質を確保することができる。
【００３１】
その後、単結晶育成の終期段階、例えば、固化率が８０％の段階に達すると、図２（ｂ）に示すように、電源装置１２により、印加電圧の極性を切り替え、引き上げ軸７を負極とし支持軸３を正極として電圧を印加する。これにより、原料融液６を介在し、シリコン単結晶９を負極としルツボ２を正極とする電圧印加が行われる。
【００３２】
この状態で、テイル部９ｃの形成に移行し、図２（ｃ）に示すように、テイル部９ｃを形成する。その際、電圧印加により引き上げ軸７を負極とすることにより、育成中の直胴部９ｂの下端部およびテイル部９ｃは、負極になることから、原料融液６中で正帯電している金属不純物の取り込みが電気的な引力により促進され、金属不純物の濃度が高まる。
【００３３】
次に、図２（ｄ）に示すように、引き上げ軸７を負極とする電圧印加を伴って育成された直胴部９ｂの下端部またはテイル部９ｃから、サンプルウェーハ１５を切り出す。同図（ｄ）では、直胴部９ｂの下端部からサンプルウェーハ１５を採取した状態を示す。
【００３４】
そして、採取したサンプルウェーハ１５について、金属汚染を評価する。この金属汚染の評価には、ライフタイムの測定、ＳＰＶ法による測定、さらには全溶解法による測定を用いることができる。
【００３５】
このとき、サンプルウェーハ１５は、金属不純物の濃度が高い直胴部９ｂの下端部またはテイル部９ｃから採取されたものであるため、金属汚染の評価を十分に行える。したがって、このような金属汚染評価を、順次育成するシリコン単結晶９ごとに行うことにより、シリコン単結晶９の金属汚染の要因となる引き上げ装置内の金属不純物の発生状況を確実に把握することができる。その結果、引き上げ装置を構成する各部品の劣化または不具合などに早期に対処することができ、引き上げ装置の構成部品を、シリコン単結晶に金属汚染を生じさせない状態に管理することが可能になる。
【００３６】
ここで、金属汚染を評価する手法のうち、ライフタイムの測定には、例えば、前記特許文献２に記載される手法を用いることができ、ＳＰＶ法による測定には、例えば、前記特許文献３に記載される手法を用いることができる。これらの測定は、特に鉄の汚染を精度よく検出できるため、金属不純物として鉄を対象とする評価に好適である。また、全溶解法による測定には、例えば、前記特許文献４に記載される手法を用いることができ、この測定は、ライフタイムの測定では検出が困難な銅などの金属不純物を対象とする評価に適している。
【００３７】
また、電源装置による引き上げ軸を負極とする印加電圧は、０．１〜５０Ｖの範囲内とするのが好ましい。０．１Ｖ未満の印加電圧では、金属イオンに与える電気的な引力の作用が小さいため、原料融液からの金属不純物の取り込みが不十分となる。一方、印加電圧が５０Ｖを超えると、金属不純物の取り込み効果が飽和する上、単結晶の有転位化を招くおそれがある。さらに、電源装置による印加電圧としては、直流および交流のいずれも用いることができる。
【００３８】
また、サンプルウェーハを採取するために引き上げ軸を負極として電圧印加を行う時期は、非製品部の育成段階であればよく、ショルダー部または直胴部の上端部を育成する単結晶育成の初期段階でもよい。もっとも、不純物元素の偏析に起因する金属不純物濃度の上昇効果を有効に得るために、引き上げ軸を負極として電圧印加を行う時期は、単結晶育成の終期段階、特に固化率が８０％以上となる段階とするのが好ましい。
【実施例】
【００３９】
本発明のシリコン単結晶の金属元素評価方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。本実施例の試験では、前記図１に示す引き上げ装置を用い、内径２２インチのルツボを使用し、これに多結晶シリコン原料およびドーパントとしてのボロンを総重量で１４０ｋｇ充填して溶融させ、この原料融液から直径２００ｍｍのｐ型シリコン単結晶を育成した。その際、直胴部の育成中に固化率が８０％となった段階で、引き上げ軸を負極としルツボを正極として１０Ｖの直流電圧を印加し、続いてテイル部を形成した。
【００４０】
育成したシリコン単結晶の直胴部の下端部からサンプルウェーハを採取し、このサンプルウェーハの金属汚染を評価した。金属汚染の評価は、ライフタイムの測定、ＳＰＶ法による測定、および全溶解法による測定で行った。なお、比較例として、そのシリコン単結晶の育成に引き続き、同じ引き上げ装置を用いて電圧無印加でシリコン単結晶の育成を行い、育成したシリコン単結晶の直胴部の下端部からサンプルウェーハを採取し金属汚染を評価した。
【００４１】
比較例のサンプルウェーハでは、ライフタイムの測定、ＳＰＶ法による測定、および全溶解法による測定のいずれでも、金属不純物を検出することができなかった。
【００４２】
一方、本実施例のサンプルウェーハでは、全溶解法による測定にて銅を検出することができた。銅は引き上げ装置内の水冷体に用いられており、比較例の単結晶育成後に引き上げ装置を分解して調査すると、水冷体に、銅の汚染を引き起こしたと想定できる軽微な損傷を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のシリコン単結晶の金属汚染評価方法は、非製品部の育成過程で引き上げ軸を負極として電圧印加を行うことにより、これを伴って育成される電圧印加部位に原料融液中の金属不純物を電気的な引力で取り込むことができる。このため、その電圧印加部位から採取したサンプルは、金属不純物の濃度が高く、金属汚染の評価を十分に行うことができる。したがって、このような金属汚染評価を、順次育成するシリコン単結晶ごとに行うことにより、シリコン単結晶の金属汚染の要因となる引き上げ装置内の金属不純物の発生状況を確実に把握することができ、ひいては、引き上げ装置の構成部品を管理することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に適した引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態であるシリコン単結晶の金属汚染評価方法における工程を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    チャンバ
２    ルツボ
２ａ    石英ルツボ
２ｂ    黒鉛ルツボ
３    支持軸
４    ヒータ
５    保温筒
６    原料融液
７    引き上げ軸
８    種結晶
９    シリコン単結晶
９ａ    ショルダー部
９ｂ    直胴部
９ｃ    テイル部
１０    熱遮蔽体
１１    水冷体
１２    電源装置
１５    サンプルウェーハ
【図１】
0004983705.tif 000002
【図２】
0004983705.tif 000003