JP2007182373A - 高品質シリコン単結晶の製造方法及びこれを用いて製造されたシリコン単結晶ウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】無欠陷高品質単結晶インゴットを速い成長速度で製造できる高品質シリコン単結晶の製造方法及びこれを用いて製造されたシリコン単結晶ウェーハを提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法において、単結晶成長の固液界面の下部を中心部と外周部に分け、前記中心部の温度勾配と外周部の温度勾配をそれぞれ個別に制御する。これにより、固液界面の下部に位置するシリコン融液を中心部と外周部に分けたとき、中心部の温度勾配は融液の温度分布を調節することで直接的に制御し、且つ、外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して間接的に制御して、融液の温度分布を効果的に制御することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、点欠陷のない高品質シリコン単結晶インゴットの製造方法に関し、より詳しくは、チョクラルスキー法でシリコン単結晶インゴットを成長させるとき、融液の温度分布を制御することで成長欠陷が制御された高品質シリコン単結晶インゴットの製造方法に関する。

従来、半導体素子の歩留まりを増大できる高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させるため、主に結晶化以後の単結晶インゴットの高温領域の温度分布を制御してきた。これは結晶化以後の冷却による収縮などで誘起される応力などを制御したり凝固時発生した点欠陷の挙動を制御するためのものである。

一般的に、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶インゴットを成長させる方法においては、石英るつぼの内部に多結晶シリコンを入れ、ヒーターから輻射される熱で多結晶シリコンを溶融させてシリコン融液にした後、シリコン融液の表面からシリコン単結晶インゴットを成長させる。

シリコン単結晶インゴットを成長させる際には、るつぼを支持する軸を回転させながらるつぼを上昇させて固−液界面を同じ高さに維持させ、シリコン単結晶インゴットは、るつぼの回転軸と同じ軸を中心にしてるつぼの回転方向と逆方向に回転させながら引き上げる。このように成長されたシリコン単結晶インゴットは、スライシング（Ｓｌｉｃｉｎｇ）、ラッピング（Ｌａｐｐｉｎｇ）、ポリシング（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）、クリーニング（Ｃｌｅａｎｉｎｇ）などウェーハ加工工程を経ることにより、シリコン単結晶ウェーハになって半導体デバイス基板として使用される。

特許文献１など従来の高品質無欠陷インゴットまたはウェーハ及びその製造方法は、ヴォロンコフ理論に基づいてΔ（Ｖ／Ｇ）を制御しようとした。ヴォロンコフ理論（Ｖｏｒｏｎｋｏｖ Ｔｈｅｏｒｙ）とは、結晶内で優勢な点欠陷（ｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｏｉｎｔ ｄｅｆｅｃｔ）は、Ｖ／Ｇ値がある閾値より大きければベイカンシー−豊富（ｖａｃａｎｃｙ−ｒｉｃｈ）、Ｖ／Ｇ値がある閾値より小さければインタースティシャル−豊富（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−ｒｉｃｈ）になるという理論である。ここで、Ｖは単結晶引上げ速度であって、シリコン単結晶内で点欠陷の対流パラメーター（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｔｅｒｍ）である。また、Ｇは結晶溶融液界面付近の瞬間軸方向温度勾配であって、結晶内の温度勾配による点欠陷の拡散パラメーター（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｅｒｍ）である。

Ｇが支配的である（相対的に大きい）場合、大きい温度勾配によって熱力学的な点欠陷濃度勾配も共に大きく形成されるため、結晶方向への点欠陷拡散が大きくなる。ところが、インタースティシャルの拡散移動度がベイカンシーより大きいため、結果的に支配的な点欠陷はインタースティシャルになる。一方、Ｖが大きい場合には、単結晶引上げによる対流（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）のため、結晶化時にベイカンシー濃度がインタースティシャルより高い状態がそのまま維持される（Ｇによる効果が小さいため）。すなわち、Ｖ／Ｇ値がある閾値より大きければベイカンシー豊富が、Ｖ／Ｇ値がある閾値より小さければインタースティシャル豊富が形成される。

従来には、成長中のシリコン単結晶インゴットの軸方向温度勾配Ｇを結晶の半径において調節するために、熱シールドのような別の構造物を設けた。このような従来技術としては、特許文献２、特許文献３、特許文献４等がある。しかし、熱シールドは単結晶外周部の温度勾配を制御するには効果があるが、単結晶中心部の温度勾配を制御するには限界がある。

他の従来技術として、特許文献５においては、単結晶インゴットの回転とるつぼの回転方向とを一致させる共回転（Ｃｏ−ｒｏｔａｔｉｏｎ）方法を用いて、融液内の温度分布を調節することで高品質無欠陷インゴットまたはウェーハを製造しようとした。しかし、このような共回転方法は多くの異なる制御因子によって反って融液内の温度分布を劣化させる恐れもあり、酸素濃度を容易に制御できないという限界がある。

また、他の従来技術においては、単結晶成長工程の様々な工程パラメーターを調節し、単結晶の軸方向温度勾配を制御しようとする試みがあった。しかし、工程パラメーターだけを調節しては、シリコン単結晶インゴットの軸方向温度勾配を所望のように調節できないだけでなく、点欠陷濃度が低い高品質のシリコン単結晶インゴットを高い生産性で生産できないという問題がある。

デバイス工程に好適な望ましいウェーハ基板は、ウェーハ表面の数マイクロ層まで形成されるデバイス活性領域（Ａｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ ｒｅｇｉｏｎ）においては、ベイカンシー、セルフ−インタースティシャルなど点欠陷を除いたすべての凝集欠陷が排除されることが望ましい。

なお、特許文献６、特許文献７、及び特許文献８に記載されたように、従来には結晶の垂直温度勾配Ｇ０がＧ０＝ｃ＋ａｘ２の形態を有するため、単結晶インゴットの外周から中心方向に向かってベイカンシー濃度は増加する一方、インタースティシャル濃度は減少する傾向を有する。単結晶インゴットの外周付近で十分な外部拡散（ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）が発生しなければ、ＬＤＰ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ Ｐｉｔ）などインタースティシャル特性の結晶欠陷が現れるため、大部分は中心部のベイカンシー濃度が高い状態で結晶成長をする。したがって、平衡濃度より著しく高いベイカンシー濃度のため、ウェーハ中心部においてベイカンシー特性の結晶欠陷（例えば、ボイド（ｖｏｉｄ））、酸化積層欠陷（ＯｉＳＦ：ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔ）が発生しやすい。他方、十分なインタースティシャル外部拡散のために結晶の冷却速度を遅らせれば、追加的なホットゾーンをさらに要するだけでなく、単結晶インゴットの成長速度も遅れるため、生産性が著しく低下する問題がある。

高品質シリコン単結晶インゴットを製造するためにシリコン単結晶インゴットの温度分布を制御する他の従来技術としては、次のようなものがある。特許文献９においては、単結晶が冷却される過程で高温領域のホットゾーンを採用し、シリコン単結晶インゴットの中心と外周の温度分布を制御することで、凝固変形（ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）によるシリコン単結晶インゴットの格子欠陷を減少させようとし、特にここでは冷却スリーブ（ｓｌｅｅｖｅ）によって単結晶成長方向に固化率（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）を増大させて格子欠陷を減少させようとした。また、特許文献１０においては、結晶内の温度分布と結晶の引上げ速度を制御しようとし、特許文献１１においてはホットゾーンを改善して冷却速度を制御することで欠陷密度を制御しようとした。特許文献１２と特許文献８においては、ホットゾーンを変更して冷却速度を制御することで点欠陷の拡散によって結晶欠陷の形成を抑制しようとした。特許文献１３においては、熱シールドと水冷管を改善することで高品質単結晶の生産性を向上させようとした。

しかし、このような従来技術は、固相反応に基づくため、次のような問題点を抱えている。第一、高品質シリコン単結晶という目的を達成するのに多くの制約がある。例えば、特許文献８においては、過飽和された点欠陷を結晶欠陷に成長する前に高温領域で充分に拡散反応させることで点欠陷の濃度を低めようとしたが、それに要する温度保持時間が１６時間以上にもなるため、理論的に可能であるだけで実際適用が不可能な問題点があった。

第二、実質的な効果を奏することができない場合がほとんどである。特許文献１４及び非特許文献１が提案したような方式で、結晶の引上げ速度を周期的に変化させながら２００ｍｍシリコン単結晶インゴットを成長させた結果、目的とする高品質の達成に失敗し、反って工程の不安定性だけが引き起された。

第三、固相反応理論だけに基づいた技術では、高い生産性を達成できない。特許文献１５においては、可能な最適の熱シールドと水冷管を設計したが、実際に高品質単結晶が得られる引上げ速度が０．４ｍｍ／ｍｉｎ程度であって生産性が低い問題がある。

また、上述した従来方法においては、目的とする高品質単結晶の獲得歩留まりが低かった。
米国特許第６，０４５，６１０号明細書 大韓民国特許第３７４７０３号明細書 大韓民国特許第４１１５７１号明細書 米国特許第６，５２７，８５９明細書 大韓民国特許出願公開第２００４−８４７２８号明細書 大韓民国特許出願公開第２００１−６１８２号明細書 大韓民国特許出願公開第２００１−６２２７号明細書 大韓民国特許出願公開第２００１−６２２９号明細書 特願平２−１１９８９１ 特願平７−１５８４５８ 特願平７−６６０７４ 特願平４−１７５４２ 大韓民国特許出願公開第２００２−８２１３２号明細書 特願平５−６１９２４ 大韓民国特許出願公開第２００１−１０１０４５号明細書 Ｅｉｄｅｎｚｏｎら著、「Ｄｅｆｅｃｔ−ｆｒｅｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」、Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．３、１９９７、ｐｐ．２７２−２７９

これに、本発明の発明者らは、前記のような従来技術の問題点を解決し、融液の温度分布を効果的に制御できる方法を研究していたところ、融液の温度勾配と単結晶の温度勾配とをそれぞれ個別に制御する場合に融液の温度分布を効果的に制御できるということを確認し、本発明の完成に到った。

したがって、本発明の主な目的は、融液の温度勾配に直接的に影響を及ぼす因子を調節すると同時に、単結晶の温度勾配を調節して間接的に融液の温度勾配を制御することで、融液の温度分布を効果的に制御できる高品質シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、固液界面の下部に位置するシリコン融液を中心部と外周部に分けたとき、中心部の温度勾配は融液の温度分布を調節して直接的に制御することで、融液の温度分布を効果的に制御できる高品質シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、固液界面の下部に位置するシリコン融液を中心部と外周部に分けたとき、外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して融液の温度分布を効果的に制御できる高品質シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、０．６５ｍｍ／ｍｉｎ程度の速い引上げ速度で無欠陷高品質単結晶インゴットを製造できる高品質シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、従来方法の目的とする高品質単結晶の獲得歩留まりが低いという問題を解決できる高品質シリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明に係るチョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法は、単結晶成長の固液界面の下部を中心部と外周部に分け、前記中心部の温度勾配と外周部の温度勾配とをそれぞれ個別に制御することを特徴とする。ここで、中心部と外周部の境界地点は単結晶の半径Ｒを基準にして固液界面の中心から２／３Ｒになる地点である。

本発明において、前記外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して制御する。望ましくは、前記単結晶の温度勾配は熱シールドのギャップを調節して制御する。このとき、前記熱シールドのギャップは１０ｍｍ〜５０ｍｍである。

本発明において、前記中心部の温度勾配は融液の温度勾配を調節して制御する。望ましくは、前記融液の温度勾配は単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比を調節して制御する。

望ましくは、前記融液を収容するるつぼの回転速度をＶｃとし、前記シリコン単結晶の回転速度をＶｓとするとき、前記シリコン単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比は下記式を満たす。
３≦Ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］≦５

前記目的を達成するための本発明に係るチョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法は、単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比ｒと、熱シールドギャップｇが下記関係式を満たすことを特徴とする。

ここで、ｃは望ましくは０．２ないし１、さらに望ましくは０．３ないし０．５である。

前記目的を達成するための本発明に係るシリコンウェーハは、前記高品質シリコン単結晶の製造方法のうちいずれか一の方法によって製造されることを特徴とする。

本発明による高品質シリコン単結晶の製造方法及びこれを用いて製造されたシリコン単結晶ウェーハは次のような効果がある。

本発明の高品質シリコン単結晶の製造方法によれば、融液の温度分布を効果的に制御でき、無欠陷高品質単結晶インゴットを速い成長速度で製造することができる。

すなわち、融液の温度勾配に直接的に影響を及ぼす因子を調節すると同時に、単結晶の温度勾配を調節して間接的に融液の温度勾配を制御することで高い生産性を達成できる。

また、本発明の高品質シリコン単結晶の製造方法によれば、固液界面の下部に位置するシリコン融液を中心部と外周部に分けたとき、中心部の温度勾配は融液の温度分布を調節することで直接的に制御し、外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して間接的に制御することで、０．６５ｍｍ／ｍｉｎ程度の速い引上げ速度で無欠陷高品質単結晶インゴットを製造することができる。

また、本発明の高品質シリコン単結晶の製造方法によれば、従来方法の、目的とする高品質単結晶の獲得歩留まりが低いという問題を解決することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らが発明をもっとも最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想をすべて代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらを代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

本発明の発明者らは、シリコン融液から固相のシリコン単結晶インゴットを成長させるとき、単結晶インゴットの温度勾配調節及び固−液界面の形態調節だけでは、点欠陷が最小化された高品質のシリコン単結晶インゴットを成長させるには限界があり、高品質シリコン単結晶インゴット成長のためのより決定的な因子があることを見出して本発明の完成に至った。

すなわち、本発明においては、結晶化以後に起きる固相反応の限界を克服するため、固化以前の液状の流体状態を徹底的に分析し、その結果、融液の温度分布が非常に重要であるということを見出した。

一般に、結晶成長は原子または分子形態の成長単位が結晶成長界面または準安定領域に移動して界面に固着することによって行われるが、シリコン融液内の温度勾配が大きくなることで流体状態の結晶成長単位が結晶成長界面または準安定領域に移動しようとする駆動力が大きくなる。

ここで結晶成長界面とは、結晶化界面または固液界面ともいい、固相であるシリコン単結晶インゴットと液状であるシリコン融液とが接する境界面である。準安定領域とは、液状であるシリコン融液が結晶化される直前の状態で結晶性はあるものの完全ではない領域を意味する。

したがって、シリコン融液内の温度勾配が大きければ成長単位の結晶成長への参入が多くなるため、結晶の引上げ速度が充分に速くない場合、過剰の原子が結晶化され、その結果、シリコン単結晶インゴットはセルフインタースティシャル優勢（ｓｅｌｆ−ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｒｉｃｈ）特性を有するようになる。逆に、シリコン融液内の温度勾配が低ければ結晶化されようとする原子が十分ではないため、高い結晶の引上げ速度はベイカンシー優勢（ｖａｃａｎｃｙ ｒｉｃｈ）特性を有するシリコン単結晶インゴットを作る。

図１は、本発明の一実施例に係り、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶インゴットを成長させる過程を示した断面図である。図１に示されたように、本発明の一実施例によるシリコン単結晶インゴットはチェンバー１０の内部で成長される。

前記チェンバー１０内には、シリコン融液を入れ、その外周面は黒鉛からなるつぼ支持台２５により囲まれた石英るつぼ２０が設けられる。このとき、前記るつぼ支持台２５は回転軸３０上に固設され、該回転軸３０は駆動手段（図示せず）によって回転されて石英るつぼ２０を回転させながら上昇させ、固−液界面を同じ高さに維持させる。るつぼ支持台２５は所定間隔を置いて円筒状のヒーター４０に囲まれ、該ヒーター４０は保温筒４５によって囲まれる。

すなわち、ヒーター４０はるつぼ支持台２５の側傍に設けられ、石英るつぼ２０内に入っていた高純度の多結晶シリコンを溶融してシリコン融液（ＳＭ）にし、保温筒４５はヒーター４０から発散される熱がチェンバー１０の壁側に拡散されることを防止して熱効率を向上させる。

また、シリコン単結晶インゴット（ＩＧ）とるつぼ２０間には、インゴット（ＩＧ）を囲むように熱シールド５０を設けてインゴットから放射される熱を遮断する。このとき、熱シールド５０でインゴット（ＩＧ）との最隣接部には、円筒状の熱遮蔽部６０を取り付けて熱の流れをさらに遮断して熱を保存することもできる。

また、チェンバー１０の上部にはケーブルを巻いて引上げする引上げ手段（図示せず）が設けられ、該ケーブルの下部には石英るつぼ２０内のシリコン融液（ＳＭ）に接触されて引上げながら単結晶インゴット（ＩＧ）を成長させる種結晶が設けられる。引上げ手段は、単結晶インゴット（ＩＧ）の成長時、ケーブルを巻いて引上げながら回転運動し、このときシリコン単結晶インゴット（ＩＧ）はるつぼ２０の回転軸３０と同じ軸を中心にしてるつぼ２０の回転方向と逆方向に回転させながら引上げる。

チェンバー１０の上部からは、成長される単結晶インゴット（ＩＧ）とシリコン融液（ＳＭ）にアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）などの不活性ガスを供給し、使われた不活性ガスはチェンバー１０の下部を通って排出させる。

本発明の一実施例に係る、チョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法は、単結晶成長の固液界面の下部を中心部と外周部に分け、前記中心部の温度勾配と外周部の温度勾配をそれぞれ個別に制御する。ここで中心部と外周部との境界は、単結晶の半径Ｒを基準にして固液界面の中心から２／３Ｒになる地点である。

このとき、前記中心部の温度勾配は融液の温度勾配を調節して制御され、前記外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して制御されることが望ましい。

上述したように、無欠陷高品質単結晶インゴットを速い成長速度で製造するためには、融液の温度分布を効果的に制御することが非常に重要である。これによって、融液の温度分布を効果的に制御するためには、第一、融液の温度勾配に直接的に影響を及ぼす因子を調節するか、第二、単結晶の温度勾配を調節することで間接的に融液の温度勾配を制御することが望ましい。したがって、固液界面の下部に位置するシリコン融液を中心部と外周部に分けたとき、中心部の温度勾配は融液の温度分布を調節することで直接的に制御し、外周部の温度勾配は単結晶の温度勾配を調節して間接的に制御することが望ましい。

シリコン単結晶インゴット成長時の単結晶の支配点欠陷（ｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｏｉｎｔ ｄｅｆｅｃｔ）は、単結晶引上げ速度と成長システムの温度勾配によって決まる。また、前記温度勾配は固液界面付近の値であるため、結晶内の温度勾配及び融液内の温度勾配に影響を受けるようになる。これは下記の数式１による熱均衡方程式（Ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ）で分かり、また、単結晶の温度勾配と融液の温度勾配は互いに比例する相関関係を持つ。
ｋ_ＳＧ_Ｓ＝ｋ_ＬＧ_Ｌ＋Ｌ_ｆＶ ・・・数式１
ｋ_Ｓ：固体（単結晶）の熱伝逹係数
Ｇ_Ｓ：固体（単結晶）の温度勾配
ｋ_Ｌ：液体（融液）の熱伝逹係数
Ｇ_Ｌ：液体（融液）の温度勾配
Ｌ_ｆ：結晶化潜熱
Ｖ：成長速度

したがって、単結晶の温度勾配は熱シールドの形状や材質だけでなく熱シールドギャップによって影響を受ける。例えば、熱シールドギャップを減少させれば結晶外周からさらに多くの熱が奪われるため、結晶外周部の温度勾配が上昇してそれによる無欠陷引上げ速度も増加する。

前記単結晶の温度勾配は、熱シールドギャップを調節して制御することが望ましい。このとき、前記熱シールドのギャップは１０ｍｍ〜５０ｍｍであることが望ましい。

図２には、本発明の高品質シリコン単結晶の製造方法の一実施例であって、熱シールドギャップの変化による単結晶外周部、中心部それぞれの無欠陷引上げ速度を示した。図２を参照すれば、単結晶外周部の無欠陷引上げ速度は熱シールドギャップによって大きく影響を受けるが、単結晶中心部は相対的に影響が少ないことが分かる。これによって、熱シールドギャップの変化による単結晶の温度勾配調節は単結晶成長システム外周部の温度勾配を制御する効果的な手段であることを確認した。

次に、前記融液の温度勾配は単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比を調節して制御することが望ましい。融液の温度勾配の調節は、融液の対流などを考慮せねばならないため、単結晶の温度勾配の調節に比べ相対的に複雑である。

本発明者らは、シリコン融液を収容するるつぼの回転速度をＶｃとし、前記シリコン単結晶の回転速度をＶｓとするとき、前記シリコン単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比は下記式を満たすことが望ましいということを確認した。
３≦ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］≦５
前記ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］は、約３．５ないし４．５であることがさらに望ましい。

図３は、単結晶の回転速度Ｖｓとるつぼの回転速度Ｖｃとの比による外周部及び中心部それぞれの無欠陷引上げ速度を示したグラフ、図４は熱シールドギャップ及び単結晶の回転速度Ｖｓとるつぼの回転速度との比Ｖｃが融液と単結晶の外周部及び中心部それぞれの温度勾配に及ぼす影響を概念的に示した簡略図である。

図３を参照すれば、ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］値が増加するにつれ高品質の単結晶が具現される成長速度が増加してから、ある区間を過ぎて再び減少する傾向を見せることが確認できる。遅いるつぼの回転速度に比べて単結晶の回転速度が速くなり過ぎた場合には、るつぼ底の冷たい融液の上昇によって高温領域の温度が減少し、したがって融液の垂直方向の温度勾配が減少するためである。

より詳しく見ると、これはｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］値が上述した数値範囲にあるとき、るつぼ内部の最高温領域の熱量が「チャネル効果」によって固液界面の下部に効果的に伝達される。「チャネル効果」とは、図４に示されたように、融液の最高温領域から高温領域に向かう仮想のチャネル１００に沿って熱損失が最小化されながら熱伝逹されることを意味する。このようなチャネル効果によって、固液界面から高温領域までの融液温度勾配（固液界面から高温領域に行くにつれ温度が増加する）がさらに増加し、無欠陷引上げ速度が所望の範囲の値を有するようになる。

また図３を参照すれば、ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］＝３．８付近で、中心部の無欠陷引上げ速度は急激に向上する一方、外周部の無欠陷引上げ速度は相対的にｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］の変化による変化が少ないことが分かる。このことから、ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］の変化による融液内の温度勾配調節が、結晶成長システム中心部の温度勾配を制御する効果的な手段であることが分かる。

一方、ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］値が３ないし５の値を有するようになれば、チャネル効果によって固液界面下部の融液温度勾配が増加するが、チャネル効果による融液温度分布がシリコン単結晶のエッジ部を越えてまで拡張されると、シリコン単結晶の半径方向における温度偏差が減少する。その結果、単結晶のエッジ部分においては、結晶の垂直成長よりは結晶の水平成長が優勢になり、フラワー（ｆｌｏｗｅｒ）現象のような非正常的な結晶成長が行われる可能性がある。このような問題を解決するためには、熱シールドギャップ、単結晶の回転速度、使用する磁場分布などを調節し、シリコン単結晶のエッジ部外側の水平温度勾配を増加させることが望ましい。

次に、本発明に係る、チョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法において、無欠陷の高品質シリコン単結晶を成長させるために単結晶の回転速度Ｖｓとるつぼの回転速度Ｖｃとの比ｒと、熱シールドギャップｇは下記数式２を満たすようにしてシリコン単結晶を成長させることが望ましい。

下記数式２において、ｒ_０は無欠陷引上げ速度が最大になるシリコン単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比であり、ｇ_０は無欠陷引上げ速度が最大になったときの熱シールドギャップである。下記数式２において、ｃは望ましくは０．２ないし１、さらに望ましくは０．３ないし０．５である。

図５は、ｃ＝１であるとき、Ｉｎ（ｒ／ｒ_０）をＸ軸に、ｇ／１をＹ軸にして前記数式２を示したグラフである。参考までに、ｃが１より大きい場合は、グラフがＸ＝０を基準にして広くなり、ｃが１より小さい場合はＸ＝０を基準にしてグラフが狭くなる。

無欠陷のシリコン単結晶を成長させるためには、単結晶中心部の無欠陷引上げ速度と単結晶外周部の無欠陷引上げ速度が同じであることが望ましい。したがって、中心部の無欠陷引上げ速度の増加分だけ、外周部の無欠陷引上げ速度も増加できるようにｒ値とｇ値を選択すべきである。また、逆に、中心部の無欠陷引上げ速度の減少分だけ、外周部の無欠陷引上げ速度も減少するようにｒ値とｇ値を選択すべきである。図５は、このような条件を満たすｒ値とｇ値によって示されたグラフである。そして、ｒとｇの関係を表した前記数式２は、図２及び図３のグラフに示されたデータを解析し、シリコン単結晶の中心部及び外周部の無欠陷引上げ速度を等しくするｒとｇ間の関係式をコンピューターを用いた数値解析を通じて導き出したものである。

図５のグラフが表す意味を解釈すると次のようである。ｒ値がｒ_０に接近すると、図３に示されたように、シリコン単結晶中心部と外周部の無欠陷引上げ速度が増加するが、増加幅は同じではない。すなわち、シリコン単結晶中心部の方が外周部より無欠陷引上げ速度の増加幅がより大きい。一方、図５のグラフにおいて、ｒ値がｒ_０に接近するほど熱シールドギャップｇ値は減少する。ところで、ｇ値が減少すると、図２に示されたように、シリコン単結晶外周部及び中心部の無欠陷引上げ速度が増加するが、シリコン単結晶外周部が中心部に比べて無欠陷引上げ速度の増加幅がより大きい。したがって、ｒ値がｒ_０に接近するにつれ現われるシリコン単結晶外周部の相対的に遅い引上げ速度を熱シールドギャップｇを調節して補償して、シリコン単結晶の中心部と外周部の無欠陷引上げ速度を等しくすることによって、高品質のシリコン単結晶成長が可能になる。

以上の如く、限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、これによって限定されることなく、当業者によって本発明の技術的思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施例に係りチョクラルスキー法によって高品質シリコン単結晶インゴットを成長させる過程を示した断面図である。 本発明の一実施例であって、熱シールドギャップの変化による単結晶外周部、中心部それぞれの無欠陷引上げ速度を示したグラフである。 本発明の一実施例であって、単結晶の回転速度Ｖｓとるつぼの回転速度Ｖｃとの比による外周部、中心部それぞれの無欠陷引上げ速度を示したグラフである。 熱シールド及び単結晶の回転速度Ｖｓとるつぼの回転速度Ｖｃとの比が融液と単結晶の外周部、中心部それぞれの温度勾配に及ぼす影響を簡略に示した図である。 本発明の一実施例に係る無欠陷シリコン単結晶を成長させるための単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比ｒと、熱シールドギャップｇ間の関係を示したグラフである。

符号の説明

１０ チェンバー
２０ 石英るつぼ
２５ るつぼ支持台
３０ 回転軸
４０ ヒーター
４５ 保温筒
５０ 熱シールド

Claims (11)

1. チョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法において、
   単結晶成長の固液界面の下部を中心部と外周部に分け、前記中心部の温度勾配と外周部の温度勾配とをそれぞれ個別に制御することを特徴とする高品質シリコン単結晶の製造方法。
2. 前記外周部の温度勾配は、単結晶の温度勾配を調節して制御されることを特徴とする請求項１に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
3. 前記単結晶の温度勾配は、熱シールドのギャップを調節して制御されることを特徴とする請求項２に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
4. 前記熱シールドのギャップは、１０ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
5. 前記中心部の温度勾配は、融液の温度勾配を調節して制御されることを特徴とする請求項１に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
6. 前記融液の温度勾配は、単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比を調節して制御されることを特徴とする請求項５に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
7. 前記融液を収容するるつぼの回転速度をＶｃとし、前記シリコン単結晶の回転速度をＶｓとするとき、前記シリコン単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比は下記式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
   ３≦ｌｎ［Ｖｓ／Ｖｃ］≦５
8. チョクラルスキー法による高品質シリコン単結晶の製造方法において、
   単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比ｒと、熱シールドギャップｇは下記関係式を満たすことを特徴とする高品質シリコン単結晶の製造方法；
   

   

   ここで、ｒ_０は無欠陷引上げ速度が最大になるシリコン単結晶の回転速度とるつぼの回転速度との比であり、ｇ_０は無欠陷引上げ速度が最大になったときの熱シールドギャップである。
9. 前記ｃは０．２ないし１の値を有することを特徴とする請求項８に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
10. 前記ｃは０．３ないし０．５の値を有することを特徴とする請求項８に記載の高品質シリコン単結晶の製造方法。
11. 請求項１ないし請求項１０のうちいずれか一項の方法によって製造されるシリコンウェーハ。

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