JP2998731B2 - 高品質シリコン単結晶ウェーハ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体材料として使用
されるシリコン単結晶ウェーハに関し、さらに詳しく
は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によっ
て育成された高品質シリコン単結晶ウェーハに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料に用いられるシリコン単結晶
を成長させるには種々の方法があるが、なかでもＣＺ法
が広く採用されている育成方法である。

【０００３】図１は、通常の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模式的断面図であ
る。図１に示すように、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。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の外側にはヒーター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、前記ヒーター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の中心には引上げ棒あるいはワイヤー等からなる
引上げ軸４が配設されている。この引上げ軸４の先には
シードチャックおよび種結晶５が取り付けられており、
単結晶６を育成するため、この種結晶５を溶融液３の表
面に接触させる。さらに引上げ軸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。

【０００４】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。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ない、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ティル絞りを行なう。そののち、
溶融液から切り離された単結晶は育成装置外に取り出さ
れ、所定の条件で冷却されて、ウェーハに加工される。
このように単結晶から加工されたウェーハは、種々のデ
バイスの基板材料として用いられる。

【０００５】上記の工程で加工されたウェーハの面内に
は、単結晶の引上げ条件によって、リング状の酸化誘起
積層欠陥（以下、R-OSF(Oxidation induced Stacking F
ault)という）が発生する場合がある。また、同時にウ
ェーハの面内にはGrown-in欠陥と呼ばれる単結晶の育成
時に形成され、育成後に結晶を評価した場合に検出され
る結晶欠陥が存在する。

【０００６】図２は、単結晶育成時の引上げ速度と結晶
欠陥の発生位置との一般的な関係を模式的に説明した図
である。同図に示すように、ＣＺ法によって育成される
シリコン単結晶では引上げ速度を小さくしていくと、R-
OSFが現われる領域が結晶の外周側から内側に収縮して
いく。したがって、高速で単結晶を育成するとR-OSFの
内側領域の結晶がウェーハ全体に広がることになり、低
速で育成するとR-OSFの外側領域の結晶がウェーハ全体
に広がる。

【０００７】高速で育成された結晶と低速で育成された
結晶とでは、ウェーハ面で観察されるGrown-in欠陥が相
違する。高速で育成された結晶の場合、すなわち、R-OS
Fの内側領域では赤外散乱体(評価法は異なるが同じ欠陥
種としてCOP、FPDを含む場合もある）が検出されるのに
対し、低速で育成された結晶の場合、すなわち、R-OSF
の外側領域では転位クラスタ−と呼ばれる欠陥が検出さ
れる。そして、図２に示すように、R-OSFのすぐ外側に
は酸素析出が大きく生ずる領域が存在し、この領域を酸
素析出促進領域と呼ぶ。

【０００８】上記図２で示す結晶欠陥のうち、R-OSFの
内側領域で検出される赤外散乱体はウェーハの初期の酸
化膜耐圧特性の劣化因子であり、一方、R-OSFの外側領
域で検出される転位クラスタ−もデバイス特性を劣化さ
せる因子である。ところで、R-OSFのリング部をウェー
ハ面内に発生させると、結晶面内には赤外散乱体と転位
クラスターがともに現れることになるが、R-OSFに近接
する内側領域には赤外散乱体が観察されない領域がある
とともに、R-OSFおよび酸素析出促進領域に近接する外
側領域にはGrown-in欠陥が検出されない無欠陥領域が存
在する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ウェーハに発生する酸
化誘起積層欠陥（以下、OSFという）は酸化熱処理時に
生ずる格子間型の転位ループであるが、デバイスの活性
領域であるウェーハ表面に生成し、成長した場合にはリ
ーク電流の原因となり、デバイス特性を劣化させる欠陥
となる。このため、単結晶を育成する際には、ウェーハ
面内に発生するR-OSFの位置を制御している。

【００１０】通常、ウェーハ面内でのR-OSFの発生を抑
制するため、R-OSFの発生領域をウェーハの外周部に限
定する引上げ条件で単結晶を育成している。ところが、
R-OSFの発生領域は、引上げ速度の他に、単結晶育成時
の最高温部（融点〜1250℃）の温度領域で決定され、引
上げ時の最高温部での熱履歴に影響されることが確認さ
れている。そのため、R-OSFの発生領域を決定するに
は、育成される単結晶の引上げ軸方向の最高温部での温
度勾配と引上げ速度に留意しなければならない。すなわ
ち、引上げ速度が同一であれば温度勾配を小さくするこ
と、または温度勾配が同一であれば引上げ速度を速くす
ることが、R-OSFの発生領域をウェーハの外周部に限定
することができる。

【００１１】ウェーハ面内に発生するR-OSFの位置やそ
の幅を確認するには、As-grown状態の単結晶から加工し
たウェーハをCu溶液に浸けて、Cuを付着させ、900℃×2
0minのCuデコレーション熱処理を行ない、Ｘ線トポグラ
フによって欠陥分布を観察するのが効果的である。ま
た、結晶が低酸素濃度である場合、例えば13×lO¹⁷atom
s/cm³以下である場合に、R-OSFの位置やその幅を確認す
るには、As-grown状態の単結晶から加工したウェーハを
熱処理炉内に650℃で投入して、投入後５℃/minで昇温
して900℃×20時間で熱処理し、次いで10℃/minで昇温
して1000℃×10時間で熱処理を行い、Ｘ線トポグラフに
て観察すればよい。しかし、結晶が低酸素濃度である場
合には、R-OSFは明確に現れないので、リング状の酸素
析出量が小さい領域を調べることによって、R-OSFの位
置や幅を確認することができる。また、同様の方法によ
って、R-OSFのすぐ外側に存在する酸素析出促進領域の
位置を確認することができる。

【００１２】最近、デバイス工程の低温化や育成される
単結晶の低酸素化にともない、R-OSFによるデバイスへ
の悪影響が抑えられ、酸化誘起積層欠陥に起因するデバ
イス特性の劣化はさほど問題にならなくなった。一方、
Grown-in欠陥のうち赤外散乱体、転位クラスターはとも
にデバイス特性を劣化させる因子であるから、これらの
Grown-in欠陥のウェーハ面内での密度を低減させること
がより重要になる。Grown-in欠陥の密度の低い領域は前
述のR-OSFに近接する無欠陥領域が相当するが、その領
域は限定されており、非常に狭い領域に限られている。

【００１３】従来から、Grown-in欠陥のウェーハ面内で
の密度を低減させるため、種々の方法が提案されてい
る。例えば、特開平8-330316号公報では、単結晶育成時
の引上げ速度と結晶内の温度勾配を制御して、転位クラ
スターを生成させることなく、R-OSFの外側領域のみを
結晶全面に拡げる方法が提案されている。しかし、提案
の方法では極めて限定された面内の温度勾配と引上げ条
件が同時に要求されるので、今後、一層大口径化し、大
量生産を要求されるシリコン単結晶の育成において、新
たな改善が要求される。

【００１４】次ぎに、特開平7-257991号公報および Jou
rnal of Crystal Growth 151、（1995）273〜277頁で
は、単結晶の引上げ軸方向の温度勾配を大きくすること
により、高速引上げ条件でR-OSFを結晶の内側に消滅さ
せることができ、R-OSFの外側領域を結晶全面に生成さ
せる方法が開示されている。しかし、これらで開示され
た方法では、結晶面内での温度勾配の分布、すなわち、
ウェーハ面内における温度分布の均一性や取り込まれる
点欠陥の面内での均一化に対する配慮がなされていな
い。言い換えると、ウェーハ面内におけるGrown-in欠陥
を低減化する手段について考慮されておらず、単にR-OS
Fを内側に収縮させたとしても、ウェーハ面に転位クラ
スターが観察されるのは従来の結晶と同様である。した
がって、開示された方法によっても、Grwon-in欠陥の低
密度化に対応したウェーハを加工することができない。

【００１５】最後に、特願平9-229716号公報では、R-OS
Fに対応するリング状の欠陥発生領域の位置を規定し、
そのリング状の欠陥発生領域やそれに近接する内側およ
び外側のGrown-in欠陥のない領域をウエハ面内に拡大し
て、赤外散乱体や転位クラスターの密度を極めて小さく
したウェーハについて提案されている。提案されたウェ
ーハに関しても、リング状の欠陥発生領域の位置の規定
方法について、さらに改善を加える必要が生じてきた。

【００１６】本発明は、上述した従来の結晶欠陥に関す
る問題に鑑みてなされたものであり、R-OSFの発生幅に
拘ることなく、また結晶が低酸素濃度であってR-OSFが
明確に現れない場合であっても、R-OSFの発生位置を制
御して、ウェーハ面内にGrown-in欠陥である赤外散乱体
や転位クラスターのない領域を拡大できる。しかも育成
に際し大口径化、長尺化が図れる高品質シリコン単結晶
ウェーハを提供することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため、従来の条件で育成された単結晶ウェ
ーハでのR-OSFの発生位置とその幅に対する転位クラス
ターの発生状況を調査した。このとき、ウェーハ面内に
おけるR-OSFの発生位置を明確にするため、結晶（ウェ
ーハ）の中心から外周までの距離（半径）をＲとし、結
晶の半径方向のR-OSFの発生位置をｒとして、結晶の中
心に発生する場合をｒ＝０で示し、結晶の外周に発生す
る場合をｒ＝Ｒで示すこととした。ただし、R-OSFの発
生位置は、特に規定しない限りその内径位置で示すこと
とする。

【００１８】図３は、従来の育成条件で育成された８″
φの結晶における、R-OSFが発生する半径方向の位置お
よびR-OSFの幅と転位クラスターの発生状況との関係を
模式的に示す図である（横軸のR-OSFの幅は％で示
す）。概ね、従来の育成条件で育成された結晶ではR-OS
Fの幅はその半径の８％以下となる。そして、図３で
は、R-OSFの幅が育成された結晶の半径の８％で、R-OSF
の発生位置がｒ＝2/3Ｒのときには、R-OSFの外側領域に
は転位クラスターが観察されることを示している。さら
に、図３は、R-OSFの幅が細くなるほど、転位クラスタ
ーが観察され易くなることを示している。

【００１９】育成された結晶のR-OSFの幅が半径の８％
以下の場合に、R-OSFの発生位置を中心側に収縮させる
ことによって、R-OSFの内側領域の赤外散乱体の密度を
小さくすることができる。このため、酸化膜の初期耐圧
特性(TZDB)を向上させることができるが、R-OSFの外側
領域に発生する転位クラスターによって特性劣化が生じ
るので、デバイス基板材料としては好ましくない。しか
し、R-OSFの発生位置が結晶面内であっても転位クラス
タ−が生成されなければ、R-OSFの内側領域の赤外散乱
体の密度を小さくすることができ、R-OSFの外側領域の
面積が大きくなるため、酸化膜の初期耐圧特性(TZDB)は
向上することになる。

【００２０】そこで、本発明者らは、さらに引上げ条件
を改善して育成された単結晶ウェーハにおける、R-OSF
の発生位置とその幅と転位クラスターの発生状況につい
て検討した結果、R-OSFの幅を大きくすることによっ
て、転位クラスターが発生しない領域も拡大できること
を知見した。例えば、R-OSFの幅が結晶直径の30％にな
ると、R-OSFの発生位置に拘わらず、転位クラスターが
発生しないことがわかる。

【００２１】さらに、R-OSFの幅が大きくなると、R-OSF
の発生位置によって、R-OSFの内側領域で観察されるFPD
が無くなる。このように、R-OSFの幅が大きくなれば、
転位クラスターが発生することなく、かつR-OSFの内側
領域の赤外散乱体の密度を極めて少なくすことができ
る。

【００２２】したがって、従来の結晶に比べて、R-OSF
の発生位置がウェーハ面内の中心側にあるが、R-OSFの
幅が大きくなっているので、無欠陥領域が拡大してR-OS
Fの外側領域には転位クラスターが存在せず、かつR-OSF
の内側領域でも赤外散乱体が観察されなくなる。このよ
うに、ウェーハ面内で全領域でデバイス特性を劣化させ
るGrown-in欠陥の発生を抑えることができるので、デバ
イスの良品率が大きく向上させることができる。

【００２３】このような観点から、本発明者らは、先に
「結晶面内に現れるR-OSFの幅が育成された結晶の半径
の８％を超えて、転位クラスター欠陥がないことを特徴
とする高品質シリコン単結晶」に関して出願している
（特願平9-229716号およびこれを基礎とする特願平9-35
8833号）。以下の説明において、先に出願した「高品質
シリコン単結晶」を、「先発明のシリコン単結晶」とい
う。

【００２４】本発明者らは、その後の検討において、単
結晶の育成途中で引上げ速度を変更して、結晶の各部位
の熱履歴を変更した場合の結晶面内に現れるR-OSFの挙
動を評価した。

【００２５】図４は、単結晶の育成途中で引上げ速度を
変化させた場合の引上げ速度の変更パターンを示した図
である。同図に示すように、結晶Ａでは、当初の引上げ
速度を0.7mm/minとして、R-OSFの発生位置がｒ＝1/2Ｒ
になるように設定し、単結晶長さ500mmまで育成する。
次いで、引上げ速度を1.2mm/minまで上昇させて、単結
晶長さ550mmまで育成し、その後再び0.7mm/minまで引上
げ速度を下降させ、単結晶長さ850mmでテイル絞りする
まで引上げ速度0.7mm/minで育成する。一方、結晶Ｂで
は、当初の引上げ速度を0.7mm/minとして、R-OSFの発生
位置がｒ＝1/2Ｒになるように設定し、単結晶長さ500mm
まで育成する。次いで、引上げ速度を0.2mm/minまで降
下させて、単結晶長さ550mmまで育成し、その後再び0.7
mm/minまで引上げ速度を上昇させ、単結晶長さ850mmで
テイル絞りするまで引上げ速度0.7mm/minで育成する。

【００２６】図５は、育成途中で引上げ速度を変化させ
た結晶Ａ、Ｂにおける熱履歴を示す図である。図５から
明らかなように、結晶Ａでは、単結晶長さが500mm以下
にある部位（図５では単結晶長さ350mmの位置）では、
特定の温度領域（図５では980℃〜900℃の範囲）におい
て引上げ速度が0.7mm/min一定で育成された結晶に比べ
て急冷になっている。これに対し、結晶Ｂでは、単結晶
長さ長が500mm以下にある部位では、特定の温度領域に
おいて、引上げ速度が0.7mm/minの定速で育成した結晶
に比べて徐冷になっている。

【００２７】上記の熱履歴の調査において、結晶Ａ、Ｂ
の所定の温度領域として高温部(1100℃〜1000℃)および
中温部(980℃〜900℃)を選択して、定速冷却、急冷、徐
冷に対応したR-OSFの挙動を調査した。その結果、定速
冷却においては結晶面内に一定幅のR-OSFは発生した。
これに対し、結晶Ａでは、高温部(1100℃〜1000℃)で急
冷になった部位では、定速冷却に比べ、幅の広いリング
が発生したが、中温部(980℃〜900℃)で急冷になった部
位ではR-OSFは出現しなかった。一方、結晶Ｂでは、高
温部(1100℃〜1000℃)で徐冷になった部位ではR-OSFは
出現せず、中温部(980℃〜900℃)で徐冷になった部位で
は、定速冷却に比べ、幅の広いリングが発生した。した
がって、高温部や中温部の熱履歴が異なることによって
R-OSFの幅が変動し、結晶Ａ、Ｂに発生したR-OSFの幅は
全く逆の挙動を示す。

【００２８】上記の挙動に関して明確な理論付は未だで
きないが、このような挙動は、ウェーハの面内に発生す
るR-OSFの発生幅が単結晶の高温部や中温部における熱
履歴に依存することを示している。さらに、単結晶の低
酸素化ともなって、R-OSFは明確に現れない場合がある
ことは、前述の通りである。そうであれば、先発明のシ
リコン単結晶のように、結晶面内に現れるR-OSFの発生
幅のみで特徴を規定するのは充分でない場合がある。

【００２９】本発明は、上記の見識に基づいて提案され
たものであり、下記(1)〜(3)の高品質シリコン単結晶ウ
ェーハを要旨としている。これらの高品質シリコン単結
晶ウェーハを、以下の説明において、「本発明のシリコ
ン単結晶ウェーハ」という。

【００３０】(1)ＣＺ法によって育成されるシリコン単
結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶から加工
したウェーハをCu溶液に浸けて、Cuを付着させ、900℃
×20minのCuデコレーション熱処理を行ない、Ｘ線トポ
グラフにて観察した場合に、R-OSFの発生領域の外径が
育成された結晶の直径の０〜80％の範囲に、その内径が
育成された結晶の直径の０〜33％の範囲にそれぞれ含ま
れ、かつ転位クラスタ−欠陥がないことを特徴とする高
品質シリコン単結晶ウェーハ。

【００３１】(2)ＣＺ法によって育成されるシリコン単
結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶から加工
したウェーハをCu溶液に浸けて、Cuを付着させ、900℃
×20minのCuデコレーション熱処理を行ない、Ｘ線トポ
グラフにて観察した場合に、酸素析出促進領域の内径が
育成された結晶の直径の０〜80％の範囲に、その内側の
R-OSFの発生領域の内径が育成された結晶の直径の０〜3
3％の範囲にそれぞれ含まれ、かつ転位クラスタ−欠陥
がないことを特徴とする高品質シリコン単結晶ウェー
ハ。

【００３２】(3)ＣＺ法によって育成されるシリコン単
結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶から加工
したウェーハを熱処理炉内に650℃で投入して、投入後
５℃/minで昇温して900℃×20時間で熱処理し、次いで1
0℃/minで昇温して1000℃×10時間で熱処理を行い、Ｘ
線トポグラフにて観察した場合に、リング状の酸素析出
量が小さい領域の外径が育成された結晶の直径の０〜80
％の範囲に含まれ、かつAs-grown状態のウェーハに900
℃×20minのCuデコレ−ション熱処理を行ない、Ｘ線ト
ポグラフにて観察した場合に、転位クラスタ−欠陥がな
いことを特徴とする高品質シリコン単結晶ウェーハ。

【００３３】上記(1)〜(3)の高品質シリコン単結晶ウェ
ーハにおいて、転位クラスタ−欠陥の観察に際し、As-g
rown状態のウェーハにCuデコレ−ション熱処理を行なっ
てＸ線トポグラフにて観察するのに代えて、As-grown状
態のウェーハにセコエッチングを行ない、光学顕微鏡を
用いて欠陥観察を行うことも可能である。

【００３４】本発明のシリコン単結晶ウェーハにおい
て、Ｘ線トポグラフにて観察した場合にR-OSFの発生領
域の外径、または酸素析出促進領域の内径を発生位置の
基準にしているのは、ウェーハの面内に発生するR-OSF
の発生幅が単結晶の高温部や中温部における熱履歴に依
存するので、これらの要因を排除して、R-OSFの発生位
置を制御するためである。また、リング状の酸素析出量
が小さい領域の外径を基準としているのは、単結晶の低
酸素化にともなってR-OSFは明確に現れない場合を考慮
したためである。

【００３５】さらに、R-OSFの発生する外径位置を育成
された結晶の直径の０〜80％の範囲に規定しているの
は、この範囲内であれば、Grown-in欠陥を極端に減少さ
せ、あるいは無くすことができるからである。また、R-
OSFの内径位置をｒ＝1/3Ｒ以下、すなわち、育成された
結晶の直径の０〜33％の範囲に規定しているのは、赤外
散乱体(FPD)の密度を著しく低減させることができるか
らである。

【００３６】

【発明の実施の形態】デバイス特性に優れた高品質シリ
コン単結晶を製造するには、ＣＺ法による育成の際に結
晶の面内に取り込まれる点欠陥の濃度をその面内で均一
にすることが重要である。結晶中の点欠陥は空孔と格子
間Si原子に分類されるが、特にR-OSFの生成には空孔と
の関連が強く、面内に生成するR-OSFの位置および幅は
ある限られた範囲の空孔濃度の部位および領域と一致す
る。

【００３７】通常、単結晶の育成時には、結晶の面内で
の引上げ軸方向での温度勾配が異なっている。具体的に
は、結晶の外周部になるほど速く低温になるので、外周
部ほど温度勾配が大きくなる。その場合に、結晶中に取
り込まれた空孔は温度勾配が大きくなると、引上げ軸方
向の固液界面側に拡散して消滅する量が大きくなり、結
晶中に取り込まれたままの空孔濃度が著しく少なくな
る。その結果、引上げ軸方向での温度勾配が異なると、
結晶面内に取り込まれる空孔の濃度は均一にならず、結
晶の外周部になるに従ってその濃度が低下する。したが
って、結晶の面内の引上げ軸方向での温度勾配を均一に
することによって、面内の空孔濃度を均一にすることが
できる。

【００３８】図６は、結晶の面内に取り込まれた空孔の
濃度分布と生成されるR-OSFの幅との関係を模式的に示
す図である。図中の縦軸は空孔濃度Cvを、横軸は結晶面
内の位置を示している。また、同図の左側は面内の中心
から外周部までの空孔濃度のバラツキが大きい場合を、
同図の右側は空孔濃度が比較的均一になる場合をそれぞ
れ示している。R-OSFが発生する領域は、限定された範
囲の空孔濃度の部位と一致するのであるから、同図の右
側で示すように空孔濃度が面内で均一になる場合には、
R-OSFの幅が大きくなる。前述の通り、従来の結晶にお
ける面内でのR-OSFの幅は育成された結晶半径の８％以
下に抑えられている。これは、従来の育成条件では、結
晶の面内での引上げ軸方向での温度勾配が均一でないた
め、R-OSFが発生する領域と一致する空孔濃度の範囲が
育成結晶の半径の８％の範囲内になっていたからであ
る。

【００３９】育成条件を改善すること、例えば、単結晶
育成装置内のホットゾーンの加熱手段、保温部材等を改
善することによって、結晶の面内での引上げ軸方向での
温度勾配を均一にして、空孔の取り込み量を面内で均一
にする。これにより、R-OSFが生成される空孔濃度の範
囲を拡大できるので、これに対応してR-OSFの幅を大き
くすることができる。また、R-OSFに近接して外領域に
存在する無欠陥領域も、面内での空孔の取り込み量を均
一にして、無欠陥領域が生成される空孔濃度の範囲を拡
大することによって、その領域を拡大することができ
る。これによって、先発明のシリコン単結晶で規定する
高品質なウェーハを得ることができる。

【００４０】しかしながら、上述のように、結晶面内で
の空孔の取り込み量を均一にすることによって、R-OSF
の幅は広げることができるが、育成時における熱履歴の
違いに起因して、R-OSFの発生幅が変動する。例えば、
育成時の高温部（1100℃〜1000℃）の温度領域を徐冷に
した場合には、R-OSFの幅は非常に狭いものとなる。一
方、育成時の中温部（980℃〜900℃）の温度領域を急冷
にした場合にも、R-OSFの幅は非常に狭くなることがあ
る。さらに、単結晶の低酸素化ともなって、R-OSFは明
確に現れない場合もある。したがって、先発明のシリコ
ン単結晶による規定のみでは充分でない場合が想定され
ることから、本発明のシリコン単結晶ウェーハの規定方
法を提案している。これによって、ウェーハの結晶面内
に発生するR-OSFの幅に拘ることなく、デバイス特性を
劣化させる赤外散乱体や転位クラスターといったGrown-
in欠陥が発生しない領域を結晶の面内全域に拡大して、
デバイス特性の良好な高品質なウェーハを製造すること
ができる。

【００４１】

【実施例】本発明のシリコン単結晶ウェーハの品質を評
価するため、直径６″φおよび８″φの２寸法を製造
し、それぞれに現れるR-OSFの形態および結晶が有する
品質特性について調査した。以下、その結果について説
明する。

【００４２】（実施例１）図１に示す単結晶育成装置を
用いて、６″φの単結晶を製造する。ルツボ内に結晶用
原料としてシリコンの多結晶60kgを充填し、さらに電気
抵抗率が10Ωcmになるようにｐ型ドーパントとしてボロ
ンを添加する。そして、チャンバー内をAr雰囲気にした
後、ヒーターのパワーを調整して全ての結晶用原料を溶
融する。ルツボ内の溶融液が安定した後、種結晶の下端
を溶融液に浸漬し、ルツボおよび引上げ軸を回転させつ
つ単結晶を引き上げる。

【００４３】実施例１では、従来の育成条件に比べ、11
00℃〜1000℃の温度範囲で徐冷になるようにした場合
に、R-OSFおよび無欠陥領域の幅、若しくはFPD密度がど
のように変化するかを調査することを目的にしている。
このため、結晶面内への空孔の取り込み量が均一になる
ように、結晶面内の温度分布が従来のものよりも改善す
るとともに、特定の温度範囲で徐冷できるホットゾーン
で育成して、引上げ速度の変更実験を行った。

【００４４】実施例１の方法によって育成されたAs-gro
wn状態の結晶を縦割りにして、Cuを塗布し、900℃で熱
処理して各欠陥領域を顕在化した後にＸ線トポグラフ写
真を撮影して、R-OSFの形態を調べた。従来の結晶と比
較して、R-OSFの幅および無欠陥領域が大きく拡大して
いる。単結晶長さ位置に応じて、R-OSFの幅は最大40mm
から６mm程度と変動している。R-OSFが結晶面内で発生
しても、R-OSFの外側領域が同様に広がるので転位クラ
スタ−は発生しない。さらに、R-OSFが結晶面内で消滅
したときにも転位クラスターは生成されなかった。すな
わち、本発明のシリコン単結晶ウェーハでは、R-OSFの
幅に依存することなく、R-OSFの外径または内径の発生
位置を制御することで、Grown-in欠陥の発生を抑制する
ことができる。

【００４５】図７は、実施例１の方法によって育成され
たAs-grown状態の結晶におけるFPD欠陥の密度を示す図
である。このFPD欠陥の面内密度分布の観察には、セコ
エッチングを行った。同図から明らかなように、面内で
のR-OSFの位置がｒ＝2/3Ｒの場合には、FPD欠陥は結晶
の中心部で観察されるが、ｒ＝1/3ＲにするとFPD欠陥は
観察されない。したがって、育成条件を調整してR-OSF
の外径や内径の位置を調整することによって、結晶の面
内で赤外散乱体(FPD)や転位クラスターのGrown-in欠陥
が観察されない結晶を育成することができる。

【００４６】図８は、実施例１の方法によって製造され
た単結晶から加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性
(TZDB)を調査した結果を示した図である。同図はR-OSF
が存在する位置での平均良品率を示しており、酸化膜厚
が25nm、印加条件8M/Vで、R-OSFの位置がｒ＝1/3ＲでFP
D密度が非常に小さい場合には結晶面内のTZDBの良品率
は95％以上である。

【００４７】(実施例２)実施例２では、点欠陥の取り込
み量を均一にするために結晶内の面内の温度分布を従来
のものよりも改善し、従来の育成条件に比べ、1100℃〜
1000℃の温度範囲で徐冷になるように変更した育成炉の
ホットゾーンで、育成速度をR-OSFの位置がr=1/3Rにな
る育成速度でボディ中はほぼ一定で直径6"φの結晶を育
成した場合のR-OSF、析出促進領域あるいは無欠陥領域
の幅が育成条件によってどの様に変化するかを調査し
た。

【００４８】実施例１と同条件でルツボ内の溶融液を安
定させてのち、単結晶の育成がシード絞り、ショルダー
形成から移行して、ボディへ移ったらヒーターパワーを
調整し、当初は引上げ速度が速く、R-OSFが外周に発生
する条件で所定の結晶長を引き上げる。単結晶の引上げ
長さが100mmに達した時点で、R-OSFの面内位置がｒ＝1/
3Ｒになる引上げ速度で育成を行い、結晶の部位別にR-O
SF、無欠陥領域およびR-OSFの内側領域に生成されるFPD
欠陥の挙動について調査した。

【００４９】実施例２の方法によって育成されたAs-gro
wn状態の単結晶から加工したウェーハに、Cuを塗布し、
900℃で熱処理して各欠陥領域を顕在化した後にＸ線ト
ポグラフ写真を撮影して、R-OSFの形態およびGrown-in
欠陥の状況を調査した。従来の結晶に比べ、R-OSFの幅
は細くなっているが酸素析出促進領域あるいは無欠陥領
域が大きく拡大していることがわかる。

【００５０】図９は、実施例２の方法によって育成され
たAs-grown状態の結晶におけるFPD欠陥の密度を示す図
である。このFPD欠陥の面内密度分布の観察には、セコ
エッチングを行った。R-OSFの位置がｒ＝1/3Ｒの場合に
は、FPD欠陥は観察されない。同様に、転位クラスタ−
欠陥も観察されない。すなわち、育成条件を調整してR-
OSFの生成位置を制御することによって、結晶の面内で
赤外散乱体(FPD、COP)や転位クラスターの密度がきわめ
て小さな結晶を得ることができる。

【００５１】図10は、実施例２の方法によって製造され
た単結晶から加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性
(TZDB)を調査した結果を示した図である。酸化膜厚が25
nm、印加条件8M/Vで、R-OSFの位置がｒ＝1/3ＲでFPD密
度が非常に小さい場合には結晶面内のTZDBの良品率は95
％以上である。

【００５２】（実施例３）図１に示す単結晶育成装置を
用いて、８″φの単結晶を製造した。ルツボ内に結晶用
原料としてシリコンの多結晶120kgを充填し、さらに電
気抵抗率が10Ωcmになるようにｐ型ドーパントとしてボ
ロンを添加する。そして、チャンバー内をAr雰囲気にし
た後、ヒーターのパワーを調整して全ての結晶用原料を
溶融する。ルツボ内の溶融液が安定した後、種結晶の下
端を溶融液に浸漬し、ルツボおよび引上げ軸を回転させ
つつ単結晶を引き上げる。

【００５３】実施例３では、従来の育成条件に比べ、98
0℃〜900℃の温度範囲で急冷になるようにした場合に、
R-OSFおよび無欠陥領域の幅、若しくはFPD密度がどのよ
うに変化するかを調査することを目的にしている。この
ため、結晶面内への空孔の取り込み量が均一になるよう
に、結晶面内の温度分布が従来のものよりも改善すると
ともに、特定の温度範囲で急冷できるホットゾーンで育
成して、引上げ速度の変更実験を行った。

【００５４】実施例３の方法によって育成されたAs-gro
wn状態の結晶を縦割りにして、Cuを塗布し、900℃で熱
処理して各欠陥領域を顕在化した後にＸ線トポグラフ写
真を撮影して、R-OSFの形態を調べた。従来の結晶と比
較して、R-OSFの幅および無欠陥領域が大きく拡大して
いる。単結晶長さ位置に応じて、R-OSFの幅は最大40mm
から4mm程度と変動している。R-OSFが結晶面内で発生し
ても、R-OSFの外側領域が同様に広がるので転位クラス
タ−は発生しない。さらに、R-OSFが結晶面内で消滅し
たときにも転位クラスターは生成されなかった。すなわ
ち、本発明のシリコン単結晶ウェーハでは、R-OSFの外
径または内径の発生位置を制御することで、Grown-in欠
陥が観察されない領域を結晶面内に拡大することができ
る。

【００５５】図11は、実施例３の方法によって育成され
たAs-grown状態の結晶におけるR-OSFの面内位置とFPD欠
陥の密度との関係を示す図である。このFPD欠陥の面内
密度分布の観察には、セコエッチングを行った。R-OSF
の位置がｒ＝2/5Ｒの場合には、FPD欠陥は結晶の中心部
で観察されるが、ｒ＝1/3Ｒ以下の場合ではFPD欠陥は観
察されないことがわかる。したがって、育成条件を調整
してR-OSFの外径や内径の面内位置を制御することによ
って、結晶の面内で赤外散乱体(FPD)密度が従来より著
しく減少あるいは観察されなくなるとともに、転位クラ
スターのGrown-in欠陥も観察されない結晶を育成するこ
とができる。

【００５６】実施例３の方法によって製造された単結晶
から加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性(TZDB)を
調査すると、前記図10と同様の結果を示し、酸化膜厚が
25nm、印加条件8M/Vで、R-OSFの位置がｒ＝1/3ＲでFPD
密度が非常に小さい場合には結晶面内のTZDBの良品率は
95％以上であることがわかる。

【００５７】（実施例４）実施例４では、直径８″φ結
晶のR-OSFの面内位置がｒ＝1/3Ｒになる引上げ速度で育
成を行い、R-OSF、無欠陥領域、およびFPD密度が育成条
件によってどのように変化するかを調査する。このた
め、点欠陥の取り込み量を均一にするために結晶内の面
内の温度分布を従来のものよりも改善し、さらに従来の
育成条件に比べ、980℃〜900℃の温度範囲で急冷になる
ように変更した育成炉のホットゾーンで育成を行った。

【００５８】実施例１、実施例３と同条件でルツボ内の
溶融液を安定させてのち、単結晶の育成がシード絞り、
ショルダー形成から移行して、ボディへ移ったらヒータ
ーパワーを調整し、当初は引上げ速度が速く、R-OSFが
外周に発生する条件で所定の結晶長を引き上げる。単結
晶の引上げ長さが100mmに達した時点で、R-OSFの面内位
置がｒ＝1/3Ｒになる引上げ速度で育成長さが1000mmに
なるまで育成を行い、結晶の部位別にR-OSF、無欠陥領
域、およびR-OSFの内側領域に生成されるFPD欠陥の挙動
について調査した。

【００５９】実施例４の方法によって育成されたAs-gro
wn状態の単結晶から加工したウェーハに、Cuを塗布し、
900℃で熱処理して各欠陥領域を顕在化した後にＸ線ト
ポグラフ写真を撮影して、従来の結晶と比較して、R-OS
Fの幅は細いが無欠陥領域が大きく拡大していること、
およびR-OSFが結晶面内に発生しても転位クラスタ−が
生成されていないことを確認した。

【００６０】図12は、実施例４の方法によって育成され
たAs-grown状態の結晶におけるFPD欠陥の分布密度を示
す図である。このFPD欠陥の面内密度分布の観察には、
セコエッチングを行った。R-OSFの位置がｒ＝1/3Ｒの場
合には、R-OSFの内側ではFPD欠陥は観察されず、R-OSF
の外側では転位クラスタ−欠陥が観察されなかった。し
たがって、育成条件を調整することによって、結晶面内
で赤外散乱体(FPD、COP)や転位クラスターの密度がきわ
めて小さな結晶を得ることができる。

【００６１】実施例４の方法によって製造された単結晶
から加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性(TZDB)を
調査したが、実施例３の場合と同じく前記図10と同様の
結果を示した。すなわち、酸化膜厚が25nm、印加条件8M
/Vで、R-OSFの位置がｒ＝1/3ＲでFPD密度が非常に小さ
い場合には結晶面内のTZDBの良品率は95％以上であっ
た。

【００６２】

【発明の効果】本発明の高品質シリコン単結晶ウェーハ
によれば、その面内に発生するR-OSFの幅に拘わらず、
また結晶が低酸素濃度であってR-OSFが明確に現れない
場合であっても、発生位置を制御するとともに、Grown-
in欠陥である赤外散乱体や転位クラスターのない領域を
拡大することができるので、デバイス特性に優れた半導
体材料を供給できる。しかも、本発明の単結晶は結晶の
面内に取り込まれる点欠陥の濃度を均一にすることによ
り育成されるものであるから、その育成に際し大口径
化、長尺化が図れ、製造コストの低減、育成能率の向上
が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の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模式的断面図である。

【図２】単結晶育成時の引上げ速度と結晶欠陥の発生位
置との一般的な関係を模式的に説明した図である。

【図３】従来の育成条件で育成された８″φの結晶にお
ける、R-OSFが発生する半径方向の位置およびR-OSFの幅
と転位クラスターの発生状況との関係を模式的に示す図
である。

【図４】単結晶の育成途中で引上げ速度を変化させた場
合の引上げ速度の変更パターンを示した図である。

【図５】育成途中で引上げ速度を変化させた結晶Ａ、Ｂ
における熱履歴を示す図である。

【図６】結晶の面内に取り込まれた空孔の濃度分布と生
成されるR-OSFの幅との関係を模式的に示す図である。

【図７】実施例１の方法によって育成されたAs-grown状
態の結晶におけるR-OSFの面内位置とFPD欠陥の密度との
関係を示す図である。

【図８】実施例１の方法によって製造された単結晶から
加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性(TZDB)を調査
した結果を示した図である。

【図９】実施例２の方法によって育成されたAs-grown状
態の結晶におけるFPD欠陥の密度を示す図である。

【図10】実施例２の方法によって製造された単結晶から
加工されたウェーハの初期酸化膜耐圧特性(TZDB)を調査
した結果を示した図である。

【図１１】実施例３の方法によって育成されたAs-grown
状態の結晶におけるR-OSFの面内位置とFPD欠陥の密度と
の関係を示す図である。

【図１２】実施例４の方法によって育成されたAs-grown
状態の結晶におけるFPD欠陥の密度を示す図である。

【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：引上げ軸、 ５：種結晶 ６：単結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉垣 俊二 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友シチックス株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−330316（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−285100（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−199561（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−56588（ＪＰ，Ａ) Ｗ．ｖｏｎ Ａｍｍｏｎ ｅｔ ａ ｌ．，”Ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｂｕｌｋ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏ ｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｄ ｕｒｉｎｇ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｇｒｏｗｔｈ，”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏ ｌ．151，1995，ｐｐ．273−277 阿部孝夫，”シリコン結晶中の点欠陥 と二次欠陥”，応用物理，第59巻，第３ 号，1990，ｐｐ．272−288 永島透 外６名，”ＣＺ−Ｓｉ結晶中 のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の観察 （２）”，1993年秋期第54回応用物理学 会学術講演会講演予稿集Ｎｏ．１，29ａ −ＨＡ−７，ｐｐ．303 Ｗ．ｖｏｎ Ａｍｍｏｎ ｅｔ ａ ｌ．，”Ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｂｕｌｋ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏ ｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｄ ｕｒｉｎｇ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｇｒｏｗｔｈ，”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａ ｂｓｔｒａｃｔｓ，Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔ ｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔ ｙ，Ｖｏｌ．95−１，Ｍａｙ 1995，ｐ ｐ．159−160 Ｖ．Ｖ．Ｙｏｒｏｎｋｏｖ，”Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｗｉｒ ｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｆｏｒｍａｔｉｏ ｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ”，Ｊｏｕｒ ｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏ ｗｔｈ，Ｖｏｌ．59，1982，ｐｐ．625 −643 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 28/00 - 35/00 ＣＡ（ＳＴＮ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チョクラルスキー法によって育成されるシ
   リコン単結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶
   から加工したウェーハをCu溶液に浸けて、Cuを付着さ
   せ、900℃×20minのCuデコレーション熱処理を行ない、
   Ｘ線トポグラフにて観察した場合に、リング状の酸化誘
   起積層欠陥の発生領域の外径が育成された結晶の直径の
   ０〜80％の範囲に、その内径が育成された結晶の直径の
   ０〜33％の範囲にそれぞれ含まれ、かつ転位クラスタ−
   欠陥がないことを特徴とする高品質シリコン単結晶ウェ
   ーハ。
2. 【請求項２】チョクラルスキー法によって育成されるシ
   リコン単結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶
   から加工したウェーハをCu溶液に浸けて、Cuを付着さ
   せ、900℃×20minのCuデコレーション熱処理を行ない、
   Ｘ線トポグラフにて観察した場合に、リング状の酸素析
   出促進領域の内径が育成された結晶の直径の０〜80％の
   範囲に、その内側の酸化誘起積層欠陥の発生領域の内径
   が育成された結晶の直径の０〜33％の範囲にそれぞれ含
   まれ、かつ転位クラスタ−欠陥がないことを特徴とする
   高品質シリコン単結晶ウェーハ。
3. 【請求項３】チョクラルスキー法によって育成されるシ
   リコン単結晶ウェーハであって、As-grown状態の単結晶
   から加工したウェーハを熱処理炉内に650℃で投入し
   て、投入後５℃/minで昇温して900℃×20時間で熱処理
   し、次いで10℃/minで昇温して1000℃×10時間で熱処理
   を行い、Ｘ線トポグラフにて観察した場合に、リング状
   の酸素析出量が小さい領域の外径が育成された結晶の直
   径の０〜80％の範囲に含まれ、かつAs-grown状態のウェ
   ーハに900℃×20minのCuデコレ−ション熱処理を行な
   い、Ｘ線トポグラフにて観察した場合に、転位クラスタ
   −欠陥がないことを特徴とする高品質シリコン単結晶ウ
   ェーハ。
4. 【請求項４】転位クラスタ−欠陥の観察に際し、As-gro
   wn状態のウェーハにCuデコレ−ション熱処理を行なって
   Ｘ線トポグラフにて観察するのに代えて、As-grown状態
   のウェーハにセコエッチングを行ない、光学顕微鏡を用
   いて欠陥観察を行うことを特徴とする請求項１乃至３の
   うちいずれかに記載の高品質シリコン単結晶ウェーハ。