JP3149320B2 - シリコン単結晶の引上げ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は欠陥発生の著しく少ない
シリコン（Ｓｉ）単結晶インゴットの引上げ方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すように、一般にシリコン単結
晶インゴット１は、インゴット引上げ装置２内の下部に
回転軸３により支持された石英坩堝４内に保持されたシ
リコン融液７から引上げられる。同時にシリコン単結晶
インゴット１は保温体５と坩堝４の間に設けたヒータ６
により加熱されたシリコン融液７に、引上げ軸８の先端
に取付けた種結晶９を漬け、この引上げ軸８を回転させ
ながら、例えば１ｍｍ／分の速度で引上げることにより
製造されている。このため、引上げ直後のシリコン単結
晶インゴットは、その長さが例えば３０ｃｍの場合、下
端部の約１４００℃から漸次上端部の約８００℃までの
降下温度分布をもち、かつ引上げ速度が、上記の通り約
１ｍｍ／分であれば、その育成時間は約３００分（約５
時間）を要するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、引上げられた
シリコン単結晶インゴットは、過飽和の酸素を含有する
ため、これには酸素析出物形成のもととなる多数の核が
存在し、このため半導体デバイス工程において、上記シ
リコン単結晶インゴットから製造したウェーハに種々の
高温処理が施されると、上記ウェーハには上記核を中心
にして酸素析出物が形成されるようになり、この酸素析
出物の形成は転位や積層欠陥（ＯＳＦ：oxidation indu
ced stacking fault）などの欠陥発生の原因となり、し
かもこれらの欠陥は半導体デバイスの絶縁耐圧不良や、
キャリアのライフタイム減少などの重大な特性劣化を招
く。この点を解決するために、通常引上げ速度を０．４
ｍｍ／分程度に減速することにより、酸素析出物や積層
欠陥のもととなる核の発生を抑制している。しかし、こ
の０．４ｍｍ／分程度の引上げ速度でシリコン単結晶イ
ンゴットを引上げた場合には、生産性が悪い不具合があ
る。

【０００４】本発明の目的は、半導体デバイス工程で熱
処理したときにシリコンウェーハに発現する積層欠陥及
び酸素析出物の要因をシリコン単結晶インゴットの引上
げ時に生じさせないシリコン単結晶の引上げ方法を提供
することにある。本発明の別の目的は、生産性の高いシ
リコン単結晶の引上げ方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】図７に示すように、本発
明は引上げ装置１２内の坩堝４に保持されたシリコン融
液７からシリコン単結晶インゴット１１を引上げる方法
の改良である。その特徴ある構成は、０．６〜２．０ｍ
ｍ／分の引上げ速度で引上げつつあるシリコン単結晶イ
ンゴット１１の降下温度分布のうち１１３０〜１０７０
℃の温度範囲で降温速度を０〜０．３℃／分に減速して
この降温速度を少なくとも１０分間保持することにより
引上げ後熱処理したときにシリコンウェーハに積層欠陥
及び酸素析出物を生じさせないようにすることにある。

【０００６】以下、本発明を詳述する。本発明の降温速
度を減速させる手段としては、引上げ速度を遅くせずに
引上げつつあるシリコン単結晶インゴットの周囲を保温
材で被包するか、もしくは補助ヒータで加熱する方法な
どがある。降温速度を設定するための温度測定法は、本
発明の目的を達成されれば、特に限定されないが、この
方法には例えば実施例１に示されるようにシリコン単結
晶インゴットに取付けた熱電対の温度測定データに基づ
く方法や、或いは非接触型の赤外線温度センサによって
引上げつつあるシリコン単結晶インゴットの温度を測定
する方法等がある。

【０００７】本発明の引上げ速度は０．６〜２．０ｍｍ
／分の範囲にある。０．６ｍｍ／分未満では生産性に劣
り、２．０ｍｍ／分を越えると単結晶での成長が困難と
なる等の問題がある。またシリコン単結晶インゴットの
降下温度分布のうち１１３０〜１０７０℃の温度範囲で
降温速度を０〜０．３℃／分に減速するのは、種々の実
験結果から経験的に定めたものであり、１１３０〜１０
７０℃での降温速度が０．３℃／分を越えても、また降
温速度を０〜０．３℃／分に減速する温度範囲が１１３
０℃を越えても、１０７０℃未満であっても、シリコン
単結晶インゴットを引上げ後熱処理したときにシリコン
ウェーハ中の積層欠陥及び酸素析出物の発生を十分に抑
制することができない。上記温度範囲は１１２０〜１０
８０℃がより好ましい。また降温速度０℃／分は該当す
る温度で降温を停止し、保持することを意味する。更に
降温速度の保持時間は少なくとも１０分間、好ましくは
１０分間以上１５時間である。生産性の向上とエネルギ
消費の観点から１０分間以上３時間未満がより好まし
く、１時間以上２時間以下が更に好ましい。

【０００８】

【作用】０．６〜２．０ｍｍ／分の引上げ速度で引上げ
つつあるシリコン単結晶インゴットの降下温度分布のう
ち１１３０〜１０７０℃の温度範囲で降温速度を０〜
０．３℃／分に減速して上記降温速度を少なくとも１０
分間保持することにより、欠陥発生が著しく抑制される
技術的理由は未だ十分に解明されていないが、次のよう
に推定される。一般に引上げ中のバルク内の微小欠陥
（ＢＭＤ：bulk micro defect）の核の形成には、格子
間シリコンや空孔などの点欠陥が関与していると考えら
れている。これらの点欠陥は引上げ中に１３００℃の高
温で２時間程度保持されると結晶外への拡散と格子間シ
リコンと空孔との対消滅が起こる。これにより点欠陥は
減少し、ＢＭＤは形成されなくなると考えられている。
反面これより低温になるほど、これらの点欠陥の拡散は
遅くなるのに加えて過飽和な酸素により複合体が作ら
れ、結果として点欠陥は比較的安定な状態になると考え
られる。本発明の特徴ある１１３０〜１０７０℃で降温
を停止するか、或いは極低速で降温することにより１１
００℃近傍で保持すると、上記複合体が不安定になり、
格子間シリコンと空孔が結合する対消滅が再び起こって
点欠陥が減少し、その後の低温の熱履歴によっても安定
な核が形成されなくなると考えられる。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳し
く説明する。 ＜実施例１＞引上げ中のシリコン単結晶インゴットをど
の位の温度領域でその降温速度を遅くすると積層欠陥や
酸素析出物の要因が消滅するか否か調べるために、先
ず、図８に示されるインゴット引上げ装置２で引上げ中
のシリコン単結晶インゴット自体の温度分布を調べた。
このためにこの装置２で育成の終了した直径５インチの
長さ８００ｍｍのシリコン単結晶インゴットにその中心
軸と平行に深さ４００ｍｍの穴をあけ、穴の中に等間隔
に複数の熱電対を取付けた。この熱電対を取付けたイン
ゴットを引上げ装置２内にセットし、通常の引上げ時の
加熱条件でヒータ６によりシリコン融液を保持したまま
インゴットを加熱した。その後シリコン単結晶インゴッ
トを段階的に下降溶解させながら熱電対で温度を測定し
た。複数の熱電対の検出結果から得られた図８の引上げ
装置２におけるシリコン単結晶インゴット１の温度分布
を図４に示す。図４において、横軸はインゴット１のボ
トム（０ｍｍ）からトップ（８００ｍｍ）に至るまでの
長さ、換言するとシリコン融液表面からの距離を示し、
縦軸はそれぞれの距離に対応するインゴット自体の温度
を示す。

【００１０】図８に示されるインゴット引上げ装置２を
用いて０．６〜０．８ｍｍ／分程度の等速で引上げた場
合、シリコンウェーハにしたときにリング状の積層欠陥
が高密度に発生することが分かっているため、この実施
例１及び次の比較例１では０．６５ｍｍ／分の等速で、
インゴット引上げ装置２を用いて新たにシリコン単結晶
インゴットを引上げたときにリング状の積層欠陥が消滅
するか或いは発生しているかを調べた。即ち、この例で
は装置２で直径５インチのシリコン単結晶インゴットを
０．６５ｍｍ／分で引上げ、インゴットの定径部の長さ
が４５０ｍｍとなったところで、ヒータで加熱を続けな
がら引上げを停止し、そこで２時間保持した。その後再
び０．６５ｍｍ／分の等速で引上げ、直径５インチの長
さ８００ｍｍのシリコン単結晶インゴット１を育成し
た。育成の終了したリコン単結晶インゴットを装置２か
ら取出し、インゴット中心でその引上げ方向に平行にス
ライスし、そのスライスしたサンプルの半分を湿潤酸素
（ｗｅｔＯ₂）雰囲気中、１１００℃で１時間熱処理し
てサンプルＡ1を得た。また残りの半分を乾燥酸素（ｄ
ｒｙＯ₂）雰囲気中、１０００℃で４０時間熱処理して
別のサンプルＢ1を得た。

【００１１】＜比較例１＞実施例１と同じ図８に示され
る引上げ装置２を用いて、シリコン単結晶インゴットを
途中で引上げを停止せずに、０．６５ｍｍ／分の等速で
引上げた。育成の終了した直径５インチの長さ８００ｍ
ｍのシリコン単結晶インゴット１を装置２より取出し、
以下実施例１と同様にインゴット中心でその引上げ方向
に平行にスライスし、そのスライスしたサンプルの半分
を湿潤酸素（ｗｅｔＯ₂）雰囲気中、１１００℃で１時
間熱処理してサンプルＡ1’を得た。また残り半分を実
施例１と同様に乾燥酸素（ｄｒｙＯ₂）雰囲気中、１０
００℃で４０時間熱処理して別のサンプルＢ1’を得
た。このインゴット全体を０．６５ｍｍ／分の等速で引
上げたときのインゴットが受ける熱履歴を図６に示す。
図６は図４の横軸の距離を引上げ速度０．６５ｍｍ／分
で除算し、引上げ時間を横軸としたものである。

【００１２】＜比較試験１及びその評価＞ 積層欠陥の発生状況の観察 実施例１のサンプルＡ1と、比較例１のサンプルＡ1’の
スライス面を積層欠陥に選択性のあるエッチング液で処
理した後、目視及び光学顕微鏡により観察した。実施例
１の接写写真図を図１の（ａ-1）に、比較例１の接写写
真図を図２の（ａ-2）にそれぞれ示す。図１に示す温度
は引上げを停止し、２時間保持したときのインゴットの
部位別の温度である。両図において白く筋状に現れた部
分が積層欠陥である。比較例１では積層欠陥がインゴッ
トの周縁近傍にインゴットのほぼ全長にわたって現れて
いた。これはシリコンウェーハの形状で観察するとリン
グ状に分布しているので、リング状の積層欠陥（リング
ＯＳＦ）と呼ばれている。この比較例１に対して、実施
例１では１１００℃近傍の領域で積層欠陥が消滅し、他
の温度領域では積層欠陥が現れていた。

【００１３】 酸素析出物の発生状況の観察 実施例１のサンプルＢ1と、比較例１のサンプルＢ1’の
スライス面を酸素析出物に選択性のあるエッチング液で
スライス面を処理した後、目視及び光学顕微鏡により観
察した。実施例１の接写写真図を図１の（ｂ-1）に、比
較例１の接写写真図を図２の（ｂ-2）にそれぞれ示す。
両図において白い部分が酸素析出物が高密度に発生して
いる領域である。比較例１では酸素析出物がインゴット
の全長にわたって現れていたのに対して、実施例１では
１１００℃近傍の領域で酸素析出物が消滅し、他の温度
領域では酸素析出物が現れていた。

【００１４】＜実施例２〜１０＞実施例１及び比較例１
の結果から、１１００℃近傍の温度領域で積層欠陥及び
酸素析出物が消滅することが判ったので、図７に示され
るインゴット引上げ装置１２を用いて直径５インチの長
さ８００ｍｍのシリコン単結晶インゴット１１を０．６
５ｍｍ／分の等速の引上げ速度で引上げた。図７におい
て、図８に示した構成要素と同一の構成要素には同一の
符号を付している。図７に示される引上げ装置１２の特
徴ある構成は、引上げつつあるシリコン単結晶インゴッ
ト１１の温度が１１３０℃、１１００℃、１０７０℃と
なる位置から上方の所定の帯域に温度制御装置として補
助ヒータ１０をそれぞれ設けたことにある。この補助ヒ
ータ１０によって降温速度を制御した。この例では、１
１３０℃、１１００℃、１０７０℃でそれぞれ降温速度
０℃／分となって降温を停止するように、またそれぞれ
の温度での停止時間が１０分間、１時間又は２時間とそ
れぞれなる（保持時間が１０分間、１時間又は２時間に
なる）ように、補助ヒータ１０の加熱量及びその長さＬ
を調整して設けた。具体的には停止時間が１０分間のと
きには補助ヒータ１０の長さＬを最短にし、２時間のと
きには最長にした。また保持温度が１１３０℃のときに
は補助ヒータ１０の加熱量を最大にし、１０７０℃のと
きには最小にした。

【００１５】実施例６の停止時間が１時間で保持温度が
１１００℃となるように補助ヒータ１０を調整したとき
の図７に示されるインゴット引上げ装置１２におけるシ
リコン単結晶インゴットの温度分布を図３に示す。この
温度分布も図４と同様にして得られた。この実施例６の
インゴット全体を０．６５ｍｍ／分の等速で引上げたと
きのインゴットの熱履歴を図５に示す。図５は図３の横
軸の距離を引上げ速度０．６５ｍｍ／分で除算し、引上
げ時間を横軸としたものである。育成の終了したシリコ
ン単結晶インゴットを装置１２から取出し、実施例１と
同様にインゴット中心でその引上げ方向に平行にスライ
スし、そのスライスしたサンプルの半分を湿潤酸素（ｗ
ｅｔＯ₂）雰囲気中、１１００℃で１時間熱処理して９
枚のサンプルＡ2〜Ａ10を得た。また残り半分を実施例
１と同様に乾燥酸素（ｄｒｙＯ₂）雰囲気中、１０００
℃で４０時間熱処理して別の９枚のサンプルＢ2〜Ｂ10
を得た。

【００１６】＜比較例２〜９＞１０００℃、１０５０
℃、１２００℃でそれぞれ降温速度０℃／分となって降
温を停止するように、またそれぞれの温度での停止時間
が１０分間、１時間又は２時間とそれぞれなる（保持時
間が１０分間、１時間又は２時間になる）ように、図７
に示すインゴット引上げ装置１２の補助ヒータ１０の加
熱量及びその長さＬを調整して設けた。この調整の仕方
は実施例２〜１０と同様である。その他は実施例２と同
様に引上げてシリコン単結晶インゴットを得た。育成の
終了したシリコン単結晶インゴットを装置１２から取出
し、実施例１と同様にインゴット中心でその引上げ方向
に平行にスライスし、そのスライスしたサンプルの半分
を湿潤酸素（ｗｅｔＯ₂）雰囲気中、１１００℃で１時
間熱処理して８枚のサンプルＡ2’〜Ａ9’を得た。また
残り半分を実施例１と同様に乾燥酸素（ｄｒｙＯ₂）雰
囲気中、１０００℃で４０時間熱処理して別の８枚のサ
ンプルＢ2’〜Ｂ9’を得た。

【００１７】＜比較試験２及びその評価＞ 積層欠陥密度の測定 実施例２〜１０のサンプルＡ2〜Ａ10と、比較例１のサ
ンプルＡ1’と、比較例２〜９のサンプルＡ2’〜Ａ9’
を積層欠陥に選択性のあるエッチング液でそれぞれ処理
した後、任意の箇所を光学顕微鏡で観察して１ｃｍ³当
りの積層欠陥数（積層欠陥密度）を測定した。その結果
を表１に示す。

【００１８】 酸素析出物密度の測定 実施例２〜１０のサンプルＢ２〜Ｂ１０と、比較例１の
サンプルＢ１’と、比較例２〜９のサンプルＢ２’〜Ｂ
９’を酸素析出物に選択性のあるエッチング液で処理し
た後、任意の箇所を光学顕微鏡で観察して１ｃｍ^３当り
の酸素析出物数（酸素析出物密度）を測定した。その結
果を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１から明らかなように、比較例１〜９の
積層欠陥密度は１５．０〜４８．０×１０⁶／ｃｍ³であ
るのに対して、実施例２〜１０の積層欠陥密度は０〜
１．６×１０⁶／ｃｍ³であり、極めて小さかった。更に
比較例１の酸素析出物密度が６００〜９００×１０⁶／
ｃｍ³であって、比較例２〜９の酸素析出物密度が２
２．０〜３６０．０×１０⁶／ｃｍ³であるのに対して、
実施例２〜１０の酸素析出物密度は０〜２２．０×１０
⁶／ｃｍ³であり、極めて小さかった。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のシリコン単
結晶の引上げ方法によれば、０．６〜２．０ｍｍ／分の
引上げ速度で引上げつつあるシリコン単結晶インゴット
の降下温度分布のうち１１３０〜１０７０℃の温度範囲
で降温速度を０〜０．３℃／分に減速して上記降温速度
を少なくとも１０分間保持することにより、半導体デバ
イス工程で熱処理したときにシリコンウェーハに積層欠
陥及び酸素析出物を生じさせないようにすることができ
る。この結果、得られたシリコン単結晶インゴットから
製造されたシリコン単結晶ウェーハは、欠陥の発生が著
しく低くなり工業上の利用価値が極めて大きい優れた効
果を奏する。また、本発明の方法は、酸素析出物や積層
欠陥のもととなる核の発生を抑制する引上げ速度が０．
４ｍｍ／分の従来の方法より速いため、生産性が高く、
エネルギ消費が少なくて済む利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例１のシリコン単結晶インゴットを
引上げた後、熱処理したときの積層欠陥と酸素析出物の
発生状況を示すインゴットスライス面における結晶構造
を接写した写真図。

【図２】比較例１のシリコン単結晶インゴットを引上げ
た後、熱処理したときの積層欠陥と酸素析出物の発生状
況を示すインゴットスライス面における結晶構造を接写
した写真図。

【図３】図７に示されるインゴット引上げ装置における
本発明実施例６のシリコン単結晶インゴット引上げ時の
温度分布図。

【図４】図８に示されるインゴット引上げ装置における
比較例１のシリコン単結晶インゴット引上げ時の温度分
布図。

【図５】図７に示されるインゴット引上げ装置で０．６
５ｍｍ／分の等速で引上げたときの実施例６のシリコン
単結晶インゴットの温度分布図。

【図６】図８に示されるインゴット引上げ装置で０．６
５ｍｍ／分の等速で引上げたときの比較例１のシリコン
単結晶インゴットの温度分布図。

【図７】本発明実施例２〜１０及び比較例２〜９のシリ
コン単結晶インゴットの育成に用いた引上げ装置の構成
図。

【図８】実施例１及び比較例１のシリコン単結晶インゴ
ットの育成に用いた引上げ装置の構成図。

【符号の説明】

１，１１ シリコン単結晶インゴット ２，１２ インゴット引上げ装置 ４ 石英坩堝 ６ ヒータ ７ シリコン融液 １０ 補助ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 敏彦 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三 菱マテリアル株式会社中央研究所内 (72)発明者 降屋 久 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三 菱マテリアル株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 平４−42893（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−70283（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−9096（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313384（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−33236（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平３−67994（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引上げ装置(12)内の坩堝(4)に保持され
   たシリコン融液(7)からシリコン単結晶インゴット(11)
   を引上げる方法において、 ０．６〜２．０ｍｍ／分の引上げ速度で引上げつつある
   シリコン単結晶インゴット(11)の降下温度分布のうち１
   １３０〜１０７０℃の温度範囲で降温速度を０〜０．３
   ℃／分に減速して前記降温速度を少なくとも１０分間保
   持することにより引上げ後熱処理したときにシリコンウ
   ェーハに積層欠陥及び酸素析出物を生じさせないように
   することを特徴とするシリコン単結晶の引上げ方法。
2. 【請求項２】 １１３０〜１０７０℃の温度範囲での降
   温速度の保持時間が１０分間以上３時間未満である請求
   項１記載のシリコン単結晶の引上げ方法。