JP4483729B2 - シリコン単結晶製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶全長にわたって径方向の結晶欠陥分布の変化が小さく、径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を容易に製造できるシリコン単結晶製造方法及び当該製造方法を用いて製造されるシリコン単結晶に関する。

シリコン単結晶は、坩堝に収容された多結晶シリコン原料をヒータで加熱してシリコン融液とし、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」と略記する。）によりシリコン融液から引き上げながら成長させることにより製造される。シリコン基板は、上記の方法で製造されたシリコン単結晶をスライス（切断）することにより製造される。近年、半導体回路の高集積化による素子の微細化に伴い、その基板となるシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。

従来からシリコン融液の対流を抑制することができ均一なシリコン単結晶が得られる方法として、磁場中引き上げ法（以下、「ＭＣＺ法」と略記する。）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、従来のＣＺ法によりシリコン単結晶を製造すると得られたシリコン単結晶には、格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン型点欠陥が存在する領域（以下、「Ｉ領域」という。）、インゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（以下、「Ｖ領域」という。）、空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（以下、「Ｐ領域」という。）、Ｐ領域とＶ領域との間に、シリコン単結晶の結晶成長軸方向断面で見たときにリング状に分布しているＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault：酸素誘起積層欠陥）の核を形成する領域（以下、「ＯＳＦ領域」という。）からなる複数の結晶欠陥領域が存在していることが知られている。

そして、径方向の切断面の全面がＰ領域であるシリコン単結晶を製造する方法として、シリコン単結晶を育成する際の条件を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
特開昭６４−２４０９０号公報 特開２０００−１５４０９３号公報

しかしながら、特許文献２の技術では、引き上げ速度・温度勾配等の引き上げ条件の好ましい幅が非常に狭いものであり、このような欠陥のない引き上げ制御が困難であり実用的でなかった。また、特許文献１の技術は、シリコン単結晶の引き上げ速度を低下させることなく、シリコン単結晶中の酸素濃度を増加させることを目的とするものであり、径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を製造できるものではなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、結晶全長にわたって径方向の結晶欠陥分布の変化が小さく、径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を容易に製造できるシリコン単結晶製造方法及び当該製造方法を用いて製造された径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のシリコン単結晶製造方法は、坩堝に収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させて製造するシリコン単結晶製造方法において、
前記シリコン単結晶の径方向に磁場を印加しながら引き上げる磁場印加ステップを有する単結晶の引き上げをおこなう工程と、
磁場を印加しつつ固化率が２０〜４０％において引き上げ速度を０．５３ｍｍ／分から０．３８ｍｍ／分の範囲で変化させる試験的な引き上げをおこなう工程と、
前記試験的な引き上げをおこなった際に、シリコン単結晶の軸方向に順次生じる結晶欠陥の状態が異なる領域を、それぞれ第１の結晶欠陥領域、第２の結晶欠陥領域とし、前記第１の結晶欠陥領域と前記第２の結晶欠陥領域との間で形成される境界面において、単結晶外周部における前記境界面位置と単結晶中心部における前記境界面位置との結晶成長軸方向における距離をＬｍｍとした際、該距離Ｌのシリコン単結晶直径Ｄｍｍに対する比が、
Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００
となるような磁場条件を求める工程と、を備え、
前記シリコン単結晶の引き上げ工程において、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場中心の高さ位置を、前記シリコン単結晶の径方向における温度分布を低減するように求めた前記磁場条件となるように制御して前記シリコン単結晶の引き上げをおこなうことを特徴とする。
また本発明は、坩堝に収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させて製造するシリコン単結晶製造方法において、前記シリコン単結晶の径方向に磁場を印可する磁場印可ステップを備え、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場中心の高さ位置を、前記シリコン単結晶の径方向における温度勾配を一定とするように制御することができる。
また、上記のシリコン単結晶製造方法においては、磁場を印加しつつ引き上げ速度を０．２ｍｍ／分から０．６ｍｍ／分の範囲で変化させる試験的な引き上げをおこなった際に、シリコン単結晶の軸方向に順次生じる結晶欠陥の状態が異なる領域を、それぞれ第１の結晶欠陥領域、第２の結晶欠陥領域とし、前記第１の結晶欠陥領域と前記第２の結晶欠陥領域との間で形成される境界面において、単結晶外周部における前記境界面位置と単結晶中心部における前記境界面位置との結晶成長軸方向における距離をＬｍｍとした際、該距離Ｌ のシリコン単結晶直径Ｄｍｍに対する比が、
Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００
となるような磁場条件を求める工程と、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場中心の高さ位置を前記磁場条件となるように制御して前記シリコン単結晶の引き上げをおこなう工程と、を有することが好ましい。
また、上記のシリコン単結晶製造方法においては、前記第２の結晶欠陥領域が、空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないＰ領域である方法とすることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明のシリコン単結晶は、上記のいずれかのシリコン単結晶製造方法を用いて製造されてなることができる。

本発明によれば、坩堝に収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させて製造するシリコン単結晶製造方法において、前記シリコン単結晶の径方向に磁場を印可する磁場印可ステップを備え、磁場中心の高さ位置を、前記シリコン単結晶の径方向における温度勾配が一定となるように制御するので、印可された磁場によるシリコン融液の対流の抑制作用等を有効に機能させて、シリコン単結晶の径方向における温度勾配を一定とすることができる。また、本発明によれば、磁場の中心高さ位置を、シリコン融液の液面に対して設定しているので、シリコン単結晶の成長に伴ってシリコン融液液面の高さが変化したとしても、引き上げの全工程に対して、つまりシリコン単結晶の軸方向全長に対して、シリコン単結晶の径方向における温度勾配を小さくすることができる。
その結果、シリコン単結晶の径方向における温度勾配を効果的に小さくすることができ、径方向における結晶欠陥分布の変化が小さくなるので、径方向における結晶欠陥状態を単一化する、つまり、径方向における切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を容易に得ることが可能となる。これにより、径方向に均質なシリコンウェーハを製造することができる。

さらに、本願発明のシリコン単結晶製造方法では、上述の磁場状態をより詳細に規定するために、まず、Ｖ字引き上げ試験において、シリコン単結晶の引き上げ速度を０．２〜０．６ｍｍ／分に変化させたとき、第１の結晶欠陥領域と、この第１の結晶欠陥領域に続いて成長される前記第１の結晶欠陥領域とは欠陥状態の異なる第２の結晶欠陥領域との境界面を観察する。このとき、Ｖ字引き上げした試験単結晶を中心軸を通るように割った断面における各結晶領域の形状が結晶成長軸方向にどのぐらい変化しているかを検証するものである。つまり、径方向に均一な温度状態であれば、各結晶領域は引き上げ速度の変化のみに対応して径方向には変化せず、断面において径方向に直線状の境界面を有するはずであるが、実際には、径方向に温度勾配等の条件の差が存在するために、引き上げ速度の変化に応じて結晶長軸方向に上に凸または下に凸となった境界面を有する。この変化の度合いを、凹凸の状態、すなわち、境界面が単結晶の外周部と中心部とでどの程度の差を有するか、つまり、単結晶の外周部と中心部とにおける境界面位置の単結晶長軸方向の差Ｌｍｍを求める。そして、この差Ｌと前記シリコン単結晶の直径Ｄｍｍとの割合が、Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００となって、引き上げ時における単結晶径方向の温度分布を低減するように、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場の中心高さ位置を設定する。
実際の単結晶の引き上げにおいては、このような磁場状態に制御して前記シリコン単結晶を引き上げることになる。

このシリコン単結晶製造方法においては、前記シリコン単結晶の引き上げ速度を０．２〜０．６ｍｍ／分としたとき、第１の結晶欠陥領域と前記第１の結晶欠陥領域に続いて成長される前記第１の結晶欠陥領域と結晶欠陥の異なる第２の結晶欠陥領域との境界面における外周部の結晶成長軸方向の高さと中心部の結晶成長軸方向の高さとの距離Ｌｍｍと、前記シリコン単結晶の直径Ｄｍｍとの割合が、Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００となるように、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場の中心高さ位置を制御することで、印可された磁場によるシリコン融液の対流の抑制作用を、シリコン単結晶の径方向における温度勾配を一定とするためにより一層有効に機能させることができる。
その結果、径方向の切断面の全面が第２の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を容易に得ることが可能となる。
なお、本発明のシリコン単結晶製造方法では、Ｌ／Ｄの値が１０５／３００を超える場合には、径方向の結晶欠陥分布の変化が大きくなり、径方向の切断面の全面が第２の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶が得られない虞が生じるため好ましくない。また、Ｌ／Ｄの値を小さくする程、径方向の結晶欠陥分布の変化が小さいシリコン単結晶を製造できるため望ましいが、Ｌ／Ｄを３５／３００未満となるように制御する場合には、制御が容易にできないという問題が生じる。

また、上記のシリコン単結晶製造方法において、前記第２の結晶欠陥領域が、空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないＰ領域である方法とすることで、径方向の切断面の全面がＰ領域である優れたシリコン単結晶およびこのような単結晶からスライスされ全面が欠陥フリーなシリコンウェーハを容易に得ることが可能となる。
ここで、第１の結晶欠陥領域はＶ領域に接するＯＳＦリング、または、Ｉ領域とされることが可能である。これは、上記の範囲で引き上げ速度を変化させるＶ字引き上げ試験において、境界面を観測する部分における引き上げ速度の変化が増加か減少かによるものであり、本発明は第１の結晶欠陥領域の境界面の形状を規定できれば第１の結晶欠陥領域がいかなる欠陥状態の領域でもかまわない。

なお、本発明では上述したように、第１の結晶欠陥領域と第２の結晶欠陥領域との境界面がＶ字引き上げおいて結晶軸方向に変化する量を規定しているが、引き上げ速度の変化に伴って変化するのは、Ｖ領域、ＯＳＦリング領域、Ｉ領域のいずれも同様であるので、単結晶径方向に均質な単結晶を得るためであれば、どの領域の形状を規定しても構わないものである。
上述したＶ字引き上げとは、縦軸に引き上げ速度、横軸に引き上げた結晶長を取った際にグラフがＶ字状になるように引き上げ速度を変化させる試験的な引き上げ方法を示すものである。

また、本発明のシリコン単結晶は、上記のシリコン単結晶製造方法を用いて製造されたものであるので、径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域である優れたものとなる。

本発明によれば、印可された磁場によるシリコン融液の対流の抑制作用を、シリコン単結晶の径方向における温度勾配を一定とするために有効に機能させることができるので、径方向の結晶欠陥分布の変化を小さくすることができ、径方向の切断面の全面が１種類の結晶欠陥領域であるシリコン単結晶を容易に製造できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるシリコン単結晶製造方法並びにシリコン単結晶について詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるシリコン単結晶製造方法において使用するシリコン単結晶製造装置の概略断面図である。図１において、符号２は石英で形成された坩堝であり、坩堝２の両側には一対の磁気コイル１、１が所定の間隔を空けて対向配置されている。また、坩堝２は、坩堝２から所定の間隔をあけて坩堝２と磁気コイル１、１との間に配置された筒状のヒータ（図示略）により包囲されている。

坩堝２には、坩堝２に投入された高純度のシリコン多結晶体をヒータで加熱・融解して得られたシリコン融液Ｍが収容されている。シリコン単結晶ＳＩは、下面がシリコン融液Ｍの液面に接するように、引上げワイヤー（図示略）により坩堝２の回転中心に向って垂下されている。
坩堝２は不図示の坩堝駆動手段に接続され、坩堝２が水平面内で回転し得るとともに、シリコン融液Ｍの液面変化に対応して上下方向に移動可能となっている。また、磁気コイル１、１は不図示の磁気コイル駆動手段により上下方向に移動可能とされ、シリコン融液Ｍの液面変化に対応して磁場の中心高さ位置Ａを変化させることができるようになっている。

このようなシリコン単結晶製造装置を用いてシリコン単結晶ＳＩを製造するには、まずヒータで坩堝２内に収容された多結晶シリコン原料を加熱してシリコン融液Ｍとし、シリコン融液Ｍの温度を所定の温度に設定する。次いで、磁気コイル１、１からシリコン単結晶の径方向に磁場９を印可し、先端に種結晶が取り付けられた引上げワイヤーを下方へ引き下げてシリコン融液Ｍ表面に種結晶の下端を接触させてから上方への引き上げを開始する。

このとき、シリコン融液Ｍの液面に対する磁場９の中心Ａ高さ位置を、シリコン単結晶ＳＩの径方向における温度勾配を一定とするように制御する。より具体的には、シリコン単結晶ＳＩの引き上げ速度を０．２〜０．６ｍｍ／分としたとき、ＯＳＦ領域とＰ領域との境界面における外周部の結晶成長軸方向の高さと中心部の結晶成長軸方向の高さとの距離Ｌｍｍと、シリコン単結晶ＳＩの直径Ｄｍｍとの割合が、Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００となるように制御する。

また、磁気コイル１、１の中心における磁束密度、磁気コイル１、１の半径、磁気コイル１、１と坩堝２との距離、磁気コイル１、１相互間の距離は、製造条件などに応じて適宜選択される。

「実施例」
シリコン単結晶ＳＩの直径Ｄを３００ｍｍ、磁場９の中心Ａの高さ位置をシリコン融液Ｍの液面の下方１３０ｍｍとし、磁気コイル１、１の中心における磁束密度を０．２〜０．４テスラとし、坩堝２を０．１〜２０［ｍｉｎ^−１］程度の回転速度で回転させるとともに、引き上げるシリコン単結晶ＳＩを１〜２５［ｍｉｎ^−１］程度の回転速度で逆回転させ、図２に示すようにシリコン単結晶ＳＩの引き上げ速度を変化させながらシリコン融液Ｍを固化させることによりシリコン単結晶製造を製造した。この場合の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を図３及び図４に示す。

図３は、図２に示す固化率２０〜５０％のときに得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。なお、図３に示した結晶欠陥分布は、シリコン単結晶ＳＩの結晶成長軸方向断面のうち、シリコン単結晶ＳＩの外面から結晶成長軸中心までの部分のみ示している。また、図４は、図２に示す固化率２０〜４０％のときに得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示す図である。なお、固化率とは（引上げた結晶重量／坩堝に充填した原料の重量）×１００を意味する。

図４に示すように、シリコン単結晶ＳＩは、成長を開始してから引き上げ速度が０．５ｍｍ／分程度（固化率２５％程度）に低下するまで、Ｖ領域の周囲をＯＳＦ領域が取り囲んだ状態で成長している。図３及び図４に示すように、この間に形成されたＶ領域とＯＳＦ領域との境界面であるＶ―ＯＳＦ境界面３は、結晶成長軸方向と平行となっている。そして、引き上げ速度が０．４８ｍｍ／分程度のときにＶ―ＯＳＦ境界面３は、外周部から中心部に向かって緩やかな傾斜を形成している。
また、引き上げ速度が０．４５ｍｍ／分程度のときにＰ領域が成長し始め、Ｐ領域とＯＳＦ領域との境界面であるＰ―ＯＳＦ境界面４が形成されている。Ｐ―ＯＳＦ境界面４は、Ｖ―ＯＳＦ境界面３にほぼ沿った形状を有し、外周部から中心部に向かって緩やかな傾斜を形成している。Ｐ―ＯＳＦ境界面４における外周部の結晶成長軸方向の高さＢと中心部の結晶成長軸方向の高さＣとの距離Ｌは３５ｍｍであった。なお、上述したように、シリコン単結晶ＳＩの直径Ｄは３００ｍｍであるので、Ｌ／Ｄ＝３５／３００であった。
また、引き上げ速度が０．４０ｍｍ／分程度のときにＩ領域が成長し始め、Ｐ領域とＩ領域との境界面であるＰ―Ｉ境界面５が形成されている。Ｐ―Ｉ境界面５は、外周部から中心部に向かって緩やかな傾斜を形成している。

図２〜図４に示すように、上述した実施例の条件でシリコン単結晶ＳＩを成長させることにより、Ｖ―ＯＳＦ境界面３、Ｐ―ＯＳＦ境界面４、Ｐ―Ｉ境界面５のいずれもが外周部から中心部に向かって緩やかな傾斜を形成している径方向の結晶欠陥分布の変化が小さいシリコン単結晶ＳＩが製造された。
また、図２〜図４より、上述した実施例の条件でシリコン単結晶ＳＩの引き上げ速度を０．４５ｍｍ／分程度とすれば、結晶全長にわたって径方向の切断面の全面がＰ領域であるシリコン単結晶が得られることが確認できた。

「従来例」
磁場９の中心Ａの高さ位置をシリコン融液Ｍの液面の下方２３０ｍｍとしたこと以外は実施例と同様にしてシリコン単結晶製造を製造した。この場合の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を図５及び図６に示す。

図５は、図２に示す固化率２０〜５０％のときに得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。なお、図５に示した結晶欠陥分布は、シリコン単結晶ＳＩの結晶成長軸方向断面のうち、シリコン単結晶ＳＩの外面から結晶成長軸中心までの部分のみ示している。また、図６は、図２に示す固化率２０〜４０％のときに得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示す図である。

図５及び図６に示すように、上述した従来例の条件でシリコン単結晶ＳＩを成長させることにより、Ｖ―ＯＳＦ境界面６、Ｐ―ＯＳＦ境界面７、Ｐ―Ｉ境界面８の形成する外周部から中心部に向かう傾斜が、図３及び図４に示す実施例と比較して急峻となり、径方向の結晶欠陥分布の変化が実施例と比較して大きいシリコン単結晶ＳＩが製造された。
また、図３および図５に示すように、Ｖ―ＯＳＦ境界面６形成する外周部から中心部に向かう傾斜は、引き上げ速度を低下させて行った場合でも引き上げ速度を上昇させて行った場合でも、実施例における境界面は、従来例に比較して結晶軸方向に急峻でなくなった。
また、Ｐ―ＯＳＦ境界面７における外周部の結晶成長軸方向の高さＢと中心部の結晶成長軸方向の高さＣとの距離Ｌは１５０ｍｍであった。なお、上述したように、シリコン単結晶ＳＩの直径Ｄは３００ｍｍであるので、Ｌ／Ｄ＝１５０／３００であり、好ましい範囲であるＬ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００の上限を超えていた。
また、図５及び図６より、上述した従来例の条件では、径方向の切断面の全面がＰ領域であるシリコン単結晶は得られないことが確認できた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の内容に限られず、本発明の範囲内で自由に変更可能である。例えば、上記実施形態では坩堝２に収容されたシリコン融液Ｍにシリコン単結晶の径方向に磁場を印加してシリコン単結晶ＳＩを製造する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、水平磁場に加えてカスプ磁場を印加しつつシリコン単結晶ＳＩを製造するようにしても良い。また、本発明は製造するシリコン単結晶ＳＩの径（直径）の大きさに制限はなく、任意の直径を有するシリコン単結晶を製造する場合に適用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態によるシリコン単結晶製造方法において使用するシリコン単結晶製造装置の概略断面図である。 図２は、シリコン融液Ｍの固化率とシリコン単結晶ＳＩの引き上げ速度との関係を示したグラフである。 図３は、実施例において得られたシリコン単結晶の長さに対する結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。 図４は、図２に示す固化率２０〜４０％のときに実施例において得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。 図５は、従来例において得られたシリコン単結晶の長さに対する結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。 図６は、図２に示す固化率２０〜４０％のときに従来例において得られたシリコン単結晶の結晶成長軸方向断面の結晶欠陥分布を示した図である。

符号の説明

１、１：磁気コイル、２：坩堝、３、６：Ｖ―ＯＳＦ境界面、４、７：Ｐ―ＯＳＦ境界面、５、８：Ｐ―Ｉ境界面、９：磁場、Ｍ：シリコン融液、ＳＩ：シリコン単結晶、Ａ：磁場の中心、

Claims (2)

1. 坩堝に収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させて製造するシリコン単結晶製造方法において、
   前記シリコン単結晶の径方向に磁場を印加しながら引き上げる磁場印加ステップを有する単結晶の引き上げをおこなう工程と、
   磁場を印加しつつ固化率が２０〜４０％において引き上げ速度を０．５３ｍｍ／分から０．３８ｍｍ／分の範囲で変化させる試験的な引き上げをおこなう工程と、
   前記試験的な引き上げをおこなった際に、シリコン単結晶の軸方向に順次生じる結晶欠陥の状態が異なる領域を、それぞれ第１の結晶欠陥領域、第２の結晶欠陥領域とし、前記第１の結晶欠陥領域と前記第２の結晶欠陥領域との間で形成される境界面において、単結晶外周部における前記境界面位置と単結晶中心部における前記境界面位置との結晶成長軸方向における距離をＬｍｍとした際、該距離Ｌのシリコン単結晶直径Ｄｍｍに対する比が、
   Ｌ／Ｄ＝３５／３００〜１０５／３００
   となるような磁場条件を求める工程と、を備え、
   前記シリコン単結晶の引き上げ工程において、前記シリコン融液の液面に対する前記磁場中心の高さ位置を、前記シリコン単結晶の径方向における温度分布を低減するように求めた前記磁場条件となるように制御して前記シリコン単結晶の引き上げをおこなうことを特徴とするシリコン単結晶製造方法。
2. 前記第２の結晶欠陥領域が、空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶製造方法。

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