JP4946590B2 - シリコン単結晶の育成方法、評価方法および生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）によるシリコン単結晶の育成方法、育成したシリコン単結晶における転位の有無を評価する方法、および育成後の結晶の評価を行うシリコン単結晶の生産方法に関する。

通常、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶には、軸方向に沿ってその表面から突出した直線状の晶癖線が形成されるが、シリコン単結晶が有転位化した場合には、転位発生時から晶癖線が消失する現象が見られる。

このため、シリコン単結晶の育成の際は、転位の有無を晶癖線が形成されるか否かによって判断し、有転位化したシリコン単結晶は、再融解するか、育成を中止して単結晶を炉外に排出し、ルツボ内に残存するシリコン融液から新たにシリコン単結晶を育成する等の処置が行われている。

特に、従来から多用されている結晶方位が［１００］のシリコン単結晶の育成では、互いに交差するすべり面に載った転位同士が複雑に絡み合う転位の相互作用と称される現象により、転位が増殖する傾向がある。このため、シリコン単結晶育成中に転位が発生した場合には、単結晶の径方向にも転位が増殖して前記直線状の晶癖線が消失するので、晶癖線の有無によって転位発生の有無を確認することができる。

しかしながら、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成する際には、得られたシリコン単結晶が、直線状の晶癖線が維持されたシリコン単結晶であっても、実際にはシリコン単結晶が有転位化している場合があることが判明した。

これは、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶では、すべり面が単結晶の成長軸と平行になっているために、単結晶内に生じる熱応力により転位がすべり面に沿って下方に移動する運動が優勢となり、転位が結晶の径方向に向かって増殖し難く、単結晶内部に微量（低密度）の転位が存在しても、単結晶の外周面に直線状の晶癖線が維持されたシリコン単結晶になることによるものと考えられる。

一般に、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際、種結晶をシリコン溶融液と接触させるときのヒートショックにより種結晶内に転位が発生するが、結晶方位が［１００］のシリコン単結晶では、ネッキングプロセスにより発生した転位を除去することができる。転位の除去の際に残存した微量の転位は、肩部や直胴部で増殖し、晶癖線が消失するので、有転位化結晶と判断できる。

しかし、結晶方位が［１１０］の単結晶では、すべり面が結晶成長方向と平行であるため転位が外周に移動しにくく、無転位化されにくい。そのため、無転位化の技術が種々開発されている。しかし、それらの技術によっても無転位化しきれずに低密度の転位が残存する場合が皆無とは言えず、この低密度の初期転位が残存した場合は、転位が結晶の径方向には増殖し難いために、前述のように晶癖線が維持された結晶が育成されると考えられる。

なお、無転位化の技術としては、例えば、すべり面が単結晶の成長軸に対して傾斜するように、＜１１０＞結晶方位が種結晶の軸方向に対して傾斜された状態で当該種結晶を引き上げる方法（特許文献１参照）、絞り工程において、１５００ガウス以上の磁場を印加し、融液表面の振動と温度変動を抑制しつつ結晶直径を２．０ｍｍ未満に絞って転位を除去するシリコン単結晶の引き上げ方法（特許文献２）、等が挙げられる。

特開２００３−３１３０８９号公報 特開平９−１６５２９８号公報

本発明は、このような新たに判明した問題に鑑みなされたもので、結晶方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶を安定して育成する方法、［１１０］のシリコン単結晶の外表面に形成される晶癖線の有無により転位発生の有無を判定するシリコン単結晶の評価方法、および結晶を育成するとともに、育成後の結晶の評価を行うシリコン単結晶の生産方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、単結晶内部に微量であっても転位が存在するときには、晶癖線が維持されないようにする方策を見出すべく検討を重ねた。これによって、有転位化していない単結晶のみを引き上げて製品として炉外に取り出し、有転位化した単結晶を良品として引き上げる危険性を回避することができるからである。

本発明者らの実験によれば、結晶中の転位の数が多いほど移動する転位も増加し、転位密度が増加するほど結晶の強度は低下することが判明した。これは転位密度と結晶の強度には相関があり、結晶を構成する原子間の結合を切る力よりも遙かに小さい外力で転位は移動することによるものと推測される。このことから類推して、低密度の転位が存在する結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶の内部に高い応力を生じさせた場合、転位が結晶の径方向にも移動して晶癖線が維持されなくなることが予想され、そのための応力としては、熱応力が考えられる。

そこで、育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却し、生じる熱応力の影響について検討した結果、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成する際に、シリコン単結晶に高い熱応力が生じている条件下で単結晶の育成を行うことによって、単結晶内の転位が微量であった場合には、転位の増殖が促進され、晶癖線を維持できない程度にまで転位が径方向に増殖し進展するという新たな知見が得られた。具体的には、シリコン単結晶を強制的に冷却しながら引き上げることにより、育成中の単結晶に対して高い熱応力が付加される結晶育成環境を造り込むことができる。

本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記（１）のシリコン単結晶の育成方法、（２）のシリコン単結晶の評価方法、および（３）のシリコン単結晶の生産方法にある。

（１）チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成方法であって、育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繞するように冷却体を設けて前記シリコン単結晶を強制的に冷却しながら、前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線を形成させ、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法である。

（２）強制的に冷却されながらＣＺ法により育成された結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を対象として、前記シリコン単結晶の外表面に形成される晶癖線の有無によって前記シリコン単結晶における転位発生の有無を判定することを特徴とするシリコン単結晶の評価方法である。

（３）育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却しながら、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶をＣＺ法により育成し、得られた前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線が存在する場合に、良品シリコン単結晶と判定することを特徴とするシリコン単結晶の生産方法である。

本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、有転位化していない単結晶のみを引き上げて製品として取り出すことが可能であり、結晶方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができる。また、本発明のシリコン単結晶の評価方法によれば、シリコン単結晶の外表面に形成される晶癖線の有無により結晶方位［１１０］のシリコン単結晶への転位発生の有無を判定することができる。

さらに、本発明のシリコン単結晶の生産方法により得られる結晶方位［１１０］のシリコン単結晶には微量の転位も存在していないので、この単結晶をウェーハ加工に使用すれば、ウェーハとしての製品歩留まりが向上する。

本発明のシリコン単結晶の育成方法は、ＣＺ法によるシリコン単結晶を育成するに際し、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成の対象とし、前記シリコン単結晶を強制的に冷却しながら、前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線を形成させることを特徴としている。

結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成の対象とするのは、前述のように、この単結晶ではすべり面が単結晶の成長軸と平行になっているため転位がすべり面に沿って下方に移動し易く、単結晶内部に微量の転位が存在しても晶癖線の消失には至らない場合があるため、晶癖線の有無によって転位発生の有無を判定することができず、無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができないからである。

シリコン単結晶を強制的に冷却するのは、育成中のシリコン単結晶に高い熱応力を生じさせ、単結晶内に転位が発生した場合には、当該単結晶を、晶癖線を維持できない程度にまで転位が増殖する環境下におくためである。前記の強制的な冷却は、育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繞するように冷却体を設けることにより実現できる。

前記の冷却は、育成中のシリコン単結晶に対して行うが、特に、もともと温度勾配が大きく（降伏応力が小さく）、冷却によってより大きな熱応力が発生し易い固液界面近傍（引き上げられた直後の単結晶とシリコン融液との界面近傍）を強制的に冷却するのが効果的であり、望ましい。

冷却体としては、例えば、銅やステンレス鋼等の金属製でその内部に冷却水を流通させる内部水冷方式の冷却体を用いるのが、冷却効果が大きく好適である。

冷却体の形状は、特に限定されない。シリコン単結晶の周囲を囲繞するように構成されたものであればよく、例えば、引き上げ中の単結晶の周囲を熱遮蔽体で包囲し、その内側に配置され、内部に冷却水を通水して単結晶を冷却する強制冷却体などが使用できる。熱遮蔽体を設けることにより、シリコン融液や、融液を保持する石英ルツボからの輻射熱を遮断して、冷却効果を一層高めることができる。冷却体の具体的な形状を例示すると、シリコン単結晶の引き上げ軸と同軸の円筒状の冷却体、あるいは、固液界面近傍を強制的に冷却するために、下方に向かうほど単結晶表面との距離が短くなるように構成された逆円錐台形状の冷却体等である。

冷却体は、単結晶表面から冷却体表面までの距離が３０〜８０ｍｍの範囲にあり、引き上げ軸方向の長さが５０〜１８０ｍｍ、その下端と融液面との距離が１７０〜３００ｍｍで、単結晶に面する表面の温度が５０〜２２０℃となるように設計・配置されていることが望ましい。

本発明における冷却条件としては、融点から１３５０℃までの温度域における育成中の単結晶の平均温度勾配が２．５〜３．５Ｋ／ｍｍとなるように強制冷却することが望ましく、更に、単結晶中心部および単結晶外周部とも、上記温度勾配の範囲となるように強制冷却することが望ましい。また、熱応力の観点から規定すれば、融点から１３５０℃までの温度域における単結晶の熱応力が単結晶中心部および単結晶外周部において２５〜５０ＭＰａとなるように強制冷却することが望ましい。これにより、育成中の単結晶に対して大きな熱応力が生じ、転位が径方向にも増殖することとなる。なお、上記した温度勾配値あるいは熱応力値よりも値が小さくなるような冷却条件では、外周部の晶癖線が保たれ、内部に転位が存在するシリコン単結晶が育成されることになり、上記した温度勾配値あるいは熱応力値よりも値が大きくなるような冷却条件では、過度の冷却により内部応力が強くなりすぎて、育成した単結晶が冷却過程において割れてしまう問題がある。

本発明のシリコン単結晶の育成方法によれば、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を強制的に冷却しながら、ＣＺ法により育成するので、単結晶内には高い熱応力が生じ、育成中のシリコン単結晶に転位が発生した場合には、転位が径方向にも増殖し、単結晶の外表面の晶癖線が消失する。したがって、有転位化していない単結晶のみを製品として引き上げることができ、有転位化した単結晶を良品として引き上げる危険性を回避し、無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができる。

本発明のシリコン単結晶の評価方法は、強制的に冷却されながらＣＺ法により育成された結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を対象として、晶癖線の有無により、前記シリコン単結晶における転位発生の有無を判定する方法である。

前記の「強制的な冷却」は、前述のように、育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繞するように設けられた冷却体による冷却が一般的である。

強制的に冷却されながら育成された結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を対象とするのは、従来の、強制的冷却が行われずに育成された場合は、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶の内部に微量の転位が発生しても、この転位が結晶の径方向に向かって増殖し難く、晶癖線の消失には至らないため、晶癖線の有無によって転位発生の有無を判定することができないからである。

この本発明の評価方法によれば、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶の育成中に生成した低密度の転位であっても、結晶内に生じる高い熱応力によって転位の径方向への増殖が促進され、晶癖線が消失する。したがって、晶癖線の有無により、前記シリコン単結晶における転位発生の有無を判定することができる。

本発明のシリコン単結晶の生産方法は、育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却しながら、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶をＣＺ法により育成し、得られた前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線が存在する場合に、良品シリコン単結晶と判定する方法である。

ここで、この発明を「シリコン単結晶の生産方法」としているのは、前述のシリコン単結晶の育成方法（すなわち、シリコン単結晶を製造する方法）と、シリコン単結晶の評価方法とを結びつけ、シリコン単結晶を育成した後、育成後の結晶の評価をするという「製造」よりは広い概念の発明としたことによるものである。この方法で生産された製品としてのシリコン単結晶は、ウェーハの製造に使用される。

前記の「強制的な冷却」は、育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繞するように設けられた冷却体による冷却が一般的である。

本発明のシリコン単結晶の生産方法では、前述のように、育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却するので、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶であっても、育成中に転位が発生した場合には、結晶の径方向にも転位が増殖して前記直線状の晶癖線が消失する。したがって、晶癖線が維持されていれば、単結晶内には微量の転位も存在していない良品シリコン単結晶と判定することができる。

この生産方法によれば、単結晶内には微量の転位も存在していないので、ウェーハとしての製品歩留まりが向上する。

本発明の育成方法を適用して、直径３００ｍｍ、直胴部長さ２０００ｍｍで、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶の引き上げを行った。

図１は、引き上げに用いた装置で、シリコン単結晶を強制的に冷却しながら引き上げることができる引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図である。

装置の中心部に、回転および昇降が可能な支持軸９の上端部に固定されルツボ１が配置され、ルツボ１の外側にはヒーター２および断熱材３が概ね同心円状に配設されている。さらに、この装置では、引き上げ中のシリコン単結晶４の周囲を包囲する熱遮蔽体５と、その内側に配置され、内部に冷却水を通水して単結晶４を冷却する冷却体６が取り付けられている。この装置を使用することにより、種結晶７をシリコン融液８に浸漬させ、引き上げ軸１０に沿って単結晶４を引き上げる際に、固液界面近傍を冷却体６で強制的に冷却することができる。

なお、比較のために、前記の強制的な冷却を行わず、その他の条件は本発明の育成方法の場合と同じにした引き上げ（従来方式の引き上げで、以下、比較例と記す）を行った。

これらの引き上げで得られたシリコン単結晶のミドル部において引上げ軸に垂直に切断したサンプルウェーハを作成し、その表面を、セコエッチング（フッ酸とクロム酸カリウムの混合液を用いるエッチング）した後、集光灯による光照射の下で目視による表面観察を行い、スリップ転位の発生状況を調査した。

さらに、これらのシリコン単結晶育成時における固液界面（引き上げ直後の単結晶とシリコン融液の界面）での温度勾配と結晶内に生じる熱応力を、総合伝熱解析ソフトにより求めた。

図２に、伝熱解析によるシリコン単結晶の固液界面での温度勾配とシリコン単結晶内に生じる熱応力を示す。

図２において、シリコン単結晶の固液界面（融点から１３５０℃までの温度領域）での単結晶の温度勾配（図２（ｂ）参照）は、強制的な冷却を行った実施例では、比較例に比べて、シリコン単結晶の半径方向全域にわたり、０．５〜０．６Ｋ／ｍｍ程度大きく、特に中心部とその近傍で差が広がる傾向がみられた。

また、この温度勾配によって生じるシリコン単結晶の固液界面での熱応力（図２（ａ）参照）は、前記温度勾配の差が反映され、実施例では、シリコン単結晶の半径方向全域にわたって比較例よりも高く、特に単結晶の中心部とその近傍ではその差が大きくなっていることが判る。

表１に、育成するシリコン単結晶の結晶方位と引き上げ方法、晶癖線の有無、およびスリップ転位発生状況の調査結果を示す。

表１の結果から明らかなように、引き上げ時にシリコン単結晶を強制的に冷却した実施例１および２において、育成された単結晶の表面に晶癖線が維持されていた実施例１では、スリップ転位の発生は認められなかったのに対し、単結晶の表面の晶癖線が消失した実施例２では、長さ１５０ｍｍのスリップ転位が確認された。実施例２では、引き上げ時における強制的冷却により、図２（ａ）の実施例に例示される大きな熱応力が結晶内部に生じ、結晶内の転位の増殖が著しく促進されたことによるものと考えられる。

一方、従来の強制的な冷却をせずに引き上げを行った比較例では、育成後の単結晶表面に晶癖線が維持されていたものの、長さ３０ｍｍ程度のスリップ転位の発生が確認された。これは、図２（ａ）の比較例に例示される程度の熱応力では、発生した微量の転位が結晶の径方向に向かって増殖し難く、結晶内に残存したものと推測される。

本発明のシリコン単結晶の育成方法は、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成の対象とし、前記シリコン単結晶を強制的に冷却しながら育成する方法で、この方法によれば、有転位化していない単結晶のみを製品として引き上げることができ、無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができる。

また、本発明のシリコン単結晶の評価方法によれば、シリコン単結晶の外表面に形成される晶癖線の有無により前記シリコン単結晶への転位発生の有無を判定することができる。さらに、本発明の生産方法により得られるシリコン単結晶には、微量の転位も存在していないので、この単結晶をウェーハ加工に使用すれば、ウェーハとしての製品歩留まりが向上する。

したがって、本発明のシリコン単結晶の育成方法、評価方法および生産方法は、半導体材料としてのシリコン単結晶の製造、さらには半導体素子の基板材料であるシリコンウェーハの製造に好適に利用することができる。

実施例で用いた引き上げ装置で、シリコン単結晶を強制的に冷却しながら引き上げることができる引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図である。 シリコン単結晶育成時の固液界面での温度勾配と結晶内に生じる熱応力を総合伝熱解析ソフトにより求め、例示した図で、（ａ）は固液界面での熱応力、（ｂ）は温度勾配である。

符号の説明

１：ルツボ
２：ヒーター
３：断熱材
４：シリコン単結晶
５：熱遮蔽体
６：冷却体
７：種結晶
８：シリコン融液
９：支持軸
１０：引き上げ軸

Claims (3)

1. チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成方法であって、育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繞するように冷却体を設けて前記シリコン単結晶を強制的に冷却しながら、前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線を形成させ、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
2. 強制的に冷却されながらチョクラルスキー法により育成された結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を対象として、前記シリコン単結晶の外表面に形成される晶癖線の有無によって前記シリコン単結晶における転位発生の有無を判定することを特徴とするシリコン単結晶の評価方法。
3. 育成中のシリコン単結晶を強制的に冷却しながら、結晶方位［１１０］のシリコン単結晶をチョクラルスキー法により育成し、得られた前記シリコン単結晶の外表面に晶癖線が存在する場合に、良品シリコン単結晶と判定することを特徴とするシリコン単結晶の生産方法。

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