JP5201077B2 - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに適したシリコンウェーハを製造するために、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造し、このシリコン単結晶をスライスして得られたウェーハ内部の欠陥が低減されたシリコンウェーハの製造方法に関するものである。
近年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下、ＩＧＢＴという）の開発などが進められている。ＩＧＢＴは、メモリ等のＬＳＩのようにウェーハの表面近傍だけ（ウェーハの横方向だけ）を使う素子ではなく、ウェーハの厚さ方向（ウェーハの縦方向）をも使う素子であるので、その特性はウェーハのバルクの品質に影響される。このため、ウェーハ表層部に存在するＣＯＰ（Crystal Originated Particle：空孔型凝集欠陥）や酸素析出物だけではなく、ウェーハ内部のＣＯＰや酸素析出物をも低減する必要がある。
従来、ＩＧＢＴ用シリコンウェーハの製造方法が、例えば、特許文献１に開示されている。この特許文献１には、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により格子間酸素濃度が７．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるシリコン単結晶を形成し、このシリコン単結晶に中性子線を照射することによりリンをドープしてからウェーハを切り出し、このウェーハに対して少なくとも酸素を含む雰囲気で次の式（１）を満たす温度Ｔ（℃）で酸化雰囲気アニールを行い、ウェーハの一面側にポリシリコン層又は歪み層を形成することが開示されている。
［Ｏi］≦２．１２３×１０21ｅｘｐ（−１．０３５／ｋ（Ｔ＋２７３））…（１）
上記式（１）において、［Ｏi］はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値であり、ｋはボルツマン定数８．６１７×１０-5ｅＶ／Ｋである。このように製造されたシリコンウェーハでは、格子間酸素濃度が極めて低いシリコン単結晶を酸素雰囲気中でアニールすることで、ＣＯＰを消滅させることができる。またシリコン単結晶に中性子を照射して原子核転換することにより、シリコン原子の一部をリン原子に変換させることで、抵抗率が均一なウェーハを得られるようになっている。
上記式（１）において、［Ｏi］はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値であり、ｋはボルツマン定数８．６１７×１０-5ｅＶ／Ｋである。このように製造されたシリコンウェーハでは、格子間酸素濃度が極めて低いシリコン単結晶を酸素雰囲気中でアニールすることで、ＣＯＰを消滅させることができる。またシリコン単結晶に中性子を照射して原子核転換することにより、シリコン原子の一部をリン原子に変換させることで、抵抗率が均一なウェーハを得られるようになっている。
しかし、上記従来の特許文献１に示されたＩＧＢＴ用シリコンウェーハの製造方法では、シリコン融液にリン等のドーパントを含有させずにシリコン単結晶を引上げた後、このシリコン単結晶に中性子を照射することにより、径方向及び軸方向に抵抗率の均一なシリコンウェーハを得ることができるけれども、シリコン単結晶内に存在するＣＯＰのサイズが大きい場合やＣＯＰの密度が高い場合には、ウェーハに酸化熱処理を施してもＣＯＰを完全に消滅させることができない不具合があった。
一方、ＩＧＢＴ用のシリコン単結晶ウェーハとしては、これまで以上に酸素濃度が可及的に低減され、かつ面内の抵抗分布が均一なシリコンウェーハの提供が要求される。シリコン単結晶中の酸素濃度を低下させる技術として、これまでシリコン融液に水平磁場を印加してるつぼの回転速度を遅くすることにより、るつぼからシリコン融液中への酸素の取込み量を低減することができ、単結晶中の格子間酸素濃度を低下できることが知られていた。しかしながら、本発明者らの実験によれば、シリコン融液に水平磁場を印加した状態で、るつぼの回転速度を低速にするだけでは、格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下というような極めて酸素濃度の低いシリコン単結晶を育成できないことが明らかとなった。また、シリコン単結晶の回転速度を遅くすることで、格子間酸素濃度をより低減できることを知見した。
本発明の第１の目的は、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０ 6 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以下であるため、このウェーハに所定の酸化熱処理を施すことにより、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、シリコン単結晶を引上げた直後のるつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、先に引上げたシリコン単結晶と同等の品質特性を有するシリコン単結晶をるつぼから引上げることにより、複数本のシリコン単結晶の略全長にわたって、格子間酸素濃度を低減できる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、シリコン融液に水平磁場を印加し、るつぼの回転速度を遅くし、更にシリコン単結晶の回転速度を遅くして、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面の形状を平坦化した状態でシリコン単結晶を引上げることにより、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度を低減できる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。本発明の第４の目的は、シリコン単結晶が所定のサイズ及び密度のＣＯＰ発生領域を含むことにより、シリコン単結晶の許容される引上げ速度の幅が狭くなるのを抑制でき、またシリコン単結晶に中性子を照射して、シリコン原子の一部をリン原子に変換してシリコン単結晶にリンをドープすることにより、シリコン単結晶内のリンの濃度が径方向及び軸方向にわたって均一になり、結果としてシリコン単結晶内の径方向の面内抵抗率のバラツキを低減することができる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
本発明の第１の観点は、チャンバに収容されたるつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながらシリコン単結晶を引上げた後に、このシリコン単結晶に中性子を照射することによりシリコン単結晶にリンをドープし、このシリコン単結晶をスライスしてシリコンウェーハを製造する方法において、るつぼから、内部の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるシリコン単結晶であって、サイズが１００ｎｍ以下でありかつ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるＣＯＰの発生領域を含むシリコン単結晶を引上げた後に、このシリコン単結晶への中性子の照射によりシリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下にし、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰを消滅させることを特徴とする。ここで、シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキは、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハの左端から５ｍｍ内側に入った位置、ウェーハの左端と中心との中間位置、ウェーハの中心、ウェーハの右端と中心との中間位置、及びウェーハの右端から５ｍｍ内側に入った位置で抵抗率を４探針法によりそれぞれ測定し、これらの測定値の分布幅を算出した後に、この分布幅を測定値の最小値で除して１００倍して得られた値をいう。
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に引上げ中のシリコン単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域におけるシリコン単結晶の引上げ軸方向の温度勾配のうち、引上げ中のシリコン単結晶の中心部の温度勾配をＧcとし、引上げ中のシリコン単結晶の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下でシリコン単結晶を引上げることを特徴とする。
本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更にシリコン単結晶内の格子間酸素濃度が全長にわたって６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるようにシリコン単結晶を引上げた後に、るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、るつぼ内のシリコン融液から新たにシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を引上げるとともに、引上げ後の各シリコン単結晶に中性子を照射することによりシリコン単結晶にリンをドープすることを特徴とする。
本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点に基づく発明であって、更にるつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、引上げ中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下であることを特徴とする。
本発明の第１の観点のシリコンウェーハの製造方法では、シリコン融液に電気抵抗率を調整するためのリン等のドーパントを含有させずにシリコン単結晶を引上げた後、このシリコン単結晶に中性子を照射して原子核転換することにより、シリコン原子の一部をリン原子に変換してシリコン単結晶にリンをドープしたので、シリコン単結晶内のリンの濃度を径方向及び軸方向にわたって均一にすることができる。この結果、シリコン単結晶内の径方向の面内抵抗率のバラツキをシリコン単結晶の直胴部のほぼ全長にわたって低減することができる。また所定のサイズ及び密度のＣＯＰ発生領域を含む結晶領域を対象とするので、無欠陥単結晶における問題点、即ち無欠陥単結晶の生産性が低下したり、或いは許容される引上げ速度の幅が狭いことによる単結晶の引上げ制御が困難となるという問題点を解消することができる。
また本発明の第１の観点のシリコンウェーハの製造方法では、上記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０ 6 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以下であるため、このウェーハに所定の酸化熱処理を施すと、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。
また本発明の第１の観点のシリコンウェーハの製造方法では、上記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０ 6 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以下であるため、このウェーハに所定の酸化熱処理を施すと、ウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。
本発明の第２の観点のシリコンウェーハの製造方法では、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶を引上げることにより、ＣＯＰのサイズが小さくかつその密度が低い単結晶を得ることができる。従来の引上げ方法のＧc／Ｇe＜１の関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するように単結晶を引上げると、即ち引上げ速度を速くしてＣＯＰサイズを縮小化させるのに適した冷却速度の速いホットゾーンで単結晶を引上げると、単結晶内のＣＯＰのサイズは小さくなるけれども、その密度は高くなってしまう。この結果、従来のホットゾーンで引上げられた単結晶では、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることはできないけれども、本発明のホットゾーンで引上げられた単結晶では、その後の酸化熱処理によってウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。
本発明の第３の観点のシリコンウェーハの製造方法では、シリコン単結晶を引上げた直後のるつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、先に引上げたシリコン単結晶と同等の品質特性を有するシリコン単結晶をるつぼから引上げることにより、１つのるつぼからシリコン単結晶を複数本引上げる、いわゆるマルチプリングが可能となる。この結果、複数本のシリコン単結晶の直胴部のほぼ全長にわたって、格子間酸素濃度を低減できる。
本発明の第４の観点のシリコンウェーハの製造方法では、シリコン融液に水平磁場を印加し、るつぼの回転速度を遅くし、更にシリコン単結晶の回転速度を遅くしたので、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面の形状が平坦化した状態でシリコン単結晶が引上げられる。この結果、シリコン単結晶の回転速度を遅くしても、シリコン単結晶内の格子間酸素濃度を直胴部のほぼ全長にわたって低減することができる。
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、シリコン単結晶１１の引上げ装置は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１２と、このチャンバ１２内の中央に設けられたるつぼ１３とを備える。メインチャンバ１２は円筒状の真空容器である。またるつぼ１３は、石英により形成されシリコン融液１５が貯留される有底円筒状の内層容器１３ａと、黒鉛により形成され上記内層容器１３ａの外側に嵌合された有底円筒状の外層容器１３ｂとからなる。外層容器１３ｂの底部にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下端にはシャフト１４を介してるつぼ１３を回転させかつ昇降させるるつぼ駆動手段１６が設けられる。更にるつぼ１３の外周面は円筒状のヒータ１７によりるつぼ１３の外周面から所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８によりヒータ１７の外周面から所定の間隔をあけて包囲される。
一方、メインチャンバ１２の上端には、内部が連通するようにメインチャンバ１２より小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバ１９の上端には引上げ回転手段２０が設けられる。この引上げ回転手段２０は、下端にシードチャック２１が取付けられた引上げ軸２２を昇降させるとともに、この引上げ軸２２をその軸線を中心に回転させるように構成される。また上記シードチャック２１には種結晶２３が着脱可能に装着される。この種結晶２３の下端をシリコン融液１５中に浸漬した後、種結晶２３を引上げ回転手段２０により回転させかつ引上げるとともに、るつぼ１３をるつぼ駆動手段１６により回転させかつ上昇させることにより、種結晶２３の下端からシリコン単結晶１１を引上げて引上げるように構成される。
メインチャンバ１２内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通される。プルチャンバ１９の側壁にはガス供給パイプ２４の一端が接続され、このガス供給パイプ２４の他端は不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続される。またメインチャンバ１２の下壁にはガス排出パイプ２６の一端が接続され、このガス排出パイプ２６の他端は真空ポンプ２７の吸入口に接続される。タンク内の不活性ガスは、ガス供給パイプ２４を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１２内を通った後、ガス排出パイプ２６を通ってメインチャンバ１２から排出されるように構成される。なお、ガス供給パイプ２４及び排出パイプ２６にはこれらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁４１，４２がそれぞれ設けられる。
またメインチャンバ１２内には、シリコン単結晶１１外周面へのヒータ１７の輻射熱の照射を遮るとともに、上記不活性ガスを整流するための熱遮蔽体２８が設けられる。この熱遮蔽体２８は、下方に向うに従って直径が次第に小さくなりかつシリコン融液１５から引上げられるシリコン単結晶１１の外周面をこの外周面から所定の間隔をあけて包囲する円錐台状の筒体２８ａと、この筒体２８ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部２８ｂとを有する。熱遮蔽体２８は、フランジ部２８ｂを保温筒１８上にリング板２８ｃを介して載置することにより、筒体２８ａの下縁がシリコン融液１５表面から所定のギャップをあけて上方に位置するようにメインチャンバ１２内に固定される。更にシリコン融液１５には水平磁場２９を印加しながらシリコン単結晶１１を引上げるように構成される。この水平磁場２９は、同一のコイル直径を有する第１及び第２コイル３１，３２を、るつぼ１３の外周面から水平方向に所定の間隔をあけた外側方に、るつぼ１３を中心として互いに対向するように配設し、これらのコイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより発生する。なお、図１中の符号５１は、シリコン原料５２をるつぼ１３に供給するための原料供給管である。この原料供給管５１は１つのるつぼ１３から複数本のシリコン単結晶１１を引上げるマルチプリング法に用いられる。
このように構成された引上げ装置を用いてシリコン単結晶１１を引上げる方法を説明する。先ず第１及び第２コイル３１，３２にそれぞれ同一向きの電流を流すことにより水平磁場２９を発生させる。この水平磁場２９の磁場強度はシリコン融液１５表面とるつぼ１３の中心軸との交点で測定され、その磁場強度が０．２Ｔ（テスラ）以上となるように、第１及び第２コイル３１，３２に流れる電流が制御される。ここで、磁場強度を０．２Ｔ以上に限定したのは、磁場強度が０．２Ｔ未満ではシリコン単結晶１１への酸素の取込みを低減するという効果が薄れてしまうからである。但し、過度に磁場強度を高くすると、るつぼ１３の内層容器１３ａの内表面の劣化を促進し単結晶１１の有転位化を招くおそれがあるため、磁場強度を０．５Ｔ以下とすることが望ましい。なお、るつぼ１３内のシリコン融液１５には、Ｐ（リン）等のドーパントは添加されていない。
次に上記装置を用いて引上げるシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を引上げる。ここで、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件下でＣＯＰが発生するようにシリコン単結晶１１を引上げるのは、ＣＯＰのサイズが小さくかつその密度が低い単結晶１１を得るためである。具体的には、単結晶１１内のＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下、かつその密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、好ましくは１×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるＣＯＰの発生領域を含む単結晶１１を引上げる。ここで、単結晶１１内におけるＣＯＰのサイズを１００ｎｍ以下に限定したのは、このサイズよりもＣＯＰサイズが大きい場合には高温の酸化熱処理を施してもＣＯＰが消滅し難くなるからであり、単結晶１１内におけるＣＯＰの密度を３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に限定したのは、３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えるとそのＣＯＰ密度が多いため、酸化熱処理を施しても消滅されないＣＯＰ密度が増加してしまうからである。
更にシリコン単結晶１１の引上げ中におけるるつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下、好ましくは０．３ｒｐｍ以下に設定し、引上げ中のシリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下、好ましくは５ｒｐｍ以下に設定する。ここで、るつぼ１３の回転速度を１．５ｒｐｍ以下に限定し、シリコン単結晶１１の回転速度を７ｒｐｍ以下に限定したのは、シリコン単結晶１１の格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に保つためである。なお、シリコン単結晶１１の回転速度の下限は０．５ｒｐｍ以上とすることが望ましく、これよりも遅い場合にはシリコン単結晶１１に変形を生じる。上述のように、Ｇc／Ｇe≧１という関係を満たす条件とすることで、単結晶１１とシリコン融液１５との固液界面の形状が平坦化し、この状態でシリコン融液１５に水平磁場２９を印加し、るつぼ１３の回転速度を遅くし、更に単結晶１１の回転速度を遅くすることで、シリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度を低減できる。但し、上記条件でシリコン単結晶１１を引上げても、るつぼ１３内のシリコン融液１５の残量が少なくなると、るつぼ１３の石英製の内層容器１３ａへのシリコン融液１５の接触面積がシリコン融液１５の残量に対して相対的に増すため、シリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度は増大し、シリコン単結晶１１の直胴部後半において、格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える直胴部が育成されることになる。
このため、マルチプリング法により１つのるつぼ１３から複数本のシリコン単結晶１１を引上げることが有効となる。即ち、シリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えない範囲、好ましくは４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えない範囲でシリコン単結晶１１の引上げを完了させ、メインチャンバ１２内を含む炉内を真空に保った状態で、シリコン単結晶１１を取出し、シリコン原料５２を原料供給管５１からるつぼ１３に供給して溶融させ、このるつぼ１３内のシリコン融液１５から新たにシリコン単結晶１１を引上げる。このマルチプリング法による引上げでは、引上げるシリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度を６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、好ましくは４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように、引上げるシリコン単結晶１１の直胴部のトップからボトムまでの長さを予め設定しておく。例えば、最初のシリコン単結晶１１を引上げる前又は１本のシリコン単結晶１１を引上げた後に、シリコン原料５２をるつぼ１３に供給して溶融したシリコン融液１５を全てシリコン単結晶１１として引上げたときの引上げ率を１００％とするとき、引上げ率が６０〜８０％となったときにシリコン単結晶１１の引上げを完了するように設定する。そして、この予め設定した引上げ率までシリコン単結晶１１を引上げた後、引上げ装置に設けられた原料供給管５１からるつぼ１３内にシリコン原料５２を供給して溶融させ、再び種結晶２３をシリコン融液１５中に浸漬させてるつぼ１３から新たにシリコン単結晶１１を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶１１を引上げる。この結果、複数本のシリコン単結晶１１の直胴部のほぼ全長にわたって、格子間酸素濃度を低減できる。なお、本明細書におけるシリコン単結晶１１内の格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値である。ここで、単結晶１１内の格子間酸素濃度を６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に限定したのは、６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超えると単結晶１１内に酸素析出物が形成されて再結合ライフタイムが低下したり、酸素ドナー形成による抵抗率の変動を生じるという不具合があり、更に酸化熱処理によってＣＯＰを消滅することが困難となるからである。
このように引上げられたシリコン単結晶１１に中性子ドーピング法により中性子を照射する。中性子ドーピング法は、シリコン単結晶１１中に約３％存在する30Ｓｉを核反応により31Ｐに変換する反応を利用して、高純度のシリコン単結晶１１にリンをドープ（添加）することにより、シリコン単結晶１１を半導体化する方法である。シリコン単結晶１１に上記中性子ドーピング法を用いて中性子を照射し原子核転換することにより、シリコン原子の一部をリン原子に転換させる。この結果、シリコン単結晶１１にリンが均一にドープされるので、径方向の面内抵抗率が全長にわたって均一なシリコン単結晶１１が得られる。即ち、シリコン単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下、好ましくは４％以下とすることができる。ここで、シリコン単結晶１１の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下に限定したのは、ＩＧＢＴの品質を安定にすることができ、デバイス工程における歩留まりを向上させるためである。
上記シリコン単結晶１１をスライスして得られたシリコンウェーハについて、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃、好ましくは１１５０〜１２００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間、好ましくは３〜４℃保持する熱処理を施す。これによりウェーハの径方向及び厚さ方向の全域にわたってＣＯＰを消滅させることができる。ここで、熱処理の保持温度１１００〜１３００℃の範囲内に限定したのは、１１００℃未満ではＣＯＰが消滅し難くなり、１３００℃を超えるとウェーハに与える熱負荷が大きくなり過ぎてウェーハにスリップ転位などが発生してしまうからである。更に上記熱処理の保持時間を２〜５時間の範囲内に限定したのは、２時間未満ではＣＯＰを十分に消滅させることができず、５時間を超えて熱処理を行ってもＣＯＰ消滅効果はさほど変わらないからである。
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示す引上げ装置を用いて引上げるシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe＝１．２という関係を満たす条件下で、即ち図２のホットゾーンＢで、引上げ速度を徐々に低下させて単結晶１１を引上げた。ここで、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．３Ｔの水平磁場を印加して、格子間酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶と、格子間酸素濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶を引上げた。上記格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。なお、シリコン融液にはリン等のドーパントは添加せず、引上げ完了後にシリコン単結晶１１に重水炉を用いて中性子を照射した。
＜実施例１＞
図１に示す引上げ装置を用いて引上げるシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe＝１．２という関係を満たす条件下で、即ち図２のホットゾーンＢで、引上げ速度を徐々に低下させて単結晶１１を引上げた。ここで、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．３Ｔの水平磁場を印加して、格子間酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶と、格子間酸素濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコン単結晶を引上げた。上記格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。なお、シリコン融液にはリン等のドーパントは添加せず、引上げ完了後にシリコン単結晶１１に重水炉を用いて中性子を照射した。
一方、単結晶内の欠陥分布を調べるためには、ＯＳＦリングの発生分布を確認する必要がある。そこで、ＯＳＦリングの発生分布を確認するために、故意に酸素濃度の高いシリコン単結晶（酸素濃度：１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）も引上げた。この結果に基づき酸素濃度の低いシリコン単結晶（酸素濃度：３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の欠陥分布を推定した。この場合、酸素濃度が異なるだけでその他の仕様は同一とした。具体的には、単結晶の直径を２１０ｍｍとし、結晶方位を＜１００＞とし、単結晶の直胴部の長さを１７００ｍｍとした。更に単結晶の引上げ速度をいくら速くしても、ＯＳＦリングの発生領域は単結晶の最外周部より外に排除する（消滅させる）ことができない。このため、単結晶の最外周部にＯＳＦリングの発生領域が存在することになるけれども、このＯＳＦリング領域はその後の単結晶の丸め加工、即ち単結晶の直径が２１０ｍｍから２００ｍｍになるように単結晶の外周面を切削することにより排除される。このため、引上げる実際の単結晶の直径を目標直径よりも大きいものとした。
＜比較例１＞
引上げる単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域の冷却が促進されるように、炉内の構造部品（断熱材や熱遮蔽体等）の配設位置や構造を調整したホットゾーン、即ちＧc＜Ｇeの関係、具体的にはＧc／Ｇe＝０．９８という関係を満たす図２のホットゾーンＡを有するシリコン単結晶の引上げ装置（図示せず）を用いたこと以外は、実施例１と同一条件でシリコン単結晶を引上げた。
引上げる単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域の冷却が促進されるように、炉内の構造部品（断熱材や熱遮蔽体等）の配設位置や構造を調整したホットゾーン、即ちＧc＜Ｇeの関係、具体的にはＧc／Ｇe＝０．９８という関係を満たす図２のホットゾーンＡを有するシリコン単結晶の引上げ装置（図示せず）を用いたこと以外は、実施例１と同一条件でシリコン単結晶を引上げた。
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の装置により引上げかつ中性子を照射したシリコン単結晶のうち酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である高酸素濃度の単結晶を縦割りにして、評価用サンプルをそれぞれ作製した。そしてこれらの評価用サンプルについて酸素析出物を評価するための熱処理を施した。具体的には、評価用サンプルを酸化雰囲気中で８００℃に４時間保持した後に、１０００℃に１６時間保持する熱処理を行った。次に熱処理後の評価用サンプルの表面に銅デコレーション法により欠陥を顕在化させた。具体的には、評価用サンプル表面を銅で汚染し、１０００℃に１時間保持する熱処理を行って、銅を評価用サンプル中に拡散させた後に、評価用サンプルを急冷することにより、評価用サンプルの表面の欠陥を顕在化させた。更に急冷後の評価用サンプルをライト液で選択エッチングを行い、評価用サンプル表面に現れたピットを光学顕微鏡で観察した。その結果を図２に示す。
実施例１及び比較例１の装置により引上げかつ中性子を照射したシリコン単結晶のうち酸素濃度が１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である高酸素濃度の単結晶を縦割りにして、評価用サンプルをそれぞれ作製した。そしてこれらの評価用サンプルについて酸素析出物を評価するための熱処理を施した。具体的には、評価用サンプルを酸化雰囲気中で８００℃に４時間保持した後に、１０００℃に１６時間保持する熱処理を行った。次に熱処理後の評価用サンプルの表面に銅デコレーション法により欠陥を顕在化させた。具体的には、評価用サンプル表面を銅で汚染し、１０００℃に１時間保持する熱処理を行って、銅を評価用サンプル中に拡散させた後に、評価用サンプルを急冷することにより、評価用サンプルの表面の欠陥を顕在化させた。更に急冷後の評価用サンプルをライト液で選択エッチングを行い、評価用サンプル表面に現れたピットを光学顕微鏡で観察した。その結果を図２に示す。
図２から明らかなように、実施例１のホットゾーンＢでは図２の右側に示すようなＯＳＦリングがＶ／Ｇが小さくなったときに中心部に向けて急激に縮小するような略Ｕ字状になり、比較例１のホットゾーンＡでは図２の左側に示すようなＯＳＦリングがＶ／Ｇが小さくなるに従って中心部に向けて徐々に縮小するような略Ｖ字状になることを確認できた。また、実施例１のホットゾーンＢと、比較例１のホットゾーンＡでは、ＣＯＰ領域におけるＣＯＰのサイズ及び密度の分布が大きく異なり、比較例１のホットゾーンＡの評価用サンプルでは、引上げ速度が速くなるほどＣＯＰのサイズは小さくなるけれども、ＣＯＰの密度が高くなるのに対し、実施例１のホットゾーンＢの評価用サンプルでは、引上げ速度が遅いほどＣＯＰのサイズが小さくなるとともに、ＣＯＰの密度も減少する傾向があることが判明した。
＜実施例２＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例２とした。なお、[B-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例２とした。なお、[B-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
＜比較例２＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例２とした。なお、[A-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例２とした。なお、[A-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
＜比較例３＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例３とした。なお、[A-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の左側のホットゾーンＡにおける[A-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例３とした。なお、[A-2]領域はＯＳＦリングに近接したＣＯＰの発生領域（引上げ速度が遅い条件）であることを意味する。
＜比較例４＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例４とした。なお、[B-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例４とした。なお、[B-1]領域はＯＳＦリングから離れたＣＯＰの発生領域（引上げ速度が速い条件）であることを意味する。
＜比較試験２及び評価＞
実施例２及び比較例２〜４のウェーハ内のＣＯＰのサイズ及び密度を測定した。具体的には、各ウェーハについて、赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いてＣＯＰのサイズ及び密度の分布をそれぞれ測定した。その結果を図３及び図４に示す。なお、ＣＯＰは赤外散乱トモグラフにより光散乱体として測定された。即ち、図３及び図４の縦軸の光散乱体の密度はＣＯＰの密度を意味する。
実施例２及び比較例２〜４のウェーハ内のＣＯＰのサイズ及び密度を測定した。具体的には、各ウェーハについて、赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いてＣＯＰのサイズ及び密度の分布をそれぞれ測定した。その結果を図３及び図４に示す。なお、ＣＯＰは赤外散乱トモグラフにより光散乱体として測定された。即ち、図３及び図４の縦軸の光散乱体の密度はＣＯＰの密度を意味する。
図３から明らかなように、比較例２のウェーハ（引上げ速度が速い条件で引上げられた[A-1]領域のウェーハ）では、ＣＯＰのサイズが小さいけれどもその密度が高かった。また比較例３のウェーハ（引上げ速度が遅い条件で引上げられた[A-2]領域のウェーハ）では、ＣＯＰの密度が低いけれどもそのサイズが大きかった。更に比較例２のウェーハは比較例３のウェーハに比べてＣＯＰのサイズが小さいけれどもそのサイズが１００ｎｍを超えるものが半数以上あった。一方、図４から明らかなように、比較例４のウェーハ（引上げ速度が速い条件で引上げられた[B-1]領域のウェーハ）では、ＣＯＰの密度は小さかったけれども、そのサイズが大きかったのに対し、実施例２のウェーハ（引上げ速度が遅い条件で引上げられた[B-2]領域のウェーハ）では、ＣＯＰのサイズが小さく１００ｎｍを超えるものが存在せず、かつその密度も３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であった。
＜比較試験３及び評価＞
実施例１及び比較例１の引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引上げるときのＶ／Ｇ範囲について調査した。具体的には、実施例２の[B-2]領域が得られる条件、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であって、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域が得られるＶ／Ｇ［ｍｍ2／(分・℃)］範囲を調査した。ここで、Ｖは引上げ速度（ｍｍ／分）であり、Ｇは固液界面近傍の引上げ軸方向の温度勾配（℃／ｍｍ）である。その結果、実施例２の[B-2]領域が得られるＶ／Ｇは０．２３〜０．３３［ｍｍ2／(分・℃)］の範囲であった。このＶ／Ｇの範囲はコンピュータを用いた伝熱計算により求めた。なお、図２の破線で囲む領域は、実施例２の[B-2]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域の範囲を模式的に示したものである。一方、図２の二点鎖線で囲む領域は、比較例４の[B-1]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であるけれども、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを満たさない結晶領域の範囲を模式的に示したものである。
実施例１及び比較例１の引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引上げるときのＶ／Ｇ範囲について調査した。具体的には、実施例２の[B-2]領域が得られる条件、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であって、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域が得られるＶ／Ｇ［ｍｍ2／(分・℃)］範囲を調査した。ここで、Ｖは引上げ速度（ｍｍ／分）であり、Ｇは固液界面近傍の引上げ軸方向の温度勾配（℃／ｍｍ）である。その結果、実施例２の[B-2]領域が得られるＶ／Ｇは０．２３〜０．３３［ｍｍ2／(分・℃)］の範囲であった。このＶ／Ｇの範囲はコンピュータを用いた伝熱計算により求めた。なお、図２の破線で囲む領域は、実施例２の[B-2]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であり、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である結晶領域の範囲を模式的に示したものである。一方、図２の二点鎖線で囲む領域は、比較例４の[B-1]領域と同等のＣＯＰ特性、即ちＣＯＰのサイズが１００ｎｍ以下であるけれども、その密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを満たさない結晶領域の範囲を模式的に示したものである。
＜比較試験４及び評価＞
実施例２及び比較例２〜４のウェーハについて、酸素ガス１００％の雰囲気中で１１００℃の温度に４時間保持する酸化熱処理を施した。この酸化熱処理の前後におけるＧＯＩの歩留まりをＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown：瞬時絶縁破壊）法により求めた。ＧＯＩの歩留まりは、シリコンウェーハ上にゲート酸化膜（酸化膜）と電極を形成してＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を作製した後、電極に電圧を印加しゲート酸化膜を破壊させて、ブレイクダウン電圧を測定することにより求めた。ここで、ゲート酸化膜の絶縁破壊はウェーハの欠陥部分で生じた。なお、ＴＺＤＢ法による具体的なゲート酸化膜の耐圧の測定は次のようにして行った。先ずウェーハ表面上に厚さ２５ｎｍのゲート酸化膜（ＳｉＯ2）を形成した。次にこのゲート酸化膜上にゲート電極面積１０ｍｍ2のポリシリコン電極を形成した。更にウェーハとポリシリコン電極との間にステップ電圧印加法により電圧を印加し、最終的に判定電界強度１１ＭＶ／ｃｍの電圧を印加した。測定温度は室温（２５℃）とした。その結果を図５及び図６に示す。
実施例２及び比較例２〜４のウェーハについて、酸素ガス１００％の雰囲気中で１１００℃の温度に４時間保持する酸化熱処理を施した。この酸化熱処理の前後におけるＧＯＩの歩留まりをＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown：瞬時絶縁破壊）法により求めた。ＧＯＩの歩留まりは、シリコンウェーハ上にゲート酸化膜（酸化膜）と電極を形成してＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を作製した後、電極に電圧を印加しゲート酸化膜を破壊させて、ブレイクダウン電圧を測定することにより求めた。ここで、ゲート酸化膜の絶縁破壊はウェーハの欠陥部分で生じた。なお、ＴＺＤＢ法による具体的なゲート酸化膜の耐圧の測定は次のようにして行った。先ずウェーハ表面上に厚さ２５ｎｍのゲート酸化膜（ＳｉＯ2）を形成した。次にこのゲート酸化膜上にゲート電極面積１０ｍｍ2のポリシリコン電極を形成した。更にウェーハとポリシリコン電極との間にステップ電圧印加法により電圧を印加し、最終的に判定電界強度１１ＭＶ／ｃｍの電圧を印加した。測定温度は室温（２５℃）とした。その結果を図５及び図６に示す。
図５及び図６から明らかなように、比較例２〜４のウェーハでは、酸化熱処理によりＧＯＩ歩留まりは多少向上したけれども、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩ歩留まりは８０％程度であったのに対し、実施例２のウェーハでは、ＧＯＩ歩留まりが１００％に向上した。また赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて、酸化熱処理後の比較例４及び実施例２のウェーハについてＣＯＰの発生状況を確認したところ、比較例４のウェーハにはＣＯＰが観察されたけれども、実施例２のウェーハにはＣＯＰは観察されなかった。
＜実施例３＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例３とした。なお、[B-2-1]領域は単結晶の径方向の中央から外周に向ってＣＯＰの発生領域、ＯＳＦリング及び無欠陥領域がこの順に存在することを意味する。
＜実施例４＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例４とした。なお、[B-2-2]領域は単結晶の径方向の中央にＣＯＰの発生領域が存在し、径方向の外周部にＯＳＦリングが存在することを意味する。
＜実施例５＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-3]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例５とした。なお、[B-2-3]領域は単結晶の径方向の全面にＣＯＰ領域が存在することを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例３とした。なお、[B-2-1]領域は単結晶の径方向の中央から外周に向ってＣＯＰの発生領域、ＯＳＦリング及び無欠陥領域がこの順に存在することを意味する。
＜実施例４＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例４とした。なお、[B-2-2]領域は単結晶の径方向の中央にＣＯＰの発生領域が存在し、径方向の外周部にＯＳＦリングが存在することを意味する。
＜実施例５＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-2-3]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを実施例５とした。なお、[B-2-3]領域は単結晶の径方向の全面にＣＯＰ領域が存在することを意味する。
＜比較例５＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例５とした。なお、[B-1-1]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の速い側のＣＯＰの発生領域（ＣＯＰ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える領域）であることを意味する。
＜比較例６＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例６とした。なお、[B-1-2]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の遅い側のＣＯＰの発生領域（[B-2]領域に近い側の領域）であることを意味する。
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-1]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例５とした。なお、[B-1-1]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の速い側のＣＯＰの発生領域（ＣＯＰ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える領域）であることを意味する。
＜比較例６＞
上記比較試験１で酸素濃度の高い単結晶（１３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を縦割りにし評価用サンプル表面の欠陥を顕在化させて得られた図２の右側のホットゾーンＢにおける[B-1-2]領域に対応する、酸素濃度の低いシリコン単結晶（３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の部位からウェーハを切り出した。このウェーハを比較例６とした。なお、[B-1-2]領域は[B-1]領域のうち引上げ速度の遅い側のＣＯＰの発生領域（[B-2]領域に近い側の領域）であることを意味する。
＜比較試験５及び評価＞
実施例３〜５と比較例５及び６のウェーハについても上記比較試験４と同様にしてＧＯＩの歩留まりを求めた。この比較試験５は各結晶領域の有効性を更に検証するために行った。その結果を図７及び図８に示す。図７及び図８から明らかなように、比較例５及び６では、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが８０％程度と低かったのに対し、実施例３〜５のウェーハでは、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが１００％まで向上した。また赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて、酸化熱処理後の実施例３〜５のウェーハについてＣＯＰの発生状況を確認したところ、いずれもＣＯＰは観察されなかった。
実施例３〜５と比較例５及び６のウェーハについても上記比較試験４と同様にしてＧＯＩの歩留まりを求めた。この比較試験５は各結晶領域の有効性を更に検証するために行った。その結果を図７及び図８に示す。図７及び図８から明らかなように、比較例５及び６では、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが８０％程度と低かったのに対し、実施例３〜５のウェーハでは、いずれも酸化熱処理後のＧＯＩの歩留まりが１００％まで向上した。また赤外散乱トモグラフ（三井金属社製：ＭＯ４４１）を用いて、酸化熱処理後の実施例３〜５のウェーハについてＣＯＰの発生状況を確認したところ、いずれもＣＯＰは観察されなかった。
＜実施例６及び７＞
実施例２のウェーハを作製したときのＶ／Ｇの条件で、シリコン単結晶を引上げた後、このシリコン単結晶に中性子照射を行った。そしてこのシリコン単結晶の直胴部のトップ及びボトムをスライスして２枚のウェーハを作製した後に、これらのウェーハを酸化雰囲気中で１０００℃に１０分間保持した。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを実施例６とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを実施例７とした。なお、Ｖ／Ｇを一定としたこと以外は、実施例１の装置を用いて引上げたシリコン単結晶をスライスして実施例２のウェーハを得たときと同一条件で２枚のウェーハを作製した。
＜実施例８及び９＞
実施例６及び７と同一条件でシリコン単結晶を引上げ、このシリコン単結晶に中性子を照射し、このシリコン単結晶の直胴部のトップ及びボトムをスライスして２枚のウェーハを作製し、更にこれらのウェーハを酸化雰囲気中で１０００℃に１０分間保持した。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを実施例８とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを実施例９とした。
＜比較例７及び８＞
シリコン単結晶に中性子照射を行わなかったこと以外は、実施例６及び７と同様にして２枚のウェーハを得た。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを比較例７とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを比較例８とした。
＜比較例９及び１０＞
シリコン単結晶に中性子照射を行わなかったこと以外は、実施例８及び９と同様にして２枚のウェーハを得た。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを比較例９とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを比較例１０とした。
実施例２のウェーハを作製したときのＶ／Ｇの条件で、シリコン単結晶を引上げた後、このシリコン単結晶に中性子照射を行った。そしてこのシリコン単結晶の直胴部のトップ及びボトムをスライスして２枚のウェーハを作製した後に、これらのウェーハを酸化雰囲気中で１０００℃に１０分間保持した。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを実施例６とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを実施例７とした。なお、Ｖ／Ｇを一定としたこと以外は、実施例１の装置を用いて引上げたシリコン単結晶をスライスして実施例２のウェーハを得たときと同一条件で２枚のウェーハを作製した。
＜実施例８及び９＞
実施例６及び７と同一条件でシリコン単結晶を引上げ、このシリコン単結晶に中性子を照射し、このシリコン単結晶の直胴部のトップ及びボトムをスライスして２枚のウェーハを作製し、更にこれらのウェーハを酸化雰囲気中で１０００℃に１０分間保持した。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを実施例８とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを実施例９とした。
＜比較例７及び８＞
シリコン単結晶に中性子照射を行わなかったこと以外は、実施例６及び７と同様にして２枚のウェーハを得た。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを比較例７とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを比較例８とした。
＜比較例９及び１０＞
シリコン単結晶に中性子照射を行わなかったこと以外は、実施例８及び９と同様にして２枚のウェーハを得た。直胴部のトップをスライスして得られたウェーハを比較例９とし、直胴部のボトムをスライスして得られたウェーハを比較例１０とした。
＜比較試験６及び評価＞
実施例６〜９及び比較例７〜１０のシリコンウェーハの径方向の抵抗率の面内分布を測定し、この測定値から面内抵抗率のバラツキを算出した。具体的には、ウェーハの左端から５ｍｍ内側に入った位置、ウェーハの左端と中心との中間位置、ウェーハの中心、ウェーハの右端と中心との中間位置、及びウェーハの右端から５ｍｍ内側に入った位置で抵抗率をそれぞれ測定し、これらの測定値の分布幅を算出した後に、この分布幅を測定値の最小値で除して１００倍することにより、面内抵抗率のバラツキを算出した。なお、抵抗率は４探針法により測定した。これらの結果を図９及び図１０に示す。図９から明らかなように、中性子を照射しなかった比較例７及び８のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約１４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３６％）及び約２４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約８５％）と非常に大きかったのに対し、中性子を照射した実施例６及び７のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約１．６Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３．２％）及び約１．２Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約２．５％）と極めて小さくなった。また図１０から明らかなように、中性子を照射しなかった比較例９及び１０のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約２３００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約１０％）及び約１４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３６％）と非常に大きかったのに対し、中性子を照射した実施例８及び９のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約２．２Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約４．５％）及び約２．１Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約４．２％）と極めて小さくなった。即ち、実施例６〜９のウェーハでは、目標とする径方向の面内抵抗率のバラツキの範囲内、即ち５％以内であった。
実施例６〜９及び比較例７〜１０のシリコンウェーハの径方向の抵抗率の面内分布を測定し、この測定値から面内抵抗率のバラツキを算出した。具体的には、ウェーハの左端から５ｍｍ内側に入った位置、ウェーハの左端と中心との中間位置、ウェーハの中心、ウェーハの右端と中心との中間位置、及びウェーハの右端から５ｍｍ内側に入った位置で抵抗率をそれぞれ測定し、これらの測定値の分布幅を算出した後に、この分布幅を測定値の最小値で除して１００倍することにより、面内抵抗率のバラツキを算出した。なお、抵抗率は４探針法により測定した。これらの結果を図９及び図１０に示す。図９から明らかなように、中性子を照射しなかった比較例７及び８のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約１４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３６％）及び約２４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約８５％）と非常に大きかったのに対し、中性子を照射した実施例６及び７のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約１．６Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３．２％）及び約１．２Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約２．５％）と極めて小さくなった。また図１０から明らかなように、中性子を照射しなかった比較例９及び１０のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約２３００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約１０％）及び約１４００Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約３６％）と非常に大きかったのに対し、中性子を照射した実施例８及び９のウェーハでは径方向の抵抗率の分布幅が約２．２Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約４．５％）及び約２．１Ω・ｃｍ（面内抵抗率のバラツキ：約４．２％）と極めて小さくなった。即ち、実施例６〜９のウェーハでは、目標とする径方向の面内抵抗率のバラツキの範囲内、即ち５％以内であった。
＜実施例１０及び１１＞
図１に示す引上げ装置を用い、内径２４インチ（約６００ｍｍ）のるつぼ１３を使用して多結晶シリコン原料を１７０ｋｇ充填して溶融させ、このシリコン融液１５から引上げ長さ（引上げ率）の異なる、結晶方位が＜１００＞であって直径が２１０ｍｍであるシリコン単結晶１１をそれぞれ引上げた。そして引上げ率８０％で引上げたシリコン単結晶を実施例１０とし、引上げ率９５％で引上げたシリコン単結晶を実施例１１とした。これらのシリコン単結晶の引上げ後に、面内抵抗率が５０Ω・ｃｍとなるように、シリコン単結晶に中性子を照射した。なお、その他の引上げ条件は次のようであった。引上げ中のシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係、具体的にはＧc／Ｇe＝１．２という関係を満たす図２のホットゾーンＢを用いた。またＶ／Ｇが０．２３〜０．３３の範囲内になるように引上げ速度を調整し、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．３Ｔの水平磁場を印加した。更にるつぼの回転速度は０．３ｒｐｍとした。
図１に示す引上げ装置を用い、内径２４インチ（約６００ｍｍ）のるつぼ１３を使用して多結晶シリコン原料を１７０ｋｇ充填して溶融させ、このシリコン融液１５から引上げ長さ（引上げ率）の異なる、結晶方位が＜１００＞であって直径が２１０ｍｍであるシリコン単結晶１１をそれぞれ引上げた。そして引上げ率８０％で引上げたシリコン単結晶を実施例１０とし、引上げ率９５％で引上げたシリコン単結晶を実施例１１とした。これらのシリコン単結晶の引上げ後に、面内抵抗率が５０Ω・ｃｍとなるように、シリコン単結晶に中性子を照射した。なお、その他の引上げ条件は次のようであった。引上げ中のシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係、具体的にはＧc／Ｇe＝１．２という関係を満たす図２のホットゾーンＢを用いた。またＶ／Ｇが０．２３〜０．３３の範囲内になるように引上げ速度を調整し、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．３Ｔの水平磁場を印加した。更にるつぼの回転速度は０．３ｒｐｍとした。
＜比較試験７及び評価＞
実施例１０及び１１のシリコン単結晶の直胴部をその引上げ方向に一定の間隔をあけて所定の厚さとなるように切り出した複数のウェーハの格子間酸素濃度を測定した。格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。その結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、実施例１１ではシリコン単結晶の直胴部後半（引上げ率８０％以上）において、格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える結晶部分が育成されたのに対し、実施例１０ではシリコン単結晶の引上げ方向の位置に拘らず、シリコン単結晶内の酸素濃度はほぼ均一であった。即ち、この引上げ条件では、引上げ率８０％以下の範囲でシリコン単結晶を引上げることにより、直胴部全長にわたって格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のシリコン単結晶を育成できることが分かった。なお、実施例１０のシリコン単結晶の引上げが終了してシリコン単結晶を取出した後に、るつぼ内に残留するシリコン融液に多結晶シリコン原料を再度充填して実施例１０と同じ融液量に調整し、実施例１０と同条件で再度シリコン単結晶を育成した（マルチプリング法で育成した）ところ、このシリコン単結晶の酸素濃度分布は実施例１０のシリコン単結晶の酸素濃度分布と略同じであった。
実施例１０及び１１のシリコン単結晶の直胴部をその引上げ方向に一定の間隔をあけて所定の厚さとなるように切り出した複数のウェーハの格子間酸素濃度を測定した。格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。その結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、実施例１１ではシリコン単結晶の直胴部後半（引上げ率８０％以上）において、格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える結晶部分が育成されたのに対し、実施例１０ではシリコン単結晶の引上げ方向の位置に拘らず、シリコン単結晶内の酸素濃度はほぼ均一であった。即ち、この引上げ条件では、引上げ率８０％以下の範囲でシリコン単結晶を引上げることにより、直胴部全長にわたって格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のシリコン単結晶を育成できることが分かった。なお、実施例１０のシリコン単結晶の引上げが終了してシリコン単結晶を取出した後に、るつぼ内に残留するシリコン融液に多結晶シリコン原料を再度充填して実施例１０と同じ融液量に調整し、実施例１０と同条件で再度シリコン単結晶を育成した（マルチプリング法で育成した）ところ、このシリコン単結晶の酸素濃度分布は実施例１０のシリコン単結晶の酸素濃度分布と略同じであった。
＜比較試験８及び評価＞
図１に示す引上げ装置を用いてシリコン単結晶１１を引上げた。この引上げ中のシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係、具体的にはＧc／Ｇe＝１．２という関係を満たす図２のホットゾーンＢを用いた。またＶ／Ｇが０．２３〜０．３３の範囲内になるように引上げ速度を調整した。また引上げた単結晶１１の直胴部トップの位置における径方向の面内抵抗率が１００Ω・ｃｍとなるように、溶解前にシリコン原料にリンを添加してシリコン融液１５にリンを含有させ、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．２Ｔの水平磁場を印加した。更に単結晶の直径は２１０ｍｍであり、単結晶の結晶方位は＜１００＞であり、単結晶の直胴部の長さは１７００ｍｍであった。一方、るつぼの回転速度を０．１ｒｐｍ、０．３ｒｐｍ、０．７ｒｐｍ、１．０ｒｐｍ、１．７ｒｐｍ及び２．０ｒｐｍの６水準とし、単結晶の回転速度を１〜８ｒｐｍの８水準として、互いに逆方向に回転させながらシリコン単結晶を引上げた。これらのシリコン単結晶の直胴部トップ部から２００ｍｍの位置で切り出したウェーハ内の格子間酸素濃度を測定した。格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。その結果を図１２に示す。
図１に示す引上げ装置を用いてシリコン単結晶１１を引上げた。この引上げ中のシリコン単結晶１１の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における単結晶１１の引上げ軸方向の温度勾配のうち、単結晶１１の中心部の温度勾配をＧcとし、単結晶１１の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１という関係、具体的にはＧc／Ｇe＝１．２という関係を満たす図２のホットゾーンＢを用いた。またＶ／Ｇが０．２３〜０．３３の範囲内になるように引上げ速度を調整した。また引上げた単結晶１１の直胴部トップの位置における径方向の面内抵抗率が１００Ω・ｃｍとなるように、溶解前にシリコン原料にリンを添加してシリコン融液１５にリンを含有させ、るつぼ１３内のシリコン融液１５に０．２Ｔの水平磁場を印加した。更に単結晶の直径は２１０ｍｍであり、単結晶の結晶方位は＜１００＞であり、単結晶の直胴部の長さは１７００ｍｍであった。一方、るつぼの回転速度を０．１ｒｐｍ、０．３ｒｐｍ、０．７ｒｐｍ、１．０ｒｐｍ、１．７ｒｐｍ及び２．０ｒｐｍの６水準とし、単結晶の回転速度を１〜８ｒｐｍの８水準として、互いに逆方向に回転させながらシリコン単結晶を引上げた。これらのシリコン単結晶の直胴部トップ部から２００ｍｍの位置で切り出したウェーハ内の格子間酸素濃度を測定した。格子間酸素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法に準じて測定した。その結果を図１２に示す。
図１２から明らかなように、るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、かつ単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下であると、ウェーハ中の格子間酸素濃度を６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にすることができることが分かった。
１１ シリコン単結晶
１２ メインチャンバ（チャンバ）
１３ るつぼ
１５ シリコン融液
２２ 引上げ軸
２３ 種結晶
２９ 水平磁場
５２ シリコン原料
１２ メインチャンバ（チャンバ）
１３ るつぼ
１５ シリコン融液
２２ 引上げ軸
２３ 種結晶
２９ 水平磁場
５２ シリコン原料
Claims (4)
- チャンバに収容されたるつぼにシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながらシリコン単結晶を引上げた後に、このシリコン単結晶に中性子を照射することにより前記シリコン単結晶にリンをドープし、このシリコン単結晶をスライスしてシリコンウェーハを製造する方法において、
前記るつぼから、内部の格子間酸素濃度が６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるシリコン単結晶であって、サイズが１００ｎｍ以下でありかつ密度が３×１０6ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるＣＯＰの発生領域を含むシリコン単結晶を引上げた後に、
このシリコン単結晶への中性子の照射により前記シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキを５％以下にし、
前記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハに、酸素ガス雰囲気中で１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度まで加熱し、この所定の温度に２〜５時間保持する熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ全域にわたってＣＯＰを消滅させる
ことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
ここで、前記シリコン単結晶の径方向の面内抵抗率のバラツキは、前記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハの左端から５ｍｍ内側に入った位置、ウェーハの左端と中心との中間位置、ウェーハの中心、ウェーハの右端と中心との中間位置、及びウェーハの右端から５ｍｍ内側に入った位置で抵抗率を４探針法によりそれぞれ測定し、これらの測定値の分布幅を算出した後に、この分布幅を測定値の最小値で除して１００倍して得られた値をいう。 - 引上げ中のシリコン単結晶の中心部が融点から１３７０℃までの温度域における前記シリコン単結晶の引上げ軸方向の温度勾配のうち、前記引上げ中のシリコン単結晶の中心部の温度勾配をＧcとし、前記引上げ中のシリコン単結晶の外周部の温度勾配をＧeとするとき、Ｇc／Ｇe≧１の関係を満たす条件下で前記シリコン単結晶を引上げる請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法。
- シリコン単結晶内の格子間酸素濃度が全長にわたって６．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるようにシリコン単結晶を引上げた後に、るつぼ内にシリコン原料を供給して溶融させ、前記るつぼ内のシリコン融液から新たにシリコン単結晶を引上げることにより、複数本のシリコン単結晶を引上げるとともに、引上げ後の各シリコン単結晶に中性子を照射することにより前記シリコン単結晶にリンをドープする請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法。
- るつぼ内のシリコン融液に０．２Ｔ以上の水平磁場を印加するとともに、前記るつぼの回転速度が１．５ｒｐｍ以下であり、引上げ中のシリコン単結晶の回転速度が７ｒｐｍ以下である請求項１ないし３いずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
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