JP5439972B2 - Manufacturing method of large-diameter silicon single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハを製造する際に用いて好適な大口径シリコン単結晶の製造方法及び製造装置に関し、更に詳しくは、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて作製することができる技術に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus for a large-diameter silicon single crystal suitable for use in manufacturing a silicon wafer used for a semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger. The present invention relates to a technique that can be manufactured at a low cost and in a short time with the same quality as a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter.
現在、半導体デバイスの半導体基板に用いられるシリコンウェーハは、200mmや300mmの径のシリコンウェーハが主流であり、これらのシリコンウェーハは、坩堝に収容された多結晶シリコン原料をヒーターで加熱してシリコン融液とし、このシリコン融液に種結晶を接触させ、この種結晶を回転させながら引き上げる、いわゆるチョクラルスキー法(以下、CZ法と略記する。)によりシリコン単結晶を生成し、このシリコン単結晶をワイヤソー等を用いて切断し、その後、少なくとも一主面を鏡面研磨することにより作製される(例えば、特許文献1、2等参照)。
At present, silicon wafers having a diameter of 200 mm or 300 mm are mainly used for semiconductor substrates of semiconductor devices. These silicon wafers are obtained by heating a polycrystalline silicon raw material housed in a crucible with a heater. A silicon single crystal is produced by a so-called Czochralski method (hereinafter abbreviated as CZ method) in which a seed crystal is brought into contact with this silicon melt and pulled up while rotating. Is cut using a wire saw or the like, and then at least one principal surface is mirror-polished (see, for example,
ところで、半導体デバイスの製造工程においては、面積がより広いシリコンウェーハを用いることで生産性の向上が期待できることから、200mmや300mmの径の小口径シリコンウェーハに替わって、450mm、あるいはそれ以上の径の大口径シリコンウェーハが検討され、それに伴いシリコン単結晶の引き上げにおいても、450mm、あるいはそれ以上の径の大口径シリコン単結晶の引き上げが検討されている。
この大口径シリコン単結晶で問題になるのが結晶欠陥である。
シリコン単結晶の結晶欠陥としては、その冷却過程で発生するGrown−in欠陥があり、このGrown−in欠陥としては、1100℃〜1050℃にて発生するCOP(Crystal Originated Particle)欠陥(空孔型欠陥)、1050℃〜900℃にて発生するOSF(Oxidation induced Stacking Fault)欠陥、900℃〜600℃にて発生するBMD(Bulk Micro Defect)欠陥がある。
By the way, in the manufacturing process of a semiconductor device, since the improvement of productivity can be expected by using a silicon wafer having a larger area, a diameter of 450 mm or more is substituted for a small-diameter silicon wafer having a diameter of 200 mm or 300 mm. Accordingly, in connection with the pulling of a silicon single crystal, the pulling of a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or more is also being studied.
Crystal defects are a problem with this large-diameter silicon single crystal.
As a crystal defect of a silicon single crystal, there is a Grown-in defect that occurs in the cooling process, and as this Grown-in defect, a COP (Crystal Originated Particle) defect (vacancy type) that occurs at 1100 ° C. to 1050 ° C. Defect) There are OSF (Oxidation induced Stacking Fault) defects generated at 1050 ° C. to 900 ° C., and BMD (Bulk Micro Defect) defects generated at 900 ° C. to 600 ° C.
このGrown−in欠陥は、シリコン単結晶を成長させるときの引上げ速度V(mm/min)と固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配G(℃/mm)との比であるV/G(mm2/℃・min)値により、固液界面から導入される空孔量と格子間Si量が決定されると考えられており、このV/G値は、引上げ速度に従う空孔の移流と温度勾配に従う格子間Siの拡散とのバランスを示している。
このV/G値は、それが適切な範囲内であれば、固液界面から導入された空孔と格子間Siとは、引き上げ後のシリコン単結晶の温度が高いうちに結合して消滅する。
This Grown-in defect is V / G, which is the ratio between the pulling speed V (mm / min) when growing a silicon single crystal and the crystal temperature gradient G (° C./mm) in the pulling axis direction near the solid-liquid interface. It is considered that the amount of vacancies introduced from the solid-liquid interface and the amount of interstitial Si are determined by the (mm 2 / ° C./min) value, and this V / G value is the advection of vacancies according to the pulling rate. And the balance of interstitial Si diffusion according to the temperature gradient.
If this V / G value is within an appropriate range, the vacancies introduced from the solid-liquid interface and the interstitial Si combine and disappear while the temperature of the pulled silicon single crystal is high. .
しかし、V/G値が適切な範囲より大きい場合、引上速度に従う空孔の移流が温度勾配に従う格子間Siの拡散を上回り、空孔濃度が高くなる。そして、シリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により空孔過飽和となると、引き上げ後のシリコン単結晶にCOP欠陥が検出されるようになる。一方、V/G値が適切な範囲より小さい場合、引上げ速度に従う空孔の移流が温度勾配に従う格子間Siの拡散を下回り、格子間Si濃度が高くなる。そして、シリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により格子間Si過飽和となり、引き上げ後のシリコン単結晶に格子間欠陥が検出されるようになる。 However, when the V / G value is larger than the appropriate range, the advection of vacancies according to the pulling rate exceeds the diffusion of interstitial Si according to the temperature gradient, and the vacancy concentration becomes high. When vacancy supersaturation occurs due to a temperature drop accompanying the progress of the pulling of the silicon single crystal, a COP defect is detected in the silicon single crystal after the pulling. On the other hand, when the V / G value is smaller than the appropriate range, the advection of vacancies according to the pulling rate is less than the diffusion of interstitial Si according to the temperature gradient, and the interstitial Si concentration becomes high. Interstitial Si supersaturation is caused by a temperature drop accompanying the progress of pulling of the silicon single crystal, and interstitial defects are detected in the silicon single crystal after pulling.
このGrown−in欠陥の中でもCOP欠陥は、シリコンウェーハの初期の酸化膜耐圧特性(GOP)の劣化因子であるために、シリコン単結晶のCOP欠陥密度を低くすることが求められている。
一般に、引き上げ後のシリコン単結晶にCOP欠陥が検出されるV/G値は0.2(mm2/℃・min)以上とされ、十分な酸化膜耐圧特性が得られるCOP欠陥密度の低いシリコン単結晶を得るためには、V/G値の適切な範囲は0.2〜0.4(mm2/℃・min)とされている。
Among the grown-in defects, the COP defect is a deteriorating factor of the initial oxide film breakdown voltage characteristic (GOP) of the silicon wafer, so that it is required to reduce the COP defect density of the silicon single crystal.
In general, a silicon having a low COP defect density that provides a V / G value of 0.2 (mm 2 / ° C./min) or more and a sufficient oxide film withstand voltage characteristic in which COP defects are detected in a silicon single crystal after pulling. In order to obtain a single crystal, an appropriate range of the V / G value is 0.2 to 0.4 (mm 2 / ° C./min).
しかしながら、450mm、あるいはそれ以上の径の大口径シリコン単結晶の引き上げについては、時間及び製造コストの点で次のような様々な問題点があった。
大口径シリコン単結晶は、小口径シリコン単結晶と比較して、単結晶を引き上げるだけでも2〜3週間の時間が必要であり、製造に要する時間が大幅に増加するという問題点があった。また、この大口径シリコン単結晶は、小口径シリコン単結晶より大型の引上げ装置が必要になり、この引上げ装置を稼働させるための電力量も増加するために、製造コストが高くなるという問題点があった。
However, pulling a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or more has the following various problems in terms of time and manufacturing cost.
Compared with a small-diameter silicon single crystal, a large-diameter silicon single crystal requires a time of 2 to 3 weeks just by pulling up the single crystal, and has a problem that the time required for production is greatly increased. In addition, the large-diameter silicon single crystal requires a larger pulling device than the small-diameter silicon single crystal, and the amount of electric power for operating the pulling device increases, which increases the manufacturing cost. there were.
したがって、大口径シリコン単結晶を量産化する場合、この量産化に向けた品質改善のための各種試験や各種検査を頻繁に行う必要があるが、大口径シリコン単結晶の引き上げに多くの時間とコストが掛かるために、これらの各種試験や各種検査を頻繁に行うことは困難である。
さらに、面検器等の検査装置についても、大口径シリコン単結晶に対応することのできる検査装置が無く、この大口径シリコン単結晶の結晶構造や結晶欠陥については、小口径シリコン単結晶と同等の水準で検査することができないという問題点があった。
Therefore, when mass-producing large-diameter silicon single crystals, it is necessary to frequently conduct various tests and inspections for quality improvement for mass production. Because of the cost, it is difficult to frequently perform these various tests and various tests.
Furthermore, there is no inspection device that can handle a large-diameter silicon single crystal for inspection devices such as surface detectors, and the crystal structure and crystal defects of this large-diameter silicon single crystal are equivalent to those of a small-diameter silicon single crystal. There was a problem that it could not be inspected at the standard.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる大口径シリコン単結晶の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger is obtained with the same quality as a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing a large-diameter silicon single crystal that can be produced at low cost and in a short time.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法によりルツボ内に収容されたシリコン融液から大口径シリコン単結晶を成長させる大口径シリコン単結晶の製造方法であって、
前記大口径シリコン単結晶及び前記ルツボを囲むように配置されるとともに、複数種から1種または2種以上の断熱片を選択して組み合わせることで外径、内径、厚みを変更可能な複数の断熱部材を有する装置において、前記複数の断熱部材から構成されて、大口径シリコン単結晶の固液界面から上方の冷却領域を成すホットゾーンの形状を最適化することにより、
前記大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、前記大口径シリコン単結晶より小さな径の成長した小口径シリコン単結晶を冷却させるときの結晶欠陥形成温度領域と、この結晶欠陥形成温度領域の滞在時間とを含む小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬し、この模擬した熱履歴に基づき前記大口径シリコン単結晶を成長させることを特徴とする。
Method for producing large diameter silicon single crystal according to the present onset Ming is a method for producing large diameter silicon single crystal to grow a large diameter silicon single crystal from a silicon melt contained in a crucible by the Czochralski method,
Wherein is arranged to surround the large diameter silicon single crystal and the crucible Rutotomoni, outer diameter in combination isosamples select one or more thermal insulation pieces from multiple species inner diameter, a plurality of changeable thickness In an apparatus having a heat insulating member , the hot zone is composed of the plurality of heat insulating members, and by optimizing the shape of the hot zone that forms the cooling region above the solid-liquid interface of the large-diameter silicon single crystal,
The thermal history at the time of pulling up the large-diameter silicon single crystal is a crystal defect formation temperature region when cooling the grown small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter than the large-diameter silicon single crystal, and the crystal defect formation temperature region. It simulates the thermal history at the time of pulling up the small-diameter silicon single crystal including the staying time, and grows the large-diameter silicon single crystal based on the simulated thermal history.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造装置は、チョクラルスキー法によりシリコン融液から大口径シリコン単結晶を成長させる大口径シリコン単結晶の製造装置であって、
前記シリコン融液を収容するルツボと、このルツボの周囲に配置され該ルツボ内の前記シリコン融液を加熱する加熱手段と、前記シリコン融液から大口径シリコン単結晶を引き上げる引き上げ手段とを備え、前記大口径シリコン単結晶及び前記ルツボを囲むように、形状変更可能な複数の断熱部材を配置し、前記複数の断熱部材各々を、複数種の断熱片により構成し、かつ、前記複数種の断熱片から1種の断熱片を選択するか、または2種以上の断熱片を選択して、これらの断熱片を組み合わせて外径、内径、厚みを変更し、大口径シリコン単結晶の固液界面から上方の冷却領域を成すホットゾーンの形状を選択することにより、前記大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、前記大口径シリコン単結晶より小さな径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬可能としたことができる。
Apparatus for manufacturing large-diameter silicon single crystal according to the present onset Ming is a manufacturing apparatus of large diameter silicon single crystal to grow a large diameter silicon single crystal from a silicon melt by the Czochralski method,
A crucible for containing the silicon melt, a heating means arranged around the crucible for heating the silicon melt in the crucible, and a pulling means for pulling up the large-diameter silicon single crystal from the silicon melt, A plurality of heat insulating members whose shapes can be changed are disposed so as to surround the large-diameter silicon single crystal and the crucible, each of the plurality of heat insulating members is constituted by a plurality of types of heat insulating pieces, and the plurality of types of heat insulating members Select one kind of heat insulating piece from the pieces, or select two or more kinds of heat insulating pieces, change the outer diameter, inner diameter, and thickness by combining these heat insulating pieces, and the solid-liquid interface of the large-diameter silicon single crystal By selecting the shape of the hot zone that forms the upper cooling region, the thermal history during the pulling of the large-diameter silicon single crystal is reduced to a small-diameter silicon having a smaller diameter than the large-diameter silicon single crystal. It can be set to allow simulating the thermal history during the pulling of the crystal.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造方法によれば、大口径シリコン単結晶及びルツボを囲むように配置された複数の断熱部材各々の形状を変更することにより、大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、大口径シリコン単結晶より小さな径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬し、この模擬した熱履歴に基づき大口径シリコン単結晶を成長させることとしたので、複数の断熱部材各々の形状を変更するだけで、この大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を容易に制御することができる。
これにより、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to large diameter method for manufacturing a silicon single crystal according to the present onset bright, by changing a plurality of heat insulating members each having a shape arranged to surround the large diameter silicon single crystal and the crucible, large diameter silicon single crystal The thermal history at the time of pulling up was simulated to the thermal history at the time of pulling up a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter than the large-diameter silicon single crystal, and the large-diameter silicon single crystal was grown based on this simulated thermal history. The thermal history during pulling of the large-diameter silicon single crystal can be easily controlled simply by changing the shape of each of the plurality of heat insulating members.
As a result, a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger can be manufactured with a quality equivalent to that of a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter, and at a low cost and in a short time.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造方法によれば、複数の断熱部材各々を、複数種の断熱片から1種の断熱片を選択するか、または2種以上の断熱片を選択し、これらの断熱片を組み合わせることにより、形状変更可能としたので、これらの断熱片から所望の断熱片を選択し、あるいはこれらを組み合わせることにより、この大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴をさらに容易に制御することができる。
これにより、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、さらに低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to the manufacturing method of large-diameter silicon single crystal according to the present onset bright, a plurality of heat insulating members each, select one insulation piece from a plurality of types of insulation pieces or select two or more adiabatic piece Since the shape can be changed by combining these heat insulating pieces, a desired heat insulating piece can be selected from these heat insulating pieces, or by combining them, the thermal history when pulling up the large-diameter silicon single crystal can be obtained. Furthermore, it can be controlled easily.
Thereby, a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger can be manufactured with a quality equivalent to that of a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter and at a lower cost and in a shorter time.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造方法によれば、小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴として、成長した小口径シリコン単結晶を冷却させるときの結晶欠陥形成温度領域と、この結晶欠陥形成温度領域の滞在時間とを含むこととしたので、大口径シリコン単結晶の結晶欠陥、特にCOP欠陥を容易に制御することができる。したがって、結晶欠陥、特にCOP欠陥が制御された大口径シリコン単結晶を容易に製造することができ、量産化への対応も容易である。 According to the production method of the present onset bright in accordance large diameter silicon single crystal, as a heat history during the pulling of the small-diameter silicon single crystal, the crystal defect formation temperature range at which to cool the grown small diameter silicon single crystal, this Since it includes the residence time in the crystal defect formation temperature region, it is possible to easily control crystal defects, particularly COP defects, in a large-diameter silicon single crystal. Therefore, a large-diameter silicon single crystal in which crystal defects, particularly COP defects are controlled, can be easily manufactured, and it is easy to deal with mass production.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造装置によれば、大口径シリコン単結晶及びルツボを囲むように、形状変更可能な複数の断熱部材を配置し、これら複数の断熱部材各々の形状を変更することにより、大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、大口径シリコン単結晶より小さな径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬可能としたので、複数の断熱部材各々の形状を変更するだけで、この大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を容易に制御することができる。
これにより、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to the apparatus for manufacturing large-diameter silicon single crystal according to the present onset bright, so as to surround the large diameter silicon single crystal and the crucible, disposing a plurality of heat insulating members can be reshaped, a plurality of heat insulating members each shaped By changing, the thermal history when pulling up the large-diameter silicon single crystal can be simulated to the thermal history when pulling up the small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter than the large-diameter silicon single crystal. The thermal history during pulling of the large-diameter silicon single crystal can be easily controlled simply by changing the shape.
As a result, a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger can be manufactured with a quality equivalent to that of a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter, and at a low cost and in a short time.
本発明に係る大口径シリコン単結晶の製造装置によれば、複数の断熱部材各々を、複数種の断熱片により構成し、かつ、複数種の断熱片から1種の断熱片を選択するか、または2種以上の断熱片を選択して、これらの断熱片を組み合わせることにより、前記複数の断熱部材各々の形状を変更可能としたので、これらの断熱片から所望の断熱片を選択し、あるいはこれらを組み合わせることにより、この大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴をさらに容易に制御することができる。
これにより、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、さらに低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to the apparatus for manufacturing large-diameter silicon single crystal according to the present onset bright, or a plurality of heat insulating members each composed of a plurality of types of insulation pieces, and selects one insulation piece from a plurality of kinds of insulation piece Or, by selecting two or more kinds of heat insulating pieces and combining these heat insulating pieces, the shape of each of the plurality of heat insulating members can be changed, so select a desired heat insulating piece from these heat insulating pieces, Alternatively, by combining these, the thermal history during pulling of the large-diameter silicon single crystal can be controlled more easily.
Thereby, a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger can be manufactured with a quality equivalent to that of a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter and at a lower cost and in a shorter time.
本発明の大口径シリコン単結晶の製造方法及び製造装置を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The form for implementing the manufacturing method and manufacturing apparatus of the large diameter silicon single crystal of this invention is demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.
図1は、本発明の一実施形態の大口径シリコン単結晶の製造装置を示す断面図であり、チョクラルスキー法(CZ法)によりシリコン融液から大口径シリコン単結晶を成長させる、いわゆるチョクラルスキー炉(CZ炉)と称されるものである。
このCZ炉1は、チャンバー2内の中心部に配設され450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶3を成長させるためのシリコン融液4を収容する石英製のルツボ11と、このルツボ11を保持する黒鉛製のルツボ12と、このルツボ11、12の外側に配置されルツボ11内のシリコン融液4を加熱するヒータ(加熱手段:図示略)と、シリコン種結晶(図示略)を取り付けるシードチャック14及びシリコン融液4から大口径シリコン単結晶2を引き上げる引き上げ軸15を有する引き上げ機構(引き上げ手段)16と、ルツボ11、12を回転及び昇降させるペディスタルと称される支持軸17と、大口径シリコン単結晶3の成長後の冷却領域であるホットゾーンに、大口径シリコン単結晶2及びルツボ11、12を囲むように配設された断熱体18とにより構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an apparatus for producing a large-diameter silicon single crystal according to an embodiment of the present invention, in which a large-diameter silicon single crystal is grown from a silicon melt by the Czochralski method (CZ method). This is called a Lalsky furnace (CZ furnace).
The
断熱体18は、ルツボ11内のシリコン融液4より上部の位置に大口径シリコン単結晶3を囲むように設けられた略円筒状の断熱部材21と、ルツボ11の軸方向の中心部を囲むようにその外側に設けられた肉厚の円環状の断熱部材22と、この断熱部材22上かつルツボ11の上部を囲むように設けられた円筒状の断熱部材23と、断熱部材22の下側に設けられた円筒状の断熱部材24及び厚みのある円板状の断熱部材25とにより構成されている。
The
この断熱体18では、断熱部材21〜25それぞれの形状、すなわち外径、内径、厚み等を変更することが可能である。
断熱部材21〜25それぞれの外径、内径、厚み等を変更することが可能な形状としては、高さ方向及び横方向に細かく分割したブロック状のパーツ(断熱片)、同心円状に分割した円筒パーツ(断熱片)等があるが、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を細かく制御するためには、ブロック状のパーツが好ましい。
In this
Shapes that can change the outer diameter, inner diameter, thickness, etc. of each of the
図2は、断熱部材22のブロック状のパーツ31を示す斜視図であり、これらのブロック状のパーツ31を縦横に積み重ねることにより、断熱部材22を構成することができる。これは、断熱部材21、23〜25についても同様である。
また、図3は、断熱部材22の円筒パーツ32を示す斜視図であり、内径の異なる円筒パーツ32を複数個、同心円状に配置することにより、断熱部材22を構成することができる。これは、断熱部材21、23〜25についても同様である。
FIG. 2 is a perspective view showing the block-shaped
FIG. 3 is a perspective view showing the
大口径シリコン単結晶3の引き上げにおいては、大口径シリコン単結晶3の固液界面から上方の冷却領域、すなわちホットゾーンでは、断熱体18を構成する断熱部材21〜25が熱履歴に影響を及ぼしており、断熱部材21〜25の形状を変更することにより、ホットゾーンにおける断熱体18の断熱特性を変えることができ、その結果、大口径シリコン単結晶3の軸方向の温度勾配を変えることができる。したがって、断熱部材21〜25の形状を変えることで、引き上げ時の大口径シリコン単結晶3の熱履歴を制御することが可能である。
In pulling up the large-diameter silicon
大口径シリコン単結晶3の品質を評価する上での指標には、結晶温度勾配であるGc及びGc/Ge、引き上げ時に高温となる場合にルツボ11が変形する可能性があるルツボ上端部温度がある。
そこで、これらの指標それぞれに影響を及ぼすと考えられる断熱部材21〜25の形状を変更することにより、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時における指標の最適化を行うことができる。これにより、大口径シリコン単結晶3の品質を目標に合わせて調整することができる。
Indexes for evaluating the quality of the large-diameter silicon
Therefore, by changing the shapes of the
このように、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせて断熱部材21〜25それぞれを作製することにより、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を、この大口径シリコン単結晶より小さな径、例えば、汎用されている300mmあるいは200mmの径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に一致させることが可能である。
このように、断熱部材21〜25それぞれの形状、すなわち外径、内径、厚み等を変更することにより、大口径シリコン単結晶3の熱履歴を変更することが可能になっている。
In this way, by selecting necessary parts from the block-shaped
Thus, the thermal history of the large-diameter silicon
ここで、シリコン単結晶の結晶欠陥について説明する。
シリコン単結晶の結晶欠陥としては、その冷却過程で発生するGrown−in欠陥が挙げられ、このGrown−in欠陥としては、1100℃〜1050℃にて発生するCOP(Crystal Originated Particle)欠陥(空孔型欠陥)、1050℃〜900℃にて発生するOSF(Oxidation induced Stacking Fault)欠陥、900℃〜600℃にて発生するBMD(Bulk Micro Defect)欠陥が挙げられる。
中でも、半導体デバイスの製造工程にてシリコンウェーハの初期の酸化膜耐圧特性(GOP)に大きな影響を及ぼすCOP欠陥が重要である。
Here, the crystal defects of the silicon single crystal will be described.
As a crystal defect of a silicon single crystal, a Grown-in defect generated during the cooling process can be cited. As this Grown-in defect, a COP (Crystal Originated Particle) defect (vacancy) generated at 1100 ° C. to 1050 ° C. can be mentioned. Mold defects), OSF (Oxidation induced Stacking Fault) defects generated at 1050 ° C. to 900 ° C., and BMD (Bulk Micro Defect) defects generated at 900 ° C. to 600 ° C ..
Among these, COP defects that have a great influence on the initial oxide film breakdown voltage characteristic (GOP) of a silicon wafer in the semiconductor device manufacturing process are important.
図4は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させたシリコン単結晶の欠陥分布を示す部分縦断面図、図5は図4のA−A線に沿う横断面図である。
一般に、シリコン単結晶には、半導体デバイス製造工程にて問題となる様々な種類のGrown−in欠陥が生じる。
代表的なGrown−in欠陥は、格子間シリコン優勢領域である転位クラスター発生領域に発生する転位クラスター、及び空孔優勢領域である赤外線散乱体欠陥発生領域に発生するCOP欠陥またはボイドの二つであり、これらの領域の間はリング状OSF発生領域となる。
4 is a partial longitudinal sectional view showing a defect distribution of a silicon single crystal grown while gradually decreasing the pulling rate, and FIG. 5 is a transverse sectional view taken along line AA in FIG.
Generally, various types of grown-in defects that cause problems in a semiconductor device manufacturing process occur in a silicon single crystal.
Typical Grown-in defects are a dislocation cluster generated in a dislocation cluster generation region which is an interstitial silicon dominant region and a COP defect or void generated in an infrared scatterer defect generation region which is a vacancy dominant region. There is a ring-shaped OSF generation region between these regions.
すなわち、シリコン単結晶の径方向の中間位置に、リング状OSF発生領域があり、このリング状OSF発生領域の内側には、無欠陥領域、COPまたはボイドを発生させる赤外線散乱体欠陥発生領域が順次形成されている。
一方、リング状OSF発生領域の外側には、酸素析出促進領域、酸素析出抑制領域(Pi領域)、転位クラスター発生領域が順次形成されている。この酸素析出促進領域は、空孔型のGrown−in欠陥フリー領域(PV領域)であり、酸素析出抑制領域は、格子間シリコン型のGrown−in欠陥フリー領域(PI領域)である。
That is, a ring-shaped OSF generation region is located at the radial position of the silicon single crystal, and a defect-free region and an infrared scatterer defect generation region for generating COP or void are sequentially formed inside the ring-shaped OSF generation region. Is formed.
On the other hand, an oxygen precipitation promotion region, an oxygen precipitation suppression region (Pi region), and a dislocation cluster generation region are sequentially formed outside the ring-shaped OSF generation region. This oxygen precipitation promoting region is a vacancy type Grown-in defect free region (PV region), and the oxygen precipitation suppression region is an interstitial silicon type Grown-in defect free region (PI region).
このような欠陥分布は、次の二つの因子によって制御される。すなわち、一つは結晶引上げ速度であり、他の一つは凝固直後の結晶内温度分布である。
例えば、引上げ速度が速い段階では、リング状OSF発生領域は結晶外周部に位置している。したがって、高速引上げ条件にて成長させたシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハは、シリコン単結晶の径方向のぼぼ全域にCOP欠陥が発生する。そこで、結晶引上げ速度を徐々に低下させると、この引上げ速度の低下に伴ってリング状OSF発生領域がシリコン単結晶の中心部へ向かって徐々に移動し、最終的には、シリコン単結晶の中心部で消滅する。これにより、低速引上げ条件にて成長させたシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハは、シリコン単結晶の径方向のぼぼ全域が転位クラスター発生領域となる。
Such a defect distribution is controlled by the following two factors. That is, one is the crystal pulling rate, and the other is the temperature distribution in the crystal immediately after solidification.
For example, at the stage where the pulling speed is high, the ring-shaped OSF generation region is located at the crystal outer periphery. Therefore, COP defects are generated in the entire area of the silicon single crystal in the radial direction of the silicon wafer obtained from the silicon single crystal grown under the high-speed pulling condition. Therefore, when the crystal pulling rate is gradually decreased, the ring-shaped OSF generation region gradually moves toward the center of the silicon single crystal as the pulling rate decreases, and finally the center of the silicon single crystal is obtained. It disappears in the department. As a result, in the silicon wafer obtained from the silicon single crystal grown under the low speed pulling condition, the whole area of the silicon single crystal in the radial direction becomes a dislocation cluster generation region.
本実施形態のCZ炉1では、断熱部材21〜25それぞれの形状、すなわち外径、内径、厚み等を変更することにより、ルツボ11内のシリコン融液4の温度及び大口径シリコン単結晶3の温度分布を制御することができ、この大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を容易に制御することができる。
例えば、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を、この大口径シリコン単結晶より小さな径、例えば、汎用されている300mmあるいは200mmの径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に一致させることにより、大口径シリコン単結晶3を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる。
In the
For example, the thermal history at the time of pulling up the large-diameter silicon
次に、このCZ炉1を用いて本実施形態の大口径シリコン単結晶を製造する方法について説明する。
まず、大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴により模擬する。
ここでは、断熱部材21〜25それぞれの形状、すなわち外径、内径、厚み等を変更することにより、大口径シリコン単結晶3の熱履歴を、300mmあるいは200mmの径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に一致させる。
Next, a method for manufacturing the large-diameter silicon single crystal of this embodiment using the
First, the thermal history when pulling up the large-diameter silicon single crystal is simulated by the thermal history when pulling up the small-diameter silicon single crystal.
Here, the thermal history of the large-diameter silicon
シリコン単結晶内の品質は、ホットゾーンの形状によりほぼ決定される。したがって、例えば、結晶欠陥の品質が異なる複数品種の450mmの径の大口径シリコン単結晶3を引き上げる場合、引き上げる大口径シリコン単結晶3の品種に合わせてホットゾーンの種類を選択する必要があり、このホットゾーンを構成する断熱部材21〜25についても複数種必要になる。
大口径シリコン単結晶3は、200mmあるいは300mmの径の小口径シリコン単結晶と比べて装置構成が大型化する分、ホットゾーンを構成する断熱部材も大型化する。
The quality in the silicon single crystal is almost determined by the shape of the hot zone. Therefore, for example, when pulling up a plurality of types of large-diameter silicon
The large-diameter silicon
本実施形態では、断熱部材21〜25それぞれの形状を、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32を複数個組み合わせて構成することにより、様々な種類のホットゾーンに対応することができ、ホットゾーンの種類毎に断熱部材21〜25を用意する必要がない。したがって、引き上げる大口径シリコン単結晶3の品種に合わせて、最適なホットゾーンの構成を、短時間かつ安価に得ることができる。
In the present embodiment, each shape of the
このように、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせて断熱部材21〜25それぞれを作製することにより、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を、この大口径シリコン単結晶より小さな径、例えば、汎用されている300mmあるいは200mmの径の小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に一致させることが可能である。
よって、断熱部材21〜25それぞれの形状、すなわち外径、内径、厚み等を変更することにより、大口径シリコン単結晶3の熱履歴を変更することが可能である。
表1に、所望の品質の大口径シリコン単結晶3を引き上げるためのホットゾーンの断熱部材の寸法の可変範囲及び評価指標値の一例を示す。
In this way, by selecting necessary parts from the block-shaped
Therefore, it is possible to change the thermal history of the large-diameter silicon
Table 1 shows an example of the variable range of dimensions and the evaluation index value of the heat insulating member in the hot zone for pulling up the large-diameter silicon
図6は、シリコン単結晶引き上げ時の熱履歴をシミュレーションした結果を示す図であり、図中、Aは450mm径のシリコン単結晶における固液界面からの距離(mm)と結晶温度(℃)との関係を、Bは300mm径のシリコン単結晶における固液界面からの距離(mm)と結晶温度(℃)との関係を、Cは200mm径のシリコン単結晶における固液界面からの距離(mm)と結晶温度(℃)との関係を、それぞれ示している。 FIG. 6 is a diagram showing the results of simulation of thermal history during pulling of a silicon single crystal. In the figure, A represents the distance (mm) from the solid-liquid interface and the crystal temperature (° C.) in a 450 mm diameter silicon single crystal. B is the relationship between the distance (mm) from the solid-liquid interface in the 300 mm diameter silicon single crystal and the crystal temperature (° C.), and C is the distance from the solid-liquid interface (mm) in the 200 mm diameter silicon single crystal. ) And the crystal temperature (° C.).
図6によれば、450mm径のシリコン単結晶と、300mmまたは200mm径のシリコン単結晶とでは、シリコン単結晶の冷却速度が大きく異なることが分かる。
シリコン単結晶では、Grown−in欠陥が形成される温度領域は決まっており、例えば、COP欠陥が形成される温度領域は1100℃〜1050℃、OSF欠陥が形成される温度領域は1050℃〜900℃、BMD欠陥が形成される温度領域は900℃〜600℃である。したがって、これらの温度領域における滞在時間を制御することにより、シリコン単結晶内にCOP欠陥、OSF欠陥及びBMD欠陥のうちいずれか1種または2種以上を所望の濃度にて形成することができる。
According to FIG. 6, it can be seen that the cooling rate of the silicon single crystal differs greatly between the 450 mm diameter silicon single crystal and the 300 mm or 200 mm diameter silicon single crystal.
In a silicon single crystal, a temperature region where a grown-in defect is formed is determined. For example, a temperature region where a COP defect is formed is 1100 ° C. to 1050 ° C., and a temperature region where an OSF defect is formed is 1050 ° C. to 900 ° C. The temperature region where the BMD defect is formed is 900 ° C. to 600 ° C. Therefore, by controlling the residence time in these temperature regions, one or more of COP defects, OSF defects, and BMD defects can be formed at a desired concentration in the silicon single crystal.
このように、大口径シリコン単結晶と小口径シリコン単結晶とでは、熱量が異なるために、冷却速度が大きく異なり、したがって熱履歴が大きく異なる。
そこで、シリコン単結晶引き上げ時の結晶温度勾配であるGc及びGc/Ge、引き上げ時のルツボ上端部温度、ヒータパワーを対象としたシミュレーションを行い、その実験結果に基づき、上記の指標に影響を及ぼすと考えられる断熱部材21〜25の形状を決定すれば、引き上げるシリコン単結晶の形状に合わせてホットゾーンを最適化することができる。
As described above, the large-diameter silicon single crystal and the small-diameter silicon single crystal have different amounts of heat, so that the cooling rate is greatly different, and thus the thermal history is greatly different.
Therefore, a simulation is performed on Gc and Gc / Ge which are crystal temperature gradients when pulling up the silicon single crystal, the crucible upper end temperature when pulling up, and the heater power, and the above index is affected based on the experimental results. If the shape of the
例えば、大口径シリコン単結晶を引き上げる場合、徐冷にて引き上げを行っているので、上記のシミュレーションの実験結果に基づき、上記の指標に影響を及ぼすと考えられる断熱部材21〜25の形状を変更することにより、単結晶の冷却速度を促進することができる。さらに、単結晶の引き上げ速度を促進することでも、単結晶の冷却速度を促進することができる。したがって、これら双方を組み合わせることにより、単結晶の冷却速度を任意に制御することが可能である。
以上により、大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬することで、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時におけるホットゾーンを最適化することができる。したがって、この最適化したホットゾーンにより、結晶欠陥の品質に優れた大口径シリコン単結晶3を成長させることができる。
For example, when pulling up a large-diameter silicon single crystal, since the pulling is performed by slow cooling, the shape of the
As described above, the hot history when pulling up the large-diameter silicon
図7は、シリコン単結晶引き上げ時の凝固後の熱履歴、すなわち冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係をシミュレーションした結果を示す図、図8は、図7の各熱履歴に対応したCOP欠陥の大きさを示す図であり、図中、Dは450mm径のシリコン単結晶における凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、Eは450mm径のシリコン単結晶におけるDと異なる熱履歴の凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、Fは300mm径のシリコン単結晶における凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、Gは300mm径のシリコン単結晶におけるFと異なる熱履歴の凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、Hは200mm径のシリコン単結晶における凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、Jは450mm径のシリコン単結晶におけるD及びEと異なる熱履歴の凝固後の冷却時間(分)と結晶温度(℃)との関係を、それぞれ示している。 FIG. 7 is a diagram showing the thermal history after solidification at the time of pulling the silicon single crystal, that is, the result of simulating the relationship between the cooling time (minutes) and the crystal temperature (° C.), and FIG. 8 shows each thermal history of FIG. It is a figure which shows the magnitude | size of the corresponding COP defect, In the figure, D is the relationship between the cooling time (minutes) after solidification and the crystal temperature (degreeC) in a 450 mm diameter silicon single crystal, E is 450 mm diameter silicon. The relationship between the cooling time (min) after solidification of a thermal history different from D in a single crystal and the crystal temperature (° C.), F is the cooling time (min) after solidification and crystal temperature (° C.) of a 300 mm diameter silicon single crystal. G represents the relationship between the cooling time (minutes) after solidification of the heat history different from F in the 300 mm diameter silicon single crystal and the crystal temperature (° C.), and H represents the solidification in the 200 mm diameter silicon single crystal. After cooling time (minutes) and The relationship between the temperature (° C.), J is the relationship between the cooling time after solidification thermal history different from D and E in the silicon single crystal 450mm diameter and (min) and crystallization temperature (° C.), are shown respectively.
なお、上記のJでは、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせて断熱部材21〜25それぞれを作製することにより、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を、小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬することで、単結晶の冷却速度を促進し、さらに、単結晶の引き上げ速度を0.65mm/分以上に設定することで、シリコン単結晶内にCOP欠陥が形成される結晶欠陥形成温度領域(1100℃〜1050℃)の滞在時間を30分以下としている。
In J above, the necessary parts are selected from the block-shaped
図7及び図8では、単結晶の引き上げ条件やホットゾーン形状によりシリコン単結晶の熱履歴が異なるので、単結晶の温度勾配、及び結晶欠陥形成温度領域に単結晶が滞在する滞在時間も異なっている。
図7及び図8によれば、シリコン単結晶内にCOP欠陥が形成される結晶欠陥形成温度領域は1100℃〜1050℃であるから、この結晶欠陥形成温度領域の滞在時間が長くなればなる程、COP欠陥が大きくなることが分かる。
また、この滞在時間がある一定時間を超えた場合、COP欠陥の成長が飽和し、COP欠陥の大きさが一定となることが分かる。
7 and 8, since the thermal history of the silicon single crystal varies depending on the pulling condition of the single crystal and the hot zone shape, the temperature gradient of the single crystal and the residence time during which the single crystal stays in the crystal defect formation temperature region also differ. Yes.
According to FIGS. 7 and 8, the crystal defect formation temperature region in which COP defects are formed in the silicon single crystal is 1100 ° C. to 1050 ° C. Therefore, the longer the residence time of this crystal defect formation temperature region is, It can be seen that COP defects are increased.
Further, it can be seen that when the stay time exceeds a certain time, the growth of the COP defect is saturated and the size of the COP defect becomes constant.
以上により、450mm径のシリコン単結晶を引き上げる場合に、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせて断熱部材21〜25それぞれを作製することにより、シリコン単結晶内にCOP欠陥が形成される結晶欠陥形成温度領域(1100℃〜1050℃)の滞在時間が30分以下となる熱履歴とすれば、シリコン単結晶内に形成されるCOP欠陥を小さくすることができる。その結果、200mm径または300mm径のシリコン単結晶を用いて450mm径のシリコン単結晶の熱履歴を模擬することにより、450mm径のシリコン単結晶の結晶欠陥、例えば、COP欠陥等のGrown−in欠陥を無くすことができ、450mm径のシリコン単結晶の品質を向上させることができる。
As described above, when pulling up a 450 mm diameter silicon single crystal, the necessary parts are selected from the block-shaped
本実施形態の大口径シリコン単結晶の製造方法によれば、ホットゾーンを、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせた断熱部材21〜25それぞれを用いて構成することにより、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を容易に制御することができる。
したがって、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to the method for manufacturing a large-diameter silicon single crystal of the present embodiment, a hot zone is selected from necessary parts from the block-shaped
Therefore, a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 450 mm or larger can be manufactured with the same quality as a small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter, and at a low cost and in a short time.
本実施形態の大口径シリコン単結晶の製造装置によれば、断熱体18を、ブロック状のパーツ31や円筒パーツ32から必要なパーツを選択し、これらのパーツを組み合わせた断熱部材21〜25により構成したので、断熱部材21〜25をパーツ31、32の組み合わせだけで作製することができ、したがって、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時のホットゾーンを容易かつ短時間にて作製することができ、大口径シリコン単結晶3の引き上げ時の熱履歴を容易に制御することができる。
したがって、450mmあるいはそれより大径の大口径シリコン単結晶3を、これより小さな径の小口径シリコン単結晶と同等の品質で、しかも低コストかつ短時間にて製造することができる。
According to the large-diameter silicon single crystal manufacturing apparatus of the present embodiment, the
Therefore, the large-diameter silicon
1 CZ炉
2 チャンバー
3 大口径シリコン単結晶
4 シリコン融液
11 ルツボ
12 ルツボ
13 ヒータ
14 シードチャック
15 引き上げ軸
16 引き上げ機構
17 支持軸
18 断熱体
21〜25 断熱部材
31 ブロック状のパーツ
32 円筒パーツ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記大口径シリコン単結晶及び前記ルツボを囲むように配置されるとともに、複数種から1種または2種以上の断熱片を選択して組み合わせることで外径、内径、厚みを変更可能な複数の断熱部材を有する装置において、前記複数の断熱部材から構成されて、大口径シリコン単結晶の固液界面から上方の冷却領域を成すホットゾーンの形状を最適化することにより、
前記大口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴を、前記大口径シリコン単結晶より小さな径の成長した小口径シリコン単結晶を冷却させるときの結晶欠陥形成温度領域と、この結晶欠陥形成温度領域の滞在時間とを含む小口径シリコン単結晶の引き上げ時の熱履歴に模擬し、この模擬した熱履歴に基づき前記大口径シリコン単結晶を成長させることを特徴とする大口径シリコン単結晶の製造方法。 A method for producing a large-diameter silicon single crystal in which a large-diameter silicon single crystal is grown from a silicon melt contained in a crucible by the Czochralski method,
Wherein is arranged to surround the large diameter silicon single crystal and the crucible Rutotomoni, outer diameter in combination isosamples select one or more thermal insulation pieces from multiple species inner diameter, a plurality of changeable thickness In an apparatus having a heat insulating member , the hot zone is composed of the plurality of heat insulating members, and by optimizing the shape of the hot zone that forms the cooling region above the solid-liquid interface of the large-diameter silicon single crystal,
The thermal history at the time of pulling up the large-diameter silicon single crystal is a crystal defect formation temperature region when cooling the grown small-diameter silicon single crystal having a smaller diameter than the large-diameter silicon single crystal, and the crystal defect formation temperature region. A method for producing a large-diameter silicon single crystal characterized by simulating a thermal history during pulling of a small-diameter silicon single crystal including a residence time and growing the large-diameter silicon single crystal based on the simulated thermal history.
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