JPH11199380A

JPH11199380A - シリコンウエーハ及び結晶育成方法

Info

Publication number: JPH11199380A
Application number: JP9367702A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kubo; 高行久保; Takashi Fujikawa; 孝藤川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-27
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JP4688984B2

Abstract

(57)【要約】【課題】引き上げ速度を低下させずに、空孔クラスタ
の発生を抑制する。【解決手段】ＣＺ法により単結晶１３を育成する。原
料融液１２を生成する際に、結晶中の炭素濃度が１×１
０¹⁶atoms/cm³以上となるように、坩堝３の内底面上に
炭素粉末１０を投入し、その後で多結晶原料１１を装填
する。原料融液１２から単結晶１３を引き上げるときの
引き上げ速度を、ＯＳＦリングが結晶最外周部より内側
に生じるか、若しくは外側に消滅する高速度とする。結
晶中の炭素濃度を１×１０¹⁶atoms/cm³以上とすること
により、空孔クラスタ発生域における０．１３以上の空
孔クラスタの単位面積当たりの個数が、１回のＳＣ１洗
浄後の段階で０．５個／ｃｍ²以下に減少する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
素材として使用されるシリコンウエーハ、及びそのウエ
ーハを製造するための結晶育成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの素材として使用される
シリコンウエーハは、主にＣＺ法により育成されたシリ
コン単結晶から採取される。ＣＺ法とは、周知の如く、
石英坩堝内に生成されたシリコンの原料融液に種結晶を
漬け、種結晶及び石英坩堝を逆方向に回転させながら種
結晶を引き上げることにより、その下にシリコンの単結
晶を育成する方法である。

【０００３】このようなＣＺ法による育成プロセスを経
て製造されたシリコンウエーハは、熱酸化処理を受けた
ときに、ＯＳＦリングと呼ばれるリング状の酸化誘起積
層欠陥を生じることが知られている。ＯＳＦリングはそ
れ自体が半導体素子の特性を劣化させる原因になるだけ
でなく、リングの外側と内側では物性が異なり、ＯＳＦ
リングの外側には格子間原子の凝集が原因とされる転位
クラスタが発生するが、ＯＳＦリングの内側は比較的健
全とされている。一方、このＯＳＦリングについては、
引き上げ速度が速くなるに連れて単結晶の外周側へ移動
することが知られている。

【０００４】このような事情から、これまでは、ＯＳＦ
リングが、デバイス形成の際の有効部から除外される結
晶最外周部に分布するような高速引き上げ条件で単結晶
の育成を行っており、生産性の点からもこの高速引き上
げは好ましいものである。

【０００５】しかし、ＯＳＦリングの内側にも問題がな
いわけではない。この部分には空孔の凝集が原因とされ
る空孔クラスタが発生している。この欠陥は、ウエーハ
の表面をエッチングすると小さなピットとなって現れる
が、非常に小さなため、これまでは特に問題視されるこ
とはなかった。しかし、近年の著しい集積度の増大に伴
ってパターン幅が非常に微細化したため、高グレードの
ウエーハではこの空孔クラスタさえも問題になり始め
た。

【０００６】この空孔クラスタは、ウエーハ上にシリコ
ン単結晶の薄膜を成長させた所謂エピタキシャルウエー
ハには殆ど発生しないが、このウエーハは非常に高価で
あるため、ＣＺ法による単結晶の引き上げで空孔クラス
タの少ない結晶を育成することが要求されるようにな
り、この観点から、高グレードの結晶育成では、これま
でとは逆に引き上げ速度を遅くし、ＯＳＦリングを引き
上げ結晶の最外周部より内側に発生させて欠陥部分を中
心部に集中させるか、若しくは中心部で消滅させて空孔
クラスタ個数の低減を図る低速引き上げ法が考えられて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この低
速引き上げでは、高速引き上げに比べて生産性が著しく
低下するという問題がある。また、引き上げ速度を遅く
することにより、引き上げ時間が長くなるため、有転位
化を生じる危険性が大きくなり、この有転位化による歩
留りの低下も問題になる。

【０００８】従って、この低速引き上げによる育成工程
を経て製造されるシリコンウエーハは、高速引き上げに
よるものに比べて高価となる。

【０００９】ちなみに、ＯＳＦリングを結晶半径方向の
１／２位置に発生させる場合は、最大引き上げ速度の
０．７倍程度の低速で引き上げを行うことが必要とされ
ており、ＯＳＦリングを結晶中心部で消滅させる場合
は、最大引き上げ速度の０．６倍程度の低速引き上げが
必要とされている。

【００１０】本発明の目的は空孔クラスタが少なく、し
かも製造コストが安いシリコンウエーハを提供すること
にある。

【００１１】本発明の他の目的は、引き上げ速度を低下
させずとも、空孔クラスタの発生を抑制することができ
る結晶育成方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】ところで、半導体デバイ
ス材料として使用される一般のシリコン単結晶では、炭
素は不純物として扱われており、不可避的に混入する分
を除き、この炭素は含まれていないのが通例である。不
可避的に混入する炭素としては、大きく別けてシリコン
の多結晶原料に不純物として含まれるものと、単結晶の
育成過程で周囲のグラファイト製ヒータから混入するも
のの２つがあるが、その濃度は一般のウエーハで０．５
×１０¹⁶atoms/cm³以下である。また、一部ではウエー
ハを強化するために炭素を積極的に添加することも行わ
れているが、そのような炭素強化型ウエーハでも、炭素
濃度は１×１０¹⁶atoms/cm³未満である。

【００１３】ところが、この炭素は意図的に多量添加さ
れた場合に、空孔クラスタの発生を抑制する因子になり
得ることが本発明者らによる種々の実験調査から明らか
となった。これを踏まえて、本発明者らは空孔クラスタ
に及ぼす炭素濃度の影響を子細に調査した結果、炭素濃
度が１×１０¹⁶atoms/cm³以上の場合に、ＯＳＦリング
内側での空孔クラスタの発生が顕著に抑制され、低速引
き上げが必要とされなくなることを知見した。

【００１４】炭素によって空孔クラスタの発生が抑制さ
れる理由は現時点では定かではないが、一応次のように
考えられる。炭素起因の析出物により、その周辺のＳｉ
格子が圧縮して歪み、この歪みを緩和させるのに空孔が
消費されるためと考えられる。

【００１５】炭素が積極添加されたウエーハを簡易に製
造するためには、炭素がドープされた原料融液から単結
晶を引き上げる必要がある。本発明者らは、坩堝内の原
料融液に炭素をドープする方法についても調査検討し
た。その結果、以下の知見を得ることができた。

【００１６】炭素はシリコンより融点が高いために、原
料融液に炭素粉末を添加する方法では、溶け残りや飛散
が生じ、原料融液の炭素濃度が正確に管理されないだけ
でなく、溶け残った粉末や飛散した粉末が単結晶に取り
込まれて有転位化を生じるという問題がある。

【００１７】本発明者らはこの問題を解決するために炭
素粉末の添加方法について検討した結果、坩堝内で多結
晶原料を溶解して原料融液を生成する際に、多結晶原料
の装填に先立って坩堝の内底面上に炭素粉末を敷いてお
くと、その粉末の飛散が防止されるだけでなく、高温の
坩堝底部によって炭素粉末が効率的に加熱され、その粉
末の溶け残りが生じなくなることを知見した。

【００１８】本発明のシリコンウエーハは、炭素濃度が
１×１０¹⁶atoms/cm³以上であり、且つ、空孔クラスタ
発生域における０．１３μｍ以上の空孔クラスタの単位
面積当たりの発生個数が、１回のＳＣ１洗浄後で０．５
個／以下であることを構成上の特徴点とする。

【００１９】シリコンウエーハ中の炭素濃度を１×１０
¹⁶atoms/cm³以上とすることにより、空孔クラスタ発生
域における空孔クラスタの発生が顕著に抑制される。ま
た、最近の結晶育成は低酸素化及び低温化により酸素が
析出しにくい傾向にあり、その結果、ウエーハは酸素析
出物によるゲッタリング能力を低下させているが、結晶
中の炭素は酸素が析出するときの析出核となり、その酸
素析出を促進するので、炭素濃度の増大はウエーハのゲ
ッタリング能力を高める点からも好都合である。

【００２０】この炭素濃度は、空孔クラスタの発生を抑
制する点から２×１０¹⁶atoms/cm³以上が好ましく、５
×１０¹⁶atoms/cm³以上が特に好ましい。しかし、余り
に高濃度であると、有転位化の原因となるので、上限に
ついては５×１０¹⁷atoms/cm³以下が好ましく、２×１
０¹⁷atoms/cm³以下が特に好ましい。

【００２１】空孔クラスタ発生域とは、ＯＳＦリングが
発生するものについてはそのリングの内側を意味し、Ｏ
ＳＦリングが外側に消滅したものについてはウエーハ全
体を意味する。また、ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅
したものにおいては、空孔クラスタ発生域は存在しな
い。

【００２２】空孔クラスタはウエーハ表面をエッチング
処理することによりその表面に発現し観察が可能とな
り、その処理程度によって観察可能な空孔クラスタの大
きさ及び個数が変化する。本発明で言う空孔クラスタの
大きさ及び個数は、１回のＳＣ１洗浄を行った段階で発
現する空孔クラスタについてのものである。なお、ＳＣ
１洗浄は、ウエーハの欠陥検査に広く用いられている前
処理法であり、代表的なものとしてＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ
₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５のＳＣ１洗浄液により７５℃×
２０分の条件でウエーハを洗浄する処理を挙げることが
できる。

【００２３】クラスタ個数は、本発明では０．５個／ｃ
ｍ²以下としたが、０．１個／ｃｍ²以下が好ましく、
０．０３個／ｃｍ²以下が特に好ましい。

【００２４】また、本発明の結晶成長方法は、ＣＺ法を
用いてシリコン単結晶を育成する結晶育成方法におい
て、育成結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶atoms/cm³以上
となるように炭素がドープされたシリコン融液より単結
晶を引き上げるものである。

【００２５】その原料融液の生成方法としては、坩堝の
内底面上に炭素粉末を投入し、その後に多結晶原料を装
填する方法が好ましい。

【００２６】本発明において育成結晶中の炭素濃度を１
×１０¹⁶atoms/cm³以上としたのは、これ未満ではウエ
ーハの炭素濃度として１×１０¹⁶atoms/cm³以上が確保
されなくなり、空孔クラスタの発生が十分に抑制されな
いからである。好ましい下限は２×１０¹⁶atoms/cm³以
上であり、５×１０¹⁶atoms/cm³以上が特に好ましい。
炭素濃度の上限は特に規定しないが、極端に高濃度とな
ると有転位化の原因となるので、５×１０¹⁷atoms/cm³
以下が好ましく、２×１０¹⁷atoms/cm³以下が特に好ま
しい。

【００２７】引き上げ速度については、生産性を上げ、
且つ有転位化による歩留り低下を抑制するために、ＯＳ
Ｆリングが結晶の最外周部に発生するか外側に消滅する
高速引き上げが好ましいが、ＯＳＦリングが結晶の最外
周部より内側に発生する低速引き上げを採用して、空孔
クラスタの発生域を狭めることも可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る結晶
育成方法の説明図で、（ａ）は原料溶解工程、（ｂ）は
引き上げ工程を示す。

【００２９】結晶育成装置は、メインチャンバ１と、そ
の上面中心部に連結されたプルチャンバ２とを備えてい
る。これらは、軸方向を垂直とした略円筒状の真空容器
からなり、図示されない水冷機構を有している。メイン
チャンバ１の内部には、略中央に位置して坩堝３が配置
されると共に、坩堝３の外側に位置してヒータ４及び保
温筒５が配置されている。

【００３０】坩堝３は石英製の内層容器と黒鉛製の外層
容器とからなり、回転式かつ昇降式の支持軸６により支
持されている。坩堝３の上方には、回転式かつ昇降式の
引き上げ軸７がプルチャンバ２を通して吊り下げられ、
引き上げ軸７の下端には種結晶８が装着されている。

【００３１】結晶成長を行うには先ず、図１（ａ）に示
すように、チャンバを解体した状態で、坩堝３の内底面
上に炭素粉末１０を投入し、その上からシリコンの多結
晶原料１１を装填する。炭素粉末１０の投入量は、結晶
前半部の炭素濃度が１×１０¹⁶atoms/cm³以上となるよ
うに調整され、これにより結晶後半部の炭素濃度は５×
１０¹⁶atoms/cm³以上となる。

【００３２】原料装填が終わると、チャンバを組み立
て、その内部を真空排気した状態でヒータ４を作動させ
て、坩堝３内の原料を溶解する。このようにして、所定
量の炭素がドープされたシリコンの原料融液１２を坩堝
３内に生成する〔図１（ｂ）参照〕。

【００３３】原料融液１２の生成が終わると、図１
（ｂ）に示すように、引き上げ軸７の下端に装着された
種結晶８を原料融液１２に浸漬し、この状態から坩堝３
と引き上げ軸７を逆方向に回転させながら引き上げ軸７
を上昇させる。これにより、種結晶８の下方にシリコン
の単結晶１３が育成される。ここにおける引き上げ速度
は、ＯＳＦリングが結晶の最外周部に生じるか若しくは
その外側に消滅する高速度とされる。

【００３４】育成された単結晶１３は、１×１０¹⁶atom
s/cm³以上の炭素を含むものとなり、その結果、高速引
き上げによって育成された単結晶であるにもかかわらず
空孔クラスタの発生が抑制された高品質結晶となる。

【００３５】そして、この単結晶１３は、高速引き上げ
によって育成されているので、生産性が高く安価であ
る。加えて、有転位化の危険性が低いので、歩留りが高
く、この点からも経済性に優れる。

【００３６】また、炭素ドープのための炭素粉末を坩堝
３の内底面上に敷いて原料溶解を行うので、炭素粉末が
完全に溶け、その溶け残りによる炭素濃度のバラツキ及
び有転位化が防止される。しかも、炭素粉末の飛散が生
じないので、飛散粉末の落下による有転位化も防止され
る。従って、無転位化引き上げ歩留りが一層高い。

【００３７】

【実施例】次に本発明の実施例を示し、従来例と比較す
ることにより、本発明の効果を明らかにする。

【００３８】坩堝の内底面上に種々の量の炭素粉末を投
入した。粉末サイズは約１μｍである。次に、通常のシ
リコン多結晶原料１００ｋｇを装填し、その後、ｐ型ド
ーパントとしてボロン−シリコン合金０．６ｇ添加し
た。このようにして原料の装填を行った後、チャンバ内
を１０ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気にし、ヒータパワーを７０
ｋｗに設定して、多結晶原料を溶解した。そして、この
溶解により生成された原料融液から、１００方位の種結
晶により直径が８インチのシリコン単結晶を１０００ｍ
ｍ育成した。このときの結晶成長速度（引き上げ速度）
は、ＯＳＦリングが結晶の最外周部に発生する０．８ｍ
ｍ／分に設定した。

【００３９】比較のために、炭素粉末を投入しない場
合、及び多結晶原料の装填後に炭素粉末を投入した場合
についても、同様の結晶育成を実施した。炭素粉末を投
入しない場合の引き上げ速度は、上述の０．８ｍｍ／分
（高速引き上げ）と、ＯＳＦリングが中心部に発生する
０．５ｍｍ／分（低速引き上げ）の２種類とした。

【００４０】炭素粉末の投入法及び投入量、無転位引き
上げ率、育成結晶のトップから５００ｍｍの位置で切り
出したサンプルウエーハの炭素濃度及び空孔クラスタ個
数を調査した結果を表１に示す。空孔クラスタ個数は、
サンプルウエーハを鏡面研磨し、ＳＣ１洗浄後パーティ
クルカウンタにより０．１３μｍ以上の空孔クラスタの
個数（ＣＯＰ数）をカウントしたものである。

【００４１】表１から分かるように、原料融液中に炭素
が積極的にドープされていない場合は、ウエーハ１枚当
たり１８０個（密度は０．５７個／ｃｍ²）の空孔クラ
スタが発生するが、結晶中の炭素濃度が１×１０¹⁶atom
s/cm³以上となるように炭素粉末を投入することによ
り、空孔クラスタ数は３５個以下（密度は０．１１２個
／ｃｍ²以下）に減少する。但し、多結晶原料装填後に
炭素粉末を投入した場合は、粉末の溶け残り等のため無
転位引き上げ率が低下し、結晶中の炭素濃度も狙い値よ
り低下する。

【００４２】炭素をドープしなくても引き上げ速度を低
下させた場合も空孔クラスタの個数はウエーハ１枚当た
り２５個に減少するが、無転位引き上げ率は２０％に低
下する。また、速度低下による生産性の低下が大きいこ
とは言うまでもない。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のシリコンウエーハは、空孔クラスタが少ない上に、結
晶育成工程で引き上げ速度を低下させずとも製造される
ので、低速育成工程を経て製造されたウエーハと比べて
安価である。

【００４５】また、本発明の結晶育成方法は、引き上げ
速度を低下させずとも空孔クラスタの発生を抑えること
ができるので、生産性及び無転位歩留りが高い。従っ
て、高品質のウエーハを安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る結晶成長方法の説明図
であり、（ａ）は原料溶解工程、（ｂ）は引き上げ工程
を示す。

【符号の説明】

１メインチャンバ２プルチャンバ３坩堝４ヒータ５保温筒６支持軸７引き上げ軸８種結晶１０炭素粉末１１多結晶原料１２原料融液１３単結晶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素濃度が１×１０¹⁶atoms/cm³以上で
あり、且つ、空孔クラスタ発生域における０．１３μｍ
以上の空孔クラスタの単位面積当たりの発生個数が、１
回のＳＣ１洗浄後で０．５個／ｃｍ²以下であることを
特徴とするシリコンウエーハ。
【請求項２】ＣＺ法を用いてシリコン単結晶を育成す
る結晶育成方法において、育成結晶中の炭素濃度が１×
１０¹⁶atoms/cm³以上となるように炭素がドープされた
シリコン融液より単結晶を引き上げることを特徴とする
結晶育成方法。
【請求項３】坩堝内でシリコンの多結晶原料を溶解し
てシリコン融液を生成する際に、坩堝の内底面上に炭素
粉末を投入し、その後に多結晶原料を装填することを特
徴とする請求項２に記載の結晶育成方法。