JPH0834698A - 単結晶引き上げ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 通常速度の引き上げ工程Ａと、通常速度の６
０％以下の速度での引き上げ工程Ｂとを交互に繰り返し
ながら単結晶シリコン２０を引き上げる単結晶引き上げ
方法。 【効果】 通常速度の６０％以下の速度で引き上げる単
結晶シリコン２１ｂ、２２ｂ、…近傍の温度をその都度
１３００℃以上の所定温度範囲に所定時間保持すること
ができるため、これらの単結晶シリコン近傍部分の原子
空孔を所定量以下に減少させることができ、引き上げら
れた単結晶シリコン２０内に酸素析出物の多い層２１
ａ、２２ａ、…と少ない層２１ｂ、２２ｂ、…とを交互
に形成することができ、分割箇所２２ｃ、２３ｃ、…で
スライスすると、酸素析出物が素子の活性領域となる表
層部には存在しないシリコン基板を形成することがで
き、酸化膜の耐圧特性に優れたシリコン基板を得ること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶引き上げ方法に関
し、より詳細には、例えば半導体基板を作製するための
単結晶シリコンをチョクラルスキー法（以下ＣＺ法とい
う）等により引き上げる単結晶引き上げ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＬＳＩ等の回路素子を形成するた
めの半導体基板の製造には、大部分が回転引き上げ法、
すなわちＣＺ法により石英坩堝内のシリコン溶融液から
引き上げられた単結晶シリコンが用いられている。ＣＺ
法による場合、シリコン溶融液中には石英（ＳｉＯ₂ ）
坩堝の一部が溶解して生じた酸素が存在しており、この
シリコン溶融液から引き上げられた単結晶シリコンには
１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度の酸素不純物が含ま
れている。

【０００３】一方、例えばＬＳＩ製造時に施される代表
的な熱酸化処理の温度としての１０００℃では、シリコ
ン中における酸素の固溶度は約３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³ 程度である。したがってＬＳＩ製造のための熱処
理の際、シリコン基板に含有される酸素は常に過飽和状
態にあり、シリコン基板内に酸素が析出し易い状態にな
っている。

【０００４】シリコン単結晶中における酸素の働きは複
雑であり、かつ多岐にわたっている。酸素が結晶格子間
に存在するときは転位を固着する効果があり、熱処理の
際に発生するシリコン基板の反りを抑制する。他方、酸
素が析出してＳｉＯ₂ に変化すると、体積膨張によりシ
リコン原子が放出されて積層欠陥を形成したり、さらに
歪みが大きい場合にはパンチアウト転位等の微小欠陥を
形成する。

【０００５】これらの微小欠陥がシリコン基板の表面か
ら十分に離れた内部にのみ発生する場合には、ＬＳＩの
製造工程中においてシリコン基板の表面に付着した重金
属等の汚染物質を吸着して素子の活性領域（シリコン基
板表面近傍）から除去する作用、いわゆるゲッタリング
作用が働き、高品質のＬＳＩを製造するのに有用とな
る。ところが、これらの微小欠陥が素子の活性領域に存
在するとリーク電流を増大させる原因になり、ＬＳＩに
とって有害となる。

【０００６】このため、ＬＳＩ製造の前処理として、シ
リコン基板の表面に無欠陥層（Denuded Zone) を形成
し、シリコン基板の内部に欠陥層( Intrinsic Getterin
g)を形成する処理が行われている。すなわち、引き上げ
た単結晶のインゴットをスライスしてシリコン基板を作
製した後、このシリコン基板を窒素雰囲気中で例えば１
１００℃程度に加熱し、表面近傍の酸素を外方へ拡散さ
せて酸素濃度を低下させ、次いで例えば７００℃程度の
熱処理を施してシリコン基板内に酸素の析出核を形成す
る処理を行っている。

【０００７】また、坩堝上方に配設したヒータ内に単結
晶を通過させ、９００〜１１００℃で３時間以上加熱し
つつ引き上げる方法が提案されている（特開昭６１−２
０１６９２号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のＣＺ法により引
き上げられた単結晶シリコン中には、単結晶引き上げの
際に形成された高温で安定な酸素析出物がすでに存在し
ており、上記した無欠陥層を形成するための例えば１１
００℃程度の熱処理では、前記酸素析出物を単結晶中に
固溶させることは困難である。この結果、該析出物によ
る欠陥が素子の活性領域となるシリコン基板の表面近傍
に存在し易く、基板上に形成される酸化膜の耐圧特性に
劣るという課題があった。

【０００９】また上記した単結晶引き上げ中に単結晶全
体を加熱する方法においても、加熱温度が９００〜１１
００℃と低く、前記酸素析出物を十分に固溶させること
は難しいという課題があった。

【００１０】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、素子の活性領域となる表層部に高温で安定な
酸素析出物が存在しないシリコン基板を製造することが
でき、酸化膜の耐圧特性に優れたシリコン基板を得るこ
とができる単結晶引き上げ方法を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶引き上げ方法は、坩堝内の溶融液
から単結晶を引き上げる単結晶引き上げ方法において、
通常速度の引き上げ工程と、該通常速度の６０％以下の
速度での引き上げ工程とを交互に繰り返しながら単結晶
を引き上げることを特徴としている（１）。

【００１２】また本発明に係る単結晶引き上げ方法は、
坩堝内の溶融液から単結晶を引き上げる単結晶引き上げ
方法において、引き上げ工程と引き上げ停止の工程とを
交互に繰り返しながら結晶を引上げることを特徴として
いる（２）。

【００１３】

【作用】本発明に係る単結晶引き上げ方法（１）によれ
ば、通常速度の引き上げ工程と、該通常速度の６０％以
下の速度での引き上げ工程とを交互に繰り返しながら単
結晶を引き上げるので、前記通常速度の６０％以下の速
度での引き上げ工程において、高温の溶融液等からの加
熱により単結晶近傍をその都度１３００℃以上の所定温
度範囲に所定時間保持し得る。このため、この工程では
結晶固化時に過飽和に含まれる原子空孔が固液界面、結
晶表面への拡散、格子間シリコンとの再結合により減少
し、熱平衡濃度に近くなる。一方、前記通常速度で引き
上げられた単結晶の部分には原子空孔が過飽和に含まれ
る。したがって引上げられた単結晶インゴット内には、
引き上げ軸方向に沿って前記原子空孔が比較的多い層
と、比較的少ない層とが所定ピッチで交互に形成される
こととなる。すると前記原子空孔は酸素析出物の形成及
び成長を促進するため、本発明の方法により作製した単
結晶インゴットを前記引き上げ軸方向に関して所定間隔
でスライスしてゆくと、内部には比較的サイズが大き
く、高温で安定な酸素析出物が存在する一方、素子の活
性領域となる表面層には存在しないシリコン基板が得ら
れることとなり、酸化膜の耐圧特性に優れたシリコン基
板が得られることとなる。

【００１４】また本発明に係る単結晶引き上げ方法
（２）によれば、引き上げ工程と引き上げ停止の工程と
を交互に繰り返しながら結晶を引上げるので、前記引き
上げ停止の工程において、高温の溶融液等からの加熱に
より単結晶近傍をその都度１３００℃以上の所定温度範
囲に所定時間保持し得る。したがって単結晶引き上げ方
法（１）の場合と略同様の作用が得られることとなる。

【００１５】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ方法の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施
例に係る単結晶引き上げ方法に用いられる装置及び引き
上げられる単結晶を示した摸式的断面図であり、図中１
１はチャンバーを示している。チャンバー１１は容器１
２により形成され、真空ポンプ（図示せず）を用いて低
圧に保持されており、また上部チャンバー１１ａからＡ
ｒガスが導入されるようになっている。チャンバー１１
の略中央部には有底円筒形状の坩堝１３が配設され、坩
堝１３は回転可能に支持されている。坩堝１３の外周に
はこれと同心状にヒータ１４が配設され、ヒータ１４の
外周には保温筒１４ａが配設されている。坩堝１３内に
はシリコン結晶用原料をヒータ１４により溶融させた溶
融液１５が充填されており、坩堝１３の中心軸上には引
き上げ軸１６が配設されている。引き上げ軸１６は回転
しつつ上方に引き上げられるようになっており、この回
転速度及び引き上げ速度は制御し得るようになってい
る。引き上げ軸１６の先端部には種結晶１６ａが取り付
けられており、これらチャンバー１１、坩堝１３、ヒー
タ１４、引き上げ軸１６等を含んで単結晶引き上げ装置
１０が構成されている。

【００１６】このように構成された装置１０を用いてシ
リコン単結晶を引き上げる場合、まず坩堝１３内にシリ
コン原料を装入し、ヒータ１４によりシリコン原料を溶
融させて溶融液１５を形成する。次に種結晶１６ａを溶
融液１５に浸漬させた後、坩堝１３及び引き上げ軸１６
を回転させつつ、引き上げ軸１６を通常の所定速度で所
定距離Ｍほど引き上げ、単結晶シリコン２１ａを成長さ
せる。次に坩堝１３及び引き上げ軸１６を回転させた状
態で、引き上げ軸１６を通常速度の６０％以下の所定速
度で所定距離Ｎほど引き上げ、単結晶シリコン２１ｂを
成長させるか、あるいはこの引き上げを停止する。次に
また引き上げ軸１６を通常の所定速度で所定距離Ｍほど
引き上げ、単結晶シリコン２２ａを成長させる。この
後、引き上げ軸１６を通常速度の６０％以下の所定速度
で所定距離Ｎほど引き上げ、単結晶シリコン２２ｂを成
長させるか、あるいはこの引き上げを停止する。以下、
同様にして単結晶シリコン２３ａ、２３ｂ、２４ａ、…
を連続的、あるいは間欠的に引き上げて行き、単結晶シ
リコン２０を形成する。

【００１７】このようにして引き上げられた単結晶シリ
コン２０からシリコン基板を形成する場合、まず単結晶
シリコン２０上部近傍を切り取り、引き上げ軸１６方向
に沿って中心軸を含むように厚さが約２ｍｍ程度の略三
角形状を有する試料を切り出し、この試料の両面を鏡面
状に研磨する。次にこの試料に洗浄処理を施した後、約
１０００℃の酸素雰囲気中で約１６時間の熱処理を施
す。次にＸ線トポグラフで観察し、例えば酸素含有量が
少ない単結晶シリコン２２ｂの上下端面の位置を確認し
た後、この略中間箇所を起点２２ｃとし、所定距離（Ｍ
＋Ｎ）ごとの分割箇所２３ｃ、２４ｃ、…で単結晶シリ
コン２０をスライスする。すると、例えば通常速度で引
き上げられた単結晶シリコンを挟み、通常速度の６０％
以下の速度で引き上げられた単結晶シリコンが対向した
シリコン基板が形成される。

【００１８】以下に、実施例に係る単結晶の引き上げ方
法により成長させた直径が約６インチ、長さが約１ｍの
単結晶シリコン２０を用い、厚さが約０．６２５ｍｍの
シリコン基板を形成し、このシリコン基板上に形成した
酸化膜の耐圧特性を調査した結果について説明する。実
施例に係る通常速度の引き上げ工程Ａと、通常速度の６
０％以下の速度での引き上げ工程Ｂとにおける引き上げ
条件は、通常速度を約１．０ｍｍ／ｍｉｎ一定とし、実
施例１では工程Ａにおける引き上げ距離Ｍを約１．０９
０ｍｍ、工程Ｂにおける引き上げ速度をゼロ（引き上げ
停止時間は約２６秒間）にそれぞれ設定した。また実施
例２では工程Ａにおける引き上げ距離Ｍを約０．９９０
ｍｍ、工程Ｂにおける引き上げ速度を約０．３ｍｍ／ｍ
ｉｎ（引き上げ距離Ｎは約０．１ｍｍ）にそれぞれ設定
した。また実施例３では工程Ａにおける引き上げ距離Ｍ
を約０．９９０ｍｍ、工程Ｂにおける引き上げ速度を約
０．５ｍｍ／ｍｉｎ（引き上げ距離Ｎは約０．１ｍｍ）
にそれぞれ設定した。また実施例４では工程Ａにおける
引き上げ距離Ｍを約０．９９０ｍｍ、工程Ｂにおける引
き上げ速度を約０．６ｍｍ／ｍｉｎ（引き上げ距離Ｎは
約０．１ｍｍ）にそれぞれ設定した。

【００１９】また比較例１として全工程を通常速度の約
１．０ｍｍ／ｍｉｎで連続的に引き上げたもの、比較例
２として工程Ａにおける引き上げ距離Ｍを約０．９９０
ｍｍ、工程Ｂにおける引き上げ速度を約０．８ｍｍ／ｍ
ｉｎ（引き上げ距離Ｎは約０．１０ｍｍ）に設定したも
のを用いた。

【００２０】このようにして引き上げた単結晶シリコン
中の格子間酸素濃度をフーリエ変換型赤外分光装置を用
いて測定すると、結晶の全長にわたって約１．５×１０
¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ （換算係数＝４．８１×１０¹⁷ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ² ：旧ＡＳＴＭ）であった。

【００２１】次に実施例１〜４及び比較例１〜２に係る
方法によりそれぞれ引き上げられた単結晶シリコンイン
ゴットからシリコン基板を切り出し、各基板の片面に鏡
面研磨を施し、厚さを約０．６２５ｍｍとした。次に前
記各シリコン基板を洗浄した後、拡散炉に装入して酸素
雰囲気中９５０℃の熱処理を施し、前記各シリコン基板
表面に厚さが２５０Åの酸化膜を形成した。次にＬＰＣ
ＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 装置
を用い、約６３０℃において２０％ＨｅベースのＳｉＨ
₄ ガスを流し、前記各シリコン基板上に膜厚が約４００
０Åの電極としての多結晶シリコン層を形成した。次に
ＰＯＣｌ₃ 、Ｏ₂ 、Ｎ₂ ガスを流しながら９００℃の熱
処理を施し、前記多結晶シリコン層にリンを拡散させた
後、ＨＦ（５０％）：Ｈ₂ Ｏ＝１：１０のエッチング液
を用い、前記各シリコン基板裏面に形成された酸化膜を
エッチング除去した。その後、フォトリソグラフィ技術
により前記各シリコン基板上に多結晶シリコン層からな
る２５４個の電極素子を形成した。

【００２２】図２〜図７はシリコン基板における酸化膜
耐圧特性の面内分布を示した図であり、図２〜図５はそ
れぞれ実施例１〜４に係る方法で引き上げた単結晶シリ
コンからシリコン基板を形成した場合、図６〜図７はそ
れぞれ比較例１〜２に係る方法の場合を示している。な
お酸化膜の耐圧特性は１ｍＡの電流が電極素子間に流れ
たときをブレークダウンと見做し、そのときの電界強度
（Ｅ_bd）が０〜２ＭＶ／ｃｍのときを黒塗りの□印、２
〜５ＭＶ／ｃｍのときを×印、５〜８ＭＶ／ｃｍのとき
を／印、８ＭＶ／ｃｍ以上のときを□印で表わすことに
より評価を行なった。

【００２３】図２〜図７から明らかなように、８ＭＶ／
ｃｍの電界強度でブレークダウンしない素子数は、実施
例１〜４に係る方法の場合、２５４素子中それぞれ２０
４素子（良品率８０％）、１７４素子（良品率６９
％）、１６０素子（良品率６３％）、１２４素子（良品
率４９％）であった。一方、比較例１〜２に係る方法の
場合、２５４素子中それぞれ９８素子（良品率３９
％）、１０６素子（良品率４２％）であった。

【００２４】上記結果から明らかなように、実施例に係
る単結晶の引き上げ方法では、高温の溶融液１５等から
の加熱により、通常速度の６０％以下の速度で引き上げ
る単結晶シリコン２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、…近傍の温
度をその都度１３００℃以上の所定温度範囲に所定時間
保持することができ、固液界面や結晶表面への拡散、格
子間シリコンとの再結合により、結晶固化時に過飽和に
含まれる原子空孔を減少させ、熱平衡濃度に近付けるこ
とができる。したがって引き上げられた単結晶シリコン
２０内において、引き上げ軸１６方向に沿って原子空孔
の比較的多い層と比較的少ない層とを所定ピッチで交互
に形成することができる。この原子空孔は酸素析出物の
形成、成長を促進するため、単結晶シリコン２０を引き
上げ軸１６方向の２２ｃ、２３ｃ、２４ｃ、…でスライ
スすると、結晶成長中に形成された比較的サイズが大き
く、高温で安定な酸素析出物が内部には存在し、素子の
活性領域となる表層部には存在しないシリコン基板を形
成することができ、酸化膜の耐圧特性に優れたシリコン
基板を得ることができる。

【００２５】また引き上げの工程と引き上げ停止の工程
とを交互に繰り返しながら引き上げるので、引き上げ停
止中、単結晶シリコン２１ｂ、２２ｂ、…近傍をその都
度１３００℃以上の所定温度範囲に所定時間保持するこ
とができ、したがって通常速度と通常の６０％以下の速
度とにより交互に引き上げる場合と略同様の効果を得る
ことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る単結晶
引き上げ方法（１）にあっては、引き上げ軸方向に沿っ
て比較的サイズが大きく、高温で安定な酸素析出物の比
較的多い層と比較的少ない層とを所定ピッチで交互に形
成することができ、この単結晶を引き上げ軸方向に関し
て所定間隔でスライスしてゆくと、酸素析出物が内部に
は存在し、素子の活性領域となる表層部には存在しない
シリコン基板を形成することができ、酸化膜の耐圧特性
に優れたシリコン基板を得ることができる。

【００２７】また本発明に係る単結晶引き上げ方法
（２）にあっては、単結晶引き上げ方法（１）の場合と
略同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶引き上げ方法に用いられる
装置及び引き上げられる単結晶シリコンを示した摸式的
断面図である。

【図２】実施例１に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【図３】実施例２に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【図４】実施例３に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【図５】実施例４に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【図６】比較例１に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【図７】比較例２に係る方法で引き上げた単結晶シリコ
ンを用いたシリコン基板における酸化膜耐圧特性の面内
分布を示した図である。

【符号の説明】

１３ 坩堝 １５ 溶融液 ２０ 単結晶シリコン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坩堝内の溶融液から単結晶を引き上げる
   単結晶引き上げ方法において、通常速度の引き上げ工程
   と、該通常速度の６０％以下の速度での引き上げ工程と
   を交互に繰り返しながら結晶を引き上げることを特徴と
   する単結晶引き上げ方法。
2. 【請求項２】 坩堝内の溶融液から単結晶を引き上げる
   単結晶引き上げ方法において、引き上げ工程と引き上げ
   停止の工程とを交互に繰り返しながら結晶を引上げるこ
   とを特徴とする単結晶引き上げ方法。