JPH11199364A

JPH11199364A - 結晶育成方法

Info

Publication number: JPH11199364A
Application number: JP36770797A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kizaki; 信吾木崎; Junji Horii; 淳二堀井; Takayuki Kubo; 高行久保; Masahiko Okui; 正彦奥井
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

Abstract

(57)【要約】【課題】全面にわたって欠陥の少ない高品質なウエー
ハを製造する。【解決手段】ＣＺ法により単結晶９を育成する。原料
融液８から単結晶８を引き上げるときの引き上げ速度
を、ＯＳＦリングが結晶外周部より内側に生じるか、若
しくは中心部で消滅する低速度とする。結晶引き上げ路
の外側に設けられる熱遮蔽部材６の有効断熱部下端から
原料融液８の液面までの距離Ｌを、結晶径Ｄの１０％超
とする。ＯＳＦリングの外側での転位クラスタの発生が
防止されると共に、引き上げ速度が高速化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＺ法（チョクラ
ルスキー法）により単結晶を育成する結晶育成方法に関
し、更に詳しくは、ＯＳＦリングが引き上げ結晶の最外
周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速
引き上げ条件で実施される結晶育成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造に使用されるシリ
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
収容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、デバイス形成の際に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
の育成が行われている。

【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
単結晶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歩留
りの改善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、ＯＳＦリングの外側に発生する転位ク
ラスタを少なくすることが、とりもおさず必要である。
なぜなら、ＯＳＦリングを結晶中心部に発生させても、
その外側の転位クラスタが放置されたままであると、高
い品質は確保されないからである。

【０００８】本発明の目的は、低速引き上げにより空孔
クラスタ発生領域を結晶中心部に集中させたときに問題
となる結晶外周部での転位クラスタの発生を効果的に抑
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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは低速引き上げによって空孔クラスタ発
生領域を結晶中心部に集中させたときの、転位クラスタ
の発生原因について詳細な解析を行った。その結果、以
下の知見を得ることができた。

【００１０】空孔クラスタについては、単結晶引き上げ
中の熱履歴よって生じる空孔と格子間シリコンの濃度差
によって発生すること、及び引き上げ速度を低下するこ
とによりこの濃度差が小さくなることが知られている。

【００１１】より詳細には、引き上げ中の固液界面で取
り込まれた過剰な空孔と格子間シリコンのうち、高温部
で拡散係数の大きい空孔が、結晶成長方向の温度勾配に
よる平衡濃度の差による拡散、いわゆる坂道拡散により
固液界面に向かって拡散移動する。また、結晶半径方向
の温度分布と結晶表面の空孔の放出により、結晶表面で
は空孔は低濃度となる。これらのため、空孔の濃度は、
温度勾配の小さい結晶中心部で高く、温度勾配の大きい
外周部で低い分布となる。

【００１２】一方、高温部での格子間シリコンは、拡散
係数が空孔のそれの１／１００〜１／１０００と低いた
め殆ど動かない。このため、格子間シリコンの濃度は、
結晶半径方向で熱履歴によらずほぼ一定となり、ここに
空孔と格子間シリコンの濃度差が結晶半径方向で生じ
る。通常の高速引き上げの場合の空孔濃度分布及び格子
間シリコン濃度分布を図１（ａ）に示す。

【００１３】図１（ａ）から分かるように、空孔の濃度
は結晶中心部ほど高くなるのに対し、格子間シリコン濃
度は結晶半径方向で一定である。そして温度勾配の小さ
い結晶中心部では、空孔濃度が格子間シリコン濃度より
大となり、その濃度差Ｂが大きくなると、空孔クラスタ
が発生する。一方、温度勾配の大きい結晶外周部では、
格子間シリコン濃度が空孔濃度より大となり、その濃度
差Ａが大きくなると、転位クラスタが発生する。

【００１４】図１（ａ）に示す高速引き上げから引き上
げ速度を低下させると、図１（ｂ）に示すように、高温
部の熱履歴が長くなって坂道拡散が促進されるため、空
孔濃度が低下する。しかし、結晶半径方向の分布形態は
変化しない。このため、結晶中心部では過剰な空孔が減
少し、濃度差Ｂが小さくなるが、結晶外周部では過剰な
格子間シリコンが増加し、濃度差Ａは大きくなる。結
果、結晶の外周から転位クラスタが発生し、その発生位
置が通常の発生位置より中心側へ拡大する。

【００１５】このように、引き上げ速度を低下させるだ
けでは、転位クラスタの発生は避けられない。しかし、
図１（ｃ）に示すように、引き上げ速度を低下させ、空
孔濃度を低下させても、結晶外周部でその濃度低下率を
抑え、空孔濃度分布を結晶半径方向で均一化することを
合わせて行えば、濃度差Ａを大きくすることなく濃度差
Ｂが小さくなり、その結果、転位クラスタを発生させる
ことなく、空孔クラスタの発生を抑えることが可能とな
る。そして、この結晶外周部での空孔濃度低下率の抑制
は、原料融液から引き上げられた直後の結晶高温部の表
面を保熱し、結晶外周部の温度勾配を結晶中心部の温度
勾配に近づけ、高温熱履歴を長くすることにより実現さ
れる。

【００１６】より具体的には、ＣＺ法による近年の結晶
育成では、結晶引き上げ路の外側にコーンと呼ばれる逆
錐状の熱遮蔽部材を配置し、引き上げ結晶に外側から入
射する熱を途中で遮蔽して結晶の放熱を促進することに
より、引き上げ速度を高めることが行われているが、こ
の熱遮蔽部材の下端部を除去し、引き上げ直後の結晶高
温部表面への入射熱量を増大させるのが有効であり、し
かも実施の容易な手法である。

【００１７】本発明の結晶育成方法は、上記知見に基づ
いて開発されたものであり、ＣＺ法を用い、且つＯＳＦ
リングが引き上げ結晶の最外周部より内側に生じるか若
しくは中心部で消滅する低速引き上げ条件で単結晶を育
成する結晶育成方法において、結晶引き上げ路の外側に
配置される逆錐状の熱遮蔽部材の有効断熱部下端から坩
堝内の原料融液の液面までの距離Ｌを、引き上げ結晶径
Ｄの１０％超とすることを構成上の特徴点とする。

【００１８】熱遮蔽部材の有効断熱部下端から融液面ま
での距離（以下、熱透過区間長Ｌという）を結晶径Ｄの
１０％超とする具体的な方法としては、例えば次の方法
がある。なお、熱遮蔽部材の有効断熱部とは、所期の断
熱性能を有する部分のことで、通常、所定厚の断熱材が
充填された部分を指す。

【００１９】断熱材が充填された熱遮蔽部材の下端
から融液面までのギャップＧを結晶径Ｄの１０％超とす
る。断熱材が充填された熱遮蔽部材の下端部又はその下
端部に充填された断熱材の厚みをそれ以外の部分の厚み
より薄くして熱透過性を高め、通常厚み部分の下端から
融液面までの距離を結晶径Ｄの１０％超とする。熱遮蔽部材の下端部から断熱材を除去して熱透過性
を高め、断熱材の下端から融液面までの距離を結晶径Ｄ
の１０％超とする。熱遮蔽部材の下端部から断熱材を除去すると共に、
この部分に開口部を設け、開口部に熱透過性の高い耐熱
材を設ける。断熱材の下端から融液面までの距離は結晶
径Ｄの１０％超とする。断熱材が充填された熱遮蔽部材の下端から融液面ま
での距離を結晶径Ｄの１０％超とすると共に、その熱遮
蔽部材の下方に熱透過性の優れた逆錐状の補助部材を継
ぎ足す。

【００２０】熱遮蔽部材の主たる目的は、前述した通
り、引き上げ結晶への入射熱を制限し、その結晶の冷却
を促進して、引き上げ速度を上昇させることにあるが、
この熱遮蔽部材は一方で結晶周囲のガス下降流を整流し
て結晶歩留りや酸素濃度の制御性を改善する機能を有し
ており、この機能を確保する点からは熱遮蔽部材の下端
から融液面までのギャップＧは大きくしない方が好まし
い。ギャップＧが大きくなるとガス下降流の流速が低下
し、結晶歩留りや酸素濃度の制御性を改善する機能が低
下するからである。前述した具体的な方法のうち〜
はこのギャップＧを大きくすることなく、熱透過区間長
Ｌを結晶径Ｄの１０％超とすることができるという点で
好ましいものである。

【００２１】引き上げ結晶の冷却は、結晶への入射熱よ
り結晶からの放射熱が多いことにより進行する。熱透過
区間長Ｌを結晶径Ｄの１０％超とすると、引き上げ直後
の結晶高温部では、結晶への入射熱が増大し、結晶外周
部の温度勾配が結晶中心部の温度勾配に近づき、空孔濃
度の結晶径方向分布が均一化されることにより、低速引
き上げに伴う転位クラスタの発生が抑制される。これに
加えて、同じ位置にＯＳＦリングを発生させる場合の引
き上げ速度が増大する。その理由は以下の通りである。
従来は熱遮蔽部材を設けることにより空間的・時間的な
温度勾配がきつくなり、このなかで引き上げ速度を低下
させることによりＯＳＦリングを内側へ移動させるが、
熱透過区間長Ｌを大きくすることにより空間的・時間的
な温度勾配が緩やかになり、そのために同じ引き上げ速
度ではＯＳＦリングが従来よりも内側に入る。従って、
同じ位置にＯＳＦリングを発生させる場合は、引き上げ
速度が増大する。

【００２２】結晶径Ｄに対する熱透過区間長Ｌの比率
は、転位クラスタの発生を抑制する点大きい方が好まし
く、２０％以上、特に３０％以上が好ましいが、大きく
なりすぎると引き上げ中の結晶が変形するので、上限に
ついては６０％以下、特に５０％以下に制限するのが好
ましい。

【００２３】一方、熱遮蔽部材の下端から融液面までの
ギャップＧは、結晶周囲のガス下降流に対する整流作用
を確保するために、結晶径Ｄに対する熱透過区間長Ｌの
比率で表して１５％以下が好ましく、１０％以下が特に
好ましい。但し、極端にギャップＧを縮小すると、融液
面の揺れなどによって熱遮蔽部材への融液面の付着が起
こるので、下限を１％以上、特に７．５％％以上に制限
するのが好ましい。

【００２４】引き上げ速度は、空孔クラスタ発生域を狭
めるために、ＯＳＦリングの発生位置が結晶径方向の１
／２位置より内側になるように選択するのが好ましく、
そのＯＳＦリングが結晶中心部で消滅するように選択す
るのが特に好ましい。

【００２５】

【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２は本発明の実施形態に係る結晶
育成方法の説明図である。

【００２６】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の外側に位置して円筒状のヒータ
４及び保温材５が配置されている。また、坩堝３の上方
にはコーンと呼ばれる逆錐状の熱遮蔽部材６が同心状に
配置されている。

【００２７】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、図示さない支持軸により回転可能かつ
昇降可能に支持されている。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
り下げられている。熱遮蔽部材６は、内部全体に断熱材
が充填された通常構造のものであるが、引き上げ中に結
晶径Ｄの６％以上の熱透過区間長Ｌが確保されるように
高さを従来より小さくした設計になっている。

【００２８】結晶育成を行うには先ず、チャンバを解体
した状態で、坩堝３内にシリコンの多結晶原料を装填す
る。次いで、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。

【００２９】このようにして、坩堝３内にシリコンの原
料融液８が生成されると、引き上げ軸７の下端に装着さ
れた種結晶を原料融液８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、種結晶の下方にシリコンの
単結晶９が育成される。

【００３０】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より内側に生じるか若しくは中心部
で消滅する低速度とされる。また、単結晶９の引き上げ
に伴って坩堝３を上昇させることにより、原料融液８の
液面レベルを一定に維持するが、熱遮蔽部材６の下端か
ら融液面までのギャップＧを結晶径Ｄの１０％超とし、
これにより結晶径Ｄの１０％超の熱透過区間長Ｌを確保
する。

【００３１】育成された単結晶９では、低速引き上げに
より、ＯＳＦリングが小さくなり、空孔クラスタの発生
領域が結晶中心に制限される。また、熱透過区間長Ｌを
結晶径Ｄの１０％超とすることにより、引き上げ直後の
高温部分が原料融液８からの輻射熱により外側から効率
的に保温され、高温部での外周部の温度勾配が中心部の
温度勾配に近づくことにより、ＯＳＦリングの外側での
転位クラスタの発生が抑制されると共に、引き上げ速度
が高速化される。

【００３２】図３は本発明の別の実施形態に係る結晶育
成方法の説明図である。

【００３３】図３（ａ）では、熱遮蔽部材６として、下
端部を他の部分の厚みより薄い薄肉部６ｂとして熱遮蔽
機能を低下させたものを使用している。通常肉厚部分６
ａの下端から融液面までの距離、即ち熱透過区間長Ｌは
結晶径Ｄの１０％超である。また、薄肉部６ｂの下端か
ら融液面までの距離、即ちギャップＧは従来どおりであ
る。

【００３４】図３（ｂ）では、熱遮蔽部材６に充填され
る断熱材１０を、熱遮蔽部材６の下端部から排除した。
断熱材１０の下端から融液面までの距離、即ち熱透過区
間長Ｌは結晶径Ｄの１０％超である。また、熱遮蔽部材
６の下端から融液面までの距離、即ちギャップＧは従来
どおりである。

【００３５】図３（ｃ）では、熱遮蔽部材６に充填され
る断熱材１０を、熱遮蔽部材６の下端部から排除し、且
つ、この下端部に開口部を設けると共に、熱透過性の高
い石英ガラス等の耐熱材１１を設ける。断熱材１０の下
端から融液面までの距離、即ち熱透過区間長Ｌは結晶径
Ｄの１０％超である。また、熱遮蔽部材６の下端から融
液面までの距離、即ちギャップＧは従来どおりである。

【００３６】これらの実施形態でも、低速引き上げによ
り、ＯＳＦリングが小さくなり、空孔クラスタの発生領
域が結晶中心に制限される。また、熱透過区間長Ｌを結
晶径Ｄの１０％超とすることにより、引き上げ直後の高
温部分が原料融液８からの輻射熱により外側から効率的
に保温され、高温部での外周部の温度勾配が中心部の温
度勾配に近づくことにより、ＯＳＦリングの外側での転
位クラスタの発生が抑制されると共に、引き上げ速度が
高速化される。更に、熱遮蔽部材６の下端から融液面ま
でのギャップＧを従来どおりとすることにより、結晶周
囲のガス下降流にあっては従来通りの流速が確保され、
その流速の低下による歩留り悪化や酸素濃度の制御性低
下が回避される。

【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】石英坩堝内にシリコンの多結晶原料を１２
０ｋｇチャージし溶解して生成した原料融液から、１０
０方位の８インチ結晶を引き上げる際に、従来例とし
て、従来どおりの熱遮蔽部材を使用し、熱遮蔽部材の下
端から融液面までのギャップＧを２０ｍｍとした。熱透
過区間長Ｌも２０ｍｍである。

【００３９】実施例１として、熱遮蔽部材の下端部を除
去し、熱遮蔽部材の下端から融液面までのギャップＧを
４０ｍｍとした（図２参照）。熱透過区間長Ｌも４０ｍ
ｍである。

【００４０】実施例２として、熱遮蔽部材の下端部を除
去し、熱遮蔽部材の下端から融液面までのギャップＧを
６０ｍｍとした（図２参照）。熱透過区間長Ｌも６０ｍ
ｍである。

【００４１】実施例３として、熱遮蔽部材の下端部の厚
みを他の部分の厚みの１／２に減じ、熱遮蔽部材の下端
から融液面までのギャップＧを２０ｍｍとし、通常肉厚
部の下端から融液面までの熱透過区間長Ｌを６０ｍｍと
した〔図３（ａ）参照〕。

【００４２】実施例４として、熱遮蔽部材の下端部から
断熱材を除去し、この部分に開口部を設けると共に石英
ガラスを設けた。熱遮蔽部材の下端から融液面までのギ
ャップＧを２０ｍｍとし、断熱材の下端から融液面まで
の熱透過区間長Ｌを６０ｍｍとした〔図３（ｃ）参
照〕。

【００４３】いずれの例においても、ＯＳＦリングが結
晶半径の１／２の位置に発生するように引き上げ速度を
調整した。

【００４４】図４に各例での引き上げ速度を、ＯＳＦリ
ングを結晶最外周部に発生させる高速引き上げでの引き
上げ速度（１．０ｍｍ／分）を１としたときの速度比に
より示す。また、育成された単結晶から採取したウエー
ハについて空孔クラスタ発生密度の径方向分布、転位ク
ラスタ発生密度の径方向分布を調査した結果を図５に示
し、結晶育成での完全結晶化率を図６に示し、育成結晶
の引き上げ軸方向における酸素濃度分布を調査した結果
を図７に示す。

【００４５】各図において「低速引き上げ」は従来例、
「大ギャップ１」は実施例１、「大ギャップ２」は実施
例２、「先端薄肉化」は実施例３、「先端石英」は実施
例４、「高速引き上げ」はＯＳＦリングを結晶最外周部
に発生させる引き上げを表す。

【００４６】図５に示されるとおり、いずれの例でも、
ＯＳＦリング内側での空孔クラスタの発生は避けえな
い。しかし、リング外側の転位クラスタは、従来例（低
速引き上げ）に顕著に発生するのに対し、熱透過区間長
Ｌを増大させた本発明では、転位クラスタの発生が効果
的に抑制され、特に実施例２の「大ギャップ２」、実施
例３の「先端薄肉化」及び実施例４の「先端石英」で
は、その発生がほぼ完全に阻止されている。

【００４７】引き上げ速度については、図４に示される
とおり、同じ位置にＯＳＦリングを発生させるにもかか
わらず、本発明では高速化が図られた。特に、ギャップ
Ｇを従来どおりに維持する実施例３の「先端薄肉化」及
び実施例４の「先端石英」でその効果が大きかった。

【００４７】完全結晶化率については、図６に示される
とおり、本発明では引き上げ速度が高速化されたことに
より、その比率が向上した。特に、ギャップＧを従来ど
おりに維持する実施例３の「先端薄肉化」及び実施例４
の「先端石英」でその効果が大きく、高速引き上げに匹
敵する効果が得られた。

【００４８】結晶中酸素濃度の軸方向分布については、
図７に示されるとおり、ギャップＧを従来どおりに維持
する実施例３の「先端薄肉化」及び実施例４の「先端石
英」では、従来と変わらない均一性が確保された。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の結晶育成方法は、空孔クラスタの発生領域を狭めるた
めに低速引き上げを行った場合に問題となる転位クラス
タの発生を抑え、これにより欠陥の少ない高品質ウエー
ハの製造を可能にする。しかも、引き上げ速度の高速化
を図り、これにより生産性及び完全結晶化率の向上を可
能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】クラスタの発生理由を説明するための濃度分布
図である。

【図２】本発明の実施形態に係る結晶育成方法の説明図
である。

【図３】本発明の別の実施形態に係る結晶育成方法の説
明図である。

【図４】実施例での引き上げ速度比を示す図表である。

【図５】実施例でのクラスタ発生密度の径方向分布を示
す図表である。

【図６】実施例での完全結晶化率を示す図表である。

【図７】実施例での結晶中酸素濃度の軸方向分布を示す
図表である。

【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保温材６熱遮蔽部材７引き上げ軸８原料融液９単結晶１０断熱材１１石英ガラス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥井正彦大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＺ法を用い、且つＯＳＦリングが引き
上げ結晶の最外周部より内側に生じるか若しくは中心部
で消滅する低速引き上げ条件で単結晶を育成する結晶育
成方法において、結晶引き上げ路の外側に配置される逆
錐状の熱遮蔽部材の有効断熱部下端から坩堝内の原料融
液の液面までの距離を、引き上げ結晶径の１０％超とす
ることを特徴とする結晶育成方法。
【請求項２】前記熱遮蔽部材は、有効断熱部の下方に
熱透過性の高い部分を有することを特徴とする請求項１
に記載の結晶育成方法。