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JP3285111B2 - 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法

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JP3285111B2
JP3285111B2 JP30047994A JP30047994A JP3285111B2 JP 3285111 B2 JP3285111 B2 JP 3285111B2 JP 30047994 A JP30047994 A JP 30047994A JP 30047994 A JP30047994 A JP 30047994A JP 3285111 B2 JP3285111 B2 JP 3285111B2
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昌弘 桜田
浩利 山岸
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、結晶欠陥の少ないチョ
クラルスキー法(CZ法)によるシリコン単結晶を、高
生産性で製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスに使用されるシリコン単
結晶ウェーハ上にパーティクルが付着すると、半導体デ
バイス製造時にパターン切れなどを引き起してしまう。
特に最先端のデバイス(64M DRAM)のパターン幅は 0.3
μmと非常に微細であるため、このようなパターン形成
時には 0.1μmのパーティクルの存在でもパターン切れ
等の異常を引き起こし、デバイス製造時の歩留りを著し
く低下させてしまう。従って、シリコンウェーハ上に付
着するパーティクルは極力減少させなければならない。
【0003】このためシリコンウェーハ製造工程では、
パーティクルカウンターを使用してパーティクルの厳重
な管理(発生源の究明、洗浄効果のチェック、クリーン
ルームのレベル管理、最終製品の出荷前検査等)が行わ
れている。
【0004】従来のパーティクルカウンターの測定方式
は、例えばウェーハに10〜 100μm程度のレーザースポ
ットを照射し、ウェーハ表面上のパーティクルによる微
弱な散乱光を、多数の光ファイバや積分球で有効に集光
し、光電素子で電気信号に変換するというものである。
従って、従来のパーティクルカウンターはウェーハ表面
での光の散乱が起った点(輝点)の数をカウントしてい
ることになる。
【0005】ところで、シリコン単結晶成長中には微細
な結晶欠陥(COP)が発生し、結晶冷却中に消滅しな
いで、そのまま加工製造されたウェーハ中に残存する。
このウェーハをパーティクル除去のため一般に行われる
アンモニア水(NH4 OH)と過酸化水素水(H2
2 )の混合液中で洗浄すると、結晶欠陥部はエッチング
速度が早いため、ウェーハ表面に窪み(ピット)が形成
されることになる。(かかるピットをCOPと称してい
る。)
【0006】このようなシリコンウェーハを前記パーテ
ィクルカウンターでパーティクル数を測定すると、ウェ
ーハ表面付着パーティクルのみならず、かかるピットに
よる光の散乱をも検出してしまい、真のパーティクル数
が求められないという欠点があった。
【0007】特に、CZ法により引き上げられたシリコ
ン単結晶から製造されるウェーハは、浮遊帯溶融法(F
Z法)によるシリコン単結晶から製造されたウェーハ
や、CZ法によるウェーハ上にシリコン単結晶薄膜を成
長させたエピタキシャルウェーハに比べて、著しくこの
COPが多いことが知られている。
【0008】一方、CZ法において、シリコン単結晶育
成時に導入される結晶欠陥(COP)を減少させるため
には、結晶成長速度を極端に低下(例えば 0.4mm/min以
下)させれば、著しく改善できることも知られている
(例えば、特開平2-267195号公報参照)。しかし、CO
Pを改善するために、単に結晶成長速度を従来の1mm/m
in以上から、 0.4mm/min以下に低下させたのでは、CO
Pは改善できるものの、単結晶の生産性が半分以下とな
り、著しいコストの上昇をもたらしてしまう。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題点に鑑みなされたもので、CZ法によって結晶欠陥
(COP)の少ない直径6インチのシリコン単結晶を、
高生産性で得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、CZ法に
よって、シリコン単結晶成長時にその成長単結晶が受け
た熱履歴と、導入された結晶欠陥との関係を種々、調査
し検討した結果本発明を完成させたもので、その主な要
旨とするところは、CZ法によって直径6インチのシリ
コン単結晶を製造する場合において、育成されるシリコ
ン単結晶が結晶成長時に1200℃から1000℃まで
の低温域を通過する時間が130分以下となるようにす
る、またさらにシリコンの融点から1200℃までの高
温域を通過する時間が200分未満であることを特徴と
する、シリコン単結晶の製造方法である。
【0011】以下、本発明を詳細に説明するが、説明に
先立ち各用語につき予め解説しておく。 1) SC−1洗浄とは、アンモニアと過酸化水素の混合
液(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5)で有機物とパーティクルを除
去する洗浄のことをいう。特にパーティクルの除去能力
が高い。 2) COP[Crystal Originated Particle] とは、研磨
後のシリコンウェーハをSC−1洗浄すると、ウェーハ
表面にピットが形成され、このウェーハをパーティクル
カウンターで測定すると、ピットも本来のパーティクル
とともにパーティクルとして検出される。この様なピッ
トを本来のパーティクルと区別するためにCOPと呼称
する。一般に、COPが増加すると、酸化膜耐圧は劣化
することが知られている(「半導体メーカーのウェーハ
洗浄仕様と問題点」 ULSI生産技術緊急レポート編
集委員会編、 P58〜70、1993年12月20日第1版第1刷発
行参照)。またこのような現象があるため、従来のCZ
法によるシリコンウェーハは、デバイス工程等で使用さ
れるパーティクルモニター用のウェーハ(真のパーティ
クル数を知るためのウェーハ)としては、用いることが
できなかった。
【0012】本発明者らは、低速成長させると何故、C
OPが減少するのかを解明すべく、結晶成長時に成長速
度を高速から低速に急変させてみたところ、COPは成
長速度変化点からではなく、その約8cm上部(既成長
部)から密度低下していることが判った。このことは、
結晶欠陥消滅過程として、シリコンの融点から約 1,200
℃までの高温域が影響していることを示唆する。
【0013】そこで、シリコン単結晶が結晶成長時に、
シリコンの融点から 1,200℃までの高温域を通過するの
に要する時間とCOPとの相関を、各種温度分布を持っ
た引き上げ炉ごとに調査したところ、この高温域通過時
間が 200分未満だとCOPが急激に増加することがわか
った。従って、COPを減少させ、結晶欠陥の少ないC
Z法によるシリコン単結晶を得るには、結晶成長時にシ
リコンの融点から 1,200℃までの高温域を通過する時間
が 200分以上となるようにする必要があることが判っ
た。
【0014】そして、結晶成長時にこの高温域を通過す
る時間を 200分以上とするには、結晶成長速度を極低速
(0.4mm/min 以下)とすればよいが、それでは前記のよ
うに、生産性が著しく低下し、本発明の目的を達し得な
い。そこで、炉内構造を例えば図1(b)のように断熱
材を上部に伸ばし上部保温型とし、シリコンの融点から
1,200℃までの高温域を上部に拡張することによって、
成長シリコン単結晶がこれを通過する時間を 200分以上
となるようにした。
【0015】しかし、このような上部保温型の炉から引
き上げられたシリコン単結晶は0.16μm以下の微小サイ
ズのCOPは、従来法(図1(a) )に比べ半分に減少さ
せることが出来たものの低速成長させた時ほど減少せ
ず、その上0.16μm以上の大きいサイズのCOPは、従
来法より増加する傾向が見られた(図3III 参照)。こ
の現象を解析する為、実際に結晶が成長した際の結晶温
度を調査したところ、上部保温型(以下、徐冷品とい
う)でも図2曲線(III) のように、シリコンの融点から
1,200℃までの高温域を通過する時間は、企図した通り
低速品と同様 200分以上となっているにもかかわらず、
上記結果となっていることが判った。従って、COPを
低速品並に減少させるためには、高温域の制御のみでは
不可能であることが判明した。
【0016】そこで、低温域に着目して図2の結晶冷却
曲線をみると、徐冷品は 1,200℃から 1,000℃程度まで
の低温域の通過時間は、従来品(急冷品:曲線I)より
長い時間を経ているが、COP密度が極端に少ない低速
品(曲線II)は、更に長い時間を経て、低温域を通過し
ていることが判る。
【0017】これらのことから、低速品でCOP密度が
極端に低い理由は、 1,200℃以上の高温域を長く通過し
た為に、COPの核となる点欠陥そのものが消滅作用を
受け、次に 1,000℃程度までの低温域を長い時間通過し
た為に、酸素等と反応し、成長・凝集して密度低下した
のではないかと推察された。実際、低速品では直径20μ
m程度の巨大なピットが観察されるが、その密度は 100
ケ/cm2以下と非常に少ない。したがって、COPといっ
た結晶欠陥は、およそ 1,200℃以上の高温域では点欠陥
の状態にあり、最近学会等で報告されている坂道拡散、
あるいは点欠陥同士の過飽和度に応じて生じる対消滅反
応により消滅過程を経た後、 1,200℃から 1,000℃程度
の低温域で、酸素等の不純物と絡んだ欠陥成長により巨
大な欠陥を形成するものと考えられる(Jpn. J. Appl.
Phys. Vol.32(1993) P1740〜1758, J.Eectorochem. So
c. Vol.140 No.11 November 1993 P3306〜3316参照)。
すなわち、低速品のCOPが極端に少ないのは、パーテ
ィクルカウンターでCOPとして検出される 0.2μm以
下のサイズのピットが少ないと言うだけであって、それ
らが凝集・成長してより大きなピットを形成しているの
である。
【0018】そこで、本発明者らは、シリコンの融点か
ら 1,200℃までの高温域の通過時間は低速品と同様 200
分以上とすることによって、COPの核となる点欠陥そ
のものの消滅作用を行い(この点は徐冷品も同様)、そ
の後 1,200℃から 1,000℃までの低温域の通過時間を 1
50分以下として、従来品と同様急冷却すれば、酸素等と
絡んだ欠陥成長が起こらず、COP特に巨大なピットの
ない結晶を成長させることが出来ることを見出し先に提
案した(特願平6-134274)。この発明における結晶の冷
却過程は、図2曲線IVのごときであり、その結晶成長速
度は従来品に対し、同じか約1割程度の低下がある。
【0019】そこで本発明においては、上記先に提案し
た発明の結果から低温域を急冷却すれば、欠陥成長が抑
制される事が判明したため、従来品に比し更に低温域を
急冷却(1200℃から1000℃までの低温域の通過
時間を130分以下とする超急冷却)すれば、例え高温
域通過時間の不足(200分未満)により点欠陥の消滅
効果が薄れても、その後の欠陥成長あるいは凝集過程を
略完全に抑制できることを見出し、本発明を完成させ
た。本発明における結晶の冷却過程は、図2曲線Vのご
ときであり、その結晶成長速度は従来品(急冷品、図3
のI)に対し、同じか約1〜2割程度の向上がはかられ
た。従って、従来品に対し、COPを大幅に改善できる
とともに、生産性の向上もできる。
【0020】CZ法によってシリコン単結晶を製造する
場合においては、結晶温度はシリコンの融点である約
1,412℃から室温に至るまで徐々に冷却される。この温
度分布は炉内に設置されたカーボンを主体とする構造物
の形状・位置により変更が可能である為、本発明は、例
えば図1(d)のように炉内構造を変更することで実施
が可能である。炉内構造の変更方法は、種々の態様が考
えられ、図1(d)の態様に限られず、種々置換が可能
である。要するに結晶冷却過程が図2曲線Vのごときに
なっていればよい。
【0021】
【作用】本発明では、例えシリコンの融点から 1,200℃
までの高温域通過時間が200 分未満で点欠陥の消滅効果
が少なくとも、1200℃から1000℃までの低温域の通過時
間を 130分以下と短くして結晶を超急冷却するので、そ
の後の欠陥成長あるいは凝集過程を略完全に抑制するこ
とができる。
【0022】
【実施例】
(実施例1、比較例1〜4)CZ法で18”φ石英ルツボ
に、原料多結晶シリコン50kgをチャージし、6”φ,方
位〈100〉の結晶を、5つの態様で引き上げた。これ
らの炉内構造、結晶冷却過程の関係は表1に示した通り
であり、(I)従来法による急冷品(比較例1)、(I
I)急冷品と同じ炉内構造による低速品、成長速度 0.4m
m/min(比較例2)、(III) シリコンの融点から 1,000
℃まで徐冷された徐冷品(比較例3)、(IV)シリコン
の融点から 1,200℃までは徐冷、 1,200℃から 1,000℃
までは急冷(比較例4)、(V)1200℃から1000℃まで
の通過時間を 130分以下と超急冷却した本発明(実施例
1)である。
【0023】
【表1】
【0024】結晶成長後、PW加工(鏡面研磨)を施し
た後、液組成がNH4OH:H2O2:H2O=1:1:5なるSC−1洗浄
液にて、液温度を77℃に保ちながら洗浄を行った。その
後、パーティクル測定器LS−6030にてパーティクル数
をカウントした。尚、外因性のパーティクルと区別する
為、SC−1洗浄及びパーティクル測定は5回繰り返し
て行った。結果を図3にSC−1洗浄を5回繰り返し行
った後のCOPサイズ分布ごとに示した。(I)は、
1,200℃以上の高温域は急冷である為、欠陥核密度は高
いが、 1,200℃以下でも急冷である為、成長過程を経
ず、0.10から0.16μmの小さいサイズのCOPのみ多い
結果となっている。(II)は、 1,200℃以上の高温域は
徐冷型である為、欠陥核密度は低いと考えられるが、
1,200℃以下の低温域で極端に徐冷型である為、欠陥が
成長・凝集し巨大化しており、COPとしてカウントさ
れなくなっていると考えられる。(III) は、(II)と同
様、 1,200℃以上の高温域は徐冷型である為、欠陥核密
度は低いと考えられる。 1,200℃以下の低温域は低速品
程ではないが、徐冷型となっている為、COPサイズ分
布に見られるような急冷品(I)に対しサイズアップ傾
向が生じたものと考えられる。(IV)では、 1,200℃以
上の高温域による点欠陥消滅過程を経ており、尚かつ、
1,200℃から 1,000℃程度までの低温域での欠陥成長過
程を経ていない為に、低速品以上のCOP低減を可能と
したものと考えられる。ただし、(IV)の結晶成長速度
は(I)に比べ約1割程度低下した。(V)では、1200
℃以上の高温域による点欠陥消滅過程の不足により、
(IV)よりCOPは増加傾向が見られるものの、従来の
(I)に比べ顕著な改善効果が認められる。また(V)
の結晶成長速度は(I)に比べ約1〜2割程度向上し
た。
【0025】
【発明の効果】本発明によって、CZ法によって製造さ
れるシリコン単結晶のCOPを減少させることを、従来
に比し同等以上の結晶成長速度で行うことができる。し
かも、得られるシリコン単結晶には、結晶成長速度を低
下させたもののごとき巨大なピットを持つこともない。
従って、結晶欠陥の少ない高品質のシリコン単結晶を高
生産性で得ることができる。また、COPが少ないた
め、従来CZ法では作製困難であった、パーティクルモ
ニター用のシリコンウェーハも、本発明によって供給が
可能となる。よって、従来コスト並もしくはそれ以下
で、良質のCZ法によるシリコン単結晶を提供すること
ができ、産業界でのその利用価値はすこぶる高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)従来法による急冷品の炉内構造を示した
概略断面図である。 (b)上部保温型による徐冷品の炉内構造を示した概略
断面図である。 (c)先に提案した発明を実施する場合の炉内構造の一
例を示した概略断面図である。(高温徐冷+低温急冷却
型) (d)本発明を実施する場合の炉内構造の一例を示した
概略断面図である。(超急冷型)
【図2】各炉内構造に対する結晶冷却過程を示した図で
ある。
【図3】各結晶冷却過程に対する、COPの結果を示し
た図である。
【符号の説明】
1…チャンバー 2…シリコン単結晶 3…ルツボ 4…カーボンヒーター 5…断熱材 6…上部伸長断熱材 7…本発明用断熱材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 浩利 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越 半導体株式会社 半導体磯部研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−176197(JP,A) 特開 平7−223893(JP,A) 特開 平7−206591(JP,A) 特開 平3−275598(JP,A) 特開 平8−2993(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/208 EPAT(QUESTEL) JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チョクラルスキー法によって直径6イン
    チのシリコン単結晶を製造する場合において、育成され
    るシリコン単結晶が結晶成長時に1200℃から100
    0℃までの低温域を通過する時間が130分以下となる
    ようにすることを特徴とする、シリコン単結晶の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 チョクラルスキー法によって直径6イン
    チのシリコン単結晶を製造する場合において、育成され
    るシリコン単結晶が結晶成長時にシリコンの融点から1
    200℃までの高温域を通過する時間が200分未満で
    あり、1200℃から1000℃までの低温域を通過す
    る時間が130分以下となるようにすることを特徴とす
    る、シリコン単結晶の製造方法。
JP30047994A 1994-12-05 1994-12-05 結晶欠陥の少ないシリコン単結晶の製造方法 Expired - Lifetime JP3285111B2 (ja)

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