JPH11189495A - シリコン単結晶及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 チョクラルスキー法により、デバイス特性に
優れた高品質のシリコン単結晶の製造方法を提供するこ
と。 【構成】 チョクラルスキー法により結晶育成するシリ
コン単結晶の製造方法において、結晶の育成は、成長し
た結晶中に５×１０¹¹〜１×１０¹⁵atoms/cm³となる濃
度の水素が添加された不活性ガス雰囲気中で行うととも
に、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融
点から１３００℃までの温度範囲における成長方向の結
晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇを、リング状の酸化誘起積
層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定された条
件下において育成されたシリコン単結晶及びその製造方
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスと
して使用されるシリコン単結晶の製造方法に関し、詳し
くは、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によ
って育成されるシリコン単結晶の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料に用いられるシリコン単結晶
の製造には、種々の方法があるが、一般にＣＺ（Czochr
alski）法、又は、ＦＺ（Floating Zone）法が用いられ
ている。

【０００３】ＣＺ法は、石英ルツボに充填したシリコン
多結晶をヒーターで加熱溶融した後、この融液に種結晶
を浸し、これを回転させつつ上方に引き上げることによ
って単結晶を成長させる方法である。

【０００４】また、ＦＺ法は、多結晶シリコンインゴッ
トの一部を高周波で加熱溶融して溶融帯域を作り、この
溶融帯域を移動させながら単結晶を成長させる方法であ
る。

【０００５】前記ＣＺ法は、大きな直径の結晶の形成が
容易であるため、ＣＺ法で製造したシリコン単結晶から
切り出したウエハが、高集積度半導体素子基板として用
いられている。

【０００６】ＣＺ法によって育成された結晶中には、結
晶育成条件によって、リング状の酸誘起積層欠陥（以
下、ＯＳＦ(Oxidation induced Stacking Fault)とい
う）が発生する場合がある。その他に、数種類の微小欠
陥（以下、Grown-in欠陥という）が形成される。

【０００７】ＯＳＦリングの結晶内の発生部位は、単結
晶の成長速度Ｖと、育成される単結晶のシリコン融点〜
１３００℃の引き上げ軸方向の結晶内での温度勾配Ｇの
比Ｖ／Ｇによって決定される。

【０００８】比Ｖ／Ｇが、ＯＳＦリングが結晶中心部で
消滅する臨界値（以下、単に臨界値と記す。）より大き
い場合には、空孔が凝集して、０．１μｍ程度の八面体
を基本構造とした空洞（ボイド）欠陥が形成される。

【０００９】一方、比Ｖ／Ｇが、臨界値より小さい場合
は、格子間シリコンが凝集して転位クラスタが形成され
る。

【００１０】一般に半導体素子基板として用いられてい
るウエハは、ボイドが形成される条件で成長させた単結
晶から切り出されたウエハである。このボイドは、半導
体素子の電気特性の一つである酸化膜耐圧を低下させ
る。

【００１１】結晶中、単位体積あたりのボイド数（欠陥
密度）を低減させるために、結晶育成時に、ボイドが形
成される温度領域（１１００℃前後）で徐冷する方法が
行われている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、欠陥密度が１０⁵ｃｍ^-3程度までしか低減できず、
また、欠陥密度は低減されても、欠陥のサイズが粗大化
することが明らかにされており、次世代の半導体素子に
用いるシリコン単結晶の育成においては、更なる改善が
必要とされている。

【００１３】ここで、比Ｖ／Ｇが臨界値以下となる条件
で育成された単結晶から切り出されたウエハは、ボイド
が存在せず、従って、酸化膜耐圧特性が良好となる。し
かし、前記ウエハは、転位クラスタが存在するため、ｐ
ｎ接合リーク特性を劣化させる。

【００１４】そこで、本発明は、ボイドや、転位クラス
タ等のGrown-in欠陥を含まず、シリコン単結晶の高品質
化、及び、高品質単結晶を得ることの可能なシリコン単
結晶の製造方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載し
た発明は、チョクラルスキー法により結晶育成するシリ
コン単結晶の製造方法において、結晶の育成は、水素を
含む不活性ガス雰囲気中で行うとともに、単結晶の成長
速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点から１３００℃
までの温度範囲における成長方向の結晶内温度勾配Ｇと
の比Ｖ／Ｇを、リング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心
で消滅する臨界値以下に設定する構成のシリコン単結晶
の製造方法である。

【００１６】前述したように、比Ｖ／Ｇを臨界値以下と
する条件下で結晶を成長させると、ボイドは発生しな
い。また、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で結晶の
育成を行うと、転位クラスタが発生しない。これは、不
活性ガス雰囲気中に含まれる水素ガスがシリコン融液に
溶け込み、融液が固化するときに、単結晶中に水素ガス
が取り込まれ、あるいは、高温下において、固化した
後、直接単結晶に取り込まれる。そして、単結晶中に取
り込まれた水素ガスが、格子間シリコン原子の拡散を抑
制するため、格子間シリコン原子の凝集が起きず、結果
として転位クラスタが発生しないからである。

【００１７】このように、水素ガスを含む不活性ガス雰
囲気中において、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下となるように設
定した条件下で、結晶育成を行うと、ボイドや転位クラ
スタ等のGrown-in欠陥が形成されない高品質単結晶の育
成が可能となる。

【００１８】本願第２請求項に記載した発明は、前記請
求項１記載の条件下で行うシリコン単結晶の製造方法に
おいて、成長結晶中の水素が５×１０¹¹〜１×１０¹⁵at
oms/cm³の濃度となるように、不活性ガス中に水素が添
加される構成のシリコン単結晶の製造方法である。

【００１９】減圧下において結晶育成を行うチョクラル
スキー法においては、不活性ガス雰囲気中に、５％濃度
以上の水素を添加すると、結晶中に巨大な異常欠陥が形
成されたり、カーボンヒータが水素と反応して、メタン
となる反応が激しくなり、メタンやカーボン中の不純元
素が結晶の汚染原因となる問題を生じたり、ヒータの消
耗や、劣化が激しくなる等の問題を生じるおそれがあ
る。

【００２０】また、転位クラスタ抑制効果があるのは、
シリコン単結晶中の水素濃度が５×１０¹¹atoms/cm³以
上であり、前述した巨大な異常欠陥を生じる水素濃度
は、１×１０¹⁵atoms/cm³以上である。

【００２１】従って、本発明においては、結晶中の水素
濃度を５×１０¹¹〜１×１０¹⁵atoms/cm³に設定し、ボ
イドや転位クラスタ等のGrown-in欠陥が形成されない高
品質単結晶の育成を可能としている。

【００２２】本願第３請求項に記載した発明は、チョク
ラルスキー法により結晶が育成されるシリコン単結晶で
あって、結晶の育成は、水素を含む不活性ガス雰囲気中
で行われるとともに、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成
長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲にお
ける成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇは、リン
グ状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以
下の設定条件下で育成される構成のシリコン単結晶であ
る。

【００２３】本願第４請求項に記載した発明は、前記請
求項３記載の発明において、前記設定条件下で育成され
るシリコン単結晶は、結晶中の水素濃度が、５×１０¹¹
〜１×１０¹⁵atoms/cm³となる濃度の水素が添加された
条件下で育成される構成のシリコン単結晶である。

【００２４】このような、水素ガスを含む不活性ガス雰
囲気中で、比Ｖ／Ｇが臨界値以下になる条件で単結晶を
成長させると、ボイド及び転位クラスタ等の欠陥のない
高品質なシリコン単結晶を得ることが可能となる。

【００２５】また、結晶中の水素濃度が５×１０¹¹〜１
×１０¹⁵atoms/cm³となるように設定した条件下でシリ
コン単結晶を成長させることにより、高品質なシリコン
単結晶を得ることが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明の製造方法に用いられる、
ＣＺ法を用いた単結晶成長装置の概略構成図である。

【００２８】図１に示すように、１は、石英ルツボを示
し、このルツボ１は、有底円筒状の石英製の内層保持容
器１ａと、この内層保持容器１ａの外側に嵌合された同
じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器１ｂとから構成
されている。

【００２９】このような構成からなるルツボ１は、所定
の速度で回転する支持軸１ｃに支持され、ルツボ１の外
側には、ヒータ２が同心円筒状に配設されている。この
ルツボ１の内部には、前記ヒータ２の加熱によって溶融
された原料の溶融液３が充填されており、ルツボ１の中
心に引き上げ棒或はワイヤー等からなる引き上げ軸４が
配設されている。この引き上げ軸４の先にはシードチャ
ック及び種結晶５を溶融液３の表面に接触させる。

【００３０】更に、引き上げ軸４を、支持軸１ｃによっ
て回転されるルツボ１と反対方向に所定の速度で回転さ
せながら種結晶５を引き上げることによって、種結晶５
の先端に溶融液３を凝固させて単結晶６を成長させてい
く。尚、図中９と１０は、雰囲気ガスの供給口と排出口
である。

【００３１】単結晶の育成に際し、最初に結晶を無転位
化するために、シード絞りを行う。

【００３２】その後、単結晶のボディ直径を確保するた
め、ショルダーを形成し、ボディ直径になったところで
肩変えを行い、ボディ直径を一定にして単結晶本体の育
成へ移行する。ボディ直径で所定長さの単結晶を育成す
ると、無転位の状態で単結晶を溶融液から切り離すため
のテイル絞りを行う。

【００３３】単結晶の成長速度Ｖは、単結晶の引き上げ
速度である。また、溶融液３の温度を変えることによ
り、単結晶の直径を一定に保持したまま、成長速度Ｖを
変化させることができる。

【００３４】また、温度勾配Ｇは、一般に引き上げ方向
に平行な同一軸上のシリコン融点近傍の１４００℃と１
３００℃での結晶温度を計測し、その値の温度差と当該
二点間の間隔との比である温度勾配Ｇとして算出する。

【００３５】この温度勾配Ｇは、炉内の熱的環境を変更
することにより、変化させることができる。

【００３６】次に、図１に示す結晶成長装置を用いて、
シリコン単結晶の育成を行った実施例を示す。

【００３７】（実施例１）本例においては、結晶成長速
度Ｖを０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることにより、Ｖ／
Ｇ値は臨界値以下となる。

【００３８】前記結晶成長速度Ｖ（０．４ｍｍ／ｍｉ
ｎ）で、水素を添加せずに単結晶を育成し、所定のサン
プル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の
欠陥密度を測定した。

【００３９】水素無添加条件下において、育成した結晶
には、１０⁴ｃｍ^-3程度の転位クラスタが検出された。

【００４０】また、結晶成長速度Ｖを０．４ｍｍ／ｍｉ
ｎ、アルゴン流量４０リットル／分、水素流量０．４リ
ットル／分の条件下において、結晶の育成を行い、所定
のサンプル加工を行った後、セコエッチングにより、結
晶内の欠陥密度を測定した。

【００４１】前記水素添加条件下において育成した結晶
には、転位クラスタは検出されなかった。この水素条件
下において育成した結晶中の水素濃度は、５×１０¹¹ｃ
ｍ^-3であった。

【００４２】このように結晶中の水素濃度が所定値とな
るように、不活性ガス中に水素を添加し、Ｖ／Ｇ値が臨
界値以下となる条件で結晶育成を行うと、成長した結晶
は、Ｖ／Ｇ値が臨界値以下のため、ボイドの発生がな
く、転位クラスタの発生も確認されない、高品質なシリ
コン単結晶を得ることができる。

【００４３】次に、前記実施例１と同一の装置を用い
て、また、実施例１と同一の温度勾配Ｇ値を有する条件
下において、結晶育成を行った場合の実施例を示す。

【００４４】（実施例２）本例においては、結晶成長速
度Ｖを１．０ｍｍ／ｍｉｎとすることにより、Ｖ／Ｇ値
は、臨界値以上となる。

【００４５】前記結晶成長速度Ｖ（０．４ｍｍ／ｍｉ
ｎ）で、水素を添加せずに単結晶を育成し、所定のサン
プル加工を行った後、セコエッチングにより、結晶内の
欠陥密度を測定した。

【００４６】水素無添加条件下において、育成した結晶
には、１０⁶ｃｍ^-3程度のボイドが検出された。

【００４７】また、前記結晶成長速度Ｖを１．０ｍｍ／
ｍｉｎ、アルゴン流量４０リットル／分、水素流量０．
４リットル／分の条件下において、結晶の育成を行い、
所定のサンプル加工を行った後、セコエッチングによ
り、結晶内の欠陥密度を測定した。

【００４８】前記水素添加条件下において育成した結晶
には、水素無添加条件下で育成した結晶と同様に、１０
⁶ｃｍ^-3程度のボイドが検出された。

【００４９】本例によって、Ｖ／Ｇ値を臨界値以上とな
るように、成長速度Ｖを設定して結晶成長を行うと、水
素無添加条件下及び水素添加条件下においても同様に、
ボイドの発生が確認された。

【００５０】このように、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下に設定
し、結晶中の水素濃度が５×１０¹¹〜１×１０¹⁵atoms/
cm³となるように、不活性ガス中に水素ガスを添加した
条件で結晶育成を行うと、成長した結晶中に、ボイド及
び転位クラスタのない高品質なシリコン単結晶を得るこ
とができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、チョク
ラルスキー法により結晶育成するシリコン単結晶の製造
方法において、結晶の育成は、水素を含む不活性ガス雰
囲気中で行うとともに、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶
成長時のシリコン融点から１３００℃までの温度範囲に
おける成長方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇは、リ
ング状の酸化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値
以下に設定し、結晶中の水素濃度が、５×１０¹¹〜１×
１０¹⁵atoms/cm³となるように水素を不活性ガス雰囲気
中に添加することにより育成されたシリコン単結晶及び
前記条件下において製造するシリコン単結晶の製造方法
である。

【００５２】このように、Ｖ／Ｇ値を臨界値以下とする
ことにより、ボイドの発生抑制するとともに、不活性ガ
ス雰囲気中に添加された水素が育成された結晶中に取り
込まれ、格子間シリコン原子の拡散を抑制し、格子間シ
リコン原子の凝集が起きずに、転位クラスタの発生をな
くすことができる。

【００５３】従って、本発明の方法によれば、ボイド及
び転位クラスタの発生のない無欠陥結晶を育成すること
ができ、シリコン単結晶の高品質化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係り、ＣＺ法による単結晶の育成に用
いられている単結晶育成装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１ ルツボ １ａ 内層保持容器 １ｂ 外層保持容器 １ｃ 支持軸 ２ ヒーター ３ 溶融液 ４ 引き上げ軸 ５ 種結晶 ６ 単結晶 ９ 雰囲気ガスの供給口 １０ 雰囲気ガスの排出口 Ｍ モータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法により結晶育成する
   シリコン単結晶の製造方法において、 結晶の育成は、水素を含む不活性ガス雰囲気中で行うと
   ともに、 単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシリコン融点か
   ら１３００℃までの温度範囲における成長方向の結晶内
   温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇを、リング状の酸化誘起積層欠
   陥が結晶中心で消滅する臨界値以下に設定することを特
   徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記条件下で行うシリコン単結晶の製造
   方法において、成長結晶中の水素濃度が５×１０¹¹〜１
   ×１０¹⁵atoms/cm³の濃度となるように、不活性ガス中
   に水素が添加されることを特徴とする前記請求項１記載
   のシリコン単結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 チョクラルスキー法により結晶が育成さ
   れるシリコン単結晶であって、 結晶の育成は、水素を含む不活性ガス雰囲気中で行われ
   るとともに、単結晶の成長速度Ｖと、単結晶成長時のシ
   リコン融点から１３００℃までの温度範囲における成長
   方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇは、リング状の酸
   化誘起積層欠陥が結晶中心で消滅する臨界値以下の設定
   条件下で育成されることを特徴とするシリコン単結晶。
4. 【請求項４】 前記設定条件下で育成されるシリコン単
   結晶において、 結晶中の水素濃度が、５×１０¹¹〜１×１０¹⁵atoms/cm
   ³となる濃度の水素が添加された条件下で育成されるこ
   とを特徴とする前記請求項３記載のシリコン単結晶。