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公開番号2024080027
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-13
出願番号2022192842
出願日2022-12-01
発明の名称結晶欠陥要素の面内分布の予測方法及びこれを用いたシリコン単結晶の製造方法
出願人株式会社SUMCO
代理人個人,個人
主分類C30B 29/06 20060101AFI20240606BHJP(結晶成長)
要約【課題】炉内条件が異なる複数水準の結晶欠陥要素の面内分布を短時間で精度良く予測する方法を提供する。
【解決手段】本発明による予測方法は、単結晶育成中の温度勾配分布の決定因子を変化させて得られる複数水準(x1～x5)の結晶欠陥要素の面内分布を計算機シミュレーションにより計算する第1ステップS21と、複数水準の結晶欠陥要素の面内分布の各々を結晶径方向に分割して、結晶欠陥要素の制御値を結晶径方向の分割位置(d1～d3)毎に抽出する第2ステップS22と、結晶欠陥要素の制御値と水準との関係を示す近似式を分割位置毎に導出する第3ステップS23と、複数の近似式を用いて、追加水準(x')の結晶欠陥要素の制御値を分割位置毎に算出する第4ステップS24と、分割位置毎に算出された追加水準の結晶欠陥要素の制御値に基づいて、追加水準の結晶欠陥要素の面内分布を新たに生成する第5ステップS25とを備える。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
単結晶育成中の温度勾配分布の決定因子を変化させて得られる複数水準の結晶欠陥要素の面内分布を計算機シミュレーションにより計算する第１ステップと、
前記第１ステップで計算された前記複数水準の結晶欠陥要素の面内分布の各々を結晶径方向に分割して、前記結晶欠陥要素の制御値を結晶径方向の分割位置毎に抽出する第２ステップと、
前記第２ステップで抽出された前記結晶欠陥要素の制御値と前記水準との関係を示す近似式を前記分割位置毎に導出する第３ステップと、
前記第３ステップで前記分割位置毎に導出した複数の前記近似式を用いて、追加水準の結晶欠陥要素の制御値を前記分割位置毎に算出する第４ステップと、
前記第４ステップで前記分割位置毎に算出された前記追加水準の前記結晶欠陥要素の制御値に基づいて、前記追加水準の結晶欠陥要素の面内分布を新たに生成する第５ステップと、を備えることを特徴とするシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記温度勾配分布の決定因子は、シリコン融液の上方に設置され、前記シリコン融液から引上げられる前記シリコン単結晶を取り囲む熱遮蔽体の下端とシリコン融液の表面との間の距離であるギャップである、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項３】
前記温度勾配分布の決定因子は、シリコン融液の上方に設置され、前記シリコン融液から引上げられる前記シリコン単結晶を取り囲む熱遮蔽体の下端の開口の内径である、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項４】
前記温度勾配分布の決定因子は、シリコン融液の上方に設置され、前記シリコン融液から引上げられる前記シリコン単結晶を取り囲む熱遮蔽体の下端から径方向内側に張り出した膨出部の内径部の上端までの高さである、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項５】
前記計算機シミュレーションにより求める前記結晶欠陥要素のある決定因子である任意の炉内条件の水準数は、３以上７以下である、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項６】
前記結晶欠陥要素は、Grown-in欠陥を含む結晶欠陥であり、
前記結晶欠陥要素の制御値は、前記シリコン単結晶の引上速度である、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項７】
前記結晶欠陥要素は、熱応力であり、
前記結晶欠陥要素の制御値は、熱応力値である、請求項１に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項８】
前記結晶欠陥要素の面内分布は、
ＯＳＦ領域が発生する引上速度とＰｖ領域が発生する引上速度との境界を示すＯＳＦ－Ｐｖ境界分布と、
前記Ｐｖ領域が発生する引上速度と前記Ｐｉ領域が発生する引上速度との境界を示すＰｖ－Ｐｉ境界分布と、
前記Ｐｉ領域が発生する引上速度とＬ／ＤＬ領域が発生する引上速度との境界を示すＰｉ－Ｌ／ＤＬ境界分布と、を含む、請求項６に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項９】
前記複数水準及び前記追加水準の結晶欠陥要素の面内分布に基づいて、前記ＯＳＦ－Ｐｖ境界分布の下限値と前記Ｐｉ－Ｌ／ＤＬ境界分布の上限値との差であるＰｖＰｉマージンの最大値が得られる前記温度勾配分布の決定因子の値を決定する第６ステップをさらに備える、請求項８に記載のシリコン単結晶の結晶欠陥要素の面内分布の予測方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載した結晶欠陥要素の面内分布の予測方法に基づいて設計された単結晶製造装置を用いて実際にシリコン単結晶の育成を行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、計算機シミュレーションを用いた結晶欠陥要素の面内分布の予測方法及びこれを用いたチョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造方法に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶を石英ルツボと共に回転させながら徐々に引上げることにより、種結晶の下方に大きな直径の単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば、高品質のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造することが可能である。
【０００３】
ＣＺ法により育成されるシリコン単結晶に含まれる結晶欠陥の種類及び分布は、結晶引上速度Ｖと結晶引上方向の結晶内温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇに依存することが知られている。
【０００４】
Ｖ／Ｇと結晶欠陥の種類及び分布との一般的な関係を図１７に示す。図示のように、Ｖ／Ｇが大きい場合には空孔が過剰となり、その凝集体であるボイドが発生する。ボイドは一般的にＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と称される結晶欠陥である。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、その凝集体である転位クラスターが発生する。ＣＯＰや転位クラスターなどのGrown-in欠陥を含まないシリコン単結晶を育成するためには、Ｖ／Ｇの厳密な制御が必要である。
【０００５】
ＣＯＰ及び転位クラスターを含まないシリコン単結晶であっても、その結晶品質は必ずしも同じでなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。具体的には、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生するＬ／ＤＬ（Large Dislocation Loop）領域との間には、Ｖ／Ｇが大きいほうから順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。
【０００６】
ＯＳＦ領域とは、As-grown状態（単結晶成長後に何も熱処理されていない状態）で板状酸素析出物（ＯＳＦ核）を含んでおり、高温（一般的には１０００～１２００℃）で熱処理した場合にＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Fault）が発生する領域である。Ｐｖ領域とは、As-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温（例えば８００℃と１０００℃）の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生しやすい領域である。Ｐｉ領域とは、As-grown状態で酸素析出核をほとんど含んでおらず、熱処理を施しても酸素析出物が発生しにくい領域である。こうしたＰｖ領域とＰｉ領域とを作り分けた高品質なシリコン単結晶を育成するためには、Ｖ／Ｇのさらに厳密な制御が必要である。
【０００７】
結晶引上方向のＶ／Ｇは、結晶引上速度Ｖに大きく依存する。したがって、結晶引上方向のＶ／Ｇの制御は、結晶引上速度Ｖを調整することにより行われる。一方、結晶引上速度Ｖは、結晶引上方向と直交する単結晶の径方向のどの位置でも同じであるため、単結晶の径方向のＶ／Ｇを制御するためには、単結晶の径方向の温度勾配Ｇを調整する必要があり、単結晶の中心部における温度勾配Ｇと外周部における温度勾配Ｇの差が所定の範囲内に収まるようにチャンバー内に適切な高温領域（ホットゾーン）を構築する必要がある。単結晶の径方向の温度勾配Ｇは、シリコン融液の上方に設けられた熱遮蔽体によって制御され、これにより固液界面付近に適切なホットゾーンを構築することができる。
【０００８】
シリコン単結晶の結晶欠陥分布をシミュレーションする方法に関し、例えば特許文献１には、点欠陥の拡散を、結晶成長軸に平行な拡散と、結晶径方向の拡散とを、それぞれ１次元の拡散として計算することにより、点欠陥濃度を短時間で正確に計算する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０１６－０１３９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来は、結晶欠陥分布の決定因子である任意の炉内条件の最適な水準を決定する場合、任意の炉内条件における異なる複数の水準毎に計算機シミュレーションによる結晶欠陥分布の計算を繰り返し行っていた。しかし、結晶欠陥分布の計算には時間がかかることから、短時間で最適な水準を予測するためには、水準の数を際限なく増やすことはできず、ある程度の範囲に絞って水準を決める必要があった。そして、その限られた水準数で計算機シミュレーションを行い、そこから抽出された計算値を基に近似曲線を導出するため、最適な水準を予測する精度が低いという問題がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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