JP3994602B2 - シリコン単結晶ウエーハおよびその製造方法並びにｓｏｉウエーハ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素がドープされ、結晶欠陥が殆どない無欠陥シリコン単結晶ウエーハおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＲＡＭ等の半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略記することがある）で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まってきている。特に、ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれ、酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる、単結晶成長起因の欠陥が存在し、その密度の低減とサイズの縮小が重要視されている。
【０００３】
これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、シリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間型シリコン点欠陥のそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。
【０００４】
シリコン単結晶において、Ｖ−領域とは、Ｖａｃａｎｃｙ、つまりシリコン原子の不足から発生する凹部、穴のようなものが多い領域であり、Ｉ−領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位や余分なシリコン原子の塊が多い領域のことであり、そしてＶ−領域とＩ−領域の間には、原子の不足や余分が無い（少ない）ニュートラル領域（Ｎｅｕｔｒａｌ領域、以下Ｎ−領域と略記することがある）が存在していることになる。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、欠陥としては存在しないことが判ってきた。
【０００５】
この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）Ｆと結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係から決まることが知られている。また、Ｖ−領域とＩ−領域との間のＮ−領域には、ＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）と呼ばれるリング状に発生する欠陥の存在が確認されている。
【０００６】
これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、例えば成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔タイプの点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のボイド型欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＶ−リッチ領域と呼ばれている。また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、上記したＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側に転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＩ−リッチ領域と呼ばれている。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後以下に低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に凝集して消滅し、全面がＩ−リッチ領域となる。
【０００７】
また、最近Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、空孔起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも、さらにはＯＳＦも存在しないＮ−領域の存在が発見されている。この領域はＯＳＦリングの外側にあり、そして、酸素析出熱処理を施し、Ｘ−ｒａｙ観察等で析出のコントラストを確認した場合に、酸素析出がほとんどなく、かつ、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤが形成されるほどリッチではないＩ−リッチ領域側である。
さらに、ＯＳＦリングの内側にも、空孔起因のボイド型欠陥も、転位ループ起因の欠陥も存在せず、ＯＳＦも存在しないＮ−領域の存在が確認されている。
【０００８】
これらのＮ−領域は、通常の方法では、成長速度を下げた時に成長軸方向に対して斜めに存在するため、ウエーハ面内では一部分にしか存在しなかった。
このＮ−領域について、ボロンコフ理論（Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｋｏｖ；Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，５９（１９８２）６２５〜６４３）では、引上げ速度（Ｆ）と結晶固液界面軸方向温度勾配（Ｇ）の比であるＦ／Ｇというパラメータが点欠陥のトータルな濃度を決定すると唱えている。このことから考えると、面内で引上げ速度は一定のはずであるから、面内でＧが分布を持つために、例えば、ある引上げ速度では中心がＶ−リッチ領域でＮ−領域を挟んで周辺でＩ−リッチ領域となるような結晶しか得られなかった。
【０００９】
そこで最近、面内のＧの分布を改良して、この斜めでしか存在しなかったＮ−領域を、例えば、引上げ速度Ｆを徐々に下げながら引上げた時に、ある引上げ速度でＮ−領域が横全面に広がった結晶が製造できるようになった。また、この全面Ｎ−領域の結晶を長さ方向へ拡大するには、このＮ−領域が横に広がった時の引上げ速度を維持して引上げればある程度達成できる。また、結晶が成長するに従ってＧが変化することを考慮し、それを補正して、あくまでもＦ／Ｇが一定になるように、引上げ速度を調節すれば、それなりに成長方向にも、全面Ｎ−領域となる結晶が拡大できるようになった。
すなわち、ＣＺ結晶引上げ時のＦ／Ｇを制御し、全面Ｎ−領域で引き上げることによりボイド型欠陥および転位クラスターを低減することが可能となったが、Ｆ／Ｇの制御幅のマージンが非常に狭いという問題があった。
【００１０】
一方、従来から、窒素をドープしたシリコン単結晶が、ＦＺシリコン中の欠陥を減らすことが知られており、この方法は、窒素の特異な酸素析出特性等を利用しながらＣＺ法にも応用されている。
そこで、本発明者らは、特願平１１−０２２９１９号で、窒素をドープすることによりＮ−領域が拡大することを利用して、全面Ｎ−領域のウエーハの歩留りおよび生産性を向上させる製造条件を提案した。
【００１１】
しかし、窒素をドープした場合に、ボイド型欠陥がなく、Ｉ−リッチ領域に見られるような転位クラスターのないＮ−領域が大きく拡大することは確かであるが、そのほとんどはＯＳＦ領域を含んだＮ−領域であり、無欠陥ウエーハとして実際に使用することのできるＯＳＦ領域を含まないＮ−領域の拡大は比較的少なかった。
また、この窒素をドープした場合のＯＳＦ領域は、窒素ノンドープのＯＳＦ領域に比べてＯＳＦ核の密度が数倍高く、さらにそのＯＳＦ核が起因となって発生する転位ループが存在し、デバイスに悪影響を及ぼすという問題もあった。
【００１２】
【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、窒素をドープした場合のＯＳＦ領域を含むＮ−領域で引上げた結晶を無欠陥ウエーハとして使用するにはＯＳＦ領域を不活性化することが必要で、そのための結晶引上げ条件を探索し、制御幅が広く、制御し易い安定した製造条件の下で、ボイド型欠陥や転位クラスターを排除した全面Ｎ−領域からなるＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハを高生産性、高歩留りを維持しながら製造することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために為されたもので、本発明は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面Ｎ−領域からなり、かつ格子間酸素濃度が８ｐｐｍａ以下であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハである。
【００１４】
このように、シリコンウエーハの格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下としたことによって、Ｎ−領域中にＯＳＦ領域が含まれていたとしても、そのＯＳＦ領域からＯＳＦが発生することはなく、セコエッチングにより転位ループが観察されることもなく、デバイス特性に影響を及ぼすような欠陥が存在しない実質的な無欠陥ウエーハとなる。
【００１５】
そして、本発明は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面から少なくともボイド型欠陥と転位クラスターが排除されており、かつ格子間酸素濃度が８ｐｐｍａ以下であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハである。
このように、結晶全面から少なくともボイド型欠陥と転位クラスターが排除されており、酸素濃度が８ｐｐｍａ以下であるので、前記と同様に実質的な無欠陥ウエーハとなる。
【００１６】
これらの場合、格子間酸素濃度を５ｐｐｍａ以下とすることができる。
このように、酸素濃度が５ｐｐｍａ以下であれば、ほぼ完全に無欠陥シリコン単結晶ウエーハとすることができるので、このウエーハを用いて酸化膜耐圧（ＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown））を測定した場合、ほぼ１００％の良品率が得られる。
【００１７】
また、これらの場合、ドープされた窒素濃度を１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上とすることができる。
このように、窒素濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であれば、窒素の酸素析出促進効果により、低酸素でありながら、バルク部においてある程度の酸素析出が得られるため、ＩＧ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ、内部ゲッタリング）効果が期待できる。
【００１８】
さらに、ドープされた窒素濃度が５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であることが好ましい。
このように、窒素濃度が５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であればさらに酸素析出促進効果が向上し、ＩＧ効果が高いものとなる。
【００１９】
そして本発明は、前記のシリコン単結晶ウエーハの一主面に、ＥＧ処理が施されているシリコン単結晶ウエーハである。
このように、窒素濃度を高めることによりある程度のＩＧ効果が期待できるが、それだけでは不十分である場合もあるので、デバイスが作製される主面とは反対側の主面に、例えばＰＢＳ（ポリバックシール（登録商標））やＢＳＤ（バックサイドダメージ）などのＥＧ（Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ、外部ゲッタリング）処理を施すことが好ましい。
【００２０】
さらに本発明は、前記のシリコン単結晶ウエーハを、ＳＯＩ層として用いたＳＯＩウエーハである。
このような実質的に無欠陥ウエーハをＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層として使用すれば、ボイド型欠陥がＳＯＩ層を貫通するために生ずる絶縁不良が発生せず、また、ＣＺウエーハであるため大口径化が可能であり、しかも比較的安価に得られるので、高品質のＳＯＩウエーハの製造コスト低減を図ることができる。
【００２１】
次に本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、窒素をドープしながら結晶全面がＮ−領域となり、かつ格子間酸素濃度が８ｐｐｍａ以下となる条件で引上げた単結晶から製造するシリコン単結晶ウエーハの製造方法である。
【００２２】
このように、実質的な無欠陥ウエーハは、格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下に制御しながら、窒素をドープすることにより拡大されたＮ−領域を使用して引上げることができる。これにより、引上げ速度ＦとＦ／Ｇ値のＮ−領域マージンを格段に増加することができ、従来に比べ高生産性、高歩留りが実現できる。引上げられた結晶からウエーハへの加工は公知の方法で行えばよい。
【００２３】
この場合、この無欠陥ウエーハは、ドープする窒素濃度を１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上とし、かつ結晶全面がＮ−領域となる条件として、Ｆ／Ｇ（Ｆ：引上速度、Ｇ：結晶固液界面の温度勾配）値が結晶面内の全ての位置で０．１４〜０．２２ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で育成した単結晶から製造することができる。
このように、引上げ条件として具体的に窒素濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であれば、Ｆ／Ｇを０．１４〜０．２２ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内に制御すればよく、容易に制御することができる。
【００２４】
さらにこの場合、ドープする窒素濃度を５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上とし、かつ結晶全面がＮ−領域となる条件として、Ｆ／Ｇ値が結晶面内の全ての位置で０．１２〜０．２４ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で育成した単結晶から製造することが好ましい。
このように、ドープする窒素濃度が５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上の場合には、Ｆ／Ｇ値は０．１２〜０．２４ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲でよいので、制御幅が広く、非常に制御が容易である。
【００２５】
本発明は、前記の製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハに熱処理を施すことを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法である。
このように、本発明の製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハは、その酸素濃度が８ｐｐｍａ以下であるので、ＯＳＦが発生することはないが、残存している微小な酸素析出物が表面に出ると若干耐圧特性を劣化させる場合がある。そこで、表面に熱処理を施して、その微小な酸素析出物を溶解させることにより、より確実に高品質ウエーハを得ることができる。
【００２６】
この場合、熱処理を急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｅｒ）を用いて行うことが望ましい。
この装置は、枚葉式の自動連続熱処理装置であって、熱処理前後の加熱、冷却を数秒〜数百秒で行うので、弊害の多い長時間の熱履歴をウエーハに与えることなく、数秒〜数百秒の短時間の効果的な熱処理を施すことができる。
また、表面に露出した微小な酸素析出物は、高温短時間のＲＴＡプロセスのアルゴン、水素等によるアニールで簡単に消滅させることができる。さらに、より強力にＩＧ能力を付加したい場合には、窒素雰囲気でのＲＴＡプロセス等により、ＩＧ能力を増加させることもできる。
【００２７】
以下、本発明につき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。説明に先立ち各用語につき予め解説しておく。
１）ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウェーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、Ｋ₂ Ｃｒ₂ Ｏ₇ と弗酸と水の混合液で表面を無攪拌でエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）することによりピットおよびさざ波模様が生じる。このさざ波模様をＦＰＤと称し、ウェーハ面内のＦＰＤ密度が高いほど酸化膜耐圧の不良が増える（特開平４−１９２３４５号公報参照）。
【００２８】
２）ＳＥＰＤ（Ｓｅｃｃｏ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、ＦＰＤと同一のＳｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様（ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ）を伴うものをＦＰＤと呼び、流れ模様を伴わないものをＳＥＰＤと呼ぶ。この中で１０μｍ以上の大きいＳＥＰＤ（ＬＳＥＰＤ）は転位クラスターに起因すると考えられ、デバイスに転位クラスターが存在する場合、この転位を通じて電流がリークし、Ｐ−Ｎジャンクションとしての機能を果たさなくなる。
【００２９】
３）ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ）とは、成長後のシリコン単結晶棒からウエーハを切り出し、表面の歪み層を弗酸と硝酸の混合液でエッチングして取り除いた後、ウエーハを劈開する。この劈開面より赤外光を入射し、ウエーハ表面から出た光を検出することでウエーハ内に存在する欠陥による散乱光を検出することができる。ここで観察される散乱体については学会等ですでに報告があり、酸素析出物とみなされている（Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ． Ｖｏｌ．３２，Ｐ３６７９，１９９３参照）。また、最近の研究では、八面体のボイド（穴）であるという結果も報告されている。
【００３０】
４）ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）とは、ウエーハの中心部の酸化膜耐圧を劣化させる原因となる欠陥で、ＳｅｃｃｏエッチではＦＰＤになる欠陥が、ＳＣ−１洗浄（ＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ＝１：１：１０の混合液による洗浄）では選択エッチング液として働き、ＣＯＰになる。このピットの直径は１μｍ以下で光散乱法で調べる。
【００３１】
５）Ｌ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号）には、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等があり、転位ループ起因と考えられている欠陥である。ＬＳＥＰＤは、上記したようにＳＥＰＤの中でも１０μｍ以上の大きいものをいう。また、ＬＦＰＤは、上記したＦＰＤの中でも先端ピットの大きさが１０μｍ以上の大きいものをいい、こちらも転位ループ起因と考えられている。
【００３２】
従来方法によりＦ／Ｇを制御して作製される無欠陥結晶は、Ｎ−領域となる引上げ速度が低速であり、また、Ｆ／Ｇのマージンも少ないためため、生産性、歩留まり共に低かった。
これに対し、本発明者らが先に特願平１１−０２２９１９号で提案したように、窒素をドープしてＦ／Ｇを制御した場合、Ｎ−領域、すなわち、ボイド型欠陥（ＦＰＤ，ＣＯＰ等）が存在せずＩ−リッチ領域に見られるような転位クラスターも存在しない領域は大きく拡大するが、その殆どはＯＳＦ領域を含む領域の拡大であり、無欠陥ウエーハとして実際に使用することのできるＯＳＦ領域を含まないＮ−領域の拡大は比較的少ないので、その部分の引上げ速度は従来方法に比べてさほど向上しない。つまり、Ｆ／Ｇのマージンがある程度拡大することにより、無欠陥結晶の製造歩留りの向上は期待できるが、生産性はさほど変化がないということになる。
【００３３】
また、この窒素をドープした場合のＯＳＦ領域は、窒素ノンドープのＯＳＦ領域に比べてＯＳＦ核の密度が数倍高く、さらにそのＯＳＦ核が起因となって発生する転位ループが存在し、デバイスに悪影響を及ぼすため、実際には使用することが困難なものであった。
【００３４】
そこで本発明者らは先ず、無欠陥結晶の生産性を向上し製造コストを下げるために、窒素ドープにより拡大したＯＳＦ領域を有効に利用する方法を考えた。すなわち、この領域にはボイド型欠陥が存在せず、Ｉ−リッチ領域に見られるような転位クラスターも存在せず、しかも比較的高速で育成可能で、かつＦ／Ｇのマージンが広いためである。
【００３５】
このようにＯＳＦ領域を含むＮ−領域で引上げた結晶も無欠陥ウエーハとして使用することができるかどうかを検討した結果、引上げ結晶中に含まれる酸素濃度を極低酸素にすれば、ＯＳＦを不活性にすることができる（デバイス特性に影響を与えない）ことを見出した。すなわち、ＯＳＦが不活性であれば拡大Ｎ−領域を有効に利用できるので、従来に比べて極めて高生産性、高歩留りで無欠陥ウエーハを製造することが可能となる。
【００３６】
そこで、この窒素ドープによる拡大ＯＳＦ領域と酸素濃度の関係に注目し、詳細な実験と調査を行った。
その結果、酸素濃度が高い場合（１８ｐｐｍａ（日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ）規格）以上）には、１１５０℃／１００分、ウエットＯ₂ 雰囲気下のＯＳＦテストによってＯＳＦが発生した。また、セコ エッチング（Ｓｅｃｃｏ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により転位ループが高密度に観察されたが、酸素濃度が１０ｐｐｍａ以下になると、ＯＳＦおよび転位ループの密度は減少し、さらに８ｐｐｍａ以下になると、ＯＳＦや転位ループは全く発生しなくなった。つまり、この窒素ドープにより拡大したＯＳＦ領域を使用しても、酸素濃度を８ｐｐｍａ以下にすることにより、ＯＳＦを不活性にできるということになり、ボイド型欠陥、転位クラスター、ＯＳＦ、およびＯＳＦ上の転位ループ等の無い無欠陥シリコン単結晶が、高生産性および高歩留まりで製造可能であることが判明した。
【００３７】
次にこれらの結晶の酸化膜耐圧特性について調査した。その結果、酸素濃度が低下するほど、良好な耐圧特性を示す結果となった。これは、ＯＳＦ核となり得る酸素析出物のサイズに依存しているものと思われる。すなわち、酸素濃度の低下に伴い酸素析出物のサイズが小さくなり、酸化膜耐圧特性に影響しにくくなったものと考えられる。そして、酸素濃度が５ｐｐｍａ以下になると、耐圧特性（ＴＺＤＢ）は良品率がほぼ１００％となった。
但し、５ｐｐｍａ以下の酸素濃度のウエーハでは析出物もなく低酸素であるため、ゲッタリング能力が殆どなくなる。よって、程良くゲッタリング能力（ＩＧ能力）も必要な場合の酸素濃度は５〜８ｐｐｍａまでの選択となる。
【００３８】
実際の引上げ方法においては、ＯＳＦ領域の発生は窒素濃度によって変化する。例えば窒素濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上のときは、Ｆ／Ｇ値を引上げ結晶の面内全ての位置で、０．１４〜０．２２ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で結晶を育成し、酸素濃度を８ｐｐｍａ以下に調整すれば、全面が潜在的にＯＳＦ核を持っている領域（潜在ＯＳＦ領域：酸素濃度が８ｐｐｍａを超えればＯＳＦが発生する領域）となる。
【００３９】
ここで、酸素濃度の制御方法は従来より慣用されているように、ルツボ回転速度や磁場印加、そしてガス流の制御等によりコントロールすることができる。
また、窒素濃度が高くなれば、この潜在ＯＳＦ領域もさらに拡大し、例えば窒素を５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上ドープした場合は、Ｆ／Ｇ値を引上げ結晶の面内すべての位置で、０．１２〜０．２４ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で結晶を育成すればよい。
【００４０】
このような方法によれば、単結晶の育成が高速成長かつ広いマージンで可能となる。次いでこれを通常の方法に従い、スライス、面取り、研削、エッチング、鏡面仕上げ研磨等の工程を経てウエーハに加工すれば、ボイドもＯＳＦも転位クラスターも、さらにはＯＳＦ上の転位ループも存在しない無欠陥シリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
【００４１】
ここでさらにウエーハの機能を高めるために、デバイスの作製が予定される主面の反対側の主表面にＰＢＳ、ＢＳＤ等のＥＧ処理を施しても良い。特に、５ｐｐｍａ以下の低酸素の場合は、様々な欠陥が完全にフリーとなる結晶であるため、欠陥や電気特性は大変良好であるが、バルクの欠陥も存在しないため、ゲッタリング能力に欠ける。よって、デバイス製造ラインによってゲッタリング能力が必要とされる場合には、ＰＢＳ、ＢＳＤ等のＥＧ処理を行い、ゲッタリング能力を付加しても良い。
【００４２】
また、酸素濃度が８〜５ｐｐｍａの場合には、ＯＳＦは発生させないが、微小な析出物が残存している。よってゲッタリング能力は上記のウエーハよりもあるが、微小析出物が表面に出ると、若干耐圧特性を劣化させる場合がある。そこで、この場合は何らかの熱処理を施すことにより、表面のみその微小な酸素析出物を溶解させてしまえば良く、例えば、ＲＴＡプロセスにおいて、アルゴン、水素、窒素等の雰囲気下でのアニールで簡単に消滅させることができる。この場合、この析出物は非常に小さいため、ＲＴＡ装置の高温短時間プロセスでも十分消滅させることが可能である。
【００４３】
ここで、ＲＴＡプロセスとは、熱処理をＲＴＡ装置（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｅｒ、急速加熱・急速冷却装置）を用いて行う工程であって、この装置は、枚葉式の自動連続熱処理装置であり、熱処理前後の加熱、冷却を数秒〜数百秒で行うので、弊害の多い長時間の熱履歴をウエーハに与えることなく、数秒〜数百秒の短時間の効果的な熱処理を施すことができるものである。
【００４４】
さらに、どのウエーハに対しても、より強力にゲッタリング能力を付加したい場合には、すでに良く知られている、窒素雰囲気下でのＲＴＡプロセス等により、ゲッタリング能力を増加させてもよい。
【００４５】
加えて、このような実質的に無欠陥であるシリコン単結晶ウエーハをＳＯＩ層として使用すれば、ボイド型欠陥がＳＯＩ層を貫通するために生ずる不良が発生することはない。すなわち、例えば２枚のシリコンウエーハを酸化膜を介して貼り合わせた後、デバイス作製側基板を薄膜化してＳＯＩ層を作製する際に、貼り合せるシリコンウエーハの内、少なくともＳＯＩ層となるデバイス作製側基板を本発明のシリコンウエーハとすれば、薄膜化後のＳＯＩ層にも欠陥は存在せず、極めて良好な特性を有するものとなる。
また、ＣＺウエーハであるため大口径化が可能であり、しかも比較的安価に得られるので、高品質のＳＯＩウエーハの製造コストの低減を図ることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図１により説明する。図１に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３およびその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるワイヤ７と、ワイヤ７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
【００４７】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶１の固液界面４の外周に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９が配置されている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面３との間に３〜５ｃｍの隙間１０を設けて設置されている。上部囲繞断熱材９は条件によっては使用しないこともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する不図示の筒状の冷却装置を設けてもよい。
別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるＭＣＺ法が用いられることも多い。
【００４８】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による窒素ドープ単結晶育成方法について説明する。
まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。この時、窒素をドープするために、例えば窒化膜付きシリコンウエーハを投入しておく。次に、ワイヤ７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の窒素をドープした単結晶棒１を得ることができる。
【００４９】
この場合、本発明では、結晶内の温度勾配を制御するために、図１に示したように、前記固液界面断熱材８の下端とシリコン融液２の湯面３との隙間１０の間隔を調整するとともに、引上げ室３１の湯面上の単結晶棒１中の液状部分の外周空間において、湯面近傍の結晶の温度が例えば１４２０℃から１４００℃までの温度域に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９を配置するようにしている。さらに、必要に応じてこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置を設けて、これに上部より冷却ガスを吹きつけて結晶を冷却できるものとし、筒下部に輻射熱反射板を取り付けて制御するようにしてもよい。
【００５０】
引上げ中に、ルツボ回転数、結晶回転数、導入ガス流量、雰囲気圧力、印加磁場の強度や方向を制御することによって、結晶中の酸素濃度を８ｐｐｍａ以下となるようにすることができる。例えば、ルツボ回転数を低く、ガス流量を多く、圧力を低く、磁場を強くすることによって、酸素を所望の値以下に低減化させることができる。
【００５１】
次に、得られた窒素含有シリコン単結晶棒を、例えばスライス、面取り、研削、エッチング、鏡面仕上げ研磨することによって、本発明のウエーハに加工することができる。もちろん、ウエーハ加工方法はこれに限定されるものではなく、通常用いられている方法であれば、いずれの方法であってもよい。
【００５２】
続いて得られたウエーハに熱処理を加えてウエーハ表面に残存していた微小な酸素析出物を溶解、消滅させるようにしてもよい。本発明ではこの熱処理に急速加熱・急速冷却できる装置を使用することにした。このＲＴＡ装置としては、熱放射によるランプ加熱器のような装置を挙げることができる。また、その他市販されているものとして、例えばＡＳＴ社製、ＳＨＳ−２８００のような装置を挙げることができ、これらは特別複雑で高価なものではない。
【００５３】
ここで、本発明で用いたシリコン単結晶ウエーハの急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一例を示す。図２は、ＲＴＡ装置の概略図である。
図２の熱処理装置２０は、石英からなるチャンバー２１を有し、このチャンバー２１内でウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、チャンバー２１を上下左右から囲繞するように配置される加熱ランプ２２によって行う。このランプはそれぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。
【００５４】
ガスの供給側は、不図示の水素ガス供給源、アルゴン供給源及び窒素ガス供給源が接続されており、任意の混合比でこれらを混合してチャンバー２１内に供給することができるようにされている。
ガスの排気側は、オートシャッター２３が装備され、外気を封鎖している。オートシャッター２３は、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。また、オートシャッター２３にはガス排気口が設けられており、炉内雰囲気圧力を調整できるようになっている。
【００５５】
そして、ウエーハ２８は石英トレイ２４に形成された３点支持部２５の上に配置される。トレイ２４のガス導入口側には、石英製のバッファ２６が設けられており、導入ガスがウエーハ２８に直接当たるのを防ぐことができる。
また、チャンバー２１には不図示の温度測定用特殊窓が設けられており、チャンバー２１の外部に設置されたパイロメータ２７により、その特殊窓を通してウエーハ２８の温度を測定することができる。
【００５６】
以上のような熱処理装置２０によって、ウエーハを急速加熱・急速冷却する処理は次のように行われる。
まず、熱処理装置２０に隣接して配置される、不図示のウエーハハンドリング装置によってウエーハ２８を挿入口からチャンバー２１内に入れ、トレイ２４上に配置した後、オートシャッター２３を閉める。チャンバー２１内は所定の水素を含む還元性雰囲気で満たされる。
【００５７】
そして、加熱ランプ２２に電力を供給し、ウエーハ２８を例えば１１００〜シリコンの融点、特には１３００℃以下の所定の温度に昇温する。この際、目的の温度になるまでに要する時間は例えば２０秒程度である。次にその温度において所定時間保持することにより、ウエーハ２８に高温熱処理を加えることができる。
【００５８】
所定時間経過し高温熱処理が終了したなら、ランプ２２の出力を下げウエーハ２８の温度を下げる。本発明の熱処理方法は、熱処理における最高温度から７００℃までの降温速度を２０℃／ｓｅｃ以下とする方法であるが、この方法を実施する際には、パイロメータ２７でウエーハ２８の温度を測定しつつ、従来２０〜４０秒間程度の時間をかけ降温速度３０〜６０℃／ｓｅｃで降温していたのを、ランプ２２の出力を適当に調整して降温速度を２０℃／ｓｅｃ以下に低めるだけで良い。従って、従来から使用されているＲＴＡ装置にほとんど改造を加えずに、本発明の方法を実施することができる。最後に、ウエーハの降温が終了したらウエーハハンドリング装置によってウエーハを取り出すことにより、熱処理を完了する。
【００５９】
降温時間を短縮したい時は、パイロメータ２７で測定したウエーハ２８の温度が７００℃未満になったら、例えばランプ２２の出力をＯＦＦにしてウエーハ２８を急冷するようにすれば良い。あるいは、ウエーハハンドリング装置によってウエーハ２８を取り出して室温の空間に移動させることによっても、７００℃未満の降温速度を速めて降温時間を短縮することができる。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施の形態を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示した引上げ装置３０で、１８インチ石英ルツボに原料多結晶シリコンをチャージし、直径６インチ、方位＜１００＞、導電型Ｐ型のシリコン単結晶棒を引上げた。シリコン融液には３０００ガウスの水平磁場を印加し、対流を抑制した。引上げ速度を０．４９〜０．７７ｍｍ／ｍｉｎの範囲で変化させて結晶を育成した。
【００６１】
また、湯面から環状の固液界面断熱材の下端までは、４ｃｍの空間とし、その上に１０ｃｍ高さの環状固液界面断熱材を配置し、湯面から引上げ室天井までの高さをルツボ保持軸を調整して３０ｃｍに設定し、上部囲繞断熱材を配備した。
窒素ドープは、窒化膜付きウエーハの投入量を調整して行い、酸素濃度は、４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）となるように制御した。そして、結晶中心部でのＦ／Ｇ値を０．１４〜０．２２ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で引上げた。
【００６２】
ここで得られた単結晶棒の窒素濃度が計算上２×１０¹⁴／ｃｍ³ となる部分からウエーハを切り出し、鏡面加工を施してシリコン単結晶の鏡面ウエーハを作製し、ボイド型欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＰＤ、ＣＯＰ）や転位クラスターの測定を行った。また、熱酸化処理を施してＯＳＦリング発生の有無を確認した。
その結果、結晶全長で上記グローイン欠陥もＯＳＦも観察されなかった。
【００６３】
次に、このウエーハの酸化膜耐圧特性について評価した。まず、ＴＺＤＢのＣモード収率を求めた。ウエーハの表面にリンドープポリシリコン電極（酸化膜厚２５ｎｍ、電極面積８ｍｍ² ）を作製し、判定電流値１ｍＡ／ｃｍ² で評価した絶縁破壊電界８ＭＶ／ｃｍ以上の良品率で評価した。
また、ＴＤＤＢのγモード収率についても測定を行った。これは上記リンドープポリシリコン電極にストレス電流０．０１ｎＡ／ｃｍ² を継続的に流し、電荷量２５Ｃ／ｃｍ² 以上で絶縁破壊が発生するものを良品として、その良品率で評価した。
【００６４】
測定の結果、ＴＺＤＢは１００％であり、ＴＤＤＢは平均９４％と高い良品率を示した。したがって、本発明のシリコンウエーハは酸化膜耐圧特性に優れており、このウエーハをデバイス作製に用いた場合、デバイス特性の向上と歩留りの向上が期待できる。
【００６５】
（比較例１）
比較例として窒素ドープを行わず、引上げ速度を０．４２〜０．８４ｍｍ／ｍｉｎとして引上げた以外は実施例１と全く同様の条件でシリコン単結晶棒の引上げを行い、シリコンウエーハを作製した。そして、実施例と同様にグローイン欠陥の測定とＯＳＦの有無を測定した。
その結果、ウエーハが切り出された単結晶棒の部位によっては、グローイン欠陥やＯＳＦリングが観察された。これは、窒素をドープしない場合は、ＯＳＦが無いＮ−領域は極めて狭い範囲であり、安定して全面Ｎ−領域ウエーハを製造することは難しいことを意味している。
【００６６】
（実施例２）
原料に投入する窒素膜付きウエーハを増加させ、酸素濃度を７ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）に制御し、結晶中心部でのＦ／Ｇ値を０．１２〜０．２４ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で引上げた以外は、実施例１と同様にして、窒素がドープされたシリコン単結晶棒を引上げた。
次に、得られた単結晶棒の窒素濃度が計算上６×１０¹⁴／ｃｍ³ となる部分からウエーハを切り出し、このウエーハに、８００℃×４時間＋１０００℃×１６時間の熱処理を施した。そして、熱処理後のウエーハの内部欠陥密度を測定した。
内部欠陥密度の測定は、ＯＰＰ（Optical Precipitate Profiler、バイオラッド社製）を用いて測定した。
【００６７】
測定結果は５×１０⁸ 〜１×１０⁹ ケ／ｃｍ³ となり、極低酸素でありながら、内部欠陥密度はそれほど低くないことが判った。このことは、このウエーハのゲッタリング効果の高さを示すものである。
【００６８】
（比較例２）
比較例として窒素ドープを行わず、実施例２と同様に酸素濃度を７ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）としてシリコン単結晶棒を引上げた。実施例２と同様に、得られた単結晶棒からウエーハを切り出し、このウエーハに、８００℃×４時間＋１０００℃×１６時間の熱処理を施した。そして、熱処理後のウエーハの内部欠陥密度を実施例２と同様にＯＰＰを用いて測定した。
測定結果は、１×１０⁶ 〜１×１０⁷ ケ／ｃｍ³ と低い数値に留まった。これは、窒素をドープしていない場合は酸素析出が促進されないためであると考えられる。
【００６９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００７０】
例えば、上記実施形態においては、直径６インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、窒素をドープしながら結晶全面がＮ−領域となるように制御すれば、直径８〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
【００７１】
また、本発明のＣＺ法には、ＣＺ法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、融液に磁場を印加するいわゆるＭＣＺ法も含まれることは言うまでもない。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、窒素ドープＣＺ結晶の引上げ結晶中に含まれる酸素濃度を５ｐｐｍａ以下の極低酸素にすることにより、Ｎ領域中のＯＳＦ領域の有無に拘らず、拡大したＮ領域を有効に利用できるようになり、従来法に比べて極めて高生産性、高歩留り、低コストでボイド型欠陥もＯＳＦも転位クラスターもない無欠陥シリコン単結晶ウエーハを製造することが可能となる。この場合、ゲッタリング能力を付加したければ、ＰＢＳ等の方法を追加すればよい。
【００７３】
また、酸素濃度を５〜８ｐｐｍａとして、窒素ドープにより拡大するＯＳＦ領域を利用すれば、ＯＳＦを発生せず、ＯＳＦ核起因の転位ループの発生のない結晶から無欠陥ウエーハを開発した。しかも微小酸素析出物が存在するのでＩＧ能力を持つものとなる。この場合、微小酸素析出物で耐圧特性が若干劣化することがあるので、ＲＴＡ装置等で熱処理にかければ耐圧特性を向上させることができる。さらに、このような実質的に無欠陥ウエーハをＳＯＩ層として使用すれば、ボイド型欠陥がＳＯＩ層を貫通するために生ずる不良が発生せず、また、ＣＺウエーハであるため大口径化が可能であり、しかも比較的安価に得られるので、高品質のＳＯＩウエーハの製造コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【図２】本発明で使用した急速加熱・急速冷却装置の一例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１…成長単結晶棒、 ２…シリコン融液、 ３…湯面、 ４…固液界面、
５…種結晶、 ６…シードチャック、 ７…ワイヤ、 ８…固液界面断熱材、
９…上部囲繞断熱材、 １０…湯面と固液界面断熱材下端との隙間、
３０…単結晶引上げ装置、 ３１…引上げ室、 ３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、 ３４…ヒータ、 ３５…断熱材。
２０…熱処理装置、 ２１…チャンバー、 ２２…加熱ランプ、
２３…オートシャッター、 ２４…石英トレイ、 ２５…３点支持部、
２６…バッファ、 ２７…パイロメータ、 ２８…ウエーハ。

Claims (13)

1. チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面Ｎ−領域からなり、かつ格子間酸素濃度が５〜８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
2. チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面から少なくともボイド型欠陥と転位クラスターが排除されており、かつ格子間酸素濃度が５〜８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
3. チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面Ｎ−領域からなり、かつ格子間酸素濃度が５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下（５ｐｐｍａを除く）であるとともに、該シリコン単結晶ウエーハの一主面に、ＥＧ処理が施されていることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
4. チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、全面から少なくともボイド型欠陥と転位クラスターが排除されており、かつ格子間酸素濃度が５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下（５ｐｐｍａを除く）であるとともに、該シリコン単結晶ウエーハの一主面に、ＥＧ処理が施されていることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
5. 前記ドープされた窒素濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載したシリコン単結晶ウエーハ。
6. 前記ドープされた窒素濃度が５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載したシリコン単結晶ウエーハ。
7. 前記請求項１、２、５、６のいずれか１項に記載したシリコン単結晶ウエーハの一主面に、ＥＧ処理が施されていることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
8. 前記請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載したシリコン単結晶ウエーハを、ＳＯＩ層として用いたことを特徴とするＳＯＩウエーハ。
9. チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、窒素をドープしながら結晶全面がＮ−領域となり、かつ格子間酸素濃度が５〜８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）となる条件で引上げた単結晶から製造することを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
10. 前記ドープする窒素濃度を１×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上とし、かつ結晶全面がＮ−領域となる条件として、Ｆ／Ｇ（Ｆ：引上速度、Ｇ：結晶固液界面の温度勾配）値が結晶面内の全ての位置で０．１４〜０．２２ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で育成した単結晶から製造することを特徴とする請求項９に記載したシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
11. 前記ドープする窒素濃度を５×１０¹⁴／ｃｍ³ 以上とし、かつ結晶全面がＮ−領域となる条件として、Ｆ／Ｇ値が結晶面内の全ての位置で０．１２〜０．２４ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で育成した単結晶から製造することを特徴とする請求項９に記載したシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
12. 前記請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載した製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハに熱処理を施すことを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
13. 前記熱処理を急速加熱・急速冷却装置により行うことを特徴とする請求項１２に記載したシリコン単結晶ウエーハの製造方法。

Images