JP4567262B2 - エピタキシャルウエハ基板用に強化されたｎ型シリコン材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に電力分散又は電力集積回路のような半導体デバイスの形成に使用するシリコン基板ウエハ製造の分野に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体デバイスは、磨きウエハ又はエピタキシャルウエハのどちらかに造られる。後者は、磨きウエハ基板のトップ上のエピタキシャル(epi)層から成る。Epi層は、典型的に低濃度の電気活性ドーパント、通常はリン(ｎ型伝導性)又はホウ素(ｐ型伝導性)、典型的には約10¹⁵原子cm^-3のドーパントを含む。多くの場合、基板は、リン、アンチモン、又はヒ素(ｎ型)又はホウ素(ｐ型)でありうる典型的には10¹⁸〜10¹⁹原子cm^-3範囲の高濃度のドーパント原子を含む。それぞれのドーパント種の溶解限度に近接したドーパントレベルが、最先端技術の電力デバイス用途に重要な要求であるepiウエハ基板の抵抗率を下げるために必要である。このような高レベルのｎ−ドーパントを含有するシリコン材料は、通常ｎ⁺材料と呼ばれる。それぞれのｎ⁺結晶から薄切りにされたこのようなシリコン材料は、最終的なｎ/ｎ⁺epiウエハ用のｎ⁺基板の製造に使用される。
【０００３】
シリコン溶融物を保持するために使用される石英ガラス(ＳｉＯ₂)るつぼの溶解によるチョクラルスキー法(Czochralski)(CZ)を応用した結晶の成長に酸素が取り込まれる。溶融シリコンは、ＳｉＯ₂るつぼ壁と反応してＳｉＯを生成する。そのＳｉＯのいくらかが、一般にシリコンの結晶成長に使用される温度及び圧力でその溶融物から蒸発する。しかし、いくらかは溶融物中に残留し、成長結晶に取り込まれうる。溶融物が凝固すると、その溶融物とるつぼ壁との間の接触領域が減少するが、ＳｉＯの蒸発に利用可能な溶融表面の領域は、結晶の成長が終わるまで実質的に一定のままである。従って、溶融物中の酸素の濃度、ひいては結晶中に取り込まれる濃度は、結晶の種末端からの距離が増すほど減少する傾向にある。これは、何の対策もしないと、典型的に結晶の末端に向かって酸素濃度を減らすことを示す軸方向の酸素プロフィルを導く。高濃度のｎ型ドーパントがシリコン溶融物中に存在すると、結晶成長時のＳｉＯの蒸発を促進し、それゆえ成長性ｎ⁺結晶に取り込まれる酸素の量をさらに減じ、このような結晶の末端に向かってひどく減らす軸方向の酸素プロフィルを導く。いずれの最先端技術の対策もなければ、このようなＣＺｎ⁺結晶の全長の特定パーセンテージに到達後、このような材料が後に熱デバイス製造工程で加工されるときに、通常、十分な酸素の沈殿が生じるのに必要なレベル以下に酸素濃度が下がってしまう。十分な酸素沈殿のために要求されるレベル以下に酸素レベルが下がった場合の結晶の長さは、臨界結晶長、略してＬ_Cと呼ばれる。
【０００４】
epiウエハ基板中の酸素沈殿は、熱デバイス製造工程時の重金属のコンタミネーションによるデバイス収率の低下を制御するのに通常利用される内部ゲッタリング(ＩＧ)に必須である。このような低下は、A.Borghesi,B.Pivac,A.Sassela及びA.Stellaによる「シリコン中の酸素沈殿」という表題の文献、Journal of Applied Physic,Vol.77,No.9,1995年5月1日,pp.4169-4244、4206-07に記載されている。有効なＩＧは、10⁹原子cm^-3のオーダーの見掛け空孔密度に関連する酸素沈殿で観察された。この見掛け空孔密度は、有効なＩＧに対する臨界であり、以後臨界空孔数Ｎ_Cと呼ぶ。このような高空孔密度ｎ⁺基板に基づくエピタキシャルｎ/ｎ⁺ウエハは、優れたＩＧ関連漏れ抵抗を示し、それによってデバイス収率を非常に改善する。デバイス加工時に熱誘導される酸素沈殿は、結晶中に酸素を大量に導入する必要が生じるepiウエハ基板中のｎ型ドーパント原子の場合は抑制される。これにより、10¹⁹原子cm^-3オーダーのヒ素濃度を有するＣＺ結晶は、有効なＩＧに必要なＮ_Cに到達するために、約８×10¹⁷原子cm^-3(ASTM 121-83 校正)を必要とすることが、本発明者らによって実験的に決定された。いずれの最先端技術の対策もなければ、Ｌ_Cは、この場合全結晶長の10％未満である。今まで、本質的にＬ_Cを高める努力は、一般的に酸素取入れの軸方向の変化に向けられてきた。現在軸方向で酸素レベルを均一化するために使用されている方法は、結晶の引くスピードを調整すること、及び結晶及びるつぼの回転を利用することを含み、すべてを併用して、引きチャンバー内のガスの流れ及び圧力を制御する。他の方法は、結晶成長時に規定磁場を掛けることである。これら対策は、技術的に複雑であり、及び／又は高コストを伴う。
【０００５】
シリコンウエハ中に炭素が存在すると、酸素の沈殿を促進することが知られている。例えば、Ahlgrenら,欧州出願番号84109528.4の７ページの26〜33行目に、４ppma(２×10¹⁷原子cm^-3)(ASTM 123-76 校正)以上の炭素濃度を有するシリコンが、より低濃度の炭素でも極僅かな酸素沈殿を誘発するであろう熱処理後に、28ppma(1.4×10¹⁸原子cm^-3)未満の酸素(ASTM 121-79 校正)を含有するシリコン中に実質的な酸素沈殿を誘発することを教示している。当該研究は、上述したような通常の手段による炭素の添加に言及しているようである。従って、当該研究は、1984年に使用された入手可能な装置の結果として必要な「エビル(evil)」として導入された炭素を受け入れ、成長した結晶の長さに沿って炭素含量を量って、どの部分を有利に使用できるかを決定している。このような炭素の導入は制御されず、かつ主にプラー(puller)構造に使用されるグラファイト部分に依る。結晶プラーの現在の技術では、グラファイトヒーター及び絶縁体を使用するにもかかわらず、５×10¹⁵原子cm-³以下の炭素レベルを維持することができる。さらに、この欧州出願は、ｎ型又はｐ型ドーピング材料の存在について何ら言及しておらず、基板用の軽くドープされたシリコン結晶に関するものである。
【０００６】
結晶成長における炭素のコンタミネーションを減じるための開発は、最初は、ウエハの臨界デバイス領域内に特定の濃度レベルで存在する場合の炭素の有害なデバイス衝撃の実験的証拠によって駆使されていた。epiウエハ基板の場合、炭素はシリコン内では遅いディフューザなので、炭素は臨界デバイス領域(通常、基板のトップ上に堆積されたepi層中に配置される)に入ることはほどんど考えられない。たとえそうでも、現在のepiウエハの仕様は、通常未だに10¹⁶原子cm^-3以下の炭素濃度を必要とする。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、シリコン結晶を成長させる方法であって、所定量の炭素が制御された様式で添加されて、所望の酸素沈殿レベルを生じさせる方法に関する。この方法は、２×10¹⁷原子cm^-3よりかなり低い炭素レベルのｎ⁺ドープ型シリコンepi基板に有効である。炭素濃度の急速な増加は、その結晶への取込みがその分離挙動によって制御されるので、炭素が共ドープされた結晶の末端に向かってのみ観察される。
ＣＺシリコンの非常に低濃度のこのような炭素ドーピングは、高度なｎドープ型材料内の酸素沈殿を非常に高めることができる。さらに、共ドープされた炭素、酸素濃度及びアニーリング後の見掛け空孔密度の間には関係があり、有効な内部ゲッタリングに必要な見掛け空孔レベルを達成するのに添加すべき炭素の量を予め決定することを可能にする。この確立された方法論が、エピタキシャルウエハ基板用に強化されたｎ型シリコン材料を導く簡単かつ低コストの結晶成長法を発達させる。
本発明のさらなる目的及び特徴は、図面と共に以下の詳細な説明及び特許請求の範囲からさらに容易に明らかになるだろう。
【０００８】
（好ましい実施態様の説明）
図１は、本発明の使用に好適なチョクラルスキー法による引き装置のいくつかの形態の１つである。石英るつぼ１１は、引きチャンバー１３の内側に配置される。石英るつぼ１１は、回転ボトムシャフト１５に取り付けられている。石英るつぼ１１内の溶融物Ｍを加熱して温度を制御するために、石英るつぼ１１の回りに、ヒーター１７が設けられている。溶融物は、最初はシリコンであるが、ドーパントを含まない。ヒーター１７と引きチャンバー１３との間に、熱保持管１９が設けられている。熱保持管１９の上端面に、環状支持部材２１が取り付けられている。
【０００９】
ＣＺ法によってシリコン単結晶を製造するため、多結晶シリコンと所望のドーパント、例えばＰ、Ｂ、Ｓｂ又はＡｓが石英るつぼ１１内に置かれる。引きシャフト上のブラケット２９に種晶が取り付けられて支持される。引きチャンバー１３が真空にされ、かつヒーター１７が多結晶シリコンとドーパントを融かす。アルゴンのような不活性キャリヤガスが、入口３１から、石英るつぼ１１の回りの引きチャンバー１３中を通り、吐出し３３から排出される。同時に、石英るつぼ１１内の溶融物中に種晶が浸漬される。そして、引きシャフトが、石英るつぼ１１と関連して回転しながら所定速度で種晶を引き出す。
【００１０】
図２及び図３は、10¹⁹原子cm^-3のオーダーのヒ素でドープされた100mm径のシリコン結晶中の酸素及び炭素濃度の軸方向分布を示す。この結晶を成長させる前に、初めに、30kgの溶融シリコンチャージに150mgの炭素が加えられた。この２つのグラフから、酸素と炭素の反対の濃度特性が明かである。炭素が共ドープされたｎ⁺結晶は、結晶全長に渡って多くの酸素の取込みを維持する手段を用いない場合でさえ、最終的に漏れ抵抗性ｎ/ｎ⁺エピタキシャルウエハを製造するためのｎ⁺基板を製造するのに必要な潜在的に高−空孔−密度材料とういう点で、非常に高収率である。
【００１１】
図４は、シリコン溶融物に添加された炭素の関数として、結晶収率が増加することを示している。図４から、最初の溶融シリコンチャージに添加して、前記チャージから、標準的な成長法を用いて、また規定のウエハアニーリング法を利用して、成長させられた結晶の規定部分又は全長にわたる見掛け空孔密度の所望最小レベルを達成するためにそのチャージに添加しなければならない炭素の量を決定する簡単な方法が確立されていることが明白である。例として、研究室試験で、10¹⁹原子cm^-3のオーダーのヒ素濃度を有する基板材料は、1.9×10¹⁶原子cm^-3という軽い炭素ドーピングのみが適用される場合、約7.5×10¹⁷原子cm^-3の酸素濃度で、Ｎ_C限界(有効な内部ゲッタリングのための)に達することがわかった。これは、10¹⁶原子cm^-3未満の炭素濃度レベルという本技術の典型的状態で必要な8.0×10¹⁷原子cm^-3以上の実質的な向上である。結晶の種末端における炭素濃度が4.3×10¹⁶原子cm^-3に増加されると、酸素は、さらに6.25×10¹⁷原子cm^-3に減らされうる。従って、炭素ドープ結晶においては、軸方向の酸素の変化を減らすこと(結晶末端に向けて酸素濃度を増やすこと)によってＬ_Cを高める必要は無いか、又は非常に少ない。
【００１２】
図５に示されるグラフを検討すると、炭素の共ドーピングレベルの範囲に渡って必要な酸素濃度を推定する簡単な方法が確立されていることがわかる。図４中のデータ点「ａ」、「ｂ」及び「ｃ」と、図５中の対応するデータ点「ｄ」、「ｅ」及び「ｆ」は、100mm径の３つの高ヒ素ドープ結晶を比較する試験から導かれた。これら結晶中のヒ素濃度が標的にされて、1.8×10¹⁹原子cm^-3(結晶種)から3.8×10¹⁹原子cm^-3(結晶末端)に増やした。シリコンチャージを融かした後、30kgチャージのポリシリコンに、ヒ素ドーパントの対応量が添加された。第１結晶は、意図的に炭素を添加せずに(図４及び図５中、それぞれデータ点「ａ」及び「ｄ」)成長させた。第２結晶は、50mgだけの高純度炭素を溶融物に添加後成長させ(図４及び図５中、それぞれデータ点「ｂ」及び「ｅ」)、第３結晶は、150mgの高純度炭素を添加した(図４及び図５中、それぞれデータ点「ｃ」及び「ｆ」)。軸方向の酸素プロフィルを均一化するためには何も付加的対策を施さなかった。結果として、炭素レベルが異なる３つの結晶は、匹敵する軸方向の酸素プロフィルを有する：酸素濃度は、結晶種における8.3×10¹⁷原子cm^-3から、結晶末端における4.0×10¹⁷原子cm^-3に下がっている。
【００１３】
要約すると、エピタキシャルウエハ用の基板における有効な内部ゲッタリングに必要な臨界見掛け空孔密度レベルは、炭素ドーピング無しの材料と比較して、それぞれの結晶材料の非常に低い酸素レベルで到達できる。これら結晶から得られたウエハについて沈殿試験を行うと(結晶の位置の関数としてのＮ_Cの評価)、炭素共ドーピングは、有効な内部ゲッタリングに必要な酸素沈殿特性を有する(Ｎ_C＞10⁹原子cm^-3)臨界結晶長を増やすことがわかった。炭素共ドーピングを有するこれら結晶の高沈殿部分のほぼ直線的な増加がある(図４)。例えば、150mgの炭素が最初のシリコンの30kgチャージに添加された場合、結晶の全長の50％以上がＬ_Cを超えている。有効な内部ゲッタリングを起こすために必要な酸素濃度は、添加される炭素に明確な様式で連関している(図５)。これは、炭素共ドーピングが、このような結晶中の酸素濃度を高めかつ軸方向に均一化するための複雑及び／又は高価な手段に代えて、epiウエハ基板用に使用されるｎ⁺材料中の酸素沈殿制御に利用できることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明での使用に好適なチョクラルスキー法による引き装置の側面断面図である。
【図２】 本発明に係る炭素原子で共ドープされた高ヒ素ドープ結晶の長さに沿った酸素濃度の軸方向分布を示すグラフである。
【図３】 図２と同様のグラフであるが、本発明に係る炭素原子で共ドープされた高ヒ素ドープ結晶の長さに沿った炭素濃度の軸方向分布を示す。
【図４】 溶融物に添加された炭素量の関数としての内部ゲッタリングに好適な成長結晶のパーセンテージを示すグラフである。
【図５】 溶融物に添加された炭素量の関数としての内部ゲッタリングに必要な酸素濃度を示すグラフである。

Claims (1)

1. 以下を有するエピタキシャル基板用に強化されたｎ⁺シリコン結晶材料。
   ｎ⁺シリコン結晶材料のドーパント；及び少なくとも10¹⁶原子cm^-3の濃度の炭素の共ドーパント。
   但し、前記ｎ⁺シリコン結晶材料のドーパントは、少なくとも10¹⁹原子cm^-3の濃度のヒ素であるか、少なくとも10¹⁸原子cm^-3の濃度のアンチモンであり、かつ前記ｎ⁺シリコン結晶材料は、軸方向の炭素濃度が末端部に向かって増加し、酸素濃度が末端部に向かって低下している。

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