JP3614019B2

JP3614019B2 - Manufacturing method of silicon single crystal wafer and silicon single crystal wafer

Info

Publication number: JP3614019B2
Application number: JP04463499A
Authority: JP
Inventors: 正郎玉塚; 徳弘小林; 哲史岡
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JPH11322490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によってシリコン単結晶を引き上げる際に、窒素をドープして結晶内部に存在するグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる結晶欠陥のサイズを小さくするとともに、ウエーハに急速加熱・急速冷却装置によって高温の熱処理を加えることによって、ウエーハ表面の結晶欠陥を除去したシリコン単結晶ウエーハを高生産性で製造する方法、およびこの方法で製造されたシリコン単結晶ウエーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路等のデバイスを作製するためのウエーハとしては、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）によって育成された、シリコン単結晶ウエーハが用いられている。このようなシリコン単結晶ウエーハに結晶欠陥が存在すると、半導体デバイス作製時にパターン不良などを引き起こしてしまう。特に、近年の高度に集積化されたデバイスにおけるパターン幅は、０．３５ミクロン以下といった非常に微細となっているため、このようなパターン形成時には、０．１ミクロンサイズの結晶欠陥の存在でもパターン不良等の原因になり、デバイスの生産歩留あるいは品質特性を著しく低下させてしまう。従って、シリコン単結晶ウエーハに存在する結晶欠陥は極力減少させなければならない。
【０００３】
特に最近になって、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶中には、上記グローンイン欠陥と呼ばれる、結晶成長中に導入された結晶欠陥がさまざまな測定法で見いだされることが報告されている。例えば、これらの結晶欠陥は商業レベルで生産されている一般的な成長速度（例えば、約１ｍｍ／ｍｉｎ以上）で引き上げられた単結晶では、Ｓｅｃｃｏ液（Ｋ_２Ｃｒ_２Ｏ_７と弗酸と水の混合液）で表面を選択的にエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）することによりピットとして検出が可能である（特開平４−１９２３４５号公報参照）。
【０００４】
このピットの主な発生原因は、単結晶製造中に凝集する原子空孔のクラスタあるいは石英ルツボから混入する酸素原子の凝集体である酸素析出物であると考えられている。これらの結晶欠陥はデバイスが形成されるウエーハの表層部（０〜５ミクロン）に存在すると、デバイス特性を劣化させる有害な欠陥となるので、このような結晶欠陥を低減するための種々の方法が検討されている。
【０００５】
例えば、上記原子空孔のクラスタの密度を低減するためには、結晶成長速度を極端に低下（例えば、０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下）して結晶を育成させればよいことが知られている（特開平２−２６７１９５号公報参照）。ところが、この方法であると、新たに過剰な格子間シリコンが集まって形成する転位ループと考えられる結晶欠陥が発生し、デバイス特性を著しく劣化させ、問題の解決とはならないことがわかってきた。しかも、結晶成長速度を従来の約１．０ｍｍ／ｍｉｎ以上から、０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下に低下させるのであるから、著しい単結晶の生産性の低下、コストの上昇をもたらしてしまう。
【０００６】
一方、ウエーハ表層部の酸素析出物に起因する結晶欠陥を低減するために、１１００℃以上の高温でウエーハを熱処理することにより、結晶中の酸素を外方拡散し酸素析出物を溶解消滅せしめる解決方法が取られている。しかし、この方法では、熱処理を例えば４時間以上と言った長時間行なわなければならず、生産性、コストの面で不利である上に、ウエーハの昇降温に時間がかかるため、昇降温中にデバイス形成層で酸素析出物が形成されてしまい、所期の目的、効果を奏しない場合も多い。
【０００７】
【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て為されたもので、ＣＺ法によって作製されるシリコン単結晶ウエーハにおける、結晶欠陥（グローンイン欠陥）の成長を抑制し、たとえサイズの小さい結晶欠陥が発生しても、短時間の熱処理により確実に除去して、ウエーハ表層部がきわめて低欠陥のシリコン単結晶ウエーハを、高生産性でかつ簡単に作製する製造方法を提供することを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載した発明は、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成し、該単結晶棒をスライスしてシリコン単結晶ウエーハに加工した後、該シリコン単結晶ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を加えることによって、ウエーハ表面の酸素および窒素を外方拡散させ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である。
【０００９】
このように、ＣＺ法によって単結晶棒を育成する際に、窒素をドープすることによって、前記結晶成長中に導入される結晶欠陥の成長を抑制することが出来る。また、結晶欠陥の成長が抑制される結果、結晶成長速度を高速化することが出来るので、結晶の生産性を著しく改善することが出来る。
【００１０】
そして、このような窒素をドープしたシリコン単結晶から加工されたウエーハに急速加熱・急速冷却装置によって熱処理を加えれば、ウエーハ表面の酸素および窒素は外方拡散され、ウエーハ表面層の結晶欠陥を効率よく消滅させることが出来る。したがって、ウエーハ表面の結晶欠陥がきわめて少ないシリコン単結晶ウエーハを得ることが出来る。しかも、急速に昇降温をすることが出来るので、新たに昇降温中に酸素析出等に起因する結晶欠陥が生じるようなこともないし、熱処理に要する時間をきわめて短縮することができる。
一方、ウエーハのバルク部では窒素の存在により酸素析出が促進されるので、いわゆるイントリンシックゲッタリング効果（ＩＧ効果）にもすぐれたウエーハを製造することが出来る。
【００１１】
この場合、請求項２に記載したように、チョクラルスキー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、単結晶棒にドープする窒素濃度を、１×１０^１０〜５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３にすることが好ましい。
これは、結晶欠陥の成長を充分に抑制するには、１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上にするのが望ましいことと、シリコン単結晶の単結晶化の妨げにならないようにするためには、５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とするのが好ましいからである。
【００１２】
また、請求項３に記載したように、チョクラルスキー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、単結晶棒に含有される酸素濃度を、１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ ’７９値）以下にするのが好ましい。
このように、低酸素とすれば、結晶欠陥の成長を一層抑制することができるし、表面層での酸素析出物の形成を防止することも出来る。一方、バルク部では、窒素の存在により酸素析出が促進されるので、低酸素としても十分にＩＧ効果を発揮することが出来る。
【００１３】
次に、本発明の請求項４に記載した発明では、ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により加える熱処理を、１１００℃〜シリコンの融点以下の温度で、１〜６０秒間行なうようにした。
このように急速加熱・急速冷却装置を用いて、１１００℃〜シリコンの融点以下といった高温で熱処理をすることによって、十分にウエーハ表面層の酸素、窒素を外方拡散できるので、確実に結晶欠陥を消滅させることができるし、熱処理時間を６０秒以下といったきわめて短時間化することができる。
【００１４】
この場合、請求項５に記載したように、ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により加える熱処理を、酸素、水素、アルゴンあるいはこれらの混合雰囲気下で行なうのが好ましい。
このようなガス雰囲気で熱処理をすることによって、シリコンウエーハに有害となる表面被膜を形成させることなく、有効に酸素、窒素を外方拡散させ、ウエーハ表面層の結晶欠陥を消滅させることができる。
【００１５】
そして、本発明の製造方法で製造された、表面層の酸素および窒素が外方拡散されたシリコン単結晶ウエーハ（請求項６）は、きわめて低結晶欠陥なものとなり、特に、請求項７のように、ウエーハ表面層の結晶欠陥の密度を１０ケ／ｃｍ² 以下とすることができるし、また請求項８のように、ウエーハ表面から０．２μｍの深さまでの領域におけるＣＯＰ密度が８×１０^４個／ｃｍ^３以下とすることができるので、デバイス作製時の歩留を著しく改善出来るものとなる。
【００１６】
以下、本発明についてさらに詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明は、ＣＺ法によってシリコン単結晶育成中に窒素をドープする技術とシリコン単結晶ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を加えてウエーハ表面の結晶欠陥を消滅させる技術とを組み合わせることによって、デバイス形成層（ウエーハ表面層）中の結晶欠陥がきわめて少ないシリコン単結晶ウエーハを、高生産性で得ることが出来ることを見出し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【００１７】
すなわち、窒素をシリコン単結晶中にドープすると、シリコン中の原子空孔の凝集が抑制され、結晶欠陥のサイズが縮小することが指摘されている（Ｔ．ＡｂｅａｎｄＨ．Ｔａｋｅｎｏ，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．２６２，３，１９９２）。この効果は原子空孔の凝集過程が、均一核形成から不均一核形成に移行するためであると考えられる。したがって、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、窒素をドープすれば、結晶欠陥サイズを非常に小さくしたシリコン単結晶およびこれを加工してシリコン単結晶ウエーハを得ることが出来る。しかも、この方法によれば、前記従来法のように、結晶成長速度を必ずしも低速化する必要がないため、高生産性でシリコン単結晶ウエーハを得ることが出来る可能性がある。
【００１８】
ところが、このシリコン単結晶中の窒素原子は、酸素析出を助長させる効果があることが知られており（例えば、Ｆ．ＳｈｉｍｕｒａａｎｄＲ．Ｓ．Ｈｏｃｋｅｔｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８，２２４，１９８６）、ＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハ中にドープすると、デバイス工程中の熱処理等で、デバイス形成層中にＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥）等の酸素析出起因の欠陥を多発させる。したがって、従来窒素をドープしたＣＺシリコン単結晶ウエーハは、デバイス作製用のウエーハとしては用いられていなかった。
【００１９】
そこで、本発明では、窒素ドープ結晶では結晶欠陥（グローンイン欠陥）が成長しにくいと言う利点を生かすこととし、一方酸素析出が助長されることに起因して発生する欠陥は、ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により高温熱処理を加えて、表面層の酸素および窒素を外方拡散させることによって、ウエーハ表面においてきわめて結晶欠陥の少ないシリコン単結晶ウエーハを得ることに成功した。
【００２０】
また、ウエーハのバルク部には窒素が含有されているため、酸素の析出が促進される結果、窒素の入っていない通常のウエーハの同じ酸素濃度のものよりも析出物が多くＩＧ効果が強いものとなる。したがって、含有酸素濃度を低減することができ、一層表面における結晶欠陥の発生を抑制することが出来る。
しかも、ＣＺ法において結晶引上げ速度を低下させる必要がないため高生産性であるという利点もある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明において、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には、例えば特開昭６０−２５１１９０号に記載されているような公知の方法によれば良い。
【００２２】
すなわち、ＣＺ法は、石英ルツボ中に収容された多結晶シリコン原料の融液に種結晶を接触させ、これを回転させながらゆっくりと引き上げて所望直径のシリコン単結晶棒を育成する方法であるが、あらかじめ石英ルツボ内に窒化物を入れておくか、シリコン融液中に窒化物を投入するか、雰囲気ガスを窒素を含む雰囲気等とすることによって、引き上げ結晶中に窒素をドープすることができる。この際、窒化物の量あるいは窒素ガスの濃度あるいは導入時間等を調整することによって、結晶中のドープ量を制御することが出来る。
【００２３】
このように、ＣＺ法によって単結晶棒を育成する際に、窒素をドープすることによって、結晶成長中に導入される結晶欠陥の成長を抑制することが出来る。また、従来法のように、結晶欠陥の発生を抑制するために、結晶成長速度を例えば、０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下といった低速化する必要がないので、結晶の生産性を著しく改善することが出来る。
【００２４】
窒素をシリコン単結晶中にドープすると、シリコン中に導入される結晶欠陥の成長が抑制される理由は、前述の通り原子空孔の凝集過程が、均一核形成から不均一核形成に移行するためであると考えられる。
従って、ドープする窒素の濃度は、十分に不均一核形成を引き起こす、１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上にするのが好ましく、より好ましくは５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とするのがよい。これによって結晶欠陥の成長を充分に抑制することができる。
一方、窒素濃度が、シリコン単結晶中の固溶限界である５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を越えると、シリコン単結晶の単結晶化そのものが阻害されるので、この濃度を越えないようにする。
【００２５】
また、本発明では、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、単結晶棒に含有される酸素濃度を、１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にするのが好ましい。
シリコン単結晶中の酸素濃度を、このように低酸素とすれば、窒素が含有されていることとも相まって、結晶欠陥の成長を一層抑制することができるし、前記ＯＳＦの形成等も抑制出来るからである。
【００２６】
シリコン単結晶棒を育成する際に、含有される酸素濃度を上記範囲に低下させる方法は、従来から慣用されている方法によれば良い。例えば、ルツボ回転数の減少、導入ガス流量の増加、雰囲気圧力の低下、シリコン融液の温度分布および対流の調整等の手段によって、簡単に上記酸素濃度範囲とすることが出来る。
【００２７】
こうして、ＣＺ法において所望濃度の窒素がドープされ、所望濃度の酸素を含有する、シリコン単結晶棒が得られる。これを通常の方法にしたがい、内周刃スライサあるいはワイヤソー等の切断装置でスライスした後、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の工程を経てシリコン単結晶ウエーハに加工する。もちろん、これらの工程は例示列挙したにとどまり、この他にも洗浄等種々の工程があり得るし、工程順の変更、一部省略等目的に応じ適宜工程は変更使用されている。
【００２８】
次に、得られたシリコン単結晶ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を加えてウエーハ表面の酸素および窒素を外方拡散させ、結晶欠陥を消滅させる。
ここで、急速加熱・急速冷却とは、所望温度範囲に設定された熱処理炉中にウエーハを直ちに投入し、所望熱処理時間の経過後、直ちに取り出す方法や、ウエーハを熱処理炉内の設定位置に設置した後、ランプ加熱器等で直ちに加熱処理する方法である。この直ちに投入し、取り出すというのは、従来より行われている一定時間での昇温、降温操作や熱処理炉内にウエーハを、ゆっくり投入し、取り出すいわゆるローディング、アンローディング操作を行わないということである。ただし、炉内の所定位置まで運ぶには、ある程度の時間を有するのは当然であり、ウエーハを投入するための移動装置の能力に従い、数秒から数分間で行われる。
【００２９】
そして、本発明で用いられるシリコンウエーハの急速加熱・急速冷却装置としては、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、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、これらは特別複雑なものではなく、高価なものでもない。
【００３０】
ここで、本発明で用いたシリコンウエーハの急速加熱・急速冷却装置の一例を示す。図３は、急速加熱・急速冷却装置の概略図である。
図３の熱処理装置１０は、例えば炭化珪素あるいは石英からなるベルジャ１を有し、このベルジャ１内でウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、ベルジャ１を囲繞するように配置される加熱ヒータ２，２’によって行う。この加熱ヒータは上下方向で分割されており、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。もちろん加熱方式は、これに限定されるものではなく、いわゆる輻射加熱、高周波加熱方式としてもよい。加熱ヒータ２，２’の外側には、熱を遮蔽するためのハウジング３が配置されている。
【００３１】
炉の下方には、水冷チャンバ４とベースプレート５が配置され、ベルジャ１内と、大気とを封鎖している。そしてシリコンウエーハ８はステージ７上に保持されるようになっており、ステージ７はモータ９によって上下動自在な支持軸６の上端に取りつけられている。水冷チャンバ４には横方向からウエーハを炉内に出し入れできるように、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、ベースプレート５には、ガス流入口と排気口が設けられており、炉内ガス雰囲気を調整できるようになっている。
【００３２】
以上のような熱処理装置１０によって、シリコンウエーハの急速加熱・急速冷却する熱処理は次のように行われる。
まず、加熱ヒータ２，２’によってベルジャ１内を、例えば所望ガス雰囲気下１１００〜シリコンの融点以下の所望温度に加熱し、その温度に保持する。分割された加熱ヒータそれぞれを独立して供給電力を制御すれば、ベルジャ１内を高さ方向に沿って温度分布をつけることができる。したがって、ウエーハの処理温度は、ステージ７の位置、すなわち支持軸６の炉内への挿入量によって決定することができる。
【００３３】
ベルジャ１内が所望温度で維持されたなら、熱処理装置１０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シリコンウエーハを水冷チャンバ４の挿入口から入れ、最下端位置で待機させたステージ７上に例えばＳｉＣボートを介してウエーハを乗せる。この時、水冷チャンバ４およびベースプレート５は水冷されているので、ウエーハはこの位置では高温化しない。
【００３４】
そして、ウエーハのステージ７上への載置が完了したなら、すぐにモータ９によって支持軸６を炉内に挿入することによって、ステージ７を１１００〜シリコンの融点以下の所望温度位置まで上昇させ、ステージ上のシリコンウエーハに高温熱処理を加える。この場合、水冷チャンバ４内のステージ下端位置から、所望温度位置までの移動には、例えば２０秒程度しかかからないので、シリコンウエーハは急速加熱されることになる。
【００３５】
そして、ステージ７を所望温度位置で、所定時間停止（例えば１〜６０秒）させることによって、ウエーハに停止時間分の高温熱処理を加えることができる。所定時間が経過し高温熱処理が終了したなら、すぐにモータ９によって支持軸６を炉内から引き抜くことによって、ステージ７を下降させ水冷チャンバ４内の下端位置とする。この下降動作も、例えば２０秒程度で行うことができる。ステージ７上のウエーハは、水冷チャンバ４およびベースプレート５が水冷されているので、急速に冷却される。最後に、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って、熱処理を完了する。
さらに熱処理するウエーハがある場合には、熱処理装置１０の温度を降温させていないので、次々にウエーハを投入し連続的に熱処理をすることができる。
【００３６】
このように、本発明のウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理をする場合、加える熱処理条件としては、１１００℃〜シリコンの融点以下の温度で、１〜６０秒間行なうのが好ましい。
これは急速加熱・急速冷却装置を用いて、１１００℃〜シリコンの融点以下といった高温で熱処理をすることによって、十分にウエーハ表面層の酸素、窒素を外方拡散できるので、確実に結晶欠陥を消滅させることができるし、熱処理時間を６０秒以下といったきわめて短時間化することができるからである。
【００３７】
この場合、熱処理時間を１〜６０秒間とするのは、酸素および窒素を充分に外方拡散させるためには１秒は熱処理する必要があり、６０秒も行なえば充分であるからである。
しかも、昇降温を急速に出来るので、新たに昇降温中に結晶欠陥、酸素析出が生じるようなこともない。
【００３８】
また、熱処理の雰囲気としては、酸素、水素、アルゴンあるいはこれらの混合雰囲気下で行なうようにすれば、シリコンウエーハに有害となる表面被膜を形成させることなく、有効に酸素、窒素を外方拡散させ、ウエーハ表面層の結晶欠陥を消滅させることができる。
特に、水素、アルゴンあるいはこれらの混合雰囲気のような、還元性の雰囲気で高温熱処理を行なうと、ウエーハ表面の結晶欠陥が消滅し易いのでより好ましい。また、水素とアルゴンの混合雰囲気とすると、熱処理中にウエーハにスリップが発生しにくくなることが確認された。
【００３９】
こうして、窒素をドープしたＣＺ法によるシリコン単結晶ウエーハであって、該シリコン単結晶ウエーハ表面の結晶欠陥がきわめて少ない、シリコン単結晶ウエーハを得ることができる。特に、ウエーハ表面層の結晶欠陥の密度を、確実に１０ケ／ｃｍ^２以下とすることができ、実質上ゼロとすることも可能である。
また、ウエーハ表面から０．２μｍの深さまでの領域におけるＣＯＰ密度を８×１０^４個／ｃｍ^３以下とすることができ、デバイス作製歩留を確実に向上させることができる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
ＣＺ法により、直径１８インチの石英ルツボに、原料多結晶シリコン４０ｋｇをチャージし、直径６インチ、Ｐ型、方位＜１００＞の結晶棒を、通常の引き上げ速度である、０．８〜１．５ｍｍ／ｍｉｎの範囲の種々の速度で１０本引き上げた。そのうち５本の引き上げでは、原料中にあらかじめ０．１２ｇの窒化珪素膜を有するシリコンウエーハを投入しておいたが、残り５本の結晶の引き上げでは窒素をドープしなかった。また、何れの結晶とも、引き上げ中ルツボ回転を制御して、単結晶中の酸素濃度が０．９〜１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるようにした。
【００４１】
窒素をドープした方の結晶棒の尾部の窒素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定したところ、平均で５．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった（窒素の偏析係数は非常に小さいので、結晶棒の直胴部の濃度はこの値以下となる。）。また、すべての単結晶棒の酸素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定したところ、どの結晶もおよそ０．９〜１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の酸素濃度となっていることを確認した。
【００４２】
ここで得られた単結晶棒から、ワイヤソーを用いてウエーハを切り出し、面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨加工を施して、窒素のドープの有無以外の条件はほぼ同一とした、２種類の直径６インチのシリコン単結晶鏡面ウエーハを作製した。
【００４３】
得られたシリコン単結晶ウエーハにＳｅｃｃｏエッチングを施し、表面を顕微鏡観察してピット密度を測定することによって、表面から深さ５μｍまでの結晶欠陥（グローンイン欠陥）の密度を測定した。
測定結果を、図１に示した。黒丸が窒素をドープした本発明方法であり、白丸が窒素をドープしていない従来法である。
【００４４】
この結果を見ると、窒素をドープした本発明方法では、引き上げ速度を１．０ｍｍ／ｍｉｎ以上という、従来と同等以上の速度で引き上げているにもかかわらず、従来法より結晶欠陥密度が２０分の１程度にまで減少している。すなわち、窒素をドープすることによって、結晶欠陥の成長が抑制され、検出できるほど大きくなっているものが減少することがわかる。
【００４５】
次に、上記のウエーハに、図３に示したような急速加熱・急速冷却装置を用いて、１２００℃で１０秒間の急速加熱・急速冷却熱処理を施した。雰囲気ガスとしては、１００％酸素ガス雰囲気、１００％アルゴンガス雰囲気、１００％水素ガス雰囲気、５０％アルゴンと５０％水素の混合ガス雰囲気とした。
【００４６】
熱処理後のウエーハに、Ｓｅｃｃｏエッチングを施し、再び表面を顕微鏡観察してピット密度を測定することによって、結晶欠陥密度に変化があるかを測定した。
窒素をドープした場合の測定結果を、図１に合わせてプロットした。
【００４７】
この結果を見ると、窒素をドープしたウエーハ表面層の結晶欠陥は、１２００℃の急速加熱・急速冷却熱処理によって、約１０ケ／ｃｍ^２以下にまで減少することがわかる。
すなわち、熱処理によって、窒素および酸素が外方拡散し、ウエーハの表面が無欠陥化されることがわかる。特に、ウエーハ表面層の結晶欠陥の密度を、実質上ゼロにすることも可能であることがわかる。
【００４８】
次に、上記熱処理後のウエーハの酸化膜耐圧特性（Ｃ−モード）を測定した。
酸化膜耐圧特性（Ｃ−モード）の測定条件は、酸化膜厚：２５ｎｍ、測定電極：リンドープ・ポリシリコン、電極面積：８ｍｍ^２、判定電流：１ｍＡ／ｃｍ^２とした。
一般に、絶縁破壊電界が８ＭＶ／ｃｍ以上のものが良品と判定される。測定結果を、図２に示した。
【００４９】
本発明の窒素をドープしたシリコン単結晶ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を加えたものは（曲線Ａ〜Ｄ）、いずれの熱処理雰囲気としても、８ＭＶ／ｃｍ以上の良品が発生度数が高く、殆どが良品となるのに対し、従来法（曲線Ｅ）では、８ＭＶ／ｃｍに満たない不良品が、約７０％も発生することがわかる。
【００５０】
（実施例２、比較例２）
実施例１、比較例１と同様にＣＺ法により直径８インチ、ｐ型、方位＜１００＞の単結晶棒を、下記表１の条件で５本引上げ、これより５種類の直径８インチのシリコン単結晶鏡面ウエーハ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）を作製した。
【００５１】
【表１】

【００５２】
得られた５種類のウエーハについて、その表面に存在する原子空孔のクラスタと考えられている結晶欠陥であるＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）の個数を測定した。
ＣＯＰ測定は、測定ウエーハのウエーハ表面に約０．４４μｍの熱酸化膜を形成し、その酸化膜をフッ酸で除去してからパーティクル測定装置（ＫＬＡ／Ｔｅｎｃｏｒ社製、ＳＰ１）を用いて、ウエーハ表面に存在する０．１０μｍ以上のＣＯＰについてカウントした。このようにすれば、ウエーハ表面から約０．２μｍの深さまでの領域に存在するＣＯＰが積分された形で測定できる。
【００５３】
また、５種類のウエーハの別の一組には、急速加熱・急速冷却装置（ＡＳＴ社製、ＳＨＳ−２８００）により、５０％アルゴンと５０％水素の混合ガス雰囲気で１２００℃で１０秒間の熱処理を加えた後、同様に、約０．４４μｍの熱酸化膜を形成し、その酸化膜を除去してからＣＯＰを測定した。こうして得られた各ウエーハのＣＯＰ数の結果を図４に示した。
【００５４】
図４から明らかであるあるように、急速加熱・急速冷却装置による熱処理によるＣＯＰの低減効果は、窒素をドープしたウエーハ（図４のａ，ｂ，ｃ）の方が、ノンドープのウエーハ（図４のｄ，ｅ）に比べて大きいことがわかる。
そして、窒素ドープしたウエーハに急速加熱・急速冷却装置による熱処理を加えることで、ウエーハ表面から深さ０．２μｍまでのＣＯＰ数を８インチウエーハで確実に５００個／ウエーハ以下、ＣＯＰ密度に換算すると約８×１０^４個／ｃｍ^３以下にすることができることがわかった。
【００５５】
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。
【００５６】
例えば、本発明においてチョクラルスキー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に際しては、融液に磁場が印加されているか否かは問われないものであり、本発明のチョクラルスキー法にはいわゆる磁場を印加するＭＣＺ法も含まれる。
【００５７】
また、上記では、含有酸素濃度を低酸素濃度とした場合に、より低結晶欠陥とすることができることを示したが、本発明はこれには限定されず、例え酸素濃度が１．２〜１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、あるいはそれ以上の高酸素濃度の場合であっても、効果を有するものであることは言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
本発明では、窒素をドープしたシリコン単結晶ウエーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を施すことによって、ＣＺ法によって作製されるシリコン単結晶中の結晶欠陥の成長を抑制するとともに、ウエーハの表面層の結晶欠陥を消滅させることが出来るので、きわめて低欠陥のシリコン単結晶ウエーハを、高生産性でかつ簡単に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１、比較例１において、Ｓｅｃｃｏエッチング後、表面を顕微鏡観察してピット密度を測定した結果と熱処理の効果を示す結果図である（黒丸が窒素をドープした本発明方法であり、白丸が窒素をドープしていない従来法である。）。
【図２】熱処理後のウエーハの酸化膜耐圧特性（Ｃ−モード）を測定した結果を示す結果図である。
【図３】シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却できる装置の一例を示した概略図である。
【図４】実施例２、比較例２の結果図である。
【符号の説明】
１…ベルジャ、２，２’…加熱ヒータ、３…ハウジング、
４…水冷チャンバ、５…ベースプレート、６…支持軸、
７…ステージ、８…シリコンウエーハ、９…モータ、
１０…熱処理装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when pulling up a silicon single crystal by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method), nitrogen is doped to reduce the size of a crystal defect called a grown-in defect existing inside the crystal. In addition, a method of manufacturing a silicon single crystal wafer from which crystal defects on the wafer surface have been removed by subjecting the wafer to high-temperature heat treatment using a rapid heating / cooling device, and a silicon single crystal manufactured by this method. Concerning wafers.
[0002]
[Prior art]
As a wafer for manufacturing a device such as a semiconductor integrated circuit, a silicon single crystal wafer grown mainly by the Czochralski method (CZ method) is used. If there is a crystal defect in such a silicon single crystal wafer, a pattern defect or the like is caused when a semiconductor device is manufactured. In particular, since the pattern width in a highly integrated device in recent years has become very fine, such as 0.35 microns or less, the pattern is formed even in the presence of a crystal defect of 0.1 micron size when such a pattern is formed. This may cause a defect or the like, and significantly reduce the production yield or quality characteristics of the device. Accordingly, crystal defects existing in the silicon single crystal wafer must be reduced as much as possible.
[0003]
Particularly recently, it has been reported that a crystal defect introduced during crystal growth, called the above-mentioned grow-in defect, is found in various measurement methods in a silicon single crystal grown by the CZ method. For example, these crystal defects are caused by a Secco liquid (K) in a single crystal pulled at a general growth rate (for example, about 1 mm / min or more) produced at a commercial level. ₂ Cr ₂ O ₇ It can be detected as a pit by selectively etching the surface (Secco etching) with a mixed solution of hydrofluoric acid and water (see Japanese Patent Laid-Open No. 4-192345).
[0004]
The main cause of this pit is considered to be an atomic vacancy cluster that aggregates during the production of a single crystal or an oxygen precipitate that is an aggregate of oxygen atoms mixed from a quartz crucible. When these crystal defects are present in the surface layer portion (0 to 5 microns) of the wafer on which the device is formed, they become harmful defects that deteriorate the device characteristics. Therefore, various methods for reducing such crystal defects are available. It is being considered.
[0005]
For example, in order to reduce the density of the cluster of atomic vacancies, it is known that the crystal growth rate may be extremely reduced (for example, 0.4 mm / min or less) to grow the crystal ( JP-A-2-267195). However, it has been found that this method does not solve the problem by causing crystal defects that are considered to be dislocation loops formed by newly gathering excess interstitial silicon, thereby remarkably degrading device characteristics. In addition, since the crystal growth rate is reduced from about 1.0 mm / min or more to 0.4 mm / min or less, the productivity of single crystals is significantly reduced and the cost is increased.
[0006]
On the other hand, in order to reduce crystal defects caused by oxygen precipitates on the surface layer of the wafer, a solution that heat-treats the wafer at a high temperature of 1100 ° C. or higher, diffuses oxygen in the crystal outwardly, and dissolves and extinguishes the oxygen precipitates. The method is taken. However, in this method, heat treatment must be performed for a long time, for example, 4 hours or more, which is disadvantageous in terms of productivity and cost and takes time to raise and lower the wafer. In many cases, oxygen precipitates are formed in the device forming layer, and the intended purpose and effect are not achieved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such problems, and suppresses the growth of crystal defects (grow-in defects) in a silicon single crystal wafer manufactured by the CZ method, so that even small crystal defects are generated. However, it is a main object to provide a manufacturing method in which a silicon single crystal wafer having a very low defect in the wafer surface layer portion can be reliably removed by heat treatment in a short time and can be easily produced with high productivity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, according to the first aspect of the present invention, a silicon single crystal rod doped with nitrogen is grown by the Czochralski method, and the single crystal rod is sliced and processed into a silicon single crystal wafer. After that, heat treatment is applied to the silicon single crystal wafer by a rapid heating / cooling device. Causes oxygen and nitrogen to diffuse out of the wafer surface This is a method for producing a silicon single crystal wafer.
[0009]
Thus, when growing a single crystal rod by the CZ method, the growth of crystal defects introduced during the crystal growth can be suppressed by doping nitrogen. Further, as a result of suppressing the growth of crystal defects, the crystal growth rate can be increased, so that the crystal productivity can be remarkably improved.
[0010]
If a wafer processed from such a silicon single crystal doped with nitrogen is subjected to a heat treatment using a rapid heating / cooling device, oxygen and nitrogen on the wafer surface are diffused outwardly, and crystal defects in the wafer surface layer are efficiently processed. Can be extinguished well. Therefore, it is possible to obtain a silicon single crystal wafer having very few crystal defects on the wafer surface. In addition, since the temperature can be raised and lowered rapidly, no crystal defects due to oxygen precipitation or the like newly occur during the raising or lowering temperature, and the time required for the heat treatment can be greatly shortened.
On the other hand, in the bulk part of the wafer, oxygen precipitation is promoted by the presence of nitrogen, so that a wafer excellent in so-called intrinsic gettering effect (IG effect) can be manufactured.
[0011]
In this case, as described in claim 2, when growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method, the nitrogen concentration doped into the single crystal rod is 1 × 10 ¹⁰ ~ 5x10 ¹⁵ atoms / cm ³ It is preferable to make it.
This is 1 × 10 10 for sufficiently suppressing the growth of crystal defects. ¹⁰ atoms / cm ³ In order not to be desirable and to prevent the single crystallization of the silicon single crystal, it is 5 × 10 5. ¹⁵ atoms / cm ³ This is because the following is preferable.
[0012]
Further, as described in claim 3, when growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method, the oxygen concentration contained in the single crystal rod is set to 1.2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ (ASTM '79 value) or less is preferable.
Thus, if the oxygen is low, the growth of crystal defects can be further suppressed, and the formation of oxygen precipitates in the surface layer can also be prevented. On the other hand, in the bulk part, oxygen precipitation is promoted by the presence of nitrogen, so that the IG effect can be sufficiently exhibited even with low oxygen.
[0013]
Next, in the invention described in claim 4 of the present invention, the heat treatment applied to the wafer by a rapid heating / cooling device is performed at a temperature of 1100 ° C. to the melting point of silicon for 1 to 60 seconds.
By using such a rapid heating / cooling device and heat treatment at a high temperature such as 1100 ° C. to below the melting point of silicon, oxygen and nitrogen in the wafer surface layer can be sufficiently diffused outward, so that crystal defects can be reliably removed. It can be eliminated, and the heat treatment time can be shortened to an extremely short time of 60 seconds or less.
[0014]
In this case, as described in claim 5, it is preferable that the heat treatment applied to the wafer by a rapid heating / cooling apparatus is performed in an atmosphere of oxygen, hydrogen, argon or a mixture thereof.
By performing the heat treatment in such a gas atmosphere, it is possible to effectively diffuse oxygen and nitrogen outward without forming a surface film that is harmful to the silicon wafer, thereby eliminating crystal defects in the wafer surface layer.
[0015]
And manufactured by the manufacturing method of the present invention , Oxygen and nitrogen in the surface layer were diffused out The silicon single crystal wafer (Claim 6) has extremely low crystal defects. In particular, as in Claim 7, the density of crystal defects in the wafer surface layer is 10 pcs / cm. ² The COP density in the region from the wafer surface to a depth of 0.2 μm is 8 × 10 8 as described in claim 8. ⁴ Piece / cm ³ Therefore, the yield at the time of device fabrication can be remarkably improved.
[0016]
Hereinafter, although this invention is explained in full detail, this invention is not limited to these.
The present invention combines a technique for doping nitrogen during silicon single crystal growth by the CZ method and a technique for eliminating crystal defects on the wafer surface by applying a heat treatment to the silicon single crystal wafer with a rapid heating / cooling device. The present inventors have found that a silicon single crystal wafer having very few crystal defects in the device formation layer (wafer surface layer) can be obtained with high productivity, and have thoroughly examined various conditions to complete the present invention.
[0017]
That is, it has been pointed out that doping nitrogen into a silicon single crystal suppresses aggregation of atomic vacancies in silicon and reduces the size of crystal defects (T. Abe and H. Takeno, Mat. Res. Soc.Sym.Proc.Vol.262,3,1992). This effect is thought to be because the agglomeration process of atomic vacancies shifts from uniform nucleation to heterogeneous nucleation. Accordingly, when nitrogen is doped when growing a silicon single crystal by the CZ method, a silicon single crystal with a very small crystal defect size and a silicon single crystal wafer can be obtained by processing this. Moreover, according to this method, there is a possibility that a silicon single crystal wafer can be obtained with high productivity because it is not always necessary to reduce the crystal growth rate as in the conventional method.
[0018]
However, it is known that nitrogen atoms in the silicon single crystal have an effect of promoting oxygen precipitation (for example, F. Shimura and RS Hockett, Appl. Phys. Lett. 48, 224, 1986). ) When doped into a silicon single crystal wafer by the CZ method, defects due to oxygen precipitation such as OSF (oxidation-induced stacking faults) occur frequently in the device formation layer due to heat treatment in the device process. Therefore, conventionally, a nitrogen-doped CZ silicon single crystal wafer has not been used as a wafer for device fabrication.
[0019]
Therefore, in the present invention, the advantage that crystal defects (grow-in defects) are difficult to grow in the nitrogen-doped crystal is utilized, while defects generated due to the promotion of oxygen precipitation are caused by rapid heating and A silicon single crystal wafer with very few crystal defects on the wafer surface was successfully obtained by applying high-temperature heat treatment with a rapid cooling device and diffusing oxygen and nitrogen in the surface layer outwardly.
[0020]
In addition, since the bulk part of the wafer contains nitrogen, the precipitation of oxygen is promoted. As a result, there are more precipitates and stronger IG effect than normal wafers with the same oxygen concentration without nitrogen. It becomes. Therefore, the oxygen concentration can be reduced, and the generation of crystal defects on the surface can be suppressed.
In addition, since there is no need to reduce the crystal pulling rate in the CZ method, there is an advantage of high productivity.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, in order to grow a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the CZ method, a known method described in, for example, JP-A-60-251190 may be used.
[0022]
That is, the CZ method is a method in which a seed crystal is brought into contact with a melt of a polycrystalline silicon raw material housed in a quartz crucible and slowly pulled up while rotating to grow a silicon single crystal rod having a desired diameter. Nitrogen can be doped into the pulled crystal by putting nitride in a quartz crucible in advance, introducing nitride into the silicon melt, or setting the atmosphere gas to an atmosphere containing nitrogen or the like. . At this time, the doping amount in the crystal can be controlled by adjusting the amount of nitride, the concentration of nitrogen gas, the introduction time, or the like.
[0023]
Thus, when growing a single crystal rod by the CZ method, the growth of crystal defects introduced during crystal growth can be suppressed by doping nitrogen. Further, unlike the conventional method, it is not necessary to reduce the crystal growth rate to 0.4 mm / min or less in order to suppress the generation of crystal defects, so that the crystal productivity can be remarkably improved. .
[0024]
When nitrogen is doped into a silicon single crystal, the growth of crystal defects introduced into the silicon is suppressed because the atomic vacancy agglomeration process shifts from uniform nucleation to heterogeneous nucleation as described above. It is thought that.
Therefore, the concentration of doping nitrogen causes a sufficiently heterogeneous nucleation 1 × 10 ¹⁰ atoms / cm ³ It is preferable to set it above, more preferably 5 × 10. ¹³ atoms / cm ³ It is good to be the above. Thereby, the growth of crystal defects can be sufficiently suppressed.
On the other hand, the nitrogen concentration is 5 × 10 which is the solid solution limit in the silicon single crystal. ¹⁵ atoms / cm ³ If this value is exceeded, the single crystallization of the silicon single crystal itself is inhibited, so this concentration should not be exceeded.
[0025]
In the present invention, when a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the CZ method is grown, the oxygen concentration contained in the single crystal rod is 1.2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ The following is preferable.
If the oxygen concentration in the silicon single crystal is thus low oxygen, it is possible to further suppress the growth of crystal defects and the formation of the OSF, etc., coupled with the inclusion of nitrogen. It is.
[0026]
When growing the silicon single crystal rod, the method of reducing the oxygen concentration contained in the above range may be a conventionally used method. For example, the oxygen concentration range can be easily set by means such as a decrease in the number of revolutions of the crucible, an increase in the introduced gas flow rate, a decrease in the atmospheric pressure, a temperature distribution of the silicon melt, and adjustment of convection.
[0027]
In this way, a silicon single crystal rod doped with a desired concentration of nitrogen in the CZ method and containing a desired concentration of oxygen is obtained. According to a normal method, this is sliced with a cutting device such as an inner peripheral slicer or a wire saw, and then processed into a silicon single crystal wafer through processes such as chamfering, lapping, etching, and polishing. Of course, these steps are merely exemplified and enumerated, and there may be various other steps such as washing, and the steps are appropriately changed according to the purpose such as changing the order of the steps or partially omitting the steps.
[0028]
Next, the obtained silicon single crystal wafer is subjected to heat treatment by a rapid heating / cooling apparatus to outwardly diffuse oxygen and nitrogen on the wafer surface, thereby eliminating crystal defects.
Here, rapid heating / cooling means a method in which a wafer is immediately put into a heat treatment furnace set to a desired temperature range and taken out immediately after a desired heat treatment time has elapsed, or the wafer is placed at a set position in the heat treatment furnace. Then, the heat treatment is immediately performed with a lamp heater or the like. Immediately loading and unloading means that the so-called loading and unloading operations are not performed, which is a conventional method for raising and lowering the temperature in a certain time, lowering the temperature, and slowly loading and unloading the wafer into the heat treatment furnace. is there. However, it takes a certain amount of time to carry the wafer to a predetermined position in the furnace, and it takes several seconds to several minutes according to the ability of the moving device for loading the wafer.
[0029]
Examples of the rapid heating / cooling device for the silicon wafer used in the present invention include a device such as a lamp heater using thermal radiation. Moreover, as a commercially available thing, apparatuses, such as the product made from AST and SHS-2800, can be mentioned, for example, These are not especially complicated, and are not expensive.
[0030]
Here, an example of the rapid heating / rapid cooling apparatus for the silicon wafer used in the present invention is shown. FIG. 3 is a schematic view of a rapid heating / rapid cooling device.
A heat treatment apparatus 10 shown in FIG. 3 has a bell jar 1 made of, for example, silicon carbide or quartz, and heats the wafer in the bell jar 1. Heating is performed by

heaters

2 and 2 ′ arranged so as to surround the bell jar 1. The heater is divided in the vertical direction so that power supplied independently can be controlled. Of course, the heating method is not limited to this, and a so-called radiation heating or high-frequency heating method may be used. A housing 3 for shielding heat is disposed outside the

heaters

2 and 2 ′.
[0031]
Below the furnace, a water cooling chamber 4 and a base plate 5 are arranged to seal off the inside of the bell jar 1 and the atmosphere. The silicon wafer 8 is held on a stage 7, and the stage 7 is attached to the upper end of a support shaft 6 that can be moved up and down by a motor 9. The water cooling chamber 4 is provided with a wafer insertion port (not shown) configured to be opened and closed by a gate valve so that the wafer can be taken into and out of the furnace from the lateral direction. The base plate 5 is provided with a gas inflow port and an exhaust port so that the furnace gas atmosphere can be adjusted.
[0032]
By the heat treatment apparatus 10 as described above, the heat treatment for rapid heating / cooling of the silicon wafer is performed as follows.
First, the inside of the bell jar 1 is heated by the

heaters

2 and 2 ′ to a desired temperature below, for example, 1100 to the melting point of silicon in a desired gas atmosphere, and kept at that temperature. If power supply is controlled independently for each of the divided heaters, the temperature distribution can be given along the height direction in the bell jar 1. Therefore, the processing temperature of the wafer can be determined by the position of the stage 7, that is, the insertion amount of the support shaft 6 into the furnace.
[0033]
If the inside of the bell jar 1 is maintained at a desired temperature, a stage in which a silicon wafer is inserted from the insertion port of the water-cooled chamber 4 by a wafer handling device (not shown) arranged adjacent to the heat treatment apparatus 10 and waits at the lowermost position. 7 is loaded with a wafer via a SiC boat, for example. At this time, since the water cooling chamber 4 and the base plate 5 are water cooled, the wafer is not heated at this position.
[0034]
When the placement of the wafer on the stage 7 is completed, the stage 7 is raised to a desired temperature position below the melting point of silicon 1100 by inserting the support shaft 6 into the furnace by the motor 9 immediately. High-temperature heat treatment is applied to the silicon wafer on the stage. In this case, since the movement from the lower end position of the stage in the water cooling chamber 4 to the desired temperature position takes only about 20 seconds, for example, the silicon wafer is rapidly heated.
[0035]
Then, by stopping the stage 7 at a desired temperature position for a predetermined time (for example, 1 to 60 seconds), high-temperature heat treatment for the stop time can be applied to the wafer. When the predetermined time has elapsed and the high-temperature heat treatment is completed, the support shaft 6 is immediately pulled out of the furnace by the motor 9 to lower the stage 7 to the lower end position in the water cooling chamber 4. This lowering operation can also be performed in about 20 seconds, for example. The wafer on the stage 7 is rapidly cooled because the water cooling chamber 4 and the base plate 5 are water cooled. Finally, the wafer is taken out by the wafer handling apparatus to complete the heat treatment.
Further, when there is a wafer to be heat-treated, since the temperature of the heat treatment apparatus 10 is not lowered, it is possible to continuously heat-treat the wafers one after another.
[0036]
As described above, when the wafer of the present invention is heat-treated with a rapid heating / cooling apparatus, the heat treatment is preferably performed at a temperature of 1100 ° C. to a melting point of silicon for 1 to 60 seconds.
This is because the oxygen and nitrogen in the wafer surface layer can be sufficiently diffused out by heat treatment at a high temperature of 1100 ° C to below the melting point of silicon using a rapid heating / rapid cooling device. This is because the heat treatment time can be extremely shortened to 60 seconds or less.
[0037]
In this case, the reason for setting the heat treatment time to 1 to 60 seconds is that heat treatment needs to be performed for 1 second in order to sufficiently diffuse oxygen and nitrogen, and it is sufficient to perform 60 seconds.
In addition, since the temperature can be raised and lowered rapidly, crystal defects and oxygen precipitation are not newly generated during the temperature raising and lowering.
[0038]
In addition, if the heat treatment is performed in an atmosphere of oxygen, hydrogen, argon, or a mixture thereof, oxygen and nitrogen are effectively diffused outward without forming a surface film that is harmful to the silicon wafer. The crystal defects in the wafer surface layer can be eliminated.
In particular, it is more preferable to perform high-temperature heat treatment in a reducing atmosphere such as hydrogen, argon, or a mixed atmosphere thereof because crystal defects on the wafer surface are likely to disappear. In addition, it was confirmed that when a mixed atmosphere of hydrogen and argon was used, slip was less likely to occur in the wafer during the heat treatment.
[0039]
Thus, it is possible to obtain a silicon single crystal wafer that is a silicon single crystal wafer by nitrogen-doped CZ method and that has very few crystal defects on the surface of the silicon single crystal wafer. In particular, the density of crystal defects in the wafer surface layer is surely 10 / cm. ² Or can be substantially zero.
The COP density in the region from the wafer surface to a depth of 0.2 μm is 8 × 10 ⁴ Piece / cm ³ The device manufacturing yield can be reliably improved.
[0040]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
(Example 1, Comparative Example 1)
By a CZ method, a quartz crucible having a diameter of 18 inches is charged with 40 kg of raw material polycrystalline silicon, and a crystal rod having a diameter of 6 inches, P-type, and orientation <100> is set at a normal pulling speed of 0.8-1. Ten wires were pulled up at various speeds in the range of 5 mm / min. In the pulling up of five of them, a silicon wafer having a silicon nitride film of 0.12 g was put in the raw material in advance, but the pulling up of the remaining five crystals was not doped with nitrogen. In any crystal, the crucible rotation during pulling is controlled so that the oxygen concentration in the single crystal is 0.9 to 1.0 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ It was made to become.
[0041]
The nitrogen concentration at the tail of the crystal rod doped with nitrogen was measured by FT-IR. ¹⁴ atoms / cm ³ (Because the segregation coefficient of nitrogen is very small, the concentration of the straight body portion of the crystal rod is less than this value.) Moreover, when the oxygen concentration of all the single crystal rods was measured by FT-IR, every crystal was about 0.9 to 1.0 × 10 6. ¹⁸ atoms / cm ³ It was confirmed that the oxygen concentration was.
[0042]
From the single crystal rod obtained here, a wafer was cut out using a wire saw, chamfered, lapped, etched, and mirror-polished, so that the conditions were the same except for the presence or absence of nitrogen doping. Inch silicon single crystal mirror wafer was fabricated.
[0043]
The obtained silicon single crystal wafer was subjected to Secco etching, and the density of crystal defects (grow-in defects) from the surface to a depth of 5 μm was measured by observing the surface with a microscope and measuring the pit density.
The measurement results are shown in FIG. The black circle is the method of the present invention doped with nitrogen, and the white circle is the conventional method not doped with nitrogen.
[0044]
As can be seen from the results, in the method of the present invention doped with nitrogen, the pulling rate is 1.0 mm / min or more, although the pulling rate is higher than that of the conventional method, the crystal defect density is 20 minutes than that of the conventional method. It has decreased to about 1. That is, it can be seen that by doping nitrogen, the growth of crystal defects is suppressed, and the number of defects that are large enough to be detected decreases.
[0045]
Next, the wafer was subjected to a rapid heating / cooling heat treatment at 1200 ° C. for 10 seconds using a rapid heating / rapid cooling apparatus as shown in FIG. The atmosphere gas was a 100% oxygen gas atmosphere, a 100% argon gas atmosphere, a 100% hydrogen gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere of 50% argon and 50% hydrogen.
[0046]
The heat-treated wafer was subjected to Secco etching, and the surface was again observed with a microscope to measure the pit density to determine whether there was a change in the crystal defect density.
The measurement results in the case of doping with nitrogen are plotted in accordance with FIG.
[0047]
As seen from this result, the crystal defects in the wafer surface layer doped with nitrogen are about 10 / cm 2 by rapid heating / cooling heat treatment at 1200 ° C. ² It turns out that it reduces to the following.
In other words, it can be seen that the heat treatment diffuses nitrogen and oxygen outward and makes the surface of the wafer defect-free. In particular, it can be seen that the density of crystal defects in the wafer surface layer can be made substantially zero.
[0048]
Next, the oxide film breakdown voltage characteristic (C-mode) of the wafer after the heat treatment was measured.
The measurement conditions of the oxide film breakdown voltage characteristic (C-mode) are: oxide film thickness: 25 nm, measurement electrode: phosphorus-doped polysilicon, electrode area: 8 mm ² Judgment current: 1 mA / cm ² It was.
In general, a product having a dielectric breakdown electric field of 8 MV / cm or more is determined as a non-defective product. The measurement results are shown in FIG.
[0049]
When the nitrogen-doped silicon single crystal wafer of the present invention is heat-treated by a rapid heating / rapid cooling device (curves AD), a good product of 8 MV / cm or more is generated at a high frequency in any heat treatment atmosphere. In contrast, most of the products are good products, whereas the conventional method (curve E) shows that about 70% of defective products are less than 8 MV / cm.
[0050]
(Example 2, comparative example 2)
As in Example 1 and Comparative Example 1, 5 single crystal rods having a diameter of 8 inches, p-type, and orientation <100> were pulled by the CZ method under the conditions shown in Table 1 below. Single crystal mirror wafers (a, b, c, d, e) were produced.
[0051]
[Table 1]

[0052]
For the five types of wafers obtained, the number of COPs (Crystal Originated Particles), which are crystal defects considered as clusters of atomic vacancies existing on the surface, was measured.
COP measurement is performed by forming a thermal oxide film of about 0.44 μm on the wafer surface of the measurement wafer, removing the oxide film with hydrofluoric acid, and then using a particle measuring apparatus (SP1 manufactured by KLA / Tencor) Counting was performed for COPs of 0.10 μm or more present on the surface. In this way, it is possible to measure in an integrated form the COP existing in the region from the wafer surface to a depth of about 0.2 μm.
[0053]
Another set of five types of wafers includes a rapid heating / rapid cooling device (AST, SHS-2800) and heat treatment at 1200 ° C. for 10 seconds in a mixed gas atmosphere of 50% argon and 50% hydrogen. In the same manner, a thermal oxide film having a thickness of about 0.44 μm was formed, and after removing the oxide film, COP was measured. The result of the COP number of each wafer thus obtained is shown in FIG.
[0054]
As is clear from FIG. 4, the effect of reducing COP by the heat treatment by the rapid heating / rapid cooling device is that a nitrogen-doped wafer (a, b, c in FIG. 4) is a non-doped wafer (FIG. 4). It can be seen that it is larger than d, e).
Then, by applying heat treatment to the nitrogen-doped wafer by a rapid heating / cooling device, the number of COPs from the wafer surface to a depth of 0.2 μm can be reliably converted to 500 pieces / wafer or less at an 8-inch wafer to a COP density. About 8 × 10 ⁴ Piece / cm ³ It turns out that we can:
[0055]
The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0056]
For example, when growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method in the present invention, it does not matter whether a magnetic field is applied to the melt, and the Czochralski method of the present invention. Includes an MCZ method in which a so-called magnetic field is applied.
[0057]
In the above description, it has been shown that when the oxygen concentration is low, the crystal defects can be reduced. However, the present invention is not limited to this, and the oxygen concentration is 1.2 to 1 for example. .5x10 ¹⁸ atoms / cm ³ Needless to say, even if the oxygen concentration is higher than that, it has an effect.
[0058]
【The invention's effect】
In the present invention, a silicon single crystal wafer doped with nitrogen is subjected to heat treatment by a rapid heating / cooling apparatus, thereby suppressing the growth of crystal defects in the silicon single crystal produced by the CZ method and the surface layer of the wafer. Therefore, it is possible to easily produce a silicon single crystal wafer having a very low defect with high productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the results of measuring the pit density by observing the surface under a microscope after Secco etching and the effect of heat treatment in Example 1 and Comparative Example 1 (in the method according to the present invention in which black circles are doped with nitrogen). Yes, the white circle is a conventional method not doped with nitrogen.)
FIG. 2 is a result diagram showing a result of measuring oxide film breakdown voltage characteristics (C-mode) of a wafer after heat treatment.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of an apparatus capable of rapid heating and rapid cooling of a silicon wafer.
4 is a result diagram of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... Berja, 2, 2 '... Heater, 3 ... Housing,
4 ... Water cooling chamber, 5 ... Base plate, 6 ... Support shaft,
7 ... stage, 8 ... silicon wafer, 9 ... motor,
10 ... Heat treatment apparatus.

Claims

Growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method, slicing the single crystal rod into a silicon single crystal wafer, and then subjecting the silicon single crystal wafer to heat treatment using a rapid heating / cooling device Thus, oxygen and nitrogen on the wafer surface are diffused out, and a method for producing a silicon single crystal wafer is provided.

When growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method, the nitrogen concentration doped into the single crystal rod is set to 1 × 10 ^{10 to} 5 × 10 ¹⁵ atoms / cm ^3. A method for producing a silicon single crystal wafer according to claim 1.

When growing a silicon single crystal rod doped with nitrogen by the Czochralski method, the oxygen concentration contained in the single crystal rod is set to 1.2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ or less. A method for producing a silicon single crystal wafer according to claim 1 or 2.

4. The heat treatment applied to the wafer by a rapid heating / cooling apparatus is performed at a temperature of 1100 ° C. to a melting point of silicon for 1 to 60 seconds. 5. Manufacturing method of silicon single crystal wafer.

5. The silicon single crystal according to claim 1, wherein the heat treatment applied to the wafer by a rapid heating / cooling apparatus is performed in an atmosphere of oxygen, hydrogen, argon, or a mixed atmosphere thereof. Wafer manufacturing method.

A silicon single crystal wafer manufactured by the method according to claim 1 and having outwardly diffused oxygen and nitrogen in the surface layer .

7. The silicon single crystal wafer according to claim 6, wherein the density of crystal defects in the wafer surface layer is 10 / cm ² or less.

7. The silicon single crystal wafer according to claim 6, wherein the COP density in a region from the wafer surface to a depth of 0.2 [mu] m is 8 * 10 < ⁴ > pieces / cm < ³ > or less.