JP4463950B2

JP4463950B2 - シリコンウエーハの製造方法

Info

Publication number: JP4463950B2
Application number: JP2000244201A
Authority: JP
Inventors: 誠飯田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2002057160A; WO2002015253A1; TW515008B

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、窒素をドープして引上げたチョクラルスキー法（ＣＺ法）シリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハに熱処理（アニール）を施すことにより、ウエーハ表層部に無欠陥層を有し、バルク部にイントリンシックゲッタリング（ＩＧ、ＩｎｔｒｉｎｓｉｃＧｅｔｔｅｒｉｎｇ）層が形成されるシリコンウエーハ（アニールウエーハ）を製造するのに好適なシリコンウエーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化・微細化に伴い、ウエーハ表層の一層の完全性とバルク中のゲッタリング能力の強化が強く要求されている。それに対し、最近、窒素をドープしたＣＺ法シリコンウエーハに熱処理を施すことにより、上記の２つの要求を同時に満たしたウエーハが開発された。
【０００３】
すなわち、ＣＺ法シリコン単結晶に窒素をドープすることにより、ａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶中のグローンイン（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥（主に原子空孔の集合体により形成されるボイド欠陥）のサイズが小さくなるため、後工程の高温アニールによりウエーハ表層部の無欠陥化が容易になり、しかもバルク部においては窒素が有する酸素析出促進効果により、析出熱処理やデバイス熱処理工程を経ることによって、ゲッタリングに寄与する酸素析出物等の欠陥（以下、ＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔｓ）と呼ぶことがある）を高密度に有するＩＧ層が形成されるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＺ法シリコンウエーハのバルク部に形成され、ゲッタリングに寄与するＢＭＤの密度と、表層部の無欠陥層の形成に影響するグローンイン欠陥のサイズは、通常、面内分布を有することが知られており、特に、ウエーハの中心付近でＢＭＤ密度、グローンイン欠陥サイズともに大きく、ウエーハ周辺では両者とも徐々に低下している傾向がある。
【０００５】
この傾向は窒素ドープ結晶においても同様で、ＢＭＤ密度やグローンイン欠陥サイズの絶対値は変化するが、面内分布を持つことには変わりはない。よって、表層部に無欠陥層を形成するための高温アニールを施した後は、アニールウエーハの中心部分に特にグローンイン欠陥が残り易いことになる。
【０００６】
また、バルクのゲッタリング能力を決定する析出熱処理後のＢＭＤ密度に関し、ウエーハ周辺部でＢＭＤ密度が低下する傾向は、特に窒素ドープウエーハに関して顕著であることが、本発明者の調査により明確になった。
【０００７】
このように、アニールウエーハに求められるウエーハ表層部に形成される無欠陥層と析出熱処理またはデバイス熱処理後のＢＭＤ密度のいずれの特性も、現時点では面内で不均一であるという問題を抱えている。
【０００８】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、熱処理後のアニールウエーハに見られる無欠陥層の面内バラツキ（すなわち、グローンイン欠陥サイズの面内バラツキ）と、析出熱処理またはデバイス熱処理等の熱処理後のＢＭＤ密度の面内バラツキを抑えて、十分な無欠陥層とＢＭＤ密度を面内均一に有するアニールウエーハを作製するために好適なシリコンウエーハを製造する方法およびそのようなシリコンウエーハを提供することを主たる目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のシリコンウエーハの製造方法に係る発明は、チョクラルスキー法により窒素をドープして引上げられたシリコン単結晶からシリコンウエーハを作製し、該シリコンウエーハに熱処理を施すシリコンウエーハの製造方法において、前記シリコン単結晶を引上げる際の引上速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）と固液界面の温度勾配Ｇ（Ｋ／ｍｍ）の比Ｖ／Ｇが、引上げ結晶径方向の９０％以上の範囲において０．１７５〜０．２２５ｍｍ^２／Ｋ・ｍｉｎとなる条件で育成することを特徴としている。
【００１０】
このような条件下で育成された窒素をドープしたシリコン単結晶から切り出されたシリコンウエーハは、グローンイン欠陥サイズの面内分布もＢＭＤ密度の面内分布も均一なものとすることができる。従って、これに高温熱処理を施せば、ウエーハ表層部の無欠陥層の面内バラツキがなく、バルク部のＢＭＤ密度が面内均一で高密度なＩＧ能力の高いアニールウエーハを得ることができる。
【００１１】
この場合、前記シリコンウエーハ中の窒素濃度は、１×１０^１３〜５×１０^１５個／ｃｍ^３であることが好ましい。
窒素濃度をこのような範囲内に納めれば、グローンイン欠陥のサイズを小さくする効果が十分であるとともに、単結晶の育成にも悪影響を及ぼさないので、後工程の高温アニールによりウエーハ表層部の無欠陥化が容易になるとともに、バルク部においては窒素が有する酸素析出促進効果により、析出熱処理やデバイス熱処理を経ることによって、ゲッタリングに寄与するＢＭＤを高密度に有するＩＧ層を形成することができる。
【００１２】
そして本発明によれば、熱処理後のアニールウエーハに見られる無欠陥層の面内バラツキと、析出熱処理またはデバイス熱処理等の熱処理後のＢＭＤ密度の面内バラツキを抑えて、十分な無欠陥層とＢＭＤ密度を面内均一に有するアニールウエーハを得ることのできるシリコンウエーハが提供される。
【００１３】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明者は、十分な無欠陥層とＢＭＤ密度を面内均一に有するアニールウエーハを作製するためには、シリコンウエーハとして、バルク部に形成されるゲッタリングに寄与するＢＭＤの密度と、表層部の無欠陥層の形成に影響するグローンイン欠陥のサイズがともに面内分布を持たないものを用意する必要があることを知見した。
【００１４】
すなわち本発明者は、アニールウエーハ用として現状製造している窒素ドープされたＣＺ法シリコンウエーハに高温アニールを施した後のウエーハ表層部のグローンイン欠陥密度と、追加熱理後のＢＭＤ密度に関して鋭意調査を行った。
その結果、ウエーハ中心部では残存欠陥数は多く、ＢＭＤ密度も高いが、ウエーハ周辺部では残存欠陥数は少なく、ＢＭＤ密度も少ないことがわかった。また、その中間の位置（以下、Ｒ／２位置という。Ｒはウエーハ半径）では、残存欠陥も程々に少なく、ＢＭＤ密度も程々に高くなっていた。
【００１５】
これら３箇所の中ではＲ／２位置が、表層部の完全性とバルク中のゲッタリング能力のバランスが最も良いことになる。つまり、このＲ／２位置の状態をウエーハ面内に拡大できれば、面内均一で高品質なウエーハが得られることになる。そこで、このＲ／２位置の状態を拡大するため、ＢＭＤやグローンイン欠陥の分布とＣＺ法シリコン単結晶の引上げ方法との相関関係を調査した。
【００１６】
その結果、このようにグローンイン欠陥サイズやＢＭＤ密度の面内分布が不均一になる原因は、少なくとも結晶育成時の引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）とシリコンの融点から１４００℃までの範囲における引き上げ軸方向の固液界面の温度勾配Ｇ（Ｋ／ｍｍ）の比であるＶ／Ｇが面内で分布を持つ、すなわちＶ／Ｇが面内で変動するためであることがわかってきた。そこでウエーハ面内の位置に関わらずグローンイン欠陥サイズやＢＭＤ密度を所望のものとするために必要な具体的なＶ／Ｇ値を求めることにした。以下、これについて説明する。
【００１７】
グローンイン欠陥がＶ／Ｇの影響を受けることは既に良く知られているので、結晶引上げ装置の特定のホットゾーン（ＨｏｔＺｏｎｅ、ＨＺ、炉内構造）を用いて引上げ結晶中に取り込まれる窒素濃度を１×１０¹³個／ｃｍ³ とし、１．０〜１．４ｍｍ／ｍｉｎの範囲から選択された引上げ速度にて複数本の結晶の育成を行い、それぞれのＶ／Ｇの面内分布とグローンイン欠陥のサイズとの関係及び８００℃×４時間＋１０００℃×１６時間の熱処理後のＢＭＤ密度との関係を調査した。その結果を図１および図２に示す。
【００１８】
図１はウエーハの面内の中央部、Ｒ／２部、周辺部（ウエーハ外周より１０ｍｍの位置）について測定したＢＭＤ密度の全データとＶ／Ｇとの関係を示しており、ＢＭＤ密度がＶ／Ｇと直接相関していることを表している。Ｖ／Ｇが０．１９０ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎ付近より小さくなるとＢＭＤ密度が急激に低下し、０．１７５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎを下回るとゲッタリング能力が不十分となる１×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以下に低下することがわかる。すなわち、高密度のＢＭＤを得るためには、ウエーハ面内位置にかかわらず、Ｖ／Ｇを０．１７５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎ以上とすれば良いことがわかった。
【００１９】
一方、図２はＯＰＰ（ＯｐｔｉｃａｌＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｅＰｒｏｆｉｌｅｒ）によりグローンイン欠陥のサイズを相対評価し、Ｖ／Ｇとの関係を調査した結果を示している。図１と同様にウエーハの面内の中央部、Ｒ／２部、周辺部について測定したＯＰＰサイズの全データとＶ／Ｇとの関係を示しており、ＯＰＰサイズがＶ／Ｇと直接相関していることを表している。すなわち、Ｖ／Ｇが０．２２５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎ以下ではグローンイン欠陥のサイズが急激に小さくなり、０．２２５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎを越えるような範囲では、グローンイン欠陥のサイズが大きな値で飽和傾向にあることを新規に発見した。従って、熱処理により消滅させ易いサイズの小さいグローンイン欠陥とするためには、ウエーハの面内の位置に関わらず、Ｖ／Ｇを０．２２５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎ以下とすればよい。
【００２０】
以上、図１および図２の結果から、窒素ドープされたＣＺ法シリコン単結晶を引上げる際に、Ｖ／Ｇを結晶の径方向で０．１７５〜０．２２５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内となるように製造すれば、ウエーハ面内で不均一とはならず、グローンイン欠陥サイズが適度に小さいためウエーハ全面にわたり十分にグローンイン欠陥を消滅させ、かつ、適度なＢＭＤ密度が形成されるアニールウエーハが得られることになる。
【００２１】
ここで、引上げ結晶の外周部においては、グローンイン欠陥のサイズやＢＭＤ密度を決める点欠陥が、結晶育成中に外方拡散してしまう。従って、引上げ結晶の外周端から半径の５％程度までの領域（例えば、直径２００ｍｍの結晶を引上げた場合には外周端から１０ｍｍまで）においては、グローンイン欠陥のサイズやＢＭＤ密度とＶ／Ｇの相関が弱くなる。すなわち、本発明におけるＶ／Ｇが適用されるのは、引上げ結晶の径方向の両外周部５％づつを除く、少なくとも９０％の領域であり、この領域は引上げ条件により９０〜１００％の範囲で変動する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図６により説明する。図６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及びその回転機構（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。
【００２３】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件として、Ｖ／Ｇの適正な範囲を径方向および軸方向に拡大する方法は既に良く知られている方法で行えばよい。即ち、結晶周辺の温度勾配（Ｇｅ）と結晶中心の温度勾配（Ｇｃ）の差（Ｇｅ−Ｇｃ）を小さくして固液界面温度勾配Ｇが面内でフラットになるように、例えば結晶の固液界面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を配置したＨＺを設置している。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筒状の冷却装置３６を設けてもよい。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による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。窒素ドープは、例えば原料シリコン中に窒化膜付きシリコンウエーハを投入することによって行うことができる。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単結晶棒１を得ることができる。
【００２６】
得られた単結晶棒を通常の方法により、ワイヤーソー等で切り出し、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等を施すことによって、窒素ドープシリコンウエーハとすることができる。
【００２７】
次に、本発明では、得られたシリコンウエーハに熱処理を施す。これによって表面に面内均一に無欠陥層が形成され、バルク部には高密度にＢＭＤが発生する。具体的な熱処理条件としては、通常のヒータ式のバッチ炉を用い、アルゴン等の不活性ガス、水素ガス、またはこれらの混合雰囲気下で、１０００〜１３５０℃で１時間以上の熱処理（例えば、１２００℃・１時間、または１１５０℃・４時間等）を行う。また、ランプ加熱等によるＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いて、急速加熱・急速冷却による熱処理を行ったり、バッチ炉とＲＴＡ装置を併用した熱処理とすることもできる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を挙げて本発明を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）
実施例１として、結晶中心温度勾配Ｇｃ＝３．５４３［Ｋ／ｍｍ］、結晶周辺温度勾配Ｇｅ＝３．９３３［Ｋ／ｍｍ］、Ｇｅ−Ｇｃ＝０．３９０［Ｋ／ｍｍ］と比較的Ｇｅ−Ｇｃの小さいＨＺを有する単結晶引上げ装置を用い、引上げ速度を約０．７４ｍｍ／ｍｉｎに調整して、直径６インチの窒素ドープシリコン単結晶を引上げた。窒素ドープは、原料シリコン中に窒化膜付きシリコンウエーハを投入し、引上げ結晶の肩の位置での窒素濃度（計算値）が２×１０¹³／ｃｍ³ となるようにした。また、酸素濃度は１４〜１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ（日本電子工業振興協会）規格）となるように調整した。
【００２９】
図３に結晶引上げ時のＶ／Ｇの結晶径方向の分布を示した。Ｖ／Ｇは径方向全体が約０．１８０〜０．２２３ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲に入っていた。
【００３０】
引上げられた結晶からシリコンウエーハを作製し、ＯＰＰ法によりグローンイン欠陥のサイズを測定した後、８００℃、４時間＋１０００℃、１６時間の析出熱処理を加えてＢＭＤを形成し、ＯＰＰ法によりＢＭＤ密度を測定した。グローンイン欠陥のサイズの測定結果を図４に、ＢＭＤ密度の測定結果を図５に示した。
【００３１】
グローンイン欠陥は、１２００℃、１時間のアルゴン雰囲気により十分に消滅させることができるサイズ（１．５以下）であり（図４）、面内分布も小さかった。また、ＢＭＤ密度は、ウエーハ面内いずれの位置においても、ほぼ２〜５×１０⁹/ｃｍ³ であり、高密度でかつ均一な面内分布が得られた（図５）。
【００３２】
（比較例１、比較例２）
比較例１、２として、Ｇｃ＝３．７７８［Ｋ／ｍｍ］、Ｇｅ＝４．９０４［Ｋ／ｍｍ］、Ｇｅ−Ｇｃ＝１．１２６［Ｋ／ｍｍ］と比較的Ｇｅ−Ｇｃの大きいＨＺを有する単結晶引上げ装置を用い、比較例１では引上速度を約０．８４ｍｍ／ｍｉｎ、比較例２では約０．８７ｍｍ／ｍｉｎに調整して、直径６インチの窒素ドープシリコン単結晶を引上げた。窒素ドープは、原料シリコン中に窒化膜付きシリコンウエーハを投入し、引上げ結晶の肩の位置での窒素濃度（計算値）が２×１０¹³／ｃｍ³ となるようにした。また、酸素濃度は１４〜１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）となるように調整した。
【００３３】
比較例１、比較例２の結晶引上げ時のＶ／Ｇの結晶径方向の分布を図３に併記した。比較例１でＶ／Ｇが０．１７５〜０．２２５ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲に入っていたのは、結晶の中心から約６２ｍｍの範囲までの約８３％であり、比較例２の場合は、結晶の中心から外周方向に約３０ｍｍの位置から約６６ｍｍの位置までの約４８％であった。
【００３４】
引上げられた結晶からシリコンウエーハを作製し、ＯＰＰ法によりグローンイン欠陥のサイズを測定した後、８００℃、４時間＋１０００℃、１６時間の析出熱処理を加えてＢＭＤを形成し、ＯＰＰ法によりＢＭＤ密度を測定した。グローンイン欠陥のサイズの測定結果を図４に、ＢＭＤ密度の測定結果を図５に併記した。
【００３５】
比較例１ではウエーハ中心側においてグローンイン欠陥サイズがある程度小さく、ウエーハ周辺部では極めて小さくなっており、欠陥サイズの面内分布こそ大きいが、全体的にアニールにより消え易いサイズの欠陥であった。しかしながら、析出熱処理後のＢＭＤ密度に関してはＶ／Ｇの値が低いウエーハ周辺部においてＢＭＤ密度が２×１０⁸/ｃｍ³ 程度と低くなっており、周辺部でゲッタリング能力の小さい、面内分布が大きいものであることがわかった。
【００３６】
比較例２では、ＢＭＤ密度に関しては面内でほぼ１×１０⁹/ｃｍ³ 以上が得られたが、グローンイン欠陥サイズの面内分布が大きく、特にウエーハ中心側のサイズがかなり大きいため、１２００℃、１時間のアルゴン雰囲気によるアニールを行っても中心部分のグローンイン欠陥が一部残留することを確認した。
【００３７】
これらの結果より、比較例１、２で使用した結晶引上げ装置のＨＺの場合、グローンイン欠陥のサイズとＢＭＤ密度の双方を面内均一にするためには、たとえ引上げ速度を０．８４〜０．８７ｍｍ／ｍｉｎの限られた範囲に制御したとしても極めて困難であることがわかる。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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。
また、本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるＭＣＺ法にも適用できることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、グローンイン欠陥サイズの面内分布もＢＭＤ密度の面内分布も均一な窒素をドープしたシリコンウエーハを形成することができる。従って、これに高温熱処理を施せば、ウエーハ表層部の無欠陥層の面内バラツキがなく、バルク部にＢＭＤ密度が面内均一なＩＧ層を有するアニールウエーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＶ／ＧとＢＭＤ密度との関係を示す図である。
【図２】本発明におけるＶ／Ｇとグローンイン欠陥サイズとの関係を示す図である。
【図３】実施例１、比較例１、比較例２に関し、結晶引上げ時の結晶径方向におけるＶ／Ｇの分布図である。
【図４】実施例１、比較例１、比較例２に関し、引上げ結晶の結晶径方向におけるグローンイン欠陥サイズの分布図である。
【図５】実施例１、比較例１、比較例２に関し、引上げ結晶の結晶径方向におけるＢＭＤ密度の分布図である。
【図６】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。
【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、３６…冷却装置。

Claims

チョクラルスキー法により窒素をドープして引上げられたシリコン単結晶からシリコンウエーハを作製し、該シリコンウエーハに熱処理を施すシリコンウエーハの製造方法において、前記シリコン単結晶を引上げる際の引上速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）と固液界面の温度勾配Ｇ（Ｋ／ｍｍ）の比Ｖ／Ｇが、引上げ結晶径方向の９０％以上の範囲において０．１７５〜０．２２５ｍｍ^２／Ｋ・ｍｉｎとなる条件で育成し、かつ、前記シリコンウエーハ中の窒素濃度を１×１０ ^１３〜５×１０ ^１５個／ｃｍ ^３とすることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
前記請求項１に記載した製造方法により製造されたことを特徴とするシリコンウエーハ。