JP2001068477A - エピタキシャルシリコンウエハ - Google Patents

エピタキシャルシリコンウエハ

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JP2001068477A
JP2001068477A JP24118799A JP24118799A JP2001068477A JP 2001068477 A JP2001068477 A JP 2001068477A JP 24118799 A JP24118799 A JP 24118799A JP 24118799 A JP24118799 A JP 24118799A JP 2001068477 A JP2001068477 A JP 2001068477A
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 窒素をドーピングしつつ、半導体デバイス用
として十分な特性を備えたエピタキシャルシリコンウエ
ハを提供する。 【解決手段】 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃｍ3のと
きの窒素濃度が約３×１０15atoms／ｃｍ3以下でかつ酸
素濃度が１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度
が約３×１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内にある窒素濃
度及び酸素濃度である、高ゲッタリング能を有する窒素
ドープ下地シリコンウエハ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はエピタキシャルシリ
コンウエハ、特に窒素ドープシリコンウエハにエピタキ
シャル成長が施されたエピタキシャルシリコンウエハに
関する。
【０００２】
【従来の技術】通常抵抗のエピタキシャル用基板（下地
シリコンウエハ）は、エピタキシャル工程における初期
の高温プロセスにおいて臨界サイズ以下の酸素析出核が
消失してしまうため、析出の遅れに起因したゲッタリン
グ能力の低下によってデバイス歩留まりの低下が生じ
る。
【０００３】この問題の解決策として、エピプロセス前
に熱処理を行うことで析出物を予め成長させておく方法
や、ゲッタリングサイトとして基板裏面にポリシリコン
層を形成する方法などが提案されている。しかしなが
ら、これらの方法では、かかる時間や労力が大きく、製
品の生産性が著しく悪化することでコストアップに繋が
るという問題があった。
【０００４】このようなことから、チョクラルスキー法
（ＣＺ法）による単結晶育成時に窒素をドーピングする
と酸素析出の促進効果があるという知見に基づいて、ゲ
ッタリング能力の確保のためにシリコン単結晶中に窒素
をドーピングすることが検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、窒素のドー
ピングにより、ＣＺ法による単結晶育成後の酸素析出物
は大きくなってしまうため、窒素がドーピングされたシ
リコンウエハはエピタキシャル成長に供する下地シリコ
ンウエハとしては不向きであった。
【０００６】実際に、窒素のドーピングを行う方法の場
合には、大きなコストアップには繁がらないものの、デ
バイス活性層（すなわちウエハ表層近傍のＤＺ層）の確
保とバルクのゲッタリングサイトの制御を注意深く行う
必要がある。エピサブにおいてもそれは例外ではなく、
特に下地シリコンウエハ表層に酸素析出物が存在した場
合には、それを起点としたエピ成長異常が起こり、それ
がエピ表層の欠陥となってデバイス特性を悪化させる。
【０００７】本発明は以上のような課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、デバイス特性を悪化させる
エピ表層の欠陥を生じさせないような窒素ドープ下地シ
リコンウエハの条件を見出し、先端の半導体デバイス用
として十分な特性を備えたエピタキシャルシリコンウエ
ハを提供できるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するために本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、窒素を
所定濃度以上ドープすると、デバイス特性を悪化させる
エピ表層の欠陥が増大することを見出し、本発明を完成
するに至った。
【０００９】また本発明者らは同時に、エピ表層の欠陥
を生じさせないようにするためには、酸素濃度が低い場
合には窒素濃度が高くてもよい一方で、酸素濃度が高い
場合には窒素濃度を低くしなければならないというよう
に、エピ表層における欠陥発生防止のためには、窒素濃
度と酸素濃度とを対応させて考えなければならないこと
も見出した。
【００１０】より具体的には、本発明は以下のようなウ
エハ及び方法を提供する。
【００１１】（１） 窒素がドープされた下地シリコン
ウエハ上にエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャ
ルシリコンウエハであって、前記エピタキシャル膜上に
丘状欠陥が観察されないエピタキシャルシリコンウエ
ハ。
【００１２】（２） 窒素がドープされた下地シリコン
ウエハ上にエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャ
ルシリコンウエハであって、前記エピタキシャル膜上に
おいて１２０ｎｍ以上のＬＰＤとして観測される結晶欠
陥が２０個／２００ｍｍウエハ以下であるエピタキシャ
ルシリコンウエハ。
【００１３】（３） エピタキシャル成長後に１２０ｎ
ｍ以上のＬＰＤとして観測される結晶欠陥が２０個／２
００ｍｍウエハ以下となる領域で、窒素をドーピングし
ながらシリコン単結晶の引き上げを行うことを特徴とす
るチョクラルスキー法シリコン単結晶インゴット製造方
法。
【００１４】（４） 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃ
ｍ3のときの窒素濃度が約３×１０15atoms／ｃｍ3でか
つ酸素濃度が１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素
濃度が約３×１０14atoms／ｃｍ3である範囲を超えない
窒素濃度及び酸素濃度の範囲内においてシリコン単結晶
の引き上げを行うことを特徴とするチョクラルスキー法
シリコン単結晶インゴット製造方法。
【００１５】（５） 窒素濃度の増加に対応して酸素濃
度を低下させることを特徴とする（４）記載のチョクラ
ルスキー法シリコン単結晶インゴット製造方法。
【００１６】（６） 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃ
ｍ3のときの窒素濃度が約３×１０15atoms／ｃｍ3以下
でかつ酸素濃度が１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの
窒素濃度が約３×１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内にあ
る窒素濃度及び酸素濃度である窒素ドープシリコンウエ
ハ。
【００１７】（７） 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃ
ｍ3のときの窒素濃度が約１×１０15atoms／ｃｍ3以下
でかつ酸素濃度が１．５×１０18atoms／ｃｍ3のときの
窒素濃度が約１×１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内にあ
る窒素濃度及び酸素濃度である窒素ドープシリコンウエ
ハ。
【００１８】（８） 直胴部最終端の窒素濃度が１×１
０15atoms／ｃｍ3から３×１０15atoms／ｃｍ3の範囲内
にあるシリコンインゴット。 （９） （８）記載のシリコンインゴットにおいて、当
該シリコンインゴット中の窒素濃度の変化に応じて当該
シリコンインゴット中の酸素濃度が適宜制御されたシリ
コンインゴット。
【００１９】窒素ドープシリコンウエハは、そのままで
は製品化に適した特性を有するとは言えないが、下地シ
リコンウエハの窒素濃度・酸素濃度上記のような範囲に
調整されているエピタキシャルシリコンウエハは、デバ
イス特性を悪化させる表層の欠陥が存在しないか或いは
極めて少ないため、製品化に適している。
【００２０】本発明者らの研究によれば、窒素がドーピ
ングされた下地シリコンウエハにエピを積んだエピタキ
シャルシリコンウエハの表層に現れる欠陥は、図１に示
されるように、幅が約１０μｍで高さが約１０ｎｍの丘
状の欠陥であった（ＡＦＭにより観測）。この明細書で
はこれを「丘状欠陥」と呼ぶことにしているが、この丘
状欠陥は、エピウエハ表面においてＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ
Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ）として観測されるので、
ＬＰＤとして観測される欠陥の一部にはこの丘状欠陥が
含まれることになる。
【００２１】なお、窒素濃度・酸素濃度が少なすぎる
と、ゲッタリングサイトの減少による重金属捕獲効果の
低下を招くこととなるが、ゲッタリングサイト量をどの
程度に設定するかは、窒素濃度・酸素濃度を適宜調整す
ることにより、意図する製品の種類等に応じて当業者が
適宜決定することができる。
【００２２】本発明の一つの実施形態としては、下地シ
リコンウエハはチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造す
る。この場合においては、チョクラルスキー法により、
窒素をドープしてシリコン単結晶を引上げ、シリコンイ
ンゴットを製造し、ここから窒素濃度及び酸素濃度が上
記範囲内にある部分を切り出し、下地シリコンウエハと
する。なお、ＣＺ法を使用する場合には、融液に磁場を
かける方式（ＭＣＺ法）も採用することができる。
【００２３】また、窒素のドーピングのための方法は、
結晶成長の際に炉内に通されるアルゴンガス中に窒素を
混入させる方法や、窒化ケイ素を原料融液中に溶解させ
て引上げ単結晶中に窒素原子を導入する方法など、現在
公知の全ての方法及び将来発見されるであろうあらゆる
方法を使用することができる。
【００２４】ここで、シリコン融液からシリコンインゴ
ットを引上げた場合において、酸素濃度等を故意に制御
しなければ、図２に示されるような態様で、窒素の偏析
による窒素濃度の変動と取り込まれる酸素濃度の変動と
が生じる。より具体的に言えば、窒素濃度は、引上げる
最初のほう（ショルダー部分）から終端（テール部分）
に至るまで斬増していく一方で、酸素濃度は斬減してい
く。
【００２５】従って、製品取得対象領域の中で最高の窒
素濃度を示す直胴部最終端の部分において当該窒素濃度
を前記窒素濃度の上限となるように設定することで、シ
リコンインゴット全体において窒素濃度を３×１０15at
oms／ｃｍ3未満とすることができ、このシリコンインゴ
ット中の窒素濃度の変化に対応して酸素濃度を適宜制御
し、酸素濃度・窒素濃度が上記（６）で示される範囲内
にあるようにすることによって、引上げられたシリコン
インゴットの直胴部分において無駄な部分を形成するこ
となく、当該直胴部分の全てを製品取得対象領域として
くまなく使用することが可能となるようなシリコンイン
ゴットとすることができる。この場合において、酸素濃
度は、窒素濃度と比べると比較的自由に設定することが
できるので、シリコンインゴットの直胴部分の殆ど全て
をシリコンウエハの製造対象領域とする直胴部効率使用
用のシリコンインゴットとするために酸素濃度制御をす
るか、或いは、得たい下地ウエハの酸素濃度・窒素濃度
に合わせて適宜酸素濃度制御をするようにすればよい。
【００２６】
【実験例】実験例として、種々の条件で育成したＣＺ−
Ｓｉ単結晶からシリコンウエハを切り出し、鏡面研磨加
工を施した後にエピ成長を施しエピ基板の酸素析出挙動
およびエピ表層の欠陥について調査した。
【００２７】この実験例において、結晶はドーパントと
してボロンを添加した直径２００ｍｍ、ｐ型、結晶方位
＜１００＞で、酸素濃度は８×１０17〜１６×１０17ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように制御すると共に、窒素濃
度は４．９×１０１３〜１．２４×１０１５ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３となるように窒素を添加し、比較として窒素添
加なしの結晶も用意した。エピ成長は、成長ガスとして
トリクロルシラン、成長温度は１１００℃で、エピ膜厚
を６μｍとして行った。
【００２８】結果を図３及び図４に示す。図３は、窒素
濃度と欠陥発生数（ＬＰＤとして観察される欠陥の数）
との関係が判るようにしたもので、図４は、同じデータ
に基づいて、窒素濃度と酸素濃度との関係が判るように
したものである。
【００２９】まず、図３より、酸素濃度が低い場合に
は、窒素濃度が比較的高くなっても欠陥の数はそれほど
増大しないが、酸素濃度が高い場合には、窒素濃度が高
くなると欠陥の数が多くなってくるということが判る。
従って、この図３より、酸素濃度が高い場合には窒素濃
度を低くする必要があるというように、酸素濃度と窒素
濃度との間には所定の相関関係があることが示唆され
る。
【００３０】また、図４より、酸素濃度と窒素濃度をそ
れぞれ横軸と縦軸にしてプロットをしてみると、酸素濃
度と窒素濃度の間に所定の相関関係があることが明らか
になる。
【００３１】ここで、製品として適切か否かの境界とし
て、２００ｍｍのウエハあたりのＬＰＤ数が２０個以下
というのを基準にしてみると、（酸素濃度，窒素濃度）
＝（７×１０17atoms／ｃｍ3，約３×１０15atoms／ｃ
ｍ3）と（酸素濃度，窒素濃度）＝（１．６×１０18ato
ms／ｃｍ3，約３×１０14atoms／ｃｍ3）とを結ぶ線
（図４中の斜めの実線）が境界線であろうことが、この
図４より示唆される。また、製品としてより厳しい基準
を設定した場合には、（酸素濃度，窒素濃度）＝（７×
１０17atoms／ｃｍ3，約１×１０15atoms／ｃｍ3）と
（酸素濃度，窒素濃度）＝（１．５×１０18atoms／ｃ
ｍ3，約１×１０14atoms／ｃｍ3）とを結ぶ線（図４中
の点線）が境界線として示唆されるであろう。ただ、い
ずれにしても、現時点で得られているデータの範囲内で
の話であるため、数値については、ある程度のぶれが許
されるべきである。
【００３２】従ってこの図４より、エピタキシャルシリ
コンウエハ製造のために好適な窒素ドープ下地シリコン
ウエハを作成するためには、実線の左側（より具体的に
は、酸素濃度が７×１０17atoms／ｃｍ3のときの窒素濃
度が約３×１０15atoms／ｃｍ3以下でかつ酸素濃度が
１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度が約３×
１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内）となるようにシリコ
ン単結晶の引き上げを行えばよいことになる。そして、
より好ましくは、点線の左側（より具体的には、酸素濃
度が７×１０17atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度が約１×
１０15atoms／ｃｍ3以下でかつ酸素濃度が１．５×１０
18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度が約１×１０14atoms
／ｃｍ3以下の範囲内）となるようにシリコン単結晶の
引き上げを行えばよいことになる。
【００３３】なお、酸素濃度と窒素濃度の下限について
は、製品に応じてゲッタリングサイトとして十分な酸素
析出物密度を確保するための下地シリコンウエハの初期
酸素濃度との関数になる窒素添加量の下限値を決定する
ようにすればよい。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るシリ
コンウエハは、デバイスの特性を悪化させる表層欠陥に
よる影響がなく、優れた特性を備えている。即ち、本発
明による条件において製造されたシリコンウエハにエピ
膜を成長させた製品は、先端の半導体デバイス用として
優れた特性を備えることとなる。
【００３５】また、適切な条件設定をすることによっ
て、ゲッタリングサイトが消失していないことにより高
ゲッタリング能を備える窒素ドープエピタキシャルシリ
コンウエハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明者らにより発見された「丘状欠陥」の
形状を説明するための図である。
【図２】 結晶成長に伴うシリコンインゴット中の窒素
濃度の変化と酸素濃度の変化を説明するための図であ
る。
【図３】 窒素濃度とＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ
Ｄｅｆｅｃｔ）の関係をプロットしたグラフを示す図
である。
【図４】 窒素濃度と酸素濃度の関係をプロットしたグ
ラフを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 段畠 政善 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 (72)発明者 林田 広一郎 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 AB01 BA04 CF10 DB05 ED06 EH05 FC10 FJ06 GA01 GA02 HA06 HA12 5F045 AB02 AF03 AF16 AF17 BB12 DA67

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒素がドープされた下地シリコンウエハ
    上にエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャルシリ
    コンウエハであって、前記エピタキシャル膜上に丘状欠
    陥が観察されないエピタキシャルシリコンウエハ。
  2. 【請求項２】 窒素がドープされた下地シリコンウエハ
    上にエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャルシリ
    コンウエハであって、前記エピタキシャル膜上において
    １２０ｎｍ以上のＬＰＤとして観測される結晶欠陥が２
    ０個／２００ｍｍウエハ以下であるエピタキシャルシリ
    コンウエハ。
  3. 【請求項３】 エピタキシャル成長後に１２０ｎｍ以上
    のＬＰＤとして観測される結晶欠陥が２０個／２００ｍ
    ｍウエハ以下となる領域で、窒素をドーピングしながら
    シリコン単結晶の引き上げを行うことを特徴とするチョ
    クラルスキー法シリコン単結晶インゴット製造方法。
  4. 【請求項４】 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃｍ3のと
    きの窒素濃度が約３×１０15atoms／ｃｍ3でかつ酸素濃
    度が１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度が約
    ３×１０14atoms／ｃｍ3である範囲を超えない窒素濃度
    及び酸素濃度の範囲内においてシリコン単結晶の引き上
    げを行うことを特徴とするチョクラルスキー法シリコン
    単結晶インゴット製造方法。
  5. 【請求項５】 窒素濃度の増加に対応して酸素濃度を低
    下させることを特徴とする請求項４記載のチョクラルス
    キー法シリコン単結晶インゴット製造方法。
  6. 【請求項６】 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃｍ3のと
    きの窒素濃度が約３×１０15atoms／ｃｍ3以下でかつ酸
    素濃度が１．６×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度
    が約３×１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内にある窒素濃
    度及び酸素濃度である窒素ドープシリコンウエハ。
  7. 【請求項７】 酸素濃度が７×１０17atoms／ｃｍ3のと
    きの窒素濃度が約１×１０15atoms／ｃｍ3以下でかつ酸
    素濃度が１．５×１０18atoms／ｃｍ3のときの窒素濃度
    が約１×１０14atoms／ｃｍ3以下の範囲内にある窒素濃
    度及び酸素濃度である窒素ドープシリコンウエハ。
  8. 【請求項８】 直胴部最終端の窒素濃度が１×１０15at
    oms／ｃｍ3から３×１０15atoms／ｃｍ3の範囲内にある
    シリコンインゴット。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のシリコンインゴットにお
    いて、当該シリコンインゴット中の窒素濃度の変化に応
    じて当該シリコンインゴット中の酸素濃度が適宜制御さ
    れたシリコンインゴット。
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