JP2001127067A - シリコン半導体基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高品質な表面無欠陥層をもつ一方、基板内部
にゲッタリング能力に優れた欠陥層を持ち、かつ機械的
強度にすぐれたシリコン半導体基板を作成する。 【解決手段】 チョクラルスキー法により育成したシリ
コン単結晶から得た半導体基板であって、基板表面にお
ける直径換算で０．１μｍ以上の結晶欠陥の面密度が１
個／ｃｍ²以下、少なくとも基板表面から深さ１μｍま
での領域において同欠陥の密度が１０⁵個／ｃｍ³以下、
基板厚み中心における同欠陥の密度が１０⁸個／ｃｍ³以
上、さらに基板厚み中心における窒素含有量を［Ｎ］
（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、酸素含有量を［Ｏ］（ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³）としたとき、６×１０¹⁷≦［Ｏ］≦１．
２×１０¹⁸であり、かつ６×１０¹⁷≦［Ｏ］≦１×１０
¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦２×１０¹⁶ １×１０¹⁸≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦１×１０¹⁵ であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン半導体基
板の品質改善に関し、特に、基板内部あるいは基板表面
の欠陥を除去し、デバイス作製時においても新たな欠陥
の発生がないため、デバイスの歩留りを向上させること
ができるシリコン半導体基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン半導体基板を用いて半導体デバ
イスを作成する際に、基板中の結晶欠陥がデバイスの動
作不良を引き起こし、基板中の結晶欠陥密度によりデバ
イスの製造歩留りが変化することが知られている。近
年、このデバイス動作不良を引き起こす結晶欠陥とし
て、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ
Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれる欠陥が注目されている。
これは、シリコン半導体基板をアンモニア-過酸化水素
の混合液でエッチングした際、結晶中の格子欠陥を原因
としたピットが基板表面に生じ、基板表面のパーティク
ルを計数する検査装置によりこのピットが測定されるた
め、このように呼ばれている。ＣＯＰとはこのような測
定法で検出される欠陥全般を指す名称であるが、通常の
チョクラルスキー（ＣＺ）法もしくは磁場を印加したＣ
Ｚ法により育成されたシリコン単結晶では、この欠陥の
実体は結晶中の八面体様の空隙（以下、空孔欠陥と称
す）と考えられており、これがデバイスの構造的な破壊
を引き起こすと推定されている。

【０００３】このようなデバイス作成に有害なＣＯＰを
低減あるいは消滅させる技術の一つとして、結晶育成時
に窒素を添加した結晶を熱処理する技術が知られてい
る。特開平１０-９８０４７号公報には窒素を少なくと
も１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ドーピングすることに
より空孔欠陥のサイズを小さくし、熱処理により空孔欠
陥をより容易に消滅させる技術が開示されている。しか
しながら、通常工業的に用いられている酸素濃度（７〜
１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、ＪＥＩＤＡ換算）の
結晶に窒素を１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上ドーピ
ングすると、結晶中に多数の酸素析出物や積層欠陥の核
が形成され、熱処理後にそれらの欠陥が表面に現れて表
面の欠陥密度が却って増加してしまうという問題があ
る。このため、特開平１０-９８０４７号公報の実施例
では酸素の析出が起こらない４．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³の酸素濃度の結晶が用いられている。実際この
窒素添加による欠陥形成の効果は、特開平１１-１８９
４９３号公報においてエピタキシャル層の基板の析出促
進のための手段して利用されている。

【０００４】また、我々は、特願平１１-８４９１５号
において、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．５×
１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素を含有するシリコ
ン融液を用いてＣＺ法又は磁場印加ＣＺ法により育成し
たシリコン単結晶から得たシリコン半導体基板を、１０
００℃以上１３００℃以下の温度で１時間以上熱処理す
る方法を提案している。この方法によれば基板の窒素に
よる欠陥生成促進効果に拘わらず、基板表面の欠陥を消
滅させることができるが、基板内部に析出物が高密度に
発生し、時としてその析出物が基板の機械的強度を弱め
ることがあり、デバイス作製時の熱処理時にスリップを
発生させデバイスの歩留まりを悪化させるおそれがあ
る。

【０００５】なお、シリコンの単結晶成長の際に窒素を
ドーピングする方法に関しては特開昭６０-２５１１９
０号公報等が知られている。また、フロートゾーン（Ｆ
Ｚ）単結晶における窒素添加効果として、特開昭５７-
１７４９７号公報等には結晶強度の増加が、特開平８-
９１９９３号公報には抵抗率の変化を抑える方法が開示
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体デバ
イス作成用のシリコン半導体基板において、前述したよ
うな従来の技術では完全には除去できないデバイス作成
上問題となる結晶欠陥を、生産性良く、効果的に低減あ
るいは消滅させ、さらに結晶の強度と基板内部でのゲッ
タリング能を兼ね備えたシリコン半導体基板を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】我々は、シリコン半導体
基板中に生成する欠陥について鋭意検討を加え、シリコ
ン半導体基板のデバイス作成領域で問題となる大きさの
欠陥をほば完全に消滅でき、かつ基板自身に優れたゲッ
タリング能力を付与できることを見出し、本発明を完成
させたものである。

【０００８】即ち、本発明は、チョクラルスキー法又は
磁場印加チョクラルスキー法により育成したシリコン単
結晶から得たシリコン半導体基板であって、基板厚み中
心から表面に向かって結晶欠陥が減少する密度分布を有
し、基板表面における直径換算で０．１μｍ以上の結晶
欠陥の面密度が１個／ｃｍ²以下で、少なくとも基板表
面から深さ１μｍまでの領域において直径換算で０．１
μｍ以上の欠陥密度が１０⁵個／ｃｍ³以下であり、かつ
基板厚み中心における直径換算で０．１μｍ以上の欠陥
密度が１０⁸個／ｃｍ³以上であり、さらに基板厚み中心
における窒素含有量を［Ｎ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、
酸素含有量を［Ｏ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）としたと
き、６×１０¹⁷≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸であり、かつ
６×１０¹⁷≦［Ｏ］≦１×１０¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦２×１０¹⁶ １×１０¹⁸≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦１×１０¹⁵ であることを特徴とするシリコン半導体基板である。

【０００９】また、本発明は、チョクラルスキー法又は
磁場印加チョクラルスキー法により育成したシリコン単
結晶から得たシリコン半導体基板であって、基板厚み中
心から表面に向かって結晶欠陥が減少する密度分布を有
し、基板表面における直径換算で０．１μｍ以上の結晶
欠陥の面密度が１個／ｃｍ²以下で、少なくとも基板表
面から深さ１μｍまでの領域において直径換算で０．１
μｍ以上の欠陥密度が１０⁵個／ｃｍ³以下であり、かつ
基板厚み中心における直径換算で０．１μｍ以上の欠陥
密度が１０⁸個／ｃｍ³以上であり、さらに基板厚み中心
における酸素含有量［Ｏ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）が６
×１０¹⁷≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸あり、かつ、該基板
を２次イオン質量分析法で窒素含有量を分析したとき
に、基板厚み中心において窒素含有量が２×１０¹⁶ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ平均信号強度の２倍以
上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有する
ことを特徴とするシリコン半導体基板である。

【００１０】ここで、結晶欠陥とは、空孔欠陥、酸素析
出物、積層欠陥等のデバイス不良原因となるあらゆる結
晶欠陥を指す。

【００１１】

【発明実施の形態】以下に、本発明について詳細に説明
する。

【００１２】我々は、シリコン半導体基板のデバイス作
成領域における結晶欠陥について検討を加えた結果、デ
バイスの構造的な破壊を確実に引き起こす欠陥は、直径
換算で０．１μｍ以上の大きさを持つものであり、この
大きさより小さい欠陥は障害にならないことが多いこと
を見出した。また、シリコン半導体基板のデバイス作成
では、表面から深さ１μｍまでの領域の欠陥が歩留まり
に大きく影響するため、少なくとも基板表面から深さ１
μｍの領域において、デバイスに有害な欠陥を除去でき
れば、基板上に作成するデバイスの歩留りを大幅に向上
できる。欠陥密度としては体積密度で１０⁵個／ｃｍ³以
下、より好ましくは１０⁴個／ｃｍ³以下であれば、現在
のデバイスの大きさを考慮するとほぼ十分な歩留まり改
善が期待できる。

【００１３】本発明のシリコン半導体基板は、基板厚み
中心において、酸素濃度が６×１０ ¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³以上１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合、窒素を
１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下、より好ましくは５×１０¹³ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、さらに
は５×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁶ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以下含有することが好ましい。酸素濃度が
６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であるとゲッタリン
グに必要な酸素析出物が十分に成長できなく、またこの
窒素濃度の範囲においては、酸素濃度が１×１０¹⁸ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³を越えると酸素析出により基板の機械的
強度が低下する。また、基板厚み中心において、酸素濃
度が１×１０ ¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．２×１０¹⁸
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合、窒素を１×１０¹³ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、
より好ましくは５×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×
１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、さらには２×１０¹⁴ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以上８×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下
含有することが好ましい。上記と同様に、酸素濃度が６
×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であるとゲッタリング
に必要な酸素析出物の成長が十分にできなく、またこの
窒素濃度の範囲においては、酸素濃度が１．２×１０¹⁸
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を越えると酸素析出により基板の機
械的強度が低下する。シリコン単結晶中に窒素を導入す
ることにより、結晶育成時の点欠陥濃度及び点欠陥の凝
集挙動が変化して、結晶中の空孔欠陥を変容させ、酸素
含有量が６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の結晶中に
密度が１０⁸個／ｃｍ³以上の酸素析出物が結晶成長中に
発生するようになる。引上条件によっては変容した空孔
欠陥が酸素析出物の密度の５％以下発生する場合もあ
る。一方、基板中の窒素含有量が１×１０¹³ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³未満で、局所的な窒素偏析が認められない場合
は、空孔欠陥を変容させることが難しく、１×１０¹⁶ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³超になると結晶育成の際転位が入りや
すくなり、また窒素が酸素と複合欠陥を形成して基板の
抵抗を変化させたり、さらに熱処理により積層欠陥がで
きやすくなる。但し、引上条件によっては実効偏析係数
を変化させることができ、２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³までは結晶を育成させることが可能であり、また酸素
濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合、基板
抵抗の変化は熱処理を行うことにより容易に変化を元に
戻すことが可能であり、積層欠陥の発生もデバイス作成
や基板の機械的強度に問題の無い密度に抑えることがで
きる。なお、基板中の窒素含有量は、２次イオン質量分
析計（ＳＩＭＳ； Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａ
ｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることにより
測定できる。

【００１４】また、本発明においては、基板中心の酸素
濃度が６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³以上１．２×１０
¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であって、該基板を２次イオ
ン質量分析法で窒素含有量を測定したときに、基板厚み
中心における窒素濃度が２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²
以下であり、かつ平均信号強度の２倍以上の信号強度を
示す窒素偏析による局所濃化部を有するものであること
が好ましい。結晶育成の際に導入された窒素は必ずしも
結晶内に均一に分布するとは限らない。結晶の育成条件
によっては、窒素が、結晶育成中に発生した酸素析出物
やその後のアニールで発生した基板内部欠陥により、局
所的に偏析・濃化し、平均の窒素濃度もしくは測定下限
の２倍以上の強度で局所的な信号強度の増大が認められ
る場合がある。これはたとえＳＩＭＳで測定された平均
の窒素濃度が１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満あるい
は測定下限以下の場合でもみられることがある。このよ
うな場合でも、結晶育成時の点欠陥の凝集の抑制・酸素
析出物の生成は十分におこり、上記酸素濃度の範囲では
前述したように欠陥の変容効果を起こさせることがで
き、酸素析出物を生成する。また、このようなＳＩＭＳ
の測定によって検出される偏析した窒素は、転位を固着
し、基板の機械的強度を増大させることができる。

【００１５】窒素添加により発生した酸素析出物は、熱
処理によって酸素を外方拡散させ、基板厚み中心から表
面に向かって酸素濃度が減少する密度分布を持たせるこ
とにより、基板表面付近で消滅させることができる。即
ち、酸素の外方拡散により基板厚み中心から表面に向か
って結晶欠陥の減少する密度分布をつくり、すくなくと
も基板表面から深さ１μｍまでの領域において直径換算
で０．１μｍ以上の結晶欠陥の体積密度が欠陥密度が１
０⁵個／ｃｍ³以下とすることが必要である。また基板最
表面における直径換算で０．１μｍ以上の結晶欠陥の面
密度も非酸化性雰囲気での熱処理、もしくは熱処理後の
表面の研磨により１個／ｃｍ²以下とすることができ
る。これらの結晶欠陥（主として酸素析出物）の密度を
越えると、デバイスの構造的破壊を引き起こし易くな
り、基板上に作成したデバイスの歩留りが悪化してしま
う。

【００１６】このようなシリコン半導体基板の製造方法
としては、ＣＺ法又は磁場印加ＣＺ法により上述の条件
を満足する基板が得られる製造方法であれば良く、特に
限定するものではない。しかしながら、生産性良く効率
的に本発明のシリコン半導体基板を製造するためには、
１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上３×１０¹⁹ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下の窒素を含有するシリコン融液を用いて
ＣＺ法又は磁場印加ＣＺ法により育成したシリコン単結
晶から得たシリコン半導体基板を、非酸化性雰囲気で１
０００℃以上１３００℃以下の温度で１時間以上熱処理
することが望ましい。窒素の偏析係数は７×１０^-4（例
えば、W. Zulehner and D. Huber; Crystals 8 -Growt
h, Properties, and Applications-, p.28 (Springer-V
erlag, New York, 1982)を参照）であり、１×１０¹⁶ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以上３×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下
の窒素を含有するシリコン融液を用いれば１×１０¹³ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下
の窒素を含有した結晶を育成し得る。

【００１７】上記のように結晶中に窒素を含有した結晶
は、結晶成長中に発生する欠陥のほとんどが酸素析出物
となっているため、基板表面の酸素を外方拡散させるだ
けで欠陥をほぼ完全に消滅させることができる。また引
上条件によっては酸素析出物の５％以下の密度で変容し
た空孔欠陥が発生する場合があるが、この欠陥は不安定
な形態を持っており、熱処理により表面近傍で容易に消
滅する。それに対し、従来の結晶は空孔欠陥を消滅させ
なければならず、その消滅にはシリコンの点欠陥の吸収
放出及び結晶中の酸素の析出・放出が複雑にからむため
その熱処理パターンは複雑になり、熱処理温度も１２０
０℃程度の高温が必要であり、また雰囲気として水素な
どの危険なガスを用いないとより完全に消滅させること
はできない。本発明の熱処理温度に関しては１０００℃
以上１３００℃以下、望ましくは１１００℃以上１２０
０℃以下が適当であり、従来の空孔欠陥が存在する結晶
よりも低温の熱処理で表面の欠陥を消滅させることがで
きる。また、同じ熱処理であれば窒素添加結晶のほうが
より深い無欠陥層領域を持つことができる。熱処理温度
を決定するに当たっては、温度が低いと酸素の外方拡散
に多大の時間を要し、温度が高すぎると結晶中の熱平衡
酸素固溶度が上がり酸素の外方拡散が起きなくなるこ
と、また１１５０℃以上では高温になればなるほど基板
表面の面荒れの問題が生じやすくなること、さらに処理
炉を高温で稼働させる際には予期しない炉体の汚染が生
じやすくなること等を勘案して、１１５０℃近傍で温度
を決定することが望ましい。

【００１８】また、本発明の基板において、内部の酸素
析出物は熱処理により成長するため、６×１０¹⁷ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以上の酸素を含有する結晶から得られる基
板を熱処理すると、内部に１０⁸個／ｃｍ³以上の高密度
の酸素析出物からなるゲッタリング層を持つことができ
る。酸素濃度が６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満で
は、酸素析出物の成長が十分でなく、ゲッタリングの効
果は不十分な物にとどまる。通常、表面にＤＺ層を持
ち、かつ内部に高密度のゲッタリング層を持つ、いわゆ
るＩＧウェハは、３段の熱処理（酸素の外方拡散＋酸素
析出核の形成＋酸素析出物の形成）によってのみ作成す
ることができるとされている。ところが、本発明によれ
ば、通常のＩＧウェハよりも、より完全性が高いＤＺ層
を持ちかつ内部に高密度のゲッタリング層を持つ基板を
一回の熱処理で作成することが可能である。

【００１９】従来、このような高密度の酸素析出物が結
晶内部に存在する場合は、基板の機械的強度の劣化を招
き、デバイスプロセスの熱処理においてスリップが生じ
るのがほとんど避けられなくなる。本発明の基板では、
窒素の添加効果および酸素析出物への窒素偏析効果によ
り、本来酸素添加時に生じる機械的強度の増大効果と相
まって機械的強度が増大するため、ゲッタリングに十分
な高密度の酸素析出物が存在しても、酸素析出物が１０
⁸個／ｃｍ³未満しか発生していない従来の窒素を含有し
ない基板より、スリップが生じにくい。このゲッタリン
グ能と機械的強度の増大を両立させるためには、基板厚
み中心において、酸素濃度が６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合に、窒
素濃度を１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含有することが必要であり、ま
た、酸素濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．
２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合に、窒素を１
×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以下含有することが必要である。また、基板厚
み中心の酸素濃度が６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上
１．２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合に、該基
板中をＳＩＭＳで測定した窒素濃度が２×１０¹⁶ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以下で、かつ平均信号強度の２倍以上の信
号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有するもので
あることが必要である。酸素濃度が６×１０¹⁷ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³未満であれば、ゲッタリングに必要な酸素析
出物が充分に生成せず、また酸素濃度による機械的強度
の増加効果が無くなるため機械的強度も劣化する。ま
た、酸素濃度が１．２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³より
多く、窒素濃度が１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³より多
い場合は、窒素の添加効果により発生した高密度の酸素
析出物が熱処理時に成長する際に転位を発生するため、
酸素析出物が却って転位の発生源となり機械的強度が劣
化する。また、窒素濃度が１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³未満で、かつＳＩＭＳ平均信号強度の２倍以上の信号
強度を示す窒素偏析が認められない場合には、窒素の添
加効果および酸素析出物への窒素偏析効果による機械的
強度の増大が十分に得られない。

【００２０】熱処理雰囲気としては基板表面の酸素濃度
を効果的に低減でき、その結果窒素添加により発生した
板状析出物を容易に消滅させることができる非酸化性雰
囲気が好ましい。非酸化性ガスとしては、経済性の観点
からアルゴンガスが望ましい。含有不純物純度、特にガ
ス中の不純物酸素の量を減らすという点ではヘリウムガ
スを用いる利点があるが、経済性および、ヘリウムガス
の大きな熱伝導性に由来する熱処理炉の取り扱いの難し
さ等の問題がある。窒素ガスは基板表面に窒化物を形成
するため不適当である。水素などの還元性雰囲気もアル
ゴンガスと同等の効果を持つため使用することが可能で
あるが、取り扱いの難しさ、特に爆発の危険性があるこ
とから、必ずしも適当であるとは言えない。

【００２１】以上のように、結晶育成の際に窒素を含有
させた結晶を熱処理することにより、従来よりも単純、
安全かつプロセス汚染の可能性が少ない熱処理条件で、
従来の熱処理基板と同等以上の欠陥密度の低減、従来以
上の深さのＤＺ層をもち、ゲッタリング能と機械的強度
を両立させた基板を得ることができる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例で本発明を具体的に説明する。

【００２３】チョクラルスキー法により以下の８つの結
晶を引き上げた。酸素濃度は約７〜８×１０¹⁷ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³（赤外吸収法によりＪＥＩＤＡの換算係数を
用いて測定）であった。いずれの結晶も約４０ｋｇの原
料を溶解し、直径１５５ｍｍの約３０ｋｇのインゴット
を作成し、ｐ型１０Ωｃｍの結晶を得た。窒素の添加は
ノンドープのシリコン結晶にＣＶＤ法により窒化膜を形
成したウェハを、原料の溶解時に同時に溶かすことによ
り行った。

【００２４】１） 窒素添加を行わず結晶を育成した。

【００２５】２） 原料の融液中に窒素を７×１０¹⁵ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の窒素濃
度をＳＩＭＳで測定したが、窒素は検出されず（１×１
０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下）、平衡偏析係数から窒素
の濃度を計算すると、結晶中に約５×１０¹²ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³となった。

【００２６】３） 原料の融液中に窒素を５×１０¹⁶ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の窒素濃
度をＳＩＭＳで測定したが、窒素は検出されず（１×１
０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満）、平衡偏析係数から窒素
の濃度を計算すると、結晶中に約４×１０¹³ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³となった。

【００２７】４） 原料の融液中に窒素を３×１０¹⁷ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。平衡偏析係数
から窒素の濃度を計算すると、結晶中に約２×１０¹⁴ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³となった。結晶の窒素濃度をＳＩＭＳ
で測定すると、窒素を定量することはできなかったが、
窒素のバックグラウンドレベルの２倍以上の強度で局所
的な窒素信号の増大が認められた。

【００２８】５） 原料の融液中に窒素を５×１０¹⁷ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の窒素感
度をＳＩＭＳで測定した結果、結晶中の窒素濃度は約５
×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、このＳＩ
ＭＳ測定の際、平均的な窒素の信号強度に対して、局所
的に２倍以上に増加する窒素の信号強度の存在が認めら
れた。

【００２９】６） 原料の融液中に窒素を５×１０¹⁸ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の窒素濃
度をＳＩＭＳで測定した結果、結晶中の窒素濃度は約５
×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、このＳＩ
ＭＳ測定の際、平均的な窒素の信号強度に対して、局所
的に２倍以上に増加する窒素の信号強度の存在が認めら
れた。

【００３０】７） 原料の融液中に窒素を３×１０¹⁹ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。途中結晶がポ
リ化したが、インゴットの上部から無転位の単結晶が得
られた。結晶の窒素濃度をＳＩＭＳで測定した結果、結
晶中の窒素濃度は約１．８×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
であった。また、このＳＩＭＳ測定の際、平均的な窒素
の信号強度に対して、局所的に２倍以上に増加する窒素
の信号強度の存在が認められた。

【００３１】８） 原料の融液中に窒素を６×１０¹⁹ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し結晶を育成した。途中結晶がポ
リ化したが、インゴットの上部から無転位の単結晶が得
られた。結晶の窒素濃度をＳＩＭＳで測定した結果、結
晶中の窒素濃度は約４×１０ ¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であ
った。また、このＳＩＭＳ測定の際、平均的な窒素の信
号強度に対して、局所的に２倍以上に増加する窒素の信
号強度の存在が認められた。

【００３２】さらに酸素濃度の効果を調べるために、上
記とは酸素濃度を変えた結晶を育成した。

【００３３】９） 磁場印加により融液の流動を制御し
ながら原料の融液中に窒素を５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³添加し結晶を育成した。結晶の酸素濃度は５×１０
¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。結晶の窒素濃度をＳＩ
ＭＳで測定した結果、結晶中の窒素濃度は約５×１０¹⁵
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、このＳＩＭＳ測定
の際、平均的な窒素の信号強度に対して、局所的に２倍
以上に増加する窒素の信号強度の存在が認められた。

【００３４】１０） 磁場印加により融液の流動を制御
しながら原料の融液中に窒素を５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の酸素濃度は１．１
×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。結晶の窒素濃度
をＳＩＭＳで測定した結果、結晶中の窒素濃度は約５×
１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、このＳＩＭ
Ｓ測定の際、平均的な窒素の信号強度に対して、局所的
に２倍以上に増加する窒素の信号強度の存在が認められ
た。

【００３５】１１） 磁場印加により融液の流動を制御
しながら原料の融液中に窒素を５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³添加し結晶を育成した。結晶の酸素濃度は１．３
×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。結晶の窒素濃度
をＳＩＭＳで測定した結果、結晶中の窒素濃度は約５×
１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、このＳＩＭ
Ｓ測定の際、平均的な窒素の信号強度に対して、局所的
に２倍以上に増加する窒素の信号強度の存在が認められ
た。

【００３６】上記の各単結晶を加工して得た基板にそれ
ぞれ熱処理を行った。熱処理条件は８００℃で炉内に挿
入し、挿入後１０℃／ｍｉｎで昇温し１１５０℃で４時
間保持した後、-１０℃／ｍｉｎで降温し８００℃で基
板を取り出した。

【００３７】熱処理を行って得たそれぞれの基板の品質
特性を調べるために、以下の評価を行った。

【００３８】表面の欠陥密度は、それぞれの基板を、
０．１μｍ以上のＣＯＰの数の測定及びアンモニア過酸
化水素水洗浄を繰り返して表面を合計０．１μｍエッチ
ングし、この際に増加した直径換算０．１μｍ以上のＣ
ＯＰの数を測定することにより評価した。

【００３９】ＤＺ層内の欠陥の密度は、この基板の表面
を鏡面研磨により１μｍ、３μｍ研磨し、研磨後の０．
１μｍ以上のＣＯＰの数の測定及びアンモニア過酸化水
素水洗浄を繰り返して表面を合計０．１μｍエッチング
し、この際に増加した直径換算０．１μｍ以上のＣＯＰ
の数を測定することにより評価した。

【００４０】基板内部の欠陥密度は、基板の厚み中心で
赤外トモグラフにより直径換算で０．１μｍ以上の欠陥
の密度を測定することにより行った。

【００４１】基板厚み中心の窒素濃度は、基板を劈開し
ＳＩＭＳにより基板厚み中心の窒素濃度を測定すること
により行った。なお、基板中心の酸素濃度は、基板の厚
みが６７０μｍであり、熱処理前後で変わらないと考え
られるため、熱処理前の酸素濃度測定の結果をそのまま
用いた。

【００４２】それぞれの基板の機械的強度は、基板を９
５０℃で熱処理炉内に挿入し、３０分保持した後引き出
すことによって生じる熱応力により発生するスリップの
最大長さをＸ線トポグラフにより測定することにより評
価した。なお、挿入速度、引出速度は３ｃｍ／ｍｉｎで
ある。

【００４３】それぞれの基板のゲッタリング能は以下の
評価を行うことにより調べた。即ち、スピンコート法に
よりニッケルを１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²表面汚染
し、１０００℃３０分酸化により汚染源の拡散とゲート
酸化膜の作成を行った。このゲート酸化膜上にアルミニ
ウムを堆積しＭＯＳダイオードを作成した。このＭＯＳ
ダイオードにより発生ライフタイムを測定した。汚染を
行わないときのそれぞれの基板の発生ライフタイムは約
２０ｍｓｅｃであり、ニッケル汚染によるライフタイム
の低下度合を評価することにより、ゲッタリング能を評
価した。

【００４４】以上の評価結果を表１にまとめた。

【００４５】

【表１】

【００４６】この評価結果から明らかなように、本発明
によれば基板表面の欠陥密度がきわめて少なく、ゲッタ
リング能力と機械強度を両立させた基板が作成可能であ
ることがわかる。

【００４７】

【発明の効果】本発明のシリコン半導体基板は、デバイ
ス形成領域の結晶欠陥がきわめて少なく、ゲッタリング
能力に優れ、機械的強度も高い基板であり、このため基
板上に作成される半導体デバイスの歩留まりが向上する
とともに、その信頼性も高まるため、デバイス作成プロ
セスにおける生産性向上並びにコスト低減に寄与すると
いう効果を有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 渡 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 太田 泰光 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 石坂 和紀 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 立川 昭義 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4G077 AB01 BA04 CF10 EJ02 FE11 GA01 HA12

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法又は磁場印加チョク
   ラルスキー法により育成したシリコン単結晶から得たシ
   リコン半導体基板であって、基板厚み中心から表面に向
   かって結晶欠陥が減少する密度分布を有し、基板表面に
   おける直径換算で０．１μｍ以上の結晶欠陥の面密度が
   １個／ｃｍ²以下で、少なくとも基板表面から深さ１μ
   ｍまでの領域において直径換算で０．１μｍ以上の欠陥
   密度が１０⁵個／ｃｍ³以下であり、かつ基板厚み中心に
   おける直径換算で０．１μｍ以上の欠陥密度が１０⁸個
   ／ｃｍ³以上であり、さらに基板厚み中心における窒素
   含有量を［Ｎ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、酸素含有量を
   ［Ｏ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）としたとき、６×１０¹⁷
   ≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸であり、かつ６×１０¹⁷≦
   ［Ｏ］≦１×１０¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦２×１０¹⁶ １×１０¹⁸≦［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸のとき、 １×１０¹³≦［Ｎ］≦１×１０¹⁵ であることを特徴とするシリコン半導体基板。
2. 【請求項２】 チョクラルスキー法又は磁場印加チョク
   ラルスキー法により育成したシリコン単結晶から得たシ
   リコン半導体基板であって、基板厚み中心から表面に向
   かって結晶欠陥が減少する密度分布を有し、基板表面に
   おける直径換算で０．１μｍ以上の結晶欠陥の面密度が
   １個／ｃｍ²以下で、少なくとも基板表面から深さ１μ
   ｍまでの領域において直径換算で０．１μｍ以上の欠陥
   密度が１０⁵個／ｃｍ³以下であり、かつ基板厚み中心に
   おける直径換算で０．１μｍ以上の欠陥密度が１０⁸個
   ／ｃｍ³以上であり、さらに基板厚み中心における酸素
   含有量［Ｏ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）が６×１０¹⁷≦
   ［Ｏ］≦１．２×１０¹⁸あり、かつ、該基板を２次イオ
   ン質量分析法で窒素含有量を分析したときに、基板厚み
   中心において窒素含有量が２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ
   ³以下であり、かつ平均信号強度の２倍以上の信号強度
   を示す窒素偏析による局所濃化部を有することを特徴と
   するシリコン半導体基板。