JP2002064102A

JP2002064102A - シリコン単結晶基板並びにエピタキシャルシリコンウエハおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2002064102A
Application number: JP2000246500A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kitahara; 功一北原; Katsuhiko Nakai; 克彦中居; Yasumitsu Ota; 泰光太田; Masahiro Tanaka; 正博田中; Wataru Ohashi; 渡大橋
Original assignee: Wacker NSCE Corp
Current assignee: Siltronic Japan Corp
Priority date: 2000-08-15
Filing date: 2000-08-15
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】エピタキシャル層に欠陥が発生せず、酸化膜
絶縁耐性、ゲッタリング特性を備えたエピタキシャルウ
エハ用シリコン単結晶基板並びにエピタキシャルウエハ
およびその製造方法を提供する。【解決手段】５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×
１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素原子と１．８×１
０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のボロン原子を含有してな
る、チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結
晶基板、並びに該シリコン単結晶基板上にエピタキシャ
ル成長させたエピタキシャルウエハおよびその製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
用いられるエピタキシャルウエハ用シリコン単結晶基板
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン半導体の集積回路素子の高密度
化が近年急速に進行しており、半導体素子を形成するシ
リコンウエハに対する品質の向上が強く要望されてい
る。集積回路素子が高密度化するほど回路は微細なもの
となるため、ウエハ上の素子が形成されるいわゆるデバ
イス活性領域においては、リーク電流の増大やキャリア
のライフタイム短縮の原因となる転位などの積層欠陥お
よびドーパント以外の金属系元素の不純物の混入、すな
わち金属汚染は極力避けなければならない。金属汚染に
よるデバイスの特性劣化を防ぐ方法として、シリコンウ
エハ内部または裏面にゲッタリングサイトを設け、その
ゲッタリングサイトに金属を集める手法が知られてい
る。ゲッタリングの方法は、熱処理によりシリコンウエ
ハの内部へ酸素析出物や転位などを導入し、その結晶欠
陥を利用して金属汚染元素をゲッタリングする方法（Ｉ
Ｇ：ＩｎｔｅｒｎａｌＧｅｔｔｅｒｉｎｇ）と、シリ
コンウエハの裏面にポリシリコン等の不完全結晶膜を形
成したり、裏面にイオン注入、サンドブラストなどによ
り欠陥を導入し、その欠陥を利用して金属汚染元素をゲ
ッタリングする方法（ＥＧ：ＥｘｔｅｒｎａｌＧｅｔ
ｔｅｒｉｎｇ）が、一般的である。また、ウエハ基板と
なるシリコンスライス上に結晶欠陥をほとんど含まない
Ｓｉのエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウ
エハが開発され、高集積度のデバイスに多く用いられる
ようになった。

【０００３】ところが、デバイスの微細化に伴い、ウエ
ハ形成に高エネルギーイオン注入法が採用され、デバイ
スの製造におけるプロセス温度が１０００℃以下である
低温化プロセスやＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓ）が用いられるようになると、重金属
元素が裏面のゲッタリングサイトにまで十分に拡散でき
なくなり、ＥＧではゲッタリング能力が不足するという
問題が生じてきた。この問題に対応するためには、ゲッ
タリングサイトがデバイス活性領域に近いＩＧが有効で
ある。

【０００４】しかしながら、エピタキシャル層を成長さ
せたエピタキシャルウエハは、その製造工程において、
１０５０〜１２００℃もの高温となるため基板の酸素析
出核が消滅し、その後のデバイスプロセスにおいても有
効なゲッタリングサイトが得られず、ゲッタリング不足
によるデバイスの電気特性不良を引き起こすことが分か
っている。これを回避する方法として、エピタキシャル
層堆積（エピ堆積）前に酸素析出物の析出核形成熱処理
を施すことや、あらかじめＩＧ処理をしておくことが知
られている。しかしながら、このような方法はコストが
かかるのと同時に、高温の熱処理を必要とするため、金
属汚染にさらされる可能性がある。そのため、特殊な熱
処理を行なわずとも、引き上げたままで酸素析出物を有
するエピタキシャル用シリコン単結晶基板が最も有効で
あると考えられる。

【０００５】その技術として、特開平１１−１８９４９
３号公報には、窒素原子を１×１０ ¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³以上ドープして育成することにより、酸化誘起積層欠
陥（ＯＳＦ：ＯｘｉｄａｔｉｏｎＳｔａｃｋｉｎｇ
Ｆａｕｌｔ、以後ＯＳＦと呼ぶ）を単結晶全体に均一に
分散させ、この単結晶より得たスライス片を基板として
表面にエピ堆積することで特別な熱処理などの工程を経
ずともゲッタリング特性に優れたウエハが得られる技術
が開示されている。しかしながら、この提案を追試した
ところ、窒素原子をドープさせることによりゲッタリン
グ能力に優れるＯＳＦ領域は広がるが、エピ堆積後、Ｏ
ＳＦ領域でエピタキシャル層（エピ層）への転位が発生
することが分かり、このままではデバイスの電気特性に
重大な悪影響を与えてしまうことが明らかとなった。す
なわち、特開平１１−１８９４９３号に記載されたエピ
タキシャルウエハには、重金属のゲッタリング能力はあ
るものの、基板上にエピ層への転位欠陥を発生させる領
域も存在してしまう問題点、つまりエピ層に生成する転
位等についての考察がなされていない問題点があった。

【０００６】このように、従来のエピタキシャルウエハ
用シリコン単結晶基板では、デバイスプロセス中のゲッ
タリング能力不足が顕在化してきており、これを改善す
る目的で窒素を添加させＯＳＦが発生する基板を用いた
場合、ゲッタリング能力は向上するもののＯＳＦの発生
核に起因としたと思われるエピ層の健全性を阻害する他
の難点が派生するという問題点を有していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑み、窒素原子がドープされゲッタリング能力に優れ
るエピタキシャルシリコンウエハにおいて、ゲッタリン
グ能力のみならず、各種デバイス特性に優れた、具体的
には、エピ層への転位欠陥が抑制され、酸化膜絶縁耐性
に優れたエピタキシャルウエハを提供することを目的と
する。

【０００８】また本発明は、上記特徴を有するエピタキ
シャルウエハ用シリコン単結晶基板を提供することを目
的とする。

【０００９】また本発明は、上記特徴を有するエピタキ
シャルウエハの製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らは窒素原子等を添加したシリコン融液か
ら様々な引き上げ条件にてシリコン単結晶を作製し、そ
の結晶から切り出されたシリコン単結晶基板にエピ層を
堆積した。そして、そのエピ層に発生する結晶欠陥を調
査した。また、同時にエピ堆積前の基板の評価も行っ
た。その結果、エピ層の転位欠陥の問題は、窒素原子濃
度と単結晶引上条件が大きく影響していることを見いだ
した。また、この転位欠陥は、ＯＳＦが発生する領域の
みに発生することを見いだした。さらに、窒素原子に加
えてボロン原子の添加、およびシリコン単結晶の引上条
件の最適化により、ゲッタリング特性を確保する析出物
密度が従来の窒素原子濃度よりも拡大すると共にエピ層
への転位発生がない窒素原子濃度領域を規定することが
でき、エピ層の健全性を維持したエピタキシャルウエハ
用シリコン単結晶基板が得られることを見出した。本発
明は、これらの調査結果について鋭意検討を加え完成さ
れたものである。

【００１１】すなわち、本発明は、（１）５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素原子と１．８×１０¹⁸ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以上のボロン原子を含有してなる、チョ
クラルスキー法により製造された窒素原子含有シリコン
単結晶基板である。

【００１２】（２）前記シリコン単結晶基板をウエット
酸化処理をした場合に、酸化誘起積層欠陥が発生しない
または部分的に発生することを特徴とする前記記載のシ
リコン単結晶基板である。

【００１３】（３）前記（１）または（２）記載のシリ
コン単結晶基板の表面にエピタキシャル法によりシリコ
ン単結晶層を堆積してなるエピタキシャルシリコンウエ
ハ、ただし、該エピタキシャルシリコンウエハの全表面
にライトエッチングを施した後に観察される転位（楕円
ピット）欠陥が前記シリコン単結晶層中で０．５個／ｃ
ｍ²以下である。

【００１４】（４）窒素原子を７×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³以上１．５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含有す
るシリコン融液を用いて、チョクラルスキー法により、
下記式（Ａ）：

【００１５】

【数４】

【００１６】（式中、Ｖは引上速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、
Ｇはシリコン融点〜１３５０℃までの結晶成長軸方向の
平均温度勾配（℃／ｍｍ）である。）を満たす条件で、
５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下の窒素原子と１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上のボロン原子を含有するシリコン単結晶を
成長させ、前記シリコン単結晶を切り出してなるシリコ
ン単結晶基板の表面に、エピタキシャル法によりシリコ
ン単結晶層を堆積させるエピタキシャルシリコンウエハ
の製造方法である。

【００１７】（５）前記Ｖ／Ｇが、下記式（Ｂ）：

【００１８】

【数５】

【００１９】または、下記式（Ｃ）：

【００２０】

【数６】

【００２１】（式中、Ｖは引上速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、
Ｇはシリコン融点〜１３５０℃までの結晶成長軸方向の
平均温度勾配（℃／ｍｍ）である。）であることを特徴
とするエピタキシャルシリコンウエハの製造方法、ただ
し、前記シリコン単結晶基板は、ウエット酸化処理をし
た場合に、酸化誘起積層欠陥が発生しないまたは部分的
に発生し、該酸化誘起積層欠陥の発生しない領域が少な
くともウエハの半径で１０％以上である。

【００２２】

【発明の実施の形態】窒素原子を添加したＣＺシリコン
結晶には、図１に示すような３種類の欠陥領域（ボイド
領域、ＯＳＦ領域、Ｉ領域）が存在する。これらの欠陥
領域の境界は、Ｖ／Ｇ（引上速度／平均温度勾配）と窒
素原子濃度、ボロン原子濃度から一義的に決定できる。
ボイド領域では、結晶育成中に過剰の原子空孔が多く導
入されるため、それらの原子空孔が凝集してできたボイ
ド欠陥が存在する。ＯＳＦ領域は、ＯＳＦの核となる欠
陥が存在し、シリコン単結晶ウエハをウエット酸化熱処
理したときにＯＳＦが発生する領域である。Ｉ領域と
は、結晶育成中に過剰のシリコン格子間原子が多く導入
される領域である。Ｖ／Ｇが大きくなるとボイド領域が
ウエハ全面に渡って広がり、Ｖ／Ｇが小さくなるとボイ
ド領域がウエハ中心に収縮し、Ｉ領域がウエハ全面に広
がるようになる。ＯＳＦ領域は、ボイド領域とＩ領域の
間に位置する。さらにボロン原子濃度を増加させるにつ
れて、２つの境界領域はＶ／Ｇが増大する方向へ移動す
る。そのため、一般にはボロン原子濃度が増大すると、
ＯＳＦ領域がウエハ中心に収縮し、エッジからＩ領域が
広がっていく。

【００２３】以下、窒素原子添加したＣＺシリコン結晶
から切り出したシリコン単結晶ウエハにエピ層を堆積し
た場合に、エピ層に形成される２種類の欠陥について詳
細に説明する。

【００２４】１つ目は、窒素原子を１×１０¹³ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以上、ボロン原子を１．８×１０¹⁸ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³未満含むシリコン単結晶ウエハにエピ堆積し
て得たエピタキシャルウエハに生じる、ボイド領域とＯ
ＳＦ領域の境界にリング状に分布する積層欠陥である。
このリング状分布積層欠陥は、シリコン単結晶ウエハと
エピ層の界面からエピ層表面へ伸びる｛１１１｝面上の
格子間原子型積層欠陥であり、（１００）ウエハにエピ
堆積を行った場合、エピ層厚をＴ（μｍ）としたとき
に、辺長がほぼ、

【００２５】

【数７】

【００２６】となる正三角形の構造を取る。このリング
状分布積層欠陥は、表面異物計で見たときに、ウエハ上
の異物と同じような散乱像として見えることから、エピ
堆積後のウエハを表面異物計で測ることにより、その個
数を評価することができる。この欠陥の発現領域は、エ
ピ堆積前のシリコン単結晶ウエハにおけるＯＳＦ領域と
ボイド領域の境界である。

【００２７】２つ目は、窒素原子濃度が１×１０¹⁵ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³を超える場合に、ＯＳＦ領域上のエピ層
に生じる転位欠陥である。このエピ層転位転写欠陥は、
エピ層界面からエピ層表面へ伸びる転位である。このエ
ピ層転位転写欠陥は、エピ堆積後のウエハ表面をライト
エッチやセコエッチ等の選択エッチングを行うことでで
きるピットを光学顕微鏡にて観察し、その数を数えるこ
とによって、その個数を評価することができる。なお、
その際、選択エッチングのエッチング量（μｍ）は、エ
ピ層膜厚Ｔ（μｍ）より少なくする。

【００２８】本発明においては、ボロン原子を窒素原子
と共に高濃度にドープさせたシリコン単結晶基板を用い
ることで、該シリコン単結晶基板上にエピ堆積して得ら
れるエピタキシャルウエハにおいて転位欠陥が発生しな
い窒素濃度範囲が拡大する。エピ堆積は、その高速昇温
プロセスが特徴であり、酸素析出核の消滅を防ぐこと、
およびエピタキシャル成長後に該析出核を残存させるた
めのボロン原子濃度および窒素原子濃度の条件が重要と
なる。

【００２９】本願の第１の発明は、５×１０¹²ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素
原子と１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のボロン
原子を含有してなる、チョクラルスキー法（ＣＺ法）に
より製造された窒素原子含有シリコン単結晶基板であ
る。このような条件を満たすシリコン単結晶基板を用い
ることによりエピ層への転位が抑制され、各種デバイス
特性にすぐれたエピタキシャルウエハを得ることができ
る。

【００３０】ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶基
板に窒素原子を含有させることにより、エピ堆積時の高
速昇温プロセスによっても消失しない安定な酸素析出核
を形成させることができる。窒素原子濃度が５×１０¹²
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満の場合、エピ堆積後の酸素析出
物密度が１×１０⁸個／ｃｍ³未満となり窒素原子添加に
よる析出物形成の効果が小さくなり、ゲッタリング能力
が不足してしまうため好ましくない。逆に窒素原子濃度
が１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³より高くなるとエピ層
への転位欠陥が発生するため好ましくない。従って、窒
素原子濃度は、５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×
１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることが好ましい。

【００３１】また、ボロン原子濃度が１．８×１０¹⁸ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³未満では、図１に示すボイド領域とＯ
ＳＦ領域の境界にエピ層成長後、ウエハ面内にリング状
に分布した積層欠陥が発生する問題があるため好ましく
ない。従って、ボロン原子濃度は１．８×１０¹⁸ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以上であることが好ましい。ボロン原子濃
度の上限は、特に制限されるものではないが現実的なエ
ピ基板として考えると１．６×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³が実際的である。

【００３２】従来の技術（特開平１１−１８９４９３号
公報）においては、窒素原子濃度範囲の下限は１×１０
¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であったが、本発明ではボロン原
子濃度を上記範囲で添加することで、窒素原子濃度範囲
の下限を５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³まで低下させる
ことができる。また、転位欠陥発生に関しても、従来は
窒素原子濃度が５×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のと
き発生していたが、本発明では窒素原子濃度１×１０¹⁵
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³まで転位欠陥が発生しない範囲を拡
大することができる。

【００３３】なお、ボロン原子を加えることの他の効果
としては、Ｉ領域に形成される直径１μｍ以上の転位ク
ラスターを無くす効果がある。この効果はボロン原子を
１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上加えたとき生じ
るものである。

【００３４】以下、ボロン原子および窒素原子添加によ
る酸素析出物密度（ＯＳＦ密度）の評価は、エピ堆積後
に窒素原子雰囲気において、８００℃で４時間および１
０００℃で１６時間の析出熱処理を施した後に赤外干渉
法（装置名：ＢＭＤアナライザー）により評価した結果
である。また、窒素原子濃度、ボロン原子濃度は二次イ
オン質量分析装置（ＳＩＭＳ）により測定することがで
きる。

【００３５】また、本発明のシリコン単結晶基板は、ウ
エット酸化処理をした場合にＯＳＦが発生しないまたは
部分的に発生することが好ましい。本発明においてウエ
ット酸化処理とは、水蒸気雰囲気によりシリコンを酸化
させることをいい、縦型炉にて酸素：水素の体積混合比
を１：１にし、１１００℃で１時間処理する方法を用い
ることができる。

【００３６】また、本発明のシリコン単結晶基板は、Ｏ
ＳＦの発生しない領域が少なくともウエハの半径で１０
％以上であることが好ましい。なお、前記ウエハの半径
とは、ウエット酸化処理後、基板のライトエッチングを
行い、欠陥分布を顕在化させ、光学顕微鏡によりウエハ
半径（ｃｍ）を１００とし、Ｖ領域の幅、ＯＳＦ領域の
幅、Ｉ領域の幅をそれぞれ１００分率で示したものであ
る。ウエットエッチングの方法としては前記の方法を用
いることができる。本発明においてライトエッチングと
はライト液を用いて欠陥を選択的にエッチングする方法
をいい、ライト液（液中の体積混合比が、ＨＦ：ＨＮＯ
₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ：Ｈ₂Ｏ＝２５：１３：２５：３７）
に、ＣｒＯ₃、Ｃｕ（ＮＯ₃）₂を添加剤として加えたも
のを用いて、３分間エッチング（約３μｍエッチング）
を施す方法を用いることができる。

【００３７】本願の第２の発明は、前記記載のシリコン
単結晶基板の表面にエピタキシャル法によりシリコン単
結晶層を堆積してなるエピタキシャルシリコンウエハで
ある。なお、該エピタキシャルシリコンウエハの全表面
にライトエッチングを施した後に観察される転位（楕円
ピット）欠陥が前記シリコン単結晶層中で０．５個／ｃ
ｍ²以下であることが好ましい。

【００３８】エピタキシャル層堆積方法については特に
規定はしないが、市販されているジクロルシラン、トリ
クロルシランを原料ガスとする枚葉エピタキシャル層堆
積装置、バッチ式エピタキシャル層堆積装置を使った方
法で、エピ堆積後の輝点の原因となるようなシリコン単
結晶ウエハ上の異物がエピ堆積前の洗浄で十分排除され
ているようなプロセスであればいずれも使用できる。ラ
イトエッチングは前記の方法を用いることができる。

【００３９】転位欠陥が０．５個／ｃｍ²超存在した場
合、例えば電極面積２０ｍｍ²のデバイスにおいて、こ
れらの欠陥によって破壊が引き起こされる確率が１０％
を越える。このため、転位欠陥が０．５個／ｃｍ²以下
であることが好ましい。これらの欠陥が多数存在する場
合、ＴＤＤＢ（ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅＤｉ
ｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）特性などの電
気特性が劣化するため、転位欠陥を多数内在するウエハ
は、高品質デバイス用のシリコン半導体基板として使用
することができない。また、転位欠陥は少なければ少な
いほど好ましく、下限値は特に規定されるものではな
い。

【００４０】エピ層厚については特に規定しないが、ボ
ロン原子濃度が高いため、ボロン原子濃度の遷移領域と
基板表面に存在するＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇ
ｉｎａｔｅｄＰｉｔ）の消滅を考慮すると２μｍ以上
が望ましい。

【００４１】なお、本発明のエピタキシャルウエハにお
いては、ボロン原子濃度が高いことから、ボロン原子と
のペアリング効果によるＦｅやＣｒ、Ｍｎ等のゲッタリ
ングも期待できる。

【００４２】続いて、本願の第３の発明であるエピタキ
シャルウエハの製造方法について説明する。第３の発明
は、窒素原子を７×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．
５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含有するシリコン融
液を用いて、チョクラルスキー法により、下記式
（Ａ）：

【００４３】

【数８】

【００４４】（式中、Ｖは引上速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、
Ｇはシリコン融点〜１３５０℃までの結晶成長軸方向の
平均温度勾配（℃／ｍｍ）である。）を満たす条件で、
５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下の窒素原子と１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上のボロン原子を含有するシリコン単結晶を
成長させ、前記シリコン単結晶を切り出してなるシリコ
ン単結晶基板の表面に、エピタキシャル法によりシリコ
ン単結晶層を堆積させる、エピタキシャルシリコンウエ
ハの製造方法である。

【００４５】Ｖ／Ｇが０．１０未満では生産性の点で好
ましくなく、またＶ／Ｇが０．３２を超えると、引き上
げ速度、結晶冷却速度の観点から現実的でない。

【００４６】窒素原子を７×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
以上１．５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含有するシ
リコン融液を用いて、チョクラルスキー法により、上記
Ｖ／Ｇの範囲で製造することにより、５×１０¹²ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒
素原子と１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のボロ
ン原子を含有する、第１の発明の特徴を有するシリコン
単結晶を得ることができる。窒素原子を５×１０¹²ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以上含むシリコン単結晶を育成するため
には、偏析の関係から、シリコン融液中に約７×１０¹⁵
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の窒素原子を添加することが好
ましい。シリコン融液中に窒素原子が１．５×１０¹⁹ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³より多く添加された場合、窒素原子濃
度が高くなって多結晶化が起こりやすくなり、実用には
不適当となるため、シリコン融液中の窒素原子濃度は、
１．５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることが好
ましい。また、ボロンをシリコン単結晶基板にドープさ
せる方法としては、シリコンの多結晶を金属ボロンと共
に添加する一般的な方法を用いることができる。

【００４７】このシリコン単結晶に含まれる窒素原子と
ボロン原子の効果により、その上にエピタキシャル成長
されたエピタキシャルウエハは、前記析出処理後の評価
で１×１０⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度以上の十分な酸素析
出物密度を有する、すなわち十分なゲッタリング能力を
有するものとなる。

【００４８】また、窒素原子濃度１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以下の条件下では、より確実にウエハ面内にＯ
ＳＦが部分的に発生または発生させないためには、ウエ
ハ面内の中心とエッジでのＶ／Ｇの差がおおよそ０．１
０〜０．１２ｍｍ²／℃ｍｉｎであることを勘案し、Ｖ
／Ｇを０．１０〜０．２２ｍｍ²／℃ｍｉｎ、またはＶ
／Ｇを０．２０〜０．３２ｍｍ²／℃ｍｉｎに限定する
ことが好ましい。

【００４９】次に、このようにして得たシリコン単結晶
からシリコン単結晶基板を切り出し、このシリコン単結
晶基板の表面にエピタキシャル法によりシリコン単結晶
層を堆積させる。

【００５０】上述した本発明のシリコン半導体基板の製
造方法は、従来のシリコン単結晶引上炉やエピタキシャ
ル層堆積装置の改造をすることなく、従来の装置を用い
て品質の優れたシリコン半導体基板を製造することがで
きるため、経済的にも工業的にもその効果は大きい。

【００５１】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明を説明する
が、これらは単なる例示に過ぎず、本発明はこれらの実
施例の記載によって制限されるものではない。

【００５２】（実施例１）本実施例に用いられるシリコ
ン単結晶製造装置は、通常のＣＺ法によるシリコン単結
晶製造に用いられるものであれば、特に制限されるもの
ではない。この装置を利用して育成されたシリコン単結
晶は、伝導型：Ｐ型（ボロン原子ドープ）、結晶径：８
インチ（２００ｍｍ）、基板ボロン原子濃度を１．６×
１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１．１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³、８．５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³及び１．８
×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の４水準とし、窒素原子濃
度は、融液中の窒素原子添加量を制御して、インゴット
のトップ部から５０ｍｍの位置で２×１０¹²ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³（ボトム部はおおよそ５×１０¹³ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³）、トップ部で３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ボ
トム部では１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、トップ部
で２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ボトム部は５×１０
¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）となる、３本の結晶を作製し、
５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１×１０¹³ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³、１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１×１０¹⁵ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³の４水準を切り出し、合計１６水準に
ついて以下の評価を行った。シリコン融液中の窒素原子
濃度は、投入した窒素原子の総量とシリコン融液の量か
ら算出した。引上速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）、融点から１
３５０℃までの結晶成長軸方向の平均温度勾配Ｇ（℃／
ｍｍ）としたときのＶ／Ｇを変化させるため、結晶成長
速度を２種類変更し、ウエハの中心からエッジまでのＧ
の変化から０．１０≦Ｖ／Ｇ≦０．２２と０．２０≦Ｖ
／Ｇ≦０．３２でシリコン単結晶を育成した。これは、
ウエハの中心とエッジで、同じ引き上げ速度でも冷却速
度が変化するためであり、そのため、Ｖ／Ｇの差は０．
１〜０．１２ｍｍ ²／℃ｍｉｎであることが分かってい
る。この結晶から切り出して作成したシリコン単結晶ウ
エハに、エピタキシャル法により５μｍのシリコン単結
晶層（エピ層）を堆積して、エピタキシャルウエハを作
成した。

【００５３】窒素原子濃度は、エピ堆積後のエピタキシ
ャルウエハからサンプルを採取し、表面のエピ層を除去
するために２０μｍのポリッシュを行った後、二次イオ
ン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。またボ
ロン原子濃度もＳＩＭＳを用いて測定した。

【００５４】まず、これらの基板に１１００℃１時間の
ウエット酸化を施し、Ｘ線トポグラフ、ライトエッチン
グおよび光学顕微鏡によって、Ｖ領域、ＯＳＦ領域、Ｉ
領域のどの領域であるかについて評価した。

【００５５】エピ層のリング状分布積層欠陥は、エピタ
キシャルウエハをそのままＴｅｎｃｏｒ社製表面異物計
ＳＰ１を用いて調査した。測定条件は０．１μｍ以上の
異物を評価するモードを用い、異物の個数と分布を調査
した。

【００５６】エピ堆積後の酸素析出挙動を評価するため
に、エピタキシャルウエハに対して表１に示す４段のデ
バイスプロセスを模した熱処理を施し、エピタキシャル
層表面から１００μｍの深さの酸素析出物を赤外干渉法
で測定した。市販されている赤外干渉法による欠陥評価
装置として、ＨＹＴ社のＯＰＰ（ＯｐｔｉｃａｌＰｒ
ｅｃｉｐｉｔａｔｅＰｒｏｆｉｌｅｒ）を用いた。

【００５７】また、エピ堆積後のゲッタリング挙動を評
価するため、表１に示す４段のデバイスプロセスを模し
た熱処理を施した後に、スピンコート法にてＮｉをウエ
ハ表面に１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²塗布し、ＭＯＳ
ダイオードを作成した。ゲート酸化の条件は１０００
℃、３０分、ドライ酸素で、酸化膜厚は３０ｎｍとし
た。その後、ＭＯＳＣ-ｔ法とゼルブスト解析による
発生ライフタイム評価を行った。

【００５８】ＴＤＤＢを評価するため、電極面積２０ｍ
ｍ²のポリシリコンＭＯＳをエピタキシャルウエハ上に
作成した。酸化膜厚は２５ｎｍとした。連続ストレス電
流密度を−５ｍＡ／ｃｍ²とし、破壊判定電界を１０Ｍ
Ｖ／ｃｍとした時のＱ_BD（酸化膜がブレークダウンする
までに酸化膜を通過した単位面積当たりの電荷の総量）
が１０Ｃ／ｃｍ²以上であるような歩留りを調査した。

【００５９】

【表１】

【００６０】評価結果を表２および表３に示す。リング
状分布積層欠陥は、どの窒素原子濃度においても見られ
ないことがわかった。また、ライトエッチング３μｍお
よび光学顕微鏡観察において、エピ層の転位転写欠陥は
確認されなかった。ＯＳＦ領域以外のウエハ半径での割
合をＸ線トポグラフおよびライトエッチング、光学顕微
鏡により評価した結果、どのウエハにおいてもＯＳＦ領
域のみとなることはなく、ウエハ半径で１０％以上のＯ
ＳＦ領域以外の領域があった。ＯＳＦ領域以外の割合は
２６％以上となった。さらに、基板窒素原子濃度が５×
１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上で赤外干渉法による評価
において、熱処理後の析出物密度が１×１０⁸個／ｃｍ³
以上となり、ライフタイムが１０ｍｓｅｃ以上とゲッタ
リング特性に優れていた。また、ＴＤＤＢ評価による歩
留まりは９０％以上であり、この範囲でのエピ層の品質
は高いものであることが分かった。

【００６１】

【表２】

【００６２】

【表３】

【００６３】（比較例１）実施例の結晶引き上げによ
り、窒素原子が２×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、４×１
０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³、５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のウエハも同時に採
取できるため、これを用いて同様な評価を実施した。ま
た、ボロン原子濃度が１．３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³で、窒素原子濃度がインゴットのトップ部から５０ｍ
ｍの位置でそれぞれ２×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³およ
び３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³が得られるように融液
中に窒素原子量を添加した比較結晶を作成し、窒素原子
濃度で、２×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、５×１０¹²ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³、１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１×
１０¹ ⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の部位のウエハを比較のため
切り出した。その結果を表４および表５に示す。その結
果、リング状分布積層欠陥についてはボロン原子濃度が
高いものは見られなかったが、１．３×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³で引き上げた結晶については、リング状分布
が見られた。これらの基板に１１００℃１時間のウエッ
ト酸化を施し、Ｘ線トポグラフおよびライトエッチング
３μｍと光学顕微鏡によってボイド領域、ＯＳＦ領域、
Ｉ領域の評価を行った。エピ層の転位転写欠陥はライト
エッチングと光学顕微鏡観察において、２×１０¹⁵ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³および５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の試
料のＯＳＦ領域に転位ピットとして確認できた。このよ
うなウエハでは析出量やゲッタリング特性には問題ない
が、ＴＤＤＢ評価では不良が多発してしまう結果となっ
た。また、ボロン原子濃度が１．３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³で、酸素析出物密度が１×１０⁸ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³を越える窒素原子濃度は１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上となり、ボロン原子濃度が大きい程析出物密度
が増大する傾向を示した。

【００６４】

【表４】

【００６５】

【表５】

【００６６】

【発明の効果】本発明のシリコン単結晶ウエハは、所定
量の窒素原子に加えて、ボロン原子を所定量含む構成と
したため、該シリコン単結晶ウエハ上にエピタキシャル
層を成長させた際には、十分なゲッタリング能力を有
し、エピタキシャル層に生じる転位欠陥を抑制でき、さ
らに酸化膜絶縁耐性等、各種デバイス特性に優れた、高
集積度の高い信頼性を要求される半導体素子を製造する
のに最適なエピタキシャルウエハを得ることができる。

【００６７】また、本発明のシリコン半導体基板の製造
方法は、従来のシリコン単結晶引上炉やエピタキシャル
層堆積装置の改造をすることなく、品質の優れたシリコ
ン半導体基板を製造することができるため、経済的にも
工業的にもその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒素原子添加シリコン単結晶ウエハの欠陥領
域分布図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者田中正博千葉県富津市新富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Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 AB01 BA04 CF10 DB01 EB01 ED06 EH09 5F053 AA12 AA33 DD01 FF04 GG01 KK03 KK10 RR03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×
１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素原子と１．８×１
０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のボロン原子を含有してな
る、チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結
晶基板。
【請求項２】前記シリコン単結晶基板をウエット酸化
処理をした場合に、酸化誘起積層欠陥が発生しないまた
は部分的に発生することを特徴とする請求項１記載のシ
リコン単結晶基板。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のシリコン
単結晶基板の表面にエピタキシャル法によりシリコン単
結晶層を堆積してなるエピタキシャルシリコンウエハ、
ただし、該エピタキシャルシリコンウエハの全表面にラ
イトエッチングを施した後に観察される転位欠陥および
リング状分布積層欠陥がそれぞれ前記シリコン単結晶層
中で０．５個／ｃｍ²以下であることを特徴とする。
【請求項４】窒素原子を７×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³以上１．５×１０¹ ⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含有するシ
リコン融液を用いて、チョクラルスキー法により、下記
式（Ａ）：【数１】（式中、Ｖは引上速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、Ｇはシリコン
融点〜１３５０℃までの結晶成長軸方向の平均温度勾配
（℃／ｍｍ）である。）を満たす条件で、５×１０¹²ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下
の窒素原子と１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の
ボロン原子を含有するシリコン単結晶を成長させ、前記
シリコン単結晶を切り出してなるシリコン単結晶基板の
表面に、エピタキシャル法によりシリコン単結晶層を堆
積させるエピタキシャルシリコンウエハの製造方法。
【請求項５】前記Ｖ／Ｇが、下記式（Ｂ）：【数２】または、下記式（Ｃ）：【数３】（式中、Ｖは引上速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、Ｇはシリコン
融点〜１３５０℃までの結晶成長軸方向の平均温度勾配
（℃／ｍｍ）である。）であることを特徴とするエピタ
キシャルシリコンウエハの製造方法、ただし、前記シリ
コン単結晶基板は、ウエット酸化処理をした場合に、酸
化誘起積層欠陥が発生しないまたは部分的に発生し、該
酸化誘起積層欠陥の発生しない領域が少なくともウエハ
の半径で１０％以上であることを特徴とする。