JP2002076007A - エピタキシャルウェーハの製造方法及びその方法により製造されたエピタキシャルウェーハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デバイス作製工程においてエピタキシャルウ
ェーハが汚染金属のイントリンシックゲッタリング能力
を有する。 【解決手段】 先ず窒素をドープしたシリコン単結晶棒
１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、シリコン単結
晶棒及びシリコン融液１３の固液界面からこの界面の上
方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒内の引上げ方
向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｖ
／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分・℃となるよ
うな引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）で引上げる。次にシリコ
ン単結晶棒の引上げ時であって１１３０℃から１０５０
℃までの温度範囲を１０〜３０分間で冷却し、かつ８５
０℃から６５０℃までの温度範囲を１２０〜２００分間
で冷却する。更にシリコン単結晶棒をスライスしてシリ
コンウェーハを作製した後に、シリコンウェーハの表面
にエピタキシャル層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法（以下、ＣＺ法という。）にて引上げられたシリコン
単結晶棒を用いてエピタキシャルウェーハを製造する方
法及びこの方法により製造されたエピタキシャルウェー
ハに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、ボロン濃度が低い、いわゆるｐ／
ｐ^-の構造を有するエピタキシャルウェーハは、比較的
高い温度のエピタキシャルプロセスを経ることにより、
バルク内の酸素析出核が消失するため、半導体デバイス
メーカーのデバイス作製工程で殆ど酸素析出物を生成し
ない。一方、デバイス作製工程において、一般的には微
量の金属汚染が発生するため、ウェーハが上記汚染金属
のゲッタリング能力を有することが望ましい。従って、
ウェーハにゲッタリング能力を付与するために、ウェー
ハ裏面に金属のゲッタリング能力を有するポリシリコン
を成膜したり、サンドブラストによりウェーハの裏面に
ダメージを付与する処理などが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のウ
ェーハ裏面へのポリシリコンの成膜やサンドブラストに
よるダメージの付与などの処理は、ウェーハの製造コス
トを押上げるとともに、ウェーハからの発塵量が増大し
たり、ウェーハが変形するおそれがあった。これらの点
を解消するために、従来、エピタキシャルプロセスを経
る前に熱処理を長時間施すことにより、十分な酸素析出
核を生成しておき、エピタキシャルプロセスという高温
プロセスでも酸素析出核が消失しない方法が行われてい
る。しかし、この方法でも製造コストが増大し、熱処理
時にウェーハが金属により汚染されるおそれがあった。

【０００４】本発明の目的は、シリコンウェーハ裏面へ
のポリシリコンの成膜やサンドブラスト処理を施さず、
デバイス作製工程において汚染金属のイントリンシック
ゲッタリング（以下、ＩＧという。）能力を有する、エ
ピタキシャルウェーハを製造する方法及びその方法によ
り製造されたエピタキシャルウェーハを提供することに
ある。本発明の別の目的は、エピタキシャルウェーハを
作製するためのシリコン単結晶棒の引上げ時間を短縮す
ることができ、またこのシリコン単結晶棒内の格子欠陥
である原子空孔の消失を抑制できるとともに、この原子
空孔を利用してシリコン単結晶棒内に多くの酸素析出核
を生成できる、エピタキシャルウェーハの製造方法を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、窒素をドープしたシリコン単結晶棒
１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、シリコン単結
晶棒１４及びシリコン融液１３の固液界面からこの界面
の上方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒１４内の
引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とする
とき、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分・℃
となるような引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）で引上げる工程
と、シリコン単結晶棒１４の引上げ時であって１１３０
℃から１０５０℃までの温度範囲を１０〜３０分間で冷
却しかつ８５０℃から６５０℃までの温度範囲を１２０
〜２００分間で冷却する工程と、シリコン単結晶棒１４
をスライスしてシリコンウェーハを作製した後にシリコ
ンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する工程と
を含むエピタキシャルウェーハの製造方法である。

【０００６】この請求項１に記載されたエピタキシャル
ウェーハの製造方法では、シリコン単結晶棒１４を比較
的高い引上げ速度で引上げることにより、原子空孔の濃
度を高めるとともに、シリコン単結晶棒１４の引上げ時
間を短縮することができる。また窒素をドープすること
により、シリコン単結晶棒１４内の原子空孔の固溶度を
高めて原子空孔の消失を抑制するとともに、この原子空
孔を利用してシリコン単結晶棒１４内に多くの酸素析出
核を生成する。上記シリコン単結晶棒１４にドープされ
た窒素濃度は５×１０¹²〜５×１０¹⁴ｃｍ^-3であること
が好ましい。請求項３に係る発明は、請求項１又は２記
載の方法により製造されたエピタキシャルウェーハであ
る。この請求項３に記載されたエピタキシャルウェーハ
はデバイス作製工程において汚染金属のＩＧ能力を有す
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、本発明のエピタ
キシャル層を形成するためのシリコンウェーハは、ＣＺ
法により引上げ機１１の石英るつぼ１２内のシリコン融
液１３からシリコン単結晶棒１４を後述する第１〜第３
の引上げ条件で引上げた後、このシリコン単結晶棒１４
をスライスして作製される。上記シリコン単結晶棒１４
には窒素がドープされる。このシリコン単結晶棒１４に
ドープされた窒素濃度は５×１０¹²〜５×１０¹⁴ｃ
ｍ^-3、好ましくは３×１０¹³〜３×１０¹⁴ｃｍ^-3であ
る。窒素濃度を５×１０¹²〜５×１０¹⁴ｃｍ^-3の範囲に
限定したのは、５×１０¹²ｃｍ^-3未満では原子空孔のシ
リコン単結晶棒１４内における固溶度が上昇せず、シリ
コン単結晶棒１４のその後の熱履歴により原子空孔が消
失し易くなるからであり、５×１０¹⁴ｃｍ^-3を越えると
窒素に関係するドナーの発生量が増え単結晶の抵抗率を
大きく変化させるからである。なお、シリコン単結晶棒
１４に窒素をドープする方法としては、窒化物が混合さ
れた多結晶シリコン又は窒化膜が形成された多結晶シリ
コンを石英るつぼ１２に投入して窒素を含むシリコン融
液１３からシリコン単結晶棒１４を引上げるか、或いは
シリコン単結晶棒１４を窒素ガスを含む不活性ガス雰囲
気中で引上げることにより行われる。また上記シリコン
単結晶棒１４には５×１０¹⁴〜５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³と濃度は低いけれども、ｐ／ｐ^-の構造を有するエ
ピタキシャルウェーハを得るためにボロンもドープされ
る。

【０００８】上記引上げ機１１のチャンバ２４上端には
円筒状のケーシング２５が接続され、このケーシング２
５には引上げ手段２６が設けられる（図１）。図１の符
号２６ａは石英るつぼ１２の回転中心に向って垂下され
たワイヤケーブルであり、このワイヤケーブル２６ａの
下端にはシリコン融液１３に浸してシリコン単結晶棒１
４を引上げるための種結晶２６ｂが取付けられる。また
石英るつぼ１２の外面は黒鉛サセプタ２７により被覆さ
れ、黒鉛サセプタ２７の下面は支軸２８の上端に固定さ
れ、この支軸２８の下部はるつぼ駆動手段２９に接続さ
れる。

【０００９】更にチャンバ２４にはこのチャンバ２４の
シリコン単結晶棒側に不活性ガスを供給しかつ上記不活
性ガスをチャンバ２４のるつぼ内周面側から排出するガ
ス給排手段３３が接続される。このガス給排手段３３は
一端がケーシング２５の周壁に接続され他端が上記不活
性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給
パイプ３４と、一端がチャンバ２４の下壁に接続され他
端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３
５とを有する。供給パイプ３４及び排出パイプ３５には
これらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第
１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられ
る。

【００１０】一方、上記第１の引上げ条件は、シリコン
単結晶棒１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、シリコン
単結晶棒１４及びシリコン融液１３の固液界面からこの
界面の上方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒１４
の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とす
るときに、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分
・℃、好ましくは０．３００〜０．３３０ｍｍ²／分・
℃となるように引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）を設定するこ
とである。Ｖ／Ｇを０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分
・℃の範囲に限定したのは、シリコン単結晶棒１４中に
原子空孔の優勢な領域を作るためである。

【００１１】上記第２の引上げ条件は、シリコン単結晶
棒１４の引上げ時であって１１３０℃から１０５０℃ま
での温度範囲を１０〜３０分間、好ましくは１５〜２５
分間で冷却することであり、第３の引上げ条件はシリコ
ン単結晶棒１４の引上げ時であって８５０℃から６５０
℃までの温度範囲を１２０〜２００分間、好ましくは１
３０〜１８０分間で冷却することである。１１３０℃か
ら１０５０℃までの温度範囲を１０〜３０分間に限定し
たのは、シリコン単結晶棒１４内の格子欠陥である原子
空孔の消失を抑制するためである。また８５０℃から６
５０℃までの温度範囲を１２０〜２００分間に限定した
のは、上記原子空孔を利用してシリコン単結晶棒１４内
に酸素析出核を生成するためである。

【００１２】上記第１〜第３の引上げ条件を満たすため
には、円筒部１７及び円錐部１８の壁内に円筒用断熱材
１７ｃ及び円錐用断熱材１８ｃがそれぞれ充填された熱
遮蔽部材１６を用いることが好ましい。この熱遮蔽部材
１６はシリコン単結晶棒１４の外周面と石英るつぼ１２
の内周面との間に設けられ、ヒータ２１からの輻射熱を
遮る円筒状の円筒部１７と、この円筒部１７の下端に連
設され下方に向うに従って直径が次第に小さくなる円錐
部１８と、上記円筒部１７をその上縁で支持するフラン
ジ部１９とを備える。円筒部１７は外管１７ａと、この
外管１７ａから所定の間隔をあけて内側にかつ外管１７
ａ同心上に設けられた内管１７ｂと、外管１７ａと内管
１７ｂとの間に充填された円筒用断熱材１７ｃとを有す
る。また円錐部１８は外側コーン１８ａと、この外側コ
ーン１８ａよりテーパ角が小さく形成されかつ外側コー
ン１８ａより内側にかつ外側コーン１８ａと同心上に設
けられた内側コーン１８ｂと、外側コーン１８ａと内側
コーン１８ｂとの間に充填された円錐用断熱材１８ｃと
を有する。上記熱遮蔽部材１６はフランジ部１９を保温
筒２２上にリング板２３を介して載置することにより、
円錐部１８の下縁がシリコン融液１３表面から所定の距
離だけ上方に位置するようにチャンバ２４内に固定され
る。

【００１３】上述のように引上げられたシリコン単結晶
棒１４をスライスしてシリコンウェーハを作製した後
に、このシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を
形成することにより、エピタキシャルウェーハが得られ
る。上記エピタキシャル層はその結晶性、量産性、装置
の簡便さ、種々のデバイス構造形成の容易さなどの観点
から、ＣＶＤ法により形成されることが好ましい。ＣＶ
Ｄ法によるシリコンのエピタキシャル成長は、例えばＳ
ｉＣｌ₄、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨ₄などの
シリコンを含む原料ガスをＨ₂ガスとともに反応炉内に
導入して、上記シリコンウェーハの表面に、原料ガスの
熱分解又は還元により生成されたシリコンを析出させる
ことで行われる。

【００１４】具体的には、図２に示すように、先ず研磨
したシリコンウェーハを６００〜８５０℃、好ましくは
７５０〜８００℃の範囲の所定温度で５〜１８０分間、
好ましくは１０〜６０分間保持し、このシリコンウェー
ハを１１００〜１１５０℃、好ましくは１１３０〜１１
５０℃の範囲の所定温度まで５〜２０℃／秒、好ましく
は１０〜２０℃／秒の速度で昇温した後にその所定温度
で水素前処理を行う。シリコンウェーハを６００〜８５
０℃の範囲の所定温度で５〜１８０分間保持したのは、
シリコン単結晶棒１４をスライスしてシリコンウェーハ
を作製した当初の状態で存在する酸素析出核を成長さ
せ、高温のエピタキシャル層形成時に消失する酸素析出
核を極力低減するとともに、エピタキシャル層形成後に
酸素析出核のサイズが大きくなることにより、熱的に安
定な酸素析出核を生成するためである。またシリコンウ
ェーハを１１００〜１１５０℃の範囲の所定温度まで５
〜２０℃／秒の速度で昇温したのは、スループット（単
位時間当りに処理できる数量）を少しでも稼ぐためであ
る。

【００１５】次にこのシリコンウェーハを１０５０〜１
１５０℃、好ましくは１１００〜１１４０℃の範囲の所
定温度で保持した状態でシリコンウェーハの表面にエピ
タキシャル層を形成し、このエピタキシャルウェーハを
６００〜８５０℃、好ましくは７５０〜８００℃の範囲
の所定温度まで５〜２０℃／秒、好ましくは１０〜２０
℃／秒の速度で降温してその所定温度で５〜１２０分
間、好ましくは１０〜６０分間保持する。更に上記エピ
タキシャルウェーハを熱処理炉から取出して常温まで自
然冷却する。エピタキシャル層を形成するときにシリコ
ンウェーハを１０５０〜１１５０℃の範囲の所定温度で
保持したのは、欠陥の少ないエピタキシャル層を形成す
るためである。またエピタキシャル層形成後にウェーハ
を６００〜８５０℃の範囲の所定温度まで５〜２０℃／
秒の速度で降温したのは少しでもスループットを稼ぐた
めである。更にウェーハを６００〜８５０℃の範囲の所
定温度で５〜１２０分間保持したのは、エピタキシャル
層形成時に消失しなかった酸素析出核を更に大きくし
て、熱的に安定な酸素析出核を生成するためである。

【００１６】このように製造されたエピタキシャルウェ
ーハでは、シリコン単結晶棒１４を比較的高い引上げ速
度で引上げることにより、原子空孔の濃度を高めるとと
もに、シリコン単結晶棒１４の引上げ時間を短縮するこ
とができる。またこのシリコン単結晶棒１４に窒素をド
ープすることにより、シリコン単結晶棒１４内に発生し
た原子空孔の固溶度を高めて原子空孔の消失を抑制する
とともに、この原子空孔を利用してシリコン単結晶棒１
４内に多くの酸素析出核を生成することができる。また
上記シリコン単結晶棒１４をスライスして作製されたシ
リコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する前
後に、上記熱処理を施すことにより、シリコンウェーハ
内の酸素析出核の熱的安定性を向上できるとともに、こ
の酸素析出核の生成に寄与する格子欠陥である原子空孔
を増やすことができる。この結果、上記エピタキシャル
ウェーハは従来のようにシリコンウェーハ裏面へのポリ
シリコンの成膜やサンドブラスト処理を施さなくても、
デバイス作製工程において汚染金属のＩＧ能力を有す
る。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｖ
／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分・℃となるよ
うな引上げ速度Ｖで引上げ、シリコン単結晶棒の引上げ
時であって１１３０℃から１０５０℃までの温度範囲を
１０〜３０分間で冷却しかつ８５０℃から６５０℃まで
の温度範囲を１２０〜２００分間で冷却し、更にシリコ
ン単結晶棒をスライスしてシリコンウェーハを作製した
後に、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形
成したので、原子空孔の濃度を高めるとともに、シリコ
ン単結晶棒の引上げ時間を短縮することができる。また
このシリコン単結晶棒に窒素をドープすることにより、
シリコン単結晶棒内に発生した原子空孔の固溶度を高め
て原子空孔の消失を抑制するとともに、この原子空孔を
利用してシリコン単結晶棒内に多くの酸素析出核を生成
することができる。この結果、上記方法により製造され
たエピタキシャルウェーハはデバイス作製工程において
も汚染金属のＩＧ能力を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態のエピタキシャルウェーハ作製
用のシリコン単結晶棒を製造する引上げ機の縦断面図。

【図２】そのエピタキシャルウェーハにエピタキシャル
層を形成する前後の熱処理温度の時間に対する変化を示
す図。

【符号の説明】

１３ シリコン融液 １４ シリコン単結晶棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 和浩 東京都千代田区大手町１丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者 海原 弘好 東京都千代田区大手町１丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 AB01 BA04 CF10 EB01 EB06 EH06 EH09 PF51 5F053 AA13 AA22 AA32 DD01 FF04 GG01 RR03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素をドープしたシリコン単結晶棒(14)
   の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、前記シリコン単結
   晶棒(14)及びシリコン融液(13)の固液界面からこの界面
   の上方１０ｍｍまでにおける前記シリコン単結晶棒(14)
   内の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）と
   するとき、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ²／分
   ・℃となるような引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）で引上げる
   工程と、 前記シリコン単結晶棒(14)の引上げ時であって１１３０
   ℃から１０５０℃までの温度範囲を１０〜３０分間で冷
   却しかつ８５０℃から６５０℃までの温度範囲を１２０
   〜２００分間で冷却する工程と、 前記シリコン単結晶棒(14)をスライスしてシリコンウェ
   ーハを作製した後に前記シリコンウェーハの表面にエピ
   タキシャル層を形成する工程とを含むエピタキシャルウ
   ェーハの製造方法。
2. 【請求項２】 シリコン単結晶棒(14)にドープされた窒
   素濃度が５×１０¹²〜５×１０¹⁴ｃｍ^-3である請求項１
   記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の方法により製造さ
   れたエピタキシャルウェーハ。