JP2002201091A - 窒素および炭素添加基板を用いたエピ層欠陥のないエピウエハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、エピ後の酸素析出が充分起こり、
かつ、デバイス工程中の酸化熱処理においても、ＯＳＦ
がエピ層に転写することがない、エピ層の結晶品質に優
れた窒素添加シリコン半導体基板及びその製造方法を提
供することを目的とする。 【解決手段】 チョクラルスキー法により製造された窒
素含有シリコン単結晶から切り出したシリコン単結晶ウ
エハの表面に、エピタキシャル法でシリコン単結晶層を
堆積してなるシリコン半導体基板であって、前記シリコ
ン単結晶ウエハの前記シリコン単結晶ウエハの基板窒素
濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ基板炭素濃度が１×
１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³以下であるサブストレートの表面に、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ことを特
徴とするエピタキシャルウエハの製造方法である。

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
板及びその製造法に関するもので、結晶欠陥がなくデバ
イス特性に優れた品質のシリコン半導体基板及びその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高集積ＭＯＳデバイスの基板として用い
られるチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたシ
リコン単結晶基板には、単結晶製造中に混入した酸素が
過飽和に存在しており、それが、後のデバイスプロセス
中に析出して、ウエハ内部に酸素析出物が形成される。
この酸素析出物が、基板内部に十分な量存在した場合、
デバイスプロセス中に混入してくる重金属は、ウエハ内
部に吸収され、デバイス活性層であるウエハ表面は清浄
に保たれる。このような技術をイントリンシックゲッタ
リング（ＩＧ）と呼び、重金属汚染によるデバイス特性
劣化を防止する効果があるため、シリコン単結晶基板に
は、デバイスプロセス中に適度の酸素析出が起こること
が求められている。

【０００３】近年、高品質デバイス用の基板として、シ
リコン単結晶基板の表面にシリコン単結晶層（エピ層）
を堆積（エピ堆積）させたシリコン半導体基板（いわゆ
るエピウエハ）が用いられてきている。エピウエハは、
ウエハ表面にＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａ
ｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）等のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥
が存在せず、酸化膜耐圧特性等のデバイス特性が良好に
なることが知られている。しかし、エピウエハは、その
製造プロセス上で１１００℃以上の高温熱処理を経るた
め、特に抵抗値０．１〜５０Ωｃｍのサブストレートに
エピ堆積を行ったｐ／ｐ−と呼ばれるエピタキシャルウ
エハは、デバイスプロセス中の酸素析出が起こらなくな
り、ゲッタリング特性が（エピ堆積のない）ミラーウエ
ハに比べて劣る。この原因は、エピ堆積プロセスの高温
熱処理中に、その後のデバイスプロセスにおいて酸素析
出の核となる酸素析出核が消滅するためと考えられる。
エピ工程後の酸素析出不足を補う方法として、エピ堆積
前のサブストレートに熱処理を施し、その後にエピ堆積
を行う方法が提案されている。しかしこの方法では工程
数が増加するため、エピタキシャルウエハ製造コストの
増大に繋がり、好ましくない。これに対して、エピ堆積
前の前熱処理なしでデバイスプロセス中に酸素析出が起
こるようなｐ／ｐ−エピタキシャルウエハを製造する方
法として、例えば特開Ｈ１０−５０７１５に示すよう
な、炭素を添加したサブストレートを用いたエピタキシ
ャルウエハの製造方法、あるいは特開Ｈ１１−１８９４
９３、特開２０００−４４３８９、特開２０００−１０
９３９６、特開２００１−１０６５９４に示すような窒
素を添加したサブストレートを用いたエピタキシャルウ
エハの製造方法、あるいは特開２０００−２７２９９５
や、特開２０００−３４４５９８に示すように、窒素に
炭素を添加したサブストレートを用いたエピタキシャル
ウエハの製造方法も提案されている。

【０００４】しかしながら、特開Ｈ１０−５０７１５に
記載されているような炭素を添加したサブストレートに
エピ堆積を行ったエピタキシャルウエハの場合、８００
℃以下の温度域では酸素析出が起こるものの、８００℃
以上の温度では酸素析出が起こらない。そのため、８０
０℃以下の熱処理が少ないようなデバイスプロセスにお
いては、酸素析出が十分に起こらずＩＧ能力に劣る可能
性がある。

【０００５】一方で窒素を添加したサブストレートにエ
ピ堆積を行ったエピタキシャルウエハの場合、８００℃
以上の温度域でも酸素析出が起こり、しかも析出物密度
は熱処理条件に関わらず常に一定であるため、あらゆる
デバイスプロセスに対してＩＧ能力を備えたエピタキシ
ャルウエハの製造が可能となる。しかしながら、窒素を
添加したサブストレートにエピ堆積を行った場合、条件
次第ではエピ層にこれまで知られていなかった特有の結
晶欠陥（Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳＦ）が
発生することがわかった（詳細は「発明が解決しようと
する課題」で述べる）。これらの結晶欠陥はエピタキシ
ャルウエハの上に作成したデバイスの特性を劣化させる
ため、このような結晶欠陥が発生するエピタキシャルウ
エハは高集積ＭＯＳデバイスの基板としては使用できな
い。

【０００６】詳細な調査の結果、エピ層に発生する窒素
添加起因の結晶欠陥は、サブストレートに存在する欠陥
領域（Ｖ領域、ＯＳＦ領域、Ｉ領域と呼ばれている）と
密接な関係があることが判明した。サブストレートの欠
陥領域は窒素濃度と結晶育成条件Ｖ／Ｇ（ただし、Ｖ：
引上速度［ｍｍ／ｍｉｎ］、Ｇ：融点〜１３５０℃まで
の結晶成長軸方向の平均温度勾配［℃／ｍｍ］）に依存
することが知られている。図１にサブストレートの欠陥
領域と窒素濃度、Ｖ／Ｇの関係を示す。一本の窒素添加
結晶は窒素濃度とＶ／Ｇにある幅を持っており、窒素濃
度−Ｖ／Ｇ図の中では四角の領域（育成条件範囲と呼
ぶ）で示される。これは、結晶はボトム側に行くに従っ
て窒素濃度が高くなり、結晶外周部は中心部に比べてＶ
／Ｇが低くなるためである。詳細な調査の結果、サブス
トレートにＯＳＦ領域が存在する場合、上記に述べたエ
ピ層欠陥が発生する。サブストレートの欠陥領域とエピ
層に発生する窒素添加起因の結晶欠陥の発生状況との関
係は図２に示す通りである。図２中で育成条件範囲の一
部がＯＳＦ領域になっているような結晶をサブストレー
トとして使ったエピウエハは（育成条件範囲２、３、
４、５）、表に示すような状況でエピ層欠陥が発生する
ことがわかった。ＯＳＦ領域を除外する方法として窒素
濃度を下げていく方法もあるが（育成条件範囲１）、窒
素濃度が低すぎるとエピ堆積後の析出が起こらなくなる
ため、ＩＧ能がなくなる。つまりＩＧ能を確保し、なお
かつエピ層欠陥が発生しない窒素添加結晶を育成するた
めには、窒素濃度とＶ／Ｇを育成条件範囲６のように制
御する必要がある。

【０００７】特開Ｈ１１−１８９４９３公報に示される
方法の場合、窒素の下限のみを規定しているが、そのよ
うなサブストレートを用いたエピタキシャルウエハは窒
素が多くなると図２の育成条件範囲２，３，４，５のよ
うになるためエピ層欠陥が発生してしまい、高集積ＭＯ
Ｓデバイスの基板としては使用できない。特に同公報に
記載されているように析出を確保するためＯＳＦ領域を
ウエハ全面に渡って活用するようなサブストレート（育
成条件範囲４あるいは５に相当）の場合、エピ堆積後に
エピ層欠陥（Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳ
Ｆ）が確実に発生してしまう。

【０００８】特開２０００−４４３８９公報に示される
方法の場合、窒素濃度上限を５ｘ１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³と規定しているが、このような窒素濃度上限規定の
みではたとえ同公報に記載されているように酸素濃度を
１８ｐｐｍａ以下に抑えても、エピ層欠陥が発生してし
まう（育成条件範囲２，３，４，５に相当）。また、同
公報に記載されている窒素濃度上限値１ｘ１０¹⁴ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³ではエピ層欠陥防止は可能かもしれない
が、窒素濃度が低すぎてエピ堆積後の酸素析出が起こら
ずＩＧ能力不足となる（育成条件範囲１に相当）。この
ような課題は抵抗値を０．１Ωｃｍ以上に規定しても回
避できない。

【０００９】特開２０００−１０９３９６公報に示され
る方法の場合、窒素濃度上限を５ｘ１０¹⁵ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³と規定しているが、このような窒素濃度上限規定
のみではエピ層欠陥（Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転
写ＯＳＦ）が発生してしまう（育成条件範囲２，３，
４，５に相当）。このような課題は同公報に記載されて
いるように、結晶育成条件において８００℃付近の温度
域を２℃／分以上で急冷しても、あるいは８００℃〜４
００℃の温度範囲を１℃／分以上で急冷しても回避でき
ない。

【００１０】特開２００１−１０６５９４公報の場合エ
ピ層欠陥を除外する方法として、サブストレートのＯＳ
Ｆ領域をウエハ半径に対して８５％より外側に除外する
ことが記載されているが、ウエハ半径の８５％付近まで
がＯＳＦ領域であるようなサブストレートでは、エピ堆
積をした場合エピ層欠陥（エピ層転写ＯＳＦ）が発生し
てしまう（育成条件範囲２に相当）。また、ＯＳＦ領域
を、ウエハ半径の８５％より外側に除外した結晶を実現
するために、同公報の請求項３に記載されているように
窒素濃度上限値を１ｘ１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³にした
場合、窒素濃度が低すぎてエピ堆積後の酸素析出が起こ
らずＩＧ能力不足となる（育成条件範囲１に相当）。ま
た、ＯＳＦ領域を、ウエハ半径の８５％より外側に除外
した結晶を実現するために、同公報の段落「００２６」
に記載されているように育成するシリコン単結晶を製品
となるウエハより大きくし、丸め加工時に外側のＯＳＦ
領域を削り取る方法を用いた場合、削り取られる結晶部
分が多くなるためコストアップにつながる。

【００１１】このように、窒素添加サブストレートを用
いたエピタキシャルウエハの場合、上記に述べたエピ層
欠陥発生を防止するためには、窒素濃度とＶ／Ｇの厳密
なコントロールが必要である。しかしながら、エピ層欠
陥を防止するための最適な窒素濃度・引上条件の範囲は
非常に狭く、特にＶ／Ｇは引上炉の構造やシリコン融液
の状態による変動が大きいため、安定な品質を得るのは
多くの困難を伴う。またこの方法は３００ｍｍ結晶など
の大口径結晶では十分な効果は得られない。大口径結晶
においては結晶冷却能が低くなるため、Ｖ／Ｇを十分上
げることができないためである。また、エピ堆積後の析
出物密度を上げるためには窒素濃度を上げる必要がある
が、窒素がある上限値以上になるとエピ層欠陥を防止す
ることは事実上不可能となる。その結果、制御できる析
出物密度にも上限が発生してしまい、種々のユーザーの
析出物密度スペックに対して幅広く対応することができ
なくなる。

【００１２】特開２０００−２７２９９５や特開２００
０−３４４５９８には窒素と炭素を添加したサブストレ
ートにエピ堆積を行ったエピタキシャルウエハの製造方
法が提案されている。しかし、特開２０００−２７２９
９５に記載されている様に全面にわたってＯＳＦ領域が
存在しているサブストレートを使用すると、エピ堆積後
にエピ層欠陥（Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳ
Ｆ）が発生してしまう。また特開２０００−３４４５９
８は酸素析出に対する効果のみが主に記載されている
が、エピ層欠陥（Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写Ｏ
ＳＦ）の発生に関する明確な記述がなく、またエピ層欠
陥を防止するための窒素濃度・炭素濃度範囲が不明確で
ある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】窒素添加されたサブス
トレートにエピ堆積を行ったエピタキシャルウエハはあ
らゆるデバイスプロセスに対しても十分なＩＧ能力を発
揮する可能性を秘めている。しかしながら、窒素添加サ
ブストレートをエピタキシャルウエハの基板として使用
する場合は、従来の酸素析出という品質の他に、エピ層
に欠陥が発生しないような品質の窒素添加サブストレー
トを作り込む必要がある。

【００１４】本発明は、窒素添加サブストレートの欠陥
発生状態を根本的に変えるために、窒素に加えてもう一
つ別の元素として炭素を添加したサブストレートを用い
ることで、結晶育成条件（例えばＶ／Ｇなど）の制御を
特に行うことなく、更にエピ堆積工程の前に酸素析出促
進もしくは欠陥消滅を目的とした余分な熱処理工程を加
えることなしに、エピ後の酸素析出が充分起こり、かつ
窒素に起因したエピ層欠陥が存在せず、かつデバイス工
程中の酸化熱処理においても、ＯＳＦがエピ層に転写す
ることがないエピタキシャルウエハ及びその製造方法を
提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】窒素を添加したサブスト
レートを用いることで、エピ堆積後のデバイス熱処理で
酸素析出が十分に起こるエピタキシャルウエハを製造す
ることが可能となる。これは窒素を添加することで結晶
育成中に熱的に安定な酸素析出核が形成され、それがエ
ピ堆積工程中も収縮・消滅することがないため、エピ堆
積後のデバイス熱処理においてそのような酸素析出核を
基点にして酸素析出物が発生することによる。すなわ
ち、結晶育成中の熱履歴が一種のエピ堆積前処理の役目
を果たすため、結晶育成直後のサブストレートは既にエ
ピ堆積後も酸素析出が起こる状態になっていると考える
ことができる。このような基板を用いることにより、エ
ピ堆積前に前熱処理などの余分な工程を加えることなし
にエピ堆積後の酸素析出を確保することが可能となる。

【００１６】エピ堆積後のゲッタリング能力を確保する
ためには、シリコン単結晶ウエハの厚み中心に一定密度
以上の酸素析出物が存在する必要がある。これまでの試
験の結果、サブストレート内部で２ｘ１０⁸個／ｃｍ³以
上の酸素析出物が存在した場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の
重金属に対するゲッタリング能力が充分あることが判っ
ている。エピ堆積後の析出物密度は窒素濃度によってコ
ントロールできる。種々の実験の結果、ゲッタリングに
十分な密度である２ｘ１０⁸個／ｃｍ³以上の析出物密度
をエピ堆積後のエピタキシャルウエハにおけるサブスト
レート内部で確保するためには、請求項１に記載されて
いる通り、窒素濃度としては１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上が必要であることがわかった。窒素濃度が１×
１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満ではエピタキシャルウエ
ハの析出物密度は２ｘ１０⁸個／ｃｍ³未満となってしま
うため、重金属に対する十分なゲッタリング能力が得ら
れない。

【００１７】このように窒素添加サブストレートは熱処
理によらず安定な酸素析出を確保する上で有用である
が、一方で窒素添加サブストレートにエピ堆積を行った
場合、エピ層にこれまで知られていなかったＮ−ＳＦ、
Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳＦといった結晶欠陥が発生
することがわかった。これらの欠陥のうち、Ｎ−ＳＦと
Ｅ−ｐｉｔはエピ堆積直後の状態でエピ層に発生してい
る欠陥であり、エピ層転写ＯＳＦはエピ堆積後酸化熱処
理を行うことにより発生する欠陥である。

【００１８】以下、窒素添加サブストレートを用いたエ
ピタキシャルウエハのエピ層欠陥と、その防止方法につ
いて述べ、窒素に加えて炭素を同時添加することによる
優位点について述べる。

【００１９】Ｎ−ＳＦは、図３に示すように、サブスト
レートとエピ層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、エピ膜厚をＴ［μｍ］とした
ときに、辺長がほぼＴ×√２［μｍ］となる正三角形に
近い構造を取る。Ｎ−ＳＦはエピ堆積を行ったときに初
めて発生する欠陥であり、エピ堆積前のサブストレート
ではＮ−ＳＦの存在は確認できない。このＮ−ＳＦ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、エピ層堆積後のウエハを
表面異物計で測ることにより、その個数を評価すること
が出来る。

【００２０】Ｅ−ｐｉｔは、図４に示すように、エピ層
界面からエピ層表面へ伸びる一本あるいは数本の転位で
ある。Ｅ−ｐｉｔはエピ堆積前のサブストレートに既に
存在しており、エピ堆積を行うことでエピ層に転写す
る。このＥ−ｐｉｔは、表面異物計では見ることが出来
ないが、エピ層堆積後のウエハ表面をライトエッチ・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
を数えることによって、その個数を評価することが出来
る。

【００２１】エピ層転写ＯＳＦはエピタキシャルウエハ
を酸化熱処理した際に発生する積層欠陥（Ｏｘｉｄａｔ
ｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌ
ｔ）がエピ層まで伝搬したものである。ＯＳＦは、中心
に酸素析出物（ＯＳＦ核）が存在する直径数μｍ程度の
円盤状の積層欠陥であり、酸化熱処理を行うことによっ
て、酸化膜−シリコン母相の界面から発生する格子間原
子が、ＯＳＦ核の周囲に凝集することによって形成され
る。ＯＳＦ核とは酸素析出物の中でも格子間原子を集め
る性質を有する特殊な析出物であり、結晶育成直後の段
階でサブストレートに既に存在しているものと考えられ
ている。ＯＳＦ核はサイズが小さい（１０ｎｍ以下と考
えられている）ことから、異物計、赤外トモグラフ等の
現状の評価方法では検出されない。そのため、ＯＳＦの
存在は、酸化熱処理を行うことで、初めて確認すること
ができる。なお、このエピ層転写ＯＳＦは、エピ堆積後
のウエハをそのまま調べても検出することができず、エ
ピ堆積後酸化熱処理を行うことによって、初めて有無が
明らかになるものである。いわゆるエピ層に存在する積
層欠陥等のエピ層欠陥とは異なるものである。これまで
窒素を添加していないサブストレートにも、結晶成長条
件によってはＯＳＦが発生する場合があった。例えばＶ
／Ｇがある値になった場合にサブストレートの中でリン
グ状に発生するリングＯＳＦが知られている（Ｍ． Ｈ
ａｓｅｂｅ， Ｙ． Ｔａｋｅｏｋａ， Ｓ． Ｓｈｉｎｏ
ｙａｍａ ａｎｄ Ｓ． Ｎａｉｔｏ， Ｄｅｆｅｃｔ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，
ｅｄｔ． Ｋ． Ｓｕｍｉｎｏ， （Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓ
ｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ Ｂ． Ｖ．， １９
９０） １５７．）。

【００２２】しかし、このようなリングＯＳＦが発生す
るような窒素を添加していないサブストレートにエピ堆
積した場合は、エピ堆積工程中の高温熱処理でＯＳＦ核
が消滅するため、その後の酸化熱処理ではエピ層転写Ｏ
ＳＦが発生せず、問題になっていなかった。これに対し
て、窒素を添加したサブストレートのＯＳＦ核は、エピ
堆積後も消滅せずにそのまま残留する。その結果、酸化
熱処理でサブストレート表面のＯＳＦがエピ層内に転写
してエピ層転写ＯＳＦとなり、エピ表面のデバイス活性
層になる領域まで成長する（図５）。

【００２３】エピ層転写ＯＳＦを評価するための酸化熱
処理条件は、特に規定しないが、例えば、一番ＯＳＦを
検出し易い条件として、水蒸気含有酸素雰囲気中で１１
００℃、１時間の酸化処理等を用いればよい。エピ層転
写ＯＳＦ評価は、一般的に用いられているライトエッチ
液等でエッチングし、楕円状、半月状あるいは棒状のＯ
ＳＦピットを光学顕微鏡等でカウントすればよい。エピ
層厚み領域のＯＳＦ密度は、エピ層厚み分をライトエッ
チ液等でエッチングし、表面に発生したＯＳＦピットの
面積密度を算出する。

【００２４】Ｎ−ＳＦが０．０５個／ｃｍ²超、あるい
はＥ−ｐｉｔが０．０５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１％を越え
る。これらの欠陥が多数存在する電極は、ＴＤＤＢ特性
などの電気特性が劣化するため、このような欠陥を多数
内在するウエハは、高品質デバイス用のシリコン半導体
基板として使うことができない。よってＮ−ＳＦおよび
Ｅ−ｐｉｔは０．０５個／ｃｍ²以下に抑える必要があ
る。また、エピ層転写ＯＳＦは積層欠陥であるので、そ
の周囲は電気的な準位を伴っており、デバイス構造のｐ
ｎ接合中にＯＳＦが存在した場合、それがリークパスと
なって、ｐｎ接合リークを引き起こす。一般に堆積した
エピ層の厚み分の領域はすべてデバイス活性層になりう
るので、エピ層厚み領域内にはエピ層転写ＯＳＦが存在
しないことが望ましい。エピ層転写ＯＳＦ面積密度とし
ては、０．０５個／ｃｍ²を越えると、例えば、電極面
積２０ｍｍ²のデバイスにおいて、欠陥によってｐｎ接
合リークが引き起こされる確率が１％を越えるため、こ
のようなエピウエハは、高品質デバイス用の基板として
は不適当である。そのため、エピ層転写ＯＳＦ面積密度
は、０．０５個／ｃｍ²以下に抑える必要がある。特
に、エピ膜厚が薄くなるほど、エピ層へのＯＳＦ転写は
顕著になる。

【００２５】上記に述べたようなＮ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉ
ｔ、エピ層転写ＯＳＦといったエピ層に発生する結晶欠
陥は、エピ堆積前のサブストレートに存在する欠陥領域
と密接な関係を持っている。サブストレートの欠陥領域
は窒素濃度と結晶育成条件Ｖ／Ｇ（ただし、Ｖ：引上速
度［ｍｍ／ｍｉｎ］、Ｇ：融点〜１３５０℃までの結晶
成長軸方向の平均温度勾配［℃／ｍｍ］）によって決ま
る（Ｍ． Ｉｉｄａ， Ｗ． Ｋｕｓａｋｉ， Ｍ． Ｔａ
ｍａｔｓｕｋａ， Ｅ． Ｉｉｎｏ， Ｍ． Ｋｉｍｕｒ
ａ， Ｓ． Ｍｕｒａｏｋａ， Ｄｅｆｅｃｔ ｉｎ Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ， ｅｄ．Ｔ． Ａｂｅ， Ｗ． Ｍ． Ｂｕｌ
ｌｉｓ ｅｔ ａｌ．， （ＥＣＳ．， Ｐｅｎｎｉｎｇｔ
ｏｎ Ｎ． Ｊ．， １９９９） １３６）。つまり、エピ
層欠陥防止のためにはエピ堆積前のサブストレートに存
在する欠陥領域を窒素濃度とＶ／Ｇによってコントロー
ルすることが重要となる。

【００２６】エピ堆積前のサブストレートに存在する欠
陥領域と窒素濃度・Ｖ／Ｇの関係を図６で説明する。窒
素添加したＣＺ−Ｓｉ結晶には３種類の欠陥領域（ボイ
ド領域、ＯＳＦ領域、Ｉ領域）が存在する。Ｖ領域と
は、結晶育成中に過剰の原子空孔が導入される領域であ
り、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、シリコン単結晶ウエハを酸化熱
処理したときに、ＯＳＦが発生する領域である。ＯＳＦ
領域には先に述べた通り、ＯＳＦ核となる酸素析出物が
存在している。Ｉ領域とは、結晶育成中に過剰の格子間
原子が導入される領域である。

【００２７】一本の窒素添加結晶は図６中で示す通り四
角い育成条件範囲として表される。これは、結晶はボト
ム側に行くに従って窒素濃度が高くなり、結晶外周部は
中心部に比べてＶ／Ｇが低くなるためである。ＣＺ−Ｓ
ｉ結晶への窒素添加は、窒素を添加した融液を用いるこ
とによって行うが、固化する際に融液から結晶へ取り込
まれる窒素濃度の比率（偏析係数）は１に比べて非常に
小さいことが分かっている。そのため、融液中の窒素の
大部分は融液中に残留し、融液中の窒素濃度は結晶育成
が経過するに従って濃化される。結果的に結晶下部では
窒素濃度が高くなる。また、融点〜１３５０℃までの結
晶成長軸方向の平均温度勾配Ｇ［℃／ｍｍ］は一般に結
晶外周部結晶外周部の方が大きい。それは結晶外周部の
方が輻射による冷却度が大きいためである。その結果、
Ｖ／Ｇは結晶外周部の方が低くなる。例えば図６に示す
ような育成条件範囲の結晶は、結晶中心側にＶ領域が、
結晶外周部にＯＳＦ領域が存在することになる。窒素濃
度範囲を固定してＶ／Ｇを大きくした場合、ＯＳＦ領域
がウエハ外周部より外に除外されボイド領域がウエハ全
面に渡って広がる。Ｖ／Ｇを小さくすると、Ｖ領域がウ
エハ中心付近に存在し、その外側にＯＳＦ領域、更にそ
の外側にＩ領域が発生する。Ｖ／Ｇを更に小さくする
と、Ｖ領域とＯＳＦ領域はともにウエハ中心部に完全に
収縮してしまい、ウエハ全面がＩ領域になる。また、Ｖ
／Ｇを固定して窒素濃度を高くした場合、外周部からＯ
ＳＦ領域が発生し、ウエハ全面に広がるようになる。

【００２８】窒素添加に起因するエピ層欠陥の発生位置
とそれに対応する窒素濃度・Ｖ／Ｇとの関係を詳細に調
査した結果、エピ堆積後の欠陥領域は図７のようにな
る。窒素濃度が高くなった場合、ＯＳＦ領域がウエハ全
面に広がるため、エピ層欠陥が発生しやすい状況にな
る。Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳＦは全てエ
ピ堆積前のサブストレートにおけるＯＳＦ領域に当る位
置に表れる。エピ層転写ＯＳＦ領域はエピ堆積前のサブ
ストレートにおけるＯＳＦ領域よりも若干狭い領域にな
っている例えばＯＳＦ領域の内側境界の半径が８５ｍｍ
であるようなサブストレートにエピ堆積した場合、エピ
タキシャルウエハのエピ層転写ＯＳＦ領域の内側境界半
径は９１ｍｍ程度となる。Ｎ−ＳＦ，Ｅ−ｐｉｔはそれ
ぞれ領域が明確に分かれている。図２に示す育成条件範
囲２、３、４、５に対応するサブストレートを用いた時
のエピ堆積後の欠陥分布は図７の通りになる。育成条件
範囲２では外周側にエピ層転写ＯＳＦのみが表れ、育成
条件範囲３では外周側にＮ−ＳＦとエピ層転写ＯＳＦが
共存する領域、その内側にエピ層転写ＯＳＦのみが発生
する領域が存在する。育成条件範囲４では外周部にＥ−
ｐｉｔとエピ層転写ＯＳＦが共存する領域、その内側に
Ｎ−ＳＦとエピ層転写ＯＳＦが共存する領域、さらにそ
の内側にエピ層転写ＯＳＦのみが発生する領域が存在す
る。育成条件範囲５では外周部にＥ−ｐｉｔとエピ層転
写ＯＳＦが共存する領域、その内側にＮ−ＳＦとエピ層
転写ＯＳＦが共存する領域が存在する。

【００２９】エピ層転写ＯＳＦはａｓ ｇｒｏｗｎ窒素
添加サブストレートに存在していたＯＳＦ核と呼ばれる
微小酸素析出核が発生原因と考えられる。Ｎ−ＳＦ、Ｅ
−ｐｉｔについてはその発生原因は特定できていない
が、おそらくはＯＳＦ領域に存在しているＯＳＦ核、も
しくはそれとは異なる種類の酸素析出物起因結晶欠陥が
発生原因であると推察される。

【００３０】Ｎ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エピ層転写ＯＳＦ
といったエピ層に発生する結晶欠陥が発生しないような
窒素添加サブストレートを作るためには、サブストレー
トのＯＳＦ領域を結晶外周部より外に除外するような結
晶育成が必要となる。このようにＯＳＦ領域が除外され
ている窒素添加サブストレートを実現するためには、ま
ずＶ／Ｇを上げることが必要である。特に結晶外周部は
Ｖ／Ｇが低くなっているので、結晶外周部のＶ／Ｇをな
るべく大きくすることが結晶育成条件における重要なポ
イントとなる。現状の操業においては、結晶育成初期か
ら終期にわたって安定的に保持できる結晶外周部のＶ／
Ｇは最大で０．１２程度である。結晶外周部はＶ／Ｇが
一番低くなっているので、結晶外周部のＶ／Ｇを０．１
２に保持した場合、ウエハ面内全域ではＶ／Ｇは０．１
２以上である状態が実現していることになる。そのよう
な育成条件でＯＳＦ領域が除外されたサブストレートを
作るためには窒素濃度が２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
以下でなければならない。すなわち、窒素添加サブスト
レートを用いたエピ層欠陥のないエピタキシャルウエハ
を実現するためには、窒素濃度を２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以下にして、ウエハ全面にわたってＶ／Ｇを
０．１２以上にする必要があり、育成条件範囲としては
図８に示すような狭い範囲になる。窒素濃度が２×１０
¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³超になった場合、現状では結晶外
周部のＶ／Ｇを０．１２以上にすることはできないた
め、外周部にはＯＳＦ領域となり、エピ堆積後にエピ層
欠陥が発生する。また、窒素濃度が２×１０¹⁵ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下の場合でもＶ／Ｇが０．１２未満になっ
た場合は、エピ堆積後にエピ層欠陥が発生する。

【００３１】次世代デバイスに用いられるウエハは直径
３００ｍｍの大口径ウエハが用いられるが、そのような
大口径ウエハを作成するための大口径結晶は結晶冷却の
関係から引き上げ速度Ｖが低下するため、Ｖ／Ｇが低下
してしまう。その結果、ＯＳＦ領域を除外することは困
難となり、窒素濃度とＶ／Ｇ制御のみでは次世代大口径
ウエハに対応した窒素添加サブストレートを用いたエピ
層欠陥のないエピタキシャルウエハの製造は困難でな
る。また、析出物密度は窒素濃度によって決まることか
ら、窒素濃度上限を２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³に規
定した場合、得られる析出物密度の上限は１０⁹／ｃｍ³
程度となる。次世代のデバイスプロセスは１０００℃以
下の低温熱処理が主であり、またプロセス全体の時間も
少なくなる傾向にある。その結果、デバイスプロセス中
に形成される酸素析出物のサイズは比較的小さくなり、
析出物個々が重金属を吸収する能力は弱くなる懸念があ
る。そのような状況で十分なＩＧ能力を確保するために
は、析出物密度はより高い方が好ましく、場合によって
は１０⁹／ｃｍ³以上の析出物密度が必要になる可能性も
ある。窒素単独添加ではそのような析出物密度を実現す
るのは困難である。

【００３２】上記に述べた窒素添加サブストレートを用
いたエピタキシャルウエハの技術的課題を解決するた
め、結晶育成条件による欠陥制御とは異なる方向性とし
て、窒素に加えて別の不純物を添加することによる欠陥
制御の可能性についても検討を行った。ＦＺシリコンに
おける知見から、欠陥領域形成に影響を与える元素とし
てボロンや炭素、リン、アンチモンなどが知られている
（シリコン 結晶成長とウエーハ加工 阿部孝夫著 培
風館）。そのうち、抵抗値を規定するドーパント以外の
不純物として炭素に着目して試験を行った結果、窒素に
加えて炭素を請求項１に記載されている様に１×１０¹⁶
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上添加したサブストレートにおい
てはＯＳＦ発生がないことが明らかとなった。このよう
なサブストレートにエピ堆積を行った場合、窒素単独添
加に比べてエピ層欠陥が発生しないことも明らかとなっ
た。

【００３３】図９に窒素に加えて炭素を１×１０¹⁶ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以上添加したサブストレートの欠陥領域
とエピ層に発生する窒素添加起因の結晶欠陥の発生状況
との関係を示す。なお、窒素と炭素を添加したサブスト
レートの欠陥発生状況は窒素濃度１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上の領域のみ調査している。窒素に加えて炭
素を１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上添加することに
より、Ｖ領域が多少収縮し、Ｖ領域とＩ領域の間に存在
していたＯＳＦ領域がなくなり、Ｖ領域とＩ領域の間は
欠陥が観察されない無欠陥領域になることがわかった。
その結果として、このようなサブストレートにエピ堆積
を行っても窒素添加起因のエピ層欠陥であるＮ−ＳＦが
０．０５個／ｃｍ²以下、かつＥ−ｐｉｔが０．０５個
／ｃｍ²、かつエピ層転写ＯＳＦが０．０５個／ｃｍ²に
抑えられていることが明らかとなった。

【００３４】窒素に加えて炭素を添加することで、ＯＳ
Ｆ領域発生が抑制され、かつＮ−ＳＦ、Ｅ−ｐｉｔ、エ
ピ層転写ＯＳＦといったエピ層欠陥も抑制されてしまう
理由は、今のところはっきりとは分かっていない。た
だ、炭素は析出物周囲の歪み場を緩和する効果があるこ
とから、炭素添加によってＯＳＦ核あるいはＮ−ＳＦ、
Ｅ−ｐｉｔなどのエピ層欠陥の発生原因となる微小酸素
析出物の状態になにがしかの変化が現れていると考えら
れる。

【００３５】窒素に加えて炭素を１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上添加することによる窒素起因のエピ層欠陥
防止効果はＶ／Ｇに無関係に成立するため、例えば結晶
育成中に何らかの原因でＶの変動が見られても、サブス
トレートにＯＳＦ領域が発生してエピ堆積後のエピ層欠
陥発生につながることはない。またＶ／Ｇを十分上げる
ことのできない大口径結晶の製造にも炭素添加のエピ層
欠陥防止効果は適用可能である。

【００３６】なお、窒素濃度・炭素濃度とサブストレー
トのＯＳＦ領域状況との関係は図１０に示す通りであ
り、サブストレートのＯＳＦ領域が発生しなくなる、す
なわちエピ堆積後のエピ層欠陥が発生しなくなる炭素濃
度下限値は窒素濃度が高くなるにつれて高くなる傾向が
ある。エピ層欠陥防止のためには窒素添加量に応じて炭
素添加量の調整が必要である。

【００３７】窒素単独添加の場合は窒素濃度が２×１０
¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上になるとＯＳＦ領域を回避す
ることは極めて困難となるが、窒素に加えて炭素を１×
１０ ¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上添加した場合請求項１に
記載されている様に窒素濃度上限値を２×１０¹⁶ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³まで拡大することが可能となる。その結
果、酸素析出物の制御範囲も５ｘ１０⁹／ｃｍ³程度まで
拡大できるため、次世代の低温プロセスにおいても十分
なＩＧ能力が確保されたエピタキシャルウエハの製造が
可能となる。更に炭素添加は８００℃以下の低温で析出
を促進する効果があるので、８００℃以下の温度域を多
く含むようなデバイスプロセスの場合は、析出物密度と
して１０¹⁰／ｃｍ³台を確保することも可能となる。な
お、炭素添加によってエピ堆積後も酸素析出が起こる理
由は、８００℃以下の熱処理で炭素と酸素が複合体を形
成し、それが核となって酸素析出が起こるためである。
すなわち、エピ堆積プロセスの高温熱処理で結晶育成中
に形成された酸素析出核が消滅した後も、酸素と炭素が
存在している限り酸素析出が起こり得ることを意味して
いる。窒素添加の場合はエピ堆積プロセスの高温熱処理
でも消滅しないような酸素析出核が結晶育成後に既にで
きていることが特徴であった。このようにエピ堆積後の
酸素析出を促進する効果は窒素と炭素において異なるた
め、両者を同時添加することでそれぞれの析出特性の弱
点を補完しあうことができる。

【００３８】なお、窒素濃度が２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³超になると多結晶化しやすくなるため、単結晶育
成は困難になる。そのため、請求項１に記載されている
ように窒素濃度は２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に
した方がよい。また炭素濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³超になると多結晶化しやすくなるため、単結晶育
成は困難になる。そのため、請求項１に記載されている
ように炭素濃度は１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に
した方がよい。

【００３９】

【発明の実施の形態】シリコン単結晶製造方法として、
ルツボ内融液から結晶を育成させつつ引き上げるＣＺ法
が広く行われている。このＣＺ法によりシリコン単結晶
を得ようとする場合、例えば図１１に模式的に示すよう
な構成の単結晶製造装置が用いられる。このようなシリ
コン単結晶製造方法において、まず図中のルツボ内に原
料としてシリコン多結晶を入れ、それらを取り囲むヒー
ター（ヒーター、断熱材などの炉内構造物を総称してホ
ットゾーンという）によってこの原料を融解する。そし
てこのルツボ内の融液の上方より種結晶を降ろして融液
表面に接触させる。この種結晶を回転させながら、引き
上げ速度Ｖを制御しつつ上方に引き上げることにより所
定の径の単結晶を作製する。結晶が育成していくにつれ
てシリコン融液が減っていくがこれによってシリコン融
液内の熱伝導や流動などの結晶育成環境が変化してい
く。これらの環境をなるべく一定にし結晶育成を安定に
するために実際の結晶製造工程では様々な工夫がなされ
ている。例えば一般に結晶引上げ中はシリコン融液表面
の位置をヒーターに対して一定にするために引上げられ
た結晶重量に応じてルツボ位置を上昇させている。結晶
が育成していく過程で結晶側の伝熱条件の変化は融液側
と比較すると極めて小さく、ほぼ炉構造および炉内のホ
ットゾーン構造により決まり、結晶長さによってゆっく
り小さく変化する。

【００４０】結晶成長界面の温度勾配Ｇは結晶面内で一
般には均一ではない。結晶成長界面における結晶側温度
勾配は結晶外周部の方が結晶中心部より大きい。それは
結晶側面からの放射冷却により、結晶側面の方がより冷
やされるためである。そのため同じ引上速度Ｖにおいて
も、Ｖ／Ｇは結晶外周部の方が低くなり、エピ層欠陥発
生の元となるＯＳＦ領域が結晶外周部に生じやすくな
る。なお、結晶成長界面における結晶引上げ方向の結晶
側温度勾配Ｇは、結晶内部に熱電対を差し込み実際に結
晶育成を行なうなどの実験を繰り返し厳密に測定してい
る。

【００４１】窒素が添加されたＣＺ−Ｓｉ結晶を製造す
るためには、例えば原料溶解中に窒素ガスを導入する方
法、あるいは窒化物をＣＶＤ方等によって堆積させたシ
リコンウエハを原料溶解中に混入させる方法等がある。
また炭素が添加されたＣＺ−Ｓｉ結晶を製造するために
は、例えば炭素粉を原料溶解中に混入させる方法等があ
る。凝固後の結晶中に取り込まれる不純物の融液中濃度
に対する比率である偏析係数ｋは窒素の場合７ｘ１
０^-4、炭素の場合０．０６である（Ｗ． Ｚｕｌｅｈｎ
ｅｒ ａｎｄ Ｄ． Ｈｕｂｅｒ， Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒ
ｏｗｔｈ， Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎｓ， ｐ２８， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８２）。融液から結
晶中に取り込まれる窒素濃度は、その時の結晶の固化率
ｇ＝（結晶化したシリコンの重量）／（初期融液重量）
を用いて下記のように表される。

【００４２】（結晶中の窒素濃度）＝ｋ×（初期融液窒
素濃度）×（１−ｇ）^k-1 この関係は引上炉の構造や引上速度などの条件によらず
ほぼ一定に保たれているため、結晶中の窒素濃度制御は
初期融液の窒素濃度によってほぼ一義的に制御が可能で
ある。また窒素、あるいは炭素の偏析係数ｋは窒素と炭
素が同時添加された場合も互いに影響を及ぼしあうこと
はないので、上記に述べた係数を利用することで窒素濃
度と炭素濃度の制御は可能である。

【００４３】なお、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造
では、ルツボとして石英を使用する。結晶引上げ中にこ
の石英ルツボはシリコン融液に少しずつ溶解するため
に、シリコン融液中には酸素が存在する。この石英坩堝
から溶け出た酸素はシリコン融液の流動および拡散によ
って移動し、大部分は融液表面からＳｉＯガスとなって
蒸発する。しかし一部は結晶に取り込まれる。高温で取
り込まれた酸素は結晶が冷える過程で過飽和になり、凝
集を起こして結晶冷却中に微小な酸素クラスターを形成
する。これが析出核となって、ウエハにした後のデバイ
ス熱処理でＳｉＯｘとして析出し、酸素析出物となる。

【００４４】できあがった結晶からエピタキシャルウエ
ハ用の基板となるサブストレートを作り出すが、通常シ
リコン単結晶をワイヤーソーあるいは内周歯スライサー
を用いてスライスし、面取り、エッチング、鏡面研磨の
行程を経てサブストレートが作られる。なお、酸素析出
促進もしくは欠陥消滅を目的とした余分な熱処理工程を
加える場合は通常この後に熱処理行程が入る。しかし、
本特許で述べている窒素と炭素を添加したサブストレー
トの場合はそのような工程は不要であり、通常ウエハと
同じ工程で作ればよい。

【００４５】このようにして出来上がったサブストレー
トの表面にエピタキシャル層を堆積するエピタキシャル
成長（エピ堆積）工程は気相成長装置で行う。通常気相
成長前に、水素ガス雰囲気中内で所定の温度域（一般に
は９００〜１２００℃の範囲内）まで昇温し、引き続き
塩化水素を含むガス等によるエッチングを数分行い、表
面コンタミネーション除去及びウエハ表面の活性化を行
った後、シラン系ガスを用いてウエハ表面にエピタキシ
ャル薄膜を成長させる。エピ膜厚については、特に規定
しないが、一般的に膜厚の制御性から０．５μｍ以上が
望ましい。０．５μｍ未満のエピ膜厚では、面内の膜厚
均一性を達成するのが困難になる。また、スループット
から２０μｍ以下が望ましい。２０μｍ超のエピ膜厚で
は、エピ堆積工程が３０分以上となるため、生産性が落
ちて実用的ではない。現状の市販の装置では一枚ごとの
処理になるため、工程時間をなるべく短くするため、加
熱にランプ加熱を用いて、昇降温に要する時間を数分程
度に抑えている。窒素添加をしていない通常のサブスト
レートの場合、結晶育成中に形成された酸素析出核はこ
のエピ堆積工程の急速昇温中に消滅してしまうため、エ
ピ堆積後のエピタキシャルウエハはデバイス熱処理を経
ても酸素析出が起こらなくなる。窒素添加サブストレー
トに形成された酸素析出核は窒素の効果によって熱的に
安定となっており、このエピ堆積工程の急速昇温中にも
消滅することがない。なお、酸素析出促進もしくは欠陥
消滅を目的とした余分な熱処理工程をこのエピ堆積工程
中で行う場合もある。その時は、塩化水素を含むガス等
によるエッチングの前後で、所定の温度・時間で熱処理
を行い、引き続きシラン系ガスを用いてウエハ表面にエ
ピタキシャル薄膜を成長させる工程に入る。しかし、そ
のように余分な工程を加えるとエピ堆積工程全体の時間
が長くなるため、生産性が低下し、製造コストアップに
つながる。しかし、本特許で述べている窒素と炭素を添
加したサブストレートの場合はそのような工程は不要で
あり、通常ウエハと同じエピ堆積条件を用いればよい。

【００４６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を挙げて説明する
が、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。

【００４７】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（ボロンドープ）、結晶径：８インチ（２００
ｍｍ）、抵抗率：５〜２０Ωｃｍである。

【００４８】引上時の軸方向温度勾配Ｇを結晶面内三点
（中心、１／２半径、エッジ１０ｍｍ）で測定し、引上
速度Ｖ、結晶育成中の融点〜１３５０℃までの結晶成長
軸方向の平均温度勾配をＧ₁［℃／ｍｍ］とした時のＶ
／Ｇを計算して、最小となる値を代表値とした。一般に
結晶エッジ側はＧが大きくなるため、Ｖ／Ｇ代表値は結
晶外周部の値となる。

【００４９】窒素添加は、シリコン融液中に窒化膜付き
ウエハを投入することによって行った。炭素添加はシリ
コン融液中に炭素粉を投入することで行った。この単結
晶の同一部位からウエハを複数枚切り出し、ミラー加工
して作成したサブストレートに、エピタキシャル法によ
りシリコン単結晶層（エピ層）を堆積して、エピタキシ
ャルウエハ（エピウエハ）を作成した。エピ層の抵抗率
は５〜２０Ωｃｍとした。

【００５０】窒素濃度は、エピ層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。炭素濃度
は、エピ層堆積後のエピタキシャルウエハを赤外吸収法
（ＦＴＩＲ）で測定して、日本電子工業振興協会による
濃度換算係数を用いて算出した。

【００５１】エピ層のリング状分布積層欠陥は、以下の
手順で評価した。先ず、エピウエハをそのまま、Ｔｅｎ
ｃｏｒ社製表面異物計ＳＰ１を用い、測定条件として
０．１１μｍ以上の異物を評価するモードにて、異物の
個数と分布を調査した。その後、エピウエハをＳＣ１洗
浄にかけて異物を除去し、再び表面異物計にて異物を測
定し、洗浄前後で残っている異物をリング状分布積層欠
陥と判定して、ウエハ面内の個数をカウントした。

【００５２】エピ層の転位ピット欠陥は以下の手順で評
価した。評価は、ライトエッチ液にてエピ層厚み分をエ
ッチングし、１μｍ以上のサイズを持つ菱形もしくは流
線型状のピットの個数を、光学顕微鏡観察にてカウント
した。密度を算出するために１ｃｍ²の正方形状の観察
領域をウエハ直径方向に隙間無く敷き詰め、その中に存
在する楕円ピットの個数をカウントしてそれぞれの正方
形領域内の面積密度を算出した後、面内における楕円ピ
ットの面積密度の最大値を求めた。

【００５３】エピ堆積後のエピタキシャルウエハのＯＳ
Ｆ評価は、下記の方法で行った。まず、エピタキシャル
ウエハを１１００℃、１時間、水蒸気含有酸素雰囲気中
で酸化処理した。その後、フッ酸で酸化膜を除去した
後、ライトエッチ液にてエピ層厚み分をエッチングし、
表面に発生した楕円状、半月状あるいは棒状のＯＳＦピ
ットを光学顕微鏡で観察した。ＯＳＦ面積密度［個／ｃ
ｍ²］は、光学顕微鏡にて直径２．５ｍｍの視野でウエ
ハ直径方向を走査してＯＳＦピット個数をカウントし、
ＯＳＦピット個数÷観察面積で求めた。

【００５４】エピ堆積後のエピタキシャルウエハの酸素
析出特性評価は、下記の方法で行った。まず、エピ後の
ウエハに７００℃４ｈｒ＋１０００℃１６ｈｒの二段熱
処理、及び１０００℃１６ｈｒの一段熱処理を施した後
に、ウエハを劈開して、三井金属製ＢＭＤアナライザー
ＭＯ−４にて、内部の酸素析出物密度を測定した。

【００５５】評価結果を、比較例も含めて、表１に示
す。

【００５６】

【表１】

【００５７】基板窒素濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上、かつ、基板炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上のものは、エピ堆積後のエピタキシャルウ
エハのＮ−ＳＦが０．０５個／ｃｍ²以下、Ｅ−ｐｉｔ
が０．０５個／ｃｍ²以下、酸化熱処理後のＯＳＦ密度
が０．０５個／ｃｍ²以下になった。また、二段析出熱
処理後の析出物密度は２ｘ１０⁸／ｃｍ³以上であり、析
出能力にも優れていた。窒素単独添加で例えば基板窒素
濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の場合Ｖ／Ｇが
０．１０と低くなるとエピ層欠陥が発生していたが、窒
素に加えて基板炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³以上添加された場合は、たとえＶ／Ｇが０．１０であ
ってもエピ層欠陥は発生しなかった。炭素の効果はＶ／
Ｇとは無関係であると言える。

【００５８】基板窒素濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³未満のものは、１０００℃１６ｈｒ熱処理後の析出
物密度が２ｘ１０⁸／ｃｍ³未満であり、実施例に比べて
劣った。

【００５９】基板窒素濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上、かつ、基板炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³未満のものは、Ｎ−ＳＦがウエハ面内で０．０
５個／ｃｍ²超、またはＥ−ｐｉｔが０．０５個／ｃｍ²
超、または酸化熱処理を行った時のエピ層転写ＯＳＦ密
度が０．０５個／ｃｍ²超であり、実施例に比べて劣っ
た。

【００６０】基板窒素濃度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³未満、かつ、基板炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³以上のものは、１０００℃１６ｈｒ熱処理後の
析出物密度が１０⁸／ｃｍ³未満であり、実施例に比べて
劣った。

【００６１】なお、窒素に加えて炭素が添加されている
基板は１０００℃１６ｈｒ熱処理に比べて７００℃＋１
０００℃の二段熱処理の方が析出物密度が増えており、
析出物密度が１０¹⁰／ｃｍ³を越えていることから、炭
素による低温熱処理に対する析出促進の効果が確認され
た。

【００６２】

【発明の効果】本発明のシリコン半導体基板は、エピ層
欠陥や酸化熱処理後に発生するＯＳＦが少なく、デバイ
ス特性に優れたものであり、高集積度の高い信頼性を要
求されるＭＯＳデバイス用ウエハを製造するのに最適な
ウエハである。また、本発明の製造方法によれば、従来
のＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置をそのまま使う
ことができ、複雑な製造プロセスを経ることがないた
め、大幅なコストアップをすることなく、高品質のシリ
コン半導体基板を安定して供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 窒素濃度・Ｖ／Ｇに対する欠陥領域を示した
図

【図２】 サブストレートの欠陥領域とエピ層に発生す
る窒素添加起因の結晶欠陥の発生状況との関係を示す図

【図３】 Ｎ−ＳＦの構造を表す模式図

【図４】 Ｅ−ｐｉｔの構造を表す模式図

【図５】 エピ層へのＯＳＦ転写の様子を示す模式図

【図６】 窒素添加結晶の欠陥領域が形成される機構を
説明した図

【図７】 窒素添加結晶の欠陥領域とエピ層欠陥面内分
布の関係を示す図

【図８】 エピ層欠陥の発生しないエピタキシャルウエ
ハのための窒素添加サブストレートの窒素濃度とＶ／Ｇ
範囲を示す図

【図９】 窒素に加えて炭素を１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³以上添加したサブストレートの欠陥領域とエピ層
に発生する窒素添加起因の結晶欠陥の発生状況との関係
を示す図

【図１０】 ＯＳＦ領域の存在しない窒素濃度・炭素濃
度範囲を示す図

【図１１】 シリコン単結晶引上炉を示す概略図

【符号の説明】

１…ＣＺ法シリコン単結晶引上炉 ２…ワイヤ巻き上げ機 ３…断熱材 ４…加熱ヒーター ５…回転治具 ６…坩堝 ６ａ…石英坩堝 ６ｂ…黒鉛坩堝 ７…ワイヤ ８…種結晶 ９…チャック １０…ガス導入口 １１…ガス排出口 １２…熱遮蔽板 Ｓ…シリコン単結晶 Ｍ…シリコン融液 Ｌ…熱遮蔽板とシリコン融液表面との間隔

フロントページの続き (72)発明者 北原 功一 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 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 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 AB01 BA04 CF10 FJ06 5F053 AA12 DD01 FF04 GG01 HH04 PP12 RR03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法により製造された窒
   素と炭素含有シリコン単結晶から切り出したサブストレ
   ートであって、前記シリコン単結晶ウエハの基板窒素濃
   度が１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔ
   ｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ基板炭素濃度が１×１
   ０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃ
   ｍ³以下であるサブストレートの表面に、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ことを特徴
   とするエピタキシャルウエハの製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の製造方法にて製造した
   エピタキシャルウエハであって、ウエハ全面にわたって
   エピ層欠陥としてＮ−ＳＦが０．０５個／ｃｍ²以下、
   かつＥ−ｐｉｔが０．０５個／ｃｍ²、かつエピ層転写
   ＯＳＦが０．０５個／ｃｍ²以下であることを特徴とす
   るエピタキシャルウエハ。