JP2002246396A - エピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エピタキシャル膜の欠陥が極めて少なく、かつ
バルク部分のゲッタリング能力の大きいエピタキシャル
ウェーハの製造方法の提供。 【解決手段】グロウンイン欠陥が板状または棒状であ
り、さらに表面に存在する該欠陥の（１００）面での長
さが0.12μm以上であるものの存在密度が、0.3個／cm^２
以下である単結晶基板上にエピタキシャル膜を形成させ
るエピタキシャルウェーハの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体の集積回路
素子に使用されるシリコン単結晶、およびその単結晶か
ら得られる集積回路を形成させるための、エピタキシャ
ルウェーハに関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン半導体による集積回路素子（デ
バイス）の高密度化傾向は、急速に進行しており、デバ
イスを形成させるシリコンウェーハの品質への要求は、
ますます厳しくなっている。すなわち集積が高密度化す
るほど回路は繊細となるので、リーク電流の増大やキャ
リアのライフタイム短縮原因となる、転位などの結晶欠
陥、およびドーパント以外の金属系元素の不純物は、こ
れまでよりはるかに厳しく制限される。

【０００３】従来、デバイス用にＣＺ法（チョクラルス
キー単結晶引き上げ法）による、シリコン単結晶より切
り出したウェーハが用いられてきた。ＣＺ法では、石英
るつぼ内のシリコン溶融液に種結晶を浸けて引上げ、成
長させて単結晶が製造されるが、引上げ育成技術の進歩
により、欠陥の少ない無転位の大型単結晶が製造される
ようになっている。しかしながら、石英るつぼを用いる
ことによる酸素の含有や、液相のシリコン融液から固相
の単結晶を直接成長させることにともなう格子欠陥、す
なわちグロウンイン（grown-in）欠陥の発生は避けがた
い。

【０００４】単結晶に取り込まれた酸素は、デバイス作
製時の熱履歴によって析出し結晶欠陥を生じさせるの
で、デバイスが形成される活性領域に析出すると不良品
を発生させ歩留まりを劣化させる。grown-in欠陥もデバ
イス活性領域での存在は性能低下の原因となる。このデ
バイスが形成される活性領域は、通常、表面から20μm
以内であり、ウェーハの表面層だけに限られる。そこ
で、ＣＺ法で作られた単結晶によるウェーハを基板材と
し、その表面に結晶格子が整合する不純物が極めて少な
く欠陥のない結晶薄膜を形成させ、これを活性領域とす
るエピタキシャルウェーハが多用されるようになってい
る。

【０００５】エピタキシャルウェーハ用の基板として
は、従来、高ボロン濃度のシリコン単結晶が用いられて
きた。これは、製造過程で汚染が生じやすい電気特性を
劣化させる不純物金属元素のゲッタリング効果が大きい
からである。ところが最近では、デバイスに対する様々
な要求の変化や、基板からエピタキシャル膜へのボロン
の拡散などから、基板のボロン濃度が低減される傾向に
ある。しかしボロン濃度を下げるとゲッタリング能力が
低くなるという問題があり、他の手段によるゲッタリン
グ能力の維持が必要となってくる。

【０００６】ウェーハ内部に形成される酸素析出物によ
る欠陥（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）は、不純物金属
元素のゲッタリングサイトとして有効に作用する。ウェ
ーハ表層の活性領域での酸素析出は避けねばならない
が、ウェーハ内部にはこのＢＭＤが多く存在することが
望ましく、エピタキシャルウェーハ用の単結晶基板とし
ても同様であり、上記のようにボロン濃度を低減する場
合、それを補う目的でＢＭＤはより多く含まれることが
好ましい。

【０００７】表面結晶薄膜の形成すなわちエピタキシャ
ル膜形成は、ほとんどの場合ＣＶＤ法が適用される。こ
れは、ＳｉＣｌ_４やＳｉＨＣｌ_３などの原料ガスをキャ
リアガスとともに反応炉内に導入し、単結晶基板上で熱
分解させ形成させる。ところがこのＣＶＤの過程で単結
晶基板は1100℃近傍の高温に加熱されるため、酸素析出
の核が消失し、ゲッタリング作用のあるＢＭＤの形成が
不十分になるという問題がある。

【０００８】これに対して、エピタキシャルウェーハに
用いる単結晶基板のＢＭＤを均一かつ高密度に生成さ
せ、さらに安定化させるために、単結晶引き上げ速度を
制御したり、例えば特開平11-189493号公報あるいは特
開2000-44389号公報に開示された発明のように、窒素な
ど他元素ををドープする方法が考えられている。しか
し、酸素析出物の安定性が増すと、エピタキシャル膜中
に転位や積層欠陥など増大する傾向がある。

【０００９】エピタキシャル膜の欠陥発生の機構は必ず
しも明らかではないが、酸素析出物やgrown-in欠陥に起
因していると推測される。このように、内部のバルク部
分はゲッタリング能力に優れたＢＭＤが高密度に存在
し、表面は欠陥の極めて少ないエピタキシャル膜が形成
されている望ましい形態のエピタキシャルウェーハが、
安定して十分に得られているとは言い難い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、表面
のエピタキシャル膜の欠陥が極めて少なく、かつバルク
部分のゲッタリング能力の大きいエピタキシャルウェー
ハの製造方法の提供にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、単結晶基
板内部にゲッタリングシンクとなるＢＭＤが高密度に存
在し、かつ表面のエピタキシャル膜の欠陥はできるだけ
少ない、エピタキシャルウェーハを作製するための条件
を種々検討した。その過程で、機構については必ずしも
明らかではないが、エピタキシャル膜の欠陥発生に対
し、単結晶基板の酸素析出物やgrown-in欠陥が関係して
いると推測された。

【００１２】単結晶基板の不純物濃度、育成条件、熱履
歴等とエピタキシャル膜欠陥発生との関係を調べていく
と、次のようなことが明らかになった。まず基板表面に
生じる酸素析出物は、エピタキシャル膜の欠陥発生に大
きく影響する。しかし、酸素量が1×10^１８atoms/cm^３
程度の単結晶基板の場合、通常適用される単結晶引上げ
条件範囲では、単結晶基板表面に酸素析出物はほとんど
現れず、エピタキシャル膜への影響は無視できると考え
られた。

【００１３】grown-in欠陥についての形状および大きさ
の観察は、主として原子力間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic
Force Microscopy）を用いておこなった。このgrown-i
n欠陥は、多ければそれだけエピタキシャル膜の欠陥が
増すという単純な傾向を示すのではなく、その形状、大
きさおよび数により、エピタキシャル膜欠陥が発生した
り、しなかったりすることが明らかになってきた。

【００１４】基板に存在するgrown-in欠陥は、内部が空
洞で多面体形状のものと板状または棒状のものがある。
多面体形状のものは正八面体に近いものであり、板状ま
たは棒状のものは正八面体の平行な二辺がとくに長く伸
びたものと考えられる。この欠陥の形状とエピタキシャ
ル膜の欠陥発生とを対比してみると、存在するgrown-in
欠陥が多面体形状である単結晶基板の上に形成されたエ
ピタキシャル膜には欠陥発生が少なく、その欠陥形状が
板状または棒状である単結晶基板ではエピタキシャル膜
の欠陥発生が多いことがわかった。ただし、grown-in欠
陥の形状が板状または棒状であっても、その大きさが小
さければエピタキシャル膜の欠陥発生は少ない。

【００１５】また、基板内部のＢＭＤ密度は、grown-in
欠陥の形状とも密接な関係あることが見出された。すな
わちgrown-in欠陥が多面体形状である場合はＢＭＤの発
生が少なく存在密度が低いのに対し、板状または棒状で
ある場合にはＢＭＤの存在密度が高くなる。したがっ
て、grown-in欠陥は板状または棒状であって、しかも大
きなものが存在しない単結晶基板が好ましい。

【００１６】grown-in欠陥の形態がエピタキシャル膜の
欠陥発生、またはＢＭＤの存在密度に、どのようにして
影響を及ぼすのかは明らかではない。しかしながら、単
結晶基板のgrown-in欠陥の形状やその量が、エピタキシ
ャルウェーハの膜の欠陥発生の多少、およびＢＭＤの存
在密度の大小によく対応し、単結晶基板の段階にてその
良否を判定できることがわかったのである。

【００１７】この場合、grown-in欠陥の形態をより明確
に区分するため、次のように定義した。電子顕微鏡を用
いて（100）面に平行な断面にて観察すると、多面体形
状欠陥では正方形ないしはそれに近い形状になってお
り、板状または棒状欠陥では長方形ないしは平行四辺形
である。この２種の欠陥形状について、長辺に平行な方
向に計った欠陥の全長に対するこれと直角な方向に計っ
た幅の比が、0.5を超える場合を多面体形状とし、0.5以
下の場合を板状または棒状として区分することにした。
また、長辺方向の全長を、この欠陥の大きさとした。な
お欠陥が二つ連結したツインと呼ばれる形状の場合は、
分解して独立した二つの欠陥と見なし、それぞれを評価
した。このようにgrown-in欠陥を定義して、ＡＦＭまた
は透過型電子顕微鏡にて欠陥の形状、大きさおよび密度
を実測し、その単結晶基板にエピタキシャル膜を形成さ
せ、得られたウェーハの膜の欠陥およびバルクの基板で
のＢＭＤとの関係を調査した。

【００１８】エピタキシャル膜の欠陥発生に対する単結
晶基板のgrown-in欠陥の影響について種々調査していく
過程で、それが強く表れる特定の大きさのあることかわ
かってきた。板状または棒状欠陥の大きさすなわち全長
が、ある大きさを境にしてそれより大きければエピタキ
シャル膜の欠陥発生に強く影響するが、小さければ影響
が少ない。したがってその大きさ以上の板状または棒状
のgrown-in欠陥に着目し、これの少ない単結晶基板を用
いればよいのである。

【００１９】grown-in欠陥の形態が、良好なエピタキシ
ャルウェーハを得るためのすぐれた指針となることがわ
かったので、次にこのようなgrown-in欠陥形態を安定し
て得ることのできる単結晶製造方法を検討した。その結
果、融液組成として窒素を高濃度に添加して、引き上げ
単結晶の特定の温度域での冷却速度を大きくする、とい
う条件にて単結晶を育成すれば、板状または棒状でかつ
微細に分散したgrown-in欠陥形態が実現できることがわ
かった。そこでさらにこれらの限界条件を明確にし、本
発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。

【００２０】grown-in欠陥が板状または棒状であり、さ
らに表面に存在する該欠陥の、（１００）面での長さが
0.12μm以上であるものの存在密度が、0.3個／cm^２以下
である単結晶基板上にエピタキシャル膜を形成させるこ
とを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明のエピタキシャルウェーハ
の製造方法は、エピタキシャル膜を形成させる単結晶基
板に存在するgrown-in欠陥の、大きさ、形状および存在
密度を限定する。これは、これらgrown-in欠陥の形態
が、得られたエピタキシャルウェーハのエピタキシャル
膜の欠陥、および不純物重金属元素のゲッタリングサイ
トとなるＢＭＤの存在量と、密接な関係を有するからで
ある。すなわち、エピタキシャル膜形成前の単結晶基板
に存在するgrown-in欠陥は、板状または棒状であり、そ
の単結晶基板のエピタキシャル膜を形成させる面には、
（１００）面での長さが0.12μm以上である欠陥の数が
0.3個／cm^２以下であることとする。

【００２２】grown-in欠陥の形状が、多面体形状ではな
く板状または棒状とするのは、この形状になっておれば
ＢＭＤ密度が高くなり、ゲッタリング性能のすぐれたエ
ピタキシャルウェーハが製造できるからである。そして
単結晶基板表面において、この板状または棒状の大きさ
が0.12μm以上である欠陥数が、0.3個／cm^２以下である
こととするのは、このような欠陥の数が0.3個／cm^２を
超えると、その上に形成されるエピタキシャル膜の欠陥
が増加するからである。さらに、この大きさが0.12μm
以上である欠陥数を基板表面にて0.3個／cm^２以下とす
ることは、基板内部のＢＭＤ生成密度をより高くすると
いう効果も得られる。

【００２３】これらgrown-in欠陥の形状および大きさ
は、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた直接観察による
ものである。実際には観察面上のgrown-in欠陥の形状を
表面検査装置（たとえばＫＬＡテンコール社製ＳＰ−
１）を用いて発生位置を確認した後、その部分をＡＦＭ
により観察する。欠陥の形状および大きさの検出方法と
しては、この方法の他、薄膜化して透過型電子顕微鏡観
察または表面の走査型電子顕微鏡観察による直接観察
か、偏光赤外線または赤外線レーザの散乱光強度計測に
よる間接測定でもよい。

【００２４】ＢＭＤの密度は、たとえばウェーハ断面に
て、ライト液エッチング後光学顕微鏡観察により計測す
る。またエピタキシャル膜の欠陥は、上記表面検査装置
を用いてその存在密度を測定できる。

【００２５】上述のような、grown-in欠陥の形状が板状
または棒状となっているエピタキシャルウェーハ用基板
を得るための単結晶の育成条件は、融液の窒素濃度を1
×10 ^１４〜1×10^１５atoms/cm^３とし、かつ育成中単結
晶の1100℃から900℃までの温度域における冷却速度を5
℃／min以上とするのが好ましい。

【００２６】窒素濃度を高くするとgrown-in欠陥の形状
が、多面体から板状あるいは棒状に変化してくる。その
上窒素の含有は、結晶内に形成される酸素析出物の熱的
な安定性を増加させ、高温の熱処理が施されても酸素析
出物が容易には消失しなくなり、ＢＭＤのゲッタリング
作用を高く維持させる効果がある。これらの効果は、窒
素濃度が1×10^１４atoms/cm^３未満では十分に得られな
いので、これより高くすることが望ましい。しかし、1
×10^１５atoms/cm^３を超えて高くすると、多結晶化する
おそれがある。

【００２７】育成中単結晶の1100℃から900℃までの温
度域における冷却速度を、5℃／min以上とするとよいの
は、grown-in欠陥の大きさが小さくなり、そして酸素析
出物の発生密度が増大するからである。

【００２８】窒素濃度を高めることによりgrown-in欠陥
の形状は変化するが、その大きさは安定せず、酸素析出
物は熱的な安定性が増しても発生密度が低いことがあ
る。これに対し上記温度域にて冷却速度を5℃／minとす
ることにより、窒素を高めた効果が十分発揮されるよう
になる。これは、1100℃から900℃までは、grown-in欠
陥が形成され酸素析出物の核が形成される温度域であ
り、この温度域の冷却速度を速くすることによって、gr
own-in欠陥の大きさが小さくなり、かつ酸素析出物の核
が均一に多数分散するようになるためと推定される。冷
却速度が5℃／min未満では、grown-in欠陥が大きな状態
で発生し、ウェーハ内部の酸素析出物の密度が低くな
る。しかしこの温度域の冷却速度は速くしすぎると、単
結晶が割れるおそれがあるので、20℃／min以下とする
のが望ましい。

【００２９】

【実施例】〔実施例１〕呼び径８インチ（200mm）また
は１２インチ（300mm）のｐ型（ボロンドープ：1.5×10
^１６atoms/cm^３、比抵抗1〜3Ωcm）のシリコン単結晶
を、酸素濃度は7〜8.5×10^１７ atoms/cm^３のほぼ一定
として、窒素濃度および単結晶冷却速度を変えて育成し
た。これらの単結晶中央部のほぼ同一の位置から切り出
した厚さ0.7mmの基板を使用し、キャリアガスを水素と
してＳｉＨＣｌ_３を供給し1150℃にて表面に厚さ4.0μm
のエピタキシャル膜を形成させた。このときの成長速度
は3μm／minとした。

【００３０】grown-in欠陥は、表面検査装置（ＫＬＡテ
ンコール社製ＳＰ１）にてまず単結晶の基板面における
位置と数を確認した。その欠陥位置100箇所をランダム
に選択して、ＡＦＭを用いてその形状および大きさを計
測し、大きさが0.12μm以上の板状または棒状欠陥の面
密度を求めた。エピタキシャル膜の欠陥は、上記の表面
検査装置を用い、その表面密度を求めた。

【００３１】単結晶基板表面における、大きさ0.12μm
以上の板状または棒状grown-in欠陥の存在密度と、その
上に形成させたエピタキシャル膜の欠陥密度との関係の
調査例を図１に示す。これから明らかなように、単結晶
基板の上記板状または棒状のgrown-in欠陥を0.3個／cm
^２以下とすれば、エピタキシャル膜の欠陥が極めて少な
いエピタキシャルウェーハが製造できることがわかる。

【００３２】〔実施例２〕窒素を添加しない場合、窒素
濃度を1×10^１４atoms/cm^３とした場合および4×10^１４
atoms/cm^３とした場合について、それぞれ1100℃から90
0℃の温度範囲を3℃／minまたは5℃／minの冷却速度と
して単結晶を育成した。他の条件はすべて実施例１と同
じである。これらの単結晶から採取した基板について、
実施例１と同様、表面のgrown-in欠陥存在密度を測定
し、さらにエピタキシャル膜を成長させた。このエピタ
キシャルウェーハにて、1000℃、16時間の熱処理をおこ
なって酸素析出物を成長させた後、ウェーハを劈開破壊
してライト液にてエッチング処理し、光学顕微鏡で観察
して内部の酸素析出物すなわちＢＭＤ密度を測定した。
基板表面における大きさ0.12μm以上の板状または棒状g
rown-in欠陥の存在密度と、内部のＢＭＤの密度との関
係を図２に示す。

【００３３】この図から明らかなように、窒素を添加し
ない場合は、冷却速度の如何に関わりなく板状または棒
状のgrown-in欠陥は観察されず、ＢＭＤ密度も低い。窒
素を添加した場合、板状または棒状の大きさ0.12μm以
上のgrown-in欠陥が発生してくるが、単結晶の1100℃か
ら900℃の間の冷却速度が3℃／minでは、この大きな欠
陥が多くＢＭＤ密度は低い。これに対し、窒素を添加
し、かつ上記温度範囲の冷却速度が5℃／minである場合
は、板状または棒状の大きさ0.12μm以上のgrown-in欠
陥密度が0.3個／cm^３以下であり、ＢＭＤは高密度で存
在している。

【００３４】このように、窒素を添加しかつ1100℃から
900℃までという特定の温度域における冷却速度を大き
くすることで、大きなgrown-in欠陥の少ない単結晶基板
が得られ、それによってエピタキシャル膜の欠陥が極め
て少なく、しかもＢＭＤ密度が高いゲッタリング性能の
すぐれたウェーハが製造できることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、エピタキシャル膜の欠
陥が極めて少なく、しかも不純物重金属元素のゲッタリ
ング能力のすぐれたのエピタキシャルウェーハの製造が
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶基板のgrown-in欠陥密度と、エピタキシ
ャル膜の欠陥密度との関係を示す図である。

【図２】単結晶基板のgrown-in欠陥と、エピタキシャル
ウェーハのＢＭＤ密度との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AB02 AC05 AD15 AF03 AF12 BB12 GB11 5F053 AA12 AA22 AA48 DD01 FF04 GG01 RR03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】グロウンイン（grown-in）欠陥が板状また
   は棒状であり、さらに表面に存在する該欠陥の（１０
   ０）面での長さが0.12μm以上であるものの存在密度
   が、0.3個／cm^２以下である単結晶基板上に、エピタキ
   シャル膜を形成させることを特徴とするエピタキシャル
   ウェーハの製造方法。