JP2003002786A - シリコン単結晶基板、エピタキシャルウエーハおよびこれらの製造方法 - Google Patents

シリコン単結晶基板、エピタキシャルウエーハおよびこれらの製造方法

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JP2003002786A
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silicon single
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Makoto Iida
誠 飯田
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高濃度のボロンがドープされ、かつ、窒素も
ドープされたp+ 基板にエピタキシャル層を形成したp
/p+ −EPウエーハのエピ表面から結晶欠陥が排除さ
れ、ゲッタリング能力の高い高品質、高機能のエピタキ
シャルウエーハおよびその製造方法を提供する。 【解決手段】 エピタキシャルウエーハの基板となるシ
リコン単結晶基板であって、窒素および高濃度にボロン
がドープされ、かつV/G(ここに、V:引上げ速度、
G:結晶温度勾配とする)値がOSFリング領域内の微
小転位発生領域の下限値とI−リッチ領域の上限値の間
となる条件で育成された単結晶であることを特徴とする
エピタキシャルウエーハ用のシリコン単結晶基板、およ
びその上にエピ層を形成したエピタキシャルウエーハ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バルク中のゲッタ
リング能力をさらに向上し、エピタキシャル層に欠陥の
ないp/p+ エピタキシャルウエーハ(以下、p/p+
−EPウエーハということがある)およびその基板とな
るシリコン単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの集積回路では寄生素子
を通して電源からグランドへのショートが発生すること
があり、この現象は一旦発生すると電源を落さない限り
回復せず、デバイスが正常動作しなくなるためラッチア
ップと呼ばれている。この対策として、p/p+ −EP
ウエーハが利用されている。
【0003】このp/p+ −EPウエーハとは、ボロン
を高濃度に含有した基板(p+ 基板)がゲッタリング効
果を有することを利用し、p+ 基板上に低ボロン濃度
(p-)のエピタキシャル(以下、エピということがあ
る)層を形成したp- /p+ エピタキシャルウエーハで
あり、近年、高濃度ボロンによるゲッタリング効果と、
高濃度ボロンが酸素の析出を促進することによるゲッタ
リング効果、さらには基板の強度が向上する等の利点が
あるため、高機能デバイス等で利用されている。
【0004】最近では、さらに機能を追加するため、基
板に窒素をドープして、エピ後の酸素析出特性をさらに
向上させたp/p+ −EPウエーハも開発されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、窒素をドー
プした結晶は、酸素濃度、窒素濃度、V/G[mm2
K・min](ここに、V:引上げ速度[mm/mi
n]、G:結晶中の固液界面近傍の融点から1400℃
の間の結晶軸方向温度勾配[K/mm]とする)値等の
単結晶引上げ条件によって、OSFリング領域の一部に
微小な転位クラスターが生じる場合がある。すなわち、
窒素をドープするとOSFリング領域が拡大し、従来の
窒素ノンドープのOSF領域にはなかった微小な転位が
OSF領域の中に発生するようになる(I−リッチ領域
でないにもかかわらず)(図1(b)参照)。そして、
この微小な転位が基板に存在すると、エピ層成長工程で
エピ層に伝播するため、エピ表面に欠陥を形成してしま
うことになる。
【0006】p/p- −EPウエーハの場合、p- 基板
用の結晶を引上げる際のV/G値を高く設定する等によ
り、OSFリングを結晶の外側に追い出して、転位が発
生する領域を基板上からなくすことにより、このような
エピ欠陥の発生を抑制してきた(特許願11−2945
23号、特許願2000−191047号、E.Dornberg
er et al. J. Crystal Growth 180(1977) 343-352.参
照)。
【0007】一方、高濃度ボロンドープの場合、OSF
リングが発生するV/G値が、高V/G側にシフトする
ことが、既に知られている(E.Dornberger et al. J. C
rystal Growth 180(1977) 343-352.)。そこで、この高
濃度ボロンによりOSFリングが発生する場合のV/G
値の変化と、窒素ドープによる転位発生について調査し
たところ、 (1)窒素をドープした場合においても、同様にOSF
リングが発生するV/G値は高V/G側にシフトする。 (2)この場合でもOSFリング領域の一部に、同様に
微小な転位クラスターが発生する領域が存在する。 (3)このような転位は、ボロンの高濃度ドープだけで
は抑制できないことが確認された。すなわちp- 基板と
同様にV/Gを高くした結晶製法で、抵抗率を低くした
+ 基板を用いてp/p+ −EPウエーハを作製した場
合にはエピ欠陥が発生してしまうことがわかった。
【0008】そこで、本発明はこのような問題点に鑑み
てなされたもので、窒素がドープされた高濃度ボロンド
ープ基板にエピタキシャル層を形成してp/p+ −EP
ウエーハを作製する際に、エピ表面から結晶欠陥が排除
された、ゲッタリング能力の高いエピタキシャルウエー
ハ、およびその製造方法を提供することを主たる目的と
する。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のエピタキシャルウエーハ用のシリコン単結
晶基板は、エピタキシャルウエーハの基板となるシリコ
ン単結晶基板であって、窒素および高濃度のボロンがド
ープされ、かつV/G(ここに、V:引上げ速度、G:
結晶中の固液界面近傍の結晶軸方向温度勾配とする)値
がOSFリング領域内の微小転位発生領域の下限値とI
−リッチ領域の上限値の間となる条件で育成された単結
晶であることを特徴としている(請求項1)。尚、本発
明における「高濃度ボロン」とは、ボロン濃度が少なく
とも5×10 17atoms/cm3 (抵抗率で0.1Ω
・cm以下)であることを言う。
【0010】このように、窒素および高濃度ボロンがド
ープされ、かつV/G値がOSFリング領域内の微小転
位発生領域の下限値とI−リッチ領域の上限値の間とな
る条件で育成された単結晶から製造されたシリコン単結
晶基板は、その面内に、窒素ドープ起因のOSFリング
領域内に発生し易い微小転位発生領域が存在しないの
で、この基板の上にエピタキシャル層を積んでもエピ表
面に欠陥を形成する恐れはなく高品質、高機能のエピタ
キシャルウエーハを提供することができる。
【0011】この場合、シリコン単結晶基板は、抵抗率
が0.02Ω・cm以下であり(請求項2)、ドープさ
れた窒素の濃度が3×1013/cm3 以上であることが
好ましい(請求項3)。
【0012】このように抵抗率を0.02Ω・cm以下
としたものは、ボロン濃度が十分に高いことによるゲッ
タリング効果と高濃度ボロンが酸素の析出を促進するこ
とによるゲッタリング効果と基板の強度が向上する等の
利点がある。また、ドープする窒素濃度を3×1013
cm3 以上とすれば、酸素析出特性を一層向上させるこ
とができる。
【0013】そして本発明のエピタキシャルウエーハ
は、前記シリコン単結晶基板の上にエピタキシャル層を
成長させて成るものであって(請求項4)、基板中に窒
素ドープ起因のOSFリング領域内に発生し易い微小転
位発生領域が存在しないので、この基板の上にエピタキ
シャル層を積んでもエピ表面に欠陥を形成する恐れはな
く高品質、高機能のエピタキシャルウエーハを提供する
ことができる。
【0014】さらに、本発明のエピタキシャルウエーハ
は、窒素および高濃度のボロンをドープしたシリコン単
結晶基板上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャ
ルウエーハであって、エピタキシャル層表面に基板の結
晶欠陥に起因するエピタキシャル層欠陥が存在しないこ
とを特徴としている(請求項5)。このように、本発明
では、窒素がドープされた高濃度ボロンドープ基板を用
いているにもかかわらず、エピ層欠陥がないエピタキシ
ャルウエーハとすることができる。従って、エピ欠陥が
ないとともにIG能力の極めて高いエピタキシャルウエ
ーハが提供される。
【0015】また、本発明にかかわるエピタキシャル成
長用のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー
法により窒素および高濃度のボロンをドープしたシリコ
ン単結晶を育成する際に、V/G値がOSFリング内微
小転位発生領域の下限値とI−リッチ領域の上限値の間
となる条件でシリコン単結晶を引上げることを特徴とし
ている(請求項6)。
【0016】このように、CZ法により窒素および高濃
度のボロンをドープしたシリコン単結晶を育成する際
に、V/G値がOSFリング内微小転位発生領域の下限
値とI−リッチ領域の上限値の間となる条件で単結晶を
引上げれば、その単結晶から製造されたシリコン単結晶
基板は、その面内に、窒素ドープ起因のOSFリング領
域内に発生し易い微小転位発生領域が存在しないので、
この基板の上にエピタキシャル層を積んでもエピ表面に
欠陥を形成する恐れはない。
【0017】この場合、育成したシリコン単結晶の抵抗
率を0.02Ω・cm以下、窒素濃度を3×1013/c
3 以上とすることが好ましい(請求項7)。この抵抗
率を0.02Ω・cm以下としたものは、ボロン濃度が
十分高いことによるゲッタリング効果と高濃度ボロンが
酸素の析出を促進することによるゲッタリング効果と基
板の強度が向上する等の利点がある。また、ドープする
窒素濃度を3×1013/cm3 以上とすれば、酸素析出
特性を一層向上させることができる。
【0018】本発明のエピタキシャルウエーハの製造方
法は、上記の製造方法で製造されたシリコン単結晶をス
ライスして得られる基板上に、エピタキシャル層を成長
させることを特徴としており(請求項8)、このような
製造方法によれば、基板となるシリコン単結晶ウエーハ
の面内に、窒素ドープ起因のOSFリング領域内に発生
し易い微小転位発生領域が存在しないので、この基板の
上にエピタキシャル層を積んでもエピ表面に欠陥を形成
する恐れはなく、高品質、高機能のエピタキシャルウエ
ーハを提供することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらに限定
されるものではない。本発明者等は、p/p+ −EPウ
エーハ用の高濃度のボロンがドープされ、かつ、窒素も
ドープされたシリコン単結晶基板にエピタキシャル層を
形成してもエピ層表面に結晶欠陥が形成されないエピタ
キシャルウエーハを製造する方法を確立するため、シリ
コン単結晶育成条件について鋭意調査、実験を行い、諸
条件を精査して本発明を完成させた。
【0020】単結晶の引上げ速度は、どこまでも高速に
出来るのならば、V/G値を著しく大きくすることによ
って、窒素ドープ結晶でも微小転位発生領域を結晶周辺
部に追いやることが出来るので問題はないのだが、実際
は、ある速度を超えると結晶が変形し易くなり、量産レ
ベルでの引上げが困難になる速度が存在する。そして、
この速度におけるパラメータV/G値では、窒素ドー
プ、高濃度ボロンドープの場合は、やはり、OSFリン
グおよびその領域内の微小転位発生領域の発生を結晶周
辺部に消滅させることは出来ない。
【0021】そこで、OSFリングを結晶の内側に配置
し、微小転位が発生しないように、引上速度を低速化す
ることを試みた。通常の抵抗値を有する結晶であれば、
このような領域は、極低速である、すぐ隣にI−リ
ッチ領域があり、ここにも転位クラスターが高密度に存
在する、という2つの理由からエピタキシャル成長用の
基板に向いているとは考えられないのが普通である(図
1(b)参照)。
【0022】しかし、高濃度ボロンドープの場合は、こ
のような微小転位が発生しない領域が比較的高速であ
り、かつ、I−リッチ領域となるV/G値がそれほど高
くならないことが、窒素ドープ、高濃度ボロンドープ結
晶においても確認できた。また、OSF発生領域および
その内部の微小転位発生領域は、ボロン濃度の他に、窒
素濃度や酸素濃度の影響を受けることが確認された。従
って、高濃度ボロン・窒素ドープ基板を用いた、p/p
+ −EPウエーハを製造する場合は、OSF領域内の微
小転位領域が発生しない程度に速度を下げ、また、I−
リッチ領域にならないように、面内のV/G値をコント
ロールしながら、基板用の結晶を製造すればよいという
結果が得られた。
【0023】以上の結果を総合して、本発明のエピタキ
シャル成長用のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラ
ルスキー法により窒素および高濃度のボロンをドープし
たシリコン単結晶を育成する際に、V/G値がOSFリ
ング内微小転位発生領域の下限値とI−リッチ領域の上
限値の間となる条件でシリコン単結晶を引上げることと
した(図1(a)参照)。
【0024】このような条件で引上げられた単結晶から
製造されたシリコン単結晶基板は、その面内に、窒素ド
ープ起因のOSFリング領域内に発生し易い微小転位発
生領域が存在しないので、この基板の上にエピタキシャ
ル層を積んでもエピ表面に結晶欠陥を形成する恐れはな
く、しかもゲッタリング効果の非常に高いエピタキシャ
ルウエーハを提供することができる。尚、V/Gの算出
は、FEMAGを用い、HZを考慮して行うことができ
る。ここでFEMAGは、文献(F.Dupret,
P.Nicodeme,Y.Ryckmans,P.W
outers,and M.J.Crochet,In
t.J.Heat Mass Transfer,3
3,1849(1990))に開示されている総合伝熱
解析ソフトである。
【0025】この場合、育成するシリコン単結晶の抵抗
率を0.02Ω・cm以下、窒素濃度を3×1013/c
3 以上とすることが好ましく、この抵抗率を0.02
Ω・cm以下としたものは、ボロン濃度が高いことによ
るゲッタリング効果と高濃度ボロンが酸素の析出を促進
することによるゲッタリング効果と基板の強度が向上す
る等の利点がある。但し、シリコン単結晶中のボロンの
固溶限界があるので、抵抗値は0.0001Ω・cm程
度が下限である。また、ドープする窒素濃度を3×10
13/cm3 以上とすれば、窒素による酸素析出特性を十
分に向上させることができる。この濃度より低いと、窒
素をドープしたことによる酸素析出効果が低くなる恐れ
がある。また、窒素も単結晶化の妨げとならない5×1
15程度の濃度が上限である。
【0026】本発明においては、結晶中の酸素濃度は、
原則としてどのような濃度であってもよい。但し、酸素
濃度によって、OSFリングおよびOSFリング内の微
小転位ループの発生の仕方が変化するので、V/G値を
本発明の領域内とする引上げの難易度に影響を及ぼす。
具体的には、酸素が全く存在しなければ、OSFの核が
発生しようがなく、OSFリングおよび微小転位ループ
は共に発生しない。また、極低酸素濃度で結晶を作った
場合と、高酸素濃度で作った場合とでは、明らかにOS
Fリングおよび微小転位ループの発生の仕方が異なり、
高酸素では微小転位が発生し易くなる。従って、本発明
においては、結晶中の酸素濃度も考慮して適切なV/G
値を制御する必要がある。
【0027】そして、本発明のエピタキシャルウエーハ
の製造方法は、上記の製造方法で製造されたシリコン単
結晶をスライスして得られるウエーハ上に、エピタキシ
ャル層を成長させる。これによりエピ欠陥のないエピ層
を形成したIG能力の極めて高いエピタキシャルウエー
ハを提供することができる。
【0028】
【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を挙げて
より具体的に説明するが、本発明はこれらに限定される
ことはない。
【0029】(実施例、比較例) [試験−1] 特定のHZ(Hot Zone、単結晶
引上げ装置内の炉内構造)を有する引上げ装置を使用し
て、原料ポリシリコン120kgをチャージし、窒化膜
付きウエーハを所定量投入し、窒素濃度を3×1013
cm3 (単結晶棒の肩の部分、計算値)、抵抗率を単結
晶棒の肩で0.015Ω・cmとなるように不純物(ボ
ロン)をドープし、酸素濃度を約14ppma(JEI
DA規格、JEIDA:日本電子工業振興協会)、引上
げ速度を1.0mm/minとして直径200mm(8
インチ)の単結晶を引上げた。
【0030】この単結晶から切り出したウエーハには、
OSFリングが広く分布し、その一部に微小転位が発生
していた(図1(a)のV=1.0の位置であり、V/
G=0.25mm2 /K・min)。さらに、結晶の肩
近くの直胴からスライスして作製した鏡面ウエーハに、
1130℃で5μmのエピタキシャル層を成長させたと
ころ、微小転位の発生していた部分に対応するエピ層の
表面にエピ欠陥が存在することが、断面TEM観察によ
り明らかとなった。
【0031】[試験−2] 続いて試験−1と同一のH
Z構造を有する引上げ装置を用い、同一条件にて引上速
度を0.80mm/minまで低下させて引上げたとこ
ろ、ウエーハの中心にOSFリングそのものは若干残留
していたが、微小転位そのものは発生していない領域と
なった(図1(a)のV=0.8の位置であり、V/G
=0.20mm2 /K・min)。この結晶から鏡面ウ
エーハを作製し、エピタキシャル層を成長させたとこ
ろ、エピ表面から欠陥は排除されていた。
【0032】[試験−3] 最後に試験−1と同一のH
Z構造を有する引上げ装置を用い、同一条件にて引上げ
速度を0.6mm/minまで低下させたところ、全面
がいわゆるI−リッチ領域となった(図1(a)のV=
0.6の位置であり、V/G=0.15mm2 /K・m
in)。この領域は、大きい転位クラスターが発生する
領域であり、エピ成長後にその表面に欠陥が全面に発生
していた。
【0033】以上の試験の結果、本発明のエピタキシャ
ル成長用のシリコン単結晶の製造方法は、CZ法により
窒素および高濃度のボロンをドープしたシリコン単結晶
を育成する際に、V/G値がOSFリング内微小転位発
生領域の下限値とI−リッチ領域の上限値の間となる条
件でシリコン単結晶を引上げれば良く、これにより微小
転位発生領域のないシリコン単結晶基板を作製すること
ができることが確められた。
【0034】また、転位が発生しない領域というのは、
ボロン濃度や窒素濃度で大きく変化する。基板内に十分
なBMDが得られる窒素濃度は3×1013/cm3 以上
なので、この濃度で使用することがゲッタリング能力向
上の観点から望ましい。また、抵抗率が通常抵抗率(1
〜20Ω・cm)と低抵抗率(0.1Ω・cm以下)と
の間では、さほど、OSFリングが発生するV/G値が
高くならないことと、いわゆるN領域も拡大しないの
で、V/G値を本発明の範囲内として結晶を引上げるの
は難しい。よって、抵抗率は0.1Ω・cm以下、好ま
しくは0.02Ω・cm以下の範囲で、本発明手法を適
応することが望ましい。
【0035】一方、窒素濃度が1×1014/cm3 以上
と高い場合には、微小転位が発生するような領域が拡大
するので、この窒素濃度を使用する場合には、単結晶引
上げ装置内のHZを調整して、結晶中の固液界面近傍の
結晶軸方向温度勾配Gの面内分布を平坦化する等によ
り、面内から窒素起因の転位と、I−リッチ領域の転位
の両方を排除する必要がある。
【0036】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0037】例えば、上記実施形態においては、直径2
00mm(8インチ)のシリコン単結晶を育成する場合
につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定さ
れず、直径100〜400mm(4〜16インチ)ある
いはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。また、
本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁
場等を印加するいわゆるMCZ法にも適用できることは
言うまでもない。
【0038】
【発明の効果】以上詳細に説明した本発明によれば、p
/p+ −EPウエーハのシリコン単結晶基板に窒素をド
ープしても、エピ層表面から欠陥が排除されたゲッタリ
ング能力の極めて高い高品質、高機能のエピウエーハを
製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) 窒素ドープ、高濃度ボロンドープ結晶
成長方向での結晶欠陥の変化の様子を見た図である。 (b) 従来の窒素ドープ結晶成長方向での結晶欠陥の
分布の様子を見た図である。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エピタキシャルウエーハの基板となるシ
    リコン単結晶基板であって、窒素および高濃度のボロン
    がドープされ、かつV/G(ここに、V:引上げ速度、
    G:結晶中の固液界面近傍の結晶軸方向温度勾配とす
    る)値がOSFリング領域内の微小転位発生領域の下限
    値とI−リッチ領域の上限値の間となる条件で育成され
    た単結晶であることを特徴とするエピタキシャルウエー
    ハ用のシリコン単結晶基板。
  2. 【請求項2】 前記シリコン単結晶基板は、抵抗率が
    0.02Ω・cm以下であることを特徴とする請求項1
    に記載したエピタキシャルウエーハ用のシリコン単結晶
    基板。
  3. 【請求項3】 前記ドープされた窒素の濃度が3×10
    13/cm3 以上であることを特徴とする請求項1または
    請求項2に記載したエピタキシャルウエーハ用のシリコ
    ン単結晶基板。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれか1項
    に記載したシリコン単結晶基板の上にエピタキシャル層
    を成長させて成ることを特徴とするエピタキシャルウエ
    ーハ。
  5. 【請求項5】 窒素および高濃度のボロンをドープした
    シリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を形成したエ
    ピタキシャルウエーハであって、前記エピタキシャル層
    表面に基板の結晶欠陥に起因するエピタキシャル層欠陥
    が存在しないことを特徴とするエピタキシャルウエー
    ハ。
  6. 【請求項6】 チョクラルスキー法により窒素および高
    濃度のボロンをドープしたシリコン単結晶を育成する際
    に、V/G値がOSFリング内微小転位発生領域の下限
    値とI−リッチ領域の上限値の間となる条件でシリコン
    単結晶を引上げることを特徴とするエピタキシャル成長
    用のシリコン単結晶の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記育成するシリコン単結晶の抵抗率を
    0.02Ω・cm以下、窒素濃度を3×1013/cm3
    以上とすることを特徴とする請求項6に記載したシリコ
    ン単結晶の製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項6または請求項7に記載の製造方
    法で製造されたシリコン単結晶をスライスして得られる
    基板上に、エピタキシャル層を成長させることを特徴と
    するエピタキシャルウエーハの製造方法。
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