JP2003109961A - エピタキシャルシリコンウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンチモンドープシリコン単結晶ウェーハで
あって、ウェーハ断面の微小結晶欠陥密度が高く、ゲッ
タリング能力に優れたエピタキシャルウェーハ及びその
製造方法をを提供する。 【解決手段】 アンチモンドープシリコン単結晶ウェー
ハにエピタキシャル層を成長させる前に特定の熱処理を
施すこと、並びに結晶引き上げ時の熱履歴を最適化する
こと、並びにこれらの方法に窒素をドーピングした結晶
を用いること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスと
して使用されるシリコンエピタキシャルウェーハの製造
方法に関し、さらに詳しくは、アンチモンがドープされ
たシリコン単結晶ウェーハをエピタキシャル層成長直後
から高いゲッタリング能力を付与することができる方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在シリコン半導体デバイスの高集積化
は急速に進行しており、シリコンウェーハに要求される
特性はますます厳しくなっている。高集積化したデバイ
スにおいては、デバイスが形成されるいわゆるデバイス
活性領域に結晶欠陥、あるいはドーパント以外の金属不
純物が含まれていると、リーク電流の増大などの電気的
特性の劣化を招く。このようなことから、結晶欠陥をほ
ぼ完全に含まないエピタキシャル層を基板上に成長させ
たエピタキシャルウェーハは、今日の高集積化デバイス
に多く用いられている。

【０００３】しかしながら結晶の完全性が高いエピタキ
シャルウェーハを用いても、その後のデバイス工程にお
けるエピタキシャル膜の金属不純物汚染はデバイスの特
性を悪化させる。従って、金属不純物をデバイス活性領
域から離れた場所（シンク）に捕獲させる、いわゆるゲ
ッタリング技術が必要となる。

【０００４】ゲッタリング技術としては、デバイスプロ
セスの熱処理中に自然に誘起される酸素起因の結晶欠陥
をシンクとするイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）
とよばれるものがあるが、エピタキシャル工程では１０
５０℃から１２００℃の高温熱処理が施されるためにシ
リコン基板に内在する酸素析出核が縮小、消滅し、その
後のデバイスプロセスにおいて、基板内にゲッタリング
源となる結晶欠陥を充分に誘起することが困難である。

【０００５】特にデバイスプロセスが低温化すると、酸
素析出物の成長が遅くなり、デバイスプロセスの初期に
おいてはもちろんのこと、プロセス全体にわたって金属
不純物に対して充分なＩＧ効果を望めないという問題が
生じる。このような問題は、酸素析出を抑制すると考え
られているアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）のような
ｎ型不純物が添加された場合にはさらに深刻となる。

【０００６】すなわちｎ型不純物の添加は酸素の析出を
抑制することが広く知られている。この原因としては以
下の２つの要因が考えられている。一つはＷａｄａら
（Semiconductor Silicon 1986, eds. H.R.Huff and T.
Abe, p778）の酸素ドナーを析出核とするモデルにより
説明される。酸素ドナーは形成される際に電子を放出す
るが、ドナー不純物であるｎ型不純物の添加は酸素ドナ
ーを解離する方向に寄与するというものである。もう一
つはアンチモンが酸素と結びつき蒸発し、単結晶内の酸
素濃度を減少させてしまうことに起因する。この結果酸
素析出は起こりにくくなり、ゲッタリング能の低下を招
く。アンチモン濃度が増大するに伴いこの傾向は高ま
る。

【０００７】ゲッタリング方法としては、サンドブラス
ト、Ｓｉ₃Ｎ₄膜あるいはＰｏｌｙ−Ｓｉ膜の成長などに
よる裏面歪付けに代表されるイクストリンシックゲッタ
リング（ＥＧ）も併用されてきたが、工程数の増加に伴
うコストの問題の他に、歪み層からのシリコン片のはが
れによるパーティクルの発生や、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の成
長によるフラットネスの劣化といった問題がある。この
ためＥＧに頼らずにＩＧ能を向上させるための方法とし
て、酸素析出を促進させる不純物をドープする方法が検
討されている。

【０００８】例えば、特開２０００−７２５９３号公報
にはアンチモンドープシリコン単結晶に窒素を１×１０
¹⁰〜５×１０¹⁵atoms/cm³ドープすることが提示されて
いる。エピタキシャル工程前に９００℃〜シリコンの融
点以下の温度で熱処理することによりエピタキシャル層
の欠陥誘起を抑制できるとしている。窒素の添加は高温
のエピタキシャル工程でも消えがたい酸素析出物を基板
中に発生させる特徴を持つが、それは同時に安定な酸素
析出物からエピタキシャル層中に積層欠陥や転位などの
いわゆるエピタキシャル欠陥を誘起するという問題を発
生させる。このエピタキシャル欠陥は酸化膜耐圧などの
特性を劣化させるため抑制する必要がある。

【０００９】特開２０００−７２５９３号公報の特許請
求の範囲には窒素濃度及び酸素濃度も広い範囲で設定さ
れており、必要とされるＩＧ能を得るための具体的な濃
度範囲ということはできない。すなわちインゴットのト
ップからテールまでいかなる位置から切り出され作製さ
れたエピタキシャルウェハに対し、ある一定水準以上の
ゲッタリング能力を付与しなおかつエピタキシャル欠陥
の発生を抑制するための具体的な条件については明示さ
れていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述したアン
チモンがドープされた単結晶およびエピタキシャルウェ
ハのゲッタリング及びエピタキシャル欠陥に関する問題
点に鑑みてなされたものであり、アンチモンドープシリ
コン単結晶から切り出され作製されたエピタキシャルウ
ェハのゲッタリング能力を高いレベルに引き上げ、なお
かつエピタキシャル欠陥の発生を抑制させることを目的
とするものである。

【００１１】このような目的を達成するために、本発明
はアンチモンがドープされたシリコン単結晶ウェーハを
エピタキシャル層の形成前、より好ましくはウェーハの
鏡面研磨工程前に熱処理を施すこと、ならびに結晶引き
上げ時の結晶熱履歴を最適化すること、さらにはシリコ
ン単結晶に窒素をドープする事によりこれらの問題点を
解決する方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の請求項１に記載した発明は、アンチモンド
ープシリコン単結晶ウェーハにエピタキシャル層を形成
したウェーハであって、該ウェーハに１０００℃以上の
熱処理を施した場合に、ウェーハ断面に酸素析出物及び
それから発生した積層欠陥や転位等の２次欠陥が１×１
０⁴個／cm² 以上であることを特徴とするエピタキシャ
ルシリコンウェーハである。

【００１３】このように、アンチモンドープシリコン単
結晶ウェーハにエピタキシャル層を形成したウェーハで
あって、該ウェーハに１０００℃以上の熱処理を施した
場合に、ウェーハ断面に酸素析出物及びそれから発生し
た積層欠陥や転位等の２次欠陥（以下ＢＭＤと記す）が
１×１０⁴個／cm² 以上であるウェーハは、充分な析出
物密度を有しており金属不純物に対してＩＧ効果を望む
ことができるエピタキシャルシリコンウェーハを得るこ
とができる。なお、ＢＭＤのサイズは５０nm以上、個数
は１×１０⁷個／cm² 以下であることが好ましい。

【００１４】また、本発明の請求項２に記載した発明
は、アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、および
酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープしたシリコン
単結晶ウェーハを、７００℃以上９００℃未満の温度で
１５分から４時間熱処理した後エピタキシャル層を形成
することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ
の製造方法である。

【００１５】このように、アンチモンを１０×１０¹⁷at
oms/cm³ 以上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以
上ドープしたシリコン単結晶ウェーハを、７００℃以上
９００℃未満の温度で１５分から４時間熱処理した後エ
ピタキシャル層を形成する方法で製造されたウェーハ
は、エピタキシャル成長前に７００℃以上９００℃未満
の温度で熱処理することにより、この熱処理がなければ
高温のエピタキシャル工程で消滅してしまうような小さ
な析出核の成長を促進し、エピタキシャル成長処理で消
滅せずに残留する析出物密度を増大させることができ
る。

【００１６】さらに、本発明の請求項３に記載した発明
は、アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、および
酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープしたシリコン
単結晶を引き上げる際に、１２００℃から１０５０℃の
温度範囲の冷却速度が７．３℃/min以上のウェーハにエ
ピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシ
ャルシリコンウェーハの製造方法である。

【００１７】このように、アンチモンを１０×１０¹⁷at
oms/cm³ 以上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以
上ドープしたシリコン単結晶を引き上げる際に、１２０
０℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/m
in以上のウェーハにエピタキシャル層を形成する方法で
製造されたウェーハは、１２００℃から１０５０℃間の
冷却速度を大きくすることにより、固液界面で取り込ま
れた空孔の凝集を阻止できて、残留空孔の濃度を高く保
つことができる。これにより酸素析出核が形成する自由
エネルギーが低下し、従来よりも高温の領域から酸素析
出核の成長が開始されるため、酸素析出核そのものの熱
的安定性が向上し、エピタキシャル成長後のデバイスプ
ロセスにおいて充分に酸素析出物を形成できる。

【００１８】また本発明の請求項４に記載した発明は、
アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm ³ 以上、および酸素
を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープしたシリコン単結
晶を引き上げる際に、１２００℃から１０５０℃の温度
範囲の冷却速度が７．３℃/min以上且つ、１０００℃か
ら７００℃の温度範囲の冷却速度が３．５℃/min以下の
ウェーハにエピタキシャル層を形成することを特徴とす
るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。

【００１９】このように、アンチモンを１０×１０¹⁷at
oms/cm³ 以上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以
上ドープしたシリコン単結晶を引き上げる際に、１２０
０℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/m
in以上且つ、１０００℃から７００℃の温度範囲の冷却
速度が３．５℃/min以下のウェーハにエピタキシャル層
を形成する方法で製造されたウェーハは、１２００℃か
ら１０５０℃間の冷却速度を大きくすることにより、固
液界面で取り込まれた空孔の凝集を阻止できて、残留空
孔の濃度を高く保つことができ、これにより酸素析出核
が形成する自由エネルギーが低下し、従来よりも高温の
領域から酸素析出核の成長が開始されるため、酸素析出
核そのものの熱的安定性が向上する事に加え、１０００
℃から７００℃の温度範囲を徐冷することにより、核生
成した酸素析出核を成長させ、より安定化することがで
きるからである。

【００２０】さらにシリコン単結晶に窒素をドープする
ことにより、結晶中の微細欠陥を増大させることができ
るが、本発明者らはドープする窒素濃度により必要とす
る酸素濃度が異なることを明らかにした。すなわち窒素
濃度が１×１０¹³atoms/cm³台のとき、酸素濃度が１２
×１０¹⁷atoms/cm³(ASTM1979)より低いと、窒素による
ＢＭＤ増大効果があまり得られない。一方、窒素濃度が
１×１０¹⁴atoms/cm³台以上になると、酸素濃度が６×
１０¹⁷atoms/cm³以上であればＢＭＤの確保が可能にな
ることを知見した。なお、窒素ドープ量が５×１０¹⁵at
oms/cm³ 以上になると、固溶限の問題から無転位で結晶
を育成し難くなるので、５×１０¹⁵atoms/cm³ 以下とす
るのが好ましい。

【００２１】これは、請求項５に記載したように、アン
チモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、および酸素を６
×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、さらに窒素を１×１０¹⁴atom
s/cm ³ 以上ドープしたシリコン単結晶ウェーハにエピタ
キシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャル
シリコンウェーハの製造方法である。窒素が１×１０ ¹⁴
atoms/cm³ 以上ドープされていれば酸素濃度は６×１０
¹⁷atoms/cm³ 以上で充分にＢＭＤを確保できる。

【００２２】また、請求項６に記載したように、アンチ
モンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、および酸素を１２
×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、さらに窒素を１×１０¹³atom
s/cm ³ 以上ドープしたシリコン単結晶ウェーハにエピタ
キシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャル
シリコンウェーハの製造方法である。酸素濃度が１２×
１０¹⁷atoms/cm³ 以上であれば窒素は１×１０¹³atoms/
cm³ 以上ドープされていれば充分にＢＭＤを確保でき
る。

【００２３】さらに、請求項７に記載したように、７０
０℃以上９００℃未満の温度で１５分から４時間熱処理
した後エピタキシャル層を形成することを特徴とする請
求項５または請求項６記載のエピタキシャルシリコンウ
ェーハの製造方法である。このように、酸素と窒素ドー
プ量とのバランスがとれ充分にＢＭＤが確保されたウェ
ーハにさらに７００℃以上９００℃未満の温度で１５分
から４時間熱処理した後エピタキシャル層を形成したも
のは、高温のエピタキシャル工程で消滅してしまうよう
な小さな析出核の成長を促進し、エピタキシャル成長処
理で消滅せずに残留し、析出物密度を増大することがで
きる。また、窒素をドープすることにより、より短い熱
処理時間でも、またより低い酸素濃度でも析出物密度の
増大が期待できる。

【００２４】そして、請求項８に記載した発明は、シリ
コン単結晶を引き上げる際に、１２００℃から１０５０
℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/min以上のウェーハ
にエピタキシャル層を形成することを特徴とする請求項
５ないし請求項７いずれかに記載のエピタキシャルシリ
コンウェーハの製造方法である。

【００２５】このように、シリコン単結晶を引き上げる
際に、１２００℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度
が７．３℃/min以上と冷却速度を大きくすることによ
り、固液界面で取り込まれた空孔の凝集を阻止できて、
残留空孔の濃度を高く保つことができる。これにより酸
素析出核が形成する自由エネルギーが低下し、従来より
も高温の領域から酸素析出核の成長が開始されるため、
酸素析出核そのものの熱的安定性が向上し、エピタキシ
ャル成長後のデバイスプロセスにおいて充分に酸素析出
物を形成できる。

【００２６】また、本発明の請求項９に記載した発明
は、シリコン単結晶を引き上げる際に、１２００℃から
１０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/min以上且
つ、１０００℃から７００℃の温度範囲の冷却速度が
３．５℃/min以下のウェーハにエピタキシャル層を形成
することを特徴とする請求項５ないし請求項７いずれか
に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法で
ある。

【００２７】このように、シリコン単結晶を引き上げる
際に、１２００℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度
が７．３℃/min以上且つ、１０００℃から７００℃の温
度範囲の冷却速度が３．５℃/min以下とすることで、１
２００℃から１０５０℃間の冷却速度を大きくすること
により、固液界面で取り込まれた空孔の凝集を阻止でき
て、残留空孔の濃度を高く保つことができ、これにより
酸素析出核が形成する自由エネルギーが低下し、従来よ
りも高温の領域から酸素析出核の成長が開始されるた
め、酸素析出核そのものの熱的安定性が向上する事に加
え、１０００℃から７００℃の温度範囲を徐冷すること
により、核生成した酸素析出核を成長させ、より安定化
することができるからである。

【００２８】

【発明の実施の形態】チョクラルスキー法（以下ＣＺ法
と記す）によって製造されたシリコン単結晶ウェーハに
おいては、１０００℃〜１２００℃で１〜２０時間の熱
酸化処理を施すと、リング状に酸化誘起積層欠陥（Ring
of Oxydation-induced Stacking Faults 、以下ＯＳＦ
リングと記す）が発生する場合がある。ＯＳＦリングは
１２００℃以上の高温でも消滅し難い安定な酸素析出物
を核（潜在的ＯＳＦ）とし、上記の熱酸化処理により誘
起される。このようなＯＳＦリングの核を含むウェーハ
上にエピタキシャル成長を施しても、リング領域の核は
消滅せず、エピタキシャル工程及びデバイスプロセス
で、有効にゲッタリング効果を有することを見いだし
た。

【００２９】さらに、通常潜在的ＯＳＦリングは数mm〜
１０数mmの幅を有するが、単結晶の育成時に窒素をドー
プすることにより潜在的ＯＳＦリング幅を拡大させるこ
とが可能である。しかしながらＯＳＦの核である酸素析
出物の密度は窒素濃度に依存しており、この窒素は融液
からの偏析係数にしたがって単結晶中に導入されるた
め、インゴットのトップ部とテール部では必然的に窒素
濃度が変化し、酸素析出物密度もそれに応じて変化す
る。

【００３０】すなわち窒素濃度はテール部からトップ部
に向かって低下するため、それに伴いゲッタリング能力
が低くなると言う問題が生じる。この場合エピタキシャ
ル成長前に７００℃以上９００℃未満の温度で熱処理す
ることにより、この熱処理がなければ高温のエピタキシ
ャル工程で消滅してしまうような小さな析出核の成長を
促進し、エピタキシャル成長処理で消滅せずに残留する
析出物密度を増大させることができる。

【００３１】この様な熱処理時に発生する、ウェーハ支
持体であるボートからの傷を残さないようにするため、
熱処理は鏡面研磨工程の前にすることが望ましい。ま
た、エピタキシャル成長前の熱処理はエピタキシャル工
程でも消滅し難い析出物を作り込むことが目的である
が、熱処理時間を長時間、具体的には４時間以上にする
とエピタキシャル欠陥を誘起しやすくなるのでこれ以下
にすることが望ましい。

【００３２】また、熱処理時には炉からの汚染が時折生
じることがあり、ウェハの汚染防止のため酸化膜が保護
膜として存在することは有効であり、この熱処理は酸素
と不活性ガスの混合雰囲気中で行うことが望ましい。ま
た、鏡面研磨工程前に熱処理することにより、この酸化
膜は鏡面研磨工程にて除去されるため、酸化膜を取り除
くための特別な工程、例えばＨＦによる酸化膜の除去工
程を必要としない。

【００３３】また、ドープする窒素濃度により必要とす
る酸素濃度が異なることを明らかにした。すなわち窒素
濃度が１×１０¹³atoms/cm³ (ASTM1979 以下同じ)台の
とき、酸素濃度が１２×１０¹⁷atoms/cm³ より低いと、
窒素によるＢＭＤ増大効果があまり得られない。一方、
窒素濃度が１×１０¹⁴atoms/cm³ 台以上になると、酸素
濃度が１２×１０¹⁷atoms/cm³ より低くてもＢＭＤの確
保が可能になる。本検討では窒素濃度が１×１０¹⁴atom
s/cm³ 台以上のとき、酸素濃度が６×１０¹⁷atoms/cm³
以上でもエピタキシャル成長後１０００℃での熱処理後
に１×１０¹⁴cm ² 台のＢＭＤが得られることを確認して
いる。

【００３４】すなわち１×１０¹⁴atoms/cm³ 台以上の窒
素濃度のときには必要とする酸素濃度は６×１０¹⁷atom
s/cm³ 以上であり、１×１０¹³atoms/cm³ 台の窒素濃度
のときには１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上の酸素濃度を必
要とする。もちろんこれらは窒素濃度に応じた最低限の
酸素濃度を提示しているのであって、１×１０¹⁴atoms/
cm³ 以上の窒素ドープウェーハであって、なおかつ１２
×１０¹⁷atoms/cm³ 以上の酸素濃度を有することがＢＭ
Ｄ生成にとってより望ましいのは言うまでもない。ま
た、ｎ型においてはｐ型よりも酸素の析出能力が減少す
るため、ゲッタリング能確保のために必要と考えられる
１×１０⁴cm² 以上のＢＭＤを確保するためには、ｐ型
よりも高い窒素濃度を必要とする。このため窒素濃度は
１×１０¹⁴atoms/cm³ 以上が望ましい。

【００３５】さらに、エピタキシャル成長前の熱処理に
よりＢＭＤ密度を増大させる際、インゴットのトップか
らテールにかけてＢＭＤ密度を高い密度でほぼ同程度に
するためには、酸素濃度を高いレベルでほぼ一定にする
必要がある。酸素濃度を向上させるためには、るつぼ回
転を増大させる、炉内圧を高くする、融液内に石英のリ
ング、塊、粉末を仕込み酸素の溶け込みを促進する、炉
内酸素分圧を向上させるなどの諸策が考えられるが、こ
れらに限定されるものではない。

【００３６】いずれにしてもドープする窒素濃度は少な
くとも１×１０¹³atoms/cm³ 以上必要であって、特開２
０００−７２５９３号公報の特許請求の範囲に開示され
ているような１×１０¹⁰atoms/cm³ 〜５×１０¹⁵atoms/
cm³ という窒素濃度範囲のうち、１×１０¹⁰atoms/cm³
以上から１×１０¹³atoms/cm³ 未満の窒素濃度では窒素
の添加効果はほとんど得られない。

【００３７】また、本発明者らは、ＣＺ法によるシリコ
ン単結晶育成時の冷却速度が単結晶中に形成された酸素
析出核の熱安定性に及ぼす結晶熱履歴の影響について調
査するために、直径４インチのシリコン単結晶を用いて
引き上げ速度の変更試験を行った。

【００３８】具体的な実験の方法としては、引き上げ速
度が１．０mm/minで長さ５００mmまで直胴部を育成し、
長さ５００mmの時点で引き上げ速度を０．５mm/min、
１．６mm/minまたは２．０mm/minに変化させて、長さ５
５０mmまで育成する。その後は再び引き上げ速度を１．
０mm/minに戻して、そのまま８５０mmまで育成した後、
テール絞りを行って引き上げを終了した。

【００３９】このようにして育成された単結晶は、引き
上げ速度の変更に伴って、引き上げ速度を減速した場合
には、減速開始時の温度から低温側へ１００℃前後の温
度範囲で徐冷され、一方、引き上げ速度を増速した場合
には、増速開始時の温度から低温側へ１００℃前後の温
度範囲で急冷されることになる。

【００４０】引き上げ後に、単結晶の１４００℃〜６０
０℃の各温度から冷却された部位よりサンプルを切り出
して、酸素雰囲気にて１１００℃で１６時間の熱処理を
行い、この熱処理で誘起された欠陥の個数を測定するこ
とによって、ＣＺ法による引き上げで形成された酸素析
出物の熱安定性を調査した。これより１２００℃から１
０５０℃の温度範囲を急冷することにより酸素析出物の
密度が増大し、また、１０００℃から７００℃の温度範
囲を徐冷することによっても酸素析出物は増大した。

【００４１】１２００℃から１０５０℃間の冷却速度を
７．３℃/min以上と規定しているのは、上述の引き上げ
速度変更試験で確保される冷却速度であり、充分な冷却
効果が発揮されることを確認している。これを第１の引
き上げ方法と定義する。

【００４２】この温度範囲の冷却速度は大きくすること
が望ましく、その方法として小径の結晶を育成すること
も一つの方法である。具体的には例えば、８インチ径引
き上げ用の育成装置にて、４インチ以下の結晶を育成す
るということを行えば、更なるＢＭＤ密度の増大が見込
まれる。

【００４３】１２００℃から１０５０℃間の冷却速度を
大きくすることにより、固液界面で取り込まれた空孔の
凝集を阻止できて、残留空孔の濃度を高く保つことがで
きる。これにより酸素析出核が形成する自由エネルギー
が低下し、従来よりも高温の領域から酸素析出核の成長
が開始されるため、酸素析出核そのものの熱的安定性が
向上し、エピタキシャル成長後のデバイスプロセスにお
いて充分に酸素析出物を形成できる。

【００４４】また、１０００℃から７００℃の温度範囲
を徐冷することとしているのは、核生成した酸素析出核
を成長させ、より安定化することができるからである。
上記１０００℃から７００℃での温度範囲での冷却速度
を３．５℃/min以下の徐冷と規定しているのは上述の引
き上げ速度変更試験に基づくものであり、酸素析出物の
安定性を増大させるのに充分な徐冷効果が発揮されるか
らである。これを第２の引き上げ方法と定義する。

【００４５】本発明のエピタキシャルウェハの製造方法
では、ＣＺ法により引き上げられるシリコン単結晶に熱
履歴として特定の温度範囲における冷却速度を規定して
いる。引き上げの際にこの熱履歴をシリコン単結晶に付
与するには種々の方法があるが、例えば、ＣＺ法による
製造装置で用いられる熱シールド材を最適化することに
よって可能になる。

【００４６】図１は、本発明で用いられるＣＺ法による
シリコン単結晶の製造装置の構成を説明する図である。
装置の中心には石英製容器１ａとこの外側に嵌合された
黒鉛製容器１ｂとから構成されている坩堝１が配され、
坩堝１の外周には、加熱ヒーター２が同心円筒状に配設
されている。坩堝１内にはこの加熱ヒーター２により溶
融されたシリコン融液３が収容されている。坩堝１の上
方には、引き上げ軸４が種結晶５を装着して、図示しな
い回転、および昇降可能な装置により引き上げ、種結晶
５の下端から単結晶６を成長させていく。そして、育成
される単結晶６を囲繞して熱シールド材７が配置され
る。

【００４７】図２は、熱シールド材７を最適化した例を
示す図である。１２００℃から１０５０℃の温度範囲で
急冷することとしているが、これを達成するため、図２
に示すように、熱シールド材７に冷却筒８を組み込ま
せ、冷却液を循環させることによって、引き上げられる
単結晶を１２００℃から１０５０℃の温度範囲で急冷さ
せることができる。

【００４８】図３は、熱シールド材を最適化した他の例
を示す図である。上記温度範囲の急冷に加えて１０００
℃から７００℃の温度範囲で徐冷することとしている。
図３に示すように、熱シールド材７に冷却筒８を組み込
ませて冷却液を循環させることで１２００℃から１０５
０℃の温度範囲で冷却速度を高めるとともに、さらに熱
シールド材７の断熱材を薄くすることによって、加熱ヒ
ーター２からの熱輻射量を増加させて、シリコン単結晶
の１０００℃から７００℃の温度範囲での冷却速度を低
めている。

【００４９】このように熱シールド材の最適化を選択す
ることによって、１２００℃から１０５０℃の温度範囲
の冷却速度を７．３℃/min以上にして、同時に１０００
℃から７００℃の温度範囲での冷却速度を３．５℃/min
以下にすることができる。

【００５０】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を挙げて
具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。 （実施例１）直径５インチの窒素ドープｎ型（１００）
単結晶、および窒素をドープしていないｎ型（１００）
単結晶をＣＺ法により育成した。窒素ドープ単結晶にお
いては、インゴットのトップ部において２×１０¹³atom
s/cm³ 、１×１０¹⁴atoms/cm³ 、５×１０¹⁴atoms/cm³
となるように窒素濃度を設定した。全ての単結晶育成の
際、アンチモンをインゴットのトップ部における抵抗率
が２０mΩcmとなるようにドープした。融液の量はそれ
ぞれ３５ｋｇであった。酸素濃度は１４×１０¹⁷atoms/
cm³ から６×１０¹⁷atoms/cm³ まで変化させたサンプル
を準備した。

【００５１】インゴットの各部位から切り出されたＣＺ
基板にエピタキシャル成長を施したウェーハ、並びにエ
ピタキシャル成長を行う前に８８０℃で０．５時間熱処
理を施した後、エピタキシャル成長を行ったウェーハを
準備した。エピタキシャル層成長は堆積温度１１５０℃
で厚み約１８μｍのエピタキシャル層を成長させるとい
うものである。

【００５２】その後酸素雰囲気中で１０００℃にて１６
時間の熱処理を施し、得られたウェーハを劈開した。劈
開したウェーハ試験片にライトエッチング液で５分間の
選択エッチングを施し、光学顕微鏡にてウェーハ断面の
エッチングピット密度を測定した。結果を表１に示す。

【００５３】

【表１】

【００５４】表１には、各サンプルのエピタキシャルウ
ェーハ断面における欠陥の密度測定結果を示す。これか
ら明らかなように、窒素がドープされてなくかつエピタ
キシャル成長前の熱処理がない場合にはほとんどＢＭＤ
が検出されない（１から５）。しかしながら８８０℃に
てエピタキシャル成長前に熱処理を施した場合には、酸
素濃度が１２×１０¹⁷atoms/cm³ のサンプルにおいては
ＢＭＤが１×１０⁴/cm ² 以上検出される（６，７）が、
酸素濃度が１１×１０¹⁷atoms/cm³ 以下になるとＢＭＤ
が検出されない（８から１０）。

【００５５】窒素が２×１０¹³atoms/cm³ ドープされた
サンプル（１１から２０）においては窒素がドープされ
ていないサンプル（１から１０）よりもＢＭＤ密度は高
いが、エピタキシャル成長前の熱処理がないサンプル
（１１から１５）を見てわかるようにとそれほど高いＢ
ＭＤは期待できない。エピタキシャル成長前の熱処理が
あれば酸素濃度１１×１０¹⁷atoms/cm³ 以上のサンプル
（１６，１７，１８）を見てわかるように、ＢＭＤは１
×１０⁴/cm² 以上確保できる。このことから窒素濃度が
１×１０¹³atoms/cm³ 台の低い窒素濃度においては、エ
ピタキシャル成長前の熱処理が必要と結論される。

【００５６】窒素濃度が１×１０¹⁴atoms/cm³ 以上のサ
ンプル２１から４０は、酸素濃度が９×１０¹⁷atoms/cm
³ や６×１０¹⁷atoms/cm³ などの低いサンプル２４，２
５，２９，３０，３４，３５，３９，４０においてもＢ
ＭＤは１×１０⁴/cm² 以上確保できていることがわか
る。また、酸素濃度が１１×１０¹⁷atoms/cm³ 以上のウ
ェーハにエピタキシャル成長前の熱処理を施せば（２
６，２７，２８，３６，３７，３８）、高い窒素濃度の
添加効果と相まって、１×１０⁵/cm² 以上の高密度のＢ
ＭＤが確保できることが明らかである。

【００５７】以上のことからｎ型においてはｐ型よりも
酸素の析出能力が減少するため、ゲッタリング能確保の
ために必要と考えられる１×１０⁴/cm² 以上のＢＭＤを
確保するためには、ｐ型よりも高い窒素濃度を必要とす
る。このため窒素濃度は１×１０¹⁴/cm³ 以上が望まし
い。また、窒素濃度が５×１０¹⁵/cm³ 以上になると固
溶限の問題から無転位で結晶を育成し難くなる。すなわ
ちｎ型シリコンウェーハにおける窒素濃度の要求される
範囲は、１×１０¹⁴/cm³ から５×１０¹⁵/cm³ となる。
このような高い窒素濃度範囲であれば、ｎ型特有の酸素
蒸発による酸素析出低減作用が緩和され、６×１０¹⁷/c
m³ といった低い酸素濃度でも酸素析出を確保できる。

【００５８】エピタキシャル成長前の熱処理条件として
は本実施例において８８０℃で０．５時間という条件を
紹介したがそれに限定されるものではない。すなわち熱
処理温度が低下するとそれだけ酸素析出核の成長に時間
が必要となるため７００℃では４時間程度が必要になっ
てくる。また、熱処理温度が７００℃より低くなると、
核生成頻度は増大するものの成長速度が減少するためエ
ピタキシャル成長工程にて消滅しないサイズまで成長さ
せるのに著しく長い時間を必要としてしまう。一方熱処
理温度が９００℃より高くなると単結晶育成時に生成し
た酸素析出物が成長せずに消滅する傾向が高まってく
る。熱処理時間については、１５分より短くなると析出
核の成長効果が低くなり、また４時間以上になると過剰
に成長してしまい、エピタキシャル層中に欠陥を誘起し
てしまう。このような理由から本発明における熱処理条
件を設定するに到った。

【００５９】（実施例２）単結晶引き上げ時に１２００
℃から１０５０℃の温度範囲で急冷するために図２、あ
るいは１２００℃から１０５０℃の温度範囲で急冷する
ことに加え１０００℃から７００℃の温度範囲を徐冷す
るために図３に示す熱シールド体を用いて直径８イン
チ、ｎ型（１００）のシリコン単結晶育成を行った。抵
抗率、酸素濃度および窒素濃度は実施例１と同様に設定
した。引き上げ時の１２００℃から１０５０℃の温度範
囲での冷却速度及び１０００℃から７００℃の温度範囲
での冷却速度は表２に示すとおりである。結晶育成後、
実施例１と同様に単結晶からウェーハを切り出し表面研
磨洗浄後に、堆積温度が１１５０℃の条件で厚み約１８
μｍのエピタキシャル層を成長させた。

【００６０】次に、これらのウェーハを酸素雰囲気中で
１０００℃で１６時間熱処理し、ウェーハを劈開してラ
イトエッチング液で５分間の選択エッチングを行い、光
学顕微鏡にてウェーハ断面のエッチングピット密度をカ
ウントした。

【００６１】

【表２】

【００６２】窒素濃度が増大するとＢＭＤ密度も増大す
る傾向にあることは実施例１と同様である。サンプル
１，２と比較して、１２００℃から１０５０℃の冷却速
度が増大すると、ＢＭＤ密度は増大する傾向にあること
がサンプル３，４，５，６，９，１０，１１，１２，１
５，１６，１７，１８，２１，２２，２３，２４より明
らかである。これに対し、１２００℃から１０５０℃の
冷却速度が本発明の請求範囲から外れているサンプル
１，２においてはＢＭＤ密度が１×１０⁴/cm² 以上を満
足していない。また、サンプル８は酸素濃度１１×１０
¹⁷/cm³ に対し窒素濃度２×１０¹³/cm³ と本発明の請求
範囲から外れており且つ１２００℃から１０５０℃の冷
却速度も外れているためＢＭＤ密度が１×１０²/cm² 以
下と満足していない。しかし、サンプル７は１２００℃
から１０５０℃の冷却速度が本発明の請求範囲から外れ
ているが酸素濃度１４×１０¹⁷/cm³ 、窒素濃度２×１
０¹³/cm³ と本発明の請求範囲でありＢＭＤ密度を満足
している。

【００６３】また、１０００℃から７００℃での冷却速
度を小さくしたサンプル５，６，１１，１２，１７，１
８，２３，２４はさらにＢＭＤ密度は向上しており、こ
の温度域の徐冷はＢＭＤ密度向上に効果がある事がわか
る。しかし、１０００℃から７００℃での冷却速度が請
求範囲を外れているものはＢＭＤ密度の要求は満足して
いるが、値として低い方となっている。

【００６４】表２には記載してないが、本実施例で用い
た８インチ用の結晶育成装置を用いて、それより小さい
例えば直径４インチの単結晶を育成すればさらに冷却速
度を高くすることができるが、その場合には更なるＢＭ
Ｄ密度の向上が期待される。

【００６５】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。
例えば、本発明においてチョクラルスキー法によって窒
素をドープしたシリコン単結晶棒を育成するに際して
は、融液に磁場が印加されているか否かは問われないも
のであり、本発明のチョクラルスキー法にはいわゆる磁
場を印加するＭＣＺ法も含まれる。また、エピタキシャ
ル成長を行うにあたっても、ＣＶＤ法によるエピタキシ
ャル成長に限られず、ＭＢＥ法によりエピタキシャル成
長を行いエピタキシャルシリコン単結晶基板を製造する
場合にも本発明を適用することができる。

【００６６】さらに、上記実施形態では、アンチモンド
ープシリコン単結晶ウエーハであっても、ウエーハ表面
の結晶欠陥密度が少なく高いゲッタリング効果を有する
ウエーハを、特に窒素をドープすることにより得る場合
を中心に説明したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、アンチモンドープシリコン単結晶ウエーハであ
って、析出熱処理後の酸素析出物または酸化誘起積層欠
陥等の２次欠陥密度が１×１０⁴ 個／cm² 以上のもので
あれば、本発明の範囲に包含される。

【００６７】また、本発明でいう酸素析出物または酸化
誘起積層欠陥等の２次欠陥密度が１×１０⁴ 個／cm² 以
上とあるのは、シリコンウエーハに析出熱処理を加えた
後でも、エピタキシャル成長のための熱処理が加わった
後に析出熱処理を加えた場合にも、同様に上記の酸素析
出物または酸化誘起積層欠陥等の２次欠陥密度が得られ
るものであれば本発明の範囲に含まれる。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アンチモンドープシリコン単結晶ウェーハにエピタキシ
ャル層を成長させる前、より好ましくはウェーハの鏡面
研磨工程前に特定の熱処理を施すこと、並びに結晶引き
上げ時の熱履歴を最適化すること、並びにこれらの方法
に窒素をドーピングした単結晶を用いることによって、
ゲッタリング能力が低いアンチモンドープシリコン単結
晶ウェーハにおいても、ゲッタリング能力を高いレベル
に引き上げることができ、重金属不純物濃度の低いウェ
ーハを得られると共に、このウェーハ表面にエピタキシ
ャル成長を行った場合には、エピタキシャル層表面の欠
陥の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられるＣＺ法によるシリコン単結
晶製造装置の構成を説明する図である。

【図２】引き上げ時中の単結晶を急冷するために熱シー
ルド材を最適化した例を示す図である。

【図３】引き上げ時中の単結晶を徐冷するために熱シー
ルド材を最適化した例を示す図である。

【符号の説明】

１ 坩堝 １ａ 石英製容器 １ｂ 黒鉛製容器 ２ 加熱ヒーター ３ 融液 ４ 引き上げ軸 ５ 種結晶 ６ 単結晶

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１０月５日（２００１．１０．
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５３】

【表１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６１】

【表２】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 (72)発明者 田中 忠美 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 宝来 正隆 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 AB01 BA04 CF10 EB01 EB06 EH06 FE18 FJ06 PA10 5F045 AB02 AD15 AF03 BB12 BB16

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンチモンドープシリコン単結晶ウェー
   ハにエピタキシャル層を形成したウェーハであって、該
   ウェーハに１０００℃以上の熱処理を施した場合に、ウ
   ェーハ断面に酸素析出物及びそれから発生した積層欠陥
   や転位等の２次欠陥が１×１０⁴個／cm² 以上であるこ
   とを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
2. 【請求項２】 アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以
   上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープし
   たシリコン単結晶ウェーハを、７００℃以上９００℃未
   満の温度で１５分から４時間熱処理した後エピタキシャ
   ル層を形成することを特徴とするエピタキシャルシリコ
   ンウェーハの製造方法。
3. 【請求項３】 アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以
   上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープし
   たシリコン単結晶を引き上げる際に、１２００℃から１
   ０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/min以上のウ
   ェーハにエピタキシャル層を形成することを特徴とする
   エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
4. 【請求項４】 アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以
   上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上ドープし
   たシリコン単結晶を引き上げる際に、１２００℃から１
   ０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃/min以上且
   つ、１０００℃から７００℃の温度範囲の冷却速度が
   ３．５℃/min以下のウェーハにエピタキシャル層を形成
   することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ
   の製造方法。
5. 【請求項５】 アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以
   上、および酸素を６×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、さらに窒
   素を１×１０¹⁴atoms/cm³ 以上５×１０¹⁵/cm³ 以下ド
   ープしたシリコン単結晶ウェーハにエピタキシャル層を
   形成することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェ
   ーハの製造方法。
6. 【請求項６】 アンチモンを１０×１０¹⁷atoms/cm³ 以
   上、および酸素を１２×１０¹⁷atoms/cm³ 以上、さらに
   窒素を１×１０¹³atoms/cm³ 以上５×１０¹⁵/cm³ 以下
   ドープしたシリコン単結晶ウェーハにエピタキシャル層
   を形成することを特徴とするエピタキシャルシリコンウ
   ェーハの製造方法。
7. 【請求項７】 ７００℃以上９００℃未満の温度で１５
   分から４時間熱処理した後エピタキシャル層を形成する
   ことを特徴とする請求項５または請求項６記載のエピタ
   キシャルシリコンウェーハの製造方法。
8. 【請求項８】 シリコン単結晶を引き上げる際に、１２
   ００℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃
   /min以上のウェーハにエピタキシャル層を形成すること
   を特徴とする請求項５ないし請求項７いずれかに記載の
   エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
9. 【請求項９】 シリコン単結晶を引き上げる際に、１２
   ００℃から１０５０℃の温度範囲の冷却速度が７．３℃
   /min以上且つ、１０００℃から７００℃の温度範囲の冷
   却速度が３．５℃/min以下のウェーハにエピタキシャル
   層を形成することを特徴とする請求項５ないし請求項７
   いずれかに記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製
   造方法。