JP2006188423A - シリコンエピタキシャルウエーハ、アニールウエーハならびにこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた結晶性とＩＧ能力を有するエピタキシャルウエーハを提供する。
【解決手段】チョクラルスキー（ＣＺ）法によるシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成したシリコンエピタキシャルウエーハであって、前記シリコンウエーハ中の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａとなるよう前記ＣＺシリコン単結晶を引上げて製造される。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＣＺシリコン単結晶に対してドープした炭素および窒素の影響を有効に利用した高品質のシリコンウエーハ、エピタキシャルウエーハおよびアニールウエーハならびにそれらの製造方法に関する。

デバイスプロセスの高集積化・微細化に伴い、ベースとなるシリコンウエーハのグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥の低減が強く要求されている。そこで、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ；ＣＺ）法により製造されたＣＺシリコン単結晶の成長条件を改良して開発された、全面Ｎ（ニュートラル）−領域ウエーハや、通常のシリコンウエーハ上に新たにシリコンを成長させたシリコンエピタキシャルウエーハ（以下、エピタキシャルウエーハ或いはエピウエーハと言うことがある）、そして、水素やアルゴン雰囲気中で高温熱処理を施したアニールウエーハ等、グローンイン欠陥の少ない数種類のウエーハが開発されている。

ここで、全面Ｎ−領域ウエーハの製造方法について説明しておく。
先ず、シリコン単結晶に取り込まれるベイカンシイ（Ｖａｃａｎｃｙ、以下Ｖと略記することがある）と呼ばれる空孔型の点欠陥と、インタースティシアル−シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ、以下Ｉと略記することがある）と呼ばれる格子間型シリコン点欠陥のそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。

シリコン単結晶において、Ｖ−領域とは、Ｖａｃａｎｃｙ、つまりシリコン原子の不足から発生する凹部、穴のようなものが多い領域であり、Ｉ−領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位や余分なシリコン原子の塊が多い領域のことであり、そしてＶ−領域とＩ−領域の間には、原子の不足や余分が無い（少ない）ニュートラル領域（Ｎｅｕｔｒａｌ領域、以下Ｎ−領域と略記することがある）が存在していることになる。そして、前記グローンイン欠陥（ＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等）というのは、あくまでもＶやＩが過飽和な状態の時に発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和以下であれば、欠陥としては存在しないことが判ってきた。

この両点欠陥の濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）Ｖと結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係から決まることが知られている。また、Ｖ−領域とＩ−領域との間のＮ−領域には、ＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥、Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）と呼ばれるリング状に発生する欠陥の存在が確認されている。

これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、例えば成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ前後以上と比較的高速の場合には、空孔タイプの点欠陥が集合したボイド起因とされているＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が結晶径方向全域に高密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＶ−リッチ領域と呼ばれている。また、成長速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合は、成長速度の低下に伴い、上記したＯＳＦリングが結晶の周辺から発生し、このリングの外側に格子間シリコンタイプの点欠陥が集合した転位ループ起因と考えられているＬ／Ｄ（Ｌａｒｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：格子間転位ループの略号、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤ等）の欠陥が低密度に存在し、これら欠陥が存在する領域はＩ−リッチ領域と呼ばれている。さらに、成長速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ前後以下に低速にすると、ＯＳＦリングがウエーハの中心に凝集して消滅し、全面がＩ−リッチ領域となる。

また、最近Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の中間でＯＳＦリングの外側に、ボイド起因のＦＰＤ、ＬＳＴＤ、ＣＯＰも、転位ループ起因のＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤも、さらにはＯＳＦも存在しないＮ−領域の存在が発見されている。この領域はＯＳＦリングの外側にあり、そして、酸素析出熱処理を施し、Ｘ−ｒａｙ観察等で析出のコントラストを確認した場合に、酸素析出がほとんどなく、かつ、ＬＳＥＰＤ、ＬＦＰＤが形成されるほどリッチではないＩ−リッチ領域側である。 さらに、ＯＳＦリングの内側にも、ボイド起因の欠陥も、転位ループ起因の欠陥も存在せず、ＯＳＦも存在しないＮ−領域の存在が確認されている。

これらのＮ−領域は、通常の方法では、成長速度を下げた時に成長軸方向に対して斜めにしか存在しないため、ウエーハ面内では一部分にしか存在しなかった。

このＮ−領域について、ボロンコフ理論（例えば、非特許文献１参照）では、引上げ速度Ｖと結晶固液界面軸方向温度勾配Ｇの比であるＶ／Ｇというパラメータが点欠陥のトータルな濃度を決定すると唱えている。このことから考えると、面内で引上げ速度は一定のはずであるから、面内でＧが分布を持つために、例えば、ある引上げ速度では中心がＶ−リッチ領域でＮ−領域を挟んで周辺でＩ−リッチ領域となるような結晶しか得られなかった。

そこで最近、面内のＧの分布を改良して、この斜めでしか存在しなかったＮ−領域を、例えば、引上げ速度Ｖを徐々に下げながら引上げた時に、ある引上げ速度でＮ−領域が横全面に広がった結晶が製造できるようになった。また、この全面Ｎ−領域の結晶を長さ方向へ拡大するには、このＮ−領域が横に広がった時の引上げ速度を維持して引上げればある程度達成できる。また、結晶が成長するに従ってＧが変化することを考慮し、それを補正して、あくまでもＶ／Ｇが一定になるように、引上げ速度を調節すれば、それなりに成長方向にも、全面Ｎ−領域となる結晶が拡大できるようになった。

また、最近ではデバイスプロセス中における不純物の影響を取り除くため、ゲッタリング能力の強いウエーハも要求されている。これに対しては、熱処理を追加したり、窒素の酸素析出促進効果を利用するためＣＺ法によりシリコン単結晶引上げ中に窒素をドープしながらＮ−領域で引上げた窒素ドープＮ−領域ウエーハや、窒素ドープしたウエーハ上にエピタキシャル成長を行った窒素ドープエピタキシャルウエーハ、あるいは窒素ドープしたウエーハにアニールを行った窒素ドープアニールウエーハを作製することにより、バルク中のＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ：酸素析出物による内部微小欠陥）密度を増加させ、ＩＧ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）効果を持たせたウエーハ等が開発されている。

近年、デバイスを作製するメーカーのゲッタリング能力に対する要求は非常に強く、使用されるウエーハの付加価値としてのゲッタリング能力は欠かせないものとなってきている。しかしながら、従来のＮ−領域ウエーハ、エピウエーハおよびアニールウエーハでは、デバイスプロセス中の酸素析出によるＢＭＤ密度は十分とはいえない。

そこで、窒素の酸素析出促進効果を利用した窒素をドープしたウエーハが開発された。窒素をドープすることにより、N−領域が得られる引上速度の範囲を拡大できるので安定した結晶成長が望めるが、Ｎ−領域ウエーハを作製するためにはその引上げ速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎ程度に低下させなければならないことに変わりがなく、生産性の低下、コストアップを招いていた。

また、ドープする窒素濃度を高くするとＯＳＦ領域が拡大されたり、その領域内に転位クラスター等の２次欠陥（以下、ＬＥＰ（Ｌａｒｇｅ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ）と呼ぶことがある）が発生する場合があり、これがエピタキシャル層の欠陥の元となるため、あまり高い窒素濃度を採用できないのが現状である。そのため、窒素ドープウエーハによって得られるＢＭＤ密度は窒素ノンドープウエーハに比べれば多いものの、程々の密度に抑えられている。ここで、本発明でいう２次欠陥とは、高濃度の窒素ドープに起因して拡大されるＯＳＦ領域に発生する欠陥であって、その代表的なものとして転位クラスター（ＬＥＰ）や転位ループが挙げられる。

さらに、窒素は高温で安定な酸素析出核を作ることが知られている（例えば、非特許文献２参照）が、低温からの析出核形成には少しも関与しておらず、低温熱処理による酸素析出核形成の促進は期待できない等の問題点があった。

Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｋｏｖ；Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，５９（１９８２）６２５〜６４３ １９９９年春季第４６回応用物理学関係連合講演会講演予稿集Ｎｏ．１、ｐ．４６１、２９ａ−ＺＢ−５、相原他

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、グローンイン欠陥が少ないとともに、ＩＧ能力の高いシリコン単結晶を、高速で成長させることを可能とするシリコン単結晶育成技術を開発し、結晶全面Ｎ−領域でＩＧ能力の高いシリコンウエーハ、あるいは優れた結晶性とＩＧ能力を有するエピタキシャルウエーハ、アニールウエーハを提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、炭素をドープし、Ｖ／Ｇ（Ｖ：結晶引上げ速度、Ｇ：結晶固液界面における結晶軸方向温度勾配）を結晶全面がＮ−領域となるように制御しながら結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。

このように炭素をドープすることによりＮ−領域の単結晶を、炭素ノンドープの場合よりも高速で引上げることができ、グローンイン欠陥のないシリコン単結晶の生産性の向上とコストダウンを図ることができる。

この場合、ＣＺシリコン単結晶育成時に、炭素とともに窒素をドープすることができる。
このように炭素とともに窒素をドープすれは、Ｎ−領域となる引上げ速度が上昇するとともに、Ｎ−領域を拡大させることができるので、結晶全面がＮ−領域のシリコン単結晶の生産性と歩留りを同時に向上させることができる。

そしてこの場合、ドープする炭素濃度を０．１ｐｐｍａ以上とし、Ｖ／Ｇを０．１８３〜０．１７７ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎの範囲内で制御しながら引上げることが好ましい。
このようにすれば、より一層安定的に高速で結晶全面Ｎ−領域のシリコン単結晶を確実に製造することができる。

そして、本発明に係るシリコンウエーハの製造方法は、上記のような方法で製造されたシリコン単結晶をウエーハに加工した後、６００〜１０００℃の温度で熱処理を施すことを特徴としている。
このように炭素、炭素および窒素をドープした単結晶をウエーハに加工し、６００〜１０００℃で熱処理を施せば、ウエーハに炭素がドープされているので、バルク部では低温における酸素析出核の形成が促進され、表面は全面Ｎ−領域であるウエーハであって、ウエーハ面内で高レベルでＩＧ能力を有するウエーハを製造することができる。

また本発明のシリコンウエーハは、炭素を０．１ｐｐｍａ以上含有し、全面Ｎ−領域からなるものである。
このように、炭素を０．１ｐｐｍａ以上含有することによって、低温で安定な酸素析出核が増加し、全面がＮ−領域であるとともに、十分なＩＧ能力を有するシリコンウエーハとなる。

この場合、本発明のシリコンウエーハは、窒素を１×１０¹³個／ｃｍ³ 以上含有することが好ましい。
このように、窒素も炭素も含有することによって、適度の酸素濃度であれば、高温熱処理でも低温熱処理でも十分に高密度のＢＭＤを有し、ＩＧ能力の極めて高いシリコンウエーハとなる。

そして本発明に係るエピタキシャルウエーハの製造方法は、ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法において、ＣＺシリコン単結晶の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａ、または、それぞれ１〜３ｐｐｍａ、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 、１０〜１５ｐｐｍａとなるようにＣＺシリコン単結晶を引上げることを特徴としている。

このように、エピウエーハの基板となるシリコンウエーハを得るのに、上記規定内の炭素、窒素、酸素濃度になるように炭素、窒素および酸素をドープして単結晶を引上げれば、これを加工して十分なＩＧ能力を有し、２次欠陥のないシリコンウエーハ上にエピタキシャル層を形成することができ、高品質なエピウエーハを容易に得ることができる。

さらに本発明に係るエピウエーハは、ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成したシリコンエピタキシャルウエーハであって、シリコンウエーハ中の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａ、または、それぞれ１〜３ｐｐｍａ、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 、１０〜１５ｐｐｍａであることを特徴としている。

上記規定値内に炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度を制御したシリコンウエーハを基板として、エピ層を形成したエピウエーハは、基板に２次欠陥もないのでこの上に形成されるエピ層の結晶性に優れ、高いＩＧ能力を有する極めて高品質のエピタキシャルウエーハである。

加えて本発明に係るアニールウエーハの製造方法は、ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたＣＺシリコンウエーハに熱処理を行うことにより、該ＣＺシリコンウエーハの表層部に無欠陥層を形成し、バルク部に1 ×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以上の酸素析出物を有するアニールウエーハを製造するに際し、ＣＺシリコン単結晶の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ、０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａ、または、それぞれ１〜３ｐｐｍａ、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 、１０〜１５ｐｐｍａとなるようにＣＺシリコン単結晶を引上げることを特徴とするものである。

このように、アニールウエーハの元になるシリコンウエーハを得るのに、上記規定内の炭素、窒素、酸素濃度になるように炭素および窒素をドープしてＣＺ法により単結晶を引上げれば、十分なＢＭＤ密度を有し、２次欠陥の発生のないアニールウエーハを容易に得ることができる。

そして本発明に係るアニールウエーハは、炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ、０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａ、または、それぞれ１〜３ｐｐｍａ、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 、１０〜１５ｐｐｍａであるＣＺシリコンウエーハに熱処理を施したアニールウエーハであって、バルク部のＢＭＤ密度が１×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以上であることを特徴としている。

このように、上記規定値内に炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度を制御したシリコンウエーハに熱処理を施して作製したアニールウエーハは、十分に高密度のＢＭＤを有し高いＩＧ能力を有するとともに、ウエーハ表面に欠陥が少なく、２次欠陥もない結晶性に優れた、高品質のアニールウエーハである。

以上のように本発明によれば、面内全面Ｎ−領域で２次欠陥の発生がないとともに、高いＩＧ能力を有する単結晶を高速で引上げることができる。従って、このようなＣＺシリコン単結晶の生産性と歩留りの向上を図ることができるとともに、生産コストを大幅に低減することができる。また、結晶位置やデバイスプロセスに依存せずに安定した酸素析出が得られるので、酸素析出物密度のバラツキが少なく安定したゲッタリング能力を有するＣＺシリコンウエーハを得ることができる。さらに、本発明のように炭素、窒素、酸素濃度が適切な範囲のＣＺシリコンウエーハを作製することにより、その表面に高温のエピタキシャル成長を行っても酸素析出が消滅することはなく、結晶性に優れ、ＩＧ能力の高いエピタキシャルウエーハを製造することができる。同様にそのようなＣＺシリコンウエーハに熱処理を施せば、表層部に無欠陥層を形成し、バルク部に十分に高密度のＢＭＤを有するアニールウエーハを作製することができ、高集積デバイス用として極めて有用である。

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、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者等は、バルク部の酸素析出を促進させるために窒素をドープするだけでなく、炭素をドープすることを発想し、これについて調査、検討した。

（Ｎ−領域ウエーハについて）
先ず、Ｎ−領域ウエーハへの炭素ドープの影響を調査した。
直径８インチのＣＺシリコン単結晶を育成する際に、炭素が０．１ｐｐｍａ程度結晶に入るようにドープし、ＣＺシリコン単結晶引上げ装置を全面Ｎ−領域ウエーハの育成可能なＨＺ（Ｈｏｔ Ｚｏｎｅ：炉内構造）にして、引上速度を０．８〜０．５ｍｍ／ｍｉｎに徐々に変化させて引上げを行った（窒素ドープなし）。

その結果、炭素ノンドープの際には引上速度が０．５４ｍｍ／ｍｉｎにてＯＳＦリングが消滅し、０．５２ｍｍ／ｍｉｎで転位ループ起因の欠陥が発生したのに対して、炭素をドープした場合は０．６５ｍｍ／ｍｉｎにてＯＳＦリングが消滅し、０．６３ｍｍ／ｍｉｎにて転位ループ起因の欠陥が発生した。つまり、炭素をドープすることによりＮ−領域がより高速で得られると言うことを発見した。このときの、Ｖ／Ｇの範囲は０．１８３〜０．１７７ｍｍ² ／Ｋ・ｍｉｎであった。これは炭素ドープによって全面Ｎ−領域ウエーハの生産性が向上することを意味する。ただし、炭素濃度が３ｐｐｍａを超えると、デバイス特性への悪影響が懸念されるので、３ｐｐｍａ以下にするのが好ましい。

通常Ｎ−領域には２種類あって、空孔型欠陥が優勢なＶ−リッチ領域側に位置するＮ（Ｖ）領域と、格子間シリコンが優勢な転位ループ起因の欠陥が存在する領域であるＩ−リッチ領域側に位置するＮ（Ｉ）領域が混在しており、この２つの領域は酸素析出量が異なることが知られている（特願平１１−３２２２４２号参照）。すなわち、ウエーハの面内位置や結晶からの切り出し位置によってＩＧ能力も異なり、問題となっていた。

このことは、窒素ドープ結晶においても同様であった。しかし、炭素をドープした場合は、低温（６００〜１０００℃）における酸素析出核の形成を促進することが別の実験から確認されたため（特願２０００−０４８４６１号参照）、炭素をドープしたウエーハにこのような低温の熱処理を施すことにより、Ｎ（Ｖ）領域とＮ（Ｉ）領域との両領域の析出の差を殆どなくすことができた。これは、炭素ドープによる全面Ｎ−領域ウエーハは、ウエーハ面内の全面が高いレベルでＩＧ能力が安定していることを示している。

次に、炭素に加えて窒素もドープし上記と同様な実験を行った。その結果、Ｎ−領域となる引上速度は上昇するとともに拡大した。窒素はもともとＮ−領域の拡大効果はあったが、Ｎ−領域となる引上げ速度は上昇しなかったので、この２つのドープ剤により、全面Ｎ−領域ウエーハは生産性と歩留りを同時に向上させたことを示す。また、酸素析出に対する効果も顕著に得られ、窒素により高温で安定な酸素析出核が増加し、又炭素により低温で安定な析出核も増加した。このことは、様々な温度帯で酸素析出の促進効果が強いことを示す。従って、デバイス工程における熱処理がどのようなものであっても、高いＩＧ能力を発揮できることになる。尚、窒素の効果を確実に得るためには１×１０¹⁰個／ｃｍ³ 以上の濃度が必要であり、単結晶化の妨げにならないようにするには、５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 以下とすることが好ましい。

これらの実験事実を考慮した上で、上記の実験と同じＨＺを使用して、今度は結晶の長い範囲で同様な結晶を得るために、まず炭素を０．１ｐｐｍａ、窒素を３×１０¹³個／ｃｍ³ となるようにドープし、引上速度を０．６５〜０．６２ｍｍ／ｍｉｎの範囲で引上げを行った。その結果、結晶の上部（種結晶側）から直胴２０ｃｍの位置より下側がＮ−領域となった。この結晶から切り出したウエーハに６００℃で１時間の熱処理を施して酸素析出核の形成を促進させた後、８００℃／４Ｈｒ＋１０００℃／１６Ｈｒの熱処理を施して酸素析出物を成長させてＯＰＰ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）法により観察したところ、ウエーハ全面において１×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以上の密度でＢＭＤがバルク中に存在していた。

（エピタキシャルウエーハについて）
次に、エピタキシャル成長用のシリコンウエーハについて、炭素と窒素をドープした場合のＢＭＤ密度に対する影響を調査し、実験した。
窒素濃度は１×１０¹⁴個／ｃｍ³ を越えるとＯＳＦ領域の拡大が大きく、またＬＥＰも発生し易いため、まずは窒素濃度５×１０¹³個／ｃｍ³ となるようにドープし、炭素を０．１ｐｐｍａとなるようにドープして、結晶を引上げた。そして、その結晶からウエーハを作製し、８００℃／４Ｈｒ＋１０００℃／１６Ｈｒの熱処理を施して酸素析出物を顕在化した後にＢＭＤ密度をＯＰＰ法により評価した。

その結果、ウエーハ中の初期格子間酸素濃度の依存性が強く、１５ｐｐｍａ（日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ）規格）以上でないとＢＭＤ密度は１０⁹ 台の数で発生しないことがわかった。ただし、この窒素濃度（５×１０¹³個／ｃｍ³ ）は、窒素ドープによる２次欠陥は殆ど発生することなく、しかも高温（１０００℃以上）で安定な酸素析出核が形成されるので、高温のエピタキシャル成長が行なわれても酸素析出核が消滅することがない。従って、このように窒素濃度が５×１０¹³個／ｃｍ³ であり、炭素濃度が低濃度（０．１ｐｐｍａ）であっても、初期格子間酸素濃度が１５ｐｐｍａ以上であれば、十分なＢＭＤ密度と２次欠陥の発生のないエピタキシャル成長用のシリコンウエーハが得られることになる。酸素濃度が１５ｐｐｍａ以上であれば、窒素濃度は１×１０¹³以上あれば必要十分なＢＭＤ密度が得られるが、酸素濃度が２５ｐｐｍａを超えると、析出過多となり、ウエーハ強度に影響を及ぼすので２５ｐｐｍａ以下とすることが好ましい。なお、炭素による酸素析出効果を高めるために、エピタキシャル成長前に６００〜１０００℃程度の低温熱処理を加えることが好ましい。

続いて窒素高濃度（１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 以上）を使用するために、初期格子間酸素濃度を下げたサンプルを作製した。このように、窒素濃度が高くても酸素濃度を１５ｐｐｍａ未満に下げれば、２次欠陥の発生を抑制することができるが、実際に酸素析出は起こりにくい結果（ＢＭＤ密度＜１×１０⁹ 個／ｃｍ³ ）となった。

そこで、炭素濃度を１．０ｐｐｍａまで引上げた。すると、酸素濃度が１２ｐｐｍａという低酸素においても、８００℃／４Ｈｒ＋１０００℃／１６Ｈｒ後のＢＭＤ密度は、１０⁹ 台前半の数は存在した。つまり、この組み合わせ（窒素濃度１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、炭素濃度１．０ｐｐｍａ）の場合は、初期酸素濃度が低酸素であれば２次欠陥が発生せず、そして高いＢＭＤ密度が得られることになる。ただし、炭素濃度が３ｐｐｍａを超えると作製されるデバイス特性に悪影響を及ぼす恐れがあるので、炭素濃度は３ｐｐｍａ以下が好ましい。また、十分なＢＭＤを得るための酸素濃度は、１０ｐｐｍａ以上が必要である。窒素濃度については引上げ結晶の単結晶化の妨げにならないようにするためには、５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 以下にすることが好ましい。この場合も、炭素による酸素析出効果を高めるために、エピタキシャル成長前に６００〜１０００℃程度の低温熱処理を加えることが好ましい。

これに対し、低炭素濃度（０．１ｐｐｍａ）および高窒素濃度１×１０¹⁴個／ｃｍ³ の結晶では、十分なＢＭＤ密度（１０⁹ 台）を得るためには初期酸素濃度を１５ｐｐｍａ未満に下げられないため、結局２次欠陥が発生する結果となった。

そして、高炭素濃度（１．０ｐｐｍａ）および低窒素濃度（５×１０¹³個／ｃｍ³ ）の場合は、得られるＢＭＤ密度に関しては、高炭素濃度の影響により初段熱処理温度の依存性が強くなり過ぎるので、初段の熱処理温度次第でＢＭＤ密度のバラツキが大きくなってしまう。従って、やはり窒素をある程度高くドープして高温で安定な酸素析出核を形成しておくことが望ましいということになる。

上記のように、ある程度以上の窒素（例えば１×１０¹⁴個／ｃｍ³ ）を加えることにより、炭素単独よりは初段熱処理温度依存性は弱まるため、初段の熱処理温度によるＢＭＤ密度のバラツキは少ない。しかし、あまり高温のプロセス熱処理を通過すると、炭素による析出促進効果が大幅に弱まってしまう。そこで、高いＢＭＤ密度を得るためのエピ工程の温度としては、低温（１０００℃以下）であることが望ましいと言える。

同様にエピタキシャル工程の前又は後に低温熱処理を加えたほうが、酸素析出核の成長又は新たな析出核が形成されるため、その後のエピ成長やその他のデバイスプロセス中のＢＭＤ密度は高くなる。
そして、エピ前又は後に加えられる熱処理としては、このような低温熱処理に限らず、いわゆるＩＧ熱処理（例えば、初段に１１００℃以上の高温熱処理を含むもの）やＲＴＡ装置（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｅｒ；急速加熱・急速冷却装置）による高温短時間の熱処理を適用することもできる。これらの熱処理プロセスを行えば、ウエーハ表面に発生している２次欠陥の低減も可能なので、炭素、窒素および酸素の濃度を広い範囲で選択することが出来るようになるという効果が得られる。

（アニールウエーハについて）
最後に、炭素と窒素をドープした結晶のアニールウエーハへの影響を調査、実験した。
アニールウエーハの場合も、基本的には上記のエピタキシャル成長用のシリコンウエーハについての調査と同様に、低炭素＋低窒素＋高酸素、および高炭素＋高窒素＋低酸素の組み合わせが高ＢＭＤ密度および２次欠陥の抑制には大変有効であった。また、ウエーハ表面に２次欠陥が発生してもアニールによりその２次欠陥を消滅させることも可能であるため、直接エピタキシャル成長を行う場合とは異なり、低炭素＋高窒素＋高酸素、および高炭素＋高窒素＋高酸素の組み合わせでも十分に高密度のＢＭＤを有し、ウエーハ表面に欠陥が少ないアニールウエーハが得られることがわかった。さらに、このようなアニールウエーハであれば、エピタキシャル層を形成してもエピ層に欠陥を発生させることもないし、十分なＢＭＤ密度も得られることがわかった。

なお、炭素の特性を生かすために、低温熱処理を加えたり、アニール中の昇温速度を５℃／ｍｉｎ以下に抑えることにより、析出核を増加させることもでき、これらにより、８００℃／４Ｈｒ＋１０００℃／１６Ｈｒ後の観察で１０⁹ 台後半から１０¹⁰台のＢＭＤ密度を確保することが出来た。

以上のように、炭素と窒素を両方ドープすることにより、炭素と窒素のそれぞれの欠点を打ち消すように働かせることが出来るので、炭素のみ、窒素のみよりも、様々なデバイスプロセスに対して、十分なＢＭＤ密度を稼ぐことが出来る。
表１は、エピタキシャルウエーハとアニールウエーハに用いられる窒素および炭素がドープされたウエーハについての上記実験結果をまとめたものである。

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、上記実施形態においては、直径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６インチ以下、直径１０〜１６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。

Claims (8)

1. ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法において、前記ＣＺシリコン単結晶の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａとなるように前記ＣＺシリコン単結晶を引上げることを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。
2. 請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法であって、前記ＣＺシリコン単結晶を２次欠陥が発生しないように引上げることを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。
3. ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成したシリコンエピタキシャルウエーハであって、前記シリコンウエーハ中の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａであることを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハ。
4. 請求項３に記載のシリコンエピタキシャルウエーハであって、前記窒素ドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたシリコンウエーハ中に２次欠陥がないことを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハ。
5. ＣＺシリコン単結晶育成時に炭素および窒素をドープして引上げられたＣＺシリコン単結晶から作製されたＣＺシリコンウエーハに熱処理を行うことにより、該ＣＺシリコンウエーハの表層部に無欠陥層を形成し、バルク部に1 ×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以上の酸素析出物を有するアニールウエーハの製造方法において、前記ＣＺシリコン単結晶の炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ、０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａとなるように前記ＣＺシリコン単結晶を引上げることを特徴とするアニールウエーハの製造方法。
6. 請求項５に記載のアニールウエーハの製造方法であって、前記ＣＺシリコン単結晶を２次欠陥が発生しないように引上げることを特徴とするアニールウエーハの製造方法。
7. 炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ、０．１〜１ｐｐｍａ、１×１０¹³〜１×１０¹⁴個／ｃｍ³ 、１５〜２５ｐｐｍａであるＣＺシリコンウエーハに熱処理を施し表層部に無欠陥層を形成したアニールウエーハであって、バルク部のＢＭＤ密度が１×１０⁹ 個／ｃｍ³ 以上であることを特徴とするアニールウエーハ。
8. 請求項７に記載のアニールウエーハであって、ウエーハ中に２次欠陥がないことを特徴とするアニールウエーハ。