JP2007045662A - 半導体シリコンウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素添加によりＯＳＦの形成を抑制し、酸素濃度の許容上限（濃度マージン）を高めることが可能になり、優れたゲッタリンク能力の無欠陥ウェーハを提供する。
【解決手段】ＣＺ法により製造され、結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させることなく、かつ炭素濃度が５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）であるシリコン単結晶から切り出されることを特徴とする半導体シリコンウェーハである。さらに、酸素濃度が１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）であるシリコン単結晶から切り出されるのが望ましく、急速昇降温熱処理（ＲＴＡ）により、ウェーハ最表面に形成されたＤＺ層の境界面から深さ５０μｍまでの表層部にＢＭＤ最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置を形成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、結晶全面に亘りＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させることがない半導体シリコンウェーハおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）の引上げ過程で炭素を添加することにより、リング状の酸素誘起積層欠陥（ＯＳＦ：Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）の発生を抑制するとともに、ウェーハ内部および最表面に形成される無欠陥層（ＤＺ層：Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ）の境界面近傍の表層部での酸素析出物（ＢＭＤ：Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）形成を促進することができる半導体シリコンウェーハおよび半導体シリコンウェーハの製造方法に関するものである。

近年において、半導体回路の高集積化にともない素子の微細化が促進され、その基板となるＣＺ法で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まっている。特に、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）、転位クラスター等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させることから、デバイス形成領域にこれらのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥ウェーハを作製することが重要になる。

この無欠陥ウェーハを作製する手法は大きく二つに区分され、第１の手法として、水素ガス、またはアルゴンガス雰囲気中でウェーハを高温熱処理してウェーハ表層部からＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させて無欠陥層を形成するアニールウェーハによる方法があり、第２の手法として、ＣＺ法による単結晶インゴットの育成段階においてＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない完全結晶を育成し、その無欠陥領域から切り出して無欠陥ウェーハを得る方法がある。

第１の手法で得られるアニールウェーハでは、ウェーハ表層部に形成される無欠陥層厚さに２０μｍ程度の限界があることから、ウェーハ内部まで無欠陥領域を構成することができない。このため、ウェーハ表面から深い位置まで無欠陥領域を構成することを要求される場合には、このような要求に対しては対応することができない。

第２の手法で得られる無欠陥ウェーハは、ウェーハ表面から裏面に至るまで無欠陥領域を構成できるが、ＣＺ法による育成段階において、シリコン単結晶に取り込まれる空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）型点欠陥と格子間型シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ）点欠陥とを適切に排除しなければならない。

すなわち、シリコン単結晶インゴット内では格子間シリコン型点欠陥が優勢な領域（以下、「Ｉ−ｒｉｃｈ領域」という）と、空孔型点欠陥が優勢な領域（以下、「Ｖ−ｒｉｃｈ領域」という）とがあり、両者の間には原子の不足や余分が少ないニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ）な領域（以下、「Ｐ領域」という）が存在する。

Ｖ−ｒｉｃｈ領域とは、空孔によりシリコン原子の不足から発生するＣＯＰが発生し易い領域であり、酸化膜耐圧を劣化させる要因となる。また、Ｉ−ｒｉｃｈ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより転位クラスターが発生し易い領域である。ＣＯＰや転位クラスターは格子間シリコンや空孔が過飽和な状態のときに、点欠陥の凝集体として発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和状態以下のニュートラルなＰ領域では発生することがない。

図１は、シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分布の例を模式的に示す図である。同図では、成長直後の単結晶からウェーハを切り出し、硝酸銅水溶液に浸けてＣｕを付着させ、熱処理後、Ｘ線トポグラフ法により微小欠陥分布の観察をおこなった結果を、模式的に示している。

このウェーハのＶ−ｒｉｃｈ領域には、外径の約２／３の位置にリング状ＯＳＦが現れ、そのリングの内側部分にはＣＯＰが見出され、また、リング状ＯＳＦに接してすぐ外側には酸素析出物が現れやすい酸素析出促進領域がある。酸素析出促進領域はＣＯＰや転位クラスターが存在しない無欠陥領域（ＰＶ領域）である。一方、Ｉ−ｒｉｃｈ領域には、前記酸素析出促進領域に接して酸素析出物が現れがたい酸素析出抑制領域があり、その外側のウェーハの周辺部には転位クラスターが発生している。酸素析出抑制領域も上記の酸素析出促進領域と同様にＣＯＰや転位クラスターが存在しない無欠陥領域（ＰＩ領域）である。

図２は、ＣＺ法による育成段階における引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に説明する図である。図２に示すように、上記欠陥の発生位置は、通常、単結晶育成の際の引き上げ速度に大きく影響される。したがって、前記図１は、図２における単結晶のＡにおける引き上げ軸に垂直な断面、またはその引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハを示したものであることが分かる。

前記第２の手法により無欠陥ウェーハを得る場合に、前記図１に示した欠陥分布において、ニュートラルなＰ領域に相当するリング状ＯＳＦに接する酸素析出促進領域および酸素析出抑制領域を拡大できれば、ＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥をなくすことができる。

例えば、特許文献１に開示された発明は、単結晶育成時の引き上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）、融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき結晶中心より外周から３０ｍｍまでの内部位置ではＶ／Ｇを０．２０〜０．２２ｍｍ²／（℃・ｍｉｎ）とし、結晶外周に向かってはこれを漸次増加させるよう、温度勾配を制御する。

このような凝固直後の結晶内の温度分布を積極的に制御する方法の例として、特許文献２または特許文献３には、単結晶の周囲を取り囲む熱遮蔽体の寸法や位置の選定、さらには冷却用部材の使用などにより、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配を、中心部は大きく外周部は小さくする技術の発明が提示されている。

引き上げ軸方向の結晶内温度勾配を、中心部がＧｃ、外周部がＧｅとすると、通常、凝固直後の引き上げ中の単結晶は表面からの熱放散により冷却されるので、外周部が大きく中心部が小さい。すなわちＧｃ＜Ｇｅである。これに対し、上記特許文献２、３の発明では、凝固直後の単結晶の周囲を取り囲む熱遮蔽体の寸法、位置、さらには冷却用部材の使用などホットゾーンの構造の改良により、融点から１２５０℃近傍までの温度域において、Ｇｃ＞Ｇｅとなるようにする。これは、引き上げ中単結晶の融液から立ち上がる部分近傍において、表面部はるつぼ壁面や融液面からの熱輻射により保温するようにし、単結晶の上部を熱遮蔽体や冷却部材等を用いてより強く冷却することにより中心部は熱伝達で冷却し、中心部の方を相対的に温度勾配が大きくなるようにさせる。

図３は、凝固直後の単結晶の引き上げ方向の温度勾配を改善して引き上げた場合における、引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に示した図である。凝固直後の単結晶内の温度分布を制御することにより、図３に示すように、リング状ＯＳＦの発生領域をＵ字状にし、ウェーハの面内から転位クラスターが発生する領域とＣＯＰが発生する領域を存在させないことができる。

図３に示す単結晶のＢにおける引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハでは、リング状ＯＳＦ発生領域を含む酸素析出促進領域および酸素析出抑制領域の無欠陥領域のウェーハからなり、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥であるＣＯＰおよび転位クラスターを存在させない無欠陥ウェーハとなる。同様に、Ｃにおける引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハでは、リング状ＯＳＦ発生領域の外側の無欠陥領域からなる無欠陥ウェーハとなる。

ところが、無欠陥ウェーハであれば、ウェーハ表面から裏面に至るまで無欠陥領域で構成できるが、ウェーハ中の酸素濃度が高い場合には、デバイス製造プロセスでデバイスが形成されるウェーハ表面近傍においてＯＳＦ核が顕在化する。このため、これが要因となって、デバイスの特性が悪化することになる。

特許文献４では、ウェーハ全面の酸素濃度を２４ｐｐｍａ未満（６．５〜１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９））とし、酸素析出熱処理によりリング状のＯＳＦの潜在核は存在するが、熱酸化処理をした際にはリング状のＯＳＦが発生せず、またウェーハ全面内にＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔ）および格子間転位ループが存在しないシリコンウェーハを提案している。

しかし、提案のシリコンウェーハでは、含有される酸素濃度が低いため、ウェーハに酸素析出核を形成するための低温熱処理、引き続き酸素析出核を成長させる高温熱処理を施しても、酸素析出物の形成が殆ど起こらない。このため、重金属汚染に対する十分なゲッタリング能力を発揮することができない。

さらに、無欠陥ウェーハの製造に関し、特許文献５では、無欠陥結晶ウェーハを水素ガス、アルゴンガス雰囲気中で高温熱処理して、ウェーハ内に僅かに残存するＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させるシリコンウェーハの製造方法を提案している。また、特許文献６では、無欠陥結晶ウェーハを窒素含有ガス雰囲気中で高温熱処理して、シリコンウェーハ内部に空孔を導入し、内部の空孔に酸素を析出させる析出処理するシリコンウェーハの製造方法を提案している。

ところが、特許文献５、６で提案される製造方法によれば、得られたウェーハの酸素濃度が低い場合には、ウェーハ内部に酸素析出物を十分に形成させることはできない。また、ウェーハの酸素濃度が高い場合には、ウェーハ内部に酸素析出物を形成できるものの、形成される酸素析出物はウェーハ中心部から表面に向けてＢＭＤ密度が低下する分布となり、ＢＭＤ最大密度のピーク位置（ウェーハ中心位置）からウェーハ表面までの距離が長くなり、ゲッタリング能力が低下することになる。

特開平８−３３０３１６号公報 特開２００１−２２０２８９号公報 特開２００２−１８７７９４号公報 特開平１１−１４７７８６号公報 特開２００３−１００７６２号公報 特開２００３−７７９２５号公報

前述の通り、ＯＳＦは結晶の成長時にその核となる点欠陥が導入されており、無欠陥ウェーハをデバイス基板として採用する場合に、ウェーハ中の酸素濃度が高いと、半導体デバイスを製造する際の酸化工程等でＯＳＦの潜在核が顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因となり、デバイス特性を悪化させることになる。

そのため、低酸素濃度の無欠陥ウェーハを採用したとしても、初期酸素濃度が所定以上確保されていない場合には、前記特許文献４〜６で提案されるように、充分に酸素析出物を形成できないことから、ウェーハ内部にゲッタリング層を形成することができない。

本発明は、上述した無欠陥ウェーハに関する問題点に鑑みてなされたものであり、単結晶の引上げ過程において炭素を添加させることによって、結晶中に含有される酸素濃度が中酸素および高酸素レベルであっても、半導体デバイス製造工程でのＯＳＦ核の顕在化を抑制するとともに、低温プロセスにおける酸素析出作用を発揮し、ウェーハ内部での酸素析出物の形成を促進し優れたゲッタリング性能を発揮する半導体シリコンウェーハおよびその製造方法を提供することを目的としている。

デバイス構造がウェーハ最表面層に形成される傾向が進展するのにともない、益々、ウェーハ表面近傍の表層部におけるゲッタリング能力が必要となっている。このような技術傾向に対応するため、本発明者らは検討を重ねた結果、単結晶へのドープ剤として炭素を選択することにより、デバイスの低温プロセスにおいて酸素析出を促進させる効果があることに着目した。

さらに、無欠陥ウェーハを育成する条件において、引上げ過程で炭素を添加することにより、結晶中に現れるリング状ＯＳＦの形成が抑制されること、および、その結果として、ＯＳＦ核の顕在化にともなって規定されていた酸素濃度の許容上限（濃度マージン）を高めることができ、中酸素濃度レベルおよび高酸素濃度レベルであってもデバイス特性を低下させることなく、無欠陥ウェーハを育成できることを知見した。

したがって、本発明の半導体シリコンウェーハは、ＣＺ法により製造され、結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させることなく、かつ炭素濃度が５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）であるシリコン単結晶から切り出されることを特徴としている。

さらに、本発明の半導体シリコンウェーハは、酸素濃度を１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）とすることができる。すなわち、引上げ過程での炭素添加により、リング状ＯＳＦの形成を抑制し、さらには消滅させることができるので、従来において、リング状ＯＳＦの潜在核の顕在化によって規定される酸素濃度の許容量を高めることができ、十分に酸素析出物の形成を促進することができる。しかも、炭素はデバイスの低温プロセスにおいても酸素析出を促進させる効果があることから、低温の熱処理によっても初期のゲッタリンク能力に優れた無欠陥ウェーハの育成が可能になる。

また、本発明の半導体シリコンウェーハは、急速昇降温熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を施すことにより、ウェーハ最表面に形成されたＤＺ層の境界面から深さ５０μｍまでの表層部に酸素析出物の最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置を形成させることができる。

上述したデバイス構造が最表面に形成される技術傾向に対応して、極表面近傍の表層部にゲッタリング層を形成するのが望ましい。上記ＲＴＡ処理を施すことにより、ウェーハ表面に析出物を突き抜けさせることなく、ゲッタリング層を表面近傍に形成することが可能になる。このとき、シリコンウェーハが高濃度に炭素を含有していれば、ウェーハ内部のみならず、最表面に形成されるＤＺ層の境界面近傍の表層部にゲッタリング層を形成することができる。

本発明の半導体シリコンウェーハの製造方法では、ＣＺ法により結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない条件で育成し、かつ炭素濃度を５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）として育成したシリコン単結晶から切り出すことを特徴とする。さらに、酸素濃度を１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）として育成したシリコン単結晶から切り出すことができる。

本発明の半導体シリコンウェーハの製造方法では、シリコン単結晶から切り出した後、不活性ガス雰囲気、またはアンモニアおよび不活性ガスの混合雰囲気中で、加熱温度が８００〜１２００℃および加熱時間が１〜６００ｍｉｎの条件でＲＴＡ処理を施すことができる。これにより、ウェーハ最表面に形成されたＤＺ層の境界面から深さ５０μｍまでの表層部に酸素析出物の最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置を形成させることができ、一層、表面層でのゲッタリンク能力の向上を図ることができる。

さらに、本発明の半導体シリコンウェーハは、ベースウェーハとして用いてＳＩＭＯＸ型半導体シリコンウェーハ、または、活性層側のウェーハとして用いて貼り合わせ型のＳＯＩ半導体シリコンウェーハとすることができる。

すなわち、集積回路製造のカストマーからは、用途によりウェーハに対する様々な要求がある場合に、無欠陥ではあるがＢＭＤが必要なウェーハとしての用途の他に、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ−ｂｙ−ｉｍｐｌａｎｔｅｄ−ｏｘｙｇｅｎ）または貼り合わせなどのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に用いる無欠陥ウェーハとしてもそれぞれ対応することができる。

本発明の半導体シリコンウェーハおよびその製造方法によれば、ＣＺ法による引上げ過程で炭素を添加することにより、デバイスの低温プロセスにおいても酸素析出を促進させる効果があるとともに、育成結晶中に現れるリング状ＯＳＦの形成を抑制することができる。これにより、リング状ＯＳＦの形成により規定されていた酸素濃度の許容上限（濃度マージン）を高めることができ、優れたゲッタリンク能力を発揮する無欠陥ウェーハを育成できる。しかも、得られた無欠陥ウェーハにＲＴＡ処理を施すことによって、デバイス構造が形成されるウェーハ最表面層でのゲッタリンク能力の向上を図ることができる。

本発明は、ＣＺ法の育成により結晶全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない領域からなる無欠陥ウェーハに関するものであり、所定の炭素濃度を含有させて育成することによって、酸素濃度の許容上限（濃度マージン）を高めることが可能になり、結晶内部および表層部での酸素析出を促進できる半導体シリコンウェーハの製造する方法である。以下に、本発明を上記のように規定した理由を説明する。

本発明では、ＣＺ法による引上げ過程で炭素を添加することが必須となる。このため、ＣＺ法の引上げ前段階の多結晶シリコンを融解するときに純炭素を添加して、引上げ後のシリコン単結晶に含有させる炭素濃度を調整する。

含有される炭素濃度が５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であると、低温熱処理における酸素析出を促進させる効果や結晶中に現れるリング状ＯＳＦの形成を抑制する効果が乏しい。一方、炭素濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えると、結晶中に炭素の偏析が生ずるようになり、引上げ中に有転位化を生じる不具合がある。このため、シリコン単結晶に含有させる炭素濃度を５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）と規定した。

この場合に、後述する実施例で示すように、高酸素レベルのシリコンウェーハであっても安定したデバイス特性を発揮させるためには、炭素濃度を１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）とするのが望ましい。

本発明では、上記の炭素添加によりリング状ＯＳＦの形成を抑制し、さらには消滅させることができることから、酸素濃度の許容量を高めることができるが、酸素濃度が１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であると、充分にウェーハ強度を確保することができずスリップが発生し易くなる。一方、酸素濃度が１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えるようになると、ウェーハ表層部に酸素析出物の発生やＯＳＦの形成が顕在化し、デバイス特性を悪化させるおそれがある。

このため、本発明が対象とする半導体ウェーハの酸素濃度を１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）とするのが望ましい。また、後述するＲＴＡ処理において、注入した空孔の安定化には初期酸素濃度依存性があり、比較的に低酸素濃度であると注入した空孔が後の熱処理過程で消失するおそれがあるため、酸素濃度を１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以上とするのがさらに望ましい。

本発明において、ＣＺ法により結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない条件とは、無欠陥ウェーハを育成する引上げ条件を規定するものであり、例えば、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配を中心部がＧｃ、外周部がＧｅとした場合に、前記特許文献２、３で開示する装置構成のようなホットゾーン構造の改良により、融点から１２５０℃近傍までの温度域において、Ｇｃ＞Ｇｅとなる引上げ条件を適用することが該当する。その結果、前記図３に示すＢからＣの速度範囲で引上げを行うことによって、結晶径方向の全面に亘りＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない領域を構成することができる。

さらに、本発明において、ＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しないとは、単結晶から切り出し表面の歪み層を取り除いて鏡面加工されたシリコンウェーハにＫ₂、Ｃｒ₂、Ｏ₇と弗酸と水の混合液で表面にエッチング（Ｓｅｃｃｏエッチング）を施した後に、光学顕微鏡により観察面積とエッチング取り代との積を検査体積として観察した際に、転位クラスター（格子間シリコン型点欠陥）およびＣＯＰ（空孔型欠陥）の各凝集体の個数が検出下限値（例えば、１×１０³個／ｃｍ³）以下であることをいう。

本発明では、シリコン単結晶から切り出された後、不活性ガス雰囲気、またはアンモニアおよび不活性ガスの混合雰囲気中で、加熱温度が８００〜１２００℃および加熱時間が１〜６００ｍｉｎの条件でＲＴＡ処理を施すことができる。不活性ガス雰囲気、またはアンモニアおよび不活性ガスの混合雰囲気中でＲＴＡ処理することにより、ウェーハ内部に空孔が注入される。

前述の通り、本発明が対象とする無欠陥ウェーハは、点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハであるので、注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔が効率的に注入できる。また、空孔型点欠陥もほとんど存在しないため、ＲＴＡ処理により十分な空孔密度を確保することができる。

その後のデバイスの低温プロセスにおいて熱処理を施すことにより、空孔への酸素析出が促進され、熱処理によって酸素析出核の安定化を図り、析出物の成長が行われる。すなわち、このＲＴＡ処理により、ウェーハ面内の酸素析出の均一化が充分に図れるとともに、デバイス構造が形成されるウェーハ最表面層近傍の表層部でのゲッタリンク能力を向上できる。

また、本発明が対象とする無欠陥ウェーハにおいて、ウェーハ最表面に形成されたＤＺ層の境界面から深さ５０μｍまでの表層部に酸素析出物の最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置が形成されることとしているのは、表層部での酸素析出物の最大密度を確保することによって、ウェーハ最表面層でのＮｉ、Ｆｅ等の重金属を充分にゲッタリングするためである。

集積回路の高集積化により、高速化および低電力消費化が要求され、そのためには構成される素子間の絶縁分離が重要課題になる。このような課題に対応して、ＳＯＩ構造の基板が多用されるようになってきている。このＳＯＩ基板には、ＳＩＭＯＸ型や貼り合わせ型などがあるが、本発明の半導体シリコンウェーハは、ＳＩＭＯＸ型半導体基板のベースウェーハとして、また、貼り合わせ型のＳＯＩ半導体基板の活性層側のウェーハとして適用できる。

本発明の炭素添加した半導体シリコンウェーハが発揮する優れた効果を、下記の（実施例１）〜（実施例３）に基づいて説明する。
（実施例１）
図４に模式的に示した断面構造の装置を用いて、育成実験をおこなった。この図において、熱遮蔽体７は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造であるが、るつぼに入る部分の外径が４８０ｍｍ、最下端における最小内径Ｓは２７０ｍｍ、半径方向の幅Ｗは１０５ｍｍで、内面は下端部から始まる逆円錐台面とし、その垂直方向に対する傾きは２１°であった。るつぼ１の内径は５５０ｍｍのものを用い、熱遮蔽体７の下端の融液面からの高さＨは、６０ｍｍとした。

るつぼ内に高純度シリコンの多結晶を装入し、この多結晶シリコンに純炭素を添加して、装置内を減圧雰囲気とし、ヒータ２により加熱してシリコンを溶融させ、融液３とした。シードチャック５に取り付けた種結晶を融液３に浸漬し、るつぼ１および引き上げ軸４を回転させつつ引き上げを行い、結晶無転位化のためのシード絞りをおこなった後、ショルダー部を形成させ、肩変えして直胴部を形成した。

図４に示すホットゾーン構造を有する育成装置を用いて、直胴部の目標直径を２００ｍｍとし、育成中単結晶内部の軸方向温度勾配を融点から１３７０℃までの範囲で、中心部は３．０〜３．２℃／ｍｍ、周辺部は２．３〜２．５℃／ｍｍとし、引き上げ速度を１ｍｍ／ｍｉｎから０．３ｍｍ／ｍｉｎに低下させながらシリコン単結晶を引き上げる引き上げ速度変更実験を行った。

育成されたシリコン単結晶中のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥およびＯＳＦリングの分布を観察するために、シリコン単結晶を引き上げ軸方向に沿って縦割りし、引き上げ軸近傍を含む板状試片を作製してＣｕデコレーションを行った。具体的には、それぞれの試片を硫酸銅水溶液に浸漬した後自然乾燥し、窒素雰囲気中で９００℃の温度にて２０分程度の熱処理を施した。

その後、試片表層のＣｕシリサイド層を除去するために、ＨＦ／ＨＮＯ₃混合溶液中に浸漬し、表層数十ミクロンをエッチング除去してからＸ線トポグラフ法によりＯＳＦリングの発生位置や各Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥領域の分布を調査した。この各Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥領域の分布から、ＣＯＰおよび転位クラスターが発生しない引き上げ速度範囲を求めることができる。

次に、上述の引き上げ速度変更実験によって得られたＣＯＰおよび転位クラスターが発生しない引き上げ速度範囲にてシリコン単結晶を育成した。引き上げ速度条件を変更した以外は、上述の引き上げ速度変更実験と同条件にてシリコン単結晶を育成した。

引上げられたシリコン単結晶のそれぞれの部位から供試するシリコンウェーハをスライスし、さらにラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して鏡面シリコンウェーハを得て、それらを試験Ｎｏ．１〜５とした。

さらに、急速昇降温（ＲＴＡ）炉を用いアルゴンガスとアンモニアの混合雰囲気内で、最高到達温度が１２００℃であり、加熱時間が１ｍｉｎで、昇温レート１００℃／ｓｅｃおよび降温レート５０℃／ｓｅｃのＲＴＡ処理を実施し、バルク内部に空孔を注入したウェーハを作製し、試験Ｎｏ．６とした。

発明例の炭素添加による効果を確認するため、比較例として、純炭素を添加することなく、融解して引上げ用のシリコン融液を形成した後、発明例と同様の育成装置を用いて、直胴部の全長に亘りＣＯＰおよび転位クラスターを含まないシリコン単結晶を引き上げ、発明例と同じ部位から供試するシリコンウェーハをスライスし、さらにラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して鏡面シリコンウェーハを得て、それらを試験Ｎｏ．７〜９とした。

供試されたシリコンウェーハ（試験Ｎｏ．１〜９）中にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しないことを確認するための調査を行った。具体的には、各ウェーハについて無攪拌状態で３０分間のＳｅｃｏエッチングを施し、エッチング後の表面を光学顕微鏡を用いて観察し、ＣＯＰおよび転位クラスターの有無を調査した。その結果、いずれのウェーハも検出下限値（１×１０³個／ｃｍ³）以下であり、ＣＯＰおよび転位クラスターが存在しないことを確認した。

次に、供試されたシリコンウェーハの炭素濃度および酸素濃度をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）により測定した。また、各シリコンウェーハを酸素雰囲気下で加熱温度８００℃で４時間の熱処理した後、さらに酸素雰囲気下で加熱温度１０００℃で１６時間の熱処理を行った。その熱処理後のシリコンウェーハをへき開し、ライト（ｗｒｉｇｈｔ）エッチング液で選択エッチングを行い、光学顕微鏡により断面観察を実施し、深さ中心部の酸素析出物（ＢＭＤ：Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）の密度を計測した。炭素濃度、酸素濃度およびＢＭＤ密度の測定結果を表１に示す。

表１に示す結果から、炭素濃度が５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）以上と本発明で規定する範囲内にある場合には、いずれもＢＭＤ密度は１×１０⁹／ｃｍ³以上と安定して酸素析出物の形成を促進する効果を確認することができる（試験Ｎｏ．１〜５）。

さらに、ＲＴＡ処理を施すことによって、一層、酸素析出物の形成を促進できることを確認した（試験Ｎｏ．６）。
（実施例２）
次に、炭素添加によるＯＳＦ核の形成を抑制する効果を確認するため、炭素濃度を変動させるとともに、酸素濃度を低酸素レベル（１０〜１１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、中酸素レベル（１２〜１４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、および高酸素レベル（１５〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）に区分したシリコン単結晶を引き上げた。このとき、結晶面内にリング状ＯＳＦが現れる引上げ条件とした。

引き上げられたシリコン単結晶からシリコンウェーハを切り出し、これらウェーハをＴＺＤＢ（Ｔｉｍｅ ｚｅｒｏ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）法を用いて酸化膜耐圧評価を実施し、そのときのｙｉｅｌｄ（歩留まり％）を測定した。

そのときの測定結果を酸素濃度レベル別に、低酸素レベル（１０〜１１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）の結果を表２に、中酸素レベル（１２〜１４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）の結果を表３に、および高酸素レベル（１５〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）の結果を表４にそれぞれ示した。

表２〜３に示す結果から、炭素濃度が５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）以上と本発明で規定する範囲内にある場合には、低酸素レベルは当然として、中酸素レベルのシリコンウェーハにおける酸化膜耐圧を低下させないことを確認することができる。

高酸素レベルのシリコンウェーハになると、炭素濃度が５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であると、酸化膜耐圧の低下傾向が観られるが、炭素濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上になると、何ら酸化膜耐圧を低下させることがない。

したがって、無欠陥ウェーハの育成に際し、炭素濃度を５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）とすることにより、さらに望ましくは１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）とすることにより、安定してデバイス特性の優れた半導体用シリコンウェーハを製造することができる。
（実施例３）
炭素濃度がＤＺ層の境界面近傍の表層部のゲッタリング能力に及ぼす影響を調査した。３種類の炭素濃度からなるシリコン単結晶のそれぞれの部位から供試するシリコンウェーハをスライスし、さらにラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して鏡面シリコンウェーハを得て、それらを試験Ｎｏ．３１〜３３とした。

得られたシリコンウェーハに、急速昇降温（ＲＴＡ）炉を用いアルゴンガスとアンモニアの混合雰囲気内で、最高到達温度が１２００℃であり、加熱時間が１ｍｉｎで、昇温レート１００℃／ｓｅｃおよび降温レート５０℃／ｓｅｃのＲＴＡ処理を実施し、バルク内部に空孔を注入した。

さらに、ＲＴＡ処理したシリコンウェーハを酸素雰囲気下で加熱温度８００℃で４時間の熱処理した後、さらに酸素雰囲気下で加熱温度１０００℃で１６時間の熱処理を行った。この熱処理により酸素析出物を形成した後に、シリコンウェーハをへき開し、ライト（ｗｒｉｇｈｔ）エッチング液で選択エッチングを行い、光学顕微鏡により断面観察を実施し、各シリコンウェーハのＤＺ層を比較した。さらに、得られたシリコンウェーハ（Ｗｆ）の中心部におけるＢＭＤ平均密度、さらにＤＺ層の境界層近傍における表層部のＢＭＤ最大密度および境界層からのピーク位置深さを測定し、それらの測定結果を表５に示す。

表５に示す結果から、炭素濃度を５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）とすることにより、ＤＺ層を確保しつつ、ウェーハ表面に析出物を突き抜けさせることなく、ＤＺ層の境界層近傍における極表面層でＢＭＤの最大密度を１×１０⁹個／ｃｍ³以上確保することができ、表層部でのゲッタリング能力を確保できることが分かる。

本発明の半導体シリコンウェーハおよびその製造方法によれば、ＣＺ法による引上げ過程で炭素を添加することにより、デバイスの低温プロセスにおいても酸素析出を促進させる効果があるとともに、育成結晶中に現れるリング状ＯＳＦの形成を抑制することができる。これにより、リング状ＯＳＦの形成により規定されていた酸素濃度の許容上限（濃度マージン）を高めることができ、優れたゲッタリンク能力を発揮する無欠陥ウェーハを育成できる。しかも、得られた無欠陥ウェーハにＲＴＡ処理を施すことによって、デバイス構造が形成されるウェーハ最表面層でのゲッタリンク能力の向上を図ることができる。これにより、無欠陥ウェーハの製造方法として、広く利用することができる。

シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分布の例を模式的に示す図である。 ＣＺ法による育成段階における引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に説明する図である。 凝固直後の単結晶の引き上げ方向の温度勾配を改善して引き上げた場合における、引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に示した図である。 実施例に用いたシリコン単結晶の育成装置の構成例を模式的に示した図である。

符号の説明

１：るつぼ、 １ａ：るつぼ保持容器
１ｂ：るつぼ支持軸、 ２：ヒーター
３：シリコン溶融液、 ４：引き上げ軸
５：シードチャック、 ６：単結晶
７：熱遮蔽体

Claims (9)

1. チョクラルスキー法により製造され、結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させることなく、かつ炭素濃度が５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）であるシリコン単結晶から切り出されることを特徴とする半導体シリコンウェーハ。
2. さらに、酸素濃度が１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）であるシリコン単結晶から切り出されることを特徴とする請求項１に記載の半導体シリコンウェーハ。
3. 不活性ガス雰囲気、またはアンモニアおよび不活性ガスの混合雰囲気中で、加熱温度が８００〜１２００℃および加熱時間が１〜６００ｍｉｎの条件で急速昇降温熱処理（ＲＴＡ）が施され、ウェーハ最表面に形成された無欠陥層（ＤＺ層）の境界面から深さ５０μｍまでの表層部に酸素析出物の最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体シリコンウェーハ。
4. チョクラルスキー法により結晶径方向の全面に亘りＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない条件で育成し、かつ炭素濃度が５×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）であるシリコン単結晶から切り出すことを特徴とする半導体シリコンウェーハの製造方法。
5. さらに、酸素濃度が１０×１０¹⁷〜１６×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）として育成したシリコン単結晶から切り出すことを特徴とする請求項４に記載の半導体シリコンウェーハの製造方法。
6. 前記シリコン単結晶から切り出した後、不活性ガス雰囲気、またはアンモニアおよび不活性ガスの混合雰囲気中で、加熱温度が８００〜１２００℃および加熱時間が１〜６００ｍｉｎの条件で急速昇降温熱処理（ＲＴＡ）を施すことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体シリコンウェーハの製造方法。
7. 当該ウェーハ最表面に形成されたＤＺ層の境界面から深さ５０μｍまでの表層部に酸素析出物の最大密度が１×１０⁹個／ｃｍ³以上となるピーク位置が形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体シリコンウェーハの製造方法。
8. 請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウェーハをベースウェーハに用いたことを特徴とするＳＩＭＯＸ型半導体シリコンウェーハ。
9. 請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウェーハを活性層側のウェーハとした貼り合わせ型のＳＯＩ半導体シリコンウェーハ。
   

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