JP2008066357A - Silicon single crystal wafer and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メモリーやCPUなど半導体デバイスの基板として用いられるシリコン単結晶ウエーハおよびシリコン単結晶ウエーハの製造方法に関するものであり、特に最先端分野で用いられている表層が無欠陥のシリコン単結晶ウエーハおよびシリコン単結晶ウエーハの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a silicon single crystal wafer used as a substrate for a semiconductor device such as a memory or a CPU, and a method for manufacturing the silicon single crystal wafer, and in particular, a silicon single crystal wafer having a defect-free surface layer used in the most advanced field. And a method for producing a silicon single crystal wafer.
近年、DRAM等の半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるチョクラルスキー法(以下、CZ法と略記することがある)で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が一層高まってきている。特に、FPD、LSTD、COP等のグローンイン(Grown−in)欠陥と呼ばれる酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる、単結晶成長起因の欠陥が存在しその密度とサイズの低減が重要視されている。 In recent years, with the miniaturization of elements accompanying higher integration of semiconductor circuits such as DRAMs, quality requirements for silicon single crystals produced by the Czochralski method (hereinafter sometimes abbreviated as CZ method) as the substrate Is getting higher. In particular, there are defects due to single crystal growth that degrade oxide breakdown voltage characteristics and device characteristics called Grown-in defects such as FPD, LSTD, and COP, and reduction in density and size is regarded as important. Yes.
これらの欠陥を説明するに当たって、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。 In describing these defects, first, a vacancy-type point defect called vacancy (hereinafter sometimes abbreviated as V) incorporated in a silicon single crystal, and interstitial-silicon (interstitial-Si, hereinafter). What is generally known is a factor that determines the concentration of each interstitial silicon point defect called “I” (sometimes abbreviated as “I”).
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、グローンイン欠陥としては存在しないことが判ってきた。 In a silicon single crystal, the V-region is a vacancy, that is, a region having many recesses and holes generated due to a shortage of silicon atoms, and the I-region is generated by the presence of extra silicon atoms. A neutral region (Neutral region, hereinafter referred to as an N-region) that has a shortage of atoms and no (or few) atoms between the V-region and the I-region. May be abbreviated). The grow-in defects (FPD, LSTD, COP, etc.) occur only when V or I is in a supersaturated state. It has been found that it does not exist as a defect.
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)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の欠陥の存在が確認されている。 It is known that the concentration of both point defects is determined from the relationship between the crystal pulling rate (growth rate) in the CZ method and the temperature gradient G in the vicinity of the solid-liquid interface in the crystal. In addition, in the N-region between the V-region and the I-region, the presence of a ring-like defect called OSF (Oxidation Induced Stacking Fault) has been confirmed.
これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、成長結晶の直径にもよるが、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。 When these defects due to crystal growth are classified, depending on the diameter of the grown crystal, for example, when the growth rate is relatively high, such as about 0.6 mm / min or more, void-type point defects are aggregated. Grown-in defects such as FPD, LSTD, and COP, which are considered to be present, are present at high density throughout the crystal diameter direction, and a region where these defects exist is called a V-rich region. Further, when the growth rate is 0.6 mm / min or less, the OSF ring described above is generated from the periphery of the crystal as the growth rate is reduced, and L / D that is considered to be caused by a dislocation loop outside the ring. Defects (Large Dislocation: abbreviations for interstitial dislocation loops, LSEPD, LFPD, etc.) are present at a low density, and a region where these defects are present is called an I-rich region. Furthermore, when the growth rate is lowered to about 0.4 mm / min or less, the OSF ring aggregates and disappears at the center of the wafer, and the entire surface becomes an I-rich region.
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、空孔起因の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、空孔起因の欠陥も、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。
Further, an N-region in which there is no vacancy-induced FPD, LSTD, COP, dislocation loop-induced LSEPD, LFPD, or even OSF outside the OSF ring between the V-rich region and the I-rich region recently. The presence of has been discovered. This region is outside the OSF ring, and when oxygen precipitation heat treatment is performed and the contrast of the precipitation is confirmed by X-ray observation or the like, there is almost no oxygen precipitation and is so rich that LSEPD and LFPD are formed. It is not the I-rich region side.
Further, it is confirmed that there are no defects caused by vacancies or dislocation loops inside the OSF ring, and there is an N-region in which no OSF exists.
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存在するため、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(非特許文献1)では、引上げ速度(F)と結晶固液界面軸方向温度勾配(G)の比であるF/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。
In the normal method, these N-regions exist obliquely with respect to the growth axis direction when the growth rate is lowered, and therefore exist only in a part of the wafer plane.
In this N-region, in the Boronkov theory (Non-Patent Document 1), the parameter F / G, which is the ratio of the pulling rate (F) and the crystal-liquid-liquid interface axial temperature gradient (G), determines the total concentration of point defects. It is said that it will be decided. Considering this, since the pulling speed should be constant in the plane, since G has a distribution in the plane, for example, at a certain pulling speed, the center is the V-rich region and the N-region is sandwiched around it. Only crystals that would be in the I-rich region were obtained.
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F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F/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。 Therefore, recently, when the distribution of G in the plane has been improved, the N-region that has existed only at an angle, for example, when the pulling-up speed F is gradually lowered, the N-region is lateralized at a certain pulling speed. Crystals spread over the entire surface can be manufactured. Further, in order to expand the crystal of the entire N-region in the length direction, it can be achieved to some extent if the pulling rate is maintained while the N-region is expanded laterally. Also, considering that G changes as the crystal grows, if it is corrected and the pulling speed is adjusted so that F / G is constant, the entire surface N- The area crystal can be enlarged.
しかしながら、このようなウエーハでは、欠陥が検出されないN領域であっても、V−リッチ側では酸素析出が起こりやすく、I−リッチ側では酸素析出が発生しにくいという特徴を持っている。したがって、このような結晶からウエーハを切り出した際に、ウエーハ面内で酸素析出の起こりやすい部分と起こりにくい部分とが混在し、デバイス熱処理等を施した後に観察されるBMDの密度が大きくばらつくという問題があった。 However, such a wafer is characterized in that oxygen precipitation is likely to occur on the V-rich side and oxygen precipitation is unlikely to occur on the I-rich side even in the N region where no defect is detected. Therefore, when a wafer is cut out from such a crystal, a portion where oxygen precipitation is likely to occur and a portion where it is difficult to occur are mixed in the wafer surface, and the density of BMD observed after device heat treatment or the like varies greatly. There was a problem.
また、上記のような極低欠陥領域であるN−領域を結晶全体に広げて製造しようとするときに、N−領域となる引上げ速度の制御範囲が狭く、結晶成長装置の炉内構造(ホットゾーン:HZ)にも限界があるために、安定して結晶の軸方向にN−領域を拡大することは困難であった。
従って、このような全面N−領域である結晶の製造の歩留りは低く、結晶の品質を保証することは困難であった。
In addition, when the N-region, which is an extremely low defect region as described above, is to be manufactured over the entire crystal, the pulling rate control range to be the N-region is narrow, and the in-furnace structure of the crystal growth apparatus (hot Zone (HZ) is also limited, and it has been difficult to stably expand the N-region in the axial direction of the crystal.
Therefore, the yield of manufacturing the crystal which is the entire N-region is low, and it is difficult to guarantee the quality of the crystal.
一方、特許文献1には、窒素をドープすることで上記N−領域が広がり、制御しやすく、容易にN−領域を得られることが示されており、この窒素ドープの特性を利用してN−領域の制御性を改善する方法が開示されている。また、これにより得られたN−領域から切り出されたウエーハでは、酸化膜耐圧特性のTZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)やTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)の良品率が高いことが報告されているが、本発明者らが追試した結果、実際にはTZDBが良好であってもTDDBの不良が発生する場合があることが判明した。
On the other hand,
また、特許文献2に開示されているアニールウエーハや、特許文献3に開示されているシリコンウエーハにおいても、TDDB特性に不良が発生してしまう場合がある。
In addition, even in the annealed wafer disclosed in
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたもので、デバイス作製領域であるウエーハ表層領域のTZDB特性およびTDDB特性が優れており、かつウエーハ面内におけるBMD密度のばらつきが小さいシリコン単結晶ウエーハおよびシリコン単結晶ウエーハの製造方法を提供することを目的とする。特には、ウエーハバルク領域に均一で十分なBMDが形成されており、優れたIG能力を有するシリコン単結晶ウエーハの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a silicon single crystal wafer having excellent TZDB characteristics and TDDB characteristics of a wafer surface layer region, which is a device manufacturing region, and a small variation in BMD density in the wafer surface. An object of the present invention is to provide a method for producing a silicon single crystal wafer. In particular, an object is to provide a silicon single crystal wafer having a uniform and sufficient BMD formed in the wafer bulk region and having an excellent IG capability.
上記目的を達成するために、本発明は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、かつ、全面N−領域のものであり、TZDB特性及びTDDB特性の良品率が90%以上で、ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後のウエーハ面内におけるBMD密度の最大値と最小値との比(最大値/最小値)が50倍以下のものであることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハを提供する(請求項1)。 In order to achieve the above object, the present invention is a silicon single crystal wafer grown by the Czochralski method, which is doped with nitrogen and has an entire N-region, and has TZDB characteristics and TDDB characteristics. The non-defective rate is 90% or more, and the ratio (maximum value / minimum value) between the maximum value and the minimum value of BMD density in the wafer surface after gettering heat treatment or device heat treatment is 50 times or less. A silicon single crystal wafer is provided.
このように、本発明のシリコン単結晶ウエーハは、窒素がドープされてウエーハ全面がN−領域のものであり、TZDB特性およびTDDB特性の双方の良品率が90%以上であり、さらに、ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後のウエーハ面内におけるBMD密度の最大値と最小値との比(最大値/最小値)が50倍以下のものなので、デバイス作製領域であるウエーハ表層領域に結晶欠陥がなく酸化膜耐圧特性が極めて優れ、また、N−領域でありながらも、ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後のウエーハ面内におけるBMD密度のばらつきが小さく均一であり、熱処理によるウエーハの変形を効果的に防止することができるシリコン単結晶ウエーハである。
ここで、TZDB特性およびTDDB特性の良品率とは、ウエーハ中に形成されたセルの良品率を示し、以下、単にTZDB特性およびTDDB特性の良品率と表現する。
As described above, the silicon single crystal wafer of the present invention is doped with nitrogen so that the entire surface of the wafer is in the N-region, the non-defective rate of both the TZDB characteristic and the TDDB characteristic is 90% or more, and the gettering is performed. Since the ratio (maximum value / minimum value) of the maximum and minimum values of BMD density in the wafer surface after heat treatment or device heat treatment is 50 times or less, there is no crystal defect in the wafer surface layer region, which is the device fabrication region, and oxidation Excellent film breakdown voltage characteristics, and even in the N-region, variation in BMD density in the wafer surface after gettering heat treatment or device heat treatment is small and uniform, and effectively prevents wafer deformation due to heat treatment. This is a silicon single crystal wafer that can be used.
Here, the non-defective product ratio of the TZDB characteristic and the TDDB characteristic indicates the non-defective product ratio of the cells formed in the wafer, and is hereinafter simply expressed as the non-defective product ratio of the TZDB characteristic and the TDDB characteristic.
また、前記シリコン単結晶ウエーハは、酸素濃度が8ppma以上13ppma未満(JEIDA)のものであるのが望ましい(請求項2)。
このように、酸素濃度が8ppma以上のものであれば、デバイス製造工程等の熱処理によってウエーハ内部のBMDを十分な密度とすることができ、ゲッタリング能力を備えたシリコン単結晶ウエーハとすることが可能であるし、13ppma未満(JEIDA)のものであれば、より確実にTZDB特性のみならずTDDB特性もまた良品率が90%以上のものとすることができる。
The silicon single crystal wafer preferably has an oxygen concentration of 8 ppma to less than 13 ppma (JEIDA).
Thus, if the oxygen concentration is 8 ppma or more, the BMD inside the wafer can be made to have a sufficient density by heat treatment such as a device manufacturing process, and a silicon single crystal wafer having gettering ability can be obtained. If it is less than 13 ppma (JEIDA), not only the TZDB characteristics but also the TDDB characteristics can be more than 90% acceptable.
このとき、前記ドープされた窒素濃度が5×1011atoms/cm3以上3×1013atoms/cm3以下のものであるのが望ましい(請求項3)。
このように、ドープされた窒素濃度が5×1011atoms/cm3以上であれば、デバイス製造工程等の熱処理おいて酸素の析出が促進され、ウエーハ内部のBMDを十分な密度とすることができ、ゲッタリング能力を備えたシリコン単結晶ウエーハとすることが可能であるし、3×1013atoms/cm3以下であれば、より確実にTZDB特性のみならずTDDB特性もまた良品率が90%以上のものとすることができる。
At this time, it is desirable that the doped nitrogen concentration is 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less (Claim 3).
Thus, if the doped nitrogen concentration is 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more, the precipitation of oxygen is promoted in a heat treatment such as a device manufacturing process, and the BMD inside the wafer can be made to have a sufficient density. It is possible to obtain a silicon single crystal wafer having a gettering capability, and if it is 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, not only the TZDB characteristic but also the TDDB characteristic has a non-defective rate of 90%. % Or more.
さらには、前記ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後のウエーハ内部におけるBMD密度が1×107個/cm3以上のものであるのが好ましい(請求項4)。
このように、ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後のウエーハ内部におけるBMD密度が1×107個/cm3以上のものであれば、十分なBMD密度を有し、高いゲッタリング能力を備えたシリコン単結晶ウエーハとすることができる。
Furthermore, it is preferable that the BMD density inside the wafer after the gettering heat treatment or device heat treatment is 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more.
As described above, when the BMD density inside the wafer after the gettering heat treatment or device heat treatment is 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more, a silicon single body having a sufficient BMD density and having a high gettering ability is obtained. It can be a crystal wafer.
なお、ここでゲッタリング熱処理とは、育成されたシリコン単結晶棒をウエーハに加工した後からデバイス工程に入る前までに施される熱処理を総称したものであり、デバイス熱処理とは、ゲッタリング熱処理その他の処理の有無にかかわらず、デバイス製造工程で施される熱処理またはこれを簡略化したシミュレーション熱処理を総称するものである。 Here, gettering heat treatment is a general term for heat treatment performed after processing a grown silicon single crystal rod into a wafer and before entering a device process, and device heat treatment is a gettering heat treatment. Regardless of the presence or absence of other treatments, this is a general term for heat treatment performed in the device manufacturing process or simulation heat treatment that is simplified.
また、前記シリコン単結晶ウエーハであって、ウエーハの表層の酸素析出物を熱処理により溶解させたものとすることができる(請求項5)。
窒素ドープ結晶では窒素がVacancyと作用して酸素析出を促進させる効果がある。このため、結晶成長中に酸素析出核が形成されやすく、条件によっては酸素析出物を形成することがある。結晶からウエーハを切り出した際に、この酸素析出物が表層に出現すると、電気特性を劣化させることがある。このため、熱処理を加えることで、表層の酸素析出物を溶解させ、更に品質の高いウエーハとすることができる。
Further, the silicon single crystal wafer may be one in which oxygen precipitates on the surface layer of the wafer are dissolved by heat treatment.
In the nitrogen-doped crystal, nitrogen has an effect of promoting oxygen precipitation by acting with vacancy. For this reason, oxygen precipitation nuclei are easily formed during crystal growth, and oxygen precipitates may be formed depending on conditions. If this oxygen precipitate appears on the surface layer when the wafer is cut out from the crystal, the electrical characteristics may be deteriorated. For this reason, by applying heat treatment, oxygen precipitates on the surface layer can be dissolved, and a wafer with higher quality can be obtained.
また、本発明は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、5×1011atoms/cm3以上3×1013atoms/cm3以下の濃度の窒素と、8ppma以上13ppma未満(JEIDA)の濃度の酸素をドープしながら結晶全面がN−領域となる条件で引き上げることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法を提供する(請求項6)。 Further, according to the present invention, when growing a silicon single crystal by the Czochralski method, nitrogen having a concentration of 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, and 8 ppma or more and less than 13 ppma (JEIDA A method for producing a silicon single crystal wafer is provided, wherein the entire surface of the crystal is pulled up in an N-region while doping oxygen at a concentration of (5).
このように、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、5×1011atoms/cm3以上3×1013atoms/cm3以下の濃度の窒素と、8ppma以上13ppma未満(JEIDA)の濃度の酸素をドープしながら結晶全面がN−領域となる条件で引き上げれば、このシリコン単結晶から得られるシリコン単結晶ウエーハを前記窒素濃度および酸素濃度を有するものとすることができる。これにより、ゲッタリング熱処理やデバイス熱処理後において、ウエーハ内部に高密度のBMDを有し、十分なゲッタリング能力を備えたシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。さらには、表層領域に結晶欠陥がなく、TZDB特性およびTDDB特性が優れており、ウエーハ面内におけるBMD密度のばらつきが小さく均一なものであるため変形も抑制されたシリコン単結晶ウエーハを得ることが可能である。 Thus, when growing a silicon single crystal by the Czochralski method, nitrogen having a concentration of 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, and 8 ppma or more and less than 13 ppma (JEIDA). If the entire surface of the crystal is pulled up in an N-region while doping oxygen at a concentration, a silicon single crystal wafer obtained from this silicon single crystal can have the nitrogen concentration and oxygen concentration. Thereby, after gettering heat treatment or device heat treatment, a silicon single crystal wafer having a high-density BMD inside the wafer and having sufficient gettering ability can be obtained. Furthermore, it is possible to obtain a silicon single crystal wafer having no crystal defects in the surface layer region, excellent TZDB characteristics and TDDB characteristics, and having a uniform BMD density variation within the wafer surface, so that deformation is suppressed. Is possible.
また、前記方法で得られたシリコン単結晶ウエーハに1000〜1300℃、10秒〜1時間の熱処理を加えてウエーハの表層の酸素析出物を溶解させることができる(請求項7)。
このような熱処理をウエーハに加えて、ウエーハ表層にある酸素析出物を溶解させることによって、電気特性が劣化しにくく、より高品質のウエーハとすることが可能である。
Further, the silicon single crystal wafer obtained by the above method can be subjected to heat treatment at 1000 to 1300 ° C. for 10 seconds to 1 hour to dissolve oxygen precipitates on the surface layer of the wafer.
By applying such heat treatment to the wafer and dissolving oxygen precipitates on the wafer surface layer, the electrical characteristics are hardly deteriorated and a higher quality wafer can be obtained.
そして、前記熱処理を急速加熱・急速冷却装置により行うのが好ましい(請求項8)。
このように、前記熱処理を急速加熱・急速冷却装置(以下、RTA(Rapid Thermal Anneler)装置ということがある)によって、数秒から数百秒の範囲でウエーハの極表層(例えば、ウエーハ表面から数nm〜十数nm)を酸化膜耐圧特性に問題のないレベルまで溶解させることができるので、弊害の多い長時間の熱履歴をウエーハに与えることなく、数秒〜数百秒の短時間の効果的な熱処理を施すことができる。
The heat treatment is preferably performed by a rapid heating / cooling device (claim 8).
As described above, the heat treatment is performed by a rapid heating / rapid cooling apparatus (hereinafter, also referred to as a RTA (Rapid Thermal Anneler) apparatus) in a range of several seconds to several hundred seconds of the wafer surface layer (for example, several nm from the wafer surface). Can be dissolved to a level at which there is no problem with the oxide film breakdown voltage characteristics, so it is effective for a few seconds to several hundreds of seconds without giving the wafer a long and harmful thermal history. Heat treatment can be applied.
以上のように、本発明のシリコン単結晶ウエーハ、シリコン単結晶ウエーハの製造方法によって、TZDB特性およびTDDB特性の双方が優れた高品質のもので、ウエーハ全面が、ウエーハ表層領域のデバイス活性層に存在するとデバイス特性を劣化させてしまう結晶欠陥を発生させないN−領域でありながらも、デバイス形成時に発生する金属汚染を防止できるBMDを内部に比較的均一に発生させることが容易にできるシリコン単結晶ウエーハを提供することが可能である。 As described above, the silicon single crystal wafer and the silicon single crystal wafer manufacturing method of the present invention are of high quality with both excellent TZDB characteristics and TDDB characteristics, and the entire surface of the wafer is a device active layer in the wafer surface layer region. A silicon single crystal that can easily generate BMD in the interior relatively uniformly while preventing the metal contamination that occurs during device formation, even though it is an N-region that does not generate crystal defects that would degrade device characteristics if present. It is possible to provide a wafer.
以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
近年、半導体回路の高集積化に伴う素子の微細化に伴い、その基板となるシリコン単結晶ウエーハに対して高い品質が要求されてきている。そこで、低コスト無欠陥ウエーハとして全面がN−領域の結晶が多く使われるようになってきた。
しかしながら、従来法で得られる全面N−領域結晶から切り出したウエーハでは、欠陥が検出されないN−領域であっても、V−リッチ側では酸素析出が起こりやすく、I−リッチ側では酸素析出が発生しにくいという特徴を持っているため、ウエーハ面内で酸素析出の起こりやすい部分と起こりにくい部分とが混在し、デバイス熱処理等を施した後に観察されるBMDの密度が大きくばらつくという問題があった。このようなBMDのばらつきはウエーハの変形につながってしまう。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
In recent years, with the miniaturization of elements accompanying higher integration of semiconductor circuits, high quality has been required for silicon single crystal wafers that serve as substrates. Thus, as a low-cost defect-free wafer, a crystal having an N-region on the entire surface is often used.
However, in a wafer cut from the entire N-region crystal obtained by the conventional method, oxygen precipitation is likely to occur on the V-rich side and oxygen precipitation occurs on the I-rich side even in an N-region where no defects are detected. Since it has a feature that it is difficult to perform, there is a problem that the portion where oxygen precipitation is likely to occur and the portion where it is difficult to occur are mixed in the wafer surface, and the density of BMD observed after device heat treatment or the like varies greatly. . Such variations in BMD lead to wafer deformation.
また、従来法では全面N−領域結晶を育成できるマージンは狭く、製品歩留りが低くなってしまう。そこで、例えば特許文献1のように窒素をドープすることが提案されているが、本発明者らが特許文献1で得られたシリコン単結晶ウエーハについて調査を行ったところ、TZDBが良好であっても、TDDBの不良が発生する場合があることを発見した。TDDBの不良があると、近年の最先端のデバイスでは問題が起きる場合もあり、改善すべき問題である。
Further, in the conventional method, the margin for growing the entire N-region crystal is narrow, and the product yield is lowered. Therefore, for example, it has been proposed to dope nitrogen as in
また、特許文献2には、CZ法により育成されたシリコン単結晶から作製したシリコンウェーハに熱処理を施したもので、ウェーハ全面がN−領域であり、ウェーハ表面から少なくとも深さ5μmまでの領域における酸化膜耐圧特性の良品率が95%以上であり、且つ、ウェーハ内部におけるBMDの密度の最大値と最小値との比(最大値/最小値)の値が1〜10であることを特徴とするアニールウェーハ、及びその製造方法が開示されている。
Further, in
しかし、この特許文献2における酸化膜耐圧特性の評価はTZDB特性のみであり、TDDB特性の評価は行われておらず、さらに、実施例に記載されている製造方法ではTDDB特性の良品率が90%を満足することができないことが本発明者らにより判明した。
However, in this
また、特許文献3には、CZ法を用い、且つOSFリングが引き上げ結晶の外周部より内側に生じるか若しくは中心部で消滅する低速引き上げ条件の単結晶育成工程を経て製造されたシリコンウェーハであって、窒素濃度が1×1013atoms/cm3以上のシリコンウェーハが開示しているが、TDDB特性に関する記載はない。そして、この特許文献3や上記特許文献2においては、例えTZDB特性が良好であっても、TDDB特性において不良が発生する場合があるという問題の認識すらされていなかった。
Patent Document 3 discloses a silicon wafer manufactured through a single crystal growth process using a CZ method and having a low-speed pulling condition in which the OSF ring is generated inside the outer peripheral portion of the pulling crystal or disappears at the central portion. Although a silicon wafer having a nitrogen concentration of 1 × 10 13 atoms / cm 3 or more is disclosed, there is no description regarding TDDB characteristics. And in this patent document 3 and the said
そして、本発明者らが、酸化膜耐圧特性、特にはTDDB特性に関し、シリコン単結晶ウエーハについて鋭意研究を行ったところ、先に述べたように、上記特許文献1〜3のような従来法のみでは、TZDB特性およびTDDB特性の両方の良品率が90%以上となるような優れた品質のウエーハを確実には得ることができないことが判った。
また、ウエーハ面内におけるBMD密度の最大値/最小値が50倍以下であれば、BMD密度のばらつきが十分に抑制されており、熱処理等を施した際のウエーハの変形を抑制し、反り等を効果的に防ぐことができることを見出し、本発明を完成させた。そして、本発明者らは、特には、シリコン単結晶ウエーハ(シリコン単結晶)にドープする酸素濃度、窒素濃度の範囲が重要であることを見出している。
And when the present inventors diligently researched about the silicon single crystal wafer regarding the oxide film breakdown voltage characteristic, especially the TDDB characteristic, as described above, only the conventional methods such as
Further, if the maximum value / minimum value of the BMD density in the wafer surface is 50 times or less, the variation in the BMD density is sufficiently suppressed, and the deformation of the wafer when subjected to heat treatment or the like is suppressed, warping, etc. Has been found to be able to be effectively prevented, and the present invention has been completed. The inventors of the present invention have found that the range of oxygen concentration and nitrogen concentration to be doped in a silicon single crystal wafer (silicon single crystal) is particularly important.
以下、本発明のシリコン単結晶ウエーハについて、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1に本発明のシリコン単結晶ウエーハの一例を模式的に示す。図1に示す本発明のシリコン単結晶ウエーハ21は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶をスライスして作製されたものである。このシリコン単結晶ウエーハ21は窒素ドープされており、ウエーハ全面がN−領域となっている。また、熱処理が施されており、ウエーハ表層領域22の酸素析出物が溶解されている。
Hereinafter, the silicon single crystal wafer of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
FIG. 1 schematically shows an example of the silicon single crystal wafer of the present invention. The silicon
この本発明のシリコン単結晶ウエーハ21は、特には、上記ドープされた窒素濃度が3×1013atoms/cm3以下であることが望ましい。このように、窒素濃度が3×1013atoms/cm3以下であれば、より確実にTZDB特性およびTDDB特性の両方の良品率が90%以上のものとすることができ、極めて優れた酸化膜耐圧特性を有するものとなり、ウエーハ表層領域22にデバイスを作製しても、デバイス特性を劣化させることのないウエーハとすることができる。
In particular, the silicon
そして、シリコン単結晶ウエーハ21中の窒素濃度が5×1011atoms/cm3以上であることが望ましい。このような濃度範囲とすることで、ゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理後において、ウエーハ内部においてBMD密度が十分なものとなり、ゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウエーハとすることが可能である。
特には、ウエーハ内部のBMD密度が1×107個/cm3以上のものとすることができる。このような比較的高い密度のBMDを内部に有するウエーハであれば、より高いゲッタリング能力を備えたものとすることができる。
また、酸素濃度に関しても、8ppma以上13ppma未満(JEIDA)であるのが望ましく、上記と同様、ゲッタリング熱処理等の後に十分なBMD密度、ゲッタリング能力を有するものとすることができるし、TZDB特性およびTDDB特性の両方の良品率が90%以上の優れた高品質のものとなる。
The nitrogen concentration in the silicon
In particular, the BMD density inside the wafer can be 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more. A wafer having such a relatively high density BMD inside can be provided with higher gettering capability.
Also, the oxygen concentration is preferably 8 ppma or more and less than 13 ppma (JEIDA). Similarly to the above, it can have sufficient BMD density and gettering ability after gettering heat treatment, etc., and has TZDB characteristics. And the non-defective product ratio of both the TDDB characteristics is excellent and high quality of 90% or more.
また、図1に示す本発明のシリコン単結晶ウエーハ21では、ゲッタリング熱処理やデバイス熱処理後のバルク領域23におけるBMD24に関し、ウエーハ面内における密度の最大値と最小値との比(最大値/最小値)が50倍以下のものとなっている。すなわち、ウエーハ面内でBMD24は均一に形成されており、BMD24の密度のばらつきは小さい。特には、(最大値/最小値)が30倍以下のものとすることもできる。したがって、バルク領域において、ウエーハ面内でばらつきが小さく、均一なゲッタリング能力を有する優れたシリコン単結晶ウエーハとすることができる。
さらに、BMD24の密度分布が均一であるため、この密度のバラツキを起因とするウエーハの反り等の変形を効果的に防止することができる。
ここで、BMDは、例えば750℃から950℃の間で主に800℃を中心としたトータル20時間のデバイス工程を模した熱処理を施した後、赤外線トモグラフ(LST)により測定することができる。そして、このときの測定位置は、例えばエッジから10mm入ったところから10mm間隔で中心部まで、深さは表面から約50〜180μmの領域である。
Further, in the silicon
Furthermore, since the density distribution of the
Here, the BMD can be measured by an infrared tomograph (LST) after performing a heat treatment that simulates a device process of a total of 20 hours centered mainly at 800 ° C. between 750 ° C. and 950 ° C., for example. And the measurement position at this time is an area | region about 50-180 micrometers deep from the surface, for example from the place which entered 10 mm from the edge to a center part by 10 mm space | interval.
なお、本発明において、上記TZDBの良品率とは、例えば、酸化膜厚25nm、ゲート面積8mm2、判定電流値を1mA/cm3として、室温の条件下で、酸化膜耐圧が8MV/cm以上となるものの割合を示す。
また、上記TDDBの良品率とは、例えば、ゲート酸化膜厚25nm、ゲート面積4mm2、ストレス電流値0.01A/cm2、室温の条件下で、酸化膜耐圧が5C/cm2以上となるものの割合を示す。
In the present invention, the non-defective product ratio of the TZDB is, for example, an oxide film withstand voltage of 8 MV / cm or more under room temperature conditions with an oxide film thickness of 25 nm, a gate area of 8 mm 2 and a judgment current value of 1 mA / cm 3. The ratio of what becomes.
The non-defective product ratio of the TDDB is, for example, a gate oxide film thickness of 25 nm, a gate area of 4 mm 2 , a stress current value of 0.01 A / cm 2 , and a room temperature of 5 C / cm 2 or more under the conditions of room temperature. Indicates the percentage of things.
そして、ウエーハ表層に酸素析出物が存在する場合は、ウエーハに熱処理を加えてウエーハの表層にある酸素析出物を溶解すれば良い。
このようにして、ウエーハ表層の酸素析出物が溶解されたものであれば、電気特性を劣化させることもなく、一層高品質のウエーハとすることができる。
If oxygen precipitates exist on the wafer surface layer, heat treatment may be applied to the wafer to dissolve the oxygen precipitates on the wafer surface layer.
In this way, if the oxygen precipitates on the surface of the wafer are dissolved, it is possible to obtain a higher quality wafer without deteriorating electrical characteristics.
このように、図1に示す本発明のシリコン単結晶ウエーハ21は、ウエーハ表層領域22においては結晶欠陥が極めて少なく、TZDB特性およびTDDB特性の両方が優れたものであり、また、ゲッタリング熱処理やデバイス熱処理後ではバルク領域23内において十分で均一な密度のBMD24を有するものとなる。このため、ウエーハ面内で均一なゲッタリング能力を備えることができるし、また、反り等の変形がウエーハに極めて生じにくい。
As described above, the silicon
上記のような本発明のシリコン単結晶ウエーハ21は、例えば、後述する本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法により得ることができる。以下、その製造方法の一例について詳述する。
ここで、まず、本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法において、CZ法によりシリコン単結晶を引上げる際に用いることができる単結晶引上げ装置について説明する。
The silicon
First, a single crystal pulling apparatus that can be used when pulling a silicon single crystal by the CZ method in the method for producing a silicon single crystal wafer of the present invention will be described.
図2に示した単結晶引上げ装置18は、原料融液4を収容するルツボ5、6、多結晶シリコン原料を加熱、溶融するためのヒータ7などがメインチャンバ1内に設けられており、該メインチャンバ1上に連設された引上げチャンバ2の上部には、育成された単結晶を引上げる引上げ機構(図示せず)が設けられている。
引上げチャンバ2の上部に取り付けられた引上げ機構からは引上げワイヤ16が巻き出されており、その先端には、種ホルダ、そして種結晶17が取り付けられており、その種結晶17を原料融液4に浸漬し、引上げワイヤ16を引上げ機構によって巻き取ることで種結晶17の下方に単結晶棒3を形成する。
The single
A pulling
なお、上記ルツボ5、6は、内側が石英ルツボ5、外側が石英ルツボ5を支持するための黒鉛ルツボ6で構成されている。これらのルツボ5、6は、単結晶引上げ装置18の下部に取り付けられた回転駆動機構(図示せず)によって回転昇降自在なルツボ回転軸に支持されている。
また、ルツボ5、6の周囲に配設された、加熱ヒータ7の外側には断熱部材8が設けられている。
また、チャンバ1、2内部には、ガス導入口10、ガス流出口9が設けられており、チャンバ1、2内部にアルゴンガス等を導入し、排出できるようになっている。
The
Further, a
Further, a
そして、冷却筒11が、引上げ中の単結晶棒3を取り囲むようにメインチャンバ1の少なくとも天井部から原料融液表面に向かって延伸している。この冷却筒11内には、冷却媒体導入口12から冷却媒体が導入され、冷却筒11を強制冷却することができる。
また、融液面近傍と冷却筒11との間におけるヒータ7からの輻射熱を遮って単結晶棒3を冷却するために、冷却補助部材13と遮熱部材14とが設けられている。さらには、冷却筒11に、原料溶融時などに飛散するおそれのある原料融液4が付着することを防ぐための保護カバー15が配設されている。
And the cooling
Further, a cooling
このように、本発明の製造方法に使用することができる単結晶引上げ装置は、従来と同様のものとすることができる。
なお、メインチャンバ1の水平方向の外側に磁石(不図示)を設置することができ、それによって、原料融液4に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加して原料融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるMCZ法による単結晶引上げ装置とすることもできる。
Thus, the single crystal pulling apparatus that can be used in the production method of the present invention can be the same as the conventional one.
In addition, a magnet (not shown) can be installed outside the
また、図3に、上記単結晶引上げ装置により得られたシリコン単結晶をスライスして得られたシリコン単結晶ウエーハを急速加熱・急速冷却することができる装置の一例を挙げる。
図3の急速加熱・急速冷却装置32は、石英からなるチャンバー33を有し、このチャンバー33内でシリコン単結晶ウエーハ31を熱処理するようになっている。加熱は、チャンバー33を上下左右から囲繞するように配置される加熱ランプ34によって行う。この加熱ランプ34はそれぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。
FIG. 3 shows an example of an apparatus that can rapidly heat and cool a silicon single crystal wafer obtained by slicing a silicon single crystal obtained by the single crystal pulling apparatus.
The rapid heating /
ガスの排気側は、オートシャッター35が装備され、外気を封鎖している。オートシャッター35は、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。また、オートシャッター35にはガス排気口30が設けられており、炉内雰囲気を調整できるようになっている。
そして、シリコン単結晶ウエーハ31は石英トレイ36に形成された3点支持部37の上に配置される。トレイ36のガス導入口側には、石英製のバッファ38が設けられており、導入ガスがシリコン単結晶ウエーハ31に直接当たるのを防ぐことができる。
また、チャンバー33には不図示の温度測定用特殊窓が設けられており、チャンバー33の外部に設置されたパイロメータ39により、その特殊窓を通してシリコン単結晶ウエーハ31の温度を測定することができる。
このように、本発明で使用することができるRTA装置は従来と同様のものとすることができる。
On the gas exhaust side, an
The silicon
The
As described above, the RTA apparatus that can be used in the present invention can be the same as the conventional one.
以下、本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法の手順の一例について述べる。
本発明の製造方法では、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、5×1011atoms/cm3以上3×1013atoms/cm3以下の濃度の窒素と、8ppma以上13ppma未満(JEIDA)の濃度の酸素をドープしながら結晶全面がN−領域となる条件で引き上げるが、最初に、全面がN−領域のシリコン単結晶を育成する方法について述べる。このような全面N−領域結晶を育成することができれば、切り出したウエーハはウエーハ全面が低欠陥のN−領域のものとなる。
上述したように、全面N−領域結晶を得るにはある一定のF/Gにコントロールすることが必要である。しかしながら、N−領域を結晶全体に広げて製造しようとしても、N−領域となる引上げ速度の制御範囲が狭いこともあって、結晶の軸方向にN−領域を拡大することは困難である。そこで、本発明のように、窒素をドープすることによって、上記N−領域を拡げ、単結晶の育成条件を制御しやすく、容易にN−領域を得ることができる。
Hereinafter, an example of the procedure of the method for producing a silicon single crystal wafer of the present invention will be described.
In the production method of the present invention, when growing a silicon single crystal by the Czochralski method, nitrogen having a concentration of 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, and 8 ppma or more and less than 13 ppma ( JEIDA) is doped with oxygen at a concentration so that the entire surface of the crystal becomes an N-region. First, a method for growing a silicon single crystal whose entire surface is an N-region will be described. If such an entire N-region crystal can be grown, the cut wafer becomes an N-region having a low defect on the entire wafer surface.
As described above, it is necessary to control to a certain F / G in order to obtain an entire N-region crystal. However, even if an attempt is made to expand the N-region over the entire crystal, it is difficult to expand the N-region in the axial direction of the crystal because the control range of the pulling rate that becomes the N-region is narrow. Therefore, as in the present invention, by doping nitrogen, the N-region can be expanded, the single crystal growth conditions can be easily controlled, and the N-region can be easily obtained.
以上のようにして、例えば図2に示すような単結晶引上げ装置を用いて、結晶全面がN−領域で、かつ、窒素や酸素がドープされたシリコン単結晶を引上げることができるが、このとき、上述したように、本発明の製造方法では窒素を5×1011atoms/cm3以上3×1013atoms/cm3以下の濃度でドープし、酸素を8ppma以上13ppma未満(JEIDA)の濃度でドープする。
窒素のドープ方法として、例えば、あらかじめ石英ルツボ内に窒化物を入れておくか、シリコン融液中に窒化物を投入するか、雰囲気ガスを窒素を含む雰囲気等とし、窒化物の量あるいは窒素ガスの濃度あるいは導入時間等を調整することによって、結晶中のドープ量を制御し、上記範囲内にドープすることが出来る。
また、例えば、引上げるときの結晶の回転速度や、るつぼの回転速度、炉内の温度分布、チャンバー内のガス圧等を調整することにより、シリコン単結晶中の酸素濃度を上記範囲内に調節してドープすることが可能である。
この場合、CZ法によって結晶を育成するに際し、シリコン融液に磁場を印加してもよい。
As described above, for example, a single crystal pulling apparatus as shown in FIG. 2 can be used to pull a silicon single crystal in which the entire crystal surface is an N-region and is doped with nitrogen or oxygen. As described above, in the manufacturing method of the present invention, nitrogen is doped at a concentration of 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, and oxygen is a concentration of 8 ppma or more and less than 13 ppma (JEIDA). Dope with.
As a nitrogen doping method, for example, nitride is put in a quartz crucible in advance, nitride is introduced into a silicon melt, or the atmosphere gas is an atmosphere containing nitrogen, and the amount of nitride or nitrogen gas By adjusting the concentration or the introduction time, the amount of doping in the crystal can be controlled, and doping can be performed within the above range.
Also, for example, the oxygen concentration in the silicon single crystal is adjusted within the above range by adjusting the rotation speed of the crystal when pulling, the rotation speed of the crucible, the temperature distribution in the furnace, the gas pressure in the chamber, etc. And can be doped.
In this case, when growing the crystal by the CZ method, a magnetic field may be applied to the silicon melt.
このように、窒素を5×1011atoms/cm3以上の濃度でドープすることによって、このシリコン単結晶から切り出したウエーハにゲッタリング熱処理またはデバイス熱処理を施した場合、ウエーハ内部に形成されるBMDの密度を1×107個/cm3以上とすることができ、ゲッタリング能力を十分に備えたウエーハとなるシリコン単結晶を製造することができる。
また、窒素を3×1013atoms/cm3以下の濃度でドープすることによって、TZDB特性およびTDDB特性の両方の良品率がそれぞれ90%以上となる優れた酸化膜耐圧特性を有するシリコン単結晶ウエーハとすることができる。
In this way, when gettering heat treatment or device heat treatment is performed on a wafer cut from this silicon single crystal by doping nitrogen at a concentration of 5 × 10 11 atoms / cm 3 or more, BMD formed inside the wafer The silicon single crystal serving as a wafer having a sufficient gettering capability can be manufactured at a density of 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more.
Further, by doping nitrogen at a concentration of 3 × 10 13 atoms / cm 3 or less, a silicon single crystal wafer having excellent oxide film withstand voltage characteristics in which the yield rate of both TZDB characteristics and TDDB characteristics is 90% or more, respectively. It can be.
また、酸素濃度においても、8ppma以上(JEIDA)とすることにより、ゲッタリング熱処理後等において、ウエーハ内部のBMD密度が1×107個/cm3以上となり、ゲッタリング能力を十分に有するウエーハとなるシリコン単結晶ウエーハを得ることができ、また、13ppma未満(JEIDA)とすることによって、TZDB特性のみならず、TDDB特性もまた良品率が90%以上となる優れた品質のシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。 Further, by setting the oxygen concentration to 8 ppma or more (JEIDA), the wafer has a BMD density of 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more after the gettering heat treatment or the like, and a wafer having sufficient gettering ability. The silicon single crystal wafer can be obtained, and by making it less than 13 ppma (JEIDA), not only the TZDB characteristic but also the TDDB characteristic can be an excellent quality silicon single crystal wafer with a yield rate of 90% or more. Can be manufactured.
さらには、上記濃度範囲でシリコン単結晶を引上げることにより、ゲッタリング熱処理後等に、ウエーハ面内において、いずれの個所でも1×107個/cm3以上のBMD密度を得られ、その最大値と最小値との比が50倍以下、さらには30倍以下のウエーハとなるシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。このように、ウエーハ面内でBMD密度のばらつきが極めて小さいために、均一なゲッタリング能力を有する優れたシリコン単結晶ウエーハを得ることができるし、また、熱処理等を施しても反り等の変形の発生を効果的に防ぐことができるシリコン単結晶ウエーハとすることが可能である。 Further, by pulling up the silicon single crystal in the above concentration range, a BMD density of 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more can be obtained at any location in the wafer surface after gettering heat treatment, etc. A silicon single crystal wafer can be manufactured in which the ratio between the value and the minimum value is 50 times or less, and further 30 times or less. As described above, since the variation in the BMD density in the wafer surface is extremely small, an excellent silicon single crystal wafer having uniform gettering ability can be obtained. It is possible to provide a silicon single crystal wafer that can effectively prevent the occurrence of the above.
また、上記のようにして得られたシリコン単結晶ウエーハにおいて、例えば結晶の表層に酸素析出物が存在する場合は、1000〜1300℃、10秒〜1時間の熱処理を加えることによってウエーハ表層の酸素析出物を溶解させると良い。このようにすることによって、ウエーハ表面において、異常酸素析出のような酸素析出物の弊害が発生するのを防止し、極めて結晶欠陥の少ないウエーハを得ることができる。
また、ウエーハのバルク領域においては、窒素が含有されているため、酸素の析出が促進され、十分にゲッタリング能力を有するウエーハを製造することができる。
このとき、熱処理をする雰囲気は、アルゴン及び/または水素ガスが好ましく、さらに窒素及び/または酸素ガスが含まれているとウエーハ表面の面荒れを防止することができる。
In addition, in the silicon single crystal wafer obtained as described above, for example, when oxygen precipitates are present on the surface layer of the crystal, the oxygen on the surface layer of the wafer can be obtained by performing heat treatment at 1000 to 1300 ° C. for 10 seconds to 1 hour. It is good to dissolve the precipitate. By doing so, it is possible to prevent the occurrence of an adverse effect of oxygen precipitates such as abnormal oxygen precipitation on the wafer surface, and to obtain a wafer having very few crystal defects.
Further, since nitrogen is contained in the bulk region of the wafer, the precipitation of oxygen is promoted, and a wafer having sufficient gettering ability can be manufactured.
At this time, the atmosphere in which the heat treatment is performed is preferably argon and / or hydrogen gas. If nitrogen and / or oxygen gas is further contained, surface roughness of the wafer surface can be prevented.
このとき、図3に示すようなRTA装置により極表層の酸素析出物を酸化膜耐圧特性に問題のないレベルにまで溶解させることが好ましい。RTA装置を用いて熱処理を施すのであれば、熱処理における加熱、冷却を数秒〜数百秒で行うので、弊害の多い長時間の熱履歴をウエーハに与えることなく、数秒〜数百秒の短時間に効果的な熱処理を施すことができる。 At this time, it is preferable to dissolve the oxygen precipitates on the extreme surface layer to a level at which there is no problem in the oxide film breakdown voltage characteristics by using an RTA apparatus as shown in FIG. If heat treatment is performed using an RTA apparatus, heating and cooling in the heat treatment are performed in a few seconds to several hundred seconds, so a short time of a few seconds to several hundred seconds without giving a harmful long-term heat history to the wafer. An effective heat treatment can be performed.
例えば、図3に示すRTA装置を用い、アルゴン及び/または水素雰囲気のもと、5℃/sec以上の昇温速度で急速加熱し、1000〜1300℃程度の所望温度で1〜60秒保持し、その後5℃/sec以上の降温速度で急速冷却するRTP処理を施すことができる。
炉内に次々とウエーハを投入して連続的に上記熱処理を施すことにより、効率良く、効果的にウエーハに熱処理を施すことが可能である。
このとき、窒素及び/または酸素ガスが含まれているとウエーハ表面の面荒れを防止することができるのでより好ましい。
For example, using the RTA apparatus shown in FIG. 3, rapid heating is performed at a heating rate of 5 ° C./sec or more in an argon and / or hydrogen atmosphere, and the desired temperature of about 1000 to 1300 ° C. is held for 1 to 60 seconds. Thereafter, RTP treatment can be performed which rapidly cools at a temperature lowering rate of 5 ° C./sec or more.
By successively introducing the wafers into the furnace and continuously performing the heat treatment, it is possible to efficiently and effectively heat the wafer.
At this time, it is more preferable that nitrogen and / or oxygen gas is contained because surface roughness of the wafer surface can be prevented.
なお、本発明のシリコン単結晶ウエーハ、シリコン単結晶ウエーハの製造方法において、ウエーハ直径は特に限定されず、例えば200mm以上、さらには300mm以上の大口径のウエーハに対応することができ、近年の大口径化の需要に応えることができ、面内均一な特性を有するシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。 In the silicon single crystal wafer of the present invention and the method for producing a silicon single crystal wafer, the wafer diameter is not particularly limited. For example, it can be applied to a wafer having a large diameter of 200 mm or more, further 300 mm or more. A silicon single crystal wafer having a uniform in-plane characteristic can be obtained in response to the demand for a diameter.
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
(実施例1〜7)
図2に示す単結晶引上げ装置を用い、直径24インチ(60cm)の石英ルツボに原料多結晶シリコンと窒化膜付きシリコンウエーハをチャージし、直径8インチ(200mm)のシリコン単結晶を引上げた。窒化膜の厚さによりドープする窒素濃度を制御した。ルツボは結晶成長軸方向に昇降可能であり、結晶成長中に減少した原料融液の液面下降分を補うように該ルツボを上昇させ、融液表面の高さを一定に保ちながら単結晶の引上げを行った。
また、原料融液に水平磁場を印加し、ルツボの回転速度を0.01〜0.1rpmで制御して酸素濃度を制御した。さらに、結晶引上げ速度を0.56〜0.60mm/minの範囲で変化させて全面N−領域の結晶を育成した。
これらのような操業条件を適宜調整することにより、結晶全面がN−領域となるようにするとともに、育成するシリコン単結晶中にドープする窒素濃度および酸素濃度を制御し、育成したシリコン単結晶をスライスし、窒素濃度、酸素濃度がそれぞれ異なる本発明のシリコン単結晶ウエーハを得た。各サンプルの酸素濃度、窒素濃度、および後述するTDDB特性、BMDの検査結果について表1に示す(実施例1〜7)。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to this.
(Examples 1-7)
A single crystal pulling apparatus shown in FIG. 2 was used to charge a raw material polycrystalline silicon and a silicon wafer with a nitride film into a quartz crucible having a diameter of 24 inches (60 cm) to pull a silicon single crystal having a diameter of 8 inches (200 mm). The nitrogen concentration to be doped was controlled by the thickness of the nitride film. The crucible can be moved up and down in the direction of the crystal growth axis. The crucible is raised so as to compensate for the lowering of the raw material melt that has decreased during crystal growth, and the height of the surface of the melt is kept constant while maintaining the height of the melt. Pulled up.
Further, a horizontal magnetic field was applied to the raw material melt, and the rotation speed of the crucible was controlled at 0.01 to 0.1 rpm to control the oxygen concentration. Further, the crystal pulling rate was changed in the range of 0.56 to 0.60 mm / min to grow the crystal in the entire N-region.
By appropriately adjusting the operating conditions such as these, the entire surface of the crystal becomes an N-region, and the nitrogen concentration and oxygen concentration doped in the silicon single crystal to be grown are controlled, and the grown silicon single crystal is The silicon single crystal wafer of the present invention having different nitrogen concentration and oxygen concentration was obtained by slicing. Table 1 shows the oxygen concentration, nitrogen concentration, TDDB characteristics described later, and BMD test results of each sample (Examples 1 to 7).
実施例1〜7のウェーハに無攪拌選択エッチング(取り代25μm、セコエッチング)を施した後に、顕微鏡により表面を観察した。その結果Vacancy起因のボイド欠陥がある場合に観察されるFPDなどと呼ばれる流れ模様やInterstitial−Si起因の転移クラスターがある場合に観察されるエッチピットは観察されることがなかった。また、このウェーハに1150℃で60分間wetO2雰囲気でのOSF形成熱処理を施した後、選択エッチング(取り代7μm、NIT液)を行いさらに顕微鏡によりOSFの有無を確認したところ、OSFは観察されなかった。
このように、全面がN−領域のシリコン単結晶ウエーハが得られていることが判る。また、窒素ドープにより、制御できる引上げ速度の範囲が広く容易にN−領域のウエーハを得ることができた。
After subjecting the wafers of Examples 1 to 7 to non-stirring selective etching (removal allowance 25 μm, Seco etching), the surface was observed with a microscope. As a result, the flow pattern called FPD observed when there is a void defect due to vacancy or the etch pit observed when there is a transition cluster due to Interstitial-Si was not observed. In addition, this wafer was subjected to an OSF formation heat treatment in a wet O 2 atmosphere at 1150 ° C. for 60 minutes, and then subjected to selective etching (removal allowance: 7 μm, NIT solution). When the presence or absence of OSF was confirmed with a microscope, OSF was observed. There wasn't.
Thus, it can be seen that a silicon single crystal wafer having an entire N-region is obtained. Moreover, the nitrogen-doped wafer could be easily obtained in a wide range of pulling speeds that can be controlled and easily obtained in the N-region.
次に、同様のウエーハに厚さ25nmの酸化膜を形成し、この酸化膜の電気特性を調査した結果、本発明のどのウエーハにおいても、TZDB特性およびTDDB特性の両方の良品率が90%以上となり、優れた酸化膜耐圧特性を有していることが判った。
図4にその結果を示す。図4において、TDDB特性の良品率が90%未満である場合を×で示し、90%以上の場合を●で示す。
Next, as a result of forming an oxide film with a thickness of 25 nm on the same wafer and investigating the electrical characteristics of this oxide film, the non-defective rate of both TZDB characteristics and TDDB characteristics is 90% or more in any of the wafers of the present invention. Thus, it was found that the film has excellent oxide film pressure resistance characteristics.
FIG. 4 shows the result. In FIG. 4, the case where the non-defective product rate of the TDDB characteristic is less than 90% is indicated by x, and the case where it is 90% or more is indicated by ●.
また、同様のウエーハにそれぞれデバイス工程を模した熱処理を施した。すなわち、750℃から950℃の間で主に800℃を中心としたトータル20時間の熱処理を行った。この熱処理の後、赤外散乱トモグラフ(三井金属社製MO441)を用いてBMDの面内分布を評価した。その結果、どのウエーハもウエーハ面内全面に渡って1×107個/cm3を達成できていた。すなわち、十分なゲッタリング能力を有するウエーハとすることができることが判った。 In addition, each similar wafer was subjected to heat treatment simulating a device process. That is, a total of 20 hours of heat treatment was performed between 750 ° C. and 950 ° C. mainly at 800 ° C. After this heat treatment, the in-plane distribution of BMD was evaluated using an infrared scattering tomograph (MO441 manufactured by Mitsui Kinzoku Co., Ltd.). As a result, every wafer was able to achieve 1 × 10 7 pieces / cm 3 over the entire surface of the wafer. That is, it has been found that a wafer having sufficient gettering ability can be obtained.
さらには、BMDの最大値と最小値の比は、表1に示すようにいずれも50倍以下となっていることが判る。このように、ウエーハ面内で均一なBMD密度を有するシリコン単結晶ウエーハであるので、面内で均一なゲッタリング能力を発揮することができるし、BMD密度分布の不均一を起因とするウエーハの反り等の発生を効果的に防止することができる。 Furthermore, it can be seen that the ratio between the maximum value and the minimum value of BMD is 50 times or less as shown in Table 1. As described above, since the silicon single crystal wafer has a uniform BMD density in the wafer plane, it can exhibit a uniform gettering ability in the plane, and the wafer caused by non-uniform BMD density distribution. Generation | occurrence | production of curvature etc. can be prevented effectively.
(比較例1〜6、参考例)
ドープする窒素濃度および酸素濃度を表1に示すように変更する以外は、実施例1等と同様にしてシリコン単結晶を引き上げ、スライスしてシリコン単結晶ウエーハを得た(表1、比較例1〜6、参考例)。
なお、このとき、表1に示す窒素濃度および酸素濃度となるように、操業条件を実施例と同様に、窒化膜の厚さ(Non−dopeは厚さ0)、ルツボ回転により調整した。
(Comparative Examples 1-6, Reference Example)
A silicon single crystal wafer was obtained by pulling and slicing a silicon single crystal in the same manner as in Example 1 except that the nitrogen concentration and oxygen concentration to be doped were changed as shown in Table 1 (Table 1, Comparative Example 1). To 6, Reference Example).
At this time, the operating conditions were adjusted by the thickness of the nitride film (Non-dope is thickness 0) and the crucible rotation so that the nitrogen concentration and oxygen concentration shown in Table 1 were obtained.
これらのウエーハに対し、実施例と同様にして、FPD、エッチピット、OSFの有無を調べたが、いずれも観察されなかった。これにより、全面がN−領域のシリコン単結晶ウエーハが得られたことが判る。 These wafers were examined for the presence of FPD, etch pits, and OSF in the same manner as in the Examples, but none were observed. Thus, it can be seen that a silicon single crystal wafer having an entire N-region was obtained.
また、比較例1〜5について、すなわち、酸素濃度が13ppma以上、または窒素濃度が3×1013atoms/cm3を超えている場合、BMDは、実施例1と同様にして調査を行ったところ、いずれもウエーハ面内全面に渡って1×107個/cm3の密度を達成できており、最大値/最小値の値も50倍以下に抑えられていた。 Moreover, about Comparative Examples 1-5, ie, when oxygen concentration is 13 ppma or more, or nitrogen concentration exceeds 3 * 10 < 13 > atoms / cm < 3 >, BMD investigated similarly to Example 1. In both cases, a density of 1 × 10 7 pieces / cm 3 was achieved over the entire surface of the wafer, and the maximum / minimum values were also suppressed to 50 times or less.
しかしながら、同様のウエーハに関し、実施例1と同様にして、TZDB特性およびTDDB特性について調査したところ、TZDB特性の良品率はいずれも90%以上となったが、TDDB特性は、いずれも90%未満であることがわかった。先に述べたように、このようにTDDB特性に不良がある場合、最先端のデバイスでは不良につながってしまう。 However, regarding the same wafer, the TZDB characteristic and the TDDB characteristic were investigated in the same manner as in Example 1. As a result, the non-defective product ratio of the TZDB characteristic was 90% or more, but the TDDB characteristic was less than 90%. I found out that As described above, when there is a defect in the TDDB characteristic as described above, the state-of-the-art device is defective.
一方、窒素濃度が5×1011atoms/cm3未満の比較例6の場合は、BMDの最小値が2×105個/cm3以下となり、最大値/最小値の値が500倍以上になってしまっている。このように、BMD密度の分布が不均一であると熱処理のときに反り等が生じやすい。また、ゲッタリング能力がウエーハ面内で不均一になってしまう上にゲッタリング能力不足となるものもある。
また、酸素濃度が8ppma未満の参考例の場合では、BMDの最大値/最小値とも2×105個/cm3以下であり、BMD密度が極めて低く、そもそもIG能力が不十分なものとなってしまう。
なお、TZDB特性およびTDDB特性の良品率は、双方とも90%以上となった。
On the other hand, in the case of Comparative Example 6 in which the nitrogen concentration is less than 5 × 10 11 atoms / cm 3 , the minimum value of BMD is 2 × 10 5 pieces / cm 3 or less, and the maximum value / minimum value is 500 times or more. It has become. Thus, if the distribution of BMD density is non-uniform, warpage or the like is likely to occur during heat treatment. In addition, the gettering ability becomes non-uniform in the wafer surface and the gettering ability becomes insufficient.
In the case of the reference example having an oxygen concentration of less than 8 ppma, the maximum / minimum value of BMD is 2 × 10 5 pieces / cm 3 or less, the BMD density is extremely low, and the IG capability is insufficient in the first place. End up.
The non-defective product ratios of the TZDB characteristic and the TDDB characteristic were both 90% or more.
(比較例7〜10)
窒素をドープしないこと、および酸素濃度を表1に示すように変更する以外は、実施例1等と同様にしてシリコン単結晶を引き上げ、スライスしてシリコン単結晶ウエーハを得た(表1、比較例7〜10)。このときの窒素濃度は、いずれも検出限界以下であった。
(Comparative Examples 7 to 10)
A silicon single crystal wafer was obtained by pulling and slicing a silicon single crystal in the same manner as in Example 1 except that nitrogen was not doped and the oxygen concentration was changed as shown in Table 1 (Table 1, comparison). Examples 7 to 10). The nitrogen concentration at this time was below the detection limit.
これらのウエーハについて、実施例と同様にして、FPD、エッチピット、OSFの有無を調べたが、いずれも観察されなかった。これにより、全面がN−領域のシリコン単結晶ウエーハが得られたことが判る。 These wafers were examined for the presence of FPD, etch pits, and OSF in the same manner as in the Examples, but none were observed. Thus, it can be seen that a silicon single crystal wafer having an entire N-region was obtained.
BMDは、実施例1と同様にして調査を行ったところ、ウエーハ面内において一部では1×107個/cm3を達成できているものの、ウエーハ全面に渡ってこれを達成できているウエーハはなかった。従って、明らかにゲッタリング能力不足が生じるものであった。そして、BMD密度の最大値/最小値の値が50倍以上になってしまっており、ゲッタリング能力がウエーハ面内で不均一となってしまう。また、熱処理等によって反りが生じやすいウエーハとなる。
なお、TZDB特性およびTDDB特性の良品率は、双方とも90%以上となった。
BMD was investigated in the same manner as in Example 1. As a result, although 1 × 10 7 pieces / cm 3 was partially achieved in the wafer surface, the wafer was able to achieve this over the entire wafer surface. There was no. Therefore, it was apparent that the gettering ability was insufficient. Then, the maximum / minimum value of the BMD density is 50 times or more, and the gettering ability becomes non-uniform in the wafer plane. Further, the wafer is easily warped by heat treatment or the like.
The non-defective product ratios of the TZDB characteristic and the TDDB characteristic were both 90% or more.
(実施例8)
実施例1と同様にしてシリコン単結晶ウエーハを製造し、該ウエーハに対して図3に示すRTA装置を用いて熱処理を施し、ウエーハ表層の酸素析出物を溶解させるとともに、ウエーハ内部にBMDを形成してゲッタリング能力を備えさせた。
熱処理条件は、アルゴンと水素の混合雰囲気下で、1200℃で10秒間の急速加熱、急速冷却熱処理を行った。
(Example 8)
A silicon single crystal wafer is manufactured in the same manner as in Example 1, and the wafer is heat-treated using the RTA apparatus shown in FIG. 3 to dissolve oxygen precipitates on the wafer surface layer and to form BMD inside the wafer. And gettering ability.
The heat treatment conditions were rapid heating and rapid cooling heat treatment at 1200 ° C. for 10 seconds in a mixed atmosphere of argon and hydrogen.
このシリコン単結晶ウエーハについて、実施例1と同様の試験を行ったところ、ウエーハ表層部には、FPD、エッチピット、OSFはいずれも観察されなかったし、窒素の弊害による異常酸素析出等も見られなく、十分な無欠陥層を得られたことが判った。
また、内部にはBMDが1×107個/cm3以上で均一に形成されており、ゲッタリング能力を十分に有する優れたシリコン単結晶ウエーハを得ることができた。このウエーハには、上記熱処理を施しても反り等の変形は見られなかった。
When this silicon single crystal wafer was tested in the same manner as in Example 1, no FPD, etch pits, or OSF were observed on the surface layer of the wafer, and abnormal oxygen precipitation due to the harmful effects of nitrogen was observed. It was found that a sufficient defect-free layer was obtained.
In addition, an excellent silicon single crystal wafer having a sufficient gettering capability was obtained because BMD was uniformly formed at 1 × 10 7 pieces / cm 3 or more inside. Even when the wafer was subjected to the heat treatment, deformation such as warping was not observed on this wafer.
以上のような直径200mmシリコン単結晶ウエーハに対しての実施例1〜8、比較例1〜10、参考例と同様の実験を直径300mmシリコン単結晶ウエーハについて実施したところ、各実施例、比較例ともそれぞれ直径200mmのときとほぼ同様の結果が得られた、 Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 10 for the 200 mm diameter silicon single crystal wafer as described above were subjected to the same experiment as the reference example for the 300 mm diameter silicon single crystal wafer. In both cases, almost the same results were obtained as when the diameter was 200 mm.
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。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
1…メインチャンバ、 2…引上げチャンバ、 3…単結晶棒(シリコン単結晶)、
4…原料融液、 5…石英ルツボ、 6…黒鉛ルツボ、 7…加熱ヒータ、
8…断熱部材、 9…ガス流出口、 10…ガス導入口、
11…冷却筒、 12…冷却媒体導入口、 13…冷却補助部材、
14…遮熱部材、 15…保護カバー、 16…ワイヤ、 17…種結晶、
18…単結晶引上げ装置、
21、31…シリコン単結晶ウエーハ、 22…表層領域、 23…バルク領域、
24…BMD、
30…ガス排気口、 32…急速加熱・急速冷却装置、 33…チャンバー、
34…加熱ランプ、 35…オートシャッター、 36…トレイ、
37…支持部、 38…バッファ、 39…パイロメータ。
1 ... main chamber, 2 ... pulling chamber, 3 ... single crystal rod (silicon single crystal),
4 ... Raw material melt, 5 ... Quartz crucible, 6 ... Graphite crucible, 7 ... Heater,
8 ... heat insulating member, 9 ... gas outlet, 10 ... gas inlet,
11 ... Cooling cylinder, 12 ... Cooling medium inlet, 13 ... Cooling auxiliary member,
14 ... Heat shield member, 15 ... Protective cover, 16 ... Wire, 17 ... Seed crystal,
18 ... Single crystal pulling device,
21, 31 ... silicon single crystal wafer, 22 ... surface layer region, 23 ... bulk region,
24 ... BMD,
30 ... Gas exhaust port, 32 ... Rapid heating / cooling device, 33 ... Chamber,
34 ... heating lamp, 35 ... auto shutter, 36 ... tray,
37 ... support part, 38 ... buffer, 39 ... pyrometer.
Claims (8)
The method for producing a silicon single crystal wafer according to claim 7, wherein the heat treatment is performed by a rapid heating / cooling apparatus.
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