JP2013082571A - シリコン単結晶ウエーハ、エピタキシャルウエーハ、及びそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスプロセスにおいて、電気特性を阻害しないシリコン単結晶ウエーハを提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法により石英ルツボ１２ｂ中のシリコン融液から引き上げられ、炭素がドープされたシリコン単結晶から製造されたシリコン単結晶ウエーハであって、炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下であり、炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内のものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶から製造されたシリコン単結晶ウエーハ、エピタキシャルウエーハ、及びそれらの製造方法に関するものである。

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を切り出すシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されている。ＣＺ法により作製されたシリコン単結晶中には酸素原子が含まれており、該シリコン単結晶から切り出されるシリコン単結晶ウエーハを用いてデバイスを製造する際、シリコン原子と酸素原子とが結合し酸素析出物やＢＭＤが形成される。これらはウエーハ内部の重金属などの汚染原子を捕獲しデバイス特性を向上させるＩＧ能力を有することが知られ、ウエーハのバルク部での酸素析出量やＢＭＤ密度が高くなるほど高性能かつ信頼性の高いデバイスを得ることができる。

近年ではシリコン単結晶ウエーハ中の結晶欠陥を制御しつつ十分なＩＧ能力を付与するために、炭素や窒素を意図的にドープしてシリコン単結晶を製造することが行われている。シリコン単結晶に炭素をドープする方法に関しては、ガスドープ、高純度炭素粉末、炭素塊、炭素粉末を入れたシリコン多結晶製容器、炭素を気相成膜したシリコン単結晶ウエーハ、炭素粒子を含む有機溶剤を塗布しベーキングしたシリコン単結晶ウエーハ、あるいは炭素を所定量含有させた多結晶シリコンをルツボ内に投入することによりシリコン単結晶に炭素をドープする方法などが提案されている。

炭素をドープし、ＣＺ法により引き上げたシリコン単結晶のＢＭＤ密度の面内分布において、その均一性を維持すべく、特許文献１などに記載されている製造方法が提案されている。シリコン単結晶ウエーハのＩＧ能力の信頼性を高めるには、酸素析出量およびＢＭＤ密度の制御のみならずその面内分布の制御や均一性の制御が重要である。そのため、同時にこれらを制御する役割を果たしている炭素濃度およびその面内分布の制御が重要となる。炭素は酸素析出およびＢＭＤ形成を著しく促進させる働きがあり、そのシリコン単結晶ウエーハ中の濃度および面内分布が析出に影響を及ぼす。特許文献１には単結晶中の炭素濃度の面内分布について述べられており、単結晶の外周部における炭素濃度を面内中心部における炭素濃度の１．２倍以上に制御する方法が記載されている。

ここでウエーハ面内のＢＭＤ密度を均一に制御する技術について、特許文献２および特許文献３に記述がある。特許文献２では、ＢＭＤをウエーハ面内に均一に制御できるが、析出量を低く抑える方法が記載されている。一方、炭素ドープでは、ＢＭＤ密度を高密度に制御できるため、ウエーハに充分なゲッタリング能力を付与することができる。

これに対し、特許文献３に記載される方法では、高いＢＭＤ密度を付与できるが、Ｖリッチのシリコン単結晶を高速で引き上げることができない上、Ｎｖ領域に限定した特定のシリコン単結晶の製造に限られる。特に、エピタキシャルウエーハ基板用にシリコン単結晶を引き上げる際は、通常、製造コストを低く抑えるために高速に制御する。高速成長の引き上げ結晶は、炉内における成長時間が短いため、デバイスプロセスにおいて高密度で充分なゲッタリング能力を備えたＢＭＤを形成することができない。炭素ドープはそのような欠点を補い、高速成長のシリコン単結晶から作製されたウエーハでも、デバイスプロセスにおいてＢＭＤを高密度に形成させることができる。

特許文献４には炭素ドープ結晶で結晶中心部が成長する平均速度と結晶周辺が成長する平均速度の差を限定し引き上げる技術によって、ウエーハ面内のＢＭＤ密度を均一に制御する方法が記載されている。しかし特許文献４の場合、ウエーハ中心部と周辺部との炭素濃度差について記述があるものの、実際には製法によって炭素濃度の面内のピークの位置が変化する場合がある。

特開２０１１−３７６７８号公報 国際公開ＷＯ２００２／２８５２号公報 特開２００３−３２７４９３号公報 特開２００９−２７４８８８号公報 特開２００５−３２０２０３号公報 特開２００８−２９７１３９号公報

育成中のシリコン単結晶の固液界面からシリコン単結晶のバルク中に取り込まれる炭素原子による半導体デバイスの電気特性に及ぼす悪影響を排除するためには、いくつか解決すべき問題点がある。前記シリコン単結晶のスライス加工によって作製されたシリコン単結晶ウエーハ中の炭素濃度が低濃度であれば、十分なＩＧ能力を付与できず、一方高濃度の場合には過剰な量のＢＭＤや炭素を含んだ巨大な析出物が半導体デバイスの活性領域にダメージを与え、電気特性の阻害要因となりうる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、デバイスプロセスにおいて、電気特性を阻害しないシリコン単結晶ウエーハと、該シリコン単結晶ウエーハを安定的に供給することができる製造方法を提供することを目的とする。また、デバイスプロセスにおいて、エピタキシャル層に過剰なＢＭＤや炭素を含んだ巨大な析出物が形成されないエピタキシャルウエーハとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、チョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から引き上げられ、炭素がドープされたシリコン単結晶から製造されたシリコン単結晶ウエーハであって、
該シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下であり、
前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内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。

このような面内分布としてシリコン単結晶ウエーハの中心部と外周部での炭素濃度を均一化することにより、デバイスプロセス中において充分なゲッタリング能力を備えたＢＭＤを形成できるとともに、ＢＭＤの面内分布を均一に制御できるため、デバイスプロセス中において電気特性を阻害しないシリコン単結晶ウエーハとなる。特に、炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であれば十分なＩＧ能力を備えたＢＭＤ密度を付与でき、炭素濃度が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であればデバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良などの原因となる過剰な量のＢＭＤの形成を抑制できる。また、炭素を含んだ巨大な析出物が形成されることを防止することができる。

さらに、本発明では、上記のシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハを提供する。

このように本発明のシリコン単結晶ウエーハを鏡面加工し、鏡面加工したウエーハ表面にエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウエーハとすれば、エピタキシャル層に形成されるデバイスの作製時に面内均一で充分なＩＧ能力が発揮され、高品質のデバイスを高歩留まりで得ることができる。また、デバイスプロセス中に基板からエピタキシャル層へ高濃度の酸素や炭素が拡散し、エピタキシャル層にＢＭＤが形成され、ウエーハ面内全域において電気特性が阻害されることを回避することができる。

また、本発明では、チョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から、炭素がドープされたシリコン単結晶を引き上げ、該シリコン単結晶からシリコン単結晶ウエーハを製造する方法であって、
前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御し、かつ、前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内となるように炭素ドープ剤投入量を制御して、前記シリコン単結晶の引き上げを行い、該シリコン単結晶からシリコン単結晶ウエーハの製造を行う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。

このような製造方法であれば前記シリコン単結晶ウエーハを安定的に供給することができる。さらに、炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となるように炭素ドープ剤投入量を制御すれば十分なＩＧ能力を備えたＢＭＤ密度を付与でき、炭素濃度が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となるように炭素ドープ剤投入量を制御すれば、デバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良などの原因となる過剰な量のＢＭＤの形成を抑制できる。また、炭素を含んだ巨大な析出物が形成されることを防止することができる。

また、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）とシリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）の比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）が０．２２以上０．３以下となり、
シリコン単結晶の引き上げ軸方向と直交する面の中心部の結晶軸方向温度勾配Ｇｃ（℃／ｍｍ）と前記面の外周部の結晶軸方向温度勾配Ｇｅ（℃／ｍｍ）の比Ｇｃ／Ｇｅが１．１以下となるようにして前記シリコン単結晶を引き上げることが好ましい。

このような引き上げ条件であれば、結晶成長中に微小サイズの空孔が高密度に形成するため、デバイスプロセス中に高密度な酸素析出物を面内に均一に生成するシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。したがって、単結晶面内の外周部に炭素を高濃度に取り込む必要が無くなり、炭素を含んだ巨大な析出物によるデバイスの電気特性を阻害せず、尚且つ、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を製造することができる。

さらに、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）を３．５℃／ｍｍ以下とし、シリコン単結晶の面内の中心部と外周部の中間（Ｒ／２）から外周部にかけてのシリコン単結晶の成長界面の曲率半径を４３０ｍｍ以上とすることで、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御することが好ましい。

このようにすることで、成長界面形状がよりフラット形状に近づくため、幾何学的に面内中心部と外周部でより同レベルに近い濃度の炭素偏析を実現することができ、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）を制御することができる。

また、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコン単結晶を０．８５ｒａｄ／ｓ以上の回転速度で引き上げることで、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御することが好ましい。

このようなシリコン単結晶の回転速度であれば、面内方向における炭素濃度がより均一となり、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）を制御することができる。

さらに、本発明では、前記シリコン単結晶ウエーハの製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。

このようにエピタキシャルウエーハを製造することで、エピタキシャル層に形成されるデバイスの作製時に面内均一で充分なＩＧ能力が発揮され、高品質のデバイスを高歩留まりで得ることができる。また、デバイスプロセス中に基板からエピタキシャル層へ高濃度の酸素や炭素が拡散し、エピタキシャル層にＢＭＤが形成され、ウエーハ面内全域において電気特性が阻害されることを回避することができる。

以上説明したように、本発明のシリコン単結晶ウエーハであれば、デバイスプロセスにおいて、電気特性を阻害しないものとなる。特に、ＢＭＤの面内分布を均一に制御できるため、デバイスプロセス中において充分なゲッタリング能力を備えたＢＭＤを形成できるシリコン単結晶ウエーハとなる。さらに、ＢＭＤの面内分布を均一に制御することで、デバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良などの原因となる肥大化したＢＭＤが発生することを抑制できるシリコン単結晶ウエーハとなる。また、本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法であれば、このようなシリコン単結晶ウエーハを安定的に供給することができる。さらに、本発明のシリコン単結晶ウエーハを用いたエピタキシャルウエーハ及びその製造方法であれば、デバイスプロセスにおいて、面内で均一にデバイスを作製することができ高歩留まりが達成できるとともに、酸素や炭素が拡散し、エピタキシャル層にＢＭＤが形成され、ウエーハ面内全域において電気特性が阻害されることを回避することができる。

本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法に用いられる単結晶育成装置の一例を示す図である。 比較例のシリコン単結晶ウエーハの製造方法に用いられる単結晶育成装置の一例を示す図である。 シリコン単結晶を引き上げるにあたり炭素をドープする方法の一例について説明する図である。 シリコン単結晶の引き上げ速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）を高速側から低速側へ漸減させた場合において、成長方向に形成される各結晶欠陥領域を示した図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

前述したように、特許文献１にはシリコン単結晶の外周部における炭素濃度を面内中心部における炭素濃度の１．２倍以上に制御する方法が記載されている。しかしながら、このような炭素濃度の高濃度化はデバイスプロセスにおいて過剰な量のＢＭＤの形成を促進する。そのため、このような炭素濃度の高濃度化は、シリコン単結晶の面内の外周部のように成長中の急冷によって微小サイズの空孔が凍結され、過剰なＢＭＤが形成されやすい領域内ではデバイスの電気特性にとって阻害要因となる。

また、炭素もデバイスプロセスにおいて析出物となり得る元素であり、ＢＭＤの肥大化を助長する。デバイスプロセス後の炭素の析出量は８００℃を下回る温度領域を長時間通過した結晶部位で著しく生成される。特に、シリコン単結晶の面内の外周部は前述のとおり結晶が成長中に急激に冷却されるため、外周部における炭素濃度は最高密度となる。そのため、たとえシリコン単結晶全体に取り込まれる炭素が低濃度であっても、デバイスプロセス中の析出物の肥大成長を鑑みて、シリコン単結晶面内の外周部と面内の中心部の炭素濃度の格差を縮める、あるいは面内の外周部の炭素濃度を面内の中心部より低く制御することが重要であることを本発明者らは見出した。また、このような肥大化しすぎたＢＭＤは、時折デバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良等の原因となり得る。

そこで本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、炭素をドープしたシリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の均一性に注目し、シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下で、炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内であれば上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。以下、図を参照して本発明をより詳細に説明する。

本発明のシリコン単結晶ウエーハはチョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から引き上げられ、炭素がドープされたシリコン単結晶から製造されたものである。このシリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布が均一で、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下であれば、ＢＭＤの面内分布を均一に制御できるため、デバイスプロセスにおいて電気特性を阻害しないシリコン単結晶ウエーハとなる。また、ＢＭＤの面内分布を均一に制御できるため、面内全体でデバイスプロセス中において充分なゲッタリング能力を備えたＢＭＤを形成できるシリコン単結晶ウエーハとなる。

また、本発明のシリコン単結晶ウエーハは炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内のものである。このように、炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であれば十分なＩＧ能力を備えたＢＭＤ密度を付与でき、炭素濃度が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であればデバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良などの原因となる過剰な量のＢＭＤの形成を抑制できる。また、炭素を含んだ巨大な析出物が形成されることを防止することができる。

さらに本発明のシリコン単結晶ウエーハはそのまま鏡面研磨し使用することもできるが、鏡面研磨したウエーハ表面にエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウエーハとすることもできる。エピタキシャル層に形成されるデバイスの作製時に面内均一で充分なＩＧ能力が発揮され、高品質のデバイスを高歩留まりで得ることができる。本発明のシリコン単結晶ウエーハの場合、例えば５μｍ以下の膜厚のエピタキシャル層であってもデバイスプロセス中に酸素や炭素が拡散し、エピタキシャル層にＢＭＤが形成され、ウエーハ面内全域において電気特性が阻害されることを回避することができる。

このような本発明のシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から、炭素がドープされたシリコン単結晶を引き上げ、該シリコン単結晶からシリコン単結晶ウエーハを製造する方法であって、
前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御し、かつ、前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内となるように炭素ドープ剤投入量を制御して、引き上げられたシリコン単結晶から製造を行う方法により製造される。

図１は、本発明における炭素をドープしたシリコン単結晶を製造する際に用いる単結晶育成装置の一例を示す図である。単結晶育成装置のメインチャンバー１０内には、溶融された原料融液を収容するための石英ルツボ１２ｂと石英ルツボ１２ｂを支持する黒鉛ルツボ１２ａが設けられている。更にメインチャンバー１０上部からの除熱を抑えるように上部断熱材１を配するなどの工夫がされている。その他の断熱方法としては、図１に示されたガス整流筒２の下端からシリコンメルト表面までの距離を広げる、メインヒーター３の駆動により発熱中心を上方へ移動するなどの方法がある。

また、図４はシリコン単結晶の引き上げ速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）を高速側から低速側へ漸減させた場合において、単結晶の成長方向に形成された各結晶欠陥領域を示した図である。図４中のタイプＡは比Ｇｃ／Ｇｅが１．０より小さい場合、タイプＢは比Ｇｃ／Ｇｅが１．０より大きい場合の典型例を示す。特に、図４に示したＡの結晶成長領域は、結晶成長中に微小サイズの空孔が高密度に形成するため、デバイスプロセス中に高密度な酸素析出物を面内に均一に生成する。したがって、単結晶面内の外周部に炭素を過剰な高濃度に取り込む必要が無くなり、炭素を含んだ巨大な析出物によるデバイスの電気特性を阻害せず、尚且つ、高いゲッタリング能力を備えたシリコンウエーハを供給することができる。

このようなシリコン単結晶を引き上げるためのメインチャンバー内に装備するホットゾーンの最適構造や湯面、発熱中心の位置関係などの最適条件は、熱数値解析シュミレーションソフトＦＥＭＡＧの計算により算出した結果を用いることができる。

ＦＥＭＡＧによる熱数値解析から、シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）とシリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）の比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）が０．２２以上０．３以下となり、
シリコン単結晶の引き上げ軸方向と直交する面の中心部の結晶軸方向温度勾配Ｇｃ（℃／ｍｍ）と前記面の外周部の結晶軸方向温度勾配Ｇｅ（℃／ｍｍ）の比Ｇｃ／Ｇｅが１．１以下となるようにして前記シリコン単結晶を引き上げることが好ましいとする結果が得られた。

このような製造条件で製造することで、シリコン単結晶の成長中に微小サイズの空孔が高密度に形成するため、デバイスプロセス中に高密度な酸素析出物を面内に均一に生成するシリコン単結晶ウエーハとなる。したがって、シリコン単結晶の面内の外周部に炭素を高濃度に取り込む必要が無くなり、炭素を含んだ巨大な析出物によるデバイスの電気特性を阻害せず、尚且つ、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を供給することができる。

比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）が０．２２以上０．３以下の範囲であれば、上記Ａの領域となりＯＳＦリングのウエーハ面内発生面積が小さくなり、同時に炭素起因の巨大析出物の形成も一層抑制される。また、比Ｇｃ／Ｇｅが１．１以下であればり一層均一な高密度な酸素析出物の面内分布を得ることができる。

図１に示すように、本発明で用いる単結晶育成装置にはメインチャンバー１０及びプルチャンバー１１を備えることができる。メインチャンバー１０の内部には黒鉛ルツボ１２ａとその内側に石英ルツボ１２ｂが設置されている。これらのルツボ１２はペデスタル９と呼ばれる支持軸の上の受け皿を介して支持されている。ルツボ１２の外側にはメインヒーター３が設置され、さらにその外側に断熱材１３がメインチャンバー１０の内壁に沿って設置されている。ルツボ１２の上方には下端部に断熱カラー付きの円筒形状の黒鉛材からなるガス整流筒２が設置されている。

そこで比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）が０．２２以上０．３以下、比Ｇｃ／Ｇｅが１．１以下となるように制御する具体的な方法としては、図１に示すように、メルトより上部にある冷却チャンバー側方や上部内壁からの除熱量を抑えるため、ホットゾーン上部を上部断熱材１で覆った装置Ａ、冷却チャンバーの上方からの徐熱量を抑えてさらに徐冷効果を高めるため、冷却チャンバー上方の引き上げ結晶通路部の内壁を断熱部材で覆った断熱筒４を有する装置Ｂ、又は強制冷却のための冷却筒５が付帯設備された引き上げ装置であって冷却筒５の内壁を冷却筒被覆断熱材６で覆った装置Ｃなどの手段を用いることができる。あるいは、メルトより上部のガス整流筒２の設置部分に加熱手段を設けることや、メインヒーター３の加熱部分（スリット）を延伸させたり、発熱中心を上方に移動させるなどにより、さらに徐冷効果を高めた単結晶育成装置を用いてもよい。さらに、ガス整流筒２の下端と融液の表面との間隔を調整することで、容易に比Ｇｃ／Ｇｅを１．１以下の範囲内に制御することができる。

このような単結晶育成装置の石英ルツボ中に、シリコン単結晶の原料である多結晶シリコンと炭素ドープ剤を充填する。例えば、図３に示すように石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料と高純度炭素粉末７をケミカルエッチドウエーハ８に挟んで充填することができる。

なお、シリコン単結晶に炭素をドープする方法に関しては、上記に限定されず、ガスドープ、炭素塊、炭素粉末を入れたシリコン多結晶製容器、炭素を気相成膜したシリコン単結晶ウエーハ、炭素粒子を含む有機溶剤を塗布しベーキングしたシリコン単結晶ウエーハ、あるいは炭素を所定量含有させた多結晶シリコンをルツボ内に投入すること等によりシリコン単結晶に炭素をドープすることも可能である。

この時育成するシリコン単結晶の直胴部に取り込まれる炭素濃度が、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となるように炭素ドープ剤の投入量を調整する。これにより、製造されるシリコン単結晶ウエーハの炭素濃度を１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内とすることができ、十分なＩＧ能力を備えたＢＭＤ密度を有し、かつデバイスの活性領域にダメージを与え、リーク不良などの原因となる過剰な量のＢＭＤの形成を抑制できるシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。

またシリコン単結晶ウエーハの抵抗率を決定するリンやホウ素などの抵抗率制御用のドーパントも添加する。本発明に用いられる炭素ドープ剤およびドープ方法は、特許文献５及び特許文献６に記載されているものを用いることができる。

石英ルツボに原料を充填した後、真空ポンプを稼動させてガス排出口から排気しながら引き上げチャンバーに設置されたガス導入口からＡｒガスを流入し、内部をＡｒ雰囲気に置換する。次に黒鉛ルツボ１２ａを囲繞するように配置されたメインヒーター３で加熱し、原料を溶融させて原料融液を得る。原料溶融後、種結晶を原料融液に浸漬し、種結晶を回転させながら引き上げて棒状のシリコン単結晶を育成する。こうして所望濃度の炭素がドープされたシリコン単結晶を製造する。

ここでシリコン単結晶を引き上げる際に、炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるよう制御する。その制御方法としては、シリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）を３．５℃／ｍｍ以下、好ましくは３．０℃／ｍｍ以下とし、シリコン単結晶の面内の中心部と外周部の中間（Ｒ／２）から外周部にかけてのシリコン単結晶の成長界面の曲率半径を４３０ｍｍ以上とすることが挙げられる。これにより、成長界面形状がよりフラット形状に近づくため、幾何学的に面内中心部と外周部でより同レベルに近い濃度の炭素偏析を実現することができ、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）を制御することができる。

また、他の制御方法として、シリコン単結晶を０．８５ｒａｄ／ｓ以上の回転速度で回転させながら引き上げることが挙げられる。このようなシリコン単結晶の回転速度であれば、面内方向における炭素濃度がより均一となり、比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）を制御することができる。

さらに、本発明のシリコン単結晶ウエーハの製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を成長させることでエピタキシャルウエーハを製造することができる。このようにエピタキシャルウエーハを製造することで、エピタキシャル層に形成されるデバイスの作製時に面内均一で充分なＩＧ能力が発揮され、高品質のデバイスを高歩留まりで得ることができる。また、デバイスプロセス中に基板からエピタキシャル層への高濃度の酸素や炭素が拡散し、エピタキシャル層にＢＭＤが形成され、ウエーハ面内全域において電気特性が阻害されることを回避することができる。

以下、本発明の実施例および比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１−１〜３〕
図１に示された引き上げ装置Ａのメインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと高純度炭素粉末７をケミカルエッチドウエーハ８に挟んで充填した（図３）。このとき直胴１４０ｃｍでシリコン単結晶中心部の炭素濃度が約４．５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。そして、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型シリコン単結晶を育成した。

この際、シリコン単結晶を０．８５ｒａｄ／ｓの回転速度で引き上げることでシリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御した。また、Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）の値が０．２６、Ｇｃ／Ｇｅの値が０．９６となるよう、ガス整流筒の下端と融液の表面との間隔を調整した。

さらに、上記のようにして育成されたＰ型シリコン単結晶を結晶位置５０ｃｍ（実施例１−１）、１００ｃｍ（実施例１−２）、１４０ｃｍ（実施例１−３）でスライスしてシリコン単結晶ウエーハとした。このシリコン単結晶ウエーハの中心から外周方向へＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外吸収）法により５ｍｍピッチで炭素濃度を測定した。そして、中心部（０ｍｍ）の炭素濃度に対する外周１０ｍｍ（１４０ｍｍ）までの位置での炭素濃度の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）を求めた。さらに、ＦＴＩＲ法により析出熱処理前後の格子間酸素濃度を測定し、その差分を酸素析出量とし、面内分布を確認した。ここで径方向面内酸素析出量の最大値（［Ｏｐ］ｍａｘ）と最小値（［Ｏｐ］ｍｉｎ）の比（［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎ）をとった値によって、酸素析出量の面内分布の均一性を評価した。以上の結果を表１に示す。

また、このシリコン単結晶ウエーハを鏡面研磨して、ウエーハ表面に約８μｍの膜厚のエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウエーハを製造した。その後３段熱処理を施し、アングルポリッシュによりシリコン基板の厚み方向断面のＴＥＭ像により巨大ＢＭＤを観察した。尚、３段熱処理としては６５０℃窒素雰囲気中で２０分間処理し、８００℃で４時間ドライ酸化処理し、１０００℃で１４時間ドライ酸化処理後冷却処理をした。なお、巨大ＢＭＤとは、０．１５μｍ以上のサイズのＢＭＤのことである。このエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層のＢＭＤの観察結果を表１に示す。なお、エピタキシャル層で巨大なＢＭＤが観察された場合は×で示し、観察されなかった場合は○で示した。

〔実施例２−１、比較例１−１〜２〕
直胴１４０ｃｍでシリコン単結晶中心部の炭素濃度が約１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した以外は、実施例１と同様にしてＰ型シリコン単結晶を育成した。

さらに、上記のようにして育成されたＰ型シリコン単結晶を結晶位置５０ｃｍ（実施例２−１）、１００ｃｍ（比較例１−１）、１４０ｃｍ（比較例１−２）でスライスしてシリコン単結晶ウエーハとした。このシリコン単結晶ウエーハのＣｍａｘ、Ｃｍｉｎ、Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ、［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎを実施例１と同様に調べた結果を表１に示す。

また、実施例１同様にこのシリコン単結晶ウエーハを鏡面研磨してエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウエーハを製造した。このエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層のＢＭＤを実施例１と同様に観察した結果を表１に示す。

実施例１−１〜３では、引き上げたシリコン単結晶の全域において径方向面内炭素濃度比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下の範囲内であり、炭素濃度最大値（Ｃｍａｘ）については単結晶直胴部全体にわたり、１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下の範囲内であった。実施例１−１〜３のエピタキシャルウエーハに３段熱処理を施したところ、エピタキシャル層に巨大なＢＭＤは確認されなかった。

一方、実施例２−１、比較例１−１〜２では、引き上げたシリコン結晶の全域において径方向面内炭素濃度比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下の範囲内であったものの、炭素濃度最大値（Ｃｍａｘ）は単結晶直胴前半領域（結晶位置５０ｃｍ（実施例２−１））のシリコン単結晶ウエーハでは１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下の範囲であり、単結晶直胴後半領域（結晶位置１００ｃｍ（比較例１−１）、１４０ｃｍ（比較例１−２））のシリコン単結晶ウエーハでは５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃを超えていた。実施例１と同様に、実施例２−１、比較例１−１〜２のエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層のＢＭＤ形成の確認を行ったところ、炭素濃度が５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃを超えていた比較例１−１〜２ではエピタキシャル層に０．１５μｍ以上のサイズの巨大なＢＭＤを確認した。

また、実施例１−１〜３および実施例２−１、共に［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎの値が１．１を下回り酸素析出量の面内分布が均一性を有することが示された。これによりデバイスプロセスにおいて、電気特性を阻害しないシリコン単結晶ウエーハとなることが示された。

〔比較例２−１〜３〕
図２に示された引き上げ装置を用い、メインチャンバー内に設置された口径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボ内に、シリコン多結晶原料３６０ｋｇと高純度炭素粉末７をケミカルエッチドウエーハ８に挟んで充填した。このとき直胴１４０ｃｍでシリコン中心部の炭素濃度が約１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ（Ｎｅｗ ＡＳＴＭ）となるように計算して炭素粉末量を調整した。さらに抵抗調整用のボロンドーパントも充填し、ヒーターを用いて加熱し原料を溶融した。そして、ＭＣＺ法を用い、中心磁場強度３０００Ｇの水平磁場を印加しながら、直径３００ｍｍ、直胴長さ１４０ｃｍのＰ型シリコン単結晶を育成した。

この際、シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御しなかった。なお、比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）は０．３３、比Ｇｃ／Ｇｅは１．１７であった。

さらに、上記のようにして育成されたＰ型シリコン単結晶を結晶位置５０ｃｍ（比較例２−１）、１００ｃｍ（比較例２−２）、１４０ｃｍ（比較例２−３）でスライスしてシリコン単結晶ウエーハとした。このシリコン単結晶ウエーハのＣｍａｘ、Ｃｍｉｎ、Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ、［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎを実施例１と同様に調べた結果を表１に示す。

また、実施例１と同様にこのシリコン単結晶ウエーハを鏡面研磨してエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウエーハを製造した。このエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層のＢＭＤを実施例１と同様に観察した結果を表１に示す。

比較例２−１〜３は、引き上げたシリコン単結晶の全域において径方向面内炭素濃度比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．０７を超えており、炭素濃度最大値（Ｃｍａｘ）については、径方向面内炭素濃度比が１．２を超えていたことから、単結晶の直胴５０ｃｍの位置より後半の領域において５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃをすでに超えていた。また、［Ｏｐ］ｍａｘ／［Ｏｐ］ｍｉｎの値を評価したところ、１．１を上回り、酸素析出量の面内分布が不均一であることが示された。これによりデバイスプロセスにおいて、電気特性を阻害するシリコン単結晶ウエーハとなることが示された。

さらに、実施例１と同様に、比較例のエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層のＢＭＤの確認を行ったところ、炭素濃度が５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃを超えていた直胴５０ｃｍの位置より後半の領域でエピタキシャル層に０．１５μｍ以上のサイズの巨大なＢＭＤを確認した。

本発明は、上記実施例に限られるものではなく、例えば、製造されるシリコン単結晶の結晶方位、導電型、抵抗率などに限定されることなく適用できる。

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。

１…上部断熱材、 ２…ガス整流筒、 ３…メインヒーター、 ４…断熱筒、 ５…冷却筒、 ６…冷却筒被覆断熱材、 ７…高純度炭素粉末、 ８…ケミカルエッチドウエーハ、 ９…ペデスタル、 １０…メインチャンバー、 １１…プルチャンバー、 １２…ルツボ、 １２ａ…黒鉛ルツボ、 １２ｂ…石英ルツボ、 １３…断熱材

Claims (7)

1. チョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から引き上げられ、炭素がドープされたシリコン単結晶から製造されたシリコン単結晶ウエーハであって、
   該シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下であり、
   前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内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。
2. 請求項１に記載のシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を有するものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
3. チョクラルスキー法により石英ルツボ中のシリコン融液から、炭素がドープされたシリコン単結晶を引き上げ、該シリコン単結晶からシリコン単結晶ウエーハを製造する方法であって、
   前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度の面内分布の最大値（Ｃｍａｘ）と最小値（Ｃｍｉｎ）の比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御し、かつ、前記シリコン単結晶ウエーハの炭素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲内となるように炭素ドープ剤投入量を制御して、前記シリコン単結晶の引き上げを行い、該シリコン単結晶からシリコン単結晶ウエーハの製造を行うことを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
4. 更に、前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、前記シリコン単結晶の引き上げ速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）とシリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）の比Ｆ／Ｇ（ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）が０．２２以上０．３以下となり、
   前記シリコン単結晶の引き上げ軸方向と直交する面の中心部の結晶軸方向温度勾配Ｇｃ（℃／ｍｍ）と前記面の外周部の結晶軸方向温度勾配Ｇｅ（℃／ｍｍ）の比Ｇｃ／Ｇｅが１．１以下となるようにして前記シリコン単結晶を引き上げることを特徴とする請求項３に記載のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
5. 前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、シリコンの融点から１４００℃までの間の引き上げ軸方向の結晶温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍｍ）を３．５℃／ｍｍ以下とし、前記シリコン単結晶の面内の中心部と外周部の中間（Ｒ／２）から外周部にかけての前記シリコン単結晶の成長界面の曲率半径を４３０ｍｍ以上とすることで、前記比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
6. 前記シリコン単結晶の引き上げにおいて、前記シリコン単結晶を０．８５ｒａｄ／ｓ以上の回転速度で引き上げることで、前記比（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）が１．００以上１．０７以下となるように制御することを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載のシリコン単結晶ウエーハの製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハ上にエピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。
   

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