JP2021109806A5

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Publication number: JP2021109806A5
Application number: JP2020003082A
Authority: JP
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2040-01-10

Description

例えば、特許文献１では、エピタキシャル膜に発生するＳＦ（スタッキングフォルト）の原因は、基板結晶の結晶成長の過程において形成されたリンと酸素とが結合してできたクラスターであり、それらがエピタキシャル膜との界面において、ＳＦ（スタッキングフォルト）の発生の起点になると推定している。そして、結晶の冷却中の熱履歴との関係を調べることにより、ＳＦの密度は結晶が５７０℃±７０℃（５００℃から６４０℃）の温度範囲を通過する滞在時間と相関を持ち、その滞在時間が２００分以上の場合にエピタキシャルウェーハにおけるＳＦ（スタッキングフォルト）が多くなるとしている。但し、特許文献１では、リンと酸素とが結合して生じたクラスターの存在は確認されていない。また、特許文献１にてリンと酸素とが結合して生じたクラスターをＳＦの原因に想定した理由は、５７０℃±７０℃の温度範囲においてリン原子は拡散できないので、拡散の可能性がある酸素原子がリン原子の周りに集まることを推測したからである。

また、特許文献１では、リンドープにて抵抗率が０．７ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の基板を用いたエピタキシャル膜において、ＳＦ(スタッキングフォルト)を０．１個／ｃｍ^２以下にするためには、基板結晶の結晶成長過程における５００℃から６４０℃の温度範囲の間の滞在時間を２００分以下にすることが必要であるとしている。しかしながら、リンドープにて、０．７ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の場合は管理すべき結晶成長中の温度範囲が５００℃から６４０℃であることは示されているが、抵抗率が上記範囲外の場合の管理すべき温度範囲は不明である。管理すべき温度範囲は、ＳｉＰ析出物が発生して成長する温度区間に対応すると考えられるため、抵抗率（リン濃度）に依存して変化すると考えられるので、特許文献１の方法を適用するには、抵抗率毎に管理すべき温度範囲を実験により求める必要があり、多大の実験回数を要する。

そして、前記欠陥推定ステップでは、事前の実験で定められた検出すべきリンとシリコンの析出物のサイズの閾値を用いて、前記エピタキシャル成長後のシリコンウェーハにおける欠陥の密度を推定することが好ましい。エピタキシャル成長の前段階において行われるプリベイクの条件によっては、アニールアウトされるＳＦ（スタッキングフォルト）の大きさも変わるからである。

また、本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、上記欠陥の発生予測を行い、予測される欠陥の密度が規定の水準を満たさない場合、引き上げ速度の調整を行うことによって予測される欠陥の密度が規定の水準を満たす条件でリンをドープしたシリコン単結晶を製造し、前記シリコン単結晶を基板に用いてエピタキシャル膜を成長させて製造することが好ましい。実際の製造前に欠陥の密度の予測を行うことで歩留まりが向上する。さらにエピタキシャル成長の前段階において行われるプリベイクの条件を調整することも考えられる。

図１は、ＣＺ法による単結晶引き上げ装置の一例の概略図である。図２は、結晶Ａおよび結晶Ｂの直胴各位置における抵抗率を示すグラフである。図３は、結晶Ａの直胴の各位置における冷却カーブを示すグラフである。図４は、結晶Ｂの直胴の各位置における冷却カーブを示すグラフである。図５は、結晶Ａおよび結晶Ｂにおける直胴の各位置での結晶を基板として用いた場合のエピタキシャル成長後のＳＦ（スタッキングフォルト）の密度を示すグラフである。図６は、結晶Ａについて計算したＳｉＰの密度を示すグラフである。図７は、結晶Ｂについて計算したＳｉＰの密度を示すグラフである。図８は、結晶Ａにおけるエピタキシャル膜のＳＦ（スタッキングフォルト）の密度と直胴位置との関係の実験結果と計算結果を比較したグラフである。図９は、結晶Ｂにおけるエピタキシャル膜のＳＦ（スタッキングフォルト）の密度と直胴位置との関係の実験結果と計算結果を比較したグラフである。図１０は、欠陥の発生予測方法の手順を概略的に示すフローチャートである。

（１）リンドープにて０．９ｍΩｃｍ以下の結晶においては、結晶の冷却過程の５７０℃±７０℃（５００℃から６４０℃）の温度区間の間でＳｉＰが発生し成長する。
（２）エピタキシャル成長の前段階において行われるプリベイクの加熱中において、ＳｉＰは溶解し、ＳＦが結晶に残る。
（３）結晶成長における冷却過程において５７０℃±７０℃（５００℃から６４０℃）の温度区間の間の滞在時間が短い場合には、ＳｉＰのサイズが小さいので、発生するＳＦのサイズも小さく、プリベイクの過程において表層付近のＳＦ（スタッキングフォルト）はアニールアウトされ、エピタキシャル成長を開始した時には表層にＳＦは残らない。
（４）一方、結晶成長における冷却過程において５７０℃±７０℃（５００℃から６４０℃）の温度区間の間の滞在時間が長い場合には、ＳｉＰのサイズが大きくなるので、発生するＳＦ（スタッキングフォルト）のサイズも大きく、プリベイクの過程において表層付近のＳＦ（スタッキングフォルト）はアニールアウトされない。そして、エピタキシャル成長を開始した時に表層に残ったＳＦは、エピタキシャル膜の中にＳＦとして伝搬する。

このような過程で低抵抗率基板におけるエピキタシャル膜のＳＦが形成されると考えると、エピタキシャル膜にＳＦとして伝搬する核となるＳｉＰ析出物の密度を予測することが重要である。そして、予測されるＳｉＰのサイズ分布と、エピタキシャル膜のスタッキングフォルト密度との関係を求め、その関係から、エピタキシャル膜のスタッキングフォルトを推定する。

ここで、ＰＶはリンと空孔との反応物、Ｐ_ｓ＋はプラスに荷電した置換位置のリン、ｅは電子、Ｐ_ｉ－はマイナスに荷電した格子間のリンである。また、空孔との反応を示す式（１）においては、空孔とリンとの化合物は電気的にニュートラルであることを仮定している。そして、式（２）においては、格子間リンＰ_ｉは負にチャージしていると仮定したので、電荷の変化を考慮している。この仮定は、非特許文献２を参照した。

Ｒ_ｃｒｉ＝２σΩ／ｆ・・・（２９）
ΔＧ＊＝１６πσ^３Ω^２／（３ｆ）^２・・・（３０）

初期サイズをＲ_ｃｒｉとして、時間ステップ毎の半径の変化ｄＲを式（３６）により求
めて、半径をＲ＝Ｒ＋ｄＲとして求めた。ＳｉＰによるリンの吸収フラックスを式（３７
）に示す。

＜実験＞
評価に用いた結晶は、結晶Ａおよび結晶Ｂの２本の結晶であり、直径は２００ｍｍである。図２は、結晶Ａおよび結晶Ｂの直胴各位置における抵抗率を示すグラフである。図２に示されるように、結晶Ａは、抵抗率が０．９ｍΩｃｍから０．７ｍΩｃｍに変化し、結晶Ｂは、抵抗率が０．７５ｍΩｃｍから０．５５ｍΩｃｍに変化する。結晶Ａおよび結晶Ｂを用いることにより、広範囲の抵抗率における欠陥の発生を評価する。

図３は、結晶Ａの直胴の各位置における冷却カーブを示すグラフであり、図４は、結晶
Ｂの直胴の各位置における冷却カーブを示すグラフである。

図５は、結晶Ａおよび結晶Ｂにおける直胴の各位置での結晶を基板として用いた場合のエピタキシャル成長後のＳＦ（スタッキングフォルト）の密度を示すグラフである。この実験結果と、上記説明した計算方法により求めたＳｉＰとを比較する。

図６及び図７は、それぞれ結晶Ａおよび結晶Ｂについて上記説明した方法で計算したＳｉＰの密度を示すグラフである。図６は、結晶Ａの製造条件での計算によるＳｉＰの半径が、それぞれ＞４，＞６，＞８，＞１０，＞１２，＞１４，＞１６ｎｍであるものの密度と直胴における位置との関係を表示している。図７は、結晶Ｂの製造条件での同じ計算結果を示している。

すると、表面にその一部を露出し、エピタキシャル膜にＳＦが引き継がれる密度は、半径ｒの粒子の密度がＤ（ｒ）（個／ｃｍ^３）とすると、表面に現れる数は２ｒＤ（ｒ）になる。また、ＳｉＰの半径が臨界半径Ｒ_ｃｒｉより小さければ、ＳｉＰの溶解後に発生したＳＦは水素ベークにより消滅すると考えられる。そこで、半径ｒが臨界半径Ｒ_ｃｒｉより、大きなものが表面に露出する面積当たりの数を計算した。半径Ｒ以上の粒子が表面に現れる密度ＳＦ（Ｒ）（個／ｃｍ^２）は、以下の式（３９）のように示される。

図８及び図９は、それぞれ結晶Ａおよび結晶Ｂにおけるエピタキシャル膜のＳＦ（スタッキングフォルト）の密度と直胴位置との関係の実験結果と、閾値を８，１０，１２，１４，１６ｎｍとした計算によるＳＦ（スタッキングフォルト）密度と直胴位置との関係とを比較したものである。図８及び図９から、閾値を１２ｎｍとした計算によるＳＦ（スタッキングフォルト）密度が実験結果と一致することが分かる。

そして、冷却完了時におけるリンとシリコンの析出物（ＳｉＰ）のサイズおよび密度から、エピタキシャル成長後のシリコンウェーハにおける欠陥の密度を推定する（ＳｔｅｐＳ５）。なお、この推定には、リンとシリコンの析出物（ＳｉＰ）のサイズおよび密度と、エピタキシャル成長後のシリコンウェーハにおける欠陥の密度との関係について事前に実験を行い、検出すべきリンとシリコンの析出物（ＳｉＰ）のサイズの閾値を定めておくことが好ましい。エピタキシャル成長の前段階において行われるプリベイクの条件によっては、アニールアウトされるＳＦ（スタッキングフォルト）の大きさも変わるからである。

予測される欠陥の密度が規定の水準を満たさない場合、エピタキシャル成長の前段階に
おいて行われるプリベイクの条件を調整することも考えられる。

Claims

リンをドープしたシリコン単結晶を基板に用いてエピタキシャル膜を成長させて製造するエピタキシャルシリコンウェーハにおける欠陥の発生予測方法であって、
前記シリコン単結晶を製造する引き上げ装置を含めた温度特性と引き上げ速度から前記シリコン単結晶の冷却カーブを計算する熱履歴計算ステップと、
前記シリコン単結晶にドープしたリンの濃度から、前記冷却カーブの各温度過程における少なくとも格子間リンの濃度を計算する濃度計算ステップと、
前記シリコン単結晶の冷却中の格子間リンの過飽和度から、冷却完了時におけるリンとシリコンの析出物のサイズおよび密度を計算する析出物計算ステップと、
前記リンとシリコンの析出物のサイズおよび密度から、エピタキシャル成長後のシリコンウェーハにおける欠陥の密度を推定する欠陥推定ステップと、
を含むエピタキシャルシリコンウェーハにおける欠陥の発生予測方法。
前記濃度計算ステップでは、前記格子間リンの濃度のみではなく、空孔、格子間シリコン、リンと空孔との反応物の濃度も併せて計算する、請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおける欠陥の発生予測方法。
前記欠陥推定ステップでは、事前の実験で定められた検出すべきリンとシリコンの析出物のサイズの閾値を用いて、前記エピタキシャル成長後のシリコンウェーハにおける欠陥の密度を推定する、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおける欠陥の発生予測方法。
前記リンとシリコンの析出物のサイズの閾値を１２ｎｍとする、請求項３に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおける欠陥の発生予測方法。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の欠陥の発生予測を行い、予測される欠陥の密度が規定の水準を満たさない場合、引き上げ速度の調整を行うことによって予測される欠陥の密度が規定の水準を満たす条件でリンをドープしたシリコン単結晶を製造し、前記シリコン単結晶を基板に用いてエピタキシャル膜を成長させて製造するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
さらにエピタキシャル成長の前段階において行われるプリベイクの条件を調整する請求項５に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。