JP3760889B2

JP3760889B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法

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Publication number: JP3760889B2
Application number: JP2002148634A
Authority: JP
Inventors: 英一浅山; 康夫小池; 忠美田中; 敏昭小野; 正隆宝来; 英志西川
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: JP2003073191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶の育成過程で窒素をドープし、育成された単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出して、エピタキシャル成長処理をする前に、得られたウェーハに所定の熱処理を施し、その後のエピタキシャル成長処理を行うことによって、高いゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在では、シリコン半導体の集積回路素子（デバイス）の集積高密度化の傾向は、急速に進行しており、デバイスを形成させるシリコンウェーハの品質への要求は、ますます厳しくなっている。すなわち、集積が高密度化するほど回路は繊細となるので、ウェーハ上でのデバイスが形成されるいわゆるデバイス活性領域においては、リーク電流の増大やキャリアのライフタイム短縮原因となる、転位などの結晶欠陥およびドーパント以外の金属系元素の不純物は、これまでよりはるかに厳しく制限される。
従来から、半導体のデバイス用としては、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって引上げられたシリコン単結晶から切り出されたウェーハ（以下、「ＣＺウェーハ」という）が用いられてきた。このウェーハには、過飽和の格子間酸素が10^１８atoms/cm^３程度含まれている。酸素は転位の発生防止によるウェーハの強度向上や、ゲッタリング効果などの有用な効果もあるが、一方においては酸化物となって析出し、デバイス形成時の熱履歴によって、転位や積層欠陥などの結晶欠陥をもたらすこともよく知られている。
【０００３】
ところが、デバイス製造の過程で、フィールド酸化膜のＬＯＣＯＳによる形成やウエル拡散層の形成に、１１００〜１２００℃の高温で数時間保持されるため、ウェーハ表面近傍では格子間酸素の外方拡散によって、表面近傍数十μmには結晶欠陥のないＤＺ層（denuded zone)が形成される。このＤＺ層がデバイス活性領域となるので、結晶欠陥の少ない状態がもたらされていた。
【０００４】
ところが、集積の高密度化による微細化に伴い、ウエル形成に高エネルギーイオン注入法が採用され、デバイスの製造が１０００℃以下で処理されるようになると、上述の酸素の拡散が充分に起こらず、表面近傍でのＤＺ層の形成が困難になる。そこで、ウェーハの低酸素化が進められたが、結晶欠陥は十分には抑制できず、酸素低減によるウェーハの性能劣化も生じ、満足すべき結果は得られなかった。このため、シリコンウェーハ上に、結晶欠陥をほとんど含まないＳｉのエピタキシャル層を成長させた、エピタキシャルウェーハが開発され、高集積度デバイスに多く用いられるようになっている。
【０００５】
ところが、結晶の完全性が高いエピタキシャルウェーハを用いても、その後のデバイスの製造工程におけるエピタキシャル膜の金属系元素の不純物による汚染は、集積が高密度化するほどデバイスプロセスも複雑になって、不純物汚染の機会が増し、影響も大きくなってくる。
【０００６】
この不純物汚染の対処手段としてゲッタリング方法があり、これは、汚染により侵入してきた不純物元素をデバイス活性領域外の場所（シンク）に集め、無害化する手段である。ゲッタリング技術として、デバイスプロセスでの熱処理中に誘起される酸素起因の結晶欠陥（ＢＭＤ:Bulk Micro Defect ）をシンクとするイントリンシックゲッタリング（ＩＧ：intrinsic gettering）とよばれるものがある。
【０００７】
しかしながら、エピタキシャルウェーハの場合、エピタキシャル層形成の工程で、１０５０〜１２００℃の高温になるため、ウェーハ中の微小欠陥の核となるべき酸素析出物が縮小、消滅し、その後のデバイスプロセスにおいて、ウェーハ内にゲッタリング源となるＢＭＤを充分に誘起することが困難になる。特に、前述のように、デバイスプロセスが低温化すると、酸素析出物の成長が遅くなり、デバイスプロセスの初期だけでなく、デバイスプロセスの全体にわたって金属不純物に対して充分なゲッタリング効果が望めないという問題が生じる。
【０００８】
このため、ゲッタリング方法として、イクストリンシックゲッタリング（ＥＧ：extrinsic gettering）も併用されてきた。この方法は、ウェーハのデバイスを形成させる面の裏面側にサンドブラスト、研削、レーザー照射、イオン打ち込み、あるいはＳｉ_３Ｎ_４膜や多結晶Ｓｉ膜の成長など、外的要因によって歪みを与え結晶欠陥を導入するものである。このため、ＥＧ法を併用することによって、工程数の増加に伴うコストの問題の他に、歪み層からシリコン片が剥がれることによるパーティクルの発生や、多結晶シリコン膜の成長によるフラットネスの劣化といった問題がある。
【０００９】
上述の問題に対応するため、ＥＧの併用に頼らず、ＩＧ能力そのものを向上させるための方法として、酸素析出を促進させる不純物を単結晶の育成時に、ドープする方法が提案されている。例えば、特開平１１−１８９４９３号公報では、酸素析出を促進させゲッタリング能力を付与させる元素として窒素を選択し、窒素濃度で１×10^１３atoms/cm^３以上ドープすることによって、高温処理であるエピタキシャル工程でも消滅しがたい、安定した析出物をウェーハ内に形成する方法を提案している。
【００１０】
しかしながら、提案された方法に基づいて、窒素を１×10^１３atoms/cm^３以上の所定濃度でドープすると、育成された単結晶インゴットのトップ部からテール部に向かって窒素が偏析し、単結晶インゴットの全長にわたり窒素濃度が変化する。これにともなって、ゲッタリング能力に影響を及ぼすＢＭＤ密度が変化するため、単結晶インゴットのトップ部からテール部まで、均一なゲッタリング能力を期待することができない。
【００１１】
さらに、ゲッタリング能力を向上させる方法として、特開２０００−４４３８９号公報では、窒素を１×10^１０〜５×10^１５atoms/cm^３ドープしたＣＺウェーハを用いて、エピタキシャル成長処理前に、９００℃からシリコンの融点以下の温度、望ましくは１１００℃から１２５０℃の温度で熱処理する方法が提案されている。この方法によれば、エピタキシャル層内の欠陥発生を抑制することができるとともに、ゲッタリング効果を得ることができるとしている。しかし、ここで提案された方法であっても、育成された単結晶インゴットのトップ部からテール部に向かって発生する窒素の偏析に対して考慮されておらず、単結晶インゴット全体にわたって均一なゲッタリング能力を得ることは困難である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＣＺ法による育成の際の窒素偏析に起因して、単結晶インゴットから切り出される位置により、エピタキシャルウェーハ中のゲッタリング能力が異なるという問題に鑑みてなされたものであり、単結晶インゴットから切り出された位置に拘わらず、いずれのウェーハであっても、均一で高い水準のゲッタリング能力を有し、かつエピタキシャル層の欠陥の発生を抑制できるエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の（１）〜（３）のエピタキシャルウェーハの製造方法を要旨としている。
（１）窒素を１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上ドープして育成したシリコン単結晶インゴットから切り出したシリコンウェーハに７００℃以上９００℃未満の温度で１５分から４時間の処理時間で熱処理を施した後、ウェーハ表面にエピタキシャル成長処理した場合に、前記単結晶インゴットから切り出されるウェーハの位置に拘わらず、酸素析出物の密度が３×１０ ⁴ 個／ｃｍ ² 以上であることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法である。さらに、シリコンウェーハ中の酸素濃度を１１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上にするのが望ましい。
（２）上記（１）のエピタキシャルウェーハの製造方法では、７００℃以上９００℃未満の温度で１５分から４時間の処理時間での熱処理をウェーハの鏡面研磨工程前に行うこと、さらには、この熱処理を酸素と不活性ガスの混合雰囲気で行うことが望ましい。
（３）上記（１）での単結晶インゴットの育成に際し、テール部形成時の引き上げ速度を直胴部の引き上げ速度より速めることがないようにすること、または、単結晶インゴットの直胴部とテール部の境界から２００ｍｍまでの直胴部領域において、１０５０℃から７００℃までの冷却速度を２．５℃／分以下にすることが望ましい。
【００１４】
上述した本発明が完成に至ったのは、種々の検討結果に基づくものであり、その検討結果から得られた知見について、以下に、詳細に説明する。
酸素含有に起因する結晶の微細欠陥に、酸化誘起積層欠陥（Oxidation-induced stacking fault：以下単に「ＯＳＦ」と言う）がある。これはデバイス製造プロセスの高温の熱酸化処理の際、酸化膜の下地結晶に発生する積層欠陥である。
【００１５】
前述の通り、ＣＺ法によって育成された単結晶インゴットは酸素を含有するもであるから、これから切り出されたウェーハは、１０００〜１２００℃で１〜２０時間の熱酸化処理を施すことにより、ウェーハの結晶面にリング状の酸化誘起積層欠陥（ ring likely distributed oxidation-induced stacking faults :以下、「ＯＳＦリング」という）が発生する場合がある。
【００１６】
ＯＳＦは、１２００℃以上の高温でも消滅し難い安定な酸素析出物を核として、上記１０００〜１２００℃での熱酸化処理により誘起される。この熱酸化処理を施した場合に、ウェーハ面内にＯＳＦの発生が想定されるリング状の領域を、ここでは「潜在的ＯＳＦリング」と呼ぶことにする。この潜在的ＯＳＦリングを含むウェーハの表面にＳｉのエピタキシャル層を形成させると、リング領域の酸素析出物核は消失せず、エピタキシャル層形成後のデバイスプロセスでＢＭＤを形成して、効果的なゲッタリング能力を発揮する。
【００１７】
通常、ＯＳＦリングは数〜１０数mmの幅を有するが、単結晶の育成時に窒素をドープすることにより、ＯＳＦリングの幅を拡大することができる。そして、この単結晶インゴットから切り出されたウェーハは、良好なゲッタリング能力を発揮する。
【００１８】
しかしながら、ＯＳＦの核である酸素析出物の密度は、窒素濃度に依存する。さらに、単結晶インゴットに含有される窒素は、融液からの偏析係数にしたがって単結晶中に導入される。このため、インゴットのトップ部とテール部では必然的に窒素濃度が変化し、ＢＭＤ密度もそれに応じて変化する。換言すると、単結晶インゴットの窒素濃度は、トップ部からテール部に向かって増加し、それに伴いゲッタリング能力が変動するため、ウェーハに切り出す単結晶インゴット位置によりゲッタリング能力が異なることになる。
【００１９】
ＣＺウェーハを使用する場合に、エピタキシャル成長処理前に７００℃以上９００℃未満の温度でウェーハに熱処理を施すことによって、小さな析出核の成長を促進させることができる。したがって、この熱処理がなければ高温のエピタキシャル成長処理によって消滅してしまうような析出核も、この熱処理で成長させることによって、エピタキシャル成長処理によっても消滅せず残留する析出物の核密度を増大させることができる。
【００２０】
この熱処理を実施する際には、熱処理にともなって発生する表面疵、例えば、被熱処理材であるウェーハを積載するウェーハボートによる疵を残さないようにするため、エピタキシャル処理を行うウェーハの鏡面研磨工程の前に行うことが望ましい。
【００２１】
エピタキシャル成長処理前に実施される熱処理は、エピタキシャル工程でも消滅し難い酸素析出物を形成することが目的である。しかし、熱処理時間が４時間を超えると、析出物がエピタキシャル層まで突き抜け、エピタキシャル層の欠陥を誘起しやすくなる。このため、熱処理時間は４時間以下にする。
【００２２】
また、熱処理時には炉からの汚染が発生する恐れがあるが、そのウェーハの汚染防止を図るためには、ウェーハの保護膜として酸化膜を形成するのが有効である。このため、熱処理の雰囲気として、酸素と不活性ガスの混合雰囲気を用いるのが望ましい。
【００２３】
さらに、ウェーハの鏡面研磨工程前に上記の熱処理を実施すれば、ウェーハ表面に形成された酸化膜は、鏡面研磨工程にて除去される。このため、酸化膜を取り除くための特別な工程として、例えば、沸酸（ＨＦ）による酸化膜の除去工程を必要としない。
【００２４】
エピタキシャル成長処理前に実施される熱処理のうち、上限の９００℃近傍で処理した場合、単結晶インゴットのテール部に近い直胴部におけるＢＭＤ密度が、それ以外の部分に比べ小さくなる。これは、一般的なＣＺ法では、単結晶インゴットのテール部形成に移行する際の引き上げ速度を、それ以前の直胴部（ボディー部）の引き上げ速度の１．１〜１．３倍の高速にして、テール部の形成に移行することが原因である。
【００２５】
すなわち、引き上げ速度を速くすることによって、テール部形成に移行する直胴部において急冷されることによる。該当する直胴部位では、酸素析出核が形成する温度領域である１０５０℃から７００℃を通過する時間が、他の直胴部位に比べ、短時間になるため、酸素析出物核の形成が阻害されるためである。
【００２６】
単結晶インゴットのテール部の形成は、引き上げ速度の調整によらず、融液温度を高めてテール部を絞り込むことによっても行うことができる。したがって、単結晶インゴットのテール部形成に移行する際の引き上げ速度を速めることなく、融液温度を増大させて、テール部を形成すれば、テール部に近い直胴部においても酸素析出物の増大が図れ、ＢＭＤ密度を均一にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
シリコン単結晶に窒素を単独でドープする場合に、窒素ドープ量を１×10^１３atoms/cm^３以上とするのは、これより窒素量が少ない場合、ＯＳＦリングの幅の拡大が不十分で、ゲッタシンクのウェーハ内均一分散が得られないためである。また、ドープ量の上限は特には規制しないが、多くなりすぎると多結晶になりやすくなるので、4.5×10^１５atoms/cm^３程度までとするのが望ましい。
【００２８】
ドープの方法としては、所要濃度の窒素をドープできるのであれば、どんな方法でもよく、特に従来例の少ない窒素ドープについて言えば、原料中あるいは融液中への窒化物の混合、窒素を添加したフローティングゾーン法（ＦＺ法）によるシリコン結晶や表面に窒化珪素膜を形成させたウェーハの原料への混合、炉内への窒素あるいは窒素化合物ガスを流しながらの単結晶育成、溶融前の高温にて多結晶シリコンへの窒素あるいは窒素化合物ガスの吹き付け、窒化物製るつぼの使用等があげられる。
【００２９】
上記の窒素をドープした単結晶をスライスし、表面を研磨清浄化後エピタキシャル層を形成させ、ウェーハを作製するが、気相成長法の熱分解法など、結晶欠陥のないエピタキシャル層の形成方法であればどんな方法でも良い。
【００３０】
【実施例】
本発明の効果を明らかにするため、実施例１および２に基づいて説明する。
（実施例１）
ＣＺ法によって、窒素をドープした１００ｋｇの原料シリコンの溶液から、直胴部の直径が２００ｍｍで、酸素濃度が13×10^１７atoms/cm^３（old ASTM、１９７６）、および抵抗率が0.1Ωcmであるｐ型（１００）の単結晶インゴットを育成した。さらに、この単結晶インゴットの各部位から切り出してＣＺウェーハを作製した。
【００３１】
得られたＣＺウェーハを鏡面研磨仕上げして、直ちにエピタキシャル成長処理する場合と、ＣＺウェーハを鏡面研磨仕上げして８８０℃で１時間の熱処理を施した後にエピタキシャル成長処理する場合とに区分した。
【００３２】
また、８８０℃で１時間の熱処理を施した後にエピタキシャル成長処理する場合には、単結晶インゴットのテール部形成において、引き上げ速度は直胴部の引き上げ速度と同じとし、融液温度の上昇によりテール部を形成した場合を加えた。
【００３３】
エピタキシャル成長処理は、枚葉式エピタキシャル成長装置（ＡＳＭ社製：イプシロン）を使用し、堆積温度を１１５０℃として、厚み約５μmのエピタキシャル層をウェーハ表面上に成長させた。得られたエピタキシャルウェーハは、デバイスプロセスでの熱履歴を模した酸素雰囲気中で１０００℃にて１６時間の評価熱処理を施した。その後、ウェーハ断面をライトエッチング液で５分間の選択エッチングをおこない、光学顕微鏡で断面のＢＭＤ密度を測定した。
【００３４】
図１には、単結晶インゴット直胴部の各部位から得られたエピタキシャルウェーハの窒素濃度と、評価熱処理後のウェーハ断面におけるＢＭＤ密度との関係を示す図である。ＣＺウェーハを直ちにエピタキシャル成長処理したウェーハでは、窒素濃度の増加に伴い、ＢＭＤ密度が増大している。このＢＭＤ密度の増大は、ウェーハ中に導入される窒素濃度が単結晶インゴットのトップ部からテール部に向かって高まることに起因しており、単結晶インゴットからの切り出し位置によって、エピタキシャルウェーハのゲッタリング能力が変化することを示している。
【００３５】
一方、エピタキシャル成長処理前に８８０℃で１時間の熱処理を施したウェーハでは、単結晶インゴットのトップ部においてＢＭＤ密度が１×１０⁵個／ｃｍ²以上に増大しており、さらにテール部においてもＢＭＤ密度が３×１０ ⁴ 個／ｃｍ ² 以上確保することができ、単結晶インゴットの全長にわたってゲッタリング能力が高い水準にあることがわかる。
【００３６】
このようなゲッタリング能力を有することは、デバイスプロセス初期から高いゲッタリング能力が要求されるデバイスにおいて有効である。しかも、エピタキシャル成長処理前に８８０℃で１時間の熱処理を施すことにより、単結晶インゴットからの切り出し位置に拘わらず、一定のゲッタリング能力を有したエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【００３７】
さらに、テール部近傍の直胴部でのＢＭＤ密度を比較すると、ＣＺウェーハを直ちにエピタキシャル成長処理した場合には、ＢＭＤ密度の低下が著しい。また、８８０℃で１時間の熱処理を施した後にエピタキシャル成長処理する場合であっても、単結晶インゴットのテール部形成において、引き上げ速度を直胴部の引き上げ速度と同じとし、融液温度の上昇によりテール部を形成しなければ、テール部近傍の直胴部でのＢＭＤ密度の低下が観察される。このＢＭＤ密度の低下は、直胴部とテール部の境界から２００mmまでの直胴部の領域において観察されることが判明した。
【００３８】
それぞれのテール部近傍の直胴部での冷却速度を比較すると、単結晶インゴットのテール部形成において、引き上げ速度を直胴部の引き上げ速度と同じとし、融液温度の上昇によりテール部を形成した場合には、１０５０℃から７００℃までの冷却速度は２．５℃/minであったのに対し、この処理をしなかった場合には、冷却速度は３．０℃/分であった。テール部近傍の直胴部でのＢＭＤ密度の均一化には、融液温度の上昇によりテール部を形成することが望ましい。
【００３９】
（実施例２）
実施例２では、窒素濃度を２×10^１３atoms/cm^３とし、酸素濃度を３水準（11×10^１７atoms/cm^３、13×10^１７atoms/cm^３、15×10^１７atoms/cm^３、old ASTM、１９７６）に変化させたＣＺウェーハを使用した。得られたウェーハに６５０℃〜１１００℃の温度範囲で０．５〜４時間の熱処理を施して、鏡面研磨処理を施した後、実施例１と同様の条件でエピタキシャル成長処理をして、その後、酸素雰囲気中で１０００℃/１６hrの評価熱処理、ライトエッチおよび顕微鏡観察を実施し、ウェーハ断面のＢＭＤ密度を評価した。
【００４０】
さらに、市販の面欠陥検出器（Tenchor社製：ＳＰ１）を用い、エピタキシャル層内のサイズ０．０９μm以上の欠陥の発生状況を欠陥密度で観察を行った。実施例２での、製造条件および評価結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
表１の結果に基づいて、熱処理の処理時間を比較すると、ウェーハに８８０℃で１．０時間の熱処理を施した場合（本発明例３〜５）には、酸素濃度が１１×１０¹⁷／ｃｍ³と低くても（本発明例３）、ＢＭＤ密度は１０⁵個/ｃｍ²以上になっている。また、処理時間が１時間未満で処理する場合（本発明例１〜２）でも、酸素濃度が１３×１０ ¹⁷ ／ｃｍ ³ 程度（本発明例１）であれば、ＢＭＤ密度は１０ ⁵ 個 / ｃｍ ² 以上になっている。
【００４３】
また、エピタキシャル層の欠陥密度は、酸素濃度および熱処理時間にともなって増大しており、酸素濃度15×10^１７/cm^３のように高い濃度は選択しない方が望ましいことが分かる。
【００４４】
さらに、８８０℃の熱処理において処理時間が４時間では（本発明例６〜８）、エピタキシャル層の欠陥密度が急激に増大しており、処理時間は４時間未満にするのが望ましい。熱処理温度が６００℃以下では（比較例２〜４）、ＢＭＤ密度は増加せず、７００℃の熱処理で処理時間を４時間にすることによって（本発明例９〜１１）、ＢＭＤ密度は３〜７×１０⁴個／ｃｍ²となっている。
【００４５】
一方、熱処理温度が１１００℃と高すぎても（比較例５〜７）、析出物密度は増大しない。したがって、エピタキシャル成長処理前に施す熱処理は、８８０℃程度と比較的高い温度で、しかも酸素濃度を１３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度を含有させたウェーハに、処理時間が１時間未満で処理するのが望ましい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、所定の窒素濃度を含有させ、熱処理を施した後、エピタキシャル成長処理することによって、単結晶インゴットから切り出されるウェーハの位置に拘わらず、ほぼ一定で高い水準のゲッタリング能力を有するエビタキシャルウェーハを製造することができ、しかも、エビタキシャル層内の欠焔発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶インゴット直胴部の各部位から得られたエピタキシャルウェーハの窒素濃度と、評価熱処理後のウェーハ断面におけるＢＭＤ密度との関係を示す図である。

Claims

窒素を１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上ドープして育成したシリコン単結晶インゴットから切り出したシリコンウェーハに７００℃以上９００℃未満の温度で１５分から４時間の処理時間で熱処理を施した後、ウェーハ表面にエピタキシャル成長処理した場合に、
前記単結晶インゴットから切り出されるウェーハの位置に拘わらず、酸素析出物の密度が３×１０ ⁴ 個／ｃｍ ² 以上であることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
シリコンウェーハ中の酸素濃度が11×10^１７atoms /cm^３以上であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
７００℃以上９００℃未満の温度で１５分から４時間の処理時間での熱処理をウェーハの鏡面研磨工程前に行うことを特徴とする請求項１または２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
上記熱処理を酸素と不活性ガスの混合雰囲気で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
上記単結晶インゴットの育成に際し、テール部形成時の引き上げ速度を直胴部の引き上げ速度より速めることがないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
上記単結晶インゴットの育成に際し、単結晶インゴットの直胴部とテール部の境界から２００mmまでの直胴部領域において、１０５０℃から７００℃までの冷却速度が２．５℃/分以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。