JP3787472B2

JP3787472B2 - シリコンウエーハおよびその製造方法ならびにシリコンウエーハの評価方法

Info

Publication number: JP3787472B2
Application number: JP32224299A
Authority: JP
Inventors: 博竹野; 英樹重野; 誠飯田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: KR100774607B1; EP1170404B1; EP1170404A1; KR20060134228A; JP2001139396A; US6544490B1; WO2001036718A1; EP1170404A4; KR20010102971A; DE60044777D1; KR100747726B1; TWI222469B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デバイスプロセスや結晶位置に依存せずに安定に酸素析出が得られるシリコンウエーハおよびその製造方法、ならびに、引上げ条件が未知のシリコンウエーハの欠陥領域を評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）欠陥と呼ばれる欠陥が存在し、これがデバイス特性を悪化させるのでその低減が重要視されている。
【０００３】
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。
【０００４】
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、欠陥としては存在しないことが判ってきた。
【０００５】
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、ＯｘｉｄａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ）と呼ばれるリング状に発生する欠陥の存在が確認されている。
【０００６】
これら結晶成長起因の欠陥を分類すると、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（ＬａｒｇｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：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。
【０００７】
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。
【０００８】
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（Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒｏｎｋｏｖ；ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，５９（１９８２）６２５〜６４３）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。
【０００９】
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。
【００１０】
このＮ−領域をさらに分類すると、ＯＳＦリングの外側に隣接するＮＶ領域（空孔の多い領域）とＩ−リッチ領域に隣接するＮＩ領域（格子間シリコンが多い領域）とがあることがわかっている。
【００１１】
さらに、ＣＺ法シリコン基板では、このようなグローンイン欠陥を低減する重要性のほか、重金属不純物に対するインターナルゲッタリング効果の観点から、酸素析出の制御が益々重要になってきている。しかし、酸素析出は熱処理条件に強く依存するために、ユーザー毎に異なるデバイスプロセスにおいて、適切な酸素析出を得ることは極めて難しい問題である。さらに、ウエーハはデバイス工程のみでは無く、結晶引上げ工程で融点から室温まで冷却される熱処理（結晶熱履歴）を受けている。従って、アズ−グローン（ａｓｇｒｏｗｎ）結晶中には結晶熱履歴で形成された酸素析出核（グローンイン析出核）が既に存在している。このグローンイン析出核の存在が酸素析出の制御をさらに難しくしている。
【００１２】
デバイス工程中での酸素析出過程は２種類に分類できる。１つは、デバイス工程の初段熱処理で残存したグローンイン析出核が成長する過程である。他の１つは、デバイス工程中に核発生して、その核が成長する過程である。後者の場合は酸素濃度に強く依存するので、酸素濃度の制御により酸素析出を制御できる。一方、前者の場合は、グローンイン析出核の熱的安定性（プロセス初段の温度においてどの程度の密度で残存できるか）が重要なポイントとなる。
【００１３】
例えば、グローンイン析出核が高密度であってもサイズが小さい場合には、熱的に不安定となりデバイス工程の初段熱処理で消滅してしまうために酸素析出を確保できない。ここでの問題は、グローンイン析出核の熱的安定性は結晶熱履歴に強く依存するために、初期酸素濃度が同一のウエーハでも、結晶引上げ条件や結晶軸方向の位置によって、デバイス工程での酸素析出挙動が大きくばらつくことである。従って、デバイス工程での酸素析出を制御するためには、酸素濃度のみでなく、結晶熱履歴を制御することによりグローンイン析出核の熱的安定性を制御することが重要となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前記したグローンイン欠陥を低減する技術は現在開発が進んでいるが、このような方法で作製された低欠陥結晶は、グローンイン欠陥を低減するために結晶熱履歴を制御している。このことにより、グローンイン析出核の熱的安定性も変化していると考えられる。しかし、どの程度変化しているかは全くわかっていない。
従って、このような低欠陥結晶のデバイス工程での酸素析出挙動は大きくばらつくことが予想され、結果としてデバイスの歩留まりの低下を招いている。
【００１５】
また、欠陥領域が未知のウエーハの場合、そのウエーハがどの欠陥領域から作製されたものであるかを判断する方法が確立していなかったため、デバイス工程でどのような酸素析出挙動を示すのかを予測することが困難であった。
【００１６】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、結晶位置やデバイスプロセスに依存せずに安定に酸素析出が得られるシリコンウエーハおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、引上げ条件が未知で欠陥領域が不明のシリコンウエーハの欠陥領域を評価する方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するためになされたもので、本発明は、シリコンウエーハの全面が、ＮＶ領域、ＯＳＦリング領域を含むＮＶ領域、ＯＳＦリング領域のいずれかであり、かつ格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ（日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ）規格）以下であることを特徴とするシリコンウエーハである。
【００１８】
このようにシリコンウエーハの全面がＮＶ領域または全面がＯＳＦリング領域あるいはこれらが混在した領域であれば、熱的に安定な大きいグローンイン析出核が適度に存在するため、デバイスプロセスが異なっても酸素析出のバラツキが少なく、安定してＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔと呼ばれる酸素析出物）を得ることができる。また、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下であれば、小さいグローンイン析出核の密度が低いので、酸素析出物の結晶位置によるバラツキを低減したシリコンウエーハとなる。
【００１９】
そして、本発明は、チョクラルスキー法により窒素をドープして育成されたシリコン単結晶棒からスライスして得られたシリコンウエーハであって、該シリコンウエーハの全面が、ＮＶ領域、ＯＳＦリング領域を含むＮＶ領域、ＯＳＦリング領域のいずれかであることを特徴とするシリコンウエーハである。
【００２０】
このように、窒素がドープされたシリコンウエーハであり、かつ全面がＮＶ領域またはＯＳＦリング領域あるいはこれらが混在した領域であれば、熱的に安定な大きいグローンイン析出核が高密度で得られるので、デバイスプロセスにおいて十分なゲッタリング効果の得られるシリコンウエーハとなる。
【００２１】
さらに、前記ドープされた窒素濃度が１×１０¹⁰〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ であることを特徴とするシリコンウエーハである。
すなわち、窒素ドープの効果により極めて高密度のＢＭＤを得るためには少なくとも１×１０¹⁰個／ｃｍ³ 以上の窒素濃度が必要であることと、５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 以上ではＣＺ法で単結晶棒を引き上げる際に、単結晶化の妨げとなる可能性があるからである。
【００２２】
また、窒素ドープしたウエーハの場合においても、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下であれば小さいグローンイン析出核の密度が低いので、結晶位置による酸素析出物のバラツキを低減することができる。
【００２３】
次に、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、引上げ速度をＦ[ ｍｍ／ｍｉｎ] とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ[ ℃／ｍｍ] で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ[ ｍｍ] を横軸とし、Ｆ／Ｇ[ ｍｍ² ／℃・ｍｉｎ] の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図のＮＶ領域またはＯＳＦリング領域内で結晶を引き上げる場合において、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下となるように結晶を引き上げることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法である。
【００２４】
このように、実験・調査の結果を解析して求めた図８の欠陥分布図を元に、Ｖ−リッチ領域とＮＶ領域の境界線ならびにＮＶ領域とＮＩ領域の境界線で囲繞された領域内に収まるように、結晶の引上げ速度Ｆとシリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値Ｇを制御して結晶を引上げれば、育成された単結晶棒をスライスして得られたシリコンウエーハの全面を、ＮＶ領域、ＯＳＦリング領域を含むＮＶ領域、ＯＳＦリング領域のいずれかにすることができ、これとともに格子間酸素濃度を１４ｐｐｍａ以下に制御して結晶を引上げることができる。
従って、このような領域であれば、熱的に安定な大きいグローンイン析出核が適度に存在するため、デバイスプロセスが異なっても酸素析出のバラツキが少なく、安定してＢＭＤを得ることができる。また、格子間酸素濃度を１４ｐｐｍａ以下とするので小さいグローンイン析出核の密度を低くすることができ、結晶位置による酸素析出物のバラツキを低減することができる。
【００２５】
そして、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、引上げ速度をＦ[ ｍｍ／ｍｉｎ] とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ[ ℃／ｍｍ] で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ[ ｍｍ] を横軸とし、Ｆ／Ｇ[ ｍｍ² ／℃・ｍｉｎ] の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図のＮＶ領域またはＯＳＦリング領域内で結晶を引き上げる場合において、窒素をドープしながら結晶を引き上げることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法である。
【００２６】
このような条件で結晶を引上げれば、育成された単結晶棒をスライスして得られたシリコンウエーハに窒素がドープされているとともに、全面を、ＮＶ領域、ＯＳＦリング領域を含むＮＶ領域、ＯＳＦリング領域のいずれかにすることができる。
このように、窒素がドープされたシリコンウエーハであり、かつ全面がＮＶ領域またはＯＳＦリング領域あるいはこれらが混在した領域であれば、熱的に安定な大きいグローンイン析出核が高密度で得られるので、デバイスプロセスにおいて十分なゲッタリング効果の得られるウエーハを製造することができる。
【００２７】
この場合、前記ドープする窒素濃度を１×１０¹⁰〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ とすることができる。
さらにこの場合、前記ＣＺ法によって結晶を育成する際に、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下となるように結晶を引き上げることができる。
【００２８】
このように、窒素ドープにより極めて高密度のＢＭＤを得るためには１×１０¹⁰個／ｃｍ³ 以上の窒素濃度が必要であり、５×１０¹⁵個／ｃｍ³ を超えるとＣＺ法で単結晶棒を引き上げる際に、単結晶化の妨げとなる可能性があるので５×１０¹⁵個／ｃｍ³ 以下とするのが好ましい。
また、窒素ドープする場合にも、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下であれば小さいグローンイン析出核の密度が低いので、結晶位置による酸素析出物のバラツキを低減することができる。
【００２９】
そして本発明は、ＣＺ法により作製されたシリコンウエーハの欠陥領域の評価方法であって、下記の工程により測定した少なくとも２つの酸素析出物密度を比較することにより評価対象であるシリコンウエーハの欠陥領域を評価する方法である。
（１）評価対象であるウエーハを２枚以上のウエーハ片（Ａ、Ｂ、・・・）に分割する。
（２）分割されたウエーハのウエーハ片Ａを６００〜９００℃の温度範囲から選択した温度Ｔ１［℃］で保持された熱処理炉内に投入する。
（３）Ｔ１［℃］から昇温速度ｔ［℃／ｍｉｎ］で１０００℃以上の温度Ｔ２［℃］まで昇温し、ウエーハ片Ａの中の酸素析出物が検出可能なサイズに成長するまで保持する（ただし、ｔ≦３℃／ｍｉｎ）。
（４）ウエーハ片Ａを熱処理炉より取り出し、ウエーハ内部の酸素析出物密度を測定する。
（５）分割されたウエーハの別のウエーハ片Ｂを８００〜１１００℃の温度範囲から選択した温度Ｔ３［℃］で保持された熱処理炉内に投入する（ただし、Ｔ１＜Ｔ３＜Ｔ２とする）。
（６）Ｔ３［℃］から前記昇温速度ｔ［℃／ｍｉｎ］で前記Ｔ２［℃］まで昇温してウエーハ中の酸素析出物が検出可能なサイズに成長するまで保持する。
（７）ウエーハ片Ｂを熱処理炉より取り出し、ウエーハ内部の酸素析出物密度を測定する。
【００３０】
従来、欠陥領域が未知のウエーハの場合、そのウエーハがどの欠陥領域から作製されたものであるかを判断する方法が確立していなかったため、デバイス工程でどのような酸素析出挙動を示すのかを予測することが困難であったが、上記欠陥領域の評価方法によれば、引上げ条件が未知で欠陥領域が不明のシリコンウエーハの欠陥領域を評価することができ、併せてデバイス工程における酸素析出挙動を予測することが可能となった。
【００３１】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明者らは、以下の実験を行うことにより、グローンイン析出核の熱的安定性を調査した。
まず、異なる欠陥領域を有する数種類のウエーハを用意し、これらのウエーハに次の様な熱処理を施した。
ウエーハをＴ℃（Ｔ＝７００、８００、９００、１０００）に設定した炉内に挿入した後、Ｔ℃から１０５０℃まで１．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して、１０５０℃で４時間保持した。この熱処理では、遅い速度の昇温によりＴ℃以上で安定なグローンイン析出核を１０５０℃で消滅しないサイズまで成長させて、さらに１０５０℃で４時間保持することにより既存の評価方法で検出可能なサイズまで成長させる。
【００３２】
重要な点は、昇温速度の最適化によりグローンイン析出核を十分に成長させ、かつ熱処理工程で新たな析出核を発生させない条件になっていることである。従って、この熱処理後の酸素析出物（ＢＭＤ：ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）密度はＴ℃以上で安定なグローンイン析出核密度を示すことになる。熱処理後のＢＭＤ密度は赤外線散乱トモグラフ法（ＬＳＴ）で測定した。測定位置はエッジから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５０μｍ〜１８０μｍの領域である。
【００３３】
以上のような実験の結果、グローンイン析出核の熱的安定性は、ＯＳＦリングを指標とした欠陥領域（リング内側、リング上、リング外側）、酸素濃度、結晶軸方向位置に影響されることがわかった。以下にその結果を示す。
【００３４】
（１）グローンイン析出核と欠陥領域との関係
熱処理開始温度Ｔ℃とＢＭＤ密度との関係を図１に示す。記号の塗潰しは低酸素品（１２−１４ｐｐｍａ）を、白抜きは高酸素品（１５〜１７ｐｐｍａ）を示している。尚、記号の形状の違いは、ウエーハの種類（結晶引上げ条件）の違いを示しているが、これらの違いはここでは議論しないものとする。
グラフの見方としては、例えば７００℃でＢＭＤ密度が１×１０⁹ ／ｃｍ³ である場合、７００℃で残存可能なグローンイン析出核の密度が１×１０⁹ ／ｃｍ³ であることを示している。理論的に、温度が高くなるとその温度で残存できる析出核のサイズ（臨界サイズ）が大きくなる。高温で残存可能な大きい析出核は低温でも残存できる。従って、７００℃でのＢＭＤ密度は、７００℃以上の温度で残存可能な全ての析出核の密度となる。
【００３５】
（１−１）ＯＳＦリング内側領域（Ｖ−リッチ領域）
図１（ａ）はＯＳＦリング内側での結果を示している。熱処理開始温度が高いほどＢＭＤ密度が低くなっている。つまり、析出核のサイズが大きいほどその密度が低くなっている。特に、９００℃以上では１０⁶ ／ｃｍ³ オーダー以下となり極めて低い。このことから、ＯＳＦリングの内側領域では、熱的に安定な比較的大きいグローンイン析出核の密度が極めて低いことがわかる。また、温度依存性が強いことから、デバイスプロセス条件（初段熱処理温度）が異なるとＢＭＤ密度が大きく異なることが推測される。
【００３６】
（１−２）ＯＳＦリング上とＮＶ領域
ＯＳＦリング上とＮＶ領域での結果をそれぞれ図１（ｂ）と（ｃ）に示す。両者はほぼ同じ傾向を示した。ＯＳＦリング内側と比較して、９００℃以上でのＢＭＤ密度が明らかに高くなっていることがわかる。つまり、熱的に安定な析出核密度が高くなっている。温度依存性が弱くなっていることから、デバイスプロセス条件が異なってもＢＭＤ密度は大きく変化しないことがわかる。ＯＳＦリング上とＮＶ領域には、高温酸化でＯＳＦが発生するか否かの大きな違いがある。この違いは１０００℃よりも高い温度で安定な析出核密度の違いに起因していると考えられる。
【００３７】
（１−３）ＮＩとＩ−リッチ領域
ＮＩとＩ−リッチ領域での結果を図１（ｄ）に示す。データ数が少ないが、傾向はＯＳＦリング内側の場合とほぼ同じである。
【００３８】
以上の結果から、例えば開始温度が８００℃と１０００℃の熱処理におけるＢＭＤ密度を測定すれば、そのウエーハがどの欠陥領域になっているか判断できることがわかった。
【００３９】
（２）酸素濃度依存性
（２−１）結晶位置の影響を考慮した場合
ＢＭＤ密度の酸素濃度依存性を図２に示す。記号の違い（丸、三角、四角）は結晶位置の違いを示しており、それぞれ結晶肩から０〜４０ｃｍ、４０〜８０ｃｍ、８０ｃｍ〜で分類した。
図２（ａ）では、７００℃でのＢＭＤ密度と８００℃でのＢＭＤ密度との差を示している。この差は、７００℃では残存できるが８００℃では残存できないグローンイン析出核、つまり極めて小さい析出核のみの密度を示している。この結果から、小さい析出核の密度の酸素濃度依存性は強く、酸素濃度が低くなると密度が減少することがわかる。また、結晶位置依存性もあり、結晶肩から８０ｃｍ以上の位置で密度が減少していることがわかる。
【００４０】
図２（ｂ）に示したように、８００〜９００℃で安定な析出核の密度においても酸素濃度依存性がみられるが、結晶位置の影響は明確に現れていない。
一方、図２（ｃ）、（ｄ）に示したように、９００〜１０００℃及び１０００℃以上で安定な大きい析出核のみの密度においては、酸素濃度依存性や結晶位置依存性がほとんどないことがわかる。
【００４１】
（２−２）欠陥領域の影響を考慮した場合
ＢＭＤ密度の酸素濃度依存性において欠陥領域の影響を考慮した結果を図３に示す。欠陥領域間の境界付近のデータは省いた。欠陥領域の影響は温度領域が高くなるほど、つまり析出核サイズが大きくなるほど明確に現れている。図３（ｃ）、（ｄ）に示したように、９００〜１０００℃及び１０００℃以上で安定な大きい析出核の密度は、ＯＳＦリング上とＮＶ領域で明らかに高くなっている。但し、酸素濃度依存性はほとんどない。
【００４２】
（２−１）と（２−２）の結果を合わせると次のことがわかる。
比較的小さなグローンイン析出核の密度は、酸素濃度と結晶位置に強く依存するが、欠陥領域の影響は受けにくい。一方、高温で安定な大きいグローンイン析出核の密度は、酸素濃度や結晶位置にはほとんど依存しないが、欠陥領域に強く依存する。
【００４３】
（３）酸素析出の面内均一性
上述したように、グローンイン析出核の熱的安定性はＯＳＦリングを指標とした欠陥領域に強く依存することがわかった。従って、複数の欠陥領域を含んでいるウエーハでは、酸素析出の面内均一性が悪くなることが容易に想像できる。その結果を図４及び図５に示す。
【００４４】
（３−１）高酸素品の場合
高酸素品（１５〜１７ｐｐｍａ）での結果を図４に示す。記号の違いは熱処理開始温度の違いを示している。複数の欠陥領域を含んでいるウエーハ（図４（ｃ）〜（ｆ））では、温度が高い場合にＢＭＤ密度の面内均一性が悪くなっている。これは、（２）で述べたように高温で安定な大きいグローンイン析出核の密度が欠陥領域の影響を強く受けるためである。但し、温度が低くなると面内均一性は良くなる。これは、小さいグローンイン析出核の密度は、欠陥領域の影響をほとんど受けず酸素濃度に強く依存しているためである。この結果からデバイスプロセスの影響を考えると、初段温度が低い低温プロセス（７００〜８００℃）ではＢＭＤ密度の面内均一性は悪くならないが、初段温度が高い高温プロセス（〜９００℃）では面内均一性が悪くなると推測される。このことは従来の低欠陥結晶での問題点になると考えられる。
【００４５】
（３−２）低酸素品の場合
図５に低酸素品（１２〜１４ｐｐｍａ）での結果を示す。高酸素品と比較すると低酸素品では、熱処理開始温度が低温でもＢＭＤ密度の面内分布が悪くなっている。これは、酸素濃度が低い場合には小さい析出核の密度が減少することにより、何れの温度においても欠陥領域の影響を強く受ける大きい析出核が支配的になってしまうためである。この結果から、低酸素品では何れのデバイスプロセスにおいてもＢＭＤ密度の面内均一性が悪くなることが示唆される。
【００４６】
本発明者は、以上の（１）〜（３）により得られた知見を踏まえた上で鋭意検討を重ね、高温プロセスから低温プロセスまで全てのデバイスプロセスにおいて、安定にＢＭＤ密度を得る方法について下記の考察を加え本発明に想到したものである。以下の考察に関わる概念図を図６に示す。
【００４７】
＜考察１＞結晶位置によるＢＭＤ密度のバラツキを低減する方法
酸素析出制御における大きな問題点は、結晶位置によるバラツキが大きいことである。今回の実験において、結晶位置の影響は７００〜８００℃で安定な小さい析出核の密度に対して顕著であることがわかった。この析出核は結晶熱履歴の７００℃以下の温度帯で形成されると考えられる。つまり、結晶位置によるバラツキを低減するためには、７００℃以下の熱履歴を結晶のトップ部（肩部側（Ｋ側））とボトム部（尾部側（Ｐ側））で同じにすれば良いことになるが、これは極めて困難である。そこで、密度を低くすれば結晶位置のバラツキが低減すると考える。図２の結果から、小さい析出核の密度を低くするためには、酸素濃度を１４ｐｐｍａ以下にする必要がある。１４ｐｐｍａを超えると本発明の目的である結晶位置によるバラツキを低減することができなくなる。この酸素析出の結晶位置依存性をなくそうという発想は、窒素ドープの場合にも適用され、酸素濃度を１４ｐｐｍａ以下にすればよい。
【００４８】
＜考察２＞熱的に安定なグローンイン析出核を形成する方法
デバイスプロセスが異なっても安定してＢＭＤを得るためには、熱的に安定な大きい析出核が必要となる。大きい析出核の密度は欠陥領域に強く依存し、ＯＳＦリング上とＮＶ領域で高くなる。ただし、ＯＳＦリング上では高温プロセスの場合にＯＳＦが発生する可能性があるから、最適な領域はＮＶ領域であると考えられる。
【００４９】
考察1 と合わせて、結晶位置やデバイスプロセスに依存せずに安定にＢＭＤが得られるウエーハは、酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下で、かつ全面がＮＶ領域（または全面がＯＳＦリング領域を含むＮＶ領域、或いは全面がＯＳＦリング領域）となるウエーハであると言える。但し、従来のＮＶ領域では析出核密度が１０⁷ ／ｃｍ³ オーダーであり必ずしも十分とは言えない。
【００５０】
＜考察３＞ＮＶ領域での析出核密度を増加させる方法
図３に示したように、熱的に安定な大きい析出核の密度は酸素濃度にほとんど依存しないことから、高酸素化による密度の増加は期待できない。
ここで、ＮＶ領域において安定な析出核が形成されるメカニズムを考える。図７にその概念図を示す。結晶引上げ条件：Ｆ／Ｇ（Ｆ：引上げ速度，Ｇ：成長界面近傍での温度勾配）の制御により、ＮＶ領域では空孔の過飽和度が減少してボイドの形成が抑制されている。このことにより、ボイド形成温度帯より低い温度においては、ボイドが形成された領域よりもＮＶ領域の方が空孔過剰となる。過剰空孔により比較的高温での酸素析出核形成が促進される現象は、種々の実験により確認されている。つまり、ＮＶ領域では過剰空孔により高温（１０００〜７５０℃程度の範囲であると思われる）での析出核形成が促進されていると考えられる。高温で核が形成された場合は、その後の冷却過程で十分成長できるので、熱的に安定な大きいサイズの析出核となる。
【００５１】
上述したメカニズムに基づけば、空孔濃度を高くすることにより熱的に安定な析出核の密度が増加することになる。しかし、空孔濃度が高くなるとボイド形成が促進されるので、結果として析出核形成に寄与する空孔濃度が低下してしまう。従って、空孔濃度が高くてもその凝集が抑制できる何らかの方法が必要となる。
【００５２】
そこで、窒素をドープすることを発想した。図６にも示したが、窒素ドープを行えば、空孔の凝集が抑制され残存した過剰空孔が高温での析出核形成を促進して、結果的には熱的に安定な析出核の密度が増加することになる。但し、ＯＳＦリング内側領域は微小ＣＯＰ（微小ボイド欠陥）の多発によりデバイス特性を悪化させるので使用できない。従って、窒素ドープ結晶のＮＶ領域が好ましく、デバイスプロセスに依存せずに安定な酸素析出物が得られるという効果がある。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図９により説明する。図９に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３及びその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるワイヤ７と、ワイヤ７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
【００５４】
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶１の固液界面４の外周に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９が配置されている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面３との間に３〜５ｃｍの隙間１０を設けて設置されている。上部囲繞断熱材９は条件によっては使用しないこともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する不図示の筒状の冷却装置を設けてもよい。
別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、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法が用いられることも多い。
【００５５】
次に、上記の単結晶引上げ装置３０による単結晶育成方法の一例として窒素ドープ単結晶育成方法について説明する。まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。この時、窒素をドープするために、例えば窒化膜付きシリコンウエーハを投入しておく。次に、ワイヤ７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の窒素をドープした単結晶棒１を得ることができる。
【００５６】
この場合、本発明では、結晶内の温度勾配を制御するために、図９に示したように、前記固液界面断熱材８の下端とシリコン融液２の湯面３との間の隙間１０の間隔を調整するとともに、引上げ室３１の湯面上の単結晶棒１中の液状部分の外周空間において、湯面近傍の結晶の温度が例えば１４２０℃から１４００℃までの温度域に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９を配置するようにしている。さらに、必要に応じてこの断熱材の上部に結晶を冷却する装置を設けて、これに上部より冷却ガスを吹きつけて結晶を冷却できるものとし、筒下部に輻射熱反射板を取り付けて制御するようにしてもよい。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施の形態を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
ＣＺ法により、直径２４インチの石英ルツボに原料多結晶シリコンをチャージし、全面がＮＶ領域となる領域を有する単結晶棒が形成されるようにＦ／Ｇを制御しながら、直径８インチ、ｐ型、方位＜１００＞、格子間酸素濃度１２〜１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ（ＪａｐａｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｄｕｓｔｒｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）換算）の単結晶棒を引き上げた。この際、酸素濃度の制御は、引上げ中のルツボ回転を制御することにより行い、また、多結晶原料中に予め所定量の窒化珪素膜を有するシリコンウエーハの投入の有無により２種類の単結晶棒を引上げ、これらの単結晶棒から全面がＮＶ領域からなる鏡面研磨ウエーハ（窒素ドープウエーハ及び窒素ノンドープウエーハ）を作製した。
【００５８】
なお、窒素ドープウエーハは、原料多結晶中への窒素投入量と、窒素の偏析係数より算出した窒素濃度が１×１０¹⁴個／ｃｍ³ となる位置からスライスしてウエーハに加工したものである。
【００５９】
これらのウエーハに対して、デバイスプロセスにおける初段熱処理の代わりに、１０００℃に設定した炉内に挿入した後、１０００℃から１０５０℃まで１．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して、１０５０℃で４時間保持する熱処理を行った。そして、熱処理後のＢＭＤ密度を赤外線散乱トモグラフ法（ＬＳＴ）によりそれぞれ測定した。測定位置はエッジから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。
【００６０】
その結果、ＢＭＤ密度は、窒素ドープウエーハが３×１０⁹ 〜８×１０⁹ 個／ｃｍ³ であり、窒素ノンドープウエーハが２×１０⁷ 〜５×１０⁷ 個／ｃｍ³ であった。従って、デバイスプロセスの初段に比較的高温の熱処理を行ったとしても、いずれのウエーハとも、面内均一性に優れた相当量のＢＭＤ密度を有することがわかった。すなわちこれは、両ウエーハ共に、高温で安定なサイズの大きなグローンイン酸素析出核が面内均一に形成されていることを示している。また、窒素ドープウエーハの場合はかなり高密度のＢＭＤが得られ、極めてゲッタリング効果が高いものであることがわかった。
【００６１】
（実施例２）
欠陥領域が未知のウエーハを２分割し、１片を８００℃に設定した炉内に挿入した後、８００℃から１０５０℃まで１．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して、１０５０℃で４時間保持し、析出核を検出可能なサイズまで成長させた。
同様に残りの１片を１０００℃に設定した炉内に挿入した後、１０００℃から１０５０℃まで１．５℃／ｍｉｎの速度で昇温して、１０５０℃で４時間保持し析出核を検出可能なサイズまで成長させた。
【００６２】
そして、熱処理後のＢＭＤ密度を赤外線散乱トモグラフ法（ＬＳＴ）によりそれぞれ測定した。測定位置はエッジから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。
【００６３】
ＢＭＤ密度は、８００℃から昇温したものは１×１０⁹ 個／ｃｍ³ で、１０００℃から昇温したものは３×１０⁶ 個／ｃｍ³ であった。すなわち、８００℃と１０００℃でＢＭＤ密度の差が２桁以上あることから、このウエーハの欠陥領域はＯＳＦリング内側のＶ−リッチ領域であると判断できる。
【００６４】
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。
【００６５】
例えば、上記実施形態においては、直径８インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、直径６インチ以下、直径１０〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶位置やデバイスプロセスに依存せずに安定した酸素析出が得られるので、酸素析出物密度のバラツキが少なく安定したゲッタリング能力を有するウエーハを得ることができる。さらに、本発明の評価方法を用いることにより、引上げ条件が未知で欠陥領域が不明のシリコンウエーハの欠陥領域を比較的容易に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理開始温度とＢＭＤ密度との関係を表す図である。
（ａ）ＯＳＦリング内側領域、（ｂ）ＯＳＦリング上、（ｃ）ＮＶ領域、
（ｄ）ＮＩ領域とＩ−リッチ領域。
【図２】ＢＭＤ密度の酸素濃度依存性を示す図である。
（ａ）７００℃でのＢＭＤ密度と８００℃でのＢＭＤ密度との密度差、すなわち極小析出核のみの結晶位置別密度分布、
（ｂ）８００℃と９００℃とのＢＭＤ密度差と結晶位置別密度分布、
（ｃ）９００℃と１０００℃とのＢＭＤ密度差と結晶位置別密度分布、
（ｄ）１０００℃以上における結晶位置別ＢＭＤ密度分布。
【図３】ＢＭＤ密度の酸素濃度依存性における欠陥領域の影響を考慮した結果を示す図である。
（ａ）７００℃と８００℃とのＢＭＤ密度差と欠陥領域別ＢＭＤ密度分布、
（ｂ）８００℃と９００℃とのＢＭＤ密度差と欠陥領域別ＢＭＤ密度分布、
（ｃ）９００℃と１０００とのＢＭＤ密度差と欠陥領域別ＢＭＤ密度分布、
（ｄ）１０００℃以上における欠陥領域別ＢＭＤ密度分布。
【図４】高酸素品のＢＭＤ密度の面内分布を示す図である［（ａ）〜（ｆ）］。
【図５】低酸素品のＢＭＤ密度の面内分布を示す図である［（ａ）〜（ｈ）］。
【図６】酸素析出核密度の結晶位置によるバラツキを低減する方法を示す説明図である。
【図７】ＮＶ領域での酸素析出核密度を増加させる方法を示す説明図である。
【図８】シリコン単結晶内における結晶の径方向位置を横軸とし、Ｆ／Ｇ値を縦軸とした場合の諸欠陥分布図である。
【図９】本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１…成長単結晶棒、２…シリコン融液、３…湯面、４…固液界面、
５…種結晶、６…シードチャック、７…ワイヤ、８…固液界面断熱材、
９…上部囲繞断熱材、１０…湯面と固液界面断熱材下端との隙間、
３０…単結晶引上げ装置、３１…引上げ室、３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、３４…ヒータ、３５…断熱材。

Claims

チョクラルスキー法により窒素をドープして育成されたシリコン単結晶棒からスライスして得られたシリコンウエーハであって、該シリコンウエーハの全面が、ＯＳＦリングの内側又は外側に隣接するＮＶ領域であり、かつ格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下であることを特徴とするシリコンウエーハ。
前記ドープされた窒素濃度が１×１０¹⁰〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³であることを特徴とする請求項１に記載されたシリコンウエーハ。
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、引上げ速度をＦ[ ｍｍ／ｍｉｎ] とし、シリコンの融点から１４００℃の間の引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値をＧ[ ℃／ｍｍ] で表した時、結晶中心から結晶周辺までの距離Ｄ[ｍｍ] を横軸とし、Ｆ／Ｇ[ ｍｍ² ／℃・ｍｉｎ] の値を縦軸として欠陥分布を示した欠陥分布図のＯＳＦリングの内側又は外側に隣接するＮＶ領域で結晶を引き上げる場合において、窒素をドープしながら、格子間酸素濃度が１４ｐｐｍａ以下となるように結晶を引き上げることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
前記ドープする窒素濃度を１×１０¹⁰〜５×１０¹⁵個／ｃｍ³ とすることを特徴とする請求項３に記載されたシリコンウエーハの製造方法。