JP6569613B2 - シリコンウェーハの評価方法及び製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウェーハの評価方法及び製造方法に関し、特に、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって製造されたシリコンウェーハの結晶欠陥領域の評価方法に関するものである。
半導体材料に用いられるシリコン単結晶の製造には種々の方法があるが、一般にＣＺ（Czochralski）法、又は、ＦＺ（Floating Zone）法が用いられている。ＣＺ法は、石英ルツボに充填した多結晶原料をヒーターで加熱溶融した後、この融液に種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に引き上げることによって単結晶を成長させる方法である。また、ＦＺ法は、多結晶原料ロッドの一部を高周波で加熱溶融して溶融帯域を作り、この溶融帯域を移動させながら単結晶を成長させる方法である。前記ＣＺ法は、大きな直径の結晶の形成が容易であるため、ＣＺ法で製造したシリコン単結晶から切り出したウェーハが、高集積度半導体素子基板として用いられている。
ＣＺ法によって製造されたシリコンウェーハは、１０００〜１２００℃の酸性雰囲気下で１〜１０時間の熱酸化処理を受けたとき、リング状に現れる酸化誘起積層欠陥（以下、ＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Fault）リングという）が発生する場合がある。その他に、数種類の微小欠陥（以下、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥という）が形成される。
結晶内でのＯＳＦリングの発生部位は、シリコン単結晶の成長速度（引き上げ速度）Ｖと、育成されるシリコン単結晶の融点から１３００℃までの温度域内における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇによって決定される。ＯＳＦリングが結晶中心部で消滅する臨界値よりもＶ／Ｇが大きい場合には空孔が凝集して、０．１μｍ程度の八面体の空洞（ボイド）欠陥が形成され、ＭＯＳ型ＬＳＩを製造する場合にゲート酸化膜の耐圧を劣化させたり、素子分離領域の分離不良を生じさせたりする。さらにトレンチキヤパシターを用いる場合にキヤパシター間のパンチスルー等の特性不良を招く。一方、Ｖ／Ｇが臨界値より小さい場合には格子間シリコンが凝集して転位クラスターが形成され、ＰＮ接合リーク等の特性不良を招く。
このような問題に対応するため、従来から多くの方法が提案されている。例えば、特許文献１では、単結晶育成時の引上げ速度Ｖと結晶内の温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇを制御して、いかなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥もＯＳＦリングも発生しない領域（以下、無欠陥領域）を育成する方法が提案されている。
Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥やＯＳＦリングの評価方法としては、例えば、赤外散乱トモグラフによってボイド欠陥を検出する方法や上述した１０００〜１２００℃の熱酸化処理後にエッチングすることによって顕在化するＯＳＦリングを顕微鏡で観察する方法などが知られている。
また特許文献２、３には、いわゆる銅デコレーション法によりシリコンウェーハの結晶欠陥を分析・評価する方法が記載されている。例えば特許文献２に記載された分析方法は、ベアウェーハの表面上に所定の厚さの熱酸化膜を形成させる段階と、ベアウェーハのバッグサイドをエッチングする段階と、ベアウェーハの欠陥部位に銅のデコレーティングを遂行する段階と、銅のデコレーティング遂行段階の以後に銅がデコレーションされたウェーハの欠陥部位を分析する段階を備えている。分析段階では、銅がデコレーションされたウェーハの欠陥部位の分布及び密度が肉眼で分析することの他、銅でデコレーションされたウェーハの欠陥部位のモルホロジーを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で分析する。
さらに、特許文献３には、銅で汚染した試料を熱処理した後に急冷する銅デコレーション法により、ＣＺ法で製造したシリコン単結晶中の結晶欠陥を評価する方法が記載されている。この評価方法では、結晶中の格子間酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ'７９）以下の低酸素濃度のシリコン単結晶に対して銅デコレーション法を施し、ＯＳＦ又はＯＳＦとなる核が存在する領域を高感度で検出する。
特許文献４には、シリコンウェーハを４５０℃程度の低温でアニールしたときに格子間酸素から生成されるサーマルドナーによるウェーハの抵抗率を測定することによって、エピタキシャルウェーハにおけるエピタキシャル層やＤＺ層の膜厚測定など、酸素濃度分布に関連したウェーハ構造を評価する方法が記載されている。
しかしながら、従来の一般的なシリコンウェーハの結晶欠陥の評価方法は、結晶欠陥の種類に応じた複数の熱処理やエッチング工程を必要とするものであり、評価に時間とコストがかかるという問題がある。
また、銅デコレーション法を利用したシリコンウェーハの結晶欠陥の評価方法は、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥領域やＯＳＦリング領域の有無を同時に評価することができるものの、銅のデコレーションのために数十時間という熱処理工程が必要であり、簡便さに欠けるという問題がある。
したがって、本発明の目的は、時間とコストを抑えて簡便な方法でシリコンウェーハの結晶欠陥領域の有無及び種類を評価することが可能なシリコンウェーハの評価方法及び製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、ＣＺ法によって育成され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の評価方法であって、前記シリコンウェーハにサーマルドナー発生熱処理を施したときに発生するサーマルドナーの発生速度を測定し、当該サーマルドナーの発生速度に基づいて結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別することを特徴とする。
本発明によれば、Ｖ／Ｇを制御しながらＣＺ法によって育成されたシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコンウェーハに熱処理を施したことによる比抵抗の変化に基づくサーマルドナー発生速度を測定することによって結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を簡便に評価することができる。
本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、前記シリコン単結晶インゴットから切り出した第１のシリコンウェーハが酸素クラスターを含む状態において前記サーマルドナー発生熱処理を施したときに前記第１のシリコンウェーハ上の第１の測定ポイントに発生するサーマルドナーの発生速度である第１のサーマルドナー発生速度を求め、前記第１のシリコンウェーハと異なる第２のシリコンウェーハにドナーキラー処理及び前記サーマルドナー発生熱処理を順に施したときに前記第２のシリコンウェーハ上の第２の測定ポイントに発生するサーマルドナーの発生速度である第２のサーマルドナー発生速度を求め、前記第２のサーマルドナー発生速度に対する第１のサーマルドナー発生速度の比であるサーマルドナー発生速度比に基づいて、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域、ボイド欠陥を含む領域又は無欠陥領域のいずれに該当するかを判別することが好ましい。ここで、シリコンウェーハが酸素クラスターを含む状態とは、as-grown状態のシリコンウェーハに対してドナーキラー処理を施す前の状態のことを言う。また無欠陥領域とは、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含まず、且つ、評価熱処理後にＯＳＦリングが発生しない領域のことを言う。このように、本発明によれば、ドナーキラー処理の有無の違いを持つ２種類のウェーハからそれぞれ求めた第１及び第２のサーマルドナー発生速度に基づいて、結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を簡便に評価することができる。
本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、前記サーマルドナー発生速度比が第１の速度範囲内にある場合に、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントが無欠陥領域であると判別し、前記サーマルドナー発生速度比が前記第１の速度範囲よりも高い第２の速度範囲内にある場合に、前記第１の測定ポイントがボイド欠陥を含む領域であると判別し、前記サーマルドナー発生速度比が前記第２の速度範囲よりも高い第３の速度範囲内にある場合に、前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域であると判別することが好ましい。このような判別により、ＯＳＦリング領域、ボイド欠陥を含む領域、及び無欠陥領域を簡便に判定することができる。
本発明において、前記サーマルドナー発生熱処理は、４３０℃以上４８０℃以下で２時間以上４時間以下の熱処理であることが好ましく、４５０℃で４時間の熱処理であることがさらに好ましい。この熱処理条件であれば、酸素クラスターを活性化させてサーマルドナー発生速度に基づく結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類の評価を行うことが可能である。
本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、４５０℃で４時間の前記サーマルドナー発生熱処理を施したとき、前記サーマルドナー発生速度比が１．３以上１．７未満である場合に前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントが無欠陥領域であると判別し、前記サーマルドナー発生速度比が１．７以上１．９未満である場合に前記第１の測定ポイントがボイド欠陥を含む領域であると判別し、前記サーマルドナー発生速度比が１．９以上２．３未満である場合に前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域であると判別することが好ましい。このような判別により、ＯＳＦリング領域、ボイド欠陥を含む領域、無欠陥領域を簡便に判定することができる
本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、前記シリコンウェーハの径方向に沿って設けた複数の測定ポイントの各々において前記サーマルドナーの発生速度を測定することにより、前記シリコンウェーハの径方向の結晶欠陥マップを作成することが好ましい。
本発明によるシリコンウェーハの評価方法は、前記シリコンウェーハの比抵抗を測定し、前記比抵抗をもとにキャリア濃度をアービンカーブから求め、前記サーマルドナー発生熱処理前後のキャリア濃度をもとにサーマルドナー発生量を求め、前記サーマルドナー発生熱処理の時間と前記サーマルドナー発生量との関係から前記サーマルドナー発生速度を求めることが好ましい。この場合、前記シリコンウェーハの比抵抗を４探針法により測定することが好ましい。
また、本発明によるシリコンウェーハの製造方法は、第１のシリコン単結晶インゴットをチョクラルスキー法によって育成し、前記第１のシリコン単結晶インゴットから切り出した評価用シリコンウェーハにサーマルドナー発生熱処理を施したときに発生するサーマルドナーの発生速度を測定し、当該サーマルドナーの発生速度の測定結果に基づいて前記評価用シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別し、前記第１のシリコン単結晶インゴットの育成条件及び前記評価用シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類の判別結果に基づいて、第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整し、前記第２のシリコン単結晶インゴットから製品用シリコンウェーハを切り出すことを特徴とする。
本発明によるシリコンウェーハの製造方法は、前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整することによって、無欠陥領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成してもよく、ボイド欠陥を含む領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成してもよく、ＯＳＦ核を含む領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成してもよい。また本発明においては、前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件として、前記第２のシリコン単結晶インゴットの引き上げ速度を調整することが好ましい。このように、サーマルドナー発生速度に基づく評価結果を用いて、様々なタイプのシリコンウェーハを作り分けることができる。
本発明においては、前記製品用シリコンウェーハにドナーキラー処理を施すことが好ましい。これによれば、サーマルドナーの影響がないシリコンウェーハ製品を提供することができる。
本発明によれば、時間とコストを抑えて簡便な方法でシリコンウェーハの結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価することが可能なシリコンウェーハの評価方法及び製造方法を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるシリコンウェーハの製造方法を説明するためのフローチャートである。
図１に示すように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン単結晶インゴットをＣＺ法により育成する結晶育成工程（Ｓ１１）と、シリコン単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出すスライス工程（Ｓ１２）と、シリコンウェーハの結晶欠陥領域の評価が必要な場合に行われるサーマルドナー発生速度測定工程（Ｓ１３Ｙ，Ｓ１４）と、サーマルドナーの発生速度の測定結果から結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を判別する判別工程（Ｓ１５）と、結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類の判別結果に基づいて後続のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整する調整工程（Ｓ１６Ｙ，Ｓ１７）とを有している。
また本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコンウェーハの評価が不要な場合に行われるドナーキラー処理工程（Ｓ１８）と、ドナーキラー処理後のシリコンウェーハに対して行われる鏡面研磨等の製品加工工程（Ｓ１９）とを有している。
ＣＺ法により育成されるシリコン単結晶に含まれる結晶欠陥の種類や分布は、シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖと引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇに依存する。そのため、シリコン単結晶中の結晶品質を制御するためにはＶ／Ｇを精密に制御する必要がある。しかし、ある条件下で育成されたシリコン単結晶インゴット（第１のシリコン単結晶インゴット）が所望の結晶品質を有するかどうかは、実際に結晶品質を評価してみなければ分からない。
そこで本実施形態ではシリコン単結晶インゴットから切り出したウェーハ中の結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価する。結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価した結果、所望の結晶品質を満たさない場合には、この評価結果が後続のシリコン単結晶インゴット（第２のシリコン単結晶インゴット）の育成工程にフィードバックされ、所望の結晶品質となるように結晶引き上げ速度Ｖ等の結晶育成条件が調整される。
図２は、Ｖ／Ｇと結晶欠陥の種類及び分布との一般的な関係を示す図である。
図２に示すように、Ｖ／Ｇが大きい場合には空孔が過剰となり、空孔の凝集体であるボイド欠陥が発生する。ボイド欠陥は一般的にＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と称される結晶欠陥である。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、格子間シリコンの凝集体である転位クラスターが発生する。したがって、ＣＯＰも転位クラスターも含まない単結晶を製造するためには、単結晶の径方向及び長さ方向（結晶成長方向）の両方に対してＶ／Ｇを制御しなければならない。
結晶引き上げ速度Ｖは単結晶の径方向のどの位置でも一定であるため、径方向の結晶内温度勾配Ｇを所定の範囲内に収めるためには、チャンバー内に適切な高温領域（ホットゾーン）を構築する必要がある。径方向の結晶内温度勾配Ｇは、シリコン融液の上方に設けられた熱遮蔽体によって制御され、これにより固液界面付近に適切なホットゾーンを構築することができる。一方、長さ方向の結晶内温度勾配Ｇはホットゾーン構造のみならず結晶引き上げ速度Ｖに依存するので、単結晶引き上げ速度Ｖを調整する必要がある。現在では、結晶引き上げ速度Ｖを厳密に制御することによって、ＣＯＰや転位クラスターを含まない直径３００ｍｍのシリコン単結晶が量産されている。
しかしながら、Ｖ／Ｇを制御して引き上げられたＣＯＰ及び転位クラスターを含まないシリコンウェーハはその全面が決して均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、Ｖ／Ｇが大きいほうから順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。
ＯＳＦ領域とは、as-grown状態（単結晶成長後に何の熱処理も行っていない状態）で板状酸素析出物（ＯＳＦ核）を含んでおり、１０００〜１２００℃の高温で熱酸化処理した場合にＯＳＦが発生する領域である。Ｐｖ領域とは、as-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温（例えば８００℃と１０００℃）の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生しやすい領域である。Ｐｉ領域とは、as-grown状態で酸素析出核をほとんど含んでおらず、熱処理を施しても酸素析出物が発生しにくい領域である。
上記のように、Ｖ／Ｇの制御は、主に引き上げ速度Ｖを調整することにより行われる。例えば、無欠陥領域を主に含むウェーハを望んでいるにもかかわらず、ボイド欠陥を含む領域やＯＳＦリング領域を多く含むウェーハが製造された場合には、Ｖ／Ｇが大きすぎると判断し、結晶引き上げ速度Ｖを小さくする。逆にＯＳＦリング領域を主に含むウェーハを望んでいるにもかかわらず無欠陥領域を多く含むウェーハが製造された場合には、Ｖ／Ｇが小さすぎると判断し、結晶引き上げ速度Ｖを大きくする。このような引き上げ速度Ｖの調整により、所望の結晶品質を有するシリコン単結晶インゴットを製造することができる。
シリコン単結晶インゴットが所望の結晶品質を満たすかどうかを判断するため、本実施形態においては、当該インゴットから切り出したシリコンウェーハ中のサーマルドナーの時間変化を測定する。
ＣＺ法において、シリコン単結晶は、石英ルツボに充填した多結晶シリコン原料を溶解し、その融液から育成されるため、石英ルツボから溶け出した酸素を通常１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９）程度含有している。この酸素は、ウェーハに結晶欠陥を生じさせ、デバイスの特性不良の原因となるが、一方ではデバイスの製造過程においてウェーハの強度を高めて変形を抑止したり、デバイスの動作不良の原因となる重金属をトラップするゲッタリング作用を有する酸素析出物をウェーハ内部に形成させるなど、複雑に作用する。
通常、シリコン中の酸素原子は電気的に中性であり、その電気抵抗に影響を及ぼさない。しかしながら、ＣＺ法で製造したシリコン単結晶は石英ルツボを用いて育成されるため、結晶中に過飽和な酸素を含有し、４５０℃前後の低温で熱処理すると数個の酸素原子が集まって酸素クラスターを形成し、電子を放出するドナーとなることが知られている。
４５０℃前後の熱処理によって形成されるサーマルドナーは点欠陥の影響を受け、空孔優勢領域（ＣＯＰ領域、ＯＳＦリング領域）と無欠陥領域の点欠陥濃度の違いによってサーマルドナー発生速度が異なる。そこで本実施形態では、シリコンウェーハ中に発生するサーマルドナーの発生速度に基づいて、シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を判別するものである。
サーマルドナー発生速度測定工程（Ｓ１４）では、スライス工程（Ｓ１２）によりインゴットから連続して切り出された２枚の評価用シリコンウェーハを用意する。２枚の評価用ウェーハは、インゴットからワイヤソーによって切り出され、粗研磨が施されたウェーハであることが好ましい。そして、一方のウェーハ（第１のウェーハ）にはドナーキラー処理を予め施すことなくサーマルドナー発生熱処理工程を行い、また他方のウェーハ（第２のウェーハ）にはドナーキラー処理を予め施した後にサーマルドナー発生熱処理を行い、これら第１及び第２のウェーハの各々のサーマルドナー発生熱処理前後での比抵抗の変化からサーマルドナー発生速度が求められる。
図３は、サーマルドナー発生速度測定工程を示すフローチャートである。
図３に示すように、サーマルドナー発生速度測定工程（Ｓ１４）は、as-grown状態の第１及び第２のウェーハを用意する準備工程（Ｓ２０）、第１のウェーハの比抵抗を測定する比抵抗測定工程（Ｓ２１）と、比抵抗測定後の第１のウェーハにサーマルドナー発生熱処理を行うサーマルドナー発生熱処理工程（Ｓ２２）と、サーマルドナー発生熱処理後の第１のウェーハの比抵抗を測定する比抵抗測定工程（Ｓ２３）と、サーマルドナー発生熱処理前後の２つの比抵抗測定値から第１のサーマルドナー発生速度を算出する工程（Ｓ２４）とを有している。
またサーマルドナー発生速度測定工程（Ｓ１４）は、第２のウェーハにドナーキラー処理を行う工程（Ｓ２５）と、ドナーキラー処理後の第２のウェーハの比抵抗を測定する抵抗測定工程（Ｓ２６）と、比抵抗測定後の第２のウェーハに第１のウェーハと同様のサーマルドナー発生熱処理を行うサーマルドナー発生熱処理工程（Ｓ２７）と、サーマルドナー発生熱処理後の第２のウェーハの比抵抗を測定する比抵抗測定工程（Ｓ２８）と、サーマルドナー発生熱処理前後の２つの比抵抗測定値から第２のサーマルドナー発生速度を算出する工程（Ｓ２９）とを有している。
サーマルドナー発生熱処理の温度は４３０〜４８０℃であることが好ましく、４５０℃であることが特に好ましい。またサーマルドナー発生熱処理の時間は１〜４時間であることが好ましく、２〜４時間であることがさらに好ましい。ドナーキラー処理は、例えば６００〜７００℃の不活性ガス雰囲気中で行う短時間の熱処理であり、熱処理時間は例えば１５分程度である。
シリコンウェーハ面内の比抵抗は、いわゆる４探針法によって測定することができる。測定した比抵抗をもとにキャリア濃度をアービンカーブから求め、サーマルドナー発生熱処理前後のキャリア濃度をもとにサーマルドナー発生量を求め、サーマルドナー発生熱処理の時間とサーマルドナー発生量との関係からサーマルドナー発生速度を求めることができる。
本実施形態においては、シリコンウェーハの径方向に沿って複数の測定ポイントを設定し、各測定ポイントにおいて抵抗測定を行い、測定結果からサーマルドナーの発生速度を算出することが好ましい。こうして測定ポイントごとに結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価することにより、シリコンウェーハの径方向の欠陥マップを作成することができる。
図４は、ウェーハ中の結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類の判別工程を示すフローチャートである。
図４に示すように、結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類の判別工程（Ｓ１５）では、第２のサーマルドナー発生速度に対する第１のサーマルドナー発生速度の比を算出し（Ｓ３０）、この値が１．３以上１．７未満である場合には無欠陥領域であると判別し（Ｓ３１Ｙ，Ｓ３４）、１．７以上１．９未満である場合にはボイド欠陥を含む領域であると判別し（Ｓ３１Ｎ，Ｓ３２Ｙ，Ｓ３５）、１．９以上２．３未満であるにはＯＳＦ核を含む領域であると判別する（Ｓ３１Ｎ，Ｓ３２Ｎ，Ｓ３３Ｙ，Ｓ３６）。さらにいずれの数値範囲にも該当しない場合には判別不可（Ｓ３１Ｎ，Ｓ３２Ｎ，Ｓ３３Ｎ，Ｓ３７）と判別する。
以上説明したように、本実施形態によるシリコンウェーハの評価方法は、ＣＺ法によって育成されたシリコン単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出し、シリコンウェーハにサーマルドナー発生熱処理を施したときに発生するサーマルドナーの発生速度を測定し、当該サーマルドナーの発生速度に基づいて結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別するので、ＯＳＦ核を含む領域、ボイド欠陥を含む領域、又は無欠陥領域を短時間で簡便に判別することができる。また、従来の評価方法のように例えば銅のデコレーションを施す必要もなく、比較的短時間の低温熱処理で評価が可能であり、時間とコストを抑えて簡便な方法でシリコンウェーハの結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価することができる。
また、本実施形態によるシリコンウェーハの製造方法は、先行のシリコン単結晶インゴットから切り出した評価用シリコンウェーハのサーマルドナー発生速度を測定し、当該サーマルドナー発生速度の測定結果に基づいて評価用シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別し、この判別結果に基づいて後続のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整するので、結晶育成条件を簡便に最適化することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、サーマルドナー発生速度測定工程（Ｓ１４）においてシリコン単結晶インゴットから切り出した第１及び第２のシリコンウェーハを用意し、第２のウェーハに対してドナーキラー処理（Ｓ２５）の後にサーマルドナー発生熱処理（Ｓ２７）を行って第２のサーマルドナー発生速度を算出しているが、本発明ではそのような第２のサーマルドナー発生速度の算出工程を省略することも可能である。すなわち、第２のシリコンウェーハと同等の他のシリコンウェーハにドナーキラー処理及びサーマルドナー発生熱処理を行って第２のサーマルドナー発生速度を予め算出したものをデータベース化しておき、第２のサーマルドナー発生速度についてはデータベースから読み出したものを用い、第１のサーマルドナー発生速度のみを測定して、結晶欠陥領域の有無及び結晶欠陥の種類を評価するようにしてもよい。
結晶欠陥の種類がサーマルドナー発生速度に与える影響を評価した。この評価試験では、直径３００ｍｍ、面方位（１００）のＰ型シリコン単結晶インゴットをＣＺ法により育成した。その際、ＯＳＦリング発生領域が含まれるようにＶ／Ｇを制御しながらシリコン単結晶インゴットを育成した。このシリコン単結晶インゴットの酸素濃度は５×１０１７〜２０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９）であった。このシリコン単結晶インゴットをスライスすることで、ＯＳＦリング発生領域を含む２枚のシリコンウェーハのサンプルＡ１，Ｂ１を得た。ここで、ＯＳＦリング発生領域とは、評価熱処理後にＯＳＦリングが発生する領域のことを言い、as-grown状態でＯＳＦ核を含む領域のことを言う。
ボイド欠陥が存在する領域が含まれるようにＶ／Ｇを制御した点以外はサンプルＡ１，Ｂ１と同じ条件下でシリコン単結晶インゴットを育成し、このシリコン単結晶インゴットをスライスすることで、ボイド欠陥が存在する領域を含む２枚のシリコンウェーハのサンプルＡ２，Ｂ２を得た。
無欠陥領域となるようにＶ／Ｇを制御した点以外はサンプルＡ１，Ｂ１と同じ条件下でシリコン単結晶インゴットを作製し、このシリコン単結晶インゴットをスライスすることで、無欠陥領域からなる２枚のシリコンウェーハのサンプルＡ３，Ｂ３を得た。
その後、シリコンウェーハのサンプルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の結晶育成中に発生したサーマルドナーを消去するため、７００℃の窒素雰囲気で１５分のドナーキラー処理を行った。
ドナーキラー処理なしのプロセスによりそれぞれ準備したシリコンウェーハのサンプルＡ１〜Ａ３（実施例１〜３）並びにドナーキラー処理ありのプロセスによりそれぞれ準備したシリコンウェーハのサンプルＢ１〜Ｂ３（比較例１〜３）に４５０℃の窒素雰囲気でサーマルドナー発生熱処理を行い、サーマルドナーを発生させた。
ＪＩＳ Ｈ ０６０２：１９９５に規定された４探針法による比抵抗率測定方法に従い、各シリコンウェーハのサンプルＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の比抵抗を測定し、この比抵抗をもとにキャリア濃度をアービンカーブから求めた。さらに、サーマルドナー発生熱処理前後のキャリア濃度をもとに、サーマルドナー発生量を求め、さらに熱処理時間とサーマルドナー発生量の関係からサーマルドナー発生速度を求めた。
図５は、上記ウェーハサンプルＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３のサーマルドナー発生速度とサーマルドナー発生熱処理時間との関係を示すグラフであり、横軸は熱処理時間（ｈ）、縦軸はサーマルドナー発生速度（ｃｍ−３／ｈ）をそれぞれ示している。また特に、このグラフは酸素濃度が１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の条件を満たすウェーハのみでまとめたものである。
図５に示すように、熱処理時間が４時間以内では、ＯＳＦリング発生領域、ボイド欠陥を含む領域、及び無欠陥領域いずれも、ドナーキラー処理あり（サンプルＢ１，Ｂ２，Ｂ３）よりもドナーキラー処理なし（サンプルＡ１，Ａ２，Ａ３）のほうがサーマルドナー発生速度は大きかった。また、ドナーキラー処理ありではいずれの領域でもサーマルドナー発生速度は同じであったが、ドナーキラー処理なしでは、ＯＳＦリング発生領域、ボイド欠陥を含む領域、無欠陥領域の順にサーマルドナー発生速度は大きくなった。熱処理時間が４時間を越えると、ドナーキラー処理なしではサーマルドナー発生速度は一旦上昇したのち減少した。一方で、ドナーキラー処理ありではサーマルドナー発生速度は減少し、１６時間以降は全ての条件でサーマルドナー発生速度は同じになった。
図６は、４５０℃で４時間のサーマルドナー発生熱処理を施したときの、ＯＳＦリング発生領域、ボイド欠陥を含む領域、無欠陥領域での、サーマルドナー発生速度と酸素濃度の関係を求めた結果を示すグラフであって、横軸は酸素濃度（×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）、縦軸はサーマルドナー発生速度（ｃｍ−３／ｈ）をそれぞれ示している。
図６に示すように、いずれの酸素濃度でも図１と同様に、ドナーキラー処理あり（サンプルＢ１，Ｂ２，Ｂ３）よりもドナーキラー処理なし（サンプルＡ１，Ａ２，Ａ３）のウェーハのほうがサーマルドナー発生速度は大きかった。また、ドナーキラー処理ありのウェーハではいずれの領域もサーマルドナー発生速度は同じであったが、ドナーキラー処理なしのウェーハでは、ＯＳＦリング発生領域、ボイド欠陥を含む領域、無欠陥領域の順にサーマルドナー発生速度は大きくなった。
図７は、図６のグラフにおいて、ドナーキラー処理なしのウェーハの各測定ポイントでのサーマルドナー発生速度をドナーキラー処理ありのウェーハの同一測定ポイントでのサーマルドナー発生速度で規格化したものであって、横軸は酸素濃度（×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）、縦軸はサーマルドナー発生速度（規格値）をそれぞれ示している。
図７に示すように、ドナーキラー処理なしのウェーハの無欠陥領域でのサーマルドナー発生速度は、ドナーキラー処理ありのウェーハのサーマルドナー発生速度の１．３倍以上１．７倍未満であった。また、ドナーキラー処理なしのウェーハのボイド欠陥を含む領域でのサーマルドナー発生速度は、ドナーキラー処理ありのウェーハのサーマルドナー発生速度の１．７倍以上１．９倍未満であった。さらに、ドナーキラー処理なしのウェーハのＯＳＦリング発生領域でのサーマルドナー発生速度は、ドナーキラー処理ありのウェーハのサーマルドナー発生速度の１．９倍以上２．３倍未満であった。
Ｓ１１ 結晶育成工程
Ｓ１２ スライス工程
Ｓ１３，Ｓ１４ サーマルドナー発生速度測定工程
Ｓ１５ 判別工程
Ｓ１６，Ｓ１７ 結晶育成条件調整工程
Ｓ２０ ウェーハ準備工程
Ｓ２１ 第１のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２２ 第１のウェーハのサーマルドナー発生熱処理工程
Ｓ２３ 第１のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２４ 第１のサーマルドナー発生速度算出工程
Ｓ２５ 第２のウェーハのドナーキラー処理工程
Ｓ２６ 第２のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２７ 第２のウェーハのサーマルドナー発生熱処理工程
Ｓ２８ 第２のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２９ 第２のサーマルドナー発生速度算出工程
Ｓ１２ スライス工程
Ｓ１３，Ｓ１４ サーマルドナー発生速度測定工程
Ｓ１５ 判別工程
Ｓ１６，Ｓ１７ 結晶育成条件調整工程
Ｓ２０ ウェーハ準備工程
Ｓ２１ 第１のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２２ 第１のウェーハのサーマルドナー発生熱処理工程
Ｓ２３ 第１のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２４ 第１のサーマルドナー発生速度算出工程
Ｓ２５ 第２のウェーハのドナーキラー処理工程
Ｓ２６ 第２のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２７ 第２のウェーハのサーマルドナー発生熱処理工程
Ｓ２８ 第２のウェーハの比抵抗測定工程
Ｓ２９ 第２のサーマルドナー発生速度算出工程
Claims (15)
- 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インゴットから切り出したシリコンウェーハの評価方法であって、前記シリコンウェーハにサーマルドナー発生熱処理を施したときに発生するサーマルドナーの発生速度を測定し、当該サーマルドナーの発生速度に基づいて結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別し、
前記サーマルドナーの発生速度の測定では、前記シリコンウェーハの比抵抗を測定し、前記比抵抗をもとにキャリア濃度をアービンカーブから求め、前記サーマルドナー発生熱処理前後のキャリア濃度をもとにサーマルドナー発生量を求め、前記サーマルドナー発生熱処理の時間と前記サーマルドナー発生量との関係から前記サーマルドナーの発生速度を求めることを特徴とするシリコンウェーハの評価方法。 - 前記シリコンウェーハの径方向に沿って設けた複数の測定ポイントの各々において前記サーマルドナーの発生速度を測定することにより、前記シリコンウェーハの径方向の結晶欠陥マップを作成する、請求項１に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- 前記サーマルドナー発生熱処理は、４３０℃以上４８０℃以下で２時間以上４時間以下の熱処理である、請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- 前記シリコン単結晶インゴットから切り出した第１のシリコンウェーハが酸素クラスターを含む状態において前記サーマルドナー発生熱処理を施したときに前記第１のシリコンウェーハ上の第１の測定ポイントに発生するサーマルドナーの発生速度である第１のサーマルドナー発生速度を求め、
前記第１のシリコンウェーハと異なる第２のシリコンウェーハにドナーキラー処理及び前記サーマルドナー発生熱処理を順に施したときに前記第２のシリコンウェーハ上の第２の測定ポイントに発生するサーマルドナーの発生速度である第２のサーマルドナー発生速度を求め、
前記第２のサーマルドナー発生速度に対する第１のサーマルドナー発生速度の比であるサーマルドナー発生速度比に基づいて、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域、ボイド欠陥を含む領域又は無欠陥領域のいずれに該当するかを判別する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの評価方法。 - 前記サーマルドナー発生速度比が第１の速度範囲内にある場合に、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントが無欠陥領域であると判別し、
前記サーマルドナー発生速度比が前記第１の速度範囲よりも高い第２の速度範囲内にある場合に、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントがボイド欠陥を含む領域であると判別し、
前記サーマルドナー発生速度比が前記第２の速度範囲よりも高い第３の速度範囲内にある場合に、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域であると判別する、請求項４に記載のシリコンウェーハの評価方法。 - ４５０℃で４時間の前記サーマルドナー発生熱処理を施したとき、前記サーマルドナー発生速度比が１．３以上１．７未満である場合に、前記第１のシリコンウェーハ上の前記第１の測定ポイントが無欠陥領域であると判別する、請求項４に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- ４５０℃で４時間の前記サーマルドナー発生熱処理を施したとき、前記サーマルドナー発生速度比が１．７以上１．９未満である場合に、前記第１の測定ポイントがボイド欠陥を含む領域であると判別する、請求項４又は６に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- ４５０℃で４時間の前記サーマルドナー発生熱処理を施したとき、前記サーマルドナー発生速度比が１．９以上２．３未満である場合に、前記第１の測定ポイントがＯＳＦ核を含む領域であると判別する、請求項４、６又は７に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- 前記第１及び第２のシリコンウェーハは前記シリコン単結晶インゴットから連続して切り出されたものである、請求項４乃至８のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの評価方法。
- 第１のシリコン単結晶インゴットをチョクラルスキー法によって育成し、
前記第１のシリコン単結晶インゴットから切り出した評価用シリコンウェーハにサーマルドナー発生熱処理を施したときに発生するサーマルドナーの発生速度を測定し、当該サーマルドナーの発生速度の測定結果に基づいて前記評価用シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類を判別し、
前記第１のシリコン単結晶インゴットの育成条件及び前記評価用シリコンウェーハ中の結晶欠陥領域の有無又は結晶欠陥の種類の判別結果に基づいて、第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整し、前記第２のシリコン単結晶インゴットから製品用シリコンウェーハを切り出すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。 - 前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整することによって、無欠陥領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成する、請求項１０に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整することによって、ボイド欠陥を含む領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成する、請求項１０に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件を調整することによって、ＯＳＦ核を含む領域を有する前記第２のシリコン単結晶インゴットを育成する、請求項１０に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記第２のシリコン単結晶インゴットの育成条件として、前記第２のシリコン単結晶インゴットの引き上げ速度を調整する、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記製品用シリコンウェーハにドナーキラー処理を施す、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
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