JP7207204B2 - Method for producing carbon-doped silicon single crystal wafer - Google Patents

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Description

本発明は、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon-doped silicon single crystal wafer and its manufacturing method.

半導体デバイス製造用の基板として、シリコン単結晶ウェーハが広く用いられている。また、半導体デバイスの製造プロセス中に混入する金属不純物をゲッタリングするため、シリコン単結晶ウェーハにゲッタリング能力を付与することは良く知られている。ところで、近年、最先端デバイスの製造条件は低温化が進んでいる。製造プロセスにおいて金属不純物のゲッタリングサイトとして作用するため、低温プロセス中でも酸素析出によるBMD(Bulk Micro Defect、バルク微細欠陥)を形成し易い、炭素をドープしたシリコン単結晶ウェーハが使用されるようになってきている。 Silicon single crystal wafers are widely used as substrates for manufacturing semiconductor devices. In addition, it is well known to impart gettering ability to silicon single crystal wafers in order to getter metal impurities mixed in during the manufacturing process of semiconductor devices. By the way, in recent years, the manufacturing conditions for state-of-the-art devices have been decreasing in temperature. Since it acts as a gettering site for metal impurities in the manufacturing process, carbon-doped silicon single crystal wafers, which easily form BMDs (Bulk Micro Defects) due to oxygen precipitation even in low-temperature processes, have come to be used. is coming.

また、シリコン単結晶ウェーハは、窒素又は炭素をドープすることによりウェーハ強度が向上することも良く知られている。但し、窒素はシリコン単結晶中の拡散速度が速いため、窒素ドープシリコン単結晶ウェーハでは、デバイス作製のための熱処理中に窒素が外方拡散してしまい、高い表層強度を得ることが難しい。一方、炭素は拡散係数が小さいため、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハでは、表層強度を向上させることが可能である。 Further, it is well known that silicon single crystal wafers are improved in wafer strength by doping nitrogen or carbon. However, since nitrogen has a high diffusion rate in a silicon single crystal, in a nitrogen-doped silicon single crystal wafer, nitrogen diffuses outward during heat treatment for device fabrication, making it difficult to obtain high surface layer strength. On the other hand, since carbon has a small diffusion coefficient, it is possible to improve surface layer strength in a carbon-doped silicon single crystal wafer.

また、炭素ドープした固体撮像素子用シリコン単結晶ウェーハは、炭素が電極からのキャリアの注入を抑制するため、小さな暗電流と優れた光感度とを達成することが知られている(非特許文献1参照)。 In addition, it is known that a carbon-doped silicon single crystal wafer for a solid-state imaging device achieves small dark current and excellent photosensitivity because carbon suppresses injection of carriers from the electrode (Non-Patent Document 1).

また、シリコン単結晶ウェーハ中の炭素は、熱処理中に発生する酸素ドナーの形成を抑制する効果を有することも良く知られている(特許文献1参照)。 It is also well known that carbon in a silicon single crystal wafer has the effect of suppressing the formation of oxygen donors generated during heat treatment (see Patent Document 1).

特開2011-54656号公報JP 2011-54656 A 特開2018-190903号公報JP 2018-190903 A

“Structural Elements of Ultrashallow Thermal Donors Formed in Silicon Crystals” A. Hara, T. Awano, Y. Ohno and I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 050203."Structural Elements of Ultrashallow Thermal Donors Formed in Silicon Crystals"A. Hara, T. Awano, Y.; Ohno and I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 050203.

シリコン単結晶ウェーハのウェーハ強度を向上させる手法としては、シリコン単結晶ウェーハの炭素ドープや窒素ドープ、ウェーハを高酸素濃度結晶とすること、ウェーハ中に酸素析出をさせることが知られている。しかしながら、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶(シリコン単結晶インゴット)を成長させる段階で、結晶に炭素や窒素をドープすると、偏析現象により、単結晶化した結晶の位置により不純物濃度が変化してしまい、結晶位置の違いよる酸素析出量の違いが生じてしまう。 As techniques for improving the wafer strength of a silicon single crystal wafer, carbon doping or nitrogen doping of the silicon single crystal wafer, making the wafer into a high oxygen concentration crystal, and precipitating oxygen in the wafer are known. However, if the crystal is doped with carbon or nitrogen at the stage of growing a silicon single crystal (silicon single crystal ingot) by the Czochralski method, the segregation phenomenon causes the impurity concentration to change depending on the position of the single-crystallized crystal. , a difference in the amount of precipitated oxygen occurs due to a difference in the crystal position.

また、酸素濃度だけでシリコン単結晶ウェーハの酸素析出量を制御するには限度があり、炭素や窒素をドープせずに高密度の酸素析出量に制御することは困難であった。 In addition, there is a limit to controlling the amount of precipitated oxygen in a silicon single crystal wafer only by oxygen concentration, and it is difficult to control the amount of precipitated oxygen to a high density without doping with carbon or nitrogen.

さらに、前述した最近のデバイス工程の低温化プロセスの進展により、シリコン単結晶ウェーハにおいてますます酸素析出がしにくくなっているので、このような低温デバイス工程においても所望の酸素析出量に制御できる技術が望まれていた。 Furthermore, due to the recent progress in the low-temperature process of the device process described above, it is becoming more and more difficult for oxygen to precipitate in silicon single crystal wafers. was desired.

一方、シリコン単結晶ウェーハを炭素含有ガス雰囲気で熱処理することにより、BMDを高密度に制御することが提案されている(特許文献2参照)。しかし、特許文献2では、抵抗加熱によって熱処理を行っているため、降温中に炭素が外方拡散してしまい、ウェーハ表面の炭素濃度を十分に高くすることができず、ウェーハ強度の点では不十分であった。 On the other hand, it has been proposed to control the BMD to a high density by heat-treating a silicon single crystal wafer in a carbon-containing gas atmosphere (see Patent Document 2). However, in Patent Document 2, since the heat treatment is performed by resistance heating, carbon diffuses outward during the temperature drop, and the carbon concentration on the wafer surface cannot be sufficiently increased, which is undesirable in terms of wafer strength. was enough.

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、シリコン単結晶ウェーハの表層の炭素濃度を高濃度とし、かつ表面の炭素濃度分布を均一にすることにより、ウェーハ強度を向上させることができる炭素ドープシリコン単結晶ウェーハ及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and the carbon concentration that can improve the wafer strength by increasing the carbon concentration in the surface layer of a silicon single crystal wafer and making the carbon concentration distribution on the surface uniform. An object of the present invention is to provide a doped silicon single crystal wafer and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するために、本発明は、炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハを準備する工程と、前記シリコン単結晶ウェーハに対し、炭素原子含有化合物ガスを含む雰囲気において、第1のRTA処理を行う工程と、前記第1のRTA処理よりも高い温度で、前記第1のRTA処理に連続する第2のRTA処理を行う工程と、を有し、前記第1及び第2のRTA処理により、前記シリコン単結晶ウェーハに対し、空孔を注入するとともに炭素をドープし、前記シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度を1×1017atoms/cm以上とすることを特徴とする炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a step of preparing a silicon single crystal wafer not doped with carbon, and performing a first RTA on the silicon single crystal wafer in an atmosphere containing a carbon atom-containing compound gas. and performing a second RTA treatment that follows the first RTA treatment at a temperature higher than that of the first RTA treatment, wherein the first and second RTA treatments by implanting vacancies and doping carbon into the silicon single crystal wafer, and increasing the carbon concentration to 1×10 17 atoms/cm 3 within a depth range of 0.1 μm from the surface of the silicon single crystal wafer. A method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer characterized by the above is provided.

このような炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法であれば、急速加熱・急速冷却によるRTA(Rapid Thermal Annealing、急速熱処理)処理段階で、炭素と空孔を一緒に注入することにより、単結晶化した結晶位置の影響を受けず空孔の作用によって炭素の拡散係数を大きくすることができる。その結果、炭素を表面から均一に拡散することができるとともに、シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上と高くすることができ、高いウェーハ強度を得ることができる。 In such a method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer, single crystallization is achieved by injecting carbon and vacancies together in the RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment stage by rapid heating and rapid cooling. The diffusion coefficient of carbon can be increased by the action of vacancies without being affected by the crystal position. As a result, carbon can be uniformly diffused from the surface, and the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the silicon single crystal wafer can be increased to 1×10 17 atoms/cm 3 or more. , high wafer strength can be obtained.

本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法においては、前記製造する炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmより深い領域において、炭素濃度を1×1015atoms/cm以上とすることが好ましい。 In the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention, the carbon concentration is set to 1×10 15 atoms/cm 3 or more in a region deeper than 0.1 μm from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer to be produced. is preferred.

製造するウェーハのバルク部の炭素濃度をこのようにすることにより、より高いウェーハ強度と所望の酸素析出量に制御することができる。 By setting the carbon concentration in the bulk portion of the wafer to be manufactured in this way, it is possible to control the wafer strength to a higher level and the desired amount of precipitated oxygen.

また、前記準備するシリコン単結晶ウェーハの酸素濃度を11ppma以上とすること
が好ましい。
Moreover, it is preferable that the silicon single crystal wafer to be prepared has an oxygen concentration of 11 ppma or more.

このように、準備するウェーハの酸素濃度を11ppmaとすることにより、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハにおける酸素析出がより容易になる。なお、本発明の説明において、酸素濃度はJEITA基準で表示される。 Thus, by setting the oxygen concentration of the wafer to be prepared to 11 ppma, oxygen precipitation in the carbon-doped silicon single crystal wafer becomes easier. Incidentally, in the explanation of the present invention, the oxygen concentration is indicated according to the JEITA standard.

また、前記第2のRTA処理を行う工程よりも後に、前記第1及び第2のRTA処理により前記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面に形成されたアモルファス炭化膜を除去する工程を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable to include, after the step of performing the second RTA treatment, a step of removing an amorphous carbide film formed on the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer by the first and second RTA treatments. .

このように、表面に形成されたアモルファス炭化膜を除去することで、デバイス作製時に改めてアモルファス炭化膜を除去する必要がない。 By removing the amorphous carbonized film formed on the surface in this way, it is not necessary to remove the amorphous carbonized film again when fabricating the device.

また、前記準備するシリコン単結晶ウェーハをNv領域、Ni領域及びV領域のいずれかからなるシリコン単結晶ウェーハとすることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the silicon single crystal wafer to be prepared is a silicon single crystal wafer comprising any one of the Nv region, the Ni region and the V region.

本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法により製造したシリコン単結晶ウェーハ中には炭素が存在しているので、どのような欠陥領域であっても酸素析出を形成することができるが、準備するウェーハをこのような欠陥領域のウェーハとすることにより、より酸素析出がしやすくなる。 Since carbon is present in the silicon single crystal wafer produced by the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention, oxygen precipitates can be formed in any defect region. Oxygen precipitation is more likely to occur by using a wafer having such a defective region as a wafer to be subjected to oxygen deposition.

また、前記第1及び第2のRTA処理における雰囲気を、炭化水素ガスを含むとともに、Ar又はNHあるいはArとNHの両方を含む混合雰囲気とすることが好ましい。 Further, it is preferable that the atmosphere in the first and second RTA processes be a mixed atmosphere containing hydrocarbon gas and containing Ar or NH3 or both Ar and NH3 .

このような雰囲気で熱処理することにより、より効果的に炭素と一緒に空孔を注入することができる。 By heat-treating in such an atmosphere, vacancies can be more effectively injected together with carbon.

また、前記第1のRTA処理を、600℃以上850℃以下の温度で、5秒以上60秒以下の時間保持することで行い、前記第2のRTA処理を、1100℃以上シリコン融点以下の温度で、10秒以上150秒以下の時間保持することで行うことが好ましい。 Further, the first RTA treatment is performed at a temperature of 600° C. or more and 850° C. or less for a time of 5 seconds or more and 60 seconds or less, and the second RTA treatment is performed at a temperature of 1100° C. or more and the melting point of silicon or less. It is preferable to hold for 10 seconds or more and 150 seconds or less.

このようなRTA処理の条件により、より効果的に炭素と一緒に空孔を注入することができる。 Voids can be more effectively injected together with carbon under such RTA processing conditions.

また、本発明は、炭素がドープされ、空孔を有するシリコン単結晶ウェーハであって、前記シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度が1×1017atoms/cm以上であることを特徴とする炭素ドープシリコン単結晶ウェーハを提供する。 The present invention also provides a silicon single crystal wafer doped with carbon and having vacancies, wherein the carbon concentration is 1×10 17 atoms/m in a depth range of 0.1 μm from the surface of the silicon single crystal wafer. A carbon-doped silicon single crystal wafer characterized by having a surface area of 1 cm 3 or more is provided.

このような炭素ドープシリコン単結晶ウェーハは、表面の炭素濃度が1×1017atoms/cm以上と高いため、高いウェーハ強度を得ることができる。 Such a carbon-doped silicon single crystal wafer has a surface carbon concentration as high as 1×10 17 atoms/cm 3 or more, so that high wafer strength can be obtained.

また、前記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmより深い領域において、炭素濃度が1×1015atoms/cm以上であることが好ましい。 Further, in a region deeper than 0.1 μm from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer, the carbon concentration is preferably 1×10 15 atoms/cm 3 or more.

バルク部の炭素濃度をこのようにすることにより、より高いウェーハ強度と所望の酸素析出量に制御することができる。 By setting the carbon concentration in the bulk portion in this way, it is possible to control the wafer strength to a higher level and the desired amount of precipitated oxygen.

また、前記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの酸素濃度が11ppma以上であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the carbon-doped silicon single crystal wafer has an oxygen concentration of 11 ppma or more.

このような酸素濃度であれば、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハにおける酸素析出がより容易になる。 With such an oxygen concentration, oxygen precipitation in the carbon-doped silicon single crystal wafer becomes easier.

また、前記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面にアモルファス炭化膜を有しないものとすることができる。 In addition, the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer may not have an amorphous carbonized film.

このように、表面にアモルファス炭化膜を有しない炭素ドープシリコン単結晶ウェーハであれば、デバイス作製時に改めてアモルファス炭化膜を除去する必要がない。 Thus, if the carbon-doped silicon single crystal wafer does not have an amorphous carbide film on the surface, it is not necessary to remove the amorphous carbide film again when fabricating devices.

また、前記シリコン単結晶ウェーハがNv領域、Ni領域及びV領域のいずれかからなるものであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the silicon single crystal wafer consists of any one of Nv region, Ni region and V region.

このような欠陥領域のウェーハとすることにより、より酸素析出がしやすくなる。 Oxygen precipitation is more likely to occur by using a wafer having such defect regions.

本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法であれば、RTA処理段階で、炭素と空孔を一緒に注入することにより、単結晶化した結晶位置の影響を受けず空孔の作用によって炭素の拡散係数を大きくすることができる。その結果、炭素を表面から均一に拡散することができるとともに、シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上と高くすることができ、高いウェーハ強度を得ることができる。また、本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハは、表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度が1×1017atoms/cm以上と高いため、高いウェーハ強度を得ることができる。 According to the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention, by implanting carbon and vacancies together in the RTA treatment stage, carbon is injected by the action of vacancies without being affected by the single-crystallized crystal position. can increase the diffusion coefficient of As a result, carbon can be uniformly diffused from the surface, and the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the silicon single crystal wafer can be increased to 1×10 17 atoms/cm 3 or more. , high wafer strength can be obtained. In addition, since the carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention has a high carbon concentration of 1×10 17 atoms/cm 3 or more in a range of depth of 0.1 μm from the surface, high wafer strength can be obtained.

本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the carbon doped silicon single crystal wafer of this invention. 本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法におけるRTA処理の温度プロファイルの概略を示すグラフである。1 is a graph showing an outline of the temperature profile of RTA treatment in the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention. 本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法の過程における炭化水素ガスの付着を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing adhesion of hydrocarbon gas during the process of the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention; 実施例における炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの炭素濃度分布をSIMSにより測定した結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of SIMS measurement of the carbon concentration distribution of carbon-doped silicon single crystal wafers in Examples. 比較例における炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの炭素濃度分布をSIMSにより測定した結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of SIMS measurement of the carbon concentration distribution of a carbon-doped silicon single crystal wafer in a comparative example. FIG.

上記のように、最近のデバイス工程の低温化プロセスの進展により、シリコン単結晶ウェーハにおいてますます酸素析出がしにくくなっているため、このような低温デバイス工程においても所望の酸素析出量に制御できる技術が望まれていた。本発明者らは、ウェーハ強度を向上するためには、シリコン単結晶ウェーハに炭素をドープし、さらに、ウェーハ表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上にする必要があることを見出した。また、本発明者らは、さらに、熱処理段階で炭素と空孔を一緒に注入することにより、単結晶化した結晶位置の影響を受けず空孔の作用によって炭素の拡散係数を大きくすることで酸素析出を均一に増速成長させることができることを見出し、本発明を完成させた。 As described above, due to the recent progress in low temperature processes in device processes, oxygen precipitation in silicon single crystal wafers is becoming more and more difficult. technology was desired. In order to improve the wafer strength, the present inventors doped the silicon single crystal wafer with carbon, and set the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the wafer surface to 1×10 17 atoms/cm 3 . I found that I needed to do more. In addition, the present inventors further discovered that by implanting carbon and vacancies together in the heat treatment step, the diffusion coefficient of carbon can be increased by the action of the vacancies without being affected by the single-crystallized crystal position. The inventors have found that oxygen precipitation can be uniformly grown at an accelerated rate, and have completed the present invention.

本発明は、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハを準備する工程と、前記シリコン単結晶ウェーハに対し、炭素原子含有化合物ガスを含む雰囲気において、第1のRTA処理を行う工程と、前記第1のRTA処理よりも高い温度で、前記第1のRTA処理に連続する第2のRTA処理を行う工程と、を有し、前記第1及び第2のRTA処理により、前記シリコン単結晶ウェーハに対し、空孔を注入するとともに炭素をドープし、前記シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度を1×1017atoms/cm以上とすることを特徴とする。 The present invention relates to a method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer, comprising the steps of preparing a silicon single crystal wafer that is not doped with carbon; , a step of performing a first RTA treatment, and a step of performing a second RTA treatment following the first RTA treatment at a temperature higher than that of the first RTA treatment, wherein the first and By the second RTA treatment, vacancies are injected into the silicon single crystal wafer and carbon is doped, and the carbon concentration is reduced to 1×10 within a depth range of 0.1 μm from the surface of the silicon single crystal wafer. It is characterized by being 17 atoms/cm 3 or more.

まず、図1(a)に示したように、炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハを準備する(工程a)。ここで準備するシリコン単結晶ウェーハは、チョクラルスキー法によって引き上げられたシリコン単結晶インゴットから作製されたシリコン単結晶ウェーハとすることが好ましい。また、本発明において「炭素ドープがされていない」とは、意図的に炭素をシリコン単結晶ウェーハに添加していないという意味であり、意図しない不可避的な不純物として炭素を含むシリコン単結晶ウェーハは「炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハ」に含まれる。 First, as shown in FIG. 1(a), a silicon single crystal wafer not doped with carbon is prepared (step a). The silicon single crystal wafer prepared here is preferably a silicon single crystal wafer produced from a silicon single crystal ingot pulled by the Czochralski method. In addition, in the present invention, "not doped with carbon" means that carbon is not intentionally added to the silicon single crystal wafer, and the silicon single crystal wafer containing carbon as an unintentional and unavoidable impurity is It is included in "silicon single crystal wafer not doped with carbon".

ここで準備する炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハは、例えば、以下のようにして準備することができる。まず、チョクラルスキー法(CZ法)によって、シリコン単結晶インゴットを引き上げる。ここでは、Grown-in欠陥のないシリコン単結晶インゴットが引き上げ可能な引き上げ速度でシリコン単結晶インゴットを引き上げることが好ましい。次に、シリコン単結晶インゴットを、スライス、研削、研磨、エッチング等の公知の方法によりシリコン単結晶ウェーハに加工する(CW加工)。 A silicon single crystal wafer not doped with carbon to be prepared here can be prepared, for example, as follows. First, a silicon single crystal ingot is pulled up by the Czochralski method (CZ method). Here, it is preferable to pull the silicon single crystal ingot at a pulling speed at which a silicon single crystal ingot free of Grown-in defects can be pulled. Next, the silicon single crystal ingot is processed into a silicon single crystal wafer by a known method such as slicing, grinding, polishing, etching (CW processing).

ここで準備するシリコン単結晶ウェーハの酸素濃度は、11ppma以上とすることが好ましい。この酸素濃度は引き上げ時の条件を調整することによって達成することができる。また、ここで準備するシリコン単結晶ウェーハは、Nv領域、Ni領域及びV領域のいずれかからなるシリコン単結晶ウェーハとすることが好ましい。これらの欠陥領域からなるシリコン単結晶ウェーハは、引き上げ時の条件、特に引上げ速度を調整することにより得ることができる。また、全面がNv領域からなるウェーハ、全面がNi領域からなるウェーハ、全面がV領域からなるウェーハであってもよいが、これらが混在するウェーハであってもよい。なお、チョクラルスキー法にて引き上げられたシリコン単結晶では、結晶製造工程において点欠陥(空孔、格子間シリコン)が導入され、これらが凝集してGrown-in欠陥を形成する領域(V領域、I領域)と、点欠陥が凝集していない完全結晶領域(N領域)等が存在する。また、N領域の中にも、点欠陥の凝集は起こっていないものの、空孔が優勢なNv領域と、格子間シリコンが優勢なNi領域とが存在する。 The oxygen concentration of the silicon single crystal wafer prepared here is preferably 11 ppma or more. This oxygen concentration can be achieved by adjusting the conditions during pulling. Moreover, the silicon single crystal wafer prepared here is preferably a silicon single crystal wafer composed of any one of the Nv region, the Ni region and the V region. A silicon single crystal wafer having these defect regions can be obtained by adjusting the pulling conditions, particularly the pulling speed. A wafer entirely composed of the Nv region, a wafer entirely composed of the Ni region, or a wafer entirely composed of the V region may be used, or a wafer in which these are mixed. In the silicon single crystal pulled by the Czochralski method, point defects (vacancies, interstitial silicon) are introduced in the crystal manufacturing process, and these aggregate to form Grown-in defects (V region , I region), and a perfectly crystalline region (N region) in which point defects are not aggregated. Also, in the N region, there are an Nv region in which vacancies are predominant and an Ni region in which interstitial silicon is predominant, although point defects are not aggregated.

次に、図1(b)に示したように、上記のように準備した炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハに対し、炭素原子含有化合物ガスを含む雰囲気において、第1のRTA処理を行う(工程b)。 Next, as shown in FIG. 1(b), the silicon single crystal wafer which is not doped with carbon and is prepared as described above is subjected to a first RTA treatment in an atmosphere containing a carbon atom-containing compound gas. (Step b).

次に、図1(c)に示したように、第1のRTA処理よりも高い温度で、第1のRTA処理に連続する第2のRTA処理を行う(工程c)。 Next, as shown in FIG. 1(c), a second RTA treatment, which follows the first RTA treatment, is performed at a temperature higher than that of the first RTA treatment (step c).

第1及び第2のRTA処理における雰囲気を、炭化水素ガスを含むとともに、Ar又はNHあるいはArとNHの両方を含む混合雰囲気とすることが好ましい。このような雰囲気で熱処理することにより、より効果的に炭素と一緒に空孔を注入することができる。 The atmosphere in the first and second RTA processes is preferably a mixed atmosphere containing hydrocarbon gas and containing Ar or NH 3 or both Ar and NH 3 . By heat-treating in such an atmosphere, vacancies can be more effectively injected together with carbon.

第1のRTA処理と第2のRTA処理について、RTA処理の温度プロファイルの概略を図2に示した。第1のRTA処理は、600℃以上850℃以下の温度で、5秒以上60秒以下の時間保持することで炭化水素ガスを炭化しないようにシリコン単結晶ウェーハ表面全体に付着させることが好ましい。また、第2のRTA処理を、1100℃以上シリコン融点以下の温度で、10秒以上150秒以下の時間保持することでシリコン単結晶ウェーハ表面に付着した炭素を内方拡散させることが好ましい。このようなRTA処理の条件により、より効果的に炭素と一緒に空孔を注入することができる。 FIG. 2 shows an outline of the temperature profile of the RTA treatment for the first RTA treatment and the second RTA treatment. The first RTA treatment is preferably carried out at a temperature of 600° C. or higher and 850° C. or lower for a period of 5 seconds or longer and 60 seconds or shorter so that the hydrocarbon gas adheres to the entire surface of the silicon single crystal wafer so as not to carbonize. In addition, it is preferable to hold the second RTA treatment at a temperature of 1100° C. or more and the melting point of silicon or less for 10 seconds or more and 150 seconds or less, thereby inwardly diffusing carbon adhering to the surface of the silicon single crystal wafer. Voids can be more effectively injected together with carbon under such RTA processing conditions.

第1のRTA処理(工程b)及び第2のRTA処理(工程c)により、シリコン単結晶ウェーハに対し、空孔を注入するとともに炭素をドープすることができる。また、本発明は、RTA処理段階で、炭素と空孔を一緒に注入することにより、単結晶化した結晶位置の影響を受けず空孔の作用によって炭素の拡散係数を大きくすることができる。その結果、炭素を表面から均一に拡散することができるとともに、シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上と高くすることができ、高いウェーハ強度を得ることができる。 By the first RTA treatment (step b) and the second RTA treatment (step c), vacancies can be injected into the silicon single crystal wafer and carbon can be doped. In addition, according to the present invention, by implanting carbon and vacancies together in the RTA process, it is possible to increase the diffusion coefficient of carbon by the action of vacancies without being affected by the position of single-crystallized crystals. As a result, carbon can be uniformly diffused from the surface, and the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the silicon single crystal wafer can be increased to 1×10 17 atoms/cm 3 or more. , high wafer strength can be obtained.

また、本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、さらに、製造する炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmより深い領域において、炭素濃度を1×1015atoms/cm以上とすることができる。 Further, in the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention, the carbon concentration is set to 1×10 15 atoms/cm 3 or more in a region deeper than 0.1 μm from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer to be produced. can do.

このようなウェーハ厚さ方向の炭素濃度分布を制御した炭素の分布とできるのは、シリコン単結晶のダイヤモンド構造は隙間が多く、不純物を拡散させやすい構造であるためである。特に空孔優勢の状態では空孔の作用により炭素が極めて拡散しやすくなる。そのため、まず、第1のRTAにより、図3に示したように、シリコン単結晶ウェーハWの表面に炭素を均一に付着させる。その後の第2のRTAで、シリコン単結晶ウェーハ表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上とすることができ、また、好ましくはバルク領域の炭素濃度を1×1015atoms/cm以上に制御することができ、高いウェーハ強度と所望の酸素析出量に制御することができる。 The reason why such a carbon concentration distribution in the wafer thickness direction can be controlled is that the diamond structure of a silicon single crystal has many gaps and is a structure in which impurities are easily diffused. In particular, in a state where vacancies are dominant, the action of vacancies makes it extremely easy for carbon to diffuse. Therefore, first, as shown in FIG. 3, carbon is uniformly deposited on the surface of the silicon single crystal wafer W by the first RTA. In the subsequent second RTA, the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the silicon single crystal wafer can be made 1×10 17 atoms/cm 3 or more, and preferably the carbon concentration in the bulk region. can be controlled to 1×10 15 atoms/cm 3 or more, and a high wafer strength and a desired amount of precipitated oxygen can be obtained.

このように、RTAの2段熱処理により表面にアモルファス炭素膜が形成する。これと同時に空孔が発生することにより、炭素が内方拡散しやすくなり、極表面の炭素濃度が極めて高くなる。またバルク部の炭素濃度は熱処理温度が高い第2のRTAの温度での炭素の固溶度まで拡散させることができる。 Thus, an amorphous carbon film is formed on the surface by the two-step heat treatment of RTA. At the same time, vacancies are generated, which facilitates the inward diffusion of carbon, and the carbon concentration on the pole surface becomes extremely high. Also, the carbon concentration in the bulk portion can be diffused to the solid solubility of carbon at the temperature of the second RTA having a higher heat treatment temperature.

また、本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、さらに、第2のRTA処理(工程c)よりも後に、図1(d)に示したように、第1のRTA処理及び第2のRTA処理により炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面に形成されたアモルファス炭化膜を除去する工程(工程d)を有することができる。 Further, in the method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention, after the second RTA treatment (step c), as shown in FIG. (step d) of removing the amorphous carbonized film formed on the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer by the RTA treatment.

上記のように第1のRTA処理及び第2のRTA処理によりアモルファス炭化膜が15nm程度形成されるので、これを除去することが好ましい。この工程は任意工程であるが、表面に形成されたアモルファス炭化膜を除去することで、デバイス作製時に改めてアモルファス炭化膜を除去する必要がない。また、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度を1×1017atoms/cm以上にすることができれば、アモルファス炭化膜より深く表面を研磨する工程を行っても構わない。 Since an amorphous carbonized film of about 15 nm is formed by the first RTA treatment and the second RTA treatment as described above, it is preferable to remove it. Although this step is an optional step, removing the amorphous carbonized film formed on the surface eliminates the need to remove the amorphous carbonized film again when fabricating the device. Further, if the carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer can be made 1×10 17 atoms/cm 3 or more, the step of polishing the surface deeper than the amorphous carbide film is performed. I don't mind.

このような本発明の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法によって製造された炭素ドープシリコン単結晶ウェーハは、炭素がドープされ、空孔を有するシリコン単結晶ウェーハであって、シリコン単結晶の表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度が1×1017atoms/cm以上とした炭素ドープシリコン単結晶ウェーハである。また、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmより深い領域において、炭素濃度が1×1015atoms/cm以上であることが好ましい。 The carbon-doped silicon single crystal wafer manufactured by the method for manufacturing a carbon-doped silicon single crystal wafer of the present invention is a silicon single crystal wafer doped with carbon and having vacancies. A carbon-doped silicon single crystal wafer having a carbon concentration of 1×10 17 atoms/cm 3 or more in a depth range of 0.1 μm. Moreover, in a region deeper than 0.1 μm from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer, the carbon concentration is preferably 1×10 15 atoms/cm 3 or more.

また、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハは、酸素濃度が11ppma以上であることが好ましく、Nv領域、Ni領域及びV領域のいずれかからなるものであることが好ましい。 Further, the carbon-doped silicon single crystal wafer preferably has an oxygen concentration of 11 ppma or more, and is preferably composed of any one of Nv region, Ni region and V region.

また、上記工程(d)を行うことにより、炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面にアモルファス炭化膜を有しないウェーハとすることができる。 Further, by performing the above step (d), it is possible to obtain a carbon-doped silicon single crystal wafer having no amorphous carbide film on its surface.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これら実施例は本発明を限定するものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples and Comparative Examples, but these Examples are not intended to limit the present invention.

(実施例)
まず、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶インゴットを引き上げ、これをウェーハに加工することにより、炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハとして、直径200mm、結晶面(100)、P型、通常抵抗、酸素濃度12ppma(JEITA)、炭素濃度2.5×1015atoms/cm未満、結晶領域がNv領域のシリコン単結晶ウェーハを準備した(工程a)。
(Example)
First, by pulling up a silicon single crystal ingot by the Czochralski method and processing it into a wafer, a silicon single crystal wafer not doped with carbon has a diameter of 200 mm, a crystal plane (100), a P-type, normal resistance, A silicon single crystal wafer having an oxygen concentration of 12 ppma (JEITA), a carbon concentration of less than 2.5×10 15 atoms/cm 3 and a crystal region of Nv region was prepared (step a).

次に、第1及び第2のRTA処理を次のように行った。 Next, the first and second RTA treatments were performed as follows.

シリコン単結晶ウェーハをRTA処理装置に投入後、室温から800℃未満まで昇温した後、800℃で20秒保持した(工程b、第1のRTA)。このときの雰囲気はCH+NH/Arで、2%炭素濃度とした。 After the silicon single crystal wafer was placed in the RTA processing apparatus, the temperature was raised from room temperature to less than 800° C., and then held at 800° C. for 20 seconds (step b, first RTA). At this time, the atmosphere was CH 4 +NH 3 /Ar with a carbon concentration of 2%.

次に、1200℃まで昇温し、1200℃で10秒保持した(工程c、第2のRTA)。このときの雰囲気は第1のRTAから連続でCH+NH/Arで、2%炭素濃度とした。その後降温した。 Next, the temperature was raised to 1200° C. and held at 1200° C. for 10 seconds (step c, second RTA). At this time, the atmosphere was CH 4 +NH 3 /Ar continuously from the first RTA, and the carbon concentration was 2%. After that, the temperature was lowered.

次に、シリコン単結晶ウェーハの表面に付着したアモルファス炭化膜を除去した(工程d)。このときは取り代0.1μm狙いで研磨加工を行った。 Next, the amorphous carbonized film adhering to the surface of the silicon single crystal wafer was removed (step d). At this time, polishing processing was performed with a removal allowance of 0.1 μm.

最後に、SIMS(二次イオン質量分析法)を用いて、製造した炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの炭素濃度の深さ分布を測定した。その結果を図4に示す。炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度は1×1021atoms/cmであった。また、表面から0.1μmよりも深い領域の炭素濃度は3×1016atoms/cm以上であり、これは、1200℃の炭素固溶度に近い濃度である。なお、SIMSによる炭素濃度の検出下限は約7×1015atoms/cmである。 Finally, SIMS (secondary ion mass spectrometry) was used to measure the depth distribution of the carbon concentration of the produced carbon-doped silicon single crystal wafer. The results are shown in FIG. The carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer was 1×10 21 atoms/cm 3 . Also, the carbon concentration in the region deeper than 0.1 μm from the surface is 3×10 16 atoms/cm 3 or more, which is close to the solid solubility of carbon at 1200°C. The lower detection limit of carbon concentration by SIMS is about 7×10 15 atoms/cm 3 .

(比較例)
まず、実施例と同様に、炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハとして、直径200mm、結晶面(100)、P型、通常抵抗、酸素濃度12ppma(JEITA)、炭素濃度2.5×1015atoms/cm未満、結晶領域がNv領域のシリコン単結晶ウェーハを準備した。
(Comparative example)
First, as in the example, a silicon single crystal wafer not doped with carbon had a diameter of 200 mm, a crystal face (100), P-type, normal resistance, an oxygen concentration of 12 ppma (JEITA), and a carbon concentration of 2.5×10 15 . A silicon single crystal wafer having a crystal region of less than atoms/cm 3 and a Nv region was prepared.

次に、縦型熱処理炉を用いて炭素ドープ熱処理を行った。まず、縦型熱処理炉に750℃で投入した後1000℃まで10℃/minの昇温速度で昇温した。その後、1000℃から1200℃まで3℃/minの昇温速度で昇温し、1200℃で60分保持し、-3℃/minの降温速度で降温した。その後、700℃で縦型熱処理炉から取り出した。全熱処理工程のガス雰囲気は炭素1%濃度のCO+Arとした。 Next, carbon doping heat treatment was performed using a vertical heat treatment furnace. First, it was placed in a vertical heat treatment furnace at 750° C. and then heated up to 1000° C. at a rate of 10° C./min. Thereafter, the temperature was raised from 1000° C. to 1200° C. at a rate of 3° C./min, held at 1200° C. for 60 minutes, and then cooled at a rate of −3° C./min. After that, it was taken out from the vertical heat treatment furnace at 700°C. The gas atmosphere in the entire heat treatment process was CO 2 +Ar with a carbon concentration of 1%.

最後に、熱処理したウェーハの表面酸化膜を除去して、SIMSの炭素プロファイルを評価した。その結果を図5に示す。ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲の炭素濃度は2×1016atoms/cmであり、深さ2μm付近の炭素濃度は固溶度に近付く3×1016atoms/cmとなり、バルク方向に炭素濃度が低減することが確認された。 Finally, the surface oxide film of the heat-treated wafer was removed to evaluate the SIMS carbon profile. The results are shown in FIG. The carbon concentration in the range of 0.1 μm depth from the surface of the wafer is 2×10 16 atoms/cm 3 , and the carbon concentration near the depth of 2 μm is 3×10 16 atoms/cm 3 , which is close to the solid solubility. It was confirmed that the carbon concentration decreased in the bulk direction.

本発明の方法により、シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度を1×1017atoms/cm以上とすることができることがわかる。 It can be seen that the method of the present invention can increase the carbon concentration to 1×10 17 atoms/cm 3 or more in a depth range of 0.1 μm from the surface of the silicon single crystal wafer.

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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments. The above embodiment is an example, and any device that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and produces similar effects is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

W…シリコン単結晶ウェーハ。 W: Silicon single crystal wafer.

Claims (7)

炭素ドープがされていないシリコン単結晶ウェーハを準備する工程と、
前記シリコン単結晶ウェーハに対し、炭素原子含有化合物ガスを含む雰囲気において、第1のRTA処理を行う工程と、
前記第1のRTA処理よりも高い温度で、前記第1のRTA処理に連続する第2のRTA処理を行う工程と、
を有し、
前記第1及び第2のRTA処理により、前記シリコン単結晶ウェーハに対し、空孔を注入するとともに炭素をドープし、前記シリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmの深さの範囲において、炭素濃度を1×1017atoms/cm以上とすることを特徴とする炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
preparing a silicon single crystal wafer not doped with carbon;
a step of subjecting the silicon single crystal wafer to a first RTA treatment in an atmosphere containing a carbon atom-containing compound gas;
performing a second RTA treatment subsequent to the first RTA treatment at a higher temperature than the first RTA treatment;
has
By the first and second RTA treatments, vacancies are injected into the silicon single crystal wafer and carbon is doped into the silicon single crystal wafer, and the carbon concentration is reduced in a range of depth of 0.1 μm from the surface of the silicon single crystal wafer. is 1×10 17 atoms/cm 3 or more, a method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer.
記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面から0.1μmより深い領域において、炭素濃度を1×1015atoms/cm以上とすることを特徴とする請求項1に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 2. The carbon-doped silicon single crystal according to claim 1, wherein a carbon concentration is set to 1×10 15 atoms/cm 3 or more in a region deeper than 0.1 μm from the surface of the carbon -doped silicon single crystal wafer. Wafer manufacturing method. 前記準備するシリコン単結晶ウェーハの酸素濃度を11ppma以上とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 3. The method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer according to claim 1, wherein the silicon single crystal wafer to be prepared has an oxygen concentration of 11 ppma or more. 前記第2のRTA処理を行う工程よりも後に、前記第1及び第2のRTA処理により前記炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの表面に形成されたアモルファス炭化膜を除去する工程を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 A step of removing an amorphous carbide film formed on the surface of the carbon-doped silicon single crystal wafer by the first and second RTA treatments after the step of performing the second RTA treatment. The method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer according to any one of claims 1 to 3. 前記準備するシリコン単結晶ウェーハをNv領域、Ni領域及びV領域のいずれかからなるシリコン単結晶ウェーハとすることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 5. The carbon-doped silicon according to any one of claims 1 to 4, wherein the silicon single crystal wafer to be prepared is a silicon single crystal wafer comprising any one of Nv region, Ni region and V region. A method for manufacturing a single crystal wafer. 前記第1及び第2のRTA処理における雰囲気を、炭化水素ガスを含むとともに、Ar又はNHあるいはArとNHの両方を含む混合雰囲気とすることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。 The atmosphere in the first and second RTA processes is a mixed atmosphere containing hydrocarbon gas and containing Ar or NH3 or both Ar and NH3 . A method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer according to any one of claims 1 to 3. 前記第1のRTA処理を、600℃以上850℃以下の温度で、5秒以上60秒以下の時間保持することで行い、
前記第2のRTA処理を、1100℃以上シリコン融点以下の温度で、10秒以上150秒以下の時間保持することで行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炭素ドープシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
The first RTA treatment is performed at a temperature of 600° C. or more and 850° C. or less for a time of 5 seconds or more and 60 seconds or less,
7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the second RTA treatment is performed at a temperature of 1100[deg.] C. or more and below the melting point of silicon for a time of 10 seconds or more and 150 seconds or less. A method for producing a carbon-doped silicon single crystal wafer of
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