JPH01242500A - シリコン基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、表面近傍に素子活性領域となる無欠陥層（Ｄ
Ｚ層）、内部に汚染物質や欠陥を吸収するゲッタリング
層（ＩＧ層）を形成したＣｚシリコン基板の製造方法に
係わり、特に、ＤＺ層近傍におけるＩＧ層中の欠陥密度
を高め、ゲッタリング効果を高める改良に関する。

「従来の技術」 この種のＤＺ層およびＩＧ層を有するシリコン基板を製
造する場合、従来では、第５図に示すように、Ｃｚシリ
コン基板を１０００−１１５０℃において６０〜３００
分加熱した後、この基板を自然放熱により７００〜ｓ　
ｏ　ｏ　’ｃまで冷却し、さらに、この温度で２０００
〜３０００分等温に保つ２段階加熱法が主に採られてい
る。

上記１０００〜１１５０℃での高温熱処理は、シリコン
基板内の酸素原子を外方に拡散させ、最終的にＤＺ層と
なる酸素密度の低い領域を形成するための工程である。

一方、上記７００〜８００　’Ｏに保持する低温熱処理
は、ウェハ中に存在する酸素析出核（微細な５１０２）
において酸素を析出させ、酸素析出物を形成し、さらに
これを積層欠陥に発展させてＩＧ層を形成するための工
程である。

なお、上記の２段階加熱性以外に、７００〜１１５０℃
内の２温度においてそれぞれ等温熱処理を行なう３段階
加熱法も一部で採られている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、上記各方法によって得られるシリコン基板で
は、深さ方向での欠陥密度が、第６図に示すように中央
部で極大となる山形をなし、このため以下のように互い
に相反する問題■、■を生じている。

■ＩＧ層内の欠陥密度がＤＺ層の近傍において比較的小
さく、ゲッタリング効果が不十分な場合がある。しかし
、１６層中の酸素析出密度を高くするために低温熱処理
を延長すると、欠陥がＤＺ層にまで侵入し、デバイス特
性を悪化させる。

■一方、無欠陥のＤＺ層の厚さを十分大きくするために
、酸素原子の外方拡散を促進する目的で高温熱処理を延
長すると、ＩＧ層中の酸素析出核の一部が収縮または消
滅して酸素析出物密度が低下し、結果的に欠陥密度が低
下してゲッタリング効果が悪化する。

「発明の背景」 そこで本発明者らは、シリコン単結晶中の酸素析出核の
形成について詳細に研究を行ない、従来は１段階反応と
して考えられていた酸素析出核の形成が、以下のような
２段階反応からなることを解明した。

■まず、１２００℃以上の高温時に、Ｓｉ格子の間隙に
はみ出したＳ１原子（格子間Ｓｉ）が相互に作用して潜
在核（Ｓｉクラスター）を形成する。

■次に、８００℃以下の低温時に、基板中に溶存してい
る酸素原子が前記潜在核に析出し、酸素析出核（微細な
ＳｉＯ□）を生じるのである。

なお従来法では１２００℃以上の加熱を行なっていない
が、■の反応はＣＺ法による単結晶引き上げ後に起こっ
ていると考えられる。

本発明者らは、この知見を応用してゲッタリング効果の
高いＩＧ層を形成することを検討し、次のような旭理法
を案出するに至った。

「課題を解決するだめの手段」 以下、本発明に係わるシリコン基板の製造方法を、第１
図を参照しつつ具体的に説明する。

この方法ではまず、ＣＺシリコン単結晶基板を、ｄｒｙ
ｏ　２．ｖ亡ＬＯ２等の酸化雰囲気中において１２００
℃以上で１５分以上、望ましくは１２００　’Ｏ〜１３
５０℃で２０分以上保持する。

この高温熱処理により、シリコン基板の表面の５１が酸
化されて５ｉ０２が生成する。すると、このＳｉｎ、は
Ｓｉよりも占有体積が大きいため、もとは格子位置にあ
ったＳｉが格子間に押し出され、その一部が格子間Ｓｉ
となって基板内方へ拡散していく。

この時、同時にシリコン基板内の酸素原子が順次外方に
拡散して、酸素濃度の低いＤＺＩＩとなる領域が形成さ
れていく。ところが、酸素原子の拡散速度は格子間Ｓｉ
の拡散速度よりも小さいため、ＩＧ層中のＤＺ層に近い
部分には、この速度差により、第２図に示すように酸素
濃度と格子間Ｓｉ濃度が共に比較的高い領域（イ）が形
成される。そしてさらに、この温度で１５分以上、望ま
しくは２０分以上経過すると、格子間Ｓｉが相互に影響
して潜在核（Ｓｉクラスター）が形成される。なお、こ
の潜在核は、この状態ではまだ酸素析出核として作用し
ない。また、前記処理温度が１２００℃以下あるいは１
５分以下では、内方拡散した格子間ＳｉをＳｉクラスタ
ーに変化させることができず、一方、１２００〜１３５
０℃および２０分以上の範囲であればその効果をさらに
高められる。

次に、上記高温処理の完了したシリコン基板を、５００
℃まで冷却する。この冷却処理に際しては、少なくとも
一部の温度範囲（ｇ　ｏ　ｏ〜５００℃）において冷却
速度１〜１０’（！／分で徐冷する徐冷工程が必ず必要
で、さらに冷却途中に８００〜５００℃内の略一定温度
で３０分以上保持する等温熱処理工程を加えるのが望ま
しい。

この冷却処理においては、前記高温熱処理で形成された
潜在核（Ｓｉクラスター）が、基板中に溶存している酸
素と反応して酸素析出核（微細な５ｉＯ２）を形成する
。したがって、この酸素析出核の濃度は、第３図に示す
ように、酸素およびクラスターの濃度が双方とも高い前
記領域（イ）において極大となる。なお、１２００〜５
００℃の間で少なくとも一部の温度範囲（８００〜５０
０℃）において１〜１０℃／分で徐冷しないと、酸素析
出核形成が十分行なわれない。一方、前記等温熱処理を
加えた場合には反応を促進することができる。

上記冷却処理により、シリコン基板が５００℃まで冷却
したら、後の冷却方法は任意で、急冷してもよく、これ
で本発明の方法は完了する。

なお、この時点では、シリコン基板中の酸素析出核が、
積層欠陥を直接引き起こす酸素析出物に変質していない
が、この後に酸素析出熱処理やデバイス処理を施すこと
により、前記酸素析出核が酸素析出物を経て積層欠陥を
発生させる。

そして最終的な欠陥密度は、第３図の酸素析出核密度分
布と略同様に、ＤＺ層との境界近傍の１０層内で極大値
をとり、しかもＤＺ層側に向けて急激に減少する分布と
なる。したがって、上記本発明の方法によれば、１０層
によるＤＺ層からの不純物や欠陥のゲッタリング効果を
高めることができるとともに、略完全な無欠陥領域の厚
みを大きく確保できる。

「実験例」 次に実験例を挙げて、本発明の効果を実証する。

なお、サンプルとしては、６“−１結晶方位Ｐ　＜１０
０＞。

抵抗率１００ｃｍ、［Ｏｉ１＝　０．９ｘ　１Ｇ”ｘＬ
ｏ＋＊ｓ／　ｃｍ３（換算係数３．Ｏｘ　１Ｇ”ｃｍ−
”）、［Ｃｓ］　−１ｘ　１Ｇ”！ｔｏｗｓ／　ｃｍ”
（換算係数１．Ｉｘ　１０”ｃｍ−”）（７）　ＣＺ　
シリコン基板を用いた。

（実験例１〜３） 前記シリコン基板を、酸化雰囲気内において高温熱処理
した後、炉内雰囲気をＮ２ガスに代えて５００℃まで２
６Ｃ／分で徐冷し、その途中６００℃で５０分間の等温
熱処理を行ない、５００℃からは急冷した。他の条件は
以下の通りである。

実験例１の高温熱処理条件： ｖｅｔＯ□雰囲気、１２８０℃×１８０分実験例２の高
温熱処理条件： ｖｅｔ０２雰囲気、１２００’Ｃｘ２４０分実験例３の
高温熱処理条件： ｄｒｙｏ　、雰囲気、１２８０°０Ｘ１８０分（比較例
１〜３） シリコン基板を　Ｎ２ガス中で第１熱処理し、自然冷却
（あるいは加熱）した後、第２熱処理して急冷した。他
の条件を以下に示す。

比較例１　第１熱処理：　１１５０℃！Ｘ　ｌ　８０分
冷却速度＝５６Ｃ／分 第２熱処理＝７００℃Ｘ３０００分 比較例２　第１熱処理ニア００’Ｃｘ３０００分加熱速
度：５℃／分 第２熱処理：　１１５０℃×１８０分 比較例３　第１熱処理：　１０５０℃×２４０分冷却速
度＝５℃／分 第２熱処理ニア００’０ｘ３０００分 次に、以上計６枚の基板について、ＤＺ層近傍（基板表
面から５０μｍ）とＩＧ層中央部の２箇所で、選択エツ
チングと先頭観察により酸素析出物密度（単位：ＸＩＧ
’個／ｃｍ３）を測定した。その結果を次表に示す。

以上のように実験例１〜３では、ＤＺ層近傍でＩＧ層中
の欠陥密度が著しく高くなった。

（実験例４〜６） 前記と同じシリコン基板を用い、１２８０℃で１８０分
保持後、引き続き５００℃まで２℃／分で徐冷し、その
途中６００℃で５０分保持した。

なお、１２８０℃処理中の雰囲気としてはｖｓｔｏ□。

ｄｒｙｏ　２．Ｎ　２を用い、冷却中は全てＮ、とした
。

その後、ｄｒｙｏ　２中で７００℃×４８時間および１
０００℃×２４時間熱処理し、選択エツチングと先頭観
察により酸素析出物密度を測定した。その結果を第４図
に示す。

このグラフから明らかなように、酸化雰囲気で高温熱処
理したものでは、基板表面近傍で酸素析出物密度が著し
く高く、格子間Ｓｉが基板表面側から内方に拡散して酸
素析出核密度を高めたことを示唆している。また、酸化
力の強いｗｅ（Ｏｘを用いた場合は、ｄｒｙｏ、の場合
に比してその効果が顕著である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明のシリコン基板の製造方法
においては、まず高温熱処理により、酸素原子の拡散速
度よりも大きな速度で格子間Ｓｉを基板内方へ拡散させ
、ＩＧ層中のＤＺ層に近い部分に、酸素濃度と格子間Ｓ
ｉ濃度が共に高い領域を形成し、さらに格子間Ｓｉを潜
在核（Ｓｉクラスター）に変質させる。

次に冷却処理により、前記潜在核と酸素とを反応させて
酸素析出核（微細なＳｉｎｇ）を形成するため、この酸
素析出核の濃度は、ＩＧ層中のＤＺ層に近い部分におい
て極大となる。

こうして得られたシリコン基板は、酸素析出熱処理やデ
バイス処理を施されることにより、酸素析出核が酸素析
出物を経て積層欠陥に変質するため、最終的な欠陥密度
は、ＤＺ層との境界近傍の１０層内で著しく大きな極大
値をとり、しかも０２層側に向けて急激に減少する分布
となる。

したがって本発明の方法によれば、ＩＧ層によるＤＺ層
からの不純物や欠陥のゲッタリング効果が高く、しかも
略完全な無欠陥領域の厚みを大きく確保できるシリコン
基板を得ることができる。

なお、前記冷却処理中に、８００〜５００℃の範囲の一
定温度で３０分以上保持する等温熱処理工程を設けた場
合には、酸素析出核の形成を促進し、上記効果を高める
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は、いずれも本発明のシリコン基板
の製造方法の実験例の結果を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＣＺシリコン単結晶基板を、酸化雰囲気中におい
   て１２００℃以上で１５分以上保持し、次に冷却速度１
   〜１０℃／分で徐冷する徐冷工程を含む冷却処理により
   ５００℃以下まで冷却することを特徴とするシリコン基
   板の製造方法。
2. （２）ＣＺシリコン単結晶基板を、酸化雰囲気中におい
   て１２００℃以上で１５分以上保持し、次に冷却速度１
   〜１０℃／分の徐冷工程と、８００〜５００℃の範囲の
   一定温度で３０分以上保持する等温熱処理工程とを含む
   冷却処理により、５００℃以下まで冷却することを特徴
   とするシリコン基板の製造方法。