JPH11302098A - シリコンウェーハとシリコンエピタキシャルウェーハ並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＯＦＳ‐リングがウェーハ内部に存在する
か、中央に消滅したウェーハで、かつその転位クラスタ
ーの発生を抑制したウェーハの製造方法。 【解決手段】 チョクラルスキー法にて結晶引上を行う
に際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ³
（ｎｅｗ ＡＳＴＭ）以上となるように炭素を添加し、
ＯＳＦ−リングがウェーハ外周の内部に現れるか中心部
で消滅するような低速引上で育成することにより、得ら
れた同一のインゴットより、デバイス用ウェーハ、パー
ティクルモニター用ウェーハに加えて、エピタキシャル
成長用基板を取り出すことができ、インゴットの利用範
囲が拡大できるため、容易に製造でき、これらすべての
品種のウェーハのコストを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体デバイス
基板として用いられるシリコンウェーハとその製造方法
に係り、チョクラルスキー法にて炭素を添加して酸素誘
起積層欠陥リング（ＯＳＦ−リング）が中心部で消滅す
るような低速引上で育成することにより、得られたシリ
コンウェーハのＯＳＦ−リングの外周側部分に転位クラ
スターの発生を防止し、特にＯＳＦ−リングが中心部で
消滅したシリコンウェーハをエピタキシャルウェーハ用
に使用可能にし、同一のインゴットより通常用とエピタ
キシャル用などの種々用途のウェーハを製造できる、シ
リコンウェーハとシリコンエピタキシャルウェーハ並び
にその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスに利用されるシリコンウ
ェーハをチョクラルスキー法で成長させると、その引上
速度に応じて酸素誘起積層欠陥リングの位置が変化す
る。このＯＳＦ−リングは高速引上ほど外周側へ移動
し、低速引上ほど内部へ移動し、ある速度以下で中心部
で消滅する。

【０００３】図１に示すようにシリコンウェーハ１上に
見られるＯＳＦ−リング２の内側領域３は引上時に点欠
陥であるシリコンの空孔が支配的な領域であり、空孔が
凝集した欠陥がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として存在する。
この空孔の凝集体がウェーハの鏡面研磨の後、ウェーハ
表面に現れたのがＣｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅ
ｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ（ＣＯＰ）と呼ばれる欠陥で、そ
の実態は８面体のピットである。

【０００４】このＣＯＰはゲート酸化膜耐圧を劣化させ
たり、素子分離不良を起こしたりしてデバイスへ悪影響
を与える。デバイスパターンの微細化に伴い、この影響
は顕著になりつつある。

【０００５】また、表面検査装置でシリコン表面上のパ
ーティクルを検査するときに、ＣＯＰはパーティクルと
判断されるため、ＣＯＰが存在するとパーティクルモニ
ターウェーハとしても利用できなくなる。このため、結
晶引上に点欠陥制御によるＣＯＰ欠陥低減が検討されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、図１に
示すごとくシリコンウェーハ１上のＯＳＦ−リング２の
外側領域４は点欠陥である格子間シリコンが優勢な領域
であり、そこでは格子間シリコンに起因した転位クラス
ターと呼ばれるＧｒｏｗｎ‐ｉｎ欠陥が発生する。

【０００７】この欠陥もリーク電流の増大などデバイス
特性を劣化させるため、従来はＯＳＦ‐リングがウェー
ハ外周の内側に存在するウェーハや、特に中心部で消滅
したウェーハはほとんど利用されなかった。

【０００８】しかしながら、何らかの方法で転位クラス
ターの発生を抑制できれば、デバイス特性の劣化を引き
起こさない高品質のウェーハを提供することができるも
のと、考えられる。

【０００９】特に、ＯＳＦ‐リングが中心に収縮したウ
ェーハはＣＯＰ領域がないため、表面検査装置で表面の
パーティクルを調べるための低密度のパーティクルモニ
ターウェーハとしても利用可能であるが、転位クラスタ
ーの発生を抑制することで、一度の結晶引上でデバイス
用のシリコンウェーハと、パーティクルモニター用のシ
リコンウェーハを一本のインゴットから製造することが
でき、インゴットの利用範囲が拡大し、コスト低減効果
が得られるものと予想される。

【００１０】さらに、引き上げられた一本のインゴット
から、デバイス用ウェーハ、パーティクルモニター用ウ
ェーハに加えて、エピタキシャル成長用基板が提供でき
れば、より一層インゴットの利用範囲が拡大できるた
め、これらすべての品種のウェーハのコストを低減でき
るものと予想される。

【００１１】しかし現実には、ＯＳＦ‐リングが中央に
収縮しているウェーハにエピタキシャル成長すると、転
位クラスターがエピタキシャル層にまで伝播して品質劣
化を起こすため、エピタキシヤル基板としてはＯＳＦ‐
リングがウェーハ外周の内側にあるウェーハを用いるこ
とはなく、ＯＳＦ−リングが外周の外へ出ているウェー
ハを用いている。

【００１２】この発明は、上述したＯＳＦ‐リングの外
周域での転位クラスターの発生を解消し、一つのインゴ
ットからデバイス用、パーティクルモニター用、エピタ
キシャル基板用をそれぞれ低コストで提供すること目的
とし、ＯＦＳ‐リングがウェーハ内部に存在するか、中
央に消滅したウェーハで、かつその転位クラスターの発
生を抑制したシリコンウェーハとシリコンエピタキシャ
ルウェーハ並びにその製造方法の提供を目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一般に、シリコン中の転
位の運動はシリコンに含まれる不純物に影響される。通
常チョクラルスキー法で育成したシリコンには１×１０
¹⁸ｃｍ³オーダーの酸素が含まれているが、この酸素が
転位の運動を阻害することは良く知られている。しかし
ながら、この濃度の酸素では、ＯＳＦ−リングの外側領
域に現れる転位クラスターの伝播を阻止できないため、
実際、Ｇｒｏｗｎ‐ｉｎの状態で転位クラスターは現れ
る。

【００１４】そのため、より転位運動阻止能の強い不純
物の添加が効果的である。しかも、デバイス用ウェーハ
であることを考えると、電気的に中性である４属原子が
望ましい。４属原子である炭素に注目すると、シリコン
カーバイド（ＳｉＣ）がシリコンよりも高融点で、硬度
も高い点から明らかなように、シリコン−炭素の結合は
シリコン−シリコン結合よりことから、原子の結合を切
りながら進む転位の運動を抑制する能力が高いと考えら
れる。

【００１５】さらに、素子作製時、転位の発生原因は熱
処理時の応力が主であるが、結晶育成時の転位クラスタ
ー発生には、格子間シリコンの濃度も関係し、炭素が存
在すると、歪みによる炭素と格子間シリコンの相互作用
により、転位クラスター形成に寄与する格子間シリコン
の濃度が低くなると考えられる。

【００１６】そこで、発明者らは、実施例に示すごと
く、炭素濃度を変化させて実験を行い１×１０¹⁶ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以上で転位クラスターを抑制できることを
知見し、さらに検討を加えた結果、炭素を添加してＯＳ
Ｆ−リングが中心部で消滅するような低速引上で育成す
ることにより、得られたシリコンウェーハのＯＳＦ−リ
ングの外周側部分に転位クラスターの発生を防止し、特
にＯＳＦ−リングが中心部で消滅したシリコンウェーハ
をエピタキシャルウェーハ用に使用できることを知見
し、この発明を完成した。

【００１７】

【発明の実施の形態】この発明によるシリコンウェーハ
は、チョクラルスキー法にて結晶引上を行うに際し、ウ
ェーハ中の炭素濃度が１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ
³（ｎｅｗＡＳＴＭ）以上となるように添加し、ＯＳＦ
−リングがウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅
するような低速引上で育成したことを特徴とし、得られ
た同一のインゴットより、デバイス用ウェーハ、パーテ
ィクルモニター用ウェーハに加えて、エピタキシャル成
長用基板を取り出すことができ、インゴットの利用範囲
が拡大できるため、これらすべての品種のウェーハのコ
ストを低減できる利点がある。

【００１８】この発明において、ウェーハ中の炭素濃度
は１．０〜３２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｎｅｗ
ＡＳＴＭ）であり、ウェーハの用途、引上げインゴット
の外径、ウェーハ上のＯＳＦ−リングの位置等を考慮
し、炭素濃度や引上げ速度を適宜選定する必要がある。
例えば、表２に示すように１５０ｍｍや２００ｍｍの直
径のウェーハでは、引上げ速度に関係なく、１．０×１
０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の炭素濃度とすることが好
ましく、３００ｍｍの直径のウェーハでは、引上げ速度
が０．５ｍｍ／ｍｉｎで１．５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上の炭素濃度、引上げ速度が０．４ｍｍ／ｍｉｎ
で２．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の炭素濃度が
好ましい。

【００１９】この発明において、得られた同一のインゴ
ットより、デバイス用シリコンウェーハ用およびシリコ
ンエピタキシャルウェーハ用をそれぞれ取り出すが、パ
ーティクルモニター用ウェーハはＯＳＦ−リングが中心
部で消滅したものが望ましく、デバイス用ウェーハ及び
エピタキシャル成長用ウェーハは、ＯＳＦ−リングが中
心から直径の１／２の箇所に位置したものが好ましい。

【００２０】

【実施例】実施例１ 結晶成長はチョクラルスキー法で、１００方位の種結晶
を用い、直径が２００ｍｍの単結晶を引き上げた。炭素
は高純度の炭素粉末を多結晶シリコンとともに、石英ル
ツボに充填し、同時に融解することで添加した。添加量
を変えることで、１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から２
×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲の濃度の炭素を含む
ウェーハを得た。

【００２１】ここでは引上速度を０．４ｍｍ／分とした
ところ、ＯＳＦ‐リングは中心部分に消滅した。なお、
酸素濃度は１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3と１．１×１０¹⁸ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）の２水準のウェー
ハを成長させた。ウェーハはボロンを添加したｐ型で抵
抗率は１〜２０Ωｃｍの範囲であった。

【００２２】これらのウェーハを、セコエッチング液で
処理して、ウェーハ内に存在する転位クラスターの個数
を測定した。図２Ａに測定した転位クラスターの個数の
炭素濃度依存性を示す。比較のために炭素を添加しない
以外は実施例と同じ条件で成長した場合の転位クラス夕
の個数も示す。図２Ａの黒菱印は酸素濃度は１．５×１
０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、白角印は酸素濃度は１．１×
１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のウェーハを示す。

【００２３】炭素濃度が１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³
の時は、炭素添加なしと同じレベルの転位クラスターが
観察されたが、５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を越すと
転位クラスタの数が減少しはじめ、１×１０¹⁶ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ^-3では、ほとんど観察されなかった。この、炭
素による転位クラスターの発生抑制は、酸素濃度が１．
５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³と１．１×１０¹⁸ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³のどちらの場合でも同様に得られた。この
結果から、炭素による転位クラスターの抑制は酸素濃度
に顕著に依存せず、主として炭素濃度で決定されている
と判断できる。

【００２４】さらに、図２Ａにはウェーハの抵抗率が１
〜２０Ωｃｍの範囲のウェーハが含まれているが、転位
クラスターが減少はじめる炭素濃度は、１〜２０Ωｃｍ
の範囲でほぼ一定の炭素濃度から転位クラスター数が減
少していることが示された。

【００２５】実施例２ 実施例１で示したＯＦＳ‐リングが中央で消滅したシリ
コンウェーハと同一のインゴットから製造したシリコン
ウェーハ（炭素濃度：１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜
２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、酸素濃度：１．５×１
０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１．１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³、抵抗率：１〜２０Ωｃｍ）を基板として、その
上にシリコンエピタキシャル層を成長させた。エピタキ
シャル炉はランプ加熱の枚葉式の反応炉を用いた。成長
温度は１０５０℃で、エピタキシャル層の膜厚は４μｍ
である。

【００２６】エピタキシャルウェーハの場合、セコエッ
チングで評価を行うと、エピタキシャル層全体をエッチ
ングするため、エピウェーハに伝播した転位クラスター
の数を正しく評価できない。従って、エピタキシャル層
表面まで伝播した転位クラスターの数を光散乱を用いた
表面欠陥検査装置とセコエッチングを複合させて評価し
た。

【００２７】表面検査装置では転位に起因する表面段差
を検出することができる。欠陥サイズは０．１μｍ以下
の欠陥を教えた。これにより、表面欠陥の位置を記録し
た上で、セコエッチングを行い、その位置が表面欠陥と
同じ位置にある転位クラスターのみが表面まで伝播して
いると判断してエピタキシャル層の転位クラスターの数
を調べた。

【００２８】図２Ｂにエピタキシャル層表面まで伝播し
た転位クラスターの数の炭素濃度依存性を示す。炭素添
加なしの場合は、転位クラスターがエピタキシャル層表
面まで伝播していることがわかる。なお、図２Ｂの黒菱
印は酸素濃度は１．５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、白
角印は酸素濃度は１．１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の
ウェーハを示す。

【００２９】しかも、結晶成長後に比べ、エピタキシャ
ル成長後のほうが数が増加している。これは、セコエッ
チングで評価できるおよそ２０μｍより深い位置にある
転位クラスターが、エピタキシャル成長の間にエピタキ
シャル表面まで伝播したことによる増加である。

【００３０】図２Ｂから判断できるように、炭素濃度が
１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を越すと、結晶成長
後と同様に、転位クラスターの減少が見られた。これは
基本的に炭素によって転位の運動が抑止された結果であ
る。

【００３１】さらに、ウェーハがデバイス熱処理を受け
ることを想定して、その熱処理による転位クラスターの
数の変化を調べた。想定した熱処理は、４つのステップ
からなっており、１ｓｔｅｐは８５０℃で１時間、２ｓ
ｔｅｐは１０５０℃で１時間、３ｓｔｅｐは７５０℃で
２時間、４ｓｔｅｐは９００℃で２時間である。ガス雰
囲気は１００％酸素雰囲気で行った。

【００３２】この熱処理の後、再び、光散乱による表面
検査装置とセコエッチングの複合検査で転位クラスター
の数を調べた。表１に４種類のエピタキシャルウェーハ
における各ステップ後の転位クラスターの数の変化を示
す。僅かに数の増加は観察されたが、炭素無添加の場合
に比べ低い数にとどまっており、炭素添加の有効性が示
された。

【００３３】

【表１】

【００３４】実施例３ 種々の半径のインゴットを成長速度を変えて引上げるこ
とにより、ＯＳＦ−リングの位置を変え、得られたウェ
ーハの炭素濃度と転位クラスター数との関係を調べた。
表２にその結果を示す。酸素濃度は１．５×１０¹⁵ｃｍ
³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）ｐ型で、抵抗率は１０Ωｃｍで
ある。転位クラスター数はセコエッチング液で処理して
測定した。

【００３５】直径が１５０ｍｍの場合、引上げ速度０．
７ｍｍ／分でＯＳＦ−リングはウェーハ中央から３５ｍ
ｍに現れ、０．５５ｍｍ／分で中央に収縮する。直径が
２００ｍｍの場合、引上げ速度０．６５ｍｍ／分でＯＳ
Ｆ−リングはウェーハ中央から５０ｍｍに現れ、０．４
５ｍｍ／分で中央に収縮する。この場合、ＯＳＦ−リン
グ位置やウェーハ直径に顕著に依存せず、炭素濃度が
１．０×１０¹⁶ｃｍ³を越すと、転位クラスター数は減
少し、転位抑制効果が確認できた。

【００３６】直径が３００ｍｍの場合、引上げ速度０．
５ｍｍ／分でＯＳＦ−リングはウェーハ中央から７５ｍ
ｍに現れ、０．４ｍｍ／分で中央に収縮するが、この場
合は２００ｍｍに比べ、効果が現れる炭素濃度が増加し
た。また、これは大口径化に伴い転位クラスターの原因
となる格子間シリコンの濃度が高くなり、転位クラスタ
ーは発生しやすくなるため、抑制に必要な炭素濃度が上
昇するためと解釈できる。

【００３７】また、ＯＳＦ−リングが中央収縮した場合
はさらに、炭素濃度が高くなった。これも中央に収縮し
たウェーハの方が格子間シリコンの濃度が高いためと考
えられる。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【発明の効果】この発明による製造方法は、チョクラル
スキー法にて結晶引上を行うに際し、ウェーハ中の炭素
濃度が１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｎｅｗ Ａ
ＳＴＭ）以上となるように炭素を添加し、ＯＳＦ−リン
グがウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅するよ
うな低速引上で育成することにより、得られた同一のイ
ンゴットより、デバイス用ウェーハ、パーティクルモニ
ター用ウェーハに加えて、エピタキシャル成長用基板を
取り出すことができ、インゴットの利用範囲が拡大でき
るため、容易に製造でき、これらすべての品種のウェー
ハのコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】低速引上でＯＳＦ−リングがウェーハ外周より
内部あるときのウェーハ表面の説明図である。

【図２】Ａは炭素添加ウェーハの転位クラスター数の炭
素濃度依存性を示すグラフであり、Ｂは炭素添加エピタ
キシャルウェーハの転位クラスター数の炭素濃度依存性
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ シリコンウェーハ ２ ０ＳＦ‐リング ３ 内側領域 ４ 外側領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤川 孝 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友シチックス株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法にて結晶引上げして
   ウェーハ化したシリコンウェーハであり、ウェーハ中に
   炭素を１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｎｅｗ Ａ
   ＳＴＭ）以上含み、酸素誘起積層欠陥リングがウェーハ
   外周の内部に現れるか中心部で消滅したシリコンウェー
   ハ。
2. 【請求項２】 請求項１において、ウェーハ上にエピタ
   キシャル成長したシリコン層を有するシリコンエピタキ
   シャルウェーハ。
3. 【請求項３】 チョクラルスキー法にて結晶引上を行う
   に際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．０×１０¹⁶ａｔｏ
   ｍｓ／ｃｍ³（ｎｅｗ ＡＳＴＭ）以上となるように添
   加し、酸素誘起積層欠陥リングがウェーハ外周の内部に
   現れるか中心部で消滅するような低速引上で育成したシ
   リコンウェーハの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、得られた同一のイン
   ゴットより、シリコンウェーハ用およびシリコンエピタ
   キシャルウェーハ用をそれぞれ取り出すシリコンウェー
   ハの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４において、ウェーハ上にシリコ
   ン層をエピタキシャル成長したシリコンエピタキシャル
   ウェーハの製造方法。