JPS6272595A - シリコン半導体基板材料およびその製作方法 - 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１ 本発明は半導体材料に関するもので、とくに強度を高め
た半導体基板材料およびそのｔＡｒｒ一方法に係わるも
のである。

【従来の技ｇＭ１ シリコンは半導体材料として他に優越した特質をもって
おり、そのため集積回路産業における標準的基板材料と
して定着している。また高純度単結晶シリコン材料の製
造プロセスについてはよく知られているところであり、
事実、４インチ径や５インチ径のスライスないしウェハ
（以下スライスという）を用いて、これに数千個の集積
回路を形成することは広く行なわれている。

しかして現在の趨勢は、より大径のスライスを用いてこ
れに相応する多数の集積回路を収納する方向に向いてい
るが、そうした目標を達成するにあたっては、集積回路
の製作プロセスに実質的な変更を加えることなく上記目
標を達成するようにするのが望ましい、しかしながら、
より大径のシリコンスライスを使用することについては
、さまざまな問題がつきまとう。

６インチ径や８インチ径のシリコンスライスを成長法そ
の他の方法により作成する場合に特有の問題はさておき
、シリコンスライスの製作プロセスのあらゆる局面にお
いて、こわれやすいスライスを物理的に損傷させること
のないよう、その取扱いには格別の注意を払うことが必
要である。

とくに大径のスライスの場合には、集積回路製作プロセ
スにおける高温加熱・冷却サイクルにおける処理時に他
のスライスにくらべて破損あるいは弯曲変形しやすく、
加熱・冷却中にシリコンスライス内部に生ずる温度勾配
により環状応力が発生し、この環状応力が原因となって
結晶に損傷が生ずることが１ある。さらにシリコンスラ
イスに弯曲変形が生じた場合には、その後のりソグラフ
イ処理が困難となって、信頼性の劣る集積回路が形成さ
れる確率が高くなる。

拡散工程や酸化工程その他もろもろの集積回路の製作工
程においては、互いに微小な間隔をもって積層したシリ
コンスライスを装架したトレイを１０００℃以上の温度
とした反応炉内に壜入して処Ｙする。この場合、積層さ
れた各々のスライス全体にわたってその半径方向に温度
差が生じ、その周縁部は白熱し９個々のスライスの中心
部に向って温度が低くなっている。こうした状態にある
シリコンスライスを高温度下から直ちに取り出すと、各
スライスの内部には深刻な結晶応力が生ずる、多くの場
合、この結晶応力が格子の損傷や結晶転位等に発展する
こととなって、当該スライスの劣化や強度の低下を招来
することとなる。かくていったん結晶転位が１個所に生
ずると、当該個所を中心としてさらに他の結晶転位が塊
状に増殖しやすくなる。かくて１枚のシリコンスライス
が損傷を受けるということは、すなわち数千個の集積回
路が失われるということにほかならない、なお、結晶転
位のもたらす影響については現状ではよく知られていな
いにしても、その結果として半導体接合部からの洩れ電
流が増加することを示す証査はある。また、転位によっ
て電子電荷生成部位やトラップ部位が形成されやすくな
ることも、よく知られているところである。

上述のような問題を回避するために用いられているひと
つの方法は、高温の反応炉に対するスライスの出し入れ
をゆっくりと行なうことにより、シリコンスライスに急
激な温度変化が起こらないようにすることである。しか
しながら、こうした方法が実効を奏するためには、シリ
コンスライスの出し入れをそれぞれ級長８５分までの期
間にわたって完了することが必要である。このような出
し入れ時間は、スライスを実際に炉で処理する時間が１
０分ないし２０分であることを考慮すると。

かなり長いものであることは明らかである。集積回路の
生産性は、これによって低下させられる。

シリコンスライス材料の強度を高めるのに用いられてい
る方法としてはさらに、結晶を成長させるに先立ってシ
リコン溶融物に酸素を添加する方法が知られている。こ
の酸素添加処理の結果。

シリコン原子間の間隙に酸素原子が配置されることとな
って該材料の強度は若干増大する。ただし、こうした酸
素添加処理を施したシリコン基板は、高温で弯曲変形す
ることが多い。

【発明が解決しようとする問題点１ 以上の説明かられかるように、シリコン基板材ネ１を改
良してその強度を高めることにより、結高転位に起因す
る破損や弯曲変形に対する抵抗力を大きくすることが望
ましく、そうした材料を得ることにより、その基板上に
形成する集積回路の製造歩留りが高くなるとともに、集
積回路の信頼性も向上することとなる。

【問題点を解決しようとするための手段］かくて本発明
は、従来の基板材料に関連する欠点を実質的に軽減ない
しは解消するようにしたシリコン基板材料およびこれを
製造する方法を提供するものである。

すなわち本発明においては、シリコンの結晶を成長させ
るのに先立って、シリコン溶融物に不純物として高濃度
のゲルマニウムを添加することによりシリコン基板材料
の強度を高めるようにしたものであり、これらの添加ゲ
ルマニウム原子がシリコン原子を置換してシリコンの結
晶格子内において置換的に原子位置を占めることとなる
。ゲルマニウム原子はシリコン原子よりも実質的に大き
く、従って上記のようにゲルマニウム原子を高濃度に添
加することにより、温度に起因する結晶転位の発生が阻
ＩＥされる。このようにして結晶転位の発生が阻止され
る結果、転位の伝播ないしはその増殖が防止されること
となるのである。

【実施例１ かくて本発明は、高濃度のゲルマニウムをシリコン溶融
物に添加することにより、従来公知の基板材料よりも硬
度が大きくかつ強度の高い半導体ノ＾板材ネ１を得るも
のである。このようにして得られるゲルマニウム半導体
材料は、ゲルマニウム原子がシリコン原子よりも実質的
に大きく、それにもかかわらず原子的には類似性の高い
ものであるところから、半導体硬化材としては理想的な
適性をもつものである。かくしてシリコン溶融物中に導
入されたゲルマニウム原子は、その原子結晶構造のシリ
コン原子を容易に置換することとなる。

ゲルマニウムがシリコンに対して原子置換性がすぐれて
いることは、それぞれの原子構造に焦点をしぼって考察
することにより、もっともよく理解することができる。

すなわち、まずゲルマニウム元素にしてもシリコン元素
にしても、そのＳＰ３混成軌道には４個の電子を有する
。さらに両者の原子結合の方向も同一である。この種の
原子結合の形式は、最外殻電子を２個とする。より小型
の酸素原子の原子結合とは区別さるべきものである。酸
素はシリコン原子を置換することはなく、かえってシリ
コン原子間の間隙内に入り込んでしまう。

前述のようにシリコン基板スライスの加熱・冷却サイク
ルの期間中には結晶格子間にさまざまな差異が生じ、こ
れが原因となって転位や構造の不完全性、および結晶境
界におけるすべり等が発生することとなる。こうした諸
々の結晶欠陥の最終的におもむくところは、結果として
得られる基板材料の強度の低下であり、またこれにより
基板が弯曲しやすくなったり、あるいは破損されやすく
なったりすることである。いったん例えば一つの結晶転
位が発生してしまうと、原子結合方向の不整合の度合に
よっては、欠陥の生じた結晶界面によってさまざまな配
例のさらに複雑な欠陥構造が生ずることともなる。シリ
コンの結晶構造の強度は転位等の結晶学的欠陥による影
響をいちじるしく受けるものであるため、第一義的には
まず転位の発生を防止し、いったん転位の発生が始まっ
たならば、その伝播ないしは増殖を遅らせるようにする
ことが肝要である。

かくて本発明の重要な特徴は、シリコンの結晶構造中に
位置を占める比較的大きなゲルマニウムＢ；（子によっ
て、このゲルマニウム原子が現在占めている部位を通っ
て伝播していたはずの結晶転位の伝播を阻止するように
したことにある。しかして高濃度のゲルマニウム原子を
結晶基板４ａ造中のシリコン原子と置換させることによ
り、結晶転位その他の欠陥パターンが拡がるのを防ぎ、
これによって当該基板材料の強度を格段に増大させるよ
うにするものである。

ゲルマニウムおよびシリコンの原子の相対的な大きさを
比較するためには、そのイオン半径についてこれがゲル
マニウム原子の場合には０．５３オングストロームであ
り、またシリコン原子の場合には０．４１オングストロ
ームであるということがひとつの目安となる。この場合
、比較の手段として正四面体についての共有原子価半径
を用いると。

ゲルマニウム原子の場合は１．２２オングストロームで
あり、シリコン原子の場合は１．１１オングストローム
である。これに対して、酸素の原子価半径は０．７３オ
ングストロームである。

シリコン基板材料の原子を置換することによる強度の増
強効果は、シリコン原子１００万個につきゲルマニウム
原子を　１００個以上１０万個まで、すなわち平均的な
ゲルマニウムの濃度である５Ｅ１８から５Ｅ２１原子／
ｃｒｎ”のゲルマニウム原子を加えることによって増大
させることができる。さらにまた、シリコン原子１００
万個につきゲルマニウム原子を８０００個から１万２千
個の範囲のゲルマニウム原子を加えることによって、殆
んどの用途に用いられるシリコン基板を好適に強化する
ことができる。ここで重要なことは、ゲルマニウムはそ
のシリコンに対する固溶度に上限がないという点であっ
て、この意味においても、半導体強化材としての適性を
もっているといえるものである。このため、大騒のゲル
マニウムをシリコンの結晶格子に添加することが可能で
あり、場合によっては固溶度を大きく設定することによ
って、シリコンの結晶の大部分がゲルマニウム原子によ
り構成されるということもありうる。なお、格子にかか
る引張り等、他の実際的な条件によって、ゲルマニウム
濃度をもっと低くするのが理想的なこともある、なお比
較のため、半導体の製作上一般に用いられる数種の材料
について、その固溶度を下に示すゲルマニウム１１．上
限なし りん、、、、、、、１０Ｅ２１（原子／　ｃ　ｒｎ”　
）ボロン、、、、、、１０Ｅ２０（原子／Ｃｍ１）酸素
、、、、、、、１０Ｅ１８（原子／　ｃ　ｒｎ’　）こ
こで、シリコンｌＣｍ”あたりについてのゲルマニウム
の添加濃度としては、これをＩＯＥ　１８原子／　ｃ　
ｍ″としてドーピングレベルを適切な値に選定するする
ことにより、シリコン基板材料の強度を格段に向上させ
るようにするのが好ましいことが判明しているが、ただ
し以下に述べるように。

Ｐ◆型にドープした半導体基板を製作する場合には、上
記以上の添加濃度としてもよい。

酸素の固溶度はその値が小さいため、シリコンの結晶格
子はゲルマニウムの原子にくらべてかなり少ない数の酸
素原子でいっばいになってしまう、しかも、シリコン結
晶中の酸素原子レベルがその固溶度限界に達すると、該
格子には歪みが生じやすくなる。これは、酸素処理を施
したシリコン基板を加熱するのにともなって酸素原子が
析出して、これがそうした歪みを発生させるのである。

ゲルマニウムには何らこうした欠点はないが、ただ、ゲ
ルマニウム原子の添加量が多すぎると、結晶格子が大き
くなってエネルギ帯のバンドギャップが小さくなるとい
うことはある。

ゲルマニウム材料をシリコン基板に添加した場合、結果
として得られる基板のバンドギャップエネルギが減少す
る。こうしたギャップエネルギの減少はノ＾板の高温度
における電気的動作のためには好ましからざる特性では
あるが、基板上に被着したエピタキシャル層でトランジ
スタデバイスを形成する場合には、バンドギャップにつ
いての条件はあまりｔｙな意味をもたず、この種の半導
体製作プロセスの場合は、トランジスタデバイスの電気
的特性はこのエピタキシャル層の構造によって支配され
ることとなる。従って集積回路の製作に周知のエピタキ
シャルプロセスを用いる限りは、上記のようにシリコン
基板のバンドギャップエネルギが低下しても、さほど重
要な問題とはならない。

本発明によりゲルマニウム原子を前記シリコン溶融物に
添加するのに用いる方法は、それ自体あまり重大ではな
く、不純物導入基板材料の作成に用いられている公知の
原理によってその添加処理を行なうことがでＳる。すな
わち例えばチヨ。

カテルスキー法（ＣＺ法）を用いることにより。

ゲルマニウムをドープしたシリコン結晶を成長させるよ
うにしてよい、この場合には、まず所望量のゲルマニウ
ムと多結晶シリコンをシリカ袈のるつぼに入れて、不活
性ガスの存在下または真空中でこれらを溶融させる。こ
のるつぼとしては通常のシリコン結晶成長用るつぼを使
用することができるが、とくに結晶成長工程の結果蒸発
した反応生成物を吹きとばすような方向に前記不活性ガ
スが流れるような種類のるつぼを用いるのがよい。

るつぼの温度は溶融物を溶融状態に保持するのに充分な
高温度に維持することとし、このるつぼの温度はこれを
前記溶融物とともに結晶成長工程の期間全体にわたって
熱平衡状態にあるようにする、平衡温度が得られた後は
、シードとして細い円柱形の単結晶を、これがそれ自体
溶融開始するまで前記溶融物中に浸漬する。ついでこの
シードを回転させながら徐々に上方に向って引き上げて
円筒形状を作り出す、この場合結晶を引き上げる速度は
該円筒状の物体の直径により定まる。また所望の直径に
達する直前は、この結晶引上げ速度を増加させるように
する。

かくてシリコン溶融物がほぼ尽きた時点で結晶引上げ速
度を増加させることにより９円筒状物が残りの溶融物か
らきれいに分離されるとともに、結晶内部に転位が発生
する可能性が低くなるようにする。ただしその際の結晶
引上げ速度が大きすぎると、熱衝撃のためにいわゆる「
スリップ」と呼ばれている塑性変形が結晶の下部に起こ
ることがある。なお、こうした転位や変形は、ゲルマニ
ウム原子の添加によって達成された結晶強度の向上によ
り最小限におさえられる。ただし、それでもなおかつ結
晶下部に転位が生じている場合には、そのままの状態で
、すなわちいわゆる１ｎ−ｓｉｔｕモードで当該結晶の
再溶融を行なって、再度チ冒ツカラルスキー成長法を行
なうようにしてもよい、実質的に結晶転位のない結晶を
成長させるのには各種の結晶成長プロセスを用いること
ができるが、いずれにしても当該結晶中に高濃度のゲル
マニウムの原子が混入しているということは、後続する
工程期間中はもとより成長工程中において、転位の発生
やあるいはその伝播を防止する上で効果的である。さら
にまた９本発明により製作される基板材料は、前述した
ように、シリコンスライスに対する各種の処理工程やこ
れに附随するスライス取扱い作業中に、起こりうる破損
や弯曲変形等に対して抵抗力のある強固な材料として得
られるものである。

さらに、シリコン基板を高濃度にドープしてＰ÷形基板
とする場合には、高濃度のゲルマニウム原子を用いるこ
とはとくに効果的である。すなわち、高濃度にドープし
たＰ◆形大基板、一般にエピタキシャル層を成長させる
基本材料として用いられているものであるが、その場合
、Ｐ◆形のドーピングはシリコン溶融物にポロンを添加
することによって行なうのが一般的である。このポロン
のドーピングによる不純物濃度としては、これをＩＯＥ
　１９原子／　ｃ　ｍ’程度とするのが通常である。

ポロンの原子はシリコン原子よりも小さく、このため、
それの混入によりシリコンの結晶格子が縮小される傾向
がある。これに反してゲルマニウム原子の場合は、結晶
格子を拡大させる傾向があり、従ってポロン原子の添加
に起因する結晶格子の縮小分がゲルマニウム原子の添加
により相殺されこととなる。なお、−ヒ記のようにポロ
ンによりドープしたシリコン基板に本発明を適用する場
合には、ゲルマニウムのドーピングレベルはこれを約１
０Ｅ　２１原子／ｃｒｎ”に増加するものとする。

このようにして得られる合計不純物濃度のために、ポロ
ン原子による結晶格子の縮小とゲルマニウム原子による
該格子の拡大に起因する実質上の効果として、結果とし
て得られるシリコン結晶格子の大きさが若干減少するこ
ととなる。このように結晶格子が実質上縮小するという
ことは、多くの場合、それによって得られるＰ◆◆基板
の結晶の大きさかがこの基板上に被着形成される低濃度
不純物のＰ−型エピタキシャル層の結晶の大きさに相当
するため、望ましくないことではなＩ／）。

【発明の効果１ 以上に述べたように１本発明は強度を高めた半導体基板
材料を提供するものであって、シリコン基板の全体にわ
たって置換的に介在する大きＩ／１ゲルマニウム原子に
よって、当該基板に対して周期的に行なわれる加熱工程
期間中に発生する格子欠陥や転位を局所化し、さらにこ
のゲルマニウムの添加濃度を大きくすることによって９
例えばＰ＋型のポロンのドーピングにより減少した結晶
の大きさを相殺して、当該基板と該基板と関連して設け
られたエピタキシャル層の境界面を改善させるようにし
たものである。

かくて本発明は強度を高めたシリコン半導体基板材料を
製作するにあたって、高濃度のゲルマニウム原子をシリ
コン溶融物に加えることにより、結晶構造全体にわたっ
て多数のシリコン原子を置換的に排除するようにし、そ
の場合、ゲルマニウムはシリコンよりも原子の大きさが
大きいために、添加ゲルマニウム原子によって結晶転位
の伝播を阻止してこれを局所化して、欠陥線の進行が結
晶構造全体に拡がらないようにはたらくこととなるとい
う効果がある。また、ポロンにより高濃度にＰ＋型ドー
プしたシリコン基板に本発明を適用する場合には、上述
のようにゲルマニウムの添１、）開開６２−７２５９５
　（！鴫 加濃度を大きくすることによって、ポロンのドーピング
によって減少した結晶の大きさを相殺することにより、
シリコン結晶の大きさを平衡させることができるという
効果もある。

以上の説明に関連してさらに以下の項を開示する。

（１）シリコン半導体基板材料を製作するにあたって。

シリコン原子よりも原子の大きさが大きく。

しかも前記半導体基板材料の結晶構造中において２１換
的に存在しうる高密度の原子をシリコン溶融物に加える
工程と。

前記シリコン溶融物から該半導体基板材料を成長させる
工程を含むことを特徴とするシリコン半導体基板材料の
製作方法。

（２）前記原子を前記シリコン溶融物に加える工程はこ
れを、ゲルマニウムの原子を該シリコン溶、融物に加え
る工程とした前記第１項記載のシリコン半導体ノ＾板材
料の製作方法。

（３）前記シリコン溶融物に加える前記ゲルマニウムの
密度はこれをシリコン原子１００万個につきゲルマニウ
ム原子を　１００個からｌＯ万個。範囲内としま た前記第２項記載のシリコン半導体基板材料の製作方法
。

（４）前記シリコン溶融物に加える前記ゲ７し＝＝つ（
ムの密度はこれをシリコン原子１００万個につきゲルマ
ニウム原子を８０００個から１万２千個の範囲内とした
前記第２項記載のシリコン半導体基板材料の製作方法。

（５）前記工程に加えてさらに前記基板にポロンを導入
する工程を含むようにした前記第１項記載のシリコン半
導体基板材料の製作方法。

（６）前記ポロンの濃度はこれを５Ｅ１９原子／　ｃ　
ｍ″とした前記第５項記載のシリコン半導体基板材料の
製作方法。

（７）前記工程に加えてさらに前記基板上にエピタキシ
ャル層を形成する工程を含むようにした前記第６項記載
のシリコン半導体基板材料の製作方法。

（８）強化シリコン結晶を製作するにあたって。

多結晶シリコンをるつぼに加え。

さらにこのるつぼにゲルマニウムを加え。

該るつぼ、ひいては前記シリコンおよびゲルマニウムを
加熱して合成溶融物を形成させ。

ｒｌ結晶シリコンの結晶をシードとしてこの溶融物中に
浸漬し。

該シードを前記溶融物から引き上げて強化シリコン結晶
を生成させるようにしたことを特徴とする強化シリコン
結晶の製作方法。

（９）前記シリコン溶融物に加える前記ゲルマニウムは
、シリコン原子１００万個につきゲルマニウム原子が１
００個から１０万個に相当する割合で加えることした前
記第８項記載の強化シリコン結晶の製作方法。

（ｌＯ）シリコン半導体材料からなり、このシリコン半
導体材料は該材料の原子よりも原子の大きさが大きい異
種の原子を多数含み、この異種原子の個数はこれをシリ
コン原子ＩＱＱ万偏につき８０００個以上とし、かつ前
記半導体基板材料の格子中において該異種原子が置換的
に存在していることを特徴とする強化半導体基板。

（１１）前記シリコン溶融物に加える前記ゲルマニウム
はこれをゲルマニウム原子とだ前記第１Ｏ項記俄の強化
半導体基板。

（！２）前記シリコン溶融物に加える前記ゲルマニウム
の密度はこれをシリコン原子１００万個につきゲルマニ
ウム原子を８０００個から１万２千個の範囲内とした前
記第１０項記載の強化半導体基板。

（１３）前記基板にはボロンを導入してなる曲記第１０
項記載の強化半導体基板。

（１４）前記基板は半導体材料のエピタキシャル層を有
することとした前記第１４項記載の強化半導体基板。

以上本発明の実施例につき記載してきたが。

本発明による半導体基板材料および方法は、これら実施
例に対して適宜追加ないし変更を行なって実施してもよ
いことはいうまでもない。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン半導体基板材料を製作するにあたって、 シリコン原子よりも原子の大きさが大きく、しかも前記
   半導体基板材料の結晶構造中において置換的に存在しう
   る高密度の原子をシリコン溶融物に加える工程と、 前記シリコン溶融物から該半導体基板材料を成長させる
   工程を含むことを特徴とするシリコン半導体基板材料の
   製作方法。
2. （２）強化シリコン結晶を製作するにあたって、多結晶
   シリコンをるつぼに加え、 さらにこのるつぼにゲルマニウムを加え、 該るつぼ、ひいては前記シリコンおよびゲルマニウムを
   加熱して合成溶融物を形成させ、単結晶シリコンの結晶
   をシードとしてこの溶融物中に浸漬し、 該シードを前記溶融物から引き上げて強化シリコン結晶
   を生成させるようにしたことを特徴とする強化シリコン
   結晶の製作方法。
3. （３）シリコン半導体材料からなり、このシリコン半導
   体材料は該材料の原子よりも原子の大きさが大きい異種
   の原子を多数含み、この異種原子の個数はこれをシリコ
   ン原子１００万個につき８０００個以上とし、かつ前記
   半導体基板材料の格子中において該異種原子が置換的に
   存在していることを特徴とする強化半導体基板。