JPWO2018198797A1 - シリコン単結晶の製造方法、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、シリコン単結晶、および、エピタキシャルシリコンウェーハ - Google Patents
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Abstract
Description
前記シリコン単結晶から得られたシリコンウェーハにエピタキシャル膜を形成すると、シリコンウェーハにおける微小ピットの発生が抑制され、前記微小ピットに起因する積層欠陥(スタッキングフォルト、以下、SFという)の発生も抑制される。その結果、90nm以上のLPD(Light Point Defect)の密度が0.1個/cm2以下になり、電気抵抗率が低くかつ高品質のエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。
本発明によれば、シリコン単結晶の前記少なくとも一部の領域から得られるシリコンウェーハに対して、エピタキシャル膜形成前の水素ベーク工程と同様の熱処理(1200℃の水素雰囲気中で30秒間加熱)を行うと、SFの発生原因である微小ピットの密度を2.5個/cm2以下にすることができる。したがって、上述のようなシリコン単結晶を用いてエピタキシャルシリコンウェーハを製造すると、KLA−Tencor社製SP−1のDCNモードで測定される90nm以上のLPDの密度を2.5個/cm2以下にすることができる。よって、電気抵抗率が低くかつ高品質のエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。
シリコン融液に赤リンとともに、ゲルマニウム(Ge)を添加してもよい。上述のような構成にすれば、シリコンウェーハとエピタキシャル膜との界面部分での赤リンの濃度差に起因する転位欠陥(ミスフィット転位)の発生をさらに抑制することができる。
本発明においても、シリコン融液に赤リンとともに、ゲルマニウムを添加してもよい。
「前記加熱部のパワーを、前記冷却工程の開始直前の加熱部のパワーの50%以下にした状態で前記シリコン単結晶を上昇させる」ために、シリコン単結晶をドーパント添加融液から切り離す前、シリコン単結晶をドーパント添加融液から切り離すと同時、シリコン単結晶をドーパント添加融液から切り離した後の、いずれかのタイミングで加熱部のパワーを、前記冷却工程の開始直前の加熱部のパワーの50%以下にしてもよい。
本発明の別のエピタキシャルシリコンウェーハは、上述のシリコン単結晶の前記直胴部における前記結晶領域から切り出されたシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハ上に設けられたエピタキシャル膜とを備える。前記エピタキシャル膜の表面におけるLPDの密度が0.3個/cm2以下である。
〔実験1:冷却工程の条件と570℃±70℃での滞在時間およびLPDの発生状況との関係調査〕
CZ法(チョクラルスキー法)を用いたシリコン単結晶の製造では、シリコン単結晶を引き上げる単結晶形成工程と、シリコン単結晶を冷却する冷却工程とを行う。単結晶形成工程は、種子結晶に連続し直径が徐々に増加する肩部を形成する工程(肩部形成工程)と、肩部に連続して形成され直径が略均一の直胴部を形成する工程(直胴部形成工程)と、直胴部の下端に連続し直径が徐々に減少してゼロになるテール部を形成する工程(テール部形成工程)とを備えている。
テール部形成工程が終了した後、冷却工程を行い、シリコン単結晶を引き上げ装置から取り出す。
上述のような製造条件のため、シリコン単結晶の下端に近くなるほど(固化率が大きくなるほど)、ドーパント添加融液から出た後の冷却時間が短くなるため急冷され、570℃±70℃での滞在時間が短くなると考えられる。
肩部の上端における固化率を0%として、以下の説明を行う。
実験例1では、冷却開始から1分間でシリコン単結晶を100mm上昇させ、その後の14分間で、ドーパント添加融液表面から220mmの位置まで等速度で上昇させた。その後、シリコン単結晶をそのまま放置し、冷却開始から180分経過後に、シリコン単結晶を引き上げ装置から取り出した。
実験例1および実験例2において、シリコンウェーハの電気抵抗率が0.5mΩ・cm以上0.7mΩ・cm未満となるように、ドーパントとして赤リンをシリコン融液に添加して、ドーパント添加融液を生成した。ドーパント添加融液のチャージ量を100kgとした。シリコン単結晶の直径を210mmにした。
実験例1および実験例2における570℃±70℃での滞在時間を図2および図3に示す。図3に示すような領域Aであって、固化率が約52%以上約87%以下の領域における570℃±70℃での滞在時間は、実験例1では50分を超えていたのに対して、実験例2では50分以下となっていた。
上記特許文献1にも記載されているように、水素ベーク工程後に発生する微小ピットを、KLA−Tencor社製SP−1のDCNモードで90nm以上のLPDとして測定することができる。このことから、実験例2のシリコン単結晶から得られるシリコンウェーハにおける水素ベーク工程後の微小ピットの密度は、0.46個/cm2であると考えられる。
実験例3では、冷却開始1分後からの33分間でシリコン単結晶をドーパント添加融液表面から400mmの位置まで等速度で上昇させ、冷却開始から180分を経過するまでそのまま放置した後、引き上げ装置から取り出した。
実験例4では、冷却開始1分後からの56分間でシリコン単結晶をドーパント添加融液表面から600mmの位置まで等速度で上昇させ、冷却開始から180分を経過するまでそのまま放置した後、引き上げ装置から取り出した。
実験例5では、冷却開始1分後からの77分間でシリコン単結晶をドーパント添加融液表面から800mmの位置まで等速度で上昇させ、冷却開始から180分を経過するまでそのまま放置した後、引き上げ装置から取り出した。
実験例6では、冷却開始1分後からの179分間でシリコン単結晶をドーパント添加融液表面から1000mmの位置まで等速度で上昇させ、引き上げ装置から取り出した。
実験例7では、冷却開始からの180分間でシリコン単結晶をドーパント添加融液表面から400mmの位置まで等速度で上昇させ、引き上げ装置から取り出した。
これらのことから、冷却工程において、シリコン単結晶をドーパント添加融液から切り離した後、180分以内にシリコン単結晶を400mm以上上昇させることで、シリコン単結晶の直胴部の少なくとも一部の領域における570℃±70℃での滞在時間を、50分以下にすることができることがわかった。
表1に示すように、平均LPD個数および平均LPD密度ともに、実験例1よりも実験例3〜実験例7の方が小さく、実験例3〜実験例7の平均LPD密度は、それぞれ2.5個/cm2以下であった。
実験例1(570℃±70℃での滞在時間が50分を超えている(急冷無し))と同じ条件で製造したシリコン単結晶を準備し、図3の領域Aから複数のシリコンウェーハを切り出した。そして、切り出したシリコンウェーハのうち約半数を用いて、以下の表2に示すような条件で、実験例8のエピタキシャルシリコンウェーハを製造し、残りの約半数を用いて実験例9のエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
[エピタキシャル膜形成条件]
ドーパントガス:フォスフィン(PH3)ガス
原料ソースガス:トリクロロシラン(SiHCl3)ガス
キャリアガス:水素ガス
成長温度:1080℃
エピタキシャル膜の厚さ:3μm
エピタキシャル膜の電気抵抗率:1Ω・cm
[アルゴンアニール条件]
雰囲気:アルゴンガス
熱処理温度:1200℃
熱処理時間:60分
実験例10では実験例8と同じ工程を行い、実験例11では実験例9と同じ工程を行った。
図4に示すように、実験例8〜実験例11のいずれにおいても、電気抵抗率の低い方が、LPD密度が大きくなった。
実験例8〜実験例11における最大のLPD密度は、実験例8が約30個/cm2、実験例9が3個/cm2、実験例10が2.5個/cm2、実験例11が0.3個/cm2であった。このことから、冷却工程における570℃±70℃での滞在時間を50分以下にすることで、エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル膜表面におけるLPD密度を2.5個/cm2以下にすることができることがわかった。また、さらにアルゴンアニール処理を行うことで、エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル膜表面におけるLPD密度を0.3個/cm2にすることができることがわかった。
570℃±70℃での滞在時間が50分を超えていても、実験例9のようにアルゴンアニール処理を行えば、LPD密度を実験例10とほぼ同等にすることができることがわかった。なお、実験例10では、アルゴンアニール処理が不要な分、簡単な処理でLPD密度が低減されたエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができることがわかった。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
〔単結晶引き上げ装置の構成〕
まず、単結晶引き上げ装置の構成について説明する。
単結晶引き上げ装置1は、CZ法に用いられる装置であって、図5に示すように、単結晶引き上げ装置本体3と、図示しないドーピング装置と、図示しない制御部とを備える。
単結晶引き上げ装置本体3は、チャンバ30と、前記チャンバ30内に配置された坩堝31と、前記坩堝31に熱を放射して加熱する加熱部32と、引き上げ部としての引き上げケーブル33と、断熱筒34と、シールド36とを備える。
加熱部32は、坩堝31の外側に配置されており、坩堝31を加熱して、坩堝31内の多結晶のシリコンを融解する。
引き上げケーブル33は、例えば坩堝31の上部に配置された図示しない引き上げ駆動部に、一端が接続されている。引き上げケーブル33は、他端に、種子結晶を保持するシードホルダ38、または、図示しないドーピング装置が適宜取り付けられる。引き上げケーブル33は、引き上げ駆動部の駆動により回転可能に構成されている。前記引き上げケーブル33は、制御部による引き上げ駆動部の制御により、所定の引き上げ速度で上昇する。
断熱筒34は、坩堝31および加熱部32の周囲を取り囲むように配置されている。
シールド36は、加熱部32から上方に向かって放射される輻射熱を遮断する熱遮蔽用シールドである。前記シールド36は、シリコン融液4の表面を覆うように設置されている。前記シールド36は、下端側の開口部が上端側の開口部より小さくなった円錐形状となっている。
制御部は、作業者の設定入力に基づいて、チャンバ30内のガス流量、炉内圧力、引き上げケーブル33の引き上げ速度を適宜制御して、シリコン単結晶6製造時の制御を行う。
次に、単結晶引き上げ装置1を用いて、直径が210mmのシリコン単結晶6を製造する方法の一例について説明する。
単結晶引き上げ装置1は、制御部の制御により、ポリシリコン素材を加熱して融解させる。その後、単結晶引き上げ装置1は、制御部の制御により、チャンバ30内のガス流量および炉内圧力を所定の状態にして、シリコン融液4に揮発性ドーパントとしての赤リンを添加してドーパント添加融液41を生成する。
エピタキシャルシリコンウェーハのミスフィット転位を抑制するために、赤リンとともにゲルマニウムを添加してもよい。また、赤リンの添加量は、シリコン単結晶6から切り出したシリコンウェーハの電気抵抗率が、0.5mΩ・cm以上0.7mΩ・cm未満となるような量である。
前記冷却工程の条件は、シリコン単結晶6の直胴部62の少なくとも一部の領域における温度が570℃±70℃の範囲内となる時間を10分以上50分以下とするための条件である。例えば、実験例2〜実験例7の条件を用いた場合、570℃±70℃での滞在時間は、図2に示すようになる。
前記シリコンウェーハを1200℃の水素雰囲気中で30秒以上加熱すると、前記シリコンウェーハの表面においてKLA−Tencor社製SP−1のDCNモードで測定される90nm以上のLPDであって、SFに起因するLPDの密度は、2.5個/cm2以下となる。すなわち、シリコンウェーハの表面に発生するピットの密度は2.5個/cm2以下となる。
次に、上述の製造方法で製造されたシリコン単結晶6から、図示しないエピタキシャルシリコンウェーハを製造する方法について説明する。
まず、シリコン単結晶6からシリコンウェーハを切り出した(ウェーハ切り出し工程)後、前記切り出したシリコンウェーハの表層から酸素をアニールアウトするために、シリコンウェーハの水素ベーク処理を行う(水素ベーク工程)。
ここで、水素ベーク処理は、1150℃以上1200℃以下の水素雰囲気中で行われ、処理時間は30秒以上(例えば最短の30秒間)である。
水素ベーク処理の後に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコンウェーハ上にエピタキシャル膜を形成する(エピタキシャル膜形成工程)。ここで、エピタキシャル成長のプロセス温度は、1000℃以上1150℃以下の範囲内であり、望ましくは、1050℃以上1080℃以下の範囲内である。
水素ベーク工程前のシリコンウェーハに対し、アルゴンアニール処理を行う(アルゴンアニール工程)ことが好ましい。アルゴンアニール処理は、1200℃以上1220℃以下のアルゴンガス雰囲気中で行われ、処理時間は60分以上120分以下である。
特に、アルゴンアニールを行うことで、エピタキシャル膜表面におけるLPD密度をさらに低減でき、0.3個/cm2以下にすることができる。
本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
テール部がドーパント添加融液41から切り離れる前に加熱部32のパワーを、前記冷却工程の開始直前の加熱部のパワーの50%以下にしてもよいが、この場合、加熱部32のパワーをダウンしてからテール部をドーパント添加融液41から切り離すまでの時間を、10分以内にすることが好ましい。加熱部32のパワーをダウンしてからテール部をドーパント添加融液41から切り離すまでの時間が10分を超える場合、ドーパント添加融液41の温度が下がり、融液表面が凝固して形成された不要なシリコンがテール部に付着する危険性があるためである。
この際、まず、70kgのポリシリコン素材を用いて、揮発性ドーパントとしての赤リンが添加されたドーパント添加融液41を生成してから、シリコン単結晶6を引き上げる。
これに対して、図6に示す製造方法では、寸法が上記実施形態よりも短いシリコン単結晶6を製造することで、テール部形成工程が終了して冷却工程に入るときに、シリコン単結晶6全体を570℃±70℃よりも高い温度にすることができる。上述の状態からシリコン単結晶6全体を急激に冷却することで、570℃±70℃となる時間を、図3の実験例2、実験例3、実験例5、実験例6における領域A、または、実験例4における領域B、または、実験例7における領域Cと同様に短くすることができると考えられる。
その結果として、シリコン単結晶6の温度が570℃±70℃の範囲内となる時間が10分以上50分以下となり、LPDの発生をシリコン単結晶の長さ方向全長にわたってさらに抑制することができる。
ここで、最後に製造するシリコン単結晶6以外の冷却工程の間、炉内圧力を13.3kPa以上、60kPa以下に調整することが好ましい。このように炉内圧力を調整することが好ましい理由は、上記実施形態で説明した理由と同じである。
ここで、2本のシリコン単結晶6を製造する場合、1本目のシリコン単結晶6を引き上げた後の冷却工程の間、炉内圧力を13.3kPa以上、60kPa以下に調整することが好ましい。このように炉内圧力を調整することが好ましい理由は、上記実施形態で説明した理由と同じである。
例えば、初期段階として、157kgのドーパント添加融液41をチャージして、31kgのシリコン単結晶6を5回連続で引き上げる方法を適用してもよい。このような方法によっても、シリコン単結晶6の温度が570℃±70℃の範囲内となる時間を10分以上50分以下とすることができる。
マルチ引き上げ法や抜き取り引き上げ法の冷却工程において、上記実施形態や上記変形例のように、加熱部32のパワーを、前記冷却工程の開始直前の加熱部のパワーの50%以下にした状態でシリコン単結晶6を上昇させてもよい。しかし、次のシリコン単結晶6を製造する前に加熱部32のパワーを上げる必要があるため、加熱部32のパワーを下げずにシリコン単結晶6を上昇させることが好ましい。
単結晶引き上げ装置1にアフターヒーター51を配置しない状態において、例えば上記実験例1と同様の条件でシリコン単結晶6を製造した。そして、テール部がドーパント添加融液41から切り離れた時点での、各固化率における単結晶中心の温度分布を調べた。その結果を、図8に一点鎖線で示す。さらに、各固化率における570℃±70℃での滞在時間を調べた。その結果を、図9に一点鎖線で示す。
図5に二点鎖線で示す位置にアフターヒーター51を配置したこと以外は、上記実験例1と同様の条件でシリコン単結晶6を製造した。すなわち、直胴部形成工程において、シリコン単結晶6をアフターヒーター51で加熱することでシリコン単結晶6の温度の下降を抑制しながら前記シリコン単結晶6を製造した。そして、各固化率における単結晶中心の温度分布および570℃±70℃での滞在時間を調べた。それぞれの結果を、図8および図9に実線で示す。
Claims (8)
- チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、シリコン融液に赤リンを添加したドーパント添加融液を収納可能な坩堝と、
種子結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部とを備えた単結晶引き上げ装置を利用したシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン単結晶の電気抵抗率が0.5mΩ・cm以上0.7mΩ・cm未満となるように、前記シリコン融液に前記赤リンを添加し、前記シリコン単結晶の直胴部の少なくとも一部の領域における温度が570℃±70℃の範囲内となる時間が10分以上50分以下となるように、前記シリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、シリコン融液に赤リンを添加したドーパント添加融液を収納可能な坩堝と、
前記坩堝を加熱する加熱部と、
種子結晶を前記ドーパント添加融液に接触させた後に引き上げる引き上げ部とを備えた単結晶引き上げ装置を利用したシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン単結晶の電気抵抗率が0.5mΩ・cm以上0.7mΩ・cm未満となるように、前記シリコン融液に前記赤リンを添加し、前記シリコン単結晶を引き上げる単結晶形成工程と、
前記シリコン単結晶を冷却する冷却工程とを備え、
前記冷却工程は、前記シリコン単結晶を前記ドーパント添加融液から切り離した後、180分以内に前記シリコン単結晶を400mm以上上昇させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 請求項2に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記冷却工程は、前記加熱部のパワーを、前記冷却工程の開始直前の加熱部のパワーの50%以下にした状態で前記シリコン単結晶を上昇させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法で製造されたシリコン単結晶からシリコンウェーハを切り出すウェーハ切り出し工程と、
前記シリコンウェーハを水素雰囲気中で加熱する水素ベーク工程と、
前記シリコンウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程とを備えていることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項4に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記水素ベーク工程前の前記シリコンウェーハに対して、1200℃以上1220℃以下のアルゴンガス雰囲気中で60分以上120分以下の熱処理を行うアルゴンアニール工程を備えていることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 赤リンを含有し、電気抵抗率が0.5mΩ・cm以上0.7mΩ・cm未満のシリコン単結晶であって、
前記シリコン単結晶から切り出されたシリコンウェーハに対して1200℃の水素雰囲気中で30秒間加熱する熱処理を施した後に測定した、前記シリコンウェーハの表面における90nm以上のLPDの密度が2.5個/cm2以下である結晶領域を含む直胴部を有することを特徴とするシリコン単結晶。 - 請求項6に記載のシリコン単結晶の前記直胴部における前記結晶領域から切り出されたシリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハ上に設けられたエピタキシャル膜とを備え、前記エピタキシャル膜の表面におけるLPDの密度が2.5個/cm2以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 - 請求項6に記載のシリコン単結晶の前記直胴部における前記結晶領域から切り出されたシリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハ上に設けられたエピタキシャル膜とを備え、前記エピタキシャル膜の表面におけるLPDの密度が0.3個/cm2以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
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