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JP2002057160A - シリコンウエーハの製造方法 - Google Patents

シリコンウエーハの製造方法

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JP2002057160A
JP2002057160A JP2000244201A JP2000244201A JP2002057160A JP 2002057160 A JP2002057160 A JP 2002057160A JP 2000244201 A JP2000244201 A JP 2000244201A JP 2000244201 A JP2000244201 A JP 2000244201A JP 2002057160 A JP2002057160 A JP 2002057160A
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silicon
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silicon wafer
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誠 飯田
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
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    • C30B15/203Controlling or regulating the relationship of pull rate (v) to axial thermal gradient (G)

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  • Metallurgy (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理後のアニールウエーハに見られる無欠
陥層の面内バラツキ(すなわち、グローンイン欠陥サイ
ズの面内バラツキ)と、析出熱処理またはデバイス熱処
理等の熱処理後のBMD密度の面内バラツキを抑えて、
十分な無欠陥層とBMD密度を面内均一に有するアニー
ルウエーハを作製するために好適なシリコンウエーハを
製造する方法およびそのようなシリコンウエーハを提供
する。 【解決手段】 CZ法により窒素をドープして引上げら
れたシリコン単結晶からシリコンウエーハを作製し、該
シリコンウエーハに熱処理を施すシリコンウエーハの製
造方法において、前記シリコン単結晶を引上げる際の引
上速度V(mm/min)と固液界面の温度勾配G(K/mm) の比V/G
が、引上げ結晶径方向の90% 以上の範囲において0.175
〜0.225mm2/K・minとなる条件で育成するシリコンウエ
ーハの製造方法とその製造方法で作製されたシリコンウ
エーハ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、窒素をドープして
引上げたチョクラルスキー法(CZ法)シリコン単結晶
から作製されたシリコンウエーハに熱処理(アニール)
を施すことにより、ウエーハ表層部に無欠陥層を有し、
バルク部にイントリンシックゲッタリング(IG、In
trinsic Gettering)層が形成される
シリコンウエーハ(アニールウエーハ)を製造するのに
好適なシリコンウエーハの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化・微細化に伴
い、ウエーハ表層の一層の完全性とバルク中のゲッタリ
ング能力の強化が強く要求されている。それに対し、最
近、窒素をドープしたCZ法シリコンウエーハに熱処理
を施すことにより、上記の2つの要求を同時に満たした
ウエーハが開発された。
【0003】すなわち、CZ法シリコン単結晶に窒素を
ドープすることにより、as−grown結晶中のグロ
ーンイン(grown−in)欠陥(主に原子空孔の集
合体により形成されるボイド欠陥)のサイズが小さくな
るため、後工程の高温アニールによりウエーハ表層部の
無欠陥化が容易になり、しかもバルク部においては窒素
が有する酸素析出促進効果により、析出熱処理やデバイ
ス熱処理工程を経ることによって、ゲッタリングに寄与
する酸素析出物等の欠陥(以下、BMD(Bulk M
icro Defects)と呼ぶことがある)を高密
度に有するIG層が形成されるというものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、CZ法シリ
コンウエーハのバルク部に形成され、ゲッタリングに寄
与するBMDの密度と、表層部の無欠陥層の形成に影響
するグローンイン欠陥のサイズは、通常、面内分布を有
することが知られており、特に、ウエーハの中心付近で
BMD密度、グローンイン欠陥サイズともに大きく、ウ
エーハ周辺では両者とも徐々に低下している傾向があ
る。
【0005】この傾向は窒素ドープ結晶においても同様
で、BMD密度やグローンイン欠陥サイズの絶対値は変
化するが、面内分布を持つことには変わりはない。よっ
て、表層部に無欠陥層を形成するための高温アニールを
施した後は、アニールウエーハの中心部分に特にグロー
ンイン欠陥が残り易いことになる。
【0006】また、バルクのゲッタリング能力を決定す
る析出熱処理後のBMD密度に関し、ウエーハ周辺部で
BMD密度が低下する傾向は、特に窒素ドープウエーハ
に関して顕著であることが、本発明者の調査により明確
になった。
【0007】このように、アニールウエーハに求められ
るウエーハ表層部に形成される無欠陥層と析出熱処理ま
たはデバイス熱処理後のBMD密度のいずれの特性も、
現時点では面内で不均一であるという問題を抱えてい
る。
【0008】そこで本発明は、このような問題点を解決
するためになされたもので、熱処理後のアニールウエー
ハに見られる無欠陥層の面内バラツキ(すなわち、グロ
ーンイン欠陥サイズの面内バラツキ)と、析出熱処理ま
たはデバイス熱処理等の熱処理後のBMD密度の面内バ
ラツキを抑えて、十分な無欠陥層とBMD密度を面内均
一に有するアニールウエーハを作製するために好適なシ
リコンウエーハを製造する方法およびそのようなシリコ
ンウエーハを提供することを主たる目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のシリコンウエーハの製造方法に係る発明は、チョク
ラルスキー法により窒素をドープして引上げられたシリ
コン単結晶からシリコンウエーハを作製し、該シリコン
ウエーハに熱処理を施すシリコンウエーハの製造方法に
おいて、前記シリコン単結晶を引上げる際の引上速度V
(mm/min)と固液界面の温度勾配G(K/mm)
の比V/Gが、引上げ結晶径方向の90%以上の範囲に
おいて0.175〜0.225mm2 /K・minとな
る条件で育成することを特徴としている(請求項1)。
【0010】このような条件下で育成された窒素をドー
プしたシリコン単結晶から切り出されたシリコンウエー
ハは、グローンイン欠陥サイズの面内分布もBMD密度
の面内分布も均一なものとすることができる。従って、
これに高温熱処理を施せば、ウエーハ表層部の無欠陥層
の面内バラツキがなく、バルク部のBMD密度が面内均
一で高密度なIG能力の高いアニールウエーハを得るこ
とができる。
【0011】この場合、前記シリコンウエーハ中の窒素
濃度は、1×1013〜5×1015個/cm3 であること
が好ましい(請求項2)。窒素濃度をこのような範囲内
に納めれば、グローンイン欠陥のサイズを小さくする効
果が十分であるとともに、単結晶の育成にも悪影響を及
ぼさないので、後工程の高温アニールによりウエーハ表
層部の無欠陥化が容易になるとともに、バルク部におい
ては窒素が有する酸素析出促進効果により、析出熱処理
やデバイス熱処理を経ることによって、ゲッタリングに
寄与するBMDを高密度に有するIG層を形成すること
ができる。
【0012】そして本発明によれば、熱処理後のアニー
ルウエーハに見られる無欠陥層の面内バラツキと、析出
熱処理またはデバイス熱処理等の熱処理後のBMD密度
の面内バラツキを抑えて、十分な無欠陥層とBMD密度
を面内均一に有するアニールウエーハを得ることのでき
るシリコンウエーハが提供される(請求項3)。
【0013】以下、本発明についてさらに詳細に説明す
る。本発明者は、十分な無欠陥層とBMD密度を面内均
一に有するアニールウエーハを作製するためには、シリ
コンウエーハとして、バルク部に形成されるゲッタリン
グに寄与するBMDの密度と、表層部の無欠陥層の形成
に影響するグローンイン欠陥のサイズがともに面内分布
を持たないものを用意する必要があることを知見した。
【0014】すなわち本発明者は、アニールウエーハ用
として現状製造している窒素ドープされたCZ法シリコ
ンウエーハに高温アニールを施した後のウエーハ表層部
のグローンイン欠陥密度と、追加熱理後のBMD密度に
関して鋭意調査を行った。その結果、ウエーハ中心部で
は残存欠陥数は多く、BMD密度も高いが、ウエーハ周
辺部では残存欠陥数は少なく、BMD密度も少ないこと
がわかった。また、その中間の位置(以下、R/2位置
という。Rはウエーハ半径)では、残存欠陥も程々に少
なく、BMD密度も程々に高くなっていた。
【0015】これら3箇所の中ではR/2位置が、表層
部の完全性とバルク中のゲッタリング能力のバランスが
最も良いことになる。つまり、このR/2位置の状態を
ウエーハ面内に拡大できれば、面内均一で高品質なウエ
ーハが得られることになる。そこで、このR/2位置の
状態を拡大するため、BMDやグローンイン欠陥の分布
とCZ法シリコン単結晶の引上げ方法との相関関係を調
査した。
【0016】その結果、このようにグローンイン欠陥サ
イズやBMD密度の面内分布が不均一になる原因は、少
なくとも結晶育成時の引上げ速度V(mm/min)と
シリコンの融点から1400℃までの範囲における引き
上げ軸方向の固液界面の温度勾配G(K/mm)の比で
あるV/Gが面内で分布を持つ、すなわちV/Gが面内
で変動するためであることがわかってきた。そこでウエ
ーハ面内の位置に関わらずグローンイン欠陥サイズやB
MD密度を所望のものとするために必要な具体的なV/
G値を求めることにした。以下、これについて説明す
る。
【0017】グローンイン欠陥がV/Gの影響を受ける
ことは既に良く知られているので、結晶引上げ装置の特
定のホットゾーン(Hot Zone、HZ、炉内構
造)を用いて引上げ結晶中に取り込まれる窒素濃度を1
×1013個/cm3 とし、1.0〜1.4mm/min
の範囲から選択された引上げ速度にて複数本の結晶の育
成を行い、それぞれのV/Gの面内分布とグローンイン
欠陥のサイズとの関係及び800℃×4時間+1000
℃×16時間の熱処理後のBMD密度との関係を調査し
た。その結果を図1および図2に示す。
【0018】図1はウエーハの面内の中央部、R/2
部、周辺部(ウエーハ外周より10mmの位置)につい
て測定したBMD密度の全データとV/Gとの関係を示
しており、BMD密度がV/Gと直接相関していること
を表している。V/Gが0.190mm2 /K・min
付近より小さくなるとBMD密度が急激に低下し、0.
175mm2 /K・minを下回るとゲッタリング能力
が不十分となる1×10 9 個/cm3 以下に低下するこ
とがわかる。すなわち、高密度のBMDを得るために
は、ウエーハ面内位置にかかわらず、V/Gを0.17
5mm2 /K・min以上とすれば良いことがわかっ
た。
【0019】一方、図2はOPP(Optical P
recipitate Profiler)によりグロ
ーンイン欠陥のサイズを相対評価し、V/Gとの関係を
調査した結果を示している。図1と同様にウエーハの面
内の中央部、R/2部、周辺部について測定したOPP
サイズの全データとV/Gとの関係を示しており、OP
PサイズがV/Gと直接相関していることを表してい
る。すなわち、V/Gが0.225mm2 /K・min
以下ではグローンイン欠陥のサイズが急激に小さくな
り、0.225mm2 /K・minを越えるような範囲
では、グローンイン欠陥のサイズが大きな値で飽和傾向
にあることを新規に発見した。従って、熱処理により消
滅させ易いサイズの小さいグローンイン欠陥とするため
には、ウエーハの面内の位置に関わらず、V/Gを0.
225mm2 /K・min以下とすればよい。
【0020】以上、図1および図2の結果から、窒素ド
ープされたCZ法シリコン単結晶を引上げる際に、V/
Gを結晶の径方向で0.175〜0.225mm2 /K
・minの範囲内となるように製造すれば、ウエーハ面
内で不均一とはならず、グローンイン欠陥サイズが適度
に小さいためウエーハ全面にわたり十分にグローンイン
欠陥を消滅させ、かつ、適度なBMD密度が形成される
アニールウエーハが得られることになる。
【0021】ここで、引上げ結晶の外周部においては、
グローンイン欠陥のサイズやBMD密度を決める点欠陥
が、結晶育成中に外方拡散してしまう。従って、引上げ
結晶の外周端から半径の5%程度までの領域(例えば、
直径200mmの結晶を引上げた場合には外周端から1
0mmまで)においては、グローンイン欠陥のサイズや
BMD密度とV/Gの相関が弱くなる。すなわち、本発
明におけるV/Gが適用されるのは、引上げ結晶の径方
向の両外周部5%づつを除く、少なくとも90%の領域
であり、この領域は引上げ条件により90〜100%の
範囲で変動する。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明
で使用したCZ法による単結晶引上げ装置の構成例を図
6により説明する。図6に示すように、この単結晶引上
げ装置30は、引上げ室31と、引上げ室31中に設け
られたルツボ32と、ルツボ32の周囲に配置されたヒ
ータ34と、ルツボ32を回転させるルツボ保持軸33
及びその回転機構(図示せず)と、シリコンの種結晶5
を保持するシードチャック6と、シードチャック6を引
上げるワイヤ7と、ワイヤ7を回転又は巻き取る巻取機
構(図示せず)を備えて構成されている。ルツボ32
は、その内側のシリコン融液(湯)2を収容する側には
石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設け
られている。また、ヒータ34の外側周囲には断熱材3
5が配置されている。
【0023】また、本発明の製造方法に関わる製造条件
として、V/Gの適正な範囲を径方向および軸方向に拡
大する方法は既に良く知られている方法で行えばよい。
即ち、結晶周辺の温度勾配(Ge)と結晶中心の温度勾
配(Gc)の差(Ge−Gc)を小さくして固液界面温
度勾配Gが面内でフラットになるように、例えば結晶の
固液界面の外周に環状の固液界面断熱材8を設け、その
上に上部囲繞断熱材9を配置したHZを設置している。
この固液界面断熱材8は、その下端とシリコン融液2の
湯面との間に3〜5cmの隙間10を設けて設置されて
いる。上部囲繞断熱材9は条件によっては使用しないこ
ともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を
遮って単結晶を冷却する筒状の冷却装置36を設けても
よい。
【0024】別に、最近では引上げ室31の水平方向の
外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液2に水
平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによっ
て、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、
いわゆるMCZ法が用いられることも多い。
【0025】次に、上記の単結晶引上げ装置30による
単結晶育成方法について説明する。まず、ルツボ32内
でシリコンの高純度多結晶原料を融点(約1420°
C)以上に加熱して融解する。窒素ドープは、例えば原
料シリコン中に窒化膜付きシリコンウエーハを投入する
ことによって行うことができる。次に、ワイヤ7を巻き
出すことにより融液2の表面略中心部に種結晶5の先端
を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸33を適
宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ7を回転させな
がら巻き取り種結晶5を引上げることにより、単結晶育
成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節
することにより略円柱形状の単結晶棒1を得ることがで
きる。
【0026】得られた単結晶棒を通常の方法により、ワ
イヤーソー等で切り出し、面取り、ラッピング、エッチ
ング、研磨等を施すことによって、窒素ドープシリコン
ウエーハとすることができる。
【0027】次に、本発明では、得られたシリコンウエ
ーハに熱処理を施す。これによって表面に面内均一に無
欠陥層が形成され、バルク部には高密度にBMDが発生
する。具体的な熱処理条件としては、通常のヒータ式の
バッチ炉を用い、アルゴン等の不活性ガス、水素ガス、
またはこれらの混合雰囲気下で、1000〜1350℃
で1時間以上の熱処理(例えば、1200℃・1時間、
または1150℃・4時間等)を行う。また、ランプ加
熱等によるRTA(Rapid Thermal An
nealing)装置を用いて、急速加熱・急速冷却に
よる熱処理を行ったり、バッチ炉とRTA装置を併用し
た熱処理とすることもできる。
【0028】
【実施例】以下、本発明の実施例と比較例を挙げて本発
明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定される
ものではない。 (実施例1)実施例1として、結晶中心温度勾配Gc=
3.543[K/mm]、結晶周辺温度勾配Ge=3.
933[K/mm]、Ge−Gc=0.390[K/m
m]と比較的Ge−Gcの小さいHZを有する単結晶引
上げ装置を用い、引上げ速度を約0.74mm/min
に調整して、直径6インチの窒素ドープシリコン単結晶
を引上げた。窒素ドープは、原料シリコン中に窒化膜付
きシリコンウエーハを投入し、引上げ結晶の肩の位置で
の窒素濃度(計算値)が2×1013/cm3 となるよう
にした。また、酸素濃度は14〜15ppma(JEI
DA(日本電子工業振興協会)規格)となるように調整
した。
【0029】図3に結晶引上げ時のV/Gの結晶径方向
の分布を示した。V/Gは径方向全体が約0.180〜
0.223mm2 /K・minの範囲に入っていた。
【0030】引上げられた結晶からシリコンウエーハを
作製し、OPP法によりグローンイン欠陥のサイズを測
定した後、800℃、4時間+1000℃、16時間の
析出熱処理を加えてBMDを形成し、OPP法によりB
MD密度を測定した。グローンイン欠陥のサイズの測定
結果を図4に、BMD密度の測定結果を図5に示した。
【0031】グローンイン欠陥は、1200℃、1時間
のアルゴン雰囲気により十分に消滅させることができる
サイズ(1.5以下)であり(図4)、面内分布も小さ
かった。また、BMD密度は、ウエーハ面内いずれの位
置においても、ほぼ2〜5×109/cm3 であり、高密
度でかつ均一な面内分布が得られた(図5)。
【0032】(比較例1、比較例2)比較例1、2とし
て、Gc=3.778[K/mm]、Ge=4.904
[K/mm]、Ge−Gc=1.126[K/mm]と
比較的Ge−Gcの大きいHZを有する単結晶引上げ装
置を用い、比較例1では引上速度を約0.84mm/m
in、比較例2では約0.87mm/minに調整し
て、直径6インチの窒素ドープシリコン単結晶を引上げ
た。窒素ドープは、原料シリコン中に窒化膜付きシリコ
ンウエーハを投入し、引上げ結晶の肩の位置での窒素濃
度(計算値)が2×1013/cm3 となるようにした。
また、酸素濃度は14〜15ppma(JEIDA)と
なるように調整した。
【0033】比較例1、比較例2の結晶引上げ時のV/
Gの結晶径方向の分布を図3に併記した。比較例1でV
/Gが0.175〜0.225mm2 /K・minの範
囲に入っていたのは、結晶の中心から約62mmの範囲
までの約83%であり、比較例2の場合は、結晶の中心
から外周方向に約30mmの位置から約66mmの位置
までの約48%であった。
【0034】引上げられた結晶からシリコンウエーハを
作製し、OPP法によりグローンイン欠陥のサイズを測
定した後、800℃、4時間+1000℃、16時間の
析出熱処理を加えてBMDを形成し、OPP法によりB
MD密度を測定した。グローンイン欠陥のサイズの測定
結果を図4に、BMD密度の測定結果を図5に併記し
た。
【0035】比較例1ではウエーハ中心側においてグロ
ーンイン欠陥サイズがある程度小さく、ウエーハ周辺部
では極めて小さくなっており、欠陥サイズの面内分布こ
そ大きいが、全体的にアニールにより消え易いサイズの
欠陥であった。しかしながら、析出熱処理後のBMD密
度に関してはV/Gの値が低いウエーハ周辺部において
BMD密度が2×108/cm3 程度と低くなっており、
周辺部でゲッタリング能力の小さい、面内分布が大きい
ものであることがわかった。
【0036】比較例2では、BMD密度に関しては面内
でほぼ1×109/cm3 以上が得られたが、グローンイ
ン欠陥サイズの面内分布が大きく、特にウエーハ中心側
のサイズがかなり大きいため、1200℃、1時間のア
ルゴン雰囲気によるアニールを行っても中心部分のグロ
ーンイン欠陥が一部残留することを確認した。
【0037】これらの結果より、比較例1、2で使用し
た結晶引上げ装置のHZの場合、グローンイン欠陥のサ
イズとBMD密度の双方を面内均一にするためには、た
とえ引上げ速度を0.84〜0.87mm/minの限
られた範囲に制御したとしても極めて困難であることが
わかる。
【0038】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。
【0039】例えば、上記実施形態においては、直径6
インチのシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げ
て説明したが、本発明はこれには限定されず、直径8〜
16インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用
できる。また、本発明は、シリコン融液に水平磁場、縦
磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるMCZ法にも適
用できることは言うまでもない。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、グローンイン欠陥サイ
ズの面内分布もBMD密度の面内分布も均一な窒素をド
ープしたシリコンウエーハを形成することができる。従
って、これに高温熱処理を施せば、ウエーハ表層部の無
欠陥層の面内バラツキがなく、バルク部にBMD密度が
面内均一なIG層を有するアニールウエーハを製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるV/GとBMD密度との関係を
示す図である。
【図2】本発明におけるV/Gとグローンイン欠陥サイ
ズとの関係を示す図である。
【図3】実施例1、比較例1、比較例2に関し、結晶引
上げ時の結晶径方向におけるV/Gの分布図である。
【図4】実施例1、比較例1、比較例2に関し、引上げ
結晶の結晶径方向におけるグローンイン欠陥サイズの分
布図である。
【図5】実施例1、比較例1、比較例2に関し、引上げ
結晶の結晶径方向におけるBMD密度の分布図である。
【図6】本発明で使用したCZ法による単結晶引上げ装
置の概略説明図である。
【符号の説明】
1…成長単結晶棒、 2…シリコン融液、 3…湯面、
4…固液界面、5…種結晶、 6…シードチャック、
7…ワイヤ、8…固液界面断熱材、 9…上部囲繞断
熱材、10…湯面と固液界面断熱材下端との隙間、30
…単結晶引上げ装置、 31…引上げ室、 32…ルツ
ボ、33…ルツボ保持軸、 34…ヒータ、 35…断
熱材、 36…冷却装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チョクラルスキー法により窒素をドープ
    して引上げられたシリコン単結晶からシリコンウエーハ
    を作製し、該シリコンウエーハに熱処理を施すシリコン
    ウエーハの製造方法において、前記シリコン単結晶を引
    上げる際の引上速度V(mm/min)と固液界面の温
    度勾配G(K/mm)の比V/Gが、引上げ結晶径方向
    の90%以上の範囲において0.175〜0.225m
    2 /K・minとなる条件で育成することを特徴とす
    るシリコンウエーハの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記シリコンウエーハ中の窒素濃度が1
    ×1013〜5×1015個/cm3 であることを特徴とす
    る請求項1に記載したシリコンウエーハの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記請求項1または請求項2に記載した
    製造方法により製造されたことを特徴とするシリコンウ
    エーハ。
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