(57)【要約】      （修正有）【課題】良好なゲッタリング特性を有し、電子デバイスの集積のために重要な領域において実質的に欠陥のない単結晶シリコンからなる半導体ウェハを提供し、かつ前記半導体ウェハを高い歩留まりで提供できる極めて経済的な方法を提供する。【解決手段】窒素でドープされていて、ＯＳＦ領域及びＰv領域を有し、その際、前記ＯＳＦ領域は、前記半導体ウェハの中心から前記半導体ウェハの縁部の方向に向かってＰv領域にまで延在し；少なくとも３．５×１０8ｃｍ-3のバルク中のＢＭＤ密度を有し、３より大きくないＢＭＤmax／ＢＭＤminの商により表される変動幅を有する前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布を有し、その際、ＢＭＤmax及びＢＭＤminは、それぞれ最大のＢＭＤ密度もしくは最小のＢＭＤ密度を表し；１０ｃｍ-2より低いＯＳＦ密度を有する、単結晶シリコンからなる半導体ウェハ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンからなる半導体ウェハにおいて、前記ウェハは窒素でドープされていて、
ＯＳＦ領域及びＰv領域を有し、その際、前記ＯＳＦ領域は、前記半導体ウェハの中心から前記半導体ウェハの縁部の方向に向かってＰv領域にまで延在し；
少なくとも３．５×１０8ｃｍ-3のバルク中のＢＭＤ密度を有し、
３より大きくないＢＭＤmax／ＢＭＤminの商により表される変動幅を有する前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布を有し、その際、ＢＭＤmax及びＢＭＤminは、それぞれ最大のＢＭＤ密度もしくは最小のＢＭＤ密度を表し；１０ｃｍ-2より低いＯＳＦ密度を有する、単結晶シリコンからなる半導体ウェハ。
【請求項２】
窒素の濃度は、３×１０13原子／ｃｍ3よりも低くなくかつ２．５×１０14原子／ｃｍ3よりも高くない、請求項１記載の半導体ウェハ。
【請求項３】
５〜２５μｍの厚さを有する「デヌーデットゾーン」を特徴とする、請求項１又は請求項２記載の半導体ウェハ。
【請求項４】
ＣＺ法により融液から単結晶を引き上げ、前記単結晶の引き上げプロセスの間に、引き上げ速度Ｖと界面での軸方向温度勾配Ｇとの商Ｖ／Ｇを、ＯＳＦ領域及びＰv領域が単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分中に形成されるように制御し、その際、前記ＯＳＦ領域は、前記単結晶の中心から前記単結晶の周囲方向に向かってＰv領域にまで延在し；
前記引き上げプロセスの間に、前記単結晶を窒素で、前記単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分の前部中の窒素濃度が、３×１０13〜６×１０13原子／ｃｍ3であるようにドーピングし、
前記引き上げプロセスの間に、酸素濃度を、前記半導体ウェハの製造に提供される部分中の酸素濃度が４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3であるように制御し、
単結晶シリコンからなる半導体ウェハを単結晶からスライスし、
単結晶シリコンからなる前記半導体ウェハを炉中で５００〜７５０℃の負荷温度で負荷し、
単結晶シリコンからなる半導体ウェハの温度を前記の負荷温度から保持温度まで、前記負荷温度から１０００℃までの温度範囲では少なくとも３．５℃／ｍｉｎの上昇率で、かつ１０００℃から保持温度までの温度範囲では３．５℃／ｍｉｎより低い上昇率で上昇させ；かつ単結晶シリコンからなる前記半導体ウェハを１０７５℃〜１１００℃の範囲内の保持温度で熱処理する、
単結晶シリコンからなる半導体ウェハの製造方法。
【請求項５】
単結晶の引き上げプロセスの間にパージガスを、前記融液の表面と前記ガスガイド管のリングとの間の間隙を通過するように導通させ、前記間隙は２０ｍｍより大きくなく１０ｍｍより小さくない、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記融液にＣＵＳＰ磁界を印加し、前記ＣＵＳＰ磁界の強度を、半導体ウェハの製造に提供される前記単結晶の部分の後部の引き上げプロセスの間に高める、請求項４又は５記載の方法。
【請求項７】
前記融液にまずＣＵＳＰ磁界を印加し、後にＣＵＳＰ磁界と上方に向かう移動磁界との組合せを印加する、請求項４又は５記載の方法。
【請求項８】
負荷温度から９００℃の温度までの上昇率は５℃／ｍｉｎであり、９００℃から１０００℃までの上昇率は３．５℃／ｍｉｎである、請求項４から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
負荷温度から８００℃の温度までの上昇率は１０℃／ｍｉｎであり、８００℃から９００℃までの上昇率は５℃／ｍｉｎであり、９００℃から１０００℃までの上昇率は３．５℃／ｍｉｎである、請求項４から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
１０００℃〜１０５０℃までの上昇率は２℃／ｍｉｎであり、１０５０℃から保持温度までの上昇率は１℃／ｍｉｎである、請求項４から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
半導体ウェハを熱処理後に、１０５０℃の温度まで１℃／ｍｉｎより大きくない冷却速度で、１０５０℃から１０００℃の温度まで２℃／ｍｉｎより大きくない冷却速度で、１０００℃から９００℃の温度まで３．５℃／ｍｉｎより大きくない冷却速度で、９００℃から８００℃の温度まで５℃／ｍｉｎより大きくない冷却速度で、８００℃〜取り出し温度まで５〜１０℃／ｍｉｎの冷却速度で、取り出し温度に冷却する、請求項４から１０までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、良好なゲッタリング特性を有しかつ電子デバイスの集積のために重要な領域において実質的に欠陥のない単結晶シリコンからなる半導体ウェハに関する。本発明は、前記半導体ウェハの経済的な製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶シリコンからなる高性能半導体について、欠陥の分布に関して２つの中心的な要求がなされる。半導体ウェハの電子デバイスが集積される領域は、前記電子デバイスの構造幅の大きさの範囲のサイズ又はそれ以上のサイズを有するタイプの欠陥ができる限り存在しない必要がある。このタイプの欠陥には、特に、相応するサイズに達する限り、ＣＯＰ（crystal originated particies）、ＢＭＤ（bulk micro defects）、ＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥；oxidation induced stacking faults）及びＯＳＦ核（酸化誘起積層欠陥の核；nuclei for oxidation induced stacking faults）が挙げられる。ＣＯＰは、複数の空孔の集合であり、これはナノメーター範囲の空洞を形成する。障害となるサイズのＣＯＰは、例えばUS5,980,720に記載された調製法を用いて「Direct Surface Oxide Defects」（ＤＳＯＤ）として検出することができるか又はレーザー散乱光トポグラフィーを用いても検出することができ、この結果はＤＳＯＤ検出法を用いて良好に校正される。約４０ｎｍ以上の直径を有するＣＯＰの自動検出のために、特に製造元（Mitsui Mining and Smelting, 日本）のタイプＭＯ−６のレーザースキャナーが適している（ＣＯＰ−テスト）。さらに、より大きなＣＯＰはＳｅｃｃｏエッチング及び光学的観察により「フローパターン欠陥；flow pattern defects」（ＦＰＤ）としても検出できる。ＢＭＤは過飽和の酸素の析出物であり、これは半導体ウェハの熱処理（アニール）により小さな核から成長する。前記核の直径は、典型的な場合に約１ｎｍである。ＢＭＤは、例えばＩＲ−ＬＳＴ（infrared laser scattering tomography）によるか、ＳＩＲＭ（scanning infrared spectroscopy）による赤外線における共焦点像を用いるか、又は例えばクロム含有エッチング溶液を用いた拡大（欠陥エッチング）の後に光学的顕微鏡により検出される。ＢＭＤは、ＳＩＲＭを用いて又は欠陥エッチング及び引き続く顕微鏡により検出するためには、約７０ｎｍの平均直径を有しなければならない。ＩＲ−ＬＳＴ、例えば（Mitsui Mining and Smelting Co. Ltd.社、日本）のタイプＭＯ−４のＢＭＤカウンタを用いて、ＢＭＤは約２０ｎｍのサイズから直接検出することができる。ＳＩＲＭを用いるか又は欠陥エッチングと顕微鏡との組合せを用いて検出するために、このＢＭＤサイズ分布の大部分は、前記ＢＭＤ核を一般に１０００℃の温度で１６時間成長させる（ＢＭＤアニール）ことにより検出限界を越えて大きく高めることができる。
【０００３】
ＯＳＦはシリコン積層欠陥であり、この欠陥は、核として機能する比較的大きな酸素析出物（ＯＳＦ核、この直径は通常では１０〜３５ｎｍの範囲内にある）を、湿式又は乾式の雰囲気で約１０５０〜１１００℃の温度で数時間の表面酸化による酸素析出によって成長する場合に生じることができる。ＯＳＦ核は、融液から引き上げられたシリコンからなる単結晶の冷却時に、ＣＯＰ形成にもかかわらず空孔の過剰を有する領域において生じる。このＯＳＦ核の形成は、窒素の存在により及び単結晶の緩慢な冷却により強まることができる。
【０００４】
半導体ウェハの電子デバイスのために重要な領域中では、できる限り少ない数のＯＳＦ核が存在するのが好ましい、それというのもＯＳＦはゲート酸化物破壊の原因であるためである。さらに、ＯＳＦ核自体が、７ｎｍよりも大きくない厚さを有する薄いゲート酸化膜を破壊させることもできる。ＧＯＩ試験における試験キャパシタの絶縁破壊強さ（ゲート酸化物信頼性；gate oxide integrity）は、従って、ＯＳＦ及びＯＳＦ核の検出のための信頼できる指標である。
【０００５】
半導体ウェハの電子デバイスのために重要な領域の外側、つまり半導体ウェハのバルクには、ＢＭＤの最大密度の要求がなされる。これは、金属不純物のための固定サイト、いわゆる内部ゲッターを形成し、こうして電子デバイスのために重要な領域中の金属不純物の濃度は低下する。ゲッターとして使用されるＢＭＤの大きさは、臨界的サイズを上回ってはならない、それというのも小さなＢＭＤは熱的に安定ではなく、電子デバイスの製造の間に行われる半導体ウェハの熱処理の過程で消去されるためである。このＢＭＤの最小サイズ及び最小密度は、特にニッケル及び銅に対して十分なゲッタリング能力を保証するために必要である（K. Sueoka et al.著, The Electrochem. Soc. PV 2000-17, (2000), p. 164）。
【０００６】
EP1170404 A1には、単結晶シリコンからなる半導体ウェハ及びその製造方法が記載されている。前記半導体ウェハは、バルクにおいて半径方向でかなり均一な高いＢＭＤ密度を有し、つまり良好なゲッタリング特性を有する。後者は、主に２つの処置によって保証される。一方は、前記半導体ウェハを供給する単結晶を窒素でドープすることである、それというのも窒素の存在は酸素析出を促進し、かつ熱的に安定な酸素析出物の形成を促進するためである。他方は、EP1170404 A1においてＮＶ領域と言われた、いわゆるＰv領域中に比較的高い数の遊離空孔を提供することを利用する。遊離空孔は窒素と同様に酸素析出物の形成に関与する。
【０００７】
一般に、シリコン単結晶の引き上げプロセスの際の引き上げ速度Ｖと相界面での軸方向温度勾配Ｇとの比、Ｖ／Ｇは、内因性点欠陥、つまり空孔及びシリコン格子間原子の形成及びその集合を制御することができる基本的なパラメータであることが認められている。臨界値と比較してＶ／Ｇが大きくなればそれだけ、成長する単結晶中に生じる空孔の過剰が顕著になる。臨界値と比較してＶ／Ｇが小さくなればそれだけ、成長する単結晶中に生じるシリコン格子間原子の過剰が顕著になる。単結晶の冷却時に点欠陥が過飽和になる場合、前記点欠陥は空孔の場合のようにＣＯＰの発生の原因である集合体を形成する。このＰv領域は、単結晶の引き上げプロセスにおいてＶ／Ｇを、前記商が臨界値よりも大きくかつ、有利にＯＳＦ核を生じる領域（ＯＳＦ領域）が形成されるＶ／Ｇよりも小さいように制御する場合に生じる。Ｐv領域中では、空孔の集合体の高い密度が存在する。しかしながらこの集合体の平均直径は、ＣＯＰ試験を用いてもはや捕らえられないほど小さい。しかしながら、前記集合体は銅を用いた装飾（装飾試験）により又はＩＲ−ＬＳＴを用いて検出することができる。ＩＲ−ＬＳＴを用いた検出のための適当な調製法は例えばG. Kissinger, G. Morgenstern, H. Richter, J, Vanhellemont, D. Graf, U. Lambert, W. v. Ammon, P. Wagner著, THE ELECTROCHEM. SOCIETY: PROCEEDINGS VOL. 97-22, 32-39 (1997) p.117に記載されている。この装飾試験は、例えば次のように実施することができる：調査すべき半導体ウェハ又はその部分の背面に、銅を、ＨＦ含有（１０ｍｌ／ｌＨＦ）ＣｕＳＯ4水溶液（２０ｇ／ｌＣｕＳＯ4）から電解析出させる（G. Kissinger, G. Morgenstern, H. Richter著, J. Mater. Res., Vol. 8, No. 8 (1993), p. 1900）。その後で、前記試料を９００〜１０００℃の範囲内の温度で５〜２０分間熱処理し、引き続き１０〜３０分間鏡面エッチング（ＨＮＯ3：ＨＦ＝５：１）を行う。最後に、Ｓｅｃｃｏエッチング溶液で３０分間処理を行い、それにより前記欠陥が可視化される。
【０００８】
許容可能な引き上げ速度の範囲（この知識は意図的な方法での商Ｖ／Ｇの制御のために必要である）は、通常では、引き上げ速度を変えて単結晶を引き上げ、引き続き分析する１つ以上の予備試験によって明確にされる。このために、前記単結晶を縦方向に切断し、前記切断面を点欠陥及びその集合体について調査する。
【０００９】
EP1170404 A1の記載によると、完全にＯＳＦ領域からなるか又はＯＳＦリングを有しその内側及び外側をＰv領域が取り囲むこのような半導体ウェハは良好なゲッタリング特性を有する。前記ＯＳＦ領域が含まれる限り、有害なＯＳＦ核を抑制する処置を取らなければならず、かつ空孔が豊富な領域はＯＳＦリングの内部に存在する限りＣＯＰ形成による難点はほとんど解消できないことは考慮されていない。
【００１０】
単結晶シリコンからなる高性能半導体ウェハの製造元への更なる要求は、前記半導体ウェハをできる限り多くの個数で経済的に製造できることにある。従って、使用された製造方法は高い歩留まりを提供することが明らかに必要である。この点において困難を克服しなければならない。本願発明が専念する問題は、単結晶中の窒素濃度が、窒素の小さな偏析係数のために、単結晶の長さに依存して上昇することにある。窒素に関する比較的高い濃度は、半導体ウェハに加工される単結晶の部分の後部から得られる半導体ウェハの場合に、窒素が核形成のために必要な酸素析出を促進するため、多すぎる数のＯＳＦ核を有することを生じさせることができる。しかしながら、このＯＳＦ核の数は、窒素の濃度に依存しない、それというのも単結晶の半導体ウェハに加工すべき部分の前部から得られる半導体ウェアは、多すぎる数のＯＳＦ核を有することができるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】EP1170404 A1
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】K. Sueoka et al.著, The Electrochem. Soc. PV 2000-17, (2000), p. 164
【非特許文献２】G. Kissinger, G. Morgenstern, H. Richter, J, Vanhellemont, D. Graf, U. Lambert, W. v. Ammon, P. Wagner著, THE ELECTROCHEM. SOCIETY: PROCEEDINGS VOL. 97-22, 32-39 (1997) p.117
【非特許文献３】G. Kissinger, G. Morgenstern, H. Richter著, J. Mater. Res., Vol. 8, No. 8 (1993), p. 1900
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、従って、良好なゲッタリング特性を有し、特にＯＳＦ及びＯＳＦ核に関して、電子デバイスの集積のために重要な領域において実質的に欠陥のない単結晶シリコンからなる半導体ウェハを提供することにある。さらに、本発明の課題は、このような半導体ウェハを高い歩留まりで提供できる極めて経済的な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題は、窒素でドープされていて、さらに、
ＯＳＦ領域及びＰv領域を有し、その際、前記ＯＳＦ領域は、半導体ウェハの中心から半導体ウェハの縁部の方向に向かってＰv領域にまで延在し；
少なくとも３．５×１０8ｃｍ-3のバルク中のＢＭＤ密度を有し、
３より大きくないＢＭＤmax／ＢＭＤminの商により表される変動幅を有する前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布を有し、その際、ＢＭＤmax及びＢＭＤminはそれぞれ、最大のＢＭＤ密度もしくは最小のＢＭＤ密度を表し；１０ｃｍ-2より低いＯＳＦ密度を有する、単結晶シリコンからなる半導体ウェハにより解決される。
【００１５】
さらに、前記課題は、
ＣＺ法により融液から単結晶を引き上げ、前記単結晶の引き上げプロセスの間に、引き上げ速度Ｖと界面での軸方向温度勾配Ｇとの商Ｖ／Ｇを、ＯＳＦ領域及びＰv領域が単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分中に形成されるように制御し、その際、前記ＯＳＦ領域は、前記単結晶の中心から前記単結晶の周囲方向に向かってＰv領域にまで延在し；
前記引き上げプロセスの間に、前記単結晶を窒素で、前記単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分の前部中の窒素濃度が、３×１０13〜６×１０13原子／ｃｍ3であるようにドーピングし、
前記引き上げプロセスの間に、酸素濃度を、前記半導体ウェハの製造に提供される部分中の酸素濃度が４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3であるように制御し、
単結晶シリコンからなる半導体ウェハを単結晶からスライスし、
単結晶シリコンからなる前記半導体ウェハを炉中で５００〜７５０℃の負荷温度で負荷し、
単結晶シリコンからなる半導体ウェハの温度を前記の負荷温度から保持温度まで、前記負荷温度から１０００℃までの温度範囲では少なくとも３．５℃／ｍｉｎの上昇率で、かつ１０００℃から保持温度までの温度範囲では３．５℃／ｍｉｎより低い上昇率で上昇させ；
及び単結晶シリコンからなる前記半導体ウェハを１０７５℃〜１１００℃の範囲内の保持温度で熱処理する、単結晶シリコンから半導体ウェハを製造する方法により解決される。
【００１６】
本発明による半導体ウェハは、全ての重要な要求を満たす。前記半導体ウェハは、実質的に欠陥を含まないので、電子デバイスの集積のための最良の前提条件を提供する表面近傍領域（デヌーデットゾーン）を有する。この表面近傍領域は、ＢＭＤ及び障害となるサイズのＣＯＰを含有せず、わずかな数のＯＳＦ核だけを含有する。このＯＳＦ密度は、酸素中での標準酸化及び光学顕微鏡での観察（ＯＳＦ試験）により１０ｃｍ-2よりも低い。バルク中では、前記半導体ウェハは少なくとも３．５×１０8ｃｍ-3、有利に少なくとも７×１０8ｃｍ-3のＢＭＤ密度を有し、その際、ＢＭＤmax／ＢＭＤminの半径方向の変動幅は、有利に２ｍｍの周辺部除外領域を考慮しても、３倍よりも大きくない。
【００１７】
前記特性を有する半導体ウェハを得るために、前記欠陥形成に関して重大な影響変数を適切に考慮する方法が必要である。本発明による方法はこれを成し遂げるものであり、さらに極めて経済的である、それというのも、前記方法は前記半導体ウェハを高い歩留まりで供給し、かつ前記方法の一部である半導体ウェハの熱処理の間の熱エネルギーの費用（thermal budget）は比較的低いためである。
【００１８】
単結晶の引き上げプロセスの際に、商Ｖ／Ｇは、前記単結晶の中央にＯＳＦ領域が生じ、前記ＯＳＦ領域は前記単結晶の中心から前記単結晶の周囲方向に向かって延在するように制御される。前記ＯＳＦ領域はつまり円盤状に形成されていて、リング中央にＯＳＦ核が見られない領域を有するリング状ではない。前記商Ｖ／Ｇの大きさは、前記単結晶の中央に障害となるＣＯＰが形成されないように制限される。さらに、Ｖ／Ｇは、前記の商が半径方向の推移において低下しかつ前記ＯＳＦ領域を経過するが、シリコン格子間原子が過剰である領域の形成のために必要であるよりも多いままであるように制御される。円盤状のＯＳＦ領域には、従ってＰv領域が隣接し、前記Ｐv領域は前記単結晶の周囲にまで延在する。ＯＳＦ領域及びＰv領域中の空孔の過剰は、単結晶から製造される半導体ウェハのバルクでの多数のゲッタリングする酸素析出物の形成を促進する。このような半導体ウェハは、相応してＯＳＦ領域を有し、前記領域は前記半導体ウェハの中心から前記半導体ウェハのエッジ方向に向かって延在し、かつ前記ＯＳＦ領域から前記半導体ウェハのエッジにまで達するＰv領域が隣接する。
【００１９】
単結晶中への酸素及び窒素の取り込みは同様に入念に制御しなければならない。酸素はＢＭＤの形成のために必要であり、窒素はその際に支援する作用がある。しかしながら、両方の元素はＯＳＦ核の形成も促進する。窒素の場合には、従って、単結晶が引き上げプロセスの間に、前記単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分の前部での窒素濃度が３×１０13〜６×１０13原子／ｃｍ3であるように窒素でドープされることに留意しなければならない。それにより、前記窒素濃度は前記部分の後部においても、前記濃度が偏析により２．５×１０14原子／ｃｍ3の値に上昇する場合にもなお十分に低いままであることが保証される。前記単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分は、２つの円錐形部分の間にある、前記単結晶の相当径を有する円柱状部分である。融液を窒素でドーピングする方法は、例えば、単結晶の引き上げプロセスの前に前記融液に定義された体積の窒素を含有するガス、例えばＮＨ3を通気することである。窒素の必要量は、融液の製造時に一緒に溶融された相応する量の窒化物で被覆されたシリコンウェハの形で準備することでもある。
【００２０】
酸素の場合に、前記単結晶の引き上げプロセスの間に、前記単結晶の半導体ウェハの製造に提供される部分中で、（New ASTMにより）４．４×１０17原子／ｃｍ3より少なくなくかつ５．２×１０17原子／ｃｍ3より多くないように留意しなければならない。前記窒素濃度と前記酸素濃度とは、このように、十分な数のＢＭＤの形成及びＯＳＦの抑制の可能性に関して相互に最適に調製される。
【００２１】
単結晶中の酸素の取り込みを入念に制御することは、前記方法の経済性に関して特に重要でもある。前記単結晶の引き上げの初期において、るつぼが融液で満たされている際に、前記融液にるつぼ材料から比較的多量の酸素が溶解する。従って、この時点で単結晶中で予定よりも多くの酸素に達する危険性が生じる。単結晶中の酸素の取り込みの制限のために、前記融液に頻繁に磁界が印加される。DE 103 39 792 A1によると、このために、特にＣＵＳＰ磁界及び移動磁界（traveling magnetic field, TMF）が適している。このような磁界を発生させるための適当なコイル装置は、図１（ＣＵＳＰ磁界）及び図２（ＴＭＦ）に図示されている。移動磁界によって前記融液中では対流渦が生じ、前記対流渦によって融液の流れが維持され、前記の流れは酸素をＳｉＯの形で融液から前記るつぼを介して周囲のガス空間に搬送する。渦中では前記融液はるつぼ壁に沿って融液の表面にまで流動し、そこから半径方向で内側に向かい、前記るつぼの半径のほぼ半分に相当する区間の後にるつぼ底部方向に向かって曲がる。ＣＵＳＰ磁界は、融液の流れを緩和するように作用し、それにより単結晶中への酸素の取り込みを低下させる。前記るつぼは単結晶の引き上げの経過において、前記融液の表面の位置を維持するために持ち上げられるため、単結晶の引き上げの後期の融液中での磁束密度は低下し、それにより前記磁界の酸素低減作用は低下する。
【００２２】
本発明による方法の有利な実施態様によると、単結晶の引き上げプロセスの際に、少なくとも半導体ウェハの製造に提供される部分において酸素濃度が４．４×１０17原子／ｃｍ3〜５．２×１０17原子／ｃｍ3の範囲内あることを達成するために１つ又は複数の措置が採られる。前記単結晶の引き上げの初期に特に有効な第１の措置は、前記単結晶を取り囲む通常使用される断熱性の熱シールドをガスガイド管によって延長し、前記ガスガイド管は下端部でリング状に広がっていて、前記リングは前記融液の表面と対峙することにある。前記リングと前記表面との間隔の大きさは、有利に２０ｍｍより大きくなく、１０ｍｍより小さくない。前記間隔では、前記融液の表面に向かうパージガス、例えばアルゴンが表面近くに案内され、加速される。この加速されたパージガス流は、融液から発生するＳｉＯを有効に運び去るために用いられ、かつ前記単結晶中への酸素のわずかな取り込みのために用いられる。熱シールドとは反対に、このガスガイド管は良好な伝熱性に構成されていて、従って、単結晶に対するひいては比Ｖ／Ｇに対する熱的影響はわずかにすぎない。前記ガスガイド管は、有利に汚染しない、金属材料、例えばモリブデンからなる。前記ガスガイド管の酸素を減少させる作用は、パージガスの圧力を高めるか又はパージガスの体積流量を高めるか又はその両方を高めることにより強化することができる。特に、１〜４ｋＰａの圧力及び２３００〜３２００ｌ／ｈの体積流量が有利である。
【００２３】
特に、単結晶の引き上げの後期において有効な他の措置は、融液中の磁束密度及び前記磁界の酸素低減作用を維持するために、ＣＵＳＰ磁界の強度を高め及び／又は磁気コイルを持ち上げることにある。起磁力の増大によって、つまり電流強度Ｉ及び巻数Ｎの積の増大によって、例えば６００００アンペア回数の２０％の増大によって、単結晶中の酸素濃度は約０．７×１０17原子／ｃｍ3だけ低下させることができる。これに伴う電力の上昇は、磁気コイルの持ち上げと同様に比較的費用がかかる。あまり費用がかからず、従って有利であるのは、単結晶の引き上げプロセスの間に前記の融液にまずＣＵＳＰ磁界を印加する方法である。後に、半導体ウェハに加工すべき単結晶の部分の後部を引き上げる場合には、前記融液に、ＣＵＳＰ磁界と上方に向かう移動磁界との組合せからなる磁界を印加する。この起磁力は、上側ＣＵＳＰコイルについて有利に５３０００〜６００００、特に有利に５７６００アンペア回数であり、下側ＣＵＳＰコイルについて有利に９５０００〜１０５０００、特に有利に１００８００アンペア回数である。ＴＭＦの磁界の強度は有利に、前記コイルが３６００アンペア回数〜−２４００アンペア回数の範囲内の実成分を有する起磁力が交互に生じるように調節される。ＴＭＦの周波数は、有利に５０〜７５Ｈｚである。前記の組み合わされた磁界は、前記融液からＳｉＯの排出を加速する対流渦を維持する。
【００２４】
結果として、単結晶中の酸素濃度を制御する前記措置の少なくとも１つの実施により、酸素濃度が４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3の必要な範囲にある半導体ウェハの歩留まりは、前記単結晶の円筒状の部分に関して少なくとも９０％である。それに対して前記措置を行わない場合には、前記歩留まりは少なくとも３５％低下する。
【００２５】
前記半導体ウェハは単結晶からスライスされ、本発明による熱処理のために準備される。この準備には、前記半導体ウェハをポリシングされた状態にする機械的及び化学的加工が属する。
【００２６】
前記熱処理は、前記半導体ウェハの特性に合わせられる。前記熱処理により、ＢＭＤは存在せずかつＯＳＦ核はほぼ完全に取り除かれた、十分な深さを有する「デヌーデットゾーン」が作製され、かつ前記半導体ウェハのバルク中には、高い密度の安定なＢＭＤを有し、かつ前記ＢＭＤが半径方向で均一に分布する領域が生じる。前記熱処理は、経済的な「熱エネルギー費用」により優れていて、これは特に比較的短い期間及び比較的低い保持温度により達成される。前記熱処理は、有利に半導体ウェハの複数を同時に熱処理する炉中で実施され、不活性雰囲気又は還元性雰囲気中で行われる。有利な還元雰囲気は水素を含有する。還元性雰囲気は、１種以上の還元性ガスの他に不活性成分を含有することができる。不活性雰囲気は熱処理の条件下で前記半導体ウェハの表面と反応しない成分だけを含有する。例えば、不活性ガス、例えば窒素又は希ガスが使用され、その際、希ガスが有利であり、特にアルゴンが有利である。
【００２７】
前記負荷温度は５００〜７５０℃である。より低い負荷温度を用いた場合には前記熱処理を不必要に延長し、より高い負荷温度を用いた場合には、必要となるＢＭＤ密度の達成のために必要な酸素核が消去する。１０７５℃〜１１００℃の範囲内の、有利に１０７５℃〜１０９０℃の範囲内の保持温度を到達するために、負荷温度から１０００℃の温度までの温度を、少なくとも３．５℃／ｍｉｎの上昇率で高める。特に９００℃の温度までは５℃／ｍｉｎの上昇率で、１０００℃の温度までは３．５℃の上昇率が有利であるか、又は８００℃の温度までは１０℃／ｍｉｎの上昇率で、９００℃の温度までは５℃／ｍｉｎの上昇率で、１０００℃の温度までは３．５℃／ｍｉｎの上昇率が有利である。１０００℃〜保持温度までの温度範囲では、この上昇率は３．５℃／ｍｉｎより小さい。特に、１０５０℃の温度までは２℃／ｍｉｎの上昇率で、保持温度までは１℃／ｍｉｎの上昇率が有利である。温度／時間グラフ中での負荷温度から保持温度までの温度曲線の上昇は、有利に常に正である。保持温度での熱処理の時間は、有利に４５ｍｉｎより短くなく、１８０ｍｉｎより長くない。「デヌーデットゾーン」の深さは、前記保持温度の高さによって及び前記保持温度での熱処理の時間によって良好に制御できる。前記深さは有利に５〜３０μｍである。
【００２８】
熱処理後に、半導体ウェハはできる限り急速に冷却され、炉から取り出される。熱的ストレスのためのすべりを抑制するために、冷却速度をゆっくりと増大させるのが有利である。特に、冷却速度は、１０５０℃の温度までは１℃／ｍｉｎよりも大きくなく、１０００℃の温度までは２℃／ｍｉｎより大きくなく、９００℃の温度までは３．５℃／ｍｉｎより大きくなく、８００℃の温度までは５℃より大きくなく、有利に負荷温度の範囲内にある取り出し温度までは５〜１０℃／ｍｉｎであるのが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ＣＵＳＰ磁界を発生させるための適当なコイル装置を表す図。
【図２】移動磁界を発生させるための適当なコイル装置を表す図。
【図３】シリコン単結晶が本発明による方法により引き上げられることを表す図。
【図４】ガスガイド管１３及びリング１４は拡大して表す図。
【図５】ＣＵＳＰ磁界を用いた場合の融液中の酸素濃度を示す図。
【図６】ＣＵＳＰ磁界及びＴＭＦを用いた場合の融液中の酸素濃度の明らかな低下を示す図。
【図７】ＴＭＦの相対的強度に依存した単結晶中の酸素濃度の半径方向のプロフィールの低下を示す図。
【図８】タイプＭＯ−４のＢＭＤカウンタを用いたＩＲ−ＬＳＴ測定及びＯＳＦ試験の結果を示す図。
【図９】タイプＭＯ−４のＢＭＤカウンタを用いたＩＲ−ＬＳＴ測定及びＯＳＦ試験の結果を示す図。
【図１０】タイプＭＯ−４のＢＭＤカウンタを用いたＩＲ−ＬＳＴ測定及びＯＳＦ試験の結果を示す図。
【図１１】ＢＭＤアニールを実施しかつＳＩＲＭに基づくＢＭＤカウンタを用いて評価した後の結果を示す図。
【図１２】異なるインゴット位置の２つの半導体ウェハについてＢＭＤアニールを実施しかつタイプＭＯ−４のＩＲ−ＬＳＴに基づくＢＭＤカウンタを用いて評価した後の結果を示す図。
【図１３】異なるインゴット位置の２つの半導体ウェハについてＢＭＤアニールを実施しかつタイプＭＯ−４のＩＲ−ＬＳＴに基づくＢＭＤカウンタを用いて評価した後の結果を示す図。
【図１４】異なるインゴット位置の２つの半導体ウェハについて、先行するＢＭＤアニールを実施せずに直接評価を行った結果を示す図。
【図１５】ＯＳＦ核の消去の程度が保持温度及び保持時間に依存することを示す図。
【図１６】５ｎｍの酸化物厚さでのＧＯＩ試験による熱処理により試験キャパシタの破壊箇所がどのように変化するかを示す図。
【図１７】５ｎｍの酸化物厚さでのＧＯＩ試験による熱処理により試験キャパシタの破壊箇所がどのように変化するかを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
有利な実施例に基づき実際に行われた本発明の結果を次に示し、図面を用いて説明する。
【００３１】
本発明による方法による３００ｍｍの公称径を有するシリコン単結晶の引き上げのために、前記熱輸送を決定する構造（ホットゾーン；hot zone）が図３で示されている装置を使用した。前記構造の構成部分は、回転可能でかつ昇降可能なるつぼシャフト１上に置かれ、中にシリコンからなる融液３を有する支持されたるつぼ２である。前記るつぼの周囲には、多結晶シリコンを溶融するための側面ヒータとしてかつ側面から融液に熱を供給するための抵抗ヒータ４、及び融液対流に影響を及ぼす磁界を発生させる磁気装置の３つの磁気コイル５、６、７が存在する。前記るつぼの下方には、抵抗ヒータ８が、下方から融液に熱を供給するための底部ヒータとして配置されている。他の加熱素子９は、前記融液から引き上げられた単結晶１０と前記融液３との間の相界面の周辺領域において軸方向温度勾配Ｇの低下のための環状ヒータとして、前記融液の直上に存在している。単結晶の周囲には、断熱性の熱シールド１１及び冷却ジャケット１２が配置されている。前記構成の特別な構成成分はモリブデンからなるガスガイド管１３であり、このガスガイド管は熱シールドに固定されていてかつその下端部で広がってリング１４になっている。融液の表面と前記リングの下面との間の間隔は有利に１０〜２０ｍｍ、実施態様では２０ｍｍである。図４では、ガスガイド管１３及びリング１４は拡大して示されている。この矢印はパージガスの流動方向を表し、前記融液の表面と前記リングの下面との間の間隙中での前記ガス流の加速を表している。
【００３２】
選択された「ホットゾーン」を用いた予備試験において、許容しうる引上速度の範囲を確認し、前記範囲内で前記商Ｖ／Ｇの制御を行い、内因性点欠陥の分布及びその集合に関して所望の特性を有する円柱状の部分を引き上げることができた。
【００３３】
単結晶中の酸素濃度［Ｏi］に関するガスガイド管の影響を測定するために、単結晶をガスガイド管の支援あり又はなしの他は同一条件下で引き上げ、単結晶の円柱状の部分の開始時の酸素濃度を比較した。表１中に前記試験の結果をまとめた。前記結果は、酸素濃度が４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3の所望の範囲内にあるように酸素濃度を制御するために、前記ガスガイド管は円柱状の部分の開始時の引き上げの際に必要であることを示す。
【００３４】
【表１】
2010064953.tif 000002
【００３５】
単結晶中の酸素濃度に関する磁界の影響を測定するために、一方でＣＵＳＰ磁界の発生のために使用される電力を２０％向上させることによるＣＵＳＰ磁界の増強ありで、もう一方ではＣＵＳＰ磁界の増強なしで、及びもう一方で円柱状の部分を三分したうちの最後の部分の引き上げの開始時に組み合わせたＣＵＳＰ磁界／ＴＭＦに切り替えて、その他は同一条件で、単結晶を引き上げた。組み合わせたＣＵＳＰ磁界／ＴＭＦに切り替えるまでは、両方の外側にある磁気コイル５、７によってＣＵＳＰ磁界を生じさせた。中央のコイル６には電流は供給しなかった。切り替え後に、ＣＵＳＰ磁界は最上のコイル５及び最下のコイル７によって生じさせた（それぞれ５７６００及び１００８００アンペア回数の起磁力で）。移動磁界を同時に生じさせるために、さらに３つの全ての磁気コイル５，６，７に三相電流を供給した。前記磁気コイルを、前記磁気コイルが前記融液に、ＣＵＳＰ磁界に加えてさらに、５０Ｈｚの周波数を有する上方に向かう移動磁界を印加するように接続した。前記コイルは、３０００〜−１５００アンペア回数の実成分を有する起磁力を交互に生じさせた。表２中に前記試験の結果をまとめた。前記結果は、酸素濃度が４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3の所望の範囲内にあるように酸素濃度を制御するために、円柱状の部分の後部の引き上げ時に、融液に印加される磁界の変化が必要であることを示す。
【００３６】
【表２】
2010064953.tif 000003
【００３７】
前記結果は、融液中での酸素濃度を用いて測定したシミュレーション計算のデータと一致する。適用された酸素搬送モデルは次のものから推知した：A.D. Smirnov, V.V. Kalaev著, "Development of oxygen transport model in Czochralski growth of silicon crystals", Journal of Crystal Growth, 2008; 310 (12), p.2970-2976。図５及び６は、融液に簡単なＣＵＳＰ磁界（図５）の代わりに、ＣＵＳＰ磁界及びＴＭＦ（図６）からの組合せを用いた場合に生じた融液中の酸素濃度の明らかな低下を示す。前記酸素濃度は、任意基準単位で示した。
【００３８】
図７は、ＴＭＦの相対的強度に依存した単結晶中の酸素濃度の半径方向のプロフィールの低下を示す。
【００３９】
得られた知見を考慮して、前記のホットゾーンを用いて単結晶を引き上げ、その際に必要量の窒素でドープし、それにより、円柱状の部分の前部における窒素濃度は３×１０13原子／ｃｍ3であった。さらに、ＣＵＳＰ磁界とＴＭＦとの組合せにより、単結晶の円柱状の部分の最後の２０％の引き上げ時に、単結晶中への酸素の取り込みを４．４〜５．２×１０17原子／ｃｍ3の範囲内の濃度に制限した。さらに、引き上げ速度のプロフィールは、許容された引き上げ速度の予め確認された範囲内で選択した。前記円柱状の部分を、ポリシングされた半導体ウェハに加工した。
【００４０】
前記半導体ウェハの部分を点欠陥及び点欠陥の集合に関する特性に関して試験した。Ｓｅｃｃｏ溶液を用いた準備の後にＦＰＤは検出できなかった。ＭＯ−６を用いた調査は、同様に比較的大きなＣＯＰを有する領域が存在しないことを示した。銅を用いた装飾試験、タイプＭＯ−４のＢＭＤカウンタを用いたＩＲ−ＬＳＴ測定及びＯＳＦ試験の結果を図８〜１０に示した。前記の試験された半導体ウェハは、欠陥の集合体の特に高い密度を有する中央領域での円盤状の領域を示し、前記領域は中心Ｚから前記半導体ウェハの半径の約３０〜５０％の範囲で前記半導体ウェハの縁部Ｒの方向に延在し、かつ明らかに低い欠陥密度を有する隣接された領域がそのウェハ縁部にまで達する。中央領域において、ＯＳＦ試験は、ＯＳＦの高い密度を示したが、隣接する外側領域においてはＯＳＦが見られなかった（図１０）。このような分析結果は、中央に円盤状のＯＳＦ領域を有し、かつ前記領域に隣接しかつウェハ縁部にまで達するＰv領域を有する半導体ウェハについて典型的である。
【００４１】
半導体ウェハの他の部分を３つのグループに分け、本発明による熱処理にかけた。上昇率及び温度範囲を表３にまとめた。それぞれのグループについて、異なる温度プロフィールを選択した（勾配Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩ）。
【００４２】
【表３】
2010064953.tif 000004
【００４３】
半導体ウェハの冷却プロセスの際の温度制御を表４にまとめた。
【００４４】
【表４】
2010064953.tif 000005
【００４５】
熱処理された半導体ウェハを、ＢＭＤの存在について試験した。
【００４６】
図１１は、ＢＭＤアニールの実施後でかつSemilab社（ハンガリー）のＳＩＲＭに基づくＢＭＤカウンタを用いた評価の後の結果を示し、その際、前記半導体ウェハは勾配ＩＩＩにより熱処理が行われた。この試験された半導体ウェハは、円柱状の部分を三分したうちの中央部（インゴット位置４００〜４６０ｍｍ）から得られる。従って、このＢＭＤ密度は試験された半導体ウェハの場合に少なくとも１×１０9ｃｍ-3であり、前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布は２．７より低い変動であった（ＢＭＤmax／ＢＭＤmin＜２．７）。この窒素濃度は、全ての試験した半導体ウェハについて８〜１５×１０13原子／ｃｍ3の範囲内であった。
【００４７】
図１２は、異なるインゴット位置（インゴット始端からミリメータで示す）の２つの半導体ウェハに関するＢＭＤアニールの実施後でかつタイプＭＯ−４のＩＲ−ＬＳＴに基づくＢＭＤカウンタを用いて評価した後の結果を示し、その際、前記半導体ウェハは勾配ＩＩにより熱処理が行われた。従って、このＢＭＤ密度は試験された半導体ウェハの場合に少なくとも７×１０8ｃｍ-3であり、前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布は２．８より低い変動であった（ＢＭＤmax／ＢＭＤmin＜２．８）。この窒素濃度は、両方の半導体ウェハについて３〜６×１０13原子／ｃｍ3の範囲内であった。
【００４８】
図１３は、異なるインゴット位置（インゴット始端からミリメータで示す）の２つの半導体ウェハに関するＢＭＤアニールの実施後でかつタイプＭＯ−４のＩＲ−ＬＳＴに基づくＢＭＤカウンタを用いて評価した後の結果を示し、その際、前記半導体ウェハは勾配Ｉにより熱処理が行われた。従って、このＢＭＤ密度は試験された半導体ウェハの場合に少なくとも１×１０9ｃｍ-3であり、前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布は２．４より低い変動であった（ＢＭＤmax／ＢＭＤmin＜２．４）。この窒素濃度は、両方の半導体ウェハについて９〜１３×１０13原子／ｃｍ3の範囲内であった。
【００４９】
図１４は、異なるインゴット位置（インゴット始端からミリメータで示す）の２つの半導体ウェハに関して、先行するＢＭＤアニールを実施せずに直接評価を行った結果を示し、その際、前記評価はタイプＭＯ−４のＩＲ−ＬＳＴに基づくＢＭＤカウンタを用いて行い、かつ前記半導体ウェハは勾配ＩＩにより熱処理が行われた。従って、このＢＭＤ密度は試験された半導体ウェハの場合に少なくとも３×１０8ｃｍ-3であり、前記ＢＭＤ密度の半径方向の分布は３．０より低い変動であった（ＢＭＤmax／ＢＭＤmin＜３．０）。この窒素濃度は、両方の半導体ウェハにおいて３〜６×１０13原子／ｃｍ3の範囲内であった。
【００５０】
さらに、「デヌーデットゾーン」（ＤＺ）の厚さを測定した。この結果は表５にまとめられている。
【００５１】
【表５】
2010064953.tif 000006
【００５２】
ＯＳＦ試験を半導体ウェハの他の部分ひいては熱処理（ＴＴ）がまだ行われていない半導体ウェハ及び本発明による熱処理が行われた半導体ウェハについて実施した。ＯＳＦの検出は、湿潤雰囲気で１０５０℃で４時間の酸化及びWrightエッチングによる準備の後に光学顕微鏡により行った。光学顕微鏡において、半導体ウェハの中心から縁部までの５ｍｍごとに０．１ｃｍ2の測定面積を評価した。ＯＳＦ試験の結果は表６にまとめられている。
【００５３】
【表６】
2010064953.tif 000007
【００５４】
ＯＳＦ核を消去させるための熱処理の構成の特別な意味は、図１５から明らかである。この図は、ＯＳＦ核の消去の程度が特に保持温度及び保持時間に依存することを示す。勾配ＩＩＩにより予定されているような１１００℃の保持温度で２時間の保持時間の消去能力（試験Ａ）を、わずかに異なる１０５０℃の保持温度で４時間の保持時間の消去能力（試験Ｂ）と比較した。従って、ＯＳＦ試験の後で、ＯＳＦ密度は試験Ａの場合に試験Ｂの場合よりもほぼ２分の１であり、１欠陥／ｃｍ2より低く一定であった。熱処理にかけなかった比較ウェハの場合には、ＯＳＦ試験により均一に６３／ｃｍ2のＯＳＦ密度が見られた。
【００５５】
図１６及び１７は、更なる比較において、５ｎｍの酸化物厚さでのＧＯＩ試験による試験キャパシタの破壊箇所が熱処理によりどのように変化するかを示す。前記単結晶の円柱状の部分を三分したうちの後部からなる半導体ウェハを試験した。熱処理されていない半導体ウェハは中心でＯＳＦ核の存在を示す円盤状の障害領域を有するが、本発明により熱処理された半導体ウェハでは、前記円盤状の障害領域は存在しない。このＧＯＩ試験は、増加して供給された電荷量Ｑｂｄでの試験キャパシタの障害率を示し、欠陥数／ｃｍ2を示す。典型的な臨界値は、０．１Ｃの電荷量までに生じる障害を強調する。この比較は、熱処理により生じるＯＳＦ核の消去の結果として障害率の明らかな低下を示す。
【図１】
2010064953.tif 000008
【図２】
2010064953.tif 000009
【図３】
2010064953.tif 000010
【図４】
2010064953.tif 000011
【図５】
2010064953.tif 000012
【図６】
2010064953.tif 000013
【図７】
2010064953.tif 000014
【図９】
2010064953.tif 000015
【図１０】
2010064953.tif 000016
【図１１】
2010064953.tif 000017
【図１２】
2010064953.tif 000018
【図１３】
2010064953.tif 000019
【図１４】
2010064953.tif 000020
【図１５】
2010064953.tif 000021
【図１６】
2010064953.tif 000022
【図１７】
2010064953.tif 000023
【図８】
2010064953.tif 000024
【外国語明細書】
2010064953.tif 000025
2010064953.tif 000026
2010064953.tif 000027
2010064953.tif 000028
2010064953.tif 000029
2010064953.tif 000030
2010064953.tif 000031
2010064953.tif 000032
2010064953.tif 000033
2010064953.tif 000034
2010064953.tif 000035
2010064953.tif 000036
2010064953.tif 000037
2010064953.tif 000038
2010064953.tif 000039
2010064953.tif 000040
2010064953.tif 000041
2010064953.tif 000042
2010064953.tif 000043
2010064953.tif 000044
2010064953.tif 000045
2010064953.tif 000046
2010064953.tif 000047
2010064953.tif 000048
2010064953.tif 000049
2010064953.tif 000050
2010064953.tif 000051
2010064953.tif 000052
2010064953.tif 000053
2010064953.tif 000054
2010064953.tif 000055
2010064953.tif 000056
2010064953.tif 000057
2010064953.tif 000058
2010064953.tif 000059
2010064953.tif 000060
2010064953.tif 000061
2010064953.tif 000062
2010064953.tif 000063
2010064953.tif 000064
2010064953.tif 000065
2010064953.tif 000066
2010064953.tif 000067
2010064953.tif 000068
2010064953.tif 000069
2010064953.tif 000070
2010064953.tif 000071