(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶育成時において、単結晶が１２００℃から１０００℃迄の冷却時間を２００分以下（ただし、単結晶が１２００℃から１０００℃迄の冷却時間を１５０分以下の場合を除く）とし、
結晶中の窒素濃度が１×１０１３原子／ｃｍ３ 以上（ただし、窒素濃度が１×１０１４原子／ｃｍ３ 以上の場合を除く）になるように、結晶育成時に窒素が添加され、かつ、
単結晶の直径Ｄに対する結晶育成時に導入された微小空洞欠陥が存在する領域の直径ｄの比ｄ／Ｄが０．８以下でＯＳＦリング内側の欠陥存在領域を有する範囲である単結晶から切り出されたウエーハに、高温熱処理を施すことを特徴とする単結晶シリコンウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記高温熱処理として、ウェーハを水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中、１０００〜１３５０℃で熱処理することを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンウエーハの製造方法。
【請求項３】
前記高温熱処理として、水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中での熱処理後、酸素を含む雰囲気中で８００〜１３５０℃で熱処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶シリコンウエーハの製造方法。
【請求項４】
前記比ｄ／Ｄが０．５〜０．８であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の単結晶シリコンウエーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体用単結晶シリコンウエーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高集積度デバイスの基板として用いられるシリコンウエーハは、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）によって育成されたシリコン単結晶から加工される。ＣＺ法は石英坩堝に充填したシリコン多結晶をヒーターで加熱溶融した後、この融液に種結晶を浸し、これを回転させつつ上方に引き上げることによって単結晶を成長させる方法である。
【０００３】
ＣＺ法で育成したシリコンウエーハには、結晶育成中に過剰に導入された点欠陥（空孔）が凝集して生じる微小空洞欠陥（以下、単に欠陥と記す）が含まれている。この欠陥が、研磨によってウエーハ表面に露出すると微小なピットになる。このピットはレーザーパーティクルカウンターによって検出されることからＣｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ（ＣＯＰ）と呼ばれている。
【０００４】
ＣＯＰはデバイスの歩留まりを低下させることが知られており、ＣＯＰ密度（単位面積当たりのＣＯＰ数）を低減する必要がある。
また、ウエーハ表面に露出していない欠陥であっても、ウエーハ表面近傍のデバイス活性領域中に存在すれば、デバイスの特性を劣化させることが知られている。従って、ＣＯＰだけでなく、ウエーハ表面近傍のデバイス活性領域に存在する欠陥の密度も低減する必要がある。
【０００５】
従来、ＣＺ法による単結晶育成時に欠陥の形成温度範囲（１１００℃前後）を徐冷することによって欠陥を低減することが行われてきたが、この方法では単位体積あたりの欠陥数は減少するが、欠陥のサイズは肥大する。デバイスの高集積化に伴ってパターンサイズの微細化が進み、ＣＯＰや欠陥のサイズが無視できなくなり、表面及びデバイス活性領域において、ＣＯＰや欠陥が存在しないウエーハが求められるようになった。その結果、先端デバイス用基板としては、エピタキシャルウエーハ（以下、エピウエーハと記す）やＣＯＰを消滅させた水素アニールウエーハが用いられている。エピ層にはＣＯＰや欠陥が存在しないため、エピウエーハは理想的なウエーハであるが、高価である。また、エピウーハに比べると安価な水素アニールウエーハでは、表面のＣＯＰは消滅しているが表面近傍には欠陥が残留している。
【０００６】
アニールウエーハの表面近傍の欠陥密度を低減するために、結晶育成時の冷却速度を速くすること、または、結晶育成時に窒素を添加することが提案されている（特願平９−２０１７５２）。この方法は、結晶育成時に形成される欠陥のサイズを小さくすることによって、熱処理による欠陥の消滅を起こりやすくするものである。しかし、結晶の冷却速度を極端に速くすると結晶が変形するため、結晶の育成が困難になる。また、窒素を高濃度に添加すると結晶育成時に転位が発生し、単結晶の育成が困難になる。単結晶が育成できたとしてもウエーハに加工された後の熱処理で過剰な酸素析出物が発生し、デバイス特性に悪影響を与える。従って、結晶の冷却速度の高速化と窒素の添加には上限がある。単結晶の育成に悪影響を及ぼさず、過剰な酸素析出物の生成が起きない範囲で、上記の方法を実施しても、表面下のデバイス活性領域に存在する欠陥を十分に消滅させることは困難であった。
【０００７】
また、結晶育成において、ＯＳＦリングを結晶内の所定位置に定位させ、欠陥をＯＳＦリング内側の欠陥存在領域みに限定させ低ＣＯＰ密度の結晶を得る方法があるが、その特性は近年の高精度化したデバイス製造用としては、十分な特性とは言えないものであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、表面にＣＯＰが存在せず、かつ表面近傍のデバイス活性領域に欠陥が存在しないウエーハの製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願で開示される発明は次の通りである。
本発明における単結晶シリコンウエーハの製造方法は、単結晶育成時において、単結晶が１２００℃から１０００℃迄の冷却時間を２００分以下（ただし、単結晶が１２００℃から１０００℃迄の冷却時間を１５０分以下の場合を除く）とし、
結晶中の窒素濃度が１×１０１３原子／ｃｍ３ 以上（ただし、窒素濃度が１×１０１４原子／ｃｍ３ 以上の場合を除く）になるように、結晶育成時に窒素が添加され、かつ、
単結晶の直径Ｄに対する結晶育成時に導入された微小空洞欠陥が存在する領域の直径ｄの比ｄ／Ｄが０．８以下でＯＳＦリング内側の欠陥存在領域を有する範囲である単結晶から切り出されたウエーハに、高温熱処理を施すことにより上記課題を解決した。
本発明は、前記高温熱処理として、ウェーハを水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中、１０００〜１３５０℃で熱処理することが好ましい。
本発明は、前記高温熱処理として、水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中での熱処理後、酸素を含む雰囲気中で８００〜１３５０℃で熱処理を行うことができる。
本発明は、前記比ｄ／Ｄが０．５〜０．８であることがある。
【００１０】
単結晶の直径Ｄに対する、結晶育成時に導入されたＯＳＦリング内側の欠陥存在領域の直径ｄの比ｄ／Ｄが０．８以下である単結晶から切り出されたウエーハに、高温熱処理を施す。
【００１１】
前記結晶育成時の１２００℃から１０００℃迄を２００分以内で冷却する。
【００１２】
前記単結晶中の窒素濃度が１０１３原子／ｃｍ３以上になるように、結晶育成時に窒素を添加する。
【００１３】
前記高温熱処理を、水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中１０００〜１３５０℃で行う。
【００１４】
前記水素あるいはアルゴンを含む雰囲気中での熱処理後、酸素を含む雰囲気中８００〜１３５０℃で熱処理を行う。
【００１５】
【発明の実施の形態】
一般に、デバイス基板用として育成されるシリコン単結晶では、結晶引上の冷却過程において過剰に取り込まれた空孔が凝集し欠陥を形成する。単結晶からウエーハを切り出して研磨すると、この欠陥が表面に露出してＣＯＰになる。
【００１６】
ＣＯＰや欠陥を熱処理によって消滅させるには、ウエーハ表面でのシリコン原子の再配列や、欠陥の内壁酸化膜溶解後の格子間シリコン原子の注入によって欠陥がシリコン原子で埋まることが必要である。これらの原理でＣＯＰや欠陥を消滅させる場合には、ＣＯＰや欠陥のサイズが小さい方が有利であると考えられる。
【００１７】
そこで、欠陥のサイズに対する結晶育成条件の影響を調査した結果、単結晶の直径Ｄに対する結晶育成時に導入されるＯＳＦリング内側の欠陥が存在する領域の直径ｄの比の縮小によりウェーハ面内の欠陥密度が減少すると同時に欠陥サイズが減小し、熱処理工程での欠陥消滅が起こりやすいことを見いだした。
【００１８】
また、このＯＳＦリング内径縮小結晶育成時の１２００℃から１０００℃までの冷却時間が２００分以下の急冷とすると欠陥サイズが著しく縮小し、熱処理での欠陥消滅が一層起こりやすくなることを見いだした。
【００１９】
同様の効果は、縮小結晶育成時単結晶中の窒素濃度が１０１３原子／ｃｍ３以上となるよう窒素を添加した場合にも認められる。しかし、窒素濃度が、５×１０１５原子／ｃｍ３を越えると結晶引き上げ時に多結晶化することが認められた。このため、結晶中の窒素濃度は、１０１３〜５×１０１５原子／ｃｍ３が好ましい。窒素添加の場合も急冷と欠陥の消滅が起こりやすくなる。なお、上記の急冷と窒素添加を併用するとその効果はいっそう顕著となる。
【００２０】
窒素を添加する方法は特に限定されず、原料の多結晶シリコンあるいはシリコン融液への窒素化合物粉の混合、窒素を添加したＦＺシリコン結晶や表面に窒化珪素膜を形成したシリコンウエーハの原料への混合、引上炉内へ窒素あるいは窒素化合物ガスを流しながらの単結晶育成、溶融前の高温においての原料への窒素あるいは窒素化合物ガスの吹き付け、窒化物製坩堝の使用等が使用できる。
【００２１】
上記の方法で得られた単結晶は、ウェーハに加工されるが、このウェーハに以下に述べる高温熱処理を行うことで、さらに欠陥が縮小、消滅したウェーハが得られる。
【００２２】
加工されたウェーハは、好ましくはまず水素またアルゴンを含む雰囲気中１０００℃から１３５０℃で高温熱処理する。この熱処理ではウェーハ表面のＣＯＰ及び表面近傍欠陥の内壁酸化膜を除去する。熱処理温度１０００℃以下では、欠陥の内壁酸化膜の溶解速度が遅く、欠陥を消滅させることが困難である。一方、熱処理温度が１３５０℃を超えると、熱処理時のスリップの発生がさけがたく好ましくない。内壁酸化膜の溶解に要する時間は、処理温度が高いほど短時間となり、１０００℃では５０時間程度要するが、１２００℃では１時間程度となる。この熱処理により、ウェーハ表面部の欠陥の縮小、消滅が進む。
【００２３】
水素またアルゴンを含む雰囲気中で熱処理されたウェーハは、好ましくは、酸素を含む雰囲気中で熱処理して、酸化熱処理によって生成した格子間シリコン原子を欠陥に注入し、欠陥を消滅させる。酸化による格子間シリコン原子の注入は８００℃程度から起こるが、格子間シリコン注入による欠陥消滅に要する時間は高温ほど短くなる。具体的には、８００℃では５０時間程度、１２００℃では数時間で欠陥が消滅する。熱処理温度が１３５０℃をこえると、欠陥消滅に要する時間は短くなるが、スリップが発生するため好ましくない。
以下、実施例にもとづき、本発明を具体的に説明する。
【００２４】
【実施例】
実施例１
結晶育成時の１２００℃から１０００℃迄の冷却速度０．５℃／分で、結晶の直径Ｄに対する欠陥が存在する領域の直径ｄの比ｄ／Ｄが０．９５から０．５までの結晶を引き上げ、これらの結晶をスライス後、鏡面研磨仕上げして得たウエーハを、水素雰囲気中１２００℃で１時間の熱処理を行った。熱処理を行っていないウエーハの表面に存在するＣＯＰ数Ｎ０と、熱処理を行った後ウエーハ表面を５μｍ再研磨したウエーハのＣＯＰ数Ｎａを測定し、各ウエーハの表面近傍における欠陥残留率（（Ｎ０／Ｎａ）×１００％）を求めた。その結果を図１に示す。ｄ／Ｄの０．８以下では、ｄ／Ｄのが小さいほど欠陥残留率が小さくなることがわかる。
【００２５】
実施例２
結晶育成時の１２００℃から１０００℃迄の冷却速度０．５℃／分から５℃／分、ｄ／Ｄが０．９５および０．５で育成した結晶をスライス後、鏡面研磨仕上げして得たウエーハを、アルゴン雰囲気中１２００℃で１時間の熱処理を行った。このウェーハについて実施例１と同じ方法で欠陥残留率を求めた結果を図２に示す。ｄ／Ｄが小さく、結晶育成時の１２００℃から１０００℃までの冷却速度が速いほど、欠陥残留率が減少する事がわかる。
【００２６】
実施例３
結晶中の濃度が１×１０１２原子／ｃｍ３から１×１０１４原子／ｃｍ３になるように窒素をドープし、１２００℃から１０００℃迄の冷却速度０．５℃／分、ｄ／Ｄが０．９５および０．５で育成した結晶をスライス後、鏡面研磨仕上げして得たウエーハを、水素雰囲気中１２００℃で1時間の熱処理を行った。実施例１と同様の方法で欠陥残留率を求めた。その結果を図３に示す。ｄ／Ｄが小さく、結晶中の窒素濃度が高いほど、欠陥残留率が減少する事がわかる。
【００２７】
実施例４
結晶中の濃度が１×１０１３原子／ｃｍ３になるように窒素をドープし、１２００℃から１０００℃迄の冷却速度０．５℃／分、ｄ／Ｄが０．９５および０．５で育成した結晶をスライス後、鏡面研磨仕上げして得たウエーハを、水素雰囲気中１２００℃で０．５時間の熱処理を行った場合（ａ）と、その後、酸素雰囲気中１２００℃で０．５時間の熱処理を追加した場合（ｂ）の両方について、表面から３、５、１０、１５μｍの再研磨を行い、ウエーハ表面近傍の欠陥残留率を評価した。図4にその結果を示す。ｄ／Ｄが小さく、酸素雰囲気中熱処理を追加した方が、より深い位置まで欠陥が消滅することが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
結晶の直径に対する欠陥が存在する領域の直径の比ｄ／Ｄが０．８以下の結晶から切り出したウエーハに水素またはアルゴン中で熱処理後、さらに好ましくは酸素含有雰囲気中で高温熱処理を施すことによって、効果的にＣＯＰ及び欠陥を消滅させることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶の直径Ｄに対する欠陥が存在する領域の直径ｄの比（ｄ／Ｄ）と、深さ５μｍの位置での欠陥残留率との関係を示すグラフである。
【図２】結晶育成時の１０００℃から１２００℃までの冷却速度と深さ５μｍの位置での欠陥残留率との関係を示すグラフである。
【図３】結晶中の窒素濃度と深さ５μｍの位置での欠陥残留率との関係を示すグラフである。
【図４】水素雰囲気中１２００℃で１時間の熱処理を行った場合の、表面からの深さと欠陥残留率の関係を示すグラフである。
【図５】水素雰囲気中１２００℃で１時間の熱処理を行ったのち、さらに酸素雰囲気中０．５時間の熱処理を行った場合の欠陥残留率の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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