(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法において、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスしてシリコン単結晶ウエーハに加工した後、該シリコン単結晶ウエーハに９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加えウエーハ表層部の欠陥サイズが０．１３５μｍ以上の欠陥密度が０．１２個/cm2以下で、かつ酸素析出熱処理により形成される酸素析出物密度が１×１０8個/cm3以上となるものとし、次いでシリコン単結晶ウエーハの表層部にエピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項２】
前記チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、該単結晶棒にドープする窒素濃度を、１×１０10〜５×１０15atoms/cm3にすることを特徴とする請求項１に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項３】
前記チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、該単結晶棒にドープする窒素濃度を、１×１０13〜１×１０14atoms/cm3にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項４】
前記チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、該単結晶棒に含有される格子間酸素濃度を、１８ｐｐｍａ以下にすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項５】
前記熱処理は、水素、不活性ガス、あるいはこれらの混合ガスを雰囲気として、少なくとも３０秒間行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載したエピタキシャル単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項６】
前記シリコン単結晶ウエーハの抵抗率を、０．１Ω・cm以上にすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した方法によって製造されたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項８】
エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハであって、該エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法によって窒素をドープして育成されたシリコン単結晶棒をスライスして得られたシリコン単結晶ウエーハに、９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理が加えられ、ウエーハ表層部の欠陥サイズが０．１３５μｍ以上の欠陥密度が０．１２個/cm2以下で、かつ酸素析出熱処理により形成される酸素析出物密度が１×１０8個/cm3以上となるものであり、該シリコン単結晶ウエーハの表層部に、エピタキシャル層が形成されているものであることを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項９】
前記シリコン単結晶ウエーハの窒素濃度が、１×１０10〜５×１０15atoms/cm3であることを特徴とする請求項８に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項１０】
前記シリコン単結晶ウエーハの窒素濃度が、１×１０13〜１×１０14atoms/cm3であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項１１】
請求項１０に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハであって、エピタキシャル層表面の欠陥密度が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単結晶ウエーハ。
【請求項１２】
前記シリコン単結晶ウエーハの格子間酸素濃度が、１８ｐｐｍａ以下であることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項１３】
前記シリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長後の酸素析出熱処理により形成される酸素析出物の密度が１×１０8個/cm3以上となる数の酸素析出核をシリコン単結晶棒のas-grown状態で有することを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項１４】
前記シリコン単結晶ウエーハが、表層部にエピタキシャル層を形成する前に、水素、不活性ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下で、少なくとも３０秒間の熱処理を加えられたものであることを特徴とする請求項８ないし請求項１３のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項１５】
前記シリコン単結晶ウエーハの抵抗率が、０．１Ω・cm以上であることを特徴とする請求項８ないし請求項１４のいずれか１項に記載したエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有害な重金属不純物濃度が少なく、結晶性に優れたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの製造方法と、重金属不純物濃度が少なく、結晶性に優れたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、その優れた特性から広く個別半導体やバイポーラＩＣ等を製造するウエーハとして、古くから用いられてきた。また、ＭＯＳ  ＬＳＩについても、ソフトエラーやラッチアップ特性が優れている事から、マイクロプロセッサユニットやフラッシュメモリデバイスに広く用いられている。さらに、シリコン単結晶製造時に導入される、いわゆるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥によるＤＲＡＭの信頼性不良を低減させるため、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの需要はますます拡大している。
【０００３】
このような半導体デバイスに使用されるエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ上に重金属不純物が存在すると、半導体デバイスの特性不良を起こしてしまう。特に最先端のデバイスに必要とされるクリーン度は重金属不純物濃度が１×１０９ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下と考えられておりシリコンウエーハ上に存在する重金属不純物は極力減少させなければならない。
【０００４】
このような重金属不純物を低減させる技術の一つとしてゲッタリング技術の重要性がますます高くなってきている。従来、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの製造には、ゲッタリング効果の高い、高ボロン濃度の基板（例えば、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、０．０２Ω・ｃｍ以下）が用いられており、そのためエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハはチョクラルスキー法により製造された通常抵抗のシリコン単結晶ウエーハに比べて高いデバイス歩留まりが得られていた。
【０００５】
しかし、最近はＣＭＯＳデバイス用のエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの基板として従来よりも低ボロン濃度の基板が用いられる傾向が高くなってきており、高ボロン濃度の基板に比べてゲッタリング能力が低いという問題が生じてきた。また、高ボロン濃度の基板であっても、濃度によってはゲッタリング能力不足が問題となっている。
【０００６】
また、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ未満の高ボロン濃度の基板には、エピタキシャル成長中に基板から気化した不純物が再びエピタキシャル層に取り込まれたり、不純物が基板表面からエピタキシャル層内に固相外方拡散によって取り込まれるオートドーピングが発生しやすくなるという問題がある。このオートドーピングにより、エピタキシャル層の抵抗率が変化してしまうため、基板をＳｉＯ２によってＣＶＤコーティングする等の対策が必要であり、生産性及びコストを悪化させる原因となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点に鑑みて為されたもので、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの基板として、高ボロン濃度の基板のゲッタリング能力を向上させ、低ボロン濃度の基板においても高いゲッタリング能力をもち重金属不純物濃度が低く、結晶性に優れたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを、高生産性でかつ簡単に作製する製造方法を提供することを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法において、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスしてシリコン単結晶ウエーハに加工した後、該シリコン単結晶ウエーハに９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加え、次いでシリコン単結晶ウエーハの表層部にエピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法である。
【０００９】
このように、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する方法において、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスしてシリコン単結晶ウエーハに加工した後、該シリコン単結晶ウエーハの表層部にエピタキシャル層を形成するようにすれば、シリコン単結晶ウエーハのバルク部では窒素の存在により酸素析出が促進されるので、高濃度にボロンをドープせずともエピタキシャル層形成時に高いゲッタリング効果を有すると共に、高ボロン濃度の基板においてもゲッタリング能力を向上させ、重金属不純物濃度の極めて低いエピタキシャル層を有するエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
【００１０】
この場合、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、単結晶棒にドープする窒素濃度を、１×１０10〜５×１０15atoms/cm3にすることが好ましい。
これは、窒素によりシリコンウエーハ中の結晶欠陥の成長を充分に抑制するには、１×１０10atoms/cm3以上にするのが望ましいことと、チョクラルスキー法におけるシリコン単結晶の単結晶化の妨げにならないようにするためには、５×１０15atoms/cm3以下とするのが好ましいからである。
【００１１】
さらにこの場合、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、単結晶棒にドープする窒素濃度を、１×１０13〜１×１０14atoms/cm3にすることが好ましい。
【００１２】
これは、窒素濃度が１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、高温で安定な酸素析出核が、シリコン単結晶棒を育成させた直後のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で確実に形成されるため、例えば１０００℃以上の高温でエピタキシャル成長を行っても、酸素析出核が消滅することなく、エピタキシャル成長後の酸素析出熱処理後に酸素析出物密度が１×１０８個／ｃｍ３以上となるエピタキシャルウエーハをより確実に作製することができるからである。
また、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であれば、エピタキシャル層に形成される積層欠陥（ＳＦ）などの結晶欠陥は著しく抑制されるからである。
なお、本発明における酸素析出熱処理とは、例えば、窒素雰囲気下で８００℃、４時間の熱処理を行った後、酸素雰囲気下で１０００℃、１６時間の熱処理を行うような処理のことを言う。
【００１３】
また、チョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、該単結晶棒に含有される格子間酸素濃度を、１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ：日本電子工業振興協会規格）以下にすることが好ましい。
このように、低酸素とすれば、シリコンウエーハ中の結晶欠陥の形成を抑制することができるし、表面層での酸素析出物の形成を防止することも出来るため、エピタキシャル層の結晶性に悪影響が生じることも少ない。一方、バルク部では、窒素の存在により酸素析出が促進されるので、低酸素としても十分にゲッタリング効果を発揮することが出来る。
【００１４】
さらに、シリコン単結晶ウエーハの表層部にエピタキシャル層を形成する前に、シリコン単結晶ウエーハに９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加えることが好ましい。
このように、エピタキシャル層を形成する前に、シリコン単結晶ウエーハに９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加えるようにすれば、シリコン単結晶ウエーハ表面の窒素や酸素を外方拡散することができ、シリコン単結晶ウエーハ表面層の結晶欠陥を極めて少なくすることができるため、エピタキシャル層の結晶性に悪影響が生じることを防ぐことができる。またエピタキシャル層を形成する高温の熱処理を行った際に析出核が溶解してしまい析出が起こらなくなるようなこともなく、充分なゲッタリング効果が得られる。
【００１５】
この場合、前記熱処理は、水素、不活性ガス、あるいはこれらの混合ガスを雰囲気として、少なくとも３０秒間行うことが好ましい。
このように雰囲気が水素、不活性ガス、あるいはこれらの混合ガスであれば、熱処理によりウエーハ表面に酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）核が成長したり、成膜が生じるようなことがなく、確実にウエーハ表面の酸素や窒素を外方拡散して、ウエーハ表面層の結晶欠陥を減少させることができる。また熱処理時間としては、少なくとも３０秒間行えば、熱処理の効果は十分上げることができる。
【００１６】
そして、本発明では、シリコン単結晶ウエーハの抵抗率を、０．１Ω・cm以上にすることとした。
本発明の製造方法は、このような高抵抗率のボロン濃度の低いシリコン単結晶ウエーハを用いても、高いゲッタリング効果によって重金属不純物濃度の低いエピタキシャルウエーハを製造することができるため、ＣＭＯＳデバイス用等の基板に高抵抗率を要求されるエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造する場合であっても充分適用することができる。また、低いボロン濃度であれば、オートドーピングも生じにくいためオートドーピングに対しての処理も不要となり、生産性およびコストの改善が期待できる。
【００１７】
そして、本発明の製造方法で製造されたシリコン単結晶ウエーハは、例えば、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハであって、該エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法によって窒素をドープして育成されたシリコン単結晶棒をスライスして得られたシリコン単結晶ウエーハに、９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理が加えられたものであり、該シリコン単結晶ウエーハの表層部に、エピタキシャル層が形成されているものである。
【００１８】
そして、この場合、シリコン単結晶ウエーハの窒素濃度を、１×１０10〜５×１０15atoms/cm3とし、あるいは１×１０13〜１×１０14atoms/cm3とすることができる。
このように、適切に窒素ドープ量を制御されたシリコン単結晶ウエーハにエピタキシャル層を形成されたエピタキシャルウエーハは、エピタキシャル層の結晶性がさらに向上したものとなる。
【００１９】
特に、シリコン単結晶ウエーハの窒素濃度を、１×１０13〜１×１０14atoms/cm3とした場合は、エピタキシャル層表面の欠陥密度を０．３個/cm2以下とすることができる。
このように本発明のエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、適量の窒素をドープされている場合、エピタキシャル層表面の欠陥密度を確実に０．３個/cm2と極めて小さなものとすることができる。このように高いエピタキシャル層の結晶性のため、このエピタキシャルウエーハをデバイス作製に用いた場合は、酸化膜耐圧特性等の劣化が起こりにくく、デバイス作製の歩留りを著しく向上させることができる。
【００２０】
また、シリコン単結晶ウエーハの酸素濃度を、１８ｐｐｍａ以下とすることもできる。
このように、低酸素濃度のシリコン単結晶ウエーハの表面にエピタキシャル層を形成されたエピタキシャルウエーハであれば、表面層での酸素析出物の形成により、エピタキシャル層の結晶性に悪影響が生じることも少ない。一方、バルク部では、窒素の存在により酸素析出が促進されるので、低酸素としても十分にゲッタリング効果を有するものとなる。
【００２１】
さらに、前記シリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長後の酸素析出熱処理により形成される酸素析出物の密度が１×１０8個/cm3以上となる数の酸素析出核をシリコン単結晶棒のas-grown状態で有するものとすることができる。
ここでas-grown状態とは、シリコン単結晶棒を引き上げた後、全く熱処理が行われていない状態もしくは、通常行われるドナー消去熱処理のみが行われた状態のことを言う。
【００２２】
本発明のエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、窒素をドープしてシリコン単結晶棒を成長させるため、シリコン単結晶棒を成長させた直後のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態において、高温で安定な酸素析出核を多数有している。そのため高温のエピタキシャル成長をおこなっても、酸素析出核が消滅することなく、エピタキシャル成長後の析出熱処理後に、酸素析出物密度が１×１０８個／ｃｍ３以上となる、高いゲッタリング効果を持つものとすることができる。
【００２３】
この場合、前記シリコン単結晶ウエーハが、表層部にエピタキシャル層を形成する前に９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加えられたものとすることができる。
エピタキシャル成長前に熱処理を行えば、エピタキシャル層に形成される積層欠陥（ＳＦ）のような欠陥の発生が抑制される。そのため、このようなシリコン単結晶ウエーハの表層部にエピタキシャル層が形成されているエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハであれば、シリコン単結晶ウエーハの表層部は結晶欠陥がきわめて少なく、バルク部は高いゲッタリング効果を有するため、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの表層部のエピタキシャル層は結晶性がきわめて良好で重金属不純物濃度がきわめて低いものとなる。
【００２４】
また、この場合、前記シリコン単結晶ウエーハが、表層部にエピタキシャル層を形成する前に、水素、不活性ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下で、少なくとも３０秒間の熱処理を加えられたものとすることができる。
このような雰囲気下で熱処理を施されたものであれば、熱処理後によりウエーハ表面にＯＳＦの発生や成膜等の悪影響が及ぶことはない。さらに熱処理時間は少なくとも３０秒以上施せば良く、短時間の熱処理で済むため、高い生産性で処理することができる。
【００２５】
そして、前記シリコン単結晶ウエーハは、表層部にエピタキシャル層を形成する前の熱処理後において、ウエーハ表層部の欠陥サイズが０．１３５μｍ以上の欠陥密度が０．１２個/cm2以下で、かつ酸素析出熱処理により形成される酸素析出物密度が１×１０8個/cm3以上となるものとすることができる。
【００２６】
このように本発明のエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル層を形成する前のウエーハは、その表層部においては、０．１３５μｍ以上の欠陥密度が０．１２個／ｃｍ２以下と、欠陥のサイズ及び密度ともに極めて小さなものとなる。一方、バルク部では酸素析出物密度が１×１０８個／ｃｍ３以上と大きなものとなるため、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの表層部のエピタキシャル層は結晶性がきわめて良好で重金属不純物濃度がきわめて低いものとなる。
【００２７】
また、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハのシリコン単結晶ウエーハの抵抗率が０．１Ω・cm以上とすることができるため、最近のＣＭＯＳデバイス用のエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハに適用することができ、オートドーピングの問題が起こりにくく、生産性の高いエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハとなる。
【００２８】
以下、本発明についてさらに詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明は、ＣＺ法によってシリコン単結晶育成中に窒素をドープする技術によって得られた、高いゲッタリング効果を有する高生産性のシリコン単結晶ウエーハを、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを製造するための基板ウエーハに供することにより、高いゲッタリング効果を有し重金属不純物濃度が極めて小さい結晶性に優れたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを高生産性で得ることが出来ることを見出し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【００２９】
すなわち、窒素をシリコン単結晶中にドープすると、シリコン中の酸素原子の凝集が助長され、酸素析出物密度が高くなることが指摘されている（Ｔ．Ａｂｅ  ａｎｄ  Ｈ．Ｔａｋｅｎｏ，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．２６２，３，１９９２  ）。この効果は酸素原子の凝集過程が、均一核形成から不純物窒素を核とした不均一核形成に移行するためであると考えられる。
【００３０】
したがって、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に窒素をドープすれば、酸素析出物密度の高いシリコン単結晶およびこれを加工してシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。そしてこのシリコン単結晶ウエーハを基板としてエピタキシャル層を成長させることにより、同じ酸素濃度でも窒素をドープしていない基板に比べて高い酸素析出物密度を得ることができ、その結果として、きわめて重金属不純物欠陥の少ないエピタキシャル層を成長することができる。
【００３１】
そして、このようにシリコン単結晶育成時に窒素をドープして製造されたシリコン単結晶ウエーハは、たとえ低ボロン濃度であっても高いゲッタリング効果を有するため、高抵抗基板表面にエピタキシャル層を成長させた場合でも、重金属不純物をゲッタリングして除去したエピタキシャルシリコンウエーハを製造することができる。また、このように低ボロン濃度の基板表面にエピタキシャル成長を行えば、オートドーピングの問題が生じないため、オートドーピングに対する対策も不必要となり、生産性およびコストの改善が期待できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明において、ＣＺ法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成するには、例えば特開昭６０−２５１１９０号に記載されているような公知の方法によれば良い。
【００３３】
すなわち、ＣＺ法は、石英ルツボ中に収容された多結晶シリコン原料の融液に種結晶を接触させ、これを回転させながらゆっくりと引き上げて所望直径のシリコン単結晶棒を育成する方法であるが、あらかじめ石英ルツボ内に窒化物を入れておくか、シリコン融液中に窒化物を投入するか、雰囲気ガスを窒素を含む雰囲気等とすることによって、引き上げ結晶中に窒素をドープすることができる。この際、窒化物の量あるいは窒素ガスの濃度あるいは導入時間等を調整することによって、結晶中のドープ量を制御することが出来る。
【００３４】
このように、ＣＺ法によって単結晶棒を育成する際に、窒素をドープすることによって、導入されるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の成長を抑制させることができるとともに、シリコン中の酸素原子の凝縮を助長し、酸素析出物密度を高くすることが出来る。この方法は、引き上げ速度を遅くしたりする必要はなく、従来の製造装置を用いて容易に実施可能な方法であるため、新たに製造装置の増設等を必要とせず、高い生産性でシリコン単結晶を製造できる。
【００３５】
窒素をシリコン単結晶中にドープすると、シリコン中の酸素原子の凝集が助長され、酸素析出物密度が高くなる理由は、前述の通り酸素原子の凝集過程が、均一核形成から不純物窒素を核とした不均一核形成に移行するためであると考えられる。
従って、ドープする窒素の濃度は、十分に不均一核形成を引き起こす、１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にするのが好ましい。これによって酸素析出物密度を充分に高くすることができる。
一方、窒素濃度が、シリコン単結晶中の固溶限界である５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を越えると、シリコン単結晶の単結晶化そのものが阻害されるので、この濃度を越えないようにすることが好ましい。
【００３６】
さらに、窒素濃度は１×１０１３〜１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３にすることが好ましい。これは、窒素濃度が１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、高温で安定な酸素析出核がａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で確実に形成されるため、例えば１０００℃以上の高温でエピタキシャル成長を行っても、酸素析出核が消滅することなく、析出熱処理後に酸素析出物密度が１×１０８個／ｃｍ３以上となるエピタキシャルウエーハをより確実に作製することができ、また窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であれば、エピタキシャル層に形成される積層欠陥（ＳＦ）などの結晶欠陥は著しく抑制されるからである。
なお、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態での酸素析出核を直接測定することはできないが、析出熱処理を行った後の酸素析出密度を測定することにより、間接的に評価できる。
【００３７】
また、本発明では、ＣＺ法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成する際に、単結晶棒に含有される酸素濃度を、１８ｐｐｍａ以下にするのが好ましい。
シリコン単結晶中の酸素濃度が１８ｐｐｍａを越えると、エピタキシャル層の結晶性を低下させる酸素析出物等の欠陥がシリコン単結晶表面に形成されやすくなるので、このように低酸素とすれば、表面層での酸素析出物の形成を防止することができ、エピタキシャル層の結晶性に悪影響が生じることを防ぐことができる。一方、バルク部では、窒素の存在により酸素析出が促進されるので、低酸素としても十分にゲッタリング効果を発揮することが出来る。
【００３８】
シリコン単結晶棒を育成する際に、含有される酸素濃度を上記範囲に低下させる方法は、従来から慣用されている方法によれば良い。例えば、ルツボ回転数の減少、導入ガス流量の増加、雰囲気圧力の低下、シリコン融液の温度分布および対流の調整等の手段によって、簡単に上記酸素濃度範囲とすることが出来る。
【００３９】
こうして、ＣＺ法において所望濃度の窒素がドープされ、結晶欠陥が少ないとともに所望濃度の酸素を含有する、シリコン単結晶棒が得られる。これを通常の方法にしたがい、内周刃スライサあるいはワイヤソー等の切断装置でスライスした後、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の工程を経てシリコン単結晶ウエーハに加工する。もちろん、これらの工程は例示列挙したにとどまり、この他にも洗浄、熱処理等種々の工程があり得るし、工程順の変更、一部省略等目的に応じ適宜工程は変更使用されている。
【００４０】
次に、エピタキシャル成長を行う前に、得られたシリコン単結晶ウエーハに９００℃〜シリコンの融点以下の温度の熱処理を加えることが好ましい。この熱処理をエピタキシャル層を形成する前に行うことによりシリコン単結晶ウエーハ表面の窒素や酸素を外方拡散させることができる。
【００４１】
シリコン単結晶ウエーハ表面の窒素を外方拡散するのは、窒素の酸素析出促進効果により、シリコン単結晶ウエーハ表面層のエピタキシャル層を形成する領域で酸素が析出し、これに基づく欠陥の形成により、エピタキシャル層に悪影響を及ぼすこと（ＳＦの発生など）を防止するためである。
【００４２】
この場合、窒素のシリコン中での拡散速度は、酸素より著しく速いので、熱処理を加えることによって、確実に表面の窒素を外方拡散することができる。具体的な熱処理の条件としては、９００℃〜シリコンの融点以下、より好ましくは１１００℃〜１２５０℃の温度範囲で行なうのが好ましい。
このような温度範囲で熱処理をすることによって、十分にシリコン単結晶ウエーハ表面層の窒素を外方拡散できるとともに、同時に酸素をも外方拡散させることができるので、表面層における酸素析出物に起因する欠陥の発生をほぼ完全に防ぎ、エピタキシャル層の結晶性に悪影響が及ぶことを防ぐことが出来る。
【００４３】
また、窒素濃度が低い場合には、エピタキシャル成長を行う前に上記の熱処理を行わず、直接エピタキシャル成長のための高温熱処理が加わると、酸素析出核が溶解してしまい、その後の熱処理によっても充分に析出が起こらず、ゲッタリング効果が得られない場合があるが、エピタキシャル成長の高温熱処理を行う前に上記のような熱処理を行えば、エピタキシャル層形成時に充分なゲッタリング効果を得ることができ、重金属不純物濃度のきわめて低いエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを得ることができる。
【００４４】
この熱処理をする際の雰囲気としては、特に限定されるものではなく、水素、またはアルゴン等の不活性ガス、あるいはこれらの混合ガス、場合によっては酸素等であっても良い。しかし、雰囲気が酸素の場合は、熱処理条件次第ではウエーハ表面のＯＳＦ核を成長させることがあり、表面に酸化膜が成膜されることもある。表面に酸化膜が形成されてしまうと、この酸化膜を除去する工程が必要となるため、水素、アルゴン等の膜形成のない雰囲気の方が好ましい。
【００４５】
また、熱処理に使用する装置としては、熱処理時間が例えば５分以下の比較的短時間の場合には、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置として知られているランプ加熱器などの加熱方式を用いた急速加熱・急速冷却装置を用いたり、エピタキシャル成長装置を用いて、熱処理とエピタキシャル堆積を連続的に行うようにすれば、高い生産性で処理できる。また、熱処理を比較的長時間行う場合には、同時に数十枚以上のウエーハの熱処理が可能なヒーター加熱方式の熱処理炉を用いてバッチ処理すると効率的である。
【００４６】
また、本発明においては、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの基板ウエーハに高ボロン濃度の基板を用いずに、例えば、抵抗率が１０Ω・ｃｍの低ボロン濃度の基板を用いることができる。このような低ボロン濃度の基板であればオートドーピングの問題が生じないため、基板の裏面をＳｉＯ２によってＣＶＤコーティングを行う等の処理を行う必要がない。そのため、生産性およびコストの改善が期待できる。
【００４７】
一方、シリコン単結晶ウエーハのバルク部においては、窒素の存在により酸素析出が促進されるので、ゲッタリング効果の高いものとなり、たとえ低ボロン濃度のシリコン単結晶ウエーハであっても十分にゲッタリング効果を発揮することが出来るものとなる。このため、高抵抗の基板上にもきわめて重金属不純物欠陥の少ないエピタキシャル層を形成することができる。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて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、比較例１）
ＣＺ法により、直径１８インチの石英ルツボに、所定の濃度のボロンを添加した原料多結晶シリコンをチャージし、直径６インチ、Ｐ型、方位＜１００＞の結晶棒を、通常の引き上げ速度である、１．０ｍｍ／ｍｉｎの速度で６本引き上げた。そのうち４本の引き上げでは、原料中にあらかじめ窒化珪素膜を有するシリコンウエーハを投入しておいたが、残り２本の結晶の引き上げでは窒素をドープしなかった。また、いずれの結晶とも、引き上げ中ルツボ回転を制御して、単結晶中の酸素濃度が１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）となるようにした。
【００４９】
窒素をドープした方の４本の結晶棒の尾部の窒素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定したところ、内２本は１．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、残りの２本は５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった（窒素の偏析係数は非常に小さいので、結晶棒の直胴部の濃度はこの値以下となる。）。また、６本すべての単結晶棒の酸素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定したところ、どの結晶も１６ｐｐｍａの酸素濃度となっていることを確認した。
【００５０】
ここで得られた６本の単結晶棒から、ワイヤソーを用いてウエーハを切り出し、面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨加工を施して、窒素のドープの有無、ドープ量以外の条件はほぼ同一とした、３種類の直径６インチのシリコン単結晶鏡面ウエーハを６枚作製した。この６枚のシリコン単結晶ウエーハの抵抗率を測定したところ６本とも１０Ω・ｃｍであった。
【００５１】
これらの３種類の窒素ドープ量をもつ６枚のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態のシリコン単結晶ウエーハの表面に、各々窒素ドープ量が同じ２枚のシリコンウエーハのうち１枚は１２００℃で、もう１枚は１１２５℃で５μｍ厚さのシリコンエピタキシャル成長を行った。エピタキシャル成長炉はシリンダタイプのベルジャ内にシリコン基板を載置するサセプタを配置したもので、加熱方式は輻射加熱方式のものとした。これにＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２を導入することによってシリコンウエーハ上にシリコンをエピタキシャル成長させた。
そして、いずれのウエーハも、Ｎ２ガス雰囲気により８００℃で４時間の熱処理の後、Ｏ２ガス雰囲気により１０００℃で１６時間の熱処理により、酸素析出物を析出させた。この後、これらのエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハのゲッタリング効果を、シリコンウエーハのバルク中の酸素析出物濃度で評価した。
【００５２】
この酸素析出物濃度の測定はＯＰＰ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）法で行った。このＯＰＰ法は、ノルマルスキータイプ微分干渉顕微鏡を応用したもので、まず光源からでたレーザ光を偏光プリズムで２本の直交する９０°位相が異なる直線偏光のビームに分離して、ウエーハ鏡面側から入射させる。この時１つのビームが欠陥を横切ると位相シフトが生じ、もう１つのビームとの位相差が生じる。この位相差をウエーハ裏面透過後に、偏光アナライザーにより検出することにより欠陥を検出する。
【００５３】
この測定結果を図１に示した。ここで図１の左から、窒素ドープ無し、窒素ドープ量１．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素ドープ量５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の酸素析出物欠陥密度を示し、円形プロットは１２００℃でエピタキシャル成長を行った場合で、三角形プロットは１１２５℃でエピタキシャル成長を行った場合の酸素析出物欠陥密度を示す。
【００５４】
図１より、窒素ドープ量が１．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の場合も、５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の場合も、エピタキシャル成長時の温度にかかわらず同様に高い酸素析出物密度を示しており、高いゲッタリング効果を有していることがわかる。
一方、窒素ドープを行わなかった場合は、いずれの場合も酸素析出物密度は低く、ゲッタリング効果が低いことがわかる。
すなわち、窒素ドープしたウエーハは、１１００℃以上の高温エピ成長を行ってもａｓ−ｇｒｏｗｎ状態での酸素析出核が消滅することなく、析出熱処理を加えると確実に高密度の酸素析出物が得られるエピタキシャルウエーハを作製することができる。
【００５５】
（実施例２、比較例２）
実施例１と同様のＣＺ法により、直径８インチ、Ｐ型（ボロンドープ）、方位＜１００＞の単結晶棒を引き上げた。引き上げ速度は１．０ｍｍ／ｍｉｎ、１．８ｍｍ／ｍｉｎの２種類とし、原料中に投入する窒化珪素膜付きウエーハの量を調整して、窒素濃度が５×１０１２、５×１０１３、１×１０１４、５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の４種類の単結晶棒と、比較例として引上げ速度１．０ｍｍ／ｍｉｎで窒素ノンドープの単結晶棒を引き上げ、これらから窒素濃度の異なるシリコン単結晶鏡面ウエーハを作製した。作製されたシリコン単結晶鏡面ウエーハの抵抗率はいずれも約１０Ω・ｃｍ、酸素濃度は１０．５〜１７．５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）の範囲であった。
【００５６】
次に、エピタキシャル成長装置を用いて、これらのシリコン単結晶ウエーハの表面に、１１５０℃で１分間の水素ベークに続き、１１７０℃で３μｍの厚さのシリコンエピタキシャル成長を行なった。
そして、これらのエピタキシャルウエーハに実施例１と同じ方法により析出熱処理および酸素析出物測定を行なった。その結果を図２に示した。
図２の結果より、実施例１と同様に、窒素ドープしたウエーハは、１０００℃以上のエピタキシャル成長を行なっても、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態での酸素析出核が消滅することなく、析出熱処理を加えると確実に酸素析出物が形成されていることがわかる。尚、図中の表記１．０Ｅ＋１０は１．０×１０１０を示している。
【００５７】
（実施例３）
実施例１と同様のＣＺ法により、直径８インチ、Ｐ型（ボロンドープ）、方位＜１００＞の単結晶棒を引き上げた。引き上げ速度は１．０ｍｍ／ｍｉｎ、１．８ｍｍ／ｍｉｎの２種類とし、原料中に投入する窒化珪素膜付きウエーハの量を調整して、窒素濃度が１×１０１３〜１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となる複数の単結晶棒を作製し、これから窒素濃度の異なる複数枚のシリコン単結晶鏡面ウエーハを作製した。作製されたシリコン単結晶鏡面ウエーハの抵抗率は約１０Ω・ｃｍ、酸素濃度は１０〜１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）の範囲であった。
【００５８】
次に、エピタキシャル成長装置を用いてこれらのシリコン単結晶ウエーハの表面に、１１３０℃で１分間の水素ベークに続き、１０９０℃で１５μｍ厚さのシリコンエピタキシャル成長を行なった。
そして、エピタキシャル成長後の表面の積層欠陥（ＳＦ）などの結晶欠陥密度をＳＰ１（ＫＬＡテンコール社製商品名）により行い、その結果を図３に示した。
また、これらのエピタキシャルウエーハに実施例１と同じ方法により析出熱処理および酸素析出物測定を行なった。その結果、いずれのウエーハも１×１０８個／ｃｍ３以上の酸素析出物密度を有していることが判った。
【００５９】
これらの結果から、窒素濃度が１×１０１３〜１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であれば、エピタキシャル層表面の結晶欠陥の数は、８インチウエーハで１００個以下、すなわち、約０．３個／ｃｍ２以下の欠陥密度であり、かつ１×１０８個／ｃｍ３以上の酸素析出物密度を有するシリコンエピタキシャルウエーハが確実に得られることがわかった。
【００６０】
（実施例４）
実施例１と同様のＣＺ法により、直径６インチ、Ｐ型（ボロンドープ）、方位＜１００＞の単結晶棒を引き上げ速度１．０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げた。また、原料中に投入する窒化珪素膜付きウエーハの量を調整し、窒素濃度が１×１０１４〜約５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようにして、この単結晶棒からシリコン単結晶鏡面ウエーハを作製した。作製されたシリコン単結晶鏡面ウエーハの抵抗率は約１０Ω・ｃｍ、酸素濃度は約１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）であった。
【００６１】
次に、これらのウエーハにエピタキシャル成長する前の熱処理としてランプ加熱式のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置であるシュティアック  マイクロテック  インターナショナル社製のＳＨＳ−２８００を用いて熱処理を行なった。この時の熱処理条件は、１２００℃、０〜３６００秒、雰囲気はＨ２２５％、Ａｒ７５％である。尚、６０秒以上の熱処理は、６０秒の熱処理を繰り返して行い、その合計時間を熱処理時間とした。
【００６２】
その熱処理前後のウエーハ表面の欠陥数（欠陥サイズ０．１３５μｍ以上）を日立製作所ＯＳＤＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｄｅｆｅｃｔ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて調査し図４に示した。また、これらのエピタキシャル成長前のウエーハに実施例１と同じ方法により析出熱処理を施し、ウエーハのバルク中の欠陥密度（ＢＭＤ密度：Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ密度）を、Ｂｉｏ−Ｒａｄ社製、非破壊検査装置ＯＰＰ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）を用いて深さ３０μｍの領域を調査した結果を図５に示す。図４、５の結果から、アニール時間３０秒以上で確実に表層欠陥は減少するが、ゲッタリング源となるＢＭＤ密度には顕著な差が生じていないことが判る。すなわち、エピタキシャル成長前の熱処理により、表層部のサイズが０．１３５μｍ以上の欠陥数が６インチウエーハで２０個以下、すなわち約０．１２個／ｃｍ２以下の欠陥密度であり、しかも酸素析出熱処理により形成される酸素析出物の密度が１×１０８個／ｃｍ３以上となるウエーハが作製されたことがわかる。
【００６３】
次に、この熱処理を施したウエーハの表面に、エピタキシャル成長装置を用いて１１３０℃１分間の水素ベークに続き、１０９０℃で１５μｍの厚さのシリコンエピタキシャル成長を行ない、このエピタキシャルウエーハの酸化膜耐圧特性（ＴＺＤＢ特性およびＴＤＤＢ特性）を測定した。その結果を図６、７に示した。
【００６４】
ここで、図６のＴＺＤＢの良品率とはゲート酸化膜厚２５ｎｍ、ゲート面積８ｍｍ２、判定電流値１ｍＡ／ｃｍ２、室温の条件下で、酸化膜耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上を有するものの率であり、図７のＴＤＤＢの良品率とは、ゲート酸化膜厚２５ｎｍ、ゲート面積４ｍｍ２、ストレス電流値０．０１Ａ／ｃｍ２、室温の条件下で、酸化膜耐圧２５Ｃ／ｃｍ２以上を有するもの、もしくはゲート酸化膜厚２５ｎｍ、ゲート面積４ｍｍ２、ストレス電流値０．０１Ａ／ｃｍ２、１００℃の条件下で、酸化膜耐圧が５Ｃ／ｃｍ２以上を有するものの率である。
図６、７の結果からエピタキシャル成長前の熱処理時間が３０秒以上でそれらの良品率が確実に向上し、１２０秒以上では９５％以上の良品率が得られることが判る。
【００６５】
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。
【００６６】
例えば、本発明においてチョクラルスキー法によって窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成するに際しては、融液に磁場が印加されているか否かは問われないものであり、本発明のチョクラルスキー法にはいわゆる磁場を印加するＭＣＺ法も含まれる。
【００６７】
また、エピタキシャル成長を行うにあたっても、ＣＶＤによるエピタキシャル成長に限られず、ＭＢＥによりエピタキシャル成長を行いエピタキシャルシリコン単結晶基板を製造する場合にも本発明を適用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、エピタキシャルシリコン単結晶ウエーハの基板として窒素をドープしたシリコンウエーハを用いることにより、高ボロン濃度の基板のゲッタリング能力を向上させ、低ボロン濃度の基板においても高いゲッタリング能力をもち重金属不純物濃度が低く結晶性に優れたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハを、高生産性でかつ簡単に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１、比較例１において、酸素析出物を析出させる熱処理の後、ＯＰＰ法によるウエーハの酸素析出物欠陥密度の測定結果を示す結果図である。
【図２】実施例２、比較例２において、エピタキシャル成長後に酸素析出物を析出させる熱処理を行った後、ＯＰＰ法によるウエーハの酸素析出物欠陥密度の測定結果を示す結果図である。
【図３】実施例３において、エピタキシャル成長後における表面の結晶欠陥の測定結果を示す結果図である。
【図４】実施例４において、エピタキシャル成長前にウエーハに熱処理を施し、その熱処理前後におけるウエーハ表面の欠陥数の測定結果を示す結果図である。
【図５】実施例４において、エピタキシャル成長前にウエーハに熱処理を施し、その熱処理前後におけるウエーハバルク中の欠陥密度の測定結果を示す結果図である。
【図６】実施例４において、エピタキシャル成長後のウエーハにおけるＴＺＤＢの良品率の測定結果を示す結果図である。
【図７】実施例４において、エピタキシャル成長後のウエーハにおけるＴＤＤＢの良品率の測定結果を示す結果図である。
【図１】
0003626364.tif 000002
【図２】
0003626364.tif 000003
【図３】
0003626364.tif 000004
【図４】
0003626364.tif 000005
【図５】
0003626364.tif 000006
【図６】
0003626364.tif 000007
【図７】
0003626364.tif 000008