(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコン半導体基板に関し、製造プロセスに於けるスリップの伝播を抑制できる酸素析出物を有し、従って、機械的強度が高いｐ- シリコン半導体基板を容易に実現できるようにする。【解決手段】  １×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 未満のボロンを含有するｐ- シリコン半導体基板であって、シリコン半導体中の酸素の拡散に関し、温度を１１００℃に換算した場合で２時間以上２５時間以下の拡散距離と同等以上の拡散距離を達成する温度と時間で加熱し、１１００℃に換算したときの加熱時間をｔ（時間）とした場合、シリコン半導体が式（ａ）で決定される濃度の酸素を含有してなることを特徴とする。［Ｏi ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 ）≧（１．９４×ｔ-0.16 ）×１０18  （ａ）【選択図】図１
2006261558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 未満のボロンを含有するｐ- シリコン半導体基板であって、シリコン半導体中の酸素の拡散に関し、温度を１１００℃に換算した場合で２時間以上２５時間以下の拡散距離と同等以上の拡散距離を達成する温度と時間で加熱し、１１００℃に換算したときの加熱時間をｔ（時間）とした場合、シリコン半導体が式（ａ）で決定される濃度の酸素を含有してなること
を特徴とするシリコン半導体基板。
［Ｏi ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 ）≧（１．９４×ｔ-0.16 ）×１０18  （ａ）
【請求項２】
基板内部に平均サイズが６０ｎｍ以下でかつ密度が１×１０9 ／ｃｍ3 以上の酸素析出物を含有すること
を特徴とする請求項１記載のシリコン半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スリップや転位が少なく、従って、機械的強度が高いシリコン半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路は半導体基板上に絶縁膜、電極、配線、層間膜などの様々な薄膜を成膜することに依って作製されている。
【０００３】
各種半導体集積回路の中でシリコンＬＳＩは、基板としてチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ）法で作製されたシリコンウェーハを用いることが多く、そして、前記成膜に於いては、シリコンウェーハを高温に加熱した状態で成膜するので、成膜終了後の冷却過程に於いて、成膜された薄膜とシリコンとの熱膨張係数の差に起因して熱応力が発生する。
【０００４】
また、上述のような成膜のみならず、不純物拡散などの工程でもシリコンウェーハは加熱され、加熱されたウェーハには温度分布（特に径方向）が生じることに起因して熱応力が発生する。
【０００５】
このような熱応力は、ほとんどの場合、せん断成分を持ち、スリップの発生や伝播の原因となることが知られている。この様なスリップは、シリコンウェーハを加熱する際のウェーハの支持位置から発生することが多い。ウェーハ中のスリップは、リークなど、デバイスの動作不良の原因となることが知られ、従来、その様なスリップの発生や伝播を抑制するための方策が考えられてきた。
【０００６】
その方策の一つがＣＺシリコンウェーハ中に於ける酸素析出物によるスリップ伝播の抑制である。これを説明するには、ＣＺシリコンウェーハの作製方法を理解しなければならない。
【０００７】
通常、多結晶シリコンを石英坩堝に充填し、且つ、加熱してシリコン融液を生成し、引き続き種子結晶を融液に接触させ単結晶の育成を開始し、回転させながら引き上げることによって成長させる。
【０００８】
坩堝を構成する石英の主成分はガラス（ＳｉＯ2 ）であり、シリコンの融点である１４２０℃では、石英自身も溶け出してしまい、構成元素である酸素がシリコン融液の中に混入する。
【０００９】
前記シリコン融液に混入した酸素の大半は蒸発してしまうが、単結晶を成長する過程で一部がシリコンの中に取り込まれてしまう。つまり、ＣＺ法を用いる限り、シリコンへの酸素の混入は避けられない。
【００１０】
このシリコンの中の酸素原子は、濃度と温度によって様々な振る舞いをすることが知られ、主な作用としては、酸素原子が凝集して体欠陥（酸素析出物）を作り出している。
【００１１】
ここで重要なことは、ＣＺシリコン中の酸素析出物に代表されるが、一般にマトリックス中の析出物はスリップの伝播を止める働きがあり、例えば、基板内に１０11個／ｃｍ3 以上の酸素析出物を分散して存在させた場合、スリップが少なくなって、機械的強度が高いシリコン半導体基板が得られることが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１２】
特許文献１に開示された発明では、１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 という高濃度のボロンを含有したｐ+ 基板を対象とし、そして、酸素濃度を９×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下とし、酸素析出物の平均サイズを３００ｎｍ以下としている。
【００１３】
前記の酸素濃度はＪＥＩＤＡ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）スケールを用いて記述されたものであり、ｏｌｄＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）換算では１．３８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 となる。本明細書では、以後、ｏｌｄＡＳＴＭ換算で酸素濃度を記述することとする。
【００１４】
ところで、シリコンに１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 のボロンを添加するとボロンによる固溶硬化によって機械的強度が高まることが知られている。従って、ｐ+ 基板における機械的強度の増大が果して酸素析出物によるものか、もしくはボロンによるものか区別して考えるのは困難である。
【００１５】
また、シリコン中のボロンは酸素の析出を促進するという働きがあることも知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【００１６】
シリコンＬＳＩに於いては、ｐ+ 基板のみならず、ボロン濃度が１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 未満である基板、即ち、ｐ- 基板も用いられている。本発明者は、さきに、両面鏡面加工エピタキシャルウェーハに於いて、基板中のボロン含有量を５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上、２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下とすることで、エピタキシャル成膜中のボロンのオートドーピングとプロセス中のボロン汚染を抑止でき、また、デバイス動作に不可欠なゲッタリング能力を確保できることを明らかにした（例えば、特許文献２を参照。）。このように、ｐ- 基板は有用な面をもっているのであるが、酸素濃度が１．３８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下で１０11個／ｃｍ3 以上の酸素析出物を形成することは極めて困難である。
【００１７】
また、ｐ- 基板、即ち、ボロンによる固溶硬化が全く期待できないようなシリコン基板において、スリップの伝播を効率良く抑制できるような酸素析出物の最適な密度とサイズは良く分かっていないという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−３０３２０８号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４４０２号公報
【非特許文献１】稲葉ら、第５７回応用物理学関係連合講演会予稿集、７ｐ−ＺＧ−５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、製造プロセスに於けるスリップの伝播を抑制できる酸素析出物を有し、機械的強度が高いｐ- シリコン半導体基板を容易に実現できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、多くの実験を行った結果、ボロン濃度が１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 未満のｐ- で、且つ、加熱条件に応じた最適な酸素濃度をもつ基板を用い、酸素析出物の密度と平均サイズが最適な範囲に存在するよう制御し、スリップの伝播を防止して高い機械的強度をもつシリコン半導体基板を実現した。
【００２０】
即ち、本発明に依るシリコン半導体基板に於いては、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 未満のボロンを含有するｐ- シリコン半導体基板であって、シリコン半導体中の酸素の拡散に関し、温度を１１００℃に換算した場合で２時間以上２５時間以下の拡散距離と同等以上の拡散距離を達成する温度と時間で加熱し、１１００℃に換算したときの加熱時間をｔ（時間）とした場合、シリコン半導体が式（ａ）で決定される濃度の酸素を含有してなることを特徴とする。
［Ｏi ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 ）≧（１．９４×ｔ-0.16 ）×１０18  （ａ）
【００２１】
また、本発明に依るシリコン半導体基板に於いては、平均サイズが６０ｎｍ以下で、且つ、密度が１×１０9 ／ｃｍ3 以上の酸素析出物が含まれてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
前記手段を採ることに依り、ｐ- であるＣＺシリコンウェーハであっても、酸素析出物によるスリップ伝播の防止を効率良く作用させることが可能となり、機械的強度に優れたシリコン半導体基板を実現することが可能となり、これにより高歩留まりで半導体集積回路を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
ボロン濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 のｐ- のＣＺシリコンウェーハを用いてＭＯＳトランジスタを含む半導体集積回路を作製し、Ｘ線トポグラフィー法、フォトルミネッセンス法を用いてシリコンウェーハ中のスリップの有無を観察した。
【００２４】
また、上記スリップ観察を行ったものと同一のシリコンウェーハを用いて、赤外散乱法によりシリコンウェーハ中に於ける酸素析出物の平均サイズと密度を計測した結果を表に纏めたところ下記の表１を得た。
【表１】
2006261558.tif 000003
【００２５】
表１からすると、赤外散乱法で計測した酸素析出物の平均サイズが６０ｎｍ以下で、且つ、酸素析出物密度が１×１０9 ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の場合、スリップの伝播を抑制できることが看取できよう。
【００２６】
そこで、以下に平均サイズが６０ｎｍ以下で、且つ、密度が１×１０9 ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の酸素析出物をシリコンウェーハに作り込むために必要な加熱条件及びウェーハの酸素濃度について説明する。
【００２７】
従来の技術ついて説明したように、ＣＺシリコンは結晶育成段階で不可避的に酸素が混入され、加熱処理中に過飽和となった酸素が凝集して析出する。従って、一般的な傾向としては、酸素濃度が高いほど過飽和になりやすく、従って、析出しやすく、また、高密度になる。
【００２８】
析出可能な酸素原子の個数には限りがあるため、析出物が高密度になるほど析出物のサイズは小さくなる傾向があり、また、酸素析出における熱処理に関しては、７５０〜８００℃の熱処理では酸素析出物の核が生成され、１０００〜１１００℃の熱処理で析出物が成長することが知られている。
【００２９】
微小な酸素析出物を高密度に形成するには、最初、７５０〜８００℃の熱処理を行うことが好ましい。然しながら、酸素析出物の形成の為だけで半導体集積回路の熱処理条件を決定するには困難を伴う。
【００３０】
従って、半導体集積回路の作製工程に於いて、最適な酸素析出物のサイズと密度が達成できるようにシリコンウェーハの酸素濃度を調節することが好ましい。
【００３１】
そこで様々な酸素濃度のシリコンウェーハを準備して９００℃以上１１００℃以下で様々な熱処理を施し、その熱処理が終了したシリコンウェーハの酸素析出物の密度と平均サイズを赤外散乱法により計測した。
【００３２】
この実験過程に於いて、熱処理温度が核形成温度、従って、９００℃以上で熱処理した場合、様々な加熱温度、様々な加熱時間を適用した場合の総熱負荷、即ち、熱履歴の指標として、熱処理温度に対する時間の積分量として記述できることを見出した。従って、熱履歴は、任意の温度について時間のみの変数として記述することが可能である。
【００３３】
図１は熱処理温度を１１００℃とした場合に於いて、熱処理時間ｔ（時間）に対して酸素析出物密度１×１０9 ／ｃｍ3 、酸素析出物の平均サイズ６０ｎｍ以下を達成するのに必要なＣＺウェーハの初期酸素濃度を表す線図であり、縦軸には半導体集積回路作製前のＣＺシリコンウェーハの酸素濃度を、また、横軸は熱処理時間ｔをそれぞれ採ってある。
【００３４】
図１において〇印は赤外散乱法で計測したときの酸素析出物の平均サイズが６０ｎｍ以下で、且つ、密度が１×１０9 ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上だった場合をプロットしてあり、×印はそうでなかった場合をプロットした。
【００３５】
図１からすると、熱処理時間ｔが短い場合は高酸素のウェーハが必要であるが、熱処理時間ｔの増大に伴い、低酸素化させる必要があることが看取される。
【００３６】
図１のデータに依れば、赤外散乱法で計測したときの酸素析出物の平均サイズが６０ｎｍ以下で、且つ、密度が１×１０9 ／ｃｍ3 以上の酸素析出物を作り込むためには、熱処理時間ｔ（ｈｒ）に対して、
［Ｏi ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 ）≧（１．９４×ｔ-0.16 ）×１０18  （ａ）
で記述される酸素濃度が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】熱処理温度を１１００℃としたとき、熱処理時間ｔ（時間）に対して酸素析出物密度１×１０9 ／ｃｍ3 、平均サイズ６０ｎｍ以下を達成するのに必要なＣＺウェーハの初期酸素濃度を説明する線図である。
【図１】
2006261558.tif 000004