(57)【要約】【課題】均一なＢＭＤと十分な厚さのＣＯＰ無欠陥層を持つアニールウェーハまたは欠陥の少ない表層のエピタキシャルウェーハとその製造方法の提供。【解決手段】窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満で、ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下かつ０．２μｍを超えるものがなく、酸素析出物（ＢＭＤ）密度が１×１０４個／ｃｍ２以上でウェーハの径方向におけるＢＭＤ密度の最大値／最小値比が３以下であり、表面に厚さ５μｍ以上のＣＯＰ無欠陥層を有するシリコンアニールウェーハ、またはこの母材ウェーハ表面にエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェーハ。および、育成時１３７０〜１３１０℃の範囲では引き上げ軸方向の平均温度勾配の中心部と周辺部との比Ｇｃ／Ｇｅを１．０〜１．５とし、かつ温度が１２００℃から１０００℃まで冷却される時間を５０分以下、さらに１０３０から９２０℃まで冷却される時間を３０分以下とする単結晶を用いるウェーハの製造方法。【選択図】なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニール処理により表面に無欠陥層を形成させたアニールウェーハであって、母材ウェーハは、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の単結晶のＣＯＰ欠陥発生領域からなり、ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下でかつ０．２μｍを超えるものがなく、酸素析出評価熱処理を施したときに形成される酸素析出物密度が１×１０４個／ｃｍ２以上、ウェーハ径方向におけるＢＭＤ（酸素析出物）の密度の最大値／最小値比が３以下で、表面にはＣＯＰ欠陥の存在しない無欠陥層が深さ５μｍ以上形成されていることを特徴とするシリコンアニールウェーハ。
【請求項２】
表面にエピタキシャル層を形成させたウェーハであって、母材ウェーハは、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の単結晶のＣＯＰ欠陥発生領域からなり、ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下でかつ０．２μｍを超えるものがなく、酸素析出評価熱処理を施したときに形成されるＢＭＤ密度が１×１０４個／ｃｍ２以上、ウェーハ径方向におけるＢＭＤの密度の最大値／最小値比が３以下で、その表面にエピタキシャル層を形成させたことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
【請求項３】
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げ育成するシリコン単結晶の製造方法において、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満で、単結晶の温度が１３７０〜１３１０℃の範囲である領域にて、引き上げ軸方向の平均温度勾配を単結晶中心部ではＧｃ（℃／ｍｍ）外周部ではＧｅ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｇｃ／Ｇｅを１．０〜１．５とし、かつ温度が１２００℃から１０００℃まで冷却される時間を５０分以下、さらに１０３０から９２０℃まで冷却される時間を３０分以下として単結晶を育成し、その単結晶から採取することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のシリコン単結晶より採取したウェーハを水素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスあるいはこれらの混合ガス中で、１１００〜１２５０℃にて１〜４時間加熱するアニール処理を施すことを特徴とする請求項１に記載のシリコンアニールウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体デバイスに使用されるシリコンウェーハとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハは、主としてチョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶から切り出し加工して製造される。ＣＺ法は石英るつぼ内の溶融したシリコンから種結晶を用い凝固させつつ引き上げ、シリコン単結晶を成長させる方法である。溶融したシリコンには原料や石英るつぼからの酸素が溶け込んでいて、これがシリコンの凝固とともに単結晶中に取り込まれ、冷却すると固溶度が低下するので過飽和な状態で存在し、これがデバイスの製造過程における熱処理中に酸化物として析出してくる。
【０００３】
この酸素析出物、あるいは析出に誘発されて生じる欠陥はＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）と呼ばれ、ウェーハ表面のデバイスが形成される部分すなわち活性領域に存在すると、デバイスの特性を劣化させる要因となる。その反面、活性領域でない基板内部に存在する場合、デバイスの製造過程では避けられない金属不純物の浸入によるによる活性化領域の汚染に対し、これら金属不純物を捕獲するゲッタリングサイトとして有効に作用する。
【０００４】
ＢＭＤのゲッタリング作用を有効に活用するため、ＤＺ−ＩＧ（Ｄｅｎｕｄｅｄ  Ｚｏｎｅ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）処理が用いられている。これはウェーハを窒素、酸素またはこれらのガスの混合雰囲気中にて１１５０℃程度で加熱し、その後さらに５００〜９００℃にて数時間以上加熱するなどの熱サイクル処理を施すもので、高温に曝すことによりウェーハ表面近傍の酸素を外方に拡散させて、表層に酸素析出物やそれに誘起される欠陥が存在しない低酸素濃度のデヌーデッド層（ＤＺ）を形成させ、低温で熱処理することにより、ウェーハ内部にゲッタリング効果を有するＢＭＤを形成させる。
【０００５】
このようなＤＺ−ＩＧ処理を施すと特性良好なデバイスの採取率の高い高品質のウェーハが得られるが、処理に長時間要することや、処理効果の変動が大きいことなど、生産コストを増大させてしまう。さらに、ウェーハには多くの場合、単結晶育成時に形成されるグロウンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥（ａｓ  ｇｒｏｗｎ欠陥ともいう）の一つであるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）欠陥（ウェーハ内部にある場合は赤外線散乱体欠陥ともいわれる）が存在しており、これはＤＺ−ＩＧ処理では除去することができない。ＣＯＰ欠陥は大きさが０．１μｍ前後で、単結晶中に１０５〜１０６個／ｃｍ３程度あり、現状の半導体デバイスの製造工程においては、デバイスの特性不良をもたらす主要因となっている。
【０００６】
ＣＯＰ欠陥を低減させるのに、水素やアルゴンなど非酸化性雰囲気中で１２００℃程度の高温に加熱する方法がある。この方法は高温に加熱するだけの処理で、ウェーハの表層のＣＯＰ欠陥の存在密度を減少させ、前述の酸素の外方拡散も兼ねさせることができるので、ウェーハ表層のデバイス活性領域に酸素析出物やＣＯＰ欠陥のない高品質のウェーハを容易に製造できる可能性がある。
【０００７】
たとえば、特許文献１には、希ガス、酸素、窒素、酸素／窒素混合物、および水素からなる群から選択される雰囲気ガス中にて、１０００℃以上で１時間以上加熱のアニーリング処理をおこなうウェーハの発明が提示されている。この場合、ウェーハ採取用の単結晶は、酸素濃度を４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とし、単結晶育成時の冷却にて８５０〜１１００℃の温度範囲に保持される時間を８０分未満とするか、または窒素のドーピング濃度を少なくとも１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とする。この単結晶育成時の上記温度範囲の冷却を早くすることにより、ＣＯＰ欠陥の大きさは小さくなり、アニーリング処理による欠陥の減少が効果的におこなわれるとしている。
【０００８】
この方法の場合、ウェーハ表面に無欠陥層が容易に形成できるとしても、内部のゲッタリング効果を有するＢＭＤに関しては、何も記載されていない。しかしながら窒素の添加は、以前よりシリコン結晶を強化する効果が知られているが、グロウンイン欠陥ばかりでなく酸素析出や高温酸化熱処理によって生じる酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ：Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ）などの発生挙動にも影響をおよぼす。非特許文献１には、同じ酸素含有量でも窒素が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３添加されると、直径２００ｍｍの単結晶の場合リング状のＯＳＦ発生潜在領域がウェーハ外周から内側へ５０ｍｍまでの領域に発生し、３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３添加されるとほぼ全面に発生するなど、窒素の濃度により酸素析出が大きく影響を受けることが示されている。
【０００９】
また、エピタキシャルウェーハのゲッタリング効果向上を目的とした発明に関する特許文献２によれば、ウェーハのＯＳＦ発生潜在領域の上にエピタキシャル層を形成させると、酸素析出物核はエピタキシャル層形成時の高温加熱においても消失せず、これが効果的なゲッタリングサイトとして機能するとしている。そして、通常は単結晶の引き上げ軸を中心にしてリング状に発生するＯＳＦ潜在領域の幅を拡大しウェーハ全面に発生させるため、窒素を１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上ドープするのがよいことを提示している。
【００１０】
さらに、特許文献３にはドーピングする窒素濃度を１×１０１３〜１．２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とし、結晶育成中の１１００〜７００℃の温度領域の通過時間を２００分以下とすることにより、ＯＳＦリングに起因するＢＭＤ密度のウェーハ面内における不均一性を解消する製造方法の発明が開示されている。
【００１１】
以上のように、ウェーハ表層のデバイス活性領域に酸素析出物やＣＯＰなどの欠陥がなく、かつ内部にはゲッタリングサイトとなるＢＭＤを有するアニール処理したウェーハに関して、窒素をドーピングすることによりＣＯＰ欠陥の大きさをアニール処理で容易に消失する小さなものとし、かつ内部のＢＭＤを十分かつ均一に分布させる方法が種々検討されている。しかしながら、窒素のドーピングは、偏析が大きく育成する単結晶全体にわたって含有量を均一にさせることは容易ではないため、とくに高濃度の窒素ドーピングを要するとすれば、この高濃度の結晶領域を満足する部分は僅かしか得ることができず、歩留まりが悪く実用生産への適用は困難である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−９８０４７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１８９４９３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１９９７９５号公報
【特許文献４】
特開２００２−１８７７９４号公報
【非特許文献１】
Ｋ．Ｎａｋａｉ  ：  ”Ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ａｎｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ              Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ  Ｄｅｆｅｃｔｓ  ａｎｄ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ”，第５２  回日本結晶成長学会、バルク成長分科会資料（２００２年２月８日、Ｐ６〜Ｐ９
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ウェーハ内部には十分多くかつ均一にＢＭＤの分布する、表面に無欠陥層を形成させたアニールウェーハ、または表面に健全なエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハと、その製造方法の提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、水素ガス、アルゴンガスなどの希ガス、またはこれらの混合ガス中で高温加熱するアニール処理をおこなって無欠陥層を表面に形成させるか、あるいは表面にエピタキシャル層を形成させた後においても、ゲッタリング作用を有するＢＭＤが、内部に十分かつ面方向均一に分布しているシリコンウェーハを得るため、種々の検討をおこなった。
【００１５】
種々のウェーハにてアニール処理を実施してみると、ＣＯＰ欠陥は、全般にその大きさが小さく、かつとくに大きなものがなければ、表面層においてはその数が多くても消失させ得ることが確認できた。そこでまずＣＯＰ欠陥を微細化させる効果のあることから、窒素ドーピングの効果を調査した。その結果、通常の単結晶引き上げ条件で、ＣＯＰ欠陥が微細化する効果が認められた。
【００１６】
ところが、リング状ＯＳＦ発生潜在領域は、窒素ドープ量を増すとともにがウェーハの内側の方へ移行し、その上、幅が広がる傾向を示した。ゲッタリング作用を有するＢＭＤは、ＯＳＦ発生をもたらす高温で安定な核となる酸素析出物と考えられる。したがってＢＭＤの分布状態は、ＯＳＦ発生潜在領域の分布の変化に付随して変化するが、アニール処理をおこなうと、その量は変化しても分布は大きくは変化しない。
【００１７】
このように、リング状ＯＳＦ発生潜在領域がウェーハの内側に移行してきた場合、ＢＭＤ密度のウェーハ面内分布が変化し、その最大値と最小値の差が大きくなり、不均一になってくる。さらに窒素ドープ量を増していくとＯＳＦはその密度が増加し、ウェーハ全面に均一に分布するようになる。このＯＳＦまたはＢＭＤ密度の不均一を十分小さくするには、１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える窒素ドープが必要であった。しかしこの窒素濃度は、その溶解度から単結晶に含有させ得る限界に近いドープ量であり、単結晶の全長にわたってこの高い窒素濃度を維持することは困難である。
【００１８】
ウェーハ上で観察されるリング状ＯＳＦ発生潜在領域は、通常、単結晶の引き上げ速度を速くすると外周の方へ移行し、引き上げ速度を遅くすると内側に移行する。従来、ＯＳＦの影響を避けるため、リング状ＯＳＦがウェーハの外周近くにあり、内側がグロウンイン欠陥の一つであるＣＯＰ欠陥が主として発生しやすい領域となる条件で、単結晶の育成がおこなわれてきた。これは、ＣＯＰ欠陥はデバイスの特性不良発生におよぼす影響が比較的小さく、さらに単結晶を高速で育成することが可能なためであった。
【００１９】
これに対し、集積回路の高密度化および高精細度化に伴い、ＣＯＰ欠陥も極力低減する必要が増してきたことから、リング状ＯＳＦ発生潜在領域の近傍に現れるグロウンイン欠陥発生のきわめて少ない領域を拡大し、ウェーハ全面がその無欠陥領域となるような単結晶育成方法が種々提案された。
【００２０】
その一つに特許文献４に開示された発明の方法がある。これは、ＣＺ法の単結晶の引き上げ育成において、融液から引き上げる単結晶の中心部が融点から１３７０℃までである温度域で、単結晶引き上げ軸方向の温度勾配が中心部はＧｃ、外周部ではＧｅとするとき、Ｇｃが２．８以上でかつＧｃ／Ｇｅを１以上として引き上げをおこなうものである。
【００２１】
このような、凝固直後の温度域で中心部の温度勾配の方が外周部より大きい単結晶内の温度分布は、引き上げ直後の冷却帯の構造（ホットゾーン）の構造、すなわち、るつぼとヒーターの相対的位置、熱遮蔽体の形状、融液面から熱遮蔽体までの距離、熱遮蔽体および冷却部材と単結晶表面との間隔、等の調整により実現できる。そして、内部はＣＯＰ欠陥発生域であり、外周部にＯＳＦ発生潜在領域が多少残存するような引き上げ速度で育成をおこなえば、全面にわたってグロウンイン欠陥の極めて少ないウェーハができる。
【００２２】
ところがこのウェーハは、酸素析出物形成のための熱処理をおこなうと、十分なＢＭＤが形成されるが、アニール処理をおこなったときには、ＢＭＤの形成が必ずしも安定しないことがわかってきた。
【００２３】
しかし、このような構造の冷却帯を用いた単結晶の育成方法は、ウェーハ面内における酸素濃度分布あるいはＣＯＰ欠陥の分布等をより均一化している可能性がある。そこで、この特許文献４に示された引き上げ育成時の温度分布を実現できる構造を有する装置を用い、アニール処理を施すウェーハを主対象に、単結晶の育成製造方法を検討した。
【００２４】
一般に引き上げ速度をより速くすれば、ＣＯＰ欠陥の大きさは小さくなる傾向がある。そして、前述のようにアニール処理をおこなう場合、ＣＯＰ欠陥については、全般に大きさが小さくかつとくに大きなものがなければ、その数が多くても消失させることができる。そこで、上記の育成装置を用い、引き上げ速度を速くしてみると、ＣＯＰ欠陥の発生数は増大するが、その大きさは小さくなっていく傾向が認められた。
【００２５】
しかしながら、アニール処理にて表面層のＣＯＰ欠陥をより確実に消失させるには、必ずしも十分でないと思われたので、さらに窒素ドープについて検討してみると、比較的少ないドープ量でＣＯＰ欠陥を消失可能な大きさまで小さくできることが見出された。しかしこの場合、窒素量を増していくとウェーハ面内方向の密度分布の不均一が大きくなる。
【００２６】
これは、上述のホットゾーンを改良した育成装置では、リング状ＯＳＦ発生潜在領域の位置がより外側に発生する傾向にあるが、ＣＯＰ欠陥をより小さくするために引き上げ速度を速くすることと、窒素を添加しそして増加させたこととが重複していることによると思われる。すなわちドープ量が少ない間は、リング状ＯＳＦ発生潜在領域は外周近傍またはそれより外にあるが、窒素量が多くなるとウェーハの内側に入ってくるようになるので、窒素のドープ量は、多すぎないように限定する必要があると考えられる。
【００２７】
ホットゾーンを改良し凝固点から１３００℃までの温度域でＧｃ／Ｇｅが１．１２とした装置を用い、酸素濃度を１５×１０１７〜１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３として窒素をドープした単結晶を作製した。得られたウェーハにてＯＳＦを発生させ、その密度を調査してみると、窒素量を増すとともにＯＳＦがウェーハの内側に移行するが、生じたＯＳＦ密度の最大値は、図１に示すようにある値を超えると急激に増大する。このＯＳＦ密度が増大したウェーハでは、ＢＭＤ密度の最大値と最小値との差が大きくなっており、面内でのばらつきが大きい。したがって、ＢＭＤの密度分布を均一にするには、窒素のドープ量を限定する必要がある。
【００２８】
このように、ホットゾーンの温度分布を改良した装置を用い、含有範囲を限定して窒素ドープをおこなえば、ＣＯＰ欠陥の大きさを小さくして、しかもＢＭＤの密度分布を均一にできることがわかった。
【００２９】
そこで、引き上げ速度やホットゾーンの温度分布、窒素量など単結晶の育成条件と、ＣＯＰ欠陥の発生状況およびＢＭＤの密度との関係をさらに詳細に調査の結果、１２００〜１０００℃の温度域の滞在時間および１０３０〜９２０℃の温度域の滞在時間も、大きく影響してくることもあきらかになった。
【００３０】
１２００〜１０００℃の温度域の滞在時間を短くすると、ＣＯＰ欠陥を全体として小さくでき、粗大なＣＯＰ欠陥の発生を抑止できる。この温度域では、単結晶に取り込まれた空孔が過飽和になることでＣＯＰ欠陥の形成がおこなわれるので、滞在時間が短ければ、ＣＯＰ欠陥の成長が抑止されるではないかと思われる。また、１０３０〜９２０℃の温度域の滞在時間も短くすると、ＢＭＤの分布の均一化が改善される。これは、この温度域ではＯＳＦの核が形成し始めると考えられ、この核の形成を抑止することにより、ＢＭＤの均一化が促進されるのではないかと思われた。
【００３１】
このようにして、単結晶育成時の引き上げ直後の高温域における温度分布を改善した引き上げ装置を用い、窒素を少量添加し、その上で、さらにより低い温度域の滞在時間を短くすることにより、小さなＣＯＰ欠陥が分布し、かつＢＭＤの分布の均一化を図ることができた。
【００３２】
上述のようなウェーハは、エピタキシャルウェーハの基板材として用いれば極めて有効であることが予想された。エピタキシャルウェーハは、通常、基板となる素材ウェーハの表面を研磨後、反応炉内で高温に加熱し、ＳｉＨＣｌ３などＳｉを含む原料ガスを水素などのキャリヤーガスとともに炉内に導入して、表面で熱分解させて欠陥のない高純度の単結晶薄膜層、すなわちエピタキシャル層を形成させる。このとき、基板表面の欠陥に基づくと考えられる積層欠陥が多発することがある。
【００３３】
アニール処理は１１００〜１２５０℃でおこなわれるが、この温度範囲はエピタキシャル層を形成させる温度とほぼ同じであり、この温度での加熱が表面のＣＯＰ欠陥を消失させるとすれば、その上に形成されるエピタキシャル層の欠陥発生も抑制されるのではないかと推定される。また、基板内のＢＭＤは、他のウェーハと同様十分かつ均一に存在していることが望まれるが、上述のウェーハではＢＭＤの分布も改善される。
【００３４】
そこで、種々育成条件の異なるウェーハにてエピタキシャルウェーハを作製してみた結果、通常条件にて窒素ドープをおこなって得られたウェーハの場合、エピタキシャル層の欠陥は、ウェーハ外周部に多発することが認められた。この領域はエピタキシャル層成長処理を施す前のウェーハにおいてＯＳＦが多発する部位に対応している。この場合、エピタキシャルウェーハ内に形成されるＢＭＤ密度の面内バラツキも極めて大きいことがわかった。これに対し上述の好ましいアニールウェーハを得ることのできるウェーハ母材の場合、欠陥が極めて少なくかつＢＭＤが均一に分布したすぐれたエピタキシャルウェーハとなることがわかった。
【００３５】
以上のような検討結果に基づき、さらに効果が顕著になる条件の限界を確認して本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００３６】
（１）  アニール処理により表面に無欠陥層を形成させたアニールウェーハであって、母材ウェーハは、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の単結晶のＣＯＰ欠陥発生領域からなり、ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下でかつ０．２μｍを超えるものがなく、酸素析出評価熱処理を施したときに形成される酸素析出物密度が１×１０４個／ｃｍ２以上、ウェーハ径方向における酸素析出物の密度の最大値／最小値比が３以下で、表面にはＣＯＰ欠陥が存在しない無欠陥層が深さ５μｍ以上形成されていることを特徴とするシリコンアニールウェーハ。
【００３７】
（２）  表面にエピタキシャル層を形成させたウェーハであって、母材ウェーハは、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の単結晶のＣＯＰ欠陥発生領域からなり、ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下でかつ０．２μｍを超えるものがなく、酸素析出評価熱処理を施したときに形成される酸素析出物密度が１×１０４個／ｃｍ２以上、ウェーハ径方向における酸素析出物の密度の最大値／最小値比が３以下で、その表面にエピタキシャル層を形成させたことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
【００３８】
（３）  チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げ育成するシリコン単結晶の製造方法において、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満で、単結晶の温度が１３７０〜１３１０℃の範囲である領域にて、引き上げ軸方向の平均温度勾配を単結晶中心部ではＧｃ（℃／ｍｍ）外周部ではＧｅ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｇｃ／Ｇｅを１．０〜１．５とし、かつ温度が１２００℃から１０００℃まで冷却される時間を５０分以下、さらに１０３０から９２０℃まで冷却される時間を３０分以下として単結晶を育成し、その単結晶から採取することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【００３９】
（４）  上記（３）のシリコン単結晶より採取したウェーハを水素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスあるいはこれらの混合ガス中で、１１００〜１２５０℃にて１〜４時間加熱するアニール処理を施すことを特徴とする上記（１）のシリコンアニールウェーハの製造方法。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコンウェーハは、その素材となる単結晶の育成段階において窒素のドープ量を１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることとする。これは、窒素を少量ドープするとＣＯＰ欠陥の大きさを小さくし、欠陥の大きさの最頻値を低下させ、最大値を小さくする効果があるからである。さらにアニール処理によるＢＭＤ発生量の減少を抑止する効果もある。この効果は、窒素量が少なくても十分に現れ、ドープ量が多少変動しても認められるが、望ましいのは０．１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含有させることである。しかし１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上になると、図１に示したように、ＯＳＦの発生密度が増大し、ウェーハ面内におけるＢＭＤの密度分布の変動が大きくなってくる。
【００４１】
酸素濃度はとくには限定しないが、１１×１０１７〜１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ  Ｆ−１２１，１９７９）の範囲にあることが望ましい。これは少なすぎるとゲッタリング作用を有するＢＭＤの数が不十分になってくるからであり、多すぎるとウェーハ面内のＢＭＤ密度の不均一が増大し、エピタキシャルウェーハではエピタキシャル層にまで積層欠陥が発生してくるからである。
【００４２】
また、ウェーハの大部分、すなわちウェーハ直径の内側８０％以上がリング状ＯＳＦの内側に相当するＣＯＰ欠陥発生領域であることが好ましい。これはＣＯＰ欠陥はアニール処理により消滅させることができるが、他の欠陥、たとえば転位クラスター欠陥などは熱処理などでは消失させることができないからである。
【００４３】
ＣＯＰ欠陥の大きさは最頻値が０．１μｍ以下で、かつ０．２μｍを超えるものがないものとする。これは最頻値が０．１μｍを超える場合、アニール処理で十分消滅させることができず、大きさが０．２μｍを超える欠陥は、ボイドのような欠陥として残存してしまうからである。
【００４４】
ここで、ＣＯＰ欠陥の計測は、ＯＰＰ装置（アクセントオプティカルテクノロージーズ社製、Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）を用い、研磨したウェーハ表面にて欠陥の大きさおよび分布密度を測定する。
【００４５】
図２に欠陥の大きさと、その大きさの欠陥の存在密度との関係を測定した例を示す。図中、Ｂ比較例として示したのは、育成中の凝固直後におけるＧｃ／Ｇｅが１．２で、窒素は特にドープしなかったものである。欠陥の大きさの最頻値は０．１３μｍで、０．２μｍを超える欠陥が存在しており、アニール処理をおこなった場合、極表層は無欠陥とすることができたが、表面直下にはＣＯＰ欠陥が残存していて、十分な無欠陥層を形成させることができなかった。
【００４６】
これに対し、図２のＡとして示した例は、窒素量が０．７２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で、１３７０〜１３１０℃間におけるＧｃ／Ｇｅを１．１２としたもので、欠陥の大きさの最頻値が０．７３μｍでかつ０．２μｍを超える欠陥は存在せず、アニール処理後には、７μｍを超えるＣＯＰ無欠陥層が得られている。
【００４７】
酸素析出物すなわちＢＭＤの密度は、乾燥酸素雰囲気中にて１０００℃、１６時間の酸素析出評価熱処理を施した後、ウェーハを半分に劈開破壊し、破面でライト液にて２μｍ厚さのエッチングをおこない、光学顕微鏡にてエッチピットの密度を測定する。この酸素析出評価熱処理を施したときに、ウェーハ内部に形成される酸素析出物密度が１×１０４個／ｃｍ２以上（５×１０７個／ｃｍ３以上）であり、ウェーハの径方向における酸素析出物の密度の最大値／最小値比が３以下であることとする。
【００４８】
ウェーハ内部に形成される酸素析出物密度は、１×１０４個／ｃｍ２を下回ると表面の活性域に形成されるデバイスに対する不純物元素のゲッタリング作用が不足する傾向になるが、１×１０４個／ｃｍ２以上あればよいと考えられる。そしてウェーハの面方向におけるＢＭＤ密度の最大値／最小値の比が３を超える場合、ウェーハ面の場所によるゲッタリング効果のバラツキが大きくなる。また、ＢＭＤ密度分布の面内不均一が増大してくると、ウェーハ処理工程において反りが発生するおそれがあり、そのためにも最大値／最小値の比が３を超えないようにする必要がある。
【００４９】
温度が１３７０〜１３１０℃の範囲でＧｃ／Ｇｅが１．０である条件にて、窒素ドープ量を変えて育成した単結晶の、ウェーハ面内のＢＭＤすなわち酸素析出物の密度を調査した例を図３に示す。この例では、窒素量が０．１２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３または０．７８×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の場合、最大値／最小値の比は３以下であるが、９．４×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３では５を超えている。窒素量が２６×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と多くなると、ウェーハ面内の均一性は良好であるが、単結晶の一部でしかこのような高窒素は実現できない。
【００５０】
ウェーハ表面にＣＯＰ欠陥に対する無欠陥層を形成させるアニーリング処理は、通常採用される水素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスあるいはこれらの混合ガス中で、１１００〜１２５０℃にて１〜４時間加熱するものとするが、上述のようなＣＯＰ欠陥状態であるウェーハを用いれば、ウェーハ表面に表面から深さ５μｍ以上にわたって無欠陥層を形成させることができる。
【００５１】
近年の集積回路の微細化から、回路構成要素がＣＯＰ欠陥の大きさに近づいているが、ウェーハ表面の活性化領域に形成される集積回路は、深さ５μｍ以内の範囲である。したがって、ウェーハとしては、ＣＯＰ欠陥の無欠陥層の表面からの深さを５μｍ以上とすれば、この欠陥の影響を排除できる。
【００５２】
また、上記の範囲で窒素を含み、かつ酸素析出評価熱処理にて酸素析出物密度が１×１０４個／ｃｍ２以上であるウェーハは、上記温度範囲の処理にて、十分なＢＭＤが形成される。１１００〜１２５０℃は、通常のエピタキシャル成長の処理温度と同じ温度範囲であり、このウェーハを素材として用いれば、健全なエピタキシャル層を有する、均一で効果的なゲッタリング作用を備えた、すぐれたエピタキシャルウェーハとすることができる。このエピタキシャル層を形成させる条件は、通常適用される範囲のものでよく、特に限定はしない。
【００５３】
上述のウェーハ、すなわちアニールウェーハ、またはエピタキシャルウェーハを得るための母材単結晶の製造方法は、まず、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、育成中単結晶の温度が１３７０〜１３１０℃の範囲である領域で、引き上げ軸方向の平均温度勾配が単結晶中心部ではＧｃ（℃／ｍｍ）、外周部ではＧｅ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｇｃ／Ｇｅを１．０〜１．５とし、さらに１２００℃から１０００℃まで冷却される時間を５０分以下とし、かつ１０３０℃から９２０℃まで冷却される時間を３０分以下とする。
【００５４】
１３７０〜１３１０℃の温度域で、Ｇｃ／Ｇｅを１．０〜１．５とするのは、この条件で単結晶の育成をおこなうと、ＣＯＰ欠陥分布およびＢＭＤ密度の分布のいずれも、ウェーハ面内における均一性が向上するためである。上記温度範囲においてＧｃ／Ｇｅが１．０を下回ると、とくにＣＯＰ欠陥の０．２μｍを超える大きさのものが生じないようにすること、およびＢＭＤ密度の最大値／最小値の比を３以下にすることが実現できなくなる。
【００５５】
すなわち、Ｇｃ／Ｇｅが１．０を下回ると、窒素をドープしなくても結晶の外周部にＯＳＦ発生潜在領域が発生しやすくなり、ウェーハ面内のＣＯＰ欠陥分布やＢＭＤ密度の分布の均一性を悪くする。しかし、Ｇｃ／Ｇｅを大きくし過ぎて１．５を超えるようになれば、冷却による歪みが増大し結晶破断のおそれが出てくる。
【００５６】
上記条件での単結晶育成において、さらに１２００℃から１０００℃まで冷却される時間を５０分以下とし、かつ１０３０℃から９２０℃まで冷却される時間を３０分以下とする。これは、冷却中の１２００℃から１０００℃までの滞在時間が５０分を超えると、ＣＯＰ欠陥の大きさの最頻値が大きくなってくるからである。また、１０３０℃から９２０℃までの滞在時間は３０分を超えると、ＢＭＤ密度分布の均一性が悪くなり、最大値／最小値の比が３を超えてしまうおそれがあるからである。これらの温度域での滞在時間は、短ければ短いほど効果が大きいが、単結晶の引き上げ速度と冷却方法から、自ずから限定される。
【００５７】
【実施例】
〔実施例１〕
ホット−ゾーンの冷却条件を変えることのできるＣＺ炉を用い、育成過程において、窒素ドープ濃度、１３７０〜１３１０℃の温度範囲のＧｃ／Ｇｅ比、１２００〜１０００℃の間の滞在時間、および１０３０〜９２０℃の滞在時間を変え、直径２００ｍｍのｐ型、比抵抗１０Ωｃｍで、酸素濃度が約１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のシリコン単結晶の育成をおこなった。試作した単結晶の育成条件について表１に示す。
【００５８】
得られた単結晶から円板状試料を切りだし、窒素ガス中にて６５０℃，３０分の熱処理を施した後ウェーハに加工し、ＣＯＰ欠陥の大きさおよび分布、ＢＭＤの密度分布、アルゴン中１２００℃１時間加熱のアニール処理後の、無欠陥層の厚さ測定およびＢＭＤの密度の測定等をおこなった。
【００５９】
ＣＯＰ欠陥の測定は、ＯＰＰ装置（アクセントオプティカルテクノロージーズ社製、Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）を用いておこなった。ＢＭＤは乾燥酸素雰囲気中にて１０００℃、１６時間の加熱処理後、ウェーハを中央で半分に劈開し、劈開断面をライト液にて２μｍの深さエッチングし、光学顕微鏡にて１０ｍｍ間隔でエッチピットの密度を測定した。これらの測定結果も合わせて表１に示す。
【００６０】
【表１】
2004304095.tif 000002
【００６１】
表１の試験番号１および２は、ホットゾーンの改良により１３７０〜１３１０℃の温度範囲のＧｃ／Ｇｅ比を１．００としているが、１２００〜１０００℃の間の滞在時間、および１０３０〜９２０℃の滞在時間は、本発明にて定める範囲を超えている。この場合、試験番号１は窒素ドープ量が少ないためと思われるが、最頻値を示すＣＯＰ欠陥寸法は０．１２μｍと大きく、最大の欠陥寸法は０．２μｍを超えている。一方、窒素ドープ量の多い試験番号２は、ＣＯＰ欠陥の大きさは小さくなっているが、ＢＭＤの最大値と最小値との比は３を超えている。
【００６２】
これに対し、上記各条件が本発明の範囲を満足する場合を試験番号３〜６に示すが、ＣＯＰ欠陥の大きさは小さくかつＢＭＤ密度の分布も最大値／最小値の比が３以下となっていることがわかる。
【００６３】
これらのウェーハ母材を用い、アルゴン中１２００℃１時間加熱のアニール処理をおこなってアニールウェーハとした後、ＣＯＰ無欠陥層の深さを評価した。これは、表面から所定深さ研磨後、熱処理して厚さ２５ｎｍのゲート酸化膜を形成させ、さらに低圧化学蒸着法にて厚さ４００ｎｍのポリシリコン膜を堆積して、リンをドーピングし、その後レジストコート、マスク、現像およびエッチングを施して、電極面積８ｍｍ２のゲート電極を形成させた。これらの処理をおこなった後、電流注入ＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）法による酸化膜耐圧特性の評価をおこなった。そして、電荷注入量０．１Ｃ／ｃｍ２で絶縁破壊を起こさなかったチップを良品とし、９５％以上の良品率が確保された、表面からの基板深さ（鏡面研磨量）までをＣＯＰ無欠陥層とした。この評価結果を表２に示す。
【００６４】
またエピタキシャルウェーハは、試験番号１、４、５、６の母材を用い、ＳｉＨＣｌ３にて水素をキャリヤガスとし、１１２５℃にて表面に２μｍのエピタキシャル層を形成させた。エピタキシャル層の欠陥は表面を表面検査装置（ＫＬＡテンコール社製サーフスキャンＳＰ−１）にて検出し、ＢＭＤ密度については前記と同様に劈開断面を２μｍライト液によりエッチングし欠陥を検出した。これらの結果も表２に合わせて示す。
【００６５】
【表２】
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【００６６】
表２の結果から明らかなように、アニール処理後のウェーハは、試験番号１の場合、ＣＯＰ無欠陥層の厚さが十分でなく、試験番号２ではＢＭＤ密度の最大値／最小値比が大きく、不均一である。これに対し、試験番号３〜６は、無欠陥層の厚さがいずれも５μｍを超え、ＢＭＤ密度の分布も最大値／最小値比が３を下回っており均一性がすぐれている。
【００６７】
また、エピタキシャルウェーハにした場合、試験番号１では、エピタキシャル層に欠陥が多いばかりでなく、ＢＭＤ密度の分布に偏在を生じるが、試験番号４〜６では、均一性が良好である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明のアニールウェーハは、表面部に十分な厚さのＣＯＰ無欠陥層が形成されており、かつウェーハ内部には十分なＢＭＤが均一に分布している。また、これの母材となるウェーハ上にエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェーハは、欠陥が少なく内部にＢＭＤが均一に分布している。これらウェーハは、ウェーハ上に形成されるデバイスの動作不良品発生率を大幅に低下し、デバイスの生産性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ドープした窒素濃度と、ウェーハに現れたＯＳＦの密度の最大値との関係を示す図である。
【図２】ＣＯＰ欠陥の大きさと、その欠陥存在密度との関係の相違を示す図である。
【図３】ウェーハ面上の位置によるＢＭＤ密度の変化が、窒素量により異なることを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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