(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素がドープされたシリコン原料融液から単結晶を成長させながら引上げる単結晶の引上げ過程で、１１５０〜１０５０℃の温度領域での通過時間を５０分以上として熱的に安定な酸素析出核の成長が抑制された単結晶を引き上げ、当該単結晶から切り出されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項２】
窒素がドープされたシリコン原料融液から単結晶を成長させながら引上げる単結晶の引上げ過程で、１１５０〜１０５０℃の温度領域での通過時間を５０分以上とし、次に１０５０〜９５０℃の温度領域での通過時間を４０分以下として熱的に安定な酸素析出核の成長が抑制された単結晶を引き上げ、当該単結晶から切り出されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスに用いられる、引上げられたシリコン単結晶から得られるエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。さらに詳しくは、窒素ドープされた単結晶から切り出されたウェーハにエピタキシャル層を成長させる際に、エピタキシャル層中に発生する積層欠陥や転位等の欠陥（以下、「エピタキシャル欠陥」という）の発生が少ない、高品質なエピタキシャルウェーハを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体デバイス用として使用されるシリコン単結晶は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって製造される。図６はＣＺ法を用いた製造装置の概略構成を説明する縦断面図であるが、その装置の中心位置に坩堝１が配置され、石英製容器1aとこの外側に嵌合された黒鉛製容器1bとから構成されている。坩堝１の外周には、加熱ヒーター２が配設されており、坩堝１内にはこの加熱ヒーターによって溶融されたシリコン原料の融液３が収容されている。坩堝１の上方には、引上げ軸４が種結晶５を装着して垂設されており、種結晶５の下端から単結晶６を成長させながら引上げるようになっている。そして、成長する単結晶６を囲繞して熱シールド材７が配置される。
近年、シリコン半導体デバイスの集積高密度化は、急速に進展しており、デバイスを形成するシリコンウェーハの品質に関する要求は厳しくなっている。例えば、ウェーハ上でデバイスが形成される、いわゆる「デバイス活性領域」において、転位等の結晶欠陥や金属系不純物はリーク電流の増大やキャリアのライフタイム低下原因となることから、高集積化で形成される回路が微細になるにともない、一層厳しく制限される。
【０００３】
上述のＣＺ法によって製造されたシリコン単結晶から切り出されたウェーハには、通常、1018atoms／cm3程度の過飽和な酸素が含まれている。この酸素はデバイス形成時の熱履歴によって、酸素析出物を形成し、転位や積層欠陥などの結晶欠陥を形成する。しかし、デバイスの製造過程で、フィールド酸化膜のＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）による形成やウエル拡散層の形成時に、1100℃程度で数時間保持されるため、ウェーハ表面近傍では酸素の外方拡散によって、厚さ数十μm前後の結晶欠陥のない、いわゆるＤＺ層（denuded zone)が形成される。このＤＺ層がデバイス活性領域となるので、結晶欠陥の発生が自然に抑制されていた。
【０００４】
ところが、半導体デバイスの微細化にともない、ウエル形成に高エネルギーイオン注入が採用され、デバイスプロセスが1000℃以下の低温で行われるようになると、上記酸素外方拡散が十分に起こらず表面近傍でＤＺ層が十分に形成されなくなる。このためウェーハの低酸素化が行われてきたが、結晶欠陥の発生を完全に抑制することは困難であった。
【０００５】
このようなことから、結晶欠陥をほぼ完全に含まないエピタキシャル層をウェーハ上に成長させたエピタキシャルウェーハが開発され、高集積化デバイスに多く用いられるようになっている。しかし、結晶の完全性が高いエピタキシャルウェーハを用いても、その後のデバイス工程におけるエピタキシャル層の金属不純物汚染によって、デバイス特性が悪化することになる。
【０００６】
このような金属系元素の不純物による汚染は、集積が高密度化するほどプロセスも複雑になって、その機会が増加し影響も大きくなってくる。汚染の排除は基本的にはプロセス環境および使用材料のクリーン化にあるが、デバイスプロセスにおいて完全になくすことは困難であり、その対処手段としてゲッタリング技術が必要になる。これは、汚染により侵入してきた不純物元素をデバイス活性領域外の場所（シンク）に捕獲し、無害化する手段である。
【０００７】
ゲッタリング技術としては、デバイスプロセスの熱処理中に自然に誘起される酸素起因の酸素析出物を利用して不純物元素を捕獲する、イントリンシックゲッタリング（intrinsic gettering、以下、単に「ＩＧ」とする）と呼ばれるものがある。しかし、エピタキシャル工程で1050℃〜1200℃の高温熱処理がウェーハに施されると、シリコン単結晶から切り出されたウェーハに内在する酸素析出核が縮小、消滅し、その後のデバイスプロセスにおいて、ウェーハ内にゲッタリング源となる酸素析出物を充分に誘起することが困難になる。このため、このゲッタリング技術を適用しても、プロセス全体にわたって金属不純物に対して充分なＩＧ効果を望めないという問題が生じる。
【０００８】
従来から、このような問題を解決するため、ＣＺ法によって単結晶を育成する際に窒素をドープし、エピタキシャル工程で施される高温熱処理によっても消失し難い酸素析出核をウェーハ内部に形成するシリコン単結晶の製造方法が提案されている（例えば、特開平11−189493号公報および特開2000−44389号公報等参照）。
【０００９】
提案された製造方法によれば、ＣＺ法によって窒素をドープして育成することによって、結晶中の酸素析出核の熱的な安定性を増加させ、エピタキシャル工程によっても酸素析出核が縮小、消滅しないシリコン単結晶が得られる。そして、この単結晶から切り出されたウェーハであれば、エピタキシャル工程後に残存した酸素析出核は、デバイス工程の初期段階から酸素析出物を形成してゲッタリングのシンクとして有効に作用するため、ＩＧ効果が期待できるとしている。
【００１０】
しかしながら、その後の研究結果によれば、ウェーハに窒素を高濃度にドープさせた場合、上記の高温熱処理でも消失しない熱的に安定した酸素析出核が得られるが、この酸素析出核がエピタキシャル欠陥を誘起し易いことが明らかになる。換言すれば、高濃度で窒素をドープすると、安定した酸素析出核がウェーハ表面近傍に形成されるが、デバイス活性領域であるエピタキシャル層に積層欠陥や転位等の欠陥、すなわち、エピタキシャル欠陥を誘起することになり、これらはデバイスリーク電流の増大や、酸化膜耐圧の劣化等を引き起こすことになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の窒素ドープにともなうエピタキシャル欠陥に関する問題に鑑みてなされたものであり、窒素をドープして引上げられたシリコン単結晶から切り出して製造されるエピタキシャルウェーハであるが、熱的に安定な酸素析出核の成長を抑制して、エピタキシャル欠陥の発生が少ないエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒素をドープした単結晶中に熱的に安定化した酸素析出核が形成される温度領域を特定するため、シリコン原料の融液中に１×1014atoms／cm3の窒素をドープし、直径６”のシリコン単結晶として結晶Ａおよび結晶Ｂを用いて、引上げ途中過程での引上げ速度変更実験を実施した。
【００１３】
具体的な実験条件は、初期の引上げ速度を0.7mm／minとして直胴部を成長させ、長さ500mmまで成長させた時点で、結晶Ａは引上げ速度を0.2mm／minに減速して引上げ、一方、結晶Ｂは引上げ速度を1.2mm／minに増速して引上げた。次に、直胴部の長さを550mmまで成長させたところで、再び、引上げ速度を0.7mm／minに戻して、そのまま850mmまで成長させた後、テール絞りを行って引上を終了した。
【００１４】
このようにして成長された単結晶は、引上げ速度の変更にともなって、その熱履歴が変化する。例えば、引上げ速度を減速した結晶Ａの場合には、減速開始時の温度から低温側へ100℃前後の温度領域で徐冷されるのに対し、引上げ速度を増速した結晶Ｂの場合には、増速開始時の温度から低温側へ100℃前後の温度領域で急冷されることになる。
【００１５】
上記の引上げ速度変更実験で引上げ後に、単結晶のうち1400℃（窒素濃度2.3×lO14atoms／cm3）〜800℃（窒素濃度1.6×1014atoms／cm3）の温度領域で冷却された部位からサンプルを切り出して欠陥密度の測定を行った。まず、引上げ方向に縦割り加工して、Grown-in欠陥である空洞欠陥の発生密度を測定した。このときの空洞欠陥の検出には、バイオラッド社製の欠陥検出装置ＯＰＰ（Optical Precipitate Profiler）を用いてその密度を評価した。次に、高温熱処理として1200℃×４hrの処理を行い、選択エッチング（Wright Etcing）を２μm行った後、光学顕微鏡で熱処理後に誘起する欠陥密度（酸素析出物密度）を測定した。
【００１６】
図１は、引上げ速度変更実験によるＯＰＰ欠陥密度（Grown-in欠陥密度）と引上げ速度変更開始時の温度との関係を示す図である。図１に示す関係によれば、Grown-in欠陥は、結晶Ａでは1150℃〜1050℃の温度領域で欠陥密度が増加しているのに対し、結晶Ｂでは同じ温度領域で逆に減少している。
【００１７】
図１に示す現象は、この温度領域でGrown-in欠陥の形成が行われていることを示している。すなわち、結晶Ａでは徐冷によってGrown-in欠陥のサイズが大きくなって、より多くの欠陥が検出されたのに対し、結晶Ｂでは急冷によってGrown-in欠陥があまり成長していないことから、低い欠陥密度として測定された。
【００１８】
図２は、引上げ速度変更実験による熱処理後に誘起する欠陥密度と引上げ速度変更開始時の温度との関係を示す図である。図２の結果では、結晶Ａでは1150℃〜1050℃の温度領域で欠陥密度が減少し、1050℃〜950℃の領域で欠陥密度が増加している。これに対し、結晶Ｂでは1150℃〜1050℃の温度領域で欠陥密度が増加し、1050℃〜950℃の温度領域で欠陥密度が減少している。
【００１９】
図２に示す２つの温度領域での現象について、まず1150℃〜1050℃の温度領域は、前述の通り、Grown-in欠陥が形成する温度領域であり、結晶Ａでは徐冷されたため、Grown-in欠陥の形成に空孔が十分消費され、その後の酸素析出核の成長が抑制されたことを示す。一方、同じ1150℃〜1050℃の温度領域で、結晶Ｂでは急冷されたため、Grown-in欠陥の形成が充分に行われず、多くの空孔が残留しているので、その後の酸素析出核の成長が促進されたことを示す。次に、1050〜950℃の温度領域は、熱的に安定な酸素析出核が成長する温度領域であり、結晶Ａでは徐冷によって酸素析出核が十分に成長されているのに対し、結晶Ｂでは急冷されたことによって、酸素析出核が成長されなかったことを示す。
【００２０】
前述の通り、シリコン単結晶に窒素をドープさせた場合、エピタキシャル工程での高温熱処理でも消失しないような、熱的に安定な酸素析出核がエピタキシャル欠陥を誘起する要因となる。一方、上記図１および図２の結果から、窒素ドープによって熱的に安定な酸素析出核が成長する温度領域は1050〜950℃であること、およびGrown-in欠陥が形成される1150〜1050℃の温度領域での冷却過程が酸素析出核の成長に影響を与えることが明らかになる。
【００２１】
言い換えると、単結晶の引上げ時に、これらの温度領域での熱履歴を制御することによって、単結晶中に形成される熱的に安定な酸素析出核の成長を抑制することができ、これによりエピタキシャル欠陥を少なくすることができる。
【００２２】
本発明は、上述したＣＺ法による引上げ速度変更実験の解析結果から導かれた知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）および（２）のエピタキシャルウェーハの製造方法を要旨としている。
（１）窒素がドープされたシリコン原料融液から単結晶を成長させながら引上げる単結晶の引上げ過程で、１１５０〜１０５０℃の温度領域での通過時間を５０分以上として熱的に安定な酸素析出核の成長が抑制された単結晶を引き上げ、当該単結晶から切り出されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法である。
（２）窒素がドープされたシリコン原料融液から単結晶を成長させながら引上げる単結晶の引上げ過程で、１１５０〜１０５０℃の温度領域での通過時間を５０分以上とし、次に１０５０〜９５０℃の温度領域での通過時間を４０分以下として熱的に安定な酸素析出核の成長が抑制された単結晶を引き上げ、当該単結晶から切り出されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
窒素をドープした結晶中でエピタキシャル欠陥を誘起するのは、熱的に安定化し、成長した酸素析出核である。また、単結晶中で熱的に安定化した酸素析出核の成長は、酸素析出の温度域である1050〜950℃の領域、およびGrown-in欠陥の形成温度域である1150〜1050℃の領域で冷却プロセスを制限することによってコントロールすることができる。すなわち、単結晶の引上げ過程でこれら２つの温度領域での熱履歴を制御することによって、熱的に安定な酸素析出核の成長を抑制し、エピタキシャル欠陥の発生を少なくすることができる。
【００２４】
したがって、本発明が採用する単結晶の引上げ方法では、引上げ過程で１１５０〜１０５０℃の温度領域で徐冷すること、および１０５０〜９５０℃の温度領域で急冷することとを特徴としている。言うまでもなく、１１５０〜１０５０℃の温度領域での徐冷と１０５０〜９５０℃の温度領域での急冷とを組み合わせることによって、単結晶中での熱的に安定な酸素析出核の成長を確実に抑制することができる。
【００２５】
まず、Grown-in欠陥の形成域である、1150〜1050℃の温度領域での徐冷条件は、この温度領域の通過時間を50分以上とする。これにより、冷却速度が2.0℃／分以下に相当する徐冷条件が確保できる。該当する温度領域での通過時間を50分以上と規定しているのは、後述する実施例の図４に示すように、引上げ速度変更試験によって確認された徐冷効果に基づくものである。
【００２６】
繰り返しになるが、本発明では、1150〜1050℃の温度領域での通過時間を50分以上で徐冷することによって、Grown-in欠陥の形成が促されるとともに、空孔が十分消費されるので、その後の熱的に安定な酸素析出核の成長が抑制でき、エピタキシャル欠陥の発生を少なくすることができる。
【００２７】
次に、酸素析出核の成長が促進される1050〜950℃の温度領域での急冷条件は、この温度領域の通過時間を40分以下とする。これにより、冷却速度が2.5℃／分以上に相当する急冷条件が確保できる。該当する温度領域での通過時間を40分以下と規定しているのは、後述する実施例の図３に示すように、引上げ速度変更試験によって確認された急冷効果に基づくものである。
【００２８】
本発明では、熱的に安定な酸素析出核が成長する温度領域の通過時間を40分以下で急冷することによって、酸素析出核の成長を抑制して、エピタキシャル欠陥の発生を防ぐこととしている。
【００２９】
単結晶中での酸素析出核の成長には、含有される窒素濃度および酸素濃度が影響することになる。本発明者らの検討によれば、単結晶中の窒素濃度が高くなりすぎると、エピタキシャル欠陥の発生を防止することができず、逆に窒素濃度が低くなりすぎると、充分なＩＧ効果が得られない。このため、単結晶中の窒素濃度は、1.0×1012〜1.0×1015atoms／cm3の範囲にするのが望ましい。
【００３０】
前述の通り、ＣＺ法によって引上げられた単結晶には、過飽和な酸素が含まれている。単結晶中の酸素濃度が高くなりすぎると、エピタキシャル欠陥を抑制することが困難になるので、12×1017atoms／cm3（ASTM'79）以下にするのが望ましい。
【００３１】
本発明で製造されるエピタキシャルウェーハは、ＣＺ法による引上げで窒素ドープされ、熱履歴が制御されたシリコン単結晶をスライスし、表面を研磨、洗浄後にエピタキシャル層が形成される。エピタキシャル層を成長させる際には、上述の単結晶を切り出したウェーハ表面に、気相成長法の熱分解法など、結晶欠陥のないエピタキシャル層の形成方法であればどんな方法でも適用することができる。
【００３２】
【実施例】
本発明の効果を、下記の具体的な実施例１〜３に基づいて説明する。
（実施例１）
前記図６に示す製造装置を用いて、シリコン原料の融液中に１×1014atoms／cm3の窒素をドープし、直径６”のシリコン単結晶６本の引上げ過程で、引上げ速度変更実験を実施した。具体的な条件は、当初の引上げ速度を0.7mm／minとして直胴部を成長させ、直胴部の長さが500mmになった時点で、引上げ速度を各単結晶毎に0.7mm／min（変更無し）、1.0mm／min、1.2mm／min、1.5mm／min、1.7mm／min、および2.Omm／minに変更して引上げた。その後、直胴部の長さが550mmになると、再び、引上げ速度を0.7mm／minとして、長さを850mmまで成長させた後、テール絞りを行って単結晶の引上げを終了した。
【００３３】
上記の各単結晶のうち1050〜950℃の温度領域で急冷された部位（窒素濃度1.8×1014atoms／cm3）を採取し、この部位から切り出したシリコンウェーハにエピタキシャル層を４μm形成した後、サーフスキャン（表面欠陥検査装置）を用いて、エピタキシャル欠陥の検査を行った。
【００３４】
図３は、実施例１による1050〜950℃の温度領域での通過時間とエピタキシャル欠陥密度との関係を示す図である。1050〜950℃の温度領域での通過時間が40分以下（変更後の引上げ速度で1.2mm／minに相当）の急冷になると、酸素析出核の成長が抑制され、エピタキシャル欠陥の密度は２個／cm2以下と減少しているのが分かる。
（実施例２）
前記図６に示す製造装置を用いて、シリコン原料の融液中に１×1014atoms／cm3の窒素をドープし、直径６”のシリコン単結晶４本の引上げ過程で、引上げ速度変更実験を実施した。実験条件は、当初の引上げ速度を0.7mm／minとして直胴部を成長させ、直胴部の長さが500mmになった時点で、引上げ速度を各単結晶毎に0.7mm／min（変更無し）、0.6mm／min、0.4mm／min、および0.2mm／minに変更して引上げた。その後、直胴部の長さが550mmになると、再び、引上げ速度を0.7mm／minとして、長さを850mmまで成長させた後、テール絞りを行って単結晶の引上げを終了した。
【００３５】
引上げられた単結晶のうち1150〜1050℃の温度領域で徐冷された部位（窒素濃度1.9×1014atoms／cm3）を採取し、この部位から切り出したシリコンウェーハにエピタキシャル層を４μm形成した後、サーフスキャン（表面欠陥検査装置）を用いてエピタキシャル欠陥の検査を行った。
【００３６】
図４は、実施例２による1150〜1050℃の温度領域での通過時間とエピタキシャル欠陥密度との関係を示す図である。1150〜1050℃の温度領域での通過時間が50分以上（変更後の引上げ速度で0.6mm／minに相当）の徐冷になると、エピタキシャル欠陥密度は５個／cm2以下と減少しているのが分かる。
（実施例３）
実施例３では、Grown-in欠陥が形成される温度領域および酸素析出核が成長する温度領域での冷却条件を満足するように、ホットゾーンを最適化した単結晶製造装置を用いて実験を実施した。
【００３７】
図７は製造装置の構成を比較する縦断面図であり、図７(a)は従来の装置の縦断面図（左半部）とこれによって引上げられる単結晶の熱履歴を示しており、図７(b)はホットゾーンを最適化した製造装置の縦断面図（左半部）とこれによって引上げられる単結晶の熱履歴を示している。
【００３８】
本実施例では、図７(b)に示すように、ホットゾーンの最適化に際して、熱シールド材７の一部をカットし、ヒーター側からの熱輻射を単結晶に当てることで、1150〜1050℃の温度領域の保持時間を長くし、またその上部の断熱材7aを設けることによって、ヒーターからの熱輻射を低減して、1050〜950℃の温度領域の保持時間を短くしている。
【００３９】
上記の図７(b)に示す製造装置を用いて、シリコン原料の融液中に１×1014atoms／cm3の窒素をドープし、直径６”のシリコン単結晶を引上げ速度が1.Omm／minで、直胴部の長さ850mmまで成長させて、引上げを終了した。
【００４０】
引上げられた単結晶のうち直胴部200mm（窒素濃度1.5×1014atoms／cm3）〜600mm（窒素濃度2.8×1014toms／cm3）の部位を採取し、この部位から切り出したシリコンウェーハにエピタキシャル層を４μm形成した後、サーフスキャン（表面欠陥検査装置）を用いて、エピタキシャル欠陥の検査を行った。
【００４１】
図５は、ホットゾーンの最適化前の製造装置（図７(a)）とホットゾーンの最適化後の製造装置（図７(b)）とで成長させた単結晶のエピタキシャル欠陥密度の比較を示す図である。ホットゾーンの最適化前の製造装置で引上げられた単結晶は、結晶長さ200mm〜600mmの範囲において、いずれもエピタキシャル欠陥密度は６個／cm2以上と高い値であったが、ホットゾーンを最適化後の製造装置で引上げることによって、エピタキシャル欠陥密度が殆ど検出されない程度まで減少しているのが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、窒素をドープして製造されたシリコン単結晶から作製されたエピタキシャルウェーハであっても、エピタキシャル欠陥の要因となる、熱的に安定な酸素析出核の成長を抑制できる。これにより、エピタキシャル欠陥が少ない高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】引上げ速度変更実験によるＯＰＰ欠陥密度（Grown-in欠陥密度）と引上げ速度変更開始時の温度との関係を示す図である。
【図２】引上げ速度変更実験による熱処理後に誘起する欠陥密度と引上げ速度変更開始時の温度との関係を示す図である。
【図３】実施例１による1050〜950℃の温度領域での通過時間とエピタキシャル欠陥密度との関係を示す図である。
【図４】実施例２による1150〜1050℃の温度領域での通過時間とエピタキシャル欠陥密度との関係を示す図である。
【図５】ホットゾーンの最適化前の製造装置とホットゾーンの最適化後の製造装置とで成長させた単結晶のエピタキシャル欠陥密度の比較を示す図である。
【図６】ＣＺ法を用いた製造装置の概略構成を説明する縦断面図である。
【図７】従来の装置の縦断面図（左半部）とホットゾーンを最適化した製造装置の縦断面図（左半部）とを比較した図である。
【符号の説明】
１：坩堝、  1a：石英製容器
1b：黒鉛製容器、  ２：加熱ヒーター
３：融液、  ４：引上げ軸
５：種結晶、  ６：単結晶
７：熱シールド材、  7a：断熱材
【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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【図６】
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【図７】
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