(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素を含有するシリコン融液を用いてチョクラルスキ一法又は磁場印加チョクラルスキー法により１１００℃での冷速５℃／分以上で育成したシリコン単結晶から得た酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコン半導体基板を、１２００℃以上の温度で少くとも１時間非酸化性雰囲気中で熱処理をすることを特徴とするシリコン半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチョクラルスキー法（ＣＺ法）又は磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）によりシリコン単結晶を引上げ中に単結晶が凝固温度から結晶温度範囲で冷速を制御しかつ窒素濃度、酸素濃度等を制御して結晶の育成を行うことにより育成したシリコン単結晶からスライスして得たシリコン半導体基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路等のデバイスを作成するための半導体基板としては主としてチョクラルスキー法または磁場印加チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶からスライスして得た半導体基板が用いられている。近年デバイスの集積度の向上にともないシリコン半導体基板表面および表層付近に微小欠陥が存在するとデバイス不良の原因となる。高度に集積化されたデバイスのパターン寸法は０．３μｍ以下の非常に微細構造となっているため０．１μｍサイズの結晶欠陥もデバイスの動作不良を引き起こし、デバイスの製造歩留まりを低下させることが知られている。
【０００３】
デバイス歩留まりの低下の原因として、シリコン単結晶成長時にGrow in欠陥として格子間シリコンが優勢な領域にはリング状積層欠陥（Ｒ−ＳＦ）、転位クラスタ等が発生し、空孔が優勢な領域には空洞欠陥すなわちボイド系欠陥（ＣＯＰ、ＬＳＴＤ、ＦＰＤ）、ＡＯＰが発生する。ＣＺ法やＭＣＺ法では結晶の育成時にＲ−ＳＦを結晶の外に追い出して結晶を育成しているので、空洞欠陥がほとんどである。この空洞欠陥として基板製造直後の基板に０．１μｍ程度のＣＯＰ（Crystal Originated Particles）と呼ばれる欠陥が注目されている。ＣＺ法やＭＣＺ法により育成されたシリコン単結晶ではこの欠陥の実体は結晶中の八面体形状の空洞と考えられており、これがデバイスのパターンの不良や構造的な破壊を引き起こすと推定されている。
【０００４】
ＣＺ法やＭＣＺ法によるシリコン単結晶の製造ではルツボとして石英を使用している。単結晶の引上げ中に石英ルツボから溶け出した酸素はシリコン融液の流動および拡散によって移動し、大部分は融液表面からＳｉＯガスとなって蒸発する。しかし一部は結晶の中に高温で取込まれ、結晶が冷える過程で過飽和となり結晶中に直径数１００ｎｍ以下のSiO２またはSiOｘから成る酸素析出物の微小欠陥（ＢＭＤ）を形成する。単結晶から切出された半導体基板をＤＲＡＭなどの電子デバイスの製造前や製造工程で熱処理すると、電子デバイスの活性領域となる半導体基板表層部ではこの酸素析出物の微小欠陥は消滅し基板表面から離れた深い領域で微小欠陥（ＢＭＤ）の密度を高くしたり、酸素析出物を大きくしたりすることができる。
【０００５】
しかしシリコン単結晶から切出したシリコン半導体基板の表層部にはＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の重金属不純物が存在すると、電子デバイス作成時にデバイスの特性を劣化させる原因となる。それ故デバイスの活性領域となる表層部から重金属の不純物をデバイス活性領域から離れた位置で捕獲しておく必要がある。このためにＢＭＤによりＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の重金属不純物をイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）によりＢＭＤまたはその周辺にシンサイドとして析出させ、半導体基板表層部に無欠陥層（ＤＺ）を作成することができる。
【０００６】
無欠陥層の深さと半導体基板内部の微小欠陥密度は育成されるシリコン単結晶の酸素濃度、窒素濃度および単結晶育成中の冷速に依存することが知られている。そのためシリコン無欠陥層と内部の微小欠陥密度を制御するために酸素濃度や窒素濃度および冷速を制御することが行われていた。
【０００７】
ボイド系欠陥の無欠陥層の改善とイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）効果を改善する提案が特開２０００−２１１９９５号公報に示されている。この公報には表層無欠陥の深さが２〜１２μｍであり、酸化膜耐圧品質評価としてＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown）のC mode良品率が９０％以上のシリコン単結晶ウエハが開示されている。またシリコン単結晶ウエハの窒素濃度が１×１０１２〜１×１０１５ａｔoｍｓ／ｃｍ３であることが請求項２に開示されている。
【０００８】
さらにシリコン単結晶ウエハの酸素濃度が９〜１７ppmaであることが請求項４に記載され、シリコン単結晶棒が、結晶成長時の１１５０℃から１０８０℃までの冷速を１．０〜４．５℃／分に制御されて育成されることが請求項５に記載されており、実施例において８インチのシリコン単結晶鏡面ウエハにおいて実際に１２μｍの深さまで無欠陥層（ＤＺ）であることを満たすのは酸素濃度が１０ppmaであることが示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知技術ではシリコン単結晶ウエハにおいて窒素濃度が１×１０１２〜１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３において、酸素濃度を９〜１７ppmaに選ぶことにより、無欠陥層深さ１２μｍ（ＣＯＰ数による評価）を達成したに過ぎず、無欠陥層深さが１２μｍより大きなシリコン単結晶ウエハを作成することはできなかった。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑みて無欠陥層（ＤＺ）が１２μｍより深く、又はボイド系欠陥の無欠陥層の深さが１２μｍより大であり、２次イオン質量分析法による窒素濃度測定において表面から１２μｍより大きな深さに平均信号強度２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有する、電子デバイスの作成の自由度が高く、デバイス歩留まりも高いシリコン半導体基板およびその製造方法を提供することである。
【００１１】
本発明においてボイド系欠陥の無欠陥深さとはＳＣ１等による洗浄を繰返すことによって現れる０．１μｍ以上のサイズのＣＯＰ（Cristal Originated Particle）密度で２×１０５個以下を合格とした場合の半導体基板表層からの深さである。また耐圧合格の深さとはＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown）試験法において１００ｍＡ／ｃｍ２で１１ＭＶ／ｃｍ以上の合格率が９０％を超える半導体基板表面からの深さである。
【００１２】
本発明において無欠陥層（Denuded Zone）の深さはボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さの数値を共有する深さによって評価している。
【００１３】
酸素析出物の密度は、シリコン単結晶中に過飽和に固溶していた格子間酸素が熱処理により析出したＳｉＯ２や、ＳｉＯ２の形成と共に転位が積層欠陥などによって生ずる微小欠陥を意味し、ＢＭＤ（Bulk Microdefect）密度で表されている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、チョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法により育成したシリコン単結晶から得たシリコン半導体基板を、非酸化性雰囲気中で熱処理を実施した後のシリコン半導体基板のボイド系欠陥の無欠陥層（ＤＺ）深さが１２μｍより大であり、かつシリコン半導体基板の厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度が５×１０８個／ｃｍ３以上であることを特徴とするシリコン半導体基板である。
【００１５】
非酸化性雰囲気としては窒素、水素、アルゴンあるいはこれらの混合ガスから成る非酸化性雰囲気とすることができる。シリコン半導体基板を非酸化性雰囲気中で熱処理を実施した後の無欠陥層の深さを１２μｍより大幅に深くでき熱処理後シリコン半導体基板の厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度を５×１０８個／ｃｍ３以上とすることができ、また２次イオン質量分析法による窒素濃度測定において平均信号強度の２倍の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部の深さは１２μｍより深くなることから明らかなように、イントリンシックゲッタリング効果が大きいと共に無欠陥層の深さが大きいことがわかる。したがって電子デバイスの形成可能な領域が広く高いゲッタリング能力を有する。
【００１６】
さらに本発明は、チョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶から切出された酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（低くければ低い程よい）、窒素濃度５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心で測定したときの最大信号強度が２Ｖ以下のシリコン半導体基板を選出して、非酸化性雰囲気例えばアルゴン水素混合雰囲気中で熱処理している。この熱処理後の半導体基板は２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した半導体基板中心の表面から深さ１μｍの酸素濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、厚み中心での酸素濃度が９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下を有する。この半導体基板のボイド系欠陥の深さも、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さも１２μｍより深い領域まで例えば０．５μｍも拡大される。
【００１７】
熱処理前のシリコン半導体基板の窒素含有量の下限を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に選定したのは、この値以下では表層欠陥のサイズの縮小効果が不十分であり、その後の熱処理での表層欠陥が消滅しにくいためである。また上限を１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に選定したのは単結晶の引上時に固溶限界を越えた窒素が析出することによる多結晶化を避け、キヤリアライフタイムや抵抗率等の電気特性が変化するのを回避するためである。又、窒素濃度が本請求項２の範囲であっても、引き上げ時の冷速が遅い場合欠陥は大きくなり、１２μｍ以上の表層の無欠陥層を実現するには冷速５℃／分以上の条件が望ましい。しかし、近年ウエハの大口径化が要求されているため、２００ｍｍ以上のシリコン半導体基板を得るためには、１１００℃での冷速を５℃／分以上とすることは困難である。
【００１８】
このため、大口径ウエハにおいても、より窒素添加量を増やして欠陥のサイズを小さくする必要があり、本発明では非酸化性雰囲気中での熱処理前のシリコン半導体基板中の窒素濃度範囲を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲に限定している。
【００１９】
本発明において使用される赤外干渉法はＯＰＰ法とも称せられ（Optical Precipitate Profieler）、半導体基板の表面近傍の微小欠陥を散乱光により観察する方法で例えば波長１．３μｍの赤外線レーザ光を偏向プリズムで直交偏向する２本の直径１μｍのビームに分離して、半導体基板表面に集光し、（両ビームは０．５μｍだけ重なるようにしてある）半導体基板を振動させながらビームに垂直な方向に１μｍずつ焦点領域をラスタスキャンして、一方のビームが微小欠陥を横切ると散乱光に僅かな位相差を生じさせ、もう一方のビームとの干渉によって微小欠陥を検出する。本発明においてＯＰＰ信号強度とはＯＰＰ法により測定される最大信号強度のことである。ＯＰＰ信号強度は八面体ボイドの場合にはボイドの体積と比例関係にあることが報告されている（Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998)PPL196〜199）。またＯＰＰ法は焦点位置を半導体基板の深さ方向に移動して無欠陥領域を測定するのに用いられる。
【００２０】
本発明では半導体基板の中心で焦点は深さ方向に変化して信号を検出している。また、熱処理前の半導体基板の、赤外干渉法により測定された最大信号強度を特に２Ｖ以下に選定している。これは、その信号強度に見合った体積を持つ欠陥を工業的に適した温度・時間で熱処理した際に表層から１２μｍ以上の深さまで消滅させるのに適しているからである。さらに、この２Ｖ以下の欠陥サイズを持ったボイド系欠陥が本発明の熱処理の範囲内で消滅するには、まず内壁酸化膜が外方拡散で消失し、その後空孔の拡散とインタースティシャルシリコンの注入がボイド系欠陥の体積分なされなければならない。この条件を満たす熱処理をした後の表面から１μｍの深さの酸素濃度は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が必要である。
【００２１】
ここで酸素濃度は以下の定義に従う。
【００２２】
【数１】
0004566478.tif 000002
【００２３】
酸素の外方拡散は上記（１）式の誤差関数にて表される、ＳＩＭＳによるプロファイルに最小２乗法を用いて（１）式のフィティングをかけその時の深さχが１μｍの時の酸素濃度を本発明記載の酸素濃度とする。なお融液中の窒素濃度及び熱処理前のシリコン半導体基板中の窒素濃度が本発明の範囲内の場合において、ＯＰＰによる最大信号強度はＴＥＭ観察による実際のボイド体積Ｖとは以下の関係を持つことを我々は実験で確認しており、ＯＰＰ最大シグナル強度で限定することはボイド体積を限定することになる。
【００２４】
冷速が５℃／ｍｉｎ以上の場合
ボイド体積Ｖ（nm３）＝20000×(OPP最大シグナル強度)１．６
冷速が１℃／ｍｉｎ以上５℃／ｍｉｎ未満の場合
ボイド体積Ｖ（nm３）＝110×(OPP最大シグナル強度)３．６
さらに本発明は熱処理前の半導体基板として酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、赤外干渉法により半導体基板中心で測定をしたときの最大信号強度が７Ｖ以下のものを使用することによって、熱処理後の半導体基板は、２次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy）により測定された酸素濃度が半導体中心の表面から１μｍ深さで５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下で、半導体基板厚み中心で８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。この場合熱処理前の半導体基板の含有窒素濃度の下限値を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と選定したが、この理由は、冷速が遅い場合はボイド系欠陥のサイズはより大型となるため、この大型のボイドを冷速の速いボイドサイズと同等にするには、窒素添加によるボイド収縮効果を高める必要がある。そのためには少なくとも１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の窒素濃度が必要である。又、この値以上で発生する半導体基板表面の酸化によって発生するＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Faults）はエピタキシャル基板として使用する際は問題があるが、熱処理後の半導体基板では熱処理により外方拡散してしまい半導体基板の表層の電子デバイスには何等影響が与えられないことが確認されている。又、ウエハ厚み中心での酸素濃度が低い理由は、冷速が低い場合には、ボイド系欠陥の内壁酸化膜の厚みが厚くなり消滅しにくくなる。そのため内壁酸化膜成長の源となるウエハ中酸素濃度を８．５×１０１７ａｔｏｍs／ｃｍ３以下にする必要がある。さらに表層１μｍ深さでの酸素濃度は５×１０１６ａｔｏｍs／ｃｍ３以下であることが必要である。
【００２５】
さらに本発明は、チョクラルスキ一法又は磁場印加チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶から得たシリコン半導体であって非酸化性雰囲気中で熱処理した後、シリコン半導体基板の深さ中心での酸素濃度が９．５×１０１７ａｔｏｍs／ｃｍ３以下で２次イオン質量分析法による窒素濃度測定において、シリコン半導体基板表面から１２μｍより大きな深さに、平均信号強度の２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有しており、ボイド系欠陥の無欠陥層深さが１２μｍより大であり、シリコン半導体基板の厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度が５×１０８個／ｃｍ３以上とすることができる。この場合シリコン半導体基板の２次イオン質量分析法による窒素濃度の測定において平均信号強度の２倍のところが本発明では１２μｍより深い、例えば１２．８μｍとか１３．５μｍをとる。このことは実施例において窒素スパイク（Ｎ  Ｓｐｉｋｅ）深さで示されている。本発明は上記発明の無欠陥層の深さを求めるボイド系欠陥深さと、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さのうち、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格の深さが１２μｍに達していないものと、それを超えるものとを包含している。そして、ボイド系欠陥は１２μｍ以上の深さの無欠陥層を持つにはＳＩＭＳ測定により観察される窒素の局所濃化部が１２μｍ以上の深さを持つことが必要かつ十分条件である。しかし、この局所濃化部が１２μｍ以上であっても不十分である場合があるため、熱処理前の欠陥をその後の熱処理で十分な程小さくするために窒素濃度及び冷速の範囲を限定する必要がある。本発明では、無欠陥の定義をＳＣ−１によるくり返し洗浄を１０回行った後でパーティクルカウンターにより０．１μｍ以上のサイズのボイド系欠陥に限っていることから、より限定がゆるやかになる。従って、１２μｍ以上のボイド系欠陥の無欠陥領域を持つシリコン半導体基板は、その欠陥サイズが大きいサイズでも許容されるためＯＰＰ信号強度が４Ｖ以下であれば十分であり、このサイズの欠陥形式には窒素濃度が２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば良い。つまり、冷速が５℃／分以上の引き上げ条件では、熱処理前のシリコン半導体基板として、酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板の厚み中心で測定したときの最大信号強度が４Ｖ以下であるものを選び、非酸化性雰囲気中で熱処理をした半導体基板である。すなわち２次イオン質量分析法により測定した半導体基板中心の表面から深さ１μｍでの酸素濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素濃度が９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ボイド系欠陥の深さ１２μｍより大、２次イオン質量分析法による窒素濃度測定における平均信号強度２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部の深さ１２μｍより大を有する半導体基板である。
【００２６】
一方で同様に１２μｍ以上のボイド系欠陥の無欠陥領域を持つシリコン半導体基板において冷速１℃／分以上５℃／分未満の場合は、このボイド系欠陥の無欠陥層１２μｍ以上であること、ＴＺＤＢ試験による合格深さが１２μｍ以上であることはそのシリコン半導体基板の特徴として同じであり、冷速が５℃／分以上のようにＳＣ−１くり返し洗浄評価による無欠陥深さとＴＺＤＢ耐圧による無欠陥層の深さが異なることはなかった。またＳＩＭＳによる窒素局所濃化部の深さはシリコン半導体基板表面から１２μｍより大きいことも満たすことが必要であることから、本発明は熱処理前のシリコン半導体基板として酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心で測定したときの最大信号強度が７Ｖ以下のものを選び非酸化性雰囲気中で熱処理後、半導体基板は半導体基板中心の表面から１μｍ深さの酸素濃度５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素濃度が８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素析出物結晶欠陥密度５×１０８個／ｃｍ３以上、ボイド系欠陥の無欠陥層深さ１２μｍより大、半導体基板表面から１２μｍより大きな深さに２次イオン質量分析法による窒素濃度測定において平均信号強度の２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有している。
【００２７】
さらに本発明は、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素を含有するシリコン融液を用いてチョクラルスキ一法又は磁場印加チョクラルスキー法により１１００℃での冷速５℃／分以上で育成したシリコン単結晶から得た、酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、（この時赤外干渉法により半導体基板中心で測定した最大信号強度２Ｖ以下になっている）であるシリコン半導体基板を、１２００℃以上、（工業的には１３００℃位まで実施可能）の温度で非酸化性雰囲気中で少なくとも１時間（有利には１〜２時間、生産性の見地から３時間以下が望ましい）熱処理をすることを特徴としている。この製造法により半導体基板中心の表面から１μｍの酸素濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素濃度が９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下を有し、無欠陥層の深さが１２μｍより深く半導体基板厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度が５×１０８個／ｃｍ３以上であるシリコン単結晶半導体基板が製造される。
【００２８】
さらに本発明は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素を含有するシリコン融液を用いてチョクラルスキ一法又は磁場印加チョクラルスキー法により１１００℃での冷速５℃／分以上で育成したシリコン単結晶から得た、酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、（この時赤外干渉法により半導体基板中心を測定した最大信号強度４Ｖ以下になっている）であるシリコン半導体基板を、１２００℃以上の温度で少くとも１時間非酸化性雰囲気中で熱処理をすることを特徴としている。この製造方法により、半導体基板中心の表面から深さ１μｍでの酸素濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素濃度が９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による窒素濃度測定において半導体基板表面から１２μｍより大きな深さに平均信号強度の２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃部をもち、ボイド系欠陥の無欠陥層深さが１２μｍより大であり半導体基板厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度が５×１０８個／ｃｍ３以上であるシリコン単結晶半導体基板が製造される。
【００２９】
さらに本発明は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素を含有するシリコン融液を用いてチョクラルスキ一法又は磁場印加チョクラルスキー法により１１００℃での冷速１℃／分以上５℃／分未満で育成した単結晶から得た、酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（この時赤外干渉法により、半導体基板中心で測定した最大信号強度７Ｖ以下となる）のシリコン半導体基板を１２００℃以上の温度で少くとも１時間熱処理をすることを特徴としている。
【００３０】
この場合も１１００℃での冷速が１℃／分以上５℃／分未満と低く選定されているためにボイド系欠陥のサイズの大型化を防止するために窒素含有量の下限値を冷速が高い場合に比して高くしてある。なお上限値は前述のように単結晶引上げ時の多結晶化を回避するために１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に選ばれている。
【００３１】
この製造法によって、半導体基板中心の表面から１μｍ深さの酸素濃度５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心の酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、半導体基板厚み中心での酸素分析物結晶欠陥密度５×１０１８個／ｃｍ３以上、２次イオン質量分析法による窒素濃度測定において半導体基板表面から１２μｍより大きな深さに、平均信号強度２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部をもちボイド系欠陥の無欠陥層深さが１２μｍより大きなシリコン半導体基板が製造される。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明においてはチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法によりシリコン単結晶が育成される。
【００３３】
チョクラルスキー法は回転軸の台座に設置された石英ルツボに収容されたシリコン原料をルツボを囲むヒータによって加熱融解し、このシリコン融液表面へ上方から種結晶を回転しながら接触した後種結晶を上方へ回転させながら引上げることにより単結晶を育成している。この方法では融液、単結晶の両者の回転により結晶成長の界面近傍の温度分布の回転対称性が向上する。
【００３４】
また磁場印加チョクラルスキー法はシリコン融液に磁場を印加することにより融液内の対流を抑制したチョクラルスキー法であり、磁場の印加法としてはシリコン融液に、水平磁場印加方法、垂直磁場印加方法及び水平磁場と垂直磁場を印加するカスプ磁場印加法がある。水平磁場印加法では水平磁場は融液面内に非対称に印加されるため対流の抑制効果も非対称となり不純物濃度が回転周期に同期して規則的に変動し、結晶中の格子間酸素濃度が変動するのでそれらを抑制する必要がある。垂直磁場印加法では水平磁場印加法の非対称磁場の問題は解決され、回転対称な垂直磁場が印加され温度分布も回転対称となる。しかし上下方向の流れにより融液に溶け込んでいる酸素が成長界面に達し単結晶内に取り込まれることがあるので、それらの対策を講じる必要がある。これに対して水平磁場と垂直磁場の両磁場を用いるカスプ磁場印加法は２個のソレノイドを対向させ磁場の向きが相手のソレノイドに向くようにそれぞれ逆方向の電流を流すことによって得られる。したがって、この方法は水平磁場印加法と垂直磁場印加法の両者の利点を有している。
【００３５】
本発明においてチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法でシリコン単結晶を育成する際ルツボ内の多結晶シリコン原料の融液中の窒素濃度は、窒素を含む雰囲気ガスの窒素濃度の調整とか窒化珪素膜付きのシリコンウエハの投入枚数の選定により種々の値に調節することができる。
【００３６】
本発明ではチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法で育成されたシリコン単結晶インゴットから切出された半導体基板は水素、アルゴン、窒素又はそれらの混合ガスの雰囲気中で少くとも１２００℃の温度で少くとも１時間熱処理される。
【００３７】
以下の実施例及び比較例において熱処理の際１１００℃から１２００℃までの昇温速度は１℃／分とした。実施例では１２００℃にて１時間熱処理した場合と２時間熱処理した場合を示した。１２００℃で２時間熱処理した場合を示したのは１１００℃から１２００℃への昇温速度が速い場合を想定し、１１００℃以上でのウエハ全保持時間を十分取れるようにするために選定したのである。したがってスリップ対策などで昇温速度を遅くした場合には、１２００℃における熱処理時間を１時間で本発明の目標とする半導体の基板の品質を十分得ることができる。
【００３８】
本発明においてボイド系欠陥の深さとはＳＣ１等による洗浄を繰返すことによって現れる０．１μｍ以上のサイズのＣＯＰ（Cristal Originated Particle）密度で２×１０５個以下を合格とした場合の半導体基板表層からの深さである。
また耐圧合格の深さとはＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown）試験法において１００ｍＡ／ｃｍ２で１１ＭＶ／ｃｍ以上の合格率が９０％を超える半導体基板表面からの深さである。
【００３９】
本発明において無欠陥層（Denuded Zone）の深さはボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さの数値を共有する最大の深さによって評価している。
【００４０】
酸素析出物結晶欠陥密度は、シリコン単結晶中に過飽和に固溶していた格子間酸素が熱処理により析出したＳｉＯ２や、ＳｉＯ２の形成と共に転位が積層欠陥などによって生ずる微小欠陥を意味し、ＢＭＤ（Bulk Microdefect）密度で表されており、ＭＯ４（ＢＭＤアナライザー）により測定された値である。
【００４１】
【実施例】
次に本発明を実施例につき比較例を参照しながら詳しく説明する。
【００４２】
本発明ではシリコン融液中の窒素濃度は、チョクラルスキー法磁場印加にチョクラルスキー法によりシリコン単結晶中引上げ時の１１００℃での冷速が５℃／分以上で育成する場合２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下に選定される。
【００４３】
これに対して１１００℃での冷速が１℃／分以下５℃／分未満の場合シリコン融液中の窒素濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下に選定される。
【００４４】
上述の条件により育成されたシリコン単結晶インゴット及び窒素を含有しない融液から育成されたシリコン単結晶インゴットを表１に示す。
【００４５】
表１において第１列はインゴットの種別を示しており、この列中に（比較）とあるのは比較例に用いたインゴットであり、（実施）とあるのは実施例に用いたインゴットであり、（実施比較）とあるのは実施例と比較例の両者に用いたことを示している。第２列はシリコン融液中の窒素濃度を示し、第３列はシリコン単結晶引上げ時の１１００℃における冷速を示し、第４列は育成されたシリコン単結晶インゴット中の酸素濃度を示し、第５列はシリコン単結晶の引上げ速度を示し、第６列はシリコン単結晶インゴットの口径を示す。
【００４６】
【表１】
0004566478.tif 000003
【００４７】
次に１１００℃で冷速５℃／分以上で引上げたシリコン単結晶インゴットから切出された半導体基板を熱処理した場合の表２に示す実施例について説明する。
【００４８】
【表２】
0004566478.tif 000004
【００４９】
実施例１
表１のインゴットＢから切出された半導体基板を用いている。したがってインゴットは融液の窒素濃度５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、１１００℃での冷速１１℃／分で引上げられており、インゴットの直胴部の酸素濃度が７．５〜８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３になるように、結晶回転、ルツボ回転が制御されている。このインゴットから加工した半導体基板の窒素濃度７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心で微小欠陥を測定したときの最大信号強度が１．９９５Ｖのものを選び水素５０％、アルゴン５０％の混合ガスから成る雰囲気中で１２００℃にて２時間熱処理した。その結果半導体基板のボイド系欠陥深さ及びＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さはいずれも１２．５μｍであり、半導体基板厚み中心の酸素濃度は８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下でありＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上半導体基板中心で表面から１μｍの深さの酸素濃度３．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素スパイク（Ｎ  spike）深さ１３．４μｍであった。Ｎ  spikeが１３．４μｍと云うことは２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による窒素測定において平均信号強度の２倍より大きな信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部が半導体基板表面から１３．４μｍ深から出現しだすことを意味する。したがって、熱処理後の半導体基板はボイド系欠陥深さも、耐圧合格深さも１２．５μｍでありしたがって無欠陥層（ＤＺ）の深さは少なくとも１２．５μｍである。少なくともという意味は、本実施例での研磨の実測値が１２．５μｍであったという事であり、さらに深い領域も無欠陥層が広がっている可能性があるという意味である。したがって無欠陥層の深さは１２μｍより遥かに深くなり半導体デバイスの作成に利用できる層領域の深さが０．５μｍも拡大され、半導体デバイス作成の自由度が大きくなる。
【００５０】
実施例２
同じく表１のインゴットＢから切出された半導体基板を使用しているが半導体基板の窒素濃度１．４×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度７．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉（ＯＰＰ）により半導体基板中心で微小欠陥を測定したしたときの最大信号強度が０．７９４Ｖのものを用い、水素５０％、アルゴン５０％の混合ガス雰囲気中で１２００℃で１時間熱処理した。その結果、ボイド系欠陥深さもＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さも１２．５μｍであり、半導体基板厚み中心の酸素濃度は７．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、半導体基板中心での表面から１μｍの深さの酸素濃度４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｎ  spike  深さ１２．８μｍであった。実施例１と比較してＮ  spike  深さは０．６μｍ低かったがこれは測定誤差範囲といえる。
【００５１】
実施例３
表１のインゴットＣから切出された半導体基板を使用している。したがってインゴットは融液窒素濃度５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、１１００℃での冷速７分／℃で引上げられており、インゴットの直胴部の酸素濃度が７．０〜９．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３になるように、結晶回転、ルツボ回転が制御されている。切出された酸素濃度９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度１１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心で測定したときの最大信号強度１．５８５Ｖを有する半導体基板を水素１０％、アルゴン９０％の混合ガス雰囲気中で１２００℃にて２時間熱処理した。その結果矢張りボイド系欠陥深さもＴＺＤＢ試験による耐圧合格の深さも１２．５μｍであり、半導体基板中心厚み中心の酸素濃度は９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ＢＭＤ密度も１×１０９個／ｃｍ３以上、半導体基板中心での表面から１μｍの深さの酸素濃度３．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍであった。
【００５２】
実施例４
表１のインゴットＩから切出された酸素濃度９．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心を測定したときの最大信号強度０．３１６Ｖの半導体基板を水素１０％、アルゴン９０％の混合ガス雰囲気中で１２００℃にて２時間処理した。
その結果半導体基板のボイド系欠陥深さ及びＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さとも１２．５μｍしたがって無欠陥層の深さ１２．５μｍ、半導体基板中心での酸素濃度９．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ＢＭＤ密度１×１０１９個／ｃｍ３以上、半導体基板中心での表面から１μｍの深さの酸素濃度３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍであった。
【００５３】
実施例５，６
実施例５では表１のインゴットＪから切出された窒素濃度３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心を測定したときの最大信号強度１．２６Ｖを有する半導体基板を使用し、実施例６では表１のインゴットＫから切出された窒素濃度２．６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心を測定したときの最大信号強度１．０Ｖを有する半導体基板を使用し、それぞれの半導体基板をアルゴン１００％のガス雰囲気で１２００℃にて２時間熱処理した。その結果半導体基板中心での表面から１μｍ深さの酸素濃度３．３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３又は３．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さもＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さも１２．５μｍすなわち無欠陥層（ＤＺ）の深さ１２．５μｍであり、半導体基板厚み中心での酸素濃度は８．７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下又は８．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍであった。
【００５４】
以上の実施例から明らかなように請求項７に記載のようにチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法により融液の窒素濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下に調整し、１１００℃での冷速５℃／分以上に制御して引上げられたシリコン単結晶インゴットから切出された窒素濃度５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心を測定したときの最大信号強度２Ｖ以下の半導体基板を、非酸化性雰囲気中で１２００℃以上の温度で少なくとも１時間熱処理することによって請求項１に記載の無欠陥の深さを１２μｍより大幅に深くでき、シリコン半導体基板厚み中心での酸素析出物結晶欠陥密度５×１０８個／ｃｍ３以上のものすなわち請求項２に記載のシリコン半導体基板から得られる。また上述の実施例は請求項８の製造法の要件も満たしており、請求項４，５の要件を満たしていることがわかる。
【００５５】
【比較例】
次にシリコン単結晶育成時の１１００℃における冷却が５℃／分以上で引上げられたインゴットから切出されたが、窒素濃度・酸素濃度が請求項２，５，７，８の範囲外の半導体基板を用いて冷速熱処理を実施した場合を比較例（表３参照）として示す。
【００５６】
【表３】
0004566478.tif 000005
【００５７】
比較例１
表１のインゴットＴから切出された窒素濃度０、酸素濃度９．３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、赤外干渉法により半導体基板中心で測定したときの最大強度（以下ＯＰＰ信号強度と略称する）５．０Ｖの半導体基板を水素２５％、アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃で２時間熱処理した。その結果半導体基板中心の表面から深さ１μｍの酸素濃度（以下１μｍ深さ酸素濃度と略称する）３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さは７μｍ、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さ７μｍ、ＢＭＤ密度５×１０８個／ｃｍ３以上、半導体基板厚み中心酸素濃度９．３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、Ｎ  spike  深さ：spike無しであり半導体基板の無欠陥層の深さは７μｍに過ぎず、ボイド系欠陥深さだけでも７μｍと非常に浅いものしか得られない。この原因は融液中及び半導体基板中の窒素濃度が零であること及びＯＰＰ信号強度が高すぎるためである。
【００５８】
比較例２
表１の単結晶引上げ時の１１００℃での冷速１．５℃／分で育成されたインゴット０から切出された窒素濃度６．６×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度６．３１Ｖの半導体基板を水素２５％、アルゴン７５％の雰囲気中で１２００℃にて２時間熱処理した。
その結果半導体基板の１μｍ深さ酸素濃度３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ７μｍ、耐圧合格深さ７μｍ、ＢＭＤ密度１×１０１９個／ｃｍ３以上半導体基板厚み中心酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。この場合もボイド系欠陥の深さも耐圧合格の深さも７μｍと浅い。
この理由はシリコン単結晶の引上時の１１００℃における冷速が５℃／分より低い１．５℃／分であること、熱処理前の半導体基板のＯＰＰ信号強度が２Ｖ乃至４Ｖより高い点に起因すると考えられる。
【００５９】
比較例３
表１の単結晶引上げ時の１１００℃での冷速１．５℃／分で育成されたインゴット０から切出された窒素濃度９．８×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１０Ｖを有する半導体基板を１２００℃にて比較例１と同一雰囲気で２時間熱処理した。その結果半導体基板１μｍ深さ酸素濃度３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ１０μｍ耐圧合格深さ８μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍ、半導体基板厚み中心温度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった、この例でもボイド系欠陥の深さも耐圧合格の深さも１０μｍ以下であり浅い。この理由は比較例２と同じく冷速が低くＯＰＰ信号強度が高いことに起因すると考えられる。
【００６０】
比較例４
表１のインゴットＡから切出された窒素濃度８．３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ＯＰＰ信号強度０．７９４Ｖの半導体基板を、水素２５％アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃にて２時間熱処理した結果、１μｍ深さ酸素濃度３．７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系の欠陥深さは８μｍであり、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さは同じく８μｍであり、無欠陥層の深さが比較例１と同様に１０μｍにも達しなかった。なおＢＭＤ密度は１×１０９個／ｃｍ３以上で、Ｎ  spike  深さは１３．４μｍ半導体基板厚み中心酸素濃度９．８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。この比較例でも熱処理条件が実施例と同一であるにも拘わらず無欠陥層の深さが浅くなったのは熱処理に用いたシリコン半導体基板中の酸素濃度が９．８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と９．５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高いことに起因すると考えられる。
【００６１】
比較例５
比較例４と同様に表１のインゴットＡから切出された半導体基板を使用したが窒素濃度１．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度０．３０１Ｖである点が異なるだけで、雰囲気ガスはその他の熱処理条件と同一にした。その結果は１μｍ深さ酸素濃度３．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ８μｍ、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さ８μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍは比較例２と同一であった。ボイド系欠陥深さ、耐圧合格深さの値が低いのは酸素濃度が９．５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高いことが起因すると考えられる。
【００６２】
比較例６
表１のインゴットＳから切出された窒素濃度１．２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．２６Ｖの半導体基板を水素２５％アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃にて２時間熱処理した。その結果１μｍ深さ酸素濃度３．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さも耐圧合格深さも８μｍと低く、ＢＭＤ密度は５×１０８個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１３．４μｍであった。したがって無欠陥層の深さは８μｍと低い値の原因は融液の窒素濃度が１．３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と低く、熱処理前の窒素濃度が２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を下回っていることに起因していると考えられる。
【００６３】
比較例７、比較例８、比較例９、比較例１０
比較例７は表１のインゴットＢから切出された窒素濃度７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．９９５Ｖを有する半導体基板を使用し、
比較例８は表１のインゴットＩから切出された窒素濃度２．４×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度０．５０Ｖを有する半導体基板を使用し、
比較例９は表１のインゴットＫから切出された窒素濃度２．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．０Ｖを有する半導体基板を使用し、
比較例１０は表１のインゴットＬから切出された窒素濃度２．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度０．３９８Ｖの半導体基板を使用し、
いずれもアルゴン雰囲気中で１１５０℃の温度にて４時間熱処理した。その結果いずれの比較例でもボイド系深さ８μｍ、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格深さ６μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ８μｍ、１μｍ深さ酸素濃度は３〜３．４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、であった。これらの比較例では熱処理を４時間もしているにも拘わらずボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さとも１０μｍより低い。この理由は熱処理温度が１２００℃より低い１１５０℃に起因するものと考えられる。
【００６４】
次に、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素を含有するシリコン融液を用いてチョクラルスキー法又は磁場印加にチョクラルスキー法により１１００℃での冷速を５℃／分以上で引上げて育成したシリコン単結晶から切出された酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の半導体基板を熱処理する場合の実施例について表４を参照して説明する。
【００６５】
【表４】
0004566478.tif 000006
【００６６】
実施例７
表１のインゴットＢから切出された窒素濃度７．１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．９９５Ｖを有する半導体基板を用いて水素２５％アルゴン７５％雰囲気中にて１２００℃にて１時間熱処理した。その結果１μｍ深さ酸素濃度４．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ１２．５μｍ、ＴＺＤＢ試験による耐圧合格の深さ９μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１２．８μｍ、半導体基板厚み中心の酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。この実施例ではボイド系欠陥深さは１２．５μｍと１２μより大きいが耐圧合格の深さは９μｍである。しかしＮ  spike  深さは１２．８μｍである。したがって二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による窒素分析において平均信号強度の２倍（１２μｍ）以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部が１２．８μｍの深さにある。したがって請求項４及び５を満足する半導体基板が得られる。
【００６７】
実施例８
表１のインゴットＡから切出された窒素濃度１．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．５８５Ｖを有する半導体基板を実施例８と同じく水素２５％アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃にて１時間熱処理した。その結果１μｍ深さ酸素濃度４．７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、半導体基板厚み中心酸素濃度８．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるが、その他のボイド系欠陥深さ１２．５μｍ、耐圧合格深さ９μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１２．８μｍと実施例７と同じ結果が得られた。したがって請求項４及び５を満足する半導体基板が得られる。
【００６８】
実施例９，１０，１１，１２
実施例９は表１のインゴットＩから切出された窒素濃度２．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度０．３１６Ｖの半導体基板を使用し、
実施例１０は表１のインゴットＪから切出された窒素濃度３．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．２６Ｖの半導体基板を使用し、
実施例１１は表１のインゴットＫから切出された窒素濃度２．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．５８５Ｖを有する半導体基板を使用し、
実施例１２は表１のインゴットＰから切出された窒素濃度６．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度３．１６Ｖを有する半導体基板を使用している。
【００６９】
上記の実施例９〜１２に示す半導体基板の熱処理は実施例９と同じく水素２５％アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃の温度で１時間の熱処理を行った。その結果はボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さＮ  spike  深さＢＭＤ密度は実施例８及び９と全く同一であった。単に半導体基板厚み中心酸素温度が８．６〜９．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、１μｍ深さ酸素温度が４．６〜４．８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である点が異なるだけである。
【００７０】
以上の実施例７〜１２に示すものはチョクラルスキー法又は磁界印加チョクラルスキー法にて１１００℃での冷速が５℃／分以上で引上げられたシリコン単結晶から得られたものであり、窒素濃度が２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であって、酸素濃度９．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ＯＰＰ信号強度４Ｖ以下を有する半導体基板が得られるが、この時には、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度範囲内にあるシリコン融液を用いたものであり、上記半導体基板は熱処理温度１２００℃以上で、非酸化性雰囲気中で少くとも１時間行った結果得られるのである。
【００７１】
これらの実施例により得られた半導体基板は少なくとも請求項４，５記載の半導体基板を満足するものである。
【００７２】
これに対して比較例１１〜１５を表５を参照して説明する。
【００７３】
【表５】
0004566478.tif 000007
【００７４】
比較例１１〜１５
比較例１１は表１のインゴットＮから切出された窒素濃度０、酸素濃度９．３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度５．０Ｖを有する半導体基板を使用し、
比較例１２は表１のインゴットＧから切出された窒素濃度２．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．９９５Ｖを有する半導体基板、比較例１３は表１インゴットＳから切出された窒素濃度１．８×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．２６Ｖを有する半導体基板を使用し、
比較例１４は表１のインゴットＭから切出された窒素濃度３．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度９．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．２６Ｖを有する半導体基板を使用し、
これら比較例１１〜１４に示す半導体基板の熱処理はいずれも水素２５％アルゴン７５％雰囲気中で１２００℃で１時間行った。その結果比較例１１の結果は１μｍ深さ酸素濃度４．９×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さは６μｍと非常に浅く、ＢＭＤ密度５×１０８個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  はなしであった。ボイド系欠陥深さ及び耐圧合格深さが浅いのはインゴット中の窒素濃度が零であることに起因すると考えられる。比較例１２の結果は１μｍ深さ酸素濃度４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ９μｍ、耐圧合格深さ９μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３以上、Ｎ  spike  深さ１２．８μｍであった。この場合インゴットの１１００℃での引上げ速度が５℃／分未満であることに起因して請求項８の条件を満たさないことに基づきボイド欠陥深さ及び耐圧合格深さが浅くなった。
【００７５】
比較例１３でもボイド系欠陥深さ１０μｍ耐圧合格深さ８μｍと浅くなっている。この理由は熱処理前の半導体基板の窒素濃度が請求項８に示す２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の下限値を満たしていないからと考えられる。
【００７６】
比較例１４でもボイド系欠陥深さ１０μｍ、耐圧合格深さ６μｍと浅くなっている。これは熱処理前の半導体基板の酸素濃度が請求項８に記載の９．５×１０１７以下の条件を満たしていないことに起因するものと考えられる。
【００７７】
比較例１５
表１のインゴットＣから切出された窒素濃度８．７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、酸素濃度８．８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ＯＰＰ信号強度１．５８５Ｖを有する半導体基板水素２５％をアルゴン７５％雰囲気中で１１５０℃にて４時間熱処理した。その結果１μｍ深さ酸素濃度３．３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ボイド系欠陥深さ８μｍ、耐圧合格深さ６μｍ、ＢＭＤ密度１×１０９個／ｃｍ３より大、Ｎ  spike  深さ８μｍであった。これは熱処理温度が１２００℃より５０℃低いためいずれの深さも低くなったものと考えられる。
【００７８】
次にシリコン単結晶を１１００℃での冷速を１℃／分以上５℃／分未満で引上げたシリコン単結晶から切出された半導体基板を熱処理する実施例について表６を参照して説明する。
【００７９】
実施例１３〜１８
【００８０】
【表６】
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【００８１】
これらの実施例はいずれも表６第２列に示すインゴットから切出され、第３列に示す窒素濃度を有し、第４列に示す酸素濃度を有し、第５列にチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法により単結晶引上げ時の１１００℃で冷速が５℃未満であり、第６列に赤外干渉法（ＯＰＰ）により半導体基板中心で測定したときの最大信号強度が示され、第７列に水素２５％アルゴン７５％雰囲気中での熱処理温度と時間が、第８列に半導体基板中心での酸素濃度が示され、第９列にボイド系欠陥深さ、第１０列に耐圧合格深さが、第１１列にＢＭＤ密度、第１２列にＮ  spike  深さがそれぞれ示されている。
【００８２】
これらの実施例からチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法での１１００℃での冷速を５℃未満の値でも引上げられたインゴットから切出された、酸素濃度８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、窒素濃度１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ＯＰＰ信号強度７Ｖ以下であれば１２００℃にて１時間と２時間実施した場合ボイド系欠陥深さも耐圧合格深さも１２．５μｍの深さを有する。したがって無欠陥層の深さも１２．５μｍの深さを有しており、Ｎ  spike  深さも１３．４μｍとか１２．８μｍであり、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による窒素濃度測定において、表面から１２μｍ以上の深さに平均信号強度の２倍の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有していることがわかる。さらにＢＭＤ密度が１×１０９個／ｃｍ３より大きいことがわかる。また１μｍ深さ濃度が２．７〜３．７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の値をとっており、半導体基板厚み中心での酸素濃度が熱処理前の半導体基板濃度以下であった。
【００８３】
このような効果は単結晶引上げ時において１１００℃の冷速が１℃／分以上５℃／分未満の範囲にあり、半導体基板の酸素濃度が８．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であって、窒素濃度が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、ＯＰＰ信号強度が７Ｖ以下のものを１２００℃以上〜１３００℃以下の温度で少くとも１時間以上有利には１〜２時間非酸化性雰囲気で実施することで得られる。
【００８４】
比較例１６〜２３
これに対して本発明の窒素濃度条件、酸素濃度条件、熱処理条件を満たさない場合の比較例１６〜２３を表７に示すように半導体基板の品質は低下する。
【００８５】
【表７】
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【００８６】
これらの比較例において熱処理雰囲気には水素２５％アルゴン７５％の混合ガスを用いた。
【００８７】
比較例１６，１７，１８，１９は酸素濃度が８．９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜８．６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり請求項３，６，９に規定した酸素濃度８．５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の条件違反である。
【００８８】
比較例２０，２１は窒素濃度が７．２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３及び９．１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり請求項３、請求項６、請求項９に規定した窒素濃度１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の下限条件違反である。
【００８９】
比較例２２，２３は熱処理温度は１１５０℃であり熱処理温度１２００℃の下限条件違反である。
【００９０】
以上のようにチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法により１１００℃での冷速１℃／分以上５℃／分未満で引上げた結晶から切出された半導体基板の酸素濃度、窒素濃度、熱処理温度及び時間を本発明の請求項３，６，９の条件に選定しないときはボイド系欠陥深さも耐圧合格深さも所望する深さとすることはできない。
【００９１】
なお本発明の上記実施例においても熱処理温度は１２００℃以上〜１３００℃以下が有利である。熱処理は少くとも１時間実施する必要があり生産性の見地から２時間以下が好ましい。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によればチョクラルスキー法又は磁場印加チョクラルスキー法によって融液中の窒素濃度の選定又は単結晶育成時の１１００℃での冷速５℃／分以上の場合及び、１℃／分以上５℃／分未満の場合により育成されたシリコン単結晶インゴットから切出された半導体基板の窒素濃度、酸素濃度の値、ＯＰＰ信号強度を所定範囲に選択し、非酸化性雰囲気中で少くとも１時間の１２００℃以上での熱処理によりボイド系欠陥の深さ及びＴＺＤＢ試験による耐圧合格の深さを共に１２μｍより大きくしたり、あるいはボイド系欠陥の無欠陥層の深さを１２μｍより大きくかつ１２μｍより深い深さに二次イオン質量分析法による窒素分析において平均信号強度２倍以上の信号強度を示す窒素偏析による局所濃化部を有する半導体基板を得ることができ、半導体基板上への電子デバイスの作成領域の自由度を大きくすることができ、酸素析出物結晶欠陥密度も５×１０８個／ｃｍ３以上とすることができ、イントリンシックゲッタリング効果を改善することができる。