(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素をドープしたシリコン単結晶棒(14)の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、前記シリコン単結晶棒(14)及びシリコン融液(13)の固液界面からこの界面の上方１０ｍｍまでにおける前記シリコン単結晶棒(14)内の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃となるような引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）で引上げる工程と、
前記シリコン単結晶棒(14)を引上げに伴い冷却する工程と、
前記シリコン単結晶棒(14)をスライスしてシリコンウェーハを作製した後に前記シリコンウェーハを、先ず水素ガス雰囲気中で５５０〜８５０℃の範囲の所定温度で１０〜１００分間保持し、次に１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度まで２〜１０℃／分の速度で昇温し、更に前記シリコンウェーハを前記１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度に３０〜２４０分間保持する水素アニール処理する工程と
を含み、
前記シリコン単結晶棒(14)を１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間が１０〜３０分間であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
シリコン単結晶棒(14)にドープされた窒素濃度が５×１０12〜５×１０14ｃｍ-3である請求項１記載のシリコン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、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）にて引上げられたシリコン単結晶棒を用いてシリコンウェーハを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のシリコンウェーハの製造方法として、窒素をドープしたシリコン単結晶棒をＣＺ法により引上げ、この単結晶棒をスライスしてシリコン単結晶ウェーハに加工した後に、このウェーハに急速加熱・急速冷却装置により熱処理を加えたシリコン単結晶ウェーハの製造方法が開示されている（特開平１１−３２２４９０号）。このシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、シリコン単結晶棒に１×１０10〜５×１０15ｃｍ-3の窒素がドープされる。またウェーハの急速加熱・急速冷却装置による熱処理が酸素、水素、アルゴン或いはこれらの混合雰囲気下において１１００℃〜シリコン融点以下の温度で１〜６０秒間行われるように構成される。なお、上記熱処理を１〜６０秒間に限定したのは、６０秒を越えると、昇温中に新たに結晶欠陥や酸素析出が発生するためである。
このように構成されたシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、ＣＺ法によって作製されたシリコン単結晶中の結晶欠陥の成長を抑制できるとともに、ウェーハの表面層の結晶欠陥を消滅させることができる。この結果、極めて低欠陥のシリコン単結晶ウェーハを効率良く生産できるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平１１−３２２４９０号公報に示されたシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、ウェーハの１１００℃〜シリコン融点以下の温度での熱処理が１〜６０秒間と短いため、ウェーハ中の酸素や窒素が十分に外方拡散せず、ウェーハの表面層の結晶欠陥が完全に消滅しない不具合があった。
この点を解消するために、上記熱処理時間を延すと、酸素析出核が増大する問題点があった。
本発明の目的は、シリコン単結晶棒への窒素ドープによりボイド状欠陥（原子空孔の凝集体）のサイズを小さくでき、このシリコン単結晶棒から切出されたシリコンウェーハを水素アニール処理することにより上記ボイド状欠陥を消滅させることができる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、シリコンウェーハを作製するためのシリコン単結晶棒の品質を良好に保持しつつその引上げ時間を短縮することができる、シリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、窒素をドープしたシリコン単結晶棒１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）とし、シリコン単結晶棒１４及びシリコン融液１３の固液界面からこの界面の上方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒１４内の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃となるような引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）で引上げる工程と、シリコン単結晶棒１４を引上げに伴い冷却する工程と、シリコン単結晶棒１４をスライスしてシリコンウェーハを作製した後にシリコンウェーハを、先ず水素ガス雰囲気中で５５０〜８５０℃の範囲の所定温度で１０〜１００分間保持し、次に１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度まで２〜１０℃／分の速度で昇温し、更にシリコンウェーハを上記１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度に３０〜２４０分間保持する水素アニール処理する工程とを含み、シリコン単結晶棒１４を１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間が１０〜３０分間であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法である。
【０００５】
この請求項１に記載されたシリコンウェーハの製造方法では、シリコン単結晶棒１４を上記のように比較的高い引上げ速度で引上げ、かつシリコン単結晶棒１４の引上げ中であって１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間を１０〜３０分間とすると、シリコン単結晶棒１４の品質を良好に保持しつつ、その引上げ時間を短縮することができる。またシリコン単結晶棒１４に窒素をドープすることにより、ボイド状欠陥（原子空孔の凝集体）のサイズを小さくすることができる。更にシリコン単結晶棒１４をスライスして作製されたシリコンウェーハを水素アニール処理することにより、シリコンウェーハの半導体素子形成領域であるウェーハ表層部のボイド状欠陥を消滅させて、ウェーハ表層部をボイド状欠陥のない無欠陥領域とすることができる。なお、シリコンウェーハの品質が上述のように良好であるため、水素アニール処理における昇温及び降温時にウェーハ内に酸素析出核が新たに発生することはない。
【０００６】
またシリコン単結晶棒１４にドープされた窒素濃度は５×１０12〜５×１０14ｃｍ-3であることが好ましい。
更に上記請求項１又は２記載の方法により製造されたシリコンウェーハは半導体素子形成領域であるウェーハ表層部にボイド状欠陥のない無欠陥領域、即ちＤＺ（Denuded Zone）層を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明のシリコンウェーハは、ＣＺ法により引上げ機１１の石英るつぼ１２内のシリコン融液１３からシリコン単結晶棒１４を後述する第１及び第２の引上げ条件で引上げた後、このシリコン単結晶棒１４をスライスして作製される。上記シリコン単結晶棒１４には窒素がドープされる。このシリコン単結晶棒１４にドープされた窒素濃度は５×１０12〜５×１０14ｃｍ-3、好ましくは３×１０13〜３×１０14ｃｍ-3である。窒素濃度を５×１０12〜５×１０14ｃｍ-3の範囲に限定したのは、５×１０12ｃｍ-3未満では原子空孔のシリコン単結晶棒１４内における固溶度が上昇せず、シリコン単結晶棒１４のその後の熱履歴によりボイド状欠陥が発生し易くなるからであり、５×１０14ｃｍ-3を越えると窒素に関係するドナーの発生量が増え単結晶の抵抗率を大きく変化させるからである。なお、シリコン単結晶棒１４に窒素をドープする方法としては、窒化物が混合された多結晶シリコン又は窒化膜が形成された多結晶シリコンを石英るつぼ１２に投入して窒素を含むシリコン融液１３からシリコン単結晶棒１４を引上げるか、或いはシリコン単結晶棒１４を窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で引上げることにより行われる。
【０００８】
上記引上げ機１１のチャンバ２４上端には円筒状のケーシング２５が接続され、このケーシング２５には引上げ手段２６が設けられる。図１の符号２６ａは石英るつぼ１２の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブルであり、このワイヤケーブル２６ａの下端にはシリコン融液１３に浸してシリコン単結晶棒１４を引上げるための種結晶２６ｂが取付けられる。また石英るつぼ１２の外面は黒鉛サセプタ２７により被覆され、黒鉛サセプタ２７の下面は支軸２８の上端に固定され、この支軸２８の下部はるつぼ駆動手段２９に接続される。
【０００９】
更にチャンバ２４にはこのチャンバ２４のシリコン単結晶棒側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ２４のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段３３が接続される。このガス給排手段３３は一端がケーシング２５の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ３４と、一端がチャンバ２４の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３５とを有する。供給パイプ３４及び排出パイプ３５にはこれらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。
【００１０】
一方、上記第１の引上げ条件は、シリコン単結晶棒１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、シリコン単結晶棒１４及びシリコン融液１３の固液界面からこの界面の上方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒１４の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃、好ましくは０．３００〜０．３３０ｍｍ2／分・℃となるように引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）を設定することである。Ｖ／Ｇを０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃の範囲に限定したのは、シリコン単結晶棒１４中に原子空孔の優勢な領域を作るためである。また上記第２の引上げ条件は、シリコン単結晶棒１４を１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間を１０〜３０分間、好ましくは１５〜２５分間としたことである。１１３０℃から１０５０℃までの温度範囲を１０〜３０分間に限定したのは、シリコン単結晶棒１４内の結晶欠陥であるボイド状欠陥の発生を抑制するためである。
【００１１】
上記第１及び第２の引上げ条件を満たすためには、引上げ機１１内に熱遮蔽部材１６を用いることが好ましい。この熱遮蔽部材１６はシリコン単結晶棒１４の外周面と石英るつぼ１２の内周面との間に設けられヒータ２１からの輻射熱を遮る円筒状の円筒部１７と、この円筒部１７の下端に連設され下方に向うに従って直径が次第に小さくなる円錐部１８と、上記円筒部１７をその上縁で支持するフランジ部１９とを備える。円筒部１７は外管１７ａと、この外管１７ａから所定の間隔をあけて内側にかつ外管１７ａ同心上に設けられた内管１７ｂと、外管１７ａと内管１７ｂとの間に充填された円筒用断熱材１７ｃとを有する。また円錐部１８は外側コーン１８ａと、この外側コーン１８ａよりテーパ角が小さく形成されかつ外側コーン１８ａより内側にかつ外側コーン１８ａと同心上に設けられた内側コーン１８ｂと、外側コーン１８ａと内側コーン１８ｂとの間に充填された円錐用断熱材１８ｃとを有する。上記熱遮蔽部材１６はフランジ部１９を保温筒２２上にリング板２３を介して載置することにより、円錐部１８の下縁がシリコン融液１３表面から所定の距離だけ上方に位置するようにチャンバ２４内に固定される。
【００１２】
上述のように引上げられたシリコン単結晶棒１４をスライスしてシリコンウェーハを作製し、このシリコンウェーハを熱処理炉に入れて水素アニール処理する（図２）。この水素アニール処理では、先ず研磨したシリコンウェーハを熱処理炉内に入れ、シリコンウェーハを水素ガス雰囲気にして５５０〜８５０℃、好ましくは６５０〜７５０℃の範囲の所定温度で１０〜１００分間、好ましくは２０〜４０分間保持する。次いでシリコンウェーハを１１００〜１２５０℃、好ましくは１１５０〜１２３０℃の範囲の所定のアニール温度まで２〜１０℃／分、好ましくは３〜５℃／分の速度で昇温した後に、シリコンウェーハを上記１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度に３０〜２４０分間保持する。ここで、シリコンウェーハを５５０〜８５０℃の範囲の所定温度で２０〜４０分間保持したのは、炉内温度とこの炉に投入したウェーハ温度とを均一化するためと、炉内を不活性ガス雰囲気から水素ガス雰囲気に置換するためである。またシリコンウェーハを１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度まで２〜１０℃／分の速度で昇温したのは、スリップの発生を防ぐためである。更にシリコンウェーハを１１００〜１２５０℃の範囲の所定のアニール温度に３０〜２４０分間保持したのは、ウェーハ中（特に表面から１０μｍの表層中）のＣＯＰ（Crystal Originated Particle）を消滅させるためである。
【００１３】
次にシリコンウェーハを５５０〜８５０℃、好ましくは６００〜７００℃の範囲の所定温度まで３〜５℃／分の速度で降温してその所定温度で１０〜５０分間、好ましくは２０〜４０分間保持する。更に上記シリコンウェーハを熱処理炉から取出して常温まで自然冷却する。ここでシリコンウェーハを５５０〜８５０℃の範囲の所定温度まで３〜５℃／分の速度で降温したのは、スリップの発生を防ぐためであり、シリコンウェーハを５５０〜８５０℃の範囲の所定温度で１０〜５０分間保持したのは、炉内を水素ガス雰囲気から他の不活性ガス雰囲気に置換するためである。
【００１４】
このように製造されたシリコンウェーハでは、シリコン単結晶棒１４をＶ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃となるような比較的高い引上げ速度で引上げても、熱遮蔽部材１６によりシリコン単結晶棒１４の引上げ中における１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間を１０〜３０分間とすることにより、シリコン単結晶棒１４の品質を良好に保持しつつ、シリコン単結晶棒１４の引上げ時間を短縮することができる。またこのシリコン単結晶棒１４に窒素をドープすることにより、シリコン単結晶棒１４内に発生したボイド状欠陥（原子空孔の凝集体）のサイズを小さくすることができる。更に上記シリコン単結晶棒１４をスライスして作製されたシリコンウェーハを水素アニール処理することにより、シリコンウェーハの半導体素子形成領域であるウェーハ表層部のボイド状欠陥を消滅させて、ウェーハ表層部をボイド状欠陥のない無欠陥領域とすることができる。なお、シリコンウェーハの品質が上述のように良好であるため、水素アニール処理における昇温及び降温時にウェーハ内に酸素析出核が新たに発生することはない。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１〜３＞
図１に示す引上げ機１１を用いてシリコン単結晶棒１４を引上げた。そのときの第１の引上げ条件は、シリコン単結晶棒１４の引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、シリコン単結晶棒１４及びシリコン融液１３の固液界面からこの界面の上方１０ｍｍまでにおけるシリコン単結晶棒１４の引上げ方向の温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇが０．３００ｍｍ2／分・℃となるように引上げ速度Ｖ（ｍｍ／分）を設定した。また第２の引上げ条件は、シリコン単結晶棒１４を１１３０℃から１０５０℃まで冷却する時間を２５分間とした。このシリコン単結晶棒１４中の酸素濃度は１．３９×１０18〜１．３３×１０18atoms／ｃｍ3であった。
【００１６】
上述のように引上げられたシリコン単結晶棒１４をスライスしてシリコンウェーハを３枚作製し、これらのシリコンウェーハを熱処理炉に入れて水素アニール処理した（図２）。この水素アニール処理では、先ず研磨したシリコンウェーハを熱処理炉内に入れ、シリコンウェーハを水素ガス雰囲気にして７００℃で３０分間保持した。次にシリコンウェーハを１２００℃のアニール温度まで５℃／分の速度で昇温した後に、シリコンウェーハを上記１２００℃のアニール温度に３６００秒間（６０分間）保持した。更にシリコンウェーハを７００℃まで３℃／分の速度で降温してその温度で２０分間保持した後に、熱処理炉から取出して常温まで自然冷却した。これらのシリコンウェーハを実施例１〜３とした。
【００１７】
＜比較例１＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１９０℃のアニール温度に６０秒間（１分間）保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例１とした。
＜比較例２＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１９０℃のアニール温度に３０秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例２とした。
＜比較例３＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１９０℃のアニール温度に５秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例３とした。
【００１８】
＜比較例４＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１００℃のアニール温度に６０秒間（１分間）保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例４とした。
＜比較例５＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１００℃のアニール温度に３０秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例５とした。
＜比較例６＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１１００℃のアニール温度に５秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例６とした。
【００１９】
＜比較例７＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１０００℃のアニール温度に６０秒間（１分間）保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例７とした。
＜比較例８＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１０００℃のアニール温度に３０秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例８とした。
＜比較例９＞
シリコンウェーハを水素雰囲気中で１０００℃のアニール温度に５秒間保持したことを除いて、実施例１と同様にしてシリコンウェーハを作製した。このシリコンウェーハを比較例９とした。
【００２０】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜３及び比較例１〜９のシリコンウェーハを所定の時間（０分間、４０分間、８０分間、１２０分間、１６０分間及び２００分間）だけＳＣ１洗浄した後に、パーティクルカウンターを用いて直径が０．１３μｍ以上の総パーティクル数を測定した。その結果を水素アニール条件とともに表１に示す。
【００２１】
【表１】
0003900816.tif 000002
【００２２】
表１から明らかなように、アニール温度が低くかつアニール時間が短い比較例１〜９のウェーハでは総パーティクル数が多かったのに対し、アニール温度が高くアニール時間が長い実施例１〜３のウェーハでは総パーティクル数は極めて少なかった。これはシリコン単結晶棒に窒素をドープしかつこのシリコン単結晶棒を所定の条件で引上げることにより、シリコン単結晶棒内に発生したボイド状欠陥（原子空孔の凝集体）のサイズを小さくすることができ、このシリコン単結晶棒をスライスして作製されたシリコンウェーハを比較的高い温度で比較的長い時間だけ水素アニール処理することにより、ウェーハ表層部のボイド状欠陥を消滅させることができたためであると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、窒素をドープしたシリコン単結晶棒をＶ／Ｇが０．２９０〜０．３４０ｍｍ2／分・℃となるような引上げ速度Ｖで引上げ、この引上げに伴う１１３０℃から１０５０℃までの冷却時間が１０〜３０分間であり、更にこのシリコン単結晶棒をスライスして作製されたシリコンウェーハを水素アニール処理したので、シリコン単結晶棒の引上げ時間を短縮でき、またシリコン単結晶棒内のボイド状欠陥のサイズを小さくでき、更にシリコンウェーハのウェーハ表層部のボイド状欠陥を消滅させて、ウェーハ表層部をボイド状欠陥のない無欠陥領域とすることができる。この結果、半導体素子の製造歩留りの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のシリコンウェーハを作製するためのシリコン単結晶棒を引上げる引上げ機の縦断面図。
【図２】そのシリコンウェーハを水素アニール処理するときの温度の時間に対する変化を示す図。
【符号の説明】
１３  シリコン融液
１４  シリコン単結晶棒
【図１】
0003900816.tif 000003
【図２】
0003900816.tif 000004