(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法にて引上げられたシリコン単結晶インゴットから切り出された直径が２００ｍｍ以下のシリコンウェーハであり、
シリコンウェーハ中に含まれる炭素が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上であり、
シリコンウェーハに現れる酸素誘起積層欠陥リングがシリコンウェーハ外周の内部に存在し、または中心部で消滅しているシリコンウェーハ。
【請求項２】
チョクラルスキー法にて引上げられたシリコン単結晶インゴットから切り出された直径が２００ｍｍを超えるシリコンウェーハであり、
シリコンウェーハ中に含まれる炭素が１．５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上であり、
シリコンウェーハに現れる酸素誘起積層欠陥リングがシリコンウェーハ外周の内部に存在し、または中心部で消滅しているシリコンウェーハ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長したシリコン層を有するシリコンエピタキシャルウェーハ。
【請求項４】
チョクラルスキー法にて結晶引上を行い直径が２００ｍｍ以下のシリコンウェーハの製造を行うに際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上となるように結晶内に炭素を添加し、酸素誘起積層欠陥リングがシリコンウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅する引上速度で結晶引上を行い、得られたシリコン単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
チョクラルスキー法にて結晶引上を行い直径が２００ｍｍを超えるシリコンウェーハの製造を行うに際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上となるように結晶内に炭素を添加し、酸素誘起積層欠陥リングがシリコンウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅する引上速度で結晶引上を行い、得られたシリコン単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５の結晶引上で得られた同一のインゴットより、シリコンウェーハ用およびシリコンエピタキシャルウェーハ用をそれぞれ取り出すシリコンウェーハの製造方法。
【請求項７】
請求項６で取り出されたシリコンウェーハ上にシリコン層をエピタキシャル成長するシリコン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】
この発明は、半導体デバイス基板として用いられるシリコンウェーハとその製造方法に係り、チョクラルスキー法にて炭素を添加して酸素誘起積層欠陥リング（ＯＳＦ−リング）が中心部で消滅するような低速引上で育成することにより、得られたシリコンウェーハのＯＳＦ−リングの外周側部分に転位クラスターの発生を防止し、特にＯＳＦ−リングが中心部で消滅したシリコンウェーハをエピタキシャルウェーハ用に使用可能にし、同一のインゴットより通常用とエピタキシャル用などの種々用途のウェーハを製造できる、シリコンウェーハとシリコンエピタキシャルウェーハ並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスに利用されるシリコンウェーハをチョクラルスキー法で成長させると、その引上速度に応じて酸素誘起積層欠陥リングの位置が変化する。このＯＳＦ−リングは高速引上ほど外周側へ移動し、低速引上ほど内部へ移動し、ある速度以下で中心部で消滅する。
【０００３】
図１に示すようにシリコンウェーハ１上に見られるＯＳＦ−リング２の内側領域３は引上時に点欠陥であるシリコンの空孔が支配的な領域であり、空孔が凝集した欠陥がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として存在する。この空孔の凝集体がウェーハの鏡面研磨の後、ウェーハ表面に現れたのがＣｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ（ＣＯＰ）と呼ばれる欠陥で、その実態は８面体のピットである。
【０００４】
このＣＯＰはゲート酸化膜耐圧を劣化させたり、素子分離不良を起こしたりしてデバイスへ悪影響を与える。デバイスパターンの微細化に伴い、この影響は顕著になりつつある。
【０００５】
また、表面検査装置でシリコン表面上のパーティクルを検査するときに、ＣＯＰはパーティクルと判断されるため、ＣＯＰが存在するとパーティクルモニターウェーハとしても利用できなくなる。このため、結晶引上に点欠陥制御によるＣＯＰ欠陥低減が検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、図１に示すごとくシリコンウェーハ１上のＯＳＦ−リング２の外側領域４は点欠陥である格子間シリコンが優勢な領域であり、そこでは格子間シリコンに起因した転位クラスターと呼ばれるＧｒｏｗｎ‐ｉｎ欠陥が発生する。
【０００７】
この欠陥もリーク電流の増大などデバイス特性を劣化させるため、従来はＯＳＦ‐リングがウェーハ外周の内側に存在するウェーハや、特に中心部で消滅したウェーハはほとんど利用されなかった。
【０００８】
しかしながら、何らかの方法で転位クラスターの発生を抑制できれば、デバイス特性の劣化を引き起こさない高品質のウェーハを提供することができるものと、考えられる。
【０００９】
特に、ＯＳＦ‐リングが中心に収縮したウェーハはＣＯＰ領域がないため、表面検査装置で表面のパーティクルを調べるための低密度のパーティクルモニターウェーハとしても利用可能であるが、転位クラスターの発生を抑制することで、一度の結晶引上でデバイス用のシリコンウェーハと、パーティクルモニター用のシリコンウェーハを一本のインゴットから製造することができ、インゴットの利用範囲が拡大し、コスト低減効果が得られるものと予想される。
【００１０】
さらに、引き上げられた一本のインゴットから、デバイス用ウェーハ、パーティクルモニター用ウェーハに加えて、エピタキシャル成長用基板が提供できれば、より一層インゴットの利用範囲が拡大できるため、これらすべての品種のウェーハのコストを低減できるものと予想される。
【００１１】
しかし現実には、ＯＳＦ‐リングが中央に収縮しているウェーハにエピタキシャル成長すると、転位クラスターがエピタキシャル層にまで伝播して品質劣化を起こすため、エピタキシヤル基板としてはＯＳＦ‐リングがウェーハ外周の内側にあるウェーハを用いることはなく、ＯＳＦ−リングが外周の外へ出ているウェーハを用いている。
【００１２】
この発明は、上述したＯＳＦ‐リングの外周域での転位クラスターの発生を解消し、一つのインゴットからデバイス用、パーティクルモニター用、エピタキシャル基板用をそれぞれ低コストで提供すること目的とし、ＯＦＳ‐リングがウェーハ内部に存在するか、中央に消滅したウェーハで、かつその転位クラスターの発生を抑制したシリコンウェーハとシリコンエピタキシャルウェーハ並びにその製造方法の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
一般に、シリコン中の転位の運動はシリコンに含まれる不純物に影響される。通常チョクラルスキー法で育成したシリコンには１×１０18ｃｍ3オーダーの酸素が含まれているが、この酸素が転位の運動を阻害することは良く知られている。しかしながら、この濃度の酸素では、ＯＳＦ−リングの外側領域に現れる転位クラスターの伝播を阻止できないため、実際、Ｇｒｏｗｎ‐ｉｎの状態で転位クラスターは現れる。
【００１４】
そのため、より転位運動阻止能の強い不純物の添加が効果的である。しかも、デバイス用ウェーハであることを考えると、電気的に中性である４属原子が望ましい。４属原子である炭素に注目すると、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）がシリコンよりも高融点で、硬度も高い点から明らかなように、シリコン−炭素の結合はシリコン−シリコン結合より強いことから、原子の結合を切りながら進む転位の運動を抑制する能力が高いと考えられる。
【００１５】
さらに、素子作製時、転位の発生原因は熱処理時の応力が主であるが、結晶育成時の転位クラスター発生には、格子間シリコンの濃度も関係し、炭素が存在すると、歪みによる炭素と格子間シリコンの相互作用により、転位クラスター形成に寄与する格子間シリコンの濃度が低くなると考えられる。
【００１６】
そこで、発明者らは、実施例に示すごとく、炭素濃度を変化させて実験を行い、２００ｍｍ以下の直径のウェーハでは１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上で転位クラスターを抑制できること、および２００ｍｍを超える直径のウェーハでは１．５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上で転位クラスターを抑制できることを知見した。さらに検討を加えた結果、炭素を添加してＯＳＦ−リングが中心部で消滅するような低速引上で育成することにより、得られたシリコンウェーハのＯＳＦ−リングの外周側部分に転位クラスターの発生を防止し、特にＯＳＦ−リングが中心部で消滅したシリコンウェーハをエピタキシャルウェーハ用に使用できることを知見し、この発明を完成した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明によるシリコンウェーハは、チョクラルスキー法にて結晶引上を行うに際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上となるように添加し、ＯＳＦ−リングがウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅するような低速引上で育成したことを特徴とし、得られた同一のインゴットより、デバイス用ウェーハ、パーティクルモニター用ウェーハに加えて、エピタキシャル成長用基板を取り出すことができ、インゴットの利用範囲が拡大できるため、これらすべての品種のウェーハのコストを低減できる利点がある。
【００１８】
この発明において、ウェーハ中の炭素濃度は
１．０〜３２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）であり、ウェーハの用途、引上げインゴットの外径、ウェーハ上のＯＳＦ−リングの位置等を考慮し、炭素濃度や引上げ速度を適宜選定する必要がある。例えば、表２に示すように１５０ｍｍや２００ｍｍの直径のウェーハでは、引上げ速度に関係なく、１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の炭素濃度とすることが好ましく、３００ｍｍの直径のウェーハでは、引上げ速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎで
１．５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の炭素濃度、引上げ速度が
０．４ｍｍ／ｍｉｎで２．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の炭素濃度が好ましい。
【００１９】
この発明において、得られた同一のインゴットより、デバイス用シリコンウェーハ用およびシリコンエピタキシャルウェーハ用をそれぞれ取り出すが、パーティクルモニター用ウェーハはＯＳＦ−リングが中心部で消滅したものが望ましく、デバイス用ウェーハ及びエピタキシャル成長用ウェーハは、ＯＳＦ−リングが中心から直径の１／２の箇所に位置したものが好ましい。
【００２０】
【実施例】
実施例１
結晶成長はチョクラルスキー法で、１００方位の種結晶を用い、直径が２００ｍｍの単結晶を引き上げた。炭素は高純度の炭素粉末を多結晶シリコンとともに、石英ルツボに充填し、同時に融解することで添加した。添加量を変えることで、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3から２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲の濃度の炭素を含むウェーハを得た。
【００２１】
ここでは引上速度を０．４ｍｍ／分としたところ、ＯＳＦ‐リングは中心部分に消滅した。なお、酸素濃度は１．５×１０18ｃｍ‐3と
１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｏｌｄ  ＡＳＴＭ）の２水準のウェーハを成長させた。ウェーハはボロンを添加したｐ型で抵抗率は１〜２０Ωｃｍの範囲であった。
【００２２】
これらのウェーハを、セコエッチング液で処理して、ウェーハ内に存在する転位クラスターの個数を測定した。図２Ａに測定した転位クラスターの個数の炭素濃度依存性を示す。比較のために炭素を添加しない以外は実施例と同じ条件で成長した場合の転位クラス夕の個数も示す。図２Ａの黒菱印は酸素濃度は
１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、白角印は酸素濃度は
１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のウェーハを示す。
【００２３】
炭素濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の時は、炭素添加なしと同じレベルの転位クラスターが観察されたが、５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越すと転位クラスタの数が減少しはじめ、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ‐3では、ほとんど観察されなかった。この、炭素による転位クラスターの発生抑制は、酸素濃度が１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3と１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の
どちらの場合でも同様に得られた。この結果から、炭素による転位クラスターの抑制は酸素濃度に顕著に依存せず、主として炭素濃度で決定されていると判断できる。
【００２４】
さらに、図２Ａにはウェーハの抵抗率が１〜２０Ωｃｍの範囲のウェーハが含まれているが、転位クラスターが減少はじめる炭素濃度は、１〜２０Ωｃｍの範囲でほぼ一定の炭素濃度から転位クラスター数が減少していることが示された。
【００２５】
実施例２
実施例１で示したＯＦＳ‐リングが中央で消滅したシリコンウェーハと同一のインゴットから製造したシリコンウェーハ
（炭素濃度：１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、
酸素濃度：１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、
１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、抵抗率：１〜２０Ωｃｍ）を基板として、その上にシリコンエピタキシャル層を成長させた。エピタキシャル炉はランプ加熱の枚葉式の反応炉を用いた。成長温度は１０５０℃で、エピタキシャル層の膜厚は４μｍである。
【００２６】
エピタキシャルウェーハの場合、セコエッチングで評価を行うと、エピタキシャル層全体をエッチングするため、エピウェーハに伝播した転位クラスターの数を正しく評価できない。従って、エピタキシャル層表面まで伝播した転位クラスターの数を光散乱を用いた表面欠陥検査装置とセコエッチングを複合させて評価した。
【００２７】
表面検査装置では転位に起因する表面段差を検出することができる。欠陥サイズは０．１μｍ以下の欠陥を教えた。これにより、表面欠陥の位置を記録した上で、セコエッチングを行い、その位置が表面欠陥と同じ位置にある転位クラスターのみが表面まで伝播していると判断してエピタキシャル層の転位クラスターの数を調べた。
【００２８】
図２Ｂにエピタキシャル層表面まで伝播した転位クラスターの数の炭素濃度依存性を示す。炭素添加なしの場合は、転位クラスターがエピタキシャル層表面まで伝播していることがわかる。なお、図２Ｂの黒菱印は酸素濃度は
１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、白角印は酸素濃度は
１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のウェーハを示す。
【００２９】
しかも、結晶成長後に比べ、エピタキシャル成長後のほうが数が増加している。これは、セコエッチングで評価できるおよそ２０μｍより深い位置にある転位クラスターが、エピタキシャル成長の間にエピタキシャル表面まで伝播したことによる増加である。
【００３０】
図２Ｂから判断できるように、炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越すと、結晶成長後と同様に、転位クラスターの減少が見られた。これは基本的に炭素によって転位の運動が抑止された結果である。
【００３１】
さらに、ウェーハがデバイス熱処理を受けることを想定して、その熱処理による転位クラスターの数の変化を調べた。想定した熱処理は、４つのステップからなっており、１ｓｔｅｐは８５０℃で１時間、２ｓｔｅｐは１０５０℃で１時間、３ｓｔｅｐは７５０℃で２時間、４ｓｔｅｐは９００℃で２時間である。ガス雰囲気は１００％酸素雰囲気で行った。
【００３２】
この熱処理の後、再び、光散乱による表面検査装置とセコエッチングの複合検査で転位クラスターの数を調べた。表１に４種類のエピタキシャルウェーハにおける各ステップ後の転位クラスターの数の変化を示す。僅かに数の増加は観察されたが、炭素無添加の場合に比べ低い数にとどまっており、炭素添加の有効性が示された。
【００３３】
【表１】
0004085467.tif 000002
【００３４】
実施例３
種々の半径のインゴットを成長速度を変えて引上げることにより、ＯＳＦ−リングの位置を変え、得られたウェーハの炭素濃度と転位クラスター数との関係を調べた。表２にその結果を示す。酸素濃度は１．５×１０15ｃｍ3（ｏｌｄ  ＡＳＴＭ）ｐ型で、抵抗率は１０Ωｃｍである。転位クラスター数はセコエッチング液で処理して測定した。
【００３５】
直径が１５０ｍｍの場合、引上げ速度０．７ｍｍ／分でＯＳＦ−リングはウェーハ中央から３５ｍｍに現れ、０．５５ｍｍ／分で中央に収縮する。直径が２００ｍｍの場合、引上げ速度０．６５ｍｍ／分でＯＳＦ−リングはウェーハ中央から５０ｍｍに現れ、０．４５ｍｍ／分で中央に収縮する。この場合、ＯＳＦ−リング位置やウェーハ直径に顕著に依存せず、炭素濃度が１．０×１０16ｃｍ3を越すと、転位クラスター数は減少し、転位抑制効果が確認できた。
【００３６】
直径が３００ｍｍの場合、引上げ速度０．５ｍｍ／分でＯＳＦ−リングはウェーハ中央から７５ｍｍに現れ、０．４ｍｍ／分で中央に収縮するが、この場合は２００ｍｍに比べ、効果が現れる炭素濃度が増加した。また、これは大口径化に伴い転位クラスターの原因となる格子間シリコンの濃度が高くなり、転位クラスターは発生しやすくなるため、抑制に必要な炭素濃度が上昇するためと解釈できる。
【００３７】
また、ＯＳＦ−リングが中央収縮した場合はさらに、炭素濃度が高くなった。これも中央に収縮したウェーハの方が格子間シリコンの濃度が高いためと考えられる。
【００３８】
【表２】
0004085467.tif 000003
【００３９】
【発明の効果】
この発明による製造方法は、チョクラルスキー法にて結晶引上を行うに際し、ウェーハ中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ｎｅｗ  ＡＳＴＭ）以上となるように炭素を添加し、ＯＳＦ−リングがウェーハ外周の内部に現れるか中心部で消滅するような低速引上で育成することにより、得られた同一のインゴットより、デバイス用ウェーハ、パーティクルモニター用ウェーハに加えて、エピタキシャル成長用基板を取り出すことができ、インゴットの利用範囲が拡大できるため、容易に製造でき、これらすべての品種のウェーハのコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】低速引上でＯＳＦ−リングがウェーハ外周より内部あるときのウェーハ表面の説明図である。
【図２】Ａは炭素添加ウェーハの転位クラスター数の炭素濃度依存性を示すグラフであり、Ｂは炭素添加エピタキシャルウェーハの転位クラスター数の炭素濃度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  シリコンウェーハ
２  ０ＳＦ‐リング
３  内側領域
４  外側領域
【図１】
0004085467.tif 000004
【図２】
0004085467.tif 000005