(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により、窒素ノンドープであり、直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶を育成する際に、全面Ｖ−リッチ領域の結晶となり、かつ１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を１．２５℃／分以下となるように引上げたシリコン単結晶棒からシリコン単結晶ウエーハを作製することを特徴とするシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記シリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長用ウエーハであることを特徴とする請求項１に記載したシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項３】
チョクラルスキー法により育成され、窒素ノンドープであり、全面Ｖ−リッチ領域であり、直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハであって、転位ループがウエーハ全面に存在しないことを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項４】
前記シリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長用ウエーハであることを特徴とする請求項３に記載したシリコン単結晶ウエーハ。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載したシリコン単結晶ウエーハの表面にエピタキシャル層を形成したものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
【請求項６】
チョクラルスキー法により育成され、窒素ノンドープであり、全面Ｖ−リッチ領域であり、直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハの表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハであって、エピタキシャル層上に観察される０．０９μｍサイズ以上のＬＰＤ密度が４．３個／１００ｃｍ２以下であることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は結晶欠陥の少ないシリコン単結晶ウエーハとその製造方法に関し、特に直径３００ｍｍ以上の大口径を有するシリコン単結晶ウエーハとその製造方法並びにそのウエーハを基板としたエピタキシャルウエーハに関する。
背景技術
デバイスの高集積化・微細化に伴い、高性能なウエーハの要求が強い。それに対し従来、シリコン単結晶ウエーハ（以下、単にシリコンウエーハ、ウエーハということがある）上にエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルシリコン単結晶ウエーハ（以下、単にシリコンエピタキシャルウエーハ、エピタキシャルウエーハと呼ぶことがある）が利用されている。
また、デバイス工程のコストダウンのために、結晶の直径も大口径化してきており、現在では直径が３００ｍｍ、さらには直径４００ｍｍのものまで製造、試作されている。そして、このような大直径ウエーハに対しても、品質への要求は高く、大口径エピタキシャルウエーハの製造も行われている。
ところで、３００ｍｍ以上の直径をもつシリコンウエーハにエピタキシャル層（以下、単にエピ層と呼ぶことがある）を形成したエピタキシャルウエーハを作製し、そのエピタキシャル層を調査したところ、このような３００ｍｍ以上の直径を持つ大口径エピタキシャルウエーハには、２００ｍｍまでのエピタキシャルウエーハには顕在化していなかった欠陥が発生するという問題があることがわかってきた。
この欠陥は、エピ層表面をパーティクルカウンターで測定すると０．０９μｍサイズ以上のＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｆｅｃｔ：レーザ光を用いたウエーハ表面検査装置で観察される輝点欠陥の総称）と称する結晶欠陥が約１００個／直径３００ｍｍウエーハ（約１４個／１００ｃｍ２）程度存在するというものであり、顕微鏡にて拡大観察した結果、これらの欠陥の多くはエピ層に形成された転位ループであることがわかった。一般的にこのような結晶欠陥がエピ層表面に存在すると、リーク特性を劣化させる等、デバイスに悪影響を及ぼすことが知られている。
そこで本発明者等は、これらエピ層に形成される欠陥について鋭意調査を行った。その結果、このようなエピ層の欠陥が発生している位置には、そのエピタキシャル成長用の基板表面に、微小な転位ループがある程度の密度で存在していることを確認した。通常の直径２００ｍｍ以下の基板においては、このような基板表面に見られる欠陥は、引上げ速度を低下させた低速育成結晶のＩ−リッチ領域に発生し、セコエッチング等の選択エッチング（例えばＦＰＤの評価に用いられる無攪拌セコエッチング）や銅デコレーション法等で観察されるもので、観察される欠陥のサイズは大変大きく、その大きさは最低でも１０μｍ以上あり、転位クラスターとも呼ばれている。
しかし、３００ｍｍ以上のエピタキシャルウエーハに転位ループを発生させていたエピタキシャル成長用の基板には、低速育成結晶から作製された基板ではなく、明らかに高速育成であるＶ−リッチ領域で育成されたものもあり、上記と同様にセコエッチング等の選択エッチング（例えばＦＰＤの評価に用いられる無攪拌セコエッチング）や銅デコレーション法で欠陥が観察されるが、欠陥のサイズは片面３０μｍ程度のエッチオフ量で無攪拌セコエッチングを行ったときに５μｍ程度の液滴形状のエッチピットとして観察されるものであり、最大でも１０μｍを超えることはなく、２００ｍｍ以下の基板のＩ−リッチ領域に存在するものに比べて小さいことがわかった。このような欠陥は直径２００ｍｍまでの基板でも、極く僅かに観察されてはいた。しかし、その密度が極めて低いため、エピ成長を施しても殆ど目立たず、全く問題にはなっていなかった。しかし、直径３００ｍｍ以上になると、このような欠陥がより高密度に発生してしまうことが明確となった。
ここでＣＺ法（チョクラルスキー法：Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  Ｍｅｔｈｏｄ）結晶の引上げ条件とグローンイン（Ｇｒｏｗｎ  ｉｎ）欠陥領域との関係について説明しておく。
まず、ＣＺシリコン単結晶を引上げる際に、結晶中に取り込まれる点欠陥には、原子空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）と格子間シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ）とがあり、この両点欠陥の濃度は、結晶の引上げ速度Ｖ（成長速度）と結晶中の固液界面近傍の温度勾配Ｇとの関係（Ｖ／Ｇ）から決まることが知られている。そして、シリコン単結晶において、原子空孔が多く取り込まれた領域はＶ−リッチ領域と呼ばれ、シリコン原子の不足からボイド（Ｖｏｉｄ）型のグローンイン欠陥が多く存在する。一方、格子間シリコンが多く取り込まれた領域はＩ−リッチ領域と呼ばれ、シリコン原子が余分に存在することにより発生する転位に起因して、転位クラスタ等の欠陥が多く存在する。
また、Ｖ−リッチ領域とＩ−リッチ領域の間には、原子の不足や余分の少ないＮ領域（Ｎｅｕｔｒａｌ領域）が存在することが知られており、さらにこのＮ領域中には酸化誘起積層欠陥（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｓｅｄ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ：以下、ＯＳＦと略記する）がリング状に発生するＯＳＦ領域（ＯＳＦリング領域、リングＯＳＦ領域とも呼ばれる）の存在が確認されている。
図２は、縦軸を結晶引上げ速度、横軸を結晶中心からの距離とした場合のグローンイン欠陥領域の分布図を模式的に示したものである。この欠陥領域の分布形状は、結晶の引上げ条件や結晶成長装置の炉内構造（ホットゾーン：Ｈｏｔ  Ｚｏｎｅ：ＨＺ）等を調整してＶ／Ｇを制御することにより変化させることができる。
図２からわかる通り、一般的には、結晶の引上げ速度を上げることによりＯＳＦ領域が結晶の外周側に移動し、やがて結晶の外周部から消滅し、全面Ｖ−リッチ領域の結晶となる。反対に、引上げ速度を下げるとＯＳＦ領域は結晶の中心側に移動し、やがて結晶の中央部で消滅し、Ｎ領域を経て全面Ｉ−リッチ領域の結晶となる。なお窒素をドープした場合、ＯＳＦ領域やＮ領域の幅や領域の境界位置が変化することが報告されている（１９９９年春季第４６回応用物理学関係連合講演会予稿集Ｎｏ．１、ｐ．４７１、２９ａＺＢ−９、飯田他）。従って、窒素ドープ結晶において、ＯＳＦ領域を制御する場合には、この窒素ドープ結晶育成時のＶ／Ｇと欠陥領域分布との関係を参考に行えばよい。
なお、本願出願人が先に出願した特願平１１−２９４５２３号に記載したように、直径が２００ｍｍ以下のＣＺ結晶のＶ−リッチ領域であっても、窒素をドープした結晶であれば、上記３００ｍｍ以上の結晶に見られたようなエピ欠陥を発生させる微小な転位ループが存在することが確認されている。しかしながら、窒素ノンドープのＣＺ結晶のＶ−リッチ領域においてこのような微小な転位ループが多く発生することは、本発明者等によって初めて得られた知見である。
発明の開示
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ＣＺ法単結晶育成に際し、窒素ノンドープの場合に、微小転位ループが直径２００ｍｍまでは発生せず、３００ｍｍ以上で発生する原因を究明し、結晶欠陥の発生を抑制可能な育成方法を確立し、これから得られるシリコン単結晶ウエーハにエピタキシャル成長を行う際、エピタキシャル層に発生する結晶欠陥を抑制することができるシリコン単結晶ウエーハを製造する方法およびそれから製造されるシリコン単結晶ウエーハ並びにエピタキシャルウエーハを提供することを主たる目的としている。
上記課題を解決するため本発明に係るシリコン単結晶ウエーハの製造方法は、チョクラルスキー法により直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶を育成する際に、少なくとも結晶の中心位置がＶ−リッチ領域となり、かつ１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を１．２５℃／分以下となるように引上げたシリコン単結晶棒からシリコン単結晶ウエーハを作製することを特徴としている。
こうすることによって、従来の窒素ノンドープの育成方法では直径３００ｍｍ以上になると高密度で発生した転位ループの発生を殆ど抑制することができるようになり、ウエーハの少なくとも中心位置がＶ−リッチ領域で、転位ループがない直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
この場合、このシリコン単結晶ウエーハをエピタキシャル成長用ウエーハとすることができる。
このように、本発明のシリコン巣結晶ウエーハは、エピタキシャル成長用として極めて有効な基板となる。従って、該ウエーハにエピ層を形成するようにすれば、エピ欠陥のないデバイス用としてリーク特性等を劣化させることのない高品質のエピタキシャルウエーハを容易に低コストで作製することができる。
そして、本発明に係るシリコン単結晶ウエーハは、チョクラルスキー法により育成され、Ｖ−リッチ領域を有する直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウェーハであって、転位ループがウエーハ全面に存在しないことを特徴としている。
このように、本発明のウエーハは、ＣＺ法で育成された直径が３００ｍｍ以上であっても、転位ループがウエーハ全面に存在しない高品質のシリコン単結晶ウエーハとなる。
この場合、このシリコン単結晶ウエーハをエピタキシャル成長用ウエーハとすることができる。
このように、Ｖ−リッチ領域を有し、転位ループがウエーハ全面に存在しないシリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長用として極めて有効な基板となる。
そして、本発明によれば、前記シリコン単結晶ウエーハの表面にエピ欠陥のないエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハが提供される。
さらに、本発明によれば、チョクラルスキー法により育成され、Ｖ−リッチ領域を有する直径３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハの表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハであって、エピタキシャル層上に観察される０．０９μｍサイズ以上のＬＰＤ密度が４．３個／１００ｃｍ２以下である結晶欠陥の極めて少ないエピタキシャルウエーハが提供される。
このように、本発明のエピタキシャルウエーハは、結晶中心がＶ−リッチ領域で、転位ループがウエーハ全面に存在しないシリコン単結晶ウエーハの表面にエピタキシャル層を形成させたエピ層表面にエピ欠陥の極めて少ないエピタキシャルウエーハであって、デバイス用としてリーク特性等を劣化させることのない極めて高品質のエピタキシャルウエーハを高い歩留りと高い生産性で提供することができる。
以上に述べたように、本発明によれば、ＣＺ法単結晶育成に際し、窒素ノンドープの場合に、直径２００ｍｍまでは発生せずに、３００ｍｍ以上で発生してしまう微小転位ループの発生を抑制することができ、これから得られるシリコン単結晶ウエーハにエピタキシャル成長を行っても、エピタキシャル層に転位ループやＬＰＤ結晶欠陥等の発生を抑制した高品質エピタキシャルウエーハを作製することができる。従って、デバイス用としてリーク特性等を劣化させることのないエピタキシャルウエーハを高い生産性と高歩留りで提供することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明につき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明では、ＣＺ法で窒素ノンドープでシリコン単結晶を育成する場合に、前述のような微小転位ループが直径２００ｍｍまでは発生せずに、直径３００ｍｍ以上で発生するようになる原因について、引上げ結晶の熱履歴という観点から検討を加えた。
その結果、一般的な直径３００ｍｍ以上の結晶育成というのは、引上げチャンバおよびＨＺの構造上、従来の直径２００ｍｍまでの結晶と比較して、１０００℃以下の低温側の部分において冷却速度が速いことが一因となっていることが推察された。
そこで、低温域の中で、特にどの温度帯がこのような微小転位ループの形成に関与しているのかを調査した。その方法は、引上げ速度を急変させる方法である。具体的には、この結晶の育成に際し、肩から６０ｃｍまでの直胴部を引上げ速度１．０ｍｍ／ｍｉｎで引上げた後、同一速度で結晶を融液から切り離すために結晶尾部に丸めを付けた後、結晶を切り離す位置から、巻き上げ速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎとして４０ｃｍ巻き上げた。
このような方法で引上げれば、直胴部の位置により、冷却速度が低下した温度帯が異なる結晶が得られる。そして、この結晶の各部位からウエーハを切り出し、セコエッチングを行い、微小転位ループを評価したところ、約１０００〜９００℃の温度帯の位置（結晶肩部から４２〜４６ｃｍの位置）で欠陥の密度が大きく変化し、冷却速度が遅いほど、転位ループが発生していなかった（図３参照）。こうして、微小転位ループの低減に効果的な温度帯が確認できた。また、約１００℃の温度幅が４ｃｍの結晶長さに相当し、その間を０．５ｍｍ／ｍｉｎで巻き上げていることから、約１０００〜９００℃の通過時間は約８０分であり、冷却速度は約１．２５℃／ｍｉｎとなる。従って、この温度帯の冷却速度を１．２５℃／ｍｉｎ以下にすれば、微小転位ループを低減できることが判った。また、この冷却速度の下限は少なくとも結晶の中心部がＶ−リッチ領域となる条件であれば特に限定されないが、実用上は０．４℃／分程度である。
次に、Ｖ−リッチ領域において微小転位ループが殆ど発生しない従来の窒素ノンドープで直径２００ｍｍまでの結晶の一般的な引上げ条件について調査したところ、１０００〜９００℃の温度帯の通過時間は、最も速い場合であっても８０分程度の時間を要していることがわかった。従って、Ｖ−リッチ領域において微小転位ループを発生させないための条件として、１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を約１．２５℃／分（１００℃／８０分）以下とすればよいことが確認できた。
そこで、直径３００ｍｍ以上の結晶育成の場合にこの引上げ条件を適用して単結晶育成を試みた。単結晶引上げ装置のＨＺの上部空間に、適当な大きさの断熱材を設置し、かつ結晶育成後直ちに巻上げずに、１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度が１．２５℃／分以下になるような条件を設定し、その条件で結晶を育成したところ、微小転位ループは全く発生しないことが判った。
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
先ず、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略の構成例を図１により説明する。
図１に示すように、この単結晶引上げ装置３０は、引上げ室３１と、引上げ室３１中に設けられたルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置されたヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３およびその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるワイヤ７と、ワイヤ７を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。ルツボ３２は、その内側のシリコン融液（湯）２を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲には断熱材３５が配置されている。
また、本発明の製造方法に関わる製造条件を設定するために、結晶の固液界面４の外周に環状の固液界面断熱材８を設け、その上に上部囲繞断熱材９が配置されている。この固液界面断熱材８は、その下端とシリコン融液２の湯面３との間に小さい隙間１０を設けて設置されている。上部囲繞断熱材９は条件によっては使用しないこともある。さらに、冷却ガスを吹き付けたり、輻射熱を遮って単結晶を冷却する不図示の筒状の冷却装置を設けてもよい。別に、最近では引上げ室３１の水平方向の外側に、図示しない磁石を設置し、シリコン融液２に水平方向あるいは垂直方向等の磁場を印加することによって、融液の対流を抑制し、単結晶の安定成長をはかる、いわゆるＭＣＺ法が用いられることも多い。
以下、本発明の実施例と比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示した引上げ装置で、直径３２インチ（８００ｍｍ）の石英ルツボに原料多結晶シリコンをチャージし、直径３００ｍｍ、方位＜１００＞、導電型ｐ型のシリコン単結晶ウエーハを作製するためのシリコン単結晶棒１を複数本引上げた（窒素ドープなし）。
実際の引上げを行う前に、ＨＺの上部空間に設置する上部囲繞断熱材９の位置や大きさを変化させて引上げる実験を繰り返し行い、引上げ速度が１．０ｍｍ／ｍｉｎで１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度が１．２５℃／分になるようなＨＺを設定した。
引上げられたシリコン単結晶棒のそれぞれから直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハを切り出し、鏡面研磨ウエーハを作製した。作製された鏡面シリコン単結晶ウエーハのグローンイン欠陥及び転位ループを確認するため、シリコン単結晶ウエーハに無攪拌セコエッチングを行い、その後電子顕微鏡を用いて観察を行った。その結果、ボイド型欠陥が多く観察され全面Ｖ−リッチ領域であることが確認できたが、ウエーハ表面に転位ループは全く観察されなかった。
次に、これらのウエーハ表面に１１２５℃で３μｍのエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハを複数枚作製し、表面検査装置ＳＰ１（ＫＬＡテンコール社製商品名）を用いて、０．０９μｍサイズ以上のＬＰＤを測定した。その結果、ＬＰＤ密度は平均３０個／直径３００ｍｍウエーハ（０．０４２５個／ｃｍ２＝４．３個／１００ｃｍ２）であった。
このように、１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を１．２５℃／分以下とすれば、エピ層上のＬＰＤ密度を大巾に改善できることがわかる。特に、１．２５℃／分より、より一層冷却速度を遅くすれば、４．３個／１００ｃｍ２よりさらに欠陥が減少する。
（比較例１）
実施例１と同一の引上げ装置を用い、引上げ速度が１．０ｍｍ／ｍｉｎで、１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度は１．３℃／分以上となるようにＨＺを設定し、複数本のシリコン単結晶棒を引上げた。
引上げられたシリコン単結晶棒のそれぞれからシリコン単結晶ウエーハを作製し、実施例１と同一条件でエピタキシャルウエーハを作製し、０．０９μｍサイズ以上のＬＰＤを測定した。その結果、いずれのウエーハでもウエーハ全面（直径３００ｍｍ）で１００個以上のＬＰＤが観察された。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、上記実施形態においては、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりシリコン単結晶を育成する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、シリコン融液に水平磁場、縦磁場、カスプ磁場等を印加するいわゆるＭＣＺ法にも適用できることは言うまでもない。
また、本発明はシリコン単結晶（ウエーハ）の直径が３００ｍｍ以上であり、冷却速度が所定値以下であれば、単結晶の導電型、抵抗率、酸素濃度等に関わらず適用することが可能であり、さらに、例えば酸素析出を促進するために炭素がドープされたシリコン単結晶にも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明で使用したＣＺ法による単結晶引上げ装置の概略説明図である。
図２は、シリコン単結晶における、結晶の径方向位置を横軸とし、結晶引上げ速度を縦軸とした場合のグローンイン欠陥領域の分布図である（窒素ノンドープ結晶）。
図３は、結晶肩部からの長さと転位ループ密度との関係を表す結果図である。
【図１】
0004296740.tif 000002
【図２】
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【図３】
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