(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をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、ＯＳＦ領域が結晶外周部から消滅するように結晶育成時のＶ／Ｇ（ここに、Ｖ：引上げ速度、Ｇ：結晶温度勾配とする）を制御し、結晶全面がＶ−リッチ領域となるように引上げることを特徴とするエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記結晶育成時に１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長用の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窒素をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、結晶の中心位置がＶ−リッチ領域になり、かつ結晶の外周部がＯＳＦ領域となるように引上げ、かつ１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下として育成した後、該ＯＳＦ領域を除去することを特徴とするエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項４】
チョクラルスキー法により窒素をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、結晶の中心位置がＶ−リッチ領域になるとともに、ＯＳＦ領域を有するように引上げ、かつ１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下とすることを特徴とするエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項の製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハにＩＧ熱処理を施すことを特徴とするエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項の製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項７】
チョクラルスキー法を用いて窒素ドープをして作製されたシリコン単結晶棒の両端からウエーハを切り出し、この両ウエーハに選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＬＥＰ密度を測定するか、あるいは熱酸化処理を施した後、選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＯＳＦ密度を測定することにより、この両ウエーハを切り出した残りのシリコン単結晶棒から作製されるシリコン単結晶ウエーハに成長させるエピタキシャル層表面の結晶欠陥発生の有無を評価することを特徴とするエピタキシャルウエーハ用シリコン単結晶ウエーハの評価方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体デバイス作製に用いられるエピタキシャルウエーハ用の基板として好適なシリコン単結晶ウエーハ及びそれを用いたエピタキシャルウエーハ、並びにこれらのウエーハの製造方法に関し、さらに、エピタキシャルウエーハ用の基板として好適なシリコン単結晶ウエーハの評価方法に関するものである。
背景技術
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げられたＣＺシリコン単結晶中に存在するグローンイン欠陥（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥）は、ウエーハの酸化膜耐圧特性を劣化させたり、デバイス作製工程においてアイソレーション不良を引き起こすことなどが良く知られており、これらを回避するために様々な方法が提案されている。
例えば、ＣＺ法の引上げ中にグローンイン欠陥を低減させる方法や、ウエーハに水素やアルゴン雰囲気中で高温アニールを施して表面の欠陥を消去させる方法、そしてエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウエーハを用いる方法などである。
また、近年の半導体素子の高集積化に伴い、半導体中の結晶欠陥、特に表面および表面近傍の結晶欠陥の低減が重要になってきている。このため、ウエーハ表面に結晶性に優れたエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハの需要は年々高まっている。
ところで、エピタキシャルウエーハを用いてデバイスを作製する場合、エピタキシャル成長のほかに各種熱処理工程が行われるのが通常である。これらの工程中に重金属不純物等の汚染があるとデバイス特性が著しく劣化してしまうので、このような汚染物等はエピタキシャル層から極力排除しなければならない。従って、エピタキシャル成長用の基板としては、ゲッタリング効果の高い基板が要求される。
ゲッタリングには、エクストリンシックゲッタリング（ＥＧ）とイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）とがある。代表的なＥＧ手法としては、基板の裏面にポリシリコン膜を堆積するポリバックシールや、裏面に機械的なダメージを与える手法があるが、これらの手法は、発塵等の問題点を有するだけでなく、特別な工程が必要となるのでコスト面で非常に不利であった。
一方、ＩＧは酸素を含むＣＺ法シリコンウエーハに熱処理を行うことによりゲッタリングサイトとなる酸素析出物を基板のバルク中に発生させるものである。しかし、エピタキシャルウエーハの場合、基板に元々存在している酸素析出核が、高温でのエピタキシャル成長中に消滅してしまい、その後のデバイス熱処理で酸素析出物が形成・成長しにくいためにゲッタリング能力が不十分となるという問題があった。
そこで、従来のエピタキシャルウエーハの製造においては、ボロンを高濃度に含有した基板（ｐ＋基板）がゲッタリング効果を有することを利用し、ｐ＋基板上に低ボロン濃度（ｐ−）のエピタキシャル層を形成したｐ−／ｐ＋エピタキシャルウエーハが用いられることが多かった。しかしながら、ｐ＋基板にエピタキシャル成長を行うとエピタキシャル成長中に高濃度にドープされたボロンが基板から気化してエピタキシャル層に取り込まれるオートドーピングや、ボロンが基板表面からエピタキシャル層内に固相外方拡散によって取り込まれるという問題があった。また、最近では、ＣＭＯＳデバイス用としてｐ−基板を用いたエピタキシャルウエーハの需要が高まっており、ゲッタリング能力不足が問題となっている。
さらに、ごく最近では、ＣＺウエーハ表面近傍のグローンイン欠陥を低減したウエーハを得る手法として、高温アニール時の欠陥の消滅し易さを向上させるため、結晶に窒素をドープし、グローンインボイド欠陥のサイズを小さくすることにより、より深くまでアニールにより欠陥を消滅させる技術や、エピタキシャルウエーハにおいて、窒素をドープした結晶を基板として用いることにより、デバイス熱処理中における酸素析出物の形成を促進し、ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）を増加させてＩＧ能力を高めたエピタキシャルウエーハを製造する技術等、窒素ドープした結晶の特性を生かした有効利用が盛んに行われてきている。
このような窒素ドープ結晶をエピタキシャル成長用基板に用いる一例として、特開平１１−１８９４９３号公報に記載された技術は、窒素を１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上ドープして育成したシリコン単結晶をエピタキシャルウエーハ用に使用するものである。これは、ＣＺ法による単結晶引上げ条件によりリング状に発生するＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔｓ：酸化誘起積層欠陥）領域を含む基板上にエピタキシャル層を形成すると、ＯＳＦリング領域の酸素析出核は消失せず、エピタキシャル形成後のデバイス製造工程において、効果的なゲッタリングサイトとして機能する知見と、単結晶育成時に窒素をドープすることによりＯＳＦリング幅の拡大が可能となり、ドープする窒素の量を１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすれば、ゲッタリングに有効なＯＳＦの核を単結晶全体に均一に分散させることができるという知見に基づいたものであった。
しかしながら、本発明者らが調査したところによると、窒素ドープをしたウエーハ上にエピタキシャル層を形成すると、エピタキシャル層にＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｆｅｃｔ：レーザー光を用いたウエーハ表面検査装置により観察される輝点欠陥の総称）と呼ばれる、デバイスにとって有害となる欠陥がＯＳＦ領域上に生じ易いことが明らかとなった。また、このＬＰＤは、窒素濃度が高い場合に特に顕著に観察されることがわかった。すなわち、前記特開平１１−１８９４９３号公報に記載された技術をそのまま用いてエピタキシャル層を形成すると、ＬＰＤが多発したエピタキシャルウエーハが作製され易くなってしまう。従って、その対策として窒素濃度の低減が考えられるが、窒素濃度を低減することにより、窒素ドープが有する本来の２つの効果である、ボイドのサイズ縮小、すなわちアニールによる欠陥の消滅効率の向上効果と、酸素析出の促進によるＩＧ能力の向上効果が弱まる結果となってしまう。
発明の開示
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、窒素をドープしたＣＺ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し、しかも優れたＩＧ能力を有するエピタキシャルウエーハ用基板及びその基板を用いたエピタキシャルウエーハ、並びそれらの製造方法を提供するとともに、このようなエピタキシャルウエーハ用に適した基板の評価方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明によれば、ＣＺ法により育成されたエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、かつ全面Ｖ−リッチ領域であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハが提供される。
このように、ＣＺ法により窒素がドープされたシリコン単結晶棒を加工して得られた全面がＶ−リッチ領域であるシリコン単結晶ウエーハは、エピタキシャル成長時に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、しかも優れたＩＧ能力を有するエピタキシャル成長用に適したシリコン単結晶ウエーハである。従って、デバイス作製上の影響が殆ど無くなり、デバイスの生産歩留り、あるいは品質特性を向上させることができるシリコン単結晶ウエーハとなる。
そして、本発明では、ＣＺ法により育成されたエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、面内にＯＳＦ領域を有し、かつ該ＯＳＦ領域におけるＬＥＰ密度が２０個／ｃｍ２以下であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハが提供される。
さらに、本発明では、ＣＺ法により育成されたエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハであって、窒素がドープされ、面内にＯＳＦ領域を有し、かつ該ＯＳＦ領域におけるＯＳＦ密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハが提供される。
このようにすることによって、エピタキシャル層を形成した場合に、ＬＰＤの発生を抑制することができる。
これらの場合、窒素の濃度が２×１０１３／ｃｍ３〜１×１０１４／ｃｍ３であることが好ましい。
このように、窒素濃度を２×１０１３／ｃｍ３以上にすれば、エピタキシャル層を形成した後でも十分なＢＭＤを得ることができ、デバイス製造工程で効果的なゲッタリングサイトとして機能するようになる。また、窒素濃度を１×１０１４／ｃｍ３以下にすると、エピタキシャル層のＬＰＤの発生を効果的に抑制することができる。
そして本発明では、前記いずれかのシリコン単結晶ウエーハ表面に、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も提供される。
このように結晶欠陥の制御されたシリコン単結晶ウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成すれば、ＬＰＤの極めて少なく、しかも基板のバルク中には窒素ドープの効果により十分な密度のＢＭＤをもち、優れたゲッタリング能力を有する高品質のシリコンエピタキシャルウエーハを得ることができる。従って、デバイス熱処理中における酸素析出物の形成を促進し、ＢＭＤを増加させてＩＧ能力を高めたシリコンエピタキシャルウエーハとなる。
また、本発明では、窒素がドープされ、エピタキシャル層が形成されたシリコン単結晶ウエーハ中のＢＭＤが１×１０８／ｃｍ３以上であり、かつエピタキシャル層表面のサイズが０．１１μｍ以上の欠陥密度が０．１１個／ｃｍ２（２０個／直径６インチウエーハ）以下であることを特徴とするエピタキシャルウエーハが提供される。
次に、本発明では、チョクラルスキー法により窒素をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、結晶全面がＶ−リッチ領域となる条件で引上げることを特徴とするエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法が提供される。
このように、窒素をドープしながら結晶全面がＶ−リッチ領域となる製造条件で引上げれば、制御幅が広く、制御も容易であり、かつ高速で結晶を成長できるので高生産性を維持してエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハを高歩留りで製造することができる。
そしてこの場合、具体的には、結晶全面がＶ−リッチ領域となる引上げ条件は、ＯＳＦ領域が結晶外周部から外側に消滅するように結晶育成時のＶ／Ｇ（ここに、Ｖ：引上げ速度［ｍｍ／ｍｉｎ］、Ｇ：固液界面近傍における成長方向の結晶温度勾配［℃／ｍｍ］とする）を制御することが望ましい。
また、本発明によれば、チョクラルスキー法により窒素をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、結晶の中心位置がＶ−リッチ領域になり、かつ結晶の外周部がＯＳＦ領域となるように引上げた後、該ＯＳＦ領域を除去するエピタキシャル成長用のシリコン単結晶ウエーハの製造方法が提供される。
このようにＯＳＦ領域が完全に排除されなくても、結晶の外周から約２０ｍｍ中心に入った位置までにＯＳＦの発生を抑え、その後の単結晶棒の加工時にこの領域を削除することによりエピタキシャル成長用に適したシリコン単結晶ウエーハを製造することができる。
そして、これらの場合、結晶育成時に１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
また、チョクラルスキー法により窒素をドープしたシリコン単結晶を育成する際に、結晶の中心位置がＶ−リッチ領域になるとともに、ＯＳＦ領域を有するよう引上げ、かつ１０００〜９００℃の温度帯の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下とすることができる。
このように、製造コスト等を考慮し、ＯＳＦ領域を有する結晶を使用する場合には、１０００〜９００℃の温度帯近辺を徐冷すると、ＯＳＦの密度は変化しないものの、ＯＳＦ核の形態が変化して窒素ドープ結晶のＯＳＦの位置に発生するＬＥＰ（Ｌａｒｇｅ  Ｅｔｃｈ  Ｐｉｔ）を抑制することができ、ひいてはエピタキシャル層のＬＰＤの発生を防止することができる。
そして、本発明では、前記製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハにＩＧ熱処理を施すことを特徴とするエピタキシャル成長用に適したシリコン単結晶ウエーハの製造方法が提供される。
このようにエピタキシャル層を形成する前の結晶欠陥の制御されたシリコン単結晶ウエーハに、いわゆるＩＧ熱処理を加えれば、窒素ドープの効果により、基板の表面に形成されるＤＺ層を窒素ノンドープに比較して深く形成することができるので、デバイスに対してより好適になると共に、その表面に形成されるエピタキシャル層の結晶性を極めて良好なものとすることができる。
また、本発明では、前記いずれかの製造方法により製造されたシリコン単結晶ウエーハ表面に、エピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法が提供される。
このようにすると、結晶欠陥のない高品質なエピタキシャル層を有し、ＢＭＤを増加させてＩＧ能力を高めたエピタキシャルウエーハを製造することができる。
さらに、本発明によれば、チョクラルスキー法を用いて窒素ドープをして作製されたシリコン単結晶棒の両端からウエーハを切り出し、この両ウエーハに選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＬＥＰ密度を測定するか、あるいは熱酸化処理を施した後、選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＯＳＦ密度を測定することにより、この両ウエーハを切り出した残りのシリコン単結晶棒から作製されるシリコン単結晶ウエーハに成長させるエピタキシャル層表面の結晶欠陥発生の有無を評価することを特徴とするエピタキシャルウエーハ用シリコン単結晶ウエーハの評価方法が提供される。
このようにしてエピタキシャルウエーハ用シリコン単結晶ウエーハを評価すれば、ウエーハ加工前の段階で良否の判定ができるようになり、不良品をウエーハ加工、エピタキシャル成長させることがなくなり、全体として、大幅なコストの改善を行うことができる。
以上説明したように、本発明によれば、窒素ドープを行って全面Ｖ−リッチ領域とし、あるいは面内にＯＳＦ領域を有し該領域内の結晶欠陥を低密度とする条件で単結晶を引上げることによって、エピタキシャル成長に適したシリコン単結晶ウエーハを安定して高歩留り高生産性で作製することができる。さらにこのシリコン単結晶ウエーハ表面にエピタキシャル層を形成すれば、層内に発生する結晶欠陥を抑制し、デバイス熱処理中における酸素析出物の形成を促進し、ＢＭＤを増加させてＩＧ能力を高めたシリコンエピタキシャルウエーハを容易に製造することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明について実施の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、その説明に先立ち、ＣＺ結晶の引上げ条件とグローンイン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８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、窒素ノンドープ結晶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：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８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。
本発明者らは、窒素ドープされたウエーハにエピタキシャル層を形成すると発生しやすいＬＰＤと、エピタキシャル層を形成するシリコン単結晶ウエーハ（以下、単に基板という。）の欠陥領域（グローンイン欠陥の分布）との関係について鋭意研究した結果、以下のような新規な知見を得て本発明に到達したものである。
（１）ＬＰＤとＯＳＦ密度との関係について
まず、窒素ドープされた基板にエピタキシャル成長を行い、そのエピタキシャル層表面に発生したＬＰＤの実体を調査するため、エピタキシャル層表面を選択エッチングした後、エピタキシャル層形成直後のＬＰＤに相当する部分を光学顕微鏡で観察した。その結果、主に転位ループとエピ積層欠陥（Ｅｐｉ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ：以下ＳＦと略記する）とが存在しており、これらは、選択エッチング後にレーザー光を用いたウエーハ表面検査装置を用いて観察すれば、サイズの異なるＬＰＤ（サイズが小さいものが転位ループで、大きいものがＳＦ）として分離観察できることがわかった。
さらに、この転位ループは、基板のＯＳＦリング領域にのみ発生し、そのＯＳＦ密度と関係があることを実験的に確認した。
図１は、窒素濃度が異なる４枚の基板にエピタキシャル成長を行った後に、エピタキシャル層に転位ループが発生した領域（図中の斜線部分）と、ＯＳＦ密度との関係を示したものである。ＯＳＦ密度の測定は、上記４枚の基板と同一仕様のウエーハにエピタキシャル成長を行わずに１１５０℃で、１００ｍｉｎの熱酸化処理を施し、その後、選択エッチングを行って光学顕微鏡によりＯＳＦ数をカウントしてＯＳＦ密度を算出した。この図１から、ＯＳＦ密度が１００００個／ｃｍ２以上の領域にのみ転位ループが発生していることがわかった。
（２）ＬＰＤとＬＥＰの関係について
窒素をドープした結晶は、通常は転位クラスタが発生することのない比較的高速の引上げ速度で引上げているにもかかわらず、結晶の周辺などに転位クラスタと思われるセコエッチ後のエッチピット（Ｌａｒｇｅ  Ｅｔｃｈ  Ｐｉｔ：以下ＬＥＰと略記する）が存在しており、このような基板を用いてエピタキシャル層を形成すると、ＬＥＰが存在する領域にＬＰＤが発生することが、別の実験から確認された（図２参照）。
ここで、ＬＥＰが存在していてもその密度が２０個／ｃｍ２以下の領域では、エピタキシャル層の表面にＬＰＤが発生していないことも確認された。
さらに、ＯＳＦリング領域にＬＥＰが観察される傾向があることから、ＯＳＦリングを有する結晶を、窒素ノンドープ、窒素ドープそれぞれで引上げてＯＳＦとＬＥＰの関係について調査した。その結果、図３に示すように、窒素がノンドープの場合、ＯＳＦの密度が高くてもＬＥＰは発生しなかった。しかし、窒素をドープした結晶では、ＯＳＦが発生している領域のうち、比較的ＯＳＦの密度の高い位置でＬＥＰが高密度に発生していた。つまり、このＬＥＰは窒素ドープ結晶特有の欠陥であることがわかった。
そこで、ＬＥＰを制御する条件について検討した。まず、ＬＥＰの発生に対する結晶成長中の熱履歴の影響を調査するため、窒素を３．９×１０１３［／ｃｍ３］、及び１．２×１０１４［／ｃｍ３］ドープして結晶を育成した。なお、この窒素濃度は引上げ結晶の肩の位置における計算値であり、原料多結晶シリコン中への窒化シリコン膜付きウエーハの投入量と窒素の偏析係数（０．０００７）とから算出したものである。また、この結晶の育成に際し、肩から５０ｃｍまでは成長速度１．０［ｍｍ／ｍｉｎ］で引上げ、そして５０ｃｍの位置で０．４［ｍｍ／ｍｉｎ］に急激に低下させ、結晶の熱履歴を変化させる引上速度急変実験を行った。その結果、どちらの結晶も約１０００℃〜９００℃（結晶の肩から３２．５〜３７．５ｃｍ］でＬＥＰの密度が激減し、エピタキシャル層にＬＰＤが発生する下限値と見られる２０／ｃｍ２程度から、ほぼ０／ｃｍ２まで押さえられていることが確認できた（図４、図５参照）。
つまり、窒素ドープ結晶のＯＳＦの位置に発生するＬＥＰは、約１０００〜９００℃温度帯を徐冷することにより抑制が出来ることがわかった。そして、その冷却速度としては、約１００℃の温度幅が５０ｍｍの結晶長さに相当し、その間を０．４ｍｍ／ｍｉｎの引上げ速度で引上げたことから算出することにより、約０．８［℃／ｍｉｎ］以下とすればよいことが導き出された。そのメカニズムとしては、１０００〜９００℃近辺を徐冷することによりＯＳＦ核の形態が変化したものと考えられる。
上記（１）、（２）に記載した内容から、エピタキシャル層に発生するＬＰＤには基板のＯＳＦリング領域が密接に関係していることがわかる。そこで、本発明者らはＬＰＤが発生しない基板として、ＬＰＤの発生原因となっているＯＳＦリング領域が完全に排除された基板を用いることを発想した。さらに、ＯＳＦリング領域が一部に存在していたとしても、その領域におけるＯＳＦ密度を１００００個／ｃｍ２以下とするか、あるいはＬＥＰ密度を２０個／ｃｍ２以下とすることによりＬＰＤを低減できることを発想し、本発明に至ったものである。
ここで、ＬＥＰについて説明を加えておく。ＬＥＰとは前述の通り転位クラスタに起因したサイズの大きな欠陥であり、主にＬＦＰＤ（Ｌａｒｇｅ  Ｆｌｏｗ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｄｅｆｅｃｔ）とＬＳＥＰＤ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｅｃｃｏ  Ｅｔｃｈ  Ｐｉｔ  Ｄｅｆｅｃｔ）とがある。
ＬＦＰＤとは、Ｓｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様（Ｆｌｏｗ  Ｐａｔｔｅｒｎ）を伴うＦＰＤと呼ばれる欠陥の中で、流れ模様の先端のエッチピットの大きさが１０μｍ以上あるものを言う。一方、ＬＳＥＰＤとは、同様のＳｅｃｃｏエッチングを施した時に、流れ模様を伴わないＳＥＰＤと呼ばれる欠陥の中で、エッチピットの大きさが１０μｍ以上あるものを言う。
（３）ＬＰＤと窒素濃度との関係について
本発明者らは、さらに基板の窒素濃度とエピタキシャル層表面に観察されるＬＰＤ（転位ループとＳＦ）との関係について調査した。図６、図７はそれぞれ転位ループ、ＳＦと窒素濃度との関係を示している。基板の酸素濃度としては、１２，１４，１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ規格：日本電子工業振興協会規格）の３種類を用いた。いずれの欠陥も基板の窒素濃度が１×１０１４／ｃｍ３を超えると欠陥数が急激に増加していることがわかる。尚、ここで使用した基板は、上記（２）で説明した１０００〜９００℃を徐冷してＬＥＰを減少させる処理を行なわずに約２．０℃／ｍｉｎの冷却速度で引上げた結晶から作製されたものである。
次に、本発明で使用するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図９により説明する。図９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及びその回転機構（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の湯面との間に３〜５ｃｍの隙間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。
次に、上記の単結晶引上げ装置３０を用いて窒素をドープしたシリコン単結晶棒を育成するには、例えば特開昭６０−２５１１９０号公報に開示されているような公知の方法によればよい。すなわち、まず、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。この時、窒素をドープするために、例えば窒化膜付きシリコンウエーハを投入しておくか、雰囲気ガスを窒素を含む雰囲気としておく。次に、ワイヤ７を巻き出すことにより融液２の表面略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ７を回転させながら巻き取り種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の窒素をドープした単結晶棒１を得ることができる。また、引き上げられた単結晶中の窒素濃度は、原料多結晶シリコン中へ投入した窒化物の量と、窒素の偏析係数（０．０００７）を用いて算出することができる。
本発明におけるエピタキシャル用に適した基板を作製するためには、結晶引上げ中のＶ／Ｇ（ここに、Ｖ［ｍｍ／ｍｉｎ］は引上げ速度、Ｇ［℃／ｍｍ］は結晶の温度勾配である）をコントロールして、ＯＳＦ領域が排除され、全面がＶ−リッチ領域となるように引上げればよい。また、ＯＳＦ領域が完全に排除されなくても、結晶の外周から２０ｍｍ程度までに発生位置を留め、その後の単結晶棒の加工時にこの領域を除去することにより全面がＶ−リッチ領域の結晶を得ることができる。
ここで、全面Ｖ−リッチ領域で引き上げる条件としては、基本的には結晶引上げ時のＶ／Ｇ値を高くすればよく、具体的には、ＯＳＦ領域が結晶の外周部で消滅する値から少なくとも０．０２［ｍｍ２／℃・ｍｉｎ］程度高く設定することで達成できる。
また、結晶全面をＶ−リッチ領域とするには、結晶の径方向全域にわたりＶ／Ｇ値を高くする必要がある。通常のホットゾーン（ＨＺ）を用いた場合、Ｇは結晶の周辺側で高くなる。そのため結晶外周部でＶ／Ｇが低くなり易い。従って、周辺側のＧを下げることの可能なＨＺを使用して引上げ速度をやや速めるのが現実的である。
なお、ＯＳＦ領域を排除するだけなら、Ｉ−リッチ領域で引き上げることも可能であるが、Ｉ−リッチ領域には転位クラスターが多発するため、エピタキシャル成長後のＬＰＤの原因となる上、引上げ速度の低下により生産性も低下するため適当ではない。全面Ｖ−リッチ領域結晶を作製するほか、ＯＳＦ領域を有する条件で結晶を引上げ、その際、１０００〜９００℃の冷却速度を０．８℃／ｍｉｎ以下で徐冷することによりＯＳＦ領域のＬＥＰ密度を２０個／ｃｍ２以下としたり、従来から慣用されているルツボ回転数の減少や雰囲気圧力の低下等の酸素濃度を低くする制御等を行うことにより、ＯＳＦ密度を１×１０４個／ｃｍ２以下とすることもできる。なお、約１０００〜９００℃の温度帯域を徐冷することは、面内全面がＶ−リッチ領域の結晶についても適応でき、全面Ｖ−リッチ領域で引上げておいて、かつ上記の制御を施すことにより、ＬＥＰの発生をより効果的に抑制することが可能になる。
以上のような条件で引上げられた単結晶棒を従来から用いられている方法によりウエーハ加工することにより、エピタキシャル成長用に適したシリコン単結晶ウエーハが得られる。
なお、上記の知見を利用して引上げられた単結晶棒から作製されたシリコン単結晶ウエーハにエピタキシャル層を形成した場合、ＬＰＤが発生しないエピタキシャルウエーハが得られるかどうかについて、ウエーハ加工する前に検査する方法として次の評価方法を用いることができる。
すなわち、シリコン単結晶棒の両端からウエーハ（またはスラブ）を切り出し、この両ウエーハに選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＬＥＰ密度を測定するか、あるいは熱酸化処理を施した後、選択エッチングを行ってウエーハ表面に発生したＯＳＦ密度を測定することにより、この両ウエーハを切り出した残りのシリコン単結晶棒から作製されるシリコン単結晶ウエーハに成長させるエピタキシャル層表面の結晶欠陥発生の有無を評価することが可能である。
具体的には、例えば、シリコン単結晶インゴットを長さ２０ｃｍ程度のブロックに切り出す。ブロックの両端から厚さ２ｍｍ程度のスラブを切り出す。これに１１５０℃で１００ｍｉｎの熱酸化処理を施す。その後、選択エッチングを施し、５μｍ程度エッチングする。その後集光灯下で輝点を観察し、スラブの半径方向に輝点のある領域を光学顕微鏡で観察する。
ＯＳＦ密度が１００００個／ｃｍ２以下であればエピタキシャル欠陥が発生しないことが予めわかっているので、ブロック両端のスラブ全面でＯＳＦ密度が１００００／ｃｍ２以下であれば、それを切り出したブロックをウエーハ加工し、エピタキシャル成長させればよい。このように、ウエーハ加工前の段階で良否の判定が出来るようになり、不良品をウエーハ加工・エピタキシャル成長させる必要がなくなるので、エピタキシャル成長用シリコン単結晶ウエーハの歩留りと生産性の向上とともに大幅なコストダウンにつながる。
以上のようにして作製され、エピタキシャル成長用に適したシリコン単結晶ウエーハを用いてエピタキシャル層を形成すれば、ＬＰＤの極めて少なく、しかも基板のバルク中には窒素ドープの効果により十分な密度のＢＭＤをもち、優れたゲッタリング能力を有する高品質のシリコンエピタキシャルウエーハが得られる。
この場合、エピタキシャル層を形成する前の基板に、いわゆるＩＧ熱処理を加えることもできる。ＩＧ熱処理を加えれば、窒素ドープの効果により、基板の表面に形成されるＤＺ（Ｄｅｎｕｄｅｄ  Ｚｏｎｅ）層を窒素ノンドープに比べて深く形成することができるので、デバイスに対してより好適となると共に、その表面に形成されるエピタキシャル層の結晶性を極めて良好なものとすることができる。
以下、本発明の具体的な実施例と比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）［ウエーハ面内全面Ｖ−リッチ領域］
図９に示した引上げ装置３０で、２０インチ石英ルツボに原料多結晶シリコンをチャージし、直径６インチ、方位＜１００＞、導電型Ｐ型のシリコン単結晶棒を引上げた。ルツボの回転速度は１ｒｐｍとし、結晶回転速度を１５ｒｐｍとした。引上げ速度Ｖを約１．４ｍｍ／ｍｉｎで結晶を育成した。
引上げ装置のＨＺ構造としては、スタンダード型で、結晶の周辺部においてＧ＝４．０［℃／ｍｍ］となるものを用いた。なお、実施例と比較例で用いた引上げ装置におけるＧは、シリコンの融点から１４００℃までの温度勾配である。
窒素ドープ量は原料多結晶中に窒化膜付きシリコンウエーハを所定量投入し１×１０１４／ｃｍ３とした。酸素濃度は、１２〜１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）とした。そして、結晶周辺部でのＶ／Ｇ値を約０．３５ｍｍ２／℃・ｍｉｎに制御して引上げた。１０００〜９００℃の温度帯域は約１．４℃／ｍｉｎの冷却速度であった。
ここで得られた単結晶棒から、ウエーハを切り出し、鏡面研磨加工を施してシリコン単結晶の鏡面ウエーハを作製し、ＯＳＦ密度、ＬＥＰ密度の測定を行った。また、エピタキシャル層形成後のＢＭＤ、ＬＰＤの評価を行った。
（ＯＳＦ密度の評価方法）
１１５０℃、１００分の酸化熱処理後、弗酸・硝酸系の選択エッチング液により表面を約５μｍエッチングし、光学顕微鏡により観察する。
（ＬＥＰ密度の評価方法）
セコ（Ｓｅｃｃｏ）エッチングを３０分行った後、光学顕微鏡により観察する。
（ＢＭＤの評価方法）
１１２５℃で３μｍのエピタキシャル層を形成後、８００℃、４時間＋１０００℃、１６時間の熱処理を行い、酸素析出核を検出可能なサイズに成長させてから、Ｂｉｏ−Ｒａｄ社製ＯＰＰ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）装置を用いて測定する。
（ＬＰＤの評価方法）
１１２５℃で３μｍのエピタキシャル層を形成後、ＫＬＡテンコール社製の表面測定装置ＳＰ１を用いて欠陥サイズが０．１１μｍ以上の欠陥を測定する。
以上の引上げ条件とウエーハの評価結果を表１にまとめて記載した。
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（実施例２）［ウエーハ面内中央部がＶ−リッチ領域、ＯＳＦリング領域あり、窒素低濃度］
引上げ速度Ｖを約１．０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ／Ｇ値を約０．２５ｍｍ２／℃・ｍｉｎ、窒素ドープ量を２×１０１３／ｃｍ３とし、１０００〜９００℃の温度帯域が約１．０℃／ｍｉｎの冷却速度であった以外は、実施例１と同一条件で引上げた。
引上げ条件とウエーハの評価結果を表１に併記した。
（実施例３）［ウエーハ面内中央部がＶ−リッチ領域、ＯＳＦリング領域あり、１０００〜９００℃の温度帯域を徐冷］
引上げ中の結晶温度が１０００〜９００℃になる近辺に断熱材を配置し、かつ結晶の周辺部においてＧ＝３．５［℃／ｍｍ］となるＨＺ構造（徐冷型）を用い、引上げ速度Ｖを約１．０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ／Ｇ値を約０．２９ｍｍ２／℃・ｍｉｎ、窒素ドープ量を８×１０１３／ｃｍ３とし、１０００〜９００℃の温度帯域を０．８℃／ｍｉｎの冷却速度で徐冷した以外は実施例１と同一条件で引上げた。
引上げ条件とウエーハの評価結果を表１に併記した。
（比較例１）「ウエーハ面内中央部がＶ−リッチ領域、ＯＳＦリング領域あり、窒素高濃度］
窒素ドープ量を８×１０１３／ｃｍ３とした以外は実施例２と同一条件で引上げた。
引上げ条件とウエーハの評価結果を表１に併記した。
（比較例２）［ウエーハ面内全面がＶ−リッチ領域、窒素ノンドープ］
窒素ノンドープとした以外は、実施例１と同一条件で引上げた。
引上げ条件とウエーハの評価結果を表１に併記した。
表１の結果から、本発明によればエピタキシャル層の欠陥密度が約０．１１個／ｃｍ２（２０個／６インチウエーハ）以下の極めて低欠陥であり、しかもＢＭＤが１×１０８／ｃｍ３以上存在するため、十分なゲッタリング効果を有するエピタキシャルウエーハを得ることができることがわかった。
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、直径６インチの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、直径８〜１６インチあるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
また、本発明は、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。
【図面の簡単な説明】
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、窒素濃度が異なる４枚の基板にエピタキシャル成長を行った後に、エピタキシャル層に転位ループが発生した領域（図中の斜線部分）と基板のＯＳＦ密度との関係を示す関係図である。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、窒素濃度が異なる３枚の基板にエピタキシャル成長を行った後に、エピタキシャル層表面に発生したＬＰＤの分布と基板のＬＥＰ密度との関係を示す関係図である。
図３（Ａ）、（Ｂ）は、ＯＳＦリングを有する結晶を、窒素ノンドープ、窒素ドープで引上げた場合のＯＳＦ密度とＬＥＰ密度との関係を示す関係図である。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、窒素ドープ（低濃度）で引上げた単結晶棒の結晶肩からの距離におけるＯＳＦ密度とＬＥＰ密度との関係を示す関係図である。
図５（Ａ）、（Ｂ）は、窒素ドープ（高濃度）で引上げた単結晶棒の結晶肩からの距離におけるＯＳＦ密度とＬＥＰ密度との関係を示す関係図である。
図６は、ウエーハの窒素濃度とエピタキシャル層表面の転位ループ数（ＬＰＤ）との関係を示す関係図である。
図７は、ウエーハの窒素濃度とエピタキシャル層表面のＳＦ数（ＬＰＤ）との関係を示す関係図である。
図８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窒素ノンドープ結晶のグローンイン欠陥領域の分布図である。
図９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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【図８】
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【図９】
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