(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１８μｍ以下のデザインルールのＩＣチップを製造するために、ＣＺ法により引き上げた直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハにおいて、
定径部の成長速度を０．４ｍｍ／分〜０．３５ｍｍ／分に設定して引き上げるとともに且つボロンのドーピング剤の添加により比抵抗を１０Ω・ｃｍに調整されたシリコン単結晶若しくは、定径部の成長速度を０．４５ｍｍ／分〜０．５５ｍｍ／分に設定して引き上げるとともに且つボロンのドーピング剤の添加により比抵抗を０．０１〜０．０２Ω・ｃｍに調整されたシリコン単結晶のいずれかのシリコン単結晶を、スライス工程、面取り工程、ラップ工程、エッチ工程によりウエーハの両面を鏡面に仕上げた後にアンモニア系洗浄を行い、その後に赤外線加熱乾燥によりウエーハを高清浄度のまま乾燥を行なって、直径が３００ｍｍ以上の鏡面シリコン単結晶ウエーハを得、該鏡面シリコン単結晶ウエーハの一つの鏡面状の平坦表面上に検出されるパーティクルの数として、大きさが０．０８３μｍ以上のパーティクルの数が１２０個以下且つ大きさが０．０９０μｍ以上のパーティクルの数が８０個未満であることを特徴とするシリコン単結晶ウエーハ。
【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（Czochralski method）による引き上げ装置の石英ルツボ内に収納したシリコンメルトからシリコン単結晶を引き上げる、いわゆるＣＺ法により製造された半導体デバイス用シリコン単結晶ウエーハであり、より詳しくは超高集積素子を製造する際に最適な高品質の大直径シリコンウエーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高集積、微細化する半導体素子に用いられるシリコン単結晶より加工されたシリコン単結晶基板は結晶の大直径化に有利なチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造される。とりわけ、ＤＲＡＭの集積度は、３年毎に４倍に、チップサイズは１．５倍に各々増大する。したがってウエーハ１枚当たりのチップ収量の減少を回避し、チップコストを低減するには半導体素子のデザインルールの微細化に加えてウエーハの大直径化が必要となる。
これらのチップサイズの大型化への対応として直径３００ｍｍの大直径シリコン単結晶（NIKKEI MICRODEVICES １９９２年１１月号）の製造が求められており、同時にウエーハ表面平坦度、表面粗さの向上、表面上の重金属不純物及び表面上の微小欠陥や異物の低減が求められている。ウエーハ表面上の微小欠陥と異物は、両者の和として光学的に検出されるされるが、これをパーティクルとして把握し、極めて重要な品質設計要素と考えられている。
すなわち、半導体素子のデザインルールが０．１８μｍのデバイス用の直径３００ｍｍウエーハでは光学的に検出される０．０９μｍ以上のパーティクルを１００個以下にすることが要求されている。また、半導体素子はいくつもの工程を経て製造されるので工程管理としてウエーハ上に付着するパーティクルや重金属不純物のモニターが必要である。これらのプロセスモニターとして極めてパーティクルレベルの低いシリコン単結晶が必要ともなる。
【０００３】
このような必要性から生じるパーティクルレベルの低減には、シリコン単結晶の製造中の熱履歴により形成される微小欠陥すなわち結晶起因パーティクルの低減が重要な課題である。
この他、シリコン単結晶から切出したシリコンウエーハを鏡面加工し、次いでアンモニア系洗浄を行なった際若しくはその後の後工程においてエッチピットが発生するが、これは光学的にはパーティクルとして検出されデバイス工程への影響もいわゆるパーティクルとして問題となる。これは結晶引き上げの熱的条件などが起因することからCrystal Originated Particle （ＣＯＰ）と呼ばれる。（Jpn. J. Appl.Phys.29(1990)L1947-L1949）
【０００４】
さらに、ウエーハ表面の鏡面加工（polishing)工程における加工起因の微小欠陥やその後の工程であるウエーハ洗浄においても微小な異物や不純物を防止することもあわせて行なわれている。しかし、従来の技術では大きさが０．０９μｍ以上のパーティクルを１００個以下に低減することができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて前記した如き市場の要求するシリコンウエーハの品質要素が関係する主要な工程は、大直径化においては結晶引き上げ工程、平坦度においてはスライス、ラッピング、ポリッシング工程、表面の粗さにおいてはエッチング、ポリッシング工程、パーティクル問題を含む表面の欠陥においては結晶引き上げ、スライス、ラッピング、ポリッシング、洗浄工程、表面の汚染特に重金属による汚染においては結晶引き上げ、スライス、ラッピング、ポリッシング、洗浄工程があり、多岐にわたる。
【０００６】
一方、本発明の課題である表面上のパーティクルの問題には、その発生原因に結晶起因、加工起因（洗浄工程も含む）があることは前記にも若干触れたが、後者すなわち加工起因パーティクルの低減は極めて重要であり、これについての改善も当然のこととして検討されているが、パーティクルの低減にはその原素材である単結晶中の欠陥を大幅に低減させることが基本的に重要であり、これが達成されなければ、後の工程が如何に改善されても、目的を達することができない。
この意味で、結晶起因のパーティクルについてはいまだに突破口を見出すことのできるような手段が見出されておらず、解決の糸口が掴めていない。
【０００７】
本発明の技術的課題は、主として、この結晶起因のパーティクルに着眼して、超高集積素子を製造する際に最適な高品質の大直径シリコンウエーハを得る事を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、０．１８μｍ以下のデザインルールのＩＣチップを製造するために、ＣＺ法により引き上げた直径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶ウエーハにおいて、
定径部の成長速度を０．４ｍｍ／分〜０．３５ｍｍ／分に設定して引き上げるとともに且つボロンのドーピング剤の添加により比抵抗を１０Ω・ｃｍに調整されたシリコン単結晶若しくは、定径部の成長速度を０．４５ｍｍ／分〜０．５５ｍｍ／分に設定して引き上げるとともに且つボロンのドーピング剤の添加により比抵抗を０．０１〜０．０２Ω・ｃｍに調整されたシリコン単結晶のいずれかのシリコン単結晶を、スライス工程、面取り工程、ラップ工程、エッチ工程によりウエーハの両面を鏡面に仕上げた後にアンモニア系洗浄を行い、その後に赤外線加熱乾燥によりウエーハを高清浄度のまま乾燥を行なって、直径が３００ｍｍ以上の鏡面シリコン単結晶ウエーハを得、該鏡面シリコン単結晶ウエーハの一つの鏡面状の平坦表面上に検出されるパーティクルの数として、大きさが０．０８３μｍ以上のパーティクルの数が１２０個以下且つ大きさが０．０９０μｍ以上のパーティクルの数が８０個未満であることを要旨とする。
【０００９】
上述したように、ウエーハ表面上のパーティクルの限界値は後工程の素子の設計に係わる品質仕様より導かれるものであって、デザインルール（デバイス製造上の回路パターン描画線幅）０．１８μｍでは、そのサイズが０．０９０μｍ以上のパーティクルの密度が１００個／ウエーハ以下であることが要求される。
実質的には個々のデバイスによって異なるが、例えば、０．１８μｍデザインルールのＤＲＡＭでは３００ｎｍφウエーハ１枚から約４００個のＩＣチップが製造され、かつＩＣチップの所望の歩留りを確保するためには、０．０９０μｍ以上のパーティクルは１チップ当たり０．２〜０．３個以下が求められ、このパーティクルが大幅に低減することによって、歩留まりの著しい向上が期待される。
【００１０】
前記のように、パーティクル発生要因には二つ存在するため、本発明の主たる課題である結晶起因のパーティクルの改善効果を明らかにするためには、他の要因とは独立に観察する必要がある。最も望ましい方法は、要因ごとに分別検出してそれぞれの数値を独立に得ることであるが、これは現状の技術では不可能である。
【００１１】
そこで、本発明においては加工起因パーティクルの数値が一定化するように、現状、大口径結晶に於いて実用域に達した標準的方法を定めておき、常に標準的方法で加工し、一定の加工起因パーティクルが存在するウエーハにおいて、それに結晶起因のパーティクルが加算された、検出可能な全パーティクル数で結晶起因のパーティクルを論じることを可能とした。
【００１２】
現状の半導体ウエーハの製造方法は、チョクラルスキー法単結晶引き上げ装置により引き上げられた単結晶インゴットをスライスして薄い円盤状のウエーハを得るスライス工程と、スライスしたウエーハの欠け割れを防止するためにウエーハ外周エッジ部を面取りする面取り工程と面取りしたウエーハの主表面を平坦化するラッピング工程と、面取り及びラッピングにより残留する加工変質層を除去する湿式エッチング工程とエッチングしたウエーハを主面及び面取り部を鏡面研磨する鏡面研磨工程と、研磨したウエーハに残留する研磨剤や異物を除去し清浄度を向上させる洗浄工程とからなっている。
これら工程において、大口径・高品質ウエーハの要求に答えるために、平坦度、表面粗さ、パーテクルなどの品質項目において、各種開発がなされた。例えば、スライス工程でのうねり減少方法として特願平６−２２７２９１号及び特開平９−２４８７５８号、大口径ウエーハの平坦度、生産性向上方法として特開平９−２６３１４号に開示されている。
【００１３】
そこで本発明では加工工程における標準的方法として、これら最近の開発成果を効果的に組合せた安定した製法を採用し、高品質仕様ウエーハの実用に耐えうるウエーハを基準とした。
【００１４】
更に本発明において、最終工程である洗浄工程では、酸性薬液、アルカリ性薬液、及びオゾン水、電解イオン水、水素水などいわゆる機能水によるものが考えられるが、いずれを採用するにせよ、本発明では特にアンモニア洗浄を行なうのが有機物系の異物を含め最もパーティクルを低減する方法であることを見出しているため、必ずアンモニア洗浄を併用または単独で用いることとする。
【００１５】
結晶起因のパーティクル発生の原因工程である結晶引き上げ工程では、現在汎用されている２００ｍｍのウエーハ用の結晶成長においても、チョクラルスキー法におけるホットゾーンの構造、関連するメルト及びロッドの温度勾配と結晶品質との関係、メルトの対流抑制と結晶品質の関係、ルツボの材質と結晶品質の関係、結晶及びルツボの回転数の及ぼす影響など究明され高度なレベルに達している。更に結晶口径が大きくなっても、基本的には現状技術の延長線上にある技術が開発されているが、ディメンションが大型になるだけに、加えて伝熱工学上の問題、材質上の問題、更には高重量の結晶を支える方策の問題などが開発・改善の対象となっている。
【００１６】
後述するように、本発明における比較例においては、今までに開発された従来の方法によって実施したが、その従来の結果は必ずしも目的とする結果を得るに至らなかった。このため、特に３００ｎｍφのウエーハの製造条件を種々検討することによって、目的とするパーティクルの低減された大口径ウエーハを得る事が出来た。
【００１７】
さらに本発明が目的とするウエーハ表面上のパーティクルを低減するには、既に述べた通り、結晶の成長条件（引き上げ条件やメルトの温度や対流条件）、炉の構造、ガス相におけるガス流れの条件等、単結晶の温度とその温度分布に関係する因子のみならず、結晶の冷却過程における温度履歴や、その後の製品ウエーハに至るまでの間における熱処理等において適切な条件を選択すれば低減が可能であり、３００ｎｍφ以上のウエーハにもこれらの方法を適用することができる。
【００１８】
かかる見地より本発明では、主としてチョクラルスキー引上げ条件の改善によって、特に口径が３００ｍｍ以上のシリコン単結晶を０．４ｍｍ／ｍｉｎ以下の低速度で引き上げることにより、結晶起因パーティクル数を極限まで低減した。従って、本発明は現状レベルの加工起因パーティクルのコントロール技術及びアンモニア洗浄工程と組み合わせて、総パーティクル数の最も少ない実現可能な大口径ウエーハを提供可能としたものである。
【００１９】
さらに本発明者等の知見では、単結晶引上げ時において、非金属元素、例えばＢ、Ｃ、Ｎ等をシリコン中に意識的に添加することを併用し、シリコン単結晶中の結晶欠陥の生成機構を制御し、結果としてその数を低減させることができることが明らかとなりつつあり、かかる技術もパーティクル低減に効果的である。
【００２０】
即ち、結晶引き上げ工程でのボロン、窒素、若しくはカーボン等のドーピング剤の添加濃度が同一結晶引き上げ条件でも、結晶起因パーティクルの数に影響することを見出している。例えば、ドーパントとしてのボロン濃度が高く結晶の比抵抗が低いものでは、同一引き上げ条件でも結晶起因パーティクル数が少ない。従って、高ドーピング剤濃度品、例えば、Ｐ+品（比抵抗０．０１〜０．０２Ω・ｃｍ）では本発明の条件をクリアする域に達する。
【００２１】
【作用】
シリコン単結晶の製造は溶融シリコンメルトから単結晶を育成するので、高温側はシリコンの融点である１４２０℃であり、単結晶の育成終了時には室温まで冷却される。即ち、幅広い熱履歴を受けることになる。
ここで、シリコン単結晶が高温の状態では空孔子や格子間シリコン原子が熱平衡状態で存在する。シリコン単結晶成長工程、言換えれば冷却工程においては、単結晶の温度が低下するので、過剰となった空孔子や格子間シリコン原子が、対消滅や凝集した結果、結晶起因のパーティクルを形成すると考えられる。
従って、シリコン単結晶の成長速度を低めることにより熱履歴が長くなるので、空孔子や格子間シリコン原子の対消滅を促すので、結晶起因のパーティクルの核となる欠陥を低減することができる。
また、この空孔子や格子間シリコン原子の対消滅や凝集に対し、シリコン中の不純物元素が関係し、ある種の元素の添加と結晶の熱履歴や後の熱処理の条件を適宜組合せて、結晶起因のパーティクルを低減させることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２３】
「加工標準工程」
比較条件を統一するための、加工標準工程の実施例として次に示す方法で引き上げ工程以降のウエーハ加工を行なった。
（１）スライス工程…マルチワイヤーソーによる切断方法であって、全長２５ｃｍのシリコン単結晶ブロックを１５時間かけて切断し、厚み約１ｍｍのシリコンウエーハを切り出した。
（２）面取り工程…エッジグラインダーにより２回転研削し、エッジをフルラウンド形状に研削した。
（３）ラップ工程…ラッパーによりラップ代１５０μｍ研磨し、スライス工程で発生したウエーハ表面の凹凸を平坦化した。
（４）エッチ工程…アルカリ系（苛性ソーダ）のエッチャントにより２０μｍエッチングを行ない、ラッピングによりウエーハ表面に入った歪み層を除去した。
（５）ポリッシュ工程…ＤＳＰ（Duble Side Polishing）法により、ウエーハの両面で２５μｍ研磨し、ウエーハの両面を鏡面に仕上げた。
（６）洗浄工程…アンモニア系洗浄による方法であって、Semiconductor International,April,1984 p.94 に記載の所謂ＳＣ−１洗浄で、７８℃、９０秒実施し、赤外線加熱により高清浄度のままウエーハを乾燥させた。
後実施例の加工は本標準法で実施し、それぞれのパーティクル数を比較している。
【００２４】
「単結晶製造手順」
図１は本発明の単結晶製造装置を示した概略図である。
図中１はステンレス製の引き上げチャンバ、２は超伝導のマグネットコイルで、石英ルツボ７設置部分のチャンバ外周を囲繞して設置され、該石英ルツボ７内の溶融ポリシリコンに水平磁場を印加する。３はチャンバ１内に導入するアルゴンガスの導入調整弁、４はチャンバ１内より排出するアルゴンガスの排出調整弁である。
また５は石英ルツボ周囲を囲繞する抵抗加熱ヒータであり、６は保温のためのヒートシールドである。
【００２５】
「実施例１」
かかる構成において、直径７１ｃｍの石英ルツボ７にポリシリコンを２１０ｋｇチャージし、抵抗加熱ヒータ５により該ポリシリコンを溶融し、１０Ω・ｃｍに比抵抗を調整するためにボロンを添加した。その後に面方位＜１００＞の種結晶８ａを溶融されたシリコンメルト表面に浸漬し結晶回転速度を８ｒｐｍ、石英ルツボ７の回転速度は種結晶とは逆方向に１ｒｐｍで回転させ、所定の面方位を有する直径３００ｍｍのシリコン単結晶８を育成した。この時にシリコン単結晶８の定径部の成長速度を０．４ｍｍ／分〜０．３５ｍｍ／分とした。
【００２６】
製造したシリコン単結晶より厚さ約１ｍｍのシリコンウエーハを、前記［００１７］段落に示す「加工標準工程」に基づいてワイヤーソーにより切り出し、ラップエッチング、鏡面加工した後に鏡面加工時に付着した異物や有機物を取り除くためにアンモニア系洗浄（SC-1 SEMICONDUCTOR INTERNATIONAL.April 1984 p.94）を行ない、光学式のパーティクルカウンターで▲１▼≧０．０８３μｍ▲２▼≧０．０９０μｍ▲３▼≧０．１００μｍ▲４▼≧０．１２０μｍの４サイズのパーティクルを測定した。
【００２７】
図２には、本発明による実施例１としてパーティクル測定結果を示している。０．０９０μｍ以上のパーティクルサイズで４３個、０．０８３μｍ以上のパーティクルサイズでは７０個と極めて低パーティクルの直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハが得られた。
【００２８】
実施例２として、図２中に定径部の成長速度が０．４５〜０．５５ｍｍ／分のものを、又実施例２として同一の成長速度でボロン濃度を比抵抗が０．０１〜０．０２Ω・ｃｍとなるよう高濃度に添加したＰ+ウエーハの結果を示した。
かかる実施例２においても、０．０９０μｍ以上のパーティクルサイズで４３個、０．０８３μｍ以上のパーティクルサイズにおいても１１０個と目標品質の１２０個以下であり、低パーティクル数の直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハが得られた。
従って、本実施例１又は２により目標品質を達成する低パーティクル数の直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハが得られたことが理解できる。
【００２９】
一方、比較例としての従来技術による３００ｍｍシリコン単結晶では、０．０８３μｍサイズ以上のパーティクルが１４０個前後と１２０個を大幅に超えており、又パーティクルサイズが０．０９０μｍ以上でも８０個を超えており目標品質を達成することが出来ない。
【００３０】
「比較例２」
実施例１において、洗浄前のウエーハを抜き出し、リンス液Ｘとしてオゾン水で洗浄して得られたウエーハのパーティクル数を測定したところ、３００ｍｍ径のサンプルでは大きさ０．０９０μｍ以上パーティクル数が９０個、大きさ０．０８３μｍ以上のパーティクル数が１３０個で、本発明の範囲を超えており目標品質を達成することが出来ない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のシリコン単結晶ウエーハを用いることにより、半導体素子工程での収率が向上し、半導体素子作成上際ね手重要な品質特性である酸化膜耐圧特性（TZDB：Time Zero Dielectric Breakdown）を評価した場合優れた特性を示す。また、半導体製造素子製造装置のパーティクルレベルの管理用として用いるにもっとも適したプロセスモニター用シリコン単結晶ウエーハとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の単結晶製造装置を示した概略図である。
【図２】  図２には本発明の実施例１、２と比較技術のパーティクル測定結果を示したグラフ図である。
【符号の説明】
１  引き上げチャンバ
２  超伝導マグネットコイル
５  抵抗加熱ヒータ
６  ヒートシールド
７  石英ルツボ
【図１】
0004233651.tif 000002
【図２】
0004233651.tif 000003