JP2000154095A - シリコン単結晶製造方法および半導体形成用ウェハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン単結晶のサイズの如何に拘わらず、
特にボイド欠陥の水素ガスによる欠陥消失効果を深層部
まで及ぼすことができるようにする。 【解決手段】 ウェハの熱酸化処理をした際に発生する
酸化誘起積層欠陥部（ＯＳＦリング）の半径がウェハ外
縁に発現開始する領域からウェハ半径の１／２までの領
域に発現される条件でシリコン単結晶を引き上げて製造
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン単結晶製造
方法および半導体形成用ウェハに係り、特にＣＺシリコ
ンウェハの水素雰囲気高温熱処理（以下水素熱処理とい
う）に適したＣＺシリコン単結晶の製造方法およびこれ
によって製造されたシリコン単結晶から切り出したウェ
ハ水素熱処理を施して欠陥を消失させた半導体形成用ウ
ェハに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の基板にはシリコン単結晶が
使用されているが、これにはー般的にＣＺ法により製造
される。ＣＺ法は坩堝に多結晶シリコンを充填して加熱
溶解しておき、シードチャックに取り付けた種結晶を坩
堝融液に浸して、回転させながら引き上げて、シリコン
単結晶を所定の直径及び長さに成長させるようにしてい
る。

【０００３】このようなシリコン単結晶をスライシング
してウェハを製造し、活性面にデバイスを搭載するが、
近年のデバイス構造の微細化と高集積化に伴ってゲート
酸化膜の耐圧特性が重要視されるようになっている。ゲ
ート酸化膜の形成工程で酸化膜に取り込まれる欠陥を低
減する手段として、特公平３−８０３３８号公報に開示
されているものがある。これはシリコンウェハの表面に
熱酸化膜を形成する工程の直前に水素ガスを含む非酸化
性雰囲気中で熱処理することが提案されている。水素熱
処理を施したＣＺシリコンウェハでは、結晶育成中に結
晶内に取り込まれたｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥、例えばＬＳ
ＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇ
ｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔｓ）、ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ Ｐ
ａｔｔｅｒｎ Ｄｅｆｅｃｔｓ）、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔ
ａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）とし
て検出されるウェハ表層のボイド欠陥が消失し、優れた
酸化膜耐圧特性を示すことが知られている。

【０００４】ところが、その効果はウェハの極表面近傍
のみに限られるという問題があった。そこで、本発明者
らは、水素処理による欠陥の消失効果は欠陥サイズが小
さいほど大きいことに着目し、結晶育成中の欠陥発生温
度帯の冷却速度を速くすることで欠陥サイズを充分に微
細化させる方法を提案した(特願平９−２７２１３号)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、シリコン単結晶の直径を２００ｍｍ以上の場
合、従来の小径シリコン単結晶に比べ熱容量が大きくな
るため、欠陥サイズを充分に微細化できるだけの冷却速
度を実現するには非常に困難を伴うという問題を抱えて
いた。すなわち、結晶の成長過程で充分な冷却効果が得
られず、大型のシリコンインゴットの場合には水素ガス
による熱処理によって欠陥を消失させることが極めて困
難となっていたのである。

【０００６】本発明はシリコン単結晶のサイズの如何に
拘わらず、特にボイド欠陥の水素ガスによる欠陥消失効
果を深層部まで及ぼすことができるようなシリコン単結
晶製造方法と、これによって製造され欠陥消失深さを深
くした半導体形成用ウェハを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記問題
点に着目し、種々の条件で育成したＣＺシリコン単結晶
について冷却速度の調整以外の方法で欠陥を縮小化でき
る条件がないかを、上記結晶育成中の引き上げ速度
（Ｖ）と、結晶中心部における融点近傍の結晶軸方向温
度勾配（Ｇ）との比:Ｖ／Ｇを制御要因として調査し
た。

【０００８】一般に、ＣＺシリコン単結晶に含まれるＧ
ｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、熱酸化処理をした際に発生する
リング状の酸化誘起積層欠陥部（ＯＳＦリング）の内側
と外側とで異なることは周知である。ＯＳＦリングの内
側には原子空孔の集合体と考えられているボイド欠陥が
存在し、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜の信頼性を劣化
させる。一方、ＯＳＦリングの外側の領域にはー般に格
子間シリコンの凝集体と考えられている転位クラスタが
存在し、半導体素子の特性を劣化させることも周知であ
る。また、これらの欠陥種は結晶育成中の引き上げ速度
（Ｖ）と、融点近傍の結晶軸方向温度勾配（Ｇ）で決定
されることが報告されている（Ｍ．Ｈｏｕｒａｉ ｅ
ｔ．ａｌ．１８^ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（１９９５））。通常、ウ
ェハは転位クラスタの存在により問題となるデバイスpn
接合面の電流リークを回避するために、シリコン単結晶
の内部にＯＳＦリングの発生領 域が生じないように、
引き上げ速度を速くしてＯＳＦリングをシリコン単結晶
の外側に追い出すようにしている。

【０００９】しかし、結晶育成中の引き上げ速度（Ｖ）
と、結晶中心部における融点近傍の結晶軸方向温度勾配
（Ｇ）との比：Ｖ／Ｇを制御要因として調査してみる
と、Ｖ／ＧをＯＳＦリングがシリコン単結晶から切り出
されたウェハの外周に発生し始めるとき、すなわちＶ／
Ｇ=０．２５ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦ
リング半径がウェハ半径の１／２以上の範囲で結晶を育
成することによってシリコン単結晶を製造すれば転位ク
ラスタが発生すること無く水素熱処理によって少なくと
も表層から深さ3μｍ領域で欠陥を消失させることがで
きることが判明したのである。

【００１０】そこで、本発明に係るシリコン単結晶製造
方法は、ウェハの熱酸化処理をした際にリング状に発生
する酸化誘起積層欠陥部（ＯＳＦリング）の半径がウェ
ハ外縁に発現開始する領域からウェハ半径の１／２まで
の領域に発現される条件でシリコン単結晶を引き上げて
製造するように構成して、上記目的を達成するようにし
た。

【００１１】また、結晶育成中の引き上げ速度Ｖとシリ
コン融点近傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇが０．
２５ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦリング半
径がウェハ半径の１／２以上となる条件で引き上げて製
造することを特徴としている。

【００１２】更に、本発明に係る半導体形成用ウェハ
は、ウェハの熱酸化処理をした際に発生するＯＳＦリン
グの半径がウェハ外縁に発現開始する領域からウェハ半
径の１／２までの領域に発現される条件で引き上げて製
造したシリコン単結晶からウェハを形成し、このウェハ
を水素ガスもしくは非酸化性ガスにより熱処理を加えて
ボイド欠陥を消失させたものである。

【００１３】あるいは、結晶育成中の引き上げ速度Ｖと
シリコン融点近傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇが
０．２５ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦリン
グ半径がウェハ半径の１／２以上となる条件で引き上げ
て製造したシリコン単結晶からウェハを形成し、このウ
ェハを水素ガスもしくは非酸化性ガスにより熱処理を加
えてボイド欠陥を消失させて構成した。

【００１４】また更に、本発明は、ボイド状欠陥を含む
シリコン単結晶ウェハであって、ボイド状欠陥のサイズ
が１２０ｎｍ以下のものであることを特徴とするアニー
ル用シリコン単結晶ウェハ（アニール用のものとして好
適なウェハ）を提供するものである。そしてそのために
は、チョクラルスキー法において、シリコン単結晶ウェ
ハを以下の条件で引き上げるようにすると好適である。

【００１５】

【数２】 C.R.＞2.0×(1−exp(−15.35×(Ｖ／Ｇ−0.15)))^2.5 、かつ Ｖ／Ｇ＞０．１５ 、かつ ２＞C.R 。 （ここで、Ｖは引上速度（mm／min）、Gは固液界面近傍
（欠陥パターンが決まる温度領域）の軸方向温度勾配
（℃／mm）、C.R.は１１２０℃付近（ボイド欠陥形成温
度領域）の冷却速度（℃／min）を表す。）

【００１６】なお、本発明は、その一般的な概念とし
て、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造す
る方法において、Ｖ／Ｇの減少に追従させてC.Rの減少
を行うように結晶の引き上げ条件を制御することによ
り、引き上げ後のシリコン単結晶中に含まれるボイド状
欠陥のサイズを縮小する方法を提供するものである。

【００１７】

【実施例１】結晶育成中の引き上げ速度（Ｖ）と、結晶
中心部における融点近傍の結晶軸方向温度勾配（Ｇ）と
の比：Ｖ／Ｇを制御要因として、シリコン単結晶から切
り出されたウェハのボイド欠陥のサイズに起因する散乱
強度を調べた。結晶はドーパントとしてボロンを添加し
た直径２００ｍｍ、ｐ型、結晶方位＜１００＞で、単結
晶引き上げ時の炉内ホットゾーンおよび引き上げ速度の
育成条件を変えた合計１７水準である。

【００１８】この標本からＶ／Ｇと散乱強度との関係を
求めたものが図１である。図示のようにＶ／Ｇが０．２
５ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下の条件のとき、欠陥サイズの代
用特性である赤外散乱トモグラフィによる散乱強度が減
少することを発見した。

【００１９】ところで、このＶ／Ｇの領域においてはＯ
ＳＦリングの外側領域を伴うため、転位クラスタの発生
が懸念される。Ｖ／Ｇを変化させたときのＯＳＦリング
の発生状態を図２に示している。Ｖ／Ｇが０．２５ｍｍ
^２／℃ｍｉｎ以下では、ＯＳＦリング１０がシリコン単
結晶１２の外周に生成し始め、その値が小さくなるほど
ＯＳＦリング１０が中心に寄ってくる。ＯＳＦリング１
０の内側ではボイド欠陥１４が見出されるが、図１に示
しているように、Ｖ／Ｇが小さくなるにしたがって徐々
にボイド欠陥も小さくなる。ＯＳＦリング１０の外周領
域はＶ／Ｇが小さくなるにしたがって拡大して転位クラ
スタ１６が発現している可能性があるため、転位クラス
タの発生の有無と水素熱処理を施したときの効果確認を
行なった。結果のー覧を表1に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】これにより転位クラスタの発生はＯＳＦリ
ング半径がウェハ半径の１／２以上であるときに発生し
ないことが判った（図２のハッチング領域）。また、種
々のＣＺ育成条件にて製造された鏡面ウェハの酸化膜耐
圧良品率はａｓ−ｇｒｏｗｎの状態において約５０〜１
００％の範囲で大きく変化しているが、これらに１２０
０℃×１ｈｒの水素熱処理を行なうと、全ての条件でほ
ぼ１００％近くまで改善されている。

【００２２】しかし、表1から判るように、水素熱処理
後３μｍ表面を研磨すると耐圧特性が著しく劣化する
（ａｓ−ｇｒｏｗｎの状態近くまで戻る）ものと、水素
熱処理の効果を維持するものとが存在し、それらの臨界
Ｖ／Ｇが０．２５ｍｍ^２／℃ｍｉｎであることも確認で
きた。半導体デバイスの高集積化、微細化に伴って重要
度を増しているウェハ表層の完全性を考慮すると、前者
の場合、デバイス歩留まりに悪影響を及ぼす可能性が極
めて高く、少なくとも数ミクロンの領域で欠陥フリーと
することはシリコンウェハの絶対条件といえる。

【００２３】以上のことから、転位クラスタが発生する
こと無く水素熱処理によって少なくとも表層から深さ３
μｍ領域で欠陥を消失させるためには、Ｖ／Ｇを０．２
５ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦリング半径
がウェハ半径の１／２以上にすることが必要であること
が理解できるのである。

【００２４】本発明は、水素熱処理用基板となるＣＺ、
ＭＣＺシリコン単結晶ウェハ全般に適用することができ
る。また、ウェハに対する熱処理雰囲気は、非酸化性で
あるＡｒ、Ｈｅ,それらと水素との混合ガス等にも適用
できる。

【００２５】

【実施例２】この実施例では、欠陥サイズを小さくする
ほど水素熱処理による効果が及ぶと考え、直接的に欠陥
サイズと水素熱処理効果との関係を調べ、期待する効果
が得られる結晶の欠陥サイズにするような単結晶製造条
件の範囲を求めた。なお、デバイスには表層３μmまで
欠陥のないことが要求されるため、必要な欠陥消失効果
は表層３μm以上である。

【００２６】欠陥サイズに影響を与えると考えられる製
造条件V／GとC.R.が異なる結晶を作製し(Ｖ：引上速度
（mm／min）、 G：固液界面近傍（欠陥パターンが決ま
る温度領域）の軸方向温度勾配（℃／mm）、 C.R.：
１１２０℃付近（ボイド欠陥形成温度領域）の冷却速度
（℃／min））、これらの結晶から得られたウェハにつ
いて、ＬＳＴＤの散乱強度を求め（三井金属鉱業 ＭＯ
401）、検量線を使って欠陥サイズを調べた。さらに水
素熱処理を１２００℃で１時間行った後、３μm表層を
研磨して酸化膜耐圧良品率を調べた。

【００２７】結果を表２及び表３に示す。表２及び表３
は、結晶製造条件の引上速度Ｖ，結晶軸方向固液界面近
傍温度勾配G，Ｖ／Ｇ，１１２０℃付近の冷却速度C.R.
と、欠陥サイズ、および水素熱処理後3μm研磨した後の
酸化膜耐圧結果を示すものである。酸化膜耐圧は、酸化
膜厚２５nm、電極面積１０mm^２の条件で測定し、十分に
欠陥が消失されていると判断されるCモード率95%以上の
ものに丸、それ未満のものにバツを付けた。

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】この結果から、欠陥サイズが１２０nm以下
のときに、表層3μmまで優れた酸化膜耐圧特性が示され
るということがわかった。

【００３１】図３は、欠陥サイズが１２０nmより大きい
場合と小さい場合とを、Ｖ／Ｇと冷却速度の条件により
プロットしたものを示したグラフである。図３中、黒丸
は欠陥サイズが１２０nm以下の場合でしかも有効なプロ
ット（十分に欠陥が消失されていると判断されるCモー
ド率95%以上のもの）、白丸は欠陥サイズが１２０nmよ
り大きい場合でしかも無効なプロット（Cモード率95%未
満のもの）を示す。

【００３２】この図３より黒丸と白丸の境界の関数を求
めると、下式のようになる。

【００３３】

【数３】 C.R.＝2.0×(1−exp(−15.35×(Ｖ／Ｇ−0.15)))^2.5

【００３４】従って、欠陥サイズを１２０nm以下にする
には、次式で示されるような条件にすればよいことにな
る。

【００３５】

【数４】 C.R.＞2.0×(1−exp(−15.35×(Ｖ／Ｇ−0.15)))^2.5

【００３６】ここで、Ｖ／Ｇ≦０．１５の条件では、経
験則上、転位クラスタがウェハ全面に発生し、ＰＮ接合
リーク特性を悪化させ、デバイス用ウェハには適さない
とされるので、この領域は除外する必要がある。よって
上記数４の条件範囲に乗せて、「Ｖ／Ｇ＞０．１５」と
する必要がある。

【００３７】また、特願平９‐２７２１３号（水素熱処
理効果に適した結晶の製造方法として、「２＜C.R.」と
いう条件を提示しているもの）との関係で、本発明を、
冷却速度が２℃／min以上でなくても、Ｖ／Ｇが０．３
より小さい領域では水素熱処理効果に適した結晶が得ら
れることを新たに示すものと位置付ければ、特願平９‐
２７２１３号に係る「２＜C.R.」という条件を考慮する
ことになる（図3中には、特願平９‐２７２１３号での
請求範囲を合わせて表示している）。従って、アニール
用に適したシリコン単結晶ウェハの製造条件として今回
新たに示される範囲は，次のようになる。

【００３８】

【数５】 C.R.＞2.0×(1−exp(−15.35×(Ｖ／Ｇ−0.15)))^2.5 、かつ Ｖ／Ｇ＞０．１５ 、かつ ２＞C.R.

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水素熱処理用基板として本発明によって製造されたＣＺ
シリコン単結晶ウェハを用いることで、水素処理条件を
変えることなく、従来よりウェハ表面から深さ方向での
水素熱処理の効果を拡大し、かつ転位クラスタの存在し
ないウェハの製造が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図1】結晶育成中の引き上げ速度Ｖとシリコン融点近
傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇに対する散乱強度
の関係を示す図である。

【図2】結晶育成中の引き上げ速度Ｖとシリコン融点近
傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇと、シリコン単結
晶内でのＯＳＦリングの関係を示す模式図である。

【図３】欠陥サイズが１２０nmより大きい場合と小さい
場合とを、Ｖ／Ｇと冷却速度の条件によりプロットした
ものを示した図である。

【符号の説明】

１０ ＯＳＦリング １２ シリコン単結晶 １４ ボイド欠陥 １６ 転位クラスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 最勝寺 俊昭 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 (72)発明者 中村 浩三 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 (72)発明者 冨岡 純輔 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF00 EH07 EH09 FE11 GA01 HA12 PA06 PF08 PF16 PF17 PF34 PF35

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェハの熱酸化処理をした際にリング状
   に発生する酸化誘起積層欠陥部（以下ＯＳＦリングとい
   う）の半径がウェハ外縁に発現開始する領域からウェハ
   半径の１／２までの領域に発現される条件でシリコン単
   結晶を引き上げて製造することを特徴とするシリコン単
   結晶製造方法。
2. 【請求項２】 結晶育成中の引き上げ速度Ｖとシリコン
   融点近傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇが０．２５
   ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦリング半径が
   ウェハ半径の１／２以上となる条件で引き上げることを
   特徴とするシリコン単結晶製造方法。
3. 【請求項３】 ウェハの熱酸化処理をした際に発生する
   ＯＳＦリングの半径がウェハ外縁に発現開始する領域か
   らウェハ半径の１／２までの領域に発現される条件で引
   き上げて製造したシリコン単結晶からウェハを形成し、
   このウェハを水素ガスもしくは非酸化性ガスにより熱処
   理を加えてボイド欠陥を消失させてなる半導体形成用ウ
   ェハ。
4. 【請求項４】 結晶育成中の引き上げ速度Ｖとシリコン
   融点近傍の結晶軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇが０．２５
   ｍｍ^２／℃ｍｉｎ以下として、かつＯＳＦリング半径が
   ウェハ半径の１／２以上となる条件で引き上げて製造し
   たシリコン単結晶からウェハを形成し、このウェハを水
   素ガスもしくは非酸化性ガスにより熱処理を加えてボイ
   ド欠陥を消失させてなる半導体形成用ウェハ。
5. 【請求項５】 ボイド状欠陥を含むシリコン単結晶ウェ
   ハであって、ボイド状欠陥のサイズが１２０ｎｍ以下の
   ものであることを特徴とするアニール用シリコン単結晶
   ウェハ。
6. 【請求項６】 以下の条件で引き上げることを特徴とす
   るシリコン単結晶製造方法。 【数１】 C.R.＞2.0×(1−exp(−15.35×(Ｖ／Ｇ−0.15)))^2.5 、かつ Ｖ／Ｇ＞０．１５ 、かつ ２＞C.R. ここで、Ｖは引上速度（mm／min）、Gは固液界面近傍
   （欠陥パターンが決まる温度領域）の軸方向温度勾配
   （℃／mm）、C.R.は１１２０℃付近（ボイド欠陥形成温
   度領域）の冷却速度（℃／min）を表す。
7. 【請求項７】 チョクラルスキー法によりシリコン単結
   晶を製造する方法において、Ｖ／Ｇの減少に追従させて
   C.Rの減少を行うように結晶の引き上げ条件を制御する
   ことにより、引き上げ後のシリコン単結晶中に含まれる
   ボイド状欠陥のサイズを縮小する方法。