JP2002029891A

JP2002029891A - シリコン半導体基板とその製造方法

Info

Publication number: JP2002029891A
Application number: JP2000214915A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yokota; 秀樹横田; Atsushi Ikari; 敦碇; Wataru Ohashi; 渡大橋; Masahiro Tanaka; 正博田中; Katsuhiko Nakai; 克彦中居; Hiroyuki Deai; 博之出合; Yasumitsu Ota; 泰光太田
Original assignee: Wacker NSCE Corp
Current assignee: Siltronic Japan Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶品質に優れるシリコン半導体基板、及び
これを安価に高生産性で製造する方法を提供する。【解決手段】窒素を添加した融液からチョクラルスキ
ー法により育成したシリコン単結晶から作製されるシリ
コン半導体基板であって、該基板が２×１０ ¹⁴ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素
濃度、及び７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の酸素濃
度を含有し、該基板の各種表面欠陥密度がＦＰＤ≦０．
１個／ｃｍ²、ＳＥＰＤ≦０．１個／ｃｍ²、及びＯＳＦ
≦０．１個／ｃｍ²であり、該基板の内部欠陥密度がＬ
ＳＴＤ≦１×１０⁵個／ｃｍ³であり、かつ該基板の酸化
膜耐圧特性がＴＺＤＢ高Ｃモード合格率≧９０％及びＴ
ＤＤＢ合格率≧９０％以上であることを特徴とするシリ
コン半導体基板およびその製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面の結晶欠陥が
少なく、デバイスの製造歩留まりが良好なシリコン半導
体基板およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造には、チョクラル
スキー法（ＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶か
ら作られた基板が主に用いられている。シリコン単結晶
には、その結晶成長中に後述する種々の結晶欠陥が発生
し、この欠陥により集積回路の素子の動作を妨げられた
り、回路そのものが破壊されることが問題となってい
る。特に、最近は集積回路の素子のデザインルールが
０．１５μｍ以下にまで微細化しており、従来では問題
とならなかった０．１０μｍ以下の微細な欠陥まで問題
発生の原因となるようになった。そのため、結晶欠陥の
密度を低下させてデバイス活性領域から結晶欠陥を排除
したり、あるいは欠陥サイズをデバイス特性に影響を与
えないサイズ、一般的にはデザインルールの１／３以下
のサイズにまで微細化したりしなければならない。

【０００３】現在のデバイス製造の上で特に問題となっ
ている結晶成長欠陥は、ボイド及び転位ループである。
ボイドは、結晶成長界面からシリコン単結晶に過飽和に
取りこまれる空孔が凝集して、結晶中に八面体形状の空
洞が形成されたものであり、転位ループは、同様に結晶
成長界面からシリコン単結晶に取りこまれる自己格子間
原子がクラスターを形成したものである。

【０００４】Ｖｏｒｏｎｋｏｖの理論（Ｖ．Ｖ．Ｖｏｒ
ｏｎｋｏｖ；ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧ
ｒｏｗｔｈ，５９（１９８２）６２５−６４３）には、
結晶引上中に空孔あるいは自己格子間原子のどちらが過
飽和になるかは、結晶の引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）
及びシリコンの融点から１３００℃までの温度範囲にお
ける引上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値Ｇ（℃／ｍ
ｍ）の比、Ｖ／Ｇの値により決まるとされている。Ｖ／
Ｇが約０．１６ｍｍ²／℃ｍｉｎ以上であれば、空孔が
過飽和になり、ボイドが発生する。逆に、Ｖ／Ｇが約
０．１４ｍｍ²／℃ｍｉｎ以下であると、自己格子間原
子が過飽和になり、転位ループが発生するようになる。
このボイドが発生する結晶育成条件で育成された結晶部
位は、空孔型欠陥領域と呼ばれ、転位ループが発生する
結晶育成条件で育成された結晶部位は、自己格子間型欠
陥領域と呼ばれる。また、空孔型欠陥領域よりもわずか
にＶ／Ｇが小さな（約０．１５ｍｍ²／℃ｍｉｎ）育成
条件で引き上げた結晶は、酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ：
ＯｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎ
ｇＦａｕｌｔ）の核が発生するため、ＯＳＦ領域と呼
ばれ、さらに、このＯＳＦ領域よりもＶ／Ｇが低くかつ
自己格子間型欠陥領域よりもＶ／Ｇが高い条件で引き上
げた結晶には、欠陥がほとんど見られないため、Ｎ領域
と呼ばれる。

【０００５】この知見によれば、Ｎ領域で結晶を作成す
れば欠陥のほとんど無い結晶が得られることになるが、
従来はシリコン単結晶ウエハ全域がＮ領域となるインゴ
ットを育成することが難しかった。これを解決した発明
として、特開平８−３３０３１６号公報には、チョクラ
ルスキー法で単結晶を育成する際に、引上げ速度をＶ
（ｍｍ／ｍｉｎ）、シリコン融点から１３００℃までの
温度範囲における温度勾配の平均値をＧ（℃／ｍｍ）と
するとき、Ｖ／Ｇ値を結晶中心位置と結晶外周から３０
ｍｍまでの位置との間では０．２０〜０．２２ｍｍ²／
℃ｍｉｎとし、結晶外周から３０ｍｍまでの位置と結晶
外周位置との間では、０．２０〜０．２２ｍｍ²／℃ｍ
ｉｎとするか、若しくは結晶外周に向かって漸次増加さ
せることを特徴とする方法が開示されている。これによ
り得られたシリコン単結晶ウエハは、赤外散乱欠陥、Ｏ
ＳＦリング、転位クラスターをウエハ全面にわたって含
まない。しかしながら、この方法によっても、やはりＶ
／Ｇの許容幅は小さく、工業的に量産するのは技術的に
困難である。また、引上げ速度も従来の８０％程度まで
低速にしなければならず、生産性が低いという問題があ
る。

【０００６】このように、単なる結晶育成条件の改善の
みでは、結晶品質と生産性を両立させることは難しい。
そこで、この問題の解決方法として、新たにシリコン単
結晶に窒素を添加する方法が用いられるようになった。

【０００７】一般に、窒素を添加すると、空孔型欠陥領
域とＯＳＦ領域との境界のＶ／Ｇの値（窒素無添加の場
合は０．１６ｍｍ²／℃・ｍｉｎ）が添加量にしたがっ
て増加し、また自己格子間型欠陥領域とＮ領域との境界
のＶ／Ｇの値（窒素無添加の場合は０．１４ｍｍ²／℃
・ｍｉｎ）が減少することが知られている（１９９９年
春季、第４６回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集
Ｎｏ．１、Ｐ．４７１、２９ａ−ＺＢ−９）。また、窒
素添加結晶特有の欠陥として、結晶成長中に酸素析出物
が発生することが知られている（１９９９年春季、第４
６回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集Ｎｏ．１、
Ｐ．４６８、２９ａ−ＺＢ−２）。

【０００８】特開２０００−７４８６号公報では、チョ
クラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、
単結晶中に６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満の濃
度の酸素と、５×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³超の濃度の
窒素をドーピングするシリコン単結晶の製造方法、及び
単結晶が窒素でドーピングされ、前記単結晶の引上げ速
度をＶ、軸方向の単結晶と融液の間の温度勾配をＧ
（ｒ）としたときのＶ／Ｇ（ｒ）比が、少なくとも一部
において１．３×１０³ｃｍ²ｍｉｎ^-1Ｋ^-1より小さいこ
とを特徴とするシリコン単結晶の製造方法が開示されて
いる。

【０００９】前者の方法では、窒素を添加することによ
り、空孔型欠陥と自己格子間型欠陥を同時に抑制し、酸
素濃度を６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満とする
ことによって、窒素添加により発生するＯＳＦの形成も
大幅に抑制できるが、引上げ条件によっては、結晶中に
１×１０⁸個／ｃｍ³以上の高密度の酸素析出物が発生す
る。この酸素析出物はデバイスプロセスでの繰り返し熱
処理でも消滅せず、ＰＮリークの悪化につながるため、
デバイス作製時に問題となる。後者の方法は、Ｓｉ格子
間欠陥を抑制し、同時にＯＳＦの形成も抑制することが
出来るが、前者と同様、引上げ条件によっては結晶育成
中に１×１０⁸個／ｃｍ³以上の高密度の酸素析出物が発
生し、デバイス作製時に問題となる。従って、両者の方
法ともに結晶品質の改善は不充分である。

【００１０】また、特開２０００−７４９８号公報に
は、窒素添加を行わない場合に、ＯＳＦリングが単結晶
の中央で消滅する結晶引上げ速度をＶ（ｍｍ／ｍｉ
ｎ）、シリコンの融点から１４００℃の間の平均温度勾
配をＧ（Ｋ／ｍｍ）としたときに、結晶の引上げ速度Ｖ
をＶ〜Ｖ＋０．０６２×Ｇの範囲とし、窒素をドープし
ながら結晶を引上げる方法が開示されている。この方法
によれば、結晶の全面から小ピットの排除された結晶を
成長させることができ、酸化膜耐圧特性に優れた極低欠
陥結晶を高生産性と高歩留まりで作製することができ
る。しかしながら、この方法でも、結晶の酸素濃度によ
っては、やはり高密度の酸素析出物が発生し、ＰＮリー
クを悪化させて、デバイスの歩留まりの低下につながる
ため、結晶品質の改善は不充分である。

【００１１】このように、窒素を添加しない場合には、
単なる結晶育成条件の改善のみで結晶品質と生産性を両
立させることは難しい。そこで結晶に窒素を添加する方
法が用いられるようになったが、上記の従来用いられて
いる方法では、窒素添加により結晶育成中に形成される
酸素析出物の発生を防ぐ点について考察がされておら
ず、結晶品質の改善は不充分であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、窒素を添加
したシリコン半導体基板において、窒素濃度、酸素濃度
と結晶育成条件の３つを制御することにより、従来法よ
りも表層無欠陥性に優れ、酸化膜耐圧特性にも優れたシ
リコン半導体基板とその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】我々は、前記目的を達す
るために窒素を添加したシリコン半導体基板の作製方法
について鋭意検討を重ね、以下のような構成により、結
晶品質に優れるシリコン半導体基板とその製造方法を提
供することが出来ることを見出して、本発明を完成させ
たものである。

【００１４】本発明は、窒素を添加した融液からチョク
ラルスキー法により育成したシリコン単結晶から作製さ
れるシリコン半導体基板であって、該基板が２×１０¹⁴
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以
下の窒素濃度、及び１×１０ ¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上
７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）以下の酸
素濃度を含有し、該基板の表面欠陥密度がＦＰＤ≦０．
１個／ｃｍ²、ＳＥＰＤ≦０．１個／ｃｍ²、及びＯＳＦ
≦０．１個／ｃｍ²であり、該基板の内部欠陥密度がＬ
ＳＴＤ≦１×１０⁵個／ｃｍ³であり、かつ該基板の酸化
膜耐圧特性がＴＺＤＢ高Ｃモード合格率≧９０％及びＴ
ＤＤＢ合格率≧９０％以上であることを特徴とするシリ
コン半導体基板である。

【００１５】また本発明は、前記シリコン半導体基板に
おいて、直径換算で１５ｎｍよりも大きい酸素析出物が
存在せず、かつ酸素析出物の大きさに基板深さ方向の分
布が無いことを特徴とする前記記載のシリコン半導体基
板である。

【００１６】また本発明は、空孔型欠陥領域が結晶径の
中心で消滅する引上げ速度をＶ₁（ｍｍ／ｍｉｎ）、自
己格子間型欠陥領域が結晶の外周部に入る引上げ速度を
Ｖ₂（ｍｍ／ｍｉｎ）とした場合に、単結晶の引上げ速
度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）がＶ₁≧Ｖ≧Ｖ₂を満足する条件
で、窒素を添加した融液からチョクラルスキー法により
育成したシリコン単結晶から作製してなるシリコン半導
体基板であって、該基板が、２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素濃度、
及び１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上７×１０¹⁷ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）以下の酸素濃度を含有す
ることを特徴とするシリコン半導体基板である。

【００１７】また本発明は、３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上３×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素を添加
したシリコン融液からチョクラルスキー法により育成し
たシリコン単結晶を加工、研磨してシリコン半導体基板
を製造する方法であって、空孔型欠陥領域が結晶径の中
心で消滅する引上げ速度をＶ₁（ｍｍ／ｍｉｎ）、自己
格子間型欠陥領域が結晶の外周部に入る引上げ速度をＶ
₂（ｍｍ／ｍｉｎ）とした場合に、前記シリコン単結晶
の引上げ速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）がＶ₁≧Ｖ≧Ｖ₂を満足
する条件で育成し、該基板が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以上７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）以
下の酸素濃度を含有することを特徴とするシリコン半導
体基板の製造方法である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【００１９】本発明の具体的な説明を行う前に、まず本
発明の結晶品質評価方法について説明する。

【００２０】ＦＰＤ（ＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＤｅ
ｆｅｃｔ）とは、得られた単結晶ウエハにＳｅｃｃｏエ
ッチングを施し、表面を微分干渉顕微鏡にて観察したと
きに見られるＵ字型のさざ波模様のことをさす。Ｕ字型
の起点となる頂点には、ボイド起因であれば直径数μｍ
の大きさの円形のピットが、転位ループ起因であれば直
径数〜数十μｍの大きさの縁がぎざぎざなピットが見ら
れ、ＦＰＤがボイド起因か転位ループ起因であるかを区
別できる。本願発明においてＦＰＤを評価する際には、
Ｓｅｃｃｏエッチング液としては体積比でＨＦ（４９質
量％）：Ｋ₂Ｃｒ₂Ｏ₇（１／６モル／リットル）＝２：
１の混合比のものを用い、室温にて１０分間エッチング
を行った。微分干渉顕微鏡による表面観察では、ＦＰＤ
としてＵ字型のさざ波模様の起点となる頂点の個数を数
え、観察位置はウエハの中心位置、ウエハ半径をｒとし
た時のウエハ中心からｒ／２の位置、及びウエハエッジ
から１０ｍｍの位置の３点とした。そして、この３点の
平均値をＦＰＤの個数とした。

【００２１】ＳＥＰＤ（ＳｅｃｃｏＥｔｃｈＰｉｔ
Ｄｅｆｅｃｔ）とは、得られた単結晶ウエハにＦＰＤ
と同様のＳｅｃｃｏエッチングを施し、表面を微分干渉
顕微鏡にて観察したときに見られるピットである。この
ピットは、ボイド起因であると考えられている。ＳＥＰ
Ｄを評価する際には、ＦＰＤと同じＳｅｃｃｏエッチン
グを施した後、微分干渉顕微鏡による表面観察で大きさ
５μｍ以上のピットをＳＥＰＤとしてその個数を数え
た。観察位置もＦＰＤの場合と同じ３点とし、この３点
の平均値をＳＥＰＤの個数とした。

【００２２】ＯＳＦとは、得られた単結晶ウエハに水蒸
気酸化を行い、その後、ライトエッチをすることにより
観測される酸化誘起積層欠陥である。ＯＳＦを評価する
際には、１１００℃で６０分の水蒸気酸化を行い、ライ
トエッチを行った。ライトエッチ液は、ＨＦ（４９ｗｔ
％）６０ｍｌ＋ＨＮＯ₃（６３ｗｔ％）３００ｍｌ＋Ｃ
ｒＯ₃（５モル／リットル）３０ｍｌ＋ＣＨ₃ＣＯＯＨ６
０ｍｌ＋Ｃｕ（ＮＯ₃）₂２ｇ＋Ｈ₂Ｏ６０ｍｌの組成の
ものを用い、エッチング時間は９０秒とした。その後、
ウエハ表面を微分干渉顕微鏡で観察し、ＯＳＦの密度を
測定した。

【００２３】ＬＳＴＤ（ＬａｓｅｒＳｃａｔｔｅｒｉ
ｎｇＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＤｅｆｅｃｔ）は、赤外
散乱により結晶欠陥を評価する方法であり、大きさ５０
ｎｍ以上の結晶欠陥を検出することができる。測定は三
井金属製ＬＳＴＤスキャナー（ＭＯ６）を用い、レーザ
ー波長は７００ｎｍで測定した。このレーザー波長で
は、表層から５μｍ深さまでの間に存在する赤外散乱体
の個数を測定できる。このレーザー波長でウエハ全面を
測定し、検出された欠陥の総数をウエハ面積と測定深さ
で割ることにより欠陥密度を求めた。

【００２４】酸化膜耐圧評価では、ＴＺＤＢ（Ｔｉｍｅ
ＺｅｒｏＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗ
ｎ）とＴＤＤＢ（ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＤｉ
ｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）特性を調べ
た。ＴＺＤＢにおける高Ｃモード合格率の測定条件は、
酸化膜厚２５ｎｍ、電極面積２０ｍｍ²、判定電流１０
０ｍＡ／ｃｍ²である。１１ＭＶ／ｃｍ以上で絶縁破壊
するセルの割合を高Ｃモード合格率と定義する。また、
高Ｃモード合格率とは別に、Ｃモード合格率も調べた。
Ｃモード合格率の測定条件は、酸化膜厚２５ｎｍ、電極
面積２０ｍｍ²、判定電流１μＡ／ｃｍ²である。８ＭＶ
／ｃｍ以上で絶縁破壊するセルの割合をＣモード合格率
とする。ＴＤＤＢ特性の測定は、酸化膜厚７ｎｍ、電極
面積２０ｍｍ²であり、５ｍＡ／ｃｍ²のストレス電流を
連続して加えた。電界強度１０ＭＶ／ｃｍを上回った時
点で破壊と判定し、酸化膜がブレークダウンするまでに
酸化膜を通過した電化の総量Ｑ_bd＝２Ｃ／ｃｍ²の時の
歩留まりをＴＤＤＢ合格率とした。

【００２５】酸素析出物のサイズは、作製した試料を任
意の位置から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて測定し、
見られた酸素析出物の最も大きな対角長を酸素析出物サ
イズの直径換算値とした。

【００２６】本発明において、酸素濃度は赤外吸収法に
よりＪＥＩＤＡの換算値（日本電子工業協会出典）を用
いて測定したものであり、窒素濃度は、２次イオン質量
分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて測定し窒素をイオン注入
したリファレンスを基に測定値を換算したものである。

【００２７】以下に、本発明について具体的に説明す
る。

【００２８】本発明者らは、従来の方法のように酸素濃
度と窒素濃度および結晶の育成条件をそれぞれ単独で制
御するのでは無く、酸素濃度および窒素濃度をそれぞれ
特定の濃度範囲にし、かつそれに適した引上げ条件で結
晶を育成することにより、窒素添加による欠陥発生抑制
効果を十分に生かし、同時に窒素添加による酸素析出物
形成を抑えることに成功した。そして、従来は困難であ
った、全ての結晶欠陥の密度をデバイス歩留まりに影響
のない程度に低減し、全ての結晶欠陥のサイズを縮小す
ることができる方法を見出して、本発明を完成させたも
のである。

【００２９】デバイスの歩留まりに影響を与えない欠陥
の密度の条件としては、該基板の表面欠陥密度がＦＰＤ
≦０．１個／ｃｍ²、ＳＥＰＤ≦０．１個／ｃｍ²、及び
ＯＳＦ≦０．１個／ｃｍ²であり、該基板の内部欠陥密
度がＬＳＴＤ≦１×１０⁵個／ｃｍ³であり、かつ該基板
の酸化膜耐圧特性がＴＺＤＢ高Ｃモード合格率≧９０％
及びＴＤＤＢ合格率≧９０％以上であることが必要であ
る。

【００３０】ＦＰＤの正体であるボイドや転位ループ
は、ほぼ確実にデバイスの構造を破壊するため、ＦＰＤ
の密度が０．１個／ｃｍ²よりも大きいと、デバイスの
大きさを例えば１ｃｍ²とすると、この欠陥による歩留
まり落ちは約１０％にも達して、大きな問題となる。ま
た、ＳＥＰＤの正体もボイドであり、ほぼ確実にデバイ
スの構造を破壊するため、ＳＥＰＤの密度が０．１個／
ｃｍ²より大きい場合、デバイスの大きさを１ｃｍ²とし
たときの歩留まり落ちは約１０％に達し、大きな問題と
なる。

【００３１】ＯＳＦは、直径１０μｍにもなる大きな欠
陥であり、確実にデバイスの構造を破壊する。従って、
上記と同様の理由により、０．１個／ｃｍ²以下にしな
ければならない。

【００３２】ＬＳＴＤの正体は、一部ＦＰＤやＳＥＰＤ
として検出される欠陥を含み、その他に酸素析出物も含
まれる。酸素析出物はＰＮリークを悪化させ、歩留まり
落ちの原因となる。ＬＳＴＤ密度が１×１０⁵個／ｃｍ³
よりも大きければ、デバイスの大きさを１ｃｍ²とした
とき、ウエハ表面から深さ１μｍまでに１０個超のＬＳ
ＴＤがある計算になるが、ＬＳＴＤは存在してもそれが
必ずデバイスの構造を破壊するわけではなく、デバイス
素子のどこにＬＳＴＤが存在するかにより、デバイスへ
の影響の大きさは異なる。しかしながら、デバイス活性
層の深さを５μｍとして、活性層中に存在するＬＳＴＤ
の総数が５０個超、即ち、ＬＳＴＤ密度が１×１０⁵個
／ｃｍ³よりも大きければ、大きな問題となる。

【００３３】ＴＺＤＢ高Ｃモード及びＴＤＤＢの合格率
は、単結晶ウエハ表面に形成されたゲート酸化膜の健全
性を示す。従来の酸化膜耐圧の評価では、特開平１１−
１３５５１１号公報や特開平１１−３２２４９１号公報
にあるように、ＴＺＤＢを用いるのが一般的であった。
しかしながら、近年フラッシュメモリの需要の増加に伴
い、高電界でのＴＺＤＢ特性と並んで、長期信頼性、即
ちＴＤＤＢ特性にも優れたウエハが必要となってきてい
る。そこで現在では、高電界でのＴＺＤＢ特性として高
Ｃモード合格率≧９０％、長期信頼性としてＴＤＤＢ合
格率≧９０％以上であることが必要とされている。

【００３４】従って、該基板の表面欠陥密度がＦＰＤ≦
０．１個／ｃｍ²、ＳＥＰＤ≦０．１個／ｃｍ²、及びＯ
ＳＦ≦０．１個／ｃｍ²であり、該基板の内部欠陥密度
がＬＳＴＤ≦１×１０⁵個／ｃｍ³であり、かつ該基板の
酸化膜耐圧特性がＴＺＤＢ高Ｃモード合格率≧９０％及
びＴＤＤＢ合格率≧９０％以上の条件を満たせば、デバ
イス歩留まりに影響を与えない良質のシリコン半導体基
板といえる。

【００３５】上記の欠陥密度を達成し、さらに窒素によ
るボイド欠陥の変容効果を利用して、ボイド欠陥による
デバイス破壊を起こしにくくするためには、窒素濃度を
２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以下にし、かつ酸素濃度を１×１０¹⁷ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³以上７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥＩ
ＤＡ）以下とすることが必要である。

【００３６】まず、窒素の欠陥抑制効果を発揮させるた
めの窒素濃度は、２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２
×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下でなければならない。
窒素濃度が２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも低けれ
ば、窒素添加によるボイドおよび転位ループの抑制効果
は急激に弱くなり、窒素濃度が１×１０¹³ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³にまで低下すると、ボイドもしくは転位ループの
大きさ及び密度は、もはや窒素添加を行わない場合と変
わらない。一方で、窒素濃度が２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³よりも高い場合には、シリコン結晶は有転位化
し、単結晶を育成することが出来ない。よって、窒素濃
度を２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以下の範囲とすることにより、窒素の添
加によるボイドおよび転位ループの抑制効果が充分得ら
れ、かつ転位の無いシリコン単結晶を育成することがで
きる。

【００３７】また、酸素濃度が７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）より大きいと、窒素添加により発
生する酸素析出物のサイズが３０ｎｍ以上となり、かつ
ＬＳＴＤで測定される酸素析出物の密度が１×１０⁸個
／ｃｍ³以上となるため、窒素添加により、かえってデ
バイスの歩留まりが低下するようになる。ただし、酸素
濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）よ
りも低くなると、チョクラルスキー法による単結晶育成
は困難であり、また半導体基板の機械的強度が低下する
ため、実用上問題となる。

【００３８】さらに、酸素濃度が７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³（ＪＥＩＤＡ）以下であっても、デバイスプロ
セスでの繰り返し熱処理によっては、酸素析出物が発生
するようになり、この析出物がデバイスを破壊すること
がある。このような状況を防ぐためには、酸素析出物の
サイズを１５ｎｍ以下にすることが好ましい。酸素析出
物のサイズが１５ｎｍ以下であれば、デバイスの熱処理
によってもウエハ表面の酸素析出物は成長せず、むしろ
消滅するようになるため、歩留まり悪化の原因とならな
い。また本発明の方法を用いることにより、酸素析出物
の大きさに基板深さ方向の分布が無いシリコン半導体基
板を得ることができ、デバイスの各種特性を向上させる
ことが可能である。

【００３９】このような半導体基板を作る方法として
は、例えば以下のような方法を用いることができる。即
ち、窒素濃度２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×１
０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下、酸素濃度１×１０¹⁷ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以上７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＪＥ
ＩＤＡ）以下の範囲の結晶を、ＯＳＦ領域の引上条件で
作成する方法である。このためには、結晶を育成するに
当たって、予めこの窒素濃度、酸素濃度の範囲の結晶
を、引上速度を高速（例えば１．５ｍｍ／ｍｉｎ以上）
から低速（例えば０．２ｍｍ／ｍｉｎ以下）に順次変化
させて作成する。このように結晶を育成すると、図１に
示すような欠陥領域分布が、一本のインゴットの中に発
現する。このとき、引上速度を遅くしていったときに、
空孔型欠陥領域が結晶径の中心で消滅する速度Ｖ₁と、
さらに自己格子間型欠陥領域が結晶の外周部に現れる引
上速度Ｖ₂を求める。欠陥領域の判定基準としては、空
孔型欠陥領域は、ボイド起因のＦＰＤもしくはＳＥＰＤ
の密度が０．１個／ｃｍ²よりも大きい領域とし、自己
格子間型欠陥領域は、転位ループ起因のＦＰＤの密度が
０．１個／ｃｍ²よりも大きい領域とすればよい。この
引上げ速度Ｖ₁とＶ₂との間、即ちＶ₁≧Ｖ≧Ｖ₂なる引上
げ速度Ｖでインゴットを育成することにより、ＯＳＦ領
域の結晶が引上げられ、結晶欠陥の密度が低く、欠陥サ
イズも小さい結晶を得ることが出来る。

【００４０】Ｖ₁より大きい引上げ速度で結晶を引上げ
た結晶では、窒素添加によりボイドのサイズが見かけ上
小さくなっているが、実際には直径０．１μｍ以下の微
細なボイドが１×１０⁷個／ｃｍ³以上の高密度に存在し
ている。従って、Ｖ₁よりも大きい引上げ速度で引き上
げた場合には、結晶中のボイドがデバイスを破壊して、
デバイス歩留まりの低下を引き起こす。

【００４１】Ｖ₂より小さい引上げ速度で引上げた結晶
は、窒素添加により転位ループのサイズが小さくなって
いるが、実際には微細な転位ループが１×１０⁵個／ｃ
ｍ³以上の高密度に存在している。従って、Ｖ₂よりも小
さいＶで引上げた場合は、この転位ループがデバイスを
破壊し、歩留まりの低下を引き起こす。

【００４２】融液に窒素を添加するための具体的な方法
としては、以下のような公知の方法によれば良い。すな
わち、原料融液に窒化珪素を添加する特開昭６０-２５
１１９０号公報に記載されている方法や、特開平５-２
９４７８０号公報に示された窒素ガス雰囲気中で多結晶
原料を溶解する方法、あるいはその多結晶原料に窒素を
添加したＦＺシリコンや表面に窒化珪素膜を形成したウ
エハを混入する方法などを用いれば良い。本発明の必要
条件である、窒素濃度２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以
上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下のシリコン半導体
基板を得るためには、３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以
上３×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素を添加した
シリコン融液から、チョクラルスキー法により結晶を育
成すればよい。

【００４３】また、酸素析出物のサイズの微小化は、結
晶が室温まで冷却される速度を速めることにより実現で
きる。特に、１２００℃以下、より好ましくは１１５０
℃以下から８００℃までの冷却速度を速め、１１５０℃
から室温までの酸素の拡散距離（Ｄｔ）^1/2が３μｍ以
下になるようにすればよい。ここで、Ｄは酸素の拡散係
数であり、Ｄ（Ｔ）＝０．１３ｅｘｐ（−２．５３／ｋ
Ｔ）ｃｍ²／ｓｅｃであり、ｋはボルツマン定数であ
り、Ｔは結晶の温度であり、冷却時間ｔの関数Ｔ（ｔ）
として表される。従って、上記（Ｄｔ）^1/2は、各時間
の（Ｄｔ）^1/2を１１５０℃から室温まで結晶が冷却す
る時間全体に渡って、積分することにより求められる。

【００４４】

【実施例】チョクラルスキー法により以下の１）〜６）
の結晶を引き上げた。いずれの結晶も、同一の引上げ炉
を用いて育成した。約４０ｋｇのシリコン原料を溶解
し、直径１５５ｍｍの約３０ｋｇのインゴットを作成
し、ｐ型１０Ωｃｍの（１００）Ｓｉ単結晶を得た。

【００４５】窒素の添加は、ノンドープのシリコンウエ
ハにＣＶＤ法により窒化膜を形成し、原料の溶解時に同
時に溶かすことにより実施した。結晶中の酸素濃度は、
赤外吸収法により、ＪＥＩＤＡの換算値を用いて測定し
た。結晶中の窒素濃度は、２次イオン質量分析装置（Ｓ
ＩＭＳ）を用いて測定し、窒素をイオン注入したリファ
レンスを基に測定値を換算した。なお、以下において
は、当該窒素濃度の結晶に対しＳｅｃｃｏエッチングを
したときに、ボイド起因のＦＰＤもしくはＳＥＰＤが
０．１個／ｃｍ²よりも多く見られる領域がウエハ中心
で消滅する引上げ速度をＶ₁（ｍｍ／ｍｉｎ）とし、転
位ループ起因のＦＰＤが０．１個／ｃｍ²よりも多く見
られる領域がウエハエッジへと入ってくる速度をＶ
₂（ｍｍ／ｍｉｎ）とする。

【００４６】１）窒素添加を行わず、チョクラルスキー
法で単結晶を育成した。酸素濃度を６．６〜７．０×１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および２．０〜２．５×１０¹⁷
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の２通りとし、結晶の引上げ速度Ｖ
を１．００ｍｍ／ｍｉｎとした。このとき、Ｖ₁は０．
３０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ₂は０．３５ｍｍ／ｍｉｎであ
り、Ｖ₁以下Ｖ₂以上の範囲となるＶは存在しなかった。

【００４７】２）原料融液中に、窒素を１．４×１０¹⁷
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し、単結晶を育成した。結晶の
窒素濃度をＳＩＭＳで測定したところ、窒素濃度は、結
晶中に１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。酸素濃
度を６．６〜７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および
２．０〜２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の２通りと
し、結晶の引上げ速度Ｖを０．６０ｍｍ／ｍｉｎとし
た。当該窒素濃度でのＶ₁は１．０５ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ₂
は０．２３ｍｍ／ｍｉｎであった。

【００４８】３）原料融液中に、窒素を３×１０¹⁷ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³添加し、単結晶を育成した。結晶の窒素
濃度をＳＩＭＳで測定したところ、窒素濃度は、結晶中
に２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。酸素濃度を
６．６〜７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および２．
０〜２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の２通りとし、
結晶の引上げ速度Ｖを１．４５、１．４０、０．８０、
０．２１及び０．２０ｍｍ／ｍｉｎの５通りとした。当
該窒素濃度でのＶ₁は１．４０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ₂は０．
２１ｍｍ／ｍｉｎであった。

【００４９】４）原料融液中に、窒素を１．４×１０¹⁸
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し、単結晶を育成した。結晶の
窒素濃度をＳＩＭＳで測定したところ、窒素濃度は、結
晶中に１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。酸素濃
度を６．６〜７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および
２．０〜２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の２通りと
し、結晶の引上げ速度Ｖを１．５０、０．８０、０．０
７及び０．０５ｍｍ／ｍｉｎの４通りとした。また、酸
素濃度を７．１〜７．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³と
し、結晶の引上げ速度Ｖを１．００ｍｍ／ｍｉｎの結晶
も育成した。当該窒素濃度でのＶ₁は１．５０ｍｍ／ｍ
ｉｎ超、Ｖ₂は０．０７ｍｍ／ｍｉｎであった。

【００５０】５）原料融液中に、窒素を３×１０¹⁹ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³添加し、単結晶を育成した。結晶の窒素
濃度をＳＩＭＳで測定したところ、窒素濃度は、結晶中
に２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となった。酸素濃度を
６．６〜７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および２．
０〜２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の２通りとし、
結晶の引上げ速度Ｖを１．５０、０．８０及び０．１０
ｍｍ／ｍｉｎの３通りとした。当該窒素濃度でのＶ₁は
１．５０ｍｍ／ｍｉｎ超、Ｖ₂は０．０５ｍｍ／ｍｉｎ
より小さかった。

【００５１】６）原料融液中に、窒素を３．０×１０¹⁹
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³添加し、結晶を育成しようと試みた
が、酸素濃度を７．１〜７．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³、６．６〜７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および
２．０〜２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の３通りと
も、育成途中で有転位化し、単結晶を引上げることがで
きなかった。平衡偏析係数から有転位化したときの窒素
の濃度を計算すると、結晶中に２．１×１０¹⁶ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³となった。

【００５２】上記のような酸素濃度、窒素濃度と引上げ
速度の組み合わせで、単結晶を育成し、これらを通常の
加工工程を経て、単結晶棒からミラーウエハへと加工し
た。

【００５３】上記各ウエハに対するＦＰＤ密度、ＳＥＰ
Ｄ密度、ＯＳＦ密度、ＬＳＴＤ、析出物サイズ、酸化膜
耐圧の各評価は、全て発明実施の形態において説明した
方法で行った。

【００５４】以上の評価結果について、表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】表１のＮｏ．１は、酸素濃度が７．５×１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である以外は、窒素濃度及び引
上げ速度について、本発明の条件を満たしている。しか
しながら、酸化膜耐圧評価では、ＴＺＤＢ高Ｃモードあ
るいはＴＤＤＢのいずれも９０％より低く、結晶品質は
充分改善していない。

【００５７】表１のＮｏ．２〜Ｎｏ．１５のように、酸
素濃度を７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に低下させ
ると、実施例の範囲内では、酸化膜耐圧の高Ｃモード合
格率およびＴＤＤＢ合格率は、ともに９０％以上の高い
値を示す。これは、酸素濃度を低下させたことにより、
酸素析出物の形成を抑制し、直径１５ｎｍ以下の大きさ
まで酸素析出物が微細化して、酸化膜耐圧を悪化させな
くなったためである。窒素濃度が２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³より低い場合には、ボイドもしくは転位ループ
を十分抑制できず、残留したボイドもしくは転位ループ
が酸化膜耐圧特性やリーク特性を悪化させ、デバイス歩
留まりの低下を引き起こす。また、窒素濃度が２×１０
¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であっても、実施例よりもＶ
の大きいものではボイドが、また実施例よりもＶの小さ
いものでは転位ループが、結晶中に残留し、これが酸化
膜耐圧特性やリーク特性を悪化させて、デバイス歩留ま
り低下の原因となる。このため、実施例よりもＶの大き
いもの、もしくは小さいものの双方で、酸化膜耐圧評価
におけるＴＺＤＢ高Ｃモード合格率およびＴＤＤＢ合格
率は、いずれも９０％より低くなっている。

【００５８】表のＮｏ．１６〜Ｎｏ．２９に示したよう
に、酸素濃度をさらに低下させて２．０〜２．５×１０
¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすると、もはや酸素析出物は見
られなくなり、結晶品質はさらに良好となり、酸化膜耐
圧はＴＺＤＢ高Ｃモード合格率、ＴＤＤＢ合格率とも１
００％となる。

【００５９】以上より、全ての評価で良好な結晶品質を
示すのは、本発明による請求項の範囲内にある水準のも
のだけであった。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒素を添加した融液からチョクラルスキー法により、酸
素濃度、引上げ条件を制御しつつ、育成されたシリコン
単結晶をウエハに加工することにより、表層無欠陥性に
優れ、かつ酸化膜耐圧特性にも優れたシリコン半導体基
板を得ることができる。また、本発明により、将来のデ
ザインルール微細化に対応する結晶品質を持つシリコン
半導体基板を、従来の製造コストと比較しても、大幅な
上昇をさせることなく生産することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒素添加シリコン融液から、引上速度を高速
から低速に順次変化させてシリコン単結晶を育成した時
の、結晶軸を含む平面での欠陥分布を示す模式図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大橋渡千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者田中正博千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者中居克彦千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者出合博之千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者太田泰光千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF10 EC10 EH09 HA12 5F053 AA12 AA43 BB24 BB57 FF05 GG01 HH04 KK10 RR03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒素を添加した融液からチョクラルスキ
ー法により育成したシリコン単結晶から作製されるシリ
コン半導体基板であって、該基板が２×１０ ¹⁴ａｔｏｍ
ｓ／ｃｍ³以上２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素
濃度、及び１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上７×１０
¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の酸素濃度を含有し、該基板
の表面欠陥密度が、ＦＰＤ≦０．１個／ｃｍ²、ＳＥＰ
Ｄ≦０．１個／ｃｍ²、及びＯＳＦ≦０．１個／ｃｍ²で
あり、該基板の内部欠陥密度がＬＳＴＤ≦１×１０⁵個
／ｃｍ³であり、かつ該基板の酸化膜耐圧特性が、ＴＺ
ＤＢ高Ｃモード合格率≧９０％、及びＴＤＤＢ合格率≧
９０％以上であることを特徴とするシリコン半導体基
板。
【請求項２】前記シリコン半導体基板において、直径
換算で１５ｎｍよりも大きい酸素析出物が存在せず、か
つ酸素析出物の大きさに基板深さ方向の分布が無いこと
を特徴とする請求項１記載のシリコン半導体基板。
【請求項３】空孔型欠陥領域が結晶径の中心で消滅す
る引上げ速度をＶ₁（ｍｍ／ｍｉｎ）、自己格子間型欠
陥領域が結晶の外周部に入る引上げ速度をＶ ₂（ｍｍ／
ｍｉｎ）とした場合に、単結晶の引上げ速度Ｖ（ｍｍ／
ｍｉｎ）がＶ₁≧Ｖ≧Ｖ₂を満足する条件で、窒素を添加
した融液からチョクラルスキー法により育成したシリコ
ン単結晶から作製してなるシリコン半導体基板であっ
て、該基板が、２×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上２×
１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素濃度、及び１×１
０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³以下の酸素濃度を含有することを特徴とするシリコ
ン半導体基板。
【請求項４】３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上３×
１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素を添加したシリコ
ン融液からチョクラルスキー法により育成したシリコン
単結晶を加工、研磨してシリコン半導体基板を製造する
方法であって、空孔型欠陥領域が結晶径の中心で消滅す
る引上げ速度をＶ₁（ｍｍ／ｍｉｎ）、自己格子間型欠
陥領域が結晶の外周部に入る引上げ速度をＶ₂（ｍｍ／
ｍｉｎ）とした場合に、前記シリコン単結晶の引上げ速
度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）がＶ₁≧Ｖ≧Ｖ₂を満足する条件で
育成し、該基板が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上７
×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の酸素濃度を含有する
ことを特徴とするシリコン半導体基板の製造方法。