JP2011153069A - シリコンウエハ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ウエハを提供する。また、前記シリコンウエハの製造方法を提供する。
【解決手段】窒素及び水素を含有するシリコンウエハであって、泡状のボイド集合体を構
成する複数のボイドが、総ボイド数の50%以上存在し、ボイド密度が2×104/cm
3を超えて1×105/cm3未満であるV1領域が、前記シリコンウエハの総面積中2
0%以下を占め、ボイド密度が5×102〜2×104/cm3であるV2領域が、前記
シリコンウエハの総面積中80%以上を占め、並びに、内部微小欠陥密度が5×108/
cm3以上であることを特徴とするシリコンウエハである。
【選択図】図1
Description
使用し、窒素、水素、および炭素をドープして研磨(ミラー加工)したシリコンウエハ(
ミラーウエハ)、及びその製造方法に関する。
した融液の自由表面から結晶育成ができる点、(2)比抵抗の調整に必要な不純物の添加
・調整が容易であるが不純物種類による固有の偏析係数での軸方向濃度勾配を伴う点、(
3)金属不純物のゲッターに効果のある酸素が必然的にるつぼの溶解で付与でき、かつ酸
素濃度やドーパント濃度の制御も引上げ条件制御で可能である点、(4)育成に必要な石
英るつぼや黒鉛部品などの高純度化と大型化への取組みが可能である点、(5)大口径結
晶化への取組みが無転位結晶と装置の大型化で比較的容易である点などが挙げられる。し
たがって、チョクラルスキー法(CZ法)によるシリコン単結晶は、大型の単結晶を製造
しやすい為、LSI用基板として使用される傾向にあることから、シリコン結晶の品質に
対しては厳しい品質管理が要求されている。
ス製造プロセスにおいて誘起される酸素析出物と転位、積層欠陥などがデバイス特性を劣
化させるが、一方では重金属のゲッタリングサイトや基板の機械的強度増加などに有効に
活用できることも明らかにされ、現在では必要不可欠な不純物とされ、これらの結晶欠陥
の制御は非常に重要な課題である。
n欠陥の密度またはサイズを制御したウエハを製造する様々な試みがなされており、例え
ば、特許文献1では、シリコン結晶を製造する際に、当該単結晶中の窒素が1×1012
〜5×1014atoms/cm3以下とし、且つ育成装置内の雰囲気ガス中の水素分圧を40〜400Pa以下とすることでGrown−in欠陥を存在させない無欠陥領域がウエハ面全面に拡大され、かつ内部にはゲッタリング作用を有するBMD(または、内部微小欠陥とも称する。)を十分に有するシリコン単結晶を製造する旨を開示している。
row−in欠陥が少なく、酸化膜耐圧特性に優れ、Cモード特性の高い(高Cモード合
格率の良好な)シリコン結晶で構成されるシリコンウエハを提供することである。また、
本発明の他の目的は、前記シリコンウエハの製造方法を提供することである。
度で添加することにより、酸化膜耐圧特性に優れ、Cモード特性の高い(高Cモード合格
率の良好な)シリコン結晶(単結晶シリコン)が得られることを見出した。
を所定濃度以上添加しない場合は、シリコン融液中の水素量をどんなに上げてもOSFが
消えないことを見出した。
点より、シリコン結晶を急冷する操作が行われている。しかし、従来の急冷処理では、温
度勾配も引上げ速度も共に大きくするのが一般的である。その一方、本発明者らは試行錯
誤の結果、「急冷」に際し、引上げ速度は従来と同様の大きさとする反面、温度勾配を非
常に限られた所定の範囲とすることによって、ボイド密度を有意に小さくし、且つボイド
集合体の形状が泡状となって半導体デバイスに影響を及ぼさないことを見出した。
ンウエハであって、泡状のボイド集合体を構成する複数のボイドが、総ボイド数に対して
50%以上存在し、ボイド密度が2×104/cm3を超えて1×105/cm3未満であるV1領域が、前記シリコンウエハの総面積中20%以下を占め、ボイド密度が5×102〜2×104/cm3であるV2領域が、前記シリコンウエハの総面積中80%以上を占め、並びに、内部微小欠陥密度が5×108/cm3以上であることを特徴とする、シリコンウエハに係る。
化膜耐圧特性に優れ、Cモード特性の高い(高Cモード合格率の良好な)シリコン結晶で
構成された、半導体デバイスに好適に使用可能な高品質のシリコンウエハ(ミラーウエハ
)が得られる。また、シリコン結晶の引き上げ速度を一層大きくすることができるので、
生産性も有意に向上しうる。
、当該図面は概略的なものであって、本発明の理解の一助とするために、寸法及び形状の
比例関係並びに構成などを誇張しつつ描いている。したがって、当該図面は現実のものと
相違する。
ド集合体を構成する複数のボイドが、総ボイド数に対して50%以上存在し、ボイド密度
が2×104/cm3を超えて1×105/cm3未満であるV1領域が、前記シリコンウエハの総面積中20%以下を占め、ボイド密度が5×102〜2×104/cm3であるV2領域が、前記シリコンウエハの総面積中80%以上を占め、並びに、内部微小欠陥密度が5×108/cm3以上であることを特徴とするシリコンウエハである。
耐圧特性に優れ、Cモード特性の高い(高Cモード合格率の良好な)シリコン結晶で構成
されたシリコンウエハ(ミラーウエハ)を得られる。
、結晶欠陥の発生への影響を概略的に示した、シリコン結晶の断面図である(「急冷」処
理については後述する)。より詳細には、図1に示されたシリコン結晶は、縦方向で見た
際に、上に行けば行くほど、引き上げ速度が大きいことを表している。また、図1の[A]はドープ無しの区分、[B]は窒素ドープのみ有りの区分、[C]は水素ドープのみ有りの区分、[D]は窒素ドープ有り及び「急冷」処理有りの区分、[E]は窒素及び水素ドープ有り、並びに「急冷」処理有り、そして[F]は窒素、水素及び炭素ドープあり、並びに「急冷」処理有りの区分をそれぞれ示している。図1の[A]〜[F]はいずれも、ボイドを有するV領域(シリコン原子の不足から発生する凹部、すなわち空孔の多い領域)、OSF領域(酸化した時にシリコンに注入される格子間シリコンにより発生する積層欠陥領域)、Pv領域、Pi領域、及びI領域(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や余分なシリコン原子の塊が多い領域)を有する。そして、図1の[A]〜[D]と[E]、[F]とではボイドの形状が異なる上、図1のうち[D]、[E]と[F]がV領域の一部に特殊なV1領域及びV2領域を有するという特徴がある。図1の[A]〜[F]の各処理の有無を下記表1にまとめる。
て1×105/cm3未満の範囲の領域をいい、「V2領域」とは、ボイド密度が5×1
02〜2×104/cm3の範囲の領域をいう。
1}面を有する八面体であることが明らかとなっている(図1ではスクエアの記号で表示
)。チョクラルスキー法で製造される結晶径が200mm以上のシリコン結晶では、八面
体ボイドのサイズは100〜300nm程度である。かかる八面体状のボイドはデバイス
性能、特に酸化膜耐圧特性の低下に大きく影響し得る。
状のボイド集合体(図1では3個の円の記号で表示)が存在する。そして、かかる泡状の
ボイド集合体に含まれるボイドの個数が、総ボイド数に対して50%以上存在する(図1
の(E)、及び[F])。ここで、前記「総ボイド数」とは、泡状のボイド集合体に含まれるボイドと含まれないボイドとの合計の数を表す。
3以上であり、好ましくは1×109/cm3以上であり、より好ましくは5×109/cm3以上である。なお、上記BMD密度は、正確には熱処理後のBMD密度を意味する。かような範囲内にある場合、十分なゲッタリング能力が得られる。
るシリコンウエハの製造方法である。
105/cm3未満の領域)、V2領域(ボイド密度が5×102〜2×104/cm3の領域)、及びOSF領域のサイズ(幅)を制御することにより行う。なお、上記の引上炉は、本発明における結晶の育成条件を実施することができるものであれば、特に制限はない。また、引き上げ速度の制御については後述する。
所定濃度添加(ドープ)する点、結晶引き上げの際に所定の温度勾配及び引上げ速度で急
冷処理する点、並びにボイド密度が所定の範囲内に存するように調節する点を一体不可分
として有することを技術上の意義とする。また、必要によりシリコン結晶の直径及び結晶
引上炉内の圧力を所定の値とするとよい。
所定の温度勾配及び速度で「急冷」処理すること)により、OSF領域を縮小化(shr
ink)することができる。その結果、OSF領域に存在しうる何らかの微小欠陥を排除
することができる。これにより、ゲッタリングサイトとしてのBMD濃度を所定量維持し
つつ、かつ酸化膜耐圧特性に優れ、Cモード特性の高いシリコンウエハを製造することが
できる。換言すれば、OSF領域の縮小化に伴い、OSF領域と交わることのない低ボイ
ド密度領域を広範囲に亘って出現させることができる。そして、本発明に係るシリコン結
晶またはシリコンウエハ製造方法により得られるシリコンウエハの大部分は、かかる低ボ
イド密度領域であり、縮小したOSF領域が僅かに存在する(図1の(F)のシリコンウ
エハの端部)。
炭素及び水素を所定濃度添加し、且つ所定の温度勾配及び引上げ速度で「急冷」処理すること)により、ボイドの形状を従来の八面体状ではなく泡状にし、結果として相当程度に無害化することができる。前記「無害化」とは、ボイドがデバイスにおいて実質的に悪影響を及ぼさないことを意味する。したがって、酸化膜耐圧特性に優れ、Cモード特性の高いシリコンウエハを製造することができる。さらにかかる場合、引き上げ速度(V)が有意に大きくなるため、生産性も有意に向上しうる。
分圧が35Pa以上の場合、泡状ボイドの比率が60%以上となる。また、前記分圧が6
0Pa以下であると、OSF領域とV2領域との重複がなくなるため、得られるシリコン
ウエハ中の大部分の領域の高Cモード合格率を80%以上とすることができる。
明する前に、当該急冷処理を実施することのできる単結晶製造装置および当該装置を用い
たシリコン結晶およびシリコンウエハの製造方法の好ましい実施形態の一例について、例
を挙げて説明する。図6は、本発明に用いる単結晶製造装置の一例を示す概略断面図であ
る。図6に示す単結晶製造装置は、半導体材料を溶融するための部材や成長した単結晶を
引き上げる機構などを有しており、半導体材料溶融のための部材は加熱チャンバ2a内に
収容され、単結晶を引き上げる機構は、この加熱チャンバ2aから分離可能とされた上部
構造体の一部を構成する引き上げチャンバ2bの内部および外部に設けられている。この
上部構造体は、中間チャンバ2cも有している。
体22を構成する材料としては、熱伝導率および熱輻射率の大きい物質、例えば、銀、銀
合金、カーボンや銅などから選択することができるが、熱伝導率が高く同時に溶融液や単
結晶を汚染する懸念のない材料として、銀又は銀合金を用いると最も好ましい。銅または
銅合金の表面に金又は銀もしくはそれらの合金をコーティングする方法を採用することも
できる。
着接合された爆着接合部25を構成している。爆着においては、接合する材料同士を適当
な間隔を開けて平行に配置する。一方の材料の上に緩衝材を介して適当な量の爆薬を載せ
、その一端を***によって起爆すると、爆発の進行と共に両材料が衝突し、衝突点では両
方の金属が非常に大きな変形速度と高圧によって粘性流体的な挙動を示し、衝突点から前
方に金属の噴流が発生する。この金属ジェットによって金属表面の酸化皮膜やガスの吸着
層が除去されるため、現れた清浄表面が高圧によって密着し、両材料は完全に金属組織的
に接合する。
あるにもかかわらず良好な接合部を形成し、さらに接触面積のうちの接触率をほぼ100
%に確保することができる。そのため、冷却体22から液冷構造体21への伝熱が極めて
良好となり、冷却体22の温度を低下させることが可能になる。冷却体22は、成長する
単結晶Sの中心軸に対して略回転対称形状をなしてルツボや溶融液Lから単結晶Sへの輻
射熱を遮断する位置に配置され、冷却体22の上端部において液冷構造体21と接合して
いる。
5の接触面積は、冷却体本体の断面積とほぼ等しい面積を有している。冷却体22の表面
性状については、単結晶Sに対向する冷却体22の内側を黒くすることにより、入射した
熱放射を吸収することができる。また、ルツボや冷却体22の外側は、入射した熱放射を反射するように反射率の高い表面とすることができる。
の側壁部と加熱チャンバ2aとの間に配置されている。
却体22を爆着した液冷構造体21とを有する上部構造体を加熱チャンバ2aから分離し
、ルツボに原料となるシリコン多結晶体と非常に微量のドーパントとなる不純物とを投入
して、その後、上部構造体を加熱チャンバ2aに再び取り付ける。この状態で加熱ヒータ
4を加熱してルツボ内の半導体材料が溶融されるのを待つ。半導体材料が溶融状態となっ
たら、ワイヤ巻き上げ機11を作動させて引き上げワイヤ8を下ろし、チャック10に取
り付けられた種結晶9が溶融液L表面に接するようにする。この状態で、種結晶9に単結
晶Sが成長し始めると、今度はワイヤ巻き上げ機11を所定の速度で引き上げて単結晶S
を成長させていく。
からの輻射光は、高熱伝導率材からなる冷却体22に入射する。このとき冷却体22は、
液体冷媒で冷却された液冷構造体21と爆着接合されており、低温に保たれているため、
単結晶Sとの輻射熱交換が良くなり、単結晶Sの冷却速度を向上させることが可能になる
。併せて、引き上げ中の単結晶Sを急冷することができるので、単結晶Sの結晶欠陥の発
生がきわめて少なくなる。
御は、V1領域及びV2領域並びにOSF領域のサイズ(幅)を制御することにより行う
。V1領域及びV2領域のサイズ(幅)の制御は、上記した通りである。OSF領域のサ
イズ(幅)の制御は、上述したOSF領域の縮小化(shrink)に因る。
して実施する。本発明に係るシリコン結晶を切り出して得たシリコンウエハの表面に、1
000℃の乾燥酸素雰囲気で25nmの酸化膜を形成し、酸化膜耐圧を測定する。耐圧測
定に用いた電極は、ウエハ面内に164個であって面積20mm2のポリシリコン電極で
ある。判定電流100mA、且つ電界強度11MV/cm以上の耐圧性を示す電極の割合
を高Cモード合格率と定義し、高Cモード合格率70%以上をデバイス性能との関係から
「良好」と判定する。
stal Growth,59(1982)625〜643)によれば、結晶引き上げ速
度(V)と結晶成長軸方向の平均温度勾配(G)の比であるV/Gというパラメータが微
小欠陥(点欠陥)のタイプとトータルの濃度とを決定する。ここで、Gは融点から135
0℃までの結晶成長軸方向の平均温度勾配である。したがって、V/Gを算出することに
よっても本実施形態における結晶引き上げ速度の制御を規定できるため、以下、説明する。
シリコン結晶製造装置を用いてシリコン単結晶の引き上げを行った。本実施例に用いた
シリコン結晶製造装置は、図6に示す冷却体22を有する単結晶製造装置である。かかる
装置は、通常のCZ法によるシリコン結晶製造に用いられ、上記の装置を用いてルツボ直
径は22インチ、ルツボに挿入するシリコン半導体材料は100kgであり、成長する単
結晶Sは8インチ結晶であった。
度勾配を4℃/mmとし、引上炉2における当該温度勾配を5℃/mmとし、引上炉3に
おける当該温度勾配を3℃/mmとした。各実施例及び各比較例における上記引上炉の種
類(表3中の項目「引上炉」)、及び当該温度勾配は、下記の表3に記載した。
結晶径(直径)が200mm(8インチ)であった。
添加は、シリコン融液中に炭素粉を投入することによって行った。引上げた結晶をスライ
スして得られたシリコンウエハの窒素濃度は、二次イオン質量分析装置(SIMS)を用
いて測定した。酸素及び炭素濃度は、赤外吸収法により測定し、換算係数としてJEIT
A(電子情報技術産業協会)の値を使った。すなわち、格子間酸素濃度の換算係数は3.
03×1017/cm2、炭素濃度の換算係数は8.1×1016/cm2である。
いて測定できないため、以下の数式により求めた窒素濃度を使用した。かかる数式につい
て以下、詳細に説明する。
方法を使用することができ、例えば、シリコン原料溶解中に窒素ガスを導入する方法や、
窒化物をCVD法等によって堆積させたシリコン基板を原料溶解中に混入させる方法等が
挙げられる。また、シリコン融液の凝固後の結晶中に取り込まれる不純物の融液中濃度に
対する比率である偏析係数kは窒素の場合7×10−4である(W. Zulehner and D. Huber, Crystal Growth, Properties and Applications, p28, Springer−Verlag, New York, 1982)。
こで、シリコン結晶の固化率(g)は、
なお、V/Gは、(V/G)critに対する比率で表すこととする。これにより、この単結晶の同一部位から基板を複数枚切り出し、ミラー加工し、目的のシリコンウエハを得た。
果、ボイドが発生して形成される領域である。そこでシリコンウエハのV領域は、具体的
には、前記ボイドの密度で規定することができる。
そして、上述のように、ボイドの体積密度を算出し、V1領域及びV2領域を決定した。
このようにして決定したV1領域及びV2領域の内径及び外径[cm]を下記表3に記載
した。
0℃で1時間、水蒸気含有酸素雰囲気中で酸化処理した。その後、フッ酸で酸化膜を除去
し、それからライトエッチ液にて1.5μmエッチングし、表面に発生した楕円状、半月
状または棒状のOSFピットを光学顕微鏡で観察した。OSF面積密度[個/cm2]は、光学顕微鏡にて直径2.5mmの視野でウエハの直径方向を走査してOSFピット個数をカウントし、「OSFピット個数/観察面積」で求めた。OSF面積密度が100個/cm2以上となる領域をOSF領域とした。このようにして決定したOSF領域の内径及び外径[cm]を下記表3に記載した。
酸素濃度、窒素濃度、炭素濃度、引き上げ速度、およびV/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
窒素濃度、酸素濃度、炭素濃度、引き上げ速度、およびV/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
窒素濃度、炭素濃度、引き上げ速度、およびV/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
炭素濃度、酸素濃度、引き上げ速度、水素分圧およびV/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
炭素濃度、酸素濃度、引き上げ速度、水素分圧およびV/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
酸素濃度、炭素濃度、引き上げ速度、V/Gの最小値及び最大値を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
酸素濃度、炭素濃度、引き上げ速度、V/Gの最小値及び最大値、引上炉、および温度勾配を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
酸素濃度、炭素濃度、水素濃度、引き上げ速度、V/Gの最小値及び最大値、引上炉、水素分圧および温度勾配を下記表3に記載した条件で行った点以外は、実施例1と同様にして行った。
2b 引き上げチャンバ、
2c 中間チャンバ、
3a 石英ルツボ、
3b 黒鉛製ルツボ、
4 加熱ヒータ、
5 回転軸、
8 引き上げワイヤ、ワイヤ巻き上げ機、
9 種結晶、
10 チャック、
11 ワイヤ巻き上げ機、
12 断熱材、
13 ガス導入口、
14 ガス排出口、
21 液冷構造体、
22 冷却体、
25 爆着接合部、
L 溶融液、
S 単結晶、
41 八面体状のボイド、
42 泡状のボイドの集合体、
43 泡状のボイドの集合体を構成するボイド、
44 アスペクト比2以上のボイド、
410 酸化膜、
411 シリコンウエハ。
Claims (3)
- シリコン結晶中の窒素濃度を3×1013〜3×1015atoms/cm3とし、
シリコン結晶中の炭素濃度を1×1015〜9×1015atoms/cm3とし、
結晶引上炉内の水素分圧を3〜60Paとし、
前記シリコン結晶を引き上げる際の1100〜1200℃における前記シリコン結晶の
長手方向の温度勾配を3.5℃/mm以上とし、並びに、
結晶引き上げ速度の上限値として、ボイド密度が2×104/cm3を超えて1×10
5/cm3未満であるV1領域が前記シリコンウエハの総面積の20%となり、且つ結晶引き上げ速度の下限値として、ボイド密度が5×102〜2×104/cm3であるV2領域が前記シリコンウエハの総面積の80%となるように制御することによって、引き上げることを特徴とする、シリコン結晶の製造方法。 - シリコン結晶中の酸素濃度を7×1017atoms/cm3(JEITA、換算係数
3.03×1017/cm2)以下にすることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。 - 窒素、水素、および炭素を含有するシリコンウエハであって、
泡状のボイド集合体を構成する複数のボイドが、総ボイド数に対して50%以上存在し
、
ボイド密度が2×104/cm3を超えて1×105/cm3未満であるV1領域が、
前記シリコンウエハの総面積中20%以下を占め、
ボイド密度が5×102〜2×104/cm3であるV2領域が、前記シリコンウエハ
の総面積中80%以上を占め、並びに、
内部微小欠陥密度が5×108/cm3以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載のシリコン結晶から切り出されたシリコンウエハ。
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