KR101020436B1

KR101020436B1 - 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101020436B1
Application number: KR1020080042402A
Authority: KR
Inventors: 도시아키 오노; 다카유키 기하라
Original assignee: 가부시키가이샤 섬코
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2011-03-08
Also published as: DE102008022747A1; KR20080103414A; TWI390091B; US20080292523A1; TW200925341A; DE102008022747B4

Abstract

박막 디바이스에 대해서도 게터링 효과가 유효하게 발휘되는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법을 제공한다.

초크랄스키법에 의해 육성된 단결정으로부터 가공된 실리콘 웨이퍼로서, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상인 웨이퍼에, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시한다.

Description

실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법{SILICON SINGLE CRYSTAL WAFER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은, 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 박막 디바이스에도 적합한 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 게터링 능력이 뛰어난 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법으로서, 비산화성 분위기에서 1100℃ 이상의 온도에서 열처리함으로써, 어닐 웨이퍼 표층 가까이의 COP(Crystal Originated Particle)를 소멸시키는 것이 제안되고 있다(특허 문헌 1 참조).

다만 이 방법에 의하면, 산소의 바깥쪽 확산도 동시에 일어나기 때문에, 이 방법에 의해 얻어지는 웨이퍼에 있어서는, 산소 석출물(BMD)이 존재하지 않는 영역이 웨이퍼 표면으로부터 10㎛ 이상 형성되게 된다.

그런데, 반도체 디바이스는, 최근 점점 디바이스 자체의 박막화가 진행되고, 이것에 수반하여 전술한 게터링층이 보다 디바이스 활성층에 가까운 영역에 존재하는 웨이퍼가 요구되고 있다.

그러나, 상기 종래의 제조 방법에서는, 게터링 능력을 향상시키기 위한 열처 리에 의해서, 산소 석출물이 존재하지 않는 영역이 웨이퍼 표면으로부터 10㎛ 이상이나 형성되므로, 박막 디바이스에 있어서도 게터링 효과를 유효하게 발휘하는 웨이퍼의 제조 방법의 개발이 요구되고 있었다.

한편, 반도체 집적회로(디바이스)는, 실리콘 등으로 이루어지는 잉곳형상의 단결정으로부터 잘라낸 웨이퍼를 기판으로 하고, 이것에 회로 형성을 위한 다수의 프로세스를 실시하여 제품화된다. 그 프로세스에는 많은 물리적 처리, 화학적 처리, 나아가서는 열적 처리가 포함되고, 그 중에는 1000℃를 초과하는 가혹한 조건에서의 처리도 포함된다. 이 때문에, 단결정의 육성 시에 그 원인이 형성되고, 디바이스의 제조 과정에서 현재화하여 그 성능에 크게 영향을 주는 미세 결함, 즉 "Grown-in 결함"의 문제가 부상된다. 또한, 여기서의 Grown -in 결함은, 예를 들어 초크랄스키법(CZ법)에 의한 실리콘 단결정을 예를 들면, 적외선 산란체 결함 또는 COP(Crystal Originated Particle) 등이라 불리는 크기가 0.1~0.2㎛ 정도인 공공 결함이나, 전위 클러스터라 불리는 크기가 10㎛ 정도인 미소 전위로 이루어지는 결함이다.

최근, 이러한 Grown-in 결함의 문제를 해결하는 기술이 여러 가지 제안되고 있다. 예를 들어 특허 문헌 2에서는, 소재가 되는 단결정 인상의 응고 직후의 냉각 부분인 핫 존 구조를 개량한 CZ법에 의한 단결정 인상 장치(육성 장치)를 이용하여, 이 장치 내의 분위기를, 수소를 포함한 불활성 가스 분위기로 하고, 더구나 분위기 중의 수소 분압을 소정 범위(40~400Pa)로 유지하면서 종결정의 인상을 행하며, 단결정을 성장시키는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 얻어지는 단 결정의 직동부를 Grown-in 결함이 존재하지 않는 무결함 영역으로서 육성시킬 수 있다. 이렇게 하여 육성된 실리콘 잉곳으로부터 잘라냄으로써 Grown-in 결함이 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

그런데, 근년, 게터링 능력이 뛰어난 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 기술이 제안되고 있다. 예를 들어 특허 문헌 2에서는, 실리콘 잉곳으로부터 잘라내진 웨이퍼를, 비산화성 분위기 중에서 1100℃ 이상의 온도에서 열처리함으로써 어닐 웨이퍼 표층 가까이의 COP를 소멸시키는 기술이 개시되고 있다.

그러나, 이 방법에 의하면, 산소의 바깥쪽 확산도 동시에 일어나기 때문에, 이 방법에 의해 얻어지는 웨이퍼는, 게터링 작용을 갖는 산소 석출물(BMD. Bulk Micro Defect)이라 불리는 결함이 존재하지 않는 영역이 웨이퍼의 표층으로부터 10㎛ 이상이나 형성되게 되어, 충분한 게터링 능력을 구비하고 있다고는 할 수 없었다.

최근, 반도체 디바이스 자체의 박막화가 진행되고, 이것에 수반하여 게터링 작용을 갖는 BMD가 보다 디바이스 활성층에 가까운 영역에 존재하는 웨이퍼가 요구되고 있다.

Grown-in 결함이 존재하지 않는 실리콘 웨이퍼에서는, 우세점 결함종과 그 농도에서 산소 석출 거동이 크게 상이한 것이 알려져 있다. 무결함 영역은 공공 우세 영역과 격자간 실리콘 우세 영역으로 이루어진다. 게터링 작용을 갖는 BMD는 공공 우세 영역에서 형성되지만, 800℃에서 4시간과 1000℃에서 16시간의 열처리를 실시하면, BMD는 웨이퍼의 표층으로부터 10㎛ 이상 깊은 영역에 형성되고, 웨이퍼 의 표층으로의 형성은 기대할 수 없다. 또, 격자간 실리콘 우세 영역에서는, 원래 BMP의 형성은 억제된다.

[특허 문헌 1] 일본 공개특허공보 평10-144698호

[특허 문헌 2] 일본 공개특허공보 2006-312575호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 박막 디바이스에 대해서도 게터링 효과가 유효하게 발휘되는 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

또, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 결정 육성 시에 Grown-in 결함이 존재하지 않는 무결함 조건에서 육성된 결정으로부터 잘라내어도, 표층으로부터 예를 들어 10㎛ 이내까지의 얕은 영역에 BMD가 고밀도로 존재하지만, 디바이스 활성층으로서 기능하는 극표층에는 결함이 존재하지 않고, 박막 디바이스에 대해서도 게터링 효과를 유효하게 발휘할 수 있는 실리콘 단결정 웨이퍼 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 초크랄스키법에 의해 육성된 단결정으로부터 가공된 실리콘 웨이퍼로서, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상인 웨이퍼에, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하므로, 표층 영역이긴 하지만 COP 및 산소 석출핵이 소멸되고, 이 영역에 있어서 높은 산화막 내압을 나타내게 된다. 또, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc 이상이라는 고산소 농도의 웨이퍼를 이용하므로, 웨이퍼는 표면으로부터 10㎛ 정도의 영역에서는 산소 안정 석출핵이 존재하게 된다. 따라서, 웨이퍼 표층은 결정 결함이 소멸 되는 한편으로, 디바이스 활성 영역의 직하에 게터링원이 되는 안정된 산소 석출핵이 존재하는 실리콘 단결정 웨이퍼를 얻을 수 있다.

또 본 발명은, Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고, 격자간 산소 농도 ［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼에, 1000℃ 이상에서 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 결정 육성 시에 Grown-in 결함이 존재하지 않는 무결함 조건에서 육성된 결정으로부터 잘라낸 웨이퍼라도, 그 웨이퍼에 대해서 1000℃ 이상에서 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하므로, 표층 영역이긴 하지만 COP 및 산소 석출핵이 소멸되고, 이 영역에 있어서 높은 산화막 내압을 나타내게 된다. 또, 격자간 산소 농도가 고농도인 웨이퍼를 이용하므로, 웨이퍼는 표면으로부터 10㎛ 정도의 영역에서는 산소 안정 석출핵이 존재하게 된다. 따라서, 웨이퍼의 표층은 결정 결함이 소멸되는 한편으로, 디바이스 활성 영역의 직하에 게터링원이 되는 안정된 산소 석출핵이 존재하는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

[제1 실시 형태]

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법을 나타내는 공정도이다. 본 실시 형태에 따른 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법에서는, 초기 격자간 산소 농도가 고산소 농도, 즉 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상이 되는 CZ법 조건에서 실리콘 잉곳을 육성한다. 실리콘 육성시의 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc에 못 미치면 박막 디바이스 활성층의 직하에 게터링원이 되는 안정된 산소 석출물이 유효수 존재하지 않기 때문이다.

이 실리콘 육성 시에 있어서, 질소를 실리콘 단결정 중에 1×10¹³~1× 10¹⁵atoms／cc 도핑하면, 무결함 영역이 더욱 확대되므로 바람직하다고 할 수 있다.

다음에 실리콘 잉곳을 웨이퍼에 가공한다. 이 웨이퍼 가공은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 가공법을 채용할 수 있다.

웨이퍼 가공한 후, 1150℃ 이상, 실리콘의 융점(1410℃) 이하의 온도에서, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시한다. 이 급속 승강온 열처리는, 비산화성 분위기, 예를 들어 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 또는 이들의 혼합 가스 분위기 중에서 행한다.

본 실시 형태의 급속 승강온 열처리는, 할로겐 램프를 열원으로 한 할로겐 램프 열처리로, 크세논 램프를 열원으로 한 플래시 램프 열처리로 또는 레이저를 열원으로 한 레이저 열처리로 등을 이용할 수 있고, 할로겐 램프 열처리로를 이용하는 경우는 0.1~10초, 플래시 램프 열처리로를 이용하는 경우는 0.1초 이하, 레이저 열처리로를 이용하는 경우는 0.1초 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상의 급속 승강온 열처리를 실시함으로써, 웨이퍼 표면에 무결함층이 형성됨과 동시에 디바이스 활성층의 직하(웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛)에 게터링원이 되는 산소 석출물이 존재하는 웨이퍼를 얻을 수 있다.

이것에 더하여, 급속 승강온 열처리를 실시한 웨이퍼의 표면에 실리콘 에피 택셜층을 성장시킬 수도 있다. 급속 승강온 열처리를 실시한 웨이퍼 표면은 무결함층이 형성되어 있으므로, 여기에 에피택셜층을 형성함으로써 무결함층을 더욱 확대 또는 무결함층의 두께를 조정할 수 있다.

또한, 급속 승강온 열처리를 실시한 후, 비산화성 분위기에서 1000℃~ 1300℃×30~60분 정도의 추가 열처리를 실시할 수도 있다. 이 추가 열처리를 실시함으로써, 디바이스 활성층의 직하에 존재하는 산소 석출물의 사이즈를 증대시킬 수 있고, 또 무결함층의 두께도 조정할 수 있다.

이하의 실시예에 있어서, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상인 조건에서 육성한 웨이퍼에, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하면, 디바이스 활성 영역인 표층에 있어 높은 산화막 내압을 나타냄과 더불어, 디바이스 활성 영역의 직하에 게터링원이 될 수 있는 산소 석출핵이 존재하는 것을, 비교예와 함께 확인하였다.

《실시예 1》

직경 200㎜의 실리콘 단결정 잉곳(초기 격자간 산소 농도가 14.5×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 비저항이 10~20Ωcm, 질소 도핑 없음)으로부터 슬라이스하여 경면 가공을 실시한 복수의 실리콘 웨이퍼에, 할로겐 램프를 열원으로 하는 열처리로를 이용하여 1150℃×3초의 열처리를 실시하였다.

이 열처리가 실시된 복수의 실리콘 웨이퍼의 각각에 대해, 0.2㎛ 정도씩 재연마하고, 표면으로부터의 재연마량이 상이한 웨이퍼를 복수장 준비하였다. 이들 표면으로부터의 재연마량이 상이한 웨이퍼에 막두께가 25㎚인 산화막과, 면적이 8㎟인 측정 전극(인을 도핑한 폴리실리콘 전극)으로 한 MOS 커패시터를 형성하고, 11MV／㎝의 판정 전계의 조건(전류값이 10^-3A를 초과하면 브레이크 다운으로 간주함)에서 산화막 내압 특성 TZDB를 측정하고, 판정 전계를 클리어한 MOS 커패시터를 양품으로 하였다. 양품율이 90％ 이상이 된 최대의 재연마량(이하, 무결함 깊이라고도 함)은 1.7㎛였다.

한편, 상기의 급속 승강온 열처리를 실시한 실리콘 웨이퍼에, 1000℃×16시간의 열처리를 더 실시한 후, 이 웨이퍼를 쪼개고, 2㎛의 라이트 에칭(wright etching)을 실시하였다. 이 웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛의 위치에 존재하는 에칭 피트를 광학 현미경으로 측정하고, BMD 밀도를 산출한 바, 2.1×10⁵개／㎠였다.

이들 무결함 깊이와 BMD 밀도의 결과를, 산소 농도, 질소 농도 및 급속 승강온 열처리 조건과 더불어 표 1에 나타낸다.

《실시예 2》

실시예 1에 대하여, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 22.1×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 1.8㎛, BMD 밀도는 4.9×10⁵개／㎠였다.

《실시예 3》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.6×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1250℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 0.6㎛, BMD 밀도는 38.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 4》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 21.8×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1300℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 0.8㎛, BMD 밀도는 52.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 5》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.4×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1300℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 0.8㎛, BMD 밀도는 29.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 6》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 22.3×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1350℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 1.0㎛, BMD 밀도는 62.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 7》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.3×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 1.5×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×5초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.6㎛, BMD 밀도는 58.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 8》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.7×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 85.8×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×5초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동 일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.3㎛, BMD 밀도는 51.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 9》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 21.1×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 2.5×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.1㎛, BMD 밀도는 67.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 10》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 21.9×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 75.8×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 1.7㎛, BMD 밀도는 61.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 11》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 20.4×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 34.6×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1300℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 0.8㎛, BMD 밀도는 49.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 12》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 21.0×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 81.5×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1300℃×0.001초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 0.8㎛, BMD 밀도는 52.0×10⁵개／㎠였다.

《비교예 1》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 13.1×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.1㎛였지만, BMD 밀도는 1.0×10⁴개／㎠에 못 미쳤다.

《비교예 2》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 13.2×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 35.0×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×5초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMb 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.6㎛였지만, BMD 밀도는 1.0×10⁴개／㎠에 못 미쳤다.

《비교예 3》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.8×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1100℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, BMD 밀도는 6.4×10⁵개／㎠였지만, 무결함 깊이는 0㎛였다.

《비교예 4》

실시예 1에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 15.2×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1125℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, BMD 밀도는 5.3×10⁵개／㎠였지만, 무결함 깊이는 0㎛였다.

《고찰》

실시예 1~12의 결과로부터, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상인 웨이퍼에, 1150℃ 이상, 1350℃ 이하의 온도에서 3초 이하의 열처리를 실시하면, 얻어진 웨이퍼에는 약 3㎛ 이하의 무결함층이 형성되는 것이 확인되었다.

즉, 급속 승강온 열처리에 의해서, 극히 표층 영역만이긴 하지만 CZ법에 의한 인상 시에 형성된 Grown-in(Void) 결함 COP와 산소 석출핵이 소멸되고, 이 영역에서는 높은 산화막 내압을 나타내는 것이 확인되었다.

한편, 웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛의 위치에서는, 결정 육성 시에 고산소였기 때문에, 성장한 산소 안정 석출핵이 존재하고 있고, 이것이 1000℃×16시간의 열처리에서 현재화되는 것이 확인되었다.

이와 같이, 실시예 1~12의 웨이퍼 최표층에서는 결함이 소멸되는 한편으로, 디바이스 활성 영역의 직하에 안정된 산소 석출핵(게터링원)이 존재하는 극히 바람직한 웨이퍼를 얻을 수 있었다. 또, 플래시 램프 열처리로나 레이저 열처리로를 이용한 경우, 보다 얕은 무결함층폭을 얻는 것이 가능한 것도 확인할 수 있었다.

이것에 대해, 비교예 1 및 2에서는, 결정에 존재하는 초기 산소 농도가 낮고, 결정 육성 시에 충분히 안정된 석출핵 사이즈가 되어 있지 않기 때문에, 급속 승강온 열처리나 1000℃×16시간의 열처리를 실시해도 안정된 산소 석출핵이 존재하지 않는 것이 확인되었다.

또한, 비교예 3 및 4에서는, 급속 승강온 열처리의 온도가 낮기 때문에, 급속 승강온 열처리에서 결함의 소멸이 충분하지 않고, 웨이퍼 최표면으로부터 산화막 내압의 수율이 열화되는 것이 확인되었다.

《실시예 13》

직경 200㎜의 실리콘 단결정 잉곳(초기 격자간 산소 농도가 16.1×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 비저항이 10~20Ωcm, 질소 도핑 없음)으로부터 슬라이스하여 경면 가공을 실시한 복수의 실리콘 웨이퍼에, 할로겐 램프를 열원으로 하는 열처리로를 이용하여 1150℃×3초의 열처리를 실시하였다.

또한, 이 열처리가 실시된 복수의 실리콘 웨이퍼에, 퇴적 온도가 1150℃인 조건에서 실리콘 에피택셜층을 4.0㎛ 성장시키고, 얻어진 실리콘 에피택셜 웨이퍼의 무결함 깊이와 BMD 밀도를 실시예 1과 동일한 조건에서 측정한 바, 무결함 깊이는 5.1㎛, BMD 밀도는 0.87×10⁵개／㎠였다.

《실시예 14》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 16.6×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 34.0×10¹³atoms／cc로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 5.6㎛, BMD 밀도는 3.5×10⁵개／㎠였다.

《실시예 15》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 15.1×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 열처리로 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 이 플래시 램프 열처리로를 이용한 열처리를 1250℃×0.001초, 에피택셜층의 막두께를 3.5㎛로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 4.3㎛, BMD 밀도는 7.7×10⁵개／㎠였다.

《실시예 16》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 17.8×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 27.0×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프 열처리로 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 이 플래시 램프 열처리로를 이용한 열처리를 1250℃×0.001초, 에피택셜층의 막두께를 3.5㎛로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 4.6㎛, BMD 밀도는 12.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 17》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 16.4×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 열처리로 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 이 레이저 열처리로를 이용한 열처리를 1350℃×0.001초, 에피택셜층의 막두께를 3.5㎛로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 4.7㎛, BMD 밀도는 8.7×10⁵개／㎠였다.

《실시예 18》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 17.3×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 24.0×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프 열처리로 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 이 레이저 열처리로를 이용한 열처리를 1350℃×0.001초, 에피택셜층의 막두께를 3.5㎛로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 4.3㎛, BMD 밀도는 32.0×10⁵개／㎠였다.

《비교예 5》

실시예 13에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 15.8×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 열처리로를 이용한 열처리를 1125℃×3초로 한 것 이외에는, 실시예 13과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, BMD 밀도는 0.96×10⁵개／㎠였지만, 무결함 깊이는 0㎛였다.

《고찰》

실시예 13~18의 결과로부터, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상의 웨이퍼에, 1150℃ 이상, 1350℃ 이하의 온도에서 3초 이하의 열처리를 실시하고, 이 위에 실리콘 에피택셜층을 형성해도, 얻어진 웨이퍼에는 약 6㎛ 이하의 무결함층이 형성되는 것이 확인되었다. 한편, 웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛의 영역에 높은 BMD 밀도가 관찰되었다.

이것에 대해서, 급속 승강온 열처리가 1125℃였던 비교예 5에서는, 이 열처리에서의 웨이퍼 표층의 산소 석출핵의 소멸이 충분하지 않고, 에피택셜 성장 시에 산소 석출핵을 기점으로 에피택셜 결함의 발생이 있고, 산화막 내압이 열화되는 것이 확인되었다.

《실시예 19》

이 열처리가 실시된 복수의 실리콘 웨이퍼에 대해, 다시 1000℃×30분의 추가 열처리를 아르곤 가스 분위기에서 실시하였다.

얻어진 실리콘 웨이퍼의 무결함 깊이와 BMD 밀도를 실시예 1과 동일한 조건에서 측정한 바, 무결함 깊이는 2.3㎛, BMD 밀도는 2.3×10⁵개／㎠였다.

《실시예 20》

실시예 19에 대해 추가 열처리 조건을 1200℃×60분으로 한 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 5.6㎛, BMD 밀도는 1.1×10⁵개／㎠였다.

또, 추가 열처리를 행하기 전후에서의 BMD 사이즈를 투과 전자현미경으로 관찰한 바, 추가 열처리를 행하기 전의 상태에서는 투과 전자현미경으로 검출 가능한 최소 사이즈 이하(<10㎚)였던 것에 대해, 추가 열처리를 행한 후의 상태에서는 평균 사이즈가 63.4㎚인 다면체 형상의 석출물이 관찰되었다.

《실시예 21》

실시예 19에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.6×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1250℃×0.001초, 추가 열처리 조건을 1150℃×30분으로 한 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 2.1㎛, BMD 밀도는 19.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 22》

실시예 19에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.6×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1250℃×0.001초, 추가 열처리 조건을 1150℃×60분으로 한 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 3.5㎛, BMD 밀도는 12.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 23》

실시예 19에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.4×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 할로겐 램프 대신에 레이저를 이용한 레이저 열처리로, 급속 승강온 열처리 조건을 1300℃×0.001초, 추가 열처리 조건을 1150℃×30분으로 한 것 이외에는, 실시예 19과 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 3.7㎛, BMD 밀도는 10.0×10⁵개／㎠였다.

《실시예 24》

실시예 19에 대해, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 격자간 산소 농도를 14.7×10¹⁷atoms／cc(ASTM F-121, 1979), 질소 농도를 85.8×10¹³atoms／cc, 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온 열처리 조건을 1200℃×5초, 추가 열처리 조건을 1150℃×60분으로 한 것 이외에는, 실시예 19와 동일한 조건에서 웨이퍼를 제작하고, 무결함 깊이와 BMD 밀도를 측정하였다. 그 결과, 무결함 깊이는 4.9㎛, BMD 밀도는 24.0×10⁵개／㎠였다.

《고찰》

실시예 19~24의 결과로부터, 급속 승강온 열처리를 실시한 웨이퍼에 추가 열처리(비산화성 분위기)를 함으로써, 웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛의 위치에서의 산소 석출물의 사이즈가 증대하는 것이 확인되었다(실시예 20). 따라서, 10~20㎛의 위치에서의 열안정성이 향상됨과 더불어, 또한 표층 부근에서는 산소의 바깥쪽 확산에 의해서 표층의 BMD가 소멸됨으로써 무결함 깊이의 조정도 가능해진다.

[제2 실시 형태]

우선, Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖는 실리콘 잉곳(이하, 단결정이라고도 말하는 경우가 있음)을 제조 가능한 단결정 인상 장치의 구성을 간단하게 설명한다.

본 실시 형태에서는, 예를 들어 도 2에 나타내는 단결정 인상 장치(2)를 이용한다. 도 2에 나타내는 인상 장치(2)는, 기밀성이 유지된 장치 본체의 내부에, 도가니(4)를 가진다. 도가니(4)는, 도가니 지지축(6)에 지지된 도가니 유지 용기(8)의 내부에 배치되어 있다. 도가니(4)의 위쪽에는, 핫 존 구조를 형성하기 위한 열차폐체(10)가 배치되어 있다. 열차폐체(10)는, 본 실시 형태에서는, 외각(外殼)을 흑연으로 구성하고, 내부를 흑연 펠트로 충전한 구조로 하고 있다.

열차폐체(10)의 개구부에는, 회전시키면서 위쪽으로 인상 자유로운 인상축(12)이 삽입되어 있다. 인상축(12)의 하단에는, 시드 척(14)이 장착되어 있다. 시드 척(14)에는, 종결정(도시 생략)이 부착되어 있고, 인상축(12)의 상단에는, 동력원(도시 생략)이 연결된다.

도가니 유지 용기(8)의 외주에는, 히터(16)가 배치되어 있고, 이 히터(16)를 작동시킴으로써 도가니(4)가 가열되며, 그 결과, 도가니(4) 중의 융액(42)은 소정 온도로 유지된다.

본 실시 형태의 단결정 인상 장치(2)는, 실리콘의 융점(1410℃)으로부터 1250℃ 근방까지의 온도 영역에 있어서, 인상축(12) 방향의 결정 내 온도 구배가, 결정 중심부(Gc)보다도 결정 주변부(Ge)가 작아지도록(Gc＞Ge), 응고 직후의 실리콘 단결정(18)의 주위를 둘러싸는 열차폐체(10)의 부재, 치수, 위치 등 핫 존 구조를 개량하고 있다. 이것에 의해, 인상 중 단결정의 융액(42)로부터 상승되는 부분 근방에 있어서, 표면부는 도가니(4)의 벽면이나 융액(42)면으로부터의 열복사에 의해 보온하도록 하고, 단결정의 상부를 열차폐체(10)나 냉각 부재 등을 이용하여 보다 강하게 냉각함으로써, 결정 중심부(Gc)는 열전달로 냉각하고, 중심부쪽을 상대적으로 온도 구배가 커지도록 할 수 있다.

이상의 구성의 인상 장치(2)를 이용하여, 통상법, 예를 들어 CZ법에 의해 실리콘 잉곳을 제조한다.

(1) 우선, 고순도 실리콘의 다결정을, 단결정 인상 장치(2)의 도가니(4) 내에 수용한 후, 감압 분위기 하에서, 도가니 지지축(6)에 의해 도가니(4)를 회전시킴과 더불어, 히터(16)를 작동시켜 상기 고순도 실리콘의 다결정을 융해시켜 융액(42)으로 한다.

(2) 다음에, 결정 인상축(12)을 아래쪽으로 이동시킴으로써, 그 하단의 시드 척(14)에 부착되어 있는 종결정(도시 생략)을 도가니(4) 중의 융액(42)에 접촉시킨다.

(3) 다음에, 이 종결정을, 인상축(12)을 회전시키면서 위쪽으로 인상시킴으로써, 종결정에 부착되어 오는 융액(42)을 응고시키면서 결정 성장시키고, 실리콘 잉곳(18)을 육성한다(실리콘 단결정의 인상. 도 3 참조). 본 실시 형태에서는, 인상 시에 결정 무전위화를 위한 시드 조임을 행한 후, 숄더부를 형성시키고, 어깨를 바꾸어 직동부를 형성한다.

《실리콘 잉곳의 육성》

본 실시 형태에서는, 제1에, 실리콘 잉곳(18)의 육성을, 격자간 산소 농도［Oi］의 값이 커지는(고산소 농도) 조건에서 행한다. 구체적으로는, 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상이 되는 조건에서 행한다. 육성 후의 실리콘 잉곳(18)의 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 미만이면, 박막 디바이스 활성층의 직하에, 게터링원이 되는 안정된 산소 석출물이 유효수 존재하지 않기 때문이다.

제2에, 실리콘 잉곳(18)의 육성을, 그 직동부가 Grown-in 결함을 갖지 않는 무결함 영역이 되는 조건에서 행한다. 예를 들어, 수소 원자 함유 물질을 불활성 가스에 포함시키고, 이것을 분위기 가스로 하여 장치(2) 내에 도입한 상태로, 종결정의 인상을 행한다.

불활성 가스로서는, 염가의 Ar 가스가 바람직하고, 이외에도 He, Ne, Kr, Xe 등의 각종 희가스 단체, 혹은 이러한 혼합 가스를 이용할 수 있다.

수소 원자 함유 물질은, 융액(42)에 녹였을 때에 열분해되어, 융액(42) 중에 수소 원자를 공급할 수 있는 물질을 말하고, 이 수소 원자 함유 물질을 불활성 가스에 포함시켜, 이것을 분위기 가스로 하여 장치(2) 내에 도입함으로써, 융액(42) 중의 수소 농도를 향상시킬 수 있다. 수소 원자 함유 물질로서는, 수소 가스, H₂O, HCl 등의 수소 원자를 포함한 무기 화합물이나, 실란가스, CH₄, C₂H₂ 등의 탄화수소, 알코올, 카르복실산 등의 수소 원자를 포함하는 각종 물질을 들 수 있다. 그 중에서도, 수소 가스를 이용하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 장치(2) 내의 분위기를, 수소 분압이 40Pa 이상 160Pa 이하인 불활성 가스 분위기 하로 제어한다. 장치(2) 내 분위기의 수소 분압을 이 범위에서 제어하고, 인상 속도를 예를 들어 0.4~0.6㎜／분, 바람직하게는 0.43~0.56㎜／분의 범위 내에서 선정함으로써, 잘라낸 후의 웨이퍼 전면을 P_v 영역(산소 석출 촉진 영역 혹은 공공 우세 무결함 영역)으로 한 실리콘 잉곳을 용이하게 육성시킬 수 있다. 수소 분압을 40Pa 이상으로 함으로써, 공공 우세 무결함 영역을 얻기 위한 인상 속도 범위가 좁아지는 것을 방지할 수 있다. 한편, 수소 분압을 160Pa 이하로 함으로써, 잘라낸 후의 웨이퍼에 대해서 P_I영역(산소 석출 억제 영역 혹은 격자간 실리콘 우세 무결함 영역)이 혼재하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. P_v영역의 웨이퍼에서는 BMD를 형성하기 쉽고, 예를 들어, 표면에 이른바 DZ(Denuded Zone)층 형성 처리를 실시했을 때, 내부에 게터링 작용을 갖는 BMD를 용이하게 형성한다. P_I영역에서는 BMD의 형성이 곤란하다.

장치(2) 내의 분위기 가스의 압력은, 수소 분압이 상기 소정 범위이면 특별히 한정되지 않고, 통상 적용되는 조건이면 좋다.

본 실시 형태에서는, 불활성 분위기 중에 산소 가스(O₂)가 존재하는 경우에는, 기체의 수소 분자 환산에서의 농도와 산소 가스의 농도의 2배와의, 농도차가 3체적％ 이상이 되도록 분위기를 제어하는 것이 바람직하다. 수소 원자 함유 가스의 수소 분자 환산에서의 농도와 산소 가스의 농도의 2배와의 농도차를 3체적％ 이상으로 제어함으로써, 실리콘 잉곳 중에 주입된 수소 원자에 의해, 잉곳에 대해서 COP 및 전위 클러스터 등의 Grown-in 결함의 생성을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서는, 통상의 로 내압이 1.3~13.3kPa(10~100Torr)의 범위에 있어서는, 불활성 분위기 중의 질소 농도를 20체적％ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 분위기 중에서의 질소 농도를 20체적％ 이하로 제어함으로써, 실리콘 단결정의 유전위화를 방지할 수 있다.

수소 원자 함유 물질의 기체로서 수소 가스를 첨가하는 경우에는, 시판의 수소 가스 봄베, 수소 가스 저장 탱크, 수소 흡장 합금을 충전한 탱크 등으로부터, 전용의 배관을 통해서 장치(2)내의 불활성 분위기에 공급할 수 있다.

또한, 수소 원자 함유 물질을 함유시킨 불활성 가스를 장치(2) 내의 분위기에 도입하는 것은, 본 실시 형태에서는 적어도, 단결정의 소요 직경으로 되어 있는 직동부를 인상하는 동안, 불활성 가스에 수소 원자 함유 물질을 함유시키고, 이것을 장치(2)에 도입하면 된다. 수소는 단시간에 용이하게 융액(42)에 녹이는는 성질을 가지므로, 직동부를 인상하는 동안만 분위기에 함유시키면, 그 효과가 충분히 얻어지기 때문이다. 또, 수소의 취급의 안전 확보의 관점으로부터도, 필요 이상으로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 도가니(4) 내의 다결정 융해, 탈가스, 종결정 침지, 네킹, 숄더부 형성의 단계에서는, 장치(2)에 도입하는 불활성 가스 중에 반드시 수소 원자 함유 물질을 함유시킬 필요는 없다. 또 육성이 종료되고, 직경을 작게 하여 콘을 형성시켜, 융액(42)으로부터 분리하는 단계에서도 동일하다.

이상의 공정을 거쳐 육성되는 실리콘 잉곳(18)에는, Grown-in 결함이 존재하지 않고, 게다가 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상의 고농도이다. 여기서의［Oi］의 값은, ASTM F-121(1979)에 규격된 푸리에 변환 적외 분광 광도법에 의한 측정값을 의미한다.

본 실시 형태에서는, 장치(2) 내의 분위기를 특정 분위기로 하여 단결정의 인상을 행하므로, 얻어지는 잉곳 중의 산소 농도가 높아져도, 잘라낸 후의 웨이퍼 중의 디바이스 활성 영역에서의 산소 석출을 억제할 수 있고, 회로의 특성을 열화 시키는 일이 없다. 다만, 산소 농도가 너무 높아지면, 이 석출 억제 효과는 없어지므로, 산소 농도는, 많아도 1.6×10¹⁸atoms／㎤까지 제어하는 것이 바람직하다.

(4) 다음에, 육성한 실리콘 잉곳(18)으로부터 웨이퍼를 잘라낸다(웨이퍼 가공. 도 3 참조). 이 웨이퍼로의 잘라냄 가공은, 특별히 한정되지 않고, 일반적인 잘라냄 가공법을 채용할 수 있다. 여기서의 웨이퍼는, Grown-in 결함이 존재하지 않는 실리콘 잉곳(18)으로부터 잘라지므로, Grown-in 결함은 생성되지 않는다.

또한, 단결정 인상 시의 장치(2) 내 분위기에, 수소 원자 함유 물질을 불활성 가스에 포함시켜, 이것을 분위기 가스로서 도입하지 않고 혹은 이것과 더불어, 육성된 실리콘 잉곳(18)을 웨이퍼로 잘라내기 전에, 그 잉곳에 대해서, 결정 내에, 질소를 1×10¹²~5×10¹⁴atoms／㎤의 농도 범위에서, 및／또는, 탄소를 5×10¹⁵~2×10¹⁷atoms／㎤의 농도 범위에서 도핑시켜도 된다. 이렇게 함으로써, BMD가 많이 발생하는 무결함 영역, 즉 P_v영역을 확대시킬 수 있다.

여기에서의 질소 및 탄소의 도핑 농도의 값은, ASTM F-123(1981)에 준하여 측정된 값을 의미한다.

(5) 다음에, 잘라낸 웨이퍼에, 1000℃ 이상에서 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시한다(급속 승강온 열처리. 도 3 참조).

웨이퍼에 1000℃ 이상에서 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시함으로써, 웨이퍼 표면에 무결함층이 형성됨과 동시에, 디바이스 활성층의 직하(웨이퍼 표면으로부터 10~20㎛)에 게터링원이 되는 산소 석출물이 존재하는 웨이퍼를 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서는, 급속 승강온 열처리는, 1000℃ 이상, 실리콘의 융점(1410℃) 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 1000℃ 이상으로 함으로써, 웨이퍼 표면에 무결함층을 형성할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 급속 승강온 열처리는, 비산화성 분위기 예를 들어 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 또는 이들의 혼합 가스의 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 급속 승강온 열처리는, 할로겐 램프를 열원으로 한 할로겐 램프 열처리로, 크세논 램프를 열원으로 한 플래시 램프 열처리로 또는 레이저를 열원으로 한 레이저 열처리로 등을 이용하여 행할 수 있다. 열처리 시간은, 할로겐 램프 열처리로를 이용하는 경우는 0.1~10초로 하는 것이 바람직하다. 플래시 램프 열처리로를 이용하는 경우는 0.1초 이하로 하는 것이 바람직하다. 레이저 열처리로를 이용하는 경우는 0.1초 이하로 하는 것이 바람직하다.

(6) 또한, 본 실시 형태에서는, 급속 승강온 열처리 후의 웨이퍼의 표면에, 실리콘 에피택셜층을 성장시킬 수도 있다(에피택셜 성장. 도 3 참조). 급속 승강온 열처리를 실시한 웨이퍼 표면은 무결함층이 형성되어 있으므로, 여기에 에피택셜층을 형성함으로써 무결함층을 더욱 확대 또는 무결함층의 두께를 조정할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 급속 승강온 열처리 후의 웨이퍼를, 비산화성 분위기, 예를 들어 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 또는 이들의 혼합 가스의 분위기 중에서, 추가 열처리해도 된다(추가 열처리. 도 3 참조). 급속 승강온 열처리 후의 웨이퍼에 추가 열처리를 실시함으로써 디바이스 활성층의 직하에 존재하는 산소 석출물의 사이즈를 증대시킬 수 있고, 또 무결함층의 두께도 조정할 수 있다.

이 경우의 추가 열처리의 온도는, 1000~1300℃ 정도이고, 열처리 시간은 30~60분 정도이다.

(7) 이상의 공정을 거쳐, 본 실시 형태의 실리콘 웨이퍼는 제조된다. 이렇게 하여 얻어지는 실리콘 웨이퍼는, 웨이퍼 표면 부근의 디바이스 활성 영역에는 Grown-in 결함이 존재하지 않는다. 즉 무결함이다. 또, 본 실시형태에서 얻어지는 실리콘 웨이퍼는, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳(18)으로부터 잘라 내어지므로, 상기 디바이스 활성 영역의 직하에는 5×10⁴개／㎠ 이상의 BMD를 가진다. 즉, 본 실시형태의 공정을 거쳐 제조되는 실리콘 웨이퍼는 BMD가 필요한 무결함 웨이퍼에 대응한다.

《실시예》

다음에, 상기 제2 실시형태를 보다 구체화한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은, 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

도 2에 나타내는 단결정 인상 장치(2)를 준비하였다. 열차폐체(10)로서는, 외각을 흑연으로 구성하고, 내부를 흑연 펠트로 충전한 구조의 것을 이용하였다.

이러한 단결정 인상 장치(2)를 이용하여 우선, 고순도 실리콘의 다결정을, 단결정 인상 장치(2)의 도가니(4) 내에 수용한 후, 감압 분위기 하에서, 도가니 지지축(6)에 의해 도가니(4)를 회전시킴과 더불어, 히터(16)를 작동시켜 상기 고순도 실리콘의 다결정을 융해시켜 융액(42)으로 하였다.

다음에, 결정 인상축(12)을 아래쪽으로 이동시킴으로써, 그 하단의 시드 척(14)에 부착하여 있는 종결정(도시 생략)을 도가니(4) 중의 융액(42)에 접촉시켰다.

다음에, 이 종결정을, 인상축(12)을 회전시키면서 위쪽으로 인상하고, 결정 무전위화를 위한 시드 조임을 행한 후, 숄더부를 형성시키고, 어깨를 바꾸어 직동부(실리콘 잉곳(18))를 형성하였다.

본 실시예에서는, 직동부의 목표 직경(Dc. 도 2 참조)를 200㎜로 하고, 육성 중 단결정 내부의 축방향 온도 구배를 융점으로부터 1370℃까지의 범위에서, 결정 중심부(Gc)는 3.0~3.2℃／mm, 결정 주변부(Ge)는 2.3~2.5℃／mm로 하였다. 또, 장치(2) 내의 분위기의 압력을 4000Pa로 하고, 인상 속도를 0.52㎜／분으로 하여 단결정을 육성하였다. 그 경우에, 장치(2) 내의 분위기의 수소 분압을 250Pa로 제어하여 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.

그 결과, 표 1에 나타내는 격자간 산소 농도［Oi］의 값으로, Grown-in 결함이 없는 직동부(약 200㎜)를 갖는 실리콘 잉곳(비저항이 10~20Ωcm, 질소 도핑 없음)이 얻어졌다. 또한, 여기서의［Oi］의 값은, ASTM F-121(1979)에 규격된 푸리에 변환 적외 분광 광도법에 의한 측정값을 의미한다.

다음에, 얻어진 실리콘 잉곳으로부터 웨이퍼를 잘라내고, 여기에 경면 가공을 실시하였다.

다음에, 얻어진 복수의 실리콘 웨이퍼에, 표 1에 나타내는 열원을 이용하여, 아르곤 가스의 분위기 중에서 표 1에 나타내는 온도와 시간으로 급속 승강온 열처리를 실시하고, 웨이퍼 시료(시료 1~11)를 얻었다. 또, 다른 시료 1~3 및 11의 각 웨이퍼를 준비하고, 이들에 퇴적 온도가 1150℃인 조건에서 실리콘 에피택셜층을 성장시키고, 실리콘 에피택셜 웨이퍼 시료(시료 12~15)를 얻었다.

얻어진 웨이퍼 시료(시료 1~15)에 대해 결함 프리 깊이와 산소 석출물(BMD) 밀도를 평가하였다.

「결함 프리 깊이」는, 다음과 같이 하여 구하였다. 우선, 전술한 급속 승강온 열처리 후의 웨이퍼 시료(시료 1~11) 또는 에피택셜 성장 후의 웨이퍼 시료(시료 12~15)에 대해서, 800℃에서 4시간과 1000℃에서 16시간의 열처리를 실시하고, 이 열처리 후의 복수의 웨이퍼의 각각을, 0.2㎛ 정도씩 재연마하고, 표면으로부터의 재연마량이 상이한 웨이퍼를 복수장 준비하였다. 다음에, 이들 표면으로부터의 재연마량이 상이한 웨이퍼에 막두께가 25㎚인 산화막과 면적이 8㎟인 측정 전극(인을 도핑한 폴리실리콘 전극)으로 한 MOS 커패시터를 형성하고, 11MV／cm의 판정 전계의 조건(전류값이 10^-3A를 초과하면 브레이크 다운으로 간주함)에서 산화막 내압 특성(TZDB법)을 측정하고, 판정 전계를 클리어한 MOS 커패시터를 양품으로 하였다. 양품율이 90％ 이상이 된 최대의 재연마량을 구하고 이것을 결함 프리 깊이(㎛)로 하였다.

「BMD 밀도」는, 다음과 같이 하여 구하였다. 우선, 전술한 급속 승강온 열처리 후의 웨이퍼 시료(시료 1~11) 또는 에피택셜 성장 후의 웨이퍼 시료(시료 12~15)에 대해서, 800℃에서 4시간과 1000℃에서 16시간의 열처리를 실시하고, 이 열처리 후의 복수의 웨이퍼의 각각을 쪼개어 2㎛의 라이트 에칭(wright etching)을 실시하였다. 다음에, 이 웨이퍼 표면으로부터 3~10㎛의 위치에 존재하는 에칭 피트를 광학 현미경으로 측정하여 BMD 밀도(×10⁵개／㎠)를 산출하였다.

이들 결함 프리 깊이와 BMD 밀도의 결과를, 격자간 산소 농도［Oi］및 급속 승강온 열처리 조건과 더불어 표 4에 나타낸다.

표 4로부터 이하의 것이 이해된다.

(1) Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고, 격자간 산소 농도［Oi］ 가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼 시료(시료 1~6)에서는, 제1에, 2㎛ 이하의 결함 프리 깊이(무결함층)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 급속 승강온 열처리에서, 극히 표층 영역만이긴 하지만 CZ 인상 시에 형성된 산소 석출핵이 소멸되고, 이 영역에서는 높은 산화막 내압을 나타낸 것이라고 추측된다. 또한, 시료 1~6의 웨이퍼 시료는, COP나 전위 클러스터가 존재하지 않는 무결함 웨이퍼이므로, 결정 육성 후에 존재하는 결함은 산소 석출핵뿐이다.

제2에, 웨이퍼 표면으로부터 3㎛보다 깊은 위치에서는, BMD 밀도가 높은 것을 알 수 있다. 이것은 결정 육성 시에 고산소였기 때문에 성장한 산소 안정 석출핵이 급속 승강온 열처리에서 소멸되지 않고 존재하고 있고, 800℃에서 4시간과 1000℃에서 16시간의 열처리로 현재화된 것으로 추측된다.

이와 같이, 시료 1~6에 의하면, 디바이스 활성 영역에 상당하는 2㎛ 이하의 영역은 결함 프리이며, 디바이스 활성층 직하에는 불순물 게터링에 유효한 산소 석출물(게터링원)이 고밀도로 존재하는 웨이퍼를 제조 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

(2) 이것에 대해, Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고 있어도, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 미만인 저산소 농도의 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼 시료(시료 7, 8)에서는, 5㎛ 이상의 결함 프리 깊이(무결함층)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 결정 육성시에 형성된 산소 석출물의 열안정성이 낮고, 웨이퍼 표면으로부터 3㎛보다 깊은 위치에서는, BMD 밀도가 낮은 것을 알 수 있다.

(3) Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 것이어도, 급속 승강온 열처리를 실시하지 않은 웨이퍼 시료(시료 9)에서는, 결정 육성 시에 형성한 산소 석출핵이 존재하고 있는 영향으로 결함 프리폭이 얻어지지 않는 것을 알 수 있다.

(4) Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라내고, 더구나 급속 승강온 열처리를 실시한 것이어도, 이 급속 승강온 열처리의 처리 시간이 긴 웨이퍼 시료(시료 10)에서는, 5㎛ 이상의 결함 프리 깊이(무결함층)가 형성되고 있고, 웨이퍼 표면으로부터 3㎛보다 깊은 위치에서는 BMD 밀도가 낮아지는 경향이 있으며, 처리 온도가 비교적 낮은 웨이퍼 시료(시료 11)에서는, 결함 프리폭이 얻어지기 어려운 경향이 있는 것을 알 수 있다. 또한, 여기서의 처리 온도가 실리콘의 융점(1410℃)을 초과하는 경우에는, 웨이퍼는 용융한다.

(5) Grown-in 결함이 없는 직동부를 갖고, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼 시료(시료 12~15)에서는, 급속 승강온 열처리 후에 에피택셜층을 성장시켜도, 얻어진 웨이퍼에는 약 6㎛ 이하의 결함 프리 깊이(무결함층)가 형성되어 있고, 게다가 웨이퍼 표면으로부터 7~15㎛ 깊은 위치에서는, BMD 밀도가 높은 것을 알 수 있다. 즉, 이와 같이 에피택셜 성장을 조합함으로써, 임의의 무결함층폭을 갖는 웨이퍼를 제작할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 급속 승강온 열처리의 처리 온도가 비교적 낮은 웨이퍼 시료(시료 15)에서는, 시료 12~14의 웨이퍼와 비교하여, 보다 웨이퍼 표면 부근으로 결함 프리 깊이(무결함층)가 형성되고, 게다가 그 디바이스 활성층 직하에 충분한 밀도의 BMD가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법을 실현하기 위해서 이용하는 단결정 인상 장치의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 단결정 인상 장치

4 : 도가니

42 : 융액

6 : 도가니 지지축

8 : 도가니 유지 용기

10 : 열차폐체

12 : 인상축

14 : 시드 척

16 : 히터

18 : 실리콘 잉곳(실리콘 단결정)

Claims

초크랄스키법에 의해 육성된 단결정으로부터 가공된 실리콘 웨이퍼로서, 초기 격자간 산소 농도가 1.4×10¹⁸atoms／cc(ASTM F-121, 1979) 이상인 웨이퍼에, 1150℃ 이상, 실리콘 융점 이하의 열처리 온도에서, 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하는 공정과,

상기 열처리된 웨이퍼에 실리콘 단결정을 에피택셜 성장시키는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리는, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 또는 이들의 혼합 가스 분위기 중에서 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리는, 열원으로서의 할로겐 램프를 이용하여 0.1~10초의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리는, 열원으로서의 크세논 램프를 이용하여 0.1초 이하의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리는, 열원으로서의 레이저를 이용하여 0.1초 이하의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성할 때에, 질소가 실리콘 단결정 중에 1×10¹³~1×10¹⁵atoms／cc 도핑되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 에피텍셜 성장 공정이 행해진 실리콘 단결정 웨이퍼에, 비산화성 분위기에서 1000℃ 이상, 1300℃ 이하의 열처리를 실시하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 에피텍셜 성장 공정이 행해진 실리콘 단결정 웨이퍼에, 1000℃×16시간의 열처리를 실시하여 웨이퍼 표면으로부터 10㎛~20㎛의 범위에 5×10⁴개／㎠ 이상의 산소 석출물이 형성되도록 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 1에 기재된 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼.
청구항 10에 있어서, 웨이퍼 표면으로부터 10㎛~20㎛의 범위에 5×10⁴개／㎠ 이상의 산소 석출물을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼.
Grown-in 결함이 없는 직동부(直胴部)를 갖고, 격자간 산소 농도［Oi］가 1.4×10¹⁸atoms／㎤ 이상인 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼에, 1000℃ 이상에서 10초 이하의 급속 승강온 열처리를 실시하고, 상기 급속 승강온 열처리 후에 에픽텍셜 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리를, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 또는 이들의 혼합 가스의 분위기 내에서, 또한 1000℃ 이상, 실리콘의 융점 이하의 온도에서 행하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리를, 열원으로서의 할로겐 램프를 이용한 급속 승강온로에서, 0.1~10초로 행하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리를, 열원으로서의 크세논 램프를 이용한 플래시 램프 어닐로에서, 0.1초 이하로 행하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 급속 승강온 열처리를, 열원으로서의 레이저를 이용한 레이저 스파이크 어닐로에서, 0.1초 이하로 행하는 실리콘 단결정 웨이퍼의 제조 방법.
삭제
청구항 12에 기재된 방법에 의해 제조된 실리콘 단결정 웨이퍼로서,

웨이퍼 표면 부근의 디바이스 활성 영역에는 결함이 없고,

상기 디바이스 활성 영역의 바로 아래의 웨이퍼 표면으로부터 10㎛~20㎛의 범위에는 5×10⁴개／㎠ 이상의 산소 석출물을 갖는 실리콘 단결정 웨이퍼.