JPH03184345A - シリコンウェハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分１］］ 本発叩は、安定した酸素析出性を有するとともに、表面
欠陥による不良の発生しにくいシリコンウェハおよびそ
の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、ＩＣやＬＳＩなどのデバイス製造用シリコン単結
晶の育成に関して種々の方法が知られている。なかでも
、石英坩堝中のシリコン融液に付けた種結晶を引上げる
ことにより単結晶棒を成長させるチョクラルスキー法（
以下Ｃ２法と称する。

）は、同法で製造されたシリコンウェハが繰返し熱処理
を受けても反り難い、イントリンシック・ゲッタリング
作用があるためにデバイス製造プロセスからの重金属汚
染に対して抵抗力があるなどの理由により工業的に広く
利用されている。ＣＺ法によって得られた・シリコンウ
ェハにおける上記のような長所は、いずれも結晶中に含
まれる酸素に起因している。しかしながら、−この酸素
は一方で、熱処理誘起結晶欠陥の原因となる。結晶欠陥
がデバイスの能動領域に現われるとデバイス特性が著し
く劣化してしまう。

酸素の析出については詳しく検討がなされており、６０
０〜７００℃の温度で析出の核が形成されることが知ら
れている。単結晶製造工程において結晶を引上げていく
途中で結晶の自然冷却によって６００〜７００℃の温度
域を通り、ここで析出物の核が形成され、これがデバイ
ス製造工程中の析出物の成長の大きな要因となっている
が、このようにして引上げられた単結晶の柿結品側では
冷却される時間が長いので、析出核は多く発生するが、
ボトム側では冷却時間が短く析出核が少ないというよう
に、単結晶体製造時の熱履歴差によって、この単結晶体
の各部位より作製されるシリコンウェハにおける酸素析
出性が大きく変動してしまうものであった。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、シリコン単結晶中に在住する炭素原子が格子
間の酸素の析出を促進することが知られている（例えば
、超ＬＳＩ技術　７　プロセスの基礎　半導体研究２０
、工業調査会発行、第２２５頁〜第２２９頁）。

従って、所定濃度の炭素を含有させてシリコン単結晶を
作製すれば、このような炭素原子が格子間の酸素の析出
を促進して容易に析出核を形成するために、シリコン単
結晶の熱履歴差ないしシリコン単結晶中の酸素濃度の多
少の変動に左右されることなく、シリコン単結晶体中に
おける酸素析出性を安定化させることができると考えら
れる。

しかしながら、このように所定濃度の炭素を含有させて
成長させたシリコン単結晶から作製されたウェハにおい
ては、ウェハ内部のみならず表層部においても当然に多
数の酸素析出核が形成されていることとなる。このため
、デバイス製造工程における熱処理においてこの析出核
を中心としてさらに酸素が析出し、表層部にも結局欠陥
が形成される虞れが高く、デバイス不良をもたらすもの
と考えられる。

従って本発明は、安定した酸素析出性を有するとともに
、表面欠陥による不良の発生しにくいシリコンウェハお
よびその製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記諸口的は、シリコンウェハの内部は０．　１〜５０
ｐｐｍａの範聞内のある所定濃度の炭素を含有して炭素
含有層を形成しており、一方シリコンウェハの少なくと
も片面の表層部は実質的に炭素を含有していない脱炭層
を形成していることを特徴とするシリコンウェハにより
達成される。

上記諸口的はまた、ある所定濃度の炭素を含有するシリ
コンウェハを、炭素非含有雰囲気下において１０００〜
１２００℃の温度で熱処理することにより、シリコンウ
ェハの表層部に脱炭層を形成することを特徴とするシリ
コンウェハの製造方法によっても達成される。

［作用］ このように本発明のシリコンウェハにおいては、内部に
は十分な量の炭素が含有される。シリコン単結晶中の炭
素は酸素の析出を促進し容易に析出核を形成するために
、この部位における酸素析出性は安定し、ウェハのゲッ
タリング効果、強度等の品質が良好かつ安定したものと
なる。一方、本発明のシリコンウェハの表層部は脱炭層
とされ実質的に炭素を含有していないために、デバイス
工程において熱処理を受けても、この部位に酸素析出は
起りに＜＜、表面欠陥による不良は発生しにくいものと
なるものである。

このように内部においては十分な量の炭素が含有され、
一方表層部においては実質的に炭素が含有されていない
構造を有するシリコンウェハを製造するために、本発明
者らはさらに、ある所定濃度の炭素を含有させてシリコ
ン単結晶を育成し、これより得られたウェハを、所定温
度条件下で熱処理することにより、シリコンウェハ中の
炭素を外方拡散させて表層部に脱炭層を形成させる方法
を見いだしたものである。なお、従来、例えばイントリ
ンシック◆ゲッタリングプロセスにおいてシリコンウェ
ハ中の酸素を外方拡散させて表層部にデヌーデッド・ゾ
ーンを形成する熱処理は行なわれているが、このような
脱炭を目的とした熱処理は行なわれておらず、本発明の
製造方法において初めて導入されたものである。

以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第１図は本発明のシリコンウェハの一実施態様の構造を
模式的に示したものである。

第１図に示すように本発明のシリコンウェハにおいて、
その内部には所定濃度の炭素を含有する炭素含有層１が
形成されており、一方、その表層部には、実質的に炭素
を含有していない脱炭層２が形成されている。

本発明のシリコンウェハにおいて、炭素含有層１に含有
される炭素の濃度は、該シリコンウニ／Ｘにおいて酸素
析出性を制御するために必要とされる最適なものとされ
、該シリコンウェハがデバイス工程において受ける熱処
理条件等によって左右されるが、一般に０．１１）ｐｍ
ａ〜５０ｐｐｍａの範囲内にある。すなわち、炭素濃度
が０．１ｐｐｍａ未満であると、酸素析出核形成の制御
が国難となり、酸素析出量が不安定となると考えられる
ためであり、一方５Ｑｐｐｍａを越えるものであると、
結晶育成中に炭素の析出が起り無転位単結品の育成が困
難になると考えられるためである。

また本発明のシリコンウェハにおいて、表層部に形成さ
れる脱炭層２の厚さとしては、２０〜６０　ｌｌ、より
好ましくは３５〜４５μ程度であることが望ましい。す
なわち、脱炭層２のＭさが２０μｍ未満であると、デバ
イスの能動領域を脱炭層２内に作製することが国難とな
り、一方、６０μｍを越えるものであると、その形成が
技術的、経済的に国難であるのみならず、ウェハのゲッ
タリング能力、強度等が低下してしまう虞れがあるため
である。なお、第１図に示す実施態様においては、この
脱炭層２はウェハの両面に形成されているが、脱炭層２
はデバイスを形成する片面側のみに形成されていてもよ
い。さらに、この脱炭層２には、全く炭素が含まれてい
ないことが最も望ま゛しいが、炭素濃度が０．０５ｐｐ
ｍａ未満であれば実質的に該炭素成分の影響が生じない
ものと考えられるので許容できるものである。

このような構成を有する本発明のシリコンウェハは、デ
バイス工程において所定の熱処理にかけられた際に、そ
の内部においては所望濃度で存在する炭素によって多数
の例えば１０９〜１０１０個／Ｃｍ３程度の微小欠陥が
安定して発生し、一方、その表層部においては炭素が存
在しないために格子間酸素が析出せず、微小欠陥は生起
しない。従って、得られるデバイスの信頼性は高くなり
、またデバイス製造工程において優れたゲッタリング性
が得られ、さらにデバイス強度も十分となる。

このような構成を有するシリコンウェハは、上記のよう
な所定濃度の炭素を含何するシリコン単結晶体から製造
され得る。

まず、このような所定濃度の炭素を含有するシリコン単
結晶体は、例えば次のようにして得られる。第２図はこ
のようなシリコン単桔品の製造に用いられる単結晶引上
げ装置の一例の使用状態における構成を模式的に示すも
のである。

第２図に示したシリコン単結晶引上げ装置においては、
シリコン融液３を形成する石英製坩堝４に対し、その周
縁端部側から原料を供給可能な原料供給用管５が配置し
である。このような構成を有する引」二げ装置において
、まず坩堝４に多結晶シリコン原料および必要に応じて
ドーパントとしての不純物を装填し、この多結晶シリコ
ン原料およびドーパントを筒状ヒーター６による加熱に
よって溶融して、融液３を形成する。この融液３形成の
際ないしはシリコン単結晶体引上げ直前に、炭素、炭化
珪素あるいは炭素を含むシリコンを、坩堝２内の融液１
中の炭素濃度Ｃ６゜が以下のような値となるように添加
する。

Ｃｃ０＝　Ｃｃ−、＋／　ｋ （但し、式中Ｃ（ｓ、Ｉは、シリコン単結晶体に含有さ
せようとする炭素の目的濃度であり、ｋはシリコンに対
する炭素の偏析係数である。）そして、引上げワイヤ７
の先端に固定された種結晶８を、この融液３に浸け、所
定速度で引−Ｌげることにより種結晶８の先端にシリコ
ン単結晶体９を成長させる。ここで、シリコンに対する
炭素の偏析係数には０．０７であるために、そのまま何
らシリコン融液３に操作を加えないとすると、シリコン
単結晶体９の成長に伴ない、融液３中の炭素濃度Ｃｃ。

ほかなりの速度で濃縮され、得られる単結晶体９中の炭
素濃度Ｃ６，が大きく変動してしまう。従って、シリコ
ン単結晶体９の引上げと共に、単結晶の引上げ量に応じ
て、前記坩堝９内に、シリコン原料および必要に応じて
ドーパントとしての不純物と共に炭素成分を原料供給用
管５より補給する。この補給原料は、例えば、粒状また
は粉状の多結晶シリコン原料およびドーパントとしての
不純物に加えて、同じく粒状または粉状の炭素、炭化珪
素あるいは炭素を含むシリコンを、この補給原料におけ
る炭素濃度Ｃｃ、を以下のような値となるよう配合して
調製しておけばよい。

ＣＣｍ”　ＣＣｓ、　１ これにより坩堝４内の融液３から単結晶体つとして納品
中に取込まれ減少していく炭素量と、原料供給用管５よ
り融液３に補給される補給原料中の炭素量の均衡が図ら
れ、得られる単結１’ｉｒＩ体９中の炭素濃度Ｃいが軸
方向において所望の値Ｃ６，１で一定に保たれる。

しかしながら、所定濃度の炭素を含有するシリコン単結
晶体を育成する方法としては、上記したような態様に何
ら眼定されるものではなく、単結晶引上げ操作において
、坩堝内におけるシリコン単結晶体を引上げる部位に、
単結晶の引上げ量に応じて、シリコン原料とともに炭素
成分を連続的もしくは断続的に補給する操作を加え、融
液中の炭素濃度Ｃｃ０を、所定炭素濃度Ｃ６８□をシリ
コンに対する炭素の偏析係数にで割った値からある一定
範囲内、好ましくは±１０％以内の濃度に引上げ操作を
通じて制御することができるものであればいかなる方法
であってもよい。

このようにして、所定濃度の炭素を含有するシリコン単
結晶体が得られたら、常法に基づきシリコン単結晶体を
スライスしてウェハを作製し、ざらに表面研磨等の処理
を行なう。

しかして本発明の製造方法においては、このシリコンウ
ェハの表層部に脱炭層を形成するために熱処理を行なう
。この熱処理は、例えば、第３図に示すように、予めヒ
ーター１０により加熱され所定の温度に保持され、かつ
ガス供給装置１１より所定ガスを流入され所定の雰囲気
に保たれた加熱炉１２中に、シリコンウェハ１３を石英
あるいは炭化珪素製の治具１４」―に＝ｌ１２べて挿入
し、所定時間経過した後に、再び加熱炉１２から取り出
すことにより行なわれる。この熱処理の温度条件として
は、約１０００℃〜１２００℃、より好ましくは約１１
５０℃〜１２００℃が適当である。すなわち、熱処理温
度が１０００℃未満であると、シリコンウェハ１３中か
らの炭素の拡散速度が遅く、所望層厚の脱炭層を形成す
るのに長持間を要するため実用的でないのみならず、長
持間かけても１−分な脱炭がなされない虞れがあるため
であり、一方熱処理温度が１２００℃を越えるものであ
ると、ウェハ面内にスリップ転位等が生じる虞れが高い
ためである。また熱処理時間としては、熱処理温度、お
よび形成しようとする脱炭層の層厚などによっても左右
されるが、約１２〜３６時間程度である。さらにこの熱
処理における炉内雰囲気は、炭素を含有しない雰囲気で
あればよく、例えば、ドライ０２雰囲気、ウェット０２
雰囲気、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気等を形成すればよい。

このようにして表層部に脱炭層を形成されたシリコンウ
ェハは、その後必要に応じて、ラッピング、ポリッシン
グなどの上程にかけられて製品化される。

［実施例コ 以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

第２図に示すような構成を存する引上げ装置の坩堝４内
において、まず多結晶シリコン原料およびドーパントと
しての硼素を所定量溶融して融液３を形成する。さらに
坩堝４内の融液３の量に対して１４．０ｐｐｍａの濃度
に相当する量の炭素を添加した。そして常法に基づき直
径５インチの単結晶体を引上げながら、引上げ量に応じ
て、原料供給用管５から１．０ｐｐｍａの濃度の炭素成
分および所定濃度のドーパントを含庁する拉状多結晶シ
リコン原料を坩堝４内に連続的に供給して、単結晶体が
約８０ｃｍの長さとなるまで育成を行なった。

このようにして得られたシリコン単結晶体をスライスし
、表面研磨して得られたウェハ１３を、温度１１５０℃
、ドライ０２雰囲気に保持された第３図に示すような加
熱炉１２中において、２４時間熱処理した。

この後、このシリコンウェハを、２次イオン質量分析装
置を用いて分析したところ、表層部に約４０μｍの脱炭
層が形成されていることが確認された。

さらにこのウェハを第３図に示すような加熱炉１２にお
いて、１０００℃でＮ２雰囲気下にて１６時間熱処理を
行なった。

このように酸素析出処理を行なった後のシリコンウェハ
の断面をエツチングして光学顕微鏡で観察したところ、
表面から約４０μｍの深さの領域、すなわち脱炭された
領域においては、析出欠陥が観察されないのに対し、そ
れより内部の領域においては平均１０１０個／　ｃ　ｍ
　３存在した。なお、上記単結吊体の各部位から得られ
たウェハにおいて、この析出欠陥の発現に関し有意な差
は認められず、その特性が均一化されているものと考察
された。

［発明の効果］ 以−に述べたように本発明によれば、シリコンウェハの
内部には０．１〜５０ｐｐｍａの範囲内のある所定濃度
の炭素を含有させ、一方シリコンウェハの少なくとも片
面の表層部には実質的に炭素を含有していない脱炭層を
形成させたものであるために、内部の酸素析出性が安定
化する一方、表層部における酸素析出が回避されるため
、表面欠陥が少なく、かつ優れたゲッタリング性および
強度等の品質を有するものとなり、その製品価値が極め
て向」二するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリコンウェハの構造を模式的に示す
断面図、第・２図は本発明のシリコンウェハの製造にお
いて用いられる単結晶引上げ装置の一例の使用状態にお
ける構成を示す模式図であり、また第３図は本発明のシ
リコンウェハの製造において用いられる加熱炉の一例の
使用状態における構成を示す模式図である。 １・・・炭素含有層、２・・・脱炭層、３・・・融液、
４・・・坩堝、５・・・原料供給用管、６・・・筒状ヒ
ーター７・・・引−ヒげワイヤ、８・・・秤結品、９・
・・単結吊体、１０・・・ヒーター １・・・ガス供給装置、 １２・・・加熱炉、 １３・・・シリコンウェハ＼、 １４・・・治具。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコンウェハの内部は０．１〜５０ｐｐｍａの
   範囲内のある所定濃度の炭素を含有して炭素含有層を形
   成しており、一方シリコンウェハの少なくとも片面の表
   層部は実質的に炭素を含有していない脱炭層を形成して
   いることを特徴とするシリコンウェハ。
2. （２）ある所定濃度の炭素を含有するシリコンウェハを
   、炭素非含有雰囲気下において１０００〜１２００℃の
   温度で熱処理することにより、シリコンウェハの表層部
   に脱炭層を形成することを特徴とするシリコンウェハの
   製造方法。