JP6599009B2 - 単結晶シリコンから作製される半導体ウェハおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶シリコンから作製され、酸素、窒素および水素を含む半導体ウェハ、およびこのような半導体ウェハを製造するための方法に関する。その特性のために、半導体ウェハは、特にその上側面（前面側）上へエピタキシャル層が堆積される基板ウェハとして好適である。堆積されたエピタキシャル層を有する半導体ウェハは、エピタキシャル半導体ウェハとしても知られる。

酸素は、ＢＭＤ欠陥（ＢＭＤ、バルク微細欠陥（Bulk Micro Defects））の形成において重要な役割を果たす。複数のＢＭＤは、熱処理の過程でＢＭＤ核が成長する酸素析出物である。それらは内部ゲッタとして、すなわち不純物のためのエネルギーシンクとして作用し、したがって基本的に有利である。１つの例外は、電子部品を収容することが意図される位置にそれらが存在することである。そのような位置での複数のＢＭＤの形成を回避するために、エピタキシャル層は、半導体ウェハ上に堆積され得、エピタキシャル層に電子部品を収容するために設けられる。

しかしながら、半導体ウェハ上のエピタキシャル層の堆積はより小さなＢＭＤ核が溶解する過程で半導体ウェハ上に熱応力を伴うということに留意すべきである。小さなＢＭＤ核は、エピタキシャル層の堆積後は複数のＢＭＤへ成長するのにもはや利用可能でない。これに対抗するための１つのオプションは、エピタキシャル層の堆積に先立って半導体ウェハに熱処理を受けさせて小さなＢＭＤ核を安定化させること、またはもはや溶解しない複数のＢＭＤを形成することである。しかしながら、このような熱処理は、追加の費用を伴う。それに代えてまたはそれに加えて、エピタキシャル層の堆積後であっても半導体ウェハにおけるＢＭＤ核の可能な最大密度を得るために、比較的高い単結晶の酸素濃度が選択され得る。ＵＳ２００６／０１５０８９４Ａ１は、半導体ウェハが生じる単結晶が熱処理されて複数のＢＭＤを形成する方法を開示している。

半導体ウェハが生じる単結晶がチョクラルスキー法（ＣＺ法；Czochralski method）に従って石英るつぼに含まれる融解物から引き上げられるとき、るつぼ材料は、単結晶およびそれに由来する半導体ウェハに取り込まれる酸素の源を形成する。取り込まれる酸素の濃度は、たとえば引上げ装置を通るアルゴンの圧力および流れを制御することによって、またはるつぼを回転させることおよび単結晶の引上げの間の核結晶回転によって、または融解物に印加される磁場を用いることによって、またはこれらの計測の組合せによって、かなり精密に制御され得る。

単結晶における窒素の存在は、ＢＭＤ核の形成を促進させる。このため、単結晶を窒素でドープすることは、一般に、より高い密度のＢＭＤを実現するのに好適である。単結晶における窒素の濃度は、たとえば融解物に窒素を含む材料を溶解させることによって、または融解物に窒素を含む気体もしくは窒素化合物を供給することによって、広い制限内で調節され得る。

結晶界面における引上げ速度Ｖおよび軸方向温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇの制御も、ＣＺ法によるシリコンの単結晶の引上げの間、特に重要である。引上げ速度Ｖは、成長する単結晶が融解物から上方向に離れるように持ち上げられる速度であり、軸方向温度勾配Ｇは、結晶の持上げの方向における結晶界面の温度変化の大きさである。単結晶で多数を占める点欠陥（空孔および格子間シリコン原子）の種類および濃度は、Ｖ／Ｇ比率によって実質的に決定される。複数のＢＭＤは、特に空孔の数が格子間シリコン原子の数を超える、したがって空孔が多数を占める領域で発達し得る。比較的高いＶ／Ｇ比率の場合である、単結晶の結晶化の間に比較的大きな過飽和の空孔の存在があるとき、空孔は、たとえばＣＯＰ（結晶起因粒子；Crystal Originated Particle）として確かめられ得る塊を形成する。Ｖ／Ｇ、したがって空孔の飽和がＣＯＰの形成に必要とされ得るよりもやや少ないとき、ＯＳＦ欠陥（酸素誘起積層欠陥；Oxidation Induced Stacking Faults）の核がＣＯＰにかわって形成する。この場合、単結晶はＯＳＦ領域で結晶化する。Ｖ／Ｇ比率がより小さいとき、ＣＯＰおよびＯＳＦがその中に形成されないために空孔が依然として多数を占めるが欠陥がないものとして分類される領域が単結晶の結晶化の間に形成される。このような領域は、Ｐ_ｖ領域とよばれる。Ｖ／Ｇ比率のさらなる低減は、同様に欠陥がないものとして分類されるが、格子間シリコン原子が多数を占めるＰ_ｉ領域で単結晶を成長させる。

結晶界面の軸方向温度勾配Ｇおよびその径方向の進行は、結晶界面からのおよび結晶界面への熱輸送によって決定される。熱輸送は、同様に、単結晶を成長させる環境、いわゆるホットゾーンの熱特性および１つ以上の加熱装置による熱供給に実質的に影響される。

あるホットゾーンで単結晶を引き上げることが決定されたとき、結晶界面の軸方向温度勾配Ｇの軸方向および径方向の進行は、熱平衡を考慮するシミュレーション計算によって決定され得る。ホットゾーンの適切な構成は、軸方向温度勾配Ｇが単結晶の半径に沿って所望の進行を有することも確保し得る。単結晶の成長および融解物の堆積の減少の結果、熱条件、したがって結晶界面の軸方向温度勾配Ｇの軸方向の進行が経時的に変化する。このため、軸方向において意図された領域のＶ／Ｇ比率を維持するために、対応する引上げ速度Ｖの変化にわたって軸方向温度勾配Ｇの経時的な変化を補填することが必要となる。したがって、引上げ速度Ｖを制御することによって、Ｖ／Ｇ比率も制御可能となる。

ＷＯ９８／４５５０８Ａ１は、引上げ速度Ｖの制御によって、単結晶の成長の間Ｖ／Ｇ比率が実際に変化せずに維持される条件を実現するために、経時的な引上げ速度Ｖの進行が実験的にどのように決定され得るか、および単結晶が意図された領域でどのように成長し得るかについて記載する、数多くの刊行物の１つである。この文献は、さらに、Ｐ_ｖ領域およびＰ_ｉ領域の特性評価および区別のための検証方法について記載している。

ＥＰ１８８７１１０Ａ１は、単結晶シリコンから作製され、酸素、窒素および水素を含み、Ｐ_ｖ領域で引き上げられる単結晶から生じる半導体ウェハの製造に関する。Ｐ_ｖ領域での単結晶の結晶化を可能とするために、窒素の存在および程度は低いが水素の存在が引上げ速度の最大範囲を利用可能とさせることができることが報告されている。半導体ウェハにおいて比較的高い酸素濃度を選択すること、および半導体ウェハにＲＴＡ（急速熱アニール；rapid thermal anneal）を施すことがさらに提案されている。

ＵＳ２０１１／００８４３６６Ａ１は、単結晶シリコンから作製され、酸素、窒素および水素を含み、その前面がエピタキシャル層で覆われている半導体ウェハの製造に関する。半導体ウェハがある量で窒素および水素を含むときに有利であるということが文献から明らかである。水素の存在は、ＢＭＤ核の形成を促進する添加物として窒素の活性を同時に損なうことなく、半導体ウェハにおけるＯＳＦの形成およびエピタキシャル層のそれに由来する欠陥に対抗する。しかしながら、半導体ウェハにおける水素の存在がエピタキシャル層の転位の形成の原因となり得ること、および空孔の塊がこれらの転位の開始点であることが示唆されている。

本特許出願の発明者らは、その特性によって前面上へエピタキシャル層が堆積される基板ウェハとしての使用に特に好適となる単結晶シリコンから作製される半導体ウェハを提供するという課題に接してきた。前記発明者らは、ＵＳ２００６／０１５０８９４Ａ１、ＥＰ１８８７１１０Ａ１およびＵＳ２０１１／００８４３６６Ａ１に記載される対応する半導体ウェハよりもこの目的により好適である半導体ウェハを提供するという課題に特に接してきた。提供された半導体ウェハの前面がエピタキシャル層で覆われるとき、理想的には、フォトリソグラフィステップでオーバーレイ欠陥として、すなわち堆積されたエピタキシャル層を有する半導体ウェハの局所的な変形として検出される欠陥は、電子部品の製造の間形成されるべきではない。さらに、理想的には、双晶転位によって生じるエピタキシャル層の表面上に検出可能な散乱光中心部は存在すべきではない。オーバーレイ欠陥および双晶転位は、機能的な電子部品の産出を損なう。

上記課題は、中央部、縁部、および中央部と縁部との間の半径Ｒを有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハによって解決される。上記半導体ウェハは、
４．９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の酸素濃度と、
５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素濃度と、
３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の水素濃度と、
ＩＲトモグラフィによって決定される、前記半導体ウェハの前記半径にわたって平均化された密度が１×１０⁵ｃｍ^-3以上、１×１０⁷ｃｍ^-3以下である、ＢＭＤ核と、
半径にわたって平均化された密度が１１００ｃｍ^-2以上であり、窒素の雰囲気で８時間の期間にわたる９００℃の温度、および酸素および水素の雰囲気で２時間の期間にわたる１１００℃の温度での半導体ウェハの熱処理後に、光学顕微鏡検査によって決定される、表面欠陥と、
密度が５×１０⁸／ｃｍ³の下限以上であり、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．１５まで半径に沿って決定される、複数のＢＭＤと、を有する。

上記課題は、さらに、単結晶シリコンから作製される半導体ウェハを製造するための方法によって解決され、上記方法は、
引上げ速度ＶでＣＺ法に従って融解物から単結晶を引上げることを備え、融解物は、酸素、窒素および水素でドープされ、単結晶は結晶界面で成長し、上記方法はさらに、
酸素濃度が４．９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、窒素濃度が５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、水素濃度が３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であるように、単結晶において均一な直径を有する部分の酸素、窒素および水素の取込みを制御することと、
引上げ速度Ｖを均一な直径を有する部分の単結晶がＰ_ｖ領域で成長するスパン△Ｖ内となるように制御することとを備え、引上げ速度Ｖはスパンの３９％を含むスパンのサブレンジにあり、スパンの最小引上げ速度はＰ_ｖ領域からＰ_ｉ領域までの移行の引上げ速度よりも２６％大きく、上記方法はさらに、
単結晶において均一な直径を有する部分から半導体ウェハを分離することを備える。

ＢＭＤ核を生成および／またはエピタキシャル層の堆積の間に溶解しないように安定化するために、半導体ウェハ上へのエピタキシャル層の堆積前に実行される半導体ウェハまたは単結晶の熱処理は、上記方法の要素ではない。

発明者らは、オーバーレイ欠陥の形成は過剰な密度の複数のＢＭＤに起因する結晶格子における応力によって生じるのではないかと考えた。このような応力は、複数のＢＭＤの密度の径方向の進行が過度に不均一である場合にも生じ得る。さらに、このような場合、結晶格子におけるすべりを防止する複数のＢＭＤの活性、いわゆるピニングが非常に弱いため、過度に低い密度の複数のＢＭＤはオーバーレイ欠陥も引き起こし得る。双晶転位の形成は、比較的大きいがＯＳＦ欠陥を形成可能とするには小さすぎるＢＭＤ核によって生じると考えられる。

したがって、提供された半導体ウェハは、特定の要件を満たさなければならない。酸素、窒素および水素の濃度に関して、提供された半導体ウェハは、以下の特性を有する。

新たなＡＳＴＭに従う半導体ウェハの酸素濃度は４．９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、窒素濃度は５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、水素濃度は、３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。

酸素濃度が下限未満であるとき、半導体ウェハ上へのエピタキシャル層の堆積後およびＢＭＤ核を複数のＢＭＤへと成長可能とする熱処理後、半導体ウェハの半径に沿った密度が非常に不均質であり、かつある場所でまたは完全に３×１０⁸ｃｍ³を下回る複数のＢＭＤが形成される。内部ゲッタとしての十分な活性を実現可能とするために、複数のＢＭＤの密度は３×１０⁸ｃｍ³以上であるべきである。酸素濃度は５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の上限を超えてはならない。これは、さもなければＢＭＤ核が大きくなりすぎ、半導体ウェハ上へのエピタキシャル層の堆積後の半導体ウェハがエピタキシャル層の表面上で双晶転位を形成しやすいためである。酸素濃度は、好ましくは５．７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。

窒素濃度が５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の下限未満であるとき、これにより酸素濃度が下限未満であるときと同様の不都合が生じる。窒素濃度の上限である１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³は超えてはならない。これは、さもなければ半導体ウェハ上へのエピタキシャル層の堆積後およびＢＭＤ核を複数のＢＭＤへと成長可能とする熱処理後、半導体ウェハは密度が過剰な複数のＢＭＤを含むためである。半導体ウェハ半径に沿った密度がある場所でまたは完全に２．５×１０⁹／ｃｍ³の上限を超えるとき、複数のＢＭＤの密度は過剰となる。窒素濃度は、好ましくは３．５×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。

水素の存在は、ＯＳＦ欠陥の核の形成を抑制し、特に半導体ウェハの縁部領域において複数のＢＭＤの密度の径方向の進行の均一化に貢献する。したがって、半導体ウェハの水素濃度は３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるべきである。水素濃度が下限よりも小さいとき、半導体ウェハの縁部領域における複数のＢＭＤの密度の径方向の進行は非常に不均質となる。水素濃度が８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の上限より大きいとき、半導体ウェハはエピタキシャル層の堆積後にエピタキシャル層上で双晶転位を形成しやすくなる。この理由のため、半導体ウェハが分離されるシリコンの単結晶は、水素を含む雰囲気で引上げられる。水素の分圧は、好ましくは５Ｐａ以上、１５Ｐａ以下である。

酸素、窒素および水素に関して言及された濃度範囲を観察することは、単独では課題を解決するためには不十分である。３つに加えて、さらなる特性が満たされなければならない。

半導体ウェハの半径にわたって平均化され、ＩＲトモグラフィによって決定されるＢＭＤ核の密度は、１×１０⁵ｃｍ^-3以上、１×１０⁷ｃｍ^-3以下である。

半導体ウェハの半径に沿って決定される表面欠陥の平均密度は、１１００ｃｍ^-2以上であり、好ましくは最大１０，０００ｃｍ^-2であり、窒素の雰囲気で８時間の期間にわたる９００℃の温度の半導体ウェハの第１の熱処理、および酸素および水素の雰囲気で２時間の期間にわたる１１００℃の温度での第２の熱処理後に、光学顕微鏡検査によって決定される。表面欠陥の平均密度が１１００ｃｍ^-2の値を下回るとき、ＢＭＤ核の不均質な分布が示唆される。

３時間の期間にわたる７８０℃の温度および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．１５まで半径Ｒに沿って決定されるとき、複数のＢＭＤの密度は５×１０⁸／ｃｍ³の下限以上である。

前述の特性を有する半導体ウェハを得るために、前記ウェハはある条件下で引上げられる単結晶を基としなければならない。単結晶の引上げの間、比率Ｖ／Ｇは、Ｐ_ｖ領域で適切に過剰な空孔を有して単結晶が結晶化する狭い制限内にとどまらなければならない。適切に過剰な空孔を有するＰ_ｖ領域が単結晶の中央部からその縁部まで単結晶の半径の９８％以上の径方向長さにわたって形成されるときが好ましい。比較的少ない過剰な空孔を有するＰ_ｖ領域の形成は排除されなければならない。これは、この場合、半導体ウェハ上へのエピタキシャル層の堆積に耐えるのに十分な大きさのＢＭＤ核がほとんど形成されないためである。しかしながら、過剰な空孔は多すぎるべきではなく、その径方向の進行は変わりすぎてもいけない。したがって、Ｐ_ｖ領域のための方法ウインドウが完全に利用されてはならない。

これらの要件は、比率Ｖ／Ｇを制御するために引上げ速度Ｖを制御することによって満たされる。単結晶がＰ_ｖ領域で適切に過剰な空孔を有して成長するために、前記速度がＰ_ｖ領域における単結晶の成長を確保する引上げ速度のスパン△Ｖのすべての値を取り得ないという条件で、引上げ速度Ｖは制御される。許容される引上げ速度は、△Ｖの３９％を含み、その最小引上げ速度がＰ_ｖ領域からＰ_ｉ領域までの移行の引上げ速度Ｖ_{Ｐｖ／Ｐｉ}よりも２６％大きいスパン△Ｖのサブレンジにある。

引上げ速度Ｖ_{Ｐｖ／Ｐｉ}およびスパン△Ｖは、たとえば、引上げ速度の進行を線形的に増加または減少させてテスト単結晶を引き上げることによって実験的に決定される。本発明に係る単結晶を引き上げることが意図されるのと同様のホットゾーンが用いられる。テスト単結晶のすべての軸方向の位置は、それに割り当てられる引上げ速度を有する。テスト単結晶は、軸方向に切り取られ、たとえば銅による修飾によってまたは少数派のチャージキャリアの寿命を測定することによって点欠陥が検査される。スパン△Ｖは、最小引上げ速度から、Ｐ_ｖ領域がテスト単結晶の半径の９８％以上の径方向長さにわたってテスト単結晶の中心部から縁部まで検出され得る最大引上げ速度にまで及ぶ。この文脈における最小引上げ速度は、引上げ速度Ｖ_{Ｐｖ／Ｐｉ}である。

引上げ速度Ｖは、好ましくは、単結晶において均一な直径を有する部分全体で前述の態様で制御されるため、この部分から切り取られるすべての半導体ウェハは、意図された特性を有する。この部分の単結晶の直径および結果として生じる半導体ウェハの直径は、好ましくは、２００ｍｍ以上、特に好ましくは３００ｍｍ以上である。

適切に過剰な空孔を有するＰ_ｖ領域で、半径の９８％以上の径方向長さにわたって、この単結晶の部分の可能な最大割合の成長を促すためには、融点から１３７０℃までの温度範囲で、結晶界面の中央部の軸方向温度勾配Ｇ_ｃが対応する結晶界面の縁部の温度勾配Ｇ_ｅよりも大きいことを考慮して、単結晶の引上げのためのホットゾーンを用いることが有利である。好ましくは以下が適用される。

欠陥の形成、たとえばＯＳＦ欠陥の核の形成を抑制するために、単結晶を冷却することがさらに有利である。冷却速度は、好ましくは以下の値以上である。
１２５０℃〜１０００℃の温度範囲で１．７℃／分、
１０００℃未満〜８００℃の温度範囲で１．２℃／分、
８００℃未満〜５００℃の温度範囲で０．４℃／分。

セグメント化によって、単結晶の窒素の濃度は単結晶の始まりから終わりまで増加することが留意されるべきである。本発明に係る半導体ウェハの可能な最も高い産出高を得るためには、単結晶の酸素および窒素の濃度の軸方向の進行を互いに正反対となるように設定することが有利である。このため、単結晶への酸素の取込みは、当初比較的低い窒素濃度が比較的高い酸素濃度と対になり、増加する窒素濃度と合わせて酸素濃度が減少するように制御されるべきである。単結晶のこの部分の始まりから５０ｍｍの位置で単結晶において均一な直径を有する部分における酸素濃度が５．４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるときが好ましい。

単結晶において均一な直径を有する部分の始まりで、水素濃度をこの部分の終わりよりも低く設定することも好ましい。単結晶が引き上げられる大気中の水素の分圧を、前記分圧が単結晶において均一な直径を有する部分の始まりでは５Ｐａの下限の範囲であり、この部分の終わりは１５Ｐａの上限の範囲であるように設定することが特に好ましい。たとえば、シリコンの単結晶が少なくとも３００ｍｍの直径を有し、部分の全長が少なくとも２２００ｍｍの均一な直径を有する場合、水素の分圧は、単結晶において均一な直径を有する部分の全長の半分までは５Ｐａ以上７Ｐａ以下に設定され、その後水素の分圧に関して１２Ｐａ以上１５Ｐａ以下、単結晶のこの部分の長さに関してその全長の５５％〜６０％に達するまでは線形的に増加され、単結晶において均一な直径を有する部分が意図された全長に達するまで水素の分圧が維持された。これは、窒素濃度が比較的高いとき、特に単結晶において均一な直径を有する部分の始まりで、その後生じる半導体ウェハの縁部範囲の複数のＢＭＤにおける密度の均一化を確保し、特に単結晶のこの部分の終わりで、ＯＳＦ欠陥の核の形成を回避する。さらに、１５Ｐａの上限までという水素分圧の制限は、半導体ウェハの上へのエピタキシャル層の堆積後に双晶転位が進行する大きなＢＭＤ核の形成を低減する。双晶転位の存在は、いわゆる局在化光散乱（ＬＬＳ；localized light scatters）の増加された数によって知られる。

本発明に係る半導体ウェハは、ＣＺ法によって上述された条件下で融解物から引き上げられた単結晶から分離される。半導体ウェハの上側面および下側面ならびに端部は、その後１つ以上の機械的加工ステップおよび少なくとも１つの研磨を受ける。研磨された半導体ウェハの上側面上には、エピタキシャル層が好ましくはそれ自体知られた態様で堆積される。エピタキシャル層は、好ましくは単結晶シリコンからなり、好ましくは２μｍ〜７μｍの厚さを有する。エピタキシャル層の堆積の間の温度は、好ましくは１１００℃〜１１５０℃である。半導体ウェハおよびエピタキシャル層は、電気的に活性なドーパント、たとえば、好ましくはｐｐ^-ドープされたドーピングに類似するホウ素でドープされる。

エピタキシャル層の表面上の双晶転位の数は、好ましくは５未満である。
半導体ウェハの前面上へのエピタキシャル層の堆積によって得られるエピタキシャル層を有する半導体ウェハは、エピタキシャル層の堆積にもかかわらず、密度が内部ゲッタとして必要な活性を有する半導体ウェハに寄与するのに十分である複数のＢＭＤを形成できるという可能性を有する。しかしながら、複数のＢＭＤの密度は十分に低くとどまっており、それらの径方向の進行は回避されるべきオーバーレイ欠陥に起因する問題のために十分に均等である。

複数のＢＭＤは、好ましくはエピタキシャル層の電子部品の製造および付随する熱処理の過程で形成される。しかしながら、それらは、エピタキシャル層の堆積後、電子部品の製造前に、半導体ウェハに１つ以上の熱処理を施すことによっても形成され得る。

エピタキシャル層を有する半導体ウェハの場合における複数のＢＭＤの密度は、３×１０⁸／ｃｍ³以上、２．５×１０⁹／ｃｍ³以下であり、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度でのエピタキシャル層を有する半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって、１ｍｍの縁部除外のために半導体ウェハの中心部から縁部まで測定される。

エピタキシャル層を有する半導体ウェハのさらなる品質属性は、複数のＢＭＤの密度が平均密度に基づいて８０％以下で変化するということであり、エピタキシャル層を有する半導体ウェハの半径Ｒに沿った複数のＢＭＤの密度は、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度でのエピタキシャル層を有する半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０７９１から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０１３５まで決定される。別の方法によれば、以下が適用される。

Ｄ_{ＢＭＤｍｅａｎ}は縁部領域に沿って平均化された複数のＢＭＤの密度を意味し、Ｄ_{ＢＭＤｍａｘ}およびＤ_{ＢＭＤｍｉｎ}は縁部領域内の複数のＢＭＤの最大および最小密度を意味し、縁部領域は径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０７９１から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０１３５まで及ぶ。

水素濃度の決定：
水素濃度を決定するために、単結晶から直方体ブロック（３ｃｍ×３ｃｍ×３０ｃｍ）の形態での測定対象物が切り取られる。５分の期間にわたる７００℃の温度での測定対象物の熱処理および測定対象物の急速冷却後、室温でＦＴＩＲ分光法によって水素濃度が測定される。ＦＴＩＲ測定の前に、さもなければ測定から抜かれ得る水素の一部がＣｏ⁶⁰源からのガンマ線で測定対象物を照射することによって活性化される。放射線のエネルギー量は５０００〜２１０００ｋＧｙである。測定運動は、測定対象物につき、１ｃｍ^-1の分解能で１０００スキャンを備える。１８３２、１９１６、１９２２、１９３５、１９５１、１９８１、２０５４、２１００、２１２０および２１４３ｃｍ^-1の波数での振動帯が評価される。水素濃度は、それぞれの振動帯の積分吸収係数の和に４．４１３×１０¹⁶ｃｍ^-1の換算係数を乗じたものから算出される。半導体ウェハの水素濃度が測定されることとなるとき、７００℃の温度での測定対象物の熱処理は回避され、半導体ウェハから切り取られ、３ｃｍ×２０ｃｍの面積を有する細片が測定対象物として用いられる。

ＩＲトモグラフィによるＢＭＤ核の密度の測定：
ＩＲトモグラフィ（赤外レーザ散乱トモグラフィ）によるＢＭＤ核の密度の測定は、結晶格子が成長する半導体ウェハの径方向の欠けた縁部に沿って行われる。この状態では、半導体ウェハは、ＢＭＤ核を消滅させる、またはＢＭＤ核を複数のＢＭＤへと発展させる熱処理を経験しない。測定の方法は、それ自体知られている（Kazuo Moriya et al.，J.Appl.Phys.６６，５２６７（１９８９））。ここで報告される実験的に決定されたＢＭＤ核の密度は、レイテックス・コーポレーション（Raytex Corporation）からのＭＯ−４４１ ＢＭＤ−Ａｎａｌｙｚｅｒ ｍｅａｓｕｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔで決定された。

ＩＲトモグラフィによる複数のＢＭＤの密度の測定：
測定前に、半導体ウェハ／エピタキシャル層を有する半導体ウェハは、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での熱処理を受ける。その後、複数のＢＭＤの密度の測定がＢＭＤ核の密度の測定の場合と同様に行なわれる。

光学顕微鏡検査による表面欠陥の密度の測定：
測定前に、半導体ウェハは、窒素の雰囲気で８時間の期間にわたる９００℃の温度での第１の熱処理、次いで酸素および水素の雰囲気で２時間の期間にわたる１１００℃の温度で第２の熱処理を受ける。表面上に形成する酸素層は、２つの熱処理の後にフッ化水素で除去される。これは、セコ（Secco）エッチャントを用いた表面欠陥の３分間の描写、および半導体ウェハの上側面上のその半径に沿った光学顕微鏡検査による表面欠陥の数の計数へと続く。５μｍより大きな最長対角線を有するすべての表面欠陥は、計数に含まれる。

Ｖ／Ｇ比率がＣＺ法による単結晶の引上げの間に変化するときに、Ｖ／Ｇ比率の関数として、空孔が多数を占める領域から格子間シリコン原子が多数を占める領域までシリコンの単結晶の材料組成がどのように変化するかを示す図である。 １０μｍ×１０μｍエリアの面積を有する測定ゾーンのＡＦＭマイクログラフ上の典型的な双晶転位を示す図である。 図２Ａに見られる薄い線（長さｌ）に沿った付随する最も高いプロファイル（相対高さｈ）を示すグラフである。 例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて表面欠陥Ｄ_ＳＤの密度の径方向の進行を示すグラフである。 例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて表面欠陥Ｄ_ＳＤの密度の径方向の進行を示すグラフである。 例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いてＢＭＤ核の密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}の径方向の進行を示すグラフである。 例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いてＢＭＤ核の密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}の径方向の進行を示すグラフである。 例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から半導体ウェハの半径Ｒまでの複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの軸方向の進行を示すグラフである。 例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から半導体ウェハの半径Ｒまでの複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの径方向の進行を示すグラフである。 例として３００ｍｍの直径を有し、本発明に従って製造されたそれぞれの半導体ウェハの前面上に堆積されたシリコンのエピタキシャル層を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、半導体ウェハの半径Ｒに沿った複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの軸方向の進行を示すグラフである。 実施例Ｂ３の半導体ウェハに由来するエピタキシャル層を有する半導体ウェハのＢＭＤ密度の均質な径方向の進行を示すグラフである。 少なくとも一定の直径を有する単結晶の部分の第２の半分の引上げの間に、比較的高い水素分圧を用いることが有利であることを示すグラフである。 少なくとも一定の直径を有する単結晶の部分の第２の半分の引上げの間に、比較的高い水素分圧を用いることが有利であることを示すグラフである。 少なくとも一定の直径を有する単結晶の部分の第２の半分の引上げの間に、比較的高い水素分圧を用いることが有利であることを示すグラフである。

本発明は、図を参照して以下でより特定的に説明される。
図１は、Ｖ／Ｇ比率がＣＺ法による単結晶の引上げの間に変化するときに、Ｖ／Ｇ比率の関数として、空孔が多数を占める領域から格子間シリコン原子が多数を占める領域までシリコンの単結晶の材料組成がどのように変化するかを示す。このような単結晶の一定の直径の部分にわたる軸方向の部分が示される。Ｖ／Ｇ比率は、頂部から底部まで下降し、直径に沿って、すなわち左から右へ変化する。領域ＣＯＰ、ＯＳＦおよびＰｖは、空孔が多数を占める。領域ＰｉおよびＬ−Ｐｉｔは、原子核シリコン原子が多数を占める。ｖ／Ｇ_ｃｒｉｔ比率は、Ｐｖ領域からＰｉ領域までの移行におけるＶ／Ｇ比率を意味する。Ｐｖ領域は、上部、中間および下部ドメインに分けられる。本発明に係る半導体ウェハは、ハッチングされた中間ドメインからの材料からなり、水平線としてこのドメインに象徴される。Ｐｖ領域の上部または下部ドメインの材料からなる半導体ウェハは、特にＢＭＤ密度の必要な径方向均質性が達成され得ないため、本発明に従わない。

図２Ａは、１０μｍ×１０μｍエリアの面積を有する測定ゾーンのＡＦＭマイクログラフ上の典型的な双晶転位を示す。図２Ｂは、図２Ａに見られる薄い線（長さｌ）に沿った付随する最も高いプロファイル（相対高さｈ）を示す。

図３は、例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて表面欠陥Ｄ_ＳＤの密度の径方向の進行を示す。半導体ウェハの半径Ｒにわたって平均化された密度Ｄ_ＳＤは、１１００／ｃｍ²の所要の値を超える。半径Ｒは、半導体ウェハの中央部の径方向位置ｒ（ｒ＝０）から半導体ウェハの縁部の径方向位置ｒ（ｒ＝Ｒ）まで延在する。

比較のために、図４は、例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて表面欠陥Ｄ_ＳＤの密度の径方向の進行を示す。半導体ウェハの半径Ｒにわたって平均化された密度Ｄ_ＳＤは、１１００／ｃｍ²の所要の値より小さくなる。

図５は、例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いてＢＭＤ核の密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}の径方向の進行を示す。半導体ウェハの半径Ｒにわたって平均化された密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}は、１×１０⁵ｃｍ^-3以上、１×１０⁷ｃｍ^-3以下の所要の範囲内である。

比較のために、図６は、例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いてＢＭＤ核の密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}の径方向の進行を示す。半導体ウェハの半径Ｒにわたって平均化された密度Ｄ_{ＢＭＤｎｕｃｌｅｉ}は、１×１０⁵ｃｍ^-3以上、１×１０⁷ｃｍ^-3以下の所要の範囲内にない。

図７は、例として本発明に従って製造された３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から半導体ウェハの半径Ｒまでの複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの軸方向の進行を示す。単結晶の引上げの間、１２Ｐａの水素の分圧は所要の範囲であった。ｒ＝Ｒ／３からｒ＝Ｒ／１．１５までの範囲の複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの最小値は、５×１０⁸／ｃｍ³の所要の下限を超える。

比較のために、図８は、例として本発明に従って製造されていない３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から半導体ウェハの半径Ｒまでの複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの径方向の進行を示す。単結晶の引上げの間、５Ｐａ未満の水素の分圧は要求されるよりも低かった。ｒ＝Ｒ／３からｒ＝Ｒ／１．１５までの複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの最小値は、５×１０⁸／ｃｍ³の所要の下限未満である。

図９は、例として３００ｍｍの直径を有し、本発明に従って製造されたそれぞれの半導体ウェハの前面上に堆積されたシリコンのエピタキシャル層を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハを用いて、半導体ウェハの半径Ｒに沿った複数のＢＭＤの密度Ｄ_ＢＭＤｓの軸方向の進行を示す。複数のＢＭＤの密度の径方向の進行は、単結晶のそれぞれの半導体ウェハの軸方向の進行と関係なく、比較的均質である。すべての場合において、複数のＢＭＤの密度は、３×１０⁸／ｃｍ³以上から２．５×１０⁹／ｃｍ³以下までの範囲内で変化する。

以下の表は、本発明に従う特性（実施例Ｂ１〜Ｂ３）を有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハ、および１つ以上の要件（比較例Ｖ１〜Ｖ４）を満たす不良により発明に係る半導体ウェハではない半導体ウェハのデータを含む。

実施例Ｂ１〜Ｂ３の半導体ウェハと比較して、比較例Ｖ１〜Ｖ４の半導体ウェハは、ＢＭＤ核の密度、表面欠陥の密度、およびＢＭＤ密度に関する要件の１つ以上を満たしていなかった。シリコンのエピタキシャル層の堆積後は、内部ゲッタの不十分なポテンシャル、またはオーバーレイ欠陥の存在、またはより多くの双晶転位のいずれかのため、比較例の半導体ウェハに基づくエピタキシャル層を有する半導体ウェハのみが欠陥を有していた。

実施例Ｂ１〜Ｂ３の半導体ウェハに由来するエピタキシャル層を有する半導体ウェハは、このような欠陥を有していなかった。図１０は、実施例Ｂ３の半導体ウェハに由来するエピタキシャル層を有する半導体ウェハのＢＭＤ密度の均質な径方向の進行を示す。

図１１〜図１３は、少なくとも一定の直径を有する単結晶の部分の第２の半分の引上げの間に、比較的高い水素分圧を用いることが有利であることを示す。３００ｍｍの直径を有する単結晶シリコンから作製された３つの半導体ウェハのＢＭＤ密度は、エピタキシャル層の堆積後に決定された。それぞれの半導体ウェハは、一定の直径を有する部分の第２の半分の特に軸方向の位置で単結晶から切り取られる。単結晶の引上げの間、それぞれの位置の水素分圧は異なっていた。水素分圧は、位置６２２ｍｍでは０Ｐａ、位置６８５ｍｍでは５Ｐａ、位置７６１ｍｍでは１２Ｐａであった。図１１（位置６２２ｍｍ）、図１２（位置６８５ｍｍ）および図１３（位置７６１ｍｍ）の比較は、エピタキシャル層を有する対応する半導体ウェハのＢＭＤ密度が位置７６１ｍｍの半導体ウェハの場合のみ所望の値で所望の径方向に均質な進行を有することを示す。

Claims (9)

1. 中央部、縁部、および前記中央部と前記縁部との間の半径Ｒを有する単結晶シリコンから作製された半導体ウェハであって、前記半導体ウェハは、
   ４．９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の酸素濃度と、
   ５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の窒素濃度と、
   ３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の水素濃度と、
   ＩＲトモグラフィによって決定される、前記半導体ウェハの前記半径にわたって平均化された密度が１×１０⁵ｃｍ^-3以上、１×１０⁷ｃｍ^-3以下である、ＢＭＤ核と、
   前記半径にわたって平均化された密度が１１００ｃｍ^-2以上であり、窒素の雰囲気で８時間の期間にわたる９００℃の温度、および酸素および水素の雰囲気で２時間の期間にわたる１１００℃の温度での前記半導体ウェハの熱処理後に、光学顕微鏡検査によって決定される、表面欠陥と、
   密度が５×１０⁸／ｃｍ³の下限以上であり、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での前記半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって、径方向位置ｒ＝Ｒ／３から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．１５まで前記半径に沿って決定される、複数のＢＭＤとを有する、半導体ウェハ。
2. 前記半導体ウェハの前面はシリコンから作製されるエピタキシャル層で覆われる、請求項１に記載の半導体ウェハ。
3. 前記複数のＢＭＤの密度は、３×１０⁸／ｃｍ³以上、２．５×１０⁹／ｃｍ³以下であり、１ｍｍの縁部除外のために前記半導体ウェハの前記中央部から前記縁部まで決定され、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での前記半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって評価される、請求項２に記載の半導体ウェハ。
4. 前記複数のＢＭＤの密度は、平均密度を基準として８０％以下で変化し、径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０７９１から径方向位置ｒ＝Ｒ／１．０１３５までの前記半径に沿って決定され、３時間の期間にわたる７８０℃の温度、および１６時間の期間にわたる１０００℃の温度での前記半導体ウェハの熱処理後に、ＩＲトモグラフィによって評価される、請求項２または請求項３に記載の半導体ウェハ。
5. 単結晶シリコンから半導体ウェハを製造するための方法であって、
   引上げ速度ＶでＣＺ法に従って融解物から単結晶を引き上げることを備え、前記融解物は酸素、窒素および水素でドープされ、前記単結晶は結晶界面で成長し、前記方法は、
   酸素濃度が４．９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、５．８５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
   ｍ³以下であり、窒素濃度が５×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、水素濃度が３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、８×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であるように、単結晶における均一な直径を有する部分の酸素、窒素お
   よび水素の取り込みを制御することと、
   前記引上げ速度Ｖを均一な直径を有する前記部分の前記単結晶がＰ_ｖ領域で成長するスパン△Ｖ内となるように制御することとを備え、前記引上げ速度Ｖは前記スパンの３９％を含む前記スパンのサブレンジにあり、前記サブレンジの最小引上げ速度は前記Ｐ_ｖ領域からＰ_ｉ領域までの移行の引上げ速度Ｖ_{Ｐｖ／Ｐｉ}よりも２６％大きく、前記方法はさらに、
   均一な直径を有する前記単結晶の前記部分から前記半導体ウェハを分離することを備える、方法。
6. 水素を含む雰囲気で前記単結晶を引き上げることを備え、前記水素の分圧は５Ｐａ以上、１５Ｐａ以下である、請求項５に記載の方法。
7. 均一な直径を有する前記単結晶の前記部分がこの部分の意図された軸方向の長さの５０％よりも大きい軸方向長さに達すると、前記水素の分圧を増加させることを備える、請求項５または請求項６に記載の方法。
8. シリコンのエピタキシャル層が前記半導体ウェハの前面上に堆積される、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記エピタキシャル層の堆積の前に、ＢＭＤ核を安定化させることによってそれらが前記エピタキシャル層の堆積の間に溶解するのを防止する熱処理を前記単結晶または前記半導体ウェハに施すステップが回避される、請求項８に記載の方法。

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