特許 5691504 シリコン単結晶育成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5691504

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】シリコン単結晶育成方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20150312BHJP

   C30B 15/00 20060101ALI20150312BHJP

   C30B 15/20 20060101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/06 502K

   C30B29/06 502J

   C30B15/00 Z

   C30B15/20

【請求項の数】1

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2010-289763(P2010-289763)

(22)【出願日】2010年12月27日

(62)【分割の表示】特願2005-503641(P2005-503641)の分割

【原出願日】2004年2月25日

(65)【公開番号】特開2011-88818(P2011-88818A)

(43)【公開日】2011年5月6日

【審査請求日】2011年1月26日

(31)【優先権主張番号】特願2003-47565(P2003-47565)

(32)【優先日】2003年2月25日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100126882

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 光永

(72)【発明者】

【氏名】宝来 正隆

(72)【発明者】

【氏名】杉村 渉

(72)【発明者】

【氏名】小野 敏昭

(72)【発明者】

【氏名】田中 忠美

【審査官】 若土 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−３３０３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８９４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９０４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１１０６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６８４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３３５１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２１７２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７４１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４９３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２７０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８１４９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくなるホットゾーン構造を用いて、シリコン融点から１３７０℃までの軸方向温度勾配が、単結晶中心部（Ｇｃ）で３．０〜３．２℃／ｍｍであり、周辺部（Ｇｅ）では２．３〜２．５℃／ｍｍとしてＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、３体積％超８体積％以下の水素を含む不活性ガスを引上げ炉内に供給することでＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化ができる引き上げ速度範囲の上限と下限を水素を含まないときに比べて拡大し、且つ、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部で消滅する臨界速度の近傍で結晶引上げを行うとともに、拡大した範囲内で、ＣＯＰが発生する空孔優勢領域が結晶径方向全域において消滅する引き上げ速度を上限とし、転位クラスターが発生する格子間シリコン優勢領域が結晶径方向の一部に発生する引き上げ速度を下限として、結晶径方向の全域にＣＯＰ及び転位クラスターを含まない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶とする範囲内に引き上げ速度を制御することを特徴とするシリコン単結晶育成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコン単結晶育成方法、シリコンウェーハ製造方法、ＳＯＩ基板製造方法に係り、半導体デバイスの素材であるシリコンウェーハ及びその製造方法、並びにシリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の育成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の製造方法として代表的なものは、ＣＺ法と呼ばれる回転引上げ法である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成したシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。

【0003】

こうして製造されるシリコン単結晶には、デバイス形成工程で問題となる様々の種類のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が生じることが知られている。代表的なＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、格子間シリコン優勢領域に発生する転位クラスタ、及び空孔優勢領域に発生するＣＯＰまたはボイドの二つであり、両領域の間はリングＯＳＦ発生領域となる。さらに空孔型及び格子間シリコン型のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域がある。結晶径方向における典型的な欠陥分布を図１により説明すると、以下の如くである。

【0004】

結晶径方向の中間位置にリングＯＳＦ発生領域がリング状に存在している。リングＯＳＦ発生領域の内側は無欠陥領域を介してＣＯＰまたはボイド発生領域になっている。一方、リングＯＳＦ発生領域の外側は酸素析出促進領域、および酸素析出抑制領域を介して転位クラスタ発生領域になっている。酸素析出促進領域は、空孔型のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域であり、酸素析出抑制領域は格子間シリコン型のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域である。

【0005】

このような欠陥分布は、次の二つの因子によって制御されることが知られている。一つは結晶引上げ速度であり、今一つは凝固直後の結晶内温度分布である。結晶引上げ速度の影響を図２により説明すると、以下の如くである。

【0006】

図２は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布を示している。引上げ速度が速い段階では、リングＯＳＦ発生領域は結晶外周部に位置する。したがって、高速引上げ条件で育成した単結晶から採取されたウェーハは、結晶径方向のぼぼ全域にＣＯＰを発生する。引上げ速度の低下に伴ってリングＯＳＦ発生領域は結晶中心部へ徐々に移動し、最終的には結晶中心部で消滅する。したがって、低速引上げ条件で育成した単結晶から採取されたウェーハは、結晶径方向のぼぼ全域に転位クラスタを発生する。ちなみに、図１の結晶横断面は、図２中のＡ位置での断面図に相当している。

【0007】

転位クラスタもＣＯＰも共にデバイス特性を悪化させる有害なＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥であるが、有害度はＣＯＰの方が小さく、生産性に対する要求もあって、従来はもっぱら図２中にＤ位置以上で示されるようなＯＳＦ発生領域を結晶外周部に位置させるか結晶外へ排除する高速引上げ条件での育成が行われていた。

【0008】

しかしながら、近年における集積回路の著しい微細化に伴い、ＣＯＰの有害性さえもが指摘され始め、転位クラスタと共にＣＯＰの発生を防止する必要性が生じてきた。この要求に応える技術の一つが、特許文献１および特許文献２に記載されているような、点欠陥分布制御による欠陥フリー結晶の育成である。

【0009】

特許文献１および特許文献２に記載されている育成結晶におけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化は、前述した凝固直後の結晶内温度分布によって欠陥分布が制御される現象を利用したものである。

【0010】

即ち、通常のＣＺ引上げでは、凝固直後の結晶は外周面から放熱される。このため、凝固直後の結晶内の軸方向温度勾配は、中心部での温度勾配Ｇｃより外周部での温度勾配Ｇｅが大となる傾向を示す。その結果、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布、特にリングＯＳＦ発生領域は、下方に凸で且つ先が尖ったＶ字形状になる。その結果、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部に消滅する臨界速度近傍の引上げ条件を採用しても、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの領域は結晶中心部に限定的に生じるだけであり、結晶径方向の全域を欠陥フリー化することはできない。

【0011】

ちなみに、転位クラスタ及びＣＯＰは、リングＯＳＦ発生領域内側の無欠陥領域に発生しなのは勿論のこと、リングＯＳＦ発生領域自体、更にはその外側の酸素析出促進領域及び酸素析出抑制領域にも生じない。即ち、これら４つの領域がＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域である。

【0012】

これに対し、結晶引上げ炉におけるホットゾーン構造の工夫により、凝固直後の結晶を外面側から積極的に保温するようにすると、中心部での温度勾配Ｇｃを外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくすることが可能となる。そうすると、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面におけるＯＳＦ発生領域の形状は、図３に示すように、下方に凸の傾向のままで先がフラット化してＵ字形状になる。そしてこの状態で、ＯＳＦ発生領域が結晶中心部に消滅する臨界速度近傍の引上げ条件を採用することにより、結晶径方向の全域を欠陥フリー化することが可能になる。ちなみに図３では、この引上げ速度条件はＢ−Ｃの範囲内となる。

【0013】

なお、育成結晶における欠陥フリー化の他の技術としては、例えば特許文献３及び特許文献４に示されるような結晶引き上げ時の水素ドープがある。これは引上げ炉内に導入する不活性ガス中に微量の水素ガスを混入するものであり、シリコン融液への窒素ドープと同様に空孔欠陥の形成を抑制できる。

【0014】

特許文献１及び特許文献２に記載されているような欠陥分布制御によるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の育成技術では、引上げ条件としてＯＳＦ発生領域が結晶中心部に消滅する臨界速度近傍の低速引上げ条件を選択する必要がある。このため、生産性の低下が避けられない。

【0015】

加えて、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化のための引上げ速度範囲（マージン：図３中のＢ−Ｃの範囲）が狭く、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の安定な育成が難しい。その結果、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶を結晶全長に渡って得ることが困難であり、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造歩留まりが低くなる。このために、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造コストの削減が困難となる問題があった。特に、結晶直径が２００ｍｍ、３００ｍｍと大きくなるに従って、Ｇｅ≦Ｇｃの関係を満足することが困難となり、欠陥フリー化のための引き上げ速度範囲Ｂ−Ｃはさらに狭くなる傾向があり、これをブレークスルーする技術が望まれていた。

【0016】

一方、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板は、半導体デバイスの高速化および低消費電力化が可能であり、今後、需要の増大が期待されている。

【0017】

ＳＯＩ基板の製造法としては、酸化膜付ウェーハと通常ウェーハを貼り合わせる貼り合わせ法と、酸素イオンを注入したのち１３００℃以上の高温で酸化することにことにより埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ：Ｂａｒｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）を形成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）法とが主な方法である。

【0018】

これらのＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、高い放射線耐性とラッチアップ耐性を持ち、高信頼性を示すことに加えて、デバイスの微細化にともなうショートチャネル効果を抑制し、かつ低消費電力動作が可能となる。このため、ＳＯＩ基板は次世代ＭＯＳ−ＬＳＩ用の高機能半導体基板として期待されている。しかしながら、通常のウェーハに比較して製造工程が複雑であり、コストが嵩むことから、低コスト化が強く求められている。

【0019】

ＳＩＭＯＸ基板は本質的にＣＯＰフリーである必要がある。すなわち、ＣＯＰを含む基板に酸素をイオン注入した場合、ＣＯＰの部分が空洞であるために、酸素イオンが散乱されたり、正常部分と比較して深く注入されるために、ＳＩＭＯＸアニールした場合に埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ）に異常が生じる。このため、ＳＩＭＯＸ用の基板には、エピ成長、または水素またはアルゴン雰囲気中での高温処理により、表層近傍がＣＯＰフリー化されたウェーハが用いられており、エピ成長や高温アニール処理などの付加工程が必要なために、コストが高くなる問題があった。

【0020】

また、貼り合わせＳＯＩ基板では、活性層側に位置する基板にＣＯＰが存在すると、０．１μｍ以下の活性層を有する薄膜貼り合わせＳＯＩウェーハを製造する場合に、ＣＯＰを含む部分で活性層が薄くなり、部分的に、または完全にＢＯＸ層まで貫通したピンホールになるため、いわゆるＨＦ欠陥等の不良となる。このため、ＣＯＰを含まないウェーハを活性層側の基板として使用することが必要である。もちろん０．１μｍ以上の活性層を有する厚膜貼り合わせＳＯＩの場合も、活性層にＣＯＰを含むと酸化膜耐圧特性や素子絶縁分離の不良となるため、ＣＯＰのないウェーハを活性層側の基板として用いることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特開２００１−２２０２８９号公報

【特許文献2】特開２００２−１８７７９４号公報

【特許文献3】特開２０００−２８１４９１号公報

【特許文献4】特開２００１−３３５３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

以上のことから、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶は、もともとＣＯＰがフリーであることから、ＳＯＩ基板に採用した場合、エピ成長や高温アニール処理のような付加的な工程が不要となり、低コストが要求されるＳＯＩ基板として有望である。しかしながら、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶は、前述したとおり、通常のＣＺ結晶に比較して引き上げ速度が遅く、また、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥をフリー化するための引き上げ速度範囲（マージン）が極めて狭いために、製造歩留まりが低く、このために結晶製造のコストを下げることが困難であった。

【0023】

この問題を克服するためには、引き上げ速度を大きくして生産性を向上させ、さらにＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化ができる引き上げ速度範囲（マージン）を拡大することで、結晶成長を安定化させ製造歩留まりを向上させる必要があった。

【0024】

本発明の目的は、鏡面研磨ウェーハまたはＳＯＩウェーハとして用いるために、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶を生産性よく安定に育成できるシリコン単結晶の育成方法を提供することにある。本発明の別の目的は、そのようなシリコン単結晶育成方法により製造された高品質で低コストな鏡面研磨シリコンウェーハまたはＳＯＩウェーハ及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0025】

欠陥分布制御による欠陥フリー結晶の育成技術で問題となる生産性・歩留まりの低さを改善することを目的として、本発明者らは水素ドープ技術に着目し、検討を行った結果、以下の二つの結論に到達した。

【0026】

第１に、結晶中心部での温度勾配Ｇｃを結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくするように工夫されたホットゾーン構造を用いて、引上げ速度を徐々に低下させながら単結晶を成長させたときの結晶縦断面におけるＯＳＦ発生領域をＵ字形化する場合に、引上げ炉内に導入する不活性ガス中に微量の水素ガスを混入すると、その結晶縦断面における欠陥分布は、図４に示すように、欠陥フリー化のための引上げ速度範囲Ｂ′−Ｃ′が、水素ノンドープのときの図３中のＢ−Ｃに比べて結晶軸方向に拡大する。

【0027】

第２に、この引上げ速度範囲の拡大は、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部に消滅する臨界速度Ｖｏが上がることと、転位クラスタが発生する臨界速度Ｖｄが低下することにより実現される。つまり、欠陥フリー化のための引上げ速度範囲Ｂ′−Ｃ′は、水素ノンドープのときの図３中のＢ−Ｃに比べて高速側、即ち図３中の上方、および低速側、即ち図３中の下方へ拡大する。この現象を図５により説明すると、以下の如くである。

【0028】

図５は引上げ速度とＯＳＦリング径の関係に及ぼす欠陥分布の影響度を示している。図中、破線は結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅより小さい場合、即ち、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面におけるＯＳＦ発生領域の形状が下に凸のＶ字形の場合である。この場合は、引上げ速度が低下するにつれてＯＳＦリング径が徐々に縮小し、臨界速度Ｖｏで０に収束する。

【0029】

実線（細線）は、結晶中心部での温度勾配Ｇｃを結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくした場合、即ち、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面におけるＯＳＦ発生領域の形状をＵ字形状化した場合で、且つ水素ノンドープの場合である。この場合は、ＯＳＦリング径が縮小を開始する引上げ速度が低下し、その開始速度より急激に縮小が起こり、破線の場合とほぼ同じ臨界速度Ｖｏで０に収束する。即ち、臨界速度Ｖｏが一定のままでリング径の減少勾配が急になる。これにより、臨界速度Ｖｏの近傍で、結晶径方向全域で転位クラスタ及びＣＯＰが存在しない欠陥フリーの単結晶が育成されるが、臨界速度Ｖｏが上がるわけではないので、低速引上げを強いられる。

【0030】

これに対し、実線（太線）は、結晶中心部での温度勾配Ｇｃを結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくした場合、即ち、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面におけるＯＳＦ発生領域の形状をＵ字形状にした場合で、且つ水素ドープの場合である。この場合は、実線（細線）と比べて、リング径の減少勾配が急勾配のままで臨界速度がＶｏからＶｏ′へ上がる。実線（細線）が高速側へ平行移動したのが実線（太線）である。

【0031】

このように、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎフリー欠陥結晶の育成に水素ドープを組み合わせることにより、リングＯＳＦ領域が結晶中心部で消滅する臨界速度が上がり、これにより、ａｓ ｇｒｏｗｎで結晶径方向全域に転位クラスタ及びＣＯＰが存在しないＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの単結晶が、従来より高速の引上げにより育成可能となる。さらに、水素ドープにより、転位ククラスタの発生する下限の引き上げ速度ＶｄがＶｄ′に低下することにより、欠陥フリー化のための引上げ速度範囲がＢ−ＣからＢ′−Ｃ′に広がる結果、無欠陥結晶が安定して育成可能となり、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造歩留まりが著しく向上する。

【0032】

水素ドープを組み合わせることにより欠陥フリー化のための引上げ速度範囲が拡大する理由、すなわちリングＯＳＦの臨界速度Ｖｏが増大し、転位クラスタが発生する臨界速度Ｖｄが低下する理由は以下のように考えられる。

【0033】

１３００〜１３９０℃の高温水素中でシリコンウェーハを熱処理し急冷した場合、空孔または格子間シリコンと水素が反応し空孔−水素または格子間シリコン−水素複合体が形成される（文献１：末澤正志 １９９９年６月３日 応用物理学会結晶工学分科会第１１００回研究会テキスト Ｐ１１）。従って、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ結晶を育成した場合、結晶冷却過程のＣＯＰ（約１１００℃）または転位クラスタ（約１０００℃）等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が形成される温度よりも高温部において、シリコン結晶中で過剰に存在する空孔または格子間シリコンと水素が反応し、空孔−水素または格子間シリコン−水素などの複合体が形成されるために、空孔および格子間シリコンの濃度が低下することになる。このために、空孔や格子間シリコンの凝集は抑制され、ＣＯＰおよび転位クラスタのない、またはサイズが小さいＣＺ結晶が育成できることになる。

【0034】

しかし、水素を含む不活性雰囲気中でＶ／Ｇが充分大きい空孔優勢条件下でＣＺ結晶を育成するとき、水素濃度が高くなると水素欠陥と呼ばれる大きさ数μｍ〜数１０μｍの巨大空洞（空孔の凝集体と考えられる）ができ（文献２：E.Iino、K.Takano、M.Kimura、H.Yamagishi:Material Science and Engineering B36(1996)146-149及び文献３：T.H.Wang、T.F.Ciszk、and T.Schuyler:J.Cryst.Growth 109(1991)155-161)、またＶ／Ｇが充分小さい格子間シリコン優勢条件下では、格子間シリコン型の水素欠陥（格子間シリコンの凝集体と考えられる転位対）ができることが知られている（文献４：Y.Sugit:Jpn.J.Appl.Phys 4(1965)p962）。

【0035】

このため、引き上げ速度をリングＯＳＦ領域の発生する臨界速度以下に低下させなくても、水素を十分含む雰囲気中でＣＺ法で引き上げた場合、ＣＯＰの生成を抑制できるが、巨大空洞が発生するために半導体用のウェーハとして使えないことになる。また、低速引き上げの場合にも、転位クラスタの生成は抑制されるが、転位対の発生によって半導体用のウェーハとして使えないことになる。

【0036】

図６は、ＣＺ結晶育成時の結晶中心部における１１００℃以上の温度での、空孔および格子間シリコンの濃度ＣｖおよびＣｉと引き上げ速度Ｖと固液界面近傍での結晶側の温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇとの関係であり、水素が結晶中に存在する場合のＣＯＰおよび転位クラスタの生成抑制効果を示している。この図を用いて、ＣＯＰおよび転位クラスタの生成が抑制される理由を説明する。ここで、Ｖｏ、Ｖｃ及びＶｄはそれぞれリングＯＳＦ領域、ＣＯＰ及び転位クラスタが結晶中心部または径方向の一部に生成し始める臨界速度であり、Ｃｖ−ＯＳＦ、Ｃｖ−ＣＯＰ及びＣｉ−Ｄｉｓｌは、それぞれＯＳＦリング領域、ＣＯＰ及び転位クラスタが生成する臨界点欠陥濃度を示す。

【0037】

Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶が育成できるように結晶径方向にＶ／Ｇが、Ｇｃ≧Ｇｅの関係を満たすように設計されたホットゾーンからなるＣＺ炉を用いて、結晶を育成する場合、引き上げ速度をＶｏより大きくした場合（図６の〔Ｈ２〕＝０の場合）、空孔が優勢な点欠陥種であるＣＯＰが通常発生する。しかしながら、水素を含む雰囲気中でＣＺ結晶を育成する場合（図６のＨ１、Ｈ２の場合）には、空孔と水素が複合体を形成するため、自由な空孔の濃度は低下する。この自由空孔の濃度の低下は結晶中の水素濃度に依存し、水素濃度が増大するほど空孔濃度の低下は大きくなる。このため、水素が存在する場合、ＯＳＦリングが生成するための引き上げ速度ＶｏはＶｏ′、Ｖｏ″のように高速側にシフトし、ＣＯＰが生成するための引き上げ速度ＶｃもＶｃ′のように高速側にシフトすることになる。

【0038】

一方、引き上げ速度をＶｄよりも小さくした場合（図６の〔Ｈ２〕＝０の場合）には、格子間シリコンが優勢な点欠陥種となり、格子間シリコンの濃度はＣｉ＞Ｃｉ−ｄｉｓｌとなり、格子間シリコンの２次欠陥として転位クラスタが通常発生する。しかし、水素を含む雰囲気中で育成する場合（図６の〔Ｈ２〕＝Ｈ１またはＨ２場合）には、格子間シリコンと水素が複合体を形成するために、自由な格子間シリコンの濃度が低下する。従って、転位クラスタを生成するための引き上げ速度Ｖｄは、臨界濃度Ｃｉ−ｄｉｓｌと一致するように、より低速側のＶｄ′又はＶｄ″にシフトすることになる。

【0039】

図６の〔Ｈ２〕＝Ｈ１のように水素濃度が相対的に低い場合、Ｖ／Ｇが充分大きくなると、空孔濃度がＣＯＰを生成するための臨界濃度Ｃｖ−ＣＯＰよりも高くなるために、ＣＯＰの生成は完全には抑制されないが、水素が存在しない場合よりも空孔濃度が低下するために、ＣＯＰのサイズは小さくなる。

【0040】

さらに、図６の〔Ｈ２〕＝Ｈ２のように水素濃度が相対的に高くなると、空孔濃度がＣｖ−ＣＯＰよりも低くなり、引上げ速度を可能な範囲で増大させても、ＣＯＰは形成されなくなる。

【0041】

ＯＳＦリング発生の臨界速度Ｖｏ′またはＶｏ″以下、および転位クラスタ発生の臨界速度Ｖｄ′またはＶｄ″以上の引き上げ速度の範囲では、空孔および格子間シリコンの濃度は十分低いので、ＣＯＰおよび転位クラスタは発生せず、さらに巨大空洞である空孔型の水素欠陥、または転位対である格子間シリコン型の水素欠陥も発生することはない。また、水素をドープしない場合よりも、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーとなる引き上げ速度の範囲（マージン）が顕著に拡大するので、無欠陥結晶をより安定に高歩留まりで育成することができる。

【0042】

またＯＳＦリングが閉じる臨界Ｖ／Ｇ条件よりもＶ／Ｇが大きいが比較的近い場合には、リングＯＳＦは結晶中心部で閉じずＣＯＰがその内側領域に発生するが、そのサイズは水素ドープによって空孔濃度が低下するために小さくなる。また、この場合にも、空孔濃度が充分に低いために巨大空洞を発生することはない。

【0043】

本発明はかかる知見を基礎にして完成されたものであり、そのシリコンウェーハは、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法により育成されたシリコン単結晶のウェーハであり、ａｓ ｇｒｏｗｎ状態、即ち引き上げたままの熱処理を受けない状態で、ウェーハ厚さ方向全域で結晶径方向の全域にＣＯＰを含まない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハか、若しくはサイズが０．１μｍ以下のＣＯＰが結晶径方向の少なくとも一部に存在する準Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハである。

【0044】

いずれのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハも、ａｓ ｇｒｏｗｎ状態で、ウェーハ厚さ方向全域で結晶径方向の全域に転位クラスタを含まないことは言うまでもない。
前記Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハは、表面から１μｍ以上の深さの部分に前記ＣＯＰまたはボイドを含まないか、リングＯＳＦ発生領域が結晶径方向の一部に存在するか又は結晶中心部で消滅したことができる。このシリコンウェーハをベースウェーハとしたＳＩＭＯＸ型、又は活性層側ウェーハとした貼り合わせ型のＳＯＩ基板とすることもできる。

【0045】

水素を含む不活性雰囲気中で育成時のシリコン単結晶中の水素濃度は、雰囲気中の水素分圧によって制御できる。水素の結晶への導入は、雰囲気中の水素がシリコン融液に溶解して定常（平衡）状態となり、さらに、結晶へは凝固時に濃度偏析によって液相と固相中の濃度が分配される。

【0046】

融液中の水素濃度は、ヘンリーの法則から気相中の水素分圧に依存して決まり、
Ｐ_Ｈ２＝ｋＣ_ＬＨ２
と、表される。ここで、Ｐ_Ｈ２は雰囲気中の水素分圧、Ｃ_ＬＨ２はシリコン融液中の水素濃度、ｋは両者の間の係数である。

【0047】

一方、結晶中の濃度は融液中濃度と偏析の関係で決まり、
Ｃ_ＳＨ２＝ｋ′Ｃ_ＬＨ２＝（ｋ′／ｋ）Ｐ_Ｈ２
と、表される。ここで、Ｃ_ＳＨ２は結晶中の水素濃度、ｋ′は水素のシリコン融液−結晶間の偏析係数である。

【0048】

以上から、凝固直後の結晶中水素濃度は雰囲気中の水素分圧を制御することで結晶の軸方向に一定に所望する濃度で制御できる。

【0049】

リングＯＳＦ発生領域については、結晶径方向の一部にこれが存在していてもよいし、結晶中心部で消滅していてもよい。

【0050】

本発明のシリコンウェーハは、ＰＷ（Ｐｏｌｉｓｈｅｄ Ｗａｆｅｒ、鏡面ウェーハ）に使用できる他、ＳＩＭＯＸ型ＳＯＩウェーハ、又は貼り合わせ型ＳＯＩの活性層側ウェーハとしても使用できる。

【0051】

ａｓ ｇｒｏｗｎで結晶径方向の全域にＣＯＰが含まれない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーのウェーハの場合は必要ないが、サイズが０．１μｍ以下に制限されたＣＯＰが含まれる準Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハの場合は、１１００〜１２００℃×１ｈｒ以上の水素アニール、又はアルゴンアニールといったＣＯＰフリー化アニールにより、表面から１μｍ以上の深さの部分でＣＯＰを除去するのが好ましい。

【0052】

本発明のシリコン単結晶育成方法は、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくなるホットゾーン構造を用いて、シリコン融点から１３７０℃までの軸方向温度勾配が、単結晶中心部（Ｇｃ）で３．０〜３．２℃／ｍｍであり、周辺部（Ｇｅ）では２．３〜２．５℃／ｍｍとしてＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、３体積％超８体積％以下の水素を含む不活性ガスを引上げ炉内に供給することでＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化ができる引き上げ速度範囲の上限と下限を水素を含まないときに比べて拡大し、且つ、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部で消滅する臨界速度の近傍で結晶引上げを行うとともに、拡大した範囲内で、ＣＯＰが発生する空孔優勢領域が結晶径方向全域において消滅する引き上げ速度を上限とし、転位クラスターが発生する格子間シリコン優勢領域が結晶径方向の一部に発生する引き上げ速度を下限として、結晶径方向の全域にＣＯＰ及び転位クラスターを含まない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶とする範囲内に引き上げ速度を制御することを特徴とする。
本発明のシリコン単結晶育成方法は、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくなるホットゾーン構造を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、３体積％以上８体積％以下の水素を含む不活性ガスを引上げ炉内に供給することでＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化ができる引き上げ速度範囲（マージン）を水素を含まないときに比べて拡大し、且つ、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部で消滅する臨界速度の近傍で結晶引上げを行うことができる。
本発明のシリコン単結晶育成方法は、シリコン融点から１３７０℃までの軸方向温度勾配は、単結晶中心部（Ｇｃ）で３．０〜３．２℃／ｍｍであり、周辺部（Ｇｅ）では２．３〜２．５℃／ｍｍであることができる。

【0053】

また、本発明のシリコン単結晶製造方法は、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくなるホットゾーン構造を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、水素を含む不活性ガスを引上げ炉内に供給し、且つ、リングＯＳＦ発生領域が結晶中心部で消滅する臨界速度の近傍で結晶引上げを行うものである。

【0054】

水素でトラップされた空孔（水素−空孔複合体）は、その後、酸素析出物の形成反応の自由エネルギーを低下させるために、酸素析出を促進させ、また、さらに巨大空洞を形成する可能性がある。リングＯＳＦが発生する臨界速度よりも充分速い育成条件では、Ｖ／Ｇが充分大きくなるために、凝固時に導入される空孔濃度が高い。このために、水素でトラップされた水素−空孔複合体によって高温で安定な析出核が生成し、デバイスの熱処理により成長して表層近傍に強固な析出物として残留したり、酸化熱処理でＯＳＦを発生させるために、デバイス特性の劣化を招く恐れがある。また、Ｖ／Ｇが十分大きく、かつ、水素濃度が高い場合には、さらに巨大空洞が発生するが、もちろんこのようなウェーハは、半導体用のウェーハとして適切でないことは言うまでもない。このような、安定酸素析出核や巨大空洞の生成を防止するためには、導入される空孔濃度を低くする必要があり、このためにＶ／Ｇが相対的に小さくなるリングＯＳＦ領域発生の臨界引き上げ速度近傍に制御する必要がある。

【0055】

この方法により、結晶径方向全域で転位クラスタ及びＣＯＰが存在しない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの単結晶、若しくはＣＯＰが存在してもそのサイズが０．１μｍ以下に制限された準Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの単結晶が、従来より高速で、かつ極めて広い速度範囲（マージン）の引上げにより能率的にかつ安定的に育成される。

【0056】

臨界速度の近傍とは、定性的には、結晶径方向の全域に転位クラスタ及びＣＯＰを含まない完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶が得られる引上げ速度であって、図４中のＢ′−Ｃ′であるが、ＣＯＰサイズが０．１μｍ以下に制限される範囲内であれば、これより若干高い引上げ速度でもよい。

【0057】

定量的には、臨界速度をＶｏとして約１．７倍程度（１．７Ｖｏ）の引き上げ速度であるが、ＣＯＰの密度とサイズはＶ／Ｇと１１００℃近傍の冷却速度に依存し、ＣＺ炉の熱的環境に依存するため一義的に決めることはできない。この範囲より低速であると転位クラスタが発生し、高速である場合はサイズが０．１μｍを超える過大なＣＯＰと高温安定な酸素析出核が発生する。さらに、水素濃度が相対的に高くなると巨大空洞も発生する。

【0058】

水素ガス添加量については、不足すると臨界速度を上げる効果が不十分となり、多くすると炉内に空気がリークしたときに、燃焼、更には爆ごうを生じる危険性が生じる。このため下限については０．１体積％以上が好ましく、３体積％以上が特に好ましい。０．１％以下では水素の効果がほとんどなく、また３％未満で０．１％以上では水素の効果はある程度あるが、十分ではない。上限については、使用する不活性ガスによる希釈限界できまる水素濃度（約１０体積％）以下が好ましく、特に８体積％以下が特に好ましい。この場合、仮に空気が炉内にリークして流入したとしても、燃焼することはなく、安全な操業が可能である。

【0059】

また、本発明のシリコンウェーハ製造方法は、本発明のシリコン単結晶製造方法により製造された高品質で経済的な単結晶からシリコンウェーハを採取するものであり、シリコンウェーハの品質及び経済性を高い次元で両立させることができる。

【0060】

採取されたシリコンウェーハがサイズ０．１μｍ以下のＣＯＰを含む準Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーウェーハの場合は、１１００〜１２００℃×１ｈｒ以上の水素アニール、又はアルゴンアニールといったＣＯＰフリー化アニールにより、表面から１μｍ以上の深さの部分でＣＯＰを除去するのが好ましいのは、前述したとおりである。

【0061】

また、完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー又は準Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの単結晶から採取されたウェーハはＰＷ（Ｐｏｌｉｓｈｅｄ Ｗａｆｅｒ、鏡面ウェーハ）に使用できる他、ＳＩＭＯＸ型ＳＯＩ基板のベースウェーハに、又は貼り合わせ型ＳＯＩ基板の活性層側のウェーハに使用できることも前述のとおりである。

【0062】

なお、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが外周部での温度勾配Ｇｅより小であり、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面におけるＯＳＦ発生領域が、下方に尖ったＶ字形状になる通常のホットゾーン構造を用いて、臨界速度近傍で引上げを行う場合に水素ドープを組み合わせると、以下のようになり、本発明が狙う効果は得られない。

【0063】

Ｇｅ＞Ｇｃの場合にも、水素の効果によって、リングＯＳＦ発生領域およびＣＯＰが結晶中心部で発生し始める臨界速度Ｖｏ、Ｖｃは増大し、転位クラスタが結晶の一部に発生しはじめる臨界速度Ｖｄは低下する。従って、Ｇｅ＞Ｇｃであっても両者が比較的近い場合には、ＣＯＰや転位クラスタの無い完全Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶が得られる場合もあるが、引き上げ速度のマージンは、Ｇｅ≦Ｇｃを満たす場合に比較すると極めて狭く、安定して欠陥フリーの結晶を製造できない。また、Ｇｅ＞ＧｃでＧｅとＧｃの差が大きい場合には、たとえ水素を添加しても欠陥フリーとなる速度マージンは得られない。

【発明の効果】

【0064】

本発明のシリコン単結晶育成方法は、水素ドープによって引き上げ速度を大きくして生産性を向上させ、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの引上げ速度マージンが広がるため、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造歩留まりが大幅に増大する。
また、本発明のシリコンウェーハは、ａｓ ｇｒｏｗｎ状態で結晶径方向の全域に転位クラスタ及びＣＯＰを含まない完全欠陥フリー、若しくはＣＯＰサイズが０．１μｍ以下に制限された準欠陥フリーの高品質ウェーハであり、しかも、結晶育成段階で水素ドープを受けることにより高い引上げ速度が確保されているので、生産性が高く、低コストである。また、水素をドープしたシリコン単結晶ウェーハを用いてＳＯＩ基板を作製することによって、ＳＯＩ層中の結晶欠陥サイズが小さく、ピンホールの少ないＳＯＩ基板を低コスト、高生産性で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0065】

【図1】図１は、結晶径方向における欠陥分布図である。

【図2】図２は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布図であり、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅより小の場合を示している。

【図3】図３は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布図であり、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きい場合を示している。

【図4】図４は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布図であり、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きい場合で、且つ水素ドープの場合を示している。

【図5】図５は、引上げ速度とＯＳＦリング径の関係に及ぼす欠陥分布の影響度を示す図表である。

【図6】図６は、点欠陥濃度および各種欠陥領域の発生条件に及ぼすＶ／Ｇの影響を示す図表であって、水素ドープによる欠陥発生のための臨界Ｖ／Ｇのシフトを示す。

【図7】図７は、本発明のシリコン単結晶製造方法を実施するのに適したＣＺ引上げ炉の縦断面図である。

【図8】図８は、各種欠陥の発生領域をＶ／Ｇと水素濃度の関係により示す図表であって、水素ドープによる欠陥発生のためのＶ／Ｇ領域の拡大を示す。

【図9】図９は、結晶位置とＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域の得られる引き上げ速度範囲（マージン）との関係を示す図表である。

【発明を実施するための形態】

【0066】

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図７は本発明のシリコン単結晶製造方法を実施するのに適したＣＺ炉の縦断面図である。

【0067】

まず、ＣＺ炉の構造について説明する。

【0068】

ＣＺ炉は、チャンバー内の中心部に配置された坩堝１と、坩堝１の外側に配置されたヒータ２とを備えている。坩堝１は、内側に原料融液３を収容する石英坩堝１ａを外側の黒鉛坩堝１ｂで保持する二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転および昇降駆動される。坩堝１の上方には、円筒形状の熱遮蔽体７が設けられている。熱遮蔽体７は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造である。熱遮蔽体７の内面は、上端部から下端部にかけて内径が漸減するテーパー面になっている。熱遮蔽体７の上部外面は内面に対応するテーパー面であり、下部外面は、熱遮蔽体７の厚みを下方に向かって漸増させるようにほぼストレート面に形成されている。

【0069】

このＣＺ炉は２００ｍｍの単結晶育成装置である。この装置を用いて目標直径が例えば２１０ｍｍ、ボディ長が例えば１２００ｍｍの単結晶育成が可能である。そして、熱遮蔽体７により、結晶中心部での温度勾配Ｇｃが結晶外周部での温度勾配Ｇｅと同一かこれより大きくなるホットゾーン構造が構成される。熱遮蔽体７の仕様例を挙げると次のとおりである。るつぼに入る部分の外径は例えば４７０ｍｍ、最下端における最小内径Ｓは例えば２７０ｍｍ、半径方向の幅Ｗは例えば１００ｍｍ、逆円錐台面である内面の垂直方向に対する傾きは例えば２１°とする。また、るつぼ１の内径は例えば５５０ｍｍであり、熱遮蔽体７の下端の融液面からの高さＨは例えば６０ｍｍである。

【0070】

上記断面構造の単結晶育成装置を用いて引き上げを行う場合、融点から１３７０℃までの軸方向温度勾配は、単結晶中心部（Ｇｃ）で３．０〜３．２℃／ｍｍであり、周辺部（Ｇｅ）では２．３〜２．５℃／ｍｍで、Ｇｃ／Ｇｅは約１．３となる。この状態は、引き上げ速度を変えてもほとんど変わらない。

【0071】

次に、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶を育成するための操業条件の設定方法について説明する。

【0072】

まず水素濃度と無欠陥結晶が得られる引き上げ速度の許容範囲を把握するために、水素濃度をたとえば０、０．１、３、５、８、１０体積％の混合比率とし、それぞれの条件で目標直径、例えば２１０ｍｍの単結晶を育成する。

【0073】

即ち、るつぼ内に高純度シリコンの多結晶を例えば１３０ｋｇ装入し、単結晶の電気抵抗率を所望の値、例えば１０Ωｃｍになるようにｐ型（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ等）またはｎ型（Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等）のドーパントを添加する。装置内をアルゴン雰囲気で、減圧の１０〜２００ｔｏｒｒとし、水素をアルゴンに対して１０体積％以下の上記の所定混合比率となるように設定して炉内に流入させる。

【0074】

次いでヒータ２により加熱してシリコンを溶融させ、融液３とする。次に、シードチャック５に取り付けた種結晶を融液３に浸漬し、るつぼ１および引き上げ軸４を回転させつつ結晶引き上げをおこなう。結晶方位は｛１００｝、｛１１１｝または｛１１０｝のいずれかとし、結晶無転位化のためのシード絞りをおこなった後、ショルダー部を形成させ、肩変えして目標ボディ径とする。

【0075】

ボディ長さが例えば３００ｍｍに達した時点で、引き上げ速度を臨界速度よりも充分大きな、例えば１．０ｍｍ／ｍｉｎに調整し、その後引き上げ長さに応じてほぼ直線的に引き上げ速度を低下させ、ボディ長さが例えば６００ｍｍに達したときに臨界速度よりも小さい例えば０．３ｍｍ／ｍｉｎとなるようにし、その後はこの引き上げ速度で例えば１２００ｍｍまでボディー部を育成し、通常条件でテイル絞りを行った後、結晶成長を終了する。

【0076】

このようにして、異なる水素濃度で育成された単結晶を引き上げ軸に沿って縦割りし、引き上げ軸近傍を含む板状試片を作製し、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の分布を観察するために、Ｃｕデコレーションを行う。まず、それぞれの試片を硫酸銅水溶液に浸漬した後自然乾燥し、窒素雰囲気中で９００℃で、２０分程度の熱処理を施す。その後、試片表層のＣｕシリサイド層を除去するために、ＨＦ／ＨＮＯ_３混合溶液中に浸漬し、表層数十ミクロンをエッチング除去した後、Ｘ線トポグラフ法によりＯＳＦリングの位置や各欠陥領域の分布を調査する。また、このスライス片のＣＯＰの密度を、例えばＯＰＰ法、転位クラスタの密度を例えばＳｅｃｃｏエッチング法にてそれぞれ調査する。

【0077】

このようにＧｅ／Ｇｃ≧１を満たす単結晶引き上げ装置を用いて育成された結晶の欠陥分布は、図３に示すようにリング状ＯＳＦがＵ字の状態に発生し、水素濃度が大きくなると無欠陥となる部位が図４のＢ′−Ｃ′のように拡大し、無欠陥結晶となる引き上げ速度の範囲（マージン）の拡大が起こる。

【0078】

上記のような引き上げ実験によって、ＣＯＰ領域、ＯＳＦリング領域、Ｖ型およびＩ型Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー領域、転位クラスタ領域等の各欠陥領域のＶ／Ｇと水素濃度との関係（図８）が得られる。

【0079】

また、引き上げ速度を変化させる位置を、３００ｍｍから６００ｍｍ、５００ｍｍから８００ｍｍおよび７００ｍｍから１０００ｍｍのように異なる部位で数箇所実施することで、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー化のための引き上げ速度範囲（マージン）と結晶軸方向位置との関係（図９）が求められる。この図から、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶を得るための操業条件の設定が可能となる。

【0080】

次に、各種ウェーハの製造方法について説明する。

【0081】

図９中の実線で示す速度範囲内で引き上げ速度を対応する結晶位置で設定することによって、トップからボトムまで一本まるまるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの結晶の育成が可能となる。

【0082】

そして、水素をドープすることによってＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーとなる引き上げ速度の範囲（マージン）が図９に示すように、従来の水素ドープなしの点線の範囲から実線に示すように顕著に拡大することによって、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造歩留まりは飛躍的に増大する。

【0083】

また、図９の実線で示された上限値以上で上限値の１．７倍程度以内の速度に引き上げ速度を設定した場合、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は完全にはフリーにならないが、サイズが０．１μｍ以下のＣＯＰが含まれる結晶の育成が可能となる。このような結晶を用いると、水素またはアルゴン等の雰囲気中でのアニールによって、すくなくとも１μｍ以上の深さの表層近傍領域をＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーとすることが可能となる。しかも、欠陥のサイズが０．１μｍ以下であるために、１１１０℃／２ｈｒ程度のアニールで表層から１μｍ程度の深さの領域で完全にＣＯＰを消滅させることが可能となる。このようなウェーハはこのまま通常のＰＷ（ポリッシュウェーハ、鏡面ウェーハ）としてデバイス製造に用いることができるし、ＳＯＩ用の基板としても有用である。

【0084】

本発明においてチョクラルスキー法によって水素をドープしたシリコン単結晶を育成するに場合、融液に磁場が印加されているか否かは問われないものであり、いわゆる磁場を印加するＭＣＺ法も含まれる。

【0085】

本発明では、ＣＺ法によってシリコン単結晶育成中に水素をドープしてＣＯＰや転位クラスタ等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を完全に消滅させるか、またはＣＯＰサイズを０．１μｍ以下に小さくする技術により作製されたシリコン単結晶ウェーハ、またはさらに水素またはアルゴン雰囲気中でアニールされたウェーハを、ＳＩＭＯＸ法、または貼り合わせ法によるＳＯＩ基板に用いることができる。このため、活性層中に結晶欠陥がないか、ＣＯＰサイズが０．１μｍ以下と小さいため、熱処理により消滅しやすく、また貫通するピンホールとなりにくくなる。さらに、スマートカット法やＳＩＭＯＸ法でのイオン注入時に注入イオンが散乱したり埋め込み酸化膜の欠陥となりにくいＳＯＩ基板を提供できる。

【0086】

また、水素ドープによってＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリーの引上げ速度マージンが広がるため、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥フリー結晶の製造歩留まりが大幅に増大することから、ＳＯＩ基板のコストを大幅に下げることが出来る。

【0087】

本発明のＳＯＩ基板製造方法においては、まず、ＣＺ法によって水素をドープしたシリコン単結晶棒を、図９に示した製造条件で育成し、この単結晶棒をスライスして加工することによって、水素がドープされたシリコン単結晶ウェーハを作製する。

【0088】

即ち、ＣＺ法により所望濃度の水素と酸素を含有する、シリコン単結晶棒が得られると、これを通常の加工方法にしたがい、ＩＤソーまたはワイヤソー等の切断装置でスライスした後、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の工程を経てシリコン単結晶ウェーハに加工する。尚、これらの工程の他にも洗浄等種々の工程があり、工程順の変更、省略等目的に応じ適宜工程は変更使用される。

【0089】

次に、得られたシリコン単結晶ウェーハを少なくとも活性層側（デバイス作製側）ウェーハとして用い、ＳＩＭＯＸ法または貼り合わせ法よるＳＯＩ基板を作製する。

【0090】

ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造条件については、上記の水素ドープされたシリコン単結晶ウェハ又はそれを水素またはアルゴン雰囲気中でアニールされたウェーハを用いる以外には特に限定する必要はない。ＳＩＭＯＸ基板の製造においては、酸素注入条件として加速電圧１８０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶが通常用いられるが、この範囲よりも高電圧でも低電圧でも良い。酸素イオンのドーズ量としては４×１０１７ｃｍ−２前後、もしくは１．０×１０１８ｃｍ−２以上のドーズ量を用いるのが望ましいが、この範囲以外のドーズ量でもよい。アニール条件としても、良質な埋め込み酸化膜を得るためには１３００℃以上の温度を用いるのが望ましいが、これよりも低い温度でも良い。またアニールにおける雰囲気は酸化性でも非酸化性でも良い。

【0091】

このようにして作製されたＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ埋め込み酸化層のピンホール密度は、ボイド欠陥のない水素ドープウェーハを用いているために、水素をドープしていない通常のシリコンウェーハを用いた場合に比較して明らかに少なくなる。

【0092】

貼り合わせによりＳＯＩ基板を作製する場合は、原料ウェーハである活性層側ウェーハ及びベースウェーハを用意する。ここで、少なくとも活性層側ウェーハは、上記ＣＺ法により育成された水素をドープしたシリコン単結晶ウェーハとする。もちろん二枚のウェーハの両方とも水素をドープしたものとしても良い。

【0093】

そして、用意されたシリコン単結晶基板のうち、活性層側ウェーハに熱処理を施し、表面に酸化膜を形成する。この熱処理は、例えば１０００℃以上の高温で行なわれる。この場合、酸化膜の形成は、ベースウェーハに行なっても良く、また両方のウェーハに酸化膜を形成させてもよい。

【0094】

次に、この酸化膜を形成した活性層側ウェーハとベースウェーハを密着させる。これに酸化性雰囲気下で熱処理を加えて、活性層側ウェーハとベースウェーハを強固に結合させ、貼り合わせ基板とする。この時、貼り合わせＳＯＩ基板の外表面にも酸化膜が形成される。

【0095】

この二枚のウェーハを結合させるための熱処理条件としては、例えば、酸素または水蒸気を含む雰囲気下、４００℃〜１２００℃の温度で行えば良いが、より好ましくは９００℃以上の温度で行なうようにする。このような高い温度範囲で熱処理をすることによって、二枚のウェーハを強固に結合することができる。

【0096】

このようにして、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥がない或いはＣＯＰサイズが小さい水素ドープ基板をＳＯＩ基板の少なくとも活性層側に用いることにより、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のデバイス電気特性劣化への影響がなくなる。

【0097】

最後に、活性層側ウェーハの表面を研削・研磨等の手段によって、所望する厚さまで薄膜化することで、高品質の活性層を有する貼り合わせＳＯＩ基板を作製することができる。特に、活性層を１μｍ以下まで薄膜化する場合に、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が貫通しピンホールを形成し易いので、本発明の方法は有効である。

【0098】

活性層側ウェーハの薄膜化にあたっては、研削、研磨、あるいはエッチングなどの手法が挙げられるが、何らこれら手法に限定されるものではない。特に、近年ＳＯＩ層を薄膜化する技術として注目されている気相エッチングあるいはウェーハにイオン注入して結合し、その後に分離するスマートカット法による場合にも本発明は有効である。

【0099】

上記実施形態では二枚のシリコンウェーハを貼り合わせて、ＳＯＩ基板を作製する場合を説明したが、本発明の水素ドープされたＣＺシリコンウェーハと石英、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、サファイヤ、その他のセラミックス材のような絶縁基板と貼り合わせて、貼り合わせＳＯＩ基板を作製する場合にも有効である。

【産業上の利用可能性】

【0100】

以上に説明したとおり、本発明のシリコンウェーハは、ａｓ ｇｒｏｗｎ状態で結晶径方向の全域に転位クラスタ及びＣＯＰを含まない完全欠陥フリー、若しくはＣＯＰサイズが０．１μｍ以下に制限された準欠陥フリーの高品質ウェーハであり、しかも、結晶育成段階で水素ドープを受けることにより高い引上げ速度が確保されているので、生産性が高く、低コストである。また、水素をドープしたシリコン単結晶ウェーハを用いてＳＯＩ基板を作製することによって、ＳＯＩ層中の結晶欠陥サイズが小さく、ピンホールの少ないＳＯＩ基板を低コスト、高生産性で得ることができる。

【0101】

また、本発明のシリコンウェーハ製造方法は、高い引上げ速度で育成された完全欠陥フリー結晶、若しくは準欠陥フリー結晶を素材とし、しかも、その結晶育成段階で水素ドープを行うことにより高い引上げ速度を確保しているので、高品質なシリコンウェーハを低コストで製造できる。

【0102】

また、本発明のシリコン単結晶育成方法は、完全欠陥フリー結晶若しくは準欠陥フリー結晶を育成する際に、水素ドープにより臨界速度の引上げを図るので、高品質なシリコン単結晶を生産性よく低コストで製造できる。

【0103】

特に、本発明はＳＯＩ層中の結晶欠陥、ピンホールが特に問題となる、ＳＯＩ層の厚さが１ミクロン以下の薄膜ＳＯＩ基板の製造に有効である。

【符号の説明】

【0104】

１…坩堝、２…ヒータ、３…原料融液、７…熱遮蔽体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】