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JP7775800B2 - Silicon wafers and epitaxial silicon wafers - Google Patents
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JP7775800B2 - Silicon wafers and epitaxial silicon wafers - Google Patents

Silicon wafers and epitaxial silicon wafers

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JP7775800B2 JP2022143120A JP2022143120A JP7775800B2 JP 7775800 B2 JP7775800 B2 JP 7775800B2 JP 2022143120 A JP2022143120 A JP 2022143120A JP 2022143120 A JP2022143120 A JP 2022143120A JP 7775800 B2 JP7775800 B2 JP 7775800B2
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Description

本発明は、シリコンウェーハおよびエピタキシャルシリコンウェーハに関する。 The present invention relates to silicon wafers and epitaxial silicon wafers.

例えば、パワーMOSトランジスタ用のエピタキシャルシリコンウェーハには、シリコンエピタキシャル層を形成する前のシリコンウェーハの抵抗率が非常に低いことが要求される。このため、抵抗率が1.2mΩ・cm以下となるように高濃度にリン(P)がドープされたシリコンウェーハの表面上にシリコンエピタキシャル層を形成したエピタキシャルシリコンウェーハを提供している。 For example, epitaxial silicon wafers for power MOS transistors require extremely low resistivity before the silicon epitaxial layer is formed. For this reason, we provide epitaxial silicon wafers in which a silicon epitaxial layer is formed on the surface of a silicon wafer that has been heavily doped with phosphorus (P) to achieve a resistivity of 1.2 mΩ·cm or less.

近年、0.9mΩ・cm以下という抵抗率が非常に低いn型のシリコンウェーハの提供が要求されている。しかしながら、シリコンウェーハの抵抗率が非常に低い場合には、エピタキシャル成長処理を行うと、シリコンエピタキシャル層に積層欠陥(SF:Stacking Fault)が発生するという問題があり、シリコンエピタキシャル層に発生するSF密度の低減が希求される状況下にある。 In recent years, there has been a demand for n-type silicon wafers with extremely low resistivity of 0.9 mΩ-cm or less. However, when the resistivity of a silicon wafer is extremely low, there is a problem in that stacking faults (SFs) occur in the silicon epitaxial layer when epitaxial growth is performed, and there is a demand for a reduction in the density of SFs that occur in silicon epitaxial layers.

本出願人は、特許文献1に記載されているように、単結晶育成時における単結晶インゴットの570℃±70℃での滞在時間(熱履歴)を調整(SF核が形成される温度帯域に滞在する時間を短縮)する手法を用いることでシリコンエピタキシャル層におけるSFの発生を抑制する技術を見出した。また、特許文献2に記載されているように、シリコンエピタキシャル層の成長前に高温熱処理(アルゴンアニール)を施す手法を用いることにより、シリコンエピタキシャル層におけるSFの発生を抑制することできることを見出した。 As described in Patent Document 1, the applicant has discovered a technology for suppressing the generation of SF in a silicon epitaxial layer by adjusting the residence time (thermal history) of a single crystal ingot at 570°C ± 70°C during single crystal growth (shortening the time spent in the temperature range where SF nuclei are formed). Furthermore, as described in Patent Document 2, the applicant has discovered that the generation of SF in a silicon epitaxial layer can be suppressed by using a technique of performing high-temperature heat treatment (argon annealing) before growing the silicon epitaxial layer.

国際公開第2014/175120号International Publication No. 2014/175120 特開2014-011293号公報JP 2014-011293 A

特許文献1に記載されているように、SF核が形成される温度帯域に滞在する時間を短縮した結晶領域から切り出したシリコンウェーハ(SF核が少ないシリコンウェーハ)であれば、シリコンエピタキシャル層成長後のエピタキシャル層におけるSF密度を低減することができる。 As described in Patent Document 1, if a silicon wafer is cut from a crystalline region that has been exposed to a temperature range where SF nuclei are formed for a shorter period of time (a silicon wafer with fewer SF nuclei), the SF density in the epitaxial layer after growth can be reduced.

また、特許文献2に記載されているように、SF核が形成される温度帯域の滞在時間が長い結晶領域から切り出したシリコンウェーハ(SF核が多いシリコンウェーハ)に対してアルゴンアニールを施すことでシリコンエピタキシャル層成長後のエピタキシャル層におけるSF密度を低減することができる。
特許文献1,2で記載される技術はシリコンエピタキシャル層へのSF発生を抑制する技術として有効ではあるものの、近年、エピタキシャルシリコンウェーハの大口径化の要求が高まり、ユーザーからは更なるSF密度の低減が求められる。
Furthermore, as described in Patent Document 2, by subjecting a silicon wafer cut from a crystal region that has a long residence time in a temperature range where SF nuclei are formed (a silicon wafer with many SF nuclei) to argon annealing, it is possible to reduce the SF density in the epitaxial layer after the silicon epitaxial layer is grown.
Although the techniques described in Patent Documents 1 and 2 are effective as techniques for suppressing the generation of SFs in a silicon epitaxial layer, in recent years, there has been an increasing demand for larger diameter epitaxial silicon wafers, and users are requesting further reductions in the SF density.

本発明は、SFの原因となる転位ループ欠陥の密度が少ないシリコンウェーハ、およびシリコンエピタキシャル層におけるSFの発生が少ないエピタキシャルシリコンウェーハを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a silicon wafer with a low density of dislocation loop defects that cause SF, and an epitaxial silicon wafer with low occurrence of SF in the silicon epitaxial layer.

本発明者は、シリコンエピタキシャル層に発生するSFの原因について鋭意研究を重ねた結果、高濃度にリンがドープされたシリコンウェーハには、単結晶インゴットの育成過程で結晶が受ける熱履歴によって、大別して2種類の転位ループ状の欠陥(結晶配列の乱れた部分がループ状に連なった欠陥)が存在することを見出した。 After extensive research into the causes of SFs that occur in silicon epitaxial layers, the inventors discovered that heavily phosphorus-doped silicon wafers contain two main types of dislocation loop defects (defects in which a disordered portion of the crystal arrangement is connected in a loop shape) depending on the thermal history the crystal experiences during the single crystal ingot growth process.

以下、転位ループ状の欠陥の知見に至る経緯について説明する。
まず、ドーパントとしてリンを高濃度に添加した直径200mmのシリコン単結晶インゴットを育成し、SF核が形成される温度帯域に滞在する時間(以下、SF核発生温度帯域滞在時間と呼ぶ。)が長い結晶領域から切り出したシリコンウェーハと、SF核発生温度帯域滞在時間が短い結晶領域から切り出したシリコンウェーハを製造した。
The process leading to the discovery of dislocation loop defects will be described below.
First, a silicon single crystal ingot having a diameter of 200 mm and doped with a high concentration of phosphorus as a dopant was grown, and silicon wafers were produced by cutting from a crystal region having a long residence time in the temperature zone where SF nuclei are formed (hereinafter referred to as the residence time in the SF nuclei generation temperature zone) and by cutting from a crystal region having a short residence time in the SF nuclei generation temperature zone.

具体的には、SF核発生温度帯域滞在時間が長いシリコンウェーハとして、570℃±70℃の滞在時間が350分以上である単結晶インゴット直胴部のトップ側から切り出した抵抗率0.75mΩ・cmのシリコンウェーハと、SF核発生温度帯域滞在時間が短いシリコンウェーハとして、570℃±70℃の滞在時間が50分以下である単結晶インゴット直胴部のボトム側から切り出した抵抗率0.7mΩ・cmのシリコンウェーハを製造した。
各シリコンウェーハを厚み方向に劈開し、劈開断面を透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察した。その結果を図1に示す。
Specifically, silicon wafers with a long residence time in the SF nucleation temperature zone were produced, which were silicon wafers with a resistivity of 0.75 mΩ cm and cut from the top side of the straight body portion of a single crystal ingot with a residence time of 570°C ± 70°C of 350 minutes or more, and silicon wafers with a resistivity of 0.7 mΩ cm and cut from the bottom side of the straight body portion of a single crystal ingot with a residence time of 50 minutes or less at 570°C ± 70°C, respectively.
Each silicon wafer was cleaved in the thickness direction, and the cleaved cross section was observed with a transmission electron microscope (TEM). The results are shown in Figure 1.

その結果、SF核発生温度帯域滞在時間が長い結晶領域(トップ側の結晶領域)から切り出したシリコンウェーハには、図1(a)に示すような転位ループ同士が重なり合ったようなサイズの大きな複合転位ループの欠陥1が観察され、60nmサイズを超えるサイズの大きな欠陥密度が多いことを確認した。図1(b)は、図1(a)で示す複合転位ループ欠陥2を別角度から撮影した写真であり、この複合転位ループ欠陥2は平面形状であることがわかる。
一方、SF核発生温度帯域滞在時間が短い結晶領域(ボトム側の結晶領域)から切り出したシリコンウェーハには、図2に示すようなサイズの小さな転位ループの欠陥4が観察され、60nmサイズを超えるようなサイズの大きな複合転位ループ欠陥の密度が少ないことを確認した。
As a result, in the silicon wafer cut from the crystalline region (top-side crystalline region) with a long residence time in the SF nucleation temperature zone, large complex dislocation loop defects 1 in which dislocation loops overlap each other as shown in Figure 1(a) were observed, and it was confirmed that there was a high density of large defects with a size exceeding 60 nm. Figure 1(b) is a photograph taken from a different angle of the complex dislocation loop defect 2 shown in Figure 1(a), and it can be seen that this complex dislocation loop defect 2 has a planar shape.
On the other hand, in the silicon wafer sliced from the crystal region (bottom crystal region) with a short residence time in the SF nucleation temperature zone, small dislocation loop defects 4 as shown in FIG. 2 were observed, and it was confirmed that the density of large complex dislocation loop defects with a size exceeding 60 nm was low.

そして、サイズの大きな複合転位ループ欠陥を起点にシリコンエピタキシャル層にSFが発生することが確認された。これは、複合転位ループ欠陥の有無によって、シリコンエピタキシャル層へのSFの発生状況が異なるものと考えられるため、本発明者らは、転位ループの発生メカニズムについて考察し、以下の結論に至った。 It was then confirmed that SFs are generated in silicon epitaxial layers starting from large-sized complex dislocation loop defects. This suggests that the conditions under which SFs are generated in silicon epitaxial layers differ depending on whether or not complex dislocation loop defects are present. Therefore, the inventors considered the mechanism by which dislocation loops are generated and came to the following conclusion.

本発明者らは、転位ループ欠陥の発生について以下のように仮定した。
まず、シリコン単結晶インゴットが冷却される過程で、結晶内の格子間に存在する格子間リンが格子位置に存在する格子シリコンをキックアウトさせ(格子シリコンを弾き飛ばす)、格子間シリコンが発生する。この発生した余剰の格子間シリコンが凝集して転位ループを形成し、この転位ループに格子間リンが偏析する。
The present inventors hypothesized the following regarding the generation of dislocation loop defects.
First, during the cooling process of a silicon single crystal ingot, interstitial phosphorus present between lattices in the crystal kicks out lattice silicon present at the lattice positions (flips off the lattice silicon), generating interstitial silicon. This generated excess interstitial silicon aggregates and forms dislocation loops, and interstitial phosphorus segregates in these dislocation loops.

そして、転位ループ欠陥の発生を抑制するためには、格子間シリコンの凝集を抑制することが有効であり、格子間シリコンとペアリング可能な不純物元素を意図的に添加すれば格子間シリコンの凝集を抑制することができるのではないかと考え、単結晶の育成段階で結晶内にボロンを取り込ませることを想起した。
シリコン融液にボロンをドープ(添加)してシリコン単結晶インゴットを育成し、ボロンドープされたシリコンウェーハ内に形成される欠陥を評価したところ、シリコンウェーハ内に形成されるサイズの大きな転位ループの欠陥密度を低減できるという知見を得て、本発明を完成させたものである。
They then thought that suppressing the agglomeration of interstitial silicon would be effective in suppressing the occurrence of dislocation loop defects, and that intentionally adding an impurity element that can pair with interstitial silicon might be able to suppress the agglomeration of interstitial silicon, and came up with the idea of incorporating boron into the crystal during the single crystal growth stage.
The inventors have grown a silicon single crystal ingot by doping (adding) boron to a silicon melt and evaluated the defects formed in the boron-doped silicon wafer, and have found that it is possible to reduce the defect density of large dislocation loops formed in the silicon wafer, leading to the completion of the present invention.

本発明のシリコンウェーハは、ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロンを含有する。 The silicon wafer of the present invention contains phosphorus as a dopant, has a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and also contains boron.

本発明で規定するシリコンウェーハの抵抗率は、シリコンウェーハ表面を四探針法で測定した値である。 The resistivity of a silicon wafer as defined in this invention is the value measured on the surface of the silicon wafer using the four-point probe method.

上記シリコンウェーハにおいて、ボロン濃度は5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下とすることが望ましい。 In the silicon wafer, the boron concentration is preferably 5.0×10 14 atoms/cm 3 or more and 1.2×10 18 atoms/cm 3 or less.

本発明で規定するシリコンウェーハのボロン濃度は、シリコンウェーハを研磨加工により薄膜化し、シリコンウェーハ厚み中心部におけるボロン濃度を二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて測定した値である。
シリコンウェーハの最表面はノイズ成分が多いため正確なボロン濃度の測定が困難なため、最表面を除くようにウェーハ表面から深さ1μm以上の深さ位置で測定すれば正確なボロン濃度の測定が可能となる。本発明ではより正確な値とするため、シリコンウェーハ厚み中心部の濃度で規定したものである。
The boron concentration of a silicon wafer as defined in the present invention is a value obtained by thinning the silicon wafer by polishing, and measuring the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer using secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Since the outermost surface of a silicon wafer has a large amount of noise, making it difficult to accurately measure the boron concentration, accurate measurement of the boron concentration is possible if measurement is performed at a depth of 1 μm or more from the wafer surface, excluding the outermost surface. In the present invention, the concentration at the center of the silicon wafer thickness is specified to obtain a more accurate value.

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロンを含有するシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハ表面上にシリコンエピタキシャル層と、を備え、前記シリコンウェーハは、前記シリコンエピタキシャル層と接する表面側に前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度よりも濃度が低い低ボロン濃度層を有する。 The epitaxial silicon wafer of the present invention comprises a silicon wafer containing phosphorus as a dopant, having a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and containing boron, and a silicon epitaxial layer on the surface of the silicon wafer, wherein the silicon wafer has a low boron concentration layer on the surface side in contact with the silicon epitaxial layer, the low boron concentration layer having a lower boron concentration than the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer.

上記エピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記ボロン濃度は5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下であり、かつ、前記低ボロン濃度層のボロン濃度は前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度の0.9倍以下であり、かつ、前記低ボロン濃度層の深さは前記シリコンウェーハと前記シリコンエピタキシャル層の境界から前記シリコンウェーハの厚み方向に0.7μm以上4.8μm以下とすることが望ましい。 In the epitaxial silicon wafer, it is desirable that the boron concentration is 5.0× 10 atoms/cm or more and 1.2× 10 atoms/cm or less, the boron concentration of the low boron concentration layer is 0.9 times or less the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer, and the depth of the low boron concentration layer is 0.7 μm or more and 4.8 μm or less from the boundary between the silicon wafer and the silicon epitaxial layer in the thickness direction of the silicon wafer.

低ボロン濃度層の深さはSIMS測定により得られた深さ方向のボロン濃度プロファイルに基づく値であり、エピタキシャル層とシリコンウェーハとの境界からシリコンウェーハの厚み方向の深さ位置(幅)を意味するものである。 The depth of the low boron concentration layer is a value based on the boron concentration profile in the depth direction obtained by SIMS measurement, and refers to the depth position (width) in the thickness direction of the silicon wafer from the boundary between the epitaxial layer and the silicon wafer.

本発明で規定するエピタキシャルシリコンウェーハのシリコンウェーハの抵抗率は、シリコンウェーハ裏面を四探針法で測定した値である。なお、エピタキシャルシリコンウェーハの裏面に酸化膜が設けられている場合は、裏面酸化膜を除去したシリコンウェーハ裏面を四探針法で測定した値である。 The resistivity of the epitaxial silicon wafer specified in this invention is the value measured by the four-point probe method on the back surface of the silicon wafer. If an oxide film is formed on the back surface of the epitaxial silicon wafer, the value is measured by the four-point probe method on the back surface of the silicon wafer after removing the back surface oxide film.

本発明で規定するエピタキシャルシリコンウェーハのシリコンウェーハのボロン濃度は、シリコンウェーハを研磨加工により薄膜化し、シリコンウェーハ厚み中心部におけるボロン濃度をSIMSで測定した値である。
エピタキシャルシリコンウェーハの製造にあたり、シリコンウェーハはエピタキシャル成長時の高温熱処理やエピタキシャル成長処理前の高温熱処理などを受けるため、ボロンが外方拡散しシリコンウェーハ表層部のボロン濃度が低下する。
このため、エピタキシャルシリコンウェーハのシリコンウェーハのボロン濃度を測定するにはボロンの外方拡散が起きていない深さ位置で測定する必要があり、ほぼウェーハ表面からウェーハ厚み深さ方向に40μm以上の深い位置で測定すれば、正確なボロン濃度の測定が可能となる。本発明ではより正確な値とするため、シリコンウェーハ厚み中心部の濃度で規定したものである。
The boron concentration of the epitaxial silicon wafer specified in the present invention is a value obtained by thinning the silicon wafer by polishing and measuring the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer by SIMS.
In the manufacture of epitaxial silicon wafers, the silicon wafers are subjected to high-temperature heat treatments during epitaxial growth and before the epitaxial growth process, which causes boron to diffuse outward and reduces the boron concentration in the surface layer of the silicon wafer.
Therefore, to measure the boron concentration of an epitaxial silicon wafer, it is necessary to measure it at a depth where out-diffusion of boron does not occur, and an accurate measurement of the boron concentration is possible if the measurement is made at a depth of 40 μm or more from approximately the wafer surface in the depth direction of the wafer. In the present invention, in order to obtain a more accurate value, the concentration is specified as the concentration at the center of the silicon wafer thickness.

上記エピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハの酸素濃度が4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下とすることが望ましい。
本発明で規定するエピタキシャルシリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハを研磨加工により薄膜化し、シリコンウェーハ厚み中心部における酸素濃度をSIMSにより測定した値である。エピタキシャルシリコンウェーハのシリコンウェーハの酸素濃度を測定するには酸素の外方拡散が起きていない深さ位置で測定する必要があり、ほぼウェーハ表面からウェーハ厚み深さ方向に150μm以上の深い位置で測定すれば、正確な酸素濃度の測定が可能となる。本発明ではより正確な値とするため、シリコンウェーハ厚み中心部の濃度で規定したものである。
In the epitaxial silicon wafer, it is desirable that the oxygen concentration of the silicon wafer be 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 10×10 17 atoms/cm 3 or less.
The oxygen concentration of an epitaxial silicon wafer as defined in the present invention is a value obtained by thinning the silicon wafer by polishing and measuring the oxygen concentration at the center of the silicon wafer thickness by SIMS. To measure the oxygen concentration of an epitaxial silicon wafer, it is necessary to measure it at a depth where oxygen out-diffusion does not occur. Accurate measurement of the oxygen concentration is possible if the measurement is made at a depth of 150 μm or more from the wafer surface in the wafer depth direction. To obtain a more accurate value, the present invention defines the concentration at the center of the silicon wafer thickness.

上記エピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハにCOPが存在しないことが望ましい。
本発明における「COPが存在しない」とは、以下に説明する観察評価により、COPが検出されないシリコンウェーハを意味するものとする。すなわち、まず、CZ法により育成された単結晶シリコンインゴットから切り出し加工されたシリコンウェーハに対して、SC-1洗浄(即ち、アンモニア水と過酸化水素水と超純水とを1:1:15で混合した混合液による洗浄)を行い、洗浄後のシリコンウェーハ表面を、表面欠陥検査装置としてKLA-Tencor社製、Surfscan SP-1を用いて観察評価し、表面ピットと推定される輝点欠陥(LPD:Light Point Defect)を特定する。その際、観察モードはObliqueモード(斜め入射モード)とし、表面ピットの推定は、Wide/Narrowチャンネルの検出サイズ比に基づいて行うものとする。こうして特定されたLPDに対し、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)を用いてCOPか否かを評価する。この観察評価により、COPが観察されないシリコンウェーハを「COPが存在しないシリコンウェーハ」とする。
なお、直径300mmのシリコンウェーハを評価する場合は、Surfscan SP-2を用いて観察評価を行うことができる。
In the epitaxial silicon wafer, it is desirable that no COPs exist in the silicon wafer.
In the present invention, "COP-free" refers to a silicon wafer in which no COPs are detected by the observation and evaluation described below. Specifically, a silicon wafer cut from a single crystal silicon ingot grown by the CZ method is first subjected to SC-1 cleaning (i.e., cleaning with a mixed solution of ammonia water, hydrogen peroxide solution, and ultrapure water in a ratio of 1:1:15). The surface of the silicon wafer after cleaning is observed and evaluated using a KLA-Tencor Surfscan SP-1 surface defect inspection device to identify light point defects (LPDs) estimated to be surface pits. The observation mode is oblique mode (oblique incidence mode), and the estimation of surface pits is performed based on the detection size ratio of the wide/narrow channel. The LPDs thus identified are evaluated for their presence or absence of COPs using an atomic force microscope (AFM). A silicon wafer in which no COPs are observed by this observation and evaluation is defined as a "COP-free silicon wafer."
When evaluating a silicon wafer having a diameter of 300 mm, observation and evaluation can be performed using a Surfscan SP-2.

上記エピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハ裏面上に酸化膜を備えることが望ましい。 It is desirable that the above-mentioned epitaxial silicon wafer have an oxide film on the back surface of the silicon wafer.

上記エピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハの端部および裏面外周部に酸化膜がないことが望ましい。 In the above-mentioned epitaxial silicon wafer, it is desirable that there be no oxide film on the edge or outer periphery of the back surface of the silicon wafer.

本発明のシリコンウェーハは、ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロン濃度が5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下を含有するシリコンウェーハであって、前記シリコンウェーハは表面に低ボロン濃度層を有し、前記低ボロン濃度層のボロン濃度は前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度の0.9倍以下であり、かつ、前記低ボロン濃度層の深さは前記シリコンウェーハの表面から前記シリコンウェーハの厚み方向に0.7μm以上4.8μm以下である。 The silicon wafer of the present invention contains phosphorus as a dopant, has a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and a boron concentration of 5.0× 10 atoms/cm or more and 1.2× 10 atoms/ cm or less, wherein the silicon wafer has a low boron concentration layer on its surface, the boron concentration of the low boron concentration layer is 0.9 times or less than the boron concentration at the center of the silicon wafer in its thickness direction, and the depth of the low boron concentration layer is 0.7 μm or more and 4.8 μm or less from the surface of the silicon wafer in the thickness direction of the silicon wafer.

上記シリコンウェーハにおいて、酸素濃度が4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下であることが好ましい。 In the silicon wafer, the oxygen concentration is preferably 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 10×10 17 atoms/cm 3 or less.

上記シリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハにCOPが存在しないことが好ましい。 It is preferable that the above silicon wafer is free of COPs.

SF核発生温度帯域滞在時間が長い結晶領域から切り出したシリコンウェーハに観察される複合転位ループの写真である。1 is a photograph of complex dislocation loops observed in a silicon wafer cut from a crystalline region that has a long residence time in the SF nucleation temperature zone. SF核発生温度帯域滞在時間が短い結晶領域から切り出したシリコンウェーハに観察される転位ループの写真である。1 is a photograph of dislocation loops observed in a silicon wafer cut from a crystalline region having a short residence time in the SF nucleation temperature zone. 本発明にかかるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing an embodiment of a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer according to the present invention. 本発明にかかるエピタキシャルシリコンウェーハの一実施形態の断面図である。1 is a cross-sectional view of one embodiment of an epitaxial silicon wafer according to the present invention. 実施例1および比較例1のエピタキシャルシリコンウェーハの転位ループの評価結果を示すグラフである。1 is a graph showing the evaluation results of dislocation loops in the epitaxial silicon wafers of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例4および5のエピタキシャルシリコンウェーハのボロン濃度プロファイルの調査結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of investigation of boron concentration profiles of epitaxial silicon wafers of Examples 4 and 5. 実施例6および7と比較例4および5のシリコンウェーハの表面でX線トポグラフィー写真である。1 shows X-ray topography photographs of the surfaces of silicon wafers of Examples 6 and 7 and Comparative Examples 4 and 5. 実施例8,9および比較例6,7の各シリコンウェーハ表面にエピタキシャル層を形成したときのLPD密度、抵抗率の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between LPD density and resistivity when an epitaxial layer is formed on the surface of each silicon wafer in Examples 8 and 9 and Comparative Examples 6 and 7.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明にかかるシリコンウェーハは、抵抗率調整用のドーパントであるリン(P)がドープされ抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下とされ、ボロンを含有するシリコンウェーハである。ボロン濃度は、5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下であることが望ましい。
また、本発明にかかるエピタキシャルシリコンウェーハは、上記シリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を備えたものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The silicon wafer according to the present invention is a silicon wafer doped with phosphorus (P), a dopant for adjusting resistivity, to have a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and contains boron. The boron concentration is preferably 5.0× 10 atoms/cm or more and 1.2× 10 atoms/cm or less.
The epitaxial silicon wafer according to the present invention comprises the above silicon wafer and a silicon epitaxial layer formed on the silicon wafer.

本発明にかかるエピタキシャルシリコンウェーハを得るための、好適な製造フローを図3に示す。製造フローは、単結晶インゴット製造工程S1と、裏面酸化膜形成工程S2と、外周部酸化膜除去工程S3と、アルゴンアニール工程S4と、プリベーク工程S5と、エピタキシャル層形成工程S6を有することが望ましい。 A suitable manufacturing flow for obtaining the epitaxial silicon wafer according to the present invention is shown in Figure 3. The manufacturing flow preferably includes a single crystal ingot manufacturing process S1, a backside oxide film forming process S2, a peripheral oxide film removal process S3, an argon annealing process S4, a pre-baking process S5, and an epitaxial layer forming process S6.

単結晶インゴット製造工程S1では、図示しない単結晶インゴット引き上げ装置を用いたCZ法(チョクラルスキー法)にて、n型ドーパントとしてリンをドープした、単結晶シリコンインゴットを以下の条件を満たすように製造する。本実施形態では直径200mm(シリコンインゴット製造後の加工ロスを考慮した直径210mm)の単結晶シリコンインゴットを製造する場合について説明する。なお、単結晶直径はこの例に限定されない。直径300mmの単結晶シリコンインゴットを製造する場合も同様である。なお、単結晶シリコンインゴットの製作公差は±0.5mmとする。 In the single crystal ingot manufacturing process S1, a single crystal silicon ingot doped with phosphorus as an n-type dopant is manufactured using the CZ method (Czochralski method) using a single crystal ingot pulling device (not shown) so as to satisfy the following conditions: In this embodiment, we will explain the case of manufacturing a single crystal silicon ingot with a diameter of 200 mm (210 mm, taking into account processing losses after silicon ingot manufacturing). Note that the single crystal diameter is not limited to this example. The same applies to the manufacture of a single crystal silicon ingot with a diameter of 300 mm. Note that the manufacturing tolerance of the single crystal silicon ingot is ±0.5 mm.

(リン濃度)
単結晶インゴット中のリン濃度が6×1019atoms/cm以上1.64×1020atoms/cm以下となるように赤燐(リン)をドープすることで、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下の単結晶インゴットを得ることができる。
(phosphorus concentration)
By doping the single crystal ingot with red phosphorus (phosphorus) so that the phosphorus concentration in the single crystal ingot is 6×10 19 atoms/cm 3 or more and 1.64×10 20 atoms/cm 3 or less, a single crystal ingot with a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less can be obtained.

また、抵抗率が低くなるほどシリコンエピタキシャル層に発生するSF密度は増加することになり、抵抗率が0.9mΩ・cm以下になると特にSFが発生し易くなるため、ボロン添加による効果がより発揮されることになる。このため、リン濃度を8.3×1019atoms/cm以上として抵抗率を0.9mΩ・cm以下とすることが望ましい。シリコンウェーハのリン濃度は、シリコンウェーハ厚み中心部におけるリン濃度を二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて測定した値である。リン濃度は四探針法により測定した抵抗率からSEMI MF723-0307に規定される計算式またはグラフを用いて求めることもできる。
なお、シリコン原料を溶解する前にリンをドープすると、シリコン原料溶解時にリンが蒸発してしまい、所望とする抵抗率が得られなくなってしまうため、シリコン原料溶解後のシリコン融液に赤燐(リン)をドープすることが望ましい。
Furthermore, the lower the resistivity, the higher the density of SFs that occur in the silicon epitaxial layer. SFs are particularly likely to occur when the resistivity is 0.9 mΩ·cm or less, so the effect of adding boron is more pronounced. Therefore, it is desirable to set the phosphorus concentration to 8.3×10 19 atoms/cm 3 or more and the resistivity to 0.9 mΩ·cm or less. The phosphorus concentration of the silicon wafer is the value obtained by measuring the phosphorus concentration at the center of the silicon wafer thickness using secondary ion mass spectrometry (SIMS). The phosphorus concentration can also be determined from the resistivity measured by the four-probe method using the calculation formula or graph specified in SEMI MF723-0307.
If the silicon raw material is doped with phosphorus before being melted, the phosphorus will evaporate during the melting of the silicon raw material, making it impossible to obtain the desired resistivity. Therefore, it is desirable to dope the silicon melt with red phosphorus after the silicon raw material has been melted.

(ボロン濃度)
単結晶インゴット中のボロン濃度が5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下となるように、シリコン原料ともにボロン粉末をルツボ内に添加し溶解することで、所定濃度のボロン濃度を有する単結晶インゴットを育成することができる。
ボロン濃度を5.0×1014atoms/cm以上とすることで、シリコンウェーハ内に形成される転位ループ欠陥のサイズ・密度を減少させることができ、エピタキシャル成長処理後にエピタキシャル層で発生するSF密度を大幅に低減することできる。
なお、ボロン濃度を高めるほどエピタキシャル層に発生するLPD密度(SF密度)の低減効果がより高められるため、特に、ボロン濃度を7×1017atoms/cm以上とすることが望ましい。
(boron concentration)
By adding boron powder to a crucible together with silicon raw material and melting them so that the boron concentration in the single crystal ingot is 5.0× 10 atoms/cm or more and 1.2× 10 atoms/cm or less , a single crystal ingot having a predetermined boron concentration can be grown.
By setting the boron concentration to 5.0× 10 atoms/cm or more, it is possible to reduce the size and density of dislocation loop defects formed in the silicon wafer, and to significantly reduce the SF density that occurs in the epitaxial layer after the epitaxial growth process.
It should be noted that the higher the boron concentration, the more effective it is in reducing the LPD density (SF density) occurring in the epitaxial layer, so it is particularly desirable for the boron concentration to be 7×10 17 atoms/cm 3 or higher.

また、n型ドーパントであるリンに対して、逆極性のp型ドーパントであるボロンを添加することから、単結晶中の抵抗率が変動することが懸念される。しかしながら、本発明で添加するボロン濃度は低く、添加するリン濃度の方が圧倒的に優勢であるため、ボロン添加による抵抗変動はほぼ無視できる程度の極僅かな変動でしかない。ただし、ボロン濃度を過度に高め過ぎてしまうと抵抗率の変動幅も大きくなってしまうため、単結晶中のボロン濃度を1.2×1018atoms/cm以下とすることが望ましい。 Furthermore, since boron, a p-type dopant with the opposite polarity to phosphorus, an n-type dopant, is added, there is a concern that the resistivity in the single crystal may fluctuate. However, since the boron concentration added in the present invention is low and the phosphorus concentration added is overwhelmingly dominant, the resistance fluctuation due to the boron addition is extremely slight and can be almost ignored. However, if the boron concentration is increased too much, the range of resistivity fluctuation will also increase, so it is desirable to keep the boron concentration in the single crystal at 1.2 x 10 atoms/cm or less.

(酸素濃度)
シリコンウェーハの酸素濃度が高い場合には、デバイス耐圧特性を悪化させる傾向があることから、単結晶インゴット中の酸素濃度を低くすることが望ましく、酸素濃度を4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下の範囲にすることが望ましい。
低酸素濃度の単結晶インゴットを育成するには、シリコン融液に磁場を印加することが望ましく、周知の水平磁場あるいはカスプ磁場を印加すればよく、シリコン融液を収容するルツボの回転数を遅くする、引上げ装置炉内の圧力を低くすることなどにより、単結晶内に取り込まれる酸素濃度を所望とする濃度にまで低下させることができる。
なお、酸素濃度が4×1017atoms/cm未満では、シリコンウェーハの強度が低く、高温の熱処理を受けた際にスリップ転位が発生するおそれがあるため、酸素濃度を4×1017atoms/cm以上とすることが望ましい。
(oxygen concentration)
If the oxygen concentration in the silicon wafer is high, it tends to deteriorate the device breakdown voltage characteristics, so it is desirable to lower the oxygen concentration in the single crystal ingot, and it is desirable to set the oxygen concentration in the range of 4×10 17 atoms/cm 3 to 10×10 17 atoms/cm 3 .
To grow a single crystal ingot with a low oxygen concentration, it is desirable to apply a magnetic field to the silicon melt. A well-known horizontal magnetic field or cusp magnetic field can be applied, and the oxygen concentration incorporated into the single crystal can be reduced to the desired concentration by slowing down the rotation speed of the crucible containing the silicon melt or by lowering the pressure inside the pulling furnace.
If the oxygen concentration is less than 4×10 17 atoms/cm 3 , the strength of the silicon wafer is low and there is a risk of slip dislocations occurring when the silicon wafer is subjected to high-temperature heat treatment. Therefore, it is desirable that the oxygen concentration be 4×10 17 atoms/cm 3 or more.

この後、単結晶インゴット製造工程S1で製造した単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出し、所定の加工処理(研削処理、エッチング処理、研磨処理など)を施して表面粗さ・平坦度に優れる鏡面シリコンウェーハとする。 After this, silicon wafers are cut from the single crystal ingot produced in the single crystal ingot production process S1 and subjected to the required processing (grinding, etching, polishing, etc.) to produce mirror-finished silicon wafers with excellent surface roughness and flatness.

裏面酸化膜形成工程S2では、CVD装置を用いて以下の条件範囲で、シリコンウェーハの裏面に酸化膜(以下、裏面酸化膜という)を形成することが望ましい。
原料ガス:モノシラン(SiH)と酸素(O)の混合ガス
裏面酸化膜の厚さ:100nm以上1500nm以下
成膜温度:400℃以上450℃以下
このような裏面酸化膜を設けることによって、オートドープ現象が抑制されエピタキシャル層の抵抗変動を抑制することができる。
In the rear surface oxide film forming step S2, it is desirable to form an oxide film (hereinafter referred to as rear surface oxide film) on the rear surface of the silicon wafer using a CVD apparatus within the following condition ranges.
Raw material gas: mixed gas of monosilane ( SiH4 ) and oxygen ( O2 ) Thickness of rear surface oxide film: 100 nm or more and 1500 nm or less Film formation temperature: 400°C or more and 450°C or less By providing such a rear surface oxide film, the autodoping phenomenon can be suppressed and the resistance fluctuation of the epitaxial layer can be suppressed.

裏面酸化膜形成工程S2において、シリコンウェーハの裏面のみに酸化膜を形成することは困難であり、裏面酸化膜形成工程S2後のシリコンウェーハの端部(面取り部)には不可避的に酸化膜が形成されてしまうことになる。酸化膜表面上にエピタキシャル層を形成してしまうと、当該部位においてノジュール(粒状シリコン)が発生するおそれがあるため、シリコンウェーハの端部およびウェーハ裏面外周部に形成された酸化膜を除去しておくことが望ましい。 In the backside oxide film formation step S2, it is difficult to form an oxide film only on the backside of the silicon wafer, and an oxide film inevitably forms on the edge (chamfered portion) of the silicon wafer after the backside oxide film formation step S2. If an epitaxial layer is formed on the oxide film surface, there is a risk of nodules (granular silicon) forming in that area. Therefore, it is desirable to remove the oxide film formed on the edge of the silicon wafer and on the outer periphery of the backside of the wafer.

このため、外周部酸化膜除去工程S3では、研磨やエッチングなどの各種手法を用いて、シリコンウェーハの端部(面取り部)およびウェーハ裏面外周部に存在する酸化膜を除去すればよく、ウェーハ裏面外周部に存在する酸化膜の除去幅は、シリコンウェーハの外縁から5mm未満であることが好ましい。
このようにシリコンウェーハの端部および裏面酸化膜の外周部を除去することによって、シリコンエピタキシャル層の成長時におけるノジュールの発生を防止することができ、ウェーハエッジ部からのパーティクル発生を防止することができる。
Therefore, in the peripheral oxide film removal step S3, it is sufficient to remove the oxide film present at the edge (chamfered portion) of the silicon wafer and the peripheral portion of the back surface of the wafer using various techniques such as polishing and etching, and it is preferable that the width of the oxide film present at the peripheral portion of the back surface of the wafer be removed be less than 5 mm from the outer edge of the silicon wafer.
By removing the edge of the silicon wafer and the outer periphery of the backside oxide film in this manner, it is possible to prevent the generation of nodules during the growth of the silicon epitaxial layer, and also to prevent the generation of particles from the wafer edge.

アルゴンアニール工程S4では、以下の条件範囲で熱処理を行うことが望ましい。
ガス雰囲気:アルゴンガス
熱処理温度:1150℃以上1250℃以下
熱処理時間:30分以上120分以下
熱処理装置としては、複数のシリコンウェーハを一度に熱処理が行えるバッチ炉(縦型熱処理装置)を用いて熱処理することが望ましい。
ボロンドープにより、シリコンウェーハへのサイズの大きな転位ループ欠陥の発生が抑制され、シリコンウェーハに存在するサイズの小さな転位ループ欠陥はシリコンウェーハにアルゴンアニールを施すことによって消滅させることができ、エピタキシャル層へのSFの発生を可及的に低減することができる。
In the argon annealing step S4, it is desirable to perform the heat treatment under the following conditions.
Gas atmosphere: argon gas Heat treatment temperature: 1150°C or higher and 1250°C or lower Heat treatment time: 30 minutes or higher and 120 minutes or lower As the heat treatment apparatus, it is desirable to use a batch furnace (vertical heat treatment apparatus) that can perform heat treatment on multiple silicon wafers at once.
Boron doping suppresses the generation of large dislocation loop defects in the silicon wafer, and small dislocation loop defects present in the silicon wafer can be eliminated by subjecting the silicon wafer to argon annealing, thereby making it possible to reduce the generation of SFs in the epitaxial layer as much as possible.

また、エピタキシャル成長処理前に、シリコンウェーハに対してアルゴンアニールを実施することにより、エピタキシャル層形成工程S6時に生じるシリコンウェーハからシリコンエピタキシャル層へのボロンの拡散を低減することができる。この点について以下に説明する。
図4(a)はアルゴンアニールによってシリコンウェーハ表層部に形成される低ボロン濃度層を示す模式図である。
図4(a)に示すように、シリコンウェーハ11に高温のアルゴンアニールを施すことによって、シリコンウェーハ11の表層部のボロンは外方拡散し、表層部のボロン濃度は低下する。これにより、ボロンの外方拡散が起きていないシリコンウェーハ11の厚み中心部Cのボロン濃度よりもボロン濃度が低い低ボロン濃度層12がシリコンウェーハ11の表裏面側に形成される。
Furthermore, by performing argon annealing on the silicon wafer before the epitaxial growth process, it is possible to reduce the diffusion of boron from the silicon wafer to the silicon epitaxial layer that occurs during the epitaxial layer formation step S6. This point will be described below.
FIG. 4(a) is a schematic diagram showing a low boron concentration layer formed in the surface layer of a silicon wafer by argon annealing.
4(a), high-temperature argon annealing of the silicon wafer 11 causes outward diffusion of boron in the surface layer of the silicon wafer 11, thereby reducing the boron concentration in the surface layer. As a result, low-boron concentration layers 12, which have a lower boron concentration than the boron concentration in the thickness center C of the silicon wafer 11 where no outward diffusion of boron has occurred, are formed on the front and back surfaces of the silicon wafer 11.

図4(b)はアルゴンアニールしたシリコンウェーハにエピタキシャル成長処理したときのボロン濃度プロファイルを示す模式図である。
図4(b)に示すように、エピタキシャル層形成工程S6後のボロン濃度は、シリコンウェーハ表層部のボロン濃度が低下した濃度プロファイルを示すことになる。ここで、ボロンの外方拡散が起きていないシリコンウェーハ11の厚み中心部Cのボロン濃度の0.9倍以下となる領域を低ボロン濃度層12と定義した場合、エピタキシャル成長処理後において、シリコンエピタキシャル層13と接するシリコンウェーハ11の表面側に形成される低ボロン濃度層12の深さDを、シリコンウェーハ11とシリコンエピタキシャル層13の境界からシリコンウェーハ11の厚み方向に0.7μm以上4.8μm以下とすることができる。
この低ボロン濃度層12の形成により、エピタキシャル層形成工程S6時に生じるシリコンウェーハ11からシリコンエピタキシャル層13へのボロンの拡散をより低減することができる。低ボロン濃度層12の厚みはアルゴンアニールの熱処理温度、時間を調整することにより、任意に厚みを調整することができる。
FIG. 4(b) is a schematic diagram showing the boron concentration profile when epitaxial growth is performed on an argon-annealed silicon wafer.
4(b), the boron concentration after the epitaxial layer formation step S6 exhibits a concentration profile in which the boron concentration in the surface layer portion of the silicon wafer is reduced. If the region where the boron concentration is 0.9 times or less the center C of the thickness of the silicon wafer 11 where no out-diffusion of boron has occurred is defined as the low-boron concentration layer 12, the depth D of the low-boron concentration layer 12 formed on the surface side of the silicon wafer 11 that contacts the silicon epitaxial layer 13 after the epitaxial growth process can be set to 0.7 μm or more and 4.8 μm or less from the boundary between the silicon wafer 11 and the silicon epitaxial layer 13 in the thickness direction of the silicon wafer 11.
The formation of this low boron concentration layer 12 can further reduce the diffusion of boron from the silicon wafer 11 to the silicon epitaxial layer 13 that occurs during the epitaxial layer formation step S6. The thickness of the low boron concentration layer 12 can be adjusted as desired by adjusting the temperature and time of the argon annealing heat treatment.

水素および塩化水素を含むガス雰囲気下でのプリベーク工程S5では、エピタキシャル装置内(アプライドマテリアル社製:Centura(登録商標))において、シリコンウェーハに対して以下の条件範囲で熱処理を行うことが望ましい。
雰囲気:水素ガス、塩化水素ガス
水素ガスの流量:40L/分
塩化水素ガスの流量:1L/分
熱処理温度:1050℃以上1250℃以下
熱処理時間:30秒以上300秒以下
In the pre-baking step S5 in a gas atmosphere containing hydrogen and hydrogen chloride, it is desirable to perform heat treatment on the silicon wafer in an epitaxial apparatus (Centura (registered trademark) manufactured by Applied Materials, Inc.) within the following condition ranges.
Atmosphere: hydrogen gas, hydrogen chloride gas Flow rate of hydrogen gas: 40 L/min Flow rate of hydrogen chloride gas: 1 L/min Heat treatment temperature: 1050°C or higher and 1250°C or lower Heat treatment time: 30 seconds or higher and 300 seconds or lower

プリベーク工程S5によるシリコンウェーハ表層部の取代は、100nm以上300nmであることが好ましく、150nm±10nmであることがさらに好ましい。 The removal amount of the silicon wafer surface layer in the pre-bake step S5 is preferably 100 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 150 nm ± 10 nm.

エピタキシャル層形成工程S6では、プリベーク工程S5を行ったシリコンウェーハに対して以下の条件範囲でエピタキシャル層を成長させることが望ましい。
ドーパントガス:フォスフィン(PH)ガス
原料ソースガス:トリクロロシラン(SiHCl)ガス
キャリアガス:水素ガス
成長温度:1050℃以上1150℃以下
エピタキシャル層の厚さ:1μm以上10μm以下
エピタキシャル層の抵抗率:0.01Ω・cm以上10Ω・cm以下
リン濃度:4.44×1014atoms/cm以上4.53×1018atoms/cm以下
エピタキシャル層形成工程S6を行うことによって、シリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハが製造される。
In the epitaxial layer forming step S6, it is desirable to grow an epitaxial layer on the silicon wafer that has been subjected to the pre-baking step S5 within the following condition range.
Dopant gas: phosphine ( PH3 ) gas Raw material source gas: trichlorosilane ( SiHCl3 ) gas Carrier gas: hydrogen gas Growth temperature: 1050°C or higher and 1150°C or lower Epitaxial layer thickness: 1 μm or higher and 10 μm or lower Epitaxial layer resistivity: 0.01 Ω·cm or higher and 10 Ω·cm or lower Phosphorus concentration: 4.44× 1014 atoms/ cm3 or higher and 4.53× 1018 atoms/ cm3 or lower By performing the epitaxial layer formation step S6, an epitaxial silicon wafer is manufactured in which a silicon epitaxial layer is formed on the surface of the silicon wafer.

上記プロセスフローを実施することにより、エピタキシャル層へのSFの発生を低減可能なシリコンウェーハの提供および、エピタキシャル層のSF密度が低減されたエピタキシャルシリコンウェーハの提供を行うことができる。
具体的には、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下となるようにリンが添加され、ボロンがドープされたシリコンウェーハを提供するもので、従来存在しない新規なシリコンウェーハである。
By carrying out the above process flow, it is possible to provide a silicon wafer capable of reducing the generation of SFs in the epitaxial layer, and an epitaxial silicon wafer with a reduced SF density in the epitaxial layer.
Specifically, the present invention provides a silicon wafer to which phosphorus is added and boron is doped so that the resistivity is 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and this is a novel silicon wafer that has not existed before.

ボロンドープによって、サイズの大きな転位ループの欠陥密度が低減されたシリコンウェーハとなる。このシリコンウェーハは、エピタキシャル欠陥(エピタキシャル層表面で観察されるLPD/SF)の発生を低減することができる、エピタキシャル成長用バルクウェーハとして有効に機能する。 By doping with boron, the silicon wafer has a reduced defect density of large dislocation loops. This silicon wafer functions effectively as a bulk wafer for epitaxial growth, reducing the occurrence of epitaxial defects (LPDs/SFs observed on the surface of the epitaxial layer).

また、シリコンウェーハの酸素濃度を4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下とすることによって、ボロンをドープした場合においても、デバイス耐圧の不良を防止することができる。 Furthermore, by setting the oxygen concentration of the silicon wafer to 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 10×10 17 atoms/cm 3 or less, it is possible to prevent defects in the device breakdown voltage even when doped with boron.

また、シリコンエピタキシャル層を形成する前のシリコンウェーハにアルゴンアニールを施すことによって、シリコンウェーハの表層部のボロン濃度が低下し、シリコンエピタキシャル層形成時に生じるシリコンエピタキシャル層へのボロン拡散量を低減することができる。
シリコンエピタキシャル層へのボロン拡散量を低減させたことにより、エピタキシャルシリコンウェーハにデバイスを作製するデバイス工程における熱処理時に、シリコンエピタキシャル層中の取り込まれたボロンを起因とした欠陥発生による電気特性の劣化を抑制することができる。
Furthermore, by subjecting a silicon wafer to argon annealing before forming a silicon epitaxial layer, the boron concentration in the surface layer of the silicon wafer is reduced, and the amount of boron diffusion into the silicon epitaxial layer that occurs during the formation of the silicon epitaxial layer can be reduced.
By reducing the amount of boron diffused into the silicon epitaxial layer, it is possible to suppress the deterioration of electrical characteristics due to defects caused by boron incorporated into the silicon epitaxial layer during heat treatment in the device process for fabricating devices on the epitaxial silicon wafer.

なお、上記実施形態ではシリコンウェーハの抵抗率を0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下としたが、より低抵抗化されたシリコンウェーハとして、抵抗率は0.9mΩ・cm以下とすることが好ましい。抵抗率が低くなるほどエピタキシャル層へのSF発生が顕著となるため、本発明のボロンドープの効果がより発揮される。 In the above embodiment, the resistivity of the silicon wafer was set to 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less. However, for a silicon wafer with even lower resistivity, it is preferable to set the resistivity to 0.9 mΩ·cm or less. The lower the resistivity, the more pronounced the occurrence of SF in the epitaxial layer, and therefore the greater the effect of the boron doping of the present invention.

さらに、本実施形態のシリコンウェーハは、抵抗率が1.2mΩ・cm以下となるようにリンをドープしたシリコン融液から単結晶インゴットから製造される。リンが高濃度に添加されていることにより、単結晶インゴットの製造過程で酸化誘起積層欠陥(OSF:Oxidation induced Stacking Fault)が発生するOSFリング領域がインゴット中心で消滅した、COPが存在しない結晶領域となる。すなわち、本実施形態のシリコンウェーハは、リンの高濃度添加によりCOPが存在しないウェーハとすることができ、エピタキシャル層にCOPを起因とした欠陥の発生を防止することができる。 Furthermore, the silicon wafer of this embodiment is manufactured from a single crystal ingot made from a silicon melt doped with phosphorus to achieve a resistivity of 1.2 mΩ·cm or less. Due to the high concentration of phosphorus added, the oxidation-induced stacking fault (OSF) ring region, where OSFs occur during the single crystal ingot manufacturing process, disappears at the center of the ingot, resulting in a crystal region free of COPs. In other words, the silicon wafer of this embodiment can be made free of COPs by the high concentration of phosphorus added, preventing the occurrence of defects in the epitaxial layer due to COPs.

以下、本発明の実施例および比較例の実験条件および評価結果について説明する。
<転位ループ評価>
以下の実施例1および比較例2について、転位ループに関する評価を行った。
<実施例1>
実施例1では、図3を参照して説明したエピタキシャルシリコンウェーハの製造フローの条件範囲にてエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。単結晶インゴットの育成条件は、シリコン原料を溶解する前にボロン粉末を添加すると共に、単結晶インゴット直胴部の上端で抵抗率が0.9mΩ・cmとなるように原料溶解後のシリコン融液にリンを添加して単結晶インゴットを製造した。
ボロンを添加した単結晶インゴット直胴部のトップ側のインゴット位置からサンプルウェーハを切り出し、所定の加工処理を施して鏡面シリコンウェーハを製作した。このシリコンウェーハの抵抗率を四探針法で測定したところ、抵抗率は0.75mΩ・cmであり、シリコンウェーハのボロン濃度は1.2×1018atoms/cmであった。
The experimental conditions and evaluation results of examples and comparative examples of the present invention will be described below.
<Dislocation loop evaluation>
The following Example 1 and Comparative Example 2 were evaluated for dislocation loops.
Example 1
In Example 1, epitaxial silicon wafers were manufactured within the range of conditions for the epitaxial silicon wafer manufacturing flow described with reference to Fig. 3. The single crystal ingot was manufactured under the growth conditions in which boron powder was added before melting the silicon raw material, and phosphorus was added to the silicon melt after melting the raw material so that the resistivity at the top end of the straight body of the single crystal ingot was 0.9 mΩ cm.
A sample wafer was cut from the top of the boron-doped single crystal ingot and processed to produce a mirror-finished silicon wafer. The resistivity of this silicon wafer was measured using the four-point probe method, and the resistivity was found to be 0.75 mΩ·cm, and the boron concentration of the silicon wafer was found to be 1.2 × 10 atoms/cm.

<比較例1>
上記実施例1と比較して、単結晶インゴットの育成段階でボロンドープを行わないこと以外は、実施例1と同一の製造条件でシリコンウェーハを製造した。実施例1と同様に、抵抗率が0.75mΩ・cmのサンプルウェーハを切り出し、所定の加工処理を施して鏡面シリコンウェーハを製作した。
<Comparative Example 1>
Compared to Example 1 above, silicon wafers were manufactured under the same manufacturing conditions as Example 1, except that boron doping was not performed during the growth stage of the single crystal ingot. As in Example 1, a sample wafer with a resistivity of 0.75 mΩ cm was cut out and subjected to a predetermined processing treatment to produce a mirror-finished silicon wafer.

実施例1および比較例1のシリコンウェーハを厚み方向に劈開し、劈開断面を透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察した。図5は、実施例1および比較例1のシリコンウェーハの転位ループの評価結果を示すグラフである。図5の横軸は転位ループサイズであり、縦軸は転位ループ密度である。
図5(a)はボロンをドープしなかった比較例1のシリコンウェーハの結果を示すもので、SF核発生温度帯域滞在時間が長くなる結晶トップ側で切り出したサンプルウェーハであるため、100nmを超える大きな転位ループ欠陥が多数観察された。
一方、図5(b)はボロンを高濃度にドープした実施例1のシリコンウェーハの結果を示すもので、SF核発生温度帯域滞在時間が長くなる結晶トップ側で切り出したサンプルウェーハであるため、サイズの小さな転位ループが多数観察されたものの、100nmを超える大きな転位ループの密度が大きく低下することが確認できた。
すなわち、ボロンドープによりシリコンウェーハに形成されるサイズの大きな転位ループの密度が低下することが確認された。
The silicon wafers of Example 1 and Comparative Example 1 were cleaved in the thickness direction, and the cleaved cross sections were observed with a transmission electron microscope (TEM). Fig. 5 is a graph showing the evaluation results of dislocation loops in the silicon wafers of Example 1 and Comparative Example 1. The horizontal axis of Fig. 5 represents dislocation loop size, and the vertical axis represents dislocation loop density.
FIG. 5(a) shows the results for the silicon wafer of Comparative Example 1, which was not doped with boron. Since this sample wafer was cut from the top side of the crystal, where the residence time in the SF nucleation temperature zone is longer, many large dislocation loop defects exceeding 100 nm were observed.
On the other hand, FIG. 5( b) shows the results for the silicon wafer of Example 1, which was doped with boron at a high concentration. Since the sample wafer was cut from the top side of the crystal, where the residence time in the SF nucleation temperature zone was long, many small dislocation loops were observed, but it was confirmed that the density of large dislocation loops exceeding 100 nm was greatly reduced.
That is, it was confirmed that the density of large dislocation loops formed in the silicon wafer was reduced by boron doping.

〔LPD密度評価〕
SF核が形成される温度帯域の滞在時間が長くなるインゴット直胴部のトップ側から切り出したサンプルシリコンウェーハを用いてシリコンエピタキシャル層を形成した場合、エピタキシャル層でSFが多発しLPD密度が増加するため、本実験では直胴部のトップ側から切り出した以下の実施例2、3および比較例2、3のサンプルシリコンウェーハを作成し、エピタキシャル層形成後のエピタキシャル層表面で観察されるLPD密度を測定した。
以下、各実施例および各比較例における共通処理工程として実施した、裏面酸化膜形成工程およびエピタキシャル層形成工程の具体的条件は以下の通りである。
[裏面酸化膜形成条件]
各シリコンウェーハの裏面(エピタキシャル膜の形成面と反対の面)に、以下の条件にて裏面酸化膜を形成した。
原料ガス:モノシラン(SiH)と酸素(O)の混合ガス
成膜方法:CVD法
成膜温度:400℃
裏面酸化膜の厚さ:550nm
各シリコンウェーハの面取り部および裏面外周部に存在する酸化膜をエッチング処理により除去した。
[水素ベーク処理条件]
雰囲気:水素ガス
熱処理温度:1200℃
熱処理時間:30秒
[エピタキシャル膜成長条件]
ドーパントガス:フォスフィン(PH)ガス
原料ソースガス:トリクロロシラン(SiHCl)ガス
キャリアガス:水素ガス
成長温度:1080℃
エピタキシャル膜の厚さ:4μm
抵抗率( エピタキシャル膜抵抗率):0.3Ω・cm
<比較例2>
ボロンドープを行わず、転位ループが多数観察された比較例1のシリコンウェーハ表面上に厚さ4μmのシリコンエピタキシャル層を形成してエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
[LPD Density Evaluation]
When a silicon epitaxial layer is formed using a sample silicon wafer cut from the top side of the straight body of an ingot, which has a long residence time in the temperature range where SF nuclei are formed, many SFs occur in the epitaxial layer, resulting in an increase in LPD density. Therefore, in this experiment, sample silicon wafers of the following Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 3 were cut from the top side of the straight body, and the LPD densities observed on the epitaxial layer surfaces after epitaxial layer formation were measured.
The specific conditions for the back surface oxide film forming process and the epitaxial layer forming process, which were carried out as common processing steps in each of the examples and comparative examples, are as follows:
[Backside oxide film formation conditions]
A backside oxide film was formed on the backside of each silicon wafer (the surface opposite to the surface on which the epitaxial film was formed) under the following conditions.
Raw material gas: mixed gas of monosilane (SiH 4 ) and oxygen (O 2 ) Film formation method: CVD method Film formation temperature: 400° C.
Thickness of rear surface oxide film: 550 nm
The oxide film present on the chamfered portion and the outer periphery of the back surface of each silicon wafer was removed by etching.
[Hydrogen baking conditions]
Atmosphere: Hydrogen gas Heat treatment temperature: 1200°C
Heat treatment time: 30 seconds [epitaxial film growth conditions]
Dopant gas: phosphine (PH 3 ) gas Raw material source gas: trichlorosilane (SiHCl 3 ) gas Carrier gas: hydrogen gas Growth temperature: 1080° C.
Epitaxial film thickness: 4 μm
Resistivity (epitaxial film resistivity): 0.3 Ω cm
<Comparative Example 2>
An epitaxial silicon wafer was manufactured by forming a silicon epitaxial layer having a thickness of 4 μm on the surface of the silicon wafer of Comparative Example 1, which was not doped with boron and in which many dislocation loops were observed.

<比較例3>
比較例1のシリコンウェーハにアルゴンアニール(アルゴンガス雰囲気中で1200℃×30分の熱処理)を施した後、シリコンウェーハ表面上に厚さ4μmのシリコンエピタキシャル層を形成してエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
<Comparative Example 3>
The silicon wafer of Comparative Example 1 was subjected to argon annealing (heat treatment in an argon gas atmosphere at 1200° C. for 30 minutes), and then a silicon epitaxial layer having a thickness of 4 μm was formed on the surface of the silicon wafer to produce an epitaxial silicon wafer.

<実施例2>
ボロンドープを行った実施例1のシリコンウェーハに対してアルゴンアニールを施さずに、シリコンウェーハ表面上に厚さ4μmのシリコンエピタキシャル層を形成してエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
Example 2
An epitaxial silicon wafer was manufactured by forming a silicon epitaxial layer having a thickness of 4 μm on the surface of the boron-doped silicon wafer of Example 1 without subjecting it to argon annealing.

<実施例3>
ボロンドープを行った実施例1のシリコンウェーハにアルゴンアニール(アルゴンガス雰囲気中で1200℃×30分の熱処理)を施した後、シリコンウェーハ表面上に厚さ4μmのシリコンエピタキシャル層を形成してエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。実施例2,3、比較例2,3ともエピタキシャル成長処理条件は同一条件である。
Example 3
The boron-doped silicon wafer of Example 1 was subjected to argon annealing (heat treatment at 1200°C for 30 minutes in an argon gas atmosphere), and then a silicon epitaxial layer having a thickness of 4 μm was formed on the surface of the silicon wafer to produce an epitaxial silicon wafer. The epitaxial growth conditions were the same for Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 3.

比較例2のエピタキシャルシリコンウェーハのシリコンエピタキシャル層表面のLPD密度を表面欠陥検査装置(KLA-Tencor社製、Surfscan SP-1)を用いて測定した。具体的には、Normalモード(DCNモード)で測定し、エピタキシャル膜表面で観察される90nmサイズ以上のLPD密度を測定した。測定エリアは、エピタキシャルシリコンウェーハの最外周から径方向内側に3mmまでの環状領域を除くエピタキシャル層表面とした。カウントされたLPD個数はSF個数と見做すことができる。その結果、検出個数が多すぎてオーバーフロー(10万個/ウェーハ以上)してしまい、LPD測定そのものが行えなかった。
シリコンウェーハにアルゴンアニールを施した比較例3では、比較例2に比べてLPD密度を低減できたものの、280個/ウェーハのLPDが観察された。以下、各実施例および各比較例のLPD密度を比較例2の測定条件と同条件で測定した。
The LPD density on the silicon epitaxial layer surface of the epitaxial silicon wafer of Comparative Example 2 was measured using a surface defect inspection device (Surfscan SP-1, manufactured by KLA-Tencor Corporation). Specifically, the measurement was performed in normal mode (DCN mode), and the density of LPDs of 90 nm or larger observed on the epitaxial film surface was measured. The measurement area was the epitaxial layer surface excluding an annular region extending from the outermost periphery of the epitaxial silicon wafer to 3 mm radially inward. The number of LPDs counted can be considered the number of SFs. As a result, the number of detected LPDs was so large that it overflowed (more than 100,000 per wafer), making it impossible to perform LPD measurement itself.
In Comparative Example 3, in which the silicon wafer was subjected to argon annealing, the LPD density was reduced compared to Comparative Example 2, but 280 LPDs per wafer were observed. The LPD density of each of the following Examples and Comparative Examples was measured under the same conditions as those of Comparative Example 2.

実施例2のエピタキシャルシリコンウェーハのシリコンエピタキシャル層表面のLPD密度を測定したところ、9万個/ウェーハ以上のLPDが観察された。これは、ボロンドープによりシリコンウェーハには大きなサイズの複合転位ループの密度は少なくなったものの、100nm未満のサイズの小さな転位ループが多数存在することによるものと推測される。 When the LPD density on the surface of the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer of Example 2 was measured, more than 90,000 LPDs per wafer were observed. This is presumably because, although the density of large-sized complex dislocation loops in the silicon wafer was reduced by boron doping, there were still many small dislocation loops less than 100 nm in size.

エピタキシャル成長処理前に、シリコンウェーハにアルゴンアニールを施した実施例3では、エピタキシャル層表面のLPD密度は大きく低下し、120個/ウェーハのLPD密度となった。これは、アルゴンアニールにより、シリコンウェーハ表層部に存在する100nm未満のサイズの小さな転位ループが消失したことによるものと考えられる。 In Example 3, in which the silicon wafer was argon annealed before the epitaxial growth process, the LPD density on the epitaxial layer surface was significantly reduced to 120 LPDs/wafer. This is thought to be due to the argon anneal eliminating small dislocation loops less than 100 nm in size that existed in the surface layer of the silicon wafer.

以上より、ボロンをドープするとともに、シリコンウェーハにアルゴンアニールを施した場合には、シリコンエピタキシャル層へのSF発生の低減効果が高まり、エピタキシャル層形成後のLPD密度を比較例3と比べて1/2程度にまで低下できることが明らかとなった。 From the above, it was revealed that when boron is doped and the silicon wafer is annealed with argon, the effect of reducing SF generation in the silicon epitaxial layer is enhanced, and the LPD density after epitaxial layer formation can be reduced to about half that of Comparative Example 3.

〔ボロン濃度プロファイル評価〕
ボロンドープを行うと、シリコンエピタキシャル層形成時などの熱処理により、シリコンエピタキシャル層へのボロン拡散を生じてしまうため、シリコンエピタキシャル層へのボロン拡散の挙動に関する評価を行った。
<実施例4>
実施例1と同じシリコンウェーハ(ウェーハ厚み中心部のボロン濃度:1.2×1018atoms/cm)を準備し、アルゴンアニールを施すことなく実施例2と同様のシリコンエピタキシャル層を形成したエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
<実施例5>
実施例4と同様のシリコンウェーハに実施例3と同様のアルゴンアニールを施した後、シリコンエピタキシャル層を形成したエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
[Boron concentration profile evaluation]
When boron is doped, boron diffusion into the silicon epitaxial layer occurs due to heat treatment during the formation of the silicon epitaxial layer. Therefore, the behavior of boron diffusion into the silicon epitaxial layer was evaluated.
Example 4
The same silicon wafer as in Example 1 (boron concentration at the center of the wafer thickness: 1.2×10 18 atoms/cm 3 ) was prepared, and an epitaxial silicon wafer was manufactured by forming a silicon epitaxial layer similar to that in Example 2 without performing argon annealing.
Example 5
An epitaxial silicon wafer was manufactured by subjecting a silicon wafer similar to that of Example 4 to argon annealing similar to that of Example 3 and then forming a silicon epitaxial layer thereon.

図6は、実施例4および実施例5のエピタキシャルシリコンウェーハについて二次イオン質量分析法を用いて測定したボロン濃度プロファイルの調査結果を示すグラフである。図6の横軸はエピタキシャルシリコンウェーハ表面からの深さであり、縦軸はボロン濃度である。エピタキシャルシリコンウェーハ表面から深さ4μmに、シリコンエピタキシャル層とシリコンウェーハの界面があることがわかる。 Figure 6 is a graph showing the results of the boron concentration profile measurement using secondary ion mass spectrometry for the epitaxial silicon wafers of Examples 4 and 5. The horizontal axis of Figure 6 represents the depth from the surface of the epitaxial silicon wafer, and the vertical axis represents the boron concentration. It can be seen that the interface between the silicon epitaxial layer and the silicon wafer is located 4 μm deep from the surface of the epitaxial silicon wafer.

シリコンウェーハにアルゴンアニールを施さなかった実施例4は、低ボロン濃度層の幅は0.2μm未満であった。一方、シリコンエピタキシャル層の形成前にアルゴンアニールを施した実施例5は、シリコンエピタキシャル層とシリコンウェーハの界面からウェーハの深さ方向に、厚さ1.4μmの低ボロン濃度層が形成され、シリコンエピタキシャル層のボロン濃度はシリコンウェーハとの界面部近傍を除き、ほぼエピタキシャル層全域に亘り、ボロン濃度が検出限界以下(2×1013atoms/cm以下)であることが確認された。
なお、低ボロン濃度層の厚みはアルゴンアニール条件に依存し、アルゴンアニールにおける熱処理温度、時間を調整することにより任意に低ボロン濃度層の厚みを調整することができる。シリコンウェーハ表層部に所定厚みの低ボロン濃度層を形成しておくことにより、シリコンウェーハからエピタキシャル層へのボロンの拡散量を低減することができる。
In Example 4, in which the silicon wafer was not subjected to argon annealing, the width of the low boron concentration layer was less than 0.2 μm. On the other hand, in Example 5, in which argon annealing was performed before the formation of the silicon epitaxial layer, a low boron concentration layer with a thickness of 1.4 μm was formed from the interface between the silicon epitaxial layer and the silicon wafer in the depth direction of the wafer, and it was confirmed that the boron concentration of the silicon epitaxial layer was below the detection limit (2 × 10 atoms/cm or less) throughout almost the entire epitaxial layer except for the vicinity of the interface with the silicon wafer.
The thickness of the low-boron concentration layer depends on the argon annealing conditions, and can be adjusted as desired by adjusting the heat treatment temperature and time in the argon annealing. By forming a low-boron concentration layer of a predetermined thickness in the surface layer portion of the silicon wafer, the amount of boron diffusion from the silicon wafer to the epitaxial layer can be reduced.

例えば、その他の条件は全て実施例5と同条件とし、1150℃×10分の熱処理条件に変更した場合は0.7μm、1200℃×10分の場合は1.2μm、1150℃×60分の場合は1.1μm、1200℃×60分の場合は1.8μm、1300℃×60分の場合は4.8μmであった。すなわち、アルゴンアニールにおける熱処理温度、時間を調整することにより任意に低ボロン濃度層の厚みを調整することができる。シリコンウェーハ表層部に所定厚みの低ボロン濃度層を形成しておくことにより、シリコンウェーハからエピタキシャル層へのボロンの拡散量を低減することができる。 For example, with all other conditions remaining the same as in Example 5, when the heat treatment conditions were changed to 1150°C x 10 minutes, the thickness was 0.7 μm, when it was 1200°C x 10 minutes, it was 1.2 μm, when it was 1150°C x 60 minutes, it was 1.1 μm, when it was 1200°C x 60 minutes, it was 1.8 μm, and when it was 1300°C x 60 minutes, it was 4.8 μm. In other words, the thickness of the low-boron concentration layer can be adjusted as desired by adjusting the heat treatment temperature and time in argon annealing. By forming a low-boron concentration layer of a predetermined thickness in the surface layer of the silicon wafer, the amount of boron diffusion from the silicon wafer to the epitaxial layer can be reduced.

〔スリップ転位評価〕
以下の比較例4,5、実施例6,7について、ボロンドープ、アルゴンアニールの有無によるスリップ転位(シリコンの結晶面に沿った欠陥)発生の有無について調査した。
なお、比較例4,5、実施例6,7のシリコンウェーハに共通する仕様・条件を以下に列挙する。
抵抗率:0.82mΩ・cm
ボロン濃度:1.2×1018atoms/cm
また、アルゴンアニールを施す比較例5、実施例7におけるアルゴンアニールは、アルゴンガス雰囲気中で1200℃×30分の熱処理である。
また、以下の説明における「エピタキシャル層成長条件に対応した熱処理」とは、エピタキシャル装置(アプライドマテリアル社製:Centura(登録商標))内に原料ソースガスは導入せずに行う熱処理であり、水素ガス雰囲気内で1150℃で1分の熱処理を意味する。
<比較例4>
ボロンドープを行わなかったシリコンウェーハに対してアルゴンアニールを施すことなく、エピタキシャル層成長条件に対応した熱処理を行った(熱処理のみでシリコンエピタキシャル層は成長させなかった。)。
<比較例5>
ボロンドープを行わなかったシリコンウェーハに対してアルゴンアニールを施し、エピタキシャル層成長条件に対応した熱処理を行った。
<実施例6>
ボロンドープを行ったシリコンウェーハに対してアルゴンアニールを施すことなく、エピタキシャル層成長条件に対応した熱処理を行った。
<実施例7>
ボロンドープを行ったシリコンウェーハに対してアルゴンアニールを施し、エピタキシャル層成長条件に対応した熱処理を行った。
[Slip dislocation evaluation]
For the following Comparative Examples 4 and 5 and Examples 6 and 7, the presence or absence of slip dislocations (defects along the crystal plane of silicon) was investigated depending on whether or not boron doping and argon annealing were performed.
The specifications and conditions common to the silicon wafers of Comparative Examples 4 and 5 and Examples 6 and 7 are listed below.
Resistivity: 0.82mΩ・cm
Boron concentration: 1.2×10 18 atoms/cm 3
In Comparative Example 5 and Example 7, argon annealing was performed in an argon gas atmosphere at 1200° C. for 30 minutes.
In the following description, "heat treatment corresponding to the epitaxial layer growth conditions" refers to heat treatment performed without introducing raw material source gas into the epitaxial apparatus (Centura (registered trademark) manufactured by Applied Materials, Inc.), and refers to heat treatment at 1150°C for 1 minute in a hydrogen gas atmosphere.
<Comparative Example 4>
The silicon wafer that was not doped with boron was subjected to a heat treatment corresponding to the epitaxial layer growth conditions without argon annealing (only the heat treatment was performed, and no silicon epitaxial layer was grown).
<Comparative Example 5>
The silicon wafer that was not doped with boron was subjected to argon annealing, and heat treatment corresponding to the epitaxial layer growth conditions was carried out.
Example 6
The boron-doped silicon wafer was subjected to a heat treatment corresponding to the epitaxial layer growth conditions without argon annealing.
Example 7
The boron-doped silicon wafer was subjected to argon annealing, and heat treatment corresponding to the epitaxial layer growth conditions was carried out.

それぞれのシリコンウェーハに対して、X線トポグラフィーにてウェーハ表面で観察されるスリップ転位の有無を確認した。その結果、図7に示すように、何れのシリコンウェーハにもスリップ転位は確認されず、高濃度にボロンドープを行った場合においても、スリップ転位が発生しないことを確認できた。 Each silicon wafer was examined using X-ray topography to check for the presence or absence of slip dislocations on the wafer surface. As a result, as shown in Figure 7, no slip dislocations were observed in any of the silicon wafers, confirming that slip dislocations do not occur even when highly doped with boron.

〔抵抗率とボロン濃度とLPD密度に関する検証〕
以下の比較例6,7、実施例8,9について、抵抗率とボロン濃度とLPD密度との相関関係を検証するため、複数の条件でシリコンウェーハを製造し、各シリコンウェーハの表面上にエピタキシャル層を形成し、エピタキシャル層表面で観察されるLPD密度の測定を行った。
なお、以下の比較例7、実施例9におけるアルゴンアニールは、アルゴンガス雰囲気中で1200℃×30分の熱処理である。
<比較例6>
ボロンドープは行わず、単結晶インゴット直胴部の上端の抵抗率が1.2mΩ・cmとなるようにリンをドープして抵抗率範囲が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下の単結晶インゴットを育成し、単結晶インゴットから抵抗率が異なる複数のシリコンウェーハを製造した。各シリコンウェーハにアルゴンアニールを施さずに、厚さ4μmのエピタキシャル層を形成した。
<比較例7>
比較例6と同様に、ボロンドープは行わず、抵抗率範囲が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下の単結晶インゴットを育成し、単結晶インゴットから抵抗率が異なる複数のシリコンウェーハを製造した。ボロンドープは行わず、各シリコンウェーハにアルゴンアニールを施した後、厚さ4μmのエピタキシャル層を形成した。
[Verification of resistivity, boron concentration, and LPD density]
In order to verify the correlation between resistivity, boron concentration, and LPD density for the following Comparative Examples 6 and 7 and Examples 8 and 9, silicon wafers were manufactured under a plurality of conditions, epitaxial layers were formed on the surfaces of the silicon wafers, and the LPD density observed on the surfaces of the epitaxial layers was measured.
The argon annealing in the following Comparative Example 7 and Example 9 is a heat treatment at 1200° C. for 30 minutes in an argon gas atmosphere.
<Comparative Example 6>
A single crystal ingot with a resistivity ranging from 0.5 mΩ cm to 1.2 mΩ cm was grown by doping the single crystal ingot with phosphorus so that the resistivity of the upper end of the straight body of the ingot was 1.2 mΩ cm without boron doping, and multiple silicon wafers with different resistivities were manufactured from the single crystal ingot. A 4 μm thick epitaxial layer was formed on each silicon wafer without argon annealing.
Comparative Example 7
As in Comparative Example 6, single crystal ingots with resistivities ranging from 0.5 mΩ cm to 1.2 mΩ cm were grown without boron doping, and multiple silicon wafers with different resistivities were manufactured from the single crystal ingots. After argon annealing was performed on each silicon wafer without boron doping, an epitaxial layer with a thickness of 4 μm was formed.

<実施例8>
比較例6と同様に、抵抗率範囲が0.5mΩ・cm以上1.0mΩ・cm以下の単結晶インゴットを育成し、単結晶インゴットから抵抗率が異なる複数のシリコンウェーハを製造した。単結晶インゴット直胴部の上端のボロン濃度が1.2×1018atoms/cmとし、単結晶インゴット直胴部の下端(固化率1)のボロン濃度が7.0×1017atoms/cmとなるようにボロンドープを行った。ただし、各シリコンウェーハにアルゴンアニールを施さずに、厚さ4μmのエピタキシャル層を形成した。
<実施例9>
比較例6と同様に、抵抗率範囲が0.5mΩ・cm以上1.0mΩ・cm以下の単結晶インゴットを育成し、単結晶インゴットから抵抗率が異なる複数のシリコンウェーハを製造した。単結晶インゴット直胴部の上端のボロン濃度が1.2×1018atoms/cmとし、単結晶インゴット直胴部の下端(固化率1)のボロン濃度が7.0×1017atoms/cmとなるようにボロンドープを行い、各シリコンウェーハにアルゴンアニールを施した後、厚さ4μmのエピタキシャル層を形成した。
Example 8
As in Comparative Example 6, single crystal ingots with resistivities ranging from 0.5 mΩ·cm to 1.0 mΩ·cm were grown, and multiple silicon wafers with different resistivities were produced from the single crystal ingots. Boron doping was performed so that the boron concentration at the top end of the single crystal ingot's straight body was 1.2×10 18 atoms/cm 3 and the boron concentration at the bottom end of the single crystal ingot's straight body (solidification rate 1) was 7.0×10 17 atoms/cm 3. However, a 4 μm-thick epitaxial layer was formed on each silicon wafer without argon annealing.
Example 9
As in Comparative Example 6, single crystal ingots with resistivity ranging from 0.5 mΩ cm to 1.0 mΩ cm were grown, and multiple silicon wafers with different resistivities were produced from the single crystal ingots. Boron doping was performed so that the boron concentration at the top end of the straight body of the single crystal ingot was 1.2 × 10 atoms/cm and the boron concentration at the bottom end of the straight body of the single crystal ingot (solidification rate 1) was 7.0 × 10 atoms/cm . Each silicon wafer was then annealed with argon, and a 4 μm-thick epitaxial layer was formed thereon.

図8は、実施例8、実施例9および比較例6、比較例7の各エピタキシャルシリコンウェーハそれぞれについて、シリコンウェーハの抵抗率とエピタキシャル層表面で観察されたLPD密度の関係を示すグラフである。図8の横軸は、育成したインゴット直胴部の全体長さの固化量を1としたときの、シリコンウェーハが切り出された位置をインゴット直胴部の固化率で示したものである。 Figure 8 is a graph showing the relationship between the resistivity of the silicon wafer and the LPD density observed on the epitaxial layer surface for each of the epitaxial silicon wafers of Examples 8 and 9 and Comparative Examples 6 and 7. The horizontal axis of Figure 8 represents the solidification rate of the ingot body at the position where the silicon wafer was sliced, when the solidification amount of the entire length of the grown ingot body is set to 1.

図8に示されるように、ボロンドープを行い、かつ、エピタキシャル成長処理前にアルゴンアニールを施さなかった実施例8では、固化率に係わらず、ボロンドープを行わず、シリコンウェーハにアルゴンアニールを施さなかった比較例6のLPD密度の測定結果と同等のLPD密度が観察され、ボロンドープによるLPD低減効果は確認されなかった。 As shown in Figure 8, in Example 8, in which boron doping was performed but argon annealing was not performed before the epitaxial growth process, an LPD density equivalent to the LPD density measurement results of Comparative Example 6, in which boron doping was not performed and the silicon wafer was not argon annealed, was observed, regardless of the solidification rate, and the LPD reduction effect of boron doping was not confirmed.

一方、ボロンドープを行い、かつ、エピタキシャル成長処理前にシリコンウェーハにアルゴンアニールを施した実施例9では、SF核発生温度帯域滞在時間が長くなるトップ側の結晶領域から切り出したシリコンウェーハを用いた場合であっても、LPD密度を120個/ウェーハ以下とすることができた。また、SF核発生温度帯域滞在時間が短くなるボトム側の結晶領域(固化率0.6以上の結晶領域)から切り出したシリコンウェーハを用いた場合には、LPD密度をすべて10個/ウェーハ以下とすることができた。これは、高濃度のボロンドープにより転位ループ欠陥の微細化を図るとともに、シリコンウェーハにアルゴンアニールを施すことによって微細化した転位ループ欠陥を消滅させたことによるもので、高濃度のボロンドープとアルゴンアニールの相乗効果によってSFの低減効果が得られたものと推測される。 On the other hand, in Example 9, in which the silicon wafers were doped with boron and argon annealed before epitaxial growth, the LPD density was able to be kept below 120/wafer, even when using silicon wafers sliced from the top crystalline region, where the residence time in the SF nucleation temperature zone is longer. Furthermore, when using silicon wafers sliced from the bottom crystalline region (a crystalline region with a solidification rate of 0.6 or higher), where the residence time in the SF nucleation temperature zone is shorter, the LPD density was able to be kept below 10/wafer. This is because the high concentration of boron doping reduces dislocation loop defects, and the argon annealing of the silicon wafers eliminates the reduced dislocation loop defects. It is presumed that the synergistic effect of the high concentration of boron doping and argon annealing results in the reduction of SFs.

ボロンドープを行わず、エピタキシャル成長処理前にシリコンウェーハにアルゴンアニールを施した比較例7では、比較例6と比較するとLPD密度を減少させることができたが、トップ側の結晶領域から切り出したシリコンウェーハを用いた場合は、LPD密度が100個/ウェーハから300個/ウェーハとなった。 In Comparative Example 7, in which boron doping was not performed and the silicon wafer was argon annealed before the epitaxial growth process, the LPD density was reduced compared to Comparative Example 6. However, when silicon wafers cut from the top crystal region were used, the LPD density dropped from 100/wafer to 300/wafer.

以上の結果より、ボロンドープを行い、かつ、エピタキシャル成長処理前にシリコンウェーハにアルゴンアニールを施すことで、単結晶インゴットの全ての結晶領域でエピタキシャル層表面で観察されるLPD密度を少なくとも120個/ウェーハとすることができることがわかった。 These results demonstrate that by doping silicon wafers with boron and annealing them with argon prior to epitaxial growth, the LPD density observed on the epitaxial layer surface in all crystalline regions of a single crystal ingot can be increased to at least 120 LPDs per wafer.

10…エピタキシャルシリコンウェーハ、11…シリコンウェーハ、12…低ボロン濃度層、13…エピタキシャル層、C…中心部、D…深さ。 10...epitaxial silicon wafer, 11...silicon wafer, 12...low boron concentration layer, 13...epitaxial layer, C...center, D...depth.

Claims (10)

ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロン濃度が5.0×10 14 atoms/cm 以上1.2×10 18 atoms/cm 以下であるシリコンウェーハ。 A silicon wafer in which the dopant is phosphorus, the resistivity is 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and the boron concentration is 5.0×10 14 atoms/cm 3 or more and 1.2×10 18 atoms/cm 3 or less . ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロンを含有するシリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハ表面上にシリコンエピタキシャル層と、を備え、
前記シリコンウェーハは、前記シリコンエピタキシャル層と接する表面側に前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度よりも濃度が低い低ボロン濃度層を有するエピタキシャルシリコンウェーハ。
a silicon wafer containing phosphorus as a dopant, having a resistivity of 0.5 mΩ cm or more and 1.2 mΩ cm or less, and containing boron;
a silicon epitaxial layer on the surface of the silicon wafer;
The silicon wafer is an epitaxial silicon wafer having a low boron concentration layer on the surface side in contact with the silicon epitaxial layer, the low boron concentration layer having a lower boron concentration than the boron concentration in the center of the thickness of the silicon wafer.
前記ボロン濃度が5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下であり、かつ、
前記低ボロン濃度層のボロン濃度は前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度の0.9倍以下であり、かつ、
前記低ボロン濃度層の深さは前記シリコンウェーハと前記シリコンエピタキシャル層の境界から前記シリコンウェーハの厚み方向に0.7μm以上4.8μm以下である請求項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
the boron concentration is 5.0×10 14 atoms/cm 3 or more and 1.2×10 18 atoms/cm 3 or less, and
The boron concentration of the low boron concentration layer is 0.9 times or less the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer, and
3. The epitaxial silicon wafer according to claim 2 , wherein the depth of the low boron concentration layer is 0.7 μm or more and 4.8 μm or less from the boundary between the silicon wafer and the silicon epitaxial layer in the thickness direction of the silicon wafer.
請求項または請求項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下であるエピタキシャルシリコンウェーハ。
The epitaxial silicon wafer according to claim 2 or 3 ,
The epitaxial silicon wafer has an oxygen concentration of 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 10×10 17 atoms/cm 3 or less.
請求項または請求項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハにCOPが存在しないエピタキシャルシリコンウェーハ。
The epitaxial silicon wafer according to claim 2 or 3 ,
An epitaxial silicon wafer in which no COPs exist in the silicon wafer.
請求項または請求項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハ裏面上に酸化膜を備えるエピタキシャルシリコンウェーハ。
The epitaxial silicon wafer according to claim 2 or 3 ,
An epitaxial silicon wafer having an oxide film on the back surface of the silicon wafer.
請求項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハの端部および裏面外周部に酸化膜がない、エピタキシャルシリコンウェーハ。
7. The epitaxial silicon wafer according to claim 6 ,
An epitaxial silicon wafer in which no oxide film is present on the edge and the outer periphery of the back surface of the silicon wafer.
ドーパントがリンであり、抵抗率が0.5mΩ・cm以上1.2mΩ・cm以下、かつ、ボロン濃度が5.0×1014atoms/cm以上1.2×1018atoms/cm以下を含有するシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハは表面に低ボロン濃度層を有し、
前記低ボロン濃度層のボロン濃度は前記シリコンウェーハの厚み中心部のボロン濃度の0.9倍以下であり、かつ、
前記低ボロン濃度層の深さは前記シリコンウェーハの表面から前記シリコンウェーハの厚み方向に0.7μm以上4.8μm以下であるシリコンウェーハ。
A silicon wafer containing phosphorus as a dopant, having a resistivity of 0.5 mΩ·cm or more and 1.2 mΩ·cm or less, and a boron concentration of 5.0×10 14 atoms/cm 3 or more and 1.2×10 18 atoms/cm 3 or less,
the silicon wafer has a low boron concentration layer on its surface;
The boron concentration of the low boron concentration layer is 0.9 times or less the boron concentration at the center of the thickness of the silicon wafer, and
A silicon wafer, wherein the depth of the low boron concentration layer is 0.7 μm or more and 4.8 μm or less from the surface of the silicon wafer in the thickness direction of the silicon wafer.
請求項に記載のシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が4×1017atoms/cm以上10×1017atoms/cm以下であるシリコンウェーハ。
The silicon wafer according to claim 8 ,
The silicon wafer has an oxygen concentration of 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 10×10 17 atoms/cm 3 or less.
請求項または請求項に記載のシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハにCOPが存在しないシリコンウェーハ。
The silicon wafer according to claim 8 or claim 9 ,
The silicon wafer is free of COPs.
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