DE112015000269B4

DE112015000269B4 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers

Info

Publication number: DE112015000269B4
Application number: DE112015000269.3T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Hoshi; Hiroyuki Kamada
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: CN105900220B; JP2015135872A; WO2015107875A1; CN105900220A; JP6052188B2; KR102192287B1; US20170002480A1; KR20160107169A; US9938640B2; DE112015000269T5

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung, umfassend:
Durchführen der Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Bedingung, die durch eine dreiteilige Korrelation zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur während der Wärmebehandlung, einer Sauerstoffkonzentration im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung und einer Hohlraumgröße im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung bestimmt wird,
wobei die dreiteilige Korrelation durch den folgenden Beziehungsausdruck dargestellt wird:

T \geq {37,5 / (8 \times 10^{16})} [Oi]' + 1,74 Lvoid + 890

wobei „T“ die Wärmebehandlungstemperatur in °C ist, [Oi]' die Sauerstoffkonzentration Atome/cm³ -ASTM'79 im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist und Lvoid die Hohlraumgröße in nm im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung.
STAND DER TECHNIK
In letzter Zeit ist der Bedarf nach einer verbesserten Qualität von Silizium (Si)-Einkristallwafern aufgrund einer umfangreichen Integrierung von Bauelementen stark gestiegen. Vorliegend bedeutet die verbesserte Qualität die Defektfreiheit in einem Betriebsbereich eines Bauelements. Viele der herkömmlichen weithin gefertigten Bauelemente, wie beispielsweise Speicher oder Logiken, arbeiten in der Umgebung der Waferoberfläche, so dass die Umgebung der Oberfläche so produziert wird, dass sie defektfrei ist. Dies lässt sich mittels eines Wafers, wie beispielsweise eines epitaktischen Wafers, eines Anneal-Wafers, eines PW (polierten Wafers), der aus einem defektfreien Kristall geschnitten wird, erzielen.
Allerdings gewinnen Leistungsbauelemente in letzter Zeit im Hinblick auf das Einsparen von Energie an Aufmerksamkeit. Wenn dieses Bauelement aus einem Si-Kristall hergestellt ist, wird es wahrscheinlicher, dass Elektrizität in der Dickenrichtung eines Wafers geleitet wird, um eine große Menge an Elektrizität zu leiten. Demgemäß ist es notwendig, Defekte nicht nur in der Umgebung der Oberfläche sondern auch im Inneren eines Wafers auszuschalten. Um dies zu erreichen, ist es bei epitaktischen Wafern möglich, die Dicke der epitaktischen Schichten beispielsweise gleich der als Bauelement verwendeten Dicke zu machen. Allerdings ist dies sehr kostenintensiv und unpraktisch. Demgemäß ist es effektiv, einen Kristall zu züchten, der frei von eingewachsenen Defekten ist, und aus dem defektfreien Kristall einen Wafer herauszuschneiden, der vollständig defektfrei ist.
Als eingewachsene Defekte sind zwei Arten bekannt, die einen Fehlstellen- bzw. Hohlraumdefekt vom Leerstellentyp, bei dem ein Si-Atom an einem Gitterpunkt fehlt, und einen Versetzungsclusterdefekt vom Typ des interstitiellen Si (Zwischengitter-Si, nachfolgend auch als I-Si bezeichnet) umfassen, bei dem ein Si-Atom in ein Gitter eingefügt ist. Der Zustand des Ausbildens der eingewachsenen Defekte unterscheidet sich aufgrund einer Wachstumsrate eines Einkristalls oder einer Kühlbedingung eines Einkristalls, der aus einer Siliziumschmelze gezogen wird.
Es ist bekannt, dass zum Beispiel beim Wachsenlassen eines Einkristalls durch Einstellen der Wachstumsrate auf relativ groß der Leerstellentyp vorherrscht. Der Leerstellendefekt, der durch Aggregation dieser Leerstelle gebildet wird, wird als Fehlstellen- bzw. Hohlraumdefekt bezeichnet und wird als FPD (flow pattern defect [Strömungsprofildefekt]), COP (crystal originated particle [Partikel mit Kristallursprung]) oder LSTD (laser scattering tomography defect [Laserstreutomographiedefekt]) ermittelt, obwohl sich der Name je nach Ermittlungsmethode unterscheidet. Es wird davon ausgegangen, dass, wenn diese Defekte in einen Oxidfilm eingebracht werden, der auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, sich zum Beispiel die elektrischen Eigenschaften verschlechtern, so dass ein Durchbruchspannungsversagen eines Oxidfilms und so weiter hervorgerufen wird.
Demgegenüber ist bekannt, dass, wenn ein Einkristall wachsen gelassen wird, indem die Wachstumsrate relativ klein eingestellt wird, der I-Si vorherrscht. Auf einer Aggregation dieses I-Si wird ein LEP (large edge pit [großkantige Vertiefung] = Versetzungsclusterdefekt) festgestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass der LEP durch Clustern einer Versetzungsschleife gebildet wird. Es wird davon ausgegangen, dass, wenn ein Bauelement in einem Bereich ausgebildet wird, in der dieser Versetzungsclusterdefekt erzeugt werden kann, ein ernstes Versagen, wie beispielsweise eine Stromableitung, auftritt.
Demgemäß ist es möglich, einen defektfreien Bereich zu erhalten, in dem eine Leerstelle oder ein I-Si nicht enthalten ist oder in einer kleinen Menge enthalten ist, so dass kein Hohlraumdefekt oder Versetzungsclusterdefekt gebildet wird, wenn ein Kristall in einer Zwischenbedingung wachsen gelassen wird, die zwischen der Bedingung, bei der die Leerstelle vorherrscht, und der Bedingung liegt, bei der das I-Si vorherrscht. Als Verfahren zum Erhalten eines solchen defektfreien Kristalls ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Ofen oder der Wachstumsrate vorgeschlagen worden, wie im Dokument 1 beschrieben. Allerdings gibt es ein Problem bezüglich der relativ niedrigen Produktivität, da defektfreie Kristalle im Allgemeinen eine geringe Wachstumsrate aufweisen.
Es gibt verschiedene Mittel, um einen defektfreien Bereich in einem CZ-Kristall zu finden, und eines von ihnen ist ein Oxidpräzipitat. Dies liegt an dem Sauerstoff in einem CZ-Siliziumkristall, um durch eine Wärmebehandlung ein Oxidpräzipitat (SiO₂) zu bilden. Die Sauerstoffpräzipitationsreaktion tendiert dazu, bei einer bestehenden Leerstelle gefördert zu werden, und demgemäß entwickelt sich das Oxidpräzipitat aufgrund eines Defektbereichs unterschiedlich. Dieser Effekt wird dazu verwendet, einen Defektbereich zu finden.
In letzter Zeit werden sauerstoffarme Produkte für verschiedene Bauelemente, wie beispielsweise Speicher und Logiken, sowie Leistungsbauelemente und RF-Geräte stark nachgefragt. Dies liegt darin begründet, dass sich Sauerstoff in einen Donor umwandelt, wenn eine Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur erfolgt, um den Widerstand zu ändern. Ein weiterer Grund besteht darin, die Sauberkeit der Bauelementprozesse zu verbessern, durch die die herkömmliche Gettertechnik von Schwermetallverunreinigungen durch Ausbilden von Oxidpräzipitaten in einem Wafer nicht erforderlich wird. Demgegenüber verursacht die sauerstoffarme Konzentration ein Problem dahingehend, dass die vorangehende Defektbewertung durch Oxidpräzipitate schwierig ist, wodurch es schwer wird, einen defektfreien Bereich zu finden.
Eines der Mittel zum Lösen des vorstehenden Problems bei defektfreien Kristallen besteht darin, einen Kristall in einem Bereich mit vielen Leerstellen wachsen zu lassen, wo die Wachstumsrate groß sein kann. Allerdings sammeln sich in diesem Bereich Leerstellen an und erzeugen einen Hohlraumdefekt. Demgemäß sind bisher mehrere Techniken offenbart worden, um diese Hohlraumdefekte auszuschalten.
Die Dokumente und 3 offenbaren Techniken, um Hohlraumdefekte mittels einer nicht oxidierenden Wärmebehandlung und einer Oxidierungswärmebehandlung auszuschalten. Bei diesen Techniken wird zuerst eine nicht oxidierende Wärmebehandlung durchgeführt, um so ein Ausdiffundieren von Sauerstoff in der Umgebung einer Waferoberfläche zu bewirken und so die Innenwandoxidfilme der inneren Wände von leeren Hohlraumdefekten aufzulösen. Dann wird eine Oxidierungswärmebehandlung durchgeführt, um I-Si von einem Oxidfilm, der an der Oberfläche ausgebildet ist, in das Innere eines Wafers zu implantieren, um Hohlraumdefekte zu füllen. Das Patentdokument 4 offenbart eine Technik einer Oxidierungswärmebehandlung und eine nicht oxidierende Wärmebehandlung, bei der die Reihenfolge der Prozesse umgekehrt ist.
Diese Techniken können Hohlraumdefekte ausschalten. Allerdings erfordern diese Techniken zweistufige Wärmebehandlungen, die hohe Kosten verursachen. Als weiteres Problem können sie nur Hohlraumdefekte in der Nähe einer Oberfläche eliminieren.
Darüber hinaus offenbart das Dokument 5 ein Verfahren zur Oxidierungswärmebehandlung bei 1.300°C. Hierbei handelt es sich zwar um eine einstufige Wärmebehandlung, allerdings erhöht die Temperatur von 1.300°C die Schwierigkeit und verursacht Probleme hinsichtlich der Kontamination von Wasser oder der Erzeugung einer Gleitversetzung.
Bei den vorstehenden Techniken ist der Einfluss der Sauerstoffkonzentration nicht geklärt. Der Einfluss der Sauerstoffkonzentration wird beispielsweise im
Dokument 6 beschrieben. Diese Technik erhöht die Formen, bei denen mehrere Hohlraumdefekte miteinander verknüpft sind, und macht es leichter, die Hohlraumdefekte durch eine Wärmebehandlung damit auszuschalten. Bei dieser Technik wird allerdings eine nicht oxidierende Wärmebehandlung ausgeführt. Dies empfiehlt das Erhöhen der Sauerstoffkonzentration oder das Reduzieren der Kühlrate, die einer nachfolgend beschriebenen Oxidierungswärmebehandlung entgegenstehen.
Andererseits offenbart das Dokument 7, dass Hohlraumdefekte nur durch Behandeln bei einer relativ niedrigen Temperatur von 1.200°C oder weniger in einer Oxidierungswärmebehandlung ausgeschaltet werden, wenn die Sauerstoffkonzentration gering ist, und dabei handelt es sich um eine bekannte Technik. Es kann argumentiert werden, dass die Feststofflöslichkeitsgrenze (Gleichgewichtskonzentration) von Sauerstoff in einem Siliziumkristall zum Beispiel ungefähr 8 ppma-JEIDA bei 1.200°C beträgt. Wenn die Sauerstoffkonzentration niedriger als dies ist, wird davon ausgegangen, dass die Innenwandoxidfilme von Hohlräumen aufgelöst werden können, selbst wenn keine nicht oxidierende Wärmebehandlung durchgeführt wird, anders als beim vorstehenden Dokument 2 und 3. Gleichzeitig wird ein Oxidfilm auf der Oberfläche gebildet und I-Si wird implantiert, und demgemäß ist es möglich, Hohlräume nur durch eine Oxidierungswärmebehandlung auszuschalten, ohne dass ein bestimmtes Verfahren erforderlich wird.
Beim Anwenden dieser Technik offenbart das Dokument 8 eine Technik, um Hohlraumdefekte durch eine Oxidierungswärmebehandlung auf einem Siliziumwafer mit niedriger Sauerstoffkonzentration auszuschalten. Das Dokument 8 beschreibt allerdings keine Hohlraumdefektgröße. Das Dokument 9 offenbart eine ähnliche Technik und beschreibt die Hohlraumgröße. Allerdings beträgt die Größe ganze 100 nm, und die Abhängigkeit von der Größe wird nicht erwähnt. Wie später beschrieben, werden die Hohlraumdefekte durch eine Oxidierungswärmebehandlung nicht vollständig ausgeschaltet, wenn die Hohlraumabmessung groß ist. Demgemäß können diese Techniken Hohlraumdefekte nicht vollständig ausschalten. Darüber hinaus zielen diese beiden Techniken auf mit Neutronen bestrahlte Gegenstände ab. Die Behandlungstemperatur ist relativ hoch und die Behandlungszeit ist relativ lang, so dass davon ausgegangen wird, dass hier eine Wiedergewinnungswärmebehandlung kombiniert wird. Demgemäß besteht hier ein Problem in Bezug auf eine Kostenreduzierung, und es gibt auch Probleme hinsichtlich einer Kontamination von Wafern oder der Erzeugung einer Gleitversetzung.
FUNDSTELLENLISTE

Dokument 1: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP H11-157 996 A
Dokument 2: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP H11-260 677 A
Dokument 3: WO 2000/012 786 A1
Dokument 4: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP 2013-089 783 A
Dokument 5: WO 2003/056 621 A1
Dokument 6: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP 2000-272 996 A
Dokument 7: WO 2004/073 057 A1
Dokument 8: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP 2006-344 823 A
Dokument 9: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) JP 2010-265 143 A

Aus der US 2008/0102287 A1 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung bekannt, das u.a. die Durchführung der Wärmebehandlung auf Grundlage einer Bedingung umfasst, die durch eine dreiteilige Korrelation durchgeführt wird.
Die US 2012/0043644 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines defektfreien einkristallinen Siliziumwafers.
Die JP 2003-40695 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristallwafers, in dessen Verlauf Hohlraumgrößen mittels Simulation bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers vorzusehen, der Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer mit geringen Kosten, effizient und sicher mittels einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung ausschalten kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Um die Probleme zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung vor, umfassend:

Durchführen der Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Bedingung, die durch eine dreiteilige Korrelation zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur während der Wärmebehandlung, einer Sauerstoffkonzentration im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung und einer Hohlraumgröße im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung bestimmt wird.

Ein solches Wärmebehandlungsverfahren kann Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer mit niedrigen Kosten, effizient und sicher durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung ausschalten.
Die dreiteilige Korrelation wird durch den folgenden Beziehungsausdruck dargestellt: $T \geq 37,5 [Oi] + 1,74 Lvoid + 890$
wobei „T‟ die Wärmebehandlungstemperatur (°C) ist, [Oi] die Sauerstoffkonzentration (ppma-JEIDA) im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist, und Lvoid die Hohlraumgröße (nm) im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist.
Es ist möglich, Hohlraumdefekte sicher durch Einstellen der Wärmebehandlungstemperatur, der Sauerstoffkonzentration und der Hohlraumgröße auszuschalten, so dass ein solcher Beziehungsausdruck erfüllt wird.
In diesem Fall wird der Silizium-Einkristallwafer vorzugsweise aus einem Silizium-Einkristall ohne einen Defekt aufgrund von interstitiellem Si geschnitten.
Durch Verwendung eines solchen Silizium-Einkristallwafers ist es möglich, einen defektfreien Silizium-Einkristallwafer zu erhalten, bei dem aufgrund von interstitiellem Si kein Defekt enthalten ist und Hohlraumdefekte durch die Wärmebehandlung der vorliegenden Erfindung ausgeschaltet werden.
In diesem Fall liegt die Wärmebehandlungstemperatur vorzugsweise bei 900°C oder mehr und 1.200°C oder weniger, und eine Wärmebehandlungszeit ist vorzugsweise 1 Minute oder mehr und 180 Minuten oder weniger.
Eine solche Wärmebehandlungstemperatur kann Hohlraumdefekte mit Größen ausschalten, die die elektrischen Eigenschaften beeinflussen, und kann die Erzeugung einer Gleitversetzung unterdrücken.
Darüber hinaus reicht eine solche Wärmebehandlungszeit aus, um Hohlraumdefekte auszuschalten, und sie kann einen Kostenanstieg unterdrücken.
In diesem Fall beträgt die Sauerstoffkonzentration des Silizium-Einkristallwafers vorzugsweise 6,4×10¹⁷ Atome/cm³-ASTM' 79 (8 ppma-JEIDA) oder weniger.
Durch eine solche Oxidkonzentration ist es möglich, die Wärmebehandlungstemperatur zu senken, die notwendig ist, um Hohlraumdefekte auszuschalten, wodurch es möglich ist, die Kosten zu reduzieren und die Erzeugung einer Gleitversetzung während einer Wärmebehandlung zu unterdrücken, die erzeugt wird, wenn die Temperatur hoch wird.
In diesem Fall wird der Silizium-Einkristallwafer vorzugsweise aus einem Silizium-Einkristall ohne Stickstoffdotierung oder dotiert mit Stickstoff in einer Konzentration von 5×10¹⁵ Atomen/cm³ oder weniger geschnitten.
Obwohl Hohlraumdefekte durch Erfüllen der vorstehenden Bedingung ausgeschaltet werden, selbst wenn Stickstoff nicht dotiert ist, können stickstoffdotierte die Beständigkeit gegenüber einer Gleitversetzung verbessern und die Größe von Hohlräumen reduzieren.
In diesem Fall beträgt die Dicke des Silizium-Einkristallwafers vorzugsweise 0,1 mm oder mehr und 20 mm oder weniger.
Durch eine solche Dicke ist es möglich, die Form eines Wafers leicht aufrechtzuerhalten, und die Wärmebehandlungszeit wird nicht zu lang verlängert, wodurch es möglich ist, einen Kostenanstieg zu unterdrücken.
In diesem Fall ist es auch möglich, die Größe der Hohlräume durch eine Simulation zu bestimmen.
Dadurch wird es möglich, eine Bedingung der Wärmebehandlung bequemer zu bestimmen.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer durch Unterdrücken der Erzeugung einer Gleitversetzung mit geringen Kosten, effektiv und sicher durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung ausschalten.
Darüber hinaus ist es durch Verwendung eines Wafers ohne einen Defekt aufgrund von I-Si möglich, einen defektfreien Silizium-Einkristallwafer zu erhalten, der keinen Defekt infolge eines Hohlraums oder von I-Si enthält. Ein solcher Wafer ist besonders für einen defektfreien Wafer geeignet, der für ein Substrat eines Halbleiterbauelements, wie beispielsweise eines Speichers, einer Zentraleinheit und eines Leistungselements, geeignet ist.
Figurenliste

1 zeigt Diagramme, um Bedingungen einer Hohlraumdefektausschaltung durch die Wärmebehandlung bei jeder Temperatur ((a): 1.150°C, (b): 1.100°C, (c): 1.050°C, (d): 1.000°C) im Experiment darzustellen, wobei die Bedingungen in jedem Diagramm im Hinblick auf die Sauerstoffkonzentration und die Hohlraumgröße dargestellt sind.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben beschrieben, war es erforderlich, ein Verfahren zur Wärmebehandlung zu entwickeln, mit der Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer mit geringen Kosten, effektiv und sicher durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung ausgeschaltet werden können.
Es ist aus Dokument 7 dem bekannt, dass die Wärmebehandlungstemperatur und die Sauerstoffkonzentration in einem Wafer im Zusammenhang damit stehen, ob Hohlraumdefekte durch eine Oxidierungswärmebehandlung ausgeschaltet werden oder nicht. In der Tat werden allerdings Hohlraumdefekte durch eine Oxidierungswärmebehandlung nicht vollständig ausgeschaltet, wenn die Größe des Hohlraums im Wafer große Abmessungen hat.
Die Erfinder haben diesen Punkt festgestellt und sorgfältig untersucht, um abzuleiten, dass Hohlraumgrößen in einem Wafer auch mit einer Oxidierungswärmebehandlungsbedingung in Zusammenhang stehen, die zusätzlich zur Wärmebehandlungstemperatur und zur Sauerstoffkonzentration Hohlraumdefekte ausschalten kann, und sie haben festgestellt, dass der vorstehende Gegenstand erzielt werden kann, indem eine Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Bedingung durchgeführt wird, die durch eine dreiteilige Korrelation derselben bestimmt wird; damit wurde die vorliegende Erfindung zum Abschluss gebracht.
Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung, umfassend:

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
Darüber hinaus bezieht sich in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „eine Sauerstoffkonzentration“ auf „eine Sauerstoffkonzentration im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung“ und der Ausdruck „eine Hohlraumgröße“ auf „eine Hohlraumgröße im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung“.
Wie nachfolgend beschrieben, wurden die Bedingungen zum Ausschalten von Hohlraumdefekten experimentell bestimmt, um die Wärmebehandlungstemperatur, die Wärmebehandlungszeit bei Oxidierungswärmebehandlungen, die Sauerstoffkonzentration und die Hohlraumgröße auf verschiedenen Proben zu ändern. Es ist festgestellt worden, dass der Umstand, ob Hohlraumdefekte ausgeschaltet werden oder nicht, von der Wärmebehandlungstemperatur, der Sauerstoffkonzentration und der Größe des Hohlraums abhängt.
Die vorstehenden Experimente haben auch gezeigt, dass Hohlraumdefekte voraussichtlich ausgeschaltet werden, wenn die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, und voraussichtlich ausgeschaltet werden, wenn die Sauerstoffkonzentration niedrig ist oder die Größe des Hohlraums gering ist. Demgegenüber übte die Wärmebehandlungszeit keinen größeren Einfluss aus. Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass ein I-Si in einigen Minuten in das Innere eines Wafers diffundiert, da die Diffusionskonstante eines I-Si relativ groß ist. Demgemäß ist es sehr effektiv, eine Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Bedingung durchzuführen, die durch eine dreiteilige Korrelation zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur, einer Sauerstoffkonzentration und einer Hohlraumgröße bestimmt wird.
Die dreiteilige Korrelation kann konkret durch die folgende numerische Formel dargestellt werden: $T \geq 37,5 [Oi] + 1,74 Lvoid + 890$
Diese Formel wird unter Darstellung von [Oi] und Lvoid in die folgenden Formeln umgewandelt: $[Oi] \leq 0,0267 T - 0,0464 Lvoid - 23,7$
$Lvoid \leq 0,575 T - 21,5 [Oi] - 510$
wobei „T“ die Wärmebehandlungstemperatur (°C) ist, [Oi] die Sauerstoffkonzentration (ppma-JEIDA) im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist und Lvoid die Hohlraumgröße (nm) im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist.
Es ist zu beachten, dass hier „ppma-JElDA“ als Einheit einer Sauerstoffkonzentration verwendet wird, die sich in verschiedenen Einheiten ausdrücken lässt. Eine Umwandlung erfolgt in „Atomejcm³-ASTM'79'', was relativ häufig verwendet wird, da [Oi] (ppma-JEIDA) = [Oi]' (Atome/cm³ -ASTM'79)/(8×10¹⁶). Wenn demgemäß „Atomejcm³-ASTM'79'' als Einheit verwendet wird, können die vorstehenden Formeln (1) bis (3) über eine Substitution von [Oi]'/(8×10¹⁶) durch [Oi] verwendet werden.
Die vorstehende Formel (1) gibt an, dass eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, indem die Wärmebehandlungstemperatur auf nicht weniger als die Temperatur eingestellt wird, die durch eine Sauerstoffkonzentration und eine Hohlraumgröße bestimmt wird; die vorstehende Formel (2) gibt an, dass die Sauerstoffkonzentration so gesteuert wird, dass die Konzentration nicht überschritten wird, die durch eine Wärmebehandlungstemperatur und eine Hohlraumgröße bestimmt wird; und die vorstehende Formel (3) gibt an, dass die Hohlraumgröße so gesteuert wird, dass die Größe nicht überschritten wird, die durch eine Wärmebehandlungstemperatur bzw. eine Sauerstoffkonzentration bestimmt wird. Konkret wird im erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren eine Wärmebehandlung oder eine Steuerung so durchgeführt, dass diese alle erfüllt werden.
Es ist möglich, Hohlraumdefekte sicher auszuschalten, indem eine Wärmebehandlungstemperatur, eine Sauerstoffkonzentration und eine Hohlraumgröße unter Erfüllung dieser Bedingung eingestellt werden. Außerdem ist es unter Verwendung dieser Korrelation auch möglich, zum Beispiel die Wärmebehandlungstemperatur durch Steuerung der Sauerstoffkonzentration auf einen relativ geringen Wert und durch Steuerung der Hohlraumgröße auf eine relativ geringe Abmessung zu reduzieren. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur gesenkt werden kann, ist es möglich, die Kosten zu reduzieren, und es ist auch möglich, die Erzeugung einer Gleitversetzung während einer Wärmebehandlung zu unterdrücken, die zu einer höheren Temperatur führt.
Das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren kann Hohlraumdefekte ausschalten, kann aber keine Defekte aufgrund von I-Si ausschalten. Demgemäß ist es bevorzugt, einen Silizium-Einkristallwafer zu verwenden, der aus einem Silizium-Einkristall ohne einen Defekt aufgrund von I-Si geschnitten wird.
In einem Einkristall entwickeln sich OSF-Kerne in einem Bereich (OSF-Bereich) auf der Seite mit der Wachstumsrate, die geringer als in einem Bereich ist, in dem Hohlraumdefekte entstehen. Auf der Seite mit einer weiteren geringen Rate gibt es einen defektfreien Bereich. Der defektfreie Bereich enthält einen Bereich mit vielen Leerstellen (Nv-Bereich) und einen Bereich mit vielen I-Si (Ni-Bereich). Der Nv-Bereich besitzt einen Teil, der Mikrooxidpräzipitatkerne enthält. Auf der weiteren Seite der geringen Rate gibt es einen I-reichen Bereich, bei dem Defekte aufgrund von I-Si erzeugt werden.
Es wird davon ausgegangen, dass das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren auch einen OSF-Kern oder einen Mikrooxidpräzipitatkern eliminieren kann. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren effektiv mit einem der folgenden auf einen Silizium-Einkristall angewendet werden: den Hohlraumdefekterzeugungsbereich, den OSF-Bereich, den Nv-Bereich und den Ni-Bereich, wobei der vorstehende I-reiche Bereich ausgeschlossen ist.
Das bedeutet, dass in dem Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung nicht nur eine Verbesserung des Hohlraumdefekterzeugungsbereichs sondern auch eine Verbesserung des OSF-Bereichs oder des Nv-Bereichs erwartet werden kann. Demgemäß ist das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren in Bezug auf alle Bereiche wirksam, die keinen Defekt aufgrund von I-Si enthalten.
Im erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren beträgt die Wärmebehandlungstemperatur vorzugsweise 900°C oder mehr und 1.200°C oder weniger. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur 900°C oder mehr beträgt, ist es möglich, Hohlraumdefekte in Größen auszuschalten, die einen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften ausüben. Andererseits macht es die Wärmebehandlungstemperatur von 1.200°C oder weniger möglich, die Kosten zu reduzieren und eine Erzeugung einer Gleitversetzung zu unterdrücken. Besonders bevorzugt beträgt die Temperatur 1.150°C oder weniger, da es möglich ist, die Erzeugung einer Gleitversetzung weiter zu unterdrücken, wenn die Temperatur 1.150°C oder weniger beträgt.
Die Wärmebehandlungszeit beträgt vorzugsweise 1 Minute oder mehr und 180 Minuten oder weniger, obwohl sie von der Dicke eines zu verwendenden Wafers abhängt. Wie oben beschrieben, erfolgt die Diffusion von I-Si relativ schnell und ergibt in einer Minute eine Diffusionslänge von fast 1 mm, was der Dicke eines herkömmlichen Wafers entspricht. Demgemäß ist etwa 1 Minute als Wärmebehandlungszeit ausreichend. Andererseits ist eine Wärmebehandlungszeit von über 180 Minuten nutzlos, da eine verlängerte Wärmebehandlungszeit einen Kostenanstieg verursacht.
Es ist bevorzugt, als Silizium-Einkristallwafer einen Wafer mit einer Sauerstoffkonzentration von 8 ppma-JEIDA oder weniger zu verwenden. Dies liegt darin begründet, dass die Feststofflöslichkeitsgrenze von Sauerstoff bei 1.200°C, bei der es sich um die obige vorzugsweise Wärmebehandlungstemperatur handelt, ungefähr 8 ppma-JEIDA beträgt, und eine weiter erhöhte Sauerstoffkonzentration eine Behandlung bei einer höheren Temperatur erfordert. Es ist besonders bevorzugt, einen Wafer mit einer Sauerstoffkonzentration von 6 ppma-JEIDA oder weniger zu verwenden. Dies liegt darin begründet, dass die Feststofflöslichkeitsgrenze von Sauerstoff bei 1.150°C ungefähr 6 ppma-JEIDA beträgt und es möglich ist, die Erzeugung einer Gleitversetzung weiter zu unterdrücken, wenn die Temperatur 1.150°C oder weniger ist. Die Sauerstoffkonzentration hat keine untere Grenze. Wie aus den obigen Formeln zu sehen ist, ist es, wenn die Sauerstoffkonzentration geringer ist, möglich, die Wärmebehandlungstemperatur zu senken, die erforderlich ist, um Hohlraumdefekte auszuschalten, und ist es demgemäß möglich, die Kosten zu senken und die Erzeugung einer Gleitversetzung während einer Wärmebehandlung zu unterdrücken, die bei einer höheren Temperatur erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren kann auch für einen Wafer verwendet werden, der aus einem Kristall geschnitten wird, der kaum Sauerstoff enthält, wie beispielsweise einen FZ-Kristall, und nicht nur für einen Wafer, der aus einem CZ-Kristall geschnitten wird.
Der Silizium-Einkristallwafer, der für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren verwendet wird, wird vorzugsweise aus einem üblichen Kristall geschnitten, der nicht absichtlich mit Verunreinigungen dotiert ist, mit Ausnahme eines Dotiermittels zum Steuern des Widerstands. Dies liegt darin begründet, dass Hohlraumdefekte ausgeschaltet werden können, solange die Sauerstoffkonzentration die vorstehende Bedingung erfüllt, selbst wenn ein üblicher Kristall verwendet wird.
Andererseits ist es bekannt, dass die Stickstoffdotierung die Beständigkeit in Bezug auf eine Gleitversetzung verbessert. Darüber hinaus wird bei einer Dotierung mit Stickstoff die defektbildende Temperaturzone gesenkt und die Hohlraumgrößen sind tendenziell klein. Demgemäß ist es im erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren auch bevorzugt, einen Silizium-Einkristallwafer zu verwenden, der aus einem Kristall geschnitten wird, der zusätzlich zu einem Dotiermittel zum Steuern des Widerstands absichtlich mit Stickstoff dotiert ist.
In diesem Fall beträgt die Dotiermenge von Stickstoff vorzugsweise 5×10¹⁵ Atome/cm³ oder weniger. Da die Feststofflöslichkeitsgrenze von Stickstoff in einem Siliziumkristall in der Größenordnung hoch 15 liegen soll, ist es möglich, das Risiko einer Versetzungserzeugung im Kristall aufgrund einer Stickstoffdotierung mit hoher Konzentration durch Einstellen der Konzentration zu vermeiden, wie oben angegeben. Andererseits hat die Stickstoffkonzentration keine untere Grenze. Dies liegt darin begründet, dass das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren ohne ein Problem verwendet werden kann, wenn Stickstoff nicht dotiert wird.
Beim erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren ist es bevorzugt, einen Silizium-Einkristallwafer mit einer Dicke von 0,1 mm oder mehr und 20 mm oder weniger zu verwenden. Beim erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren verursacht ein dünnerer Wafer kein Problem, allerdings ist die Dicke von 0,1 mm oder mehr bevorzugt, da es dadurch leicht möglich ist, die Waferform beizubehalten.
Andererseits wird die Wärmebehandlung vorzugsweise bei 1.200°C oder weniger für 180 Minuten oder weniger im Hinblick auf die Kosten und so weiter durchgeführt, wie oben beschrieben. Die Diffusionslänge von I-Si während der Wärmebehandlung bei 1.200°C für 180 Minute beträgt ungefähr 10 mm. Da Oxidfilme sowohl auf der Vorderseite als auch der Rückseite gebildet werden und daraus I-Si bereitgestellt wird, ist es nicht möglich, eine Waferdicke von über 20 mm oder so zu bilden, wenn eine Wärmebehandlung bei 1.200°C für 180 Minuten durchgeführt wird. Demgemäß ist es bevorzugt, einen Wafer mit einer Dicke von 20 mm oder weniger zu verwenden, um Hohlraumdefekte in einer Gesamtheit des Wafers in der vorstehenden Wärmebehandlungstemperatur und Wärmebehandlungszeit auszuschalten.
Der Zustand der Oberfläche eines für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren zu verwendenden Silizium-Einkristallwafers kann jeder Oberflächenzustand sein, der in einem Herstellungsprozess eines Siliziumwafers verwendet wird, wie beispielsweise eine polierte Oberfläche, eine geätzte Oberfläche, eine geläppte Oberfläche, eine geschliffene Oberfläche und eine aufgeschnittene Oberfläche. Beim erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren ist der Oberflächenzustand nicht besonders von Interesse, solange ein Oxidfilm gebildet wird. Waschen und so weiter ist zum Einführen in einen Wärmebehandlungsofen erforderlich, aber eine andere besondere Oberflächenbehandlung ist nicht erforderlich. Die Wärmebehandlung kann in jedem Prozess zum Herstellen eines Wafers durchgeführt werden. Demgemäß kann die Wärmebehandlung bei jedem in einem Herstellungsprozess eines Siliziumwafers zu verwendenden Oberflächenzustand durchgeführt werden.
Beim erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren ist es ideal, die Größe des Hohlraums zu bestimmen, indem direkt mit TEM oder REM untersucht wird. Allerdings ist es nicht leicht, diese Bewertung bei jedem gezüchteten Kristall durchzuführen.
Demgemäß ist es auch möglich, eine Hohlraumgröße zu verwenden, die durch eine Simulation bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, Zeit und Aufwand zu sparen, um die Größe des Hohlraums tatsächlich zu messen und um die Bedingung einer Wärmebehandlung bequemer zu bestimmen.
Es ist zu beachten, dass die Simulationsverfahren verschiedene Arten umfassen und dass als für die Berechnung zu verwendender Wert in vielen Fällen mehrere Werte angegeben werden. Demgemäß stimmen die Hohlraumgrößen, die aus jeder Simulation bestimmt werden, nicht immer überein.
Daher ist es bevorzugt, die Hohlraumgröße, die aus einer Simulation bestimmt wird, durch die Hohlraumgröße zu korrigieren, die aus einer Untersuchung mit einem TEM oder REM (Messwert) bestimmt wird, wenn eine Simulation verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die reale Hohlraumgröße genauer wiederzugeben und, solange die Berechnung korrekt ist, und ist es auch möglich, die Werte zu vergleichen, selbst wenn die Simulationsverfahren unterschiedlich sind.
Das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren wird in einer oxidierenden Umgebung durchgeführt. Die Bedingungen, wie beispielsweise eine Sauerstoffströmungsrate, ist nicht besonders beschränkt, solange es eine Atmosphäre gibt, die Sauerstoff enthält.
Wie oben beschrieben, ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers möglich, Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer mit geringen Kosten, effektiv und sicher auszuschalten, während die Erzeugung einer Gleitversetzung durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung unterdrückt wird.
Darüber hinaus ist es mittels eines Wafers ohne einen Defekt aufgrund von I-Si möglich, einen defektfreien Silizium-Einkristallwafer zu erhalten, der keinen Defekt aufgrund eines Hohlraums oder von I-Si enthält. Ein solcher Wafer ist besonders für einen defektfreien Wafer geeignet, der für ein Substrat eines Halbleiterbauelements, wie beispielsweise eines Speichers, einer Zentraleinheit und eines Leistungsbauelements verwendet wird.
BEISPIEL
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf das Beispiel und das Vergleichsbeispiel näher beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist.
Experiment
Jeder Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von etwas über 200 mm oder 300 mm wurde mittels eines CZ-Verfahrens oder eines an ein Magnetfeld angelegten CZ-Verfahrens (MCZ-Verfahren) wachsen gelassen. In diesen Fällen wurden die Kristalle unter Variieren der Sauerstoffkonzentration und der Hohlraumgröße wachsen gelassen. Die Sauerstoffkonzentration wurde durch Änderung der Umdrehungszahl eines Kristalls, der Umdrehungszahl eines Tiegels, des Drucks in einem Ofen und der Ar-Gasströmungsrate, die zum Reinigen durchgeleitet wurde, gesteuert. Andererseits wurde die Hohlraumgröße durch Steuern des Aufbaus der Teile im Ofen und/oder der Wachstumsrate sowie eines Bestehens oder Nichtbestehens einer Stickstoffdotierung gesteuert. In diesem Fall wurde die Kristallwachstumsrate in einer solchen Weise eingestellt, dass ein Defekt aufgrund von I-Si nicht umfasst war.
Dieser Kristall wurde zylindrisch geschliffen, um einen zylindrischen Block mit einem gewünschten Durchmesser zu bearbeiten. Dann wurde eine Waferformprobe mit einer Dicke von ungefähr 1,2 mm aus dem Block geschnitten. In diesem Fall wurden jeweils drei Probestücke aus benachbarten Positionen pro Teil geschnitten. Ein Stück wurde als Probe zum Messen der Sauerstoffkonzentration, der Hohlraumgröße und des Bestehens oder Nichtbestehens eines FPD, eines LEP und eines LSTD vor einer Wärmebehandlung verwendet (nachstehend als „Messprobe“ bezeichnet). Die beiden anderen Stücke wurden einer Wärmebehandlung unterzogen, wie nachfolgend beschrieben, und als Proben zum Messen eines FPD und eines LSTD nach der Wärmebehandlung verwendet (nachstehend als „Probe für die Wärmebehandlung“ bezeichnet). Die Proben wurden mit 35 Ebenen, einschließlich einer Verteilung in einer Waferfläche, hergestellt. Bei diesen Ebenen waren 5 Ebenen mit Stickstoff dotiert und die Konzentrationen betrugen 4 bis 12×10¹³ Atome/cm³.
Die Oberflächen der Messproben wurden auf Hochglanz geschliffen, und dann wurde jede Sauerstoffkonzentration mittels eines FT-IR-Verfahrens gemessen. In diesen Fällen lagen die Sauerstoffkonzentrationen der Messproben in einem Bereich von 0,4 bis 12,2 ppma-JEIDA (0,3 bis 9,8×10¹⁷ Atome/cm³-ASTM'79). Weiterhin wurden die Messproben einer Hochglanzätzung mittels einer Mischsäure unterworfen, die aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure bestand. Dann wurden die Messproben in eine ausgewählte Ätzflüssigkeit gelegt, die aus Flusssäure, Salpetersäure, Essigsäure und Wasser bestand und einem selektiven Ätzen ohne Schütteln unterzogen. Bei jeder dieser Messproben wurden FPDs beobachtet, aber ein LEP wurde nicht gefunden, was bestätigt, dass ein Defekt aufgrund von I-Si nicht vorlag.
Weiter wurden die Messproben durchgeschnitten und dann wurde ein LSTD mit einem Infrarot-Streutomograph MO441 (Produkt von Raytec Co., Ltd.) untersucht. Jede Untersuchung wurde mit dem MO441 bis in eine Tiefe von ungefähr 400 µm von der Oberfläche aus durchgeführt. Bei einem Infrarot-Streutomographverfahren ist es möglich, einen Defekt mit einer Größe bis zu 20 nm mittels des optischen Systems mit verbesserter Empfindlichkeit zu ermitteln. Weiterhin ist bei einer Infrarotstreuung die von einem Defekt gestreute Intensität im Verhältnis zum Volumen des Defekts hoch zwei und zur Größe des Defekts hoch sechs. Es ist möglich, die Größe eines Defekts durch Verwendung dieses Merkmals zu bestimmen. Da die Intensität des gestreuten Licht im Verhältnis zur Größe des Defekts hoch sechs ist, wird allerdings der dynamische Bereich zu groß, wenn ein kleiner Defekt und ein großer Defekt untersucht werden, wodurch es schwierig wird, die Größen über den gesamten Größenbereich zu vergleichen und zu bewerten.
Demgemäß wurde bei diesem Verfahren eine Defektmenge von Punktdefekten, die an der Grenzfläche des Kristallwachstums eingeführt wurden und durch Gefällediffusion oder paarweise Ausschaltung übersättigt waren, bestimmt und ein Agglomerationsprozess dieser Defekte wurde auf der Grundlage einer Theorie eines eingewachsenen Defekts in einen Silizium-Einkristall berechnet, der zuerst von M. Voronkov (siehe V. V. Voronkov; Journal of Crystal Growth, 59 (1982) 625 bis 643) vertreten und von ihm weiterentwickelt wurde. Eine Defektgröße wurde mittels Simulation einer Größe dieses eingewachsenen Defekts simuliert und dann mittels Proben standardisiert, bei denen die durchschnittliche Hohlraumgröße durch REM-Untersuchungen von mehreren Punkten definiert wurde, um eine Hohlraumgröße zu bestimmen. Diese wurde mit einer Streulichtintensität in einem Infrarot-Streutomographen dahingehend verifiziert, dass sie als endgültige Hohlraumgröße bestimmt wurde. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die Leerstellengrößen von 21 nm bis 111 nm in den vorliegenden Messproben variierten. Es ist zu beachten, dass die Defektgröße in der Simulation als Durchmesser einer angenommenen Kugel bestimmt wurde.
Wie oben beschrieben wurden die Sauerstoffkonzentrationen und Hohlraumgrößen vor der Wärmebehandlung für die Messproben mit 35 Ebenen einschließlich einer Verteilung in einer Waferfläche gemessen.
Dann wurden die Wärmebehandlungen durchgeführt, indem die vorstehenden Proben für die Wärmebehandlung verwendet wurden.
Zuerst wurden zwei Probestücke für die Wärmebehandlung einem Oberflächenschleifen auf Hochglanz als Vorbehandlung für die Wärmebehandlung unterzogen und dann wurden alle in vier unterteilt und einem Hochglanzätzen mit der vorstehenden Mischsäure unterzogen. Nach dem Ätzen wurden die Proben für die Wärmebehandlung einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung von trockenem Sauerstoff mit 3 l/min unterzogen. In diesen Fällen wurden die Temperaturen und die Zeiten der Wärmebehandlungen auf die folgenden 4x2 = 8 Muster eingestellt: (a) bei 1.150°C für 30 Minuten oder 60 Minuten, (b) bei 1.100°C für 30 Minuten oder 60 Minuten, (c) bei 1.050°C bei 60 Minuten oder 120 Minuten und (d) bei 1.000°C für 60 Minuten oder 120 Minuten.
Auf den Oberflächen der wärmebehandelten Proben wurden Oxidfilme ausgebildet und diese wurden mit Flusssäure entfernt.
Dann wurden die Oberflächen einem Hochglanzätzen mit der Mischsäure und anschließend einem selektiven Ätzen unterzogen, um FPD in derselben Weise wie in den Messproben zu untersuchen. Bei einigen Proben waren die FPDs im Vergleich zu den Messproben verschwunden, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurden. Anschließend wurden diese Proben aufgeschnitten und dann wurde LSTD mit dem MO441 untersucht. In dieser Zeit wurde in einigen Proben auch bestätigt, dass LSTDs im Vergleich zu Messproben verschwunden waren, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurden.
Obwohl sie den Oberflächenzustand von Ätzflächen hatten, wurden die Defekte ohne Problem durch eine Oxidierungsbehandlung ausgeschaltet. Im Grunde wurde derselbe Trend zwischen den Fällen, in denen FPDs ausgeschaltet wurden, und den Fällen beobachtet, in denen LSTDs ausgeschaltet wurden. Allerdings hatten FPDs die Tendenz, leicht ausgeschaltet zu werden. Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass ein Wafer durch sein Inneres in Bezug auf einen LSTD untersucht wurde, während er mehrere zehn µm von der Oberfläche in Bezug auf einen FPD untersucht wurde. Andererseits hatte die Wärmebehandlungszeit kaum einen Einfluss darauf, ob Defekte als Ergebnis des Variierens der Wärmebehandlungszeiten mit 2 Ebenen in jeder Wärmebehandlungstemperatur ausgeschaltet wurden oder nicht.
Die obigen Ergebnisse sind in 1 (a) bis (d) gezeigt, wo die Abszisse und die Ordinate die Sauerstoffkonzentration bzw. die Hohlraumgröße darstellt, indem ◦ angegeben wurde, wenn die Defekte ausgeschaltet wurden, x angegeben wurde, wenn der Defekt blieb. In 1 sind nur die Ergebnisse von LSTD gezeigt, da FPD nur die Nachbarschaft der Oberfläche widerspiegelt. Weiterhin sind nur die Ergebnisse bei einer Wärmebehandlungszeit von 60 Minuten in jeder Wärmebehandlungstemperatur (a) bis (d) gezeigt, da die Wärmebehandlungszeit kaum einen Einfluss hat.
Es wird festgestellt, dass der Hohlraumdefekt voraussichtlich ausgeschaltet wird, wenn die Sauerstoffkonzentration geringer ist oder wenn die Hohlraumgröße kleiner ist als die Bedingungen, die die Hohlraumdefekte bei jeder Temperatur der 1 ausschalteten. Es wird auch festgestellt, dass die Defekte schwieriger auszuschalten sind, wenn die Temperatur von 1.150°C auf 1.000°C fällt.
Bei dem Prozess, einen Hohlraumdefekt auszuschalten, wird davon ausgegangen, dass ein Oxidfilm der Innenwand zuerst verschwindet, und dann I-Si den Hohlraumdefekt füllt. Wie oben beschrieben, wird die Tatsache, ob ein Oxidfilm der Innenwand verschwindet oder nicht, dadurch bestimmt, ob die Sauerstoffkonzentration niedriger als die Feststofflöslichkeitsgrenze von Sauerstoff bei der Wärmebehandlungstemperatur ist oder nicht. Das bedeutet, dass davon ausgegangen wird, dass die Feststofflöslichkeitsgrenze des Sauerstoffs die Temperaturabhängigkeit dahingehend bestimmt, ob die Defekte ausgeschaltet werden oder nicht.
Mehrere Feststofflöslichkeitsgrenzen von Sauerstoff werden angegeben, und sie sind zum Beispiel als [Oi] = 2,65×10⁴ exp[-1,035/{k(T+273)}] dargestellt, worin „k“ die Boltzmann-Konstante ist, die 8,62×10^-5 beträgt. Durch die Verwendung dieser Formel sind die Feststofflöslichkeitsgrenzen von Sauerstoff etwa 6 ppma-JEIDA bei 1.150°C und etwa 2 ppma-JEIDA bei 1.000°C. Demgemäß hält sich das folgende Verhältnis ungefähr zwischen der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration in diesem Temperaturbereich: T α 37,5[Oi]. Auf dieser Grundlage wird die Bedingung, unter der Hohlraumdefekte in (a) bis (d) von 1 ausgeschaltet wurden, als T ≥ 37,5[Oi]+1,74Lvoid+890 bestimmt. Dies wird auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration zu [Oi] ≤ 0,0267T-0,0464Lvoid-23,7 umgewandelt und auf der Grundlage der Hohlraumgröße zu Lvoid ≤ 0,575T-21,5[Oi]-510 umgewandelt.
Aus den obigen Experimenten wurde festgestellt, dass die dreiteilige Korrelation zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur, einer Sauerstoffkonzentration und einer Hohlraumgröße bestimmt, ob die Hohlraumdefekte durch Oxidation ausgeschaltet werden oder nicht.
Beispiel 1
Bei den in dem obigen Experiment hergestellten Blöcken wurde ein Wafer aus dem Teil eines Blocks mit einem Durchmesser von 300 mm, einer Sauerstoffkonzentration von 3,2 ppma-JEIDA und einer Hohlraumgröße von 38 nm ohne Stickstoffdotierung geschnitten, um einen polierten Wafer (PW = polierte Seite) mit einer Dicke von 775 µm zu erzeugen. Die gemessene Sauerstoffkonzentration [Oi] und die Hohlraumgröße Lvoid wurden wie folgt zum Beziehungsausdruck substituiert, um die erforderliche Wärmetemperatur zu bestimmen: $T \geq 37,5 \times 3,2 + 1,74 \times 38 + 890 = 1.076$
Auf der Grundlage dieser bestimmten Wärmebehandlungstemperatur wurde der Wafer einer Wärmebehandlung bei 1.150°C für 30 Minuten in einer oxidierenden Umgebung von trockenem Sauerstoff von 3 l/min unterzogen.
Nach der Wärmebehandlung wurde der Oxidfilm entfernt, und dann wurde der Defekt dieses Wafers mit dem MO441 untersucht. Im Ergebnis wurde kein LSTD festgestellt.
Beispiel 2
Ein Kristall mit einem Durchmesser von etwa 200 mm wurde mittels eines MCZ-Verfahrens unter Verwendung einer Kristallziehvorrichtung mit dem Außendurchmesser eines Tiegels von etwa 660 mm wachsen gelassen. Dieser Kristall wurde mit Stickstoff dotiert. Zwei Waferstücke jeweils mit einer Dicke von 1,2 mm wurden aus benachbarten Positionen in diesem Kristall geschnitten. Die Stickstoffkonzentration, bei der die Wafer herausgeschnitten wurden, betrug 8×10¹³ Atome/cm³. Einer der herausgeschnittenen Wafer wurde einem doppelseitigen Schleifen unterzogen, und dann wurde die Sauerstoffkonzentration mittels FT-IR dahingehend gemessen, dass sie 2,8 ppma-JEIDA betrug. Dieser Messwafer wurde einem Hochglanzätzen mittels einer Mischsäure unterzogen, die aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure bestand, und anschließend aufgeschnitten, und dann mittels des MO441 untersucht, um einen LSTD zu finden, der eine Größe von 40 nm aufwies. Die erforderliche Wärmebehandlungstemperatur wurde bestimmt, indem die gemessene Sauerstoffkonzentration [Oi] und die Hohlraumgröße Lvoid für den Beziehungsausdruck wie folgt substituiert wurde: $T \geq 37,5 \times 2,8 + 1,74 \times 40 + 890 = 1.065$
Ein anderes Stück des herausgeschnittenen Wafers wurde einem Oberflächenschleifen und anschließend einem Hochglanzätzen unterzogen und dann einer Wärmebehandlung bei 1.100°C für 30 Minuten in einer oxidierenden Umgebung von trockenem Sauerstoff mit 3 l/min auf der Grundlage der Wärmebehandlungstemperatur unterzogen, die wie oben bestimmt wurde.
Nach der Wärmebehandlung wurde der Oxidfilm entfernt, und dann wurde der Defekt dieses Wafers mit dem MO441 untersucht. Im Ergebnis wurde kein LSTD festgestellt.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Kristall mit einem Durchmesser von etwa 200 mm wurde mittels eines MCZ-Verfahrens unter Verwendung einer Kristallziehvorrichtung mit einem Außendurchmesser des Tiegels von etwa 660 mm wachsen gelassen. Dieser Kristall war mit Stickstoff dotiert. Zwei Waferstücke jeweils mit einer Dicke von 1,2 mm wurden aus benachbarten Positionen in diesem Kristall geschnitten. Die Stickstoffkonzentration, bei der die Wafer herausgeschnitten wurden, betrug 7×10¹³ Atome/cm³. Einer der herausgeschnittenen Wafer wurde einem Oberflächenschleifen und anschließend einem Hochglanzätzen unterzogen und dann einer Wärmebehandlung bei 1.150° für 30 Minuten in einer oxidierenden Umgebung von trockenem Sauerstoff mit 3 l/min unterzogen, ohne dass die Sauerstoffkonzentration und die Hohlraumgröße gemessen wurden.
Nach der Wärmebehandlung wurde der Oxidfilm entfernt und dann wurde der Defekt dieses Wafers mittels des MO441 untersucht. Im Ergebnis wurden LSTDs festgestellt.
Zur Bestätigung wurde ein anderes herausgeschnittenes Waferstück einem doppelseitigen Schleifen unterzogen und dann wurde die Sauerstoffkonzentration mittels FT-IR gemessen, die 11,2 ppma-JEIDA betrug. Dieser Messwafer wurde mittels einer Mischsäure einem Hochglanzätzen unterzogen, die aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure bestand, und anschließend aufgeschnitten und dann wurde mittels des MO441 untersucht und ein LSTD festgestellt, der eine Größe von nur 22 nm aufwies. Die erforderliche Wärmebehandlungstemperatur wurde durch Substituieren der gemessenen Sauerstoffkonzentration [Oi] und der Hohlraumgröße Lvoid für den Beziehungsausdruck wie folgt bestimmt: $T \geq 37,5 \times 11,2 + 1,74 \times 22 + 890 = 1.348;$
und als Grund, warum der LSTD durch die Wärmebehandlung bei der Wärmebehandlungstemperatur von 1.150°C nicht verschwunden war, wurde nahegelegt, dass die Wärmebehandlungstemperatur, die durch die Korrelation bestimmt wurde, nicht erfüllt wurde.
Aus dem Obigen geht hervor, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers Hohlraumdefekte oder Mikrooxidpräzipitatkerne in einem Silizium-Einkristallwafer mit geringen Kosten, effektiv und sicher durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Umgebung ausschalten kann.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers in einer oxidierenden Umgebung, umfassend: Durchführen der Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Bedingung, die durch eine dreiteilige Korrelation zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur während der Wärmebehandlung, einer Sauerstoffkonzentration im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung und einer Hohlraumgröße im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung bestimmt wird, wobei die dreiteilige Korrelation durch den folgenden Beziehungsausdruck dargestellt wird: $T \geq {37,5 / (8 \times 10^{16})} [Oi]' + 1,74 Lvoid + 890$
wobei „T“ die Wärmebehandlungstemperatur in °C ist, [Oi]' die Sauerstoffkonzentration Atome/cm³ -ASTM'79 im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist und Lvoid die Hohlraumgröße in nm im Silizium-Einkristallwafer vor der Wärmebehandlung ist.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach Anspruch 1, wobei der Silizium-Einkristallwafer aus einem Silizium-Einkristall ohne einen Defekt aufgrund von interstitiellem Si geschnitten wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebehandlungstemperatur 900°C oder mehr und 1.200°C oder weniger beträgt, und die Wärmebehandlungszeit 1 Minute oder mehr und 180 Minuten oder weniger ist.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sauerstoffkonzentration des Silizium-Einkristallwafers 6,4×10¹⁷ Atome/cm³-ASTM'79 oder weniger ist.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Silizium-Einkristallwafer aus einem Silizium-Einkristall ohne Stickstoffdotierung oder dotiert mit Stickstoff in einer Konzentration von 5×10¹⁵ Atomen/cm³ oder weniger geschnitten wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke des Silizium-Einkristallwafers 0,1 mm oder mehr und 20 mm oder weniger beträgt.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Silizium-Einkristallwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hohlraumgröße mittels einer Simulation bestimmt wird.