JP2000216106A - シリコンウエ―ハの熱処理方法およびこの方法で熱処理されたシリコンウエ―ハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な方法でウエーハ表面のＣＯＰとヘイズ
を低減することができる、シリコンウエーハの熱処理方
法を提供する。 【解決手段】 急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素
を含む還元性雰囲気下で、シリコンウエーハを熱処理す
る方法において、熱処理における最高温度から７００℃
までの降温速度を２０℃/sec以下とするシリコンウエー
ハの熱処理方法。およびこの方法で熱処理されたシリコ
ンウエーハ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンウエーハの
熱処理方法に関し、特に簡易な方法でシリコンウエーハ
表面のＣＯＰ密度を低減させ、同時にヘイズを減少させ
ることができる熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエーハの酸化膜耐圧等の電気
特性を改善するためには、デバイスが作製されるウエー
ハの表層部を無欠陥層とする必要がある。シリコンウエ
ーハの表層部には結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Crys
tal Originated Particle）と呼ばれる正八面体構造の
結晶欠陥が存在し、このＣＯＰが電気特性を劣化させる
原因となっている。

【０００３】酸化膜耐圧を改善させるためには、水素ア
ニール、すなわちシリコンウエーハを高温で水素ガス雰
囲気下、数時間の熱処理を施すのが有効であることが報
告されている（例えば、特公平５−１８２５４号公報、
特開平６−２９５９１２号公報）。通常この様な水素ア
ニールは、水素ガス雰囲気下において、１〜１０℃/min
の昇温速度で昇温し、９５０℃〜シリコンの融点以下の
温度で数時間保持した後、２〜５℃/minの降温速度で降
温することにより熱処理が行われる。しかし、この熱処
理方法では熱処理に長時間を要するという欠点がある。

【０００４】そこで、この熱処理時間の短縮等のため急
速加熱・急速冷却装置（Rapid Thermal Annealer、以下
ＲＴＡ装置と略称することがある）を用いた熱処理方法
が提案されている。例えば、本発明者らは、先に特願平
１０−８２６０６号において、シリコンウエーハに対し
てＲＴＡ装置を用いて還元性雰囲気下で熱処理をする方
法を示し、特にシリコンウエーハ表面のＣＯＰ密度を低
減することができる熱処理方法を提案した。

【０００５】この方法は、シリコンウエーハを還元性雰
囲気下１２００℃〜シリコンの融点以下の温度範囲で１
〜６０秒間熱処理するというもので、この場合還元性雰
囲気を１００％水素、あるいは水素とアルゴンの混合雰
囲気とし、熱処理時間を１〜３０秒とするのが一層好ま
しいとしている。そして、この方法によれば、シリコン
ウエーハ表面のＣＯＰ密度は顕著に減少し、電気特性で
ある酸化膜耐圧（Time Zero Dielectric Breakdown：Ｔ
ＤＤＢ）も著しく改善されることが判っている。

【０００６】しかし、この方法では、熱処理後のウエー
ハ表面のヘイズと呼ばれる面粗さが悪化することがある
という問題があった。ここでヘイズとは表面粗さの指標
であり、ウエーハ表面における数〜数十ｎｍ程度の周期
性を持つうねりである。主にレーザを用いたパーティク
ルカウンタで、ウエーハ全面をレーザでスキャンし、そ
の乱反射強度を測定することにより、ウエーハ全面のヘ
イズレベルとして準定量的に評価される表面粗さであ
る。

【０００７】近年、ＭＯＳ構造のトランジスターの集積
度が上がるにつれて、それに附随してＭＯＳ構造の酸化
膜直下のキャリアの移動度を向上させる必要がでてき
た。ＣＰＵ（中央処理装置）の駆動周波数がますます高
くなり、それに附随してメモリーの書き込みおよび読み
出しの速度も当然高速化が求められ、キャリアの移動度
の向上が重要な課題になっている。

【０００８】そして、酸化膜耐圧やキャリアの移動度等
の電気特性に大きな影響を与える因子としてウエーハ表
面のヘイズ等の表面粗さがデバイスの性能と信頼性に密
接に関わっていることが知られており（Shinya yamakaw
a et.al.,J.Appl.Phys.79,911,1996参照）、ウエーハ表
面のヘイズは大きな問題とされていた。

【０００９】そこで発明者らは、この問題を解決する方
法として、特願平１０−１７６６９３号において、ＲＴ
Ａ熱処理を複数段に分割して行なう方法を提案した。こ
の方法は、前段階の熱処理をＣＯＰの低減を目的として
行ない。後段階の熱処理をヘイズ等のウエーハ表面の面
粗さを改善するために行なうというものである。

【００１０】この方法は、ＣＯＰを低減しつつヘイズを
充分に改善することができるため非常に有益な方法であ
る。しかし、複数段の高温熱処理をＲＴＡ装置において
行なわなくてはならないため、工程の煩雑さを招くとい
う欠点があった。工程の煩雑化はスループットの低下に
よりコストアップにつながるため、更なる改善が求めら
れていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点に鑑みて為されたもので、より簡易な方法でウエー
ハ表面のＣＯＰとヘイズを低減することができる、シリ
コンウエーハの熱処理方法を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の請求項１に記載した発明は、急速加熱・急
速冷却装置を用いて、水素を含む還元性雰囲気下で、シ
リコンウエーハを熱処理する方法において、熱処理にお
ける最高温度から７００℃までの降温速度を２０℃/sec
以下とすることを特徴とするシリコンウエーハの熱処理
方法である。

【００１３】このように、急速加熱・急速冷却装置を用
いて、水素を含む還元性雰囲気下で、シリコンウエーハ
を熱処理する方法において、熱処理における最高温度か
ら７００℃までの降温速度を２０℃/sec以下とするだけ
の簡単な方法で、ウエーハ表面のＣＯＰを低減しつつ、
ヘイズを改善することができる。

【００１４】この場合、本発明の請求項２に記載したよ
うに、熱処理における７００℃未満の降温速度を、最高
温度から７００℃までの降温速度よりも速くすることが
好ましい。このように、熱処理における７００℃未満の
降温速度を、最高温度から７００℃までの降温速度より
も速くすることにより、熱処理時間を全体として短縮し
て熱処理の効率を一層向上させることができる。

【００１５】この場合、本発明の請求項３に記載したよ
うに、前記水素を含む還元性雰囲気が水素１００％ある
いは水素とアルゴンおよび／または窒素との混合ガス雰
囲気であることが好ましい。このような熱処理雰囲気と
すれば、確実にウエーハ表面のＣＯＰ密度を低減させ、
ヘイズを改善することができる。

【００１６】さらに、このような本発明の熱処理方法に
よれば、簡易な方法でウエーハ表面のＣＯＰ密度が低減
し、ヘイズが小さくなるので、酸化膜耐圧、キャリア移
動度等の電気的特性が向上し、極めて高品質で有用なシ
リコンウエーハを高生産性で得ることができる（請求項
４）。

【００１７】以下、本発明につきさらに詳細に説明す
る。本発明者らは、従来より簡単な方法で、シリコンウ
エーハ表面に存在するＣＯＰの密度を減少させ酸化膜耐
圧を向上させると共に、ヘイズを小さくしてキャリア移
動度を向上させることができる熱処理条件につき、種々
実験的に研究した。その結果、本発明者らは、熱処理に
おける最高温度から７００℃までの降温速度を２０℃/s
ec以下の比較的低速にすれば、ＣＯＰ密度を減少させつ
つヘイズも小さくすることができることを発見し、種々
研究を重ねて本発明を完成するに至ったものである。

【００１８】従来、水素を含む還元性雰囲気下で熱処理
してウエーハ表面を改質する効果は、ＲＴＡ装置を用い
る用いないを問わず、主としてその熱処理の最高温度と
その温度での保持時間により決定されるものと考えられ
ており、最高温度までの昇温速度や最高温度からの降温
速度はさほど考慮されていなかった。

【００１９】特に、ＲＴＡ装置を用いた場合は、通常の
抵抗加熱式の熱処理炉に比べて昇降温に要する時間が極
めて短いため、昇降温速度がウエーハ表面に対する影響
については全く考慮されず、通常は、３０〜６０℃/sec
の昇降温速度が用いられていた。

【００２０】そこで本発明者らは、特願平１０−８２６
０６号で開示された熱処理方法を用いてシリコンウエー
ハを熱処理する実験を行った。その結果、ＲＴＡ装置を
用いた熱処理であっても、熱処理の最高温度からの降温
速度が異なると熱処理後のウエーハの表面状態、特にヘ
イズレベルが大きく異なることを発見した。

【００２１】本発明者らは、シリコンウエーハの熱処理
における適切な降温条件を確定するために下記のような
実験を行なった。チョクラルスキー法により得られたシ
リコンウエーハに、ＲＴＡ装置を用いて、１００％水素
雰囲気下で１２００℃、１０秒の熱処理を行い、熱処理
の最高温度から降温する際の降温速度を変化させた場合
についてウエーハ表面のヘイズを測定した。

【００２２】熱処理にはＲＴＡ装置（急速加熱・急速冷
却装置、シュティアック マイクロテック インターナ
ショナル社製ＳＨＳ−２８００型）を使用した。シリコ
ンウエーハはチョクラルスキー法により製造されたシリ
コンインゴットを一般的に行われている方法でスライス
して鏡面加工された、直径６インチ、結晶方位＜１００
＞のものを用いた。またヘイズの測定は、パーティクル
カウンタであるＬＳ−６０３０（日立電子エンジニアリ
ング社製商品名）を用い、測定電圧７００Ｖレンジで測
定した。

【００２３】測定結果を図１に示す。図１は降温速度と
ヘイズとの関係を示した図である。図１の縦軸は、ヘイ
ズレベルを示しており、単位はbitsである。

【００２４】図１より、降温速度が遅ければ遅いほど、
ウエーハ表面のヘイズレベルは低減されることが判る。
例えば降温速度を２０℃/secとした場合、ヘイズレベル
は５０bits以下となり、これはデバイス特性上、問題の
ないレベルである。また、降温速度を５℃/secとした場
合は２５bitsと極めて小さい値となることが判る。

【００２５】加えて本発明者らは、熱処理における降温
速度と降温中の温度域との関係について詳細に調査し
た。上記と同様の熱処理実験において、最高温度１２０
０℃からの降温速度を５℃/secとし、降温中に所定の温
度に達したところで降温速度を６０℃/secに速めて降温
を行った。そして、上記と同様に熱処理後のウエーハ表
面のヘイズを測定した。測定結果を図２に示す。

【００２６】図２は、降温速度を高速に切り換えた温度
とウエーハ表面のヘイズとの関係を示した図である。図
２に示すように、１２００〜７５０℃付近までの温度領
域で降温速度を高速に切り換えると、ウエーハ表面のヘ
イズレベルは低速降温速度を維持した場合より悪化しま
う。ところが、７００℃未満の温度領域まで降温してか
ら高速に切り換えた場合は、その後に降温速度を速めて
もウエーハ表面のヘイズには、全く影響がないことが判
る。

【００２７】すなわち、ウエーハ表面のヘイズは熱処理
における最高温度から７００℃までの降温速度を２０℃
/sec以下とすることにより十分に改善することができ、
７００℃未満の温度域の降温速度には依存しないのであ
る。

【００２８】このような現象が生じる原因の詳細は不明
であるが、以下の理由によるものと考えられる。すなわ
ち、例えば、１２００℃以上の高温で水素を含む還元性
雰囲気の熱処理を行うと、その表面にステップ形状が生
じ易くなる。

【００２９】このステップは、ウエーハの初期の面方位
とは異なる面方位が原子レベルで発生したものである
が、最高温度で生じたステップは、降温速度が速い場合
はその形状が維持されてしまう。しかし、降温速度が遅
くなればなるほどマイグレーションの効果により表面の
エネルギーが安定化する方向に向うため平坦化される。
その結果、降温速度により熱処理後のヘイズレベルに差
が発生するものと考えられる。

【００３０】従って、熱処理最高温度から７００℃程度
までゆっくり降温すれば、それ以下の温度ではマイグレ
ーションは全く生じなくなるので、降温速度を速めて急
冷してもウエーハのヘイズレベルには影響しないものと
考えられる。

【００３１】以上の研究から、急速加熱・急速冷却装置
を用いて、水素を含む還元性雰囲気下で、シリコンウエ
ーハを熱処理する方法において、熱処理における最高温
度から７００℃までの降温速度を２０℃/sec以下とする
といった簡易な方法により、ウエーハ表面のＣＯＰとヘ
イズを改善することができることが判った。この本発明
の方法は、前述の特願平１０−１７６６９３号における
複数段熱処理のように、高温熱処理自体の条件を変化さ
せるわけではなく、単に降温速度、すなわち冷却強度を
変化させるだけなので、極めて簡便な熱処理方法とな
る。

【００３２】また、本発明の熱処理方法は、降温速度を
やや遅くするので、熱処理効率の低下が懸念されるが、
仮に最高温度１２００℃から降温する場合について考え
ると、通常３０〜６０℃/secで降温する場合に室温まで
降温するのに、約２０〜４０秒間かかっていたのが、２
０℃/secで降温する場合は約６０秒間弱であり、５℃/s
ecで降温する場合であっても、４分間弱しか要しない。
ＲＴＡ装置を用いない通常の熱処理法（例えば、抵抗加
熱方式）が、１サイクルの熱処理に７〜８時間を要する
ことと比較すると、ウエーハの仕込み枚数にも関係する
が、本発明の方法による熱処理により、１枚当りの処理
時間を短縮することができる。

【００３３】しかも、熱処理時間の短縮化を図りたい場
合は、熱処理における７００℃未満の降温速度を、最高
温度から７００℃までの降温速度よりも速くすれば良
い。例えば、最高温度１２００℃から７００℃までは降
温速度５℃/secで降温した後、７００℃未満では６０℃
/secで降温すれば、降温に２分間弱しか要しないのに全
温度域にわたって５℃/secで降温したのと同程度のヘイ
ズレベルのウエーハ表面を得ることができる。また、７
００℃になったところで、ランプ電源をＯＦＦにするこ
とにより７０℃/sec以上の降温速度も可能である。

【００３４】一方、熱処理時の雰囲気については、水素
１００％あるいは水素とアルゴンおよび／または窒素と
の混合ガス雰囲気を使用することができる。水素濃度を
高くするとウエーハ表面のＣＯＰやヘイズ等の面粗さを
改善する効果は高いものになり、アルゴンあるいは窒素
の濃度を増加すると取り扱いが容易になるという長所が
ある。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき説
明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず本発明で用いられるシリコンウエーハの急速加熱・
急速冷却装置としては、熱放射によるランプ加熱器のよ
うな装置を挙げることができる。また、市販されている
ものとして、例えばシュティアック マイクロテック
インターナショナル社製、ＳＨＳ−２８００のような装
置を挙げることができ、これらは特別複雑なものではな
く、高価なものでもない。

【００３６】ここで、本発明で用いたシリコン単結晶ウ
エーハの急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一例
を示す。図３は、ＲＴＡ装置の概略図である。図３の熱
処理装置１０は、石英からなるチャンバー１を有し、こ
のチャンバー１内でウエーハを熱処理するようになって
いる。加熱は、チャンバー１を上下左右から囲繞するよ
うに配置される加熱ランプ２によって行う。このランプ
はそれぞれ独立に供給される電力を制御できるようにな
っている。

【００３７】ガスの供給側は、不図示の水素ガス供給
源、アルゴン供給源及び窒素ガス供給源が接続されてお
り、任意の混合比でこれらを混合してチャンバー１内に
供給することができるようにされている。ガスの排気側
は、オートシャッター３が装備され、外気を封鎖してい
る。オートシャッター３は、ゲートバルブによって開閉
可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられて
いる。また、オートシャッター３にはガス排気口が設け
られており、炉内雰囲気圧力を調整できるようになって
いる。

【００３８】そして、ウエーハ８は石英トレイ４に形成
された３点支持部５の上に配置される。トレイ４のガス
導入口側には、石英製のバッファ６が設けられており、
導入ガスがウエーハ８に直接当たるのを防ぐことができ
る。また、チャンバー１には不図示の温度測定用特殊窓
が設けられており、チャンバー１の外部に設置されたパ
イロメータ７により、その特殊窓を通してウエーハ８の
温度を測定することができる。

【００３９】以上のような熱処理装置１０によって、ウ
エーハを急速加熱・急速冷却する処理は次のように行わ
れる。まず、熱処理装置１０に隣接して配置される、不
図示のウエーハハンドリング装置によってウエーハ８を
挿入口からチャンバー１内に入れ、トレイ４上に配置し
た後、オートシャッター３を閉める。チャンバー１内は
所定の水素を含む還元性雰囲気で満たされる。

【００４０】そして、加熱ランプ２に電力を供給し、ウ
エーハ８を例えば１１００〜シリコンの融点、特には１
３００℃以下の所定の温度に昇温する。この際、目的の
温度になるまでに要する時間は例えば２０秒程度であ
る。次にその温度において所定時間保持することによ
り、ウエーハ８に高温熱処理を加えることができる。

【００４１】所定時間経過し高温熱処理が終了したな
ら、ランプ２の出力を下げウエーハ８の温度を下げる。
本発明の熱処理方法は、熱処理における最高温度から７
００℃までの降温速度を２０℃/sec以下とする方法であ
るが、この方法を実施する際には、パイロメータ７でウ
エーハ８の温度を測定しつつ、従来２０〜４０秒間程度
の時間をかけ降温速度３０〜６０℃/secで降温していた
のを、ランプ２の出力を適当に調整して降温速度を２０
℃/sec以下に低めるだけで良い。従って、従来から使用
されているＲＴＡ装置にほとんど改造を加えずに、本発
明の方法を実施することができる。最後に、ウエーハの
降温が終了したらウエーハハンドリング装置によってウ
エーハを取り出すことにより、熱処理を完了する。

【００４２】降温時間を短縮したい時は、パイロメータ
７で測定したウエーハ８の温度が７００℃未満になった
ら、例えばランプ２の出力をＯＦＦにしてウエーハ８を
急冷するようにすれば良い。あるいは、ウエーハハンド
リング装置によってウエーハ８を取り出して室温の空間
に移動させることによっても、７００℃未満の降温速度
を速めて降温時間を短縮することができる。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を挙げて
具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。（実施例１）チョクラルスキー法により得ら
れたシリコンウエーハに、ＲＴＡ装置を用いて、１００
％水素雰囲気下で１２００℃、１０秒の熱処理を行っ
た。熱処理の最高温度から降温する際の降温速度は、本
発明の方法に従って２０℃/secとした。そして、熱処理
後のシリコンウエーハ表面のヘイズを測定した。

【００４４】熱処理には前述のＲＴＡ装置（急速加熱・
急速冷却装置、シュティアック マイクロテック イン
ターナショナル社製ＳＨＳ−２８００型）を使用した。
シリコンウエーハはチョクラルスキー法により製造され
たシリコンインゴットを一般的に行われている方法でス
ライスして鏡面加工された、直径６インチ、結晶方位＜
１００＞のものを用いた。

【００４５】またヘイズの測定は、パーティクルカウン
タであるＬＳ−６０３０（日立電子エンジニアリング社
製商品名）を用い、測定電圧７００Ｖレンジで測定し、
ヘイズレベルを単位bitsで表した。

【００４６】測定の結果、実施例１のウエーハのヘイズ
レベルは約４９bitsであり、これは、高速冷却の場合に
比べ格段に改善されているとともに、デバイス作製上問
題とならないレベルである。また、熱処理時間において
も、従来方法において６０℃/secで降温した場合より、
４０秒弱多く要しただけであり、生産性に大きな影響を
与えるものではないし、抵抗加熱方式に比べて生産性を
向上させることができる。

【００４７】（実施例２）実施例１の熱処理において、
最高温度１２００℃から７００℃までの降温速度を５℃
/secとし、７００℃未満の降温速度を６０℃/secとし
て、シリコンウエーハに熱処理を施した。それ以外の条
件は、実施例１と同様にして熱処理、ヘイズ測定を行っ
た。

【００４８】測定の結果、実施例２のウエーハのヘイズ
レベルは約２５bitsであり、ヘイズレベルは著しく改善
され、将来におけるデバイスの高集積化にも十分対応で
きるものとなっている。

【００４９】（比較例）実施例１の熱処理において、最
高温度１２００℃からの降温速度を５０℃/secとしてシ
リコンウエーハに熱処理を施した。それ以外の条件は、
実施例１と同様にして熱処理、ヘイズ測定を行った。測
定の結果、比較例のウエーハのヘイズレベルは９５bits
と大きなものであり、ウエーハの酸化膜耐圧やキャリア
の移動度等の電気特性の低下が予想される。

【００５０】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００５１】例えば上記実施形態では、ウエーハのＣＯ
Ｐを低減しつつウエーハ表面のヘイズを改善できる効果
について中心に説明したが、本発明の熱処理方法の効果
はヘイズを改善できるのみならず、ウエーハ表面のＰ−
Ｖ値（山と谷の最大値）やその他の形式で表わされるウ
エーハの表面状態をも改善できるものであり、ウエーハ
表面の平坦度を改善できるものである。

【００５２】また、上記では直径６インチのシリコンウ
エーハに熱処理を施したが、本発明はウエーハ直径によ
らず適用できることは言うまでもなく、今後の８〜１６
インチ、あるいはそれ以上の大直径ウエーハにも充分適
用可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明はシリコン
ウエーハを熱処理する方法において、熱処理の降温速度
に改良を加えることにより、ウエーハ表面のＣＯＰ等の
欠陥を消滅させるという効果とヘイズを改善する効果と
を併せ持つ熱処理を非常に簡便に行うことができ、従来
に比べて高品質のシリコンウエーハを簡単かつ低コスト
で得ることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＲＴＡ装置による熱処理における降温速度とヘ
イズとの関係を示した図である。

【図２】降温速度を高速に切り換えた温度とウエーハ表
面のヘイズとの関係を示した図である。

【図３】シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却できる
装置の一例を示した概略断面図である。

【符号の説明】

１…チャンバー、 ２…加熱ランプ、 ３…オートシャ
ッター、４…石英トレイ、 ５…３点支持部、 ６…バ
ッファ、 ７…パイロメータ、８…ウエーハ、 １０…
熱処理装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素
   を含む還元性雰囲気下で、シリコンウエーハを熱処理す
   る方法において、熱処理における最高温度から７００℃
   までの降温速度を２０℃/sec以下とすることを特徴とす
   るシリコンウエーハの熱処理方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の熱処理方法において、
   熱処理における７００℃未満の降温速度を、最高温度か
   ら７００℃までの降温速度よりも速くすることを特徴と
   するシリコンウエーハの熱処理方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の熱処理
   方法において、前記水素を含む還元性雰囲気が水素１０
   ０％あるいは水素とアルゴンおよび／または窒素との混
   合ガス雰囲気であることを特徴とするシリコンウエーハ
   の熱処理方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれか１項
   に記載の方法により熱処理されたシリコンウエーハ。