JP2002043241A - シリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンウェーハの表面に転位等が生じるお
それが無く、この表面に作り込まれたデバイスの特性及
び信頼性が良好で、歩留まりの向上が可能なシリコンウ
ェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハを提供する。 【解決手段】 本発明のシリコンウェーハの熱処理方法
は、窒素をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急
速冷却の熱処理を施すことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェーハ
の表面に転位等が生じるおそれの無いシリコンウェーハ
の熱処理方法及びシリコンウェーハに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンウェーハは、ＣＺ（チョ
クラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加
工して作製される。このシリコンウェーハは、酸素不純
物を多く含んでおり、この酸素不純物は転位や欠陥等を
生じさせる酸素析出物（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）
となる。この酸素析出物がデバイスが形成される表面に
ある場合、リーク電流増大や酸化膜耐圧低下等の原因に
なり、したがって、得られた半導体デバイスの特性に大
きな影響を及ぼす。このため、従来、シリコンウェーハ
表面に対し、１１５０℃以上の高温で秒単位の短時間で
急速加熱・急速冷却の熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal
Annealing）を所定の雰囲気中、例えば不活性雰囲気中
で施し、内部に過剰空孔を埋設するとともに、表裏面側
では酸素を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥
層）を表面に形成する方法が用いられている（例えば、
国際公開公報 ＷＯ 98/38675に記載の技術）。

【０００３】このＲＴＡ処理では、図４に示すように、
シリコンウェーハ１の裏面をピン２で３点支持した状態
で熱処理が行われる。そして、この熱処理では、シリコ
ンウェーハ１全体に同じ雰囲気ガスが供給されるため、
表面側だけでなく裏面側にも同様の熱処理が行われる。
したがって、このシリコンウェーハをさらなる熱処理で
酸素析出させた場合、ＢＭＤ密度の分布は、厚さ方向で
対称的になると共に表裏面両方にＢＭＤがほとんどない
無欠陥層が形成される。また、ピン２で３点支持する替
わりに、シリコンウェーハ１の裏面の周辺部を円環状の
サセプタで支持する構成も用いられている。そして、上
記ＤＺ層を形成した後に上記温度より低温で熱処理を施
すことで、内部の欠陥層に酸素析出核を形成・安定化す
る方法が採用されている。なお、ＲＴＡ処理において
は、不活性雰囲気とするためにアルゴンガス等の不活性
ガスが用いられるが、Ｎ₂、Ｏ₂、あるいはそれらの混合
ガスを用いてもよい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＲＴＡ処理では、シリコンウェーハ１の裏面をピン２
で３点支持した状態で処理を行っているために、図５に
示すように、シリコンウェーハ１の自重、熱膨張、収縮
等により処理中にその裏面のピン２の先端部が当たって
いる部分に傷が生じ、この傷が原因で裏面にスリップ３
が発生し、その結果、該スリップ３からシリコンウェー
ハ１の表面に向かって転位４が成長する。

【０００５】この転位４は、図６に示すように、スリッ
プ３が大きくなるにしたがって、その発生深さｄが浅く
なる、すなわち転位が表面に近い位置まで成長するとい
う性質があるので、ＲＴＡ処理に要する時間が長くなれ
ばなるほど、該スリップ３から発生する転位４はシリコ
ンウェーハ１の表面に向かって成長する。転位４が成長
してシリコンウェーハ１の表面に出てきてしまった場
合、この部分にデバイスが作り込まれると、デバイスの
特性が悪化し歩留まりが大きく低下することになる。ま
た、円環状のサセプタを用いた場合においても、図７に
示すように、シリコンウェーハ１の裏面の図示しない円
環状のサセプタとの境界部分に同様の円環状の傷５が発
生し、当該傷５からシリコンウェーハ１の表面に向かっ
て転位が発生する。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であって、シリコンウェーハの表面に転位等が生じるお
それが無く、この表面に作り込まれたデバイスの特性及
び信頼性が良好で、歩留まりの向上が可能なシリコンウ
ェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、次のようなシリコンウェーハの熱処理方
法及びシリコンウェーハを採用した。すなわち、本発明
の請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法は、窒
素をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急速冷却
の熱処理を施すことを特徴とする。

【０００８】この方法では、シリコンウェーハに予め窒
素をドープしておくか、もしくは急速加熱・急速冷却の
熱処理を施す工程の前に、イオン注入により窒素をドー
プする工程を設ける。前記窒素をドープしておく方法と
しては、ＣＶＤ法によりＳｉ上にＳｉ₃Ｎ₄膜を堆積した
ウェーハを溶融Ｓｉ中に混入させてＳｉ単結晶を引き上
げる方法が採られる。シリコンウェーハに窒素をドープ
することにより、シリコンウェーハ内部の酸素析出量が
促進され、その結果、従来より短時間で、従来と同量の
酸素析出量を有する酸素析出層が形成され、後工程のア
ニール時間を短縮することが可能になる。これにより、
裏面傷からの成長を抑制することが可能になり、転位が
シリコンウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。ま
た、シリコンウェーハの表面に転位等が生じないので、
この表面に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性が向
上することとなり、その結果、製品の歩留まりが向上す
る。

【０００９】シリコンウェーハに窒素をドープすると、
結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ：Crystal Origin
ated Particle）の大きさは、通常のシリコンウェーハ
のＣＯＰより小さくなるので、ランプアニールの様な短
時間の熱処理でも表層のＣＯＰは十分に消滅する。この
ＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニア
水と過酸化水素水の混合液で洗浄したときにシリコンウ
ェーハ表面に生じる結晶に起因したピットであり、電気
的特性、例えば、酸化膜の経時絶縁破壊特性（ＴＤＤ
Ｂ：Time Dependent Dielectric Breakdown）、酸化膜
耐圧特性（ＴＺＤＢ：Time Zero Dielectric Breakdow
n）等を劣化させる原因となる。

【００１０】また、このＣＯＰがシリコンウェーハ表面
に存在すると、半導体デバイスの配線工程において段差
を生じ、断線の原因となる。さらに、このＣＯＰが素子
分離部分に存在すると、リーク等の原因となり、製品の
歩留まりが低下する。それ故、ＣＯＰを減少させること
は、半導体デバイスの電気的特性及び歩留まりを向上さ
せるのに必要である。

【００１１】請求項２記載のシリコンウェーハの熱処理
方法は、請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法
において、前記急速加熱・急速冷却の熱処理の温度は、
１１００℃以上かつ１３００℃以下であることを特徴と
する。ここで、急速加熱・急速冷却の熱処理の温度を１
１００℃以上かつ１３００℃以下と限定した理由は、１
１００℃未満ではウェーハ中に十分な原子空孔を注入す
ることができず、したがって、酸素析出を期待すること
ができず、また、１３００℃を越えると、転位の成長速
度が速くなるためにシリコンウェーハの表面に転位が生
じるからである。

【００１２】請求項３記載のシリコンウェーハの熱処理
方法は、請求項１または２記載のシリコンウェーハの熱
処理方法において、前記急速加熱・急速冷却の熱処理の
時間は、１０秒以下であることを特徴とする。ここで、
急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を１０秒以下と限定
した理由は、窒素をドープしたシリコンウェーハにおい
ても、１０秒を越えると、前記熱処理の間に転位が成長
し、該転位がシリコンウェーハの表面に現れるからであ
る。

【００１３】請求項４記載のシリコンウェーハの熱処理
方法は、請求項１、２または３記載のシリコンウェーハ
の熱処理方法において、前記シリコンウェーハの窒素ド
ープ量は、１×１０¹¹／ｃｍ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃ
ｍ³以下であることを特徴とする。

【００１４】ここで、シリコンウェーハの窒素ドープ量
を１×１０¹¹／ｃｍ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃｍ³以下と
限定した理由は、１×１０¹¹／ｃｍ³未満では酸素析出
量が少なく十分なゲッタリングサイトが得られず、ま
た、１×１０¹⁵／ｃｍ³を越えるとシリコンウェーハの
導電型（ｐ型もしくはｎ型）が変わり、半導体ウェーハ
として不適当となるからである。

【００１５】請求項５記載のシリコンウェーハの熱処理
方法は、請求項１、２、３または４記載のシリコンウェ
ーハの熱処理方法において、前記シリコンウェーハは、
シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠
陥が支配的に存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的
に存在する領域をＶ、格子間シリコン型点欠陥の凝集体
及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領
域をＰとするとき、該パーフェクト領域（Ｐ）から切り
出されたシリコンウェーハであることを特徴とする。

【００１６】請求項６記載のシリコンウェーハの熱処理
方法は、請求項１、２、３または４記載のシリコンウェ
ーハの熱処理方法において、前記シリコンウェーハは、
結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ：Crystal Origin
ated Particle）を含む空孔型点欠陥が支配的に存在す
る領域から切り出されたシリコンウェーハであることを
特徴とする。

【００１７】請求項７記載のシリコンウェーハは、窒素
をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急速冷却の
熱処理を施してなるシリコンウェーハであって、酸素濃
度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１．２×１０¹⁸／ｃｍ³
以下であることを特徴とする。ここで、シリコンウェー
ハの酸素濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１．２×１
０¹⁸／ｃｍ³以下に限定した理由は、ＣＺ法で得られる
シリコンウェーハの酸素濃度の下限が１×１０¹⁷／ｃｍ
³であり、また、１．２×１０¹⁸／ｃｍ³を越えると析出
が過多となり、ウェーハとして不適当だからである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシリコンウェ
ーハの熱処理方法及びシリコンウェーハの一実施の形態
について図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実
施の形態のシリコンウェーハの熱処理方法が適用される
熱処理炉であり、図において、符号１１は熱処理が施さ
れるシリコンウェーハ、１２はシリコンウェーハ１１を
支持するピン、１３は該ピン１２及びそれに載置される
シリコンウェーハ１１を収納する反応室、１４は反応室
１３の外部に設けられてシリコンウェーハ１１を加熱す
るための赤外線ランプである。

【００１９】シリコンウェーハ１１は、シリコン単結晶
インゴットから切り出したウェーハに窒素（Ｎ）をドー
プしたものであって、シリコン単結晶インゴット内での
格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域をＩ、
空孔型点欠陥が支配的に存在する領域をＶ、格子間シリ
コン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在
しないパーフェクト領域をＰとしたとき、このパーフェ
クト領域（Ｐ）から切り出されたものである。このシリ
コンウェーハ１１は、ＣＯＰを含む空孔型点欠陥が支配
的に存在する領域から切り出してもよい。このシリコン
ウェーハ１１の窒素（Ｎ）のドープ量は、１×１０¹²／
ｃｍ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃｍ³以下である。

【００２０】ピン１２は、シリコンカーバイド（Ｓｉ
Ｃ）、あるいは無定形炭素（Ｃ）等で形成されたピン
で、シリコンウェーハ１１の裏面を３点支持するよう
に、３本のピン１２が３角形状に配置されている。反応
室１３には、シリコンウェーハ１１の表裏面双方に雰囲
気ガスｇを供給するための雰囲気ガス供給口１３ａ及び
供給された雰囲気ガスｇを排出するための雰囲気ガス排
出口１３ｂが設けられている。雰囲気ガスｇは、Ａｒ
（アルゴン）、Ｎ₂（窒素）、ＡｒとＮ₂との混合ガス等
の不活性ガスが好ましい。

【００２１】この熱処理炉によりシリコンウェーハ１１
に熱処理、特に急速加熱・急速冷却の熱処理（ＲＴＡ処
理）を施すには、ピン１２、１２、…にシリコンウェー
ハ１１を載置した後、反応室１３内に雰囲気ガス供給口
１３ａから雰囲気ガスｇを供給した状態で、赤外線ラン
プ１４でシリコンウェーハ１１を加熱することにより、
１１００℃以上かつ１３００℃以下の温度で１０秒以下
のＲＴＡ処理を施す。

【００２２】このＲＴＡ処理により、シリコンウェーハ
１１の内部には酸素が析出して重金属をトラップすると
ともに、表面には酸素が外方に向かって拡散するために
無欠陥層（ＤＺ層）が形成される。したがって、表面側
にはＤＺ層が形成され、内部には欠陥層（ＢＭＤ領域）
が形成された窒素ドープのシリコンウェーハ１１’が得
られる。

【００２３】図２はＲＴＡ処理時間（秒）とスリップの
長さとの関係を示す図、図３はＲＴＡ処理時間（秒）と
酸素（Ｏ₂）の析出量との関係を示す図であり、これら
の図より、スリップの長さと酸素（Ｏ₂）の析出量とは
相反する関係にあることが分かる。そこで、スリップの
大きさをできるだけ小さくすると共に、酸素（Ｏ₂）の
析出量を所定量確保するために、ＲＴＡ処理を最適に設
定する必要がある。この最適なＲＴＡ処理の条件は、転
位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い時
間、すなわち１０秒以下である。また、このときの温度
は、１１００℃以上かつ１３００℃以下である。

【００２４】このシリコンウェーハ１１’では、窒素を
ドープすることにより、酸素濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³
以上かつ１．２×１０¹⁸／ｃｍ³以下のシリコンウェー
ハ１１’内部の酸素析出量が、窒素をドープしないシリ
コンウェーハと比べて多く、その結果、熱処理時間を短
縮することが可能になり、転位がシリコンウェーハの表
面に現れるおそれが無くなる。しかも、窒素をドープし
ているのでＣＯＰが小さく、かつ、ＲＴＡ処理によって
表層のＣＯＰが消滅することとなり、ＴＤＤＢやＴＺＤ
Ｂ等を劣化させるおそれも無い。したがって、断線、リ
ーク等の不具合が生じるおそれが無くなり、製品の歩留
まりが高まる。

【００２５】このシリコンウェーハ１１’の表面からの
傷の深さ及び酸素析出量を測定したところ、傷の深さは
２０μｍ、酸素析出量は２．１×１０⁹／ｃｍ³であっ
た。一方、窒素をドープしないシリコンウェーハのＲＴ
Ａ処理後の表面からの傷の深さ及び酸素析出量を測定し
たところ、傷の深さは１８０μｍ、酸素析出量は８．５
×１０⁸／ｃｍ³であった。以上により、本実施形態のシ
リコンウェーハ１１’が傷の面密度及び酸素析出量共に
優れていることが分かった。

【００２６】本実施形態のシリコンウェーハの熱処理方
法によれば、窒素をドープしたシリコンウェーハ１１に
ＲＴＡ処理を施すので、シリコンウェーハ内部の酸素析
出量を促進することができ、その結果、転位がシリコン
ウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。また、シリ
コンウェーハの表面に転位等が生じないので、この表面
に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性を向上させる
ことができ、引いては製品の歩留まりを向上させること
ができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のシリコン
ウェーハの熱処理方法によれば、窒素をドープしたシリ
コンウェーハに急速加熱・急速冷却の熱処理を施すの
で、シリコンウェーハ内部の酸素析出量を促進すること
ができ、アニール時間を短縮することができる。その結
果、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無
くなる。また、シリコンウェーハの表面に転位等が生じ
ないので、この表面に作り込まれたデバイスの特性及び
信頼性を向上させることができ、製品の歩留まりを向上
させることができ、製品のコストダウンを図ることがで
きる。

【００２８】本発明のシリコンウェーハによれば、酸素
濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１ ．２×１０¹⁸／ｃ
ｍ³以下としたので、表面に転位等が無く、結晶性に優
れている。このシリコンウェーハの表面にデバイスを作
り込むと、デバイスの特性及び信頼性が向上し、その結
果、製品の歩留まりが向上し、製品のコストダウンを図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態のシリコンウェーハの熱
処理方法が適用される熱処理炉を示す概略構成図であ
る。

【図２】 ＲＴＡ処理時間（秒）とスリップの長さとの
関係を示す図である。

【図３】 ＲＴＡ処理時間（秒）と酸素（Ｏ₂）の析出
量との関係を示す図である。

【図４】 従来のＲＴＡ処理におけるシリコンウェーハ
の３点支持の状態を示す側面図である。

【図５】 従来の３点支持の不具合の例を示す断面図で
ある。

【図６】 従来の転移発生深さ（ｄ）とスリップの長さ
との関係を示す図である。

【図７】 従来のサセプタ支持の不具合の例を示す平面
図である。

【符号の説明】

１ シリコンウェーハ ２ ピン ３ スリップ ４ 転位 ５ 円環状の傷 １１ シリコンウェーハ １２ ピン １３ 反応室 １３ａ 雰囲気ガス供給口 １３ｂ 雰囲気ガス排出口 １４ 赤外線ランプ ｇ 雰囲気ガス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素をドープしたシリコンウェーハに急
   速加熱・急速冷却の熱処理を施すことを特徴とするシリ
   コンウェーハの熱処理方法。
2. 【請求項２】 前記急速加熱・急速冷却の熱処理の温度
   は、１１００℃以上かつ１３００℃以下であることを特
   徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方
   法。
3. 【請求項３】 前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間
   は、１０秒以下であることを特徴とする請求項１または
   ２記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
4. 【請求項４】 前記シリコンウェーハの窒素ドープ量
   は、１×１０¹¹／ｃｍ ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃｍ³以下
   であることを特徴とする請求項１、２または３記載のシ
   リコンウェーハの熱処理方法。
5. 【請求項５】 前記シリコンウェーハは、シリコン単結
   晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に
   存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的に存在する領
   域をＶ、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点
   欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域をＰとする
   とき、該パーフェクト領域（Ｐ）から切り出されたシリ
   コンウェーハであることを特徴とする請求項１、２、３
   または４記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
6. 【請求項６】 前記シリコンウェーハは、結晶に起因す
   るパーティクル（ＣＯＰ：Crystal Originated Particl
   e）を含む空孔型点欠陥が支配的に存在する領域から切
   り出されたシリコンウェーハであることを特徴とする請
   求項１、２、３または４記載のシリコンウェーハの熱処
   理方法。
7. 【請求項７】 窒素をドープしたシリコンウェーハに急
   速加熱・急速冷却の熱処理を施してなるシリコンウェー
   ハであって、 酸素濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１．２×１０¹⁸
   ／ｃｍ³以下であることを特徴とするシリコンウェー
   ハ。