JP2003257984A - シリコンウェーハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンウェーハ及びその製造方法におい
て、表裏面近傍に高密度の析出層を形成し、一方、極め
て酸素析出物が少ないＤＺ層を得ること。 【解決手段】 少なくとも表面の近傍に内部より空孔濃
度が高い高空孔層が形成され、前記高空孔層は、その空
孔濃度が２×１０¹²個／ｃｍ³以上である。

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
を雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成し、さら
に熱処理して表面にＤＺ(Denuded Zone)層を形成するシ
リコンウェーハ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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たシリコンウ
ェーハは、酸素不純物（格子間酸素等）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、以下、ＢＭＤとも称す)
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
なって半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。

【０００３】このため、従来、シリコンウェーハに対
し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の
熱処理（ＲＴＡ）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に
過剰空孔（Ｖａｃａｎｃｙ：以下、空孔又はＶａｃａｎ
ｃｙとも称す）を埋設するとともに、この後の熱処理で
表面において格子間酸素を外方拡散させることによりＤ
Ｚ層（無欠陥層）を均一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）。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温
で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核
を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層
を形成する工程が採用されている。従来、ＲＴＡ処理に
よりウェーハ内部には、通常１×１０¹²程度の空孔濃度
の層が形成され、この後の熱処理により当該層にＢＭＤ
層が形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
処理方法では、以下のような課題が残されている。すな
わち、従来、熱処理によりＤＺ層を形成する際に、格子
間酸素の外方拡散により表層の低酸素化し、あるいは表
層を酸化して原子空孔のシンクとして作用させ、析出を
抑えているが、このように形成された無欠陥層といわれ
ている従来のＤＺ層でも、実際には空孔が僅かながら存
在しているためにこの空孔に起因した析出が生じて完全
な無欠陥層とはなっていない。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、表層の格子間酸素濃度を下げたり、表層を酸化し
て原子空孔のシンクとして作用させるだけでなく、表層
近傍に積極的にＢＭＤを形成させることにより、そのＢ
ＭＤから放出される格子間シリコンＳｉｉとＶａｃａｎ
ｃｙの対消滅により、極めて酸素析出物が少ないＤＺ層
を得ることができるシリコンウェーハ及びその製造方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明
のシリコンウェーハは、少なくとも表面の近傍に内部よ
り空孔濃度が高い高空孔層が形成され、前記高空孔層
は、その空孔濃度が２×１０¹²個／ｃｍ³以上であるこ
とを特徴とする。また、本発明のシリコンウェーハの製
造方法は、シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理し
て少なくとも表面の近傍に内部より空孔濃度が高い高空
孔層を形成する空孔形成工程を備え、該空孔形成工程
は、前記高空孔層の空孔濃度を２×１０¹²個／ｃｍ³以
上にすることを特徴とする。

【０００７】これらのシリコンウェーハ及びシリコンウ
ェーハの製造方法は、高空孔層の空孔濃度が２×１０¹²
個／ｃｍ³以上となるので、この後にＤＺ層形成及び酸
素析出のための熱処理を行えば、高空孔層領域で形成さ
れた高密度のＢＭＤ層から格子間シリコンが表面側に拡
散して表層に残っていた空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）と対消
滅して、表層に空孔に起因するＢＭＤが非常に少ないＤ
Ｚ層を形成することができる。なお、２×１０¹²個／ｃ
ｍ³以上としたのは、２×１０¹²個／ｃｍ³より濃度が低
いと、対消滅の効果が十分に得られるほど高空孔層領域
で形成された高密度のＢＭＤ層から格子間シリコンの拡
散が生じないためである。

【０００８】また、本発明のシリコンウェーハは、前記
空孔層の空孔濃度の最も高い領域は、表裏面からそれぞ
れ１５０μｍ以内にある技術が採用される。すなわち、
このシリコンウェーハでは、空孔層の空孔濃度の最も高
い領域が、表裏面からそれぞれ１５０μｍ以内にあるの
で、デバイス作製領域の近傍にＢＭＤ密度の高密度部が
存在し、より効果的にゲッタリング効果を得ることがで
きる。

【０００９】また、本発明のシリコンウェーハの製造方
法は、上記本発明のシリコンウェーハに熱処理を施して
前記高空孔層を酸素析出物層とすると共に、少なくとも
表面に無欠陥層を形成することを特徴とする。また、本
発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記空孔形成工
程後に、熱処理を施して高空孔層を酸素析出物層とする
と共に、少なくとも表面に無欠陥層を形成する熱処理工
程を備えていることを特徴とする。

【００１０】これらのシリコンウェーハの製造方法で
は、熱処理により高空孔層が酸素析出物層とされると共
に、表面に無欠陥層が形成されるので、上述したよう
に、ＢＭＤが非常に少ない無欠陥層を得ることができ
る。

【００１１】また、本発明のシリコンウェーハの製造方
法は、表面から前記無欠陥層厚の１／２の深さにおける
酸素濃度を、ウェーハ厚さ方向中央のバルク領域におけ
る酸素濃度の７０％以下にする技術が採用される。すな
わち、このシリコンウェーハの製造方法では、表面から
前記無欠陥層厚の１／２の深さにおける酸素濃度を、ウ
ェーハ厚さ方向中央のバルク領域における酸素濃度の７
０％以下にするので、後のデバイス作製工程等における
熱処理によって無欠陥層（ＤＺ層）にＢＭＤが析出する
ことを防ぐことができる。なお、無欠陥層の幅（層厚）
は、光学顕微鏡によって表面からＢＭＤが３個目までの
幅と規定している。

【００１２】また、本発明のシリコンウェーハの製造方
法は、前記空孔形成工程の前記雰囲気ガスが、Ｎ₂が分
解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガスを含むこと
が好ましい。このシリコンウェーハの製造方法では、雰
囲気ガスが、Ｎ₂が分解可能な温度よりも低い分解温度
の窒化ガス、例えばＮＨ₃、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、Ｎ₂Ｏ₂、ヒド
ラジン又はジメチルヒドラジン等を含むので、Ｎ₂の場
合よりも低い熱処理温度又は短い熱処理時間でも窒化ガ
スが分解されてシリコンウェーハ表面を窒化（窒化膜を
形成）し、内部にＶａｃａｎｃｙを注入することがで
き、熱処理時のスリップ発生を抑制することができる。

【００１３】さらに、本発明のシリコンウェーハの製造
方法は、前記窒化ガスが、ＮＨ₃を含むことが好まし
い。このシリコンウェーハの熱処理方法では、ＮＨ₃を
含んだ窒化ガスを用いることにより、ＮＨ₃が分解して
生じたＨ（水素）がシリコンウェーハ表面の自然酸化膜
等を除去するクリーニング効果を有しているため、さら
に表面の窒化及びＶａｃａｎｃｙの注入が促進される。
また、ＮＨ₃には自然酸化膜を窒化させる効果があり、
Ｖａｃａｎｃｙの注入が促進される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシリコンウェ
ーハ及びその製造方法の一実施形態を、図１から図６を
参照しながら説明する。

【００１５】図１にあって、符号１はサセプタ、２は反
応室を示している。図１は、本発明のシリコンウェーハ
の熱処理方法を実施するための枚葉式の熱処理炉を示す
ものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコ
ンウェーハＷを載置可能な円環状のサセプタ１と、該サ
セプタ１を内部に収納した反応室２とを備えている。な
お、反応室２の外部には、シリコンウェーハＷを加熱す
る赤外線ランプ３が配置されている。

【００１６】サセプタ１は、シリコンカーバイト等で形
成されており、内側に段部１ａが設けられ、該段部１ａ
上にシリコンウェーハＷの周縁部を載置するようになっ
ている。反応室２には、シリコンウェーハＷの表面に雰
囲気ガスＧを供給する供給口２ａ及び供給された雰囲気
ガスＧを排出する排出口２ｂとが設けられている。ま
た、供給口２ａは、雰囲気ガスＧの供給源４に接続され
ている。

【００１７】雰囲気ガスＧは、窒化ガスを含むものであ
ればよく、特にＮ₂が分解可能な温度よりも低い分解温
度の窒化ガス、例えばＮＨ₃、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、Ｎ₂Ｏ₂、ヒ
ドラジン、ジメチルヒドラジン等やこれらの混合ガス又
はこれらの窒化ガスとＡｒ（アルゴン）、Ｎ₂（窒
素）、Ｏ₂（酸素）、Ｈ₂（水素）等との混合ガスが好ま
しい。上記低分解温度の窒化ガスを含む雰囲気ガスの場
合、Ｎ₂の場合に比べて低い熱処理温度でも窒化ガスが
十分に分解して表面を窒化、すなわち窒化膜を形成して
内部にＶａｃａｎｃｙを十分に注入することができ、熱
処理温度の低温化及び熱処理時間の短縮化が可能であっ
て、スリップ等を抑制することができる。

【００１８】なお、ＮＨ₃を主とした雰囲気ガスＧを用
いることにより、ＮＨ₃が分解して発生したＨがシリコ
ンウェーハＷ表面の自然酸化膜等を除去するクリーニン
グ効果を有しているため、さらに表面の窒化及びＶａｃ
ａｎｃｙの注入が促進される。また、ＮＨ₃には自然酸
化膜を窒化させる効果があり、Ｖａｃａｎｃｙの注入が
促進される。

【００１９】この熱処理炉によりシリコンウェーハＷに
熱処理、特に急加熱及び急冷却の熱処理を施すには、サ
セプタ１にシリコンウェーハＷを載置した後、供給口２
ａから上記雰囲気ガスＧをシリコンウェーハＷの表面に
供給した状態で、１０００℃から１３５０℃までの範囲
の熱処理温度かつ１ｓｅｃから５ｍｉｎまでの範囲の熱
処理時間で、短時間の急速加熱・急冷（例えば、５０℃
／秒の昇温又は降温）のＲＴＡ(Rapid Thermal Anneali
ng)処理を行う。このＲＴＡ処理により、図２及び図３
に示すように、シリコンウェーハＷ内にＶａｃａｎｃｙ
（空孔）が注入される。

【００２０】本実施形態では、上記ＲＴＡ処理により、
シリコンウェーハＷの表面近傍において空孔濃度が少な
くとも５×１０¹²個／ｃｍ³以上の非常に高濃度となる
ように熱処理温度及び熱処理時間を設定する。なお、１
×１０¹³個／ｃｍ³以上となるように熱処理温度及び熱
処理時間を設定することがより好ましい。例えば、Ａｒ
／Ｎ₂の混合ガスを雰囲気ガスＧとして用いている場合
には、１２５０℃以上で熱処理を行う。上記ＲＴＡ処理
により、特に表面近傍に内部よりも空孔濃度が高く該濃
度が５×１０¹²個／ｃｍ³以上の高空孔層１１が形成さ
れる。

【００２１】また、高空孔層１１の空孔濃度の最も高い
領域は、表裏面からそれぞれ１５０μｍ以内に形成され
る。すなわち、高空孔層１１の空孔濃度の最も高い領域
が、表裏面からそれぞれ１５０μｍ以内にあるので、デ
バイス作製領域の近傍にＢＭＤ密度の高密度部が形成さ
れ、より効果的にゲッタリング効果を得ることができ
る。

【００２２】次に、ＤＺ層及び酸素析出のための熱処理
（例えば、８００℃４時間の熱処理及びその後に１００
０℃１６時間行う熱処理）を行う。この熱処理は、上記
ＲＴＡ処理の熱処理より低い温度で行われ、空孔への酸
素析出を行うために熱処理であって、この熱処理により
酸素析出核の安定を図り、さらに長時間の熱処理を施す
ことにより、析出物の成長を行うものである。

【００２３】この熱処理の際、図４及び図５に示すよう
に、酸素の外方拡散や表裏面にＶａｃａｎｃｙの外方拡
散でＤＺ層１２が形成され、またこれらのＤＺ層１２に
近接する内部に高ＢＭＤ（酸素析出物）濃度を有する高
ＢＭＤ層１３が形成される。すなわち、ＲＴＡ処理で上
記のような高濃度の空孔を注入しておくことにより、Ｄ
Ｚ層形成及び酸素析出のための熱処理の際に、ＤＺ層１
２近接領域に形成された両高ＢＭＤ層１３に、図６に示
すように、多くの格子間シリコンＳｉｉ及び酸素析出物
Ｏｉが生じる。同時に、両高ＢＭＤ層１３の多くの格子
間シリコン（Ｓｉｉ）は、両高ＢＭＤ層１３の外側に拡
散し、ＤＺ層１２中に残っていた空孔Ｖと対消滅する
（図中の破線で囲んだ部分）。したがって、ＤＺ層１２
中の空孔Ｖが消滅してこれに起因する酸素析出物が非常
に少なくなる。

【００２４】また、ＤＺ層及び酸素析出のための上記熱
処理では、表面からＤＺ層厚の１／２の深さにおける酸
素濃度を、ウェーハ厚さ方向中央のバルク領域における
酸素濃度の７０％以下となるように設定している。すな
わち、ＤＺ層１２の酸素濃度を上記のように設定するこ
とにより、後のデバイス作製工程等における熱処理によ
ってＤＺ層１２にＢＭＤが析出することを防ぐことがで
きる。

【００２５】このようにして作製された本実施形態のシ
リコンウェーハＷは、空孔形成の熱処理において高空孔
層１１の空孔濃度を２×１０¹²個／ｃｍ³以上とするの
で、この後にＤＺ層形成及び酸素析出のための熱処理に
より、高空孔層１１の領域で形成された高密度のＢＭＤ
層から格子間シリコンＳｉｉが表面側に拡散して表層に
残っていた空孔Ｖと対消滅して、表層に空孔Ｖに起因す
るＢＭＤが非常に少ないＤＺ層１２を形成することがで
きる。

【００２６】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。上
記ＤＺ層形成又は酸素析出のための熱処理をデバイス作
製工程前に特に行わず、その後のデバイス作製工程に伴
って行われる熱処理で行っても構わない。また、プラズ
マ化した上記窒化ガスを雰囲気ガスとしてもよい。この
場合、上記窒化ガスがプラズマ化して活性化されている
ため、さらに表面の窒化及びＶａｃａｎｃｙの注入が促
進される。また、雰囲気ガスが三種類以上の混合ガスで
ある場合は、そのうちの一種類以上がＮ₂やＮＨ₃等の窒
化ガスであればよい。

【００２７】また、雰囲気ガスが二種類以上の混合ガス
である場合は、含まれる窒化ガスは０．５％以上又は１
０ｓｃｃｍ以上で絶対量の少ない方の量とされることが
好ましい。すなわち、この範囲での窒化反応は反応律速
であり、この最低限以上の窒化性のガスを含んでいれ
ば、ウェーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、
その結果、導入される原子空孔濃度は同じで、析出量は
同じである。なお、これ以下の０．０５％以上０．５％
未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１０ｓｃｃｍ以下の範囲
では、窒化膜厚は同一温度及び時間であれば、窒素の分
圧により、窒化量が変化する。したがって、この領域
は、拡散律速であり、窒素量により析出量をコントロー
ルすることができる。

【００２８】また、上記雰囲気ガスの圧力は、減圧、常
圧又は加圧のいずれの状態でもよい。また、上記実施形
態によりウェーハ表面に形成される窒化膜、酸窒化膜
は、Ｓｉ₃Ｎ₄を代表とするＳｉ_xＮ_yである。また、酸化
膜を窒化した場合には、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏを代表とするＳｉ₂
Ｎ_xＯ_4-1.5xが形成される。

【００２９】また、この窒化膜は、酸窒化膜（シリコン
酸化窒化膜）でもよく、さらに窒化膜中に水素が含まれ
ていても構わない。なお、上記実施形態では、熱処理前
のシリコンウェーハ表面に自然酸化膜が形成されている
場合があるが、自然酸化膜程度の酸化膜であれば上述し
たようにＮＨ₃等のクリーニング効果や酸化膜の窒化に
より十分なＶａｃａｎｃｙ注入効果を得ることができ
る。しかしながら、ＮＨ₃等の上記窒化ガスによる熱処
理前に酸素を含む雰囲気ガス等で熱処理をして自然酸化
膜よりも厚い酸化膜がシリコンウェーハ表面に形成され
ていると、ＮＨ₃等の表面窒化作用によるＶａｃａｎｃ
ｙ注入効果を十分に得ることができない。これは、表面
の酸化膜が厚いため、ＮＨ₃等の雰囲気ガスで熱処理し
ても良好なＶａｃａｎｃｙ注入効果が可能な窒化膜（酸
窒化膜を含む）がＳｉ表面に形成できないためである。
したがって、本実施形態におけるＮＨ₃等の上記窒化ガ
スによる熱処理前に、自然酸化膜より厚い酸化膜をシリ
コンウェーハに積極的に形成したり、当該熱処理前に酸
素を含む雰囲気ガス中で熱処理するような処理工程を行
うことは好ましくない。また、本実施形態において、Ｎ
Ｈ₃等の上記窒化ガスを反応室に供給する前に、雰囲気
ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理工程を行う
ことが好ましい。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハ及びその製造方法によれば、
高空孔層の空孔濃度が２×１０¹²個／ｃｍ³以上となる
ので、この後にＤＺ層形成及び酸素析出のための熱処理
を行うことによって、高空孔層領域で形成された高密度
のＢＭＤ層から格子間シリコンが表面側に拡散して表層
の空孔と対消滅して、ＢＭＤが非常に少ないＤＺ層を形
成することができ、高品質なウェーハを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体
断面図である。

【図２】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態における空孔形成後の厚さ方向の空孔
濃度を示すグラフである。

【図３】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態における空孔形成後のシリコンウェー
ハを示す要部断面図である。

【図４】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態におけるＤＺ層及びＢＭＤ形成後の厚
さ方向のＢＭＤ濃度を示すグラフである。

【図５】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態におけるＤＺ層及びＢＭＤ形成後のシ
リコンウェーハを示す要部断面図である。

【図６】 本発明に係るシリコンウェーハ及びその製造
方法の一実施形態におけるＤＺ層及びＢＭＤ形成時の格
子間シリコンと空孔との対消滅を説明するための概念図
である。

【符号の説明】

１ サセプタ ２ 反応室 ３ 赤外線ランプ ４ 雰囲気ガスの供給源 １１ 高空孔層 １２ ＤＺ層 １３ 高ＢＭＤ層 Ｇ 雰囲気ガス Ｗ シリコンウェーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 亘 東京都港区芝浦一丁目２番１号 三菱住友 シリコン株式会社内 (72)発明者 長谷川 健 東京都港区芝浦一丁目２番１号 三菱住友 シリコン株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも表面の近傍に内部より空孔濃
   度が高い高空孔層が形成され、 前記高空孔層は、その空孔濃度が２×１０¹²個／ｃｍ³
   以上であることを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシリコンウェーハにお
   いて、 前記空孔層の空孔濃度の最も高い領域は、表裏面からそ
   れぞれ１５０μｍ以内にあることを特徴とするシリコン
   ウェーハ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のシリコンウェー
   ハに熱処理を施して前記高空孔層を酸素析出物層とする
   と共に、少なくとも表面に無欠陥層を形成することを特
   徴とするシリコンウェーハの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のシリコンウェーハの製
   造方法において、 表面から前記無欠陥層厚の１／２の深さにおける酸素濃
   度を、ウェーハ厚さ方向中央のバルク領域における酸素
   濃度の７０％以下にすることを特徴とするシリコンウェ
   ーハの製造方法。
5. 【請求項５】 シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処
   理して少なくとも表面の近傍に内部より空孔濃度が高い
   高空孔層を形成する空孔形成工程を備え、 該空孔形成工程は、前記高空孔層の空孔濃度を２×１０
   ¹²個／ｃｍ³以上にすることを特徴とするシリコンウェ
   ーハの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のシリコンウェーハの製
   造方法において、 前記空孔形成工程後に、熱処理を施して高空孔層を酸素
   析出物層とすると共に、少なくとも表面に無欠陥層を形
   成する熱処理工程を備えていることを特徴とするシリコ
   ンウェーハの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載のシリコンウェー
   ハの製造方法において、 前記空孔形成工程の前記雰囲気ガスは、Ｎ₂が分解可能
   な温度よりも低い分解温度の窒化ガスを含むことを特徴
   とするシリコンウェーハの製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のシリコンウェーハの製
   造方法において、 前記窒化ガスは、ＮＨ₃を含むことを特徴とするシリコ
   ンウェーハの製造方法。
9. 【請求項９】 請求項７又は８に記載のシリコンウェー
   ハの製造方法におい て、前記窒化ガスは、ブラズマ化されていることを特徴
   とするシリコンウェーハの製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項３から９のいずれかに記載のシ
    リコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴
    とするシリコンウェーハ。