JP2006261192A

JP2006261192A - シリコンウェーハの処理方法及び該方法を実施する装置

Info

Publication number: JP2006261192A
Application number: JP2005072770A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kaneda; 寛金田; Katsuto Tanahashi; 克人棚橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】シリコンウェーハの処理方法及び該方法を実施する装置に関し、ＤＺ幅と酸素析出物密度をそれぞれ別個に制御することを可能にして、デバイスにとって最適のＤＺ幅と最適の酸素析出物密度とをもつシリコンウェーハを実現させ、デバイスの高性能化に寄与しようとする。
【解決手段】酸素を含むシリコンウェーハ４に波長が７μｍ以上２５μｍ以下の赤外線を赤外線照射源３から照射しつつ，フラッシュランプからなる加熱源２に依って、室温以上に加熱することが基本になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を含むシリコンウェーハ内部の欠陥密度を制御することを可能にしたシリコンウェーハの処理方法及び該方法を実施する装置に関する。

現在、シリコンデバイス用のウェーハとして、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ）法で作製されたウェーハ（以下、ＣＺウェーハと呼ぶ）が用いられている。

一般に、ＣＺ法で作製されるシリコンウェーハには、シリコン結晶成長時に石英坩堝から融液に溶け込んでシリコン結晶内に混入された酸素が含まれている。

そのようなシリコンウェーハには、結晶成長の冷却過程とデバイスを作製するときの加熱・冷却工程において、酸素析出物が生成され、そして、酸素析出物の周りには、シリコンマトリックスとの体積差によって、歪場（応力場）が発生する。

この歪場は、重金属原子を引きつけて捕獲するという作用があり、これをイントリンシック・ゲッタリングと呼ばれている（以下、単にゲッタリングと呼ぶ）。

重金属原子がデバイスの活性層に存在するとリーク電流の原因となり、デバイスの動作不良を引き起こす。

そこで、重金属原子を低減するために製造プロセスのクリーン化が行われているのであるが、酸化・拡散炉の炉芯管等から不可避的に混入するため、シリコンウェーハによるゲッタリングは不可欠である。

シリコンウェーハに高いゲッタリング能力を付加する為には、ウェーハ中に高密度な酸素析出物を生成させることが必要なのであるが、デバイス活性層に酸素析出物が存在した場合、リーク不良や耐圧不良の原因となるため、デバイス活性層は無欠陥域にする必要がある。

このような無欠陥域のことをデヌーデッドゾーン（ｄｅｎｕｄｅｄｚｏｎｅ：ＤＺ）或いはＤＺと呼び、また、表面からのＤＺの深さをＤＺ幅と呼んでいる。また、酸素析出物はデバイスの加熱工程で過飽和になった酸素が凝集することによって形成される。

ウェーハ内部に高密度の酸素析出物を生成させ、且つ、デバイス活性層、即ち、ウェーハ表層を無欠陥とするために、次の３段階の熱処理が施される。

１）第１段階で１１００℃から１２００℃の高温加熱を行い、外方拡散により表層の酸素濃度を低下させ、表層には酸素析出物が形成されないようにする、２）第２段階で６００℃〜８００℃の加熱を行い、酸素析出物の核を形成する、３）第３段階で１１００℃程度の加熱を行い酸素析出物を成長させる。

このような加熱条件により、ウェーハ表層は無欠陥となり、且つ、内部には高密度の酸素析出物が生成されている高ゲッタリング機能を有するシリコンウェーハを作製することが可能である。

ところで、前記説明した手段に依れば、３段階の加熱によってＤＺと酸素析出物高密度領域（ウェーハ内部）を同時に形成するので、ＤＺ幅と酸素析出物密度を個々に制御することは不可能である。

通常、デバイスが必要とするＤＺ幅と酸素析出物密度とは相関がないから、前述の方法では、デバイスにとって最適なＤＺ幅と最適な酸素析出物密度を実現することは不可能である。

本発明では、ＤＺ幅と酸素析出物密度をそれぞれ別個に制御することを可能にして、デバイスにとって最適のＤＺ幅と最適の酸素析出物密度とをもつシリコンウェーハを実現させ、デバイスの高性能化に寄与しようとする。

本発明者らは、シリコンウェーハを加熱する際、波長が７μｍ〜２５μｍの赤外線を照射して加熱すると酸素析出物の生成が抑制されることを見出した。

その機構としては、赤外線が照射された領域が加熱されて酸素の平衡濃度が上昇して不飽和となるため、酸素析出物が形成されないことが考えられる。

この知見に基づき、半導体装置を作製する場合の加熱工程で、上記赤外線を照射したところ、酸素析出物の生成を抑制することが可能であり、従って、酸素析出物の密度、そして、ＤＺ幅を制御できることが判った。

前記した赤外線の波長が７μｍ〜２５μｍの場合に前記のような抑制効果が得られる理由は、シリコン結晶の赤外線吸収波長領域がおおよそ７μｍ〜２５μｍであることに起因するものと考えられる。

前記したところから、本発明のシリコンウェーハの処理方法及びその方法を実施する装置に於いては、酸素を含むシリコンウェーハに波長が７μｍ以上２５μｍ以下の赤外線を照射しつつ室温以上で加熱することを基本としている。

前記手段を採ることに依り、ＤＺ幅と酸素析出物密度をそれぞれ別個に制御することが可能となり、デバイスにとって最適のＤＺ幅と最適の酸素析出物密度とをもつシリコンウェーハを簡単且つ容易に実現させることができるので、このシリコンウェーハを用いることで、高性能のデバイスを安価に製造することができる。

図１は本発明に依るシリコンウェーハの処理に用いる赤外線照射機能付き加熱装置を表す要部説明図であり、図に於いて、１は加熱炉、２はフラッシュランプからなる加熱源、３は赤外レーザからなる赤外線照射源、４は試料であるシリコンウェーハをそれぞれ示している。

図示の加熱装置を用い、シリコンウェーハ４の一部に赤外線を照射しつつ、ランプ加熱を行って処理した。表１は赤外線の照射条件を、表２は加熱条件をそれぞれ纏めたものである。

図２は赤外線の照射部及び非照射部のそれぞれにおける酸素の深さ方向プロファイルを表す線図であり、このデータは、二次イオン質量分析法、即ち、ＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法で定量して得たものである。

酸素析出物はシリコンマトリックス中よりも酸素濃度が高いため、ＳＩＭＳ測定の深さプロファイルに於いて、図中矢印で示したようなスパイクとなって現れる。

図２の赤外線非照射部の線図に於いて、表面からの深さが約８μｍのところにスパイクが出現し、内部に向かってスパイクの密度が増大しているのが看取され、これは赤外線非照射部では約８μｍのＤＺが形成され、それより深いところでは高密度の酸素析出物が存在することを示すものである。

これに対し、赤外線照射部におけるＳＩＭＳプロファイルには、酸素のスパイクが全く見られず、表面から内部にわたって酸素析出が抑制されていることが分かる。赤外線の照射条件（波長、強度、時間）を調整すれば図２における照射部・非照射部のみならず任意の析出状態（ＤＺ幅と酸素析出物密度）を作り出すことが可能である。

当然のことながら、このような酸素析出の抑制効果を得るには、一定の値以上の赤外線強度（単位時間に照射される単位面積当たりのエネルギー）が必要であり、本発明者等の実験によれば、少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ²（ 0.１Ｗ／ｃｍ²）以上が必要であることが判った。

また、現実的な観点から、抑制効果が最も強く引き出される照射条件と加熱温度においても、照射時間としては、最低でも１０秒以上が必要であることが経験的に判明した。加熱処理は、少なくとも、シリコン結晶中の酸素原子が拡散運動をすることができる程度にした上で、実施しなければならないので、最低必要加熱温度は２００℃付近と算定されるのであるが、理論的解析によれば、レーザ強度を実用的な範囲で高めることによって、この温度は室温付近にまで下げることが可能である。

ここで、本発明を実施した場合に於いて、
（Ａ）ＤＺ幅と酸素析出物密度の深さ方向制御
（Ｂ）ＤＺ幅と酸素析出物密度の面内制御
（Ｃ）プロセスドウェーハに於けるＤＺ幅と酸素析出物密度の制御
の３項目について更に詳細に説明する。

（Ａ）ＤＺ幅と酸素析出物密度の深さ方向制御
これまではＤＺ幅と酸素析出物密度を個々に制御することは不可能であったが、本発明によれば、ＤＺ幅と酸素析出物密度を個々に制御することができる。一般に、デバイスの品種とテクノロジーによって、必要とするデバイス活性層の特性、即ち、ＤＺ幅とゲッタリング能力（酸素析出物密度）は様々であり、本発明では、デバイスに応じてＤＺ幅と酸素析出物密度を個々に制御可能であるから、デバイスの製造歩留まり、及び、信頼性は向上する。

（Ｂ）ＤＺ幅と酸素析出物密度の面内制御
通常、半導体装置を作製する際の加熱工程では、加熱によって生じる熱応力が原因となってスリップが発生するのを防ぐ為、加熱温度の均一性が要求される。これは、換言すると、加熱によって形成される酸素析出物の分布がウェーハ面内に亙って均一であることを示すものである。

酸素析出物は重金属原子のゲッタリング源となることは前記した通りであるが、そのような酸素析出物は、トランジスタ直下に在ることが好ましい。また、酸素析出物の他の働きとして、シリコンマトリックス中のスリップ伝播の抑制がある。

半導体装置を作製する際の加熱工程では、主にウェーハ支持位置からスリップが発生する。従って、その近傍には酸素析出物が高密度に存在することが好ましい。然しながら、その反面で、巨大な酸素析出物は、それ自身がスリップの発生源となる。このように、ウェーハ面内の場所によっても必要とする酸素析出物の密度は異なる。

本発明に依れば、照射する赤外線の径をウェーハ径以下とし、照射位置を変えることにより、これまでは不可能であった酸素析出物密度の面内分布の制御（同じ意味としてＤＺ幅の面内分布の制御）が可能である。

（Ｃ）プロセスドウェーハにおけるＤＺ幅と酸素析出物密度の制御
一般に、鏡面研磨状態のウェーハを作り上げた後、ウェーハ表層の品質向上を目的として熱処理を施したウェーハのことをプロセスド（ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ）ウェーハ、又は、アニールドウェーハと呼んでいる。

１９９５年、成長直後のＣＺシリコン結晶にボイド欠陥が見出された。ボイド欠陥がウエハ表層のデバイス活性領域に存在する場合、そのボイド欠陥は、「ｃｒｙｓｔａｌｏｒｉｇｉｎａｔｅｄｐａｒｔｉｃｌｅ」、の頭文字をとってＣＯＰと呼ばれている。

ＣＯＰは酸化膜耐圧を低下させる致命的な欠陥であることが判明し、そして、ＣＯＰが存在する限り、その後のプロセスでデバイス微細化は達成できないという深刻な問題に直面した。

この問題の解決策の1 つとして提案されたのがアニールドウェーハである。アニールドウェーハとは、非酸化性雰囲気で温度１１００℃、時間１〜４時間程度として熱処理を施し、表層のＣＯＰを消滅させたウェーハである。

このような熱処理は、酸素析出物が成長する典型的な温度及び時間であるため、アニールドウェーハの内部には酸素析出物が形成されている。微細化の進んだシリコンデバイスでは、アニールドウェーハをスターティングマテリアルとして用いることが多い。

ところで、微細化の進んだシリコンデバイスでは、浅い接合形成のため、プロセスに於ける熱負荷が軽減している。したがって、アニールドウェーハ中の酸素析出物の密度、延いては、ＤＺ幅を変えることが難しくなってきている。

然しながら、本発明に依れば、赤外線照射に依って酸素析出物を消滅させることができる為、熱負荷が低減したプロセスでも酸素析出物密度とＤＺ幅をコントロールすることが可能であり、主として、酸素析出物密度を低下させ、また、ＤＺ幅を広くしている。

本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。

（付記１）
酸素を含むシリコンウェーハに波長が７μｍ以上２５μｍ以下の赤外線を照射しつつ室温以上で加熱すること
を特徴とするシリコンウェーハの処理方法。

（付記２）
シリコンウェーハの照射面における赤外線の強度が１００ｍＷ／ｃｍ²以上であることを特徴とする（付記１）記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記３）
加熱時間が１０秒以上であること
を特徴とする（付記１）或いは（付記２）記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記４）
シリコンウェーハは、赤外線照射前に１×１０⁵個／ｃｍ³以上の酸素析出物を含有すること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記５）
シリコンウェーハは、赤外線照射前に１×１０⁵個／ｃｍ⁴以上のボイド欠陥を含有すること
を特徴とする（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記６）
シリコンウェーハは、表面から深さ３μｍ以内に厚さが１ｎｍ以上の酸化層が形成されてなるものであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記５）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記７）
シリコンウェーハの一部或いは全てに赤外線を照射すること
を特徴とする（付記１）乃至（付記６）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記８）
シリコンウェーハは、赤外線照射前にシリコン及び酸素と窒素の少なくとも何れかを含む薄膜が形成されたものであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

（付記９）
（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法に於ける条件で赤外線を照射する機能をもつ装置部分と、
該装置部分に依る赤外線照射と同時に加熱処理を施す機能をもつ装置部分と
を備えてなることを特徴とするシリコンウェーハの処理装置。

（付記１０）
照射される赤外線が炭酸ガスレーザーで発生させたものであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記８）の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。

本発明に依るシリコンウェーハの処理に用いる赤外線照射機能付き加熱装置を表す要部説明図である。赤外線の照射部及び非照射部のそれぞれにおける酸素の深さ方向プロファイルを表す線図である。

符号の説明

１加熱炉
２フラッシュランプからなる加熱源
３赤外レーザーからなる赤外線照射源
４シリコンウェーハ

Claims

酸素を含むシリコンウェーハに波長が７μｍ以上２５μｍ以下の赤外線を照射しつつ室温以上で加熱すること
を特徴とするシリコンウェーハの処理方法。
シリコンウェーハの照射面における赤外線の強度が１００ｍＷ／ｃｍ²以上であることを特徴とする（付記１）記載のシリコンウェーハの処理方法。
加熱時間が１０秒以上であること
を特徴とする（付記１）或いは（付記２）記載のシリコンウェーハの処理方法。
シリコンウェーハは、赤外線照射前にシリコンと酸素と窒素の少なくとも２種類以上からなる薄膜が形成されたものであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法。
請求項１乃至請求項３の何れか１記載のシリコンウェーハの処理方法に於ける条件で赤外線を照射する機能をもつ装置部分と、
該装置部分に依る赤外線照射と同時に加熱処理を施す機能をもつ装置部分と
を備えてなることを特徴とするシリコンウェーハの処理装置。