JP2006261632A

JP2006261632A - シリコンウェーハの熱処理方法

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Publication number: JP2006261632A
Application number: JP2005234107A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Adachi; 尚志足立; Yukio Komatsu; 幸夫小松
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2006-09-28
Also published as: TW200631101A; KR100758088B1; KR20060093030A; TWI336499B; US20060189169A1

Abstract

【課題】低酸素濃度の無欠陥ウェーハを用いて熱処理する際に、ウェーハ表面にＤＺ層を形成し、内部での酸素析出物形成を促進する熱処理方法を提供する。
【解決手段】ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶から得られた低酸素濃度シリコンウェーハを用いて熱処理する方法であって、前記ウェーハの表面内部に高酸素濃度領域を形成する高温酸化熱処理を行い、その後、酸素析出物形成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である。前記高温酸化熱処理を酸素を５％以上含むガス雰囲気中で１２５０℃〜１３８０℃×１〜２０時間で行い、前記酸素析出物形成熱処理を行う。また、ＳＩＭＯＸにより形成されるＳＯＩ基板として用いる場合には、前記ＳＩＭＯＸでの酸素イオン注入後、酸素を２０％以上含むガス雰囲気中で１３００〜１３８０℃×４〜４８時間の高温酸化熱処理を行い、前記酸素析出物形成熱処理を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、低酸素濃度のシリコンウェーハの熱処理方法に関し、さらに詳しくは、ウェーハ全面を無欠陥領域で構成される低酸素濃度シリコンウェーハを用いて熱処理するに際し、表面近傍に高酸素濃度領域を形成する高温酸化熱処理と、次いで酸素析出物形成熱処理とを施すことにより、ウェーハ表面に無欠陥層（ＤＺ層：ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）を形成し、ウェーハ内部での酸素析出物（ＢＭＤ：ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）形成を促進することができるシリコンウェーハの熱処理方法に関するものである。

近年において、半導体回路の高集積化にともない素子の微細化が促進され、その基板となるチョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）で作製されたシリコン単結晶に対する品質要求が高まっている。特に、ＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）、転位クラスター等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させることから、デバイス形成領域にこれらのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥ウェーハを作製することが重要になる。最近では、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板にも、ＳＯＩ層およびＳＯＩ層内部にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に起因する微小欠陥が存在しないウェーハを作製することが望まれている。このＳＯＩ構造の形成には、ＳＩＭＯＸ（ＳｉｌｉｃｏｎＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｉｄｅ）が広く用いられている。

この無欠陥ウェーハを作製する手法は大きく二つに区分され、第１の手法として、水素ガス、またはアルゴンガス雰囲気中でウェーハを高温熱処理してウェーハ表層部からＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させて無欠陥層を形成するアニールウェーハによる方法があり、第２の手法として、ＣＺ法による単結晶インゴットの育成段階においてＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない完全結晶を育成し、その無欠陥領域から切り出して無欠陥ウェーハを得る方法がある。

第１の手法で得られるアニールウェーハでは、ウェーハ表層部に形成される無欠陥層厚さに２０μｍ程度の限界があることから、ウェーハ内部まで無欠陥領域を構成することができない。このため、ウェーハ表面から深い位置まで無欠陥領域を構成することを要求される場合には、このような要求に対しては対応することができない。

第２の手法で得られる無欠陥ウェーハは、ウェーハ表面から裏面に至るまで無欠陥領域を構成できるが、ＣＺ法による育成段階において、シリコン単結晶に取り込まれる空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）型点欠陥と格子間型シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ−Ｓｉ）点欠陥とを適切に排除しなければならない。

すなわち、シリコン単結晶インゴット内では格子間シリコン型点欠陥が優勢な領域（以下、「Ｉ領域」という）と、空孔型点欠陥が優勢な領域（以下、「Ｖ領域」という）とがあり、両者の間には原子の不足や余分が少ないニュートラル（Ｎｅｕｔｒａｌ）な領域が存在する。

Ｖ領域とは、空孔によりシリコン原子の不足から発生するＣＯＰが発生し易い領域であり、酸化膜耐圧を劣化させる要因となる。また、Ｉ領域とは、シリコン原子が余分に存在することにより転位クラスターが発生し易い領域である。ＣＯＰや転位クラスターは格子間シリコンや空孔が過飽和な状態のときに、点欠陥の凝集体として発生するものであり、多少の原子の偏りがあっても、飽和状態以下のニュートラルな領域では発生することがない。

図１は、シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分布の例を模式的に示す図である。同図では、成長直後の単結晶からウェーハを切り出し、硝酸銅水溶液に浸けてＣｕを付着させ、熱処理後、Ｘ線トポグラフ法により微小欠陥分布の観察をおこなった結果を、模式的に示している。

このウェーハのＶ領域には、外径の約２／３の位置にリング状の酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ：ＯｘｉｄａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ）が現れ、そのリングの内側部分には酸素析出促進領域（無欠陥領域）とＣＯＰが見出され、また、リング状ＯＳＦに接してすぐ外側には酸素析出物が現れやすい酸素析出促進領域（無欠陥領域）がある。一方、Ｉ領域には、前記酸素析出促進領域に接して欠陥の現れない酸素析出抑制領域（無欠陥領域）があり、その外側のウェーハの周辺部には転位クラスターが発生している。

図２は、ＣＺ法による育成段階における引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に説明する図である。図２に示すように、上記欠陥の発生位置は、通常、単結晶育成の際の引き上げ速度に大きく影響される。したがって、前記図１は、図２における単結晶のＡにおける引き上げ軸に垂直な断面、またはその引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハを示したものであることが分かる。

前記第２の手法により無欠陥ウェーハを得る場合に、前記図１に示した欠陥分布において、ニュートラルな領域に相当するリング状ＯＳＦに接する酸素析出促進領域および無欠陥領域を拡大できれば、ＣＯＰおよび転位クラスターからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥をなくすことができる。

図３は、単結晶内の引き上げ軸方向の温度勾配を改善して引き上げた場合における、引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に示した図である。凝固直後の単結晶内温度分布を制御することにより、図３に示すように、リング状ＯＳＦの発生領域をＵ字状にし、ウェーハの面内からＩ領域であって転位クラスターが発生する領域と、Ｖ領域であってＣＯＰが発生する領域との両領域を存在させないことができる。

図３に示す単結晶のＢにおける引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハでは、リング状ＯＳＦ発生領域を含む酸素析出促進領域および酸素析出抑制領域の無欠陥領域のウェーハからなり、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥であるＣＯＰおよび転位クラスターをなくすことができる。同様に、Ｃにおける引き上げ速度で育成した単結晶のウェーハでは、リング状ＯＳＦ発生領域の外側の無欠陥領域からなる無欠陥ウェーハとなる。

ところが、無欠陥ウェーハであれば、ウェーハ表面から裏面に至るまで無欠陥領域で構成できるが、ウェーハ中の酸素濃度が高い場合には、デバイス製造プロセスでデバイスが形成されるウェーハ表面近傍にまで酸素析出物やＯＳＦが形成される。このため、これらが要因となって、デバイスの特性が悪化することになる。

特許文献１では、ウェーハ全面の酸素濃度を２４ｐｐｍａ未満（６．５〜１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９））とし、酸素析出熱処理によりリング状のＯＳＦの潜在核は存在するが、熱酸化処理をした際にはリング状のＯＳＦが発生せず、またウェーハ全面内にＦＰＤ（ＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＤｅｆｅｃｔ）および格子間転位ループが存在しないシリコンウェーハを提案している。

しかし、提案のシリコンウェーハでは、含有される酸素濃度が低いため、ウェーハに酸素析出核を形成するための低温熱処理、引き続き酸素析出核を成長させる高温熱処理を施しても、酸素析出物の形成が殆ど起こらない。このため、重金属汚染に対する十分なゲッタリング能力を発揮することができない。

ゲッタリング効果を有する酸素析出物層の形成に関し、特許文献２では、シリコンウェーハ表面に対し、高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に高濃度の熱平衡の空孔を形成し急冷により凍結するとともに、この後の熱処理で表面において空孔を外方拡散させることによりＤＺ層を均一に形成する方法を提案している。そして、このＤＺ層を形成した後に、ＲＴＡ処理の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するとしている。

しかしながら、急速高温による空孔の凍結による酸素析出核の形成が可能な初期酸素濃度は７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９））程度までであり、これより低酸素濃度のウェーハでは酸素析出物が形成されないため、ウェーハ内部にゲッタリング能力を持たすことは不可能であった。

さらに、無欠陥ウェーハの製造に関し、特許文献３では、無欠陥結晶ウェーハを水素ガス、アルゴンガス雰囲気中で高温熱処理して、ウェーハ内に僅かに残存するＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させるシリコンウェーハの製造方法を提案している。また、特許文献４では、無欠陥結晶ウェーハを窒素含有ガス雰囲気中で高温熱処理して、シリコンウェーハ内部に空孔を導入し、内部の空孔に酸素を析出させる析出処理するシリコンウェーハの製造方法を提案している。

ところが、特許文献３、４で提案される製造方法によれば、得られたウェーハの酸素濃度が低い場合には、ウェーハ内部に酸素析出物を十分に形成させることはできない。また、ウェーハの酸素濃度が高い場合には、ウェーハ内部に酸素析出物を形成できるものの、形成される酸素析出物はウェーハ中心部から表面に向けてＢＭＤ密度が低下する分布となり、ＢＭＤ密度のピーク位置（ウェーハ中心位置）からウェーハ表面までの距離が長くなり、ゲッタリング能力が低下することになる。

特開平１１−１４７７８６号公報国際公開ＷＯ９８／３８６７５号パンフレット特開２００３−１００７６２号公報特開２００３−７７９２５号公報

前述の通り、無欠陥ウェーハをデバイス基板として採用する場合に、ウェーハ中の酸素濃度が高いと、デバイス製造プロセスにおいてデバイスが形成されるウェーハ表面近傍にまで酸素析出物やＯＳＦが形成され、デバイス特性を悪化させることになる。そのため、高酸素濃度の無欠陥ウェーハを、そのままデバイス基板として適用することができない。

一方、低酸素濃度の無欠陥ウェーハを採用し、ゲッタリング能力を確保するため、ランプアニール炉を用いたＲＴＡ処理を適用しても、空孔の凍結による酸素析出物の形成可能な初期酸素濃度は７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９））程度までである。したがって、初期酸素濃度がこれより低い酸素濃度のウェーハでは酸素析出物を形成できないことから、ウェーハ内部にゲッタリング能力を具備させることができない。

本発明は、上述した無欠陥ウェーハに関する問題点に鑑みてなされたものであり、低酸素濃度の無欠陥ウェーハを採用した場合であっても、表面内部に高酸素濃度領域を形成する高温酸化熱処理と、その後の酸素析出物形成熱処理とを最適な条件で施すことにより、ウェーハ表面にＤＺ層を形成し、ウェーハ内部での酸素析出物の形成を促進することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記課題を解決するため検討を重ねた結果、低酸素濃度のウェーハを用いる場合であっても、酸素雰囲気下での高温熱処理を施すことによりシリコンウェーハ表面から酸素の内方拡散を起こさせ、ウェーハ表面の内部に酸素濃度が高くなる領域を形成させることができ、その後の熱処理を施すことにより酸素析出物を安定して形成させ、ゲッタリング能力の向上を図れることを知見し、本発明を完成させた。

したがって、本発明の熱処理方法は、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶から得られた酸素濃度が６．５〜１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の低酸素濃度シリコンウェーハを用いて熱処理する方法であって、前記シリコンウェーハの表面内部に高酸素濃度領域を形成する高温酸化熱処理を行い、その後、酸素析出物形成熱処理を施すことを特徴としている。

シリコンウェーハの表面から酸素を内方拡散するには、シリコンウェーハの酸素濃度より酸素固溶度が高くする必要があるが、シリコンウェーハの酸素固溶度はウェーハ温度に依存しており高温になればなるほど酸素固溶度も高くなる。例えば、ウェーハ温度が１３５０℃の酸素固溶度は１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１３００℃の酸素固溶度は１０．１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１２５０℃の酸素固溶度は８．４９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１２００℃の酸素固溶度は５．７３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、および７００℃の酸素固溶度は１．２３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となる。

したがって、本発明の熱処理方法では、高温酸化熱処理として、酸素を５％以上含むガス雰囲気中で１２５０℃〜１３８０℃の温度で１〜２０時間行うことにより、ウェーハ表面から酸素の内方拡散を起こさせ、内部に酸素濃度が高くなる領域を形成させることができる。
一方、ＳＩＭＯＸによりＳＯＩ基板を形成する工程では、シリコン基板表面から酸素イオン注入された領域に埋め込み酸化膜を形成するには、酸化雰囲気を用い、１３００℃以上の温度で、４時間以上４８時間以下のアニール熱処理が必要となる。特に、埋め込み酸化膜の成長を促進させるためには、前記酸化雰囲気として２０％以上の酸素濃度を確保することが必要であり、かかる酸素濃度により、ウェーハ表面から酸素を十分に内方拡散させることができる。これにより、後工程の析出熱処理において容易に酸素析出物を形成できる。

本発明の熱処理方法では、高酸素濃度の領域を形成した後に施す酸素析出物形成熱処理は、酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で４５０℃〜８００℃の温度で１〜４８時間行われる酸素析出核形成熱処理と、次いで酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で８００〜１１００℃の温度で４〜４８時間行われる酸素析出物成長熱処理とからなる。この２段階の熱処理からなる酸素析出物形成熱処理により、最適なサイズの酸素析出物を高密度に安定して形成させることができる。

本発明の熱処理方法では、前記酸素析出物形成熱処理を施す前に、急速昇降温加熱装置を用いて窒素ガス含有雰囲気中であり、２０℃／秒以上の昇降温速度で１１００〜１３００℃の温度で１秒〜５分の熱処理を行うことができる。窒素ガスを含む雰囲気ガス中でＲＴＡ処理をすることにより、ウェーハ内部に新たに空孔を形成できるので、その後の酸素析出物形成熱処理を施すことにより、優れたゲッタリング効果を有するシリコンウェーハを得ることができる。

本発明の熱処理方法では、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥ウェーハを使用するものであり、Ｉ領域に発生する格子間シリコン型点欠陥の凝集体である転位クラスター、およびＶ領域に発生する空孔型点欠陥の凝集体であるＣＯＰが存在しない無欠陥領域からなるシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを使用することを特徴としている。

さらに、本発明の熱処理方法では、前記低酸素濃度シリコンウェーハとして、窒素濃度が１×１０¹²〜５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲で含有するシリコン単結晶、または炭素濃度が１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２３−１９８１）の範囲で含有するシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを使用することができる。

本発明のシリコンウェーハの熱処理方法によれば、低酸素濃度の無欠陥ウェーハを採用した場合であっても、適正条件での高温酸化熱処理を施すことにより、ウェーハ表面から酸素の内方拡散を起こさせ、ウェーハ表面内部に酸素濃度が高くなる領域を形成させることができるので、その後の酸素析出物形成熱処理を最適な条件で施すことにより、ウェーハ表面にＤＺ層を形成し、ウェーハ内部に最適なサイズの酸素析出物を高密度に安定して形成させ、優れたゲッタリング効果を発揮することができる。さらに、ＳＩＭＯＸにより形成されるＳＯＩ基板のアニール熱処理としても適用できる。

本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶から得られた低酸素濃度シリコンウェーハを用いて熱処理する方法であり、酸素雰囲気下での高温熱処理を施すことによりウェーハ表面から酸素の内方拡散を起こさせ、ウェーハ内部に高酸素濃度の領域を形成させる方法である。
（対象ウェーハの特性および結晶領域について）
このため、本発明が対象とする低酸素濃度シリコンウェーハの酸素濃度の上限は、１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）とする。ところが、酸素濃度が４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であると、酸素析出物の密度自体が大幅に低減し酸素析出そのものが起こり難いので、酸素濃度を４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上とする必要がある。さらに、酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であると、ウェーハ強度が低下しスリップが発生し易くなることから、酸素濃度を６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上とするのが望ましい。このような酸素析出物の密度およびウェーハ強度確保の観点から、本発明が対象とする低酸素濃度シリコンウェーハの酸素濃度の下限を６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とする。

一方、酸素濃度が１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えると、ウェーハ表層部に酸素析出物やＯＳＦが発生し、デバイス特性を悪化させるおそれがある。このため、本発明が対象とするシリコンウェーハの酸素濃度を６．５〜１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とした。
ＳＩＭＯＸにより形成されるＳＯＩ基板として、本発明のシリコン基板を用いる場合には、超高温熱処理を通すためにＯＳＦや酸素析出物が縮小・消滅するため初期酸素濃度が高酸素濃度であっても問題ないことがわかった。すなわち、酸素濃度の下限を６．５×１０¹⁷／ｃｍ³とすれば、上限を規定する必要はない。しかし、酸素濃度が過剰に高くなれば、割れ等の製作上の問題が生じることから、酸素濃度の上限を１．８×１０¹⁸／ｃｍ³とするのが望ましい。

さらに、本発明が対象とするシリコンウェーハは、窒素濃度を１×１０¹²〜５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲で含有するのが望ましい。窒素を含有させると、ＢＭＤ密度がウェーハ全面に均一となり、酸素析出物の成長を促進させる。この効果を発揮するのは、１×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の含有が必要であり、一方、５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えて含有させると、その溶解度から単結晶に含有させ得る限界に近い濃度であり、単結晶の全長にわたって均一に濃度を維持するのが困難になる。なお、窒素濃度は、初期シリコン溶融液量およびシリコン溶融液に初期添加した窒素量およびインゴットに対するウェーハの採取位置を基に、窒素の偏析係数から計算した値である。

また、本発明が対象とするシリコンウェーハは、炭素濃度を１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２３−１９８１）の範囲で含有するのが望ましい。炭素は、電気的に中性でゲッタリング作用を有する酸素析出核の成長を促進させるとともに、熱処理により格子間酸素（固溶酸素）が低下してウェーハ強度が低下するときに、強度を維持する効果があるので含有させることができる。この場合に、含有量が１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満では、その効果が十分現れず、多すぎる含有量ではＣＺ法の単結晶育成時に多結晶化しやすくなるので、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とするのが望ましい。

図４は、本発明が対象とする無欠陥ウェーハの結晶領域を模式的に例示した図である。すなわち、本発明では、Ｉ領域に発生する格子間シリコン型点欠陥の凝集体である転位クラスター、およびＶ領域に発生する空孔型点欠陥の凝集体であるＣＯＰが存在しない無欠陥領域からなるシリコン単結晶から得られた無欠陥ウェーハを使用するものである。転位クラスターおよびＣＯＰの存在しないシリコン単結晶を育成する場合に、通常の引き上げ条件に、水冷引き上げや水素ドープなどの手法を組み合わせたシリコン単結晶を適用することもできる。

したがって、図４に例示すように、本発明が対象とする無欠陥ウェーハの結晶領域は、前記図３に示す単結晶のＢにおける引き上げ速度で育成した単結晶から得られたウェーハの結晶領域に相当させることができ、リング状ＯＳＦ発生領域を含む酸素析出促進領域および酸素析出抑制領域の無欠陥領域のウェーハからなり、転位クラスターおよびＣＯＰからなるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在することがない。

さらに、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない限りにおいては、前記図３に示す単結晶のＣにおける引き上げ速度で育成した単結晶から得られたウェーハの結晶領域も適用することができる。

転位クラスターおよびＣＯＰ密度の測定結果は、評価方法に左右される。本発明において、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない結晶とは、Ｃｕデコレーションによる評価方法で観察した場合に３．０／ｃｍ²以下であることをいう。この評価方法はＳｅｃｃｏエッチングより感度が高く、より小さいサイズの転位クラスターおよびＣＯＰであっても検出することができる。
（高温酸化熱処理について）
本発明の熱処理方法では、高温酸化熱処理として酸素を５％以上含むガス雰囲気中で、１２５０℃〜１３８０℃の温度で１〜２０時間の処理を行う。使用するガス雰囲気の酸素濃度が５％未満であると、ウェーハ表面からの酸素の内方拡散が不十分となるため、５％以上の含有が必要である。ガス雰囲気に混合させるガスとしては窒素、不活性ガスなどを適用することができる。

高温酸化熱処理において、加熱温度が１２５０℃未満であると十分な酸素の内方拡散を起こすことができず、一方、加熱温度が１３８０℃を超えて高温になると熱処理時にウェーハにスリップや反りが発生するおそれがある。そのため、高温酸化熱処理の加熱温度は１２５０℃〜１３８０℃とした。また、加熱時間は１時間未満では酸素内方拡散が不十分となり、２０時間を超えて加熱しても酸素内方拡散の効果が飽和することから、１〜２０時間の加熱時間とした。

本発明の熱処理方法では、高温酸化熱処理で１２５０℃〜１３８０℃×１〜２０時間の処理を行った後、一般的に炉外取り出し温度は５００℃〜７００℃の範囲になるが、ウェーハが炉外取り出し温度まで降温される間に、酸素固溶度の観点からウェーハ表層部の酸素濃度は低くなり、ウェーハ表層部において酸素が外方拡散し、酸素析出物やＯＳＦが存在しないＤＺ層が形成される。
ＳＩＭＯＸにより形成されたＳＯＩ基板の場合には、前記高温酸化熱処理として、酸素を２０％以上含むガス雰囲気中で、１３００℃〜１３８０℃の温度で４〜４８時間の熱処理を行う。ここで、加熱温度を１３００℃〜１３８０℃としたのは、シリコン基板表面から酸素イオン注入された領域に埋め込み酸化膜を形成するには１３００℃以上の熱処理が必要であり、１３８０℃を超える熱処理ではウェーハにスリップや反りが発生するおそれがあることによる。また、埋め込み酸化膜の成長を促進させるためには、２０％以上の酸素濃度の雰囲気が必要になる。
（酸素析出物形成熱処理およびＲＴＡ処理について）
本発明の熱処理方法で採用する酸素析出物形成熱処理は、酸素析出核形成熱処理および酸素析出物成長熱処理の２段階の熱処理を組み合わせて構成される。まず、酸素析出核形成熱処理が、酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で４５０℃〜８００℃×１〜４８時間の条件で行われる。すなわち、高温酸化熱処理後に、直ちに酸素析出物が成長するような高温熱処理を行っても、酸素析出物の基となる酸素析出核が存在しないため、十分なサイズと密度とからなる酸素析出物を形成することができない。このため、１段階の熱処理として、ウェーハ内部に酸素析出核を形成させる温度で熱処理を行う必要がある。

酸素析出核形成熱処理で使用する雰囲気は、酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガスを用いる。十分なＢＭＤサイズ、ＢＭＤ密度を確保するには、１〜４８時間、望ましくは４〜２４時間の処理時間が必要になる。

次に、酸素析出物成長熱処理が、酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で８００〜１１００℃×４〜４８時間の条件で行われる。酸素析出核が形成されたままの状態では、デバイス製造プロセスにおいて高温熱処理を受けた場合に微小な酸素析出核が消滅するおそれがある。このため、２段階の熱処理として、酸素析出核を成長させて十分な大きさの酸素析出物を形成させる温度で熱処理を行う必要がある。

酸素析出核を成長させて十分な大きさの酸素析出物を形成するには、８００〜１１００℃×４〜４８時間の条件が必要になるが、通常、酸素析出物の評価熱処理として、１０００℃×１６時間がスタンダードの評価条件となっており、同条件で酸素析出物成長熱処理を行うことができる。

図５は、本発明の熱処理方法によって得られたシリコンウェーハの断面構成を模式的に示す図である。シリコンウェーハ１の表裏の表層面からは、ウェーハ表層部の酸素は外方拡散し酸素析出物やＯＳＦが存在しないＤＺ層１１が形成される。これらのＤＺ層の内側には、酸素析出物成長熱処理によって高いＢＭＤ密度を有する酸素析出物層１２が形成される。また、このウェーハ１は、格子間シリコン型点欠陥の凝集体である転位クラスターおよび空孔型点欠陥の凝集体であるＣＯＰが存在しない無欠陥領域からなるシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを用いることから、無欠陥ウェーハを構成する。

さらに、本発明の熱処理方法では、酸素析出物形成熱処理を施す前に、急速昇降温加熱装置を用いて窒素ガス含有雰囲気中であり、２０℃／秒以上の昇降温速度で１１００〜１３００℃の温度で１秒〜５分のＲＴＡ処理を行うことができる。このＲＴＡ処理により、ウェーハ内部に空孔が注入される。

前述の通り、ここで対象とするウェーハは、点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハであるので、注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔が効率的に注入できる。また、空孔型点欠陥もほとんど存在しないため、ＲＴＡ処理により十分な空孔密度を確保することができる。
その後の酸素析出物形成熱処理を施すことにより、空孔への酸素析出が促進され、熱処理によって酸素析出核の安定化を図り、析出物の成長が行われる。すなわち、このＲＴＡ処理により、ウェーハ面内の酸素析出の均一化が図れ、十分なＢＭＤ密度の酸素析出物層を得ることができる。

本発明のシリコンウェーハの熱処理方法による効果を、比較例１、２および本発明例１〜５による具体的な実施例に基づいて説明する。
１．比較例
１−１．比較例１
酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の３水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。このウェーハに高温酸化熱処理を施すことなく、直ちに６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して８時間保持する熱処理を施した。

１−２．比較例２
酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の２水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。このウェーハを横型バッチ式炉を用いて、酸素を１％含む（酸素分圧１％）ガス雰囲気中で１３５０℃×１０時間の高温熱処理を施した。その後、６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して１６時間保持する熱処理を施した。

２．本発明例
２−１．本発明例１
酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、９×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の３水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。このウェーハを横型バッチ式炉を用いて、酸素（酸素分圧１００％）雰囲気中で１３００℃×１０時間の高温酸化熱処理を施した。その後、６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して８時間保持する熱処理を施した。

２−２．本発明例２
酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の２水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。このウェーハを横型バッチ式炉を用いて、酸素を５０％含む（酸素分圧５０％）ガス雰囲気中で１３５０℃×１０時間の高温酸化熱処理を施した。その後、６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して１６時間保持する熱処理を施した。

２−３．本発明例３
酸素濃度が７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の２水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。このウェーハを横型バッチ式炉を用いて、酸素を５０％含む（酸素分圧５０％）ガス雰囲気中で１３５０℃×１０時間の高温酸化熱処理を施した。
得られたウェーハは、ランプアニール炉を用いてアンモニアガス雰囲気で、昇温速度５０℃／秒で１２００℃まで昇温し、１２０秒保持した後５０℃／秒で４００℃まで降温した。その後、横型バッチ式炉を用いて８００℃で４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して１６時間保持する熱処理を施した。

２−４．本発明例４
酸素濃度が７．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³および１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の２水準で、比抵抗が１０Ω・ｃｍからなる低酸素濃度ウェーハであって、その全面が無欠陥領域からなるシリコンウェーハを準備した。得られたウェーハを用いて、注入エネルギー１８０ＫｅＶ、ドーズ量４．０×１０¹⁷／ｃｍ³になるように酸素イオン注入を実施した。
酸素注入されたウェーハを標準的なＳＩＭＯＸアニール条件として、７００℃投入後、酸素を１％含む雰囲気−アルゴンガスベースで１３５０℃まで昇温、５時間保持した後に、酸素を７０％含む雰囲気でさらに１０時間保持を行い、７００℃まで降温した。得られたウェーハを６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して８時間保持する熱処理を施した。

２−５．本発明例５
本発明例４と同じウェーハを用いて、注入エネルギー１８０ＫｅＶ、ドーズ量４．０×１０¹⁷／ｃｍ³になるように酸素イオン注入を実施した。次に７００℃投入後、酸素を８０％含む雰囲気で１３５０℃まで昇温して、４０時間保持を行い、７００℃まで降温した。得られたウェーハを６００℃から７００℃まで０．３℃／分で昇温して４時間保持した後、さらに１０００℃まで昇温して８時間保持する熱処理を施した。

３．評価結果
比較例１、２、本発明例１〜５で得られたウェーハを２分割に劈開した後、ライトエッチ液にて３μｍのエッチングを行い、ウェーハ断面の酸素析出物を光学顕微鏡を用いて観察した。比較例１、２では酸素析出物が殆ど観察されなかったが、本発明例１〜５のいずれも、酸素の内方拡散の酸素濃度ピークに相当する表面から約１００μｍ深さの位置に、酸素析出物の密度が５×１０⁹／ｃｍ³以上観察できた。また、ウェーハ表面から約５０μｍ深さまでＤＺ層が確認できた。特に、本発明例５では、高温・長時間の酸化処理のため酸素内方拡散量が増加したことで酸素析出物形成領域の拡大化を確認できた。

次に、比較例１、２および本発明例１〜５で得られたウェーハ表面にニッケル１×１０¹²／ｃｍ²の故意汚染を施し、簡易的なデバイス熱シミュレーションを実施した。その後ライトエッチ液にて表面３μｍのエッチングを行い表面欠陥のウェーハ表面の欠陥を光学顕微鏡を用いて観察した結果、比較例１、２ではシリコン表面にニッケルシリサイドが観察されたが、本発明例１〜５のいずれも、ニッケル汚染が補足されておりシリサイドは観察されなかった。

本発明のシリコンウェーハの熱処理方法によれば、低酸素濃度の無欠陥ウェーハを採用した場合であっても、適正条件での高温酸化熱処理を施すことにより、ウェーハ表面から酸素の内方拡散を起こさせ、ウェーハ表面内部に酸素濃度が高くなる領域を形成させることができるので、その後の酸素析出物形成熱処理を最適な条件で施すことにより、ウェーハ表面にＤＺ層を形成し、ウェーハ内部に最適なサイズの酸素析出物を高密度に安定して形成させ、優れたゲッタリング効果を発揮することができる。さらに、ＳＩＭＯＸにより形成されるＳＯＩ基板として用いる場合にも、前記ＳＩＭＯＸでの酸素イオン注入後に、適正条件での高温酸化熱処理を施し、その後の酸素析出物形成熱処理を施すことにより、上記と同様の効果を発揮することができる。これにより、低酸素濃度の無欠陥ウェーハの熱処理方法として、広く利用することができる。

シリコンウェーハで観察される典型的な欠陥分布の例を模式的に示す図である。ＣＺ法による育成段階における引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に説明する図である。単結晶内の引き上げ軸方向の温度勾配を改善して引き上げた場合における、引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との関係を模式的に示した図である。本発明が対象とする無欠陥ウェーハの結晶領域を模式的に例示する図である。本発明の熱処理方法によって得られたシリコンウェーハの断面構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１：シリコンウェーハ、１１：ＤＺ層
１２：酸素析出物層

Claims

チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶から得られた酸素濃度が６．５〜１２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）の低酸素濃度シリコンウェーハを用いて熱処理する方法であって、前記シリコンウェーハの表面内部に高酸素濃度領域を形成する高温酸化熱処理を行い、その後、酸素析出物形成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。
前記高温酸化熱処理が、酸素を５％以上含むガス雰囲気中で１２５０℃〜１３８０℃の温度で１〜２０時間行われ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。
前記シリコンウェーハをＳＩＭＯＸにより形成されるＳＯＩ基板として用いる場合に、酸素濃度が６．５×１０¹⁷／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２１−１９７９）以上のシリコンウェーハを用い、高温酸化熱処理として、前記ＳＩＭＯＸによる酸素イオン注入後の埋め込み酸化膜形成のため、酸素を２０％以上含むガス雰囲気中で１３００℃〜１３８０℃の温度で４〜４８時間の熱処理を行い、その後、酸素析出形成熱処理を施す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。
前記酸素析出物形成熱処理が、酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で４５０℃〜８００℃の温度で１〜４８時間行われる酸素析出核形成熱処理と、次いで酸素、窒素、不活性ガス、または混合ガス雰囲気中で８００〜１１００℃の温度で４〜４８時間行われる酸素析出物成長熱処理とからなることを特徴とする請求項１または３記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
前記酸素析出物形成熱処理を施す前に、急速昇降温加熱装置を用いて窒素ガス含有雰囲気中であり、２０℃／秒以上の昇降温速度で、１１００〜１３００℃の温度で１秒〜５分の熱処理を行うことを特徴とする請求項１、３または４記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
格子間シリコン型点欠陥の凝集体（例えば、転位クラスター）および空孔型点欠陥の凝集体（例えば、ＣＯＰ）が存在しない無欠陥領域からなるシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを使用することを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
窒素濃度が１×１０¹²〜５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲で含有するシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを使用することを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
炭素濃度が１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭＦ１２３−１９８１）の範囲で含有するシリコン単結晶から得られたシリコンウェーハを使用することを特徴とする請求項１〜７記載のシリコンウェーハの熱処理方法。