JP2006278892A

JP2006278892A - シリコン単結晶ウェーハの品質評価方法

Info

Publication number: JP2006278892A
Application number: JP2005098435A
Authority: JP
Inventors: Kunihito Harada; 邦仁原田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】シリコン単結晶ウェーハの無欠陥領域を目視により速やかに判定することができるシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハの表面を密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染して、前記シリコンウェーハを熱処理炉内に投入し、９００℃〜１２００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第１工程と、次に、５００℃〜７００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第２工程とを有し、前記熱処理工程をいずれもドライ酸素雰囲気中で熱処理を行うことによりシリコン単結晶ウェーハの表面に汚染元素誘起欠陥を発生させ、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視で判定する。
【選択図】なし

Description

この発明は、シリコンウェーハの品質評価方法に関する。

一般的に、シリコン単結晶ウェーハを製造する場合には、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げるのが通例である。シリコン単結晶の引上げにおいては、引上速度Ｖと引上結晶−融液境界の温度勾配Ｇの比、Ｖ／Ｇによって点欠陥の種類および濃度が決定されることが知られている。

図３に、Ｖ／Ｇ値とシリコン単結晶インゴット中の点欠陥分布との関係を模式的に示した。同図に示すように、単結晶インゴットの引上速度を漸減していくとＶ／Ｇ値も減少していくが、これに伴って単結晶インゴット中の点欠陥分布も変化する。図３に示すように、引上結晶−融液境界の温度勾配Ｇの値は変化が少なくて、引上速度Ｖが大きいとき、すなわちＶ／Ｇが大きいと空孔過剰領域５が形成される。また、Ｖ／Ｇの値が低下していくと、前記空孔過剰領域５が消滅する臨界Ｖ／Ｇ値以下では、リングＯＳＦ（Ring Oxidation‐induced Stacking Fault）領域６が形成される。さらに、Ｖ／Ｇの値が低下していくと、空孔と格子間シリコン濃度の均衡により、無欠陥領域７が形成される。Ｖ／Ｇ値がさらに減少すると、格子間シリコン過剰領域８が形成され、格子間シリコンの凝集欠陥が生成する。

一方、シャローピットは、従来、表面汚染物質が熱処理プロセス中にバルクへ導入されて生じ、結晶欠陥の発生や電気的特性の劣化を引き起こしている。特に、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒに代表される遷移金属はバンドギャップ中に深い準位を形成し、キャリアの発生・再結合中心となり、接合リーク電流の発生要因となる。さらに、シャローピットは、表面や局所応力場に集中した後にシリサイトとして析出したり、酸素との親和力が強く酸化膜中に優先的に取り込まれたりする。そして、その挙動は汚染元素の種類によって多種多様である。

重金属不純物の固溶度は高温で高く、かつ温度により大きく変化する。また、拡散速度も速いが、固溶度と比べると温度依存性に乏しい。従って、重金属不純物は高温熱処理で過飽和となり、析出して表面欠陥を形成し易い（以下、これを汚染元素誘起欠陥という）。この析出欠陥は選択エッチングによりシャローピットとして観察される。

シリコン単結晶ウェーハの品質に関して要求される点は、製造プロセスの熱処理、洗浄などで必然的に導入される重金属汚染元素を表面活性層領域から除去するゲッタリング能力と、表面活性領域での結晶欠陥の低減である。そのためにシリコン半導体ウェーハの表面欠陥の正確な情報を得ることであり、これによって正確な収率管理を可能とし、さらにウェーハ製造に際しての欠陥の発生を抑制することが可能となるものであるが、従来はそのためのシリコン単結晶ウェーハの簡便な無欠陥領域の判定方法が存在しなかった。

従来の無欠陥領域の評価方法としては、Ｃｕデコレーション法が主に用いられている。これはチョクラスキー法などで育成したシリコン単結晶をポリッシュドウェーハに加工した後、シリコン単結晶ウェーハ表面を１１００℃から１２００℃の間でスチーム酸化し、室温に冷却してからフッ酸で酸化膜を除去する。その後、これを水洗して硝酸銅５％溶液中に５分間浸漬し、次いで１０００℃に保持した均熱炉中で熱拡散処理を施し、Ｃｕをデコレートした後、Ｘ線トポグラフ法で評価する方法である（特許文献１）。また、このＣｕデコレーション法を改善したものとして、ここで用いる溶媒中の銅濃度を０．４〜３ppmの範囲に調節して半導体ウェーハを評価する方法もある（特許文献２）
特開２００１−８１０００号公報（特許請求の範囲）特開２００２−８３８５３号公報（特許請求の範囲）

前記の文献１の銅デコレーション法では、Ｃｕでデコレーション処理するのに時間がかかる上に、Ｘ線ポトグラフ評価にも手間がかかるといった問題があった。また、この方法ではマクロ的な評価はできるが定量的な評価はできず、また格子間シリコン過剰領域内の品質を評価することも出来なかった。さらに、特許文献２の上記の銅デコレーション法を改良した方法にあっても、同じようにＣｕデコレーションに時間がかかるとともに、評価においても顕微鏡でウェーハをスキャーンして欠陥を観察するもので、目視によって簡単に評価できるものではなかった。

この発明は、シリコン単結晶ウェーハの表面を密度５〜１０Ｅ10atom/cm²のＦｅで汚染し、酸素雰囲気で熱処理することによって、汚染元素誘起欠陥を発生させ、シリコン単結晶ウェーハの無欠陥領域を目視によって速やかに判定しようとするものである。

この発明は、シリコンウェーハの表面を密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染して、前記シリコンウェーハを熱処理炉内に投入し、９００℃〜１２００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第１工程と、次に、５００℃〜７００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第２工程とを有し、前記熱処理工程をドライ酸素雰囲気中で熱処理を行うことによりシリコン単結晶ウェーハの表面に汚染元素誘起欠陥を発生させて、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視で判定することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法である（請求項１）。また、前記熱処理第１工程は、９００℃〜１０００℃の温度で１時間以上保持する工程と、１０５０℃〜１２００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程であることを特徴とする請求項１記載の単結晶ウェーハの品質評価方法である（請求項２）。また、前記熱処理第２工程は、５００℃〜６００℃の温度で１時間以上保持する工程と、６００℃〜７００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程であることを特徴とする請求項１記載の単結晶ウェーハの品質評価方法である（請求項３）である。

この発明によると、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視によって、速やかに精度よく判定することができるので、シリコン半導体ウェーハの表面欠陥の正確な情報を得て正確な収率管理を可能とし、さらにウェーハ製造に際しての欠陥の発生を抑制することが可能となって、歩留まりを一層向上することが可能となったものである。

以下に、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

この発明のシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法は、シリコンウェーハの表面を密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染して、前記シリコンウェーハを熱処理炉内に投入し、９００℃〜１２００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第１工程と、次に、５００℃〜７００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第２工程とを有し、前記熱処理工程をドライ酸素雰囲気中で熱処理を行うことによりシリコン単結晶ウェーハの表面に汚染元素誘起欠陥を発生させて、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視で判定するものである。

シリコン単結晶は、ＣＺ法などでシリコン単結晶インゴットを育成し、これをスライスしてシリコンウェーハとする。このシリコンウェーハをフッ化水素酸と硝酸の混合液でスライスの際に発生する加工歪を除去する。その後よく水洗して過酸化水素とアンモニア水の混合液に漬け、さらに希フッ酸水に浸漬して十分に乾燥をさせる。

次に、シリコンウェーハ表面に、密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染をする。シリコンウェーハ表面にＦｅを汚染させる方法は特に限定されない。例えば、Ｆｅで汚染させた超純水にシリコンウェーハを浸漬する方法、又は、鉄で汚染された縦型ボート等の熱処理部材にシリコンウェーハを保持して熱処理を行う方法等で行えばよい。Ｆｅ密度が５Ｅ１０atom/cm²未満では、重金属不純物による析出欠陥が十分に析出せず、またＦｅ密度が１０Ｅ１０atom/cm²を超えると、重金属不純物による析出欠陥が多く析出されてしまい、無欠陥領域の判定を正しく行うことができない。

次に、Ｆｅで汚染させたシリコンウェーハを、熱処理炉、例えば、縦型熱処理炉に投入して熱処理を行う。シリコンウェーハを熱処理炉に投入する際には、熱処理炉は、５００℃〜７００℃の温度で保持されていることが好ましい。５００℃未満だと、無欠陥領域の表面近傍にＢＭＤ等の別要因の欠陥が析出する恐れがあり、無欠陥領域の判定を正しく行うことができない。７００℃を超えると、常温から高温への急激な温度変化により試験サンプルが割れる恐れがあり好ましくない。

熱処理炉投入後、ドライ酸素雰囲気で９００℃〜１２００℃の温度で２時間以上保持する（以下、これを熱処理第１工程という）。これにより、シリコンウェーハの表面に存在するＦｅを、ウェーハ内に拡散させて、ウェーハの表層に汚染元素誘起欠陥の核を形成させる。このときに汚染元素誘起欠陥が形成されるのはリングＯＳＦ領域であり、無欠陥領域はその表層に存在するＢＭＤによりゲッタリングされるため、汚染元素誘起欠陥の核は形成されない。

次に、５００℃〜７００℃の温度で２時間以上保持する（以下、これを熱処理第２工程という）。これにより、Ｆｅのウェーハ表層への拡散を停止させて、その場で安定化させる。

その後、熱処理を行ったシリコンウェーハをフッ化水素酸水と硝酸水と酢酸の混合液に浸漬してから乾燥させて、その表面にスポットライトを当て目視し無欠陥領域を判定するものである。

前記熱処理第１工程は、９００℃〜１０００℃の温度で１時間以上保持する工程と、１０５０℃〜１２００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程であることが好ましい。これにより、シリコンウェーハの表面に存在するＦｅを、ウェーハ内に２段階の拡散速度で拡散させるため、より、リングＯＳＦ領域において汚染元素誘起欠陥の核は生成しやすくなる。

前記熱処理第２工程は、５００℃〜６００℃の温度で１時間以上保持する工程と、６００℃〜７００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程
これにより、よりＦｅのウェーハ表層への拡散を停止させて、その場で安定化させる。

つまり、この発明は、ゲッタリング能力の乏しい無欠陥領域においては重金属汚染によりウェーハ表面に汚染元素誘起欠陥（シャローピット）が析出し、またゲッタリング能力がある無欠陥領域では重金属汚染元素が除去され、汚染元素誘起欠陥（シャローピット）は析出しない、という現象を利用してシリコン単結晶の無欠陥領域を判定するようにしたものである。そして、この発明によればシリコン単結晶の無欠陥領域を速やかに判定することができる。

（実施例１）
チョクラスキー法（ＣＺ法）で直径２００mm〜２２５mmのシリコン単結晶インゴットを育成した。インゴットの育成に際しては、径２４インチの石英ルツボにボロンをドープし、電気抵抗率が１０．５Ωcmとなるように調整した。育成させたシリコン単結晶の成長方位は＜１００＞である。また、シリコン単結晶を育成させる際に、無欠陥領域とその他の領域を混在させるために、引上速度Ｖと引上結晶−融液境界の温度勾配Ｇを制御して、育成速度を０．５〜０．０５mm/minで育成した。

このように育成したシリコン単結晶から厚さ１mmのシリコンウェーハを切り出した。この切り出したシリコンウェーハを、フッ化水素酸と硝酸の混合液によって切断の際に生ずる歪を取り除き、さらに希フッ酸水に浸漬した後十分に乾燥させた。

このシリコン単結晶ウェーハの表面を、鉄で汚染された縦型ボート等の熱処理部材にシリコンウェーハを保持して熱処理を行い、密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染した。その後これを９００℃で３時間、１０５０℃で２時間、５００℃で１時間、７００℃で３時間、いずれもドライ酸素雰囲気中で熱処理を行なった。その後、このシリコン単結晶をフッ化水素酸水と硝酸水及び酢酸の混合酸に浸漬してから、これにスポットライトを当てて目視により観察したところ図１の符号１に示すような無欠陥領域が確認された。

これを銅デコレーション法と比較してみると、銅デコレーション法で無欠陥領域と判定される領域は、本発明の判定方法によると図２に示すように、汚染元素誘起欠陥（シャローピット）２が目視により観察された。また、銅デコレーション法によってベイカンシィ領域３であると判定された箇所には、汚染元素誘起欠陥は観察されなかった。

目視によって観察されるシャローピットの模式図。ウェーハ上のシャローピットの模式図。Ｖ／Ｇとシリコン単結晶インゴット中の点欠陥部分との関係を模式的に示す説明図。

符号の説明

１…ウェーハの無欠陥領域、２…シャローピット、３…ベイカンシイ領域、５…空孔過剰領域、６…リングＯＳＦ領域、７…無欠陥領域、８…格子間シリコン過剰領域。

Claims

シリコンウェーハの表面を密度５〜１０Ｅ１０atom/cm²のＦｅで汚染して、前記シリコンウェーハを熱処理炉内に投入し、９００℃〜１２００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第１工程と、次に、５００℃〜７００℃の温度で２時間以上保持する熱処理第２工程とを有し、前記熱処理工程をドライ酸素雰囲気中で熱処理を行うことによりシリコン単結晶ウェーハの表面に汚染元素誘起欠陥を発生させて、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視で判定することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法。
前記熱処理第１工程は、９００℃〜１０００℃の温度で１時間以上保持する工程と、１０５０℃〜１２００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法。
前記熱処理第２工程は、５００℃〜６００℃の温度で１時間以上保持する工程と、６００℃〜７００℃の温度で１時間以上保持する工程とを含む２段階熱処理工程であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶ウェーハの品質評価方法。