JP2007109931A - シリコンウエーハの選定方法及びアニールウエーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して供給する方法を提供する。
【解決手段】シリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造する際に原料となるシリコンウエーハを選定する方法であって、前記アニールする前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥について測定する工程と、前記測定により得られたデータからアニール前後の表層部における欠陥について相関関係を求める工程と、前記相関関係に基づき、前記アニール後に表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなり得るシリコンウエーハを原料として選定する工程とを含むことを特徴とするシリコンウエーハの選定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、シリコンウエーハをアニール（熱処理）してアニールウエーハを製造する際、原料となるシリコンウエーハを選定する方法に関する。

半導体デバイス用の基板としてシリコンウエーハが広く用いられている。シリコンウエーハは、例えばチョクラルスキー法（ＣＺ法）、あるいは磁場を印加するＣＺ法（いわゆるＭＣＺ法）によりシリコン単結晶を育成し、育成した単結晶をスライスした後、面取り、ラッピング、研磨等の加工を施して製造される。
ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する場合、石英ルツボ内に収容した多結晶シリコンを加熱して溶融し、種結晶を原料融液に接触させる。そして、ルツボを回転させるとともに、種結晶を回転させながら引き上げることによりシリコン単結晶が育成される。

育成されたシリコン単結晶中には、点欠陥、すなわちシリコン原子が欠落した空孔や格子間の余分な原子が存在し、通常、点欠陥の凝集体や、石英ルツボから導入された酸素に起因する酸素関連の欠陥が存在する。このような育成に起因する欠陥はグローンイン欠陥と呼ばれ、その発生は結晶成長条件に依存する。例えば、結晶成長速度を大きくして単結晶を育成すると、空孔優勢となり、結晶成長中に空孔の凝集体（ボイド）が形成されることになる。一般的に、生産性の面から結晶成長速度が大きい、すなわち空孔優勢のシリコン単結晶が広く用いられている。

ボイドを有する単結晶を加工して得られたシリコンウエーハの表面においてボイドが露出すると、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれ、パーティクルカウンター等により容易に検出することができる。特に、ＣＯＰや表面近傍のボイドは、半導体デバイスの耐圧特性を劣化させるため、ボイドの密度が低い、あるいはボイドフリーのシリコンウエーハが最近強く要求されてきている。
そこで、ＣＺ法でシリコン単結晶を育成する際、窒素をドープすることでグローンイン欠陥の凝集を抑制するとともに、酸素析出が促進されたシリコン単結晶を育成する方法や、炉内構造や引上げ速度等の成長条件を改良し、点欠陥の凝集体が存在しない、いわゆるＮ領域でシリコン単結晶を育成する方法が開発されている。

一方、シリコンウエーハにアルゴンガス等の不活性雰囲気下の高温熱処理（アニール）を施すと、表層部のＣＯＰやボイドを消滅あるいは減少させることができることから、このような高温熱処理を施したシリコンウエーハ、いわゆるアニールウエーハの需要が最近急激に高まっている。
そこで、窒素ドープしたシリコン単結晶を育成してウエーハに加工した後、１０００℃以上の高温でアニールを施す方法（特許文献１参照）、窒素ドープするとともに引上げ速度（Ｖ）と固液界面における温度勾配（Ｇ）との比（Ｖ／Ｇ）を制御しながらシリコン単結晶を育成し、ウエーハに加工した後、アニールを施す方法（特許文献２参照）などが提案されている。

上記のように窒素ドープされたシリコンウエーハにアニールを施すと、窒素ドープによるグローンイン欠陥凝集抑制効果と酸素析出促進効果が得られ、通常の結晶よりも欠陥のサイズが小さくなり、アニールにより表層部の欠陥（表層欠陥）が効率的に低減ないし消滅する一方、バルク中のＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）密度は高く、ゲッタリング能力を有するアニールウエーハが得られる。

ところが、窒素ドープの有無に関係無く、例えば同じシリコン単結晶から加工したシリコンウエーハに対して同じ条件でアニールを施しても、表層部に残留するボイド欠陥の密度にばらつきが生じ、所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して供給することができないという問題があった。

特開平１０−９８０４７号公報 特開２００２−３５６３９５号公報

本発明は、表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して供給する方法を提供することを主な目的とする。

本発明によれば、シリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造する際に原料となるシリコンウエーハを選定する方法であって、前記アニールする前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥について測定する工程と、前記測定により得られたデータからアニール前後の表層部における欠陥について相関関係を求める工程と、前記相関関係に基づき、前記アニール後に表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなり得るシリコンウエーハを原料として選定する工程とを含むことを特徴とするシリコンウエーハの選定方法が提供される（請求項１）。

すなわち、アニール前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥の相関関係を予め求め、その相関関係に基づき、アニール後、所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなるようなシリコンウエーハを選定すれば、所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して供給することが可能となる。

前記シリコンウエーハとして、窒素ドープされたシリコンウエーハを用いることができる（請求項２）。
窒素ドープされたシリコンウエーハであれば、グローンイン欠陥のサイズは小さく、バルク中のＢＭＤ密度は高いウエーハとすることができる。従って、窒素ドープされたシリコンウエーハをアニールウエーハの原料として選定すれば、表層部の欠陥密度やサイズが小さく、ゲッタリング能力が高い高品質のアニールウエーハを安定して製造することが可能となる。

前記表層部における欠陥として、ボイド欠陥について測定することができる（請求項３）。
半導体デバイスに用いるウエーハは表層部におけるボイド欠陥の低減が強く要求されており、また、表層部のボイド欠陥はアニール前後において比較的良好な相関関係を示す。従って、アニール前後のボイド欠陥について相関関係を求め、その相関関係に基づいて原料となるシリコンウエーハを選定すれば、所望のボイド欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して製造することができる。

また、前記表層部における欠陥のサイズ及び／又は密度を測定することが好ましい（請求項４）。
表層部における欠陥サイズや欠陥密度を測定すれば、アニール前後の相関関係を求め易く、原料となるシリコンウエーハをより適切に選定することができる。

より具体的には、前記アニール前のシリコンウエーハの表層部における欠陥サイズと、前記アニール前後の表層部における欠陥密度を測定し、前記アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度との関係、及び前記アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率との関係を求め、これらの関係に基づき、アニール後の表層部における所望の欠陥密度からアニール前の表層部における欠陥サイズを算出するとともに、該算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズからアニール前の表層部における欠陥密度を算出し、前記算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズ及び／又は欠陥密度を有するシリコンウエーハを原料として選定することができる（請求項５）。

アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度との関係、及びアニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率との関係からアニール前の表層部における欠陥サイズ及び／又は欠陥密度を算出することができ、原料となるシリコンウエーハをより適切に、かつ確実に選定することができる。

また、本発明によれば、シリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造する方法であって、前記の方法によりシリコンウエーハを原料として選定し、該選定されたシリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造することを特徴とするアニールウエーハの製造方法が提供される（請求項６）。

すなわち、アニール前後の表層部における欠陥の相関関係に基づいて原料となるシリコンウエーハを選定し、選定されたシリコンウエーハをアニールすれば、表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して製造することができる。

本発明では、アニール前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥について相関関係を求め、その相関関係に基づき、アニール後に表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなり得るシリコンウエーハを原料として選定する。このような方法でシリコンウエーハを選定してアニールを行えば、表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して製造することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者は、アニール前後のウエーハの表層部における欠陥について検討及び調査を行った。アニール前のシリコンウエーハの表層部における欠陥（主にボイド)のサイズはアニール後の表層部における欠陥密度に影響を及ぼし、欠陥サイズが小さいほどアニール後の表層欠陥の密度が小さくなると推測される。そこで、窒素ドープによりボイド欠陥の縮小効果が得られるシリコン単結晶を育成し、これを加工して得たシリコンウエーハをアニールすれば、表層部における欠陥（ボイド）密度が極めて小さい、あるいはボイドフリーのアニールウエーハが得られると考えられる。
しかし、アニールウエーハの表層部における欠陥密度は必ずしも所望量に制御されず、同じ条件でアニールを行っても、表層部にＣＯＰやボイドが多く残留する場合があった。

本発明者は、アニール後の表層部における欠陥密度が所望量に制御されない原因として、主に、原料であるシリコンウエーハの選定に問題があると考えた。そこで、さらに鋭意検討及び研究を重ねた結果、アニール前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥の相関関係を求め、その相関関係に基づいて原料となるシリコンウエーハを選定すれば、表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して供給することができることを見出し、本発明を完成させた。

さらに添付の図面を参照しつつ、本発明についてより具体的に説明する。
図１は、本発明に係るアニールウエーハを製造する際に原料となるシリコンウエーハを選定するフローの一例を示している。
まず、アニール前後における表層欠陥の相関関係を求めるためのシリコンウエーハを用意し、アニールする前のシリコンウエーハの表層部における欠陥について測定を行う（図１（Ａ））。

ここで測定に使用するシリコンウエーハは特に限定されるものではないが、表層部におけるボイド欠陥の密度が低い、あるいはボイドフリーのアニールウエーハを製造したい場合には、窒素ドープしたシリコンウエーハを用いることが好ましい。窒素ドープにより欠陥凝集抑制効果（欠陥縮小効果）により表層の欠陥のサイズが小さいものが得られ、アニール後に表層欠陥の密度が低いアニールウエーハを得ることができる。
また、測定に使用するシリコンウエーハの数が多いほど、アニール前後における表層欠陥の相関関係の信頼性が高くなるが、コスト等も考慮すると、１０〜数十枚程度とすることが好ましい。

測定する表層部の欠陥は、アニール前後において相関を示すものであれば特に限定されない。例えば表層部におけるボイド欠陥（ＣＯＰ）があげられる。半導体デバイスに用いるウエーハは表層部におけるボイド欠陥の制御が重要である。また、ボイド欠陥のサイズ及び密度はアニール前後において比較的良好な相関関係を示す。従って、アニール前のシリコンウエーハの表層部におけるボイド欠陥のサイズ及び密度を測定することが好ましい。

なお、ウエーハの表層欠陥の測定に用いる装置は、測定すべき欠陥の種類、サイズ、深さ等に応じて適宜選択すればよい。例えば、欠陥評価装置ＭＯ−６０１（三井金属鉱業社製）を用いれば、５０ｎｍ程度のサイズの極めて微細な欠陥も測定することができ、さらに欠陥をウエーハ表面から５μｍまでの深さで評価することができる。

次に、上記測定を行ったシリコンウエーハに対し、一定の条件下でアニールを施す（図１（Ｂ））。
ここでのアニールは、製品となるアニールウエーハを製造する場合と同じ条件で行えばよい。例えば、バッチ炉を用いる場合は、アルゴン雰囲気下、１０００〜１２５０℃、３０分〜４時間の熱処理を行うことができる。また、急速加熱装置を用いる場合は、アルゴン雰囲気下、１０００〜１２５０℃、１〜６０秒の熱処理とすることができる。

アニール後、シリコンウエーハの表層部における欠陥について再度測定を行う（図１（Ｃ））。
このアニール後の測定は、アニール前の測定と同じ条件、すなわちアニール前の測定と同じ測定機器を用いてウエーハの表層部におけるボイド欠陥のサイズ及び密度について同様に測定を行えばよい。

上記のようにアニール前後の測定により得られたデータからアニール前後の表層部における欠陥について相関関係を求める（図１（Ｄ））。
例えば、前記のようにアニール前後のボイド欠陥のサイズ及び密度について測定を行った場合には、アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度（残留ボイド密度）との関係、及びアニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率（アニール工程後の欠陥密度／アニール工程前の欠陥密度）との関係を把握することができる。

上記２つの関係に基づき、アニール後に表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなり得るシリコンウエーハを原料として選定する（図１（Ｅ））。
例えば、アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度（残留ボイド密度）との関係に基づき、アニール後の表層部における所望の欠陥密度となるようなアニール前の表層部における欠陥サイズを算出することができる。さらに、アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率との関係に基づき、前記算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズとなるようなアニール前の表層部における欠陥密度を算出することができる。そして、このようにして算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズ、欠陥密度等を有するシリコンウエーハを、製品となるアニールウエーハの原料として選定することができる。

すなわち、アニール工程後、所望の表層欠陥密度を有するアニールウエーハとなるような初期の欠陥サイズ及び密度のしきい値を見積り、初期材料となるシリコンウエーハの選定を行う。そして、選定されたシリコンウエーハをアニールすることにより、アニール工程後、所望の表層欠陥密度を有するアニールウエーハを安定して製造することが可能となる。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
直径２００ｍｍのシリコンウエーハに対し、欠陥評価装置として「ＭＯ−６０１」（三井金属鉱業社製）を用いてウエーハ表層部の欠陥について測定を行い、表層部における欠陥（主にボイド）の平均密度及び平均サイズを取得した。ＭＯ−６０１による測定ではウェーハ表面から５μｍ程度の深さ領域の表層欠陥が検出される。なお、表層部の欠陥のサイズについては、ＭＯ−６０１による測定で得られる散乱強度は欠陥体積の２乗に比例するとの関係から、散乱強度の平均値を平均サイズとした。

上記測定したウエーハに対し、縦型熱処理炉「ＤＤ−８５３Ｖ」（日立国際電気社製）を用い、アルゴン雰囲気において１２００℃／１時間のアニール処理を施した。このＡｒアニール後のウエーハについて再度ＭＯ−６０１を用いてアニール前と同様の測定を行い、ウエーハ表層部に残留した欠陥の平均密度及び平均サイズを取得した。

図２は、アニール工程前の表層部における欠陥サイズ（散乱強度）とアニール工程後の欠陥密度との関係を示している。図２から、アニール工程前の欠陥サイズが大きくなると共にアニール工程後の欠陥密度が高くなることがわかる。
一方、図３は、アニール工程前の欠陥サイズ（散乱強度）とアニール工程前後での欠陥残留率（アニール後の欠陥密度／アニール前の欠陥密度）との関係を示している。図２と同様、欠陥残留率もアニール工程前の欠陥サイズに依存し、サイズが大きいほど残留率が高くなった。

図２に示されるアニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度との関係（関係Ａ）、及び図３に示されるアニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率との関係（関係Ｂ）に基づき、原料となるシリコンウエーハを以下のように選定した。
前記したように、ＭＯ−６０１による測定ではウェーハ表面から５μｍ程度内部までの深さ領域の欠陥が検出されるので、この表層部におけるアニール工程後の欠陥密度を５ｃｍ^−２以下に制御する場合、関係Ａから、初期材料が有する欠陥の平均サイズは２７０ａ．ｕ．以下であると決定した（図２参照）。こうして表層部におけるアニール工程後の欠陥密度が５ｃｍ^−２以下となる原料の平均欠陥サイズが判明したので、このような欠陥サイズを有するウエーハを原料として選定することができる。但し、図２に示される関係Ａは多少バラツキがあるので、さらに確実にするため、関係Ｂに基づいて選定を行なう。すなわち、初期材料が有する表層欠陥の平均サイズが２７０ａ．ｕ．以下である場合、関係Ｂから、欠陥残留率は２．３％以下となる（図３参照）。ここで、アニール前の欠陥密度をＤｉ、アニール後の欠陥密度をＤａとすると、Ｄａ／Ｄｉ＝２．３（％）であり、アニール工程後の欠陥密度が５ｃｍ^−２以下となるようにすることを考慮すると、Ｄｉ≦５ｃｍ^−２／０．０２３＝２１７ｃｍ^−２と算出される。すなわち、アニール工程前の初期材料が有する表層欠陥の密度は２１７ｃｍ^−２以下、と決定することができる。

なお、関係Ａ及び関係Ｂのいずれかの関係からアニール前の表層部における欠陥サイズ又は欠陥密度を算出して原料となるウエーハを選定することもできるが、上記のようにＡ、Ｂ両方の関係から原料を選定することが好ましい。すなわち、アニール工程前の原料となるシリコンウエーハとして、表層部におけるボイド欠陥の平均サイズが２７０ａ．ｕ．以下であり、かつ欠陥密度が２１７ｃｍ^−２以下となるシリコンウエーハを選定してアニールすれば、ＭＯ−６０１による測定領域（表面から深さ約５μｍまでの領域）内の欠陥密度をより確実に５ｃｍ^−２以下に制御することが可能となる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、実施形態及び実施例では、ＭＯ−６０１を用いて測定する場合について説明したが、測定装置はこれに限定されず、観察可能な深さ領域が異なる装置を用いることにより、所望の深さに残留する欠陥密度を所望量に制御することができる。例えば、測定深さ領域がより浅い「Ｍ−３５０」（Ｌａｓｅｒｔｅｃｔ社製）を用いて上記と同様にアニール前後の表層欠陥の測定等を実施すれば、より浅い領域（表面から数百ｎｍまでの領域）での欠陥密度を所望量に制御することも可能となる。

本発明に係るアニールウエーハを製造する際に原料となるシリコンウエーハを選定する方法の一例を示すフロー図である。 実施例においてアニール工程前の欠陥サイズとアニール工程後の表層部における欠陥密度との関係を示すグラフである。 実施例においてアニール工程前の欠陥サイズとアニール工程前後での欠陥残留率との関係を示すグラフである。

Claims (6)

1. シリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造する際に原料となるシリコンウエーハを選定する方法であって、前記アニールする前後のシリコンウエーハの表層部における欠陥について測定する工程と、前記測定により得られたデータからアニール前後の表層部における欠陥について相関関係を求める工程と、前記相関関係に基づき、前記アニール後に表層部において所望の欠陥密度を有するアニールウエーハとなり得るシリコンウエーハを原料として選定する工程とを含むことを特徴とするシリコンウエーハの選定方法。
2. 前記シリコンウエーハとして、窒素ドープされたシリコンウエーハを用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウエーハの選定方法。
3. 前記表層部における欠陥として、ボイド欠陥について測定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコンウエーハの選定方法。
4. 前記表層部における欠陥のサイズ及び／又は密度を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のシリコンウエーハの選定方法。
5. 前記アニール前のシリコンウエーハの表層部における欠陥サイズと、前記アニール前後の表層部における欠陥密度を測定し、前記アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール後の表層部における欠陥密度との関係、及び前記アニール前の表層部における欠陥サイズとアニール前後での表層部における欠陥残留率との関係を求め、これらの関係に基づき、アニール後の表層部における所望の欠陥密度からアニール前の表層部における欠陥サイズを算出するとともに、該算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズからアニール前の表層部における欠陥密度を算出し、前記算出されたアニール前の表層部における欠陥サイズ及び／又は欠陥密度を有するシリコンウエーハを原料として選定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のシリコンウエーハの選定方法。
6. シリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造する方法であって、前記請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の方法によりシリコンウエーハを原料として選定し、該選定されたシリコンウエーハをアニールしてアニールウエーハを製造することを特徴とするアニールウエーハの製造方法。

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