JP2009218620A

JP2009218620A - シリコンウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2009218620A
Application number: JP2009149086A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Nakada; 嘉信中田; Wataru Ito; 亘伊藤
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】従来よりも短時間かつ低温の熱処理で内部でのＢＭＤ形成を行うシリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの窒素濃度を、１×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲内とし、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｉ〕、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕、格子間シリコン型点欠陥及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を〔Ｐ〕とするときに、ＯＳＦ領域を含まないパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハであり、このシリコンウェーハに1150℃以上1250℃以下の温度で急速加熱、急速冷却の熱処理を施し、シリコンウェーハ内部に１×１０¹²個／ｃｍ³以上の空孔を導入することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンウェーハの内部でのＢＭＤ形成を促進するシリコンウェーハの製造方法に関する。

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）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。

このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０°Ｃ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、内部に過剰の原子空孔（Ｖａｃａｎｃｙ、以下、単に空孔と称す）を導入するとともに、この後の熱処理で表層において空孔を外方拡散させることによりＤＺ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、国際公開第98/38675号に記載の技術）。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。また、他の従来技術（例えば、国際公開第98/45507号に記載の技術）として、先ず酸素雰囲気化で熱処理を行い、続けて非酸化性雰囲気下で熱処理を行うことで表層でのＤＺと内部でのＢＭＤ形成を行っている。

従来、上記のＤＺ層形成のための熱処理を行う装置としては、シリコンウェーハを石英チューブ内に設置するとともに石英チューブ内に雰囲気ガスを供給しながら外部から赤外線ランプ等を用いたランプ加熱による赤外線照射を行うものが用いられる。また、このような熱処理装置では、上記雰囲気ガスとしてＮ₂（窒素）が主に用いられている。すなわち、高温でＮ₂が分解され、シリコンウェーハの表面にＳｉ_xＮ_y（窒化膜）が形成されることにより、空孔を注入することができ、内部のＢＭＤ密度を適度に高めることができるためである。

国際公開第98/38675号国際公開第98/45507号特開2001-146498号公報特開2001-146498号公報特願2000-229522号（特開2002-043318号公報）

従来、シリコンウェーハは、上記したようにＤＺ層形成のための熱処理を終えた後にさらに熱処理を施される。この熱処理は、シリコンウェーハを８００°Ｃ程度の比較的低温で加熱してシリコンウェーハ内部で酸素析出核を生成させ、その後１０００°Ｃ程度の比較的高温で加熱して酸素析出核を成長させるものである。しかし、上記のような熱処理において、酸素析出核を十分に成長させるためには、例えば１０００°Ｃ以上に加熱しておく時間が合計で１０時間以上必要であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、従来よりも短時間かつ低温の熱処理で内部でのＢＭＤ形成を行うシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的としている。

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、本発明にかかるシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハを窒化ガスを含む雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成する工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、
前記シリコンウェーハの窒素濃度を、１×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲内とし、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｉ〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を〔Ｐ〕とするときに、ＯＳＦ領域を含まないパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハであり、このシリコンウェーハに１１５０℃以上１２５０℃以下の温度で急速加熱、急速冷却の前記熱処理を施すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法ことを特徴とする。
また、本発明にかかるシリコンウェーハの製造方法は、前記熱処理後に、該熱処理よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させる析出処理することを特徴とする。

このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハとして、予め窒素が添加されたシリコン融液から引き上げられて窒素濃度が高められたシリコン単結晶をスライスして得られるシリコンウェーハを用いている。このシリコンウェーハは、内部の窒素と空孔とが相互作用を引き起こし、熱処理後の冷却の際における空孔の消滅が抑制されるので、シリコンウェーハ内のＢＭＤが増加しやすくなる。なお、窒素をドープしたウェーハに対しても、表層の外方拡散による低格子間酸素化を行うアニール処理が、表層のＣＯＰ（Crystal Originated Particle）低減と高ＢＭＤ化を図るアニール処理は、従来より行われているが、上記本発明の空孔形成のための熱処理工程は行われていなかった。また、本発明のシリコンウェーハの製造方法では、シリコンウェーハがパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された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、熱処理時に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される。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。また、本発明のシリコンウェーハの製造方法では、熱処理後に、該熱処理よりも低い温度でシリコンウェーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させる析出処理するので、デバイス形成に好適なＤＺ層を表層に有すると共に近接ゲッタリング効果を有する高ＢＭＤ密度領域を内部に有する高機能シリコンウェーハを作製することができる。また、このシリコンウェーハでは、シリコンウェーハ内部に１×１０¹²／ｃｍ³以上の空孔が導入されているので、この後の酸素析出のための熱処理を施せば、十分な密度のＢＭＤ層を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。本発明にかかるシリコンウェーハの製造方法によれば、予め窒素を添加したシリコンウェーハを熱処理するので、内部の窒素と空孔との相互作用によって熱処理後の冷却の際における空孔の消滅が抑制されて、シリコンウェーハ内のＢＭＤが増加する。このため、この熱処理を従来と同じ時間、温度で行った場合には、従来の製造方法よりもＢＭＤ密度の高いシリコンウェーハを得ることができる。また、このようにＢＭＤが形成されやすいので、酸素析出核の生成のための熱処理を省くことも可能となる。さらに、従来よりも短時間かつ低温の熱処理で従来と同程度のＢＭＤ密度をもつシリコンウェーハを得ることができる。従って、大口径化されるウェーハの熱処理に好適であり、特に２００ｍｍよりも大きい径の３００ｍｍのウェーハにおいて、さらに有効である。

本発明にかかるシリコンウェーハの製造方法を概略的に示す図である。本実施形態にかかるシリコンウェーハの構成を示す断面図である。ボロンコフ理論に基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔豊富インゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが形成され、パーフェクト領域が第１臨界比（（Ｖ）／Ｇ）1）以上第２臨界比（Ｖ／Ｇ）2）以下であることを示す図である。予め窒素を添加したシリコンウェーハと、窒素を添加しなかったシリコンウェーハのそれぞれに施した熱処理の温度と熱処理後の各シリコンウェハ内部のＢＭＤ密度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明にかかるシリコンウェーハは、例えば図１に示す熱処理装置１によって、熱処理前のシリコンウェーハＷに熱処理を施すことによって得られる。この熱処理装置１は、石英チューブ２内に支持具等を用いてその内面から離間させた状態にしてシリコンウェーハＷを設置するとともに石英チューブ２内に雰囲気ガスＧを供給しながら外部から赤外線ランプ３等を用いたランプ加熱による赤外線照射を行って熱処理するものである。

熱処理前のシリコンウェーハＷは、シリコン原料が所定量入れられてさらに所定量のＳｉ₃Ｎ₄が添加されたルツボ内のシリコン融液から引き上げられたシリコン単結晶をスライスしたものである。このシリコンウェーハＷ中の窒素濃度は、１×１０¹²個／ｃｍ³から５×１０¹⁵個／ｃｍ³の範囲内に設定される。この窒素濃度は、上記濃度範囲内で、必要とするＢＭＤ密度が低い場合には低く設定され、必要とするＢＭＤ密度が高い場合には高く設定され、析出熱処理の条件に即して適宜調整されるものである。

なお、上記シリコンウェーハとしては、図３に示すように、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｉ〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を〔Ｐ〕とするときに、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないものを用いている。なお、空孔型点欠陥は、一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常な一つから離脱した空孔による欠陥であり、また、格子間シリコン点欠陥は、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）にある場合の欠陥をいう。すなわち、このパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるシリコンウェーハは、例えば特開平１−１３９３号公報に提案されているように、ＣＺ法によりホットゾーン内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ(Voronkov）理論に基づいた引上速度プロファイルで引き上げられ、このインゴットをスライスして作成される。

このインゴットは、引上速度をＶ（ｍｍ／分）とし、ルツボ中のシリコン融液とインゴットとの界面近傍におけるインゴット鉛直方向の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦ（OxidationInduced Stacking Fault;酸素誘起積層欠陥）がウェーハ中心部で消滅するように、Ｖ／Ｇ（ｍｍ²／分・℃）の値を決めて作られる。上記ボロンコフ理論では、図３に示すように、Ｖ／Ｇを横軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型欠陥濃度を同一の縦軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される。図３において、〔Ｉ〕は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン点欠陥が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）₁以下）を示し、〔Ｖ〕はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）₂以下）を示し、〔Ｐ〕は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（（Ｖ／Ｇ）₁〜（Ｖ／Ｇ）₂）を示す。領域〔Ｐ〕に隣接する領域〔Ｖ〕にはＯＳＦ核を形成する領域〔ＯＳＦ〕（（Ｖ／Ｇ）₂〜（Ｖ／Ｇ）₃）が存在する。したがって、シリコンウェーハに供されるインゴットの引上速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン内のシリコン融液から引き上げられるとき、温度勾配に対する引上速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（（Ｖ／Ｇ）₁）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（（Ｖ／Ｇ）₂）以下に維持されるように決められる。この引上速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることやシミュレーションによって上記ボロンコフ理論に基づいて決定される。このようにパーフェクト領域〔Ｐ〕で作製されたシリコンウェーハは、ＯＳＦ、ＣＯＰ等を有しない無欠陥のウェーハとなるものであるが、逆にＩＧ効果が低いため、上記実施形態による熱処理を施せば、十分に高密度なＢＭＤ層を内部に形成でき、近接ゲッタリング効果を備えることができる。なお、ＣＯＰ等の点欠陥の凝集体が検出方法によって検出感度、検出下限値が異なる値を示すことがある。そのため、本明細書において、「点欠陥の凝集体が存在しない」の意味は、鏡面加工されたシリコン単結晶を無攪拌セコエッチングを施した後に光学顕微鏡により、観察面積とエッチング取り代との積を検査体積として観察した際に、フローパターン（空孔型欠陥）及び転位クラスタ（格子間シリコン型点欠陥）の各凝集体が１×１０^-3ｃｍ³の検査体積に対して１個欠陥が検出された場合を検出下限値（１×１０³個／ｃｍ³）とするとき、点欠陥の凝集体の数が上記検出下限値以下であることをいう。

このシリコンウェーハＷに施される熱処理は、１０００°Ｃから１３５０°Ｃの温度範囲で、スパイクアニールまたは５分以下で急速加熱、急速冷却（例えば、５０°Ｃ／秒の昇温または降温）のＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理である。このＲＴＡ処理によりシリコンウェーハＷ内に空孔が注入される。この熱処理は、希望する酸素析出核の析出形態に即して不活性雰囲気下もしくは窒素雰囲気下で行われる。この熱処理を施すことによって、シリコンウェーハＷ内部に１×１０¹²／ｃｍ³以上の空孔を導入する。ここで、シリコンウェーハＷがパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された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、熱処理時に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される。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。次に、ＤＺ層形成及び酸素析出のための熱処理（例えば、８００°Ｃ４時間の熱処理及びその後に１０００°Ｃ１６時間行う熱処理）を行う。この熱処理は、上記ＲＴＡ処理の熱処理よりも低い温度で行う、空孔への酸素析出のための熱処理であって、この熱処理によって酸素析出核の安定化を図り、析出物の成長を行うものである。この熱処理の際、図２に示すように、表裏面からの空孔や酸素の外方拡散、表層の酸化により注入された格子間のＳｉと空孔との対消滅によりＤＺ層１１が形成され、またこれらのＤＺ層１１の内側に高いＢＭＤ（酸素析出物）濃度を有するＢＭＤ層１２が形成される。ここで、シリコンウェーハＷ内部に１×１０¹²／ｃｍ³以上の空孔が導入されているので、この酸素析出のための熱処理によって、十分な密度のＢＭＤ層を得ることができる。

本実施形態のシリコンウェーハの熱処理では、予め窒素がドーピングされたシリコンウェーハＷを熱処理するものであるので、シリコンウェーハ内部の窒素と空孔とが相互作用を引き起こし、熱処理後の冷却の際における空孔の消滅が抑制されることとなり、シリコンウェーハ内のＢＭＤが増加しやすくなる。

このため、この熱処理を従来と同じ時間、温度で行った場合には、従来の製造方法よりもＢＭＤ密度の高いシリコンウェーハを得ることができる。また、このようにＢＭＤが形成されやすいので、酸素析出核の生成のための熱処理を省くことも可能となる。さらに、従来よりも短時間かつ低温の熱処理で従来と同程度のＢＭＤ密度をもつシリコンウェーハを得ることができる。

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。例えば、上記実施の形態では、シリコンウェーハＷに熱処理を施す際に赤外線ランプ３を使ってシリコンウェーハＷに赤外線を照射して加熱したが、他の光線（可視光等）により加熱しても構わない。また、上記ＤＺ層形成または酸素析出のための熱処理をデバイス作成工程前に特に行わず、その後のデバイス作成工程に伴って行われる熱処理で行っても構わない。

ここで、予め窒素を添加したシリコンウェーハ、すなわち本発明にかかるシリコンウェーハと、このシリコンウェーハとは窒素を添加しなかった以外は同一の製造条件で製造したシリコンウェーハ（従来のシリコンウェーハ）のそれぞれに同一の条件でＤＺ層形成及び酸素析出のための熱処理を施し、各ウェーハについて熱処理後（二段の析出熱処理；８００°Ｃで４時間の熱処理を施しさらに１０００°Ｃで１６時間の熱処理を施した後）における内部でのＢＭＤ密度を測定した。この結果を図４のグラフに示す。この試験では、予め窒素を添加したシリコンウェーハとして、それぞれ窒素濃度が１×１０¹³個（ａｔｏｍｓ）／ｃｍ³、１×１０¹⁴個／ｃｍ³、１×１０¹⁵個／ｃｍ³のものを用意した。

図４に示すように、窒素を添加しなかったシリコンウェーハでは、上記熱処理の温度が１１００°Ｃである場合にはＢＭＤ密度は約７×１０⁶個／ｃｍ³程度であり、熱処理温度が１１５０°Ｃである場合にも同様に約７×１０⁶個／ｃｍ³程度である（光学顕微鏡での検出限界）。そして、さらに熱処理温度を上げても、ＢＭＤ密度は約３．５×１０⁷個／ｃｍ³程度とあまり増加せず、熱処理温度が１２５０°ＣとなることでようやくＢＭＤ密度を約７×１０⁹個／ｃｍ³程度まで高めることができた。

これに対し、予め窒素を添加したシリコンウェーハにおいて、窒素濃度が１×１０¹³個／ｃｍ³、１×１０¹⁴個／ｃｍ³のものでは、上記熱処理の温度が１１００°Ｃである場合には、そのＢＭＤ密度は窒素を添加しなかったシリコンウェーハと同じく約７×１０⁶個／ｃｍ³程度であるが、窒素濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³のものでは、ＢＭＤ密度は約６×１０⁷個／ｃｍ³程度と、窒素を添加しなかったシリコンウェーハを１２００°Ｃで熱処理した場合よりも高いＢＭＤ密度を得ることができた。そして、これら予め窒素を添加したシリコンウェーハは、熱処理温度を１１５０°Ｃに上げると、窒素濃度が１×１０¹³個／ｃｍ³のものではＢＭＤ密度は約９×１０⁸個／ｃｍ³程度、窒素濃度が１×１０¹⁴個／ｃｍ³のものではＢＭＤ密度は約６×１０⁹個／ｃｍ³程度、窒素濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³のものではＢＭＤ密度は約９×１０⁹個／ｃｍ³程度と、いずれも窒素を添加しなかったシリコンウェーハを１２００°Ｃで熱処理した場合よりも遙かに高いＢＭＤ密度を得ることができた。さらに熱処理温度を１２００°Ｃまで上げると、予め窒素を添加したシリコンウェーハのうち最もＢＭＤ密度が低いものでもＢＭＤ密度は約９×１０⁹個／ｃｍ³程度（窒素濃度が１×１０¹³個／ｃｍ³のもの）となり、窒素を添加しなかったシリコンウェーハを１２５０°Ｃで熱処理した場合よりも高いＢＭＤ密度を得ることができた。そして、熱処理温度を１２５０°とした場合にも、予め窒素を添加したシリコンウェーハのすべてで、窒素を添加しなかったシリコンウェーハよりも高いＢＭＤ密度を得ることができた。このことから、予め窒素を添加したシリコンウェーハでは、窒素を添加しなかったものに比べて低い熱処理温度でより高いＢＭＤ密度を得ることができることがわかる。

１熱処理装置
１１ＤＺ層
１２ＢＭＤ層
Ｗシリコンウェーハ

Claims

シリコンウェーハを窒化ガスを含む雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成する工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、
前記シリコンウェーハの窒素濃度を、１×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲内とし、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｉ〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を〔Ｐ〕とするときに、ＯＳＦ領域を含まないパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハであり、このシリコンウェーハに１１５０℃以上１２５０℃以下の温度で急速加熱、急速冷却の前記熱処理を施すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理後に、該熱処理よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させる析出処理することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。