JP2010003899A - シリコンウェハ、半導体装置、シリコンウェハの製造方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハの割れ、欠けやチッピングを低減し、かつデバイスの良品率を向上した半導体装置及びその製造方法の提供。
【解決手段】ＦＺウェハまたはＣＺウェハ等のウェハに熱酸化処理を行いウェハの全面に熱酸化膜を形成する。ついで、素子構造が形成されるウェハのおもて面側の上に形成された熱酸化膜を除去し、開口部を形成する。ついで、非酸化性雰囲気内において、高温で長時間の熱処理を行い、熱酸化膜からウェハへの酸素原子の内方拡散を行う。ウェハがＣＺウェハの場合、ウェハから雰囲気内への酸素原子の外方拡散も行う。このように、ウェハの中央部のおもて面側が低酸素濃度シリコン層２であり、バルク領域、中央部の裏面側および外周端部が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１が形成され、熱酸化膜を除去した後に、シリコンウェハ１の中央部のおもて面におもて面素子構造を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、シリコンウェハ、半導体装置、シリコンウェハの製造方法および半導体装置の製造方法に関し、特にデバイス厚が薄い薄型半導体デバイス、ウェハ表面の金属汚染を低減する必要のある半導体デバイス、または、大口径のウェハを用いて製造する半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

従来、シリコンのバルク単結晶は、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ）と呼ばれる引き上げ法（ＣＺ法）と、フローティングゾーン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ：ＦＺ）と呼ばれる浮遊帯融解法（ＦＺ法）と、のいずれかで製造されることが一般的である。

ＣＺ法においては、石英製の坩堝内で多結晶シリコン塊を融解し、このシリコンの融解液に種結晶を接触させながら徐々に引き上げることで、結晶成長させて、単結晶大塊（インゴット）を製造する。したがって、ＣＺ法においては、大口径のウェハを製造することができる。

また、ＣＺ法において製造されたウェハ（以下、ＣＺウェハという）は、石英製の坩堝内において、シリコン結晶中に坩堝からの酸素が混入するため、非常に高い酸素濃度（１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度）のウェハ（以下、高酸素濃度ウェハという）となる。ここで、シリコン結晶中に酸素原子が混入すると、結晶中の転位の移動が不純物によって制限を受けるので、結晶面のすべりに対して強いという意味でシリコンの機械的強度が高くなることが知られている。またＣＺウェハには、酸素の他に、炭素も高濃度の不純物として混入されることが知られている。

半導体デバイスの製造プロセス中に、熱処理を複数回行う場合、酸素濃度が高いＣＺウェハは、酸素濃度が低いウェハに比べて機械的強度が高いため、ウェハの反りが少ない。また、シリコン結晶中に固溶した酸素は、特定の熱処理を行うことで、酸素析出物として析出される。この酸素析出物によって、イントリンシックゲッタリング効果が生じる。さらに、この酸素析出物は、結晶を脆くする効果、つまり脆性破壊を促進する効果を奏している。このため、ダイシングやグラインドなど微小なダイヤモンド砥石によって結晶を細かく砕きながら切削や研削を行うプロセスでは、回転スピンドルモーターの負荷が小さくなり、結晶を細かく砕くことができるので、チッピングや欠けなどの程度が比較的小さくなる。一方で不純物や析出物が少なくて転位の移動がしやすいＦＺウェハでは、脆性破壊が阻害されるため、研削モーターのスピンドル負荷が大きく、発生するチッピングや欠けも、その程度が大きくなることが考えられる。

図１４は、イントリンシックゲッタリングについて示す説明図である。図１４においては、志村史夫著「半導体シリコン結晶工学」、丸善、１９９３年より引用した。図１４に示すように、シリコンウェハ１の表面から奥深い領域に酸素析出物３１が析出された場合、この酸素析出物がイントリンシックゲッタリングサイトとなり、外部からシリコンウェハ１内に入った汚染金属原子３２を取り込み、固着させる。この現象を、イントリンシックゲッタリングという。イントリンシックゲッタリングによって、シリコンウェハ１の表面領域の汚染金属原子３２を低減させることができる。

また、窒素を添加したＣＺウェハにおいて、窒素濃度、酸素濃度および結晶育成条件を制御して、表面の結晶欠陥が少なく、かつ酸化膜耐圧特性にも優れたシリコンウェハを形成することが提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

一方、ＦＺ法においては、多結晶シリコン棒の先端をヒーターで融解して、種結晶に導くことで単結晶化する。ＦＺ法において製造されたウェハ（以下、ＦＺウェハという）は、シリコン結晶が融解されてから固化されるまでの間に、雰囲気ガス以外のものに接触することがないため、シリコンの結晶成長中に酸素がほとんど混入せず、結晶内の酸素濃度が極めて低い（１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度）。このＦＺウェハは、シリコン中のドーパント不純物濃度を低く抑え、また均一に分布させることが比較的容易であるため、高耐圧パワーデバイス向けの高比抵抗ウェハとして広く用いられている。

また、ＦＺウェハの裏面側に、溝部あるいは空洞部を設けること、または高熱伝導層を設けることで、結晶欠陥の伸展を抑制する技術が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。この技術によれば、酸素濃度が低いウェハでも、デバイスの製造プロセス中に結晶欠陥が伸展するのを抑制することができる。

特開２００２−２９８９１号公報 特開２００６−２８６７５６号公報

しかしながら、高酸素濃度ウェハであるＣＺウェハは、シリコンバルク領域の酸素濃度が高いため、シリコンバルク領域を用いて素子構造を形成することができない。したがって、例えば特許文献１に記載されたように、表面の結晶欠陥が少なくても、素子構造の一部にシリコンバルク領域を含む縦型ＩＧＢＴ等の縦型パワーデバイスを製造する際に、ＣＺウェハを用いることができないという問題がある。

また、ＦＺ法においては、結晶成長の初期から最後まで、極めて不安定な状態の細い種結晶によって、多結晶シリコンおよびそれが単結晶化したシリコンの棒の全重量を、下から支えなければならない。このため、大口径のウェハを製造するのが非常に困難であり、大口径のウェハを製造しようとすると、コストが非常に高くなるという問題がある。

また、ＦＺウェハは、シリコン中の酸素濃度が低く、酸素析出物によるイントリンシックゲッタリングが生じないため、シリコンウェハの表面領域の汚染金属原子を低減させることができないという問題がある。また、特許文献２の技術によれば、結晶欠陥の伸展を抑制することはできるが、シリコン中の酸素濃度が低いため、結晶中の転位の移動が容易であり、ウェハの機械的強度がＣＺウェハよりも小さいという問題がある。

ここで、図１５は、ＣＺウェハとＦＺウェハにおけるウェハ内の酸素濃度に対する、ウェハの反りについて示す図である。図１５においては、谷口研二、外２名著「シリコン結晶とドーピング」、丸善、１９８６年より引用した。図１５においては、例えば厚さが４００μｍで、大きさが３インチのウェハに対して、１１５０℃の温度で、３０分間、熱処理を行った際の、ウェハの反りを示している。図１５に示すように、ＦＺウェハは、ＣＺウェハに比べて酸素濃度が低く、ウェハの反りが大きくなる。近年、縦型ＩＧＢＴの製造においては、導通損失の低減のために、ウェハを薄層化する技術が提案されているが、このように、ＦＺウェハの機械的研削による薄化処理では、脆性破壊が起こりにくいので、研磨モーターのスピンドル負荷の上昇や、チッピングや欠けが大きくなり、割れが生じるという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ウェハの割れ、欠けやチッピングを低減し、かつデバイスの良品率を向上することのできる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかるシリコンウェハは、シリコンウェハの中央部のおもて面側に設けられた低酸素濃度層と、前記シリコンウェハの中央部の裏面側、バルク領域および外周端部に設けられ、前記低酸素濃度層より酸素濃度が高い高酸素濃度層と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明にかかるシリコンウェハは、シリコンウェハの中央部の全域に設けられた低酸素濃度層と、前記シリコンウェハの外周端部の全域に設けられ、前記低酸素濃度層より酸素濃度が高い高酸素濃度層と、を備えることを特徴とする。

ここで、請求項１または２の発明にかかるシリコンウェハにおいて、低酸素濃度層は、すくなくともウエハプロセスでの最高温度における固溶限界酸素濃度以下が望ましい。例えば、ウェハプロセスでの最高温度が１２００℃の場合であれば固溶限界酸素濃度は４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以下が望ましい。これ以上に濃度が高いと、過飽和酸素原子の析出や酸素ドナーによる抵抗値変動が強く懸念される。酸素濃度は低ければ低いほどよいが、通常のフローティングゾーン（ＦＺ）法によって製造されたウェハでも１０¹⁶ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダーの酸素が不可避的に存在するので１０¹⁶ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダーを下限とする。また、高酸素濃度層の酸素濃度は、低酸素濃度層の酸素濃度よりも大きければよい。例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法によって製造されたシリコンと同程度に高い酸素濃度でも問題ない。

また、請求項３の発明にかかるシリコンウェハは、請求項１または２に記載の発明において、前記シリコンウェハの外周端部は、前記中央部の裏面側の選択的な薄化処理によって形成された、前記中央部よりも厚いリブ構造であることを特徴とする。

また、請求項４の発明にかかる半導体装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載のシリコンウェハを用いた半導体装置において、前記低酸素濃度層に、素子構造が形成されていることを特徴とする。

また、請求項５の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、フローティングゾーン法により製造されたシリコンウェハの全面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記シリコンウェハの素子構造が形成される面の上に形成された前記酸化膜を除去し、開口部を形成する開口部形成工程と、非酸化性雰囲気において、熱処理を行い、前記開口部を除く前記シリコンウェハと前記酸化膜との界面において、当該酸化膜から当該シリコンウェハへ酸素原子を内方拡散させる拡散工程と、前記拡散工程の終了後に、前記酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項６の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、チョクラルスキー法により製造されたシリコンウェハの全面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記シリコンウェハの素子構造が形成される面の上に形成された前記酸化膜を除去し、開口部を形成する開口部形成工程と、非酸化性雰囲気において、熱処理を行い、前記開口部を介して前記シリコンウェハから前記シリコンウェハ外へ酸素原子を外方拡散させる拡散工程と、前記拡散工程の終了後に、前記酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項７の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項５または６に記載の発明において、前記非酸化性雰囲気は、不活性ガスと、前記不活性ガスに対して３％以下の水素ガスと、を混合させた混合ガスであることを特徴とする。

また、請求項８の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項５〜７のいずれか一つに記載の発明において、前記酸化膜除去工程の後に、前記シリコンウェハに熱処理を行い、欠陥の析出核を形成する欠陥形成工程と、前記シリコンウェハに前記欠陥形成工程よりも高温の熱処理を行い、前記欠陥を成長させて、酸素析出物または結晶欠陥を形成する欠陥成長工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項９の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項５〜７のいずれか一つに記載の発明において、前記酸化膜除去工程の後に、前記シリコンウェハの裏面側の全面を薄化する薄化工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１０の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項８に記載の発明において、前記欠陥成長工程の後に、前記シリコンウェハの裏面側の全面を薄化する薄化工程を含むことを特徴とする。

ここで、請求項９または１０の発明にかかるシリコンの製造方法において、裏面薄化工程は、前記ウェハの裏面側の全面を機械研削することで行ってもよい。

また、請求項１１の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項５〜７のいずれか一つに記載の発明において、前記酸化膜除去工程の後に、前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１２の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項８に記載の発明において、前記欠陥成長工程の後に、前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１３の発明にかかるシリコンウェハの製造方法は、請求項９または１０に記載の発明において、前記裏面研削工程の後に、前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする。

ここで、請求項１１〜１３の発明にかかるシリコンウェハの製造方法において、裏面側の中央部の薄化は、中央部のみを薄化することで行ってもよいし、中央部の薄化量を外周部の薄化量より大きくすることで行ってもよい。また、薄化にあたっては、機械研削で行ってもよい。

また、請求項１４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１１または１２に記載のシリコンウェハの製造方法における、前記酸化膜除去工程と前記リブ構造形成工程の間に、前記シリコンウェハの中央部のおもて面に、カソード構造を形成するカソード構造形成工程を含み、前記リブ構造形成工程の後に、記シリコンウェハの中央部の裏面に、アノード構造を形成するアノード構造形成工程を含むことを特徴とする。

また、請求項１５の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１３に記載のシリコンウェハの製造方法における、前記酸化膜除去工程と前記裏面研削工程の間に、前記シリコンウェハの中央部のおもて面に、カソード構造を形成するカソード構造形成工程を含み、前記リブ構造形成工程の後に、前記シリコンウェハの中央部の裏面にアノード構造を形成するアノード構造形成工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法請求項１３に記載のシリコンウェハの製造方法において、前記酸化膜除去工程と前記裏面研削工程の間に、前記シリコンウェハの中央部のおもて面に、カソード構造を形成するカソード構造形成工程を含み、前記リブ構造形成工程の後に、前記シリコンウェハの中央部の裏面にアノード構造を形成するアノード構造形成工程を含むことを特徴とする。

上記、各発明によれば、ウェハの中央部のおもて面側の素子構造を形成する領域の酸素濃度が低く、ウェハ中央部の裏面側の酸素濃度が高いので、金属汚染原子をイントリンシックゲッタリングによってウェハの中央部の裏面側に引きとめて、素子構造を形成する領域の金属汚染を低減することができる。また、素子構造を形成しない領域、すなわちウェハの中央部の裏面側、バルク領域および外周端部の酸素濃度が高いので、ウェハの脆性破壊を促進し、研削モーターの負荷を低減したり、チッピングや割れ欠けを低減することができる。

また、ウェハの裏面側を研削し、ウェハを薄層化した際に、ウェハの裏面側の酸素濃度が高い領域を除去することで、ウェハの裏面側にも素子構造を形成することができる。また、このとき、ウェハの外周端部の酸素濃度が高いので、ウェハのすべり変形や反りを低減することができる。

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、ウェハの割れ、欠けやチッピングを低減し、かつデバイスの良品率を向上することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるシリコンウェハの構造について示す断面図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるシリコンウェハは、おもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２であり、バルク領域、裏面側および外周端部が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１である。

低酸素濃度シリコン層２は、すくなくともウエハプロセスでの最高温度における固溶限界酸素濃度以下であることが望ましい。例えば、ウェハプロセスでの最高温度が１２００℃の場合であれば固溶限界酸素濃度は４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以下が望ましい。これ以上に酸素濃度が高いと、素子領域内での過飽和酸素原子の析出や酸素ドナーによる抵抗値の変動が強く懸念される。酸素濃度は低ければ低いほどよいが、通常のフローティングゾーン（ＦＺ）法によって製造されたウェハでも１０¹⁶ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダーの酸素が不可避的に存在するので１０¹⁶ａｔｏｍｓ/ｃｍ³オーダーを下限とする。

また、高酸素濃度層は、低酸素濃度層よりも大きければよいが、特にゲッタリングサイトとしての酸素析出物を促進させるためには１０¹⁷ａｔｏｍｓ/ｃｍ³以上の濃度が望ましい。シリコン中の酸素濃度が高いほど析出する酸素析出物の数は大きくなり、ゲッタリング能力が向上する。例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法によって製造されたシリコンと同程度の酸素濃度（〜１０¹⁸ａｔｏｍｓ/ｃｍ³）でも問題ない。

つぎに、実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について説明する。図２〜図５は、実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について順に示す断面図である。まず、図２に示すように、ＦＺウェハ１１に熱酸化処理を行い、ＦＺウェハ１１の全面に熱酸化膜（ＳｉＯ₂）２０を形成する。熱酸化膜２０は、例えば数１０００Å程度の厚さで形成すればよい。なお、図２においては、熱酸化膜２０を、ＬＰ−ＣＶＤ（ＬＯＷ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＥＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ：減圧化学気相成長）によって形成してもよい。ついで、図３に示すように、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、ＦＺウェハ１１のおもて面側の中央部の上に形成された熱酸化膜２０を除去し、開口部２１を形成する。

ついで、図４に示すように、ＦＺウェハ１１を、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス（希ガス）や水素（Ｈ₂）ガス、または希ガスと水素ガスの混合ガス等の非酸化性雰囲気において、高温で長時間の熱処理を行う。このように、非酸化性雰囲気において熱処理を行うことで、例えば図４において矢印で示すように、ＦＺウェハ１１と熱酸化膜２０との界面において、熱酸化膜２０の酸素原子がシリコンウェハ１へ入り、拡散される。この熱酸化膜２０からシリコンへの酸素原子の拡散を、内方拡散と呼び、この内方拡散によってＦＺウェハ１１の外周端部および裏面側から、バルク領域に向かって酸素原子が拡散するため、これらの領域が高酸素濃度シリコン層３となる。なお、内方拡散によって混入される酸素原子の量は、熱処理温度と熱処理時間を調整することで制御することができる。

一方、ＦＺウェハ１１のおもて面側の中央部には、開口部２１が形成されており、熱酸化膜２０が除去されているため、おもて面側の中央部からバルク領域には内方拡散が生じない。したがって、おもて面側の中央部は、元のＦＺウェハ１１と同様の、低酸素濃度シリコン層２のままとなる。

ここで、非酸化性雰囲気内で熱処理を行う際に、非酸化性雰囲気の炉にシリコンウェハ１を入れるが、この炉に入れる前の洗浄工程や、炉に入れた際の大気の巻き込みにより、開口部２１の形成されたシリコンウェハ１のおもて面側の中央部の表面に、薄い酸化膜が形成されることがある。このとき、非酸化性雰囲気としてＡｒガス中にＨ₂ガスを混合させた混合ガスを用いることで、シリコンウェハ１のおもて面側の中央部の表面に形成された酸化膜を還元、分解し、除去することができる。Ａｒガス中に混合させるＨ₂ガスの濃度は、例えば爆発限界以下でよく、Ａｒガスに対して例えば３％程度の割合で混合させることで、酸化膜を除去することができる。したがって、Ｈ₂ガスのみ、すなわち濃度が１００％のＨ₂ガスを用いる必要がないため、安全性が高まり、かつ簡便である。

ついで、図５に示すように、すべての熱酸化膜２０を除去する。このようにすることで、おもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２であり、外周端部、バルク領域、裏面側が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１が完成する。

さらに、例えばシリコンウェハ１内の裏面側に、酸素析出物等によってイントリンシックゲッタリングサイトを形成する場合、例えば６５０℃〜８００℃程度の低温で熱処理を行い、欠陥の核を形成する。そして、例えば１０００℃以上の高温で欠陥を成長させて、酸素析出物や結晶欠陥を形成することで、イントリンシックゲッタリングサイトを形成すればよい。

ついで、低酸素濃度シリコン層２、すなわちシリコンウェハ１のおもて面側の中央部の表面におもて面素子構造を形成することで、デバイスを形成することができる。

つぎに、実施の形態１にかかる半導体装置の中央部および外周端部における酸素濃度分布について説明する。図６は、図１の切断線Ａ−Ａ'における断面の酸素濃度分布の一例について示す図であり、図７は、図１の切断線Ｂ−Ｂ'における断面の酸素濃度分布の一例について示す図である。

図６および図７においては、Ａｒガスに微量のＨ₂ガスを混合させた混合ガス雰囲気内で、厚さが例えば５００μｍのＦＺウェハに、例えば１３００℃で１０時間の熱処理を行い、酸素原子を内方拡散させた。そして、このときの、シリコンウェハに混入される酸素原子の分布を、補誤差関数によって示している。

図６に示すように、実施の形態１にかかる半導体装置の中央部においては、素子構造の形成される、おもて面側から２００μｍ程度の深さまでは、酸素濃度が１．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下と低く、それより深い領域、すなわち半導体装置のバルク領域および中央部の裏面側は、酸素濃度が高くなっている。また、図７に示すように、実施の形態１にかかる半導体装置の外周端部においては、おもて面側から裏面側まですべての領域で、酸素濃度が１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上と高くなっている。このように、素子構造の形成される領域以外の領域は、酸素濃度が高く、ウェハの機械的強度が高いことがわかる。

実施の形態１によれば、素子構造を形成する領域以外の領域の酸素濃度が高いため、ウェハのすべり転位や反りのを抑制するという意味での機械的強度を高めることができる。さらに、イントリンシックゲッタリングによって、素子構造を形成する領域の汚染金属原子を除去し、清浄にすることができるため、例えばｐｎ接合からの電流漏れを抑えることができる。

（実施の形態２）
つぎに実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図８〜図１１は、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について順に示す断面図である。まず、図８に示すように、ＣＺウェハ１２に熱酸化処理を行い、ＣＺウェハ１２の全面に熱酸化膜２２を形成する。ついで、図９に示すように、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、ＣＺウェハ１２のおもて面側の中央部の上に形成された熱酸化膜２２を除去し、開口部２３を形成する。

ついで、図１０に示すように、ＣＺウェハ１２を、例えばＡｒガス等の希ガスやＨ₂ガス、または希ガスとＨ₂ガスの混合ガス等の非酸化性雰囲気において、高温で長時間の熱処理を行う。このように、非酸化性雰囲気において熱処理を行うことで、例えば図１０の矢印で示すように、開口部２３において、ＣＺウェハ１２のおもて面側の中央部の表面から、酸素原子が非酸化性雰囲気内へ拡散する。そして、熱処理時間が長くなるに連れて、表面から酸素原子が拡散していき、中央部のおもて面側の酸素濃度が低下していく。このシリコン表面から非酸化雰囲気内への酸素原子の拡散を外方拡散と呼び、これによって、ＣＺウェハ１２のおもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２となる。

一方、ＣＺウェハ１２の外周端部および裏面側においても外方拡散は生じるが、熱酸化膜２２で覆われたこれらの領域では、ＣＺウェハ１１と熱酸化膜２２との界面において同程度の内方拡散も生じるため、元のＣＺウェハ１２と同様の、高酸素濃度シリコン層３のままとなる。

ついで、図１１に示すように、すべての熱酸化膜を除去し、おもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２であり、外周端部、バルク領域、裏面側が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１が形成される。その他の構成および製造方法は、実施の形態１と同様のため、説明を省略する。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、ＦＺウェハを用いて作製される実施の形態１とは異なり、ＣＺウェハを用いて作製することができるため、実施の形態１よりも大口径のウェハに適用することができる。したがって、一枚のウェハに製造するデバイスの数が増えるため、コストを低く抑えることができる。

（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３にかかる半導体装置について説明する。図１２は、実施の形態３にかかる半導体装置の構造について示す断面図である。図１２に示すように、実施の形態３にかかる半導体装置においては、シリコンウェハ１の裏面側が除去されて、シリコンウェハ１の厚さが薄くなっている。したがって、実施の形態３にかかる半導体装置は、例えば低耐圧かつ低損失の縦型ＩＧＢＴを製造する際に用いることができる。

つぎに、実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、実施の形態１または実施の形態２にかかる半導体装置と同様の方法により、おもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２であり、外周端部、バルク領域、裏面側が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１を形成する。ついで、図１２に示すように、シリコンウェハ１のおもて面側の中央部におもて面素子構造４を形成する。おもて面素子構造４は、例えば縦型ＩＧＢＴにおける、ゲートおよびエミッタ等のカソード構造である。そして、シリコンウェハ１の裏面側の全面に、研削、研磨またはエッチングを行い、シリコンウェハ１を薄層化させる。このとき、シリコンウェハ１の裏面側から、低酸素濃度シリコン層２に達するまで研削を行うことで、低酸素濃度シリコン層２が露出し、この領域が新たに中央部の裏面側およびバルク領域となる。したがって、新たなバルク領域および裏面側の酸素濃度が低くなるので、良質な裏面素子構造を形成することができるようになる。裏面素子構造は、例えば縦型ＩＧＢＴのコレクタ等のアノード構造である。

ついで、薄層化されたシリコンウェハ１の裏面側の中央部に素子の裏面構造を形成することで実施の形態３にかかる半導体装置が完成する。その他の構成および製造方法は、実施の形態１または実施の形態２と同様のため説明を省略する。

実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２と同様の効果を得ることができる。また、ウェハの裏面側を削除することで新たにバルク領域や裏面側となる領域にも素子構造を形成することができるため、縦型ＩＧＢＴ等の低耐圧かつ低損失なデバイスを形成する際に用いることができる。

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４にかかる半導体装置について説明する。図１３は、実施の形態４にかかる半導体装置の構造について示す断面図である。図１３に示すように、実施の形態３にかかる半導体装置においては、シリコンウェハ１の外周端部に、中央部よりも厚いリブ構造が形成されている。したがって、実施の形態４にかかる半導体装置は、大口径のウェハに縦型ＩＧＢＴを製造する際や、実施の形態３よりもさらに低耐圧かつ低損失の縦型ＩＧＢＴを製造する際に、用いることができる。

つぎに、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、実施の形態１〜実施の形態３と同様の方法で、おもて面側の中央部が低酸素濃度シリコン層２であり、外周端部、バルク領域、裏面側が高酸素濃度シリコン層３である、シリコンウェハ１を形成する。ついで、図１３に示すように、シリコンウェハ１のおもて面側におもて面素子構造４を形成した後に、裏面側の全面に、研削、研磨またはエッチングを行い、シリコンウェハ１を薄層化させる。ついで、シリコンウェハ１の裏面側の中央部のみに、研削、研磨またはエッチングを行い、中央部の厚さを、外周端部の厚さよりも薄くする。この外周端部がリブ構造となる。そして、薄層化した中央部の裏面側に素子の裏面素子構造を形成し、実施の形態４にかかる半導体装置が完成する。その他の構成および製造方法は、実施の形態１または実施の形態２と同様のため説明を省略する。

なお、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法においては、シリコンウェハの裏面側の全面を薄層化した後に、シリコンウェハの裏面側の中央部のみをさらに薄くする場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、シリコンウェハの裏面側の全面を薄層化せずに、シリコンウェハの裏面側の中央部のみを薄くしてもよい。また、シリコンウェハの裏面側の中央部のみを薄くする際に、何段階かに分けて研削してもよい。

実施の形態４によれば、実施の形態１〜実施の形態３と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態３よりもウェハの中央部を薄くすることができるため、実施の形態３よりも低耐圧かつ低損失のデバイスを形成する際に用いることができる。また、中央部の厚さが実施の形態３と同程度の場合、リブ構造が形成されているため、実施の形態３よりも大口径のウェハを用いることができる。さらに、外周端部が中央部よりも厚いリブウェハにおいて、リブ構造の酸素濃度が中央部の酸素濃度よりも高いため、リブ構造の反りや撓みが抑制され、シリコンウェハのロボット搬送信頼性が向上し、割れ、欠けやチッピング等を抑えることができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態１〜実施の形態４に限らず、種々変更可能である。例えば、縦型ＩＧＢＴに限らず、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ−Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や逆阻止ＩＧＢＴ等、ウェハを薄層化する必要のあるデバイスを形成する場合、ウェハの表面の汚染金属原子を低減したい場合、大口径のウェハを用いてデバイスを形成したい場合等に適用することができる。

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、デバイス厚の薄い半導体装置および表面の金属汚染のない半導体装置を製造するのに有用であり、特に、電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置を製造するのに適している。

実施の形態１にかかるシリコンウェハの構造について示す断面図である。 実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態１にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 図１の切断線Ａ−Ａ'における断面の酸素濃度分布の一例について示す図である。 図１の切断線Ｂ−Ｂ'における断面の酸素濃度分布の一例について示す図である。 実施の形態２にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態２にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態２にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態２にかかるシリコンウェハの製造方法について示す断面図である。 実施の形態３にかかる半導体装置の構造について示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の構造について示す断面図である。 イントリンシックゲッタリングについて示す説明図である。 ＣＺウェハとＦＺウェハにおけるウェハ内の酸素濃度に対する、ウェハの反りについて示す図である。

符号の説明

１ シリコンウェハ
２ 低酸素濃度シリコン層
３ 高酸素濃度シリコン層
４ おもて面素子構造

Claims (15)

1. シリコンウェハの中央部のおもて面側に設けられた低酸素濃度層と、
   前記シリコンウェハの中央部の裏面側、バルク領域および外周端部に設けられ、前記低酸素濃度層より酸素濃度が高い高酸素濃度層と、
   を備えることを特徴とするシリコンウェハ。
2. シリコンウェハの中央部の全域に設けられた低酸素濃度層と、
   前記シリコンウェハの外周端部の全域に設けられ、前記低酸素濃度層より酸素濃度が高い高酸素濃度層と、
   を備えることを特徴とするシリコンウェハ。
3. 前記シリコンウェハの外周端部は、前記中央部の裏面側の選択的な薄化処理によって形成された、前記中央部よりも厚いリブ構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンウェハ。
4. 前記低酸素濃度層に、素子構造が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のシリコンウェハを用いた半導体装置。
5. フローティングゾーン法により製造されたシリコンウェハの全面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
   前記シリコンウェハの素子構造が形成される面の上に形成された前記酸化膜を除去し、開口部を形成する開口部形成工程と、
   非酸化性雰囲気において、熱処理を行い、前記開口部を除く前記シリコンウェハと前記酸化膜との界面において、当該酸化膜から当該シリコンウェハへ酸素原子を内方拡散させる拡散工程と、
   前記拡散工程の終了後に、前記酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンウェハの製造方法。
6. チョクラルスキー法により製造されたシリコンウェハの全面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
   前記シリコンウェハの素子構造が形成される面の上に形成された前記酸化膜を除去し、開口部を形成する開口部形成工程と、
   非酸化性雰囲気において、熱処理を行い、前記開口部を介して前記シリコンウェハから前記シリコンウェハ外へ酸素原子を外方拡散させる拡散工程と、
   前記拡散工程の終了後に、前記酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンウェハの製造方法。
7. 前記非酸化性雰囲気は、不活性ガスと、前記不活性ガスに対して３％以下の水素ガスと、を混合させた混合ガスであることを特徴とする請求項５または６に記載のシリコンウェハの製造方法。
8. 前記酸化膜除去工程の後に、
   前記シリコンウェハに熱処理を行い、欠陥の析出核を形成する欠陥形成工程と、
   前記シリコンウェハに前記欠陥形成工程よりも高温の熱処理を行い、前記欠陥を成長させて、酸素析出物または結晶欠陥を形成する欠陥成長工程と、
   を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のシリコンウェハの製造方法。
9. 前記酸化膜除去工程の後に、
   前記シリコンウェハの裏面側の全面を薄化する薄化工程を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のシリコンウェハの製造方法。
10. 前記欠陥成長工程の後に、
    前記シリコンウェハの裏面側の全面を薄化する薄化工程を含むことを特徴とする請求項８に記載のシリコンウェハの製造方法。
11. 前記酸化膜除去工程の後に、
    前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のシリコンウェハの製造方法。
12. 前記欠陥成長工程の後に、
    前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする請求項８に記載のシリコンウェハの製造方法。
13. 前記裏面研削工程の後に、
    前記シリコンウェハの裏面側の中央部を薄化し、当該シリコンウェハの外周端部に当該中央部よりも厚いリブ構造を形成するリブ構造形成工程を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載のシリコンウェハの製造方法。
14. 請求項１１または１２に記載のシリコンウェハの製造方法における、
    前記酸化膜除去工程と前記リブ構造形成工程の間に、
    前記シリコンウェハの中央部のおもて面に、カソード構造を形成するカソード構造形成工程を含み、
    前記リブ構造形成工程の後に、
    前記シリコンウェハの中央部の裏面に、アノード構造を形成するアノード構造形成工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３に記載のシリコンウェハの製造方法における、
    前記酸化膜除去工程と前記裏面研削工程の間に、
    前記シリコンウェハの中央部のおもて面に、カソード構造を形成するカソード構造形成工程を含み、
    前記リブ構造形成工程の後に、
    前記シリコンウェハの中央部の裏面にアノード構造を形成するアノード構造形成工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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