JP2010034195A - シリコンウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 デバイス活性領域となる表面部が高い応力耐性、更には高品位の結晶性を有するシリコンウェーハおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ＣＯＰ等のグローンイン欠陥およびＢＭＤが低減したＤＺ層を有するアニールウェーハあるいはエピタキシャルウェーハに、酸素ガス雰囲気における急速昇降温熱処理を施す。そして、実線（ａ）に示すようにウェーハ表面から厚さ方向の所定深さで固溶酸素の最大値および最小値を有する濃度分布を備えたシリコンウェーハを製造する。上記最大値は表面から０．２μｍ以上２．０μｍ以下の深さで１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲、上記最小値は表面から２．４μｍ以上１２μｍ以下の深さで１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上前記最大値の１／５以下の範囲にあると好適である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に使用され、特にデバイス活性領域となる表層部が高い応力耐性と高品位の結晶性とを有するシリコンウェーハおよびその製造方法に関する。

シリコンウェーハは、半導体デバイスの高集積化や高機能化に伴い、その結晶のさらなる高品位化が要求されている。そして、最近重要視されているウェーハ製造技術に、シリコンウェーハ表層部での無欠陥層（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ：以下「ＤＺ層」）の形成に関するものと、シリコンウェーハの機械的強度に影響する固溶酸素濃度の制御に関するものがある。

高品位のＤＺ層を形成するものとしては、シリコンウェーハに非酸化性ガス雰囲気で１１００℃以上１３００℃以下の熱処理を施したアニールウェーハ（例えば特許文献１参照）や、シリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を形成してこれをＤＺ層として適用したエピタキシャルウェーハがある（例えば特許文献２参照）。このＤＺ層では、ウェーハ表面のＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ：以下「ＣＯＰ」という）あるいはＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ）等といわれるグローンイン欠陥が効果的に消滅されている。また、格子間酸素の析出物であるＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ：以下「ＢＭＤ」という）発生が抑制されている。

また、固溶酸素濃度の制御としては、アニールウェーハに対して例えばデバイス製造で酸化等の熱処理を行うと、固溶酸素濃度が表面から厚さ方向に向かって減少し極小値を有するというものがある（例えば特許文献３参照）。この構造により、極小値の領域があることでデバイス活性領域での酸素析出が防止され、デバイス製造歩留まりが改善される効果がみられる。
さらに、前述の非酸化性ガス雰囲気での熱処理は行わずポリッシュ（鏡面研磨）後のウェーハに対して酸化性ガス雰囲気下で急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：以下「ＲＴＡ」という）を行うものもある（例えば特許文献４参照）。この方法であると、固溶酸素濃度がウェーハ表層部で極大値をもつようになる。
特許第３２９４７２２号公報 特開２００６−１８８４２３号公報 特開平６−３６９７９号公報 特開２０００−３１１５０号公報

しかし、特許文献１のアニールウェーハおよび特許文献２のエピタキシャルウェーハでは、その製法上必然的にウェーハ表層部での固溶酸素濃度が減少することから、ウェーハ表面において機械的強度が低下して転位の発生・増殖が生じ伝播し易くなり、半導体デバイスの製造歩留まりが低下する。また、デバイス製造プロセスの低温化・短時間化のために、このデバイス製造プロセス中においてウェーハ表層部の固溶酸素を補償することも期待できなくなってきた。

一方、特許文献３のアニールウェーハに追加熱処理してウェーハ表面の酸素濃度をアニールウェーハより高める場合では、表面の応力耐性の劣化を防止する効果が生じる。しかしながら、固溶酸素濃度がごく表面で高く厚さ方向に向かって減少するこの例では、デバイス形成領域での応力耐性の確保という点ではまだ不十分といえる。これは、半導体デバイスがウェーハ表面からある程度の深さまでの領域に形成されることから、その深さ領域あるいはデバイス活性領域となる表層部での固溶酸素濃度が高いことが必要となるからである。

特許文献４のポリッシュ後のシリコンウェーハにＲＴＡ処理を施す場合は、シリコンウェーハの表面から厚さ方向に向かって一定の範囲に固溶酸素濃度の極大値を有する分布をもつので、高酸素濃度の効果による応力耐性が十分確保される。しかしながら、ＲＴＡ処理前のウェーハ表層部にＣＯＰおよびＢＭＤが存在する場合は、ＲＴＡ処理によってこれらを消滅することができないことから、半導体デバイスのリーク不良による歩留り低下に繋がる。このため、ＲＴＡ処理する前のウェーハとして、ウェーハ表層部にＣＯＰおよびＢＭＤが非常に少ない結晶を用いる必要が生じる。この結晶として例えば引き上げ条件を高精度に制御したいわゆるＮｅｕｔｒａｌ結晶があるが、このような低欠陥の結晶は結晶育成の生産性が低くコスト高になるので、結晶のコストとＲＴＡ処理のコストを総合すると、特許文献４の技術によるデバイス製造時の歩留まり改善分を上回ってしまい、結果として実用性に乏しい。
また、このＲＴＡ処理ウェーハでは、ウェーハ表層部より内部に多量の固溶酸素が存在し、デバイス製造の熱処理工程を繰り返すと、表層部に熱拡散流入してＢＭＤ析出が生じ易くなる。そして、デバイス製造時の歩留まり低下が起こり易くなる。

そこで、ウェーハ表面の応力を従来以上に増大させる微細化されたデバイス構造、あるいは低温化・短時間化されたデバイス製造プロセスに対応するため、デバイス製造プロセス投入前の段階で、ウェーハ表層部に適度な固溶酸素濃度分布をもち、転位の発生・増殖の抑制および転位のピンニング能力を十分に有するシリコンウェーハが望まれるようになってきた。

しかも、このシリコンウェーハは、ウェーハ表層部において、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥が消滅しＢＭＤ量が抑制され、デバイス製造の熱処理工程においてＢＭＤ発生が生じ難いものが好ましい。また、上記シリコンウェーハが簡便に製造できその低コスト化が望まれる。

本発明は、上述の事情を鑑み、デバイス活性領域となる表層部が高い応力耐性と高品位の結晶性を兼ね備えたシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のシリコンウェーハは、対面する２つの主表面を有しその厚さ方向で固溶酸素濃度が連続的に変化するシリコンウェーハであって、前記固溶酸素濃度が少なくとも一つの前記主表面での値から増加する第一の領域と、前記第一の領域の最大値から減少する第二の領域を有し、前記第二の領域の最小値から前記厚さ方向へ向かって厚さ中央部の値まで増加するように変化することを特徴とするものである。

また、本発明のシリコンウェーハは、前記第一の領域の固溶酸素濃度の最大値が前記厚さ方向で最も大きな値であり前記第二の領域の最小値が前記厚さ方向で最も小さな値であることが好ましい。

さらに、本発明のシリコンウェーハは、前記主表面での固溶酸素濃度の値が１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

本発明のシリコンウェーハは、前記第一の領域は前記主表面から０．２μｍ以上２．０μｍ以下の深さに存在し、前記最大値が７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

本発明のシリコンウェーハは、前記第二の領域は前記主表面から１２μｍ以下の深さに存在し、前記最小値が１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、かつ前記最大値の１／５以下とすることが好ましい。

本発明のシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハに対して、非酸化性ガス雰囲気にて１１００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上１２０分以下の熱処理を行う工程と、酸素含有ガス雰囲気で昇温速度１０℃／ｓｅｃ（秒）以上１００℃／ｓｅｃ以下で昇温する工程と、前記昇温後１１５０℃以上１３５０℃以下の温度に達したら５ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下で保持する工程と、前記保持終了後に降温速度１℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下で降温する工程と、を順次行うものである。

本発明の構成により、半導体デバイス製造プロセス投入前の段階において、シリコンウェーハの表層部の固溶酸素が適度な濃度に調節され、デバイス活性領域となる表層部が高い応力耐性を有し更には高品位の結晶性を備えたシリコンウェーハが簡便に低コストで提供される。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態にかかるシリコンウェーハの固溶酸素濃度の分布の説明に供するグラフである。図２はアニールウェーハ作製とその表層部への酸素導入のための温度プロセスの一例を示す図である。図３はシリコンウェーハ表層部への酸素導入における熱処理プロセスの一例を示す説明図である。

本実施形態のシリコンウェーハは、対面する２つの主表面を有しその厚さ方向で固溶酸素濃度が連続的に変化するシリコンウェーハであって、前記固溶酸素濃度が少なくとも一つの前記主表面での値から増加する第一の領域と、前記第一の領域の最大値から減少する第二の領域を有し、前記第二の領域の最小値から前記厚さ方向へ向かって厚さ中央部の値まで増加するように変化することを特徴とする。

ここで、対面する２つの主表面とは半導体デバイスを形成する鏡面加工を施した表面とその反対側の裏側のことで、厚さ方向とは主表面に対して垂直かつ厚さ中央部へ向かう方向を指す。また、厚さ中央部とはシリコンウェーハの厚さ方向に対して２つの主表面から等間隔の位置を指すが、厳密に等間隔である必要はない。実質的には、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によってウェーハ表面から深さ方向の酸素濃度を測定し、概ね酸素濃度の変化が無くなる深さ５０μｍ以上の領域を表す。さらに、固溶酸素とはウェーハ母材を構成するシリコン原子で形成された格子間に存在する酸素のことで、固溶酸素濃度は、ＳＩＭＳによりシリコンウェーハの主表面から厚さ中央部方向に対して測定している。

図１の実線（ａ）に示すように、上記シリコンウェーハの固溶酸素濃度は、一主表面から厚さ方向に向かって増加しその最大値を経てから減少に転じ、その最小値を経てからウェーハ内部に向かって増加する分布を有する。ここで、ウェーハ表面から上記最大値となる深さまでが第一の領域、この最大値となる深さから上記最小値となる深さまでが第二の領域となる。また、上記最小値となる深さからウェーハ内部の上記厚さ中央部までを第三の領域とする。
この固溶酸素濃度の分布は、図１の破線（ｂ）に示すような固溶酸素濃度分布を有するアニールウェーハに対し後述する急速昇降温熱処理を施すことで容易に得られる。同様に、エピタキシャルウェーハのデバイス形成領域となるエピタキシャル層に対しても同じような固溶酸素濃度分布を形成することができる。

まず、第一の領域の作用と効果について説明する。固溶酸素濃度がウェーハ表面から厚さ方向に向かって増加する形態を有すると、デバイス製造プロセスにおいてウェーハ表層部に生成した転位の応力場に引き寄せられて固着し、転位を容易にピンニングすることができる。この効果は、アニールウェーハあるいはエピタキシャルウェーハのようにウェーハ表面の固溶酸素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満になる場合に顕著に現れる。また、微細構造の半導体素子が作製されるウェーハ表面は固溶酸素が低減しているので、デバイス製造の熱処理工程において、半導体素子の特性を低下させるウェーハ表層部のＢＭＤ発生が効果的に抑制される。
本実施形態における転位のピンニング効果は、図１の一点鎖線（ｃ）に従来技術の一例として示した、特許文献３記載のウェーハのように固溶酸素濃度が表面は高く厚さ方向に向かって次第に下がる形状よりはるかに顕著に現れる。また、図１の一点鎖線（ｃ）の場合よりもウェーハ表面におけるＢＭＤ発生の抑制の制御が容易になる。

固溶酸素濃度が最大値を有する第一の領域に引き続いて最小値を有する第二の領域が続くという本発明の実施形態では、最大値と最小値の差による固溶酸素の濃度勾配が大きくなり、デバイス製造の熱処理工程によって最大値を有する第一の領域から最小値を有する第二の領域への酸素の熱拡散流入量が増大し、ウェーハ表層部での固溶酸素の析出が低減するように作用する。よって、第一の領域の酸素濃度の最大値が高くデバイス製造の熱処理工程で過飽和になっても、ウェーハ表層部への酸素析出による新たなＢＭＤ発生は効果的に抑制される。

また、本発明の実施形態では、アニールウェーハのもつ酸素濃度プロファイルに較べてウェーハ表層近辺で酸素濃度の高い領域を有する点が異なっている。これは、アニールウェーハは表層に低欠陥領域を有するが酸素濃度が低いことでウェーハ強度不足を招き転位の発生が多いが、表層近辺に適度な酸素濃度領域を有する本発明は、この欠点を補いつつ表層に低欠陥領域を有する高品位ウェーハを実現できるという点で優れているといえる。

第一、第二の領域がデバイス形成領域に直接作用して強度や析出に対する所望の効果を与えるのに対し、固溶酸素濃度が最小値からシリコンウェーハの厚さ中央部の値に向かって増大するという第三の領域は、表層部近傍以外の固溶酸素濃度分布がアニールウェーハの状態と同様になるように設定されている。このように設定された第三の領域でないと、第一,第二の領域から得られる効果以外の作用が発生するおそれがあり、本発明が確実かつ安定して効果を発するには好ましくない。

本実施形態のシリコンウェーハは、前記第一の領域の固溶酸素濃度の最大値が前記厚さ方向で最も大きな値であり、前記第二の領域の最小値が前記厚さ方向で最も小さな値であることが好ましい。

第一の領域の固溶酸素濃度の最大値よりも固溶酸素濃度の値が高い位置が存在するのは、第三の領域の厚さ方向の中央部の固溶酸素濃度値が最も高くなるケースである。この中央部の固溶酸素濃度よりも第一の領域の上記最大値を大きくすることで、半導体素子の微細化あるいはデバイス製造の熱処理等によりウェーハ表面に局所的に生じる高応力に対する耐性を増大させることができる。

第二の領域の固溶酸素濃度の最小値よりも固溶酸素濃度の値が低い位置が存在するのは、ウェーハ表面の固溶酸素濃度値が最も低くなるケースである。この場合は熱処理時に第一の領域から流れ込んでいく酸素の熱拡散量は、第二の領域の最小値のところよりウェーハ表面側への方が大きくなる。そして、デバイス製造の熱処理工程において容易に第一の領域の固溶酸素がウェーハ表面から外方拡散しウェーハ表層部の固溶酸素が低減するようになる。そこで、ウェーハ表面の固溶酸素濃度よりも第二の領域の上記最小値を小さくすることで、上記酸素の熱拡散量は第二の領域の最小値のところへの方が大きくなる。これにより上記ウェーハ表層部の固溶酸素の低減が効果的に抑制され、デバイス製造プロセスにおいて転位を固着する効果が持続する。

本発明のシリコンウェーハは、前記主表面での固溶酸素濃度の値が１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。シリコンウェーハ表面の固溶酸素濃度の値は、あまり低すぎると最初の熱処理を適用した時点でスリップ等の転位を誘発するため、最低でも１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上を必要とする。ただし固溶酸素濃度が高すぎるとＢＭＤ発生の可能性が高くなるので、８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

本発明のシリコンウェーハは、前記第一の領域は前記主表面から０．２μｍ以上２．０μｍ以下の深さに存在し、前記最大値が７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、さらには１．０μｍ以上２．０μｍ以下、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

ウェーハ表面から少なくとも厚さ方向中央部に向かって２μｍ以内に最大値を有する固溶酸素は、デバイス製造プロセスにおいてウェーハ表面に生成した転位の応力場に引き寄せられて固着し、転位を容易にピンニングすることができる。この固溶酸素の効果は、アニールウェーハあるいはエピタキシャルウェーハのようにウェーハ表面の固溶酸素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満になる場合に特に顕著に現れてくる。また、微細構造の半導体素子が作製されるウェーハ表面では固溶酸素濃度が低減しているので、デバイス製造の熱処理工程において半導体素子の特性劣化を招くウェーハ表面のＢＭＤ発生が効果的に抑制される。

第一の領域において、下限が０．２μｍ以上であると、半導体デバイスの深さが最も浅いトレンチ型素子分離でも０．２μｍ近くになることから、デバイス活性領域内のＢＭＤ析出が容易に回避できるようになる。また、上限を２．０μｍ以下としたのは、最大値の位置にある固溶酸素がウェーハ表面に生成した転位の応力場に引き寄せられる際、あまり表面から離れすぎると引き寄せられる割合が減少してピンニング効果が低下するので好ましくないからである。

第一の領域の固溶酸素濃度最大値は、７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲とするのが好ましく、更には１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲がより好ましい。この範囲であると、ウェーハの主表面の固溶酸素濃度と上記最大値濃度との濃度差が容易にしかも安定的に制御できるようになる。そして、デバイス製造プロセスにおいてウェーハ表面に生成した転位の応力場に固溶酸素が引き寄せられて固着し、転位を容易にピンニングすることができる。本実施形態では、実施例の他にデバイス回路設計の知見をもとに、上記濃度差は最低でも６．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上は必要と見積もられ、上記最大値の下限は主表面の最低値である１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上＋６．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となっている。

しかし、固溶酸素の最大値が１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を越えてくると、デバイス製造プロセスにおいてシリコンウェーハ表層部での酸素析出が起こり易くなり、大きさが２０ｎｍ程度の微小なＢＭＤが発生する可能性が高くなり好ましくない。

本発明のシリコンウェーハは、第二の領域の最小値が前記主表面から２．４μｍ以上１２μｍ以下の深さに存在することが好ましく、更には５．０μｍ以上１０μｍ以下の深さに存在することがより好ましい。また固溶酸素濃度の最小値は、７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上前記最大値の１／５以下であることが好ましい。

第二の領域で最小値の主表面からの深さが浅いと、酸素濃度勾配が急峻になりすぎてしまい、あまり深いと今度は酸素濃度勾配がなだらかになりすぎて、いずれもデバイス熱処理時の第一の領域からの酸素流れ込み量のバランスを崩してしまう可能性があり好ましくない。

また、第二の領域では固溶酸素濃度の最小値が７．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上が好ましいのは、酸素濃度の最小値が低すぎると、デバイス製造の熱処理工程で容易に酸素が外方拡散してしまい、転位の固着効果が期待できなくなるためである。下限値７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３は、実際に用いるシリコンウェーハの固溶酸素濃度の範囲を考慮して決められる。しかし、上記固溶酸素の最小値が最大値の１／５を超えるようになると、今度は微小なＢＭＤ発生が生じ易くなることが予想される。

本発明のシリコンウェーハの製造方法は、図２に示すように、シリコンウェーハに対して、非酸化性ガス雰囲気にて１１００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上１２０分以下の熱処理を行う工程と、酸素含有ガス雰囲気で昇温速度１０℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下で昇温する工程と、前記昇温後１１５０℃以上１３５０℃以下の温度に達したら５ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下で保持する工程と、前記保持終了後に降温速度１℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下で降温する工程とを順次行うことを特徴とする。

図２の前半の温度プロセスでは、ＣＺ法により引上げ育成したシリコン単結晶インゴットから製造されたシリコンウェーハに対して、非酸化性ガス雰囲気にて１１００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上１２０分以下の熱処理を行うもので、一般的にアニール工程と称され、製造されたウェーハはアニールウェーハと呼ぶことが多い。アニール工程では、バッチ式の横型あるいは縦型炉が使用され、雰囲気ガスとしては、還元性ガス、希ガス、あるいは還元ガスと希ガスの混合ガスが用いられる。

ここで保持する温度と時間は、１１００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上１２０分以下が好ましく、更には１１５０℃以上１２００℃以下の温度で４０分以上６０分以下がより好ましい。ＤＺ層の形成は保持する温度と時間で決定されるが、低温ではバルク中のＢＭＤ消滅の進行が遅いので、ＢＭＤを消滅させるためには長時間の保持時間を必要とする。しかし高温にすると保持時間は短くできるが、ウェーハ熱処理時にスリップ等の転位発生や金属汚染の増大処理装置の熱耐久性の問題が生じる。上記熱処理温度および時間であるとアニールウェーハ製造が安定しており高い実用性がある。

また昇温速度は、昇温開始温度から保持温度まで０．５℃／ｍｉｎ（分）以上１５℃／ｍｉｎ以下とする。降温速度は、保持温度から降温完了温度まで０．５℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下とする。あまり急激に昇温または降温すると熱衝撃の影響で転位発生が懸念されるが、ゆっくりすぎると生産性が著しく低下するので好ましくないのでこの範囲とした。なお、還元性ガスはＨ_２が一般的だがＮＨ_３ガス、Ｎ_２Ｈ_２ガス等の水素化合物ガスでもよく、希ガスはアルゴン以外にヘリウム、ネオン、クリプトンガスであってもよい。

次に、図２の後半の温度プロセスでは、上記アニールウェーハに対して酸素含有ガスの雰囲気における急速昇降温熱処理を施す。急速加熱・急速冷却が可能な熱処理炉に投入して、熱処理炉内は例えば酸素ガス、酸素ガスを希ガスあるいは窒素ガスのような不活性ガスで希釈した酸素希釈ガス、Ｈ_２Ｏガス、ＮＯ_２、ＮＯのような酸素含有ガスの雰囲気にして、例えば室温から所定の熱処理温度までの間の急速昇降温熱処理を行う。ここで、熱処理炉内は酸素含有ガスの減圧状態あるいは加圧状態にしても構わない。上記熱処理炉としてはＲＴＡ装置のようなランプ加熱方式あるいはヒータ加熱方式の急速加熱・急速冷却装置が好適に使用される。なお、本実施形態では、この急速昇降温熱処理を施す工程に適用するのは、アニールウェーハ以外の、たとえばエピタキシャルウェーハでもよい。

ここで、上記熱処理温度への昇温速度は１０℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下の範囲が好ましい。熱処理温度は、１１５０℃以上１３５０℃以下が好ましく、１２５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。この理由については後述の実施例で説明される。また、その熱処理温度でのウェーハの保持時間は５ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下の範囲が好ましい。この熱処理温度から室温〜９００℃間までの降温速度は、１℃／ｓｅｃから１００℃／ｓｅｃ以下の範囲が好ましく、さらには５０℃／ｓｅｃから１００℃／ｓｅｃ以下がより好ましい。

本実施形態の急速昇降温熱処理では、図３に示す等温の熱処理温度Ｔ_１およびその保持時間ｔが適宜に設定される。また、熱処理温度Ｔ_１から所定の温度Ｔ_０までの間の急速昇温速度と急速降温速度が設定される。この熱処理温度Ｔ_１、保持時間ｔおよび昇降温速度の調整により上記固溶酸素の濃度とその分布が自在に制御される。ここで、熱処理温度Ｔ_１は１１５０℃以上１３５０℃以下の範囲の温度に設定される。そして温度Ｔ_０は、例えばアニールウェーハでは４００℃以上６００℃以下の範囲の温度に、シリコンエピタキシャルウェーハでは７００℃以上９００℃以下の範囲の温度に設定されるとよい。この場合、アニール熱処理炉もしくはシリコンエピタキシャル成長装置と上記急速加熱・急速冷却が可能な熱処理炉とが、いわゆるクラスタツール構造システムを構成していると好適である。室温と熱処理温度Ｔ_１との間の急速昇降温と比べて処理時間が大幅に低減され生産性が向上するからである。

なお、急速昇降温熱処理においては、ウェーハは酸化性ガスに曝されることから、その表面が僅かながら酸化される。このために、急速降温においてウェーハ表層部への格子空孔の注入およびその凍結が防止される利点が生じる。

昇温速度は、１０℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下の範囲で調整される。ここで、昇温速度が１０℃／ｓｅｃ未満になると、急速昇降温熱処理の処理時間が長くなり実用的でない。一方、１００℃／ｓｅｃを超えてくると、ウェーハのスリップ発生が起こり易くなることから、ウェーハ内の温度差を小さくする特別の設備が必要になり、製造コストの増加をきたす。

保持時間ｔは、５ｓｅｃ以上６０ｓｅｃの範囲で調整される。ここで、保持時間ｔが５ｓｅｃ未満であると、ウェーハの表層部における固溶酸素の濃度およびその分布の安定した再現性が得られにくく、６０ｓｅｃを超えると急速昇降温熱処理の工程が長くなり、スループットの面で好ましくない。

降温速度は、１℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃの範囲で調整する。これは、降温速度が１℃／ｓｅｃ未満になると、上記固溶酸素が所定の温度Ｔ_０までの降温時にウェーハ表面から外方拡散し固溶酸素の最大値が得られ難くなる。また、その降温処理の時間が長くなり実用的でない。一方、降温速度が１００℃／ｓｅｃを超えてくると、ウェーハのスリップ発生が起こり易くなる。よってこの範囲であれば、ウェーハ表面の固溶酸素濃度が適度に低減し、デバイス製造の熱処理におけるウェーハ表面のＢＭＤ発生が効果的に抑制できるようになる。

ここで、熱処理温度Ｔ_１が高くなるに従い、また、保持時間ｔが長くなるほど図１の実線（ａ）に示した固溶酸素濃度の最大値となるウェーハ表面からの深さ位置が増大する。それと共に、その最大値も増加する。そして、昇降温速度が大きくなるとウェーハ表面部の固溶酸素の分布は急峻になり、逆に、昇降温速度が小さくなるほどウェーハ表面部の固溶酸素の分布はなだらかになる。このようにして、ウェーハ表面に導入される固溶酸素の濃度は１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲で自在に制御される。

なお、所定の温度Ｔ_０は室温であっても構わない。また、上記昇温速度と降温速度は同じでも異なるようにしても構わない。そして、その昇温時における雰囲気ガスとしては、酸素含有ガスとしてもよいし不活性ガスにしても構わない。

本実施形態では、微細構造化により高応力化する半導体デバイス、あるいは熱プロセスが低温化し短時間化するデバイス製造プロセスにあっても、デバイス活性領域となるシリコンウェーハの表面部における転位の発生、増殖およびその伝播を容易にしかも安定して抑制できる。また、デバイス活性領域となるウェーハ表層部は、ＣＯＰ等のグローンイン欠陥およびＢＭＤが少なくなるように制御され高品位の結晶性を有する。このため、デバイス設計基準が３２ｎｍ以下の更に高集積化、高性能化あるいは高機能化した半導体デバイスであっても、その製造歩留まり低下のおそれを解消することが可能となる。

また、アニールウェーハあるいはエピタキシャルウェーハに対して、酸素含有ガス雰囲気の急速昇降温熱処理を施すことにより簡便に所望のシリコンウェーハを製造することができる。このため、ウェーハ表層部が高い応力耐性を有し更には高品位の結晶性を備えたシリコンウェーハが低コストに製造できる。

次に、実施例により本発明の効果について具体的に説明する。シリコンウェーハとして、ＣＺ法で＜１００＞方向に引上げ育成したシリコン単結晶インゴットから製造した直径３００ｍｍで主表面を鏡面研磨したウェーハ（本実施例では、Ｐｏｌｉｓｈｅｄ Ｗａｆｅｒ：以下「ＰＷ」という）を使用した。ここで、ウェーハ中の初期の固溶酸素濃度［Ｏｉ］は１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３でありＯｌｄ ＡＳＴＭによる換算係数から求めたものである。なお、対象とするシリコンウェーハは、その口径、抵抗率、導電型に限定されるものではなく、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハであっても構わない。そして、このＰＷに対してアルゴン１００％雰囲気で１２００℃，６０ｍｉｎの熱処理を施したウェーハ（本実施例では、Ａｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ウェーハ：以下「ＡＴウェーハ」という）を作製した。そして、このＡＴウェーハに対して、枚葉式のＲＴＡ装置を用い、１００％酸素ガス雰囲気において図３で説明した熱処理プロセスの種々の条件で急速昇降温熱処理をし、その表面への固溶酸素の導入を行った。また比較例として種々のウェーハを作製した。

これらのシリコンウェーハに対して、ＳＩＭＳによる酸素濃度およびその分布を測定して図４に示した。ＳＩＭＳの測定は、ＣＡＭＥＣＡ社製ＩＭＳ−６ｆを使用し、測定条件は一次イオン種Ｃｓ^＋、加速エネルギー１４．５ｋｅＶで実施した。なおウェーハ表面に形成されたシリコン酸化膜は除去してある。また、ウェーハ表面のＣＯＰ密度の計測、およびナノインデンテーション法を用いた転位伸張の測定を行い、それらの結果を表１にまとめてウェーハ品質を評価した。ここでＣＯＰ密度の計測は、レーザ散乱表面検査装置を用いたウェーハ表面の光散乱体（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ：以下「ＬＰＤ」という）検出により行った。

また、転位伸張の測定では、Ｍ．Ａｋａｔｓｕｋａ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０，ｐｐ．１２４０（２００１年）に示されているのと同様な方法を用いた。ウェーハ表面へのビッカース圧痕の形成では、四角錐型圧子に荷重２５ｇを１０ｓｅｃ加え、その後、窒素ガス雰囲気において９００℃で３０ｍｉｎの熱処理を施してパンチアウト転位を発生させ伸張させた。そして、ｓｅｃｏエッチを施した後、そのＲｏｓｅｔｔｅサイズを光学顕微鏡で測定した。

図５は、シリコンウェーハの（１００）面におけるパンチアウト転位の伸張を模式的に示す説明図である。ここで、ループ状の各パンチアウト転位は切断され一対のエッチピットとしてウェーハ表面に現れている。このパンチアウト転位１１は、ビッカース圧痕により導入された残留応力を開放するために上記熱処理において四方に拡がるようになる。そこで、ＲｏｓｅｔｔｅサイズＬとして、Ｌ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２−Ｓを算出し、シリコンウェーハにおける転位のピンニング能力を評価した。ここで、Ｒ_１は上記熱処理後のパンチアウト転位の＜０１１＞方向およびその逆方向の拡がり、Ｒ_２はその直交方向の拡がりであり、Ｓは上記熱処理後における圧痕１２の径である。

（実施例１〜実施例３）
実施例１では、図３で説明した熱処理プロセスにおいて、室温から１２５０℃の熱処理温度Ｔ_１までの昇温速度を５０℃／ｓｅｃとし、保持時間ｔ＝６０ｓｅｃとし、その後の降温速度を２５℃／ｓｅｃとして室温まで冷却した。同様に、実施例２では、昇降温条件は実施例１と同じにし、熱処理温度Ｔ_１＝１３００℃、保持時間ｔ＝３０ｓｅｃとした。実施例３では、昇降温条件は実施例１と同じにし、熱処理温度Ｔ_１＝１３５０℃、保持時間ｔ＝１５ｓｅｃとした。

（比較例１〜比較例４）
比較例１はＰＷであり、比較例２はＰＷに実施例１で説明したのと同様な急速昇降温熱処理を施したものである。但し保持時間ｔ＝３０ｓｅｃとした。そして、比較例３はＡＴウェーハであり、比較例４はＡＴウェーハに１００％Ａｒガス雰囲気において１２５０℃下６０ｓｅｃのＲＴＡ処理を施したものであり、表１のウェーハ種類としてＡＴウェーハ＋ＲＴＡ ｉｎ Ａｒで示した。ここで、比較例２は特許文献４の記載技術の場合と同様な急速昇降温熱処理になっている。

図４に示すように、実施例１のシリコンウェーハの表層部の固溶酸素濃度の厚さ方向分布では、ウェーハ表面から１μｍ深さのところで１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の最大値をもつ濃度分布となる。そして、厚さ方向中央部に向かって固溶酸素濃度は減少し、ウェーハ表面から約７μｍの深さ領域において最小値を示す。この最小値は２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度であり、更に厚さ方向中央部に向かって酸素濃度は単調に増加し、ウェーハ表面２０μｍの深さで１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度になる。

図４に示すように、実施例２の場合には、ウェーハ表面から１．２μｍ深さのところで１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の最大値をもつ濃度分布となる。そして、厚さ方向中央部に向かって固溶酸素濃度は緩やかに減少し、ウェーハ表面から約８．５μｍの深さにおいて固溶酸素濃度が最小値を示す。この最小値は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３弱になり、更に厚さ方向中央部に向かって固溶酸素濃度は緩やかに増加し、ウェーハ表面から２０μｍの深さで１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度になる。

図４に示すように、実施例３の場合には、ウェーハ表面から１．５μｍ深さのところで１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の最大値をもつ固溶酸素濃度分布となる。そして、厚さ方向中央部に向かって固溶酸素濃度は緩やかに減少し、ウェーハ表面から約９μｍの深さ領域において固溶酸素濃度が最小値を示す。この最小値は３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度になり、更に厚さ方向中央部に向かって固溶酸素濃度は緩やかに増加し、ウェーハ表面から２０μｍの深さで１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度になる。

これに対して、比較例１のＰＷの場合には、固溶酸素濃度はウェーハ表面から厚さ方向中央部にわたってほぼ一定の１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。比較例２の場合では、固溶酸素濃度はウェーハ表面から厚さ方向に向かって一定の範囲に固溶酸素濃度の極大値を有する分布をもつ。そして、比較例３のＡＴウェーハの場合の固溶酸素濃度は、ウェーハの表面近くが１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３になり、ウェーハ表面から約７μｍの深さから実施例１の場合とほぼ同じ濃度で単調に増加し、２０μｍの深さで１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度になる。なお、比較例４の場合の固溶酸素濃度分布は図示されていないが、比較例３の場合と同様な濃度プロファイルであり、比較例３よりもウェーハ表層部で固溶酸素濃度が少し低減している。

図４では、ウェーハ表面から１０μｍより深いところでスパイク状ピークが現れる。これ等のピークは酸素析出物の存在を示すものである。但し、ＡＴウェーハでのＤＺ層の厚さは全て１０μｍ程度であり、ＤＺ層におけるＢＭＤ量は共に赤外散乱トモグラフの検出限界以下（１０^７個／ｃｍ^３）であった。また、バルク部におけるＢＭＤ量は、実施例１〜３および比較例３，４とも約５×１０^８個／ｃｍ^３であった。

表１に示すように、ウェーハの品質の評価のためのウェーハ表面のＣＯＰ密度および転位伸張は、比較例１のＰＷの場合を基準にした相対値で示した。ＣＯＰ密度は、検出されたウェーハ面内の０．０６５μｍ以上のＬＰＤ総数をウェーハ面積で除した単位面積あたりのＬＰＤ数である。また、転位伸張は、インデンテーション法を用いた転位伸張を１０回行ったＲｏｓｅｔｔｅサイズＬの平均値となっている。

表１から判るように、グローンイン欠陥であるＣＯＰは、実施例１〜３の場合と比較例３および比較例４の場合で差異はなく、ＡＴウェーハの急速昇降温熱処理により格子空孔の凝集物の欠陥は変わらないことが確かめられた。これに対して、比較例１および比較例２の場合には、多くのＣＯＰが存在している。また、表１から判るように、実施例１〜３の場合には、比較例３，４との比較からＡＴウェーハの場合に較べて転位伸張が大きく低減し、比較例２の場合よりも僅かであるが転位伸張が小さくなることがわかった。このように、ＡＴウェーハに対して急速昇降温熱処理を施し本発明の固溶酸素濃度の分布を有することで、転位のピンニング能力が向上することが明らかになった。

上記実施例１〜３で示されたウェーハ表層部における高い応力耐性と高品位の結晶性は、図示していないが、ＡＴウェーハの急速昇降温熱処理の熱処理温度Ｔ_１＝１１５０℃、１２００℃においても同様に得られることが確かめられている。

以上のことから、本実施形態で説明したシリコンウェーハでは、アニールウェーハの表層部に適度の固溶酸素が簡便にしかも効果的に導入され、その濃度分布が調節され制御されることが確認できた。そして、この固溶酸素を導入したシリコンウェーハを用い、その表層部に形成された転位の固溶酸素によるピンニング能力を測定し、デバイス活性領域となる表面部が高い応力耐性を示すことが確かめられた。また、上記固溶酸素の導入したシリコンウェーハにあっては、そのウェーハ表面部は、ＣＯＰ密度が極めて低く新たなＢＭＤ発生が抑制されて高品位になることが確認された。

本発明の実施形態にかかるシリコンウェーハの固溶酸素濃度の説明に供するグラフである。 本発明の実施形態のアニールウェーハ作製とその表面部への酸素導入のための温度プロセスの一例を示す図である。 本発明の実施形態のシリコンウェーハ表面部への酸素導入における熱処理プロセスの一例を示す説明図である。 本発明の実施例におけるシリコンウェーハの酸素濃度の厚さ方向分布を示すグラフである。 本発明の実施例の圧痕を付けたシリコンウェーハにおけるパンチアウト転位の伸張を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１１ パンチアウト転位
１２ 圧痕

Claims (6)

1. 対面する２つの主表面を有しその厚さ方向で固溶酸素濃度が連続的に変化するシリコンウェーハであって、前記固溶酸素濃度が少なくとも一つの前記主表面での値から増加する第一の領域と、前記第一の領域の最大値から減少する第二の領域を有し、前記第二の領域の最小値から前記厚さ方向へ向かって厚さ中央部の値まで増加するように変化することを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 前記第一の領域の固溶酸素濃度の最大値が前記厚さ方向で最も大きな値であり前記第二の領域の最小値が前記厚さ方向で最も小さな値であることを特徴とする
   請求項１に記載のシリコンウェーハ。
3. 前記主表面での固溶酸素濃度の値が１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上８．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のシリコンウェーハ。
4. 前記第一の領域は、前記主表面から０．２μｍ以上２．０μｍ以下の深さに存在し、前記最大値が７．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項３記載のシリコンウェーハ。
5. 前記第二の領域は、前記主表面から１２μｍ以下の深さに存在し前記最小値が１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上かつ前記最大値の１／５以下であることを特徴とする請求項４記載のシリコンウェーハ。
6. シリコンウェーハに対して、非酸化性ガス雰囲気にて１１００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上１２０分以下の熱処理を行う工程と、酸素含有ガス雰囲気で昇温速度１０℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下で昇温する工程と、前記昇温後１１５０℃以上１３５０℃以下の温度に達したら５ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下で保持する工程と、前記保持終了後に降温速度１℃／ｓｅｃ以上１００℃／ｓｅｃ以下で降温する工程と、を順次行うことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
   
   

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