JP2010034288A

JP2010034288A - シリコンウェーハの熱処理方法

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Publication number: JP2010034288A
Application number: JP2008194868A
Authority: JP
Inventors: Wataru Ito; 亘伊藤; Chieko Nakajima; 千重子中島
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP5470769B2

Abstract

【課題】シリコンウェーハに熱処理を行う際に、ウェーハの支持位置からのスリップ転位発生を防止又は低減する。
【解決手段】シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハ４０に、急速昇降温を伴う所定温度で熱処理を行うシリコンウェーハ４０の熱処理方法において、シリコンウェーハ４０の外周部の温度がシリコンウェーハ４０の中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように、シリコンウェーハ４０面内の温度分布を制御しながら熱処理を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハの熱処理方法に関する。更に詳しくは、熱処理の際、スリップ転位の発生を防止又は低減することが可能なシリコンウェーハの熱処理方法に関するものである。

近年における電子・通信機器の発展には、その中心となる半導体集積回路（ＬＳＩ）の技術の進歩が大きく寄与している。一般に、ＬＳＩ等の半導体デバイスの製造には、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたウェーハに、研磨、面取り加工等を施して形成されたシリコンウェーハが用いられている。

このような、シリコンウェーハを用いたデバイス製造工程、或いはシリコンウェーハ自体の加工工程において、例えば、ウェーハ中に含まれる酸素析出物の濃度分布を制御する等を目的として熱処理を施す場合がある。熱処理では、従来、バッチ式の熱処理方法が採用されていたが、より短時間で半導体基板の熱処理を完了することが可能な、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置等を用いたランプアニール法等が広まりつつある。ランプアニール法では、非常に高速に所定の温度まで上昇させ、かつその温度から急速に冷却させることができるため、これによりシリコンウェーハを極めて短時間で熱処理できる。

シリコンウェーハの熱処理工程における、従来からの問題点は、１０００℃以上の高温で熱処理を施した場合、ウェーハ表面にスリップ転位と呼ばれる欠陥が生じてしまうことである。このようなスリップ転位が発生すると、ウェーハの機械的強度が低下するだけでなく、デバイス特性にまで悪影響を及ぼす。

スリップ転位の発生は、熱処理の際に、シリコンウェーハを支持する支持ピンとウェーハとの接触点にかかる自重による応力と温度分布による熱応力が主な原因と考えられているが、近年のウェーハの大口径化に伴い、ウェーハの自重による応力も大きくなるため、スリップ転位の発生は、より生じやすい傾向にある。

熱処理の際の上記問題点を解決するため、半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所定の温度で熱処理する工程を有する半導体ウェーハの製造方法において、半導体ウェーハの少なくとも半導体ウェーハを支持する支持治具との接触部分の温度が、半導体ウェーハの中心部の温度よりも３〜２０℃低くなるように制御した状態で熱処理を行うことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１６４３００号公報（請求項１）

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、１２００℃を越えるような高温での熱処理を行った場合、ウェーハの支持治具による支持位置からのスリップ転位が発生するという問題があった。

本発明の目的は、シリコンウェーハに熱処理を行う際に、ウェーハの支持位置からのスリップ転位の発生を防止又は低減し得るシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハに、急速昇降温を伴う所定温度で熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法において、シリコンウェーハの外周部の温度がシリコンウェーハの中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御しながら熱処理を行うことを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法である。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、熱処理がシリコンウェーハの外周部を複数の支持ピンで水平に支持して行われるシリコンウェーハの熱処理方法である。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、所定温度が１０００℃以上シリコン融点未満であるシリコンウェーハの熱処理方法である。

本発明によれば、シリコンウェーハの外周部の温度がシリコンウェーハの中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御しながら熱処理を行うことにより、シリコンウェーハを支持する支持ピンとウェーハとの接触点にかかる温度分布による熱応力を小さくすることができるため、ウェーハの支持位置からのスリップ転位の発生を防止又は低減することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハに、急速昇降温を伴う所定温度で熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法に関するものである。ここで、急速昇降温を伴う熱処理とは、具体的には、昇温速度又は降温速度が１０〜２５０℃／秒、好ましくは３０〜１５０℃／秒、更に好ましくは５０〜７０℃／秒の急速加熱又は急速冷却を伴う熱処理のことをいう。所定温度とは、１０００℃以上シリコン融点未満、好ましくは１１００〜１２５０℃をいう。

そして、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法の特徴ある構成は、シリコンウェーハの外周部の温度がシリコンウェーハの中心部の温度よりも１〜６℃、好ましくは３〜４℃高くなるように、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御しながら行うことである。このときのシリコンウェーハの外周部とは、ウェーハ外周縁からウェーハ中心方向に０〜３０ｍｍの範囲をいい、ウェーハ中心部とはシリコンウェーハの中心からウェーハ外周方向に０〜３０ｍｍの範囲をいう。これにより、ウェーハの支持位置からのスリップ転位の発生を防止又は低減することができるが、その技術的な理由は、以下の理由であると推察される。

シリコンウェーハの熱処理を行うＲＴＡ装置では、シリコンウェーハの外周部を３本の支持ピンにより水平に支持して熱処理が行われるのが一般的である。図１は、熱処理の際に、シリコンウェーハにスリップ転位が発生する原理を説明する図である。図１（ａ）は、シリコンウェーハ４０の外周部の温度が中心部の温度よりも高い場合の説明図であり、図１（ｂ）は、逆に、シリコンウェーハ４０の外周部の温度が中心部の温度よりも低い場合の説明図である。シリコンウェーハは熱処理の際、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、その外周部が支持ピン４１により支持されているが、シリコンウェーハ４０の支持ピン４１による支持位置では、支持ピンからの熱放射があり、この支持位置は、その周辺部よりも温度が下がる傾向にある。この支持ピン４１による支持位置と、その周辺部との温度差は、熱処理温度が高くなるにつれ支持ピンからの熱放射が多くなり、ますます熱が逃げやすくなる。シリコンウェーハの支持ピン４１による支持位置では、シリコンウェーハ４０の自重による応力４２が働いているが、支持ピン４１による支持位置と、その周辺部の温度差が大きいと、この温度差による横方向に働く熱応力４３が大きくなり、スリップ転位の発生が助長されると考えられる。そのため、シリコンウェーハの外周部の温度をシリコンウェーハの中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように制御して熱処理することにより、支持ピン４１による支持位置と、その周辺部の温度差を減少させ、支持位置における横方向に働く熱応力４３を小さくすることができる。これにより、ウェーハの支持ピン４１による支持位置からのスリップ転位の発生を防止又は低減することができるものと推察される。

本発明の熱処理方法を実施するための熱処理装置は、上記温度分布の制御が可能であれば特に限定されないが、例えば枚葉式のＲＴＡ装置（Ｍａｔｔｓｏｎ社製Ｍａｔｔｓｏｎ３０００）等が好適に用いられる。図２は、このＲＴＡ装置の概略断面図であり、ＲＴＡ装置１０は、シリコンウェーハ１１の熱処理を行う、石英からなるチャンバー１２を有する。また、チャンバー１２内には、ウェーハトレイ１３が設置され、ウェーハトレイ１３の上にベース板１４が置かれる。ベース板１４には、３本の支持ピン１５が立設される。３本の支持ピン１５は円形のウェーハを支持するため、上面視で１２０度間隔で配置される。更に、チャンバー１２外には複数の加熱ランプ１６が配置される。この加熱ランプ１６は、ハロゲンランプが用いられており、個々の加熱ランプ１６はそれぞれ独立に出力の制御が可能になっている。即ち、ウェーハ面内の温度分布の制御は、個々の加熱ランプ１６の出力を調整することにより行われる。チャンバー１２には、不活性ガスや反応ガス等を注入するガス導入口１７とガス排気口１８が設けられ、また、シリコンウェーハ１１を搬送する開口部１９が設けられる。開口部１９は、シリコンウェーハ１１がチャンバー１２内に搬送された後、図示しないオートシャッターにより蓋がされる。チャンバー１２の外部には、シリコンウェーハ１１の温度の測定が可能なパイロメータ２０が配置される。

このＲＴＡ装置を用いた熱処理では、先ずシリコンウェーハ１１を、開口部１９からチャンバー１２内に搬入し、３本の支持ピン１５に載せ、水平の状態にチャンバー１２内に配置した後、開口部１９に蓋をする。次いで、熱処理中にシリコンウェーハ１１が不純物と反応するのを防ぐため、ガス導入口１７から不活性ガス又は反応ガスを注入しながら、加熱ランプ１６の加熱によりシリコンウェーハ１１の熱処理を行う。このとき、シリコンウェーハ１１の中心部と、外周部の温度分布の制御は、チャンバー１２外に設置されたパイロメータ２０によって、シリコンウェーハ１１の温度を測定し、シリコンウェーハ１１の外周部が中心部より１〜６℃高くなるように、チャンバー１２内に設けられた複数の加熱ランプ１６の個々の出力を調整することにより行われる。

次に、本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
熱処理を行う直径３００ｍｍのシリコンウェーハを用意した。熱処理装置として、枚葉式のＲＴＡ装置（Ｍａｔｔｓｏｎ社製Ｍａｔｔｓｏｎ３０００）を用いた。
先ず、用意したシリコンウェーハを、上記ＲＴＡ装置の開口部からチャンバー内に搬入し、３本の支持ピンに載せて水平の状態にチャンバー内に配置した。搬入後、ガス導入口から、酸素を注入しながら、チャンバー外に設置された複数の加熱ランプの出力を調整し、熱処理温度１２００℃で、１０秒間熱処理を行った。

熱処理は、シリコンウェーハ面内の温度分布を、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも３℃高くなるように制御しながら行った。温度分布の制御は、パイロメータでウェーハの温度を測定し、熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周側に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比べて上記基準より１０％上げることにより行った。なお、シリコンウェーハ面内の温度は、ウェーハ面内の各位置に形成された酸化膜の厚さとウェーハ中心部に形成された酸化膜の厚さとの差から換算した値である。即ち、各熱処理温度において熱処理中のランプからの加熱とのバランスを考慮して、ウェーハ面内の温度分布が最小になるようにランプのパワーバランスを調整した上で、酸化雰囲気中において熱処理したウェーハの面内の平均酸化膜厚と熱処理温度との相関より、シリコンウェーハ面内の温度を換算している。酸化雰囲気中において熱処理したウェーハの面内の平均酸化膜厚と熱処理温度との相関は、図５に示すとおりである。

＜比較例１＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周側に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と等しくなるように調整し、制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも１℃低くなるように制御されていた。

＜比較例２＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周側に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準より１０％下げるように調整し、制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも２℃低くなるように制御されていた。

＜比較試験及び評価１＞
実施例１及び比較例１，２における熱処理後のシリコンウェーハについて、支持ピンによる３箇所の支持位置のスリップ転位の長さを、顕微鏡により測定した。その結果を、図３に示す。

図３から明らかなように、比較例１，２では、支持ピンによる３箇所の支持位置のいずれにも２〜４ｍｍ程度のスリップ転位がみられたのに対し、本発明の熱処理方法により熱処理を行った実施例１のシリコンウェーハにはスリップ転位はみられなかった。このことから、本発明の熱処理方法が効果的であることが確認された。

＜実施例２＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周部に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準よりも２０％高くし、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも６℃高くなるように制御されていた。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに同一条件で熱処理を行った。

＜実施例３＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周側に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準より１５％上げるようにシリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも４℃高くなるように制御されていた。

＜実施例４＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周部に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準よりも８％高くし、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも２℃高くなるように制御されていた。

＜実施例５＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、その基準と比較して、ウェーハ外周部に設置された加熱ランプの出力を上げ、ウェーハ径方向の半径の１／２付近に設置された加熱ランプの出力を下げることにより、その差を１０％となるように加熱ランプの出力を調整し、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも２℃高くなるように制御されていた。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに同一条件で熱処理を行った。

＜実施例６＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周部よりも更に外側に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準よりも８％高くするように加熱ランプの出力を調整し、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも１℃高くなるように制御されていた。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに同一条件で熱処理を行った。

＜比較例３＞
熱処理中のランプからの加熱とウェーハからの放熱とのバランスを考慮してウェーハ面内の温度分布が最小になるように調整された各ランプのパワーバランスを基準とし、ウェーハ外周部に設置された加熱ランプの出力を、ウェーハ中央部に設置された加熱ランプの出力と比較して上記基準よりも５％高くし、シリコンウェーハ面内の温度分布を制御したこと以外は、実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を行った。このとき、シリコンウェーハ面内の温度分布は、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度と同じであった。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに同一条件で熱処理を行った。

＜比較試験及び評価２＞
実施例２〜６及び比較例３の熱処理後のシリコンウェーハについて、ウェーハ中心から径方向に向かったウェーハ面内の温度分布と、支持ピンによる３箇所の支持位置におけるスリップ転位の発生との関係を評価した。その結果を図４及び以下の表１に示す。また、図４及び表１には、実施例１および比較例１〜２の結果も合わせて示す。図４は、ウェーハ面内の温度分布を、ウェーハ面内に形成された酸化膜の厚さから換算した値である。表１中、支持ピンによる３箇所の支持位置のうち、３箇所全てにおいて、スリップが発生していなかった場合をＡとし、１〜２箇所においてスリップ転位が発生していた場合をＢとし、３箇所全てにおいてスリップが発生していた場合をＣとした。

図４及び表１から明らかなように、比較例１〜３に比べ、シリコンウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように制御して熱処理した実施例１〜６では、支持ピンによる支持位置におけるスリップ転位の発生が抑えられていることが確認された。特に、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度に比べて３〜４℃高くなるように温度分布を制御して熱処理した実施例１では、３箇所全ての支持位置においてスリップが発生しなかった。このことから、本発明が効果的であることが確認された。

図１（ａ）は、ウェーハ外周部温度がウェーハ中心部温度より高い場合におけるスリップ転位発生の原理を説明する図であり、図１（ｂ）は、ウェーハ外周部温度がウェーハ中心部温度より低い場合におけるスリップ転位発生の原理を説明する図である。ＲＴＡ装置の一例を示す概略断面図である。実施例１及び比較例１，２の結果を示すグラフである。実施例１〜６及び比較例１〜３の結果を示すグラフである。ウェーハ面内の酸化膜厚さと温度との相関関係を示すグラフである。

符号の説明

４０シリコンウェーハ

Claims

シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハに、急速昇降温を伴う所定温度で熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法において、
前記シリコンウェーハの外周部の温度が前記シリコンウェーハの中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように、前記シリコンウェーハ面内の温度分布を制御しながら熱処理を行うことを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
熱処理がシリコンウェーハの外周部を複数の支持ピンで水平に支持して行われる請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
所定温度が１０００℃以上シリコン融点未満である請求項１又は２記載のシリコンウェーハの熱処理方法。