JP2011035129A

JP2011035129A - シリコンウェーハ

Info

Publication number: JP2011035129A
Application number: JP2009179319A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Isogai; 宏道磯貝; Takeshi Senda; 剛士仙田; Eiji Toyoda; 英二豊田; Koji Araki; 浩司荒木; Koji Sensai; 宏治泉妻; Kazuhiko Kashima; 一日児鹿島
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥が、デバイスプロセスにおいて汚染源となることが抑制され、さらに、スリップの発生源となることも抑制されたシリコンウェーハの提供。
【解決手段】ウェーハ表面部１はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、ウェーハ表面部１よりも深いウェーハバルク部２は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部が曲面状であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥４が存在しているシリコンウェーハを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス形成用基板として好適に用いられるシリコンウェーハ（以下、単に、ウェーハともいう）に関する。

近年、半導体デバイスの高集積度化及びデザインルールの超微細化が進み、これにより、その基板として使用されるシリコンウェーハにおいても、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍（特に、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの領域：以下、表面部という）に、ＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）等のボイド欠陥が存在しないことが要求されている。

このようなボイド欠陥が存在しないシリコンウェーハは、例えば、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）でシリコン単結晶インゴットを育成する際に、Ｖ／Ｇ（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：温度勾配）を制御して、全面に無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴットを引き上げ、これをスライスすることによって製造することができる（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１記載の方法は、Ｖ／Ｇのわずかな変動により、ボイド欠陥が発生する場合があり、その制御は非常に難しい。さらに、Ｖ／Ｇを制御して無欠陥領域を引き上げる場合は、一般的に、引き上げ速度Ｖを低速にする必要があるため、シリコン単結晶育成における生産性を低下させるものであった。

そのため、引き上げ速度Ｖの高速化が可能な空孔型点欠陥が優勢な領域（以下、Ｖ−リッチ領域という）を有するシリコン単結晶インゴットを育成し、該単結晶インゴットをスライスして作製したシリコンウェーハに、ＨＦ処理によりウェーハ表層部（本発明でいうウェーハ表面部）に存在するボイド欠陥の内壁酸化膜を除去する内壁酸化膜除去工程を経た後、該シリコンウェーハに急速加熱・急速冷却熱処理（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ；以下、ＲＴＰともいう）を行うことにより、デバイスが作製されるウェーハ表層部を無欠陥層とする方法も提案されている（例えば、特許文献２）。

一方、ウェーハ表面部より深い領域（特に、ウェーハ表面から深さ５μｍより深い領域：以下、ウェーハバルク部という）にＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）が高密度に存在するシリコンウェーハは、デバイスプロセス中に混入する金属不純物等に対するゲッタリング能力を備えている。

このため、ウェーハバルク部に空孔を過剰に残留させ、酸素析出核を形成するために、例えば、窒素又は不活性雰囲気下でＲＴＰを行い、冷却速度を制御する方法も提案されている（例えば、特許文献３，４）。

特開平８−３３０３１６号公報特開２００５−１２３２４１号公報特表２００７−５３４５７９号公報特表２００５−５２２８７９号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の方法によれば、デバイス活性領域となるウェーハ表面部に無欠陥層を形成することができるものの、特許文献２には、前記ウェーハ表面部より深いウェーハバルク部におけるボイド欠陥の消滅等については一切記載されておらず、考慮されているものではない。

また、上記特許文献３，４記載の方法によれば、ウェーハバルク部の酸素析出核形成の均一化を図ることができるが、上記特許文献３，４にも、ウェーハバルク部におけるボイド欠陥の消滅等については一切記載されておらず、考慮されているものではない。

ボイド欠陥は、図６に示すように、一般的に八面体を基本形状とする多面体で構成され、その内部には内壁酸化膜が存在している。このようなボイド欠陥がウェーハバルク部に多く存在すると、ボイド欠陥自身がデバイスプロセスにおける汚染源となる可能性がある。
さらに、前記ボイド欠陥は、八面体形状を有しているため、その尖っている角部３には歪みが集中し、スリップ等を生じやすいという性質を有していると考えられる。

上記ボイド欠陥が汚染源となることへの対策としては、特許文献３，４に記載されているように、ウェーハバルク部にＢＭＤを高密度に形成させることも考えられるが、ＢＭＤを形成させるためには、ウェーハバルク部に空孔が多く存在すること、酸素濃度が高いこと等の一定の条件が必要であり、製造的な観点から考えると、制約を受けるものであった。さらに、ＢＭＤを高密度に形成する場合には、当該ＢＭＤがスリップの発生源となる可能性があるため好ましくない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥が、デバイスプロセスにおいて汚染源となることが抑制され、さらに、スリップの発生源となることも抑制されたシリコンウェーハを提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコンウェーハは、ウェーハ表面部はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、ウェーハ表面部よりも深いウェーハバルク部は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部が曲面状であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥が存在していることを特徴とする。
このようなシリコンウェーハを用いれば、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥が、デバイスプロセスにおいて汚染源となることを抑制することができ、さらに、スリップの発生源となることも抑制することができる。

前記ボイド欠陥は、前記多面体の角部の全部が曲面状となった球体又は楕円体であることが好ましい。
このようなシリコンウェーハを用いれば、確実に、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥がスリップの発生源となることを抑制することができる。

本発明によれば、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥が、デバイスプロセスにおいて汚染源となることが抑制され、さらに、スリップの発生源となることも抑制されたシリコンウェーハを提供することができる。
したがって、本発明に係るシリコンウェーハは、デバイスプロセスにおける歩留まりの向上に大きく寄与し得るものである。

本発明に係るシリコンウェーハの一例を示す概略断面図である。従来のシリコンウェーハの概略断面図である。本発明に係るシリコンウェーハの他の一例を示す概略断面図である。本発明に係るシリコンウェーハを得るために用いられるＲＴＰ装置のチャンバ部の概要を示す断面図である。本発明に係るシリコンウェーハを得るためのＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を説明するための概念図である。ボイド欠陥の基本構造を示す斜視図である。

以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１は、本発明に係るシリコンウェーハの一例を示す概略断面図である。
本発明に係るシリコンウェーハは、図１に示すように、ウェーハ表面部１、具体的には、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの領域はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、前記ウェーハ表面部１よりも深いウェーハバルク部２、具体的には、ウェーハ表面から深さ５μｍより深い領域は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部が曲面状であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥４が存在していることを特徴とするものである。

一方、図２に、従来のシリコンウェーハの概略断面図を示す。
ＣＺ法により製造されたＶ−リッチ領域を有するシリコン単結晶インゴットからスライスして得られたシリコンウェーハに熱処理を施して、ウェーハ表面部１を無欠陥層とした従来のウェーハは、ウェーハバルク部２に含まれる酸素は当該熱処理において外方拡散されにくいため、ウェーハバルク２内に存在するボイド欠陥５の内壁酸化膜６は溶解せずに残存する。

このような内壁酸化膜６は、ボイド欠陥５の周囲の金属不純物を取り込む性質を有しているため、このようなボイド欠陥５がウェーハバルク部２に多く存在すると、ボイド欠陥５自身がデバイスプロセスにおける汚染源となる可能性がある。
本発明に係るシリコンウェーハは、このような内壁酸化膜が除去されているため、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥が、デバイスプロセスにおいて汚染源となることが抑制されたものである。

また、図１に示すボイド欠陥４は、八面体を基本形状とする多面体の角部（図６中符号３）が曲面状である点に特徴を有する。
すなわち、本発明に係わるシリコンウェーハは、このようにボイド欠陥４の尖っている角部が曲面状となっているため、これらボイド欠陥４がスリップの発生源となることも抑制されたものである。
したがって、本発明に係るシリコンウェーハは、デバイスプロセスにおける歩留まりの向上に大きく寄与し得るものである。

図３は、本発明に係るシリコンウェーハの他の一例を示す概略断面図である。
前記ボイド欠陥４は、図３に示すように、前記多面体の角部の全部が曲面状となった球体又は楕円体であることが好ましい。
このようなシリコンウェーハを用いれば、確実に、ウェーハバルク部に存在するボイド欠陥がスリップの発生源となることを抑制することができる。

このようなウェーハバルク部２に存在するボイド欠陥４は、ウェーハ表面部１からウェーハバルク部２まで研削加工及び研磨加工を行い、透過型電子顕微鏡によって、その形態を評価することができる。

次に、本発明に係るシリコンウェーハを製造する方法について説明する。
上記のような本発明に係るシリコンウェーハは、ＣＺ法により製造し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ＲＴＰを施すことによって製造することができる。

ＣＺ法は、周知の方法であり、具体的には、石英ルツボに充填した多結晶シリコンを加熱してシリコン融液とし、このシリコン融液の液面に種結晶を接触させて、種結晶と石英ルツボを回転させながら種結晶を引き上げ、所望の直径まで拡径して直胴部を形成し、その後、シリコン融液から切り離すことにより、シリコン単結晶インゴットを育成する。
この際、Ｖ／Ｇ（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：温度勾配）を制御して、Ｖ−リッチ領域を有するシリコン単結晶インゴットを育成する。
そして、上記により得られたシリコン単結晶インゴットを内周刃またはワイヤソー等によりウェーハ状にスライスした後、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の加工を行い、シリコンウェーハを得る。

前記ＲＴＰは、上記のようにして得られた鏡面研磨されたシリコンウェーハに、例えば、図４に示すようなＲＴＰ装置により好適に行うことができる。
図４に示すＲＴＰ装置のチャンバ部１０は、ウェーハＷを収容する反応管２０と、前記反応管２０内に配設され、前記ウェーハＷが載置されるウェーハ支持部３０と、前記ウェーハＷを光照射により加熱する複数のランプ４０とを備えている。
前記反応管２０は、前記ウェーハＷの半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側の第１の空間２０ａに第１の雰囲気ガスＦ_A（図中実線矢印）を供給するガス供給口２２と、前記第１空間２０ａからガスを排出するガス排出口２６と、前記ウェーハＷの裏面Ｗ２側の第２の空間２０ｂに第２の雰囲気ガスＦ_B（図中点線矢印）を供給するガス供給口２４と、前記第２空間２０ｂからガスを排出するガス排出口２８とを備える。

以下、図４に示すＲＴＰ装置を用いた本発明に係るシリコンウェーハを得るためのＲＴＰの一例を説明する。図５に、そのＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す。
図５に示す熱処理シーケンスにおいては、まず、温度Ｔ₀（例えば、６００℃）に保持された反応管２０内のウェーハ支持部３０のサセプタ３２上に、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部を載置して支持させる。そして、ガス供給口２２から第１の雰囲気ガスＦ_Aを供給しつつ、ガス排出口２６から第１の雰囲気ガスＦ_Aを排出させて（必要に応じて、ガス供給口２４から第２の雰囲気ガスＦ_Bを供給するとともに、ガス排出口２８から第２の雰囲気ガスＦ_Bを排出させて）、サセプタ回転部３４によりサセプタ３２を回転させながら、ランプ４０からの光照射によりウェーハＷを最高到達温度Ｔ₁（℃）まで所定の昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速加熱する。
次に、前記最高到達温度Ｔ₁を所定時間ｔ（秒）保持する。
その後、ランプ４０からの光照射をオフとして、必要に応じて、第２の雰囲気ガスＦ_Bを用いて、所定の降温速度ΔＴｄ（℃／秒）でウェーハＷを急速冷却する。

上記熱処理シーケンスにおけるウェーハＷの温度測定は、例えば、ウェーハＷの下方に配置された放射温度計（図示せず）により行う。また、前記昇温速度及び降温速度の制御は、上記のようにして測定した温度に基づいて制御手段（図示せず）により、ランプ４０の個別の出力制御や、第１の雰囲気ガスＦ_A又は第２の雰囲気ガスＦ_Bの流量の制御等により行う。

本発明に係るシリコンウェーハを得るための第１手段としては、育成されるシリコン単結晶インゴットの酸素濃度を１．１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とすることが好ましい。言い換えれば、本発明に係るシリコンウェーハのウェーハバルク部の酸素濃度を、１．１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とすることが好ましい。
このような方法を用いることにより、ＲＴＰにおいて、ウェーハバルク部２に存在するボイド欠陥の内壁酸化膜が溶解されやすくなり、ウェーハの表面部１で発生した格子間シリコン（以下、ｉ−Ｓｉという）がウェーハバルク部２まで拡散し、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥に入り込むため、当該内壁酸化膜が除去され、かつ、八面体を基本形状とする多面体の角部が曲面状となったボイド欠陥を有する図１に示すシリコンウェーハを得ることができる。
ここでいう酸素濃度は、１９７０−１９７９年度版ＯｌｄＡＳＴＭによる換算係数からの算出値であり、赤外分光法又は二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）により測定することができる。

また、前記方法に加え、最高到達温度Ｔ₁の所定時間ｔ（秒）を長くすることにより、ウェーハの表面部１で発生するｉ−Ｓｉの量が増加し、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥内に多く入り込み、ボイド欠陥の内部を更に埋めて、当該角部の全部が曲面となった球体又は楕円体で構成された微小なボイド欠陥を有する図３に示すようなシリコンウェーハを得ることができる。
前記酸素濃度は、ＲＴＰにおけるスリップ発生の抑制等、シリコンウェーハとしての強度を保つ関係上、０．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることがより好ましい。

また、本発明に係るシリコンウェーハを得るための第２手段としては、ＲＴＰにおいて、第１の雰囲気ガスＦ_Aとして不活性ガスを、第２の雰囲気ガスＦ_Bとして酸化性ガスを用いて、例えば、図５に示す熱処理シーケンスにて行うことが好ましい。
このような方法を用いることにより、ウェーハ裏面Ｗ２側に大量のｉ−Ｓｉが発生し、これらｉ−Ｓｉがウェーハ表面側Ｗ１まで拡散し、該ｉ−Ｓｉによってウェーハバルク部２に存在するボイド欠陥の内壁酸化膜の溶解が促進されるため、八面体を基本形状とする多面体がエネルギー的に安定な球形に近づき、かつ、その内部を埋めるため、図１に示すようなシリコンウェーハを得ることができる。
また、最高到達温度Ｔ₁の所定時間ｔ（秒）を長くすることにより、ウェーハ裏面Ｗ２側で発生したｉ−Ｓｉがウェーハバルク部２まで多く拡散し、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥内に多く入り込み、球形に近づいたボイド欠陥をさらに埋めて、当該角部の全部が曲面となった球体又は楕円体で構成された微小なボイド欠陥を有する図３に示すようなシリコンウェーハを得ることができる。

さらに、本発明に係るシリコンウェーハを得るための第３手段としては、ＲＴＰにおいて、第１の雰囲気ガスＦ_A及び第２の雰囲気ガスＦ_Bとして酸化性ガスを用いて、例えば、図５に示す熱処理シーケンスにて熱処理を行うことが好ましい。
このような方法を用いることにより、シリコンウェーハの表裏面で大量のｉ−Ｓｉが発生し、これらｉ−Ｓｉによってウェーハバルク部２に存在するボイド欠陥の内壁酸化膜の溶解が促進し、かつ、八面体を基本形状とする多面体がエネルギー的に安定な球形に近づき、かつ、その内部を埋めるため、図１に示すシリコンウェーハを得ることができる。
また、最高到達温度Ｔ₁の所定時間ｔ（秒）を長くすることにより、ウェーハ表裏面で大量に発生したｉ−Ｓｉがウェーハバルク部２まで多く拡散し、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥内に多く入り込み、球形に近づいたボイド内部を更に埋めて、当該角部の全部が曲面となった球体又は楕円体で構成された微小なボイド欠陥を有する図３に示すようなシリコンウェーハを得ることができる。

なお、この第３手段を用いる場合は、シリコンウェーハの極表面（例えば、ウェーハ表面から１μｍ以内）にボイド欠陥が残存する場合がある。この場合には、ＲＴＰ後、シリコンウェーハ表面を研磨することにより、本発明に係る図１、３に示すようなシリコンウェーハを得ることができる。

前記ＲＴＰにおける最高到達温度Ｔ₁は１３００℃以上シリコンの融点以下であることが好ましい。
前記最高到達温度Ｔ₁が１３００℃未満である場合には、デバイス活性領域となるウェーハ表面部におけるボイド欠陥の消滅力を高めることが難しい。
一方、前記最高到達温度Ｔ₁がシリコン融点を超える場合には、熱処理するシリコンウェーハが融解してしまうため好ましくない。
なお、前記最高到達温度Ｔ₁の上限値は、ＲＴＰ装置としての装置寿命の観点から、１３８０℃以下であることがより好ましい。

また、前記ＲＴＰにおいて使用される不活性ガスはアルゴンガスであり、酸化性ガスは酸素であることが好ましい。
前記不活性ガスとして窒素ガスを用いる場合には、ＲＴＰにおいてウェーハ表面に窒化膜が形成され、この窒化膜の除去のため、新たにエッチング工程等を増やさなければならず、工程が増加するため好ましくない。また、水素ガスは、第２の雰囲気ガスＦ_Bとして使用する酸素との混合ガスは爆発の危険性があるため、用いることは好ましくない。また、アンモニア系ガスは、ウェーハ表面部におけるボイド欠陥の消滅力が低下するため好ましくない。

昇温速度ΔＴｕは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
前記昇温速度ΔＴｕが１０℃／秒未満である場合には、生産性に劣るいという問題があるだけでなく、酸素が基板内部まで拡散して飽和濃度に達する領域が増大するため、内壁酸化膜の消失が不十分になる領域が増加するため好ましくない。一方、前記昇温速度ΔＴｕが１５０℃／秒を超える場合には、急激すぎる温度変化に耐えられず、シリコンウェーハにスリップが発生するという問題がある。
また、降温速度ΔＴｄは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
前記降温速度ΔＴｄが１０℃／秒未満である場合には、生産性に劣るという問題がある。一方、前記降温速度ΔＴｄが１５０℃／秒を超える場合には、急激すぎる温度変化に耐えられず、シリコンウェーハにスリップが発生するという問題がある。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
ＣＺ法によりＶ−リッチ領域で育成し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（直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍ、酸素濃度１．１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）について、図４に示すようなＲＴＰ装置を用い、図５に示すような熱処理シーケンスにて、第１の雰囲気ガスＦ_Aを、１００％アルゴンとし、第２の雰囲気ガスＦ_Bを１００％酸素として、昇温速度ΔＴｕ：３０℃／秒、最高到達温度Ｔ₁：１３５０℃、降温速度ΔＴｄ：３０℃／秒、最高到達温度Ｔ₁の保持時間ｔ：５秒にて、ＲＴＰ処理を行った。
その後、レーザ散乱法にて、ウェーハ表面部（ウェーハ表面から深さ５μｍまで）のボイド欠陥の発生の有無を評価すると共に、表層を研削加工及び研磨加工により除去した後にウェーハバルク部（表面から深さ５μｍより深い領域）におけるボイド欠陥を透過型電子顕微鏡により観察した。

その結果、得られたシリコンウェーハは、ウェーハ表面部はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、ウェーハバルク部は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部が曲面状であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥が数多く存在していることが確認された。

［実施例２］
ＣＺ法によりＶ−リッチ領域で育成し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（直径３００ｍｍ、厚さ７７５ｍｍ、酸素濃度１．１ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）について、最高到達温度Ｔ₁の保持時間ｔを１５秒とし、その他は、実施例１と同様な方法にて、ＲＴＰ処理を行った。
その後、実施例１と同様な方法で、ウェーハ表面部のボイド欠陥の発生の有無、及びウェーハバルク部におけるボイド欠陥を観察した。

その結果、得られたシリコンウェーハは、ウェーハ表面部はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、ウェーハバルク部は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部の全部が曲面状となった球体又は楕円体であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥が数多く存在していることが確認された。さらに、ボイド欠陥のサイズは、実施例１に比べて小さかった。

［比較例１］
ＣＺ法によりＶ−リッチ領域で育成し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（直径３００ｍｍ、厚さ７７５ｍｍ、酸素濃度１．１ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）について、第２の雰囲気ガスＦ_Bを１００％アルゴンとして、その他は、実施例１と同様な方法にて、ＲＴＰ処理を行った。
その後、実施例１と同様な方法で、ウェーハ表面部のボイド欠陥の発生の有無、及びウェーハバルク部におけるボイド欠陥を観察した。

その結果、ウェーハ表面部はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であったが、ウェーハバルク部は、内壁酸化膜が除去されていないボイド欠陥が数多く存在していることが確認された。

１ウェーハ表面部
２ウェーハバルク部
４，５ボイド欠陥
６内壁酸化膜
１０チャンバ部
２０反応管
３０ウェーハ支持部
４０ランプ

Claims

ウェーハ表面部はボイド欠陥が存在しない無欠陥領域であり、ウェーハ表面部よりも深いウェーハバルク部は、八面体を基本形状とする多面体で構成され、前記多面体の角部が曲面状であり、かつ、内壁酸化膜が除去されたボイド欠陥が存在していることを特徴とするシリコンウェーハ。
前記ボイド欠陥は、前記多面体の角部の全部が曲面状となった球体又は楕円体であることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ。