JP2011233556A - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコンウェーハに対してＲＴＰを行う際、シリコンウェーハの裏面の外周部をリング状に保持するサセプタを用いても、接触痕やスリップの発生を効果的に抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法の提供。
【解決手段】ウェーハＷの回転数を２５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下とし、ウェーハＷの半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側及び前記表面Ｗ１側に対向する裏面Ｗ２側に不活性ガスを供給し、かつ、最高到達温度を１３００℃以上１４００℃以下として、急速加熱・急速冷却熱処理を行う。
【選択図】図１
【解決手段】ウェーハＷの回転数を２５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下とし、ウェーハＷの半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側及び前記表面Ｗ１側に対向する裏面Ｗ２側に不活性ガスを供給し、かつ、最高到達温度を１３００℃以上１４００℃以下として、急速加熱・急速冷却熱処理を行う。
【選択図】図１
Description
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法ともいう）により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスされたシリコンウェーハ（以下、単にウェーハともいう）に対して急速加熱・急速冷却熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：以下、単にＲＴＰともいう）を行うシリコンウェーハの熱処理方法に関する。
半導体デバイス形成用基板として用いられるシリコンウェーハは、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）等の結晶欠陥が存在しないことが要求されている。
一般的に、ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスされた少なくとも半導体デバイスが形成される一面（以下、表面という）が鏡面研磨されたシリコンウェーハは、ＣＯＰ等の結晶欠陥がウェーハ内部に存在しているが、これらのシリコンウェーハに対して、縦型熱処理炉等を用いて、アルゴンガス雰囲気下、１２００℃で１時間程度の熱処理を行うことにより、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍における結晶欠陥を消滅させることが可能である（例えば、特許文献１）。
また、近年では、窒素をドープしたシリコンウェーハに対して、秒単位のＲＴＰを行うことで、表面に無欠陥層を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２）。
このようなＲＴＰを行うための装置（以下、ＲＴＰ装置という）としては、例えば、基板が収容されるチャンバと、前記チャンバ内に設置され、基板のエッジ部を支持するリングフレームを有する基板支持部と、前記基板を加熱する加熱部と、前記基板支持部に基板が支持されたときに、該基板における半導体装置が形成される面の裏面側に形成される実質的に閉止された閉空間に、分子中に酸素原子を含む第１のガスと、希釈ガスとしての第２のガスとを含有する改質用ガスを供給する改質用ガス供給部と、を備えたものが用いられる（例えば、特許文献３）。
一般的に、例えば、特許文献３に示すようなＲＴＰ装置を用いてシリコンウェーハに対してＲＴＰを行う場合には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などで構成されたサセプタ（特許文献３でいう基板支持部）上に、裏面の外周部（ウェーハの最外周から約１〜２ｍｍの領域）を、リング状に保持して行う。
このようなサセプタを用いてＲＴＰを行う場合、ＲＴＰ中において、シリコンウェーハは急速加熱・急速冷却されるため弾性変形するが、その際、リング状に保持しているウェーハ裏面の外周部と、サセプタの表面との間に摩擦が生じ、ウェーハの裏面に接触痕が発生する。このように発生した接触痕はその後の半導体デバイス形成プロセスにおいて、パーティクルの発生源や成膜性などを悪化させる要因となる。
加えて、サセプタ上に保持されたウェーハは、ＲＴＰ中に重力および熱膨張の影響でウェーハ中心部がお椀状に撓み、弾性変形する（図３）。このような場合、ウェーハＷの裏面の外周部を保持するリング状のサセプタ２の内周側の端部２ａにウェーハＷの自重応力が集中して、特に、１０００℃以上の温度帯でスリップが発生しやすいという問題がある。
このようなスリップの発生を抑制するためには、ウェーハの撓み量を低減させて、自重応力を効率よく分散させることが必要である。その一つの方法として、ウェーハの裏面全体で保持できるようなサセプタを使用する方法が考えられるが、このような場合には、ウェーハとサセプタとの接触痕がウェーハの裏面全体で発生するという問題がある。このような接触痕は１μｍ程度の高低差を有する場合があり、半導体デバイスが形成されるウェーハの表面側の局部的なフラットネスを悪化させる要因とな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、シリコンウェーハに対してＲＴＰを行う際、シリコンウェーハの裏面の外周部をリング状に保持するサセプタを用いても、接触痕やスリップの発生を効果的に抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的とする。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、チョクラルスキー法により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスされたシリコンウェーハを熱処理する方法であって、前記シリコンウェーハの回転数を２５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下とし、前記シリコンウェーハの半導体デバイスが形成される表面側及び前記表面側に対向する裏面側に不活性ガスを供給し、かつ、最高到達温度を１３００℃以上１４００℃以下として、急速加熱・急速冷却熱処理を行うことを特徴とする。
前記シリコンウェーハの裏面側に供給する不活性ガスの流量は、前記シリコンウェーハの表面側に供給する不活性ガスの流量よりも少ないことが好ましい。
本発明によれば、シリコンウェーハに対してＲＴＰを行う際、シリコンウェーハの裏面の外周部をリング状に保持するサセプタを用いても、接触痕やスリップの発生を効果的に抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法が提供される。
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、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置の概要を示す断面図である。
本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置１０は、図１に示すように、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応管２０と、反応管２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。ウェーハＷがウェーハ保持部３０に保持された状態では、反応管２０の内壁とウェーハＷの半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側とで囲まれた空間である第１空間２０ａと、反応管２０の内壁と表面Ｗ１側に対向するウェーハＷの裏面Ｗ２側とで囲まれた空間である第２空間２０ｂが形成される。
反応管２０は、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に第１の雰囲気ガスＦＡ（実線矢印）を供給する第１の供給口２２と、第２空間２０ｂ内に第２の雰囲気ガスＦＢ（点線矢印）を供給する第２の供給口２４と、前記供給した第１の雰囲気ガスＦＡを第１空間２０ａから排出する第１の排出口２６と、前記供給した第１の雰囲気ガスＦＡ及び第２の雰囲気ガスＦＢを第２空間２０ｂから排出する第２の排出口２８と、を備える。反応管２０は、例えば、石英で構成されている。
ウェーハ保持部３０は、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をリング状に保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を保持すると共に、サセプタ３２をウェーハＷの径方向に回転させる回転体３４とを備える。サセプタ３２及び回転体３４は、例えば、ＳｉＣで構成されている。
加熱部４０は、ウェーハ保持部３０の上方の反応管２０外に配置され、ウェーハＷを表面Ｗ１側から加熱する。加熱部４０は、例えば、複数のハロゲンランプ５０で構成されている。
図１に示すＲＴＰ装置１０を用いて、ＲＴＰを行う場合は、反応管２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応管２０内に導入して、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をウェーハ保持部３０のサセプタ３２上にリング状に保持して、雰囲気ガスを供給すると共に、加熱部４０によってウェーハＷを加熱することで行う。
次に、本発明の実施形態に係わるシリコンウェーハの熱処理方法についてより具体的に説明する。
本実施形態に係わるシリコンウェーハの熱処理方法は、ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスされた少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハに対して、ＲＴＰを行う。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの製造は周知の方法で行う。
具体的には、シリコン単結晶インゴットは、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、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上げてシリコン単結晶を育成し、これを所望の直径まで拡径して直胴部を形成し、その後、シリコン融液からシリコン単結晶を切り離すことで製造することができる。
次に、こうして得られたシリコン単結晶インゴットを、周知の方法によりシリコンウェーハに加工する。
具体的には、シリコン単結晶インゴットを内周刃又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、鏡面研磨等を行う。
次に、こうして得られた少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハに対して、図１に示すようなＲＴＰ装置１０を用いて、ＲＴＰを行う。
図２は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用される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。
本発明に係わる熱処理シーケンスは、温度Ｔ０（例えば、６００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応管２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１が鏡面研磨されたウェーハＷを設置し、例えば、表面Ｗ１側が接する第１空間２０ａ内に第１の雰囲気ガスＦＡを供給し、前記ウェーハＷの表面Ｗ１に対向する裏面Ｗ２側が接する第２空間２０ｂ内に第２の雰囲気ガスＦＢを供給する。
次に、温度Ｔ０（℃）から最高到達温度である温度Ｔ１（℃）まで、所定の昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速加熱し（第１ステップ）、その後、温度Ｔ１（℃）で所定時間ｔ（秒）一定に保持し（第２ステップ）、最後に、温度Ｔ１（℃）から所定温度（例えば、温度Ｔ０（℃））まで、所定の降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速冷却する（第３ステップ）。なお、温度Ｔ０、Ｔ１は、図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応管２０内にウェーハＷを設置した場合において、ウェーハ保持部３０の下方に設置された図示しない放射温度計によって測定された温度（放射温度計がウェーハＷの径方向に複数配置されている場合はその平均温度）である。
本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法は、ＲＴＰを行う際、シリコンウェーハの回転数を２５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下とし、前記シリコンウェーハの半導体デバイスが形成される表面側及び前記表面側に対向する裏面側に不活性ガスを供給し、かつ、最高到達温度を１３００℃以上１４００℃以下として、ＲＴＰを行うことを特徴とする。
本発明はこのような構成を備えているため、シリコンウェーハに対してＲＴＰを行う際、シリコンウェーハの裏面の外周部をリング状に保持するサセプタを用いても、接触痕やスリップの発生を効果的に抑制することができる。
前記シリコンウェーハの回転数が２５０ｒｐｍ未満である場合には、ＲＴＰ中のシリコンウェーハの弾性変形によるウェーハの裏面側の接触痕やスリップの発生を効果的に抑制することができない。前記回転数が３５０ｒｐｍを超える場合には、サセプタからウェーハが飛んでしまう恐れがあるため、好ましくない。
前記シリコンウェーハの半導体デバイスが形成される表面側及び裏面側に供給するガスが不活性ガス以外である場合には、様々な問題を有する。
例えば、前記ガスが酸素ガスや水素ガスである場合には、最高到達温度保持時に、ウェーハＷの表面Ｗ１において、面粗れを発生させてしまうため好ましくない。また、前記ガスが窒素ガスである場合には、ウェーハＷの表面Ｗ１や裏面Ｗ２において、窒化膜が形成されてしまうため好ましくない。更に、前記ガスがアンモニアガスである場合には、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍において、ＣＯＰ等の結晶欠陥を低減させる効果が少ないため好ましくない。
前記不活性ガスとしては、アルゴンガスを用いることが好ましい。アルゴンガスを用いることにより、窒化膜等の他の膜の形成や化学的反応等が生じることがなく、ＲＴＰを行うことができる。
前記最高到達温度が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の表面近傍において、ＣＯＰ等の結晶欠陥を低減させる効果が少ないため好ましくない。前記最高到達温度が１４００℃を超える場合には、ＲＴＰ装置としての寿命が低下する場合があり好ましくない。
前記シリコンウェーハの裏面側に供給する不活性ガスの流量は、前記シリコンウェーハの表面側に供給する不活性ガスの流量よりも少ないことが好ましい。
このような構成とすることで、実質的に、第２空間２０ｂよりも第１空間２０ａを陽圧状態とすることができるため、ウェーハＷの回転数を高めた場合でも、サセプタからウェーハが飛んでしまうことを抑制することができる。
この不活性ガスの流量の調整は、図１に示すＲＴＰ装置１０を用いて行う場合には、第１の雰囲気ガスＦＡ及び第２の雰囲気ガスＦＢを供給し、第２の雰囲気ガスＦＢの供給量を第１の雰囲気ガスＦＡの供給量より小さくする方法や、第１の雰囲気ガスＦＡのみを供給し、第１空間２０ａへの不活性ガスの供給量を高くし、第２空間２０ｂへの供給量を低くする方法等により行うことができる。
前記最高到達温度における保持時間は、１秒以上３０秒以下であることが好ましい。
前記保持時間が１秒未満である場合は、ＲＴＰの本来の目的であるボイド欠陥の消滅やＢＭＤ密度の向上等を達成することが難しい。一方、前記保持時間が３０秒を超える場合は、生産性が低下するため好ましくない。
前記保持時間は、より好ましくは１秒以上１５秒以下である。
前記ＲＴＰにおける昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）は、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
前記昇温速度が１０℃／秒未満である場合は、ＲＴＰにおける生産性が低下するため好ましくない。前記昇温速度が１５０℃／秒を超える場合には、急激な温度上昇によりウェーハに接触痕やスリップが発生する可能性があり好ましくない。
また、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）は、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
前記降温速度が１０℃／秒未満である場合は、ＲＴＰにおける生産性が低下するため好ましくない。前記降温速度が１５０℃／秒を超える場合には、急激な温度下降によりウェーハに接触痕やスリップが発生する可能性があり好ましくない。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。
（試験１）
ＣＺ法によりｖ／Ｇ（ｖ：引上速度、Ｇ：単結晶内の引上軸方向の温度勾配）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域からスライスして得られた両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍ、酸素濃度１．１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に対して、図１に示すようなＲＴＰ装置を用いて、シリコンウェーハの裏面の外周部（最外周から２ｍｍの領域）をリング状に保持するサセプタを使用して、ＲＴＰを行った。
ＣＺ法によりｖ／Ｇ（ｖ：引上速度、Ｇ：単結晶内の引上軸方向の温度勾配）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域からスライスして得られた両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍ、酸素濃度１．１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に対して、図１に示すようなＲＴＰ装置を用いて、シリコンウェーハの裏面の外周部（最外周から２ｍｍの領域）をリング状に保持するサセプタを使用して、ＲＴＰを行った。
この際、雰囲気ガスとして第１の供給口２２のみから１００％アルゴンガスを供給し、第１空間２０ａへのアルゴンガスの供給量を高くし、第２空間２０ｂへのアルゴンガスの供給量を低くして、最高到達温度１３５０℃、その保持時間１５秒、昇温速度を５０℃／秒、降温速度を９０℃／秒として、シリコンウェーハの回転数を変化させて各々ＲＴＰを行って、条件毎にサンプルを作製した。
得られたＲＴＰ後のサンプルに対して、裏面における欠陥発生数（接触痕の発生数）を芝浦メカトロニクス社製ＡＩ−１２を用いて、スリップ長をＸ線トポグラフィ（株式会社リガク製 ＸＲＴ３００（ラング法））を用いてそれぞれ評価した。
表１に、本試験における条件毎の裏面欠陥発生数及びスリップ長の評価結果を示す。
表１に、本試験における条件毎の裏面欠陥発生数及びスリップ長の評価結果を示す。
表１に示すように、ウェーハ回転数が２５０ｒｐｍ未満（比較例１から５）である場合にはウェーハ裏面の外周部（最外周から２ｍｍの領域）にリング状に欠陥分布が確認され、裏面欠陥発生数が高いことが認められた。また、スリップ長も大きく、最大２０ｍｍ発生していることが認められた。
これに対し、ウェーハ回転数が２５０ｒｐｍ以上（実施例１から３）の場合には、裏面欠陥数が比較例１から５と比べて、１０％近くまで大きく減少し、また、スリップ長も大きく減少していることが認められた。
（試験２）
ＲＴＰにおける最高到達温度を１３００℃として、その他は試験１と同様な条件にて各々ＲＴＰを行って、条件毎にサンプルを作製した。
ＲＴＰにおける最高到達温度を１３００℃として、その他は試験１と同様な条件にて各々ＲＴＰを行って、条件毎にサンプルを作製した。
得られたＲＴＰ後のサンプルに対して、試験１と同様な方法を用いて、裏面における欠陥発生数及びスリップ長を評価した。
表２に、本試験における条件毎の評価結果を示す。
表２に、本試験における条件毎の評価結果を示す。
表２に示すように、最高到達温度を１３００℃とした場合でも裏面欠陥数発生数、スリップ長共に試験１と同様な傾向があることが認められた。
１０ ＲＴＰ装置
２０ 反応管
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
２０ 反応管
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
Claims (2)
- チョクラルスキー法により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスされたシリコンウェーハを熱処理する方法であって、
前記シリコンウェーハの回転数を２５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下とし、前記シリコンウェーハの半導体デバイスが形成される表面側及び前記表面側に対向する裏面側に不活性ガスを供給し、かつ、最高到達温度を１３００℃以上１４００℃以下として、急速加熱・急速冷却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。 - 前記シリコンウェーハの裏面側に供給する不活性ガスの流量は、前記シリコンウェーハの表面側に供給する不活性ガスの流量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
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