JP2013206981A - シリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスプロセスにおいて、板状酸素析出物を起点として転位が発生したとしても表層部への転位の伝播を抑制することができ、かつ、Ｃｕに対するゲッタリング効果が高いシリコンウェーハを提供する。
【解決手段】本発明に係るシリコンウェーハ１は、表面から少なくとも深さ５μｍまでの表層部１ａ１は、ＬＳＴＤ密度が１．０個/cm²未満であり、前記表層部１ａ１を除くバルク部１ｂは、多面体酸素析出物２ｂよりも板状酸素析出物２ａが優勢に成長し、前記表層部１ａ１と前記バルク部１ｂとの間には、前記板状酸素析出物２ａが成長しない中間層１ａ２が設けられ、前記中間層１ａ２は、酸素濃度が０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³である。
【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に関する。

チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法ともいう）により育成されたシリコンウェーハ（以下、単に、ウェーハともいう）は、ＣＯＰ（Crystal
Originated Particle）などのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が取り込まれていることが知られている。このような欠陥が半導体デバイス形成領域となるウェーハの表面近傍（表面から少なくとも深さ５μｍまでの表層部）に存在すると酸化膜耐圧等のデバイス特性が劣化することが知られている。また、ウェーハのバルク部に成長する酸素析出物（Bulk Micro Defect：以下、ＢＭＤともいう）は、後の半導体デバイス形成工程において表層部に拡散する不純物のゲッタリングサイトとなると共に、ウェーハの強度を高めると言われている。

そこで、表層部でのＣＯＰの低減やバルク部でのＢＭＤの成長の促進を図るために、ウェーハを高温で熱処理する方法が一般的に知られている（例えば、特許文献１）。なお、このような方法で形成されるＢＭＤは、主に、板状又は多面体の形状を有している。

このうち、多面体の形状を有するＢＭＤ（以下、多面体酸素析出物という）は、Ｃｕに対するゲッタリング効果が低いという課題を有している。従って、特許文献２には、ウェーハの内部（バルク部）に多面体酸素析出物ではなく板状の形状を有するＢＭＤ（以下、板状酸素析出物という）を１×１０^８個／ｃｍ^３以上形成されたシリコンウェーハが開示されている。
また、板状酸素析出物は、特許文献３に示すように、デバイスプロセス（半導体デバイス形成工程）においてＬＳＡ処理を行うと、当該酸素析出物を起点として容易に転位が発生するという課題を有している。

特開２００６−２６１６３２号公報 特開２００５−５０９４２号公報 特開２０１１−１６５８１２号公報

従って、特許文献２、３に記載のように、バルク部に形成される板状酸素析出物は、Ｃｕに対するゲッタリング効果が高い一方で、デバイスプロセスにおいて当該酸素析出物を起点として転位が発生しやすいという問題がある。
よって、この技術的課題を解決するシリコンウェーハの開発が望まれている。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、デバイスプロセスにおいて、板状酸素析出物を起点として転位が発生したとしても表層部への転位の伝播を抑制することができ、かつ、Ｃｕに対するゲッタリング効果が高いシリコンウェーハ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は、表面から少なくとも深さ５μｍまでの表層部は、ＬＳＴＤ密度が１．０個/cm²未満であり、前記表層部を除くバルク部は、多面体酸素析出物よりも板状酸素析出物が優勢に成長し、前記表層部と前記バルク部との間には、前記板状酸素析出物が成長しない中間層が設けられ、前記中間層は、酸素濃度が０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³であることを特徴とする。

前記中間層の厚さは、少なくとも５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。

前記板状酸素析出物は、散乱光強度が３０００〜５０００ａ．ｕ．であり、密度が１．０×１０^９〜６．０×１０^９個/cm³であることが好ましい。

本発明によれば、デバイスプロセスにおいて、板状酸素析出物を起点として転位が発生したとしても表層部への転位の伝播を抑制することができ、かつ、Ｃｕに対するゲッタリング効果が高いシリコンウェーハが提供される。

本発明に係るシリコンウェーハの構造を示す概略断面図である。 本発明の熱処理における温度シーケンスの一例を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面等を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るシリコンウェーハの構造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１は、表面から少なくとも深さ５μｍまでの表層部１ａ１は、ＬＳＴＤ密度が１．０個/cm²未満であり、前記表層部１ａ１を除くバルク部１ｂは、多面体酸素析出物２ｂよりも板状酸素析出物２ａが優勢に成長し（以下、板状酸素析出物２ａと多面体酸素析出物２ｂとを総称して酸素析出物２ａという）、前記表層部１ａ１と前記バルク部１ｂとの間には、前記板状酸素析出物２ａが成長しない中間層１ｂが設けられ、前記中間層１ｂは、酸素濃度が０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³であることを特徴とする。

本発明に係るシリコンウェーハは、上述したような酸素析出物２が成長するため、デバイスプロセスにおいて、板状酸素析出物を起点として転位が発生したとしても表層部への転位の伝播を抑制することができ、かつ、Ｃｕに対するゲッタリング効果が高い。
すなわち、前記中間層の酸素濃度が、０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³であるため、転位における酸素のピンニング力が高くなる。従って、板状酸素析出物を起点とした転位を、表層部まで伝播するのを抑制することができる。
また、Ｃｕに対するゲッタリング効果を更に高めることができる。これは、前記中間層の酸素濃度が高いため、この層に半導体デバイス特性に影響を及ぼさない（後述するＢＭＤ析出熱処理で析出（成長）しない）微少の板状酸素析出物が析出し、これが表層部内のＣｕをバルク部方向に引き寄せ、これによってバルク部の板状酸素析出物のゲッタリング効果を更に高めるものと考えられる。

なお、多面体酸素析出物２ｂよりも板状酸素析出物２ａが優勢に成長とは、ＩＲトモグラフィ（株式会社レイテックス製 ＭＯ−４１１）にて、板状酸素析出物２ａのみを特定して測定した密度Ａと、多面体酸素析出物２ｂのみを特定して測定した密度Ｂとの合計（Ａ＋Ｂ）を１００とした時の比（Ａ／（Ａ＋Ｂ）＝Ｘ）で表した場合において、Ｘが９５以上である場合のことをいう。

前記中間層の厚さは、少なくとも５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
中間層の厚さをこのような範囲とすることで、Ｃｕに対するゲッタリング効果を更に高めることができる。

前記板状酸素析出物は、散乱光強度が３０００〜５０００ａ．ｕ．であり、密度が１．０×１０^９〜６．０×１０^９個/cm³であることが好ましい。
ここでいう散乱光強度とは、酸素析出物２のサイズを示すパラメータとなるものであり、散乱光強度が高いと酸素析出物２のサイズが大きいことを示す。この散乱光強度及び密度は、ＩＲトモグラフィ（株式会社レイテックス製 ＭＯ−４１１）にて測定することができる。
このように、散乱光強度及び密度が上記範囲内であるため、バルク部１ｂ内での歪みの発生が抑制される。従って、デバイスプロセスにおいて板状酸素析出物を起点とする転位の発生を抑制することができる。

前記表層部の酸素濃度は、前記中間層の酸素濃度よりも低く、０．４〜０．８×１０^１８atoms/cm³であることが好ましい。このような酸素濃度の範囲とすることで、表層部でのＢＭＤの析出を防止することができる。

次に、前述した本発明に係るシリコンウェーハの製造方法について説明する。
本発明に係るシリコンウェーハは、下記の方法で製造することができる。
ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶からスライスされた酸素濃度が１．５×１０^１８atoms/cm³以上である少なくとも半導体デバイス形成面が鏡面研磨されたシリコンウェーハを、７００℃以下で保持された反応室内に投入し、非酸化性ガス雰囲気中、前記投入温度から１１００〜１２５０℃の最高到達温度まで、０．１℃／分未満の昇温速度で昇温し、前記最高到達温度を３０分〜２時間保持する。
なお、前記非酸化性ガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気、水素ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気（好ましくは、アルゴンガス雰囲気）が含まれる。
また、前記板状酸素析出物及び多面体酸素析出物の密度比の調整は、前記昇温速度を調整することにより行う。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成は、周知の方法にて行う。
具体的には、周知の単結晶引上装置を用いて、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てネック部及び所望の直径まで拡径する拡径部を形成後、所望の直径を維持しながら、結晶の中心軸のＶ／Ｇ値（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値）を制御して直胴部を形成し、その後、所望の直径から縮径する縮径部を形成し、前記縮径部をシリコン融液から切り離すことで行う。
また、前記育成するシリコン単結晶の酸素濃度の調整は、石英ルツボの回転数や炉内圧力、ヒータ温度などを調整することにより周知の方法で行う。

前記シリコン単結晶の育成は、結晶の中心軸がＶ−リッチ領域となるようにＶ／Ｇ値を所定値（例えば、０．２５〜０．３５ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）に制御して直胴部を形成することが好ましい。
結晶の中心軸が無欠陥領域となるようにＶ／Ｇ値を所定値（例えば、０．１０〜０．２０ｍｍ^２／℃・ｍｉｎ）に制御する場合は、全面にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のないシリコンウェーハを製造することが可能である。しかしながら、この場合は、シリコン単結晶の育成効率が低下するという問題があり、更に、無欠陥領域を形成する場合は、結晶中の酸素濃度が低くなる傾向があるため、バルク部に前述したような酸素析出物２を成長させることが難しい場合がある。

次に、このようにして得られたシリコン単結晶を、周知の方法により、シリコンウェーハにスライスして、少なくとも半導体デバイス形成面が鏡面研磨されたシリコンウェーハを製造する。具体的には、シリコン単結晶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、鏡面研磨等の平坦加工を行う。

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対して行なう熱処理は、周知の縦型熱処理装置を用いて行う。
図２は、本発明の熱処理における温度シーケンスの一例を示す概念図である。
最初に、周知の縦型熱処理装置の温度Ｔ_０（好ましくは７００℃以下）に保持された反応室内に、前記鏡面研磨されたウェーハを、例えば、周知の縦型ボードに枚葉で複数枚保持して投入し、非酸化性ガス雰囲気中、１１００℃以上１２５０℃以下の最高到達温度Ｔ_１（以下、これを温度Ｔ_１と略する）まで昇温速度ΔＴｕ（０．１℃／分未満）で昇温し、前記温度Ｔ_１で、３０分以上２時間以下（ｔ_１）保持する。その後、前記温度Ｔ_１から前記反応室からのウェーハの取り出し温度（例えば、温度Ｔ_０）まで、降温速度ΔＴｄで降温する。

前記育成するシリコン単結晶の酸素濃度が１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である場合には、酸素濃度が低いため、前記中間層の酸素濃度を、０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³とすることができない場合がある。
前記熱処理における反応室内への投入温度が７００℃を超える場合には、室温（クリーンルーム：約２５℃）からの急激な温度変化によりウェーハにスリップ転位が発生しやすくなるため好ましくない。
前記投入温度は、生産性等の観点からその下限値は、３００℃以上であることが好ましい。

前記最高到達温度が１１００℃未満である場合には、温度が低いため、表層部に存在するＣＯＰ（Crystal Originated Particle）等の欠陥を低減させることが難しい場合がある。前記最高到達温度が１２５０℃を超える場合には、温度が高いため、当該熱処理においてスリップ転位が発生しやすくなる場合がある。

前記昇温速度ΔＴｕが０．１℃／分を超える場合には、昇温速度ΔＴｕが早いため、多面体酸素析出物よりも板状酸素析出物が優勢に成長されにくい場合がある。
前記昇温速度ΔＴｕは、好ましくは、０．０１〜０．１℃／分である。

前記最高到達温度の保持時間（ｔ_１）が３０分未満である場合には、熱処理時間が少ないため、十分に、表層部のＣＯＰ等の低減を図ることが難しい場合がある。前記保持時間（ｔ_１）が２時間を越える場合には、生産性が低下すると共に、スリップ転位が発生しやすくなり、また、その他、不純物汚染等の他の不具合も発生する場合がある。

前記熱処理における前記反応室からの取り出し温度においても７００℃以下であることが好ましい。
前記取り出し温度が７００℃を超える場合には、室温（クリーンルーム：約２５℃）への急激な温度変化によりウェーハにスリップ転位が発生しやすくなるため好ましくない。
前記取り出し温度は、生産性等の観点からその下限値は、３００℃以上であることが好ましい。

前記熱処理における前記最高到達温度からの降温速度ΔＴｄは、前記熱処理において温度変化によるスリップ転位が発生しない速度に制御すれば特に限定されない。前記スリップ転位が発生しない速度は、例えば、１〜５℃／分である。

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法により窒素ドープ（石英ルツボ内へのポリシリコン積載時に窒化膜が形成されたシリコンウェーハ片を同時に積載）を行い、かつ、石英ルツボの回転数や炉内圧力を調整してＶ／Ｇ値（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：シリコン融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値）を０．２８〜０．３２ｍｍ^２／℃・ｍｉｎに制御して直胴部がＶ−リッチ領域からなるＮ−ｔｙｐｅ、面方位（１００）、酸素濃度が１．５〜１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるシリコン単結晶を育成後、該インゴットの直胴部を切断して、酸素濃度が異なるＶ−リッチ領域からなる直径３００ｍｍの円板状のスライスウェーハを得た。
この酸素濃度は、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて測定したスライスウェーハの半導体デバイス形成面側の表面から深さ１μｍまでの平均濃度である（以下同じ）。

次に、得られたスライスウェーハに対して、両面（表裏面）のラッピング処理を行い、更に、酸性溶液（弗酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）及び水（Ｈ_２Ｏ））を一定の比率で混合した溶液）によりエッチング処理を行い、最後に、両面の鏡面研磨処理を行った。
次に、鏡面研磨を行った酸素濃度が異なるウェーハを、周知の縦型ボートに枚葉で１０枚ずつ保持して、周知の縦型熱処理装置の反応室内に投入し、図２に示す熱処理シーケンスにて、更に、昇温速度ΔＴｕ及び最高到達温度Ｔ_１の保持時間（ｔ_１）をそれぞれ変化させて、表面からバルク部上端までの表層部の厚さ、中間層の酸素濃度がそれぞれ異なるシリコンウェーハを複数製造した。
その他の熱処理条件は下記の通りである。
・Ｔ_０：７００℃
・Ｔ_１：１１００℃
・ΔＴｄ：１℃／分〜３℃／分

前記熱処理を行ったウェーハに対して、半導体デバイス形成面となる表面側の表層部の欠陥密度を評価した。この欠陥密度の評価は、レイテックス社製ＬＳＴＤスキャナＭＯ６０１を用いて、各々の測定表面から深さ５μｍまでの深さ領域の欠陥数を検出することで行った。
また、前記熱処理を行ったウェーハに対して、ＢＭＤ析出熱処理（７８０℃で３時間熱処理した後、１０００℃で１６時間熱処理）を施した後、ウェーハのバルク部まで鏡面研磨を行い、前記密度比（Ｘ）をＩＲトモグラフィ（株式会社レイテックス製 ＭＯ−４１１）にて評価した。

また、前記ＢＭＤ析出熱処理を行ったサンプルに関し、ウェーハを径方向に劈開して斜め研磨（表面からの角度３０°）を行い、その研磨面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により観察し、前記表面からバルク部の上端までの表層部の厚さを算出した。更に、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて、表面の深さ５μｍからバルク部の上端までの中間層の酸素濃度を測定し、平均値を算出した。
また、図２に示す熱処理シーケンスにおける熱処理を行ったウェーハに対して、枚葉式急速加熱・急速冷却熱処理装置を用いて、７００℃で保持された反応室内に投入し、昇温速度５０℃／秒にて、最高到達温度１３５０℃まで昇温し、１３５０℃を１５秒間保持した後、降温速度５０℃／秒にて、７００℃まで降温する急速加熱・急速冷却熱処理（Rapid Thermal Process：以下、ＲＴＰという）を施した後に、半導体デバイス形成面の表面から深さ５μｍの位置における転位の発生の有無を、Ｘ線トポグラフィ（株式会社リガク製 ＸＲＴ３００）にて測定した。 この深さ５μｍの位置における転位の発生の有無の評価は、前記ＲＴＰを施した後、半導体デバイス形成面側を５μｍ鏡面研磨により除去して、Ｘ線トポグラフィにより測定することで行なった。

更に、図２に示す熱処理シーケンスにおける熱処理を行ったウェーハに対して、Ｃｕ（ＮＯ３）水溶液で、Ｃｕを故意に汚染した後、半導体デバイス形成面となる表面の表層部をフッ硝酸にて溶解し、前記表層部を溶解させたフッ硝酸中に含まれるＣｕ濃度をＩＣＰ−ＭＳ（ICP-Mass Spectrometry：ICP質量分析）にて評価した。
表１に、本試験における実験条件及び評価結果を示す。

表１から分かるように、中間層の酸素濃度が０．８〜１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である場合（実施例１〜１２）は、転位の発生もなく、Ｃｕ濃度も低いことが認められる。更に、表面からバルク部上端までの距離が１０〜２０μｍである場合（中間層が５〜１５μｍである場合：実施例１から３、実施例５から７）は、前記距離が２０μｍを超える場合（中間層が１５μｍを超える場合：実施例４、８）よりもＣｕ濃度が更に低いことが認められる。
なお、中間層の酸素濃度が０．６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である場合（比較例１から３）、酸素濃度が１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える場合（比較例４から６）は、転位の発生が認められる。
なお、比較例４から６のサンプルにおいて、ＢＭＤ析出熱処理（７８０℃で３時間熱処理した後、１０００℃で１６時間熱処理）を施した後、ウェーハの表面から深さ７μｍまで鏡面研磨を行い、その表面のＢＭＤ密度をＩＲトモグラフィ（株式会社レイテックス製 ＭＯ−４１１）にて評価したところ、８．０×１０^６／ｃｍ^３のＢＭＤが検出された。なお、実施例１から１２のサンプルについても同様にＢＭＤ析出熱処理を施した後、ウェーハの表面から深さ７μｍの位置のＢＭＤ密度を測定したところ、いずれも検出限界以下（約３．０×１０^６／ｃｍ^３以下）であった。また、密度比（Ｘ）は、試験１のいずれのサンプルとも９５以上であった。

１ シリコンウェーハ
１ａ 表層部
１ｂ バルク部
１ａａ デバイス形成層
１ａｂ デバイス非形成層

Claims (3)

1. 表面から少なくとも深さ５μｍまでの表層部は、ＬＳＴＤ密度が１．０個/cm²未満であり、
   前記表層部を除くバルク部は、多面体酸素析出物よりも板状酸素析出物が優勢に成長し、
   前記表層部と前記バルク部との間には、前記板状酸素析出物が成長しない中間層が設けられ、前記中間層は、酸素濃度が０．８〜１．２×１０^１８atoms/cm³であることを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 前記中間層の厚さは、少なくとも５μｍ以上１５μｍ以下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. 前記板状酸素析出物は、散乱光強度が３０００〜５０００ａ．ｕ．であり、密度が１．０×１０^９〜６．０×１０^９個/cm³であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコンウェーハ。

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