JP2015204326A - シリコンウェーハの熱処理方法、及びシリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウェーハの表層及びバルクの強度を確保しつつ、結晶品質の面内均一性を高めること。【解決手段】酸化雰囲気中において１３００℃以上１４００℃以下の保持温度で熱処理する第１工程と、前記第１工程で熱処理したシリコンウェーハを、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下の冷却速度で冷却する第２工程と、前記第２工程で冷却したシリコンウェーハを、酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第３工程と、を有するシリコンウェーハの熱処理方法を構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、チョクラルスキー法で育成されたシリコンインゴットから切り出されたシリコンウェーハの熱処理方法、及びそのシリコンウェーハに関する。

近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、その基板として使用されるシリコンウェーハ（以下、ウェーハという。）に対し、ウェーハ表層のデバイス活性領域（表面から７μｍ程度までの深さ領域）における結晶完全性の向上、ウェーハ表層及びウェーハ内部（ウェーハ表層を除いた部分のことを指し、以下、バルクという。）における十分な機械強度の確保、ウェーハ面内全体に亘る品質均一性等の品質要求が一層厳しくなってきている。

結晶完全性を向上させるために、例えば特許文献１に示すように、高温に保持したバッチ式熱処理炉内での熱処理が行なわれる。この熱処理は、例えば、水素を含む雰囲気中において、１３００℃よりも低い保持温度において、１分〜４８時間保持する条件で行われる。この熱処理を行うと、ウェーハ表層の格子間酸素が外方拡散して低酸素濃度化する。すると、そのウェーハ表層近傍（表面から１０μｍ程度までの深さ領域）において、結晶育成時に導入された空孔の凝集体である空洞欠陥（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ、以下、ＣＯＰという。）の内壁酸化膜が溶解し、さらにそのＣＯＰ内部に格子間シリコン原子が注入されて空洞が埋まり、ＣＯＰを消滅させることができるとともに、格子間酸素と格子間シリコン原子の結合体である酸素析出物（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ、以下、ＢＭＤという。）を溶解することができる。これにより、ウェーハ表層に、ＣＯＰやＢＭＤがない無欠陥領域（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ、以下、ＤＺ層という。）を形成することができる。

また、デバイス製造工程においては、複数のマスクを順次用いて露光が行なわれるが、その際に露光位置がずれるオーバレイや、製造工程中の熱応力に起因してウェーハの反り等の問題が生じることがある。これらの問題は、ウェーハの内部に導入された転位の挙動と密接な関係があることが知られている。上記の熱処理によって、バルクに所定以上の密度のＢＭＤを形成しておくと、このバルク内をスリップ等の転位が移動する際に、この転位がＢＭＤに引っ掛かり、その移動が抑制されることがある。このように、転位の移動を抑制することにより、ウェーハの強度向上を図ることができ、デバイス製造工程中におけるオーバレイ等の問題を回避することができる。

さらに、バルクに形成されたＢＭＤは、デバイス製造工程中にウェーハ表面に付着した重金属を捕獲するゲッタリング源としても作用する。このように、バルクにゲッタリング源としてのＢＭＤを形成しておくことで、デバイスのライフタイム等の電気特性を良好な状態に保つとともに、白キズに係る問題の低減を図ることができる。

なお、ＢＭＤサイズが大きくなり過ぎると、非特許文献１に示すように、ＢＭＤ自体が転位の発生源になることや、前記抑制の効果を発揮するには、ＢＭＤ密度を所定密度以上としなければならないことが分かっており、この点を考慮した上で、ＢＭＤを形成するための熱処理の条件が調整される。

ウェーハ面内において不均一性を生じさせる主な要因として、ウェーハの径方向に酸化誘起積層欠陥（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ、以下、ＯＳＦという。）領域が含まれることが挙げられる。このＯＳＦ領域は結晶育成時において、シリコン融液から結晶中に取り込まれる空孔と格子間シリコン原子の濃度がちょうどバランスする領域近傍に、結晶引き上げ軸を中心としてリング状に出現する（以下、ＯＳＦリングという。）。このＯＳＦリング領域近傍は、結晶育成時に結晶内に導入されるＢＭＤ核が非常に少ない。このため、この結晶から切り出されたウェーハに熱処理を行っても、ほとんどＢＭＤが形成されず、ＯＳＦリング領域近傍と、それ以外の領域との間でＢＭＤ密度に差が生じ、ウェーハの面内均一性が確保できない問題が生じる。

そこで、ＯＳＦリング領域が存在するウェーハに対し、バッチ式熱処理炉を用いて上記のように１３００℃よりも低い温度で熱処理を行うことで、ウェーハ表層における高品質なＤＺ層を形成するとともに、強度向上に有効なＢＭＤをバルクに形成しつつ、ＯＳＦリング領域が面内に存在するウェーハの結晶育成履歴をリセットして、ウェーハ品質の面内均一性を高めるように試みることがある。

特開平６−２９５９１２号公報

Ｔ．Ｏｎｏ，ｅｔ ａｌ：ＥＣＳ Ｔｒａｎｓ．２（２００６）Ｎｏ．２，１０９

特許文献１に示すバッチ式熱処理を用いた熱処理では、面内の不均一をある程度改善できるに留まり、完全な面内均一性を得るのは困難である。これは、この熱処理温度が１３００℃よりも低いため、ＢＭＤの溶け残り（あるいはＢＭＤ核）が残存してしまい、結晶育成履歴をリセットするには不十分であるためと考えられる。この熱処理の時間を延長して、ＢＭＤの溶け残りを防ぐことも考えられるが、熱処理の長時間化に伴って、スリップ等の結晶欠陥が多発したり、製造のスループットが低下して、製造コストが上昇したりする問題があるため現実的ではない。

また、熱処理によって面内均一性を得るのではなく、結晶育成速度を低下させてＯＳＦリングがウェーハ面内に形成されないようにするという手法もある。しかしながら、結晶育成速度の低下は、製造コストの上昇に直結するため、コスト削減要求の高い状況においては、採用しづらいのが現状である。

また、バッチ式熱処理炉を用いた熱処理は、一般的には少なくとも１時間は行われるので、その熱処理の間にウェーハ表層の格子間酸素がウェーハ表面への外方拡散によって抜けてしまい、ウェーハ表層に格子間酸素濃度が低い領域が形成される。この格子間酸素は、結晶強度を向上する作用を有することが知られており、ウェーハ表層が低酸素濃度となることにより表層に欠陥が導入されやすくなり、デバイスのリーク不良が誘発される恐れが高まる。

そこで、この発明は、シリコンウェーハの表層及びバルクの強度を確保しつつ、結晶品質の面内均一性を高めることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、チョクラルスキー法で育成されたシリコンインゴットから切り出されたシリコンウェーハに対し、酸化雰囲気中において、１３００℃以上１４００℃以下の保持温度で熱処理する第１工程と、前記第１工程で熱処理したシリコンウェーハを、酸化雰囲気中において、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下の冷却速度で冷却する第２工程と、前記第２工程で冷却したシリコンウェーハを、酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第３工程と、を有するシリコンウェーハの熱処理方法を構成した。

このように、ウェーハの熱処理温度を１３００℃以上１４００℃以下の保持温度とすることにより、結晶育成中に導入された酸素析出物（ＢＭＤ）の溶け残りを防ぐとともに空洞欠陥（ＣＯＰ）を速やかに消滅させて、結晶育成履歴をリセットした面内均一性の高いウェーハを製造することができる。しかも、熱処理温度を上記保持温度のように超高温化することにより、保持時間の短縮を図ることができ、スリップ等の結晶欠陥を低減したり、製造のスループットを向上して低コスト化を図ったりすることができる。また、この熱処理を酸化雰囲気中で行うことにより、ウェーハの表面に酸化膜（シリコン酸化膜）が形成され、この酸化膜から格子間シリコン原子がウェーハ内に注入される。格子間シリコン原子が注入されることにより、ＣＯＰの消滅が一層速やかになされる。

また、この酸化膜からウェーハ中に格子間酸素が注入され、ウェーハ表層に低酸素濃度領域が形成されるのを防ぐことができる。このため、ウェーハ表層の強度低下が防止され、デバイスにリーク不良等の問題が発生するのを防ぐことができる。この１３００℃以上の高温熱処理は、従来から一般的に用いられるバッチ式熱処理炉の代わりに、ランプアニール炉を用いることで実現できる。

また、第１工程で熱処理を行ったウェーハを上記の冷却速度の範囲で冷却することにより、バルクに適切な濃度の空孔を残存させることができる。空孔を残存させることによって、引き続いて行われる熱処理において、バルクの強度確保のために必要な十分なサイズと密度のＢＭＤを形成することができる。この冷却速度が１０℃／秒より小さいと、高温で導入された空孔が、冷却中に格子間シリコン原子と対消滅し、あるいは拡散することによって失われるため、少なくとも１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する必要がある。その一方で、この冷却速度が１５０℃／秒より大きいと、ウェーハに大きな熱応力が作用してスリップ等の結晶欠陥が導入されやすいため、１５０℃／秒以下の冷却速度で冷却する必要がある。

さらに、第２工程で冷却したウェーハを上記の保持温度で、上記の時間熱処理することにより、バルクに十分なサイズと密度のＢＭＤを形成することができる。このとき、この熱処理を酸化雰囲気中で行うことにより、ウェーハ表面に酸化膜が形成され、この酸化膜からウェーハ中に格子間シリコン原子が注入される。この格子間シリコン原子は、第２工程においてウェーハ表層に形成された酸素析出核を消滅させる作用を発揮する。このためウェーハ表層において酸素析出物が形成されるのを防ぐことができ、このウェーハ表層のＤＺ層の完全性を確保することができる。

上記のように、第１工程から第３工程までの各処理を酸化雰囲気中で行い、ウェーハ表面に酸化膜を形成することにより、熱処理部材（サセプタ等）や雰囲気ガス中にドーパント、カーボン、金属等の不純物が仮に含まれていたとしても、この酸化膜によりこれらの不純物がウェーハ内に拡散するのを遮蔽することもできる。

前記構成においては、前記第３工程で熱処理したシリコンウェーハを、非酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第４工程をさらに有する構成とするのが好ましい。

上述したように、ＢＭＤはウェーハの強度向上を図るとともに、ゲッタリング能を付与することを目的として形成されるが、酸化雰囲気中でなされる第３工程で熱処理を終了すると、ＢＭＤのサイズ及び密度がゲッタリング能を発揮させるには不十分となることがある。これは、酸化雰囲気では、ウェーハ表面から格子間シリコン原子が注入され、この格子間シリコン原子が、ＢＭＤの核形成及び成長を抑制する作用を発揮するためである。そこで、第３工程に引き続いて、非酸化雰囲気中でなされる第４工程を設け、この第４工程で格子間シリコン原子の注入を抑制することで、ＢＭＤの核形成及び成長を促進することができる。これにより、ウェーハに十分なゲッタリング能を付与することができる。

前記各構成においては、前記第１工程前の段階における前記シリコンウェーハ中に存在する空洞欠陥の平均サイズが、同体積の球状換算値において、直径８０ｎｍ以下であり、かつ前記空洞欠陥の密度が１００個／ｃｍ^３以上である構成とするのが好ましい。

結晶育成時にウェーハ（シリコンインゴット）中に導入されるＣＯＰのサイズ及び密度は、結晶の育成条件（特に、ｖ／Ｇ値。ここでｖは結晶育成速度（ｍｍ／分）、Ｇは融点近傍（融点から１３５０℃）の結晶内の軸方向温度勾配（℃／ｍｍ）をそれぞれ意味する。）や、シリコン融液への添加物の濃度（特に窒素）と密接に関係する。このｖ／Ｇを適切な値とすると、シリコン融液からインゴット中に導入される空孔と格子間シリコン原子の濃度がバランスし、ＣＯＰが非常に低密度の完全結晶を得ることができる。しかしながら、このときのｖの値は一般的に小さく、製造スループットの観点からは不利である。これに対し、ＣＯＰの密度が１００個／ｃｍ^３である結晶の育成速度ｖは、前記完全結晶の育成速度と比較して相対的に大きく、高い製造スループットを確保することができる。このため、ウェーハの製造コストの削減を図ることができる。また、ＣＯＰサイズを８０ｎｍ以下とすることで、このＣＯＰを第一熱処理で確実に消滅させることができ、結晶完全性の高いウェーハ表層を確保することができる。

前記各構成においては、前記第２工程における冷却速度を変化させることによって、又は前記第３工程における保持時間を変化させることによって、シリコンウェーハ表面からの無欠陥層の深さを変化させる構成とするのが好ましい。

ウェーハ表面からの無欠陥層の深さ（ＤＺ層の幅）は、このウェーハを用いて製造するデバイスの種類や用途に対応するように変更が求められることも多い。このように、冷却速度や熱処理の時間のようにウェーハの熱処理に係るパラメータを変更してＤＺ層の幅を変えることによって、種々のデバイスに対応するウェーハを容易に製造することができる。ここでいう無欠陥層とは、酸素析出物やＣＯＰ等の欠陥が存在しない領域のことを指し、この酸素析出物の検出法として、例えばレーザ散乱トモグラフを採用することができる。

前記各構成に係るシリコンウェーハの熱処理方法によって熱処理されたシリコンウェーハであって、バルクにおける酸素析出物の面内平均密度が１．０×１０^９個／ｃｍ^３以上１．０×１０^１０個／ｃｍ^３以下であり、表面からの各深さ位置における前記酸素析出物密度の面内ばらつきが１桁以内であることを特徴とするシリコンウェーハを構成することができる。

酸素析出物（ＢＭＤ）の面内平均密度が１．０×１０^９個／ｃｍ^３よりも低い場合、このＢＭＤによるゲッタリング能が低下し、ウェーハに重金属等の汚染が生じたときにライフタイム低下等の問題が生じる恐れがある。また、ＢＭＤの面内平均密度が１．０×１０^１０個／ｃｍ^３を上回ると、ウェーハ中の格子間酸素原子が多く消費され、低酸素濃度化に伴うウェーハ強度低下の問題が顕著になる恐れがある。さらに、ＢＭＤ密度の面内ばらつきを１桁以内とすることにより、ウェーハ品質の面内均一化を図ることができ、ＢＭＤが面内不均一に存在することに起因してスリップ等の結晶欠陥が発生するのを極力防ぐことができる。

また、ＢＭＤの面内平均密度を４．０×１０^９個／ｃｍ^３以上１．０×１０^１０個／ｃｍ^３以下の範囲内とすることにより、このＢＭＤによる強度向上効果とゲッタリング能をさらに向上することができる。

前記シリコンウェーハにおいては、バルクにおける全ての前記酸素析出物のうち、９０％以上の数の酸素析出物のサイズが３５〜７５ｎｍの範囲内である構成とするのが好ましい。

上述したように、ＢＭＤはウェーハの強度向上作用等のメリットを有する一方で、そのサイズが大きくなりすぎると、このＢＭＤ自体が転位の発生源になるという問題を生じ得る。そこで、酸素析出物（ＢＭＤ）のサイズ範囲を上記のように制御することにより、ＢＭＤによるウェーハの強度向上作用及びゲッタリング能の確保を図りつつ、ＢＭＤから転位等の結晶欠陥が発生してウェーハ品質が低下するのを防ぐことができる。

この発明では、ウェーハに対し、酸化雰囲気中において、１３００℃以上１４００℃以下の保持温度で熱処理する第１工程と、前記第１工程で熱処理したウェーハを、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下の冷却速度で冷却する第２工程と、前記第２工程で冷却したウェーハを、酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第３工程と、を有するウェーハの熱処理方法を構成した。この構成によると、第１工程を上記保持温度で行うことにより、ＢＭＤやＣＯＰの面内分布等の結晶育成履歴をリセットすることができ、結晶品質の面内均一性を高めることができる。

また、第１工程を酸化雰囲気で行うことにより、ウェーハ表層の低酸素化を防いでこの表層の強度を確保することができる。さらに、第１から第３工程を酸化雰囲気で行うことにより、ウェーハ内に格子間シリコン原子を注入して、良好なＤＺ層を形成しつつ十分なサイズ及び密度のＢＭＤを形成することができる。

この発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法のシーケンスを示す図 この発明に係る第一熱処理を行ったときのＣＯＰ及びＢＭＤの挙動を示す図 一般的なバッチ式熱処理炉で熱処理を行ったときのＣＯＰ及びＢＭＤの挙動を示す図 ウェーハ中の空孔及び格子間シリコン原子の挙動を示す図 ウェーハに熱処理を行ったときの空孔及び格子間シリコン原子の挙動を示す図であって、（ａ）は第一熱処理の保持温度での保持後、（ｂ）は第一熱処理の冷却後、（ｃ）は第二熱処理（酸化雰囲気）完了後 ウェーハに熱処理を行ったときの空孔及び格子間シリコン原子の挙動を示す図であって、（ａ）は第一熱処理の保持温度での保持後、（ｂ）は第一熱処理の冷却後、（ｃ）は第二熱処理（非酸化雰囲気）完了後 ウェーハに熱処理を行ったときの酸素濃度のウェーハ深さ方向分布を示す図 この発明に係る熱処理を行ったときのＢＭＤの面内分布評価結果を示し、（ａ）はウェーハの中心、（ｂ）は中心から７５ｍｍ、（ｃ）は中心から１００ｍｍ、（ｄ）は中心から１２０ｍｍ、（ｅ）は中心から１４０ｍｍ、（ｆ）は中心から１４７ｍｍの位置 この発明に係る熱処理を行ったときのＢＭＤ密度のウェーハ深さ方向分布を示す図 この発明に係る熱処理を行ったときのＢＭＤサイズのウェーハ深さ方向分布を示す図 第一熱処理の冷却速度を変更したときのＢＭＤサイズ、ＢＭＤ密度、及びＤＺ層の幅を示す図 バッチ式熱処理炉でＢＭＤを成長させる一般的な熱処理を行ったときのＢＭＤの面内分布評価結果を示し、（ａ）はウェーハの中心、（ｂ）は中心から７５ｍｍ、（ｃ）は中心から１００ｍｍ、（ｄ）は中心から１２０ｍｍ、（ｅ）は中心から１４０ｍｍ、（ｆ）は中心から１４７ｍｍの位置 バッチ式熱処理炉でＢＭＤを成長させる一般的な熱処理を行ったときのＢＭＤ密度のウェーハ深さ方向分布を示す図 バッチ式熱処理炉でＢＭＤを成長させる一般的な熱処理を行ったときのＢＭＤサイズのウェーハ深さ方向分布を示す図 実施例１に係る第一熱処理を行ったときの空孔及び格子間シリコン原子のウェーハ深さ方向分布を示す図 比較例１に係る第一熱処理を行ったときの空孔及び格子間シリコン原子のウェーハ深さ方向分布を示す図 比較例２に係る第一熱処理を行ったときの空孔及び格子間シリコン原子のウェーハ深さ方向分布を示す図

（１）本願発明に係る熱処理シーケンスについて
この発明に係るシリコンウェーハ（以下、ウェーハという。）の熱処理方法のシーケンスの一例を図１に示す。この熱処理方法は、ランプアニール炉を用いた第一熱処理ＨＴ_１と、バッチ式熱処理炉を用いた第二熱処理ＨＴ_２の２つの熱処理を連続して行うことで構成される。

本図には示されていないが、第一熱処理ＨＴ_１に引き続いて、ウェーハ表面に形成された酸化膜を剥離する工程が設けられる。この剥離工程は、省略される場合もある。また、第二熱処理ＨＴ₂に引き続いて、ウェーハの表裏面の両面研磨（片面当たり５〜６μｍ程度）、及びウェーハ表面の片面研磨（１μｍ程度）が行なわれる。この研磨を行うことで、ウェーハのラフネスが改善されるとともに、第一熱処理後にウェーハの極表層（表面から１μｍ程度の範囲）に残存したＣＯＰやＢＭＤ（後述）を除去することができる。この研磨工程は、片面研磨を省略して両面研磨のみ行う、両面研磨を省略して片面研磨のみ行う等、適宜変更することも許容される。研磨工程後、ウェーハの洗浄工程及び検査工程を経て製品として出荷される。

以下、第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ₂がウェーハ中の点欠陥の挙動に与える影響を詳しく説明する。

（ａ）第一熱処理について
第一熱処理ＨＴ_１は、図１に示すように、まず、ウェーハを酸化雰囲気としたランプアニール炉内に搬入し、昇温速度Ｒ_１で保持温度Ｔ_１まで昇温する。次に、保持温度Ｔ_１でウェーハを所定時間保持する。ウェーハを保持温度Ｔ_１で保持時間Ｄ_１だけ保持した後に、冷却速度Ｒ_２で冷却する。

ウェーハを高温の保持温度Ｔ_１で保持すると、図２に示すように、ウェーハ内の格子間酸素濃度（一般的なウェーハで、（１〜２０）×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ｏｌｄ ＡＳＴＭ））よりも、その保持温度における格子間酸素の溶解度（例えば、１３００℃において、２１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ｏｌｄ ＡＳＴＭ））の方が高くなり、ウェーハ内の格子間酸素が未飽和の状態となる。すると、シリコンの酸化物であるＢＭＤが次第に溶解して最終的に消滅する。また、ＣＯＰの内壁酸化膜が溶解するとともに、ウェーハ表面に形成された酸化膜から格子間シリコン原子がウェーハ内に注入されて、ＣＯＰの空洞が次第に埋まって最終的に消滅する。このＢＭＤ及びＣＯＰの消滅効果は、ウェーハ表層のみならずウェーハの厚さ方向全体において生じるため、結晶育成履歴がリセットされ、面内均一性が高いウェーハを得ることができる。

なお、この第一熱処理ＨＴ_１は酸化雰囲気で行われるため、ウェーハ表面に酸化膜が形成され、この酸化膜から第一熱処理ＨＴ_１の保持温度Ｔ_１における溶解度よりも高い濃度の格子間酸素が注入される（図２における表層における酸素濃度分布の盛り上がり部分を参照）。このように、表層で酸素濃度が高くなる結果、このウェーハの極表層（表面から１μｍ程度の範囲）で、ＣＯＰの内壁酸化膜やＢＭＤが溶解せずに、そのまま残存する現象が生じる。このようにＣＯＰ等が残存したとしても、上述したように、ラフネスの改善を主目的として、ウェーハの表層は数μｍ程度、ＣＯＰ等の残存層を含めて研磨によって除去されるため、ウェーハ品質として全く問題は生じない。

その一方で、従来のバッチ式熱処理炉を用いてウェーハを熱処理した場合、図３に示すように、熱処理中に格子間酸素がウェーハ表面から外方拡散し、ウェーハ表層の格子間酸素濃度が低下する。このため、ウェーハの表層においては、ＢＭＤ及びＣＯＰの消滅効果が発揮されるが、バルクでは格子間酸素が溶解度と比較して過飽和の状態となっているため、ＢＭＤ及びＣＯＰを消滅させることはできない。このため、結晶育成履歴をリセットすることができず、ウェーハ面内に不均一性がある場合には、熱処理後もその状態がそのまま残存することになる。

第一熱処理ＨＴ_１中における点欠陥（格子間シリコン原子Ｉ、空孔Ｖ）の挙動について、図４及び図５を用いて説明する。ウェーハを保持温度Ｔ_１で保持すると、ウェーハ表面から保持温度Ｔ_１に対応する熱平衡濃度の格子間シリコン原子Ｉ及び空孔Ｖがウェーハ内に注入される。また、この第一熱処理ＨＴ_１は酸化雰囲気中で行われるため、ウェーハ表面にシリコンと酸素が結合した酸化膜（シリコン酸化膜）が形成され、この酸化膜から、格子間酸素及び過剰な格子間シリコン原子Ｉがウェーハ内に注入される（図４、図５（ａ）参照）。

保持温度からの冷却工程において、この格子間シリコン原子Ｉと空孔Ｖは、互いに対消滅したり、逆にフレンケルペアとして新たに生成したりする現象を繰り返す（図４参照）。また、空孔Ｖの一部は、冷却工程の１０５０℃付近において、シリコン表面から注入された格子間酸素と結合して複合体（Ｏ_２Ｖ）を形成し、この複合体が酸素析出核として作用する（図５（ｂ）参照）。

第一熱処理ＨＴ_１の酸化雰囲気における酸素濃度は、ウェーハ表面に酸化膜が形成される程度であればよく、例えば１〜１００％の範囲内とすることができる。この酸素濃度の範囲を２５％以上とし、酸化膜からの格子間シリコン原子Ｉの十分な注入量を確保することにより、ＣＯＰの消滅効果をさらに高めることができる。

昇温速度Ｒ_１は、通常は１℃／秒以上１５０℃／秒以下の範囲に設定される。昇温速度Ｒ_１が１℃／秒よりも小さいと製造スループットが低下し、昇温速度Ｒ_１が１５０℃／秒より大きいと昇温中にスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

保持温度Ｔ_１は、結晶育成中に導入されたＢＭＤ及びＣＯＰを消滅させるのに必要な温度であればよく、１３００℃以上１４００℃以下の範囲内とすることができる。保持温度Ｔ_１が１３００℃より低いとシリコン中の格子間酸素濃度が高い場合にＢＭＤ等を消滅させることができなかったり、消滅に長時間を要したりすることがあるためであり、保持温度Ｔ_１が１４００℃より高いと熱処理中にスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

保持時間Ｄ_１は、結晶育成中に導入されたＢＭＤ及びＣＯＰを消滅させるのに必要な時間であればよく、ＢＭＤ及びＣＯＰのサイズに対応して、１秒以上６００秒以下の範囲内とすることができる。保持時間Ｄ_１が１秒より短いとＢＭＤ等を十分に消滅させることができず、保持時間Ｄ_１が６００秒よりも長いと、保持中にスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

冷却速度Ｒ_２は、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下とする。冷却速度Ｒ_２が１０℃／秒より小さいと、保持温度Ｔ_１で導入された空孔Ｖが、冷却中に格子間シリコン原子Ｉと対消滅し、あるいは拡散することによって失われ、後述する第二熱処理ＨＴ_２で、十分なサイズ及び密度のＢＭＤを形成することができないためであり、冷却速度Ｒ_２が１５０℃／秒より大きいと、ウェーハに大きな熱応力が作用してスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

（ｂ）第二熱処理について
第二熱処理ＨＴ_２は、図１に示すように、まず、炉内温度を所定温度（例えば６００℃）に保持するとともに酸化雰囲気としたバッチ式熱処理炉内にウェーハを搬入し、その搬入後、前記所定温度から保持温度Ｔ_２まで所定の昇温速度Ｒ_３で昇温する。炉内温度が保持温度Ｔ_２に到達したら、その保持温度Ｔ_２で第一保持時間Ｄ_２１そのまま保持する。第一保持時間Ｄ_２１を経過したら、炉内の雰囲気を酸化雰囲気から非酸化雰囲気に切り替える。そして、この非酸化雰囲気において、さらに第二保持時間Ｄ_２２そのまま保持する。第二保持時間Ｄ_２２を経過したら、この保持温度Ｔ_２から所定温度（例えば６００℃）まで所定の冷却速度Ｒ_４で冷却し、所定温度（例えば６００℃）に到達したら、炉内からウェーハを搬出する。

なお、本図においては、バッチ式熱処理炉内の雰囲気を酸化雰囲気から非酸化雰囲気に切り替える構成について示したが、第二熱処理ＨＴ_２の全体に亘って、酸化雰囲気で熱処理を行う構成とすることも許容される。酸化雰囲気で熱処理を行うことにより、後述するように、ウェーハ表層のＢＭＤ核を消滅させて、このウェーハ表層の結晶完全性を高める作用が発揮されるためである。また、本図においては、酸化雰囲気と非酸化雰囲気における保持温度Ｔ_２を同一とした構成について示したが、各雰囲気における熱処理を異なる温度で行うこともできる。

第二熱処理ＨＴ_２中における点欠陥（空孔Ｖ、格子間シリコン原子Ｉ）の挙動について、図５を用いて説明する。第一熱処理ＨＴ_１を施したウェーハに対し、酸化雰囲気中で熱処理を行うと、第一熱処理ＨＴ_１でウェーハ表層に形成された酸素析出核（Ｏ_２Ｖ）が（本図（ｂ）参照）、酸化膜からウェーハ内に注入された格子間シリコン原子Ｉによって消滅する（本図（ｃ）参照）。この消滅は、ウェーハ表面からウェーハ内部に１３μｍ程度までの深さ領域で顕著に生じる。上述したように、ウェーハ表層は、ラフネス改善を目的として表面研磨されるが、その研磨深さは通常数μｍ程度である。この研磨深さ近傍に酸素析出核が存在すると、表面研磨を行ってもウェーハ表層（デバイス活性領域）に酸素析出物が残存して、デバイスのリーク不良等の問題を引き起こすことがある。そこで、第二熱処理ＨＴ_２で酸化雰囲気での熱処理を行い、酸素析出核を消滅させることによって、表面研磨を行った際に酸素析出物がウェーハ表層に残存するのを防いで、高品質なウェーハを提供することができる。

なお、第二熱処理ＨＴ_２を非酸化雰囲気で行う場合、図６に示すように、酸素析出核が周囲の固溶酸素と空孔を取り込んでそのまま酸素析出物として成長する（本図（ｃ）参照）。このため、前記表面研磨を行っても、酸素析出物がウェーハ表層に残存して、デバイスのリーク不良等の問題を引き起こす恐れが高まる。

第二熱処理ＨＴ_２の酸化雰囲気における酸素濃度は、ウェーハ表面に酸化膜が形成される程度であればよく、例えば１〜１００％の範囲内とすることができる。この酸素濃度を２５％以上とすることにより、酸素析出核の消滅効果をさらに高めることができる。また、非酸化雰囲気においては、例えばアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを用いることができる。

昇温速度Ｒ_３は、通常は１℃／分以上３０℃／分以下の範囲に設定される。昇温速度が１℃／分より小さいと製造スループットが低下し、昇温速度が３０℃／分より大きいと昇温中にスリップ等の結晶欠陥が発生したり、第一熱処理ＨＴ_１で導入されたＢＭＤ核が昇温中に消滅して、十分なＢＭＤ密度を得ることができなかったりする問題が生じ得るためである。この昇温速度Ｒ_３は、ウェーハの搬入温度である前記所定温度（例えば６００℃）から保持温度Ｔ_２まで一定である必要はなく、例えば、前記所定温度から中間温度（例えば８００℃）までは第一昇温速度、前記中間温度から保持温度Ｔ_２までは前記第一昇温速度とは異なる第二昇温速度、というように温度領域ごとに変更することもできる。

保持温度Ｔ_２は、第一熱処理ＨＴ_１においてウェーハ面内均一に新たに導入されたＢＭＤ核を成長させ得る温度であればよく、８００℃以上１２５０℃以下の範囲内とすることができる。保持温度Ｔ_２が８００℃より低いとＢＭＤの成長に長時間を要し、製造スループットが低下するためであり、保持温度Ｔ_２が１２５０℃より高いと、熱処理中にスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

保持時間Ｄ_２（Ｄ_２１、Ｄ_２２）は、ＢＭＤを十分に成長させるのに必要な時間であればよく、酸化雰囲気中で１時間以上１００時間以下、非酸化雰囲気中で１時間以上１００時間以下とすることができる。いずれの雰囲気においても、保持時間Ｄ_２１、Ｄ_２２が１時間より短いとＢＭＤを十分に成長させることができず、保持時間Ｄ_２１、Ｄ_２２が１００時間より長いと、保持中にスリップ等の結晶欠陥が発生するとともに、製造スループットが低下する問題を生じ得るためである。

冷却速度Ｒ_４は、０．５℃／分以上１０℃／分以下とする。冷却速度Ｒ_４が０．５℃／分より小さいと製造スループットが低下し、冷却速度Ｒ_４が１０℃／分より大きいと、ウェーハに大きな熱応力が作用してスリップ等の結晶欠陥が発生する問題が生じ得るためである。

（２）実験条件
本実施形態においては、チョクラルスキー法によって育成されたインゴットから切り出された、面内にＯＳＦリングを含む直径３００ｍｍのウェーハを用いた。このウェーハの格子間酸素濃度は１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）である。この育成に用いた融液には窒素が添加されている。窒素は、結晶育成時に導入されるＣＯＰのサイズを小さくする作用を有し、ＣＯＰのサイズを小さくすることによって、第一熱処理ＨＴ_１において、より短時間でＣＯＰを消滅させることができるためである。この窒素は偏析係数が大きいためインゴットのトップ部からテール部に向けて濃度が大きく変化し、トップ部で２×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、テール部で１０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度となる。なお、窒素を添加しないウェーハを使用することもできる。

第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２における処理条件を表１に示す。第一熱処理ＨＴ_１における昇温速度Ｒ_１及び保持時間Ｄ_１、第二熱処理ＨＴ_２における昇温速度Ｒ_３、及び冷却速度Ｒ_４は、全ての実施例及び比較例について共通である。雰囲気の欄に記載の「Ｏ_２」は１００％Ｏ_２雰囲気を、「Ａｒ」は１００％Ａｒ雰囲気を意味する。また、第二熱処理ＨＴ_２の雰囲気の欄に記載の「Ｏ_２／Ａｒ」は前半が１００％Ｏ_２雰囲気、後半が１００％Ａｒ雰囲気であることを意味する。この場合の前半及び後半の保持時間（図１中のＤ_２１、Ｄ_２２）は、第二熱処理ＨＴ_２の保持時間Ｄ_２の欄に記載されている（斜線前半が酸化雰囲気（Ｏ_２中）の保持時間Ｄ_２１を、斜線後半が非酸化雰囲気（Ａｒ中）の保持時間Ｄ_２２を示す。）。

熱処理後におけるウェーハ深さ方向の格子間酸素濃度を二次イオン質量分析装置（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＳＩＭＳ）、ＣＡＭＥＣＡ社製ＩＭＳ７ｆ）を用いて評価した。また、欠陥のウェーハ深さ方向分布をレーザ散乱トモグラフ装置（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、レイテックス社製ＭＯ４４１）を用いて評価した。さらに、ウェーハ表層の欠陥を面検機（ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社製ＳｕｒｆＳｃａｎ（ＳＰ２））を用いて評価した。また、面検機で評価した欠陥の実体を、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＥＤＸ））を用いて解析した。

（３）評価結果
第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２を行った後に、ＳＩＭＳを用いて測定した酸素濃度のウェーハ深さ方向分布を図７に示す。この酸素濃度は、ｏｌｄ ＡＳＴＭ規格による換算濃度である。第一熱処理ＨＴ_１を酸化雰囲気（Ｏ_２中）で行うと、ウェーハ表面に酸化膜が形成され、この酸化膜から格子間酸素がウェーハ内に注入される。このため、格子間酸素濃度がウェーハ表層の１〜３μｍの深さ範囲で特に高くなる分布となる（本図中のＡ_１参照）。このように、第一熱処理ＨＴ_１を酸化雰囲気で行い、ウェーハ表層の格子間酸素濃度を高めることにより、ウェーハ表層の強度が向上し、ウェーハ表層に欠陥が導入されることに起因してデバイスのリーク不良が生じるのを防ぐことができる。

表層の格子間酸素濃度を高めたウェーハに対し、第二熱処理ＨＴ_２を非酸化雰囲気（Ａｒ中）で行った後に、ウェーハ表層を所定量研磨除去し、研磨後の表面をＳＰ２を用いて評価したところ、研磨量が１３μｍよりも少ない場合に、ＳＰ２のプローブ光を散乱する微小な欠陥（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ（ＬＰＤ））が検出された。このＬＰＤは、特にウェーハ表面から３〜５μｍの深さ領域で高密度に（ＳＰ２による測定数がオーバーフローする程度に）存在した。このＬＰＤが存在する箇所を、ＥＤＸを用いて組成分析したところ、シリコンと酸素が検出された。このＥＤＸによる分析結果と、ＳＥＭによる形状観察結果を併せて考察すると、ＬＰＤの実体は酸素析出物であるといえる。

このＬＰＤ（酸素析出物）のウェーハ深さ方向の分布結果は、図７中に示す分布Ａ_２１において、ウェーハ表面から２〜５μｍの深さ領域で高濃度の酸素が検出された結果と整合しており、この高濃度の酸素の起源は酸素析出物であると考えるのが妥当である。このようにウェーハ表面近傍の数μｍから１３μｍ程度の深さ領域（特に２〜５μｍの深さ領域）において酸素析出物が形成される理由として、後で説明するように、第一熱処理ＨＴ_１によってウェーハ表面からウェーハ内に注入された空孔Ｖの濃度が、酸素析出核（Ｏ_２Ｖ）の形成に必要とされる１×１０^１３／ｃｍ^３の閾値を越えており、第一熱処理ＨＴ_１において新たに形成された酸素析出核が周囲の格子間酸素と空孔Ｖを取り込んで酸素析出物へ成長するためであると考えられる。

このように、ウェーハ表層に酸素析出物が形成された場合、熱処理後にウェーハのラフネス改善のためにウェーハ表層を５〜６μｍ程度表面研磨したときに、表面研磨後のウェーハ表層に酸素析出物が残存していることがＳＰ２を用いた評価によって確認された。このように表層に酸素析出物が残存したウェーハにデバイスを形成すると、リーク不良等の問題が生じる恐れがある。

これに対し、表層の格子間酸素濃度を高めたウェーハに対し、第二熱処理ＨＴ_２の前半を酸化雰囲気（Ｏ_２中）で行うと(図１参照)、ウェーハ表面に酸化膜が形成されて、この第二熱処理ＨＴ_２中に酸化膜とシリコンの界面からウェーハ中に格子間シリコン原子Ｉが注入される。この格子間シリコン原子Ｉは、第一熱処理ＨＴ_１によってウェーハ表層に形成された酸素析出核を消滅させる作用を発揮する（図５（ｃ）参照）。このため、この第二熱処理ＨＴ_２によってウェーハ表層に酸素析出物がない結晶完全性の高い領域を形成するとともに、この第二熱処理ＨＴ_２で注入された格子間シリコン原子Ｉが到達しないバルクにおいて十分な密度のＢＭＤを形成することができる。前半の酸化雰囲気での熱処理に引き続いて、後半を非酸化雰囲気で熱処理を行っても（図１参照）、酸素析出物に起因すると考えられるウェーハ表層での酸素濃度の盛り上がりは確認できなかった（図７中のＡ_２２参照）。

ちなみに、第一熱処理ＨＴ_１を非酸化雰囲気（Ａｒ中）で行うと、第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２中にウェーハ表面から格子間酸素が外方拡散し（図７中のＢ_１（第一熱処理ＨＴ_１後）、Ｂ_２（第二熱処理ＨＴ_２後）参照）、ウェーハ表層に格子間酸素濃度が低い領域が形成されることから、第二熱処理ＨＴ_２を非酸化雰囲気（Ａｒ中）で行ったとしても、濃度分布Ａ_２１に見られた酸素析出物に起因する酸素濃度の盛り上がりは観察されなかった。しかしながら、第一熱処理ＨＴ_１でウェーハ表面に酸化膜が形成されないことから、格子間シリコン原子Ｉが注入されず、ウェーハ表層のＣＯＰを十分消滅させることができないという問題がある。

実施例１（表１参照）に係るウェーハに対し、第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２を行った後におけるレーザ散乱トモグラフ装置を用いた評価結果を図８に示す。本図（ａ）はウェーハ中心、（ｂ）は中心から７５ｍｍ、（ｃ）は中心から１００ｍｍ、（ｄ）は中心から１２０ｍｍ、（ｅ）は中心から１４０ｍｍ、（ｆ）は中心から１４７ｍｍの位置における結果である。

このウェーハは、結晶育成段階において面内にＯＳＦリングを含み、面内均一性が当初は良好ではなかったにもかかわらず、ＢＭＤサイズ及びＢＭＤ密度、ＤＺ幅等について非常に高い面内均一性が得られていることが確認できた。これは、結晶育成時に導入されたＢＭＤが高温の第一熱処理ＨＴ_１において消滅し、結晶育成履歴がリセットされた後に、この第一熱処理ＨＴ_１の冷却時に新たに面内均一にＢＭＤ核が導入されるためである。また、ＳＰ２評価及びＳＥＭ観察によって、ウェーハ表層に酸素析出物が形成されておらず、高い結晶完全性が確保できていることも確認できた。これは、第二熱処理ＨＴ_２の前半を酸化雰囲気で行ったことにより、ウェーハ内に格子間シリコン原子Ｉが注入され、この格子間シリコン原子Ｉによって、第一熱処理ＨＴ_１によってウェーハ表層に導入された酸素析出核が消滅したためである（図５（ｃ）参照）。

また、図９に示すように、ウェーハ表面から約６０μｍまでの深さ領域に、酸素析出物がほとんど存在しない高品質なＤＺ層が形成されているとともに、約８０μｍの深さからＢＭＤ密度が立ち上がりはじめ、約２００μｍ以上の深さのバルクでは、ＢＭＤの面内平均密度は４．０×１０^９個／ｃｍ^３以上１．０×１０^１０個／ｃｍ^３以下であり、ＢＭＤ密度の面内ばらつきは１桁以内（本図中に示す矢印の長さの範囲内）であることが確認できた。このように高い密度のＢＭＤが形成されていることにより、バルクの高い強度と、十分なゲッタリング能を確保することができる。

このＤＺ層の幅は、このウェーハを用いて製造するデバイスの種類や用途に対応するように変更が求められることも多いが、第一熱処理ＨＴ_１における冷却速度Ｒ_２や、第二熱処理ＨＴ_２における保持時間Ｄ_２を変更することによって、その幅を自在に変更することができる。

また、図１０に示すように、バルクにおけるＢＭＤの平均サイズは約５０ｎｍであり、９０％以上の数のＢＭＤのサイズが３５〜７５ｎｍの範囲内に収まっていることが確認できた。ＢＭＤはそのサイズが大きく（例えば１００ｎｍ以上）なると、ＢＭＤ自体が転位源となってウェーハの強度が低下し、デバイス製造工程においてオーバレイ等の問題を引き起こすことがある。そこで、ＢＭＤを上記のサイズ範囲内に制御することにより、ウェーハの強度低下に係る問題を防ぐことができる。

第一熱処理ＨＴ_１（酸化雰囲気、保持温度Ｔ_１が１３５０℃、冷却速度Ｒ_２が５〜１２０℃／秒）及び第二熱処理ＨＴ_２（酸化／非酸化雰囲気、保持温度Ｔ_２が１０００℃）（実施例１〜４、比較例１）を行った後のＢＭＤ密度、ＢＭＤ平均サイズ、及びＤＺ層幅の評価結果を図１１に示す。冷却速度Ｒ_２が小さくなるほどＢＭＤ密度は小さくなり、冷却速度Ｒ_２が５℃／秒（比較例１）ではＢＭＤがほとんど確認できなかった。また、冷却速度Ｒ_２が小さくなるほどＤＺ層の幅は拡大した。その一方で、ＢＭＤ平均サイズは、冷却速度Ｒ_２を変化させてもほとんど変化せず、４５〜６０ｎｍの範囲内であった。

上記のように、結晶育成履歴がリセットできることにより、ＯＳＦリングを含むウェーハのように、結晶引き上げ速度が比較的大きく、高い製造スループットを有する低コストのウェーハを採用することができ、多数のウェーハを一度に熱処理するバッチ式熱処理炉でなく枚葉式のランプアニール炉を用いたとしても、製造コストの面で優位に立つことができる。

第一熱処理ＨＴ_１における保持温度Ｔ_１を１３００℃とした場合（実施例５〜８）も、保持温度Ｔ_１を１３５０℃とした場合と同様に、ウェーハ表層に高品質なＤＺ層が形成されているとともに、バルクには高い強度とゲッタリング能の確保に寄与し得る、十分なサイズと密度のＢＭＤが形成されていることが確認できた。なお、結晶育成後に導入されたＣＯＰのサイズによっては、第一熱処理ＨＴ_１における保持時間Ｄ_１を若干長め（例えば４５秒）とし、ＣＯＰが確実に消滅するように条件変更した方が好ましい場合もある。

第一熱処理ＨＴ_１を実施例１と同様に行い、第二熱処理ＨＴ_２を酸化雰囲気のみで行った場合（実施例９）も、ウェーハ表層に高品質なＤＺ層が形成されることが確認できた。なお、第二熱処理ＨＴ_２を酸化雰囲気で行うと、非酸化雰囲気で行った場合と比較して、同じ保持時間Ｄ_２であってもＢＭＤのサイズが小さめとなることがあるため、そのときは、第二熱処理ＨＴ_２の保持時間Ｄ_２を適宜延長（例えば６時間）するように条件変更した方が好ましい場合もある。

第一熱処理ＨＴ_１における雰囲気を非酸化雰囲気とした場合（比較例３）、この第一熱処理ＨＴ_１後に、ＳＰ２評価及びＳＥＭ観察によって、ウェーハ表層にＣＯＰが残存していることが確認された。これは、非酸化雰囲気としたことによりウェーハ表面に酸化膜が形成されず、ＣＯＰを消滅させるのに十分な量の格子間シリコン原子Ｉがウェーハ内に注入されなかったためと考えられる。

第一熱処理ＨＴ_１を実施例１と同様に行い、第二熱処理ＨＴ_２を非酸化雰囲気のみで行った場合（比較例４）、ウェーハ表層（ウェーハ表面から１３μｍ程度までの深さ領域）に低密度の酸素析出物が存在していることが、ＳＰ２評価及びＳＥＭ観察によって確認された。これは、第一熱処理ＨＴ_１によって形成されたウェーハ表層の酸素析出核（Ｏ_２Ｖ）が、第二熱処理ＨＴ_２において格子間シリコン原子Ｉが注入されなかったことにより、消滅することなくそのまま残存したためと考えられる。

なお、実施例１に係るウェーハと同じウェーハに対し、第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２を行う代わりに、バッチ式熱処理炉を用いて、非酸化雰囲気（Ａｒ中）においてＢＭＤを成長させる熱処理（１１００℃４時間）を行った。この熱処理後におけるレーザ散乱トモグラフ装置を用いた評価結果を図１２に、ＢＭＤ密度の深さ方向分布を図１３に、ＢＭＤサイズの深さ方向分布を図１４にそれぞれ示す。

図１２の結果から、ＢＭＤの形成状態がウェーハの面内位置によって大きく異なることが確認された。すなわち、結晶育成時にＯＳＦリングが形成された領域（ウェーハの中心から１００〜１２０ｍｍの領域。本図（ｃ）及び（ｄ）参照）において、その内外と比較してＢＭＤ密度が低くなっていた。これは、本願発明においては、第一熱処理ＨＴ_１で１３００℃以上の熱処理を行うことにより、結晶育成履歴がリセットされ、冷却中に新たにＢＭＤの核形成がなされたのに対し、バッチ式熱処理炉による熱処理では熱処理温度が相対的に低いことに起因して、結晶育成履歴がそのまま残ってしまい、ＯＳＦリング領域で新たにＢＭＤの核形成がなされなかったことに起因するためと考えられる。

また、図１３に示すように、ＢＭＤ密度は１桁以上の大きな面内ばらつきがあることが確認された。このようにＢＭＤ密度に大きな面内ばらつきがあると、デバイス製造中に、ウェーハの特定箇所に応力が集中して、ウェーハが変形したり、応力によって新たに転位等の結晶欠陥が導入されたりする問題が生じ得る。また、ウェーハ表層のＤＺ層の幅は約１０μｍであった。このＤＺ層の幅は、本願発明の場合と異なり、熱処理条件の調整によって変更することが難しく、種類や用途の異なる種々のデバイス用として、容易に対応できない問題がある。

また、図１４に示すように、バルクにおけるＢＭＤのサイズは大サイズ側に偏っていることが確認できた。なお、レーザ散乱トモグラフ装置を用いた評価においては、ＢＭＤサイズが９５ｎｍを超えると測定が飽和状態となり、そのサイズが９５ｎｍであると評価されるため、実際には９５ｎｍよりもサイズが大きいＢＭＤが多く存在している。このようにＢＭＤサイズが大きくなると、ウェーハに熱応力等の外部応力が作用したときに、このＢＭＤ自体が転位源となって、ウェーハの変形やオーバレイ等の問題が生じる恐れが高まる。

（４）第一熱処理後の空孔及び格子間シリコン原子のウェーハ深さ方向分布について
第一熱処理ＨＴ_１において、ウェーハに導入される空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉのウェーハ深さ方向分布をシミュレーションした。このシミュレーションにおいては、空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉの拡散及び対消滅を考慮した次の数１に示す数式を用いている（Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，Ｔｏｈｏｋｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、Ｓｅｎｄａｉ．（２００１））。右辺第１項が空孔Ｖ又は格子間シリコン原子Ｉのフラックス（拡散）を、右辺第２項が空孔Ｖと格子間シリコン原子Ｉの対消滅に相当する。

数１におけるＣは空孔Ｖ又は格子間シリコン原子Ｉの濃度、ｔは時間、Ｊは空孔Ｖ又は格子間シリコン原子Ｉのフラックス、Ｋは対消滅の反応定数であり、各添え字は、Ｖが空孔、Ｉが格子間シリコン原子、ｅｑが熱平衡濃度を意味している。Ｊ_Ｉ、Ｖは数２で、Ｋは数３でそれぞれ表される。

数２、数３におけるＤは拡散定数、ａ_ｃは対消滅反応の臨界距離、ΔＧが対消滅反応のエネルギー障壁、ｋ_ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

また、シリコン酸化界面での格子間シリコン原子の過飽和度は、次の数４に示す数式で求められる（Ｓ．Ｄｕｎｈａｍ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，７１，６８５（１９９２））。

数４におけるＡ１、Ａ２は、酸化の物性値から決まるパラメータである。

また、数４中のｄＸ／ｄｔはシリコン表面の酸化速度であり、数５で表すことができる（Ｂ．Ｅ．Ｄｅａｌ，Ａ．Ｓ．Ｇｒｏｖｅ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，３７７０（１９６５））。

数５におけるＸは酸化膜厚さ、ｋ_ｌはリニアレートコンスタント、ｋ_ｐはパラボリックレートコンスタントである。

上記の各数式を用いて、第一熱処理ＨＴ_１を行ったときの空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉのウェーハ深さ方向分布をシミュレーションした。保持温度Ｔ_１を１３５０℃、冷却速度Ｒ_２を１２０℃／秒（実施例１）としたときの結果を図１５に、保持温度Ｔ_１を１３５０℃、冷却速度Ｒ_２を５℃／秒（比較例１）としたときの結果を図１６に、保持温度Ｔ_１を１２５０℃、冷却速度Ｒ_２を１２０℃／秒（比較例２）としたときの結果を図１７に示す。いずれの熱処理も酸化雰囲気中で行っており、保持時間Ｄ_１は３０秒である。

各図においては、中央に第一熱処理ＨＴ_１のシーケンスを示し、さらに、熱処理の昇温中、保持温度Ｔ_１での保持中、冷却後の各段階（Ａ〜Ｅ又はＡ〜Ｄ）における空孔Ｖ（破線）及び格子間シリコン原子Ｉ（実線）のウェーハ深さ方向分布をグラフで示している。

図１５に示すように、昇温過程においては、ウェーハ表面から空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉがウェーハ内に注入され、両者の濃度が次第に上昇する（本図中のＡ〜Ｃ参照）。保持温度Ｔ_１（１３５０℃）に３０秒保持すると、ウェーハの厚さ方向全体に亘って、空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉが保持温度Ｔ_１における熱平衡濃度にほぼ達する。この保持温度Ｔ_１における熱平衡濃度は格子間シリコン原子Ｉよりも空孔Ｖの濃度の方が若干高い。この保持温度Ｔ_１からウェーハを冷却（１２０℃／秒）すると、空孔Ｖ、格子間シリコン原子Ｉともに、拡散及び対消滅によって濃度が低下するが、その低下の度合いは格子間シリコン原子Ｉの方が顕著である。このため、ウェーハの冷却後において、ウェーハ内に空孔Ｖが優勢に残存している。

第一熱処理ＨＴ_１を行った後における空孔Ｖの濃度が１×１０^１３／ｃｍ^３以上のときに、第二熱処理ＨＴ_２を行ったときのＢＭＤの形成が促進されることが分かっており、図１５に示す第一熱処理ＨＴ_１の条件においては、空孔濃度が１×１０^１３／ｃｍ^３以上となるウェーハ表面から４０μｍ以上の深さ領域でＢＭＤが形成されることが予想される。この予想は、例えば図８等において確認できたＤＺ層の幅とほぼ整合している。

これに対し、図１６に示すように、保持温度Ｔ_１（１３５０℃）からの冷却速度Ｒ_２を小さくした場合（５℃／秒）、保持温度Ｔ_１での保持終了時点までの空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉの深さ方向分布は図１５に示した場合と同じであるが、冷却速度Ｒ_２が小さいことに起因して、空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉの拡散及び対消滅によって、冷却速度Ｒ_２が大きい場合と比較してこれらの濃度がさらに低下する。特に空孔Ｖについて着目すると、その濃度はＢＭＤ形成の目安となる１×１０^１３／ｃｍ^３を大きく下回っており、ＢＭＤが形成されないことが予想される。この予想は、図１１において示したＢＭＤ密度の測定結果（本図中の比較例１参照）と整合している。

また、図１７に示すように、保持温度Ｔ_１を１２５０℃と低温化した場合、この保持温度Ｔ_１で３０秒保持した後の空孔Ｖ及び格子間シリコン原子Ｉの濃度は、図１５等の場合と比較して、いずれも若干低めとなるとともに、図１５等の場合と異なり、空孔Ｖよりも格子間シリコン原子Ｉの濃度の方が若干高い。この保持温度Ｔ_１からウェーハを冷却（１２０℃／秒）すると、格子間シリコン原子Ｉと比較して空孔Ｖの濃度が顕著に減少する。その濃度はＢＭＤ形成の目安となる１×１０^１３／ｃｍ^３を下回っており、ＢＭＤが形成されないことが予想される。この予想は、比較例２に係るウェーハにおいてＢＭＤが形成されなかった結果（図示なし）と整合する。

（５）総括
上記のように、酸化雰囲気中において、ウェーハを１３００℃以上１４００℃以下の保持温度Ｔ_１の範囲内で保持し、さらに１０℃／秒以上１５０℃／秒以下の冷却速度Ｒ_２で冷却する第一熱処理ＨＴ_１と、酸化雰囲気中において、ウェーハを８００℃以上１２５０℃以下の保持温度Ｔ_２の範囲内で保持する第二熱処理ＨＴ_２を連続的に行うことにより、ウェーハ表層のＤＺ層の結晶完全性を確保しつつ、バルクに十分な強度及びゲッタリング能を付与するためのＢＭＤを形成することができる。

また、第一熱処理ＨＴ_１を酸化雰囲気で行うことにより、ウェーハ表面から格子間酸素がウェーハ表層に注入され、このウェーハ表層の高い強度を確保することができる。しかも、第一熱処理ＨＴ_１を高温の酸化雰囲気で行うことにより、結晶育成時に導入されたＣＯＰ及びＢＭＤ（ＢＭＤ核）が完全に消滅し、結晶育成履歴をリセットすることができる。このため、ウェーハ面内にＯＳＦリングが含まれるウェーハのように、ウェーハ自体の製造スループットが高いものの面内均一性に劣るウェーハも問題なく採用することができ、結晶育成からウェーハ熱処理まで含めたトータルの製造コストの削減を図ることができる。

なお、上記の第一熱処理ＨＴ_１及び第二熱処理ＨＴ_２のシーケンスはあくまでも一例である。ウェーハの表層及びバルクの強度を確保しつつ、結晶品質の面内均一性を高める、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、例えば、保持温度Ｔ_１を時間経過ともに１３００℃以上１４００℃以下の範囲内で徐々に変化させたり、第一熱処理ＨＴ_１と第二熱処理ＨＴ_２の間、あるいはその前後に、追加的な熱処理を行ったりすることも許容される。また、酸化雰囲気において形成された酸化膜を、一連の工程の途中で剥離する工程を設けることもできる。

Claims (6)

1. チョクラルスキー法で育成されたシリコンインゴットから切り出されたシリコンウェーハに対し、酸化雰囲気中において、１３００℃以上１４００℃以下の保持温度で熱処理する第１工程と、
   前記第１工程で熱処理したシリコンウェーハを、酸化雰囲気中において、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下の冷却速度で冷却する第２工程と、
   前記第２工程で冷却したシリコンウェーハを、酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第３工程と、
   を有するシリコンウェーハの熱処理方法。
2. 前記第３工程で熱処理したシリコンウェーハを、非酸化雰囲気中において、８００℃以上１２５０℃以下の保持温度で１時間以上１００時間以下熱処理する第４工程をさらに有する請求項１に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
3. 前記第１工程前の段階における前記シリコンウェーハ中に存在する空洞欠陥の平均サイズが、同体積の球状換算値において、直径８０ｎｍ以下であり、かつ前記空洞欠陥の密度が１００個／ｃｍ^３以上である請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
4. 前記第２工程における冷却速度を変化させることによって、又は前記第３工程における保持時間を変化させることによって、シリコンウェーハ表面からの無欠陥層の深さを変化させる請求項１から３のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの熱処理方法によって熱処理されたシリコンウェーハであって、バルクにおける酸素析出物の面内平均密度が１．０×１０^９個／ｃｍ^３以上１．０×１０^１０個／ｃｍ^３以下であり、表面からの各深さ位置における前記酸素析出物密度の面内ばらつきが１桁以内であることを特徴とするシリコンウェーハ。
6. バルクにおける全ての前記酸素析出物のうち、９０％以上の数の酸素析出物のサイズが３５〜７５ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項５に記載のシリコンウェーハ。