JP2018190903A - 半導体ウェハの製造方法及び半導体ウェハ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態に係る製造方法に使用可能な熱処理装置を、図1及び図2を参照して説明する。
石英炉芯管本体111は、一方の開口が塞がれ、他方の開口が下方を向いた筒形状を有している。石英炉芯管本体111の頂部の壁には、後述するガス供給管41が挿入される貫通孔が設けられている。
本発明の一実施形態に係る半導体ウェハの製造方法を説明する。ここでは、一例として、図1及び図2を用いて説明した熱処理装置1を使用することとする。
まず、熱処理前の半導体ウェハ50を準備する。半導体ウェハ50としては、例えば、チョクラルスキー法で製造したシリコン単結晶インゴットから切り出したものを使用する。このようにして得られる半導体ウェハ50は、通常、デバイス形成領域にボイド欠陥を有している。なお、「デバイス形成領域」は、例えば、半導体ウェハ50のうち、その一方の主面からの距離が0μm乃至10μmの範囲内にある表面領域である。
次に、半導体ウェハ50を不活性雰囲気又は還元性雰囲気中で熱処理する(第1熱処理工程)。ここでは、一例として、第1熱処理工程は、図3に示す熱処理シーケンスに沿って実施することとする。
第2熱処理工程では、以下に説明するように、炭素含有ガスを含んだ雰囲気中で半導体ウェハ50を、その表面から深さ方向への距離が5μm以下の何れかの位置における炭素濃度が飽和に達するように熱処理する。
なお、最高温度における炭素の既知の飽和濃度は、半導体ウェハ50を構成している材料の種類と加熱温度とによって変化する。例えば、シリコンからなる半導体ウェハ50を1100℃、1150℃、及び1200℃で加熱した場合の炭素の飽和濃度は、それぞれ、4×1016atoms/cm3、7×1016atoms/cm3、及び11×1016atoms/cm3である。
SiC製のボート20の表面に設けた酸化膜の膜厚が減少すると、ボート20が含んでいる炭素が半導体ウェハ50を汚染し、半導体ウェハ50における炭素濃度の均一性を低下させる可能性がある。また、SiC製のボート20の表面に設けた酸化膜の膜厚が減少すると、ボート20が含んでいる炭素が雰囲気中へと拡散し、雰囲気中の炭素濃度が過剰に高くなる可能性がある。
以上の熱処理を施した半導体ウェハ50は、以下のような特徴を有する。即ち、半導体ウェハ50は、表面から深さ方向への距離Dが5μmの位置におけるLSTD(Laser Scattering Tomography Defect)密度が0.1個/cm2以下である。ここで、LSTDとは、赤外レーザー光線を半導体ウェハ50の表面から入射し、その散乱光を検出する赤外散乱トモグラフ(LST:Laser Scattering Tomography)によって観察されるボイド欠陥である。LSTDの検出には、例えば、LSTDスキャナ(レイテックス社製MO601)を使用することができる。
なお、第1熱処理工程を省略した場合、表面から深さ方向への距離Dが5μmの位置におけるLSTD密度は、通常、上述した上限値を超える。
なお、第1熱処理工程を省略した場合、BMD密度は、通常、上述した下限値を下回る。
上述した製造方法では、第2熱処理工程において、半導体ウェハ50のデバイス形成領域に炭素をその飽和濃度に到達するまで導入している。それ故、熱処理前の半導体ウェハ50における炭素濃度が面内で又はウェハ間でばらついていたとしても、そのばらつきは、第2熱処理工程によってキャンセルすることができる。従って、この方法によると、例えば、面内方向における炭素濃度のばらつきが小さく、デバイス形成領域における厚さ方向の炭素濃度分布のウェハ間でのばらつきが小さな半導体ウェハを製造することができる。即ち、この方法によると、炭素濃度の均一性に優れた半導体ウェハを製造することが可能となる。
また、ボート20としてSi製のボートを使用する場合、ボート表面からの炭素汚染が生じないため、酸化膜の形成工程は不要である。
上述した方法には、様々な変形が可能である。
例えば、上述した製造方法では、図1に示す縦型の熱処理装置1を使用しているが、ここで説明した技術は、RTP(Rapid Thermal Process)などの短時間高温熱処理への応用が可能である。
また、上述した製造方法は、以下に説明する第3熱処理工程を更に含んでいてもよい。
第3熱処理工程では、以下に説明するように、水素ガスを含んだ還元性雰囲気中で半導体ウェハ50を熱処理する。第3熱処理工程を行うことで、半導体ウェハ50の表面領域に存在する炭素を半導体ウェハ50の外部へ拡散させる、即ち、外方拡散させることができる。第3熱処理工程は、省略することも可能である。ただし、半導体ウェハ50のデバイス形成領域における炭素濃度は低いことが望まれる用途では、第3熱処理工程を行うことは有利である。
図4を参照しながら説明した熱処理を施した半導体ウェハ50は、厚さ方向における炭素濃度の分布について、以下に説明する特徴を有している。即ち、半導体ウェハ50は、表面領域における炭素濃度が1×1015atoms/cm3未満であり、表面から深さ方向への距離Dが2乃至30μmの範囲内にある何れかの位置における炭素濃度が2×1016atoms/cm3以上であり、距離Dが30μmより大きい何れかの位置における炭素濃度が1×1014atoms/cm3乃至2×1016atoms/cm3の範囲内にある。
変形例に係る方法によれば、図1乃至図3を参照しながら説明した方法と同様の効果を得ることができる。加えて、この方法では、第3熱処理工程を行うため、デバイス形成領域における炭素濃度を低減することができる。従って、この方法により得られる半導体ウェハは、デバイス形成領域における炭素濃度は低いことが望まれる用途に適している。
≪試験例1≫
(例1)
<半導体ウェハの準備>
チョクラルスキー法で製造したφ300mmのシリコン単結晶インゴットから、炭素濃度が等しい複数の半導体ウェハから各々がなり、互いに炭素濃度が異なる二組のウェハ群を準備した。炭素濃度の測定は、SIMS法によって行った。
第1ウェハ群及び第2ウェハ群の各々から10枚の半導体ウェハを抜き取り、それらを図2に示すボート20に載置した。ここで、ボート20としては、表面に50nmの厚さの酸化膜を設けたSiC製のボートを使用した。このボート20を、図1に示す熱処理装置1の石英炉芯管11の内部へ搬送し、上述した第2熱処理工程を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から10体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から20体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
第2熱処理工程の熱処理温度を1200℃から1100℃に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
第2熱処理工程の熱処理温度を1200℃から1100℃に変更したこと以外は、例2と同様の方法で熱処理を行った。
第2熱処理工程の熱処理温度を1200℃から1100℃に変更したこと以外は、例3と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から0体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から0.5体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から30体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から100体積%に変更したこと以外は、例1と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から0.5体積%に変更したこと以外は、例4と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から30体積%に変更したこと以外は、例4と同様の方法で熱処理を行った。
雰囲気中のCO2含有量を1体積%から100体積%に変更したこと以外は、例4と同様の方法で熱処理を行った。
第2熱処理工程の熱処理温度を1200℃から1250℃に変更したこと以外は、例2と同様の方法で熱処理を行った。
第2熱処理工程の熱処理温度を1200℃から1050℃に変更したこと以外は、例2と同様の方法で熱処理を行った。
例1乃至6及び比較例1乃至9によって得られた半導体ウェハの炭素濃度の測定と、スリップ転位の確認とを行った。結果を表1に示す。
炭素濃度の測定は、半導体ウェハの表面から深さ方向への距離Dが15μm以下の各位置における炭素濃度をSIMS法により測定することにより行った。そして、これらの測定結果を、ウェハ群毎に平均した。なお、第1ロットと第2ロットとの測定結果は、まとめて平均した。半導体ウェハの炭素濃度の測定結果を図5及び図6に示す。
変動係数=標準偏差/平均値
表1に示すように、炭素が飽和濃度に到達しない加熱条件で得られた半導体ウェハの変動係数は0.5以上であるのに対し、炭素が飽和濃度に到達している加熱条件で得られた半導体ウェハの変動係数は0.5より小さかった。即ち、熱処理前に有していた炭素濃度のばらつきが解消されていることが示された。
半導体ウェハの表面へレーザー光を照射し、反射光の強度から画像データを作成し、スリップ転位の長さを測定した。表1では、各加熱条件で得られた半導体ウェハのうち、10mm以上の長さを有するスリップ転位が検出された半導体ウェハを含んでいた加熱条件を「有り」、検出されなかった加熱条件を「−」で表している。
試験例1と同様の方法により準備した半導体ウェハに、第1及び第2熱処理工程を施した。具体的には、以下のように行った。
以下のことを除いて、例3と同様の方法で熱処理を行った。即ち、第2熱処理工程に先立ち、第1熱処理工程を行った。第1熱処理工程としては、具体的には、不活性雰囲気で半導体ウェハを1200℃まで昇温し、この温度に60分間維持した。ここで、不活性ガスとしてはArガスを使用した。その後、半導体ウェハを800℃まで降温させ、この状態で、半導体ウェハを取り巻く雰囲気を、不活性雰囲気から、炭素含有ガスを含んだ雰囲気へと切り替えた。
第2熱処理工程後の降温を行う雰囲気を、炭素含有ガス雰囲気から酸素ガスを含んだ雰囲気に変更したこと以外は、例7と同様の方法で熱処理を行った。なお、雰囲気中の酸素の含有量は100体積%であった。
試験例1と同様の方法により半導体ウェハを準備し、以下のことを除いて、例6と同様の方法で熱処理を行った。即ち、第2熱処理工程に先立ち、第1熱処理工程を行った。第1熱処理工程としては、具体的には、不活性雰囲気で半導体ウェハを1200℃まで昇温し、この温度に60分間維持した。ここで、不活性ガスとしてはArガスを使用した。その後、半導体ウェハを800℃まで降温させ、この状態で、半導体ウェハを取り巻く雰囲気を、不活性雰囲気から、炭素含有ガスを含んだ雰囲気へと切り替えた。
第2熱処理工程後の降温を行う雰囲気を、炭素含有ガス雰囲気から酸素ガスを含んだ雰囲気に変更したこと以外は、例9と同様の方法で熱処理を行った。なお、雰囲気中の酸素ガスの含有量は100体積%であった。
(結晶欠陥密度の測定)
例7乃至10で得られた半導体ウェハについて、距離Dが5μmであるときのLSTD密度を測定した。ここで、LSTD密度の測定には、LSTDスキャナ(レイテックス社製MO601)を使用した。その結果、例7乃至10で得られた半導体ウェハのLSTD密度は、いずれも0.1個/cm2以下であった。
更に、例7乃至10で得られた半導体ウェハのBMD密度を測定した。ここで、BMD密度の測定には、IRトモグラフィー(レイテックス社製MO−441)を使用した。その結果、例7乃至10で得られた半導体ウェハのBMD密度は、いずれも1×109個/cm3以上であった。
上記の例7乃至10と同様の各条件下で、同一の熱処理装置を用いて熱処理を繰り返し行った。そして、第1回目の熱処理後に、各ボートの酸化膜の厚さを測定した。具体的には、半導体ウェハと接触する保持部の表面における酸化膜の膜厚を測定した。その結果を表2に示す。なお、第1回目の熱処理前における酸化膜の膜厚は50nmであった。
また、第2回目の熱処理に供したロットが含んでいる半導体ウェハについて、それらの炭素が飽和濃度に到達していたか否かを試験例1と同様の方法によって確認した。そして、SiC製ボート表面からの炭素汚染があった熱処理条件を「有り」、なかった熱処理条件を「−」と評価した。
即ち、例7及び9と同様の条件下では、SiC製ボートを被覆している酸化膜の厚さが、第1及び第2熱処理工程を経ることによって薄くなったまま回復しない。それ故、第2回目以降の熱処理では、表2に示すように、SiC製ボート表面からの炭素汚染を生じる。即ち、ボートが含んでいる炭素が気相へと拡散して、雰囲気中の炭素濃度が高くなる。その結果、半導体ウェハの表面にSiOC膜が形成される。このSiOC膜は、半導体ウェハ中への炭素の拡散を妨げる。従って、例7及び9と同様の条件下では、熱処理を繰り返した場合に、半導体ウェハの炭素濃度が飽和に到達しなくなる。
<半導体ウェハの準備>
(例11)
以下のことを除いて試験例1と同様の方法により準備した半導体ウェハについて、第2及び第3熱処理工程を行った場合のシミュレーションを行った。
これら第1乃至第4ウェハ群について、以下の条件で熱処理を行った。
以下のことを除いて、例1と同様の方法で熱処理を行った。即ち、炭素含有ガスをCO2からCOに変更した。その後、半導体ウェハを800℃まで降温させ、この状態で水素ガスを含んだ還元性雰囲気への切替を行った後に、第3熱処理工程を実施した。
以上の熱処理を施した半導体ウェハにおける炭素濃度の分布を計算したシミュレーション結果を図8に示す。
以上の方法で得られた半導体ウェハの特徴及び他の方法で得られた半導体ウェハの特徴について表3を参照しながら説明する。ここで、半導体ウェハA乃至Cは、炭素濃度が1×1016atoms/cm3の半導体ウェハに上述した熱処理を施したものであり、半導体ウェハDは、炭素濃度が2×1016atoms/cm3の半導体ウェハにイオン注入で炭素を注入したものである。
Claims (9)
- 半導体ウェハを、その表面から深さ方向への距離が5μm以下の何れかの位置における炭素濃度が飽和に達するように、炭素含有ガスを含んだ雰囲気中で熱処理することを含み、
前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中での熱処理は1080乃至1220℃の範囲内の温度で行う半導体ウェハの製造方法。 - 前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中の前記炭素含有ガスの含有量は1乃至20体積%の範囲内にある請求項1に記載の製造方法。
- 前記炭素含有ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素及び炭化水素の何れかを少なくとも含んだ請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中での熱処理は、シリコン酸化膜を形成したSiC製ボートに前記半導体ウェハを支持させた状態で行い、前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中での熱処理後に、前記半導体ウェハ及びそれを支持する前記SiC製ボートを取り巻く雰囲気を、前記SiC製ボートの表面の前記シリコン酸化膜を維持するように、前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気から酸素ガスを含んだ雰囲気へと切り替えることを更に含んだ請求項1乃至3の何れか1項に記載の製造方法。
- 前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中での熱処理に先立ち、前記半導体ウェハを不活性雰囲気又は還元性雰囲気中で熱処理することを更に含んだ請求項1乃至4の何れか1項に記載の製造方法。
- 前記不活性雰囲気又は還元性雰囲気中での熱処理は1130乃至1220℃の範囲内の温度で行う請求項5に記載の製造方法。
- 前記炭素含有ガスを含んだ雰囲気中での熱処理の後に、水素ガスを含んだ還元性雰囲気中で前記半導体ウェハを熱処理することを更に含んだ請求項1乃至6の何れか1項に記載の製造方法。
- 表面から深さ方向への距離が5μmの位置におけるLSTD密度が0.1個/cm2以下であり、
前記距離が2μmより小さい何れかの位置における炭素濃度が1×1016atoms/cm3以上であり、
前記距離が2乃至30μmの範囲内にある何れかの位置における炭素濃度が2×1016atoms/cm3以上であり、
前記距離が30μmより大きい何れかの位置における炭素濃度が1×1014atoms/cm3乃至2×1016atoms/cm3の範囲内にある半導体ウェハ。 - 表面領域における炭素濃度が1×1015atoms/cm3未満であり、
表面から深さ方向への距離が2乃至30μmの範囲内にある何れかの位置における炭素濃度が2×1016atoms/cm3以上であり、
前記距離が30μmより大きい何れかの位置における炭素濃度が1×1014atoms/cm3乃至2×1016atoms/cm3の範囲内にある半導体ウェハ。
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