JP2019192831A - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面・表層における、ボイド、酸素析出核といったグローイン欠陥、ＢＭＤが抑制され、更にシリコンウェーハに溶存する固溶酸素濃度の減少を抑制したシリコンウェーハの熱処理方法を提供する。【解決手段】シリコンウェーハを、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１３００℃以上１３８０℃以下（Ｔ１）まで昇温して、少なくとも５秒（ｔ１）保持し、１２０℃／ｓ（ΔＴｄ１）を越えない速度で、８００℃以下（Ｔ２）まで冷却する第１の熱処理工程と、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１１５０℃以上１２２０℃以下（Ｔ３）まで昇温して、少なくとも５秒（ｔ２）保持し、１２０℃／ｓ（ΔＴｄ２）を越えない速度で、冷却する第二の熱処理工程と、を備え、第一の熱処理工程後に、第二の熱処理工程を連続的に行う。【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なシリコンウェーハの熱処理方法に関する。

半導体デバイス用の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表面・表層において、ボイドや、酸素析出核といったグローイン欠陥（成長時導入欠陥）が存在しない無欠陥層を形成することが求められる。
このような要求に対しては、シリコンウェーハに１１００℃以上の温度でバッチ熱処理や、急速昇降温熱処理（Rapid Thermal Process／ｓ；以下、ＲＴＰと略称する）を施す技術が知られている。

更に、近年では、デバイス品質の向上を目的に、無欠陥層形成だけでなく、バルク強度の高いウェーハが必要とされている。
このような要求に対しては、転位の伸展を阻害するような不純物元素（代表的には酸素）の濃度を意図的に高めるなどの工夫がなされている。
シリコン単結晶の育成において、チョクラルスキー法の場合、石英ルツボから酸素が溶融して結晶中に取り込まれるため、一般的にシリコンウェーハ中に溶存する酸素濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３程度になるが、育成条件の調整にて酸素濃度を意図的に高めることもできる。

しかしながら、デバイス製造において、シリコンウェーハに種々の熱処理が施されると、酸素析出物（Bulk Micro Defect／ｓ：ＢＭＤ）となって成長するため、酸素濃度が次第に低下する問題が生じる。酸素濃度が低下すると、バルク強度に影響を与えるため好ましくない。このため、デバイス製造において、種々な熱処理が施された場合においても、高い酸素濃度を維持できるシリコンウェーハの要求が高まっている。

ところで、特許文献１には、シリコンウェーハを処理して、存在する酸素クラスターおよび酸素析出物を溶解し、同時にその後の酸素析出熱処理の時にそれらの形成を防止する方法が記載されている。
具体的には、（ｉ）ウェーハを、急速熱アニーリング装置において、少なくとも１１５０℃の温度で、少なくとも１０００ｐｐｍａの酸素濃度を有する雰囲気中で熱処理すること、あるいは（ｉｉ）ウェーハを急速熱アニーリング装置において少なくとも約１１５０℃の温度で熱処理し、その後、単結晶シリコンにおける空孔の数密度を、ウェーハが続いて酸素析出熱処理に供された場合に酸素析出物が形成されないような値に低下させるために、熱処理時に達成された最高温度から、空孔が比較的移動しやすい温度範囲への冷却速度を制御することが記載されている。この冷却速度としては、約２０℃／秒未満であることが示されている。

また、特許文献２には、急速加熱・急速冷却熱処理時におけるスリップの発生を抑制しつつ、グローイン欠陥の低減力を向上させることができ、加えて、急速加熱・急速冷却熱処理後、得られるシリコンウェーハの表面荒れも改善することができるシリコンウェーハの熱処理方法が提案されている。
具体的には、希ガス雰囲気中、１３００℃以上シリコンの融点以下の温度で保持し、４００℃以上８００℃以下の温度まで一旦降温した後、酸化性雰囲気に切換えて、再度、１２５０℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法が記載されている。

特開２００３−５２４８７４号公報 特開２０１１−０２９４２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、空孔濃度の低下が不十分となり易く、ＢＭＤ析出の抑制効果が十分でない場合がある。熱処理中に増大する空孔濃度は、降温過程において、外方拡散、もしくは格子間シリコンとの対消滅により低下する。この空孔の濃度低下には時間が必要であるが、特許文献１のように冷却速度を２０℃／秒未満とするだけでは空孔濃度の低下が不十分となり易い。また、チャンバー内に高温滞での滞在時間が長くなるため金属汚染を受け易く、且つ、冷却速度が遅いため汚染で拡散した金属不純物が、冷却中に表面層へと偏析してシリサイドを形成するため好ましくないという問題もある。

また、特許文献２に記載された方法では、初段の熱処理の冷却過程において、空孔−酸素複合体が形成され、それが後段の熱処理で消滅するものの、１２５０℃以上に昇温しているため、空孔濃度が増加し、後段の熱処理の冷却過程において、再び空孔−酸素複合体が形成され、ＢＭＤ析出が抑制できないという技術的課題があった。

本発明者らは、シリコンウェーハに対して２段階の熱処理を行うことを前提に、第１の熱処理において、ボイドや、酸素析出核といったグローイン欠陥を消滅させ、更に前記第１の熱処理の後になされる第２の熱処理で、第１の熱処理で生じた空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）を消滅させると共に発生を抑制し、かつ格子間Ｓｉ優勢の状態のシリコンウェーハになすことを鋭意研究し、本発明を完成するに至った。

この空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）を抑制した、格子間Ｓｉ優勢の状態で凍結されたシリコンウェーハは、デバイス製造において、シリコンウェーハに種々の熱処理が施された場合にも、新たな空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）の形成が抑制され、ＢＭＤ析出も抑制される。このＢＭＤ析出が抑制されることにより、シリコンウェーハ中に溶存する酸素濃度の減少は抑制され、シリコンウェーハはバルク強度の低下が抑制される。

本発明は、上記情況のもとなされたものであり、表面・表層における、ボイド、酸素析出核といったグローイン欠陥、ＢＭＤが抑制され、更にシリコンウェーハに溶存する固溶酸素濃度の減少を抑制した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。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるシリコンウェーハの熱処理方法は、単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハを、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１３００℃以上１３８０℃以下まで昇温して、少なくとも５秒保持し、１２０℃／ｓを越えない速度で、８００℃以下まで冷却する第一の熱処理工程と、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１１５０℃以上１２２０℃以下まで昇温して、少なくとも５秒保持し、１２０℃／ｓを越えない速度で、冷却する第二の熱処理工程と、を備え、第一の熱処理工程後に、第二の熱処理工程を連続的に行うことを特徴としている。

このように、本発明にあっては、第１の熱処理によって、シリコンウェーハ表層のグローイン欠陥を消滅させることができる。一方、第１の熱処理によって、ＢＭＤへと成長する虞がある空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）が形成されるが、この空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）は、第２の熱処理によって消滅させることができる。また、第２の熱処理によって、シリコンウェーハ中の優勢点欠陥種は、格子間Ｓｉとなるため、冷却過程で、空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）の形成は抑制される。
その結果、本発明の熱処理が施されたシリコンウェーハがデバイス製造において様々な熱処理が施されたとしても、このシリコンウェーハが空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）が抑制された、優勢点欠陥種が格子間Ｓｉであるシリコンウェーハであるため、ＢＭＤの成長が抑制され、固溶酸素濃度の減少を抑制でき、適正なバルク強度とすることができる。

ここで、前記第二の熱処理工程の後に、表面を研磨する研磨工程を含むことが望ましい。
また、前記第一および第二の熱処理工程における酸化性雰囲気が、酸素分圧が１００％であることが望ましい。

更に、前記第一の熱処理工程における１３００℃以上１３８０℃以下までの昇温速度が、少なくとも１０℃／ｓであり、少なくとも５秒保持した後の降温速度が、２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下であり、前記第二の熱処理工程における１１５０℃以上１２２０℃以下までの昇温速度が、少なくとも１０℃／ｓであり、少なくとも５秒保持した後の降温速度が、２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下であることが望ましい。

更に、単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハの固溶酸素濃度が、１．１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１．５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることが望ましい。

本発明によれば、表面・表層における、ボイド、酸素析出核といったグローイン欠陥が消滅でき、ＢＭＤ析出が抑制され、更に固溶酸素濃度の減少を抑制できるシリコンウェーハの熱処理方法を得ることができる。

図１は、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法に係るＲＴＰの熱処理シーケンスを示す概念図である。 図２は、実験３のＢＭＤ密度を示す図である。 図３は、実験３の酸素減少量を示す図である。 図４は、実験３のＢＭＤをＩＲトモグラフで撮影したＢＭＤ像を示す図である。

次に、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法について図面を参照して説明する。 本発明に係わ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育成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に対して、所定の条件により熱処理を行う。

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法にて行う。
即ち、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上方から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引上げ、所望の直径まで拡径して直胴部を育成することでシリコン単結晶インゴットを製造する。

こうして得られたシリコン単結晶インゴットは、周知の方法によりシリコンウェーハに
加工される。 即ち、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、研磨等の加工工程を経て、シリコンウェーハを製造する。なお、ここで記載された加工工程は例示的なものであり、本発明は、この加工工程のみに限定されるものではない。

次に、製造されたシリコンウェーハに対して、所定の条件により熱処理を行う。
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の熱処理シーケンスを示す概念図である。
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における熱処理シーケンスは、所望の温度Ｔ_０（例えば、５００℃）で保持された、ＲＴＰ装置の反応管内に前記製造されたシリコンウェーハを設置する。

このシリコンウェーハに対して、酸化性雰囲気中、第１の昇温速度ΔＴｕ_１で、第１の温度Ｔ_１まで急速昇温し、前記第１の温度Ｔ_１を所定時間ｔ_１保持した後、第１の降温速度ΔＴｄ_１で、所望の温度Ｔ_０まで降温した後、一旦チャンバーから取り出すか、あるいは、第２の温度Ｔ_２まで降温し、第２の温度Ｔ_２を保持する第１の熱処理工程を行う。
この第１の熱処理工程に続いて、酸化性雰囲気中、第２の昇温速度ΔＴｕ_２で第２の温度Ｔ_２から第３の温度Ｔ_３まで急速昇温し、第３の温度Ｔ_３を所定時間ｔ_２保持した後、第２の降温速度ΔＴｄ_２で第３の温度Ｔ_３から降温する第２の熱処理工程を行う。尚、前記第２の温度Ｔ_２での保持は所定時間ｔ_３で行う。

このように、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法は、シリコンウェーハに対して２段階の熱処理を行うものであり、第１の熱処理において、ボイドや、酸素析出核といったグローイン欠陥を消滅させ、更に前記第１の熱処理の後になされる第２の熱処理で、第１の熱処理で生じた空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）を消滅させると共に発生を抑制し、かつ格子間Ｓｉ優勢の状態のシリコンウェーハになすものである。

具体的には、第１の熱処理工程では、単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハを、酸素分圧２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１３００℃以上１３８０℃以下（Ｔ_１）まで、少なくとも１０℃／ｓ（ΔＴｕ_１）で昇温し、前記温度を少なくとも５秒（ｔ_１）保持し、降温速度が２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下（ΔＴｄ_１）で８００℃以下（Ｔ_２）まで降温し、この温度を保持することがなされる。
あるいはまた、１３００℃以上１３８０℃以下（Ｔ_１）まで昇温し、少なくとも５秒（ｔ_１）保持した後、一旦チャンバーから取り出し、８００℃以下（Ｔ_２）まで降温しても良い。このように、一旦チャンバーから取り出し、別のチャンバーで第２の熱処理を行う場合には、効率的に熱処理を行うことができる。

そして、第１の熱処理工程に連続して実施される第２の熱処理工程では、８００℃以下（Ｔ_２）の温度に保持されているシリコンウェーハを、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１１５０℃以上１２２０℃以下（Ｔ_３）まで少なくとも１０℃／ｓ（ΔＴｕ_２）で昇温し、前記温度を少なくとも５秒（ｔ_２）保持し、降温速度が２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下（ΔＴｄ_２）で冷却することがなされる。
尚、前記第２の温度Ｔ_２での所定時間ｔ_３は、１秒以上１０秒以下で行われる。

更に、第１、２の熱処理工程のステップについて詳しく述べる。
まず、単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハは、ＣＺ法で作成された単結晶に限定されるものではなく、ＦＺ法により作成された結晶にも適用することができる。
またシリコンウェーハの固溶酸素濃度は、熱処理後の固溶酸素濃度を高く維持するために、１．１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１．５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることが好ましいが、特にこの範囲のシリコンウェーハに限定されるものではない。

（第１の熱処理工程）
前記第１の熱処理工程における雰囲気は、酸化性雰囲気であることが好ましい。
この第１の熱処理を酸化性雰囲気とすることで、シリコンウェーハ表面の酸化によってシリコンウェーハ表層に格子間Ｓｉが注入され、格子間Ｓｉが過飽和状態となるため、シリコンウェーハ表層のグローイン欠陥が消滅する。
尚、シリコンウェーハ表面の酸素濃度が増加するため、当該表面に存在するＣＯＰ（ボイド）の内壁に形成された内壁酸化膜に含まれる酸素がシリコンウェーハ内に溶解しにくくなり、シリコンウェーハ表面のグローイン欠陥の低減を図ることは難しいが、この領域はその後になされる研磨等により除去される。

前記酸化性雰囲気として、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気が用いられる。シリコンウェーハ表面の酸化をより促進させるためには、酸素分圧が１００％の酸化性雰囲気が好ましい。また前記酸化性雰囲気としては、酸素ガスが好適に用いられ、この酸素の分圧調整にはアルゴンガス等の不活性ガスを用いるのが好ましい。

（第１の熱処理工程における第１の昇温速度ΔＴｕ_１，第１の温度Ｔ_１，保持時間ｔ_１）
図１に示すように、所望の温度Ｔ_０（例えば、５００℃）で保持されたシリコンウェーハを、第１の熱処理工程における最高到達温度である第１の温度Ｔ_１に昇温する。
このとき、第１の昇温速度ΔＴｕ_１は、少なくとも１０℃／ｓである。第１の熱処理の昇温速度が１０℃／ｓ未満の場合は、グローイン欠陥である酸素析出核が消滅する前に、ＢＭＤとなって成長する虞があるため、好ましくない。
また前記第１の昇温速度ΔＴｕ_１が１５０℃／ｓｅｃ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ため、好ましくない。
好ましくは、第１の昇温速度ΔＴｕ_１は、１０℃／ｓ〜１５０℃／ｓである。

この第１の温度Ｔ_１は１３００℃以上１３８０℃以下である。この第１の熱処理の最高到達温度１３００℃未満の場合は、グローイン欠陥が消滅し難く、１３８０℃よりも高いとシリコンウェーハ表面が昇化するため好ましくない。
尚、ここでいう第１の温度Ｔ_１は、ＲＴＰ装置内にウェーハを設置した場合において、ウェーハを載置するステージに配置された放射温度計によって測定した、ウェーハの下部のウェーハ径方向におけるウェーハ面内多点の平均温度（例えば、９点の平均温度）をいう。

第１の熱処理工程における第１の温度Ｔ_１の保持時間ｔ_１は、５秒以上が必要である。
保持時間が５秒未満では、グローイン欠陥が残留する虞があるため、好ましくない。
また、４０秒を越えると、スリップが発生する危険性があるため、好ましくない。
好ましくは、第１の温度Ｔ１の保持時間ｔ_１は、１０秒以上３０秒以下である。

（第１の熱処理工程における第１の降温速度ΔＴｄ_１、第２の温度Ｔ_２、保持時間ｔ_３）
続いて、この第１の温度Ｔ_１から、降温速度が２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下で、８００℃以下まで降温する。
第１の熱処理の降温速度が１２０℃／ｓを超えると熱応力で、シリコンウェーハにスリップが発生し易くなるため好ましくない。
一方、第１の熱処理の降温速度が２５℃／ｓ未満である場合は、ウェーハ内へ微量ながら混入した金属不純物（例えばＮｉ）があった場合に、表面近傍にシリサイドとして析出する危険性があるため、好ましくない。
したがって、降温速度は２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下が好ましい。

第２の温度Ｔ_２は、４００℃以上８００℃以下であることが好ましい。
ここでいう第２の温度Ｔ_２は、第１の温度Ｔ_１と同様に、ウェーハを載置するステージに配置された放射温度計によって測定した、ウェーハの下部のウェーハ径方向におけるウェーハ面内多点（本実施形態では９点）の平均温度をいう。
前記第２の温度Ｔ_２が４００℃未満である場合には、ＲＴＰとしての生産性が悪くなる
ため好ましくない。前記第２の温度Ｔ_２が８００℃を超える場合には、後述するＶＯｘの発生を助長するため好ましくない。

このとき、第１の温度Ｔ_１から第２の温度Ｔ_２に降温することで、シリコンウェーハ中で、空孔と酸素が結びつき、空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）が形成される。
このような空孔−酸素複合体は、長時間熱処理に曝されると、凝集してクラスター化し、酸素析出核になる。
即ち、この第１の熱処理において、シリコンウェーハ中のグローイン欠陥を効果的に消滅させることができるが、降温過程において、シリコンウェーハ中には、空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）が形成される。この空孔−酸素複合体がクラスター化すると、新たな酸素析出核となり、この酸素析出核が周囲の酸素を吸収するとＢＭＤへと成長する虞がある。
そのため、第２の熱処理で、第１の熱処理で生じた空孔と酸素の複合体（ＶＯｘ）を消滅させることにより、酸素析出核の生成を抑制し、最終的にＢＭＤを抑制する処理がなされる。

尚、第２の温度Ｔ_２を保持する時間ｔ_３は、１秒以上６０秒以下であることが好ましい。
時間ｔ_３が１秒未満の場合には、ウェーハ面内温度ばらつきが大きい状態で第２の昇温が開始され、スリップが発生する危険性があるため、好ましくなく、また時間ｔ_３が６０秒を超える場合には、チャンバからの金属汚染影響を受け易くなるため好ましくない。

（第２の熱処理工程）
前記第２の熱処理工程における雰囲気は、酸化性雰囲気であることが好ましい。
この第２の熱処理を酸化性雰囲気で行うことで、シリコンウェーハ表面の酸化によってシリコンウェーハ表層に格子間Ｓｉが注入され、優勢点欠陥種が格子間Ｓｉとなる。

前記酸化性雰囲気として、酸素分圧２５％以上、１００％の酸化性雰囲気が用いられる。シリコンウェーハ表面の酸化をより促進させるためには、酸素分圧１００％の酸化性雰囲気が好ましい。
また、前記酸化性雰囲気としては、酸素ガスが好適に用いられ、この酸素の分圧調整には、アルゴンガス等の不活性ガスを用いられるのが好ましい。

（第２の熱処理工程における第２の昇温速度ΔＴｕ_２，第３の温度Ｔ_３）
第２の温度Ｔ_２に保持されたシリコンウェーハを、第２の熱処理工程における最高到達温度である第３の温度Ｔ_３に昇温する。
また、第２の昇温速度ΔＴｕ_２は、少なくとも１０℃／ｓである。第２の昇温速度が１０℃／ｓ未満の場合は、第１の熱処理工程で形成された空孔−酸素複合体（ＶＯｘ）がクラスター化し、新たに形成された酸素析出核がＢＭＤへと成長する虞があるため、好ましくない。
また、前記第２の昇温速度ΔＴｕ_２が１５０℃／ｓｅｃ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ため、好ましくない。好ましくは、１０℃／ｓ〜１５０℃／ｓである。

この第３の温度Ｔ_３は１１５０℃以上１２２０℃以下である。
この第３の温度Ｔ_３は１１５０℃未満の場合は、第１の熱処理工程で形成された空孔-酸素複合体（ＶＯｘ）が十分消滅しない虞があるため、好ましくない。
また、１２２０℃よりも高いと空孔濃度が増加してしまい（空孔優先となるため）、一旦消滅しても第３の温度Ｔ_３から降温する冷却過程で、再び空孔−酸素複合体（ＶＯｘ）が形成されるため好ましくない。
なお、ここでいう第３の温度Ｔ_３は、第１の温度Ｔ_１と同様に、ウェーハを載置するステージに配置された放射温度計によって測定した、ウェーハの下部のウェーハ径方向におけるウェーハ面内多点の平均温度（例えば９点の平均温度）をいう。

第２の熱処理工程における第３の温度Ｔ_３の保持時間ｔ_２は、５秒以上が必要である。
保持時間が５秒未満では、第１の熱処理工程で形成された空孔−酸素複合体（ＶＯｘ）が十分消滅しない虞があるため好ましくない。
また、３０秒を越えると、チャンバからの金属汚染影響を受け易くなる ため、好ましくない。好ましくは、第１の温度Ｔ_１の保持時間ｔ_１は、５秒以上３０秒以下である。

（第２の熱処理工程における第２の降温速度ΔＴｄ_２）
続いて、この第３の温度Ｔ_３から、降温速度が２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下で、冷却する。
第２の熱処理の降温速度が１２０℃／ｓを超えると熱応力で、シリコンウェーハにスリップが発生し易くなるため好ましくない。第２の熱処理の降温速度が２５℃／ｓ未満である場合は、ウェーハ内へ微量ながら混入した金属不純物（例えばＮｉ）があった場合に、表面近傍にシリサイドとして析出する危険性があるため、好ましくない。したがって、降温速度は２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下が好ましい。

尚、酸化性雰囲気でのＲＴＰの場合、ウェーハの表面近傍は、酸素濃度が熱平衡濃度に上昇しているため、グローイン欠陥が残留する虞がある。このため、ＲＴＰ後、シリコンウェーハの表面から１μｍ〜１０μｍの研磨がなされる。

このように本発明では、第１の熱処理（グローイン欠陥の消滅を目的とする）の冷却過程で、一旦、空孔−酸素複合体形成が起きるが、第２の熱処理（空孔−酸素複合体を消滅させて格子間Ｓｉを優勢にする）で、それが完全に消滅し、且つ格子間Ｓｉ優勢の状態で凍結するため、ＢＭＤ析出の抑制する作用が非常に高まる効果がある。
即ち、第１の熱処理と、第２の熱処理を連続的に行うことによって、グローイン欠陥が消滅し、且つ、デバイス製造で様々な熱処理が施されたとしてもＢＭＤ成長が抑制されるため、固溶酸素濃度の減少が抑制される。
その結果、グローイン欠陥が消滅した無欠陥層を有すると共に、固溶酸素濃度の減少を抑制でき、適正なバルク強度を有するシリコンウェーハを得ることができる。

（実験１）
まず、第１の処理工程におけるグローイン欠陥の消滅に対する温度依存性を検証した。
固溶酸素濃度が１．２５×１０^１８／ｃｍ^３のφ３００ｍｍＣＺ−シリコンウェーハを用いて、表１に示される雰囲気下（酸素、アルゴン）で、昇温速度ΔＴｕ_１を５０℃／ｓ、表１に示される第１の温度Ｔ_１まで昇温してから、３０秒保持（ｔ_１）した後、降温速度ΔＴｄ１１２０℃／ｓで冷却した。その後、シリコンウェーハを６μｍ研磨し、ＬＰＤ密度を測定した（実施例１〜実施例３、比較例１〜８）。
またＬＰＤ密度の測定には、KLA-Tencor社製のSurfscan SP3を用い、ＬＰＤ密度が０．２／ｃｍ^２以下を良（○）とした。その結果を表１に示す。
尚、比較例１は、熱処理を行っていないシリコンウェーハである。また熱処理後シリコンウェーハを６μｍ研磨したのは、表面から１μｍ以下の領域におけるグローイン欠陥が消滅し難いためである。

表１から分かるように、アルゴンガス１００％の雰囲気下では、１３５０℃未満の温度では、ＬＰＤ密度が高い。一方、酸素ガス１００％の雰囲気下では、１３００℃〜１３５０℃の温度でも、ＬＰＤ密度が低いことが認められた。

（実験２）
次に、第１の処理工程におけるグローイン欠陥の消滅に対する酸素分圧依存性を検証した。
実験１と同様に、固溶酸素濃度が１．２５×１０^１８／ｃｍ^３のφ３００ｍｍＣＺ−シリコンウェーハを用いて、表１に示される酸素分圧の雰囲気下で、昇温速度５０℃／ｓで、１３００℃まで昇温してから、３０秒保持した後、１２０℃／ｓで冷却した。その後、シリコンウェーハを６μｍ研磨し、ＬＰＤ密度を測定した（実施例４〜実施例６、比較例９，１０）。その結果を表２に示す。
尚、ＬＰＤ密度の測定には、KLA-Tencor社製のSurfscan SP3を用い、ＬＰＤ密度が０．２／ｃｍ^２以下を良（○）とした。その結果を表２に示す。

表２から分かるように、酸素分圧が２５％以上であれば、ＬＰＤ密度が低いことが認められた。
したがって、酸素ガス２５％〜１００％の雰囲気下、１３００℃〜１３５０℃の温度での熱処理で、ＬＰＤ密度が低いことが認められた。

（実験３）
昇温速度ΔＴｕ_１、保持時間ｔ_１、降温速度ΔＴｄ_１の適正範囲を検証した。
実験１と同様に、固溶酸素濃度が１．２５×１０^１８／ｃｍ^３のφ３００ｍｍＣＺ−シリコンウェーハを用いて、酸素分圧１００％の雰囲気下で、表１に示す昇温速度ΔＴｕ_１、第１の温度Ｔ_１、保持時間ｔ_１、降温速度ΔＴｄ_１で熱処理を行い、シリコンウェーハを６μｍ研磨し、ＬＰＤ密度を測定した。ＬＰＤ密度が０．２／ｃｍ^２以下を良（○）とした。その結果を表３に示す。

表３から分かるように、昇温速度ΔＴｕ_１が１℃／ｓでは、ＢＭＤの成長が認められ（比較例１１）、昇温速度ΔＴｕ_１が１６０℃／ｓでは、スリップの発生が認められた（比較例１４）。したがって、昇温速度ΔＴｕ_１は１０℃／ｓ以上、１５０℃／ｓ以下が好ましいことが判明した。
また、保持時間ｔ_１は、３秒ではボイドが残留し（比較例１８）、４０秒でスリップが発生するため（比較例２０）、好ましくないことが判明した。したがって、保持時間ｔ_１は、１０秒以上３０秒以下が好ましいことが判明した。
更に、降温速度ΔＴｄ_１は、２０℃／ｓで金属シリサイドの形成が認められ（比較例１５）、１３０℃／ｓでスリップが発生するため（比較例１７）、好ましくないことが判明した。 したがって、降温速度は２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下が好ましいことが判明した。

（実験４）
実験１と同様に、固溶酸素濃度が１．２５×１０^１８／ｃｍ^３のφ３００ｍｍＣＺ−シリコンウェーハを用いて、表４に示すように、第１の熱処理工程の雰囲気を酸素１００％とし、第１の熱処理工程の昇温速度ΔＴｕ_１を５０℃／ｓ、第１の温度Ｔ_１を１３５０℃とし、１３５０℃に昇温してから、保持時間ｔ_１を３０秒とし、３０秒保持した後、表３に示す降温速度で、７００℃まで降温して、チャンバー内から取り出した。
その後、再度チャンバー内へウェーハを投入し、続けて第２の熱処理工程として、酸素１００％雰囲気下、昇温速度ΔＴｕ_２を５０℃／ｓ、表４に示す第２の熱処理の最高温度Ｔ３まで昇温し、３０秒保持し、表３に示す降温速度で冷却した。

この第二の熱処理を施した後、酸素１００％雰囲気下、２ステップ熱処理（７８０℃×３時間熱処理した後、１０００℃×１６時間の熱処理ｈ）を施した。
その後、ＩＲトモグラフ（レイテックス社製MO441）でウェーハに形成されたＢＭＤ密度を測定した。
また、FTIR（BIO-RAD社製 QS-612）を用いて、固溶酸素濃度を測定し、酸素の減少量を求めた。

その結果を表５に示す。また、表５の数値をグラフ化したもの、即ち、ＢＭＤ密度を図２、酸素減少量を図３に示す。

また、ＩＲトモグラフで取得したＢＭＤ像を表したものを図４に示す。
図４（ａ）は比較例１２、（ｂ）は比較例１３、（ｃ）は比較例１４、（ｄ）は比較例１７、（ｅ）は実施例、（ｆ）は比較例１８を示している。この図において、黒い部分がＢＭＤを示し、白い部分が無欠陥を示しており、（ｅ）ではＢＭＤが抑制されていることが分かる。
尚、２ステップ熱処理（７８０℃×３時間熱処理した後、１０００℃×１６時間の熱処理ｈ）は、デバイスプロセスでの熱処理を考慮して行う熱処理である。

図２、図３からわかるように、実施例７、８、９は、第１の熱処理工程（１３５℃）、第２の熱処理工程（１１５０℃〜１２２０℃）の条件において、ＢＭＤ析出の高い抑制効果があることが分かった。
なお、２ステップ熱処理後の当該ウェーハの固溶酸素濃度は、１．１６〜１．１９×１０^１８／ｃｍ^３であり、酸素濃度の減少が非常に少ないことが確認された。

（実験５）
昇温速度ΔＴｕ_２、保持時間ｔ_２、降温速度ΔＴｄ_２の適正範囲を検証した。
実験１と同様に、固溶酸素濃度が１．２５×１０^１８／ｃｍ^３のφ３００ｍｍＣＺ−シリコンウェーハを用いて、第１の熱処理工程の雰囲気を酸素１００％とし、第１の熱処理工程の昇温速度ΔＴｕ_１を５０℃／ｓ、第１の温度Ｔ_１を１３５０℃とし、１３５０℃に昇温してから、保持時間ｔ_１を３０秒とし、３０秒保持した後、降温速度ΔＴｄ_１を１２０℃／秒とし、７００℃まで降温して、チャンバー内から取り出した。
その後、再度チャンバー内へウェーハを投入し、酸素分圧１００％の雰囲気下で、表６に示す昇温速度ΔＴｕ_２、第１の温度Ｔ_１、保持時間ｔ_１、降温速度ΔＴｄ_１で熱処理を行い、シリコンウェーハを６μｍ研磨し、ＬＰＤ密度を測定した。ＬＰＤ密度が０．２／ｃｍ^２以下を良（○）とした。その結果を表６に示す。

表６から分かるように、昇温速度ΔＴｕ_２が１℃／ｓでは、ＢＭＤの成長が認められ（比較例３２） 、昇温速度ΔＴｕ_２が１６０℃／ｓでは、スリップの発生が認められた（比較例３５）。したがって、昇温速度ΔＴｕ_１は１０℃／ｓ以上、１５０℃／ｓ以下が好ましいことが判明した。
また、保持時間ｔ_２は、３秒ではＢＭＤの成長が認められ（比較例１８）、４０秒でスリップが発生するため（比較例４１）、好ましくないことが判明した。したがって、保持時間ｔ_２は、１０秒以上３０秒以下が好ましいことが判明した。
更に、降温速度ΔＴｄ_２は、２０℃／ｓで金属シリサイドの形成が認められ（比較例３６）、１３０℃／ｓでスリップが発生するため（比較例３８）、好ましくないことが判明した。
したがって、降温速度は２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下が好ましいことが判明した。

以上のように、ＣＺ―Ｓｉウェーハに本発明の熱処理を施すことによって、ＢＭＤ析出が効果的に抑制されるため、デバイス製造過程で様々な熱処理が施されたとしても高酸素濃度を維持できることが認められた。
また、本発明は、ＣＺ結晶に限定されるものではなく、ＦＺ結晶などにも適用が可能である。また、固溶酸素濃度水準は、好ましくは、１．１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１．５×１０^１８／ｃｍ^３以下であるが制限があるものではなく、任意の結晶について効果が得られる。

Claims (5)

1. 単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハを、酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１３００℃以上１３８０以下まで昇温して、少なくとも５秒保持し、１２０℃／ｓを越えない速度で、８００℃以下まで冷却する第一の熱処理工程と、
   酸素分圧が２５％以上、１００％の酸化性雰囲気下で、１１５０℃以上１２２０℃以下まで昇温して、少なくとも５秒保持し、１２０℃／ｓを越えない速度で、冷却する第二の熱処理工程と、を備え、
   第一の熱処理工程後に、第二の熱処理工程を連続的に行うことを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
2. 前記第二の熱処理工程の後に、表面及び表層を研磨する研磨工程を含むことを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
3. 前記第一および第二の熱処理工程における酸化性雰囲気が、酸素分圧が１００％である請求項１または請求項２記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
4. 前記第一の熱処理工程における１３００℃以上１３８０℃以下までの昇温速度が、少なくとも１０℃／ｓであり、少なくとも５秒保持した後の降温速度が、２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下であり、
   前記第二の熱処理工程における１１５０℃以上１２２０℃以下までも昇温速度が、少なくとも１０℃／ｓであり、少なくとも５秒保持した後の降温速度が、２５℃／ｓ以上、１２０℃／ｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
5. 単結晶シリコンインゴットからスライスして得たシリコンウェーハの酸素濃度が、１．１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１．５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコンウェーハの熱処理方法。