JP2024008390A - シリコンウェーハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表層部の酸素析出を極力低減しながら、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定な酸素析出核をバルク部に高密度に発生させることが可能なシリコンウェーハを提供する。【解決手段】シリコンウェーハ５０は、７８０℃で３時間の熱処理後に９５０～１０００℃で１６時間の可視化熱処理を行う第１評価熱処理によって表面５０ａから深さ３０μｍまでの表層部５３に生じる酸素析出物（ＢＭＤ）密度が１×１０７～１×１０８ｃｍ－３であり、第１評価熱処理によって表層部５３よりも深いバルク部５４に生じるＢＭＤ密度が１×１０９～７×１０９ｃｍ－３である。第１評価熱処理によってバルク部５４に生じるＢＭＤ平均密度を第１バルク密度ｄ１とし、１１５０℃で２分間の熱処理後に可視化熱処理を行う第２評価熱処理によってバルク部５４に生じるＢＭＤ平均密度を第２バルク密度ｄ２とするとき、ｄ２／ｄ１は０．７４～１．０２である。【選択図】図５

Description

本発明は、シリコンウェーハ及びその製造方法に関し、特に、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されたシリコン単結晶インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハの熱処理方法に関する。また本発明はそのような熱処理方法によって熱処理されたシリコンウェーハに関する。

半導体デバイスの基板材料であるシリコンウェーハの多くは、ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶インゴットを用いて製造される。ＣＺ法は、石英ルツボ内のシリコン融液に接触させた種結晶を相対的に回転させながら徐々に引き上げることにより、種結晶よりも大きな単結晶を成長させる方法である。ＣＺ法によれば、大口径シリコン単結晶の製造歩留まりを高めることができる。

ＣＺ法によってシリコン単結晶を成長させる際、石英ルツボの表面から溶け出した酸素がシリコン融液中に取り込まれることが知られている。シリコン融液中の酸素は、シリコン単結晶が冷却される過程で過飽和状態となり、酸素が凝集して酸素析出核を形成する。

シリコン単結晶インゴットから切り出された直後のバルクシリコンウェーハの酸素析出物密度は非常に低く、低密度の酸素析出物が半導体デバイスの特性に与える影響は小さい。しかし、半導体デバイスを製造する過程で種々の熱処理が繰り返し施され、これにより酸素析出物が高密度化することがある。デバイス活性領域であるシリコンウェーハの表層部に存在する酸素析出物は、接合リーク等のデバイス特性悪化の原因となる。一方、デバイス活性領域以外のバルク部に存在する酸素析出物は、デバイス特性を劣化させる金属不純物を捕獲するゲッタリングサイトとして有効に機能する。そのため、シリコンウェーハの表層部の酸素析出物を低密度とし、表層部よりも深い領域（ウェーハ内部）の酸素析出物を高密度にすることが望ましい。

このようなシリコンウェーハを得るため、例えば特許文献１には、非酸化性雰囲気の炉内でシリコンウェーハを１１００～１２００℃で１～３０秒加熱する第１熱処理ステップと、第１熱処理ステップの後にシリコンウェーハを８００～９７５℃で２～１０分加熱する第２熱処理ステップと、第２熱処理ステップの後にシリコンウェーハを１０００～１２００℃で１～１０分加熱する第３熱処理ステップを含むシリコンウェーハの製造方法が記載されている。

特開２０２１―１６８３８２号公報

近年、パワーマネージメント半導体デバイスの製造プロセスとして同一基板上にバイポーラとＣＭＯＳとＤＭＯＳを形成するＢＣＤ（Bipolar-CMOS-DMOS）プロセスが注目されている。ＢＣＤプロセスは高温熱処理を伴うため、ウェーハにスリップ転位が発生しやすい。シリコンウェーハのゲッタリング能力のみならずスリップ耐性を高めるためには酸素析出物密度を高める必要がある。さらに、ＢＣＤプロセスでは数十μｍ程度の深いＤＺ（Denuded Zone）が必要なため、シリコンウェーハの表面に予めエピタキシャル膜を形成する場合もあるが、エピタキシャル膜形成プロセスでは高温熱処理に伴うスリップの問題に加えて、酸素析出物が消滅しやすく、酸素析出物の熱的な安定性も問われる。このように、ＢＣＤプロセス用のシリコンウェーハでは、酸素析出物の高密度化と安定化が重要な課題の一つである。

しかしながら、特許文献１に記載のシリコンウェーハの製造方法では、例えば８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ASTM F-121, 1979、酸素濃度について、以下同様。）程度の酸素濃度が低いバルクシリコンウェーハを使用する場合、第１～第３熱処理ステップによって酸素析出核を十分に成長させることができず、その後の顧客の熱処理で酸素析出核が消滅し、バルク部の酸素析出物密度を高めることが難しい。一方、１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の酸素濃度が比較的高いバルクシリコンウェーハを使用する場合、ウェーハのバルク部のみならず表層部に酸素析出物が発生しやすくなるので、将来的なＢＣＤデバイスに対応できない可能性がある。

したがって、本発明の目的は、表層部の酸素析出を極力低減しながら、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定な酸素析出核をバルク部に高密度に発生させることが可能なシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるシリコンウェーハは、表面から深さ３０μｍまでの表層部と、前記表層部よりも深いバルク部とを有し、第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^７～１．０×１０^８ｃｍ^－３であり、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^９～７．０×１０^９ｃｍ^－３であり、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第１バルク密度ｄ_１とし、第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第２バルク密度ｄ_２とするとき、前記第１バルク密度ｄ_１に対する前記第２バルク密度ｄ_２の比（ｄ_２／ｄ_１）が０．７４～１．０２の範囲内にあり、前記第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の熱処理の後に可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、前記第２評価熱処理は、１１５０℃で２分間の熱処理の後に前記可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、前記可視化熱処理は、９５０～１０００℃で１６時間の熱処理であることを特徴とする。

本発明によれば、評価熱処理後の表層部の酸素析出物密度が１．０×１０^８ｃｍ^－３以下と低く、さらにバルク部の酸素析出物密度が表層部よりも１０倍以上高く且つ熱的に安定なシリコンウェーハを提供することができる。したがって、当該シリコンウェーハを用いて製造されるＢＣＤ等の半導体デバイスの歩留まり及び信頼性を高めることができる。

本発明において、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）及び前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は共に２以下であることが好ましい。この場合、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は１．３０以下であることがさらに好ましい。また、前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は１．３２以下であることがさらに好ましい。これにより、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定した酸素析出物をバルク部に高密度且つ均一に発生させることができる。

本発明において、前記第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の平均密度及び前記第２評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の平均密度は共に２．１×１０^７ｃｍ^－３以下であることが好ましい。これにより、顧客の熱処理によらず表層部の酸素析出物密度が十分に低減されたシリコンウェーハを提供することができる。

また、本発明によるシリコンウェーハは、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に形成されたエピタキシャルシリコン膜を備え、前記シリコン基板は、表面から深さ３０μｍまでの表層部と、前記表層部よりも深いバルク部とを有し、第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^７～１．０×１０^８ｃｍ^－３であり、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^９～７．０×１０^９ｃｍ^－３であり、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第１バルク密度とし、第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第２バルク密度とするとき、前記第１バルク密度に対する前記第２バルク密度の比が０．９８～１．０２の範囲内にあり、前記第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の熱処理の後に可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、前記第２評価熱処理は、前記可視化熱処理であり、前記可視化熱処理は、９５０～１０００℃で１６時間の熱処理であることを特徴とする。

本発明によれば、評価熱処理後の表層部の酸素析出物密度が１．０×１０^８ｃｍ^－３以下と低く、さらにバルク部の酸素析出物密度が表層部よりも１０倍以上高く且つ熱的に安定なエピタキシャルシリコンウェーハを提供することができる。したがって、当該エピタキシャルシリコンウェーハを用いて製造されるＢＣＤ等の半導体デバイスの歩留まり及び信頼性を高めることができる。

本発明において、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）及び前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は共に２以下であることが好ましい。この場合、前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は１．２９以下であることがさらに好ましい。また、前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）は１．３５以下であることがさらに好ましい。これにより、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定した酸素析出物をバルク部に高密度且つ均一に発生させることができる。

さらにまた、本発明によるシリコンウェーハの製造方法は、酸素濃度が７×１０^１７～１０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ASTM F-121, 1979）であるシリコンウェーハを第１温度で加熱する第１熱処理ステップと、前記第１熱処理ステップの後に前記シリコンウェーハを前記第１温度よりも低い第２温度で加熱する第２熱処理ステップと、前記第２熱処理ステップの後に前記シリコンウェーハを前記第２温度よりも高い第３温度で加熱する第３熱処理ステップを含み、前記第１温度は１２１０～１２５０℃、前記第１温度の保持時間は１０～６０秒であり、前記第２温度は８００～９７５℃、前記第２温度の保持時間は２～１０分であり、前記第３温度は１１５０～１２５０℃、前記第３温度の保持時間は５～１５分であることを特徴とする。

本発明によれば、比較的短時間で高温の第１熱処理ステップ、比較的長時間で低温の第２熱処理ステップ、さらに第２熱処理ステップよりも高温の第３熱処理ステップによって、シリコンウェーハ内部に熱的に安定な酸素析出核を高密度に発生させる一方で、ウェーハ表層部では酸素析出核を低減することができる。したがって、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定な高密度の酸素析出核をバルク部に持ち、且つデバイス形成領域の酸素析出核は低密度なシリコンウェーハを製造することができる。

前記第１熱処理ステップは、アンモニア又は窒素を含む非酸化性雰囲気中で行い、前記第２及び第３熱処理ステップは、アンモニア又は窒素を含まない非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。アンモニア又は窒素を含む非酸化性雰囲気中で第１熱処理ステップを実施することにより、ウェーハ表面に窒化膜を形成し、窒化膜を通してウェーハ内部に空孔を導入することができ、これによりウェーハ内部の酸素析出核の密度を高めることができる。

本発明において、前記第１温度への昇温レート及び前記第２温度から前記第３温度への昇温レートは１０～５０℃／秒であることが好ましい。また、前記第１温度から前記第２温度への降温レートは２０～１２０℃／秒であることが好ましい。これにより、熱的に安定した酸素析出核を高密度に発生させることができる。

本発明において、前記第１熱処理ステップで熱処理される前の前記シリコンウェーハは、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域から切り出されたものであることが好ましい。これにより、表層部の酸素析出核の密度が低く、バルク部の酸素析出核の密度が高く且つ熱的に安定なシリコンウェーハを製造することができる。したがって、当該シリコンウェーハを用いて製造されるＢＣＤ等の半導体デバイスの歩留まり及び信頼性を高めることができる。

本発明によれば、表層部の酸素析出を極力低減しながら、顧客の熱処理に左右されない熱的に安定な酸素析出物をバルク部に高密度に発生させることが可能なシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 図２は、シリコンウェーハを熱処理する工程を説明するフローチャートである。 図３は、熱処理中の温度変化を示すグラフであって、横軸は時刻、縦軸は加熱温度をそれぞれ示している。 図４（Ａ）～（Ｉ）は、第１～第３熱処理及の間に発生するシリコンウェーハの変化を示す模式図である。 図５は、光散乱トモグラフィを用いてシリコンウェーハの酸素析出物密度を測定する方法について図示した模式図である。 図６は、製造されたシリコンウェーハの安定性及び均一性を決定するための評価手順の概略図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を概略的に示すフローチャートである。

図１に示すように、本実施形態によるシリコンウェーハの製造方法は、チョクラルスキー（ＣＺ）法によりシリコン単結晶インゴットを製造する工程Ｓ１１と、シリコン単結晶インゴットを加工してシリコンウェーハを作製する工程Ｓ１２と、シリコンウェーハを熱処理する工程Ｓ１３とを有している。

シリコン単結晶インゴットを製造する工程Ｓ１１では、石英ルツボに充填した多結晶シリコンをＣＺ炉内で加熱してシリコン融液を生成する。次にシリコン融液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徐々に引き上げることにより、種結晶の下端に大きな単結晶を成長させる。

次に、シリコンウェーハを作製する工程Ｓ１２では、シリコン単結晶インゴットをワイヤーソー等によりスライスした後、ラッピング、エッチング、鏡面研磨、洗浄等を行い、中間製品としてのバルクシリコンウェーハ（ポリッシュドウェーハ）を完成させる。こうして作製されたＣＺシリコンウェーハの酸素濃度は、７×１０^１７～１０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ASTM F-121, 1979）であることが好ましい。７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より濃度が低い場合にはバルク部に安定的な酸素析出物を高密度に発生させることができない。１０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より濃度が高い場合には表層部の酸素析出物を十分に低減することができない。

ここで、シリコンウェーハは、結晶起因パーティクル（ＣＯＰ）欠陥を実質的に含まない、いわゆるＣＯＰフリーウェーハであることが望ましい。すなわち、シリコンウェーハは、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域から切り出されたものであることが好ましい。ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）は、結晶学的に完全に配向した八面体の空洞であり、その内壁は通常、１～４ｎｍの厚さの酸化膜で覆われている。ＣＯＰ欠陥などの空孔関連の結晶欠陥は、表層部の酸素析出物と同様に、半導体デバイスに問題を引き起こす可能性がある。デバイスの問題の例としては、ゲート酸化物の完全性（ＧＯＩ）の低下や、ＰＮ接合での電流リークがある。これらの問題に対処するため、一部のデバイスアプリケーションでは、低欠陥結晶成長法を適用して、表面近くのデバイス領域の空孔欠陥の数を減らすことができる。結晶の引き上げ速度と結晶の冷却速度を変更すると、空孔欠陥レベルが低くなる可能性がある。これにより、空孔と格子間シリコン原子との再結合、空孔の凝集、及び酸素濃度の制御が可能になり、表面欠陥が減少する。ＣＯＰフリーウェーハにおいて、「実質的にＣＯＰを含まない」とは、空孔型点欠陥の凝集体からなるＣＯＰの密度が１×１０^５ｃｍ^－３以下であることを意味する。

シリコンウェーハを熱処理する工程Ｓ１３では、ウェーハは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）炉内で３段階の温度範囲の熱処理を行い、熱的に安定した酸素析出核を高密度に発生させる。ここで、「熱的に安定」という表現は、金属不純物のゲッタリングやウェーハ強度を維持するのに十分な密度をウェーハ出荷状態で有し、密度が顧客のデバイスでのその後の熱処理に影響されないことを意味する。また、「高密度」とは、少なくとも１×１０^９／ｃｍ^３以上、好ましくは約５×１０^９／ｃｍ^３以上の密度をいう。

図２は、シリコンウェーハを熱処理する工程Ｓ１３を説明するフローチャートである。図３は、熱処理中の温度変化を示すグラフであって、横軸は時間を表し、縦軸は加熱温度をそれぞれ示している。

図２及び図３に示すように、本発明の実施の形態によるシリコンウェーハの熱処理方法は、ＲＴＡ炉内でシリコンウェーハを第１温度Ｔ_１で加熱する第１熱処理Ｓ２１と、第１熱処理Ｓ２１の後に第１温度Ｔ_１よりも低い第２温度Ｔ_２でシリコンウェーハを加熱する第２熱処理Ｓ２２と、第２熱処理Ｓ２２の後に第２温度Ｔ_２よりも高い第３温度Ｔ_３でシリコンウェーハを加熱する第３熱処理Ｓ２３を含む。本実施形態において、第１～第３熱処理Ｓ２１～Ｓ２３は、同じＲＴＡ炉内で連続的に実施されることが好ましい。しかし、第１熱処理Ｓ２１をＲＴＡ炉で行った後、ＲＴＡ炉からウェーハを取り出して、別の熱処理装置で第２熱処理Ｓ２２及び第３熱処理Ｓ２３を行っても構わない。

第１熱処理Ｓ２１は、非酸化性雰囲気のＲＴＡ炉で行われる急速熱処理である。非酸化性雰囲気は、アンモニア又は窒素を含む不活性ガスであることが好ましく、不活性ガスはＡｒガスであることが好ましい。非酸化性雰囲気での高温熱処理では、ウェーハ内部に多数の空孔を導入することができ、これによりウェーハ内部の酸素析出核の密度を高めることができる。さらに、アンモニア又は窒素を含むＡｒガスを用いることによりウェーハ表面に窒化膜を形成し、窒化膜を通してウェーハ内部に空孔を導入することができ、これによりウェーハ内部の酸素析出核の密度を高めることができる。また、シリコンウェーハには結晶成長中に生成された微小な酸素析出核が存在するが、前述のような急速熱処理により、ウェーハの表層部の酸素析出核を低減することができる。

第１熱処理Ｓ２１における第１温度Ｔ_１は約１２１０℃～１２５０℃であることが好ましい。第１温度Ｔ_１が約１１８０℃より低いと表層部の酸素析出核を十分に低減できないからであり、第１温度Ｔ_１が約１２５０℃より高いとシリコンウェーハにスリップ転位が発生する確率が高くなるからである。室温等の待機温度Ｔ_０（３０）から第１温度Ｔ_１に切り替える際の昇温レート（３２）は、約１０℃／ｓｅｃ～５０℃／ｓｅｃであることが好ましい。

第１熱処理Ｓ２１における第１温度Ｔ_１の保持時間Ｈ_１は約１０～６０秒であることが好ましい。第１温度Ｔ_１の保持時間Ｈ_１が約１０秒より短い場合、表層部の酸素析出核の密度を十分に低減できないからであり、保持時間Ｈ_１が約６０秒を超えても空孔の数の増加が観察できないだけでなく、スリップ転位が発生する確率が高くなるからである。第１熱処理Ｓ２１により、表層部の酸素析出核を消滅させつつ、シリコンウェーハの内部に多数の空孔を導入することができる。

第２熱処理Ｓ２２は、第１熱処理Ｓ２１で熱処理されたシリコンウェーハを第１温度Ｔ_１よりも低い第２温度Ｔ_２で熱処理する。第２熱処理Ｓ２２は、第１熱処理Ｓ２１と異なり、アンモニア又は窒素を含まない非酸化性雰囲気中で行われることが好ましい。そのため、第１熱処理Ｓ２１の終了後にはＲＴＡ炉内の雰囲気ガスの置換が行われる。

第２熱処理Ｓ２２における第２温度Ｔ_２は約８００℃～９７５℃であることが好ましい。第２温度Ｔ_２が約８００℃未満の場合、熱的に安定した酸素析出核を発生させることができず、第２温度Ｔ_２が約９７５℃を超える場合、酸素析出核を高密度で生成できないからである。第１温度Ｔ_１から第２温度Ｔ_２に切り替える際の降温レート（３４）は約２０℃／ｓｅｃ～１２０℃／ｓｅｃであることが好ましい。

第２熱処理Ｓ２２における第２温度Ｔ_２の保持時間Ｈ_２は約２～１０分であることが好ましい。第２温度Ｔ_２の保持時間Ｈ_２が約２分より短い場合、酸素析出核を高密度に発生させることができず、保持時間Ｈ_２が約１０分を超えても酸素析出核密度が増加せずコストが増加するだけだからである。第２熱処理Ｓ２２により、シリコンウェーハの内部に酸素析出核を安定かつ高密度に発生させることができる。

第３熱処理Ｓ２３は、第２熱処理Ｓ２２で熱処理されたシリコンウェーハを第２温度Ｔ_２よりも高い第３温度Ｔ_３で熱処理する。第３熱処理Ｓ２３は、第２熱処理Ｓ２２と同様に、アンモニア又は窒素を含まない非酸化性雰囲気中で行われることが好ましい。

第３熱処理Ｓ２３における第３温度Ｔ_３は約１１５０℃～１２５０℃であることが好ましい。第３温度Ｔ_３が約１１５０℃より低い場合、酸素析出核を熱的に安定な状態にすることができず、第３温度Ｔ_３が約１２５０℃より高い場合、スリップ転位が発生する確率が高くなるからである。第２温度Ｔ_２から第３温度Ｔ_３に切り替える際の昇温レート（３６）は、約１０℃／ｓｅｃ～５０℃／ｓｅｃであることが好ましい。これにより、酸素析出核の密度を高めることができ、核をより熱的に安定させることができる。

第３熱処理Ｓ２３における第３温度Ｔ_３の保持時間Ｈ_３は約５～１５分であることが好ましい。第３温度Ｔ_３の保持時間Ｈ_３が約５分より短い場合、高密度の酸素析出核を定着させることができず、保持時間Ｈ_３が約１５分を超えても酸素析出核を安定化させる効果が特に増加することなくコストが増加するだけだからである。

第３熱処理Ｓ２３により、シリコンウェーハ中に形成された酸素析出核が安定化すると共に、ウェーハ内部の余分な空孔を外方拡散させて、顧客のその後の熱処理での余分な酸素析出物の発生を抑制することができる。さらにまた、第２熱処理で新たに形成したウェーハ表層部の酸素析出核を消滅させてウェーハの表面から３０μｍまでの表層部に発生する酸素析出物の密度をバルク部の１／１００以下に低減することができる。

図４（Ａ）～図４（Ｉ）は、第１～第３熱処理Ｓ２１～Ｓ２３の間に発生するシリコンウェーハ４０の変化を示す模式図である。図４（Ａ）に示すように、シリコンウェーハ４０中には結晶成長中に発生した多数の微小な酸素析出核４１が存在している。図４（Ｂ）に示すように、第１熱処理Ｓ２１の保持時間Ｈ_１の間では、微小な酸素析出核４１が消滅すると同時に、空孔４４及び格子間シリコン原子４５のフレンケル対４２の生成が起こると理解されている。追加の空孔４４は、Ｓｉ_３Ｎ_４層４３とシリコンウェーハ４０との界面からシリコンウェーハ４０の内部に移動する。この熱処理により、結晶成長中に発生した酸素析出核４１が消滅することによって、後工程で形成されるＤＺ４６における酸素析出核を十分に低減できることになる。

続いて、図４（Ｃ）に示すように、時刻ｔ_３とｔ_４の間の降温期間中には、格子間シリコン原子４５と空孔の一部４４ａの外方拡散、及びウェーハの上部ゾーン４０ａから下部ゾーン４０ｂへの空孔の一部４４ｂの移動が起こり、図４（Ｄ）に示すように酸素析出核密度が低いＤＺ４６が形成される。

次に、図４（Ｅ）に示すように、第２熱処理Ｓ２２の保持時間Ｈ_２の間には、空孔４４の結合から酸素析出核４７，４７ａが形成され、核は安定化のために十分に大きなサイズに達する。ただし、いくつかの空孔４４は残っている。図４（Ｆ）に示すように、第３熱処理Ｓ２３の保持時間Ｈ_３の間には、残りの空孔４４と小さな酸素析出核４７ａがさらに再結合し、より大きくより安定した酸素析出核４７になる。図４（Ｇ）に示すように、大きく安定した酸素析出核４７が形成され且つ好ましい幅を有するＤＺ４６が形成されることにより、最終的にはウェーハ表面から３０μｍ以内の表層部の酸素析出物密度を低減でき、且つ３０μｍよりもさらに深いバルク部には安定な酸素析出物を高密度に発生させることができる。図４（Ｈ）では、Ｓｉ_３Ｎ_４層４３がエッチング又は研磨によって除去されており、ＤＺ４６の最終的な形成が示されている。図４（Ｉ）に示すように、たとえウェーハがエピタキシャル層４８を有するように処理されたとしても、ＤＺ４６は維持され、酸素析出核４７の密度は減少しない。

図５は、光散乱トモグラフィを用いてシリコンウェーハの酸素析出物密度を測定する方法について図示した模式図である。

図５に示すように、シリコンウェーハ５０の酸素析出物はＢＭＤ（Bulk Micro defect）として観察することができる。シリコンウェーハ５０を劈開し、その表面（主面）５０ａから赤外レーザ光５１を入射し、劈開面５０ｂに沿って赤外レーザ光５１を移動させることにより、ＢＭＤ５１０を劈開方向にスキャンする。検査される材料は主にシリコンであるため、適切な赤外レーザ光をサンプルに集束させることでレイリー散乱光を収集することができる。ウェーハの劈開面５０ｂの撮影画像に現れる微小な点がＢＭＤ５２に相当し、所定の深さ領域内のＢＭＤ５２の個数を数えることにより、当該深さ領域内のＢＭＤ密度を算出することができる。ウェーハ表面５０ａは深さがゼロであると見なされ、ウェーハ表面５０ａから３０μｍ以内の表層部５３におけるＢＭＤ密度が表層ＢＭＤ密度として評価され、３０μｍよりもさらに深いバルク部５４におけるＢＭＤ密度、例えばウェーハ表面から５０～３００ｍｍがバルクＢＭＤ密度として評価される。

ＢＭＤ５２の密度は、劈開面５０ｂの撮影画面の横幅に相当するスキャン幅（標準条件１２５μｍ）と、赤外レーザ光のスポット径（標準条件８μｍ）に相当する奥行と、任意の深さ方向距離とで形成される直方体に含まれるＢＭＤ５２の数を直方体の体積で除することにより計算され、単位体積（ｃｍ^３）当たりのＢＭＤ５２の個数に相当する。スキャン幅を例えば３９８μｍまで広げることにより、ＢＭＤ密度の測定精度を高めることができる。ＢＭＤ密度の測定ではウェーハを劈開して破壊するので、あるウェーハバッチからのあるウェーハのテストに関連する特性は、当該ウェーハバッチ全体に当てはまるものとみなされる。

上記のように熱処理されたシリコンウェーハは、ＲＴＡ炉から取り出され、いわゆるアニールシリコンウェーハとして市場に出される。本実施形態によるシリコンウェーハの表面から３０μｍまでの表層部に発生する酸素析出物の密度は１．０×１０^７～１．０×１０^８ｃｍ^－３と低密度である。また、酸素析出物の層を指すＢＭＤ層は、堅牢である。ここでの堅牢性は、半導体集積回路の作製プロセス中の熱処理の範囲である、約１０００℃未満のより低い熱処理から約１０００℃以上のより高い熱処理への酸素析出物（ＢＭＤ）密度の変化を考慮する。すなわち、低温熱処理によってバルク部に生じる酸素析出物の平均密度（第１バルク密度ｄ_１）に対する高温熱処理によってバルク部に生じる酸素析出物の平均密度（第２バルク密度ｄ_２）の比（ｄ_２／ｄ_１）は０．７４～１．０２であり、熱処理による酸素析出物密度の変化は３０％以内である。シリコンウェーハが半導体デバイスの製造工程で所望の熱処理を受けた後でも、ウェーハ中の酸素析出物の平均密度は約４×１０^８～１×１０^１０／ｃｍ^３の範囲内にあり、この範囲の変動率は±３０％、より好ましくは±１５％、さらにより好ましくは±１０％の範囲、またさらにより好ましくは±５％の範囲内に留まる。このようにして、本実施形態によるシリコンウェーハは、顧客の熱処理に影響されない、熱的に安定な酸素析出核を高密度に含むため、ＢＣＤデバイスなどの半導体デバイスの品質と信頼性を向上させることができる。

第１～第３熱処理Ｓ２１～Ｓ２３を受けたシリコンウェーハの表面にはエピタキシャルシリコン膜が形成されてもよい。エピタキシャルシリコン膜を形成する場合、シリコンウェーハ（シリコン基板）は約１１５０℃の高温に晒されるため、シリコンウェーハ中の酸素析出核が熱的に不安定な場合には、デバイス熱処理後に酸素析出核が消滅し、酸素析出物密度が大幅に低下するおそれがある。しかし、本実施形態によれば、酸素析出核が熱的に安定なため酸素析出物密度の低下を抑制することができ、ゲッタリング能力及びウェーハ強度の低下を防止することができる。

ＢＣＤデバイス等のパワー半導体デバイス製造用のシリコンウェーハにはゲッタリング能力及びスリップ耐性の両方が求められ、そのようなウェーハ特性を満足するためには、少なくとも約４×１０^８／ｃｍ^３、好ましくは約１×１０^９／ｃｍ^３の酸素析出物が、デバイス熱処理後のシリコンウェーハ中に必要と考えられている。例えば、特開２０２１―１６８３８２号公報の技術で製造された従来のアニールシリコンウェーハであれば、デバイスプロセスの最初の段階でエピタキシャル成長プロセスのような高温熱処理があったとしても、約４×１０^８／ｃｍ^３以上の酸素析出物密度を確保することが可能である。しかしながら、デバイス形成領域が十分に確保できるほど、表層部の酸素析出物密度を低下させることができなかった。

しかしながら、本実施形態によるシリコンウェーハの製造方法は、約１２１０～１２５０℃の急熱急冷で結晶成長中に成長した酸素析出核（as grown核）を消滅させ、連続する約８００～９７５℃で約２～１０分の比較的長時間の熱処理によって、新たにウェーハ内部の微小な酸素析出核を生成、且つ、成長させることができる。ウェーハ内部に生成・成長した酸素析出核は熱的に安定となり、顧客の熱処理を受けたときそれがどのような熱処理かに関係なく、高密度の酸素析出物を発生させることができる。さらに、連続して約１１５０～１２５０℃の高温熱処理を約５～１５分間実施することにより、微小な酸素析出核をさらに安定させ、ウェーハ内部の余分な空孔を外方拡散させて酸素析出核密度のさらなる安定化と表層の酸素析出核密度の低下の両立を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

＜３段熱処理に対する予察＞
直径３００ｍｍ、面方位（１００）のｐ型シリコン単結晶インゴットをＣＺ法により育成した。そのシリコン単結晶インゴットをスライスすることで、ＣＺシリコンウェーハを作製した。続いて、ＣＺシリコンウェーハを熱処理して実施例Ａ１並びに比較例Ａ１～Ａ３によるアニールシリコンウェーハのサンプルを２枚作製した。

実施例Ａ１によるアニールシリコンウェーハの作製では、酸素濃度８×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３（ASTM F-121,1979）のシリコンウェーハ（ＣＺシリコンウェーハ）を使用し、ＲＴＡ装置を用いて第１熱処理（高温１）→第２熱処理（低温）→第３熱処理（高温２）を順に行う３段階の熱処理ステップを実施した。詳細には、室温投入→５０℃／ｓｅｃで昇温→１２５０℃を１０秒間保持→７０℃／ｓｅｃで降温→９００℃を５分間保持→５０℃／ｓｅｃで昇温→１２００℃を５分間保持→１０℃／ｓｅｃで降温→室温取り出しを実施した。第１熱処理中の雰囲気ガスにはアンモニアを含むＡｒガスを用い、第２熱処理及び第３熱処理中の雰囲気ガスにはアンモニアを含まないＡｒガスを用いた。こうして、実施例Ａ１によるアニールシリコンウェーハのサンプルを得た。

比較例Ａ１によるアニールシリコンウェーハの作製では、第１熱処理の温度を１１５０℃とした点以外は実施例Ａ１と同一条件下で熱処理を行った。こうして、比較例Ａ１によるアニールシリコンウェーハのサンプルを得た。

比較例Ａ２によるアニールシリコンウェーハの作製では、第３熱処理の温度を１０００℃、その保持時間を１分とした点以外は実施例Ａ１と同一条件下で熱処理を行った。

比較例Ａ３によるアニールシリコンウェーハの作製では、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３（ASTM F-121,1979）のシリコンウェーハを使用し、第１熱処理の温度を１１５０℃とし、第３熱処理の温度を１０００℃、その保持時間を１分とした点以外は実施例Ａ１と同一条件下で熱処理を行った。

実施例Ａ１、比較例Ａ１～Ａ３の熱処理条件をまとめたものを表１に示す。

次に、各アニールシリコンウェーハの２枚のサンプルの一方に対してデバイスプロセス初期の熱履歴を想定した熱処理と酸素析出核を顕在化させる熱処理の組み合わせ（第１評価熱処理）を施し、他方のサンプルに対してエピタキシャル膜形成プロセスを模擬した熱処理と酸素析出核を顕在化させる熱処理の組み合わせ（第２評価熱処理）を施した。第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の低温熱処理及び９５０℃で１６時間の可視化熱処理を順に行う２段階の熱処理とした。また、第２評価熱処理は、１１５０℃で２分の高温熱処理及び１０００℃で１６時間の可視化熱処理を順に行う２段階の熱処理とした。

図６は、製造されたシリコンウェーハの安定性及び均一性を決定するための評価手順の概略図である。

図６に示すように、評価対象のシリコンウェーハ７１は劈開され、２つの部分に分割される。Ａ部分７２は低温熱処理７４及び析出物可視化熱処理７６を順に受け、またＢ部分７３は高温熱処理７５及び析出物可視化熱処理７６を順に受ける。あるいは、２つのウェーハがバッチ全体に関連する特性を表すものとして、準備されたウェーハバッチからの２枚のウェーハを使用してもよい。次に、ウェーハ部分のそれぞれをＨＦ処理７７して表面から酸化膜を除去し、次に光散乱トモグラフィ７８を使用して、それらの酸素析出物密度分布を決定する。このようにして、２つの部分のそれぞれの酸素析出物を評価して、ウェーハの安定性、すなわち、異なる温度及び異なる保持時間で評価熱処理を受けた各部分の結果として生じるＢＭＤ密度の比を決定することができる。以上の評価手順は破壊的であるため、あるウェーハバッチからのあるウェーハのテストに関連する特性は、当該ウェーハバッチ全体に帰するものとして差し支えない。

次に、評価熱処理後の各サンプルについて約５ｍｍ間隔（３０測定点）でウェーハの中心から端まで任意の半径方向で、表層３０μｍのＢＭＤ密度と表層３０μｍよりも深いバルク部のＢＭＤ密度をそれぞれ赤外散乱トモグラフィ装置により測定し、平均値を求めた。赤外散乱トモグラフィ装置の赤外レーザ光の直径は標準条件の８ｍｍ、測定点１点当たりの測定範囲（スキャン幅）は表層ＢＭＤ密度を出来るだけ正確に測定するため標準条件よりも広い３９８μｍとした。また、安定性の指標として第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度（第１バルク密度ｄ_１）に対する第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度（第２バルク密度ｄ_２）の比（ＢＭＤ密度比ｄ_２／ｄ_１）を求めた。さらに均一性の指標として半径方向に測定した３０点のバルクＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎを用いた。評価結果を表２に示す。

（実施例Ａ１）
実施例Ａ１では、第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度は６．６×１０^９ｃｍ^－３、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度は６．５×１０^９ｃｍ^－３となり、バルクＢＭＤ密度比は０．９８となった。二つの評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度にほとんど差は無く、非常に安定していることを確認した。また、第１評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は２．１×１０^７ｃｍ^－３、第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度も２．１×１０^７ｃｍ^－３となり、バルクＢＭＤ密度と比較して二桁以上低いＢＭＤ密度であることを確認した。ＢＭＤ密度の均一性についてもウェーハ径方向におけるＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）がほぼ１（２以下）であり、良好であることを確認した。

（比較例Ａ１）
比較例Ａ１では、第１評価熱処理後のＢＭＤ密度は９．３×１０^８ｃｍ^－３、第２評価熱処理後のＢＭＤ密度も９．３×１０^８ｃｍ^－３となり、バルクＢＭＤ密度比は１．００となった。このように、評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度は非常に安定していることを確認した。また、ＢＭＤ密度の均一性についてもウェーハ径方向におけるＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）がほぼ１（２以下）であり、良好であることが確認した。しかし、表層ＢＭＤ密度については、第１評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は６．１×１０^８ｃｍ^－３、第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は５．８×１０^８ｃｍ^－３となり、表層ＢＭＤ密度の増加が見られた。これは、第１熱処理の温度が低かったため、結晶育成段階で生成した酸素析出物の消滅効果が十分に得られなかったためと考えられる。

（比較例Ａ２）
比較例Ａ２では、第１評価熱処理後のＢＭＤ密度は６．５×１０^９ｃｍ^－３、第２評価熱処理後のＢＭＤ密度は２．１×１０^８ｃｍ^－３となり、バルクＢＭＤ密度比は０．０３となった。このように、第３熱処理の温度が低く且つ短時間の場合には、酸素析出核の結合が不十分なため、エピタキシャル膜形成プロセスを模擬した１１５０℃で２分の高温熱処理を含む第２評価熱処理後のＢＭＤ密度が低下することを確認した。また、第２評価熱処理後のＢＭＤ密度の低下に伴い、ＢＭＤ密度の均一性も悪化した。表層ＢＭＤ密度については、第１評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度及び第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は共に２．１×１０^７ｃｍ^－３となり、１０^７ｃｍ^－３レベルの低い密度となった。

（比較例Ａ３）
比較例Ａ３では酸素濃度が高いため、安定かつ均一性の良いバルクＢＭＤ密度を確保できた。一方で、第１評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は７．０×１０^８ｃｍ^－３、第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度は６．５×１０^８ｃｍ^－３となり、表層ＢＭＤ密度の増加が見られた。

＜第１熱処理ステップの評価＞
第１熱処理ステップにおける加熱条件の違いが、評価熱処理後のシリコンウェーハのＢＭＤ密度の安定性及び均一性にどのような影響を与えるかを評価した。使用するシリコンウェーハの酸素濃度は８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、第２熱処理及び第３熱処理は共通の条件とした。具体的には、第２熱処理はＡｒ雰囲気中で行う９００℃で５分間の低温保持とした。第３熱処理はＡｒ雰囲気中で行う１２００℃で５分間の高温保持とした。

実施例Ｂ１、Ｂ２及び比較例Ｂ１では、第１熱処理の温度をいずれも１２１０℃とし、その保持時間をそれぞれ、２０秒、６０秒、１０秒とした。実施例Ｂ３、Ｂ４では、第１熱処理の温度をいずれも１２５０℃とし、その保持時間をそれぞれ、１０秒、６０秒とした。実施例Ｂ１～Ｂ４並びに比較例Ｂ１による熱処理条件をまとめたものを表３に示す。また評価結果を表４に示す。

表４に示すように、バルクＢＭＤ密度の安定性に関しては、実施例Ｂ１～Ｂ４並びに比較例Ｂ１では、第１及び第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が１０^９ｃｍ^－３レベルとなり、ＢＭＤ密度比も０．９０～１．０２の範囲内となった。すなわち、その後の第１及び第２評価熱処理の違いよらず、バルクＢＭＤ密度が安定していることが確認された。

一方、表層ＢＭＤ密度に関しては、実施例Ｂ１～Ｂ４では、第１及び第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度が１０^７ｃｍ^－３レベルの低い密度となったが、比較例Ｂ１では、第１及び第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度が１０^８ｃｍ^－３レベルの高い密度となった。すなわち、第１熱処理条件が不十分な場合には、表層部の外方拡散効果が不十分となり表層ＢＭＤ密度が十分に低下しないことが確認された。

バルクＢＭＤ密度の均一性に関しては、実施例Ｂ１～Ｂ４並びに比較例Ｂ１のいずれも、ウェーハ径方向のバルクＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）が２未満であり、バルクＢＭＤ密度の面内均一性の悪化は見られなかった。

＜第２熱処理ステップの評価＞
第２熱処理ステップにおける加熱条件の違いが、評価熱処理後のシリコンウェーハのＢＭＤ密度の安定性及び均一性にどのような影響を与えるかを評価した。使用するバルクシリコンウェーハの酸素濃度は８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、第１熱処理及び第３熱処理は共通の条件とした。具体的には、第１熱処理はＮＨ_３を含むＡｒ雰囲気中で行う１２５０℃で１０秒間の高温ＲＴＡとした。第３熱処理はＡｒ雰囲気中で行う１２００℃で５分間の高温保持とした。

実施例Ｃ１、Ｃ２及び比較例Ｃ５では、第２熱処理の温度をいずれも８００℃とし、その保持時間をそれぞれ、２分、１０分、１分とした。実施例Ｃ３、Ｃ４及び比較例Ｃ６では、第２熱処理の温度をいずれも９００℃とし、その保持時間をそれぞれ、２分、１０分、１分とした。実施例Ｃ５、Ｃ６では、第２熱処理の温度をいずれも９７５℃とし、その保持時間をそれぞれ、５分、１０分とした。比較例Ｃ１、Ｃ２では、第２熱処理の温度をいずれも７７５℃とし、その保持時間をそれぞれ、２分、１０分とした。比較例Ｃ３、Ｃ４では、第２熱処理の温度をいずれも７７５℃とし、その保持時間をそれぞれ、２分、１０分とした。実施例Ｃ１～Ｃ６並びに比較例Ｃ１～Ｃ６による熱処理条件をまとめたものを表５に示す。また評価結果を表６に示す。

表６に示すように、バルクＢＭＤ密度の安定性に関しては、実施例Ｃ１～Ｃ６では、第１及び第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が１０^９ｃｍ^－３レベルとなり、ＢＭＤ密度比も０．７４～０．９５の範囲内となった。すなわち、その後の評価熱処理条件の違いよらず、バルクＢＭＤ密度が概ね安定していることが確認された。

これに対し、比較例Ｃ１～Ｃ６では、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度と比べて小さくなり、バルクＢＭＤ密度比は０．５を下回る結果となった。第２熱処理の温度が低すぎる場合や高すぎる場合には、バルク部のＢＭＤ核が成長せず、第２評価熱処理を受けることによって消滅したものと考えられる。また、第２熱処理の温度が適切であったとしてもその保持時間が短すぎる場合には、やはりバルク部のＢＭＤ核が成長せず、エピタキシャル膜形成プロセスを模擬した熱処理を含む第２評価熱処理を受けることによって消滅するものと考えられる。

表層ＢＭＤ密度に関しては、実施例Ｃ１～Ｃ６並びに比較例Ｃ１～Ｃ６のいずれも、第１及び第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度が１０^７ｃｍ^－３レベルの低い密度となった。すなわち、その後に受ける熱処理の条件の違いによらず、表層ＢＭＤ密度が低密度で安定していることが確認された。

バルクＢＭＤ密度の均一性に関しては、バルクＢＭＤ密度の安定性の評価と同様に、実施例Ｃ１～Ｃ６については良好な結果となったが、比較例Ｃ１～Ｃ６については、バルクＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）が２よりも大きくなり、バルクＢＭＤ密度の均一性の悪化が見られた。酸素析出核が十分に安定化されなかったと考えられる。

＜第３熱処理ステップの評価＞
第３熱処理ステップにおける加熱条件の違いが、評価熱処理後のシリコンウェーハのＢＭＤ密度の安定性及び均一性にどのような影響を与えるかを評価した。使用するシリコンウェーハの酸素濃度は８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、第１熱処理及び第２熱処理は共通の条件とした。具体的には、第１熱処理はＮＨ_３を含むＡｒ雰囲気中で行う１２５０℃で１０秒間の高温ＲＴＡとした。第２熱処理はＡｒ雰囲気中で行う９００℃で５分間の低温保持とした。

実施例Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３では、第３熱処理の温度をいずれも１１５０℃とし、その保持時間をそれぞれ、５分、１０分、１５分とした。実施例Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６では、第３熱処理の温度をいずれも１２００℃とし、その保持時間をそれぞれ、５分、１０分、１５分とした。実施例Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９では、第３熱処理の温度をいずれも１２５０℃とし、その保持時間をそれぞれ、５分、１０分、１５分とした。比較例Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３では、第３熱処理の温度をいずれも１１４０℃とし、その保持時間をそれぞれ、５分、１０分、１５分とした。実施例Ｄ１～Ｄ６並びに比較例Ｄ１～Ｄ６による熱処理条件をまとめたものを表７に示す。また評価結果を表８に示す。

表８に示すように、バルクＢＭＤ密度の安定性に関して、実施例Ｄ１～Ｄ９では、第１及び第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が１０^９ｃｍ^－３レベルとなり、ＢＭＤ密度比も０．９４～１．００の範囲内となった。すなわち、その後の第１及び第２評価熱処理の違いよらず、バルクＢＭＤ密度が安定していることが確認された。

これに対し、比較例Ｄ１～Ｄ３では、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度と比べて小さくなり、バルクＢＭＤ密度比は０．５を大幅に下回る結果となった。第３熱処理の温度が低すぎる場合には、バルク部のＢＭＤ核が成長せず、エピタキシャル膜形成プロセスを模擬した熱処理を含む第２評価熱処理を受けることによって消滅したものと考えられる。

表層ＢＭＤ密度に関しては、実施例Ｄ１～Ｄ９並びに比較例Ｄ１～Ｄ３のいずれも、第１及び第２評価熱処理後の表層ＢＭＤ密度が１０^７ｃｍ^－３レベルの低い密度となった。

バルクＢＭＤ密度の均一性に関しては、バルクＢＭＤ密度の安定性の評価と異なり、実施例Ｄ１～Ｄ９のみならず、比較例Ｄ１～Ｄ３についても良好な結果となった。すなわち、バルクＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）が２以下となり、バルクＢＭＤ密度の面内均一性は良好であった。

＜シリコンウェーハの酸素濃度の評価＞
シリコンウェーハの酸素濃度の違いが、３段階の熱処理及び評価熱処理後のシリコンウェーハのＢＭＤ密度の安定性及び均一性にどのような影響を与えるかを評価した。実施例Ｅ１では、酸素濃度が７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の低酸素バルクシリコンウェーハを使用した。実施例Ｅ２では、酸素濃度が１０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のバルクシリコンウェーハを使用した。比較例Ｅ１では、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のバルクシリコンウェーハを使用した。比較例Ｅ２では、酸素濃度が６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の低酸素バルクシリコンウェーハを使用した。３段階の熱処理では、各バルクシリコンウェーハに対して、第１熱処理を１２５０℃で１０秒間、第２熱処理を９００℃で５分間、第３熱処理を１２００℃で５分間行った。実施例Ｅ１、Ｅ２並びに比較例Ｅ１、Ｅ２による酸素濃度の違いをまとめたものを表９に示す。また評価結果を表１０に示す。

表１０に示すように、実施例Ｅ１、Ｅ２では、バルクＢＭＤ密度及び表層ＢＭＤ密度は良好であった。

一方、酸素濃度が１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のバルクシリコンウェーハを使用した比較例Ｅ１では、バルクＢＭＤ密度は良好であったが、表層ＢＭＤ密度が高くなった。バルクＢＭＤ密度の面内均一性は良好であった。

酸素濃度が６×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のシリコンウェーハを使用した比較例Ｅ２では、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度が第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度と比べて小さくなり、バルクＢＭＤ密度比は０．５を下回る結果となった。バルクＢＭＤ密度の均一性に関しては、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度の最小値ｄ_ｍｉｎに対する最大値ｄ_ｍａｘの比（ｄ_ｍａｘ／ｄ_ｍｉｎ）が１３．３となり、バルクＢＭＤ密度の安定性の評価と同様に、第２評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度の面内均一性の著しい悪化が見られた。第１評価熱処理後のバルクＢＭＤ密度の面内均一性は良好であった。表層ＢＭＤ密度に関しては、第１及び第２評価熱処理後の表層部にＢＭＤが観察されない極めて良好な結果となった。

＜エピタキシャル成長による影響の評価＞
３段階の熱処理を行って製造したウェーハにエピタキシャル膜を形成して、エピタキシャル成長後のＢＭＤ密度の安定性を確認した。表１１に示すように、実施例Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３はいずれも成長温度を１０５０℃とし、保持時間をそれぞれ、１分、２分、５分とした。実施例Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６はいずれも成長温度を１１５０℃とし、保持時間をそれぞれ、１分、２分、５分とした。得られたエピタキシャル膜の厚さは、実施例Ｆ１、Ｆ４で２μｍ、実施例Ｆ２、Ｆ５で４μｍ、実施例Ｆ３、Ｆ６で１０μｍであった。

エピタキシャル成長後の評価熱処理のうち第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の低温熱処理及び９５０℃で１６時間の可視化熱処理を順に行う２段階の熱処理とした。第２評価熱処理は、エピタキシャル膜形成プロセスを模擬した１１５０℃で２分の高温熱処理を省略して１０００℃で１６時間の可視化熱処理のみとした。評価結果を表１２に示す。

表１２に示すように、いずれのエピタキシャル成長条件下でも、バルクＢＭＤ密度の安定性及び均一性並びに表層ＢＭＤ密度の均一性は良好であり、３段階の熱処理を行って製造されたシリコンウェーハに対してエピタキシャル成長を行ってもバルクＢＭＤ密度が低下しないことが確認された。

Ｓ１１ シリコン単結晶インゴットを製造する工程
Ｓ１２ シリコンウェーハを作製する工程
Ｓ１３ シリコンウェーハを熱処理する工程
Ｓ２１ 第１熱処理ステップ
Ｓ２２ 第２熱処理ステップ
Ｓ２３ 第３熱処理ステップ
３０ 待機温度
３２ 昇温
３４ 降温
３６ 昇温
４０ シリコンウェーハ
４０ａ 上部ゾーン
４０ｂ 下部ゾーン
４１ 微小な酸素析出核（結晶成長中に発生）
４２ フレンケル対
４３ Ｓｉ_３Ｎ_４層
４４、４４ａ、４４ｂ 空孔
４５ 格子間シリコン原子
４６ ＤＺ
４７ 酸素析出核
４７ａ 小さな酸素析出核
４８ エピタキシャル層
５０ シリコンウェーハ
５０ａ ウェーハ表面（主面）
５０ｂ 劈開面
５１ 赤外レーザ光
５２ ＢＭＤ（酸素析出物）
５３ 表層部
５４ バルク部
７１ シリコンウェーハ
７２ ウェーハのＡ部分
７３ ウェーハのＢ部分
７４ 低温熱処理
７５ 高温熱処理
７６ 析出物可視化熱処理
７７ ＨＦ処理
７８ 光散乱トモグラフィ

Claims (12)

1. 表面から深さ３０μｍまでの表層部と、
   前記表層部よりも深いバルク部とを有し、
   第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^７～１．０×１０^８ｃｍ^－３であり、
   前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^９～７．０×１０^９ｃｍ^－３であり、
   前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第１バルク密度とし、第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第２バルク密度とするとき、前記第１バルク密度に対する前記第２バルク密度の比が０．７４～１．０２の範囲内にあり、
   前記第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の熱処理の後に可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、
   前記第２評価熱処理は、１１５０℃で２分間の熱処理の後に前記可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、
   前記可視化熱処理は、９５０～１０００℃で１６時間の熱処理であることを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比及び前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が共に２以下である、請求項１に記載のシリコンウェーハ。
3. 前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が１．３０以下であり、前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が１．３２以下である、請求項１に記載のシリコンウェーハ。
4. 前記第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の平均密度及び前記第２評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の平均密度が共に２．１×１０^７ｃｍ^－３以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
5. シリコン基板と、
   前記シリコン基板の表面に形成されたエピタキシャルシリコン膜を備え、
   前記シリコン基板は、表面から深さ３０μｍまでの表層部と、前記表層部よりも深いバルク部とを有し、
   第１評価熱処理によって前記表層部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^７～１．０×１０^８ｃｍ^－３であり、
   前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度が１．０×１０^９～７．０×１０^９ｃｍ^－３であり、
   前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第１バルク密度とし、第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の平均密度を第２バルク密度とするとき、前記第１バルク密度に対する前記第２バルク密度の比が０．９８～１．０２の範囲内にあり、
   前記第１評価熱処理は、７８０℃で３時間の熱処理の後に可視化熱処理を実施する２段階の熱処理であり、
   前記第２評価熱処理は、前記可視化熱処理であり、
   前記可視化熱処理は、９５０～１０００℃で１６時間の熱処理であることを特徴とするシリコンウェーハ。
6. 前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比及び前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が共に２以下である、請求項５に記載のシリコンウェーハ。
7. 前記第１評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が１．２９以下であり、前記第２評価熱処理によって前記バルク部に生じる酸素析出物の密度の最小値に対する最大値の比が１．３５以下である、請求項６に記載のシリコンウェーハ。
8. 酸素濃度が７×１０^１７～１０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ASTM F-121, 1979）であるシリコンウェーハを第１温度で加熱する第１熱処理ステップと、
   前記第１熱処理ステップの後に前記シリコンウェーハを前記第１温度よりも低い第２温度で加熱する第２熱処理ステップと、
   前記第２熱処理ステップの後に前記シリコンウェーハを前記第２温度よりも高い第３温度で加熱する第３熱処理ステップを含み、
   前記第１温度は１２１０～１２５０℃、前記第１温度の保持時間は１０～６０秒であり、
   前記第２温度は８００～９７５℃、前記第２温度の保持時間は２～１０分であり、
   前記第３温度は１１５０～１２５０℃、前記第３温度の保持時間は５～１５分であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
9. 前記第１熱処理ステップは、アンモニア又は窒素を含む非酸化性雰囲気中で行い、
   前記第２及び第３熱処理ステップは、アンモニア又は窒素を含まない非酸化性雰囲気中で行う、請求項８に記載のシリコンウェーハの製造方法。
10. 前記第１温度への昇温レート及び前記第２温度から前記第３温度への昇温レートは１０～５０℃／秒である、請求項８又は９に記載のシリコンウェーハの製造方法。
11. 前記第１温度から前記第２温度への降温レートは２０～１２０℃／秒である、請求項８又は９に記載のシリコンウェーハの製造方法。
12. 前記第１熱処理ステップで熱処理される前の前記シリコンウェーハは、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域から切り出されたものである、請求項８又は９に記載のシリコンウェーハの製造方法。

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