JP2626502B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウェハから形成さ
れる半導体装置とその製造方法に関し、特にその機械的
な強度の向上を図った半導体装置及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体装置の製造工程には様々な
熱処理工程が導入されている。例えば酸化膜を形成する
ためには１０００℃程度の酸化性雰囲気での熱処理を行
い、不純物の拡散には１０００℃以上の不活性雰囲気で
の熱処理をシリコンウェハに対して行っている。ところ
が、このような熱処理を行うと、大きな熱応力が加わる
熱処理であった場合、シリコンウェハには結晶欠陥（例
えば、スリップ転移）が発生することが知られている。
このような結晶欠陥は、特にシリコンウェハの周辺部に
発生し易く、このスリップ転移が半導体素子が形成され
ている領域にまで達した場合には、その半導体素子の特
性劣化を生じることも知られている。このため、シリコ
ンウェハ周辺部の素子は半導体不良になり易い傾向があ
る。

【０００３】従来から、このような結晶欠陥の発生を防
ぐ方法として次の二つの方法が考えられている。その一
つはシリコンウェハの昇温，降温時に生ずるシリコンウ
ェハ面内の熱応力を小さくする方法であり、他の一つは
シリコンウェハの機械的強度を大きくする方法である。
ここで機械的強度を大きくするということは転移の発
生、増殖を抑制する効果を与えることである。前者のシ
リコンウェハ面内の熱応力を小さくするためには、シリ
コンウェハ面内温度の均一性を向上すれば良く、一般的
には比較的低温（８００℃〜９００℃）にした炉内にシ
リコンウェハを挿入し、次いで、炉の温度を上昇させる
ランピング法が採られている。しかしこのランピング法
では低温での熱処理時間が増加するためにシリコンウェ
ハに存在する酸素原子が酸化シリコンとして析出し易く
なり、このことが逆に析出による結晶欠陥を誘発する原
因となることがある。

【０００４】後者の機械的強度を高める方法としては、
次の二つの方法が知られている。 （１）シリコンウェハの結晶格子間に存在する酸素は転
移を固着させる作用があるので、高濃度の格子間酸素を
含む結晶を育成する方法。 （２）シリコン結晶中に特定の不純物をドーピングする
方法。 これらのうち、（１）の方法は高濃度に含有させると酸
素が酸化シリコンとして析出し、逆に結晶欠陥を誘発し
機械的強度を低下させる恐れがある。このため機械的強
度を向上させ、かつ過剰な析出を伴わない適切な酸素濃
度を採用する必要がある。この酸素濃度の制御は極めて
難しく、酸素による固着効果も大きくないため、大きな
効果は期待できない。

【０００５】また、（２）の不純物のドーピングに関し
てはゲルマニウムと窒素が有効であることが知られてい
る。しかしながらゲルマニウムの場合、ドープしたゲル
マニウムが結晶成長時に偏析して、シリコン結晶中でゲ
ルマニウム濃度が不均一に分布し、所要の濃度が得られ
ず転移が依然として発生し易いという問題がある。一方
窒素をドーピングする場合には、結晶育成中に窒素をド
ープする方法がある。窒素による転移の固着力は同一濃
度の酸素による転移の固着力と比較して約１００倍の強
さがあり、また、このドープ法により均一にドープされ
る。ただしＣＺ法で結晶を育成する場合には、この方法
は多結晶化し易い傾向があり、実用化は難しい。

【０００６】このため、結晶を育成した後に窒素を拡散
してドープする方法が考えられている。これはスリップ
転移が発生するのは基板周辺部であり、熱処理により、
基板周辺部に窒素を拡散させた領域を形成し機械的強度
を高める方法である。例えば、その一例として特開平２
−１１４５３４号公報に開示されたものがある。この方
法は、図７（ａ）に示すように、ＣＺ法で成長したシリ
コンインゴットを研削して円柱状にしたシリコンインゴ
ット２１に表面処理を施した後、図７（ｂ）のように高
温で数時間の熱処理により表面から窒素を拡散させて窒
素拡散層２２を形成する。その後、図７（ｃ）に示すよ
うに、インゴット２１をスライシングし、鏡面加工を施
してシリコンウエハ２１′を形成する方法である。形成
されたシリコンウェハ２１′はその周縁に沿って窒素拡
散領域２２′が形成されることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この公
報に開示されている方法では、結晶育成後のインゴット
自体に熱処理を施して窒素をインゴット表面に拡散させ
ているが、単に窒素を熱拡散するのみでは、窒素の拡散
係数が大きいためにインゴットに供給した窒素が大気中
に再び逸散し易く、高濃度な窒素添加領域を形成するこ
とが難しいという問題がある。また、熱処理による窒素
の拡散では、窒素を拡散させる領域とその拡散濃度の制
御が難しく、表面の所定の深さまで窒素を拡散させたイ
ンゴット、即ち周縁の所定領域に所要の濃度で窒素を拡
散させたシリコンウェハを得ることが難しいという問題
もある。本発明の目的は、周縁の所定領域に所要の濃度
で窒素を拡散させて機械的な強度を高めた半導体装置を
提供することにある。また、本発明の他の目的は、周縁
の所定領域に所定の濃度で窒素を拡散させた半導体装置
の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
シリコンウェハの周縁領域には、シリコンウェハ中心部
から｛１１１｝面の法線ベクトルのウェハ面上への正射
影方向に対して±π／１６の角度範囲の領域に窒素が拡
散された構成とする。一方、本発明の半導体装置の製造
方法は、シリコンウエハ周縁領域の、シリコンウェハ中
心部から｛１１１｝面の法線ベクトルのウェハ面上への
正射影方向に対して±π／１６の角度範囲のシリコンウ
ェハの周縁領域を除く領域をマスキングし、マスキング
されなかった領域に窒素をイオン注入し、かつ窒素を拡
散させる熱処理工程とを含んでいる。

【０００９】

【実施例】次に本発明を図面を参照して説明する。図１
は本発明の前提となる構成のシリコンウェハの模式的な
平面図であり、例えばＣＺ法で形成した円柱状のシリコ
ンインゴットをスライスして円板状に形成し、その周縁
部の角を丸く削り、かつその表面を鏡面に研磨したシリ
コンウェハとして形成してある。そして、このシリコン
ウェハ１の周縁に沿った環状の領域に窒素イオンを導入
して窒素イオン拡散領域５を形成してある。ここで、窒
素イオンの拡散領域５は、シリコンウェハ１の周縁から
中心方向に向けて５ｍｍの幅の領域である。また、導入
された窒素イオンの注入量は１Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｃ
である。

【００１０】図２は図１のシリコンウェハの製造方法を
工程順に示しており、特に図１のＡ−Ａ線に相当する部
分の拡大断面図である。先ず、図２（ａ）のように、シ
リコンウェハ１の表面にフォトレジスト２を塗付する。
その後、図２（ｂ）のように、前記フォトレジスト２を
露光、現像し、シリコンウェハ１の周縁に沿って、周縁
から中心方向に５ｍｍの範囲の環状の領域のフォトレジ
スト２を除去する。次に図２（ｃ）のように、前記フォ
トレジスト２をマスクにしてシリコンウェハの表面に窒
素イオン３をイオン注入法により導入し、窒素イオン導
入領域４を形成する。このときの窒素イオンの注入量は
１Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上が望ましい。その後、図
２（ｄ）に示すように熱処理を実施し、シリコンウエハ
の周縁部の約５ｍｍの幅の領域に窒素イオン拡散領域５
を形成する。

【００１１】このように構成されたシリコンウェハに対
し本発明者が検討を加えた結果を図３及び図４に示す。
図３はシリコンウエハのスリップ率と窒素イオン注入量
の関係を示す。スリップ率とはウエハを幾つかのセルに
分割したときに、全セル数に対するスリップ転移がかか
っているセル数の比で定義している。これから窒素イオ
ンの注入量が１Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上になるとス
リップ率を低減できることが判る。これは１Ｅ１５ａｔ
ｏｍｓ／ｃｃ以下では窒素の逸散により、実効的な窒素
濃度が低下し、スリップ転位の固着効果が低下するため
と考えられる。したがって、これよりも窒素イオンの注
入量を大きくすればよいが、窒素の固溶限度は６Ｅ１９
ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、これ以上の注入は効果が無
い。また、図４はスリップ率と窒素イオンの注入領域と
の関係を示す図であり、少なくともシリコンウェハの周
縁から５ｍｍまで窒素イオンの注入領域を確保すること
により、スリップ転移に対する機械的強度を高めること
ができることが判る。

【００１２】なお、窒素イオンの注入に際しては、温度
と時間の関係でシリコンウェハに対して前記した注入量
での注入が制御できる。即ち、高温におけるシリコン結
晶への窒素の拡散係数は極めて大きく、例えば加熱温度
１２００℃では約１Ｅ−６ｃｍ−２／秒になる（応用物
理学会予稿集１９８７秋−１、Ｐ２４１参照）。そのた
め、１２００℃で１時間の熱処理を行うと、窒素は２√
（Ｄｔ）＝２√（１Ｅ−６×３６００）＝１ｍｍ（ただ
し、Ｄ：窒素の拡散係数、ｔ：拡散時間）の深さまで拡
散させることができる。一般的な６インチ径のシリコン
ウェハの厚さは約０．６ｍｍであることから、この程度
の熱処理を窒素イオンを注入したシリコンウェハに加え
ることにより、周縁領域に所定の量の窒素イオンを拡散
させた領域を形成することが可能となる。

【００１３】図５は本発明の実施例のシリコンウェハの
模式的な平面図である。図５（ａ）は〔１００〕結晶方
位を持つシリコンウェハ１１においては、シリコンの滑
り面が（１１１）であるために、オリエンテーションフ
ラットの方向を〔０１１〕にした場合、図の斜線領域が
機械的に弱くスリップ転位が入り易い。そのため、ウエ
ハ中心部から｛１１１｝面の法線ベクトルのシリコンウ
エハ面上の正射影方向に対して、それぞれ±π／１６の
広がり、即ちπ／８の広がりを持つ領域に窒素イオンを
注入して窒素イオン拡散領域１２を形成し、これらの領
域の強度を部分的に高めるようにしてもよい。この場合
には、図２に示した製造方法において、マスクとしての
フォトレジストを図５（ａ）のようなパターンに形成し
て窒素イオンの注入を行えばよい。図６に図５（ａ）の
シリコンウェハにおける窒素注入領域の中心からの広が
り角度とスリップ率の関係を示す。スリップを低減させ
るには、少なくとも広がり角度でπ／８が必要であるこ
とが判る。

【００１４】なお、図５（ｂ）には〔１１１〕結晶方位
を持つ基板の場合を示す。この場合でもウエハ中心部か
ら｛１１１｝面の法線ベクトルのシリコンウエハ１１面
上の正射影方向に対して、それぞれ±π／１６の広が
り、即ちπ／８の広がりを持つ領域に窒素イオンを注入
して窒素イオン拡散領域１３を形成し、これらの領域の
強度を部分的に高めている。これら図５に示すシリコン
ウェハでは、周縁の選択された領域にのみ窒素イオンを
注入するのみであるため、シリコンウェハに対する窒素
イオンの注入領域を最小限に留めることになり、シリコ
ンウェハに形成される半導体素子への窒素の影響を抑え
ることが可能になる。

【００１５】ここで、本発明は半導体素子を形成する前
の未処理のシリコンウエハの状態で窒素のイオン注入を
行うことを前提としているが、半導体素子プロセスとの
共用も可能である。例えば、最も高温の熱処理を行い、
熱応力がかかると考えられるウエルドライブインの工程
の前に窒素イオンを注入し、ドライブイン熱処理で窒素
拡散領域を形成することも可能である。また、大きな熱
応力がかかると考えられる熱処理の前に随時窒素イオン
を注入することにより、逸散した窒素分を補い、シリコ
ンウェハの機械的強度を継続的に高めることも可能であ
る。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、シリコン
ウェハの中心部から｛１１１｝面の法線ベクトルのウェ
ハ面上への正射影方向に対して±π／１６の角度範囲の
シリコンウェハ周縁領域に窒素が拡散されているので、
形成される半導体装置におけるスリップ率を低く抑える
ことができ、半導体装置の機械的な強度を高めることが
可能となる。

【００１７】また、本発明は、シリコンウェハの中央部
や、周辺部の所定領域を除く領域をマスキングした上
で、窒素イオンをイオン注入し、更にその窒素イオンを
拡散させる熱処理を行うことにより、機械的強度を向上
させるに十分な窒素をシリコンウェハに導入でき、その
導入する領域の制御も容易である利点がある。また、大
きな熱応力がかかる熱処理工程に限定して、窒素の導入
ができる利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となる構成のシリコンウェハの模
式的な平面図である。

【図２】図１のシリコンウェハの製造方法を工程順に示
す図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する箇所の拡大断面
図である。

【図３】図１のシリコンウェハのスリップ率と窒素イオ
ンの注入量との関係を示す図である。

【図４】図１のシリコンウェハのスリップ率と窒素イオ
ンの注入領域との関係を示す図である。

【図５】本発明の実施例のシリコンウェハの２つの異な
る例の模式的な平面図である。

【図６】実施例のシリコンウェハのスリップ率と窒素イ
オン注入角度領域との関係を示す図である。

【図７】従来のシリコンウェハとその製造方法を示す概
念図である。

【符号の説明】

１ シリコンウェハ ２ フォトレジスト ３ 窒素イオン ４ 窒素イオン注入領域 ５ 窒素イオン拡散領域

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウェハから形成される半導体装
   置であって、前記シリコンウェハの周縁領域には、シリ
   コンウェハ中心部から｛１１１｝面の法線ベクトルのウ
   ェハ面上への正射影方向に対して±π／１６の角度範囲
   のシリコンウェハの周縁領域に窒素が拡散されているこ
   とを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 シリコンウエハを用いる半導体装置の製
   造方法において、シリコンウエハ周縁領域の、シリコン
   ウェハ中心部から｛１１１｝面の法線ベクトルのウェハ
   面上への正射影方向に対して±π／１６の角度範囲のシ
   リコンウェハ周縁領域を除く領域をマスキングする工程
   と、ウエハのマスキングされなかった領域に窒素をイオ
   ン注入する工程と、その窒素を拡散させる熱処理工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。