JP3172389B2 - シリコンウエーハの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体デバイス用の
シリコンウエーハの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエーハは、単結晶シリコンイ
ンゴットから切り出される。

【０００３】シリコン単結晶は、チョクラルスキー法に
よって製造することができる。すなわち、原料ポリシリ
コンを石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）質のルツボに入れ、これ
を加熱・溶融し、種結晶を用いてシリコン単結晶を引き
上げるのである。

【０００４】一般に、チョクラルスキー法で製造したシ
リコン単結晶中には、酸素が固溶している。そして、単
結晶引上げ後の冷却過程において、シリコン単結晶は１
４２０℃の凝固温度から室温まで温度履歴（冷却履歴）
を受け、それぞれの温度において結晶内欠陥が形成され
る。

【０００５】その中でも、５００〜４５０℃の降温過程
では、０．６〜０．９ｎｍの超微小酸素析出物（エンプ
リオ）が発生する。エンプリオは、引上げ後に行う熱処
理工程、例えばデバイス工程において、析出核となり酸
素析出物（ＢＭＤ）として成長する。このＢＭＤは、ウ
エーハ表面に析出すると、デバイスの欠陥原因となり、
望ましくない。

【０００６】しかしながら、ウエーハ内部に発生したＢ
ＭＤは、汚染金属をトラップするため、有用な欠陥とな
る。これが、いわゆるイントリンシックゲッタリング
（ＩＧ）効果である。

【０００７】ＨＩウエーハ（商品名）は、このような構
造をデバイス工程前に積極的に導入した高品質のウエー
ハである。ＨＩウエーハは、スライス加工後のミラーウ
エーハを１１００〜１３００℃の水素雰囲気中で０．１
〜数時間処理することにより、ウエーハ内部にＢＭＤ層
を形成し、かつ表層にＤＺ層を形成したものである。Ｄ
Ｚ層とは、大きさが２０ｎｍ以上の酸素酸素析出物の密
度が１０³ 個／ｃｍ³以下の無欠陥層のことである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＢＭＤの析出核となる
エンプリオ、すなわち超微小酸素析出物の密度や大きさ
は、単結晶引上げ時の熱履歴やシリコン融液の状態によ
って大きく影響される。このため、水素処理工程で、エ
ンプリオを核として成長するＢＭＤのサイズや密度も、
これらの条件によって大きく変化してしまう。従って、
製品として得られたシリコンウエーハの品質にもバラツ
キが生じる。

【０００９】しかしながら、単結晶引上げ条件を厳密に
制御することは、技術的に非常に難しいことである。そ
れゆえ、エンプリオを核として成長するＢＭＤのサイズ
や密度を正確に制御し、シリコンウエーハの品質を向上
することは、困難であると考えられていた。

【００１０】以上のような従来技術の問題点に鑑み、本
発明は、ＢＭＤ密度を調整することによって、品質のよ
り安定したシリコンウエーハの製造方法を提供すること
を目的としている。

【００１１】本願第１発明は、単結晶シリコンインゴッ
トから形成したウエーハを用い、超微小酸素析出物（エ
ンプリオ）の密度を制御するための熱履歴初期化工程
と、再析出核を制御しつつ成長させるための核制御成長
処理工程を含み、熱履歴初期化工程が、水素、Ｈｅ、Ａ
ｒの少なくとも１つからなる雰囲気において、７００〜
１０００℃の温度範囲を１５℃／ｍｉｎ以上の昇温速度
で加熱昇温する熱処理工程であることを特徴とするシリ
コンウエーハの製造方法を要旨としている。

【００１２】本願第２発明は、単結晶シリコンインゴッ
トから形成したウエーハを用い、超微小酸素析出物（エ
ンプリオ）の密度を制御するための熱履歴初期化工程
と、再析出核を制御しつつ成長させるための核制御成長
処理工程を行い、熱履歴初期化工程と核制御成長処理工
程の後で、水素、Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる
雰囲気において、１０００〜１３００℃の温度範囲を
０．５〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱昇温する熱処理
工程と、１１００〜１３００℃の温度範囲で５分間以上
滞在させる熱処理工程を行い、大きさが２０ｎｍ以上の
酸素析出物（ＢＭＤ）の密度が１０ ³ 個／ｃｍ ³ 以下で
ある無欠陥層（ＤＺ層）をウエーハ表面に形成すること
を特徴とするシリコンウエーハの製造方法を要旨として
いる。

【００１３】

【作用】熱履歴初期化工程によって、超微小酸素析出物
（エンプリオ）の密度を制御する。また、核制御成長処
理工程によって、析出核を再度制御しつつ成長させる。

【００１４】

【実施例】本発明のシリコンウエーハの製造方法では、
単結晶シリコンインゴットをスライスしたウエーハを用
い、超微小酸素析出物（エンプリオ）の密度を制御する
ための熱履歴初期化工程と、再度析出核を制御しつつ成
長させるための核制御成長処理工程を行う。これらの工
程によって、エンプリオの大きさを制御することも可能
である。

【００１５】熱履歴初期化工程と核制御成長処理工程に
よって、酸素析出物（ＢＭＤ）の密度を１０⁶ 個／ｃｍ
³ 以上で１０¹⁰個／ｃｍ³ 以下の範囲に調整したＢＭＤ
密度調整層を、ウエーハ内部に形成する。酸素析出物密
度のさらに好ましい範囲は１０⁷ 個／ｃｍ³ 以上で１０
⁹ 個／ｃｍ³ 以下である。このように密度を限定する理
由は、１０⁶ 個／ｃｍ³ 未満ではＩＧ効果が少なくな
り、１０¹⁰個／ｃｍ³ を越えるとウエーハの機械的強度
が低下してスリップが発生しやすくなるからである。

【００１６】単結晶シリコンインゴットをスライスした
ウエーハの結晶内酸素濃度（［０_ｉ］）は、１．２〜
１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ であることが望まし
い。結晶内酸素濃度がこの範囲にない場合には、熱履歴
初期化工程と核制御成長処理工程を行っても、ＢＭＤ密
度を十分に大きくすることが難しい。従って、十分なＩ
Ｇ効果を得ることができない。

【００１７】熱履歴初期化工程は、望ましくは水素、Ｈ
ｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰囲気において、７
００〜１０００℃の温度範囲を、１５〜１０００℃／ｍ
ｉｎの昇温速度で加熱昇温する熱処理工程である。昇温
速度が１５℃／ｍｉｎ未満及び１０００℃／ｍｉｎを超
える場合には、エンプリオの密度や大きさのバラツキを
確実に初期化することができない。すなわち、エンプリ
オを溶態化させ、熱履歴を初期化することができないの
である。

【００１８】核制御成長処理工程は、望ましくは水素、
Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰囲気において、
８５０〜９８０℃の温度範囲で０．５〜６０分間保持す
る熱処理工程である。このように核制御成長処理工程で
再度析出核を制御成長させることにより、ＢＭＤを安定
して析出させることができる。

【００１９】熱履歴初期化工程と核制御成長処理工程の
後で、水素、Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰囲
気において、１０００〜１３００℃の温度範囲を０．５
〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱昇温する熱処理工程
と、１１００〜１３００℃の温度範囲で５分間以上滞在
させる熱処理工程を行うことによって、ウエーハ内部で
ＢＭＤを安定析出（成長）させ、かつウエーハ表面にＤ
Ｚ層を形成することができる。

【００２０】ＤＺ層は、大きさが２０ｎｍ以上の酸素析
出物（ＢＭＤ）密度が１０³ 個／ｃｍ³ 以下である無欠
陥層である。ＤＺ層は、ウエーハ表面から少なくとも３
μｍの肉厚で形成することが望ましい。ＤＺ層の肉厚が
３μｍ未満の場合には、デバイス工程でのリーク等の不
良発生という不具合が生じ、高品質のシリコンウエーハ
を得ることができない。

【００２１】図１は、本発明方法の熱処理工程を示す説
明図である。熱履歴初期化工程は、昇温速度１で示され
ている。また、核制御成長処理工程は、保持温度１（保
持時間１）として示されている。また、昇温速度２と処
理温度３（処理時間３）で示された工程においては、ウ
エーハ内部でＢＭＤが安定析出（成長）し、ウエーハ表
面にＤＺ層が形成される。

【００２２】図２は、本発明のシリコンウエーハの実施
例を概念的に示す断面図である。シリコンウエーハ１１
は、内部のＢＭＤ密度調整層１３と表面のＤＺ層１２か
ら構成されている。また、両者の間には、通常、中間的
な層（図示せず）が形成される。

【００２３】本発明方法によって、実際にシリコンウエ
ーハを製造した。また、従来法でも同様にシリコンウエ
ーハを製造して、両者の比較を行った。

【００２４】まず、幾つかの異なる引上げ条件で単結晶
シリコンインゴットを引上げ、これをスライスしてウエ
ーハを形成した。その酸素濃度を調べたところ、表１の
結果が得られた。

【００２５】これらのウエーハを用いて、表２に示す処
理条件で熱処理を行った。各例では、それぞれ５枚のウ
エーハを準備し、５枚一緒に熱処理を行った。なお、従
来例では、８５０〜９８０℃の昇温途中で保持工程を行
わなかった。

【００２６】熱処理終了後、得られたシリコンウエーハ
のＢＭＤ密度を調べた。その結果を表３に示した。表３
で、ＢＭＤ密度の単位は、×１０^６／ｃｍ^３、ＤＺ層の
単位はμｍである。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】 表３から分かるように、インゴットからスライスした時
点で酸素濃度が等しいウエーハであっても、従来法で熱
処理した場合には、ＢＭＤのバラツキが５０％以上もあ
り、極端な例では数倍以上バラツキがあった。

【００３０】これに対して、本発明の実施例では、酸素
濃度が等しいウエーハであれば、ＢＭＤ密度はおよそ１
５％以内のバラツキに収まることが分かる。本発明の実
施例におけるＢＭＤ密度のバラツキは、最悪の場合でも
４０％以内にすることができた。

【００３１】また、本発明方法によれば、ウエーハ内部
でＢＭＤが大体均一に分布し、従って同一ウエーハ内に
おけるＢＭＤ密度のバラツキも非常に小さくできるもの
と予想される。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、熱履歴初期化工程と核
制御成長処理工程によって、ウエーハ内部のＢＭＤ密度
が調整される。従って、ＩＧ効果が大きく品質の安定し
たシリコンウエーハを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコンウエーハの製造方法を説明す
るための説明図。

【図２】本発明のシリコンウエーハを概念的に示す断面
図。

【符号の説明】

１１ シリコンウエーハ １２ ＤＺ層 １３ ＢＭＤ密度調整層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−175300（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−177541（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/322

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶シリコンインゴットから形成した
   ウエーハを用い、超微小酸素析出物（エンプリオ）の密
   度を制御するための熱履歴初期化工程と、再析出核を制
   御しつつ成長させるための核制御成長処理工程を含み、
   熱履歴初期化工程が、水素、Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１
   つからなる雰囲気において、７００〜１０００℃の温度
   範囲を１５℃／ｍｉｎ以上の昇温速度で加熱昇温する熱
   処理工程であることを特徴とするシリコンウエーハの製
   造方法。
2. 【請求項２】 核制御成長処理工程が、水素、Ｈｅ、Ａ
   ｒの少なくとも１つからなる雰囲気において、８５０〜
   ９８０℃の温度範囲で０．５〜６０分間保持する熱処理
   工程であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン
   ウエーハの製造方法。
3. 【請求項３】 熱履歴初期化工程と核制御成長処理工程
   の後で、水素、Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰
   囲気において、１０００〜１３００℃の温度範囲を０．
   ５〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱昇温する熱処理工程
   と、１１００〜１３００℃の温度範囲で５分間以上滞在
   させる熱処理工程を行い、大きさが２０ｎｍ以上の酸素
   析出物（ＢＭＤ）の密度が１０ ³ 個／ｃｍ ³ 以下である
   無欠陥層（ＤＺ層）をウエーハ表面に形成することを特
   徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のシリコン
   ウエーハの製造方法。
4. 【請求項４】 単結晶シリコンインゴットから形成した
   ウエーハを用い、超微小酸素析出物（エンプリオ）の密
   度を制御するための熱履歴初期化工程と、再析出核を制
   御しつつ成長させるための核制御成長処理工程を行い、
   熱履歴初期化工程と核制御成長処理工程の後で、水素、
   Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰囲気において、
   １０００〜１３００℃の温度範囲を０．５〜５℃／ｍｉ
   ｎの昇温速度で加熱昇温する熱処理工程と、１１００〜
   １３００℃の温度範囲で５分間以上滞在させる熱処理工
   程を行い、大きさが２０ｎｍ以上の酸素析出物（ＢＭ
   Ｄ）の密度が１０ ³ 個／ｃｍ ³ 以下である無欠陥層（Ｄ
   Ｚ層）をウエーハ表面に形成することを特徴とするシリ
   コンウエーハの製造方法。