JP3690254B2

JP3690254B2 - シリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハ

Info

Publication number: JP3690254B2
Application number: JP2000227750A
Authority: JP
Inventors: 嘉信中田; 弘幸白木; 孝明塩多
Original assignee: 三菱住友シリコン株式会社
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002043241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハの表面に転位等が生じるおそれの無いシリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンウェーハは、ＣＺ（チョクラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して作製される。このシリコンウェーハは、酸素不純物を多く含んでおり、この酸素不純物は転位や欠陥等を生じさせる酸素析出物（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）となる。この酸素析出物がデバイスが形成される表面にある場合、リーク電流増大や酸化膜耐圧低下等の原因になり、したがって、得られた半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１１５０℃以上の高温で秒単位の短時間で急速加熱・急速冷却の熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）を所定の雰囲気中、例えば不活性雰囲気中で施し、内部に過剰空孔を埋設するとともに、表裏面側では酸素を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥層）を表面に形成する方法が用いられている（例えば、国際公開公報ＷＯ 98/38675に記載の技術）。
【０００３】
このＲＴＡ処理では、図４に示すように、シリコンウェーハ１の裏面をピン２で３点支持した状態で熱処理が行われる。そして、この熱処理では、シリコンウェーハ１全体に同じ雰囲気ガスが供給されるため、表面側だけでなく裏面側にも同様の熱処理が行われる。したがって、このシリコンウェーハをさらなる熱処理で酸素析出させた場合、ＢＭＤ密度の分布は、厚さ方向で対称的になると共に表裏面両方にＢＭＤがほとんどない無欠陥層が形成される。
また、ピン２で３点支持する替わりに、シリコンウェーハ１の裏面の周辺部を円環状のサセプタで支持する構成も用いられている。
そして、上記ＤＺ層を形成した後に上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層に酸素析出核を形成・安定化する方法が採用されている。なお、ＲＴＡ処理においては、不活性雰囲気とするためにアルゴンガス等の不活性ガスが用いられるが、Ｎ₂、Ｏ₂、あるいはそれらの混合ガスを用いてもよい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＲＴＡ処理では、シリコンウェーハ１の裏面をピン２で３点支持した状態で処理を行っているために、図５に示すように、シリコンウェーハ１の自重、熱膨張、収縮等により処理中にその裏面のピン２の先端部が当たっている部分に傷が生じ、この傷が原因で裏面にスリップ３が発生し、その結果、該スリップ３からシリコンウェーハ１の表面に向かって転位４が成長する。
【０００５】
この転位４は、図６に示すように、スリップ３が大きくなるにしたがって、その発生深さｄが浅くなる、すなわち転位が表面に近い位置まで成長するという性質があるので、ＲＴＡ処理に要する時間が長くなればなるほど、該スリップ３から発生する転位４はシリコンウェーハ１の表面に向かって成長する。
転位４が成長してシリコンウェーハ１の表面に出てきてしまった場合、この部分にデバイスが作り込まれると、デバイスの特性が悪化し歩留まりが大きく低下することになる。
また、円環状のサセプタを用いた場合においても、図７に示すように、シリコンウェーハ１の裏面の図示しない円環状のサセプタとの境界部分に同様の円環状の傷５が発生し、当該傷５からシリコンウェーハ１の表面に向かって転位が発生する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、シリコンウェーハの表面に転位等が生じるおそれが無く、この表面に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性が良好で、歩留まりの向上が可能なシリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次のようなシリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハを採用した。
すなわち、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、窒素ドープ量を１×１０ ^１１／ｃｍ ^３以上かつ１×１０ ^１５／ｃｍ ^３以下として窒素をドープしたシリコンウェーハに、その裏面を円環状のサセプタで支持した状態で雰囲気ガスｇを、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ _２（窒素）、または、ＡｒとＮ _２との混合ガスとして温度が１１００℃以上かつ１３００℃以下の急速加熱・急速冷却の熱処理を施す際、
前記シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域をＶ、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パーフェクト領域をＰとするとき、該パーフェクト領域（Ｐ）から切り出され、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が十分なゲッタリングサイトが得られる酸素析出量を確保するために１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以上かつ１．２×１０ ^１８／ｃｍ ^３以下とされて、
前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を、前記サセプタの端部が当たっている部分に生じた円環状の傷が原因で裏面に発生したスリップから成長した転位が前記シリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い１０秒以下とすることにより上記課題を解決した。
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、窒素ドープ量を１×１０ ^１１／ｃｍ ^３以上かつ１×１０ ^１５／ｃｍ ^３以下として窒素をドープしたシリコンウェーハに、その裏面を円環状のサセプタで支持した状態で雰囲気ガスｇを、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ _２（窒素）、または、ＡｒとＮ _２との混合ガスとして温度が１１００℃以上かつ１３００℃以下の急速加熱・急速冷却の熱処理を施す際、
前記シリコンウェーハが、結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ： Crystal Originated Particle ）を含む空孔型点欠陥が支配的に存在する領域から切り出され、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が十分なゲッタリングサイトが得られる酸素析出量を確保するために１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以上かつ１．２×１０ ^１８／ｃｍ ^３以下とされて、
前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を、前記サセプタの端部が当たっている部分に生じた円環状の傷が原因で裏面に発生したスリップから成長した転位が前記シリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い１０秒以下とすることにより上記課題を解決した。
【０００８】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、窒素をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急速冷却の熱処理を施すことを特徴とする。
この方法では、シリコンウェーハに予め窒素をドープしておくか、もしくは急速加熱・急速冷却の熱処理を施す工程の前に、イオン注入により窒素をドープする工程を設ける。前記窒素をドープしておく方法としては、ＣＶＤ法によりＳｉ上にＳｉ3 Ｎ4 膜を堆積したウェーハを溶融Ｓｉ中に混入させてＳｉ単結晶を引き上げる方法が採られる。シリコンウェーハに窒素をドープすることにより、シリコンウェーハ内部の酸素析出量が促進され、その結果、従来より短時間で、従来と同量の酸素析出量を有する酸素析出層が形成され、後工程のアニール時間を短縮することが可能になる。これにより、裏面傷からの成長を抑制することが可能になり、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。また、シリコンウェーハの表面に転位等が生じないので、この表面に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性が向上することとなり、その結果、製品の歩留まりが向上する。
【０００９】
シリコンウェーハに窒素をドープすると、結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ：Crystal Originated Particle）の大きさは、通常のシリコンウェーハのＣＯＰより小さくなるので、ランプアニールの様な短時間の熱処理でも表層のＣＯＰは十分に消滅する。このＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニア水と過酸化水素水の混合液で洗浄したときにシリコンウェーハ表面に生じる結晶に起因したピットであり、電気的特性、例えば、酸化膜の経時絶縁破壊特性（ＴＤＤＢ：Time Dependent Dielectric Breakdown）、酸化膜耐圧特性（ＴＺ
ＤＢ：Time Zero Dielectric Breakdown）等を劣化させる原因となる。
【００１０】
また、このＣＯＰがシリコンウェーハ表面に存在すると、半導体デバイスの配線工程において段差を生じ、断線の原因となる。さらに、このＣＯＰが素子分離部分に存在すると、リーク等の原因となり、製品の歩留まりが低下する。それ故、ＣＯＰを減少させることは、半導体デバイスの電気的特性及び歩留まりを向上させるのに必要である。
【００１１】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記シリコンウェーハの熱処理方法において、前記急速加熱・急速冷却の熱処理の温度は、１１００℃以上かつ１３００℃以下であることを特徴とする。ここで、急速加熱・急速冷却の熱処理の温度を１１００℃以上かつ１３００℃以下と限定した理由は、１１００℃未満ではウェーハ中に十分な原子空孔を注入することができず、したがって、酸素析出を期待することができず、また、１３００℃を越えると、転位の成長速度が速くなるためにシリコンウェーハの表面に転位が生じるからである。
【００１２】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記シリコンウェーハの熱処理方法において、前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間は、１０秒以下であることを特徴とする。ここで、急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を１０秒以下と限定した理由は、窒素をドープしたシリコンウェーハにおいても、１０秒を越えると、前記熱処理の間に転位が成長し、該転位がシリコンウェーハの表面に現れるからである。
【００１３】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記シリコンウェーハの熱処理方法において、前記シリコンウェーハの窒素ドープ量は、１×１０^１１／ｃｍ^３以上かつ１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、シリコンウェーハの窒素ドープ量を１×１０¹¹／ｃｍ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃｍ³以下と限定した理由は、１×１０¹¹／ｃｍ³未満では酸素析出量が少なく十分なゲッタリングサイトが得られず、また、１×１０¹⁵／ｃｍ³を越えるとシリコンウェーハの導電型（ｐ型もしくはｎ型）が変わり、半導体ウェーハとして不適当となるからである。
【００１５】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記シリコンウェーハの熱処理方法において、前記シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域をＶ、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パーフェクト領域をＰとするとき、該パーフェクト領域（Ｐ）から切り出されたシリコンウェーハであることを特徴とする。
【００１６】
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記シリコンウェーハの熱処理方法において、前記シリコンウェーハは、結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ：Crystal Originated Particle）を含む空孔型点欠陥が支配的に存在する領域から切り出されたシリコンウェーハであることを特徴とする。
【００１７】
本発明のシリコンウェーハは、窒素をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急速冷却の熱処理を施してなるシリコンウェーハであって、酸素濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ１．２×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。ここで、シリコンウェーハの酸素濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ１．２×１０^１８／ｃｍ^３以下に限定した理由は、ＣＺ法で得られるシリコンウェーハの酸素濃度の下限が１×１０^１７／ｃｍ^３であり、また、１．２×１０^１８／ｃｍ^３を越えると析出が過多となり、ウェーハとして不適当だからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法及びシリコンウェーハの一実施の形態について図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のシリコンウェーハの熱処理方法が適用される熱処理炉であり、図において、符号１１は熱処理が施されるシリコンウェーハ、１２はシリコンウェーハ１１を支持するピン、１３は該ピン１２及びそれに載置されるシリコンウェーハ１１を収納する反応室、１４は反応室１３の外部に設けられてシリコンウェーハ１１を加熱するための赤外線ランプである。
【００１９】
シリコンウェーハ１１は、シリコン単結晶インゴットから切り出したウェーハに窒素（Ｎ）をドープしたものであって、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域をＶ、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パーフェクト領域をＰとしたとき、このパーフェクト領域（Ｐ）から切り出されたものである。
このシリコンウェーハ１１は、ＣＯＰを含む空孔型点欠陥が支配的に存在する領域から切り出してもよい。
このシリコンウェーハ１１の窒素（Ｎ）のドープ量は、１×１０¹²／ｃｍ³以上かつ１×１０¹⁵／ｃｍ³以下である。
【００２０】
ピン１２は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、あるいは無定形炭素（Ｃ）等で形成されたピンで、シリコンウェーハ１１の裏面を３点支持するように、３本のピン１２が３角形状に配置されている。
反応室１３には、シリコンウェーハ１１の表裏面双方に雰囲気ガスｇを供給するための雰囲気ガス供給口１３ａ及び供給された雰囲気ガスｇを排出するための雰囲気ガス排出口１３ｂが設けられている。
雰囲気ガスｇは、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ₂（窒素）、ＡｒとＮ₂との混合ガス等の不活性ガスが好ましい。
【００２１】
この熱処理炉によりシリコンウェーハ１１に熱処理、特に急速加熱・急速冷却の熱処理（ＲＴＡ処理）を施すには、ピン１２、１２、…にシリコンウェーハ１１を載置した後、反応室１３内に雰囲気ガス供給口１３ａから雰囲気ガスｇを供給した状態で、赤外線ランプ１４でシリコンウェーハ１１を加熱することにより、１１００℃以上かつ１３００℃以下の温度で１０秒以下のＲＴＡ処理を施す。
【００２２】
このＲＴＡ処理により、シリコンウェーハ１１の内部には酸素が析出して重金属をトラップするとともに、表面には酸素が外方に向かって拡散するために無欠陥層（ＤＺ層）が形成される。
したがって、表面側にはＤＺ層が形成され、内部には欠陥層（ＢＭＤ領域）が形成された窒素ドープのシリコンウェーハ１１’が得られる。
【００２３】
図２はＲＴＡ処理時間（秒）とスリップの長さとの関係を示す図、図３はＲＴＡ処理時間（秒）と酸素（Ｏ₂）の析出量との関係を示す図であり、これらの図より、スリップの長さと酸素（Ｏ₂）の析出量とは相反する関係にあることが分かる。
そこで、スリップの大きさをできるだけ小さくすると共に、酸素（Ｏ₂）の析出量を所定量確保するために、ＲＴＡ処理を最適に設定する必要がある。
この最適なＲＴＡ処理の条件は、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い時間、すなわち１０秒以下である。また、このときの温度は、１１００℃以上かつ１３００℃以下である。
【００２４】
このシリコンウェーハ１１’では、窒素をドープすることにより、酸素濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１．２×１０¹⁸／ｃｍ³以下のシリコンウェーハ１１’内部の酸素析出量が、窒素をドープしないシリコンウェーハと比べて多く、その結果、熱処理時間を短縮することが可能になり、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。しかも、窒素をドープしているのでＣＯＰが小さく、かつ、ＲＴＡ処理によって表層のＣＯＰが消滅することとなり、ＴＤＤＢやＴＺＤＢ等を劣化させるおそれも無い。したがって、断線、リーク等の不具合が生じるおそれが無くなり、製品の歩留まりが高まる。
【００２５】
このシリコンウェーハ１１’の表面からの酸素析出量を測定したところ、酸素析出量は２．１×１０^９／ｃｍ^３であった。一方、窒素をドープしないシリコンウェーハのＲＴＡ処理後の表面からの酸素析出量を測定したところ、酸素析出量は８．５×１０^８／ｃｍ^３であった。以上により、本実施形態のシリコンウェーハ１１’が酸素析出量共に優れていることが分かった。
【００２６】
本実施形態のシリコンウェーハの熱処理方法によれば、窒素をドープしたシリコンウェーハ１１にＲＴＡ処理を施すので、シリコンウェーハ内部の酸素析出量を促進することができ、その結果、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。
また、シリコンウェーハの表面に転位等が生じないので、この表面に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性を向上させることができ、引いては製品の歩留まりを向上させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法によれば、窒素をドープしたシリコンウェーハに急速加熱・急速冷却の熱処理を施すので、シリコンウェーハ内部の酸素析出量を促進することができ、アニール時間を短縮することができる。その結果、シリコンウェーハ裏面のピンまたはサセプタの先端部が当たっている部分に傷が生じ、この傷が原因で裏面にスリップが発生し、該スリップからシリコンウェーハの表面に向かって転位が成長することを防止して、転位がシリコンウェーハの表面に現れるおそれが無くなる。また、シリコンウェーハの表面に転位等が生じないので、この表面に作り込まれたデバイスの特性及び信頼性を向上させることができ、製品の歩留まりを向上させることができ、製品のコストダウンを図ることができる。
【００２８】
本発明のシリコンウェーハによれば、酸素濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³以上かつ１．２×１０¹⁸／ｃｍ³以下としたので、表面に転位等が無く、結晶性に優れている。
このシリコンウェーハの表面にデバイスを作り込むと、デバイスの特性及び信頼性が向上し、その結果、製品の歩留まりが向上し、製品のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のシリコンウェーハの熱処理方法が適用される熱処理炉を示す概略構成図である。
【図２】ＲＴＡ処理時間（秒）とスリップの長さとの関係を示す図である。
【図３】ＲＴＡ処理時間（秒）と酸素（Ｏ₂）の析出量との関係を示す図である。
【図４】従来のＲＴＡ処理におけるシリコンウェーハの３点支持の状態を示す側面図である。
【図５】従来の３点支持の不具合の例を示す断面図である。
【図６】従来の転移発生深さ（ｄ）とスリップの長さとの関係を示す図である。
【図７】従来のサセプタ支持の不具合の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１シリコンウェーハ
２ピン
３スリップ
４転位
５円環状の傷
１１シリコンウェーハ
１２ピン
１３反応室
１３ａ雰囲気ガス供給口
１３ｂ雰囲気ガス排出口
１４赤外線ランプ
ｇ雰囲気ガス

Claims

窒素ドープ量を１×１０ ^１１／ｃｍ ^３以上かつ１×１０ ^１５／ｃｍ ^３以下として窒素をドープしたシリコンウェーハに、その裏面を円環状のサセプタで支持した状態で雰囲気ガスｇを、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ _２（窒素）、または、ＡｒとＮ _２との混合ガスとして温度が１１００℃以上かつ１３００℃以下の急速加熱・急速冷却の熱処理を施す際、
前記シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域をＩ、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域をＶ、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パーフェクト領域をＰとするとき、該パーフェクト領域（Ｐ）から切り出され、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が十分なゲッタリングサイトが得られる酸素析出量を確保するために１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以上かつ１．２×１０ ^１８／ｃｍ ^３以下とされて、
前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を、前記サセプタの端部が当たっている部分に生じた円環状の傷が原因で裏面に発生したスリップから成長した転位が前記シリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い１０秒以下とすることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
窒素ドープ量を１×１０ ^１１／ｃｍ ^３以上かつ１×１０ ^１５／ｃｍ ^３以下として窒素をドープしたシリコンウェーハに、その裏面を円環状のサセプタで支持した状態で雰囲気ガスｇを、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ _２（窒素）、または、ＡｒとＮ _２との混合ガスとして温度が１１００℃以上かつ１３００℃以下の急速加熱・急速冷却の熱処理を施す際、
前記シリコンウェーハが、結晶に起因するパーティクル（ＣＯＰ： Crystal Originated Particle ）を含む空孔型点欠陥が支配的に存在する領域から切り出され、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が十分なゲッタリングサイトが得られる酸素析出量を確保するために１×１０ ^１７／ｃｍ ^３以上かつ１．２×１０ ^１８／ｃｍ ^３以下とされて、
前記急速加熱・急速冷却の熱処理の時間を、前記サセプタの端部が当たっている部分に生じた円環状の傷が原因で裏面に発生したスリップから成長した転位が前記シリコンウェーハの表面に現れるおそれが無い１０秒以下とすることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。