JP3746153B2 - シリコンウエーハの熱処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンウエーハの熱処理方法に関し、特にシリコンウエーハ表面のCOP密度を低減させ、同時にマイクロラフネスおよびヘイズを減少させることのできる熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンウェーハの酸化膜耐圧等の電気特性を改善するためには、デバイスが作製されるウェーハ表層部を無欠陥層とする必要がある。シリコンウェーハの表層部には結晶成長時に導入されるCOP(Crystal Originated Particle)と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥が存在し、このCOPが電気特性を劣化させる原因となっている。
酸化膜耐圧を改善するためには、水素アニール、すなわちシリコンウエーハを高温で水素ガス雰囲気下、数時間の熱処理を施すのが有効であることが報告されている(例えば、特公平5−18254号公報、特開平6−295912号公報)。
【0003】
また、この熱処理時間の短縮等の改善のため急速加熱・急速冷却装置(Rapid Thermal Annealer、以下RTA装置と略称することがある)を用いた熱処理方法が提案されている。例えば特開平7−161707号公報に記載されているように、950〜1200℃の比較的低温の温度範囲内で1〜60秒間といった短時間の熱処理で酸化膜耐圧を向上させる発明が提案されている。
【0004】
ところが、前記特開平7−161707号公報の従来技術では、酸化膜耐圧に着目して熱処理条件を決めており、またその実施例でもBMD(Bulk Micro Defect)密度については勘案されているものの、デバイスの電気特性に直接的に影響を及ぼすウェーハ表面のCOPについてはなんら検討されていない。
【0005】
そして、本発明者らの実験によると、上記従来技術に開示されている熱処理方法では、酸化膜耐圧はある程度改善されるものの、COPの改善効果は十分ではなく、したがって酸化膜耐圧以外の電気特性に対しては充分な改善効果が認められるものではなかった。すなわち、上記従来例の範囲である、例えばシリコンウエーハに1050℃で30秒の水素熱処理を行っても、COPは減少せず、逆に水素によるシリコンのエッチング作用により、表面の粗さであるヘイズが悪化することもあった。また、1100℃の熱処理をしても、上記同様COPの消滅に関しては充分ではなかった。つまり従来技術の熱処理条件では、COPの改善は十分なものとはならないことがわかった。
【0006】
そこで、本発明者らは、先に特願平10−82606号において、シリコンウエーハをRTA装置を用いて、還元性雰囲気下で熱処理をする方法に関し、特にシリコンウエーハ表面のCOP密度を低下させることができる熱処理方法を提案した。
【0007】
この方法は、シリコンウエーハを還元性雰囲気下1200℃〜シリコンの融点以下の温度範囲で1〜60秒間熱処理するというもので、この場合還元性雰囲気を100%水素、あるいは水素とアルゴンの混合雰囲気とし、熱処理時間を1〜30秒とするのが一層好ましいとしている。
【0008】
そして、この方法によれば、シリコンウエーハ表面のCOP密度は顕著に減少し、電気特性である酸化膜耐圧(Time Zero Dielectric Breakdown:TZDB)及び経時絶縁破壊特性(Time Dependent Dielectric Breakdown:TDDB)も著しく改善されていることがわかった。
【0009】
一方、近年MOS構造のトランジスターの集積度が上がるにつれて、それに付随してMOS構造の酸化膜直下のキャリア(電子およびホール)の移動度を向上させる必要がでてきた。CPU(中央処理装置)の駆動周波数がますます高くなり、それに付随してメモリーの書き込みおよび読み出しの速度も当然高速化が求められ、キャリアの移動度の向上が重要な問題になっている。
そして、酸化膜耐圧やキャリアの移動度等の電気特性に大きな影響を与える因子としてウエーハ表面のマイクロラフネス(microroughness)がデバイスの性能と信頼性に密接に関わっていることが知られてきた(Shinya Yamakawa et.al.,J.Appl.Phys.79,911,1996参照)。
【0010】
このウエーハ表面のマイクロラフネスを低減させるには、特別な装置、例えば超高真空装置を用いて、ウエーハ表面に電流を流す方法(安藤等、1995年第56回応物講演会 予稿集27p−ZV−13参照)等があった。しかし、超高真空にするには長時間を要し、さらに真空から大気圧に戻すにも長時間かかり、その工程の間、パーティクルの付着に絶えず注意しなければならないという問題があった。
【0011】
そして、上記RTA装置を用いて水素アニールを1200℃以上の温度帯域で行うとCOP密度は極度に減少するものの、マイクロラフネスは僅かに改善された程度で満足できるものでなく、その上ヘイズについては悪化する場合もあり、水素アニール条件を改良する必要があった。
【0012】
ここでいうヘイズとは表面粗さの指標であり、ウエーハ表面における数〜数十nm程度の周期性を持つうねりである。主にレーザを用いたパーティクルカウンタで、ウエーハ全面をレーザでスキャンし、その乱反射強度を測定することにより、ウエーハ全面のヘイズレベルとして準定量的に評価される表面粗さである。今後のデザインルールの微細化に対応するためにはこのヘイズの悪化を回復する熱処理条件を確立しなければならない。また、ヘイズの値が増大するとパーティクルカウンタでLPD(Light Point Defect)を測定する際に、ヘイズがバックグラウンドノイズとして作用するため、0.10μm以下のLPDが測定できないという問題も同時に存在する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的とするところは、シリコンウエーハをRTA装置を用いて、水素を含む還元性雰囲気下で熱処理する方法に関し、特にシリコンウエーハ表面のCOP密度を低下させると共にマイクロラフネスおよびヘイズをより一層小さくして、酸化膜耐圧、キャリアの移動度等の電気特性を改善し、急速加熱・急速冷却装置の本来的に有する、歩留りや生産性の向上、コストダウン等の利点を生かそうとするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明は、急速加熱・急速冷却装置を用いてシリコンウエーハを水素を含む還元性雰囲気下で熱処理する方法において、該熱処理条件を複数段階に分割して設定し、熱処理を行うことを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法である。
【0015】
このように、シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却装置を用いて水素を含む還元性雰囲気下で熱処理する方法において、該熱処理条件を複数段階に分割して設定し、熱処理を行えば、COPを著しく低減させることができると共に、マイクロラフネスおよびヘイズを減少させることができ、極低欠陥で電気特性に優れたシリコンウエーハを得ることができる。
【0016】
この場合、前記複数段階の熱処理を、ウエーハを急速加熱・急速冷却装置より取り出すことなく連続的に行うことが望ましい。
このように、急速加熱・急速冷却装置にセットしたウエーハに対して複数段階の熱処理を連続的に行えば、各段階の熱処理を個別で行うよりもCOPを確実に消滅させることができ、マイクロラフネスおよびヘイズを低減させることができる。また、段階毎に熱処理ウエーハを装置から取り出さないので常温からの昇降温が不要となり、昇降温に要する時間も熱エネルギーも節減できるので、生産性の向上とコストダウンを図ることができる。
【0017】
そして、前記複数段階の熱処理条件を、前段階の熱処理温度よりも後段階の熱処理温度を低く設定することが望ましい。
このようにすれば、前段階の熱処理で得られた品質を、後段階で低下させることなく維持したまま、別の品質を高めることができる。例えば、前段階の高温熱処理でCOPを消滅させることができれば、後段階の低温熱処理ではCOPの消滅効果を維持したまま、新たにマイクロラフネスおよびヘイズを低減させることができる。
【0018】
本発明では、前記複数段階の熱処理のうち、前段階の熱処理を温度1200〜1350℃で1〜300秒間行い、後段階の熱処理を900〜1200℃で1〜300秒間行うようにした。
このようにすれば、前段階の高温域ではCOPを確実に消滅させることができ、後段階の低温域ではCOPの消滅を保持したまま、新たにマイクロラフネスおよびヘイズを所望の値まで極めて短時間に効率よく低減させることができる。
【0019】
そして、前記水素を含む還元性雰囲気を水素100%あるいは水素とアルゴンおよび/または窒素との混合ガス雰囲気とするのが好ましい。
このような熱処理雰囲気とすれば、確実にウエーハ表面のCOP密度を低減させ、マイクロラフネスおよびヘイズを改善することができる。
【0020】
また、本発明のシリコンウエーハの熱処理方法は、半導体デバイス工程前に行うか、あるいはデバイス工程中で行うことができる。このように半導体デバイス工程前に行っておけば、酸化膜耐圧やキャリアの移動度等の電気特性に優れたデバイスを比較的容易に製造することができ、或はデバイス工程中でも必要に応じて本発明の熱処理を行って電気特性を向上させたり、劣化した電気特性を回復させることができる。
【0021】
さらに、このような本発明の熱処理方法によれば、ウエーハ表面のCOP密度が低減し、マイクロラフネスおよびヘイズが小さくなるので、酸化膜耐圧、キャリア移動度等の電気特性が向上し、極めて高品質で有用なシリコンウエーハを得ることができる。
特には、パーティクルカウンタで測定した0.12μm以上のLPDの数(COPに相当)が0.064個/cm2 以下で、かつ原子間力顕微鏡で測定した2μm角(4μm2 の面積)のP−V値(マイクロラフネスに相当)が1.0nm以下で、かつパーティクルカウンタで測定した入射光に対する散乱光強度(ヘイズレベルに相当)が0.3ppm以下であるシリコンウエーハを得ることができる。
【0022】
以下、本発明につきさらに詳細に説明する。
本発明者らは、シリコンウエーハ表面に存在するCOPの密度を減少させ酸化膜耐圧を向上させると共に、マイクロラフネスおよびヘイズを小さくしてキャリア移動度を向上させる等の電気特性の改善を図ることのできる熱処理条件につき、種々実験的に研究した結果、これには水素ガスを含む還元性雰囲気下の熱処理を複数段階に分割して行えば、COPが低密度で、マイクロラフネスおよびヘイズの小さいシリコンウエーハを得ることができることを知見し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【0023】
先ず、シリコンウエーハの熱処理条件を複数段階に分割して急速加熱・急速冷却装置に設定し、適切な熱処理条件を確定するために下記のような実験を行った。熱処理装置にはRTA装置(急速加熱・急速冷却装置、シュティアック マイクロテック インターナショナル社製SHS−2800型)を使用した。
シリコンウエーハはチョクラルスキー法により製造されたシリコンインゴットを、一般的に行なわれている方法でスライスして鏡面加工された、直径8インチ、結晶方位<100>のものを用いた。
【0024】
これらのシリコンウエーハは、熱処理を加える前に予め表面のCOP密度を測定し、その表面に平均約300個/ウエーハのCOPが存在している事を確認した。COPの測定は、一般に行なわれている方法である、パーティクルカウンタ(LS−6030:日立電子エンジニアリング社製商品名)で、0.12μm以上のパーティクルのみを検出した。
【0025】
また、マイクロラフネスの測定は、AFM(Atomic Force Microscope,原子間力顕微鏡、NanoScope−II/デジタル インスツルメント社製商品名)で、2μm角の面積で行った。熱処理前のマイクロラフネスは、P−V値(山と谷の最大差)で1.1nm以上であった。
【0026】
ヘイズの測定は、パーティクルカウンタであるLS−6030(日立電子エンジニアリング社製商品名)とサーフスキャン(SurfScan SP−1:KLAテンコール社製商品名)で行った。両機器では空間波長が異なるため、異なる範囲の表面領域を走査しているが、ヘイズの減少傾向を確認するために両機器で測定した。両機器の空間波長は、LS−6030で0.5〜3μm、SP−1で2〜5μm程度である。
【0027】
熱処理は、2段階とし、第1段階はCOPの消滅を目的として、1000〜1230℃の範囲で熱処理した。水素を含む還元性雰囲気は水素ガス100%とし、熱処理時間を10秒間一定として熱処理を加えた。図1にその結果を示す。図からウエーハ表面のCOPの密度は1150℃で減少しはじめて、1200℃以上でほぼ10個/8インチウエーハ以下になっているのが判る。ここでは、ウエーハの前処理として、フッ酸(HF)による自然酸化膜の除去を行ったが、行わないものでもCOPの消滅は同じ傾向を示した。
マイクロラフネスは、図2に示したように、上記温度範囲でP−V値の平均で1.1nmから0.9nmに改善されていた。また、ヘイズは、第1段階の熱処理では殆ど変化しなかった。
【0028】
次に、第2段階の熱処理は、マイクロラフネスとヘイズの低減を目標におき、先ず、マイクロラフネスの低減を調査した。1000〜1150℃の範囲で水素ガス100%雰囲気下、10秒間行った。第1段階から第2段階に移行する降温操作は、ウエーハを載置したステージを低温度域まで降下させて行ったが、降温速度は平均して33℃/秒程度で、数秒間で移動した。
【0029】
第2段階の熱処理の結果を図3に示す。図からCOPの消滅に関しては、第2段階の熱処理を行っても殆ど変化せず、第1段階の熱処理で決まっていることが判る。言い換えれば、第1段階の熱処理を1200℃以上の温度で行えば、第2段階の熱処理はどのような温度条件でもCOPの密度は変化しないと言える。COPの密度は、より小さいほうが好ましいが、本発明のようにCOP密度を約10個/8インチウエーハ以下にすることで、TZDB、TDDB等の電気特性も著しく改善された。このように、本発明ではCOP密度を確実に20個/8インチウエーハ(0.064個/cm2 )以下に安定して製造できる。
マイクロラフネスは図4に示したように、第2段階の熱処理を加えることによってP−V値で熱処理前の1.1nmから0.85〜0.6nmまで高温になるほどより一層改善されているのが判る。
【0030】
続いてヘイズを調査した。先ず、水素を含む還元性雰囲気について、水素濃度の影響について調べた。第2段階熱処理を1050℃、60秒間とし、混合ガス中水素ガス濃度を30〜80%の範囲(残ガスは窒素とアルゴン)に変化させて行い、ヘイズ(ピット数)はパーティクルカウンタLS−6030で測定した。
その結果を図5に示す。図から水素濃度は40〜70%の範囲が適切であることが判る。
【0031】
ヘイズに対する第2段階の熱処理の結果を図6に示す。図6は第2段階熱処理温度と熱処理後のヘイズ(ピット数)の関係であり、雰囲気ガスを水素60%、アルゴン20%、窒素20%とし、1000〜1100℃の範囲で調べた結果、1050℃近辺に適値があった。
【0032】
また、処理時間については、図7、8に示したように、熱処理温度を1050℃、雰囲気ガスを水素60%、アルゴン20%、窒素20%とし、0〜120秒間変化させたところ、20〜120秒間でヘイズが著しく改善されていることが判る。ちなみに、図7はパーティクルカウンタLS−6030で測定した値(ピット数)であり、図8はSP−1で測定した値(ppm)であり、両測定機器の結果からもヘイズの向上が判る。
このヘイズレベルを測定する測定機器は、異なる範囲の表面領域を走査していることや、検出方法の違いにより、同じ単位での評価ができないが、SP−1のような空間波長が約2〜5μmであるパーティクルカウンタで測定した場合、本発明のウエーハは図8に示したように入射光に対する散乱光強度(これがヘイズに相当)が0.3ppm以下であった。これと同じウエーハをLS−6030のような空間波長0.5〜3μmであるパーティクルカウンタで測定した場合(図7)、約60ビットという単位で測定される。
【0033】
以上の実験、調査結果をまとめると、RTA装置を用い、シリコンウエーハを枚葉式で水素を含む還元性雰囲気下に複数段階の熱処理を行なうに際し、第1段階の熱処理温度は1150〜1250℃の範囲で、処理時間は10秒とし、第2段階の熱処理温度は1000〜1150℃の範囲で、処理時間は10〜120秒とした結果、COPの密度は熱処理前の10%〜1%程度までに減少し、マイクロラフネスも熱処理前の80%〜55%程度まで低減され、またヘイズレベルも熱処理前の80〜50%程度まで減少し、実質上問題のないレベルにあるシリコンウエーハを作製することができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
ここで、本発明で用いたシリコンウエーハを水素を含む還元性雰囲気下で急速加熱・急速冷却できる装置の一例を示す。図9は、このような急速加熱・急速冷却できる装置の概略断面図である。
【0035】
図9の熱処理装置20は、例えば炭化珪素あるいは石英からなるベルジャ21を有し、このベルジャ21内でシリコンウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、ベルジャ21を囲繞するように配置される加熱ヒータ22,22’によって行う。この加熱ヒータは上下方向で分割されており、それぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。加熱ヒータ22,22’の外側には、熱を遮蔽するためのハウジング23が配置されている。もちろん、熱処理装置および加熱方式は、これに限定されるものではなく、いわゆる輻射加熱、高周波加熱方式としてもよい。
【0036】
炉の下方には、水冷チャンバ24とベースプレート25が配置され、ベルジャ21内と、外気とを封鎖している。そしてシリコンウエーハ28はステージ27上に保持されるようになっており、ステージ27はモータ29によって上下動自在な支持軸26の上端に取りつけられている。水冷チャンバ24には横方向からウエーハを炉内に出し入れできるように、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。また、ベースプレート25には、ガス流入口と排気口が設けられており、炉内ガス雰囲気を調整できるようになっている。
【0037】
以上のような熱処理装置20によって、シリコンウエーハの水素を含む還元性雰囲気下、急速加熱・急速冷却する複数段階の熱処理、例えば2段階熱処理(第1段階:高温熱処理、第2段階:低温熱処理)は次のように行われる。
まず、第1段階の高温熱処理は、加熱ヒータ22,22’によってベルジャ21内を、例えば1200〜1350℃の所望温度に加熱し、その温度に保持する。分割された加熱ヒータそれぞれを独立して供給電力を制御すれば、ベルジャ21内を高さ方向に沿って温度分布をつけることができる。従って、この時点で第2段階の低温熱処理温度である900〜1200℃の所望温度帯域を第1段階の高温熱処理温度帯域の下部に設定しておくことができる。このようにウエーハの熱処理温度は、温度条件が複数段階になっても、ステージ27の位置、すなわち支持軸26の炉内への挿入量によって決定することができる。
【0038】
ベルジャ21内が所望温度で維持されたなら、熱処理装置20に隣接して配置される、不図示のウエーハハンドリング装置によってシリコンウエーハを水冷チャンバ24の挿入口から入れ、最下端位置で待機させたステージ27上に例えばSiCボートを介してウエーハを乗せる。この時、水冷チャンバ24およびベースプレート25は水冷されているので、ウエーハはこの位置では高温化しない。
【0039】
そして、シリコンウエーハのステージ27上への載置が完了したなら、すぐにモータ29によって支持軸26を炉内に挿入することによって、ステージ27を1200℃〜1350℃の所望温度位置まで上昇させ、ステージ上のウエーハに高温熱処理を加える。この場合、水冷チャンバ24内のステージ下端位置から、所望温度位置までの移動には、例えば20秒程度しかかからないので、ウエーハは急速に加熱されることになる。
【0040】
そして、ステージ27を所望温度位置で、所定時間停止(1〜300秒)させることによって、ウエーハに水素を含む還元性雰囲気下で停止時間分の高温熱処理を加えることができる。所定時間が経過し第1段階の高温熱処理が終了したなら、すぐにモータ29によって支持軸26を下げ、ステージ27を予め設定しておいた第2段階の熱処理温度である900〜1200℃の温度帯域まで数秒で下降させて、所望温度位置で、所定時間停止(1〜300秒)させることによって、ウエーハに水素を含む還元性雰囲気下で停止時間分の低温熱処理を加えることができる。
【0041】
所定時間が経過し第2段階の低温熱処理が終了したなら、すぐにモータ29によって支持軸26を炉内から引き抜くことによってステージ27を下降させ、水冷チャンバ24内の下端位置とする。この下降動作も、例えば20秒程度で行うことができる。ステージ27上のシリコンウエーハは、水冷チャンバ24およびベースプレート25が水冷されているので、急速に冷却される。最後に、ウエーハハンドリング装置によって、シリコンウエーハを取り出すことによって、2段階の連続熱処理を完了する。
【0042】
さらに熱処理するシリコンウエーハがある場合には、熱処理装置20の温度を降温させていないので、次々にシリコンウエーハを投入し連続的に複数段階の熱処理を行うことができる。
【0043】
以上、複数段階の熱処理の一例として、2段階の熱処理を説明したが、本発明でいう急速加熱・急速冷却装置(RTA装置)を使用する急速加熱・急速冷却する熱処理とは、上記温度範囲に設定された熱処理炉中にウエーハを直ちに投入し、上記熱処理時間の経過後、直ちに取り出す方法の他、ウエーハを熱処理炉内の設定位置に配置した後、ランプ加熱器等で直ちに加熱処理する方法であってもよい。この直ちに投入し、取り出すというのは、従来より行われている一定時間での昇温、降温操作や熱処理炉内にウエーハを、ゆっくり投入し、取り出すいわゆるローディング、アンローディング操作を行わないということである。ただし、炉内の所定位置まで運ぶには、ある程度の時間を有するのは当然であり、ウエーハを投入するための移動装置の能力に従い、数秒から数分間で行われるというものである。
【0044】
そして、本発明は、上記急速加熱・急速冷却装置を用いてシリコンウエーハを水素を含む還元性雰囲気下で熱処理する方法において、該熱処理条件を複数段階に分割して設定し、熱処理を行うことを特徴としている。
【0045】
このように、シリコンウエーハをRTA装置を用いて水素を含む還元性雰囲気下で熱処理する方法において、該熱処理条件を複数段階に分割して設定し、熱処理を行えば、COPを著しく低減させることができると共に、マイクロラフネスおよびヘイズを減少させることができ、極低欠陥で酸化膜耐圧やキャリアの移動度等の電気特性に優れたシリコンウエーハを得ることができる。
【0046】
この場合、上記複数段階の熱処理を、ウエーハをRTA装置より取り出すことなく連続的に行うことが望ましい。
このように、RTA装置にセットしたシリコンウエーハに対して複数段階の熱処理を連続的に行えば、各段階の熱処理を個別に行うよりもCOPを確実に消滅させることができ、同時にマイクロラフネスおよびヘイズを低減させることができる。また、段階毎にウエーハをRTA装置から取り出さないので常温からの昇降温が不要となり、昇降温に要する時間も熱エネルギーも節減できるので、歩留りと生産性の向上ならびにコストダウンを図ることができる。
【0047】
そして、複数段階の熱処理条件を、前段階の熱処理温度よりも後段階の熱処理温度を低く設定することが望ましい。
このようにすれば、前段階の熱処理で得られた高い品質を、後段階で低下させることなく維持したまま、別の品質を上げることができる。例えば、前段階の高温熱処理でCOPの密度を低減または消滅させれば、後段階の低温熱処理ではその状態を維持したまま、新たにマイクロラフネスおよびヘイズを減少させることができる。
また、この方法によれば、COPが存在しないウエーハに対して前段階の高温熱処理を施すことによって、後段階の低温熱処理のみを行った場合よりヘイズが向上することが判った。従って、この方法は、COPのないウエーハ(完全結晶、準完全結晶、エピタキシャルウエーハ)やSOIウエーハのシリコン層にもヘイズを向上させる目的で適用することもできる。
【0048】
本発明のより具体的な熱処理としては、上記複数段階の熱処理のうち、前段階の熱処理を温度1200〜1350℃で1〜300秒間行い、後段階の熱処理を900〜1200℃で1〜300秒間行うようにした。
このようにすれば、前段階の高温域ではCOPの密度を確実に低減または消滅させることができ、後段階の低温域ではその状態を保持したまま、新たにマイクロラフネスおよびヘイズを所望の値まで極めて短時間に効率よく低減させることができる。
前段階で1350℃を越えて熱処理すると、炉の耐久性や、ウエーハ汚染の問題が生じることがあるので、1200〜1350℃の範囲とするのが良い。
【0049】
そして、上記水素を含む還元性の熱処理雰囲気としては、水素100%雰囲気あるいは水素の還元力を調整したり安全上等の理由から、水素とアルゴンおよび/または窒素との混合ガス雰囲気とすることができる。
このような熱処理雰囲気とすれば、確実にウエーハ表面のCOP密度を低減または消滅させ、マイクロラフネスおよびヘイズを改善することができる。特にヘイズを低減させるには混合ガス中水素濃度を40〜70%程度にするのが好ましい。
【0050】
また、本発明のシリコンウエーハの熱処理方法は、半導体デバイス工程前に行うか、あるいはデバイス工程中で行うことができる。このように半導体デバイス工程前に行っておけば、デバイス製造に供されるウエーハ品質が向上するので、酸化膜耐圧やキャリアの移動度等の電気特性に優れたデバイスを比較的容易に製造することができる。またデバイス工程中でも必要に応じて本発明の熱処理を行って電気特性を向上したり、劣化した電気特性を回復することができる。
【0051】
さらに、このような本発明の熱処理方法によれば、シリコンウエーハ表面のCOP密度が低減し、マイクロラフネスおよびヘイズが小さくなるので、酸化膜耐圧、キャリア移動度等の電気特性が向上し、極めて高品質で半導体デバイス用として有用なシリコンウエーハを高い歩留りと高生産性によって得ることができる。
特には、パーティクルカウンタで測定した0.12μm以上のLPDの数(COPに相当)が20個/8インチウエーハ(0.064個/cm2 )以下で、かつ原子間力顕微鏡で測定した2μm角(4μm2 の面積)のP−V値(マイクロラフネスに相当)が1.0nm以下で、なおかつパーティクルカウンタで測定した入射光に対する散乱光強度(ヘイズレベルに相当)が0.3ppm以下である低欠陥で表面状態の良好なシリコンウエーハを得ることができる。
【0052】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0053】
例えば、上記実施形態では図9に示したような熱処理装置を用いたが、本発明はこのような装置により行わなければならないものではなく、シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却することができる熱処理装置で、900℃以上に加熱することができ、複数段階の熱処理ができるものであれば、原則としてどのようなものであっても用いることができる。
【0054】
また、上記実施形態においては、直径8インチのシリコンウエーハを熱処理する場合につき説明したが、本発明は原則としてウエーハ直径に拘らず適用できるものであり、例えば、直径10〜16インチあるいはそれ以上のシリコンウエーハにも適用できる。
【0055】
さらに本発明の熱処理方法は、エピタキシャルウエーハやSOIウエーハのSOI層の表面粗れの回復(ヘイズの低減)や0.09μmサイズのパーティクルに対応したパーティクルモニター用ウエーハの製造に適用することができる。
【0056】
【発明の効果】
以上詳述したように、シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素を含む還元性雰囲気下で、複数段階の熱処理を行うことにより、ウエーハ表面のCOP密度を著しく低減させ、マイクロラフネスおよびヘイズを小さくすることができる。その結果酸化膜耐圧、キャリアの移動度等の電気特性、結晶性に優れたシリコンウエーハを得ることができ、さらに歩留りと生産性の向上を図り、コストダウンを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】急速加熱・急速冷却装置による複数段階熱処理における第1段階熱処理温度と熱処理後のCOP密度との関係を示した図である。
【図2】急速加熱・急速冷却装置による複数段階熱処理における第1段階熱処理温度と熱処理後のマイクロラフネスとの関係を示した図である。
【図3】急速加熱・急速冷却装置による複数段階熱処理における第2段階熱処理温度と熱処理後のCOP密度との関係を示した図である。
【図4】急速加熱・急速冷却装置による複数段階熱処理における第2段階熱処理温度と熱処理後のマイクロラフネスとの関係を示した図である。
【図5】急速加熱・急速冷却装置による第2段階熱処理における混合ガス中水素濃度と熱処理後のヘイズとの関係を示した図である。
【図6】急速加熱・急速冷却装置による第2段階熱処理における熱処理温度と熱処理後のヘイズとの関係を示した図である。
【図7】急速加熱・急速冷却装置による第2段階熱処理における熱処理時間と熱処理後のヘイズ(ピット数)との関係を示した図である。
【図8】急速加熱・急速冷却装置による第2段階熱処理における熱処理時間と熱処理後のヘイズ(ppm)との関係を示した図である。
【図9】 シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却できる装置の一例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
20…急速加熱・急速冷却装置、21…ベルジャ、
22,22’…加熱ヒータ、23…ハウジング、24…水冷チャンバ、
25…ベースプレート、26…支持軸、27…ステージ、
28…シリコンウエーハ、29…モータ。
Claims (3)
- 急速加熱・急速冷却装置を用いてシリコンウエーハを水素を含む還元性雰囲気下で急速加熱・急速冷却する熱処理をする方法において、該熱処理条件を2段階に分割し、前段階の熱処理温度よりも後段階の熱処理温度を低く設定し、前記2段階の熱処理のうち、前段階の熱処理を温度1200〜1350℃で1〜300秒間行うことにより、パーティクルカウンタで測定した0.12μm以上のLPDの数が0.064個/cm 2 以下となるようにし、後段階の熱処理を900〜1200℃で1〜300秒間行うことにより、原子間力顕微鏡で測定した2μm角のP−V値が1.0nm以下で、かつ空間波長が2〜5μmであるパーティクルカウンタで測定した入射光に対する散乱光強度が0.3ppm以下となるようにすることを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法。
- 前記2段階の熱処理を、ウエーハを急速加熱・急速冷却装置より取り出すことなく連続的に行うことを特徴とする請求項1に記載したシリコンウエーハの熱処理方法。
- 前記水素を含む還元性雰囲気が水素100%あるいは水素とアルゴン、水素と窒素、または水素とアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載したシリコンウエーハの熱処理方法。
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