JP3746153B2

JP3746153B2 - シリコンウエーハの熱処理方法

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Publication number: JP3746153B2
Application number: JP17669398A
Authority: JP
Inventors: 徳弘小林; 昌次秋山; 寿彦宮野
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: US6245311B1; EP0964443A3; KR20000005996A; EP0964443A2; JPH11354529A; TW449833B

Description

【０００１】
【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（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）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（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｅｒ、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（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）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（ＴｉｍｅＺｅｒｏＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ：ＴＺＤＢ）及び経時絶縁破壊特性（ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ：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（ＳｈｉｎｙａＹａｍａｋａｗａｅｔ．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（ＬｉｇｈｔＰｏｉｎｔＤｅｆｅｃｔ）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（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，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（ＳｕｒｆＳｃａｎＳＰ−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

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。