JP3778146B2 - シリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成し、さらに熱処理して表層にＤＺ(Denuded Zone)層を形成するシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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た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って半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に高濃度の原子空孔（Vacancy：以下、単に空孔と称す）を形成し、急冷により凍結するとともに、この後の熱処理で表面において空孔を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥層）を均一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）。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。
従来、空孔注入のための熱処理においては、雰囲気ガスとしてＮ２（窒素）が主に用いられている。すなわち、高温でＮ２が分解され、シリコンウェーハ表面にＳｉｘＮｙ（窒化膜）が形成されることにより、空孔（Vacancy）を注入するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記熱処理技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、従来は、空孔形成のための十分な熱処理効果を得るために１２５０℃以上かつ１０ｓｅｃ以上の熱処理が必要であった。このため、シリコンウェーハには、高温の熱処理により、サセプタ又は支持ピン等と接触する部分からスリップが発生してしまい、割れ等の原因になる不都合があった。また、高いＢＭＤ密度を有するウェーハは、ゲッタリング効果を有するが、ウェーハ全体としてＢＭＤ密度が高いとウェーハ強度が低下してしまう不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱処理の低温化又は短時間化を図りスリップの発生を抑制することができ、さらに近接ゲッタリング効果と十分なウェーハ強度を有するシリコンウェーハの製造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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シリコンウェーハの熱処理技術について研究を行ってきた結果、ＮＨ３（アンモニア）を主とした雰囲気ガスを用いることにより、Ｎ２の場合に比べて高効率の空孔注入効果が得られ、熱処理の低温化又は短時間化が可能であることがわかった。
一方、窒化ガスを含む雰囲気ガス中でＲＴＡ処理をしたシリコンウェーハに対して酸素析出のための熱処理を行うと、厚さ方向にＢＭＤ密度の分布がＭ型に形成される傾向がある。すなわち、厚さ方向のＢＭＤ密度は、表面近傍に最大値（以下、ＢＭＤピーク密度と称す）を有すると共に、厚さ方向の中間部分に極小値（Ｍ型分布の底の部分：以下、ＢＭＤバルク密度と称す）を有している。このＢＭＤ密度分布について研究を進めた結果、雰囲気ガスに含めるＮ２とＮＨ３とでは、シリコンウェーハの初期の酸素濃度（以下、単に酸素濃度と称す）に対するＢＭＤ密度の分布依存性が異なることが判明した。
【０００７】
すなわち、Ｎ２の場合には、窒化反応により注入される空孔と、１２００℃以上の温度で生成するフレンケル対（格子間シリコンと空孔の対）とが、拡散及び対消滅を生じ、冷却過程で凍結された空孔が残留する。ＢＭＤ密度は残留空孔濃度に依存する。ＮＨ３を含む雰囲気ガスの場合、１２００℃以下の温度域であるためフレンケル対の生成が極めて少ない。ＢＭＤ密度は、ＮＨ３の窒化作用により注入・凍結された空孔濃度のみに依存する。
Ｎ２雰囲気、ＮＨ３を含む雰囲気の両者で共通するのは、ＲＴＡ温度が高いと空孔濃度が高くなるため、ＢＭＤ密度は高くなり、ＢＭＤ密度の分布は、凍結された空孔の分布を反映していることである。
ＢＭＤピーク密度は主としてＲＴＡ処理温度に比例しており、１×１０６（個／ｃｍ２）のピーク密度とするためにはＮ２雰囲気では１２５０℃の温度であったが、ＮＨ３の場合には１１５０℃で達成できる。また、シリコンウェーハの酸素濃度依存性は小さい。
ＢＭＤバルク密度のＲＴＡ温度依存性は、ＮＨ３を含む雰囲気ではＮ２と異なり、ある温度域でＢＭＤバルク密度が極小になり、極小点より高温側では急峻な温度依存性を示す。この時のＢＭＤバルク密度が、シリコンウェーハの酸素濃度に大きく依存することが判明した。酸素濃度が高いとＢＭＤバルク密度が高くなり、ＢＭＤピーク密度との差が小さく、浅いＭ型となることがわかった。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
【０００８】
本発明のシリコンウェーハの製造方法においては、ＮＨ ３ を含む雰囲気ガス中でシリコンウェーハを熱処理して表面窒化作用により内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、
該熱処理工程は、まず、前記シリコンウェーハ表面窒化の妨げとなる表面の酸化膜を予め除去又は薄膜化しておき、
次いで、ＢＭＤ密度の前記シリコンウェーハ厚さ方向分布が、表面近傍に最大値であるＢＭＤピーク密度を有すると共に、厚さ方向の中間部分に極小値であるＢＭＤバルク密度を有するＭ型に形成されるように前記熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内のＲＴＡ処理とし、
前記熱処理されるシリコンウェーハは、酸素濃度が１６．５ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以上２１．０ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以下であることにより上記課題を解決した。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理される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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、前記パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであることができきる。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理工程後に、該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有することもある。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度の比が３以上に設定されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
本発明のシリコンウェーハは、熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンウェーハであって、
上記のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。
本発明のシリコンウェーハの製造方法は、ＮＨ３ を含む雰囲気ガス中でシリコンウェーハを熱処理して内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、該熱処理工程は、前記熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内とし、前記熱処理されるシリコンウェーハは、酸素濃度が２１．０ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以下であることを特徴とする。
【０００９】
このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ(OldASTM)以下であるので、その後の酸素析出のための熱処理により、後述するように、ウェーハの表面近傍に形成されるＢＭＤピーク密度をウェーハ中間部分に形成されるＢＭＤバルク密度に対して３倍以上にすることができる。すなわち、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度の比が３倍以上得られることにより、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、低ＢＭＤバルク密度により、ウェーハ中間部分において高強度が得られ、ウェーハ全体として要望される十分な強度を得ることができる。
なお、熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内としたのは、１１３５℃未満の温度では、１×１０６個／ｃｍ２以上のＢＭＤピーク密度を得ることができず、また１１７０℃を越えた温度では、スリップが発生しやすくなるためである。
【００１０】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度が１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上であることが好ましい。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度を１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上とするので、その後の酸素析出のための熱処理により、ウェーハの表面近傍に形成されるＢＭＤピーク密度を、十分な近接ゲッタリング効果が得られる１×１０６個／ｃｍ２以上にすることができる。
【００１１】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記熱処理されるシリコンウェーハが、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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、前記パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハである技術が採用される。
【００１２】
このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハが、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであるので、熱処理時に注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔を効率的に注入することができる。また、空孔型点欠陥もほとんどないため、熱処理による注入で十分な空孔密度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記熱処理工程後に、該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有す技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理工程よりも低い温度でシリコンウェーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させるので、上記空孔に酸素が析出して高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層が表面近傍に得られると共に、低ＢＭＤ密度の領域が内部の中間部分に得られて十分なウェーハ強度を得ることができる。
【００１４】
本発明のシリコンウェーハは、熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンウェーハであって、上記本発明のシリコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。すなわち、このシリコンウェーハでは、上記本発明のシリコンウェーハの製造方法により作製されているので、好適なＭ型のＢＭＤ密度分布が得られる空孔が注入され、その後の酸素析出のための熱処理により十分な近接ゲッタリング能力とウェーハ強度とを両立した高品質なウェーハが得られる。
【００１５】
【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製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態を、図１から図８を参照しながら説明する。
【００１６】
図１にあって、符号１はサセプタ、２は反応室を示している。
図１は、本発明のシリコンウェーハの製造方法を実施するための枚葉式の熱処理炉を示すものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコンウェーハＷを載置可能な円環状のサセプタ１と、該サセプタ１を内部に収納した反応室２とを備えている。なお、反応室２の外部には、シリコンウェーハＷを加熱するランプ（図示略）が配置されている。
【００１７】
サセプタ１は、シリコンカーバイト等で形成されており、内側に段部１ａが設けられ、該段部１ａ上にシリコンウェーハＷの周縁部を載置するようになっている。
反応室２には、シリコンウェーハＷの表面に雰囲気ガスＧを供給する供給口２ａ及び供給された雰囲気ガスＧを排出する排出口２ｂが設けられている。
また、供給口２ａは、雰囲気ガスＧの供給源（図示略）に接続されている。
また、雰囲気ガスＧは、ＮＨ３を主とした雰囲気ガスＧを用いている。
【００１８】
上記熱処理するシリコンウェーハＷは、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものである。
さらに、このシリコンウェーハＷ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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハである。なお、空孔型点欠陥は、一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常な一つから離脱した空孔による欠陥であり、また、格子間シリコン点欠陥は、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）にある場合の欠陥をいう。
【００１９】
すなわち、このパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるシリコンウェーハは、例えば特開平１−１３９３号公報に提案されているように、ＣＺ法によりホットゾーン内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ(Voronkov)理論に基づいた引上速度プロファイルで引き上げられ、このインゴットをスライスして作製される。
このインゴットは、引上速度をＶ（ｍｍ／分）とし、ルツボ中のシリコン融液とインゴットとの界面近傍におけるインゴット鉛直方向の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault;酸素誘起積層欠陥）がウェーハ中心部で消滅するように、Ｖ／Ｇ（ｍｍ２／分・℃）の値を決めて作られる。
【００２０】
上記ボロンコフ理論では、図２に示すように、Ｖ／Ｇを横軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型欠陥濃度を同一の縦軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される。図２において、〔Ｉ〕は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン点欠陥が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）１以下）を示し、〔Ｖ〕はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）２以下）を示し、〔Ｐ〕は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（（Ｖ／Ｇ）１〜（Ｖ／Ｇ）２）を示す。領域〔Ｐ〕に隣接する領域〔Ｖ〕にはＯＳＦ核を形成する領域〔ＯＳＦ〕（（Ｖ／Ｇ）２〜（Ｖ／Ｇ）３）が存在する。
【００２１】
したがって、シリコンウェーハに供されるインゴットの引上速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン内のシリコン融液から引き上げられるとき、温度勾配に対する引上速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（（Ｖ／Ｇ）１）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（（Ｖ／Ｇ）２）以下に維持されるように決められる。
【００２２】
この引上速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることやシミュレーションによって上記ボロンコフ理論に基づいて決定される。
【００２３】
なお、ＣＯＰ等の点欠陥の凝集体が検出方法によって検出感度、検出下限値が異なる値を示すことがある。そのため、本明細書において、「点欠陥の凝集体が存在しない」の意味は、鏡面加工されたシリコン単結晶を無攪拌セコエッチングを施した後に光学顕微鏡により、観察面積とエッチング取り代との積を検査体積として観察した際に、フローパターン（空孔型欠陥）及び転位クラスタ（格子間シリコン型点欠陥）の各凝集体が１×１０−３ｃｍ３の検査体積に対して１個欠陥が検出された場合を検出下限値（１×１０３個／ｃｍ３）とするとき、点欠陥の凝集体の数が上記検出下限値以下であることをいう。
【００２４】
上記熱処理炉を用いて雰囲気ガスＧ中でシリコンウェーハＷをＲＴＡ処理（熱処理）し、内部に新たに空孔を形成する方法、さらにこのウェーハＷの表層にＤＺ層を形成すると共に内部にＢＭＤ層を形成する熱処理を施す方法について、以下に説明する。
まず、空孔を注入するためのＲＴＡ処理を行う前に、シリコンウェーハＷの表面に形成されている自然酸化膜や他の処理などによる酸化膜を予め除去又は薄膜化しておくことが好ましい。すなわち、熱処理前のシリコンウェーハＷをフッ酸などで洗浄し、表面窒化の妨げとなる表面の酸化膜を予め除去しておく。
【００２５】
この熱処理炉によりシリコンウェーハＷに熱処理、特にＲＴＡ処理（急加熱及び急冷却の熱処理）を施すには、サセプタ１にシリコンウェーハＷを載置した後、供給口２ａから上記雰囲気ガスＧをシリコンウェーハＷの表面に供給した状態で、１１３５℃から１１７０℃までの範囲の熱処理温度かつ１ｓｅｃから６０ｓｅｃまでの範囲の熱処理時間（例えば、１０ｓｅｃ）で、短時間の急速加熱・急冷（例えば、５０℃／秒の昇温、７０℃／秒の降温）の熱処理を行う。
【００２６】
なお、上記熱処理では、まず、８００℃までの昇温を行う前に、Ａｒのみを雰囲気ガスとして高い流量で供給し、熱処理炉内の雰囲気ガスを置換して酸素を除去するパージ処理を行う。酸素が完全に炉内から除去された状態で、次に、Ａｒのみを雰囲気ガスとして所定流量で供給しながら８００℃まで昇温する。
次に、ＮＨ３を所定流量で熱処理炉に導入しＡｒとＮＨ３との混合ガスを雰囲気ガスとして供給しながら、８００℃から所定の熱処理温度（例えば、１１５０℃）まで急速加熱昇温を行い、該熱処理温度一定で所定時間の熱処理し、さらにその後８００℃まで急冷する。
【００２７】
その後、８００℃一定でＮＨ３を完全に排出するまでＡｒのみを雰囲気ガスとして流量を上げて供給し、排出完了後に再びＡｒのみの雰囲気ガス中で降温する。このように、昇温時の途中から急冷降温時の途中までＮＨ３を含む雰囲気ガスＧを雰囲気ガスとして供給している。
なお、上記熱処理後、ウェーハＷを熱処理炉から取り出すことにより急冷する。この際、上記パージ時の熱処理（８００℃）及び取り出し時の急冷効果により、内部の酸素ドナーを消去することができる。
【００２８】
上記熱処理により、シリコンウェーハＷの表面は、Ｎ２を主とする雰囲気ガスの場合に比べて低い熱処理温度でも表面を窒化、すなわち窒化膜あるいは酸窒化膜を形成して、図３の（ａ）に示すように、内部（特に表面近傍）に空孔（Vacancy）Ｖを十分に注入することができる。凍結後の空孔濃度の厚さ方向分布は、図４の（ａ）に示すように、Ｍ型となっている。
【００２９】
さらに、上記熱処理（ＲＴＡ処理）後に該熱処理より低い温度で、空孔Ｖへの酸素析出を行うために熱処理（例えば、８００℃４時間の熱処理に連続して１０００℃１６時間の熱処理）を熱処理炉等で施すことにより、図３の（ｂ）に示すように、表層では、空孔の外方拡散と酸化膜形成に伴う格子間Ｓｉの注入による空孔と格子間Ｓｉによる対消滅によって表層にＤＺ層ＤＺを形成すると共に、内部（特に表面近傍）に高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層ＢＭＤを形成する。なお、この上記ＤＺ層形成又は酸素析出のための熱処理を特に行わず、その後のデバイス作製工程に伴って行われる熱処理で行っても構わない。
【００３０】
上記酸素析出のための熱処理により、図４の（ｂ）に示すように、厚さ方向のＢＭＤ密度はＭ型の分布となり、表面近傍に最大値（ＢＭＤピーク密度）を有すると共に厚さ方向の中間部分に極小値（ＢＭＤバルク密度）を有している。そして、このＢＭＤピーク密度は、ＢＭＤバルク密度に対して３倍以上となる。
【００３１】
本発明者らは、異なる酸素濃度のシリコンウェーハに対し、上記空孔形成のためのＲＴＡ処理及び空孔への酸素析出のための熱処理を行って、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度とについて調べた結果、図５に示すように、ＮＨ３を用いた場合、特にＢＭＤバルク密度は強い酸素濃度依存性を示すことがわかった。すなわち、この結果からわかるように、シリコンウェーハの酸素濃度Ｏｉが１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内であれば、ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度を３以上にでき、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、十分なウェーハ強度を維持可能にすることができる。なお、図５に示すＲＴＡ処理の熱処理温度及び熱処理時間は１１５０℃及び１０ｓｅｃであり、昇温速度及び降温速度は５０℃／ｓｅｃ及び７０℃／ｓｅｃである。
【００３２】
このようにＮＨ３を用いた場合、Ｎ２に比べて酸素濃度依存性が高い理由は、フレンケル対生成の有無が関係していると考えられる。生成された格子間シリコンが注入された空孔をバルク内で消滅させるので、Ｎ２の場合はＢＭＤバルク密度は酸素濃度依存性は大きくない。ＮＨ３ではバルク内でも空孔が高濃度に凍結されており、酸素濃度依存が大きいためと考えられる。
【００３３】
また、上記ＲＴＡ処理の熱処理温度は、Ｍ型のＢＭＤ密度分布を得るために１１３５℃から１１７０℃までの範囲に設定する必要がある。例えば、ＲＴＡ処理の熱処理温度を１１３０℃とし、他の条件を上記実施形態と同様にした場合のＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度の酸素濃度依存性を図６に示す。この図からもわかるように、ＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度は、両方とも１１５０℃の場合に比べて低くなると共に、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との差が明確に現れておらず、要望されている上記ＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度の条件を同時に満たすことができない。
なお、酸素濃度が１９．１ｐｐｍ(OldASTM)の場合にＲＴＡ処理の熱処理温度を１１００℃から１２００℃まで変えたときのＢＭＤピーク密度、ＢＭＤバルク密度を及びＤＺ層幅を、図７に示す。
また、酸素濃度が１９．１ｐｐｍ(OldASTM)の場合にＲＴＡ処理の熱処理温度を１１００℃から１２００℃まで変えたときのＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を、図８に示す。
【００３４】
このように本実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるので、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を３以上にすることができる。すなわち、ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度が３以上得られることにより、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共にウェーハ中間部分において高強度が得られ、ウェーハ全体として要望される十分な強度を得ることができる。
【００３５】
また、熱処理されるシリコンウェーハＷが、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであるので、熱処理時に注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔を表面近傍に効率的に注入することができる。また、空孔型点欠陥もほとんどないため、熱処理による注入で十分な空孔密度を表面近傍に得ることができる。
【００３６】
さらに、空孔形成のためのＲＴＡ処理工程よりも低い温度でシリコンウェーハＷを熱処理して表層にデバイス形成に好適なＤＺ層ＤＺを形成すると共に内部の空孔Ｖに酸素をＭ型分布で析出させるので、上記空孔Ｖに酸素が析出されて高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層ＢＭＤが表面近傍に得られると共に、低ＢＭＤ密度の領域が内部の中間部分に得られて十分なウェーハ強度を得ることができる。
【００３７】
なお、従来のように１２００℃を越えた高温熱処理では、結晶中にフレンケルペアと呼ばれる空孔（Vacancy）と格子間Ｓｉとが同時に発生し、ＲＴＡ処理で注入される空孔が格子間Ｓｉと対消滅してしまい、実際に析出に貢献する空孔の密度が低下してしまう。これに対して、本実施形態では、フレンケルペアの発生が少ない低温、すなわち１２００℃以下で熱処理するため、結晶中に形成される格子間Ｓｉが少なく、表面の窒化膜により注入される空孔Ｖが格子間Ｓｉと対消滅せず、注入効率を高めることができる。
【００３８】
次に、本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第２実施形態を、図９を参照しながら説明する。
【００３９】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では熱処理されるシリコンウェーハＷが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるのに対し、第２実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ(OldASTM)以上のものである点である。すなわち、本実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ以上（例えば、２３．０ｐｐｍ(OldASTM)）のものであるので、１×１０６個／ｃｍ２以上の高いＢＭＤ密度が得られる。
【００４０】
また、第１実施形態がＢＭＤ密度がＭ型分布となるのに対し、本実施形態では、図９に示すように、ＤＺ領域近傍を除く内部領域でほぼ均一な分布となる台形型分布のＢＭＤ密度が得られる。
このように、上記各実施形態からわかるように、なお、熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内とし、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度を少なくとも１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上のものにすれば、１×１０６個／ｃｍ２以上の高いＢＭＤピーク密度が得られると共に、スリップも発生し難い。なお、ウェーハ強度を考慮した場合は、第１実施形態のように、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度を２１．０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
【００４１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４２】
また、雰囲気ガスが三種類以上の混合ガスである場合は、そのうちの一種類以上がＮＨ３であればよい。
また、雰囲気ガスが二種類以上の混合ガスである場合は、含まれる窒化ガスは０．５％以上又は１００ｓｃｃｍ以上で絶対量の少ない方の量とされることが好ましい。すなわち、この範囲での窒化反応は反応律速であり、この最低限以上の窒化性のガスを含んでいれば、ウェーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、その結果、導入される原子空孔濃度は同じで、析出量は同じである。なお、これ以下の０．０５％以上０．５％未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１００ｓｃｃｍ以下の範囲では、窒化膜厚は同一温度及び時間であれば、窒化ガスの分圧により、窒化量が変化する。したがって、この領域は、供給律速であり、窒素量により析出量をコントロールすることができる。
【００４３】
また、上記雰囲気ガスの圧力は、減圧、常圧又は加圧のいずれの状態でもよい。
また、上記実施形態によりウェーハ表面に形成される窒化膜、酸窒化膜（シリコン酸化窒化膜）は、Ｓｉ３Ｎ４を代表とするＳｉｘＮｙである。また、酸化膜をＮＨ３などにより窒化した場合には、Ｓｉ２Ｎ２Ｏを代表とするＳｉ２ＮｘＯ４−１．５ｘが形成される。すなわち、シリコン酸化窒化膜が形成される。
また、これらの窒化膜は、さらに膜中に水素が含まれていても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハによれば、熱処理されるシリコンウェーハが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるので、その後の酸素析出のための熱処理により、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を３以上にすることができる。すなわち、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、十分なウェーハ強度を得ることができ、高品質かつ高機能なシリコンウェーハを得ることができる。特に、２００ｍｍよりも大きい径の３００ｍｍのウェーハにおいて、さらに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【図２】 ボロンコフ理論に基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔豊富インゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが形成され、パーフェクト領域が第１臨界比（（Ｖ／Ｇ）１）以上第２臨界比（（Ｖ／Ｇ）２）以下であることを示す図である。
【図３】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態における空孔形成のためのＲＴＡ処理中及びその後の酸素析出のための熱処理後のウェーハを示す拡大断面図である。
【図４】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態において、厚さ方向に対する空孔濃度の分布及びＢＭＤ密度の分布を概略的に示すグラフである。
【図５】 熱処理温度１１５０℃のＲＴＡ処理を行った場合の酸素濃度に対するＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度を示すグラフである。
【図６】 熱処理温度１１３０℃のＲＴＡ処理を行った場合の酸素濃度に対するＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度を示すグラフである。
【図７】 １１００℃から１２００℃まで熱処理温度を変えてＲＴＡ処理を行った場合のＢＭＤピーク密度、ＢＭＤバルク密度及びＤＺ層幅を示すグラフである。
【図８】 １１００℃から１２００℃まで熱処理温度を変えてＲＴＡ処理を行った場合のＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を示すグラフである。
【図９】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第２実施形態において、厚さ方向に対するＢＭＤ密度の分布を概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
１ サセプタ
２ 反応室
ＢＭＤ ＢＭＤ層
ＤＺ ＤＺ層（無欠陥層）
Ｇ 雰囲気ガス
Ｖ 空孔(Vacancy)
Ｗ シリコンウェーハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成し、さらに熱処理して表層にＤＺ(Denuded Zone)層を形成するシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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た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って半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に高濃度の原子空孔（Vacancy：以下、単に空孔と称す）を形成し、急冷により凍結するとともに、この後の熱処理で表面において空孔を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥層）を均一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）。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。
従来、空孔注入のための熱処理においては、雰囲気ガスとしてＮ２（窒素）が主に用いられている。すなわち、高温でＮ２が分解され、シリコンウェーハ表面にＳｉｘＮｙ（窒化膜）が形成されることにより、空孔（Vacancy）を注入するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記熱処理技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、従来は、空孔形成のための十分な熱処理効果を得るために１２５０℃以上かつ１０ｓｅｃ以上の熱処理が必要であった。このため、シリコンウェーハには、高温の熱処理により、サセプタ又は支持ピン等と接触する部分からスリップが発生してしまい、割れ等の原因になる不都合があった。また、高いＢＭＤ密度を有するウェーハは、ゲッタリング効果を有するが、ウェーハ全体としてＢＭＤ密度が高いとウェーハ強度が低下してしまう不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱処理の低温化又は短時間化を図りスリップの発生を抑制することができ、さらに近接ゲッタリング効果と十分なウェーハ強度を有するシリコンウェーハの製造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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シリコンウェーハの熱処理技術について研究を行ってきた結果、ＮＨ３（アンモニア）を主とした雰囲気ガスを用いることにより、Ｎ２の場合に比べて高効率の空孔注入効果が得られ、熱処理の低温化又は短時間化が可能であることがわかった。
一方、窒化ガスを含む雰囲気ガス中でＲＴＡ処理をしたシリコンウェーハに対して酸素析出のための熱処理を行うと、厚さ方向にＢＭＤ密度の分布がＭ型に形成される傾向がある。すなわち、厚さ方向のＢＭＤ密度は、表面近傍に最大値（以下、ＢＭＤピーク密度と称す）を有すると共に、厚さ方向の中間部分に極小値（Ｍ型分布の底の部分：以下、ＢＭＤバルク密度と称す）を有している。このＢＭＤ密度分布について研究を進めた結果、雰囲気ガスに含めるＮ２とＮＨ３とでは、シリコンウェーハの初期の酸素濃度（以下、単に酸素濃度と称す）に対するＢＭＤ密度の分布依存性が異なることが判明した。
【０００７】
すなわち、Ｎ２の場合には、窒化反応により注入される空孔と、１２００℃以上の温度で生成するフレンケル対（格子間シリコンと空孔の対）とが、拡散及び対消滅を生じ、冷却過程で凍結された空孔が残留する。ＢＭＤ密度は残留空孔濃度に依存する。ＮＨ３を含む雰囲気ガスの場合、１２００℃以下の温度域であるためフレンケル対の生成が極めて少ない。ＢＭＤ密度は、ＮＨ３の窒化作用により注入・凍結された空孔濃度のみに依存する。
Ｎ２雰囲気、ＮＨ３を含む雰囲気の両者で共通するのは、ＲＴＡ温度が高いと空孔濃度が高くなるため、ＢＭＤ密度は高くなり、ＢＭＤ密度の分布は、凍結された空孔の分布を反映していることである。
ＢＭＤピーク密度は主としてＲＴＡ処理温度に比例しており、１×１０６（個／ｃｍ２）のピーク密度とするためにはＮ２雰囲気では１２５０℃の温度であったが、ＮＨ３の場合には１１５０℃で達成できる。また、シリコンウェーハの酸素濃度依存性は小さい。
ＢＭＤバルク密度のＲＴＡ温度依存性は、ＮＨ３を含む雰囲気ではＮ２と異なり、ある温度域でＢＭＤバルク密度が極小になり、極小点より高温側では急峻な温度依存性を示す。この時のＢＭＤバルク密度が、シリコンウェーハの酸素濃度に大きく依存することが判明した。酸素濃度が高いとＢＭＤバルク密度が高くなり、ＢＭＤピーク密度との差が小さく、浅いＭ型となることがわかった。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
【０００８】
本発明のシリコンウェーハの製造方法においては、ＮＨ ３ を含む雰囲気ガス中でシリコンウェーハを熱処理して表面窒化作用により内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、
該熱処理工程は、まず、前記シリコンウェーハ表面窒化の妨げとなる表面の酸化膜を予め除去又は薄膜化しておき、
次いで、ＢＭＤ密度の前記シリコンウェーハ厚さ方向分布が、表面近傍に最大値であるＢＭＤピーク密度を有すると共に、厚さ方向の中間部分に極小値であるＢＭＤバルク密度を有するＭ型に形成されるように前記熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内のＲＴＡ処理とし、
前記熱処理されるシリコンウェーハは、酸素濃度が１６．５ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以上２１．０ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以下であることにより上記課題を解決した。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理される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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、前記パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであることができきる。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理工程後に、該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有することもある。
本発明は、上記のシリコンウェーハの製造方法において、
前記ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度の比が３以上に設定されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
本発明のシリコンウェーハは、熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンウェーハであって、
上記のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。
本発明のシリコンウェーハの製造方法は、ＮＨ３ を含む雰囲気ガス中でシリコンウェーハを熱処理して内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、該熱処理工程は、前記熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内とし、前記熱処理されるシリコンウェーハは、酸素濃度が２１．０ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以下であることを特徴とする。
【０００９】
このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ(OldASTM)以下であるので、その後の酸素析出のための熱処理により、後述するように、ウェーハの表面近傍に形成されるＢＭＤピーク密度をウェーハ中間部分に形成されるＢＭＤバルク密度に対して３倍以上にすることができる。すなわち、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度の比が３倍以上得られることにより、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、低ＢＭＤバルク密度により、ウェーハ中間部分において高強度が得られ、ウェーハ全体として要望される十分な強度を得ることができる。
なお、熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内としたのは、１１３５℃未満の温度では、１×１０６個／ｃｍ２以上のＢＭＤピーク密度を得ることができず、また１１７０℃を越えた温度では、スリップが発生しやすくなるためである。
【００１０】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度が１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上であることが好ましい。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハの酸素濃度を１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上とするので、その後の酸素析出のための熱処理により、ウェーハの表面近傍に形成されるＢＭＤピーク密度を、十分な近接ゲッタリング効果が得られる１×１０６個／ｃｍ２以上にすることができる。
【００１１】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記熱処理されるシリコンウェーハが、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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、前記パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハである技術が採用される。
【００１２】
このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理されるシリコンウェーハが、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであるので、熱処理時に注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔を効率的に注入することができる。また、空孔型点欠陥もほとんどないため、熱処理による注入で十分な空孔密度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記熱処理工程後に、該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有す技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、熱処理工程よりも低い温度でシリコンウェーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させるので、上記空孔に酸素が析出して高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層が表面近傍に得られると共に、低ＢＭＤ密度の領域が内部の中間部分に得られて十分なウェーハ強度を得ることができる。
【００１４】
本発明のシリコンウェーハは、熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンウェーハであって、上記本発明のシリコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。すなわち、このシリコンウェーハでは、上記本発明のシリコンウェーハの製造方法により作製されているので、好適なＭ型のＢＭＤ密度分布が得られる空孔が注入され、その後の酸素析出のための熱処理により十分な近接ゲッタリング能力とウェーハ強度とを両立した高品質なウェーハが得られる。
【００１５】
【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製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態を、図１から図８を参照しながら説明する。
【００１６】
図１にあって、符号１はサセプタ、２は反応室を示している。
図１は、本発明のシリコンウェーハの製造方法を実施するための枚葉式の熱処理炉を示すものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコンウェーハＷを載置可能な円環状のサセプタ１と、該サセプタ１を内部に収納した反応室２とを備えている。なお、反応室２の外部には、シリコンウェーハＷを加熱するランプ（図示略）が配置されている。
【００１７】
サセプタ１は、シリコンカーバイト等で形成されており、内側に段部１ａが設けられ、該段部１ａ上にシリコンウェーハＷの周縁部を載置するようになっている。
反応室２には、シリコンウェーハＷの表面に雰囲気ガスＧを供給する供給口２ａ及び供給された雰囲気ガスＧを排出する排出口２ｂが設けられている。
また、供給口２ａは、雰囲気ガスＧの供給源（図示略）に接続されている。
また、雰囲気ガスＧは、ＮＨ３を主とした雰囲気ガスＧを用いている。
【００１８】
上記熱処理するシリコンウェーハＷは、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものである。
さらに、このシリコンウェーハＷ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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンウェーハである。なお、空孔型点欠陥は、一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常な一つから離脱した空孔による欠陥であり、また、格子間シリコン点欠陥は、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）にある場合の欠陥をいう。
【００１９】
すなわち、このパーフェクト領域〔Ｐ〕からなるシリコンウェーハは、例えば特開平１−１３９３号公報に提案されているように、ＣＺ法によりホットゾーン内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ(Voronkov)理論に基づいた引上速度プロファイルで引き上げられ、このインゴットをスライスして作製される。
このインゴットは、引上速度をＶ（ｍｍ／分）とし、ルツボ中のシリコン融液とインゴットとの界面近傍におけるインゴット鉛直方向の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするとき、熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault;酸素誘起積層欠陥）がウェーハ中心部で消滅するように、Ｖ／Ｇ（ｍｍ２／分・℃）の値を決めて作られる。
【００２０】
上記ボロンコフ理論では、図２に示すように、Ｖ／Ｇを横軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型欠陥濃度を同一の縦軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される。図２において、〔Ｉ〕は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン点欠陥が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）１以下）を示し、〔Ｖ〕はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（（Ｖ／Ｇ）２以下）を示し、〔Ｐ〕は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（（Ｖ／Ｇ）１〜（Ｖ／Ｇ）２）を示す。領域〔Ｐ〕に隣接する領域〔Ｖ〕にはＯＳＦ核を形成する領域〔ＯＳＦ〕（（Ｖ／Ｇ）２〜（Ｖ／Ｇ）３）が存在する。
【００２１】
したがって、シリコンウェーハに供されるインゴットの引上速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン内のシリコン融液から引き上げられるとき、温度勾配に対する引上速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（（Ｖ／Ｇ）１）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（（Ｖ／Ｇ）２）以下に維持されるように決められる。
【００２２】
この引上速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることやシミュレーションによって上記ボロンコフ理論に基づいて決定される。
【００２３】
なお、ＣＯＰ等の点欠陥の凝集体が検出方法によって検出感度、検出下限値が異なる値を示すことがある。そのため、本明細書において、「点欠陥の凝集体が存在しない」の意味は、鏡面加工されたシリコン単結晶を無攪拌セコエッチングを施した後に光学顕微鏡により、観察面積とエッチング取り代との積を検査体積として観察した際に、フローパターン（空孔型欠陥）及び転位クラスタ（格子間シリコン型点欠陥）の各凝集体が１×１０−３ｃｍ３の検査体積に対して１個欠陥が検出された場合を検出下限値（１×１０３個／ｃｍ３）とするとき、点欠陥の凝集体の数が上記検出下限値以下であることをいう。
【００２４】
上記熱処理炉を用いて雰囲気ガスＧ中でシリコンウェーハＷをＲＴＡ処理（熱処理）し、内部に新たに空孔を形成する方法、さらにこのウェーハＷの表層にＤＺ層を形成すると共に内部にＢＭＤ層を形成する熱処理を施す方法について、以下に説明する。
まず、空孔を注入するためのＲＴＡ処理を行う前に、シリコンウェーハＷの表面に形成されている自然酸化膜や他の処理などによる酸化膜を予め除去又は薄膜化しておくことが好ましい。すなわち、熱処理前のシリコンウェーハＷをフッ酸などで洗浄し、表面窒化の妨げとなる表面の酸化膜を予め除去しておく。
【００２５】
この熱処理炉によりシリコンウェーハＷに熱処理、特にＲＴＡ処理（急加熱及び急冷却の熱処理）を施すには、サセプタ１にシリコンウェーハＷを載置した後、供給口２ａから上記雰囲気ガスＧをシリコンウェーハＷの表面に供給した状態で、１１３５℃から１１７０℃までの範囲の熱処理温度かつ１ｓｅｃから６０ｓｅｃまでの範囲の熱処理時間（例えば、１０ｓｅｃ）で、短時間の急速加熱・急冷（例えば、５０℃／秒の昇温、７０℃／秒の降温）の熱処理を行う。
【００２６】
なお、上記熱処理では、まず、８００℃までの昇温を行う前に、Ａｒのみを雰囲気ガスとして高い流量で供給し、熱処理炉内の雰囲気ガスを置換して酸素を除去するパージ処理を行う。酸素が完全に炉内から除去された状態で、次に、Ａｒのみを雰囲気ガスとして所定流量で供給しながら８００℃まで昇温する。
次に、ＮＨ３を所定流量で熱処理炉に導入しＡｒとＮＨ３との混合ガスを雰囲気ガスとして供給しながら、８００℃から所定の熱処理温度（例えば、１１５０℃）まで急速加熱昇温を行い、該熱処理温度一定で所定時間の熱処理し、さらにその後８００℃まで急冷する。
【００２７】
その後、８００℃一定でＮＨ３を完全に排出するまでＡｒのみを雰囲気ガスとして流量を上げて供給し、排出完了後に再びＡｒのみの雰囲気ガス中で降温する。このように、昇温時の途中から急冷降温時の途中までＮＨ３を含む雰囲気ガスＧを雰囲気ガスとして供給している。
なお、上記熱処理後、ウェーハＷを熱処理炉から取り出すことにより急冷する。この際、上記パージ時の熱処理（８００℃）及び取り出し時の急冷効果により、内部の酸素ドナーを消去することができる。
【００２８】
上記熱処理により、シリコンウェーハＷの表面は、Ｎ２を主とする雰囲気ガスの場合に比べて低い熱処理温度でも表面を窒化、すなわち窒化膜あるいは酸窒化膜を形成して、図３の（ａ）に示すように、内部（特に表面近傍）に空孔（Vacancy）Ｖを十分に注入することができる。凍結後の空孔濃度の厚さ方向分布は、図４の（ａ）に示すように、Ｍ型となっている。
【００２９】
さらに、上記熱処理（ＲＴＡ処理）後に該熱処理より低い温度で、空孔Ｖへの酸素析出を行うために熱処理（例えば、８００℃４時間の熱処理に連続して１０００℃１６時間の熱処理）を熱処理炉等で施すことにより、図３の（ｂ）に示すように、表層では、空孔の外方拡散と酸化膜形成に伴う格子間Ｓｉの注入による空孔と格子間Ｓｉによる対消滅によって表層にＤＺ層ＤＺを形成すると共に、内部（特に表面近傍）に高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層ＢＭＤを形成する。なお、この上記ＤＺ層形成又は酸素析出のための熱処理を特に行わず、その後のデバイス作製工程に伴って行われる熱処理で行っても構わない。
【００３０】
上記酸素析出のための熱処理により、図４の（ｂ）に示すように、厚さ方向のＢＭＤ密度はＭ型の分布となり、表面近傍に最大値（ＢＭＤピーク密度）を有すると共に厚さ方向の中間部分に極小値（ＢＭＤバルク密度）を有している。そして、このＢＭＤピーク密度は、ＢＭＤバルク密度に対して３倍以上となる。
【００３１】
本発明者らは、異なる酸素濃度のシリコンウェーハに対し、上記空孔形成のためのＲＴＡ処理及び空孔への酸素析出のための熱処理を行って、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度とについて調べた結果、図５に示すように、ＮＨ３を用いた場合、特にＢＭＤバルク密度は強い酸素濃度依存性を示すことがわかった。すなわち、この結果からわかるように、シリコンウェーハの酸素濃度Ｏｉが１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内であれば、ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度を３以上にでき、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、十分なウェーハ強度を維持可能にすることができる。なお、図５に示すＲＴＡ処理の熱処理温度及び熱処理時間は１１５０℃及び１０ｓｅｃであり、昇温速度及び降温速度は５０℃／ｓｅｃ及び７０℃／ｓｅｃである。
【００３２】
このようにＮＨ３を用いた場合、Ｎ２に比べて酸素濃度依存性が高い理由は、フレンケル対生成の有無が関係していると考えられる。生成された格子間シリコンが注入された空孔をバルク内で消滅させるので、Ｎ２の場合はＢＭＤバルク密度は酸素濃度依存性は大きくない。ＮＨ３ではバルク内でも空孔が高濃度に凍結されており、酸素濃度依存が大きいためと考えられる。
【００３３】
また、上記ＲＴＡ処理の熱処理温度は、Ｍ型のＢＭＤ密度分布を得るために１１３５℃から１１７０℃までの範囲に設定する必要がある。例えば、ＲＴＡ処理の熱処理温度を１１３０℃とし、他の条件を上記実施形態と同様にした場合のＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度の酸素濃度依存性を図６に示す。この図からもわかるように、ＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度は、両方とも１１５０℃の場合に比べて低くなると共に、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との差が明確に現れておらず、要望されている上記ＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度の条件を同時に満たすことができない。
なお、酸素濃度が１９．１ｐｐｍ(OldASTM)の場合にＲＴＡ処理の熱処理温度を１１００℃から１２００℃まで変えたときのＢＭＤピーク密度、ＢＭＤバルク密度を及びＤＺ層幅を、図７に示す。
また、酸素濃度が１９．１ｐｐｍ(OldASTM)の場合にＲＴＡ処理の熱処理温度を１１００℃から１２００℃まで変えたときのＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を、図８に示す。
【００３４】
このように本実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるので、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を３以上にすることができる。すなわち、ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度が３以上得られることにより、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共にウェーハ中間部分において高強度が得られ、ウェーハ全体として要望される十分な強度を得ることができる。
【００３５】
また、熱処理されるシリコンウェーハＷが、パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであるので、熱処理時に注入される空孔を対消滅させる格子間シリコン型点欠陥がほとんどなく、酸素析出に必要な空孔を表面近傍に効率的に注入することができる。また、空孔型点欠陥もほとんどないため、熱処理による注入で十分な空孔密度を表面近傍に得ることができる。
【００３６】
さらに、空孔形成のためのＲＴＡ処理工程よりも低い温度でシリコンウェーハＷを熱処理して表層にデバイス形成に好適なＤＺ層ＤＺを形成すると共に内部の空孔Ｖに酸素をＭ型分布で析出させるので、上記空孔Ｖに酸素が析出されて高ＢＭＤ密度のＢＭＤ層ＢＭＤが表面近傍に得られると共に、低ＢＭＤ密度の領域が内部の中間部分に得られて十分なウェーハ強度を得ることができる。
【００３７】
なお、従来のように１２００℃を越えた高温熱処理では、結晶中にフレンケルペアと呼ばれる空孔（Vacancy）と格子間Ｓｉとが同時に発生し、ＲＴＡ処理で注入される空孔が格子間Ｓｉと対消滅してしまい、実際に析出に貢献する空孔の密度が低下してしまう。これに対して、本実施形態では、フレンケルペアの発生が少ない低温、すなわち１２００℃以下で熱処理するため、結晶中に形成される格子間Ｓｉが少なく、表面の窒化膜により注入される空孔Ｖが格子間Ｓｉと対消滅せず、注入効率を高めることができる。
【００３８】
次に、本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第２実施形態を、図９を参照しながら説明する。
【００３９】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では熱処理されるシリコンウェーハＷが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるのに対し、第２実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ(OldASTM)以上のものである点である。すなわち、本実施形態では、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度が２１．０ｐｐｍ以上（例えば、２３．０ｐｐｍ(OldASTM)）のものであるので、１×１０６個／ｃｍ２以上の高いＢＭＤ密度が得られる。
【００４０】
また、第１実施形態がＢＭＤ密度がＭ型分布となるのに対し、本実施形態では、図９に示すように、ＤＺ領域近傍を除く内部領域でほぼ均一な分布となる台形型分布のＢＭＤ密度が得られる。
このように、上記各実施形態からわかるように、なお、熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内とし、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度を少なくとも１６．５ｐｐｍ(OldASTM)以上のものにすれば、１×１０６個／ｃｍ２以上の高いＢＭＤピーク密度が得られると共に、スリップも発生し難い。なお、ウェーハ強度を考慮した場合は、第１実施形態のように、熱処理されるシリコンウェーハＷの酸素濃度を２１．０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
【００４１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４２】
また、雰囲気ガスが三種類以上の混合ガスである場合は、そのうちの一種類以上がＮＨ３であればよい。
また、雰囲気ガスが二種類以上の混合ガスである場合は、含まれる窒化ガスは０．５％以上又は１００ｓｃｃｍ以上で絶対量の少ない方の量とされることが好ましい。すなわち、この範囲での窒化反応は反応律速であり、この最低限以上の窒化性のガスを含んでいれば、ウェーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、その結果、導入される原子空孔濃度は同じで、析出量は同じである。なお、これ以下の０．０５％以上０．５％未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１００ｓｃｃｍ以下の範囲では、窒化膜厚は同一温度及び時間であれば、窒化ガスの分圧により、窒化量が変化する。したがって、この領域は、供給律速であり、窒素量により析出量をコントロールすることができる。
【００４３】
また、上記雰囲気ガスの圧力は、減圧、常圧又は加圧のいずれの状態でもよい。
また、上記実施形態によりウェーハ表面に形成される窒化膜、酸窒化膜（シリコン酸化窒化膜）は、Ｓｉ３Ｎ４を代表とするＳｉｘＮｙである。また、酸化膜をＮＨ３などにより窒化した場合には、Ｓｉ２Ｎ２Ｏを代表とするＳｉ２ＮｘＯ４−１．５ｘが形成される。すなわち、シリコン酸化窒化膜が形成される。
また、これらの窒化膜は、さらに膜中に水素が含まれていても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハによれば、熱処理されるシリコンウェーハが、酸素濃度が１６．５から２１．０ｐｐｍ(OldASTM)までの範囲内のものであるので、その後の酸素析出のための熱処理により、ＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を３以上にすることができる。すなわち、十分な近接ゲッタリング効果が得られると共に、十分なウェーハ強度を得ることができ、高品質かつ高機能なシリコンウェーハを得ることができる。特に、２００ｍｍよりも大きい径の３００ｍｍのウェーハにおいて、さらに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【図２】 ボロンコフ理論に基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔豊富インゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが形成され、パーフェクト領域が第１臨界比（（Ｖ／Ｇ）１）以上第２臨界比（（Ｖ／Ｇ）２）以下であることを示す図である。
【図３】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態における空孔形成のためのＲＴＡ処理中及びその後の酸素析出のための熱処理後のウェーハを示す拡大断面図である。
【図４】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第１実施形態において、厚さ方向に対する空孔濃度の分布及びＢＭＤ密度の分布を概略的に示すグラフである。
【図５】 熱処理温度１１５０℃のＲＴＡ処理を行った場合の酸素濃度に対するＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度を示すグラフである。
【図６】 熱処理温度１１３０℃のＲＴＡ処理を行った場合の酸素濃度に対するＢＭＤピーク密度及びＢＭＤバルク密度を示すグラフである。
【図７】 １１００℃から１２００℃まで熱処理温度を変えてＲＴＡ処理を行った場合のＢＭＤピーク密度、ＢＭＤバルク密度及びＤＺ層幅を示すグラフである。
【図８】 １１００℃から１２００℃まで熱処理温度を変えてＲＴＡ処理を行った場合のＢＭＤピーク密度とＢＭＤバルク密度との比を示すグラフである。
【図９】 本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハの第２実施形態において、厚さ方向に対するＢＭＤ密度の分布を概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
１ サセプタ
２ 反応室
ＢＭＤ ＢＭＤ層
ＤＺ ＤＺ層（無欠陥層）
Ｇ 雰囲気ガス
Ｖ 空孔(Vacancy)
Ｗ シリコンウェーハ
Claims (5)
- ＮＨ３ を含む雰囲気ガス中でシリコンウェーハを熱処理して表面窒化作用により内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、
該熱処理工程は、まず、前記シリコンウェーハ表面窒化の妨げとなる表面の酸化膜を予め除去又は薄膜化しておき、
次いで、ＢＭＤ密度の前記シリコンウェーハ厚さ方向分布が、表面近傍に最大値であるＢＭＤピーク密度を有すると共に、厚さ方向の中間部分に極小値であるＢＭＤバルク密度を有するＭ型に形成されるように前記熱処理の温度を１１３５℃から１１７０℃の範囲内のＲＴＡ処理とし、
前記熱処理されるシリコンウェーハは、酸素濃度が１６．５ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以上２１．０ｐｐｍ（ＯｌｄＡＳＴＭ）以下であることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理される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〕とし、空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を〔Ｖ〕とし、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〕とするときに、前記パーフェクト領域〔Ｐ〕からなるインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないウェーハであることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記熱処理工程後に、該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンウェーハを熱処理して内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項１から３のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記ＢＭＤピーク密度／ＢＭＤバルク密度の比が３以上に設定されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。 - 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンウェーハであって、
請求項１から４のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とするシリコンウェーハ。
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