JP3886576B2

JP3886576B2 - シリコンウエーハ

Info

Publication number: JP3886576B2
Application number: JP30861096A
Authority: JP
Inventors: リーツォン; 淳吉川; 広幸斎藤; 健郎林; 隆二竹田
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1996-11-06
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2016-11-06
Also published as: JPH10144696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体デバイスに用いるシリコンウエーハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエーハの原料となるシリコン単結晶は、チョクラルスキー（ＣＺ）法によって製造することができる。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。
【０００３】
チョクラルスキー法で製造したシリコン単結晶中には、通常、酸素が固溶している。固溶した酸素は、単結晶引上げ後の冷却過程において、超微小酸素析出物（エンプリオ）として析出する。
【０００４】
ウエーハ表層の酸素析出物は、ＩＣ、ＬＳＩ、ＵＬＳＩ等が稼働する際に障害となり、デバイスの信頼性を損なう原因となる。すなわち、デバイス活性領域では、基板上に形成された回路により電子が移動拡散するため、酸素析出物があるとデバイス欠陥に成り易いのである。
【０００５】
一方、ウエーハのバルク部にある酸素析出物は、不純物をゲットする作用を有し、いわゆるイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）効果の担い手として有用である。
【０００６】
このため、従来は、シリコンウエーハを水素雰囲気中で熱処理し、ウエーハ表層の酸素を外方拡散して無欠陥層（ＤＺ層）を形成することによって、ウエーハ表層に酸素析出物（結晶欠陥）が生じるのを防止していた。また、この熱処理によって、シリコンウエーハ表面に形成される酸化膜の耐圧性を向上させていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素雰囲気で熱処理して無欠陥層を形成すると、無欠陥領域の直下にＢＭＤが密集し、そこがＢＭＤ密度のピークになり易かった。
【０００８】
このＢＭＤ密集領域は、デバイス活性層の近くに位置するため、デバイス特性に悪影響が生じることがあった。その場合には、デバイスの歩留りが低下してしまった。
【０００９】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明は、ＢＭＤ密集層をデバイス活性層から遠ざけることによって、ＢＭＤの悪影響がデバイス特性に及び難いシリコンウエーハ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明は、表層に無欠陥層（ＤＺ層）を有するシリコンウエーハにおいて、ＢＭＤ（酸素析出物）領域が、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界の直下から存在し、ＢＭＤ領域の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値が、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界より少なくとも６０μｍ内側に位置することを特徴とするシリコンウエーハを要旨とし、第２発明は、表層に存在する無欠陥層（ＤＺ層）と、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界に続いて存在するＢＭＤ領域とを有し、ＢＭＤ領域が、ＢＭＤ密度の低領域と、それよりも高いＢＭＤ高密度領域を有し、ＢＭＤ高密度領域の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値が無欠陥層（ＤＺ層）から遠ざけられていることを特徴とするシリコンウエーハを要旨としている。
【００１１】
本願の第３発明は、表層に無欠陥層（ＤＺ層）を有し、その直下にＢＭＤ密度の均一な低領域を有し、その低領域の次に、そこよりもＢＭＤ密度の高いピーク部を有し、そのピーク部の次に、再び低領域が存在し、ＢＭＤ密度の高いピーク部を無欠陥層（ＤＺ層）から遠ざけていることを特徴とするシリコンウエーハを要旨としている。
【００１２】
【実施例】
本発明者達は、鋭意研究を重ね、シリコンウエーハ中のＢＭＤ密度に関し次のような考察・検討を行い、本発明を完成するに至った。
【００１３】
水素及びアルゴン雰囲気中、１２００℃で１時間の熱処理を行ったＣＺシリコンウエーハにおいて、ＩＲトモグラフ像を二値化処理し、ＢＭＤ密度の分布を求めた。図１は、ＢＭＤ密度の深さ分布を示す図である（比較例２及び比較例１参照）。
【００１４】
その結果、図１に示すように、アルゴン雰囲気中で高温処理を行った場合には、表層の酸素が外方拡散し無欠陥領域（ＤＺ層）が形成される以外は、ＢＭＤ密度分布はほぼ均一になる（図１の比較例１参照）。この部分を、本明細書では「均一な低領域」と称する。一方、水素雰囲気中で熱処理した場合には、ウエーハ表面から約１００μｍより深い領域ではアルゴン処理した場合と同様にＢＭＤ密度は再び均一となる。この部分も、本明細書では「均一な低領域」と称する。比較例２では、ＤＺ層直下〜約１００μｍの範囲にＢＭＤの高密度領域（ＢＭＤ密度のピーク部）が生じる（図１の比較例２参照）。比較例１では、ＤＺ層の直下からＢＭＤ密度の均一な低領域が続き、ＢＭＤ密度のピーク部は生じない（図１の比較例１を参照）。本発明の実施例１においては、無欠陥層（ＤＺ層）の直下に、比較例１と同様に、ＢＭＤ密度のほぼ均一な低領域が存在し、それに続いて、その均一な低領域よりもＢＭＤ密度の高いＢＭＤ高密度領域が存在する。このＢＭＤ高密度領域は、ＢＭＤ密度が山型に高くなってピーク部となっている。ＢＭＤ高密度領域（ピーク部）の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値は、無欠陥層（ＤＺ層）から遠ざけられて位置する。ＢＭＤ高密度領域に続いて、再び、ＢＭＤ密度の均一な低領域が存在している。
【００１５】
特に、このＢＭＤのピーク部におけるＢＭＤ密度［ＢＭＤ］_peakは、バルク部（約１００μｍ以深）の［ＢＭＤ］_bulkの３倍程度になっていた。すなわち、次の数１のようになる。
【００１６】
【数１】

このことは、ＩＲ吸収の測定結果で再確認できる。すなわち、図２は、前記熱処理後のシリコンウエーハにおいて、ＩＲ吸収測定によって酸素濃度を調べた結果を示している。未熱処理ウエーハと比較すると、アルゴン処理したウエーハの酸素減少量△［Ｏ_i］_Arは１．２×１０¹⁷ｃｍ^-3であったが、水素処理したウエーハの△［Ｏ_i］_Hは１．６×１０¹⁷ｃｍ^-3になった。この２つの処理による酸素減少量の差はすべて前記ピーク部だけに発生すると仮定すると、ピーク部の酸素減少量とバルク部の酸素減少量の比は次の数２のようになる。
【００１７】
【数２】

この値が前記ＢＭＤの測定結果（数１）に一致するため、水素処理とアルゴン処理による酸素の析出挙動の差は、ＤＺ層直下での析出の仕方の差であると推測される。
【００１８】
水素処理したウエーハの中のＢＭＤ密度がより高くなるため、水素原子は酸素の析出に有利に働いている。従って、ＢＭＤピークの発生は、酸素が析出する温度領域での、シリコンウエーハ中の水素分布に関係がある。ＢＭＤの分布の様子は、図１に示されているように、表面付近で濃度が高く、内部で濃度が低くなっている。
【００１９】
本発明者達は、ＢＭＤ分布が前記のようになる理由を、次のように考えた。
【００２０】
第１に考えられるのは、ウエーハの高温処理時には水素の分布は均一であるが、降温過程では水素分布は表面付近で高くなることである。この現象に関しては、３００℃から５００℃までの中温度領域では水素がプラズマ化しており、シリコンウエーハを急速冷却すると、その表面付近に高濃度の水素（Ｈ₂）が分布するとの報告がある（J.I.Pankove and N.M.Jhonson,Hydrogen in Semiconductors,Academic Press,San Diego,(1991)pp273 ）。しかしながら、本発明における水素処理の温度は、この報告に比べて非常に高く、熱処理炉の熱容量が大きく降温速度も遅いため、前記現象は成立し難いと考えられる。
【００２１】
そこで、本発明者達は、酸素原子が存在するため水素原子の濃度が低下するのではないかと考えた。この考察は、水素原子の類似物 MuoniumのμＳＲ実験結果に基づくものである。酸素濃度の小さいＦＺ試料の中に正常Ｍｕ（Ｔｄ位置）、異常Ｍｕ^＊（ボーンドの中心位置）、diamagnetic μ^＋［ただし形成確率ω（Ｍｕ）：ω（Ｍｕ^＊）：ω（μ^＋）〓６０％：３５％：７％］の３つの信号が観察されたが、酸素濃度の高いＣＺ試料の中には異常Ｍｕ^＊の信号だけが残された（B.D.Patterson,Rev.Mod.Phys. 60 ,69(1988)) ）。この結果によると、酸素原子の外方拡散によって形成した低濃度の酸素領域、いわゆるＤＺ層中の水素濃度はバルク部より高く、ＤＺ層の直下では水素原子と酸素原子との相互作用が強く、ＢＭＤの析出を促進させる。特に、水素原子の濃度は各位置におけるMuonium の確率に対応するものとするとＤＺ層の直下（酸素濃度はＦＺ試料中の値に相当する）に水素原子の濃度とバルクでの濃度との比は次の数３のようになり、前記ＩＲトモグラフとＩＲ吸収の結果にも一致する。
【００２２】
【数３】

以上の考察から、ＢＭＤの分布を制御するためには、酸素の析出温度範囲で水素濃度を変化させねばならないことが判明した。ただし、ウエーハを水素雰囲気で処理する際の、ウエーハ中の水素濃度の分布は、酸素濃度の分布により決定される。外方拡散によって形成された酸素濃度の分布に従った水素濃度の分布は変えられない。従って、酸素が析出する温度範囲で、シリコンウエーハをアルゴン雰囲気で処理することが必要となるのである。
【００２３】
従って、本発明では、ＣＺシリコンウエーハに水素雰囲気で１０００℃以上の熱処理工程を行い、しかる後に降温工程の一部又は全部をアルゴンガス雰囲気で行う構成になっている。すなわち、降温工程の開始時又はその途中で雰囲気ガスをアルゴンガスに置換するのである。雰囲気の置換は、酸素が析出する温度で行う。すなわち、通常のＣＺシリコンウエーハの場合には１２００℃〜５００℃で雰囲気置換を行う必要がある。
【００２４】
この様に降温雰囲気をアルゴンガスに置換し、降温工程の一部又は全部をアルゴンガス雰囲気で行うことによって、ＢＭＤの高濃度領域を、無欠陥層（ＤＺ層）の境界位置から内側方向に移動することができる。
【００２５】
ＢＭＤ密度のピークは、ＤＺ層の内側境界から少なくとも６０μｍ程度内側に配置することが望ましい。この様に、ＢＭＤ密度のピークを内側に移動することによって、ＢＭＤ高密度領域をデバイス活性層から遠ざけることができる。そして、デバイス欠陥が生じる可能性を大幅に低減することができる。
【００２６】
以下、本発明の実施例１について述べる。
【００２７】
実施例１では、Ｐ型、電気抵抗１５Ωｃｍ、ＩＲ吸収による酸素濃度１．５４×１０₁₈ｃｍ、面方位（１００）、６インチＣＺミラーシリコンウエーハを用いた。このシリコンウエーハに対し、１２００℃１時間水素雰囲気で加熱した後、雰囲気をアルゴンガスに置換して室温まで降温する熱処理を行った。
【００２８】
比較例２では、実施例１と同じシリコンウエーハを用い、１２００℃１時間アルゴン雰囲気で加熱した後、そのまま室温まで降温する熱処理を行った。比較例３では、１２００℃１時間水素雰囲気で加熱した後、そのまま室温まで降温する熱処理を行った。
【００２９】
実施例１及び比較例１，２に関するＩＲトモグラフとＩＲ吸収の結果を、それぞれ図１と図２に示す。
【００３０】
図１から分るように、実施例１では、比較例２と比べてＢＭＤ密度が低減され、より内層でピークが生じた。すなわち、水素処理したウエーハをアルゴンガス雰囲気で降温することにより、水素処理・降温を行ったウエーハのＢＭＤ密度を全体的に低減でき、ＢＭＤ密度のピークを、無欠陥領域（ＤＺ層）の直下から内側方向に移動できることが確認された。また、図２から分るように、実施例１では、酸素濃度が比較例２（アルゴン処理の場合）と同程度まで低減された。
【００３１】
実施例１において、深さ０〜約６０μｍにおけるＢＭＤ濃度は、アルゴン処理・降温を行ったウエーハと同レベルまで低減された。また、実施例１のＢＭＤ濃度ピーク値は、比較例２のピーク値の半分程度に低減された。
【００３２】
この様に、実施例１のシリコンウエーハは、ＢＭＤ密度のピーク位置がデバイス活性層から離れているため、比較例２のウエーハと比べてＢＭＤに起因するデバイス欠陥が生じ難い。また、実施例１のシリコンウエーハは、比較例１のウエーハと比べて、大きなＩＧ効果が期待できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＢＭＤ密集層をデバイス活性層から遠ざけることによって、ＢＭＤの悪影響がデバイス特性に及び難くすることができる。従って、本発明のシリコンウエーハを用いれば、高品質の半導体デバイスを歩留まり良く製造することができる。
【００３４】
なお、本発明は前述の実施例に限定されない。例えば、水素ガスをアルゴンガスに置換する温度を１２００℃−５００℃の範囲で変えることにより、無欠陥領域（ＤＺ層）の直下のＢＭＤ密度や、ＢＭＤ密度のピーク位置及びピーク幅を制御できる。例えば、９００℃でガス置換を行うと、ＢＭＤ密度のピーク幅を１２００℃１ｈＨ₂の場合より小さく、ピーク位置を１２００℃１ｈＨ₂と１２００℃１ｈＨ₂＋Ａｒ降温の間に来るようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例と比較例におけるＢＭＤ濃度の変化の様子を示すグラフ。
【図２】本発明の実施例と比較例における酸素濃度を示すグラフ。

Claims

表層に無欠陥層（ＤＺ層）を有するシリコンウエーハにおいて、ＢＭＤ（酸素析出物）領域が、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界の直下から存在し、ＢＭＤ領域の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値が、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界より少なくとも６０μｍ内側に位置することを特徴とするシリコンウエーハ。
表層に存在する無欠陥層（ＤＺ層）と、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界に続いて存在するＢＭＤ領域とを有し、ＢＭＤ領域が、ＢＭＤ密度の低領域と、それよりも高いＢＭＤ高密度領域を有し、ＢＭＤ高密度領域の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値がＢＭＤ密度の低領域の介在によって無欠陥層（ＤＺ層）から遠ざけられていることを特徴とするシリコンウエーハ。
ＢＭＤ高密度領域におけるＢＭＤ密度のピーク値が、無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界より少なくとも６０μｍ内側に位置することを特徴とする請求項２に記載のシリコンウエーハ。
半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハにおいて、表層に無欠陥層（ＤＺ層）を有し、その直下にＢＭＤ密度の均一な低領域を有し、その低領域の次に、そこよりもＢＭＤ密度の高いピーク部を有し、そのピーク部の次に、再び低領域が存在し、ＢＭＤ密度の高いピーク部を無欠陥層（ＤＺ層）から遠ざけていることを特徴とするシリコンウエーハ。
ピーク部の中で最もＢＭＤ密度の高いピーク値が無欠陥層（ＤＺ層）の内側境界から少なくとも６０μｍ内側に位置していることを特徴とする請求項４に記載のシリコンウエーハ。