JP5171277B2 - シリコンウェーハの熱処理方法及び該方法で処理したシリコンウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハの熱処理方法並びに該方法により製造された、実質的に空孔凝集体（ＣＯＰｓ：Vakanzenagglomeraten）不含であるシリコンウェーハに関する。

一般にチョクラルスキーるつぼ引上げ法又はるつぼを使用しないフローティングゾーン法に基づき製造されるシリコン単結晶は、一連の不純物及び欠陥を有する。単結晶はウェーハに分離され、例えば所望の表面品質を得るために多数の加工ステップで処理され、かつ最終的に一般に電子素子を製造するために使用される。特殊な処置が講じられなければ、前記の欠陥はウェーハの表面にも存在し、そこで該欠陥はその上に製造される電子素子の機能に不利に影響する恐れがある。

欠陥の重要な種類は、いわゆるＣＯＰｓ（crystal originated particles）、典型的には５０〜１５０ｎｍの寸法を有する小さな中空への空孔の集合である。これらの欠陥は、多数の方法を用いて測定可能である。約８５℃で２０分間ＳＣ１溶液（ＮＨ₃／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ）を用いた欠陥のエッチング及び引き続いての散乱光測定は、ウェーハ表面上のＣＯＰｓを検査する１つの方法である。約３０μｍのシリコン除去で３０分間Ｓｅｃｃｏエッチングを用いた欠陥のエッチング及び引き続いての計数によっても、これらの欠陥を検出することができる。いわゆるベーン（Fahne）を有する欠陥を数える場合には、これらはＦＰＤ（flow pattern defects）と称される。結果として、単位面積当たりのＦＰＤ密度が得られ、これらは所定のエッチングにおける材料除去を考慮して単位体積当たりの密度に換算することができる。同じ欠陥は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ光をシリコンウェーハ内の欠陥で散乱させかつ散乱光をレーザ光に対して９０°の角度で検出するＩＲ−ＬＳＴ（赤外線トモグラフ：infra-red light scattering tomography）によっても測定することができる。これらの欠陥は、その測定法に基づきＬＳＴＤ欠陥と称される。

半導体ウェーハ上に素子を製造する際には、多数の素子パラメータがＣＯＰによって不利な影響を受ける。従って、これらの欠陥を少なくともシリコンウェーハの素子活性層において除去することが必要である。従来の技術によれば、この目的を達成するために、３つの方法が存在する。

結晶引上げの際に精確に規定されたプロセスウインドーを維持することにより、単結晶を空孔不含で、ひいてはまた空孔凝集（ＣＯＰｓ）不含である単結晶を製造することが可能である。しかしながら、範囲＜０．５ｍｍ／分内の低い引上げ速度に基づき、結晶引上げの際に著しいコストが生じる。さらに、狭いプロセスウインドーは低い生産率を生じ、このことは同様に該方法の経済性に不利に影響する。こうして製造されたシリコンのもう１つの欠点は、空孔の不足のためにゲッターリング能力を有しないことである。空孔、格子間酸素及びシリコンウェーハのゲッターリング能力の間の関連は、G. Kissinger et al., Electrochem. Soc. Proc. 98-1 (1998), 1095に詳細に記載されている。

ＣＯＰ不含の単結晶の製造に対して選択的に、ＣＯＰｓを含有するシリコンウェーハの表面に付加的なシリコン層をエピタキシー堆積させることができる。堆積の際の低い成長速度に基づき、エピタキシャル層は、従来チョクラルスキー法に基づき製造された単結晶に比較して殆ど完全な結晶構造を有しかつ通常ＣＯＰｓ不含である。エピタキシャル層の堆積は、製品を著しく高価なものにする費用のかかるプロセスステップである。さらに、多数の素子加工プロセスのためには、少なくとも１０μｍの深さまでの表面が欠陥不含であるシリコンウェーハが必要である。このように厚いエピタキシャル層の堆積は、著しく時間がかかり、ひいては不経済である。

第３の選択性は、例えばＥＰ８２９５５９Ａ１に記載されているような、従来の単結晶から製造し、ポリシングしたシリコンウェーハを１２００℃を越える温度でアルゴン又は水素雰囲気下に１〜２時間曝すことである。多数の実験により、この場合には、ウェーハ表面に存在するＣＯＰｓがアニールされ、ひいては表面近くのＣＯＰ不含の層が生成することが判明した。しかしながら、該アニールプロセスは、時間がかかりかつコスト高である。

アニールプロセス中にウェーハを保持するためには、１２００℃を越える高い温度でシリコンカーバイドからなるボートが必要である。これは常に金属汚染の危険を伴う。シリコンカーバイド内に結合されて存在する金属は、アルゴン又は水素下での１２００℃でのプロセス制御により容易にプロセス室内に分散され、かつそうしてシリコンウェーハ上に達する。

エピタキシーにおいてもまたアニールにおいても、高温による酸素析出のための結晶引上げの際に生成する核形成中心は、後での素子加工プロセスにおいて不十分に核形成中心が提供され、従ってゲッターリング中心が十分な数で成長することができない程に減少せしめられる。

この問題は、例えばＷＯ９８／３８６７５又はＤＥ１９９２４６４９Ａ１に記載されているように、ＲＴＡ処理（短時間アニール：rapid thermal annealing）により解消される。この場合には、高温で大多数の空孔が形成され、これらは引き続いての高速冷却の際に表面近くの領域においてのみ表面に対して拡散することができるが、それに対してシリコンウェーハの残りの部分（バルク：bulk）内ではそのまま維持される。従って、引き続いての素子加工プロセスにおいて、再びをゲッターリング中心を提供する異常な酸素析出を行うことができる。しかしながら、この付加的なＲＴＡ処理もまたシリコンウェーハの製造コストを高める。

特許ＵＰ６,２４５,３１１には、多段階ＲＴＡプロセスによりシリコンウェーハの表面のＣＯＰ密度を低下させる方法が記載されている。ＲＴＡ処理は、時間の消費及び処理量に関してはバッチ法よりも勝っている。異なる温度でかつ異なる雰囲気で実施される種々のステップは、水素含有雰囲気の使用によるウェーハ表面の粗面化に反作用させるために必要である。

ＥＰ１０８７０４２Ａ１には、ＣＯＰｓが特殊な形を有する窒素ドープされた単結晶が記載されている。該ＣＯＰｓは、大きな面積／体積比に基づき、結晶から製造されたシリコンウェーハの表面近くの層内のＲＴＡステップにより約０．５μｍの深さまで排除されるので、表面層内のＣＯＰ密度はバルク内のＣＯＰ密度の約５０％又はそれ以下に低下せしめられる。

ＥＰ９２６７１８Ａ２には、表面近くのＣＯＰｓの消滅のために、還元性雰囲気内、例えば水素含有雰囲気内での１２００℃を越える温度での従来のＲＴＡ法が記載されている。しかしながら、出発物質として、特殊な条件下でチョクラルスキー法に基づき引上げられた単結晶から製造されたシリコンウェーハが使用される。該単結晶は、少なくとも０．６ｍｍ／分の速度で引上げられかつ最大１６ｐｐｍａ（６．４・１０^１７ａｔ／ｃｍ^３に相当）の酸素濃度を有する。結晶引上げの際に生じるＣＯＰｓは、選択されたプロセスパラメータに基づき比較的小さく、従ってＲＴＡステップ中に容易に消滅させることができる。

ＣＯＰ除去の目的のための従来公知の全ての熱処理方法は、シリコンウェーハの表面層からの酸素の外方拡散に基づいている。ＣＯＰｓの酸化物皮膜の酸素原子は、結晶格子内に導入された格子間酸素原子と平衡状態にあり、かつ該格子間酸素原子はまたシリコンウェーハの表面の自然の酸化物層と平衡状態にある。ＣＯＰアニールにおいて通常であるように、ウェーハを高温で還元性雰囲気に曝すと、表面酸化物層は還元的に除去される。記載の平衡に基づき、格子間酸素原子は結晶から酸素原子は表面の方向に、同時にＣＯＰｓの酸化物皮膜からの酸素原子は結晶格子内に拡散するので、ＣＯＰｓの酸化物皮膜は消滅する。酸化物皮膜が除去されたＣＯＰｓは、また、同様にウェーハ表面に向かって拡散する、結晶格子内の空孔と平衡になる。このことは結果としてＣＯＰｓを消滅させる。

前記の拡散プロセスは極めて緩慢に進行するので、適切な時間帯では表面層のみからＣＯＰｓを除去できるにすぎない。このことは、特にシリコンウェーハ上に、いわゆる"ディープ・トレン（deep-trench）"技術が使用される素子の場合に、表面で特に深いＣＯＰ不含の層を必要とする素子を製造する際には欠点である。従来、素子の最大深さはＣＯＰ不含の層の厚さに制限されている。

さらに、酸素の外方拡散は還元性雰囲気内でのみ達成され、しかし該雰囲気は、上記に述べたように、表面を粗面化しかつ汚染の問題を生じる。
ＥＰ８２９５５９Ａ１ ＷＯ９８／３８６７５ ＤＥ１９９２４６４９Ａ１ ＵＰ６,２４５,３１１ ＥＰ１０８７０４２Ａ１ ＥＰ９２６７１８Ａ２ G. Kissinger et al., Electrochem. Soc. Proc. 98-1 (1998), 109

本発明が基礎とした課題は、従来の技術の前記欠点を回避し、かつ特に、表面近くの層においてだけでなく、ウェーハ厚さの主要部分にわたってＣＯＰｓ不含である、シリコンウェーハを製造するための経済的に実施される方法を提供することである。

前記課題は、熱処理を、格子間に溶解した酸素の濃度がその飽和濃度と同じである温度よりも高い温度で実施し、その際飽和濃度は、格子間に溶解した酸素がＣＯＰｓの酸化物皮膜と平衡状態で存在する場合に生じる酸素濃度であることを特徴とする、シリコンウェーハの熱処理方法により解決される。

本発明によれば、熱処理を実施する温度を不等式：

に基づき選択する。この場合、［Ｏ_i］は、シリコンウェーハ内の酸素濃度、正確に言及すれば、一般にＦＴＩＲ分光分析により測定される格子間に溶解した酸素の濃度を意味する。［Ｏ_i］^eq（Ｔ）は、与えられた温度Ｔにおけるシリコン内の酸素の縁部溶解度（Randloeslichkeit）である。このような関数は、Hull, R. (Ed.), "Properties of Crystalline Silicon", The Institution of Electrical Engineers, London, 1999, p. 489ffに記載されている。σ_SiO2は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の表面エネルギーであり、これはHuff, H. R., Fabry, L., Kishino, S (Eds), "Semiconductor Silicon 2002", Band 2, The Electrochemical Society, Pennington, 2002, p. 547に３１０ｅｒｇ／ｃｍ²で記載されている。Ωは、関係式Ω＝Ｍ_SiO2／（２ρ_SiO2 Ｎ_A）により二酸化シリコンのモル質量Ｍ_SiO2及び密度ρ_SiO2並びにアボガドロ数Ｎ_Aから計算される析出した酸素原子の体積である。ｒは平均ＣＯＰ半径、ｋはボルツマン定数及びＴは温度（Ｋ）を表す。

本発明による方法の成果にとって決定的なことは、温度を、ＣＯＰ表面の皮膜と平衡である酸素濃度（即ち、不等式の右側）が格子間に溶解した酸素原子の濃度［Ｏ_i］を越えるような高さに選択することである。それに伴い、格子間酸素の濃度はその飽和濃度の下にあるので、ＣＯＰｓの酸化物皮膜は結晶格子内への酸素原子の拡散により消滅することができる。ＣＯＰｓの酸化物皮膜は、温度に関する前記条件が満足されるあらゆる場所で酸素原子の結晶格子内への拡散により消滅する。酸化物皮膜の喪失後に、ＣＯＰｓは空孔もしくは格子間シリコン原子の拡散により収縮を開始するので、ＣＯＰｓは消散する。

それに対して、従来の技術に基づくアニールプロセスは、シリコンウェーハの表面での酸素の外方拡散を基礎とする。表面から、格子間に溶解した酸素は外方拡散する。約２ｎｍの厚さを有する薄い酸化物皮膜で覆われたＣＯＰｓは、最小束縛の原理に基づきそれらの酸化物皮膜を失う。それに引き続き、これらは益々さらに収縮する。それというのも、シリコンウェーハは熱力学的に開放系であるので、ＣＯＰｓと平衡状態にある空孔は表面で外方拡散することができるからである。ウェーハのバルク内では、酸素は外方拡散することができない。この代わりに、ＣＯＰｓはこの領域内で酸化物と共に成長し、かつそれに引き続き拡大を開始する。

従来の技術に基づくアニールプロセスとは異なり、本発明による方法においてはＣＯＰｓはバルク内でも消滅する。それというのも、酸素の外方拡散は、本発明に基づき選択された、酸素の不飽和（Untersaettigung）を生じる高い温度に基づき不必要であるからである。

従って、本発明は、表面近くの層においてだけでなく、ウェーハの厚さの主要部分、即ちウェーハ厚さの少なくとも５０％を越えてＣＯＰ不含であるシリコンウェーハの製造を可能にする。用語"ＣＯＰ不含"とは、ＣＯＰ密度が１００００ｃｍ^-3未満であると理解されるべきである。このようなシリコンウェーハは、熱処理後に問題なくポリシングすることができ、しかもそれにより、従来の技術に基づき熱処理されたウェーハにおいて生ずるような、ＣＯＰ不含の層の主要部分は除去されない。さらに、本発明に基づき処理したシリコンウェーハは、特に、例えば"ディープ・トレンチ"技術に基づく、"深い"素子を製造するためにも適当である。

しかしながら、本発明は、プロセスパラメータを適当に選択すると、シリコンウェーハのバルク内のＣＯＰ密度をもっぱら、熱処理後に１００００ｃｍ^-3よりも高いＣＯＰ密度が維持されるように減少させるためにも利用することができる。このことは、ウェーハ表側とウェーハ裏側の異なるプロセス雰囲気により生じる同時の非対称の点欠陥プロフィールにおいて相応して短いプロセス時間により達成することができる。このオプションは、プロセス時間のさらなる低下に利用することができ、このことはまた該方法の経済性を高める。

従来の技術に対するもう１つの重要な差異は、ＣＯＰｓの消滅が従来の技術に基づくように酸素の外方拡散に基づいているのでなく、本発明に基づき選択された高い温度により酸素の不飽和に基づいているので、シリコンウェーハを本発明によれば表面近くで酸素不足にする必要がないことである。従って、本発明による方法は、少なくとも一時的に酸素をも含有する任意の雰囲気下で実施することができる。それに対して、従来の技術に基づく方法は、水素又はアルゴンの特殊な雰囲気に制限される。従って、本発明による方法では、水素又はアルゴン含有雰囲気で発生するウェーハ表面の粗面化を回避することが可能である。

さらに、水素を回避することは、危険ポテンシャルの明らかな軽減を意味する。さらに、容易に酸化する雰囲気の使用により、水素雰囲気に比較して金属による汚染の危険を軽減させることができる。

本発明による熱処理のための出発物質としては、低い酸素濃度を有するシリコンウェーハを使用するのが有利である。それというのも、この場合には不等式（１）を満足するために必要な温度は、以下の表に示されているように、低下せしめられるからである。特に有利であるのは、［Ｏ_i］＜７．１０¹⁷ａｔ／ｃｍ³の酸素濃度である。これはチョクラルスキー法において例えばるつぼ回転のような変化したプロセスパラメータにより達成することができる。シリコン結晶内の酸素濃度が低下すればするほど、益々熱処理のための本発明による方法のための最低温度は低くなる。プロセス温度の低下もまた、装置費用及び加熱もしくは冷却のために必要な時間、ひいてはプロセスコストを低下せしめる。

ＣＯＰｓの酸化物皮膜の消滅のために必要な時間はまた酸化物皮膜の厚さに依存する（表参照）ので、本発明による方法の範囲内では、そのＣＯＰｓが可能な限り薄い酸化物皮膜を有する出発物質を使用するのが有利である。有利には、酸化物皮膜の厚さは、４ｎｍ未満、特に有利には２ｎｍ未満である。これは１２００℃から６００℃までの温度インターバルにおける結晶引上げの際の低い酸素濃度及び高速の冷却速度により達成される。

酸化物皮膜を除去したＣＯＰｓの消滅のために必要になる時間は、著しくＣＯＰｓの大きさに依存する（表参照）。従って、本発明による熱処理のための出発物質としては、製造する際に引上げプロセスを、極めて小さいＣＯＰｓが高い濃度で生じるように制御した単結晶から得られたシリコンウェーハを使用するのが有利である。直径３００ｍｍを有するシリコン結晶の場合には、平均ＣＯＰ直径は、１６０ｎｍ未満、有利には１５０ｎｍ未満、特に有利には１２０ｎｍ未満であるべきである。直径２００ｍｍを有するシリコン結晶のためには、＜１００ｎｍ、有利には＜８０ｎｍ、特に有利には＜６０ｎｍのＣＯＰ寸法を選択すべきである。このことは引上げ法において、結晶を１２００℃〜９００℃の温度範囲内において可能な限り急速に冷却することにより達成される。このためには、前記温度範囲内において１〜２０Ｋ／分、有利には２〜１５Ｋ／分、特に有利には５〜１５Ｋ／分の冷却速度に設定しなければならない。生じるＣＯＰｓの小さい寸法の他に、このような引上げプロセスは、比較的高い引上げ速度と結び付いており、このことはプロセス時間を短縮するという利点を有する。さらに、この種の引上げプロセスは原則的に高い生産率を提供し、このことは経済性を一層高める。

平均ＣＯＰ寸法をさらに縮小させるためには、引上げプロセス中に窒素を添加するのが有利である。単結晶もしくはそれから製造されたシリコンウェーハ内の酸素濃度は、１・１０¹³〜７・１０¹⁵ａｔ／ｃｍ³の範囲内にあるのが特に有利である。刊行物ＵＳ６,２２８,１６４Ｂ１及びＤＥ１９９４１９０２Ａ１に、技術的背景が記載されている。

以下の表には、酸素濃度［Ｏ_i］、ＣＯＰ直径２ｒ及びＣＯＰ酸化物皮膜の厚さｄの、本発明による方法のために必要な温度Ｔ及びＣＯＰｓの消滅のために必要な時間ｔに対する作用効果がまとめられている。

ＣＯＰｓの消滅のために必要な時間をさらに短縮するために、出発物質として本発明による方法のために、ＣＯＰｓが大きな面積／体積比を有するモルホルジー（形態）を有するシリコンウェーハを使用するのが有利である。これらの要求は、扁平な又は細長いＣＯＰｓが満足する。このような出発物質を製造する方法は、例えばＥＰ１０８７０４２Ａ１に記載されている。

本発明による方法の範囲内では、処理すべきシリコンウェーハを従来の技術に基づくＲＴＡ反応器内でまず所定の速度で、不等式（１）によって与えられる温度範囲が達成されるまで加熱する。引き続き、シリコンウェーハを所定の時間この温度範囲内に保ち、その後再び所定の速度で冷却する。全てのプロセスは、熱処理されたシリコンウェーハの所望の特性により決定される雰囲気下で行う。

有利には、ＣＯＰｓの酸化物皮膜を加熱中に成長させないために、出来るだけ高い加熱速度、即ち２Ｋ／秒より高い加熱速度、有利には１０Ｋ／秒より高い加熱速度、特に有利には５０Ｋ／秒より高い加熱速度を選択する。

シリコンウェーハの温度を不等式（１）により予め決められた範囲内に保つ時間は、使用する出発物質に左右される。表から明らかなように、アニール時間は小さいＣＯＰｓ及び薄いＣＯＰ酸化物皮膜を有する出発物質を使用することにより短縮することができる。典型的な時間は、１０秒〜１５分間、有利には３０秒〜５分間、特に有利には３０秒〜４分間である。

設定すべき冷却速度は、最終製品、即ち熱処理後のシリコンウェーハの所望の特性によって決まる。後続の素子加工プロセス中に酸素析出を示さないゲッター特性を有しないシリコンウェーハを製造したい場合には、緩慢な冷却過程が有利である。緩慢な冷却の際には、空孔濃度を実際の温度に合わせることができる、即ち高い温度で高い空孔濃度は、冷却の際に空孔の外方拡散により低下する。従って、冷却過程後に低い濃度の空孔が存在するので、後続の熱処理において、例えば素子製造の範囲内で異常な酸素析出物／核形成は行われ得ない。従って、酸素析出は行われないか又は僅かに行われるにすぎない。このように処理したシリコンウェーハは、緩慢に引上げられた、空孔及びＣＯＰ不含の単結晶（パーフェクトシリコン：perfect silicon）から製造されたシリコンウェーハに匹敵する特性を有する。

他面、良好な内部ゲッター特性を有するシリコンウェーハを製造したい場合には、冷却速度を有利には、例えばＷＯ９８／３８６７５に記載されているように、ＲＴＡ効果が生じるように設定する。急速な冷却の際には、先に支配する高い温度で存在する高い空孔濃度は閉じこめられる（eingefroren）。それというのも、空孔は冷却過程中に外方拡散することができないからである。高い空孔濃度は、後続の熱的プロセス中、例えば素子製造中に異常な酸素析出物／核形成を惹起する。従って、十分に酸素析出のための核形成中心（少なくとも１０⁷ｃｍ^-3の濃度を有する）が存在する。同時に、ウェーハ表面に少なくとも１μｍの厚さを有する空孔不含の層（デヌーデッドゾーン：denuded zone、ＤＺ）が形成される。従って、この層もまた酸素析出のための核形成中心を含有せず、このことは、核形成中心の濃度が１０⁷ｃｍ^-3の値を上回らないことを意味する。設定すべき冷却速度は、この場合には、１０Ｋ／秒〜１２０Ｋ／秒、有利には２０Ｋ／秒〜１２０Ｋ／秒、特に有利には４０Ｋ／秒〜１２０Ｋ／秒の範囲内にある。

従って、本発明はまた、バルク内に少なくとも１０⁷ｃｍ^-3の酸素析出のための核形成中心の密度、及びウェーハ表側面に少なくとも１μｍの厚さを有する核形成中心不含のゾーン並びにウェーハ厚さの少なくとも５０％に相当する深さまで１００００ｃｍ^-3未満のＣＯＰ密度を有するシリコンウェーハに関する。

高速の冷却プロセスにより前記のような空孔プロフィールを形成する場合には、このプロセスに引き続きシリコンウェーハをいわゆる核形成アニール処理し、該処理において空孔プロフィールを酸素析出のための核形成中心の相応するプロフィールに変換させるのが特に有利である。この場合には、シリコンウェーハを４５０℃〜８００℃の温度で１分〜５時間、有利には５分〜２時間、特に有利には１０分〜２時間曝す。

雰囲気としては、本発明による方法の範囲内では目的製品の所望の特性に依存して希ガス（有利にはアルゴン）、水素、窒素、酸素並びに前記元素を含有する化合物及びこれらのガス（元素又は化合物）から製造可能な混合物を使用する。しかしながら、成分が必要な高い温度で制御不能に相互に反応すると見なされる混合物、例えば同時に水素と酸素を含有する混合物は除かれる。ウェーハを一層汚染されにくくするために、少なくとも一時的に非還元性雰囲気を使用すべきである。シリコンウェーハは、単一の雰囲気でも、またプロセス中変化される雰囲気内でも熱処理することができる。ウェーハの表側面と裏側面を、同じ雰囲気に又は異なる雰囲気に曝すことができる。表側面とは、その上に後で電子素子が製造されるシリコンウェーハの面であると理解されるべきである。

本発明による熱処理中には、水素、アルゴン又はアルゴンと水素の混合物を含有する雰囲気を使用するのが有利である。しかしまた、汚染の危険を軽減するために、ウェーハを少なくとも一時的に非還元性雰囲気に曝すべきである。この場合には、ウェーハ表面は、熱処理後に、従来の水素又はアルゴンアニール後と同じ特性を有する。しかしながら、この有利な実施態様に基づき製造されたシリコンウェーハは、従来に基づき製造されたウェーハとは異なり薄いＣＯＰ不含の表面層だけを有するのではない。ＣＯＰ不含の層（即ち、１００００ｃｍ^-３未満のＣＯＰ密度を有する層）は、本発明によればウェーハ厚さの少なくとも５０％を越えて広がる。このことは、例えば、この本発明による実施態様に基づき処理されたシリコンウェーハは問題なく表面の平滑化のためにポリシング処理することができ、しかもその際、ポリシングで完全なＣＯＰ不含層を除去する危険が生じないという利点を有する。

本発明のもう１つの有利な実施態様においては、シリコンウェーハを熱処理中に、熱処理の全時間中にシリコンウェーハの表面の酸化物層での被覆を惹起する雰囲気に曝す。特に有利であるのは、酸素及びアルゴンを含有する雰囲気である。それにより、金属汚染の危険を軽減させることができる。本発明による熱処理を酸素含有雰囲気下で実施すると、シリコンウェーハのバルクからＣＯＰｓが除去される。しかしこの場合には、このことは表面のためには当てはまらない。それというのも、この場合には酸素は拡散侵入するので、表面近くのＣＯＰｓからその酸化物皮膜は除去されず、従って該ＣＯＰｓは消滅されないからである。しかし、表面は、引き続いてのポリシングにより除去することができ、それにより最終的にまたＣＯＰ不含のシリコンウェーハが達成される。

同様に、本発明の範囲内では、ウェーハの表側面を熱処理中に少なくとも一時的に、シリコン中間格子原子（interstitials）を導入する（initiate）ガス（有利には酸素又は酸素と希ガス、有利にはアルゴンの混合物）に、それに対して裏側面を空孔を形成するガス（有利には窒素又は窒素と希ガス、有利にはアルゴンの混合物）に曝すのが有利である。この処理は、非対称の空孔プロフィール、ひいては、ＤＥ１９９２５０４４Ａ１に記載されているように、後続の熱的プロセスにおいて非対称の酸素析出プロフィールを生じる。非対称の空孔プロフィールとは、空孔濃度がウェーハ面に対して垂直な任意のグレードに沿って一定でなく同時にウェーハ面の間の中心における仮想の中心面に対して非対称であることを意味する。同様なことは、"非対称の酸素析出プロフィール"に関しても当てはまる。ＤＥ１９９２５０４４Ａ１に記載されたシリコンウェーハに対する差異は、この場合も、本発明に基づき処理されたシリコンウェーハはウェーハ厚さの少なくとも５０％のＣＯＰ不含の層を有することにある。シリコンウェーハの表側面及び裏側面のための雰囲気としての前記ガスの使用は、ＣＯＰ密度の非対称プロフィールを有するウェーハを製造するためにも使用することができる。その際には、表側面近くのＣＯＰｓが裏側面近くのＣＯＰｓよりも小さい直径を有する、ウェーハ厚さにわたるＣＯＰの寸法のプロフィールが生じる。異なるプロセスガスの使用の他に、プロセス温度も、このようなプロフィールが生じるように適合させねばならない。この効果は、全プロセス時間を短縮するために利用することでき、このことはまた本方法の経済性を高める。

本発明のもう１つの有利な実施態様においては、冷却段階の間だけシリコンウェーハ表側面と裏側面のために異なるプロセスガス、特に有利には表側面のためには酸素含有雰囲気をかつ裏側面では窒素含有雰囲気を使用する。この有利な実施態様においても、前記の非対称の空孔プロフィールが生じる。

上記に詳細に説明した窒素ドープされた単結晶から製造されたシリコンウェーハを処理のために使用すれば、それにより本発明による方法の適用分野を拡大することができる：熱処理中に、空孔はウェーハ表面からもはや拡散する必要はなく、ウェーハ内の溶解した窒素と反応して窒素／空孔錯体（complex）を形成することができる。このことは、ＣＯＰｓを消滅させるために必要である時間を短縮する。さらに、窒素は表面近くで外方拡散する。ウェーハの冷却後に、ＣＯＰｓは消滅しており、一方ウェーハの表面には結合した空孔は存在しない。それというのも、そこで窒素は外方拡散されているからである。従って、本発明による熱処理中には、窒素濃度プロフィールが生じる、即ち窒素濃度はウェーハ面に対して垂直に任意のグレードに沿って一定でない。また、窒素／空孔錯体も、後続の熱的プロセスにおいて、例えば素子製造の範囲内で、異常な酸素析出を惹起するので、本発明による方法の前記の有利な実施態様に基づき処理されたウェーハは、ウェーハ厚さの少なくとも５０％のＣＯＰ不含の層を有しかつ付加的にシリコンウェーハのバルク内に少なくとも１０⁷ｃｍ^-3の酸素析出のための核形成中心の密度並びに少なくともウェーハの表側面に少なくとも１μｍの厚さを有する核形成中心不含のゾーンを有する。

シリコンウェーハを熱処理するための本発明による方法は、一連の生産プロセスの種々の位置に組み入れることができる：
該熱処理を、例えばポリシング後に行うことができる。このことは、特に、熱処理を、ウェーハ表面を粗面化しないか又は僅かに粗面化するにすぎない雰囲気下で、例えば酸素含有雰囲気下で実施する際に適当である。

別の可能性は、まず本発明による熱処理を実施しかつウェーハを引き続き、場合によっては洗浄ステップ後に、ポリシング処理することにある。この実施態様は、特に、熱処理を、シリコンウェーハの表面粗さを高める雰囲気、例えば水素又はアルゴン雰囲気下で少なくとも一時的に見て部分的に酸素含有雰囲気を使用して行う場合に有利である。本発明に基づき処理されたシリコンウェーハは、その厚さがウェーハ厚さの少なくとも５０％に相当するＣＯＰ不含の層を有するので、熱処理後にもポリシングが可能である。それに対して、熱処理されたシリコンウェーハのＣＯＰ除去の目的のための従来の技術に基づくポリシングは、ＣＯＰ不含の層の厚さが極めて薄いために問題である。引き続いて非還元性雰囲気、一般には酸素含有雰囲気を使用する際にも、この処理は、プロセス制御から生じることがある表面近くの欠陥を除去することができる特に有利な実施態様である。

ウェーハを熱処理後にポリシングする前記の有利な実施態様の範囲内に、また多数の可能性が存在する：例えば、ポリシングしたウェーハを本発明による熱処理、引き続いての仕上げポリシング（ファイナルポリシング又はミラーポリシング）で処理することも可能である。その他に、エッチングしたウェーハを本発明による熱処理、引き続いての仕上げポリシングで処理することが可能である。しかし、シリコンウェーハを本発明による熱処理後に両面ポリシング（及びその後場合によっては仕上げポリシング）で処理するのが特に有利である。それというのも、それにより本発明に基づくＣＯＰ不含性と組み合わせた完全な表面特性が達成されるからである。

本発明は、結晶直径もしくはウェーハ直径に左右されずに単結晶のシリコンウェーハに適用可能である。１５、２０又は３０ｃｍ又はそれ以上の直径を有するウェーハに適用するのが有利である。大きな直径を有するシリコンウェーハ上に製造される素子は、シリコンの欠陥不含性に対して明らかに高い要求を課するので、本発明は大きな直径を有するシリコンウェーハに適用するのが特に有利である。

Claims (7)

1. 酸素濃度が５・１０ ¹⁷ ａｔ／ｃｍ ³ 以上７・１０ ¹⁷ ａｔ／ｃｍ ³ 未満であるシリコンウェーハを少なくとも一時的に酸素含有雰囲気に曝し、その際熱処理を、不等式：
   

   

   ［式中、［Ｏ_i］はシリコンウェーハ内の酸素濃度、［Ｏ_i］^eq（Ｔ）は温度Ｔにおけるシリコン内の酸素の溶解度、σ_SiO2は二酸化シリコンの表面エネルギー、Ωは析出した酸素原子の体積、ｒは平均ＣＯＰ半径及びｋはボルツマン定数を表す］が満足されるように選択した温度で行うシリコンウェーハの熱処理方法において、シリコンウェーハを１０Ｋ／秒より高い加熱速度で温度が不等式（１）を満足する範囲内になるまで加熱し、温度がこの範囲内で１０秒間〜１５分間保持され、その後シリコンウェーハを１０Ｋ／秒〜１２０Ｋ／秒の冷却速度で冷却することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
2. 前記方法のための出発物質として、１６０ｎｍ未満の平均ＣＯＰ直径を有するシリコンウェーハを使用する、請求項１記載の方法。
3. シリコンウェーハの裏側面を少なくとも冷却過程中、窒素含有雰囲気に曝す、請求項１または２記載の方法。
4. シリコンウェーハを熱処理後にポリシングする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 請求項１に記載の方法を用いて製造されたシリコンウェーハであって、バルク内に少なくとも１０⁷ｃｍ^-3の酸素析出のための核形成中心の密度、及びウェーハ表側面に少なくとも１μｍの厚さを有する核形成中心不含のゾーン、並びにウェーハ厚さの少なくとも５０％に相当する深さまで１００００ｃｍ^-3未満のＣＯＰ密度を有することを特徴とするシリコンウェーハ。
6. 空孔濃度の非対称プロフィールを有する、請求項５記載のシリコンウェーハ。
7. 窒素を含有し、その際窒素濃度がウェーハ面に対して垂直な任意のグレードに沿って一定でない、請求項５記載のシリコンウェーハ。