JP5410769B2 - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハを半導体デバイスに適用するために施される熱処理方法に関する。

半導体デバイス形成用基板として用いられるシリコンウェーハ（以下、単に、ウェーハともいう）は、半導体デバイスプロセスにおける歩留向上を目的として、鏡面研磨後のシリコンウェーハに対して、所定の環境下で熱処理（アニール）を施すことが一般的に行われている。

このような熱処理技術としては、例えば、酸素を５％以上含むガス雰囲気中で１２５０〜１３８０℃の温度で、１〜２０時間、熱処理を行う方法（例えば、特許文献１）や、窒素１００％もしくは酸素１００％または酸素と窒素の混合雰囲気下、最大保持温度を１１２５℃以上シリコンの融点以下とし、保持時間を５秒以上として熱処理を行った後、最大保持温度から８℃／秒以上の冷却速度で急速冷却する方法（例えば、特許文献２）等が知られている。

特開２００６−２６１６３２号公報 特開２０００−３１１５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような方法を用いて製造したシリコンウェーハは、半導体デバイスプロセスでの熱処理において、ウェーハ表面に転位が発生しやすいという問題があった。
また、上記特許文献２に記載された方法を用いて製造したシリコンウェーハは、酸素を含有する雰囲気下にて、急速加熱・急速冷却熱処理を行うため、熱処理後のウェーハの表面、すなわち、鏡面研磨されたデバイス形成面に酸化膜が形成されるが、その条件等によっては、ウェーハ表面の粗さが悪化するという問題があった。
これらの問題は、半導体デバイスプロセスにおける歩留を低下させる要因となるため好ましくない。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、半導体デバイスプロセスにおける転位の発生およびウェーハ表面の粗さの悪化を抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたウェーハを熱処理する方法において、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３００℃以上シリコンの融点以下で、前記ウェーハ表面に厚さ２４．３ｎｍ以上３２．０ｎｍ以下の酸化膜を形成する急速加熱・急速冷却熱処理を行うことを特徴とする。

上記方法においては、前記酸素含有雰囲気での酸素分圧を１．０％以上２０％以下とすることが好ましい。
このような範囲に酸素分圧を調整して上記急速加熱・急速冷却熱処理を行うことにより、酸化膜の膜厚を上記範囲に制御しやすいため好ましい。

また、前記酸素含有雰囲気は、ウェーハ表面への酸化膜の形成以外に、窒化膜等の他の膜の形成や化学的反応等が生じることは好ましくないとの観点から、アルゴンおよび酸素からなることが好ましい。

また、急速加熱・急速冷却熱処理の効率化の観点から、前記最高到達温度での保持時間を１秒以上６０秒以下とすることが好ましい。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法によれば、半導体デバイスプロセスにおける転位の発生およびウェーハ表面の粗さの悪化を抑制することができる。
したがって、本発明に係る熱処理を施したシリコンウェーハは、デバイスプロセスにおける歩留まりの向上にも寄与するものである。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法に用いられる急速加熱・急速冷却熱処理装置の一例の概要を示す断面図である。 本発明に係る急速加熱・急速冷却熱処理における熱処理シーケンスの概略図である。 試験１において、ウェーハ表面の酸化膜の膜厚の測定点を示した図である。 試験１において、各最高到達温度Ｔ１における酸化膜の膜厚とＳＰ１のヘイズのウェーハ面内平均値の関係を示したグラフである。 試験１において、各最高到達温度Ｔ１における酸化膜の膜厚とＳＰ２のヘイズのウェーハ面内平均値の関係を示したグラフである。 試験２において、ウェーハ中心における深さ方向の酸素濃度プロファイルを示したグラフである。 試験３において、ウェーハ表層における最大酸素濃度と最高到達温度との関係を示したグラフである。

以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法においては、ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたウェーハに対して、急速加熱・急速冷却熱処理を行う。本発明は、この急速加熱・急速冷却熱処理を、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３００℃以上シリコンの融点以下の温度で行い、前記ウェーハ表面に厚さ２４．３ｎｍ以上３２．０ｎｍ以下の酸化膜を形成することを特徴とするものである。

上述した転位の発生は、半導体デバイスプロセスにおけるトレンチ形成等によって、ウェーハ内に応力が印加され、これにより、ウェーハ内部に転位が発生し、その後の熱処理において、この転位がウェーハ表面まで伸張することによるものと考えられる。
すなわち、鏡面研磨後の熱処理において、ウェーハ内部の酸素が過剰に外方拡散され、ウェーハ表層の酸素濃度が低下し、転位に対する酸素のピニング力が低下するため、ウェーハ内部に発生した転位が、ウェーハ表面にまで伸張しやすくなっていると考えられる。

これに対して、本発明においては、シリコンウェーハに対して、上記のような急速加熱・急速冷却熱処理を行うことにより、その温度に応じた固溶限界酸素濃度が雰囲気中からウェーハ内に内方拡散し、さらに、降温時間が短いため、内方拡散したウェーハ中の酸素の外方拡散を抑制することができる。そのため、ウェーハ表層の酸素濃度の増加もしくは低下を抑制することが可能である。すなわち、転位に対する酸素のピニング力の低下を抑制することができ、これによって、ウェーハ内部に発生した転位がその表面まで伸張するのを抑制することができる。
また、最高到達温度および酸化膜の厚さを、上記範囲内に制御して急速加熱・急速冷却熱処理を行うことにより、該熱処理時の酸化膜の形成によるウェーハ表面の粗さの悪化も抑制することができる。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法においては、ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたウェーハに対して、急速加熱・急速冷却熱処理を行う。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの製造は、周知の方法にて行うことができる。具体的には、石英ルツボに充填した多結晶シリコンを加熱してシリコン融液とし、このシリコン融液の液面に種結晶を接触させて、種結晶と石英ルツボを回転させながら種結晶を引き上げ、所望の直径まで拡径して直胴部を形成し、その後、シリコン融液から切り離すことにより、シリコン単結晶インゴットを育成する。
次に、このようにして得られたシリコン単結晶インゴットを、周知の方法により、シリコンウェーハに加工する。具体的には、シリコン単結晶インゴットを内周刃またはワイヤソー等によりウェーハ状にスライスした後、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の加工を行う。

上記のようにして得られた鏡面研磨されたシリコンウェーハに対して、急速加熱・急速冷却熱処理装置（以下、ＲＴＰ装置という）を用いて、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３００℃以上シリコンの融点以下の温度の条件下で急速加熱・急速冷却熱処理を行い、前記ウェーハ表面に厚さ２４．３ｎｍ以上３２．０ｎｍ以下の酸化膜を形成する。

図１に、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法に用いられるＲＴＰ装置の一例の概要を示す。
図１に示すＲＴＰ装置１０は、雰囲気ガス導入口２０ａおよび雰囲気ガス排出口２０ｂを備えた反応管２０と、反応管２０の上部に離間して複数配置されたランプ３０と、反応管２０内の反応空間２５にウェーハＷを支持するウェーハ支持部４０とを備えている。
前記ウェーハ支持部４０は、ウェーハＷを直接支持する環状のサセプタ４０ａと、サセプタ４０ａを支持するステージ４０ｂとを備えている。
また、各構成材料は、例えば、反応管２０およびステージ４０ｂは、石英からなり、サセプタ４０ａは、シリコンからなる。また、ランプ３０は、例えば、ハロゲンランプで構成される。

図１に示すＲＴＰ装置１０を用いたウェーハＷの急速加熱・急速冷却熱処理は、反応管２０に設けられたウェーハ導入口（図示せず）からウェーハＷを反応空間２５内に導入し、ウェーハ支持部４０のサセプタ４０ａ上にウェーハＷを支持し、雰囲気ガス導入口２０ａから後述する雰囲気ガスを導入するとともに、ウェーハＷ表面に対してランプ３０を照射することにより行う。
反応空間２５内の温度制御は、ウェーハ支持部４０のステージ４０ｂ内に埋め込まれた複数の放射温度計５０により、ウェーハＷ裏面内のウェーハ径方向について多数点（例えば、９点）の平均温度を測定し、その各測定温度に基づいて、制御手段（図示せず）により複数のランプ３０の個別の出力制御等を行う。

上記のような急速加熱・急速冷却熱処理において、ウェーハ表面に形成される酸化膜の厚さが２４．３ｎｍ未満である場合、また、前記酸化膜の厚さが２４．３ｎｍ以上であっても急速加熱・急速冷却熱処理における最高到達温度が１３００℃未満である場合は、ウェーハ表面の粗さの悪化を抑制することが難しい。一方、前記最高到達温度がシリコン融点を超える場合には、熱処理するシリコンウェーハが融解してしまうため好ましくない。
また、前記ＲＴＰ装置の装置寿命の観点から、前記最高到達温度は１３００℃以上１３８０℃以下であることがより好ましい。
なお、前記酸化膜の厚さの上限値としては、急速加熱・急速冷却熱処理後、形成された酸化膜を生産性よく除去する観点から、１００ｎｍ以下であることが好ましい。

図２に、前記急速加熱・急速冷却熱処理における熱処理シーケンスの温度と時間の関係を概略的に示す。
図２に示すように、まず、鏡面研磨されたシリコンウェーハを温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持し、酸素含有雰囲気下、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で、最高到達温度Ｔ１（℃）まで急速加熱し、所定時間ｔ（秒）保持した後、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で最高到達温度Ｔ１（℃）から温度Ｔ０（℃）まで急速冷却する。

前記酸素含有雰囲気での酸素分圧は１．０％以上２０％以下とすることが好ましい。
前記酸素分圧が１．０％未満である場合には、酸化膜の膜厚を上記範囲に制御することが難しく、また、雰囲気中の酸素のウェーハ内への内方拡散量が減少し、その結果、酸素のピニング力が低下し、半導体デバイスプロセスでの転位の発生を抑制することが難しくなる。
一方、前記酸素分圧が２０％を超える場合には、酸素分圧が高すぎるため、形成される酸化膜が厚くなり、この酸化膜を生産性よく除去することが難しくなる。

また、前記酸素含有雰囲気における酸素ガス以外のガスは、不活性ガスであることが好ましい。
前記酸素ガス以外のガスとして窒素ガスを用いる場合には、急速加熱・急速冷却熱処理においてウェーハ表面に窒化膜が形成され、この窒化膜の除去のため、新たにエッチング工程等を増やさなければならず、工程が増加するため好ましくない。
また、前記酸素ガス以外のガスとして水素ガスを用いる場合には、酸素および水素の混合ガスは爆発の危険性があるため好ましくない。
前記不活性ガスとしては、特に、アルゴンガスを用いることが好ましい。アルゴンガスであれば、上記のような窒化膜等の他の膜の形成や化学的反応等が生じることがなく、急速加熱・急速冷却熱処理を行うことができる。

前記昇温速度ΔＴｕおよび降温速度ΔＴｄは、いずれも、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
前記昇温速度ΔＴｕまたは降温速度ΔＴｄが１０℃／秒未満である場合には、生産性が劣るという問題がある。
一方、前記昇温速度ΔＴｕまたは降温速度ΔＴｄが１５０℃／秒を超える場合には、急激すぎる温度変化にシリコンウェーハが耐えられず、スリップが発生する。

前記最高到達温度Ｔ１は、上述したように、１３００℃以上シリコン融点以下であり、好ましくは、１３００℃以上１３８０℃以下である。
なお、ここでいう最高到達温度Ｔ１とは、図１に示すようなＲＴＰ装置を用いた急速加熱・急速冷却熱処理の場合は、ウェーハＷ裏面内のウェーハ径方向について多数点（例えば、９点）の平均温度とする。

前記最高到達温度Ｔ１での保持時間ｔは、１秒以上６０秒以下であることが好ましい。
前記保持時間ｔが、１秒未満である場合は、急速加熱・急速冷却熱処理の本来の目的であるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の低減やＢＭＤ密度の向上等を達成することが難しい。
一方、前記保持時間ｔが、６０秒を超える場合は、生産性が悪くなるとともに、ウェーハ内部の酸素の外方拡散が増大するため好ましくない。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
（試験１）最高到達温度、酸化膜厚および表面粗さの関係
ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られた、両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、厚さ７７５ｍｍ、酸素濃度１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｃ）を、図１に示すようなＲＴＰ装置内に導入し、酸素１００％雰囲気下（流量２０ｓｌｍ）、温度Ｔ０：５００℃、昇温速度ΔＴｕおよび降温速度ΔＴｄ：５０℃／秒で、最高到達温度Ｔ１およびその保持時間ｔを変化させて、図２に示すような熱処理シーケンスで急速加熱・急速冷却熱処理を行い、ウェーハ表面に形成される酸化膜厚を変化させたアニールウェーハを得た。

得られた各アニールウェーハの表面に形成された酸化膜の膜厚を、ＡｕｔｏＥＬIII（ルドルフリサーチ社製）にて、エリプソメトリ法により測定した。測定は、図３に示すように、ウェーハ中心Ｏ（中心からの距離０ｍｍ）およびウェーハ中心からウェーハの周の両方向に向かって距離４０ｍｍ、７５ｍｍ、１１０ｍｍ、１４５ｍｍの位置の各２点ずつの計９点で行い、これらの平均値を膜厚とした。なお、図３における数値は、ウェーハ中心からの距離を表す。
また、前記酸化膜をフッ酸洗浄により除去した後、レーザ光散乱式パーティクルカウンタ（ＳＰ１およびＳＰ２；ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にて、表面粗さ（ヘイズ）のウェーハ面内平均値を測定した。

なお、比較のため、従来例として、上記と同様のシリコンウェーハに対して、急速加熱・急速冷却熱処理を行わず、周知の縦型熱処理炉を用いて、アルゴン１００％雰囲気下、温度Ｔ０：５００℃、昇温速度ΔＴｕおよび降温速度ΔＴｄ：３℃／分、最高到達温度Ｔ１：１２００℃、最高到達温度Ｔ１での保持時間ｔ：１時間として熱処理を行い、酸化膜の膜厚およびヘイズのウェーハ面内の平均値を上記と同様にして測定した。

表１に、各最高到達温度Ｔ１における酸化膜の膜厚とヘイズのウェーハ面内平均値の測定結果を示す。
また、図４に、各最高到達温度Ｔ１における酸化膜の膜厚とＳＰ１のヘイズのウェーハ面内平均値の関係のグラフを、図５に、各最高到達温度Ｔ１における酸化膜の膜厚とＳＰ２のヘイズのウェーハ面内平均値の関係のグラフを示す。図４，５ともに、縦軸がヘイズ、横軸が酸化膜厚を示している。

図４，５のグラフに示した結果から、最高到達温度Ｔ１が１３００℃以上であり、酸化膜の膜厚が２４．３ｎｍ以上である場合に（実施例１〜４）、従来例と同レベルのヘイズの平均値となる条件を満たすことが認められた。

（試験２）酸素分圧とウェーハの酸素濃度の関係
ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られた、両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、厚さ７７５ｍｍ、酸素濃度１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｃ）に上記従来例で示した熱処理を施し、酸素を外方拡散させた後、図１に示すようなＲＴＰ装置内に導入し、アルゴンで希釈した酸素含有雰囲気下（全ガス流量２０ｓｌｍ）、酸素分圧を変化させて、最高到達温度Ｔ１：１３５０℃、最高到達温度Ｔ１での保持時間ｔ：１５秒間とし、それ以外は試験１と同様の条件で、急速加熱・急速冷却熱処理を行い、各アニールウェーハのウェーハ中心における深さ方向の酸素濃度プロファイルを二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ；Ｉｍｓ−６ｆ；Ｃａｍｅｃａ社製）にて評価した。

また、酸素１００％雰囲気とし、酸素流量を変化させて急速加熱・急速冷却熱処理を行った場合の各アニールウェーハのウェーハ中心における深さ方向の酸素濃度プロファイルの評価も行った。
さらに、試験１の従来例において得られたアニールウェーハについても、同様の条件で酸素濃度プロファイルの評価を行った。

図６に、これらの評価結果のグラフを示す。なお、酸素濃度は、ｏｌｄ−ＡＳＴＭ換算した値である。なお、図６中、「ＡＴ」とは、従来例のアニールのみを行ったウェーハであり、「ＰＷ」とは、アニールを一切行っていない鏡面研磨後のウェーハの酸素濃度プロファイルである。

図６のグラフに示した結果から、アルゴンガスで希釈した酸素分圧１％の雰囲気下で急速加熱・急速冷却熱処理を行ったウェーハも、その他の酸素雰囲気条件下のウェーハと比較して、ウェーハ表層に酸素が十分に内方拡散していることが認められた。
しかしながら、酸素分圧０．４％の場合には、十分な酸素濃度が得られなかった（図示せず）。
また、従来例のアニールのみを行ったウェーハ（ＡＴ）は、図６に示すように、酸素含有雰囲気下で急速加熱・急速冷却熱処理をさらに行ったアニールウェーハよりも、ウェーハ表層の酸素濃度が大きく低下していることが認められた。

（試験３）最高到達温度・保持時間とウェーハの酸素濃度の関係
ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られた、両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、厚さ７７５ｍｍ、酸素濃度１．３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｃ）を、図１に示すようなＲＴＰ装置内に導入し、酸素１００％雰囲気下（流量２０ｓｌｍ）、最高到達温度およびその保持時間を変化させて急速加熱・急速冷却熱処理を行い、各アニールウェーハのウェーハ中心における深さ方向の酸素濃度プロファイルを二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ；Ｉｍｓ−６ｆ；Ｃａｍｅｃａ社製）にて評価し、ウェーハ表層（表面から約１〜２μｍ）における最大酸素濃度を求めた。
図７に、ウェーハ表層における最大酸素濃度と最高到達温度との関係のグラフを示す。

図７のグラフに示した結果から、アニールウェーハ表層における最大酸素濃度は、処理時間には依存せず、最高到達温度で決定することが認められた。
特に、１３００℃以上の場合に、最大酸素濃度は研磨基板（ＰＷ）を上回ることから、転位抑制効果も同程度になると推定される。
したがって、上記結果から、酸素濃度低下の抑制という観点からも、急速加熱・急速冷却熱処理の最高到達温度は１３００℃以上とすることが好ましい。

１０ ＲＴＰ装置
２０ 反応管
３０ ランプ
４０ ウェーハ支持部
５０ 放射温度計

Claims (4)

1. チョクラルスキー法により製造したシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたウェーハを熱処理する方法において、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３００℃以上シリコンの融点以下で、前記ウェーハ表面に厚さ２４．３ｎｍ以上３２．０ｎｍ以下の酸化膜を形成する急速加熱・急速冷却熱処理を行うことを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
2. 前記酸素含有雰囲気において、酸素分圧を１．０％以上２０％以下とすることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
3. 前記酸素含有雰囲気が、アルゴンおよび酸素からなることを特徴とする請求項１または２記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
4. 前記最高到達温度での保持時間を１秒以上６０秒以下とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウェーハの熱処理方法。

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