JP5441261B2 - 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（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、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍（以下、表面部という）において、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）等の結晶欠陥が存在しないことが要求される。

このようなシリコンウェーハは、ＣＺ法によりシリコン単結晶を引き上げる際に、引上げ速度ｖと単結晶内の引上げ軸方向の温度勾配の平均値Ｇとの比であるｖ／Ｇ値を制御して、無欠陥の単結晶シリコンインゴットを育成し、これをスライスすることにより製造することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、上記のようなシリコンウェーハは、高温で熱処理して、ウェーハの表面部に無欠陥層（ＤＺ層：Denuded Zone）を形成する方法により製造することもできる。例えば、不活性ガスや還元性ガス雰囲気中、１２５０℃以上の高温下で１時間以上熱処理を行うことにより、ウェーハの表面部の固溶酸素を外方拡散させて、ＣＯＰやＢＭＤ（Balk Micro Defect）等を消滅させる技術が知られている（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１に記載されているようなシリコンインゴットの育成方法は、引上げ速度を小さくしなければならず、引上げに長時間を要するため、生産性が劣るとともに、インゴット育成コストが増加する。
また、特許文献２に記載されているようなウェーハの熱処理方法も、長時間熱処理を行うため、生産性が低下し、かつ、熱処理コストが増加する。さらに、長時間熱処理されたウェーハは、その表面部では酸素の外方拡散によりシリコン中の固溶酸素濃度が低下するため、デバイスプロセスに供した場合、該プロセスにおける熱処理等において生じる応力や歪の印加によって転位（スリップ）が伸長しやすく、デバイス歩留が低下する要因となる。

このため、近年では、シリコンウェーハに対して、１１５０℃以上の高温で秒単位の急速加熱・急速冷却熱処理（以下、単に、ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）ともいう）を施すことにより、デバイス活性領域となるウェーハの表面部に無欠陥層を形成する技術が用いられるようになった（例えば、特許文献３参照）。

ＣＯＰ等のボイド欠陥を有するシリコンウェーハであっても、上記のようなＲＴＰを施すことにより、デバイスプロセスにおいて、ＤＺ層を有するウェーハを低コストで製造することができる。
なお、本発明でいうボイドとは、結晶成長界面からシリコン単結晶に過飽和に取り込まれる空孔が凝集して、結晶中に八面体形状の空洞が形成されたものである。

特開平８−３３０３１６号公報 特開２００６−２６１６３２号公報 特表２００１−５０９３１９号公報

しかしながら、上記のようなＲＴＰによって得られた表面部がＤＺ層であるウェーハであっても、ボイド欠陥を完全に消滅させることは困難であった。
ボイド欠陥は、レーザー光散乱による表面欠陥装置にて、ウェーハ表面部でＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomography Defect）として数十ｎｍのサイズから検出される。このＬＳＴＤは、ｐｎ接合のソフトリークを誘起するとされており、次世代デバイス用には、このような微小な欠陥をより低減させ、デバイスにおけるリーク不良を一層低減させることが求められている。

前記ボイド欠陥は、その内壁に酸化膜が形成されているため、ボイド欠陥を消滅させるためには、この内壁酸化膜の溶解を促進することが有効であり、内壁酸化膜の周囲の酸素濃度、すなわち、ウェーハの酸素濃度を低くすればよい。
ところが、一方で、ウェーハの機械的強度の向上やスリップ発生の抑制のためには、ウェーハの酸素濃度を高くすればよいことが知られている。
このため、ボイド欠陥を消滅させるためにウェーハの酸素濃度を低下させることは、スリップ伸長を助長することととなり、ボイド欠陥の低減化とスリップの伸長の抑制との双方の目的を達成することは難しかった。

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、デバイス活性領域となるウェーハの表面部において、ボイド欠陥を低減させることができ、また、デバイスプロセスにおける熱的応力等の負荷によるスリップの伸長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シリコンウェーハを熱処理する方法において、酸素濃度が１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．８×１０ ¹⁸ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 以下の鏡面研磨加工後のシリコンウェーハに、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３２５℃以上シリコンの融点以下として急速加熱・急速冷却熱処理を行うことを特徴とする。
このように、予め高酸素濃度としたウェーハに、酸素含有雰囲気下でＲＴＰを施すことにより、デバイス活性領域となるウェーハの表面部において、ボイド欠陥を低減させることができ、かつ、デバイスプロセスにおけるスリップの伸長を抑制することができる。

前記最高到達温度は、１３５０℃以上１４００℃以下であることが好ましい。
上記範囲内の温度とすることにより、上述したようなボイド欠陥の消滅効果及びスリップの伸長の抑制効果を高めることができる。

また、前記最高到達温度における保持時間は、１秒以上３０秒以下とすることが好ましい。
上記範囲内の保持時間とすることにより、生産性を維持したまま、上述したような効果を得ることができる。

さらに、前記酸素含有雰囲気においては、酸素分圧を２０％以上１００％以下とすることが好ましい。
上記範囲内の酸素分圧とすることにより、上述したようなボイド欠陥の消滅効果及びスリップの伸長の抑制効果を高めることができる。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法によれば、デバイス活性領域となるウェーハの表面部において、ボイド欠陥を低減させることができ、かつ、デバイスプロセスにおけるスリップの伸長を抑制することができる。
したがって、本発明に係る方法による熱処理を施したシリコンウェーハは、半導体デバイスプロセスにおける歩留の向上に大きく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ＲＴＰ装置のチャンバ部の概要を示す断面図である。 本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を説明するための概念図である。 実施例及び比較例におけるＲＴＰの最高到達温度とウェーハ表面部におけるＬＳＴＤ密度減少率との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例の各ウェーハの酸素濃度別のＲＴＰの最高到達温度と熱処理後のスリップ全長との関係を示すグラフである。 実施例１〜４及び比較例１，２のＲＴＰ後のウェーハについて、ウェーハ表面から深さ方向の酸素濃度プロファイルを示すグラフである。

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シリコンウェーハをＲＴＰにて熱処理する方法である。そして、前記ＲＴＰを施す際、酸素濃度が１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上のシリコンウェーハに、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３２５℃以上シリコンの融点以下とすることを特徴とする。
このように、予め所定の酸素濃度としたウェーハに、酸素含有雰囲気下でＲＴＰを施すことにより、デバイス活性領域となるウェーハの表面部におけるボイド欠陥の低減化、かつ、デバイスプロセスにおける熱応力等により生じるスリップの伸長の抑制を図ることができる。

ＲＴＰを酸素含有雰囲気下で行うことにより、ウェーハ表面にはシリコン酸化膜が形成される。この際、シリコン酸化膜及びシリコン界面には、多量の格子間シリコンが生成される。ＲＴＰ温度が高温であれば、これらの格子間シリコンは、ウェーハ内部へ拡散し、特に、ウェーハの表面部に存在するＣＯＰを埋めるため、ウェーハ表面部のボイド欠陥を低減させることができる。

本発明におけるＲＴＰは、上記のように酸素雰囲気下で行うが、ＲＴＰを施すウェーハの酸素濃度は、ＲＴＰ前に、予め、１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上とすることが好ましい。この酸素濃度の制御は、ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴット製造時において、周知の方法により行うことができる。
前記ウェーハの酸素濃度が１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満である場合には、酸素がスリップに固着してスリップの伸長を妨害する、いわゆるピニング効果が十分に得られず、後のデバイスプロセスにおける応力や歪の印加によるスリップの伸長を効果的に抑制することができない。
前記ウェーハの酸素濃度の上限値は、１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることがより好ましい。
前記酸素濃度が１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超える場合には、酸素濃度が高すぎ、前記ボイド欠陥の内壁酸化膜の溶解が難しくなるため、ボイド欠陥の低減効果が低くなり好ましくない。
前記ウェーハの酸素濃度の上限値は、より好ましくは、１．５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。

また、前記ＲＴＰの最高到達温度は、１３２５℃以上シリコンの融点以下とする。
前記最高到達温度は、高温であるほど、ウェーハ内に存在するＣＯＰの内壁酸化膜を効率よく溶解させることができる。このため、ウェーハの表面部で、格子間シリコンが埋めることによるＣＯＰの消滅力を高めることができ、ボイド欠陥密度の減少率が増加する。
また、前記最高到達温度が高温であるほど、ウェーハの表面部における固溶酸素濃度が高くなり、処理雰囲気中の酸素がウェーハ内に内方拡散する。このため、上記のようなＲＴＰ後のウェーハは、ピニング効果が向上するため、後のデバイスプロセスにおける応力や歪の印加によって発生するスリップの伸長を抑制することができる。
なお、ここでいう最高到達温度は、ウェーハの裏面側の多数点での平均温度を基準とする。

前記最高到達温度が１３２５℃未満である場合には、デバイス活性領域となるウェーハの表面部においてボイド欠陥密度の減少率を十分に高めることが難しい。
一方、前記最高到達温度がシリコンの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。
前記最高到達温度は、上述したようなウェーハ表面部におけるボイド欠陥の低減及びスリップ伸長の抑制効果をより効率的に得る観点から、１３５０℃以上であることがより好ましい。
なお、前記最高到達温度の上限値は、ＲＴＰ装置の耐用寿命の観点から、１４００℃以下であることがより好ましい。

また、前記最高到達温度における保持時間は、１秒以上３０秒以下であることが好ましい。
前記保持時間が１秒未満である場合は、ＲＴＰの本来の目的であるボイド欠陥の消滅や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３０秒を超える場合は、生産性が低下するため好ましくない。
前記保持時間は、より好ましくは１秒以上１５秒以下である。

前記酸素含有雰囲気においては、酸素分圧を２０％以上１００％以下とすることが好ましい。
前記酸素分圧が２０％未満である場合には、ＣＯＰを埋める格子間シリコンの濃度が減少し、ウェーハの表面部におけるボイド欠陥の低減効果が十分に得られない。

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、ＲＴＰ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、水素ガスは、酸素及び水素の混合ガスは爆発の危険性があるため、用いることは好ましくない。また、アンモニア系ガスは、ＣＯＰ等の結晶欠陥の消滅力が低下するため好ましくない。
前記不活性ガスとしては、アルゴンガスを用いることが好ましい。アルゴンガスを用いることにより、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、ＲＴＰを行うことができる。

本発明においてＲＴＰを行うウェーハは、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である。
チョクラルスキー法は、周知の方法であり、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。
そして、上記により得られた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等の周知の加工方法を経ることにより、シリコンウェーハを得る。

上記のような本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、例えば、図１に示すようなＲＴＰ装置により、好適に行うことができる。
図１は、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装置のチャンバ部の概要を示す断面図である。
図１に示すＲＴＰ装置のチャンバ部１０は、ウェーハＷを収容する反応管２０と、前記反応管２０内に配設され、前記ウェーハＷが載置されるウェーハ支持部３０と、前記ウェーハＷを光照射により加熱する複数のランプ４０とを備えている。

前記反応管２０は、前記ウェーハＷの半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側の第１の空間２０ａに第１の雰囲気ガスＦ_A（図中実線矢印）を供給するガス供給口２２と、前記第１空間２０ａからガスを排出するガス排出口２６と、前記ウェーハＷの裏面Ｗ２側の第２の空間２０ｂに第２の雰囲気ガスＦ_B（図中点線矢印）を供給するガス供給口２４と、前記第２空間２０ｂからガスを排出するガス排出口２８とを備える。
前記第１の雰囲気ガスＦ_Aは、ウェーハＷのＲＴＰにおける熱処理時の雰囲気ガスとして、前記第２の雰囲気ガスＦ_Bは、必要に応じてＲＴＰにおける冷却用ガスとして用いられる。すなわち、本発明においては、少なくとも第１の雰囲気ガスＦ_Aは酸素含有雰囲気ガスである。

以下、図１に示すようなＲＴＰ装置を用いた本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法の一例を説明する。図２は、本実施形態に係るシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を説明するための概念図である。

図２に示す熱処理シーケンスにおいては、まず、温度Ｔ₀（例えば、６００℃）に保持された反応管２０内のウェーハ支持部３０のサセプタ３２上に、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部を載置して支持させる。そして、ガス供給口２２から第１の雰囲気ガスＦ_Aを供給しつつ、ガス排出口２６から第１の雰囲気ガスＦ_Aを排出させて、サセプタ回転部３４によりサセプタ３２を回転させながら、ランプ４０からの光照射によりウェーハＷを最高到達温度Ｔ₁（℃）まで所定の昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速加熱する。
次に、前記最高到達温度Ｔ₁を所定時間ｔ（秒）保持する。
その後、必要に応じて、ガス供給口２４から第２の雰囲気ガスＦ_Bを供給するとともに、ガス排出口２８から第２の雰囲気ガスＦ_Bを排出させて、所定の降温速度ΔＴｄ（℃／秒）でウェーハＷを急速冷却する。

なお、上記熱処理シーケンスにおけるウェーハＷの温度測定は、例えば、ウェーハＷの下方に配置された放射温度計（図示せず）により行う。また、前記昇温速度及び降温速度の制御は、上記のようにして測定した温度に基づいて制御手段（図示せず）により、ランプ４０の個別の出力制御や、第１の雰囲気ガスＦ_Aまたは第２の雰囲気ガスＦ_Bの流量の制御等により行う。

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、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
ＣＺ法により製造したシリコン単結晶インゴットから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（酸素濃度１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍ）を、酸素１００％（流量２０ｓｌｍ）雰囲気下、最高到達温度１３２５℃、その保持時間１５秒にてＲＴＰを行った。なお、降温レートは、９０℃／秒とした。

［実施例２〜８、比較例１〜１６］
ウェーハの酸素濃度及び最高到達温度を変化させ、それ以外は実施例１と同様にして、ＲＴＰを行った。
各実施例及び比較例におけるＲＴＰ条件を表１に示す。

上記実施例及び比較例におけるＲＴＰの処理前後のウェーハについて、ウェーハ表面から深さ５μｍ以内の表面部におけるＬＳＴＤを、ＬＳＴＤスキャナ（株式会社レイテックス製 ＭＯ−６０１）にて測定し、ＬＳＴＤ密度減少率を算出した。
図３に、上記実施例及び比較例におけるＲＴＰの最高到達温度とウェーハ表面部におけるＬＳＴＤ密度減少率との関係をグラフにして示す。

さらに、上記実施例及び比較例でＲＴＰを施した各ウェーハを、縦型ウェーハボート（ウェーハ外周付近の４点支持）を用いて、縦型拡散炉にて、アルゴン雰囲気下、最高温度１２００℃で１時間熱処理を行った。なお、この熱処理は、デバイスプロセスにおいて施される熱処理と想定して行ったものである。
この熱処理後のウェーハにおけるスリップ長をＸ線トポグラフィ（株式会社リガク製 ＸＲＴ３００）にて測定した。
図４に、上記実施例及び比較例の各ウェーハの酸素濃度別のＲＴＰの最高到達温度と熱処理後のスリップ全長との関係をグラフにして示す。

図３のグラフに示した結果から、ＬＳＴＤ密度減少率は、ＲＴＰの最高到達温度が高温になるほど増加し、特に、ＲＴＰの最高到達温度が１３２５℃以上の場合、ＬＳＴＤ密度減少率が９０％以上であり、また、ウェーハ酸素濃度への依存性が小さくなることが認められた。これは、ＲＴＰの最高到達温度が高温になるほど、酸素濃度に関係なく、ＣＯＰの内壁酸化膜が溶解しやすくなり、また、ウェーハ内部に拡散する格子間シリコンが増加するためと考えられる。
なお、１２５０℃において、ＬＳＴＤ欠陥密度の減少率が極端に低下しているのは、内壁酸化膜が溶解する平衡酸素濃度が、１２５０℃でウェーハ酸素濃度と共通する範囲に存在するためである考えられる。

また、図４のグラフに示した結果から、ウェーハの酸素濃度が高いほど、また、ＲＴＰにおける最高到達温度が高いほど、デバイスプロセスでの熱処理によるスリップ伸長が抑制されることが認められた。

なお、実施例１〜４及び比較例１，２のＲＴＰ後のウェーハについて、ウェーハ表面から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；カメカ社製 Ｉｍｓ−６ｆ）にて評価した結果を図５に示す。
図５の酸素濃度プロファイルのグラフから、ＲＴＰにおける最高到達温度が高いほど、ウェーハ表面部における固溶酸素濃度が高くなる傾向があることが認められた。

以上の結果から、ウェーハの酸素濃度が１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であり、かつ、最高到達温度を１３２５℃以上としてＲＴＰを行うことにより、ウェーハ表面部でのボイド欠陥を低減し、かつ、スリップの伸長を抑制することができることが認められた。

１０ チャンバ部
２０ 反応管
３０ ウェーハ支持部
４０ ランプ

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シリコンウェーハを熱処理する方法において、
   酸素濃度が１．４×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１．８×１０ ¹⁸ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 以下の鏡面研磨加工後のシリコンウェーハに、酸素含有雰囲気下、最高到達温度を１３２５℃以上シリコンの融点以下として急速加熱・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. 前記最高到達温度が、１３５０℃以上１４００℃以下であ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. 前記最高到達温度における保持時間を１秒以上３０秒以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
4. 前記酸素含有雰囲気において、酸素分圧を２０％以上１００％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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