JP5498678B2 - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、熱処理を行うシリコンウェーハの製造方法に関するものである。

近年半導体デバイスプロセスでは、半導体素子のさらなる高集積化に伴い、特に素子を形成するデバイス活性領域となるシリコンウェーハの表層部にほとんど欠陥のないウェーハが求められている。

この要求に対応するウェーハとして、シリコンウェーハに還元性または不活性雰囲気にて一定時間熱処理を施したアニールウェーハがある。アニールウェーハは、シリコンウェーハ表層部に存在する酸素を熱処理による外方拡散によって低減させることで、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥とよばれる欠陥がほとんどない領域が形成されていることに特徴がある。

しかし、このアニールウェーハは、その製造過程においてウェーハ表層の酸素濃度が下がるために、デバイスプロセスで印加される応力による転位が、アニールをしないウェーハよりも発生しやすいという問題がある。これはシリコン中にある一定以上の濃度で酸素が存在しないと、転位を抑制する効果であるピンニング力が不足することに起因する。

これに対して、既存のアニールプロセスの後に酸素を導入する工程を追加して対応することが検討されている。例えば、ウェーハに水素またはアルゴンを含む雰囲気で熱処理後、酸素含有雰囲気で処理することで欠陥を低減する技術（特許文献１）、水素またはアルゴンを含む雰囲気で熱処理後、温度を下げたり炉から出したりせず連続して酸化雰囲気で処理を行い、効果的に欠陥を消滅する技術（特許文献２）、さらには非酸化性雰囲気での熱処理後、引き続きこの熱処理より低い温度で酸化処理することで、欠陥の低減の他に表面状態が悪化したヘイズとよばれる面状態の発生を抑制することや、電気特性レベルを改善することができる技術（特許文献３）等が開示されている。なおこれらはいずれも、熱処理による表層部の欠陥を低減あるいは消滅させる効果という点では共通している。
特開２００１−２４０４９０号公報 特開平１１−２６０６７７号公報 特許第３８００００６号公報

もっとも、特許文献１の技術では、水素またはアルゴンを含む雰囲気で熱処理したウェーハに対して、一度炉出ししてから酸素雰囲気で熱処理するので、熱処理工程が２回になり製造コストが増加する。また、欠陥の低減には効果的であるが、ヘイズの増加やウェーハ中への汚染増加という特性悪化が懸念される。また特許文献２の技術は、アルゴン処理プロセスに引き続いて酸化を行うので、熱処理プロセスは１回で済み従来のアニール処理と比べて製造コストの増加は問題とならないが、１２００℃近辺の温度で酸化するのでヘイズのレベルが著しく悪化するという点で好ましいとはいえない。ここで特許文献３の技術は、特許文献１、２の技術と比較して、非酸化性雰囲気の処理後温度を下げてから酸化を実施することでヘイズレベルを改善している点で優位性があるといえる。

しかし、これら３つの特許文献の技術により製造されたウェーハは、非酸化性雰囲気の処理によって表層部で低下した酸素がその後の酸化で新たに導入された状態になってはいるが、これは他のシリコンウェーハの特性悪化の対策の検討が十分であるとはいえない。特にヘイズレベルや欠陥の発生は温度や時間、酸化の度合いでかわってくるので、すべての特性レベルを満足するためには、従来技術の実施形態にさらに実施の条件を追加する必要があると考えられる。

従って、アニールウェーハの特徴であるウェーハ表層部の欠陥低減効果はそのままに、またヘイズやＯＳＦの発生を抑制し、転位抑制効果を高くする技術が求められている。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的は、アニール処理によりシリコンウェーハ表層の欠陥を低減した状態を維持して、かつその他のシリコンウェーハ特性を低下させることなく、シリコンウェーハの表層酸素濃度を高くして転位発生を抑制した高品位シリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造方法を提供することにある。

本実施の形態のシリコンウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法で製造されたシリコンウェーハに対して不活性雰囲気下で１１５０℃以上１２５０℃以下の温度領域にて１分以上１２０分以下の時間保持する第１の工程と、引き続き前記不活性雰囲気下で５００℃以上７００℃未満の温度領域まで降温する第２の工程と、前記降温完了後に酸素体積比率１％以上１０％以下の酸化性雰囲気に変更して１１００℃以上１２００℃以下の温度まで昇温する第３の工程と、前記昇温完了後、酸素体積比率０．１％以上１．０％以下の酸化性雰囲気に変更して降温する第４の工程からなることを特徴としている。第１から第４の工程は、同一炉内で途中炉出しすることなく行われる。

ここで、前記第４の工程において、前記昇温完了後、一定温度に保持することなく降温することが望ましい。

本発明によれば、アニール処理によりシリコンウェーハ表層の欠陥を低減した状態を維持して、かつその他のシリコンウェーハ特性を低下させることなく、シリコンウェーハの表層酸素濃度を高くして転位発生を抑制した高品位シリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。

本実施の形態のシリコンウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法で製造されたシリコンウェーハに対して不活性雰囲気下で１１５０℃以上１２５０℃以下の温度領域にて１分以上１２０分以下の時間保持する第１の工程と、引き続き前記不活性雰囲気下で５００℃以上８５０℃以下の温度領域まで降温する第２の工程と、前記降温完了後に酸素体積比率１％以上１０％以下の酸化性雰囲気に変更して１１００℃以上１２００℃以下の温度まで昇温する第３の工程と、前記昇温完了後、酸素体積比率０．１％以上１．０％以下の酸化性雰囲気に変更して降温する第４の工程からなることを特徴としている。第１から第４の工程は、同一炉内で途中炉出しすることなく行われる。

図１は、本実施の形態のシリコンウェーハの製造方法の熱処理温度プロファイルの概略を示す図である。

第１の工程は、従来から行われているアニールウェーハの製造プロセスである。この工程ではシリコンウェーハ表層からシリコンウェーハの厚さ方向に対しておよそ５〜１５μｍの領域にかけて、欠陥のほとんどない領域が形成される。同時に、シリコンウェーハ表層の酸素が外方に拡散するので、シリコンウェーハ表層の酸素濃度は、約１．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３まで低下する。なお、ここでいう酸素濃度とは、シリコンウェーハ中のシリコン原子で形成される格子間に存在する酸素の濃度を表し、その濃度はＳＩＭＳ法でシリコンウェーハの表面から厚さ方向に対して測定された値で表される。

第２の工程は、第一の工程に引き続き実施され、不活性雰囲気下のままで５００℃以上８５０℃以下の温度領域まで降温する。８５０℃以下に温度を下げるのは、この後の工程で酸化性雰囲気にするが、高い温度で酸素雰囲気に切り替えるとシリコンウェーハの表面にヘイズが発生しやすいのと、８５０℃以上ではそのヘイズレベルが非常に悪化するので好ましくないためである。一方、温度を下げすぎると、熱処理プロセスの所要時間が長くなり、その結果生産性が落ちて好ましくない。よって５００℃以上８５０℃以下が好ましいが、ヘイズ発生と生産性悪化の２つの条件のバランスを考慮すると、６００℃以上７００℃未満がさらに好ましい。

第３の工程は、第２の工程完了後に酸素体積比率１％以上１０％以下の酸化性雰囲気で１１００℃以上１２００℃以下の温度まで昇温する。ここで、第３の工程は、酸化性雰囲気の酸素体積比率は１％以上１０％以下が好ましく、１％以上５％以下がさらに好ましい。酸化性雰囲気の酸素体積比率が１％未満では、あまりに雰囲気中の酸素が少なすぎて温度を高くしてもほとんど酸化が進行しないので好ましくない。しかし、酸化性雰囲気の酸素体積比率が１０％を越えると、これ以上酸化性雰囲気の酸素体積比率が増加しても、８５０℃以上で酸化するにはそれほどウェーハ中への酸化の導入量に差が生じないが、ヘイズレベルが悪化するのでこちらも好ましくない。

また、第３の工程は１１００℃以上１２００℃以下の温度まで昇温することが好ましく、さらには１１５０℃以上１２００℃以下の温度まで昇温することがより好ましい。１１００℃以下では酸化の速度が遅すぎ、１２００℃以上では、酸化の速度が速すぎるうえスリップがウェーハに発生しやすくなるので、こちらも好ましくない。

また、工程短縮の観点から、第２の工程の降温が完了したら、ただちに、すなわち一定温度に保持することなく第３の工程の昇温を行うことが望ましい。

第４の工程は、第３の工程完了後、前記昇温完了後に酸素体積比率０．１％以上１．０％以下の酸化性雰囲気で降温することを特徴としている。

第３の工程でシリコンウェーハの表面には酸化膜が形成され、その膜厚は実施条件にもよるが、およそ
５ｎｍから６０ｎｍ程度である。この酸化膜は特別付与したままの状態である要求がない限りは、熱処理完了後に除去することが一般的であり、例えば濃度０．１％以上フッ酸溶液に浸漬する方法でその作業が行われる。従って、この酸化膜はできれば薄いほうが、酸化膜除去工程の短縮とその後の面荒れの抑制という点では好ましいといえる。

よって、第３の工程完了後は、なるべく酸化膜の増加を抑制する条件で処理することが望ましい。本発明の第４の工程は、この目的を達成するために、第３の工程が完了したら、ただちに、すなわち一定温度に保持することなく第４の工程の降温を行うことが望ましい。ここで、ただちにとは、３０秒程度の時間内にということを意味する。

これは、第三の工程での到達温度に達した時点で既に必要とする酸素濃度は得られているので、今度はできるだけ酸化膜がこれ以上成長しないようにするためである。すなわち、この到達温度で保持すると、酸化膜の成長がかなりの速度で進行するばかりでなく、ＯＳＦが発生しやすくなるので好ましくないからである。

また、酸素体積比率は低いほうが余分な酸化膜の形成が少ないという点で好ましいが、実際の熱処理炉では、直前の工程で少なくとも１％以上の酸素体積比率がある状態からただちに０．１％以下に切り替えることは実用上困難である。この点を考慮すると、酸素体積比率は０．１％以上あるほうが好ましいが、１％を超えると今度は、処理温度が高い領域での酸化膜成長分が無視できず、できるだけ余分な酸化膜の増加を抑えるという目的からすると好ましくない。

以下、具体的な実施例に基づいてより詳しく説明する。熱処理炉としてφ３００ｍｍ用縦型炉を用い、積載されるシリコンウェーハの間隔が１０ｍｍで一括処理できる総ウェーハ枚数が１００枚の炭化珪素製のシリコンウェーハ用ボートを使用して、１００枚の熱処理用シリコンウェーハを積載し、かつ評価用シリコンウェーハをボート積載位置が上段部、中段部、下段部の３箇所から抜取りする。評価するシリコンウェーハの酸素濃度は１．２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のものを使用した。なお、ここでいうシリコンウェーハの酸素濃度とは、シリコンウェーハ中の固溶酸素の濃度のことを指し、その値はＦＴ−ＩＲ測定法により計測された酸素濃度値をもとに、Ｏｌｄ ＡＳＴＭによる換算係数から求めたものである。

アルゴンガス雰囲気で６００℃に保持された炉内に、シリコンウェーハ１００枚を積載したボートを挿入して９００℃までを５℃／ｍｉｎ，９００℃から１１００℃までを２℃／ｍｉｎ，そして１１００℃から１２００℃までを１℃／ｍｉｎの速度で昇温し、その後１２００℃にて１時間保持する第１の工程を行う。そののち、１２００℃から１１００℃までを１℃／ｍｉｎの速度で降温し、１１００℃から、第３の工程の開始温度（５００℃〜８５０℃）の間までを３℃／ｍｉｎの速度で降温する第２の工程を行う。

そして、その後の第３の工程と第４の工程の熱処理は表１に示した内容で実験サンプルを作製する。ここで、１１００℃で昇温または降温速度を変更するのは、温度の高い１１００℃以上では、シリコンウェーハに急激な温度変化を与えるとスリップが発生するので、これを抑制するためである。また、比較例７以外については第３の工程完了後、ただちに第４の工程を行った。

また、比較として、使用する炉体やシリコンウェーハの特性、そしてアルゴンガス雰囲気で熱処理した後炉出しせず引き続き温度を下げるところまでは実施例と同様の条件で行い、その後の工程は表１に示す内容で処理した実験サンプル、さらに参考としてアルゴンアニール処理のみ行い、本発明のような第３，第４の工程を実施しないで第２の工程を実施したまま炉出しする実験サンプルも、比較例として加えている。

図２は、比較例の熱処理温度プロファイルの概略を示す図である。図２（ａ）は比較例１０、図２（ｂ）は比較例１１、図２（ｃ）は比較例１２の熱処理温度プロファイルを示す。

なお、すべての実施例と比較例は、炉出しは６００℃まで降温して炉内をアルゴンガス雰囲気に置換して行い、炉出ししたシリコンウェーハは、表面に生成した酸化膜を０．１％のＨＦ溶液にて剥離している。

評価項目は、酸素濃度の指標として、表層酸素濃度デプスプロファイル、面状態の指標としてヘイズレベル、熱処理で発生する内部欠陥の指標としてＯＳＦ密度、シリコンウェーハの機械的強度の指標としてスリップ長、そして酸化膜厚とする。

表層酸素濃度デプスプロファイルは、ＳＩＭＳによりウェーハ表面から深さ３０μｍまでの酸素濃度を測定し、深さ１．５μｍにおける酸素濃度で比較する。酸素濃度の判定指標は深さ１．５μｍにおいて酸素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満を×、酸素濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上を○とする。

ヘイズレベルは、ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社製光学式ウェーハ表面検査装置によりシリコンウェーハ全面のヘイズ値を測定し比較する。判定指標は、１２００℃で１時間保持したアルゴンアニールシリコンウェーハのヘイズ値に対し、１０％未満の悪化は△、それ以上の悪化は×、そしてヘイズ値がアルゴンアニールシリコンウェーハと同等であれば○とする。

ＯＳＦ密度は、シリコンウェーハをＳａｔｏ液による選択エッチングした後、その表面を蛍光灯下で目視観察して、ＯＳＦが少しでも観察されたものは×、観察されないものを○という判定指標で比較する。

スリップ長は、リガク社製Ｘ線トポグラフ（Ｌａｎｇ法（４００）回折）によりウェーハ面内全体を測定し、観察されたスリップのうち最大のスリップ長のものを比較する。判定指標は、１２００℃×１ｈｒのアルゴンアニールシリコンウェーハのスリップ長と比較し、大きければ×、同等以下であれば○とする。

酸化膜厚は、ルドルフリサーチ社製のエリプソメータでシリコンウェーハの中央１点と外周１０ｍｍ２点の計３点の平均値で比較する。この値が５ｎｍ以上６０ｎｍ以下を○、６０ｎｍより大きい場合を×とする。

表２に実験条件と評価結果を示す。本発明の実施形態は、転移抑制効果を有するに必要な酸素濃度を確保できている状態で、比較例では改善できないヘイズレベル悪化やＯＳＦ発生に対しても、明らかに改善効果がみられ、本発明の効果が良く現れているといえる。これに対して、比較例のシリコンウェーハはいずれも、評価項目の一部が判定指標を満たさない。なお、表１の実施例の条件では、すべてのシリコンウェーハで、表層からシリコンウェーハ厚さ方向１０μｍにおけるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は消滅している。

本発明における、熱処理温度プロファイルの概略を示す図である。 従来技術の実施形態における、熱処理温度プロファイルの概略を示す図である。

Claims (2)

1. チョクラルスキー法で製造されたシリコンウェーハに対して不活性雰囲気下で１１５０℃以上１２５０℃以下の温度領域にて１分以上１２０分以下の時間保持する第１の工程と、
   引き続き不活性雰囲気下で５００℃以上７００℃未満の温度領域まで降温する第２の工程と、
   前記降温完了後に酸素体積比率１％以上１０％以下の酸化性雰囲気に変更して１１００℃以上１２００℃以下の温度まで昇温する第３の工程と、
   前記昇温完了後、酸素体積比率０．１％以上１．０％以下の酸化性雰囲気に変更して降温する第４の工程からなることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
2. 前記第４の工程において、前記昇温完了後、一定温度に保持することなく降温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製造方法。
   

Images