JP5583053B2 - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents
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そこで、ウェーハの表層部における酸素析出核を構成する酸素を熱処理によって外方拡散させた後に、再度、酸化性雰囲気から酸素を内方拡散させる、すなわち、表層部に導入されている酸素を入れ替えることで、ウェーハの表層部における酸素濃度を高濃度に保ちつつライフタイムを向上させることができる点を見出し、本発明を完成するに至った。
本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法は、チョクラルスキー法によりv/G値(v:引上速度、G:単結晶内の引上軸方向の温度勾配)を制御して育成されたシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域から切り出された酸素濃度が1.2×1018個/cm3以上1.8×1018個/cm3以下であるシリコンウェーハに対して、RTPを行う。
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、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上げてネック部を形成した後、所望の直径まで拡径してv/G値(v:引上速度、G:単結晶内の引上軸方向の温度勾配)を無欠陥領域となるように所定値(例えば、0.20〜0.22mm2/℃・min)に制御しながら直胴部を形成し、最後に、シリコン融液から直胴部を切り離すことで育成することができる。この際、前記育成するシリコン単結晶中の酸素濃度の調整は、石英ルツボの回転数や炉内圧力、ヒータ温度などを調整することによって行うことができる。
具体的には、シリコン単結晶の無欠陥領域を内周刃又はワイヤソーによりウェーハ状に切り出した後、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等を行い、少なくともデバイス形成面が鏡面研磨されたウェーハを製造する。
図1は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるRTP装置の一例を示す断面概念図である。
従って、内方拡散させて形成した酸素析出核はライフタイムの測定に影響を及ぼさないものとなっていると考えられるため、ライフタイムを向上させることができると考えられる。また、表層部の酸素濃度を高くすることができるため、半導体デバイス形成時における熱処理においてスリップの発生を抑制することができると考えられる。
このように、窒素ガスを含まない雰囲気中でRTPを行うことで、ウェーハの表裏面に窒化膜が形成されるのを防止することができるため、生産性が低下するのを防止することができる。
また、前記第1の熱処理を酸化性雰囲気で行う場合には、雰囲気中に酸素が含まれているため、前記表層部から酸素を効率よく外方拡散させることが難しい。また、前記第2の熱処理を非酸化性雰囲気で行う場合には、雰囲気中に酸素が含まれていないため、前記表層部に酸素を内方拡散させることが難しい。
このようなガスを用いることで、窒化膜の形成が生じることがなく、RTPを行うことができる。
前記温度が1300℃未満である場合には、前記表層部から酸素を効率よく外方拡散させることが難しい。また、前記温度が1380℃を超える場合には、高温となるため、本熱処理中にウェーハにスリップが発生する可能性が高くなり、また、RTP装置の寿命が低下する場合があるため好ましくない。
前記第1の最高到達温度を保持する保持時間が1秒未満である場合には、熱処理する時間が短時間であるため、前記表層部から酸素を外方拡散させることが難しい。前記保持時間が15秒を超える場合には、前記表層部から必要以上の酸素を外方拡散させてしまうため、前記表層部の酸素濃度が大きく低下する場合があり、更に、生産性が低下するため好ましくない。
前記温度が1300℃未満である場合には、前記表層部に酸素を効率よく内方拡散させることが難しい。また、前記温度が1380℃を超える場合には、高温となるため、本熱処理中にウェーハにスリップが発生する可能性が高くなり、また、RTP装置の寿命が低下する場合があるため好ましくない。
前記第2の最高到達温度を保持する保持時間が1秒未満である場合には、熱処理する時間が短時間であるため、前記表層部に酸素を内方拡散させることが難しい。前記保持時間が15秒を超える場合には、ウェーハ表面に厚い酸化膜が形成されてしまうためデバイス形成面における面粗れが発生する場合があり、更に、生産性が低下するため好ましくない。
前記RTPにおいては、図2に示すように、例えば温度T0(好ましくは500℃以上700℃以下)で保持された図1に示すようなRTP装置10の反応室20内に少なくともデバイス形成面W1が鏡面研磨されたウェーハWを設置し、雰囲気ガスFAとして非酸化性ガス(好ましくはアルゴンガス)を供給する。
次に、温度T0(℃)から第1の最高到達温度である1300℃以上1380℃以下(図2中、温度T1(℃))まで、昇温速度ΔTu(℃/秒)で急速昇温し、温度T1(℃)で1秒以上15秒以下(図2中、t1(秒))保持する(第1の熱処理)。その後、雰囲気ガスFAを非酸化性ガスから酸化性ガス(好ましくは酸素ガス又は酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス)に切り替えて反応室20内に供給し、第2の最高到達温度である1300℃以上1380℃以下(図2中では第1の最高到達温度と同じ温度T1(℃))で1秒以上15秒以下(図2中、t2(秒))保持する(第2の熱処理)。その後、温度T1(℃)からウエハWの炉出し温度(例えば、温度T0(℃))まで降温速度ΔTd(℃/秒)で急速降温する。
前記RTPにおいては、図3に示すように、例えば温度T0(好ましくは500℃以上700℃以下)で保持された図1に示すようなRTP装置10の反応室20内に少なくともデバイス形成面W1が鏡面研磨されたウェーハWを設置し、雰囲気ガスFAとして非酸化性ガス(好ましくはアルゴンガス)を供給する。次に、温度T0(℃)から第1の最高到達温度である1300℃以上1380℃以下(図3中、温度T1(℃))まで、第1の昇温速度ΔTu1(℃/秒)で急速昇温し、温度T1(℃)で1秒以上15秒以下(図3中、t1(秒))保持した後、第1の降温速度ΔTd1(℃/秒)で、中間温度(図3中、温度TM(℃))まで急速降温し、前記中間温度TM(℃)を一定時間tM1保持する(第1の熱処理)。その後、前記中間温度TM(℃)で前記雰囲気ガスFAを非酸化性ガスから酸化性ガス(好ましくは酸素ガス又は酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス)に切り替えて反応室20内に供給し、更に、中間温度TM(℃)を一定時間tM2保持した後、中間温度TM(℃)から第2の最高到達温度である1300℃以上1380℃以下(図3中では第1の最高到達温度と同じ温度T1(℃))まで、第2の昇温速度ΔTu2(℃/秒)で急速昇温し、温度T1(℃)で1秒以上15秒以下(図3中、t2(秒))保持する(第2の熱処理)。その後、温度T1(℃)からウェーハWの炉出し温度(例えば、温度T0(℃))まで第2の降温速度ΔTd2(℃/秒)で急速降温する。
すなわち、前記RTPにおいては、図3に示すような熱処理シーケンスを用いることが好ましく、前記中間温度TM(℃)は、600℃以上800℃以下であることが好ましい。
このような切替温度とすることで、デバイス形成面における表面粗さが良好なウェーハを得ることができる。
なお、前記中間温度TMにおける保持時間(tM1、tM2)は、生産性の観点から各々1秒以上15秒以下であることが好ましい。
前記RTPにおける昇温速度及び降温速度をこのような範囲とすることで、生産性が高く、かつ、スリップの発生を抑制しつつRTPを行うことができる。
(試験1)
CZ法によりv/G(v:引上速度、G:単結晶内の引上軸方向の温度勾配)及び酸素濃度を制御して、酸素濃度を1.2×1018atoms/cm3とした無欠陥領域を有するシリコン単結晶を育成し、その後、当該無欠陥領域から切り出して得られた両面が鏡面研磨されたウェーハ(直径300mm、厚さ775μm)に対して、図1に示すようなRTP装置10を用いて、RTPを行った。
この際、図2に示す熱処理シーケンスを用いて行い、第1の熱処理における雰囲気ガスをアルゴンガスとし、第2の熱処理における雰囲気ガスを酸素ガスとして、前記最高到達温度を変化させて、各々RTPを行った。その他の条件は下記の通りである。
・昇温速度ΔTu:10℃/秒
・第1の最高到達温度の保持時間t1:10秒
・第2の最高到達温度の保持時間t2:10秒
・降温速度ΔTd:10℃/秒
更に、得られたRTP後のウェーハのデバイス形成面に対して、ナノインデンター(登録商標)を用いて、表面に小さいクラックを生じさせた後、同一のRTP装置10でアルゴン雰囲気下、最高到達温度1350℃、その保持時間を15秒間として、再度、RTPを行った。このRTPを、デバイス形成プロセスにおける熱処理と想定した。
その後、デバイス想定熱処理を行ったウェーハの前記デバイス形成面におけるクラックの伸張の有無をX線トポグラフィ(株式会社リガク製 XRT300)にて評価した。
表1に、試験1における試験条件及び評価結果を示す。
試験1において、CZ法によるシリコン単結晶の育成時の酸素濃度を1.8×1018atoms/cm3として、その他は、試験1と同様な条件にて、RTPを行った。
また、参考例として、前記RTPを行わないウェーハを、試験1と同様な方法で、酸素濃度、ライフタイム及びクラックの伸張の有無を評価した。
表2に、試験2における試験条件及び評価結果を示す。
以上の試験1及び2の結果から、前記RTPにおいては、第1の最高到達温度(℃)を1300℃以上1380℃以下とし、第2の最高到達温度(℃)を1300℃以上1380℃以下とすることで、ライフタイムが大きく向上し、かつ、クラックの伸張も抑制されたウェーハを得ることができると認められる。
CZ法によりv/G(v:引上速度、G:単結晶内の引上軸方向の温度勾配)及び酸素濃度を制御して、酸素濃度を1.2×1018atoms/cm3とした無欠陥領域を有するシリコン単結晶を育成し、その後、当該無欠陥領域から切り出して得られた両面が鏡面研磨されたウェーハ(直径300mm、厚さ775mm)に対して、図1に示すようなRTP装置10を用いて、RTPを行った。
・第1の昇温速度ΔTu1:10℃/秒
・第1の最高到達温度の保持時間t1:10秒
・第1の降温速度ΔTd1:10℃/秒
・中間温度TM:800℃
・中間温度TMの保持時間tM1:5秒
・中間温度TMの保持時間tM2:5秒
・第2の昇温速度ΔTu2:10℃/秒
・第2の最高到達温度の保持時間t2:10秒
・第2の降温速度ΔTd2:10℃/秒
表3に、試験3における試験条件及び評価結果を示す。
試験3において、CZ法によるシリコン単結晶の育成時の酸素濃度を1.8×1018atoms/cm3として、その他は、試験1と同様な条件にて、RTPを行った。
得られたRTP後のウェーハに対して、試験1と同様な方法で、酸素濃度、ライフタイム及びクラックの伸張の有無を評価した。
また、参考例として、前記RTPを行わないウェーハを、試験1と同様な方法で、酸素濃度、ライフタイム及びクラックの伸張の有無を評価した。
表4に、試験4における試験条件及び評価結果を示す。
以上の結果から、図3に示す熱処理シーケンスにおいても、第1の最高到達温度(℃)を1300℃以上1380℃以下とし、第2の最高到達温度(℃)を1300℃以上1380℃以下とすることで、ライフタイムが大きく向上し、かつ、クラックの伸張も抑制されたウェーハを得ることができると認められる。
試験3において第1及び第2の最高到達温度を1300℃として、中間温度TMを変化させて、その他は試験3と同様な条件にてRTPを行った。
得られたRTP後のウェーハに対して、試験1と同様な方法で、酸素濃度、ライフタイム及びクラックの伸張の有無を評価した。
更に、RTP後のウェーハにおけるデバイス形成面の表面粗さ(RMS)をAFM(原子間力顕微鏡:Atomic Force Microscopy)を用い、測定範囲3μm 2 で評価した。
表5に、試験5における試験条件及び評価結果を示す。
20 反応室
30 ウェーハ保持部
40 加熱部
Claims (2)
- チョクラルスキー法によりv/G値(v:引上速度、G:単結晶内の引上軸方向の温度勾配)を制御して育成されたシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域から切り出された酸素濃度が1.2×1018個/cm3以上1.8×1018個/cm3以下であるシリコンウェーハに対して、窒素ガスを含まない非酸化性雰囲気中、1300℃以上1380℃以下の第1の最高到達温度の範囲内で1秒以上15秒以下保持した後、更に、窒素ガスを含まない酸化性雰囲気中、1300℃以上1380℃以下の第2の最高到達温度の範囲内で1秒以上15秒以下保持する急速昇降温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。
- 前記非酸化性雰囲気から酸化性雰囲気へ切り替える際の切替温度は、600℃以上800℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
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