JP5641537B2 - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハともいう）に対して熱処理を行うシリコンウェーハの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は、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍（以下、表層部という）において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）やＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔｓ）等のボイド欠陥を低減させて無欠陥とする努力が求められている。
近年、このようなシリコンウェーハを高生産性で製造する方法として、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（以下、前記鏡面研磨された表面を研磨面ともいう）に、急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：以下、単にＲＴＰともいう）を行う技術が知られている。
このような技術として、特許文献１には、主としてアルゴンまたはヘリウムである酸素含有ガス雰囲気（本願発明でいう不活性ガス雰囲気）中で約１１７５℃を超える温度において、約５０００ｐｐｍａ未満の酸素分圧下、６０秒未満の時間、ウェーハを加熱する熱処理方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、アルゴンまたはヘリウム等の不活性ガス雰囲気でＲＴＰを行うため、ウェーハの表層部のボイド欠陥を大きく低減することが可能であるが、このような不活性ガス雰囲気で熱処理を行う場合には、ウェーハの表層部から酸素が外方拡散されるため、当該表層部の酸素濃度が低下し、後の半導体デバイス形成工程における熱処理プロセスにおいて酸素のピンニング力が低下し、スリップ転位が発生しやすいという問題がある。これは、半導体デバイス形成工程における熱処理プロセスが高温であればあるほど高い頻度で発生する問題である。
このような問題に対し、特許文献２には、酸化性ガス雰囲気で熱処理を行うことで半導体ウェーハの表層部に酸素を内方拡散させて酸素を導入し、これを冷却して固化させることで、表層部が高酸素濃度領域部となる表層高強度化方法が開示されている。
しかしながら、雰囲気として酸化性ガスを用いてＲＴＰを行う場合には、ウェーハの表層部に酸素が内方拡散し、表層部の酸素濃度が高くなる。そのため、表層部に存在するボイド欠陥の内壁酸化膜が溶解されにくくなるため、表層部においてボイド欠陥を消滅させることが難しくなる問題がある。
更に、高温下（例えば、１０００℃以上）で、酸化性ガスを供給して熱処理を行う場合には、酸化性ガス中の酸素によってウェーハの研磨面がエッチングされるため、ウェーハの研磨面の表面粗さが悪化するという問題もある。
更に、高温下（例えば、１０００℃以上）で、酸化性ガスを供給して熱処理を行う場合には、酸化性ガス中の酸素によってウェーハの研磨面がエッチングされるため、ウェーハの研磨面の表面粗さが悪化するという問題もある。
このような問題に対し、特許文献３には、希ガス雰囲気中、第１の昇温速度で１３００℃以上シリコンの融点以下の第１の温度まで急速昇温し、前記第１の温度を保持した後、第１の降温速度で４００℃以上８００℃以下の第２の温度まで急速降温し、続いて、前記希ガス雰囲気から酸素ガスを２０ｖｏｌ．％以上１００ｖｏｌ．％以下含有する酸素含有雰囲気に切り替えた後、第２の昇温速度で前記第２の温度から１２５０℃以上シリコンの融点以下の第３の温度まで急速昇温し、前記第３の温度で保持した後、第２の降温速度で前記第３の温度から急速降温する熱処理方法が開示されている。
また、特許文献４には、ウェーハ表面上の自然酸化膜をフッ酸処理により除去した後、ＲＴＰ装置を用いて、水素１００％あるいは水素を１０％以上含有するアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理することで、ウェーハ表面のマイクロラフネスを小さくし、ウェーハ表面に存在するボイド欠陥をも除去できる熱処理方法が開示されている。
しかしながら特許文献３に記載の方法は、前記研磨面の表面粗さの悪化を抑制するために、希ガス雰囲気から酸素含有雰囲気に切り替える際、４００℃以上８００℃以下まで急速降温し、雰囲気を切り替えた後、更に１２５０℃以上シリコンの融点以下まで急速昇温しなければならず、生産性が低下すると共に、一回のＲＴＰにおいて急速昇降温を実質２回行うことになるため、当該ＲＴＰにおいて、スリップが発生しやすいという問題もある。
また、特許文献４に記載の方法は、フッ酸処理によってウェーハ表面のシリコン原子に水素が終端されるため、前記表面に自然酸化膜が形成されにくい状態となる。従って、前記ＲＴＰを行ってもウェーハ表面における表面粗さの悪化を抑制することができる。
しかしながら、ウェーハの表層部に存在するボイド欠陥をＲＴＰで消滅させるためには、前記不活性ガス雰囲気にて、最低でも１０００℃以上の高温熱処理が必要であり、このような高温下では、シリコン原子に終端された水素原子の結合が切れやすくなり、ウェーハ表面にシリコン原子が露出しやすくなる。このように露出したシリコン原子は不安定であり、他の原子と結合しやすい状態となっている。
しかしながら、ウェーハの表層部に存在するボイド欠陥をＲＴＰで消滅させるためには、前記不活性ガス雰囲気にて、最低でも１０００℃以上の高温熱処理が必要であり、このような高温下では、シリコン原子に終端された水素原子の結合が切れやすくなり、ウェーハ表面にシリコン原子が露出しやすくなる。このように露出したシリコン原子は不安定であり、他の原子と結合しやすい状態となっている。
そのため、例えば、前記雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在すると、これが露出したシリコン原子と反応して結合し、更には、その結合が前記雰囲気によってエッチングされるという現象が繰り返し発生するため、ウェーハの表面形状が変化し、表面粗さが悪化するという問題がある。
以上の問題は、ＲＴＰにおける熱処理温度が高くなるほどより顕著となるものであるが、その一方で熱処理温度が高くなるほど、ウェーハの表層部のボイド欠陥の消滅力が高くなるという利点を有している。
以上の問題は、ＲＴＰにおける熱処理温度が高くなるほどより顕著となるものであるが、その一方で熱処理温度が高くなるほど、ウェーハの表層部のボイド欠陥の消滅力が高くなるという利点を有している。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ウェーハの表層部のボイド欠陥を大きく低減することができ、表層部の酸素濃度を向上させることができ、研磨面の表面粗さの悪化も抑制でき、かつ、ＲＴＰにおける生産性を向上させ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。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液又は過酸化水素系溶液により、前記表面のシリコン原子を水素で終端させる工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の第１の温度範囲まで急速昇温し、前記表面のシリコン原子をフッ素で終端させる工程と、前記フッ素で終端させる工程に連続して、前記第１の温度範囲で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス（窒素ガスを除く、希ガスをいう。以下、同様。）雰囲気に切り替えて、１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲まで急速昇温し保持した後、前記第２の温度範囲で前記不活性ガス雰囲気を酸化性ガス雰囲気に切り替えて更に保持し、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、ウェーハの表層部のボイド欠陥を大きく低減することができ、表層部の酸素濃度を向上させることができ、研磨面の表面粗さの悪化も抑制でき、かつ、ＲＴＰにおける生産性を向上させることができるシリコンウェーハの熱処理方法が提供される。
以下、本発明の実施形態について図面等を参照して詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハの前記表面のシリコン原子を水素で終端させる工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハの前記表面のシリコン原子をフッ素で終端させる工程と、前記水素及びフッ素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、前記温度範囲で前記不活性ガス雰囲気を酸化性ガス雰囲気に切り替えて更に保持し、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備える。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハの前記表面のシリコン原子を水素で終端させる工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハの前記表面のシリコン原子をフッ素で終端させる工程と、前記水素及びフッ素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、前記温度範囲で前記不活性ガス雰囲気を酸化性ガス雰囲気に切り替えて更に保持し、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備える。
このように、シリコンウェーハの少なくとも半導体デバイスが形成される研磨面のシリコン原子を水素及びフッ素で終端させることで、水素のみが終端されている場合よりもシリコン原子との結合力を高めることができる。従って、ウェーハの表層部のボイド欠陥の消滅力が高い１３００℃以上１４００℃以下の高温下であっても前記結合が切れにくく安定した状態となる。
そのため、雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在しても、シリコン原子と当該反応性ガスとの結合を抑制することができるため、ウェーハの研磨面の表面粗さの悪化を抑制することができる。
そのため、雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在しても、シリコン原子と当該反応性ガスとの結合を抑制することができるため、ウェーハの研磨面の表面粗さの悪化を抑制することができる。
更には、不活性ガス雰囲気から酸化性ガス雰囲気に切り替える際に、特許文献３に示すように、温度を４００℃以上８００℃以下まで急速降温させずに切り替えを行った場合でも研磨面の表面粗さの悪化を抑制することができる。従って、酸化性ガス雰囲気に切り替える際、前記温度まで急速降温させる必要がなく、１３００℃以上１４００℃以下の高温下で切り替えることで足りるため、ＲＴＰにおける生産性を向上させることができる。
加えて、酸化性ガス雰囲気によりＲＴＰを行うため、表層部の酸素濃度も向上させることができる。
加えて、酸化性ガス雰囲気によりＲＴＰを行うため、表層部の酸素濃度も向上させることができる。
前記ＲＴＰは、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に保持することが好ましい。
前記温度範囲が１３００℃未満である場合には、ボイド欠陥の消滅力が低下するという問題がある。前記温度範囲が１４００℃を超える場合には、当該温度範囲がシリコンの融点に近くなるため、シリコンウェーハが軟化又は融解する可能性があり好ましくない。
前記温度範囲は、前記ＲＴＰを行うために使用するＲＴＰ装置（後述）としての装置寿命の観点から１３００℃以上１３８０℃以下であることがより好ましい。
前記温度範囲が１３００℃未満である場合には、ボイド欠陥の消滅力が低下するという問題がある。前記温度範囲が１４００℃を超える場合には、当該温度範囲がシリコンの融点に近くなるため、シリコンウェーハが軟化又は融解する可能性があり好ましくない。
前記温度範囲は、前記ＲＴＰを行うために使用するＲＴＰ装置（後述）としての装置寿命の観点から１３００℃以上１３８０℃以下であることがより好ましい。
前記不活性ガスは、ヘリウムガス（Ｈｅ）、アルゴンガス（Ａｒ）、キセノンガス（Ｘｅ）等の希ガスが好適に用いられる。好ましくは、前記不活性ガスは、アルゴンガス（Ａｒ）である。
前記酸化性ガスは、酸素ガス（Ｏ２）又は酸素ガス（Ｏ２）と不活性ガス（好ましくはアルゴンガス（Ａｒ））との混合ガスが好適に用いられる。
前記酸化性ガスは、酸素ガス（Ｏ２）又は酸素ガス（Ｏ２）と不活性ガス（好ましくはアルゴンガス（Ａｒ））との混合ガスが好適に用いられる。
前記少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハは、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により育成したシリコン単結晶インゴットから切り出して製造される。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法で行う。
具体的には、シリコン単結晶インゴットは、石英ルツボに充填したシリコン原料を加熱してシリコン融液とし、該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、種結晶にネック部、クラウン部及び直胴部を結晶成長させて、その後、シリコン融液から切り離すことで育成することができる。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法で行う。
具体的には、シリコン単結晶インゴットは、石英ルツボに充填したシリコン原料を加熱してシリコン融液とし、該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、種結晶にネック部、クラウン部及び直胴部を結晶成長させて、その後、シリコン融液から切り離すことで育成することができる。
次に、周知の方法により、前記育成したシリコン単結晶インゴットを切り出して、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨された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の直胴部を内周刃又はワイヤソーによりウェーハ状に切り出し、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。
具体的には、シリコン単結晶インゴットの直胴部を内周刃又はワイヤソーによりウェーハ状に切り出し、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。
前記水素で終端させる工程は、前記シリコンウェーハをフッ化水素系溶液又は過酸化水素系溶液により洗浄する工程であり、前記フッ素で終端させる工程は、前記シリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程であることが好ましい。
このような構成とすることで、効率よく、シリコンウェーハの表面のシリコン原子に水素及びフッ素を終端させることができる。
このような構成とすることで、効率よく、シリコンウェーハの表面のシリコン原子に水素及びフッ素を終端させることができる。
前記フッ素で終端させる工程の温度範囲が９００℃未満である場合には、シリコン原子にフッ素を終端させることが難しい場合がある。前記工程の温度範囲が１２５０℃を超える場合には、フッ素系ガスによりウェーハの研磨面がエッチングされてしまい、表面粗さが悪化する場合がある。
前記フッ化水素系溶液は、主に、フッ酸溶液（ＨＦ）、バッファードＨＦ溶液（ＮＨ４Ｆ＋ＨＦ）が含まれる。前記過酸化水素系溶液は、主に、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）、硫化水素（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）との混合溶液が含まれる。また、前記フッ素系ガスは、主に、四フッ化メタン（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化窒素（ＮＦ３）が含まれる。
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。
図１に示すＲＴＰ装置１０は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応室２０と、反応室２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。ウェーハＷがウェーハ保持部３０に保持された状態では、反応室２０の内壁とウェーハＷの表面（デバイス形成面）Ｗ１側とで囲まれた空間である第１空間２０ａと、反応室２０の内壁と表面Ｗ１側に対向するウェーハＷの裏面Ｗ２側とで囲まれた空間である第２空間２０ｂとが形成される。
図１に示すＲＴＰ装置１０は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応室２０と、反応室２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。ウェーハＷがウェーハ保持部３０に保持された状態では、反応室２０の内壁とウェーハＷの表面（デバイス形成面）Ｗ１側とで囲まれた空間である第１空間２０ａと、反応室２０の内壁と表面Ｗ１側に対向するウェーハＷの裏面Ｗ２側とで囲まれた空間である第２空間２０ｂとが形成される。
反応室２０は、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に雰囲気ガスＦＡ（実線矢印）を供給する供給口２２と、前記供給した雰囲気ガスＦＡを第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂから排出する排出口２６と、を備える。反応室２０は、例えば、石英で構成されている。
ウェーハ保持部３０は、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をリング状に保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を保持すると共に、ウェーハＷの中心を軸としてサセプタ３２を回転させる回転体３４とを備える。サセプタ３２及び回転体３４は、例えば、ＳｉＣで構成されている。
加熱部４０は、ウェーハ保持部３０に保持されたウェーハＷの表面Ｗ１の上方及び裏面Ｗ２の下方の反応室２０外に配置され、ウェーハＷを両面から加熱する。加熱部４０は、例えば、複数のハロゲンランプ５０で構成されている。
図１に示すＲＴＰ装置１０を用いて、ＲＴＰを行う場合は、反応室２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応室２０内に導入して、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をウェーハ保持部３０のサセプタ３２上にリング状に保持し、雰囲気ガスＦＡを供給すると共に、ウェーハＷを回転させながら、加熱部４０によってウェーハＷを加熱することで行う。
図２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における熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
前記ＲＴＰに用いられる熱処理シーケンスは、図２に示すように、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素及びフッ素で終端させたウェーハＷを設置し、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に不活性ガスを供給する。
前記ＲＴＰに用いられる熱処理シーケンスは、図２に示すように、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素及びフッ素で終端させたウェーハＷを設置し、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に不活性ガスを供給する。
次に、温度Ｔ０（℃）から１３００℃以上１４００℃以下（温度Ｔ１（℃））の温度範囲まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温し、所定時間ｔ１（秒）保持した後、温度Ｔ１（℃）の範囲内で、前記不活性ガスを酸化性ガスに切り替えて、酸化性ガスを前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に供給し、更に所定時間ｔ２（秒）保持した後、例えば、温度Ｔ０（℃）まで、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速降温する。
なお、温度Ｔ０、Ｔ１は、図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内にウェーハＷを設置した場合において、ウェーハ保持部３０の下方に設置された図示しない放射温度計によって測定されたウェーハＷの表面温度（放射温度計がウェーハＷの径方向に複数配置されている場合はその平均温度）である。
なお、温度Ｔ０、Ｔ１は、図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内にウェーハＷを設置した場合において、ウェーハ保持部３０の下方に設置された図示しない放射温度計によって測定されたウェーハＷの表面温度（放射温度計がウェーハＷの径方向に複数配置されている場合はその平均温度）である。
前記フッ素で終端させる工程は、前記ＲＴＰを行う前にＲＴＰ装置以外の装置（例えば、縦型ボートを用いて熱処理を行う縦型熱処理装置）で、図２に示すような熱処理シーケンス（雰囲気はフッ素系ガス、温度Ｔ１（℃）は、９００℃以上１２５０℃以下の温度範囲）で別々に行ってもよい。また、前記ＲＴＰを行う装置とは別の又は同一のＲＴＰ装置で、図２に示すような熱処理シーケンス（雰囲気はフッ素系ガス、温度Ｔ１（℃）は、９００℃以上１２５０℃以下の温度範囲）によって行ってもよい。
より好ましくは、前記フッ素で終端させる工程は、同一のＲＴＰ装置で、かつ、前記ＲＴＰと同時に（図２に示すような熱処理シーケンス中にフッ素で終端させる工程を導入して）行うことが好ましい。
この好ましい態様について、次に、説明する。
この好ましい態様について、次に、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ける好ましい態様は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液又は過酸化水素系溶液により、前記表面のシリコン原子を水素で終端させる工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の第１の温度範囲まで急速昇温し、前記表面のシリコン原子をフッ素で終端させる工程と、前記フッ素で終端させる工程に連続して、前記第１の温度範囲で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えて、１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲まで急速昇温し保持した後、前記第２の温度範囲で前記不活性ガス雰囲気を酸化性ガス雰囲気に切り替えて更に保持し、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。
すなわち、前記ＲＴＰを行う際、その急速昇温時に、フッ素系ガス雰囲気にて熱処理を行ってシリコン原子をフッ素で終端させた後、連続して、フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に、更には酸化性ガス雰囲気に切り替えて行う。その他の工程は前述した方法と同様であるため説明を省略する。
このような方法とすることで、前記フッ素を終端させるための熱処理工程を一つ削減することができるため、生産性の向上及びコストダウンを図ることができる。
このような方法とすることで、前記フッ素を終端させるための熱処理工程を一つ削減することができるため、生産性の向上及びコストダウンを図ることができる。
図３は、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法における好ましい態様を説明するためのＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
図３に示す熱処理シーケンスは、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素で終端させたウェーハＷを設置し、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内にフッ素系ガスを供給する。
次に、温度Ｔ０（℃）から９００℃以上１２５０℃以下（温度ＴＭ（℃））の第１の温度範囲まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温することで、フッ素を終端させる（フッ素終端工程）。その後、連続して、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えて、前記第１空間２０ａ及び前記第２空間２０ｂ内に供給する。
次に、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））から１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温し、所定時間ｔ１（秒）保持した後、第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））で、前記不活性ガスを酸化性ガスに切り替えて、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に供給し、更に、所定時間ｔ２（秒）保持した後、例えば、温度Ｔ０（℃）まで、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速降温する。
図３に示す熱処理シーケンスは、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素で終端させたウェーハＷを設置し、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内にフッ素系ガスを供給する。
次に、温度Ｔ０（℃）から９００℃以上１２５０℃以下（温度ＴＭ（℃））の第１の温度範囲まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温することで、フッ素を終端させる（フッ素終端工程）。その後、連続して、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えて、前記第１空間２０ａ及び前記第２空間２０ｂ内に供給する。
次に、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））から１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温し、所定時間ｔ１（秒）保持した後、第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））で、前記不活性ガスを酸化性ガスに切り替えて、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に供給し、更に、所定時間ｔ２（秒）保持した後、例えば、温度Ｔ０（℃）まで、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速降温する。
図４は、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法におけるより好ましい態様を説明するためのＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
図４に示すように、フッ素系ガス雰囲気から不活性ガス雰囲気への切替えは、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で一定に保持した状態で行うことが好ましい。
すなわち、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素で終端させたシリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））まで昇温速度ΔＴｕ１（℃／秒）で急速昇温し、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で所定時間（ｔＭ１（秒））一定に保持した後、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えて、更に、所定時間（ｔＭ２（秒））一定に保持し、その後、昇温速度ΔＴｕ２（℃／秒）で１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））まで急速昇温して、前記ＲＴＰを行う事が好ましい。
図４に示すように、フッ素系ガス雰囲気から不活性ガス雰囲気への切替えは、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で一定に保持した状態で行うことが好ましい。
すなわち、前記表面Ｗ１のシリコン原子を水素で終端させたシリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））まで昇温速度ΔＴｕ１（℃／秒）で急速昇温し、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で所定時間（ｔＭ１（秒））一定に保持した後、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））で前記フッ素系ガス雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えて、更に、所定時間（ｔＭ２（秒））一定に保持し、その後、昇温速度ΔＴｕ２（℃／秒）で１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））まで急速昇温して、前記ＲＴＰを行う事が好ましい。
このような方法とすることで、生産性は若干低下するものの、フッ素系ガス雰囲気で確実にフッ素を終端させることが可能となり、更に、ガス切り替えの際、反応室２０内から前記フッ素系ガスを完全に排出させやすくなる。従って、１２５０℃を超える高温下でウェーハの研磨面がフッ素系ガスに晒される危険性が少なくなるため、前記研磨面における表面粗さの悪化を抑制することができる。
前記フッ素系ガス雰囲気にて、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））を保持する保持時間（ｔＭ１（秒））は、１秒以上５秒以下であり、前記切り替え後、不活性ガス雰囲気中、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））を保持する保持時間（ｔＭ２（秒））は、１秒以上５秒以下であることが好ましい。
このような保持時間とすることで、生産性の低下を抑制しつつ、確実にフッ素を終端させることができ、かつ、フッ素系ガスによる表面粗さの悪化も抑制することができる。
このような保持時間とすることで、生産性の低下を抑制しつつ、確実にフッ素を終端させることができ、かつ、フッ素系ガスによる表面粗さの悪化も抑制することができる。
前記ＲＴＰにおける昇温速度ΔＴｕ、ΔＴｕ１、ΔＴｕ２は１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような昇温速度ΔＴｕ、ΔＴｕ１、ΔＴｕ２とすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速昇温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
このような昇温速度ΔＴｕ、ΔＴｕ１、ΔＴｕ２とすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速昇温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
前記ＲＴＰにおける降温速度ΔＴｄは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような降温速度ΔＴｄとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速降温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
このような降温速度ΔＴｄとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速降温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
図４の熱処理シーケンスにおける第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））までの昇温速度ΔＴｕ１（℃／秒）及び前記切り替え後、前記第１の温度範囲（温度ＴＭ（℃））から第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））までの昇温速度ΔＴｕ２（℃／秒）は、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であれば同じ昇温速度であってもよく、異なる昇温速度であってもよい。
前記第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））における不活性ガス雰囲気中の保持時間ｔ１は、１秒以上１５秒以下であることが好ましい。
このような保持時間ｔ１とすることで、生産性が低下するのを抑制しつつ、効率よくボイド欠陥の消滅を図ることができる。
このような保持時間ｔ１とすることで、生産性が低下するのを抑制しつつ、効率よくボイド欠陥の消滅を図ることができる。
また、前記第２の温度範囲（温度Ｔ１（℃））における酸化性ガス雰囲気中の保持時間ｔ２は、１秒以上１５秒以下であることが好ましい。
このような保持時間ｔ２とすることで、生産性が低下するのを抑制しつつ、効率よくウェーハの表層部に酸素を内方拡散させることができる。
このような保持時間ｔ２とすることで、生産性が低下するのを抑制しつつ、効率よくウェーハの表層部に酸素を内方拡散させることができる。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。
（実施例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）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域から切り出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７７５μｍ、酸素濃度１．２〜１．３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に対して、フッ素濃度５％のフッ酸溶液にウェーハ全体を浸漬させて５分間洗浄を行った後（水素終端処理）、ウェーハを純水洗浄して、スピン乾燥により乾燥させた。
（実施例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）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域から切り出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７７５μｍ、酸素濃度１．２〜１．３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に対して、フッ素濃度５％のフッ酸溶液にウェーハ全体を浸漬させて５分間洗浄を行った後（水素終端処理）、ウェーハを純水洗浄して、スピン乾燥により乾燥させた。
次に、乾燥させたウェーハに対して、図１に示すようなＲＴＰ装置１０を用いて、図３に示すような熱処理シーケンスにてＲＴＰを行い、アニールウェーハを作製した。
具体的には、５００℃で保持された反応室内に前記乾燥させたウェーハを投入し、雰囲気として、四フッ化メタンガス（ＣＦ４）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、１０００℃（第１の温度範囲）まで急速昇温し、その後、１０００℃で雰囲気を四フッ化メタンガス（ＣＦ４）からアルゴンガス（Ａｒ）に切り替えた後に、昇温速度７５℃／秒で１３００℃（第２の温度範囲）まで急速昇温して、１３００℃で１５秒間保持した後に、１３００℃で、アルゴンガス（Ａｒ）から酸素ガス（Ｏ２）に切り替えて、更に、１５秒間保持し、その後、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。
具体的には、５００℃で保持された反応室内に前記乾燥させたウェーハを投入し、雰囲気として、四フッ化メタンガス（ＣＦ４）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、１０００℃（第１の温度範囲）まで急速昇温し、その後、１０００℃で雰囲気を四フッ化メタンガス（ＣＦ４）からアルゴンガス（Ａｒ）に切り替えた後に、昇温速度７５℃／秒で１３００℃（第２の温度範囲）まで急速昇温して、１３００℃で１５秒間保持した後に、１３００℃で、アルゴンガス（Ａｒ）から酸素ガス（Ｏ２）に切り替えて、更に、１５秒間保持し、その後、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。
（実施例２）
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
（実施例３）
図４に示すような熱処理シーケンスを用いてＲＴＰを行って、その他は、実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
具体的には、５００℃で保持された反応室内に前記乾燥させたウェーハを投入し、雰囲気として、四フッ化メタンガス（ＣＦ４）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、１０００℃（第１の温度範囲）まで急速昇温し、その後、１０００℃で５秒間一定に保持した後、雰囲気を四フッ化メタンガス（ＣＦ４）からアルゴンガス（Ａｒ）に切り替えて、更に、１０００℃を５秒間一定に保持し、その後、昇温速度７５℃／秒で１３００℃（第２の温度範囲）まで急速昇温して、１３００℃で１５秒間保持した後に、１３００℃で、アルゴンガス（Ａｒ）から酸素ガス（Ｏ２）に切り替えて、更に、１５秒間保持し、その後、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。
図４に示すような熱処理シーケンスを用いてＲＴＰを行って、その他は、実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
具体的には、５００℃で保持された反応室内に前記乾燥させたウェーハを投入し、雰囲気として、四フッ化メタンガス（ＣＦ４）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、１０００℃（第１の温度範囲）まで急速昇温し、その後、１０００℃で５秒間一定に保持した後、雰囲気を四フッ化メタンガス（ＣＦ４）からアルゴンガス（Ａｒ）に切り替えて、更に、１０００℃を５秒間一定に保持し、その後、昇温速度７５℃／秒で１３００℃（第２の温度範囲）まで急速昇温して、１３００℃で１５秒間保持した後に、１３００℃で、アルゴンガス（Ａｒ）から酸素ガス（Ｏ２）に切り替えて、更に、１５秒間保持し、その後、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。
（実施例４）
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は実施例３と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は実施例３と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
（比較例１）
前記フッ素終端処理を行わないで前記水素終端処理を行ったウェーハに対してＲＴＰを行って、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
前記フッ素終端処理を行わないで前記水素終端処理を行ったウェーハに対してＲＴＰを行って、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
（比較例２）
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１２００℃として、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１２００℃として、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
（比較例３）
実施例１において、不活性ガス雰囲気中、１３００℃で１５秒間保持した後に、降温速度９０℃／秒で、８００℃まで急速降温し、８００℃でアルゴンガスから酸素ガスに切り替えて、昇温速度７５℃／秒で、１３００℃まで急速昇温し、１３００℃で１５秒間更に保持して、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
実施例１において、不活性ガス雰囲気中、１３００℃で１５秒間保持した後に、降温速度９０℃／秒で、８００℃まで急速降温し、８００℃でアルゴンガスから酸素ガスに切り替えて、昇温速度７５℃／秒で、１３００℃まで急速昇温し、１３００℃で１５秒間更に保持して、その他は実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
以上の実施例１から４及び比較例１から３で得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さをＡＦＭ（Atomic Force Microscope）を用いて、ＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）を評価した。
また、半導体デバイス形成面における凹形状のピットの発生状況を外観目視にて評価した。
更に、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの表層部における欠陥密度に関し、ＬＳＴＤスキャナ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ
Ｓｃａｎｎｅｒ）にて波長６８０ｎｍで評価した。
また、参考例としてフッ素終端処理後ＲＴＰ前のウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）もＡＦＭを用いて評価した。
本試験における評価結果を表１に示す。
また、半導体デバイス形成面における凹形状のピットの発生状況を外観目視にて評価した。
更に、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの表層部における欠陥密度に関し、ＬＳＴＤスキャナ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ
Ｓｃａｎｎｅｒ）にて波長６８０ｎｍで評価した。
また、参考例としてフッ素終端処理後ＲＴＰ前のウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）もＡＦＭを用いて評価した。
本試験における評価結果を表１に示す。
表１に示すように、前記フッ素終端処理を行わない比較例１に関しては、参考例よりも表面粗さが悪化する傾向が認められる。また、ＲＴＰの第２の温度範囲を１２００℃とした比較例２に関しては、欠陥密度の消滅力が低いことが認められる。更に、フッ素終端処理を行った実施例１〜４に関しては、表面粗さが比較例及び参考例よりも良化する傾向が認められる。加えて、図４の熱処理シーケンスにより行った実施例３、４に関しては、図３に示す熱処理シーケンス（実施例１、２）よりも、表面粗さが良化する傾向が認められる。
また、実施例１から４は、８００℃まで急速降温して切り替える比較例３と表面粗さ及び欠陥密度とも同レベルであることが認められる。
また、実施例１から４は、８００℃まで急速降温して切り替える比較例３と表面粗さ及び欠陥密度とも同レベルであることが認められる。
（温度変更試験１：実施例５から１１）
前記フッ素終端処理における第１の温度範囲を変化させて、その他は、実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さ（ＲＭＳ）及び凹形状のピットの発生状況を実施例１と同様な方法で評価した。
本試験における試験条件及び評価結果を表２に示す。
前記フッ素終端処理における第１の温度範囲を変化させて、その他は、実施例１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さ（ＲＭＳ）及び凹形状のピットの発生状況を実施例１と同様な方法で評価した。
本試験における試験条件及び評価結果を表２に示す。
表２に示すように、第１の温度範囲を９００℃以上１２５０℃以下とすることで、表面粗さ：ＲＭＳ（ｎｍ）が良化する傾向が認められる。
（温度変更試験２：実施例１２から１７）
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は温度変更試験１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さ（ＲＭＳ）及び凹形状のピットの発生状況を実施例１と同様な方法で評価した。
本試験における試験条件及び評価結果を表３に示す。
前記ＲＴＰにおける第２の温度範囲を１３５０℃として、その他は温度変更試験１と同様な条件にて、アニールウェーハを作製した。
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さ（ＲＭＳ）及び凹形状のピットの発生状況を実施例１と同様な方法で評価した。
本試験における試験条件及び評価結果を表３に示す。
本試験においても、表３に示すように、温度変更試験１と同様な傾向（第１の温度範囲を９００℃以上１２５０℃以下とすることで、表面粗さ：ＲＭＳ（ｎｍ）が良化する傾向）があることが認められる。
１０ ＲＴＰ装置
２０ 反応室
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
２０ 反応室
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
Claims (1)
- 少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液又は過酸化水素系溶液により、前記表面のシリコン原子を水素で終端させる工程と、
前記水素で終端させたシリコンウェーハをフッ素系ガス雰囲気中、９００℃以上１２５０℃以下の第１の温度範囲まで急速昇温し、前記表面のシリコン原子をフッ素で終端させる工程と、
前記フッ素で終端させる工程に連続して、前記第１の温度範囲で前記フッ素系ガス雰囲気を希ガス雰囲気に切り替えて、１３００℃以上１４００℃以下の第２の温度範囲まで急速昇温し保持した後、前記第２の温度範囲で前記希ガス雰囲気を酸化性ガス雰囲気に切り替えて更に保持し、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
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