JP5984448B2 - シリコンウェーハ - Google Patents
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Description
Originated Particle)などのGrown−in欠陥が取り込まれていることが知られている。このような欠陥が半導体デバイス形成領域となるウェーハの表面近傍(表面から少なくとも深さ5μmまでの表層部)に存在すると酸化膜耐圧等のデバイス特性が劣化することが知られている。また、ウェーハのバルク部に成長する酸素析出物(Bulk Micro Defect:以下、BMDともいう)は、後の半導体デバイス形成工程において表層部に拡散する不純物のゲッタリングサイトとなると共に、ウェーハの強度を高めると言われている。
また、特許文献3記載のシリコンウェーハは、板状酸素析出物よりも多面体酸素析出物が優勢に成長するため、デバイスプロセスにおいて当該酸素析出物を起点とした転位は発生しにくくなるものの、特許文献2に記載の通りに、Cuに対するゲッタリング効果が低いという問題がある。
従って、この相反する利点及び技術的課題のうち利点のみを有するシリコンウェーハの開発が望まれている。
図1は、本発明に係るシリコンウェーハの構造を示す概略断面図である。
本発明に係るシリコンウェーハ1は、表面から少なくとも深さ5μmまでの表層部1aは、LSTD密度が1.0個/cm2未満であり、前記表層部1aを除くバルク部1bは、散乱光強度が3000〜5000a.u.であり、後述するBMD析出熱処理を施すことによって、密度が1.0×109〜6.0×109個/cm3である酸素析出物2が成長する。
この酸素析出物2は、板状酸素析出物2a及び多面体酸素析出物2bで構成され、これらがバルク部1bの直径方向L1及び厚さ方向L2に各々混在して成長し、かつ、前記板状酸素析出物2a及び多面体酸素析出物2bの密度比(板状酸素析出物:多面体酸素析出物=X:100−X)は、X=10〜40であることを特徴とする。
ここでいう散乱光強度とは、酸素析出物2のサイズを示すパラメータとなるものであり、散乱光強度が高いと酸素析出物2のサイズが大きいことを示す。この散乱光強度及び前記密度は、IRトモグラフィ(株式会社レイテックス製 MO−411)にて測定することができる。
このように、散乱光強度及び密度が上記範囲内であるため、バルク部1b内での歪みの発生が抑制される。従って、半導体デバイス形成工程において酸素析出物2(特に、板状酸素析出物2a)を起点とする転位の発生を抑制することができる。
ここでいう密度比とは、IRトモグラフィ(株式会社レイテックス製 MO−411)にて、板状酸素析出物2aのみを特定して測定した密度Aと、多面体酸素析出物2bのみを特定して測定した密度Bとの合計(A+B)を100とした時の比(A/(A+B)=X)のことを示す。
前記密度は、3.0〜5.0×109個/cm3であることが好ましい。
このような密度の範囲とすることで、確実に、半導体デバイス形成工程において当該酸素析出物を起点として転位が発生しにくく、かつ、Cuに対するゲッタリング効果が高い効果を得ることができる。
通常、半導体デバイス形成工程で使用されるデバイス形成層は、表面から深さ2〜5μmまでの領域である。なお、このデバイス形成層1aaとバルク部1bとの間に、5〜15μmの厚さを有する前記板状酸素析出物2a及び多面体酸素析出物2bが成長しないデバイス非形成層1abが設けられていれば、仮に、酸素析出物2(特に、板状酸素析出物2a)を起点とした転位が発生したとしても、デバイス形成層1aaまで伝播するのを抑制することができる。
このような酸素濃度の範囲とすることで、Cuに対するゲッタリング効果を更に高めることができる。これは、前記デバイス非形成層1abの酸素濃度が高くなるため、この層に半導体デバイス特性に影響を及ぼさない程度の微少の板状酸素析出物が析出し、これがデバイス形成層1aa内のCuをバルク部1b方向に引き寄せ、これによってバルク部1bの板状酸素析出物2aのゲッタリング効果を更に高めるものと考えられる。
このような酸素濃度の範囲とすることで、デバイス形成層1aaでのBMDの析出を防止することができる。
本発明に係るシリコンウェーハは、下記の方法で製造することができる。
CZ法により育成されたシリコン単結晶からスライスされた酸素濃度が1.2×1018atoms/cm3以上である少なくとも半導体デバイス形成面が鏡面研磨されたシリコンウェーハを、700℃以下で保持された反応室内に投入し、非酸化性ガス雰囲気中、前記投入温度から1100〜1250℃の最高到達温度まで、2.0℃/分以下の昇温速度で昇温し、前記最高到達温度を30分〜2時間保持する。
なお、前記非酸化性ガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気、水素ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気(好ましくは、アルゴンガス雰囲気)が含まれる。
また、前記板状酸素析出物及び多面体酸素析出物の密度比の調整は、前記昇温速度を調整することにより行う。
結晶の中心軸が無欠陥領域となるようにV/G値を所定値(例えば、0.10〜0.20mm2/℃・min)に制御する場合は、全面にGrown−in欠陥のないシリコンウェーハを製造することが可能である。しかしながら、この場合は、シリコン単結晶の育成効率が低下するという問題があり、更に、無欠陥領域を形成する場合は、結晶中の酸素濃度が低くなる傾向があるため、バルク部に前述したような酸素析出物2を成長させることが難しい場合がある。
図2は、本発明の熱処理における温度シーケンスの一例を示す概念図である。
最初に、周知の縦型熱処理装置の温度T0(好ましくは700℃以下)に保持された反応室内に、前記鏡面研磨されたウェーハを、例えば、周知の縦型ボードに枚葉で複数枚保持して投入し、非酸化性ガス雰囲気中、1100℃以上1200℃以下の最高到達温度T1(以下、これを温度T1と略する)まで昇温速度ΔTu(2.0℃/分以下)で昇温し、前記温度T1で、30分以上2時間以下(t1)保持する。その後、前記温度T1から前記反応室からのウェーハの取り出し温度(例えば、温度T0)まで、降温速度ΔTdで降温する。
前記熱処理における反応室内への投入温度が700℃を超える場合には、室温(クリーンルーム:約25℃)からの急激な温度変化によりウェーハにスリップ転位が発生しやすくなるため好ましくない。
前記投入温度は、生産性等の観点からその下限値は、300℃以上であることが好ましい。
前記最高到達温度が1100℃未満である場合には、温度が低いため、表層部に存在するCOP(Crystal Originated Particle)等の欠陥を低減させることが難しい場合がある。前記最高到達温度が1250℃を超える場合には、温度が高いため、当該熱処理においてスリップ転位が発生しやすくなる場合がある。
前記昇温速度ΔTuが2.0℃/分を超える場合には、板状酸素析出部が密度比で少なくなる場合がある。
前記取り出し温度が700℃を超える場合には、室温(クリーンルーム:約25℃)への急激な温度変化によりウェーハにスリップ転位が発生しやすくなるため好ましくない。
前記取り出し温度は、生産性等の観点からその下限値は、300℃以上であることが好ましい。
[試験1]
CZ法により窒素ドープ(石英ルツボ内へのポリシリコン積載時に窒化膜が形成されたシリコンウェーハ片を同時に積載)を行い、かつ、石英ルツボの回転数や炉内圧力を調整してV/G値(V:引き上げ速度、G:シリコン融点から1300℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値)を0.28〜0.32mm2/℃・minに制御して直胴部がV−リッチ領域からなるN−type、面方位(100)、酸素濃度を1.2〜1.4×1018atoms/cm3の範囲で変化させた複数のシリコン単結晶を育成後、該インゴットの直胴部を切断して、酸素濃度が異なるV−リッチ領域からなる直径300mmの円板状の複数のスライスウェーハを得た。
この酸素濃度は、二次イオン質量分析装置(SIMS)を用いて測定したスライスウェーハの半導体デバイス形成面側の表面から深さ1μmまでの平均濃度である(以下同じ)。
次に、鏡面研磨を行った酸素濃度が異なるウェーハを、周知の縦型ボートに枚葉で10枚ずつ保持して、周知の縦型熱処理装置の反応室内に投入し、図2に示す熱処理シーケンスにて、更に、昇温速度ΔTuを0.01〜2.0℃/分の範囲内で変化させて、バルク部に成長する酸素析出物のサイズ(散乱光強度)、BMD密度及び板状酸素析出物及び多面体酸素析出物の密度比がそれぞれ異なるシリコンウェーハを複数製造した。
その他の熱処理条件は下記の通りである。
・T0:700℃
・T1:1100℃
・t1:1時間
・ΔTd:1℃/分〜3℃/分
また、前記熱処理を行ったウェーハに対して、BMD析出熱処理(780℃で3時間熱処理した後、1000℃で16時間熱処理)を施した後、ウェーハのバルク部(深さ15μm)まで鏡面研磨を行なった後、当該研磨面の酸素析出物のサイズ(散乱強度)、密度及び密度比をIRトモグラフィ(株式会社レイテックス製 MO−411)にて評価した。
また、前記熱処理を行ったウェーハに対して、枚葉式急速加熱・急速冷却熱処理装置を用いて、700℃で保持された反応室内に投入し、昇温速度50℃/秒にて、最高到達温度1350℃まで昇温し、1350℃を15秒間保持した後、降温速度50℃/秒にて、700℃まで降温する急速加熱・急速冷却熱処理(Rapid Thermal Process:以下、RTPという)を施した後に、半導体デバイス形成面の表面から深さ5μmの位置における転位の発生の有無を、X線トポグラフィ(株式会社リガク製 XRT300)にて測定した。 この深さ5μmの位置における転位の発生の有無の評価は、前記RTPを施した後、半導体デバイス形成面側を5μm鏡面研磨により除去して、X線トポグラフィにより測定することで行なった。 更に、前記熱処理を行ったウェーハに対して、Cu(NO3)水溶液で、Cuを故意に汚染した後、半導体デバイス形成面となる表面の表層部をフッ硝酸にて溶解し、前記表層部を溶解させたフッ硝酸中に含まれるCu濃度をICP−MS(ICP-Mass Spectrometry:ICP質量分析)にて評価した。
表1に、本試験における実験条件及び評価結果を示す。
また、前記研磨面の表層部の酸素濃度を、二次イオン質量分析装置(SIMS)を用いて測定したところ、表面から10mμまでの表層部の酸素濃度は、0.4〜0.8×1018atoms/cm3であった。また、当該表層部の欠陥密度及びBMD密度を前述したのと同様な方法により評価したところ、欠陥密度が1.0個/cm2未満であり、BMD密度は検出限界以下(約3.0×106/cm3以下)であった。
前記シリコン単結晶育成時の酸素濃度を1.5〜1.8×1018atoms/cm3に調整し、更に、前記熱処理における最高到達温度及び熱処理時間を調整して、その他は、実施例1〜4と同様な条件で、表面から5μmまでの領域の酸素濃度が0.4〜0.8×1018atoms/cm3であり、当該表層部の深さ5μm〜10μmの間の酸素濃度が0.8〜1.2×1018であるシリコンウェーハを製造した。
得られたシリコンウェーハについて、試験1と同様な方法にて、表面から深さ5μmまでの深さ領域の欠陥数、バルク部(深さ15μm)のサイズ(散乱強度)、密度及び密度比、転位の発生の有無及びCu濃度を評価した。
表2に、本試験における実験条件及び評価結果を示す。
1a 表層部
1b バルク部
1aa デバイス形成層
1ab デバイス非形成層
Claims (1)
- 表面から少なくとも深さ5μmまでの表層部は、LSTD密度が1.0個/cm2未満であり、
前記表層部を除くバルク部は、散乱光強度が3000〜5000a.u.であり、密度が1.0×109〜6.0×109個/cm3である板状酸素析出物及び多面体酸素析出物が各々混在して成長し、かつ、前記板状酸素析出物及び多面体酸素析出物の密度比(板状酸素析出物:多面体酸素析出物=X:100−X)は、X=10〜40であり、
前記表層部は、
表面から深さ2〜5μmまでのデバイス形成層と、
前記デバイス形成層と前記バルク部との間に設けられ、5〜15μmの厚さを有する前記板状酸素析出物及び多面体酸素析出物が成長しないデバイス非形成層と
で構成され、
前記デバイス形成層における、表面から5μmまでの領域の酸素濃度が0.4×10 18 〜0.8×10 18 atoms/cm 3 であり、
前記デバイス非形成層における、表層部の深さ5〜10μmの領域の酸素濃度が0.8×10 18 〜1.2×10 18 atoms/cm 3 であることを特徴とするシリコンウェーハ。
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