JP6111614B2

JP6111614B2 - シリコンウェーハの熱処理方法

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Publication number: JP6111614B2
Application number: JP2012255825A
Authority: JP
Inventors: 和広相良
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP2014103333A

Description

本発明は、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のスリップ転位を抑制することのできる熱処理方法に関する。

半導体集積回路等のＩＣデバイスを作製するためのウェーハとしては、主にチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）によって育成したシリコン単結晶インゴットをスライスし、研磨等を施して作製したシリコン単結晶ウェーハ（以下シリコンウェーハという）が用いられている。
ＣＺ法により製造されたシリコン結晶中には、石英製の坩堝を使用していることから酸素が少なからず混入する。この酸素は結晶製造中及び切断・基板加工された後のデバイス製造工程での熱処理中に析出物となることが知られている。

酸素析出物がデバイス活性領域にある場合、デバイス歩留まりを低下させる要因となるが、その一方で基板内部に酸素析出物が形成された場合は重金属汚染種に対するゲッタリング能力の改善効果をもたらす。これらの観点から、シリコン基板中の酸素析出物の量を制御（酸素析出特性の制御）することは極めて重要である。

従来、この酸素析出特性の制御は、シリコン結晶製造時において結晶中の酸素濃度を制御することや、基板に長時間の熱処理を施すことにより行われてきた。しかし、シリコン単結晶の成長軸方向に対して同一の酸素濃度であっても、結晶製造時の熱履歴の影響によって成長軸方向の酸素析出特性は均一ではなく、これを均一にするには長時間の熱処理が必要であり、生産性が低かった。

これに対し、所望の酸素析出特性を有するシリコンウェーハを得るために、ＣＺ法により製造されたシリコンウェーハ中の酸素濃度を制御することなく、急速加熱・急速冷却装置（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｅｒ：以下、ＲＴＡ装置という）を使用して熱処理を行う熱処理方法が知られている（特許文献１参照）。
この方法によれば、酸素濃度が１４ｐｐｍａ（日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ）規格）以下の低酸素濃度であるにもかかわらず、ウェーハ中に酸素析出の元となる核、つまり内部欠陥としての酸素析出物密度が３×１０^９個／ｃｍ^３以上とゲッタリングサイトとして必要と思われるレベルの酸素析出核を持ったシリコンウェーハが得られるという優れた点がある一方で、ＲＴＡ装置を使用することによりスリップ転位が入りやすい問題がある。

ＲＴＡ装置はシリコンウェーハを装置内の支持部で支持し、その後シリコンウェーハを赤外線ランプ等により急速加熱する熱処理装置である。ＲＴＡ装置を用いた熱処理において、ウェーハ中心部は急加熱されやすく冷却されにくい。一方、エッジ部は加熱されにくく急冷却がされやすい傾向がみられる。そのため、熱膨張と熱収縮が異なることで熱応力が発生し、これが原因でエッジ部にスリップ転位が発生すると考えられる。

上記のようなスリップ転位を低減することを目的とした熱処理方法として、例えば、シリコンウェーハに、窒素の割合を１〜５０容量％とした窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で、温度１１５０〜１３５０℃で１〜６０秒間熱処理を施すことでスリップ転位とＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）を同時に低減する手法がある（特許文献２参照）。

現在、主流となっている直径３００ｍｍのシリコンウェーハから今後、直径４５０ｍｍの大口径ウェーハが主流となることが期待されているが、ウェーハ径が大きくなるほど、すなわち面積が大きくなるほど中心部とエッジ部の熱履歴はより大きな差異が発生する。
そのためにより高度なスリップ転位の抑制が重要な課題となる。

一方、基板の温度均一性の対策としてＲＴＡ装置を改善する方法も検討されてきた。
例えば、特許文献３には、基板に亘る温度均一性を改善するように急速加熱処理中に基板を支持するエッジリングの温度を制御する装置が提案されている。
しかしながら、面積が広い直径３００ｍｍ・直径４５０ｍｍのシリコンウェーハは厚さが１ｍｍ以下であるために、上記のようにエッジリングで基板を支持する装置では、シリコンウェーハが自重変形で反りやダレが発生する。このためにエッジ部の温度調整は困難である。

更に、ウェーハの自重変形でウェーハ外周部のエッジリングと接触する一部分にウェーハ重量とエッジリングの高熱部の影響が集中するために、スリップ転位が入りやすい。
シリコンウェーハの支持は周辺部をサセプタで支持する方法よりも、裏面を複数のサポートピンで支持する方法が望ましい。

特開２０００−３１１５０号公報特開２００２−１１０６８５号公報特開２００８−１８２２２８号公報特公平３−６１６３４号公報

シリコンウェーハの製造プロセスにおいて、テイアドロップと呼ばれる微小な凹みが発生することが知られており、下地シリコン単結晶基板の主表面を（１００）面から特定方向に微小な傾きをもつように調整することによって、このテイアドロップの発生を抑制できることが知られている（特許文献４参照）。これにより、１枚のウェーハから得られるＩＣなどの良品収率が向上する。
上記特定方向への傾きが調整されたシリコン単結晶基板は、例えば、（１００）面に近い主表面をもつシリコン単結晶ウェーハであり、該主表面が［１００］軸に対し［０１１］方向又は［０−１−１］方向に角度θ、［０１−１］方向又は［０−１１］方向に角度φだけ傾斜したものである。また、角度θ、φは５’≦θ≦２°、φ≦１０’、又は５’≦φ≦２°、θ≦１０’である。

本発明者の調査によって、特に、上記した特許文献４に記載されたシリコン単結晶ウェーハに対してＲＴＡ装置を用いた熱処理を行うと、ウェーハのエッジ部の特定の部位にスリップ転位が集中することが判明した。更に、本発明者がこのスリップ転位について調査したところ、スリップ転位の発生は以下に記載する原因によるものであることが判明した。

図２に示すように、上記引用文献４における加工後のシリコンウェーハでは、シリコン結晶製造時の結晶中心軸２２と、加工後のシリコンウェーハの中心は一致しない。このウェーハのノッチを時計の１２時の方向とした場合、エッジ部の領域Ｂ（時計の１時の方向）ではシリコン結晶製造時の結晶中心軸２２との距離は近い。一方、エッジ部の領域Ａ（時計の７時の方向）ではシリコン結晶製造時の結晶中心軸２２との距離は遠くなる。この結晶を加工して得られるすべてのシリコンウェーハにはこの傾向が見られる。

この領域Ａは、結晶の製造プロセスで最も早く冷却されるために、シリコン結晶に多くの点欠陥が含まれたり、極度に低酸素濃度になることがある。酸素濃度が低い領域はウェーハの強度が周囲に比べて低く、熱応力が集中しやすい。このような領域はデバイス製造プロセスにおいて繰り返し熱処理が行われていることで、点欠陥が線欠陥・面欠陥・バルク欠陥へと広がることでスリップ転位が発生しやすい。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、エッジ部の特定位置の強度を向上してスリップ転位の発生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。

上記目的を達成するために、本発明によれば、石英製のチャンバーにシリコンウェーハを収容し、前記シリコンウェーハの両主表面を主表面用加熱ランプで加熱することで熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法であって、前記シリコンウェーハの両主表面を前記主表面用加熱ランプで加熱すると同時に、前記シリコンウェーハのエッジ部の特定位置を前記シリコンウェーハの側面方向からエッジ部用加熱ランプで加熱することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法が提供される。

このような熱処理方法であれば、エッジ部用加熱ランプで加熱することによりエッジ部の特定位置の強度を向上してスリップ転位の発生を抑制しつつ、主表面用加熱ランプで加熱することによりデバイス製造プロセスにおいて十分なゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成できる。

このとき、前記シリコンウェーハとして、主表面が［１００］軸に対し（１００）面から［０１１］方向又は［０−１−１］方向に角度θだけ傾斜するとともに、［０１−１］方向又は［０−１１］方向に角度φだけ傾斜したものを用い、前記シリコンウェーハに形成されたノッチの位置を１２時の方向としたとき、前記シリコンウェーハのエッジ部の特定位置を７時方向の位置とすることができる。この時、前記θ、φは、５’≦θ≦２°、φ≦１０’、又は５’≦φ≦２°、θ≦１０’を満たすようにすることができる。

このようにすれば、主表面が上記のように傾斜したシリコンウェーハに熱処理を行う場合、特に強度が低いエッジ部の上記７時方向の位置をエッジ部用加熱ランプによって加熱でき、この位置の領域の強度を向上できる。

またこのとき、前記熱処理を、窒素の割合を１〜５０容量％とした窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で、温度１１５０〜１３５０℃で１〜６０秒間行うことが好ましい。
このように、熱処理雰囲気に窒素を１容量％以上含有することにより、デバイス製造プロセスにおいて十分なゲッタリングサイトとなる酸素析出物を確実に形成でき、窒素を５０容量％以下とすれば、スリップ転位の発生を抑制できるとともに表面に窒化膜が形成されるのを防ぐことができる。また、温度を１１５０℃以上とすれば、ゲッタリングサイトの形成やＣＯＰの除去が不十分になることもなく、温度を１３５０℃以下とすれば、スリップ転位や金属汚染の発生を抑制できる。また、生産性（スループット）を考慮して熱処理時間は６０秒以下とすることが好ましい。

本発明では、シリコンウェーハの熱処理において、シリコンウェーハのエッジ部の特定位置をシリコンウェーハの側面方向からエッジ部用加熱ランプで加熱するので、エッジ部用加熱ランプで加熱することによりエッジ部の特定位置の強度を向上してスリップ転位の発生を抑制しつつ、主表面用加熱ランプで加熱することによりデバイス製造プロセスにおいて十分なゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成できる。

熱処理装置を用いて本発明のシリコンウェーハの熱処理方法を実施する様子を説明する説明図である。本発明のシリコンウェーハの熱処理方法で用いるシリコンウェーハの一例を説明する説明図である。実施例、比較例で用いたエッジ部の強度の測定装置の概略を示した図である。実施例、比較例において評価したシリコンウェーハのサンプルを説明する説明図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記したように、シリコンウェーハを用いたデバイス製造プロセスにおいて、繰り返し熱処理が行われることでシリコンウェーハのエッジ部の特定位置にスリップ転位が発生するという問題がある。そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、エッジ部の特定位置にスリップ転位が発生する原因は、この位置の強度が周囲に比べて低く、熱応力が集中しやすいためであることを見出した。さらに、所望の酸素析出特性を有するシリコンウェーハを得るために行う熱処理において、同時にそのエッジ部の特定位置をシリコンウェーハの側面方向からエッジ部用加熱ランプで加熱すれば、生産性を低下させることなく、そのエッジ部の特定位置の強度を向上でき、その結果、スリップ転位を抑制できることに想到し、本発明を完成させた。

まず、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法で用いることができる熱処理装置について説明する。ここで挙げる熱処理装置は、シリコンウェーハを急速加熱・急速冷却できる熱処理装置（ＲＴＡ装置）の代表例である熱放射によるランプ加熱装置である。
図１の（Ａ）に示すように、熱処理装置１０は、石英製のチャンバー１１を有し、このチャンバー１１内でシリコンウェーハ１８を熱処理するようになっている。シリコンウェーハ１８の両主表面への加熱は、チャンバー１１の上下からシリコンウェーハ１８の両主表面に対向するように配置された主表面用加熱ランプ１２によって行う。この主表面用加熱ランプ１２はそれぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。

このチャンバー１１のガスの導入側にはガス導入口１９が設けられ、ガスの排気側には、オートシャッター１３が装備され、外気を封鎖している。オートシャッター１３には、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウェーハ挿入口が設けられている。また、オートシャッター１３にはガス排気口２０が設けられており、炉内雰囲気を調整できるようになっている。

そして、シリコンウェーハ１８は石英トレイ１４に形成された３点支持部１５の上に載置される。石英トレイ１４のガス導入口側には、石英製のバッファ１６が設けられており、ガス導入口１９から導入されたガスがシリコンウェーハ１８に直接当たるのを防ぐことができる。
また、チャンバー１１には不図示の温度測定用特殊窓が設けられており、チャンバー１１の外部に設置されたパイロメータ１７により、その特殊窓を通してウェーハ１８の温度を測定することができる。

熱処理装置１０は、更にシリコンウェーハ１８のエッジ部の特定領域の強度向上を目的としたエッジ部用加熱ランプ２１有している。図１（Ｂ）は図１（Ａ）の熱処理装置を上方から見た上面図である。エッジ部用加熱ランプ２１は、図１（Ｂ）に示すように、エッジ部用加熱ランプ２１近傍のエッジ部の領域Ａをシリコンウェーハ１８の側面方向から加熱できるもので、主表面用加熱ランプ１２とは独立した熱処理パターンで加熱が可能である。

次に、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法について、上記したような熱処理装置１０を用いた場合を例として、以下に説明する。
まず、熱処理装置１０に隣接して配置されるウェーハハンドリング装置（不図示）によってシリコンウェーハ１８をウェーハ挿入口（不図示）からチャンバー１１内に入れ、石英トレイ１４上に載置した後、オートシャッター１３を閉める。この際、図１（Ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１８のエッジ部における強度が低い領域Ａがエッジ部用加熱ランプ２１の近傍の位置になるように載置する。

次に、主表面用加熱ランプ１２に電力を供給し、シリコンウェーハ１８を１１５０〜１３５０℃の所定温度に昇温する。これと同時に、エッジ部用加熱ランプ２１に電力を供給し、シリコンウェーハ１８のエッジ部の領域Ａを、例えば、１１５０〜１３５０℃の所定温度に昇温する。エッジ部用加熱ランプ２１による領域Ａの加熱温度は、主表面用加熱ランプ１２によるシリコンウェーハ１８の全体の温度よりも０〜１００℃の範囲内で高いことが望ましい。この際、目的の温度になるまでに要する時間は例えば２０秒程度である。

次に、その温度において所定時間保持することにより、シリコンウェーハ１８に高温熱処理を加えることができる。所定時間経過し高温熱処理が終了したら、シリコンウェーハ１８の温度を下げる。この降温も例えば２０秒程度で行うことができる。最後に、ウェーハハンドリング装置によってウェーハ１８を取り出すことにより、熱処理を完了する。

上記した本発明のシリコンウェーハの熱処理方法において、シリコンウェーハ１８の両主表面全体には主表面用加熱ランプ１２によるＲＴＡ処理の効果が与えられる。これにより、ウェーハのバルク部にはデバイス製造プロセスにおいて十分なゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成できる。これに加え、シリコンウェーハ１８のエッジ部の領域Ａは、主表面用加熱ランプ１２と、特にエッジ部用加熱ランプ２１による熱処理で特に強いＲＴＡ処理の効果が与えられる。これにより、領域Ａの強度を向上できる。

本発明のシリコンウェーハの熱処理方法では、強度が低い領域Ａの強度を向上できるので、例えば図２に示すような主表面を（１００）面から特定方向に傾けたシリコン単結晶ウェーハに好適に適用できる。

領域Ａは結晶の製造プロセスで最も早く急冷される部位であるため、スリップ転位やワレの原因となるシリコン結晶の点欠陥が多い。この部位をエッジ部用加熱ランプ２１により熱処理することにより点欠陥の数が大幅に減少する。また、炉内の窒素ガスと接する領域Ａの最表面部のシリコンでは、シリコン＋窒素＋点欠陥の熱処理による化学反応が起きて生成物ができる。この生成物は後工程のデバイスプロセスなどで線欠陥・面欠陥が発生しても、それら欠陥の成長・拡大を抑制する効果がある。このような要因によりシリコンウェーハ１８のエッジ部の領域Ａの強度は向上する。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
図２に示すような、主表面が［１００］軸に対し、（１００）面から［０１１］方向に２°、［０１−１］方向に１０’だけ傾斜した直径３００ｍｍ、格子間酸素濃度１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）のシリコンウェーハを４０枚用意した。このうちの２０枚に本発明のシリコンウェーハの熱処理方法に従って熱処理を施し、熱処理の前後のウェーハエッジ部の強度を評価した。
熱処理は、図１に示した熱処理装置を用いて行い、熱処理の雰囲気は濃度を６０容量％としたアルゴン（Ａｒ）ガスと、濃度を４０容量％とした窒素ガスとの混合ガスとした。

主表面用加熱ランプ１２によりシリコンウェーハを１１８０℃の所定の温度に昇温した。そして、エッジ部用加熱ランプ２１によりシリコンウェーハのエッジ部の領域Ａを１２５０℃に昇温した。熱処理時間を３０秒とした。

ここで、ウェーハエッジ部の強度の測定装置及び測定方法について簡単に説明する。強度の測定は図３に示すような落錘式衝撃破壊試験機を用いた。
強度測定装置１００は、装置ベース１０１上に単軸スライダ式ロボット１０２が建てられており、スライダー１０３には電磁磁石１０４がセットされ、円柱打撃ピン１０５（クロム鋼）が磁力で吸着されている。衝撃破壊試験では、スライダー１０３を上下させ、任意の高さから円柱打撃ピン１０５を落下させることが可能である。

シリコン片保持治具１０６の上には、ポリカーボネート製のカバー１０７が設置されている。カバー１０７の底の穴からシリコン片Ｗが露出しており、落下してきた円柱打撃ピン１０５が激突するように設計されている。
ここでは、「定落下重量でのステアケース法の原理を利用した落錘式衝撃破壊試験」を行って、ステアケース法による解析を行った（詳細は特開２０１２−１１４２５４号公報参照）。

ステアケース法はストレスの水準を上下させて、各水準に区分して破壊の有無から衝撃破壊強度を統計解析する手法である。サンプルの破壊の有無と衝撃力分布からステアケース法の計算で「５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）・５０％衝撃破壊エネルギの標準偏差（ＳＥ）」を求める。

熱処理後の１枚のシリコンウェーハの領域Ａ及び領域Ｂ（図２参照）からサンプルを得た。サンプルは、図４に示すように、シリコン片保持治具１０６に合う大きさの形状をマジックペンなどで記入し、ヘキ開を利用してこの形状に割り出すことで得ることができる。ここで、図４中のαは３０°とした。
これらのサンプルをシリコン片保持治具１０６に保持させて落錘式衝撃破壊試験を行った。

その結果、領域Ａの衝撃強度は以下の測定結果となった。
５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）＝０．０６８Ｊ
５０％衝撃破壊エネルギの標準偏差（ＳＥ）＝０．０１１Ｊ
また、領域Ｂの衝撃強度は以下の測定結果となった。
５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）＝０．０６１Ｊ
５０％衝撃破壊エネルギの標準偏差（ＳＥ）＝０．０１３Ｊ

（比較例）
エッジ部用加熱ランプを有さず主表面用加熱ランプ１２のみでシリコンウェーハを加熱する熱処理装置を用いた従来のシリコンウェーハの熱処理方法に従って実施例で用意した４０枚のシリコンウェーハのうち他の２０枚に熱処理を施し、実施例と同様に評価した。

その結果、領域Ａの衝撃強度は以下の測定結果となった。
５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）＝０．０４１Ｊ
５０％衝撃破壊エネルギの標準偏差（ＳＥ）＝０．０１７Ｊ
また、領域Ｂの衝撃強度は以下の測定結果となった。
５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）＝０．０５９Ｊ
５０％衝撃破壊エネルギの標準偏差（ＳＥ）＝０．０１５Ｊ

実施例、比較例における領域Ａの破壊された破壊強度の分布から、母平均の検定（有意水準０．０５）を行うと母平均に有意差が見られた。また、正規性の検定（ｘ^２適合度検定）より破壊強度の分布は、正規分布とみなされた。特に実施例の領域Ａの５０％衝撃破壊エネルギ（Ｅ５０）は、比較例に比べて１．６倍以上の強度が確認された。また、実施例において、領域Ａと領域Ｂの破壊された破壊強度の分布からは、母平均の検定（有意水準０．０５）を行うと母平均に有意差は見られなかった。

以上により、実施例は比較例と比べ、ウェーハエッジ部の強度が全体的に高くなり、かつ均一化されることから特定の部位への熱応力集中が起こりにくく、スリップ転位を抑制できると言える。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…熱処理装置、１１…チャンバー、１２…主表面用加熱ランプ、
１３…オートシャッター、１４…石英トレイ、１５…支持部、
１６…バッファ、１７…パイロメータ、１８…シリコンウェーハ、
１９…ガス導入口、２０…ガス排気口、２１…エッジ部用加熱ランプ、
２２…シリコン結晶製造時の結晶中心軸、
１００…強度測定装置、１０１…装置ベース、１０２…単軸スライダ式ロボット、
１０３…スライダー、１０４…電磁磁石、１０５…円柱打撃ピン、
１０６…シリコン片保持治具、１０７…カバー。

Claims

石英製のチャンバーにシリコンウェーハを収容し、前記シリコンウェーハの両主表面を主表面用加熱ランプで加熱することで熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法であって、
前記シリコンウェーハの両主表面を前記主表面用加熱ランプで加熱すると同時に、前記シリコンウェーハのエッジ部の特定位置を前記シリコンウェーハの側面方向からエッジ部用加熱ランプで加熱し、
前記シリコンウェーハとして、主表面が［１００］軸に対し（１００）面から［０１１］方向又は［０−１−１］方向に角度θだけ傾斜するとともに、［０１−１］方向又は［０−１１］方向に角度φだけ傾斜したものを用い、
前記θ、φは、５’≦θ≦２°、φ≦１０’、又は５’≦φ≦２°、θ≦１０’を満たし、
前記シリコンウェーハに形成されたノッチの位置を１２時の方向としたとき、前記シリコンウェーハのエッジ部の特定位置を７時方向の位置とすることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
前記熱処理を、窒素の割合を１〜５０容量％とした窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で、温度１１５０〜１３５０℃で１〜６０秒間行う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。