JPH02177541A - シリコンウェハ及びシリコンウェハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリコンウェハ及びシリコンウェハの熱処理方
法に関する。

【従来の技術とその課題〕

大規模集積回路（ＬＳＩ）の製造に使用されるシリコン
ウェハには種々の物性が要求されるが、これらの物性の
うちデバイスプロセス投入後の酸索析出量も重要な物性
の一つである。すなわち、シリコンウェハ上に形成する
デバイスに応じて、デバイスプロセス投入後の酸素析出
量の望ましい値が異なっている。

ところが、Ｃｌ法により製造されたシリコンインゴット
から切り出されたシリコンウェハ（ａＳ−ｇｒｏｖｎ）
では、デバイスプロセス投入前（初期）のシリコンウェ
ハ中の酸素濃度に対応して、デバイスプロセス投入後の
熱処理による酸素析出量が多い。また、例えばシリコン
ウェハは切り出される領域によっても熱履歴が異なり、
しかも結晶引上げ時に混入する金属不純物を含有してい
ることがある。このため、シリコンウェハ中の酸素濃度
が同一であっても、デバイスプロセス投入後の熱処理に
よる酸素析出量がばらつくため、以下のような問題が生
じる。

例えば、デバイスプロセスでウェル拡散工程を経るＬＳ
Ｉ用ウェハでは、ウェハ自体によるゲッタリング効果が
高いことが要求され、デバイスプロセスで熱処理を受け
た時のウェハ中の酸素析出量が比較的多いことが望まし
い。より具体的には、酸素析出量が２〜１２Ｘ　１０”
ａｔｏｓｓ　／　ｃｓ　’の範囲にあるウェハが用いら
れる。この場合、酸素析出量の上限を１２Ｘ　ｔｏ１７
ａｔｏｍｓ　／　ａｍ　’と限定するのは、酸素析出量
が多すぎると、酸化誘起積層欠陥（Ｏ８Ｆ）の増加、熱
処理誘起微小欠陥（ｂｕｌｋｓｌｃｒｏ　ｄｅｆｅｃｔ
、以下ＢＭＤと記す）や酸素の過剰析出によるスリップ
マージンの低下、ＢＭＤの突き抜けというデメリットが
生じるためである。前述したように酸素析出量が２〜１
２Ｘ　１０１７ａｔｏｓｓ　／ｅｌｌ’と範囲にあるも
のとして、一般的なＣＺウェハでは初期の酸素濃度がほ
ぼ１４．５〜１７．ＯＸ　１０１７ａｉｏｓｓ　／　ｃ
ｓ　’の範囲のウェハしか使用できず、コストアップに
つながる要因となる。

また、デバイスプロセスでウェル拡散工程を経ないＬＳ
Ｉ用ウェハや、パワーデバイス用ウェハでは、ＢＭＤの
析出は望ましくないので、デバイスプロセスで熱処理を
受けた時のウエノ１中の酸素析出量が比較的少ないこと
が望ましく、具体的には酸素析出量が２　Ｘ　ｔｏ”ａ
ｔｏｍｓ　／（至）３以下のウェハが用いられる。この
ように酸素析出量が２×ＩＱ１７ａｔｏｍｓ　／　Ｃｌ
１１　’以下のものとして、一般的なＣＺウェハでは初
期の酸素濃度がほぼ１４．５Ｘ　１ＧＩ７ａＬｏｓｓ　
／　ｃｍ　’以下のウェハしか使用できない。特に、キ
ャリアのライフタイムが長いことが要求されるパワーデ
バイスにおいては、初期の酸素濃度がｔｏＸ　１０１０
１７ａｔｏ　／　ａｍ　’以下のつＪ−八が必要とされ
、ＭＣＺウェハやＦＺウェハが用いられる。したがって
、やはりコストアップにつながる要因となる。しかも、
初期の酸素濃度が低いウェハは結晶がもろくなり、スリ
ップマージンがない。

以上のようなことから、初期の酸素濃度が高くとも、ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎのウェハよりも酸素析出量が少なく、か
つ初期の酸素濃度に対応する酸素析出量のばらつきが小
さいシリコンウェハが要望されていた。

なお、従来より、シリコンウェハ自体の固有の性質を利
用してゲッタリング効果を得るために、イントリンシッ
ク・ゲッタリングと呼ばれる熱処理方法が行われている
。しかし、イントリンシックΦゲッタリングでは、シリ
コンウェハの初期の酸素濃度に対応するデバイスプロセ
ス投入後の熱処理による酸素析出量が、Ｈ−ｇｒｏｗｎ
のウェハよりも更に多くなるので前述した要望を満たす
ことはできない。また、イントリンシック・ゲッタリン
グでは、ウェハの熱履歴の相違などによるデバイスプロ
セス投入後の熱処理による酸素析出量のばらつきを小さ
くすることはできない。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり
、初期の酸素濃度に対応する酸素析出量が少なく、かつ
酸素析出量のばらつきが小さいシリコンウェハ及びこの
ようなシリコンウェハを得ることができる熱処理方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段と作用〕

本発明のシリコンウェハは、デバイスプロセス中での標
準的な熱処理を経た時の酸素析出量ＯＲが、次式 ％式％）］ （ただし、式中、 ［０１］。は前記熱処理前におけるシリコンウェハ中の
格子間酸素の濃度（ａｔｏｍｓ　／　ａｍ　’　）、［
０１］ｓはシリコンウェハ中の酸素の限界固溶濃度であ
り、４×ｌＯ鳳’　（ａｔｏｍｓ　／　ｃＩＩ　’　）
を用いた。

また、ｋ　＝　８．９４Ｈｘ　１Ｇ−”　　ｎ　−１０
，１）の条件を満たすことを特徴とするものである。

また、本発明のシリコンウェハは、表面に５目以上の深
さの無欠陥層（ｄｅｎｕｄｅｄ　ｚｏｎｅ）が存在し、
それより内部に、デバイスプロセス中での標準的な熱処
理を経た時の酸素析出量ＯＲが、次式０式％］ （ただし、式中、 〔０目。は前記熱処理前におけるシリコンウェハ中の格
子間酸素の濃度（ａｔｏｍｓ　／ａｍ’　）、［０１］
ｓはシリコンウェハ中の酸素の限界固溶濃度であり、４
　Ｘ　１０”　（ａｔｏｍｓ　／　ａｓ　’　）を用い
た。

また、ｋ　＝　６．９４６８Ｘ　１０−”’　　ｎ　−
１０，１）の条件を満たす領域が存在することを特徴と
するものである。

なお、格子間酸素濃度は、赤外分光法を用いて測定する
場合、Ａ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　Ｐ−１２１−７９（ｏｌｄ　Ａ
　Ｓ　Ｔ　Ｍ）にしたがって補正した値である。

本発明において、デバイスプロセス中での標準的な熱処
理とは、例えば酸素中、８００℃で３時間、及び酸素中
、１０００℃で１６時間の熱処理を挙げることができる
。なお、この熱処理は一例として挙げたものであり、こ
れに類似する熱処理は全て含まれる。

本発明において、前記式は、通常のＣＺシリコンウェハ
（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）について、初期の酸素濃度と、ウ
ェハをデバイスプロセスに投入し前述したような標準的
な熱処理を経た時の酸素析出量との関係を統計的に調べ
た結果に基づいて算出されたものである。そして、前記
式は、初期の酸素濃度に対応する標準的な熱処理を経た
時の酸素析出量が、ａｓ−ｇｒｏｗｎのＣｚシリコンウ
ェハで得られる最低の値よりも更に少ないことを表わす
曲線を示す式である。

また、本発明のシリコンウェハの熱処理方法は、シリコ
ンウェハを水素含有雰囲気中、４００〜１３５０℃で１
分〜４８時間熱処理する工程と、該シリコンウェハを４
００〜９００℃で３０分〜Ｂ４時間熱処理する工程とを
具備したことを特徴とするものである。

本発明方法において、水素含有雰囲気とは、１００％水
素雰囲気、又は水素を１０％以上含み残部が例えば窒素
やアルゴンなどの不活性ガスである雰囲気を意味する。

本発明方法において、第１段の水素含有雰囲気中におけ
るアニールは、デバイスプロセス中の熱処理による酸素
析出挙動に対する、ウェハが単結晶引上げ時に受けた熱
履歴の影響を解消する作用を有し、かつデバイスプロセ
ス中の熱処理による熱処理誘起結晶欠陥の発生を抑制す
る作用を有する。この第１段のアニール工程の熱処理温
度及び熱処理時間を前記のように規定したのは以下のよ
うな理由による。すなわち、熱処理温度が４００℃未満
では％Ｈ２アニールによる効果が充分に期待できない。

一方、熱処理温度が１３５０℃を超えると、石英治具、
ヒーターなどの炉まわりの寿命が大幅に短くなる。また
、熱処理時間が１分未満では、Ｈ２アニールによる効果
が充分に期待できない。

一方、熱処理時間を４８時間を超えて長くしても、Ｈ２
アニールによる効果は飽和してしまい、更に効果を向上
させることは期待できない 本発明において、第２段の低温アニールは、イントリン
シック・ゲッタリングに相当するものであり、第１段の
水素雰囲気中におけるアニールでは実現できないゲッタ
ー効果をウェハに与える作用を有する。原理的には、こ
の低温アニールにより、ウェハ内部に、デバイスプロセ
ス中にウェハを汚染する不純物金属をトラップする５ｉ
−０コンプレツクスを形成する。この第２段のアニール
工程の熱処理温度及び熱処理時間を前記のように規定し
たのは以下のような理由による。すなわち、熱処理温度
が４００〜９００℃の範囲をはずれると、前記５ｉ−０
コンプレツクスが形成されにくくなる。また、熱処理時
間が３０分未満では、５ｉ−０コンプレツクスの形成が
充分ではない。一方、熱処理時間が６４時間を超えると
、酸素析出が急速に進行するため、デバイスプロセスに
おけるゲッタ−効果の持続性が期待できなくなり、ウェ
ハ中の転位発生に対する耐久性が低下する。

このような本発明方法によれば、第１段の水素含有雰囲
気中におけるアニールにより熱処理誘起結晶欠陥の発生
を抑制することができる。その後、第２段の低温アニー
ルを行うため、デバイスプロセス中における酸素析出が
遅くなり、ゲッター効果を長く持続することができる。

また、第１段の水素含有雰囲気中におけるアニールによ
り単結晶引上げ時にシリコンウェハが受・けた熱履歴の
影響を解消することができるため、第２段の低温アニー
ルにより酸素析出を精密に制御でき、初期の酸素濃度に
対応してデバイスプロセス中の酸素析出量のばらつきが
小さいシリコンウェハを得ることができる。

更に、第１段の水素含有雰囲気中におけるアニールを１
１００℃以上の高温で行えば、ウェハ表層部に低酸素領
域を有効に形成することができ、イントリンシック・ゲ
ッタリングに１応する第２段の低温アニールではウェハ
内部で選択的に酸素析出を起こさせることができるので
、より一層ゲッター効果を改善することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。なお、以下の実施例及
び比較例ではいずれもＣＺシリコンインゴットから切り
出し、鏡面加工を施したシリコンウェハを用いた。これ
らのシリコンウェハは、ｐタイプ、比抵抗数Ω印程度、
面方位（１００）、酸素濃度１０〜２０Ｘ　１０１０１
７ａ’である。

実施例１ 前記鏡面シリコンウェハを１００％水素雰囲気中、１１
５０℃で１時間アニールした。この鏡面シリコンウェハ
を酸素雰囲気中、７００℃で６４時間アニールした。

実施例２ 前記鏡面シリコンウェハを１００％水素雰囲気中、１１
５０℃で１時間アニールした。この鏡面シリコンウェハ
を酸素雰囲気中、７００℃で３２時間アニールした。

実施例３ 前記鏡面シリコンウェハを１００％水素雰囲気中、１１
５０℃で１時間アニールした。この鏡面シリコンウェハ
を酸素雰囲気中、７００℃で１６時間アニールした。

実施例４ 前記鏡面シリコンウェハのうち初期酸素濃度［０目ｏ　
＝　１．７　ｘ　１０１０１７ａｔｏ　／　ａｎ　’の
ものを、１００％水素雰囲気中、１２００℃で１時間、
更に１００％窒素雰囲気中、１２００℃で３．５時間ア
ニールした。

この鏡面シリコンウェハを酸素雰囲気中、７００℃で１
２８時間アニールした。

実施例５ 前記鏡面シリコンウェハのうち初期酸素濃度［０１］ｏ
　−１，７Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ　／　ｃｍ　’のもの
を、１００％水素雰囲気中、１２００℃で４．５時間ア
ニールした。この鏡面シリコンウェハを酸素雰囲気中、
７００℃で１２８時間アニールした。

比較例１ 前記鏡面シリコンウェハに何ら熱処理を施さなかった。

比較例２ 前記鏡面シリコンウェハを酸素雰囲気中、７００℃で１
８時間アニールした。

比較例３ 前記鏡面シリコンウェハを１００％水素雰囲気中、１１
５０℃で１時間アニールした。

比較例４ 前記鏡面シリコンウェハのうち初期酸素濃度［ＯＩゴｏ
　−１，７Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ　／　ｃｍ　’のもの
を、１００％水素雰囲気中、１２００℃で１時間、更に
１００％窒素雰囲気中、１２０［）”Ｃで３．５時間ア
ニールした。

比較例５ 前記鏡面シリコンウェハのうち初期酸素濃度［Ｏｉ］ｏ
　＝　１．７　Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ　／　ａｓ　’の
ものを、１００％水素雰囲気中、１２００℃で４．５時
間アニールした。

実施例１．２、比較例１．３の鏡面シリコンウェハにつ
いて、デバイスプロセスにおける標準的な熱処理として
、酸素雰囲気中、８００℃で３時間熱処理し、更に酸素
雰囲気中、１０００℃で１６時間熱処理するという２段
階の酸化を行った。各場合について、シリコンウェハの
初期の酸素濃度と、酸素析出量との関係を第１図に示す
。なお、第１図中において、前記式を示す曲線を破線で
表示する。

第１図から明らかなように、実施例１．２及び比較例３
の熱処理を行った鏡面シリコンウェハでは、比較例１の
鏡面シリコンウェハ（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）と比較すると
、広い範囲の初期酸素濃度にわたって酸素析出量が少な
く、しかも酸素析出量のばらつきが小さいことがわかる
。また、実施例１と実施例２との比較から、第２段の低
温アニールの処理時間が長い場合には酸素析出量が多く
、処理時間が短い場合には酸素析出量が少ないことがわ
かる。このように、第２段の低温アニールの処理時間に
よって、酸素析出量を精密に制御することができる。

次に、実施例３、比較例１〜３の鏡面シリコンウェハに
ついて、それぞれＦｅでウェハ表面を汚染（Ｉ　Ｘ　１
０”ａｔｏｍｓ　／ｃｍ２）　した後、デバイスプロセ
スにおける標準的な熱処理として、酸素雰囲気中、８０
０℃で３時間熱処理し、更に酸素雰囲気中、１０００℃
で１８時間熱処理するという２段階の酸化を行った。そ
して、ＭＯＳ−τ測定により、ウェハ表面近傍における
キャリアのライフタイムを測定した。キャリアのライフ
タイムは、実施例３　　１６００　μｓ 比較例１１００μｓ 比較例２２００ｕｓ 比較例３４００μｓ という結果が得られた。

この結果から、実施例３の熱処理を行った場合には、良
好なゲッタリング効果が得られることがわかる。なお、
比較例３のように水素雰囲気でのアニールのみを行った
場合、第１図に示すように酸素析出量が少なくなるが、
酸素析出量が少なすぎて充分なゲッタリング効果が得ら
れない。

更に、実施例４．５、比較例１．４．５の鏡面シリコン
ウェハについて、デバイスプロセスにおける標準的な熱
・壊曹として、酸素雰囲気中、８００℃で３時間熱処理
し、更に酸素雰囲気中、１０００℃で１６時間熱処理す
るという２段階の酸化を行った。

各場合について、格子間酸素濃度（［０１］）を測定し
、ウェハをへき関し、へき開面におけるＢＭＤの析出を
観察した。

その結果、実施例４．５の鏡面シリコンウェハともに、
表面から３０ｕｍ程度の深さの無欠陥層（ｄｅｎｕｄｅ
ｄ　ｚｏｎｅｓ以下ＤＺ層と記す）が形成されており、
それより内部の領域には０Ｒ−４〜６×１０”ａｔｏｍ
ｓ　／　ｃｍ　’程度の酸素析出に相当するＢＭＤの析
出が観察された。これに対して、比較例１の鏡面シリコ
ンウェハでは、へき開面にＤＺ層は認められず、へき開
面全体にわたって０Ｒ−１２Ｘ　１０１０１７ａｔｏ　
／　ａｍ　’程度の酸素析出に相当するＢＭＤの析出が
観察された。また、比較例４．５の鏡面シリコンウェハ
では、へき開面にはＢＭＤの析出はほとんど観察されな
かった。

前記実施例４．５の鏡面シリコンウェハで観察されたＤ
Ｚ層は、水素雰囲気下での高温アニールによって形成さ
れるものであり、その深さは処理時間によって左右され
る。なお、５μｍ以上の深さのＤＺ層を形成するには、
少なくとも約１時間熱処理することが必要である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、初期の酸素濃度に
対応する酸素析出量が少なく、かつ酸素析出量のばらつ
きが小さいシリコンウェハを提供することができるので
、初期の酸素濃度が広い範囲にわたるシリコンウェハを
使用して所望の特性を有するデバイスを製造することが
できる。したがって、デバイスの歩留りを大幅に向上さ
せることができ、ひいてはコストを低減できるなどその
工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１．２及び比較例１．３の鏡面シリコン
ウェハについて、初期の酸素濃度と、デバイスプロセス
中での酸素析出量との関係を示す特性図である。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）デバイスプロセス中での標準的な熱処理を経た時
   の酸素析出量ＯＲが、次式 ＯＲ≦（［Ｏｉ］＿ｏ−［Ｏｉ］＿ｓ）［１−ｅｘｐ｛
   −ｋ＾ｎ（［Ｏｉ］＿ｏ−［Ｏｉ］＿ｓ）＾ｎ｝］（た
   だし、式中、 ［Ｏｉ］＿ｏは前記熱処理前におけるシリコンウェハ中
   の格子間酸素の濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３）、［Ｏｉ
   ］＿ｓはシリコンウェハ中の酸素の限界固溶濃度であり
   、４×１０＾１＾７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３）を用いた
   。 また、ｋ＝６．９４８８×１０＾−＾１＾９、ｎ＝１０
   ．１）の条件を満たすことを特徴とするシリコンウェハ
   。
2. （２）表面に５μｍ以上の深さの無欠陥層が存在し、そ
   れより内部に、デバイスプロセス中での標準的な熱処理
   を経た時の酸素析出量ＯＲが、次式ＯＲ≦（［Ｏｉ］＿
   ｏ−［Ｏｉ］＿ｓ）［１−ｅｘｐ｛−ｋ＾ｎ（［Ｏｉ］
   ＿ｏ−［Ｏｉ］＿ｓ）＾ｎ｝］（ただし、式中、 ［Ｏｉ］＿ｏは前記熱処理前におけるシリコンウェハ中
   の格子間酸素の濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３）、［Ｏｉ
   ］＿ｓはシリコンウェハ中の酸素の限界固溶濃度であり
   、４×１０＾１＾７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３）を用いた
   。 また、ｋ＝６．９４８８×１＾−＾１＾９、ｎ＝１０．
   １）の条件を満たす領域が存在することを特徴とするシ
   リコンウェハ。
3. （３）シリコンウェハを水素含有雰囲気中、４００〜１
   ３５０℃で１分〜４８時間熱処理する工程と、該シリコ
   ンウェハを４００〜９００℃で３０分〜６４時間熱処理
   する工程とを具備したことを特徴とするシリコンウェハ
   の熱処理方法。