JPS59190300A - 半導体製造方法および装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は半導体製造技術、特に微小欠陥の少ない半導体
材料をｆＵることのできる半導体製造技術に関する。

［背景技術１ 一般に、たとえばシリコン（Ｓｉ）の結晶製造の如き半
導体製造過程においては、酸素ドナー解を肖のノこめの
インゴットアニール（６００〜６５０’ｃ）か行われろ
ことがある。一般には、φ１００鰭結晶以下は第１図に
示すようなインゴットアニール法が、φ１．２５　ａｍ
以上の結晶では第２図に示すようなウェハアニール法が
採用されている。

単結晶インゴットの直径が大きくなると、熱容量が人き
（なり急冷によってクラックが生し易く、現在ψ１２５
１ｍ以上の結晶のアニールはウェハ状態で行われている
。このアニールは酸素トナーを消去し、インゴットの長
さ方向ならびに断面内の抵抗率のばらつきを低減するこ
とを目的としており、微小欠陥の成長については核形成
を促進する方向にある。

ところで、現在使用されている半導体デバイスの王流祠
料はシリコン結晶であり、その育成法としてはチョクラ
ルスキー法（ＣＺ法、引上法）とフ１：１−ティングゾ
ーン法（ＦＺ法、帯溶融精製法）がある。現在ＬＳＩを
中心とするシリコンデバイスに使う大部分のウェハはＣ
Ｚ法によって育成している。

ＣＺ法は、石英るつぼ内で多結晶シリコンを溶融し、メ
ル［・に浸した種結晶とるつぼを相対的に回転させなが
ら種結晶を引き上げて結晶を育成する。ＣＺ法で育成さ
れる結晶では、育成中の固液界面での温度のゆらぎある
いは成長後の炉内熱輻射の違いによって単結晶インゴッ
トの各部分で微小欠陥（酸素の析出）の核形成が変わっ
てくる。

また、核形成速度は酸素濃度の違いによっても差か生ず
る。

したがって、一つのインゴットからスライスして作られ
るウェハのバルク品質にばばらつきの要素がある。たと
えば、酸素が析出し易い結晶では微小欠陥密度が高い。

微小欠陥は転位発生中心となるので、スリップの発生ず
る臨界応力が低下する。したがって、微小欠陥密度の高
いウェハ程ＬＳＩプロセスでの熱処理のさいスリップや
そりが発生し易（、フォトリングラフィ工程でのマスク
の転写精度を低下せしめる。一方、導入された熱応力転
位はデバイス特性′を劣化し、歩留り低下の原因となっ
ている。

近年、デバイスの高集積化、高性能化が著しく進展し、
微小欠陥に起因した結晶欠陥制御の問題はプがセス面で
の最大関心事の一つになっている。

固体撮像素子では結晶欠陥の存在が画像に白点不良をも
たらし、歩留り低下の最大の原因となっている。

第３図はＣＭＯ３５μｍプロセスで実装して得られたφ
１００ウェハのそりと微小欠陥密度の関係である。、微
小欠陥密度が高い程そり量が大きくなっていることがわ
かる。第３図はＮ２アニール工程完で抜き取ったウェハ
のそりを測定している。

微小欠陥密度は１０００℃で１．６．１１９間酸化後、
４０μｍ深さで測定した値である。

参考のため強制熱処理シミュレーションで得たそりと微
小欠陥密度の相関を実験結果として第４図と第５図に示
す。

このそり評価実験は２段の強制熱処理を行うもので、こ
のそり評価に用いた熱処理炉の石英管の内１イは１５０
關であり、２段の強制熱処理（１）、（１１）は次の条
件で行われた。

強制熱処理（１） １０００℃、２０ｍ１ｎ（保持） ウェハ間隔：５ＩＩ１１ 出入れ速度＋　２０　ｃｍ　／ｍｉｎ 強制熱処理（ＩＩ） １０００℃、２０ｍ１ｎ（保持） ウェハ間隔＝５１ 出入れ速度：　３５　ｃｍ／ｍｉｎ なお、この実験でば各熱処理のそり量からウェハの初期
そりを差し引いているので、そりは強制熱処理で塑性変
形した正味の値を示している。

８００°Ｃ−１０００°Ｃの２段熱処理を行えば、微小
欠陥密度が高（なり、そり易くなる。

第４図と第５図の破線は育成条件の異なるインゴットか
ら採取した比較ウェハで得た結果である。

これらの結果は、たとえば結晶中の酸素濃度の値が変わ
れば、微小欠陥の核形成、成長が異なり、スリップの発
生し易さか違うことを示している。

このように、熱応力によるそりは単結晶の品質、特に酸
素の析出状態（微小欠陥密度）に強く依存する。

第３図でそりが〜７０μｍを越せばＣＭＯ３の５μｍプ
ロセスでもフォｌ−エノチング工程での転写精度が悪く
なり、素子歩留りが悪化することが知られている。今後
、高集積化が進むにつれて、そりをもっと小さくする必
要が生している。

このような要求を満足させるため素子プロセス面では熱
処理のさい炉熱炉冷（Ｒａｍｐｉｎｇ）が徹底されつつ
ある。一方、８００〜９００°ＣからＲａｍｐｉｎｇを
行えば酸素析出の核が生し易く、微小欠陥が成長し易く
なるため結晶の強度は低下する。したかって、熱処理に
も酸素が析出しにくい、すなわち微小欠陥の核の少ない
、均質な結晶に対する要求が強くびっでいる。

［発明の目的］ 本発明の目的は、半導体材料における微小欠陥の核を減
少させることのできる半導体製造技術を提供するごとに
ある。

本発明の他の目的は、半導体材料の結晶にクラックか発
生ずることを防止できる半導体製造技術を提供すること
にある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添イ」図面から明らかになるであろ
う。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

ずなわぢ、半導体材料のインゴットを輻射熱で加熱した
後、所定温度まで急冷し、その所定温度に所定時間保持
することにより、微小欠陥の核（酸素析出の核）の形成
を防止し、またインゴットにクラックが発生することを
防止することができる。

［実施例コ 第６図は本発明による半導体製造装置の一実施例を示す
概略断面図である。

本実施例においては、アニール用のメ１１９処理炉は透
明な石英へルシャ−１で構成された縦型炉構造であり、
石英へルジャ−１の頂ｇ１うには蓋２が設けられている
。

この石英へルジャ−１の中には、ガス導入口３から非酸
化性の雰囲気ガス４、たとえは窒素またはアルゴンガス
等の不活性ガスが供給されている。

一方、前記石英へルジャ−１の内部にば、たとえばシリ
コ゛ンめ単結晶よりなるインゴット５が装入され、この
インゴット５は石英へルジャ−１の上刃においてチャッ
ク７で固定され、０〜３０ｒ。

ｐ、ｍ、の速度で回転可能に支持されている。本実施例
のインプラ１−５は上部に種結晶５ａが残されたままで
あり、種結晶５ａは育成された・インゴット５から切り
離されておらず、本実施例の１つの特徴とな９ている。

また、本実施例の装置では、アニール用の加熱源として
輻射熱源か使用されており、この輻射熱源は赤外線ラン
プ６よりなる。赤外線ランプ６は石莢ヘルシャ−１の外
周側に配置されており、その電源をＯＮ、ＯＦＦさせる
ことによってインプラ１−５を非接触で加熱してアニー
ルし、また急冷することかできる。

次に、本実施例によりシリコンの単結晶のイン二ｌ゛ノ
ドをアニールする場合の作用について説明する。

まず、第６図に示すように石英へルシャー１内に非接触
状態で支持したインゴット５を図示しない回転手段で回
転させなから、赤外線ランプ６がらの赤外線６ａにより
インプラｌ−５をたとえば１２００〜」３５０°Ｃに加
熱し、数時間保持し、アニールする。アニール温度果を
上げるためには加熱＃＋！１度は高い方が望ましい。

第７図にば、１２００°Ｃと］　３５０　’ｃの２つの
アニール’ｌＸＡ度でアニールする場合の例を示してい
る。

これらのアニール温度で所定時間のアニールを行った後
、赤外線ランプ６の出力を落とし、急冷する。この急冷
の際の温度プログラムは第７図に示されている。

第７図の温度プログラムでは、まず最初には１０〜１５
°Ｃ／ｍｉｎの冷却速度で冷却し、次に約】１００°Ｃ
から３００℃まで２５〜１００°Ｃ／ｍｉｎの冷却速度
で急冷することにより二段階の冷却速度での急冷が行わ
れる。

この急冷操作において、１１００℃〜６５０　′ｃでは
インゴット５における微小欠陥の核の再形成を抑ルｊｉ
ｌ］　シ、６５０°Ｃ〜４００℃では酸素ドナーの再形
成を抑制するという作用効果が得られる。

また、３００　’Ｃで一時保持しているのは、急冷の際
に生しる熱歪でインゴット５にクランクが発生ずるのを
防止するためである。

なお、３００℃以下は所定時間後にさらに急冷を行うこ
とができ、その場合の冷却速度は前記した２段階の急冷
時とは異なる冷却速度にすることができる。

本実施例によれば、非接触状態でシリコン単結晶インゴ
ノ１−５を高温アニールできるので、汚染を心配するこ
となく単結晶育成中および炉内熱履歴によって作られた
微小欠陥の核（酸素析出の核）を固溶せしめることがで
きる。また、赤外線ランプ６による輻射加熱方式のため
通電の抵抗加熱式に比較して結晶を急冷することが可能
である。

したがって、冷却中過飽和な酸素が集合し微小欠陥の核
となる過程を抑制できる。このような単結晶インゴット
５からスライスしてミラー加工したシリコンウェハは、
ＬＳＩのプロセスでも酸素の析出が起こりにくく、した
がって微小な転位ループや、酸化誘起′ＭＪ層欠陥の発
生が極めて少ない。

現在、単結晶評価法としてバルク内の微小欠陥密度を調
べる方法が用いられている。この方法では、ウェハを１
０００°Ｃで１０数時間酸化し、表面を〜４０μｍ鏡面
研磨した後、ライト（Ｗｒｉｇｈｔ）エッチ液で５分間
エツチングする。規定の場所の欠陥数を求め体積密度（
個／ｃＩｌｉ）に換算する。

この方法によれば、一般の結晶のレベルは１０７〜１０
８個／　ｃｆにあるのに対し、本実施例の方法（ウェハ
アニールの実験結果）では１０５個／Ｃ＋１！以下のレ
ベルを実現している。ＬＳＩプロセスの低温化が進めら
れつつある現在、結晶はまずます厳しい条件で使われる
ことになり、そのためには、本実施例は極めて有用であ
る。

［〃ｌ果］ （１）１本発明によりアニールされたインゴットには微
小欠陥の核（酸素析出の核）が非密に少なく、良好な特
性の半導体素子を歩留り良く得ることができる。

（２）、インゴットをアニール後に所定温度まで急冷し
、その所定温度に所定時間保持することにより、インゴ
ットのクランクの発生を防止することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例にもとづき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることばいうまでもない。

たとえば、インゴットの急冷の速度はアニール２’＋７
を度や半導体（Ａ料の種類等に応じて様々に変える、二
とができる。

また、インゴットに対してだけでなくスライスしたウェ
ハに本発明の方法を適用できる。

ざらに、輻射熱源としても赤外線ランプ以外に１）°Ｇ
周＄、フィル等を利用することもできる。

「利用分野」 以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野であるシリコン７ｉ：Ｂ結
晶インゴ／１・のアニールに適用した場合について説明
したが、それに限定されるものではなく、ノことえは、
ガリウム−砒素（Ｇａ−Ａｓ）、ガリウム−リン（Ｇａ
−Ｐ）等のＩｌｌ　−Ｖ族化合物半導体あるいはｎ−ｖ
ｒ族化合物半導体等にも適用できる。その場合のアニー
ル温度はたとえば０．８５Ｔｋ〜（１，９ｓｒｋ＜ｒｋ
：？Ｍ！点、ただし絶対温度表示）にするのが望ましい
。

【図面の簡単な説明】

第１図はインゴットアニール法の諸工程を示す図、 第２図はウェハアニール法の諸工程を示す図、第３図ば
Ｎ２アニール後のウェハのそりと微小欠陥密度との関係
を示す図、 第４図は強制熱処理によるウェハのそりと微小欠陥密度
の関係を示す図、 第５図も同様に別の強制熱処理によるウエノ＼のそりと
微小欠陥密度との関係を示す図、第６図は本発明による
半導体製造装置の一実施例を示ずＮ断面図、 第７図は本発明におけるアニールおよび急冷の温度プロ
グラムを示す図である。 １・・・石英ペルジャー（炉ン、２・・・蓋、３・・・
ガス導入口、４・・・雰囲気ガス、５・・・インゴ、・
１・、５ａ・・・種結晶、６・・・赤外線ランプ（輻射
熱源）、、６ａ・・・赤外線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ］、半導体材料を冊温でアニールする半導体製造方法に
   おいて、半導体材料のインゴットを輻射熱で加熱してア
   ニールした後、所定温度まで急冷し、その所定温度に所
   定時間保持することを特徴とする半導体製造方法。 ２、急冷はインゴットの温度に応じて複数段の異４Ｓ′
   る冷却速度で行われることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体製造方法。 ３、半導体材料を高温でアニールする半導体製造装置に
   おいて、半導体材料のインプラ１へを炉内に非接触状態
   で保持すると共に、インプラ１−を輻射状態で加熱する
   輻射熱源を設けたことを特徴とする１鍾り体製造装置。 ４　、（’ｒｌｉ躬熱源が赤外線ランプよりなることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の半導体製造装置
   。