JPS63239200A - シリコンウエ−ハ強化方法 - Google Patents

シリコンウエ−ハ強化方法

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JPS63239200A
JPS63239200A JP62073441A JP7344187A JPS63239200A JP S63239200 A JPS63239200 A JP S63239200A JP 62073441 A JP62073441 A JP 62073441A JP 7344187 A JP7344187 A JP 7344187A JP S63239200 A JPS63239200 A JP S63239200A
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wafer
silicon
gaseous
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Taizo Ito
伊藤　泰蔵
Tsumoru Masui
桝井　積
Kenji Araki
健司 荒木
Masahide Watanabe
渡辺　雅英
Takao Abe
孝夫 阿部
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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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、シリコンウェーハに窒素をドーピングするシ
リコンウェーハ強化方法に関する。
［従来の技術］ シリコンウェーハ表面にＬＳＩ等の回路素子を形成する
工程には、７００〜１２５０°Ｃ程度の高熱処理による
酸化・拡散工程がある。
この高熱処理を行うと、シリコンウェーハ内に熱応力が
生じて転位や欠陥が発生し、これによりシリコンウェー
ハ表面が反り、回路形成の露光工程におけるパターニン
グが不良になる。
そこで、シリコン単結晶製造工程において、窒素をドー
ピングし、窒素の固着作用によりシリコン単結晶を強化
して、熱応力による反りの防止を図っている。
この窒素ドーピングシリコン単結晶は、次のようにして
得られる。
すなわち、チコクラルスキー法（ＣＺ法）によりシリコ
ン単結晶を製造する場合には、高温多結晶シリコンに窒
素ガス又はアンモニア等の窒素化合物ガスを吹き付けて
、多結晶シリコン表面に窒化珪素（ｓ　ｉ、Ｎ　４）を
形成し、その後この多結晶シリコンを熔融して融液中に
窒素を溶解させ、種結晶を該溶液に接触させて引き上げ
る。
このようにして、窒素がドーピングされたシリコン単結
晶を得る（特開昭６０−２５１１９０号公報）。
また、７０−ディングゾーン法（ＦＺ法）によりシリコ
ン単結晶を製造する場合には、シリコン多結晶棒をアル
ゴンガス及び窒素ガスの雰囲気中に置き、高周波加熱に
より、フローティングゾーンを形成し、その融液中に窒
素を溶解させ、該ゾーンを移動させる。
このようにして、窒素がドーピングされたシリコン単結
晶を得る。
さらに、エピタキシャル成長法によりシリコン単結晶を
製造する場合には、加熱されたエピタキシャル成長炉内
に、シリコン化合物ガス、ドーパントガスを供給すると
ともに、水素ガス等のキャリアガス及び窒素ガスを供給
する。
このようにして、窒素がドーピングされたシリコン単結
晶を得る（特開昭６Ｏ−２４６２９７）。
［発明が解決しようとする問題点コ しかし、ＣＺ法では、窒素の偏析係数がｌｏ−３程度で
あるので、例えば固化率９０％でシリコン融液中の窒素
濃度が初期濃度の約１０倍にもなる。
したがって、針状の５ｉｓＮ＋が融液表面に析出してシ
リコン単結晶に転位が発生しないよう、融液に混合する
窒化珪素の量を押さえなければならず、該猶の調節が煩
雑である。そのうえ、この量制限により、長いシリコン
単結晶棒を得る場合には、シリコン単結晶の頭部側直胴
部にドーピングされる窒素の量が不充分となる。
また、ＦＺ法やエピタキシャル成長法においても、シリ
コン単結晶にドーピングされる窒素濃度が４．５ｘｌＯ
”原子／ｃｔｓ”以上になると、結晶に乱れが生ずるの
で、窒素供給量の調節が煩雑である。
さらに、例えばトレンチキャパシタを備えたＤＲＡＭを
製造する場合には、エツチングによるトレンチ（例えば
深さ５μｍ１孔径１μｍ）形成時に、トレンチ周辺に納
品歪が生ずることがあり、デバイスの高熱処理でこれが
欠陥や転位に拡大するが、単結晶成長時における窒素ド
ーピングでは該欠陥部や転位部を完全には補強すること
ができない。この欠陥や転位は、トレンチを深（し孔径
を小さくして集積度を上げるほど著しくなる。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、窒素ドーピングを
容易に行うことができ、そのうえ、単結晶シリコン成長
工程において発生する欠陥や転位のみならず集積回路素
子形成工程において発生する欠陥や転位をも補強するこ
とが可能なシリコンウェーハ強化方法を提供することに
ある。
［発明の背景］ 本発明は、次のような２つの発見に基づいて案出された
。
第４図には、シリコン単結晶内における拡散係数の線図
が示されている。横軸は絶対温度の逆数であり、縦軸は
拡散係数である。
直線（ア）は従来考えられていた窒素の拡散係数を示し
ており、直線（イ）で示される酸素の拡散係数よりも約
２桁小さい。したがって、従来では、窒素雰囲気中にシ
リコンウェーハを置いても、シリコンウェーハ内にはほ
とんど窒素がドーピングされないと考えられていた。
ところが、本発明者は、精密な実験により、意外にも窒
素の拡散係数が大きいことを発見した。
すなわち、直線（つ）は本発明者が実験により求めた窒
素の拡散係数であり、従来値よりなんと約５桁も大きく
、酸素より約３桁も大きいことを発見した。
一方、シリコンウェーハを窒素ガス又は窒素化合物ガス
のみの雰囲気で高熱処理すると、表面にＳｉ、Ｎ、膜が
生成され、表面が著しく荒れて集積回路の形成に好まし
くない。
ところが、この雰囲気ガス中に酸素ガスを加えるか、ま
たはシリコンウェーハ表面に予め５ｉｆｔ膜を形成した
後に高熱処理を行えば、表面状態を損わずに、シリコン
ウェーハ内への窒素のドーピングを容易に行うことがで
きることを発見した。
このような事実の発見に基づいて本発明が案出された。
［問題点を解決するための手段ｊ 本第１発明に係るシリコンウェーハ強化方法では、窒素
ガス又は窒素化合物ガス、及び酸素ガスの流れの中で、
結晶表面の一部または全部が露出したシリコンウェーハ
を高熱処理して、該シリコンウェーハに酸化珪素膜を形
成させるとともに、該酸化珪素膜を通し、該シリコンウ
ェーハ内に窒素をドーピングすることを特徴としている
。
また、本第２発明に係るシリコンウェーハ強化方法では
、窒素ガス又は窒素化合物ガスの流れの中で、表面に酸
化珪素膜が形成されたシリコンウェーハを高熱処理する
ことにより、該シリコンウェーハ内に窒素をドーピング
することを特徴としている。
［実施例］ 図面に基づいて本発明の詳細な説明する。第重図には、
シリコンウェーハへの窒素ドーピング装置が示されてい
る。
石英ボートｌＯの上面には複数の平行な溝が刻設されて
おり、谷溝にシリコンウェーハ１２の下端部が係合され
ている。石英ボートＩＯ、シリコンウェーハ１２は、こ
の状態で、窒素ドーピング炉１４の左端開口から挿入さ
れる。この開口は、キャップ１６により閉じられる。
窒素ドーピング炉１４は均熱管Ｉ８内に挿入されており
、この均熱管１８の外周面には電熱線２０が巻回されて
いる。
窒素ドーピング炉１４の右端には入口管２２が接続され
、人口管２２には流量調節弁２３が介装されており、流
量調節弁２３、入口管２２を通って窒素ドーピング炉１
４内へ酸素ガスが供給される。また、この入口管２２に
は、入口管２４が分岐され、人口管２４には開閉弁２６
が介装されており、開閉弁２６、入口管２４．２２を通
って窒素ドーピング炉Ｉ４内へ窒素ガスが供給される。
これら酸素ガス及び窒素ガスは、窒素ドーピング炉１４
内の雰囲気を形成し、その後、窒素ドーピング炉１４の
左端側上部に接続された出口管２８を通って外部へ放出
される。
ここで、シリコンウェーハ１２は、トレンチキャパシタ
を備えたＤＲＡＭ製造用であり、シリコンウェーハ！２
の表面３０には、第２図に示すような、３次元微小構造
部としてのトレンチ３２が形成されている。このトレン
チ３２は、フォトレジストをマスクとして、ＣＣｌ２４
ガスを用いたドライエツチングにより形成される。トレ
ンチ３２の孔径は、例えば１μｍであり、深さは、例え
ば５μｍである。トレンチ３２の内壁面は、シリコン単
結晶面が露出している。
トレンチ３２の側壁周辺部、例えば第２図中Ｘ印部分に
は、このドライエツチングにより、結晶歪が発生する。
また、単結晶成長時に形成された欠陥や転位が既に存在
している。このため、７００〜１２５０°Ｃ程度の熱処
理を行うと、熱応力によりこの結晶歪が拡大して欠陥や
転位となり、また、表面３０が反る原因となる。したが
って、トレンチ３２の孔径を小さくシトレンチ３２を深
くして集積度を上げるには限度がある。
次に、上記の如く構成された本実施例の動作を説明する
。
第１図に示す状態で、ヒータ２０を通電し、窒素ドーピ
ング炉１４内を６００〜１３００°Ｃ１好ましくは約１
０００°Ｃにする。また、流量調節弁２３、開閉弁２６
を開いて、シリコンウェーハ１２、窒素ドーピング炉１
４内へ酸素ガス及び窒素ガスを供給する。
窒素ドーピング炉Ｉ４内の酸素濃度は、窒素ドーピング
炉Ｉ４内の温度、窒素ドーピング炉１４内への酸素ガス
供給時間及びトレンチ３２の内壁面に形成しようとする
ＳｉＯｘ膜の膜厚による。この酸素濃度に応じて流量調
節弁２３の開度を調節する。
また、窒素ドーピング炉１４内の窒素濃度は、窒素ドー
ピング炉１４内の温度、窒素ドーピング炉１４内への窒
素ガス供給時間、前記５ｉｄｅ膜の膜厚及び膜質による
が、シリコン単結晶成長時に窒素をドーピングする場合
と異なり、上限濃度の制限がない。したがって、開閉弁
２６を単に開状態にすればよく、流ｆｆｉ調節弁を用い
て弁開度を調節する必要がない。窒素ガスの供給流量は
、前記条件に応じて異なるが、一般的な大きさの炉を用
いた場合、通常、１〜２０　Ｑ／ｓｉｎ程度である。ま
た、窒素ガス供給時間は、前記条件及び窒素ガス供給流
量に応じて異なるが、１分〜ｌＯ時間程度である。
シリコンウェーハ１２のトレンチ３２の内壁にはＳｉ０
ｇ膜が形成され、窒素はこの膜を透過してシリコンウェ
ーハ内へ侵入し、欠陥や転位の部分でトラップされ、固
着作用により補強される。このトラップは、５ｉｓＮ４
が形成されることによるものと考えられる。補強の結果
、その後熱処理によりシリコンウェーハが反るのを防止
できる。
トラップされなかった窒素の１部はシリコンウェーハ１
２内に均一に分布する。
窒素ガス及び酸素ガスは、シリコンウェー／％　１２の
表面が重金属等により汚されるのを防止するために、窒
素ドーピング炉１４を通って出口管２８から放出される
。
なお、弁の開操作については、５ｌｎＮ４膜が先に形さ
れないよう流量調節弁２６を開閉弁２３よりも先に開に
すればよく、弁の閉操作については、流ｆｆｉ調節弁２
６、開閉弁２３のいずれを先に閉にしてもよい。
次に、第３図に基づいて本発明の第２実施例を説明する
。
Ｎ型のシリコンウェーハ１２の表面には集積回路素子が
形成されている。すなわち、シリコンウェーハ１２のパ
ターニングされた部分にホウ素が熱拡散されてＰ°層が
形成され、高温の酸素ガス雰囲気中でシリコンウェーハ
１２の表面に５ｉｆｔ膜が形成され、２０層の上面の１
部のＳｉ０ｇ膜が開孔され、この間孔部分にＡＱが蒸着
されている。
Ａｌ１の付近のＰ°層（接合面付近）及びＰ°層付近の
Ｎ型基板（接合面付近）には、欠陥や転位が発生し易く
、さらにこれが熱処理によって拡大し易い。そこで、こ
の回路素子が形成されたシリコンウェーハ１２に対し、
上記第１実施例と同様にして窒素ドーピングを行う。た
だし、本第２実施例では、シリコンウェーハ１２の表面
に既に５ｉｆｔ膜が形成されているので、窒素ガスのみ
を窒素ドーピング炉Ｉ４内へ供給すればよい。この場合
、窒素は上記接合面付近にも拡散される。
なを、上記第１実施例では、シリコンウェーハ１２の表
面３０にトレンチ３２を形成した場合を説明したが、シ
リコンウェーハ１２の表面３０に浅い凹部が形成されて
いる場合であってもよい。
また、上記各実施例において、窒素ガスの代わりに、ア
ンモニアのような窒素化合物ガスを用いてもよい。
さらに、ＳｉＯｘ膜は、熱酸化膜に限られず、ＣＶＤに
よる酸化膜であってもよく、また、フィールド酸化膜、
ゲート酸化膜のいずれであってもよいことは勿論である
。
また、シリコンウェーハ表面に５ｉｓＮ＋膜が形成させ
ていても、極めて薄い膜であれば、この膜を通して窒素
をドーピングすることができ、本発明はこのような場合
も含まれる。
［発明の効果］ 本発明によれば、シリコンウェーハ形成後に窒素をドー
ピングするようになっており、雰囲気の窒素濃度が過大
であってもこれにより結晶に転位が生ずることがないの
で、容易に窒素をドーピングできるという優れた効果が
ある。
加えて、シリコン単結晶内における窒素の拡散速度が比
較的大きいので、短時間で窒素をドーピングできるとい
゛う優れた効果もある。
そのうえ、シリコン単結晶成長時に発生した欠陥や転位
のみならず、シリコンウェーハ形成後に生じた欠陥や転
位に対しても、窒素の固着作用によりこの部分を補強で
きるという優れた効果もある。
さらに、窒素ドーピング後に熱処理を行っても、窒素の
固着作用により、シリコンウェーハ内にドーピングされ
ている酸素濃度の分布が変化し難くなり、該分布が安定
するという効果もある。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は本発明の第１実施例に係り、第１図
は窒素ドーピング装置の要部概略構成図、第２図はシリ
コンウェーハ１２の表面に形成されたトレンチを示す拡
大断面図である。第３図は本発明の第２実施例に係り、
表面に集積回路素子が形成されたシリコンウェーハの部
分断面図である。 第４図はシリコン単結晶内の窒素及び酸素の拡散係数を
示す線図である。 ｌＯ：石英ボート １２：シリコンウェーハ １４；窒素ドーピング炉 １６：キャップ １８：均熱管 ２０：ヒータ ２３：流量調節弁 ２６；開閉弁 ３２ニドレンチ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）窒素ガス又は窒素化合物ガス、及び酸素ガスの流
    れの中で、結晶表面の一部または全部が露出したシリコ
    ンウェーハを高熱処理して、該シリコンウェーハに酸化
    珪素膜を形成させるとともに、該酸化珪素膜を通し、該
    シリコンウェーハ内に窒素をドーピングすることを特徴
    とするシリコンウェーハ強化方法。
  2. （２）前記シリコンウェーハは、その活性領域に、集積
    回路素子を構成する各種接合面が形成されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシリコンウェー
    ハ強化方法。
  3. （３）前記シリコンウェーハは、その活性領域に、集積
    回路素子を構成する表面平坦部または３次元微小構造部
    が形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載のシリコンウェーハ強化方法。
  4. （４）窒素ガス又は窒素化合物ガスの流れの中で、表面
    に酸化珪素膜が形成されたシリコンウェーハを高熱処理
    することにより、該シリコンウェーハ内に窒素をドーピ
    ングすることを特徴とするシリコンウェーハ強化方法。
  5. （５）前記シリコンウェーハは、その活性領域に、集積
    回路素子を構成する各種接合面が形成されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第４項記載のシリコンウェー
    ハ強化方法。
  6. （６）前記シリコンウェーハは、その活性領域に、集積
    回路素子を構成する表面平坦部または３次元微小構造部
    が形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第４
    項記載のシリコンウェーハ強化方法。
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