WO2002045149A1 - Procede de fabrication de tranche de silicium et tranche de silicium - Google Patents

Procede de fabrication de tranche de silicium et tranche de silicium Download PDF

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WO2002045149A1
WO2002045149A1 PCT/JP2001/010385 JP0110385W WO0245149A1 WO 2002045149 A1 WO2002045149 A1 WO 2002045149A1 JP 0110385 W JP0110385 W JP 0110385W WO 0245149 A1 WO0245149 A1 WO 0245149A1
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silicon wafer
heat treatment
silicon
producing
temperature
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Inventor
Yoshinobu Nakada
Hiroyuki Shiraki
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Sumitomo Mitsubishi Silicon Corporation
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    • H01L21/3221—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to modify their internal properties, e.g. to produce internal imperfections of silicon bodies, e.g. for gettering
    • H01L21/3225—Thermally inducing defects using oxygen present in the silicon body for intrinsic gettering

Definitions

  • the present invention provides a method of manufacturing a silicon wafer in which silicon wafers are heat-treated in an atmosphere gas to form pores therein, and further heat-treated to form a DZ (Denuded Zone) layer in a surface layer, and a method of manufacturing the silicon wafer.
  • DZ Denuded Zone
  • Silicon wafers manufactured by processing silicon single crystals grown by the CZ (Chiyoklarsky) method contain a large amount of oxygen impurities, which are oxygen precipitates that cause dislocations and defects. (BMD: Bulk Micro Defect). If this oxygen precipitate is on the surface where the device is formed, it causes a large increase in leakage current and a decrease in oxide film withstand voltage, which has a large effect on the characteristics of the semiconductor device.
  • the silicon wafer surface has been subjected to rapid thermal annealing (RTA) at a high temperature of more than 125 ° C for a short time in a predetermined atmosphere gas.
  • RTA rapid thermal annealing
  • a high-concentration thermal equilibrium atomic vacancy (Vacancy: hereinafter simply referred to as a vacancy) is formed inside, frozen by quenching, and the DZ layer is formed by outward diffusion of the vacancy on the surface by a subsequent heat treatment.
  • a defect-free layer is formed uniformly (for example, a technique described in International Publication WO 98/38675).
  • a heat treatment is performed at a temperature lower than the above temperature to form and stabilize oxygen precipitation nuclei as an internal defect layer to form a BMD layer having a gettering effect. Have been.
  • a heat treatment is first performed in an oxygen atmosphere, and then a heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere to obtain a surface layer. DZ and BMD formation inside.
  • N 2 nitrogen
  • S i x N y silicon
  • the surface is covered with an oxide film and heat treatment is performed in an atmosphere gas mainly composed of N 2 .
  • heat treatment is performed in an atmosphere gas mainly composed of N 2 .
  • Heat treatment at 125 ° C. or more and 10 sec or more was required.
  • the silicon wafer has a disadvantage that a high-temperature heat treatment causes a slip from a portion that comes into contact with a susceptor or a support pin, thereby causing a crack or the like.
  • the silicon wafer surface before the heat treatment is oxidized to a considerable extent to form a natural oxide film.However, since the heat treatment is performed, the natural oxide film on the surface is sublimated at a high temperature, and the surface is roughened. There was an inconvenience. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a method of manufacturing a silicon wafer capable of suppressing the occurrence of slip by reducing the temperature or shortening the heat treatment and obtaining a good surface roughness.
  • the purpose is to provide silicon wafers.
  • the production method of the present onset Ming Shirikonuweha has a heat treatment step of forming a new vacancies therein by heat-treating silicon ⁇ er c in an atmospheric gas, the atmospheric gas of the heat treatment step, N 2 is It is characterized by containing a nitriding gas having a decomposition temperature lower than the decomposable temperature.
  • N 2 is decomposed possible nitriding gas decomposition temperature lower than the temperature, for example NH 3, NO, N 2 0 , N 2 0 2, hydrazine Or dimethylhydrazine, etc.
  • the nitriding gas is decomposed even at a lower heat treatment temperature or shorter than N 2 , and the heat treatment time, nitriding the silicon wafer surface (forming a nitride film) and injecting holes into the interior Can be pickled during heat treatment Can be suppressed.
  • the nitriding gas contains NH 3 (ammonia).
  • H hydrogen
  • NH 3 ammonia
  • H hydrogen
  • NH 3 has an effect of nitriding an oxide film, and promotes the injection of vacancies. Note that the cleaning effect of NH 3 is due to the reducibility of hydrogen, and is different from simple evaporation (sublimation) at a high temperature of the natural oxide film.
  • the concentration of NH 3 in the nitriding gas is 0.5% or more or the flow rate of NH 3 is 10 sccm or more.
  • the concentration of NH 3 in the nitriding gas is set to 0.5% or more or the flow rate of NH 3 is set to 10 sccm or more. If the nitriding gas under these conditions is included, the thickness of the nitride film formed on the wafer surface is the same, and uniform hole injection can be performed in the wafer surface.
  • the nitriding gas is turned into plasma. That is, in this method of manufacturing a silicon wafer, since the nitriding gas is turned into plasma, it becomes an activated nitriding gas, which further promotes nitriding of the surface and injection of vacancies.
  • the heat treatment may be performed at a temperature of 900 ° C. to 1200 ° C., and the heat treatment may be performed for 60 sec (second) or less. preferable. That is, in the method of manufacturing a silicon wafer, when the heat treatment temperature and the heat treatment time are in the above ranges, it is possible to suppress the generation of the slip, sufficiently inject the holes, and obtain an appropriate amount of the BMD layer. In addition, as described later, since the heat treatment is performed at a temperature of 1200 ° C or less, the interstitial Si formed in the crystal is small, and the vacancies injected by the nitride film on the surface disappear with the interstitial Si. The injection efficiency can be increased.
  • the method for manufacturing a silicon wafer according to the present invention may further include: It is preferable to have an oxide film removing step of removing or thinning the oxide film on the surface of the reactor. That is, since the silicon wafer manufacturing method includes an oxide film removing step of removing or thinning an oxide film on the silicon wafer surface before the heat treatment step, the oxide film such as a natural oxide film on the wafer surface is completely removed. RTA treatment is performed in a state where it is removed or almost removed, so that nitridation of the wafer surface and injection of holes by the nitriding gas are prevented from being hindered by the oxide film, and effective hole injection can be performed. Become.
  • the oxide film removing step when the atmosphere gas contains NH 3 , at least the oxide film is removed until the film thickness becomes less than 2 nm. .
  • the present inventors have found that when an oxide film is formed on a surface of 2 nm or more, the above heat treatment conditions (the heat treatment temperature is from 900 ° C. to 120 ° C.) Yes, the heat treatment time is less than 60 sec (seconds)), the oxide film cannot be completely removed or the oxynitride film cannot be sufficiently formed, and the vacancy injection effect by the above-mentioned nitriding gas can be obtained in + minutes. I can't do that.
  • the oxide film removing step when the atmosphere gas contains NH 3 , at least the oxide film is removed until the film thickness becomes less than 2 nm.
  • the oxide film can be sufficiently converted into an oxynitride film, and the effect of sufficiently injecting holes can be obtained.
  • the silicon wafer in the heat treatment step, is placed in a reaction chamber where the heat treatment is performed, and a purge treatment for removing oxygen contained in an atmosphere gas in the reaction chamber is performed. It is preferable that the atmosphere gas containing the nitriding gas is supplied into the reaction chamber after the above.
  • an atmosphere gas containing a nitriding gas is supplied into the reaction chamber after performing a purge process for removing oxygen contained in the atmosphere gas in the reaction chamber. Since the gas does not contain oxygen, it is possible to prevent the vacancy injection effect from being suppressed by surface oxidation.
  • the silicon wafer is heat-treated at a lower temperature than the heat treatment step to form a defect-free layer on a surface layer and to precipitate oxygen in internal pores. It is characterized by having a process. That is, in this method of manufacturing a silicon wafer, after the heat treatment step, the silicon wafer is heat-treated at a temperature lower than that of the heat treatment step to form a defect-free layer on the surface layer and to precipitate oxygen in internal pores. Since the method includes the steps, it is possible to manufacture a high-performance silicon wafer having a DZ layer suitable for device formation on its surface and a high BMD density region having a proximity gettering effect therein.
  • the silicon wafer of the present invention is a silicon wafer in which holes are newly formed by heat treatment, and is characterized by being produced by the method of manufacturing a silicon wafer of the present invention. That is, since the silicon wafer is manufactured by the above-described method for manufacturing a silicon wafer according to the present invention, the occurrence of slip is suppressed, and the DZ layer sufficient for the surface layer and a moderately high level inside the silicon wafer are obtained by the subsequent heat treatment. High quality wafers with BMD density can be obtained.
  • the silicon wafer of the present invention is a silicon wafer in which holes are newly formed by heat treatment, and has a silicon oxynitride film whose surface is nitrided during the heat treatment.
  • this silicon layer: n-c the silicon oxynitride film whose surface was nitrided during the heat treatment, that is, the silicon oxide film such as the natural oxide film on the surface during the heat treatment and the nitridation without evaporating oxygen were formed. Since it has a silicon oxynitride film, it has good surface roughness in which vacancies are injected into the inside due to nitridation of the surface and the surface roughness is suppressed.
  • this silicon wafer is further subjected to a heat treatment for oxygen precipitation, it is possible to obtain a wafer having a BMD layer having a high BMD density inside and a DZ layer having a good surface roughness on the surface layer. Can be.
  • FIG. 1 is a schematic overall cross-sectional view showing a heat treatment furnace in a silicon wafer manufacturing method and a silicon wafer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a graph showing a time chart of a heat treatment temperature and a gas flow rate (slm) in a silicon wafer manufacturing method and a silicon wafer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a graph showing a time chart of a heat treatment temperature and a gas flow rate (slm) in a silicon wafer manufacturing method and a silicon wafer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view showing the wafer after the RTA process and after the heat treatment for oxygen precipitation in one embodiment of the silicon wafer manufacturing method and the silicon wafer according to the present invention.
  • FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view showing the silicon wafer production method and the silicon wafer according to the embodiment of the invention after the RTA treatment and after the heat treatment for oxygen precipitation in the embodiment.
  • FIG. 4A shows a method of manufacturing a silicon wafer according to the present invention and an embodiment of the silicon wafer, before and after RTA treatment when a silicon oxynitride film is formed on the surface and after heat treatment for oxygen precipitation. It is an expanded sectional view showing a wafer.
  • FIG. 4B shows the wafer before and after RTA treatment when a silicon oxynitride film is formed on the surface and after the heat treatment for oxygen precipitation in one embodiment of the method for producing a silicon wafer and the silicon wafer according to the present invention. It is an expanded sectional view.
  • FIG. 4A shows a method of manufacturing a silicon wafer according to the present invention and an embodiment of the silicon wafer, before and after RTA treatment when a silicon oxynitride film is formed on the surface and after heat treatment for oxygen precipitation. It is an expanded sectional view.
  • FIG. 4A shows a method of manufacturing a silicon wafer according to the present invention and an embodiment of the silicon wafer, before and after RTA treatment when
  • FIG. 4C shows a heat treatment for oxygen deposition before and after RTA treatment when a silicon oxynitride film is formed on the surface in one embodiment of the silicon wafer production method and the silicon wafer according to the present invention. It is an expanded sectional view which shows a wafer later.
  • Figure 5 shows that, based on the Bornkov theory, a vacancy-rich ingot is formed when the V / G ratio is above the critical point, an interstitial silicon-rich ingot is formed when the VZG ratio is below the critical point, and the perfect region is It is a figure which shows that it is more than 1 critical ratio ((VZG),) and below 2nd critical ratio ((V / G) 2 ).
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the BMD density in the method for manufacturing a silicon wafer and the embodiment of the silicon wafer according to the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the DZ width in the embodiment of the silicon wafer manufacturing method and the silicon wafer according to the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the BMD density when the heat treatment temperature in the embodiment of the silicon wafer manufacturing method and the silicon wafer according to the present invention is 110 ° C. and 115 ° C. It is a graph which shows a relationship.
  • FIG. 9 is a graph showing a slip length in the method for manufacturing a silicon wafer according to the present invention, a conventional example of the silicon wafer, and an example in which the heat treatment temperature was changed.
  • FIG. 1OA is a graph showing analysis results by measuring element distribution in a depth direction from a surface in a method for manufacturing a silicon wafer according to the present invention, a conventional example of a silicon wafer, and an example in which a silicon oxynitride film is formed. .
  • FIG. 10B shows an analysis result by element distribution measurement in the depth direction from the surface in the method for manufacturing a silicon wafer according to the present invention, the conventional example of silicon silicon, and the example in which a silicon oxynitride film is formed. It is a graph shown.
  • FIG. 1 shows a single-wafer heat treatment furnace for carrying out the method for producing a silicon wafer of the present invention.
  • the heat treatment furnace includes an annular susceptor 1 on which a silicon wafer W can be placed, and a reaction chamber 2 containing the susceptor 1 therein.
  • a lamp (not shown) for heating the silicon wafer W is arranged outside the reaction chamber 2.
  • the susceptor 1 is formed of a silicon carbide or the like, has a step portion la inside, and mounts the peripheral portion of the silicon wafer W on the step portion 1a.
  • the reaction chamber 2 is provided with a supply port 2a for supplying the atmospheric gas G to the surface of the silicon wafer W and a discharge port 2b for discharging the supplied atmospheric gas G.
  • the supply port 2a is connected to a supply source (not shown) of the atmospheric gas G.
  • Atmospheric gas G is nitriding gas low decomposition temperature than N 2 is possible decomposition temperature, NH 3, NO, N 2 0, N 2 0 2
  • hydrazine, Jimechiruhi hydrazine, or the like or a mixed gas or their nitriding gas and a r of (argon), N 2 (nitrogen), 0 2 (oxygen), a mixed gas of H 2 (hydrogen) and the like.
  • the atmosphere gas G mainly composed of NH 3 is used.
  • RTA treatment thermal treatment of silicon wafer W in atmosphere gas using this heat treatment furnace to form new pores inside, and a DZ layer is formed on the surface layer of this wafer W
  • the method of performing the heat treatment for forming the BMD layer will be described below.
  • a natural oxide film formed on the surface of the silicon wafer W or an oxide film formed by another process is removed or thinned in advance. That is, the silicon wafer W before the heat treatment is washed with hydrofluoric acid or the like to remove the oxide film on the surface in advance. In this case, at least the oxide film is removed until the film thickness becomes less than 2 nm. When the native oxide film has a thickness of less than 2 nm, it is not necessary to perform the oxide film removal treatment as described later.
  • RTA treatment heat treatment of rapid heating and rapid cooling
  • This heat treatment includes a spike anneal in which the heat treatment time at the above heat treatment temperature is short (less than 1 sec).
  • the RTA process is performed under conditions more suitable for suppressing the occurrence of slip, at a heat treatment temperature of 900 ° C. to 118 ° C. and a heat treatment time of 30 sec or less.
  • NH 3 is introduced into the heat treatment furnace at a predetermined flow rate, and while a mixed gas of Ar and NH 3 is supplied as an atmosphere gas, a predetermined heat treatment temperature from 800 ° C. (for example, 118 ° C. ), And heat-treated for a predetermined time at a constant heat-treatment temperature, and then rapidly cooled to 800 ° C.
  • the wafer W is rapidly cooled by removing it from the heat treatment furnace.
  • the oxygen donor inside can be erased by the heat treatment (800 ° C.) at the time of the purging and the rapid cooling effect at the time of removal.
  • the nitriding gas is sufficiently decomposed at the surface of the silicon wafer W even at a lower heat treatment temperature than before, and the surface is nitrided, that is, a nitride film is formed.
  • Vacancy V can be sufficiently injected.
  • heat treatment for example, heat treatment at 800 ° C. for 4 hours, N 2 / O 2 atmosphere
  • a heat treatment furnace at a temperature lower than the heat treatment so as to precipitate oxygen into the vacancies V.
  • DZ layer DZ in the surface layer, DZ layer DZ
  • heat treatment is performed for a long time (for example, heat treatment at 1000 ° C for 16 hours) to grow precipitates, and to achieve high BMD density inside.
  • BMD layer of BMD is formed.
  • the heat treatment for forming the DZ layer or the oxygen precipitation is not particularly performed, and may be performed by a heat treatment performed in the subsequent deposition process.
  • the atmospheric gas G is lower than the temperature at which N 2 can be decomposed. Since it is a nitriding gas such as NH 3 having a decomposition temperature, it is possible to lower the heat treatment temperature in the RTA process and suppress the occurrence of slip during the heat treatment. Also, by using an atmosphere gas G mainly composed of NH 3 , H generated by decomposition of NH 3 has a cleaning effect of removing a natural oxide film on the W surface. Further, nitriding of the surface and injection of vacancies V are promoted. In addition, NH 3 has an effect of nitriding the oxide film, and promotes the injection of the vacancies V.
  • NH 3 has an effect of nitriding the oxide film, and promotes the injection of the vacancies V.
  • the heat treatment is performed within a temperature range of 900 ° C to 1200 ° C, and the heat treatment time is 60 seconds or less. V can be implanted and an appropriate amount of BMD layer can be obtained.
  • vacancies Vaancy
  • the heat treatment is performed at a low temperature at which generation of Frenkel pairs is small, that is, at a temperature of 1200 ° C.
  • the interstitial Si formed in the crystal is small, and implantation is performed by the nitride film on the surface.
  • the vacancies V do not disappear with the interstitial Si, so that the injection efficiency can be increased and the holes can be injected deeper than before. .
  • the oxide film on the silicon wafer W surface is removed or thinned.Therefore, the RTA treatment must be performed with the oxide film such as the natural oxide film on the wafer W surface completely or almost removed. Accordingly, it is possible to prevent the nitrided gas from being hindered by the oxide film from being nitrided on the wafer W surface and the vacancy injection, thereby enabling effective vacancy injection.
  • the remaining oxide film can be removed or oxynitrided by the cleaning effect or the nitriding effect of NH 3 , and the voids V can be sufficiently removed. The effect of injection can be obtained.
  • the silicon wafer W is heat-treated at a lower temperature than the heat treatment to form the DZ layer DZ on the surface layer and to precipitate oxygen in the internal vacancies V to form the BMD layer BMD.
  • a highly functional silicon wafer having a suitable DZ layer DZ on its surface and a BMD layer BMD with a high BMD density and a proximity gettering effect and having a BMD layer inside can be manufactured.
  • the heat treatment temperature is lower than before, but even if the heat treatment temperature is as high as N 2 of the conventionally used atmosphere gas, the heat treatment time may be shorter than N 2. In this case as well, the slip can be greatly reduced as in the case where the heat treatment temperature is lowered.
  • the above-described plasma-formed nitriding gas may be used as an atmospheric gas.
  • the above-mentioned nitriding gas is activated by being turned into plasma, nitriding of the surface and injection of vacancies are further promoted.
  • the atmospheric gas is a mixed gas of three or more types, one or more of them may be a nitriding gas such as NH 3 .
  • the atmosphere gas is a mixed gas of two or more kinds
  • the amount of the contained nitriding gas is 0.5% or more or 10 sccm or more, whichever is smaller.
  • the nitridation reaction in this range is rate-determining. If the gas contains a nitriding gas of at least this minimum, the thickness of the nitride film formed on the wafer surface is the same, and as a result, it is introduced.
  • the atomic vacancy concentration is the same, and the deposition amount is the same.
  • the nitrided film thickness is the same at the same temperature and time, the nitrided film is formed by the partial pressure of nitrogen. The amount changes. Therefore, this region is diffusion-controlled, and the amount of deposition can be controlled by the amount of nitrogen.
  • the pressure of the atmosphere gas may be any of reduced pressure, normal pressure and pressurized state.
  • an oxynitride film (silicon oxynitride film) is a S i x N y typified by S i 3 N 4.
  • Si 5 x typified by Si 2 N 20 is formed. That is, a silicon oxynitride film is formed.
  • This silicon oxynitride film is obtained by nitriding a natural oxide film, a chemical oxide film, or a thermal oxide film.
  • these nitride films may further contain hydrogen in the films.
  • a natural oxide film may be formed on the surface of the silicon wafer before the heat treatment.
  • a sufficient hole injection effect can be obtained by the cleaning effect of H 3 or the like and the nitriding of the oxide film.
  • the natural oxide film thicker oxide film than to a heat treatment in an atmosphere gas such as oxygen-containing before the heat treatment by the nitriding gas such as NH 3 is formed on the silicon ⁇ er c surface, the surface of such NH 3 It is not possible to obtain a sufficient vacancy injection effect by the nitriding action. This is because the oxide film on the surface is so thick that a nitride film (including an oxynitride film) that can provide a good vacancy injection effect cannot be formed on the Si surface even when heat-treated with an atmosphere gas such as NH 3. It is.
  • an oxide film thicker than the natural oxide film is actively formed on the silicon wafer, or in an atmosphere gas containing oxygen before the heat treatment. It is not preferable to perform a treatment step such as heat treatment. Further, in the present embodiment, it is preferable to perform a purge process for removing oxygen contained in the atmospheric gas before supplying the nitriding gas such as NH 3 to the reaction chamber.
  • the silicon wafer W Before heat treatment, the silicon wafer W has a natural oxide film (silicon oxide film) SO formed on the surface as shown in Fig. 4A, and no oxide film removal treatment has been performed. In this state, the above-described RTA treatment is performed, and when the natural oxide film SO and silicon on the surface are nitrided by NH 3 , as shown in FIG. An oxynitride film SNO is formed.
  • a natural oxide film silicon oxide film
  • This silicon wafer has an oxynitride film whose surface is nitrided during heat treatment, that is, a silicon oxynitride film SNO formed by nitriding the natural oxide film SO on the surface during heat treatment. It has a good surface roughness in which the surface roughness is suppressed while the holes V are injected. Therefore, when this silicon wafer is further subjected to a heat treatment for oxygen precipitation, as shown in FIG. 4C, a DZ layer DZ having a high BMD density inside the BMD layer and a good surface roughness as shown in FIG. 4C. Can be obtained.
  • the ingot grown by the normal CZ method is used.
  • a sliced silicon wafer was used, a silicon wafer from an ingot grown by another CZ method may be used.
  • a region where interstitial silicon type point defects dominantly exist in a silicon single crystal ingot is [I]
  • a region where vacancy type point defects dominantly exist is [V].
  • the point cut out of the ingot consisting of the perfection region [P] is defined as [P], where the perfection region where there are no aggregates of interstitial silicon type point defects and no aggregates of vacancy type point defects is [P].
  • a silicon wafer having no agglomerates of defects may be used.
  • a vacancy-type point defect is a defect caused by a vacancy in which one silicon atom has separated from a normal one in a silicon crystal lattice, and an interstitial silicon point defect has an atom other than a lattice point of a silicon crystal. A defect when located at an interstitial site.
  • a silicon wafer having this perfect region [P] can be used to convert an ingot from a silicon melt in a hot zone by a CZ method to Voronkov (Voronkov) as proposed in, for example, JP-A-1-13933. ) Bow based on theory! It is pulled up with an upper speed profile, and is made by slicing this ingot.
  • Voronkov Voronkov
  • [I] indicates the region where the interstitial silicon type point defect is dominant and the interstitial silicon point defect exists ((V / G) or less), and [V] indicates the ingot. Area where vacancy type point defects are dominant and the vacancy type point defect aggregates exist ((V / G) 2 and below, and [P] indicates a perforated region ((V / G) i to (V / G) 2 ) where there are no vacancy-type point defect aggregates and no interstitial silicon-type point defect aggregates. Show. In the region [V] adjacent to the region [P], there is a region [OSF] ((V / G) 2 to (V / G) 3 ) that forms an OSF nucleus.
  • the pulling rate profile of the ingot provided to the silicon wafer shows that when the ingot is pulled up from the silicon melt in the hot zone, the ratio of the pulling rate to the temperature gradient (VZG) indicates the interstitial silicon point defect.
  • Aggregates of vacancy type point defects that are not less than the first critical ratio ((VZG),) that prevent the generation of agglomerates are located at the center of the ingot where vacancy type point defects predominantly exist. Is determined to be maintained at or below the second critical ratio ((V / G) 2 ).
  • the profile of the pulling speed is determined based on the above-mentioned Bornkov theory by experimentally slicing the reference ingot in the axial direction or by simulation.
  • the silicon wafer manufactured in the perfect region [P] is a defect-free wafer having no OSF, COP, etc.
  • the silicon wafer is heat-treated according to the above embodiment. In this case, a sufficiently dense BMD layer can be formed inside, and a proximity gettering effect can be provided.
  • aggregates of point defects such as COP have different detection sensitivity and lower detection limit depending on the detection method. Therefore, in the present specification, “there is no aggregate of point defects” means the product of the observation area and the etching allowance by an optical microscope after subjecting a mirror-finished silicon single crystal to non-stirring secco etching. when observed as the test volume, one defect the inspection volume of each aggregate flow pattern (vacancy defect) and dislocation clusters (interstitial silicon type point defects) 1 X 1 0- 3 cm 3 when but to the detection limit of the case where it is detected (1 X 1 0 3 pieces / cm 3), refers to the number of aggregates of point defects is less than the detection limit.
  • the heat treatment temperature when NH 3 ZA r: 2S LM / 2 SLM and NH 3 / N 2 : 2 S LM / 2 S LM are actually flowed as the atmosphere gas, respectively.
  • Figure 6 shows the relationship between the degree (anneal temperature) and the BMD density.
  • the heat treatment temperature and DZ width when NH 3 / A r: 2 SLM / 2 SLM and NH 3 / N 2 : 2 SLM / 2 SLM are actually flowed as atmosphere gas, respectively.
  • Figure 7 shows the relationship. For comparison, a case where N 2 : 4 SLM is flowed as the atmospheric gas as in the past is also shown.
  • FIGS. 6 and 7 in the heat treatment of the present invention containing NH 3 as an atmosphere gas, a higher BMD density is obtained even at a lower heat treatment temperature than before, and a practically sufficient DZ width is obtained. Have been obtained.
  • a sufficient BMD density can be obtained even at a lower temperature than before, and even if the flow rate ratio of the nitriding gas in the present invention in the atmosphere gas is changed. It was found that the BMD density did not change much. Further, it was also found that the precipitation rate increased when the cooling rate was increased in the present invention.
  • the slip length was shorter for the heat treatment at low temperature and shorter for the higher cooling rate. Furthermore, when using an atmosphere gas containing ammonia, it was found that the slip length was shorter when the amount of ammonia was relatively small. This is thought to be because when ammonia is decomposed, H (hydrogen), which has a relatively high thermal conductivity, decreases. Therefore, if heat treatment is performed using an atmosphere gas containing ammonia at a relatively low temperature and a small flow rate, and cooling at a higher cooling rate, slip can be further suppressed and sufficient BMD density can be obtained. .
  • H hydrogen
  • Figure 9 shows that the wafer is held by a quartz pin to show the effect of slipping by lowering the heat treatment temperature with the conventional method (N 2 / Ar, 1220 ° C) and the present invention (NH 3 Ar). It shows the length of the slip from the pin mark at the time of performing.
  • the slip length is the maximum interval between dislocation bits after 13 ⁇ m off by Seco etch.
  • the slip increased by 3 mm. m or less. Below 110 ° C, it was zero, indicating that the slip was significantly reduced.
  • FIGS. 10A and 10B The results of analysis by an analysis method combining XPS and sputtering are shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIGS. 10A and 10B As can be seen from this analysis result, in the case of the conventional example, as shown in Fig. 1OA, almost no oxygen was detected on the surface, and only silicon and nitrogen were detected. In an example based on the embodiment, as shown in FIG. 10B, oxygen is detected on the surface at the same level as nitrogen, and a silicon oxynitride film is formed.
  • the atmosphere gas in the heat treatment step includes a nitriding gas having a decomposition temperature lower than the temperature at which N 2 can be decomposed, the heat treatment temperature or the heat treatment temperature lower than in the case of N 2
  • the nitriding gas is decomposed, nitriding the silicon wafer surface, and injecting vacancies into the inside, suppressing the occurrence of slip during the heat treatment and ensuring that the subsequent heat treatment is sufficient.
  • a high-quality wafer having a DZ layer and a moderately high BMD density inside can be obtained. In particular, it is more effective for a wafer having a diameter of 30 O mm having a diameter larger than 20 O mm.
  • the silicon wafer of the present invention since the silicon oxynitride film whose surface is nitrided at the time of heat treatment has a good surface in which vacancies are sufficiently injected and surface roughness is suppressed. Has roughness. Therefore, if this silicon wafer is further subjected to a heat treatment for oxygen precipitation, it is possible to obtain a wafer having a BMD layer with a high BMD density inside and a DZ layer with good surface roughness on the surface layer. .

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Description

明細書 シリコンゥヱーハの製造方法及ぴシリコンゥエーハ 技術分野
本発明は、 シリコンゥエーハを雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成し、 さらに熱処理して表層に D Z (Denuded Zone)層を形成するシリコンゥヱ一ハの製 造方法及びこの方法で製造されたシリコンゥエーハに関する。 背景技術
C Z (チヨクラルスキー） 法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して作製 されたシリコンゥ —ハは、 酸素不純物を多く含んでおり、 この酸素不純物は転 位や欠陥等を生じさせる酸素析出物 （B MD： Bulk Micro Defect) となる。 この 酸素析出物がデバィスが形成される表面にある場合、 リーク電流増大や酸化膜耐 圧低下等の原因になって半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
このため、 従来、 シリコンゥエーハ表面に対し、 1 2 5 0 °C以上の高温で短時 間の急速加熱 ·急冷の熱処理 （R T A： Rapid Thermal Annealing) を所定の雰囲 気ガス中で施し、 内部に高濃度の熱平衡の原子空孔 （Vacancy：以下、 単に空孔 と称す） を形成し、 急冷により凍結するとともに、 この後の熱処理で表面におい て空孔を外方拡散させることにより D Z層 （無欠陥層） を均一に形成する方法が 用いられている （例えば、 国際公開公報 WO 98/38675に記載の技術） 。 そして、 上記 D Z層形成後に、 上記温度より低温で熱処理を施すことで、 内部の欠陥層と して酸素析出核を形成 ·安定化してゲッタリング効果を有する B MD層を形成す る工程が採用されている。
また、 他の従来技術 （例えば、 国際公開公報 WO 98/45507に記載の技術） と して、 先ず酸素雰囲気下で熱処理を行い、 続けて非酸化性雰囲気下で熱処理を行 うことで表面層での D Zと内部での B MD形成を行っている。
なお、 従来、 空孔形成のための熱処理においては、 雰囲気ガスとして N 2 (窒 素） が主に用いられている。 すなわち、 高温で N 2が分解され、 シリコンゥエー ハ表面に S i x N y (窒化膜） が形成されることにより、 空孔を注入するもので ある。
しかしながら、 上記シリコンゥヱーハの熱処理技術では、 以下のような課題が 残されている。
従来は、 例えば空孔形成のための熱処理を施す際に、 表面を酸化膜で覆い、 N 2を主とした雰囲気ガス中で熱処理が行われるが、 この場合、 十分な熱処理効果 を得るために 1 2 5 0 °C以上かつ 1 0 s e c以上の熱処理が必要であった。 この ため、 シリ コンゥエーハには、 高温の熱処理により、 サセプタ又は支持ピン等と 接触する部分からスリップが発生してしまい、 割れ等の原因になる不都合があつ た。
また、 熱処理前のシリコンゥ ーハ表面は、 少なからず酸化されて自然酸化膜 が形成されているが、 上記熱処理が施されるため表面の自然酸化膜が高温で昇華 してしまい、 表面が荒れるという不都合があった。 発明の開示
本発明は、 前述の課題に鑑みてなされたもので、 熱処理の低温化又は短時間化 を図りスリ ップの発生を抑制することができると共に、 良好な表面ラフネスが得 られるシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥエーハを提供することを目的 とする。
本発明は、 前記課題を解決するために以下の構成を採用した。 すなわち、 本発 明のシリコンゥヱーハの製造方法は、 雰囲気ガス中でシリコンゥエーハを熱処理 して内部に新たに空孔を形成する熱処理工程を有し、 該熱処理工程の前記雰囲気 ガスは、 N 2が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガスを含むことを特徴 とする。
このシリコンゥエーハの製造方法では、 熱処理工程の雰囲気ガスが、 N 2が分 解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガス、 例えば N H 3、 N O、 N 2 0、 N 2 0 2、 ヒ ドラジン又はジメチルヒ ドラジン等を含むので、 N 2の場合よりも低い 熱処理温度又は短レ、熱処理時間でも窒化ガスが分解されてシリコンゥェーハ表面 を窒化 （窒化膜を形成） し、 内部に空孔を注入することができ、 熱処理時のスリ ップ発生を抑制することができる。
また、 本発明のシリ コンゥエーハの製造方法は、 前記窒化ガスが、 NH3 (ァ ンモエア） を含むことが好ましい。 すなわち、 このシリコンゥエーハの製造方法 では、 NH3を含んだ窒化ガスを用いることにより、 NH3が分解して生じた H (水素） がシリコンゥ ーハ表面の自然酸化膜等を除去するクリーニング効果を 有しているため、 さらに表面の窒化及ぴ空孔の注入が促進される。 また、 NH3 には酸化膜を窒化させる効果があり、 空孔の注入が促進される。 なお、 上記 NH 3によるクリーニング効果は、 水素の還元性によるものであり、 自然酸化膜の高 温時における単なる蒸発 （昇華） とは異なるものである。
また、 本発明のシリコンゥエーハの製造方法は、 前記窒化ガスにおける前記 N H3の濃度を 0. 5 %以上又は NH3の流量を 10 s c cm以上にする技術が採 用される。 すなわち、 このシリコンゥエーハの製造方法では、 窒化ガスにおける NH3の濃度を 0. 5 %以上又は NH3の流量を 10 s c cm以上にするので、 このガス条件では窒化反応が反応律速であり、 この条件の窒化ガスを含んでいれ ばゥエーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、 ゥエーハ面内で均一な空孔 注入が可能になる。
また、 本発明のシリ コンゥエーハの製造方法は、 前記窒化ガスがプラズマ化さ れていることが好ましい。 すなわち、 このシリコンゥエーハの製造方法では、 窒 化ガスがプラズマ化されていることにより、 活性化された窒化ガスとなって、 さ らに表面の窒化及び空孔の注入が促進される。
また、 本発明のシリ コンゥヱーハの製造方法は、 前記熱処理の温度が、 90 0°Cから 1200°Cまでの温度であり、 前記熱処理の時間が、 60 s e c (秒） 以下の時間であることが好ましい。 すなわち、 このシリコンゥエーハの製造方法 では、 上記範囲の熱処理温度及び熱処理時間であることにより、 スリップの発生 を抑制すると共に十分に空孔を注入でき、 適量な BMD層を得ることができる。 また、 後述するように、 1200°C以下の温度で熱処理するため、 結晶中に形成 される格子間 S iが少なく、 表面の窒化膜により注入される空孔が格子間 S iと 対消滅せず、 注入効率を高めることができる。
また、 本発明のシリコンゥヱーハの製造方法は、 前記熱処理工程前に、 前記シ リコンゥエーハ表面の酸化膜を除去又は薄膜化する酸化膜除去工程を有すること が好ましい。 すなわち、 このシリ コンゥエーハの製造方法は、 熱処理工程前に、 シリコンゥエーハ表面の酸化膜を除去又は薄膜化する酸化膜除去工程を有するの で、 ゥエーハ表面の自然酸化膜等の酸化膜が完全に除去又はほとんど除去された 状態で R T A処理されることになり、 窒化ガスによるゥエーハ表面の窒化及び空 孔注入が酸化膜により妨げられることを防ぐことができ、 効果的な空孔注入が可 能になる。
さらに、 本発明のシリ コンゥエーハの製造方法は、 前記酸化膜除去工程におい て、 前記雰囲気ガスに N H 3を含む際に少なくとも前記酸化膜を膜厚が 2 n m未 満になるまで除去することが好ましい。 本発明者らは、 後述するように、 酸化膜 が 2 n m以上表面に形成されていると、 上記熱処理条件 （熱処理の温度が、 9 0 0 °Cから 1 2 0 0 °Cまでの温度であり、 熱処理の時間が、 6 0 s e c (秒） 以下 の時間） 内で十分に酸化膜を完全に除去したり酸窒化膜化できず、 上記窒化ガス による空孔注入効果を+分に得ることができないことを見い出した。 すなわち、 このシリコンゥェーハの製造方法では、 酸化膜除去工程において、 雰囲気ガスに N H 3を含む際に少なくとも酸化膜を膜厚が 2 n m未満になるまで除去するので、 後述するように、 残った酸化膜を十分酸窒化膜化することができ、 十分に空孔を 注入する効果を得ることができる。
また、 本発明のシリ コンゥヱーハの製造方法は、 前記熱処理工程において、 前 記シリコンゥエーハを前記熱処理を施す反応室内に配置し、 該反応室内の雰囲気 ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理を行ってから前記窒化ガスを含む雰 囲気ガスを反応室内に供給することが好ましい。 すなわち、 このシリコンゥエー ハの製造方法では、 反応室内の雰囲気ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処 理を行ってから窒化ガスを含む雰囲気ガスを反応室内に供給するので、 熱処理中 の雰囲気ガスに酸素が含まれず、 表面酸化によって空孔注入効果が抑制されるこ とを防ぐことができる。
本発明のシリコンゥニーハの製造方法は、 前記熱処理工程後に、 該熱処理工程 よりも低い温度で前記シリコンゥヱーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成する と共に内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有することを特徴とする。 すなわち、 このシリコンゥエーハの製造方法では、 熱処理工程後に、 該熱処理 工程よりも低い温度でシリコンゥエーハを熱処理して表層に無欠陥層を形成する と共に内部の空孔に酸素を析出させる析出処理工程を有するので、 デバイス形成 に好適な D Z層を表層に有する共に近接ゲッタリング効果を有する高 B MD密度 領域を内部に有する高機能シリコンゥエーハを作製することができる。
本発明のシリコンゥヱーハは、 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシ リコンゥエーハであって、 上記本発明のシリコンゥエーハの製造方法により作製 されたことを特徴とする。 すなわち、 このシリコンゥエーハでは、 上記本発明の シリコンゥヱーハの製造方法により作製されているので、 スリップの発生が抑制 されていると共に、 その後の熱処理により表層に十分な D Z層と内部に適度に高 い B MD密度とを有した高品質なゥエーハが得られる。
本発明のシリコンゥヱーハは、 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシ リコンゥエーハであって、 前記熱処理時に表面を窒化させたシリコン酸化窒化膜 を表面に有することを特徴とする。 すなわち、 このシリコンゥ: n—ハでは、 熱処 理時に表面を窒化させたシリコン酸化窒化膜、 すなわち熱処理時に表面の自然酸 化膜等のシリコン酸化膜や酸素を蒸発させずに窒化させて形成したシリコン酸化 窒化膜を有するので、 表面の窒化によって内部に +分に空孔が注入されていると 共に表面荒れが抑制された良好な表面ラフネスを有している。 したがって、 この シリコンゥエーハに対して酸素析出のための熱処理をさらに施せば、 内部に高い B MD密度の B MD層を有すると共に表面ラフネスが良好な D Z層を表層に有す るゥエーハを得ることができる。
また、 本発明のシリコンゥエーハは、 少なくとも表層に無欠陥層が形成されて いると共に内部の前記空孔に酸素が析出されている技術が採用される。 すなわち、 このシリコンゥェ一ハでは、 少なくとも表層に無欠陥層が形成されていると共に 内部の空孔に酸素が析出されているので、 デバイス形成領域として好適な D Z層 を有すると共に、 内部に十分な B MD密度の B MD領域を有し、 近接ゲッタリン グ効果を得ることができる。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及ぴシリコンゥエーハのー 実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
図 2 Aは、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及ぴシリコンゥエーハの —実施形態における熱処理温度及びガス流量 (slm)のタイムチャートを示すグラ フである。
図 2 Bは、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及ぴシリコンゥヱーハの 一実施形態における熱処理温度及びガス流量 (slm)のタイムチャートを示すダラ フである。
図 3 Aは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥヱーハの 一実施形態における R T A処理後及びその後の酸素析出のための熱処理後のゥェ ーハを示す拡大断面図である。
図 3 Bは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及ぴシリコンゥヱーハの —実施形態における R T A処理後及びその後の酸素析出のための熱処理後のゥヱ ーハを示す拡大断面図である。
図 4 Aは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及ぴシリコンゥヱ一ハの 一実施形態において、 表面にシリコン酸化窒化膜が形成される場合の R T A処理 前後及びその後の酸素析出のための熱処理後のゥェーハを示す拡大断面図である。 図 4 Bは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥヱーハの 一実施形態において、 表面にシリコン酸化窒化膜が形成される場合の R T A処理 前後及びその後の酸素析出のための熱処理後のゥェーハを示す拡大断面図である。 図 4 Cは、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及びシリコンゥエーハの 一実施形態において、 表面にシリ コン酸化窒化膜が形成される場合の R T A処理 前後及びその後の酸素析出のための熱処理後のゥエーハを示す拡大断面図である。 図 5は、 ボロンコフ理論に基づいた、 V/G比が臨界点以上では空孔豊富イン ゴットが形成され、 VZ G比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが 形成され、 パーフェク ト領域が第 1臨界比 （ （V Z G ) , ) 以上第 2臨界比 ( (V/G) 2) 以下であることを示す図である。
図 6は、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及ぴシリコンゥエーハの実 施例における熱処理温度と B MD密度との関係を示すグラフである。 図 7は、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥエーハの実 施例における熱処理温度と D Z幅との関係を示すグラフである。
図 8は、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及びシリコンゥエーハの実 施例における熱処理温度が 1 1 0 0 °Cと 1 1 5 0 °Cとの場合の熱処理温度と B M D密度との関係を示すグラフである。
図 9は、 本発明に係るシリコンゥヱ一ハの製造方法及びシリコンゥヱ一ハの従 来例及び熱処理温度を変えた場合の実施例におけるスリップ長を示すグラフであ る。
図 1 O Aは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥヱーハ の従来例及びシリコン酸化窒化膜が形成された場合の実施例において、 表面から 深さ方向の元素分布測定による分析結果を示すグラフである。
図 1 0 Bは、 本発明に係るシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥエーノヽ の従来例及びシリコン酸化窒化膜が形成された場合の実施例において、 表面から 深さ方向の元素分布測定による分析結果を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及びシリコンゥエーハの一実 施形態を、 図 1から図 5を参照しながら説明する。
図 1は、 本発明のシリコンゥ ーハの製造方法を実施するための枚葉式の熱処 理炉を示すものである。 該熱処理炉は、 図 1に示すように、 シリコンゥエーハ W を載置可能な円環状のサセプタ 1と、 該サセプタ 1を内部に収納した反応室 2と を備えている。 なお、 反応室 2の外部には、 シリコンゥエーハ Wを加熱するラン プ （図示略） が配置されている。
サセプタ 1は、 シリ コンカーバイト等で形成されており、 内側に段部 l aが設 けられ、 該段部 1 a上にシリコンゥヱーハ Wの周縁部を載置するようになってい る。
反応室 2には、 シリコンゥヱーハ Wの表面に雰囲気ガス Gを供給する供給口 2 a及び供給された雰囲気ガス Gを排出する排出口 2 bが設けられている。
また、 供給口 2 aは、 雰囲気ガス Gの供給源 （図示略） に接続されている。 雰囲気ガス Gは、 N2が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガス、 例え ば NH3、 NO、 N20、 N202、 ヒ ドラジン、 ジメチルヒ ドラジン等やこれら の混合ガス又はこれらの窒化ガスと A r (アルゴン） 、 N2 (窒素） 、 02 (酸 素） 、 H2 (水素） 等との混合ガスである。 なお、 本実施形態では、 NH3を主 とした雰囲気ガス Gを用いている。
この熱処理炉を用いて雰囲気ガス中でシリコンゥエーハ Wを RTA処理 （熱処 理） し、 内部に新たに空孔を形成する方法、 さらにこのゥヱーハ Wの表層に DZ 層を形成すると共に内部に BMD層を形成する熱処理を施す方法について、 以下 に説明する。
まず、 空孔を注入するための RTA処理を行う前に、 シリコンゥヱーハ Wの表 面に形成されている自然酸化膜や他の処理などによる酸化膜を予め除去又は薄膜 化しておくことが好ましい。 すなわち、 熱処理前のシリコンゥヱーハ Wをフッ酸 などで洗浄し、 表面の酸化膜を予め除去しておく。 この場合、 少なくとも酸化膜 を膜厚が 2 nm未満になるまで除去する。 なお、 自然酸化膜が 2 nm未満の膜厚 であるときは、 後述するように、 特に酸化膜除去処理を行わなくても構わない。 この熱処理炉によりシリコンゥエーハ Wに熱処理、 特に RTA処理 （急加熱及 び急冷却の熱処理） を施すには、 サセプタ 1にシリコンゥヱーハ Wを载置した後、 供給口 2 aから上記雰囲気ガス Gをシリコンゥ ーハ Wの表面に供給した状態で、 900°Cから 1 200°Cまでの範囲の熱処理温度かつ 60 s e c以下の熱処理時 間で、 短時間の急速加熱 ·急冷 （例えば、 50°CZ秒の昇温又は降温） の熱処理 を行う。 なお、 この熱処理は、 上記熱処理温度での熱処理時間が短時間 （1 s e c未満） であるスパイクァニールを含むものである。
この熱処理温度及び熱処理時間の範囲であれば、 確実にスリップの発生を抑制 すると共に、 後述するその後の 2段階熱処理により十分な DZ層及ぴ BMD密度 を得ることができる。 なお、 本実施形態では、 よりスリップの発生抑制に好適な 条件、 900°Cから 1 1 80°Cまでの熱処理温度かつ 30 s e c以下の熱処理時 間で RT A処理を行う。
なお、 上記熱処理では、 例えば、 図 2 A及び 2 Bに示すように、 まず、 8 0 0°Cまでの昇温を行う前に、 A rのみを雰囲気ガスとして高い流量で供給し、 熱 処理炉内の雰囲気ガスを置換して酸素を除去するパージ処理を行う。 酸素が完全 に炉内から除去された状態で、 次に、 A rのみを雰囲気ガスとして所定流量で供 給しながら 800°Cまで昇温する。
次に、 NH3を所定流量で熱処理炉に導入し A rと NH3との混合ガスを雰囲 気ガスとして供給しながら、 800°Cから所定の熱処理温度 （例えば、 1 1 8 0°C) まで急速加熱昇温を行い、 該熱処理温度一定で所定時間の熱処理し、 さら にその後 800°Cまで急冷する。
その後、 800°C—定で NH3を完全に排出するまで A rのみを雰囲気ガスと して流量を上げて供給し、 排出完了後に再び A rのみの雰囲気ガス中で降温する。 このように、 昇温時の途中から急冷降温時の途中まで上記低分解温度の窒化ガス を雰囲気ガスとして供給している。 なお、 NH3の導入時の熱処理温度を熱処理 後のパージ時と同じ温度 （800°C) としているのは、 装置の負担を軽減するた めである。
なお、 上記熱処理後、 ゥエーハ Wを熱処理炉から取り出すことにより急冷する。 この際、 上記パージ時の熱処理 （800°C) 及び取り出し時の急冷効果により、 内部の酸素ドナーを消去することができる。
上記熱処理により、 シリコンゥヱーハ Wの表面には、 従来に比べて低い熱処理 温度でも窒化ガスが十分に分解して表面を窒化、 すなわち窒化膜を形成して、 図 3 Aに示すように、 内部に空孔 （Vacancy) Vを十分に注入することができる。 さらに、 上記熱処理 （RTA処理） 後に該熱処理より低い温度で、 空孔 Vへの 酸素析出を行うために熱処理 （例えば、 800°C4時間の熱処理、 N2/02 囲気） を熱処理炉等で施すことにより、 図 3 Bに示すように、 表層では、 空孔の 外方拡散と酸化膜形成に伴う格子間 S iの注入による空孔と格子間 S iによる対 消滅によって表層に DZ層 DZを形成すると共に、 酸素析出核の安定を図り、 さ らに長時間の熱処理 （例えば、 1000 °C 16時間行う熱処理） を施すことによ り、 析出物の成長を行い、 内部に高 BMD密度の BMD層 BMDを形成する。
なお、 この上記 DZ層形成又は酸素析出のための熱処理を特に行わず、 その後 のデパイス作製工程に伴って行われる熱処理で行つても構わない。
このように本実施形態では、 雰囲気ガス Gが、 N2が分解可能な温度よりも低 レ、分解温度の NH3等の窒化ガスであるので、 RTA処理における熱処理温度の 低温化を図ることができ、 熱処理時のスリップ発生を抑制することができる。 また、 NH3を主とした雰囲気ガス Gを用いることにより、 NH3が分解して 発生した Hがシリコンゥ: —ハ W表面の自然酸化膜等を除去するクリーニング効 果を有しているため、 さらに表面の窒化及び空孔 Vの注入が促進される。 また、 NH3には酸化膜を窒化させる効果があり、 空孔 Vの注入が促進される。
さらに、 本実施形態では、 900°Cから 1 200°Cまでの温度範囲内で熱処理 し、 この熱処理時間が、 60 s e c以下の時間であるので、 スリップの発生を抑 制すると共に十分に空孔 Vを注入でき、 適量な BMD層を得ることができる。 また、 従来のように 1 200°Cを越えた高温熱処理では、 結晶中にフレンケル ペアと呼ばれる空孔 （Vacancy) と格子間 S iとが同時に発生し、 RTA処理で 注入される空孔が格子間 S iと対消滅してしまい、 実際に析出に貢献する空孔の 密度が低下してしまう。 これに対して、 本実施形態では、 フレンケルペアの発生 が少ない低温、 すなわち 1 200°C以下で熱処理するため、 結晶中に形成される 格子間 S iが少なく、 表面の窒化膜により注入される空孔 Vが格子間 S iと対消 滅せず、 注入効率を高めることができると共に従来より深く内部に注入すること ができる。 .
また、 RTA処理前に、 シリコンゥエーハ W表面の酸化膜を除去又は薄膜化す るので、 ゥェーハ W表面の自然酸化膜等の酸化膜が完全に除去又はほとんど除去 された状態で RTA処理されることになり、 窒化ガスによるゥェーハ W表面の窒 化及び空孔注入が酸化膜により妨げられることを防ぐことができ、 効果的な空孔 注入が可能になる。 なお、 少なくとも酸化膜を膜厚が 2 nm未満になるまで除去 するので、 残った酸化膜を NH3のクリーニング効果又は窒化効果で除去又は酸 窒化膜化することができ、 十分に空孔 Vを注入する効果を得ることができる。
さらに、 RTA熱処理後に、 該熱処理よりも低い温度でシリ コンゥヱーハ Wを 熱処理して表層に D Z層 D Zを形成すると共に内部の空孔 Vに酸素を析出させ B M D層 B M Dを形成するので、 デバィス形成に好適な DZ層 DZを表層に有する 共に近接ゲッタリング効果を有する高 BMD密度の BMD層 BMDを内部に有す る高機能シリコンゥヱーハを作製することができる。 なお、 本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、 本発明 の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、 上記実施形態では、 熱処理温度を従来よりも下げたが、 従来用いられ ていた雰囲気ガスの N 2と同様の高い熱処理温度であっても、 N 2よりも短い熱 処理時間にすることができ、 この場合でも熱処理温度を下げた場合と同様に、 ス リップを大幅に低減することができる。
また、 プラズマ化した上記窒化ガスを雰囲気ガスとしてもよい。 この場合、 上 記窒化ガスがプラズマ化して活性化されているため、 さらに表面の窒化及び空孔 の注入が促進される。
また、 雰囲気ガスが三種類以上の混合ガスである場合は、 そのうちの一種類以 上が N H 3等の窒化ガスであればよい。
また、 雰囲気ガスが二種類以上の混合ガスである場合は、 含まれる窒化ガスは 0 . 5 %以上又は 1 0 s c c m以上で絶対量の少ない方の量とされることが好ま しい。 すなわち、 この範囲での窒化反応は反応律速であり、 この最低限以上の窒 化性のガスを含んでいれば、 ゥエーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、 その結果、 導入される原子空孔濃度は同じで、 析出量は同じである。 なお、 これ 以下の 0 . 0 5 %以上0 . 5 %未満、 又は 1 s c c mを越えて 1 0 s c c m以下 の範囲では、 窒化膜厚は同一温度及び時間であれば、 窒素の分圧により、 窒化量 が変化する。 したがって、 この領域は、 拡散律速であり、 窒素量により析出量を コントロールすることができる。
また、 上記雰囲気ガスの圧力は、 減圧、 常圧又は加圧のいずれの状態でもよい。 また、 上記実施形態によりゥエーハ表面に形成される窒化膜、 酸窒化膜 （シリ コン酸化窒化膜） は、 S i 3 N 4を代表とする S i x N yである。 また、 酸化膜を 窒化した場合には、 S i 2 N 2 0を代表とする S i 5 xが形成される。 すなわち、 シリコン酸化窒化膜が形成される。 このシリコン酸化窒化膜は、 自然 酸化膜、 ケミカル酸化膜又は熱酸化膜を窒化させたものである。
また、 これらの窒化膜は、 さらに膜中に水素が含まれていても構わない。
なお、 上記実施形態では、 熱処理前のシリコンゥエーハ表面に自然酸化膜が形 成されている場合があるが、 自然酸化膜程度の酸化膜であれば上述したように N H 3等のクリーニング効果や酸化膜の窒化により十分な空孔注入効果を得ること ができる。
しかしながら、 N H 3等の上記窒化ガスによる熱処理前に酸素を含む雰囲気ガ ス等で熱処理をして自然酸化膜よりも厚い酸化膜がシリコンゥエーハ表面に形成 されていると、 N H 3等の表面窒化作用による空孔注入効果を十分に得ることが できない。 これは、 表面の酸化膜が厚いため、 N H 3等の雰囲気ガスで熱処理し ても良好な空孔注入効果が可能な窒化膜 （酸窒化膜を含む） が S i表面に形成で きないためである。
したがって、 本実施形態における N H 3等の上記窒化ガスによる熱処理前に、 自然酸化膜より厚い酸化膜をシリコンゥエーハに積極的に形成したり、 当該熱処 理前に酸素を含む雰囲気ガス中で熱処理するような処理工程を行うことは好まし くない。 また、 本実施形態において、 N H 3等の上記窒化ガスを反応室に供給す る前に、 雰囲気ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理工程を行うことが好 ましい。
なお、 上記 R T A処理により上記シリ コン酸化窒化膜が形成される場合につい て、 図 4 A〜 4 Cを参照して以下に説明する。
熱処理前のシリコンゥエーハ Wには、 図 4 Aに示すように、 表面に自然酸化膜 (シリ コン酸化膜） S Oが形成されており、 特に酸化膜除去処理を施していない。 この状態で、 上述した R T A処理を行い、 表面の自然酸化膜 S O及びシリコンが N H 3により窒化されると、 図 4 Bに示すように、 内部に空孔 Vが注入されると 共に表面にシリコン酸化窒化膜 S N Oが形成される。
このシリコンゥエーハでは、 熱処理時に表面を窒化させた酸窒化膜、 すなわち 熱処理時に表面の自然酸化膜 S Oを窒化させて形成したシリコン酸化窒化膜 S N Oを有するので、 表面の窒化によって内部に十分に空孔 Vが注入されていると共 に表面荒れが抑制された良好な表面ラフネスを有している。 したがって、 このシ リコンゥエーハに対して酸素析出のための熱処理をさらに施せば、 図 4 Cに示す ように、 内部に高い B MD密度の B MD層 B MDを有すると共に表面ラフネスが 良好な D Z層 D Zを表層に有するゥエーハを得ることができる。
また、 上記実施形態では、 通常の C Z法により引上成長されたインゴッ トから スライスされたシリコンゥエーハを用いたが、 他の C Z法により引上成長された インゴッ トからのシリコンゥエーハを採用しても構わない。 例えば、 上記シリコ ンゥエーハとして、 シリコン単結晶インゴット内での格子間シリコン型点欠陥が 支配的に存在する領域を 〔 I〕 とし、 空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を 〔V〕 とし、 格子間シリコン型点欠陥の凝集体及ぴ空孔型点欠陥の凝集体が存在 しないパーフェク ト領域を 〔P〕 とするときに、 パーフェク ト領域 〔P〕 からな るインゴットから切り出された点欠陥の凝集体が存在しないシリコンゥエーハを 用いてもよい。 なお、 空孔型点欠陥は、 一つのシリコン原子がシリコン結晶格子 で正常な一つから離脱した空孔による欠陥であり、 また、 格子間シリコン点欠陥 は、 原子がシリコン結晶の格子点以外の位置 （インタースチシャルサイ ト） にあ る場合の欠陥をいう。
すなわち、 このパーフェク ト領域 〔P〕 からなるシリコンゥヱーハは、 例えば 特開平 1— 1 3 9 3号公報に提案されているように、 C Z法によりホットゾーン 内のシリコン融液からインゴッ トをボロンコフ (Voronkov)理論に基づいた弓！上速 度プロファイルで引き上げられ、 このィンゴッ トをスライスして作製される。 このインゴットは、 引上速度を V (mmZ分） とし、 ルツボ中のシリコン融液と インゴッ トとの界面近傍におけるインゴッ ト鉛直方向の温度勾配を G {°C/ m) とするとき、 熱酸化処理をした際にリング状に発生する O S F (Oxidation Induced Stacking Fault；酸素誘起積層欠陥） がゥエーハ中心部で消滅するように、 V/G (mm 2 分 · °C) の値を決めて作られる。
上記ボロンコフ理論では、 図 5に示すように、 VZ Gを横軸にとり、 空孔型点 欠陥濃度と格子間シリコン型欠陥濃度を同一の縦軸にとって、 V / Gと点欠陥濃 度との関係を図式的に表現し、 空孔領域と格子間シリコン領域の境界が V/ Gに よって決定されることを説明している。 より詳しくは、 VZ G比が臨界点以上で は空孔型点欠陥濃度が優勢なインゴットが形成される反面、 VZ G比が臨界点以 上では格子間シリコン型点欠陥濃度が優勢なインゴッ 卜が形成される。 図 5にお いて、 〔 I〕 は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、 格子間シリコン点欠 陥が存在する領域 （ （V/ G ) 以下） を示し、 〔V〕 はインゴッ ト内での空孔 型点欠陥が支配的であって、 空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域 （ （V /G ) 2以下） を示し、 〔P〕 は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の 凝集体が存在しないパーフエク ト領域 （ （V/G) i〜 （V/G) 2) を示す。 領域 〔P〕 に隣接する領域 〔V〕 には OS F核を形成する領域 〔OS F〕 ( (V /G) 2〜 (V/G) 3) が存在する。
したがって、 シリコンゥエーハに供されるインゴットの引上速度プロファイル は、 インゴットがホットゾーン内のシリコン融液から引き上げられるとき、 温度 勾配に対する引上速度の比 （VZG) が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生 を防止する第 1臨界比 （ （VZG) ,) 以上であって、 空孔型点欠陥の凝集体を インゴッ トの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第 2 臨界比 （ （V/G) 2) 以下に維持されるように決められる。
この引上速度のプロファイルは、 実験的に基準インゴットを軸方向にスライス することやシミュレーションによって上記ボロンコフ理論に基づいて決定される。 このようにパーフェク ト領域 〔P〕 で作製されたシリコンゥエーハは、 OS F、 COP等を有しない無欠陥のゥエーハとなるものであるが、 逆に I G効果が低い ため、 上記実施形態による熱処理を施せば、 十分に高密度な BMD層を内部に形 成でき、 近接ゲッタリング効果を備えることができる。
なお、 COP等の点欠陥の凝集体が検出方法によって検出感度、 検出下限値が 異なる値を示すことがある。 そのため、 本明細書において、 「点欠陥の凝集体が 存在しない」 の意味は、 鏡面加工されたシリコン単結晶を無攪拌セコエッチング を施した後に光学顕微鏡により、 観察面積とエツチング取り代との積を検査体積 として観察した際に、 フローパターン （空孔型欠陥） 及び転位クラスタ （格子間 シリコン型点欠陥） の各凝集体が 1 X 1 0—3 c m 3の検査体積に対して 1個欠陥 が検出された場合を検出下限値 （1 X 1 03個 /c m3) とするとき、 点欠陥の 凝集体の数が上記検出下限値以下であることをいう。
実施例
次に、 本発明に係るシリコンゥエーハの製造方法及びシリコンゥエーハを実施 例により具体的に説明する。
上記実施形態に基づいて、 雰囲気ガスとして NH3ZA r ： 2 S LM/2 S L M、 NH3/N2 ： 2 S LM/ 2 S LMをそれぞれ実際に流した場合の熱処理温 度 （ァニール温度） と BMD密度との関係を、 図 6に示す。 また、 同様に、 雰囲 気ガスとして NH3/A r ： 2 S LM/2 S LM、 NH3/N2： 2 S LM/2 S LMをそれぞれ実際に流した場合の熱処理温度と DZ幅との関係を、 図 7に示す。 なお、 比較として従来と同様に雰囲気ガスとして N2 ： 4 S LMを流した場合も 図示しておく。 図 6及び図 7からわかるように、 雰囲気ガスとして NH3を含ん だ本発明の熱処理では、 低い熱処理温度でも従来に比べて高い BMD密度が得ら れていると共に、 実用上十分な DZ幅が得られている。
また、 雰囲気ガスとして NH3ZN2 ： 2 S LMZ2 S LMの条件で熱処理温 度を 1 1 00 °Cと 1 1 50でとした場合の熱処理時間 （ァユール時間） と BMD 密度との関係を、 図 8に示す。 図 8からわかるように、 同じ熱処理時間では高温 の 1 1 50°Cの場合の方が 1 100°Cの場合よりも、 高い BMD密度が得られて いる。 また、 その効果の差は、 短い熱処理時間ほど顕著となっている。
なお、 その他種々の条件により実験を行った結果、 本発明によれば、 従来より 低温でも十分な BMD密度が得られると共に、 本発明における上記窒化ガスの雰 囲気ガス中の流量比を変えても BMD密度はあまり変化しないことがわかった。 さらに、 本発明において冷却速度を高めると、 より析出が多くなることも判明し た。
また、 スリップ長については、 低温での熱処理の方が短いと共に、 冷却速度が 高い方が短くなることがわかった。 さらに、 アンモニアを含んだ雰囲気ガスとし た場合、 アンモニアが比較的少ない方が、 スリップ長が短くなることがわかった。 これは、 アンモニアが分解した際に、 熱伝導率が比較的高い H (水素） が少なく なるためと考えられる。 したがって、 比較的低い温度でかつ流量比の少ないアン モニァを含む雰囲気ガスを用いて熱処理を行い、 さらに高い冷却速度で冷却すれ ば、 よりスリップが抑制され、 十分な BMD密度が得られることができる。
図 9は、 従来方法 (N2/A r、 1 220 °C) と本発明 （NH3 Ar ) で熱 処理温度を下げてスリップの効果を明りように示すため、 石英のピンでゥェーハ を保持したときのピン跡からのスリップの長さを示したものである。 スリップ長 さは、 Secoエッチにより 1 3 μ moffしたあとの転位ビットの最大間隔を測定し たものである。 従来方法では 3 mm伸びていたスリップが、 本発明では 0. 4m m以下となった。 1 1 3 0 °C以下では、 ゼロとなっており、 スリップが大幅に低 減できていることがわかった。
また、 N 2ZA rを雰囲気ガスとして用いた従来の R T A処理を施した場合と、 上記実施形態に基づいて表面にシリコン酸化窒化膜が形成される場合とについて、 実際に表面反応膜の組成を X P Sとスパッタリングとを組み合わせた分析法によ り分析した結果を図 1 O A及び 1 0 Bに示す。 この分析結果からもわかるように、 従来例の場合は、 図 1 O Aに示すように、 表面でほとんど酸素が検出されておら ず、 シリ コン及ぴ窒素のみしか検出されていないのに対し、 本実施形態に基づく 実施例では、 図 1 0 Bに示すように、 表面で酸素が窒素と同レベルで検出されて おり、 シリコン酸化窒化膜が形成されている。 産業上の利用可能性
本発明のシリコンゥヱーハの製造方法及びシリコンゥヱーハによれば、 熱処理 工程の雰囲気ガスが、 N 2が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガスを含 むので、 N 2の場合よりも低い熱処理温度又は短い熱処理時間でも窒化ガスが分 解されてシリコンゥエーハ表面を窒化し、 内部に空孔を注入することができ、 熱 処理時のスリップ発生を抑制することができると共に、 その後の熱処理で十分な D Z層と内部に適度に高い B MD密度とを有した高品質なゥエーハを得ることが できる。 特に、 2 0 O mmよりも大きい径の 3 0 O mmのゥエーハにおいて、 さ らに有効である。
また、 本発明のシリコン'ゥエーハによれば、 熱処理時に表面を窒化させたシリ コン酸化窒化膜を有するので、 内部に十分に空孔が注入されていると共に表面荒 れが抑制された良好な表面ラフネスを有している。 したがって、 このシリ コンゥ エーハに対して酸素析出のための熱処理をさらに施せば、 内部に高い B MD密度 の B MD層を有すると共に表面ラフネスが良好な D Z層を表層に有するゥエーハ を得ることができる。

Claims

請求の範囲
1. 雰囲気ガス中でシリコンゥヱーハを熱処理して内部に新たに空孔を形成する 熱処理工程を有し、 .
前記熱処理工程の前記雰囲気ガスは、 N2が分解可能な温度よりも低い分解温 度の窒化ガスを含むことを特徴とするシリ コンゥエーハの製造方法。
2. 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥヱーハの製造方法において、
前記窒化ガスは、 NH3を含むことを特徴とするシリコンゥヱーハの製造方法。
3. 請求の範囲第 2項に記載のシリコンゥヱーハの製造方法において、
前記窒化ガスは、 前記 NH3の濃度を 0. 5%以上又は NH3の流量を 10 s c c m以上にすることを特徴とするシリコンゥヱーハの製造方法。
4. 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥヱーハの製造方法において、
前記窒化ガスは、 プラズマ化されていることを特徴とするシリコンゥ -ノヽの 製造方法。
5. 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥヱーハの製造方法において、
前記熱処理の温度は、 900°Cから 1200°Cまでの温度であり、
前記熱処理の時間は、 60 s e c以下の時間であることを特徴とするシリコン ゥエーハの製造方法。
6. 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥエーハの製造方法において、
前記熱処理工程前に、 前記シリコンゥエーハ表面の酸化膜を除去又は薄膜化す る酸化膜除去工程を有することを特徴とするシリ コンゥエーハの製造方法。
7. 請求の範囲第 6項に記載のシリコンゥエーハの製造方法において、
前記酸化膜除去工程は、 前記雰囲気ガスに NH3を含む際に少なくとも前記酸 化膜を膜厚が 2 n m未満になるまで除去することを特徴とするシリコンゥヱーハ の製造方法。
8 . 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥヱーハの製造方法において、
前記熱処理工程は、 前記シリコンゥエーハを前記熱処理を施す反応室内に配置 し、 該反応室内の雰囲気ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理を行ってか ら前記窒化ガスを含む雰囲気ガスを反応室内に供給することを特徴とするシリコ ンゥ ーハの製造方法。
9 . 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥエーハの製造方法において、
前記熱処理工程後に、 該熱処理工程よりも低い温度で前記シリコンゥヱーハを 熱処理して表層に無欠陥層を形成すると共に内部の空孔に酸素を析出させる析出 処理工程を有することを特徴とするシリコンゥヱーハの製造方法。
1 0 . 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンゥエーハであって、 請求の範囲第 1項に記載のシリコンゥエーハの製造方法により作製されたこと を特徴とするシリコンゥエーハ。
1 1 . 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたシリコンゥエーハであって、 前記熱処理時に表面を窒化させたシリコン酸化窒化膜を表面に有することを特 徴とするシリ コンゥェ一ハ。
1 2 . 請求の範囲第 1 1項に記載のシリコンゥエーハにおいて、
少なくとも表層に無欠陥層が形成されていると共に内部の前記空孔に酸素が祈 出されていることを特徴とするシリコンゥエーハ。
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