(57)【要約】【課題】シリコンウェーハに施すＲＴＡ熱処理の低温化又は短時間化を図り、シリコンウェーハのスリップの発生を抑制すると共に、ＮＨ３を使用することなく、シリコンウェーハ内部に空孔を形成し、高品質なシリコンウェーハを製造することができる方法を提供することを目的とする。【解決手段】雰囲気ガス中でシリコンウェーハにＲＴＡ熱処理を施す工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、雰囲気ガスとして、窒素ガスに５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いてＲＴＡ熱処理を施すシリコンウェーハの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、雰囲気ガス中でシリコンウェーハにＲＴＡ熱処理を施す工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、前記雰囲気ガスとして、窒素ガスに５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いてＲＴＡ熱処理を施すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記雰囲気ガスとして、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いる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製造方法。
【請求項３】
前記雰囲気ガスとして、窒素ガスの露点を制御することにより窒素ガスに混入させる水分の濃度を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記雰囲気ガスとして、窒素ガスの露点を−６０℃以上−３８℃以下に制御することにより、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記ＲＴＡ熱処理が施されるシリコンウェーハの初期酸素濃度を、９ｐｐｍａ以上１４ｐｐｍａ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記ＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハの表面に、エピタキシャル層を成長させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＴＡ熱処理によりバルク部に空孔を形成し、ゲッタリング能力を付与するシリコンウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＺ（チョクラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して製作されたシリコンウェーハは、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（ＢＭＤ：Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）となる。酸素析出物はデバイ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。
【０００３】
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ：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共に、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ＤＺ層（Ｄｅｎｕｄｅｄ  Ｚｏｎｅ又は無欠陥層）を均一に形成する方法が用いられている（特許文献１参照）。そして、このＤＺ層形成後に、上記熱処理温度より低温で熱処理を施すことで、バルク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ＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。このようにして得られるシリコンウェーハは、図３のように表層にＤＺ層３１、バルク部にＢＭＤ層３２を有する。
【０００４】
また、他の方法として、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により、シリコンウェーハ表面にＤＺ層、バルク部にＢＭＤ層の形成を行っている。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Ｎ２（窒素）が主に用いられている。すなわち、高温で窒素が分解され、シリコンウェーハ表面にＳｉｘＮｙ（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。
【０００５】
しかしながら、上記のようなシリコンウェ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。従来では、空孔形成のための熱処理を施す際に、窒素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、十分な量の空孔を得るために１２５０℃以上かつ１０ｓｅｃ以上の熱処理が必要であった。
このため、シリコンウェーハには、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った。
【０００６】
そこで、特許文献２では、シリコンウェ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の雰囲気ガスを、Ｎ２が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガス（ＮＨ３等）を含む雰囲気ガスとすることを提案している。これにより、Ｎ２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ウェーハ表面を窒化し、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、その後の熱処理で表面に十分なＤＺ層とバルク部に適度に高いＢＭＤ密度を有した高品質なウェーハを得ることができるとしている。
【０００７】
しかしながら、有害なＮＨ３を供給するための設備が必要となり、設備コストが増大してしまうという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ９８／３８６７５号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−３１５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、シリコンウェーハに施すＲＴＡ熱処理の低温化又は短時間化を図り、シリコンウェーハのスリップの発生を抑制すると共に、ＮＨ３を使用することなく、シリコンウェーハ内部に空孔を注入し、高品質なシリコンウェーハを製造することができる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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、雰囲気ガス中でシリコンウェーハにＲＴＡ熱処理を施す工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、前記雰囲気ガスとして、窒素ガスに５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いてＲＴＡ熱処理を施すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法を提供する（請求項１）。
【００１１】
このように、窒素ガスに微量の水分を混入させた雰囲気中でＲＴＡ熱処理を行うことにより、比較的低温の熱処理でもシリコンウェーハ表面に酸窒化膜を形成することができる。このため、窒素とシリコン原子が反応することで、シリコンウェーハ内部に効率的に空孔を注入することができる。これにより雰囲気ガスにＮＨ３等の有毒ガスを用いなくとも、比較的低温の熱処理で、シリコンウェーハ内部に十分な量の空孔を注入することができる。
従って、本発明のＲＴＡ熱処理を行うことで、その後の熱処理により表層にＤＺ層と、バルク部に十分な密度のＢＭＤを有したスリップのない高品質なシリコンウェーハを低コストで製造することができる。
【００１２】
このとき、前記雰囲気ガスとして、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いることが好ましい（請求項２）。
このように、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを雰囲気ガスとして用いることで、より多くの空孔をウェーハ内部に注入することができ、低温熱処理であっても、ＮＨ３を用いた雰囲気でＲＴＡ熱処理を行った場合と同等以上のＢＭＤ密度を得ることができる。
【００１３】
このとき、前記雰囲気ガスとして、窒素ガスの露点を制御することにより窒素ガスに混入させる水分の濃度を調整することが好ましい（請求項３）。
このように、窒素ガスの露点を制御することで、混入させる水分濃度の調整をより容易に行うことができる。
【００１４】
このとき、前記雰囲気ガスとして、窒素ガスの露点を−６０℃以上−３８℃以下に制御することにより、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させることが好ましい（請求項４）。
窒素ガスの露点を上記範囲に制御することで、１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下という好ましい水分濃度範囲内により容易に調整することができる。
【００１５】
このとき、前記ＲＴＡ熱処理が施されるシリコンウェーハの初期酸素濃度を、９ｐｐｍａ以上１４ｐｐｍａ以下とすることが好ましい（請求項５）。
このような、低酸素濃度のシリコンウェーハであっても本発明のＲＴＡ熱処理であれば、低温でも十分な空孔量を注入することができ、スリップがなく、高いＢＭＤ密度のシリコンウェーハにすることができるため、析出過多になることもなく好適である。
【００１６】
このとき、前記ＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハの表面に、エピタキシャル層を成長させることができる（請求項６）。
本発明のＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハであれば、バルク部に十分な量の空孔を有しており、表面の結晶性も良好であるので高温でエピタキシャル成長を行うシリコンウェーハの製造においても、良好な酸素析出が起こり、高いＢＭＤ密度を有することができるとともに、良好なエピタキシャル層を得ることができるので、好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明であれば、ＮＨ３等の有毒ガスを使用せずに、スリップがなく、ＤＺ層と高いＢＭＤ密度を有するシリコンウェーハを低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
従来、ＮＨ３等の有毒なガスを用いるか、又は高温の熱処理を行ってシリコンウェーハに空孔を注入していたが、スリップの発生やコストの問題等があった。
これに対して、本発明者らは、比較的低温の熱処理であっても、ＮＨ３等を用いること無く空孔を注入できる熱処理方法を鋭意検討した結果、ＲＴＡ熱処理の際の雰囲気として、窒素ガスに微量の水分を混入させたものを用いることで、比較的低温であってもシリコンウェーハ内部へ空孔が注入されることを見出した。
【００１９】
さらに、本発明者らは、適切な水分量を調べるために、様々な水分濃度の窒素ガス雰囲気と、ＮＨ３を含む雰囲気によりＲＴＡ熱処理（１１７５℃／３０秒）を行ったシリコンウェーハに、酸素析出物であるＢＭＤを形成するための２段階熱処理（８００℃／４時間、１０００℃／１６時間）を施して、そのＢＭＤ密度を調べることにより、図１のような結果を得た。図１は、ＲＴＡ熱処理の雰囲気ガスとして窒素ガスに混入させた水分濃度と、ＢＭＤ密度の関係を示すグラフである。
【００２０】
図１からわかるように、ＲＴＡ熱処理温度が比較的低温であるため純粋な窒素ガス（Ｎ２）では酸素析出は不十分であるが、窒素ガスに水分を５ｐｐｍ（Ｎ２＋Ｈ２Ｏ（５ｐｐｍ））以上混入させることで酸素析出が良好に生じており、さらには、１０ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの範囲では、同様の熱処理条件でＮＨ３を含む雰囲気ガス（ＮＨ３／Ａｒ）中でＲＴＡ熱処理を行ったものよりもＢＭＤ密度が高いことがわかる。
【００２１】
また、水分濃度が２５０ｐｐｍを超えると大幅にＢＭＤ密度が低くなっているが、これは、ＲＴＡ熱処理中に水分により酸化膜が形成されてしまい、格子間Ｓｉが注入されて空孔量が減少して酸素析出が抑制されてしまうためと考えられる。
【００２２】
以上から、ＲＴＡ熱処理の雰囲気ガスとして、窒素ガスに５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下の濃度の水分、好ましくは１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いることで、比較的低温であっても十分な空孔注入ができ、高密度のＢＭＤ層を有するシリコンウェーハを製造できることを見出して、本発明を完成させた。
【００２３】
以下、図を参照しながら、本発明の実施の形態について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。
【００２４】
先ず、図２に本発明で使用することができるＲＴＡ用の熱処理炉の一例を示す。本発明ではＮＨ３等の有毒ガスを用いる必要が無いため、熱処理炉としては、実質的に従来のものと同様のものを使用できる。
熱処理炉２０は、シリコンウェーハＷの搬入口をふさぐための蓋２５、雰囲気ガスを供給するためのガス供給口２２、雰囲気ガスを排出するためのガス排出口２４、シリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ２３とシリコンウェーハＷを加熱するランプ２１を具備している。
このような熱処理炉２０内にシリコンウェーハＷを載置して、ガス供給口２２から雰囲気ガスを流しながら、ＲＴＡ熱処理を行う。
【００２５】
本発明では、上記のような熱処理炉を用いたＲＴＡ熱処理における雰囲気ガスとして、窒素ガスに５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させたものを用いる。
【００２６】
通常の純粋な窒素ガスは、少なくとも水分を２ｐｐｍ以下程度にされており、従来では水分を含まない雰囲気の方が空孔注入が起きるとされていたため、その純粋な窒素ガスの水分濃度はさらに小さくなるように調整されていた。
これに対して本発明では、窒素ガスに本発明の範囲の微量濃度の水分を故意に混入させた雰囲気中でＲＴＡ熱処理を行うことにより、比較的低温の熱処理でもシリコンウェーハ表面に酸窒化膜を形成することができる。これにより、窒素とシリコン原子が反応することで、シリコンウェーハ内部に効率的に空孔を注入することができる。このため、雰囲気ガスにＮＨ３等の有毒ガスを用いなくとも、比較的低温の熱処理で、シリコンウェーハ内部に十分な量の空孔を注入することができる。
以上のように本発明のＲＴＡ熱処理を行うことにより、内部に十分なＢＭＤ密度を有した高品質なスリップの無いシリコンウェーハを低コストで製造することができる。
【００２７】
また、窒素ガスに混入させる水分濃度を１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
このような濃度範囲で水分を混入させたものを雰囲気ガスとして用いることで、より多くの空孔を注入することができ、低温熱処理であっても、ＮＨ３を用いた雰囲気でＲＴＡ熱処理を行ったもの以上のＢＭＤ密度を得ることができるため、より高品質のシリコンウェーハを製造することができる。
【００２８】
このとき、窒素ガスの露点を制御することにより窒素ガスに混入させる水分濃度を調整することが好ましく、窒素ガスの露点を−６０℃以上−３８℃以下に制御することにより、窒素ガスに１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の濃度の水分を混入させることが好ましい（半導体産業で用いられる窒素ガスは、露点−７０℃以下とされる。）。
本発明のＲＴＡ熱処理において用いる窒素ガス中の水分濃度は非常に微量であるため、その露点を制御する方法によれば、水分濃度の調整を容易に行うことができ、さらには、上記のような好ましい水分濃度範囲内での調整もより容易となる。
以下、窒素ガスの露点と、水分濃度の関係を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１に示すように、窒素ガスを本発明の水分濃度範囲（５ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下）に調整するためには、その露点を−６５℃以上−３４℃以下に制御すればよく、さらに好ましい水分濃度範囲（１０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下）に調整するためには、窒素ガスの露点を−６０℃以上−３８℃以下に制御すればよいことがわかる。
【００３１】
このような本発明のＲＴＡ熱処理を施すシリコンウェーハとしては、特に限定されないが、例えば初期酸素濃度が９ｐｐｍａ以上１４ｐｐｍａ以下（ＪＥＩＤＡ）のシリコンウェーハが好ましい。
このような、比較的低酸素濃度のシリコンウェーハであっても本発明のＲＴＡ熱処理であれば、低温でも十分な空孔量を注入することができ、スリップがなく、高いＢＭＤ密度のシリコンウェーハを製造することができるとともに、析出過多となることもなく、好適である。
【００３２】
また、このような本発明のＲＴＡ熱処理の条件についても、特に限定されず、例えば、２０〜５０℃／ｓｅｃで昇温し、１１００℃〜１２００℃で６０秒以下の熱処理を施した後、２０〜５０℃／ｓｅｃで降温することができる。
このように、本発明のＲＴＡ熱処理であれば、１１００〜１２００℃といった比較的低温の熱処理であっても空孔注入できるため、シリコンウェーハにスリップが生じず、良好な熱処理を行うことができる。また、１２００℃を超える温度で熱処理を行う場合には、熱処理時間を１０秒未満とすることもでき、短時間であっても十分な空孔を注入することができる。なお、降温速度をより速くして、より多くの空孔を凍結することもできる。
【００３３】
以上のように、本発明のＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハは、スリップがなく、十分な空孔量を有するため、後工程の酸素を析出させる熱処理により、５×１０８／ｃｍ３以上、さらには２×１０９／ｃｍ３以上という十分に高いＢＭＤ密度をバルク部に有し、表面にＤＺ層を有する高品質のシリコンウェーハになる。
【００３４】
そして、本発明のＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハは、その表面にエピタキシャル層を形成するのが好ましい。
本発明のＲＴＡ熱処理が施されたシリコンウェーハであれば、十分な量の空孔を有しているため、高温でエピタキシャル成長を行うシリコンウェーハの製造においても、良好な酸素析出が起こり、高いＢＭＤ密度を有するエピタキシャルウェーハとすることができ、好適である。
【実施例】
【００３５】
以下、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。
【００３６】
（実施例、比較例）
熱処理を施すシリコンウェーハとして、初期酸素濃度が１２ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）のシリコンウェーハを準備した。
雰囲気ガスとして、窒素ガスに混入させる水分濃度を０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍの範囲で変えて、ＲＴＡ熱処理温度１１７５℃、熱処理時間３０秒、昇温速度５０℃／ｓｅｃ、降温速度３３℃／ｓｅｃで、準備したシリコンウェーハにＲＴＡ熱処理を施した。また、同様の条件で、ただし雰囲気ガスとしてＮＨ３とＡｒの混合ガスを用いてシリコンウェーハに熱処理を施した。
【００３７】
上記のようにＲＴＡ熱処理を施したシリコンウェーハに、ＢＭＤ評価のために２段階熱処理（８００℃／４時間、１０００℃／１６時間）を施した。この２段階熱処理後のシリコンウェーハを、へき開、エッチングして表層から５００μｍまでのＢＭＤ層を観察し、ＢＭＤ密度を測定した。図４はＢＭＤ層を観察した図である。
図１及び表２にＢＭＤ密度の測定結果を示す。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
図１、表２からわかるように、純粋な窒素ガス（Ｎ２）の雰囲気で熱処理を行った場合にはＢＭＤ密度が非常に小さいが、窒素ガスに水分を混入させた雰囲気ガス（Ｎ２＋Ｈ２Ｏ（５ｐｐｍ以上））で行った場合にはＢＭＤ密度が高く、ＲＴＡ熱処理において十分な空孔注入が行われていることがわかる。
また、水分濃度が２５０ｐｐｍを超えると酸化膜が形成されてしまい、格子間Ｓｉの注入量が多くなって空孔が減るため、ＢＭＤ密度が非常に小さくなっていることがわかる。
【００４０】
ＲＴＡ熱処理において、実施例（Ｎ２＋Ｈ２Ｏ（５〜２５０ｐｐｍ））と比較例（ＮＨ３／Ａｒ）では共にシリコンウェーハ表面に酸窒化膜または窒化膜が形成されていたが、実施例では１ｎｍ程度の厚さで、比較例に比べてその膜厚は薄かった。しかし、実施例の方が比較例よりもＢＭＤ密度が高いケースもあった。これは、空孔注入量が多いほどＢＭＤのサイズが小さく、サイズの小さいＢＭＤは後の熱処理工程で消滅しやすいため、実施例の方が比較例（ＮＨ３／Ａｒ）よりも適度な空孔注入量であったことがわかる。
このため、本発明のＲＴＡ熱処理を施したシリコンウェーハは、高温熱処理を必要とするエピタキシャル層成長用ウェーハに好適であることがわかる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ＲＴＡ熱処理の際に窒素ガスに混入した水分濃度と、そのＲＴＡ熱処理後に２段階熱処理を施したシリコンウェーハのＢＭＤ密度の関係を示すグラフである。
【図２】本発明のＲＴＡ熱処理に用いることができる熱処理炉の一例を示す概略図である。
【図３】ＲＴＡ熱処理が施されたＤＺ層とＢＭＤ層を有するシリコンウェーハの一例を示す概略図である。
【図４】ＲＴＡ熱処理を施して２段階熱処理した後のシリコンウェーハのＢＭＤ層を観察した図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０…熱処理炉、  ２１…ランプ、  ２２…ガス供給口、
２３…サセプタ、  ２４…ガス排出口、  ２５…蓋、
３１…ＤＺ層、  ３２…ＢＭＤ層、  Ｗ…シリコンウェーハ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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