(57)【要約】【課題】水素アニール時より短時間のうちに、ウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥を低減または消滅させ、かつ微小凹凸欠陥を原因としたデバイスの歩留の低下を無くすことができ、微小凹凸欠陥によるデバイスの歩留の低下を無くせるシリコンウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】アルゴンガスの雰囲気下、ウェーハ表層のシリコンにマイグレーションが発生する熱処理条件でシリコンウェーハを熱処理する。これにより、ウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥を短時間で消滅できる。その結果、研磨キズによるウェーハの歩留り低下、デバイスの歩留低下を無くせる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥が存在するシリコンウェーハに対して、非酸化性ガスの雰囲気下で、かつ前記シリコンウェーハの表層のシリコンにマイグレーションが発生する熱処理条件で平坦化熱処理を行うシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記平坦化熱処理されるシリコンウェーハは、仕上げ研磨によって表面が鏡面化されたウェーハである請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記平坦化熱処理工程では、
前記シリコンウェーハに対して、９００℃以上シリコンの融点未満の温度で熱処理を行う請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記平坦化熱処理工程では、
前記シリコンウェーハに対して、９００℃以上１１００℃未満で１秒〜５分の熱処理を行うか、
１１００℃以上シリコンの融点未満の温度で１秒未満の熱処理を行う請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記平坦化処理されるシリコンウェーハは、自然酸化膜が除去されたウェーハである請求項１〜請求項４のうち、何れか１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】
この発明はシリコンウェーハの製造方法、詳しくはウェーハ加工起因によるウェーハ表面の微小凹凸欠陥を低減または消滅させ、デバイスの歩留を高めることが可能なシリコンウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェーハの各種の加工工程、例えば研磨工程では、粗い粒子の研磨砥粒を使用する１次研磨、細かい粒子の研磨砥粒を使用する２次研磨を施したのち、ウェーハ表面を鏡面化する仕上げ研磨が施される。鏡面研磨後のシリコンウェーハの表面には、局所的に凹状の欠陥であるスクラッチキズや微小突起などの研磨キズが観察される。研磨キズは、ウェーハ表面を基準とした高低差が６〜８ｎｍの微小な欠陥で、一般にウェーハ面内で、数十個〜１００個程度発生している。研磨キズは、最終的にデバイスの歩留り低下の要因となっていた。
そこで、これを解消するため、ウェーハ表層に存在するボイド欠陥を消滅させる水素アニールを利用することが考えられる（例えば、特許文献１）。水素アニールでは、０．１μｍ程度のボイド欠陥を消滅させるため、シリコンウェーハに対して、水素ガスの雰囲気下で、１２００℃前後、１時間程度の熱処理をヒータ加熱式の熱処理装置を使用して行う。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１８１０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したように水素アニールでは、０．１μｍ程度のボイド欠陥を消滅させるため、シリコンウェーハに対して、水素ガスの雰囲気下で、１２００℃前後、１時間程度という長時間の熱処理が必要であった。しかも、その熱処理に伴う昇温時間および降下時間も長くなり、その結果、熱処理全体の処理時間が長くなって、シリコンウェーハの生産性が低下していた。
【０００５】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、この水素アニールによるボイド欠陥の消滅の場合と同様に、ウェーハ表層におけるシリコン原子のマイグレーションを利用すれば、水素アニール時より短時間のうちに、ウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥（仕上げ研磨後の研磨キズを含む）を低減または消滅できることを知見し、この発明を完成させた。これは、水素アニールにより消滅可能なボイド欠陥のサイズが０．１μｍ前後であることに対して、スクラッチキズや微小突起などの微小凹凸欠陥のサイズが６〜８ｎｍと小さいためである。
【０００６】
この発明は、水素アニール時より短時間のうちに、ウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥を低減または消滅させ、微小凹凸欠陥を原因としたデバイスの歩留の低下を無くすことができるシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、表面にウェーハ加工起因の微小凹凸欠陥が存在するシリコンウェーハに対して、非酸化性ガスの雰囲気下で、かつ前記シリコンウェーハの表層のシリコンのみにマイグレーションが発生する熱処理条件で平坦化熱処理を行うシリコンウェーハの製造方法である。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、非酸化性ガスの雰囲気下で、ウェーハ表層のシリコンのみにマイグレーションが発生する熱処理条件によって、シリコンウェーハを熱処理する。これにより、従来は各種のウェーハ加工後のウェーハ表面に発生していたウェーハ加工起因のスクラッチキズ、微小突起などの微小凹凸欠陥を、短時間のうちに縮小または消滅させることができる。その結果、微小凹凸欠陥を原因としたシリコンウェーハの歩留りの低下、ひいてはデバイスの歩留の低下を無くすことができる。
【０００９】
シリコンウェーハの大口径化に伴い、研磨起因によるウェーハの表面欠陥が増加する傾向にある。そのため、将来的には、直径３００ｍｍ以上のシリコンウェーハに対して、この発明は重要度が高い技術になる可能性が高いと推察される。
【００１０】
シリコンウェーハとしては、単結晶シリコンウェーハ、エピタキシャルシリコンウェーハの平坦度向上のため研磨を施した製品、あるいは水素アニール製品の表面に研磨を施した製品などを採用することができる。
非酸化性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなどの希ガス（窒素ガスを含む）を採用することができる。非酸化性ガスには水素は含まない。そのため、爆発の危険性がない。
ウェーハ加工後のウェーハ表面には、ウェーハ表面を基準面として高低差が６〜８ｎｍのスクラッチキズ（凹み欠陥）や微小突起（凸欠陥）などの微小凹凸欠陥が発生している。
【００１１】
ここでの「マイグレーション」とは、シリコンウェーハ表面に自然酸化膜が存在しない場合には最表面のシリコン原子は未結合手が存在するため自由にシリコン原子が表面を移動できる現象をいう。このシリコン原子の表面移動により平坦化が進む。
ウェーハ表層のシリコンにマイグレーションを発生させる熱処理条件としては、例えば、非酸化性ガス雰囲気下で９００℃以上１１００℃未満、１秒以上５分未満の熱処理時間で十分に微小凹凸欠陥を消滅させることができる。また、好ましくは１０５０℃以上１１００℃未満で６０秒以下である。さらに好ましくは１０秒以下である。１０秒以下であれば、スリップフリーの達成率が高まる。熱処理の昇降温速度については、熱応力によりスリップが発生しない条件で行うことが好ましい。
【００１２】
熱処理装置としては、例えば、熱源としてヒータを使用する一般的な熱処理炉を採用することができる。その他、急速加熱が可能なランプ式急速加熱炉（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ）でもよい。ランプ式急速加熱炉とは、ハロゲンランプなどのランプ熱源からの熱により急速加熱、急速冷却（１〜１００℃／秒、最高温度１２５０℃）が可能な加熱炉である。
また、１１００℃からシリコン融点未満の温度範囲では、スリップ抑制と微小凹凸欠陥の消滅とを両立させる方法として、レーザーアニーラーおよびフラッシュランプアニール炉を採用することが好ましい。上記装置の加熱方式がパルス照射による加熱の場合には、照射回数の合計時間が１秒以下となるように加熱すればよい。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記平坦化熱処理されるシリコンウェーハは、仕上げ研磨によって表面が鏡面化されたウェーハである請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、平坦化熱処理されるシリコンウェーハとして、仕上げ研磨によって表面が鏡面化されたウェーハを採用したので、非酸化性ガスの雰囲気下で、ウェーハ表層のシリコンにマイグレーションが発生する熱処理条件によって、シリコンウェーハを熱処理する。これにより、仕上げ研磨後のウェーハ表面に局所的に発生していた高低差６〜８ｎｍの研磨キズ（微小凹凸欠陥）を、短時間のうちに縮小または消滅させることができる。
【００１５】
「仕上げ研磨」とは、シリコンウェーハの研磨工程の最終段階で、ウェーハ表面を鏡面化する工程をいう。
仕上げ研磨されるシリコンウェーハとは、例えばチョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶インゴットに対して、ブロック切断、外径研削、スライス、面取り、ラッピング、エッチングを順次施し、その後、ウェーハ表面を１次研磨（必要により２次研磨も行われる）したシリコンウェーハをいう。
仕上げ研磨装置としては、例えば、１枚のシリコンウェーハのみを研魔する枚葉式の研磨装置を採用することができる。その他、複数枚のシリコンウェーハを同時に研磨するバッチ式の研磨装置でもよい。
仕上げ研磨後のウェーハ表面には、局所的（例えばウェーハ面内で３０〜１００個）に、ウェーハ表面を基準面として高低差が６〜８ｎｍのスクラッチキズ（凹み欠陥）や微小突起（凸欠陥）などの研磨キズ（微小凹凸欠陥）が発生している。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記平坦化熱処理工程では、前記シリコンウェーハに対して、９００℃以上シリコンの融点未満の温度で熱処理を行う請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法である。
【００１７】
シリコンウェーハの熱処理が９００℃未満では、シリコン原子のマイグレーション速度が遅いために生産性が低下する。また、シリコンの融点を超えれば、本発明でいうマイグレーションの定義から外れる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記平坦化熱処理工程では、前記シリコンウェーハに対して、９００℃以上１１００℃未満で１秒〜５分の熱処理を行うか、１１００℃以上シリコンの融点未満の温度で１秒未満の熱処理を行う請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法である。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、シリコンウェーハに対して、９００℃以上１１００℃未満で１秒〜５分の熱処理を行うか、１１００℃以上シリコンの融点未満の温度で１秒未満の熱処理を行えば、凹凸欠陥の消滅効果と同時にスリップ抑制や生産性低下を招かない。
【００２０】
シリコンウェーハの熱処理温度が９００℃以上１１００℃未満での熱処理時間が１秒未満では、シリコン表面でのマイグレーション速度が遅いため平坦化が十分でない。また、５分を超えれば、大幅に生産性が低下する。シリコンウェーハの熱処理温度が９００℃以上１１００℃未満での好ましい熱処理時間は、１０秒〜１分である。この範囲であれば、上記不都合を解消できる。
【００２１】
シリコンウェーハの熱処理温度が１１００℃以上シリコンの融点未満での熱処理時間が１秒を超えれば、スリップの発生が顕在化する。
１１００℃以上ではシリコンマイグレーションの速度は十分に速いため熱処理時間は１秒未満でよい。なお、シリコン製造工場では、通常、酸素析出物成長を促進させる基板を製造するためにランプ炉を複数台保有している。このランプ炉の装置仕様が一般的に１２００℃〜１２５０℃であるので、既存装置が適用できるとういう好適な効果が得られる。一方、１２５０℃を超えるような温度域で本発明を適用する場合には、フラッシュランプアニール炉やレーザーアニール炉を用いればよく、非常に高い温度での加熱であるので、５００マイクロ秒以下でも十分に平坦化が可能である。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、前記平坦化処理されるシリコンウェーハは、自然酸化膜が除去されたウェーハである請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法である。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、シリコンウェーハの表面から自然酸化膜を除去しているので、熱処理による自然酸化膜の除去（昇華）時間を短縮することができる。
自然酸化膜の除去方法としては、例えば、ＨＦ溶液中へのシリコンウェーハの浸漬などを採用することができる。得られたシリコンウェーハは水素原子が最表面のシリコン原子と結合している状態であり簡単に熱処理中に脱離することができる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、非酸化性ガスの雰囲気下で、ウェーハ表層のシリコンにマイグレーションが発生する熱処理条件でシリコンウェーハに熱処理を行う。これにより、ウェーハ加工後にウェーハ表面に発生していた微小凹凸欠陥を、短時間のうちに縮小または消滅させることができる。その結果、この微小凹凸欠陥を原因としたシリコンウェーハの歩留りの低下、ひいてはデバイスの歩留の低下を無くすことができる。
【００２５】
特に、請求項２に記載の発明によれば、平坦化熱処理されるシリコンウェーハとして、仕上げ研磨によって表面が鏡面化されたウェーハを採用したので、マイグレーションを伴う熱処理により、仕上げ研磨後のウェーハ表面に局所的に発生していた高低差６〜８ｎｍの研磨キズを、短時間のうちに縮小または消滅させることができる。
【００２６】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、シリコンウェーハの表面から自然酸化膜を除去しているので、熱処理による自然酸化膜の除去時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００２８】
この発明の実施例１に係るシリコンウェーハの製造方法を説明する。
チョクラルスキー法により引き上げられた直径３００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８／ｃｍ３、比抵抗１０Ω・ｃｍのシリコン単結晶インゴットには、ブロック切断、外径研削、スライス、エッチングの順に最終工程の研磨までの各工程が順次施される。
このウェーハ表面には、ウェーハ面内で数十個〜１００個程度、ウェーハ表面を基準面として高低差が６〜８ｎｍのスクラッチキズや微小突起などの研磨キズが発生している。
【００２９】
次に、この仕上げ研磨後のシリコンウェーハの表面の研磨キズを除去する熱処理工程を説明する。まず、ここで使用されるランプ加熱式の急熱急冷装置（ＲＴＡ装置）を説明する。
急熱急冷装置は、石英製のチャンバを本体とし、チャンバを上下方向および左右方向から囲むように、多数個のハロゲンランプが配列されている。チャンバ内には石英トレイが配置され、その表面上にはシリコンウェーハを３点支持する３本の支持ピンが立設されている。シリコンウェーハは、これらの支持ピンの上に水平な状態で載置される。石英トレイのガス導入口側には、石英からなるバッファが設けられ、導入ガスがシリコンウェーハに直接接触しないように構成されている。また、チャンバの一部には窓部が形成されており、チャンバの外に設けられたパイロメータにより、窓部を通して熱処理中のシリコンウェーハの温度を測定できるようになっている。
【００３０】
ウェーハ熱処理時には、ローダ装置によりシリコンウェーハをチャンバ内へ挿入し、シリコンウェーハを水平に３本の支持ピン上に載置する。その後、炉内にアルゴンガス（１００％）を流しながらハロゲンランプに通電し、シリコンウェーハを５０℃／秒で１０７５℃まで加熱し、この温度を３０秒間維持する。これにより、シリコンウェーハの表層シリコンのマイグレーションが発生する。その結果、仕上げ研磨後のウェーハ表面の局所的な研磨キズをで短い熱処理時間で消滅させることができる。よって、この研磨キズを原因としたシリコンウェーハの歩留りの低下、ひいてはデバイスの歩留の低下を無くすことができる。
熱処理後は、シリコンウェーハが、ＳＣ−１とＳＣ−２の２種類の洗浄液をベースとしたＲＣＡ洗浄により洗浄される。その後、各種のウェーハの検査が行われ、検査に合格したものが製品として出荷される。
【００３１】
以下、この発明のシリコンウェーハの製造方法を、試験例および比較例に基づき、具体的に説明する。
実施例１の条件で得られた直径３００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８／ｃｍ３、比抵抗１０Ω・ｃｍのシリコンインゴットをウェーハ加工し、最終的に仕上げ研磨された多数枚のシリコンウェーハのうち、選出された２５枚を比較例１および試験例１〜３の全ての実験で使用した。
【００３２】
（比較例１）
まず、選ばれた２５枚の仕上げ研磨後のシリコンウェーハに対して、表面検査装置（ＳＰ−２）によりウェーハ表面上に存在するパーティクルおよび結晶欠陥などの散乱物の位置とその個数とを測定した。各ウェーハにおいて、取得されたウェーハ表面の位置に存在する欠陥を、原子間力顕微鏡により形状測定した。その結果、微小突起（図１）や凹み欠陥のスクラッチキズ（図２）などの研磨キズが観察された。
また、図３の左上部分に、別の微小突起の原子間力顕微鏡の写真を示し、図３の下部分のグラフに、別の微小突起の高さを測定した結果を示す。全てのウェーハにおける微小突起の高さの平均値は、８．７ｎｍであった。
【００３３】
（実施例１）
比較例１で使用したシリコンウェーハのうち、７枚のウェーハに対して、ウェーハ表面の酸化膜をＨＦ溶液により除去した。その後、ランプ加熱式の急熱急冷装置により、アルゴンガス雰囲気下、１０９０℃で１秒、５秒、１０秒、３０秒、６０秒、１２０秒および３００秒という７種類の異なる熱処理時間で、シリコンウェーハの熱処理を行った。その後、熱処理前に存在したウェーハ加工起因のスクラッチキズの位置を、原子間力顕微鏡により観察した。その結果、何れのウェーハにおいても微小突起は存在せず、熱処理時に消滅したことが判った。
【００３４】
（実施例２）
次に、加熱温度を実施例１の１０９０℃から９００℃と１０００℃とへ変更した外は、実施例１と同じ熱処理条件で、比較例１で使用した別の１４枚のシリコンウェーハに対して熱処理を行った。その結果、９００℃熱処理条件では熱処理時間が１秒の場合のみ、微小欠陥の形状に変化が見られなかったが５秒以上の熱処理では微小欠陥は消滅していた。一方、１０００℃熱処理条件では全ての熱処理時間で、その欠陥は消滅していた。以上の結果から熱処理温度の増加につれ処理時間も短縮できることを意味している。
【００３５】
（実施例３）
次に、５２０ｎｍの波長のパルス発振するグリーンレーザーを備えるレーザーアニール炉を用い、比較例１で使用した残りのシリコンウェーハに対してシリコン表面が溶融しない条件で、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２で０．５秒間だけ微小凹凸欠陥領域にレーザーを表面に照射した。その結果、ウェーハ表面上の微小凹凸欠陥の存在していた座標を観察したが、欠陥は消滅していた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリコンウェーハの表面に現出した微小突起の電子顕微鏡写真である。
【図２】シリコンウェーハの表面に現出したスクラッチキズの電子顕微鏡写真である。
【図３】シリコンウェーハの表面に現出した別の微小突起の表面検査装置による高さ等の測定結果である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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