(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンで構成された半導体ウェハを、半導体ウェハの熱処理中に支持するための支持リングであって、
外部側面および内部側面と、外部側面から内部側面に延在し、半導体ウェハの配置に役立つ凹状の湾曲面とを含み、前記凹状の湾曲面は、直径３００ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には６０００ｍｍ以上９０００ｍｍ以下の曲率半径を有し、直径４５０ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には９０００ｍｍ以上１４０００ｍｍ以下の曲率半径を有し、
切込み深さｔが２μｍでの、前記凹状の湾曲面は、８５％以上の材料比Ｒｍｒ（ｔ）を有する、支持リング。
【請求項２】
前記凹状の湾曲面は、３μｍ以上５μｍ以下の平均粗さＲｚと、５μｍ以下の最大粗さＲｍａｘとを有する、請求項１に記載の支持リング。
【請求項３】
前記凹状の湾曲面の形状公差は０．０３ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の支持リング。
【請求項４】
前記支持リングの外径は半導体ウェハの直径と等しいかまたは最大２ｍｍ以下大きく、前記支持リングの内径は外径よりも６０ｍｍ以上１００ｍｍ以下小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の支持リング。
【請求項５】
シリコンカーバイドからなり、またはシリコンカーバイドでコーティングされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の支持リング。
【請求項６】
単結晶シリコンで構成された半導体ウェハの熱処理のための方法であって、
請求項１〜５のいずれかに記載の支持リング上に半導体ウェハを配置するステップと、
前記支持リング上に配置された半導体ウェハを、３０分以上１８０分以下の時間、１０５０℃以上１３００℃以下の温度に加熱するステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求されている発明は、シリコンで構成された単結晶半導体ウェハの熱処理の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
熱処理は通常、縦型の炉（ウェハボート）で行なわれる。そのような炉では、複数の半導体ウェハが、比較的長時間にわたって同時に高温に加熱される。この場合、それらは、互いに積み重ねられ、互いに間隔をおいた態様で支持リングの上に載っている。そのような支持リング（サセプタリング）は通常、シリコンカーバイドからなっており、熱処理中にその上に位置する半導体ウェハを支持するという役割を有する。
【０００３】
熱処理の目的は、半導体ウェハの表面から内部に延在し、電子部品の機能を妨げ得る欠陥がない、電子的に活性な構造用の区域（無欠陥層）を提供することである。そのような欠陥は特に、析出酸素の蓄積物、ＢＭＤ（bulk micro defects：バルク微小欠陥）、および、空孔の蓄積物によって形成された、とりわけＣＯＰ（crystal originated particles）欠陥（結晶由来粒子）と呼ばれる欠陥である。熱処理の結果、ＢＭＤを形成する核およびＣＯＰ欠陥は減少し、区域における酸素濃度は、ＢＭＤの形成に必要なしきい値よりも減少する。
【０００４】
ＣＯＰ欠陥のサイズが大きいほど、半導体ウェハの熱処理によってそれらを減少可能にするために必要な時間が長くなる。したがって、早ければ半導体ウェハを産出する単結晶を坩堝から引上げる際に、比較的小さい寸法を有するＣＯＰ欠陥を引起し得る対策を実施することが、都合がよい。この目的のため、通常２つの対策が考慮され、それらは組合せることもできる。第１に、単結晶の急速冷却は、空孔が、比較的大きいＣＯＰ欠陥に凝集し得るほど十分に長い間、可動のままとなることを防止する。第２に、単結晶に窒素をドーピングすることは、単結晶の冷却中、空孔が後に過飽和となり、それに応じて空孔蓄積物の形成に使用可能な時間が少なくなる、という効果を有する。
【０００５】
熱処理中に主流である１０５０℃〜１３００℃の範囲の温度では、単結晶シリコンの結晶格子は、障害に特に敏感である。温度勾配、シリコンとシリコンカーバイドとの熱膨張係数の違いによる半導体ウェハおよび支持リングの相対運動、ならびに支持リングにかかる半導体ウェハの固有重量が、結晶格子における滑りを引起し、または擦り傷をもたらす場合がある。
【０００６】
レーザ散乱光の測定またはレーザ光の偏光解消の測定は通常、応力および滑りの検出のために使用される。後者の選択肢に基づいた測定方法は、「走査赤外偏光解消」を表わす頭字語ＳＩＲＤ（Scanning Infrared Depolarization）によって公知である。ＵＳ  ２００４／００２１０９７  Ａ１は、支持リングによって生じる半導体ウェハ上の欠陥を検出するために使用可能な、ＳＩＲＤを採用した測定方法を記載している。
【０００７】
ＤＥ  １０  ２００５  ０１３  ８３１  Ａ１は、熱処理中の温度と半導体ウェハにおける窒素濃度との双方が、上降伏応力（upper yield stress：ＵＹＳ）にある特定の影響を与える、ということを開示している。ＵＹＳとは、滑りの形成に対する半導体材料の抵抗についての特徴変数である。したがって、抵抗は、１０００℃〜１３５０℃の温度範囲で、また窒素濃度の低下とともに著しく減少する。ＳＩＲＤ測定中に滑りを呈さない単結晶シリコンで構成された熱処理された半導体ウェハを得るために、この引用文献は、１２００℃の温度で測定された上降伏応力を、特定の態様で熱処理を行なうための基準として用いることを勧めている。したがって、熱処理中の、９００℃を上回る温度範囲における比較的速い加熱速度および／または９００℃までの温度範囲における比較的速い冷却速度、ならびに支持リングとしての閉リングの使用はむしろ、比較的抵抗性の半導体ウェハにしか適さない。
【０００８】
ＪＰ  ２００３０５９８５１  Ａは、内部側面および外部側面と、半導体ウェハの配置用の水平面と、内部側面と水平配置面との間の角の取れたまたは面取りされた縁とを含む支持リングを記載している。縁の粗さを検出する測定区間内での最も高い山と最も深い谷との間の距離Ｒｙは、５μｍ以下である。
【０００９】
ＥＰ  １  ７７２  ９０１  Ａ２は、二部構成の支持リングの記載を含んでおり、平均粗さＲｚの形で表わされたその表面粗さは１５μｍ以下であるよう意図されている。そのような支持リング上で６００分の時間にわたって１２００℃の温度で加熱された、シリコンで構成された半導体ウェハは、熱処理後、レーザ散乱光またはレーザ光の偏光解消によって検出可能な滑りを呈さなかった。
【００１０】
しかしながら、この発明の発明者らは、熱処理中に公知の支持リングを用いた、単結晶で構成された半導体ウェハは、半導体ウェハの表側のナノトポグラフィに悪影響を与え得る応力にさらされる、ということを発見した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＵＳ  ２００４／００２１０９７  Ａ１
【特許文献２】ＤＥ  １０  ２００５  ０１３  ８３１  Ａ１
【特許文献３】ＪＰ  ２００３０５９８５１  Ａ
【特許文献４】ＥＰ  １  ７７２  ９０１  Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、この発明の目的は、改良された支持リングを提示し、単結晶シリコンで構成された半導体ウェハの熱処理のためのより良好な方法を開示し、単結晶シリコンで構成された、改良された熱処理された半導体ウェハを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、この発明の第１の局面に従って、単結晶シリコンで構成された半導体ウェハを、半導体ウェハの熱処理中に支持するための支持リングであって、外部側面および内部側面と、外部側面から内部側面に延在し、半導体ウェハの配置に役立つ湾曲面とを含み、湾曲面は、直径３００ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には６０００ｍｍ以上９０００ｍｍ以下の曲率半径を有し、直径４５０ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には９０００ｍｍ以上１４０００ｍｍ以下の曲率半径を有する、支持リングによって達成される。
【００１４】
支持リング上に配置された、シリコンで構成された半導体ウェハは、それ自体の重量のためにたわむ。なぜなら、中央領域では支持リングによる支持がないためである。
【００１５】
この発明の発明者らは、水平面を有する支持リングを半導体ウェハの配置用に使用することは、水平配置面と内部側面との間の内縁が角の取れたものであったとしても、好ましくない、ということを発見した。半導体ウェハのたわみは、特に支持リングの内縁の領域において、通常滑りを生じさせる応力場を引起す。半導体ウェハの熱処理は同時に、滑りによって生じるむらの部分的円滑化ももたらす。したがって、そのような滑りは検出できないことが多い。しかしながら、それは、半導体ウェハのナノトポグラフィの不良を引起し、また適切な場合、電子部品の作製過程における半導体ウェハの表側の露光中の焦点ずれ問題を引起す。ナノトポグラフィは、空間波長が０．２〜２０ｍｍである測定範囲における平坦性偏差を表わす。ナノトポグラフィを判断するための都合のよい測定方法は、光干渉法である。それに基づく測定装置は商業的に入手可能である。この発明の文脈において、半導体ウェハの表側のナノトポグラフィは、表側の平坦性を特徴付けるために、および平坦性に対する熱処理の効果を推定可能とするために、測定される。半導体ウェハの表側は、電子構造の集積のために設けられる側である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】先行技術に関連する支持リングの断面図である。
【図２】この発明に従って具現化された支持リングを示す図である。
【図３】不良の半導体ウェアの典型的なＳＩＲＤ画像を示す図である。
【図４】この発明に従った半導体ウェハの典型的なＳＩＲＤ画像を示す図である。
【図５】不良の半導体ウェハの表側の典型的なナノトポグラフィ測定を示す図である。
【図６】この発明に従った半導体ウェハの表側の典型的なナノトポグラフィ測定を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、先行技術に関連する支持リングを断面図で示す。この支持リングは、半導体ウェハの配置用の水平面１によって特徴付けられている。
【００１８】
図２は、この発明に従って具現化された支持リングを示す。この支持リングは閉リングであり、半導体ウェハの配置用の凹状に湾曲した面４によって識別される。凹状に湾曲した配置面は、外部側面２から内部側面３に延在しており、したがって、水平に位置する部分を有していない。それは、外部側面から内部側面に凹状に形成された断面を有する。配置面４の曲率半径は、配置面が直径３００ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には６０００ｍｍ以上９０００ｍｍ以下、配置面が直径４５０ｍｍの半導体ウェハの配置用に設計されている場合には９０００ｍｍ以上１４０００ｍｍ以下であり、好ましくは半導体ウェハのたわみの半径に対応している。その結果、熱処理中、半導体ウェハに対し、支持リングの配置面と内部側面との間の内縁の領域において作用する応力場は、完全にまたは部分的に水平の配置面を有する支持リングを使用した場合に比べ、著しく低くなっている。この発明に従って具現化された支持リングの使用は、応力によって生じる欠陥の密度がより低いという利点を与え、それは、熱処理された半導体ウェハの表側の改良されたナノトポグラフィにおいても明らかになっている。
【００１９】
支持リングの外径は、熱処理のために湾曲面上に配置される半導体ウェハの直径と等しいかまたは最大２ｍｍ以下大きいことが好ましい。支持リングの内径は、外径よりも６０ｍｍ以上１００ｍｍ以下小さいことが好ましい。
【００２０】
支持リングはシリコンカーバイドからなり、またはシリコンカーバイドでコーティングされていることが好ましい。
【００２１】
半導体ウェハの配置用の湾曲面が特定の粗さおよび平坦性の基準を満たしていれば、さらに有利である。
【００２２】
平均粗さＲｚは好ましくは３μｍ以上５μｍ以下であるべきであり、個別の最大粗さＲｍａｘは好ましくは５μｍ以下であるべきである。平均粗さＲｚは、個別粗さ（個別測定区間に対する最も高い山と最も低い谷との差）の算術平均に対応する。個別粗さは、５つの個別測定区間に細分された総測定区間にわたり、粗さマッピングプロファイルを活用して求められる。３μｍ未満の平均粗さＲｚによって特徴付けられる粗さは、あまり好ましくない。なぜなら、それは支持リング上の半導体ウェハの滑りを助長するためである。５μｍを上回る平均粗さＲｚによって特徴付けられる粗さは、熱処理された半導体ウェハのナノトポグラフィに局所的材料点が悪影響を与えるという危険を必然的に伴う。
【００２３】
また、切込み深さｔが２μｍでの湾曲した配置面の材料比Ｒｍｒ（ｔ）は、８５％未満となってはならない。この特性値はＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ４２８７において定義されており、特定された切込み深さでの、総測定区間において材料含有区間が占めるパーセンテージ比率（支持（bearing）比率）を示す。後者は、プロファイルの最も高い山から計算される。８５％未満、特に５０％未満のＲｍｒ（２μｍ）は好ましくない。なぜなら、小さい材料比は、局所的材料点の存在を示すものであり、それに対応して、熱処理された半導体ウェハのナノトポグラフィに悪影響を与えるためである。Ｒｍｒ（２μｍ）が８５％未満の場合、材料ピークは、１点に先細りするというよりはむしろ、より幅広く、丸くなっている。
【００２４】
最終的には、支持リングはできるだけ理想的に形作られるべきである。熱処理された半導体ウェハの表側のナノトポグラフィが追求される範囲内に確実に留まるためには、幾何学的に理想的な形状の面からの配置面の偏差は、好ましくは３０μｍ以下であるべきであり、配置面の曲率半径は規定された範囲内にある。ＤＩＮ  ＩＳＯ  １１０１規格に従った表面形状はしたがって、好ましくは０．０３ｍｍ以下であるべきである。それゆえに、配置面は２つの包絡面間に位置すべきであり、それらの間隔は直径３０μｍの球によって定められ、球の中心点は幾何学的に理想的な面上に位置する。
【００２５】
規定された基準に従うと、単結晶シリコンで構成された熱処理された半導体ウェハは、表側の比較的最良のナノトポグラフィを有する。
【００２６】
この発明の第２の局面によれば、上述の目的は、単結晶シリコンで構成された半導体ウェハの熱処理のための方法であって、外部側面および内部側面と、外部側面から内部側面に延在し、半導体ウェハの配置に役立つ湾曲面とを含む支持リング上に、半導体ウェハを配置するステップと、支持リング上に配置された半導体ウェハを、３０分以上１８０分以下の時間、１０５０℃以上１３００℃以下の温度に加熱するステップとを含む、方法によって達成される。
【００２７】
温度下限に達しない場合、または熱処理の時間が３０分よりも短い場合には、「無欠陥層」は生じないか、または半導体ウェハの内部に十分深く延在していない「無欠陥層」が生じる。温度上限を上回った場合、または熱処理の時間が１８０分よりも長い場合には、この方法は不経済になる。
【００２８】
この方法はまた、半導体ウェハ材料の上降伏応力、もしくは９００℃を上回る温度範囲における加熱速度または９００℃までの温度範囲における冷却速度といった基準を特に考慮に入れる必要がないという事実によっても識別される。このため、窒素濃度が比較的低い半導体ウェハでさえ、滑りを形成することなく熱処理することが可能である。
【００２９】
にも関わらず、９００℃を上回る温度範囲における加熱速度および９００℃までの温度範囲における冷却速度を、１℃／分〜１０℃／分という範囲における値に設定することが好ましい。
【００３０】
熱処理は、一般的な条件下で、シリコンと化学的に反応しない雰囲気において、または還元性雰囲気において行なわれることが好ましい。例としては、アルゴンにおける、またはアルゴンと水素との混合物における熱処理が挙げられる。
【００３１】
この発明の第３の局面によれば、上述の目的は、「無欠陥層」を有し、窒素濃度が１×１０13原子／ｃｍ3以上８×１０14原子／ｃｍ3以下であり、ナノトポグラフィが、直径４ｍｍの円形測定窓に対しては２０ｎｍ未満、直径２０ｍｍの円形測定窓に対しては４０ｎｍ未満である、単結晶シリコンで構成されたコーティングされていない半導体ウェハによって達成される。
【００３２】
ナノトポグラフィの測定は、ＳＥＭＩ規格Ｍ７８に従って行なわれる。
窒素濃度が範囲下限よりも低い場合、窒素の存在に基づく半導体ウェハの安定化は、その効果が弱すぎる。窒素濃度が範囲上限を上回る場合、窒素によって誘発される望ましくない欠陥が大規模に発生する。
【００３３】
半導体ウェハを生成するのに好適な一方法は、この発明の第２の局面に従った方法である。
【００３４】
「無欠陥層」とは、半導体ウェハの表側から半導体ウェハの内部に好ましくは８μｍ以上の長さまで延在し、ＣＯＰ欠陥およびＢＭＤが検出できない区域のことである。
【００３５】
半導体ウェハは好ましくは、４×１０17原子／ｃｍ3以上７．５×１０17原子／ｃｍ3以下（新ＡＳＴＭ）の酸素濃度と、１オームｃｍ〜８０オームｃｍの抵抗とを有する。「無欠陥層」の外側では、ＢＭＤ密度は好ましくは５×１０８〜２×１０10ｃｍ-3である。
【００３６】
半導体ウェハの直径は好ましくは、３００ｍｍまたは４５０ｍｍである。
半導体ウェハを産出する単結晶は、チョクラルスキー法に従って、坩堝に含まれる溶解物から、シリコン格子間原子に対して空孔が過剰に形成される引上げ速度で引上げられる。単結晶は、形成するＣＯＰ欠陥のサイズを制限するために、１１５０℃〜１０００℃の温度範囲において、好ましくは速い冷却速度で冷却される。
【００３７】
実施例
直径３００ｍｍの単結晶シリコンで構成された半導体ウェハが、製造会社ＡＳＭからのタイプＡ４１２という縦型の炉において熱処理を受けた。半導体ウェハは、熱処理の過程において、１２０分という時間にわたって１２００℃の温度に加熱された。
【００３８】
半導体ウェハは単結晶からスライスされたものであり、単結晶は、チョクラルスキー法に従って、半導体ウェハを産出する単結晶の区分において、坩堝に含まれるシリコンで構成された溶融物から、０．８６ｍｍ／分という平均引上げ速度で引上げられ、窒素でドーピングされて、積極的に冷却されたものであった。１１５０〜１０００℃の温度範囲における冷却速度は、中央では２．５Ｋ／分、それぞれの単結晶の縁では３．２Ｋ／分であった。
【００３９】
熱処理中、半導体ウェハは、図２に例示した態様で具現化されたシリコンカーバイドで構成された支持リング上に配置された。支持リングの外径は、半導体ウェハの直径よりも１ｎｍ大きかった。
【００４０】
支持面（bearing surface）の粗さプロファイルが、プロファイラによって測定された。
【００４１】
使用された支持リングの場合の平均粗さＲｚは３μｍ〜５μｍの範囲にあり、測定された個別の最大粗さＲｍａｘは５μｍ以下であった。また、どの支持リングにおいても、切込み深さｔが２μｍでの湾曲した配置面の材料比Ｒｍｒ（ｔ）は、８５％以上であった。
【００４２】
１０００プロセスという時間の経過後、半導体ウェハの表側の許容可能なナノトポグラフィの上限を上回ることによる不良は、１つも観察されなかった。
【００４３】
ナノトポグラフィの測定は、ＳＥＭＩ規格Ｍ７８に従って、「固定品質エリア」（fixed quality area：ＦＱＡ）２９７ｍｍ、「キーオプション」ＮＴ−ＣＣ、「しきい値エリア」ｘ＝０．２５％、および「カットオフ波長」λC＝２０ｍｍで行なわれた。「偏差距離」に従って評価が行なわれた。
【００４４】
その他の点では同様である条件下で、図１の例示に従って具現化された支持リング上に配置された半導体ウェハも熱処理された。これらの半導体ウェハの場合、ＳＩＲＤ測定後、およびナノトポグラフィの測定後の双方において、著しい数の不良が観察された。
【００４５】
図３および図４は、不良の半導体ウェハおよびこの発明に従った半導体ウェハの典型的なＳＩＲＤ画像を示す。記録された画像は、製造会社ＰＶＡ  テプラ（TePla）からのタイプＳＩＲＤ  Ａ３００Ｐという測定装置を用いて作製された。半導体ウェハの不良の理由としての局所的ＳＩＲＤ応力が、図３に印付けられている。印の位置は、半導体ウェハと支持リングの内縁との相互作用によって応力が生じたことを示している。
【００４６】
図５および図６は、不良の半導体ウェハおよびこの発明に従った半導体ウェハの表側の典型的なナノトポグラフィ測定を示す。記録された画像は、製造会社ＫＬＡテンカー（Tencor）からのタイプウェハサイト２（WaferSight2）という測定装置を用いて作製された。半導体ウェハの不良の理由としての局所的なナノトポグラフィの超過が、図５に印付けられている。使用された支持リングの内縁の領域におけるその位置は、支持リングの形が超過に関与していることを示している。
【００４７】
図５に例示した半導体ウェハは、直径４ｎｍの測定窓に対しては８．６８ｎｍ、直径２０ｍｍの測定窓に対しては５５．５６ｎｍのナノトポグラフィを有した。図６に例示されたようなこの発明に従った半導体ウェハの場合、対応する測定値はそれぞれ４．４８ｎｍおよび１０．０１ｎｍであった。
【符号の説明】
【００４８】
２：外部側面、３：内部側面、４：配置面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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