(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により３．０℃／分以下の冷却速度（ただし、「３．０℃／分以下２．３℃／分以上」を除く）の下に育成したシリコン単結晶をスライスして３００ｍｍ超えの径を有するシリコンウェーハとし、該シリコンウェーハに対して、不活性ガスまたは水素の非酸化性雰囲気（ただし、窒素を含む雰囲気を除く）中で熱処理を施し、次いで酸化性雰囲気で熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハの表面側にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在するとともに前記シリコンウェーハの表面からの酸素の拡散距離に等しい厚みを有する欠陥層および該欠陥層の直下に前記ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥層を形成し、その後前記欠陥層を研磨除去する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】
前記非酸化性雰囲気中での熱処理を１１５０〜１２５０℃にて０．５〜２時間行い、前記酸化性雰囲気中での熱処理を１１５０〜１２５０℃にて０．５〜１時間行うことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記シリコンウェーハの表面から少なくとも３μｍ深さまでの領域が前記無欠陥層であることを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記非酸化性雰囲気は、アルゴンまたは水素であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記酸化性雰囲気中の酸素の分圧は１％以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハの製造方法、特に、表層域にＣＯＰ等の成長時導入欠陥（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥）が存在しない、大口径のシリコンウェーハを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体デバイスを作製する際には、チョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶をスライスし、得られたシリコンウェーハを基板として使用するのが一般的である。このようなシリコンウェーハの表面近傍の領域に、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）等のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在すると、デバイスの歩留まりが低下するため、現在、シリコンウェーハの表面から３μｍ程度までの深さ領域（以下、「表層域」と称する）にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しないことが必要条件となっている。
【０００３】
ここで、表層域にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しないシリコンウェーハを得る方法は、以下の３つに大別できる。即ち、第１の方法は、製造されたシリコンウェーハ上に無欠陥のエピタキシャル層を成長させることにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない表層域を後から形成する方法である。また、第２の方法は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、成長速度を大きく低下させることにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を形成させない方法である。そして、第３の方法は、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含むシリコンウェーハを一旦製造し、次いでアルゴンや水素等の非酸化性雰囲気中で熱処理を施すことにより、表層域のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させる方法である。
【０００４】
これら３つの方法のうち、第１の方法は、シリコンウェーハを製造した後に、該シリコンウェーハ上に化学気層成長法（ＣＶＤ）等によりエピタキシャル層を成長させる必要があるため、製造コストが増大する問題がある。また、第２の方法は、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させるためには成長速度を大きく低下させる必要があるため、生産性が著しく低下してしまう。従って、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を含むシリコンウェーハに対して熱処理を施すことにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させる第３の方法が、工業上、最も現実的な方法である。
【０００５】
これまで、上記の第３の方法に基づく様々な方法が提案されてきた。例えば、シリコンウェーハに対して熱処理を施してｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させるには、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のサイズが小さいことが重要であるため、特許文献１では、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が形成される欠陥形成温度帯通過時の冷却速度を一定値以上とすることにより、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥サイズを小さくする技術を提案している。また、特許文献２には、シリコンウェーハに窒素をドープすることによりｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の成長を抑制する技術が提案されている。
【０００６】
また、特許文献３および４には、上述のような非酸化性雰囲気中での熱処理に加えて、酸化性雰囲気中での熱処理を施すことにより、ＣＯＰの消滅を促進させる方法も提案されている。更に、特許文献５には、非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中での熱処理に加えて、窒素ドープされたシリコンウェーハを使用することにより、ウェーハ表面近傍のＣＯＰを更に低減する技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０４１１８２号公報
【特許文献２】特許第３７７１７３７号公報
【特許文献３】特許第３０１１１７８号公報
【特許文献４】特許第３８００００６号公報
【特許文献５】特許第４０３８９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１〜５に記載の方法は、直径が３００ｍｍ程度までのシリコンウェーハに対しては、その表層域に存在するｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させることが可能であるが、３００ｍｍを超える、例えば４５０ｍｍ程度の大口径のシリコンウェーハについては困難である。即ち、近年、シリコンウェーハの大口径化が益々進んでおり、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際の冷却速度が益々低下している。その結果、シリコン単結晶中に形成されるｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥のサイズは従来よりも大きなものとなっている。かように大型化したｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に対しては、上記の従来の各方法によってこれを消滅させることは難しかった。そのため、表層域にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない大口径のシリコンウェーハを製造する方法の確立が希求されていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、ＣＯＰ等のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が表層域に存在しない、例えば直径４５０ｍｍの大口径のシリコンウェーハを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、上記課題を解決するための方途について鋭意究明した結果、非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中での熱処理条件を適切に制御してｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在する領域をシリコンウェーハ表層の出来るだけ狭い範囲に制限し、次いでｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在する領域を研磨して除去することによって、無欠陥ウェーハの工業的規模での生産が実現されることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法により３．０℃／分以下の冷却速度（ただし、「３．０℃／分以下２．３℃／分以上」を除く）の下に育成したシリコン単結晶をスライスして３００ｍｍ超えの径を有するシリコンウェーハとし、該シリコンウェーハに対して、不活性ガスまたは水素の非酸化性雰囲気（ただし、窒素を含む雰囲気を除く）中で熱処理を施すことにより、次いで酸化性雰囲気で熱処理を施し、前記シリコンウェーハの表面側にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在するとともに前記シリコンウェーハの表面からの酸素の拡散距離に等しい厚みを有する欠陥層および該欠陥層の直下に前記ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥層を形成し、その後前記欠陥層を研磨除去することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記非酸化性雰囲気中での熱処理を１１５０〜１２５０℃にて０．５〜２時間行い、前記酸化性雰囲気中での熱処理を１１５０〜１２５０℃にて０．５〜１時間行うことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記シリコンウェーハの表面から少なくとも３μｍ深さまでの領域が前記無欠陥層であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記非酸化性雰囲気は、アルゴンまたは水素であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記酸化性雰囲気中の酸素の分圧は１％以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シリコンウェーハ表面から３μｍ程度の表層域にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない、例えば直径４５０ｍｍの大口径のシリコンウェーハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】直径３００ｍｍ以下のシリコンウェーハに対して（ａ）非酸化性雰囲気での熱処理、および（ｂ）酸化性雰囲気中での熱処理を施した後のＣＯＰの分布の様子、および深さ方向の酸素濃度を示す図である。
【図２】直径４５０ｍｍのシリコンウェーハに対して（ａ）非酸化性雰囲気での熱処理、および（ｂ）酸化性雰囲気中での熱処理を施した後のＣＯＰの分布の様子、および深さ方向の酸素濃度を示す図である。
【図３】表面からの深さに対するＣＯＰの個数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明は、チョクラルスキー法により３．０℃／分以下の冷却速度の下に育成したシリコン単結晶をスライスしてシリコンウェーハを製造するに当たり、該シリコンウェーハに非酸化性雰囲気中で熱処理を施し、次いで酸化性雰囲気で熱処理を施し、前記シリコンウェーハの表面側にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在する欠陥層および該欠陥層の直下にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥層を形成し、その後、欠陥層を研磨除去することを特徴とするものである。以下、代表的なｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥であるＣＯＰを例に説明する。
【００１９】
本発明においては、例えば４５０ｍｍの直径を有する大口径のシリコンウェーハに対して、まず、非酸化性雰囲気中で熱処理および酸化性雰囲気中での熱処理を施すことによりＣＯＰの低減を図るが、上述のように、直径３００ｍｍを超える大口径のシリコンウェーハではＣＯＰは消滅しない。ここで、シリコンウェーハの口径の違いによる非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中での熱処理とＣＯＰの消滅について図面を参照して説明する。
【００２０】
まず、従来の３００ｍｍのウェーハについて考える。育成された直後のシリコン単結晶においては、ＣＯＰの内壁は酸化膜で覆われていることが知られている。このようなＣＯＰが表層域に存在するシリコンウェーハに対して非酸化性雰囲気中で熱処理を施すと、表面近傍の領域に存在する酸素が外方拡散して酸素が飽和していない状態となり、ＣＯＰの内壁を覆う酸化膜から酸素が拡散して酸化膜が溶解する。その結果、図１（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１において、表面近傍の領域において酸化膜が溶解されたＣＯＰ１１が存在し、それよりも深い領域には酸化膜を有するＣＯＰ１２が存在する。また、シリコンウェーハ１中の酸素濃度は、深さとともに大きくなる。その後、酸化膜が溶解した空孔１１に格子間シリコンが供給され、表面近傍の領域に存在するＣＯＰが消滅して結晶性が回復される。
【００２１】
しかし、上述のＣＯＰの消失速度は遅いため、上述の非酸化性雰囲気中での熱処理を施した後に、酸化性雰囲気に切り替えて熱処理を施す技術が提案された（特許文献３および４参照）。これは、図１（ｂ）に示すように、上記酸素雰囲気中での熱処理によりシリコンウェーハ２の表面を酸化して余剰のシリコン原子を発生させ、非酸化性雰囲気中での熱処理により内壁酸化膜が溶解したＣＯＰに強制的に注入することによりＣＯＰの消滅を促進させるものである。このような非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中での熱処理は、直径３００ｍｍ程度までのシリコンウェーハに対しては、その表層域に存在するＣＯＰを、短時間の熱処理にて消滅させることに有効であった。
【００２２】
しかしながら、上述のような熱処理を、例えば４５０ｍｍの大口径のシリコンウェーハに施すと、表層域に存在するＣＯＰを消滅させることができないことが分かった。即ち、シリコンウェーハの大口径化が進むと、ＣＯＰが成長する１０５０〜１１５０℃の温度領域における冷却速度が必然的に徐冷となる。直径が３００ｍｍを超える場合には、冷却速度を３．０℃／分を超えてシリコン単結晶を成長させると、シリコン単結晶の成長中の温度での熱応力が転位発生の限界強度を上回り、成長中のシリコン単結晶に転位が生じてしまうため、冷却速度を３．０℃／分以下とする必要がある。その結果、ＣＯＰの成長が進行してそのサイズが増大してしまう。
【００２３】
発明者は、例えば直径４５０ｍｍの大口径のシリコンウェーハにおいて徐冷によりサイズが増大したＣＯＰが消滅しないメカニズムについて鋭意検討したところ、以下の事実が明らかとなった。即ち、上述のように、大口径のシリコン単結晶を育成すると、ＣＯＰのサイズが大きくなる。その結果、図２（ａ）に示すように、３００ｍｍの場合と同様に、シリコンウェーハ２に対して非酸化性雰囲気中で熱処理を施すことによりＣＯＰの内壁酸化膜が溶解されるが、表面近傍の領域において酸化膜が溶解されたＣＯＰ２１が残り、それよりも深い領域には酸化膜を有するＣＯＰ２２が存在する。
【００２４】
次いで、酸化性雰囲気中で熱処理を施すと、表面の酸素濃度が増大し、酸素の拡散距離までの深さ領域においては、格子間シリコンだけでなく、格子間酸素もＣＯＰに注入される。そのため、格子間シリコンの注入によりＣＯＰが消滅する前に、格子間酸素がＣＯＰに注入され、酸化膜が再生されて格子間シリコンがＣＯＰに注入されなくなる。この結果、図２（ｂ）に示すように、表面近傍の酸素の拡散距離までの深さ領域においては、酸化膜が再生されたＣＯＰ２３が形成され、格子間酸素が注入されない深さ領域のみにおいてＣＯＰが消滅することとなる。
【００２５】
上述の非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中での熱処理を施す時間を、例えば２４時間という、極めて長い期間に設定すれば、表層域に存在するＣＯＰを消滅させることは物理的に可能である。しかし、例えば１２００℃にて２時間を超える熱処理は生産性および装置の耐久性の点において現実的ではなく、表層域のＣＯＰを消滅させるためには、上述の熱処理以外の何らかの対策が必要となる。
【００２６】
そこで、発明者は、上記課題を解決するための方途について鋭意究明した結果、非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中で熱処理を施す際の条件を適切に制御して、ＣＯＰが存在する領域を出来るだけ表面近傍の狭い範囲に制限しつつ、その直下に無欠陥層を形成し、次いで、ＣＯＰが存在する領域を研磨して除去することが、工業的規模での生産を実現する上で、極めて有効であることを見出したのである。以下に、本発明のシリコンウェーハの製造方法について説明する。
【００２７】
本発明は、チョクラルスキー法により３．０℃／分以下の冷却速度の下に育成したシリコン単結晶をスライスしてシリコンウェーハを製造するに当たり、まず、該シリコンウェーハに非酸化性雰囲気中で熱処理を施し、次いで酸化性雰囲気で熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハの表面側にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在する欠陥層および該欠陥層の直下にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥層を形成する。その後、欠陥層を研磨除去することにより、表面にｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在しない無欠陥層を含むシリコンウェーハが形成される。以下、各工程について説明する。
【００２８】
まず、シリコンウェーハに対する非酸化性雰囲気中での熱処理は、１１００〜１３００℃の温度範囲にて、３０分〜２時間だけ施す。非酸化性雰囲気としては、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスまたは水素を挙げることができる。
【００２９】
ここで、熱処理温度を１１００〜１３００℃の範囲に限定する理由は、１１００℃未満ではシリコンウェーハ中に含まれるＣＯＰを消滅させるのに要する時間が長くなり、生産性が低下し、１３００℃を超えると、シリコンウェーハ中にスリップが発生する虞があるためである。
【００３０】
また、熱処理時間を３０分〜２時間の範囲に限定した理由は、３０分未満では、ＣＯＰが存在しない無欠陥層を形成できないためであり、また２時間を超える場合には、生産性が低下するためである。
【００３１】
続く、酸化性雰囲気中での熱処理は、１１００〜１３００℃の温度範囲にて、３０分〜１時間だけ施す。その際、酸素雰囲気における酸素の分圧は、１％以上とする。
【００３２】
ここで、熱処理温度を１１００〜１３００℃の範囲に限定する理由は、非酸化性雰囲気中での熱処理の場合と同様に、１１００℃未満ではシリコンウェーハ中に含まれるＣＯＰを消滅させるのに要する時間が長くなり、生産性が低下するためであり、１３００℃を超えると、シリコンウェーハ中にスリップが発生する虞があるためである。また、酸素の分圧を１％以上と限定した理由は、１％未満の場合には酸化による格子間シリコンの注入速度が遅く、ＣＯＰ消滅効果が十分に得られないためである。
【００３３】
また、熱処理時間を３０分〜１時間の範囲に限定した理由は、３０分未満では、表面近傍にＣＯＰが存在しない領域を形成することができず、また１時間を超える場合には、生産性が低下するためである。
【００３４】
このように、シリコンウェーハに対して上述の非酸化性雰囲気および酸化性雰囲気中で熱処理を施すことにより、シリコンウェーハの表面近傍の領域にＣＯＰが存在する欠陥領域および該欠陥領域の直下にＣＯＰが存在しない無欠陥層を形成することができ、またＣＯＰが存在する領域をシリコンウェーハの表面から２μｍ未満の極めて狭い深さ領域に限定することができる。
【００３５】
上記の熱処理後の研磨は、シリコンウェーハ表面に存在する欠陥層を完全に除去するように行う。研磨する厚みは２〜１１μｍとする。その際、研磨方法は限定されないが、例えばコロイダルシリカを用いたメカノケミカル研磨を使用できる。
【００３６】
ここで、研磨する厚みを２〜１１μｍと限定する理由は、上述の非酸化性および酸化性雰囲気中での熱処理を以てしても表面から２μｍ未満の深さ領域まではＣＯＰが存在するからであり、また、１１μｍを超えて研磨すると、ＣＯＰが存在しない無欠陥層を３μｍ以上確保できないためである。
【００３７】
こうして、表層域にＣＯＰが存在しない、例えば４５０ｍｍの大口径のシリコンウェーハを提供することができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明する。
（発明例１〜１４および比較例１〜６）
ＣＺ法により育成した初期酸素濃度１２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を有する直径４５０ｍｍのシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハに対して、表１に示す条件の下で、アルゴン雰囲気中で１２００℃の温度にて、次いで、１００％濃度の酸素雰囲気中で１２００℃の温度にて熱処理を施した。その後、熱処理を施した各シリコンウェーハに対して、表面から１，１．５，２，４，６，８，１０，１４および１８μｍの厚さだけそれぞれ再研磨を施し、各研磨後にレーザーパーティクルカウンタにより表面に存在するＣＯＰの数を測定した。ＣＯＰが観察されなかった表面からの深さ領域（μｍ）を表２に示す。表２から、表１のＢ１〜Ｂ１４（発明例１〜１４）の条件の下で熱処理を施したウェーハについては、４μｍ研磨することにより、ＣＯＰが存在しない無欠陥層を含むシリコンウェーハを製造できることが分かる。更に、アルゴン雰囲気および酸素雰囲気中での熱処理時間を３０分〜２時間とすることにより、２μｍの厚みだけ研磨することにより、表層域にＣＯＰが存在しない無欠陥層を含むシリコンウェーハを製造できる。一方、Ａ１〜Ａ６の条件の下で熱処理を施したウェーハ（比較例１〜６）については、どの深さ領域においてもＣＯＰが観察された。
【００３９】
【表１】
0005906006.tif 000002
【００４０】
【表２】
0005906006.tif 000003
【００４１】
（比較例７および８）
ＣＺ法により育成した初期酸素濃度１２．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を有する直径４５０ｍｍのシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハに対して、アルゴン雰囲気中で１２００℃の温度にて１時間だけ熱処理を施したシリコンウェーハ（比較例７）、および上記アルゴン雰囲気中での熱処理に次いで、１００％濃度の酸素雰囲気中で１２００℃の温度にて３０分だけ熱処理を施したシリコンウェーハ（比較例８）を用意し、それぞれのシリコンウェーハに対して、表面から１，１．５，２，４，６，８，１０，１４および１８μｍの厚さだけそれぞれ再研磨を施し、各研磨後にレーザーパーティクルカウンタにより表面に存在するＣＯＰの数を測定した。表面からの深さに対するＣＯＰの数の関係を図３に示す。この図から明らかなように、特許文献１および２に記載の方法では、表面近傍のＣＯＰは消滅せず、表層域にＣＯＰが存在しない無欠陥層を含むシリコンウェーハを製造できなかった。
【符号の説明】
【００４２】
１，２  シリコンウェーハ
１１，２１  酸化膜が溶解されたＣＯＰ
１２，２２，２３  酸化膜を有するＣＯＰ
【図１】
0005906006.tif 000004
【図２】
0005906006.tif 000005
【図３】
0005906006.tif 000006