(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされた原料シリコンウェーハを、酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１３００℃以上１３８０℃以下として、熱処理を行う第１工程と、
第１工程で得られた熱処理シリコンウェーハに剥離処理を行い、該熱処理シリコンウェーハ表面の酸化膜を剥離する第２工程と、
第２工程で得られた被剥離シリコンウェーハを、非酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１２００℃以上１３８０℃以下、昇温速度を１０℃／ｓｅｃ以上９０℃／ｓｅｃ以下として、得られるシリコンウェーハの表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように、熱処理を行う第３工程と、
を備えることを特徴とする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、チョクラルスキー法により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされたシリコンウェーハの熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス形成用基板として用いられるシリコンウェーハは、デバイス活性領域となるウェーハの表層において、ＣＯＰ（crystal originated particle）やＬＳＴＤ（laserscattering tomography defect）等を低減させて無欠陥とすることが求められている。
【０００３】
近年、このようなシリコンウェーハの生産性の高い製造方法として、少なくとも半導体デバイスが形成される表面を鏡面研磨したシリコンウェーハに、急速昇降温熱処理（ＲＴＰ：rapid thermal process）を施す技術が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ウェーハを、酸素含有雰囲気中、約５０００ｐｐｍａ未満の酸素分圧下に１１７５℃超の温度で６０秒未満加熱する単結晶シリコンウェーハの熱処理方法が記載されている。上記熱処理方法では、アルゴン又はヘリウムを主とする雰囲気中でＲＴＰを行うため、ウェーハ表層のＣＯＰを大幅に低減させることができる。
しかしながら、このような不活性ガスを主成分とする雰囲気中でのＲＴＰにおいては、ウェーハ表層から酸素が外方拡散し、該ウェーハ表層の酸素濃度が低下するため、後の半導体デバイス形成工程での熱処理において、酸素のピンニング力が低下する。また、この熱処理温度が高いほど、スリップ転位が発生しやすいという課題を有していた。
【０００５】
このような課題に対して、例えば、特許文献２に、酸化性ガスの炉内雰囲気で、半導体ウェーハに１０００℃以上融点以下の温度で熱処理を行い、その表層の一部に酸素を内方拡散させて酸素を導入した後、半導体ウェーハを炉外へ取り出し、急冷することにより、半導体ウェーハの表層に高い酸素固溶度が固定され、表層が高酸素濃度領域部となり、表層を高強度化できることが記載されている。
特許文献２に記載されたような酸化性ガス雰囲気にてＲＴＰを行う場合、特に熱処理温度が１３００℃以上であれば、ＣＯＰの内壁酸化膜を溶解し、ＣＯＰを消滅させることができ、さらに、結晶育成時に発生した酸素析出核を溶解することができる。しかしながら、酸化性ガス雰囲気下で行うために、ウェーハ表層の酸素濃度が高く酸素析出核が残存することで、後の半導体デバイス形成工程における熱処理において、デバイス活性領域となるウェーハの表層に酸素析出物（ＢＭＤ：bulk micro-defects）が発生するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００１−５０９３１９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２９９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、半導体デバイス形成領域におけるＣＯＰや酸素析出核等の結晶欠陥が低減され、デバイス形成工程における熱処理においても、デバイス形成領域に酸素析出物が生じることなく、かつ、スリップ転位の発生を抑制する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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記した従来技術における課題を解決するものであり、以下の事項からなる。
すなわち、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（以下「ＣＺ法」という。）により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされた原料シリコンウェーハを、酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１３００℃以上１３８０℃以下として、熱処理を行う第１工程と、第１工程で得られた熱処理シリコンウェーハに剥離処理を行い、該熱処理シリコンウェーハ表面の酸化膜を剥離する第２工程と、第２工程で得られた被剥離シリコンウェーハを、非酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１２００℃以上１３８０℃以下、昇温速度を１０℃／ｓｅｃ以上９０℃／ｓｅｃ以下として、得られるシリコンウェーハの表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように、熱処理を行う第３工程とを備えることを特徴とする。 
【発明の効果】
【０００９】
本発明のシリコンウェーハの製造方法によれば、シリコン単結晶インゴット育成時に発生したＣＯＰや酸素析出核を効果的に消滅させることができる。すなわち、本発明によれば、所定の酸素濃度の原料シリコンウェーハを用いて、酸化性ガス雰囲気中で所定の条件下にて熱処理を行う工程と、酸化膜を剥離する工程と、非酸化性ガス雰囲気中で所定の条件下にて熱処理を行う工程とを組み合わせて行うことにより、ＣＯＰや酸素析出核等の結晶欠陥が充分に低減されたシリコンウェーハを得ることができる。このようなシリコンウェーハを用いれば、デバイス形成工程における熱処理においても、デバイス形成領域に酸素析出物を生じることなく、かつ、スリップ転位の発生が抑制されるため、強度に優れた半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明のシリコンウェーハの製造方法のフローチャートを示す図である。
【図２】図２は、ウェーハ表面からの深さ方向への酸素濃度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のシリコンウェーハの製造方法は、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされた原料シリコンウェーハを、酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１３００℃以上１３８０℃以下として、熱処理を行う第１工程（ステップＳ１、Ｓ２）と、第１工程で得られた熱処理シリコンウェーハに剥離処理を行い、該熱処理シリコンウェーハ表面の酸化膜を剥離する第２工程（ステップＳ３）と、第２工程で得られた被剥離シリコンウェーハを、非酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１２００℃以上１３８０℃以下、昇温速度を１℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下として、得られるシリコンウェーハの表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように、熱処理を行う第３工程（ステップＳ４）とを備えるものである。
【００１２】
以下、上記した各要件について詳細に説明する。なお、本明細書中、シリコンウェーハはウェーハとも略称する。
【００１３】
第１工程は、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされた原料シリコンウェーハを、酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１３００℃以上１３８０℃以下として熱処理を行う工程である（ステップＳ１、Ｓ２）。
【００１４】
ＣＺ法とは、石英ルツボに多結晶シリコンを充填し、ヒーターで加熱・融解し、そのシリコン融解液上面に、結晶成長の元となる小さな単結晶を種結晶として浸し、石英ルツボ及び種結晶を回転させながら大口径の結晶棒を引き上げる方法である。ＣＺ法によって、シリコン単結晶を製造すると、石英ルツボから溶け込んだ酸素原子が高温下に互いに集合する。したがって、ＣＺ法では、ルツボの温度や、石英ルツボ及び種結晶の回転数などを制御することで、酸素を所望の濃度で含む原料シリコンウェーハを製造することができる。本発明で使用する原料シリコンウェーハは、その酸素濃度が通常０．８〜１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、好ましくは０．９〜１．３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。原料シリコンウェーハ中の酸素濃度が前記範囲にあるとき、後述する第３工程においてシリコンウェーハ中の結晶欠陥を効果的に低減することができ、かつ、強度に優れたシリコンウェーハを得ることができる。なお、酸素濃度は、ｏｌｄ−ＡＳＴＭ規格による換算値である。
【００１５】
こうして得られた原料シリコンウェーハに対して、酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１３００℃以上１３８０℃以下として熱処理を行う。最高到達温度を前記範囲にして熱処理を行うことで、シリコン単結晶インゴットの育成時に形成されたＣＯＰ等のボイド欠陥や、不均一な密度で発生した酸素析出核を効果的に消滅させることができる。ここで、酸素析出核は、酸素と空孔の複合体であると考えられ、熱処理条件によっては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成される酸素析出物へと成長する。最高到達温度が１３００℃未満の場合は、シリコンウェーハ中の酸素の飽和濃度が低いため、ＣＯＰ内壁酸化膜が溶解しにくく、また、格子間シリコンの生成量も少ないため、ＣＯＰの消滅効果が充分に得られない場合がある。さらに、酸素析出核の消滅効果も不充分となる場合がある。一方、最高到達温度が１３８０℃を超えると、スリップ転位等が発生しやすくなったり、例えば、ウェーハ表面に特異な欠陥が発生する等の不具合が生じる場合がある。
【００１６】
ここで、ＣＯＰや酸素析出核が消滅するときのメカニズムを説明する。熱処理を施されると、ＣＯＰ内壁酸化膜、すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の膜が溶解し、原料シリコンウェーハ内に空孔が拡散する。そうすると、ウェーハ内に存在する大量の格子間シリコンがこの空孔内に入り込み、空孔が消滅する。ただし、熱処理は、酸化性ガス雰囲気下で行われるため、ウェーハの極表層（表面から深さ約１μｍ）では、熱処理中の酸素濃度が飽和濃度に近くなるため、ＣＯＰの内壁酸化膜が溶解しにくく、ＣＯＰが残留しやすい傾向がある。なお、酸素析出核は、熱処理によりウェーハ内で溶解して消滅する。
【００１７】
第１工程において、熱処理を行う際の昇温速度は、通常１０〜１５０℃／ｓｅｃ、好ましくは２５〜７５℃／ｓｅｃである。昇温速度は、最高到達温度に応じて適宜設定される。すなわち、最高到達温度が１３００℃に近ければ、昇温速度は低くなり、最高到達温度が１３８０℃に近ければ、昇温速度は高くなる。昇温速度が１０℃／ｓｅｃ未満であると、酸化レートが遅くなり格子間Ｓｉの過飽和度が低下するためＣＯＰ消滅が不十分となる場合があり、１５０℃／ｓｅｃを超えると、スリップ転位が発生し易くなる場合がある。
【００１８】
酸化性ガスには、公知のガスを特に制限なく使用することができるが、通常は酸素が用いられる。酸化性ガスは、酸素及び不活性ガスからなる混合ガスであってもよい。このとき、酸素ガスの分圧は、通常２０％以上１００％未満である。酸素ガスの分圧が２０％未満の場合、酸化レートが遅くなり格子間Ｓｉの過飽和度が低下するため、ＣＯＰの消滅が不十分となる場合がある。
また、酸化性ガス流量は、通常２０ｓｌｍ以上である。酸化性ガス流量が２０ｓｌｍ未満の場合、チャンバー内の空気の排除又は置換の効率が悪くなり、不純物汚染などの観点から好ましくない。
【００１９】
原料シリコンウェーハは、熱処理により、最高到達温度１３００〜１３８０℃まで加熱した後、通常５〜６０秒、好ましくは１０〜３０秒間保持する。最高到達温度での保持時間を前記範囲とすることで、シリコン単結晶インゴット育成時に発生したＣＯＰや酸素析出核を低減することができる。
【００２０】
最高到達温度１３００〜１３８０℃で所定時間保持した後、シリコンウェーハは降温される。このときの降温速度は、通常１５０〜２５℃／ｓｅｃ、好ましくは１２０〜５０℃／ｓｅｃである。
【００２１】
上記したように、第１工程により、シリコン単結晶インゴット育成時に発生したＣＯＰや酸素析出核を効果的に消滅させることができる。
【００２２】
第２工程は、第１工程で得られた熱処理シリコンウェーハの表裏面（端面含む）に形成された酸化膜を剥離する工程である（ステップＳ３）。酸化膜を剥離しないと、次の第３工程において、ウェーハ表層部の酸素濃度を低減することが非常に困難となる。
【００２３】
熱処理シリコンウェーハは、その表裏面が酸化され、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる酸化膜で覆われている。この酸化膜の厚さは、酸化性ガスの分圧及び流通時間にもよるが、大体５〜３０ｎｍ程度である。
【００２４】
熱処理シリコンウェーハの表裏面に形成された酸化膜は、例えば、ウェーハを希酸中に浸漬させて溶解させることにより除去される。希酸には、酸化膜を溶解させるものであれば、特に制限なく種々のものを使用することができるが、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ（ａｑ））を使用することができる。
【００２５】
第３工程は、第２工程で得られた被剥離シリコンウェーハを、非酸化性ガス雰囲気中、最高到達温度を１２００℃以上１３８０℃以下として、昇温速度１℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下で熱処理を行う工程である（ステップＳ４）。第３工程を行うことにより、第１工程で酸化性ガス雰囲気下に熱処理を行ったことで上昇したウェーハ表層部の酸素濃度を低減することができ、かつ、極表層に残留しているＣＯＰを消滅させることも可能である。
【００２６】
第３工程において、最高到達温度が１２００℃未満の場合、酸素の拡散速度が遅いためシリコンウェーハ表層部の酸素濃度を低下させるのに時間がかかり、最終的なシリコンウェーハの生産効率が低下する場合がある。一方、最高到達温度が１３８０℃を超えると、ウェーハ表裏面にＳｉが昇化した特異な欠陥が発生する場合がある。
【００２７】
第３工程における昇温速度は、１℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下、好ましくは１０℃／ｓｅｃ以上９０℃／ｓｅｃ以下、より好ましくは２５℃／ｓｅｃ以上７５℃／ｓｅｃ以下である。昇温速度が１℃／ｓｅｃ未満、すなわち、昇温速度が過度に小さい場合、第３工程中に加温に伴って、ウェーハ表層部に酸素析出物が徐々に発生する場合がある。一方、昇温速度が１５０℃／ｓｅｃを超える場合、ウェーハにスリップ転位が発生する危険性が高くなる。
【００２８】
ウェーハは、昇温速度１℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下で、最高到達温度１２００℃以上１３８０℃以下まで昇温した後、表層の酸素濃度を低下させるため、そのまま通常は１〜６０秒間、好ましくは５〜３０秒間保持する。
【００２９】
非酸化性ガスには、ウェーハを酸化しないガスであれば、特に制限なく公知のガスを使用することができるが、窒化膜等の膜を形成したり、その他の化学反応を起こすことがない等の点から、例えば、アルゴンが用いられる。
【００３０】
第３工程では、上記熱処理を行うことにより、第１工程で上昇したシリコンウェーハ表層部の酸素濃度を低減させることができる。具体的には、図２に示すように、シリコンウェーハ表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値を１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にすることができる。酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える場合、酸素析出核が形成されやすく、半導体デバイス形成過程において、表層部の酸素析出核が成長して酸素析出物が発生する不具合が生じるおそれがある。シリコンウェーハ表面から深さ７μｍまでの領域における酸素濃度は、原料シリコンウェーハ中の酸素濃度や、第３工程での昇温速度、最高到達温度、及び最高到達温度での保持時間を適宜調節することにより決定される。
【００３１】
最高到達温度で所定時間保持した後、シリコンウェーハは降温する必要がある。この降温過程を適切に制御することにより、バルク層に酸素析出核を形成したり、その密度を変動させることができる。降温速度は、通常１５０℃／ｓｅｃ以下、好ましくは１２０〜５℃／ｓｅｃである。相対的に、降温速度が速いと酸素析出核の密度が高く、降温速度が遅いと、酸素析出核の密度が低くなる。降温速度が５℃／ｓｅｃ未満の場合、生産性が低下するのみならず、高温領域に到達してからの熱処理時間が非常に長くなるために、装置を構成する部材が高温になるため、劣化又は破損するおそれがある。一方、降温速度が１５０℃／ｓｅｃを超える場合、ウェーハにスリップ転位が発生する場合がある。
【００３２】
第３工程の後、シリコンウェーハは、その両面又は片面の表面を除去して精製してもよい。
除去方法には、特に限定されるわけではないが、通常、ウェーハ両面又は片面を、スラリーを介して研磨布で摺動加工する方法が用いられる。また、砥石や定盤ラップによる研削加工及びケミカルエッチングを併用する場合もある。
ウェーハをこのように精製することにより、高温熱処理時の面荒れを除去することができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
【００３４】
［シリコンウェーハの製造方法］
ＣＺ法にて、引き上げ速度Ｖと、シリコンの融点から１３００℃までの温度範囲における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配の平均値Ｇとの比Ｖ／Ｇ値を制御することにより、空孔優勢領域からなるシリコン単結晶インゴットを育成した。前記領域をスライスし、両面を鏡面研磨することにより原料シリコンウェーハ（直径３００ｍｍ）を得た。
得られた原料シリコンウェーハの酸素濃度は１．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、窒素濃度は２．５×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。
【００３５】
［実施例１〜１０］
第１工程として、原料シリコンウェーハに、酸素１００％（流量２０ｓｌｍ）雰囲気下、昇温速度を５０℃／ｓｅｃとし、最高到達温度を１３００〜１３８０℃、最高温度での保持時間を３０ｓｅｃ、降温速度を１２０℃／ｓｅｃとして熱処理を行った。続いて、第２工程として、得られた熱処理シリコンウェーハをフッ化水素酸（希ＨＦ）で洗浄することにより、表面に形成された酸化膜をすべて剥離した。その後、第３工程として、アルゴン１００％（流量２０ｓｌｍ）雰囲気下、昇温速度を１〜１５０℃／ｓｅｃとし、最高到達温度を１２００〜１３８０℃、最高到達温度での保持時間を１〜６０ｓｅｃ、降温速度を１２０℃／ｓｅｃとして、シリコンウェーハ表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように熱処理を行った。
【００３６】
得られたシリコンウェーハに対して、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectrometry：二次イオン質量分析装置）（アメテック（株）カメカ事業部製  ＩＭＳ７ｆ）により、表面から深さ方向の酸素濃度を測定し、得られた深さ方向プロファイルより表面から深さ７μｍまでの領域における最大酸素濃度を評価した。
【００３７】
また、半導体デバイス形成過程の熱処理を想定し、窒素雰囲気下、昇温速度５℃／ｍｉｎ、最高到達温度１０００℃、最高到達温度での保持時間を４ｈ、降温速度５℃／ｍｉｎとして熱処理を行った。前記熱処理後のウェーハに対して、表層部の酸素析出物の発生程度を評価するため、第３工程後におけるウェーハ表面から深さ７μｍまでの最大酸素濃度位置まで研磨して除去した後、ケーエルエー・テンコール（株）製Ｓｕｒｆｓｃａｎ  ＳＰ２にて、≧４０ｎｍのＬＰＤ（LightPoint Defects）数を評価した。さらに、このウェーハに発生したスリップ長をＸ線トポグラフィ（（株）リガク製  ＸＲＴ３００）にて評価した。
表１に実施例１〜１０の製造条件及び評価結果を示す。
【００３８】
［比較例１］
第３工程での酸素濃度の最大値を１．３５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3超える濃度）とした以外は、実施例と同様にして行った．
【００３９】
［比較例２］
第３工程での最高熱処理温度を１１７５℃として、シリコンウェーハ表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値を制御した以外は、実施例と同様にして行った。
【００４０】
［比較例３］
第３工程での最高熱処理温度を１３８５℃とした以外は、実施例と同様にして行った。
【００４１】
［比較例４］
第３工程での昇温速度を０．５℃／ｓｅｃとした以外は、実施例と同様にして行った。
【００４２】
［比較例５］
第３工程での昇温速度を１５５℃／ｓｅｃとした以外は、実施例と同様にして行った。
表１に比較例１〜４の製造条件及び評価結果を示す。
【表１】
0006317700.tif 000002
【００４３】
半導体デバイス形成過程を想定した熱処理後、ウェーハ表層５μｍを研磨除去した後の≧４０ｎｍのＬＰＤ評価において、実施例１〜１０及び比較例５では、酸素析出物の発生量がデバイス形成工程において問題とならないレベルであることが確認された。一方、比較例１、２及び４では、ＬＰＤ数が１０，０００個超えであり、酸素析出核の発生を抑制できないことが確認された。なお、比較例２において、第３工程での最高熱処理温度を１１７５℃とし、シリコンウェーハ表面から深さ７μｍまでの領域の酸素濃度の最大値が１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下となるように熱処理した場合、シリコンウェーハ表層部の酸素濃度を低下させるのに時間がかかり、最終的なシリコンウェーハの生産効率が低下することが確認された。また、比較例３のＬＰＤ数は２，０１７個であり、高温熱処理による特異な欠陥が発生したと考えられる。
【００４４】
半導体デバイス形成過程を想定した熱処理後、ウェーハに発生したスリップ評価において、実施例１〜１０では、スリップ転位がほとんど確認されなかった。一方、比較例５では、ＬＰＤ数は少なかったものの、スリップ転位が確認された。
【００４５】
以上のとおり、本発明では、所定の酸素濃度の原料シリコンウェーハを用いて、第１工程及び第３工程からなる、所定の条件下にて熱処理を行うことにより、デバイス形成領域において、ＣＯＰや酸素析出核等の結晶欠陥が充分に低減されたシリコンウェーハが得られることがわかる。
【図１】
0006317700.tif 000003
【図２】
0006317700.tif 000004