(57)【要約】【課題】  本発明は、シリコンウェーハ表層部に無欠陥層が形成され、ウェーハ表面に重金属汚染（Ｆｅ汚染）の少ないシリコンウェーハの提供、およびこのシリコンウェーハを得るためのシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。【解決手段】  シリコンウェーハに水素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気中で高温熱処理を施した後、ウェーハ取り出し温度まで降温される降温過程の一部または全部を、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温する。これによりウェーハ表面へのＦｅ汚染を抑制することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハに水素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気中で高温熱処理を施した後、ウェーハ取り出し温度まで降温される降温過程の一部または全部を、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温することを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法。
【請求項２】
７００℃以下の温度領域の降温過程において、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温することを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項３】
前記高温熱処理が９００℃〜１３５０℃の温度範囲で１時間以上の熱処理であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項４】
高温熱処理により表面に無欠陥層が形成されたシリコンウェーハであって、シリコンウェーハ表面におけるＦｅの平均濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコンウェーハ。
【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熱処理方法およびシリコンウェーハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェーハの酸化膜耐圧等の電気特性を改善するためには、デバイスが作製されるウェーハ表層部を無欠陥層とする必要がある。シリコンウェーハの表層部には、シリコン単結晶インゴット引き上げ過程で結晶内に導入されるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥や酸素析出物が存在し、これら欠陥がデバイスが作製されるウェーハ表層部に存在すると電気特性を劣化させる原因となっている。このため、シリコンウェーハ表層部に無欠陥層を形成して酸化膜耐圧特性を向上させるために、シリコンウェーハを水素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下で数時間の高温熱処理を施すことが有効であることが数多く報告されている（例えば、特許文献１〜５）。
【０００３】
【特許文献１】特公平５−１８２５４号公報
【特許文献２】特許第３０８０５０１号公報
【特許文献３】特開平６−２９５９１３号公報
【特許文献４】特開平１０−１４４６９８号公報
【特許文献５】特開２０００−５８５５２号公報
【０００４】
この高温熱処理の代表的な温度プロセスは、特許文献３および特許文献４で開示されるように、昇温プロセスにあっては、ウェーハ投入温度〜１０００℃までは約１０℃／ｍｉｎ程度、１０００℃〜１２００℃までは３℃／ｍｉｎ以下、熱処理は約１２００℃において１時間以上、降温プロセスにあっては１２００℃〜１０００℃程度まで３℃／ｍｉｎ、１０００℃以下は１０℃／ｍｉｎで行われるのが一般的である。ここで、降温プロセスにおいて１２００℃〜１０００℃の温度域における降温速度を３℃／ｍｉｎとしているのは、この温度域における降温速度を遅くすることによりウェーハ内部への酸素析出物形成を図るためであり、１０００℃以下の温度域を１０℃／ｍｉｎとしているのは、降温速度を速めることによりスループットを高めて製造コスト低減を図るために行われている。
【０００５】
ところで、水素ガスを含有する雰囲気下での高温熱処理では、水素ガスが還元作用をもつことにより石英反応管やウェーハボート（石英製、シリコン製、ＳｉＣ製）表面をエッチングし、母材自体に含まれる不純物、特にＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉなどの重金属により熱処理中のシリコンウェーハ表面を汚染させることがよく知られている。
【０００６】
一旦、高温熱処理によりウェーハ表面に拡散した重金属不純物を除去する有効な手段はなく、重金属汚染を生じないシリコンウェーハの熱処理方法の提供が望まれ、近年、還元作用を有しないアルゴンガス雰囲気下による高温熱処理が有望視されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、本発明者らの実験によれば、水素ガスを含有する雰囲気下での高温熱処理に限らず、アルゴンガス、あるいはアルゴンガスに少量の水素ガスを混合させたガス雰囲気下で高温熱処理が施されたシリコンウェーハは、高温熱処理する前のシリコンウェーハ表面のＦｅ濃度に比べてウエーハ表面で検出されるＦｅ濃度が高い（Ｆｅ汚染）という問題があることが判明した。
【０００８】
本発明は、このような上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、シリコンウェーハ表層部に無欠陥層が形成され、ウェーハ表面に重金属汚染（Ｆｅ汚染）の少ないシリコンウェーハの提供、およびこのシリコンウェーハを得るためのシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明者等は鋭意検討した結果、高温熱処理後の降温過程において、所定のガス雰囲気中で降温速度を遅くすることにより、ウェーハ表面におけるＦｅ汚染を抑制できることを知見し本発明を完成させた。
【００１０】
すなわち、本発明は、シリコンウェーハに水素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気中で高温熱処理を施した後、ウェーハ取り出し温度まで降温される降温過程の一部または全部を、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、ウェーハ表層部に十分な無欠陥層を確保でき、ウェーハ表面におけるＦｅ汚染を抑制することが可能となる。Ｆｅ汚染が低減される原因は現段階では不明ではあるが、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎを超える速度で降温しても効果はなく、窒素ガス含有雰囲気以外のガス雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温しても効果は現れない。ガス雰囲気および降温速度の両条件が整った場合にのみ効果があることを確認している。
【００１２】
本発明の高温熱処理で採用するガス雰囲気は、水素ガス１００％、アルゴンガス１００％、あるいはアルゴンガスに少量の水素ガスを混合させた混合ガス雰囲気とすることが望ましい。また、降温する際のガス雰囲気は窒素ガス１００％が望ましく、窒素ガスに少量の非酸化性ガス（アルゴン、水素など）を混合したガス雰囲気としてもよい。なお、降温速度は特に１℃／ｍｉｎ以下が望ましい。但し、降温速度を過度に遅くすることはスループットが非常に長くなるため、生産性の観点からは好ましくなく、この観点からは降温速度を０．５℃／ｍｉｎ以上確保することが望ましい。
【００１３】
本発明において、７００℃以下の温度領域の降温過程において、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温を実施することが望ましい。これによりウェーハ表面へのＦｅ汚染を抑制することができる。
【００１４】
ウェーハ表面へのＦｅ汚染抑制の観点からは、降温過程の全部を窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温しても十分に効果がある。ただし、７００℃を超える温度域において窒素ガス雰囲気へのガス置換を行った場合には、ウェーハ表面に窒化物が形成されてしまい、その後、窒化物を除去する新たな工程が必要となることから、７００℃以下の温度領域で窒素ガス雰囲気に置換することが望ましく、特に６５０℃の温度域からガス置換することが望ましい。また、５００℃未満の低温度域において窒素ガス雰囲気へのガス置換を実施してもＦｅ汚染の抑制効果は得られないことから、５００℃以上の温度領域でガス置換する必要がある。このため、窒化物形成およびＦｅ汚染の両方を抑制する観点からは、６５０℃以下かつ５００℃以上の温度領域を窒素ガス含有雰囲気で降温することが望ましい。
【００１５】
本発明において、シリコンウェーハに対して行う前記高温熱処理を９００℃〜１３５０℃の温度範囲で１時間以上の熱処理とすることが望ましい。９００℃未満では、ウェーハ表層部のＣＯＰや酸素析出物などの欠陥を十分に低減することができなくなり、１３５０℃を超えると、ウェーハ内にスリップ転位などの欠陥が新たに導入されることとなる。また、熱処理時間が１時間未満では、ウェーハ表層部のＣＯＰや酸素析出物などの欠陥を十分に低減することができない。熱処理時間を長くすることはＣＯＰなどの欠陥消滅効果には有効ではあるものの、サイクルタイム増、設備への負担（消耗、劣化）増による製造コストを招くため、最大でも１２時間以内の熱処理に留めることが望ましい。
【００１６】
本発明のシリコンウェーハは、高温熱処理により表面に無欠陥層が形成されたシリコンウェーハであって、シリコンウェーハ表面におけるＦｅの平均濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコンウェーハである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリコンウェーハに水素ガス、アルゴンガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気中で高温熱処理を施した後、ウェーハ取り出し温度まで降温される降温過程の一部または全部を、窒素ガス含有雰囲気中で２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温することにより、ウェーハ表層部に十分な無欠陥層を確保でき、かつウェーハ表面におけるＦｅ汚染を十分に抑制することができる。また、本発明のウェーハは高温熱処理されたアニールウェーハにも係わらず、シリコンウェーハ表面におけるＦｅの平均濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下という高品質を有し、デバイス特性を飛躍的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明によるシリコンウェーハの熱処理方法の実施形態について図１を用いて説明する。
【００１９】
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶インゴットから、公知のスライス、ラッピング、研削、研磨、洗浄処理などにより作製したシリコンウェーハを用意する。
【００２０】
シリコンウエーハを熱処理ボートに装填後、アルゴンガス雰囲気の熱処理炉内にシリコンウエーハを投入し、図１に示すように、シリコンウェーハを昇温工程Ｓ１において、所定の昇温速度で高温熱処理温度まで昇温する。なお、水素ガスあるいは水素ガスとアルゴンガスの混合ガス雰囲気で熱処理を行う場合は、大気と水素ガスとの接触による爆発の危険性を排除するため、熱処理炉内を窒素ガス雰囲気とした状態で熱処理炉内に熱処理ボートを装填し、その後、熱処理炉内を水素ガスあるいは水素ガスとアルゴンガスの混合ガス雰囲気に置換した後、昇温を開始する。昇温工程Ｓ１における昇温速度はどのような昇温速度を採用しても良く、各種ウェーハ条件に応じて適宜選定すればよい。また、本発明で使用する熱処理装置は、縦型熱処理装置、横型熱処理装置あるいは枚葉式の熱処理装置など何れの熱処理装置を用いてもよい。
【００２１】
高温熱処理工程Ｓ２においては、９００℃〜１３５０℃の温度範囲で１時間以上の熱処理を実施する。これにより、ウェーハ表層部にＣＯＰや酸素析出物が存在しない無欠陥層を形成する。
【００２２】
次いで降温工程Ｓ３においては、熱処理炉内を窒素ガス雰囲気に置換し、２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温する。これによりウェーハ表面のＦｅ汚染を抑制することができる。なお、工程Ｓ２の高温熱処理工程の終了後、直ちに熱処理炉内を窒素ガス含有雰囲気に置換し、２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温を開始（ラインＡ）してもよい。但し、この場合、降温工程Ｓ３全体のスループットが長くなること、およびウェーハ表面に窒化物形成を生じることから、工程Ｓ２の高温熱処理工程の終了後、２℃／ｍｉｎを超える速い降温レートで降温し、７００℃以下の温度領域で窒素ガス雰囲気に置換した後、２℃／ｍｉｎ以下の速度で降温を開始（ラインＢ）することが望ましい。これにより、窒化物形成およびＦｅ汚染の両方を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法を実施例に基づき説明する。具体的には、シリコンウェーハを熱処理する際の降温時における雰囲気ガスと降温速度の関係を種々変更した熱処理実験を実施し、ウェーハ表面で検出されるＦｅ濃度を測定した。以下にその熱処理条件とその結果について説明する。
【００２４】
各実験で使用するシリコンウェーハは、いずれもＣＺ法により作製した単結晶シリコンインゴットを切り出して鏡面研磨加工された、直径２００ｍｍΦ、面方位（１００）、ボロンドープされたｐ型のシリコンウェーハを使用した。
【００２５】
本発明例および比較例の統一条件として、上記のシリコンウェーハを縦型熱処理ボートに装填後、熱処理ボートを熱処理炉内に投入し、１０℃／ｍｉｎの一定昇温速度で炉内温度を１０００℃まで昇温した後、１℃／ｍｉｎの昇温速度に変更して昇温し、１２００℃に達した時点で１時間その温度を維持してウェーハの熱処理を行った。
【００２６】
本発明例１として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、直ちに熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、２℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００２７】
本発明例２として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、直ちに熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、１℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００２８】
本発明例３として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、３℃／ｍｉｎの降温速度で１０００℃まで降温し、１０℃／ｍｉｎの降温速度で７００℃まで降温した後、熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、２℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００２９】
本発明例４として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、３℃／ｍｉｎの降温速度で１０００℃まで降温し、１０℃／ｍｉｎの降温速度で７００℃まで降温した後、熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、１℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３０】
比較例１として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、３℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３１】
比較例２として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、１℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３２】
比較例３として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、直ちに熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、３℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３３】
比較例４として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、３℃／ｍｉｎの降温速度で１０００℃まで降温し、１０℃／ｍｉｎの降温速度で７００℃まで降温した後、熱処理炉内を窒素ガス１００％雰囲気に置換し、３℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３４】
比較例５として、アルゴンガス雰囲気下で１２００℃の温度で１時間の高温熱処理後、熱処理炉内をアルゴンガス雰囲気のままで、３℃／ｍｉｎの降温速度で１０００℃まで降温し、１０℃／ｍｉｎの降温速度で７００℃まで降温した後、１℃／ｍｉｎの降温速度で５００℃まで降温した。
【００３５】
上述した本発明例１〜４で得られた各シリコンウェーハおよび比較例１〜５で得られた各シリコンウェーハについて、ＳＰＶ（Surface Photo Voltage）法を用いて各ウェーハ表面におけるＦｅの面内平均濃度を測定した。また、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により、ウェーハの表面分析を行って各ウェーハ表面への窒化物形成の有無について調査した。その結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１から明らかなように、本発明例１〜４では、シリコンウェーハ表面で検出されるＦｅの平均濃度は全て１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、十分なＦｅ低減効果が認められ、特に７００℃以下で窒素ガス置換を行った本発明例３、４で得られたウェーハは、ウェーハ表面への窒化物形成も認められなかった。一方、比較例１〜５では、全て５×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＦｅが検出され、Ｆｅ汚染が高いウェーハであることが分かる。また、本発明例３、４で得られたウェーハは、ウェーハ表面への窒化物形成も認められず高品質なウェーハであることが分かる。
【００３８】
また、本発明例１〜４で得られた各シリコンウェーハおよび比較例１〜５で得られた各シリコンウェーハを劈開し、劈開断面をライトエッチング処理した後、劈開断面を光学顕微鏡にて観察し、ウェーハ表層部に形成された無欠陥層の幅を調査したところ、全てのウェーハにおいて表層部に１０μｍ以上の無欠陥層が形成されていた。
【００３９】
なお、本発明例および比較例では、全て高温熱処理をアルゴンガス雰囲気で行った例を示したが、何らこれに限定されるものではなく、水素ガスあるいはアルゴンガスと少量の水素ガス（１０％）で高温熱処理を行っても、ほぼ同様の結果であった。
【００４０】
以上、本発明を説明したが、本発明は、これらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のシリコンウェーハは高温熱処理されたウェーハであることから、ウェーハ表面に無欠陥層が形成されており、酸化膜耐圧特性に優れるウェーハとして有効である。しかも本発明のシリコンウェーハは表面へのＦｅ汚染量が極めて低いことから、デバイス特性不良を生じないウェーハとして有効に機能する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明例および比較例の実施の形態に係る熱処理温度条件を示すグラフである。
【図１】
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