(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素クラスターを溶解し、かつ酸素析出熱処理から生じる将来の析出物形成を防止するために、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、
前記ウエハを急速熱アニーリング装置において酸化性雰囲気でかつ少なくとも１１５０℃の温度で熱処理して、以前から存在する酸素クラスターを溶解すること；
前記熱処理ウエハを、２０℃／秒を超える速度で、９５０℃〜１１５０℃の間の温度に冷却すること；および
前記冷却ウエハを、９５０℃よりも低い温度に前記ウエハが冷却される前に前記冷却ウエハにおける結晶格子の空孔の数密度を低下させるのに充分な時間にわたって、９５０℃〜１１５０℃の間の温度で熱アニーリング処理して、酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物が形成され得ないウエハを得ること
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記ウエハを１２００℃〜１２７５℃の間の温度で熱処理する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却ウエハを９５０℃の温度で２分間熱アニーリング処理する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却ウエハを９５０℃の温度で６分間熱アニーリング処理する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記冷却ウエハを１１５０℃の温度で２秒間熱アニーリング処理する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記冷却ウエハを１１５０℃の温度で６秒間熱アニーリング処理する、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、電子部品を製造する際に使用される半導体材料基板、特に、シリコンウエハの製造に関する。より詳細には、本発明は、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを処理して、存在する酸素クラスターおよび酸素析出物を溶解し、同時にその後の酸素析出熱処理のときにそれらの形成を防止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体電子部品のほとんどの製造方法の出発物質である単結晶シリコンは一般に、単一種結晶を溶融シリコンに浸漬し、次に遅い引き上げによって成長させる、いわゆるチョクラルスキー法によって製造される。溶融シリコンは石英ルツボに装填されるので、種々の不純物、主に酸素、によって汚染される。溶融塊の温度におけるシリコン中の酸素の溶解度および凝固シリコンにおける酸素の事実上の偏析係数によって測定されるある濃度に酸素が到達するまで、シリコン溶融塊の温度において、酸素が結晶格子に入る。そのような濃度は、電子デバイス製造プロセスに一般的な温度における固体シリコン中の酸素の溶解度より大きい。結晶が溶融塊から成長し冷却し、従ってその中の酸素の溶解度が急速に減少し、それによって、得られるスライスまたはウエハにおいて酸素が過飽和濃度において存在する。
【０００３】
電子デバイスを製造する際に典型的に用いられる熱処理サイクルのときに、酸素析出物の核形成中心が形成され、最終的には大きな酸素クラスターまたは酸素析出に成長することがある。そのような析出物がウエハの活性なデバイス領域に存在することによって、デバイスの働きが損なわれ得る。歴史的には、この問題を解決するために、電子デバイスの製造プロセスには、（一般には「デニューデッドゾーン」または「無析出物領域」と呼ばれる）酸素析出を含まない帯域または領域をウエハの表面近くに有するシリコンを製造することを目的とした一連の工程が含まれていた。デニューデッドゾーンは、例えば、（ａ）高温（＞１１００℃）において不活性雰囲気中で少なくとも約４時間にわたる酸素の外方拡散熱処理、（ｂ）低温（６００℃〜７５０℃）での酸素析出物核形成、および（ｃ）高温（１０００℃〜１１５０℃）での酸素析出物（ＳｉＯ２）の成長などの高温−低温−高温の熱系列で形成させることができる。例えば、Ｆ．Ｓｈｉｍｕｒａ、半導体シリコン結晶技術（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ（１９８９年）、３６１頁〜３６７頁）およびそれに引用される参考文献を参照。
【０００４】
しかし、最近では、ＤＲＡＭ製造方法のような先進の電子デバイス製造方法が、高温プロセス段階の使用を最少限にするようになってきている。これらのプロセスには、高温プロセス段階をまだ使用して、デニューデッドゾーンを形成しているものもあるが、そのような材料に対する許容度は非常に低く、商業的に存続できる製品になりえない。他の現在の高度に先進の電子デバイス製造方法は、外部拡散段階を全く含まない。活性デバイス領域における酸素析出に付随する問題の故に、これらの電子デバイス製造者は、工程条件下にウエハのどの位置にも酸素析出物を形成しないシリコンウエハを使用しなければならない。
【０００５】
従って、デバイスを製造する前に、シリコンウエハ中に存在する酸素クラスターまたは酸素析出物を、ウエハにおける酸素析出物の将来の形成が防止されるような方式で溶解させ得る方法が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的には下記のことが含まれる：酸素クラスターおよび酸素析出物が溶解されているチョクラルスキー単結晶シリコンウエハならびにその製造方法を提供すること；および酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物または酸素クラスターが形成されないそのようなウエハを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、簡単に記載すると、本発明は、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを急速アニーリング装置において熱処理する方法であって、酸素クラスターを溶解し、かつその後の熱処理工程から生じる将来の析出物形成を防止するための熱処理方法に関する。この方法は、ウエハを、少なくとも約１１５０℃の温度で、少なくとも１０００ｐｐｍａの酸素濃度を有する雰囲気中で熱処理して、存在する酸素クラスターを溶解させて、酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物が形成され得ないウエハを得ることを含む。
【０００８】
本発明はさらに、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、酸素析出物または酸素クラスターを溶解し、かつその後の熱処理工程から生じる将来の析出物形成を防止するための熱処理方法に関する。この方法は、ウエハを急速アニーリング装置において少なくとも約１１５０℃の温度で熱処理して、存在する酸素クラスターまたは酸素析出物を溶解すること、および熱処理されたウエハの約９５０℃未満の温度への冷却速度を制御して、酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物が形成され得ないウエハを得ることを含む。
【０００９】
本発明はなおさらに、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、酸素析出物または酸素クラスターを溶解し、かつその後の熱処理工程から生じる将来の析出物形成を防止するための熱処理方法に関する。この方法は、ウエハを、急速アニーリング装置において、少なくとも約１１５０℃の温度で、雰囲気中で熱処理して、存在する酸素クラスターまたは酸素析出物を溶解することを含む。熱処理されたウエハは、次いで、約９５０℃〜１１５０℃の間の温度に、約２０℃／秒を超える速度で冷却され、その後、約９５０℃〜１１５０℃の間の温度で熱アニーリング処理され、酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物が形成され得ないウエハにされる。
【００１０】
本発明の他の目的および特徴は、本明細書中下記において一部が明らかであり、一部が示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の方法により、酸素析出物または酸素クラスターならびにこれらの析出物が関連する他の欠陥の濃度が低下した単結晶シリコンウエハを得るための手段が提供される。さらに、本発明の方法により、本質的に任意のその後の酸素析出熱処理（例えば、８００℃の温度で４時間、および次いで、１０００℃で１６時間にわたるウエハのアニーリング処理）のときに酸素の析出物が形成されないウエハが得られる。従って、本発明の方法は、大きな酸素クラスターおよびある種の酸素誘導積層欠陥（「ＯＩＳＦ」）核などの様々な以前から存在する欠陥をウエハ全域で消滅または溶解させるように作用する。ウエハに残存する溶解した酸素は、ウエハが酸素析出熱処理に供された場合でも、析出しない。
【００１２】
本発明の方法の出発材料は、従来のチョクラルスキー（Czochralski）結晶成長法に従って成長させた単結晶インゴットからスライスされた単結晶ウエハである。そのような方法は、標準的なシリコンスライス技術、ラップ処理（lapping）技術、エッチング技術および研磨技術と同様に、例えば、F.Shimura、Semiconductor Silicon Crystal Technology、Academic Press（1989）、およびSilicon Chemical Etching（J.Grabmaier編）Springer-Verlag、New York（1982）に開示されている（これらは参考として本明細書中に援用される）。シリコンウエハは、研磨されたシリコンウエハ、あるいはラップ処理およびエッチングが行われた非研磨のシリコンウエハであり得る。さらに、ウエハは、優勢な真性の点欠陥として空孔または自己格子間原子の点欠陥を有し得る。例えば、ウエハは、中心から縁まで空孔が優勢に存在するか、中心から縁まで自己格子間原子が優勢に存在するか、あるいは、軸対称的な環状の自己格子間原子優勢材によって囲まれた空孔優勢材の中心コアを含有し得る。
【００１３】
チョクラルスキー成長シリコンは、典型的には、約５×１０１７原子／ｃｍ３〜約９×１０１７原子／ｃｍ３（ASTM標準F-121-83）の範囲内の酸素濃度を有する。ウエハの酸素析出挙動は、本質的に本発明の方法によって消去されない（すなわち、ウエハは、酸素析出熱処理に付された場合にさえ、本質的に非酸素析出性にされる。）ので、出発ウエハの酸素濃度は、チョクラルスキープロセスによって到達可能な範囲内の任意の濃度またはその範囲外の任意の濃度でさえあり得る。シリコンの融点（約１４１０℃）温度から約７５０℃〜約３５０℃の範囲への単結晶シリコンインゴットの冷却速度に依存して、酸素析出物の核形成中心が、ウエハがスライスされる単結晶シリコンインゴットに形成し得る。
【００１４】
出発材料におけるこのような核形成中心の有無は本発明にとって重要でない。しかし、好ましくは、これらの中心は、本発明の急速熱アニーリング熱処理によって溶解させることができる。
【００１５】
本発明の方法により、単結晶シリコンウエハは、ウエハが高い温度に加熱される熱処理工程に最初に供される。好ましくは、この熱処理工程は、ウエハを目標温度まで急速に加熱して、その温度で比較的短時間にわたってアニーリングする急速熱アニーリング装置において行われる。一般に、ウエハは、１１５０℃を超える温度に、好ましくは少なくとも１１７５℃の温度に、より好ましくは少なくとも約１２００℃の温度に、そして最も好ましくは約１２００℃〜１２７５℃の間の温度に供される。ウエハは、一般には、このような温度で、少なくとも１秒間、典型的には少なくとも数秒間（例えば、３秒間）、好ましくは数十秒間（例えば、２０秒間、３０秒間、４０秒間または５０秒間）、そして以前から存在する欠陥に応じて、（市販されている急速熱アニーリング装置の限界に近い）約６０秒までの範囲であり得る時間にわたって維持される。
【００１６】
急速熱アニーリング処理は、ウエハが高出力光源の列によって個々に加熱される多数の市販の急速熱アニーリング（「ＲＴＡ」）処理炉のいずれかで行うことができる。ＲＴＡ炉は、シリコンウエハを急速に加熱することができる。例えば、ＲＴＡ炉は、ウエハを室温から１２００℃まで数秒間で加熱することができる。そのような市販のＲＴＡ炉の１つは、AG Associates（Mountain View、CA）から入手できるモデル６１０炉である。
【００１７】
１１５０℃を超える温度でウエハを熱処理することによって、様々な以前から存在する酸素クラスターおよびＯＩＳＦ核の溶解が生じる。さらに、そのような熱処理により、ウエハにおける結晶格子の空孔の数密度が増大する。
【００１８】
今日までに得られた情報により、ある種の酸素関連の欠陥（例えば、環状酸化誘導積層欠陥（ＯＩＳＦ）など）は、高濃度の空孔の存在によって触媒された高温で核形成される酸素凝集物であることが示唆されている。さらに、空孔が多い領域において、酸素のクラスター化が、酸素析出物の核形成中心が不足している領域に挙動がより類似している空孔濃度が低い領域とは対照的に、高い温度で急速に生じると考えられている。従って、酸素の析出挙動は空孔濃度によって影響を受けるので、熱処理ウエハにおける空孔の密度数は、その後の酸素析出熱処理における酸素の析出を避けるために本発明の方法で制御される。
【００１９】
本発明の方法の第１の実施形態において、熱処理されたウエハの空孔濃度は、少なくとも部分的には、熱処理が行われる雰囲気を制御することによって制御される。今日までに得られた実験的証拠は、著量の酸素が存在することにより、熱処理されたウエハの空孔濃度が抑制されることを示唆している。何らかの特定の理論にとらわれるものではないが、酸素存在下での急速熱アニーリング処理はシリコン表面の酸化をもたらし、その結果として、シリコンの自己格子間原子の内側への流れが生じるように作用すると考えられている。自己格子間原子のこの内側への流れは、表面で始まり、その後、内側に移動する再結合を生じさせることによって空孔濃度プロファイルを徐々に変化させる効果を有している。
【００２０】
その機構にかかわらず、急速熱アニーリング工程は、本発明の方法の第１の実施形態においては酸素含有雰囲気の存在下で行われる。すなわち、アニーリングは、酸素ガス（Ｏ２）、水蒸気、または曝されたシリコン表面を酸化し得る酸素含有化合物ガスを含有する雰囲気のもとで行われる。従って、雰囲気は、全体が酸素または酸素化合物からなってもよく、あるいはアルゴンなどの非酸化性ガスをさらに含んでもよい。しかし、雰囲気が完全に酸素でない場合、雰囲気は、少なくとも約０．００１気圧（ａｔｍ）（すなわち、１，０００百万部率原子（ｐｐｍａ））の酸素分圧を含有することが好ましいことに留意しなければならない。より好ましくは、雰囲気中の酸素分圧は少なくとも０．００２ａｔｍ（２，０００ｐｐｍａ）であり、さらにより好ましくは０．００５ａｔｍ（５，０００ｐｐｍａ）であり、さらにより好ましくは０．０１ａｔｍ（１０，０００ｐｐｍａ）である。
【００２１】
真性の点欠陥（空孔およびシリコンの自己格子間原子）は、温度に依存した拡散速度で単結晶シリコンに拡散し得る。従って、真性の点欠陥の濃度プロファイルは、温度を関数とする再結合速度、および真性の点欠陥の拡散性の関数である。例えば、真性の点欠陥は、ウエハが急速熱アニーリング工程でアニーリングされる温度の近傍における温度では比較的移動しやすいが、７００℃もの温度においては、商業的で実用的な任意の時間では本質的に移動し得ない。今日までに得られた実験的証拠により、空孔の有効拡散速度は、約７００℃よりも低い温度ではかなり遅いこと、そして、おそらくは８００℃、９００℃または１，０００℃でさえも、空孔は、商業的で実用的な任意の時間では移動し得ないと見なされ得ることが示唆されている。
【００２２】
従って、本発明の第２の実施形態においては、熱処理されたウエハの空孔濃度は、空孔が比較的移動しやすい温度範囲へのウエハの冷却速度を制御することによって少なくとも部分的には制御される。ウエハの温度がこの温度範囲に低下するときに、空孔はウエハの表面まで拡散して消滅する。従って、ウエハがこの範囲の温度で維持される時間の長さおよび温度の高さに依存した変化度を有する空孔濃度プロファイルの変化が得られる。一般に、温度が高く、拡散時間が長いほど、拡散は大きくなる。一般に、アニーリング温度から、空孔が実際上移動しなくなる温度（例えば、約９５０℃）までの平均冷却速度は、好ましくは２０℃／秒以下であり、より好ましくは約１０℃／秒以下であり、さらにより好ましくは約５℃／秒以下である。
【００２３】
あるいは、高温アニーリング後のウエハの温度は、約１１５０℃未満の温度で、しかし約９５０℃よりも高い温度に（例えば、約２０℃／秒よりも大きな速度で）急速に下げられ、保持温度に依存する時間にわたって保つことができる。例えば、１１５０℃付近の温度の場合には、数秒（例えば、少なくとも約２秒、３秒、４秒、６秒またはそれ以上）で充分であるが、９５０℃付近の温度の場合には、数分（例えば、少なくとも約２分、３分、４分、６分またはそれ以上）が、空孔濃度を充分に低下させるために必要とされ得る。
【００２４】
ウエハが、結晶格子の空孔が単結晶シリコン内で比較的移動しやすい温度範囲の外側の温度に冷却されると、冷却速度は、ウエハの析出特性に大きく影響しないようであり、従って、あまり重要でないようである。
【００２５】
都合よいことに、冷却工程は、加熱工程が行われる同じ雰囲気中で行うことができる。好適な雰囲気には、例えば、窒化物形成雰囲気（すなわち、窒素ガス（Ｎ２）、または曝されたシリコン表面に窒化物を形成し得るアンモニアなどの窒素含有化合物ガスを含有する雰囲気）；酸化性（酸素含有）雰囲気；非酸化性で窒化物非形成性の雰囲気（例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、二酸化炭素など）およびこれらの組合せが含まれる。
【００２６】
本発明の方法において用いられる急速熱アニーリングにより、ウエハの前表面および後表面の表面からの少量の酸素の外方拡散が生じ得る一方で、得られた熱処理ウエハは、シリコン表面からの距離を関数とする実質的に一様な格子間酸素濃度を有する。例えば、熱処理されたウエハは、ウエハの中心から、シリコン表面の約１５ミクロン以内のウエハ領域まで実質的に一様な濃度の格子間酸素を有する。より好ましくは、シリコンの中心から、シリコン表面の約１０ミクロン以内のウエハ領域まである。さらにより好ましくは、シリコンの中心から、シリコン表面の約５ミクロン以内のウエハ領域まである。最も好ましくは、シリコンの中心から、シリコン表面の約３ミクロン以内のウエハ領域まである。これに関連して、実質的に一様な酸素濃度とは、酸素濃度の変動が約５０％以下、好ましくは約２０％以下、最も好ましくは約１０％であることを意味するものとする。
【００２７】
上記を参照して、本発明のいくつかの目的が達成されていることが理解される。様々な変化が、本発明の範囲から逸脱することなく上記の組成物または方法においてなされ得るので、上記の説明に含まれるすべての事項は例示的であり、限定的な意味ではないものとする。
【００２８】
尚、本願の発明の好ましい態様には、以下の各事項が含まれる。
［事項１］チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを熱処理して酸素析出物を溶解することによって、非酸素析出性のチョクラルスキー単結晶シリコンウエハを製造する方法であって、前記ウエハを、急速熱アニーリング装置において、少なくとも１１５０℃の温度へ、少なくとも１０００ｐｐｍａの酸素濃度を有する雰囲気中で熱処理して、後の酸素析出熱処理において酸素析出物の形成を防止するように結晶格子の空孔濃度を制御することを含んでなる方法。
［事項２］前記ウエハを約１２００℃〜約１２７５℃の間の温度で熱処理する、事項１に記載の方法。
［事項３］前記雰囲気は酸素濃度が少なくとも約２０００ｐｐｍａである、事項１または２に記載の方法。
［事項４］前記雰囲気は酸素濃度が少なくとも約５０００ｐｐｍａである、事項１または２に記載の方法。
［事項５］前記雰囲気は酸素濃度が少なくとも約１０，０００ｐｐｍａである、事項１または２に記載の方法。
［事項６］前記ウエハを少なくとも約２０秒間熱処理する、事項１または２に記載の方法。
［事項７］前記ウエハを少なくとも約４０秒間熱処理する、事項１または２に記載の方法。
［事項８］非酸素析出性のチョクラルスキー単結晶シリコンウエハを製造する方法であって、前記ウエハを急速熱アニーリング装置において少なくとも１１５０℃の温度へ熱処理して、存在する酸素クラスターおよび酸素析出物を溶解すること、および前記熱処理中に達成された最高温度から９５０℃未満の温度への冷却速度を制御して、単結晶シリコンにおける空孔の数密度を、前記ウエハが酸素析出熱処理に供されたときに、酸素析出物が前記熱処理ウエハに形成されないような値に減らすことを含んでなる方法。
［事項９］前記ウエハを約１２００℃〜約１２７５℃の間の温度で熱処理する、事項８に記載の方法。
［事項１０］前記冷却速度を、熱処理時に達成される最高温度から約９００℃の温度までの間で制御する、事項８に記載の方法。
［事項１１］前記冷却速度は約２０℃／秒未満である、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１２］前記冷却速度は約１０℃／秒未満である、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１３］前記冷却速度は約５℃／秒未満である、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１４］前記ウエハを窒化物形成雰囲気中で冷却する、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１５］前記ウエハを酸化性雰囲気中で冷却する、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１６］前記ウエハを、窒化物非形成性で非酸化性の雰囲気中で冷却する、事項８、９または１０に記載の方法。
［事項１７］酸素クラスターを溶解し、かつ酸素析出熱処理から生じる将来の析出物形成を防止するために、チョクラルスキー単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、
前記ウエハを少なくとも約１１５０℃の温度で急速熱アニーリング装置において熱処理して、以前から存在する酸素クラスターを溶解すること；
前記熱処理ウエハを、約２０℃／秒を超える速度で、約９５０℃〜１１５０℃の間の温度に冷却すること；および
前記冷却ウエハを、約９５０℃よりも低い温度に前記ウエハが冷却される前に前記冷却ウエハにおける結晶格子の空孔の数密度を低下させるのに充分な時間にわたって、約９５０℃〜約１１５０℃の間の温度で熱アニーリング処理して、酸素析出熱処理に供されたときに酸素析出物が形成され得ないウエハを得ること
を含んでなる方法。
［事項１８］前記ウエハを約１２００℃〜約１２７５℃の間の温度で熱処理する、事項１７に記載の方法。
［事項１９］前記冷却ウエハを約９５０℃の温度で約２分間熱アニーリング処理する、事項１７または１８に記載の方法。
［事項２０］前記冷却ウエハを約９５０℃の温度で約６分間熱アニーリング処理する、事項１７または１８に記載の方法。
［事項２１］前記冷却ウエハを約１１５０℃の温度で約２秒間熱アニーリング処理する、事項１７または１８に記載の方法。
［事項２２］前記冷却ウエハを約１１５０℃の温度で約６秒間熱アニーリング処理する、事項１７または１８に記載の方法。