(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面にポリシリコン層を有し、かつ１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の濃度でＦｅに汚染されたシリコンウェーハを熱処理する方法において、
前記シリコンウェーハを窒素又は水素ガス雰囲気中の炉内に入れて、１０５０〜１１００℃の第１温度で０．５〜２時間保持し、引続いて前記ウェーハを０．５〜２℃／分の速度で７００〜８００℃の第２温度まで降温した後、前記第２温度で保持することなく、又は５時間未満保持した後、前記炉から取出して室温まで放冷することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、裏面にポリシリコン層を有するシリコンウェーハの熱処理方法に関する。更に詳しくはウェーハ表面のデバイス形成領域から金属不純物を取り除くことができるシリコンウェーハの熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体デバイス素子の製造には、その基板としてチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）によって育成されたシリコン単結晶インゴットから所定の板厚で切出されたシリコンウェーハが用いられている。近年の半導体デバイス素子においては、デバイスの集積度の増大が著しく、これに伴い、より一層の高品質なシリコンウェーハが要求されている。このためデバイス製造プロセスにおいて製造工程のクリーン化が進められたり、デバイスの電気的な活性領域であるシリコンウェーハの表面近傍の完全性を高める努力、即ちウェーハ表面近傍を無欠陥にする努力が図られている。このシリコンウェーハの表面近傍を無欠陥にするには、シリコンウェーハの表面近傍の酸素析出物（Bulk Micro Defect、以下、ＢＭＤという。）の密度を極力低減させることが重要となる。このＢＭＤは熱処理によってシリコンウェーハ中に顕在化する。このＢＭＤがウェーハ表面近傍に存在すると、デバイスの信頼性や歩留まりに悪影響を及ぼす。
【０００３】
また、デバイス製造工程では、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属不純物が混入する製造工程がいくつかある。これらの金属不純物がウェーハ表面近傍に存在するとデバイス特性が劣化したり、製品の歩留まりを低下させたりする原因となるため、金属不純物が電気的な活性領域であるウェーハ表面に取り込まれないように防止する必要がある。
そのため、ＢＭＤ密度を制御し、かつ、金属不純物汚染をデバイス形成領域から取り除く技術（ゲッタリング技術）の重要性が高められている。通常、このゲッタリング技術としては内部ゲッタリング法（Intrinsic Gettering、以下、ＩＧ法という。）や、外部ゲッタリング法（Extrinsic Gettering、以下、ＥＧ法という。）などに分類される。
【０００４】
ＩＧ法は高温熱処理によりウェーハ表面近傍の酸素濃度を低下させてウェーハ表面近傍にＢＭＤのない層（Denuded Zone、以下、ＤＺ層という。）を作るとともに、このＤＺ層より深い位置に高密度のＢＭＤを生成し、このＢＭＤ欠陥を金属不純物の捕獲源とする方法である。ＥＧ法には、人工的にＳｉＯ2の砥粒をジェットノズルから空気圧によりウェーハ裏面に噴射させ、ウェーハ裏面側に機械的損傷を付けてやり、この機械的損傷から発生した結晶欠陥を金属不純物の捕獲源とする方法（Back Side Damage、以下、ＢＳＤ法という。）や、シリコンウェーハの裏面側に０．５〜１．５μｍ程度のポリシリコン層を成長させ、このポリシリコン層を金属不純物の捕獲源とする方法（PolySilicon Back Side、以下、ＰＢＳ法という。）などがある。
【０００５】
上記ゲッタリング技術の中でＩＧ法は、ゲッタリング源を作り出すために複雑で長時間の熱処理を要し、しかもＮｉのようなシリコン中で拡散の速い金属元素のゲッタリングには必ずしも効果的でなかった。またＢＳＤ法は、機械的損傷を与える過程で生じるシリコンダストをウェーハから完全に除去することが難しく、新たな欠陥の発生源になり得る不具合があり、また裏面の損傷を定量的に再現性よく制御することが困難な問題点もあった。このため、これらの欠点のないＰＢＳ法が見直されている。
半導体デバイスメーカーは、このＰＢＳ法でポリシリコン層を裏面に形成したシリコンウェーハ（以下、ＰＢＳウェーハという。）を熱処理することによって、デバイス製造工程で生じた金属不純物をポリシリコン層に捕獲することができる。この熱処理は、熱処理コストを低くし、かつ高温度における製造過程（熱処理）から生じる汚染の危険性を減らすために、ＰＢＳウェーハを炉内に入れ、最高温度を１０００℃未満の低温にして１〜２時間保持した後、４℃／分以上の速度で８００℃程度まで冷却した後、直ちに炉から取出して室温まで放冷して行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＢＳウェーハの上記従来の熱処理方法では、不純物である金属が高濃度にウェーハ表面を汚染した場合や、高濃度でなくてもウェーハ中での拡散係数が小さい、Ｆｅのような金属元素を捕獲しようとする場合には、この金属不純物をポリシリコン層に確実かつ十分に捕獲することが困難な不具合があった。
本発明の目的は、デバイス製造工程において金属不純物の濃度や種類によらずにゲッタリング効果を高め、この金属不純物を確実かつ十分にポリシリコン層に捕獲するシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、金属不純物によるデバイス特性劣化を防ぎ、半導体装置の製品歩留まりを低下させないシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、裏面にポリシリコン層を有し、かつ１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の濃度でＦｅに汚染されたシリコンウェーハを熱処理する方法において、上記シリコンウェーハを窒素又は水素ガス雰囲気中の炉内に入れて、１０５０〜１１００℃の第１温度で０．５〜２時間保持し、引続いてこのウェーハを０．５〜２℃／分の速度で７００〜８００℃の第２温度まで降温した後、第２温度で保持することなく、又は５時間未満保持した後、炉から取出して室温まで放冷することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法である。
【０００８】
請求項１に係る発明では、従来よりも熱処理の最高温度（第１温度）を高く、保持時間を長く設定する。これにより、不純物の金属がウェーハ中での拡散係数が小さい、Ｆｅであって、１０12〜１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の高濃度でウェーハを汚染しても、不純物の金属がウェーハ表面近傍でシリサイドを作ることなくウェーハバルク中に十分に拡散する。請求項１に係る発明では第１温度で保持した後、従来と同等の速度で冷却し、７００〜８００℃の第２温度で所定時間保持する。これによりウェーハバルク中に拡散していた金属がウェーハバルク中に残存することなく、ポリシリコン層に捕獲される。一方、請求項３に係る発明では第１温度で保持した後、従来より遅い速度で冷却される。この徐冷の間に、ウェーハバルク中に拡散していた金属がウェーハバルク中に残存することなく、ポリシリコン層に捕獲される。
【０００９】
最高温度の第１温度を１０５０℃にすることにより、不純物の金属がＦｅであって、１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の更に高濃度でウェーハを汚染してもこの金属不純物をウェーハ裏面のポリシリコン層に捕獲することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のＰＢＳウェーハは、ＣＺ法によって育成された単結晶シリコンから所定の板厚で切出されたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施し、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して鏡面シリコンウェーハにした後、このウェーハの裏面に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により例えばＳｉＨ4を用いて６００〜７００℃の温度で厚さ０．５〜１．５μｍのポリシリコン層を形成して作製される。ポリシリコン層の厚さが０．５μｍ未満ではゲッタリング効果に乏しく、１．５μｍを越えると生産性が低下する不具合を生じる。本発明のシリコンウェーハ中の酸素濃度は、１×１０18〜１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3(旧ＡＳＴＭ)に調整される。
【００１１】
このＰＢＳウェーハの役割は、活性領域のウェーハ表面に到来する金属不純物をＰＢＳウェーハを熱処理することにより、ウェーハバルク中へ拡散させた後、ウェーハバルク中に残存させることなく、ウェーハ裏面のポリシリコン層に金属不純物を捕獲することである。
この金属不純物のウェーハバルク中への拡散及びポリシリコン層への捕獲の程度は、金属不純物の濃度及び不純物である金属のウェーハバルク中での拡散係数と、ＰＢＳウェーハの熱処理条件によって決定される。即ち、ウェーハ表面が高濃度で金属不純物により汚染された場合には、低温で熱処理すると、ウェーハバルク中に金属が十分に拡散せず、一部がウェーハ表面にケイ化物であるシリサイドを作る。またウェーハ表面が拡散係数の小さい金属の不純物により汚染された場合には、最高温度の第１温度で保持したＰＢＳウェーハの冷却速度を速めると、この金属はウェーハバルク中でのウェーハ裏面に向う拡散速度が低下し、一部の金属はウェーハバルク中に残存しやすい。従ってこれらの場合には、ポリシリコン層による高いゲッタリング効果は期待できない。ウェーハバルク中での拡散係数の小さい金属としては、Ｆｅが挙げられる。
【００１２】
金属不純物としてこのＦｅを例に挙げて説明すると、ウェーハ表面でのＦｅの濃度が１０10〜１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度であれば、ＰＢＳウェーハを９５０℃で１時間熱処理することによりＦｅ元素をウェーハバルク中に十分に拡散させることができる。しかしながら、このＦｅの濃度が更に高い１０11〜１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2になると、９５０℃の熱処理ではウェーハバルク中に十分に拡散することができず、シリコン表面にＦｅシリサイドを形成してしまう。この濃度で、全てのＦｅ元素をシリコン表面からウェーハバルク中に拡散するためには９５０℃以上の温度で熱処理する必要がある。更により高い１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の濃度では全てのＦｅ元素をウェーハバルク中に拡散するためには１０５０℃で熱処理する必要がある。
【００１３】
本発明では、以上の理由から、ＰＢＳウェーハの熱処理は、汚染する金属不純物濃度に応じてその最高温度と保持時間が決められる。ＰＢＳウェーハの熱処理方法では、ＰＢＳウェーハを窒素又は水素ガス雰囲気中の炉内に入れて、１０５０〜１１００℃の第１温度で０．５〜２時間保持し、引続いてこのウェーハを０．５〜２℃／分の速度で７００〜８００℃の第２温度まで降温した後、第２温度で保持することなく、又は５時間未満保持した後、炉から取出して室温まで放冷する。
【００１４】
この熱処理における好ましい最高温度（第１温度）は１０５０〜１１００℃である。この最高温度が９５０℃未満であると金属不純物がウェーハバルク中に十分に拡散できず、１１００℃を越えると拡散効果は良好となるが、装置の安全性と信頼性に問題を生じるおそれがある。また、最高温度の好ましい保持時間は１〜２時間である。この保持時間が０．５時間未満であると金属不純物の十分な拡散が得られず、２時間を越えて熱処理を行っても拡散効果の向上は見込めない。更に、最高温度で保持した後の好ましい冷却速度は第１の熱処理方法では２〜３℃／分、第２の熱処理方法では０．５〜１℃／分である。それぞれ冷却速度が下限値未満では十分なゲッタリング効果は得られるが工業的に適さない。上限値を越えると金属不純物はウェーハバルク中に残存し、十分なゲッタリング効果が得られない。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
先ず、ＣＺ法によりボロン（Ｂ）をドープして育成されたシリコン単結晶インゴットから切出されたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施し、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して厚さ６２５μｍ、直径１５０ｍｍ、酸素濃度１．３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3(旧ＡＳＴＭ)の鏡面シリコンウェーハを得た。このウェーハの裏面に、ＣＶＤ法によりＳｉＨ4を用いて６５０℃の温度で厚さ１．５μｍのポリシリコン層を形成してＰＢＳウェーハを得た。
次いで、このウェーハ表面にスピンコート法を用いてＦｅ濃度が２×１０12〜２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度になるように強制汚染させた。このＦｅのゲッタリング前のウェーハ裏面をＤＥ（one Drop Etching）法によって５％ＨＦと５％Ｈ2Ｏ2の混合液を用いて清浄化した。このＤＥ法はＰＢＳウェーハの裏面のオリエンテーションフラットが形成された端部に上記混合液を一滴たらし、この液滴が表面張力によりウェーハ裏面全体に広がった後、オリエンテーションフラットに相対向する端部に再び液滴の形態で集めることにより、ウェーハ裏面を清浄化する方法である。
この例では、表面をＦｅで強制汚染して裏面を清浄化したＰＢＳウェーハを炉内に入れ、窒素ガス雰囲気中で５℃／分の速度で第１温度（Ｔ1）の１０５０℃まで昇温し、そこで２時間保持した後、０．５℃／分の速度で第２温度（Ｔ2）の８００℃まで降温し、直ちに炉から取出して室温まで放冷した。
＜比較例１＞
実施例１と同様に表面をＦｅで強制汚染して裏面を清浄化したＰＢＳウェーハを用意し、このＰＢＳウェーハを炉内に入れ、窒素ガス雰囲気中で５℃／分の速度で第１温度（Ｔ1）の１０５０℃まで昇温し、そこで２時間保持した後、５℃／分の速度で第２温度（Ｔ2）の８００℃まで降温し、直ちに炉から取出して室温まで放冷した。その後、再度このＰＢＳウェーハを炉内に入れ、８００℃まで昇温して２時間保持し、直ちに炉から取り出して室温まで冷却する再熱処理を行った。
＜比較例２＞
実施例１と同様に表面をＦｅで強制汚染して裏面を清浄化したＰＢＳウェーハを用意し、このＰＢＳウェーハを炉内に入れ、窒素ガス雰囲気中で５℃／分の速度で第１温度（Ｔ1）の１０５０℃まで昇温し、そこで２時間保持した後、５℃／分の速度で第２温度（Ｔ2）の８００℃まで降温し、そこで５時間保持した後、ウェーハを炉から取出して室温まで放冷した。その後、再度このＰＢＳウェーハを炉内に入れ、８００℃まで昇温して２時間保持し、直ちに炉から取り出して室温まで冷却する再熱処理を行った。
＜比較評価＞
実施例１及び比較例１〜２のＰＢＳウェーハの熱処理前後のＦｅの濃度をウェーハ表面近傍（表面から深さ６μｍの範囲）と、ウェーハ裏面と、これらの両面に挟まれるウェーハバルクとにおいて測定した。ウェーハの表面近傍と裏面のＦｅの濃度はＤＳＥ法（Drop Sandwich Ething method）により、またバルク中はＢＤ法（Bulk Decomposition method）を用いてグラファイトファーネス原子吸光分析計で測定した。この測定値のシリコンウェーハ中に混入している全Ｆｅ濃度に対する割合を残存％として示した。その結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】
0003890819.tif 000002
表１から明らかなように、比較例１〜２では熱処理後にデバイス形成領域であるウェーハ表面及びウェーハバルク中にＦｅが高い割合で残存しており、Ｆｅがウェーハ裏面のポリシリコン層に十分に捕獲されていないことが判る。これに対して、実施例１ではデバイス形成領域であるウェーハ表面のＦｅ残存率は低い数値を示しており、またウェーハバルク中でもＦｅ残存率は低く、ウェーハ裏面のポリシリコン層にはＦｅが高い割合を示していることから、効果的にポリシリコン層にＦｅが捕獲されていることが判る。また、比較例１〜２では再熱処理を行っているが室温まで冷却するとＦｅはポリシリコン層に十分に捕獲されないことが判る。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の濃度でＦｅに汚染されたＰＢＳウェーハを窒素又は水素ガス雰囲気中の炉内に入れて、１０５０〜１１００℃の第１温度で０．５〜２時間保持し、引続いてこのウェーハを０．５〜２℃／分の速度で７００〜８００℃の第２温度まで降温した後、第２温度で保持することなく、又は５時間未満保持した後、炉から取出して室温まで放冷することにより、拡散速度の遅いＦｅなどの金属不純物をシリコンウェーハバルク中に十分に拡散させた後、ウェーハバルク中に残存させることなく、確実にポリシリコン層中に捕獲することができる。