(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を有するシリコンウェーハの製造方法において、該不活性ガス雰囲気下での熱処理における熱処理炉の排気圧Ｐ（ｍｍＨ2Ｏ）とガス流量Ｆ（ＳＬＭ）との関係が下記式（１）を満たす条件で熱処理を行い、該不活性ガス雰囲気下での熱処理後のシリコンウェーハを外気と接触させることなく熱処理炉の反応管の外部に取り出すことが可能なパージボックスを用い、該パージボックスを窒素と酸素の混合ガスまたは１００％酸素ガスで充填し、該熱処理後のシリコンウェーハを該パージボックスの中に取り出すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【数１】
0004000583.tif 000005
【請求項２】
シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を有するシリコンウェーハの製造方法において、該不活性ガス雰囲気下での熱処理における熱処理炉の排気圧Ｐ（ｍｍＨ2Ｏ）とガス流量Ｆ（ＳＬＭ）との関係が下記式（１）を満たす条件で熱処理を行い、該不活性ガス雰囲気下での熱処理後に該シリコンウェーハを熱処理炉の反応管の外部に取り出す際に、窒素と酸素の混合ガスまたは１００％酸素ガスを前記シリコンウェーハに吹き付けながら取り出すことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【数２】
0004000583.tif 000006
【請求項３】
前記熱処理において、熱処理炉の反応管とシリコンウェーハとの最近接距離が１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載されたシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハということがある）の表層部のGrown-in欠陥を消滅させかつウェーハ表面のヘイズやマイクロラフネスの劣化が生じない熱処理を用いたシリコンウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
ＣＺシリコンウェーハにはＣＯＰ(Crystal Originated Particle)や酸素析出物などの、いわゆるGrown-in欠陥と呼ばれる結晶欠陥が存在することが知られているが、そのウェーハ表面近傍のGrown-in欠陥を消滅させる方法として水素雰囲気で行う熱処理（以下、水素アニールと呼ぶことがある。）が提案されている。この熱処理は、１０００℃以上の高温で水素を使用する必要があることから、安全面での対策が必要となり、通常の開放炉（例えば横型炉のように、炉口側が密閉されていない炉）では処理ができないため、気密性を高めるためのシール構造や爆発時の対策として防爆設備を備えさせる必要があり、非常にコスト高となっていた。
【０００３】
一方、最近ではアルゴン雰囲気で行う熱処理（以下、Ａｒアニールと呼ぶことがある。）でも水素アニールと同等にGrown-in欠陥を消滅させることができることがわかってきた。Ａｒアニールは爆発性が無いため、水素と比較して安全ではあるが、安全に操業が行なえる反面、シリコンウェーハに対して特徴的な振る舞いを起こすことが知られている。その一例としてＡｒアニールを行ったウェーハの表面には微小なピットが形成されやすいことがあげられる。
【０００４】
これは原料ガス中に含まれる極少量の不純物としての酸素や水分、或いは熱処理工程中やウェーハ取り出し時に反応管の炉口から巻き込まれる外気中の酸素や水分により酸化膜が形成され、その酸化膜とシリコン（Ｓｉ）がＳｉＯ2＋Ｓｉ→２ＳｉＯという反応を起こして結果的にＳｉがエッチングされその部分がピットとして観察されるものである。このピットがウェーハ表面の局所的な面粗さ（マイクロラフネス）及び長周期的な面粗さ（ヘイズ）を悪化させる原因となっている。この様に、Ａｒガスは微量の不純物や、温度むら等の微小な環境の変化に対して敏感なため、扱いが難しいというデメリットが存在する。
【０００５】
このようなＡｒアニールにおけるウェーハ表面の面粗さを劣化させない方法として、原料ガスの水分濃度を低減することのほか、Ａｒアニール後に熱処理炉からウェーハを取り出す前に、酸素雰囲気または窒素雰囲気で処理することによりエッチングされない被膜を形成する方法が提案されている（特開平５−２９９４１３号公報）。
【０００６】
しかし、上記公報の中で述べられている通り、１０００度以上で窒素処理すれば窒化膜が生成するが、１０００度以上で生成された窒化膜は通常の自然酸化膜と比較してＨＦによるエッチング速度は非常に遅く、且つＳＣ１（ＮＨ4ＯＨ／Ｈ2Ｏ2／Ｈ2Ｏの混合溶液）やＳＣ２（ＨＣｌ／Ｈ2Ｏ2／Ｈ2Ｏの混合溶液）などの洗浄では容易にエッチングされないため、次の工程での熱処理に影響を与える。しかも、窒化膜は酸化膜に比べ誘電率が大きく、言い換えれば静電容量が大きいため、電荷を持ったパーティクルが付着しやすく、一度付着したパーティクルは除去しにくくなる。これが表面に窒化膜が成長した場合の欠点である。
【０００７】
一方、Ａｒアニール後のウェーハを取り出す前に、Ａｒガスから酸素ガスに切り替える場合においても、微小なピットが発生しやすい。それは、Ａｒガス中に一定量以上の酸素が存在しない（言い換えれば、ある一定量以下の酸素濃度）と、酸化膜が形成された領域が、
【０００８】
【化１】
ＳｉＯ2＋Ｓｉ→２ＳｉＯ
【０００９】
の反応を起こしてエッチングを起こしてしまうためである。この現象は、ガスをＡｒから酸素に切り替える際に、過渡的な現象として必ず起こる。Ａｒを真空ポンプで引いてから酸素を導入しても酸素の分圧が一定以下の場合にはエッチングが起こってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
また、Ａｒガスから酸素ガスに切り替える場合にエッチングによるピットが発生しやすいという問題は、Ａｒアニールだけでなく、他の不活性ガス雰囲気あるいは爆発限界（４％）以下の水素を含有する不活性ガス雰囲気（以下、これらを単に不活性ガス雰囲気と総称する。）を用いたアニールにおいても発生する問題である。ピットが発生すると同時にウェーハ表面のヘイズやマイクロラフネスが悪くなる。更に、マイクロラフネスは酸化膜耐圧及びＭＯＳ構造のトランジスタの酸化膜直下の電子及びホールの移動度に影響を与える事が知られている。
【００１１】
特にＭＯＳトランジスタの駆動周波数が高くなればそれに附随してキャリア（電子及びホール）の移動度を向上させる必要がある。また、ピットが有るとその部分で電界集中が起こりリーク電流の増加及び酸化膜耐圧の劣化が起こる。このような事情により、Ａｒアニールしたウェーハのピットを減少させ、ヘイズやマイクロラフネスを向上させる必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、シリコンウェーハに対し、Ａｒアニールに代表される不活性ガス雰囲気による熱処理を施してウェーハ表層部のGrown-in欠陥を消滅させると共に、ウェーハ表面のヘイズやマイクロラフネスの劣化が生じない熱処理を用いたシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のシリコンウェーハの製造方法の第１の態様は、シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を有するシリコンウェーハの製造方法において、該不活性ガス雰囲気下での熱処理における熱処理炉の排気圧Ｐ（ｍｍＨ2Ｏ）とガス流量Ｆ（ＳＬＭ）との関係が下記式（１）を満たす条件で熱処理を行い、該不活性ガス雰囲気下での熱処理後のシリコンウェーハを外気と接触させることなく熱処理炉の反応管の外部に取り出すことが可能なパージボックスを用い、該パージボックスを窒素と酸素の混合ガスまたは１００％酸素ガスで充填し、該熱処理後のシリコンウェーハを該パージボックスの中に取り出すことを特徴とする。
【００１４】
【数３】
0004000583.tif 000002
【００１５】
本発明のシリコンウェーハの製造方法の第２の態様は、シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を有するシリコンウェーハの製造方法において、該不活性ガス雰囲気下での熱処理における熱処理炉の排気圧Ｐ（ｍｍＨ2Ｏ）とガス流量Ｆ（ＳＬＭ）との関係が下記式（１）を満たす条件で熱処理を行い、該不活性ガス雰囲気下での熱処理後に該シリコンウェーハを熱処理炉の反応管の外部に取り出す際に、窒素と酸素の混合ガスまたは１００％酸素ガスを前記シリコンウェーハに吹き付けながら取り出すことを特徴とする。
【００１６】
【数４】
0004000583.tif 000003
【００１７】
上記熱処理炉内の反応管とシリコンウェーハとの最近接距離は１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲が好適である。該反応管とシリコンウェーハとの最近接距離の上限を５０ｍｍとしたのは、５０ｍｍを越えるとウェーハと反応管（石英チューブ）間の距離が大きくなりすぎるため、熱処理するウェーハの直径に対して相当大きな内径を有する石英チューブが必要とされることになり、装置の大型化やコスト面等のデメリットが大きく、実用的でないからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明方法の実施の形態について添付図面とともに説明するが、本発明の技術的思想から逸脱しない限り図示例以外に種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００１９】
図１は本発明の第１の態様のシリコンウェーハの製造方法の１つの実施の形態を示す説明図である。図１における熱処理炉１２は縦型炉である。該熱処理炉１２は反応管（石英チューブ）１２ａを有し、その内部には多数のウェーハＷがウェーハボート１３に配置されている。その炉口部１４側にはパージボックス１６が設けられている。このパージボックス１６は、ウェーハＷが熱処理されている間は熱処理雰囲気１８から遮断されており、熱処理終了後にウェーハＷを取り出す際に連結部分のシャッター２０が開かれると熱処理雰囲気１８とパージボックス１６の雰囲気２２とが連通する。パージボックス１６内は、蓋体２０が開かれる前に窒素と酸素の混合ガスで充填しておき、熱処理終了後のウェーハＷを混合ガス雰囲気２２で満たされたパージボックス１６内に取り出すことができる構成となっている。図１において、１５はプロセス（原料）ガス供給管で、１７は排気管である。
【００２０】
図２は本発明の第２の態様のシリコンウェーハの製造方法の１つの実施の形態を示す説明図である。図２における熱処理炉１２も縦型炉である。熱処理炉１２の構造は図１と同様であるので再度の説明は省略する。該熱処理炉１２の炉口部１４にはプロセスガス（Ａｒガス）の供給管１５とは別にガス供給管２４が設けられている。図２に示すように、ウェーハＷを取り出すためにウェーハボート１３を降下させながら、そのガス供給管２４からウェーハ表面の略平行方向に向けて混合ガス２６が供給される。これにより、大気が熱処理炉１２内に侵入するのを効果的に防止するとともに、ウェーハＷ表面に保護膜を形成することができる。
【００２１】
図３は本発明の第３の態様のシリコンウェーハの製造方法の１つの実施の形態におけるウェーハと石英チューブとの位置関係を示す断面的説明図で、（ａ）はウェーハと石英チューブの中心が一致している場合、（ｂ）はウェーハと石英チューブの中心がずれている場合をそれぞれ示す。
【００２２】
前述したごとく、本発明の第３の態様のシリコンウェーハの製造方法は、熱処理炉１２の排気圧Ｐ（ｍｍＨ2Ｏ）とガス流量Ｆ（ＳＬＭ）との関係が下記式（１）を満たす条件で熱処理を行うものである。
【００２３】
【数３】
Ｆ≧（−２５／Ｐ）＋２．５  ……  （１）
【００２４】
この時、図３（ａ）及び（ｂ）に示すようにウェーハボート１３に支持されたウェーハＷの外周端と石英チューブ１２ａの内壁との距離が熱処理後のウェーハＷのヘイズレベルに影響するという知見を得、後述する実験例４で具体例を示した。
【００２５】
図３（ａ）のように、ウェーハＷを石英チューブ１２ａのほぼ中央部にセットすると、ウェーハＷの外周端と石英チューブ１２ａの内壁との距離Ｄはどの位置でもほぼ均一である。一方、ウェーハＷを石英チューブ１２ａ内にセットする位置をずらす（ウェーハＷの中心と石英チューブ１２ａの中心をずらす）ことにより、ウェーハＷと石英チューブ１２ａの最近接距離ｄが出現することとなる。この最近接距離ｄを１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定することによって、熱処理後のウェーハＷのヘイズレベルの劣化を防止することができるものである。
【００２６】
また、本発明の第３の態様における熱処理後のウェーハ取り出し時に、第１または第２の態様のウェーハ取りだし方法を適用すれば、ウェーハのヘイズレベルの劣化防止に一層効果的である。
【００２７】
【実施例】
続いて、実験例をあげて本発明をより具体的に説明する。
（実験例１）
直径１５０mmφ、ｐ型、結晶方位＜１００＞、抵抗率１０Ω・ｃｍのシリコン鏡面ウェーハを用い、１２００℃、６０分のアルゴン１００％雰囲気による熱処理を行った。図１と同様のパージボックスを設けた縦型炉を熱処理炉として用いた。
【００２８】
本実験例においては、パージボックス内に充填しておく窒素と酸素の混合ガスの混合比を変化させてヘイズへの影響を調査した。熱処理中のアルゴンガス流量は２０ＳＬＭ、排気圧は−５ｍｍＨ2Ｏであり、取り出し温度は８００℃とした。
【００２９】
ヘイズの測定にはKLA-tencor社製のSurfscanSP1を用いた。この測定装置は、レーザ光でウェーハ表面をスキャンし、その散乱光強度を測定するものであり、入射光に対する散乱光強度がｐｐｍ単位で求められる。ヘイズの測定結果を図４に示した。
【００３０】
図４の結果から、窒素と酸素の混合ガス雰囲気または酸素１００％雰囲気であればヘイズレベルは低く、また、酸素濃度が低いほどヘイズは小さくなることがわかった。しかし、取り出し時に窒素１００％で処理したウェーハのヘイズレベルは他の条件に比べて極端に大きくなった。
【００３１】
（実験例２）
実験例１のパージボックスを用いる方法に換えて、図２に示したような熱処理後のウェーハ取り出し時に酸素と窒素の混合ガスを取り出しウェーハに吹き付ける方法を用いて、実験例１と同様の実験を行い、取り出しウェーハのヘイズレベルを調査した。
【００３２】
本実験例においては、取り出しウェーハに吹き付ける混合ガスの混合比を変化させてヘイズへの影響を調査した。その結果を図５に示した。
【００３３】
図５の結果から、吹き付けるガスが窒素と酸素の混合ガスまたは酸素１００％雰囲気であればヘイズレベルは低く、その酸素濃度が低いほどヘイズは小さくなることがわかった。しかし、取り出し時に窒素１００％で処理したウェーハのヘイズレベルは他の条件に比べて極端に大きくなった。
【００３４】
以上のように、実験例１、２共に窒素と酸素の混合ガスまたは酸素１００％雰囲気であればヘイズレベルは低く、窒素１００％の場合はヘイズレベルが高くなった原因として、次のことが考えられる。
【００３５】
Ａｒアニール後のウェーハを取り出す前に、Ａｒガスから酸素ガスに切り替える場合において微小なピットが発生しやすいのは、前述の通り、Ａｒガス中に一定量以上の酸素が存在しないため、酸化膜が形成された領域が、
【００３６】
【化２】
ＳｉＯ2＋Ｓｉ→２ＳｉＯ
【００３７】
の反応を起こしてエッチングを起こしてしまうためである。この現象は、ガスをＡｒから酸素に切り替える際に、過渡的な現象として必ず起こる。そこで本実験例１、２のようなパージボックスを設けてある程度の濃度（分圧）の酸素を有する雰囲気に直接投入する方法や、酸素を含有するガスを直接吹き付ける方法であれば、ある程度の分圧の酸素ガスにより十分な保護酸化膜が形成された結果、ヘイズの低減に有効であったわけであるが、これらを窒素１００％の雰囲気とした場合には、取り出し温度が８００℃であるため保護膜としての窒化膜の形成は不十分であり、窒素ガス中に含まれる微量な不純物としての水分が上記の反応を局所的に起こすために、本実験例においてヘイズレベルが悪化したものと推定される。また、窒素と酸素の混合ガス雰囲気中の酸素濃度が１％未満の際には、ヘイズレベルが悪化しない場合もあるが、ウェーハ面内や熱処理バッチ間におけるヘイズレベルのバラツキが大きくなることが実験的に確認された。従って、混合ガス雰囲気中の酸素濃度は１％以上とすることが好ましい。
【００３８】
（実験例３）
直径１５０mmφ、ｐ型、結晶方位＜１００＞、抵抗率１０Ω・ｃｍのシリコン鏡面ウェーハを用い、１２００℃、６０分のアルゴン１００％雰囲気による熱処理を、熱処理中のガス流量と排気圧を変えた実験を行った。熱処理炉は一般的な縦型炉を用い、ウェーハの出し入れ温度は６００℃とした。また、使用した熱処理炉の石英チューブの内径は２２０ｍｍであり、その中央にウェーハが位置する様にセットした。
【００３９】
熱処理中の排気圧は炉の排気口付近に圧力センサーを設置し、炉外に設置した圧力センサーとの差圧（大気圧との差圧）で定義した。実験条件であるガス流量Ｆは３〜３０（ＳＬＭ）の範囲とし、排気圧Ｐは−５〜−２５（ｍｍＨ2Ｏ）の範囲に設定した。なお、１ＳＬＭ（Standard Liter per Minute）とは、標準状態で１リットルのガスが１分間に流れた時の流量を示す。
【００４０】
熱処理後のウェーハを集光光下で観察し、ウェーハ周辺部に白濁が見られるか否かにより、ヘイズレベルの調査を行った。その結果を表１に示す。また、表１の結果をグラフ化し、周辺部の白濁の有無による境界線を求めたところ、その境界線はおよそ
【００４１】
【数４】
Ｆ＝（−２５／Ｐ）＋２．５
【００４２】
であることがわかった（図６）。
【００４３】
尚、ガス流量と排気圧との関係によりウェーハ周辺部の白濁の発生に違いが生ずる理由は明らかではないが、ウェーハ周辺付近のガスの流れがエッチングによるピットの形成に影響を及ぼしているものと考えられる。すなわち、大気圧に対して排気圧の負圧が大きくなると少ないガス流量でもガスの流れが滑らかになるのに対し、負圧が小さい場合には、ガス流量をある程度増やさないと、ウェーハ間のウェーハ周辺部付近にガスが渦状に滞留しやすくなるため、周辺部のみにピットが形成されやすくなるものと推定される。
【００４４】
【表１】
0004000583.tif 000004
【００４５】
表１における観察評価は次の通りである。
○：周辺部白濁なし、×：周辺部白濁発生、−：実験せず
【００４６】
（実験例４）
実験例３の表１における排気圧Ｐとガス流量Ｆの組み合わせの中から、Ｆ＝１０ＳＬＭ、Ｐ＝−１５ｍｍＨ2Ｏを選択し、ウェーハと石英チューブの最近接距離とヘイズレベルとの関係を調査した。具体的には、実験例３ではウェーハを石英チューブのほぼ中央部にセットしたので、図３（ａ）に示すように、ウェーハ外周端と石英チューブの内壁との距離Dはどの位置でもほぼ３５ｍｍで均一であったが、本実験例においては、図３（ｂ）に示すように、ウェーハを石英チューブ内にセットする位置をずらす（ウェーハ中心と石英チューブの中心をずらす）ことにより、ウェーハと石英チューブの最近接距離ｄを約２．５〜３０ｍｍの範囲に変化させてそれぞれ熱処理を行い、ヘイズレベルの調査を行い、結果を図７に示した。
【００４７】
図７の結果から、熱処理後のヘイズレベルはウェーハと石英チューブの最近接距離ｄに関係し、その距離が１０ｍｍ未満では極端に悪化することがわかった。この現象の原因についても明らかではないが、実験例３の場合と同様に、ウェーハ周辺付近のガスの流れがエッチングによるピットの形成に影響を及ぼしていることが予想される。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、シリコンウェーハに対し、Ａｒアニールに代表される不活性ガス雰囲気による熱処理を施してウェーハ表層部のGrown-in欠陥を消滅させると共に、ウェーハ表面のヘイズやマイクロラフネスの劣化が生じないという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のシリコンウェーハの製造方法の第１の態様の１つの実施の形態を示す説明図である。
【図２】  本発明のシリコンウェーハの製造方法の第２の態様の１つの実施の形態を示す説明図である。
【図３】  本発明のシリコンウェーハの製造方法の第３の態様の１つの実施の形態におけるウェーハと石英チューブとの位置関係を示す断面的説明図で、（ａ）はウェーハと石英チューブの中心が一致している場合、（ｂ）はウェーハと石英チューブの中心がずれている場合をそれぞれ示す。
【図４】  実験例１における混合ガス中の酸素濃度と熱処理後のウェーハ表面のヘイズとの関係を示すグラフである。
【図５】  実験例２における取り出しウェーハに吹き付ける混合ガス中の酸素濃度と熱処理後のウェーハ表面のヘイズとの関係を示すグラフである。
【図６】  実験例３における熱処理中の排気圧Ｐとガス流量Ｆとの関係を示すグラフである。
【図７】  実験例４におけるウェーハと石英チューブの最近接距離と熱処理後のウェーハ表面のヘイズとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１２：熱処理炉、１３：ウェーハボート、１４：炉口部、１５：ガス供給管、１６：パージボックス、１８：熱処理雰囲気、２０：蓋体、２２：パージボックス雰囲気、２４：ガス供給管、２６：混合ガス、Ｗ：ウェーハ。
【図１】
0004000583.tif 000007
【図２】
0004000583.tif 000008
【図３】
0004000583.tif 000009
【図４】
0004000583.tif 000010
【図５】
0004000583.tif 000011
【図６】
0004000583.tif 000012
【図７】
0004000583.tif 000013