(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを含む非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる水素熱処理用シリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする水素熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項２】
前記水素熱処理用シリコンウェーハは、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする請求項１記載の水素熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項３】
非酸化性ガス雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる熱処理用シリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項４】
前記熱処理用シリコンウェーハは、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする請求項３記載の熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項５】
前記非酸化性ガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項３または４記載の熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項６】
前記非酸化性ガスは、アルゴンガスであることを特徴とする請求項３または４記載の熱処理用シリコンウェーハ。
【請求項７】
水素ガスを含む非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法であって、
前記シリコンウェーハが、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法。
【請求項８】
前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が、３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする請求項７記載の水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法。
【請求項９】
非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる熱処理用シリコンウェーハの製造方法であって、
前記熱処理用シリコンウェーハが、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする熱処理用シリコンウェーハの製造方法。
【請求項１０】
前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が、３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする請求項９記載の熱処理用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、水素熱処理用シリコンウェーハ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の基板には主として高純度のシリコン単結晶が使用されているが、その製造方法として、一般にＣＺ法が用いられている。ＣＺ法においては、半導体単結晶製造装置内に設置したるつぼに塊状の多結晶シリコンを充填し、これを前記るつぼの周囲に設けた円筒状のヒータによって加熱、溶解して融液とする。そして、シードチャックに取り付けた種結晶を融液に浸漬してなじませた後、シードチャック及びるつぼを互いに同方向又は逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げて、シリコン単結晶（以下ＣＺ−Ｓｉ単結晶という）を所定の直径及び長さに成長させる。
【０００３】
近年、デバイス構造の微細化、高集積化に伴ってゲート酸化膜の耐圧特性が特に重要視されるようになっている。ゲート酸化膜の形成工程で酸化膜に取り込まれる欠陥を低減する手段として、特公平３−８０３３８号公報によれば、シリコンウェーハの表面に熱酸化膜を形成する工程の直前に、水素ガスを含む非酸化性雰囲気中で１１００℃以上の温度で熱処理することが提案されている。前記水素熱処理によりシリコンウェーハ表面の自然酸化膜が除去され、不飽和結合に水素が結合される。
【０００４】
また、シリコンウェーハに水素熱処理を施すと、ＣＺ−Ｓｉ単結晶の成長中に結晶内に形成されたｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥、たとえばＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomography Defects ）、ＦＰＤ（Flow Pattern Defects）、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle ）として検出されるウェーハ表層の八面体ボイド状結晶欠陥が消失し、その直後に形成した熱酸化膜は優れた酸化膜耐圧特性を示すことが知られている。
【０００５】
表１は、ドーパントとしてホウ素を添加した直径１５０ｍｍ、ｐ型、結晶方位＜１００＞のＣＺ−Ｓｉ単結晶について１４水準の育成条件を用い、得られた各水準のＣＺ−Ｓｉ単結晶インゴットから切り出したウェーハに鏡面研磨加工を施した後、酸化膜耐圧を測定した結果をまとめた一覧表である。前記１４水準の育成条件は、単結晶引き上げ時の炉内ホットゾーン、引き上げ速度が異なる。酸化膜耐圧測定に際しては、前記ウェーハ上にＭＯＳキャパシタを形成し、そのゲート電極に基板に対して電荷が蓄積状態になるように電界を０．５ＭＶ／ｃｍステップで昇圧した。そして、ＭＯＳキャパシタに流れる電流値が１０μＡに達したときの電界を絶縁破壊電界とし、この値が８ＭＶ／ｃｍ以上と判定された素子を良品とした。また、表１には前記Ｃモード酸化膜耐圧良品率をシリコンウェーハの鏡面研磨加工後、すなわちａｓ−ｇｒｏｗｎの状態と、１００％の水素ガス雰囲気中で１２００℃、１時間の熱処理を行う水素熱処理後及び水素熱処理を施したウェーハの表面を３μｍ研磨後の状態について列挙した。
【０００６】
【表１】
0004041182.tif 000002
【０００７】
表１に示すように、ａｓ−ｇｒｏｗｎの状態ではＣモード酸化膜耐圧良品率が２０〜５５％程度に過ぎないが、特公平３−８０３３８号公報で提案されている水素熱処理を施すと、酸化膜耐圧良品率はＣＺ−Ｓｉ単結晶の育成条件にかかわらずほぼ１００％近くまで向上している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記水素熱処理による効果がウェーハの表面からどの程度の深さにまで及んでいるか確認するため、水素熱処理ウェーハの表面を３μｍ研磨すると、Ｎｏ．１〜７のように酸化膜耐圧特性が著しく低下してａｓ−ｇｒｏｗｎの状態近くにまで戻ってしまうものと、Ｎｏ．８〜１４のように水素熱処理の効果を維持しているものとに区分される。つまり、水素熱処理の効果がウェーハの極表面近傍のみに限られるものと、ウェーハ表面から深さ３μｍ以上に及ぶものとが存在することがわかった。
【０００９】
半導体デバイスの高集積化に伴って重要度を増しているウェーハ表層の完全性を考慮すると、表１におけるＮｏ．１〜７のウェーハは水素熱処理の効果がウェーハの極表面近傍のみに限られているので、デバイス歩留りに悪影響を及ぼす可能性がきわめて高い。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、水素熱処理によりシリコンウェーハの酸化膜耐圧を向上させるに当たり、少なくともウェーハ表面から３μｍ以上の深さにまで前記耐圧特性の効果を及ぼすことができるような水素熱処理用シリコンウェーハ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願第１発明の水素熱処理用シリコンウェーハは、水素ガスを含む非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる水素熱処理用シリコンウェーハであって、前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする。
第２発明は、第１発明において、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする。
第３発明の熱処理用シリコンウェーハは、非酸化性ガス雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる熱処理用シリコンウェーハであって、前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする。
第４発明は、第３発明において、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする。
第５発明は、第３発明または第４発明において、前記非酸化性ガスは、水素ガスであることを特徴とする。
第６発明は、第３発明または第４発明において、前記非酸化性ガスは、アルゴンガスであることを特徴とする。
【００１１】
第７発明の水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法は、水素ガスを含む非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法であって、前記シリコンウェーハが、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする。
第８発明は、第７発明において、前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が、３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする。
第９発明の熱処理用シリコンウェーハの製造方法は、非酸化性雰囲気中で熱処理を行い、シリコンウェーハの表面から３μｍ以上の深さまでのＬＳＴＤまたはＦＰＤを消滅させる熱処理用シリコンウェーハの製造方法であって、前記熱処理用シリコンウェーハが、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成時、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたシリコン単結晶から取得されることを特徴とする。
第１０発明は、第９発明において、前記シリコンウェーハのＬＳＴＤ密度が、３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態及び実施例】
ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、融液からＣＺ−Ｓｉ単結晶を成長させる過程で固化したシリコン単結晶が１１５０〜１０８０℃の温度領域、すなわち欠陥形成温度帯を通過する際に形成されると考えられている。そして、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の密度と欠陥のサイズは図１に示すように、欠陥形成温度帯における冷却速度が速いほど欠陥密度が高くなり、欠陥サイズが小さくなる逆相関の関係にあることが知られている。本発明では、水素熱処理用シリコンウェーハとして、ａｓ−ｇｒｏｗｎ時のＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上のシリコンウェーハを用いることにしたので、このようなウェーハの欠陥サイズは小さいものとなる。水素熱処理による欠陥の消滅メカニズムは明確になっていないが、欠陥サイズが小さい場合は欠陥の消滅速度が増加し、ウェーハの表面のみならず深さ方向に対しても水素熱処理の効果が現れるものと考えられる。これに対し、欠陥サイズが大きい場合は最表層の欠陥のみが消滅し、最表層より深い位置にある欠陥は消滅しないと推定される。
【００１３】
水素熱処理用シリコンウェーハとしてｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度が高く、従って欠陥サイズの小さいＣＺ−Ｓｉ単結晶を得るには、図１から欠陥形成温度帯を通過する際の冷却速度を速くすればよいことがわかる。そこで、本発明に係る水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法として、１１５０〜１０８０℃の温度領域での冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上としたので、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥サイズの小さいＣＺ−Ｓｉ単結晶を得ることができる。
【００１４】
次に、本発明に係る水素熱処理用シリコンウェーハ及びその製造方法の実施例について説明する。
まず、表１に列挙した１４水準の水素熱処理用シリコンウェーハについて、酸化膜耐圧特性と強い相関を持つウェーハ表層近傍に存在するｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥（ＬＳＴＤ及びＦＰＤ）密度と、前記欠陥密度を左右するＣＺ−Ｓｉ単結晶の育成条件、すなわちＣＺ−Ｓｉ単結晶の育成時、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が発生する１１５０〜１０８０℃の温度領域を通過する際の冷却速度（単結晶引き上げ速度Ｖｍｍ／ｍｉｎと、欠陥形成温度帯における温度勾配Ｇ℃／ｍｍとの積）について調査した。その結果を表２に示す。なお、表２に記載した３μｍ研磨後の酸化膜耐圧良品率は、表１から転記した数字である。
【００１５】
【表２】
0004041182.tif 000003
【００１６】
表２から明らかなように、水素熱処理前のＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上であるＮｏ．８〜１４のシリコンウェーハは、表面を３μｍ研磨した後においても水素熱処理の効果が維持されている。Ｎｏ．８〜１４のシリコンウェーハは、ＣＺ−Ｓｉ単結晶育成時において欠陥形成温度帯を通過する際の冷却速度が２．０℃／ｍｉｎ以上で、Ｎｏ．１〜７のシリコンウェーハの冷却速度よりも速い。従って、図１から結晶中の欠陥サイズはＮｏ．８〜１４のシリコンウェーハの方がＮｏ．１〜７のシリコンウェーハよりも小さいと推定され、水素熱処理によって欠陥の消滅速度が増加し、ウェーハの深さ方向での効果の差として現れたものと考えられる。
【００１７】
上記結果から、水素熱処理ウェーハの表面を３μｍ研磨した後における酸化膜耐圧特性の良否は、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度及び結晶育成時１１５０〜１０８０℃の温度領域における冷却速度によって決定されることを発見した。そして、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度の高いＣＺ−Ｓｉ単結晶を得るには、単結晶育成時の冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上とすればよいことが判明した。
【００１８】
ＣＺ−Ｓｉ単結晶育成時の冷却速度を２．０℃／ｍｉｎ以上とする本発明の製造方法によって、水素熱処理用として製造されたＬＳＴＤ密度が３．０×１０6 ／ｃｍ3 以上、又はＦＰＤ密度が６．０×１０5 ／ｃｍ3 以上のシリコンウェーハを用いることにより、ウェーハの表面から深さ方向での水素熱処理の効果を拡大し、水素処理条件を変えることなく、高集積デバイス製作に不可欠な表層の無欠陥層を十分に確保することができる。
【００１９】
本発明による水素熱処理用シリコンウェーハの製造方法は、水素のみならず、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気で熱処理を行うシリコンウェーハに対しても適用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、水素熱処理用シリコンウェーハとしてｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度が一定値以上のウェーハを用いることにしたので、〔半導体デバイスにとって重要な〕ゲート酸化膜の形成に先立って実施する水素熱処理の効果を、シリコンウェーハの表面のみならずウェーハ表面から３μｍ以上の深さにまで及ぼすことができる。これにより、高集積化されるデバイスの製作に不可欠な無欠陥層を十分に確保することが可能となる。また、前記ウェーハの母体となるＣＺ−Ｓｉ単結晶の製造方法として、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度帯通過時の冷却速度を一定値以上とすることにより、水素熱処理用シリコンウェーハに適した単結晶を容易に得ることができるとともに、ＣＺ−Ｓｉ単結晶の生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】欠陥形成温度帯における冷却速度と欠陥密度、欠陥サイズとの関係を示す図である。
【図１】
0004041182.tif 000004