(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によるインゴット製造工程における育成速度および温度勾配に基づいて計算されるインゴットに形成されるCOPサイズを求めたインゴット製造条件データ群と、ウェーハの熱処理工程におけるウェーハの熱処理温度およびその保持時間、ならびにウェーハに形成されるCOPサイズに基づいて計算されるウェーハ表面部に形成されるCOPフリー深さを求めた熱処理条件データ群に基づき、熱処理工程における加熱温度および保持時間、ならびにインゴット製造工程における育成速度および温度勾配を決定することを特徴とする所望のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件の決定方法。
【請求項２】
チョクラルスキー法によるインゴット引き上げ時の育成速度および温度勾配、ならびにインゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間を下記(1)〜(5)の工程により決定する、所望のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件の決定方法。
(1)ウェーハの熱処理温度および保持時間、ならびにインゴットに形成されるCOPサイズをパラメータとして計算されるCOPフリー深さを求める工程
(2)上記(1)の計算結果より、所望のCOPフリー深さを得ることのできる熱処理温度、保持時間およびCOPサイズの組み合わせを複数選択する工程
(3)上記(2)で選択した各組み合わせのCOPサイズに対し、そのCOPサイズを得るための育成速度および温度勾配を計算する工程
(4)上記(3)で計算した複数の育成速度から、作製するインゴットに対して、適正な育成速度をインゴットの引き上げ時の育成速度に採用する工程
(5)上記(4)で採用した育成速度に対応する温度勾配、熱処理温度および保持時間をインゴット引き上げ時の温度勾配、インゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間に採用する工程
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェーハに形成される空洞欠陥（Crystal Originated Particle；以下、COPという）が存在しない領域が所望の深さを有するウェーハの製造条件の決定方法に係り、より詳しくは、実機テストを行わずに、ウェーハに形成される空洞欠陥が存在しない領域のウェーハ表面からの深さ（以下、COPフリー深さという）を所望の深さにするウェーハの製造条件の決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ICやLSIなどのデバイスを形成するウェーハ（一般に、半導体シリコン基板ともいう）には、一般に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）を用いて成長させた単結晶を切り出したものが用いられている。ウェーハには、デバイスを形成するために、欠陥が少ないことが好ましい。特に、近年のデバイスの高性能化、高集積化の要求から、ウェーハに形成される欠陥に許容される密度および大きさはますます厳しいものとなっている。
【０００３】
通常、ＣＺ法で成長させたインゴットを切り出して作製したウェーハには、0.1μｍ程度の大きさのCOPが10４〜10６個／cm３の密度で形成される。例えば、デバイス活性領域、すなわちウェーハ表面から深さ数μｍの範囲に存在する大きなCOPは、高集積MOSデバイスのゲート酸化膜特性を劣化させることが知られている。
【０００４】
このため、従来からデバイス活性領域におけるCOPの密度およびCOPの大きさ（以下、COPサイズという）を小さくする種々の方法が検討されている。このような方法の一例としては、ＣＺ法によりインゴットを引き上げる際の育成速度をコントロールする方法がある。COPの密度およびCOPサイズはインゴットの直径と育成条件に依存し、一般に、COPは、インゴットの直径を増加させると低密度化／大サイズ化し、育成速度を高速化させると高密度化／小サイズ化する。このため、引き上げられるインゴットの直径に対して、育成速度が決定される。
【０００５】
また、他の方法としては、ウェーハ表面に気相反応により厚み数μｍ程度のエピタキシャル層を成長させる方法がある。この方法では、欠陥が導入されないようにエピタキシャル層を形成させるので、デバイス活性領域にほぼCOPを含まないウェーハを得ることができる。さらには、ウェーハに1200℃程度の熱処理を施して、ウェーハの表面近傍のCOPを消滅させ、デバイス活性領域を確保する方法もある。
【０００６】
これらの方法は、後に行われるデバイスの製造プロセスを考慮に入れ適宜選択されて使用されている。しかし、今日では、デバイスの高性能化、高集積化が進んだことから、これらの方法の中でも、エピタキシャル成長させる方法、または熱処理によりウェーハの表面近傍のCOPを消滅させる方法が主に用いられるようになり、今後、直径300mmのウェーハが主流になることから、この傾向はますます強まると予想される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
デバイス活性領域を確保するために、熱処理によりウェーハの表面近傍のCOPを消滅させる方法を採用した場合、熱処理条件を適切に管理することが重要となる。熱処理を高温、例えば約1200℃で行うと、ウェーハにスリップ転位が発生するおそれがあるため、熱処理温度は低温であることが好ましい。特に直径300mmといった大径のウェーハを高温で熱処理した場合には、スリップ転位が発生しやすく、ウェーハ自体の品質が低下しやすい。
【０００８】
また、ウェーハの表面近傍に存在するCOPを消滅させるためには、COPサイズに合わせて熱処理条件を管理することも必要となる。熱処理により、COPフリー深さは、熱処理前すなわちインゴット引き上げ後のCOPサイズと、熱処理条件に依存する。COPサイズが小さいほど、より低温でCOPは消滅するため、インゴット引き上げ時において、極力COPサイズが小さくなるようなインゴット引き上げ条件（育成速度、温度勾配）を管理することも必要である。
【０００９】
熱処理前のCOPサイズを小さくするためには、例えば、インゴット引き上げ時の育成速度の高速化、結晶軸方向（引き上げ軸方向）の温度勾配の制御（K.Nakamura et al.,Proceedings of Kazusa Akademia Forum,(1999),p.55）あるいはインゴットへの窒素添加（M.Tamatsuka et al.,Defects in Silicon III,(1999),p.456）などの技術が開発されている。
【００１０】
上述のように、熱処理条件またはインゴット引き上げ条件を決定する一応の指針については明らかになっているものの、実際にこれらの条件について一義的に決定する方法はない。
【００１１】
必要なCOPフリー深さは、ウェーハ上に形成されるデバイスの作製プロセスにより異なるため、そのようなCOPフリー深さを得るための熱処理条件、インゴット引き上げ条件を見つけるためには、多大な工数とコストを要する。近年では、デバイス自体の寿命が短いため、それに合わせて必要なCOPフリー深さを有するウェーハの作製が必要であり、短時間かつ低コストで、所望のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件を決定方法の開発が要請されていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、所望のCOPフリー深さを有するウェーハのインゴット引き上げ条件（育成速度、温度勾配）および熱処理条件（熱処理温度、保持時間）を一義的に決定するために、実機テストを行わず、計算機シュミレーション（以下、シュミレーションと略す）のみでこれらの条件を決定できるアルゴリズムについて検討した。これは、現在、ウェーハの作製に関するシュミレーションは非常に実機テストと整合性がよいことが分かっているためである。
【００１３】
そこで、シュミレーションを用いて種々のCOPフリー深さとなる各熱処理条件を予め求めていく一方で、種々のCOPサイズが得られる各インゴット育成条件も求めていき、これらの条件の組み合わせに基づき、所望のCOPフリー深さを有するウェーハを製造するために、例えば、複数の育成速度からインゴットに対し適正な育成速度を選択し、その育成速度に対応した他の条件を選択するようにして、所望の各熱処理条件およびインゴット育成条件を決定することを考えた。
【００１４】
本発明は、上述の知見をもとに完成に至ったものであり、その要旨は、下記のウェーハの製造条件の決定方法にある。
【００１５】
請求項１に記載の所望のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件の決定方法は、チョクラルスキー法によるインゴット引き上げ時の育成速度および温度勾配に基づいて計算されるインゴットに形成されるCOPサイズを求めたインゴット製造条件データ群と、インゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間、ならびにCOPサイズに基づいて計算されるウェーハ表面部に形成されるCOPフリー深さを求めた熱処理条件データ群に基づき、ウェーハに施す熱処理の加熱温度および保持時間、ならびにインゴット引き上げ時の育成速度および温度勾配を決定することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の所望のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件の決定方法は、ＣＺ法によるインゴット引き上げ時の育成速度および温度勾配、ならびにインゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間を下記(1)〜(5)の工程により決定するものである。
(1)ウェーハの熱処理温度および保持時間、ならびにインゴットに形成されるCOPサイズをパラメータとして計算されるCOPフリー深さを求める工程
(2)上記(1)の計算結果より、所望のCOPフリー深さを得ることのできる熱処理温度、保持時間およびCOPサイズの組み合わせを複数選択する工程
(3)上記(2)で選択した各組み合わせのCOPサイズに対し、そのCOPサイズを得るための育成速度および温度勾配を計算する工程
(4)上記(3)で計算した複数の育成速度から、作製するインゴットに対して、適正な育成速度をインゴットの引き上げ時の育成速度に採用する工程
(5)上記(4)で採用した育成速度に対応する温度勾配、熱処理温度および保持時間をインゴット引き上げ時の温度勾配、インゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間に採用する工程
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、所望のCOPフリー深さを有するウェーハを製造するための製造条件、詳しくは、ＣＺ法におけるインゴット引き上げ時の育成速度ｆｐおよび温度勾配Ｇｃ、ならびにインゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度Ｔおよびその熱処理温度での保持時間ｔを、一義的に決定するウェーハの製造条件の決定方法の発明である。本発明を説明するにあたり、まず、ウェーハを形成するまでの一連の流れについて説明する。なお、以下では上述した請求項２に記載の発明に従い説明する。
【００１８】
図１は、ＣＺ法によるインゴット形成からウェーハの熱処理までの一連の工程を模式的に示した図である。まず、ＣＺ法では、ワイヤーに単結晶の核となるシリコンの種を付け、その種を基として石英るつぼ内で溶融されたシリコンを徐々に引き上げてインゴットを形成する（図１（ａ））。このとき、インゴットの特性は、引き上げる速度、すなわち本発明における育成速度ｆｐと、引き上げの際のインゴットの位置における温度、すなわち本発明における温度勾配Ｇｃに依存する。
【００１９】
図１（ａ）における右図はインゴットの位置における温度を模式的に示したものであり、温度勾配Ｇｃを適切に管理することで、品質のよいインゴットを得ることができる。実機では、インゴットの側部に遮蔽板を配置することでこのような温度勾配の調節を行うことができる。
【００２０】
以上のようにして得られたインゴットは、その頭部と尾部を切り落とした後、検査等の工程を経て、スライサーによって300〜500μｍ程度の厚みに切断され、ウェーハとなる（図１（ｂ））。
【００２１】
最後に、表面領域にCOPを含まないウェーハとするために、熱処理が施される（図１（ｃ））。熱処理では、熱処理温度Ｔおよびその保持時間ｔを管理することにより、COPを含まない領域の厚み、すなわちCOPフリー深さを調節できる。続いて、本発明のウェーハの製造条件の決定方法について説明する。本発明では、前述したように(1)〜(5)の工程を経て、ウェーハの製造条件が決定される。
【００２２】
図２は、本発明について、ウェーハの製造条件を決定する工程の流れを図に示したものである。図２の(1)〜(5)は本発明で規定する(1)〜(5)の工程に対応する。以下では、(1)〜(5)の工程について述べ、併せて、任意のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件を決定する場合を例に取り説明する。
【００２３】
まず、(1)の工程として、インゴットから切り出したウェーハの熱処理温度Ｔおよび保持時間ｔ、ならびにインゴットに形成されるCOPサイズ2R（RはCOPの平均半径）をパラメータとして計算されるCOPフリー深さを求める。これは、図１（ｃ）熱処理工程を計算機にてシュミレートすることに相当し、COPフリー深さは下記（ア）、（イ）の過程を仮定し、計算することで求めることができる。
【００２４】
（ア）内壁酸化膜の溶解
通常、COPの内壁には厚さ3〜4nm程度の酸化膜が形成されており、内壁酸化膜が溶解する。（ア）において、内壁酸化膜の溶解過程における酸化膜厚の時間変化は式（１）で記述できる。
【００２５】
【数１】
0004147758.tif 000002
ここで、ｌは酸化膜厚、ΩSiＯ２はSiＯ２の分子体積であり、Ｄ０は酸素の拡散定数、Ｃ０は酸素濃度、Ｃ０（Ｒ）はCOP界面での酸素濃度である。Ｄ０は式（１ａ）式で与えられる
【００２６】
【数２】
0004147758.tif 000003
（イ）COPへの格子間シリコンの注入  または  空孔の放出
次に（ア）の過程に続いて、（イ）の過程に移る。熱処理前のCOPサイズ2Ｒを与え、Ｒの時間変化を式（２）でシリコン基板表面から各位置で計算する。
【００２７】
【数３】
0004147758.tif 000004
ここで、ΩSiはシリコンの原子体積、ＣＩ、ＣＶはそれぞれインゴット育成時の格子間シリコン、空孔の濃度、ＣＩ（Ｒ）、ＣＶ（Ｒ）はそれぞれCOP界面での格子間シリコン、空孔の濃度である。また、ＤＶ、ＤＩはそれぞれ格子間シリコン、空孔の拡散定数であり、式（２ａ）、式（２ｂ）で記述できる。
【００２８】
【数４】
0004147758.tif 000005
このような計算式を用い、シリコン基板表面から深さ方向の各位置について、酸素濃度Ｃ0を代入して計算したときのＲ＝０（ゼロ）となる最深の深さがCOPフリー深さである。
【００２９】
次に、(2)の工程として、(1)の計算結果より、所望のCOPフリー深さを得ることのできる熱処理温度、保持時間およびCOPサイズの組み合わせを複数選択する。(1)の計算結果からは、熱処理温度Ｔ、保持時間ｔ、COPサイズ2RおよびCOPフリー深さの関係が明らかになる。
【００３０】
図３は、(1)の計算結果の一例として、インゴットに形成されるCOPサイズ2R、熱処理温度Ｔおよび計算されたCOPフリー深さの関係を示した図である。なお、計算の簡略化のために(1)においてはすべて保持時間を１時間として計算した。同図は、COPフリー深さを横軸に、COPサイズを縦軸に示しており、同図に描かれた等温線により、任意のCOPサイズを有するCOPを何度で熱処理すれば、どれくらいのCOPフリー深さが得られるかを知ることができる。
【００３１】
同図より、COPサイズが小さいほど、または熱処理温度が高いほどCOPフリー深さが大きくなり、例えば、COPフリー深さ2μｍのウェーハを得ようとする場合には、COPサイズが300nmのときは1250℃、COPサイズが155nmのときは1200℃、COPサイズが35nmのときは1100℃で熱処理すればよい。このように任意のCOPフリー深さを有するウェーハの製造条件を決定する場合、複数の熱処理温度、保持時間およびCOPサイズの組み合わせが考えられることが分かる。
【００３２】
図２(2)の表には、選択されうる熱処理温度、保持時間およびCOPサイズの組み合わせを仮想的に製造条件▲１▼〜▲３▼として示した。例えば、図３を利用し、COPフリー深さ2μｍのウェーハを得ようとする場合、図２(2)の表における（Ｔ１、ｔ１、Ｒ１）、（Ｔ２、ｔ２、Ｒ２）および（Ｔ３、ｔ３、Ｒ３）はそれぞれ（1250、1、300）、（1200、1、155）および（1100、1、35）とすればよい。
【００３３】
以下では、図２(2)の表を用い、この製造条件▲１▼〜▲３▼のうち、どの製造条件を採用すべきかについて説明する。なお、同表中の熱処理温度ＴはＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３であると仮定する。
【００３４】
続いて、(3)の工程として、(2)で選択した各組み合わせのCOPサイズ2Rに対し、そのCOPサイズを得るための育成速度ｆｐおよび温度勾配Ｇｃを計算する。これは図１（ａ）インゴット製造工程を計算機にてシュミレートすることに相当する。育成速度ｆｐおよび温度勾配Ｇｃの計算には、Voronkovのシュミレーション(V.V.Voronkov、J.Crystal Growth,59,625(1982))を利用すればよい。
【００３５】
Voronkovのシュミレーションでは、インゴット育成時の格子間シリコンの濃度ＣＩ、空孔の濃度ＣＶの時間変化は式（３ａ）、式（３ｂ）で記述できる。
【００３６】
【数５】
0004147758.tif 000006
ここで、式（３ａ）および式（３ｂ）の右辺第１項は育成速度ｆｐと点欠陥の坂道拡散によるドリフト、第２項は点欠陥の濃度勾配拡散、第３項は点欠陥の再結合反応の計算に対応し、ｋＦは反応定数、ＣＩ＊、ＣＶ＊はそれぞれ格子間シリコン、空孔の熱平衡濃度を表している。なお、ＤＩ、ＤＶ、ＣＩ＊およびＣＶ＊は温度Ｔの関数であり、Ｔは総合伝熱解析モデルによる結晶軸方向の温度勾配ＧＣ＝ΔＴ／ΔＺから導出できる。
【００３７】
また、インゴットを育成中のCOP形成、成長挙動をCOPサイズ2Rと時間ｔを関数とするサイズ分布関数ｆ（R、ｔ）を用いて表し、ｆ（R、ｔ）の時間変化を式（４ａ）、式（４ｂ）のフォッカープランク方程式を解くことで求めることができる。
【００３８】
【数６】
0004147758.tif 000007
ここで式（４ａ）、式（４ｂ）中のＡ（R、ｔ）とＢ（R、ｔ）は次の関係を満たす。
【００３９】
【数７】
0004147758.tif 000008
ここで、式（４ｃ）において、ｋはボルツマン定数、ΔＧ＝ΔＧ（R、ＣＩ、ＣＶ）はCOPの半径RのCOP形成に伴うGibbsの自由エネルギー変化量を表しており、この変化量は式（３ａ）、式（３ｂ）で得られる格子間シリコン、空孔の濃度ＣＩ、ＣＶの計算値を用いて計算できる。そして、式（３ａ）〜（３ｂ）、式（４ａ）〜（４ｃ）を逐次解くことで、最終的にインゴット育成後のｆ（R、ｔ）を求めることができる。なお、結晶に窒素が添加されている場合には、窒素濃度に依存してＤＶを0.5〜0.1倍にして計算すればよい。（赤塚雅則他、第４８回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集28p-s-5（2001）p.472）。
【００４０】
このような計算をすることにより、COPサイズ2Rに対し、そのCOPサイズを得るための育成速度ｆｐおよび温度勾配Ｇｃを計算することができる。ここで図２(3)の表に示すようにCOPサイズ2RがＲ１、Ｒ２、Ｒ３の場合、育成速度ｆｐとしてそれぞれｆｐ１、ｆｐ２、ｆｐ２が、温度勾配ＧｃとしてそれぞれＧｃ１、Ｇｃ２、Ｇｃ２が得られる。
【００４１】
次に、(4)の工程として、(3)で計算した複数の育成速度から、引き上げられるインゴットに対して、適正な育成速度をインゴットの引き上げ時の育成速度に採用する。
【００４２】
ここで、「適正な育成速度」とは、引き上げられるインゴットの直径、または品質に依存して決定される速度、さらに製造装置の使用条件に基づいて決定される速度である。生産面からは、インゴットの直径に対して最も速く育成できる速度を採用すればよく、その速度は、例えば、インゴットの直径が200mmのとき0.4〜4.0 mm／分、300mmのとき0.2〜3.0mm／分程度である。
【００４３】
一方、インゴットの品質、例えば、急冷によるインゴットの欠陥や歪みを回避したい場合は、「適正な育成速度」はこれらの品質を満足する引上速度が採用される。さらに、製造装置のインゴット冷却能力は使用する装置の冷却仕様に依存するから、インゴットの直径に対して最も速く育成できる速度を採用できる場合であっても、製造装置の冷却能力によって決定される場合もある。
【００４４】
ここで、インゴットの直径を考慮した場合、ｆｐ１が適正な育成速度であり、インゴットの品質を考慮した場合、ｆｐ２が適正な育成速度であり、これらの育成速度をインゴットの引き上げ時の育成速度に採用する。
【００４５】
最後に、(5)の工程として、(4)で採用した育成速度に対応する温度勾配、熱処理温度および保持時間をインゴット引き上げ時の温度勾配、インゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間に採用する。
【００４６】
(4)の工程では、インゴットの直径を考慮した場合、製造条件▲１▼の育成速度ｆｐ１をインゴット引き上げ時の育成速度に採用した。これに対応し、製造条件▲１▼の温度勾配、熱処理温度および保持時間を、ＣＺ法におけるインゴット引き上げ時の温度勾配、ならびにインゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその熱処理温度での保持時間として採用する。一方、(4)の工程で、インゴットの品質を考慮した場合、育成速度ｆｐ２を採用した。この場合、育成速度ｆｐ２となる製造条件は２つ（製造条件▲２▼、▲３▼）あり、一義的に育成速度ｆｐ２に対する温度勾配、熱処理温度および保持時間を決めることができない。このような場合には、他の条件をさらに考慮に入れ、両製造条件のうちから一方を選択すればよい。例えば、最も低い熱処理温度の製造条件（製造条件▲３▼）の温度勾配、熱処理温度および保持時間を採用すればよい。
【００４７】
以上のような(1)〜(5)の工程を踏まえ、育成速度、温度勾配、熱処理温度および保持時間を決定した場合の計算所要時間は１条件につき約１５分である。実機テストにより製造条件を決定した場合には２週間以上要することを考えるとはるかに短時間である。
【００４８】
なお、実際に、本発明で決定した育成速度、温度勾配、熱処理温度および保持時間を実機に導入しても、ウェーハ製造上、なんら問題はなく、所望のCOPフリー深さを有するウェーハを得ることができた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明では、所望のCOPフリー深さを有するウェーハを得るために、インゴット引き上げ時の育成速度および温度勾配、ならびにインゴットを切り出したウェーハに施す熱処理の熱処理温度およびその保持時間といったウェーハの製造条件を一義的に決定することができる。
【００５０】
これらの製造条件は、すべてシュミレーションによって決定できるので、実機テストに要するコストや時間的なロスがなく、製品の切り替えに伴う、製造条件の変更にもすばやく対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ法によるインゴット形成からウェーハの熱処理までの一連の工程を模式的に示した図である。
【図２】本発明について、ウェーハの製造条件を決定する工程の流れを図に示したものである。
【図３】インゴットに形成されるCOPサイズ2R、熱処理温度Ｔおよび計算されたCOPフリー深さの関係を示した図である。
【図１】
0004147758.tif 000009
【図２】
0004147758.tif 000010
【図３】
0004147758.tif 000011