(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素析出物核形成中心の不均一分布を有するシリコンウエハの製造方法であって、
該ウエハが前表面および後表面を有し、該方法が、該ウエハの前表面に光のパルスを適用し、シリコンウエハの前表面を少なくとも９５０℃の温度に加熱し、一方、シリコンウエハの後表面を液体ヒートシンクに接触させることにより９００℃未満の温度に維持して、ウエハの厚みを横断する温度勾配を形成することを含んで成る方法。
【請求項２】
酸素析出物核形成中心の不均一分布を有するシリコンウエハの製造方法であって、
該ウエハが前表面および後表面を有し、該方法が、該ウエハの前表面に光のパルスを１〜５秒間適用し、シリコンウエハの前表面を少なくとも９５０℃の温度に加熱し、一方、シリコンウエハの後表面をヒートシンクに接触させることにより９００℃未満の温度に維持して、ウエハの厚みを横断する温度勾配を形成することを含んで成る方法。
【請求項３】
シリコンウエハの後表面を固体ヒートシンクに機械的に固定して、該ウエハ後表面を一定温度に維持する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
シリコンウエハの後表面を液体ヒートシンクに接触させて、該ウエハ後表面を一定温度に維持する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
液体ヒートシンクが、液体のナトリウム、リチウム、鉛、錫、および水銀から成る群から選択される請求項１または４に記載の方法。
【請求項６】
光のパルスが、１〜５ｋＷ／ｃｍ2の輻射力を有する請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
光のパルスが、１ｋＷ／ｃｍ2の輻射力を有する請求項１または２に記載の方法。
【請求項８】
光のパルスが、１〜５秒間である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
光のパルスが、１秒間である請求項１または２に記載の方法。
【請求項１０】
ウエハの前表面を１０００℃の温度に加熱する請求項１または２に記載の方法。
【請求項１１】
ウエハの後表面を８５０℃未満の温度に維持する請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、酸素析出物核形成中心の制御された分布を有するシリコンウエハの製造方法に関する。詳細には、本発明は、該分布が、後の酸素析出熱処理の際に、ウエハがウエハの表面に近い領域にデニューデッドゾーンを形成し、およびデニューデッドゾーンの外側の領域に酸素が析出するような分布である、酸素析出物核形成中心の不均一分布を有するウエハの製造方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
半導体電子部品の大部分の製造方法の出発物質である単結晶シリコンは一般に、単一の種結晶を、溶融シリコンに浸漬し、次に、ゆっくり引き上げること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実際の凝離率（actual segregation coefficient）によって決まる所定濃度に達するまで、シリコン溶融塊の温度において、シリコンを収容する石英ルツボから結晶格子に酸素が入る。そのような濃度は、集積回路の製造法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。従って、溶融塊から結晶が成長し、冷却する際に、その中の酸素の溶解度が急激に減少し、それによって、得られるスライスまたはウエハにおいて、酸素が過飽和濃度で存在する。
【０００３】
電子デバイスの製造に一般に使用される熱処理サイクルは、酸素が過飽和のシリコンウエハに酸素の析出を生じる。ウエハにおけるそれらの位置に応じて、その析出物は有害にも有益にもなり得る。ウエハのバルクに位置する酸素析出物は、ウエハと接触する望ましくない金属不純物を捕捉することができる。金属を捕捉するために、ウエハのバルクに位置する酸素析出物を使用することは、内部または真性ゲッタリング（internal or intrinsic gettering）（ＩＧ）と一般に称される。しかし、ウエハの活性デバイス領域（ウエハの研磨表面の数ミクロン以内）に位置する酸素析出物は、デバイス性能をかなり低下させる。従って、これらの析出物の高度に不均一な分布を形成することが望ましい。シリコンウエハの前（研磨）表面に近い領域は、最少密度のこれらの酸素析出物を有さなければならない。次に、表面からある距離で（約２０〜２００ミクロン）、析出物の密度が急激に増加しなければならない。表面に近い無析出物領域は一般に「デニューデッドゾーン」と称される。このゾーンは集積回路（ＩＣ）の製造における重要なパラメーターである。
【０００４】
これまでのところ、充分な量の酸素が、ウエハ表面に外方拡散（out-diffuse）し、ウエハ内部にかなりの析出が生じ始める前に除去されることを確実にすることによって、酸素析出物の深さ分布が制御されている。この外方拡散法は、非常に高い温度における比較的長時間の熱処理、例えば、１１００℃において約１６時間を必要とする。一般に、この外方拡散段階の次に熱処理を行って（例えば、７００℃において約４時間）、充分な量の酸素をまだ含有している領域において酸素析出を促進させる。
【０００５】
多くの電子デバイス製造者にとって重要な条件は、この熱シーケンスに暴露される全てのウエハが、均一で再現可能なデニューデッドゾーン、および、デニューデッドゾーンの外側の均一で再現可能な数密度の酸素析出物を有することである。しかし、妥当なコストで均一性および再現性を得ることは困難である。所定のＩＣ製造工程において所定のシリコンウエハに生じるオキシド析出物の密度に影響を与えるいくつかパラメーターが存在し、それらは、（１）固溶体に初めに存在する格子間酸素の濃度［Ｑi］i、（２）過飽和酸素の析出のための核形成部位として作用する（ＩＣ製造工程に先立って）予め存在する酸素クラスターの密度、（３）これらの予め存在するクラスターの高温における安定性、および（４）電子デバイスの製造に使用される熱サイクルの詳細、を包含する。これらのパラメーターは、各ウエハにおいてかなり変化し得る。
【０００６】
ＩＣ製造工程の間に形成される酸素析出物の濃度範囲を制御することを試みる１つの方法は、ウエハの酸素濃度範囲を狭くすることである。例えば、多くのＩＣ製造者は、酸素濃度範囲が１ｐｐｍａの目標値以内、またはそれよりさらに低いことを要求する。しかし、この方法は、技術的能力を酷使し、他のパラメーターを制御する結晶成長業者にとっての融通性を減少させ、コストを増加させる。さらに良くないことに、酸素濃度規格を厳しくすることは、必ずしも成功を保証しない；シリコンウエハの熱履歴が、酸素析出挙動に大きな影響を与える。従って、同じ酸素濃度を有するが異なる熱履歴を有するウエハは、顕著に異なる析出物密度を示す。
【０００７】
酸素濃度規格を厳しくするだけでは、狭い範囲の酸素析出物密度に導かないという事実を考慮して、酸素析出値を予測できる値を与える酸素濃度または他の規準によって、ウエハを区分しようと努力している者もある。例えば、Millerの米国特許第４８０９１９６号を参照。酸素析出に関するウエハとウエハの均一性は、この方法によって向上するが、融通性は損なわれ、コストが増加する。
【０００８】
Bischoffらは米国特許第４４３７９２２号において、高い析出物密度（＞１０12／ｃｍ3）を有する広いデニューデッドゾーン（＞１５μｍ）を有するウエハを形成する方法を提案している。その方法において、１１００℃において４時間にわたってウエハをアニールすることによってデニューデッドゾーンが初めに形成される。デニューデッドゾーンの形成後、４００℃〜５００℃の温度においてウエハをアニールして、高密度の非常に小さい析出物を成核し（nucleate）、例えば９２５℃の後の加熱処理に耐え得るような寸法にそれらを成長させることをBischoffらは提案している。次に、２℃未満／分の速度において、ウエハを７５０℃〜１０００℃の温度に加熱し、この温度において、後の処理に析出物が耐えることを確実にするのに充分な時間でウエハをアニールすることをBischoffらは提案している。これらの段階はウエハに関して、かなりの労力およびコストを付加する。
【０００９】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、酸素析出物核形成中心の制御分布を有するシリコンウエハの製造方法を提供し；後の処理時に、ウエハが、ウエハの表面に近い領域にデニューデッドゾーンを形成し、デニューデッドゾーンの外側の領域に酸素が析出するような、酸素析出物核形成中心の不均一分布を、得られるウエハが有する、そのような方法を提供し；酸素の外方拡散に依存しない、そのような方法を提供し；析出のための部位を再核形成する必要性を省く、そのような方法を提供し；ならびに、デニューデッドゾーンの形成、およびウエハバルクにおける酸素析出物の形成が、シリコンウエハがそれからスライスされる単結晶シリコンインゴットの熱履歴および酸素濃度によって影響を受けない、そのような方法を提供することである。
【００１０】
本発明は、追加熱処理時に、酸素析出物の別個の領域をシリコウエハに形成するような、酸素析出物核形成中心の不均一分布を有するシリコンウエハの製造方法に関する。該方法は、ウエハの後表面を約９００℃未満に維持しながら、ウエハの前表面を約９５０℃に加熱して、ウエハの厚みを横断する熱勾配を形成することを含んで成る。
【００１１】
本発明の他の目的および特徴は、一部は明らかであり、一部は下記に記載される。
【００１２】
本発明によって、酸素析出物核形成中心の制御分布を有するシリコンウエハの製造方法が、見い出された。該方法において、シリコンウエハの前表面を加熱し、ウエハの後表面をヒートシンク（heat sink）に接触させて、数秒程度にわたってウエハの厚みを横断する温度勾配を形成することによって、酸素析出核形成中心の２つの別個の領域が形成される。
【００１３】
本発明の方法の出発物質は、酸素析出熱処理にかける際に酸素の析出を可能にする、充分な濃度の酸素を有する単結晶シリコンである。チョクラルスキー成長シリコンは一般に、酸素の析出に充分な約６×１０17〜約８.５×１０17原子／ｃｍ3（ＡＳＴＭ標準Ｆ−１２１−８３）の酸素濃度を有する。
【００１４】
例えば、約６５０℃〜約８７５℃、好ましくは約８００℃〜８７５℃の温度においてシリコンをアニールして、シリコンに存在する酸素析出物核形成中心を安定化させ、および、少なくとも約１０００℃の温度においてシリコンをアニールして、安定化した核中心の部位に酸素を析出させることを含んで成る熱処理に、シリコンを暴露することによって、シリコンから酸素を析出させることができる。核形成中心を安定化するのに要する時間は、熱処理温度に依存し、一般に、温度が高くなるほど、核形成中心を安定化させるのに要する時間が短くなる。例えば、約７.８×１０17原子／ｃｍ3の酸素濃度を有するシリコンにおいて、核形成中心を安定化するために約６５０℃において少なくとも約６時間が必要であり、一方、約８００℃の温度においては核形成中心を安定化させるのに約３０分が必要であるに過ぎない。酸素を析出させるのに好ましい熱処理は、４時間で８００℃に、次に、１６時間で１０００℃に、ウエハを加熱することを含んで成る。
【００１５】
酸素析出物核形成中心は一般に、約３５０℃〜約７５０℃の温度においてアニールされるシリコンにおいて形成される。従って、結晶成長後の結晶インゴットの冷却の際、または、この範囲の温度においてインゴットまたはウエハ形態のシリコンを熱処理することによって、これらの中心が形成される場合もある。安定化熱処理にかけられない場合は、少なくとも約８７５℃の温度にシリコンを急激に加熱し、好ましくは継続して加熱して少なくとも１０００℃の温度に上昇させることによって、これらの核形成中心をアニールによってシリコンから除去することができる（can be annealed out of silicon）。シリコンが１０００℃に到達するまでに、実質的に全て（例えば、＞９９％）のそのような欠陥がアニールによって除去される。ウエハをこれらの温度に急激に加熱することが重要であり、即ち、温度上昇速度は少なくとも約１０℃／分、より好ましくは少なくとも約５０℃／分である。そうでなければ、いくらかのまたは全ての酸素析出物核形成中心が、熱処理によって安定化される。比較的短時間、即ち、１分程度で、平衡に達すると考えられる。従って、少なくとも８７５℃の温度において少なくとも約３０秒間、好ましくは少なくとも約１０分間でシリコンをアニールすることによって、単結晶シリコン出発物質における酸素析出物核形成中心が溶解する。
【００１６】
図１は、この挙動のグラフである。シリコンの温度が約８００℃に近づくと、酸素析出物核形成中心の部位密度が、それらがアニールによってシリコンから除去される際に減少し始める。シリコンの温度が約９００℃に到達すると、酸素析出物核形成中心が急激にアニールによってシリコンから除去され、約１０7部位／ｃｍ3のほぼ検出限界に到達する。温度が上昇し続けると、酸素析出物核形成中心の部位密度が減少し続けて、約１０００℃において９９％より多い部位がアニールによってシリコンから除去される。平衡を得るために要する時間は非常に短く、約１秒と見積もられる。しかし、これらの温度におけるより長い熱処理は、図１に示す詳細を顕著に変化させることはない。
【００１７】
本発明は、この挙動を利用して、酸素析出物核形成中心の２つの別個の領域をシリコンウエハ中に形成する。１つの領域は、検出し得る酸素析出物核形成中心を有さず（即ち、デニューデッドゾーン）、他の領域は、酸素析出物核形成中心を有する（即ち、析出物領域）。
【００１８】
数秒程度において、ウエハの厚みを横断する温度勾配を形成するようにシリコンウエハを加熱することによって、これらの２つの領域が形成される。一般に、ウエハの前（研磨）表面を少なくとも約９５０℃、好ましくは少なくとも約１０００℃の温度に加熱する。同時に、ウエハの後表面を約９００℃未満、好ましくは約８５０℃未満の温度に維持するヒートシンクに、ウエハの後面を接触させる。その結果、ウエハの前表面および後表面の間に熱勾配が形成され、数秒程度で定常状態条件（steady-state conditions）に到達する。
【００１９】
次に、図２を参照すると、前表面１２および後表面１４を有するウエハ１０を、本発明の方法によって熱処理した。ウエハ１０は、酸素析出核形成中心に関して２つの別個の領域を有する。領域１３は、検出し得る酸素析出物核形成中心を有さず、一方、領域１５は、酸素析出物核形成中心を有する。約９５０℃より高い温度ＴOに前表面を加熱し、一方、約９００℃未満の温度Ｔ1に後表面を維持して、ウエハの厚みを横断する定常状態温度勾配１７を形成することによって、これらの領域を形成した。温度勾配が９００℃限界と交差するウエハの位置は、領域１３と１５の境界を規定する。その結果、領域１３および１５におけるシリコンは、ウエハを酸素析出熱処理にかけた場合に明らかに異なる挙動を示す：デニューデッドゾーンが領域１３に形成され、一方、酸素析出物が領域１５に形成される。重要なことに、デニューデッドゾーン境界２０が、９００℃に到達するシリコンの位置において生じ、外方拡散に基づく方法を使用する場合のように、酸素濃度または既に存在する核形成部位の密度によって制御されない。従って、制御された確実なデニューデッドゾーンを得るために、酸素濃度または結晶熱履歴の特殊な制御が必要とされない。シリコンウエハの酸素規格を、外方拡散に基づく表面デニューデッド法に依存することから主として生じる現在の要求よりも実質的に広くすることができる。酸素濃度を制御する必要性を除くことによって、結晶成長生産性も向上する。
【００２０】
再び図２を参照すると、領域１５（析出物領域）が、それ以外では処理によって影響を受けず、処理の前に既にウエハに存在する部位の密度を有する。従って、必要であれば、この領域における析出物部位の密度を、種々の手段によって、正確に、およびデニューデッドゾーンの所望の深さから独立して、調節することができる。
【００２１】
図３は、１０００℃の前表面温度に関してウエハの後面が維持される温度の関数として得ることができる可能なデニューデッドゾーンの深さを示す。ウエハの前面が１０００℃に維持され、および後面が２００℃に維持される場合に、デニューデッドゾーン（即ち、少なくとも９００℃に到達するゾーン）は、約１００ミクロンの深さを有する。１０００℃の前面の温度に対して後面が６００℃に維持される場合に、デニューデッドゾーンの深さが約２００ミクロンに増加する。好ましい実施態様においては、ウエハの最も厚い状態において、およびウエハ研磨の前に、該方法がウエハに実施される。従って、最終のデニューデッドゾーンの深さは、研磨工程によって前表面から除去される物質の量に相当する量で、小さくなる。
【００２２】
次に、図４を参照すると、ランプ３０によって発生される光のパルスを使用することによって、温度勾配が薄いシリコンウエハ１０に急速に形成される。特に、光のパルスの時間は約１〜約５秒間である。あるいは、ラップのバンド（a band of laps）を使用することもできる。固体ヒートシンク３６との良好な熱接触を確実にすることによって、ウエハの後表面１４を温度（Ｔ1）に維持しながら、鏡３４によって光をウエハの前表面１２に反射させる。照らされた表面は、（１）照明ランプのスペクトル力分布（spectral power）、（２）シリコンウエハの厚み、（３）温度Ｔ1、および（４）ヒートシンク体へのシリコンウエハの熱接触の質、に依存する温度に到達する。
【００２３】
シリコンウエハに充分な温度勾配を形成するために、約１〜約５ｋＷ／ｃｍ2程度の輻射力が一般に必要である。従って、２００ｍｍのウエハの表面に均一温度分布を得るために、約３００ｋＷのピークランプ電力が一般に必要である。そのようなランプは、例えば、カナダのVortek Industries Limitedから商業的に入手できる。
【００２４】
次に、図５を参照すると、本発明の選択的実施態様において、シリコンウエハ１０の後面１４を液体ヒートシンク４０に接触させる。液体ヒートシンク４０は、合致熱接触（conformal thermal contact）という利点を有し、ランプ３０による急速加熱の間にシリコンウエハ１０が自由に弾力的に曲がることを可能にする。この方法は、ウエハにおける剪断応力を減少させ、塑性変形の可能性を減少させる。好適な液体ヒートシンクは、液体のナトリウム、リチウム、鉛、錫、または水銀である。
【００２５】
前記に鑑みて、本発明のいくつかの目的が達成されることが理解される。
【００２６】
本発明の範囲を逸脱せずに種々の変更を前記方法に加えることができるので、前記に記載された全ての内容は、例示的なものであり、制限的なものではないと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  種々の温度における酸素析出物核形成中心の安定性を示すグラフである。
【図２】  温度勾配、およびこの勾配の結果として形成される異なる酸素析出挙動の領域を示すシリコンウエハの断面図である。
【図３】  １０００℃の前表面温度に関して、ウエハの後面が維持される温度の関数として得られる、可能なデニューデッドゾーンの深さを示すグラフである。
【図４】  シリコンウエハに温度勾配を形成する方法を示す図である。
【図５】  シリコンウエハに温度勾配を形成する別の方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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