(57)【要約】【課題】シリコンウェーハにおいて、ウェーハ強度を十分に保ちつつ、ゲッタリングに十分なＢＭＤ層を有すること。【解決手段】ＲＴＡ処理における雰囲気ガスに含まれる窒化ガスを０．０５％以上０．５％未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１０ｓｃｃｍ以下の範囲として、この窒素量により析出量をコントロールする。【選択図】図１
2009177194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ２ が分解可能な温度よりも低い分解温度のＮＨ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、Ｎ２Ｏ２、ヒドラジン、ジメチルヒドラジンのうちのいずれかの窒化ガスを含む雰囲気ガス中で、８００℃〜１２８０℃の熱処理温度かつ１秒〜５分の熱処理時間でシリコンウェーハをＲＴＡ処理する工程と、
前記ＲＴＡ処理の後に、前記ＲＴＡ処理の熱処理温度よりも低い熱処理温度で空孔への酸素析出を行うための熱処理する工程と、
ＮＨ３ とされる前記窒化ガスを反応室に供給する前に、雰囲気ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理工程と、
を具備してなり、
前記ＲＴＡ熱処理前のシリコンウェーハ表面に自然酸化膜が形成されており、
前記ＲＴＡ熱処理によって、前記シリコンウェーハ内に、１×１０１３個／ｃｍ３以上の過剰空孔を注入するとともに、前記ＲＴＡ処理後の前記熱処理によって、シリコンウエーハ中に無欠陥層を形成するとともに、
前記ＲＴＡ処理における雰囲気ガスに含まれる窒化ガスを０．０５％以上０．５％未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１０ｓｃｃｍ以下の範囲として、この窒素量により析出量をコントロールすることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法により製造されたシリコンウェーハであって、前記表面に無欠陥層が形成されて、少なくとも表面の近傍に酸素析出物が生じるとともに、内部に酸素析出物濃度が異なる複数の層が形成され、
前記複数の層のうち、厚さ方向の最高酸素析出物濃度を有する高濃度層が少なくとも前記表面の近傍に形成されていると共に、厚さ方向の最低酸素析出物濃度を有する低濃度層が前記高濃度層より内部に少なくとも一層形成され、
前記高濃度層は、前記最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３以上であり、
前記低濃度層は、前記最低酸素析出物濃度が２．５×１０８ ｃｍ−３以下であることを特徴とするシリコンウェーハ。
【請求項３】
径３００ｍｍとされることを特徴とする請求項２記載のシリコンウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理して内部に空孔を形成し、さらに熱処理して表面にＤＺ(Denuded Zone)層を形成するシリコンウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＺ（チョクラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して作製されたシリコンウェーハは、酸素不純物（格子間酸素等）を多く含んでおり、この酸素不純物は転位や欠陥等を生じさせる酸素析出物(BMD:Bulk Micro Defect、以下、ＢＭＤとも称す)となる。この酸素析出物がデバイスが形成される表面にある場合、リーク電流増大や酸化膜耐圧低下等の原因になって半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に過剰空孔（Ｖａｃａｎｃｙ：以下、空孔又はＶａｃａｎｃｙとも称す）を埋設するとともに、この後の熱処理で表面において格子間酸素を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥層）を均一に形成する方法が用いられている（例えば、特許文献１に記載の技術）。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。このように形成された従来のＢＭＤ層ＢＭＤは、図４に示すように、ＤＺ層ＤＺより内部の全体で高い濃度分布を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第 ＷＯ ９８／３８６７５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記熱処理方法では、以下のような課題が残されている。すなわち、従来は、ＤＺ層より内部全体において高濃度のＢＭＤ層が形成されており、析出により内部の全体にわたって格子間酸素濃度が低くなっている。すなわち、以下の式に示すように、ＲＴＡ処理による空孔注入後に熱処理を施すと、左辺から右辺への移行が進み、酸素析出物（ＳｉＯ2 ）が増えて、格子間酸素（Ｏｉ）濃度が低くなる。
Ｓｉｓｕｂ ＋Ｏｉ＋空孔→ＳｉＯ２ ＋Ｓｉｉ
（Ｓｉｉ：格子間シリコン）
このように格子間酸素濃度が低くなると、ウェーハの機械的強度が低下するため、従来のウェーハでは、全体的なウェーハ強度が低くなり、反りや歪みが生じるおそれがあった。また、格子間酸素濃度の低下を防ぐために、必要以上に酸素濃度の高いウェーハを用いていた。さらに、近年の大口径化に伴い、ウェーハ全体の強度の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ウェーハ強度を十分に保ちつつ、ゲッタリングに十分なＢＭＤ層を有するシリコンウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
本発明のシリコンウェーハは、少なくとも表面の近傍に酸素析出物が生じたシリコンウェーハであって、内部に酸素析出物濃度が異なる複数の層が形成され、前記複数の層のうち、厚さ方向の最高酸素析出物濃度を有する高濃度層が少なくとも前記表面の近傍に形成されていると共に、厚さ方向の最低酸素析出物濃度を有する低濃度層が前記高濃度層より内部に少なくとも一層形成され、前記高濃度層は、前記最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上であり、前記低濃度層は、前記最低酸素析出物濃度が２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下であることができる。
【０００９】
このシリコンウェーハでは、厚さ方向の最高酸素析出物濃度を有する高濃度層が少なくとも表面の近傍に形成されていると共に、厚さ方向の最低酸素析出物濃度を有する低濃度層が前記高濃度層より内部に少なくとも一層形成され、高濃度層の最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上であり、低濃度層の最低酸素析出物濃度が２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下であるので、表面近傍の高濃度層が高濃度ＢＭＤ層であり、十分なゲッタリング効果を有することができると共に、非常に酸素析出物濃度が低い低濃度層では格子間酸素濃度が高く、ウェーハ強度を保つことができる。なお、低濃度層の最低酸素析出物濃度を２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下としたのは、この場合、析出がゼロの状態とほぼ同等の強度を得ることができ、また、この値を越えた酸素析出物濃度では、十分な強度を得ることができないためである。また、高濃度層の最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上としたのは、この値未満では十分なゲッタリング効果を得ることができないためである。
【００１０】
また、本発明のシリコンウェーハでは、前記低濃度層が一層又は二層である技術が採用される。
【００１１】
また、本発明のシリコンウェーハでは、少なくとも前記表面に無欠陥層が形成されている技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハでは、例えば熱処理により表面の空孔を外方拡散させることによりＤＺ層（無欠陥層）を形成することにより、デバイス形成層となる表面のＤＺ層とゲッタリング効果を有する表面近傍の高濃度層と高強度を有する内部の低濃度層とを備えた高機能ウェーハとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハによれば、厚さ方向の最高酸素析出物濃度を有する高濃度層が少なくとも表面の近傍に形成されていると共に、厚さ方向の最低酸素析出物濃度を有する低濃度層が前記高濃度層より内部に少なくとも一層形成され、高濃度層の最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上であり、低濃度層の最低酸素析出物濃度が２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下であるので、表面近傍の高濃度層が高濃度ＢＭＤ層であり、十分なゲッタリング効果を有することができると共に、格子間酸素濃度が高い低濃度層により、大口径化にも対応可能なウェーハ強度を保つことができる。特に、２００ｍｍよりも大きい径の３００ｍｍのウェーハにおいて、さらに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るシリコンウェーハの一実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【図２】本発明に係るシリコンウェーハの一実施形態におけるＤＺ層形成後のシリコンウェーハを示す要部断面図及び厚さ方向のＢＭＤ濃度を示すグラフである。
【図３】本発明に係るシリコンウェーハの一実施形態の他の例におけるＤＺ層形成後のシリコンウェーハを示す要部断面図及び厚さ方向のＢＭＤ濃度を示すグラフである。
【図４】本発明に係るシリコンウェーハの従来例におけるＤＺ層形成後のシリコンウェーハを示す要部断面図及び厚さ方向のＢＭＤ濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るシリコンウェーハの一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
【００１５】
図１にあって、符号１はサセプタ、２は反応室を示している。図１は、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法を実施するための枚葉式の熱処理炉を示すものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコンウェーハＷを載置可能な円環状のサセプタ１と、該サセプタ１を内部に収納した反応室２とを備えている。なお、反応室２の外部には、シリコンウェーハＷを加熱する赤外線ランプ３が配置されている。
【００１６】
サセプタ１は、シリコンカーバイト等で形成されており、内側に段部１ａが設けられ、該段部１ａ上にシリコンウェーハＷの周縁部を載置するようになっている。反応室２には、シリコンウェーハＷの表面に雰囲気ガスＧを供給する供給口２ａ及び供給された雰囲気ガスＧを排出する排出口２ｂとが設けられている。また、供給口２ａは、雰囲気ガスＧの供給源４に接続されている。
【００１７】
雰囲気ガスＧは、窒化ガスを含むものであればよく、特にＮ２ が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガス、例えばＮＨ３ 、ＮＯ、Ｎ２ Ｏ、Ｎ２ Ｏ２ 、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン等やこれらの混合ガス又はこれらの窒化ガスとＡｒ（アルゴン）、Ｎ２ （窒素）、Ｏ２ （酸素）、Ｈ２  （水素）等との混合ガスが好ましい。上記低分解温度の窒化ガスを含む雰囲気ガスの場合、Ｎ２ の場合に比べて低い熱処理温度でも窒化ガスが十分に分解して表面を窒化、すなわち窒化膜を形成して内部にＶａｃａｎｃｙを十分に注入することができ、熱処理温度の低温化及び熱処理時間の短縮化が可能であって、スリップ等を抑制することができる。
【００１８】
なお、ＮＨ３ を主とした雰囲気ガスＧを用いることにより、ＮＨ３ が分解して発生したＨがシリコンウェーハＷ表面の自然酸化膜等を除去するクリーニング効果を有しているため、さらに表面の窒化及びＶａｃａｎｃｙの注入が促進される。また、ＮＨ3 には自然酸化膜を窒化させる効果があり、Ｖａｃａｎｃｙの注入が促進される。
【００１９】
この熱処理炉によりシリコンウェーハＷに熱処理、特に急加熱及び急冷却の熱処理を施すには、サセプタ１にシリコンウェーハＷを載置した後、供給口２ａから上記雰囲気ガスＧをシリコンウェーハＷの表面に供給した状態で、８００℃から１２８０℃までの範囲の熱処理温度かつ１ｓｅｃから５ｍｉｎまでの範囲の熱処理時間で、短時間の急速加熱・急冷（例えば、５０℃／秒の昇温又は降温）のＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)処理を行う。このＲＴＡ処理により、シリコンウェーハＷ内にＶａｃａｎｃｙ（空孔）が注入される。
【００２０】
本実施形態では、上記ＲＴＡ処理により、シリコンウェーハＷ内のＶａｃａｎｃｙ濃度が１×１０１３ 個／ｃｍ３ 以上となるように熱処理温度及び熱処理時間を設定する。例えば、Ａｒ／Ｎ2 の混合ガスを雰囲気ガスＧとして用いている場合には、１２５０℃以上で熱処理を行う。この場合、特に表面近傍に非常に高いＶａｃａｎｃｙ濃度の層が形成される。
【００２１】
次に、ＤＺ層及び酸素析出のための熱処理（例えば、８００℃４時間の熱処理及びその後に１０００℃１６時間行う熱処理）を行う。この熱処理は、上記ＲＴＡ処理の熱処理より低い温度で行われ、空孔への酸素析出を行うための熱処理であって、この熱処理により酸素析出核の安定を図り、さらに長時間の熱処理を施すことにより、析出物の成長を行うものである。
【００２２】
この熱処理の際、図２に示すように、表裏面からのＶａｃａｎｃｙや酸素の外方拡散、表層の酸化により注入された格子間Ｓｉと空孔との対消滅によりＤＺ層１１が形成され、またこれらのＤＺ層１１に近接する内部に最高ＢＭＤ（酸素析出物）濃度を有する高濃度層１２が形成され、さらにこれらの高濃度層１２の内側に析出がゼロ又は極めて少なくなった最低ＢＭＤ濃度を有する低濃度層１３が形成される。なお、上記最高ＢＭＤ濃度は、３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上である。また、最低ＢＭＤ濃度は、２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下であって、光学顕微鏡では観察が困難なＢＭＤ濃度である。
【００２３】
すなわち、ＲＴＡ処理で上記のような高濃度の空孔を注入しておくことにより、酸素析出のための熱処理の際に、ＤＺ層１１近接領域に形成された両高濃度層１２に、酸素析出物（ＳｉＯ２ ）が生じる。同時に、両高濃度層１２から多くの格子間シリコン（Ｓｉｉ）が発生し、両高濃度層１２の両側に拡散し、以下の式の右辺から左辺への移行が進み、内側の層において酸素析出物（ＳｉＯ２ ）が格子間酸素（Ｏｉ）及び空孔になって、格子間酸素濃度が高く及び酸素析出物濃度が極めて低い低濃度層１３が形成されると考えられる。
Ｓｉｓｕｂ ＋Ｏｉ＋空孔←ＳｉＯ２ ＋Ｓｉｉ
【００２４】
このようにして作製された本実施形態のシリコンウェーハＷは、厚さ方向の最高酸素析出物濃度を有する高濃度領域として高濃度層１２が表面の近傍に形成されていると共に、厚さ方向の最低酸素析出物濃度を有する低濃度領域として低濃度層１３が高濃度層１２より内部に一層形成され、高濃度層１２の最高酸素析出物濃度が３．５×１０９ ｃｍ−３ 以上であり、低濃度層１３の最低酸素析出物濃度が２．５×１０８ ｃｍ−３ 以下となる。したがって、本実施形態では、表面近傍の高濃度層１２が高濃度ＢＭＤ層であり、十分なゲッタリング効果を有することができると共に、非常に酸素析出物濃度が低い低濃度層１３では格子間酸素濃度が高く、ウェーハ強度を保つことができる。
【００２５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上記実施形態では、低濃度層１３を一層としたが、複数層設けても構わない。例えば、上記実施形態の他の例として、図３に示すように、内部に低濃度層１３が二層形成されたシリコンウェーハＷ２であっても構わない。この場合、高濃度層１２は三層形成され、ＤＺ層１１に内接した領域だけでなく、中央部分にも形成される。このシリコンウェーハＷ２では、酸素析出の熱処理時に２つの低濃度層１３が外側の２つの高濃度層１２及び中央の高濃度層１２からの格子間シリコンの拡散等により形成される。
【００２６】
また、上記ＤＺ層形成又は酸素析出のための熱処理をデバイス作製工程前に特に行わず、その後のデバイス作製工程に伴って行われる熱処理で行っても構わない。また、Ｖａｃａｎｃｙ注入のための熱処理（上記ＲＴＡ処理）において、プラズマ化した上記窒化ガスを雰囲気ガスとしてもよい。この場合、上記窒化ガスがプラズマ化して活性化されているため、さらに表面の窒化及びＶａｃａｎｃｙの注入が促進される。また、上記ＲＴＡ処理において、雰囲気ガスが三種類以上の混合ガスである場合は、そのうちの一種類以上がＮ２ やＮＨ３ 等の窒化ガスであればよい。
【００２７】
また、上記ＲＴＡ処理において、雰囲気ガスが二種類以上の混合ガスである場合は、含まれる窒化ガスは０．５％以上又は１０ｓｃｃｍ以上で絶対量の少ない方の量とされることが好ましい。すなわち、この範囲での窒化反応は反応律速であり、この最低限以上の窒化性のガスを含んでいれば、ウェーハ表面に形成される窒化膜厚は同じであり、その結果、導入される原子空孔濃度は同じで、析出量は同じである。なお、これ以下の０．０５％以上０．５％未満、又は１ｓｃｃｍを越えて１０ｓｃｃｍ以下の範囲では、窒化膜厚は同一温度及び時間であれば、窒素の分圧により、窒化量が変化する。したがって、この領域は、拡散律速であり、窒素量により析出量をコントロールすることができる。
【００２８】
また、上記ＲＴＡ処理において、上記雰囲気ガスの圧力は、減圧、常圧又は加圧のいずれの状態でもよい。また、上記ＲＴＡ処理によりウェーハ表面に形成される窒化膜、酸窒化膜は、Ｓｉ３ Ｎ４ を代表とするＳｉｘ Ｎｙ である。また、酸化膜を窒化した場合には、Ｓｉ２ Ｎ２ Ｏを代表とするＳｉ２ Ｎｘ Ｏ４−１．５ｘ が形成される。
【００２９】
また、この窒化膜は、酸窒化膜（シリコン酸化窒化膜）でもよく、さらに窒化膜中に水素が含まれていても構わない。なお、上記ＲＴＡ処理では、熱処理前のシリコンウェーハ表面に自然酸化膜が形成されている場合があるが、自然酸化膜程度の酸化膜であれば上述したようにＮＨ3 等のクリーニング効果や酸化膜の窒化により十分なＶａｃａｎｃｙ注入効果を得ることができる。しかしながら、ＮＨ３ 等の上記窒化ガスによる熱処理前に酸素を含む雰囲気ガス等で熱処理をして自然酸化膜よりも厚い酸化膜がシリコンウェーハ表面に形成されていると、ＮＨ３ 等の表面窒化作用によるＶａｃａｎｃｙ注入効果を十分に得ることができない。これは、表面の酸化膜が厚いため、ＮＨ３ 等の雰囲気ガスで熱処理しても良好なＶａｃａｎｃｙ注入効果が可能な窒化膜（酸窒化膜を含む）がＳｉ表面に形成できないためである。したがって、本実施形態におけるＮＨ３ 等の上記窒化ガスによる熱処理前に、自然酸化膜より厚い酸化膜をシリコンウェーハに積極的に形成したり、当該熱処理前に酸素を含む雰囲気ガス中で熱処理するような処理工程を行うことは好ましくない。また、本実施形態において、ＮＨ３ 等の上記窒化ガスを反応室に供給する前に、雰囲気ガス中に含まれる酸素を除去するパージ処理工程を行うことが好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１ サセプタ
２ 反応室
３ 赤外線ランプ
４ 雰囲気ガスの供給源
１１ ＤＺ層
１２ 高濃度層
１３ 低濃度層
Ｇ 雰囲気ガス
Ｗ、Ｗ２ シリコンウェーハ
【図１】
2009177194.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009177194.tif 000005
【図４】
2009177194.tif 000006