JP2005123241A - シリコンウエーハの製造方法及びシリコンウエーハ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウエーハを製造する際に、ウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができ、酸化膜耐圧特性を改善したウエーハを高い生産性で製造できるシリコンウエーハの製造方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成し、該育成した単結晶棒をスライスしてシリコンウエーハを作製した後、該シリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行うシリコンウエーハの製造方法において、前記急速加熱・急速冷却熱処理を行う前に、シリコンウエーハにＨＦ処理によりウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を除去する内壁酸化膜除去工程を行い、その後、該シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行ってウエーハ表層部のボイド型欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエーハ表層部のボイド型欠陥を効率的に消滅させたシリコンウエーハを製造する製造方法に関する。

シリコンウエーハの酸化膜耐圧等の電気特性を改善するためには、デバイスが作製されるウエーハ表層部を無欠陥層とする必要がある。通常、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と略すことがある）により製造されたシリコンウエーハの表層部には結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれるボイド型欠陥（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ（グローンイン）欠陥とも呼ばれる）が存在する。このボイド型欠陥は、結晶内部に存在する場合には正八面体構造を形成しており、またウエーハの状態に加工した後に表面に露出した場合には、四角錐形の凹状のピットとして観察される。

このようなボイド型欠陥がシリコンウエーハの表層部に存在していると、酸化膜耐圧特性を劣化させるため、半導体デバイス等における電気的特性を低下させる原因の一つとなっている。従って、近年の高度に集積されたデバイスでは、デバイス活性領域にボイド型欠陥の存在しないウエーハが求められてきており、ウエーハ上にエピタキシャル成長を行ったエピタキシャルウエーハや単結晶育成の際に結晶成長速度を低速化して製造したウエーハ等が用いられている。しかし、このようなエピタキシャルウエーハや結晶成長速度を低速化したウエーハ等は、生産性が低くコストが極めて高いという問題がある。

そこで、シリコンウエーハの酸化膜耐圧特性を改善するともに生産性の問題を解消するために、例えば特許文献１では、急速加熱・急速冷却装置（以下、ＲＴＡ装置（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｅｒ）ということがある）を用いてシリコンウエーハを水素とアルゴンの混合ガスの還元性雰囲気下で熱処理する熱処理方法が開示されている。

通常、ＣＺ法を用いてシリコンウエーハを製造すると、例えば図３（ａ）に示したように、シリコンウエーハ１１の表面や内部にはグローンイン欠陥１２が存在しており、このグローンイン欠陥１２の内面には内壁酸化膜１３が形成されている。そして、上記特許文献１のような水素を含む還元性のある雰囲気下でウエーハにＲＴＡ処理を実施することにより、ウエーハ表面に露出したグローンイン欠陥１２の内壁酸化膜１３を除去することができる。

またそれと同時に、このようなＲＴＡ処理においてウエーハを高温に加熱した際に、ウエーハ内部にＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉ及びＶａｃａｎｃｙの両方の点欠陥が高濃度に発生する。そして、その後ウエーハを急冷することにより、これらの点欠陥が過剰となり、シンク（Ｓｉｎｋ）であるウエーハ表面に外方拡散していく。この時、拡散係数が高いＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉが外方拡散していく過程で、例えば図３（ｂ）に示したように、ウエーハ表面に露出している内壁酸化膜が除去されたグローンイン欠陥１２にＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉ１４が捕獲され、グローンイン欠陥が埋められる。そのため、ウエーハ表面に存在するボイド型欠陥を低減することができる。

しかしながら、このような熱処理方法では、ウエーハ表面に露出したグローンイン欠陥を消滅させることはできるものの、表面には露出してないウエーハ表層部に存在するグローンイン欠陥や、また膜厚の厚い内壁酸化膜が形成されているグローンイン欠陥を消滅させることはできず、グローンイン欠陥がデバイス活性領域に残留したままとなる。通常、シリコンウエーハに酸化膜を形成する際に、基板であるシリコンウエーハを酸化しながら酸化膜を形成するので、酸化膜の厚さの４０〜５０％程度はウエーハ表層部から取り込まれる。したがって、上記のような還元性雰囲気下でウエーハにＲＴＡ処理をしても、ウエーハ表面に露出した欠陥を消滅させただけでは、ウエーハ表層部のグローンイン欠陥まで取り込まれる酸化膜の耐圧特性を改善することは難しく、近年の要望に応えるような充分な効果を得ることはできないという問題があった。

また、特許文献２では、シリコンウエーハ表面上の自然酸化膜を除去した後に、急速加熱・急速冷却装置を用いてシリコンウエーハを水素を含有する還元性雰囲気下、９５０〜１１５０℃で１〜３００秒間熱処理するシリコンウエーハの熱処理方法が開示されている。しかしながら、この特許文献２の熱処理方法は、ウエーハ表面のマイクロラフネスを低減させ、それによって酸化膜耐圧等の電気特性を改善させているものの、デバイス活性領域に存在するボイド型欠陥については考慮されてなく、グローンイン欠陥を除去できないので膜耐圧特性の改善に関して上記特許文献１と同様に近年の要望に応えるような充分な効果を得ることは難しかった。

さらに、特許文献３では、ウエーハ表層部のデバイス活性領域におけるグローンイン欠陥を完全に消滅する方法として、水素及び／または不活性ガス雰囲気下の熱処理で、表面近傍の酸素を外方拡散させて、酸素の未飽和領域を形成して表面近傍の八面体ボイドの内壁酸化膜を除去した後、酸素または酸素と不活性ガスの混合ガス雰囲気での酸化熱処理を行い強制的に格子間シリコン原子を注入し、表面近傍の八面体ボイドを完全に消滅させる方法が提案されている。

この特許文献３の方法によれば、ウエーハ表面から１０μｍ程度の深さのグローンイン欠陥を完全に消滅させることができるとしている。しかし、このような方法は、上記特許文献１等のＲＴＡ処理を用いた方法に比べると熱処理時間が長時間であるため、ＲＴＡ処理が本来有している生産性の向上、水素ガス等の少量化等といった利点が得られず、ＲＴＡ処理に比べて生産性が低く、コストへの負担が大きいという問題がある。

特開平１１−１３５５１４号公報 特開２０００−９１３４２号公報 特開平１１−２６０６７７号公報

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶棒からシリコンウエーハを製造する際に、ウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができ、酸化膜耐圧特性を改善したウエーハを高い生産性で製造することのできるシリコンウエーハの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成し、該育成した単結晶棒をスライスしてシリコンウエーハを作製した後、該シリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行うシリコンウエーハの製造方法において、前記急速加熱・急速冷却熱処理を行う前に、シリコンウエーハにＨＦ処理によりウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を除去する内壁酸化膜除去工程を行い、その後、該シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行ってウエーハ表層部のボイド型欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法が提供される（請求項１）。

このように、ＣＺ法により育成した単結晶棒からスライスしたシリコンウエーハに、ＨＦ処理による内壁酸化膜除去工程を行うことによって、ウエーハ表面に露出しているボイド型欠陥の内壁酸化膜だけでなく、ウエーハ表面に殆ど露出してないウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜や膜厚の厚い内壁酸化膜も極めて容易に溶解・除去することが可能となり、そしてその後、シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の高温の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによって、Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉの外方拡散によりウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を埋めることができる。したがって、ウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができ、酸化膜耐圧特性が非常に優れている高品質のシリコンウエーハを簡便に製造することができる。また、このようにシリコンウエーハの製造を行えば、例えば内壁酸化膜除去工程を行う際に大掛りな設備を必要としないため、コストアップの要因とはならず、急速加熱・急速冷却熱処理が本来有する生産性の向上や水素ガス等の少量化等の利点を十分に生かして、高品質のシリコンウエーハを高い生産性で製造することができる。尚、本発明でいうウエーハ表層部は、ウエーハの表面のみならず、ウエーハ表面から極浅いデバイスが作製される領域を含むものであり、いわゆるデバイス活性領域となるウエーハ表面近傍の領域を含むものである。

このとき、前記急速加熱・急速冷却熱処理の熱処理温度を、１２００℃以上１３５０℃以下とすることが好ましい（請求項２）。
このように、シリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行う際に、１２００℃以上１３５０℃以下の熱処理温度でウエーハに熱処理することによって、Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉの外方拡散を非常に効果的に行ってウエーハ表層部のボイド型欠陥を短時間で効果的に消滅させることができるとともに、シリコンウエーハの変形や金属汚染等を確実に防止することができる。

この場合、前記急速加熱・急速冷却熱処理を、水素の割合が１０〜８０容量％となる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で１〜６０秒間行うことが好ましい（請求項３）。
このように急速加熱・急速冷却熱処理を、水素の割合が１０〜８０容量％となる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で１〜６０秒間行うことにより、ウエーハにスリップ転位等を発生させずに、ウエーハ表層部のボイド型欠陥を十分に消滅させることができる。

また、前記内壁酸化膜除去工程において、ＨＦ処理を０．５〜５０％の濃度のフッ酸を用いて行うことが好ましい（請求項４）。
通常、一般的に使用されている高純度のフッ酸の濃度は５０％であるから、これを原液のままで使用したり、または水（Ｈ_２Ｏ）等で希釈することによって得られたフッ酸を質量％で０．５〜５０％にした水溶液を用い、これにシリコンウエーハを浸漬してＨＦ処理を行うことによって、ウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を短時間で容易にかつ確実に溶解・除去することができる。

さらに、本発明のシリコンウエーハの製造方法では、前記チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、ボイド型欠陥の発生するＶ−ｒｉｃｈ領域を含む領域内で単結晶棒の育成を行うことが好ましい（請求項５）。

本発明では、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、結晶引上げ速度を比較的高速に設定してボイド型欠陥の発生するＶ−ｒｉｃｈ領域を含む領域内で単結晶棒の育成を行うことにより、単結晶棒の生産性を向上させることができる。そして、この単結晶棒から得られたボイド型欠陥が存在するウエーハに、上記のように内壁酸化膜除去工程及び急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによって、デバイス活性領域であるウエーハ表層部のボイド型欠陥を消滅させることができる。したがって、シリコンウエーハの製造における生産性を著しく改善することができ、酸化膜耐圧特性が非常に優れている高品質のシリコンウエーハを低コストで製造することが可能となる。

そして、本発明によれば、上記のシリコンウエーハの製造方法によって製造されたシリコンウエーハを提供することができる（請求項６）。
本発明により製造されたシリコンウエーハは、ウエーハ表層部にボイド型欠陥がなく、酸化膜耐圧特性に優れたシリコンウエーハとすることができ、ＴＺＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｚｅｒｏ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ：酸化膜耐圧）評価等で良品率が７０％以上、さらには１００％を示すような優れた品質を示すウエーハとなる。さらに、本発明のシリコンウエーハは、高生産性で製造されたものであるので、コスト的にも非常に優れている安価なシリコンウエーハとなる。

以上のように、本発明によれば、シリコンウエーハに先ずＨＦ処理による内壁酸化膜除去工程を行うことによって、ウエーハ表面に露出しているボイド型欠陥の内壁酸化膜だけでなく、ウエーハ表面に殆ど露出してないウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜や膜厚の厚い内壁酸化膜も極めて容易に溶解・除去することができ、その後シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによってウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができるため、酸化膜耐圧特性が非常に優れている高品質のシリコンウエーハを簡便に製造することができる。また、このようにシリコンウエーハの製造を行えば、例えば内壁酸化膜除去工程を行う際に大掛りな設備を必要としないため、コストアップの要因とはならず、急速加熱・急速冷却熱処理が本来有する生産性の向上や水素ガス等の少量化等の利点を十分に生かして、高品質のシリコンウエーハを高い生産性で製造することができる。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者は、酸化膜耐圧の非常に優れたシリコンウエーハを高い生産性で得るために、ウエーハ表面に露出しているボイド型欠陥だけでなく、ウエーハ表層部に存在し、ウエーハ表面に殆ど露出してないボイド型欠陥も効率的に消滅させることのできるシリコンウエーハの製造方法について鋭意実験及び検討を重ねた。その結果、ＣＺ法により育成した単結晶棒からシリコンウエーハを作製した後、急速加熱・急速冷却熱処理（ＲＴＡ処理）を行うシリコンウエーハの製造方法において、ＲＴＡ処理を行う前にシリコンウエーハにＨＦ処理による内壁酸化膜除去工程を行うことによってウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を除去でき、そしてその後、還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の高温の熱処理温度でＲＴＡ処理を行うことによってウエーハ表層部のボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができるため、酸化膜耐圧特性が非常に優れているシリコンウエーハを高い生産性で製造することが可能となることを見出して、本発明を完成させた。

以下に、本発明のシリコンウエーハの製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明のシリコンウエーハの製造方法の一例を示すフロー図であり、図２は、シリコンウエーハに存在するボイド型欠陥の消滅を模式的に説明する概略説明図である。尚、図２はボイド型欠陥の消滅を解り易く記載したものであって、その寸法や形状等は実際のものとは異なるものであり、本発明はこれに何ら限定されるものではない。

先ず、従来一般的に用いられている単結晶育成装置でＣＺ法により円筒状のシリコン単結晶棒を例えばボイド型欠陥の発生するＶ−ｒｉｃｈ領域を含む領域内で育成し、この育成したシリコン単結晶棒をワイヤーソーあるいは内周刃スライサー等の切断装置で薄板状にスライスしてシリコンウエーハを作製する（図１の（Ａ））。本発明において、シリコンウエーハを作製する方法は特に限定されるものではなく、従来用いられている方法で製造することができる。このようにしてシリコンウエーハを作製することによって、例えば図２（ａ）に示すように、ウエーハ表面や内部に内壁酸化膜１３が形成されたボイド型欠陥１２を有するシリコンウエーハ１１を得ることができる。尚、本発明では、単結晶棒からシリコンウエーハをスライスした後、従来行われているような面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の各工程を順次施すことができる。

次に、このようにして作製したシリコンウエーハにＨＦ処理による内壁酸化膜除去工程を行う（図１の（Ｂ））。
この内壁酸化膜除去工程では、ＨＦ処理によりウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜（ＳｉＯ_２）を溶解・除去できれば良く、ＨＦ処理を行う方法は特に限定されるものではないが、例えばシリコンウエーハをフッ酸に浸漬したり、または水素雰囲気に１％程度のＨＦガスが含まれる気相中でシリコンウエーハを１秒〜１０分間程度処理すること等によってシリコンウエーハにＨＦ処理を行うことができる。

特に、シリコンウエーハをフッ酸に浸漬してＨＦ処理を行う場合、高純度のフッ酸（濃度５０％）を原液のままで使用したり、またはそれを水（Ｈ_２Ｏ）等で希釈して得られるようなフッ化水素を０．５〜５０％の濃度で含む水溶液を用いて、これにシリコンウエーハを１秒〜１０分間程度浸漬することによりＨＦ処理を容易にかつ短時間で行うことができる。

このようにしてシリコンウエーハにＨＦ処理を行うことによって、図２（ｂ）に示したように、シリコンウエーハ１１の表面に露出したボイド型欠陥１２ａやウエーハ表面に殆ど露出してないウエーハ表層部のボイド型欠陥１２ｂに形成されている内壁酸化膜１３を容易にかつ確実に溶解・除去することができる。また、このようにして内壁酸化膜除去工程を行えば、内壁酸化膜除去工程前にシリコンウエーハが有しているウエーハの平坦度やマイクロラフネス等に悪影響を及ぼすことは殆どない。

そして、このようにシリコンウエーハに内壁酸化膜除去工程を行った後、得られたシリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行う（図１の（Ｃ））。

ここで、本発明で用いたシリコンウエーハを還元性雰囲気下で急速加熱・急速冷却熱処理できる熱処理装置（ＲＴＡ装置）の一例を図４に示す。
図４のＲＴＡ装置１０は、例えば炭化珪素あるいは石英からなるベルジャ１を有し、このベルジャ１内でシリコンウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、ベルジャ１を囲繞するように配置される加熱ヒータ２，２’によって行う。この加熱ヒータは上下方向で分割されており、それぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。加熱ヒータ２，２’の外側には、熱を遮蔽するためのハウジング３が配置されている。もちろん、ＲＴＡ装置および加熱方式は、これに限定されるものではなく、いわゆる輻射加熱、高周波加熱方式としてもよい。

炉の下方には、水冷チャンバ４とベースプレート５が配置され、ベルジャ１内と、外気とを封鎖している。そしてシリコンウエーハ８はステージ７上に保持されるようになっており、ステージ７はモータ９によって上下動自在な支持軸６の上端に取りつけられている。水冷チャンバ４には横方向からウエーハを炉内に出し入れできるように、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。
また、ベースプレート５には、ガス流入口と排気口が設けられており、炉内ガス雰囲気を調整できるようになっている。

以上のようなＲＴＡ装置１０によって、内壁酸化膜除去工程が施されたシリコンウエーハに、還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理が、例えば図５に示したようなダイヤグラムに従って行われる。
まず、熱処理は、加熱ヒータ２，２’によってベルジャ１内を、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の所望温度に加熱し、その温度で一定に保持する。分割された加熱ヒータはそれぞれ独立して供給電力を制御すれば、ベルジャ１内に高さ方向に沿って温度分布をつけることができる。従って、ウエーハの熱処理温度は、ステージ７の位置、すなわち支持軸６の炉内への挿入量によって決定することができる。

ベルジャ１内が所望温度で維持されたなら、ＲＴＡ装置１０に隣接して配置される、不図示のウエーハハンドリング装置によってウエーハを水冷チャンバ４の挿入口から入れ、最下端位置で待機させたステージ７上に例えばＳｉＣボードを介してシリコンウエーハ８を載せる。この時、水冷チャンバ４およびベースプレート５は水冷されているので、シリコンウエーハはこの位置では高温化しない（およそ７５０℃程度）。

そして、シリコンウエーハ８のステージ７上への載置が完了したなら、すぐにモータ９によって支持軸６を炉内に挿入することによって、ステージ７を１１５０℃より高くシリコンの融点未満の所望温度位置、特に１２００℃以上１３５０℃以下の所望温度位置まで上昇させ、ステージ７上のシリコンウエーハ８に熱処理を加える。この場合、水冷チャンバ４内のステージ下端位置から、所望温度位置までの移動には、例えば２０秒程度しかかからないので、ウエーハは急速に加熱されることになる。

そして、ステージ７を所望温度位置で、所定時間（１〜６０秒）停止させることによって、ウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の高温の熱処理温度で熱処理を加えることができる。所定時間が経過し所望の熱処理温度での熱処理が終了したなら、すぐにモータ９によって支持軸６を炉内から引き抜くことによってステージ７を下降させ、水冷チャンバ４内の下端位置とする。この下降動作も、例えば２０秒程度で行うことができる。ステージ７上のシリコンウエーハ８は、水冷チャンバ４およびベースプレート５が水冷されているので、急速に冷却される。最後に、ウエーハハンドリング装置によって、シリコンウエーハを取り出すことによって、急速加熱・急速冷却熱処理を完了する。

さらに熱処理するシリコンウエーハがある場合には、ＲＴＡ装置１０の温度を降温させていないので、次々にシリコンウエーハを投入し連続的に急速加熱・急速冷却熱処理を行うことができる。

以上、急速加熱・急速冷却熱処理の一例として、ＲＴＡ装置１０による熱処理を説明したが、本発明でいう急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）を使用する急速加熱・急速冷却する熱処理とは、上記所望の温度範囲に設定された熱処理炉中にウエーハを直ちに投入し、上記熱処理時間の経過後、直ちに取り出す方法の他、ウエーハを熱処理炉内の設定位置に配置した後、ランプ加熱器等で直ちに加熱処理する方法であってもよい。尚、上記の直ちに投入し、取り出すというのは、従来より行われている一定時間での昇温、降温操作や熱処理炉内にウエーハを、ゆっくり投入し、取り出すいわゆるローディング、アンローディング操作を行わないということである。ただし、炉内の所定位置まで運ぶには、ある程度の時間を有するのは当然であり、ウエーハを投入するための移動装置の能力に従い、数秒から数分間で行われるというものである。

このようにして内壁酸化膜除去工程が行われたシリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによって、例えば図２（ｃ）に示したように、シリコンウエーハを高温の熱処理温度で保持した際に、ボイド型欠陥の内壁酸化膜を除去した状態を保持しながら、Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ＳｉとＶａｃａｎｃｙの両方の点欠陥が高濃度に発生し、その後ウエーハを急冷することにより、これらの点欠陥が過剰となり、シンクであるウエーハ表面に外方拡散していく。この時、拡散係数が高いＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉ１４が外方拡散していく過程で、ウエーハ表層部の内壁酸化膜が除去されたボイド型欠陥１２ａ及び１２ｂに捕獲され、ボイド型欠陥がＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉで埋められる。その結果、ウエーハ表層部に存在しているボイド型欠陥１２ａ、１２ｂを効率良く、また効果的に消滅させることができる。

ここで、急速加熱・急速冷却熱処理の熱処理温度と、熱処理を行った後のウエーハにＴＺＤＢ評価を行ったときの良品率との関係を調べるために、以下のような実験を行った。
（実験）
先ず、チョクラルスキー法により製造されたＶ−ｒｉｃｈ領域を含むシリコン単結晶棒をワイヤソーでスライスした後、面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨の工程を順次施して、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコンウエーハを作製した。次に、このように作製したシリコンウエーハを２％の濃度のフッ酸に３分間浸漬することにより内壁酸化膜除去工程を行い、その後、図４に示すようなＲＴＡ装置１０を用い、水素の割合が５０容量％となる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中でシリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行った。熱処理の温度条件は１０００〜１３５０℃の範囲で行ない、熱処理時間は１〜３０秒の範囲で実施した。

尚、これらのシリコンウエーハは、急速加熱・急速冷却熱処理を加える前に予めウエーハ表面のＣＯＰ密度を測定し、その表面に約３８０個／ウエーハのＣＯＰが存在していることを確認した。ＣＯＰの測定は、一般に行なわれている方法である、パーティクルカウンター（ＬＳ−６０００ 日立電子エンジニアリング社製商品名）の７００Ｖレンジで、０．１２〜０．２０μｍまでの値を測定した。

そして、シリコンウエーハに各熱処理条件で急速加熱・急速冷却熱処理を行った後、得られたシリコンウエーハに乾燥雰囲気中で熱酸化処理を行って２５ｎｍのゲート酸化膜を形成し、その上に８ｍｍ^２の電極面積を有するリンをドープしたポリシリコン電極を形成した。そして、この酸化膜上に形成したポリシリコン電極に電圧を印加し、判定電圧を８ＭＶ／ｃｍとしてＴＺＤＢ評価を行った。このＴＺＤＢ評価によって得られたシリコンウエーハの良品率と熱処理温度との関係を図６に示す。

図６に示したように、１１５０℃より低い温度で熱処理を行った場合、ＴＺＤＢ評価でおよそ６０％またはそれ以下の良品率しか達成できないが、１１５０℃より高い温度で熱処理を行うことによって、ＴＺＤＢ評価で良品率が７０％以上となる品質の優れたシリコンウエーハを製造することが可能となり、特に熱処理温度が１２００℃以上になるとほぼ１００％の良品率を達成できることが確認できる。また本発明において、熱処理温度の上限は、シリコンの融点未満の温度とすれば良いが、熱処理温度が高過ぎると熱処理中にシリコンウエーハが変形したり、また金属汚染が生じる恐れがあるので、熱処理温度は１３５０℃以下とすることが好ましい。

また、熱処理時間については、１秒以上、特には１秒を越えて長く熱処理を行うほど、良品率が高くなりウエーハの酸化膜耐圧特性を著しく向上させることができる。しかしながら、熱処理時間としては３０秒も行なえば十分であり、安全を見込んで６０秒程度行なってもよいが、それ以上長く熱処理を施しても得られる効果は少なく、またコストへの負担も大きくなる。従って、ウエーハの熱処理時間は１〜６０秒とすることが好ましい。

さらに、本発明において、急速加熱・急速冷却熱処理を行う際の還元性の熱処理雰囲気としては、水素の割合が１０〜８０容量％ととなる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気とすることが好ましい。還元性雰囲気の水素の割合を１０容量％以上とすることにより、急速加熱・急速冷却熱処理におけるボイド型欠陥の消滅を著しく促進することができ、水素濃度が高くなるに従ってウエーハ表層部のボイド型欠陥をより効率的かつ効果的に消滅させることができる。一方、還元性雰囲気中の水素の割合が８０容量％を超えると、熱処理中にシリコンウエーハにスリップ転位が発生し易くなってウエーハに割れが生じる恐れがある。

以上のように、本発明のシリコンウエーハの製造方法によれば、シリコンウエーハに内壁酸化膜除去工程を行うことによって、ウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を極めて容易に溶解・除去することができ、その後シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の高温の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによってウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥を効率的にかつ効果的に消滅させることができるため、酸化膜耐圧特性が非常に優れている高品質のシリコンウエーハを簡便に製造することができる。

また、上記のようにしてシリコンウエーハの製造を行えば、例えば内壁酸化膜除去工程を行う際に大掛りな設備を必要としないため、コストアップの要因とはならず、急速加熱・急速冷却熱処理が本来有する生産性の向上や水素ガス等の少量化等の利点を十分に生かして、高品質のシリコンウエーハを高い生産性で製造することができる。

特に、本発明では、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、上記のようにボイド型欠陥の発生するＶ−ｒｉｃｈ領域を含む領域内で単結晶棒を成長させるような比較的高速の単結晶引上げ速度で単結晶棒の育成を行っても、長時間の水素アニールを施すことなく、デバイス活性領域であるウエーハ表層部のボイド型欠陥を消滅させてシリコンウエーハを製造することができる。したがって、シリコンウエーハの製造における生産性を著しく向上させることができ、酸化膜耐圧特性が非常に優れている高品質のシリコンウエーハを高い歩留まりと高生産性で製造することができる。

そして、このように本発明のシリコンウエーハの製造方法によって製造されたシリコンウエーハであれば、酸化膜耐圧特性に優れているため、例えばＴＺＤＢ評価やＴＤＤＢ評価等で良品率が７０％以上、さらには１００％を示すような優れた品質を有するものとなるとともに、コスト的にも非常に優れている安価なシリコンウエーハとすることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例及び比較例１、２）
先ず、シリコンウエーハを作製するために、ＭＣＺ法により直径２００ｍｍ、Ｐ型、結晶方位＜１００＞の単結晶棒を結晶径方向全域がＶ−ｒｉｃｈ領域となるように約１ｍｍ／ｍｉｎの高速の単結晶引上げ速度で引上げた後、得られたシリコン単結晶棒をワイヤソーで薄板状にスライスしてシリコンウエーハを作製し、その後このシリコンウエーハに面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨の工程を順次施して評価用のシリコンウエーハを複数枚準備した。これらの評価用シリコンウエーハについて、パーティクルカウンターを用いてウエーハ表面のＣＯＰを測定したところ、全てのシリコンウエーハの表面に高密度のＣＯＰが観察された。

次に、これらの評価用シリコンウエーハを、先ず５％の濃度のフッ酸に３分間浸漬することにより内壁酸化膜除去工程を行い、その後図４に示すようなＲＴＡ装置１０を用い、水素ガスが３０容量％、Ａｒガスが７０容量％となる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中、１２２０℃で１０秒間の急速加熱・急速冷却熱処理を行うことによって、シリコンウエーハを製造した（実施例）。

また比較例として、上記実施例と同じ条件でシリコン単結晶棒を育成した後、得られたシリコン単結晶棒から上記と同様にして評価用のシリコンウエーハを準備した。これらの評価用シリコンウエーハについて、ウエーハ表面のＣＯＰを測定したところ、全てのシリコンウエーハの表面に高密度のＣＯＰが観察された。

次に、これらの評価用シリコンウエーハに、アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液によるＳＣ−１洗浄、及び塩酸と過酸化水素水を含む水溶液によるＳＣ−２洗浄を施した後、上記実施例と同様の条件でＲＴＡ処理を行って、シリコンウエーハを製造した（比較例１）。

そして、上記で製造した実施例及び比較例１のシリコンウエーハについて、パーティクルカウンターを用いてウエーハ表面のＣＯＰを測定し、上記でＲＴＡ処理を行う前に予め測定しておいたＣＯＰの個数に対する、ＲＴＡ処理後のＣＯＰ個数との比率を残存率として求めてウエーハの評価を行った。その結果、実施例及び比較例１のシリコンウエーハにおけるＣＯＰの残存率は、両ウエーハ共に０．８％程度であり、ウエーハ表面に露出していたＣＯＰがほとんど消滅していることがわかった。

次に、ウエーハ表面に露出しているＣＯＰだけでなく、表面に殆ど露出してないウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥について評価するため、上記実施例及び比較例１で製造したシリコンウエーハのそれぞれに１００ｎｍの酸化膜を形成した後、ＣＯＰの測定を行った。

通常、ウエーハ表面に酸化膜を形成すると、酸化膜の厚さの４０〜５０％程度はウエーハ表層部から取り込まれるので、上記のようにシリコンウエーハに１００ｎｍの酸化膜を形成することにより、表面から４０〜５０ｎｍまでの深さに存在していたボイド型欠陥が酸化膜中に取り込まれたことになる。

そして、各シリコンウエーハについて、ＲＴＡ処理を施していないウエーハに１００ｎｍの酸化膜を形成したときの、酸化膜中のＣＯＰの個数をパーティクルカウンターで測定し、上記と同様にＣＯＰの残存率を求めた。その評価結果を、前記の酸化膜を形成せずにウエーハ表面のＣＯＰの残存率を求めたときの結果と共に図７に示す。

図７に示したように、実施例のシリコンウエーハにおけるＣＯＰの残存率はおよそ１．４％であるのに対し、比較例１のシリコンウエーハにおけるＣＯＰの残存率はおよそ７．１％であった。以上の結果から、実施例のウエーハではウエーハ表層部（ウエーハ表面から５０ｎｍ程度までの深さ）のＣＯＰを減少させることができたが、比較例１ではウエーハ表面のＣＯＰを消滅させることはできるものの、ウエーハ表面から５０ｎｍ程度までの深さに存在するＣＯＰについては、消滅させることができずに残存しているものが多いことが分かった。

続いて、デバイスを作製したときにその動作領域であるウエーハ表面から０．５μｍ程度の深さのＣＯＰの消滅状況を確認するため、上記で製造した実施例及び比較例１のシリコンウエーハに約１μｍの厚さの酸化膜を作製し、酸化膜中のＣＯＰの個数をパーティクルカウンターで測定し、上記と同様にＣＯＰの残存率を求めた。その評価結果を図９に示す。図９に示したように、実施例のシリコンウエーハにおけるＣＯＰの残存率は１５％であったのに対し、比較例１のシリコンウエーハにおけるＣＯＰの残存率は７３％であった。以上の結果から、実施例のウエーハではデバイス活性領域においても大幅にＣＯＰを削減できることが分かった。

さらに、上記実施例及び比較例１で製造したシリコンウエーハと、また比較のために前記で作製したＲＴＡ処理をしていない評価用シリコンウエーハ（比較例２）について、乾燥雰囲気中で熱酸化処理を行って２５ｎｍの通常のデバイスに使われるよりも厚めのゲート酸化膜を形成し、その上に８ｍｍ^２の電極面積を有するリンをドープしたポリシリコン電極を形成し、その後各シリコンウエーハのポリシリコン電極に電圧を印加して、８ＭＶ／ｃｍ以上を良品としてＴＺＤＢの評価を行った。その評価結果を図８に示す。図８に示したように、実施例では、結晶方向全域がＶ−ｒｉｃｈ領域であるウエーハであるにも拘らずほぼ１００％の良品率を達成できたが、比較例１及び比較例２の良品率は６０％未満となることがわかり、本発明によってシリコンウエーハの酸化膜耐圧特性を著しく改善できることが確認された。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、上記説明では急速加熱・急速冷却熱処理を行う際に図４に示したようなＲＴＡ装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリコンウェーハを急速加熱・急速冷却することができる熱処理装置で、１１５０℃より高く、特に１２００℃以上に加熱することができるものであれば、原則としてどのような装置であっても用いることができる。また、本発明はシリコンウエーハの直径に関わらず、例えば直径２００ｍｍのみならず３００ｍｍやその他の口径のシリコンウエーハを製造する場合にも適用できるものである。

本発明のシリコンウエーハの製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明によるシリコンウエーハの表層部に存在するボイド型欠陥の消滅を模式的に説明する概略説明図である。 従来の熱処理によるシリコンウエーハ表面に露出しているボイド型欠陥の消滅を概略的に説明する概略説明図である。 本発明の急速加熱・急速冷却熱処理で使用することのできる急速加熱・急速冷却装置の一例を示す構成概略図である。 本発明における急速加熱・急速冷却装置を用いた熱処理過程の一例を示した図である。 ＴＺＤＢ評価によって得られたシリコンウエーハの良品率と熱処理温度との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例１のシリコンウエーハについて、ウエーハ表面及び１００ｎｍの厚さの酸化膜を形成したときの酸化膜中のＣＯＰの残存率を求めた結果を示すグラフである。 実施例、比較例１、及び比較例２のシリコンウエーハについてＴＺＤＢの評価を行った結果を示すグラフである。 実施例及び比較例１のシリコンウエーハについて１μｍの厚さの酸化膜を形成し、酸化膜中のＣＯＰの残存率を求めた結果を示すグラフである。

符号の説明

１…ベルジャ、 ２，２’…加熱ヒータ、 ３…ハウジング、
４…水冷チャンバ、 ５…ベースプレート、 ６…支持軸、
７…ステージ、 ８…シリコンウエーハ、 ９…モータ、
１０…熱処理装置（ＲＴＡ装置）、 １１…シリコンウエーハ、
１２，１２ａ，１２ｂ…ボイド型欠陥（グローンイン欠陥）、
１３…内壁酸化膜、 １４…Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉ。

Claims (6)

1. チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成し、該育成した単結晶棒をスライスしてシリコンウエーハを作製した後、該シリコンウエーハに急速加熱・急速冷却熱処理を行うシリコンウエーハの製造方法において、前記急速加熱・急速冷却熱処理を行う前に、シリコンウエーハにＨＦ処理によりウエーハ表層部に存在するボイド型欠陥の内壁酸化膜を除去する内壁酸化膜除去工程を行い、その後、該シリコンウエーハに還元性雰囲気下、１１５０℃より高くシリコンの融点未満の熱処理温度で急速加熱・急速冷却熱処理を行ってウエーハ表層部のボイド型欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
2. 前記急速加熱・急速冷却熱処理の熱処理温度を、１２００℃以上１３５０℃以下とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウエーハの製造方法。
3. 前記急速加熱・急速冷却熱処理を、水素の割合が１０〜８０容量％となる水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で１〜６０秒間行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコンウエーハの製造方法。
4. 前記内壁酸化膜除去工程において、ＨＦ処理を０．５〜５０％の濃度のフッ酸を用いて行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のシリコンウエーハの製造方法。
5. 前記チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、ボイド型欠陥の発生するＶ−ｒｉｃｈ領域を含む領域内で単結晶棒の育成を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のシリコンウエーハの製造方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の方法によって製造されたことを特徴とするシリコンウエーハ。

Images