JP2010073782A - 半導体ウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理工程で発生するウェーハ裏面のスリップの低減が図れ、熱処理時の薄膜デバイスへのゲッタリング効果も発生可能な半導体ウェーハの熱処理方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハ１０を支持ピン１２により裏面から水平支持して急熱する。熱処理温度が１１００℃〜１３５０℃の熱処理温度までに達したなら、所定の温度範囲内で熱処理温度を常時変動させる。これにより、ウェーハ１０がウェーハ径方向へ絶えず熱膨張し、ウェーハ裏面上での支持ピン１２の当接位置が常に変化する。その結果、ウェーハ１０のスリップ長を抑制するとともに、ウェーハ１０のデバイス活性層側に酸素析出物密度を増加させ、薄膜デバイスに対して、ゲッタリング効果を有効に発生できる。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体ウェーハの熱処理方法、詳しくは半導体ウェーハの熱処理工程で発生するウェーハ裏面のスリップの低減が図れる半導体ウェーハの熱処理方法に関する。

デバイスプロセスにおける金属汚染をデバイス活性層から除去する従来技術として、イントリンシック・ゲッタリング（ＩＧ）法、エクストリンシック・ゲッタリング（ＥＧ）法が知られている。
イントリンシック・ゲッタリング法の代表例としては、シリコンウェーハ中の酸素原子をウェーハ内に析出させ、酸素析出物の歪みを利用して金属汚染物を捕獲する方法がある。また、エクストリンシック・ゲッタリング法の代表例として、シリコンウェーハの裏面にポリシリコンを成膜させ、ポリシリコンの粒界に金属不純物を捕獲する方法がある。

このうち、イントリンシック・ゲッタリング能力を有したシリコンウェーハの製造方法としては、例えば、非酸化性ガスの雰囲気下で１１００℃以上、１時間程度の熱処理を行う方法が知られている。これにより、シリコンウェーハの表面から１０〜１５μｍの領域に存在するＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）が縮小、減少した無欠陥層（ＤＺ層；Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ Ｌａｙｅｒ）が形成され、その下に酸素析出核が存在するゲッタリング層が形成される。

ところで、半導体デバイスは、近年ますますデバイス自体の薄膜化が進み、これに伴い上述したゲッタリング層がよりデバイス活性層に近い領域に存在するシリコンウェーハが求められている。しかしながら、従来のイントリンシック・ゲッタリング能力を有したシリコンウェーハでは、酸素析出核の存在しないＤＺ層がウェーハ表面から１０μｍ以上も形成されている。そのため、例えば最終的なデバイスの厚さが、近い将来には１５μｍ以下と予想されるＭＣＰ（マルチチップパッケージ）などの薄膜デバイスの場合、ゲッタリング能力の不足が懸念されている。したがって、よりデバイス活性層側に酸素析出物密度を増加させたウェーハが求められている。

その対策として、急熱急冷によるシリコンウェーハの熱処理が注目されている。この熱処理方法は、ランプアニール炉を用い、窒素を含むガス雰囲気下で１１００℃以上に急熱されたシリコンウェーハを、１１００℃以上の一定温度で所定時間保持し、その後、１０℃／秒以上の速度で降温するものである（例えば、特許文献１）。これにより、シリコンウェーハの内部に空孔を凍結し、空孔が酸素と結合することで、後の熱処理により酸素析出物の形成が促進される。
急熱急冷方法では、上述したようにデバイス活性層側に酸素析出物の密度を増大させ、イントリンシック・ゲッタリング能力を更に高めるために、急冷速度をさらに速くすることや、更なる高温化が望まれている。しかしながら、上記方法を適用すればウェーハ裏面にスリップが多発する問題が生じてくる。そのため、ゲッタリング能力を高めるという上記課題を克服できない。このスリップは、ウェーハ熱処理時、シリコンウェーハを裏面側から支持する多数本の支持ピンの先端が、熱膨張するシリコンウェーハの裏面に擦れて誘導されたストレスにより生じる。このようなスリップは、シリコンウェーハに作製された集積回路素子の信頼性および歩留りに影響を与えてしまう。

特開２００７−２９０９６１号公報

ところで、シリコンウェーハを裏面側から多数本の支持ピンにより支持して急熱急冷する熱処理装置において、熱処理後のウェーハ裏面のスリップ発生位置は、各支持ピンの位置に対応していた。すなわち、支持ピンが当接したウェーハ裏面の領域にキズが発生し、特に、高温下で一定時間保持されている場合には、その当接領域には絶えずシリコンウェーハの自重応力が付加されている。そのため、キズから転位が発生し、さらに転位が伸長してスリップとして観察されたものと考えられている。特許文献１には、昇温速度を速くすればスリップ長が短くなる結果が報告されている。これは、昇温速度が速くなる条件ほど、ウェーハ裏面と支持ピンとの当接時間が短くなるためと推察される。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、シリコンウェーハの空孔濃度を増大させるため、１１００℃以上の一定温度で５秒以上保持し、その後、急冷する熱処理でスリップを低減させるには、例えば１１００℃、１０秒間の保持でシリコン表面から注入される空孔濃度と同じ程度となる温度領域（１０００℃〜１２００℃）を設定し、その温度範囲内で熱処理温度を常に変動させればよいことに想到した。これにより、シリコンウェーハが、加熱温度に応じてウェーハ径方向へ絶えず熱膨張または収縮し、ウェーハ裏面のピン当接位置が常時変化する。その結果、ウェーハ裏面の一定位置にシリコンウェーハの自重応力が常時作用することがなくなり、スリップ伸長を抑制可能なことを知見した。
しかも、急冷開始前の温度が、所定の時間で保持される温度より高い場合には、更に高濃度の空孔が表面近傍に凍結される。そこで、この現象を利用すればデバイス活性層側に酸素析出物密度を増加させ、熱処理時の薄膜デバイスに対して、ゲッタリング効果を有効に発生させることができることも知見し、この発明を完成させた。

この発明は、半導体ウェーハの熱処理工程で発生するウェーハ裏面のスリップの低減が図れ、熱処理時の薄膜デバイスに対してゲッタリング効果を有効に発生させることができる半導体ウェーハの熱処理方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、裏面に３本以上の支持ピンを当接させて半導体ウェーハを水平に支持し、この状態のまま該半導体ウェーハを、１１００℃以上の熱処理温度まで急熱してその温度を所定時間保持した後、急冷する半導体ウェーハの熱処理方法において、前記熱処理温度を保持している間は、該熱処理温度より高温側の温度領域を含んでその熱処理温度を常時変動させる半導体ウェーハの熱処理方法である。

請求項１に記載の発明によれば、炉内に挿入した半導体ウェーハを、半導体ウェーハの裏面に３本以上の支持ピンを当接させて水平に支持し、このまま半導体ウェーハを例えば室温〜６００℃程度に設定された炉内に投入する。その後、熱処理条件として保持温度がＴ℃、保持時間がｔ秒とすれば、幾つかの熱処理が選択できる。
(1)半導体ウェーハをＴ℃まで急熱後、Ｔ℃より高い温度（Ｔ１℃）まで加熱させ、Ｔ℃〜Ｔ１℃の温度範囲でｔ秒間変動させる。この場合には、Ｔ℃より高温側で温度変動させるので、半導体ウェーハに高密度の空孔を注入することができる。
(2)また、Ｔ１℃まで加熱した場合には、ｔ秒間より短い時間でｔ秒間の加熱時と同等の空孔密度を得ることができ、生産性が高まる。
(3)まずＴ℃より低いＴ０℃まで急熱し、その後、Ｔ１℃まで加熱させ、Ｔ０℃〜Ｔ１℃で温度を変動させる場合にも、(1)、(2)の場合のように熱平衡空孔濃度や拡散定数などを考慮すれば、ｔ秒間より短時間で熱処理を行うことができる。

これにより、ウェーハ径方向へ絶えず半導体ウェーハが熱膨張または収縮し、ウェーハ裏面上での支持ピンの当接位置が常に変化する。そのため、半導体ウェーハの裏面の一定位置にウェーハ自重応力が長時間作用することがなくなる。その結果、シリコンウェーハの裏面に支持ピンの先端が当接することで誘導されるストレスが緩和される。よって、支持ピンによる支持に伴う半導体ウェーハのスリップの伸長を抑制することができる。

半導体ウェーハとしては、単結晶シリコンウェーハ、その他単結晶構造の材料や多結晶シリコンウェーハなどを採用することができる。
支持ピンとしては、先細りの棒形状の部材を採用することができる。支持ピンの断面形状（長さ方向に直交する断面形状）としては、例えば円形、楕円形、三角形、四角形以上の多角形などを採用することができる。支持ピンのウェーハ裏面との接触面は、湾曲面でも平面でもよい。

熱処理としては、各種の熱処理（例えば、薄膜形成用の熱処理、酸化膜形成用の熱処理、ドーピング用の熱処理、ドナキラー用の熱処理、アニール工程での熱処理、レジスト処理用の熱処理、エッチング用の熱処理など）を採用することができる。
熱処理の種類としては、ウエット熱処理、ドライ熱処理の何れでもよい。また、この熱処理用の炉としては、急熱急冷が可能な例えばランプ式の急速加熱炉（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ）を採用することができる。ランプ式急速加熱炉とは、ハロゲンランプなどのランプ熱源からの熱により急速加熱（市販装置の一般的仕様；１〜１００℃／秒、最高温度１２５０℃）、急速冷却（市販装置の一般的仕様；１〜１００℃／秒）が可能な加熱炉である。その他、ヒータを搭載した熱処理装置でもよい。

熱処理温度（熱処理温度領域）が１１００℃未満では、半導体ウェーハに注入される空孔濃度が低いため、後工程での酸素析出物形成密度が低くなる。従い、好ましくは１１００℃以上であれば、半導体ウェーハの生産性の低下を防止できる。また、１２５０℃を超えれば、空孔注入密度が高くなる利点はあるが、市販装置仕様では適用できない。また高温になり過ぎればウェーハ外周部からのスリップ発生も危惧される。従い、熱処理の好ましい温度は、１１５０℃〜１２５０℃である。この範囲であれば、空孔濃度も十分高濃度であり、市販装置で対応可能というさらに好適な効果が得られる。
本発明での温度変動とは、昇温と降温を１回、あるいは複数回繰り返す場合が含まれる。

請求項２に記載の発明は、熱処理温度の変動速度は、５℃／秒以上である請求項１に記載の半導体ウェーハの熱処理方法である。
５℃／秒未満では、半導体ウェーハの自重応力の影響が発生し始めるので、転位長の伸展が観察されるようになる。

請求項２に記載の発明によれば、１１００℃以上における熱処理温度の変動速度を５℃／秒以上としたので、半導体ウェーハの生産性の低下を防ぐことができる。

請求項３に記載の発明は、裏面に３本以上の支持ピンを当接させて半導体ウェーハを水平に支持し、この状態のまま該半導体ウェーハを、１１００℃以上の熱処理温度まで急熱してその温度を所定時間保持した後、急冷する半導体ウェーハの熱処理方法において、前記熱処理温度の保持時間は、該熱処理温度が一定で、ウェーハ裏面の支持ピンの当接部分に、ウェーハ自重応力に起因するスリップが発生しない時間と、前記熱処理温度より高温側の温度領域を含んでその熱処理温度を常時変動させる時間とからなる半導体ウェーハの熱処理方法である。

請求項３に記載の発明によれば、熱処理温度が一定であっても短時間であればウェーハ裏面の支持ピンの当接部分に、ウェーハ自重応力に起因したスリップは発生しない。そこで、熱処理温度を常時変動させる時間の直前、その変動時間中、その変動時間の直後のうちの少なくとも１つに、前述したウェーハ自重応力によるスリップが生じない短時間での定温熱処理を行う。これにより、請求項１の場合と同じように、支持ピンによる支持に伴う半導体ウェーハのスリップの伸長の抑制効果が得られる。
「処理温度が一定で、ウェーハ裏面の支持ピンの当接部分に、ウェーハ自重応力に起因するスリップが発生しない時間」とは、ウェーハ自重応力に起因したスリップが発生しないほど短い、一定温度による熱処理時間をいう。

請求項１および請求項３に記載の発明によれば、熱処理温度を保持している間、熱処理温度より高温側の温度領域を含んでその熱処理温度を常時変動させるので、ウェーハ径方向へ絶えず半導体ウェーハが熱膨張または収縮し、ウェーハ裏面上での支持ピンの当接位置が常に変化する。これにより、半導体ウェーハの裏面の一定位置にウェーハ自重応力が長時間作用することがなくなり、シリコンウェーハの裏面に支持ピンの先端が当接することで誘導されるストレスが緩和される。その結果、支持ピンによる支持に伴う半導体ウェーハのスリップの伸長を抑制することができる。
なお、この熱処理温度の変動時間の直前、その変動時間中、その変動時間の直後のうちの少なくとも１つに、ウェーハ自重応力によるスリップが生じない時間内での定温熱処理を行った場合でも、同様に支持ピンによる支持に伴う半導体ウェーハのスリップの伸長を抑制することができる。

以下、この発明の実施例を説明する。

この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの熱処理方法を具体的に説明する。
まず、ＣＺ法により育成された直径２００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、比抵抗１０Ω・ｃｍのシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）１０を１０枚準備する。

（比較例１〜４）
図２に示すように、得られたシリコンウェーハ１０の一部を、炉内温度が６００℃のＡＳＴ社製のランプアニール炉１１に水平状態で投入した。ランプアニール炉は、昇温速度が１〜１００℃／秒、降温速度が１〜１００℃／秒のランプ式の急速加熱炉である。この炉内でのシリコンウェーハ１０の支持は、そのウェーハ外周部の裏面に、炉底板上で周方向へ１２０°毎に突設された３本の同一長さの支持ピン（支持部材）１２の先端が当接し、ウェーハの表裏面が水平状態となる単純支持である。

図３のグラフに示すように、次に昇温速度５０℃／秒で１１５０℃までシリコンウェーハ１０を加熱し、その後、１１５０℃を所定時間保持し、シリコンウェーハ１０を熱処理した。１１５０℃で保持される所定時間とは、１．７秒（比較例１）と、３．４秒（比較例２）と、８．５秒（比較例３）との３種である。その後、比較例１〜３のシリコンウェーハ１０を７５℃／秒で７５０℃まで降温し、得られた各サンプルの裏面のスリップＳの長さ（スリップ長）は、Ｗｒｉｇｈｔ Ｅｔｃｈｉｎｇを２分間行い、光学顕微鏡により観察した。その結果を、表１に示す。ウェーハ裏面上でのスリップＳの発生位置は、３本の支持ピンの各当接位置のみであった。また、スリップ長は、保持時間の延長に伴い長くなっていた（図２）。

（試験例１）
図１および図４のグラフに示すように、前記準備されたシリコンウェーハ１０の残りの一部を、１１２５℃まで５０℃／秒で昇温させた。シリコンウェーハ１０の温度が１１２５℃に達した後、昇温速度を５．９℃／秒と低速化し、１１２５℃から１１７５℃まで８．５秒間昇温させた。すなわち、試験例１では、熱処理中、シリコンウェーハ１０の加熱温度が常時変動している。その後、ウェーハ加熱温度を、１１７５℃から７５℃／秒で７５０℃まで降温させた。こうして得られた試験例１のサンプルのスリップ長を測定し、その結果を表１に示す。スリップ長は２５８μｍで、同じ８．５秒間だけ保持した比較例３のサンプルのスリップ長４０９μｍと比較し、大幅に低減していることが判明した。

（試験例２）
前記準備されたシリコンウェーハ１０の残りの一部を、１１５０℃まで５０℃／秒で昇温した。シリコンウェーハ１０の温度が１１５０℃に達した後、昇温速度を１０℃／秒と低速化し、１１８０℃まで３秒間昇温させた。その後、１５℃／秒で１１５０℃まで２秒間降温させた。１１５０℃に達した後、７５０℃まで７５℃／秒で降温させた。得られた試験例２のサンプルのスリップ長を測定し、その結果を表１に示す。スリップ長は１１２μｍで、比較例３と比較してスリップは大幅に低減し、処理時間も短縮できた。

（試験例３）
また、比較例１，２により、熱処理温度を常時変動させなくても、保持時間が３．４秒間以下の場合にはスリップ伸展が発生しないことが判明した。これは、ウェーハ自重応力が負荷されても、キズから生じる転位が移動を開始してスリップとして観察されるには、時間を要するためと推察される。
その確認に、以下の試験を実施した。前記準備されたシリコンウェーハ１０の残りの一部を、１１５０℃まで５０℃／秒で昇温した。シリコンウェーハ１０の温度が１１５０℃に達した後、この温度を３秒間保持し、昇温速度を２５℃／秒とし、１１７５℃まで１秒間昇温させた。そして、１１７５℃に達したら、７５０℃まで７５℃／秒で降温させた。こうして得られた試験例３のサンプルのスリップ長を測定し、その結果を表１に示す。比較例３と比較し、スリップは大幅に低減、かつ処理時間も短縮できた。

以上のことから、試験例１，２のサンプルでは、ウェーハ径方向へ絶えずシリコンウェーハ１０が熱膨張し、ウェーハ裏面上での支持ピン１２の当接位置が常に変化することで、例えば試験例１の場合、図２に示すように、シリコンウェーハ１０の裏面の一定位置にウェーハ自重応力が長時間作用しなくなることが判明した。これにより、シリコンウェーハ１０の裏面に支持ピン１２の先端が当接することで誘導されるストレスが緩和し、図１に示すように、支持ピン１２による支持に伴うシリコンウェーハ１０のスリップＳの伸長が抑制されることがわかった。

その後、比較例３の８．５秒間の保持サンプルと、試験例１〜試験例３のサンプルとに対して、８００℃で４時間熱処理し、さらに１０００℃で１６時間、この温度を保持する熱処理を行った。得られた両サンプルをヘキ開後、Ｗｒｉｇｈｔエッチングを施し、酸素析出物密度を顕微鏡での観察に基づいて測定した。その結果を表１に示す。
表１から明らかなように、両サンプルとも酸素析出物密度は略５×１０^５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上と同じであった。すなわち、この発明を適用することで、従来と同等の酸素析出物密度となった。その結果、実施例１のシリコンウェーハ１０から得られた薄膜デバイスの熱処理時において、この薄膜デバイスに対して、ゲッタリング効果を有効に発生させることができ、しかもウェーハ裏面のピン支持位置でのスリップを低減できることが判明した。
なお、この実施例は一例であり、その組み合せは自由である。

この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの熱処理方法によるウェーハ熱処理状態を示す要部拡大断面図である。 従来手段に係る半導体ウェーハの熱処理方法によるウェーハ熱処理状態を示す要部拡大断面図である。 従来手段に係る半導体ウェーハの熱処理中の温度シーケンスを示すグラフである。 この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの熱処理中の温度シーケンスを示すグラフである。

符号の説明

１０ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）、
１１ ランプアニール炉（ランプ式急速加熱炉）、
１２ 支持ピン（支持部材）。

Claims (3)

1. 裏面に３本以上の支持ピンを当接させて半導体ウェーハを水平に支持し、この状態のまま該半導体ウェーハを、１１００℃以上の熱処理温度まで急熱してその温度を所定時間保持した後、急冷する半導体ウェーハの熱処理方法において、
   前記熱処理温度を保持している間は、該熱処理温度より高温側の温度領域を含んでその熱処理温度を常時変動させる半導体ウェーハの熱処理方法。
2. 前記熱処理温度の変動速度は、５℃／秒以上である請求項１に記載の半導体ウェーハの熱処理方法。
3. 裏面に３本以上の支持ピンを当接させて半導体ウェーハを水平に支持し、この状態のまま該半導体ウェーハを、１１００℃以上の熱処理温度まで急熱してその温度を所定時間保持した後、急冷する半導体ウェーハの熱処理方法において、
   前記熱処理温度の保持時間は、
   該熱処理温度が一定で、ウェーハ裏面の支持ピンの当接部分に、ウェーハ自重応力に起因するスリップが発生しない時間と、
   前記熱処理温度より高温側の温度領域を含んでその熱処理温度を常時変動させる時間とからなる半導体ウェーハの熱処理方法。

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