JP2006040980A - シリコンウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶欠陥の極めて少ないＤＺ層を備えつつ、強度特性に優れたシリコンウェーハおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ＩＧを経たウェーハ素材３３のＢＭＤ層３４に酸素析出核を高密度に形成する酸素析出核形成処理（酸素析出核形成工程）を行う。酸素析出核形成工程ではＩＧ後のウェーハ素材（シリコンウェーハ）３３に対して、急速昇降温熱処理を行う。このような急速昇降温熱処理を行うと、ＢＭＤ層３４に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核が１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上の高密度で形成され、高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７が形成される。以上のような酸素析出核形成工程を経て、表面はＤＺ層３５に覆われ、内部に高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７を有する本発明のシリコンウェーハ３８を得ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶インゴットをスライスしたシリコンウェーハの製造方法に関し、スリップ転位を抑制してウェーハの強度を改善する際に用いて好適な技術に関するものである。

半導体デバイスなどの基板として用いられる単結晶シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴットをスライスして、熱処理や鏡面加工等を行うことにより製造される。こうしたシリコン単結晶インゴットの製造方法としては、例えば、チョクラルスキー法（ Ｃ Ｚ法） やが挙げられる。このＣ Ｚ 法は、大口径の単結晶インゴットを得やすいことや、欠陥の制御が比較的容易であるなどの理由により、シリコン単結晶インゴットの製造の大部分を占める

単結晶シリコンウェーハに半導体デバイスを形成するには、デバイス形成領域に結晶欠陥がないことが求められる。回路を形成する面に結晶欠陥が存在すると、その欠陥部分から回路破壊等を引き起こす原因となる。Ｃ Ｚ 法によって引上げられたシリコン単結晶は、酸素を格子間に過飽和に取り込んでいるが、こうした過飽和酸素は、その後のウェーハ加工工程でのアニール処理において、Ｂ Ｍ Ｄ （ Balk Micro Defect） と称される微小欠陥を誘起する原因となる。。

一方、こうしたＢ Ｍ Ｄ は、結晶欠陥の原因となる金属不純物などをゲッターする作用があるため、シリコンウェーハのアニールを行うことによって、シリコンウェーハの内部にＢ Ｍ Ｄ を誘起してＩ Ｇ （ Intrinsic Gettering） 層を形成し不純物ゲッターとするとともに、シリコンウェーハの表面に結晶欠陥の限りなく少ないＤ Ｚ （ Denuded Zone） 層を形成するＤ Ｚ − Ｉ Ｇ 法等が知られている。
特開２００２−１３４５２１号公報

ところが、高温アニール過程によりシリコンウェーハ表裏面に形成したＤ Ｚ （ Denuded Zone） 層は、熱処理中の酸素の外方拡散により酸素濃度が極端に低下している。その結果、ウェーハ表裏面の転位欠陥伸展の抑制力が著しく低下するため、アニール工程で導入された表裏面の微小傷から、に転位欠陥（Slip） がバルク中に伸展しやすく、こうした転位欠陥の伸展によってシリコンウェーハの強度が低下するという課題があった。例えば、熱処理ポート等によって支持した状態でアニールをおこなうと、ウェーハの裏面周辺の支持されている部分からslip 転位が伸展することがしばしばある。シリコンウェーハの強度が低下すると、製造工程中にウェーハが損傷したり、ウェーハの破壊といった事態が生じる懸念がある。しかしながら、Ｄ Ｚ 層はデバイス形成には不可欠であり、Ｄ Ｚ 層を有しつつ強度特性に優れたシリコンウェーハが求められていた。このような問題を回避するために、特許文献１ に示すように、ウェーハのポリッシング加工時に導入されたダメージや転位を除去するように、ウェーハ裏面表層部を研削、研磨、エッチング処理等により除去するとという技術は知られていたが、工程数の増加、あるいはスライスする厚みの増加等から結局製造コストが増加するため、好ましくないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、結晶欠陥の極めて少ないＤＺ層を備えつつ、強度特性に優れたシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、酸素濃度が２０×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以下のＢＭＤ層を含むシリコンウェーハに対して、前記ＢＭＤ層に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核を１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上形成する酸素析出核形成工程を備えたことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法が提供される。

前記酸素析出核形成工程は、急速昇降温熱処理であればよい。前記急速昇降温熱処理は、窒素ガスまたは不活性ガスあるいはアンモニアガスと不活性ガスとの混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜１２００℃、時間１〜６００分の範囲内で処理されればよい。

前記酸素析出核形成工程は低温ランピング熱処理であればよい。前記低温ランピング熱処理は、不活性ガスまたは窒素や酸素との混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜８５０℃、昇温速度０．２〜２．０℃／分、時間２〜３０時間の範囲内で処理されればよい。

前記酸素析出核形成工程の前工程に、シリコンウェーハの表面にＤＺ層を形成するＩＧ工程をさらに備えていてもよい。前記酸素析出核形成工程の前工程に、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル成長工程をさらに備えていてもよい。前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、貼り合わせＳＯＩウェーハであってもよい。前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、ＳＩＭＯＸ処理を行ったＳＩＭＯＸウェーハであってもよい。前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、表面にゲルマニウム層を形成したＳｉＧｅウェーハであってもよい。前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、炭素を５×１０^１５〜３×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ の濃度範囲で添加されていてもよい。

本発明によれば、上述したシリコンウェーハの製造方法によって形成されたことを特徴とするシリコンウェーハが提供される。
本願発明者らは、ウェーハをアニール処理する際、ウェーハ裏面を支持した部分などから熱応力によりSlip 転位が発生することあるが、このslip 転位の伸展度合いが、ウェーハ内のバルク層における酸素析出核の密度、サイズに依存することを見出した。
すなわち、ウェーハ中の酸素析出核はウェーハ内で発生したslip転位を固着し、slip転位の伸展を抑制する働きを有する。ところが、ＤＺ処理、エピタキシャル処理、ＳＩＭＯＸ処理など高温熱処理が施されたシリコンウェーハは、高温熱処理を受ける過程において、ウェーハ内に存在していた微少な酸素析出核が消失してしまい、比較的大きな酸素析出核のみウェーハ内に存在することになる。このため、ウェーハ内の酸素析出核密度は非常に低く、slip転位の伸展を抑制することができない。本願発明者らの実験によれば、slip転位の伸展を抑制するには、ウェーハ内部の酸素析出核密度を１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上に増大させることが必要であり、これにより、slip転位が酸素析出核によって固着される機会が増え、slip転位の伸展を抑制することができる。ただし、酸素析出核密度が十分であっても、その析出核サイズが大きい場合には、析出核に起因した二次的なslip転位の発生を招くことから酸素析出核サイズを２０ｎｍ以下に抑える必要がある。
このように、ウェーハの強度を低下するおそれのあるslip 転位の伸展を抑制するためには、ウェーハにおけるslip 転位発生位置付近に充分な密度・大きさを有する酸素析出物が存在していればよい。
なお、ＤＺ層で運動を始めた転位はＤＺ層より深く酸素濃度が高いＢＭＤ層（バルク領域） においても、充分な密度・大きさを有する酸素析出物が存在しない場合には、その運動を止めることはなくSlip 転位は伸展する。
このため、本願発明者らはウェーハの強度を維持するために、バルク層（ＢＭＤ層）における析出物の密度・析出物の大きさを上述した所定の状態にする手段を採用したものである。
なお、本発明の酸素濃度はASTM-F121-1979 による値であり、炭素濃度はASTM-F123-1981による値である。

本発明のシリコンウェーハの製造方法によれば、酸素析出核形成工程によって、ＢＭＤ層に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核が１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上の高密度で形成され、高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層が形成される。このように、内部に１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上といった高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層を有するシリコンウェーハは、ＤＺ層にデバイスを形成する前に、所望の特性を持たせるためにアニール処理を行う際に、内部に高密度に微小な酸素析出核を含むＢＭＤ層を有しているため、転位の伸展が酸素析出核によって抑制されるので、転位によるウェーハ強度の低下が抑制される。これにより、デバイス形成に不可欠なＤＺ層を備え、かつ強度が大きいシリコンウェーハを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のシリコンウェーハの一例を示す模式図である。なお、図示したシリコンウェーハは説明のため、実際よりも厚みを誇張して描かれていることに留意されたい。本発明のシリコンウェーハ１０は、表面にＤＺ（Denuded Zone）層１２が形成されている。こうしたＤＺ層１２は、結晶欠陥が極めて少ない層とされ、後工程において表面に半導体デバイスが形成される。

こうしたＤＺ層１２で覆われたシリコンウェーハ１０の内部には、酸素析出核を高密度に付与したＩＧ（Intrinsic Gettering）層となるＢＭＤ（Balk Micro Defect）層１４が形成されている。こうした、酸素析出核を高密度に付与したＢＭＤ層１４は、２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核が１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上形成されている。なお、酸素析出核を高密度に付与したＢＭＤ層１４の形成方法については、後ほど詳述する。

このような本発明のシリコンウェーハ１０によれば、ＢＭＤ層１４に１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上といった高密度で２０ｎｍ以下の酸素析出核が付与されていることにより、後工程の熱処理において、多数の酸素析出核によって転位欠陥（Slip）の転位線上で転位が伸展することを阻止する。シリコン中の転位の運動は格子間酸素濃度によって大きく依存することが知られており、酸素濃度の高いシリコンウェーハは転位線上に微小な析出物が形成することで転位が固着され、転位が運動するには大きな熱応力が必要となる。ところが、酸素濃度が低いＤＺ層で転位が発生した場合には、格子間酸素による転位の固着効果が期待できないのでSlip転位は伸展する。

しかし、本発明のシリコンウェーハ１０のように、１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上といった高密度で２０ｎｍ以下の酸素析出核を付与したＢＭＤ層１４によって、転位の伸展が抑制されるので、シリコンウェーハ１０は後工程の熱処理を経ても強度の低下が抑制される。これにより、ＤＺ層１２を備え、かつ強度が大きいシリコンウェーハ１０を実現することができる。

なお、シリコンウェーハとしては、熱処理によってＤＺ層が形成されたもの以外にも、例えば、表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウェーハ、貼り合わせＳＯＩウェーハ、ＳＩＭＯＸ（Separation By Implanted Oxygen）処理を行ったＳＩＭＯＸウェーハ、あるいは表面にゲルマニウム層を形成したＳｉＧｅウェーハなどでも全く同様に適用できる。また、これらのシリコンウェーハには、予め酸素析出核形成の促進作用を有する炭素を５×１０^１５〜３×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ の濃度範囲で添加したものを用いてもよい。

次に、上述した構成のシリコンウェーハを形成するための、本発明のシリコンウェーハの製造方法を説明する。以下に、製造方法の一例として、熱処理によってＤＺ層を形成するシリコンウェーハの製造方法を挙げる。図２は本発明のシリコンウェーハの製造方法の概要を示す説明図である。ＣＺ法によって引上げられたシリコン単結晶インゴット３０は、その一部が筒状に切り出され、周縁部が除去される（図２ｂ）。こうした筒状のインゴット３１を所定の厚みにスライスし、多数のウェーハ素材（シリコンウェーハ）３３が形成される（図２ｃ）。これらのウェーハ素材３３は両面をラッピング工程（ Lapping ） 、面取り工程（ Beveling） 、エッチング（ Etching） 等の平坦化工程およびダメージ層除去工程などを経て鏡面研磨される（図２ｄ）。

鏡面研磨されたウェーハ素材３３は、次にアニール工程によって酸素析出の制御が行われる。こうした工程は、非酸化性雰囲気、例えばＡｒ雰囲気で１０００〜１３００℃で１〜１０時間程度ウェーハ素材３３をアニールすることによって達成される。熱処理を経たウェーハ素材３３は、図２ｅに示すように、中心部にゲッタリング領域を成す低密度な酸素析出核を有するＢＭＤ層３４が形成されるとともに、表面にはＤＺ（Denuded Zone）層３５が形成される。

そして、図２ｆに示すように、こうした熱処理を経たウェーハ素材３３のＢＭＤ層３４に酸素析出核を高密度に形成する酸素析出核形成処理（酸素析出核形成工程）を行う。酸素析出核形成工程ではＩＧ熱処理後のウェーハ素材（シリコンウェーハ）３３に対して、急速昇降温熱処理を行う。急速昇降温熱処理は、例えば、不活性ガスまたはアンモニアガスと不活性ガスとの混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜１２００℃、時間１〜６００分の範囲内で熱応力を加えることによって達成される。

このような急速昇降温熱処理を行うと、ＢＭＤ層３４に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核が１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上の高密度で形成され、高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７が形成される。以上のような酸素析出核形成工程を経て、表面はＤＺ層３５に覆われ、内部に高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７を有する本発明のシリコンウェーハ３８を得ることができる。

このよう、内部に１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上といった高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７を有するシリコンウェーハ３８は、ＤＺ層３５にデバイスを形成する前に、所望の特性を持たせるためにアニール処理を行う際に、内部に高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層３７を有しているため、転位の伸展が酸素析出核によって抑制されるので、Slip転位によるウェーハ強度の低下が抑制される。これにより、デバイス形成に不可欠なＤＺ層３５を備え、かつ強度が大きいシリコンウェーハ３８を実現することができる。

なお、ＢＭＤ層に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核を１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上の高密度で形成する手段としては、上述した急速昇降温熱処理以外にも、例えば、低温ランピング熱処理が好ましく挙げられる。低温ランピング熱処理は、例えば、不活性ガスまたは窒素や酸素との混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜８５０℃、昇温速度０．２〜２．０℃／分、時間２〜３０時間の範囲内でシリコンウェーハを処理することで達成される。ここで、２時間未満の処理時間では、酸素析出核の作りこみは困難であるため好ましくなく、３０時間をこえる処理時間は、ウェーハ製造コストの上昇を招くため非現実的である。

また、上述したシリコンウェーハの製造方法では、ＩＧ（Intrinsic Gettering）熱処理によるによってＤＺ層が形成されたものを用いて、酸素析出核形成工程を行っているが、これ以外にも、例えば、表面にエピタキシャル層を形成するしたエピタキシャルウェーハ、貼り合わせＳＯＩウェーハ、ＳＩＭＯＸ（Separation By Implanted Oxygen）処理を行ったＳＩＭＯＸウェーハ、あるいは表面にゲルマニウム層を形成したＳｉＧｅウェーハなどでも全く同様に適用できる。また、これらのシリコンウェーハには、予め炭素を５×１０^１５〜３×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ の濃度範囲で添加したものを用いるのも好ましい。ここで、炭素濃度が５×１０^１５ａｔｍｓ／ｃｍ^３未満であると酸素析出核促進効果は小さく、すなわちランピング熱処理時間の短縮化は望めないため、好ましくない。また３×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３を超えると、炭素の偏析係数からシリコン単結晶を無転位で引き上げるのが困難になるため好ましくない。

本願発明者は、ウェーハ強度の析出物密度および析出物サイズに対する依存性を検証した。検証に当たっては、適当な熱処理により所望の密度およびサイズの析出物を含んだシリコンウェーハを準備した（Sample1〜12）。なお、すべてのシリコンウェーハの抵抗率は3〜11Ωcmの範囲とした。これらのシリコンウェーハを用いて、急速加熱装置（ＲＴＰ）を用いて熱応力を付加する熱処理(室温投入→ramping up 50℃/sec→1250℃1min→ramping down 50℃/sec→室温取り出し)を実施し、ＸＲＴ評価によりウェーハを支持するピン痕から伸展したスリップ長さを測定した。その後、目視にてスリップ伸展の有無を確認し、スリップ伸展が確認された水準には×、確認されない水準には○で表記した。こうした検証結果を表１に示す。

表１のSampleNo１、１０、１２に関してはピン痕からのスリップは確認されなかったが、析出物からのスリップが確認されたため、判定で×としている。こうした表１に示す結果をもとに、ＢＭＤ密度／サイズ表を作成し、スリップ伸展を抑制する最適なＢＭＤ／サイズの領域を求めた。こうした検証結果を図３に示す。

図３に示す検証結果から明らかなように、スリップ伸展を抑制するには、少なくとも１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上のＢＭＤ密度を確保する必要があり、ＢＭＤ密度の増加に伴いスリップ伸展を抑制できるＢＭＤサイズに制約を受けることから、ＢＭＤサイズが２０ｎｍ以下のサイズであれば確実にスリップ転位の伸展を抑制できることが確認された。

次に、本願発明者は、上述した検証結果の妥当性を検討するために、Ａｒアニール済シリコンウェーハを用いてランピングＩＧ処理により、微小析出物をウェーハ内部に形成し、同様の熱応力付加試験を実施した。ランピング熱処理はウェーハを550℃で投入し、700℃まで窒素雰囲気中でランピングレート＝0.3℃〜3.0℃の範囲で昇温、その後700℃で４時間保持させた。その後、実施例１で記載した同様の熱応力を付加し、ウェーハの支持ピンの支持痕から伸展したスリップ長を比較した。さらに、比較のための例として、ランピングＩＧ処理を実施しない水準(水準５)を組み込んだ。この比較のためのウェーハで観察されたスリップ長を１としてそれぞれのスリップ長を相対比率で表記した。またそれぞれのランピングＩＧ処理で作りこまれたＢＭＤ密度は（800℃4hr+1000℃16hrの2STEP熱処理→エッチンク゛処理→光学顕微鏡観察）で得られた結果をもとに記載した。こうした検証結果を表２に示す。

表２に示す検証結果によれば、ランピングレートを2.0℃/min以下に設定することで、所望の密度1e10個/cm^３以上のＢＭＤ核の形成が可能であり、したがってスリップの低減が可能である。ランピングレート2.0℃/minを超える水準では、所望のＢＭＤ核が作りこめず、スリップ低減効果が得られないことが判明した。

図１は、本発明のシリコンウェーハを示す模式図である。 図２は、本発明のシリコンウェーハの製造方法を示す説明図である。 図３は、本発明の検証結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ シリコンウェーハ
１２ ＤＺ層
１４ ＢＭＤ層
３７ 高密度に酸素析出核を含むＢＭＤ層

Claims (12)

1. 酸素濃度が２０×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以下のＢＭＤ層を含むシリコンウェーハに対して、前記ＢＭＤ層に２０ｎｍ以下のサイズの酸素析出核を１×１０^１０ａｔｍｓ／ｃｍ^３ 以上形成する酸素析出核形成工程を備えたことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
2. 前記酸素析出核形成工程は、急速昇降温熱処理であることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法。
3. 前記急速昇降温熱処理は、窒素ガス、または不活性ガス、あるいはアンモニアガスと不活性ガスとの混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜１２００℃、時間１〜６００分の範囲内で処理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の製造方法。
4. 前記酸素析出核形成工程は低温ランピング熱処理であることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの製造方法。
5. 前記低温ランピング熱処理は、不活性ガスまたは窒素や酸素との混合ガスの雰囲気下で、温度５００〜８５０℃、昇温速度０．２〜２．０℃／分、時間２〜３０時間の範囲内で処理されることを特徴とする請求項４記載のシリコンウェーハの製造方法。
6. 前記酸素析出核形成工程の前工程に、シリコンウェーハの表面にＤＺ層を形成するＩＧ工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウェーハの製造方法
7. 前記酸素析出核形成工程の前工程に、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル成長工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウェーハの製造方法
8. 前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、貼り合わせＳＯＩウェーハであることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウェーハの製造方法
9. 前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、ＳＩＭＯＸ処理を行ったＳＩＭＯＸウェーハであることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウェーハの製造方法
10. 前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、表面にゲルマニウム層を形成したＳｉＧｅウェーハであることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウェーハの製造方法
11. 前記酸素析出核形成工程を施すシリコンウェーハは、炭素を５×１０^１５〜３×１０^１７ａｔｍｓ／ｃｍ^３ の濃度範囲で添加されたことを特徴とする請求項１〜１０記載のシリコンウェーハの製造方法
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法によって形成されたことを特徴とするシリコンウェーハ

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