JP3565068B2

JP3565068B2 - Heat treatment method for silicon wafer and silicon wafer

Info

Publication number: JP3565068B2
Application number: JP37279798A
Authority: JP
Inventors: 徳弘小林; 昌次秋山; 雄一松本; 正郎玉塚
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000195868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエーハの熱処理方法に係り、特に安全性に優れ、高品質のシリコンウエーハを得ることができるシリコンウエーハの熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路等の半導体デバイスを製造するためのウエーハとしては、主にシリコンウエーハが用いられている。この半導体デバイス製造において、歩留りを低下させる要因の一つとしてＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）等のウエーハ表層部に存在する結晶欠陥が挙げられる。このような結晶欠陥がウエーハ表層部に存在すると、例えばＭＯＳ構造のトランジスタにおいて、ウエーハ表面に形成されたゲート酸化膜等の熱酸化膜に高電圧が印加された場合に、酸化膜の絶縁破壊が発生する原因となる。
【０００３】
さらに半導体デバイス製造の歩留りを悪化させる要因としては、ウエーハ表面のマイクロラフネスが挙げられる。ウエーハ表面に存在するマイクロラフネスはゲート酸化膜直下のキャリアの移動度に悪影響を与えることが知られている（ＳｈｉｎｙａＹａｍａｋａｗａ，ＨｉｒａｉＵｅｎｏ，ＫｅｎｊｉＴａｎｉｇｕｃｈｉ，ＣｈｉｈｉｒｏＨａｍａｇｕｃｈｉ，ＫａｚｕｏＭｉｙａｔｓｕｊｉ，ＵｍｂｅｒｔＲａｖａｉｏｌｉ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９９１１．１９９５参照）。半導体デバイスにおいては、その集積度が上がれば、それに対応してキャリアの移動度を向上させる必要がある。また近年、ＣＰＵの駆動周波数がますます高くなり、それに伴いメモリーの書き込み及び読み出しの速度も高速化が求められており、キャリア移動度を向上させるためにマイクロラフネスを小さくすることが、より重要視されてきている。
【０００４】
シリコンウエーハ表層部の結晶欠陥を低減する方法として、アニール熱処理等による欠陥の消滅が行われてきた。その代表的な例は、高温水素アニールである。この方法は、高温の水素雰囲気中でアニール熱処理を施すことにより、結晶欠陥を消滅させる方法である（特開平６−３４９８３９号公報参照）。
【０００５】
しかし、水素雰囲気中の熱処理は、ウエーハ表層部の結晶欠陥を低減することはできるものの、熱処理によりウエーハの表面がエッチングされてしまうという欠点がある。例えば、１２００℃で６０分の熱処理を施した場合、ウエーハ表層部の約０．５μｍのシリコンがエッチングされてしまう。このため、ウエーハ表層の結晶欠陥の少ない部分（無欠陥層）の厚さは薄いものとなっていた。
さらに、高濃度の水素ガスをこのような高温状態で長時間に渡って扱うことは、非常に危険であり、安全性の問題を解決しなければ実用化することができなかった。
【０００６】
そこで、雰囲気にアルゴン等の不活性ガスを用いて熱処理を行うことにより、ウエーハ表層部の結晶欠陥を除去する方法も考えられた。しかし、この方法では、ウエーハ表層部をエッチングすることなく結晶欠陥を除去することができるものの、ウエーハ表面のマイクロラフネスを熱処理前より悪化させてしまう欠点がある。
また、雰囲気中の微量酸素の影響で局所的なエッチングが起こり易くなり、ヘイズが発生する弊害もある。
【０００７】
水素ガスの危険性を回避するための他の方法として、水素雰囲気による熱処理と、アルゴン等の不活性ガス雰囲気による熱処理を併用する方法も考えられた。これは、まず不活性ガス雰囲気中でウエーハを熱処理する工程を行い、その後に水素を含む雰囲気中で熱処理を施す方法である（特開平４−１６７４３３号公報参照）。
しかし、不活性ガス雰囲気中の熱処理を施した後に、同温度で水素を含む雰囲気中で熱処理を施すことは、結局ウエーハ表面をエッチングしてしまうことになり、無欠陥層の厚さは薄いものとなってしまう。
【０００８】
一方、特開平７−２３５５０７号公報には、熱処理は不活性雰囲気中により行い、その熱処理の昇温または降温時において、雰囲気中に水素を導入する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、昇温または降温時に、不活性ガスより熱伝導率の高い水素を導入することにより、ウエーハにスリップ転位が発生することを防止する目的でなされたものであって、ウエーハ表層部に存在する結晶欠陥の除去やウエーハ表面のマイクロラフネスの改善を行うものではない。
【０００９】
即ち、この方法は、昇降温時に毎分１リットルの水素を単に導入しつづけるものであって、昇降温時の最適な熱処理雰囲気の組成が不明であったため、この方法を用いてもウエーハ表面のエッチング量が大きくなったり、マイクロラフネスを悪化させることがあり、ウエーハの結晶欠陥密度と表面粗さを同時に改善することはできなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の熱処理方法では、ウエーハ表層部をエッチングすることなく、なおかつウエーハのマイクロラフネスを悪化させることなく、少ない水素使用量で、ウエーハ表層部の結晶欠陥を低減する方法はなく、有効な方法の開発が望まれていた。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みて為されたもので、ウエーハ表層部をエッチングすることなく、かつウエーハのマイクロラフネスを悪化させることなく、少ない水素使用量で、ウエーハ表層部の結晶欠陥を低減することができる熱処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、シリコンウエーハの熱処理方法であって、シリコンウエーハに不活性ガス雰囲気中において１０００℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理を施し、該熱処理の降温時に１〜６０容量％の水素を含有する雰囲気中で降温することを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法である。
【００１３】
このように、シリコンウエーハに不活性ガス雰囲気中において１０００℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理を施すことにより、まずウエーハ表層部の結晶欠陥を除去し、さらに熱処理の降温時に１〜６０容量％の水素を含有する雰囲気中で降温することにより、ウエーハ表面のシリコン原子のマイグレーションによって、マイクロラフネスを改善することができる。この場合、水素ガスの使用量は少量で済むため、熱処理工程の安全性も向上させることが可能となる。
【００１４】
この場合、前記不活性ガス雰囲気は、アルゴン雰囲気あるいは３０容量％以下の水素を含むアルゴン雰囲気から成るものであることが好ましい。
アルゴンは取り扱いが容易であり、水素を含むものであっても、その濃度が３０容量％以下である場合は、雰囲気中の水素によるエッチングがほとんど起こらず、逆にウエーハ表面のマイクロラフネスを改善する効果は高いものとなるからである。
【００１５】
また、前記に記載した方法により熱処理されたシリコンウエーハは、例えば、シリコンウエーハであって、ウエーハバルク部の結晶欠陥密度が１．０×１０^４ケ／ｃｍ^３以上で、かつ表面から深さ０．５μｍまでのウエーハ表層部の結晶欠陥密度が１．０×１０^４ケ／ｃｍ^３以下であり、ウエーハ表面の結晶欠陥密度が０．１５ケ／ｃｍ^２以下で、表面粗さがＰ−Ｖ値で１．０ｎｍ以下であるシリコンウエーハとなる。
尚、ここで言うウエーハバルク部とは、ウエーハ表面から０．５μｍを越える深さの領域のことである。
【００１６】
このように、本発明のシリコンウエーハは、シリコン単結晶育成時には結晶欠陥密度が高いシリコンウエーハであっても、表面から深さ０．５μｍまでの層に亙って、ウエーハ表層部の結晶欠陥密度が１．０×１０^４ケ／ｃｍ^３以下の低欠陥密度であり、表面粗さがＰ−Ｖ値で１．０ｎｍ以下のマイクロラフネスが少ないシリコンウエーハである。しかもバルク中には重金属等の不純物をゲッタリングするのに必要な結晶欠陥を有するため、本発明のシリコンウエーハを用いて半導体デバイスを作製すれば、酸化膜耐圧特性やキャリア移動度の優れたものとすることができ、デバイス作製の歩留りを向上させることができる。
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳述する。
本発明は、発明者らがシリコンウエーハの熱処理条件、特に熱処理雰囲気の組成について種々定量的な研究を重ねた結果、最適な条件を見出すことができ、その結果に基づいて完成に至ったものである。
【００１８】
まず本発明者らは、熱処理の昇温時及び降温時の雰囲気条件がウエーハの表面状態に与える影響について実験調査を行った。まず、同一の仕様のシリコンウエーハを複数枚用意して、熱処理炉内に挿入し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１２００℃まで加熱して、１２００℃で６０分間保持した後、降温速度３℃／ｍｉｎで冷却する熱処理実験を行った。この昇温・降温時には、各々のウエーハについて雰囲気を変化させて熱処理を施し、熱処理後のウエーハのマイクロラフネスをＰ−Ｖ値（山と谷の最大差）を測定することで評価した。測定はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用い、２μｍ角を測定した。測定結果を図１に示した。
【００１９】
図１より、従来から知られているように、アルゴン雰囲気のみで熱処理を行った場合のＰ−Ｖ値は、水素雰囲気のみで熱処理を施した場合に比べて約４倍に悪化していることが判る。また、この傾向は昇温時の雰囲気をそれぞれ他の気体に変化させたとしても全く影響されないことも判る。
【００２０】
一方、降温時の雰囲気を変化させた場合は異なり、水素雰囲気からアルゴン雰囲気に変えて降温した時は、水素雰囲気で熱処理をしたにもかかわらずＰ−Ｖ値は悪化しており、アルゴン雰囲気から水素雰囲気に変えて降温した時は、逆にアルゴン雰囲気で熱処理を施したにもかかわらずＰ−Ｖ値は水素雰囲気で熱処理を施した場合と同程度の値となっていることが判る。
【００２１】
この事からウエーハのマイクロラフネスは昇温時の雰囲気には全く影響されず、逆に降温時の雰囲気条件がウエーハのマイクロラフネスを決定することが判った。すなわち、アルゴン雰囲気中で熱処理を施しても、降温時に水素雰囲気に変更することにより、水素雰囲気で熱処理した場合と同等のウエーハ表面を得ることができるのである。
【００２２】
しかし、降温時の雰囲気中の水素濃度をあまり高くしてしまうとウエーハがエッチングされる量が増大し好ましくない。そこで本発明者らは、熱処理雰囲気条件についてさらに実験検討を行った。上記実験と同様に、複数枚のシリコンウエーハを用意して、昇温速度１０℃／ｍｉｎで加熱し、１２００℃で６０分間保持した後、降温速度３℃／ｍｉｎで冷却する実験を行った。昇温時と定温保持の際の雰囲気は１００％のアルゴンを使用した。降温時には、ウエーハ毎に、アルゴン雰囲気中に水素を１〜１００容量％の範囲で変化させて混入し、熱処理を行った。熱処理を施したウエーハのマイクロラフネスについて、ウエーハのＰ−Ｖ値を測定することにより評価した。その結果を図２に示す。
【００２３】
図２より、降温時における水素の混入量は、１容量％以上であればウエーハの面粗さを改善する効果があることが判る。この事から、アルゴン等の不活性雰囲気内で熱処理を施し、降温時に１容量％以上の水素を混入して降温を行えば、最小限の水素使用量でウエーハのマイクロラフネスを改善することができる。
反対に水素混入量が１容量％未満であると、ウエーハの面粗さを改善する効果は著しく減少するため、水素混入量は１容量％以上とすることが重要であることが判った。
【００２４】
さらに、本発明者らはウエーハのヘイズについても同様の測定を行った。結果を図３に示す。図３より、ウエーハのヘイズについてもマイクロラフネスと同様に、降温時に水素を１容量％以上導入して降温を行うことにより、ウエーハのヘイズを改善する効果があることが判る。
【００２５】
加えて、本発明者らは、降温時の雰囲気の水素濃度とウエーハのエッチング量との関係についても測定を行った。エッチング量の評価は、膜厚が１μｍのＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハを用い、熱処理前と熱処理後のＳＯＩ膜厚を測定し、その差を求めることにより評価した。測定結果を図４に示す。図４の縦軸は、任意単位（ＡｒｂｉｔｒａｒｙＵｎｉｔ）を示しており、水素濃度１００％におけるエッチング量を基準としている。
【００２６】
図４に示すように降温時の雰囲気の水素濃度が３０容量％以下の時は、ウエーハ表面のエッチングはほとんど起こらない。しかし、水素濃度が３０容量％を超えるとエッチングが生じ始め、６０容量％を超えるとウエーハのエッチング量が急激に増大することが判った。
【００２７】
以上をまとめると、熱処理後のウエーハの表面状態は、熱処理の降温時の雰囲気に水素を導入することで改善することができ、その水素濃度は１容量％以上とすればウエーハのマイクロラフネス及びヘイズを改善する効果を十分に挙げることができる。また、水素の濃度としては、６０容量％以下とすれば、ウエーハのエッチング量を許容範囲内にすることができることが判った。
【００２８】
一方、本発明者らは熱処理における熱処理温度保持時の雰囲気組成についても検討を行った。ウエーハの面粗さについては、上記のように降温時の雰囲気に適量の水素を導入すれば改善することができることが判ったため、定温保持時はアルゴンを熱処理雰囲気としても問題はない。本発明者らはウエーハのエッチング量と熱処理温度保持時の雰囲気組成との関係について実験・検討を行った。
【００２９】
膜厚が１μｍのＳＯＩウエーハを複数枚用意して、熱処理炉内に挿入し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１２００℃まで加熱して、１２００℃で６０分間保持した後、降温速度３℃／ｍｉｎで冷却する熱処理実験を行った。この定温保持時には、各々のウエーハについてアルゴン雰囲気中への水素混入量を変化させて熱処理を施し、熱処理後のＳＯＩウエーハのエッチング量を測定した。尚、昇降温時はアルゴン雰囲気とした。測定結果を図５に示す。
【００３０】
図５より、定温保持時における熱処理雰囲気中の水素濃度については、水素濃度が３０容量％以下であれば、１２００℃で６０分間の熱処理を施した後も、ほとんどウエーハ表面のエッチングが起こらないことが判る。従って、この定温保持時の雰囲気に３０容量％以下の水素を導入することにより、エッチングを生じることなく定温保持時においてもウエーハの面粗さを改善することもできる。一方、水素導入量が３０容量％を超えるとウエーハ表面のエッチング量が大きくなってくるので、この値を超えないようにすることが好ましいことが判った。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図６は、本発明に係る熱処理を行うための熱処理装置の一例を示した概略図である。図６に示すように、熱処理装置１０は内部で熱処理を行うチャンバー１を有し、チャンバー１内には熱処理されるウエーハＷを載置するための支持台２が配置されている。
【００３２】
チャンバー１外には、チャンバー１の周囲を囲繞するヒータ３が配置されている。またチャンバー１の吸気口４には、混合器６を通してアルゴン供給源７及び水素供給源８が接続されており、チャンバー１内にいずれかのガスを単独あるいは所望の混合比の雰囲気ガスを導入することができるようにされている。さらにチャンバー１は排気口５を有しており、ここから排気されるようになっている。
【００３３】
次に、上記熱処理装置１０を用いてウエーハＷを熱処理する方法について説明する。まず支持台２にウエーハＷを載置し、チャンバー１内に配置する。次に、アルゴンをアルゴン供給源７から吸気口４を通してチャンバー１内に送り込む。この場合、水素を水素供給源８から混合器６を通して混入した混合ガス雰囲気としても良い。この場合、前述したように、ウエーハのエッチングを防ぐために、水素の混合比は３０容量％以下とすることが好ましい。
【００３４】
チャンバー１内の空気が所定の雰囲気ガスにより十分に置換されたなら、ヒータ３の供給電力を増加し、チャンバー１を所望温度に加熱する。そして所定時間この温度を保持する。ここで温度を保持するというのは、あくまでも熱処理温度域内で保持するという意味であり、熱処理中に必要に応じて温度を増減してもかまわない。
【００３５】
ウエーハＷの熱処理を終了する際には、ウエーハＷ表面のマイクロラフネスを低減するために、必要に応じ雰囲気の水素濃度を増加する。この場合、混合器６により水素供給源８からの水素の混合比を増加させ、雰囲気中の水素濃度を１〜６０容量％になるように制御する。この所望の水素濃度を有する混合ガスを吸気口４から送り込みつつ、ヒータ３に供給する電力を停止、あるいは低減して所定の降温速度で降温する。十分な温度まで降温したら、ウエーハＷ及び支持台２をチャンバー１から取り出す。
【００３６】
上記のようにしてシリコンウエーハに熱処理を施すことにより、ウエーハ表層部の無欠陥層厚が厚く、ウエーハ表面のマイクロラフネス及びヘイズが改善されたシリコンウエーハを得ることができる。さらに、この本発明の方法によれば、水素を熱処理の降温時に、ごく僅かな量だけ使用するものとしても良いため、熱処理工程の安全性を確保することもできる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて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、比較例）
同一の仕様のシリコンウエーハを複数枚用意して、熱処理炉内に挿入し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１２００℃まで加熱して、１２００℃で６０分間保持した後、降温速度３℃／ｍｉｎで冷却する熱処理を行った。各々のウエーハについて、昇温・定温保持時の雰囲気と降温時の雰囲気条件を変化させて熱処理を行った。そして熱処理後の各々のウエーハについて、ウエーハ表面のＰ−Ｖ値、ヘイズ、ＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）密度、及びウエーハ表面から０．５μｍの深さのＣＯＰ密度を測定し、熱処理の効果を評価した。
【００３８】
シリコンウエーハは、チョクラルスキー法により製造されたシリコンインゴットを、一般的に行われている方法でスライスして鏡面加工された、直径８インチ、結晶方位〈１００〉のものを用いた。
【００３９】
Ｐ−Ｖ値の測定は、ＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，原子間力顕微鏡、ＮａｎｏＳｃｏｐｅ−ＩＩ／デジタルインスツルメント社製商品名）で行い、２μｍ角の面積を測定範囲とした。ヘイズの測定は、ＫＬＡテンコール社製のＳＰ−１を用いて行った。
【００４０】
ウエーハ表面のＣＯＰの測定は、パーティクルカウンター（ＬＳ−６０３０日立電子エンジニアリング社製商品名）の７００Ｖレンジで、ウエーハ表面に存在する大きさが０．１μｍ以上のＣＯＰについて、ＣＯＰ数をカウントすることによって測定した。
【００４１】
また、ウエーハ表面から０．５μｍの深さのＣＯＰ密度の測定は、ウエーハ表面に約１μｍの熱酸化膜を成長させ、その酸化膜の上から前記パーティクルカウンターで測定することにより行った。すなわち、酸化前後の測定値の増加分が元のシリコン表面から深さ約０．５μｍまでに含まれているＣＯＰの総数となるので、これからＣＯＰ密度が求められる。
こうして得られた測定結果を表１に示した。
【００４２】
【表１】

【００４３】
表１より、本発明の熱処理方法により熱処理を施されたシリコンウエーハ（実施例）は、水素雰囲気のみで熱処理を行った場合（比較例２）のウエーハと同程度に良好なＰ−Ｖ値とヘイズを有しており、ウエーハ表面はマイクロラフネスが少なく平坦度に優れることが判る。
【００４４】
また、このウエーハはアルゴン雰囲気のみで熱処理を行った場合（比較例３）のウエーハと同程度に良好な表面ＣＯＰ密度を有しており、さらに表面から０．５μｍの深さのＣＯＰ密度についても、アルゴン雰囲気のみの場合と同程度の値を示している。すなわち、このウエーハは降温時の雰囲気に水素を含む雰囲気を用いたにもかかわらず厚い無欠陥層を有し、シリコンウエーハ表面のエッチングはほとんど起こっていないことが推定される。
【００４５】
以上から、本発明の熱処理を施したウエーハは、熱処理前のウエーハ（比較例１）に比べて、ウエーハ表面のマイクロラフネス等を悪化させることなく、ウエーハ表面及び表層部の結晶欠陥が除去された高品質のシリコンウエーハとなっていることが判る。
【００４６】
一方、アルゴン雰囲気で昇温・定温保持を行い、水素１００容量％で降温したウエーハ（比較例４）や、水素８０容量％、アルゴン２０容量％で降温したウエーハ（比較例５）は、Ｐ−Ｖ値やヘイズは良好なものの、ウエーハ表面から０．５μｍの深さのＣＯＰ密度は、本発明のウエーハに比べて悪化した値となっている。
これは、降温時の雰囲気の水素濃度が高いため、ウエーハ表面のエッチングが発生し、ウエーハ表層部の無欠陥層厚が０．５μｍ以下に減少してしまったためと考えられる。
【００４７】
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、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。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、熱処理を施される前にＣＯＰ等の結晶欠陥を多く含むシリコンウエーハを熱処理する場合を中心に説明したが、本発明の熱処理方法は、結晶欠陥の少ないシリコンウエーハに対しても、ウエーハ表面のマイクロラフネスを改善する目的で適用することができるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はシリコンウエーハを熱処理する方法において、最適な熱処理雰囲気の組成を規定することにより、ウエーハ表面の結晶欠陥が少なく、ウエーハ表層部の無欠陥層厚が厚く、かつウエーハ表面のマイクロラフネスが少ないシリコンウエーハを得ることができる。したがって、デバイス製造の歩留りを向上させることができる。加えて、本発明の方法では水素の使用量を最小限に減少することが可能となるため、熱処理作業の安全性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理の昇温時及び降温時の雰囲気条件と、熱処理後のウエーハのＰ−Ｖ値との関係を示した図である。
【図２】熱処理の降温時における雰囲気の水素濃度と、熱処理後のウエーハのＰ−Ｖ値との関係を示した図である。
【図３】熱処理の降温時における雰囲気の水素濃度と、熱処理後のウエーハのヘイズとの関係を示した図である。
【図４】降温時の雰囲気の水素濃度と、熱処理後のウエーハのエッチング量との関係を示した図である。
【図５】熱処理の定温保持時における雰囲気組成と、熱処理後のウエーハのエッチング量との関係を示した図である。
【図６】本発明に係る熱処理を行うための熱処理装置の一例を示した概略図である。
【符号の説明】
１…チャンバー、２…支持台、３…ヒータ、４…吸気口、５…排気口、
６…混合器、７…アルゴン供給源、８…水素供給源、１０…熱処理装置、
Ｗ…ウエーハ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat treatment method for a silicon wafer, and more particularly to a heat treatment method for a silicon wafer which is excellent in safety and can obtain a high quality silicon wafer.
[0002]
[Prior art]
As a wafer for manufacturing a semiconductor device such as a semiconductor integrated circuit, a silicon wafer is mainly used. In this semiconductor device manufacturing, one of the factors that lower the yield is a crystal defect existing in the wafer surface layer such as COP (Crystal Originated Particle). If such crystal defects exist in the surface layer of the wafer, for example, in a MOS transistor, when a high voltage is applied to a thermal oxide film such as a gate oxide film formed on the wafer surface, dielectric breakdown of the oxide film occurs. This will cause it to occur.
[0003]
Further, as a factor that deteriorates the yield of semiconductor device production, there is micro roughness on the wafer surface. It is known that the micro-roughness existing on the wafer surface adversely affects the mobility of carriers immediately below the gate oxide film (Shinya Yamakawa, Hirai Ueno, Kenji Taniguchi, Chihiro Hamaguchi, Kazuo Miyazaki, Japan). Phys. 79 9111.1955). In a semiconductor device, as the degree of integration increases, it is necessary to correspondingly improve the carrier mobility. In recent years, the driving frequency of CPUs has become increasingly higher, and accordingly, the writing and reading speeds of memories have also been required to be higher. Therefore, it is more important to reduce the micro roughness to improve carrier mobility. Have been.
[0004]
As a method of reducing crystal defects in the surface portion of a silicon wafer, defects have been eliminated by annealing heat treatment or the like. A typical example is a high-temperature hydrogen anneal. In this method, crystal defects are eliminated by performing annealing heat treatment in a high-temperature hydrogen atmosphere (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-349839).
[0005]
However, heat treatment in a hydrogen atmosphere can reduce crystal defects in the surface layer of the wafer, but has the disadvantage that the surface of the wafer is etched by the heat treatment. For example, when a heat treatment is performed at 1200 ° C. for 60 minutes, about 0.5 μm of silicon on the wafer surface layer is etched. For this reason, the thickness of the portion of the wafer surface layer where there are few crystal defects (the defect-free layer) is small.
Furthermore, it is very dangerous to handle high-concentration hydrogen gas in such a high temperature state for a long time, and it was impossible to put it into practical use without solving the problem of safety.
[0006]
Therefore, a method of removing crystal defects in the wafer surface layer by performing a heat treatment using an inert gas such as argon in the atmosphere has been considered. However, in this method, although crystal defects can be removed without etching the surface layer of the wafer, there is a drawback that the micro-roughness of the wafer surface becomes worse than before the heat treatment.
In addition, local etching is likely to occur under the influence of a small amount of oxygen in the atmosphere, and there is also a problem that haze occurs.
[0007]
As another method for avoiding the danger of hydrogen gas, a method in which heat treatment in a hydrogen atmosphere and heat treatment in an inert gas atmosphere such as argon were used in combination was also considered. This is a method in which a heat treatment is first performed on a wafer in an inert gas atmosphere, and then a heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-167433).
However, if the heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen at the same temperature after the heat treatment in an inert gas atmosphere, the wafer surface is eventually etched, and the thickness of the defect-free layer is small. Will be.
[0008]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-235507 discloses a method in which heat treatment is performed in an inert atmosphere, and hydrogen is introduced into the atmosphere when the temperature of the heat treatment is raised or lowered. However, this method is performed for the purpose of preventing the occurrence of slip dislocation in the wafer by introducing hydrogen having a higher thermal conductivity than the inert gas at the time of raising or lowering the temperature. It does not remove the crystal defects existing in the portion or improve the micro roughness of the wafer surface.
[0009]
In other words, this method simply introduces 1 liter of hydrogen per minute at the time of temperature rise and fall, and the composition of the optimal heat treatment atmosphere at the time of temperature rise and fall was unknown. In some cases, the etching amount is increased or the micro roughness is deteriorated, and the crystal defect density and the surface roughness of the wafer cannot be simultaneously improved.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional heat treatment method, there is no method for reducing crystal defects in the wafer surface layer portion without etching the wafer surface layer portion and reducing the micro-roughness of the wafer, with a small amount of hydrogen used, and there is no effective method. The development of a method was desired.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems, and does not etch the wafer surface layer portion, and does not deteriorate the microroughness of the wafer, and uses a small amount of hydrogen to reduce crystal defects in the wafer surface layer portion. It is an object of the present invention to provide a heat treatment method capable of reducing the heat treatment.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a heat treatment method for a silicon wafer, wherein the heat treatment is performed on a silicon wafer at a temperature of 1000 ° C. or more and a melting point of silicon in an inert gas atmosphere. A heat treatment method for a silicon wafer, wherein the temperature is lowered in an atmosphere containing 60% by volume of hydrogen.
[0013]
Thus, by subjecting the silicon wafer to a heat treatment in an inert gas atmosphere at a temperature not lower than 1000 ° C. and not higher than the melting point of silicon, crystal defects in the surface layer of the wafer are first removed. By lowering the temperature in an atmosphere containing hydrogen, the micro-roughness can be improved by migration of silicon atoms on the wafer surface. In this case, the amount of hydrogen gas used can be small, so that the safety of the heat treatment step can be improved.
[0014]
In this case , the inert gas atmosphere is preferably an argon atmosphere or an argon atmosphere containing 30% by volume or less of hydrogen.
Argon is easy to handle, and even if it contains hydrogen, if the concentration is 30% by volume or less, etching by hydrogen in the atmosphere hardly occurs, and conversely, the micro roughness of the wafer surface is improved. This is because the effect is high.
[0015]
The silicon wafer heat-treated by the method described above is, for example , a silicon wafer having a crystal defect density of 1.0 × 10 ⁴ pieces / cm ³ or more in the bulk portion of the wafer and a depth of 0 from the surface. The crystal defect density of the surface layer portion of the wafer up to 0.5 μm is 1.0 × 10 ⁴ pieces / cm ³ or less, the crystal defect density of the wafer surface is 0.15 pieces / cm ² or less, and the surface roughness is PV. A silicon wafer having a value of 1.0 nm or less is obtained.
Here, the wafer bulk portion is a region having a depth exceeding 0.5 μm from the wafer surface.
[0016]
As described above, the silicon wafer of the present invention has a high crystal defect density at the time of growing a silicon single crystal, even if the silicon wafer has a high crystal defect density over a layer from the surface to a depth of 0.5 μm. Is a low-defect density silicon wafer having a low defect density of 1.0 × 10 ⁴ pieces / cm ³ or less and a surface roughness having a PV value of 1.0 nm or less and low microroughness. Moreover, since the bulk has crystal defects necessary for gettering impurities such as heavy metals, if a semiconductor device is manufactured using the silicon wafer of the present invention, the oxide film has excellent oxide breakdown voltage characteristics and excellent carrier mobility. And the yield of device fabrication can be improved.
[0017]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The present invention is based on the results of various quantitative studies performed by the inventors on the heat treatment conditions for silicon wafers, especially on the composition of the heat treatment atmosphere, and as a result, has been able to find the optimal conditions, and based on the results, has completed the present invention. is there.
[0018]
First, the present inventors conducted an experimental investigation on the influence of the atmospheric conditions at the time of temperature increase and temperature decrease of the heat treatment on the surface state of the wafer. First, a plurality of silicon wafers having the same specifications are prepared, inserted into a heat treatment furnace, heated to 1200 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and held at 1200 ° C. for 60 minutes, and then cooled at a rate of 3 ° C. A heat treatment experiment of cooling at a rate of / min was performed. At the time of the temperature rise / fall, the heat treatment was performed by changing the atmosphere for each wafer, and the micro-roughness of the wafer after the heat treatment was evaluated by measuring the PV value (the maximum difference between the peak and the valley). The measurement was performed using an AFM (atomic force microscope) to measure a 2 μm square. The measurement results are shown in FIG.
[0019]
From FIG. 1, it is known that the PV value when heat treatment is performed only in an argon atmosphere is about four times worse than when heat treatment is performed only in a hydrogen atmosphere, as is conventionally known. I understand. It can also be seen that this tendency is not affected at all even if the atmosphere at the time of temperature rise is changed to another gas.
[0020]
On the other hand, unlike when the atmosphere at the time of temperature change was changed, when the temperature was changed from the hydrogen atmosphere to the argon atmosphere, the PV value was deteriorated despite the heat treatment in the hydrogen atmosphere. It can be seen that when the temperature is changed to a hydrogen atmosphere and the temperature is lowered, the PV value is substantially the same as that obtained when the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere even though the heat treatment is performed in an argon atmosphere.
[0021]
From this fact, it was found that the micro-roughness of the wafer was not affected at all by the atmosphere at the time of temperature rise, and conversely, the atmosphere conditions at the time of temperature decrease determined the micro-roughness of the wafer. That is, even if the heat treatment is performed in an argon atmosphere, a wafer surface equivalent to that in the case where the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere can be obtained by changing to a hydrogen atmosphere when the temperature is lowered.
[0022]
However, if the hydrogen concentration in the atmosphere at the time of temperature decrease is too high, the amount of etching of the wafer is undesirably increased. Then, the present inventors conducted further experimental studies on the heat treatment atmosphere conditions. As in the above experiment, an experiment was conducted in which a plurality of silicon wafers were prepared, heated at a heating rate of 10 ° C./min, held at 1200 ° C. for 60 minutes, and then cooled at a cooling rate of 3 ° C./min. Atmosphere at the time of raising the temperature and maintaining the temperature was 100% argon. At the time of cooling, hydrogen was mixed in an argon atmosphere in a range of 1 to 100% by volume for each wafer, and heat treatment was performed. The micro-roughness of the heat-treated wafer was evaluated by measuring the PV value of the wafer. The result is shown in FIG.
[0023]
From FIG. 2, it can be seen that if the mixing amount of hydrogen at the time of temperature decrease is 1% by volume or more, there is an effect of improving the surface roughness of the wafer. For this reason, if the heat treatment is performed in an inert atmosphere such as argon and the temperature is lowered by mixing 1% by volume or more of hydrogen when the temperature is lowered, the micro roughness of the wafer can be improved with a minimum amount of hydrogen used. .
Conversely, if the amount of hydrogen incorporation is less than 1% by volume, the effect of improving the surface roughness of the wafer is significantly reduced. Therefore, it has been found that it is important that the amount of hydrogen incorporation be 1% by volume or more.
[0024]
Furthermore, the present inventors also performed the same measurement on the haze of the wafer. The results are shown in FIG. From FIG. 3, it can be seen that the haze of the wafer is also improved by reducing the temperature by introducing hydrogen at 1% by volume or more at the time of temperature decrease, similarly to the micro roughness.
[0025]
In addition, the present inventors also measured the relationship between the hydrogen concentration in the atmosphere at the time of temperature decrease and the amount of wafer etching. The evaluation of the etching amount was performed by using an SOI (Silicon On Insulator) wafer having a film thickness of 1 μm, measuring the SOI film thickness before and after the heat treatment, and determining the difference. FIG. 4 shows the measurement results. The vertical axis in FIG. 4 indicates an arbitrary unit (arbitrary unit), and is based on the etching amount at a hydrogen concentration of 100%.
[0026]
As shown in FIG. 4, when the hydrogen concentration in the atmosphere at the time of temperature decrease is 30% by volume or less, the etching of the wafer surface hardly occurs. However, it has been found that when the hydrogen concentration exceeds 30% by volume, etching starts to occur, and when the hydrogen concentration exceeds 60% by volume, the etching amount of the wafer rapidly increases.
[0027]
In summary, the surface condition of the wafer after the heat treatment can be improved by introducing hydrogen into the atmosphere at the time of the temperature decrease in the heat treatment. If the hydrogen concentration is 1% by volume or more, the micro roughness and haze of the wafer can be improved. Can be sufficiently improved. Further, it was found that when the hydrogen concentration was 60% by volume or less, the etching amount of the wafer could be within an allowable range.
[0028]
On the other hand, the present inventors also studied the atmosphere composition at the time of maintaining the heat treatment temperature in the heat treatment. Since it has been found that the surface roughness of the wafer can be improved by introducing an appropriate amount of hydrogen into the atmosphere at the time of temperature decrease as described above, there is no problem even if argon is used as the heat treatment atmosphere at the time of maintaining the constant temperature. The present inventors conducted experiments and studies on the relationship between the wafer etching amount and the atmosphere composition when the heat treatment temperature was maintained.
[0029]
A plurality of SOI wafers each having a thickness of 1 μm were prepared, inserted into a heat treatment furnace, heated to 1200 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min, held at 1200 ° C. for 60 minutes, and then cooled at a rate of 3 ° C./min. A heat treatment experiment was performed in which cooling was performed in min. At the time of maintaining the constant temperature, each wafer was subjected to heat treatment while changing the amount of hydrogen mixed into the argon atmosphere, and the amount of etching of the SOI wafer after the heat treatment was measured. Note that an argon atmosphere was used at the time of temperature rise and fall. FIG. 5 shows the measurement results.
[0030]
As shown in FIG. 5, when the hydrogen concentration in the heat treatment atmosphere at the time of maintaining the constant temperature is 30 vol% or less, almost no etching of the wafer surface occurs even after the heat treatment at 1200 ° C. for 60 minutes. I understand. Therefore, by introducing 30% by volume or less of hydrogen into the atmosphere at the time of maintaining the constant temperature, the surface roughness of the wafer can be improved even at the time of maintaining the temperature without etching. On the other hand, if the amount of hydrogen introduced exceeds 30% by volume, the amount of etching of the wafer surface increases, so it was found that it is preferable not to exceed this value.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
FIG. 6 is a schematic view showing an example of a heat treatment apparatus for performing the heat treatment according to the present invention. As shown in FIG. 6, the heat treatment apparatus 10 has a chamber 1 in which heat treatment is performed, and a support table 2 on which a wafer W to be subjected to heat treatment is placed.
[0032]
Outside the chamber 1, a heater 3 surrounding the periphery of the chamber 1 is arranged. Further, an argon supply source 7 and a hydrogen supply source 8 are connected to an intake port 4 of the chamber 1 through a mixer 6, and any one gas alone or an atmosphere gas having a desired mixing ratio is introduced into the chamber 1. Have been able to be. Further, the chamber 1 has an exhaust port 5 from which air is exhausted.
[0033]
Next, a method of heat-treating the wafer W using the heat treatment apparatus 10 will be described. First, the wafer W is placed on the support 2 and placed in the chamber 1. Next, argon is supplied from the argon supply source 7 into the chamber 1 through the air inlet 4. In this case, a mixed gas atmosphere in which hydrogen is mixed from the hydrogen supply source 8 through the mixer 6 may be used. In this case, as described above, the mixing ratio of hydrogen is preferably set to 30% by volume or less in order to prevent wafer etching.
[0034]
When the air in the chamber 1 has been sufficiently replaced by the predetermined atmospheric gas, the power supplied to the heater 3 is increased to heat the chamber 1 to a desired temperature. This temperature is maintained for a predetermined time. Here, maintaining the temperature means simply maintaining the temperature within the heat treatment temperature range, and the temperature may be increased or decreased as needed during the heat treatment.
[0035]
At the end of the heat treatment of the wafer W, the hydrogen concentration in the atmosphere is increased as necessary in order to reduce the micro roughness on the surface of the wafer W. In this case, the mixing ratio of hydrogen from the hydrogen supply source 8 is increased by the mixer 6, and the hydrogen concentration in the atmosphere is controlled to be 1 to 60% by volume. While supplying the mixed gas having the desired hydrogen concentration from the intake port 4, the power supplied to the heater 3 is stopped or reduced to lower the temperature at a predetermined temperature lowering rate. When the temperature is lowered to a sufficient temperature, the wafer W and the support 2 are taken out of the chamber 1.
[0036]
By subjecting the silicon wafer to the heat treatment as described above, it is possible to obtain a silicon wafer having a large defect-free layer thickness at the surface portion of the wafer and having improved microroughness and haze on the wafer surface. Further, according to the method of the present invention, only a very small amount of hydrogen may be used at the time of cooling the heat treatment, so that the safety of the heat treatment step can be ensured.
[0037]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
(Examples, Comparative Examples)
A plurality of silicon wafers having the same specifications are prepared, inserted into a heat treatment furnace, heated to 1200 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, held at 1200 ° C. for 60 minutes, and then cooled at a rate of 3 ° C./min. A heat treatment for cooling was performed. For each wafer, heat treatment was performed while changing the atmosphere conditions during the heating and holding at a constant temperature and the atmosphere conditions during the cooling. For each of the wafers after the heat treatment, the PV value, haze, COP (Crystal Originated Particle) density of the wafer surface, and the COP density at a depth of 0.5 μm from the wafer surface were measured to evaluate the effect of the heat treatment. .
[0038]
As the silicon wafer, a silicon ingot manufactured by the Czochralski method, sliced by a generally used method and mirror-finished, having a diameter of 8 inches and a crystal orientation of <100> was used.
[0039]
The PV value was measured using an AFM (Atomic Force Microscope, Atomic Force Microscope, NanoScope-II / trade name of Digital Instruments Co., Ltd.), and the area of 2 μm square was measured. The haze was measured using SP-1 manufactured by KLA Tencor.
[0040]
The COP on the wafer surface is measured by counting the number of COPs of a COP having a size of 0.1 μm or more on the wafer surface in a 700 V range of a particle counter (LS-6030 manufactured by Hitachi Electronics Engineering Co., Ltd.). It was measured.
[0041]
The measurement of the COP density at a depth of 0.5 μm from the wafer surface was performed by growing a thermal oxide film of about 1 μm on the wafer surface and measuring the oxide film on the particle counter. That is, the increase in the measured value before and after the oxidation is the total number of COPs included from the original silicon surface to a depth of about 0.5 μm, and the COP density is determined from this.
Table 1 shows the measurement results thus obtained.
[0042]
[Table 1]

[0043]
From Table 1, it can be seen that the silicon wafer heat-treated by the heat treatment method of the present invention (Example) had a PV value as good as that of the wafer when heat treatment was performed only in a hydrogen atmosphere (Comparative Example 2). It shows that the wafer has haze, and the wafer surface has little microroughness and is excellent in flatness.
[0044]
In addition, this wafer has a surface COP density as good as the wafer when heat treatment is performed only in an argon atmosphere (Comparative Example 3), and further, the COP density at a depth of 0.5 μm from the surface is also improved. , The values are almost the same as those in the case of only the argon atmosphere. In other words, it is presumed that this wafer has a thick defect-free layer despite the use of an atmosphere containing hydrogen as the atmosphere at the time of temperature decrease, and etching of the silicon wafer surface hardly occurs.
[0045]
As described above, in the wafer subjected to the heat treatment of the present invention, as compared with the wafer before the heat treatment (Comparative Example 1), the crystal defects on the wafer surface and the surface layer were removed without deteriorating the micro roughness on the wafer surface. It turns out that it is a high quality silicon wafer.
[0046]
On the other hand, a wafer whose temperature was raised and maintained at a constant temperature in an argon atmosphere and was cooled with 100% by volume of hydrogen (Comparative Example 4), and a wafer whose temperature was lowered with 80% by volume of hydrogen and 20% by volume of argon (Comparative Example 5) were P- Although the V value and the haze are good, the COP density at a depth of 0.5 μm from the wafer surface is a value worse than that of the wafer of the present invention.
It is considered that this is because the wafer surface was etched due to the high hydrogen concentration in the atmosphere at the time of temperature decrease, and the thickness of the defect-free layer at the wafer surface layer was reduced to 0.5 μm or less.
[0047]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device having the same operation and effect can be realized by the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0048]
For example, in the above-described embodiment, the description has been made mainly on the case where the silicon wafer containing many crystal defects such as COP is subjected to the heat treatment before the heat treatment. However, the heat treatment method of the present invention is applied to the silicon wafer having few crystal defects. However, it can be applied for the purpose of improving the micro roughness of the wafer surface.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a method for heat-treating a silicon wafer, in which the composition of the optimum heat-treating atmosphere is specified so that the crystal defects on the wafer surface are small, the defect-free layer thickness of the wafer surface layer is large, and the wafer is thick. A silicon wafer having a small surface microroughness can be obtained. Therefore, the yield of device manufacturing can be improved. In addition, the method of the present invention makes it possible to minimize the amount of hydrogen used, thereby ensuring the safety of the heat treatment operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between atmospheric conditions at the time of temperature rise and temperature decrease of heat treatment and PV values of a wafer after heat treatment.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration in the atmosphere when the temperature of the heat treatment is lowered and the PV value of the wafer after the heat treatment.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration in the atmosphere when the temperature of the heat treatment is lowered and the haze of the wafer after the heat treatment.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a hydrogen concentration in an atmosphere at the time of temperature decrease and an etching amount of a wafer after a heat treatment.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an atmosphere composition at a constant temperature of a heat treatment and an etching amount of a wafer after the heat treatment.
FIG. 6 is a schematic view showing an example of a heat treatment apparatus for performing a heat treatment according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... chamber, 2 ... support base, 3 ... heater, 4 ... intake port, 5 ... exhaust port,
6: Mixer, 7: Argon supply source, 8: Hydrogen supply source, 10: Heat treatment device,
W: Wafer.

Claims

シリコンウエーハの熱処理方法であって、シリコンウエーハにアルゴン雰囲気中において１０００℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理を施し、該熱処理の降温時に、雰囲気の水素の混合比を増加させ、雰囲気中の水素濃度を１〜６０容量％になるように制御し、該雰囲気中で降温することを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法。A heat treatment method for a silicon wafer, wherein the silicon wafer is subjected to a heat treatment in an argon atmosphere at a temperature not lower than 1000 ° C. and not higher than the melting point of silicon. A heat treatment method for a silicon wafer, wherein the concentration is controlled to be 1 to 60% by volume, and the temperature is lowered in the atmosphere.

請求項１に記載した方法により熱処理されたシリコンウエーハ。A silicon wafer heat-treated by the method according to claim 1.

シリコンウエーハであって、ウエーハバルク部の結晶欠陥密度が１．０×１０^４ケ/cm³以上で、かつ表面から深さ０．５μｍまでウエーハ表層部のＣＯＰ密度が１．０×１０^４ケ/cm³以下であり、ウエーハ表面のＣＯＰ密度が０．１５ケ/cm²以下で、表面粗さがＰ−Ｖ値で１．０ｎｍ以下であることを特徴とするシリコンウエーハ。A silicon wafer having a crystal defect density of 1.0 × 10 ⁴ pieces / cm ³ or more in a bulk portion of the wafer and a COP density of 1.0 × 10 ⁴ pieces from the surface to a depth of 0.5 μm from the surface. / cm ³ or less, a COP density of the wafer surface is 0.15 / cm ² or less, and a surface roughness is 1.0 nm or less in PV value.