JP3855531B2 - ポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により作られ、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハ及びその製造方法に関する。更に詳しくは裏面にポリシリコン層を有するポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路を製造する工程において、歩留りを低下させる原因として酸化誘起積層欠陥（Oxidation Induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）や、或いは侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、Ｌ／Ｄという。）の存在が挙げられている。ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。また鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液で洗浄すると、ウェーハ表面にピットが形成され、このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、ピットも本来のパーティクルとともにパーティクルとして検出される。上記ピットは結晶に起因したものであり、本来のパーティクルと区別するために、ＣＯＰと称される。このウェーハ表面のピットであるＣＯＰは電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Time Dependent dielectric Breakdown、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Time Zero Dielectric Breakdown、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。またＣＯＰがウェーハ表面に存在するとデバイスの配線工程において段差を生じ、この段差は断線の原因となって、製品の歩留りを低くする。
Ｌ／Ｄは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬するとピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。
【０００３】
以上のことから、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを減少させることが必要となっている。
【０００４】
このＯＳＦ及び転位クラスタ（Ｌ／Ｄ）を生じない無欠陥のシリコン単結晶製造方法が特開平８−３３０３１６号公報に開示されている。この方法は、シリコンウェーハの状態で熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦがウェーハ中心部で消滅し、かつウェーハ全面から転位クラスタ（Ｌ／Ｄ）が排除されるように低速でシリコン単結晶を育成する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの方法で無欠陥のシリコン単結晶を製造するためのシリコン単結晶の引上げ速度の範囲及び軸方向の結晶内温度勾配の範囲はそれぞれ比較的狭く、引上げるシリコン単結晶の径が大きくなるに従って、無欠陥のシリコン単結晶を製造することが困難になり、引上げ速度の変動などにより、ウェーハにしたときにＯＳＦがリング状でなくウェーハ中心部にまとまって顕在化する場合も生じる。このＯＳＦは前述したように接合リーク特性を悪化させるため、改善を求められていた。
【０００６】
本発明の目的は、従来のＯＳＦ顕在化熱処理を行ったときにＯＳＦがリング状でなくウェーハ中心部にまとまって顕在化するようなウェーハであっても、この熱酸化によるＯＳＦの発生をなくし、かつＣＯＰフリーであるポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、ウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ周縁部及びウェーハ中心部との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られるポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ウェーハ面内で結晶に起因したパーティクル（ＣＯＰ）も侵入型転位（Ｌ／Ｄ）も発生していない酸素濃度が１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）のシリコンウェーハであって、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理するとウェーハ中心部にＯＳＦが顕在化するシリコンウェーハの裏面に厚さ１．３±０．３μｍのポリシリコン層が形成されたことを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハである。
請求項２に係る発明は、請求項１に係るシリコンウェーハの裏面に６７０℃±３０℃の温度でポリシリコン層を化学的気相堆積（以下、ＣＶＤという。）法により厚さ１．３±０．３μｍに形成することを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハの製造方法である。
請求項１に係るシリコンウェーハはその中心部にＯＳＦが現れる条件でＣＺ法により作られるウェーハであって、その中心部では酸素析出核を比較的多く有し、それ以外の部分では酸素析出核を殆ど有しない。またその中心部以外ではＣＯＰフリーである。請求項２に係る方法でこのシリコンウェーハの裏面にポリシリコン層を形成すると、ＣＶＤの過程でウェーハ全面に酸素析出物が形成される。この結果、ウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ中心部及びそれ以外の部分との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコンウェーハは、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ（Voronkov）の理論に基づいた所定の引上げ速度プロファイルで引上げた後、このインゴットをスライスして作製される。
一般的に、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からシリコン単結晶のインゴットを引上げたときには、シリコン単結晶における欠陥として、点欠陥（point defect）と点欠陥の凝集体（agglomerates：三次元欠陥）が発生する。点欠陥は空孔型点欠陥と格子間シリコン型点欠陥という二つの一般的な形態がある。空孔型点欠陥は一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常的な位置の一つから離脱したものである。このような空孔が空孔型点欠陥になる。一方、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）で発見されるとこれが格子間シリコン点欠陥になる。
【０００９】
点欠陥は一般的にシリコン融液（溶融シリコン）とインゴット（固状シリコン）の間の接触面で形成される。しかし、インゴットを継続的に引上げることによって接触面であった部分は引上げとともに冷却し始める。冷却の間、空孔型点欠陥又は格子間シリコン型点欠陥は拡散により互いに合併して、空孔型点欠陥の凝集体（vacancy agglomerates）又は格子間シリコン型点欠陥の凝集体（interstitial agglomerates）が形成される。言い換えれば、凝集体は点欠陥の合併に起因して発生する三次元構造である。
空孔型点欠陥の凝集体は前述したＣＯＰの他に、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomograph Defects）又はＦＰＤ（Flow Pattern Defects）と呼ばれる欠陥を含み、格子間シリコン型点欠陥の凝集体は前述したＬ／Ｄと呼ばれる欠陥を含む。ＦＰＤとは、インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハを３０分間セコ（Secco）エッチング液で化学エッチングしたときに現れる特異なフローパターンを呈する痕跡の源であり、ＬＳＴＤとは、シリコン単結晶内に赤外線を照射したときにシリコンとは異なる屈折率を有し散乱光を発生する源である。
【００１０】
ボロンコフの理論は、欠陥の数が少ない高純度インゴットを成長させるために、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、ホットゾーン構造でインゴット−シリコン融液の接触面の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇ（ｍｍ2／分・℃）を制御することである。この理論では、図１に示すように、Ｖ／Ｇは関数として空孔濃度及び格子間シリコン濃度を図式的に表現し、ウェーハで空孔／格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥が支配的に存在するインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するインゴットが形成される。
【００１１】
本発明の所定の引上げ速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン炉内のシリコン溶融物から引上げられる時、温度勾配に対する引上げ速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（(Ｖ／Ｇ)1）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（(Ｖ／Ｇ)2）以下に維持されるように決められる。
【００１２】
この引上げ速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることで、実験的に基準インゴットをウェーハにスライスすることで、またはこれらの技術を組合わせることで、シミュレーションによって上記ボロンコフの理論に基づき決定される。即ち、この決定は、シミュレーションの後、インゴットの軸方向スライス及びスライスされたウェーハの確認を行い、更にシミュレーションを繰り返すことによりなされる。シミュレーションのために複数種類の引上げ速度が所定の範囲で決められ、複数個の基準インゴットが成長される。図２に示すように、シミュレーションのための引上げ速度プロファイルは１．２ｍｍ／分のような高い引上げ速度（a）から０．５ｍｍ／分の低い引上げ速度（c）及び再び高い引上げ速度（d）に調整される。上記低い引上げ速度は０．４ｍｍ／分又はそれ以下であることもあってもよく、引上げ速度（b）及び（d）での変化は線形的なものが望ましい。
【００１３】
異なった速度で引上げられ複数個の基準インゴットは各別に軸方向にスライスされる。最適のＶ／Ｇが軸方向のスライス、ウェーハの確認及びシミュレーションの結果の相関関係から決定され、続いて最適な引上げ速度プロファイルが決定され、そのプロファイルでインゴットが製造される。実際の引上げ速度プロファイルは所望のインゴットの直径、使用される特定のホットゾーン炉及びシリコン融液の品質等を含めてこれに限定されない多くの変数に依存する。
【００１４】
引上げ速度を徐々に低下させてＶ／Ｇを連続的に低下させたときのインゴットの断面図を描いてみると、図３に示される事実が分かる。図３には、インゴット内での空孔型点欠陥が支配的に存在する豊富領域が［Ｖ］、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域が［Ｉ］、及び空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域が［Ｐ］としてそれぞれ示される。図３に示すように、インゴットの軸方向位置Ｐ1は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ2は位置Ｐ1に比べて中央に小さい空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ4は格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング領域及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ3は中央に空孔型点欠陥もなく、縁部分に格子間シリコン型点欠陥もないので全てパーフェクト領域である。
【００１５】
図３から明らかなように、位置Ｐ1に対応したウェーハＷ1は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ2に対応したウェーハＷ2は、ウェーハＷ1に比べて中央に小さい面積で空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ4に対応したウェーハＷ4は、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ3に対応したウェーハＷ3は中央に空孔型点欠陥もないし、縁部分に格子間シリコン型点欠陥もないので全てパーフェクト領域である。
【００１６】
この空孔型点欠陥が支配的に存在する領域のパーフェクト領域に接する僅かな領域は、ウェーハ面内でＣＯＰもＬ／Ｄも発生していない領域である。しかしこのシリコンウェーハに対して、従来のＯＳＦ顕在化熱処理に従った、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理すると、ＯＳＦを生じる。図４に示すように、ウェーハＷ1ではウェーハの半径の１／２付近にＯＳＦリングが発生する。このＯＳＦリングで囲まれた空孔型点欠陥が支配的に存在する領域はＣＯＰが出現する傾向がある。これに対して、ウェーハＷ2ではＯＳＦはリング状にならずに、ウェーハの中心部にのみ発生する。本発明で用いられるシリコンウェーハは、このウェーハＷ2である。即ち、本発明のシリコンウェーハＷ2は、図５に示すようにＯＳＦがリング状でなく、中心部にのみ顕在化するように選定して決められた引上げ速度プロファイルで成長したインゴットをスライスして作製される。図６はその平面図である。このシリコンウェーハＷ2ではＯＳＦがリング状を形成しないため、ＣＯＰフリーである。またＬ／Ｄの発生もない。
【００１７】
本発明のシリコンウェーハは、更にウェーハ中の酸素濃度が制御される。ＣＺ法において、ホットゾーン炉内に供給するアルゴンの流量、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度、ホットゾーン炉内の圧力等を変えることにより、ウェーハ中の酸素濃度が制御される。ウェーハ内部の酸素濃度を１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）に制御される。この酸素濃度にするためには例えばアルゴンの流量を８０〜１５０リットル／分、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度を４〜９ｒｐｍ、ホットゾーン炉内の圧力を１５〜６０Ｔｏｒｒになるように制御する。本発明のシリコンウェーハがその酸素濃度を１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）にするのは、酸素析出核の析出過多を防止するためである。
【００１８】
上記条件で引上げられたインゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハの表面には、ＣＶＤ法により例えばＳｉＨ4を用いて６７０℃±３０℃の温度でポリシリコン層が厚さ１．３±０．３μｍで形成される。ポリシリコン層の厚さが１．０μｍ未満ではポリシリコン層による効果に乏しく、１．６μｍを超えると生産性が低下する不具合を生じる。ポリシリコン層形成前にはウェーハ面内で酸素濃度が均一であっても、ウェーハ中心部で酸素析出が起こり易く、それ以外の部分で酸素析出がしにくかったものが、ポリシリコン層を形成することにより、ウェーハ面内での酸素析出状況が均一化する。
これにより、半導体デバイス工程で上記ポリシリコン層付きシリコンウェーハを熱処理したときに、ウェーハ中に酸素析出物の核が存在していても、この核は成長しなくなり、従来のＯＳＦ顕在化の熱処理を行っても、ＯＳＦが発生しなくなる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例＞
図３に示した位置Ｐ2に対応する領域をインゴット全長にわたって育成するようにインゴットを引上げた。このときインゴット中の酸素濃度を制御するため、アルゴンの流量を約１１０リットル／分、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度を約５〜１０ｒｐｍ、ホットゾーン炉内の圧力を約６０Ｔｏｒｒに維持した。こうして引上げられたインゴットからスライスされたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去し、ウェーハ裏面にＣＶＤ法により、ＳｉＨ4を用いて６８０℃で１．５μｍの厚さでポリシリコン層を形成した。その後、鏡面研磨することにより、直径８インチ、厚さ７２５μｍのシリコンウェーハを用意した。
＜比較例＞
ポリシリコン層を形成しない以外は、実施例１と同じシリコンウェーハを比較例とした。
【００２０】
＜比較評価＞
実施例のシリコンウェーハと比較例のシリコンウェーハを半導体デバイス工程にの熱処理に模した第１熱処理を行った。即ち、これらのウェーハを酸素雰囲気下、８００℃の温度で４時間熱処理し、引続き１０００℃の温度で１６時間熱処理した。これらの実施例と比較例のウェーハ中心部から周縁部にかけてのウェーハ表面の酸素濃度をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）により測定した。熱処理前後の酸素濃度差である△［Ｏｉ］を図７に示す。
実施例の別のシリコンウェーハと比較例の別のシリコンウェーハを半導体デバイス工程にの熱処理に模した第２熱処理を行った。即ち、これらのウェーハを酸素雰囲気下、７００℃の温度で８時間熱処理し、引続き１０００℃の温度で１２時間熱処理した。これらの実施例と比較例のウェーハ中心部から周縁部にかけてのウェーハ表面の酸素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定した。熱処理前後の酸素濃度差である△［Ｏｉ］を図８に示す。
【００２１】
図７及び図８に示すように、ウェーハ中心部から４０ｍｍ程度までの間で、比較例のシリコンウェーハの熱処理前後の酸素濃度差△［Ｏｉ］は大きく変動するのに対して、実施例のシリコンウェーハの熱処理前後の酸素濃度差△［Ｏｉ］はウェーハ中心部から９０ｍｍ程度までの間でゆるやかに減少するだけで、ウェーハ面内で均一であった。
【００２２】
また実施例の更に別のシリコンウェーハと比較例の更に別のシリコンウェーハについて、１０００℃の温度で４時間熱処理し、引続き１１３０℃の温度で３時間熱処理（パイロジェニック酸化処理）して、目視によりＯＳＦが顕在化しているか否か調べた。その結果、比較例のシリコンウェーハがウェーハ中心部に白濁したＯＳＦが出現した。これに対して、実施例のシリコンウェーハはウェーハ面内でＯＳＦは出現しなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ウェーハ面内でＣＯＰもＬ／Ｄも発生せず、しかも従来のＯＳＦ顕在化熱処理を行うと、ウェーハ中心部にＯＳＦが顕在化するようなシリコンウェーハに対して、このウェーハの裏面にポリシリコン層を形成すると、ＣＯＰフリーである上、半導体デバイス工程の熱処理によるＯＳＦの発生を無くすることができる。またウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ周縁部及びウェーハ中心部との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボロンコフの理論を基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔豊富インゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが形成されることを示す図。
【図２】所望の引上げ速度プロファイルを決定するための引上げ速度の変化を示す特性図。
【図３】本発明による基準インゴットの空孔豊富領域、格子間シリコン豊富領域及びパーフェクト領域を示すＸ線トモグラフィの概略図。
【図４】図３の位置Ｐ1に対応するシリコンウェーハＷ1にＯＳＦリングが出現する状況を示す図。
【図５】図３の位置Ｐ1に対応するインゴットの軸中心を通って軸方向にスライスした断面図。
【図６】図３の位置Ｐ2に対応するシリコンウェーハＷ2の中心部にＯＳＦが出現する状況を示す図。
【図７】実施例及び比較例の各シリコンウェーハについて半導体デバイス工程の熱処理に模した第１熱処理の前後におけるウェーハ面内の△［Ｏｉ］の状況を示す図。
【図８】実施例及び比較例の各シリコンウェーハについて半導体デバイス工程の熱処理に模した第２熱処理の前後におけるウェーハ面内の△［Ｏｉ］の状況を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により作られ、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハ及びその製造方法に関する。更に詳しくは裏面にポリシリコン層を有するポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路を製造する工程において、歩留りを低下させる原因として酸化誘起積層欠陥（Oxidation Induced Stacking Fault、以下、ＯＳＦという。）の核となる酸素析出物の微小欠陥や、結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）や、或いは侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、Ｌ／Ｄという。）の存在が挙げられている。ＯＳＦは、結晶成長時にその核となる微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。また鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液で洗浄すると、ウェーハ表面にピットが形成され、このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、ピットも本来のパーティクルとともにパーティクルとして検出される。上記ピットは結晶に起因したものであり、本来のパーティクルと区別するために、ＣＯＰと称される。このウェーハ表面のピットであるＣＯＰは電気的特性、例えば酸化膜の経時絶縁破壊特性（Time Dependent dielectric Breakdown、ＴＤＤＢ）、酸化膜耐圧特性（Time Zero Dielectric Breakdown、ＴＺＤＢ）等を劣化させる原因となる。またＣＯＰがウェーハ表面に存在するとデバイスの配線工程において段差を生じ、この段差は断線の原因となって、製品の歩留りを低くする。
Ｌ／Ｄは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬するとピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。
【０００３】
以上のことから、半導体集積回路を製造するために用いられるシリコンウェーハからＯＳＦ、ＣＯＰ及びＬ／Ｄを減少させることが必要となっている。
【０００４】
このＯＳＦ及び転位クラスタ（Ｌ／Ｄ）を生じない無欠陥のシリコン単結晶製造方法が特開平８−３３０３１６号公報に開示されている。この方法は、シリコンウェーハの状態で熱酸化処理をした際にリング状に発生するＯＳＦがウェーハ中心部で消滅し、かつウェーハ全面から転位クラスタ（Ｌ／Ｄ）が排除されるように低速でシリコン単結晶を育成する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの方法で無欠陥のシリコン単結晶を製造するためのシリコン単結晶の引上げ速度の範囲及び軸方向の結晶内温度勾配の範囲はそれぞれ比較的狭く、引上げるシリコン単結晶の径が大きくなるに従って、無欠陥のシリコン単結晶を製造することが困難になり、引上げ速度の変動などにより、ウェーハにしたときにＯＳＦがリング状でなくウェーハ中心部にまとまって顕在化する場合も生じる。このＯＳＦは前述したように接合リーク特性を悪化させるため、改善を求められていた。
【０００６】
本発明の目的は、従来のＯＳＦ顕在化熱処理を行ったときにＯＳＦがリング状でなくウェーハ中心部にまとまって顕在化するようなウェーハであっても、この熱酸化によるＯＳＦの発生をなくし、かつＣＯＰフリーであるポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、ウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ周縁部及びウェーハ中心部との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られるポリシリコン層付きシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ウェーハ面内で結晶に起因したパーティクル（ＣＯＰ）も侵入型転位（Ｌ／Ｄ）も発生していない酸素濃度が１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）のシリコンウェーハであって、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理するとウェーハ中心部にＯＳＦが顕在化するシリコンウェーハの裏面に厚さ１．３±０．３μｍのポリシリコン層が形成されたことを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハである。
請求項２に係る発明は、請求項１に係るシリコンウェーハの裏面に６７０℃±３０℃の温度でポリシリコン層を化学的気相堆積（以下、ＣＶＤという。）法により厚さ１．３±０．３μｍに形成することを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハの製造方法である。
請求項１に係るシリコンウェーハはその中心部にＯＳＦが現れる条件でＣＺ法により作られるウェーハであって、その中心部では酸素析出核を比較的多く有し、それ以外の部分では酸素析出核を殆ど有しない。またその中心部以外ではＣＯＰフリーである。請求項２に係る方法でこのシリコンウェーハの裏面にポリシリコン層を形成すると、ＣＶＤの過程でウェーハ全面に酸素析出物が形成される。この結果、ウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ中心部及びそれ以外の部分との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコンウェーハは、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ（Voronkov）の理論に基づいた所定の引上げ速度プロファイルで引上げた後、このインゴットをスライスして作製される。
一般的に、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からシリコン単結晶のインゴットを引上げたときには、シリコン単結晶における欠陥として、点欠陥（point defect）と点欠陥の凝集体（agglomerates：三次元欠陥）が発生する。点欠陥は空孔型点欠陥と格子間シリコン型点欠陥という二つの一般的な形態がある。空孔型点欠陥は一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常的な位置の一つから離脱したものである。このような空孔が空孔型点欠陥になる。一方、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）で発見されるとこれが格子間シリコン点欠陥になる。
【０００９】
点欠陥は一般的にシリコン融液（溶融シリコン）とインゴット（固状シリコン）の間の接触面で形成される。しかし、インゴットを継続的に引上げることによって接触面であった部分は引上げとともに冷却し始める。冷却の間、空孔型点欠陥又は格子間シリコン型点欠陥は拡散により互いに合併して、空孔型点欠陥の凝集体（vacancy agglomerates）又は格子間シリコン型点欠陥の凝集体（interstitial agglomerates）が形成される。言い換えれば、凝集体は点欠陥の合併に起因して発生する三次元構造である。
空孔型点欠陥の凝集体は前述したＣＯＰの他に、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomograph Defects）又はＦＰＤ（Flow Pattern Defects）と呼ばれる欠陥を含み、格子間シリコン型点欠陥の凝集体は前述したＬ／Ｄと呼ばれる欠陥を含む。ＦＰＤとは、インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハを３０分間セコ（Secco）エッチング液で化学エッチングしたときに現れる特異なフローパターンを呈する痕跡の源であり、ＬＳＴＤとは、シリコン単結晶内に赤外線を照射したときにシリコンとは異なる屈折率を有し散乱光を発生する源である。
【００１０】
ボロンコフの理論は、欠陥の数が少ない高純度インゴットを成長させるために、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、ホットゾーン構造でインゴット−シリコン融液の接触面の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇ（ｍｍ2／分・℃）を制御することである。この理論では、図１に示すように、Ｖ／Ｇは関数として空孔濃度及び格子間シリコン濃度を図式的に表現し、ウェーハで空孔／格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥が支配的に存在するインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するインゴットが形成される。
【００１１】
本発明の所定の引上げ速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン炉内のシリコン溶融物から引上げられる時、温度勾配に対する引上げ速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（(Ｖ／Ｇ)1）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（(Ｖ／Ｇ)2）以下に維持されるように決められる。
【００１２】
この引上げ速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることで、実験的に基準インゴットをウェーハにスライスすることで、またはこれらの技術を組合わせることで、シミュレーションによって上記ボロンコフの理論に基づき決定される。即ち、この決定は、シミュレーションの後、インゴットの軸方向スライス及びスライスされたウェーハの確認を行い、更にシミュレーションを繰り返すことによりなされる。シミュレーションのために複数種類の引上げ速度が所定の範囲で決められ、複数個の基準インゴットが成長される。図２に示すように、シミュレーションのための引上げ速度プロファイルは１．２ｍｍ／分のような高い引上げ速度（a）から０．５ｍｍ／分の低い引上げ速度（c）及び再び高い引上げ速度（d）に調整される。上記低い引上げ速度は０．４ｍｍ／分又はそれ以下であることもあってもよく、引上げ速度（b）及び（d）での変化は線形的なものが望ましい。
【００１３】
異なった速度で引上げられ複数個の基準インゴットは各別に軸方向にスライスされる。最適のＶ／Ｇが軸方向のスライス、ウェーハの確認及びシミュレーションの結果の相関関係から決定され、続いて最適な引上げ速度プロファイルが決定され、そのプロファイルでインゴットが製造される。実際の引上げ速度プロファイルは所望のインゴットの直径、使用される特定のホットゾーン炉及びシリコン融液の品質等を含めてこれに限定されない多くの変数に依存する。
【００１４】
引上げ速度を徐々に低下させてＶ／Ｇを連続的に低下させたときのインゴットの断面図を描いてみると、図３に示される事実が分かる。図３には、インゴット内での空孔型点欠陥が支配的に存在する豊富領域が［Ｖ］、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域が［Ｉ］、及び空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域が［Ｐ］としてそれぞれ示される。図３に示すように、インゴットの軸方向位置Ｐ1は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ2は位置Ｐ1に比べて中央に小さい空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ4は格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング領域及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ3は中央に空孔型点欠陥もなく、縁部分に格子間シリコン型点欠陥もないので全てパーフェクト領域である。
【００１５】
図３から明らかなように、位置Ｐ1に対応したウェーハＷ1は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ2に対応したウェーハＷ2は、ウェーハＷ1に比べて中央に小さい面積で空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ4に対応したウェーハＷ4は、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ3に対応したウェーハＷ3は中央に空孔型点欠陥もないし、縁部分に格子間シリコン型点欠陥もないので全てパーフェクト領域である。
【００１６】
この空孔型点欠陥が支配的に存在する領域のパーフェクト領域に接する僅かな領域は、ウェーハ面内でＣＯＰもＬ／Ｄも発生していない領域である。しかしこのシリコンウェーハに対して、従来のＯＳＦ顕在化熱処理に従った、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理すると、ＯＳＦを生じる。図４に示すように、ウェーハＷ1ではウェーハの半径の１／２付近にＯＳＦリングが発生する。このＯＳＦリングで囲まれた空孔型点欠陥が支配的に存在する領域はＣＯＰが出現する傾向がある。これに対して、ウェーハＷ2ではＯＳＦはリング状にならずに、ウェーハの中心部にのみ発生する。本発明で用いられるシリコンウェーハは、このウェーハＷ2である。即ち、本発明のシリコンウェーハＷ2は、図５に示すようにＯＳＦがリング状でなく、中心部にのみ顕在化するように選定して決められた引上げ速度プロファイルで成長したインゴットをスライスして作製される。図６はその平面図である。このシリコンウェーハＷ2ではＯＳＦがリング状を形成しないため、ＣＯＰフリーである。またＬ／Ｄの発生もない。
【００１７】
本発明のシリコンウェーハは、更にウェーハ中の酸素濃度が制御される。ＣＺ法において、ホットゾーン炉内に供給するアルゴンの流量、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度、ホットゾーン炉内の圧力等を変えることにより、ウェーハ中の酸素濃度が制御される。ウェーハ内部の酸素濃度を１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）に制御される。この酸素濃度にするためには例えばアルゴンの流量を８０〜１５０リットル／分、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度を４〜９ｒｐｍ、ホットゾーン炉内の圧力を１５〜６０Ｔｏｒｒになるように制御する。本発明のシリコンウェーハがその酸素濃度を１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）にするのは、酸素析出核の析出過多を防止するためである。
【００１８】
上記条件で引上げられたインゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハの表面には、ＣＶＤ法により例えばＳｉＨ4を用いて６７０℃±３０℃の温度でポリシリコン層が厚さ１．３±０．３μｍで形成される。ポリシリコン層の厚さが１．０μｍ未満ではポリシリコン層による効果に乏しく、１．６μｍを超えると生産性が低下する不具合を生じる。ポリシリコン層形成前にはウェーハ面内で酸素濃度が均一であっても、ウェーハ中心部で酸素析出が起こり易く、それ以外の部分で酸素析出がしにくかったものが、ポリシリコン層を形成することにより、ウェーハ面内での酸素析出状況が均一化する。
これにより、半導体デバイス工程で上記ポリシリコン層付きシリコンウェーハを熱処理したときに、ウェーハ中に酸素析出物の核が存在していても、この核は成長しなくなり、従来のＯＳＦ顕在化の熱処理を行っても、ＯＳＦが発生しなくなる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例＞
図３に示した位置Ｐ2に対応する領域をインゴット全長にわたって育成するようにインゴットを引上げた。このときインゴット中の酸素濃度を制御するため、アルゴンの流量を約１１０リットル／分、シリコン溶融物を貯える石英るつぼの回転速度を約５〜１０ｒｐｍ、ホットゾーン炉内の圧力を約６０Ｔｏｒｒに維持した。こうして引上げられたインゴットからスライスされたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去し、ウェーハ裏面にＣＶＤ法により、ＳｉＨ4を用いて６８０℃で１．５μｍの厚さでポリシリコン層を形成した。その後、鏡面研磨することにより、直径８インチ、厚さ７２５μｍのシリコンウェーハを用意した。
＜比較例＞
ポリシリコン層を形成しない以外は、実施例１と同じシリコンウェーハを比較例とした。
【００２０】
＜比較評価＞
実施例のシリコンウェーハと比較例のシリコンウェーハを半導体デバイス工程にの熱処理に模した第１熱処理を行った。即ち、これらのウェーハを酸素雰囲気下、８００℃の温度で４時間熱処理し、引続き１０００℃の温度で１６時間熱処理した。これらの実施例と比較例のウェーハ中心部から周縁部にかけてのウェーハ表面の酸素濃度をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）により測定した。熱処理前後の酸素濃度差である△［Ｏｉ］を図７に示す。
実施例の別のシリコンウェーハと比較例の別のシリコンウェーハを半導体デバイス工程にの熱処理に模した第２熱処理を行った。即ち、これらのウェーハを酸素雰囲気下、７００℃の温度で８時間熱処理し、引続き１０００℃の温度で１２時間熱処理した。これらの実施例と比較例のウェーハ中心部から周縁部にかけてのウェーハ表面の酸素濃度をＦＴ−ＩＲにより測定した。熱処理前後の酸素濃度差である△［Ｏｉ］を図８に示す。
【００２１】
図７及び図８に示すように、ウェーハ中心部から４０ｍｍ程度までの間で、比較例のシリコンウェーハの熱処理前後の酸素濃度差△［Ｏｉ］は大きく変動するのに対して、実施例のシリコンウェーハの熱処理前後の酸素濃度差△［Ｏｉ］はウェーハ中心部から９０ｍｍ程度までの間でゆるやかに減少するだけで、ウェーハ面内で均一であった。
【００２２】
また実施例の更に別のシリコンウェーハと比較例の更に別のシリコンウェーハについて、１０００℃の温度で４時間熱処理し、引続き１１３０℃の温度で３時間熱処理（パイロジェニック酸化処理）して、目視によりＯＳＦが顕在化しているか否か調べた。その結果、比較例のシリコンウェーハがウェーハ中心部に白濁したＯＳＦが出現した。これに対して、実施例のシリコンウェーハはウェーハ面内でＯＳＦは出現しなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ウェーハ面内でＣＯＰもＬ／Ｄも発生せず、しかも従来のＯＳＦ顕在化熱処理を行うと、ウェーハ中心部にＯＳＦが顕在化するようなシリコンウェーハに対して、このウェーハの裏面にポリシリコン層を形成すると、ＣＯＰフリーである上、半導体デバイス工程の熱処理によるＯＳＦの発生を無くすることができる。またウェーハのすべての面において酸素析出が均一に行われ、ウェーハ周縁部及びウェーハ中心部との間でばらつきのない均一なゲッタリング効果が得られる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボロンコフの理論を基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔豊富インゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン豊富インゴットが形成されることを示す図。
【図２】所望の引上げ速度プロファイルを決定するための引上げ速度の変化を示す特性図。
【図３】本発明による基準インゴットの空孔豊富領域、格子間シリコン豊富領域及びパーフェクト領域を示すＸ線トモグラフィの概略図。
【図４】図３の位置Ｐ1に対応するシリコンウェーハＷ1にＯＳＦリングが出現する状況を示す図。
【図５】図３の位置Ｐ1に対応するインゴットの軸中心を通って軸方向にスライスした断面図。
【図６】図３の位置Ｐ2に対応するシリコンウェーハＷ2の中心部にＯＳＦが出現する状況を示す図。
【図７】実施例及び比較例の各シリコンウェーハについて半導体デバイス工程の熱処理に模した第１熱処理の前後におけるウェーハ面内の△［Ｏｉ］の状況を示す図。
【図８】実施例及び比較例の各シリコンウェーハについて半導体デバイス工程の熱処理に模した第２熱処理の前後におけるウェーハ面内の△［Ｏｉ］の状況を示す図。
Claims (2)
- ウェーハ面内で結晶に起因したパーティクルも侵入型転位も発生していない酸素濃度が１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）のシリコンウェーハであって、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理するとウェーハ中心部に酸化誘起積層欠陥が顕在化するシリコンウェーハの裏面に厚さ１．３±０．３μｍのポリシリコン層が形成されたことを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハ。
- ウェーハ面内で結晶に起因したパーティクルも侵入型転位も発生していない酸素濃度が１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下（旧ＡＳＴＭ）のシリコンウェーハであって、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理するとウェーハ中心部に酸化誘起積層欠陥が顕在化するシリコンウェーハの裏面に６７０℃±３０℃の温度でポリシリコン層を化学的気相堆積法により厚さ１．３±０．３μｍに形成することを特徴とするポリシリコン層付きシリコンウェーハの製造方法。
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