JP4151876B2

JP4151876B2 - シリコンウェーハの製造方法

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Publication number: JP4151876B2
Application number: JP2000238999A
Authority: JP
Inventors: 康夫小池
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP2002057159A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体素子基板として使用されるシリコンウェーハの製造方法に関し、さらに詳しくは、デバイス特性に悪影響を及ぼすウェーハ表面および表面近傍の結晶欠陥を低減し、デバイス製造工程において、特性劣化の要因である重金属をゲッタリングするのに必要な酸素析出物（ＢＭＤ；ＢＵＬＫＭＩＣＲＯＤＥＦＥＣＴ）をウェーハ内部に形成することが可能なシリコンウェーハの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
半導体デバイス製造工程では、D-RAMに代表される高温プロセスにおいて、Fe、Ni、Cu等の重金属による汚染を発生しやすい。これらの重金属汚染は、シリコンウェーハ表面および表面近傍に汚染欠陥を形成して、様々なデバイス特性を劣化させ、ひいては製品歩留まりを低下させる要因になる。このため、これらの汚染源である重金属は、デバイス活性領域となるウェーハ表面および表面近傍から取り除く必要がある。そこで、デバイス製造工程前のウェーハに低温熱処理を施して、内部に存在する酸素析出核を成長させて、重金属をゲッタリングするための酸素析出物を形成させる処理（以下、単に「IG処理」という）が行われている。
【０００３】
また、高集積化デバイスを作製するにあたって、ウェーハ表面および表面近傍における、更なる高品質化が要求されている。これに対応して、シリコンウェーハに1000℃を超える高温の熱処理を施して、ウェーハ表面および表面近傍の酸素を外方拡散させ、酸素起因による結晶欠陥が除去された無欠陥層（以下、「DZ層」という）を形成させることが行われている。
【０００４】
従来から、埋め込み拡散熱処理を有する高温デバイス製造工程においては、シリコンウェーハに1120℃〜1220℃の高温熱処理を施している。このため、ウェーハの表面および表面近傍にDZ層を形成させることが可能であることから、デバイス製造工程前に、DZ層を形成させる必要はなかった。しかし、最近のデバイス製造工程では、高エネルギーのイオン注入プロセスが導入され、熱処理温度の低温化が図られるようになり、DZ層の形成が困難になることから、デバイス製造工程前にウェーハにDZ層を形成することが必要になってきた。
【０００５】
通常、シリコンウェーハは、ＣＺ法により製造された単結晶から作製されるため、その内部には育成中に導入された酸素析出核が多数存在する。この酸素析出核は低温熱処理を受けると成長し、酸素析出物として顕在化して、ウェーハの汚染源である重金属をゲッタリングする機能を発揮する。
【０００６】
ところで、シリコンウェーハにDZ層を形成する高温熱処理（以下、「DZ処理」という）を施すと、内部に存在する酸素析出核は縮小、消滅してしまう。このため、DZ処理を施すと、酸素析出物の密度が低くなり、デバイス製造工程でのゲッタリング能力が乏しくなるという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するため、デバイス製造工程前のシリコンウェーハにDZ処理と、酸素析出核を成長させる、いわゆるIG処理との２段階の熱処理を施す処理（以下、「DZ-IG処理」という）が行われている。具体的な処理としては、１段目にウェーハにDZ処理を施し、その表面および表面近傍の酸素を外方拡散させて酸素起因による結晶欠陥を除去し、DZ層を形成させる。次いで、２段目としてウェーハにIG処理を施し、内部に存在する酸素析出核を成長させ、ゲッタリング源となる酸素析出物を形成するものである。
【０００８】
しかしながら、このDZ-IG処理法においても、シリコンウェーハに１段目のDZ処理温度が高温であるため、シリコンウェーハの内部に存在する酸素析出核が縮小、消滅してしまう。このため、２段目のIG処理を施したとしても、ウェーハ内部に形成される酸素析出物密度は低く、高密度の酸素析出物を成長させるためには、長時間のIG処理を施さなければならないという問題がある。
【０００９】
これに対し、デバイスユーザーからは、シリコンウェーハの高品質化と同時に、コスト低減の要求も厳しく、低コストで高品質のシリコンウェーハを製造することが要求されている。このため、上述のように、DZ処理後に長時間のIG処理を施すことは、処理工程の増加、生産コストの上昇を招き、ユーザーの要求に逆行することから、採用することができない。
【００１０】
一方、エピタキシャルウェーハは、デバイスを作製する表面のエピタキシャル膜には、酸素起因の欠陥やシリコン単結晶育成時に導入されるgrown-in欠陥(COPを含む)が存在しないことから、ＢやAs/Sb等を高濃度に含むシリコンウェーハとしても使用が可能になっており、ＭＰＵやフラッシュメモリー等の高性能デバイス、さらにはＭＯＳ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の高性能パワーデバイスに使用されるようになってきた。
【００１１】
しかしながら、エピタキシャルウェーハとして使用されるシリコンウェーハ表面そのものに、酸素起因の欠陥やgrown-in欠陥(COPを含む)が存在すると、エピタキシャル成長時に、これら欠陥を核としてエピタキシャル層に二次欠陥が形成され、デバイス特性を悪化させる問題がある。
【００１２】
また、最近の高集積・高密度デバイス製造工程での熱処理が低温化されつつあり、デバイス工程での汚染や結晶欠陥を防止するため、エピタキシャルウェーハでもIG処理が施されている。しかし、エピタキシャル成長温度は高温で行われることから、ウェーハ内部の酸素析出核が減少、消滅して、IG処理で形成される酸素析出物が少なくなり、デバイス製造工程においてゲッタリング能力が低下するという問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、シリコンウェーハにIG処理を施すことなく、その表面および表面近傍にDZ層を形成し、デバイス製造工程において、汚染源である重金属のゲッタリング能力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している。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、IG処理を行わなくてもデバイス製造工程において十分なゲッタリング能力を有するシリコンウェーハを提供することを目的に鋭意研究した結果、シリコン単結晶中に導入される酸素析出核は、酸素濃度が高くなるほど増加し、さらに、そのメカニズムは不明であるが、炭素濃度も高くなるほど酸素析出物密度も高くなることを明らかにした。
【００１５】
ところが、シリコンウェーハの炭素濃度のみを増加させても、酸素濃度が所定の濃度範囲を満たさない場合は、デバイス製造工程で低温熱処理を施しても、所望とする酸素析出物は得られないことが分かった。
【００１６】
言い換えると、シリコンウェーハ中の酸素濃度及び炭素濃度を意図的に導入、調整し、それぞれ所定の濃度範囲で制御することによって、シリコンウェーハにDZ処理の高温熱処理を施しても、その後のデバイス製造工程での低温熱処理により、酸素析出核が成長し、酸素析出物が十分に形成され、ウェーハの汚染源である重金属をゲッタリングできることを知見した。
【００１７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記のシリコンウェーハの製造方法を要旨としている。
すなわち、酸素濃度が１１×１０¹⁷〜１７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＯＬＤＡＳＴＭ）、炭素濃度が１×１０¹⁶〜１５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＮＥＷＡＳＴＭ）の範囲に制御されたシリコンウェーハを不活性ガス雰囲気、若しくは不活性ガスおよび酸化性ガスとの混合ガス雰囲気、または水素ガス若しくは水素含有ガス雰囲気で１１００℃〜１３５０℃の温度で１時間〜１０時間の熱処理を施し、デバイス製造工程で９００℃の温度で１時間、７００℃の温度で２時間、１０００℃の温度で１時間、８００℃の温度で１時間、６００℃の温度で１時間、および７００℃の温度で１時間の熱処理を施した場合に、その内部に１×１０ ⁴ 個／ｃｍ ² 〜５×１０ ⁶ 個／ｃｍ ² の酸素析出物が形成されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とするシリコンウェーハは、デバイス製造工程前にＩＧ処理を施さないが、シリコンウェーハ中の酸素濃度および炭素濃度を所定の濃度範囲で制御することによって、ＤＺ処理の高温熱処理を施して表面にＤＺ層を形成しているにも拘わらず、デバイス製造工程での低温熱処理を受けた場合に、１×１０⁴個／ｃｍ² 〜５×１０ ⁶ 個／ｃｍ ²の酸素析出物が形成されることを特徴とするシリコンウェーハである。
【００２０】
上述の通り、本発明では、DZ処理等の高温熱処理後、全くIG処理を施すことがないので、低コストのシリコンウェーハを製造することが可能になる。
【００２１】
本発明が対象とするシリコンウェーハは、５００℃〜１０００℃の温度で１時間〜２４時間の熱処理を施した場合に、具体的には、９００℃の温度で１時間、７００℃の温度で２時間、１０００℃の温度で１時間、８００℃の温度で１時間、６００℃の温度で１時間、および７００℃の温度で１時間の熱処理を施した場合に、内部に１×１０⁴個／ｃｍ²以上の酸素析出物が形成されるシリコンウェーハであり、これは低温熱処理のデバイス工程において、ゲッタリングする機能を発揮させるのに十分な酸素析出物が形成されていることを意味するものであるが、本発明が対象とするシリコンウェーハは何ら低温熱処理のデバイス工程の使用に限定されるものではなく、低温熱処理を含む高温熱処理のデバイス工程に本発明が対象とするシリコンウェーハを使用した場合にも、ウェーハ内部に１×１０⁴個／ｃｍ²以上の酸素析出物が形成され、十分なゲッタリング機能を発揮するものである。
一方、酸素析出物密度が高すぎると、過剰析出による強度低下も懸念されるので、その上限は５×１０ ⁶ 個／ｍ ² にする。
【００２２】
本発明の製造方法において、欠陥を低減または消滅させてＤＺ層を形成するため、シリコンウェーハを１１００℃〜１３５０℃の高温度で熱処理する。特に、１２８０℃〜１３５０℃の高温度で熱処理すると、ウェーハ表面近傍のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を低減または消滅できるので望ましい。
【００２３】
このときの熱処理時間は、１時間〜10時間を確保する必要がある。１時間未満ではウェーハ表面にDZ層形成が不十分であり、10時間を超えると、処理温度が非常に高温であることから、ウェーハが軟化変形する恐れがあるからである。
【００２４】
本発明の製造方法では、ウェーハ表面状態を保護するため、熱処理時の雰囲気は不活性ガス（アルゴンガス、窒素ガス）雰囲気、または不活性ガスと酸化性ガス（酸素ガス）との混合ガス雰囲気で行う。しかし、高温熱処理を不活性ガスのみで行うと、ウェーハ表面状態が悪化する恐れがあるため、不活性ガス中に少量の酸化性ガスを加えた混合ガス雰囲気で処理することが特に望ましい。また、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の消滅を考慮すると、水素ガスまたは水素含有ガスの雰囲気で熱処理することが望ましい。
【００２５】
【実施例】
本発明の製造方法で得られたシリコンウェーハが、デバイス製造工程において発揮する効果を、実施例に基づいて説明する。そのため、本実施例では、デバイス製造工程を処理することを想定した評価熱処理をシリコンウェーハに施した後、その特性を測定した。
【００２６】
図１は、デバイス製造工程を想定した、評価熱処理の処理パターンを示す図である。図１に示すように、評価熱処理は、［X］；1100℃以上の熱処理が含まれる高温デバイス製造工程（以下、単に「Ｘ高温プロセス」という）および、［Y］;1100℃未満の熱処理で構成される低温デバイス製造工程（以下、「Ｙ低温プロセス」という）とに区別することができる。
（実施例１）
ＣＺ法法により引き上げられたｐ型<100>で、酸素濃度を14×10¹⁷atoms/cm³と一定とし、炭素濃度を１×10¹⁶atoms/cm³〜16×10¹⁶atoms/cm³の範囲で変動させ、比抵抗10Ω・cmのシリコンウェーハを作製した。
【００２７】
このときの高温熱処理としては、酸素ガスを３％含有させた窒素ガス雰囲気で、1100℃〜1350℃×１hrのDZ処理を行った。しかし、比較例の一部(No.13〜16）では高温熱処理を行わなかった。表１に、作製したシリコンウェーハのサンプル水準の条件を示す。
【００２８】
【表１】

まず、シリコンウェーハの汚染源である重金属をゲッタリングする機能を発揮するのに必要な、ウェーハ中の酸素析出物密度を確認した。そのため、Ni故意汚染を行ったシリコンウェーハの酸素析出物密度と酸化膜耐圧良品率との関係を調査した。Ni故意汚染に用いたシリコンウェーハは、サンプル水準Ｃのウェーハを使用し、酸素析出物密度を変動させるために、700℃×１〜８時間の酸素析出熱処理を追加したものであり、評価熱処理はＸ高温プロセスとした。評価熱処理の後、Ni汚染濃度１×10¹¹atoms/cm²の故意汚染を行い、ドライブイン熱処理を施した後、ウェーハ表面上にＭＯＳを作製して酸化膜耐圧の良品率を測定した。
【００２９】
図２は、Ni故意汚染を行ったシリコンウェーハの酸素析出物密度と酸化膜耐圧良品率の関係を示す図である。同図から明らかなように、酸素析出物密度が１×10⁴個/cm²以下になると、酸化膜耐圧の劣化がみられ、良品率が著しく低下する。
【００３０】
この劣化の原因は、酸素析出物密度が少ないために、全てのＮｉを酸素析出物でゲッタリングすることができず、ウェーハ表面にＮｉシリサイドが形成されたことによるものである。図２の結果から、このＮｉ故意汚染に対しても、酸素析出物密度が１×１０⁴個／ｃｍ²以上であれば、酸化膜耐圧の劣化が回避できることが分かる。しかし、酸素析出物密度が高すぎることによって、過剰析出による強度低下も懸念されるので、その上限は５×１０⁶個／ｍ²にする。
【００３１】
次に、表１に示すサンプル水準を用いて、評価熱処理後の酸素析出物密度とDZ層の厚さ（以下、「DZ厚」という）を測定した。具体的には、Ｘ高温プロセス、またはＹ低温プロセスを施したのち、酸素析出物全てを観察しやすいように1000℃×16hrの熱処理を酸化性ガス(100%)雰囲気で施した。熱処理後のサンプルを２分割し、選択エッチングを行い、ウェーハ断面を光学顕微鏡で観察し、酸素析出物密度とDZ厚を測定した。
【００３２】
図３は、実施例１のサンプル水準による評価熱処理後の酸素析出物密度を示す図である。前記図２に示すように、Ni故意汚染に対しても、酸素析出物密度が１×10⁴個/cm²以上であればゲッタリング効果が発揮できるので、本発明例Ａ〜Ｄ（No.１〜８）は、Ｘ高温プロセス、Ｙ低温プロセスのいずれであっても、１×10⁵個/cm²を超える酸素析出物が形成されており、十分なゲッタリング効果が期待できることが分かる。これに対し、比較例Ｅ、Ｆ（No.９〜12）およびＩ（No.17、18）では、炭素が添加されていない、あるいは炭素濃度が低いことから酸素析出物密度は１×10⁴個/cm²以下となり、十分なゲッタリング効果が期待できない。比較例Ｇ、Ｈ（No.13〜16）およびＪ（No.19、20）では、DZ処理が施されていない、あるいは炭素濃度が高すぎることから、５×10⁶個/cm²を超える酸素析出物が形成されており、過剰析出によりウェーハ強度の低下を起こす可能性が高い。
【００３３】
図４は、実施例１のサンプル水準による評価熱処理後のDZ層の厚さ（単に、「DZ厚」という）を示す図である。デバイスの活性領域となる表面近傍のDZ厚は、デバイスの構造にもよるが、少なくともウェーハ表面から10μm程度はデバイスの活性領域として使用されることから、その領域に欠陥を存在させないことが必要である。
【００３４】
図４から明らかなように、本発明例Ａ〜Ｄは、Ｘ高温プロセス、Ｙ低温プロセスのいずれであっても、DZ厚は20μm以上と良好である。これに対し、比較例Ｅ、ＦおよびＩは、DZ厚50μm以上確保できるが、前記図３に示すように炭素が添加されていない、若しくは炭素濃度不足から酸素析出物密度が確保できず、ゲッタリング効果が期待できない。比較例Ｇ、Ｈは、DZ処理が施されていないことから、DZ厚が10μm程度、若しくはそれ未満と狭く、デバイス特性へ悪影響を与える可能性がある。
【００３５】
したがって、本発明で規定する範囲においてのみ、酸素析出不足によるゲッタリング能力の低下や過剰析出によるウェーハ強度の低下などのない程良い酸素析出物密度に制御することが可能であり、また、デバイス活性領域の欠陥を低減・消滅させたシリコンウェーハを製造することができる。
（実施例２）
ＣＺ法により引き上げられたｐ型<100>で、酸素濃度を11×10¹⁷atoms/cm³〜18×10¹⁷atoms/cm³の範囲で変動させ、炭素濃度を２×10¹⁶atoms/cm³の一定で、比抵抗10Ω・cmのシリコンウェーハを作製した。高温熱処理は、酸素ガスを３％含有させた窒素ガス雰囲気で、1000℃x1hrと1200℃x1hrで実施した。表２に、作製したウェーハのサンプル水準を示す。
【００３６】
【表２】

実施例２では、各サンプルウェーハにＹ低温プロセスによる評価熱処理を施したのち、ウェーハ中の酸素析出物全てを観察しやすいように、1000℃×16hrの熱処理を酸化性ガス(100%)雰囲気で施した。低温熱処理後の各サンプルを２分割し、選択エッチングを行い、ウェーハ断面を光学顕微鏡で観察し、酸素析出物密度とDZ厚を測定した。
【００３７】
図５は、実施例２のサンプル水準による評価熱処理後の酸素析出物密度を示す図である。図６は、実施例２のサンプル水準による評価熱処理後のDZ厚を示す図である。両図から明らかなように、本発明例Ｋ、Ｌ（No.21、22）については、１×10⁴個/cm²以上の酸素析出物が形成されており、十分なゲッタリング効果が期待できると同時に、DZ厚に関しても20μm以上が確保されており良好である。
【００３８】
これに対し、比較例Ｍ（No.23）は、酸素析出物密度が１×10⁴個/cm²以下と酸素析出物密度が低く、十分なゲッタリング効果が期待できない。また、比較例Ｎ、Ｏ、Ｐ（No.24〜26）に関しては、十分な酸素析出物密度はあるものの、DZ厚が10μm未満と狭くデバイス特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００３９】
上述の実施例１、２でのDZ処理時のガス雰囲気は、全て、酸素と窒素ガスの混合ガス雰囲気で行ったものであるが、この混合ガスを水素ガスに変えて行った場合には、酸素析出物密度についてはほぼ同程度の結果が得られ、DZ層内のgrown-in欠陥の消滅はより顕著に見られることを確認している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のシリコンウェーハの製造方法によれば、ＣＺ法により単結晶を引き上げる際に、酸素濃度および炭素濃度を制御することによって、ＤＺ処理後にＩＧ処理を施さなくとも、デバイス製造工程において酸素析出物密度を確保することができ、十分なゲッタリング効果を発揮することができる。しかも、ＩＧ処理工程が不要となるため、生産性が向上し、低コスト化が計れる。また、得られたウェーハは、エピタキシャルウェーハとして用いても、エピタキシャル層形成前に、既にウェーハ表面にＤＺ層が形成されているため、エピタキシャル層に欠陥を発生させることがなく、さらに、デバイス製造工程において同等のゲッタリング効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】デバイス製造工程を想定した評価熱処理の処理パターン図である。
【図２】 Ni故意汚染を行ったシリコンウェーハの酸素析出物密度と酸化膜耐圧良品率の関係を示す図である。
【図３】実施例１のサンプル水準による評価熱処理後の酸素析出物密度を示す図である。
【図４】実施例１のサンプル水準による評価熱処理後のＤＺ厚を示す図である。
【図５】実施例２のサンプル水準による評価熱処理後の酸素析出物密度を示す図である。
【図６】実施例２のサンプル水準による評価熱処理後のＤＺ厚を示す図である。

Claims

酸素濃度が１１×１０¹⁷〜１７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＯＬＤＡＳＴＭ）、炭素濃度が１×１０¹⁶〜１５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＮＥＷＡＳＴＭ）の範囲に制御されたシリコンウェーハを不活性ガス雰囲気、若しくは不活性ガスおよび酸化性ガスとの混合ガス雰囲気、または水素ガス若しくは水素含有ガス雰囲気で１１００℃〜１３５０℃の温度で１時間〜１０時間の熱処理を施し、デバイス製造工程で９００℃の温度で１時間、７００℃の温度で２時間、１０００℃の温度で１時間、８００℃の温度で１時間、６００℃の温度で１時間、および７００℃の温度で１時間の熱処理を施した場合に、その内部に１×１０ ⁴ 個／ｃｍ ² 〜５×１０ ⁶ 個／ｃｍ ² の酸素析出物が形成されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。