JP4385539B2

JP4385539B2 - Heat treatment method for silicon single crystal wafer

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Publication number: JP4385539B2
Application number: JP2001096698A
Authority: JP
Inventors: 英志西川
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002299344A

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）によって引き上げられた単結晶をスライスして切り出されたウェーハの熱処理方法に関し、具体的には、デバイス活性層での酸化誘起積層欠陥を抑制し、また酸素析出物密度をウェーハ面内で均一にしたシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス材料として用いられているシリコン単結晶ウェーハは、主にＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶から製造されている。ＣＺ法シリコン単結晶ウェーハは熱処理を行うと、図２に示すように、ＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Faults）リングと呼ばれるリング状の酸化誘起積層欠陥領域が発生する。このＯＳＦリング領域の内側にはＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と言われる大きさが０．３μｍ以下の空孔型欠陥が存在しており、この欠陥はデバイスが形成されるウェーハの表層部に存在すると、デバイス特性を劣化させる有害な欠陥、例えばＭＯＳデバイスのゲート酸化膜耐圧特性を劣化させる原因となることが知られている。
【０００３】
一方、ＯＳＦリングの外側には、すぐ外側に容易に酸素析出物が形成される領域（以下、酸素析出促進領域と称す）、さらにその外側に酸素析出物が形成されにくい領域（以下、酸素析出抑制領域と称す）が存在し、ＯＳＦリング領域を含めこれら３つの領域はgrown-in欠陥が存在しない高品質な領域である。さらにその外側には、転位クラスター欠陥発生領域が存在し、デバイスのリーク電流特性を悪化させる原因となる領域が存在する。
【０００４】
酸化膜耐圧特性を改善するためには、ウェーハ表層部を無欠陥層（ＣＯＰフリー層）とする必要があり、この欠陥を低減するための種々の方法が提案されている。例えば、ＣＯＰを含まず、さらに低速引上げ速度で発生するデバイスのリーク特性を悪化させる転位クラスターも含まない無欠陥結晶の製造法として、特開平８−３３０３１６号公報が提案されている。この方法においては、引上げ速度Ｖと、結晶の引上げ軸方向の温度勾配Ｇの比であるＶ／Ｇをウェーハ全面に所定の範囲に保つ事で、ウェーハ全面を無欠陥とするものである。
【０００５】
しかしながら、この方法では以下のような問題点があった。
(1)無欠陥を維持できるＶ／Ｇの範囲が極めて狭く、Ｖ／Ｇを所定範囲に収めることは容易でなく、Ｖ／Ｇが少しでも所定範囲より大きくなるとＯＳＦリング領域が生成する。この領域にはＣＯＰは存在しないが、デバイス工程で酸化熱処理を受けると、デバイス活性層に酸化誘起積層欠陥(以下ＯＳＦという)が生成しデバイス特性に悪影響を及ぼす。
(2)無欠陥領域の中でも、Ｖ／Ｇの大きな領域と小さな領域では、加熱時の酸素析出の状況が異なり、Ｖ／Ｇが大きい条件で発生する酸素析出促進領域では酸素析出が起こりやすく、一方Ｖ／Ｇの小さな条件で発生する酸素析出抑制領域では非常に酸素析出が起こりにくいため、析出物密度が不均一なウェーハとなる。
(3)さらに、本発明者は、上記酸素析出促進領域では、ＯＳＦリング領域と比べればその程度は小さいもののデバイス工程の熱酸化処理でＯＳＦが発生し、デバイス特性に悪影響を与えることを知見した。
【０００６】
このため、この方法で無欠陥ウェーハを作る場合には、上記の問題点を回避するために、結晶中の酸素濃度を低くし、ＯＳＦや酸素析出物が発生しない条件で均一なウェーハを得る方法が行われている。しかし、この場合結晶の低酸素化によってＣＺウェーハの特徴である酸素析出物による不純物ゲッタリングの効果が得られないという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的とするところは、結晶中の酸素濃度を低くする必要がなく、シリコンウェーハを低濃度酸素雰囲気で短時間に熱処理することにより、ウェーハ表面のＯＳＦリングの核となる欠陥の成長を抑制して酸化誘起積層欠陥を無くし、また酸素析出物密度をウェーハ面内で均一にしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明は、チョクラルスキー法により育成された、酸素析出促進領域、または酸素析出促進領域と酸素析出抑制領域からなり、前記酸素析出促進領域において酸化誘起積層欠陥が発生する部分を含むシリコン単結晶ウェーハを、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、２分以内に室温から１１００℃ないし１３００℃に昇温して１秒以上加熱する急速加熱後急速冷却する急速熱処理を行なうことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法である。
【０００９】
ウェーハに加える熱処理を、室温から１１００℃ないし１３００℃へ急速に昇温する急速加熱処理することにより、ＯＳＦリングの核となる欠陥が溶解し、デバイス工程でのＯＳＦリングの生成が抑制される。
【００１０】
雰囲気として窒素のみあるいは希ガスのみを用いると、表面に有害な窒化物の形成やパーティクルの付着が発生するが、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気を使用することにより、ウェーハ表面での有害な、窒化物の形成やパーティクルの付着が防止される。
【００１１】
さらにこの急速熱処理により、酸素析出核が溶解し、各領域とも酸素析出核が無い状態となり、領域間の酸素析出挙動が均一化される。ただし、この状態は、酸素析出が非常に起こりにくいことを意味するが、本発明において、急速加熱処理後の冷却速度を大きくすることにより酸素析出核を著しく増加できる。これは、シリコン基板を高温に加熱すると、酸素析出物成長を促進させる空孔濃度が、格子間シリコンよりも優勢となり、これを急速冷却すると基板内にある程度維持され、多数の酸素析出核が生成するためである。この観点からは冷却速度は、早い方が好ましい。
【００１２】
本願の第２発明は、前記第１発明において、１１００℃以上の加熱温度から、１０００℃以下の温度まで２０℃／秒以上の冷却速度で急速冷却することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法である。
【００１３】
１１００℃以上の温度では、空孔濃度が格子間シリコン濃度よりも高い状態であるが、この状態から１０００℃以下まで２０℃／秒以上の冷却速度で急速冷却すると、高い空孔濃度が凍結される。その後ゆっくり室温まで冷却しても高い空孔濃度が維持され、以後の熱処理でゲッタリングに有効な酸素析出物が高い密度で得られる。
【００１４】
この場合、ウェーハ表面部は、空孔が短時間で外方拡散するため、表面部は空孔濃度が低くなり、表面のデバイス活性層には、酸素析出物が発生せず、デバイス特性に悪影響を与えることがない。
【００１５】
本願の第３発明は、前記第１および第２発明において、急速熱処理の後に、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、複数のウェーハを同時に熱処理する熱処理炉を用いて、１０５０℃以上の温度まで２０分以上かけて昇温し、１時間以上加熱する低速昇温熱処理を行うことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法である。
【００１６】
低速昇温熱処理により、ウェーハ表層で酸素の外方拡散がおこり、デバイス工程での酸化熱処理によるＯＳＦリング領域でのＯＳＦ発生や、酸素析出促進領域からのＯＳＦ発生がさらに抑制される。
【００１７】
本願の第４発明は、前記第１から第３の発明において、急速熱処理あるいは低速昇温熱処理の後で、５００℃から１０００℃で２時間から５時間かけて均熱処理を行うことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法である。
【００１８】
この均熱処理により、ウェーハ内部に金属不純物等のゲッタリング効果を有する酸素析出物をウェーハ面内に均一に形成することができ、デバイス工程でのゲッタリング能が向上する。
【００１９】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。ＣＺ法により育成されたＯＳＦリング領域、酸素析出促進領域、酸素析出抑制領域のいずれか、あるいはこれらの組み合わせからなる領域を有するシリコン単結晶ウェーハを、ＯＳＦ低減のために急速熱処理する。
【００２０】
急速熱処理の温度としては、１１００℃から１３００℃が好ましい。１１００℃以下では、ＯＳＦの原因となる欠陥の溶解が十分起こらないばかりではなく、１０００℃程度の熱処理では逆に核サイズを大きくしてしまい、容易にＯＳＦを発生させることとなる。１３００℃を越えると熱処理ウェーハにスリップ転位が発生し、半導体デバイスを作製する時に支障をきたす事になり好ましくない。
【００２１】
熱処理時間としては、1秒以上加熱するのが良く、３０秒も加熱すれば十分にその効果を得る事が可能である。１秒以下では、所望する熱処理温度到達までに基板面内でバラツキが生じ、品質のバラツキを生み十分なＯＳＦの低減効果を得る事が出来ない。この熱処理の昇温に要する時間が長くなると、昇温過程で、ＯＳＦ核、酸素析出物の成長が起こり、熱処理時これらの溶解消滅が起こりにくくなる。このため、室温から高温熱処理の温度まで２分以内で昇温するのが好ましい。これは、約１０℃／秒以上の昇温速度に相当する。
【００２２】
冷却については、冷却速度が大きいほど、酸素析出核が多数生成し、以後の熱処理での酸素析出が起こりやすくなる。この効果は、５℃／秒程度の冷却速度でも認められるが２０℃／秒以上で顕著である。この急速冷却処理は、空孔濃度を急冷により基板中に低温まで凍結することを目的とするが、この凍結効果は１０００℃程度までで、それ以下の温度での冷却速度は緩速冷却してもあまり酸素析出量に影響を与えない。
【００２３】
熱処理を行う雰囲気としては、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気が好ましい。酸素を含まない窒素のみの場合は、基板表面のみならず、基板内部においても窒化物が形成しデバイス特性に悪影響を与える。また、酸素を含まない希ガスのみでは、高温熱処理で活性な基板表面のシリコンがむき出しとなりパーティクルが強固に付着し、洗浄では除去できなくなる。これに対して、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で熱処理すると、基板表面に酸化膜が形成して窒化物の形成を抑制し、また活性なシリコンが露出しなくなるためパーティクルの強固な付着が起こらない。一方、酸素の濃度が３％を越えると、デバイス製造工程でＯＳＦの発生が起こり好ましくない。
【００２４】
この急速加熱処理により表面近傍のＯＳＦ核、酸素析出核は減少し、デバイス製造工程でのＯＳＦや酸素析出物の形成は抑制できるが、これに加えて後に述べる低速昇温熱処理を行うことにより、表面近傍の酸素濃度は外方拡散によって低下し、デバイス工程でのデバイス活性層のＯＳＦや酸素析出物の形成をさらに抑制できる。
【００２５】
本発明の更なるＯＳＦ密度低減のためにウェーハ表面の酸素を外方拡散させる処理として、前記急速熱処理の後に低速昇温熱処理を行う。
【００２６】
この低速昇温熱処理はウェーハ多数枚を同時に熱処理可能な熱処理炉で１０５０℃以上の温度まで２０分以上かけて昇温し、１時間以上かけ熱処理を行う。本熱処理は、１時間以上かけて行なうため、枚葉式熱処理炉の使用は不適当であり、多数のウェーハを同時に熱処理するタイプの熱処理炉が好ましい。このような熱処理炉で急速に加熱処理すると、ウェーハ面内に温度勾配が生じスリップが発生する。このため、ウェーハを熱処理する温度まで昇温する時間は２０分以上かけることが好ましい。
【００２７】
低速昇温熱処理の雰囲気としては、急速熱処理と同様の理由で、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気が最も好ましい。酸素を全く含まない、窒素あるいは及び希ガスの混合ガスを用いる場合は、前述したように、表面に窒化物形成や、パーティクル付着が起こるので好ましくない。
【００２８】
本発明の、急速熱処理、低速昇温熱処理で得られたウェーハを、５００℃から１０００℃の温度で２時間から５時間かけて均熱処理して酸素析出物を成長させることにより、ウェーハ内部に高濃度の酸素析出物が基板面内に均一に形成し、デバイス工程でのゲッタリング能に優れ、かつ表面のデバイス活性層にはＯＳＦや酸素析出物の少ないウェーハとすることができる。
【００２９】
本発明の熱処理方法によれば、ＯＳＦリング領域、酸素析出促進領域、酸素析出抑制領域のいずれかあるいはこれらの組み合わせからなりGrown-in欠陥がなく、またデバイス製造工程でウェーハのデバイス活性層にＯＳＦや酸素析出物がなく、かつウェーハ内部に高密度の酸素析出物が存在し、ゲッタリング能やデバイス特性の良好なＣＺ法シリコン単結晶ウェーハが得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、直径１５０ｍｍ、ボロンドープｐ型（１００）、比抵抗１０Ωｃｍで、酸素濃度が下記３種類のウェーハを準備した。なお、酸素濃度は、ＦＴ−ＩＲによる赤外吸収測定結果から、ＡＳＴＭＦ１２１−７９にもとづき算出した。
【００３１】
サンプルＡとして酸素濃度が１４．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央にＯＳＦリング領域が存在(ＯＳＦリング領域の外周部直径＝５０ｍｍ)し、その外側には酸素析出促進領域のみが存在するウェーハ。
サンプルＢとして酸素濃度が１３．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央にＯＳＦリング領域が存在(ＯＳＦリング領域の外周部直径＝４６ｍｍ)し、その外側には酸素析出促進領域のみが存在するウェーハ。
サンプルＣとして酸素濃度が１４．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ＯＳＦリングの内側領域からのみなるウェーハ。
【００３２】
サンプルＡおよびＢのウェーハの酸素析出を見るための熱処理条件として、▲１▼酸素雰囲気中で８００℃、４時間の熱処理後、引き続き１０００℃で１６時間の熱処理、およびＯＳＦの発生状況を見るための熱処理条件として、▲２▼酸素雰囲気中で１１００℃、１６時間熱処理した場合である。
【００３３】
図３はサンプルＡおよびＢをＸ線トポグラフ法で観察した写真である。左側は▲１▼の熱処理の場合の写真で、白い部分ほど酸素析出が起こっていることを示している。右側は▲２▼の熱処理の場合の写真で、白い部分はＯＳＦが発生していることを示している。このように酸化雰囲気での熱処理により酸素析出やＯＳＦが発生することがわかる。
【００３４】
この３種のウェーハを、ＯＳＦ密度を観察するために下記評価条件にて処理を行い光学顕微鏡で観察してＯＳＦ密度を観察した結果を図４に示す。
【００３５】
評価条件１として、酸素雰囲気中にて１０００℃で１６時間熱処理したのちサンプルを取り出し、ライトエッチング液でウェーハの表面を５μｍ選択エッチングしてＯＳＦ密度を観察した。
評価条件２として、酸素雰囲気中にて７８０℃で３時間の熱処理を行った後、そのままの状態で１０００℃に昇温し、１０００℃で１６時間熱処理したのち、９５０℃まで降温してからサンプルを取り出し、ライトエッチング液でウェーハの表面を２μｍ選択エッチングしてＯＳＦ密度を観察した。
【００３６】
サンプルＡおよびＢでは、リングＯＳＦ領域でＯＳＦが多発するのは当然として、その外側の酸素析出促進領域でもＯＳＦが多発している。いずれの領域もＯＳＦ密度は酸素濃度が低いサンプルＢの方が低密度である。サンプルＣでは、いずれの評価においてもＯＳＦは観察されなかった。
【００３７】
従来ＣＯＰ密度を低減させるためにＯＳＦリング領域を結晶内に存在させる結晶育成法で低酸素濃度にするのはこのためである。また、酸素析出促進領域であっても基板外周に向かいＯＳＦ密度が低減しているのは、結晶育成時に結晶内部に導入された空孔濃度に関係し、その相関関係にあるＯＳＦ発生核がその様に分布しているからである。従って、この様に分布するＯＳＦ核を熱処理により非活性化させるさせるには基板面内の温度分布を十分に制御する必要がある。
【００３８】
つぎに、サンプルＡおよびサンプルＢを用いてＯＳＦ密度低減を行った検討結果を述べる。サンプルＡおよびＢを枚葉式ランプ加熱炉で、下記熱処理を行った。
雰囲気として、３％酸素（９７％窒素）、１００％酸素、１００％窒素
処理温度として、９００℃から１３００℃
昇温速度として、５０℃／秒
所定温度での保持時間として、１秒から３０秒
所定温度から１０００℃までの冷却速度として、５０℃／秒。それ以下は室温まで放冷した。
【００３９】
上記の範囲で条件を各種変更して熱処理した後、前記評価条件２の処理を行い、これを光学顕微鏡で観察してＯＳＦ密度を測定した高速熱処理温度、昇温時間依存性の結果を図１に示す。
【００４０】
サンプルＡの場合、１０００℃以下では酸素３％を含む窒素雰囲気、１００％窒素、１００％酸素であろうとＯＳＦリング領域および酸素析出促進領域いずれの領域においてもＯＳＦ密度に大きな変化は見られず、ＯＳＦ発生核には影響を及ぼしていない。処理温度が高くなるに従い、１００％酸素雰囲気では酸素析出促進領域で発生するＯＳＦの発生抑制効果は見られるも、ＯＳＦリング領域においてはその低減効果は非常に乏しい。１００％酸素雰囲気での処理を除く１１００℃以上の処理では、リングＯＳＦ領域で２０００ｃｍ^−２程度発生しているものが６００ｃｍ^−２以下に低減している。また酸素析出促進領域では２００ｃｍ^−２程度発生しているものが５０ｃｍ^−２以下へと抑制効果が非常に大きい事がわかる。その効果は処理時間１秒でも十分で有る。
【００４１】
しかし、１００％窒素、１００％アルゴン雰囲気で熱処理したものは、ＯＳＦは低減したもののウェーハ表面に窒化物の形成やパーティクルの付着が観察された。
【００４２】
一方、サンプルＢでは基板の酸素濃度が低い事が大きく寄与しているも、やはり１１００℃以上の処理で大幅な改善が見られる。従って、ＯＳＦ核を非活性化する為には、酸素の酸素濃度が３％以下となる非酸化性ガスとの混合ガス雰囲気内で１１００℃以上で処理する事が必要である。
【００４３】
更なるＯＳＦ密度低減化の効果を得る為に、ウェーハ表面の酸素を外方拡散させる処理を付加した結果について述べる。用いたサンプルは、サンプルＡであり、前熱処理条件として枚葉式ランプ加熱炉で下記の急速加熱処理後、酸素外方拡散熱処理を行った。
処理温度として、１１００℃、１１５０℃、１２００℃
処理時問として、５秒
昇温速度として、５０℃／秒
降温速度として、処理温度から１０００℃に下がる迄の冷却速度５０℃／秒
雰囲気として、３％酸素（残り窒素）
【００４４】
上記前熱処理を行った後、下記２条件の酸素外方拡散熱処理条件にて処理を行い、前記評価処理条件２にてＯＳＦ密度の評価を行った。
酸素外方拡散熱処理条件１として、３％酸素（窒素９７％）雰囲気の拡散炉に９００℃でサンプルを投入し、処理温度まで５℃／分で昇温した後雰囲気を１００％窒素に切り替え、処理温度で２時間保持した後、９００℃まで降温しサンプルを取り出す。
酸素外方拡散熱処理条件２として酸素外方拡散熱処理条件１の熱処理を全て３％酸素（窒素９７％）雰囲気で行う。
【００４５】
酸素外方拡散熱処理は、枚葉式のランプ加熱炉では生産性が低下しコストが上昇する為、バッチ式のソフトランディングタイプの拡散炉を用いた。また、９００℃でサンプルの投入、取り出しを行うのはサンプルをセットするボートをＳｉＣ製のフオークで支持する為であり、この温度以上ではフオークからの汚染、および炉内へ挿入する時に熱衝撃によるフォークの破損が心配される為である。フォークの材質として汚染の心配が少ない石英製の物も市販されているが、バッチ処理を行う為、大重量になるサンプルを１１００℃〜１２００℃の温度に直接投入すると、すでに石英の特性は粘性領域に人っており、変形を起こし繰り返し使用する事が困難になる。従って、いずれの材質のフォークを使用しても９００℃程度でウェーハを投入、取り出しを行う必要がある。
【００４６】
酸素外方拡散熱処理条件１では、ウェーハ投入から処理温度まで昇温する間は酸化雰囲気で行ったが、これはウェーハ表面層での窒化物形成回避の為に保護膜として酸化膜を形成する為である。その後窒素雰囲気としてＯＳＦが発生しにくい雰囲気とした。１００％窒素雰囲気でこの酸素外方拡散熱処理を行うとウェーハ表層部に窒化物が形成された。また、１００％アルゴン雰囲気では活性層がむき出しになりパーティクルが付着していた。これらは研磨することにより除去可能であるが、工程を増加させる研磨をしない為にも酸素外方拡散熱処理工程ではわずがでも酸素を含んだ雰囲気で行うとよい。
【００４７】
酸素外方拡散熱処理後ＯＳＦ密度評価のための評価熱処理２として、酸素雰囲気にて７８０℃、３時間の熱処理後そのままの状態で１０００℃に昇温し、１６時間経過後９５０℃でサンプルを取り出しライトエッチング液で表面２ミクロンの選択エッチングをおこない光学顕微鏡でＯＳＦの観察を行いＯＳＦ密度の評価を行った結果を図５に示す。リングＯＳＦ領域では急速加熱処理温度が高いほどＯＳＦは低減し、酸素析出促進領域においてはＯＳＦの発生はなかった。
【００４８】
酸素外方拡散処理条件１ではウェーハ投入から処理温度までは酸素３％の酸化雰囲気でおこなっているため、この時点でウェーハ表面に酸化膜が形成される。その後窒素雰囲気で熱処理されるためＯＳＦは非常に少ない。
酸素外方拡散熱処理条件２は窒素で希釈しているとはいえ、昇温から熱処理まで酸化雰囲気で行っている為にＯＳＦが発生し易い環境であるにも関わらず、１１５０℃以上の急速加熱処理を施していると、著しいＯＳＦの低減効果が有る事がわかる。その効果は１１５０℃以上の温度に於いては酸素外方拡散熱処理条件１と同程度である。
【００４９】
酸素外方拡散熱処理の昇温工程を酸化雰囲気で行うと、１１５０℃までの昇温中にすでにわずかではあるがＯＳＦを発生させてしまい、比較例では十分に効果を得る事は出来ないが、急速加熱による１１５０℃以上の前熱処理を酸素外方拡散熱処理前に施す事で、事前にＯＳＦ発生核を非活性化させる事が可能であり、その結果ＯＳＦ密度を著しく低減させる事が可能となる。酸素外方拡散熱処理の効果は、ウェーハ中の酸素を外方に拡散させる事でウェーハ表層に限って見れば、低酸素で結晶育成を行った場合と同様の特性を示すことが分かる。
【００５０】
以上ＯＳＦの低減方法について述ベてきたが、高温処理を施す事でＣＺ結晶の特徴でもある酸素析出物が成長しにくい状態になっている。このため、酸素析出物を均一に成長させ、ゲッタリング能を向上させる熱処理２つのケースについて述ベる。用いたサンプルは、サンプルＡであり、前熱処理条件として枚葉式ランプ加熱炉で下記の急速加熱処理後、析出核成長熱処理を行った。
ケース１
処理温度として、１１５０℃、１１７５℃、１２００℃、１２５０℃
処理時間として、３０秒
昇温速度として、５０℃／秒
降温速度として、処理温度から１０００℃に下がる迄の冷却速度５０℃／秒
雰囲気として、３％酸素（窒素９７％）
【００５１】
上記熱処理後に、酸素雰囲気で８００℃で４時間の析出核形成熱処理を行った後、１０００℃で１６時間の析出核成長熱処理を行い、酸素析出物密度の面内分布を評価した結果を図６−１に示す。比較例として急速加熱処理を行わなかった場合を載せているが、この場合ウェーハ面内で１桁程の酸素析出物密度のバラツキが見られる。一方、急速加熱処理を行った場合には、酸素析出物密度によらず面内で非常に均一に分布している事がわかる。
【００５２】
１１７５℃以下で急速加熱処理を行った場合は、比較例と比し低密度になっているが、これば析出核形成処理を８００℃で行った為に、その温度で核形成が行われなかった為であり、より低温で核形成処理を行う事で酸素析出物の密度制御は可能である。核形成を行う下限の温度は５００℃であり、この温度以下では生産性を考えた時問内で核形成を行う事は困難である。１２００℃以上の急速加熱処理の結果は、高濃度の空孔を基板内に均一に分布した状態で凍結させる事により酸素析出物形成を促進させた効果である。
【００５３】
図７には３％酸素（９７％窒素）雰囲気で１２５０℃の急速加熱処理を行ったサンプルの断面写真を示すが、ウェーハ全面にＤＺ層として２０μｍ以上確保されていることがわかる。このサンプルは窒素で希釈しているとはいえ酸化性雰囲気で行っている為に、窒素よりも酸素の方がより早くシリコンと反応し、昇温中すでに酸化反応によってウェーハ表面は安定な酸化膜で保護されている。処理雰囲気が３％酸素（残り窒素）もあればその効果は十分に得られる事が明らかになり、基板表面が酸化膜で保護されることから汚染の影響を受けにくくし、かつ窒化物の形成が抑制される。
【００５４】
ケース２
処理温度として、１１００℃、１１５０℃、１２００℃
処理時間として、３０秒
昇温速度として、５０℃／秒
降温速度として、処理温度から１０００℃に下がる迄の冷却速度５０℃／秒
雰囲気として、３％酸素（９７％窒素）
【００５５】
上記熱処理後に酸素外方拡散熱処理条件１を施して、引き続き５００℃から１０００℃の温度範囲で２から５時間の酸素析出核形成処理を行い、評価条件１により基板面内の酸素析出物の密度分布を評価した結果を図６−２に示す。酸素析出物は非常に均一に分布している事がわかる。また、低温から析出核形成を行っている為に、ケース１と比較し急速加熱処理温度が低く高濃度の空孔を凍結させるには不十分な温度であっても、十分に面内均一に酸素析出物を形成させる事が可能である。
【００５６】
【本発明の効果】
以上説明した様に、本発明の半導体シリコンウェーハの熱処理方法は、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、２分以内に室温から１１００℃ないし１３００℃に昇温して１秒以上加熱し、急速冷却する急速熱処理を行うこと、また、前記急速熱処理の後に、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、複数のウェーハを同時に熱処理する熱処理炉を用いて１０５０℃以上の温度まで２０分以上かけて昇温し、１時間以上加熱する低速昇温熱処理を行う事で、リングＯＳＦ領域およびその外側に位置する酸素析出促進領域で高密度に発生するＯＳＦを著しく低減させる効果を持つ。また、５００℃〜１０００℃の範囲で２時間〜５時問保持する処理を上記何れかの熱処理後に行う事で、ウェーハ面内の酸素析出物密度分布を均一にする事が出来る。
【００５７】
以上述べた処理を、ＣＺ法により育成された、ＯＳＦリング領域とその外側に存在する酸素析出促進領域及び／又はさらにその外側に存在する酸素析出抑制領域のみからなるシリコンウェーハ、またはＯＳＦリング領域の外側に存在する酸素析出促進領域及びその外側に存在する酸素析出抑制領域からなるシリコンウェーハに対して行う事で、結晶引上げ時に基板の酸素濃度を低下させる必要が無く、ＣＺ結晶の特徴であるゲッタリング能力を持ったgrown‐in欠陥が存在しない高品質の半導体シリコンウェーハを製造する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＯＳＦ密度と熱処理温度、時間、雰囲気の影響を調ベた図である。
【図２】シリコンウェーハで観察される、典型的な欠陥分布の例を模式的に示した図である。
【図３】Ｘ-ray topography法により評価した欠陥分布を示す写真である。
【図４】ＯＳＦ密度のウェーハ面内分布を示す図である。
【図５】酸素外方拡散熱処理のＯＳＦ密度の低減効果を示す図である。
【図６】酸素析出物密度の面内分布を示す図である。
【図７】酸素析出物密度の深さ方向分布を示す写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat treatment method of a wafer sliced and cut out from a single crystal pulled by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method), specifically, suppressing oxidation-induced stacking faults in a device active layer. Further, the present invention relates to a heat treatment method for a silicon single crystal wafer in which the oxygen precipitate density is made uniform in the wafer plane.
[0002]
[Prior art]
A silicon single crystal wafer used as a semiconductor device material is manufactured mainly from a silicon single crystal pulled by a CZ method. When the CZ method silicon single crystal wafer is heat-treated, a ring-shaped oxidation-induced stacking fault region called an OSF (Oxidation induced Stacking Faults) ring is generated as shown in FIG. Inside this OSF ring region, there is a void type defect having a size of 0.3 μm or less, which is called COP (Crystal Originated Particle), and this defect exists in the surface layer portion of the wafer on which the device is formed. It is known that harmful defects that deteriorate device characteristics, for example, cause deterioration of gate oxide film breakdown voltage characteristics of MOS devices.
[0003]
On the other hand, on the outside of the OSF ring, a region where oxygen precipitates are easily formed immediately outside (hereinafter referred to as an oxygen precipitation promoting region), and a region where oxygen precipitates are difficult to be formed outside (hereinafter referred to as oxygen precipitation). These three regions including the OSF ring region are high-quality regions in which no grown-in defects exist. Further, there are dislocation cluster defect generation regions on the outer side, and there are regions that cause the leakage current characteristics of the device to deteriorate.
[0004]
In order to improve the oxide film breakdown voltage characteristic, it is necessary to make the wafer surface layer part a defect-free layer (COP free layer), and various methods for reducing this defect have been proposed. For example, JP-A-8-330316 has been proposed as a method for producing a defect-free crystal that does not contain COP and does not contain dislocation clusters that deteriorate the leak characteristics of a device that occurs at a low pulling rate. In this method, the entire surface of the wafer is made defect-free by keeping V / G, which is the ratio of the pulling speed V and the temperature gradient G in the pulling axis direction of the crystal, within a predetermined range.
[0005]
However, this method has the following problems.
(1) The range of V / G that can maintain defect-free is extremely narrow, and it is not easy to keep V / G within a predetermined range. When V / G is slightly larger than the predetermined range, an OSF ring region is generated. COP does not exist in this region, but when subjected to an oxidation heat treatment in the device process, an oxidation-induced stacking fault (hereinafter referred to as OSF) is generated in the device active layer, which adversely affects device characteristics.
(2) Among the defect-free regions, the region of oxygen precipitation during heating is different between the region with a large V / G and the region with a small V / G. On the other hand, since oxygen precipitation is very difficult to occur in an oxygen precipitation suppression region generated under a condition where V / G is small, the wafer has a non-uniform precipitate density.
(3) Furthermore, the present inventor has found that in the oxygen precipitation promotion region, although the degree is smaller than that in the OSF ring region, OSF is generated by the thermal oxidation treatment of the device process, which adversely affects the device characteristics. .
[0006]
For this reason, when a defect-free wafer is produced by this method, in order to avoid the above problems, a method for obtaining a uniform wafer under conditions where the oxygen concentration in the crystal is lowered and OSF and oxygen precipitates are not generated. Has been done. However, in this case, there is a problem that the effect of impurity gettering due to oxygen precipitates, which is a feature of the CZ wafer, cannot be obtained due to the low oxygen of the crystal.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to heat-treat a silicon wafer in a low-concentration oxygen atmosphere in a short time without the need to reduce the oxygen concentration in the crystal. Thus, the growth of defects serving as the core of the OSF ring on the wafer surface is suppressed to eliminate oxidation-induced stacking faults, and the oxygen precipitate density is made uniform in the wafer surface.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
1st invention of this application Is an oxygen precipitation promoting region, or an oxygen precipitation promoting region and an oxygen precipitation inhibiting region, grown by the Czochralski method. And includes a portion where oxidation-induced stacking faults occur in the oxygen precipitation promoting region. A silicon single crystal wafer is heated from room temperature to 1100 ° C. within 2 minutes in an atmosphere of nitrogen or a rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, a rare gas and oxygen having an oxygen concentration of 0.01% or more and 3% or less. A heat treatment method for a silicon single crystal wafer, characterized by performing rapid heat treatment in which the temperature is raised to 1300 ° C. and heated for 1 second or more and then rapidly cooled.
[0009]
By performing the heat treatment applied to the wafer as a rapid heat treatment in which the temperature is rapidly raised from room temperature to 1100 ° C. to 1300 ° C., defects that become the core of the OSF ring are dissolved, and generation of the OSF ring in the device process is suppressed.
[0010]
If only nitrogen or rare gas is used as the atmosphere, harmful nitride formation and particle adhesion occur on the surface, but the oxygen concentration is 0.01% or more and 3% or less. Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen By using the atmosphere, harmful nitride formation and particle adhesion on the wafer surface are prevented.
[0011]
Furthermore, this rapid heat treatment dissolves the oxygen precipitation nuclei, leaving no oxygen precipitation nuclei in each region, and makes the oxygen precipitation behavior between the regions uniform. However, this state means that oxygen precipitation is very difficult to occur, but in the present invention, oxygen precipitation nuclei can be remarkably increased by increasing the cooling rate after the rapid heating treatment. This is because when the silicon substrate is heated to a high temperature, the vacancy concentration that promotes the growth of oxygen precipitates is superior to that of interstitial silicon. It is to do. From this viewpoint, the cooling rate is preferably high.
[0012]
The second invention of the present application is the first invention. In this method, the silicon single crystal wafer is rapidly heat-treated from a heating temperature of 1100 ° C. or higher to a temperature of 1000 ° C. or lower at a cooling rate of 20 ° C./second or more.
[0013]
At a temperature of 1100 ° C. or higher, the vacancy concentration is higher than the interstitial silicon concentration, but when rapidly cooled from this state to 1000 ° C. or lower at a cooling rate of 20 ° C./second or higher, the high vacancy concentration is frozen. The After that, even if it is slowly cooled to room temperature, a high vacancy concentration is maintained, and oxygen precipitates effective for gettering can be obtained at a high density by subsequent heat treatment.
[0014]
In this case, since the vacancies diffuse outward in a short time on the surface of the wafer, the surface portion has a low vacancy concentration, and no oxygen precipitates are generated in the device active layer on the surface, which adversely affects the device characteristics. Never give.
[0015]
The third invention of the present application is the first and second inventions. In the heat treatment, a plurality of wafers are simultaneously heat-treated in an atmosphere of nitrogen or a rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, a rare gas and oxygen having an oxygen concentration of 0.01% or more and 3% or less after the rapid heat treatment. A heat treatment method for a silicon single crystal wafer, characterized in that a low temperature heat treatment is performed in which a temperature is raised to a temperature of 1050 ° C. or more over 20 minutes using a furnace and heated for 1 hour or more.
[0016]
Oxygen outdiffusion occurs on the surface layer of the wafer by the slow temperature increase heat treatment, and the generation of OSF in the OSF ring region and the OSF generation from the oxygen precipitation promoting region due to the oxidation heat treatment in the device process are further suppressed.
[0017]
The fourth invention of the present application is the first to third inventions. In the method for heat treatment of a silicon single crystal wafer, after the rapid heat treatment or the slow temperature increase heat treatment, the soaking is performed at 500 to 1000 ° C. for 2 to 5 hours.
[0018]
By this soaking process, oxygen precipitates having a gettering effect such as metal impurities can be uniformly formed in the wafer surface, and the gettering ability in the device process is improved.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. A silicon single crystal wafer having an OSF ring region, an oxygen precipitation promotion region, an oxygen precipitation suppression region, or a combination of these grown by the CZ method is subjected to rapid heat treatment for OSF reduction.
[0020]
The temperature of the rapid heat treatment is preferably 1100 ° C. to 1300 ° C. Below 1100 ° C., not only does the defect causing OSF sufficiently dissolve, but heat treatment at about 1000 ° C. conversely increases the nucleus size and easily generates OSF. If the temperature exceeds 1300 ° C., slip dislocation occurs in the heat-treated wafer, which is not preferable because it causes trouble when a semiconductor device is produced.
[0021]
As the heat treatment time, it is preferable to heat for 1 second or more, and if it is heated for 30 seconds, the effect can be sufficiently obtained. If it is 1 second or less, there will be variations in the substrate surface until the desired heat treatment temperature is reached, resulting in variations in quality, and a sufficient OSF reduction effect cannot be obtained. When the time required for the temperature increase of the heat treatment becomes longer, the growth of OSF nuclei and oxygen precipitates occurs during the temperature increase process, and these dissolution and disappearance hardly occur during the heat treatment. For this reason, it is preferable to raise the temperature within 2 minutes from room temperature to the temperature of the high temperature heat treatment. This corresponds to a heating rate of about 10 ° C./second or more.
[0022]
As for cooling, the larger the cooling rate, the more oxygen precipitation nuclei are generated, and oxygen precipitation is likely to occur in the subsequent heat treatment. This effect is recognized even at a cooling rate of about 5 ° C./second, but is remarkable at 20 ° C./second or more. The purpose of this rapid cooling treatment is to freeze the vacancy concentration in the substrate to a low temperature by rapid cooling, but this freezing effect is up to about 1000 ° C, and the cooling rate at temperatures below that is slow cooling. Does not affect the amount of precipitated oxygen.
[0023]
The atmosphere for the heat treatment is oxygen concentration of 0.01% to 3% Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen An atmosphere is preferred. In the case of only nitrogen containing no oxygen, nitrides are formed not only on the substrate surface but also inside the substrate, which adversely affects device characteristics. In addition, with only a rare gas containing no oxygen, silicon on the active substrate surface is exposed by high-temperature heat treatment, and particles adhere firmly, and cannot be removed by cleaning. In contrast, the oxygen concentration is 0.01% or more and 3% or less Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen When heat treatment is performed in an atmosphere, an oxide film is formed on the surface of the substrate to suppress the formation of nitrides, and active silicon is not exposed, so that particles do not adhere firmly. On the other hand, if the oxygen concentration exceeds 3%, generation of OSF occurs in the device manufacturing process, which is not preferable.
[0024]
By this rapid heating treatment, OSF nuclei and oxygen precipitation nuclei in the vicinity of the surface are reduced, and formation of OSF and oxygen precipitates in the device manufacturing process can be suppressed, but in addition to this, by performing a low temperature heating treatment described later, The oxygen concentration in the vicinity of the surface decreases due to outward diffusion, and the formation of OSF and oxygen precipitates in the device active layer in the device process can be further suppressed.
[0025]
In order to further reduce the OSF density according to the present invention, as a process of outwardly diffusing oxygen on the wafer surface, a slow temperature increasing heat treatment is performed after the rapid heat treatment.
[0026]
In this slow temperature increasing heat treatment, the temperature is increased over 20 minutes to a temperature of 1050 ° C. or higher in a heat treatment furnace capable of simultaneously heat-treating many wafers, and the heat treatment is performed for 1 hour or more. Since this heat treatment is performed over 1 hour, it is inappropriate to use a single wafer heat treatment furnace, and a heat treatment furnace of a type that heat treats many wafers simultaneously is preferable. When the heat treatment is rapidly performed in such a heat treatment furnace, a temperature gradient is generated in the wafer surface and slip occurs. For this reason, it is preferable to take 20 minutes or more for raising the temperature to the temperature at which the wafer is heat-treated.
[0027]
The atmosphere for the slow temperature increase heat treatment is the oxygen concentration of 0.01% to 3% for the same reason as the rapid heat treatment. Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen An atmosphere is most preferred. The use of a mixed gas of nitrogen or a rare gas that does not contain oxygen at all is not preferable because nitride formation and particle adhesion occur on the surface as described above.
[0028]
The wafer obtained by the rapid heat treatment and the low-temperature heat treatment of the present invention is soaked at a temperature of 500 ° C. to 1000 ° C. over 2 hours to 5 hours to grow oxygen precipitates. Oxygen precipitates having a concentration are uniformly formed in the substrate surface, the gettering ability in the device process is excellent, and the device active layer on the surface can be a wafer with less OSF and oxygen precipitates.
[0029]
According to the heat treatment method of the present invention, the OSF ring region, the oxygen precipitation promotion region, the oxygen precipitation suppression region, or a combination thereof is free of grown-in defects, and the device active layer of the wafer is subjected to OSF in the device manufacturing process. In addition, there can be obtained a CZ-method silicon single crystal wafer having no gettering ability and device characteristics.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these embodiments.
First, wafers having a diameter of 150 mm, a boron-doped p-type (100), a specific resistance of 10 Ωcm, and an oxygen concentration of the following three types were prepared. The oxygen concentration was calculated based on ASTM F121-79 from the results of infrared absorption measurement by FT-IR.
[0031]
Sample A has an oxygen concentration of 14.5 × 10 ¹⁷ atoms / cm ³ A wafer having an OSF ring region in the center (OSF ring region outer peripheral diameter = 50 mm) and only an oxygen precipitation promoting region on the outside thereof.
Sample B has an oxygen concentration of 13.0 × 10 ¹⁷ atoms / cm ³ A wafer in which the OSF ring region exists in the center (the outer peripheral diameter of the OSF ring region = 46 mm) and only the oxygen precipitation promoting region exists outside the OSF ring region.
Sample C has an oxygen concentration of 14.5 × 10 ¹⁷ atoms / cm ³ A wafer consisting only of the inner area of the OSF ring.
[0032]
As the heat treatment conditions for observing the oxygen precipitation of the wafers of Samples A and B, (1) After heat treatment at 800 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere, subsequently heat treatment at 1000 ° C. for 16 hours, and the occurrence of OSF The heat treatment conditions are as follows: (2) Heat treatment at 1100 ° C. for 16 hours in an oxygen atmosphere.
[0033]
FIG. 3 is a photograph of samples A and B observed by X-ray topography. The left side is a photograph in the case of the heat treatment of (1), and the white portion indicates that oxygen precipitation occurs. The right side is a photograph in the case of the heat treatment of (2), and the white part indicates that OSF is generated. Thus, it can be seen that oxygen precipitation and OSF are generated by heat treatment in an oxidizing atmosphere.
[0034]
FIG. 4 shows the results of processing these three types of wafers under the following evaluation conditions in order to observe the OSF density, and observing the OSF density with an optical microscope.
[0035]
As evaluation condition 1, after heat treatment at 1000 ° C. for 16 hours in an oxygen atmosphere, a sample was taken out, and the surface of the wafer was selectively etched by 5 μm with a light etching solution, and the OSF density was observed.
As evaluation condition 2, after heat treatment at 780 ° C. for 3 hours in an oxygen atmosphere, the temperature was raised to 1000 ° C. as it was, heat treated at 1000 ° C. for 16 hours, and then cooled to 950 ° C. The surface of the wafer was selectively etched by 2 μm with a light etching solution, and the OSF density was observed.
[0036]
In Samples A and B, it is natural that OSF frequently occurs in the ring OSF region, and OSF frequently occurs also in the oxygen precipitation promoting region outside the ring OSF region. In any region, the sample B having a lower oxygen concentration has a lower OSF density. In sample C, no OSF was observed in any evaluation.
[0037]
This is the reason why a low oxygen concentration is conventionally achieved by a crystal growth method in which an OSF ring region is present in the crystal in order to reduce the COP density. Further, even in the oxygen precipitation promoting region, the OSF density decreases toward the outer periphery of the substrate, which is related to the concentration of vacancies introduced into the crystal at the time of crystal growth, and the OSF generation nuclei correlated therewith It is because it is distributed like. Therefore, in order to inactivate the OSF nuclei distributed in this way by heat treatment, it is necessary to sufficiently control the temperature distribution in the substrate surface.
[0038]
Next, the examination results of performing OSF density reduction using Sample A and Sample B will be described. Samples A and B were subjected to the following heat treatment in a single wafer lamp heating furnace.
As atmosphere, 3% oxygen (97% nitrogen), 100% oxygen, 100% nitrogen
Treatment temperature is 900 ° C to 1300 ° C
As the rate of temperature increase, 50 ° C / second
Holding time at a given temperature is 1 to 30 seconds
As a cooling rate from a predetermined temperature to 1000 ° C., 50 ° C./second. The rest was allowed to cool to room temperature.
[0039]
The heat treatment was performed with various conditions changed within the above range, and then the treatment of the evaluation condition 2 was performed. This was observed with an optical microscope and the OSF density was measured. Shown in
[0040]
In the case of sample A, a large change in the OSF density is not observed in any region of the OSF ring region and the oxygen precipitation promoting region, whether it is a nitrogen atmosphere containing 3% oxygen, 100% nitrogen, or 100% oxygen at 1000 ° C. or less. It does not affect the OSF nucleus. As the processing temperature increases, the effect of suppressing the generation of OSF generated in the oxygen precipitation promoting region is observed in the 100% oxygen atmosphere, but the reduction effect is very poor in the OSF ring region. In the treatment at 1100 ° C. or higher except for the treatment in the 100% oxygen atmosphere, the ring OSF region has 2000 cm. ^-2 What is occurring about 600cm ^-2 Reduced to: In the oxygen precipitation promoting region, 200 cm. ^-2 What is occurring about 50cm ^-2 It turns out that the suppression effect is very large to the following. The effect is sufficient even with a processing time of 1 second.
[0041]
However, in the case of heat treatment in a 100% nitrogen and 100% argon atmosphere, although the OSF was reduced, formation of nitride and adhesion of particles were observed on the wafer surface.
[0042]
On the other hand, in Sample B, the low oxygen concentration of the substrate greatly contributes, but a significant improvement is also observed in the treatment at 1100 ° C. or higher. Therefore, in order to inactivate the OSF nucleus, it is necessary to perform the treatment at 1100 ° C. or higher in a mixed gas atmosphere with a non-oxidizing gas in which the oxygen concentration of oxygen is 3% or less.
[0043]
In order to obtain the effect of further reducing the OSF density, the result of adding a process of outwardly diffusing oxygen on the wafer surface will be described. The sample used was Sample A, and was subjected to oxygen outward diffusion heat treatment after the following rapid heat treatment in a single wafer lamp heating furnace as preheat treatment conditions.
As processing temperature, 1100 ° C, 1150 ° C, 1200 ° C
5 seconds as processing time
As the rate of temperature increase, 50 ° C / second
The cooling rate from the processing temperature to 1000 ° C is 50 ° C / sec.
3% oxygen (remaining nitrogen) as atmosphere
[0044]
After the pre-heat treatment, the treatment was performed under the following two conditions of oxygen outward diffusion heat treatment, and the OSF density was evaluated under the evaluation treatment condition 2.
As oxygen out-diffusion heat treatment condition 1, a sample was charged at 900 ° C. into a diffusion furnace with 3% oxygen (nitrogen 97%) atmosphere, heated to a treatment temperature at 5 ° C./min, and then the atmosphere was switched to 100% nitrogen. After holding at the treatment temperature for 2 hours, the temperature is lowered to 900 ° C. and a sample is taken out.
As the oxygen outward diffusion heat treatment condition 2, all of the heat treatment under the oxygen outward diffusion heat treatment condition 1 are performed in a 3% oxygen (nitrogen 97%) atmosphere.
[0045]
As the oxygen outward diffusion heat treatment, a batch type soft landing type diffusion furnace was used because the productivity decreased in the single-wafer lamp heating furnace and the cost increased. In addition, the sample is loaded and unloaded at 900 ° C. in order to support the boat in which the sample is set with SiC forks. Above this temperature, contamination from the forks and thermal shock when inserted into the furnace. This is because the fork may be damaged. Quartz is also commercially available as a fork material that is less susceptible to contamination. However, when batch processing is performed, if a heavy sample is directly placed at a temperature of 1100 ° C to 1200 ° C, the characteristics of quartz are already viscous. People are in the area, causing deformation and difficult to use repeatedly. Therefore, it is necessary to put in and take out the wafer at about 900 ° C. regardless of which fork is used.
[0046]
In the oxygen outward diffusion heat treatment condition 1, the temperature was increased from the wafer loading to the processing temperature in an oxidizing atmosphere. This is because an oxide film is formed as a protective film in order to avoid nitride formation in the wafer surface layer. It is. Thereafter, an atmosphere in which OSF hardly occurs was set as a nitrogen atmosphere. When this oxygen outward diffusion heat treatment was performed in a 100% nitrogen atmosphere, nitrides were formed on the wafer surface layer. Further, in the 100% argon atmosphere, the active layer was exposed and particles were adhered. These can be removed by polishing. However, in order to avoid polishing for increasing the number of steps, the oxygen outward diffusion heat treatment step is preferably performed in an atmosphere containing oxygen.
[0047]
As an evaluation heat treatment 2 for evaluating the OSF density after the oxygen outward diffusion heat treatment, the temperature was raised to 1000 ° C. as it was after heat treatment at 780 ° C. for 3 hours in an oxygen atmosphere, and a sample was taken out at 950 ° C. after 16 hours. FIG. 5 shows the result of evaluating the OSF density by performing selective etching of 2 μm on the surface with a light etching solution and observing the OSF with an optical microscope. In the ring OSF region, the higher the rapid heat treatment temperature, the lower the OSF, and no OSF was generated in the oxygen precipitation promoting region.
[0048]
Under the oxygen out-diffusion treatment condition 1, since the wafer is charged and processed in an oxidizing atmosphere of 3% oxygen, an oxide film is formed on the wafer surface at this point. Since the heat treatment is then performed in a nitrogen atmosphere, the OSF is very small.
Although oxygen out-diffusion heat treatment condition 2 is diluted with nitrogen, it is performed in an oxidizing atmosphere from the temperature rise to the heat treatment, so that it is a rapid heating at 1150 ° C. or higher despite an environment where OSF is likely to occur. It can be seen that when the treatment is performed, there is a significant OSF reduction effect. The effect is similar to that of the oxygen outward diffusion heat treatment condition 1 at a temperature of 1150 ° C. or higher.
[0049]
When the temperature increasing step of the oxygen outward diffusion heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, OSF is already generated slightly during the temperature increasing to 1150 ° C., and the comparative example cannot obtain a sufficient effect. By performing a preheat treatment at 1150 ° C. or higher by rapid heating before the oxygen outward diffusion heat treatment, it is possible to deactivate OSF generation nuclei in advance, and as a result, the OSF density can be significantly reduced. . It can be seen that the effect of the oxygen outward diffusion heat treatment exhibits the same characteristics as in the case of crystal growth with low oxygen when viewed only on the wafer surface layer by diffusing oxygen in the wafer outward.
[0050]
As described above, the OSF reduction method has been described. However, the oxygen precipitates, which are the characteristics of the CZ crystal, are hardly grown by performing the high temperature treatment. For this reason, two cases of heat treatment for uniformly growing oxygen precipitates and improving gettering ability will be described. The sample used was Sample A, and as a pre-heat treatment condition, the following rapid heat treatment was performed in a single wafer lamp heating furnace, followed by precipitation nucleus growth heat treatment.
Case 1
As processing temperature, 1150 ° C, 1175 ° C, 1200 ° C, 1250 ° C
Processing time is 30 seconds
As the rate of temperature increase, 50 ° C / second
The cooling rate from the processing temperature to 1000 ° C is 50 ° C / sec.
As atmosphere, 3% oxygen (nitrogen 97%)
[0051]
FIG. 6 shows the results of evaluating the in-plane distribution of the density of oxygen precipitates by performing precipitation nucleation heat treatment for 4 hours at 800 ° C. in an oxygen atmosphere after the above heat treatment and then performing heat treatment for precipitation nucleus growth at 1000 ° C. for 16 hours. -1. As a comparative example, the case where the rapid heat treatment is not performed is shown. In this case, the oxygen precipitate density variation of about one digit is observed in the wafer surface. On the other hand, when the rapid heat treatment is performed, it can be seen that the surface is very uniformly distributed regardless of the oxygen precipitate density.
[0052]
When the rapid heat treatment is performed at 1175 ° C. or lower, the density is lower than that of the comparative example. However, since the precipitation nucleation process is performed at 800 ° C., no nucleation is performed at that temperature. This is because the density of oxygen precipitates can be controlled by performing nucleation at a lower temperature. The lower limit temperature for nucleation is 500 ° C., and below this temperature, it is difficult to nucleate within the time when productivity is considered. The result of the rapid heat treatment at 1200 ° C. or higher is an effect of promoting the formation of oxygen precipitates by freezing in a state where high-concentration vacancies are uniformly distributed in the substrate.
[0053]
FIG. 7 shows a cross-sectional photograph of a sample that has been subjected to a rapid heat treatment at 1250 ° C. in a 3% oxygen (97% nitrogen) atmosphere. It can be seen that 20 μm or more is secured as a DZ layer on the entire surface of the wafer. Although this sample is conducted in an oxidizing atmosphere even though it is diluted with nitrogen, oxygen reacts with silicon faster than nitrogen, and the wafer surface is stabilized by the oxidation reaction during the temperature rise. Protected by It is clear that if the treatment atmosphere is 3% oxygen (remaining nitrogen), the effect can be obtained sufficiently, and the substrate surface is protected by an oxide film, making it less susceptible to contamination and forming nitride. Is suppressed.
[0054]
Case 2
As processing temperature, 1100 ° C, 1150 ° C, 1200 ° C
Processing time is 30 seconds
As the rate of temperature increase, 50 ° C / second
The cooling rate from the processing temperature to 1000 ° C is 50 ° C / sec.
As atmosphere, 3% oxygen (97% nitrogen)
[0055]
After the above heat treatment, oxygen outward diffusion heat treatment condition 1 is applied, followed by oxygen precipitation nucleation treatment for 2 to 5 hours in a temperature range of 500 ° C. to 1000 ° C., and the density of oxygen precipitates in the substrate surface is evaluated according to evaluation condition 1. The result of evaluating the distribution is shown in FIG. It can be seen that the oxygen precipitates are very uniformly distributed. In addition, since precipitation nuclei are formed from a low temperature, the rapid heat treatment temperature is lower than in Case 1, and even if the temperature is insufficient for freezing high-concentration vacancies, it is sufficiently uniform in the surface. It is possible to form oxygen precipitates.
[0056]
[Effect of the present invention]
As explained above, the semiconductor silicon wafer heat treatment method of the present invention has an oxygen concentration of 0.01% or more and 3% or less. Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen In the atmosphere, the temperature is raised from room temperature to 1100 ° C. to 1300 ° C. within 2 minutes and heated for 1 second or more, and then rapidly cooled, and after the rapid heat treatment, the oxygen concentration is 0.01%. 3% or less Nitrogen or rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen In the atmosphere, by using a heat treatment furnace for simultaneously heat-treating a plurality of wafers, the temperature is increased over 20 minutes to a temperature of 1050 ° C. or higher, and a low-temperature heat-up heat treatment is performed for 1 hour or longer, whereby the ring OSF region and its This has the effect of significantly reducing the OSF generated at high density in the oxygen precipitation promoting region located outside. Moreover, the oxygen precipitate density distribution in the wafer surface can be made uniform by performing the treatment for holding for 2 hours to 5 hours in the range of 500 ° C. to 1000 ° C. after any of the above heat treatments.
[0057]
The above-described treatment is carried out by a silicon wafer consisting of only the OSF ring region and the oxygen precipitation promoting region existing outside the OSF ring region and / or the oxygen precipitation suppressing region existing outside the OSF ring region, or the OSF ring region. By performing the process on a silicon wafer consisting of an oxygen precipitation promoting region existing outside and an oxygen precipitation suppressing region existing outside, there is no need to reduce the oxygen concentration of the substrate when pulling up the crystal, and the getter is a characteristic of CZ crystals. High-quality semiconductor silicon wafers with ring capability and no grown-in defects can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram that examines the effects of OSF density, heat treatment temperature, time, and atmosphere.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of a typical defect distribution observed on a silicon wafer.
FIG. 3 is a photograph showing a defect distribution evaluated by an X-ray topography method.
FIG. 4 is a diagram showing the in-wafer distribution of OSF density.
FIG. 5 is a diagram showing the effect of reducing the OSF density by oxygen outward diffusion heat treatment.
FIG. 6 is a diagram showing an in-plane distribution of oxygen precipitate density.
FIG. 7 is a photograph showing the distribution of oxygen precipitate density in the depth direction.

Claims

チョクラルスキー法により育成された、酸素析出促進領域からなり、前記酸素析出促進領域において酸化誘起積層欠陥が発生する部分を含むシリコン単結晶ウェーハを、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、２分以内に室温から１１００℃ないし１３００℃に昇温して１秒以上加熱する急速加熱後急速冷却する急速熱処理を行なうことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法。 A silicon single crystal wafer comprising an oxygen precipitation promoting region grown by the Czochralski method and including a portion in which an oxidation-induced stacking fault occurs in the oxygen precipitation promoting region has an oxygen concentration of 0.01% or more and 3% or less. In a certain atmosphere of nitrogen or rare gas and oxygen, or in a mixed gas atmosphere of nitrogen, rare gas and oxygen, the temperature is raised from room temperature to 1100 ° C. to 1300 ° C. within 2 minutes and heated for 1 second or more, followed by rapid cooling. A method of heat treatment of a silicon single crystal wafer, characterized by performing rapid heat treatment.

チョクラルスキー法により育成された、酸素析出促進領域と酸素析出抑制領域からなり、前記酸素析出促進領域において酸化誘起積層欠陥が発生する部分を含むシリコン単結晶ウェーハを、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、２分以内に室温から１１００℃ないし１３００℃に昇温して１秒以上加熱する急速加熱後急速冷却する急速熱処理を行なうことを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法。 A silicon single crystal wafer, which is grown by the Czochralski method, includes an oxygen precipitation promotion region and an oxygen precipitation suppression region, and includes a portion where an oxidation-induced stacking fault occurs in the oxygen precipitation promotion region, has an oxygen concentration of 0.01%. Rapid heating in which the temperature is raised from room temperature to 1100 ° C. to 1300 ° C. within 2 minutes and heated for 1 second or more in an atmosphere of nitrogen or a rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, rare gas and oxygen of 3% or less A method of heat treatment of a silicon single crystal wafer, characterized by performing a rapid heat treatment in which a rapid cooling is performed after heating.

１１００℃以上の加熱温度から、１０００℃以下の温度まで２０℃／秒以上の冷却速度で急速冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法。 3. The method for heat-treating a silicon single crystal wafer according to claim 1, wherein rapid cooling is performed from a heating temperature of 1100 ° C. or more to a temperature of 1000 ° C. or less at a cooling rate of 20 ° C./second or more.

急速熱処理の後に、酸素濃度が０．０１％以上３％以下である、窒素もしくは希ガスと酸素、または窒素と希ガスと酸素の混合ガス雰囲気中で、複数のウェーハを同時に熱処理する熱処理炉を用いて、１０５０℃以上の温度まで２０分以上かけて昇温し、１時間以上加熱する低速昇温熱処理を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法。A heat treatment furnace for simultaneously heat-treating a plurality of wafers in an atmosphere of nitrogen or a rare gas and oxygen, or a mixed gas of nitrogen, a rare gas, and oxygen having an oxygen concentration of 0.01% or more and 3% or less after the rapid heat treatment. The silicon single crystal according to any one of claims 1 to 3 , wherein the single-crystal silicon is heated at a temperature of 1050 ° C or higher over 20 minutes and is subjected to a low-temperature heat treatment for heating for 1 hour or longer. Wafer heat treatment method.

急速熱処理あるいは低速昇温熱処理の後で、５００℃から１０００℃で２時間から５時間かけて均熱処理することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリコン単結晶ウェーハの熱処理方法。The silicon single crystal wafer according to any one of claims 1 to 4 , wherein after the rapid heat treatment or the slow temperature increasing heat treatment, soaking is performed at 500 to 1000 ° C over 2 to 5 hours. Heat treatment method.