JP4405082B2 - 内部ゲッタリング性の改良された熱アニーリングされたウエハ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、電子部品の製造に使用される、半導体材料基板、特にシリコンウエハの製造に関する。より詳細には、本発明は、シリコンウエハを熱処理して、凝集した空孔欠陥を溶解させ、かつ内部ゲッタリング能を改良させるための方法に関する。この方法により、そのようなウエハは、本質的には任意のいずれかの電子デバイス製造プロセスの熱処理サイクル時において酸素析出物の一様でない理想的な深さ分布を形成させることができる。
【０００２】
半導体電子部品のほとんどの製造方法の出発物質である単結晶シリコンは一般に、単一種結晶を溶融シリコンに浸漬し、次に遅い引き上げによって成長させる、いわゆるチョクラルスキー法によって製造される。溶融シリコンは石英ルツボに装填されるので、種々の不純物、主に酸素、によって汚染される。溶融塊の温度におけるシリコン中の酸素の溶解度および凝固シリコンにおける酸素の事実上の偏析係数によって決定されるある濃度に酸素が到達するまで、シリコン溶融塊の温度において、酸素が結晶格子に入る。そのような濃度は、電子デバイス製造プロセスに一般的な温度における固体シリコン中の酸素の溶解度より大きい。結晶が溶融塊から成長し冷却し、従ってその中の酸素の溶解度が急速に減少し、それによって、得られるスライスまたはウエハにおいて酸素が過飽和濃度において存在する。
【０００３】
酸素に加えて、シリコン格子の空孔などの真性点欠陥が、結晶を形成させるときに結晶内に存在する場合がある。酸素のように、空孔の固体シリコンにおける溶解度は、部分的には温度に依存している。シリコン結晶が冷えるとき、いくつかの点で、結晶は、凝集した空孔欠陥の形成をもたらす空孔が臨界的な過飽和になることがある。凝集した空孔欠陥は、Ｄ欠陥、フロー・パターン欠陥（ＦＰＤ）、ゲート酸化物完全性（ＧＯＩ）欠陥、結晶起源粒子（ＣＯＰ）欠陥および結晶起源ライト点欠陥（ＬＰＤ）のような測定可能な結晶欠陥、ならびに走査赤外顕微鏡およびレーザー走査トモグラフィーなどの赤外線散乱技術によって測定されるある種のバルク欠陥の起源であると認識されている。凝集した空孔欠陥は、そのような欠陥を含有するウエハから製造される電子デバイスの性能に対する障害であると認識されている。
【０００４】
電子デバイスの製造に一般に使用される熱処理サイクルは、酸素で過飽和されたシリコンウエハにおいて、酸素の析出を生じうる。空孔欠陥の凝集と同様に、ウエハにおける析出の位置に応じて、酸素析出はデバイス性能を阻害しうる。例えば、ウエハの活性デバイス領域に位置する酸素析出は、デバイスの操作を害することがある。しかし、ウエハのバルクに存在する酸素析出は、ウエハに接触する望ましくない金属性不純物を捕捉することができる故に有益である。ウエハのバルクに位置する酸素析出を、金属を捕捉するために使用することは一般に、内部ゲッタリングまたはイントリンシック・ゲッタリング（ＩＧ）と称される。
【０００５】
数多くの方法が、凝集した欠陥の形成をいかにして防止し得るか、あるいは一旦形成された場合には凝集した欠陥をいかにして除去し得るかということに関して提案されている。例えば、凝集した真性点欠陥の溶解または消滅は、一般には、ウエハ形態でシリコンの高温熱処理を使用して達成することができる（例えば、Ｆｕｓｅｇａｗａ他の欧州特許出願５０３，８１６Ａ１、およびＳ．Ｎａｄａｈａｒａ他、「水素アニーリングされたシリコンウエハ」、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、第５７−５８号、１９頁〜２６頁（１９９７）を参照）。しかし、これらの方法は、凝集した欠陥をウエハの表面領域付近に溶解させる望ましい効果を有し得るが、内部ゲッタリング能を失わせるウエハバルクでの酸素析出物の溶解をも生じさせることがある。
【０００６】
従って、凝集した真性点欠陥をシリコンウエハから溶解または消滅させることができる方法が引き続き求められ、内部ゲッタリング性の有益な特性を有するウエハを供給することが依然として求められている。
【０００７】
（発明の開示）
従って、本発明の目的には次のことが含まれる：本質的に任意の電子デバイス製造プロセスの熱処理サイクル時に酸素析出物の一様でない理想的な深さ分布が形成される単結晶シリコンウエハを提供すること；充分な深さのデニューデッドゾーンおよび充分な密度の酸素析出物がウエハバルクにおいて最適かつ再現性よく形成されるそのようなウエハを提供すること；ウエハバルクにおけるそのようなデニューデッドゾーンの形成および酸素析出物の形成がウエハのこれらの領域における酸素濃度差に依存しないそのようなウエハを提供すること；得られるデニューデッドゾーンの厚さが一連のＩＣ製造プロセスの細部に本質的には依存しないそのようなウエハを提供すること；ウエハバルクにおけるそのようなデニューデッドゾーンの形成および酸素析出物の形成が、シリコンウエハがスライスされるチョクラルスキー成長の単結晶シリコンインゴットの熱履歴および酸素濃度によって影響されないそのようなウエハを提供すること；そのようなデニューデッドゾーンの形成が酸素の外方拡散に依存しないそのような方法を提供すること；および凝集した空孔欠陥の濃度をウエハの表面層において実質的に低下させるそのような方法を提供すること。
【０００８】
従って、簡単に記載すると、本発明は、一方がウエハの前表面であり、もう一方がウエハの後表面である２つのほぼ平行な主表面、前表面と後表面との間にある中央面、前表面および後表面を結ぶ周囲縁、前表面から中央面に向かって測定されたときに前表面と距離Ｄ_ｓとの間にあるウエハ領域を含む領域層、少なくとも一部がそのような領域層と共にウエハの深さ方向へ伸び、かつ前表面から中央面に向かって測定されたときに前表面と少なくとも約１０マイクロメートルの距離Ｄ_１との間にあるウエハ領域を含む表面層、および中央面と表面層との間にあるウエハ領域を含むバルク層を有する単結晶シリコンウエハに関する。本発明のウエハは、上記の領域層が、凝集した空孔欠陥を実質的に含まないことを特徴とする。さらに、本発明のウエハは、結晶格子の空孔の一様でない分布を有し、バルク層の空孔濃度が表面層の空孔濃度よりも大きく、かつ空孔は、空孔のピーク密度が中央面またはその付近にあり、濃度がウエハの前表面の方向でピーク密度の位置からほぼ低下する濃度プロファイルを有する。
【０００９】
本発明はさらに、単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、一方がウエハの前表面であり、もう一方がウエハの後表面である２つのほぼ平行な主表面、前表面と後表面との間にある中央面、前表面および後表面を結ぶ周囲縁、前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面から距離Ｄ_ｓまで伸びる領域層、少なくとも一部がそのような領域層と共にウエハの深さ方向へ伸び、かつ前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面との距離Ｄとの間にあるウエハ領域を含む表面層、および中央面と表面層との間にあるウエハ領域を含むバルク層を有する単結晶シリコンウエハを熱処理して、凝集した空孔欠陥を溶解させ、かつその後の熱処理工程においてウエハ中の酸素の析出挙動を変化させる方法に関する。この方法は、ウエハを雰囲気中で熱アニーリング処理して、領域層に以前から存在する凝集した空孔欠陥を溶解させること；アニーリング処理されたウエハを熱処理して、結晶格子の空孔を表面層およびバルク層に形成させること；および次いで、熱処理されたウエハの冷却速度を制御して、ピーク密度が中央面またはその付近にあり、濃度がウエハの前表面の方向でほぼ低下し、そして表面層およびバルク層における空孔の濃度差が、７５０℃を超える温度でのウエハの熱処理により、デニューデッドゾーンを表面層に形成させることができ、かつ酸素クラスターまたは酸素析出物をバルク層に形成させることができ、そしてバルク層における酸素クラスターまたは酸素析出物の濃度が主として空孔濃度に依存するという空孔濃度プロファイルを有するウエハを製造することを含む。
【００１０】
本発明はさらに、前表面、後表面、前表面と後表面との間にある中央面、前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面から距離Ｄ_ｓまで伸びる領域層、少なくとも一部がそのような領域層と共にウエハの深さ方向へ伸び、かつ前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面と距離Ｄとの間にあるウエハ領域を含む表面層、および中央面と表面層との間にあるウエハ領域を含むバルク層を有する単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、後の熱処理工程において、凝集した空孔欠陥を溶解させ、かつウエハ中の酸素の析出挙動を変化させる方法に関する。この方法は、ウエハを雰囲気中で熱アニーリング処理して、結晶格子空孔を表面層およびバルク層に形成させること；および次いで、熱処理されたウエハの冷却速度を制御して、ピーク密度が中央面またはその付近にあり、濃度がウエハの前表面の方向でほぼ低下し、そして表面層およびバルク層における空孔の濃度差が、７５０℃を超える温度での前記ウエハの熱処理により、デニューデッドゾーンを表面層に形成させ、酸素クラスターまたは酸素析出物をバルク層に形成させることができ、そしてバルク層における酸素クラスターまたは酸素析出物の濃度が主として空孔濃度に依存するという空孔濃度プロファイルを有するウエハを製造することを含む。冷却されたウエハに存在する酸素析出物核形成中心は、冷却されたウエハを約６５０℃〜約８５０℃の温度に約１時間〜約４時間にわたって加熱することによって安定化され、次いで、安定化されたウエハは雰囲気中で熱アニーリング処理され、前表面から少なくとも約５ミクロンの深さまで伸びる領域内において存在する凝集した空孔欠陥を溶解させる。
【００１１】
本発明の他の目的および特徴は、下記において一部が明らかであり、一部が示されている。
【００１２】
（好適な実施態様の詳細な説明）
本発明の方法は、ウエハの表面層における凝集した空孔欠陥の初期濃度と比較して、ウエハの表面層における低下した濃度の凝集した空孔欠陥を有する単結晶シリコンウエハを得る手段を提供する。さらに、本発明の方法は、「理想的な析出」を有するウエハを提供する。すなわち、本質的には任意の電子デバイス製造プロセスのときに、充分な深さのデニューデッドゾーンと、ＩＧのために充分な密度の酸素析出物を含有するウエハバルクとが形成されるウエハが得られる。本発明の方法は、この表面層に存在する凝集した空孔欠陥を消滅させるように作用し、同時に、電子デバイス製造プロセスのときに酸素が析出する方式を決定または「プリント」する「テンプレート」をシリコンにもたらす。
【００１３】
本発明の方法の第１の実施形態により、単結晶シリコンウエハは、最初に熱アニーリングに供される。アニーリング温度およびその継続時間、ならびにウエハがアニーリングされる雰囲気は、凝集した空孔欠陥をウエハの表面層または領域層において効果的に消滅または溶解させる程度である。一般に、この熱アニーリングに関する条件は、そのような欠陥を溶解させるためにこの分野で広く使用されている条件である（例えば、Ｆｕｓｅｇａｗａ他の欧州特許出願５０３，８１６Ａ１；Ｓ．Ｎａｄａｈａｒａ他、「水素アニーリングされたシリコンウエハ」、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、第５７−５８号、１９頁〜２６頁（１９９７）；およびＤ．Ｇｒａｆ他、「高温アニーリング処理シリコンウエハ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、第９７−２２巻、１８頁〜２５頁（１９９７）を参照）。例えば、ウエハは、ウエハの表面から中心に向かって伸びる領域層に存在する凝集した空孔欠陥を溶解させるために、アルゴンまたは水素の雰囲気中あるいはその混合物中で熱アニーリング処理することができる。
【００１４】
一般に、ウエハは、ウエハの表面から中心に向かって測定されたときに表面から所定の距離まで伸びる領域層に存在する凝集した空孔欠陥を溶解させるために充分な時間にわたって所定の温度に加熱される。そのような距離は、数マイクロメートル（すなわち、少なくとも約１マイクロメートル、２マイクロメートル、３マイクロメートル、５マイクロメートル、または１０マイクロメートルでさえ）、数十マイクロメートル（すなわち、約２０マイクロメートル、４０マイクロメートル、８０マイクロメートルまたはそれ以上）、数百マイクロメートル（すなわち、約１００マイクロメートル、３００マイクロメートル、５００マイクロメートルまたはそれ以上）、ウエハのほぼ中心までである。正確な条件は、凝集した空孔欠陥を溶解させるか、または大きさを低下させる所望の深さに依存して変化する。例えば、ウエハは、約１１００℃〜約１３００℃の範囲の温度に約１時間〜約４時間にわたって加熱することができ、あるいは約１２００℃〜約１２５０℃の範囲の温度に約２時間〜約３時間にわたって加熱することができる。
【００１５】
この点に関して、熱アニーリングの温度、継続時間、雰囲気およびランピング条件（すなわち、ターゲットのアニーリング温度に到達する速度）に加えて、溶解しようとする凝集欠陥の大きさは、そのような欠陥を除くときのアニーリング効率の要因であることに留意しなければならない。従って、所望する結果を達成するために必要な条件は、多数のサンプルについて、処理温度、処理時間および雰囲気組成を変化させることによって経験的に決定することができる。従って、条件は、本発明の範囲から逸脱することなく本明細書中に記載されている条件以外の条件であってもよい。
【００１６】
ウエハをこの欠陥溶解処理に供することによって、凝集した空孔欠陥の濃度が、出発材料におけるそのような欠陥の濃度と比較したときに低下している領域層がウエハの表面付近に形成される。しかし、好ましくは、この表面層は、凝集した空孔欠陥を実質的に含まない。この点に関して、本明細書中で使用されている用語「凝集した空孔欠陥を実質的に含まない」は、この領域層における凝集した欠陥の濃度がこれらの欠陥の検出限界よりも低いことを意味するものであることに留意しなければならない。欠陥の検出限界は、現在、約１０^４欠陥／ｃｍ^３である。
【００１７】
凝集した欠陥の溶解処理において用いられる条件により、ウエハが事前に安定化熱処理に供されていない場合、ウエハに存在する酸素析出物核形成中心の溶解もまた生じる。このような中心を再確立させるために、従って、ウエハがＩＧ目的のために増大した密度の酸素析出物を有し得るために、ウエハは、次に、所定の空孔濃度プロファイルが形成される一連の工程に供される。本発明の方法のこの部分は、電子デバイス製造プロセスのときに酸素が最終的に析出する様式を決定または「プリント」するように効果的に作用する。次に、図１を参照して、前表面３、後表面５、および前表面と後表面との間にある仮想的な中央面７を有するウエハ１が、ウエハを包む表面酸化物層９を成長させるために、本発明の方法のこの部分の工程Ｓ_１において酸素含有雰囲気中で熱処理される。一般に、この酸化物層は、シリコン上に形成される自然の酸化物層よりも大きな厚さ（約１５オングストローム）を有する。好ましくは、この酸化物層は、少なくとも約２０オングストロームの厚さを有し、そしていくつかの実施形態においては、少なくとも約２５オングストロームであり、あるいは少なくとも約３０オングストロームでさえある。しかし、今日までに得られた実験的証拠により、約３０オングストロームよりも大きな厚さを有する酸化物層は、所望する効果と競合しないが、さらなる利点をほとんどもたらさないことが示唆されている。
【００１８】
本明細書における用語「前（表面）」および「後（表面）」は、ウエハの２つのほぼ平行な主表面を区別するために使用される；ウエハの前表面は、その用語が本明細書中で使用される場合、必ずしも、電子デバイスが続いて組み立てられる表面である必要はなく、ウエハの後表面は、その用語が本明細書中で使用される場合、必ずしも、電子デバイスが組み立てられる表面の反対側のウエハの主表面である必要はない。さらに、シリコンウエハは、典型的には、ある程度の全体的な厚みの変動（ＴＴＶ）、反り（warp）および湾曲（bow）を有するので、前表面の任意の点と後表面の任意の点との中間点は、正確には、１つの平面に含まれ得ない；しかし、実際問題として、ＴＴＶ、反りおよび湾曲は非常にわずかであるので、近い近似では、そのような中間点は、前表面と後表面との間のほぼ等しい距離にある仮想的な中央面に含まれると言うことができる。
【００１９】
本方法の析出の工程Ｓ_２において、ウエハは、ウエハを高温に加熱して、ウエハ１において結晶格子の空孔（空格子点）１３を形成させ、それによりその数密度を増大させる熱処理工程に供される。この熱処理工程は、好ましくは、ウエハを目標温度に迅速に加熱し、その温度で比較的短時間アニーリング処理する急速熱アニーリング装置で行われる。一般に、ウエハは、１１５０℃を超える温度に、好ましくは、少なくとも１１７５℃に、より好ましくは少なくとも約１２００℃に、最も好ましくは、約１２００℃と１２７５℃との間の温度に曝される。
【００２０】
本方法の第１の実施形態において、急速熱アニーリング工程は、窒化物形成性の雰囲気、すなわち、暴露されたシリコン表面を窒化物にし得る、窒素ガス（Ｎ _２ ）または窒素含有化合物ガス（アンモニアなど）を含有する雰囲気のもとで行われる。従って、そのような雰囲気は、全体が窒素ガスまたは窒素化合物ガスから構成され得る。あるいは、そのような雰囲気は、アルゴンなどの窒化物非形成性のガスをさらに含むことができる。ウエハ全体の空孔濃度（空格子点濃度）の増大が、直ちではないとしても、アニーリング温度に到達したときにほぼ達成される。ウエハは、一般に、この温度で、少なくとも１秒間、典型的には少なくとも数秒間（例えば、少なくとも３秒間）、好ましくは数十秒間（例えば、２０秒間、３０秒間、４０秒間または５０秒間）、およびウエハの所望の特性に依存して、約６０秒（これは市販の急速熱アニーリング装置のほぼ限界である）までの範囲であり得る時間保持される。得られるウエハは、このウエハにおいて比較的均一な空孔濃度（数密度）特性を有する。
【００２１】
今日までに得られた実験的証拠に基づいて、急速熱アニーリング工程が行われる雰囲気は、好ましくは、酸素、水蒸気および他の酸化性ガスの比較的小さな分圧を有するに過ぎない；すなわち、その雰囲気は、酸化性ガスが全く存在しないか、またはそのようなガスの分圧を全く有せず、空孔濃度の成長を抑制するシリコン自己格子間原子の充分量を注入するのに不充分である。酸化性ガスの下限濃度は正確には決定されていないが、０．０１気圧（ａｔｍ）すなわち１０，０００部／百万原子（ｐｐｍａ）の酸素分圧に関して、空孔濃度の増大および効果が認められないことが明らかにされている。従って、雰囲気は、酸素および他の酸化性ガスの分圧が０．０１ａｔｍ（１０，０００ｐｐｍａ）未満であることが好ましい；より好ましくは、雰囲気中におけるこれらのガスの分圧は約０．００５ａｔｍ（５，０００ｐｐｍａ）以下であり、より好ましくは約０．００２ａｔｍ（２，０００ｐｐｍａ）以下であり、最も好ましくは約０．００１ａｔｍ（１，０００ｐｐｍａ）以下である。
【００２２】
結晶格子の空孔が生成することに加えて、急速熱アニーリング工程は、シリコンの出発材料中に存在する安定化されていない任意の酸素析出物核形成中心を溶解する。このような核形成中心は、例えば、ウエハがスライスされる単結晶シリコンインゴットの成長途中で形成され得るか、またはウエハまたはウエハがスライスされるインゴットの以前の熱履歴におけるいくつかの他の事象の結果として形成され得る。従って、出発材料におけるこのような核形成中心の有無は、これらの中心が、急速熱アニリーング工程の最中で溶解し得る場合には重要ではない。
【００２３】
急速熱アニーリング処理は、ウエハが高出力光源の列によって個々に加熱される多数の市販の急速熱アニーリング（「ＲＴＡ」）処理炉のいずれかで行うことができる。ＲＴＡ炉は、シリコンウエハを急速に加熱することができる。例えば、ＲＴＡ炉は、ウエハを室温から１２００℃まで数秒間で加熱することができる。そのような市販のＲＴＡ炉の１つは、AG Associates（Mountain View、CA）から入手できるモデル６１０炉である。
【００２４】
真性の点欠陥（空孔およびシリコン自己格子間原子）は、温度に依存する拡散速度で単結晶シリコン中を拡散し得る。従って、真性の点欠陥の濃度特性は、温度を関数とする真性の点欠陥の拡散係数および再結合速度の関数である。例えば、真性の点欠陥は、急速熱アニーリング工程においてウエハがアニーリング処理される温度の近傍温度で比較的移動し得るが、７００℃もの温度では、本質的に、任意の商業的に実用的な時間で移動し得ない。これまでに得られた実験的証拠により、空孔の有効拡散速度は、約７００℃未満の温度で、そしておそらくは、８００℃または９００℃あるいは１０００℃でさえの温度でかなり遅いことが示唆される。空孔は、任意の商業的に実用的な時間で移動しないと見なすことができる。
【００２５】
工程Ｓ_２が終了したとき、ウエハは、結晶格子の空孔が単結晶シリコン内で比較的移動し得る温度範囲を通過するように工程Ｓ_３において急冷される。ウエハの温度がこの範囲の温度を通過して下がるとき、空孔は、酸化物層９に拡散して消滅し、従って、ウエハがこの範囲内の温度で保持された時間の長さに依存する変化度を伴って空孔の濃度特性の変化をもたらす。ウエハがこの範囲内のこの温度で無限の時間保持されたならば、空孔濃度は、再度、ウエハバルク１１の全体に実質的に均一になり、その濃度は、熱処理工程の終了直後における結晶格子の空孔濃度よりも実質的に少ない平衡値である。しかし、ウエハを急冷することによって、結晶格子の空孔の不均一な分布が最大の空孔濃度で達成され得るが、その最大濃度は、中央面７またはその近くに存在し、空孔濃度は、ウエハの前表面３および後表面５の方向で減少する。一般に、この範囲の温度内での平均冷却速度は、少なくとも約５℃／秒であり、好ましくは少なくとも約２０℃／秒である。デニューデッドゾーンの所望の深さに依存して、平均冷却速度は、好ましくは少なくとも５０℃／分であり、さらにより好ましくは少なくとも１００℃／秒であるが、いくつかの適用に関しては、現在、約１００℃／秒〜約２００℃／秒の範囲の冷却速度が好ましい。ウエハが、結晶格子の空孔が単結晶シリコン内で比較的移動し得る温度範囲の外側の温度に冷却されると、冷却速度は、ウエハの析出特性に大きな影響を与えないようであり、従って、冷却速度は、きわどいほど臨界的ではないようである。好都合には、冷却工程は、加熱工程が行われる同じ雰囲気中で行うことができる。
【００２６】
本方法の析出の工程Ｓ_４において、ウエハは、酸素析出熱処理に供される。例えば、ウエハは、８００℃の温度で４時間、次いで１０００℃の温度で１６時間アニーリング処理することができる。あるいは、ウエハは、好ましくは、電子デバイス製造プロセスの最初の工程のように、約８００℃の温度の炉に入れられる。この温度の炉に入れられたときに、前記の急速熱アニーリング処理されたウエハは、酸素析出に関して異なった挙動をする異なる帯域を有する。高い空孔領域（ウエハバルク）において、酸素は、ウエハが炉に入れられると急速にクラスター化する。負荷温度に到達するときまでにクラスター化過程は終了し、空孔の初期濃度だけに依存するクラスター分布が得られる。低い空孔領域（ウエハ表面の近く）において、ウエハは、以前から存在する酸素析出物核形成中心を有さない通常のウエハのように挙動する；すなわち、酸素のクラスター化は観測されない。温度が８００℃を超えて高くなるとき、あるいは温度が一定に維持される場合、空孔が多い帯域内のクラスターは、成長して析出し、それによって消費されるが、空孔が少ない帯域では何も起こらない。ウエハを空孔濃度の様々な帯域に分割することによって、テンプレートが効果的に得られ、そのテンプレートによって、ウエハを炉に入れたときに固定される酸素析出物パターンが描かれる。
【００２７】
図１に例示されているように、ウエハにおける酸素析出物の得られた深さ分布は、前表面３および後表面５から、それぞれ、深さｔ、ｔ’まで拡がる、酸素析出物を含まない材料（デニューデッドゾーン）１５および１５’の明確な領域によって特徴づけられる。酸素析出物を含まない領域１５および１５’の間に、実質的に均一密度の酸素析出物が含有される領域１７が存在する。
【００２８】
領域１７における酸素析出物の濃度は、主として加熱工程の関数であり、二次的には冷却速度の関数である。一般に、酸素析出物の濃度は、加熱工程における温度の上昇およびアニーリング時間の増大とともに大きくなり、約１×１０^７析出物／ｃｍ^３〜約５×１０^１０析出物／ｃｍ^３の範囲の析出物密度が日常的に得られる。
【００２９】
酸素析出物を含まない材料（デニューデッドゾーン）１５および１５’の前表面および後表面からのそれぞれの深さｔ、ｔ’は、主として、結晶格子の空孔がシリコン中で比較的移動し得る温度範囲への冷却速度の関数である。一般に、深さｔ、ｔ’は、冷却速度の低下とともに増加し、少なくとも約１０ミクロン、２０ミクロン、３０ミクロン、４０ミクロン、５０ミクロン、７０ミクロン、または１００ミクロンでさえものデニューデッドゾーンの深さを得ることができる。重要なことに、デニューデッドゾーンの深さは、本質的には、電子デバイス製造プロセスの細部に依存せず、さらに、従来的に実施される酸素の外方拡散に依存しない。
【００３０】
本発明のプロセスにおいて用いられる急速熱処理によって、少量の酸素がウエハの前表面および後表面から外方拡散し得る一方で、外方拡散の量は、デニューデッドゾーンの生成に関する従来のプロセスで観測される量よりも著しく少ない。結果として、「理想的な析出ウエハ」は、シリコン表面からの距離を関数とする実質的に均一な格子間酸素濃度を有する。例えば、酸素析出熱処理（Ｓ₄）を行う前に、ウエハは、実質的に均一な格子間酸素濃度を、ウエハの中心からウエハ表面の約１５ミクロン以内のウエハ領域まで、より好ましくは、シリコンの中心からウエハ表面の約１０ミクロン以内のウエハ領域まで、さらにより好ましくは、シリコンの中心からウエハ表面の約５ミクロン以内のウエハ領域まで、最も好ましくは、シリコンの中心からウエハ表面の約３ミクロン以内のウエハ領域までに有する。本明細書において、実質的に均一な酸素濃度は、酸素濃度の分散が、約５０％以下であり、好ましくは約２０％以下であり、最も好ましくは約１０％以下であることを意味するものとする。
【００３１】
典型的には、酸素析出熱処理により、実質量の酸素は、加熱処理されたウエハから外方拡散しない。結果として、ウエハ表面から数ミクロンを超える距離にあるデニューデッドゾーンの格子間酸素濃度は、析出熱処理の結果として大きく変化しない。例えば、ウエハのデニューデッドゾーンが、シリコン表面と、前表面から中央面に向かって測定される距離Ｄ_１（これは少なくとも約１０ミクロンである）との間の領域からなる場合、Ｄ_１の１／２に等しいシリコン表面からの距離にあるデニューデッドゾーン内のある１点での酸素濃度は、典型的には、デニューデッドゾーン内の任意の場所での格子間酸素濃度の最大濃度の少なくとも約７５％である。いくつかの酸素析出熱処理に関して、この位置での格子間酸素濃度は、それよりも大きく、すなわち、デニューデッドゾーン内の任意の場所での最大酸素濃度の少なくとも８５％または９０％であり、あるいはその９５％でさえある。
【００３２】
本方法の析出の第２の実施形態において、窒化物非形成性の雰囲気が、第１の実施形態の加熱（急速熱アニーリング）工程および冷却工程において使用される窒化物形成性の雰囲気の代わりに使用される。適切な窒化物非形成性の雰囲気には、アルゴン、ヘリウム、ネオン、二酸化炭素および他のそのような非酸化性で窒化物非形成性の元素ガスおよび化合物ガス、あるいはそのようなガスの混合物が含まれる。このような窒化物非形成性の雰囲気は、窒化物形成性の雰囲気と同様に、比較的低い分圧の酸素、すなわち、０．０１ａｔｍ（１０，０００ｐｐｍａ）未満、より好ましくは０．００５ａｔｍ（５，０００ｐｐｍａ）未満、より好ましくは０．００２ａｔｍ（２，０００ｐｐｍａ）未満、最も好ましくは０．００１ａｔｍ（１，０００ｐｐｍａ）未満の分圧の酸素を含有することができる。
【００３３】
本方法の析出の第３の実施形態において、工程Ｓ_１（熱酸化工程）は省略され、出発ウエハは、自然の酸化物層のみを有する。しかし、そのようなウエハが窒素雰囲気中でアニーリング処理されると、その効果は、自然の酸化物層よりも厚い酸化物層（「増分化酸化物層」）を有するウエハが窒素中でアニーリング処理されたときに認められる効果とは異なる。増分化酸化物層を含有するウエハを窒素雰囲気中でアニーリング処理したとき、空孔濃度の実質的に均一な増加が、アニーリング温度に達した直後ではないとしても、その近くにおいてウエハ全体で達成される；さらに、空孔濃度は、所与のアニーリング温度でのアニーリング時間の関数として大きく増大しないようである。しかし、ウエハが自然の酸化物層しか有さず、ウエハの前表面および後表面が窒素中でアニーリング処理される場合、得られるウエハは、ウエハの断面に関して、ほぼ「Ｕ字型」の空孔濃度（数密度）特性を有する；すなわち、最大濃度が前表面および後表面の数ミクロン以内のところに存在し、比較的一定したそれよりも低い濃度がウエハバルク全体に存在する。ウエハバルクにおけるその最少濃度は、初期には、増分化酸化物層を有するウエハで得られる濃度にほぼ等しい。さらに、アニーリング時間を増大させると、自然の酸化物層のみを有するウエハにおける空孔濃度は増加する。
【００３４】
実験的な証拠により、自然の酸化物層のみを有するウエハの挙動と、増分化酸化物層を有するウエハの挙動との違いは、分子状酸素または他の酸化性ガスを雰囲気に含むことによって回避できることがさらに示唆される。言い換えれば、自然の酸化物のみを有するウエハが低い酸素分圧を含有する窒素雰囲気中でアニーリング処理された場合、ウエハは、増分化酸化物層を有するウエハと同じように挙動する。何らかの理論にとらわれるものではないが、厚さが自然の酸化物層よりも大きい表面酸化物層は、シリコンの窒化物形成を阻害する遮蔽物として役立つようである。従って、このような酸化物層は、出発ウエハの表面に存在し得るか、またはアニーリング工程中において増分化酸化物層を成長させることによって処理中にその場で形成させることができる。
【００３５】
従って、本発明方法の析出のこの第３実施形態により、急速熱アニーリング工程における雰囲気は、好ましくは、少なくとも約０．０００１ａｔｍ（１００ｐｐｍａ）の分圧、より好ましくは少なくとも約０．０００２ａｔｍ（２００ｐｐｍａ）の分圧を含む。しかし、前記の理由のために、酸素分圧は、好ましくは、０．０１ａｔｍ（１０，０００ｐｐｍａ）を超えず、より好ましくは０．００５ａｔｍ（５，０００ｐｐｍａ）未満であり、なおより好ましくは０．００２ａｔｍ（２，０００ｐｐｍａ）未満であり、最も好ましくは０．００１ａｔｍ（１，０００ｐｐｍａ）未満である。
【００３６】
しかし、酸素分圧を有する雰囲気を利用することの代替として、工程Ｓ_２による窒素雰囲気または中性雰囲気のもとでのアニーリングが完了した後、シリコンウエハを酸素雰囲気下で熱アニーリング処理または急速熱アニーリング処理に単に供することができることには留意しなければならない。この酸素アニーリング工程は、ウエハが冷却された後で行うことができ、あるいは所定の温度で（すなわち、最初の熱アニーリング工程が完了した後、ウエハがまだ熱いときに）行うことができる。さらに、この酸素アニーリング工程は、シリコンウエハ内の空孔濃度、従ってそのようなものとして、ウエハにおいて得られる酸素析出物パターンをさらに調整または特性化するための手段として上記に記載された実施形態のいずれかに対して必要に応じて行うことができる。
【００３７】
何らかの特定の理論にとらわれるものではないが、酸素アニーリングはシリコン表面の酸化をもたらし、その結果、シリコンの自己格子間原子の内側に向いた流れが生じるように作用すると考えられる。自己格子間原子のこの内側方向の流れは、表面から始まり、その後、内側に移動する再結合を生じさせることによって空孔濃度プロファイルを徐々に変化させる効果を有している。従って、空孔濃度の低い領域を作製することができ、これにより、酸素析出熱処理を行った後、このシリコンウエハから製造され得るデバイスの特定の最終用途に最適化された深さを有するデニューデッドゾーンが得られる。
【００３８】
空孔のピーク濃度がシリコンウエハのバルク１７内にあるシリコンウエハの場合、領域１５および１５’のそれぞれの深さｔおよびｔ’は、表面が酸化される速度を制御することによって選択的に増大させることができる。一方で、この酸化速度は、この酸化工程の雰囲気条件、温度および継続時間などの多数の要因に依存している。例えば、酸化速度は、雰囲気中の酸素濃度を増大させると大きくなり、その速度は、熱分解蒸気を用いたときに最大になる。
【００３９】
この酸化的処理に関する正確な条件は、深さｔおよび／またはｔ’を最適化するために、アニーリング温度、アニーリング継続時間および雰囲気条件（すなわち、雰囲気の組成ならびに酸素分圧）を調節することによって経験的に決定できることに留意しなければならない。しかし、純酸素または熱分解蒸気ではないものが用いられる場合、好ましくは、雰囲気中の酸素圧は少なくとも約０．０００１（１００ｐｐｍａ）であり、より好ましくは少なくとも約０．０００２（２００ｐｐｍａ）である。この点に関して、熱アニーリング工程Ｓ_２に関して酸素含有量（すなわち、酸素分圧）に課された限定はこの方法のこの選択的な工程には適用され得ないことに留意しなければならない。さらに、領域１７に関する空孔のピーク濃度が実質的に保持され得る場合、この酸化的処理の温度は、好ましくは約１１５０℃を超える。より好ましくは、その温度は、工程Ｓ_２の熱処理時に用いられる温度と少なくともほぼ等しい。何らかの特定の理論にとらわれるものではないが、温度が熱処理時に用いられる温度よりも低い場合、領域１７における空孔のピーク濃度は、実際には、空孔および自己格子間原子が直接再結合するために低下し得ると考えられる。
【００４０】
酸化的処理が完了すると、ウエハは、上記の工程Ｓ_３の場合のように、結晶格子の空孔が単結晶シリコン内で比較的移動しやすい温度範囲を通過するように急冷することができる。ウエハを急冷することによって、空孔の濃度プロファイルが、シリコンマトリックス内に効果的に「凍結」され、従って、これにより結晶格子の空孔の一様でない分布が得られる。従って、得られた空孔濃度プロファイルを喪失または消失させないためには、この温度範囲での平均速度が少なくとも約５℃／秒で冷却されることが望ましい。しかし、好ましくは、冷却速度は少なくとも約２０℃／秒である。冷却速度を変化させると、得られるプロファイルがさらに変わり得ることには留意しなければならない。従って、得ようとする所望のプロファイルに依存して、平均冷却速度は、少なくとも約５０℃／秒、約１００℃／秒、または約２００℃／秒以上までであり得る。
【００４１】
ウエハが、結晶格子の空孔が単結晶シリコン内で比較的移動しやすい温度範囲の外側の温度にまで冷却されると、冷却速度はウエハの析出特性に大きく影響しないようであり、従って、あまり重要ではないようである。都合よいことに、冷却工程は、加熱工程が行われる同じ雰囲気で行うことができる。
【００４２】
この別に行われる酸化的処理は、上記に詳しく記載されているように、冷却速度を調節することによって空孔の濃度プロファイルを制御するための受け入れられる代わりのものである。従って、このような酸化的処理が用いられる場合、工程Ｓ_４の冷却速度は、本明細書中に記載されている冷却速度よりも大きい場合がある。さらに、この酸化的処理は、ｔまたはｔ’の所望する深さが１０ミクロンよりも大きく、数十ミクロンまたはそれ以上である時には好ましいことに留意しなければならない。
【００４３】
酸化的処理によりもたらされる柔軟性によって、この方法は、ほぼ「Ｕ字型」の空孔濃度（数密度）プロファイルを有するウエハに対して問題なく実施できることにはさらに留意しなければならない。より詳細には、上記に記されているように、ウエハ表面に自然の酸化物層のみを有するウエハが熱アニーリング工程Ｓ_２に供された場合、得られるウエハは、ほぼ「Ｕ字型」の空孔プロファイルを有する。そのようなウエハをこの酸化的熱処理に供することによって、空孔の濃度プロファイルを変化させることができる。この場合、その曝露条件は、本発明に順応する所望する空孔プロファイルを得るように選択的に決定される。
【００４４】
理想的な析出ウエハプロセスの他の実施形態において、ウエハの前表面および後表面は、異なる雰囲気に曝すことができる。その雰囲気のそれぞれは、１つまたは複数の窒化物形成性ガスまたは窒化物非形成性ガスを含有することができる。例えば、前表面が窒化物非形成性のガスに曝されながら、ウエハの後表面は窒化物形成性のガスに曝すことができる。あるいは、多数のウエハ（例えば、２枚、３枚またはそれ以上のウエハ）を、面を向かい合わせに配置して積み重ねたままで同時にアニーリング処理することができる；この方法でアニーリング処理されたとき、向かい合って接触している面は、アニーリング処理中において雰囲気から機械的に遮蔽される。あるいは、急速熱アニーリング工程において使用される雰囲気およびウエハの所望の酸素析出特性に依存して、酸化物層を、デニューデッドゾーンが所望されるウエハ面、例えば、ウエハの前表面３のみに形成させることができる（図１を参照）。
【００４５】
あるいは、この析出プロセスは、凝集した空孔欠陥を溶解させるウエハの熱アニーリングに先立ってシリコンウエハに行うことができることに留意しなければならない。しかし、そのような方法が用いられる場合、ウエハは、欠陥溶解処理に供することに先立って安定化熱処理に供することが好ましい。例えば、ウエハは、欠陥溶解処理温度に耐えるのに必要な安定性を得るために充分な時間にわたって、約４００℃〜約８５０℃の範囲の温度に加熱することができる。この点に関して、熱処理の継続時間を長くするに従って、より大きな安定性が得られることに留意しなければならない。従って、２０分、４０分、６０分またはそれ以上、あるいは２時間まで、３時間まで、４時間またはそれ以上までの継続時間が、使用される欠陥溶解処理条件に依存して必要になることがある。例えば、安定化のために用いられる典型的な条件の組合せには、ウエハを約６５０℃〜約８５０℃の間の温度に約１時間〜約４時間にわたって加熱することが含まれる。
【００４６】
酸素析出物核形成中心を安定化させるために充分な熱処理が用いられる場合、酸素析出物を、必要に応じて、欠陥溶解処理のときに直接形成させることができる。すなわち、酸素析出工程Ｓ_４は欠陥溶解処理により代用することができる。あるいは、所望する場合には、欠陥溶解工程を開始する前に、工程Ｓ_４に関して上記に示されている処理などの酸素析出熱処理を完了させることができる。
【００４７】
本発明の方法の理想的な析出ウエハの出発材料は、従来のチョクラルスキー（Czochralski）結晶成長法に従って成長させた単結晶インゴットからスライスされた単結晶ウエハである。そのような方法は、標準的なシリコンスライス技術、ラップ処理（lapping）技術、エッチング技術および研磨技術と同様に、例えば、F.Shimura、Semiconductor Silicon Crystal Technology、Academic Press（1989）、およびSilicon Chemical Etching（J.Grabmaier編）Springer-Verlag、New York（1982）に開示されている（これらは参考として本明細書中に援用される）。シリコンウエハは、研磨されたシリコンウエハ、あるいはラップ処理およびエッチングが行われた非研磨のシリコンウエハであり得る。さらに、ウエハは、優勢な真性の点欠陥として空孔または自己格子間原子の点欠陥を有し得る。例えば、ウエハは、中心から縁まで空孔が優勢に存在するか、中心から縁まで自己格子間原子が優勢に存在するか、あるいは、軸対称的な環状の自己格子間原子優勢材によって囲まれた空孔優勢材の中心コアを含有し得る。
【００４８】
チョクラルスキー成長シリコンは、典型的には、約５×１０^１７原子／ｃｍ^３〜約９×１０^１７原子／ｃｍ^３（ASTM標準F-121-83）の範囲内の酸素濃度を有する。ウエハの酸素析出挙動は、理想的な析出ウエハ中の酸素濃度と本質的には連携していないので、出発ウエハの酸素濃度は、チョクラルスキープロセスによって到達可能な範囲内の任意の濃度またはその範囲外の任意の濃度でさえあり得る。
【００４９】
シリコンの融点（約１４１０℃）温度から約７５０℃〜約３５０℃の範囲への単結晶シリコンインゴットの冷却速度に依存して、酸素析出物の核形成中心が、ウエハがスライスされる単結晶シリコンインゴットに形成し得る。しかし、出発材料におけるこのような核形成中心の有無は、これらの中心が約１３００℃を超えない温度でシリコンを熱処理することによって溶解し得る場合には本発明にとって重要でない。約８００℃の温度で約４時間のシリコンのアニーリング処理などのいくつかの熱処理は、このような中心が約１１５０℃を超えない温度で溶解し得ないように、これらの中心を安定化させることができる。酸素析出物の検出限界は、現在、約５×１０^６析出物／ｃｍ^３である。酸素析出の核形成中心の存在（または、密度）は、現在の利用可能な技術を使用して直接的に測定することができない。しかし、様々な技術を使用して、その存在を間接的に検出することができる。前記のように、シリコン中の以前から存在する酸素析出物核形成中心を安定化させることができ、そして、析出物は、シリコンを酸素析出熱処理に供することによってこのような部位で成長させることができる。従って、このような核形成中心の存在は、例えば、８００℃の温度で４時間、次いで１０００℃の温度で１６時間のウエハのアニーリング処理などの酸素析出熱処理の後で間接的に測定することができる。
【００５０】
置換的な炭素は、単結晶シリコン中の不純物として存在する場合、酸素析出核形成中心を形成させる触媒能を有する。従って、このような理由および他の理由のために、単結晶シリコンの出発材料は、低濃度の炭素を有することが好ましい。すなわち、単結晶シリコンは、約５×１０^１６原子／ｃｍ^３未満であり、好ましくは約１×１０^１６原子／ｃｍ^３未満であり、より好ましくは約５×１０^１５原子／ｃｍ^３未満の炭素濃度を有する。
【００５１】
エピタキシャル層を、本発明に従って調製されたウエハ上に堆積させる場合、本発明の方法は、エピタキシャル堆積の前またはその後のいずれかで行うことができる。エピタキシャル堆積の前に行われる場合、ウエハの酸素析出物核形成中心を、本発明の方法の後、エピタキシャル堆積の前に安定化させることが望ましいと考えられる。エピタキシャル堆積の後に行われる場合、本発明の方法によって必要とされる冷却速度が達成されるならば、エピタキシャル堆積の直後にエピタキシャル反応装置内で本発明の方法を行うことが望ましいと考えられる。
【００５２】
単結晶シリコンにおける結晶格子空孔の測定は白金拡散分析によって行うことができる。一般には、白金をサンプルに堆積させ、白金の拡散がフランク−ターンボール機構によって支配されるように好ましくは選択されるが、白金原子による空孔修飾の定常状態に達するには充分である拡散時間および拡散温度で白金を水平表面で拡散させる。本発明に関して典型的な空孔濃度を有するウエハの場合、７３０℃で２０分間の拡散時間および拡散温度を使用することができるが、より正確な追跡が、より低い温度（例えば、約６８０℃）で得られるようである。さらに、ケイ化物化プロセスによると考えられる影響を最小限にするために、白金堆積法により、好ましくは、１単層未満の表面濃度がもたらされる。白金拡散技術は本明細書以外で記載されている：例えば、Ｊａｃｏｂ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、第８２巻、１８２頁（１９９７）；ＺｉｍｍｅｒｍａｎｎおよびＲｙｓｓｅｌ、「非平衡条件下でのシリコンにおける白金拡散のモデル化」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、第１３９巻、２５６頁（１９９２）；Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ、Ｇｏｅｓｅｌｅ、ＳｅｉｌｅｎｔｈａｌおよびＥｉｃｈｉｎｅｒ、「シリコンにおける空孔濃度ウエハマッピング」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第１２９巻、５８２頁（１９９３）；ＺｉｍｍｅｒｍａｎｎおよびＦａｌｓｔｅｒ、「初期段階のチョクラルスキーシリコンにおける酸素析出物の核形成の研究」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６０巻、３２５０頁（１９９２）；ＺｉｍｍｅｒｍａｎｎおよびＲｙｓｓｅｌ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ、第５５巻、１２１頁（１９９２）。
【００５３】
（実施例）
実施例１〜実施例５は、本発明の析出を例示する。従って、これらの実施例はすべて、限定する意味で解釈すべきではない。
【００５４】
実施例１
シリコン単結晶をチョクラルスキー法によって引き上げ、スライスし、研磨して、シリコンウエハを得た。次いで、これらのウエハを、表面酸化工程（Ｓ_１）、窒素中またはアルゴン中での急速熱アニーリング処理工程（Ｓ_２）に供し、急冷し（Ｓ_３）、そして表Ｉに示す条件下での酸素安定化および成長工程（Ｓ_４）に供した。工程Ｓ_１〜工程Ｓ_４の前におけるウエハの初期酸素濃度（Ｏ_ｉ)、工程Ｓ_４の後でのウエハバルクの酸素析出物密度（ＯＰＤ）、および工程Ｓ_４の後でのデニューデッドゾーンの深さ（ＤＺ）もまた表Ｉに示す。
【００５５】
【表Ｉ】
表Ｉ

【００５６】
図２、図３および図４は、得られたウエハの断面を示す（これらの図は、２００倍の倍率で撮影された写真の拡大である）；サンプル４−７を図２に示し、サンプル４−８を図３に示し、サンプル３−１４を図４に示す。
さらに、サンプル４−７における結晶格子の空孔の濃度を、白金拡散技法を使用してマッピングした。白金濃度のウエハ表面からの深さ（０ミクロンの深さはウエハの前表面に対応する）に対するプロットを図５に示す。
【００５７】
実施例２
本発明のプロセスが、チョクラルスキー成長のシリコンウエハに関して、酸素濃度に比較的依存しないことを明らかにするために、異なる酸素濃度を有する３枚のウエハを、実施例１に記載される同じ工程系列に供した。これらの各工程の条件、工程Ｓ_１〜工程Ｓ_４の前におけるウエハの初期酸素濃度（Ｏ_ｉ）、工程Ｓ_４の後でのウエハバルクの酸素析出密度（ＯＰＤ）、および工程Ｓ_４の後におけるウエハ表面から測定されるデニューデッドゾーンの深さ（ＤＺ）を表ＩＩに示す。図６、図７および図８は、得られたウエハの断面を示す（これらの図は、２００倍の倍率で撮影された写真の拡大である）；サンプル３−４を図６に示し、サンプル３−５を図７に示し、サンプル３−６を図８に示す。
【００５８】
【表ＩＩ】
表ＩＩ

【００５９】
実施例３
本発明のプロセスが、酸素析出物安定化および成長工程（Ｓ_４）のために使用される条件に比較的依存しないことを明らかにするために、同じ初期酸素濃度を有するウエハ（サンプル１−８）を、サンプル３−４に関する実施例２に記載される同じ工程系列に供した。しかし、市販の１６Ｍｂ ＤＲＡＭプロセスを、酸素析出物安定化および成長工程（Ｓ_４）として使用した。図９は、得られたウエハの断面を示す（この図は、２００倍の倍率で撮影された写真の拡大である）。工程Ｓ_４の後において、サンプル１−８およびサンプル３−４は、匹敵し得るバルク酸素析出密度（サンプル１−８の７×１０^１０／ｃｍ^３対サンプル３−４の４×１０^１０／ｃｍ^３）および匹敵し得るデニューデッドゾーン深さ（約４０ミクロン）を有した。
【００６０】
実施例４
本実施例は、熱処理を行っているときに、バルクミクロ欠陥（ＢＭＤ）密度、すなわち酸素析出化物の密度において、そして熱処理中における雰囲気中の酸素濃度の増大から生じるデニューデッドゾーン（ＤＺ）の深さにおいて観測され得る傾向を例示する。３組の異なるウエハを、様々なプロセス条件下での急速熱アニーリング処理に供した。Ａ組のウエハを１２００℃で３０秒間、窒素雰囲気下でアニーリング処理した；Ｂ組のウエハを同じ条件下で２０秒間アニーリング処理した；Ｃ組のウエハを１２００℃で３０秒間、アルゴン雰囲気下でアニーリング処理した。予備酸化工程は、本実施例では３組のウエハのいずれに対しても行わなかった。
【００６１】
下記の表ＩＩＩにより示されるように、酸素分圧を、所与の組の各ウエハに関して増大させた。アニーリング処理が完了すると、各ウエハのＢＭＤ密度およびＤＺ深さを、この分野で標準的な手段で測定した。結果を下記の表ＩＩＩに示す。
【００６２】
【表ＩＩＩ】
表ＩＩＩ

ＮＤ＝測定せず
【００６３】
上記の結果は、雰囲気中の酸素分圧が増大すると、バルクミクロ欠陥の数密度が低下することを示している。さらに、酸素分圧が１０，０００ｐｐｍａに達すると、バルクミクロ欠陥の数密度は、本発明による事前の急速熱アニーリング処理を行うことなく酸素析出熱処理に供せられたウエハで観測されるバルクミクロ欠陥の数密度と区別することができない。
【００６４】
実施例５
酸化的熱アニーリング処理
本発明の酸化的熱アニーリング処理を例示するために、チョクラルスキー法に従って成長させた単結晶シリコンインゴットから得られ、自然の酸化物層のみを有するシリコンウエハを熱アニーリング工程（Ｓ_２）に供した。それぞれの場合、ウエハを、アンモニア含有雰囲気下、急速熱アニーリング装置において約１１８０℃で約３分間アニーリングし、次いで急冷した（Ｓ_３）。次に図１１および図１２を参照して、酸素安定化および成長工程（Ｓ_４）およびＮＥＣ−１処理を行った後、そのようなプロセス条件により、デニューデッドゾーンを本質的に有さず、約１ｘ１０^１０原子／ｃｍ^３よりも大きなバルク酸素析出物密度（ＯＰＤ）を有するシリコンウエハが得られることを認めることができる。
【００６５】
図１１および図１２のウエハとは対照的に、冷却（Ｓ_３）が完了した後、工程Ｓ_４が行われる前にウエハを酸化的熱工程に供した場合、デニューデッドゾーンを形成させることができる。次に図１３および図１４を参照し、冷却が完了した後、存在する窒化物層を除くために、ウエハ表面を軽くエッチングした。その後、ウエハを、急速アニーリング装置において、酸素濃度がこの実施例では約１００％である酸素含有雰囲気下で約１１８０℃に約３分間加熱した。酸素安定化および成長工程（Ｓ_４）およびＮＥＣ−１処理を行った後、そのようなプロセス条件により、デニューデッドゾーンの深さが約６０μｍであり、バルク酸素析出物密度（ＯＰＤ）が約１ｘ１０^１０原子／ｃｍ^３よりも大きいシリコンウエハが得られることを認めることができる。
【００６６】
次に図１５および図１６を参照し、酸化的熱アニーリング工程がシリコンウエハの片側だけに対して行われ得ることを認めることができる。片面の処理は、処理されないウエハ面を遮蔽することによって得られる。図１５および図１６に示されているウエハは、低温の化学的気相蒸着（ＣＶＤ）法を使用して窒化シリコン皮膜を最初に形成させることによってウエハの片側が遮蔽されたことを除いて、図１３および図１４に示されているウエハと同じ方法で処理された。酸素安定化および成長工程（Ｓ_４）およびＮＥＣ−１処理を行った後、得られたウエハは、遮蔽されなかった面（表側）に約６０μｍの深さのデニューデッドゾーンを有していること、これに対してウエハの遮蔽面（裏側）はデニューデッドゾーンを有していなかったことを認めることができる。ウエハのバルク酸素析出物密度は約１ｘ１０^１０原子／ｃｍ^３よりも大きかった。
【００６７】
存在する窒化物層を除くためのウエハの表面エッチングは、本発明の方法の結果を達成するためには必要でないことに留意しなければならない。むしろ、表面エッチングは必要に応じて行われるものであり、従って、限定の意味で考慮してはならない。
【００６８】
実施例５を考慮すれば、デニューデッドゾーンを、酸化性雰囲気の存在下でウエハを熱アニーリングすることによって効果的に形成させることができることにさらに留意しなければならない。さらに、本発明の他の実施形態によって形成されたデニューデッドゾーンは、この熱酸化処理によってさらに改変することができる。例えば、サンプル４−７および４−８（実施例１）のデニューデッドゾーンの深さは、工程Ｓ_４の酸素析出熱処理を行う前にサンプルをこの熱酸化処理に供することによって大きくすることができる。同様に、サンプル３−１４（実施例１）の場合、ウエハをこの熱酸化処理に供することによって、デニューデッドゾーンを形成させることができる。
【００６９】
上記を参照して、本発明のいくつかの目的が達成されることが理解される。
様々な変化を、本発明の範囲から逸脱することなく、上記の構成およびプロセスにおいて行うことできるので、上記の説明に含まれるすべての事項は、例示として解釈されるものであり、限定する意味で解釈されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 理想的な析出ウエハプロセスの模式図である。
【図２】 実施例１に記載のように製造されたウエハ（サンプル４−７）の断面の写真である。
【図３】 実施例１に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル４−８）の断面の写真である。
【図４】 実施例１に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル３−１４）の断面の写真である。
【図５】 実施例１に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル４−７）の、表面からの深さに対する白金濃度（原子／ｃｍ^３）の対数のグラフである。
【図６】 実施例２に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル３−４）の断面の写真である。
【図７】 実施例２に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル３−５）の断面の写真である。
【図８】 実施例２に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル３−６）の断面の写真である。
【図９】 実施例３に記載の一連の段階に曝露されたウエハ（サンプル１−８）の断面の写真である。
【図１０】 実施例４に記載のような、本発明の単結晶シリコンウエハの急速な熱アニールの間に、大気中に存在する酸素の分圧に対する、バルクミクロ欠陥（ＢＭＤ）の数密度の対数グラフである。
【図１１】 ＮＥＣ−１処理後、強化された酸化物層の非存在下、窒化物形成雰囲気中で本発明の方法に従って熱アニーリングされたウエハ（白色背景）の断面を拡大して撮影された写真である。
【図１２】 図１１に示されたウエハ断面の一部を図１１の場合よりも高倍率で撮影した写真であり、デニューデッドゾーンが本質的に存在しないことを詳細に示している。
【図１３】 強化された酸化物層の非存在下、窒化物形成雰囲気中で本発明に従って熱アニーリングされ、続いて熱酸化処理に供されたウエハ（白色背景）の断面を拡大して撮影された写真である。
【図１４】 図１３に示されたウエハ断面の一部を図１３の場合よりも高倍率で撮影した写真であり、デニューデッドゾーンが存在していることを詳細に示している。
【図１５】 強化された酸化物層の非存在下、窒化物形成雰囲気中で本発明に従って熱アニーリングされ、続いてウエハの片側のみが熱酸化処理に供されたウエハ（白色背景）の断面を拡大して撮影された写真である。
【図１６】 図１５に示されたウエハ断面の一部を図１５の場合よりも高倍率で撮影した写真であり、ウエハの遮蔽側にはデニューデッドゾーンが本質的に存在していないことを詳細に示している。

Claims (30)

1. 凝集した空孔欠陥を溶解させ、かつ後の熱処理工程において単結晶シリコンウエハ中の酸素の析出挙動を変化させるために、単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、
   単結晶シリコンウエハが、一方がウエハの前表面であり、他方がウエハの後表面である２つの平行な主表面、前表面と後表面との間にある中央面、前表面および後表面を結ぶ周囲縁、前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面から距離Ｄ_ｓまで伸びる領域層、少なくとも一部が前記領域層と共にウエハの深さ方向へ伸び、かつ前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面と距離Ｄとの間にあるウエハ領域を含む表面層、および前記中央面と前記表面層との間にあるウエハ領域を含むバルク層を有する単結晶シリコンウエハであり、
   前記ウエハを雰囲気中で熱アニーリング処理して、前記領域層に以前から存在する凝集した空孔欠陥を溶解させること；
   前記アニーリング処理ウエハを熱処理して、結晶格子の空孔を前記表面層および前記バルク層に形成させること；および
   前記熱処理ウエハの冷却速度を制御して、ピーク密度が前記中央面にあり、濃度が前記ウエハの前表面の方向で低下する空孔濃度プロファイルであり、前記表面層および前記バルク層における空孔の濃度差が、７５０℃を超える温度での前記ウエハの熱処理により、デニューデッドゾーンを前記表面層に形成させることができ、かつ酸素クラスターまたは酸素析出物を前記バルク層に形成させることができ、そして前記バルク層における酸素クラスターまたは酸素析出物の濃度が主として空孔濃度に依存するという空孔濃度プロファイルを有するウエハを製造すること
   を含んでなる方法。
2. 前記ウエハを、水素、アルゴンまたはその混合物の雰囲気中で熱アニーリング処理する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ウエハを、１１００℃〜１３００℃の間の温度で１時間〜４時間にわたって熱アニーリング処理する、請求項１に記載の方法。
4. 前記アニーリング処理ウエハの熱処理は、
   （ａ）前記ウエハを酸化性雰囲気中で第１の熱処理に供して、少なくとも２０オングストロームの厚さの表面二酸化ケイ素層を形成させること；および
   （ｂ）（ａ）の生成物を少なくとも１１５０℃の温度で第２の熱処理に供すること
   を含んでなる、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の熱処理の雰囲気は窒化物非形成性である、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の熱処理の雰囲気は、主として、アルゴン、ヘリウムまたはその混合物である、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２の熱処理の雰囲気は窒化物形成性である、請求項４に記載の方法。
8. 前記第２の熱処理は、前記ウエハを、酸素分圧が５，０００ｐｐｍａ未満である酸素含有雰囲気中で１１７５℃を超える温度に６０秒未満の時間にわたって加熱することを含む、請求項４に記載の方法。
9. 前記第２の熱処理は、前記ウエハを、酸素分圧が５，０００ｐｐｍａ未満である酸素含有雰囲気中で１２００℃を超える温度に６０秒未満の時間にわたって加熱することを含む、請求項４に記載の方法。
10. 前記冷却速度は、結晶格子の空孔がシリコン中で比較的移動しやすい温度範囲を通過するように少なくとも５０℃／秒である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記冷却速度は、結晶格子の空孔がシリコン中で比較的移動しやすい温度範囲を通過するように少なくとも１００℃／秒である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
12. 前記ウエハを、１０マイクロメートルの深さまでの領域層に以前から存在する凝集した空孔欠陥を溶解させるために熱アニーリング処理する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
13. 前記ウエハを、２０マイクロメートルの深さまでの領域層に以前から存在する凝集した空孔欠陥を溶解させるために熱アニーリング処理する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
14. 前記アニーリング処理ウエハの熱処理は、
    （ａ）前記ウエハを、窒化物形成性雰囲気中で、少なくとも１１５０℃の温度で第１の熱処理に供すること；および
    （ｂ）（ａ）の生成物を、酸素分圧が少なくとも１００ｐｐｍａである酸化性雰囲気中で、少なくとも１１５０℃の温度で第２の熱処理に供すること
    を含んでなる、請求項１に記載の方法。
15. 前記アニーリング処理ウエハを、酸素分圧が少なくとも１００ｐｐｍａ〜５，０００ｐｐｍａ未満の範囲である窒化物形成性雰囲気中で熱処理する、請求項１に記載の方法。
16. 凝集した空孔欠陥を溶解させ、かつ後の熱処理工程において単結晶シリコンウエハ中の酸素の析出挙動を変化させるために、単結晶シリコンウエハを熱処理する方法であって、
    単結晶シリコンウエハが、前表面、後表面、前表面と後表面との間にある中央面、前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面から距離Ｄ_ｓまで伸びる領域層、少なくとも一部が前記領域層と共にウエハの深さ方向へ伸び、かつ前表面から前記中央面に向かって測定されたときに前表面と距離Ｄとの間にあるウエハ領域を含む表面層、および前記中央面と前記表面層との間にあるウエハ領域を含むバルク層を有する単結晶シリコンウエハであり、
    前記ウエハを雰囲気中で熱アニーリング処理して、結晶格子の空孔を前記表面層および前記バルク層に形成させること；
    前記熱処理ウエハの冷却速度を制御して、ピーク密度が前記中央面にあり、濃度がウエハの前表面の方向で低下し、そして前記表面層および前記バルク層における空孔の濃度差が、７５０℃を超える温度での前記ウエハの熱処理により、デニューデッドゾーンを前記表面層に形成させることができ、かつ酸素クラスターまたは酸素析出物を前記バルク層に形成させることができ、そして前記バルク層における酸素クラスターまたは酸素析出物の濃度が主として空孔濃度に依存するという空孔濃度プロファイルを有するウエハを製造すること；
    冷却されたウエハに存在する酸素析出物核形成中心を、冷却されたウエハを６５０℃〜８５０℃の温度に１時間〜４時間にわたって加熱することによって安定化させること；および
    前記安定化ウエハを雰囲気中で熱アニーリング処理して、前表面から少なくとも５ミクロンの深さまで伸びる領域内に存在する凝集した空孔欠陥を溶解させること
    を含んでなる方法。
17. 前記安定化ウエハを、水素、アルゴンまたはその混合物の雰囲気中で熱アニーリング処理する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記安定化ウエハを１１００℃〜１３００℃の間の温度で１時間〜４時間にわたって熱アニーリング処理する、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ウエハの熱処理は、
    （ａ）前記ウエハを酸化性雰囲気中で第１の熱処理に供して、厚さが少なくとも２０オングストロームの表面二酸化ケイ素層を形成させること；および
    （ｂ）（ａ）の生成物を少なくとも１１５０℃の温度で第２の熱処理に供すること
    を含んでなる、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第２の熱処理の雰囲気は窒化物非形成性である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２の熱処理の雰囲気は、主として、アルゴン、ヘリウムまたはその混合物である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２の熱処理の雰囲気は窒化物形成性である、請求項１９に記載の方法。
23. 前記ウエハを、酸素分圧が５，０００ｐｐｍａ未満である酸素含有雰囲気中において、１１７５℃を超える温度で６０秒未満の時間にわたって第２の熱処理に供する、請求項１９に記載の方法。
24. 前記ウエハを、酸素分圧が５，０００ｐｐｍａ未満である酸素含有雰囲気中において、１２００℃を超える温度で６０秒未満の時間にわたって第２の熱処理に供する、請求項１９に記載の方法。
25. 前記安定化ウエハを、前表面から少なくとも１０ミクロンの深さまで伸びる領域内において凝集した空孔欠陥を溶解させるために熱アニーリング処理する、請求項１６〜２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記安定化ウエハを、前表面から少なくとも２０ミクロンの深さまで伸びる領域内において凝集した空孔欠陥を溶解させるために熱アニーリング処理する、請求項１６〜２４のいずれかに記載の方法。
27. 前記冷却速度は、結晶格子の空孔がシリコン中で比較的移動しやすい温度範囲を通過するように少なくとも５０℃／秒である、請求項１６〜２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記冷却速度は、結晶格子の空孔がシリコン中で比較的移動しやすい温度範囲を通過するように少なくとも１００℃／秒である、請求項１６〜２６のいずれかに記載の方法。
29. 前記ウエハの熱処理は、
    （ａ）前記ウエハを、窒化物形成性雰囲気中で、少なくとも１１５０℃の温度で第１の熱処理に供すること；および
    （ｂ）（ａ）の生成物を、酸素分圧が少なくとも１００ｐｐｍａである酸化性雰囲気中で、少なくとも１１５０℃の温度で第２の熱処理に供すること
    を含んでなる、請求項１６に記載の方法。
30. 前記ウエハを、酸素分圧が少なくとも１００ｐｐｍａ〜５，０００ｐｐｍａ未満の範囲である窒化物形成性雰囲気中で熱処理する、請求項１６に記載の方法。

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