JP7632261B2 - シリコンウェーハ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウェーハ及びその製造方法に関する。
近年、電力用途向けのスイッチングデバイスとして、サイリスタやバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などが盛んに開発されている。中でも、ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの高速性とバイポーラトランジスタの低飽和電圧特性とを兼ね備えたデバイスであり、ハイブリッド車や電気自動車の動力モータ用電源のように、大容量、高耐圧、高速スイッチングが求められる用途において注目を集めている。
ＩＧＢＴは、シリコンウェーハの表面側に形成されたゲート電極及びエミッタ電極と、裏面側に形成されたコレクタ電極とを有するゲート電圧駆動型のスイッチングデバイス（「縦型ＩＧＢＴ」とも言う。）であり、スイッチング電流は、表面側のエミッタと裏面側のコレクタとの間のシリコンウェーハ全体を流れる。従って、シリコンウェーハ内部に結晶欠陥が存在すると、デバイス特性が悪化するため、シリコンウェーハには、ウェーハ表面から裏面に至るまで結晶欠陥が存在しないことが重要である。
また、シリコンウェーハの抵抗率は、ウェーハ全体に亘って高抵抗でばらつきがないことも重要である。この点について、シリコンウェーハの酸素濃度が高い場合、酸素原子が酸素ドナーとなりシリコンウェーハの抵抗率が変動する。従って、シリコンウェーハの酸素濃度が低いことも重要である。
こうしたことから、特許文献１に記載のように、チョクラルスキー法により形成した格子間酸素濃度の低いシリコンインゴットに中性子線を照射してリンをドープしてからウェーハを切り出し、さらに酸化雰囲気アニールをすることで、抵抗率が均一なシリコンウェーハを得ることが提案されている。
また、特許文献２には、シリコン単結晶インゴットの製造方法において、シリコン単結晶インゴットの引上げの際に、シリコン融液からのｎ型ドーパントの蒸発量を制御することで、引上げ長さ方向に抵抗率が均一なｎ型の高抵抗のシリコン単結晶インゴットを製造する方法が提案されている。
ところで、抵抗変動を少なくするために低酸素シリコンウェーハを用いた場合では、スリップ（Slip）が発生しやすいことが知られている。シリコンウェーハの裏面にスリップが発生すると、電流のリーク及びフォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの問題によってデバイス歩留まりに大きな影響を与えてしまう。なお、シリコンウェーハの酸素濃度が低いほど、シリコンウェーハの臨界分解剪断応力が小さくなり、スリップが発生しやすいと考えられている。
このように、種々の手法でＩＧＢＴの用途に適した、高抵抗で抵抗変動の少ないシリコンウェーハを製造する取り組みがなされてきたが、低酸素濃度のシリコンウェーハを用いる従来技術においては高抵抗で抵抗変動を抑制しつつ、スリップ発生を防止することはこれまで困難であった。
そこで本発明は、ＩＧＢＴの用途に適したシリコンウェーハであって、高抵抗で抵抗変動が小さく、かつスリップの発生を抑制できるシリコンウェーハ及び当該シリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく本発明者らは鋭意検討した。まず、シリコンウェーハの酸素濃度が高いほど臨界分解剪断応力は高くなり、スリップは発生しにくくなる。しかし、スリップはウェーハ表面に生じた接触傷を起点に発生することから、ウェーハ全体の酸素濃度というよりは、ウェーハ表層部の酸素濃度のみがスリップ発生に影響すると本発明者らは予想した。そして、ＩＧＢＴデバイス製造時にスリップ発生が問題となるのはシリコンウェーハが支持される裏面側であることから、裏面の表層部のみに高酸素濃度領域を形成することを本発明者らは着想した。そこで、本発明者らは、低酸素濃度のシリコンウェーハに対して酸素雰囲気中で熱処理することにより、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の表層部の酸素濃度のみを一旦高くした後、オモテ面側の高酸素濃度領域のみを除去して裏面側に高酸素濃度領域を残したシリコンウェーハを得ることを想起した。
こうしたシリコンウェーハであれば、ウェーハ全体では高抵抗で抵抗変動を抑制でき、さらにデバイス製造プロセスにおいてスリップの発生を抑制できる。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
＜１＞シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、前記シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域が、裏面表層部にのみ存在し、前記シリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、シリコンウェーハ。
＜２＞シリコンウェーハのオモテ面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、＜１＞に記載のシリコンウェーハ。
＜３＞前記高酸素濃度領域の厚さが１０μｍ以上かつ３０μｍ以下である、＜１＞又は＜２＞に記載のシリコンウェーハ。
＜４＞前記シリコンウェーハの酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、＜１＞～＜３＞のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
＜５＞前記シリコンウェーハの抵抗率が３０Ω・ｃｍ以上１００００Ω・ｃｍ以下である、＜１＞～＜４＞のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
＜６＞前記シリコンウェーハが転位クラスター及びＣＯＰを含まない、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
＜７＞研磨前シリコンウェーハを酸素含有ガス雰囲気で熱処理することにより前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面側及び裏面側のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する高酸素濃度層形成工程と、前記高酸素濃度層形成工程の後、前記研磨前シリコンウェーハの前記オモテ面側の高酸素濃度層を除去する高酸素濃度層除去工程とを含み、前記高酸素濃度層形成工程で形成される前記高酸素濃度層は、前記研磨前シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、前記研磨前シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い領域を有し、前記高酸素濃度層除去工程後のシリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、シリコンウェーハの製造方法。
＜８＞前記高酸素濃度層形成工程で形成される高酸素濃度層は、前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の最表面から厚さ方向２０μｍ以下の各領域に形成される、＜７＞に記載のシリコンウェーハの製造方法。
＜９＞前記研磨前シリコンウェーハの酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、＜７＞又は＜８＞のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
＜１０＞前記高酸素濃度層除去工程が、両面研磨装置を用いて前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面及び裏面を同時に研磨する両面研磨工程を含む、＜７＞～＜９＞のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
＜１１＞前記両面研磨工程において、裏面側の研磨速度よりもオモテ面側の研磨速度が速い条件下で両面研磨処理する、＜１０＞に記載のシリコンウェーハの製造方法。
＜１２＞前記両面研磨工程に先立ち、裏面側にのみ酸化膜を形成する、＜１０＞又は＜１１＞に記載のシリコンウェーハの製造方法。
本発明によれば、ＩＧＢＴの用途に適したシリコンウェーハであって、高抵抗で抵抗変動が小さく、かつスリップの発生を抑制できるシリコンウェーハ及び当該シリコンウェーハの製造方法を提供することができる。
実施形態の説明に先立ち、シリコンウェーハの厚み方向における酸素濃度プロファイルとスリップ発生との関係について確認すべく、以下の予備実験を実施した。
（予備実験）
シリコンウェーハ中の酸素濃度プロファイルとスリップ発生との関係について確認すべく、直径が２００ｍｍで、シリコンウェーハの初期酸素濃度（ASTM F121,1979）が０．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３及び１０．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の３種類（便宜状、この予備実験においてそれぞれ「低酸素ウェーハ」、「中酸素ウェーハ」、「高酸素ウェーハ」と称する。）のシリコンウェーハを準備した。ここで「シリコンウェーハの酸素濃度」とは、ASTM F121-1979に準拠し、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectroscopy）を用いて測定された値である。これらのシリコンウェーハの表層部の酸素濃度を変化させるために、ＲＴＡ炉と横型炉で熱処理（本予備実験において便宜状、ＩＧＢＴ製造時のデバイスプロセスを模擬した熱処理と区別するため「プレアニール」と呼ぶ）を行った。ＲＴＡ炉のプレアニール条件は１０秒で１２５０度まで昇温し、その温度で３０秒熱処理を行い、１０秒で室温まで降温させる熱処理シーケンスである。横型炉のプレアニール条件は、１１５０℃に保持した炉内にシリコンウェーハを投入し、３０分熱処理を行い、その温度で取り出す熱処理シーケンスである。図１～３は、熱処理後の低酸素ウェーハ、中酸素ウェーハ、高酸素ウェーハの各シリコンウェーハ表層部の厚さ方向の酸素濃度プロファイルを二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて測定した結果を模式的に示すグラフである。
シリコンウェーハ中の酸素濃度プロファイルとスリップ発生との関係について確認すべく、直径が２００ｍｍで、シリコンウェーハの初期酸素濃度（ASTM F121,1979）が０．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３及び１０．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の３種類（便宜状、この予備実験においてそれぞれ「低酸素ウェーハ」、「中酸素ウェーハ」、「高酸素ウェーハ」と称する。）のシリコンウェーハを準備した。ここで「シリコンウェーハの酸素濃度」とは、ASTM F121-1979に準拠し、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectroscopy）を用いて測定された値である。これらのシリコンウェーハの表層部の酸素濃度を変化させるために、ＲＴＡ炉と横型炉で熱処理（本予備実験において便宜状、ＩＧＢＴ製造時のデバイスプロセスを模擬した熱処理と区別するため「プレアニール」と呼ぶ）を行った。ＲＴＡ炉のプレアニール条件は１０秒で１２５０度まで昇温し、その温度で３０秒熱処理を行い、１０秒で室温まで降温させる熱処理シーケンスである。横型炉のプレアニール条件は、１１５０℃に保持した炉内にシリコンウェーハを投入し、３０分熱処理を行い、その温度で取り出す熱処理シーケンスである。図１～３は、熱処理後の低酸素ウェーハ、中酸素ウェーハ、高酸素ウェーハの各シリコンウェーハ表層部の厚さ方向の酸素濃度プロファイルを二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて測定した結果を模式的に示すグラフである。
これらのプレアニール処理したシリコンウェーハをＩＧＢＴデバイス製造時の一般的な熱処理を模擬的に実施するため、縦型炉で１１００℃の熱処理を行い、シリコンウェーハを支持するボートとの接触傷からのスリップ長を調べた。各熱処理を施したシリコンウェーハの、最大酸素濃度、ウェーハ表層部５μｍ及び１０μｍまでの領域の平均酸素濃度、並びにシリコンウェーハ中で観察されたスリップ長について、表１に示す。ここで、「最大酸素濃度」とは、ＳＩＭＳにより測定したシリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおける最大値である。また、「ウェーハ表層部５μｍ及び１０μｍまでの領域の平均酸素濃度」とは、ＳＩＭＳにより測定したシリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおける平均値であり、具体的には深さ方向５μｍ又は１０μｍまでの酸素濃度プロファイルの積分値を、その幅である５μｍ又は１０μｍで割ることによって求めた値である。なお、スリップ長さはＸ線トポグラフィ像から測定した。スリップ長の一例を図４に示す。図５にシリコンウェーハの最表面（面としての”outermost surface”の意味であり、以下ではウェーハのデバイス形成領域となる主面を「オモテ面」(top surface)といい、その反対側の面を「裏面」(rear surface)という。）から厚さ方向５μｍ地点、１０μｍ地点までの領域の平均酸素濃度及びシリコンウェーハ中の最大酸素濃度と測定したスリップ長との関係を示す。相関の程度を表す決定係数Ｒ２は、表層部から１０μｍの平均値において最も高く、Ｒ２＝０．９４７７であった。
これらの実験結果から、シリコンウェーハの初期酸素濃度の大きさに関わらず、熱処理によってシリコンウェーハの表層部だけ酸素濃度を上昇させれば、シリコンウェーハのスリップ耐性を向上できる。特に、厚さ方向において、最表面から１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が高ければスリップ耐性を十分に高くできる。したがって、シリコンウェーハの裏面側において、最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度を高くすれば、傷起因のスリップの発生を抑制することができる。そして、低酸素濃度のシリコンウェーハに対して酸素雰囲気中で熱処理することにより、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の表層部の酸素濃度のみを一旦高くした後、オモテ面側の高酸素濃度領域のみを除去して裏面側に高酸素濃度領域を残せば、ウェーハ全体では高抵抗で抵抗変動を抑制でき、さらにＩＧＢＴデバイス製造プロセスにおいて懸念となるウェーハ裏面側でのスリップ発生を抑制できる。
（シリコンウェーハの製造方法）
以上の予備実験結果を踏まえ、以下では図面を参照しつつ、本実施形態に係るシリコンウェーハを製造する方法の実施形態を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として数字下二桁で同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。また、図６～図８では図面の簡略化のため、各構成の厚さについて、実際の厚さの割合と異なり誇張して示す。本発明に従うシリコンウェーハの製造方法は、研磨前シリコンウェーハ１１０を酸素含有ガス雰囲気で熱処理することにより研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面側及び裏面側のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する高酸素濃度層形成工程と、高酸素濃度層形成工程の後、研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面側の高酸素濃度層を除去する高酸素濃度層除去工程とを含み、高酸素濃度層形成工程で形成される高酸素濃度層は、研磨前シリコンウェーハ１１０の厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、研磨前シリコンウェーハ１１０の酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い領域を有し、高酸素濃度層除去工程後のシリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
以下、実施形態ごとに本発明の各構成及び各工程の詳細を説明する。
以上の予備実験結果を踏まえ、以下では図面を参照しつつ、本実施形態に係るシリコンウェーハを製造する方法の実施形態を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として数字下二桁で同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。また、図６～図８では図面の簡略化のため、各構成の厚さについて、実際の厚さの割合と異なり誇張して示す。本発明に従うシリコンウェーハの製造方法は、研磨前シリコンウェーハ１１０を酸素含有ガス雰囲気で熱処理することにより研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面側及び裏面側のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する高酸素濃度層形成工程と、高酸素濃度層形成工程の後、研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面側の高酸素濃度層を除去する高酸素濃度層除去工程とを含み、高酸素濃度層形成工程で形成される高酸素濃度層は、研磨前シリコンウェーハ１１０の厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、研磨前シリコンウェーハ１１０の酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い領域を有し、高酸素濃度層除去工程後のシリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
以下、実施形態ごとに本発明の各構成及び各工程の詳細を説明する。
本実施形態に係るシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハに熱処理を施し、最終的にシリコンウェーハの裏面にのみ、高酸素濃度領域を形成する。一例として図６に示す一実施形態では、まず研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面及び裏面の各表層部に、熱処理によりオモテ面側高酸素濃度層１１２及び裏面側高酸素濃度層１１３を形成する。その後、両面研磨装置を用いて研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面及び裏面の両面を両面研磨（ＤＳＰ）する。このとき、少なくとも裏面側高酸素濃度層１１３は一部を残すように研磨する。その後、低酸素濃度領域のオモテ面最表面１１０aの表面粗さを調整するために片面研磨処理を行う。以下、第１の実施形態における各工程の詳細を順次説明する。
＜研磨前シリコンウェーハ＞
本発明に従うシリコンウェーハの製造に用いる研磨前シリコンウェーハ１１０としては、シリコン単結晶から切り出した単結晶シリコンウェーハを用いることができる。単結晶シリコンウェーハは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。ここで、シリコンウェーハを縦型デバイスに用いる場合、デバイス形成領域の縦方向のいずれかの領域において欠陥が存在していると、この欠陥を介してリーク電流が発生してしまうので、デバイス特性に影響を及ぼす。従って、より良好なデバイス特性を得る観点からは、研磨前シリコンウェーハ１１０は転位クラスター及び空孔凝集欠陥（ＣＯＰ：Crystal Originated Particle）を含まないシリコンウェーハとすることが好ましい。
本発明に従うシリコンウェーハの製造に用いる研磨前シリコンウェーハ１１０としては、シリコン単結晶から切り出した単結晶シリコンウェーハを用いることができる。単結晶シリコンウェーハは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。ここで、シリコンウェーハを縦型デバイスに用いる場合、デバイス形成領域の縦方向のいずれかの領域において欠陥が存在していると、この欠陥を介してリーク電流が発生してしまうので、デバイス特性に影響を及ぼす。従って、より良好なデバイス特性を得る観点からは、研磨前シリコンウェーハ１１０は転位クラスター及び空孔凝集欠陥（ＣＯＰ：Crystal Originated Particle）を含まないシリコンウェーハとすることが好ましい。
ここで、本明細書における「ＣＯＰを含まないシリコンウェーハ」とは、以下に説明する観察評価により、ＣＯＰが検出されないシリコンウェーハを意味するものとする。すなわち、まず、ＣＺ法により育成された単結晶シリコンインゴットから切り出し加工されたシリコンウェーハに対して、ＳＣ－１洗浄（すなわち、アンモニア水と過酸化水素水と超純水とを１：１：１５で混合した混合液による洗浄）を行い、洗浄後のシリコンウェーハ表面を、表面欠陥検査装置としてＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社製：Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ－２を用いて観察評価し、表面ピットと推定される輝点欠陥（ＬＰＤ：Light Point Defect）を特定する。その際、観察モードはＯｂｌｉｑｕｅモード（斜め入射モード）とし、表面ピットの推定は、Ｗｉｄｅ Ｎａｒｒｏｗチャンネルの検出サイズ比に基づいて行うものとする。こうして特定されたＬＰＤに対して、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を用いて、ＣＯＰか否かを評価する。この観察評価により、ＣＯＰが観察されないシリコンウェーハを「ＣＯＰを含まないシリコンウェーハ」とする。
一方、転位クラスターは、過剰な格子間シリコンの凝集体として形成されるサイズの大きな（１０μｍ程度）の欠陥（転位ループ）であり、セコエッチングなどのエッチング処理を施したり、Ｃｕデコレーションして顕在化させることにより、目視レベルで転位クラスターの有無を簡単に確認することができる。
＜高酸素濃度層形成工程＞
高酸素濃度層形成工程は、酸素雰囲気下で研磨前シリコンウェーハ１１０を熱処理して、研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面及び裏面のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する工程である。本工程による熱処理は、一般的な加熱装置を適用することができ、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）及びＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）などの急速昇降温熱処理装置や、バッチ式熱処理装置（縦型熱処理装置、横型熱処理装置）などを用いて行うことができる。ここで、熱処理装置の炉内に供給する酸素ガスの流量は、２０Ｌ／ｍiｎ以上とすることが好ましく、４０Ｌ／ｍiｎ以上とすることがさらに好ましい。炉内には、他に不活性ガスが含まれていても良い。熱処理温度は、１０００℃以上１３５０℃以下であることが好ましく、１１００℃以上１３００℃以下であることがさらに好ましい。熱処理時間は、使用する炉に応じて適切な時間を設定すればよく、例えばＲＴＡ炉では１０秒以上３０秒以下、バッチ式熱処理装置では１０分以上、３時間以下の熱処理とすることが好ましい。また、高酸素濃度層形成工程で形成する各面の高酸素濃度層は、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の最表面から厚さ方向２０μｍまでの各領域に形成することが好ましい。
高酸素濃度層形成工程は、酸素雰囲気下で研磨前シリコンウェーハ１１０を熱処理して、研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面及び裏面のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する工程である。本工程による熱処理は、一般的な加熱装置を適用することができ、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）及びＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）などの急速昇降温熱処理装置や、バッチ式熱処理装置（縦型熱処理装置、横型熱処理装置）などを用いて行うことができる。ここで、熱処理装置の炉内に供給する酸素ガスの流量は、２０Ｌ／ｍiｎ以上とすることが好ましく、４０Ｌ／ｍiｎ以上とすることがさらに好ましい。炉内には、他に不活性ガスが含まれていても良い。熱処理温度は、１０００℃以上１３５０℃以下であることが好ましく、１１００℃以上１３００℃以下であることがさらに好ましい。熱処理時間は、使用する炉に応じて適切な時間を設定すればよく、例えばＲＴＡ炉では１０秒以上３０秒以下、バッチ式熱処理装置では１０分以上、３時間以下の熱処理とすることが好ましい。また、高酸素濃度層形成工程で形成する各面の高酸素濃度層は、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の最表面から厚さ方向２０μｍまでの各領域に形成することが好ましい。
高酸素濃度層形成工程では、図７に示すように、炉内の酸素が、研磨前シリコンウェーハ１１０のオモテ面及び裏面の表層部に内方拡散することにより、オモテ面側高酸素濃度層１１２及び裏面側高酸素濃度層１１３を各面の表層部に形成する。熱処理温度が高いほど、また熱処理時間が長いほど、研磨前シリコンウェーハ１１０の表層部の酸素濃度は高くなり、研磨前シリコンウェーハ１１０の最表面へ酸素が拡散される。研磨前シリコンウェーハを熱処理することにより、研磨前シリコンウェーハ１１０の厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、研磨前シリコンウェーハ１１０の酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い領域を有する高酸素濃度層を形成する。図７にオモテ面側高酸素濃度層１１２及び裏面側高酸素濃度層１１３が形成されたシリコンウェーハの模式図と、各高酸素濃度層が形成されたシリコンウェーハの厚さ方向における酸素濃度のプロファイルの模式概念図を併せて示す。図７に示されるように、シリコンウェーハ中に内方拡散された酸素の濃度プロファイルには、表裏面それぞれの表層部にピークが存在する。研削前シリコンウェーハ１１０の酸素濃度（ASTM F121,1979）は、４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましく、熱処理前の研磨前シリコンウェーハ１１０が高酸素濃度である場合には、図３に例示したのと同様、熱処理中の酸素拡散は少ない。
＜高酸素濃度層除去工程＞
シリコンウェーハ表面の研削研磨においては、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面に対して両面研磨（ＤＳＰ）を行った後、さらにそのシリコンウェーハのオモテ面側の表面を片面研磨（ＳＭＰ）することが一般的である。両面研磨を行うことで、シリコンウェーハ表裏面に残留する加工歪を除去し、所定の平坦度を確保することができ、さらにオモテ面側のみ片面研磨を行うことで、シリコンウェーハのオモテ面側の表面を所定の表面粗さにすることができる。しかしながら、表裏面の研磨除去量が同じとなるような両面研磨を行うと、デバイス活性層として使用されるシリコンウェーハのオモテ面側にも高酸素濃度層が残存することとなり、酸素濃度規格を満たさず、製品として使用できない。そこで本実施形態では、高酸素濃度層除去工程において、高酸素濃度層形成工程で形成したオモテ面側高酸素濃度層１１２及び裏面側高酸素濃度層１１３のうち、オモテ面側高酸素濃度層１１２のみを除去するために、両面研磨工程では、シリコンウェーハ裏面側の研磨量よりもシリコンウェーハオモテ面側の研磨速度が速い条件を設定することが好ましい。このためには、例えば上側の研磨定盤と下側の研磨定盤とで使用条件を変更することができる。具体的には、研磨パッドの種類を、上側のみ研磨パッドを砥粒が埋め込まれた固定砥粒パッドを採用したり、上下でウレタンパッドと不織布・スエードの組合せを適宜用いたりすることができる。他にも上下の研磨定盤の圧力あるいは回転数に差をもたせることでもこのような目的を達成することが可能である。また、研磨速度は同じであっても、実質的にシリコンウェーハ裏面側の研磨除去量が低減するように、両面研磨工程の前に裏面側にのみ酸化膜などの保護膜を形成してもよい。これらの条件で処理することにより、シリコンウェーハオモテ面側の高酸素濃度層１１２を全て除去することができ、かつ裏面側に高酸素濃度領域１１４を残存させることができる。なお、高酸素濃度層除去工程におけるオモテ面側の高酸素濃度層１１２の除去には、エッチング等任意の研磨以外の手法を用いてもよく、研磨のみに限定されない。
シリコンウェーハ表面の研削研磨においては、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面に対して両面研磨（ＤＳＰ）を行った後、さらにそのシリコンウェーハのオモテ面側の表面を片面研磨（ＳＭＰ）することが一般的である。両面研磨を行うことで、シリコンウェーハ表裏面に残留する加工歪を除去し、所定の平坦度を確保することができ、さらにオモテ面側のみ片面研磨を行うことで、シリコンウェーハのオモテ面側の表面を所定の表面粗さにすることができる。しかしながら、表裏面の研磨除去量が同じとなるような両面研磨を行うと、デバイス活性層として使用されるシリコンウェーハのオモテ面側にも高酸素濃度層が残存することとなり、酸素濃度規格を満たさず、製品として使用できない。そこで本実施形態では、高酸素濃度層除去工程において、高酸素濃度層形成工程で形成したオモテ面側高酸素濃度層１１２及び裏面側高酸素濃度層１１３のうち、オモテ面側高酸素濃度層１１２のみを除去するために、両面研磨工程では、シリコンウェーハ裏面側の研磨量よりもシリコンウェーハオモテ面側の研磨速度が速い条件を設定することが好ましい。このためには、例えば上側の研磨定盤と下側の研磨定盤とで使用条件を変更することができる。具体的には、研磨パッドの種類を、上側のみ研磨パッドを砥粒が埋め込まれた固定砥粒パッドを採用したり、上下でウレタンパッドと不織布・スエードの組合せを適宜用いたりすることができる。他にも上下の研磨定盤の圧力あるいは回転数に差をもたせることでもこのような目的を達成することが可能である。また、研磨速度は同じであっても、実質的にシリコンウェーハ裏面側の研磨除去量が低減するように、両面研磨工程の前に裏面側にのみ酸化膜などの保護膜を形成してもよい。これらの条件で処理することにより、シリコンウェーハオモテ面側の高酸素濃度層１１２を全て除去することができ、かつ裏面側に高酸素濃度領域１１４を残存させることができる。なお、高酸素濃度層除去工程におけるオモテ面側の高酸素濃度層１１２の除去には、エッチング等任意の研磨以外の手法を用いてもよく、研磨のみに限定されない。
このようにして、オモテ面の高酸素濃度層のみを除去しつつ、裏面側に高酸素濃度領域を残すことで、ＩＧＢＴの用途に適したシリコンウェーハであって、高抵抗で抵抗変動が小さく、かつスリップの発生を抑制できるシリコンウェーハを製造することができる。
次に、上記製造方法の実施形態により得ることのできるシリコンウェーハについて、具体的に説明する。
（シリコンウェーハ）
本発明に従うシリコンウェーハは、シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域が、裏面表層部にのみ存在し、シリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコンウェーハである。以下、各構成の詳細を順次説明する。ここで、裏面表層部の高酸素濃度領域の占める割合はシリコンウェーハ全体に対して僅かであるため、シリコンウェーハのウェーハ全体としての酸素濃度は、熱処理等を施す前のシリコンウェーハの初期酸素濃度と実質的に同一であるとみなしてよい。
本発明に従うシリコンウェーハは、シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域が、裏面表層部にのみ存在し、シリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコンウェーハである。以下、各構成の詳細を順次説明する。ここで、裏面表層部の高酸素濃度領域の占める割合はシリコンウェーハ全体に対して僅かであるため、シリコンウェーハのウェーハ全体としての酸素濃度は、熱処理等を施す前のシリコンウェーハの初期酸素濃度と実質的に同一であるとみなしてよい。
＜シリコンウェーハの酸素濃度＞
シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの裏面表層部のみ、シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度で１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域を有し、このような高酸素濃度領域の厚さは、１０μｍ以上かつ３０μｍ以下であることが好ましい。オモテ面の表層部には、このような高酸素濃度領域は形成されていない。なおここで、シリコンウェーハの表層部とは、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面のそれぞれの最表面から５０μｍ未満の領域を指す。上述のとおり、シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの製造において、高酸素濃度層形成工程及び研磨工程の前後を通じてほとんど変わらないため、シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの初期酸素濃度として測定された値を用いることができる。ここで初期酸素濃度とは、ＦＴ－ＩＲで測定した酸素濃度を指す。また、ＳＩＭＳでウェーハ厚さ方向に酸素濃度を測定した場合、それらの平均値を示す。
シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの裏面表層部のみ、シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度で１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域を有し、このような高酸素濃度領域の厚さは、１０μｍ以上かつ３０μｍ以下であることが好ましい。オモテ面の表層部には、このような高酸素濃度領域は形成されていない。なおここで、シリコンウェーハの表層部とは、シリコンウェーハのオモテ面及び裏面のそれぞれの最表面から５０μｍ未満の領域を指す。上述のとおり、シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの製造において、高酸素濃度層形成工程及び研磨工程の前後を通じてほとんど変わらないため、シリコンウェーハの酸素濃度は、シリコンウェーハの初期酸素濃度として測定された値を用いることができる。ここで初期酸素濃度とは、ＦＴ－ＩＲで測定した酸素濃度を指す。また、ＳＩＭＳでウェーハ厚さ方向に酸素濃度を測定した場合、それらの平均値を示す。
ここで、裏面表層部の酸素濃度は、シリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。後述するとおり、シリコンウェーハの裏面表層部に高酸素濃度層を有することにより、スリップの発生を抑制することができる。
また、オモテ面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。シリコンウェーハのオモテ面の酸素濃度が低いことで、抵抗変動の小さい、ＩＧＢＴの製造に好適なシリコンウェーハとして用いることができる。
＜シリコンウェーハの抵抗率＞
シリコンウェーハの抵抗率は、３０Ω・ｃｍ以上１００００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。ここで、抵抗率の測定は、四探針法で測定した値である。具体的には、シリコンウェーハのオモテ面の中心部位を四探針法により測定することにより行うことができる。
シリコンウェーハの抵抗率は、３０Ω・ｃｍ以上１００００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。ここで、抵抗率の測定は、四探針法で測定した値である。具体的には、シリコンウェーハのオモテ面の中心部位を四探針法により測定することにより行うことができる。
上記実施形態に係るウェーハの利点について、より具体的に説明する。上述のとおり、酸素濃度が高いと抵抗変動を起こすため、スリップの発生を抑制するために高いウェーハ酸素濃度を採用するのみでは、ＩＧＢＴ用途に適していない。まず、酸素濃度がシリコンウェーハの厚さ方向全体に渡って０．１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、従来ＩＧＢＴ用途に使用されていた低酸素濃度シリコンウェーハを考える（以下、便宜状「従来型低酸素濃度ウェーハ」と言う）。また、酸素濃度がシリコンウェーハの厚さ方向全体に渡って９．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、高酸素濃度のシリコンウェーハを考える（以下、便宜状「従来型高酸素濃度ウェーハ」と言う。）さらに、従来型低酸素濃度ウェーハに熱処理を実施し、シリコンウェーハ表層部の酸素濃度が両面で高いシリコンウェーハを考える（以下、便宜状「従来型アニールウェーハ」と言う。）。従来型アニールウェーハについては、図７の酸素濃度プロファイルの概念図を再び参照する。
これら従来型低酸素濃度ウェーハ、従来型高酸素濃度ウェーハ及び従来型アニールウェーハのそれぞれに対して、ＩＧＢＴ製造の一般的な熱処理として想定される１１５０℃の熱処理と４５０℃の２段階の熱処理を行った場合のスリップ耐性と抵抗変動を検討する。
従来型アニールウェーハの場合、シリコンウェーハ表層部の酸素濃度が高いため、スリップ長は従来型低酸素濃度ウェーハに比べて改善可能である。しかし、オモテ面側で高酸素濃度領域が形成されるために抵抗変動が発生してしまう。従来型高酸素濃度ウェーハは従来型アニールウェーハと同様、スリップ長は従来型低酸素濃度ウェーハに比べて良好であるが、やはり抵抗変動は不可避である。従来型低酸素濃度ウェーハは抵抗変動は回避できてもスリップ発生が避けられない。これらに対して前述した本発明に係るウェーハであれば、裏面側では高酸素濃度領域があるためスリップ発生を抑制しつつ、ウェーハの裏面表層部以外は抵抗変動がないため、ＩＧＢＴデバイス用途に供して好適である。
（高酸素濃度層除去試験）
―両面研磨工程の効率化―
高酸素濃度層形成工程において両面に形成された高酸素濃度層のうち、オモテ面の高酸素濃度層のみを全体的に除去しつつ、裏面側に高酸素濃度領域を残すためには、両面研磨工程の後の片面研磨の研磨取代を通常よりも大きくする必要が生じる。そこで、両面研磨工程において、オモテ面側の研磨取代を裏面側よりも大きくすれば、両面研磨工程で効率的に高酸素濃度層除去を行うことができる。両面研磨工程では、オモテ面及び裏面の研磨パットは同じものを使用するのが通常であるが、オモテ面と裏面で異なる研磨パッドを使用することで、両面研磨工程のみで、オモテ面の高酸素濃度層のみを除去できるかの確認試験を実施した。
―両面研磨工程の効率化―
高酸素濃度層形成工程において両面に形成された高酸素濃度層のうち、オモテ面の高酸素濃度層のみを全体的に除去しつつ、裏面側に高酸素濃度領域を残すためには、両面研磨工程の後の片面研磨の研磨取代を通常よりも大きくする必要が生じる。そこで、両面研磨工程において、オモテ面側の研磨取代を裏面側よりも大きくすれば、両面研磨工程で効率的に高酸素濃度層除去を行うことができる。両面研磨工程では、オモテ面及び裏面の研磨パットは同じものを使用するのが通常であるが、オモテ面と裏面で異なる研磨パッドを使用することで、両面研磨工程のみで、オモテ面の高酸素濃度層のみを除去できるかの確認試験を実施した。
ウェーハを研磨するために使用する研磨パットは、使用回数(すなわち、使用時間)によって研磨速度が異なる。そこで、オモテ面側と裏面側で使用時間が異なる研磨パットを使用して、その時の表裏面の研磨速度の比率とその平坦度を測定する実験を行った。研磨パットの使用時間は表２に定義するとおりの水準１から水準４までのものを用いた。
両面研磨後の表裏面の研磨取代量を比較した研磨比率（１．００以上であればオモテ面側の研磨取代の方が裏面側よりも大きいことを意味する。）及び平坦度の指標であるＧＢＩＲ（Global backside ideal range）の評価結果を表３に示す。表中、右側の行にオモテ側に用いた研磨パットの水準を示し、左側の列に裏側に用いた研磨パットの水準を示した。
研磨比率が１．２５以上である場合に、オモテ面の高酸素濃度層のみを両面研磨後の状態で除去できることを確認した。比率が小さいとオモテ面側において酸素濃度が高い領域を取り除けないか、裏面の高酸素濃度層も取り除いてしまう結果となった。オモテ面の高酸素濃度層のみを除去できた条件の評価結果を太字及び下線で示した。
なお、ＧＢＩＲは、ウェーハ内の厚みの最大と最小の差を示す値である。シリコンウェーハにおいては、厚さが均一であることも要求されるため、平坦度を示す具体的な厚さのばらつきの指標として評価した。ＧＢＩＲは０．１以下であることが好ましく、この条件を満たす値を太字及び下線で示した。
この結果から、オモテ面側の使用時間が水準２の場合、裏面側は研磨速度が遅い新品に近いものか、もしくは使用時間が長くなり研磨速度が遅くなったものを使用すると良い。また、オモテ面側の水準３の場合、裏面側は新品に近いものを使用することで、ＩＧＢＴ用途に適した、オモテ面の高酸素濃度層のみが除去されたシリコンウェーハを作製できることが確認できた。なお、この結果は特定の研磨パッドを用いた場合の一例に過ぎず、実際に使用する研磨パッドの種別に応じて使用時間の水準を適宜組み合わせたり、異種研磨パッドを表裏面側で組み合わせるなどすれば、研磨取代を表裏面で非対称にしつつ、良好な平坦度が得られることは、当然に理解される。
本発明によれば、抵抗変動が少なく、かつスリップの発生を抑制することができる、ＩＧＢＴの用途に適したシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することができる。
１１０ 研磨前シリコンウェーハ
１１０ａ オモテ面最表面
１１２ オモテ面側高酸素濃度層
１１３ 裏面側高酸素濃度層
１１４ 裏面側高酸素濃度領域
１１０ａ オモテ面最表面
１１２ オモテ面側高酸素濃度層
１１３ 裏面側高酸素濃度層
１１４ 裏面側高酸素濃度領域
Claims (10)
- シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、前記シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い高酸素濃度領域が、裏面表層部にのみ存在し、
前記シリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
前記高酸素濃度領域の厚さが１０μｍ以上かつ３０μｍ以下である、シリコンウェーハ。 - シリコンウェーハのオモテ面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１に記載のシリコンウェーハ。
- 前記シリコンウェーハの酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１又は２に記載のシリコンウェーハ。
- 前記シリコンウェーハの抵抗率が３０Ω・ｃｍ以上１００００Ω・ｃｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
- 前記シリコンウェーハが転位クラスター及びＣＯＰを含まない、請求項１～４のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。
- 研磨前シリコンウェーハを酸素含有ガス雰囲気で熱処理することにより前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面側及び裏面側のそれぞれの表層部に高酸素濃度層を形成する高酸素濃度層形成工程と、
前記高酸素濃度層形成工程の後、前記研磨前シリコンウェーハの前記オモテ面側の高酸素濃度層を除去する高酸素濃度層除去工程とを含み、
前記高酸素濃度層形成工程で形成される前記高酸素濃度層は、前記研磨前シリコンウェーハの厚さ方向の酸素濃度プロファイルにおいて、前記研磨前シリコンウェーハの酸素濃度（ASTM F121,1979）よりも、酸素濃度が１．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上高い領域を有し、
前記高酸素濃度層除去工程後のシリコンウェーハの裏面の最表面から厚さ方向１０μｍまでの領域の平均酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
前記高酸素濃度層形成工程で形成される高酸素濃度層は、前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面及び裏面の最表面から厚さ方向２０μｍ以下の各領域に形成される、シリコンウェーハの製造方法。 - 前記研磨前シリコンウェーハの酸素濃度が４.０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項６に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記高酸素濃度層除去工程が、両面研磨装置を用いて前記研磨前シリコンウェーハのオモテ面及び裏面を同時に研磨する両面研磨工程を含む、請求項６又は７に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記両面研磨工程において、裏面側の研磨速度よりもオモテ面側の研磨速度が速い条件下で両面研磨処理する、請求項８に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記両面研磨工程に先立ち、裏面側にのみ酸化膜を形成する、請求項８又は９に記載のシリコンウェーハの製造方法。
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