JPH08264549A - シリコンウエーハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 無欠陥層であるＤＺ層を備え、実質的にスリ
ップ欠陥が無いシリコンウエーハを効率良く低コストで
製造する。 【構成】 単結晶シリコンインゴットから形成したウエ
ーハを用い、８００〜１０００℃の温度範囲において１
５〜１０００℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温する初期昇温
工程と、１０００〜１３００℃の温度範囲において低速
で昇温する徐昇温工程と、１１００〜１３００℃の温度
範囲において５分間以上滞在させる滞在保持工程を行う
ことを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。前記製
造方法によって製造され、２０ｎｍ以上の大きさの酸素
析出物（ＢＭＤ）密度が１０³ 個／ｃｍ³ 以下である無
欠陥層（ＤＺ層）を、少なくとも３μｍ以上の肉厚でウ
エーハ表面に形成したことを特徴とするシリコンウエー
ハ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体デバイス用の
シリコンウエーハ及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエーハは、単結晶シリコンイ
ンゴットから切り出される。

【０００３】シリコン単結晶は、チョクラルスキー法に
よって製造できる。すなわち、原料ポリシリコンを石英
ガラス（ＳｉＯ₂ ）質のルツボに入れ、これを加熱・溶
融し、種結晶を用いてシリコン単結晶を引き上げるので
ある。

【０００４】一般に、チョクラルスキー法で製造したシ
リコン単結晶中には、酸素が固溶している。シリコン融
液に石英ルツボから酸素が溶け込み、シリコン単結晶に
取り込まれるからである。

【０００５】結晶内に含まれる酸素は、半導体デバイス
製造工程における初期の熱処理によって、結晶内で析出
して結晶内酸素析出物（ＢＭＤ）となる。ＢＭＤは、デ
バイス活性層に存在するとデバイス内で電気漏洩を起こ
し、デバイス不良の原因となり、望ましくない。

【０００６】デバイス活性層のＢＭＤを除くために、一
般に、次のような措置が採られている。すなわち、水素
やＡｒ等の不活性雰囲気中でウエーハに高温熱処理を行
って表層の酸素を外方拡散除去したり、シラン系ガスを
水素雰囲気中で還元処理してウエーハ表面にエピタキシ
ャル層を形成するのである。これらの熱処理は、通常１
１００〜１３００℃の高温で行われる。これは、シリコ
ン結晶内を移動する酸素の拡散速度が非常に小さいため
である。

【０００７】しかしながら、シリコン結晶は１０００℃
以上の高温になると塑性変形し易くなる。このため、高
温加熱時にウエーハ面内においてある程度大きな温度分
布差が生じた場合には、塑性変形（シリコン結晶組成の
すべり転移発生）が起こり、その結果スリップ欠陥が生
じてしまう。例えば、ウエーハの平均温度が１２００℃
の場合には、ウエーハ中心部と周辺部の温度差が数℃で
もスリップ欠陥が生じる恐れがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、直径１５０ｍ
ｍ（６インチ）未満のウエーハの熱処理には横型炉が用
いられ、直径１５０ｍｍ及び２００ｍｍ（８インチ）以
上のウエーハでは縦型炉が用いられる。これらの炉の加
熱には金属製のヒーターが用いられ、炉内全体を加熱す
る形式が採られている。

【０００９】一方、数百℃以上の高温処理が短時間の工
程を行う場合には、枚葉型の装置を用いるのが便利であ
る。枚葉型の装置は、ランプ等によりウエーハ１枚分の
温度を正確に制御し、炉内の熱容量をできるだけ低減さ
せて高速昇温・降温が可能な構成になっている。

【００１０】さて、ウエーハ面内の温度差が最も大きく
なるのはウエーハの昇温・降温時、特に昇温時である。
ウエーハのスリップ欠陥を防止する１つの方法として、
平衡状態に近い形でゆっくりと昇温する加熱方法があ
る。ゆっくり昇温する方法は、ウエーハの処理枚数の多
い大型炉に適している。しかしながら、この方法では、
プロセス工程時間が長くなるため、生産性をある程度以
上向上できなかった。

【００１１】一方、枚葉型の装置では、１枚のウエーハ
に最適な熱量を供給しウエーハ面内の温度分布を最適に
制御することによって、スリップ欠陥を防止することが
可能である。しかしながら、枚葉型の装置では、処理枚
数が少ないため、やはり生産性を十分に向上することが
できなかった。

【００１２】以上のような従来技術の問題点に鑑み、本
発明は、無欠陥層であるＤＺ層を備え、実質的にスリッ
プ欠陥の無いシリコンウエーハ、及びそのようなシリコ
ンウエーハを効率良く低コストで製造するための製造方
法を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願第１発明は、単結晶
シリコンインゴットから形成したウエーハを用い、８０
０〜１０００℃の温度範囲において１５〜１０００℃／
ｍｉｎの昇温速度で昇温する初期昇温工程と、１０００
〜１３００℃の温度範囲において低速で昇温する徐昇温
工程と、１１００〜１３００℃の温度範囲において５分
間以上滞在させる滞在保持工程を行うことを特徴とする
シリコンウエーハの製造方法を要旨としている。

【００１４】本願第２発明は、前記製造方法によって製
造したシリコンウエーハにおいて、２０ｎｍ以上の大き
さの酸素析出物（ＢＭＤ）密度が１０³ 個／ｃｍ³ 以下
である無欠陥層（ＤＺ層）を、少なくとも３μｍ以上の
肉厚でウエーハ表面に形成したことを特徴とするシリコ
ンウエーハを要旨としている。

【００１５】

【実施例】図１は、シリコンウエーハ内に温度差がある
場合のスリップ欠陥の発生領域を示すグラフである。図
１において、横軸はウエーハの平均温度である。スリッ
プ発生領域は、曲線の上側で示されている。本発明者達
は、ウエーハ内温度分布が図１のスリップ発生領域にあ
る場合に、スリップ発生の確率が大きくなることを見い
出した。

【００１６】図１から分るように、スリップ欠陥は、１
０００℃を超すと急激に発生し易くなり、ウエーハ内温
度差が僅かでもスリップ欠陥が発生するようになる。従
って、１０００℃を超えたらウエーハの温度管理をより
厳しく行う必要がある。

【００１７】このようなスリップ欠陥の発生特性を考慮
し、本発明方法では、シリコンウエーハのデバイス活性
層部分に無欠陥層（ＤＺ層）を形成するための熱処理
を、次の方式で行う。すなわち、８００〜１０００℃の
温度範囲において昇温速度が１５〜１００℃／ｍｉｎの
初期昇温工程を行い、１０００〜１３００℃の温度範囲
において低速で昇温する徐昇温工程を行い、しかる後
に、１１００〜１３００℃の温度範囲で５分間以上滞在
させる滞在保持工程を行うのである。

【００１８】低速の徐昇温工程は、好ましくは０．５〜
１０℃／ｍｉｎの昇温速度で行う。さらに望ましい徐昇
温速度は１〜５℃／ｍｉｎである。

【００１９】昇温速度が０．５℃／ｍｉｎ未満の場合に
は、熱処理に多大な時間を要しコスト高になってしま
う。また、昇温速度が１０℃／ｍｉｎを超える場合に
は、ウエーハ面内の温度差が大きくなるため、スリップ
欠陥の発生を確実に防止することができない。

【００２０】初期昇温工程が１５℃／ｍｉｎ未満の速度
であると、ウエーハ内部の結晶欠陥の原因となる微小核
（エンブリオ）が成長し、ＢＭＤの生成が増加し、良好
な無欠陥層が形成されなくなるためである。

【００２１】初期昇温工程が１００℃／ｍｉｎ以上の速
度はウエハに加わる熱応力が大きくなり、また、実用的
でない。

【００２２】滞在保持工程を１１００〜１３００℃で行
う理由は、この温度範囲未満では酸素の外方拡散の効率
が悪く、良好な無欠陥層が形成できないためである。ま
た、この温度範囲を越える温度では、ウエハ内部のＢＭ
Ｄが過大に成長しすぎ、ウエハの機械的強度が悪くな
る。

【００２３】これらの熱処理は、水素、Ｈｅ及びＡｒの
少なくとも１つから成る雰囲気中で行うことが好まし
い。

【００２４】以上の熱処理を行うことによって、ウエー
ハ表面に、肉厚が少なくとも３μｍであり酸素析出物
（ＢＭＤ）密度が１０³ 個／ｃｍ³ 以下である無欠陥
層、すなわちＤＺ層を形成することができる。ＤＺ層の
肉厚が３μｍ未満の場合には、デバイス工程でリークが
生じる等の不具合が生じるため、高品質のシリコンウエ
ーハを得ることができなくなる。

【００２５】また、ＤＺ層の肉厚の上限は、３０μｍ程
度とする。ＤＺ層の肉厚がこれを超える場合には、ウエ
ハ内部に形成されるＢＭＤ層による、ＤＺ層に及ぼすゲ
ッタリング効果が乏しくなる等の不具合が生じる。

【００２６】なお、前記熱処理によって、シリコンウエ
ーハ内部にＢＭＤ層を形成することも可能である。ＢＭ
Ｄ層とは、酸素析出物を含み、イントリンシックゲッタ
リング（ＩＧ）効果を有する層である。ＩＧ効果を有す
るＢＭＤ層を形成するためには、単結晶シリコンインゴ
ットをスライスしたウエーハの結晶内酸素濃度
（［０_i ］）が、１．２〜１．８×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³ であることが望ましい。

【００２７】図２は、本発明方法の熱処理工程の一例を
示す説明図である。炉入れ温度Ｔ１℃から１０００℃の
昇温工程は、昇温速度１で示されている。１０００℃か
ら１２００℃の昇温工程が、昇温速度２で示されてい
る。昇温後の滞在保持工程が、熱処理として示されてい
る。

【００２８】本発明方法によって、実際にシリコンウエ
ーハを製造した。また、比較例として熱処理条件を一部
変更してシリコンウエーハを製造し、実施例との比較を
行った。

【００２９】まず、異なる引上げ条件で単結晶シリコン
インゴットを引上げ、これをスライスし、平均酸素含有
率が１．３×１０¹⁸、１．５×１０¹⁸、１．７×１０¹⁸
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ のシリコンウエーハ（各々をＷ−
Ａ、Ｗ−Ｂ、Ｗ−Ｃとする）を形成した。

【００３０】これらのウエーハに対して、表１に示す熱
処理を行った。ＨＴ０１からＨＴ１０が比較例で、ＨＴ
１１〜が本発明の実施例である。

【００３１】ＨＴ０１からＨＴ０５は、途中で昇温速度
を変更せず、３０〜２℃／ｍｉｎの範囲で昇温速度を一
定に保った比較例である。

【００３２】ＨＴ０６とＨＴ０７は、炉入れ後の昇温速
度１を３０℃／ｍｉｎにして、その後の昇温速度２を２
０、１５℃／ｍｉｎに引き下げた比較例である。

【００３３】ＨＴ０８は、ＨＴ０７の処理雰囲気をＨ₂
雰囲気からＡｒ雰囲気に変更した比較例である。

【００３４】ＨＴ０９は、ＨＴ１０の昇温速度１を３０
℃／ｍｉｎから４０、５０℃／ｍｉｎと増大した場合の
比較例である。

【００３５】ＨＴ１１〜ＨＴ１３は、炉入れ温度を６０
０、７００、８００℃と変更した場合の実施例である。

【００３６】ＨＴ１４〜ＨＴ１８は、ＨＴ１２の昇温速
度２をそれぞれ０．５、１、５、１０、１５℃／ｍｉｎ
と増大していった場合の実施例である。

【００３７】ＨＴ１９〜ＨＴ２２は、ＨＴ１２の昇温速
度１をそれぞれ２０、５０、６０、８０℃／ｍｉｎと増
大していった場合の実施例である。

【００３８】ＨＴ２３〜ＨＴ２６は、ＨＴ１２の処理温
度をそれぞれ１１００、１１５０、１２５０、１２９０
℃と上げた場合の実施例である。

【００３９】ＨＴ２７とＨＴ２８は、処理雰囲気ガスを
Ｈ₂ からＡｒ、Ｈｅに変更した場合の実施例である。

【００４０】ＨＴ２９〜ＨＴ３３はＨ₂ 、Ａｒ、Ｈｅの
２成分系または３成分系のガス雰囲気で熱処理を行った
場合の実施例である。

【００４１】被熱処理ウエーハがＷ−Ａ、Ｗ−Ｂ、Ｗ−
Ｃの場合の結果をそれぞれ表２〜表４に示した。表２〜
表４から分るように、ウエーハの酸素濃度が変わって
も、ＤＺ層の厚み及びスリップの発生状況にほとんど変
化はなかった。また、いずれの実施例においてもＤＺ層
は３μｍ以上形成された。

【００４２】また、炉入れ温度を６００〜８００℃にし
ても、スリップ欠陥は発生しなかった（ＨＴ１１〜ＨＴ
１３）。

【００４３】１０００℃までの昇温速度を３０℃／ｍｉ
ｎと増大しても、その後の昇温速度を遅くすることで、
スリップ欠陥の発生を防止できた（ＨＴ１４〜ＨＴ１
８）。

【００４４】１０００℃までの昇温速度を２０℃／ｍｉ
ｎから８０℃／ｍｉｎまで増大しても、スリップ欠陥は
発生しないか又は僅かに発生する程度であった（ＨＴ１
９〜ＨＴ２２）。

【００４５】表２〜表４において、スリップ発生程度が
「小」とは具体的に、ＪＩＳ Ｈ０６０９−１９９４
「選択エッチングによるシリコンの結晶欠陥の観察方
法」に記載された方法によって観察されたウエーハのス
リップにおいて、スリップの発生箇所が１カ所で、スリ
ップの本数が１０本以下の場合、「中」とは、同様に発
生箇所が１カ所で１０本を越える場合または発生箇所が
複数に渡り、合計が５０本以下の場合、「大」とは同様
に発生箇所が複数に渡り、合計が５０本を越える場合、
を意味している。

【００４６】熱処理速度を１１００℃〜１２９０℃まで
変化させた場合、温度が高くなるほどＤＺ層厚みが大き
くなった。一方、スリップは温度が高いほど発生しやす
くなるが、ごく僅かに発生するだけであった（ＨＴ２３
〜ＨＴ２６）。

【００４７】雰囲気ガスをＨ₂ 単独から、Ｈｅ、Ａｒ
や、Ｈ₂ とＨｅ、Ａｒとの混合雰囲気にしても、Ｈ₂ 単
独雰囲気の場合と同じ様にＤＺ層が形成され、スリップ
も発生しなかった（ＨＴ２７〜ＨＴ３３）。

【００４８】処理時間を５分から２４０分まで変化させ
ても、スリップ欠陥の発生は無く、ＤＺ層の肉厚が厚く
なるだけであった（ＨＴ３４〜ＨＴ３８）。

【００４９】以上の実施例から明らかなように、本発明
方法によれば、ウエーハ表面に肉厚３μｍ以上のＤＺ層
を有し、実質的にスリップ欠陥の無い高品質のシリコン
ウエーハを製造することが可能である。

【００５０】なお、本発明方法は、酸素含有量が比較的
少ないＦＺ（フロートゾーン）法で製造されたシリコン
ウエーハに対しても、適用可能である。その場合にも、
ウエーハ表面の酸素濃度をさらに低下させてＤＺ層を形
成し、ウエーハ表面を改質できる。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】

【表３】

【００５４】

【表４】

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、無欠陥層であるＤＺ層
を備え、実質的にスリップ欠陥の無いシリコンウエーハ
を効率良く低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるウエーハ内温度差とスリップ発
生領域の関係を説明するためのグラフ。

【図２】本発明のシリコンウエーハの製造方法を説明す
るための説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 淳 神奈川県秦野市曽屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内 (72)発明者 茶木 勝弘 神奈川県秦野市曽屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶シリコンインゴットから形成した
   ウエーハを用い、８００〜１０００℃の温度範囲におい
   て１５〜１０００℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温する初期
   昇温工程と、１０００〜１３００℃の温度範囲において
   低速で昇温する徐昇温工程と、１１００〜１３００℃の
   温度範囲において５分間以上滞在させる滞在保持工程を
   行うことを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
2. 【請求項２】 徐昇温工程の昇温速度を０．５〜１０℃
   ／ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１に記載の製造
   方法。
3. 【請求項３】 徐昇温工程の昇温速度を１〜５℃／ｍｉ
   ｎとすることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
4. 【請求項４】 初期昇温工程、徐昇温工程及び滞在保持
   工程を水素、Ｈｅ、Ａｒの少なくとも１つからなる雰囲
   気中で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
   項に記載のシリコンウエーハの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の製造方法によって製造
   したシリコンウエーハにおいて、２０ｎｍ以上の大きさ
   の酸素析出物（ＢＭＤ）密度が１０³ 個／ｃｍ³ 以下で
   ある無欠陥層（ＤＺ層）を、少なくとも３μｍ以上の肉
   厚でウエーハ表面に形成したことを特徴とするシリコン
   ウエーハ。