JPH0453840B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は半導体製造技術、特に微小欠陥の少な
い半導体材料を得ることのできる半導体製造技術
に関する。

［背景技術］ 一般に、たとえばシリコン（Si）の結晶製造の
如き半導体製造過程においては、酸素ドナー解消
のためのインゴツトアニール（600〜650℃）が行
われることがある。一般には、φ100mm結晶以下
は第１図に示すようなインゴツトアニール法が、
φ125mm以上の結晶では第２図に示すようなウエ
ハアニール法が採用されている。

単結晶インゴツトの直径が大きくなると、熱容
量が大きくなり急冷によつてクラツクが生じ易
く、現在φ125mm以上の結晶のアニールはウエハ
状態で行われている。このアニールは酸素ドナー
を消去し、インゴツトの長さ方向ならびに断面内
の抵抗率のばらつきを低減することを目的として
おり、微小欠陥の成長については核形成を促進す
る方向にある。

ところで、現在使用されている半導体デバイス
の主流材料はシリコン結晶であり、その育成法と
してはチヨクラルスキー法（CZ法、引上法）と
フローテイングゾーン法（FZ法、帯溶融精製法）
がある。現在LSIを中心とするシリコンデバイス
に使う大部分のウエハはCZ法によつて育成して
いる。

CZ法は、石英るつぼ内で多結晶シリコンを溶
融し、メルトに浸した種結晶とるつぼを相対的に
回転させながら種結晶を引き上げて結晶を育成す
る。CZ法で育成される結晶では、育成中の固液
界面での温度のゆらぎあるいは成長後の炉内熱輻
射の違いによつて単結晶インゴツトの各部分で微
小欠陥（酸素の析出）の核形成が変わつてくる。

また、核形成素度は酸素濃度の違いによつても
差が生ずる。

したがつて、一つのインゴツトからスライスし
て作られるウエハのバルク品質にはばらつきの要
素がある。たとえば、酸素が析出し易い結晶では
微小欠陥密度が高い。微小欠陥は転位発生中心と
なるので、スリツプの発生する臨界応力が低下す
る。したがつて、微小欠陥密度の高いウエハ程
LSIプロセスでの熱処理のさいスリツプやそりが
発生し易く、フオトリソグラフイ工程でのマスク
の転写精度を低下せしめる。一方、導入された熱
応力転位はデバイス特性を劣化し、歩留り低下の
原因となつている。

近年、デバイスの高集積化、高性能化が著しく
進展し、微小欠陥に起因した結晶欠陥制御の問題
はプロセス面での最大感心事の一つになつてい
る。

固体撮像素子では結晶欠陥の存在が画像に白点
不良をもたらし、歩留り低下の最大の原因となつ
ている。

第３図はCMOS5μｍプロセスで実装して得ら
れたφ100ウエハのそりと微小欠陥密度の関係で
ある。微小欠陥密度が高い程そり量が大きくなつ
ていることがわかる。第３図はN₂アニール工程
完で抜き取つたウエハのそりを測定している。

微小欠陥密度は1000℃で16時間酸化後、40μｍ
深さで測定した値である。

参考のため強制熱処理シミユレーシヨンで得た
そりと微小欠陥密度の相関を実験結果として第４
図と第５図に示す。

このそり評価実験は２段の強制熱処理を行うも
ので、このそり評価に用いた熱処理炉の石英管の
内径は150mmであり、２段の強制熱処理（）、
（）は次の条件で行われた。

強制熱処理 （） 1000℃、20min（保持） ウエハ間隔：５mm 出入れ速度：20cm／min 強制熱処理 （） 1000℃、20min（保持） ウエハ間隔：５mm 出入れ速度：35cm／min なお、この実験では各熱処理のそり量からウエ
ハの初期そりを差し引いているので、そりは強制
熱処理で組成変形した正味の値を示している。

800℃−1000℃の２段熱処理を行えば、微小欠
陥密度が高くなり、そり易くなる。

第４図と第５図の破線は育成条件の異なるイン
ゴツトから採取した比較ウエハで得た結果であ
る。

これらの結果は、たとえば結晶中の酸素濃度の
値が変われば、微小欠陥の核形成、成長が異な
り、スリツプの発生し易さが違うことを示してい
る。

このように、熱応力によるそりは単結晶の品
質、特に酸素の析出状態（微小欠陥密度）に強く
依存する。

第３図でそりが〜70μｍを越せばCMOSの5μｍ
プロセスでもフオトエツチング工程での転写精度
が悪くなり、素子歩留りが悪化することが知られ
ている。今後、高集積化が進むにつれて、それを
もつと小さくする必要が生じている。

このような要求を満足させるため素子プロセス
面では熱処理のさい炉熱炉冷（Ramping）が徹
底されつつある。一方、800〜900℃から
Rampingを行えば酸素析出の核が生じ易く、微
小欠陥が成長し易くなるため結晶の強度は低下す
る。したがつて、熱処理にも酸素が析出しにく
い、すなわち微小欠陥の核の少ない、均質な結晶
に対する要求が強くなつている。

［発明の目的］ 本発明の目的は、半導体材料における微小欠陥
の核を減少させることのできる半導体製造技術を
提供することにある。

本発明の他の目的は、半導体材料の結晶にクラ
ツクが発生することを防止できる半導体製造技術
を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特
徴は、本明細書の記述および添付図面から明らか
になるであろう。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なも
のの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、半導体材料のインゴツトを輻射熱で
加熱した後、所定温度まで急冷し、その所定温度
に所定時間保持することにより、微小欠陥の核
（酸素析出の核）の形成を防止し、またインゴツ
トにクラツクが発生することを防止することがで
きる。

［実施例］ 第６図は本発明による半導体製造装置の一実施
例を示す概略断面図である。

本実施例においては、アニール用の熱処理炉は
透明な石英ベルジヤー１で構成された縦型炉構造
であり、石英ベルジヤー１の頂部には蓋２が設け
られている。

この石英ベルジヤー１の中には、ガス導入口３
から非酸化性の雰囲気ガス４、たとえば窒素また
はアルゴンガス等の不活性ガスが供給されてい
る。

一方、前記石英ベルジヤー１の内部には、たと
えばシリコンの単結晶よりなるインゴツト５が装
入され、このインゴツト５は石英ベルジヤー１の
上方においてチヤツク７で固定され、０〜30r.p.
m.の速度で回転可能に支持されている。本実施
例のインゴツト５は上部に種結晶５ａが残された
ままであり、種結晶５ａは育成されたインゴツト
５から切り離されておらず、本実施例の１つの特
徴となつている。

また、本実施例の装置では、アニール用の加熱
源として輻射熱源が使用されており、この輻射熱
源は赤外線ランプ６よりなる。赤外線ランプ６は
石英ベルジヤー１の外周側に配置されており、そ
の電源をON、OFFさせることによつてインゴツ
ト５を非接触で加熱してアニールし、また急冷す
ることができる。

次に、本実施例によりシリコンの単結晶のイン
ゴツトをアニールする場合の作用について説明す
る。

まず、第６図に示すように石英ベルジヤー１内
に非接触状態で支持したインゴツト５を図示しな
い回転手段で回転させながら、赤外線ランプ６か
らの赤外線６ａによりインゴツト５をたとえば
1200〜1350℃に加熱し、数時間保持し、アニール
する。アニール効果を上げるためには加熱温度は
高い方が望ましい。

第７図には、1200℃と1350℃の２つのアニール
温度でアニールする場合の例を示している。

これらのアニール温度で所定時間のアニールを
行つた後、赤外線ランプ６の出力を落とし、急冷
する。この急冷の際の温度プログラムは第７図に
示されている。

第７図の温度プログラムでは、まず最初には10
〜15℃／minの冷却速度で冷却し、次に約1100℃
から300℃まで25〜100℃／minの冷却速度で急冷
することにより二段階の冷却速度での急冷が行わ
れる。

この急冷操作において、1100℃〜650℃ではイ
ンゴツト５における微小欠陥の核の再形成を抑制
し、650℃〜400℃では酸素ドナーの再形成を抑制
するという作用効果が得られる。

また、300℃で一時保持しているのは、急冷の
際に生じる熱歪でインゴツト５にクラツクが発生
するのを防止するためである。

なお、300℃以下は所定時間後にさらに急冷を
行うことができ、その場合の冷却速度は前記した
２段階の急冷時とは異なる冷却速度にすることが
できる。

本実施例によれば、非接触状態でシリコン単結
晶インゴツト５を高温アニールできるので、汚染
を心配することなく単結晶育成中および炉内熱履
歴によつて作られた微小欠陥の核（酸素析出の
核）を固溶せしめることができる。また、赤外線
ランプ６による輻射加熱方式のため通常の抵抗加
熱式に比較して結晶を急冷することが可能であ
る。

したがつて、冷却中過飽和な酸素が集合し微小
欠陥の核となる過程を抑制できる。このような単
結晶インゴツト５からスライスしてミラー加工し
たシリコンウエハは、LSIのプロセスでも酸素の
析出が起こりにくく、したがつて微小な転位ルー
プや、酸化誘起積層欠陥の発生が極めて少ない。

現在、単結晶評価法としてバルク内の微小欠陥
密度を調べる方法が用いられている。この方法で
は、ウエハを1000℃で10数時間酸化し、表面を〜
40μｍ鏡面研磨した後、ライト（light）エツチ液
で５分間エツチングする。規定の場所の欠陥数を
求め体積密度（個／cm³）に換算する。

この方法によれば、一般の結晶のレベルは10⁷
〜10⁸個／cm³にあるのに対し、本実施例の方法
（ウエハアニールの実験結果）では10⁵個／cm³以下
のレベルを実現している。LSIプロセスの低温化
が進められつつある現在、結晶はますます厳しい
条件で使われることになり、そのためには、本実
施例は極めて有用である。

［効果］ (1) 本発明によりアニールされたインゴツトには
微小欠陥の核（酸素析出の核）が非常に少な
く、良好な特製の半導体素子を歩留り良く得る
ことができる。

(2) インゴツトをアニール後に所定温度まで急冷
し、その所定温度に所定時間保持することによ
り、インゴツトのクラツクの発生を防止するこ
とができる。

以上本発明者によつてなされた発明を実施例に
もとづき具体的に説明したが、本発明は前記実施
例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能であることはいうまでも
ない。

たとえば、インゴツトの急冷の速度はアニール
温度や半導体材料の種類に応じて様々に変えるこ
とができる。

また、インゴツトに対してだけでなくスライス
したウエハに本発明の方法を適用できる。

さらに、輻射熱源としても赤外線ランプ以外に
高周波コイル等を利用することもできる。

［利用分野］ 以上の説明では主として本発明者によつてなさ
れた発明をその背景となつた利用分野であるシリ
コン単結晶インゴツトのアニールに適用した場合
について説明したが、それに限定されるものでは
なく、たとえば、ガリウム−砒素（Ga−As）、
ガリウム−リン（Ga−Ｐ）等の−族化合物
半導体あるいは−族化合物半導体等にも適用
できる。その場合のアニール温度はたとえば
0.85Tk〜0.95Tk（Tk：融点、ただし絶対温度表
示）にするのが望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図はインゴツトアニール法の諸工程を示す
図、第２図はウエハアニール法の諸工程を示す
図、第３図はN₂アニール後のウエハのそりと微
小欠陥密度との関係を示す図、第４図は強制熱処
理によるウエハのそりと微小欠陥密度の関係を示
す図、第５図も同様に別の強制熱処理によるウエ
ハのそりと微小欠陥密度との関係を示す図、第６
図は本発明による半導体製造装置の一実施例を示
す略断面図、第７図は本発明におけるアニールお
よび急冷の温度プログラムを示す図である。 １……石英ベルジヤー（炉）、２……蓋、３…
…ガス導入口、４……雰囲気ガス、５……インゴ
ツト、５ａ……種結晶、６……赤外線ランプ（輻
射熱源）、６ａ……赤外線、７……チヤツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体材料を高温でアニールする半導体製造
   方法において、半導体材料のインゴツトを輻射熱
   で加熱してアニールした後、所定温度まで急冷
   し、その所定温度に所定時間保持することを特徴
   とする半導体製造方法。 ２ 急冷なインゴツトの温度に応じて複数段の異
   なる冷却速度で行われることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の半導体製造方法。 ３ 半導体材料を高温でアニールする半導体製造
   装置において、半導体材料のインゴツトを炉内に
   非接触状態で保持すると共に、インゴツトを輻射
   状態で加熱する輻射熱源を設けたことを特徴とす
   る半導体製造装置。 ４ 輻射熱源が赤外線ランプよりなることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の半導体製造装
   置。