JPH0621063A

JPH0621063A - シリコンウェハの熱処理方法

Info

Publication number: JPH0621063A
Application number: JP19894292A
Authority: JP
Inventors: Shin Ishikawa; 伸石川; Chizuko Gotou; 千寿子後藤; Junichi Shimomura; 順一下村
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】初期酸素濃度の低いシリコンウェーハ又は高
温で外方拡散処理を行ったシリコンウェーハであって
も、その内部にゲッタリング効果を発揮するのに十分な
高密度かつ多種類の格子欠陥を発生させる熱処理方法を
提供する。【構成】シリコンウェーハを、４００℃以上５００℃
以下の温度範囲で少なくとも５時間加熱した後、６００
℃以上７００℃以下の温度範囲で少なくとも２０時間加
熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ素子の基板に供
される単結晶のシリコンウェハの熱処理方法に関し、詳
しくは、半導体集積回路などの素子製造工程において素
子特性に悪影響を及ぼす重金属などの不純物をゲッター
するために、シリコンウェハ内部にゲッタリングの中心
となる格子欠陥を効果的に発生させる熱処理方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造工程は非常に複雑かつ多
工程であり、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒなどの重金属、あ
るいはＮａ、Ｋ、Ａｌなどがプロセス中にシリコンウェ
ハ内に混入することは避けられない。これらの汚染元素
がシリコン基板表面近傍の素子活性領域に存在すると、
直接に、あるいは格子欠陥の誘起により電気特性に悪影
響を与え、製造歩留りを低下させる。

【０００３】このような汚染元素の影響を抑制するため
に、イントリンシック・ゲッタリング法（ＩＧ法）によ
り元素を捕獲する方法が不可欠となっている。このＩＧ
法は、通常つぎの熱処理方法の組み合わせからなる。（１）高温処理（例えば１１００℃以上）により、ＬＳ
Ｉ素子を形成した場合の素子活性領域となる単結晶のシ
リコンウェハ表面近傍の酸素濃度を外方拡散により減少
させる。（２）次いで６００℃〜８００℃の酸素析出核形成温度
域で、単結晶のシリコンウェハ内部に酸素析出核の形成
を促進させる。（３）更に高温熱処理を施して格子欠陥を成長させる。
尚、この格子欠陥増大のための最後の熱処理工程はデバ
イスプロセスで兼用させる場合も多い。

【０００４】このプロセスにより、表面付近の素子活性
領域では酸素濃度が低下して酸素析出物の形成およびそ
れに誘起される２次欠陥の発生が少なくなり、一方、内
部には酸素析出物などの格子欠陥が生成され汚染元素は
それに捕獲される。この従来のＩＧ法における核形成処
理および格子欠陥形成のための熱処理として、例えば特
開昭５７−６７０９８に開示されている、６００℃〜８
００℃で１０時間以上の熱処理を行い、その後１１００
℃〜１３００℃で３０分〜２時間の熱処理を行う方法が
知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＩＧ法では、効
率的に酸素析出核を形成するために、シリコン結晶引き
上げ中に形成された酸素析出の潜在核を６００℃以上の
中高温熱処理により成長させる酸素析出核形成が行なわ
れているが、高温の外方拡散処理が上記の酸素析出核形
成の熱処理に先立って行なわれているため、この外方拡
散処理の結果、シリコンウェハ内部では酸素析出の核と
なる潜在核が収縮又は消滅する。従って、その後に行わ
れる酸素析出核形成の熱処理では、十分な量の酸素析出
核を形成できないため、ゲッタリング源となる酸素析出
物、２次欠陥などの格子欠陥の発生が大幅に抑制される
という問題がある。

【０００６】また、従来のＩＧ法では、単結晶のシリコ
ンウェハに過飽和固溶している酸素を析出させるために
８００℃以上の比較的高温に加熱しているが、この際初
期酸素濃度が低いシリコンウェハでは酸素の過飽和度が
低くなるため酸素の析出が不十分となり、ゲッタリング
に十分な格子欠陥密度が得られないという問題がある。

【０００７】さらにまた、半導体素子製造工程中に単結
晶のシリコンウェハに導入される種々の汚染種に対応す
る高いゲッタリング能力を付与するためには、汚染種に
よりゲッタリングのされ方が異なるため、汚染種に応じ
た多種類の格子欠陥が必要とされるが、従来のＩＧ法で
は発生する格子欠陥の種類が少ないという問題がある。

【０００８】本発明の目的は、初期酸素濃度の低い単結
晶のシリコンウェハ又は高温で外方拡散処理を行った単
結晶のシリコンウェハであっても、その内部にゲッタリ
ング効果を発揮するのに十分な高密度かつ多種類の格子
欠陥を発生させる熱処理方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するために単結晶のシリコンウェハの初期酸素濃
度、熱処理条件および発生する格子欠陥の関係を広範に
調査、研究した結果、４００〜５００℃の温度範囲にお
ける５時間以上の第１工程の低温熱処理とそれに続く６
００〜７００℃の温度範囲における２０時間以上の第２
工程の熱処理を行うことにより初期酸素濃度の低い（例
えば酸素濃度１．４×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）単結晶のシリ
コンウェハ又は、高温での酸素外方拡散熱処理を施した
単結晶のシリコンウェハにおいても内部に多種類の格子
欠陥を高密度で発生させ得ることを見い出し、本発明を
なすに至った。

【００１０】

【作用】本発明によれば、４００〜５００℃の温度範囲
における第１工程の熱処理により酸素の析出核が高密度
で形成されるため、比較的低温の６００〜７００℃の温
度範囲における第２工程の熱処理によりこの析出核を成
長させることが可能となり、初期酸素濃度が低い単結晶
のシリコンウェハ、もしくは酸素の外方拡散処理を施し
た単結晶のシリコンウェハにおいても効率的に高密度で
格子欠陥を発生させることができる。

【００１１】次に、本発明における熱処理の温度範囲と
時間の限定理由を述べる。第１工程の熱処理条件：４００〜５００℃、５時間以上
について；この温度範囲内では核形成速度が最も速いた
め、第１工程熱処理温度をこの範囲に規定することによ
り第２工程以降の熱処理での格子欠陥発生を促進させ、
潜在核とは異なる析出核を新たに形成させるためであ
る。温度が４００℃未満あるいは５００℃を超える場合
では、核形成温度範囲外となり格子欠陥密度が低くなる
ため、ゲッタリング効果を発揮するに足るだけの格子欠
陥密度を確保することはできない。また、熱処理時間が
５時間未満の場合にも十分な析出核形成が行われないた
め、発生する格子欠陥の密度が足りない。従って４００
℃以上５００℃以下の温度範囲内で少なくとも５時間の
加熱を熱処理条件とした。

【００１２】第２工程の熱処理条件：６００〜７００
℃、２０時間以上について；第２工程の熱処理温度が６
００℃未満あるいは２０時間未満では第１工程の熱処理
で形成された析出核を十分に成長させることができない
ため、酸素の析出量が僅かとなりゲッタリングに必要な
格子欠陥密度を確保することができない。また温度が７
００℃を超えると第１工程の熱処理で形成された析出核
が消滅してしまうため、ゲッタリングのための格子欠陥
の密度が足りなくなる。従って６００℃以上７００℃以
下の温度範囲内で少なくとも２０時間加熱する熱処理条
件とした。

【００１３】本発明によれば、多種類の格子欠陥を同時
に発生させることが可能となるため、プロセス中に混入
する多様の汚染種に対応できる。また、従来のＩＧ法で
用いられる高温熱処理により酸素を外方拡散させて表面
付近の素子活性領域の酸素濃度を低下させ、その後の熱
処理によって表面付近に格子欠陥を発生させない無欠陥
層形成手法を用いれば、本発明法においても表面付近に
無欠陥層を作ることができる。すなわち外方拡散熱処理
後、４００〜５００℃および６００〜７００℃の温度範
囲で２段熱処理を施せば、表面に無欠陥層、内部に多種
類、高密度の格子欠陥を有する単結晶のシリコンウェハ
を製造することができる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例を比較例と共に説明す
る。なお熱処理は全て半導体用熱処理炉を用い、不活性
雰囲気中で行なった。表１には、本発明の熱処理方法お
よび比較例として従来のＩＧ法の熱処理方法を初期酸素
濃度１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3（サンプルＡ）、１．３５×
１０¹⁸ｃｍ^-3（サンプルＢ）、１．６×１０¹⁸ｃｍ
^-3（サンプルＣ）の３種類のウェーハに施した場合の酸
素析出量が示されている。

【００１５】シリコン中の格子間酸素濃度の決定は赤外
吸収分光法により、１１０６ｃｍ^-1の吸収からもとめ、
格子間酸素濃度への換算係数には４．８１×１０¹⁷ｃｍ
^-3を用いた。引き上げ直後のシリコン結晶においては酸
素はほとんどが格子間位置に固溶しているため、熱処理
による酸素の析出量は格子間酸素濃度の減少量として決
定される。

【００１６】

【表１】

【００１７】本発明の熱処理方法が施されたａ，ｂ，
ｃ，ｄでは、いずれのサンプルにおいても４×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以上の大量の酸素の析出が見られた。また、１１５
０℃で１６時間の外方拡散処理を行った単結晶のシリコ
ンウェハに対してａ，ｂ，ｃ，ｄの熱処理を施した場合
も、酸素析出量に大きな変化が見られず、表面付近の無
欠陥層を除いて格子欠陥密度も同程度であった。これに
対し従来のＩＧ法の核形成熱処理および欠陥成長熱処理
を施したｅでは、初期酸素濃度の高いサンプルＣにおい
て同程度の酸素析出が見られるものの、その析出量はウ
ェハの初期酸素濃度に従って大きく変化し、初期酸素濃
度の低いサンプルＡおよびＢではほとんど酸素は析出し
なかった。

【００１８】第１工程の熱処理温度が低いｆ、温度が高
いｇ、あるいは第１工程の熱処理時間が短いｈの場合
は、酸素の析出量が少なかった。同様に第２工程の熱処
理についても熱処理温度が低いｉ、温度が高いｊ、熱処
理時間の短いｋの場合は、酸素がほとんど析出しなかっ
た。ｆ〜ｋのウェハではＷｒｉｇｈｔ液により選択エッ
チングを行ってもほとんどピットは見られず、またＴＥ
Ｍ観察の結果、発生した欠陥は微小析出物のみであっ
た。次に、表２に本発明の熱処理方法、表３に比較例と
して従来のＩＧ法の熱処理方法を施した場合の酸素析出
量と欠陥密度とを示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】なお本実施例では初期酸素濃度１．５×１
０¹⁸ｃｍ^-3のウェハを用いた。本発明の熱処理方法を施
したｌ，ｍ，ｎ，ｏではいずれも析出物、転位ループ、
直線状の転位などの多種類な格子欠陥がそれぞれ５×１
０¹²ｃｍ^-3、３×１０¹⁰ｃｍ^-3、８×１０⁵ ｃｍ^-2以上
の高密度で発生しており、外方拡散処理を施したｐ，ｑ
の場合にも内部の欠陥密度にほとんど変化は認められな
かった。

【００２２】これに対して従来のＩＧ法の核形成熱処理
を施したｒ、核形成熱処理後、欠陥成長熱処理を施した
ｓでは酸素の析出と転位の発生が認められるがその密度
は本発明の方法によるものに比べて低く、さらに高温で
の酸素外方拡散熱処理を含むｔの場合には酸素析出量、
欠陥密度とも大幅に減少した。

【００２３】また第１工程の熱処理温度が低い（３５０
℃）ｕ、温度が高い（５５０℃）ｖ、あるいは第１工程
の熱処理時間が短い（４時間）ｗの場合は酸素析出量が
少なく、格子欠陥の密度も低い。同様に第２工程の熱処
理についても熱処理温度が低い（５００℃）ｘ、温度が
高い（８００℃）ｙ、熱処理時間の短い（１０時間）ｚ
の場合は、酸素の析出が十分でなく格子欠陥はほとんど
発生しなかった。

【００２４】次に、本発明の熱処理方法と従来法とによ
り処理した単結晶のシリコンウェハの顕微鏡写真を比較
して示す。図１〜図６は所定の熱処理後の単結晶のシリ
コンウェハをＷｒｉｇｈｔ液で１分間エッチングしたと
きの光学顕微鏡による像である。図１は、初期酸素濃度
１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶のシリコンウェハに４
５０℃で４８時間の熱処理後、６５０℃で１６８時間の
熱処理を施し、Ｗｒｉｇｈｔ液で１分間エッチングした
ときの光学顕微鏡写真である。

【００２５】図２は図１と同様の熱処理に先立って１１
５０℃で１６ｈの外方拡散処理を施した単結晶のシリコ
ンウェハの光学顕微鏡写真であり、ウェハ表面から３０
μｍ程度の表面無欠陥層が形成されていることが認めら
れる。いずれの場合もウェハ内部においては１０⁷ ｃｍ
^-2以上の高密度でエッチピットが発生しており、初期酸
素濃度が低い場合にも格子欠陥の発生が促進されている
ことが認められる。

【００２６】これに対して図１、２と同一のシリコンウ
ェハに対して８００℃で６４時間の熱処理を行なった後
１０００℃で１６時間の熱処理を行なった従来のＩＧ法
ではエッチピットは認められなかった。図３から図６は
初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のシリコンウェハの
場合である。

【００２７】図３は、図１と同様、外方拡散処理を行わ
ず、４５０℃で４８時間の熱処理後、６５０℃で１６８
時間の熱処理を行った単結晶のシリコンウェハを示し、
約２×１０⁷ ｃｍ^-2の密度で欠陥が発生しているのが認
められる。図４は、図３に示す場合の熱処理に先立っ
て、１１５０℃で外方拡散処理を施したときの観察結果
を示し、初期酸素濃度の低い図２と同様、ウェハ表面に
約３０μｍの無欠陥層が形成されているが、内部には外
方拡散処理を施していない場合とほぼ同じ密度で欠陥が
発生していることが認められる。

【００２８】一方、図５は、外方拡散処理を行わずに８
００℃で６４時間の熱処理後１０００℃で１６時間の熱
処理を行った単結晶のシリコンウェハを示し、初期酸素
濃度が高いため欠陥によるエッチピットが約１×１０⁶
ｃｍ^-2の密度で発生していることが認められる。

【００２９】図６は、図５に示す場合の熱処理に先立っ
て、１１５０℃で１６時間の外方拡散処理をした従来の
ＩＧ法による場合の単結晶のシリコンウェハの観察結果
を示す。この場合ほとんどエッチピットは見られず、外
方拡散処理により、ゲッタリング源となるべき格子欠陥
の発生が大幅に抑制されていることが認められる。

【００３０】以上説明したように、初期酸素濃度が低い
シリコンウェハ及び高温における外方拡散処理を行った
シリコンウェハの場合、従来のＩＧ法の熱処理を施した
ときにはエッチピットの密度は減少して格子欠陥の発生
は抑制されるが、本発明による４５０℃で４８時間の熱
処理後６５０℃で１６８時間の熱処理を施したときには
初期酸素濃度、外方拡散処理の影響をほとんど受けず、
高密度で格子欠陥を発生させることができる。

【００３１】次に、図７から図１３に本発明の熱処理方
法および従来の熱処理方法を施したシリコンウェハを透
過型電子顕微鏡（以下ＴＥＭと記す）により観察した結
果を示す。図７は、図１、図２と同一の初期酸素濃度の
低いシリコンウェハをＴＥＭにより観察した結果を示
し、図７に示したように本発明の熱処理方を施すことに
よって直径１０〜５０ｎｍ程度の微小な析出物が１０¹³
ｃｍ^-3以上の高密度で一面に発生しているほか、直線状
の転位線、転位対（ＤＤ）あるいは直径１００ｎｍ程度
の微小転位ループ（ＤＬ）などの２次欠陥が高密度で導
入されていることが認められる。

【００３２】また図３に示された、初期酸素濃度の高い
シリコンウェハの場合にも図８に示されるように欠陥が
高密度で導入されていることが認められる。さらに本発
明の熱処理方法の場合には、図４に示されたように、外
方拡散処理を行ったシリコンウェハにおいても、図９に
示すように外方拡散処理を行なわない場合と同様に高密
度の格子欠陥が内部に発生するが、ウェハ表面付近では
ほとんど欠陥が発生しないことが認められた。

【００３３】次に本発明の熱処理方法を施した後、ＬＳ
Ｉ素子製造工程に相当する８００℃で２４時間、１００
０℃で１６時間の熱処理を施した単結晶のシリコンウェ
ハの観察結果をそれぞれ図１０、図１１に示す。８００
℃で２４時間の熱処理では図１０に示すように析出物、
転位ループの増加が認められる。１０００℃で１６時間
の熱処理では図１１に示すように析出物密度が減少して
新たに積層欠陥（ＳＦ）が発生しているのが認められ
る。このように、中高温でのＬＳＩ素子製造工程の熱処
理によって、本発明の熱処理で発生した単結晶のシリコ
ンウェハ内部の格子欠陥のタイプは幾分変化するが、欠
陥密度は高くまた単結晶のシリコンウェハ表面付近にお
いて欠陥の発生は認められず、ＬＳＩプロセス中におけ
る高いゲッタリング能力が期待できる。

【００３４】次に、外方拡散処理を行わずに８００℃で
６４時間の熱処理を行った後、１０００℃で１６時間の
熱処理を行った図５に対応する従来のＩＧ法を施した単
結晶のシリコンウェハのＴＥＭ像を図１２に示す。初期
酸素濃度が高い場合、図１２のＴＥＭ像に示すように、
板状析出物（Ｐ）とパンチアウト転位が主な欠陥である
が、欠陥の密度は本発明による単結晶のシリコンウェハ
と比較して２桁以上低いものとなった。さらにこれらの
欠陥は、図６に示された外方拡散処理を施した単結晶の
シリコンウェハにおいてほとんど認められなかった。

【００３５】さらに単結晶のシリコンウェハの初期酸素
濃度により欠陥密度は大きく変化し、酸素濃度が１．４
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の単結晶のシリコンウェハでは酸素
の析出が起こらず、ほとんど欠陥が形成されないことが
認められる。さらにまた本発明の熱処理方法と同じ温度
範囲の熱処理であっても、例えば第２工程の熱処理時間
が１０ｈと短い場合は、図１３のＴＥＭ像に示すよう
に、微小析出物が形成されるが、密度が低く２次欠陥は
ほとんど発生しないことが認められる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、４００℃以上５００℃以下の温度範囲で少なくと
も５時間単結晶のシリコンウェハを加熱し、この単結晶
のシリコンウェハを更に６００℃以上７００℃以下の温
度範囲で少なくとも２０時間加熱するため、初期酸素濃
度が低い、または予め酸素の外方拡散熱処理を施した単
結晶のシリコンウェハであっても、その内部に発生する
格子欠陥の種類、密度を制御してゲッタリング効果を発
揮するのに十分な高密度かつ多種類の格子欠陥を発生さ
せることができ、多様な汚染元素、汚染レベルに対応で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】初期酸素濃度１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶
のシリコンウェハに４５０℃で４８時間の熱処理後、６
５０℃で１６８時間の熱処理を施した後の光学顕微鏡写
真である。

【図２】図１に示す場合と同様の熱処理に先立って１１
５０℃で１６時間の外方拡散処理を施したときの光学顕
微鏡写真である。

【図３】初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶の
シリコンウェハに酸素の外方拡散処理を行わずに、４５
０℃で４８時間の熱処理後、６５０℃で１６８時間の熱
処理を施した後の光学顕微鏡写真である。

【図４】初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶の
シリコンウェハに１１５０℃で１６時間の酸素の外方拡
散処理を行った後に、４５０℃で４８時間の熱処理後、
６５０℃で１６８時間の熱処理を施した後の光学顕微鏡
写真である。

【図５】初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶の
シリコンウェハに酸素の外方拡散処理を行わずに、８０
０℃で６４時間の熱処理後、１０００℃で１６時間の熱
処理を施した後の光学顕微鏡写真である。

【図６】初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶の
シリコンウェハに１１５０℃で１６時間の酸素の外方拡
散処理を行った後に、８００℃で６４時間の熱処理後、
１０００℃で１６時間の熱処理を施した後の光学顕微鏡
写真である。

【図７】図１に示す単結晶のシリコンウェハのＴＥＭ像
である。

【図８】図３に示す単結晶のシリコンウェハのＴＥＭ像
である。

【図９】図４に示す単結晶のシリコンウェハのＴＥＭ像
である。

【図１０】図４に示す単結晶のシリコンウェハに更に８
００℃で２４時間の熱処理を施した後のＴＥＭ像であ
る。

【図１１】図４に示す単結晶のシリコンウェハに更に１
０００℃で１６時間の熱処理を施した後のＴＥＭ像であ
る。

【図１２】図５に示す単結晶のシリコンウェハのＴＥＭ
像である。

【図１３】初期酸素濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶
のシリコンウェハに対して４５０℃で４８時間の熱処理
後、６５０℃で１０時間の熱処理を施した後のＴＥＭ像
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンウェハに熱処理を施すことによ
り該シリコンウェハ内部に格子欠陥を発生させる熱処理
方法において、単結晶のシリコンウェハを、４００℃以上５００℃以下
の温度範囲内で少なくとも５時間加熱する第１工程と、前記第１工程終了後のシリコンウェハを、６００℃以上
７００℃以下の温度範囲内で少なくとも２０時間加熱す
る第２工程とを含むことを特徴とする単結晶のシリコン
ウェハの熱処理方法。