JPH06504878A - 珪素ウェーハ中の析出状態を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 珪、ウェーハ　の　５　を　る　２ 本発明は、一般に電子部品を製造するための、半導体材料基板、特に所謂珪素「 スライス（ｓｌｉｃｅ）Ｊ即ち、ウェーハを製造するための方法に関する。詳し くは、本発明は、「ゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）　Ｊ又は内部トラッピ ング部位の濃度及び分布状態の制御に適した条件下で珪素ウェーハを処理する方 法に関する。

既に知られているように、半導体電子部品を製造する殆どの方法の出発材料であ る単結晶珪素は、一般に所謂チョクラルスキー法で製造されており、その場合、 一つの種子結晶を溶融珪素中に浸漬し、次にゆっくり引き上げることにより成長 させる。溶融珪素は石英坩堝中に入っていると、種々の不純物で汚染され、その 不純物の中の主なものは酸素である。珪素が溶融物になっている温度では、酸素 が結晶格子中に、溶融物の温度での酸素の珪素中への溶解度及び固化珪素中の酸 素の実際の偏析俤数によって決定される濃度に到達するまで入っていく。そのよ うな濃度は集積回路を製造する方法で典型的な温度での固体珪素中の酸素の溶解 度よりも大きい。従って、結晶が溶′＠物質から成長し、冷却されると、その中 の酸素の溶解度は急速に低下し、そのため得られるスライス、即ちウェーハには 、酸素が過飽和濃度で存在する。酸素が過飽和濃度で存在すると、ウェーハの後 の熱処理工程で酸素の析出（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｉｏｎ）を起こす。

酸素の析出は有用な効果と有害な効果を起こすことがある。有用な効果は、電子 部品を製造するための後の製造工程中に、ウェーハと接触して電子部品の性能を 悪くする望ましくない金属不純物をトラップする酸素析出物の能力と関連してい る。有害な効果は、そのような析出物自体が、反対に、例えば集［回路の製造に とっては非常に高い純度が必要になる場所であるウェーハの活性領域中に存在す ると、汚染物質となることから起きてくるものである。

以前から、ウェーハの表面から数μの深さを占める活性領域が、前述の「欠陥Ｊ を比較約合−ないのに対し、ウェーハの残りの厚さの部分が、望ましくない金属 不純物を効果的にトラップするのに充分な大きさのそのような欠陥密度を有する ようなやり方で、珪素ウェーハの処理を行う種々の方式が提案されている。

そのような方法は、トラッピング又は「内在（ｉｎｔｒｉｎ−ｓｉｃ）　Ｊゲン タリング法として知られており、ウェーハの表面に近い欠陥のない領域は、欠陥 除去領域（ｄｅｎｕｄｅｄｚｏｎｅ）と呼ばれている。

本発明の目的は、珪素ウェーハ中に存在するトラッピング中心の濃度を制御する 方法を示すことにあり、特に良好な欠陥除去領域及び良好な内在トラッピング効 果を達成するのに必要な欠陥密度分布状態を実現するための方法を示すことにあ る。

珪素ウェーハ中の酸素の析出水準を制御することに関する。第二の態様は、分布 曲線のピークが、装置の活性領域から離れた明確なトラッピング領域として働く ことができるようなやり方で、酸素析出物の密度分布状態を制御することに関す る。従って、第三の態様は、装置の活性領域に相当する有効な欠陥除去領域及び 残余の体積中の極めて効果的なトラッピング領域を有する析出制御ウェーハの製 造に関する。

これらの目的は、本発明により、集積回路電子部品の製造を目的とした珪素スラ イス即ちウェーハを処理する方法において、（ａ）前記ウェーハを９５０℃〜１ １５０℃の温度で、特に約１１００℃で約１５分間予備的熱処理にかけ、（ｂ） 標準的化学的腐食（エツチング）処理後、互いに熱的に密接に接触させて対に組 合せたウェーハを、１２００℃〜１２７５℃の温度で数十秒間、速いアニーリン グ熱処理にかけ、（ｃ）前記ウェーハを９００℃〜１０００℃の温度で更に長い 熱処理にかけ、最後に（ｄ）前記ウェーハを炉から取り出し、前記速いアニーリ ング処理中に互いに密接に接触していた表面を表面研磨にかける、基本的操作を 有する方法によって達成される。２枚のスライスを組合せるために、二つの表面 の間に物理的熱的接触を実現するだけで充分であり、二つの表面の間の原子的結 合（つ工−ハ結合）を実現する一層緊密に組合せる他の方法論は不必要であるが 、用いてもよい。

以下で一層よく説明するように、本発明による処理は、熱的な速いアニーリング 操作中「前駆物質」と呼ぶ高温核生成中心を最初に生じ、これらの前駆物質が次 に古典的「欠陥Ｊを与えることになる。

これらの前駆物質の発生を報告する従来の文献が存在するが、本発明の骨組みと して行われた研究に関してかなりの相違が存在する。第一に、発生時間規模自体 が、以前認められていたものよりも非常に速いことを示していることである。第 二に、高温処理に対して僅か約１２００℃の低い境界が認められている。第三に 、都合のよい欠陥密度分布状態を形成させるのに、比較的低い温度、約６５０℃ での処理は不必要であることが見出されている。

！に後に速い高温アニーリング処理中２枚のウェーハを組合せることにより、各 ウェーハ中に完全に非対称的分布状態が実現され、それは一方の側では非常に高 い欠陥密度を示し、他方の側では非常に低い欠陥密度を示すものであり、ウェー ハの冷却方式が密度分布状態の形成に重要な役割を果たすと言う観察を発展する ことによって初めて得られたものである。

本発明の更に別の特異性及び利点は、単に説明のためで、限定のためではないも のとして与えられている図面を参照した次の記述から明らかになるであろう。図 中、第１１２Ｉは、夫々、２０秒及び３５秒の二つの短いが異なった時間間隔で １２００°Ｃに近い温度に加熱した１枚の珪素ウェーハについて、深さの関数と して析出物密度の分布状態を示した図である６ 第２ａ図及び第２ｂ図は、単一のウェーハを処理した場合と、本発明による一対 の重ねたウェーハを処理した場合とを比較できるように示した図である。

第３図は、重ねた形で本発明による処理にがけな２枚のウェーハの一方について の、深さの関数として析出物密度の分布状態を示した図である。

本方法は、一つずつの段階について詳細に説明する前に、本発明が、高い温度、 特に１２００℃〜１３００℃の温度で短い時間速いアニーリング熱処理に珪素ウ ェーハをかけると、酸素析出についてかなりの改良が達成されると言う観察に基 づいていることを明確に述べておきたい、特に、そのような強化析出は温度に依 存し、ウェーハの内部でそれ自体均一に存在するものではないことが観察されて いる。後者の特徴により、ウェーハの二つの主表面に近接して二つの濃度ピー・ りが、中心領域の最小平坦部と共に形成されることが観察されている。

このことは第１図で明確に証明されており、この場合、ウェーハの二つの主表面 に近接した二つのピークと中心の平坦部を容易に認めることができる。二つの異 なった処理時間（２０秒及び３５秒）に対応してその分布状態図が変化すること も認められる。

物理的特徴により、高温でのこの速いアニーリング熱処理は、酸素析出物の後の 核生成及び成長の前駆物質として働く所謂欠陥の形成を含んでいることが確かめ られている。

本発明の基礎になっている更に別の観察は、速い熱処理に既にかけたウェーハを ９００〜１０００℃の温度で熱処理することは、一層の核生成に対しては好まし くなく、反対にそれは高温で発生した前述の前駆物質の成る部分を溶解すること になると言うことである。実際、そのような前駆物質は、それらが発生した温度 よりも低い温度に冷却された時、成る不安定性を与えることが証明されている。

代償として、９００〜１０００℃でのこの処理は、最終的に既に存在している析 出核の成長と、速いアニーリング熱処理によって生じた欠陥の一般的安定化を惹 き起こす。

最終的に、本発明に基づき、高温で発生した前駆物質の不安定性は冷却条件と非 常に密接に関係付けることができ、冷却中のウェーハ内部の温度勾配が高温での 欠陥の溶解の不均一性を惹き起こすものと仮定できる発見が得られている。この 仮定は、第一に、一方が研磨され、他方が粗い、二つの異なった表面に対応した 密度のピーク値の差を、二つの表面の異なった放射率値から誘導することにより 説明することができ、その仮定は、表面に対応するピークが、そのような表面を 通る熱的放射率が著しく減少し、そのためウェーハの冷却が例えば表面自体の熱 的遮蔽によって著しく遅くなった時に、実質的に消滅すると言うことを示す実験 研究により確認されている。

この非常に重要な考察により、ウェーハが単独に処理されるのではなく、物理的 に密接に接触するように組合せ或は対にして処理することにより、それらの相互 の熱的遮蔽が達成されていると言う事実に存在する基本的な特徴の一つが本発明 に結び付いている。このようにして、単一のウェーハが露出された場合、欠陥の 分布が第２ａ図の矢印で示した二重ピーク分布曲線になると言うことは、第２ｂ 図の矢印■で示したように、常に二重ピーク分布曲線を生ずることになるが、こ の場合には、そのような分布曲線が、二枚の対にしたウェーハに対するものであ ると言うことが重要であり、それは、互いに分離すると、各ウェーハは一方の表 面に近いピークと、他方の表面近辺の零に近い平坦部とを有する欠陥密度分布曲 線を持つようになる。それが正に、集積回路を後で形成するのに適した良好な欠 陥除去領域を生成させるために、長く面倒な複雑な熱処理に頼る必要なく、達成 したい結果なのである。

第３図には、酸素析出物の密度分布曲線が、別のウェーハと対にした形で処理し たウェーハについて、１２００℃及び１２５０℃の二つの温度の場合について深 さの関数として一層正確に報告しである。

上述の観察結果をｌ！キすると、本発明による方法は基本的に次の処理操作から なる６ 第二の操作として、標準的化学的腐食（エツチング）処理を行なった後のウェー ハを、２枚ずつ互いに密接に接触させて速いアニーリング熱処理にかけ、そこで ウェーハは１２００℃〜１２７５℃の大体の間隔内に入る温度で数十秒間熱的パ ルスを受ける。発生した欠陥密度は、第１図及び第３図で既に明確に示したよう に、時間及び温度の両方に依存する。これらのパラメーターは、達成しない欠陥 密度に依存する。

この操作に続き、９５０℃〜１１５０℃の温度で、最終的には二つの段階（例え ば、第一段階は９００℃で、第二段階は１０００℃で、夫々４時間及び１６時間 の時間間隔）に分割される更に別の熱処理を行う。この操作の目的は、前の操作 で発生した析出前駆物質を安定化して成長させ、同時にそれらの不安定な部分を 除去することにある。

次の操作では、ウェーハを炉から取り出し、速い高温アニーリング熱処理中、互 いに密接に接触していた表面を標準的なやり方で研磨する。このようにして二つ の前の操作で生じたピーク・平坦分布状態により、即ち、研磨した表面近くに非 常に低い欠陥密度（平坦部）が存在し、それによって集積回路を製造するのに完 全に適した欠陥除去領域を実現し、更に汚染物質をトラップする希望の機能を果 たすのに完全に適した、活性領域とは反対側のウェーハ後面に近い充分制御され た欠陥密度の高い部分が存在するようにすることができる。

本発明の枠組み内で、更に、スライス上のガス雰囲気、特に窒素の存在により析 出物分布曲線の形が、未だ決定はされていないが、少なくとも影響を受けている ことが確認されている。

従って、珪素の表面を遮蔽することにより得られる分布曲線の非対称性はスライ スが窒素雰囲気に対して遮蔽されていると言う事実にも因るものである。

更に、スライスを重ねることによって遮蔽を実現することは、必ずしも必要では ないことを明確に指摘しておきたい、なぜなら、他の遮蔽部材、例えば石英板に よっても同じ効果が得られるからである。

分布曲線の非対称性は、スライスの一方の面上のアルゴンと他方の面上の窒素か らなる二重のガス雰囲気によって、促進されるわけではないが、少なくとも支援 されるものであることが予想される。

上述の如く、本発明の好ましい態様について記述してきたが、本発明の範囲から 離れることなく種々の変更や修正が行えることは明確に理解されるべきである。

深さくμｍ） （ａ）　（ｂ） 深さくμｍ） 補正書の写しく翻訳文）提出書ｌＮｍ１ｌｌｌＢ４条の８）平成　５年　５月　 １４　日寸弊

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．珪素ウェーハ内部に析出物密度の制御された分布状態を達成するための珪素 ウェーハ処理方法において、次の操作、 （ａ）ウェーハを９５０℃〜１１５０℃、特に約１１００℃の温度で約１５分間 予備的熱処理にかけ、 （ｂ）標準的化学的腐食（エッチング）処理の後、互いに熱的に密接に接触した 状態に組み合わせて対にしたウェーハを１２００℃〜１２７５℃の温度で数十秒 間速いアニーリング熱処理にかけ、 （ｃ）前記ウェーハを更に９００℃〜１０００℃の温度で長い熱処理にかけ、そ して最後に、 （ｄ）前記ウェーハを炉から取り出し、前記速いアニーリング処理中互いに密接 に接触していた表面を表面研磨にかける、 操作からなることを特徴とする珪素ウェーハ処理方法。
2. ２．予備的熱処理が約１１００℃で行われ、「欠陥」密度を更に減少させる機能 を果たし、均質な出発状態を確立する請求項１に記載の珪素ウェーハの処理方法 。
3. ３．速いアニーリング熱処理が、対に組合せたウェーハを１０〜４０秒の時間の 熱的パルスにかけ、析出物前駆物質の発生を行わせることからなる請求項１に記 載の珪素ウェーハの処理方法。
4. ４．更に長い熱処理が一又は二段階で行われる請求項１に記載の珪素ウェーハの 処理方法。
5. ５．更に長い熱処理が二段階で行われ、特に第一段階では９００℃の温度で、第 二段階で１０００℃の温度で、夫々４時間及び１６時間の時間行われる請求項４ に記載の珪素ウェーハ処理方法。
6. ６．ウェーハの密接な熱的接触組合せが、それらの表面の間の簡単な物理的熱的 接触で実現される請求項１に記載の珪素ウェーハ処理方法。
7. ７．ウェーハの密接な熱的接触組合せが、それらの表面の間の原子的待合（ウェ ーハ結合）を実現する緊密な結合方法により実現される請求項１に記載の珪素ウ ェーハ処理方法。
8. ８．珪素ウェーハ内部に析出物密度の制御された分布状態を達成するための珪素 ウェーハの処理方法において、次の操作、 （ａ）ウェーハを９５０℃〜１１５０℃の温度で約１５分間予備的熱処理にかけ 、 （ｂ）標準的化学的腐食処理の後、ウェーハを不活性ガス雰囲気中で、表面を遮 蔽して、１２００℃〜１２７５℃の温度で数十秒間速いアニーリング熱処理にか け、（ｃ）前記ウェーハを更に９００℃〜１０００℃の温度で長い熱処理にかけ 、そして最後に、 （ｄ）前記ウェーハを炉から取り出し、前記速いアニーリング処理中遮蔽されて いた表面を表面研磨にかける、操作からなることを特徴とする珪素ウェーハ処理 方法。
9. ９．不活性雰囲気が窒素であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. １０．遮蔽が別の珪素スライスを用いて実現される請求項８及び９に記載の方法 。
11. １１．遮蔽が石英板を用いて実現される請求項８及び９に記載の方法。
12. １２．窒素雰囲気に対するウェーハの一方の面の遮蔽が、その面上にアルゴン雰 囲気を適用することにより実現されることを特徴とする請求項８及び９に記載の 方法。