シリコンウェーハの熱処理方法
【課題】ボイド欠陥の消滅力が高い高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、凹形状のピットの発生も抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供する。
【解決手段】少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備える。
【解決手段】少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハともいう）に対して熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス形成用基板として用いられるシリコンウェーハは、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍（以下、表層部という）において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）やＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔｓ）等のボイド欠陥を低減させて無欠陥とする努力が求められている。
【０００３】
近年、このようなシリコンウェーハを高生産性で製造する方法として、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（以下、前記鏡面研磨された表面を研磨面ともいう）に、急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：以下、単にＲＴＰともいう）を行う技術が知られている。
【０００４】
このような技術として、特許文献１には、主としてアルゴンまたはヘリウムである酸素含有ガス雰囲気（本願発明でいう不活性ガス雰囲気）中で約１１７５℃を超える温度において、約５０００ｐｐｍａ未満の酸素分圧下、６０秒未満の時間、ウェーハを加熱する熱処理方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、アルゴンまたはヘリウム等の不活性ガス雰囲気でＲＴＰを行うため、ウェーハの表層部のボイド欠陥を大きく低減することが可能であるが、このような不活性ガス雰囲気や水素等の還元性ガス雰囲気において、１１７５℃を超えるような高温下でＲＴＰを行う場合には、前記ＲＴＰ前にウェーハの研磨面に形成されている自然酸化膜の影響によりＲＴＰ後の研磨面の表面粗さが悪化するという問題がある。
【０００６】
このような問題に対し、特許文献２には、ウェーハ表面上の自然酸化膜をフッ酸処理により除去した後、ＲＴＰ装置を用いて、水素１００％あるいは水素を１０％以上含有するアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理することで、ウェーハ表面のマイクロラフネスを小さくし、ウェーハ表面に存在するボイド欠陥をも除去することができる熱処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００１−５０９３１９号公報
【特許文献２】特開２０００−９１３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような特許文献２に記載の方法は、フッ酸処理によってウェーハ表面のシリコン原子に水素が終端されるため、前記表面に自然酸化膜が形成されにくい状態となる。従って、前記ＲＴＰを行ってもウェーハ表面における表面粗さの悪化を抑制することができる。
しかしながら、ウェーハの表層部に存在するボイド欠陥をＲＴＰで消滅させるためには、前記不活性ガス雰囲気や還元性ガス雰囲気にて、最低でも１０００℃以上の高温熱処理が必要であり、このような高温下では、シリコン原子に終端された水素原子の結合が切れやすくなり、ウェーハ表面にシリコン原子が露出しやすくなる。このように露出したシリコン原子は不安定であり、他の原子と反応しやすい状態となっている。
【０００９】
そのため、例えば、前記雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在すると、これが露出したシリコン原子と反応して結合し、更には、その結合が前記雰囲気によってエッチングされるという現象が繰り返し発生するため、ウェーハの表面形状が変化し、表面粗さが悪化するという問題がある。
【００１０】
更に、前記雰囲気に微量の酸素が含まれている場合には、前記露出したシリコン原子と酸素が反応して、ウェーハ表面にアイランド状に酸化膜が形成され、この酸化膜は前記雰囲気によってエッチングされるが、当該エッチングされた部分には凹形状のピットが形成されてしまうという問題もある。
以上の問題は、ＲＴＰにおける熱処理温度が高くなるほどより顕著となるものであるが、その一方で熱処理温度が高くなるほど、ウェーハの表層部のボイド欠陥の消滅力が高くなるという利点を有している。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ボイド欠陥の消滅力が高い高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、凹形状のピットの発生も抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
前記水素終端密度は、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイド欠陥の消滅力が高い高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、凹形状のピットの発生も抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置の一例を示す断面概念図である。
【図２】本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
【図３】表１における水素終端密度を横軸として表面粗さを縦軸として温度Ｔ１（℃）における各々の測定値をプロットしたときのプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面等を参照して詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温するＲＴＰを行う工程と、を備える。
ここでいう水素終端密度は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、ＲＴＰ前において、前記水素で終端させた研磨面を測定した値である。
【００１７】
このように、フッ化水素系溶液によりシリコンウェーハの少なくとも半導体デバイスが形成される研磨面のシリコン原子を水素で高密度に終端させることで、ボイド欠陥の消滅力が高い１３００℃以上１４００℃以下の高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、雰囲気中に含まれる微量の酸素の影響による凹形状のピットの発生も抑制することができる。
【００１８】
すなわち、水素を高密度に終端させることにより、水素とシリコン原子との結合力を高めることができる。従って、１３００℃以上１４００℃以下の高温下であっても前記結合が切れにくく安定した状態となる。
そのため、雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在しても、シリコン原子と当該反応性ガスとの結合を抑制することができるため、ウェーハの研磨面の表面粗さの悪化を抑制することができる。また、前記雰囲気に微量の酸素が含まれている場合であっても、酸素とシリコン原子との反応を抑制することができるため、凹形状のピットの発生も抑制することができる。
【００１９】
前記フッ化水素系溶液により水素を高密度に終端させる方法は、周知の方法（前記溶液に少なくともウェーハの研磨面を浸漬させる方法、前記ウェーハを回転させながら前記研磨面に前記溶液をスピンコートする方法等）により行うことができる。好ましくは、前記ウェーハの研磨面を浸漬させる方法が生産性及びコスト面において好適である。
なお、本方法における水素終端密度の調整は、前記研磨面に前記溶液を接触（浸漬、スピンコート等）させる時間や前記フッ化水素系溶液の濃度を変更することで行うことができる。
前記フッ化水素系溶液の濃度や接触させる時間は、例えば、前記フッ化水素系溶液として濃度５％のフッ酸溶液（ＨＦ）を用いた場合には、接触させる時間を１０分以上１５分以下として行い、濃度３０％のフッ酸溶液（ＨＦ）を用いた場合には、接触させる時間を３分以上７分以下として行うことが好ましい。
【００２０】
前記水素終端密度は５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
前記水素終端密度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である場合には、水素とシリコン原子との結合力を高めることが難しい。従って、表面粗さの悪化及び凹形状のピットの発生を抑制することが難しい。前記水素終端密度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超える場合には、前記研磨面を前記溶液に接触させる時間が長くなるため、生産性が低下し好ましくない。
前記水素終端密度は、より好ましくは、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である。
【００２１】
前記フッ化水素系溶液は、主に、フッ酸溶液（ＨＦ）、バッファードＨＦ溶液（ＮＨ４Ｆ＋ＨＦ）が含まれる。
【００２２】
前記ＲＴＰは、不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
このような雰囲気でＲＴＰを行うことで、ボイド欠陥の消滅力が高く、かつ、効率よく表面粗さの悪化を抑制することができる。
前記不活性ガスは、アルゴンガス（Ａｒ）が好適に用いられる。
【００２３】
前記ＲＴＰは、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持することが好ましい。
前記温度範囲が１３００℃未満である場合には、ボイド欠陥の消滅力が低下すると共に、表面粗さを向上させることが難しい。前記温度範囲が１４００℃を超える場合には、シリコンの融点に近くなるため、シリコンウェーハが軟化又は融解する可能性があり好ましくない。
前記温度範囲は、前記ＲＴＰを行うために使用するＲＴＰ装置（後述）としての装置寿命の観点から１３００℃以上１３８０℃以下であることがより好ましい。
【００２４】
前記水素終端前のシリコンウェーハは、主に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により育成したシリコン単結晶インゴットから切り出して製造される。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法で行う。
具体的には、シリコン単結晶インゴットは、石英ルツボに充填したシリコン原料を加熱してシリコン融液とし、該シリコン融液の液面に種結晶を接触させて、種結晶と石英ルツボを回転させながら種結晶を引上げて、種結晶にネック部、クラウン部及び直胴部を結晶成長させて、その後、シリコン融液から切り離すことで育成することができる。
【００２５】
次に、周知の方法により、前記育成したシリコン単結晶インゴットを切り出して、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハに加工する。
具体的には、シリコン単結晶インゴットの直胴部を内周刃又はワイヤソーによりウェーハ状に切り出し、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の加工を行う。
【００２６】
図１は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置の一例を示す断面概念図である。
図１に示すＲＴＰ装置１０は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応室２０と、反応室２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。ウェーハＷがウェーハ保持部３０に保持された状態では、反応室２０の内壁とウェーハＷの表面（デバイス形成面）Ｗ１側とで囲まれた空間である第１空間２０ａと、反応室２０の内壁と表面Ｗ１側に対向するウェーハＷの裏面Ｗ２側とで囲まれた空間である第２空間２０ｂとが形成される。
【００２７】
反応室２０は、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に雰囲気ガスＦＡ（実線矢印）を供給する供給口２２と、前記供給した雰囲気ガスＦＡを第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂから排出する排出口２６と、を備える。反応室２０は、例えば、石英で構成されている。
【００２８】
ウェーハ保持部３０は、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をリング状に保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を保持すると共に、ウェーハＷの中心を軸としてサセプタ３２を回転させる回転体３４とを備える。サセプタ３２及び回転体３４は、例えば、ＳｉＣで構成されている。
【００２９】
加熱部４０は、ウェーハ保持部３０に保持されたウェーハＷの表面Ｗ１の上方及び裏面Ｗ２の下方の反応室２０外に配置され、ウェーハＷを両面から加熱する。加熱部４０は、例えば、複数のハロゲンランプ５０で構成されている。
【００３０】
図１に示すＲＴＰ装置１０を用いて、ＲＴＰを行う場合は、反応室２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応室２０内に導入して、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をウェーハ保持部３０のサセプタ３２上にリング状に保持し、雰囲気ガスＦＡを供給すると共に、ウェーハＷを回転させながら、加熱部４０によってウェーハＷを加熱することで行う。
【００３１】
前記ＲＴＰは、４００℃以下の温度範囲で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に前記水素で終端されたシリコンウェーハを投入し、前記１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持することが好ましい。
このような温度範囲で投入することにより、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、投入時の急激な温度変化によるスリップの発生を抑制することができる。
【００３２】
図２は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
前記ＲＴＰに用いられる熱処理シーケンスは、図２に示すように、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を高密度の水素で終端させたウェーハＷを設置し、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に不活性ガスを供給する。
【００３３】
次に、温度Ｔ０（℃）から１３００℃以上１４００℃以下（温度Ｔ１（℃））の温度範囲まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温し、その後、温度Ｔ１（℃）にて所定時間ｔ１（秒）一定に保持した後、例えば、温度Ｔ０（℃）まで、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速降温する。
なお、温度Ｔ０、Ｔ１は、図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内にウェーハＷを設置した場合において、ウェーハ保持部３０の下方に設置された図示しない放射温度計によって測定されたウェーハＷの表面温度（放射温度計がウェーハＷの径方向に複数配置されている場合はその平均温度）である。
【００３４】
前記ＲＴＰにおける昇温速度ΔＴｕは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような昇温速度ΔＴｕとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速昇温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
【００３５】
前記ＲＴＰにおける降温速度ΔＴｄは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような降温速度ΔＴｄとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速降温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
【００３６】
前記ＲＴＰにおける１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲（温度Ｔ１（℃））における保持時間ｔ１は、１秒以上３０秒以下であることが好ましい。
このような保持時間ｔ１とすることで、生産性が低下することなく、効率よくボイド欠陥の消滅を図ることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。
（試験１）
ＣＺ法によりｖ／Ｇ（ｖ：引上速度、Ｇ：単結晶内の引上軸方向の温度勾配）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域から切り出して得られた両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、面方位｛１００｝、厚さ７７５μｍ、酸素濃度１．２〜１．３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を、濃度５％のフッ酸溶液にウェーハ全体を浸漬し、その後、純水洗浄して乾燥させた（水素終端処理）。その際、フッ酸溶液による浸漬時間を変化させた複数のサンプル（シリコンウェーハ）を作製した。
次に、前記複数のサンプルの各々の研磨面の水素終端密度をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、測定した。
【００３８】
次に、水素終端密度を測定した各々のサンプルに対して、図１に示すようなＲＴＰ装置１０を用いて、図２に示すような熱処理シーケンスにて温度Ｔ１（℃）を変化させたＲＴＰを行い、アニールウェーハを作製した。
具体的には、２００℃で保持された反応室内に前記測定したウェーハを投入し、雰囲気として、アルゴンガス（Ａｒ）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、温度Ｔ１（℃）を１１００℃、１２００℃、１３００℃、１３５０℃と変化させて各々急速昇温し、温度Ｔ１（℃）を各々１５秒間保持した後に、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。なお、このアルゴンガス（Ａｒ）には、反応室内に設置された酸素濃度計による測定において０．１ｐｐｍ以下の非常に微量の酸素が含まれていることが分かっている。
【００３９】
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さをＡＦＭ（Atomic Force Microscope）を用いて、ＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）を評価した。
また、半導体デバイス形成面における凹形状のピットの発生密度をＡＦＭ画像から算出した。
更に、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの表層部における欠陥密度に関し、ＬＳＴＤスキャナ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ
Ｓｃａｎｎｅｒ）にて波長６８０ｎｍで評価した。
また、参考例として水素終端処理前のウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さを、同様に、ＡＦＭを用いて、ＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）を評価した。
表１に本試験における試験条件及び評価結果を、図３に表１における水素終端密度を横軸として表面粗さを縦軸として温度Ｔ１（℃）における各々の測定値をプロットしたときのプロット図をそれぞれ示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１及び図３に示すように、水素終端密度を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上とし、温度Ｔ１（℃）を１３００℃以上とすることで、表面粗さ（ＲＭＳ）の悪化を抑制することができ、更に、表面粗さ（ＲＭＳ）が水素終端処理前よりも良化し、凹形状のピットも発生せず、かつ、欠陥密度が低いことが認められる。また、水素終端密度が１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である場合には表面粗さ（ＲＭＳ）が０．１０ｎｍ未満と特に良化することが認められる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ ＲＴＰ装置
２０ 反応室
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハともいう）に対して熱処理を行うシリコンウェーハの熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス形成用基板として用いられるシリコンウェーハは、デバイス活性領域となるウェーハの表面近傍（以下、表層部という）において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）やＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔｓ）等のボイド欠陥を低減させて無欠陥とする努力が求められている。
【０００３】
近年、このようなシリコンウェーハを高生産性で製造する方法として、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（以下、前記鏡面研磨された表面を研磨面ともいう）に、急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：以下、単にＲＴＰともいう）を行う技術が知られている。
【０００４】
このような技術として、特許文献１には、主としてアルゴンまたはヘリウムである酸素含有ガス雰囲気（本願発明でいう不活性ガス雰囲気）中で約１１７５℃を超える温度において、約５０００ｐｐｍａ未満の酸素分圧下、６０秒未満の時間、ウェーハを加熱する熱処理方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、アルゴンまたはヘリウム等の不活性ガス雰囲気でＲＴＰを行うため、ウェーハの表層部のボイド欠陥を大きく低減することが可能であるが、このような不活性ガス雰囲気や水素等の還元性ガス雰囲気において、１１７５℃を超えるような高温下でＲＴＰを行う場合には、前記ＲＴＰ前にウェーハの研磨面に形成されている自然酸化膜の影響によりＲＴＰ後の研磨面の表面粗さが悪化するという問題がある。
【０００６】
このような問題に対し、特許文献２には、ウェーハ表面上の自然酸化膜をフッ酸処理により除去した後、ＲＴＰ装置を用いて、水素１００％あるいは水素を１０％以上含有するアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理することで、ウェーハ表面のマイクロラフネスを小さくし、ウェーハ表面に存在するボイド欠陥をも除去することができる熱処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００１−５０９３１９号公報
【特許文献２】特開２０００−９１３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような特許文献２に記載の方法は、フッ酸処理によってウェーハ表面のシリコン原子に水素が終端されるため、前記表面に自然酸化膜が形成されにくい状態となる。従って、前記ＲＴＰを行ってもウェーハ表面における表面粗さの悪化を抑制することができる。
しかしながら、ウェーハの表層部に存在するボイド欠陥をＲＴＰで消滅させるためには、前記不活性ガス雰囲気や還元性ガス雰囲気にて、最低でも１０００℃以上の高温熱処理が必要であり、このような高温下では、シリコン原子に終端された水素原子の結合が切れやすくなり、ウェーハ表面にシリコン原子が露出しやすくなる。このように露出したシリコン原子は不安定であり、他の原子と反応しやすい状態となっている。
【０００９】
そのため、例えば、前記雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在すると、これが露出したシリコン原子と反応して結合し、更には、その結合が前記雰囲気によってエッチングされるという現象が繰り返し発生するため、ウェーハの表面形状が変化し、表面粗さが悪化するという問題がある。
【００１０】
更に、前記雰囲気に微量の酸素が含まれている場合には、前記露出したシリコン原子と酸素が反応して、ウェーハ表面にアイランド状に酸化膜が形成され、この酸化膜は前記雰囲気によってエッチングされるが、当該エッチングされた部分には凹形状のピットが形成されてしまうという問題もある。
以上の問題は、ＲＴＰにおける熱処理温度が高くなるほどより顕著となるものであるが、その一方で熱処理温度が高くなるほど、ウェーハの表層部のボイド欠陥の消滅力が高くなるという利点を有している。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ボイド欠陥の消滅力が高い高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、凹形状のピットの発生も抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
前記水素終端密度は、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイド欠陥の消滅力が高い高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、凹形状のピットの発生も抑制することができるシリコンウェーハの熱処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置の一例を示す断面概念図である。
【図２】本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
【図３】表１における水素終端密度を横軸として表面粗さを縦軸として温度Ｔ１（℃）における各々の測定値をプロットしたときのプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面等を参照して詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温するＲＴＰを行う工程と、を備える。
ここでいう水素終端密度は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、ＲＴＰ前において、前記水素で終端させた研磨面を測定した値である。
【００１７】
このように、フッ化水素系溶液によりシリコンウェーハの少なくとも半導体デバイスが形成される研磨面のシリコン原子を水素で高密度に終端させることで、ボイド欠陥の消滅力が高い１３００℃以上１４００℃以下の高温下でＲＴＰを行っても、表面粗さの悪化を抑制することができ、更に、雰囲気中に含まれる微量の酸素の影響による凹形状のピットの発生も抑制することができる。
【００１８】
すなわち、水素を高密度に終端させることにより、水素とシリコン原子との結合力を高めることができる。従って、１３００℃以上１４００℃以下の高温下であっても前記結合が切れにくく安定した状態となる。
そのため、雰囲気中に他の反応性ガス（窒素等）が存在しても、シリコン原子と当該反応性ガスとの結合を抑制することができるため、ウェーハの研磨面の表面粗さの悪化を抑制することができる。また、前記雰囲気に微量の酸素が含まれている場合であっても、酸素とシリコン原子との反応を抑制することができるため、凹形状のピットの発生も抑制することができる。
【００１９】
前記フッ化水素系溶液により水素を高密度に終端させる方法は、周知の方法（前記溶液に少なくともウェーハの研磨面を浸漬させる方法、前記ウェーハを回転させながら前記研磨面に前記溶液をスピンコートする方法等）により行うことができる。好ましくは、前記ウェーハの研磨面を浸漬させる方法が生産性及びコスト面において好適である。
なお、本方法における水素終端密度の調整は、前記研磨面に前記溶液を接触（浸漬、スピンコート等）させる時間や前記フッ化水素系溶液の濃度を変更することで行うことができる。
前記フッ化水素系溶液の濃度や接触させる時間は、例えば、前記フッ化水素系溶液として濃度５％のフッ酸溶液（ＨＦ）を用いた場合には、接触させる時間を１０分以上１５分以下として行い、濃度３０％のフッ酸溶液（ＨＦ）を用いた場合には、接触させる時間を３分以上７分以下として行うことが好ましい。
【００２０】
前記水素終端密度は５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
前記水素終端密度が５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である場合には、水素とシリコン原子との結合力を高めることが難しい。従って、表面粗さの悪化及び凹形状のピットの発生を抑制することが難しい。前記水素終端密度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超える場合には、前記研磨面を前記溶液に接触させる時間が長くなるため、生産性が低下し好ましくない。
前記水素終端密度は、より好ましくは、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である。
【００２１】
前記フッ化水素系溶液は、主に、フッ酸溶液（ＨＦ）、バッファードＨＦ溶液（ＮＨ４Ｆ＋ＨＦ）が含まれる。
【００２２】
前記ＲＴＰは、不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
このような雰囲気でＲＴＰを行うことで、ボイド欠陥の消滅力が高く、かつ、効率よく表面粗さの悪化を抑制することができる。
前記不活性ガスは、アルゴンガス（Ａｒ）が好適に用いられる。
【００２３】
前記ＲＴＰは、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持することが好ましい。
前記温度範囲が１３００℃未満である場合には、ボイド欠陥の消滅力が低下すると共に、表面粗さを向上させることが難しい。前記温度範囲が１４００℃を超える場合には、シリコンの融点に近くなるため、シリコンウェーハが軟化又は融解する可能性があり好ましくない。
前記温度範囲は、前記ＲＴＰを行うために使用するＲＴＰ装置（後述）としての装置寿命の観点から１３００℃以上１３８０℃以下であることがより好ましい。
【００２４】
前記水素終端前のシリコンウェーハは、主に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により育成したシリコン単結晶インゴットから切り出して製造される。
ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法で行う。
具体的には、シリコン単結晶インゴットは、石英ルツボに充填したシリコン原料を加熱してシリコン融液とし、該シリコン融液の液面に種結晶を接触させて、種結晶と石英ルツボを回転させながら種結晶を引上げて、種結晶にネック部、クラウン部及び直胴部を結晶成長させて、その後、シリコン融液から切り離すことで育成することができる。
【００２５】
次に、周知の方法により、前記育成したシリコン単結晶インゴットを切り出して、少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハに加工する。
具体的には、シリコン単結晶インゴットの直胴部を内周刃又はワイヤソーによりウェーハ状に切り出し、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の加工を行う。
【００２６】
図１は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰ装置の一例を示す断面概念図である。
図１に示すＲＴＰ装置１０は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応室２０と、反応室２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。ウェーハＷがウェーハ保持部３０に保持された状態では、反応室２０の内壁とウェーハＷの表面（デバイス形成面）Ｗ１側とで囲まれた空間である第１空間２０ａと、反応室２０の内壁と表面Ｗ１側に対向するウェーハＷの裏面Ｗ２側とで囲まれた空間である第２空間２０ｂとが形成される。
【００２７】
反応室２０は、第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に雰囲気ガスＦＡ（実線矢印）を供給する供給口２２と、前記供給した雰囲気ガスＦＡを第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂから排出する排出口２６と、を備える。反応室２０は、例えば、石英で構成されている。
【００２８】
ウェーハ保持部３０は、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をリング状に保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を保持すると共に、ウェーハＷの中心を軸としてサセプタ３２を回転させる回転体３４とを備える。サセプタ３２及び回転体３４は、例えば、ＳｉＣで構成されている。
【００２９】
加熱部４０は、ウェーハ保持部３０に保持されたウェーハＷの表面Ｗ１の上方及び裏面Ｗ２の下方の反応室２０外に配置され、ウェーハＷを両面から加熱する。加熱部４０は、例えば、複数のハロゲンランプ５０で構成されている。
【００３０】
図１に示すＲＴＰ装置１０を用いて、ＲＴＰを行う場合は、反応室２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応室２０内に導入して、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周部をウェーハ保持部３０のサセプタ３２上にリング状に保持し、雰囲気ガスＦＡを供給すると共に、ウェーハＷを回転させながら、加熱部４０によってウェーハＷを加熱することで行う。
【００３１】
前記ＲＴＰは、４００℃以下の温度範囲で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に前記水素で終端されたシリコンウェーハを投入し、前記１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持することが好ましい。
このような温度範囲で投入することにより、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、投入時の急激な温度変化によるスリップの発生を抑制することができる。
【００３２】
図２は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスの一例を示す概念図である。
前記ＲＴＰに用いられる熱処理シーケンスは、図２に示すように、温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持された図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内に少なくとも半導体デバイスが形成される表面Ｗ１側が鏡面研磨され、更に、前記表面Ｗ１のシリコン原子を高密度の水素で終端させたウェーハＷを設置し、前記第１空間２０ａ及び第２空間２０ｂ内に不活性ガスを供給する。
【００３３】
次に、温度Ｔ０（℃）から１３００℃以上１４００℃以下（温度Ｔ１（℃））の温度範囲まで、昇温速度ΔＴｕ（℃／秒）で急速昇温し、その後、温度Ｔ１（℃）にて所定時間ｔ１（秒）一定に保持した後、例えば、温度Ｔ０（℃）まで、降温速度ΔＴｄ（℃／秒）で急速降温する。
なお、温度Ｔ０、Ｔ１は、図１に示すようなＲＴＰ装置１０の反応室２０内にウェーハＷを設置した場合において、ウェーハ保持部３０の下方に設置された図示しない放射温度計によって測定されたウェーハＷの表面温度（放射温度計がウェーハＷの径方向に複数配置されている場合はその平均温度）である。
【００３４】
前記ＲＴＰにおける昇温速度ΔＴｕは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような昇温速度ΔＴｕとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速昇温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
【００３５】
前記ＲＴＰにおける降温速度ΔＴｄは、１０℃／秒以上１５０℃／秒以下であることが好ましい。
このような降温速度ΔＴｄとすることで、前記ＲＴＰにおいて、生産性が低下するのを抑制しつつ、急速降温時の急激な温度変化による接触痕やスリップの発生を抑制することができる。
【００３６】
前記ＲＴＰにおける１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲（温度Ｔ１（℃））における保持時間ｔ１は、１秒以上３０秒以下であることが好ましい。
このような保持時間ｔ１とすることで、生産性が低下することなく、効率よくボイド欠陥の消滅を図ることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。
（試験１）
ＣＺ法によりｖ／Ｇ（ｖ：引上速度、Ｇ：単結晶内の引上軸方向の温度勾配）を制御して空孔型点欠陥が存在する領域を有するシリコン単結晶インゴットを製造し、該領域から切り出して得られた両面が鏡面研磨されたシリコンウェーハ（直径３００ｍｍ、面方位｛１００｝、厚さ７７５μｍ、酸素濃度１．２〜１．３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を、濃度５％のフッ酸溶液にウェーハ全体を浸漬し、その後、純水洗浄して乾燥させた（水素終端処理）。その際、フッ酸溶液による浸漬時間を変化させた複数のサンプル（シリコンウェーハ）を作製した。
次に、前記複数のサンプルの各々の研磨面の水素終端密度をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、測定した。
【００３８】
次に、水素終端密度を測定した各々のサンプルに対して、図１に示すようなＲＴＰ装置１０を用いて、図２に示すような熱処理シーケンスにて温度Ｔ１（℃）を変化させたＲＴＰを行い、アニールウェーハを作製した。
具体的には、２００℃で保持された反応室内に前記測定したウェーハを投入し、雰囲気として、アルゴンガス（Ａｒ）を供給し、昇温速度７５℃／秒で、温度Ｔ１（℃）を１１００℃、１２００℃、１３００℃、１３５０℃と変化させて各々急速昇温し、温度Ｔ１（℃）を各々１５秒間保持した後に、降温速度９０℃／秒で５００℃まで急速降温させた。なお、このアルゴンガス（Ａｒ）には、反応室内に設置された酸素濃度計による測定において０．１ｐｐｍ以下の非常に微量の酸素が含まれていることが分かっている。
【００３９】
得られたアニールウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さをＡＦＭ（Atomic Force Microscope）を用いて、ＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）を評価した。
また、半導体デバイス形成面における凹形状のピットの発生密度をＡＦＭ画像から算出した。
更に、ウェーハ表面から深さ５μｍまでの表層部における欠陥密度に関し、ＬＳＴＤスキャナ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｆｅｃｔ
Ｓｃａｎｎｅｒ）にて波長６８０ｎｍで評価した。
また、参考例として水素終端処理前のウェーハの半導体デバイス形成面における表面粗さを、同様に、ＡＦＭを用いて、ＲＭＳ（測定範囲：３μｍ×３μｍ）を評価した。
表１に本試験における試験条件及び評価結果を、図３に表１における水素終端密度を横軸として表面粗さを縦軸として温度Ｔ１（℃）における各々の測定値をプロットしたときのプロット図をそれぞれ示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１及び図３に示すように、水素終端密度を５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上とし、温度Ｔ１（℃）を１３００℃以上とすることで、表面粗さ（ＲＭＳ）の悪化を抑制することができ、更に、表面粗さ（ＲＭＳ）が水素終端処理前よりも良化し、凹形状のピットも発生せず、かつ、欠陥密度が低いことが認められる。また、水素終端密度が１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である場合には表面粗さ（ＲＭＳ）が０．１０ｎｍ未満と特に良化することが認められる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ ＲＴＰ装置
２０ 反応室
３０ ウェーハ保持部
４０ 加熱部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、
前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項２】
前記水素終端密度は、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項１】
少なくとも半導体デバイスが形成される表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハをフッ化水素系溶液により前記表面のシリコン原子を水素で終端させて、前記表面の水素終端密度を５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とする工程と、
前記水素で終端させたシリコンウェーハを、不活性ガス雰囲気中、１３００℃以上１４００℃以下の温度範囲に急速昇温し保持した後、急速降温する急速昇降温熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項２】
前記水素終端密度は、１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上４．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２１２７４０（Ｐ２０１２−２１２７４０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６８９０（Ｐ２０１１−７６８９０）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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