Ａｒ／ＮＨ３急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法
【課題】Ａｒ／ＮＨ３急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】ウェーハの表面から内側に十分な深さのＤＺがウェーハのバルク領域での高いゲッタリング効果と結合される。シリコンウェーハにおいて、真性ゲッタリング場所としての役割をする酸素析出物は垂直分布を示す。ウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から所定の第１及び第２深さで第１及び第２ピークと、ウェーハの上下面と第１及び第２ピークのそれぞれとのＤＺと、ウェーハのバルク領域に対応する第１及び第２ピーク間のコンケーブ領域を含む。このような酸素析出物濃度プロファイルのために、ウェーハはＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物雰囲気で約１２００℃以下の温度で急速熱的アニーリング工程に提供される。
【解決手段】ウェーハの表面から内側に十分な深さのＤＺがウェーハのバルク領域での高いゲッタリング効果と結合される。シリコンウェーハにおいて、真性ゲッタリング場所としての役割をする酸素析出物は垂直分布を示す。ウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から所定の第１及び第２深さで第１及び第２ピークと、ウェーハの上下面と第１及び第２ピークのそれぞれとのＤＺと、ウェーハのバルク領域に対応する第１及び第２ピーク間のコンケーブ領域を含む。このような酸素析出物濃度プロファイルのために、ウェーハはＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物雰囲気で約１２００℃以下の温度で急速熱的アニーリング工程に提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロエレクトロニクスの製造方法及び素子に係り、特にシリコンインゴットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を製作するための出発物質である単結晶シリコンは、一般にチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ；ＣＺ）法と呼ばれる結晶成長法により円筒状のインゴットより形成される。単結晶シリコンよりなるインゴットは、スライシング、エッチング、洗浄、ポリシングなどの一連のウェーハリング工程を経つつウェーハとして製作される。前記ＣＺ法によれば、単結晶シリコンよりなるシード結晶を溶融シリコン内に入れた後、上向きに引上げれば、溶融シリコンは徐々に抽出されつつ単結晶インゴットとして成長される。前記シリコン溶融物は、石英るつぼ内に収容されているために多様な不純物（例えば、酸素）によって汚染される。
【０００３】
シリコンの溶融温度において、酸素は溶融物の温度に該当するシリコン内の酸素の溶解度と固状化されたシリコン内での酸素の実分離係数により決定される濃度に至るまでに結晶格子内に浸透する。このように結晶成長過程でシリコンインゴットに浸透された酸素の濃度は、後続する集積回路の製作時に使われる典型的な温度で固状化されたシリコン内の酸素溶解度よりはるかに大きい。一方、結晶が成長して冷却されるにつれ、結晶内の酸素の溶解度は急に減少し、結果的に冷却されたインゴット内には酸素が過飽和される。
【０００４】
前記インゴットはウェーハにスライスされる。ウェーハ内の残留するインタスティシャル酸素は、後続する熱的工程間に酸素析出物として成長される。素子活性領域内での酸素析出物の存在はゲート酸化膜の集積性を低下させ、及び／または望ましくない基板漏れ電流を誘発させうる。しかし、これらが素子活性領域の外側（すなわち、バルク領域）に存在すれば、これらは素子工程から生じる金属不純物を収集しうる。このような望ましい機能をゲッタリングと呼ぶ。
【０００５】
図１は、従来のＭＯＳトランジスタの断面構造を示す。図１を参照すれば、酸素析出物がシリコン基板１０の表面近傍に形成されたソース領域１２とドレーン領域１４との間のチャンネル領域内に存在すれば、ゲート電極１８とシリコン基板１０との電気的絶縁を保つゲート絶縁膜１６の絶縁破壊を誘発しうる。また、ＭＯＳＦＥＴを使用するメモリ素子でのリフレッシュ特性を劣化させることになる。
【０００６】
また、後続する熱処理により生じるウェーハのバルク領域１０ａ内に形成された酸素析出物は漏れソースとして作用し、後続する半導体素子の製作過程で所望しない金属不純物をトラップしうる真性ゲッタリングサイトの役割も行う。したがって、インゴット内に酸素濃度が十分に高ければ真性ゲッタリングサイトの酸素析出物の量が多くなってゲッタリング能力が高まる。しかし、酸素濃度が足りなければ、酸素析出物がバルク領域内に形成されずにゲッタリング能力が劣るか、または完全になくなる。したがって、ウェーハのバルク領域内には適正量の酸素析出物が分布されるように調節する必要がある。
【０００７】
一方、従来の一般的な方法でインゴット成長され、ウェーハリングされたウェーハはウェーハの上面（前面）から下面（後面）に至るまで、全体的に酸素析出物が分布されている。一般的に、Ｄ−欠陥（ベイカンシ集塊（ｖａｃａｎｃｙ ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ））、転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、積層欠陥及び酸素析出物などが存在しないデヌーデッドゾーン（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ；ＤＺ）１０ｂ層が上面から所定深さに至るまで確保しなければならない。しかし、従来の方法により製造されたウェーハはウェーハの表面近傍まで酸素析出物が生じて漏れ電流のソースとして作用する。
【０００８】
したがって、ウェーハの表面近傍に十分なＤＺを確保しつつ、ウェーハのバルク領域に真性ゲッタリングサイトを形成するために、例えば、初期酸素が１３ｐｐｍａ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ ａｔｏｍｓ）以上で高濃度の酸素を含有したウェーハを低温と高温とを交代しつつ長時間熱処理を行うことによって、ウェーハのバルク領域内に酸素析出物を形成させうる。しかし、ＤＺがインタスティシャル酸素の外方拡散（ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）に強く依存するために十分なＤＺを得にくい。このような従来の技術により熱的に処理された半導体ウェーハに対して、その上面から下面に至る酸素析出物の濃度プロファイルを図２のように示せる。
【０００９】
特に、付加的な高温の熱的工程が長時間実行される従来の技術は素子の特性を悪化させうる。例えば、スリップや歪み（ｗａｒｐａｇｅ）がウェーハで生じられる。しかも、製造原価も増加しうる。また、そうした場合には、バルク領域内の酸素析出物にトラップされていた金属汚染物、特にＦｅなどが後続工程によりウェーハの表面のＤＺ側に再びリリースされて漏れソースとして作用するという問題点がある。
【００１０】
図３は特許文献１の図１Ａに開示された従来の他の方法により形成された酸素析出物の濃度プロファイルを再図示して示した図面である。特に、図３はＮ２雰囲気下でウェーハに対して急速熱的アニーリング（急速熱的アニーリング）工程を行い、後続熱処理を行って形成された酸素析出物のウェーハ深さによる濃度プロファイルを示したものである。しかし、前記従来の方法は図３から分かるように、ウェーハの表面からのＤＺの確保がほとんど不可能であり、バルク領域内に酸素析出物が十分に存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５４０１６６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されており、同時にウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハを提供するところにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されており、同時にウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハとインゴットとの製造方法を提供するところにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、本発明に係るシリコンウェーハを製造するために急速冷却が可能な単結晶シリコンインゴットを製造するためのチョクラルスキープーラを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態は、真性サイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハを提供する。特に、半導体素子の活性領域が形成されうるシリコンウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から各々所定の第１及び第２深さにある第１及び第２ピークを含む。また、ＤＺがウェーハの上面と第１ピークとの間及びウェーハの下面と第２ピークとの間に含まれる。また、酸素析出物濃度プロファイルは、第１ピークと第２ピークとの間でウェーハのバルク領域に相当するコンケーブ領域を有する。
【００１６】
さらに、本発明の実施形態において、前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のＤＺはその内部に少なくとも１つのスリップ転位領域を含み、それに対してウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位を含まない。他の実施形態では、シリコンウェーハはＳＴＩスリップのないウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺで複数個の浅いトレンチ分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ＳＴＩ）領域を含む。
【００１７】
また、他の実施形態では、酸素析出物濃度プロファイルは、前述したように、第１及び第２ピーク、ＤＺ及び第１及び第２ピークの間のコンケーブ領域を含む。複数個のＳＴＩ領域は、ＳＴＩ領域に近接した前記ウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺ内に含まれ、酸素析出物が、図２のＳＴＩ領域から遠く離れて存在するシリコンウェーハにおけるＳＴＩ領域に比べて減少されたＳＴＩスリップを有する。
【００１８】
本発明の何れかの実施形態では、酸素析出物濃度プロファイルが、上下面間の中心に位置するシリコンウェーハの中心面に対して対称的である。したがって、例えば、前記所定の第１及び第２深さは同一である。しかし、他の実施形態では、前記プロファイルは対称的である必要はなく、例えば、第１ピーク及び第２ピークが相異なる深さになりうる。また、本発明のある実施形態では、ＤＺの深さは、ウェーハの各面から５μｍないし４０μｍの範囲であるために、半導体素子の活性領域が十分に深く形成される。
【００１９】
本発明の他の実施形態では、前記第１ピーク及び第２ピークでの酸素析出物の濃度は、少なくとも１×１０９ｃｍ−３以上であり、前記第１ピーク及び第２ピーク間の前記コンケーブ領域での酸素析出物の濃度は、少なくとも１×１０８ｃｍ−３以上である。さらに他の実施形態では、前記コンケーブ領域内の最低酸素析出物濃度は、前記第１及び第２ピークでの最高酸素析出物濃度よりも少なくとも１次数の大きさだけ小さい。
【００２０】
本発明の他の実施形態に係るシリコンウェーハは、酸素析出物核生成中心、例えば後続する熱処理を通じて前述した酸素析出物濃度プロファイルを生成するベイカンシの制御された分布を含む。前記ベイカンシ濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピークを含む。また、前記ベイカンシ濃度は、前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間にＤＺを形成するために臨界濃度より小さな所定の濃度に保たれる。
【００２１】
前記ベイカンシ濃度プロファイルは、前記第１及び第２ピークの間でコンケーブ領域を有する。一部の実施形態では、前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のＤＺは、その内部に少なくとも１つのスリップ領域を含み、それに対して前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位を含まない。他の実施形態では、複数個のＳＴＩ領域が前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間のＤＺに含まれ、前述した酸素析出物核生成中心を含まないシリコンウェーハでの同一なＳＴＩ領域に比べて減少されたＳＴＩスリップを有する。対称または非対称的なプロファイルが得られる。
【００２２】
本発明の方法を説明する実施形態によれば、急速熱的アニーリング（ＲＴＡ）は、後続する熱処理の間に酸素析出物の成長場所としての役割をする核生成中心を生ずるために、前記シリコンウェーハの上下面に対してベイカンシ注入効果を有するガスとインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスの混合ガス雰囲気下で、約１１００℃ないし１２００℃で前記シリコンウェーハに対して実行され、前記ウェーハの上面から下面に至る核生成中心濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピークを含む。
【００２３】
また、前記核生成中心濃度は、ウェーハの上面と第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と第２ピークとの間にＤＺを形成するための臨界濃度よりも小さな所定の濃度に保たれる。最後に、核生成中心プロファイルは、ウェーハのバルク領域に相当する前記第１ピーク及び第２ピークの間にコンケーブ領域を有する。対称または非対称的なプロファイルが提供されうる。
【００２４】
さらに他の実施形態において、前記ＲＴＡは、後続する熱処理の間に酸素析出物成長サイトとしての役割をする核生成中心を生じるためにＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物の雰囲気下でシリコンウェーハに対して実行され、ウェーハの上面から下面に至る核生成中心濃度プロファイルは前述したようになる。前記ＲＴＡは、約１１００℃ないし１１５０℃で実行される。他の実施形態では、前記ＲＴＡは約１１２０℃で実行される。他の実施形態では、前記ＲＴＡは少なくとも約５秒間行われる。さらに他の実施形態では、前記ＲＴＡは約５０℃／秒であり、ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気を急速に加熱させることが先行する。
【００２５】
本発明のさらに他の実施形態によれば、約１１００℃ないし１２００℃で少なくとも約５秒間ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気下で上下面を有するシリコンウェーハに対してＲＴＡを行うことによって、シリコンウェーハが製作される。他の実施形態において、前記ＲＴＡは約１１００℃ないし１１５０℃で実行される。さらに他の実施形態において、前記ＲＴＡは１１２０℃で行われる。
【００２６】
さらに、他の実施形態において、前記ＲＴＡを行う前に、前記雰囲気の加熱が約５０℃／秒、例えば約８００℃から約１１００℃ないし１１５０℃に増加される。しかも、前記ＲＴＡを行った後に、前記加熱が約１０℃／秒ないし約７０℃／秒、例えば約８００℃まで減少されうる。さらに他の実施形態において、前記加熱を減少させた後、ＮＨ３が前記雰囲気からパージされうる。
【００２７】
本発明の他の方法を示す実施形態によれば、複数個のシリコンウェーハがＲＴＡチャンバ内でＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気下で、一連のウェーハから前記ＲＴＡチャンバにシリコンジオキシドの昇華を起こす温度以下で、一連のシリコンウェーハに対するＲＴＡ工程を連続して行うことによって製作される。前記ＲＴＡは、前述したいかなる条件下でも実行されうる。他の実施形態において、シリコンウェーハがＲＴＡチャンバのシリコンジオキシドを洗浄せずに６ヵ月以上も連続して処理されうる。
【００２８】
他の方法を示す実施形態によれば、熱処理はウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルを生成するために前記ＲＴＡ以後に実行され、前記プロファイルはウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピーク、前記ウェーハの上面と第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺ、前記第１ピークと第２ピークとの間でのコンケーブ領域を含む。対称または非対称的なプロファイルが提供されうる。
【００２９】
本発明の他の実施形態において、本発明の実施形態に係るＲＴＡが行われるシリコンウェーハが、インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊の形成が防止されるのに十分に大きいが、インタスティシャル集塊の形成が防止され、ベイカンシ集塊の形成が防止されるのに十分に小さいインゴット引上げ速度プロファイルによって、ホットゾーン炉で溶融シリコンから引上げられたインゴットから製作されうる。
【００３０】
本発明の他の実施形態では、本発明の実施形態に係るＲＴＡが行われるシリコンウェーハが、インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊を形成せずに、インゴットの直径を貫通しつつベイカンシ集塊が形成されるのに十分な大きさを有するインゴット引上げ速度プロファイルによって、ホットゾーン炉で溶融シリコンから引上げられたインゴットから製作されうる。
【００３１】
本発明の他の実施形態によれば、単結晶シリコンインゴットを成長させるためのチョクラルスキープーラは、チャンバ密封体、溶融シリコンを保有する前記チャンバ密封体内のるつぼ、シード結晶を保有するために前記るつぼに隣接されている前記密封体内のシードホルダー、前記るつぼを取囲む前記密封体内のヒーターを含む。
【００３２】
また、相互離れている内部及び外部熱遮断ハウジング壁、前記内部及び外部熱遮断ハウジング壁と連結した熱遮断ハウジング蓋及び熱遮断ハウジング底を含み、前記熱遮断ハウジング蓋は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁まで上向きに傾き、前記熱遮断ハウジング底は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁に向けて下向きに傾く、環状の熱遮断ハウジングが前記チャンバ密封体内に提供される。前記環状の熱遮断ハウジングは前記外部熱遮断ハウジング壁と前記熱遮断ハウジング底との交点でノッチをさらに含む。支持部材が前記るつぼ内で前記熱遮断ハウジングを支持する。
【００３３】
他の実施形態によれば、前記熱遮断ハウジング底は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁に向けて下向きに傾き、前記内部熱遮断ハウジング壁に隣接した第１部分を含む。また、前記熱遮断ハウジング底は、前記外部熱遮断ハウジング壁から前記内部熱遮断ハウジング壁に向って下向きに傾き、前記外部熱遮断ハウジング壁に隣接した第２部分を含む。
【００３４】
本発明の実施形態に係るチョクラルスキープーラは、前記シードホルダーを、前記溶融シリコンをシリンダー型単結晶シリコンインゴットに成長させるために前記るつぼから引上げ、前記インゴットはシリンダー状であって、その中心軸に沿ってその周囲に成長し、前記溶融シリコンとインゴット−溶融シリコン境界とを形成する。
【００３５】
前記熱遮断ハウジングの前記内部及び熱遮断ハウジング壁の長さ、前記熱遮断ハウジング蓋及び第１及び第２部分の傾斜角度、前記インゴットと前記内部熱遮断ハウジング壁との距離、前記るつぼと前記外部熱遮断ハウジング壁との距離、前記溶融シリコンと前記内部熱遮断ハウジング壁との距離及び前記熱遮断板の位置のうち少なくとも１つが、前記引上げられたインゴットがその中心での前記インゴットの温度に基づき、前記インゴット−溶融シリコン境界での温度から前記インゴットの所定温度まで少なくとも１．４Ｋ／分の割合で冷却されるように選択される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、酸素析出物の垂直的分布を制御することによって、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されると同時に、ウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】シリコンウェーハの表面近傍に形成される従来の一般のＭＯＳトランジスタの構造を示す断面図である。
【図２】従来のシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図３】従来の他のシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態に係るシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを概略的に示す図面である。
【図５】本発明の一実施形態によって実行されるＲＴＡ工程のタイムチャートである。
【図６】Ｎ２ガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図７】Ａｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図８】Ｈ２ガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図９】Ｎ２ガス及びＡｒガスを含むガス混合物の混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のベイカンシ濃度プロファイルを示す図面である。
【図１０】ＲＴＡ工程間に使われたガスの種類に対し、本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を通じて得られた酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図１１】Ａｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行うことによって、シリコンウェーハの表面近傍でのＣＯＰの分解過程を説明するための図面である。
【図１２】Ｎ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１３】Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１４】Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を受けたウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１５】Ｎ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１６】Ｎ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１７】Ｎ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図１８】Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図１９】Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２０】Ｎ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２１】Ｎ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２２Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態を示す写真である。
【図２２Ｂ】これをＮ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った変化されたＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２３Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態を示す写真である。
【図２３Ｂ】これをＮ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後の変化したＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２４Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態示す写真である。
【図２４Ｂ】これをＮ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後の変化したＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２５】本発明の実施形態に係るウェーハの準備を示す工程順序図である。
【図２６】シリコンインゴットでの相対的な点欠陥分布とＶ／Ｇ比（インゴットの引上げ速度／温度勾配）との間の関係を示す概念図である。
【図２７】従来の一般のチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図２８】本発明者による米国特許出願公開第０８／９８９５９１号明細書及び第０９／３２０２１０号明細書に係る他の従来のチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図２９】本発明の一実施形態に係るチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図３０】図２９のチョクラルスキープーラの要部を示す図面である。
【図３１】Ｎ２及びＡｒ混合ガスの流量を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３２】Ｎ２及びＡｒ混合ガスの混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３３】温度昇温率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３４】アニーリング時間を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３５】熱処理温度を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３６】温度下降率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３７】本発明の実施形態に係るＲＴＡのための時間−温度プロファイルを示す図面である。
【図３８】本発明の実施形態に係る図３７のＲＴＡに対する酸素析出物の温度依存性を示す図面である。
【図３９】本発明の実施形態に係る酸素析出物のアニーリング時間依存性を示す図面である。
【図４０】本発明の実施形態に係るＲＴＡの間にＡｒ対ＮＨ３流量比に対する酸素析出物の依存性を示す図面である。
【図４１】本発明の実施形態に係る温度下降率についての酸素析出物の依存性を示す図面である。
【図４２】本発明の実施形態に係る初期酸素濃度の関数としてピークＢＭＤ密度を示す図面である。
【図４３】本発明の実施形態に係るＲＴＡに対する温度対ウェーハの下部表面でのスリップ長さを示す図面である。
【図４４】本発明の実施形態に係るＡｒ／ＮＨ３ガス比対スリップ長さを示す図面である。
【図４５】本発明の実施形態に係る温度下降率の関数としてスリップ長さを示す図面である。
【図４６Ａ】本発明の実施形態に係るウェーハ下部のＸＲＴ写真である。
【図４６Ｂ】本発明の実施形態に係るウェーハ下部のＸＲＴ写真である。
【図４７】ギャップ充填膜緻密化後のトレンチ内におけるストレスを示す図面である。
【図４８Ａ】本発明の実施形態に係るシリコンウェーハで製作される電界効果トランジスタ素子の断面図である。
【図４８Ｂ】図４８Ａのウェーハで酸素析出物のプロファイルを示す図面である。
【図４９】本発明の実施形態に係るトレンチ転位固定の結果として浅いトレンチ分離素子でスリップの移動を示す図面である。
【図５０】本発明の実施形態によって、Ｍ字形酸素析出物濃度プロファイルを有さないウェーハとＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハに対してリフレッシュ時間に対する累積不良率を示す図面である。
【図５１】従来のＲＴＡシステムの断面図である。
【図５２】本発明の実施形態に係る改良されたチョクラルスキープーラの概略図である。
【図５３】図５２のチョクラルスキープーラの改良された部分の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は多くの相異なる形に具現でき、ここで説明される実施形態に限定されるものと解釈されてはならず、かかる実施形態はその開示内容をさらに完全にし、発明の思想を当業者に十分に伝達するために提供されるものである。図面において、層及び領域の厚さは明瞭性のために誇張されている。同一な部材符号は全体的に同一な要素を示す。
【００３９】
層、領域または基板のような要素が他の要素“上”にあるという記載は、他の要素上に直接存在していても、中間要素が介入されていても良い。逆に、何れの要素が他の要素“直接上”にあるという記載は、中間要素が存在しないことを意味する。しかも、ここで描写されて表示される各実施形態はその相補的な導電形態の実施形態を含む。
【００４０】
図４は本発明の一実施形態に係るシリコンウェーハに関する酸素析出物の濃度プロファイルを概略的に示す図面である。図２及び図３に示された従来の技術により形成されたシリコンウェーハ内の酸素析出物の濃度プロファイルと比較して、本発明による酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から一定の深さに至るＤＺが十分に確保されており、各ＤＺとバルク領域との境界で二重ピークが形成される。また、二重ピーク間のバルク領域内での多くの量の酸素析出物が金属汚染物質のゲッタリング効果を十分に発揮できる程度に存在する。
【００４１】
具体的に、従来の酸素析出物プロファイルでは、ウェーハの中央に位置する単一ピークにより捕集された金属汚染物質は、後続する熱処理工程によってリリースされもする。従来のプロファイルに比べて、酸素析出物濃度プロファイルで二重ピークを含む本発明の実施形態では、金属汚染物がウェーハのバルク領域及び表面の両方向にリリースされうるので、表面にリリースされた金属汚染物の量は減少されうる。
【００４２】
図５は本発明の実施形態によって行われるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程のタイムチャートである。本発明が適用されるＲＴＡ炉は商用化されたものを使用できる。前記ＲＴＡ工程において、まず、本発明に係るシリコンウェーハを、例えば、待機周期の間に約７００℃に設定されたＲＴＡ炉でローディングする（Ｉ）。次いで、ＲＴＡ炉の温度を、例えば、約１２５０℃まで約５０℃／秒の割合で急に高める（ＩＩ）。次いで、１２５０℃の温度に一定時間、例えば約１０秒間保つ（ＩＩＩ）。次いで、温度を待機周期の温度まで約３３℃／秒の割合で急に降温させる（ＩＶ）。最後に、ウェーハをＲＴＡ炉からアンローディングする（Ｖ）。図５のようなＲＴＡ工程の実施形態により酸素析出物の核生成中心の分布が制御され、一方、図１１で後述するように、ウェーハの表面近傍に存在するボイドまたはＣＯＰが分解されうる。
【００４３】
図５の工程温度範囲は単に例示的なものに過ぎない。しかし、本発明の実施形態に係るＲＴＡで雰囲気ガスの種類、雰囲気ガスの流量、雰囲気ガスの混合比、温度上昇率、アニーリング温度、アニーリング時間及び／または温度下降率（すなわち、冷却速度）などが、後述するように、図４に係るプロファイルを得るのに寄与する。前記ＲＴＡは少なくとも１１５０℃で少なくとも５秒以上行われる。例えば、１１５０℃で熱処理を行う場合、少なくとも３０秒間保ち、１２５０℃で熱処理を行う場合には少なくとも５秒ないし１０秒間行える。一方、冷却速度は少なくとも３０℃／秒以上に急冷する。
【００４４】
ウェーハの表面にベイカンシ注入効果を提供するガスとインタスティシャルシリコン注入効果を提供するガスを含むガス混合物が本発明の実施形態によってＲＴＡのためのガスとして使われる。一部の実施形態ではＮ２ガスがベイカンシ注入効果を有するガスとして使われ、Ａｒ／Ｈ２ガスがインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスとして使われる。
【００４５】
図６ないし図８は、図５のＲＴＡがそれぞれＮ２、Ａｒ及びＨ２雰囲気下で実行された後、ウェーハの深さに対するベイカンシ欠陥及びインタスティシャルシリコン欠陥の点欠陥濃度プロファイルを示す。図６ないし図８において、線（ａ）は不活性ガス雰囲気でＲＴＡを行った後のベイカンシ点欠陥濃度プロファイルを示し、線（ｂ）及び（ｃ）は対応するガス雰囲気でＲＴＡを行った後、それぞれベイカンシ及びインタスティシャル点欠陥濃度プロファイルを示す。
【００４６】
図６ないし図８の実施形態のように、不活性ガス雰囲気でＲＴＡを行った後のベイカンシ点欠陥濃度（（ａ）で表されるコンベックスカーブ）はウェーハの上下面で低く、ウェーハのバルク領域で高い。ＲＴＡ炉の温度が不活性ガス雰囲気で図５の点（ａ）の温度まで急に上がると、ウェーハで点欠陥として存在するベイカンシの平衡濃度は濃くなる。ベイカンシの移動度はウェーハのバルク領域内で低いためにベイカンシ濃度はバルク領域内で平衡濃度より低く保たれる。しかし、ベイカンシの移動がウェーハの表面近傍では活性的であるためにウェーハの表面近傍でベイカンシの濃度は急に平衡濃度に到達する。
【００４７】
一方、ＲＴＡ炉の温度が急に上がることによって、インタスティシャルシリコンの平衡濃度は、例えば、ベイカンシとインタスティシャルシリコンとの間のフレンケル再結合（Ｆｒｅｎｋｅｌ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）によりベイカンシ濃度が濃くなるにつれて薄くなる。また、ウェーハのバルク領域内に存在するインタスティシャルの移動度がその内部にあるベイカンシのように低いために、バルク領域内のインタスティシャル濃度は平衡濃度より濃く保たれる。しかし、ウェーハの表面近傍でのインタスティシャル濃度は、ウェーハの表面近傍でのベイカンシ濃度のように平衡濃度に到達する。
【００４８】
ウェーハが、図５の点（ｂ）に至るうちに高温で保たれる時、拡散が起こってベイカンシ及びインタスティシャルが平衡濃度に到達する。ウェーハが、図５の点（ｃ）の温度まで急に冷却された後に、大きな拡散係数を有するインタスティシャル点欠陥は下降した温度で新たな平衡濃度に到達する。しかし、小さな拡散係数を有するベイカンシ点欠陥はウェーハで過飽和される。特に、ベイカンシの過飽和程度はウェーハのバルク領域内で高い。しかし、ベイカンシの移動度がウェーハの表面近傍で高いために、ベイカンシ点欠陥の濃度は下降した温度で直ちに新たな平衡濃度に到達する。
【００４９】
したがって、不活性雰囲気でＲＴＡが実行された後のベイカンシ濃度プロファイルは、図６ないし図８のようにコンベックス形状を有する。
【００５０】
また、図６のように、図５のＲＴＡがＮ２ガス雰囲気で行われた場合、ウェーハのバルク領域内に浸透したＮ２ガスは、ベイカンシシリコンと結合して小さなＳｉ３Ｎ４を生成し、よってバルク領域内でベイカンシ濃度は薄くなる。一方、ベイカンシ濃度は、Ｎ２ガスによるベイカンシ注入効果によってウェーハの表面近傍で濃くなる。その結果、Ｎ２雰囲気下でのベイカンシ濃度プロファイルは不活性雰囲気下で製造されたウェーハのそれとは反対形状（（ｂ）で表された線）を有する。
【００５１】
さらに、図５のＲＴＡ工程がそれぞれ図７及び図８のようにＡｒ及びＨ２ガス雰囲気下で行われる時、ベイカンシ濃度はインタスティシャルシリコン注入効果によってウェーハ全体に亙って低まる。特に、ベイカンシシリコンとインタスティシャルシリコンの再結合が使われたガスのインタスティシャルシリコン注入効果によってウェーハの表面近傍で起こるために、ベイカンシ濃度は特定温度で平衡濃度の臨界濃度に保たれる。
【００５２】
本発明の実施形態において、図５のＲＴＡがガス混合物雰囲気、例えば、Ｎ２及びＡｒガス、またはＮ２及びＨ２ガス雰囲気で行われ、よってガス混合物雰囲気下でベイカンシ濃度プロファイルが図６及び図７のそれらを組合わせることで、そして図６及び図８のそれらを組合わせることで得られる。
【００５３】
図９のように、ガス混合物雰囲気下で製造されたウェーハのベイカンシ濃度プロファイルは、シリコンウェーハの上下面から所定深さで第１及び第２ピークを示す。また、前記上下面から前記第１及び第２ピークまでのベイカンシ濃度は特定温度で平衡濃度より小さい。また、第１及び第２ピーク間のバルク領域ではベイカンシ濃度プロファイルはコンケーブ形状を有する。
【００５４】
図９のベイカンシ濃度プロファイルは、図５のＲＴＡ工程がベイカンシ及びインタスティシャルシリコン注入効果を提供するガスを含むガス混合物雰囲気下で行われるために、本発明の実施形態によって得られる。論理学的スケールを使用し、Ｎ２ガス雰囲気下でベイカンシシリコン注入効果から得られたベイカンシシリコン濃度プロファイルを、ＡｒまたはＨ２ガス雰囲気下でインタスティシャルシリコン注入効果から得られたインタスティシャルシリコン濃度プロファイルと比較すると、ベイカンシシリコン濃度プロファイルはウェーハの上下面から所定深さに至る領域でのインタスティシャルシリコン濃度プロファイルよりは険しくない。
【００５５】
しかし、ベイカンシシリコン濃度プロファイルは、前記所定の深さからバルク領域に向うまでのインタスティシャルシリコン濃度プロファイルより険しくなる。したがって、ウェーハの上下面近傍のＤＺで、ベイカンシシリコン濃度は臨界値またはその以下、すなわち、インタスティシャルシリコンとの再結合により、特定の温度で平衡濃度値より小さいか、あるいは同一に保たれる。ＤＺ以外では、ベイカンシシリコン濃度は平衡濃度値と同一か、あるいは高くなるように急に増加する。
【００５６】
そして、ベイカンシ及びインタスティシャルシリコン濃度値間の差が最大値に到達する、すなわち、ベイカンシシリコン濃度プロファイルがインタスティシャルシリコン濃度より険しくなる、ウェーハの深さにおいて、ピーク（第１及び第２ピーク）が形成される。前記ベイカンシシリコン濃度は、前記ピークを越えてバルク領域に向って薄くなるために第１及び第２ピークの間でコンケーブベイカンシ濃度プロファイルが得られる。
【００５７】
本発明の他の実施形態によれば、ウェーハのベイカンシ点欠陥は、後続する半導体素子製作過程の熱処理サイクルを通じて酸素析出物を生成させる。換言すれば、前記ベイカンシ点欠陥は、後続する熱処理サイクルにより形成された酸素析出物のための核生成中心となる。ベイカンシ濃度が高いほど、酸素析出物の濃度は高まる。したがって、酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハのベイカンシ濃度プロファイルから推論されうる。
【００５８】
前記ベイカンシ濃度と酸素析出物濃度は次の関係式を有する。Ｓｉ（シリコン基板）＋ｘＯｉ＋ｙＶｓｉ⇔ＳｉＯ２（酸素析出物）＋ＳｉＩ（インタスティシャルシリコン）＋σ
【００５９】
この関係式は、ベイカンシシリコン濃度ＶＳｉ及び初期酸素濃度Ｏｉが濃くなるにつれて反応は、右に進行されて酸素析出物の濃度が濃くなることを意味する。前記関係式でσは定数である。
【００６０】
一方、本発明の実施形態では、図５のＲＴＡ工程が完了したウェーハに対して後続の熱処理を行って酸素析出物の濃度プロファイルを得た。前記後続の熱処理条件は酸素析出物が形成される半導体素子の製造での熱処理サイクルの条件を考慮して設定した。ウェーハ間の比較のために、図５のＲＴＡ工程が実行された後、後続工程がＮ２ガス雰囲気下で約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間実行された。
【００６１】
また、本発明で使われたガス混合物の効果を調べるために、図５のＲＴＡ工程の間に使われたガス混合物の流量及び混合比を変化させた。図９はＮ２ガス及びＡｒガスを含むガス混合物の混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のベイカンシ濃度プロファイルを示す。図３１はＡｒ／Ｎ２混合ガスの流量を変化させつつピークでの酸素析出物濃度の変化を示すグラフである。
【００６２】
図９において、（ａ）はＮ２及びＡｒの混合比が７０：３０の時のベイカンシ濃度プロファイルを、（ｂ）はＮ２及びＡｒの混合比が５０：５０の時のベイカンシ濃度プロファイルを、（ｃ）はＮ２及びＡｒの混合比が３０：７０の時のベイカンシ濃度プロファイルを各々示す。Ｎ２濃度が濃くなるにつれてピークはウェーハの表面に向って移動し、ピークのベイカンシ濃度は増加することが分かる。すなわち、後続工程によって酸素析出物が形成されないＤＺの深さはＮ２濃度の濃化によって急に浅くなる。
【００６３】
ピークでの図３１の酸素析出物濃度は、図５のＲＴＡが完成された後、Ｎ２雰囲気下で約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間さらに熱処理を行ってから測定した。ここで、前記ＲＴＡは約５０℃／秒の温度上昇率、約１２５０℃のアニーリング温度、約１０秒のアニーリング時間及び約３３℃／秒の温度下降率下でＡｒ／Ｎ２ガス混合物を流すことで行った。Ａｒ／Ｎ２混合物でＡｒ／Ｎ２ガスの流量は１／１、２／２、３／３、４／４及び５／５リットル／分に変化させた。図３１の結果は、酸素析出物濃度が混合ガスの流量の増加によって増加することを示す。
【００６４】
ピークでの図３２の酸素析出物濃度は、ガス混合物においてＡｒ／Ｎ２ガスが多様な混合比で３／１、２．５／１．５、２／２、１．５／２．５、１／３リットル／分の流量で供給されるということを除いては、図３１のデータのための条件と同一な条件下でＲＴＡが行ってから測定した。図５のＲＴＡが完成された後、Ｎ２雰囲気下約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間さらに熱処理が行われた。図３２の結果は、４リットル／分というガス混合物の一定の流量で酸素析出物の濃度がガス混合物でＮ２比率の増加によって濃くなることを示す。
【００６５】
ガス混合物の混合比及び流量、温度上昇率、アニーリング温度及び時間、温度下降率等を含むＲＴＡの工程条件は、ベイカンシ濃度プロファイル、ピークでのベイカンシ濃度値、バルク領域でのベイカンシ濃度値、ＤＺの全てまたは一部でピークの位置を変化させるために様々なレベルに多様化されうる。
【００６６】
図３３は、温度昇温率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするために、ＲＴＡの他の工程条件は一定に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスの混合比率は５０：５０であり、アニーリング温度は１２５０℃、アニーリング時間は１０秒、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は、前述したように、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表１に示した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
図３３及び表１を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は温度上昇率に大きく影響を受けないことが分かる。
【００６９】
図３４は熱処理時間を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。正確な比較のために、ＲＴＡの他の工程条件は同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスとの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング温度は１２５０℃、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同様に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表２に示した。
【００７０】
【表２】
【００７１】
図３４及び表２を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は、アニーリング時間に大きく影響を受けることが分かり、ピークでの酸素析出物の濃度が少なくても１０９／ｃｍ３以上になるには本発明のアニーリング時間が少なくとも５秒以上進められなければならないことが分かる。
【００７２】
図３５は熱処理温度を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするためにＲＴＡの他の工程条件は同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング時間は１０秒、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同一に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表３に示した。
【００７３】
【表３】
【００７４】
図３５及び表３を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は、アニーリング温度に大きく影響を受けることが分かり、ピークでの酸素析出物の濃度が少なくても１０９／ｃｍ３以上になるには、本発明のアニーリング温度には、少なくとも約１２５０℃以上進めなければならないことが分かる。アニーリング温度とアニーリング時間は酸素析出物の濃度と関連して非常に密接な関連がある。図３４の結果を考慮すれば、同一な酸素析出物の濃度を得るためには、アニーリング温度が高ければアニーリング時間を短くし、逆にアニーリング温度が低ければアニーリング時間を長くしうることが分かる。
【００７５】
図３６は温度下降率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするためにＲＴＡの他の工程条件を同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスとの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング温度は１２５０℃、アニーリング時間は１０秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同一に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表４に示した。
【００７６】
【表４】
【００７７】
図３６及び表４を参照すれば、ピークにおいて酸素析出物の濃度は温度下降率に大きく影響を受けないが、温度下降率が大きくなればピークでの酸素析出物の濃度が多少濃くなることが分かる。
【００７８】
図１０は、ＲＴＡの間に使われたガスの種類と関連し、本発明の一実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理による酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。図１０において、（ａ）はＮ２ガス雰囲気、（ｂ）はＮ２及びＡｒガス雰囲気、（ｃ）はＮ２ガス及びＨ２ガス雰囲気、（ｄ）はＡｒガス雰囲気、（ｅ）はＨ２ガス雰囲気下で製造されたウェーハの酸素析出物濃度プロファイルを示す。
【００７９】
比較の基準を同一にするために、各場合において、ＲＴＡ及び後続熱処理は同一な工程条件下で行われた。すなわち、温度１２５０℃で１０秒間実施し、後続熱処理は前述したように、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表５に示した。
【００８０】
【表５】
【００８１】
図１１はＡｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行うにつれてシリコンウェーハの表面近傍でのＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ）の分解過程を説明するための図面である。一般にＣＺ法によるインゴット成長時に形成されるボイド形態のＣＯＰはカットされた八面体ボイド状をなし、ボイド２０ａの内壁側にはシリコン酸化膜２２が形成されている。ＡｒガスまたはＨ２ガスなど図５のＲＴＡ工程中にウェーハの表面にインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスの雰囲気下では表面近傍のＣＯＰが分解される現象が生じる。
【００８２】
具体的に分解のメカニズムを説明すれば、結晶成長中に酸素が初期濃度Ｏｉで含まれたインゴットが冷却されることによってインゴットの酸素濃度は冷却温度で過飽和される。したがって、インゴットから形成されたウェーハの初期酸素濃度も所定の酸素溶解度（図１１で“Ｓ”で示される）を越えて過飽和される。
【００８３】
しかし、ウェーハの表面近傍で初期酸素濃度は、ウェーハの表面を通過して酸素の外方拡散によって前記所定の溶解度“Ｓ”と同一か、小さくなる。一方、ウェーハのバルク領域内では、前記過飽和された酸素がボイド２０ａ内に供給され、前記ボイド２０ａの内側にシリコンオキシド層２２を形成するのに使われる。
【００８４】
また、ウェーハの表面近傍（すなわち、図１１の表面と点線“Ｔ”との間の領域）での初期酸素濃度は酸素の前記所定の溶解度“Ｓ”より小さいために、酸素がボイド２０ｂ内に形成されたシリコンオキシド層（図示せず）から溶解され、同時にシリコンがＲＴＡ工程中に提供されたガスのインタスティシャルシリコン注入効果によって前記ボイド２０ｂの内側に提供される。結果的に、前記ボイド２０ｂの大きさは縮小し続けてついに消える。
【００８５】
前記ＣＯＰ溶解効果によって、本発明に係るＲＴＡ工程は多様な種類のウェーハに対しても拡張されうる。表５のように、このようなＣＯＰ溶解効果はＡｒガスよりはＨ２ガスを使用する場合に増進されうる。
【００８６】
図１２ないし図１６は、図１０の酸素析出物濃度プロファイルを有し、前記ＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理により形成されたウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。特に、図１２はＮ２ガスを、図１３はＡｒガスを、図１４はＨ２ガスを、図１５はＮ２ガス及びＡｒガスを、図１６はＮ２ガス及びＨ２ガスを各々使用する場合に該当する。また、各写真の左側がウェーハの上面であり、右側が下面を示す。
【００８７】
図１７ないし図２１は、図１０の酸素析出物濃度プロファイルを有し、前記ＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理によりウェーハの全面近くに形成された酸素析出物が存在しないＤＺの深さを示す写真である。特に、図１７はＮ２ガスを、図１８はＡｒガスを、図１９はＨ２ガスを、図２０はＮ２ガス及びＡｒガスを、図２１はＮ２ガス及びＨ２ガスを各々使用する場合を示す。表５のようにＮ２ガス雰囲気下ではＤＺがほとんど確保されないことが分かる。
【００８８】
図２２Ａないし図２４Ｂは、アズ−グロン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態のＣＯＰの形状と図５のＲＴＡ工程を行った後の変化された形状をそれぞれ示す写真である。図２２Ａ及び図２２ＢはＮ２ガス雰囲気下で、図２３Ａ及び図２３ＢはＮ２ガス及びＡｒガス雰囲気下で、図２４Ａ及び図２４ＢはＮ２ガス及びＨ２ガス雰囲気下で、各々ＲＴＡ工程を行った場合を示す。
【００８９】
表５のように、Ｎ２雰囲気下ではＣＯＰの分解が本質的に起こらず、Ｎ２ガスがＡｒガスまたはＨ２ガスと混合されたガス混合物雰囲気下ではＣＯＰの分解がよく起こることが分かる。特に、Ｈ２ガス雰囲気下での結果は、ＣＯＰが完全に分解されたことが分かる。このような結果から、アズ−グロン状態でＣＯＰを小さくすれば、図５のＲＴＡ工程中にＣＯＰが完全に分解されたことが分かる。
【００９０】
本発明の実施形態は、シリコンウェーハに対して図５のＲＴＡ工程を行うことによって半導体素子の製造過程で一般に行われる後続熱処理サイクルにより形成される酸素析出物の分布を制御することに関するものである。本発明に係るＲＴＡ工程が行われる間に全体ウェーハの準備とＲＴＡに効率よく適用される実施形態について後述する。
【００９１】
図２５は、本発明の実施形態に係るウェーハの準備を示す工程順序図であって、特に、結晶成長段階（Ｓ１０）後の一般のウェーハリング過程を示す図面である。一般の半導体ウェーハリング方法の概略はウルフとタウバーにより１９８６年に作成されたテキストブック“Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ，Ｖｏｌｕｍｅ１，Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”の１章、１ないし３５頁に詳細に開示されており、その開示内容は参照文献として本明細書に反映される。
【００９２】
図２５を参照すれば、一般のウェーハリング過程はチョクラルスキープーラを使用してインゴットを成長させる結晶成長段階（Ｓ１０）、インゴットをウェーハの形態にスライシングする切断段階（Ｓ１２）、切断されたインゴットのスライスの側面をラウンドしたり、表面をエッチングするエッチング段階（Ｓ１４）を含む。次いで、スライスの表面に対する第１洗浄段階（Ｓ１６）を行った後、ドナーキリング段階（Ｓ１８）が行われ、半導体素子が形成されるウェーハの上面をポリシングするポリシング段階（Ｓ２０）とポリシングされたウェーハに対する第２洗浄段階（Ｓ２２）が行われた後、パッケージングされる（Ｓ２４）。
【００９３】
本発明の実施形態に係る図５のＲＴＡ工程は、ドナーキリング段階（Ｓ１８）で行う。もちろん、本発明の他の実施形態によってＲＴＡを別に行えるが、原価節減の次元でドナーキリング段階で行うことが望ましい。一般に、ドナーキリングとは、シリコンインゴット内に含まれた酸素が後続する半導体素子の製作過程でイオンの形に存在してイオン注入された不純物に対してドナーの役割ができるために、これを防止するために予めウェーハリング過程で熱処理を行って酸素析出物に作る過程を意味し、通常、ＲＴＡ装備で約７００℃で約３０秒以上実施する。
【００９４】
前記結晶成長段階（Ｓ１０）が行われる装置として、図２７は従来の一般的なチョクラルスキープーラを概略的に示す図面である。図２７を参照すれば、チョクラルスキープーラ１００は炉、結晶引上げメカニズム、環境制御器及びコンピュータ化された制御システムを含む。前記チョクラルスキー炉は一般的にホットゾーン炉と呼ばれる。前記ホットゾーン炉はヒーター１０４、石英よりなるるつぼ１０６、黒鉛よりなるサセプタ１０８及び示されたように第１方向１１２に回転する回転軸１１０を含む。
【００９５】
冷却ジャケットまたは冷却ポート１３２が水冷のような外部冷却手段によって冷却される。熱遮断体１１４が付加的な熱分布を提供し、加熱パック１０２が熱吸収物質１１６で充填されて付加的な熱分布を提供する。
【００９６】
前記結晶引上げメカニズムは、示されたように第１方向１１２の逆方向の第２方向１２２に回転できる結晶引上げ軸１２０を含む。前記結晶引上げ軸１２０は、その端部にシードホルダー１２０ａを含む。前記シードホルダー１２０ａはシード結晶１２４をホールディングしており、るつぼ１０６内の溶融シリコン１２６から引上げられてインゴット１２８を形成する。
【００９７】
前記環境制御システムは、チャンバ密封体１３０、冷却ジャケット１３２及び示されていない他の流動制御器及び真空排気システムを含む。コンピュータ化された制御システムは前記ヒーター、プーラ及び他の電気的、機械的要素を制御するために使用されうる。
【００９８】
単結晶シリコンインゴットを成長させるために、前記シード結晶１２４は溶融シリコン１２６と接触し、徐々に軸方向（上側）に引上げられる。単結晶シリコンへの前記溶融シリコン１２６の冷却及び固状化は、インゴット１２８と溶融シリコン１２６との境界１３１で起こる。図２７に示されたように前記境界１３１は前記溶融シリコン１２６に対して膨らんでいる。
【００９９】
一方、本発明によるＲＴＡの実施形態を適用して図４のような制御された酸素析出物の濃度プロファイルを得られるシリコンウェーハは３種に大別される。特に、本発明の実施形態に係るＲＴＡはインタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊のような欠陥が存在しない“パーフェクトウェーハ”、ベイカンシ集塊がウェーハの中心部から一定の半径内のベイカンシ−リーチ領域にのみ形成されており、ベイカンシ領域の外側には、インタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊が存在しない“セミパーフェクトウェーハ”、ウェーハの全体に亙ってインタスティシャル集塊は存在せず、ベイカンシ集塊のみが存在するウェーハに対して適用しうる。
【０１００】
しかし、本発明の適用対象となるウェーハは、必ずこれに限定されるものでもなく、本発明は前記ウェーハに限定されるものでもなく、本発明の原理が適用される全ての形のウェーハを含める。本発明の実施形態は、前述したように、本発明が適用されるシリコンウェーハに対して図５のＲＴＡ工程を実施した後、後続熱処理を行うことによって、図４のような制御された酸素析出物の濃度プロファイルに関するものである。一方、ＣＯＰと関連して本発明の実施形態は、ＣＯＰがウェーハのバルク領域内には存在するが、ＤＺにはＣＯＰが存在しないシリコンウェーハを具現することと繋がる。
【０１０１】
シリコンウェーハにおいて欠陥を防止するために結晶成長時に高純度のインゴットを製作するための多様な研究がなされており、特にシード結晶の引上げ速度とホットゾーン構造での温度勾配を制御する技術がよく知られている。ボロンコフの“Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｗｉｒｌ Ｄｅｆｅｃｔｓ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ”［Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ．５９，１９８２，ｐｐ．６２５−６４３］には、インゴットの引上げ速度Ｖとインゴット−溶融シリコン接触面での温度勾配Ｇの制御に関する技術がよく開示されている。
【０１０２】
また、ボロンコフ理論の応用が本発明者により開かれたシリコン物質に対する向上された科学技術に対する第２回国際シンポジウム（Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ；１９９６．１１．２５−２９）で発表された論文“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”に開示されている。この論文は、Ｇに対するＶの比（以下、Ｖ／Ｇ比）が臨界比（Ｖ／Ｇ）＊以上ではベイカンシ−リーチ領域が形成され、臨界比（Ｖ／Ｇ）＊以下ではインタスティシャル−リーチ領域が形成されることが分かる。
【０１０３】
具体的に、図２６はシリコンインゴットでの相対的点欠陥分布とＶ／Ｇの関係とを示す概念図である。図２６のように、インゴットの成長時、Ｖ／Ｇが臨界点（Ｖ／Ｇ）＊以上ではベイカンシ−リーチ領域が形成され、臨界ベイカンシ濃度Ｃｖ＊以上ではベイカンシ集塊が形成され、臨界インタスティシャル濃度ＣＩ＊以下ではインタスティシャル集塊が形成されることが分かる。また、図２６で（Ｖ／Ｇ）Ｉ＊から（Ｖ／Ｇ）Ｂ＊までの幅はインタスティシャル関連欠陥（小さい転位）のＢ−バンドを示し、（Ｖ／Ｇ）Ｖ＊から（Ｖ／Ｇ）Ｐ＊までの幅はＯ．Ｓ．Ｆリング（大きな酸素析出物）のＰ−バンドをそれぞれ示す。
【０１０４】
本発明の実施形態は、インゴット成長時、Ｖ／Ｇが前記Ｂ−バンド及びＰ−バンド間のＶ／Ｇ比を有する無欠陥のパーフェクトウェーハ、前記Ｐ−バンドを含むＶ／Ｇ比を有するセミパーフェクトウェーハ及び臨界ベイカンシ濃度ＣＶ＊に該当する臨界Ｖ／Ｇ比（Ｖ／Ｇ）＊以上でＶ／Ｇ比に起因してベイカンシ集塊がウェーハの全体に形成されるウェーハに適用されうる。
【０１０５】
一方、本発明の適用対象となるウェーハのパーフェクトウェーハ及びセミパーフェクトウェーハに対しては米国特許出願公開第０８／９８９５９１号明細書及びそれに関するＣＩＰ出願である第０９／３２０２１０号明細書及び第０９／３２０１０２号明細書によく開示されており、本出願書と共に結合する参照し、その詳細な説明は略す。
【０１０６】
図２８は、前記ＣＩＰ出願に開示された改良されたチョクラルスキープーラを示す概略図であって、図２７のチョクラルスキープーラと比較して熱遮断体２１４を改良したものである。図２８を簡略に説明すれば、改良されたチョクラルスキープーラ２００は炉、結晶引上げメカニズム、環境制御器及びコンピュータ化された制御システムを含む。前記ホットゾーン炉はヒーター２０４、るつぼ２０６、サセプタ２０８及び示されたように第１方向２１２に回転する回転軸２１０を含む。冷却ジャケット２３２と熱遮断体２１４が付加的な熱分布を提供し、加熱パック２０２が熱吸収物質２１６で充填されて付加的な熱分布を提供する。
【０１０７】
前記結晶引上げメカニズムは、示されたように第１方向２１２の逆方向の第２方向２２２に回転される結晶引上げ軸２２０を含む。前記結晶引上げ軸２２０はその端部にシードホルダー２２０ａを含む。前記シードホルダー２２０ａはシード結晶２２４をホールディングしており、るつぼ２０６内の溶融シリコン２２６から引上げられてインゴット２２８を形成する。
【０１０８】
前記環境制御システムはチャンバ密封体２３０、冷却ジャケット２３２及び示されていない他の流動制御器及び真空排気システムを含む。コンピュータ化された制御システムは、前記ヒーター、プーラ及び他の電気的、機械的要素を制御するために使用されうる。
【０１０９】
単結晶シリコンインゴットを成長させるために、前記シード結晶２２４は溶融シリコン２２６と接触し、徐々に軸方向（上側）に引上がる。単結晶シリコンへの前記溶融シリコン２２６の冷却及び固状化は、インゴット２２８と溶融シリコン２２６との境界２３１で立ち上がる。図２７のチョクラルスキープーラ２００と比べて熱遮断体２１４内に熱遮断ハウジング２３４をさらに設けてＶ／Ｇの調節をさらに精密にしたものである。
【０１１０】
図２９は本発明の実施形態によって改良されたチョクラルスキープーラを示す概略図であり、図３０はその改良された要部を示したものであって、図２８と同一な構成部分に対してはその詳細な説明を略す。改良された部分は、図２９及び図３０のように、熱遮断ハウジング３００の形状が変更され、熱遮断板３６０がさらに設けられた。前記熱遮断ハウジング３００は、９０゜回転された台形形状であり、望ましくは垂直の内部熱遮断ハウジング壁３１０及び外部熱遮断ハウジング壁３３０、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０と外部熱遮断ハウジング壁３３０とを連結する熱遮断ハウジング蓋３４０及び熱遮断ハウジング底３２０を含む環状を有する。
【０１１１】
ここで、前記熱遮断ハウジング蓋３４０は、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０から前記外部熱遮断ハウジング壁３３０まで水平面からβの角度で上向きに傾いており、前記熱遮断ハウジング底３２０は、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０から前記外部熱遮断ハウジング壁３３０まで水平面からαの角度で下向きに傾いており、示されたように台形形状を形成する。
【０１１２】
前記環状の熱遮断ハウジング３３０内には熱吸収物質（図示せず）が内蔵され、カーボンフェライトより形成されうる。
【０１１３】
また、熱遮断ハウジング３００の熱遮断ハウジング蓋３４０と冷却ジャケット２３２との間で前記引上げられるインゴットの周囲を取囲む熱遮断板３６０が備えられ、前記熱遮断ハウジング３３０は、支持部材３５０により加熱パック２１６の上側に固定される。
【０１１４】
図２９及び図３０のチョクラルスキープーラは、インゴットの冷却速度を向上させうる構造である。引上げられたインゴット内に存在するボイドの大きさは、一般にインゴット−溶融シリコン境界での初期ベイカンシ濃度の自乗根に比例するが、インゴットの冷却速度の自乗根に反比例する。一方、図１１のようにインゴット内に存在するボイドの大きさを一定の大きさ以下に形成すれば、たとえ結晶成長時インゴット内にボイドが形成されたとしても、本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程によりＤＺから分解されうる。
【０１１５】
したがって、このような本発明の目的によってインゴット内に形成されるボイドを小さくするためにインゴットの冷却速度を向上させねばならない。一方、インゴットの冷却速度が速くなると、引上げられるインゴットの中心軸に沿って温度勾配（Ｇｃ）が大きくなり、所定の欠陥分布を有するようにＶ／Ｇを一定に保つ場合、インゴットの引上げ速度も速くなる。
【０１１６】
本発明の実施形態によれば、前記インゴット−溶融シリコン境界での温度から前記インゴットの所定の温度まで冷却させるために、前記中心でのインゴットの温度に基づいて前記インゴットの冷却速度を少なくとも１．４Ｋ／ｍｉｎ以上になるように、少なくとも前記内部熱遮断ハウジング壁３１０の長さ“ａ”及び外部熱遮断ハウジング壁３４０の長さ“ｃ”、熱遮断ハウジング蓋３４０の傾斜角“β”及び熱遮断ハウジング底３２０の傾斜角“α”、前記インゴット２２８から内部熱遮断ハウジング壁３１０までの距離“ｄ”、前記るつぼ２０６から外部熱遮断ハウジング壁３３０までの距離“ｆ”、前記内部列遮断ハウジング壁３１０と外部熱遮断ハウジング壁３３０までの距離“ｅ”及び前記熱遮断板３６０の位置が変化されうる。
【０１１７】
図２９のプーラでは、成長されるインゴットの冷却速度が速いために引上げ速度を非常に速く、例えば、０．５０ｍｍ／ｍｉｎから１．００ｍｍ／ｍｉｎにできるためにインゴットの生産性が向上されるだけでなく、図２８のチョクラルスキープーラで製作されるパーフェクトウェーハやセミパーフェクトウェーハのためのインゴット成長時の工程マージンも確保しうる。
【０１１８】
前述した本発明の実施形態は、その内部に高密度及び／または高性能の集積回路を製作するために適切なシリコンウェーハを生産しうる。しかし、量産の側面では前述した本実施形態によって製作されたシリコンウェーハは、その素子領域で望ましくないハイレベルのスリップを有しうるということがわかる。素子領域内でのスリップは、急速熱的アニーリング中にその支持ピン及び／または支持リング上でウェーハの自体荷重によって誘導されたストレス及びＳＴＩ緻密化によって誘導されたストレスにより生じる。このようなスリップは、前記ウェーハから製作された集積回路素子の信頼性及び／または収率に影響を与えることがある。
【０１１９】
さらに、前述したように製造されたシリコンウェーハはＲＴＡチャンバ上に望ましくないシリコンジオキシド昇華を起こしうる。特に、ウェーハからの自然酸化膜または他のＳｉＯ２はＲＴＡ工程中に蒸発し、石英よりなるＲＴＡチャンバ上に蒸着されうる。ＲＴＡチャンバ上のＳｉＯ２昇華は、ＲＴＡ工程の効率、信頼性及び／または再現性を減少させ、ＲＴＡチャンバに対する頻繁な洗浄及び／または交替を必要とすることがある。
【０１２０】
発明の実施形態は、第１及び第２ピーク、ＤＺ及び前記第１及び第２ピーク間のコンケーブ領域を含む前記酸素析出物濃度プロファイルを作るために使われた前記ＲＴＡ工程が前述したように、Ｎ２及びＡｒのガス混合物よりもＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物雰囲気で行われるという事実から発現できる。Ｈ２の代りにベイカンシ注入ガスとしてＮＨ３を使用することにより、前記ＲＴＡ工程はＮ２及びＡｒ雰囲気下でこれまで使われた１２２０℃のような高温と比較して約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃、または約１１２０℃のような低温で行われる。ＲＴＡ工程を低温で行うことによって、スリップの量及び／またはシリコンジオキシド昇華量は顕著に減少されうる。したがって、前記ウェーハから製作される集積回路の収率及び信頼性は高まり、ウェーハの製作に対する量産費用が減少されうる。
【０１２１】
特に、本発明の実施形態によれば、第１及び第２ピーク、前記ウェーハの上面と第１ピークとの間及びウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺ、及び第１ピーク及び第２ピークとの間のコンケーブ領域を含む酸素析出物濃度プロファイルを有するシリコンウェーハを前述したように製作しうる。しかし、本発明の実施形態によれば、前記ウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺはその内部に少なくとも１つのスリップ領域を含み、一方ウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位が存在しない。
【０１２２】
特に、ウェーハの上面から約５μｍないし４０μｍの厚さを有するスリップのない領域が作られ、その内部で形成された素子は向上された収率、性能及び／または信頼性を有する。しかも、複数個のＳＴＩ領域がウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺで形成され、酸素析出物を前記ＳＴＩ領域から遠く離れて存在するシリコンウェーハと同一なＳＴＩ領域と比較して減少されたＳＴＩスリップを有する。望ましくは、前記ＳＴＩ領域はＳＴＩスリップが存在しない。
【０１２３】
また、本発明の実施形態は前記ＲＴＡが前述したような核生成中心濃度プロファイルを得るために約１１００℃ないし１２００℃の間、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃、または約１１２０℃で実行可能にする。しかし、低温で行われるために、スリップが前述したように減少され、シリコンジオキシド昇華が減少または除去されうる。
【０１２４】
特に、本発明の実施形態はＲＴＡ工程を少なくとも約５秒間約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃の間、または約１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気で上下面を有するウェーハに対して実行される。一部の実施形態で、ＲＴＡを行う前に、Ｏ２がパージされてＯ２とＮＨ３との相互反応を減少させたり、防止させうる。
【０１２５】
センサーが前記雰囲気内で所定の濃度以下のＯ２が存在することを感知するために使用されうる。選択的には、Ｏ２をパージさせるために温度が所定の温度、例えば約８００℃で所定時間、例えば１０秒間保たれる。ＲＴＡが実行された後でＮＨ３も前記雰囲気からパージされうる。
【０１２６】
本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程は一連のシリコンウェーハからＲＴＡチャンバ上にシリコンジオキシドの昇華を起こす温度以下にＲＴＡチャンバ内で一連のウェーハに対して連続的に行われる。約１２００℃以下、または約１１５０℃以下、または約１１２０℃以下の温度が使用されうる。したがって、チャンバの洗浄及び／または取替えの必要性が減少または除去されうる。
【０１２７】
１つの特定例では、約１２００℃以上の温度でＨ２及びＮＨ３を使用してＲＴＡを行う時、ＲＴＡチャンバは６ヵ月毎にＲＴＡチャンバを洗浄または取替える必要があるということがわかった。対応的にＮＨ３及びＡｒを使用して１１５０℃以下の低温でＲＴＡを行う本発明の実施形態は、６ヵ月以上洗浄またはＲＴＡチャンバの取替えが不要である。
【０１２８】
図３７は本発明の実施形態に係るＲＴＡのための時間／温度プロファイルを示すグラフである。図３７のＲＴＡ工程は、図４のウェーハに関するものと同一なＭ字形のプロファイルを作れるが、スリップによるストレスを減少させ、シリコンジオキシドの昇華を減少させうる。しかも、図３７の本発明の実施形態は図５と関連して前述したＲＴＡ工程の実施形態と比較されうる。
【０１２９】
図３７を参照すれば、時間（ａ）の前にウェーハが、その温度が約１０秒の待機周期（Ｉ）の間、例えば約８００℃に設定された従来の石英ＲＴＡ炉のようなＲＴＡチャンバまたは炉内にローディングされる。この時間の間にＡｒがＲＴＡチャンバ内に流れる。しかも、時間（ａ）と時間（ｂ）との時間周期（Ｉ）の間にウェーハから外部拡散されたり、及び／またはそうでなければＲＴＡ雰囲気に存在する酸素をパージするために酸素パージが行われる。前記酸素パージはＲＴＡ温度を１０秒程度の所定の時間周期（Ｉ）の間に待機温度で維持及び／またはチャンバ内の酸素濃度が１ｐｐｍａ以下のような所定量以下に減少されることを感知しうるセンサーをＲＴＡチャンバ内に提供することによって行われる。
【０１３０】
また、酸素パージ周期（Ｉ）の端部でＲＴＡ炉の温度は時間周期（ＩＩ）の間に、例えば秒当り約５０℃の割合で急に高まる。温度上昇と同時にＮＨ３がチャンバに流込む。ＮＨ３流入の開始は温度上昇の開始前に、時間（ｂ）以前に起こるか、時間（ｂ）と（ｃ）との間の温度上昇中の何れの段階で起こるか、あるいは時間（ｃ）以後にＲＴＡ温度が得られた後に起こりうる。図３７のように、ＮＨ３流入は時間（ｂ）で温度上昇の開始と一致しうる。
【０１３１】
また、前記ＲＴＡは、時間（ｃ）と時間（ｄ）との時間周期（ＩＩＩ）の間に約５秒ないし約３０秒間保たれる。図３７のように、時間周期（ＩＩＩ）の間にＲＴＡ温度は、望ましくは約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃の間である。他の実施形態において前記ＲＴＡは約１１００℃ないし１１２０℃に保たれる。さらに、他の実施形態において、ＲＴＡは約１１２０℃で行われる。このようなＲＴＡ工程は、約１２５０℃でＲＴＡを行う前述した図５及び米国特許第６２０４１５２号明細書及び第５９９４７６１号明細書に開示されたような他の従来のＲＴＡ工程と対照されうる。
【０１３２】
また、ＲＴＡ炉で温度は時間周期（ＩＶ）で、例えば、約１０℃／秒及び７０℃／秒の間の割合で、望ましくは約３３℃／秒に待機周期（Ｖ）まで急に降温する。望ましくは、ＮＨ３の流れは時間（ｅ）の温度下降周期（ＩＶ）の終わりまで保たれる。しかし、ＮＨ３の流れは温度下降周期（ＩＶ）またはＲＴＡ周期（ＩＩＩ）の間に終了されうる。待機周期（Ｖ）の間に、望ましくはＮＨ３パージが、例えば、時間（ｅ）で起こる。しかし、ＮＨ３パージはより迅速に起こるか、あるいは起こらないこともある。望ましくは、一度ＮＨ３パージが実行されれば、ウェーハは時間（ｆ）でＲＴＡ炉からアンローディングされる。
【０１３３】
本発明の実施形態によれば、図３７のＲＴＡプロファイルは、スリップ及び／または酸素昇華を顕著に減少及び／または除去できる図４のような望ましいＭ字形酸素析出物濃度カーブを得るために使用されうることが分かる。
【０１３４】
図３７の工程温度範囲は、単に例示的なものに過ぎない。しかも、本発明の実施形態に係るＲＴＡで不活性ガスの流量、不活性ガスの混合比、温度上昇率、アニーリング温度、アニーリング時間及び／または温度下降率は以下で説明されるように図４によるプロファイルを得るために調整されうる。
【０１３５】
図３８は、本発明の実施形態によって多様な急速アニーリング温度（図３７の周期ＩＩＩ）について図３７の急速熱的アニーリング工程に対する酸素析出物の温度依存性を示すグラフである。あらゆる場合で、１０秒間の周期ＩＩＩのアニーリング時間が用いられ、周期ＩＶでの温度下降率は３３．３℃／秒であり、ＡｒとＮＨ３の流量は同一にした。
【０１３６】
図３８は、図４のような第１及び第２ピークに対するＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ−Ｄｅｆｅｃｔ）密度（すなわち、ベイカンシ欠陥及びインタスティシャル欠陥）（ピークＢＭＤ）と第１及び第２ピーク間のコンケーブバルク領域内の最低領域に対するＢＭＤ（バルクＢＭＤ）を示すグラフである。各ＢＭＤ測定と関連した四角形は、図４のＤＺの深さを示す。ＢＭＤ欠陥は密度（ｃｍ−２）で表され、１０４倍して体積（ｃｍ−３）に変換されうる。
【０１３７】
図３８を参照すれば、最右側の棒グラフ対は１２２０℃の温度でＡｒ及びＮ２の雰囲気で約２３μｍの深さを有するＤＺ、約１．４×１０６のピークＢＭＤ及び約１．２×１０５のバルクＢＭＤを示す。図３８のように、似た特性が約１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３の雰囲気で得られる。したがって、類似したＢＭＤプロファイルが、Ａｒ及びＮ２雰囲気が用いられた温度よりも１００℃低い１１２０℃で得られる。
【０１３８】
また、図３８はＤＺの深さ、バルクＢＭＤ及びピークＢＭＤが温度の関数として制御できるということを示す。約１１００℃と約１１５０℃との間の範囲はバルクＢＭＤとピークＢＭＤとを相対的に一定に保つ一方、ＤＺの深さを制御できる。例えば、約１１２０℃と約１１７０℃との間でＤＺの深さ、ピークＢＭＤ及びバルクＢＭＤは相対的に温度により影響を受けないと現れ、一方約１１００℃と約１１２０℃との間ではＤＺの深さは温度増加と共に浅くなり、ピークＢＭＤ濃度及びバルクＢＭＤ濃度は温度増加と共に増加する。
【０１３９】
図３９は、本発明の実施形態に係る酸素析出物のアニーリング時間依存性を示すグラフである。図３９のように、Ａｒ及びＮＨ３を同一流量を使用し、１１２０℃のアニーリング温度で、ピークＢＭＤ、バルクＢＭＤ及びＤＺ深さのうちいずれも１０秒ないし３０秒間のアニーリング時間にあまり依存しないと現れた。したがって、生産量を増加させるために１０秒のアニーリング時間が望ましい。
【０１４０】
図４０は、本発明の実施形態に係る、ＮＨ３に対するＡｒの流量比に対する酸素析出物の依存性を示すグラフである。グラフから見られるように、広い範囲の比率に亙ってＮＨ３に対するＡｒの流量比に対するピークＢＭＤ、バルクＢＭＤ及びＤＺ深さはあまり依存しないものと現れた。
【０１４１】
図４１は、図３７の区間ＩＶで温度下降率に対する酸素析出物の依存性を示すグラフである。グラフから分かるように、秒当り１０℃ないし７０℃に至る広範囲の比率に亙って温度下降率に対するＤＺ深さ、ピークＢＭＤまたはバルクＢＭＤの依存性が若干ある。
【０１４２】
図４２は、本発明の実施形態に係るアズ−グロンインゴットとウェーハでの初期酸素濃度の関数としてピークＢＭＤとバルクＢＭＤとを示すグラフである。上部線（実線）はピークＢＭＤ密度を示し、下部線（点線）はバルクＢＭＤ密度を示す。グラフから分かるように、たとえピークＢＭＤは、結晶成長の間に初期酸素濃度に相対的に独立しているが、バルクＢＭＤは、初期酸素濃度に強く依存している。
【０１４３】
したがって、初期酸素濃度は、約１３ｐｐｍａの初期酸素濃度において約５から約９ｐｐｍａにおいて約１０までバルクに対するピークＢＭＤの比を制御するために使用されうる。特に、ピークＢＭＤとバルクＢＭＤとの間に少なくとも１次数の大きさ（約１０倍）の差を提供するために、初期酸素濃度は、例えば、約９ｐｐｍａに選択されうる。
【０１４４】
要約すれば、図３８ないし図４２は、ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気を使用し、図４のＭ字形酸素析出物濃度プロファイルが１２００℃以下、１１５０℃以下、１１００℃ないし１１２０℃の間、及び／または約１１２０℃の温度で得られ、１２２０℃のような約１２００℃以上の温度でＡｒ及びＮ２下で得られる酸素析出物濃度プロファイルに比べて見劣りがしない。前述した温度範囲を含めて本発明の実施形態を使用してスリップ発生及びシリコンジオキシド昇華がどのように減少及び除去されるかが見られる。
【０１４５】
本発明の実施形態によって、スリップ発生の減少を説明する前に、スリップの発生についての説明が与えられる。当業者によく知られたように、ＲＴＡ間ウェーハは３つの支持リングまたはエッジリングを使用してＲＴＡ炉内で支持されうる。前記支持ピンまたはエッジリングで単に部分的にウェーハを支持することによって、ウェーハの自体荷重はウェーハにストレスを誘導し、その自体がスリップを起こせる。
【０１４６】
スリップは一般に前記支持ピンまたは支持リングにより支持されているウェーハの下部面で起こり、素子が形成されたウェーハの上部面まで延びる。活性素子に対するスリップの衝撃を減少及び除去するために、第１ピークと第１（上部）面間のＤＺ内にスリップのない領域を提供することが望ましい。言い換えれば、ウェーハの上部面から約４０μｍの深さに至る無スリップ領域を提供することが望ましい。したがって、底面からのスリップが素子領域に入らないようにする。ところが、従来のＲＴＡ工程を使用すれば４０μｍ無スリップ領域を提供することが難しくなる。
【０１４７】
図４３は、Ａｒ及びＮＨ３雰囲気を使用する本発明のＲＴＡ実施形態に対する温度対ウェーハの底面でのスリップ長さを示すグラフである。図４３において、スリップ長さは上左部に示されたウェーハの三箇所で測定した。これら位置は、ＲＴＡ炉でウェーハ支持位置に対応する所である。第１支持ピン１は、ＲＴＡ炉のガス入口に隣接し、他の位置２、３はガス入口から離れている。図４３の右側に示されたのは、Ａｒ及びＮ２の雰囲気に対するスリップ長さ測定値である。
【０１４８】
図４３を参照すれば、Ａｒ及びＮ２の雰囲気下の１２２０℃で、３．５ｍｍのスリップ長さがウェーハ上の位置１で得られ、これは受け入れられない。明確に対応して減少された温度１１２０℃では１．５ｍｍ以下のスリップ長さが本発明の実施形態に係るＡｒ及びＮＨ３を使用して得られる。ウェーハの底で１．５ｍｍ以下のスリップ長さは４０μｍまでウェーハの上部で無スリップ領域を得られる。したがって、ウェーハの無スリップ活性領域が生産されうる。
【０１４９】
図４４は、本発明の実施形態に係るＮＨ３に対するＡｒガス比対スリップ長さを示すグラフである。グラフで見られるように、１．５ｍｍ以下の受け入れられるスリップがガス比の広い範囲に亙って生産されうる。
【０１５０】
図４５は、本発明の実施形態に係る温度下降率の関数としてスリップ長さを示したグラフである。示されたように、温度下降率はスリップ長さに影響を与えられる。約１．５ｍｍ以下のスリップ長さを提供するために少なくとも秒当り３０℃の温度下降率が保たなければならない。
【０１５１】
図４６Ａ及び図４６Ｂは、スリップを示すウェーハ底のＸＲＴ（Ｘ−ｒａｙ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）写真であり、それぞれ１０秒間１２５０℃でＡｒ及びＮ２雰囲気でのＲＴＡ及び１０秒間１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３ガス雰囲気でのＲＴＡに該当する。図４６Ａのように、深刻なスリップが図４３ないし４５の位置＃１に該当し、図４６Ａの上部のウェーハの第１位置で見られる。これに対し、図４６Ｂでは唯一の欠陥はウェーハの３ピン位置でのピンマーク自体だけである。したがって、無スリップ活性領域を有するウェーハが生産されうる。
【０１５２】
以下、本発明の実施形態に係るスリップ減少の他の形態を説明する。特に、ＤＺ下に十分に高い密度の酸素析出物を有するＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを提供することによって、ＳＴＩ素子内でスリップが減少され、望ましくは除去されうる。当業者によく知られたように、ＳＴＩは集積回路基板の活性領域内でトランジスタのような素子を相互分離するために使用されうる。
【０１５３】
当業者によく知られたように、ＳＴＩでトレンチは半導体基板の表面内に形成され、次いでＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）及び／またはＨＤＰ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ）のような絶縁物質で充填される。また、トレンチはシリコンナイトライドのような他の絶縁体で並べられうる。トレンチ内の絶縁物質とシリコンウェーハとの間の熱膨張差によって、圧縮及び／または引張りストレスがトレンチと基板との境界面に誘導されうる。
【０１５４】
トレンチ分離領域でのストレス量はトレンチ縦横比及び／または他の工程条件の関数で有り得る。例えば、表６は三つのウェーハＤ２１、Ｄ１９及びＤ１７に対するトレンチにおけるストレス分布を示し、ウェーハＤ２１からウェーハＤ１９及びＤ１７に行くほど縦横比は増加する。表６のように、ストレスはウェーハＤ２１で最高であり、ウェーハＤ１７で最低である。
【０１５５】
【表６】
【０１５６】
図４７は表６のウェーハに対するギャップ充填膜緻密化後のトレンチにおけるストレスを示す。図４７で線の長さはストレス量に比例する。
【０１５７】
特定の作動理論によらず、酸素固定現象が生じうるためにＳＴＩ素子でスリップは本発明の実施形態に係る酸素析出物濃度プロファイルを使用して減少できると理論化される。特に、本発明の実施形態に係る酸素析出物濃度プロファイルは酸素析出物のない素子活性領域を提供するが、前記活性領域に隣接したウェーハバルクに非常に高密度の酸素析出物を提供できる。しかも、酸素析出物間の空間は非常に小さくなりうる。これら特性は、バルク領域内で高い線張力（ｌｉｎｅ ｔｅｎｓｉｏｎ）を生じ、交互にトレンチから転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）の運動を誘発させうるために転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が素子活性領域から移動してしまい、酸素析出物に固定されると理論化される。
【０１５８】
図４８Ａは、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハ内で製造される電界効果トランジスタ素子の断面図であり、酸素析出物を形成するために８００℃で４時間、１０００℃で１６時間アニーリングさせた。図面に示されたように、上部ＤＺに対応する素子活性領域は一般に酸素析出物がないが、高密度の酸素析出物がＭ字形プロファイルで第１ピークに対応する前記素子に隣接したバルク領域内で発見される。図４８Ｂは、本発明の実施形態によって図４８Ａのウェーハで酸素析出物のＭ字形プロファイルを示すグラフである。
【０１５９】
図４９は、本発明の実施形態によってトレンチ転位固定の結果としてＳＴＩ素子でスリップの潜在的の運動を概念的に示す。特定の作動理論によらず、図４９でＦＡは、例えばトレンチ内のギャップ充填物質の緻密化後に生じる工程によって誘発されたストレスである。ＦＡは、図４７のシミュレーションの結果によって示されるようにトレンチの角部で最大となる。また、図４９で、Ｆｉｎｔはトレンチ転位と酸素析出物との内部作用力であり、次のように与えられる。
【０１６０】
【数１】
ここで、量（ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）は図４９に示されており、εＯとεＤはひずみ（ｓｔｒａｉｎ）を、ｖは体積を示す。図４９に示されたように、転位運動（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）は次のように得られる。
【０１６１】
【数２】
【０１６２】
ＦＬＴは線張力ベクトルであり、材料定数（ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ）Ｇ、バーガースベクトルｂ及び転位中心間の長さＬの関数である。したがって、酸素析出物間の距離が減少する時、線張力ＦＬＴは強くなる。これは、ＦＡ≦ＦＬＴ＋Ｆｉｎｔである転位固定条件で転位移動を起こし、よって平衡条件ではＦＬＴｍａｘ＝Ｇｂ／Ｌである。したがって、Ｌが減少すればＦＬＴｍａｘは増加する。結論的に、特定の作動理論によらず、高密度の小さな酸素析出物がＬを減少させ、ＦＬＴを増加させ、よってＦＡ≦ＦＬＴ＋Ｆｉｎｔよりなって転位固定を起こす。
【０１６３】
転位固定を直接観察しがたい。しかし、転位固定は、図４のプロファイルを含むように製造されたＳＴＩ構造を有する１２８ＭＢ ＤＲＡＭのような素子を比較することによって確認されうる。図５０は、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の下部曲線）と一定した酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の上部曲線）とに対するリフレッシュ時間対不良ビット数を示すグラフである。
【０１６４】
図５０に示されたように、与えられたリフレッシュ時間に対して不良ビットの数は、一定の酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の上部曲線）に比べ、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の下部曲線）を使用する場合にさらに低い。特定の作動理論によらず、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物プロファイルは活性素子領域内で転位固定を提供するものと理論化されうる。
【０１６５】
当業者によく知られたように、活性素子領域内で転位はその内部に電子を捕捉し、これは素子のリフレッシュ時間を縮小させ、そして／または与えられたリフレッシュ時間でさらに多くの数の不良ブットを生じる。したがって、図５０は、転位固定が本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを使用して生成されるという証拠を提供するものである。
【０１６６】
前述したように、本発明の実施形態によって製造されたシリコンウェーハはＲＴＡチャンバ上にシリコンジオキシド昇華を減少させ、望ましくは除去しうる。図５１は、石英チャンバ５１２及びＲＴＡ熱源５１４を含む従来のＲＴＡシステム５１０の断面図である。ウェーハ５１６がチャンバ５１２内で見られ、支持台５１８により支持されている。前記ウェーハは一般的にその上に自然酸化層５２０を含む。
【０１６７】
約１２００℃上の温度でＲＴＡを行えば、存在する自然酸化物及び／または他のシリコンジオキシドは、ウェーハから蒸発して石英チャンバ５１２上に蒸着されうる。このような現象を“シリコンジオキシド昇華”と称する。シリコンジオキシドが前記チャンバ壁上に蒸着されると、これはチャンバの効率及び／または工程の信頼性を低下させ、ウェーハの収率及び／または性能を低下させうる。
【０１６８】
明確に比較したところ、本発明の実施形態によってＲＴＡアニーリングが約１２００℃以下、約１１５０℃以下、約１１００℃ないし１１２０℃の間、約１１２０℃で実行されれば、シリコンジオキシド昇華はほとんど起こらない。実際にチャンバ５１２の洗浄または取替え無しにＲＴＡシステム５１２内でウェーハが６ヵ月以上処理されうることが分かった。
【０１６９】
図５２は、本発明の実施形態に係る改良されたチョクラルスキープーラの概略図であり、図５３は図５２のチョクラルスキープーラの改良された部分を示す詳細図である。図５２及び図５３において、図２８ないし図３０と同一な参照番号は同一な要素を示し、図２８ないし図３０との違いだけを以下で説明する。
【０１７０】
図５２及び５３に示されたように、熱遮断ハウジング底は内部熱遮断ハウジング壁３１０から外部熱遮断ハウジング壁３３０に向けて下向きに傾いた内部熱遮断ハウジング壁３１０に隣接した第１部分３２０ａを含む。また、外部熱遮断ハウジング壁３３０から内部熱遮断ハウジング壁３１０に向け、例えば、図５３に示した角度γで下向きに傾いた前記外部熱遮断ハウジング壁３３０に隣接した第２部分３２０ｂを含む。一方、前記熱遮断ハウジング底の第２部分３２０ｂは、外部熱遮断ハウジング壁３３０と熱遮断ハウジング底３２０との交差部で前記熱遮断ハウジング内のノッチとも考えられる。
【０１７１】
図５２及び５３のチョクラルスキープーラは、本発明の実施形態によって次の長所の１つまたはそれ以上を提供しうる。第１、インゴット２２８の表面と内部熱遮断ハウジング壁３１０との距離“ｄ”がインゴットでのより均一な熱分布のために減少されうる。しかも、ノッチ３２０ｂの領域でＡｒガスの速度は減少され、これはインゴット２２の表面の温度均一性を増加させうる。次に、前記ノッチはＡｒガス内で乱流を減少させうる。これらのうち１つ以上及び／または他の要素の結果として、向上された品質のシリコンインゴットが提供されうる。
【０１７２】
図面及び詳細な説明で本発明の典型的な望ましい実施形態が開示されており、たとえ特定用語が使われたとしても、これは特許請求の範囲で言及される本発明の思想を限定するものではなく、単に一般的で、叙述的な意味として使われる。
【符号の説明】
【０１７３】
２００ チョクラルスキープーラ
２０２ 加熱パック
２０４ ヒーター
２０６ るつぼ
２０８ サセプタ
２１０ 回転軸
２１２ 第１方向
２１６ 熱吸収物質
２２０ 結晶引上げ軸
２２０ａ シードホルダー
２２２ 第２方向
２２４ シード結晶
２２６ 溶融シリコン
２２８ シリコンインゴット
２３０ チャンバ密封体
２３２ 冷却ジャケット
２３１ インゴットと溶融シリコンの境界
３００ 熱遮断ハウジング
３１０ 内部熱遮断ハウジング壁
３２０ 熱遮断ハウジング底
３３０ 外部熱遮断ハウジング壁
３４０ 熱遮断ハウジング蓋
３５０ 支持部材
３６０ 熱遮断板
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロエレクトロニクスの製造方法及び素子に係り、特にシリコンインゴットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を製作するための出発物質である単結晶シリコンは、一般にチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ；ＣＺ）法と呼ばれる結晶成長法により円筒状のインゴットより形成される。単結晶シリコンよりなるインゴットは、スライシング、エッチング、洗浄、ポリシングなどの一連のウェーハリング工程を経つつウェーハとして製作される。前記ＣＺ法によれば、単結晶シリコンよりなるシード結晶を溶融シリコン内に入れた後、上向きに引上げれば、溶融シリコンは徐々に抽出されつつ単結晶インゴットとして成長される。前記シリコン溶融物は、石英るつぼ内に収容されているために多様な不純物（例えば、酸素）によって汚染される。
【０００３】
シリコンの溶融温度において、酸素は溶融物の温度に該当するシリコン内の酸素の溶解度と固状化されたシリコン内での酸素の実分離係数により決定される濃度に至るまでに結晶格子内に浸透する。このように結晶成長過程でシリコンインゴットに浸透された酸素の濃度は、後続する集積回路の製作時に使われる典型的な温度で固状化されたシリコン内の酸素溶解度よりはるかに大きい。一方、結晶が成長して冷却されるにつれ、結晶内の酸素の溶解度は急に減少し、結果的に冷却されたインゴット内には酸素が過飽和される。
【０００４】
前記インゴットはウェーハにスライスされる。ウェーハ内の残留するインタスティシャル酸素は、後続する熱的工程間に酸素析出物として成長される。素子活性領域内での酸素析出物の存在はゲート酸化膜の集積性を低下させ、及び／または望ましくない基板漏れ電流を誘発させうる。しかし、これらが素子活性領域の外側（すなわち、バルク領域）に存在すれば、これらは素子工程から生じる金属不純物を収集しうる。このような望ましい機能をゲッタリングと呼ぶ。
【０００５】
図１は、従来のＭＯＳトランジスタの断面構造を示す。図１を参照すれば、酸素析出物がシリコン基板１０の表面近傍に形成されたソース領域１２とドレーン領域１４との間のチャンネル領域内に存在すれば、ゲート電極１８とシリコン基板１０との電気的絶縁を保つゲート絶縁膜１６の絶縁破壊を誘発しうる。また、ＭＯＳＦＥＴを使用するメモリ素子でのリフレッシュ特性を劣化させることになる。
【０００６】
また、後続する熱処理により生じるウェーハのバルク領域１０ａ内に形成された酸素析出物は漏れソースとして作用し、後続する半導体素子の製作過程で所望しない金属不純物をトラップしうる真性ゲッタリングサイトの役割も行う。したがって、インゴット内に酸素濃度が十分に高ければ真性ゲッタリングサイトの酸素析出物の量が多くなってゲッタリング能力が高まる。しかし、酸素濃度が足りなければ、酸素析出物がバルク領域内に形成されずにゲッタリング能力が劣るか、または完全になくなる。したがって、ウェーハのバルク領域内には適正量の酸素析出物が分布されるように調節する必要がある。
【０００７】
一方、従来の一般的な方法でインゴット成長され、ウェーハリングされたウェーハはウェーハの上面（前面）から下面（後面）に至るまで、全体的に酸素析出物が分布されている。一般的に、Ｄ−欠陥（ベイカンシ集塊（ｖａｃａｎｃｙ ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ））、転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、積層欠陥及び酸素析出物などが存在しないデヌーデッドゾーン（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ；ＤＺ）１０ｂ層が上面から所定深さに至るまで確保しなければならない。しかし、従来の方法により製造されたウェーハはウェーハの表面近傍まで酸素析出物が生じて漏れ電流のソースとして作用する。
【０００８】
したがって、ウェーハの表面近傍に十分なＤＺを確保しつつ、ウェーハのバルク領域に真性ゲッタリングサイトを形成するために、例えば、初期酸素が１３ｐｐｍａ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ ａｔｏｍｓ）以上で高濃度の酸素を含有したウェーハを低温と高温とを交代しつつ長時間熱処理を行うことによって、ウェーハのバルク領域内に酸素析出物を形成させうる。しかし、ＤＺがインタスティシャル酸素の外方拡散（ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）に強く依存するために十分なＤＺを得にくい。このような従来の技術により熱的に処理された半導体ウェーハに対して、その上面から下面に至る酸素析出物の濃度プロファイルを図２のように示せる。
【０００９】
特に、付加的な高温の熱的工程が長時間実行される従来の技術は素子の特性を悪化させうる。例えば、スリップや歪み（ｗａｒｐａｇｅ）がウェーハで生じられる。しかも、製造原価も増加しうる。また、そうした場合には、バルク領域内の酸素析出物にトラップされていた金属汚染物、特にＦｅなどが後続工程によりウェーハの表面のＤＺ側に再びリリースされて漏れソースとして作用するという問題点がある。
【００１０】
図３は特許文献１の図１Ａに開示された従来の他の方法により形成された酸素析出物の濃度プロファイルを再図示して示した図面である。特に、図３はＮ２雰囲気下でウェーハに対して急速熱的アニーリング（急速熱的アニーリング）工程を行い、後続熱処理を行って形成された酸素析出物のウェーハ深さによる濃度プロファイルを示したものである。しかし、前記従来の方法は図３から分かるように、ウェーハの表面からのＤＺの確保がほとんど不可能であり、バルク領域内に酸素析出物が十分に存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５４０１６６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されており、同時にウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハを提供するところにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されており、同時にウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハとインゴットとの製造方法を提供するところにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、本発明に係るシリコンウェーハを製造するために急速冷却が可能な単結晶シリコンインゴットを製造するためのチョクラルスキープーラを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態は、真性サイトとしての役割をする酸素析出物の制御された垂直的分布を有するシリコンウェーハを提供する。特に、半導体素子の活性領域が形成されうるシリコンウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から各々所定の第１及び第２深さにある第１及び第２ピークを含む。また、ＤＺがウェーハの上面と第１ピークとの間及びウェーハの下面と第２ピークとの間に含まれる。また、酸素析出物濃度プロファイルは、第１ピークと第２ピークとの間でウェーハのバルク領域に相当するコンケーブ領域を有する。
【００１６】
さらに、本発明の実施形態において、前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のＤＺはその内部に少なくとも１つのスリップ転位領域を含み、それに対してウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位を含まない。他の実施形態では、シリコンウェーハはＳＴＩスリップのないウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺで複数個の浅いトレンチ分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ＳＴＩ）領域を含む。
【００１７】
また、他の実施形態では、酸素析出物濃度プロファイルは、前述したように、第１及び第２ピーク、ＤＺ及び第１及び第２ピークの間のコンケーブ領域を含む。複数個のＳＴＩ領域は、ＳＴＩ領域に近接した前記ウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺ内に含まれ、酸素析出物が、図２のＳＴＩ領域から遠く離れて存在するシリコンウェーハにおけるＳＴＩ領域に比べて減少されたＳＴＩスリップを有する。
【００１８】
本発明の何れかの実施形態では、酸素析出物濃度プロファイルが、上下面間の中心に位置するシリコンウェーハの中心面に対して対称的である。したがって、例えば、前記所定の第１及び第２深さは同一である。しかし、他の実施形態では、前記プロファイルは対称的である必要はなく、例えば、第１ピーク及び第２ピークが相異なる深さになりうる。また、本発明のある実施形態では、ＤＺの深さは、ウェーハの各面から５μｍないし４０μｍの範囲であるために、半導体素子の活性領域が十分に深く形成される。
【００１９】
本発明の他の実施形態では、前記第１ピーク及び第２ピークでの酸素析出物の濃度は、少なくとも１×１０９ｃｍ−３以上であり、前記第１ピーク及び第２ピーク間の前記コンケーブ領域での酸素析出物の濃度は、少なくとも１×１０８ｃｍ−３以上である。さらに他の実施形態では、前記コンケーブ領域内の最低酸素析出物濃度は、前記第１及び第２ピークでの最高酸素析出物濃度よりも少なくとも１次数の大きさだけ小さい。
【００２０】
本発明の他の実施形態に係るシリコンウェーハは、酸素析出物核生成中心、例えば後続する熱処理を通じて前述した酸素析出物濃度プロファイルを生成するベイカンシの制御された分布を含む。前記ベイカンシ濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピークを含む。また、前記ベイカンシ濃度は、前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間にＤＺを形成するために臨界濃度より小さな所定の濃度に保たれる。
【００２１】
前記ベイカンシ濃度プロファイルは、前記第１及び第２ピークの間でコンケーブ領域を有する。一部の実施形態では、前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のＤＺは、その内部に少なくとも１つのスリップ領域を含み、それに対して前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位を含まない。他の実施形態では、複数個のＳＴＩ領域が前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間のＤＺに含まれ、前述した酸素析出物核生成中心を含まないシリコンウェーハでの同一なＳＴＩ領域に比べて減少されたＳＴＩスリップを有する。対称または非対称的なプロファイルが得られる。
【００２２】
本発明の方法を説明する実施形態によれば、急速熱的アニーリング（ＲＴＡ）は、後続する熱処理の間に酸素析出物の成長場所としての役割をする核生成中心を生ずるために、前記シリコンウェーハの上下面に対してベイカンシ注入効果を有するガスとインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスの混合ガス雰囲気下で、約１１００℃ないし１２００℃で前記シリコンウェーハに対して実行され、前記ウェーハの上面から下面に至る核生成中心濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピークを含む。
【００２３】
また、前記核生成中心濃度は、ウェーハの上面と第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と第２ピークとの間にＤＺを形成するための臨界濃度よりも小さな所定の濃度に保たれる。最後に、核生成中心プロファイルは、ウェーハのバルク領域に相当する前記第１ピーク及び第２ピークの間にコンケーブ領域を有する。対称または非対称的なプロファイルが提供されうる。
【００２４】
さらに他の実施形態において、前記ＲＴＡは、後続する熱処理の間に酸素析出物成長サイトとしての役割をする核生成中心を生じるためにＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物の雰囲気下でシリコンウェーハに対して実行され、ウェーハの上面から下面に至る核生成中心濃度プロファイルは前述したようになる。前記ＲＴＡは、約１１００℃ないし１１５０℃で実行される。他の実施形態では、前記ＲＴＡは約１１２０℃で実行される。他の実施形態では、前記ＲＴＡは少なくとも約５秒間行われる。さらに他の実施形態では、前記ＲＴＡは約５０℃／秒であり、ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気を急速に加熱させることが先行する。
【００２５】
本発明のさらに他の実施形態によれば、約１１００℃ないし１２００℃で少なくとも約５秒間ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気下で上下面を有するシリコンウェーハに対してＲＴＡを行うことによって、シリコンウェーハが製作される。他の実施形態において、前記ＲＴＡは約１１００℃ないし１１５０℃で実行される。さらに他の実施形態において、前記ＲＴＡは１１２０℃で行われる。
【００２６】
さらに、他の実施形態において、前記ＲＴＡを行う前に、前記雰囲気の加熱が約５０℃／秒、例えば約８００℃から約１１００℃ないし１１５０℃に増加される。しかも、前記ＲＴＡを行った後に、前記加熱が約１０℃／秒ないし約７０℃／秒、例えば約８００℃まで減少されうる。さらに他の実施形態において、前記加熱を減少させた後、ＮＨ３が前記雰囲気からパージされうる。
【００２７】
本発明の他の方法を示す実施形態によれば、複数個のシリコンウェーハがＲＴＡチャンバ内でＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気下で、一連のウェーハから前記ＲＴＡチャンバにシリコンジオキシドの昇華を起こす温度以下で、一連のシリコンウェーハに対するＲＴＡ工程を連続して行うことによって製作される。前記ＲＴＡは、前述したいかなる条件下でも実行されうる。他の実施形態において、シリコンウェーハがＲＴＡチャンバのシリコンジオキシドを洗浄せずに６ヵ月以上も連続して処理されうる。
【００２８】
他の方法を示す実施形態によれば、熱処理はウェーハの上面から下面に至る酸素析出物濃度プロファイルを生成するために前記ＲＴＡ以後に実行され、前記プロファイルはウェーハの上下面からそれぞれ所定の第１及び第２深さでの第１及び第２ピーク、前記ウェーハの上面と第１ピークとの間及び前記ウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺ、前記第１ピークと第２ピークとの間でのコンケーブ領域を含む。対称または非対称的なプロファイルが提供されうる。
【００２９】
本発明の他の実施形態において、本発明の実施形態に係るＲＴＡが行われるシリコンウェーハが、インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊の形成が防止されるのに十分に大きいが、インタスティシャル集塊の形成が防止され、ベイカンシ集塊の形成が防止されるのに十分に小さいインゴット引上げ速度プロファイルによって、ホットゾーン炉で溶融シリコンから引上げられたインゴットから製作されうる。
【００３０】
本発明の他の実施形態では、本発明の実施形態に係るＲＴＡが行われるシリコンウェーハが、インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊を形成せずに、インゴットの直径を貫通しつつベイカンシ集塊が形成されるのに十分な大きさを有するインゴット引上げ速度プロファイルによって、ホットゾーン炉で溶融シリコンから引上げられたインゴットから製作されうる。
【００３１】
本発明の他の実施形態によれば、単結晶シリコンインゴットを成長させるためのチョクラルスキープーラは、チャンバ密封体、溶融シリコンを保有する前記チャンバ密封体内のるつぼ、シード結晶を保有するために前記るつぼに隣接されている前記密封体内のシードホルダー、前記るつぼを取囲む前記密封体内のヒーターを含む。
【００３２】
また、相互離れている内部及び外部熱遮断ハウジング壁、前記内部及び外部熱遮断ハウジング壁と連結した熱遮断ハウジング蓋及び熱遮断ハウジング底を含み、前記熱遮断ハウジング蓋は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁まで上向きに傾き、前記熱遮断ハウジング底は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁に向けて下向きに傾く、環状の熱遮断ハウジングが前記チャンバ密封体内に提供される。前記環状の熱遮断ハウジングは前記外部熱遮断ハウジング壁と前記熱遮断ハウジング底との交点でノッチをさらに含む。支持部材が前記るつぼ内で前記熱遮断ハウジングを支持する。
【００３３】
他の実施形態によれば、前記熱遮断ハウジング底は前記内部熱遮断ハウジング壁から前記外部熱遮断ハウジング壁に向けて下向きに傾き、前記内部熱遮断ハウジング壁に隣接した第１部分を含む。また、前記熱遮断ハウジング底は、前記外部熱遮断ハウジング壁から前記内部熱遮断ハウジング壁に向って下向きに傾き、前記外部熱遮断ハウジング壁に隣接した第２部分を含む。
【００３４】
本発明の実施形態に係るチョクラルスキープーラは、前記シードホルダーを、前記溶融シリコンをシリンダー型単結晶シリコンインゴットに成長させるために前記るつぼから引上げ、前記インゴットはシリンダー状であって、その中心軸に沿ってその周囲に成長し、前記溶融シリコンとインゴット−溶融シリコン境界とを形成する。
【００３５】
前記熱遮断ハウジングの前記内部及び熱遮断ハウジング壁の長さ、前記熱遮断ハウジング蓋及び第１及び第２部分の傾斜角度、前記インゴットと前記内部熱遮断ハウジング壁との距離、前記るつぼと前記外部熱遮断ハウジング壁との距離、前記溶融シリコンと前記内部熱遮断ハウジング壁との距離及び前記熱遮断板の位置のうち少なくとも１つが、前記引上げられたインゴットがその中心での前記インゴットの温度に基づき、前記インゴット−溶融シリコン境界での温度から前記インゴットの所定温度まで少なくとも１．４Ｋ／分の割合で冷却されるように選択される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、酸素析出物の垂直的分布を制御することによって、ウェーハの表面近傍にＤＺが十分に確保されると同時に、ウェーハのバルク領域内で真性ゲッタリングサイトとしての役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】シリコンウェーハの表面近傍に形成される従来の一般のＭＯＳトランジスタの構造を示す断面図である。
【図２】従来のシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図３】従来の他のシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態に係るシリコンウェーハに対する酸素析出物の濃度プロファイルを概略的に示す図面である。
【図５】本発明の一実施形態によって実行されるＲＴＡ工程のタイムチャートである。
【図６】Ｎ２ガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図７】Ａｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図８】Ｈ２ガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行った後のウェーハの深さに対する点欠陥の濃度プロファイルを示す図面である。
【図９】Ｎ２ガス及びＡｒガスを含むガス混合物の混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のベイカンシ濃度プロファイルを示す図面である。
【図１０】ＲＴＡ工程間に使われたガスの種類に対し、本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を通じて得られた酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。
【図１１】Ａｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行うことによって、シリコンウェーハの表面近傍でのＣＯＰの分解過程を説明するための図面である。
【図１２】Ｎ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１３】Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１４】Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を受けたウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１５】Ｎ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１６】Ｎ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。
【図１７】Ｎ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図１８】Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図１９】Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２０】Ｎ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２１】Ｎ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後続熱処理を経たウェーハの表面近傍に形成されたＤＺの深さを示す写真である。
【図２２Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態を示す写真である。
【図２２Ｂ】これをＮ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った変化されたＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２３Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態を示す写真である。
【図２３Ｂ】これをＮ２ガス＋Ａｒガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後の変化したＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２４Ａ】アズ−グロン状態のＣＯＰの形状を実施形態示す写真である。
【図２４Ｂ】これをＮ２ガス＋Ｈ２ガス雰囲気下で本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後の変化したＣＯＰの形状を示す写真である。
【図２５】本発明の実施形態に係るウェーハの準備を示す工程順序図である。
【図２６】シリコンインゴットでの相対的な点欠陥分布とＶ／Ｇ比（インゴットの引上げ速度／温度勾配）との間の関係を示す概念図である。
【図２７】従来の一般のチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図２８】本発明者による米国特許出願公開第０８／９８９５９１号明細書及び第０９／３２０２１０号明細書に係る他の従来のチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図２９】本発明の一実施形態に係るチョクラルスキープーラを示す概略図である。
【図３０】図２９のチョクラルスキープーラの要部を示す図面である。
【図３１】Ｎ２及びＡｒ混合ガスの流量を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３２】Ｎ２及びＡｒ混合ガスの混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３３】温度昇温率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３４】アニーリング時間を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３５】熱処理温度を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３６】温度下降率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示すグラフである。
【図３７】本発明の実施形態に係るＲＴＡのための時間−温度プロファイルを示す図面である。
【図３８】本発明の実施形態に係る図３７のＲＴＡに対する酸素析出物の温度依存性を示す図面である。
【図３９】本発明の実施形態に係る酸素析出物のアニーリング時間依存性を示す図面である。
【図４０】本発明の実施形態に係るＲＴＡの間にＡｒ対ＮＨ３流量比に対する酸素析出物の依存性を示す図面である。
【図４１】本発明の実施形態に係る温度下降率についての酸素析出物の依存性を示す図面である。
【図４２】本発明の実施形態に係る初期酸素濃度の関数としてピークＢＭＤ密度を示す図面である。
【図４３】本発明の実施形態に係るＲＴＡに対する温度対ウェーハの下部表面でのスリップ長さを示す図面である。
【図４４】本発明の実施形態に係るＡｒ／ＮＨ３ガス比対スリップ長さを示す図面である。
【図４５】本発明の実施形態に係る温度下降率の関数としてスリップ長さを示す図面である。
【図４６Ａ】本発明の実施形態に係るウェーハ下部のＸＲＴ写真である。
【図４６Ｂ】本発明の実施形態に係るウェーハ下部のＸＲＴ写真である。
【図４７】ギャップ充填膜緻密化後のトレンチ内におけるストレスを示す図面である。
【図４８Ａ】本発明の実施形態に係るシリコンウェーハで製作される電界効果トランジスタ素子の断面図である。
【図４８Ｂ】図４８Ａのウェーハで酸素析出物のプロファイルを示す図面である。
【図４９】本発明の実施形態に係るトレンチ転位固定の結果として浅いトレンチ分離素子でスリップの移動を示す図面である。
【図５０】本発明の実施形態によって、Ｍ字形酸素析出物濃度プロファイルを有さないウェーハとＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハに対してリフレッシュ時間に対する累積不良率を示す図面である。
【図５１】従来のＲＴＡシステムの断面図である。
【図５２】本発明の実施形態に係る改良されたチョクラルスキープーラの概略図である。
【図５３】図５２のチョクラルスキープーラの改良された部分の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は多くの相異なる形に具現でき、ここで説明される実施形態に限定されるものと解釈されてはならず、かかる実施形態はその開示内容をさらに完全にし、発明の思想を当業者に十分に伝達するために提供されるものである。図面において、層及び領域の厚さは明瞭性のために誇張されている。同一な部材符号は全体的に同一な要素を示す。
【００３９】
層、領域または基板のような要素が他の要素“上”にあるという記載は、他の要素上に直接存在していても、中間要素が介入されていても良い。逆に、何れの要素が他の要素“直接上”にあるという記載は、中間要素が存在しないことを意味する。しかも、ここで描写されて表示される各実施形態はその相補的な導電形態の実施形態を含む。
【００４０】
図４は本発明の一実施形態に係るシリコンウェーハに関する酸素析出物の濃度プロファイルを概略的に示す図面である。図２及び図３に示された従来の技術により形成されたシリコンウェーハ内の酸素析出物の濃度プロファイルと比較して、本発明による酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハの上下面から一定の深さに至るＤＺが十分に確保されており、各ＤＺとバルク領域との境界で二重ピークが形成される。また、二重ピーク間のバルク領域内での多くの量の酸素析出物が金属汚染物質のゲッタリング効果を十分に発揮できる程度に存在する。
【００４１】
具体的に、従来の酸素析出物プロファイルでは、ウェーハの中央に位置する単一ピークにより捕集された金属汚染物質は、後続する熱処理工程によってリリースされもする。従来のプロファイルに比べて、酸素析出物濃度プロファイルで二重ピークを含む本発明の実施形態では、金属汚染物がウェーハのバルク領域及び表面の両方向にリリースされうるので、表面にリリースされた金属汚染物の量は減少されうる。
【００４２】
図５は本発明の実施形態によって行われるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程のタイムチャートである。本発明が適用されるＲＴＡ炉は商用化されたものを使用できる。前記ＲＴＡ工程において、まず、本発明に係るシリコンウェーハを、例えば、待機周期の間に約７００℃に設定されたＲＴＡ炉でローディングする（Ｉ）。次いで、ＲＴＡ炉の温度を、例えば、約１２５０℃まで約５０℃／秒の割合で急に高める（ＩＩ）。次いで、１２５０℃の温度に一定時間、例えば約１０秒間保つ（ＩＩＩ）。次いで、温度を待機周期の温度まで約３３℃／秒の割合で急に降温させる（ＩＶ）。最後に、ウェーハをＲＴＡ炉からアンローディングする（Ｖ）。図５のようなＲＴＡ工程の実施形態により酸素析出物の核生成中心の分布が制御され、一方、図１１で後述するように、ウェーハの表面近傍に存在するボイドまたはＣＯＰが分解されうる。
【００４３】
図５の工程温度範囲は単に例示的なものに過ぎない。しかし、本発明の実施形態に係るＲＴＡで雰囲気ガスの種類、雰囲気ガスの流量、雰囲気ガスの混合比、温度上昇率、アニーリング温度、アニーリング時間及び／または温度下降率（すなわち、冷却速度）などが、後述するように、図４に係るプロファイルを得るのに寄与する。前記ＲＴＡは少なくとも１１５０℃で少なくとも５秒以上行われる。例えば、１１５０℃で熱処理を行う場合、少なくとも３０秒間保ち、１２５０℃で熱処理を行う場合には少なくとも５秒ないし１０秒間行える。一方、冷却速度は少なくとも３０℃／秒以上に急冷する。
【００４４】
ウェーハの表面にベイカンシ注入効果を提供するガスとインタスティシャルシリコン注入効果を提供するガスを含むガス混合物が本発明の実施形態によってＲＴＡのためのガスとして使われる。一部の実施形態ではＮ２ガスがベイカンシ注入効果を有するガスとして使われ、Ａｒ／Ｈ２ガスがインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスとして使われる。
【００４５】
図６ないし図８は、図５のＲＴＡがそれぞれＮ２、Ａｒ及びＨ２雰囲気下で実行された後、ウェーハの深さに対するベイカンシ欠陥及びインタスティシャルシリコン欠陥の点欠陥濃度プロファイルを示す。図６ないし図８において、線（ａ）は不活性ガス雰囲気でＲＴＡを行った後のベイカンシ点欠陥濃度プロファイルを示し、線（ｂ）及び（ｃ）は対応するガス雰囲気でＲＴＡを行った後、それぞれベイカンシ及びインタスティシャル点欠陥濃度プロファイルを示す。
【００４６】
図６ないし図８の実施形態のように、不活性ガス雰囲気でＲＴＡを行った後のベイカンシ点欠陥濃度（（ａ）で表されるコンベックスカーブ）はウェーハの上下面で低く、ウェーハのバルク領域で高い。ＲＴＡ炉の温度が不活性ガス雰囲気で図５の点（ａ）の温度まで急に上がると、ウェーハで点欠陥として存在するベイカンシの平衡濃度は濃くなる。ベイカンシの移動度はウェーハのバルク領域内で低いためにベイカンシ濃度はバルク領域内で平衡濃度より低く保たれる。しかし、ベイカンシの移動がウェーハの表面近傍では活性的であるためにウェーハの表面近傍でベイカンシの濃度は急に平衡濃度に到達する。
【００４７】
一方、ＲＴＡ炉の温度が急に上がることによって、インタスティシャルシリコンの平衡濃度は、例えば、ベイカンシとインタスティシャルシリコンとの間のフレンケル再結合（Ｆｒｅｎｋｅｌ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）によりベイカンシ濃度が濃くなるにつれて薄くなる。また、ウェーハのバルク領域内に存在するインタスティシャルの移動度がその内部にあるベイカンシのように低いために、バルク領域内のインタスティシャル濃度は平衡濃度より濃く保たれる。しかし、ウェーハの表面近傍でのインタスティシャル濃度は、ウェーハの表面近傍でのベイカンシ濃度のように平衡濃度に到達する。
【００４８】
ウェーハが、図５の点（ｂ）に至るうちに高温で保たれる時、拡散が起こってベイカンシ及びインタスティシャルが平衡濃度に到達する。ウェーハが、図５の点（ｃ）の温度まで急に冷却された後に、大きな拡散係数を有するインタスティシャル点欠陥は下降した温度で新たな平衡濃度に到達する。しかし、小さな拡散係数を有するベイカンシ点欠陥はウェーハで過飽和される。特に、ベイカンシの過飽和程度はウェーハのバルク領域内で高い。しかし、ベイカンシの移動度がウェーハの表面近傍で高いために、ベイカンシ点欠陥の濃度は下降した温度で直ちに新たな平衡濃度に到達する。
【００４９】
したがって、不活性雰囲気でＲＴＡが実行された後のベイカンシ濃度プロファイルは、図６ないし図８のようにコンベックス形状を有する。
【００５０】
また、図６のように、図５のＲＴＡがＮ２ガス雰囲気で行われた場合、ウェーハのバルク領域内に浸透したＮ２ガスは、ベイカンシシリコンと結合して小さなＳｉ３Ｎ４を生成し、よってバルク領域内でベイカンシ濃度は薄くなる。一方、ベイカンシ濃度は、Ｎ２ガスによるベイカンシ注入効果によってウェーハの表面近傍で濃くなる。その結果、Ｎ２雰囲気下でのベイカンシ濃度プロファイルは不活性雰囲気下で製造されたウェーハのそれとは反対形状（（ｂ）で表された線）を有する。
【００５１】
さらに、図５のＲＴＡ工程がそれぞれ図７及び図８のようにＡｒ及びＨ２ガス雰囲気下で行われる時、ベイカンシ濃度はインタスティシャルシリコン注入効果によってウェーハ全体に亙って低まる。特に、ベイカンシシリコンとインタスティシャルシリコンの再結合が使われたガスのインタスティシャルシリコン注入効果によってウェーハの表面近傍で起こるために、ベイカンシ濃度は特定温度で平衡濃度の臨界濃度に保たれる。
【００５２】
本発明の実施形態において、図５のＲＴＡがガス混合物雰囲気、例えば、Ｎ２及びＡｒガス、またはＮ２及びＨ２ガス雰囲気で行われ、よってガス混合物雰囲気下でベイカンシ濃度プロファイルが図６及び図７のそれらを組合わせることで、そして図６及び図８のそれらを組合わせることで得られる。
【００５３】
図９のように、ガス混合物雰囲気下で製造されたウェーハのベイカンシ濃度プロファイルは、シリコンウェーハの上下面から所定深さで第１及び第２ピークを示す。また、前記上下面から前記第１及び第２ピークまでのベイカンシ濃度は特定温度で平衡濃度より小さい。また、第１及び第２ピーク間のバルク領域ではベイカンシ濃度プロファイルはコンケーブ形状を有する。
【００５４】
図９のベイカンシ濃度プロファイルは、図５のＲＴＡ工程がベイカンシ及びインタスティシャルシリコン注入効果を提供するガスを含むガス混合物雰囲気下で行われるために、本発明の実施形態によって得られる。論理学的スケールを使用し、Ｎ２ガス雰囲気下でベイカンシシリコン注入効果から得られたベイカンシシリコン濃度プロファイルを、ＡｒまたはＨ２ガス雰囲気下でインタスティシャルシリコン注入効果から得られたインタスティシャルシリコン濃度プロファイルと比較すると、ベイカンシシリコン濃度プロファイルはウェーハの上下面から所定深さに至る領域でのインタスティシャルシリコン濃度プロファイルよりは険しくない。
【００５５】
しかし、ベイカンシシリコン濃度プロファイルは、前記所定の深さからバルク領域に向うまでのインタスティシャルシリコン濃度プロファイルより険しくなる。したがって、ウェーハの上下面近傍のＤＺで、ベイカンシシリコン濃度は臨界値またはその以下、すなわち、インタスティシャルシリコンとの再結合により、特定の温度で平衡濃度値より小さいか、あるいは同一に保たれる。ＤＺ以外では、ベイカンシシリコン濃度は平衡濃度値と同一か、あるいは高くなるように急に増加する。
【００５６】
そして、ベイカンシ及びインタスティシャルシリコン濃度値間の差が最大値に到達する、すなわち、ベイカンシシリコン濃度プロファイルがインタスティシャルシリコン濃度より険しくなる、ウェーハの深さにおいて、ピーク（第１及び第２ピーク）が形成される。前記ベイカンシシリコン濃度は、前記ピークを越えてバルク領域に向って薄くなるために第１及び第２ピークの間でコンケーブベイカンシ濃度プロファイルが得られる。
【００５７】
本発明の他の実施形態によれば、ウェーハのベイカンシ点欠陥は、後続する半導体素子製作過程の熱処理サイクルを通じて酸素析出物を生成させる。換言すれば、前記ベイカンシ点欠陥は、後続する熱処理サイクルにより形成された酸素析出物のための核生成中心となる。ベイカンシ濃度が高いほど、酸素析出物の濃度は高まる。したがって、酸素析出物濃度プロファイルは、ウェーハのベイカンシ濃度プロファイルから推論されうる。
【００５８】
前記ベイカンシ濃度と酸素析出物濃度は次の関係式を有する。Ｓｉ（シリコン基板）＋ｘＯｉ＋ｙＶｓｉ⇔ＳｉＯ２（酸素析出物）＋ＳｉＩ（インタスティシャルシリコン）＋σ
【００５９】
この関係式は、ベイカンシシリコン濃度ＶＳｉ及び初期酸素濃度Ｏｉが濃くなるにつれて反応は、右に進行されて酸素析出物の濃度が濃くなることを意味する。前記関係式でσは定数である。
【００６０】
一方、本発明の実施形態では、図５のＲＴＡ工程が完了したウェーハに対して後続の熱処理を行って酸素析出物の濃度プロファイルを得た。前記後続の熱処理条件は酸素析出物が形成される半導体素子の製造での熱処理サイクルの条件を考慮して設定した。ウェーハ間の比較のために、図５のＲＴＡ工程が実行された後、後続工程がＮ２ガス雰囲気下で約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間実行された。
【００６１】
また、本発明で使われたガス混合物の効果を調べるために、図５のＲＴＡ工程の間に使われたガス混合物の流量及び混合比を変化させた。図９はＮ２ガス及びＡｒガスを含むガス混合物の混合比を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のベイカンシ濃度プロファイルを示す。図３１はＡｒ／Ｎ２混合ガスの流量を変化させつつピークでの酸素析出物濃度の変化を示すグラフである。
【００６２】
図９において、（ａ）はＮ２及びＡｒの混合比が７０：３０の時のベイカンシ濃度プロファイルを、（ｂ）はＮ２及びＡｒの混合比が５０：５０の時のベイカンシ濃度プロファイルを、（ｃ）はＮ２及びＡｒの混合比が３０：７０の時のベイカンシ濃度プロファイルを各々示す。Ｎ２濃度が濃くなるにつれてピークはウェーハの表面に向って移動し、ピークのベイカンシ濃度は増加することが分かる。すなわち、後続工程によって酸素析出物が形成されないＤＺの深さはＮ２濃度の濃化によって急に浅くなる。
【００６３】
ピークでの図３１の酸素析出物濃度は、図５のＲＴＡが完成された後、Ｎ２雰囲気下で約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間さらに熱処理を行ってから測定した。ここで、前記ＲＴＡは約５０℃／秒の温度上昇率、約１２５０℃のアニーリング温度、約１０秒のアニーリング時間及び約３３℃／秒の温度下降率下でＡｒ／Ｎ２ガス混合物を流すことで行った。Ａｒ／Ｎ２混合物でＡｒ／Ｎ２ガスの流量は１／１、２／２、３／３、４／４及び５／５リットル／分に変化させた。図３１の結果は、酸素析出物濃度が混合ガスの流量の増加によって増加することを示す。
【００６４】
ピークでの図３２の酸素析出物濃度は、ガス混合物においてＡｒ／Ｎ２ガスが多様な混合比で３／１、２．５／１．５、２／２、１．５／２．５、１／３リットル／分の流量で供給されるということを除いては、図３１のデータのための条件と同一な条件下でＲＴＡが行ってから測定した。図５のＲＴＡが完成された後、Ｎ２雰囲気下約８００℃で約４時間及び約１６００℃で約１６時間さらに熱処理が行われた。図３２の結果は、４リットル／分というガス混合物の一定の流量で酸素析出物の濃度がガス混合物でＮ２比率の増加によって濃くなることを示す。
【００６５】
ガス混合物の混合比及び流量、温度上昇率、アニーリング温度及び時間、温度下降率等を含むＲＴＡの工程条件は、ベイカンシ濃度プロファイル、ピークでのベイカンシ濃度値、バルク領域でのベイカンシ濃度値、ＤＺの全てまたは一部でピークの位置を変化させるために様々なレベルに多様化されうる。
【００６６】
図３３は、温度昇温率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするために、ＲＴＡの他の工程条件は一定に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスの混合比率は５０：５０であり、アニーリング温度は１２５０℃、アニーリング時間は１０秒、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は、前述したように、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表１に示した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
図３３及び表１を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は温度上昇率に大きく影響を受けないことが分かる。
【００６９】
図３４は熱処理時間を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。正確な比較のために、ＲＴＡの他の工程条件は同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスとの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング温度は１２５０℃、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同様に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表２に示した。
【００７０】
【表２】
【００７１】
図３４及び表２を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は、アニーリング時間に大きく影響を受けることが分かり、ピークでの酸素析出物の濃度が少なくても１０９／ｃｍ３以上になるには本発明のアニーリング時間が少なくとも５秒以上進められなければならないことが分かる。
【００７２】
図３５は熱処理温度を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするためにＲＴＡの他の工程条件は同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング時間は１０秒、温度下降率は３３℃／秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同一に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表３に示した。
【００７３】
【表３】
【００７４】
図３５及び表３を参照すれば、ピークで酸素析出物の濃度は、アニーリング温度に大きく影響を受けることが分かり、ピークでの酸素析出物の濃度が少なくても１０９／ｃｍ３以上になるには、本発明のアニーリング温度には、少なくとも約１２５０℃以上進めなければならないことが分かる。アニーリング温度とアニーリング時間は酸素析出物の濃度と関連して非常に密接な関連がある。図３４の結果を考慮すれば、同一な酸素析出物の濃度を得るためには、アニーリング温度が高ければアニーリング時間を短くし、逆にアニーリング温度が低ければアニーリング時間を長くしうることが分かる。
【００７５】
図３６は温度下降率を変化させつつ図５のＲＴＡ工程を行った後のピークでの酸素析出物の濃度変化を示す。比較の基準を同一にするためにＲＴＡの他の工程条件を同一に保った。すなわち、Ｎ２ガスとＡｒガスとの混合比率は５０：５０、温度上昇率は５０℃／秒、アニーリング温度は１２５０℃、アニーリング時間は１０秒に設定した。後続熱処理は前述した測定と同一に、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表４に示した。
【００７６】
【表４】
【００７７】
図３６及び表４を参照すれば、ピークにおいて酸素析出物の濃度は温度下降率に大きく影響を受けないが、温度下降率が大きくなればピークでの酸素析出物の濃度が多少濃くなることが分かる。
【００７８】
図１０は、ＲＴＡの間に使われたガスの種類と関連し、本発明の一実施形態に係るＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理による酸素析出物の濃度プロファイルを示す図面である。図１０において、（ａ）はＮ２ガス雰囲気、（ｂ）はＮ２及びＡｒガス雰囲気、（ｃ）はＮ２ガス及びＨ２ガス雰囲気、（ｄ）はＡｒガス雰囲気、（ｅ）はＨ２ガス雰囲気下で製造されたウェーハの酸素析出物濃度プロファイルを示す。
【００７９】
比較の基準を同一にするために、各場合において、ＲＴＡ及び後続熱処理は同一な工程条件下で行われた。すなわち、温度１２５０℃で１０秒間実施し、後続熱処理は前述したように、全てのウェーハに対して８００℃で４時間、１６００℃で１６時間Ｎ２雰囲気下で行い、その結果を表５に示した。
【００８０】
【表５】
【００８１】
図１１はＡｒガス雰囲気下で図５のＲＴＡ工程を行うにつれてシリコンウェーハの表面近傍でのＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ）の分解過程を説明するための図面である。一般にＣＺ法によるインゴット成長時に形成されるボイド形態のＣＯＰはカットされた八面体ボイド状をなし、ボイド２０ａの内壁側にはシリコン酸化膜２２が形成されている。ＡｒガスまたはＨ２ガスなど図５のＲＴＡ工程中にウェーハの表面にインタスティシャルシリコン注入効果を有するガスの雰囲気下では表面近傍のＣＯＰが分解される現象が生じる。
【００８２】
具体的に分解のメカニズムを説明すれば、結晶成長中に酸素が初期濃度Ｏｉで含まれたインゴットが冷却されることによってインゴットの酸素濃度は冷却温度で過飽和される。したがって、インゴットから形成されたウェーハの初期酸素濃度も所定の酸素溶解度（図１１で“Ｓ”で示される）を越えて過飽和される。
【００８３】
しかし、ウェーハの表面近傍で初期酸素濃度は、ウェーハの表面を通過して酸素の外方拡散によって前記所定の溶解度“Ｓ”と同一か、小さくなる。一方、ウェーハのバルク領域内では、前記過飽和された酸素がボイド２０ａ内に供給され、前記ボイド２０ａの内側にシリコンオキシド層２２を形成するのに使われる。
【００８４】
また、ウェーハの表面近傍（すなわち、図１１の表面と点線“Ｔ”との間の領域）での初期酸素濃度は酸素の前記所定の溶解度“Ｓ”より小さいために、酸素がボイド２０ｂ内に形成されたシリコンオキシド層（図示せず）から溶解され、同時にシリコンがＲＴＡ工程中に提供されたガスのインタスティシャルシリコン注入効果によって前記ボイド２０ｂの内側に提供される。結果的に、前記ボイド２０ｂの大きさは縮小し続けてついに消える。
【００８５】
前記ＣＯＰ溶解効果によって、本発明に係るＲＴＡ工程は多様な種類のウェーハに対しても拡張されうる。表５のように、このようなＣＯＰ溶解効果はＡｒガスよりはＨ２ガスを使用する場合に増進されうる。
【００８６】
図１２ないし図１６は、図１０の酸素析出物濃度プロファイルを有し、前記ＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理により形成されたウェーハの酸素析出物の分布を示す写真である。特に、図１２はＮ２ガスを、図１３はＡｒガスを、図１４はＨ２ガスを、図１５はＮ２ガス及びＡｒガスを、図１６はＮ２ガス及びＨ２ガスを各々使用する場合に該当する。また、各写真の左側がウェーハの上面であり、右側が下面を示す。
【００８７】
図１７ないし図２１は、図１０の酸素析出物濃度プロファイルを有し、前記ＲＴＡ工程を行った後、後続熱処理によりウェーハの全面近くに形成された酸素析出物が存在しないＤＺの深さを示す写真である。特に、図１７はＮ２ガスを、図１８はＡｒガスを、図１９はＨ２ガスを、図２０はＮ２ガス及びＡｒガスを、図２１はＮ２ガス及びＨ２ガスを各々使用する場合を示す。表５のようにＮ２ガス雰囲気下ではＤＺがほとんど確保されないことが分かる。
【００８８】
図２２Ａないし図２４Ｂは、アズ−グロン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態のＣＯＰの形状と図５のＲＴＡ工程を行った後の変化された形状をそれぞれ示す写真である。図２２Ａ及び図２２ＢはＮ２ガス雰囲気下で、図２３Ａ及び図２３ＢはＮ２ガス及びＡｒガス雰囲気下で、図２４Ａ及び図２４ＢはＮ２ガス及びＨ２ガス雰囲気下で、各々ＲＴＡ工程を行った場合を示す。
【００８９】
表５のように、Ｎ２雰囲気下ではＣＯＰの分解が本質的に起こらず、Ｎ２ガスがＡｒガスまたはＨ２ガスと混合されたガス混合物雰囲気下ではＣＯＰの分解がよく起こることが分かる。特に、Ｈ２ガス雰囲気下での結果は、ＣＯＰが完全に分解されたことが分かる。このような結果から、アズ−グロン状態でＣＯＰを小さくすれば、図５のＲＴＡ工程中にＣＯＰが完全に分解されたことが分かる。
【００９０】
本発明の実施形態は、シリコンウェーハに対して図５のＲＴＡ工程を行うことによって半導体素子の製造過程で一般に行われる後続熱処理サイクルにより形成される酸素析出物の分布を制御することに関するものである。本発明に係るＲＴＡ工程が行われる間に全体ウェーハの準備とＲＴＡに効率よく適用される実施形態について後述する。
【００９１】
図２５は、本発明の実施形態に係るウェーハの準備を示す工程順序図であって、特に、結晶成長段階（Ｓ１０）後の一般のウェーハリング過程を示す図面である。一般の半導体ウェーハリング方法の概略はウルフとタウバーにより１９８６年に作成されたテキストブック“Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ，Ｖｏｌｕｍｅ１，Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”の１章、１ないし３５頁に詳細に開示されており、その開示内容は参照文献として本明細書に反映される。
【００９２】
図２５を参照すれば、一般のウェーハリング過程はチョクラルスキープーラを使用してインゴットを成長させる結晶成長段階（Ｓ１０）、インゴットをウェーハの形態にスライシングする切断段階（Ｓ１２）、切断されたインゴットのスライスの側面をラウンドしたり、表面をエッチングするエッチング段階（Ｓ１４）を含む。次いで、スライスの表面に対する第１洗浄段階（Ｓ１６）を行った後、ドナーキリング段階（Ｓ１８）が行われ、半導体素子が形成されるウェーハの上面をポリシングするポリシング段階（Ｓ２０）とポリシングされたウェーハに対する第２洗浄段階（Ｓ２２）が行われた後、パッケージングされる（Ｓ２４）。
【００９３】
本発明の実施形態に係る図５のＲＴＡ工程は、ドナーキリング段階（Ｓ１８）で行う。もちろん、本発明の他の実施形態によってＲＴＡを別に行えるが、原価節減の次元でドナーキリング段階で行うことが望ましい。一般に、ドナーキリングとは、シリコンインゴット内に含まれた酸素が後続する半導体素子の製作過程でイオンの形に存在してイオン注入された不純物に対してドナーの役割ができるために、これを防止するために予めウェーハリング過程で熱処理を行って酸素析出物に作る過程を意味し、通常、ＲＴＡ装備で約７００℃で約３０秒以上実施する。
【００９４】
前記結晶成長段階（Ｓ１０）が行われる装置として、図２７は従来の一般的なチョクラルスキープーラを概略的に示す図面である。図２７を参照すれば、チョクラルスキープーラ１００は炉、結晶引上げメカニズム、環境制御器及びコンピュータ化された制御システムを含む。前記チョクラルスキー炉は一般的にホットゾーン炉と呼ばれる。前記ホットゾーン炉はヒーター１０４、石英よりなるるつぼ１０６、黒鉛よりなるサセプタ１０８及び示されたように第１方向１１２に回転する回転軸１１０を含む。
【００９５】
冷却ジャケットまたは冷却ポート１３２が水冷のような外部冷却手段によって冷却される。熱遮断体１１４が付加的な熱分布を提供し、加熱パック１０２が熱吸収物質１１６で充填されて付加的な熱分布を提供する。
【００９６】
前記結晶引上げメカニズムは、示されたように第１方向１１２の逆方向の第２方向１２２に回転できる結晶引上げ軸１２０を含む。前記結晶引上げ軸１２０は、その端部にシードホルダー１２０ａを含む。前記シードホルダー１２０ａはシード結晶１２４をホールディングしており、るつぼ１０６内の溶融シリコン１２６から引上げられてインゴット１２８を形成する。
【００９７】
前記環境制御システムは、チャンバ密封体１３０、冷却ジャケット１３２及び示されていない他の流動制御器及び真空排気システムを含む。コンピュータ化された制御システムは前記ヒーター、プーラ及び他の電気的、機械的要素を制御するために使用されうる。
【００９８】
単結晶シリコンインゴットを成長させるために、前記シード結晶１２４は溶融シリコン１２６と接触し、徐々に軸方向（上側）に引上げられる。単結晶シリコンへの前記溶融シリコン１２６の冷却及び固状化は、インゴット１２８と溶融シリコン１２６との境界１３１で起こる。図２７に示されたように前記境界１３１は前記溶融シリコン１２６に対して膨らんでいる。
【００９９】
一方、本発明によるＲＴＡの実施形態を適用して図４のような制御された酸素析出物の濃度プロファイルを得られるシリコンウェーハは３種に大別される。特に、本発明の実施形態に係るＲＴＡはインタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊のような欠陥が存在しない“パーフェクトウェーハ”、ベイカンシ集塊がウェーハの中心部から一定の半径内のベイカンシ−リーチ領域にのみ形成されており、ベイカンシ領域の外側には、インタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊が存在しない“セミパーフェクトウェーハ”、ウェーハの全体に亙ってインタスティシャル集塊は存在せず、ベイカンシ集塊のみが存在するウェーハに対して適用しうる。
【０１００】
しかし、本発明の適用対象となるウェーハは、必ずこれに限定されるものでもなく、本発明は前記ウェーハに限定されるものでもなく、本発明の原理が適用される全ての形のウェーハを含める。本発明の実施形態は、前述したように、本発明が適用されるシリコンウェーハに対して図５のＲＴＡ工程を実施した後、後続熱処理を行うことによって、図４のような制御された酸素析出物の濃度プロファイルに関するものである。一方、ＣＯＰと関連して本発明の実施形態は、ＣＯＰがウェーハのバルク領域内には存在するが、ＤＺにはＣＯＰが存在しないシリコンウェーハを具現することと繋がる。
【０１０１】
シリコンウェーハにおいて欠陥を防止するために結晶成長時に高純度のインゴットを製作するための多様な研究がなされており、特にシード結晶の引上げ速度とホットゾーン構造での温度勾配を制御する技術がよく知られている。ボロンコフの“Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｗｉｒｌ Ｄｅｆｅｃｔｓ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ”［Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ．５９，１９８２，ｐｐ．６２５−６４３］には、インゴットの引上げ速度Ｖとインゴット−溶融シリコン接触面での温度勾配Ｇの制御に関する技術がよく開示されている。
【０１０２】
また、ボロンコフ理論の応用が本発明者により開かれたシリコン物質に対する向上された科学技術に対する第２回国際シンポジウム（Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ；１９９６．１１．２５−２９）で発表された論文“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”に開示されている。この論文は、Ｇに対するＶの比（以下、Ｖ／Ｇ比）が臨界比（Ｖ／Ｇ）＊以上ではベイカンシ−リーチ領域が形成され、臨界比（Ｖ／Ｇ）＊以下ではインタスティシャル−リーチ領域が形成されることが分かる。
【０１０３】
具体的に、図２６はシリコンインゴットでの相対的点欠陥分布とＶ／Ｇの関係とを示す概念図である。図２６のように、インゴットの成長時、Ｖ／Ｇが臨界点（Ｖ／Ｇ）＊以上ではベイカンシ−リーチ領域が形成され、臨界ベイカンシ濃度Ｃｖ＊以上ではベイカンシ集塊が形成され、臨界インタスティシャル濃度ＣＩ＊以下ではインタスティシャル集塊が形成されることが分かる。また、図２６で（Ｖ／Ｇ）Ｉ＊から（Ｖ／Ｇ）Ｂ＊までの幅はインタスティシャル関連欠陥（小さい転位）のＢ−バンドを示し、（Ｖ／Ｇ）Ｖ＊から（Ｖ／Ｇ）Ｐ＊までの幅はＯ．Ｓ．Ｆリング（大きな酸素析出物）のＰ−バンドをそれぞれ示す。
【０１０４】
本発明の実施形態は、インゴット成長時、Ｖ／Ｇが前記Ｂ−バンド及びＰ−バンド間のＶ／Ｇ比を有する無欠陥のパーフェクトウェーハ、前記Ｐ−バンドを含むＶ／Ｇ比を有するセミパーフェクトウェーハ及び臨界ベイカンシ濃度ＣＶ＊に該当する臨界Ｖ／Ｇ比（Ｖ／Ｇ）＊以上でＶ／Ｇ比に起因してベイカンシ集塊がウェーハの全体に形成されるウェーハに適用されうる。
【０１０５】
一方、本発明の適用対象となるウェーハのパーフェクトウェーハ及びセミパーフェクトウェーハに対しては米国特許出願公開第０８／９８９５９１号明細書及びそれに関するＣＩＰ出願である第０９／３２０２１０号明細書及び第０９／３２０１０２号明細書によく開示されており、本出願書と共に結合する参照し、その詳細な説明は略す。
【０１０６】
図２８は、前記ＣＩＰ出願に開示された改良されたチョクラルスキープーラを示す概略図であって、図２７のチョクラルスキープーラと比較して熱遮断体２１４を改良したものである。図２８を簡略に説明すれば、改良されたチョクラルスキープーラ２００は炉、結晶引上げメカニズム、環境制御器及びコンピュータ化された制御システムを含む。前記ホットゾーン炉はヒーター２０４、るつぼ２０６、サセプタ２０８及び示されたように第１方向２１２に回転する回転軸２１０を含む。冷却ジャケット２３２と熱遮断体２１４が付加的な熱分布を提供し、加熱パック２０２が熱吸収物質２１６で充填されて付加的な熱分布を提供する。
【０１０７】
前記結晶引上げメカニズムは、示されたように第１方向２１２の逆方向の第２方向２２２に回転される結晶引上げ軸２２０を含む。前記結晶引上げ軸２２０はその端部にシードホルダー２２０ａを含む。前記シードホルダー２２０ａはシード結晶２２４をホールディングしており、るつぼ２０６内の溶融シリコン２２６から引上げられてインゴット２２８を形成する。
【０１０８】
前記環境制御システムはチャンバ密封体２３０、冷却ジャケット２３２及び示されていない他の流動制御器及び真空排気システムを含む。コンピュータ化された制御システムは、前記ヒーター、プーラ及び他の電気的、機械的要素を制御するために使用されうる。
【０１０９】
単結晶シリコンインゴットを成長させるために、前記シード結晶２２４は溶融シリコン２２６と接触し、徐々に軸方向（上側）に引上がる。単結晶シリコンへの前記溶融シリコン２２６の冷却及び固状化は、インゴット２２８と溶融シリコン２２６との境界２３１で立ち上がる。図２７のチョクラルスキープーラ２００と比べて熱遮断体２１４内に熱遮断ハウジング２３４をさらに設けてＶ／Ｇの調節をさらに精密にしたものである。
【０１１０】
図２９は本発明の実施形態によって改良されたチョクラルスキープーラを示す概略図であり、図３０はその改良された要部を示したものであって、図２８と同一な構成部分に対してはその詳細な説明を略す。改良された部分は、図２９及び図３０のように、熱遮断ハウジング３００の形状が変更され、熱遮断板３６０がさらに設けられた。前記熱遮断ハウジング３００は、９０゜回転された台形形状であり、望ましくは垂直の内部熱遮断ハウジング壁３１０及び外部熱遮断ハウジング壁３３０、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０と外部熱遮断ハウジング壁３３０とを連結する熱遮断ハウジング蓋３４０及び熱遮断ハウジング底３２０を含む環状を有する。
【０１１１】
ここで、前記熱遮断ハウジング蓋３４０は、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０から前記外部熱遮断ハウジング壁３３０まで水平面からβの角度で上向きに傾いており、前記熱遮断ハウジング底３２０は、前記内部熱遮断ハウジング壁３１０から前記外部熱遮断ハウジング壁３３０まで水平面からαの角度で下向きに傾いており、示されたように台形形状を形成する。
【０１１２】
前記環状の熱遮断ハウジング３３０内には熱吸収物質（図示せず）が内蔵され、カーボンフェライトより形成されうる。
【０１１３】
また、熱遮断ハウジング３００の熱遮断ハウジング蓋３４０と冷却ジャケット２３２との間で前記引上げられるインゴットの周囲を取囲む熱遮断板３６０が備えられ、前記熱遮断ハウジング３３０は、支持部材３５０により加熱パック２１６の上側に固定される。
【０１１４】
図２９及び図３０のチョクラルスキープーラは、インゴットの冷却速度を向上させうる構造である。引上げられたインゴット内に存在するボイドの大きさは、一般にインゴット−溶融シリコン境界での初期ベイカンシ濃度の自乗根に比例するが、インゴットの冷却速度の自乗根に反比例する。一方、図１１のようにインゴット内に存在するボイドの大きさを一定の大きさ以下に形成すれば、たとえ結晶成長時インゴット内にボイドが形成されたとしても、本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程によりＤＺから分解されうる。
【０１１５】
したがって、このような本発明の目的によってインゴット内に形成されるボイドを小さくするためにインゴットの冷却速度を向上させねばならない。一方、インゴットの冷却速度が速くなると、引上げられるインゴットの中心軸に沿って温度勾配（Ｇｃ）が大きくなり、所定の欠陥分布を有するようにＶ／Ｇを一定に保つ場合、インゴットの引上げ速度も速くなる。
【０１１６】
本発明の実施形態によれば、前記インゴット−溶融シリコン境界での温度から前記インゴットの所定の温度まで冷却させるために、前記中心でのインゴットの温度に基づいて前記インゴットの冷却速度を少なくとも１．４Ｋ／ｍｉｎ以上になるように、少なくとも前記内部熱遮断ハウジング壁３１０の長さ“ａ”及び外部熱遮断ハウジング壁３４０の長さ“ｃ”、熱遮断ハウジング蓋３４０の傾斜角“β”及び熱遮断ハウジング底３２０の傾斜角“α”、前記インゴット２２８から内部熱遮断ハウジング壁３１０までの距離“ｄ”、前記るつぼ２０６から外部熱遮断ハウジング壁３３０までの距離“ｆ”、前記内部列遮断ハウジング壁３１０と外部熱遮断ハウジング壁３３０までの距離“ｅ”及び前記熱遮断板３６０の位置が変化されうる。
【０１１７】
図２９のプーラでは、成長されるインゴットの冷却速度が速いために引上げ速度を非常に速く、例えば、０．５０ｍｍ／ｍｉｎから１．００ｍｍ／ｍｉｎにできるためにインゴットの生産性が向上されるだけでなく、図２８のチョクラルスキープーラで製作されるパーフェクトウェーハやセミパーフェクトウェーハのためのインゴット成長時の工程マージンも確保しうる。
【０１１８】
前述した本発明の実施形態は、その内部に高密度及び／または高性能の集積回路を製作するために適切なシリコンウェーハを生産しうる。しかし、量産の側面では前述した本実施形態によって製作されたシリコンウェーハは、その素子領域で望ましくないハイレベルのスリップを有しうるということがわかる。素子領域内でのスリップは、急速熱的アニーリング中にその支持ピン及び／または支持リング上でウェーハの自体荷重によって誘導されたストレス及びＳＴＩ緻密化によって誘導されたストレスにより生じる。このようなスリップは、前記ウェーハから製作された集積回路素子の信頼性及び／または収率に影響を与えることがある。
【０１１９】
さらに、前述したように製造されたシリコンウェーハはＲＴＡチャンバ上に望ましくないシリコンジオキシド昇華を起こしうる。特に、ウェーハからの自然酸化膜または他のＳｉＯ２はＲＴＡ工程中に蒸発し、石英よりなるＲＴＡチャンバ上に蒸着されうる。ＲＴＡチャンバ上のＳｉＯ２昇華は、ＲＴＡ工程の効率、信頼性及び／または再現性を減少させ、ＲＴＡチャンバに対する頻繁な洗浄及び／または交替を必要とすることがある。
【０１２０】
発明の実施形態は、第１及び第２ピーク、ＤＺ及び前記第１及び第２ピーク間のコンケーブ領域を含む前記酸素析出物濃度プロファイルを作るために使われた前記ＲＴＡ工程が前述したように、Ｎ２及びＡｒのガス混合物よりもＮＨ３及びＡｒを含むガス混合物雰囲気で行われるという事実から発現できる。Ｈ２の代りにベイカンシ注入ガスとしてＮＨ３を使用することにより、前記ＲＴＡ工程はＮ２及びＡｒ雰囲気下でこれまで使われた１２２０℃のような高温と比較して約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃、または約１１２０℃のような低温で行われる。ＲＴＡ工程を低温で行うことによって、スリップの量及び／またはシリコンジオキシド昇華量は顕著に減少されうる。したがって、前記ウェーハから製作される集積回路の収率及び信頼性は高まり、ウェーハの製作に対する量産費用が減少されうる。
【０１２１】
特に、本発明の実施形態によれば、第１及び第２ピーク、前記ウェーハの上面と第１ピークとの間及びウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺ、及び第１ピーク及び第２ピークとの間のコンケーブ領域を含む酸素析出物濃度プロファイルを有するシリコンウェーハを前述したように製作しうる。しかし、本発明の実施形態によれば、前記ウェーハの下面と第２ピークとの間のＤＺはその内部に少なくとも１つのスリップ領域を含み、一方ウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺはその内部にスリップ転位が存在しない。
【０１２２】
特に、ウェーハの上面から約５μｍないし４０μｍの厚さを有するスリップのない領域が作られ、その内部で形成された素子は向上された収率、性能及び／または信頼性を有する。しかも、複数個のＳＴＩ領域がウェーハの上面と第１ピークとの間のＤＺで形成され、酸素析出物を前記ＳＴＩ領域から遠く離れて存在するシリコンウェーハと同一なＳＴＩ領域と比較して減少されたＳＴＩスリップを有する。望ましくは、前記ＳＴＩ領域はＳＴＩスリップが存在しない。
【０１２３】
また、本発明の実施形態は前記ＲＴＡが前述したような核生成中心濃度プロファイルを得るために約１１００℃ないし１２００℃の間、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃、または約１１２０℃で実行可能にする。しかし、低温で行われるために、スリップが前述したように減少され、シリコンジオキシド昇華が減少または除去されうる。
【０１２４】
特に、本発明の実施形態はＲＴＡ工程を少なくとも約５秒間約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃、または約１１００℃ないし１１２０℃の間、または約１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気で上下面を有するウェーハに対して実行される。一部の実施形態で、ＲＴＡを行う前に、Ｏ２がパージされてＯ２とＮＨ３との相互反応を減少させたり、防止させうる。
【０１２５】
センサーが前記雰囲気内で所定の濃度以下のＯ２が存在することを感知するために使用されうる。選択的には、Ｏ２をパージさせるために温度が所定の温度、例えば約８００℃で所定時間、例えば１０秒間保たれる。ＲＴＡが実行された後でＮＨ３も前記雰囲気からパージされうる。
【０１２６】
本発明の実施形態に係るＲＴＡ工程は一連のシリコンウェーハからＲＴＡチャンバ上にシリコンジオキシドの昇華を起こす温度以下にＲＴＡチャンバ内で一連のウェーハに対して連続的に行われる。約１２００℃以下、または約１１５０℃以下、または約１１２０℃以下の温度が使用されうる。したがって、チャンバの洗浄及び／または取替えの必要性が減少または除去されうる。
【０１２７】
１つの特定例では、約１２００℃以上の温度でＨ２及びＮＨ３を使用してＲＴＡを行う時、ＲＴＡチャンバは６ヵ月毎にＲＴＡチャンバを洗浄または取替える必要があるということがわかった。対応的にＮＨ３及びＡｒを使用して１１５０℃以下の低温でＲＴＡを行う本発明の実施形態は、６ヵ月以上洗浄またはＲＴＡチャンバの取替えが不要である。
【０１２８】
図３７は本発明の実施形態に係るＲＴＡのための時間／温度プロファイルを示すグラフである。図３７のＲＴＡ工程は、図４のウェーハに関するものと同一なＭ字形のプロファイルを作れるが、スリップによるストレスを減少させ、シリコンジオキシドの昇華を減少させうる。しかも、図３７の本発明の実施形態は図５と関連して前述したＲＴＡ工程の実施形態と比較されうる。
【０１２９】
図３７を参照すれば、時間（ａ）の前にウェーハが、その温度が約１０秒の待機周期（Ｉ）の間、例えば約８００℃に設定された従来の石英ＲＴＡ炉のようなＲＴＡチャンバまたは炉内にローディングされる。この時間の間にＡｒがＲＴＡチャンバ内に流れる。しかも、時間（ａ）と時間（ｂ）との時間周期（Ｉ）の間にウェーハから外部拡散されたり、及び／またはそうでなければＲＴＡ雰囲気に存在する酸素をパージするために酸素パージが行われる。前記酸素パージはＲＴＡ温度を１０秒程度の所定の時間周期（Ｉ）の間に待機温度で維持及び／またはチャンバ内の酸素濃度が１ｐｐｍａ以下のような所定量以下に減少されることを感知しうるセンサーをＲＴＡチャンバ内に提供することによって行われる。
【０１３０】
また、酸素パージ周期（Ｉ）の端部でＲＴＡ炉の温度は時間周期（ＩＩ）の間に、例えば秒当り約５０℃の割合で急に高まる。温度上昇と同時にＮＨ３がチャンバに流込む。ＮＨ３流入の開始は温度上昇の開始前に、時間（ｂ）以前に起こるか、時間（ｂ）と（ｃ）との間の温度上昇中の何れの段階で起こるか、あるいは時間（ｃ）以後にＲＴＡ温度が得られた後に起こりうる。図３７のように、ＮＨ３流入は時間（ｂ）で温度上昇の開始と一致しうる。
【０１３１】
また、前記ＲＴＡは、時間（ｃ）と時間（ｄ）との時間周期（ＩＩＩ）の間に約５秒ないし約３０秒間保たれる。図３７のように、時間周期（ＩＩＩ）の間にＲＴＡ温度は、望ましくは約１１００℃ないし１２００℃、または約１１００℃ないし１１５０℃の間である。他の実施形態において前記ＲＴＡは約１１００℃ないし１１２０℃に保たれる。さらに、他の実施形態において、ＲＴＡは約１１２０℃で行われる。このようなＲＴＡ工程は、約１２５０℃でＲＴＡを行う前述した図５及び米国特許第６２０４１５２号明細書及び第５９９４７６１号明細書に開示されたような他の従来のＲＴＡ工程と対照されうる。
【０１３２】
また、ＲＴＡ炉で温度は時間周期（ＩＶ）で、例えば、約１０℃／秒及び７０℃／秒の間の割合で、望ましくは約３３℃／秒に待機周期（Ｖ）まで急に降温する。望ましくは、ＮＨ３の流れは時間（ｅ）の温度下降周期（ＩＶ）の終わりまで保たれる。しかし、ＮＨ３の流れは温度下降周期（ＩＶ）またはＲＴＡ周期（ＩＩＩ）の間に終了されうる。待機周期（Ｖ）の間に、望ましくはＮＨ３パージが、例えば、時間（ｅ）で起こる。しかし、ＮＨ３パージはより迅速に起こるか、あるいは起こらないこともある。望ましくは、一度ＮＨ３パージが実行されれば、ウェーハは時間（ｆ）でＲＴＡ炉からアンローディングされる。
【０１３３】
本発明の実施形態によれば、図３７のＲＴＡプロファイルは、スリップ及び／または酸素昇華を顕著に減少及び／または除去できる図４のような望ましいＭ字形酸素析出物濃度カーブを得るために使用されうることが分かる。
【０１３４】
図３７の工程温度範囲は、単に例示的なものに過ぎない。しかも、本発明の実施形態に係るＲＴＡで不活性ガスの流量、不活性ガスの混合比、温度上昇率、アニーリング温度、アニーリング時間及び／または温度下降率は以下で説明されるように図４によるプロファイルを得るために調整されうる。
【０１３５】
図３８は、本発明の実施形態によって多様な急速アニーリング温度（図３７の周期ＩＩＩ）について図３７の急速熱的アニーリング工程に対する酸素析出物の温度依存性を示すグラフである。あらゆる場合で、１０秒間の周期ＩＩＩのアニーリング時間が用いられ、周期ＩＶでの温度下降率は３３．３℃／秒であり、ＡｒとＮＨ３の流量は同一にした。
【０１３６】
図３８は、図４のような第１及び第２ピークに対するＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ−Ｄｅｆｅｃｔ）密度（すなわち、ベイカンシ欠陥及びインタスティシャル欠陥）（ピークＢＭＤ）と第１及び第２ピーク間のコンケーブバルク領域内の最低領域に対するＢＭＤ（バルクＢＭＤ）を示すグラフである。各ＢＭＤ測定と関連した四角形は、図４のＤＺの深さを示す。ＢＭＤ欠陥は密度（ｃｍ−２）で表され、１０４倍して体積（ｃｍ−３）に変換されうる。
【０１３７】
図３８を参照すれば、最右側の棒グラフ対は１２２０℃の温度でＡｒ及びＮ２の雰囲気で約２３μｍの深さを有するＤＺ、約１．４×１０６のピークＢＭＤ及び約１．２×１０５のバルクＢＭＤを示す。図３８のように、似た特性が約１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３の雰囲気で得られる。したがって、類似したＢＭＤプロファイルが、Ａｒ及びＮ２雰囲気が用いられた温度よりも１００℃低い１１２０℃で得られる。
【０１３８】
また、図３８はＤＺの深さ、バルクＢＭＤ及びピークＢＭＤが温度の関数として制御できるということを示す。約１１００℃と約１１５０℃との間の範囲はバルクＢＭＤとピークＢＭＤとを相対的に一定に保つ一方、ＤＺの深さを制御できる。例えば、約１１２０℃と約１１７０℃との間でＤＺの深さ、ピークＢＭＤ及びバルクＢＭＤは相対的に温度により影響を受けないと現れ、一方約１１００℃と約１１２０℃との間ではＤＺの深さは温度増加と共に浅くなり、ピークＢＭＤ濃度及びバルクＢＭＤ濃度は温度増加と共に増加する。
【０１３９】
図３９は、本発明の実施形態に係る酸素析出物のアニーリング時間依存性を示すグラフである。図３９のように、Ａｒ及びＮＨ３を同一流量を使用し、１１２０℃のアニーリング温度で、ピークＢＭＤ、バルクＢＭＤ及びＤＺ深さのうちいずれも１０秒ないし３０秒間のアニーリング時間にあまり依存しないと現れた。したがって、生産量を増加させるために１０秒のアニーリング時間が望ましい。
【０１４０】
図４０は、本発明の実施形態に係る、ＮＨ３に対するＡｒの流量比に対する酸素析出物の依存性を示すグラフである。グラフから見られるように、広い範囲の比率に亙ってＮＨ３に対するＡｒの流量比に対するピークＢＭＤ、バルクＢＭＤ及びＤＺ深さはあまり依存しないものと現れた。
【０１４１】
図４１は、図３７の区間ＩＶで温度下降率に対する酸素析出物の依存性を示すグラフである。グラフから分かるように、秒当り１０℃ないし７０℃に至る広範囲の比率に亙って温度下降率に対するＤＺ深さ、ピークＢＭＤまたはバルクＢＭＤの依存性が若干ある。
【０１４２】
図４２は、本発明の実施形態に係るアズ−グロンインゴットとウェーハでの初期酸素濃度の関数としてピークＢＭＤとバルクＢＭＤとを示すグラフである。上部線（実線）はピークＢＭＤ密度を示し、下部線（点線）はバルクＢＭＤ密度を示す。グラフから分かるように、たとえピークＢＭＤは、結晶成長の間に初期酸素濃度に相対的に独立しているが、バルクＢＭＤは、初期酸素濃度に強く依存している。
【０１４３】
したがって、初期酸素濃度は、約１３ｐｐｍａの初期酸素濃度において約５から約９ｐｐｍａにおいて約１０までバルクに対するピークＢＭＤの比を制御するために使用されうる。特に、ピークＢＭＤとバルクＢＭＤとの間に少なくとも１次数の大きさ（約１０倍）の差を提供するために、初期酸素濃度は、例えば、約９ｐｐｍａに選択されうる。
【０１４４】
要約すれば、図３８ないし図４２は、ＮＨ３及びＡｒを含む雰囲気を使用し、図４のＭ字形酸素析出物濃度プロファイルが１２００℃以下、１１５０℃以下、１１００℃ないし１１２０℃の間、及び／または約１１２０℃の温度で得られ、１２２０℃のような約１２００℃以上の温度でＡｒ及びＮ２下で得られる酸素析出物濃度プロファイルに比べて見劣りがしない。前述した温度範囲を含めて本発明の実施形態を使用してスリップ発生及びシリコンジオキシド昇華がどのように減少及び除去されるかが見られる。
【０１４５】
本発明の実施形態によって、スリップ発生の減少を説明する前に、スリップの発生についての説明が与えられる。当業者によく知られたように、ＲＴＡ間ウェーハは３つの支持リングまたはエッジリングを使用してＲＴＡ炉内で支持されうる。前記支持ピンまたはエッジリングで単に部分的にウェーハを支持することによって、ウェーハの自体荷重はウェーハにストレスを誘導し、その自体がスリップを起こせる。
【０１４６】
スリップは一般に前記支持ピンまたは支持リングにより支持されているウェーハの下部面で起こり、素子が形成されたウェーハの上部面まで延びる。活性素子に対するスリップの衝撃を減少及び除去するために、第１ピークと第１（上部）面間のＤＺ内にスリップのない領域を提供することが望ましい。言い換えれば、ウェーハの上部面から約４０μｍの深さに至る無スリップ領域を提供することが望ましい。したがって、底面からのスリップが素子領域に入らないようにする。ところが、従来のＲＴＡ工程を使用すれば４０μｍ無スリップ領域を提供することが難しくなる。
【０１４７】
図４３は、Ａｒ及びＮＨ３雰囲気を使用する本発明のＲＴＡ実施形態に対する温度対ウェーハの底面でのスリップ長さを示すグラフである。図４３において、スリップ長さは上左部に示されたウェーハの三箇所で測定した。これら位置は、ＲＴＡ炉でウェーハ支持位置に対応する所である。第１支持ピン１は、ＲＴＡ炉のガス入口に隣接し、他の位置２、３はガス入口から離れている。図４３の右側に示されたのは、Ａｒ及びＮ２の雰囲気に対するスリップ長さ測定値である。
【０１４８】
図４３を参照すれば、Ａｒ及びＮ２の雰囲気下の１２２０℃で、３．５ｍｍのスリップ長さがウェーハ上の位置１で得られ、これは受け入れられない。明確に対応して減少された温度１１２０℃では１．５ｍｍ以下のスリップ長さが本発明の実施形態に係るＡｒ及びＮＨ３を使用して得られる。ウェーハの底で１．５ｍｍ以下のスリップ長さは４０μｍまでウェーハの上部で無スリップ領域を得られる。したがって、ウェーハの無スリップ活性領域が生産されうる。
【０１４９】
図４４は、本発明の実施形態に係るＮＨ３に対するＡｒガス比対スリップ長さを示すグラフである。グラフで見られるように、１．５ｍｍ以下の受け入れられるスリップがガス比の広い範囲に亙って生産されうる。
【０１５０】
図４５は、本発明の実施形態に係る温度下降率の関数としてスリップ長さを示したグラフである。示されたように、温度下降率はスリップ長さに影響を与えられる。約１．５ｍｍ以下のスリップ長さを提供するために少なくとも秒当り３０℃の温度下降率が保たなければならない。
【０１５１】
図４６Ａ及び図４６Ｂは、スリップを示すウェーハ底のＸＲＴ（Ｘ−ｒａｙ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）写真であり、それぞれ１０秒間１２５０℃でＡｒ及びＮ２雰囲気でのＲＴＡ及び１０秒間１１２０℃でＡｒ及びＮＨ３ガス雰囲気でのＲＴＡに該当する。図４６Ａのように、深刻なスリップが図４３ないし４５の位置＃１に該当し、図４６Ａの上部のウェーハの第１位置で見られる。これに対し、図４６Ｂでは唯一の欠陥はウェーハの３ピン位置でのピンマーク自体だけである。したがって、無スリップ活性領域を有するウェーハが生産されうる。
【０１５２】
以下、本発明の実施形態に係るスリップ減少の他の形態を説明する。特に、ＤＺ下に十分に高い密度の酸素析出物を有するＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを提供することによって、ＳＴＩ素子内でスリップが減少され、望ましくは除去されうる。当業者によく知られたように、ＳＴＩは集積回路基板の活性領域内でトランジスタのような素子を相互分離するために使用されうる。
【０１５３】
当業者によく知られたように、ＳＴＩでトレンチは半導体基板の表面内に形成され、次いでＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）及び／またはＨＤＰ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ）のような絶縁物質で充填される。また、トレンチはシリコンナイトライドのような他の絶縁体で並べられうる。トレンチ内の絶縁物質とシリコンウェーハとの間の熱膨張差によって、圧縮及び／または引張りストレスがトレンチと基板との境界面に誘導されうる。
【０１５４】
トレンチ分離領域でのストレス量はトレンチ縦横比及び／または他の工程条件の関数で有り得る。例えば、表６は三つのウェーハＤ２１、Ｄ１９及びＤ１７に対するトレンチにおけるストレス分布を示し、ウェーハＤ２１からウェーハＤ１９及びＤ１７に行くほど縦横比は増加する。表６のように、ストレスはウェーハＤ２１で最高であり、ウェーハＤ１７で最低である。
【０１５５】
【表６】
【０１５６】
図４７は表６のウェーハに対するギャップ充填膜緻密化後のトレンチにおけるストレスを示す。図４７で線の長さはストレス量に比例する。
【０１５７】
特定の作動理論によらず、酸素固定現象が生じうるためにＳＴＩ素子でスリップは本発明の実施形態に係る酸素析出物濃度プロファイルを使用して減少できると理論化される。特に、本発明の実施形態に係る酸素析出物濃度プロファイルは酸素析出物のない素子活性領域を提供するが、前記活性領域に隣接したウェーハバルクに非常に高密度の酸素析出物を提供できる。しかも、酸素析出物間の空間は非常に小さくなりうる。これら特性は、バルク領域内で高い線張力（ｌｉｎｅ ｔｅｎｓｉｏｎ）を生じ、交互にトレンチから転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）の運動を誘発させうるために転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が素子活性領域から移動してしまい、酸素析出物に固定されると理論化される。
【０１５８】
図４８Ａは、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハ内で製造される電界効果トランジスタ素子の断面図であり、酸素析出物を形成するために８００℃で４時間、１０００℃で１６時間アニーリングさせた。図面に示されたように、上部ＤＺに対応する素子活性領域は一般に酸素析出物がないが、高密度の酸素析出物がＭ字形プロファイルで第１ピークに対応する前記素子に隣接したバルク領域内で発見される。図４８Ｂは、本発明の実施形態によって図４８Ａのウェーハで酸素析出物のＭ字形プロファイルを示すグラフである。
【０１５９】
図４９は、本発明の実施形態によってトレンチ転位固定の結果としてＳＴＩ素子でスリップの潜在的の運動を概念的に示す。特定の作動理論によらず、図４９でＦＡは、例えばトレンチ内のギャップ充填物質の緻密化後に生じる工程によって誘発されたストレスである。ＦＡは、図４７のシミュレーションの結果によって示されるようにトレンチの角部で最大となる。また、図４９で、Ｆｉｎｔはトレンチ転位と酸素析出物との内部作用力であり、次のように与えられる。
【０１６０】
【数１】
ここで、量（ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）は図４９に示されており、εＯとεＤはひずみ（ｓｔｒａｉｎ）を、ｖは体積を示す。図４９に示されたように、転位運動（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）は次のように得られる。
【０１６１】
【数２】
【０１６２】
ＦＬＴは線張力ベクトルであり、材料定数（ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ）Ｇ、バーガースベクトルｂ及び転位中心間の長さＬの関数である。したがって、酸素析出物間の距離が減少する時、線張力ＦＬＴは強くなる。これは、ＦＡ≦ＦＬＴ＋Ｆｉｎｔである転位固定条件で転位移動を起こし、よって平衡条件ではＦＬＴｍａｘ＝Ｇｂ／Ｌである。したがって、Ｌが減少すればＦＬＴｍａｘは増加する。結論的に、特定の作動理論によらず、高密度の小さな酸素析出物がＬを減少させ、ＦＬＴを増加させ、よってＦＡ≦ＦＬＴ＋Ｆｉｎｔよりなって転位固定を起こす。
【０１６３】
転位固定を直接観察しがたい。しかし、転位固定は、図４のプロファイルを含むように製造されたＳＴＩ構造を有する１２８ＭＢ ＤＲＡＭのような素子を比較することによって確認されうる。図５０は、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の下部曲線）と一定した酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の上部曲線）とに対するリフレッシュ時間対不良ビット数を示すグラフである。
【０１６４】
図５０に示されたように、与えられたリフレッシュ時間に対して不良ビットの数は、一定の酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の上部曲線）に比べ、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを有するウェーハ（図５０の下部曲線）を使用する場合にさらに低い。特定の作動理論によらず、本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物プロファイルは活性素子領域内で転位固定を提供するものと理論化されうる。
【０１６５】
当業者によく知られたように、活性素子領域内で転位はその内部に電子を捕捉し、これは素子のリフレッシュ時間を縮小させ、そして／または与えられたリフレッシュ時間でさらに多くの数の不良ブットを生じる。したがって、図５０は、転位固定が本発明の実施形態に係るＭ字形酸素析出物濃度プロファイルを使用して生成されるという証拠を提供するものである。
【０１６６】
前述したように、本発明の実施形態によって製造されたシリコンウェーハはＲＴＡチャンバ上にシリコンジオキシド昇華を減少させ、望ましくは除去しうる。図５１は、石英チャンバ５１２及びＲＴＡ熱源５１４を含む従来のＲＴＡシステム５１０の断面図である。ウェーハ５１６がチャンバ５１２内で見られ、支持台５１８により支持されている。前記ウェーハは一般的にその上に自然酸化層５２０を含む。
【０１６７】
約１２００℃上の温度でＲＴＡを行えば、存在する自然酸化物及び／または他のシリコンジオキシドは、ウェーハから蒸発して石英チャンバ５１２上に蒸着されうる。このような現象を“シリコンジオキシド昇華”と称する。シリコンジオキシドが前記チャンバ壁上に蒸着されると、これはチャンバの効率及び／または工程の信頼性を低下させ、ウェーハの収率及び／または性能を低下させうる。
【０１６８】
明確に比較したところ、本発明の実施形態によってＲＴＡアニーリングが約１２００℃以下、約１１５０℃以下、約１１００℃ないし１１２０℃の間、約１１２０℃で実行されれば、シリコンジオキシド昇華はほとんど起こらない。実際にチャンバ５１２の洗浄または取替え無しにＲＴＡシステム５１２内でウェーハが６ヵ月以上処理されうることが分かった。
【０１６９】
図５２は、本発明の実施形態に係る改良されたチョクラルスキープーラの概略図であり、図５３は図５２のチョクラルスキープーラの改良された部分を示す詳細図である。図５２及び図５３において、図２８ないし図３０と同一な参照番号は同一な要素を示し、図２８ないし図３０との違いだけを以下で説明する。
【０１７０】
図５２及び５３に示されたように、熱遮断ハウジング底は内部熱遮断ハウジング壁３１０から外部熱遮断ハウジング壁３３０に向けて下向きに傾いた内部熱遮断ハウジング壁３１０に隣接した第１部分３２０ａを含む。また、外部熱遮断ハウジング壁３３０から内部熱遮断ハウジング壁３１０に向け、例えば、図５３に示した角度γで下向きに傾いた前記外部熱遮断ハウジング壁３３０に隣接した第２部分３２０ｂを含む。一方、前記熱遮断ハウジング底の第２部分３２０ｂは、外部熱遮断ハウジング壁３３０と熱遮断ハウジング底３２０との交差部で前記熱遮断ハウジング内のノッチとも考えられる。
【０１７１】
図５２及び５３のチョクラルスキープーラは、本発明の実施形態によって次の長所の１つまたはそれ以上を提供しうる。第１、インゴット２２８の表面と内部熱遮断ハウジング壁３１０との距離“ｄ”がインゴットでのより均一な熱分布のために減少されうる。しかも、ノッチ３２０ｂの領域でＡｒガスの速度は減少され、これはインゴット２２の表面の温度均一性を増加させうる。次に、前記ノッチはＡｒガス内で乱流を減少させうる。これらのうち１つ以上及び／または他の要素の結果として、向上された品質のシリコンインゴットが提供されうる。
【０１７２】
図面及び詳細な説明で本発明の典型的な望ましい実施形態が開示されており、たとえ特定用語が使われたとしても、これは特許請求の範囲で言及される本発明の思想を限定するものではなく、単に一般的で、叙述的な意味として使われる。
【符号の説明】
【０１７３】
２００ チョクラルスキープーラ
２０２ 加熱パック
２０４ ヒーター
２０６ るつぼ
２０８ サセプタ
２１０ 回転軸
２１２ 第１方向
２１６ 熱吸収物質
２２０ 結晶引上げ軸
２２０ａ シードホルダー
２２２ 第２方向
２２４ シード結晶
２２６ 溶融シリコン
２２８ シリコンインゴット
２３０ チャンバ密封体
２３２ 冷却ジャケット
２３１ インゴットと溶融シリコンの境界
３００ 熱遮断ハウジング
３１０ 内部熱遮断ハウジング壁
３２０ 熱遮断ハウジング底
３３０ 外部熱遮断ハウジング壁
３４０ 熱遮断ハウジング蓋
３５０ 支持部材
３６０ 熱遮断板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下面を有するシリコンウェーハに対し、ＮＨ３及びＡｒの混合ガス雰囲気下で、少なくとも５秒間１１００℃と１２００℃との間で急速熱的アニーリング工程を行い、少なくとも１０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速冷却するように、後続熱処理の間に酸素析出物として成長する場所としての役割をする核生成中心を生じ、前記ウェーハの上面から下面までの前記核生成中心の濃度プロファイルにおいて前記核生成中心濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１及び第２ピークと、前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間での臨界濃度より低い所定の核生成中心濃度を有する領域と、前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とするＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記急速熱的アニーリング工程段階は、前記ウェーハの上面から下面までのベイカンシの濃度プロファイルを再び生じ、前記ベイカンシ濃度プロファイルは、
前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１ピーク及び第２ピークと、
前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間での臨界濃度より低い所定のベイカンシ濃度を有する領域と、
前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ウェーハの上面から下面までの酸素析出物濃度プロファイルを形成するために前記シリコンウェーハに対して後続する熱処理を行う段階をさらに含み、前記酸素析出物濃度プロファイルは、
前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１ピーク及び第２ピークと、
前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のデヌーデッドゾーンと、
前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、少なくとも１０℃／秒ないし７０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速冷却することを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記急速熱的アニーリング工程は１１００℃と１１５０℃との間で行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、５０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項７】
前記シリコンウェーハに対する後続熱処理を行う段階は、８００℃ないし１０００℃で４ないし２０時間行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項８】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、前記シリコンウェーハのためのウェーハリング工程のドナーキリングの間に行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項９】
前記実行段階前に、
インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊の形成を防止できるほどに十分に高く、ベイカンシ集塊の形成が防止できるほどに十分に小さなインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階とが先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１０】
前記実行段階前に、
点欠陥を形成するが、インタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊を形成しないインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１１】
前記実行段階前に、
インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊を形成せずにベイカンシ集塊がインゴットの直径を通じて形成されるように十分に大きいインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１２】
前記実行段階の前に、Ａｒ及びＮＨ３を含む雰囲気から酸素をパージングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１３】
前記実行段階の前に、所定濃度以下の酸素が前記雰囲気に存在することを感知する段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１４】
前記実行段階後に、Ａｒ及びＮＨ３を含む雰囲気の加熱を１０℃／秒ないし７０℃／秒の間で、１１００℃ないし１２００℃の間から８００℃に減少させる段階が後続することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１５】
前記実行段階は、上下面を有するシリコンウェーハに対してＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気で５秒ないし３０秒間１１００℃ないし１１５０℃で急速熱的アニーリング工程を行う段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１】
上下面を有するシリコンウェーハに対し、ＮＨ３及びＡｒの混合ガス雰囲気下で、少なくとも５秒間１１００℃と１２００℃との間で急速熱的アニーリング工程を行い、少なくとも１０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速冷却するように、後続熱処理の間に酸素析出物として成長する場所としての役割をする核生成中心を生じ、前記ウェーハの上面から下面までの前記核生成中心の濃度プロファイルにおいて前記核生成中心濃度プロファイルは、前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１及び第２ピークと、前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間での臨界濃度より低い所定の核生成中心濃度を有する領域と、前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とするＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記急速熱的アニーリング工程段階は、前記ウェーハの上面から下面までのベイカンシの濃度プロファイルを再び生じ、前記ベイカンシ濃度プロファイルは、
前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１ピーク及び第２ピークと、
前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間での臨界濃度より低い所定のベイカンシ濃度を有する領域と、
前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ウェーハの上面から下面までの酸素析出物濃度プロファイルを形成するために前記シリコンウェーハに対して後続する熱処理を行う段階をさらに含み、前記酸素析出物濃度プロファイルは、
前記ウェーハの上下面から各々第１及び第２深さでの第１ピーク及び第２ピークと、
前記ウェーハの上面と前記第１ピークとの間、及び前記ウェーハの下面と前記第２ピークとの間のデヌーデッドゾーンと、
前記第１ピーク及び第２ピーク間のコンケーブ領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、少なくとも１０℃／秒ないし７０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速冷却することを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記急速熱的アニーリング工程は１１００℃と１１５０℃との間で行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、５０℃／秒の割合で前記ウェーハを急速加熱することを含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項７】
前記シリコンウェーハに対する後続熱処理を行う段階は、８００℃ないし１０００℃で４ないし２０時間行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項８】
前記急速熱的アニーリング工程を行う段階は、前記シリコンウェーハのためのウェーハリング工程のドナーキリングの間に行うことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項９】
前記実行段階前に、
インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊の形成を防止できるほどに十分に高く、ベイカンシ集塊の形成が防止できるほどに十分に小さなインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階とが先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１０】
前記実行段階前に、
点欠陥を形成するが、インタスティシャル集塊及びベイカンシ集塊を形成しないインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１１】
前記実行段階前に、
インゴットの引上げ速度がインタスティシャル集塊を形成せずにベイカンシ集塊がインゴットの直径を通じて形成されるように十分に大きいインゴット引上げ速度プロファイルによってホットゾーン炉内の溶融シリコンからインゴットを引上げる段階と、
前記シリコンウェーハを提供するために前記インゴットを半径方向にスライシングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１２】
前記実行段階の前に、Ａｒ及びＮＨ３を含む雰囲気から酸素をパージングする段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１３】
前記実行段階の前に、所定濃度以下の酸素が前記雰囲気に存在することを感知する段階が先行することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１４】
前記実行段階後に、Ａｒ及びＮＨ３を含む雰囲気の加熱を１０℃／秒ないし７０℃／秒の間で、１１００℃ないし１２００℃の間から８００℃に減少させる段階が後続することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１５】
前記実行段階は、上下面を有するシリコンウェーハに対してＡｒ及びＮＨ３を含む雰囲気で５秒ないし３０秒間１１００℃ないし１１５０℃で急速熱的アニーリング工程を行う段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のＮＨ３／Ａｒ急速熱的アニーリング工程を含むシリコンウェーハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４６Ａ】
【図４６Ｂ】
【図４７】
【図４８Ａ】
【図４８Ｂ】
【図４９】
【図５０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４６Ａ】
【図４６Ｂ】
【図４７】
【図４８Ａ】
【図４８Ｂ】
【図４９】
【図５０】
【公開番号】特開２０１１−２５８９７３（Ｐ２０１１−２５８９７３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５７９７（Ｐ２０１１−１７５７９７）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【分割の表示】特願２００７−１２７３５３（Ｐ２００７−１２７３５３）の分割
【原出願日】平成１４年５月１０日（２００２．５．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【分割の表示】特願２００７−１２７３５３（Ｐ２００７−１２７３５３）の分割
【原出願日】平成１４年５月１０日（２００２．５．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
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