JP2001223201A - 半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウ
ェーハにおいて、傷や欠陥等の発生を伴わず半導体ウェ
ーハ表面の精度良く粗くすること及び表面に容量用絶縁
膜を形成した際に容量を容易に向上させること。 【解決手段】 半導体が露出した少なくとも一部の表面
を粗くする半導体ウェーハＷの表面処理方法であって、
前記半導体ウェーハを反応室２内の還元性雰囲気中で熱
処理する熱処理工程と、該熱処理工程後に、前記反応室
内に窒素ガスを供給して前記還元性雰囲気を窒素雰囲気
に置換して前記表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程
と、該窒化膜形成工程後に、前記表面に形成された窒化
膜をエッチングにより除去する窒化膜除去工程とを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の成膜技術に
おいて膜剥がれの防止及び半導体ウェーハ表面に絶縁膜
を形成した際の容量の向上に好適な半導体ウェーハの表
面処理方法及び半導体ウェーハに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス等のデバイスプロセスに
おいて、シリコンウェーハ等の表面に絶縁膜等の膜を形
成するために種々の成膜技術が使われているが、成膜さ
れる下地の状態によって形成した膜が時々剥がれる現象
が見られる。この膜剥がれを防止するために、下地とな
る半導体ウェーハの表面を粗くして膜の密着性を向上さ
せる方法がある。従来、例えば成膜における下地の表面
を粗くする方法として、ウェーハ表面を砥粒で研磨して
粗くする表面処理方法がある。また、デバイスプロセス
において、ウェーハ表面に静電容量用の絶縁膜を形成す
る場合があるが、通常、静電容量は絶縁膜の面積に応じ
て増大するため、大きな絶縁容量を確保するには絶縁膜
の面積を大きくする必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記表
面処理方法では、以下のような課題が残されている。す
なわち、砥粒でウェーハ表面を研磨する方法では、砥粒
の大きさを変えて表面の粗さを制御していたが、砥粒を
大きくするとウェーハ内部に至る傷や欠陥等が発生する
おそれがあり、このようなダメージを与えずにウェーハ
表面を精度良く粗くする方法がなかった。また、ウェー
ハ表面に絶縁膜を形成して容量を設ける場合、平坦な表
面の一定領域に絶縁膜を形成するだけでは容量の増大に
限界があった。トレンチ構造等により面積を拡大して絶
縁容量を向上させる方法もあるが、この場合は構造やプ
ロセスが複雑化してしまう。

【０００４】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、傷や欠陥等の発生を伴わず半導体ウェーハ表面を
精度良く粗くすること及び表面に容量用絶縁膜を形成し
た際に容量を容易に向上させることができる半導体ウェ
ーハの表面処理方法及び半導体ウェーハを提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体ウ
ェーハの熱処理について研究を行ってきた結果、半導体
ウェーハ表面に高温状態で窒化膜を形成するとウェーハ
表面が粗くなることを見出すことができた。また、この
表面粗れの大きさは、窒化膜が形成される温度に応じて
変わることがわかった。したがって、本発明は、これら
の知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するため
に以下の構成を採用した。

【０００６】本発明の半導体ウェーハの表面処理方法
は、半導体が露出した少なくとも一部の表面を粗くする
半導体ウェーハの表面処理方法であって、前記半導体ウ
ェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理する熱処理
工程と、該熱処理工程後に、前記反応室内に窒素ガスを
供給して前記還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して前記
表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、該窒化膜形
成工程後に、前記表面に形成された窒化膜をエッチング
により除去する窒化膜除去工程とを備えていることを特
徴とする。

【０００７】この半導体ウェーハの表面処理方法では、
まず熱処理工程で半導体ウェーハを反応室内の還元性雰
囲気中で熱処理することで、表面の自然酸化膜を除去
し、次に窒化膜形成工程で反応室内に窒素ガスを供給し
て還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して表面に極薄い窒
化膜を形成すると、窒化膜によりウェーハ表面が粗くな
る。さらに、窒化膜除去工程で表面に形成された窒化膜
をエッチングにより除去することで、ウェーハ表面が傷
や欠陥等の発生を伴わずに粗くされる。

【０００８】また、本発明の半導体ウェーハの表面処理
方法は、窒化膜形成工程において、所望する前記表面の
粗さに応じて前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体
ウェーハの温度を設定することが好ましい。この半導体
ウェーハの表面処理方法では、所望する表面の粗さに応
じて窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度を
設定することにより、置換時の温度調整だけで表面粗さ
の大きさを精度良く制御することができる。

【０００９】さらに、本発明の半導体ウェーハの表面処
理方法は、前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウ
ェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定す
ることが好ましい。この半導体ウェーハの表面処理方法
では、窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度
を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することによ
り、この範囲内で形成される窒化膜が不安定な膜質のも
のを含んでいるため、後の窒化膜除去工程においてＳＣ
１洗浄等で容易に窒化膜を除去することができる。

【００１０】本発明の半導体ウェーハは、半導体が露出
した少なくとも一部の表面を粗くした半導体ウェーハで
あって、上記本発明の半導体ウェーハの製造方法により
前記表面が粗く処理されたことを特徴とする。この半導
体ウェーハは、上記本発明の半導体ウェーハの熱処理方
法により表面が粗く処理されているので、成膜用の下地
に好適な表面状態を有し、成膜技術が施される半導体デ
バイス等の基板に好適である。また、この粗くなった表
面に絶縁膜を形成することにより、平坦面に比べて絶縁
膜の面積が増大し、静電容量を向上させることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体ウェー
ハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態を、
図１から図５を参照しながら説明する。図１にあって、
符号１はＳｉボート、２は石英反応管、３はヒータ、４
は水素供給源、５は窒素供給源、６はエレベータ機構を
示している。

【００１２】図１は、本発明の半導体ウェーハの表面処
理方法を実施するためのバッチ式の縦型熱処理炉を示す
ものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコ
ンウェーハ（半導体ウェーハ）Ｗを複数枚載置可能なＳ
ｉボート１と、該Ｓｉボート１を下方から内部に挿入可
能な円筒状の石英反応管（反応室）２と、該石英反応管
２の周囲を覆うように配置され石英反応管２内のシリコ
ンウェーハＷを加熱するヒータ３と、石英反応管２内に
接続されて水素ガスを供給する水素供給源４と、石英反
応管２内に接続されて窒素ガスを供給する窒素供給源５
と、前記Ｓｉボート１を支持部６ａで支持すると共に上
下動させて石英反応管２に挿入及び石英反応管２下方に
抜き出すエレベータ機構６とを備えている。

【００１３】また、ヒータ３内側又は石英反応管２内に
は、熱電対（図示略）が設置されて温度が計測可能であ
るとともに、石英反応管２内には、真空ポンプ（図示
略）等が接続されて石英反応管２内を真空引きできるよ
うになっている。さらに、前記水素供給源４及び前記窒
素供給源５は、いずれか一方のみが石英反応管２内にガ
スを供給するように制御される。なお、汚染を防止する
ために、ヒータ３と石英反応管２との間に石英反応管２
を覆うＳｉＣチューブを設置しても構わない。

【００１４】この熱処理炉によりシリコンウェーハＷの
表面を粗くする処理を行うには、まず、Ｓｉボート１に
シリコンウェーハＷを載置し、これをエレベータ機構６
により上昇させて石英反応管２内に挿入し配置する。そ
して、石英反応管２内を真空ポンプ等により真空引きし
て空気を吸引排気し、充分に内部の酸素を排出させる。
又は、一度、窒素ガスや不活性ガスで置換してもよい。

【００１５】次に、ヒータ３により所定の温度（７００
℃以上が好ましい）まで石英反応管２内を加熱するとと
もに、水素供給源４から水素ガスを石英反応管２内に供
給して水素雰囲気（還元性雰囲気）とし、前記所定温度
の状態で表面の自然酸化膜を除去する。この水素雰囲気
熱処理を所定時間だけ行った後、真空ポンプ等で石英反
応管２内を真空引きして水素を排気する。

【００１６】次に、窒素供給源５により石英反応管２内
に窒素ガスを供給して内部を窒素雰囲気に置換し、ウェ
ーハＷ表面と窒素とを反応させて窒化膜を極薄く形成す
る。このときの石英反応管２内の温度は、６５０℃から
８５０℃の範囲内で設定されるとともに、所望の表面粗
れの大きさに応じて前記範囲内で当該温度が決定され
る。すなわち、表面の粗れを大きくしたい場合は高い温
度に設定し、比較的小さい粗れにしたい場合は低い温度
に設定する。なお、シリコンウェーハＷの温度は、ほぼ
石英反応管２内の温度と同様である。この後、ヒータ３
による加熱を停止するとともに、石英反応管２内の温度
を低下させる。なお、水素雰囲気による熱処理中にヒー
タ３による加熱を止め、石英反応管２内の温度が上記範
囲内の温度にまで下がった時点で、窒素雰囲気に置換し
ても良い。

【００１７】石英反応管２内の温度が十分低くなった時
点で、エレベータ機構６によりＳｉボート１を下降させ
て石英反応管２内から抜き出し、そして、十分にウェー
ハＷの温度が下がった状態でウェーハＷをＳｉボート１
から取り出す。この後、取り出したシリコンウェーハＷ
をＳＣ１洗浄し、表面に形成した窒化膜を除去すること
により、ウェーハＷ表面を精度良く粗くすることができ
る。

【００１８】本実施形態により、実際に表面処理を行っ
た取り出し直後のウェーハＷの表面粗れを測定した結
果、図２に示すように、窒素雰囲気への置換温度が８０
０℃の場合は、置換温度が７００℃及び７５０℃の場合
に比べて表面粗れが大きくなっていることがわかる。こ
れは、ＳＣ１洗浄後の窒化膜がエッチングされて除去さ
れた表面においても、図３に示すように、同様の傾向が
確認できた。

【００１９】このように上記表面処理により表面の粗れ
が大きくなるのは、ウェーハＷ表面に形成された窒化膜
により歪み等が生じるためと考えられる。なお、表面粗
れは、パーティクルカウンターによるヘイズのレベル
（光による散乱レベル）で観測した。また、ＡＦＭ（原
子間力顕微鏡）で観測した結果、例えば置換温度７００
℃、７５０℃及び８００℃の場合、表面粗さはＲｍｓ
（平方根平均ラフネス）でそれぞれ約０．２ｎｍ、約
０．４ｎｍ及び約０．８ｎｍであった。すなわち、例え
ば置換温度８００℃にすれば、表面粗さがＲｍｓで０．
５ｎｍ以上のウェーハを精度良く作製することができ
る。なお、処理前のポリッシュドウェーハでは、通常、
表面粗さがＲｍｓで０．１ｎｍ以下である。

【００２０】このように本実施形態では、まずシリコン
ウェーハＷを水素雰囲気中で熱処理することで表面の自
然酸化膜を除去し、次に水素雰囲気を窒素雰囲気に置換
して表面に極薄い窒化膜を形成して表面を粗くし、さら
に、この窒化膜をエッチングにより除去することで、傷
や欠陥等の発生を伴わずに表面を精度良く粗くすること
ができる。また、上述したように、上記表面粗さの大き
さが置換温度（窒化膜の成膜温度）に依存することを利
用して、所望する表面の粗さに応じて窒素雰囲気に置換
する際のシリコンウェーハＷの温度（石英反応管２内の
温度）を予め設定することにより、置換時の温度調整だ
けで表面粗さの大きさを精度良く制御することができ
る。

【００２１】さらに、窒素雰囲気に置換する際のシリコ
ンウェーハＷの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で
設定することにより、この温度範囲内で形成される窒化
膜が不安定な膜質のものを含んでいるため、後のＳＣ１
洗浄により容易に窒化膜を除去することができる。

【００２２】このように上記温度範囲内で形成された窒
化膜が、ＳＣ１洗浄時に容易にエッチング除去されるの
は、成膜温度に応じて生じる窒化膜の膜質の違いに基づ
くものである。例えば、置換温度７００℃と置換温度８
００℃との場合において、取り出し直後のＸＰＳ（Ｘ線
光電子分光）によるウェーハＷの表面分析を行ったとこ
ろ、置換温度８００℃の場合には、図４に示すように、
安定した膜質であるＳｉ₃Ｎ₄のピークが増大しているの
に対し、置換温度７００℃の場合には、図５に示すよう
に、比較的不安定な膜質であるＳｉＮのピークの割合が
高い。

【００２３】すなわち、置換温度が高いほど安定したＳ
ｉ₃Ｎ₄が形成され、８５０℃を越える置換温度で形成さ
れた窒化膜は、ほとんど安定した膜質だけとなるため、
ＳＣ１洗浄で除去することが難しい。これに対し、８５
０℃以下の置換温度で形成された窒化膜は、不安定な膜
質のものが含まれており、ＳＣ１洗浄において容易にエ
ッチングすることができる。なお、置換温度の下限を６
５０℃としたのは、これより低温になると窒化膜自体が
形成し難くなるためである。このように、上記の表面処
理方法で製造されたシリコンウェーハＷは、精度良く表
面が粗くなるので、この表面に絶縁膜等を成膜する場合
でも、膜の高い密着性が得られて膜剥がれを防止するこ
とができる。また、このシリコンウェーハＷの粗くなっ
た表面に容量用の絶縁膜を形成することにより、平坦面
に形成した場合に比べて絶縁膜の面積が大きくでき、静
電容量を向上させることが容易となる。

【００２４】なお、シリコンウェーハＷとしてポリッシ
ュドウェーハの表面全体に表面処理を施して粗くした
が、半導体デバイス等のデバイスプロセス中において一
部でも表面にシリコン等の半導体層が露出している場
合、その表面を粗くするために本発明を適用しても構わ
ない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の半導体ウェーハの表面処理方法によれば、半導
体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理するこ
とで、表面の自然酸化膜を除去し、次に反応室内に窒素
ガスを供給して還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して表
面に窒化膜を形成すると、ウェーハ表面が粗くなり、さ
らに、窒化膜をエッチングにより除去することで、傷や
欠陥等の発生を伴わずに半導体ウェーハ表面を精度良く
粗くすることができる。

【００２６】また、本発明の半導体ウェーハの表面処理
方法によれば、所望する表面の粗さに応じて窒素雰囲気
に置換する際の半導体ウェーハの温度を設定することに
より、置換時の温度調整だけで表面粗さの大きさを高精
度に制御することができる。

【００２７】さらに、本発明の半導体ウェーハの表面処
理方法によれば、窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェ
ーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定する
ことにより、窒化膜が不安定な膜質のものを含んでいる
ため、特別な除去工程を設けなくても通常のＳＣ１洗浄
で容易に窒化膜を除去することができ、低コストで確実
に表面を粗くすることができる。

【００２８】本発明の半導体ウェーハによれば、上記本
発明の半導体ウェーハの表面処理方法により表面が粗く
処理されているので、膜剥がれが生じ難く成膜用の下地
に好適な表面状態を有し、成膜技術が施される半導体デ
バイス等のウェーハに好適である。すなわち、このウェ
ーハを用いれば信頼性の高いデバイスを作製することが
できる。また、表面が粗くされているので、その上に形
成される絶縁膜の容量を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法
及び半導体ウェーハの一実施形態における熱処理炉を示
す概略的な全体断面図である。

【図２】 本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法
及び半導体ウェーハの一実施形態における置換温度を変
えた場合の取り出し直後における表面粗さ（ヘイズ）を
示すグラフである。

【図３】 本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法
及び半導体ウェーハの一実施形態における置換温度を変
えた場合のＳＣ１洗浄後における表面粗さ（ヘイズ）を
示すグラフである。

【図４】 本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法
及び半導体ウェーハの一実施形態において、置換温度８
００℃の場合のＸＰＳによる表面分析を示すＳｉＮとＳ
ｉ₃Ｎ₄とのピーク分離を行ったグラフである。

【図５】 本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法
及び半導体ウェーハの一実施形態において、置換温度７
００℃の場合のＸＰＳによる表面分析を示すＳｉＮとＳ
ｉ₃Ｎ₄とのピーク分離を行ったグラフである。

【符号の説明】

２ 石英反応管（反応室） ４ 水素供給源 ５ 窒素供給源 Ｗ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 嘉信 東京都千代田区大手町一丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 Ｆターム(参考） 5F038 EZ01 EZ14 EZ17 EZ20 5F043 AA35 BB23 FF10 GG10 5F058 BA11 BC08 BD10 BE01 BF55 BF64 BH11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体が露出した少なくとも一部の表面
   を粗くする半導体ウェーハの表面処理方法であって、 前記半導体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処
   理する熱処理工程と、 該熱処理工程後に、前記反応室内に窒素ガスを供給して
   前記還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して前記表面に窒
   化膜を形成する窒化膜形成工程と、 該窒化膜形成工程後に、前記表面に形成された窒化膜を
   エッチングにより除去する窒化膜除去工程とを備えてい
   ることを特徴とする半導体ウェーハの表面処理方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体ウェーハの表面処
   理方法において、 前記窒化膜形成工程は、所望する前記表面の粗さに応じ
   て前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの
   温度を設定することを特徴とする半導体ウェーハの表面
   処理方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体ウェーハの表面処
   理方法において、 前記窒化膜形成工程は、前記窒素雰囲気に置換する際の
   前記半導体ウェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範
   囲内で設定することを特徴とする半導体ウェーハの表面
   処理方法。
4. 【請求項４】 半導体が露出した少なくとも一部の表面
   を粗くした半導体ウェーハであって、 請求項１から３のいずれかに記載の半導体ウェーハの製
   造方法により前記表面が粗く処理されたことを特徴とす
   る半導体ウェーハ。