JP2001244272A - 半導体デイスク、その製法及びその使用 - Google Patents
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Abstract
導性材料からのエピタキシヤル層を有する半導体デイス
ク及びその製法。 【解決手段】 エピタキシヤル層の表面は0.12μm
以上の散乱断面で1cm 2当たり0.14散乱光中心の
最大密度を有し、この半導体デイスクの前面は、エピタ
キシヤル層の析出の前に、1μm×1μmの参照面積上
でAFMにより測定された0.05〜0.29nmRMS
の表面粗面度を有する。その製法は、(a)唯一の研磨
工程としての除去研磨工程、(b)半導体デイスクの浄
化及び乾燥、(c)エピタキシー反応器中、950〜1
250℃の温度での半導体デイスク前面の前処理及び
(d)前処理された半導体デイスクの前面上のエピタキ
シヤル層の析出よりなる。
Description
減少された数の光散乱中心を有する、前面上にエピタキ
シヤル被覆を有する半導体デイスク及びコスト的に好適
なその製法に関する。このような半導体デイスクは、半
導体工業での、殊に0.18μm以下の線幅を有する電
子素子(elektronische Bauelemente)を製造するため
の使用に好適である。
の工業的製造のために好適であるべき半導体デイスク
は、多くの特別な性質を有すべきである。半導体デイス
クの特に重要な2つの特性は、その上に半導体素子を得
る表面上の光散乱中心の数(localized light scatter
s:LLS)及び粗面度(ヘイズ:haze)であり;特定の
数及び大きさで、LLSは、素子を故障させることがあ
りうる。
ピタキシー層又はエピタキシヤル成長層(その上に半導
体素子が施与される)を有する単結晶半導体デイスク、
例えば珪素層を有する珪素デイスクは、均一材料製の半
導体デイスクに比べて特定の利点を有する。この場合
に、先ず第一に、例えばCMOS−スイッチ回路中で均
一材料上に現れ、トランジスター中に、電荷逆転を可能
にし、当該素子の短絡に作用することができる電力をも
たらし得る、いわゆるラッチ−アップ−問題(Latch-up-
problem)を挙げるべきである。当業者にとって、このラ
ッチ−アップ−問題は、高ドーピング基板デイスク(低
電気抵抗)及び低ドーピングエピタキシー層(高電気抵
抗)製のエピタキシー化(epitaxierte)半導体デイスク
の使用により有効に阻止できることは公知であり、この
ことは、同時に基板の所望のゲッター作用(Getterwirk
ung)に作用し、更に素子の面積利用性を低下させる。更
に、エピタキシー化表面は、極性半導体デイスクと比べ
て低い欠陥密度(LLSとして表現される)(これは、
例えばいわゆるCOPs(crystal-originated particl
es)でありうる)を有し、このことは、通常、無傷の半
導体素子の高収率をもたらす。更に、エピタキシー層
は、言うに値する酸素含有率を有しないので、素子に重
要な範囲内の可能なスイッチ回路障害性酸素沈殿物の危
険は排除されている。
デイスクは、適当な前製品から処理順序:除去研磨(Ab
tragspolier)−最終研磨−浄化−エピタキシーにより製
造され、この際、除去研磨後の原子力−マイクロスコー
プ−法((Atomic-Force-Microscope-Verfahren:AF
M)を用いて測定された1μm×1μmの範囲の表面粗
面度は、処理実施後に約0.5〜3nmRMS(root-me
an-square)及び最終研磨後に約0.05〜0.2nmRM
Sである。同様に、3工程又は4工程研磨処理が公知で
あり、この際には、この粗面度は順々に低下される。欧
州特許出願EP684634A2明細書中には、半導体
デイスクが最終研磨工程に供される前に、除去研磨工程
で順次に、異なる粒度の2つの異なる研磨ゾルを供給す
る処置変法が記載されている。多工程研磨法の欠点は、
それぞれの付加的工程に伴い、半導体デイスクの製造コ
ストが上昇することである。
中には、鋸切断され−ラッピングされ−エッチングされ
た珪素デイスクを除去研磨し、その際に、0.3〜1.
2nmRMSの表面粗面度(AFM、1μm×1μm)
が生じ、コスト削減のために平滑化性最終研磨工程を実
施せずにエピタキシヤル珪素層を析出させる方法よりな
る、エピタキシー化デイスクの製法が記載されている。
このように製造されたエピタキシー層は、最終研磨工程
の先行使用下に慣用法で製造されたエピタキシー層とそ
の電気的特性において匹敵するが、比較的高い出発粗面
度に基因するエピタキシー化表面上の光散乱中心の増加
が、このデイスク上に製造される素子の故障の可能性を
増大させる。
以下の線幅を有する電子素子を製造するために好適であ
り、エピタキシー化表面上の光散乱中心の数に関する記
載の欠点を有せず、コスト的に好適な製造法により得る
ことのできるエピタキシー化半導体デイスクを提供する
課題が存在した。更に、このエピタキシー化半導体デイ
スクの他の特性は、少なくとも正に、技術水準で製造さ
れたエピタキシー化半導体デイスクのそれと同様に良好
であるべきである。
面及び1裏面及びこの前面上に析出された半導性材料か
らの1エピタキシヤル層を有する半導体デイスクであ
り、これは、エピタキシヤル層の表面が0.12μm以
上の散乱断面積で1cm2当たり0.14散乱光中心の
最大密度を有し、この半導体デイスクの前面は、エピタ
キシヤル層の析出の前に、1μm×1μmの大きさの参
照面積上でのAFMにより測定された0.05〜0.29
nmRMSの表面粗面度を有することを特徴とする。
この前面上に析出された半導性材料からのエピタキシヤ
ル層を有する半導体デイスクを製造する方法であり、こ
れは、次の処理工程: (a)唯一の研磨工程としての除去研磨工程(Abtragpol
ierschritt); (b)半導体デイスクの浄化及び乾燥; (c)エピタキシー反応器中、950〜1250℃の温
度での半導体デイスクの前面の前処理;及び (d)前処理された半導体デイスクの前面上のエピタキ
シヤル層の析出よりなる。
り、半導体デイスクの前面の表面は、後に成長するエピ
タキシヤル層の品質がこの層の表面上の光散乱中心の最
大数に関して少なくとも技術水準の要求に相当するよう
に調整される。しかし、方法工程(a)〜(c)により
製造された半導体デイスクのコストは、技術水準により
製造された比較可能な半導体デイスクのそれよりも低
い。
のみが行われた半導体デイスクを、エピタキシー反応器
中で、第1の工程で、半導体デイスクの前面から自然の
酸化物(自然酸化膜)が除去されるように、ここでは半
導体デイスクを水素雰囲気に露呈させる方法で前処理す
る。第2の工程で、ガス状HClをその水素雰囲気中に
導入する方法で、半導体デイスクの前面の表面粗面度を
減少させる。このように前処理された半導体デイスク
は、この方法の工程(d)で、先行工程に基因して、エ
ピタキシー化表面の粗面度及び光散乱中心の数に関して
少なくとも技術水準のものに相当する、即ち、比較可能
な半導体デイスクの特性を有するが、その製造は除去研
磨及び最終研磨(仕上げ)を包含するエピタキシヤル層
を保持する。
クの処理は、他との関係で既に記載された(H.M.Liaw u
nd J. W. Rose : Epitaxial Silicon Technology, Acad
emicPress. Inc., Orlando Florida 1986、71−73
頁)。
た水素雰囲気への少量のガス状HClの添加が、半導体
デイスクの除去研磨されただけの表面の明白な平滑化に
作用している。珪素が少量のみのHClの添加の結果と
して最初のエッチングによって除去されるだけではな
く、揮発性クロルシランの再析出及び表面での珪素の再
結晶も起こっていることが推測される。この場合に、珪
素は、高い反応性の位置からエネルギー的に好適な位置
に移動され、表面の粗面度の明白な減少に作用する。高
いHCl濃度の存在では、エッチングによる珪素の実質
的除去によるこの効果及びそれに結びつく表面の粗面化
はもはや観察されない。
る化学機械的な片面−又は両面−研磨法で処理され、エ
ピタキシー化され得る材料から成るデイスク形の物体の
製造のために使用することができる。例えばチョクラル
スキー法(Czochralskiprozess)またはゾーン引き抜き
法により結晶化された結晶方位(100)、(110)
又は(111)を有する単結晶形の珪素が有利である。
この場合に、この珪素は特定量のドーピング物質を含有
し、この際、元素周期律表第3主族からのドーピング物
質、例えばp−型の物質をもたらす硼素と第5主族の元
素、例えばn−型の物質をもたらす燐、砒素又はアンチ
モンとの間では区別する。珪素又は珪素/ゲルマニウム
は、エピタキシヤル被覆用の材料として有利である。エ
ピタキシヤル被覆は、通常その電気的特性においてその
ドーピング物質含量によってその半導体デイスクのそれ
とは異なっている。しかしながら、このことは必ずしも
必要ではない。例えば、エピタキシー層を、それぞれの
ドーピング含量なしに成長させることも可能である。本
発明の範囲内では、珪素からのエピタキシヤル被覆を有
する珪素デイスクが特に有利であり、この際、珪素デイ
スク及びエピタキシー層は、双方ともp−型であるか又
は双方ともn−型である。
m、400mm及び450mmの直径及び数100μm
〜数cm、有利に400μm〜1200μmの厚さを有
する珪素デイスクの製造のために好適である。エピタキ
シー化半導体デイスクは、直接、半導体素子の製造用の
出発物質として使用できるか又はそれぞれ技術水準によ
る裏側メッキの施与又は更なる研削、エッチング又は研
磨等による裏側処理の後に、その特定の目的に供するこ
とができる。均一材料から成るデイスクを製造すると共
に、本発明は、勿論、多層に構成された半導体基板、例
えばSOI−デイスク(silicon-on-insulator)及びい
わゆるボンデッドウエハ(bonded wafers)の製造のため
に使用することもできる。但しこの場合にはコストの利
点は失われることがある。
に有する珪素デイスクの製造で、この方法の更なる記載
を行う。
法により切断された珪素デイスクを直接本発明による方
法に供することが可能である。しかしながら、鋭く限定
され、従って機械的に非常に敏感なデイスク縁部を、適
当に研磨された研削デイスクを用いて丸味付けすること
は有意義かつ従って有利である。更に、破壊された結晶
層の形状の改良及び部分的除去の目的で、研磨工程中で
の材料除去を減少させるために、珪素デイスクを機械的
除去工程、例えばラッピング又は研削に供することが可
能である。珪素デイスクを表面研削工程に供するのが有
利であり、この際、片面を研削するか又は両面を連続的
に又は両面を同時に研削する。デイスク表面又は−縁部
の機械的処理工程で必然的に生じる損傷を除き、かつ場
合により存在する不純物を除くために、この位置でエッ
チング工程を行うことができる。このエッチング工程
は、アルカリ性又は酸性エッチング混合物中でのこの珪
素デイスクの湿式化学処理として又はプラズマ処理とし
て実施することができる。濃硝酸水及び濃フッ化水素酸
水からの混合物を用いる酸性エッチング工程、例えばド
イツ特許出願第19833257.2号で請求されてい
る実施形が有利である。
出発物質は、珪素−単結晶の鋸切断により製造され、縁
部丸味付け、片面当たり珪素10μm〜100μmの除
去下にデイスク両面が連続的に表面研削され、デイスク
片面当たり珪素5μm〜50μmの除去下に酸性エッチ
ング混合物中で湿式化学エッチングされた、200mm
以上の直径を有する珪素製半導体デイスクである。
明によるエピタキシー化半導体デイスクの製造のため
に、デイスクを単に1除去研磨工程に供し、この際、研
磨をデイスクの両面上で同時に又は片面上のみで実施す
る。両面が研磨されたデイスクを得るために好適な研磨
法は、例えばドイツ特許出願第19905737.0号
明細書中に記載されている。
工程(a)の後に、珪素デイスクを研磨機から取り除
き、技術水準による浄化及び乾燥を行う。この浄化は、
バッチ法として浴中での多数のデイスクの同時的浄化に
より、又はスプレー法を用いて又は単一デイスク処理と
して実施することができる。
(a)及び(b)で処理された珪素デイスクを、次い
で、珪素層の後続のエピタキシヤル析出のためにも使用
される反応器中で前処理し、この際、先ず、自然の酸化
物(自然酸化膜:native Oxide)を表面から除き、その
後、除去研磨の後になお存在する表面粗面性を明らかに
減少させる。この酸化物の除去は、純粋水素雰囲気中、
950〜1150℃の温度範囲で行われ、この際、11
00〜1150℃の温度範囲が有利である。この水素流
は、1〜100SLM、有利に50SLMの範囲内であ
る。表面粗面度の減少は、950〜1200℃、有利に
1100〜1180℃、特に有利に1140℃の温度で
の水素雰囲気中へのガス状HClの添加により行なわれ
る。この場合に、ガス状HClの濃度を、エッチング速
度が0.01μm/min〜0.1μm/minであるよ
うに低く保持し、この際、エッチング除去は0.01〜
0.2μm、有利に0.01〜0.1μの範囲内である。
(a)〜(c)により処理された珪素デイスクに、標準
法により、少なくとも前面上に1エピタキシヤル珪素層
を備えさせる。このことは、有利に、CVD−法(chem
ical vapor deposition)により行われ、この際、シラン
類、例えばシラン(SiH4)、ジクロロシラン(Si
H2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)又は
テトラクロロシラン(SiCl4)がデイスク表面に供
給され、そこで600〜1250℃の温度で分解され
て、元素状珪素及び揮発性副産物にされ、エピタキシヤ
ルな、即ち単結晶の、半導体デイスクの結晶グラフ的に
方位付けられて成長した珪素デイスクを形成する。厚さ
0.3μm〜10μmを有する珪素層が有利である。エ
ピタキシー層は、ドープされていないか又は合目的に、
例えば、伝導型及び所望の導電性に調節するために、硼
素、燐、砒素又はアンチモンでドープされていてよい。
素でのエピタキシー被覆の実施の後に、疎水性表面を有
し、この形で組み込まれた素子の製造のための更なる加
工に供され得る本発明による半導体デイスクが存在す
る。しかしながら、必ずしも必要ではない場合にも、本
発明の範囲内でデイスク表面を汚染から保護するために
親水性化すること、即ち、これを薄い酸化物層で、例え
ば約1μmの厚さの酸化物層(これは当業者には自然酸
化膜として周知である)で被覆することが可能である。
このことは、原則的に2つの異なる方式で行うことがで
きる:一方で、エピタキシー化半導体デイスクの表面
を、酸化性ガス、例えばオゾンで処理することができ、
これはエピタキシー室自体内で又は別の装置中で実施す
ることができる。他方で、RCA−タイプの浴配列を有
する浴装置中での親水性化に引き続き、デイスクの乾燥
が可能である。
の実施の後に、少なくとも前面上にくもりのない(schl
eierfrei)表面を有するエピタキシー化半導体デイスク
が存在し、これは半導体素子の製造のためのその更なる
加工の前にその特性の特徴付けを行うことができる。レ
ーザーベースで作動する光学的表面検査装置を用いる測
定は、エピタキシー化されたデイスク表面積1cm2当
たり0.14散乱光中心の最大密度及び0.2ppmより
小さい表面粗面度(ヘイズ:haze)を示す。
デイスク同定のためのレーザーマーキング(Laserbesch
riftung)及び/又は縁部研磨工程を、例えばレーザーマ
ーキングの場合には研削の前又は後に、並びに縁部研磨
の場合には両面研磨の前、間又は後に導入することがで
きる。一連の特定の製品を得るために必要な更なる処理
工程、例えばポリ珪素、二酸化珪素及び/又は窒化珪素
からの裏面被覆の施与は、同様に当業者に公知の方法で
適当な位置でこの処理工程連鎖中に組み入れることがで
きる。更に、半導体デイスクを個々の処理工程の前又は
後に、技術水準によるバッチ浄化又は単一デイスク浄化
に供することが有利であり得る。
係する当業者に周知のパラメータ、例えばデイスク表面
の金属汚染及び少数電荷キャリア−寿命(Minoritaetsl
adungstraeger-Lebensdauer)並びにナノトポロジー特性
に関して、本発明により製造されたエピタキシー化半導
体デイスクは、技術水準でエピタキシー層の析出の前に
最終研磨工程を用いて製造されるエピタキシー化半導体
デイスクに比べて欠点を有しない。
導体デイスク、殊にエピタキシヤル珪素被覆を有する珪
素デイスクは、0.18μm以下の線幅を有する半導体
素子の製造のための要件を満足する。本発明の方法は、
記載の特徴を有するエピタキシー化珪素デイスクの製造
のための最適な解決であることが立証された。出発物質
に最小の形状要求が設定され、このことは前処理への要
求を減少する。両面での研磨により得られる良好な形状
は、比較的僅かな材料除去の後に既に現れ、例えばプラ
ズマエッチングによる局所的形状修正のためのコストの
かかる工程なしで、僅かな破断危険性と非常に高い収率
を伴って、高い処理安全性によって現れ、かつ、最終研
磨工程の実施の必要性の省略により、本発明による最終
製品でも完全に保持される。
±0.2)mmの直径、(6±1)・1017原子/c
m3の酸素含分及び5〜m20Ω・cmの範囲の抵抗を
もたらす硼素ドーピングを有する珪素デイスクの製造お
よび1〜10mΩ・cmの範囲の抵抗をもたらす硼素ド
ーピングを有する前面上のエピタキシヤル珪素層に関す
る。
され、浄化された、両面で研磨された表面を有する30
0mm−珪素デイスクを提供した。予備研磨されたデイ
スクの粗面度は0.7nmRMS(AFM、1μm×1
μm)であった。
の前面をエピタキシー反応器中でのエピタキシヤル被覆
の前に、第1工程で前面上の自然の酸化物を除去し、第
2工程でこの表面上の粗面性を著しく減少させる目的を
有する前処理を行うと、エピタキシヤル被覆の後に表面
粗面性及び光散乱中心の数に関して明確に改善された特
性を有する半導体デイスクが生じる。このことは、先ず
自然の酸化物を1120℃の水素雰囲気中で数分間で除
去することにより達成された。その後、なお存在する前
面上の粗面性を明らかに減少させる目的で、1140℃
の温度で水素雰囲気にガス状HClを1分間添加した。
この場合に、エッチング速度は0.04μm/minよ
り小さく、エッチング除去は0.04μmであった。こ
の本発明による前処理の後に、デイスクは約0.17n
mRMS(AFM、1μm×1μm)の表面粗面度を有
した。
された半導体デイスクを、次に技術水準に相応してエピ
タキシー反応器中で前面上にエピタキシヤル成長する珪
素層を備えさせ、この際、珪素成分としてSiHCl3
を使用し、抵抗をジボランB 2H6のドーピングにより
調節した。1140℃の反応室温度で、3μm/min
の析出速度で厚さ3.2μmの層を析出させた。
前面上で珪素を用いてエピタキシー化された珪素デイス
クを、レーザー原理で作動するFa.KLA−Tencor社のタイ
プSPIの表面検査装置上で、エピタキシー化された前
面のその欠陥に関して特徴付けをする;0.12μm以
上のLLS−欠陥の総数は、DWN−チャンネル(dark
field wide)で22±15の平均値((0.03±0.0
2)LLS/cm2に相当)を生じ、ヘイズ値は0.0
6±0.03ppmであった。
化及び乾燥の後に0.7nmRMSの粗面度(AFM、
1μm×1μm)を有するように処理した。本発明に記
載の前処理なしでは、前面上のエピタキシヤル被覆の後
に、DWN−チャンネルで0.12μm以上のLLS−
欠陥の平均値368±124((0.52±0.18)L
LS/cm2に相当)が判明した。ヘイズ値は0.09
±0.04ppmであった。
ピタキシー反応器中で前処理を行い、この際、HCl−
濃度は、エッチング速度が2μm/minであり、合計
2μmが珪素表面からエッチング除去されるような濃度
であった。エピタキシヤル珪素析出の後に次の測定値が
得られた:DWN−チャンネルでの0.12μm以上の
前面の平均LLS−欠陥数150±45((0.21±
0.06)LLS/cm2に相当)。ヘイズ値は、1.2
±0.4ppmであった。
記の例及び2つの比較例で製造された300mm−珪素
デイスクの前面、裏面及び縁部を、当業者に公知の常法
でデイスク表面の金属汚染及び少数電荷キャリア−寿命
並びにナノトポロジー特性に関して特徴付けた。個々の
実験グループの間で統計的に著しい偏差は観察されなか
った。
Claims (11)
- 【請求項1】 前面及び裏面及びこの前面上に析出され
た半導性材料からのエピタキシヤル層を有する半導体デ
イスクにおいて、エピタキシヤル層の表面は0.12μ
m以上の散乱断面で1cm2当たり0.14散乱光中心
の最大密度を有し、この半導体デイスクの前面は、エピ
タキシヤル層の析出の前に、1μm×1μmの参照面積
上でAFMにより測定された0.05〜0.29nmRM
Sの表面粗面度を有することを特徴とする、半導体デイ
スク。 - 【請求項2】 前面及び裏面及びこの前面上に析出され
た半導性材料からのエピタキシヤル層を有する半導体デ
イスクを製造する方法において、この方法は、次の処理
工程: (a)唯一の研磨工程としての除去研磨工程; (b)半導体デイスクの浄化及び乾燥; (c)エピタキシー反応器中、950〜1250℃の温
度での半導体デイスクの前面の前処理;及び (d)前処理された半導体デイスクの前面上のエピタキ
シヤル層の析出よりなることを特徴とする、半導体デイ
スクの製法。 - 【請求項3】 除去研磨工程の際に、半導体デイスクの
前面及び裏面を同時に研磨する、請求項2に記載の方
法。 - 【請求項4】 除去研磨の際に、半導体デイスクの前面
のみを研磨する、請求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 工程(c)に記載の前処理を、エピタキ
シー反応器中でのエピタキシヤル析出の直前に実施す
る、請求項2から4までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項6】 工程(c)による前処理の第1工程で、
半導体デイスクを、水素雰囲気中、950〜1250℃
の温度で処理する、請求項2から5までのいずれか1項
に記載の方法。 - 【請求項7】 工程(c)による前処理の第2工程で、
半導体デイスクを、ガス状HClが混合されている水素
雰囲気中、950〜1250℃の温度で処理し、この
際、0.01μm/min〜0.1μm/minのエッチ
ング速度で、半導体デイスクの表面から材料0.01〜
0.2μmを除去する、請求項2から6までのいずれか
1項に記載の方法。 - 【請求項8】 工程(d)で析出されたエピタキシヤル
層は0.3μm〜10μmの厚さを有し、600〜12
50℃の温度で析出される、請求項2から7までのいず
れか1項に記載の方法。 - 【請求項9】 工程(d)で析出されたエピタキシヤル
層を酸化性ガスで親水性化させる、請求項2から8まで
のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項10】 工程(d)で析出されたエピタキシヤ
ル層を湿式化学的に親水性化させる、請求項2から9ま
でのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項11】 集積半導体素子の製造のための、請求
項2から10までのいずれか1項に記載の方法で製造さ
れたエピタキシー化半導体デイスクの使用。
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