JP2005109521A

JP2005109521A - 表面処理方法およびシリコンウェーハ

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Publication number: JP2005109521A
Application number: JP2004368553A
Authority: JP
Inventors: Shoji Nogami; 彰二野上; Tomonori Yamaoka; 智則山岡
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】シリコンウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハにおいて、水素ベークの低温化を行っても十分に自然酸化膜や有機物を除去すること。
【解決手段】シリコンウェーハ表面に半導体薄膜をエピタキシャル成長する前に行うシリコンウェーハの表面処理方法であって、水素を雰囲気ガスとしてシリコンウェーハ表面に熱処理を行う水素ベーク工程を有し、該水素ベーク工程は、圧力をＰ（Ｐａ）とし、熱処理時間をｔ（ｍｉｎ）とし、熱処理温度をＴ（Ｋ）としたとき、以下の関係式；
Ｐ＜３×１０^１７ｔ^{０．５９４３}ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコン（Ｓｉ）ウェーハ表面にシリコン等の半導体薄膜をエピタキシャル成長する前に行うシリコンウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハに関する。

半導体デバイスの製造プロセスでは、シリコンウェーハ上にシリコン等の半導体薄膜をエピタキシャル成長する場合があるが、通常、シリコンウェーハ表面には、自然酸化膜が形成されていると共に有機物等が付着しているため、成長前にこの膜や有機物等を除去する必要がある。例えば、エピタキシャル成長する前に、エピタキシャル炉において１１００℃〜１１５０℃の温度範囲内で水素ベークを行うことにより、自然酸化膜や有機物を除去している。

しかしながら、上記従来のエピタキシャル成長技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、近年、高温プロセスの際に生じるドーパントのプロファイル変化、金属汚染及びスリップ等を防ぐために、１０５０℃以下で全てのプロセスを行う低温プロセスが要望されている。このため、低温プロセスにおいて自然酸化膜を除去するには、上述した水素ベークの熱処理温度を下げることが必要になるが、１１００℃より低温にすると、水素雰囲気中では自然酸化膜や有機物の除去が困難になるため、良好なエピタキシャル成長を行うことが難しいという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、水素ベークの低温化を行っても十分に自然酸化膜や有機物を除去することができるシリコン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。

本発明者らは、水素ベーク処理技術について研究を行った結果、水素ベークの効果が圧力により変化し、ベーク温度及びベーク時間との間に一定の関係があることを見出すことができた。

したがって、本発明は、こ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。

本発明のシリコンウェーハの表面処理方法は、シリコンウェーハ表面に半導体薄膜をエピタキシャル成長する前に行うシリコンウェーハの表面処理方法であって、
水素を雰囲気ガスとしてシリコンウェーハ表面に熱処理を行う水素ベーク工程を有し、
該水素ベーク工程は、
圧力をＰ（Ｐａ）とし、
熱処理時間をｔ（ｍｉｎ）とし、
熱処理温度をＴ（Ｋ）としたとき、以下の関係式；
Ｐ＜３×１０^１７ｔ^{０．５９４３}ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われ、
前記圧力、前記熱処理時間、前記熱処理温度をそれぞれ、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、９００℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、９５０℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、１０００℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、１０５０℃に設定し、ドーパントのプロファイル変化や金属汚染を十分に抑制しながら完全にシリコンウェーハ表面の自然酸化膜等を除去することを特徴とする。

このシリコンウェーハの表面処理方法では、水素ベーク工程において、熱処理温度が１１００℃未満で上記関係式を満たす条件で行われるので、後述するように、熱処理温度が低くてもシリコンウェーハ表面の自然酸化膜等を十分に除去することができる。
また、本発明のシリコンウェーハの表面処理方法は、前記圧力を、５．３×１０^３Ｐａから５．３×１０^４Ｐａまでの範囲内に設定し、前記熱処理時間を、３０分以内に設定し、前記熱処理温度を、８５０℃以上に設定することが好ましい。すなわち、このシリコンウェーハの表面処理方法では、圧力、熱処理時間及び熱処理温度が上記範囲内に設定されるので、ドーパントのプロファイル変化や金属汚染を十分に抑制しながら完全にシリコンウェーハ表面の自然酸化膜等を除去することができる。

本発明のシリコンウェーハは、シリコンウェーハ表面に半導体薄膜がエピタキシャル成長されたシリコンウェーハであって、上記本発明のシリコンウェーハの表面処理方法により前記シリコンウェーハの表面処理を行った後に前記エピタキシャル成長が行われたことを特徴とする。この半導体ウェーハでは、上記本発明のシリコンウェーハの表面処理方法により表面処理を行った後にエピタキシャル成長が行われたので、表面の自然酸化膜等が低温の水素ベークでも十分に除去された状態でエピタキシャル成長されており、ドーパントのプロファイル変化、金属汚染及びスリップ等が少ないと共に良質なエピタキシャル層を有することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハによれば、水素ベーク工程において、熱処理温度が１１００℃未満で上記関係式を満たす条件で行われるので、ベーク温度が低くてもシリコンウェーハ表面の自然酸化膜等を十分に除去することができ、表面の自然酸化膜等が十分に除去された状態でエピタキシャル成長されることにより、ドーパントのプロファイル変化、金属汚染及びスリップ等が少ないと共に良質なエピタキシャル層を有するウェーハが得られる。

以下、本発明に係るシリコンウェーハの表面処理方法及びシリコンウェーハの一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態は、図１に示すように、シリコンウェーハＷ上にシリコンのエピタキシャル膜（半導体薄膜）ＥＰをエピタキシャル成長してエピタキシャルウェーハＷ１を得るための表面処理方法であって、いわゆる水素ベークにより表面の自然酸化膜ＮＯ及び有機物等を除去する方法である。エピタキシャル成長を行うシリコンウェーハは、洗浄等を行った状態で、図１の（ａ）に示すように、シリコンウェーハＷの表面上に自然酸化膜ＮＯが形成されている状態となっている。

上記シリコンウェーハＷに本実施形態の表面処理を行うには、ＬＰ−ＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）炉内において、図１の（ｂ）に示すように、いわゆる水素ベーク、すなわち水素（Ｈ2 ）雰囲気中でベークして表面の自然酸化膜ＮＯを除去する工程を行う。この際、水素ベーク条件は、炉内の圧力をＰ（Ｐａ）とし、ベーク時間（熱処理時間）をｔ（ｍｉｎ）とし、ベーク温度（熱処理温度）をＴ（Ｋ）としたとき、ベーク温度が１１００℃未満で、以下の関係式；
Ｐ＜３×１０^１７ｔ^{０．５９４３}ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われる。なお、圧力は、５．３×１０^３Ｐａから５．３×１０^４Ｐａまでの範囲内に設定し、ベーク時間は、３０分以内に設定し、ベーク温度は、８５０℃以上に設定することが好ましい。

上記関係式に基づいて、ベーク時間ｔを１（線Ａ）、２（線Ｂ）、５（線Ｃ）、１０（線Ｄ）、２０（線Ｅ）、５０（線Ｆ）及び１００ｍｉｎ（線Ｇ）とした場合のベーク時間、ベーク温度及び圧力の関係を、図２のグラフに示す。図２中の線Ａ〜Ｇは、それぞれ上記ベーク時間における上記関係式による境界線であり、これらの境界線より図中の左側の条件によって自然酸化膜を除去することができる。

すなわち上記関係式に基づいた水素ベーク条件による表面処理を行うことにより、従来のベーク温度１１５０℃よりも低い温度で、有機物等と共に自然酸化膜ＮＯを容易に除去することができる。このように表面処理されて自然酸化膜ＮＯが完全に除去されたシリコンウェーハＷ上に、図１の（ｃ）に示すように、引き続いて上記ＬＰ−ＣＶＤ炉を用いて、例えばＳｉＨ4 を原料ガスとしてシリコンのエピタキシャル膜ＥＰを成膜する。本実施形態では、表面の自然酸化膜ＮＯ等が低温の水素ベークでも十分に除去された状態でエピタキシャル成長することができ、このように作製されたエピタキシャルウェーハＷ１は、ドーパントのプロファイル変化、金属汚染及びスリップ等が少ないと共に良質なエピタキシャル層ＥＰを有することができる。

ベーク温度と圧力とをそれぞれ変えて水素ベーク処理を行った実験結果を、図３に示す。この図において、白丸○は、自然酸化膜ＮＯが除去できたものを示し、黒丸●は、自然酸化膜ＮＯが除去できなかったものを示している。なお、ベーク時間は、それぞれ３０分に設定している。この図からわかるように、図中の点線、すなわち上記関係式による境界線の図中左側の条件で、自然酸化膜ＮＯが除去されている。なお、この実施例では、ベーク時間を３０分に設定したが、他のベーク時間に設定しても上記関係式を満たす水素ベーク条件では、自然酸化膜ＮＯが除去される。

また、種々の水素ベーク条件で表面処理を行った実験結果として、処理後の自然酸化膜ＮＯの厚さＴ_ＯＸ（ｎｍ）を、図４に示す。水素ベーク条件としては、圧力を５．３×１０^３Ｐａから５．３×１０^４Ｐａまでの６種類のそれぞれに設定し、またベーク温度を８００℃から１０５０℃までの６種類（５０℃おき）のそれぞれに設定して行った。また、ベーク温度は、いずれも３０分に設定した。なお、比較のため、全く水素ベークを行わない場合を合わせて図に示した。

この図からわかるように、８００℃の場合、５．３×１０^３Ｐａから５．３×１０^４Ｐａまでの各圧力下では、ほとんど水素ベークを行っていない場合と自然酸化膜ＮＯの厚さがあまり変わらず、除去できていないが、８５０℃の場合では、圧力が低くなるに従い、自然酸化膜ＮＯの厚さが薄くなり、１．１×１０^４Ｐａでは、完全に除去されていることがわかる。さらに、９００℃以上の場合は、上記圧力範囲内では、完全に除去されていることがわかる。なお、処理後の自然酸化膜が０．３ｎｍ程度であれば、水素ベーク時にベーク前の自然酸化膜は完全に除去されたものと考えられる。すなわち、水素ベークにより完全に自然酸化膜が除去されても、水素ベーク処理後の膜厚測定時に０．３ｎｍ程度の自然酸化膜がわずかに形成されるためである。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、ＳｉＨ_４を原料ガスとしたシリコンのエピタキシャル成長を行う場合の表面処理に適用したが、Ｓｉ_２Ｈ_６又はＤＣＳを原料ガスとしたシリコンのエピタキシャル成長を行う場合の表面処理に採用しても構わない。また、シリコン以外の他の半導体薄膜のエピタキシャル成長を行う場合の水素ベーク処理に適用しても構わない。さらに、エピタキシャル成長されるシリコンウェーハは、表面にＢ（ボロン）等が選択的にドーピングされたものでも構わず、半導体デバイスの他の製造プロセスにおける途中段階でのウェーハでも構わない。

本発明に係るシリコン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、工程順にウェーハの要部を示す拡大断面図である。本発明に係るシリコン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、上記関係式により複数のベーク時間におけるベーク時間と圧力との境界条件を示すグラフである。本発明に係るシリコン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、３０分のベーク時間で実際にベーク時間と圧力とを変えて実施した水素ベーク処理の自然酸化膜除去の結果を示すグラフである。本発明に係るシリコン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、３０分のベーク時間で実際にベーク時間と圧力とを変えて実施した水素ベーク処理後の自然酸化膜厚さを示すグラフである。

符号の説明

ＥＰエピタキシャル層
ＮＯ自然酸化膜
Ｗシリコンウェーハ
Ｗ１エピタキシャル成長したウェーハ（半導体ウェーハ）

Claims

シリコンウェーハ表面に半導体薄膜をエピタキシャル成長する前に行うシリコンウェーハの表面処理方法であって、
水素を雰囲気ガスとしてシリコンウェーハ表面に熱処理を行う水素ベーク工程を有し、
該水素ベーク工程は、
圧力をＰ（Ｐａ）とし、
熱処理時間をｔ（ｍｉｎ）とし、
熱処理温度をＴ（Ｋ）としたとき、以下の関係式；
Ｐ＜３×１０^１７ｔ^{０．５９４３}ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われ、
前記圧力、前記熱処理時間、前記熱処理温度をそれぞれ、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、９００℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、９５０℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、１０００℃に設定するか、または、
２．１×１０^４Ｐａ、３０分、１０５０℃に設定し、ドーパントのプロファイル変化や金属汚染を十分に抑制しながら完全にシリコンウェーハ表面の自然酸化膜等を除去することを特徴とするシリコンウェーハの表面処理方法。
シリコンウェーハ表面に半導体薄膜がエピタキシャル成長されたシリコンウェーハであって、請求項１に記載のシリコンウェーハの表面処理方法により前記シリコンウェーハの表面処理を行った後に前記エピタキシャル成長が行われたことを特徴とするシリコンウェーハ。