JP2008135720A - 表面を改善する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、少なくとも部分的にシリコンを含む、半導体基板の表面を改善する方法に関する。本発明の目的は、少なくとも部分的にシリコンからなる半導体基板の表面を改善する方法であって、高い表面品質を有する半導体基板が提供されるよう、半導体基板の内部または表面にある欠陥を完全に修復することができる方法を提供することである。
【解決手段】この目的は、前記半導体基板の表面にある少なくとも1つのホール内での選択的エピタキシャル堆積を含んだ堆積ステップを含む、上述のタイプの方法によって解決される。
【選択図】図3

Description

本発明は、少なくとも部分的にシリコンからなる半導体基板表面を改善する方法に関する。
半導体デバイスの製造では、品質が非常に高い半導体基板を提供することがますます重要である。半導体基板の欠陥は、その原因が非常に様々なものである可能性があり、ウェハーまたは層のバルク材内部あるいは構造体の表面に生ずる可能性がある。表面にホールまたは傷があり、あるいは、ウェハーの内部または表面に存在しておりHFエッチングステップによって明らかになる酸化物の沈殿物またはいわゆる「HF欠陥」を有するウェハーまたは層など、欠陥のあるウェハーの大部分は、さらなる使用に適していない。
欠陥ウェハーの表面特性を改善するには、エッチングステップまたはCMPステップなどの、ウェハー表面のウェハー処理を使用することにより、ウェハー表面またはウェハー表面付近の欠陥を除去し、あるいはこれらの欠陥の数またはサイズを減少させることができる。典型的なエッチング剤は、HCl、HBr、HI、HFなどの、ハロゲンを含む化合物である。エッチング剤は、SF6またはCxxなどの、フッ素を含む化合物にすることもできる。さらに、またはこれとは別に、ウェハーを滑らかにしてウェハーの欠陥を少なくするために、欠陥を含むウェハーを熱的に、好ましくは水素を含む環境内で処理することが可能である。熱処理は、炉内でまたは急速熱処理(RTP)用ツール内で行うことができる。文書(例えば、特許文献1参照)に開示されている別の手法によれば、より良好な表面品質をもたらすために、裂けた被膜などの欠陥ウェハーを、エッチング剤と堆積ガスとの組合せを使用して非常に高い温度で、エッチングと堆積との組合せにかけることができる。
米国特許第6287941号明細書
そのような方法は、まず第1に、それぞれのウェハーの平滑化、摩耗、または欠陥被覆によって、欠陥ウェハーの表面状態の表面的な改善をもたらすが、知られている方法の大部分は、非常に労力を要し、対応する欠陥を完全に修復することができない。
したがって本発明の目的は、少なくとも部分的にシリコンからなる半導体基板表面を改善する方法であって、表面品質の高い半導体基板が得られるように、この半導体基板の内部または表面に存在する欠陥を完全に修復することができる方法を提供することである。
この目的は、前記半導体基板の表面の少なくとも1つのホール内での、シリコンオンシリコンの選択的エピタキシャル堆積を含んだ堆積ステップを含む、上述のタイプの方法によって解決される。
本発明は、前記ホールを高品質単結晶シリコン材料で選択的に封止しまたは閉じるために、前記ホール内でのシリコンの堆積を可能にし、この場合、多結晶シリコンの形成が回避されて、当初のホールが表面から消失し、得られた修復表面が、ホールまたは欠陥が最初からない表面と同等の高い表面品質を得るという効果をもたらす。
本発明の好ましい変形例では、前記堆積ステップは、前記ホールの側壁の少なくとも一部でのシリコンの選択的成長を含む。このように、別の材料の上にあるシリコン層内のホールは、対応するホールの側壁から開始される漸進的成長によって、閉じることができる。この種類の方法は、特に、高品質シリコンでSOI構造内の大きいホールを閉じるのに興味深いものである。
本発明の別の好ましい変形例では、前記方法は、堆積ステップの前に、半導体基板の表面に適用されるエッチングステップを含み、前記エッチングステップは、半導体基板の表面にある少なくとも1つの欠陥のエッチバックを含み、それによって、表面に前記少なくとも1つのホールが形成される。このエッチングステップを用いることにより、少なくとも1つの欠陥を除去して、半導体構造の表面にはシリコンで閉じることのできる少なくとも1つのホールをもたらすことができ、その結果、当初の欠陥を除去することができ、当初は欠陥のあった半導体構造の、ほぼ完全な修復表面を提供することができる。
本発明の有利な実施形態によれば、前記堆積ステップは、少なくとも1つのホールがシリコンで塞がれるまで、少なくとも適用される。場合によっては、全てのホールにシリコンが充填されるか否かがそれほど興味深いものではない場合、ホールが閉じられるようにホールを塞ぐことだけでよく、または十分であると考えられる。いずれにせよ、結果として、この方法により処理された半導体構造の表面の当初のホールは、この半導体構造をさらなる処理で使用することができるように閉じられる。
好ましくは、前記堆積ステップは、少なくとも1つのホールがシリコンで充填されるまで、少なくとも適用される。そのようにする場合、当初からあるホールを完全に除去することができ、得られた構造には、表面および表面下の双方に高品質をもたらすことができる。
前記エッチングステップは、前記半導体構造の表面の酸化物含有欠陥をエッチバックするための、HFディップを含むことが有利である。HFエッチングステップによって酸化物が効果的に除去され、したがって、表面の酸化物含有欠陥が明らかになり、前記表面にホールが形成され、このホールを順にシリコンオンシリコンの選択的堆積で閉じることができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記選択的エピタキシャル堆積では、エッチング剤およびシリコン含有ガスを原料ガスとして使用する。エッチング剤としてのHClおよびシリコン含有ガスとしてのSiH2Cl2は、それぞれの原料ガスが、多結晶シリコンの成長をもたらす可能性のある酸化物表面または壁面でのシリコンの核形成を大いに防止するので、単結晶シリコンの高品質選択的堆積に、特に十分適した材料である。選択的エピタキシャル成長では、好ましいエッチング剤の濃度は、原料ガスの全体積の数%である。
本発明の好ましい実施例では、シリコンを、表面のホールの直径の少なくとも半分に相当する厚さまで、堆積ステップで堆積する。この厚さは、それぞれのホールの中実で耐久性ある封止に、特に有利であることが示されている。
エッチングされた表面から汚染物質を除去するために、堆積ステップの前に半導体構造上に、好ましくは約2分間、約650℃でH2ベークを適用することが有利であることが示されている。この比較的低い温度でのH2ベークによって、汚染物質の効果的な除去が行われるが、堆積ステップ中にシリコンが凝集する危険性が低くなる。
前記堆積ステップは、約750℃で行うことが有利であることが示されている。この堆積温度は、標準的なエピタキシープロセスで使用される温度よりも低い。そのように、特に薄いシリコン最上層を有するSOI構造を本発明の方法で処理する場合、シリコンの凝集を回避することができる。
本発明の別の実施形態では、前記堆積ステップを減圧下で、例えば約20トルから80トルで行う。この圧力での還元雰囲気中での堆積は、特に良好で均質なシリコン形成をもたらす。
本発明の別の変形例では、前記堆積ステップの前および/または後に、半導体基板表面のシリコンの厚さを減少させる。これにより、SOIウェハーの修復で特に重要であると考えられる、処理された半導体基板の最終的な厚さの減少が可能になる。
本発明の有利な実施形態について、図を参照しながら以下に述べる。
図1は、HF欠陥または図示される酸化物沈殿物2などの、少なくとも1つの欠陥を含んだSOI基板1を概略的に示す。SOI基板1は、本発明の原理を実証するための単なる例として示され、本発明は、最上面に少なくとも部分的にシリコンを有するシリコンウェハーまたは任意のその他の基板などの、別の半導体基板の表面品質を改善するのに使用することもできる。特に、この基板を修復する本発明の概念を適用するために、必ずしも図1に示されるように酸化物層を基板に設ける必要はない。
本発明の方法は、シリコン合金、例えばSiGe構造などのその他の材料にも適用可能である。
図1のSOI基板は、埋込み酸化物4が表面に形成されているシリコン基板3を含み、最上部には、ある厚さt1を有するシリコン層5であって、このシリコン層5の表面6に存在しかつこのシリコン層5のバルク領域に至る、図示される酸化物沈殿物2などの少なくとも1つの欠陥を含むシリコン層5を有する。図1に示されるただ1つの欠陥は、図示される実施例において主に二酸化シリコンからなり、本発明の概念を示すための単なる例として示され、実際には、かなり多くの欠陥が、図示される1つの欠陥としてシリコン層5の内部または表面に存在することができる。図1の酸化物沈殿物は、シリコン層5の厚さまたはそれ未満の程度の大きさの、やや小さい側方への延びを有する「小さい」欠陥を、例示的に示すものとする。
図2によれば、図1に示される構造をHFに曝すことにより、HFは二酸化シリコンよりも非常に遅い速度でシリコンをエッチングするので、シリコン層5に影響を及ぼすことなくまたは最小限の影響しか及ぼさずに、表面6から始まり酸化物沈殿物2の深さまで続く酸化物沈殿物2の少なくとも部分的な除去が行われる。同様に、HFディップ処理を使用して、HF欠陥をエッチバックすることにより、以下に述べる後続のプロセスステップで欠陥を含まないシリコンを充填しまたは詰めることができるスペースを生成することができる。
HFディップが長くなるほど、SOI構造1の表面6で得られるホール7は深くなる。図4に示されるように、より長いHFディップによって、シリコン層5の下に存在する埋込み酸化物層4まで延びるホール17を、得ることができる。
図3は、選択的エピタキシャル成長(SEG)を使用してシリコンを選択的に堆積した後の、図2のSOI基板を概略的に示し、破線および矢印の方向Aは、シリコンの堆積が進行して厚さt2のシリコン最上層8が得られる状態を概略的に示すものとする。
SEGは、一般に多結晶または酸化物表面などの非晶質材料上でのシリコンの核形成を防止する利点を有する、エピタキシャル堆積プロセスである。エピタキシャルシリコン成長は、単結晶シリコン上でしか生じない。
SEGステップの前に、表面6上のC、O、およびF汚染物質を除去するために、湿式洗浄と、減圧下、例えば20トルでの約650℃から800℃で約2分間のin situ H2ベークとを、図2に示すSOI構造に適用する。シリコンウェハーなどのバルク材料が、図2に示されるSOI構造の代わりに修復される場合、H2ベークはより高い温度で行われる。シリコン層5が20nmよりも薄い場合、SEG中のSi被膜収縮を防止するために、H2ベーク中に約700℃を超える温度をSOI構造1に適用すべきでない。シリコン層5の被膜の厚さが20nmよりも厚い場合のみ、850℃まで、またはそれを越える温度でH2ベークを行うことができる。その他従来のH2ベークプロセスと比較して、H2ベークに推奨される本発明の温度は比較的低いが、SEGシリコン形成前の表面6に残された汚染物質は、後の手順のステップ中に部分的に消費されまたは除去されることになるので、得られるデバイスの電気特性に上述のような影響を及ぼさない。H2ベークの後、温度を、SEGステップの温度まで上昇させる。
シリコンの凝集を回避するには、シリコンのSEGを、約650℃から800℃という比較的低い温度を利用して、例えばエッチング剤としてのHClおよび例えばSiガス状前駆体としてのSiH2Cl2を使用し、かつキャリアガスとしてのH2を、任意選択でSiO2およびSi34に対する完全選択性が実現されるようにいくらかのガス状塩酸と共に使用して、約20トルの還元雰囲気中で行う。3から10nmの範囲内にある厚さt1の超薄型シリコン層6では、SEGステップは、シリコン成長中のあらゆる極度のアイランド形成も回避するために、例えばSiH2Cl2+HClの化学作用を使用して約750℃で行うべきである。SEG中、シリコンの成長速度は十分遅いものであるべきで、これは、反応速度がHClの存在下で低下する原料ガスの減少によって実現することができる。
破線によって図3に概略的に示されるように、シリコンはそのSEG中に、シリコン層5の表面6上、エッチングされたホール7の側壁に剥き出しのシリコン(open silicon)上、ならびに既に成長したシリコン上に、シリコン層6のホールがシリコンによって徐々に閉じられまたは塞がれるように成長する。あるプロセス時間後に、表面品質の高いシリコンの厚さt2は、シリコン層6の最上部に到達する。欠陥2のエッチングされていない部分と、エッチングされたホール7のまだ充填されていない残りの小さな部分とは、この構造内の酸化物表面の上方に埋め込まれ、そこでは核形成が生じない。
図1に示される欠陥が、エッチングステップ中に完全にエッチング除去され、このエッチングステップが、シリコン層5の下に埋め込まれた酸化物に影響を及ぼさないように行われる場合、シリコン層5の内部および表面の欠陥を完全に除去して高品質シリコンに置き換え、それによって、欠陥が全くないかごく最小限しか存在しない表面6を有するほぼ完全な構造を得ることができる。
SEG堆積ステップ中、ホール7の開口は、堆積されたシリコン層の厚さt2がホール7の直径wの約1/2である場合、封止されると考えることができる。したがって、ホール7の直径wの約1/2である最小限のエピタキシャル厚さt2が、開口を封止するために必要である。
図4を参照すると、シリコン層5の下に存在する埋込み酸化物4に影響が及ぶように、エッチングステップ中に図1の構造が図2の場合よりも深くエッチングされている。SOI構造1で得られたホール17は、シリコン層5によって形成されたシリコン側壁と、侵襲された埋込み酸化物層4によって形成された二酸化シリコンの底部とを有している。
図5に概略的に示すように、図4のSOI基板のホール17は、SEGプロセス中にシリコンが徐々に充填される。ある成長時間で、ホール17は塞がれ、高品質単結晶シリコンで覆われ、埋込み酸化物層4には小さなキャビティ27を残すことができるが、このホール27はシリコンで充填されていないものである。
図6および7は、ホールの幅wがその深さhよりも2〜3倍大きいアスペクト比(w/h>>1)を有する「ウェル」のように、最上層に「より大きい」ホールを備えた基板または構造の表面品質を改善するのにも、本発明の概念を使用することができることを概略的に示す。図6および7に示される例では、ホール37および47の直径wが約0.5μmであり、シリコンの最上層5が約50nmの厚さを有し、酸化物層4が約150nmの厚さを有する結果、アスペクト比が2.5になる。
図6および7のアーチ形の線は、エピタキシャル堆積の順序を示す。
図6を参照すると、SOI基板10が示されており、前記SOI基板10は、シリコン基板3と、このシリコン基板3上の酸化物層4と、薄型シリコン最上層5とからなる。SOI基板10は、シリコン最上層5および酸化物層4を貫通するホール37を有する。ホール37は、この実施例では、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングによって形成されたほぼ垂直な平らな側壁を示すが、その他の図示されない本発明の実施形態では、傾斜しかつ/または粗い側壁も有することができる。ホール37の底部39は、シリコン基板3の表面によって形成され、したがって単結晶シリコンからなる。
図6に示される実施形態では、シリコンの選択的エピタキシャル成長を使用する本発明に従ってホール37を充填することにより、構造10の表面6を平滑化し、真っ直ぐにすることができる。図6に示される特定の場合、SEG前のHFディップは必ずしも必要ではなく、例えば当初からある酸化物を底部39から除去すべき場合には、HFディップを利用することができる。図3および5に関して上記にて説明したように、SEGの前に湿式洗浄ステップを適用することがさらに可能である。
また図3および5に関して上記にて説明したように、SEGの前にH2ベークが適用される。
次いで図3および5の例示に従って、SEGステップが続く。SEGステップ中、シリコンは、構造10の露出したシリコン領域上に成長し、特にシリコン層5の表面6上、シリコン層5の露出した側壁20、21上、ホール37の底部39上、ならびに既に成長されたシリコン上に成長する。その結果、シリコンは、SEG中にホール37が単結晶シリコンで徐々に充填される方法で成長し、この場合、SEGの終わりに、当初の「大きい」ホール37内に過成長することのない非常に小さい埋込みキャビティを残すことが可能である。
図7は、本発明によりシリコンで封止されたSOI基板11の、酸化物ホールまたはウェル47を概略的に示す。SOI基板11は、図6のSOI基板10のように、シリコン基板3と、酸化物層4と、表面6を有するシリコン最上層5であって、垂直方向よりも横方向に大きく拡がっている「大きい」ホール47を備えたものからなる。図6の構造とは対照的に、SOI基板11は、ホール47の底部49上に、この底部49が二酸化シリコンからなるように不完全にエッチングされた酸化物層4の残留厚さのSiO2を有する。その結果、SEG中のシリコン成長は、底部49上ではなくシリコン層5の表面6および露出側壁20、21ならびに既に成長されたシリコン上のみに形成され、その結果、ホール47が閉じるまで進行させることのできる、側面からのホール47の過成長が生ずる。最後に、SOI基板の滑らかでほぼ完全な表面が形成され、この場合、単結晶シリコンが完全に充填されていない状態の、残留する小さなキャビティを、処理済みの構造内に埋め込むことが可能である。
下記において、図3、5、6、または7に示される構造の厚さは、酸化、CMP、および/またはシリコンエッチングを使用して、成長させたシリコンの厚さを減少させることにより、ある要件に関して調節することができる。任意選択で、最終的なSOIの厚さも、シリコン最上層5の厚さt1を最初に減少させることによって、例えばHFディップまたはSEG前の酸化、CMP、および/またはシリコンエッチングによって、あるいは最初に厚さを減少させることおよび最後の厚さを減少させることの組合せによって、薄くすることができる。さらに、平滑化アニーリングのような追加の仕上げステップを、最終的な構造に実施することができる。
このように本発明は、少なくとも部分的にシリコンからなる半導体基板の表面の欠陥を修復しまたはホールを閉じる方法を提供する。本発明の方法は、シリコン基板、ならびにシリコンオンインシュレータ(Silicon on Insulator)(SOI)ウェハーのようなセミコンダクターオンインシュレータ(Semiconductor on Insulator)基板(SeOI)の欠陥を修復するのに使用することができる。欠陥の修復に関し、HFディップとSEGとを組み合わせた作用によって、対応する欠陥が除去されるだけでなく、再構築された構造内にポリSiを形成することなく、高品質単結晶シリコンによるエッチング済みホールのプラグももたらされる。
新しい手法としてSEGプロセスをブランケットシリコン表面に使用する本発明の方法を用いて、欠陥半導体基板の品質を高め、この基板をさらなる製作プロセスに魅力あるものにすることができる。本発明の方法により修復されたSOI基板は、より厚いSOI基板が必要とされる将来予想される適用例に、特に十分に適している。それぞれの最上層の仕様に応じて、特に修復された基板の最終的な厚さ(t1+t2)を、修復されたウェハーが当初の製品群に再び加わることができるように適合させることができる。
本発明の方法により修復されたSOIウェハーは、直接基板結合(Direct Substrates Bonding)(DSB)を使用した最新型基板の形成に利用可能である。さらに、本発明による方法では、いわゆる「Smart Cut(登録商標)」プロセスによって製造された構造で生ずる欠陥の修復が可能になる。
さらに本発明の技術は、既知の表面平滑化方法を使用して修復または閉じることのできない、半導体基板内の深い欠陥を修復するために、または大きいホールを閉じるために、特に有利である。
欠陥を含むSOI基板を、概略的に示す図である。 短いHFディップ後の図1の基板を、概略的に示す図である。 シリコンの選択的堆積後の図2の基板を、概略的に示す図である。 より深いHFディップの後を、概略的に示す図である。 シリコンの選択的堆積後の図4の基板を、概略的に示す図である。 本発明によるシリコンで封止されたSOI基板のホールを、概略的に示す図である。 本発明によるシリコンで封止されたSOI基板の別のホールを、概略的に示す図である。
符号の説明
1 SOI基板
2 欠陥
3 シリコン基板
4 埋込み酸化物層
5 シリコン最上層
6 表面
7 ホール
8 堆積されたシリコン層
10 SOI基板
11 SOI基板
17 ホール
20 シリコン側壁
21 シリコン側壁
27 キャビティ
37 ホール
39 底部
47 ホール
49 底部
A 堆積の順序の方向
h 高さ
1 シリコン最上層の厚さ
2 堆積された層の厚さ
w ホールの直径

Claims (14)

  1. 少なくとも部分的にシリコンを含む、半導体基板(1、10、11)の表面(6)を改善する方法であって、前記半導体基板(1、10、11)の表面(6)にある少なくとも1つのホール(7、17、37、47)内での選択的エピタキシャル堆積を含む堆積ステップと、堆積ステップの前に半導体基板の表面(6)に適用されるエッチングステップとを含み、前記エッチングステップは、半導体基板(1、10、11)の表面(6)にある少なくとも1つの欠陥(2)のエッチバックを含み、それによって表面(6)に前記少なくとも1つのホール(7、17、37、47)を形成することを特徴とする方法。
  2. 前記堆積ステップは、前記ホール(7、17、37、47)の側壁(20、21)の少なくとも一部におけるシリコンの選択的成長を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記堆積ステップは少なくとも、少なくとも1つのホール(7、17、37、47)がシリコンで塞がれるまで適用されることを特徴とする請求項1および2の一項に記載の方法。
  4. 前記堆積ステップは少なくとも、少なくとも1つのホール(7、17、37、47)がシリコンで充填されるまで適用されることを特徴とする請求項1から3の一項に記載の方法。
  5. 前記エッチングステップは、前記半導体構造(1、10、11)の表面(6)にある酸化物含有欠陥(2)をエッチバックするための、HFディップを含むことを特徴とする請求項1から4の一項に記載の方法。
  6. 前記選択的エピタキシャル堆積では、エッチング剤およびシリコン含有ガスを原料ガスとして使用することを特徴とする請求項1から5の一項に記載の方法。
  7. 前記エッチング剤はHClであり、前記シリコン含有ガスはSiH2Cl2であることを特徴とする請求項1から6の一項に記載の方法。
  8. シリコンを、表面(6)のホール(7、17、37、47)の直径(w)の少なくとも約半分に相当する厚さ(t2)まで、堆積ステップで堆積することを特徴とする請求項1から7の一項に記載の方法。
  9. 堆積ステップの前に、約650℃でのH2ベークを半導体構造(1、10、11)に適用することを特徴とする請求項1から8の一項に記載の方法。
  10. 前記堆積ステップを、約750℃で行うことを特徴とする請求項1から9の一項に記載の方法。
  11. 前記堆積ステップを、約20トルから約80トルで行うことを特徴とする請求項1から10の一項に記載の方法。
  12. 半導体基板(1、10、11)の表面のシリコンの厚さ(t1、t2、t1+t2)を、前記堆積ステップの前および/または後に減少させることを特徴とする請求項1から11の一項に記載の方法。
  13. 前記表面(6)は、シリコン合金を含むことを特徴とする請求項1から12の一項に記載の方法。
  14. 前記表面(6)は、SiGeを含むことを特徴とする請求項1から13の一項に記載の方法。
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