JP2009292669A - シリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のシリコンウェーハに比べて高剛性で撓みにくいシリコンウェーハを提供する。
【解決手段】シリコン単結晶の引き上げ時に溶融シリコンにボロンを添加し、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、シリコン中にボロンとの化合物析出領域１１が形成される条件とした。これにより、高固溶酸素濃度で、シリコンとボロンとの化合物析出領域１１を含むシリコンウェーハ１０が得られる。その結果、従来のシリコンウェーハに比べて高剛性となり、ウェーハを水平に単純支持した際、従来ウェーハより撓みにくい。
【選択図】図１

Description

この発明はシリコンウェーハ、詳しくはシリコンウェーハを水平状態で単純支持したとき、従来ウェーハに比べて高剛性で撓みにくいシリコンウェーハに関する。

デバイスプロセスでは、露光時、例えばステッパ（縮小投影型露光装置）により、露光光源から照射された光を、マスク（レチクル）に形成されたパターンに照射し、パターンを通過した光を縮小投影レンズにより縮小後、シリコンウェーハのフォトレジストが塗布された表面に転写している（例えば特許文献１）。
図４に示すように、ウェーハ製造工場から出荷されたシリコンウェーハ１００は、直径が３００ｍｍ、厚さが７７５μｍ、固溶酸素濃度が５×１０^１７〜１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ヤング率（縦弾性係数）が１１０ＧＰａ程度のＣＺ（チョクラルスキー式）ウェーハである。
露光時、シリコンウェーハ１００は、ステッパの下部に配置されたウェーハステージ上に、ステージ周方向（ウェーハ周方向）へ６０°毎に配設された６本の支持ピン１０１により、その外周部が自重のみ作用する状態で単純支持される。

特開２００５−２２８９７８号公報

このように、従来のシリコンウェーハ１００は、固溶酸素濃度が５×１０^１７〜１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、ヤング率が１１０ＧＰａ程度のＣＺウェーハであった。そのため、例えば直径４５０ｍｍ以上の次世代シリコンウェーハの場合には、前記ステッパのウェーハステージ上でウェーハ外周部を単純支持した際、表面１００ａ、裏面１００ｂが水平配置されたシリコンウェーハ１００（図４の二点鎖線）に、自重による撓みが発生していた（図４の実線）。その結果、ウェーハ外周部へのパターンの解像度の低下や焦点深度の低下が発生し、高いパターン精度を確保することができなかった。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、シリコンウェーハの剛性（ヤング率）に着目した。すなわち、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際、一般的なシリコンより固溶酸素濃度を高めるとともに、ボロン、炭素、窒素などの添加元素を所定量添加することで、シリコンウェーハの剛性が従来ウェーハより高まり、シリコンウェーハを単純支持した際、ウェーハが撓みにくくなることを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、従来のシリコンウェーハに比べて高剛性で撓みにくいシリコンウェーハを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、添加元素が添加された溶融シリコンから、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶をウェーハ加工して得られたシリコンウェーハにおいて、その固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、シリコンと前記添加元素との化合物が析出した化合物析出領域を有するシリコンウェーハである。

請求項１に記載の発明によれば、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げ時に所定量の添加元素を添加し、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、かつシリコン中に添加元素との化合物析出領域が形成される条件とした。これにより、シリコンと添加元素との化合物析出領域を含むシリコン単結晶を成長させ、その後、これをウェーハ加工する。こうして、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、かつシリコンと添加元素との化合物析出領域を有したシリコンウェーハが得られる。

ところで、シリコンは添加元素を添加することで、シリコンの結晶格子の歪みが純シリコン（他の元素を含まないシリコン）に比べて増す。これにより、シリコン（シリコン結晶）のすべり抵抗が大きくなり、シリコンの変形抵抗が大きくなる。この現象は、添加元素の添加量の増加に伴い顕著となる。そこで、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、かつシリコンと添加元素との化合物析出領域を含むシリコン単結晶を成長させ、このシリコン単結晶からシリコンウェーハを得るように構成した。その結果、ヤング率が１４０〜１６０ＧＰａと高まり、従来のシリコンウェーハ（固溶酸素濃度５×１０^１７〜１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ヤング率１００〜１２０ＧＰａ）に比べて高剛性となった。
また、シリコンウェーハ中に化合物析出領域を形成するように構成したので、熱応力が発生した際に転位をピニングする等の効果でスリップを低減することができる。しかも、ゲッタリングサイトを形成し、デバイスプロセスでの汚染制御機能を付与することができる。

シリコンウェーハとしては、単結晶シリコンウェーハ、多結晶シリコンウェーハなどを採用することができる。シリコンウェーハの表面は鏡面仕上げされている。
シリコンウェーハの直径は、例えば２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍなどである。
「添加元素」としては、例えばボロン、炭素、窒素、酸素の他、リン、砒素などを採用することができる。
固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましい固溶酸素濃度は、３×１０^１８〜１０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、製造に特に困難がない。

添加元素の添加量（ドーパント濃度）は、添加元素の種類などにより異なる。
添加元素のシリコンへの添加方法としては、添加元素が固体の場合、例えばチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げるときに、ルツボ内の溶融シリコンに添加元素を投入する方法などを採用することができる。また、添加元素が気体の場合には、チョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げる際、引き上げ装置のチャンバ内のガスを添加元素ガスとする方法などを採用することができる。

「シリコンと添加元素との化合物」としては、ホウ化ケイ素、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化シリコンなどを採用することができる。
「化合物析出領域」とは、シリコンウェーハ内に形成され、界面によりシリコンから分離された化合物の析出部分をいう。
化合物析出領域の大きさは、直径（粒径）が２ｎｍ以上である。２ｎｍ未満では、本発明の十分な効果が得られない。化合物析出領域の好ましい大きさは、１０ｎｍ〜１μｍである。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、また転位がネットワーク状に形成されることを防ぐことができる。

このシリコンウェーハのヤング率は、１２０〜５００ＧＰａが望ましい。１２０ＧＰａ未満では、従来のものと比較して特段の違いがない。また、５００ＧＰａを超えれば 撓み量としての変化がない。シリコンウェーハの好ましいヤング率は、１５０〜３００ＧＰａである。この範囲であれば、本発明の効果が十分に得られ、製造プロセス上の困難が小さい。

請求項２に記載の発明は、前記添加元素はボロンで、前記シリコンウェーハ中のボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である請求項１に記載のシリコンウェーハである。

ボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましいボロン濃度は１×１０^２０〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項３に記載の発明は、前記添加元素は炭素で、前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０^１２〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項１に記載のシリコンウェーハである。

炭素濃度が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましい炭素濃度は１×１０^１３〜１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項４に記載の発明は、前記添加元素は窒素で、前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０^１４〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項１に記載のシリコンウェーハである。

窒素濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましい窒素濃度は１×１０^１５〜１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項５に記載の発明は、添加元素が添加された溶融シリコンから、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶をウェーハ加工して得られたシリコンウェーハにおいて、その固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、シリコンと前記添加元素との固溶体により形成されたシリコンウェーハである。

請求項５に記載の発明によれば、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げ時、溶融シリコン中に所定量の添加元素を添加するとともに、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、かつシリコンと添加元素との固溶体が形成される条件とする。これにより、シリコンと添加元素との固溶体からなるシリコン単結晶が成長され、これをウェーハ加工することで、前記固溶体からなるヤング率１５０〜３００ＧＰａのシリコンウェーハが得られる。

これにより、従来のシリコンウェーハに比べて高剛性のウェーハとなる。
また、シリコンウェーハをシリコンと添加元素との固溶体により形成するように構成したので、バルク中の欠陥が少ない。

固溶体としては、置換型固溶体、侵入型固溶体の何れでもよい。また、固溶体は成分金属と同じ結晶構造を有する１次固溶体でも、成分金属と異なる構造を有する２次固溶体でもよい。
添加元素の添加量（ドーパント濃度）は、添加元素の種類などにより異なる。
このシリコンウェーハのヤング率は、１２０〜５００ＧＰａが望ましい。１２０ＧＰａ未満では、従来のものと比較して特段の違いがない。また、５００ＧＰａを超えれば撓み量としての変化が小さい。シリコンウェーハの好ましいヤング率は、１５０〜３００ＧＰａである。この範囲であれば、この発明の効果が十分に得られ、製造プロセス上の困難が小さい。

請求項６に記載の発明は、前記添加元素はボロンで、前記シリコンウェーハ中のボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である請求項５に記載のシリコンウェーハである。

請求項６に記載の発明によれば、ボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましいボロン濃度は１×１０^２０〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項７に記載の発明は、前記添加元素は炭素で、前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０^１２〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項５に記載のシリコンウェーハである。

請求項７に記載の発明によれば、炭素濃度が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましい炭素濃度は１×１０^１３〜１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項８に記載の発明は、前記添加元素は窒素で、前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０^１４〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項５に記載のシリコンウェーハである。

請求項８に記載の発明によれば、窒素濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満では、特段の効果が得られない。好ましい窒素濃度は１×１０^１５〜１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。この範囲であれば、本発明の十分な効果が得られ、製造上の問題が少ない。

請求項１に記載の発明によれば、シリコン単結晶の引き上げ時に添加元素を添加し、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、シリコン中に添加元素との化合物析出領域が形成される条件とした。これにより、シリコンと添加元素との化合物析出領域を含むシリコンウェーハが得られる。シリコンは添加元素の添加によりすべり抵抗、変形抵抗が増大する。その結果、従来のシリコンウェーハ（固溶酸素濃度５×１０^１７〜１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ヤング率１００〜１２０ＧＰａ）に比べて高剛性（ヤング率１５０〜３００ＧＰａ）となり、ウェーハを水平に単純支持した際、従来のウェーハに比べて、シリコンウェーハが撓みにくくなる。
また、溶融シリコンに添加元素を添加することで、シリコンウェーハ中に化合物析出領域が形成されるので、熱応力が発生した際に転位をピニングする等の効果でスリップを低減できる。しかも、ゲッタリングサイトを形成し、デバイスプロセスでの汚染制御機能を付与することができる。

請求項５に記載の発明によれば、シリコン単結晶の引き上げ時に添加元素を添加し、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、かつシリコンと添加元素との固溶体が得られる条件とした。これにより、従来のシリコンウェーハに比べて高剛性（ヤング率１５０〜３００ＧＰａ）となり、シリコンウェーハを水平状態で単純支持した際、シリコンウェーハが撓みにくくなる。
また、シリコンウェーハを、シリコンと添加元素との固溶体から形成したので、Ａｓ−ｇｒｏｗｎ欠陥が少ない。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１において、１０はこの発明の実施例１に係るシリコンウェーハで、このシリコンウェーハ１０は、ボロン（添加元素）を含む溶融シリコンからチョクラルスキー法によりシリコン中にボロンとの化合物析出領域１１が形成されるようにシリコン単結晶を引き上げ、これをウェーハ加工して得られた単結晶ＣＺウェーハである。また、シリコンウェーハは、表面（デバイス形成面）が鏡面仕上げされた直径４５０ｍｍ、厚さ９２５μｍ、比抵抗１０Ω・ｃｍ、固溶酸素濃度３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のウェーハである。

以下、シリコンウェーハ１０の原材料となるシリコン単結晶の成長方法を説明する。
チャンバ内の石英ルツボに、あらかじめボロンを２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３含むように混合した結晶用シリコンの原料を投入し、チャンバ内を２５Ｔｏｒｒに減圧し、チャンバ内にアルゴンガスを流入する。この状態で、石英ルツボ内の投入物をヒータにより溶解し、ボロンが添加された溶融シリコンを形成する。

その後、引き上げ軸の下端に装着された種結晶を溶融シリコンに浸漬し、石英ルツボおよび引き上げ軸を互いに逆方向へ回転させつつ、引き上げ軸を軸方向に引き上げる。これにより、種結晶の下方にシリコン単結晶が成長される。このとき、引き上げ中のシリコン単結晶の液面付近を、チャンバに形成された窓を通してＣＣＤカメラにより常時撮像し、その撮像データに基づき、画像処理装置の直径計測手段により、引き上げ直後のシリコン単結晶の直径が計測される。この計測結果に基づき、シリコン単結晶の引き上げ速度およびヒータによるシリコン単結晶の加熱温度を適宜制御する。具体的には、固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、かつシリコンとボロンとの化合物である、直径０．１μｍ以上のホウ化ケイ素（ＳｉＢ_４，ＳｉＢ_６ など）の化合物析出領域１１が１×１０^１０個／ｃｍ^３（三井金属株式会社、ＭＯ６０１による測定値）でシリコン単結晶に含まれるように、前記引き上げ速度および加熱温度を制御する。
得られたシリコン単結晶の直胴部に対しては、ウェーハ加工工程で、外周研削、ブロック切断、スライス、研磨が施されて直径４５０ｍｍのシリコンウェーハが作製される。

こうして製造されたシリコンウェーハは、次にデバイスプロセスへ移送され、ここでウェーハ表面にデバイスが形成される。その露光時、シリコンウェーハ１０は、ステッパの下部に配置されたウェーハステージ上に、ステージ周方向（ウェーハ周方向）へ６０°毎に配設された６本の支持ピン１２により、外力が作用しない単純支持状態でウェーハ外周部が支持される（図２）。
露光光源から照射された光は、マスクに形成されたパターンを通過し、縮小投影レンズによる縮小後、シリコンウェーハ１０のフォトレジストが塗布された表面に照射され、パターンが転写される。
シリコンウェーハ１０は、前述したように固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、シリコン中に直径０．１μｍ以上のホウ化ケイ素の化合物析出領域１１が１×１０^１０個／ｃｍ^３形成される条件で引き上げられたシリコン単結晶を、直径４５０ｍｍ、厚さ９２５μｍにウェーハ加工したものである。その結果、シリコンウェーハ１０のヤング率は１５０ＧＰａとなる。

ところで、シリコンはボロンなどの添加元素を添加することで、シリコンの結晶格子の歪みが純シリコンに比べて増加する。その結果、シリコン（結晶）のすべり抵抗が大きくなり、シリコンの変形抵抗が増大する。この現象は、添加元素の添加量が増加するほど顕著となる。そこで、固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、かつ化合物析出領域１１を含むシリコン単結晶を成長させ、このシリコン単結晶からシリコンウェーハを得るように構成した。その結果、ヤング率が２００ＧＰａと高まり、従来のシリコンウェーハ（固溶酸素濃度５×１０^１７〜１１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ヤング率１００〜１２０ＧＰａ）に比べて高剛性となった。
そのため、例えばデバイス形成プロセスの露光時、ステッパのウェーハステージ上でウェーハを合計６本の支持ピン１２により単純支持したとき、従来のシリコンウェーハに比べてヤング率が高まり、ウェーハが撓みにくくなる。
また、シリコンにボロンを添加し、シリコンウェーハ中に直径０．１μｍの化合物析出領域１１を形成するようにしたので、熱応力が発生した際に転位をピニングする等の効果でスリップを低減できる。しかも、ゲッタリングサイトを形成し、デバイスプロセスでの汚染制御機能を付与することができる。

なお、溶融シリコン中への添加元素を、ボロンに代えてシリコンウェーハ中の濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる量の窒素、またはシリコンウェーハ中の濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる量の炭素に変更してもよい。
窒素の添加方法としては、シリコン単結晶の引き上げ時、チャンバの内部ガスを、アルゴンガスから窒素ガスに変更する方法を採用することができる。窒素ガスの供給量は、引き上げられるシリコン単結晶中の窒素濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる条件である。この濃度の窒素をシリコン中に拡散させることで、弾性率が高まる。
また、炭素の添加方法としては、シリコン単結晶の引き上げ時、ボロンに代えて炭素を溶融シリコン中に投入する方法を採用することができる。このとき、炭素の投入量は、溶融シリコン中の炭素濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる量である。この分量の炭素をシリコン中に添加することで、弾性率を高めることができる。

次に、図３を参照して、この発明の実施例２に係るシリコンウェーハを説明する。
図３に示すように、実施例２のシリコンウェーハ１０Ａの特徴は、実施例１のようにシリコン中にホウ化ケイ素の化合物析出領域１１を形成させるのではなく、固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、かつシリコンと炭素との固溶体１３からウェーハを形成させた点である。

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げ時、溶融シリコン中に炭素濃度が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる分量の炭素を添加する。しかも、その引き上げ条件を、固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、かつシリコンと炭素との固溶体（侵入型固溶体）１３が形成される条件とする。
これにより、シリコンと炭素との固溶体１３からなるシリコン単結晶が成長され、これをウェーハ加工することで、固溶酸素濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、しかもシリコンと炭素との固溶体１３からなるヤング率１５０ＧＰａのシリコンウェーハ１０Ａが得られる。その結果、従来法よりも弾性率の高いウェーハを得ることができる。
その他の構成、作用、効果は実施例１と略同じであるので、説明を省略する。

この発明の実施例１に係る半導体ウェーハを示す断面図である。 この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの単純支持状態を示す断面図である。 この発明の実施例２に係る半導体ウェーハの単純支持状態を示す断面図である。 従来手段に係る半導体ウェーハの単純支持の前後の状態を示す断面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ シリコンウェーハ、
１１ 化合物析出領域、
１３ 固溶体。

Claims (8)

1. 添加元素が添加された溶融シリコンから、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶をウェーハ加工して得られたシリコンウェーハにおいて、
   その固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、
   シリコンと前記添加元素との化合物が析出した化合物析出領域を有するシリコンウェーハ。
2. 前記添加元素はボロンで、前記シリコンウェーハ中のボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である請求項１に記載のシリコンウェーハ。
3. 前記添加元素は炭素で、前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０^１２〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項１に記載のシリコンウェーハ。
4. 前記添加元素は窒素で、前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０^１４〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項１に記載のシリコンウェーハ。
5. 添加元素が添加された溶融シリコンから、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶をウェーハ加工して得られたシリコンウェーハにおいて、
   その固溶酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上で、
   シリコンと前記添加元素との固溶体により形成されたシリコンウェーハ。
6. 前記添加元素はボロンで、前記シリコンウェーハ中のボロン濃度が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である請求項５に記載のシリコンウェーハ。
7. 前記添加元素は炭素で、前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０^１２〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項５に記載のシリコンウェーハ。
8. 前記添加元素は窒素で、前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０^１４〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である請求項５に記載のシリコンウェーハ。

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