JP2010087140A - シリコンウエーハの評価方法及びシリコンウエーハ並びにシリコンウエーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入によって形成されたダメージ層を欠陥層とする熱処理の進行状況を、シリコンウエーハを破壊することなく、また短時間で容易に評価する、つまりゲッタリング能力を十分に有しているかどうかを容易に評価することのできるシリコンウエーハの評価方法を提供する。
【解決手段】シリコンウエーハの一方の表面からイオン注入することによって形成されたダメージ層を欠陥層とするための熱処理をした後に、前記シリコンウエーハの前記欠陥層の状態を評価するための評価方法であって、前記熱処理後に、前記シリコンウエーハのイオン注入を行った側の表面にＸ線回折法を用いてロッキングカーブを測定し、該ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いて前記ダメージ層が前記欠陥層へどの程度変化したかを評価することを特徴とするシリコンウエーハの評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウエーハ及びその製造方法並びにその評価方法に関し、具体的には、イオン注入によって形成されたダメージ層がゲッタリング層として機能するかどうかを容易に判定することのできる評価方法とその評価方法を利用したシリコンウエーハとその製造方法に関する。

シリコンウエーハおよびシリコンエピタキシャルウエーハの品質の一つとして、デバイスプロセス中の金属不純物を捕獲して半導体素子（デバイス）の活性層となる領域から除去する能力（ゲッタリング能力）がある。
重金属元素等の不純物がウエーハ中に捕獲されれば、ウエーハの表面近傍領域、即ち半導体素子が形成される領域がクリーンな状態となる。半導体素子が形成される領域をできるだけクリーンな状態にするためには、高いゲッタリング能力を有するシリコンウエーハを用いることが重要である。高いゲッタリング能力を有するシリコンウエーハを用いて半導体素子を形成すれば、高い歩留りで半導体デバイスを製造することができる。

半導体集積回路等の半導体デバイスを作製するための基板としては、主にＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法によって育成されたシリコンウエーハが用いられている。
このようなシリコンウエーハにゲッタリング能力を付与する方法として、例えば表面からイオンを注入し、そのイオン注入によって生じたダメージ層をゲッタリング層とする技術が挙げられる。

一般的に、イオン注入によるダメージ層によるゲッタリング技術は、イオン注入後に熱処理を施し、ダメージ層を二次欠陥として緩和させることによって完成する。

このダメージ層を欠陥層にするための熱処理の進行度合いを評価する方法として、従来、シリコンウエーハに薄膜化等の加工を施して透過型電子顕微鏡で断面を観察する方法が用いられている（例えば特許文献１参照）。
しかし、断面ＴＥＭを行うためには、シリコンウエーハを加工する必要があるため、ウエーハを破壊しなければならず、またその加工に非常に時間がかかる。更に観察に用いたシリコンウエーハは再利用することができないため、コストが非常にかかった。

特開２００２−３４３８４１号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、イオン注入によって形成されたダメージ層を欠陥層とする熱処理の進行状況を、シリコンウエーハを破壊することなく、また短時間で容易に評価する、つまりゲッタリング能力を十分に有しているかどうかを容易に評価することのできるシリコンウエーハの評価方法と、それを利用したシリコンウエーハの製造方法とシリコンウエーハを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、シリコンウエーハの一方の表面からイオン注入することによって形成されたダメージ層を欠陥層とするための熱処理をした後に、前記シリコンウエーハの前記欠陥層の状態を評価するための評価方法であって、前記熱処理後に、前記シリコンウエーハのイオン注入を行った側の表面にＸ線回折法を用いてロッキングカーブを測定し、該ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いて前記ダメージ層が前記欠陥層へどの程度変化したかを評価することを特徴とするシリコンウエーハの評価方法を提供する（請求項１）。

このように、Ｘ線回折法を用いてロッキングカーブ測定を行い、回折強度が最も強くなる角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を該熱処理の進行状況を評価する際の指標として用いることによって、イオン注入によるダメージ層が熱処理によって結晶性が変化して欠陥層となる状態やその割合を評価することができる。よってシリコンウエーハを破壊せずともダメージ層が欠陥層となる進行度合いを評価することができる。従って、熱処理後のシリコンウエーハがゲッタリング能力を十分に有しているかどうかを簡易に評価することができる。
またＸ線回折であれば、容易に短時間で評価対象を破壊せずとも評価を行うことができる。

ここで、前記積分強度を求める際に、前記ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時、前記積分強度が０．００５２４以上の場合、前記欠陥層へ十分に変化したと評価することができる（請求項２）。
このように、上述の積分強度を求める際にロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時に、その積分強度が０．００５２４以上であれば、ダメージ層が欠陥層となって、シリコンウエーハのバルク状態と異なるものの結晶性がある程度回復したと判断することができるため、この値を基準に用いれば、断面ＴＥＭなど手間の掛かる手法を用いることなく、ゲッタリング能力の有無を判断することができる。

また、本発明ではイオン注入されたシリコンウエーハであって、該シリコンウエーハにＸ線回折法でロッキングカーブ測定を行った時、該ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化して、該ピーク角度よりも０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度が０．００５２４以上であることを特徴とするシリコンウエーハを提供する（請求項３）。

イオン注入によるダメージ層が欠陥層に変化する進行状況を示す指標として、シリコンウエーハにＸ線回折法でロッキングカーブ測定を行った時のロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した際のピーク角度よりも０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を用いることができることが判った。そして、その積分強度が０．００５２４以上のイオン注入されたシリコンウエーハであれば、ダメージ層が十分に欠陥層となって、ゲッタリング能力を十分に有したシリコンウエーハとすることができる。

更に、本発明ではシリコンウエーハの製造方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスしてシリコンウエーハに加工した後、該シリコンウエーハの表面からイオン注入を行ってダメージ層を形成し、その後、該ダメージ層を欠陥層にするための熱処理を行い、該熱処理後に前記イオン注入を行った表面にＸ線回折法を用いてロッキングカーブを測定し、該ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いて前記ダメージ層が前記欠陥層へどの程度変化したかを評価し、該評価結果が合格ならば次工程へ、不合格であれば再び熱処理を行うことを特徴とするシリコンウエーハの製造方法を提供する（請求項４）。

前述のように、イオン注入によるダメージ層が熱処理によって結晶性が変化して欠陥層となってゲッタリング能力があるかどうかは、Ｘ線回折法を用いてロッキングカーブ測定を行い、回折強度が最も強くなるピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度で判定することができる。そしてシリコンウエーハを製造する際に、例えば熱処理後のシリコンウエーハの一部を抜き取り、Ｘ線回折法でロッキングカーブを測定し、回折強度が最も強くなる角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、評価を行う。そして評価が合格ならば次工程に送り、不合格ならば再び熱処理を行うことによって、ゲッタリング能力の高いシリコンウエーハを確実に且つ容易に製造することができる。

この時、前記評価は、前記ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時の前記積分強度が０．００５２４以上ならば合格、０．００５２４未満ならば不合格とすることが好ましい（請求項５）。
Ｘ線回折法を用いてロッキングカーブを測定した時に、ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した際、ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度が０．００５２４以上のシリコンウエーハは、ダメージ層が欠陥層となって十分にゲッタリング能力を有したものである。従って、この関係を満たすか満たさないかで合格か否か評価することによって、得られたシリコンウエーハがゲッタリング能力を十分に有しているかどうかを製造工程中により容易に判断することができる。そのため、ゲッタリング能力が高いシリコンウエーハを確実に製造することができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡便にイオン注入後の熱処理の進行具合を非破壊、短時間で評価することができる。
また、上記評価方法をシリコンウエーハを製造する際に用いることによって、有効なゲッタリングサイトを有するシリコンウエーハを確実に且つ簡易に製造することができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、イオン注入によって形成されたダメージ層を欠陥層とする熱処理の進行状況を、シリコンウエーハを破壊することなく、また短時間で容易に評価する、つまりゲッタリング能力を十分に有しているかどうかを容易に評価することのできるシリコンウエーハの評価方法と、それを利用したシリコンウエーハの製造方法とシリコンウエーハが待たれていた。

そこで、本発明者は、シリコンウエーハを加工して破壊する必要がない測定方法としてのＸ線回折に着目し、特にＸ線回折のロッキングカーブのどのパラメータを利用すれば、ダメージ層が欠陥層にどの程度変化したか評価できるか鋭意検討を重ねた。

その結果、Ｘ線回折によってロッキングカーブ測定を行い、回折強度が最も強くなるピークの角度周辺の積分強度を利用すればよいことが判った。
しかしただ積分強度を求めるだけでは、ピーク強度付近の影響が大きく、欠陥層のないシリコンウエーハと欠陥層のあるシリコンウエーハの差がほとんどないため、評価に適さないことも判った。

そして更なる検討を重ねた結果、積分強度を求める際に、ピーク角度から０．００１°以上高角側及び低角側にずらして計算した場合、最も良く欠陥層を表すことができる。なぜならば、イオン注入を行わない場合ピーク角度から０．００１°以内にロッキングカーブは収まっており、その高角側及び低角側にすそをひく形にならない。このため、０．００１°未満の場合、回折強度のピークの影響が入ってしまい、イオン注入による影響だけを評価するためには不適であることを発見した。

また、その積分強度が０．００５２４以上であれば十分なゲッタリング能力を有することができること、そして０．００５２４未満の場合はゲッタリング能力が十分とならないことを発見し、本発明を完成させた。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のシリコンウエーハは、イオン注入されたシリコンウエーハにＸ線回折法でロッキングカーブ測定を行った時、該ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化して、該ピーク角度よりも０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度が０．００５２４以上となっているものである。

上述のようなシリコンウエーハであれば、ダメージ層の多くが欠陥層になって不純物ゲッタリングに寄与できると判断できるため、このようなシリコンウエーハは不純物レベルの低い高品質なものとすることができる。

そして、このような本発明のシリコンウエーハは以下に示すような製造方法によって製造することができる。しかし、もちろんこれに限定されるものではない。

まずシリコン単結晶棒を育成する。このシリコン単結晶棒の育成には、一般的な手法であれば良く、例えばチョクラルスキー法によって育成されたものとすることができる。
次に、準備したシリコン単結晶棒をスライスして、シリコンウエーハとする。このスライスも、一般的なものとすれば良く、例えば内周刃スライサあるいはワイヤソー等の切断装置によってスライスすることができる。

そして、得られたシリコンウエーハに対して、ラッピング・エッチング・研磨のうち少なくとも１つを行うことができる。このラッピング・エッチング・研磨も一般的な条件で行えば良く、製造するシリコンウエーハの仕様に応じて、適宜選択することができる。

その後、シリコンウエーハにダメージ層を形成するために、イオン注入を行う。
このイオン注入の注入イオン種や加速エネルギー等は一般的な条件のものであれば良く、顧客仕様やシリコンウエーハの用途によって適宜条件を選択すればよい。例えば酸素、炭素や窒素を高電流イオン注入機を用いて注入することができる。

そして、ダメージ層を欠陥層とするための熱処理を行う。
この熱処理も一般的な条件であれば良く、先に注入したイオン種や用途によって適宜最適な条件で行えばよい。例えば熱処理炉で還元性雰囲気で熱処理することができ、また、ＲＴＡ装置によって急速加熱・急速冷却することができる。

その後、シリコンウエーハに対してＸ線回折法を用いてロッキングカーブ測定を行い、回折強度が最も強くなるピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求める。
そして求めた積分強度からダメージ層が欠陥層へどの程度変化したか、結晶性の変化量を判断し、シリコンウエーハの合否の評価を行う。

この評価を行う際に、ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時の積分強度が０．００５２４以上ならば合格、０．００５２４未満ならば不合格とすることができる。
前述のように積分強度が０．００５２４以上のシリコンウエーハであれば、イオン注入によるダメージ層が十分に欠陥層として緩和したものとなるため、そのゲッタリング能力が高いものとなる。そして、積分強度が０．００５２４以上かどうかで評価を行うことで、熱処理後のシリコンウエーハが不純物を十分に除去できるか否かを、製造工程のさなかで判断することができ、従ってゲッタリング能力の高いシリコンウエーハを歩留り良く確実に製造することができる。

そして、評価結果が合格の場合は次工程へ、不合格の場合は再び熱処理を行う。この再熱処理は、先の熱処理と同じ条件の熱処理を行うことができ、また条件を変更して行うこともできる。結晶性の回復の度合いに応じて熱処理の時間や温度を適宜選択すればよい。そしてこれによって所望のゲッタリング能力を有するシリコンウエーハが製造される。
ここで、再熱処理を行った後に、再びＸ線回折法によって同様にロッキングカーブを測定し、合格と判断した後に次工程に送ることが望ましい。

このように、本発明のシリコンウエーハの製造方法によれば、ゲッタリング能力が高いシリコンウエーハを確実に、且つ容易に製造することができる。

また、本発明のシリコンウエーハの評価方法について以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

まず、評価を行うシリコンウエーハを準備する。
このシリコンウエーハは、一方の表面からイオン注入された後に結晶性回復のための熱処理が施されたものを用いる。
そして、準備したシリコンウエーハに対してＸ線回折法によってロッキングカーブ測定を行う。そして、ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いてダメージ層が欠陥層へどの程度変化したかを評価する。

ここで、ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１としてロッキングカーブを規格化し、積分強度が０．００５２４以上の場合、ダメージ層が欠陥層に変化したと判断することができる。
前述のように、積分強度を求める際にロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時に、その積分強度が０．００５２４以上のシリコンウエーハは、イオン注入によって形成されたダメージ層が熱処理によって欠陥層へ十分に変化していると判断できるため、この値を元に判断を行うことで、容易に、且つ確実にイオン注入されたシリコンウエーハのゲッタリング能力を判断することができる。

このような本発明のシリコンウエーハの評価方法は、シリコンウエーハを破壊する必要がある断面ＴＥＭ等の手法に比べて、シリコンウエーハをそのまま評価することができるＸ線回折法を用いるため、シリコンウエーハをサンプルに加工する必要がなく、簡単に測定することができる。このため、容易に且つ短時間でゲッタリング能力を十分に有しているかどうか確実に評価することができる。

以下、実施例、比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２）
ＣＺ法で育成したシリコン単結晶棒から切り出したシリコンウエーハ２枚の一主表面である結晶面（１００）面に対して、加速エネルギー２ＭｅＶ・ドーズ量１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）の注入量で酸素イオン注入を行った。

その後、該シリコンウエーハに熱処理（実施例１：８００℃／１ｈｒを１枚、実施例２：１０００℃／１ｈｒを１枚）を３％酸素含有の窒素雰囲気で施した。

上述の方法で熱処理を施したシリコンウエーハに対して、Ｘ線回折法でロッキングカーブ測定を行った。
この時のＸ線回折測定の配置の一例を図１に示す。図１に示すように、この装置は、Ｘ線源１０、モノクロメーター１１、スリット１２、アナライザー１４、及びカウンター１５を備えている。Ｘ線源１０から放射されたＸ線は、モノクロメーター１１に入射して単色化し、スリット１２を介して試料１３に入射する。試料１３から出た回折Ｘ線はアナライザー１４を介してカウンター１５により検出され、ロッキングカーブを得る。
今回、Ｘ線源１０にＣｕを準備し、モノクロメーター１１によってＣｕＫα_１に単色化されたＸ線を、上記実施例１，２のシリコンウエーハを試料１３の位置に設置し、（００４）面で回折させ、カウンター１５としてのシンチレーションカウンターによって回折Ｘ線を受光した。

そのようにして得られたロッキングカーブを図２，３に示す。図２は実施例１の熱処理条件で熱処理を行ったシリコンウエーハのＸ線回折測定の結果を、図３は実施例２の熱処理条件で熱処理を行ったシリコンウエーハのＸ線回折測定の結果を示した図である。尚、図２，３はピークの強度を１として規格化してある。

図２，３に示すように、回折強度がピークとなる角度から低角側及び高角側に強度の裾が存在するロッキングカーブが得られた。
このロッキングカーブの回折強度が最大となる角度から±０．００１°以上高角側及び、低角側の積分強度（図２、３の斜線部分）を計算したところそれぞれ０．００９４、０．３１４となり、共に０．００５２４以上であることが判った。

その後、実施例１，２のシリコンウエーハのゲッタリング能力を評価したところ、不純物レベルが実用上問題ない水準に達していたことが判った。

（実施例３、比較例１）
熱処理条件を７００℃で１時間（実施例３）、６００℃で３０分（比較例１）とした以外は実施例１と同様の条件でシリコンウエーハを製造し、同様の評価を行った。
その結果、実施例３のシリコンウエーハの積分強度は０．００５２４、比較例１のシリコンウエーハの積分強度は０．００５２０であった。

実施例３，比較例１のシリコンウエーハのゲッタリング能力を評価したところ、実施例３のシリコンウエーハは実用上問題ない水準であったが、比較例１のシリコンウエーハは表層に金属不純物が残存しており、ゲッタリング能力が不十分であることが判った。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明のシリコンウエーハの評価方法で用いるＸ線回折測定の配置の一例を示した図である。 実施例１の熱処理条件で熱処理を行ったシリコンウエーハのＸ線回折測定の結果を示した図である。 実施例２の熱処理条件で熱処理を行ったシリコンウエーハのＸ線回折測定の結果を示した図である。

符号の説明

１０…Ｘ線源、 １１…モノクロメーター、 １２…スリット、 １３…試料、 １４…アナライザー、 １５…カウンター。

Claims (5)

1. シリコンウエーハの一方の表面からイオン注入することによって形成されたダメージ層を欠陥層とするための熱処理をした後に、前記シリコンウエーハの前記欠陥層の状態を評価するための評価方法であって、
   前記熱処理後に、前記シリコンウエーハのイオン注入を行った側の表面にＸ線回折法を用いてロッキングカーブを測定し、該ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いて前記ダメージ層が前記欠陥層へどの程度変化したかを評価することを特徴とするシリコンウエーハの評価方法。
2. 前記積分強度を求める際に、前記ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時、前記積分強度が０．００５２４以上の場合、前記欠陥層へ十分に変化したと評価することを特徴とする請求項１に記載のシリコンウエーハの評価方法。
3. イオン注入されたシリコンウエーハであって、
   該シリコンウエーハにＸ線回折法でロッキングカーブ測定を行った時、該ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化して、該ピーク角度よりも０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度が０．００５２４以上であることを特徴とするシリコンウエーハ。
4. シリコンウエーハの製造方法であって、少なくとも、
   チョクラルスキー法によってシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスしてシリコンウエーハに加工した後、
   該シリコンウエーハの表面からイオン注入を行ってダメージ層を形成し、
   その後、該ダメージ層を欠陥層にするための熱処理を行い、
   該熱処理後に前記イオン注入を行った表面にＸ線回折法を用いてロッキングカーブを測定し、該ロッキングカーブの回折強度のピークの角度から０．００１°以上高角側及び低角側の積分強度を求め、該積分強度を用いて前記ダメージ層が前記欠陥層へどの程度変化したかを評価し、
   該評価結果が合格ならば次工程へ、不合格であれば再び熱処理を行うことを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
5. 前記評価は、前記ロッキングカーブの回折強度のピークの強度を１として規格化した時の前記積分強度が０．００５２４以上ならば合格、０．００５２４未満ならば不合格とするものとすることを特徴とする請求項４に記載のシリコンウエーハの製造方法。

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