JP2011044491A - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、良好な平坦度及び膜厚均一性を有し、さらに品質の高いエピタキシャルシリコンウェーハを提供することにある。
【解決手段】鏡面研磨されたシリコンウェーハ10(図1(a))の表面上に、エピタキシャル膜20を形成した後(図1(b))、前記シリコンウェーハの裏面のみに対し、研削加工処理、研磨加工処理あるいは化学エッチング処理を施し、エピタキシャル膜20の形成時に前記シリコンウェーハ10の裏面端部に付着したシリコン析出物21を除去する(図1(c))ことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、特に、高品質かつ平坦なエピタキシャルシリコンウェーハを得るための製造方法に関するものである。
エピタキシャルシリコンウェーハは、シリコン基板上に、厚さ数μmの単結晶シリコン層(エピタキシャル膜)を、主として気相成長させることによって形成した高品質ウェーハである。エピタキシャルシリコンウェーハは、デバイスメーカーの要請等に応じて、高濃度のボロン(B)やリン(P)といったドーパントを添加したウェーハを製造できる点で有効である。
そして、エピタキシャルシリコンウェーハには、高い品質及び平坦度が要求され、例えば特許文献1、2及び3に開示されているように、エピタキシャル膜を形成後のエピタキシャルシリコンウェーハの表面又は両面を鏡面研磨する製造方法が提案されている。この方法によれば、エピタキシャル膜表面を鏡面研磨することによって、エピタキシャルシリコンウェーハ全体の平坦度を調整することができ、一定の平坦度を有するエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。
特開平4−122023号公報 特公平8−17163号公報 特開2006−190703号公報
しかしながら、特許文献1〜3の発明では、いずれも良好な平坦度を有するエピタキャルシリコンウェーハを得ることができる点では効果があるものの、エピタキシャル膜は非常に活性であるため、平坦化のためにエピタキシャル膜表面を鏡面研磨処理すると、エピタキシャル膜表面に加工起因の新たな欠陥(PID:Polishing Induced Defect)やスクラッチ等が発生するという問題が判明した。
また、エピタキシャル成長を行う際、エピタキシャル膜を形成するために用いられる反応ガスが、シリコン基板の裏面に回り込むことによって、シリコンウェーハ裏面の端部にシリコン析出物が付着し、このようなシリコンウェーハ裏面の端部にシリコン析出物が付着した状態で、エピタキシャル膜表面を鏡面研磨すると、エピタキシャルシリコンウェーハ全体の平坦度を悪化させ、デバイス特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
本発明の目的は、シリコンウェーハの裏面のみに対し所定の処理を施すことで、良好な平坦度及び膜厚均一性を有し、さらに品質の高いエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記の課題を解決するため検討を重ねた結果、鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル膜を形成した後、前記シリコンウェーハの裏面のみに対し、研削加工処理、研磨加工処理あるいは化学エッチング処理を施し、エピタキシャル膜の形成時に前記シリコンウェーハの裏面端部に付着したシリコン析出物を除去することによって、前記エピタキシャル膜に加工を加えることによる欠陥の発生を防止でき、膜厚均一性に優れた高品質のエピタキシャル膜が得られると共に、ウェーハ裏面端部のシリコン析出物を選択的に除去できるため、高いウェーハ平坦度も実現できることを見出した。
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル膜を形成した後、前記シリコンウェーハの裏面のみに対し、研削加工処理、研磨加工処理あるいは化学エッチング処理を施し、エピタキシャル膜の形成時に前記シリコンウェーハの裏面端部に付着したシリコン析出物を除去することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(2)前記シリコン析出物の除去の前処理として、前記エピタキシャル膜の表面に保護酸化膜を形成する上記(1)記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(3)前記研削加工処理は、粒径が1μm以下の固定砥粒を用いた研削加工処理である上記(1)又は(2)記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(4)前記研磨加工処理は、鏡面研磨処理である上記(1)又は(2)記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(5)前記化学エッチング処理は、スピンエッチング処理である上記(1)又は(2)記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(6)前記保護酸化膜の膜厚が、5nm以上である上記(2)記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
(7)前記鏡面研磨されたシリコンウェーハは、その表面がSEMI規格で定義されるGBIRが200nm以下である上記(1)〜(6)のいずれか1項記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
この発明によれば、良好な平坦度及び膜厚均一性を有し、さらに品質の高いエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法が可能となった。
本発明に従うエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明するためのフロー図である。 本発明に従うエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法の別の実施形態について説明するためのフロー図である。 従来のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明するためのフロー図である。 本発明に用いられる研削装置の一例を示した断面図である。 本発明に用いられる研磨装置の一例を示した断面図である。 本発明に用いられるエッチング装置の一例を示した断面図である。 本発明例及び比較例で製造されたエピタキシャルシリコンウェーハについて、それぞれの表面で観察された欠陥発生分布を示す観察図である。 本発明例及び比較例で製造されたエピタキシャルシリコンウェーハについて、それぞれの平坦度を評価した結果を示す図である。
本発明によるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、図1に示すように、鏡面研磨されたシリコンウェーハ10(図1(a))の表面上に、エピタキシャル膜20を形成した後(図1(b))、前記シリコンウェーハの裏面のみに対し、所定の研削加工処理、研磨加工処理又は化学エッチング処理を施し、エピタキシャル膜の形成時に前記シリコンウェーハの裏面端部に付着したシリコン析出物を除去する(図1(c))ことを特徴とする製造方法である。
上記構成を採用することで、前記エピタキシャル膜20の表面20aに平坦化のための加工を加えることがないため、研削・研磨等の加工に起因した欠陥(PID、Scratch等)の発生を防止できることに加えて、エピタキシャル膜20の膜厚均一性に優れたエピタキシャルシリコンウェーハが得られる。さらに、ウェーハ裏面10a端部のシリコン析出物21を選択的に除去できるため、エピタキシャルシリコンウェーハの高い平坦度も実現できる。
一方、従来のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、エピタキシャルシリコンウェーハの平坦化を目的としてエピタキシャル膜20を鏡面研磨処理しており、エピタキシャル表面に加工に起因した欠陥(PID、スクラッチ等)の発生を防止することはできない。また、図3(c)に示すように、ウェーハ裏面10a端部にシリコン析出物21が存在する状態でエピタキシャル膜20表面を鏡面研磨すると、エピタキシャル膜20外周部の厚みが低下(外周ダレ)してしまい、エピタキシャルシリコンウェーハ全体の厚み平坦度が低下してしまう。
なお、本発明によるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、エピタキシャル膜20に発生する欠陥の防止を目的として、あえて前記エピタキシャル膜20の表面20aに加工やエッチングを施していない。
また、本発明の製造方法に用いられる鏡面研磨されたシリコンウェーハ10は、その表面上に精度よくエピタキシャル膜20を形成することができるという点から、その表面がSEMI規格で定義されるGBIR(Global Back-side Ideal Range)が200nm以下とすることが好ましい。GBIRが200nm以内という高い平坦度の表面上に前記エピタキシャル膜20を形成すれば、形成されたエピタキシャルシリコンウェーハ1の平坦度についても高く維持できる。
また、前記シリコンウェーハ10上に形成されるエピタキシャル膜については、その用途によって、種々のエピタキシャル膜を形成することができる。エピタキシャル膜20の形成条件等については、通常の方法に従って行えばよい。例えば、電気低効を変化させる場合には、アンチモン、ヒ素、ボロン等を添加したエピタキシャル膜20を形成することができる。
本発明による製造方法においては、エピタキシャル成長後の前記シリコンウェーハ裏面10aに対して研削加工処理を施すことが好ましく、特に、粒度が1μm以下の固定砥粒が埋設された砥石(研削定盤)を用いて前記シリコンウェーハ裏面10aを研削することがより望ましい。これにより、シリコン析出物21を確実に除去することができ、鏡面研磨処理した時と同等のウェーハ表面品質を有する平坦度に優れたエピタキシャルシリコンウェーハとすることができる。1μmサイズを超える固定砥粒を用いた場合には、前記シリコンウェーハ10の裏面10aにキズなどの加工ダメージを与える恐れがある。
前記研削加工処理は、具体的には、図4に示すような研削装置50によって行われる。図4に示すように、エピタキシャルシリコンウェーハ1を載置するための被処理体支持部であるターンテーブル51が、駆動機構(図示せず)により鉛直軸回りに回転可能となるように設けられている。また、ターンテーブル51の上方側には、研削用砥石52及び研削用砥石52を支持するための砥石支持手段53が設けられ、この砥石支持手段53は駆動機構(図示せず)により研削用砥石52を鉛直軸回りに回転可能となるように構成されている。さらに、研削時にシリコンウェーハの裏面10aに研削水を供給するための給水ノズル54が設けられる。そして、前記ターンテーブル51上に、研削を行う裏面10aが上面となるように、エピタキシャルシリコンウェーハ1を載置した後、各駆動機構により固定砥粒が埋設された研削用砥石52とターンテーブル51とを相対的に回転させ、研削用砥石52を前記シリコンウェーハ裏面10aの端部に押圧することで研削する。さらに、必要に応じて、前記研削処理の後に、前記シリコンウェーハの裏面10a全体を研磨処理することもできる。
本発明による製造方法においては、エピタキシャル成長後の前記シリコンウェーハ裏面10aに対して研磨加工処理を施すことが好ましく、特に、鏡面研磨処理することがより望ましい。前記鏡面研磨処理を行えば、シリコンウェーハ裏面10aに加工ダメージ等を発生させることなく、確実に裏面端部のシリコン析出物21を除去することができる。
前記研磨加工処理は、具体的には、図5に示すような研磨装置70を用いて行われる。この研磨装置70は、大きな円板であり、その底面中心に接続されたシャフト73によって回転する回転定盤71と、加圧ヘッド76及びこれに接続して加圧ヘッド76を回転させるシャフト77からなるウェーハ保持具72とを具える。前記回転定盤71の上面には、研磨布74が貼付けられ、前記加圧ヘッド76の下面には、前記シリコンウェーハ10が固着される研磨プレート75が取付けられ、前記回転定盤71の上部には研磨液28を供給するための配管29が設けられている。そして、前記シリコンウェーハ10を固着した加圧ヘッド22aを下降させて、シリコンウェーハ10に所定の圧力を加えながら押圧し、配管79から研磨液28を研磨布24に供給しながら、加圧ヘッド22aと回転定盤21とを同一方向に回転させるとともに、前記シリコンウェーハ裏面10aを前記研磨布74へ押し付けることで研磨することができる。また、使用する研磨液78は、コロイダルシリカなどの砥粒が含有されるものであっても、砥粒を含まないものであっても構わない。
また、本発明による製造方法における、エピタキシャル成長後の前記シリコンウェーハ裏面10aに対する所定の化学エッチング処理は、枚葉式のスピンエッチング処理であることが好ましい。枚葉式のスピンエッチング処理を用いれば、シリコンウェーハ裏面10aに供給するエッチング液の供給位置やシリコンウェーハ10の回転数などを調整することにより、ウェーハ裏面10aに任意の表面形状を造りこむことができ、裏面端部のシリコン析出物21のみを除去することも可能となる。
ここで、スピンエッチング処理とは、図6に示すように、枚葉式エッチング装置60を用いたエッチング処理である。カップ61内に配置された真空吸引式のウェーハチャック62により前記シリコンウェーハ裏面10aが上面となるようにシリコンウェーハ10を水平に載置し、ウェーハチャック62によりシリコンウェーハ10をスピンさせ、ウェーハ10上方に設けられたエッチング液供給ノズル63を、図6の矢印で示すように、水平に移動させながら、エッチング液供給ノズル63からエッチング液64を回転しているシリコンウェーハ裏面10a上に供給することにより、前記ウェーハ裏面10aをエッチング処理して前記シリコンウェーハ裏面端部のシリコン析出物21を除去する。また、エッチング液64については、フッ酸、硝酸及びリン酸を含有した水溶液である(水溶液中に含まれるフッ酸、硝酸及びリン酸の混合割合は、質量%でフッ酸:硝酸:リン酸=0.5〜40%:5〜50%:5〜70%に規定)。
また、図2に示すように、前記シリコンウェーハの裏面10aに付着した前記シリコン析出物21の除去(図2(d))の前処理として、前記エピタキシャル膜20の表面20aに保護酸化膜30を形成すること(図2(c))が好ましい。保護酸化膜30を設けることで、前記エピタキシャル膜20に、研削装置や研磨装置等が直接接触することなく、前記シリコンウェーハ裏面10aの処理を行うことができるからであり、前記保護酸化膜30を形成しない場合には、前記エピタキシャル膜20の表面20aに前記装置の一部(例えばウェーハ真空吸着パットなど)が接触し、エピタキシャル膜20の表層部に傷やダメージが発生する恐れがある。
さらに、前記保護酸化膜30の膜厚が、5nm以上であることが好ましい。5nm未満の場合、膜厚が薄すぎるため、保護膜としての機能が低く、エピタキシャル膜表面20aの傷やダメージの抑制を十分に図ることができない恐れがあるからである。一方、前記保護酸化膜30の膜厚が500nm超える場合、前記ウェーハ裏面10aの端部に付着したシリコン析出物21を処理した後、保護酸化膜30を除去するのに要する時間が大きくなることに加えて、ウェーハに反りが生じ、ウェーハ平坦度を低下させる恐れがあるからである。
なお、前記保護酸化膜30の形成方法としては、例えば、常圧CVD装置内にシランガス及び酸素ガスを導入して、約400℃の温度で熱処理することで、所望の膜厚の保護酸化膜30を、前記エピタキシャル膜20の表面20a上に形成することができる。
また、前記エピタキシャル膜20上に形成した前記保護酸化膜30を除去する方法としては、例えば、HF水溶液を用いたエッチングを用いることができる。フッ酸濃度、処理時間等の処理条件は、保護酸化膜30を完全に除去することが可能である条件であれば、処理時間が冗長にならず、表面荒れの発生等の好ましくない現象が発生しない範囲で、適宜設定することができる。
また、研削加工処理および研磨加工処理については、シリコンウェーハの裏面10aのみ加工処理する片面研削装置、片面研磨装置による加工例を例示したが、シリコンウェーハの裏面10aに付着したシリコン析出物21の厚みよりも、エピタキシャル膜表面に形成する保護酸化膜30の厚みを大きくしておくことにより、表裏面を同時に処理できる両面研削装置や両面研磨装置を用いることもできる。
なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
(実施例1)
実施例1として、図1に示すように、SEMI規格で定義されるGBIRが約200nmの鏡面研磨された、直径サイズが300mmのシリコンウェーハ10(図1(a))の表面上に、膜厚5μmのエピタキシャル膜20を形成した後(図1(b))、前記シリンウェーハ10の裏面10aのみに対し、鏡面研磨処理を施し、エピタキシャル膜20の形成時(図1(b))に前記シリコンウェーハ10の裏面10a端部に付着したシリコン析出物21を除去する(図1(c))ことで、エピタキシャルシリコンウェーハ1を製造した。なお、図2に示すように、片面研磨処理によってシリコンウェーハの裏面10aに付着したシリコン析出物21を除去(図2(d))する前処理として、CVD装置内にシランガス及び酸素ガスを導入して、約400℃の温度で熱処理を行うことで、前記エピタキシャル膜20の表面20aに膜厚5nmの保護酸化膜30を形成した(図2(c))。その後、このエピタキシャル膜20上に形成した保護酸化膜30の表面を真空吸着パッドにより保持して、シリコンウェーハ裏面10aのみに鏡面研磨を施して、裏面10a端部に付着したシリコン析出物21を除去した(図2(e))。
(実施例2)
実施例2は、図5に示すように、スピンエッチング装置を用い、エッチング液としてフッ酸、硝酸及びリン酸を含有した水溶液を用いて、前記シリコンウェーハ10の裏面10a端部に付着したシリコン析出物21を除去したこと(図1(c))以外は、実施例1と同様の条件によってエピタキシャルシリコンウェーハ1を製造した。
(比較例)
比較例として、図3に示すように、エピタキシャル膜20の表面に保護酸化膜を形成せずに、両面研磨装置によって、エピタキシャル膜20の表面およびシリコンウェーハ10の裏面を同時に研磨して、シリコンウェーハ10の裏面10a端部に付着したシリコン析出物21を除去したこと(図1(c))以外は、実施例1と同様の条件によってエピタキシャルシリコンウェーハ100を製造した。
(エピタキシャル膜の品質評価)
実施例1、実施例2及び比較例で製造した各エピタキシャルシリコンウェーハ100について、エピタキシャル膜20表面の欠陥発生状況を、表面検査装置(Magics)を用いて測定した。その結果を図7に示す。図7の結果からわかるように、エピタキシャル膜20表面を研磨した比較例1では、多くの表面欠陥が観察され、観察された欠陥の中でも、PID欠陥が60個以上観察されたのに対して、実施例1、2ではパーティクル起因の欠陥が多少観察されただけで、PID欠陥は観察されなかった。
(平坦度の評価)
実施例1、実施例2及び比較例で製造した、各エピタキシャルシリコンウェーハについて、平坦度測定器(wafersite)を用いて平坦度(パーシャルサイト値)の測定を行った。その結果(相対比較)を図8に示す。図8からわかるように、エピタキシャル膜20表面を研磨した比較例では、外周部のエピタキシャル膜厚みが大きく低下(外周ダレ)することが観察されたのに対して、実施例1、2ではウェーハ全面に亘りほぼ均一な膜厚分布を得ることができたことがわかる。
この発明によれば、良好な平坦度及び膜厚均一性を有し、さらに品質の高いエピタキシャルシリコンウェーハを提供することが可能になった。
1、100 エピタキシャルシリコンウェーハ
10 シリコンウェーハ
20 エピタキシャル膜
21 シリコン析出物
30 保護酸化膜
50 研削装置
51 ターンテーブル
53 砥石支持手段
54 給水ノズル
60 枚葉式エッチング装置
61 カップ
62 ウェーハチャック
63 エッチング液供給ノズル
64 エッチング液
70 研磨装置
71 回転定盤
72 ウェーハ保持具
73 シャフト
74 研磨布
75 研磨プレート
76 加圧ヘッド
77 シャフト
78 研磨液
79 配管

Claims (7)

  1. 鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面上に、エピタキシャル膜を形成した後、前記シリコンウェーハの裏面のみに対し、研削加工処理、研磨加工処理あるいは化学エッチング処理を施し、エピタキシャル膜の形成時に前記シリコンウェーハの裏面端部に付着したシリコン析出物を除去することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  2. 前記シリコン析出物の除去の前処理として、前記エピタキシャル膜の表面に保護酸化膜を形成する請求項1記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  3. 前記研削加工処理は、表面に粒径が1μm以下の固定砥粒を用いた研削加工処理である請求項1又は2記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  4. 前記研磨加工処理は、鏡面研磨処理である請求項1又は2記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  5. 前記化学エッチング処理は、スピンエッチング処理である請求項1又は2記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  6. 前記保護酸化膜の膜厚が、5nm以上である請求項2記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  7. 前記鏡面研磨されたシリコンウェーハは、その表面がSEMI規格で定義されるGBIRが200nm以下である請求項1〜6のいずれか1項記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
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