JP2011044606A

JP2011044606A - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2011044606A
Application number: JP2009192451A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ogata; 晋一緒方; Kazunari Takaishi; 和成高石; Hironori Nishimura; 弘徳西村; Shigeru Okuuchi; 茂奥内; Shunsuke Mikuriya; 俊介御厨
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-03

Abstract

【課題】シリコンウェーハの鏡面研磨された表面に発生する加工起因のＬＰＤの密度を低減し、かつウェーハ表面の表面粗さを小さくすることで、ＬＰＤ密度が低く、表面粗さ品質に優れたエピタキシャル膜を有する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。
【解決手段】砥粒を含まず水溶性高分子を含むアルカリ性水溶液の研磨液を用いて、シリコンウェーハの表面を鏡面研磨する。水溶性高分子をアルカリ性水溶液に添加したので、摩擦係数を低下させ、鏡面研磨されたウェーハ表層部に発生する加工起因のＬＰＤの密度を低減でき、ＬＰＤ密度が低いエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。しかも、鏡面研磨されたウェーハ表面に発生する表面粗さを小さくでき、表面粗さ品質に優れたエピタキシャルシリコンウェーハを提供できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、詳しくはシリコンウェーハの鏡面研磨された表面に、エピタキシャル膜が気相成長されたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。

例えば、バイポーラＩＣ用デバイスを作製する基板として、エピタキシャルシリコンウェーハが知られている。これは、ｐ型の低抵抗（０．０１Ω・ｃｍ程度）のシリコンウェーハに、単結晶シリコンからなる厚さ数μｍのｎ型のエピタキシャル膜を気相成長させたものである。

表面が鏡面仕上げされたシリコンウェーハは、チョクラルスキー（ＣＺ）法により育成された単結晶シリコンインゴットをスライスし、得られたシリコンウェーハに面取り、ラッピング（研削加工）、エッチングを順次施し、その後、ウェーハ表面の研磨を行うことで製造される。
一般的な研磨方法によれば、シリコンウェーハの表面に１次研磨、２次研磨、仕上げ研磨および各研磨段階後の洗浄が順次施される。研磨はその段階が移行する毎に、例えば研磨砥粒が微細化し、研磨布が低硬度化してウェーハ表面の面粗さが低い値となるようにウェーハ表面に多段の研磨処理が施される。
ところが、このような多段階にわたる精密な研磨方法では、各段階で研磨と洗浄とが繰り返されることから、より高硬度化された低抵抗ウェーハになるほど、その研磨時間が長くなっていた。その結果、シリコンウェーハの表面の平坦度が低下し、ウェーハ表面にピットが生じるとともに、シリコンウェーハの外周部にダレや周期的な凹凸が発生していた。また、１次研磨、２次研磨、仕上げ研磨などシリコンウェーハに対する多段研磨処理にコストがかかる問題があった。

そこで、これを解消する従来技術として、例えば特許文献１が知られている。これは、エッチング後のシリコンウェーハの表面に１次鏡面研磨のみを施し、その研磨面にエピタキシャル膜を気相成長させる技術である。１次鏡面研磨工程では、例えば、コロイダルシリカなどの遊離砥粒を含む研磨液が使用される。１次鏡面研磨面の粗さは、原子間力顕微鏡を利用し、１μｍ×１μｍの測定面積域を測定したとき、ＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）表示で０．３ｎｍ以上１．２ｎｍ以下であった。

特許第３１２０８２５号公報

しかしながら、特許文献１で示されるような、砥粒を含む研磨液を用いてウェーハ表面を１次鏡面研磨した場合、鏡面研磨中のメカニカル作用によりウェーハ表層部に新たな加工ダメージが導入されることになる。そのため、この１次鏡面研磨面には、概ね深さ５ｎｍ以上の加工ダメージが数多く発生し、酸化膜耐圧特性が低下するという問題があった。このような酸化膜耐圧特性が低いウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成すれば、エピタキシャル膜の表面で観察されるＬＰＤ（ＬｉｇｈｔＰｏｉｎｔＤｅｆｅｃｔｓ）密度が高まるという問題が生じる。また、研磨液中の砥粒の凝集を原因として、シリコンウェーハの１次鏡面研磨面には、マイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥なども発生するため、多数のＬＰＤが発生していた。具体的には、直径３００ｍｍのシリコンウェーハ１枚当たりで、１３０ｎｍサイズ以上のＬＰＤが１０００個以上も現出していた。
また、砥粒を含む研磨液を供給しながらウェーハ表面を１次鏡面研磨した場合、原子間力顕微鏡を用いて１μｍ×１μｍという小さい測定面積域でのＲＭＳ値はある程度低くできるものの、１０μｍ×１０μｍという大きい測定面積域でのＲＭＳ値は非常に高く、その後のエピタキシャル膜の表面の粗さも非常に粗いものであった。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、砥粒を含まずに水溶性高分子が添加された研磨液を使用してシリコンウェーハの表面を鏡面研磨し、その後、ウェーハ表面にエピタキシャル膜を気相成長させれば、上述した問題は全て解消することを知見し、この発明を完成させた。
この発明は、シリコンウェーハの鏡面研磨された表面に発生する加工起因のＬＰＤの密度を低減し、かつウェーハ表面の表面粗さを小さくすることにより、ＬＰＤ密度が低く、表面粗さが小さ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を目的としている。

本発明は、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を用いて、シリコンウェーハの表面を鏡面研磨し、該鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの鏡面化された表面にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。

本発明によれば、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を使用し、エピタキシャル膜が成膜される直前のシリコンウェーハの表面に対して鏡面研磨を施す。これにより、鏡面研磨時のウェーハ表面は酸化エッチングと酸化物の剥離を繰り返すケミカル作用により鏡面研磨される。その結果、砥粒を用いた鏡面研磨のようなメカニカル作用による加工ダメージの発生を回避することができ、酸化膜耐圧特性が非常に優れたウェーハとすることができる。しかも、砥粒を使用しない研磨であるため、砥粒凝集に起因したマイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥発生などを大幅に低減可能で、その後に形成されるエピタキシャル膜表面に発生するＬＰＤの密度も低減することができる。
また、研磨液を、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加されたものとしたので、研磨中の研磨荷重の一部を水溶性高分子が受け、摩擦係数を小さくすることができる。その結果、原子間力顕微鏡を用いて１μｍ×１μｍという小さい測定面積域でのＲＭＳ値だけでなく、１０μｍ×１０μｍという大きい測定面積域でのＲＭＳ値も低減することができ、表面粗さ品質に優れたエピタキシャル膜を有するエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができる。

また、アルカリ性水溶液に水溶性高分子を添加したことで、キャリアプレートの弾性変形が抑制され、キャリアプレートから発生する騒音を低減させることができる。さらに、砥粒を使用しないので、シリコンウェーハの外周部に研磨液中の砥粒が密集し易いことにより、シリコンウェーハ外周部の研磨が過度に進行し、外周ダレが発生するおそれも低減させることができる。

本発明において、前記鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの酸化膜耐圧特性評価において、ＴＺＤＢ測定によるＣ＋ｍｏｄｅ占有率を９９％以上とすることが望ましい。
一般的に、シリコンウェーハの表面の加工ダメージの有無を評価する手法として、ＴＺＤＢ測定によるＣモード評価により、ウェーハの良品、不良品の判定が行われる。しかしながら、例えば、Ｃモード評価で９９％以上と判定されたシリコンウェーハであっても、より厳しいＣ＋ｍｏｄｅ占有率で評価した場合には、その占有率が大きく低下し、酸化膜耐圧特性が低いことが明らかとなった。このため、Ｃ＋ｍｏｄｅ占有率を９９％以上、さらに１００％であるような優れた酸化膜耐圧特性を有することは極めて重要である。

本発明では、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を使用することで、砥粒凝集などのメカニカル的な要因で発生する傷などの加工ダメージを効果的に低減することができ、マイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥発生も低減させることができる。そのため、ＴＺＤＢによるＣ＋ｍｏｄｅ占有率は９９％以上となり、ほぼ合格率１００％のものとすることができる。これにより、エピタキシャル膜の表面でのＬＰＤ密度を大幅に低減することができる。
なお、酸化膜耐圧（ＧＯＩ；ＧａｔｅＯｘｉｄｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙ）特性とは、シリコンウェーハの表面に酸化膜（ゲート酸化膜）と電極を形成してＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を作製した後、電極に電圧を印加して酸化膜を破壊させ、ブレイクダウン電圧や電流を測定するものである。

本発明で採用するＴＺＤＢ（ＴｉｍｅＺｅｒｏＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｅｒｅａｋｄｏｗｎ）評価によるＣ＋ｍｏｄｅ占有率とは、以下の測定条件により算出されたものである。
＜測定条件＞
ウェーハ表面にゲート酸化膜厚２５ｎｍの酸化膜を形成し、この酸化膜表面にゲート電極面積１０ｍｍ^２のポリシリコン電極を形成して、各電極にステップ電圧印加法（ＳＶ法）により電圧を印加する。０．５ＭＶ／ｃｍステップ（各ステップの電圧印加時間：２００ｍｓｅｃ）刻みで電圧を増大させ、８ＭＶ／ｃｍ以上の電圧を印加したとき、酸化膜を通して流れる電流密度が１０μＡ／ｃｍ^２以下で、かつ、その後、印加する電圧を一旦、０ＭＶ／ｃｍに降下させた後、再び２ＭＶ／ｃｍの電圧を印加したとき、酸化膜を通して流れる電流密度が１μＡ／ｃｍ^２以下のセルをＣ＋ｍｏｄｅと呼び、このＣ＋ｍｏｄｅ個数の割合がＣ＋ｍｏｄｅ占有率である。

また、本発明において、前記鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの表面の面粗さは、原子間力顕微鏡による１０μｍ×１０μｍの測定面積域を測定した際、ＲＭＳ表示で０．３ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、その後に形成されるエピタキシャル表面粗さ品質を高めることができる。
本発明では、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を用いてシリコンウェーハの表面を鏡面研磨することにより、１μｍ×１μｍ角および１０μｍ×１０μｍ角の測定面積域を測定した場合でも、どちらもＲＭＳ表示で０．３ｎｍ以下にすることができ、その後に形成されるエピタキシャル表面粗さ品質を高めることができる。

シリコンウェーハとしては、例えば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直径としては、例えば１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍなどが挙げられる。
アルカリ性水溶液としては、ｐＨ８〜ｐＨ１４の範囲内に調整したアルカリ性水溶液を用いることが望ましい。アルカリ性水溶液がｐＨ８未満では、エッチング作用が低くなりすぎてしまい、シリコンウェーハの表面にスクラッチ、傷などの加工起因の欠陥が発生し易くなる。また、強塩基水溶液のようにｐＨ１４を超えれば、研磨液の取り扱いが困難になる。ｐＨ調整剤としては、アンモニア水溶液、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムの水酸化アルカリ性の水溶液、炭酸アルカリ性の水溶液を採用することができる。その他、ヒドラジンやアミン類の水溶液を採用することができる。研磨レートを高める観点から、特にアミンを用いることが望ましい。

前記アルカリ性水溶液に添加する水溶性高分子としては、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコールを使用することが望ましい。特に、ヒドロキシエチルセルロースは、高純度のものを比較的容易に入手でき、分子量が大きいため、研磨パッドとキャリアプレートとの間でベアリング的な機能を果たし、摩擦係数をより効率良く低下させることができる。
また、前記アルカリ性水溶液に添加される水溶性高分子の濃度は、０．０１ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲に調整することが望ましい。水溶性高分子の濃度が０．０１ｐｐｍ未満では、研磨時の摩擦が大きくなり過ぎてしまい、鏡面研磨したウェーハ表面に加工起因の欠陥を生じてしまうおそれがある。また、１０００ｐｐｍを超えれば、研磨レートが極端に低下し、鏡面研磨処理に多大な時間を要することになる。

また、研磨液に含まれる金属イオンを除去する観点から、研磨液中にキレート（ｃｈｅｌａｔｅ）剤を添加することが望ましい。キレート剤の添加により、金属イオンが捕獲、錯体化され、その後、これを廃棄することで、研磨後のシリコンウェーハの金属汚染の度合いを低減することができる。キレート剤としては、金属イオンに対するキレート能力を有する物質であれば任意である。キレートとは、複数の配位座を有する配位子による金属イオンへの結合（配位）をいう。

キレート剤の種類としては、例えばホスホン酸系キレート剤、アミノカルボン酸系キレート剤などを採用することができる。ただし、アルカリ性水溶液への溶解性を考慮した場合には、アミノカルボン酸系キレート剤が好ましい。さらに、重金属イオンのキレート能力を考慮した場合には、エチレンジアミン四酢酸ＥＤＴＡ（ＥｔｈｙｌｅｎｅＤｉａｍｉｎｅＴｅｔｒａａｃｅｔｉｃＡｃｉｄ）またはジエチレントリアミン五酢酸ＤＴＰＡ（ＤｉｅｔｈｙｌｅｎｅＴｒｉａｍｉｎｅＰｅｎｔａａｃｅｔｉｃＡｃｉｄ）などのアミノカルボン酸塩がより好ましい。その他、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）でもよい。キレート剤は０．１ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度範囲で添加することがよく、これにより、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属イオンなどを捕獲することができる。

研磨に使用される研磨布としては、例えば硬度が７５〜８５、圧縮率が２〜３％、ウレタン型のものを採用することができる。また、研磨布の素材としては、ポリウレタンが望ましく、特に、シリコンウェーハ表面の鏡面化精度に優れる発泡性ポリウレタンを用いることが望ましい。その他、スエードタイプのポリウレタンやポリエステル製の不織布なども採用することができる。
ウェーハ表面に対するその他の鏡面研磨条件としては、例えば、研磨レートが０．２〜０．６μｍ／分、研磨量が５〜２０μｍ、研磨荷重が２００〜３００ｇ／ｃｍ^２、研磨時間が１０〜９０分、研磨中の研磨液の温度が２０〜３０℃を例示することができる。

シリコンウェーハの鏡面研磨は、枚葉式の研磨装置を使用しても、複数枚のシリコンウェーハを同時に研磨するバッチ式の研磨装置を使用してもよい。
また、シリコンウェーハの研磨は、表面のみの片面研磨でも、ウェーハ表裏面を同時に研磨する両面研磨でもよい。両面研磨装置としては、サンギヤ（遊星歯車）方式のもの、または、キャリアプレートに自転をともなわない円運動をさせてシリコンウェーハの表裏両面を同時に研磨する無サンギヤ方式ものを採用することができる。特に、両面研磨装置を用いれば、一度の研磨処理でウェーハ表面だけでなくウェーハ裏面の高平坦化までを達成することができ、低コストで高平坦度なエピタキシャルウェーハの提供に有効となる。

さらに、同一の鏡面研磨処理条件でウェーハ表面を最後まで鏡面研磨してもよい。また、同一の研磨装置内で、薬液組成や研磨条件を変更した鏡面研磨を複数回実施してもよい。多段の鏡面研磨を実施する場合には、例えば、鏡面研磨の初期は、スライス、研削加工などで導入されたウェーハ表層部の加工ダメージを素早く除去するように、アルカリ水溶液や水溶性高分子などの薬液の濃度や研磨定盤の回転数を制御して研磨レートが高い条件で研磨する。その後、各面研磨条件を変更して、鏡面研磨時にウェーハ表層部に新たな加工ダメージが導入されないように、研磨レートが低い条件を採用して研磨するようにしてもよい。

鏡面研磨されたシリコンウェーハは、シリコンウェーハの表面に付着した薬液やパーティクルを除去するため、エピタキシャル成長処理前に洗浄処理が施される。この洗浄処理としては、公知の繰り返しＳＣ１洗浄、オゾンとフッ酸との混合溶液による洗浄あるいはオゾン水洗浄とフッ酸溶液洗浄とを交互に行う繰り返し洗浄などを採用することができる。その際に用いる各洗浄液の液種、濃度、処理時間などは、成長させるエピタキシャル膜に汚染を生じず、パーティクルの除去ができるように、シリコンウェーハ表面を０．２〜１０ｎｍ程度除去できる洗浄条件であればよい。

エピタキシャル膜の素材としては、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコンなどを採用することができる。
エピタキシャル膜の気相エピタキシャル成膜方法としては、例えば常圧気相エピタキシャル法、減圧気相エピタキシャル法、有機金属気相エピタキシャル法などを採用することができる。気相エピタキシャル法では、例えばエピタキシャルシリコンウェーハを横置き状態（表裏面が水平な状態）でウェーハ収納部に収納する、平面視して円形で、ウェーハが１枚または複数枚載置可能なサセプタが使用される。気相エピタキシャル法は、ウェーハと同じ素材をエピタキシャル成長させるホモエピタキシでも、ウェーハと異なる素材をエピタキシャル成長させるヘテロエピタキシでもよい。なお、エピタキシャル膜の性状はウェーハ表面性状の影響を大きく受けるので、ある程度の厚み以上の膜厚が必要である。例えば、１〜１０μｍ厚みのエピタキシャル膜を形成することが望ましい。

本発明によれば、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を用いて、エピタキシャル膜の成膜前のシリコンウェーハの表面に鏡面研磨を施す。このように、研磨液を、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加されたものとしたので、研磨中の研磨荷重の一部を水溶性高分子が受け、摩擦係数を小さくすることができる。その結果、酸化膜耐圧特性が優れ、かつマイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥発生などを大幅に低減させることができ、その後に形成されるエピタキシャル膜の表面のＬＰＤ密度を低減させることができる。また、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を用いてシリコンウェーハの表面を鏡面研磨することにより、１μｍ×１μｍ角および１０μｍ×１０μｍ角の測定面積域を測定した場合でも、どちらもＲＭＳ表示で０．３ｎｍ以下にすることができ、その後に形成されるエピタキシャル表面粗さ品質を高めることができる。

この発明に係る実施例１のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法のフローシートである。この発明に係る実施例１のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に用いられる無サンギヤ方式の両面研磨装置の斜視図である。この発明に係る実施例１のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に用いられる無サンギヤ方式の両面研磨装置の要部縦断面図である。この発明に係る実施例１のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に用いられる気相エピタキシャル成長装置の要部拡大縦断面図である。本発明法の実施例１の条件で砥粒を含まない研磨液を使用した場合と、従来法の砥粒を含む研磨液を使用した場合について、鏡面研磨後のシリコンウェーハ（ＰＷ）の酸化膜耐圧特性を評価したときの評価結果を示すグラフである。砥粒を含まない研磨液を用いて鏡面研磨を施した本発明のシリコンウェーハの表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハの表面とのＬＰＤ分布図である。砥粒を含む研磨液を用いて鏡面研磨を施した従来のシリコンウェーハの表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハの表面とのＬＰＤ分布図である。砥粒を含まない研磨液を用いて鏡面研磨を施した本発明のシリコンウェーハ（ＰＷ）の表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハ（ＥＷ）の表面とについて、原子間力顕微鏡により１０μｍ×１０μｍの測定面積域を観察したときの面粗さを示す３次元グラフである。砥粒を含む研磨液を用いて鏡面研磨を施した従来のシリコンウェーハの表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハの表面とについて、原子間力顕微鏡により１０μｍ×１０μｍの測定面積域を観察したときの面粗さを示す３次元グラフである。砥粒を含まない研磨液を用いて鏡面研磨を施した本発明のシリコンウェーハの表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハの表面とについて、原子間力顕微鏡により１μｍ×１μｍの測定面積域を観察したときの面粗さを示す３次元グラフである。砥粒を含む研磨液を用いて鏡面研磨を施した従来のシリコンウェーハの表面と、このウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成したエピタキシャルシリコンウェーハの表面とについて、原子間力顕微鏡により１μｍ×１μｍの測定面積域を観察したときの面粗さを示す３次元グラフである。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、バイポーラＩＣ用デバイスを作製す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説明する。

図１のフローシートを参照して、この発明の実施例１に係る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。
すなわち、実施例１のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、結晶引き上げ工程、結晶加工工程、スライス工程、面取り工程、ラッピング工程、エッチング工程、鏡面研磨工程、洗浄工程、エピタキシャル成長工程、最終洗浄工程を備えている。

以下、前記各工程を具体的に説明する。
結晶引き上げ工程では、坩堝内でボロンが所定量ドープされたシリコンの溶融液から、チョクラルスキー法により直径３０６ｍｍ、直胴部の長さが２５００ｍｍ、比抵抗が０．０１Ω・ｃｍ、初期酸素濃度１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の単結晶シリコンインゴットが引き上げられる。

次に、結晶加工工程では、１本の単結晶シリコンインゴットが、複数の結晶ブロックに切断された後、各結晶ブロックの外周研削が行われる。具体的には、♯２００の砥粒（ＳｉＣ）を含むレジノイド研削砥石を有した外周研削装置により、結晶ブロックの外周部が６ｍｍだけ外周研削される。これにより、各結晶ブロックが円柱状に成形される。
スライス工程では、三角配置された３本のグルーブローラにワイヤが巻掛けられたワイヤソーが用いられる。ワイヤソーによりシリコン単結晶から、直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍの多数枚のシリコンウェーハがスライスされる。

次の面取り工程では、回転中の面取り用砥石をシリコンウェーハの外周部に押し付けて面取りする。
ラッピング工程では、両面ラッピング装置によりシリコンウェーハの両面を同時にラッピングする。すなわち、シリコンウェーハの両面を所定速度で回転中の上下のラップ定盤間でラッピングする。
エッチング工程では、エッチング槽内の酸性エッチング液に、ラッピング後のシリコンウェーハを浸漬してエッチングし、面取りおよびラッピングによるダメージやシリコンウェーハの表面の自然酸化膜を除去する。シリコンウェーハの表面に酸化膜が付いた状態で、砥粒を含まない研磨液を使用して鏡面研磨すれば、研磨初期の加工レートが小さくなってしまうため、予めシリコンウェーハ表面の酸化膜をエッチングで除去しておくことが有効となる。

鏡面研磨工程では、無サンギヤ方式の両面研磨装置を用い、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を使用して、シリコンウェーハの両面を同時に鏡面研磨する。
以下、図２および図３を参照して、無サンギヤ方式の両面研磨装置を具体的に説明する。
図２および図３に示すように、両面研磨装置の上定盤１２０は、上方に延びた回転軸１２ａを介して、上側回転モータ１６により水平面内で回転駆動される。また、上定盤１２０は軸線方向へ進退させる昇降装置１８により垂直方向に昇降させられる。昇降装置１８は、シリコンウェーハ１１をキャリアプレート１１０に給排する際等に使用される。なお、上定盤１２０および下定盤１３０のシリコンウェーハ１１の表裏両面に対する押圧は、上定盤１２０および下定盤１３０に組み込まれた図示しないエアバック方式等の加圧手段により行われる。下定盤１３０は、その出力軸１７ａを介して、下側回転モータ１７により水平面内で回転させられる。キャリアプレート１１０は、そのプレート１１０自体が自転しないように、キャリア円運動機構１９によって、そのプレート１１０の表面と平行な面（水平面）内で円運動する。

キャリア円運動機構１９は、キャリアプレート１１０を外方から保持する環状のキャリアホルダ２０を有している。キャリア円運動機構１９とキャリアホルダ２０とは、連結構造を介して連結されている。
キャリアホルダ２０の外周部には、９０°ごとに外方へ突出した４個の軸受部２０ｂが配設されている。各軸受部２０ｂには、小径円板形状の偏心アーム２４の上面の偏心位置に突設された偏心軸２４ａが挿着されている。また、これら４個の偏心アーム２４の各下面の中心部には、回転軸２４ｂが垂設されている。各回転軸２４ｂは、環状の装置基体２５に９０°ごとに合計４個配設された軸受部２５ａに、それぞれ先端部を下方へ突出させた状態で挿着されている。各回転軸２４ｂの下方に突出した先端部には、それぞれスプロケット２６が固着されている。各スプロケット２６には、一連にタイミングチェーン２７が水平状態で架け渡されている。これらの４個のスプロケット２６とタイミングチェーン２７とは、４個の偏心アーム２４が同期して円運動を行うように、４本の回転軸２４ｂを同時に回転させる。

４本の回転軸２４ｂのうち、１本の回転軸２４ｂはさらに長尺に形成されており、その先端部がスプロケット２６より下方に突出されている。この部分に動力伝達用のギヤ２８が固着されている。ギヤ２８は、円運動用モータ２９の上方へ延びる出力軸に固着された大径な駆動用のギヤ３０に噛合されている。
したがって、円運動用モータ２９を起動すれば、その回転力は、ギヤ３０，２８および長尺な回転軸２４ｂに固着されたスプロケット２６を介してタイミングチェーン２７に伝達され、タイミングチェーン２７が周転することで、他の３個のスプロケット２６を介して、４個の偏心アーム２４が同期して回転軸２４ｂを中心に水平面内で回転する。これにより、各偏心軸２４ａに一括して連結されたキャリアホルダ２０、ひいてはこのホルダ２０に保持されたキャリアプレート１１０が、このプレート１１０に平行な水平面内で、自転をともなわない円運動を行う。

すなわち、キャリアプレート１１０は上定盤１２０および下定盤１３０の軸線ｅから距離Ｌだけ偏心した状態を保って旋回する。両定盤１２０，１３０の各対向面には、硬度が８０、圧縮率が２．５％のウレタン型の研磨布１５が貼張されている。
この距離Ｌは、偏心軸２４ａと回転軸２４ｂとの距離と同じである。この自転を伴わない円運動により、キャリアプレート１１０上の全ての点は、同じ大きさ（半径ｒ）の小円の軌跡を描く。これにより、キャリアプレート１１０に形成されたウェーハ収納部１１ａに収納されたシリコンウェーハ１１が、両研磨定盤１２０，１３０の回転方向を反対とし、研磨定盤１２０，１３０の回転速度、研磨圧、研磨時間などを調整して、研磨量が片面６μｍ（両面１２μｍ）となるように両面同時鏡面研磨を施した。この両面研磨時、両研磨布１５には、ｐＨが１０．５％のアミン水溶液（アルカリ性水溶液）にヒドロキシエチルセルロース（水溶性高分子）が１００ｐｐｍ添加された砥粒を含まない研磨液を使用した。

このように、鏡面研磨用の研磨液として、砥粒を含まないアミン水溶液にヒドロキシエチルセルロースが添加されたものを採用したので、研磨中の研磨荷重の一部をヒドロキシエチルセルロースが受け、摩擦係数を小さくすることができる。その結果、酸化膜耐圧特性が優れ、かつマイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥発生などを大幅に低減させることができ、その後に形成されるエピタキシャル膜の表面のＬＰＤの密度を低減することができる。また、シリコンウェーハ１１の表面の表面粗さを小さくでき、その後に形成されるエピタキシャル表面粗さ品質を高めることができる。

また、アミンの水溶液にヒドロキシエチルセルロースを添加したことで、キャリアプレート１１０の弾性変形が抑制され、キャリアプレート１１０から発生する騒音も低減することができる。さらには、シリコンウェーハ１１の外周部に研磨液中の砥粒が密集し易いことに起因して、シリコンウェーハ１１の外周部の研磨が過度に進行し、外周ダレが発生するおそれも低減することができる。

さらに、この研磨液に、アルカリ性水溶液に対してジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ；キレート剤）を添加してもよい。キレート剤の添加により、研磨液に含まれる銅イオンなどの金属イオンをキレート剤が捕獲、錯体化して、研磨後のシリコンウェーハの金属汚染の度合いを低減することができる。
鏡面研磨されたシリコンウェーハ１１には、洗浄工程が施される。ここでは、各シリコンウェーハ１１に対して、アルカリ溶液と酸溶液とを使用したＳＣ１洗浄が行われる。

次に、図４を参照して、枚葉式の気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャル成長工程を具体的に説明する。
図４に示すように、気相エピタキシャル成長装置６０は、上下にヒータが配設されたチャンバの中央部に、平面視して円形で、シリコンウェーハ１１が１枚載置できるサセプタ６１が水平配置されたものである。サセプタ６１は、カーボン製の基材をＳｉＣによりコーティングしたものである。
サセプタ６１の上面の内周部には、シリコンウェーハ１１を横置き状態（表裏面が水平な状態）で収納する凹形状のザグリ（ウェーハ収納部）６２が形成されている。ザグリ６２は、周壁６２ａと、幅６ｍｍの平面視して環状の段差６２ｂと、底板（ザグリの底壁面）６２ｃとからなる。
チャンバの一側部には、チャンバの上部空間に、所定のキャリアガス（Ｈ_２ガス）と所定のソースガス（ＳｉＨＣｌ_３ガス）とを、ウェーハ表面に対して平行に流すガス供給口が配設されている。また、チャンバの他側部には、ガスの排気口が形成されている。

エピタキシャル成長時には、シリコンウェーハ１１をザグリ６２に、ウェーハ表裏面を水平にして横置きする。次に、シリコンウェーハ１１の表面の自然酸化膜やパーティクルの除去を目的として、チャンバ内に水素ガスを供給し、１１５０℃の温度で６０秒間の水素ベークを行う。その後、水素ガスに代えてキャリアガス（Ｈ_２ガス）とソースガス（ＳｉＨＣｌ_３ガス）とをチャンバ内に供給し、シリコンウェーハ１１の表面にエピタキシャル膜１２を成長させる。すなわち、キャリアガスとソースガスとを、対応するガス供給口を通して反応室へ導入する。炉内圧力を１００±２０ＫＰａとし、１０００℃〜１１５０℃の高温に熱せられたシリコンウェーハ１１上に、ソースガスの熱分解または還元によって生成されたシリコンを、反応速度３．５〜４．５μｍ／分で析出させる。これにより、シリコンウェーハ１１の表面上にシリコン単結晶の厚さ１０μｍ程度のエピタキシャル膜１２が成長される。こうして、エピタキシャルシリコンウェーハ１０が作製される。
最終洗浄工程では、外観検査直後の各エピタキシャルシリコンウェーハ１０が最終洗浄される。具体的には、各エピタキシャルシリコンウェーハ１０に対して、アルカリ溶液と酸溶液とを使用した洗浄が行われる。

次に、図５を参照して、本発明法の実施例１の条件で砥粒を含まない研磨液を使用した場合と、従来法の砥粒（コロイダルシリカ）を含む研磨液を使用した場合について、鏡面研磨後のシリコンウェーハ（ＰＷ）の酸化膜耐圧特性（ＴＺＤＢ測定よるＣ＋ｍｏｄｅ占有率）を評価した結果を報告する。ここでの結果は、いずれもＳＣ１洗浄後の評価結果である。洗浄条件は、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：２：７の容量比で混合して調製したＳＣ１（ＳｔａｎｄａｒｄＣｌｅａｎｉｎｇ１）洗浄液を用い、各ウェーハ表面を４ｎｍ除去する洗浄である。
図５から明らかなように、砥粒を含む研磨液を使用した従来例では、Ｃ＋ｍｏｄｅ占有率は３０％未満であるのに対して、砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を使用した本発明例では、Ｃ＋ｍｏｄｅ占有率は９９．７％であった。

次に、図６および図７を参照して、本発明法の実施例１の条件で砥粒を含まない研磨液を使用するか（図６）、従来法の砥粒を含む研磨液を使用し（図７）、シリコンウェーハ（ＰＷ）の表面に鏡面研磨を施した際のウェーハ１枚当たりのＬＰＤの個数、または、この鏡面研磨面に成膜されたエピタキシャル膜の表面に存在するウェーハ１枚当たりのＬＰＤの個数（何れも１３０ｎｍ以上をカウント）を、パーティクルカウンタにより測定した結果を報告する。各図とも、左側がシリコンウェーハ（ＰＷ）の結果を示し、右側がエピタキシャルシリコンウェーハ（ＥＷ）の結果を示す。ここでの結果は、何れもウェーハ表面をＳＣ１洗浄した後の評価結果である。このときの洗浄条件は、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：２：７の容量比で混合して調製したＳＣ１（ＳｔａｎｄａｒｄＣｌｅａｎｉｎｇ１）洗浄液を用い、各表面を４ｎｍ除去する洗浄である。

ＬＰＤの測定装置には、ＫＬＡＴｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎＳＰ２の「ＳＰ２ＸＰ」を採用した。このパーティクルカウンタは、試料ウェーハの表面に対して２０°の斜方から照射されたレーザ光の散乱光のフォトンをコレクタにより集光し、得られたフォトンを光電子倍増管により増幅して電気信号に変換する。その後、電気信号を散乱強度に変換し、閾値以上の散乱光をキャリブレーションカーブにしたがって所定サイズに変換するものである。ここでの測定値は、ウェーハ５枚の平均値とした。

測定の結果、本発明法の砥粒を含まない研磨液を使用して鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面において、ＬＰＤの検出数は１４２．６０個／ｗｆ（図６のＰＷ）で、エピタキシャルシリコンウェーハの表面のＬＰＤの検出数は２．７５個／ｗｆであった（図６のＥＷ）。一方、従来法の砥粒を含む研磨液を使用して鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面のＬＰＤの検出数は１８５１．００個／ｗｆ（図７のＰＷ）で、エピタキシャルシリコンウェーハの表面のＬＰＤの検出数は１０．５０個／ｗｆであった（図７のＥＷ）。
図６および図７から明らかなように、砥粒を含まない研磨液を使用した本発明法の方が、砥粒を含む研磨液を使用した従来法に比べて、シリコンウェーハの鏡面研磨面のＬＰＤの発生数およびこの鏡面研磨面に成膜されたエピタキシャル膜の表面のＬＰＤの発生数は減少した。なお、図６の本発明例のシリコンウェーハ（ＰＷ）のＬＰＤ評価結果において、僅かながらもＬＰＤが観察されたが、先の実験結果で示したように、このシリコンウェーハ（ＰＷ）の酸化膜耐圧特性（ＴＺＤＢ測定によるＣ＋ｍｏｄｅ占有率）はほぼ１００％（図５）であることから、図６で観察されたＬＰＤは加工ダメージなどの加工起因のＬＰＤではなく、パーティクルである考えられる。仮に加工起因のＬＰＤであったとしても、Ｃ＋ｍｏｄｅ占有率に影響を与えない非常にサイズの小さな加工ダメージであると特定することができ、エピタキシャル膜の表面品質に影響を与えるおそれは少ない。

次に、図８〜図１１を参照して、本発明法の実施例１の条件で砥粒を含まない研磨液を使用するか（図８および図１０）、従来法の砥粒を含む研磨液を使用し（図９および図１１）、シリコンウェーハ（ＰＷ）の表面と、エピタキシャル成長後のエピタキシャルシリコンウェーハ（ＥＷ）の表面とについて、原子間力顕微鏡により１０μｍ×１０μｍの測定面積域（図８および図９）、または、１μｍ×１μｍの測定面積域（図１０および図１１）を観察したときの各面粗さを報告する。なお、ここで示す結果は、シリコンウェーハ（ＰＷ）およびエピタキシャルシリコンウェーハ（ＥＷ）の何れも、その表面をＳＣ１洗浄した後の評価結果である。このときの洗浄条件は、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：２：７の容量比で混合して調製したＳＣ１（ＳｔａｎｄａｒｄＣｌｅａｎｉｎｇ１）洗浄液を用い、各表面を４ｎｍ除去する洗浄である。

面粗さ（ラフネス）の観察には、Ｖｅｅｃｏ社製の原子間力顕微鏡である「マルチモードＡＦＭ」を採用した。この装置は、カチレバーを共振周波数近傍（振幅２０〜１００ｎｍ）で加振させ、試料ウェーハの表面にカチレバーを断続的に接触させながらウェーハ表面の凹凸を観察するタッピングＡＦＭである。その力検出モードはダイナミック、分解能は１ｎｍ、試料ウェーハに作用する力は大気中で０．１〜１ｎＮ、測定ポイントは１ｐｏｉｎｔ／ｗｆ（Ｃｅｎｔｅｒ）で、粗さ指標（高さ方向の振幅平均パラメータ）は、二乗平均平方根粗さ（旧ＲＭＳ）である。

観察の結果、本発明法の砥粒を含まない研磨液を使用して鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面において、１０μｍ×１０μｍの測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．２７７ｎｍ（図８のＰＷ）であった。また、エピタキシャルシリコンウェーハの表面の同一測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．１００ｎｍであった（図８のＥＷ）。
一方、従来法の砥粒を含む研磨液を使用して１次鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面において、１０μｍ×１０μｍの測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．４５８ｎｍ（図９のＰＷ）であった。また、エピタキシャルシリコンウェーハの表面の同一測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．１３２ｎｍであった（図９のＥＷ）。
図８および図９から明らかなように、砥粒を含まない研磨液を使用した本発明法の方が、砥粒を含む研磨液を使用した従来法に比べて、シリコンウェーハの鏡面研磨面およびこの鏡面研磨面に成膜されたエピタキシャル膜の表面の面粗さが改善（低減）されたことが判明した。

また、本発明法の砥粒を含まない研磨液を使用して鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面において、１μｍ×１μｍの測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．２２３ｎｍ（図１０のＰＷ）であった。また、エピタキシャルシリコンウェーハの表面の１μｍ×１μｍの測定面積域の面粗さはＲＭＳ表示で、０．０９７ｎｍであった（図１０のＥＷ）。
一方、従来法の砥粒を含む研磨液を使用して１次鏡面研磨されたシリコンウェーハの表面において、１μｍ×１μｍの測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．３１１ｎｍ（図１１のＰＷ）であった。また、エピタキシャルシリコンウェーハの表面の同一測定面積域の面粗さは、ＲＭＳ表示で０．１０３ｎｍであった（図１１のＥＷ）。
図１０および図１１から明らかなように、本発明法の方が従来法に比べて、シリコンウェーハの鏡面研磨面およびエピタキシャル膜の表面の面粗さを低減することができた。

この発明は、バイポーラＩＣ、ＭＯＳ、ディスクリートなどのデバイスを作製する基板となるエピタキシャルシリコンウェーハとして有用である。

１０エピタキシャルシリコンウェーハ、
１１シリコンウェーハ。

Claims

砥粒を含まないアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を用いて、シリコンウェーハの表面を鏡面研磨し、
該鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの鏡面化された表面にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
前記鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの酸化膜耐圧特性評価においてＴＺＤＢ測定によるＣ＋ｍｏｄｅ占有率が９９％以上である請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
前記鏡面研磨後、前記シリコンウェーハの表面の面粗さは、原子間力顕微鏡により１０μｍ×１０μｍの測定面積域を測定した際、ＲＭＳ表示で０．３ｎｍ以下である請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
前記アルカリ性水溶液は、ｐＨ８〜ｐＨ１４の範囲内に調整されたアルカリ性水溶液であって、ｐＨ調整剤として塩基性アンモニア塩、塩基性カリウム塩、塩基性ナトリウム塩の何れかが添加されたアルカリ性水溶液もしくは炭酸アルカリ性水溶液、あるいはヒドラジンもしくはアミンが添加されたアルカリ性水溶液である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
前記アルカリ性水溶液に添加される前記水溶性高分子は、ヒドロキシエチルセルロースまたはポリエチレングリコールである請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。