JP2011238656A - 金属汚染評価用シリコンウエーハ及び金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属汚染を評価するための金属汚染評価用シリコンウエーハであって、該金属汚染評価用シリコンウエーハは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上であるCZシリコンウエーハであり、該CZシリコンウエーハは、成長インゴットの直径に対して、縮径して外周部が除去されたものであることを特徴とする金属汚染評価用シリコンウエーハ。
【選択図】図3
Description
このうち金属元素による汚染は、とりわけ極めて微量な汚染でも素子の電気特性に悪影響を及ぼすため、半導体製造工程では極めて高純度な材料や高度な洗浄が行われるのが一般的である。
そのため、金属の汚染が生じていないことを確認しながらデバイスの製造が進められることが一般的である。
このライフタイムや拡散長を測定する方法は、汚染金属が作る深い準位による過剰マイノリティーキャリアの減衰速度や拡散長を電気的に測定することによって汚染レベルをモニターするものであり、汚染で問題になりやすい電気特性であるPN接合のリーク電流と直接関連することから、有効な手法として知られている。
また、金属汚染は多くの場合熱処理工程で発生する。そのため、装置からの汚染がないことを確認することで汚染管理が行われる。
具体的には、装置にモニターウエーハを投入して熱処理を行い、そのウエーハのライフタイムや拡散長を測定して装置が清浄に保たれていることを確認することが多い。
しかし、パーテイクル汚染をモニターするウエーハは汚染があっても利用できるので再生加工が広く行われているが、ライフタイム用のモニターウエーハは再生加工は基本的に行われていない。
また、比較的高温、長時間の熱処理が施される熱処理工程においては、結晶中に溶存している酸素が析出物となり、ライフタイムを低下させ(ライフタイムが短くなり)、金属汚染評価の感度が低減するため、モニターウエーハには比較的酸素濃度の低いウエーハが用いられることが多い。
特に、従前行われていた熱酸化膜形成による表面パッシベーションから熱処理を伴わないSPV(表面光起電力;surface photo voltage)測定やケミカルパッシベーションによるPCD(光導電減衰;photo conductivity decay)が広く用いられるようになり、高感度測定が可能になっている。
しかしその一方で、その汚染源を明確に把握することが出来ない場合が多くなっている。
このような外周部の汚染評価の信頼性を低下させてきた理由の一つには、PCD測定で表面再結合の影響を除去するためのパッシベーションが酸化処理により行われてきたため、外周汚染がその熱酸化の際に発生すると判断することが多かったためと考えられる。
しかし、デバイス製造の歩留りを向上させるためには、ウエーハ外周部の汚染評価の信頼性向上は本質的課題であるといえる。
そして、成長インゴットの直径に対して縮径して外周部が除去されたものであるため、結晶インゴット成長中の外部雰囲気からの不純物が多く含まれ、またライフタイムや拡散長の著しい低下が見られるOSFリングの外側の領域が除去されたCZシリコンウエーハとなり、特にウエーハ外周部における金属不純物汚染の評価の精度を従来に比べて大幅に向上させることができる。よって、熱処理により促進されやすいウエーハ外周部の酸素析出起因のライフタイム低下や拡散長の低下が排除された、従来に比べて高い信頼性を持って金属不純物汚染の評価を行うことができるモニターウエーハに好適な金属汚染評価用シリコンウエーハとなっているものである。
そして抵抗率が1Ωcmより低抵抗率であると、ライフタイムや拡散長の正確な測定が困難となる。
そのため、本発明のCZシリコンウエーハは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上のウエーハからなるものとする。
すなわち、外周部の歩留り低下の原因が金属汚染か、ウエーハの結晶特性かを直接的に評価するためのモニターウエーハとして用いることができるという、従来に比べてウエーハ外周部の不純物評価の信頼性を大きく向上させることができる金属汚染評価用シリコンウエーハを効率よく製造することができる。
また、直径200mmの金属汚染評価用シリコンウエーハについても、直径300mmの金属汚染評価用シリコンウエーハと同様に、直径220mm以上の単結晶インゴットの外周部を少なくとも幅10mm以上除去することによって作製することができ、所望の直径となった高信頼性の金属汚染評価用シリコンウエーハを製造することができる。
このように、大口径のCZシリコン基板の外周部を除去することによって、無駄が少なく、かつ酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下と十分に低く、抵抗率が1Ωcm以上と十分に高い、従来に比べて評価精度を向上させることができる金属汚染評価用シリコンウエーハを容易かつ安価に製造することができる。
同様に、直径150mm用の金属汚染評価用シリコンウエーハに関しても、直径200mmの酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下で、抵抗率が1Ωcm以上のCZシリコン基板の例えば規格外品の外周部を除去することによって製造することが可能である。
それに対して、このように所定の方向に一定の距離偏芯させて外周部を除去して金属汚染評価用のシリコンウエーハを作製することにより、もし、酸素析出が原因でライフタイムの低下が起った場合には、ライフタイムの分布がウエーハ中心から所定の方向にずれたものとなるので、熱処理による汚染パターンと分離して汚染原因を明確に判断できるようになる。よって、更に高い信頼性を持って金属不純物汚染の有無の評価を行うことができるモニター用金属汚染評価用シリコンウエーハを製造することができるようになる。
そして半導体関係の公的機関のロードマップでも、金属汚染はデバイスの微細化に伴って大きく低減するよう目標設定されている。
しかし、ウエーハ周辺部は搬送時にロボットアーム等との接触の機会が多く、発塵や汚染による歩留りの低下を招き易い部位であるため、その部位の汚染評価の信頼性の向上は重要課題である。
また、金属汚染の大半は熱処理工程中に生ずるので、モニターウエーハを評価しようとするプロセスに投入して製品と概ね同等の熱処理を行って、SPVやライフタイムの測定を行うことにより金属汚染の有無が評価される。
そして、ライフタイムやSPVが酸素析出の影響を受ける場合、外周部でそれが顕著になることが多いが、その一方で、時として外周部のライフタイムが高くなることもある。
このOSFリングの外側のライフタイムの著しい低下は、酸素析出に起因するもので、この領域では、欠陥エッチング等で結晶内部に観察される酸素析出と良く対応することが判った。すなわち、この図1のようなライフタイム分布は、金属汚染ではなく、結晶特性を反映しているといえる。
図2に示すように、ウエーハの外周部にのみライフタイム低下(ライフタイムの短い領域1)が見られる。
このライフタイム低下が、熱処理炉の炉体からの汚染であるならば、オリエンテーションフラット部でのライフタイム低下は、オリエンテーションフラットに沿うはずである。しかし、この場合には、ライフタイムが低下した領域は、リング状の形状をしており、結晶に起因していると判断されるべきものである。
このため、熱処理炉からの金属汚染があるのか、モニターウエーハの特性によるものかの判断がこのデータからだけでは出来ないということが判る。
しかし、モニターウエーハは、コスト低減の観点から、極力安価なウエーハを使いたいということもあり、ウエーハの酸素濃度を厳しく管理されてこなかった。本来の目的を果たすためには、特に、外周部の汚染評価のためには低酸素濃度基板の利用が必要であるといえる。ただ、確実に外周部の酸素析出を抑制するためには、酸素濃度の極めて低い結晶(例えば、<0.45×1018atoms/cm3)を製造することが必要となる。
しかし、結晶成長方向についての議論がもっぱらで、インゴット外周部の特性については、十分な議論や制御方法は確立されているとは言えない(非特許文献2参照)。
しかし、熱処理を加えることにより結晶の性質が変化し、それに伴ってライフタイム特性も変化することが、ライフタイム測定の感度の向上と共に顕在化してきている。
本発明の金属汚染を評価するための金属汚染評価用シリコンウエーハは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上である、成長インゴットの直径に対して、縮径して外周部が除去されたCZシリコンウエーハからなるものである。
従って、本発明の金属汚染評価用シリコンウエーハは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上であるCZシリコンウエーハからなるものとする。
ここで成長させる単結晶インゴットは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上となるようにする以外の規格(導電型等)は特に限定されず、一般的な条件とすればよい。
この外周部の除去による成長インゴットの直径に対する縮径の方法も、一般的な直径を揃えるための円筒研削工程と同様の方法を用いることができ、その方法は特に限定されない。
ここで、この単結晶インゴットの外周部の除去量は、一般的な円筒研削工程における除去量よりも多い8mm以上とすることが望ましい。
直径300mmのモニター用の金属汚染評価用シリコンウエーハは、直径300mm以上、例えば直径450mmのシリコンウエーハの外周部を除外すること等によって作製することもできるが、上述のように、成長させる単結晶インゴットを直径320mm以上にして、その外周部を少なくとも幅10mm以上除去することで作製することができる。
これによって、ライフタイムや拡散長の低下の原因となるウエーハ外周部が確実に除去された、高い精度で金属汚染の有無を評価することができる直径300mm用の金属汚染評価用シリコンウエーハをより容易かつ確実に製造することができるようになる。
ここでは、例えば縮径されて外周部が除去されたインゴットからウエーハ状のシリコンウエーハを切り出し(スライス加工)、切り出したシリコンウエーハの周辺部の角を落とすために面取り(ベベリング加工)を施すことができる。更に、このシリコンウエーハ表面の凹凸を無くし、平坦度を高め、スライス時の加工歪を最小にする為にラッピング加工を施すことができる。その後、ラッピング加工時に半導体ウエーハの表面層に形成された加工歪み層を混酸エッチングにより除去することもできる(エッチング)。
しかしながら、そのような不利な点を差し引いても以下に示す様な大きな利点がある。
例えば、このような方法で作製した金属汚染評価用シリコンウエーハを実際のデバイス工程に流すことによって、製品の電気特性や歩留りを通常の300mmウエーハを用いて評価した場合と比較して、外周部の歩留り低下の原因が結晶の性質に起因するものか、プロセス条件に起因するのかを、容易かつ確実に把握することができ、金属汚染の少ないシリコンウエーハであるかを高い信頼性で確認することができる。
よって、外周部の歩留り低下の原因が、金属汚染かウエーハの結晶特性に起因するものかを直接的かつ高い信頼性で評価することができるモニターウエーハが得られる。従って、工程の改善、デバイス製造歩留りの向上に確実に寄与することができる。
ここで成長させる単結晶インゴットは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上となるようにする以外の規格(導電型等)は特に限定されず、一般的な条件とすればよい。
この切り出しも一般的な条件とすることができ、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。また、この後にラッピング・エッチング・研磨のうち少なくとも1つ以上を行うことができる。
ここで、このCZシリコン基板の外周部の除去量は、上述のように8mm以上とすることが望ましい。
このように、直径200mm用の汚染評価用の金属汚染評価用シリコンウエーハに関しては、例えば直径300mmの酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下で、抵抗率が1Ωcm以上のCZシリコン基板のうち、規格外品等のデバイス製造工程に回さない分を選択し、この選択したCZシリコン基板の外周部を除去することによって製造することが可能である。
この方法であれば、直径300mmCZシリコン基板のうち、不純物濃度が高かったり、酸素析出が起こりやすい外周部を除外するだけで高信頼性の金属汚染評価用シリコンウエーハを製造することができるので、製造自体は非常に容易である。
直径150mm用の金属汚染評価用シリコンウエーハに関しても、同様に直径200mmの酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下で、抵抗率が1Ωcm以上のCZシリコン基板のうち、規格外品等のデバイス製造工程に回さない分を選択し、この選択したCZシリコン基板の外周部を除去することによって製造することが可能である。
それに対して、本発明のように成長インゴットの直径に対して縮径されて外周部が除去され、かつその縮径の方法がCZシリコン基板のオリフラまたはノッチに対して所定の方向に、CZシリコン基板の中心から5mm以上偏芯させて縮径するものであれば、もし万が一に酸素析出が原因でライフタイムの低下が起った場合であっても、外周部の除去方法が偏芯されているため、ライフタイムの分布がウエーハ中心から所定の方向にずれたものとなる。よって、酸素析出起因であるのか熱処理による汚染起因によるものかを明確に把握することができ、汚染原因を容易に判断できるようになる。
従って、更に高い信頼性を持って金属不純物汚染の有無の評価を行うことができるモニター用金属汚染評価用シリコンウエーハが得られる。
例えば、デザインルールが0.1μmの高集積デバイス用のシリコンウエーハの金属汚染量は、関連団体のロードマップではFe濃度で1×1010atoms/cm3以下にするよう定められているが、この要求をライフタイムに換算するとおおよそ600μsecに対応する(図3参照)。
そこで、この水準の金属汚染を管理するためには、金属汚染管理用シリコンウエーハが熱処理前のウエーハ段階で最低でも600μsec以上のライフタイムを持つ必要がある。ここで、CZシリコン基板の外周部を除去する本発明の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法によれば、熱処理後であっても、結晶起因によるライフタイム・拡散長の低下がないため、ウエーハ面内でばらつきの少ない測定を行うことができるモニターウエーハが製造される。
そのため、ウエーハ加工工程終了段階で、抜き取りで熱処理を伴わないケミカルパッシベーション後のPCD法によってライフタイムを検査し、ライフタイムが600μsec以上であることを確認することによって、ライフタイムモニターとしての品質を、インゴットロット単位で明確に保証できる。そして、このインゴットから得られたCZシリコン基板の外周部を除去することで、高感度な金属不純物評価を行うことができるモニター用金属汚染評価用シリコンウエーハを効率よく製造することができるようになる。
なお、図3は、シリコンウエーハの鉄濃度と、少数キャリア寿命(ライフタイム)や拡散長との関係を示した図である。
(実施例1、比較例1)
直径150mmのライフタイム測定用の金属汚染評価用シリコンウエーハを2種類準備した。
1種類目は、一般的に用いられている、CZ法で作製された導電型がP型、ボロンドープの直径150mmの結晶面(100)結晶であり、格子間酸素濃度は13.0ppma(0.65×1018atoms/cm3)、抵抗率は約8.0Ωcmのものである。このシリコンウエーハの裏面はエッチング後に鏡面研磨を行っており、加工歪は形成されていないものである(比較例1)。
2種類目は、CZ法で作製された直径200mm、結晶面(100)、格子間酸素濃度は13.0ppma(0.65×1018atoms/cm3)、抵抗率は規格中心が7.5ΩcmのCZシリコン基板の中心部を切り出して直径150mmに加工したウエーハで、厚さは150mmウエーハと同じ625μmに加工した。なお、このシリコンウエーハの裏面はエッチング後に鏡面研磨を行っており、加工歪は形成されていないものである(実施例1)。
ウエーハライフタイムの測定は、近赤外光励起、1GHzマイクロ波反射によるPCD法のウエーハライフタイム測定器を用いた。これらの結果を図4に示した。
しかし、図4(B)に示すように、成長インゴットの直径に対して縮径された実施例1のシリコンウエーハを用いて同様にライフタイム測定を行うと、外周部でのライフタイムの低下は、外周部から僅かな範囲にとどまり、それ以外の部分でのライフタイムの低下は僅かなものとなった。
すなわち、実施例1のシリコンウエーハを用いた評価では、熱処理中の汚染が殆どないと判断される結果となった。
そのため、比較例1のシリコンウエーハを用いた従来の方法では問題にしているシリコンウエーハ外周部のライフタイムの低下があっても、異常と判断せずに、判断保留とされることが多いが、実施例1のシリコンウエーハを用いた結果から、酸化炉の金属汚染によるライフタイムの低下ではないことがはっきりと解った。
このように、実施例1のような成長インゴットに対して縮径されたシリコンウエーハを用いることによって、結晶起因なのか金属汚染によるライフタイムの低下なのかを正確に評価でき、またウエーハ外周部の金属汚染の有無を評価できることが判った。
実施例1と同程度の酸素濃度、抵抗率のCZ法で作製された直径300mmのCZシリコン基板の中心部を切り出して、直径200mmのシリコンウエーハを作製した。このCZシリコン基板の切り出しでは、直径300mmのCZシリコン基板の中心に対して、200mmウエーハの中心を直径300mmウエーハの中心から、ノッチ方向に40mmずらして切り出した。その後、ウエーハの厚さを725μmになるようにエッチング・研磨して、直径200mmのモニターウエーハを作製した(実施例2)。
また、前述の直径300mmウエーハと同程度の酸素濃度・抵抗率の直径200mmの通常モニターウエーハを準備した(比較例2)。
これに対し、図5(B)に示すように、300mmウエーハから、偏芯、切り出しした実施例2のシリコンウエーハを用いた場合では、ノッチ側では外周極僅かな部分にのみライフタイムの低下が見られ、ノッチと反対側では300mmウエーハの外周部に対応する領域でライフタイムの低下が見られた。
これらの結果から、何れも外周部のライフタイムの低下は、結晶の特性を反映したものであり、炉体からの金属汚染ではないことが解った。そして偏芯の方向、およびその大きさを適切に選べば、より結晶の特性からのライフタイム低下を、金属汚染起因のライフタイム低下と区別できることも判った。
2…ライフタイムがやや短い領域、
3…ライフタイムがやや長い領域、
4…ライフタイムが長い領域。
Claims (9)
- 金属汚染を評価するための金属汚染評価用シリコンウエーハであって、
該金属汚染評価用シリコンウエーハは、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上であるCZシリコンウエーハであり、
該CZシリコンウエーハは、成長インゴットの直径に対して、縮径して外周部が除去されたものであることを特徴とする金属汚染評価用シリコンウエーハ。 - 金属汚染を評価するための金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法であって、少なくとも、
CZ法によって、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上となるように単結晶インゴットを成長し、
該成長した単結晶インゴットの外周部を除去して縮径し、
その後、該縮径後のインゴットからシリコンウエーハを切り出して、前記金属汚染評価用シリコンウエーハを作製することを特徴とする金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。 - 前記成長する単結晶インゴットの直径を320mm以上とし、前記単結晶インゴットの外周部の除去量を該外周部から少なくとも幅10mm以上として、直径300mmの前記金属汚染評価用シリコンウエーハを作製することを特徴とする請求項2に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
- 前記成長する単結晶インゴットの直径を220mm以上とし、前記単結晶インゴットの外周部の除去量を該外周部から少なくとも幅10mm以上として、直径200mmの前記金属汚染評価用シリコンウエーハを作製することを特徴とする請求項2に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
- 金属汚染を評価するための金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法であって、少なくとも、
CZ法によって、酸素濃度が0.7×1018atoms/cm3以下、抵抗率が1Ωcm以上となるように単結晶インゴットを成長し、
該成長した単結晶インゴットからCZシリコン基板を切り出して、
その後、該CZシリコン基板の外周部を除去することを特徴とする金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。 - 前記CZシリコン基板の直径を300mmとし、前記CZシリコン基板の外周部の除去量を該外周部から少なくとも20mm以上として、直径200mmの前記金属汚染評価用シリコンウエーハを作製することを特徴とする請求項5に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
- 前記CZシリコン基板の直径を200mmとし、前記CZシリコン基板の外周部の除去量を該外周部から少なくとも15mm以上として、直径150mmの前記金属汚染評価用シリコンウエーハを作製することを特徴とする請求項5に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
- 前記CZシリコン基板の外周部の除去は、前記CZシリコン基板のオリフラまたはノッチに対して所定の方向に、該CZシリコン基板の中心から5mm以上偏芯させて縮径することを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
- 前記単結晶インゴットから前記CZシリコン基板を切り出した後に、前記CZシリコン基板を少なくとも1枚以上抜き取り、該抜き取ったCZシリコン基板の表面にケミカルパッシベーションによりパッシベーション膜を形成してPCD法によってウエーハライフタイムを測定し、該ウエーハライフタイムが該抜き取ったCZシリコン基板の外周部も含めて600μsec以上となっていることを確認した後、前記CZシリコン基板の外周部を除去することを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載の金属汚染評価用シリコンウエーハの製造方法。
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