JP2011253915A

JP2011253915A - シリコンウェーハ

Info

Publication number: JP2011253915A
Application number: JP2010126389A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Tobe; 敏視戸部
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】破壊強度を効果的に高めて、他の装置との接触等により生じる傷、割れ等を防止することができ、取扱いが容易であるシリコンウェーハを提供することを目的とする。
【解決手段】主表面、主裏面及びエッジ部からなるシリコンウェーハであって、少なくとも前記シリコンウェーハの主面にあるデバイス作製領域以外に、脆性延性遷移温度が室温以下の金属からなる補強膜が形成されることで破壊強度が高められたものであるシリコンウェーハ。
【選択図】図１

Description

本発明は、高集積デバイスを作製するためのシリコンウェーハであり、特にシリコンウェーハの破壊強度を高める技術に関する。

主に半導体集積回路等の電子デバイスを作製するための材料として、古くからシリコンウェーハが用いられている。このシリコンウェーハは半導体としての優れた特性を持つ、他の半導体材料、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体と比べて、安価に大量生産できることから、広い範囲で使用されている。

このようなシリコンウェーハとしては、電子デバイス動作に最も重要な電子、正孔の流れを極力妨害しないように単結晶を用いることが多いが、その結晶がダイヤモンド構造という極めて脆い性質を持っていることから、取扱いに困難をきたす工程も増えてきている。特に、最近では、直径３００ｍｍという大口径ウェーハを用い、また薄層化して用いることも増えたため、強度特性もシリコンウェーハの重要な材料要件になりつつある。

シリコンウェーハに傷等が生じると、例えば熱処理時にスリップ等が発生して問題となる。このような問題に対して、特許文献１では、ウェーハを熱処理する場合のスリップ抑制方法が開示されている。

特開２００１−３３２５５９号公報

一般に、材料は脆性材料と延性材料に分類できる。
脆性材料は、ある温度以下の引張り試験や曲げ試験において、荷重増に伴い、歪みが比例して増える弾性変形領域の間に破損してしまうところに特長がある。ここでいう、弾性変形領域とは、荷重を取り除いた後、元の形状に復帰できる変形範囲のことである。これに対し、延性材料は、この弾性変形領域を過ぎても破損せず、荷重をかけ続けることでさらに材料は変形するが、この間生じた変形は荷重を取り除いても元の形状に復帰しない。この変形様式を塑性変形といい、延性材料は、この塑性変形がある程度進んだ後に破損する。一般に、塑性変形は弾性変形領域を越えて変形するために、転位を発生し、その応力を緩和する。そのため、破壊せずに変形が進むが、その発生した転位による永久歪みが残存する。

上記分類に従うと、シリコン等の半導体材料は前者の脆性材料といえる。脆性破壊は、低温において発現することが多く、例えば金属のような、室温では延性材料であるものも、液体窒素温度程度まで低温化すれば、脆性材料に遷移するものがある。一方で、室温で脆性材料であるものも、高温では延性材料に遷移することが多く、室温では脆性材料であるシリコンも、６００〜８００℃を越えると弾性領域では破壊しなくなり、塑性変形するようになる。この変形機構の遷移温度のことを、脆性−延性遷移温度（Ｂｒｉｔｔｌｅ−ＤｕｃｔｉｌｅＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＴｅｍｐｒａｔｕｒｅ、以下ＢＤＴＴと称す。）という。

以上述べてきたように、基本的に脆性材料であるシリコンウェーハの破壊強度を考えるには、使用温度に応じた変形様式を考える必要がある。つまり、使用目的の温度がＢＤＴＴ以下であれば脆性破壊に対する対策が必要であり、ＢＤＴＴ以上であれば延性材料のため、破壊よりもその前段階である塑性変形に伴う転位の発生への対策が必要となろう。特許文献１に記載されているような熱処理時で延性材料の状態のシリコンウェーハについてのスリップ抑制法については、いくつかの方策が提案されているが、ＢＤＴＴ以下における脆性破壊についての対策が必要である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、破壊強度を効果的に高めて、他の装置との接触等により生じる傷、割れ等を防止することができ、取扱いが容易であるシリコンウェーハを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、主表面、主裏面及びエッジ部からなるシリコンウェーハであって、少なくとも前記シリコンウェーハの主面にあるデバイス作製領域以外に、脆性延性遷移温度が室温以下の金属からなる補強膜が形成されることで破壊強度が高められたものであることを特徴とするシリコンウェーハを提供する。

このように、シリコンウェーハの主面にあるデバイス作製領域以外に、補強膜が形成されたものであれば、補強膜が形成されたままでもデバイス作製等ができ、生産性を落とさず、さらに、全面に形成する場合に比べて過重にならず、自重によるスリップや傷等の発生を抑制できる。そして、補強膜が脆性延性遷移温度が室温以下の金属からなるものであれば、脆性材料の状態のシリコンウェーハを、延性の金属からなる補強膜で保護できるため、ハンドリング時に補強膜が衝撃に対して緩衝材として機能して、破壊強度が効果的に高められたシリコンウェーハとなる。

このとき、前記補強膜が、前記シリコンウェーハの主裏面全面、及び／又は、エッジ部を含む表裏の周縁部に形成されたものであることが好ましい。
このように、補強膜が、シリコンウェーハの主裏面全面、及び／又は、エッジ部を含む表裏の周縁部に形成されたものであれば、装置等との接触が多く、衝撃を受けやすい領域や、脆い部分を補強膜で保護できるため、傷等がより効果的に防止されるシリコンウェーハとなる。

このとき、前記補強膜が、前記シリコンウェーハのエッジ部周端から中心方向に２０ｍｍ以内の範囲の表裏の周縁部に形成されたものであることが好ましい。
このように、補強膜が、シリコンウェーハのエッジ部周端から中心方向に２０ｍｍ以内の範囲の表裏の周縁部に形成されたものであれば、シリコンウェーハ全体の強度を十分に高めるとともに、特に傷が生じやすい領域を補強膜で保護することができるため、より効率的に傷等が防止されるシリコンウェーハとなる。

このとき、前記補強膜が、タンタル、チタン、ニオブ及びバナジウムのうち少なくとも一つからなるものであることが好ましい。
このように、補強膜が、タンタル、チタン、ニオブ及びバナジウムのうち少なくとも一つからなるものであれば、シリコンウェーハの破壊強度を効果的に高めるために補強でき、さらに高温時等にもシリコンウェーハへの補強膜からの金属の拡散がほとんどないため、取扱い容易で、より高品質なシリコンウェーハとなる。

以上のように、本発明によれば、破壊強度を効果的に高め、かつ、当該高めた状態でデバイス作製等も行うことができ、取扱い容易なシリコンウェーハとなる。

本発明のシリコンウェーハの実施態様の一例を示す概略図である。本発明のシリコンウェーハの実施態様の他の一例を示す概略図である。本発明のシリコンウェーハの実施態様の他の一例を示す概略図である。

シリコンウェーハの破壊強度についての課題を解決するために、本発明者は以下のように鋭意検討した。

シリコンウェーハの脆性破壊は、ウェーハのエッジ部や裏面に硬質な物が接触するなどの何らかの衝撃力が局部的に加えられた結果、発現することが多い。その衝撃の緩衝材となる補強膜を、衝撃を受けやすい部位に形成すれば、破壊を防止することができる。その衝撃緩衝材となりうる材料は、受ける衝撃で膜自身が破壊することなく、シリコンウェーハまで衝撃を伝える材料であってはならない。また、半導体シリコンウェーハに形成するものであることから、電気伝導に悪影響を及ぼす物質を用いることはできず、かつデバイスプロセスで使用される熱処理温度において、失われたり、性質を変えたりしないことが望ましい。
例えば、高分子化合物のゴム、プラスチック等は、衝撃緩衝材としての特性は優れているが、シリコンウェーハに対する汚染物質となりうる可能性が高く、特に高温ではシリコンウェーハ内部に拡散したり、強度的性質を変えたりすることで、悪影響が発現することが考えられる。

上記のような検討から、シリコンウェーハのデバイス作製領域以外に、ＢＤＴＴが室温以下の金属からなる補強膜を形成することで、特にＢＤＴＴ以下の温度でのシリコンウェーハの破壊強度を効果的に向上させることができることを見出した。さらに、シリコン中の拡散の遅い金属を用いることで、強度的性質以外にも汚染等に関する上記の複数の異なる特性を合わせ持つ緩衝材となりうる金属として、具体的に、ＢＤＴＴが低い、すなわち室温近傍でも延性を保つ、タンタル、チタン、ニオブ、バナジウムなどの金属は、シリコン中の拡散が極めて遅いため、金属元素でありながら、デバイス及びその作製工程中の汚染源とはならず、本発明の補強膜の材料として好適であることを見出して、本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１−３は、本発明のシリコンウェーハの実施態様の例を示す概略図である。

図１−３に示す本発明のシリコンウェーハ１０としては、例えば、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、育成したシリコン単結晶棒を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した後、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の工程を経て作製されたシリコン単結晶基板とすることができる。さらに、シリコンウェーハ１０として、上記のように作製したシリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を形成したシリコンエピタキシャルウェーハとすることもできる。
このように作製されたシリコンウェーハ１０は、後工程でデバイスが作製される主面である主表面１２、主裏面１３を有し、その外縁には、面取り加工により、例えば、ウェーハ表面側の主表面１２に続くテーパ面、最外周面、ウェーハ裏面側のテーパ面を経て裏面側の主裏面１３に達するラウンド形状のエッジ部１４を有する。

そして、本発明のシリコンウェーハ１０は、主表面１２、主裏面１３及びエッジ部１４からなるシリコンウェーハ１０であって、少なくともシリコンウェーハ１０の主表面１２と主裏面１３の少なくとも一方にあるデバイス作製領域以外に、ＢＤＴＴが室温以下の金属からなる補強膜１１、１１’、１１’’が形成されることで破壊強度が高められたものである。

シリコンウェーハのデバイス作製領域以外に補強膜を形成することで、補強膜を形成したままの状態でデバイス作製等を行うことができ、さらに、全面に形成する場合に比べて過重にならず、傷等の防止に効果的である。そして、補強膜を、ＢＤＴＴが室温以下の金属からなるものとすることで、室温近傍でのシリコンウェーハ取扱い時にも延性特性により衝撃からシリコンウェーハを保護することができ、破壊強度が効果的に高められたシリコンウェーハとなる。

この際、図１に示すように、エッジ部１４を含む表裏の周縁部に補強膜１１を形成するか、図２に示すように、主裏面１３の全面に補強膜１１’を形成するか、又は、図３に示すように、主裏面１３の全面及びエッジ部１４を含む表裏の周縁部に補強膜１１’’を形成することが好ましい。
このような範囲は、装置等の接触が多く、また、特にエッジ部は他に比べて脆い部分であるため、本発明の補強膜を形成することで、傷等をより効果的に防止することができる。

この際、図１に示す補強膜１１が、シリコンウェーハ１０のエッジ部１４周端から中心方向に２０ｍｍ以内の範囲の表裏の周縁部に形成されたものであることが好ましい。
上記範囲の周縁部に補強膜を形成すれば、特に脆いエッジ部の強度を確実に向上させるとともに、補強膜形成の効率も良いため、高品質で、低コストなシリコンウェーハとすることができる。また、補強膜１１の形成領域が、シリコンウェーハ１０のエッジ部１４周端から２０ｍｍ以内の範囲であれば、補強膜形成領域をデバイス作製領域より外側にすることができる。特に、シリコンウェーハ１０のエッジ部１４周端から１０ｍｍ以内の範囲に補強膜１１を形成することにより、エッジ部１４の強度を向上させ、補強膜形成領域を確実にデバイス作製領域より外側にすることができるので、より好ましい。また、図３に示すように、シリコンウェーハ１０の周縁部に加え、主裏面１３全体に補強膜１１’’を形成すれば、エッジ部１４のみならずシリコンウェーハ１０全体の強度を向上させることができる。

このような補強膜１１、１１’、１１’’が、タンタル、チタン、ニオブ及びバナジウムのうち少なくとも一つからなるものであることが好ましい。
上記の金属は、緩衝材として十分な延性を示し、かつデバイス作製の際の熱処理時にもシリコンウェーハ内への拡散も少ないため、本発明の補強膜の材質として、より好適である。例えば、タンタル等に比べて比較的拡散が速いチタンは、低温プロセスで用いることが好ましい。また、補強膜１１、１１’、１１’’の材質としては、上記以外の金属でも、例えば、通常の純度ではクロムは室温で脆性材料であるが、これを合金化することでＢＤＴＴを室温にして用いることもできる。

以下、実施例及び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）
ＣＺ法により、直径１２インチ（３００ｍｍ）、初期酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ：日本電子工業振興協会による換算係数を使用）、方位＜１００＞の結晶棒を、通常の引き上げ速度（０．８ｍｍ／ｍｉｎ）で引き上げた。この結晶棒を加工してシリコンウェーハを作製した。このウェーハのエッジ部周端から中心方向に１０ｍｍ程の範囲の表裏の周縁部に、タンタルをＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で堆積して、図１に示すようなシリコンウェーハとした。

この作製したウェーハについて、特開２００６−２８７１３９号公報に開示されている方法で機械的強度測定を行ったところ、破壊強度は８０ｋｇとなった。
また、作製したウェーハにドライ酸素雰囲気で、１０００℃、２０分の熱処理を行い、ウェーハライフタイムを測定した。その結果、タンタル（補強膜）を堆積していないウェーハを熱処理した場合と同程度となり、本発明の補強膜を形成した状態でデバイス作製熱処理等を行っても、汚染の問題がないことが確認できた。

（比較例）
ＣＺ法により、直径１２インチ（３００ｍｍ）、初期酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ：日本電子工業振興協会による換算係数を使用）、方位＜１００＞の結晶棒を、通常の引き上げ速度（０．８ｍｍ／ｍｉｎ）で引き上げた。この結晶棒を加工してシリコンウェーハとした。
このシリコンウェーハについて、補強膜を形成しないでそのままの状態で、特開２００６−２８７１３９号公報に開示されている方法で機械的強度測定を行ったところ、破壊強度は５０ｋｇとなった。

上記文献の機械的強度測定方法は、ウェーハ端部に静的な応力を加えて破壊強度としての荷重を求める方法であり、ウェーハ端部の破壊強度測定に有用な手法である。この測定値として得られる破壊強度値は、大きい方が破壊耐性が大きいことを示している。
実施例と比較例で測定された破壊強度値で比較すると、実施例は比較例に対し明らかに大きく、大幅な破壊強度の上昇を示したことがわかる。

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。

１０…シリコンウェーハ、１１、１１’、１１’’…補強膜、
１２…主表面、１３…主裏面、１４…エッジ部。

Claims

主表面、主裏面及びエッジ部からなるシリコンウェーハであって、少なくとも前記シリコンウェーハの主面にあるデバイス作製領域以外に、脆性延性遷移温度が室温以下の金属からなる補強膜が形成されることで破壊強度が高められたものであることを特徴とするシリコンウェーハ。
前記補強膜が、前記シリコンウェーハの主裏面全面、及び／又は、エッジ部を含む表裏の周縁部に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハ。
前記補強膜が、前記シリコンウェーハのエッジ部周端から中心方向に２０ｍｍ以内の範囲の表裏の周縁部に形成されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコンウェーハ。
前記補強膜が、タンタル、チタン、ニオブ及びバナジウムのうち少なくとも一つからなるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のシリコンウェーハ。