JP2012222337A - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスが形成される表層に存在する微小欠陥を消滅可能なシリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハの表面から指定されたレーザー光を照射し、デバイス活性層内の微小欠陥をスリップフリーにて消滅させ、同時にレーザー照射面近傍の不純物取り込みを制御する事でデバイス特性歩留を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶シリコン育成時に導入される微小結晶欠陥を低減する製造方法に関するものである。

半導体プロセスにおける問題点の１つに、シリコン単結晶育成時に導入される微小欠陥が挙げられる。シリコンウェーハの表面側に形成されるデバイス領域に微小欠陥が存在すると配線の断線を引き起こすばかりか、リーク不良、及び酸化膜の絶縁破壊といった、デバイス特性に著しい悪影響をもたらす。このため、シリコンウェーハ、特にデバイス活性層と呼ばれるデバイス作製領域近傍に存在する結晶欠陥の低減に関してしてデバイスメーカからの強い要求がある。

この微小欠陥とは、酸素析出核や１９９０年代後半に発見された空孔の集合体で周囲が酸化膜に覆われているＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれる結晶欠陥である。ＣＯＰに関しては、この欠陥サイズは直径換算にて０．２〜０．４μｍサイズである事が判明した。そこで、結晶引き上げ時のシリコンインゴットの温度勾配や引き上げ速度などを制御する事で空孔濃度を低減させてＣＯＰの密度を低減、サイズを縮小させる方法が検討された。

その結果、ＣＯＰと呼ばれる大きな空孔集合体は低減可能となったが、代わりに高濃度で更に小さなサイズの酸素を含む微小欠陥の存在が確認された。この微小欠陥は、現状のデバイス作製寸法に対しては問題視されていないが、将来的に微細化が進むと、デバイス特性に影響を与える事が懸念されている。

この課題を解決するために、水素ガスやアルゴンガス雰囲気での高温熱処理を施す方法やエピタキシャル膜成長を行う事で表面近傍に欠陥の存在しないウェーハを製作する事は可能である。ところが、高温熱処理法に関しては、１２００℃付近で１時間前後の条件が必要となるため、重金属汚染の濃度レベルが高く、スリップと呼ばれる結晶欠陥も発生しやすいく、更に高温熱処理時にウェーハを保持するためシリコンカーバイド製の冶具を用いるが、裏面キズや発塵したシリコン粒子の裏面焼き付きにより平坦度を劣化させる問題がる。一方、エピタキシャル膜成長法に関しては、デバイス作製面に成長させる単結晶シリコン膜厚の均一性の問題により平坦度を劣化させ最先端デバイスへの適用が困難であるばかりか、裏面外周領域に回り込んで成長したシリコン膜により更に平坦度を低下させる。また、コスト面で高価となるためにデバイスメーカ側の低価格要求に対して対応が困難でもある。将来的に４５０ｍｍΦのウェーハ適用が検討されており１０５０℃以上の熱処理温度を有する高温熱処理やエピタキシャル膜成長プロセスでは、上記課題をクリアーする事は益々困難になると予想される。

一方、ミラーポリッシュウェーハであれば、平坦度や重金属汚染、及びスリップに対して最も優れた品質を提供できる。しかしながら、微小欠陥の低減化技術の状況は、現在主流である３００ｍｍΦウェーハで確立しておらず、２００ｍｍΦウェーハでも技術確立に至っていない。将来の４５０ｍｍΦウェーハに関しては、更にハードルが高くなると予想される。
上記課題に対して、レーザー溶融法による微小欠陥消滅方法が特開２０１０−０８７３７５号に提案されている。これによれば、シリコンウェーハ表層領域を溶融させる事で該微小欠陥を消滅させる事は可能であるが、シリコン溶融時にシリコン表面や雰囲気から混入した不純物が高濃度に溶け込みデバイス動作時に悪影響を及ぼす事を考慮されていない。また、溶融条件で面荒れを修正するために研磨除去する事は開示されているが、不純物濃度に関する研磨量の規定がなされていない。

特開２０１０−０８７３７５号公報

そこで、本発明の目的は、将来デバイスとして対応できるスリップフリーでデバイス活性層領域内の微細結晶欠陥を消滅させ、デバイス活性層の不純物濃度を制御して、高平坦度を有するウェーハ及びその製造方法を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基板となるシリコンウェーハの少なくとも一方向の面から、指定されたレーザー光を照射させる事によりスリップを発生せずにデバイス活性層領域の微小欠陥消滅を可能とし、通常ミラーウェーハと同等の平坦度と不純物濃度レベルを達成できる事を見出し、本発明を完成させるに到った。
本発明において、「デバイス活性層」とは、シリコンウェーハ表面から約１から５μｍ前後の位置を指すものとする。
また、本発明のウェーハにおいて、前記不純物原子は、酸素、炭素及び窒素のいずれかであることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明は、シリコン材料に対して吸収係数の高いレーザー波長、すなわち近紫外線から近赤外線の波長にて、シリコンウェーハのデバイス活性層側にレーザー光を照射してシリコンを溶融させる微小欠陥を消滅させる手法であり、溶融領域に溶け込んだ不純物濃度をレーザー照射前の初期ウェーハ不純物濃度に対して１０倍以下になるように研磨除去させる製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、デバイス作製側の表面からレーザー光を照射し、表層領域だけを溶融させる。その結果、溶融領域に存在する微小欠陥を消滅させる事が可能となる。また、レーザー照射後に溶融領域に取り込まれた高濃度の不純物は、初期ウェーハの不純物濃度に対して１０倍以下になるまで研磨除去させているためにデバイス特性に影響を与えない。

レーザー光としては、単一波長に限定するものでなく複数の波長光を使用してもよい。さらに、連続照射法でもパルス照射法でも可能であり発振されたレーザー光は、集光しても集光しなくてもよい。レーザー波長に関しては、世の中に存在する紫外光発振レーザー装置から赤外線発振レーザー装置を採用する事が可能であり、２５０ｎｍ以上２５μｍの範囲とする。３００ｎｍの波長のシリコンの侵入深さは約１０ｎｍであり、５００ｎｍの波長では約１μｍ、８５０ｎｍでは０．１ｍとなるが、この波長範囲では、シリコンに対する吸収係数が高いためにレーザー光は照射表面近傍で熱エネルギーに変換される。従い、紫外から可視領域のレーザー光の場合には、デバイス作製側から照射する必要があり近赤外線のレーザー光照射の場合には、シリコンに対する吸収係数が小さくなるためにレーザー照射面は裏面から行う事も可能である。
また、レーザー光の集光する場合には、焦点付近でエネルギー密度が非常に高くなるため容易にシリコンウェーハを溶融させる事が可能となる。焦点位置に関してはシリコン表面、表面近傍、あるいは表面外に設定できる。

次に、シリコン溶融領域に取り込まれた高濃度の酸素、窒素及び炭素などは研磨除去が必要であるが、レーザー光が照射される前のシリコンウェーハに存在する不純物濃度と同濃度、もしくは１０倍以下の濃度になる領域まで表面研磨すれば良い。

不純物濃度が１０倍以下であれば、研磨後に６００℃から１０００℃の範囲で３０分から６０分程度の熱処理を行う事でシリコン表層の高濃度の不純物は、外方拡散が生じるために初期ウェーハの不純物濃度と同等レベルになる。特に、量産プロセスとしてシリコンウェーハ製造プロセスの最終研磨前のドナーキラーアニール処理やデバイス初期のパッド酸化熱処理にて高濃度不純物を低減させる事も可能である。

一方、レーザー光を集光しない場合やレーザー光焦点位置がシリコンウェーハより外の場合にはシリコン非溶融の照射が可能であり、微小欠陥はシリコンウェーハの加熱により熱分解して縮小・消滅する事になる。この場合には、不純物の取り込みが無いため研磨除去を行わなくても良い。

請求項２に記載の発明は、シリコン材料に対して吸収係数の低い波長、すなわち近赤外線から遠赤外領域の波長にて、少なくとも一方の面からレーザー光を照射してシリコンを溶融させない条件でデバイス作製側の表面近傍の微小欠陥を消滅させる製造方法である。

請求項２に記載の発明によれば、シリコン材料に対して吸収係数の低い波長、すなわち１０００ｎｍ以上の赤外波長域のレーザー光を照射させる事によりシリコンウェーハを溶融させないで微小欠陥を消滅させるため不純物の取り込みが起こらない。

請求項３に記載の発明は、レーザー光が、酸素に帰属する結晶欠陥に対して吸収しやすい波長領域を適用とする請求項１〜請求項２記載のウェーハ製造方法である。

請求項３に記載の発明によれば、照射するレーザー光が結晶引き上げ時に導入された微小欠陥に対して吸収係数の高い波長を選択する事で効率よく分解・消滅させる事が可能となる。

シリコン単結晶引き上げ時に導入される微小欠陥の実態観察は出来ていないが、酸素を構成とした欠陥である事は確認できている。サイズ的には１０ｎｍ前後でありシリコン酸化膜、もしくは酸素析出物と同様の吸収スペクトルと予想される。従って、シリコン酸化膜の赤外吸収スペクトルから得られた吸収係数の大きな波長を選択する。すなわち、レーザー波長が１０μｍ付近に存在する吸収ピーク、１２．５μｍ付近の吸収ピーク、２２μｍ付近の吸収ピークが好ましく、特に最大吸収ピークである波長１０μｍ付近は最も微小欠陥への吸収効率が高く消滅効果は高くなる。

更に効率よく微小欠陥を消滅させるためには、シリコン材料に対して吸収係数の高い紫外光から近赤外線の波長を有するレーザー光を同時に照射する事により微小欠陥が分解した酸素を効率よく拡散させる事が可能となる。例えば、５００ｎｍ付近や８００ｎｍ付近のレーザー波長を照射する事で効率よく表層領域を加熱する事が可能である。

本発明は、デバイス特性に影響を与えるデバイス活性層に存在する微小欠陥の消滅を目的としておりシリコンバルクに存在する微小欠陥や酸素析出物核は消滅させない事が特徴である。一般的に、デバイス作製工程での熱処理によりシリコンウェーハ内部に存在する酸素析出核が酸素析出物に成長し、これが重金属汚染に対してゲッタリング効果を有するためにデバイス歩留を向上させる。従い、シリコンウェーハ内部の結晶欠陥や酸素析出核は存在させる必要があるからである。

本発明によれば、レーザー光を単結晶シリコンウェーハ面に照射させる事によりスリップを発生させないで効率よく微小欠陥の消滅を可能とし、通常ミラーウェーハと同等の平坦度と不純物濃度レベルを達成できる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

この発明の実施例１に係るシリコンウェーハの製造方法を説明する。
チョクラルスキー法により育成した直径３００ｍｍ、比抵抗１０Ω・ｃｍ、初期酸素濃度９．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で引き上げられた単結晶シリコンウェーハを準備した。
引き上げ条件は、格子間シリコン濃度と空孔濃度が、ほぼ同濃度になるように制御されたシリコン単結晶でありＣＯＰの存在しない、微小欠陥と酸素析出核のみの欠陥を有するものである。

次に、図１のフローシートを参照して、ウェーハ加工を含むシリコンウェーハの製造方法を説明する。
まず、最終研磨されたウェーハ１０をフッ酸水溶液にディップし自然酸化膜を除去した。（図１（ａ））。その後、アルゴンガス雰囲気下のレーザー装置に挿入させレーザー波長を５１５ｎｍ、パルス幅６００ｎ秒にてレーザー光をシリコンウェーハのデバイス活性層側にエネルギー密度１０Ｊ／ｃｍ２で照射、同時に８５０ｎｍ波長のレーザー光にて補助加熱を行いシリコン表面から約２．０μｍ深さを溶融させたサンプルを複数枚作製した。これらサンプルの溶融領域は完全に微小欠陥が消滅している（図１（ｂ））。

最後に、溶融領域を表面から溶融領域に高濃度に溶け込んだ不純物濃度が初期ウェーハに存在する不純物濃度の１０倍以下になるように研磨除去を行った。

実施例１で使用したフッ酸水溶液にディップし自然酸化膜を除去させたウェーハを用い、大気雰囲気下のレーザー装置に挿入させる。レーザー波長を１０．６μｍとしてシリコンウェーハのデバイス活性層側にエネルギー密度１００ｋＪ／ｃｍ^２以下でシリコンウェーハが溶融しないように照射したサンプルを複数枚作製した。得られたサンプルの一部は、デバイス作製面側から０．２〜０．３μｍ研磨除去させた。

実施例１で使用したフッ酸水溶液にディップし自然酸化膜を除去させたウェーハを用い、実施例２と同じレーザー照射条件で、同時にシリコンウェーハ表層を効率よく加熱させるために波長８５０ｎｍのレーザー光も連続照射したサンプルを複数枚作製した。得られたサンプルの一部は、デバイス作製面側から０．２〜０．３μｍ研磨除去させた。

（比較例）
実施例１と同じレーザー照射条件でシリコンウェーハ表層領域を溶融させた。これらサンプルは、特開２０１０−０８７３７５号に記載された好ましい研磨量である０．１μｍを実施した。

実施例１のレーザー照射直後のサンプルを一部抜き取り、ＳＩＭＳ測定によりシリコン溶融近傍の不純物濃度のプロファイル測定を行った。図２−１、図２−２に結果を示すが、表面から２μｍ付近の溶融させた領域の酸素、窒素および炭素は、初期ウェーハの不純物より高濃度になっている事がわかった。
次に、実施例１のレーザー照射後のサンプルを初期濃度の１０倍以下になるように約１．２μｍ表面研磨を行った結果を図２−３と図２−４に示す。比較例のＳＩＭＳ測定結果は示していないが、好ましい条件である０．１μｍ研磨を施しても不純物濃度に変化無く高濃度を維持していた。

次に、実施例１のレーザー照射前のシリコンウェーハとレーザー照射後に研磨を行ったウェーハを抜き取り、酸素起因の微小欠陥の観測が可能な選択エッチング装置にて欠陥評価を行った。レーザー照射前のウェーハ表層１．０μｍ深さには、数十万個レベルの欠陥が存在していたが、レーザー照射後の研磨されたウェーハでは、表層１．０μｍ深さで数十個レベルまで低減していた。これらレーザー照射後のサンプルで検出された欠陥の形態を調査した結果、装置から発塵したゴミなどがカウントされており微小欠陥は完全に消滅している事がわかった。

実施例２と実施例３のレーザー照射後のサンプルを抜き取り上記同様にウェーハ表層１．０μｍ深さに存在する微小欠陥を評価した。全てのサンプルで結晶欠陥起因でないゴミなどに起因する欠陥がカウントされた。

次に、スリップ発生状況を評価するため、レーザー照射前の実施例１、実施例２および実施例３のサンプルをＸ線トポグラフィーにて観察した結果、全てのサンプルでスリップフリーである事を確認した。

次に、シリコン内部の酸素析出物の形成が可能かを判断するために、レーザー照射前の実施例１、実施例２および実施例３のサンプルを８００℃で４時間、更に１０００℃で１６時間の熱処理を行った。得られたサンプルをヘキ開後、選択エッチングを施し、顕微鏡にてウェーハ断面を観察した。全てのサンプルで酸素析出物密度として１×１０^５個／ｃｍ^２以上成長している事を確認した。

具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。
従って、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

この発明の実施例１に係るシリコンウェーハの製造方法のフローチャートである。 実施例１に係るシリコンウェーハの製造方法により得られた研磨前後のシリコン溶融領域付近の不純物濃度を示す図面である。

１ シリコンウェーハ
１００ デバイス活性層
Ｄ 微小欠陥

Claims (3)

1. 単結晶半導体シリコンウェーハの一方の表面近傍に存在する結晶引き上げ時に導入された欠陥密度を減少させるために、
   前記シリコンウェーハに波長０．３μｍ以上２５μｍの範囲のレーザー光を照射する事によりデバイス作製側になるシリコン表層近傍を溶融および再結晶させるウェーハ製造方法であり、溶融領域に溶け込んだ酸素、炭素、及び窒素不純物濃度をレーザー照射する前のウェーハに存在する不純物の１０倍以下の濃度になる深さまで研磨除去することを特徴とするウェーハ製造方法。
2. 単結晶半導体シリコンウェーハの一方の表面近傍に存在する結晶引き上げ時に導入された欠陥密度を減少させるために、
   前記シリコンウェーハにシリコン材料を透過しやすい１．０μｍ以上２５μｍの範囲のレーザー光を照射する事によりデバイス作製側の表層近傍を溶融以下の温度で加熱する事を特徴とするウェーハ製造方法。
3. 前記レーザー光の波長が、酸素起因に帰属する結晶欠陥に吸収しやすい波長領域である事を特徴とする、請求項１および請求項２記載のウェーハ製造方法。

Images