JP2014160784A - エピタキシャルシリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハの製造段階で酸素析出物を消滅させる格別な熱処理を要することなく、ミリ秒アニール処理を含む半導体デバイス製造プロセスでウェーハ反りを確実に防止することができるエピタキシャルシリコンウェーハを提供する。
【解決手段】半導体デバイスの製造プロセスに供されるエピタキシャルシリコンウェーハは、デバイス製造プロセスがシリコンウェーハ表層を瞬間的に１２５０℃以上に加熱するミリ秒アニール処理を含むものとされ、ミリ秒アニール処理の前段階の熱プロセスを経た後において、その熱プロセスによる酸素析出物の析出量が３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）以下であり、９０°光散乱法によって測定される酸素析出物の密度と体積の積が３．０×１０¹¹以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、表面にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハに関し、特に、ミリ秒アニール処理を含む半導体デバイスの製造プロセスに供するのに適したエピタキシャルシリコンウェーハに関する。

エピタキシャルシリコンウェーハ（以下、単に「ウェーハ」ともいう）を素材とする半導体デバイス（以下、単に「デバイス」ともいう）の製造においては、デバイスの微細化に伴う極浅接合領域の形成のため、ウェーハにイオン注入された不純物（ドーパント）の活性化率を向上させつつ、その不純物の拡散を抑制することが求められている。近年、この要求に応じ、デバイス製造プロセスには、イオン注入を含む熱プロセスの後、ウェーハ表層を瞬間的に高温に加熱するミリ秒アニール（ＭＳＡ：Millisecond Annealing）処理が導入されている。特に、４５ｎｍノード（ｈｐ６５）のデバイスの製造からは、ミリ秒アニール処理として、ＦＬＡ（Flash Lamp Annealing）、ＬＳＡ（Laser Spike Annealing）またはＬＴＰ（Laser Thermal Process）などが用いられている。

これらのミリ秒アニール処理のうち、ＦＬＡでは、例えば、ハロゲンランプやキセノンランプによるフラッシュライトをウェーハ表面の全面に極短時間照射し、これによりウェーハ表層を瞬間的に１１００℃以上に加熱し、冷却する（例えば、特許文献１参照）。ＬＳＡでは、例えば、レーザー光をウェーハ表面の全域にわたり走査し、これによりウェーハ表層を瞬間的に１０００℃以上に加熱し、冷却する（例えば、特許文献２参照）。

ところで、このようなミリ秒アニール処理において、ウェーハ表層は、フラッシュライトやレーザー光による１マイクロ秒〜１０ミリ秒程度の瞬時の照射により、急激に極短時間、高温状態となる。このため、ウェーハには、その表層に高い熱応力が付与される。とりわけ、ＦＬＡの場合は、ＬＳＡの場合と比較し、熱応力が高くなりがちである。ＬＳＡの場合、ウェーハ表面が順次に部分的に加熱されることから、熱がウェーハの厚み方向と面内方向の両方に伝播し、その結果、熱応力が比較的緩和されるのに対し、ＦＬＡの場合は、ウェーハ表面の全面が同時に加熱されることから、熱がウェーハの厚み方向にしか伝播する余地がなく、その結果、熱応力が著しくなるためである。

ここで、ウェーハ中に酸素析出物（ＢＭＤ：Bulk Micro Defect）が過度に形成されていると、ミリ秒アニール処理で付与された熱応力により、ウェーハ表層の酸素析出物を起点にしてスリップ転位が発生することがある。スリップ転位が発生した場合、ウェーハは塑性変形を起こして反る。そして、デバイス製造プロセスにおいて、ウェーハの反りが起こると、フォトリソグラフィ時に下地パターンとの重ね合わせのズレが生じるため、デバイスの歩留まりを低下させることになる。

この事態を踏まえ、従来は、デバイスの量産に先立ち、酸素析出物の状態が種々異なる多数のウェーハをサンプルとして準備し、これらのサンプルを用いてデバイスの実製造プロセスにて試験生産を行い、長期にわたってウェーハ反りの発生状況を検証している。そして、このような長期にわたる試行錯誤の検証により、ウェーハ反りの発生しない酸素析出物の適正な条件を見極め、その適正な条件のウェーハを製造しデバイス製造プロセスに供給することにより、歩留まりの高いデバイスの量産を図っている。

また、デバイス製造プロセスでミリ秒アニール処理に伴う熱応力に起因したスリップ転位によるウェーハ反りを未然に防止できるように、特許文献１には、最高温度が１０５０℃以上シリコンの融点以下で昇降温レートが１５０℃／ｓｅｃ以上の条件とされる熱処理工程を有するデバイス製造プロセスに供されるエピタキシャルシリコンウェーハが開示されている。このウェーハは、例えば、抵抗値が０．０２Ωｃｍ〜１ｋΩｃｍとなるようにボロンがドープされ、初期酸素濃度Ｏｉが１４．０×１０¹⁷〜２２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）とされたものであり、その表面にエピタキシャル層を成長させる前後において、処理温度１１５０℃〜１３００℃の範囲、保持時間５ｓｅｃ〜１ｍｉｎの範囲、降温速度１０℃／ｓｅｃ〜０．１℃／ｓｅｃの範囲とされる析出溶解熱処理が施され、酸素析出物を消滅させたものである。

特許文献２には、デバイス製造プロセスでＬＳＡ処理に伴う熱応力に起因したスリップ転位の発生を防止するウェーハが開示されている。このウェーハは、ＬＳＡ処理時においてウェーハに含まれる板状酸素析出物の対角線長をＳ［ｎｍ］、ＬＳＡ処理における最高到達温度をＴ［℃］とした場合、Ｔ×Ｓ²≦９×１０⁶を満たすものである。

特開２０１０−２２８９２４号公報 特開２０１１−２２８４５９号公報

しかし、前記特許文献１に開示されたウェーハは、その製造段階で、エピタキシャル層を形成する処理の前後に、酸素析出物を消滅させる格別な熱処理が必要となる。このため、ウェーハの製造コストの上昇を招く可能性がある。

また、前記特許文献２に開示されたウェーハは、供されるデバイス製造プロセスのミリ秒アニールがＬＳＡに限定されていること、規定される酸素析出物が板状のものに限定されていることから、ミリ秒アニール処理としてウェーハに著しい熱応力が付与されるＦＬＡを採用する場合や、酸素析出物が板状以外となる場合などといったように、条件次第では、スリップ転位の発生を防止できないおそれがある。したがって、前記特許文献２に開示されたウェーハは、ＬＳＡを使用するデバイス製造プロセス以外のデバイス製造プロセスにおいてはウェーハ反りを確実に防止するには十分といえない。しかも、ウェーハ反りの発生防止が十分でないと、半導体デバイスの量産にあたり、依然として、ウェーハ反りの発生しない条件を見極める検証が長期にわたるので、デバイスの量産化に支障を来たすおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、ウェーハの製造段階で酸素析出物を消滅させる格別な熱処理を要することなく、ミリ秒アニール処理を含む半導体デバイス製造プロセスでウェーハ反りを確実に防止することができるエピタキシャルシリコンウェーハを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、後述する実施例で実証するように、ウェーハ中の酸素析出物（ＢＭＤ）の状態、ミリ秒アニール処理における加熱温度条件、およびウェーハ反りの発生状況について、それらの関連を調査する試験を行った。その結果、下記の知見を得た。

ミリ秒アニール処理としてＦＬＡを採用し、シリコンウェーハ表層がＦＬＡによって１２５０℃以上に加熱される場合に限って、ウェーハ反りが発生するものがあった。

ここで、ウェーハにＦＬＡを施すにあたり、予め、イオン注入を含む熱プロセスを想定した熱処理を施して酸素析出物を析出・成長させ、この熱処理の前後でＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）によって計測したウェーハ中の酸素濃度から酸素析出物の析出量（以下、「酸素析出量」ともいう）、いわゆるΔＯｉを算出しておいた。さらに、ＭＯ−４４１装置（Raytex社製）を用いた９０°光散乱法によって、上記の熱処理後にウェーハ中の酸素析出物の密度（以下、「ＢＭＤ密度」ともいう）と散乱強度を計測し、その散乱強度から酸素析出物の体積（以下、「ＢＭＤ体積」ともいう）を求めておいた。

そして、ウェーハ中の酸素析出量、およびＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積を指標とし、酸素析出量が３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）を超え、且つＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積が３．０×１０¹¹を超えるウェーハに限って、ウェーハ反りが発生していることがわかった。

本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は下記のエピタキシャルシリコンウェーハにある。すなわち、半導体デバイスの製造プロセスに供されるエピタキシャルシリコンウェーハであって、前記半導体デバイス製造プロセスがシリコンウェーハ表層を瞬間的に１２５０℃以上に加熱するミリ秒アニール処理を含み、当該エピタキシャルシリコンウェーハは、前記半導体デバイス製造プロセス中で前記ミリ秒アニール処理の前段階の熱プロセスを経た後において、前記熱プロセスによる酸素析出物の析出量が３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）以下であり、９０°光散乱法によって測定される酸素析出物の密度と体積の積が３．０×１０¹¹以下であることを特徴とする。

上記のウェーハは、例えば、前記ミリ秒アニール処理としてＦＬＡ（Flash Lamp Annealing）が施されるものである。

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハによれば、ウェーハの製造段階で酸素析出物を消滅させるような格別な熱処理を要しないし、デバイス製造プロセスでのミリ秒アニール処理によってシリコンウェーハ表層が１２５０℃以上に加熱される場合であっても、ミリ秒アニール処理を施す時点で、ウェーハ中の酸素析出量、およびＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積を制限しているので、ウェーハ反りを確実に防止することができる。

以下に、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハについて、その実施形態を詳述する。本発明のウェーハは、シリコン単結晶のインゴットから切り出され、鏡面研磨を経て、さらに洗浄を経た後に、その表面にエピタキシャル層が形成されたものである。このとき、シリコン単結晶インゴットは、チョクラルスキー法による引き上げ育成によって製造され、これにより、そのインゴットには石英ルツボから溶出した酸素が過飽和に含まれている。このため、ウェーハにも酸素が過飽和に含まれている。また、このウェーハには、ウェーハの製造段階で酸素析出物を消滅させるような格別な熱処理は行わない。

このような本発明のウェーハは、デバイス製造プロセスに供され、イオン注入を含む熱プロセスを経た後、ミリ秒アニール処理が施される。このとき、ミリ秒アニール処理の前段階の熱プロセスでは、ウェーハ中に過飽和に含まれている酸素を源として酸素析出物が析出・成長し、ウェーハ中に既に存在する酸素析出物は成長する。

特に、本発明のウェーハは、デバイス製造プロセスでミリ秒アニール処理を施す時点、すなわち上記の熱プロセスを経た後の時点において、以下の特性を有する。上記の熱プロセスによる酸素析出物の析出量ΔＯｉを指標とし、この酸素析出量ΔＯｉが３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）以下である。この酸素析出量ΔＯｉは、上記の熱プロセスの前後でそれぞれＦＴＩＲによってウェーハ中の酸素濃度を計測し、その変化量を算出することにより得られる。

加えて、上記の熱プロセス後における酸素析出物の密度（ＢＭＤ密度）と体積（ＢＭＤ体積）の積を指標として、この積が３．０×１０¹¹以下である。ＢＭＤ密度は、上記の熱プロセス後にＭＯ−４４１装置（Raytex社製）を用いた９０°光散乱法によってＬＳＴＤ（Laser Scattering tomography defect）の密度を計測することにより得られる。一方、ＢＭＤ体積は、ＬＳＴＤの密度（ＢＭＤ密度）の計測と同時にＬＳＴＤの散乱強度を計測し、この散乱強度の１／２乗を算出することにより得られる。これらの計測条件について、レーザー出力は１００ｍＷとし、減衰フィルターの透過率は１０％とする。なお、ＢＭＤ密度の単位は［／ｃｍ³］であり、ＢＭＤ体積の単位は任意単位［ａ．ｕ．］であるから、これらの積の単位は任意単位となる。

また、デバイス製造プロセスにおけるミリ秒アニール処理は、シリコンウェーハ表層を１マイクロ秒〜１０ミリ秒程度の極短時間の間１２５０℃以上に加熱するものとする。ミリ秒アニール処理としては、ＦＬＡ（Flash Lamp Annealing）を採用する。その他に、ミリ秒アニール処理として、ＬＳＡ（Laser Spike Annealing）やＬＴＰ（Laser Thermal Process）を採用することができる。

このように、ミリ秒アニール処理を施す時点で、ウェーハ中の酸素析出量ΔＯｉを３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に制限するとともに、ＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積を３．０×１０¹¹以下に制限することにより、後述する実施例で実証するとおり、ミリ秒アニール処理によってシリコンウェーハ表層が１２５０℃以上に加熱される場合であっても、スリップ転位が発生することなく、ウェーハ反りが起こらない。もっとも、ミリ秒アニール処理の加熱温度が１２５０℃に達しない場合は、ウェーハ中の酸素析出量ΔＯｉ、およびＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積を特に制限しなくても、ウェーハ反りは起こらない。

したがって、本発明のウェーハによれば、ウェーハの製造段階で酸素析出物を消滅させるような格別な熱処理を要することなく、ミリ秒アニール処理を含むデバイス製造プロセスでウェーハ反りを確実に防止することができる。

ここで、ＢＭＤ密度は、インゴット育成段階での酸素濃度や窒素濃度に依存する。また、酸素析出量ΔＯｉとＢＭＤ体積は、インゴット育成段階での酸素濃度や窒素濃度に加えて、デバイス製造プロセスにおける上記熱プロセスの条件に依存し、その熱プロセスの条件からシミュレーションにより推測することが可能である。

このため、デバイス製造プロセスにおける上記熱プロセスの条件を把握できれば、ミリ秒アニール処理を施す時点での酸素析出量ΔＯｉ、およびＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積が上記の範囲となるように、インゴット育成段階でインゴット中の酸素濃度や窒素濃度を適正な範囲に調整することが可能であり、このようにすれば、ウェーハ反りが起こらないウェーハを製造することができる。その結果、半導体デバイスの量産にあたり、ウェーハ反りの発生しない条件を見極める検証が軽減されるので、歩留まりの高いデバイスの量産化を円滑に行える。

ウェーハ中の酸素析出量ΔＯｉの下限は、ウェーハ反りを防止する観点からは特に規定しないが、ゲッタリング能を確保するために、酸素析出量ΔＯｉは０．２×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることが好ましい。より好ましくは０．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上である。

以下のとおりに、ウェーハ中の酸素析出物（ＢＭＤ）の状態、ミリ秒アニール処理における加熱温度条件、およびウェーハ反りの発生状況について、それらの関連を調査する試験を行った。

サンプルとして、直径が３００ｍｍでｐ／ｐ−型のエピタキシャルシリコンウェーハを多数準備した。その際、シリコン単結晶の育成段階で窒素のドープ量を種々変更し、これによりＢＭＤ密度が種々異なるサンプルウェーハを製造した。

各サンプルウェーハに、ミリ秒アニール処理前のイオン注入を含む熱プロセスを想定した熱処理を施し、酸素析出物を析出・成長させた。この熱処理では、昇温速度を５℃／分として７００℃から１０００℃まで昇温させた後、１０００℃で保持し、その後に降温速度を５℃／分として７００℃まで降温させた。その際、１０００℃の保持時間を２〜１６時間の範囲内で変更し、これによりＢＭＤ体積、さらに酸素析出量ΔＯｉが種々異なるようにした。

その熱処理の前後でそれぞれＦＴＩＲによってサンプルウェーハ中の酸素濃度を計測し、その変化量から酸素析出物の析出量ΔＯｉを求めた。また、上記の熱処理後に、９０°光散乱法によってサンプルウェーハ中のＬＳＴＤの密度と散乱強度を計測し、これらからＢＭＤ密度とＢＭＤ体積を求めた。

上記の熱処理後、ＦＬＡ熱処理炉を用い、各サンプルウェーハにミリ秒アニール処理を施す熱応力負荷試験を行った。その際、ＦＬＡ処理時のシリコンウェーハ表層の最高到達温度を１２００℃、１２５０℃、１３００℃とした３水準で実施し、実操業を想定して個々のＦＬＡ処理を連続して２回繰り返した。

そのＦＬＡ処理の前後でそれぞれ各サンプルウェーハの形状を測定しておき、ウェーハ反り量の変化を求めた。また、ＦＬＡ処理の後に、Ｘ線トポグラフィー観察によりスリップ転位の有無を調査した。試験結果を下記の表１に示す。

同表に示すように、最高到達温度が１２５０℃以上とされた試験Ｎｏ．８〜２１のうち、試験Ｎｏ．８、９、１５、および１６では、酸素析出量ΔＯｉが３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超え、ＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積も３．０×１０¹¹を超えており、ウェーハ反りの変化量が１００μｍをはるかに上回った。これらのいずれも、Ｘ線トポグラフィー観察結果からスリップ転位が確認された。

これに対し、試験Ｎｏ．１０〜１４、および１７〜２１では、酸素析出量ΔＯｉが３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下を満たし、ＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積も３．０×１０¹¹以下を満たしており、ウェーハ反りの変化量が１０μｍを下回った。これらのいずれも、Ｘ線トポグラフィー観察結果からスリップ転位が確認されなかった。

また、最高到達温度が１２５０℃に達しなかった試験Ｎｏ．１〜７では、酸素析出量ΔＯｉ、およびＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積に関わらず、ウェーハ反りの変化量が１０μｍを下回り、スリップ転位が確認されなかった。

以上の実施例の結果から、ＦＬＡ処理を施す時点で、ウェーハ中の酸素析出量ΔＯｉを３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に制限するとともに、ＢＭＤ密度とＢＭＤ体積の積を３．０×１０¹¹以下に制限することにより、ＦＬＡ処理に伴う熱応力に起因したスリップ転位が発生することなく、ウェーハ反りが起こらないことがわかる。もっとも、ＦＬＡの場合の方がＬＳＡやＬＴＰの場合よりもウェーハに付与される熱応力が高く、スリップ転位の発生に敏感といえるので、ミリ秒アニール処理として、ＦＬＡに代えてＬＳＡやＬＴＰを採用しても、同様の結果が得られることが推察される。

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、高い歩留まりで半導体デバイスを製造するのに極めて有用である。

Claims (2)

1. 半導体デバイスの製造プロセスに供されるエピタキシャルシリコンウェーハであって、
   前記半導体デバイス製造プロセスがシリコンウェーハ表層を瞬間的に１２５０℃以上に加熱するミリ秒アニール処理を含み、
   当該エピタキシャルシリコンウェーハは、前記半導体デバイス製造プロセス中で前記ミリ秒アニール処理の前段階の熱プロセスを経た後において、前記熱プロセスによる酸素析出物の析出量が３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｏｌｄ−ＡＳＴＭ）以下であり、９０°光散乱法によって測定される酸素析出物の密度と体積の積が３．０×１０¹¹以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
2. 前記ミリ秒アニール処理としてＦＬＡ（Flash Lamp Annealing）が施されることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。