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Description
本出願は、2011年1月31日に出願された米国仮特許出願第61/437,993号(参照により本明細書に組み込まれる)の優先権の利益を主張する。
本願の開示の分野は、シリコンオンインシュレータ構造体の製造方法、とりわけ、デバイス層中の減少した金属含有量を有するシリコンオンインシュレータ構造体の製造方法に関する。本願の開示は、また、このような方法によって製造されるシリコンオンインシュレータ構造体にも関する。
シリコンオンインシュレータ構造体(「SOI構造」は本明細書において「SOIウエハ」または「SOI基材」と呼ばれてもよい)は、一般に、ハンドルウエハ、シリコン層(「デバイス層」としても特徴付けられる)、およびハンドルウエハとシリコン層の間の誘電層(例えば、酸化物層)を含む。SOI構造体の頂シリコン層内で作製されるトランジスタは、バルクシリコンウエハ上で作製されるトランジスタと比較して、より速く信号を切り替え、より低い電圧で動き、バックグランドの宇宙線粒子からの信号ノイズにずっと悪影響を受けにくい。それぞれのトランジスタは、二酸化シリコンの完全層によってその隣から隔離されている。これらのトランジスタは、一般に、「ラッチアップ」問題に影響を受けず、バルクシリコンウエハ上で作製されるトランジスタよりも、近接して間隔が置かれ得る。SOI構造体上への回路の作製は、より小型の回路設計を可能にし、ウエハ1つにつきより多くのチップを得ることによって、生産性を向上させる。
汚染は、得られる一体化回路の収率低下をもたらし得るので、半導体ウエハにおける金属汚染は有害である。より小さなデバイス、より速い動作速度およびより低製造コストを伴うデバイスへの傾向の観点から、金属汚染はますます懸念されるようになっている。ウエハ研磨、洗浄、結合強度向上熱処理、エピタキシー、酸化ストリップ、プラズマ活性、ウエット化学エッチング、気相化学エッチング、高温アニール、イオン注入、酸化などを含む多くの加工工程において、金属汚染は半導体ウエハ内に導入され得る。層移動により作製されるSOIウエハは、デバイス層が薄く、3つの表面を洗浄する必要があるので、金属汚染に影響されやすい。より薄いバルクウエハに対してより高い濃度で、薄いデバイス層内に表面汚染が拡散し得る。
減少した金属含有量を有する半導体ウエハ、とりわけ、そのデバイス層中の減少した金属含有量を有するシリコンオンインシュレータ構造体への継続的な要望が存在する。このようなウエハを製造する方法への継続的な要求もまた存在する。
本開示の1つの態様は、シリコンオンインシュレータ(絶縁体上シリコン)構造体の金属含有量の減少方法に関する。シリコンオンインシュレータ構造体は、ハンドルウエハと、前表面を有するシリコンデバイス層と、ハンドルウエハとシリコン層の間の誘電層を含む。誘電層とシリコンデバイス層は、誘電層とシリコンデバイス層の間の界面を形成する。犠牲酸化物層を、シリコンデバイス層の前表面上に形成する。犠牲酸化物層とシリコンデバイス層は、犠牲酸化物層とシリコンデバイス層の間の界面を形成する。金属原子をデバイス層中に均一に分散させるのに充分な時間t1にわたって、デバイス層中に存在する全ての金属析出物を溶解するのに充分な温度T1に、犠牲酸化物層を有するシリコンオンインシュレータ構造体を加熱する。温度T1は、金属原子が犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面を横切って犠牲酸化物層に入る温度未満である。金属原子を、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面とシリコンデバイス層−誘電層界面とに溶解させるように、T1から、金属原子がRの平均冷却速度においてシリコン中で実質的に動かない温度T2に、シリコンオンインシュレータ構造体を冷却する。冷却速度は、冷却中にシリコンデバイス層中で金属析出が実質的に生じないように充分に顕著に高い。犠牲酸化物層と、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面における金属原子の部分を、シリコンオンインシュレータ構造体から除去する。
本開示の更なる態様は、ハンドルウエハ、シリコンデバイス層、ハンドルウエハとシリコンデバイス層の間の誘電層、犠牲酸化物層を有するシリコンオンインシュレータ構造体に関する。シリコンデバイス層は、第1表面において誘電層に結合されており、第2表面において犠牲酸化物層に結合されており、該第2表面は、犠牲酸化物−シリコンデバイス層界面を形成している。デバイス層は、第1種の金属原子を含み、第1種の金属原子の少なくとも約50%が、界面においてデバイス層中に位置している。
本開示の別の態様は、ハンドルウエハと、前表面を有するシリコンデバイス層と、ハンドルウエハとシリコンデバイス層の間の誘電層を有するシリコンオンインシュレータ構造体に関する。誘電層とシリコンデバイス層は、誘電層とシリコンデバイス層の間に界面を形成する。シリコンオンインシュレータ構造体は、シリコンデバイス層の前表面上に犠牲酸化物層を形成し、犠牲酸化物層とシリコンデバイス層の間の界面を形成することにより減少するデバイス層中の金属量を有する。金属原子をデバイス層中に均一に分散させるのに充分な時間t1にわたって、デバイス層中に存在する全ての金属析出物を溶解させるのに充分な温度T1に、犠牲酸化物層を有するシリコンオンインシュレータ構造体を加熱する。温度T1は、金属原子が犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面を横切って犠牲酸化物層に入る温度未満である。金属原子を、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面とシリコンデバイス層−誘電層界面に溶解させるように、T1から、金属原子がRの平均冷却速度においてシリコン中で実質的に動かない温度T2に、シリコンオンインシュレータ構造体を冷却する。冷却速度は、冷却中にシリコンデバイス層中で金属析出が実質的に生じないように充分に顕著に高い。犠牲酸化物層と、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面における金属原子の部分を、シリコンオンインシュレータ構造体から除去する。シリコンデバイス層は、デバイス層中の金属量が減少した後に、第1種の金属を、温度T1におけるシリコン中の金属溶解限界以下において含む。
本開示の上述した態様に関して記載される特徴の様々な改良が存在する。更なる特徴が、同様に、本開示の上述した態様に組み込まれてもよい。これらの改良と付加的な特徴が、独立してまたは任意の組み合わせで存在してよい。例えば、本開示の任意の例示的な実施形態に対して以下に示される様々な特徴が、本開示の上述した任意の態様に、単独でまたは任意の組み合わせで、組み込まれてよい。
対応する参照符号は、図面全体にわたって対応する部分を示す。
本開示によれば、第1工程S1におけるシリコンオンインシュレータ構造体表面上に犠牲酸化物層を形成することによって、シリコンオンインシュレータ構造体のデバイス層における金属含有量が減少され得る。
図6に概略的に示すように、工程S2において、特定の金属汚染(例えば、ニッケル析出物)が充分な時間をかけて溶解して金属原子がデバイス層中に均一に分散する温度に、構造体を加熱する。
工程S3において、金属原子が、犠牲酸化物層とデバイス層の間の界面においてマイグレートするようにおよび「ピン止め(pinned)」されるように、SOI構造体の冷却速度が制御される。
工程S4において、デバイス層中の汚染濃度を減少するように、犠牲酸化物層と、界面における金属原子を、エッチングすることによって除去する。
方法が、デバイス層中の金属濃度を更に減少するように、1以上の付加的なサイクルで繰り返され得る。
多層構造体、とりわけ、シリコンオンインシュレータ構造体、およびシリコンオンインシュレータ構造体の製造方法は、当業者により一般に既知である(例えば、米国特許第5,189,500号、5,436,175号および6,790,747号を参照されたい。それぞれは、全ての関連するおよび一貫性のある目的のために、参照により本明細書に組み込まれる)。
多層構造体を製造する例示的な処理において、2つの分離構造体を、準備し、結合界面に沿って一体に結合し、次いで分離平面に沿って離層(即ち、劈開)し、該分離平面は、結合界面とは異なり、注入技術によって形成されてよい。
一方の構造体は、一般に「ハンドル」ウエハ(または構造体)と呼ばれ、他方は、「ドナー」ウエハ(または構造体)と一般に呼ばれる。
ドナーとハンドルを一体結合する前に、ドナーウエハ、ハンドルウエハまたは両方の表面上に、誘電層を堆積してよい。これに関して、SOI構造体とその製造方法は、ドナーウエハ上に堆積または成長する誘電層を有するものとして、および誘電層の表面に結合されるハンドルウエハの表面を有するものとして、記載される。しかしながら、誘電層をドナーウエハ上に成長または堆積することに代えてまたは加えて、誘電層をハンドルウエハ上に成長または堆積してよく、およびこれらの構造体を、限定せずに任意の様々なアレンジメントで結合できることを理解すべきである。ハンドルウエハ上に設置される誘電層への本明細書における言及は、制限する意味で考慮すべきではない。
一般に、少なくともドナーウエハ、より一般に、ドナーウエハとハンドルウエハの両方が、単結晶シリコンウエハから成るが、しかしながら、本開示から逸脱せずに、他の出発構造体、例えば、多層および/またはヘテロ層の構造体を用いてよいことに留意すべきである。
ハンドルウエハは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、シリコンゲルマニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、亜リン酸、石英、サファイアおよびそれらの組み合わせのような多層構造体を製造する技術において一般的な任意の材料から得られる。同様に、ドナーウエハは、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、シリコンゲルマニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、亜リン酸、石英、サファイアおよびそれらの組み合わせを含んでよい。しかしながら、一般的に、本開示の方法にしたがって用いられるハンドルウエハおよびドナーウエハは、単結晶シリコンウエハであり、概して、従来のチョクラルスキー結晶成長法にしたがって成長した単結晶インゴットからスライスされた単結晶シリコンウエハである。そして、以下の記載は、説明のために特定種の多層構造体、即ち、SOI構造体について頻繁に言及する。これに関して、本開示にしたがって用いられるハンドルウエハおよび/またはドナーウエハは、例えば、200mm、300mm以上または更に450mmの直径ウエハを含む、当業者によって用いるのに適した任意の直径であってよいことに留意すべきである。
図1を参照すると、誘電層15(例えば、酸化シリコンおよび/または窒化シリコン層)が、ドナーウエハ12の研磨された前表面上に堆積されている。誘電層15は、例えば、熱的酸化、湿潤酸化、化学蒸着法、熱的窒化またはそれらの技術の組み合わせなどの任意の従来技術にしたがって適用されてよい。一般的に言うと、誘電層15は、仕上構造体に所望の絶縁特性を与えるのに充分な実質的に均一な厚さに成長する。しかしながら、一般に、誘電層は、少なくとも約1nmの厚さ、および約10,000nm未満、約5,000nm未満、約1,000nm未満、約500nm、約150nm未満、約100nm未満または更に約50nm未満の厚さを有する。誘電層15は、SOI構造体に用いるのに適した任意の電気絶縁材料、例えば、SiO2、Si3N4、酸化アルミニウム、または酸化マグネシウムを含む材料などであってよい。いくつかの実施形態では、誘電層15はSiO2(即ち、誘電層は、存在する不純物を有してSiO2から本質的に成る)。しかしながら、いくつかの例において、代替的に、純粋なSiO2の融点よりも高い(即ち、約1700℃よりも高い)融点を有する誘電層のための材料を用いるのに好まれてよいことに留意すべきである。このような材料の例は、窒化シリコン(Si3N4)、酸化アルミニウム、および酸化マグネシウムである。
イオン(例えば、水素原子、ヘリウム原子、または水素原子とヘリウム原子の組み合わせ)が、離層平面17を規定するように、ドナーウエハの前表面下の実質的に均一な特定深さで注入される。イオンの組み合わせを注入する場合に、同時にまたは連続して注入してよいことに留意すべきである。イオン注入は、技術的に既知である手段を用いて達成してよい。例えば、この注入は、米国特許第6,790,747号で開示されている方法に類似した様式で達成され得る。注入パラメーターは、例えば、約20〜約125keVの合計エネルギーにおいて約1×1015〜約5×1016イオン/cm2の合計用量に対するイオン注入を含んでよい(例えば、H2 +は、20keVのエネルギーおよび2.4×1016イオン/cm2の用量で注入してよい)。したがって、イオンの組み合わせを用いる場合に、用量は、イオンの組み合わせの間で調整されてよい(例えば、He+は、36keVのエネルギーおよび1×1016イオン/cm2の用量において注入され、次いで、H2 +は、48keVのエネルギーおよび5×1015イオン/cm2の用量において注入されてよい)。
注入を誘電層の堆積前に行う場合に、ドナーウエハ上への誘電層の次の成長または堆積は、ドナー層中の平面17に沿った早期の分離または離層を防ぐのに充分に低い温度で適切に行う(即ち、ウエハ結合方法の工程前に)。分離または離層温度は、注入される種、注入される用量および注入される材料の複合関数である。しかしながら、一般に、早期の分離または離層は、約500℃より低い堆積または成長温度を維持することによって回避され得る。
次いで、図2を参照して、誘電層15の前表面は、ハンドルウエハ10の前表面に結合され、親水性結合方法によって結合ウエハ20を形成する。誘電層15とハンドルウエハ10は、例えば、酸素または窒素を含むプラズマにウエハ表面を暴露することによって一体結合されてよい。プラズマに対する暴露は、しばしば表面活性化と呼ばれる方法において表面の構造体を改良する。次いで、ウエハを一体に押して、結合界面18における結合をその間に形成する。
結合前に、誘電層とハンドルウエハの表面は、従来技術を用いて結合するためのそれらの表面を製造するように、洗浄および/または簡易エッチング、平坦化、またはプラズマ活性化を適宜経てよい。特定の理論に縛られずに、SOI構造体のシリコン表面の質は、部分的に、結合前の表面の質の関数であることが概して考えられる。加えて、結合前の両表面の質は、得られる結合界面の質または強度に対して直接的な影響を及ぼす。
従って、いくつかの例では、誘電層および/またはハンドルウエハを、結合前に、例えば、低い表面粗さ(例えば、約0.5nmの二乗平均平方根(RMS)未満の粗さ)を得るように、1以上の下記方法に付してよい:(i)例えば、CMPによる平坦化および/または(ii)例えば、静水圧表面製造方法のような湿式化学洗浄法などによる洗浄(例えば、RCA SC−1 洗浄処理であり、水酸化アンモニウム、過酸化水素、および水を、例えば、1:2:50の比率で有する溶液と、表面を約65℃約20分間で接触させ、次いで、脱イオン水すすぎおよび乾燥を行う)。得られる結合強度を向上するように、追加的に、湿潤洗浄処理後にまたはその代わりにプラズマ活性化に、1つまたは両方の表面を適宜付してよい。プラズマ環境は、例えば、酸素、アンモニア、アルゴン、窒素、ジボランまたはホスフィンを含んでよい。
一般的に言うと、結合界面の形成を達成するように用いるエネルギーが、結合界面の一体性(又は統合性、完全性)を次の処理(即ち、ドナーウエハ中における離層または分離平面17に沿って分離することによる層移動)の間に持続するのを確実にするのに充分に顕著であるときに、ウエハ結合を、本質的に従来技術を用いて達成してよい。しかしながら、一般に、ウエハ結合は、減少した圧力(例えば、約50mトール)および室温で誘電層の表面とハンドルウエハを接触させ、次いで、高温(例えば、少なくとも約200℃、少なくとも約300℃、少なくとも約400℃、または更に少なくとも約500℃)で充分な時間(例えば、少なくとも約10秒、少なくとも約1分、少なくとも約15分、少なくとも約1時間または更に少なくとも約3時間)加熱することにより達成される。例えば、加熱は、約350℃で約1時間にわたって行ってよい。得られる界面は、約500mJ/m2よりも大きい、1000mJ/m2よりも大きい、1500mJ/m2よりも大きい、または更に2000mJ/m2より大きい結合強度を有してよい。高温は、ドナーウエハとハンドルウエハの隣接表面間における共有結合の形成をもたらし、したがって、ドナーウエハとハンドルウエハの間の結合を強固にする。結合ウエハを加熱またはアニールすると同時に、ドナーウエハに更に早くに注入されるイオンは離層平面を弱める。次いで、ドナーウエハの部分は、SOI構造体を形成するように、結合ウエハから離層平面に沿って分離(即ち、離層)される。
結合界面を形成した後に、得られる結合構造体を、ドナーウエハ内の分離または離層平面に沿って破断を生じさせる(図3)のに充分な条件に付す。一般的に言うと、この破断は、例えば、熱的および/または機械的に生じさせる離層技術などの従来技術を用いて達成されてよい。しかしながら、一般に、少なくとも約200℃、少なくとも約300℃、少なくとも約400℃、少なくとも約500℃、少なくとも約600℃、少なくとも約700℃または更に少なくとも約800℃の温度で(温度は、例えば、約200℃〜約800℃または約250℃〜約650℃の範囲である)、少なくとも約10秒、少なくとも約1分、少なくとも約15分、少なくとも約1時間または更に少なくとも約3時間(更に短いアニール時間を要する更に高い温度を伴って(逆もまた同様に))にわたって不活性(例えば、アルゴンまたは窒素)雰囲気または周囲条件下で、結合構造体をアニールすることにより、破断が達成される。
これに関して、代替的な実施形態において、機械的力を用いて、単独でまたはアニールに加えて、この分離を生じさせてよいまたは達成してよいことに留意すべきである。例えば、結合ウエハを、固定具に配置して、結合ウエハから分離したドナーウエハの部分を引くように、機械的力を、結合ウエハの向かい合う面に垂直に適用する。いくらかの方法にしたがって、吸着カップを、機械的力を適用するように用いる。離層平面に沿って亀裂の伝播を開始するように、離層平面における結合ウエハの縁に機械的なくさび形を適用することによって、ドナーウエハの部分の分離を開始する。次いで、吸着カップにより適用される機械的力は、結合ウエハからドナーウエハの部分を引き、したがってSOI構造体を形成する。
図3を参照すると、分離して、2つの構造体30、31を形成する。結合構造体20の分離がドナーウエハ12における離層平面17に沿って生じ(図2)るので、ドナーウエハの部分は、両構造体の部分を残す(すなわち、ドナーウエハの部分が誘電層に沿って移動する)。構造体30は、ドナーウエハの部分を含む。構造体31は、シリコンオンインシュレータ構造体であり、ハンドルウエハ16、誘電層15およびシリコン層25を含む。
得られるSOI構造体31は、誘電層15の頂に設置されるシリコン層の薄層25(離層後に残るドナーウエハ部分)とハンドル層10を含む。シリコンデバイス層25は、一般に、約200nm未満の厚さであり、更なる小型化への傾向は、約100nm未満、約75nm未満、約50nm未満または更に約10nm未満(例えば、約1nm〜約200nm、約50nm〜約200nmまたは約1nm〜約10nm)のデバイス層厚さを有する構造体の発展をもたらした。
SOI構造体の離層表面(即ち、ドナーウエハのシリコンの薄層)は、付加的な加工によって平滑化され得る荒い表面を有する。構造体31を、デバイス製造のための所望特徴を有するシリコン層表面を形成するように付加的な加工に付してよい。例えば、このような特徴は、低下した表面粗さ、および/またはライトポイントディフェクト(またはLPD)の減少した濃度を含む。シリコンの表面層(即ち、離層表面)を平滑化および薄化するように、離層表面上におけるアニール、化学機械的研磨、高温気体状エッチング(即ち、エピタキシャル−平滑化(エピ−平滑化))の組み合わせ、または犠牲酸化物層の形成を用いてよい。数時間にわたってSOIウエハを高温(約1000℃〜約1200℃)に付すプレエピタキシャル平滑化アニール(PESA)処理を用いてよい。高温は、シリコンの結晶構造がそこに存在する転位を再配向するのを可能にすることによって、SOIウエハの離層表面を修復する。あるいは、付加的な加工操作(例えば、PESAおよび/またはエピ−平滑化)のいずれかを、以下に記載される金属減少方法後に行ってよい。
上記のように、様々な表面の結合を補助するように、SOI構造体31の様々な表面を、SOI構造体の製造中にしばしば離層および/または研磨する。例えば、ハンドルウエハ10の頂表面および誘電層15の頂表面を、結合前に洗浄し、シリコン層25の表面を、離層後に研磨および洗浄する。これらの洗浄操作のそれぞれは、金属汚染をウエハに導入する。金属濃度、とりわけ、構造体(即ち、全体としての構造体中の濃度または「バルク」濃度)中の主要な金属汚染であるニッケル濃度は、少なくとも約1×1010atoms/cm3であってよく、いくらかの用途では、少なくとも約1×1011atoms/cm3または少なくとも約1×1012atoms/cm3であってよい。シリコンデバイス層25中の局所的な濃度は、バルク濃度よりも高くてよく、少なくとも約1×1010atoms/cm3、少なくとも1×1012atoms/cm3または少なくとも約1×1014atoms/cm3(例えば、約1×1010atoms/cm3〜約1×1016atoms/cm3)のデバイス層金属濃度(とりわけニッケル濃度)が典型的である。例えば、銅および/またはコバルトのようなニッケルを除く金属汚染が、存在してよい。これに関して、本開示の方法は、ニッケルを除去するのにとりわけ良く適しており、ニッケルは、銅およびコバルトのような他の金属に対してシリコンデバイス層25内に存在する場合に、更に問題となる。
金属減少方法の第1工程S1において、図4に示すように、犠牲酸化物層40を、シリコンデバイス層25の前表面上に形成する。犠牲酸化物層40は、構造体を周辺空気に暴露して形成する天然の酸化物層であってよい。このような天然の酸化物層は、約5オングストローム〜約15オングストロームの厚さであってよい。例えば、天然の酸化物層は、約10オングストローム、典型的に、約8オングストロームであってよい(即ち、約0.8nm厚さ)。あるいは、犠牲酸化物層40を、酸素含有雰囲気中でウエハを加熱することによって形成してよい。いくらかの実施形態では、少量の酸素を、雰囲気中に加え、SOI構造体を、以下に記載される工程S2において加熱する(即ち、工程S1とS2を、同じ装置(例えば、炉)で行い、および同時に行うことができる)。酸化物層の厚さは、重要ではなく、あらゆる厚さが適切であり得る。これに関して、犠牲酸化物層は、シリコンデバイス層の表面上で連続している必要はないが、しかしながら、犠牲酸化物層領域のいかなる隙間もデバイス層の厚さ未満であることが好ましい。
SOI構造体の金属含有量を減少する本開示の方法は、構造体内のいくつかの界面に対して記載してよい。図4に示すように、犠牲シリコン酸化物層含有構造体は、犠牲酸化物層40とシリコンデバイス層25の間に形成されている第1界面44を有する。第2界面48は、デバイス層25と誘電層15(例えば、シリコン酸化物層)の間に形成されており、第3界面52は、誘電層15とハンドルウエハ10の間に形成されている。
犠牲酸化物層40を形成した後に、金属減少方法の工程S2において、シリコンオンインシュレータ構造体を温度T1に加熱する。T1は、デバイス層中の本質的に全ての金属原子(例えば、あるいはニッケル原子のような特定種の少なくとも本質的に全ての金属原子)を溶解(即ち、デバイス層中の金属凝集体から乖離)させるのに充分に高く選択すべきである。T1は、また、溶解した金属原子が、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面44を横切って犠牲酸化物層40に入る温度を超えるべきでない。T1をこのような温度より低く維持することによって、デバイス層40中の金属原子(例えば、ニッケル)は、それらが犠牲酸化物層−デバイス層界面44に接触するまたはデバイス層−誘電層界面48に接触する場合に「ピン止め」される。デバイス層中の金属の溶解温度より高い温度において、溶解した金属原子が、バルク中で原子のための化学ポテンシャルよりも低い、様々なデバイス層−酸化物界面における化学ポテンシャルを有しており、該化学ポテンシャルが金属原子を別個の界面で「ピン止め」または「トラップ(または捕捉)」させることが見出されている。しかしながら、構造体の温度T1が臨界値を超える場合に、金属原子が様々な酸化物界面を横切ってよい。これは、SOIウエハのバルクから金属が、誘電層を横切ってシリコンデバイス層に入るときに問題になり得る。加えて、酸化物内に拡散した金属は、酸化物内に溶解し得るが表面にマイグレートせず、より低い生産性を伴うより高温でより長時間処理を必要とし得る。更に、金属原子が酸化物表面を横切る温度は、工業的バルクのミクロ欠陥密度プロファイル(例えば、酸素析出または核生成)を変え得る。したがって、T1が、金属がデバイス層25中に完全に溶解する温度よりも約25℃以下で高いことが好ましい。他の実施形態において、T1は、金属がデバイス層25中に完全に溶解する温度よりも約20℃以下で高い、約15℃以下で高い、約10℃以下で高いまたは更に約5℃以下で高い。
上記のように、構造体から除去されるのが望ましい本質的に全ての特定金属が、シリコン層中に溶解するように、T1が選択される。T1は、実験的に求められ得る。例えば、濃度を減少するのが望ましい特定金属のための実験データに基づく溶解度関数は、T1を求めるように用いてよい。シリコンデバイス層中のニッケル金属のため、ニッケルとシリコンの溶解度は、INSPEC, EMIS Data Reviews, No. 4, Properties of Silicon, p. 424 (1988) において以下のように報告されている(低温に対して推定されている)。
式中、[Ni]Siがcm2/秒で表され、Tはケルビンであり、KBはボルツマン定数(8.617 x 10-5 eV/K)である。この関数は、図5に図示される。図5からわかるように、ニッケルは、760°Kより高い温度(約490℃より高い)において完全に溶解するように見える。したがって、ニッケルを除去することが望ましい本開示の実施形態において、T1は、少なくとも約490℃、少なくとも約500℃または少なくとも約510℃であってよい。
式中、[Ni]Siがcm2/秒で表され、Tはケルビンであり、KBはボルツマン定数(8.617 x 10-5 eV/K)である。この関数は、図5に図示される。図5からわかるように、ニッケルは、760°Kより高い温度(約490℃より高い)において完全に溶解するように見える。したがって、ニッケルを除去することが望ましい本開示の実施形態において、T1は、少なくとも約490℃、少なくとも約500℃または少なくとも約510℃であってよい。
金属原子をデバイス層中に実質的に均一に分散させるのに充分な時間t1にわたって、本質的に全ての特定金属を溶解するのに充分な温度T1であるが金属原子が酸化物界面44、48を横切る温度未満で、ウエハを保持すべきである。金属原子を均一に分散させることによって、原子は、冷却中に再結合する可能性が低く、金属析出物を形成する可能性が低い。これに関して、本開示の目的で、金属原子の平均軸方向拡散距離(即ち、金属原子が犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面44またはデバイス層−誘電層界面48に向かって動く平均距離)が、デバイス層厚さの数倍も大きい(例えば、少なくとも約100倍)場合に、金属原子は、シリコン層中に「均一に分散される」。いくらかの実施形態において、金属原子の平均軸方向拡散距離は、シリコンデバイス層厚さの少なくとも約500倍、またはデバイス層厚さの少なくとも約1000倍、少なくとも約2500倍または更に少なくとも約5000倍(例えば、デバイス層厚さの約500倍〜約10,000倍または約2500倍〜10,000倍)である。デバイス層中の金属原子の分散が、また、様々な熱サイクル、析出、および析出を示すエッチングを伴う検出試験を用いることによって観察され得る。
これに関して、金属原子の平均軸方向拡散距離は、実験的に求められた拡散係数の関数から、並びに平均軸方向拡散距離dに対する拡散係数および浸漬時間に関する以下の等式によって、求めることができ、
シリコンデバイス層中のニッケル金属のため、拡散係数Dは、INSPEC, EMIS Data Reviews, No. 4, Properties of Silicon, p. 424 (1988) において以下のように報告されている(低温に対して推定されている)。
式中、D(Ni)Siがcm2/秒で表され、Tはケルビンであり、KBはボルツマン定数(8.617 x 10-5 eV/K)である。シリコンデバイス層中のニッケル原子に適するように、490℃〜約515℃の範囲のアニール温度において、少なくとも約15分のアニール(典型的なデバイス層の厚さの少なくとも4000倍である、約500℃の温度における約0.79mmの平均軸方向拡散距離に一致する)を用いてよく、または更に、約10分以上、約5分以上または更に1分以上の短さのアニールを用いてよい。
シリコンデバイス層中のニッケル金属のため、拡散係数Dは、INSPEC, EMIS Data Reviews, No. 4, Properties of Silicon, p. 424 (1988) において以下のように報告されている(低温に対して推定されている)。
式中、D(Ni)Siがcm2/秒で表され、Tはケルビンであり、KBはボルツマン定数(8.617 x 10-5 eV/K)である。シリコンデバイス層中のニッケル原子に適するように、490℃〜約515℃の範囲のアニール温度において、少なくとも約15分のアニール(典型的なデバイス層の厚さの少なくとも4000倍である、約500℃の温度における約0.79mmの平均軸方向拡散距離に一致する)を用いてよく、または更に、約10分以上、約5分以上または更に1分以上の短さのアニールを用いてよい。
更に、これに関して、本開示の目的で、T1は、SOI構造体を時間t1にわたって維持する単一温度である必要はないことを理解すべきである。そうではなく、金属原子をデバイス層に実質的に均質に分散させるのに充分な時間t1にわたって、本質的に全ての特定金属を溶解させる温度範囲であるが金属原子が酸化物界面44、48を横切る温度未満で、ウエハを維持してよい。
時間t1の後に、工程S3において、平均冷却速度Rで、ウエハをT1から温度T2に冷却し、T2は、金属原子がシリコン中で実質的に動かない温度である。冷却速度Rは、冷却中にシリコンデバイス層中で金属析出を実質的に生じさせないように充分に低い。ウエハを冷却しているときに、デバイス層中の金属原子は、酸化物界面44、48で生じるのが見出されているそれらの最低化学ポテンシャルに向かう。ウエハが、ゆっくりすぎて冷却される場合に、金属は、代わりに、核生成し、組み合わさって析出物を作る。したがって、冷却速度Rは、冷却中にシリコンデバイス層中で金属析出が実質的に生じないように充分に速いように制御される。適切に、シリコンウエハの冷却速度は、少なくとも約0.3℃/分で維持されてよく、または他の実施形態に関して、少なくとも約1℃/秒、少なくとも約5℃/分、少なくとも約30℃/分、少なくとも約60℃/分または少なくとも約100℃/分(例えば、約0.3℃/分〜約5000℃/分、約0.3℃/分〜約1000℃/分または約1℃/分〜約500℃/分)で維持されてよい。
本開示の目的で、金属原子がシリコン中で実質的に動かない温度は、興味のある金属の80%がシリコン中で溶解しないままである温度である。図5からわかるように、ニッケルは、約715°K(約440℃)でシリコン中で実質的に動かない(即ち、T2は約440℃以下である)。他の実施形態において、T2は、約425℃以下、約400℃以下または約300℃以下である。工程S2とS3は、同じ環境で行われ、適切な環境は、シリコンと酸化シリコン原子に対して不活性である気体を含むということに留意すべきである。いくつかの実施形態では、環境は、上記のとおり、工程S1において、SOI構造体の表面上で犠牲酸化物層を成長させる酸素量を含む。
冷却中にシリコンデバイス層中に金属析出が実質的に生じないように冷却速度を制御することに加えて、冷却中に犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面44がシリコンデバイス層−誘電層界面48における温度を超えるようにウエハを横切る温度勾配をもたらすように、冷却速度は充分に高くすべきある。シリコンデバイス層−誘電層界面48における金属が、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面44における金属と比較して長時間にわたって移動するので、この勾配は、より多くの金属原子がシリコンデバイス層−誘電層界面48に対して犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面44においてマイグレートおよびピン止めされるのを可能にする。適切な冷却速度は、上記のように、少なくとも約0.3℃/秒または更に少なくとも約5℃/秒の速度を含む。
本開示の工程S2とS3の間の金属の動きは、図6に概略的に示される。図6は、表面に犠牲酸化物層40を有するSOIウエハ31を概略的に示す。時間の関数としてのウエハの温度プロファイルは、誘電層15中において示される。工程S2の前に、デバイス層25は、多くの金属析出53(例えば、ニッケル析出物)を含む。工程S2中に加熱すると、析出物は溶解し、金属原子は、シリコンデバイス層25全体にわたって均一に分散する。工程S3における冷却中に、金属原子が、好ましくは、誘電層15を有する界面48よりも天然酸化物層40を有する界面44に、より多くの量がマイグレートする酸化物界面44、48におけるそれらの最低化学ポテンシャルにマイグレートする。これに関して、工程S1、S2およびS3は、犠牲酸化物層と、第1種の金属原子(例えば、ニッケル原子)を有するデバイス層を有するSOI構造体をもたらし、少なくとも約50%の第1種の金属原子は、犠牲酸化物層40とデバイス層25の間で形成されている界面44におけるデバイス層に位置している。いくらかの実施形態において、少なくとも約55%、少なくとも約60%または更に少なくとも約70%の第1種の金属原子が界面44におけるデバイス層に位置している。本発明で用いられるように、「界面44に」位置した金属原子は、(i)デバイス層25と犠牲酸化物層40の両方を接触しまたは(ii)界面44から距離を置いてデバイス層25内にあり、その距離は、犠牲酸物層が除去された後に原子が従来の洗浄処理に利用しやすい(即ち、このような処理によって除去され得る)ように充分小さいということに留意すべきである。
犠牲酸化物層40、および界面44における金属原子は、金属減少法の工程S4において除去される。犠牲酸化物層40と金属原子は、SOI構造体をエッチング溶液と接触させることによって除去され得る。SC1(NH4OHとH2O2混合物)およびHF洗浄浴槽を含む、半導体洗浄について当業者に既知の任意の適切なエッチング溶液が、用いられてよい。一般に、溶液は、当業者によって求められ得るような、犠牲酸化物層を除去するのに適した条件下で、適用される。SOI構造体の表面は、腐食浴槽中にSOI構造体を浸漬させる(または少なくとも部分的に浸漬させる)ことによって、または表面を腐食気体(例えば、HF腐食気体)と接触することにより表面を選択的に腐食することによって、腐食液と接触し得る。バッチ浸漬(洗浄ベンチ)は、エッチングのために用いられてよく、スピンエッチング技術もまた、本開示の範囲から逸脱せずに用いられてよい。
いくらかの特定の実施形態において、溶液は、H2O2の量を適宜含んでよいHF水溶液である。溶液中のHF濃度(重量で)は、約50重量%未満でよく、他の実施形態において、約25%未満、約10%未満、約5%未満または約2%未満(例えば、約0.5%〜約50%または約0.5%〜約10%)である。HF溶液は、例えば、錯形成リガンド(または錯体形成配位子)または界面活性剤のような1以上の他の成分を含んでよいが;しかしながら、所定の実施形態では、腐食液は、水とHFを本質的に含む。腐食液は、構造体の表面と接触する気体であってもよい。適切な気体は、例えば、水素、アルゴンまたは窒素のようなキャリアガス中で薄められてよいHFガスを含む。
腐食液がシリコン層と接触する時間は、腐食液の腐食性、その濃度、およびデバイス層−犠牲酸化物界面でトラップ(捕捉)されている金属原子が暴露および除去される前に除去される必要がある酸化物の厚さにしたがって変化してよい。約1nmより少ない酸化物厚さのために、従来から用いられているSC1またはHF浴槽に関して一般的な時間スケール(18分より少ない、典型的に、5分よりも少ない)を用いてよい。本開示の分野で従来続けられているように、一般に、SC1処理の後に、すすぎ洗いおよび酸処理(即ち、SC2洗浄)を行って、SC1洗浄により表面に堆積されていた金属を除去する。処理条件は、当業者に良く知られており、表面酸化物、および直下にピン止めされている金属原子を除去する化学浴槽および処理時間の任意の数の組み合わせは、本開示の範囲から逸脱せずに用いられてよい。
本開示の工程S4は、界面44における金属原子の除去をもたらし、シリコンデバイス層の合計金属含有量を減少させる。例えば、デバイス層の合計金属含有量は、温度T1においてシリコン中の興味のある金属の溶解限界に、または更にこの溶解限界より低くに減少され得る。
シリコンデバイス層中の金属含有量を更に減少するように、工程S1、S2、S3およびS4は、1以上の付加的なサイクル、例えば、約2以上のサイクル、約3以上のサイクルまたは更に約5以上のサイクルで繰り返されてよい。
実施例1: プレエピタキシャル層平滑化アニール(PESA)したが気体エッチングにより平滑化(エピ−平滑化)しなかったSOIウエハにおける金属関係欠陥の減少
Seccoワンドヘイズ(すなわち、小さいニッケル析出物によりもたらされる非常に散乱した可視光)を伴っており表面に天然の酸化物層を有する8つのSOIウエハを試験した。SOIウエハを結合し、離層しおよび1125℃でアニールしたが(即ち、プレエピタキシャル層平滑化アニール(PESA))、高温気体エッチング(即ち、エピタキシャル−平滑化(エピ−平滑化))に付さなかった。4つのウエハを、制御として用い、4つの残りのウエハを、適切な酸化物(<3オングストローム)を成長するのに不充分な少量の酸素を伴って15分間にわたって、垂直炉(A412、ASM(オランダ))で500℃に加熱した。ウエハに関する温度プロファイルが図7に示され、炉の様々なパドル領域に関する温度が示される。傾斜低下冷却速度は、約1.8℃/分であった。
Seccoワンドヘイズ(すなわち、小さいニッケル析出物によりもたらされる非常に散乱した可視光)を伴っており表面に天然の酸化物層を有する8つのSOIウエハを試験した。SOIウエハを結合し、離層しおよび1125℃でアニールしたが(即ち、プレエピタキシャル層平滑化アニール(PESA))、高温気体エッチング(即ち、エピタキシャル−平滑化(エピ−平滑化))に付さなかった。4つのウエハを、制御として用い、4つの残りのウエハを、適切な酸化物(<3オングストローム)を成長するのに不充分な少量の酸素を伴って15分間にわたって、垂直炉(A412、ASM(オランダ))で500℃に加熱した。ウエハに関する温度プロファイルが図7に示され、炉の様々なパドル領域に関する温度が示される。傾斜低下冷却速度は、約1.8℃/分であった。
500℃でアニールした2つのウエハは、8分間のHF溶液の使用によりエッチングし、他の2つは、8分間にわたってHF/H2O2溶液の使用によってエッチングした。HFの濃度は、約0.5重量%であり、使用時に、H2O2の濃度は約2.5重量%であった。全てのウエハは、2工程エッチング処理においてエピ−平滑化(E3000のEPI反応器、ASM(オランダ))され、該処理ではウエハは、ウエハを水素雰囲気中で0.7体積%のHClと接触させながら設定時間にわたって1100℃に加熱し、次いで1000℃に冷却した。欠陥は、装飾的エッチングを用いて金属析出物を目立たせることにより測定した。装飾的エッチングは、任意の領域における埋め込まれた酸化物層をアンダーカットするように、任意の金属析出物をエッチングし、次いで、HFエッチングを行う標準Seccoエッチング(SeccoエッチングがBOX層への通路を形成した)を含んだ。得られる孔を、コダック(Kodak)輝線によって検出した。欠陥は、2つの異なる四分円(以下の試験「a」と「b」)においてそれぞれのウエハに対して測定した。
試験結果は、以下の表1に示される。輝線評価の結果が、「欠陥が存在するか?」列で示される。タイトル「拡張」が付された列は、ウエハの縁から中心に向かって延在しているワンドヘイズの距離を示す。面積におけるウエハの観察視野において、ワンドヘイズが存在し、欠陥を数えるように選択した。ランダムな観察視野は、欠陥が観察されないウエハのために選択した。顕微鏡対物レンズを、欠陥が適切に数えられるように選択した。1つの観察視野のみを、四分円につき用いた。それぞれの観察視野に対して測定された欠陥の合計数は、「欠陥総数」列に示され、1cm2当たりの欠陥数が「欠陥密度」で示される。
全ての欠陥は、その挙動に起因してニッケル、および加工レシピに用いる熱的レシピに帰すると考えられる。表1からわかるように、500℃の熱処理では、欠陥が検出されなかった。
実施例2:エンドオブラインSOIウエハにおける金属関係欠陥の減少
実施例2:エンドオブラインSOIウエハにおける金属関係欠陥の減少
Seccoワンドヘイズを有した4つのエンドオブラインSOIウエハ(即ち、実施例1のように処理し、次いで、仕上洗浄によって処理し、適用可能な検査(粒子、平坦性および層厚さの検査)に付す)を、実施例1の処理にしたがって(1.8℃/分の傾斜低下を伴って15分間にわたって500℃に)加熱した。これらのウエハは、事前に天然の酸化物層が除去されていたので、犠牲酸化物層は、加熱中に存在する酸素の分圧の結果としてアニール中に形成した。それぞれのウエハは、ロットにおける1つのウエハがSeccoワンドヘイズを含む程度に依存して4つの欠陥カテゴリーの1つに分類される多数のウエハから選択した。それぞれのロットからの第2ウエハを、制御として用いた(4つの制御ウエハ)。500℃の熱処理後に、熱処理ウエハを、制御ウエハと組み合わして、全てのウエハを、HF洗浄、仕上洗浄(SC1とSC2洗浄)および粒子検査ツール(SP207, KLA-Tencor (カリフォルニア州、ミルピタス))における最終検査に付した。全ての8つのウエハを、表2に示される結果を有する実施例1に記載の方法にしたがってSecco試験に付した。ロット3において試験したウエハは、ウエハ縁の近くで2つの「熱スポット」を有した。
表2からわかるように、500℃の熱処理では、欠陥が検出されなかった。
実施例3:500℃の熱処理前後の欠陥密度の比較
実施例3:500℃の熱処理前後の欠陥密度の比較
酸化物を事前に除去したウエハの16個の異なるロットからの16個のウエハを、プレエピタキシャル層平滑化アニールに付したが、しかしエピ−平滑化に付さなかった。ウエハを、実施例1の500℃熱処理に付し、酸化物を除去し、エピ−平滑化および他のエンドオブライン処理に付した(例えば、仕上洗浄し、および適用可能な検査に付した)。次いで、ウエハを、欠陥について分析した。同じロットにおける複数のウエハは、比較目的のために500℃熱処理前の欠陥について分析した(プレ−エピ平滑化)。
表3からわかるように、500℃熱処理は、ニッケル関係欠陥の顕著な減少をもたらした。
実施例4:多重サイクル金属減少法の分析
実施例4:多重サイクル金属減少法の分析
4つのSOIウエハは、実施例1にあるように、4つのロットから選択し、500℃15分間の熱処理に付し、犠牲酸化物層の除去を行った。次いで、熱処理および酸化物除去を第2サイクルにおいて繰り返した。欠陥密度は、第1熱処理前、第1熱処理後および第2熱処理後に求めた。欠陥密度は、以下の表4で示される。
表4からわかるように、第2の外方拡散は、複数のウエハについて欠陥の更なる減少をもたらした。
本開示の要素またはその好ましい実施形態を導入するとき、冠詞「a」、「an」、「the」および「said」は、1以上の要素であることを意味することが意図される。用語「comprising」、「including」および「having」は、包含的であることが意図され、記載した要素以外の付加的な要素であってよいことを意味する。
様々な変化が、本開示の範囲から逸脱せずに上記の装置および方法においてなされるので、上記の明細書に含まれ及び添付図面に示される全ての事柄が説明するためであり、制限する意味ではないことが意図される。
Claims (17)
- シリコンオンインシュレータ構造体の金属含有量の減少方法であって、
該シリコンオンインシュレータ構造体が、ハンドルウエハと、前表面を有するシリコンデバイス層と、ハンドルウエハとシリコンデバイス層との間に設けられた誘電層と、を有し、誘電層とシリコンデバイス層が、誘電層とシリコンデバイス層の間に界面を形成しており、
前記方法が、
シリコンデバイス層の前表面上に犠牲酸化物層を形成し、犠牲酸化物層とシリコンデバイス層が、犠牲酸化物層とシリコンデバイス層の間に界面を形成し;
金属原子をデバイス層中に均一に分散させるのに充分な時間t1にわたって、デバイス層中に存在する全ての金属析出物を溶解させるのに充分な温度T1に、犠牲酸化物層を有するシリコンオンインシュレータ構造体を加熱し、ここで、温度T1が、金属原子が犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面を横切って犠牲酸化物層に入る温度未満であり;
金属原子を犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面とシリコンデバイス層−誘電層界面とに溶解させるように、T1から、金属原子が平均冷却速度Rにおいてシリコン中で実質的に動かない温度T2に、シリコンオンインシュレータ構造体を冷却し、冷却中に金属析出がシリコンデバイス層内で実質的に生じないように冷却速度が充分に高く;および
犠牲酸化物層と、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面における金属原子の部分をシリコンオンインシュレータ構造体から除去すること、
を有する、シリコンオンインシュレータ構造体の金属含有量の減少方法。 - 金属原子の平均横方向拡散距離がデバイス層の厚さを越えるのに充分な時間にわたって、シリコンオンインシュレータ構造体を加熱する、請求項1に記載の方法。
- 金属原子の横方向拡散距離が、デバイス層の厚さの少なくとも約100倍を越え得るように充分な時間にわたって、シリコンオンインシュレータ構造体を加熱する、請求項2に記載の方法。
- より多くの金属原子が、シリコンデバイス層−誘電層界面よりも犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面に位置するように、冷却中に、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面における温度が、シリコンデバイス層−誘電層の界面における温度を越える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 金属を、ニッケル、銅およびコバルトから成る群から選択する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 金属が、ニッケルである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- T1が、少なくとも約490℃である、請求項6に記載の方法。
- T1が、少なくとも、金属がデバイス層に溶解する温度であり、金属がデバイス層に完全に溶解する温度よりも約25℃以下で大きい温度である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- シリコンオンインシュレータ構造体を加熱する時間t1が、少なくとも約1分である、請求項6または7に記載の方法。
- 冷却速度Rが、少なくとも約0.3℃/分である、請求項6、7および9のいずれか1項に記載の方法。
- T2が、約440℃である、請求項6、7、9および10のいずれか1項に記載の方法。
- T2が、約440℃以下である、請求項6、7、9および10のいずれか1項に記載の方法。
- シリコンオンインシュレータ構造体中のニッケルの初期濃度が、少なくとも約1×1010 原子/cm 3 である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
- シリコンデバイス層中の金属量を更に減少させるように、犠牲酸化物層形成工程、加熱工程、冷却工程および犠牲酸化物層除去工程を、約2サイクル以上繰り返す、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
- 誘電層が、SiO2から成る、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
- 犠牲酸化物層を除去した後に、シリコンデバイス層が、第1種の金属を、シリコン中の金属の温度T1における溶解限界以下の量において含む、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
- 犠牲酸化物層を有するシリコンオンインシュレータ構造体をエッチング溶液と接触させることによって、犠牲酸化物層と、犠牲酸化物層−シリコンデバイス層界面における金属原子の部分を除去する、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
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