JP3536618B2 - シリコンウエーハの表面粗さを改善する方法および表面粗さを改善したシリコンウエーハ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンウエーハの
マイクロラフネス、あるいはヘイズといったいわゆる表
面粗さを改善する方法、およびこの方法によって表面粗
さを改善したシリコンウエーハに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のデバイスの高集積化、高精度化に
よりシリコンウエーハへの要求品質はますます高度化し
ており、特にシリコンウエーハ表面の平坦度や表面粗さ
を改善することは、デバイスの電気特性を改善するため
に必要となっている。

【０００３】すなわち、ウエーハ表面における原子レベ
ルの微小な凹凸であるマイクロラフネスが、デバイスの
電気特性に影響を与えていることが分かってきており、
例えば、マイクロラフネスが大きければ酸化膜耐圧（Ｔ
ｉｍｅ Ｚｅｒｏ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋ
ｄｏｗｎ：ＴＺＤＢ）は低下し、更にゲート酸化膜下チ
ャネルではマイクロラフネスが大きくなると電子の散乱
が起こり電子の移動度は小さくなること等が知られてい
る。また、ウエーハ表面における数〜数十ｎｍ程度の周
期性を有するうねりであるヘイズについては、デバイス
の電気特性である信頼性試験、なかでも酸化膜の経時絶
縁破壊特性（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ：ＴＤＤＢ）に影響
を与えることが分かっている。

【０００４】したがって、今後のデバイスの電気特性を
向上させるためには、シリコンウエーハのマイクロラフ
ネスあるいはヘイズ等の表面粗さを改善する必要があ
る。

【０００５】従来、このようなシリコンウエーハのマイ
クロラフネスを改善する方法としては、水素雰囲気中で
高温熱処理を施す方法が知られている（特開平７−２３
５５３４号）。しかし、この方法ではマイクロラフネス
は改善されるものの、ヘイズは逆に悪化する傾向を示
し、全体として表面粗さを完全に解決することはできな
い。

【０００６】また、他のマイクロラフネスを改善する方
法として、シリコンウエーハを酸化処理後、表面に形成
された酸化膜を除去することによって、マイクロラフネ
スが向上することが報告されている（Ｓｙｍｐｏｓｉｕ
ｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅａｔ
ｔｌｅ，ｐ２４−２５，Ｊｕｎ １９９２）。しかし、
この場合もヘイズレベルは改善されないか、むしろ悪く
なることすらある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来マイク
ロラフネスとヘイズレベルのいずれをも同時に改善する
方法については、検討が為されておらず、表面粗さに起
因する電気特性の劣化を完全に解決することが出来なか
った。これは、マイクロラフネスとヘイズとでは、測定
する領域が違い、狭い領域を測定しているのがマイクロ
ラフネスであり、より広い領域を測定しているのがヘイ
ズレベルであることにも起因しているものと思われる。

【０００８】そこで、本発明はこのような問題点に鑑み
なされたもので、本発明の目的とするところは、シリコ
ンウエーハのマイクロラフネスとヘイズレベルを同時に
改善することができる方法、あるいは少なくともヘイズ
レベルを悪化させることなくマイクロラフネスを改善で
きる方法を提供することにある。そして、これによって
シリコンウエーハの表面粗さに起因する、酸化膜耐圧お
よび信頼性試験その他のいずれの電気特性の劣化の問題
も生じないシリコンウエーハを得ようとするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明に記載した発明は、鏡面研磨されたシリコンウエー
ハを、酸化性雰囲気で熱処理を行い、該シリコンウエー
ハ表面に３００ｎｍ以上の熱酸化膜を形成した後、該熱
酸化膜を除去することを特徴とするシリコンウエーハの
表面粗さを改善する方法である。

【００１０】このように、シリコンウエーハを酸化熱処
理し、表面に３００ｎｍ以上の熱酸化膜を形成した後、
これを除去するようにすれば、マイクロラフネスのよう
な微小領域の表面粗さも、ヘイズのようなより広い領域
の表面粗さも両方とも改善することが出来る。

【００１１】また、本発明では、酸化熱処理を１１００
〜１３００℃で行うようにした。このように、比較的高
温で熱処理をすれば、ヘイズレベルがより改善されると
ともに、酸化時間も短くすることができる。

【００１２】また、本発明では、熱酸化膜の除去は、フ
ッ酸を含む水溶液でエッチングすることにより除去する
ようにした。このように、熱酸化膜の除去は、フッ酸を
含む水溶液でエッチングするようにすれば、簡単かつ低
コストで酸化膜を除去することができる。

【００１３】そして、この場合、熱酸化膜の除去は、Ｈ
Ｆ濃度が１０％以下のフッ酸を含む水溶液でエッチング
することにより除去するのが好ましい。これは、ＨＦ濃
度があまりに高いと新たにシリコンウエーハの表面に面
あれが生じることがあるからである。

【００１４】このように、本発明に記載した方法によれ
ば、マイクロラフネスおよびヘイズレベルの両方の表面
粗さをも改善したシリコンウエーハを得ることができ
る。したがって、このようなシリコンウエーハは、微小
領域でもあるいはより広い領域で見ても表面粗さが改善
されているため、酸化膜耐圧のみならず、信頼性試験等
の電気特性も改善されたものとすることができる。

【００１５】以下、本発明につきさらに詳細に説明する
が、説明に先立ち、まず本発明でいうマイクロラフネス
およびヘイズにつきあらためて説明しておく。マイクロ
ラフネスとは、ウエーハ表面における原子レベルの微小
な凹凸であり、主にＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で１ミク
ロン角以下程度の狭い領域を測定することにより得られ
る表面粗さである。また、ヘイズとは、ウエーハ表面に
おける数〜数十ｎｍ程度の周期性を有するうねりであ
り、主にレーザーを用いたパーティクルカウンター（例
えば、ＬＳ−６０００：日立電子エレクトロニクス社製
商品名等）で、ウエーハ全面をレーザーでスキャンし、
その乱反射強度を測定することにより、ウエーハ全面の
ヘイズレベルとして準定量的に評価される表面粗さであ
る。

【００１６】本発明者らは、マイクロラフネスのような
微小領域の表面粗さも、ヘイズのようなより広い領域の
表面粗さも両方とも改善出来る方法を検討した結果、シ
リコンウエーハを酸化処理後、表面に形成された酸化膜
を除去する方法において、マイクロラフネスおよびヘイ
ズレベルの改善状況が、表面に形成した酸化膜厚に影響
されることと、ヘイズレベルはさらに酸化熱処理温度に
よっても影響されることを見出し、本発明を完成させた
ものである。

【００１７】すなわち、本発明者らは、従来のマイクロ
ラフネスを改善する方法であるシリコンウエーハを酸化
処理後、表面に形成された酸化膜を除去する方法におい
て、マイクロラフネスが向上するにもかかわらず、ヘイ
ズレベルが改善されないか、かえって悪くなる原因を究
明すべく、種々の条件で酸化膜を成長させ、その表面粗
さに対する影響を調査してみた。

【００１８】図１は、予めマイクロラフネスを測定して
ある鏡面研磨されたシリコンウエーハを、酸化性雰囲気
で熱処理を行い、シリコンウエーハ表面に約１００〜１
０００ｎｍの熱酸化膜を形成した後、熱酸化膜をフッ酸
で除去し、しかる後にシリコンウエーハの表面粗さ（Ｒ
ＭＳ：自乗平均平方根粗さ）をＡＦＭで測定した結果
を、熱酸化膜厚に対するマイクロラフネス（ＲＭＳ）と
して示したものである。

【００１９】この図から明らかであるように、酸化膜厚
とマイクロラフネスとの間には強い相関があり、酸化膜
厚が厚ければ厚いほどマイクロラフネスが改善されるこ
とがわかる。特に、酸化膜厚を３００ｎｍ以上とする
と、当初約０．１４６ｎｍであったＲＭＳ値が、約０．
１２ｎｍ以下にまで大幅に改善されている。したがっ
て、マイクロラフネスを改善するためには、酸化膜厚を
３００ｎｍ以上とするのが好ましい。

【００２０】このように、マイクロラフネスが酸化膜形
成により改善される理由は、酸化により発生した格子間
シリコンが原子空孔を埋める作用によるものと思われ
る。したがって、酸化膜厚を厚くすればするほど原子空
孔が埋められるため、マイクロラフネスが改善されるも
のと解釈出来る。

【００２１】一方、酸化熱処理温度については、温度が
高いほど改善効果が高い傾向があるものの、明確な相関
が見られる程ではない。

【００２２】図２は、予めヘイズレベルを測定してある
鏡面研磨されたシリコンウエーハを、酸化性雰囲気で熱
処理を行い、シリコンウエーハ表面に約１５〜１０００
ｎｍの熱酸化膜を形成した後、熱酸化膜をフッ酸で除去
し、しかる後にシリコンウエーハのヘイズレベルをパー
ティクルカウンターで測定した結果を、熱酸化膜厚に対
するヘイズレベル（ｂｉｔ）として示したものである。

【００２３】この図から明らかであるように、ヘイズレ
ベルに関しては、どの温度帯で酸化しても、酸化膜厚が
２００ｎｍ付近のところでピークをもつ。言い換えれば
約２００ｎｍの酸化膜を成長させた時、ヘイズレベルは
最も悪化する。そして、酸化膜厚が２００ｎｍ以下の領
域では、酸化膜厚が厚ければ厚いほどヘイズレベルも悪
化し、酸化膜厚が２００ｎｍ以上の領域では、酸化膜厚
が厚くなればなるほど、ヘイズレベルが改善される。特
に、酸化熱処理温度にもよるが、酸化膜厚を３００ｎｍ
以上とすると、改善効果が大きい。したがって、ヘイズ
レベルを改善あるいは少なくとも悪化させないようにす
るためには、酸化膜厚を３００ｎｍ以上とするのが好ま
しい。

【００２４】一方、酸化熱処理温度については、酸化膜
厚が３００ｎｍ以上の場合において、温度が高いほど改
善効果が高い傾向がある。特に、１１００℃以上の温度
で熱処理を行えば、シリコンウエーハの当初のヘイズレ
ベルより改善出来ることがわかる。したがって、酸化熱
処理温度は１１００℃以上で行うのが望ましい。

【００２５】これは、酸化処理時間を短縮し、生産性を
向上させる上でも、高温で熱処理するのが好ましいと言
える。ただし、１３００℃を超える温度で熱処理をする
と、ウエーハの熱処理にともなう汚染が発生する恐れが
大きくなるし、熱処理炉の耐久性の問題が生じるので、
１３００℃までの温度で処理するのが好ましい。

【００２６】なお、このようにヘイズレベルが酸化膜厚
２００ｎｍ付近でピークを持つ理由、および２００ｎｍ
より厚くするとヘイズレベルが改善される理由の詳細
は、いまのところ明らかではないが、明確な再現性が見
受けられ、１１００℃以上で熱処理をし、酸化膜厚を３
００ｎｍ以上とすれば、確実にヘイズレベルを改善する
ことができた。

【００２７】以上より、鏡面研磨されたシリコンウエー
ハのマイクロラフネスとヘイズレベルを同時に改善する
か、少なくともヘイズレベルを悪化させることなくマイ
クロラフネスを改善するためには、シリコンウエーハに
酸化性雰囲気で熱処理を施し、当該シリコンウエーハ表
面に３００ｎｍ以上の熱酸化膜を形成した後、この熱酸
化膜を除去するようにすればよいことがわかる。ただ
し、酸化膜厚は厚くすれば良いのではあるが、２ミクロ
ンも酸化膜を成長すれば十分であり、それ以上の厚さの
酸化膜を形成しようとすると酸化時間がかかり過ぎて、
実用的でない。

【００２８】またこの場合、酸化熱処理を１１００〜１
３００℃で行うようにすれば、ヘイズレベルが当初のシ
リコンウエーハより改善されるとともに、酸化時間も短
くすることができる。

【００２９】酸化性雰囲気としては、特別なガス組成等
を用いる必要はなく、通常のシリコンウエーハの酸化処
理に用いられている雰囲気とすればよい。例えば、純酸
素によるいわゆるドライ酸化、水蒸気を飽和した酸素に
よるウエット酸化あるいはこれらに窒素、アルゴン等の
不活性ガスを混合したもの、さらには高温水蒸気、塩化
水素を混合したもの等、いずれをも用いることが出来
る。

【００３０】また、酸化処理を行う炉についても、通常
用いられているものを使用すれば良く、特に限定される
ものではない。すなわち、シリコンウエーハに酸化性雰
囲気下で熱処理を加えられるものであれば、原則として
どのような熱処理炉も用いることが出来る。

【００３１】また、酸化膜を形成した後に、この熱酸化
膜を除去するには、フッ酸を含む水溶液でエッチングす
ることにより行えばよい。このように、酸化膜の除去
は、フッ酸を含む水溶液でエッチングするようにすれ
ば、酸化膜だけがエッチングにより除去され、酸化熱処
理により表面粗さを改善したシリコンウエーハを得るこ
とが出来る。しかも、このようなシリコンウエーハのフ
ッ酸処理は、簡単であるとともに低コストであるという
有利性もある。

【００３２】この場合、フッ酸を含む水溶液のＨＦ濃度
は、１０％以下、より好ましくは５％以下とするのがよ
い。これは、ＨＦ濃度がこれらの値より高いと新たにシ
リコンウエーハの表面に面あれが生じることがあるから
である。したがって、フッ酸を含む水溶液により、酸化
膜を除去するエッチング後は、直ちに水洗し、ウエーハ
を乾燥する等の処理を施すのが好ましい。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき実
施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定される
ものではない。

【００３４】

【実施例】

（実施例）まず、チョクラルスキー法により製造された
シリコンインゴットを、一般的に行なわれている方法で
スライスして鏡面加工された、直径８インチ、結晶方位
＜１００＞のシリコンウエーハを用意した。

【００３５】これらのシリコンウエーハは、酸化熱処理
を加える前に予め表面のマイクロラフネスおよびヘイズ
レベルを測定しておいた。表面粗さの測定は、マイクロ
ラフネスはＡＦＭ（ＳＰＡ３６０：セイコー電子工業社
製商品名）により、ヘイズレベルはパーティクルカウン
ター（ＬＳ−６０００ 日立電子エンジニアリング社製
商品名）の９００Ｖレンジで測定した。これらの測定方
法は一般的に用いられている方法である。

【００３６】これらの表面粗さを測定したシリコンウエ
ーハに、ウエット酸素雰囲気中、１１００℃で酸化熱処
理を加え、その表面に約６００ｎｍの熱酸化膜を形成し
た。次に、この表面に熱酸化膜を有するシリコンウエー
ハを、ＨＦ濃度５％のフッ酸水溶液に浸漬することによ
って、表面の熱酸化膜を完全に除去した。この場合、エ
ッチング終了後ウエーハを直ちに水洗して乾燥すること
によって、エッチングに伴う新たな面あれ等が発生しな
いようにした。

【００３７】こうして、処理が終了したシリコンウエー
ハの表面粗さを、上記と全く同じ方法によって、再び測
定してみた。その結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から明らかであるように、本発明方法
によって、マイクロラフネスとヘイズレベルのいずれを
も改善することが出来ることがわかる。したがって、本
発明方法によって得られるシリコンウエーハは、その後
のデバイスを作製した場合において、酸化膜耐圧のみな
らず信頼性試験についても改善することができ、表面粗
さに起因するデバイスの電気特性劣化の問題を解決する
ことができる。

【００４０】尚、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。

【００４１】例えば、上記実施例においては、直径８イ
ンチ、結晶方位＜１００＞のシリコンウエーハを用いた
が、本発明はシリコンウエーハの直径、方位、抵抗等の
仕様にかかわらず適用可能であることは言うまでもな
い。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の方法によ
れば、シリコンウエーハのマイクロラフネスおよびヘイ
ズレベルの両方の表面粗さを改善することができる。し
たがって、得られるシリコンウエーハは、微小領域でも
あるいはより広い領域で見ても表面粗さが改善されてい
るため、酸化膜耐圧のみならず、信頼性試験等の電気特
性も改善されたものとすることができる。しかも、簡便
であるとともに、低コストであり、実施にあたって特別
な装置を用いる必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】鏡面研磨されたシリコンウエーハに酸化熱処理
を行い、その後熱酸化膜をフッ酸で除去した後、シリコ
ンウエーハのマイクロラフネスをＡＦＭで測定した結果
を、熱酸化膜厚に対するマイクロラフネスとして示した
図である。

【図２】鏡面研磨されたシリコンウエーハに酸化熱処理
を行い、その後熱酸化膜をフッ酸で除去した後、シリコ
ンウエーハのヘイズレベルをパーティクルカウンターで
測定した結果を、熱酸化膜厚に対するヘイズレベルとし
て示した図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−267935（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−283382（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−17727（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−223498（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/306

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鏡面研磨されたシリコンウエーハを、ウ
   エット酸素雰囲気中で熱処理を１１００〜１３００℃で
   行い、該シリコンウエーハ表面に３００ｎｍ以上の熱酸
   化膜を形成した後、該熱酸化膜を除去することを特徴と
   するシリコンウエーハの表面粗さを改善する方法。
2. 【請求項２】 前記熱酸化膜の除去は、フッ酸を含む水
   溶液でエッチングすることにより除去することを特徴と
   する請求項１に記載したシリコンウエーハの表面粗さを
   改善する方法。
3. 【請求項３】 前記熱酸化膜の除去は、ＨＦ濃度が１０
   ％以下のフッ酸を含む水溶液でエッチングすることによ
   り除去することを特徴とする請求項１に記載したシリコ
   ンウエーハの表面粗さを改善する方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれか１項
   に記載した方法により表面粗さを改善したシリコンウエ
   ーハ。