JP3582595B2 - Ｓｉｍｏｘウエ−ハ及びその処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＩＭＯＸウエーハの構造及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶ウエーハ上に構成されるＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の高集積度化、高速化、多機能化の要請が厳しくなるにつれ、各素子間の分離が重要な課題となり、それの解決方法の一つとして、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のウエーハの実用化が進められてきた。
【０００３】
従来のＬＳＩは、厚さ０．５〜０．８ｍｍのウェーハと言われるシリコン単結晶の薄板状ウエーハの表面に、表面からせいぜい十数μｍの深さまでに形成された電気回路素子が集積したものである。極言すればシリコン単結晶薄板の厚さ数％の表面層のみが素子の集積として利用されているに過ぎず、残りの大部分は素子を支える単なる土台なのであり、各素子は土台のシリコン半導体を介して繋がっているといえる。これに対しＳＯＩウエーハは、絶縁体上に必要とする厚さのシリコン単結晶層を設け、そこに素子を形成させるものであり、素子間の完全分離ができ、素子の微細化ないしは高集積度化、ソフトエラー低減などの信頼性向上、消費電力の低減、３次元構造による多機能化、などを図ることが可能になる。
【０００４】
近年、このＳＯＩウエーハを製造する方法として、シリコン単結晶ウェーハの表面から酸素イオンを注入して、特定深さでＳｉと結合させ、熱処理してシリコン酸化物の埋め込み酸化膜層を形成させる方法が、主として開発されている。
【０００５】
このイオン注入による埋め込み酸化膜層の形成方法は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）法と呼ばれる。これは酸素イオンを３０〜２００ｋｅＶに加速してウエーハに打ち込むと、イオンが高速で高いエネルギーを持っている間は、単結晶のシリコン原子とは衝突しても反応せず通過し、ある深さまで侵入してエネルギーを失い遅くなって、初めてシリコン原子と反応し得る酸素原子となる現象を利用するもので、加速電圧を変えることにより酸化物を形成させる深さを制御することができる。この酸化膜層の厚さは、酸素イオンの注入量すなわちドーズ量で制御する。イオン注入後、通常１１００℃〜融点までの温度範囲の高温熱処理でＳｉとＯとを十分に反応させ、ウエーハ内部に埋め込み酸化膜層を形成させるものである。
【０００６】
この方法は、１枚のウェーハで製造でき、均一な深さに絶縁体層として機能する埋め込み酸化膜層を形成させることが可能であり、十分に表面研磨したウエーハを用いれば、後で再研磨する必要がないなどの利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＩＭＯＸウエーハに限らず、ウエーハ表面に半導体素子を製作するデバイス工程にあっては、素子を形成するための種々の熱処理プロセスがウエーハに対して施されることから、デバイス工程におけるウエーハ表面への金属不純物の汚染対策は重要課題であり、特に、ニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）についての汚染対策を講じる必要がある。
【０００８】
通常のシリコンウェーハでは、デバイス工程での汚染を除去するため、ウェーハバルク内に酸素析出物を形成させるＩＧ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）処理、あるいはウェーハ裏面にサンドブラストあるいは多結晶シリコンを堆積させるなどのＥＧ（Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）処理の手法が広く使用され、金属不純物による汚染の問題はある程度解消されつつある。
【０００９】
ところが、従来のＳＩＭＯＸウエーハにあっては、ウエーハ表面部の下層部全面に亘り、埋め込み酸化膜層が形成されることから、ウエーハ表面を汚染する金属不純物を除去するゲッタリング能力が低いという問題がある。ウエーハ表面を汚染する金属不純物のうち、Ｃｕは容易に埋め込み酸化膜層を通過するので特に問題にはならないが、Ｎｉは高温の熱処理においてもほとんど埋め込み酸化膜層を通過しないことが確認されている。
【００１０】
このため、例えば、特許第２９９８３３０号で開示される発明では、ウエーハ内部に部分的に埋め込み酸化膜層が形成されない領域を形成し、素子形成領域となるウエーハ表面部とゲッタリングサイトを有するウエーハ裏面部を単結晶シリコンで繋ぐことにより、ウエーハ表面部に付着した金属不純物を容易にウエーハ裏面部に形成したゲッタリングサイトまで拡散させる方法が提案されている。
【００１１】
確かに、上記の方法によれば、ウエーハ表面部における金属汚染量を低減することができる。しかしながら、この方法では、埋め込み酸化膜層の下層部、すなわちウエーハ裏面側のバルク部分に、強制的にゲッタリングサイトを形成する必要があり、このためＩＧ処理やＥＧ処理をウエーハに対して施さなければならず、非常にコストの係る製造方法であり、近年高まるコスト低減の要求を満足させることができない。
【００１２】
本発明は、上記問題に鑑みなされた発明であり、ウエーハにゲッタリングサイトを強制的に形成することなく、デバイス工程におけるウエーハ表面部のＮｉ汚染を可及的に低減できるＳＩＭＯＸウエーハ及びその処理方法の提供を目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題について鋭意検討した結果、ＩＧ処理やＥＧ処理を施してゲッタリングサイトを強制的にウエーハに形成しなくとも、埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅および埋め込み酸化膜が存在する領域の幅がある基準値を満足するＳＩＭＯＸウエーハでれば、ウエーハ表面部のＮｉ汚染を低減できることを知見し、また、このウエーハを特定の熱処理条件を満足するデバイス工程に採用する場合にあっては、ウエーハ表面部のＮｉ汚染を可及的に低減できることを知見し、本発明を完成させた。
【００１４】
本発明のＳＩＭＯＸウエーハは、ＥＧ処理及びＩＧ処理のいずれも行われておらず、チップに切り出すスクライブライン領域内に埋め込み酸化膜が存在しない領域が形成され、スクライブライン領域外の全てに埋め込み酸化膜が形成され、埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅が２μｍ以上５０μｍ以下であって、かつ埋め込み酸化膜が存在する領域の幅が２０ｍｍ以下に構成されたことを特徴とするものである。また、本発明のＳＩＭＯＸウエーハの処理方法はＮｉの拡散距離（√Ｄｔ：Ｄ＝２×１０^-3ｅｘｐ（−０.４７／ｋＴ）、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｔ：時間（秒））が５.３ｍｍ以上拡散する熱処理プロセスを含むデバイス工程に使用することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明において、埋め込み酸化膜が存在しない領域をチップに切り出すスクライブライン領域内に形成しているのは、スクライブライン領域は半導体素子の形成領域として使用されないからであり、これにより、１枚のＳＩＭＯＸウエーハから切り出されるチップ数（有効面積）を拡大させることができるからである。
【００１６】
本発明において、埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅が２μｍ以上と規定しているのは、２μｍ以上であれば、２０ｍｍ角サイズのチップにおいても十分にＮｉの低減効果があるからであり、実際に埋め込み酸化膜が存在しない領域を形成する場合においても、ウエーハ表面にマスク部材を形成して、酸素のイオン注入により埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅を２μｍよりも小さくすることが技術的に困難である。また、埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅の上限値は、当然のことながらスクライブライン領域の幅（一般的に５０μｍ以下）までとなる。
【００１７】
本発明において、埋め込み酸化膜が存在する領域の幅（デバイス工程で製作されるチップサイズに相当）を２０ｍｍ以下と規定しているのは、２０ｍｍを超えると、その後の熱処理条件をいくら調整したとしてもＮｉの低減効果が極端に低下するからである。
【００１８】
本発明のＳＩＭＯＸウエーハは、Ｎｉの拡散距離（√Ｄｔ：Ｄ＝２×１０^−３ｅｘｐ（−０．４７／ｋＴ）、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｔ：時間（秒））が５．３ｍｍ以上拡散する熱処理プロセスを含むデバイス工程で使用する場合には、強制的にゲッタリングサイトをウエーハに形成しなくとも、十分なＮｉ低減効果を発揮することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明のＳＩＭＯＸウエーハの基本的構成を模式的に示す縦断面図である。図中１はシリコン単結晶ウエーハであり、ウエーハ１の表面には素子形成領域２が形成され、素子形成領域２の直下には埋め込み酸化膜が存在する領域４と埋め込み酸化膜が存在しない領域５が形成されている。破線部で囲まれる領域はスクライブライン領域６であって、デバイス工程におけるチップを切り出すための割断領域である。埋め込み酸化膜が存在しない領域５は、スクライブライン領域６内に位置するように形成され、素子形成領域２は埋め込み酸化膜が存在しない領域５を通じてウエーハバルク領域３と単結晶シリコンで繋がれている。
【００２１】
次に、本実施例のＳＩＭＯＸウエーハを実現するための製造条件について説明する。
【００２２】
まず、８″φのシリコンウェーハの表面上に厚さ１μｍのシリコン酸化膜を形成し、光リソグラフィー技術を用いて、図２に示すような、チップサイズ（埋め込み酸化膜が存在する領域）が５ｍｍ角、１０ｍｍ角、２０ｍｍ角となるマスク開口部７が形成され、それぞれの開口外周部のマスク部の幅８（埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅）が２μｍ、５μｍ、１０μｍ、５０μｍとなる４水準に変化させたマスク部をウエーハ表面上に形成した。
【００２３】
次に、上記したマスク部が形成されたシリコンウエーハを２枚準備し、それぞれのウエーハに対して酸素のイオン注入を加速エネルギー１８０ｋｅＶ、ドーズ量４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で行った後、１３５０℃×４時間の熱処理を施して、素子形成領域および埋め込み酸化膜層を形成させた。このときの素子形成領域の厚みおよび埋め込み酸化膜層の厚みは、それぞれ、３２０ｎｍ、１００ｎｍであった。
【００２４】
上記の工程を経て得られたそれぞれのＳＩＭＯＸウエーハのゲッタリング能力を調査するため、まず、スピンコート法によりウェーハ表面に１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２のＮｉ汚染を行った後、１枚のウエーハは９００℃で１時間の熱処理を行い、他のウエーハは９００℃で４時間の熱処理を行った。なお、９００℃で１時間の熱処理および９００℃で４時間の熱処理におけるＮｉの拡散距離（√Ｄｔ：Ｄ＝２×１０^−３ｅｘｐ（−０．４７／ｋＴ）、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｔ：時間（秒））は、それぞれ約２．７ｍｍ、約５．３ｍｍ程度である。
【００２５】
次に、セコ液（Ｋ_２Ｃｒ_２Ｏ_７＋ＨＦ＋Ｈ_２Ｏ）を用いて、それぞれのウエーハの素子形成領域の厚みが１００ｎｍになるまで化学的エッチングを行い、ウエーハをＨＦ（フッ酸５０％，水５０％の混合液）溶液に約１０分浸漬させるエッチング処理を行った後、ウェーハ表面を光学顕微鏡を用いて欠陥観察を実施した。
【００２６】
このとき、素子形成領域内にＮｉシリサイドが形成されていれば、セコエッチングによりＮｉシリサイドが溶解され、埋め込み酸化膜層に到達する貫通穴が形成されることとなる。その後、ＨＦ溶液によるエッチング処理によって、前記貫通穴を通して、もともとＮｉシリサイドが存在していた箇所の直下に位置する埋め込み酸化膜層が溶解されることとなる。このＨＦ溶液により埋め込み酸化膜層が溶解されてホール化した欠陥はＨＦ欠陥と呼ばれ、その後、ウェーハ表面を光学顕微鏡を用いてこのＨＦ欠陥の観察を行って、ＨＦ欠陥が観察されれば、Ｎｉに対するゲッタリング効果が不十分、ＨＦ欠陥がなければ、ゲッタリング効果は十分であると結論付けすることができる。
【００２７】
その結果、９００℃で１時間の熱処理を行ったＳＩＭＯＸウエーハは、埋め込み酸化膜が存在する領域が５ｍｍ角および１０ｍｍ角サイズの場合にはＨＦ欠陥は観察されなかったことから、小サイズのチップ製作にあっては、その後の熱処理条件によらずＮｉの低減を図ることができる。但し、２０ｍｍ角サイズの場合には埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅に関係なくＨＦ欠陥が観察され、大サイズのチップ製作にあっては、Ｎｉの低減効果が余りないことが判明した。一方、９００℃で４時間の熱処理を行ったＳＩＭＯＸウエーハでは、全ての実施例サイズ条件においてＨＦ欠陥は観察されなかった。ちなみに、埋め込み酸化膜がウエーハ内部に全面に形成された従来のＳＩＭＯＸウエーハについても同様の評価実験を行ったが、ＨＦ欠陥が１０００ヶ／ｃｍ^２程度観察された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のＳＩＭＯＸウエーハは、ウエーハにゲッタリングサイトを強制的に付与することなく作成された低コストウエーハであるにも係わらず、特定の熱処理デバイスに使用する限りにあっては、十分な金属不純物低減効果を発揮するウエーハであり、ＳＩＭＯＸウエーハ上に形成されるデバイスの特性及び製品歩留まりを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＩＭＯＸウエーハの基本的構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】本実施例で形成したマスク部の形状を示す模式図である。
【符号の説明】
１ シリコンウエーハ
２ 素子形成領域
３ バルク領域
４ 埋め込み酸化膜が存在する領域
５ 埋め込み酸化膜が存在しない領域
６ スクライブライン領域
７ マスク開口部
８ マスク部の幅

Claims (2)

1. シリコン単結晶ウエーハ内部に埋め込み酸化膜が形成されたＳＩＭＯＸウエーハにおいて、
   前記ウェーハは、ＥＧ処理及びＩＧ処理のいずれも行われておらず、チップに切り出すスクライブライン領域内に埋め込み酸化膜が存在しない領域が形成され、前記スクライブライン領域外の全てに埋め込み酸化膜が形成され、前記埋め込み酸化膜が存在しない領域の幅が２μｍ以上５０μｍ以下であって、かつ埋め込み酸化膜が存在する領域の幅が２０ｍｍ以下であることを特徴とするＳＩＭＯＸウエーハ。
2. 請求項１記載のＳＩＭＯＸウエーハを、Ｎｉの拡散距離（√Ｄｔ：Ｄ＝２×１０^-3ｅｘｐ（−０.４７／ｋＴ）、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｔ：時間（秒））が５.３ｍｍ以上拡散する熱処理プロセスを含むデバイス工程に使用することを特徴とするＳＩＭＯＸウエーハの処理方法。

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