JP3614071B2

JP3614071B2 - 半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハ

Info

Publication number: JP3614071B2
Application number: JP2000034199A
Authority: JP
Inventors: 孝明塩多; 嘉久野々垣; 嘉信中田
Original assignee: 三菱住友シリコン株式会社
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: JP2001223201A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の成膜技術において膜剥がれの防止及び半導体ウェーハ表面に絶縁膜を形成した際の容量の向上に好適な半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス等のデバイスプロセスにおいて、シリコンウェーハ等の表面に絶縁膜等の膜を形成するために種々の成膜技術が使われているが、成膜される下地の状態によって形成した膜が時々剥がれる現象が見られる。この膜剥がれを防止するために、下地となる半導体ウェーハの表面を粗くして膜の密着性を向上させる方法がある。従来、例えば成膜における下地の表面を粗くする方法として、ウェーハ表面を砥粒で研磨して粗くする表面処理方法がある。
また、デバイスプロセスにおいて、ウェーハ表面に静電容量用の絶縁膜を形成する場合があるが、通常、静電容量は絶縁膜の面積に応じて増大するため、大きな絶縁容量を確保するには絶縁膜の面積を大きくする必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記表面処理方法では、以下のような課題が残されている。すなわち、砥粒でウェーハ表面を研磨する方法では、砥粒の大きさを変えて表面の粗さを制御していたが、砥粒を大きくするとウェーハ内部に至る傷や欠陥等が発生するおそれがあり、このようなダメージを与えずにウェーハ表面を精度良く粗くする方法がなかった。
また、ウェーハ表面に絶縁膜を形成して容量を設ける場合、平坦な表面の一定領域に絶縁膜を形成するだけでは容量の増大に限界があった。トレンチ構造等により面積を拡大して絶縁容量を向上させる方法もあるが、この場合は構造やプロセスが複雑化してしまう。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、傷や欠陥等の発生を伴わず半導体ウェーハ表面を精度良く粗くすること及び表面に容量用絶縁膜を形成した際に容量を容易に向上させることができる半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体ウェーハの熱処理について研究を行ってきた結果、半導体ウェーハ表面に高温状態で窒化膜を形成するとウェーハ表面が粗くなることを見出すことができた。また、この表面粗れの大きさは、窒化膜が形成される温度に応じて変わることがわかった。したがって、本発明は、これらの知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
【０００６】
本発明の半導体ウェーハの表面処理方法は、半導体が露出した少なくとも一部の表面を粗くする半導体ウェーハの表面処理方法であって、前記半導体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、該熱処理工程後に、前記反応室内に窒素ガスを供給して前記還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して前記表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、該窒化膜形成工程後に、前記表面に形成された窒化膜をエッチングにより除去する窒化膜除去工程とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
この半導体ウェーハの表面処理方法では、まず熱処理工程で半導体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理することで、表面の自然酸化膜を除去し、次に窒化膜形成工程で反応室内に窒素ガスを供給して還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して表面に極薄い窒化膜を形成すると、窒化膜によりウェーハ表面が粗くなる。さらに、窒化膜除去工程で表面に形成された窒化膜をエッチングにより除去することで、ウェーハ表面が傷や欠陥等の発生を伴わずに粗くされる。
【０００８】
また、本発明の半導体ウェーハの表面処理方法は、窒化膜形成工程において、所望する前記表面の粗さに応じて前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの温度を設定することが好ましい。
この半導体ウェーハの表面処理方法では、所望する表面の粗さに応じて窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度を設定することにより、置換時の温度調整だけで表面粗さの大きさを精度良く制御することができる。
【０００９】
さらに、本発明の半導体ウェーハの表面処理方法は、前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することが好ましい。この半導体ウェーハの表面処理方法では、窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することにより、この範囲内で形成される窒化膜が不安定な膜質のものを含んでいるため、後の窒化膜除去工程においてＳＣ１洗浄等で容易に窒化膜を除去することができる。
また本発明の半導体ウェーハの表面処理方法において、
前記窒化膜形成工程は、前記置換温度が６５０℃から８５０℃の範囲内で高いほど、安定した膜質であるＳｉ _３Ｎ _４が比較的不安定な膜質であるＳｉＮに比べて高い割合の前記窒化膜を形成して、この窒化膜を除去することにより、ウェーハ表面の粗れを大きくすることができる。
本発明の半導体ウェーハの表面処理方法において、
前記窒化膜形成工程は、前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの温度を８００℃にして、ウェーハ表面粗さをＲｍｓで０．５ｎｍ以上とすることが可能である。
【００１０】
本発明の半導体ウェーハは、半導体が露出した少なくとも一部の表面を粗くした半導体ウェーハであって、上記本発明の半導体ウェーハの製造方法により前記表面が粗く処理されたことを特徴とする。
この半導体ウェーハは、上記本発明の半導体ウェーハの熱処理方法により表面が粗く処理されているので、成膜用の下地に好適な表面状態を有し、成膜技術が施される半導体デバイス等の基板に好適である。また、この粗くなった表面に絶縁膜を形成することにより、平坦面に比べて絶縁膜の面積が増大し、静電容量を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。
図１にあって、符号１はＳｉボート、２は石英反応管、３はヒータ、４は水素供給源、５は窒素供給源、６はエレベータ機構を示している。
【００１２】
図１は、本発明の半導体ウェーハの表面処理方法を実施するためのバッチ式の縦型熱処理炉を示すものである。該熱処理炉は、図１に示すように、シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）Ｗを複数枚載置可能なＳｉボート１と、該Ｓｉボート１を下方から内部に挿入可能な円筒状の石英反応管（反応室）２と、該石英反応管２の周囲を覆うように配置され石英反応管２内のシリコンウェーハＷを加熱するヒータ３と、石英反応管２内に接続されて水素ガスを供給する水素供給源４と、石英反応管２内に接続されて窒素ガスを供給する窒素供給源５と、前記Ｓｉボート１を支持部６ａで支持すると共に上下動させて石英反応管２に挿入及び石英反応管２下方に抜き出すエレベータ機構６とを備えている。
【００１３】
また、ヒータ３内側又は石英反応管２内には、熱電対（図示略）が設置されて温度が計測可能であるとともに、石英反応管２内には、真空ポンプ（図示略）等が接続されて石英反応管２内を真空引きできるようになっている。
さらに、前記水素供給源４及び前記窒素供給源５は、いずれか一方のみが石英反応管２内にガスを供給するように制御される。
なお、汚染を防止するために、ヒータ３と石英反応管２との間に石英反応管２を覆うＳｉＣチューブを設置しても構わない。
【００１４】
この熱処理炉によりシリコンウェーハＷの表面を粗くする処理を行うには、まず、Ｓｉボート１にシリコンウェーハＷを載置し、これをエレベータ機構６により上昇させて石英反応管２内に挿入し配置する。
そして、石英反応管２内を真空ポンプ等により真空引きして空気を吸引排気し、充分に内部の酸素を排出させる。又は、一度、窒素ガスや不活性ガスで置換してもよい。
【００１５】
次に、ヒータ３により所定の温度（７００℃以上が好ましい）まで石英反応管２内を加熱するとともに、水素供給源４から水素ガスを石英反応管２内に供給して水素雰囲気（還元性雰囲気）とし、前記所定温度の状態で表面の自然酸化膜を除去する。
この水素雰囲気熱処理を所定時間だけ行った後、真空ポンプ等で石英反応管２内を真空引きして水素を排気する。
【００１６】
次に、窒素供給源５により石英反応管２内に窒素ガスを供給して内部を窒素雰囲気に置換し、ウェーハＷ表面と窒素とを反応させて窒化膜を極薄く形成する。このときの石英反応管２内の温度は、６５０℃から８５０℃の範囲内で設定されるとともに、所望の表面粗れの大きさに応じて前記範囲内で当該温度が決定される。すなわち、表面の粗れを大きくしたい場合は高い温度に設定し、比較的小さい粗れにしたい場合は低い温度に設定する。なお、シリコンウェーハＷの温度は、ほぼ石英反応管２内の温度と同様である。
この後、ヒータ３による加熱を停止するとともに、石英反応管２内の温度を低下させる。なお、水素雰囲気による熱処理中にヒータ３による加熱を止め、石英反応管２内の温度が上記範囲内の温度にまで下がった時点で、窒素雰囲気に置換しても良い。
【００１７】
石英反応管２内の温度が十分低くなった時点で、エレベータ機構６によりＳｉボート１を下降させて石英反応管２内から抜き出し、そして、十分にウェーハＷの温度が下がった状態でウェーハＷをＳｉボート１から取り出す。
この後、取り出したシリコンウェーハＷをＳＣ１洗浄し、表面に形成した窒化膜を除去することにより、ウェーハＷ表面を精度良く粗くすることができる。
【００１８】
本実施形態により、実際に表面処理を行った取り出し直後のウェーハＷの表面粗れを測定した結果、図２に示すように、窒素雰囲気への置換温度が８００℃の場合は、置換温度が７００℃及び７５０℃の場合に比べて表面粗れが大きくなっていることがわかる。これは、ＳＣ１洗浄後の窒化膜がエッチングされて除去された表面においても、図３に示すように、同様の傾向が確認できた。
【００１９】
このように上記表面処理により表面の粗れが大きくなるのは、ウェーハＷ表面に形成された窒化膜により歪み等が生じるためと考えられる。なお、表面粗れは、パーティクルカウンターによるヘイズのレベル（光による散乱レベル）で観測した。また、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観測した結果、例えば置換温度７００℃、７５０℃及び８００℃の場合、表面粗さはＲｍｓ（平方根平均ラフネス）でそれぞれ約０．２ｎｍ、約０．４ｎｍ及び約０．８ｎｍであった。すなわち、例えば置換温度８００℃にすれば、表面粗さがＲｍｓで０．５ｎｍ以上のウェーハを精度良く作製することができる。なお、処理前のポリッシュドウェーハでは、通常、表面粗さがＲｍｓで０．１ｎｍ以下である。
【００２０】
このように本実施形態では、まずシリコンウェーハＷを水素雰囲気中で熱処理することで表面の自然酸化膜を除去し、次に水素雰囲気を窒素雰囲気に置換して表面に極薄い窒化膜を形成して表面を粗くし、さらに、この窒化膜をエッチングにより除去することで、傷や欠陥等の発生を伴わずに表面を精度良く粗くすることができる。また、上述したように、上記表面粗さの大きさが置換温度（窒化膜の成膜温度）に依存することを利用して、所望する表面の粗さに応じて窒素雰囲気に置換する際のシリコンウェーハＷの温度（石英反応管２内の温度）を予め設定することにより、置換時の温度調整だけで表面粗さの大きさを精度良く制御することができる。
【００２１】
さらに、窒素雰囲気に置換する際のシリコンウェーハＷの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することにより、この温度範囲内で形成される窒化膜が不安定な膜質のものを含んでいるため、後のＳＣ１洗浄により容易に窒化膜を除去することができる。
【００２２】
このように上記温度範囲内で形成された窒化膜が、ＳＣ１洗浄時に容易にエッチング除去されるのは、成膜温度に応じて生じる窒化膜の膜質の違いに基づくものである。
例えば、置換温度７００℃と置換温度８００℃との場合において、取り出し直後のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）によるウェーハＷの表面分析を行ったところ、置換温度８００℃の場合には、図４に示すように、安定した膜質であるＳｉ_３Ｎ_４のピークが増大しているのに対し、置換温度７００℃の場合には、図５に示すように、比較的不安定な膜質であるＳｉＮのピークの割合が高い。
【００２３】
すなわち、置換温度が高いほど安定したＳｉ_３Ｎ_４が形成され、８５０℃を越える置換温度で形成された窒化膜は、ほとんど安定した膜質だけとなるため、ＳＣ１洗浄で除去することが難しい。これに対し、８５０℃以下の置換温度で形成された窒化膜は、不安定な膜質のものが含まれており、ＳＣ１洗浄において容易にエッチングすることができる。なお、置換温度の下限を６５０℃としたのは、これより低温になると窒化膜自体が形成し難くなるためである。
このように、上記の表面処理方法で製造されたシリコンウェーハＷは、精度良く表面が粗くなるので、この表面に絶縁膜等を成膜する場合でも、膜の高い密着性が得られて膜剥がれを防止することができる。また、このシリコンウェーハＷの粗くなった表面に容量用の絶縁膜を形成することにより、平坦面に形成した場合に比べて絶縁膜の面積が大きくでき、静電容量を向上させることが容易となる。
【００２４】
なお、シリコンウェーハＷとしてポリッシュドウェーハの表面全体に表面処理を施して粗くしたが、半導体デバイス等のデバイスプロセス中において一部でも表面にシリコン等の半導体層が露出している場合、その表面を粗くするために本発明を適用しても構わない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の半導体ウェーハの表面処理方法によれば、半導体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理することで、表面の自然酸化膜を除去し、次に反応室内に窒素ガスを供給して還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して表面に窒化膜を形成すると、ウェーハ表面が粗くなり、さらに、窒化膜をエッチングにより除去することで、傷や欠陥等の発生を伴わずに半導体ウェーハ表面を精度良く粗くすることができる。
【００２６】
また、本発明の半導体ウェーハの表面処理方法によれば、所望する表面の粗さに応じて窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度を設定することにより、置換時の温度調整だけで表面粗さの大きさを高精度に制御することができる。
【００２７】
さらに、本発明の半導体ウェーハの表面処理方法によれば、窒素雰囲気に置換する際の半導体ウェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することにより、窒化膜が不安定な膜質のものを含んでいるため、特別な除去工程を設けなくても通常のＳＣ１洗浄で容易に窒化膜を除去することができ、低コストで確実に表面を粗くすることができる。
【００２８】
本発明の半導体ウェーハによれば、上記本発明の半導体ウェーハの表面処理方法により表面が粗く処理されているので、膜剥がれが生じ難く成膜用の下地に好適な表面状態を有し、成膜技術が施される半導体デバイス等のウェーハに好適である。すなわち、このウェーハを用いれば信頼性の高いデバイスを作製することができる。また、表面が粗くされているので、その上に形成される絶縁膜の容量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【図２】本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態における置換温度を変えた場合の取り出し直後における表面粗さ（ヘイズ）を示すグラフである。
【図３】本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態における置換温度を変えた場合のＳＣ１洗浄後における表面粗さ（ヘイズ）を示すグラフである。
【図４】本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態において、置換温度８００℃の場合のＸＰＳによる表面分析を示すＳｉＮとＳｉ_３Ｎ_４とのピーク分離を行ったグラフである。
【図５】本発明に係る半導体ウェーハの表面処理方法及び半導体ウェーハの一実施形態において、置換温度７００℃の場合のＸＰＳによる表面分析を示すＳｉＮとＳｉ_３Ｎ_４とのピーク分離を行ったグラフである。
【符号の説明】
２石英反応管（反応室）
４水素供給源
５窒素供給源
Ｗシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）

Claims

半導体が露出した少なくとも一部の表面を粗くする半導体ウェーハの表面処理方法であって、
前記半導体ウェーハを反応室内の還元性雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、
該熱処理工程後に、前記反応室内に窒素ガスを供給して前記還元性雰囲気を窒素雰囲気に置換して前記表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、
該窒化膜形成工程後に、前記表面に形成された窒化膜をエッチングにより除去する窒化膜除去工程とを備え、
前記窒化膜形成工程は、所望する前記表面の粗さに応じて前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの温度を６５０℃から８５０℃の範囲内で設定することを特徴とする半導体ウェーハの表面処理方法。
請求項１記載の半導体ウェーハの表面処理方法において、
前記窒化膜形成工程は、前記置換温度が６５０℃から８５０℃の範囲内で高いほど、安定した膜質であるＳｉ _３Ｎ _４が比較的不安定な膜質であるＳｉＮに比べて高い割合の前記窒化膜を形成して、この窒化膜を除去することにより、ウェーハ表面の粗れを大きくすることを特徴とする半導体ウェーハの表面処理方法。
請求項２記載の半導体ウェーハの表面処理方法において、
前記窒化膜形成工程は、前記窒素雰囲気に置換する際の前記半導体ウェーハの温度を８００℃にして、ウェーハ表面粗さをＲｍｓで０．５ｎｍ以上とすることを特徴とする半導体ウェーハの表面処理方法。
半導体が露出した少なくとも一部の表面を粗くした半導体ウェーハであって、請求項１から３のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法により前記表面が粗く処理されたことを特徴とする半導体ウェーハ。