JP3680476B2

JP3680476B2 - 熱処理評価用ウェーハおよびこれを用いた熱処理評価方法

Info

Publication number: JP3680476B2
Application number: JP03849997A
Authority: JP
Inventors: 年弘吉見; エム・ビ−・シャバニ−
Original assignee: 三菱住友シリコン株式会社
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2017-02-05
Also published as: JPH10223713A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は熱処理評価用ウェーハおよびこれを用いた熱処理評価方法、詳しくは熱処理プロセスに使用される加熱炉の汚染評価を高精度で行える熱処理評価用ウェーハおよびこれを用いた熱処理評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハの表面に存在する不純物は、デバイス特性を劣化させ、デバイスの製造歩留りに大きな影響を与える。このうちでも、金属不純物は、デバイス工程中の例えば酸化、拡散、エピタキシャル成長などの各種熱処理過程において、シリコンウェーハの内部へ容易に拡散して、析出物、転位、酸素誘起積層欠陥（ＯＳＦ：Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌt）などの結晶欠陥を誘起したり、少数キャリアのライフタイムの低下、リーク電流の増大、酸化膜の絶縁破壊電圧の劣化などを引き起こすおそれがある。
これにより、各種の熱処理工程では、通常、本格的に製品を熱処理する前に、使用される加熱炉のプロセス汚染量を試験的に評価し、その後、この評価値に基づいて汚染を改善してから、その熱処理を行っている。また、日常の管理用として評価用ウェーハを製品とともに投入し、評価、管理を行っている。
【０００３】
従来、この熱処理評価方法として、例えば操作が簡便なマイクロ波光導減衰法（μ−ＰＣＤ法：ＭｉｃｒｏｗａｖｅＰｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅＤｅｃａｙ）が知られている。この方法は、対象となるシリコンウェーハの表面にレーザ光を照射して、ウェーハ内部にキャリアを発生させ、このキャリアが金属汚染や結晶欠陥などの再結合中心に捕獲されるまでのライフサイクルをマイクロ波の反射率で測定して評価するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のμ−ＰＣＤ法では、操作が簡便である反面、使用するシリコンウェーハ、汚染金属の種類、プロセスが限定されるなどの問題点がある。これにより、実際のプロセスの直接評価がむずかしかった。
図５のグラフに、μ−ＰＣＤ法による具体的な評価例を示す。これは、比抵抗１０ΩｃｍのＰ型のシリコンウェーハに、Ｆｅ、Ｃｕの金属不純物を１０^９〜１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で汚染させ、その後、これを９００℃のＮ_２ガスの雰囲気中で１時間熱処理してから、μ−ＰＣＤ法により評価したときのグラフである。
【０００５】
このグラフから明らかなように、Ｆｅは評価できるが、Ｃｕは全く評価できなかった。しかも、μ−ＰＣＤ法は、その評価基準が、シリコンウェーハの抵抗率に依存しているため、ドーパントを拡散するプロセスでは使用することができないという問題点もあった。
そこで、本願発明者らは、金属不純物の種類によってシリコンウェーハ中での拡散速度が異なり、しかも各金属不純物の拡散速度は、加熱時の温度の高低に影響されることを知見し、シリコンウェーハの表面に、これらの拡散速度が異なる金属不純物を集中的に捕獲できる層を形成することで、高精度な汚染評価ができることを突き止め、この発明を完成させるに至った。
【０００６】
【発明の目的】
この発明は、高感度で、しかも容易に熱処理プロセスの高精度な汚染評価ができる熱処理評価用ウェーハ、および、これを用いた熱処理評価方法を提供することを、その目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、酸素濃度が１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下で、かつ表面が鏡面加工されたシリコンウェーハと、このシリコンウェーハの少なくとも片面に形成されて、熱処理過程時にこのシリコンウェーハの内部へ拡散する金属不純物を捕獲するゲッタリング層と、このゲッタリング層の表面に形成されたＳｉＯ_２膜層とを備えた熱処理評価用ウェーハである。
【０００８】
ここでいうシリコンウェーハの酸素濃度［Ｏｉ］は、特に１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のものが好ましい。１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えると、溶存していた酸素が析出を起こし、汚染金属はこの析出物にゲッタリングされるために、この発明におけるゲッタリング層へのゲッタリングを抑制する。
また、このシリコンウェーハの比抵抗は、０．０１Ωｃｍ以上、特に１Ωｃｍ以上が好ましい。
ゲッタリング層の厚さは０．５〜３μｍ、特に１〜２μｍが好ましく、０．５μｍ未満では、ゲッタリングできる金属の量が少なく、３μｍを超えると、ウェーハの反りが大きくなり、モニターウェーハとして熱処理できない場合がある。
さらに、ＳｉＯ_２膜層の厚さは５オングストローム〜２μｍ、特に１００〜５０００オングストロームが好ましく、５オングストローム未満では、金属が酸化膜を容易に通過していまい、２μｍを超えると、分析を行う際に多くの時間を要するようになる。
【０００９】
ゲッタリング層としては、例えばポリシリコン膜、リン添加ＳｉＯ_２膜（ＰＳＧ膜）、ボロン添加ＳｉＯ_２膜（ＢＳＧ膜）、リン−ボロン添加ＳｉＯ_２膜（ＢＰＳＧ膜）、高濃度のリンやボロンの塗布、レーザや機械的な手段によるダメージを導入した層など、ゲッタリング能力を有する層であれば、どのような層であってもよい。
なお、これらの事項は、請求項２に関しても同様である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、表面が鏡面加工され、酸素濃度が１．３×１０ ^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３以下で、その少なくとも片面に、熱処理過程時にこのシリコンウェーハの内部へ拡散する金属不純物を捕獲するゲッタリング層が形成され、このゲッタリング層の表面にＳｉＯ _２膜層が形成されたシリコンウェーハを準備する工程と、上記ゲッタリング層および上記ＳｉＯ_２膜層を有するシリコンウェーハを、熱処理評価の対象熱プロセスの加熱炉へ投入して、テスト熱処理する工程と、このテスト熱処理後、上記シリコンウェーハのＳｉＯ_２膜層を溶解して、この溶解液中に含まれるこのＳｉＯ_２膜層内に拡散した金属不純物を分析する工程と、上記ＳｉＯ_２膜層の溶解後、露呈した上記ゲッタリング層を溶解して、この溶解液中に含まれる上記ゲッタリング層内に拡散した金属不純物を分析する工程とを備えた熱処理評価用ウェーハを用いた熱処理評価方法である。
【００１１】
なお、ＳｉＯ_２膜層の溶解法として、例えば高純度ＨＦ溶液（含有量１０％以上）によりＳｉＯ_２膜を溶かす方法が挙げられる。
また、ゲッタリング層が例えばポリシリコン層では高純度ＨＦ／ＨＮＯ_３（各々含有量１０％以上）溶液、ＮａＯＨ、ＫＯＨ溶液などによりゲッタリング層を溶かす。このうちでも、薬品中への不純物量が少ないＨＦ／ＨＮＯ_３が好ましい。
対象となる熱プロセスは、例えば酸化、拡散、エピタキシャル成長などの６００℃以上の熱処理を伴うプロセスである。
金属不純物の対象金属としては、例えばＡｌ、Ｃａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂなどが挙げられる。
【００１２】
ＳｉＯ_２膜の溶解液およびゲッタリング膜の溶解液に含まれる不純物の分析方法としては、例えばＤＥ法（ｏｎｅＤｒｏｐＥｔｃｈｉｎｇ) 、ＤＳＥ法(ｏｎｅＤｒｏｐＳａｎｄｗｉｔｃｈＥｔｃｔｈｉｎｇ）により分析する原子吸光分光法（ＡＡＳ法：ＡｔｏｍｉｃＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、これより高い分析感度の誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ法：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）がある。また、ウェーハ表面分析に限定されるが、シリコンウェーハの表面に小さな入射角でＸ線を入射させて、試料表面上で全反射させることにより、試料表面の原子だけを励起し、この部分の金属不純物を分析する全反射蛍光Ｘ線分析法（ＴＸＲＦ法：ＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＸ−ｒａｙＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ）などが挙げられる。このうち、特にＳｉＯ₂ 、ゲッタリング膜中の不純物分析ができることから、ＡＡＳ法、ＩＣＰ−ＭＳ法が好ましい。
【００１３】
ＡＡＳ法、特に黒鉛炉加熱型ＡＡＳ法（ＧＦ−ＡＡＳ：ＧｒａｐｈｉｔｅＦｕｒｎａｃｅＡＡＳ）は、装置が簡単で操作も容易であることから、広く用いられている。ＧＦ−ＡＡＳ法は、試料溶液を黒鉛電気炉に導入し、その後、比較的低温で溶媒を気化してから、これを２０００〜２８００℃に加熱して金属元素を原子化する。次いで、原子化された金属の定量を、外部光源から照射された各元素固有の光の吸収割合を測定することにより行う。通常、光源としてはホローカソードランプが用いられる。測定元素ごとに光源を変更する必要はあるものの、このＧＦ−ＡＡＳ法は、試料溶液中濃度で〜数十ｐｐｔ（ｐｇ／ｍｌ）の分析感度が得られる。しかも、ウェーハ表面分析法（ＤＥ法：ｏｎｅＤｒｏｐＥｔｃｈｉｎｇ）という、直接的なウェーハ表面の金属不純物の回収を伴う方法と組み合わせれば、ウェーハ表面の重金属について、〜１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の検出限界が得られる。また、吸収測定時に磁場をかけ、Ｚｅｅｍａｎ効果の利用によりバックグランドを補正してＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃｕなどの元素の感度を向上するものもある。
【００１４】
ＩＣＰ−ＭＳ法は、試料溶液をネブライザによってガス化またはエアロゾル化し、これを誘導結合コイルで印加した高周波電力によるアルゴンプラズマ中へ導入する。試料は、大気圧プラズマ中で６０００〜７０００Ｋに加熱され、各元素は原子化、さらには９０％以上の効率でイオン化される。イオンは、スキマー（インターフェイス）を通過した後、イオンレンズ部によりエネルギ収束された後、＜１０−６Pａの高真空状態に維持された質量分析計へ導かれ、質量分析される。
【００１５】
図１は、シリコンウェーハの各加熱温度におけるＦｅおよびＣｕ不純物の捕獲率の違いを示すグラフである。
ここで使用した熱処理評価用ウェーハは、直径６インチ、厚さ６２５μｍ、酸素濃度１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の鏡面のシリコンウェーハの裏面に、厚さ１．５μｍのゲッタリング層であるポリシリコン膜層をＣＶＤ成膜法により形成し、その後、９５０℃の酸化熱処理により、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ_２膜層を表裏面に形成したものである。
【００１６】
この熱処理評価用ウェーハを対象の加熱炉へ投入し、Ｎ_２雰囲気中で加熱温度８００〜１３００℃の範囲にわたって基本的な熱処理実験を行った。このときのポリシリコン膜層とＳｉＯ_２膜層に捕獲されたＦｅとＣｕの捕獲率が加熱温度により異なることを、図１のグラフに示す。図中、ラインａはポリシリコン膜層のＣｕ捕獲率、ラインｂはＳｉＯ_２膜層のＦｅ捕獲率、ラインｃはポリシリコン膜層のＦｅ捕獲率、ラインｄはＦｅの全捕獲率を示す。
【００１７】
このグラフより明らかなように、Ｃｕは比較的拡散速度が速く、温度やＳｉＯ_２膜に関係なくウェーハ中に拡散したほぼ全部のＣｕが、下層のポリシリコン膜層に捕獲される（ラインａ参照）。
また、Ｆｅは比較的拡散速度が遅く、またＳｉＯ_２中に捕獲され易く、８００〜１０００℃の低温加熱では、ＳｉＯ_２膜層に７０〜８０％（ラインｂ参照）、ポリシリコン膜層に１０数％が捕獲される（ラインｃ参照）。これに対して、１０００℃以上、特に１２００〜１３００℃の高温加熱ではＳｉＯ_２膜層に数％（ラインｂ参照）、ポリシリコン膜層１２に５０％前後が捕獲される（ラインｃ参照）。
なお、Ｆｅの全捕獲率は、５０％前後ほどの高温加熱に比べて、９０％前後の低温加熱の方が捕獲率は良い。
【００１８】
具体的に、熱処理評価される対象熱プロセスの加熱炉の熱処理評価を行った。この加熱炉へ熱処理評価用ウェーハを投入し、例えば８００℃の熱処理条件で熱処理した。このときの各層におけるＣｕとＦｅの捕獲率は、図１のグラフより既知である。すなわち、ほぼ全部のＣｕがポリシリコン膜層に捕獲される一方、８０％のＦｅがＳｉＯ_２膜層に捕獲される。
その後、所定の溶解法によりＳｉＯ_２膜層やポリシリコン膜層をＨＦおよびＨＦ／ＨＮＯ_３によりそれぞれ溶解し、各々捕獲されたＣｕやＦｅを、ＧＦ−ＡＡＳ分析法により分析した。得られた各分析値を図１のグラフの捕獲率に基づいて演算することで、ほぼ正確に、ＣｕやＦｅによる熱処理評価用ウェーハの汚染量、引いては対象熱プロセスの加熱炉のＣｕやＦｅによる汚染量が判明する。
【００１９】
この発明の熱処理評価用ウェーハを用いた熱処理評価方法は、ほとんどの熱プロセスに応用でき、例えばドーパントを拡散するプロセスや、エピタキシャル成長、Ｈ_２アニールのような高温プロセスなどにも適用できる。ただし、エピタキシャル成長などのプロセスで、エッチング作用を伴う場合には、プロセス終了後のＳｉＯ_２膜層の厚さが３０オングストローム以上になるように、投入されるウェーハの酸化膜の厚さを調整する必要がある。
【００２０】
【作用】
この発明にあっては、ＳｉＯ_２膜層およびゲッタリング層が形成されたシリコンウェーハを、熱処理評価の対象熱プロセスの加熱炉へ投入して、特定の温度でテスト熱処理すると、ウェーハ表面に付着した金属不純物がウェーハ内方側へ拡散する。このとき、金属不純物の拡散速度の差異およびＳｉＯ_２の拡散抑止効果により、特定の金属不純物は主にＳｉＯ_２膜層に捕獲され、また別の金属不純物が主にゲッタリング層に捕獲される。
その後、各層をそれぞれ溶解し、これらのＳｉＯ_２膜層やゲッタリング層に拡散された金属不純物を分析することで、その対象熱プロセスの加熱炉の汚染状態を評価する。このように、加熱により拡散した金属不純物をシリコンウェーハの表面側に集中させ、この金属不純物が凝縮した部分を溶解して分析するようにしたので、高感度で、しかも容易に熱処理プロセスの高精度な汚染評価が可能となる。
【００２１】
例えば、シリコンウェーハの１μｍの表層をエッチングして分析することを考えた場合、検出下限は従来法によれば１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるが、この発明のように、シリコンウェーハ全体の金属不純物を一か所（１μｍの表層）に集めれば、バルクに対する検出下限として、同様の分析を行った場合でも、約２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３までの高感度分析ができる。仮に、５０％の不純物の回収率であっても、約４０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３までのバルク分析が可能となる。
なお、この発明の熱処理評価用ウェーハを用いた熱処理評価方法により評価できる汚染レベルは、表面濃度に換算すると、通常１〜５×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２は、この発明の一実施例に係る熱処理評価用ウェーハの拡大断面図である。図３は他の実施例に係る熱処理評価用ウェーハの拡大断面図である。
【００２３】
図２において、１０は熱処理評価用ウェーハであり、この熱処理評価用ウェーハ１０は、Ｐ型、直径６インチ、厚さ７３０μｍ、酸素濃度が１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の鏡面加工されたシリコンウェーハ１１を本体としている。シリコンウェーハ１１の表裏面には、熱処理過程時に、ウェーハ内部へ拡散してきた金属不純物を捕獲するゲッタリング層の一例であるポリシリコン膜層１２が、例えばＣＶＤにより厚さ１μｍだけ形成されている。
また、各ポリシリコン膜層１２を外方から覆うように、シリコンウェーハ１１の表裏面に、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ_２膜層１３が例えば熱酸化により形成されている。
【００２４】
熱処理評価用ウェーハ１０の製造にあっては、表面が鏡面加工されたシリコンウェーハ１１に、６００〜７００℃の温度で、ＣＶＤ成膜装置により、必要な厚さのポリシリコン膜層１２を形成し、その後、これを酸化性雰囲気の加熱炉を用いて８００〜１１００℃で熱処理することにより、ゲッタリング層１２の表面にＳｉＯ_２膜層１３を形成する。
【００２５】
また、この発明の他の実施例である図３に示す熱処理評価用ウェーハ１０′のように、上記ポリシリコン膜層１２は、シリコンウェーハ１１の片面にだけ形成してもよい。
【００２６】
次に、この熱処理評価用ウェーハ１０を用いた熱処理評価方法を説明する。
図４は、Ｎ_２アニール炉における汚染対策前後の汚染量を比較したグラフである。
熱処理評価用ウェーハ１０を対象とするＮ_２アニール炉へ投入し、Ｎ_２ガス雰囲気中で加熱温度９００℃の温度により１時間だけ熱処理実験を行った。実験結果を図４のグラフに示す。図中、ブランクとは、熱処理評価用ウェーハ１０のプロセス投入前のポリシリコン膜層１２とＳｉＯ_２膜層１３の内部に、評価用ウェーハ作成時に拡散された金属不純物量を示す。改善前とは、評価実験に基づく炉内洗浄を実施せずにシリコンウェーハの熱処理を行った場合のポリシリコン膜層１２およびＳｉＯ_２膜層１３中の金属不純物量を示す。そして、改善後とは、評価実験に基づくＨＣｌガス洗浄を実施してから、シリコンウェーハの熱処理を行った場合のポリシリコン膜層１２とＳｉＯ_２膜層１３中の金属不純物量を示す。
【００２７】
改善前では、１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上のＦｅ汚染などがあったが、ＨＣｌガス洗浄後はそれが１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下に低減された。
このように、加熱により拡散した金属不純物をシリコンウェーハの表面側に集中させ、この金属不純物が凝縮した部分を溶解して分析するようにしたので、熱処理プロセスの高精度な汚染評価が可能となる。
この発明は、これらの実施例に限定されるものではない。要旨を逸脱しない範囲での設計変更などがあっても、それはこの発明に含まれる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明に係る熱処理評価用ウェーハを用いた熱処理評価方法にあっては、金属不純物を、ウェーハ表面側の薄い領域に集めるようにしたので、その層を分析することで、高感度かつ簡便に熱処理プロセスの高精度な汚染評価ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンウェーハの各加熱温度におけるＦｅおよびＣｕ不純物の捕獲率の違いを示すグラフである。
【図２】この発明の一実施例に係る熱処理評価用ウェーハの拡大断面図である。
【図３】この発明の他の実施例に係る熱処理評価用ウェーハの拡大断面図である。
【図４】Ｎ_２アニール炉における改善前後の汚染量を比較したグラフである。
【図５】従来のμ−ＰＣＤ法による加熱炉の金属汚染の評価を示すグラフである。
【符号の説明】
１０、１０′ 熱処理評価用ウェーハ、
１１シリコンウェーハ、
１２ポリシリコン膜層（ゲッタリング層）、
１３ＳｉＯ_２膜層。

Claims

酸素濃度が１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下で、かつ表面が鏡面加工されたシリコンウェーハと、
このシリコンウェーハの少なくとも片面に形成されて、熱処理過程時にこのシリコンウェーハの内部へ拡散する金属不純物を捕獲するゲッタリング層と、
このゲッタリング層の表面に形成されたＳｉＯ_２膜層とを備えた熱処理評価用ウェーハ。
表面が鏡面加工され、酸素濃度が１．３×１０ ^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３以下で、その少なくとも片面に、熱処理過程時にこのシリコンウェーハの内部へ拡散する金属不純物を捕獲するゲッタリング層が形成され、このゲッタリング層の表面にＳｉＯ _２膜層が形成されたシリコンウェーハを準備する工程と、
上記ゲッタリング層および上記ＳｉＯ_２膜層を有するシリコンウェーハを、熱処理評価の対象熱プロセスの加熱炉へ投入して、テスト熱処理する工程と、
このテスト熱処理後、上記シリコンウェーハのＳｉＯ_２膜層を溶解して、この溶解液中に含まれるこのＳｉＯ_２膜層内に拡散した金属不純物を分析する工程と、
上記ＳｉＯ_２膜層の溶解後、露呈した上記ゲッタリング層を溶解して、この溶解液中に含まれる上記ゲッタリング層内に拡散した金属不純物を分析する工程とを備えた熱処理評価用ウェーハを用いた熱処理評価方法。