JP3874255B2

JP3874255B2 - シリコンウェーハ中のｂｍｄサイズの評価方法

Info

Publication number: JP3874255B2
Application number: JP2002054030A
Authority: JP
Inventors: 敏視戸部
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP2003257983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハということがある。）においてデバイス動作に悪影響を及ぼす重金属不純物を除去する技術であるゲッタリング技術において、その能力の指標となるシリコンウェーハ中の酸素析出物等の微小結晶欠陥（Bulk Micro Defects、以下ＢＭＤと称す。）のサイズを評価する方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
半導体集積回路等のデバイスを作製するためのウェーハとしては、主にＣＺ法によって育成されたシリコン単結晶ウェーハが用いられている。このシリコン単結晶ウェーハの表面近傍を極力無欠陥化すると、デバイスの品質が向上するが、その特徴を最も生かしたウェーハが表面無欠陥層（ＤＺ：Denuded Zone）を持つウェーハであり、その優位性はほぼ証明されている。
【０００３】
一方、ウェーハのバルクには高密度の欠陥を形成した方が、デバイス作製には有利である。というのは、デバイス形成熱処理中に重金属不純物の汚染にさらされる機会ははなはだ多く、その重金属がデバイス動作に悪影響を及ぼすため、それらをデバイス形成領域である表面近傍から除去する必要にしばしば迫られる。その要求に応える方法がゲッタリング技術であり、ひいてはウェーハ内部のＢＭＤにつながる。
【０００４】
チョクラルスキー（ＣＺ）シリコンウェーハは製造段階にて不可避的に酸素を含有するが、その酸素濃度の制御は可能であり、種々の酸素濃度を持つＣＺ-シリコンウェーハが目的に応じて製造されている。これらの酸素原子が熱処理を受けると、ウェーハ内部に酸素析出物が形成される。これがＢＭＤの主な成分である。これらのＢＭＤの周囲には結晶格子の歪みを少なからず含んでおり、この歪みに重金属不純物が捕獲される。これは種々のゲッタリング技術のうちの、ＩＧ（Internal Gettering）と呼ばれる方法である。
【０００５】
一般にＩＧ能力について、ＢＭＤ密度が高ければその能力は高い。またＢＭＤのサイズも大きいほうがＩＧ能力が高い。従ってＢＭＤの密度とサイズの評価は重要である。
【０００６】
ＢＭＤ評価法はいくつか存在している。例えば、ウェーハを劈開あるいは角度研磨後、その面を選択エッチングして顕在化させたＢＭＤ起因のエッチピットを光学顕微鏡にてカウントする方法や、光散乱トモグラフ法（ＬＳＴ：Laser Scattering Tomograph）、赤外干渉法が良く知られている。
【０００７】
これらの手法では、ＢＭＤ密度を精密に測定することはできるが、サイズの評価は相対的なものであり、不十分である。しかし、従来のデバイス形成熱処理のような高温長時間熱処理では、これらの手法で測定される密度のみで、おおよそのゲッタリング能力を推定できたため、サイズの測定にそれほどの意味を持っていなかった。というのは、ＢＭＤ、つまり酸素析出物の成長速度がサイズに反比例するため、ある程度のサイズ以上になると成長速度は小さく、サイズ差はそれほどなくなり、従ってゲッタリング能力差もなくなるからである。
【０００８】
また、これらの従来手法ではいずれもＢＭＤ検出が不可能となる最低サイズが存在する。手法によって異なるが、最も簡便な光学的手法では、半径で約２０ｎｍ以下のサイズのＢＭＤは現状では評価不可能である。そのため、これらの評価法においてＢＭＤが存在していないと判定されても、実際にはその検出下限サイズ以下の極微小なサイズのＢＭＤは多数存在している可能性は否定できない。ところが、このような微小サイズのＢＭＤもＩＧ能力を保有しており、その密度が高ければ、その影響は無視できないことがわかってきた。
【０００９】
また、将来的にデバイスプロセスの低温化傾向が強まれば、ＢＭＤは大きく成長できず、非常に小さなサイズのものが増える可能性も示唆され、従来の方法で評価できない微小なＢＭＤ評価の重要度は増しつつある。
【００１０】
このような場合、正確にＢＭＤ密度を測定するために、従来は、新たにＢＭＤを発生させずに微小なサイズのＢＭＤを成長させる適切な熱処理をウェーハに施すことにより、検出下限サイズ以上のサイズまでＢＭＤを大きくして測定する方法がとられていた。
【００１１】
しかし、この方法ではＢＭＤサイズを故意に増大させているため、元のＢＭＤサイズは不明確となる。従来法で検出できないほど小さなサイズのＢＭＤによるゲッタリング能力は、その密度だけでなく、その微小なサイズ差も大きな差になる。従って、特に将来の低温プロセスにおいては、ＢＭＤ密度のみの比較でゲッタリング能力差を論じることは極めて危険である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、シリコンウェーハにおいて従来法では検出できないような微小なＢＭＤのサイズを正確に評価することができるようにしたシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズの評価方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズの評価方法は、ＢＭＤサイズ及び密度が異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意汚染した後、所定の熱処理条件で熱処理を施した後の前記シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定し、該残留Ｆｅ濃度と前記ＢＭＤサイズ及び密度との相関関係を予め求めておく第１ステップと、評価対象のシリコンウェーハに対し、前記第１ステップと同一条件でＦｅの故意汚染と熱処理を施して残留Ｆｅ濃度を測定する第２ステップと、前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤを検出可能なサイズに成長させる熱処理を行った後、該ウェーハ中のＢＭＤ密度を測定する第３ステップと、前記第２ステップで得られた残留Ｆｅ濃度及び前記第３ステップで得られたＢＭＤ密度から、前記相関関係に基づいて、前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズを評価する第４ステップと、を有することを特徴とする。上記評価対象のシリコンウェーハの厚さは５００μｍ以下とするのが好適であるが、ハンドリングを考慮すると２０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上とすることがより好ましい。
【００１４】
重金属不純物の一つとしてＦｅを故意汚染する方法を用いることで、より実際的な評価となり、また、従来の光学的手法では検出できない微小なＢＭＤのサイズを効果的に評価できる。従って、特に、デバイスプロセスによりＢＭＤサイズの成長が期待できない低温プロセスにおけるゲッタリング能力を評価する上で極めて有効である。
【００１５】
ここで、第１ステップにおいて故意汚染を行うＦｅ濃度は、１０¹¹〜１０¹⁴／ｃｍ³の範囲であることが好ましい。この範囲以外の濃度では、測定方法にも依存するが、濃度測定自体が困難になる場合がある。
【００１６】
また、所定の熱処理条件としては、通常、Ｆｅをウェーハバルク全体に拡散させる熱処理（拡散熱処理）とＢＭＤに捕獲させる熱処理（捕獲熱処理）とを有する。
【００１７】
拡散熱処理としては、７００℃〜１０００℃で１０分〜１０時間の範囲であることが好ましい。７００℃におけるシリコン中のＦｅの固溶限が約６×１０¹¹／ｃｍ³であるので、７００℃未満の温度では十分な汚染量が得られにくい。一方、１０００℃まで高温にすれば１０分程度の短時間でウェーハバルク全体に拡散させることができる。尚、ウェーハの厚さを１００μｍ程度、あるいはそれ以下まで薄くすれば拡散熱処理時間を１０分以下としても充分にウェーハバルク全体にＦｅを拡散させることが可能となる場合もある。
【００１８】
捕獲熱処理としては、２００℃〜６５０℃で１０分〜１０時間の範囲であることが好ましい。２００℃未満の温度ではＦｅをＢＭＤに捕獲させるために極めて長時間が必要となる。一方、６５０℃の固溶限は約１．５×１０¹¹／ｃｍ³であるので、これより高い温度では、初期の汚染量にもよるが、残留Ｆｅ濃度を評価するのに十分な捕獲量が得られにくくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００２０】
本発明方法の評価原理は次の通りである。まず、評価対象ウェーハ表面にＦｅ原子を定量付着させる。その後、ウェーハバルク中に均一に拡散する高温熱処理（拡散熱処理）を施した後、ＢＭＤにＦｅを捕獲させる低温熱処理（捕獲熱処理）を施す。この二つの熱処理にて、Ｆｅ原子の捕獲に有効な最小サイズ以上のＢＭＤに対して、その密度とサイズに依存して、一部のＦｅ原子はＢＭＤに捕獲され、その他は固溶Ｆｅ原子として残留する。この残留固溶Ｆｅ濃度を何らかの方法で測定し、その測定値が低ければＩＧ能力は高いと推定できる。
【００２１】
残留Ｆｅ濃度は、熱処理条件次第で同一ウェーハにおいても異なってしまうため、熱処理条件を一定にしておき、ＢＭＤサイズ及び密度が既知のウェーハ（または、ＢＭＤサイズ及び密度を測定可能なウェーハ）にこの方法を適用し、残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度及びサイズの相関図を予め作成し、即ち相関関係を求めておく。そして、評価対象ウェーハにより求められた残留固溶Ｆｅ濃度を、予め求めた相関図（相関関係）に適用すれば、評価対象ウェーハ中のＢＭＤ密度とサイズとの関係を求めることができる。さらに、評価対象ウェーハに対し、新たな酸素析出核を発生させない熱処理を施すことによって全ＢＭＤを何らかの評価手法で検出可能なサイズ以上まで成長させた後、その密度を測定すれば、残留Ｆｅ濃度により求めたＢＭＤ密度とサイズとの関係から、評価対象ウェーハ中のＢＭＤのサイズが推定できる。
【００２２】
図１は本発明の評価方法の工程順を示すフローチャートである。本発明方法においては、図１に示すごとく、最初に、シリコンウェーハにおける残留Ｆｅ濃度とＢＭＤサイズ及び密度との相関関係を求める（第１ステップ１００）。具体的には、まず、ＢＭＤが異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意に汚染する（サブステップ１００ａ）。これらの汚染されたシリコンウェーハに対して所定の熱処理条件で熱処理を施す（サブステップ１００ｂ）。熱処理を施したこれらのシリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定する（サブステップ１００ｃ）。そして、上記残留Ｆｅ濃度とＢＭＤサイズ及び密度から三者の間の相関関係を求める（１００ｄ）。
【００２３】
次に、評価対象シリコンウェーハにおける残留Ｆｅ濃度を測定する（第２ステップ１０２）。具体的には、評価対象シリコンウェーハに上記したサブステップ１００ａと同じ条件でＦｅを故意に汚染する（サブステップ１０２ａ）。この評価対象シリコンウェーハに対して上記サブステップ１００ｂと同一条件で熱処理を施す（サブステップ１０２ｂ）。この熱処理後の評価対象シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定する（サブステップ１０２ｃ）。
【００２４】
続いて、評価対象シリコンウェーハ中のＢＭＤ密度を測定する（第３ステップ１０４）。具体的には、評価対象シリコンウェーハに対してその中のＢＭＤを検出可能なサイズに成長させる熱処理を施し（サブステップ１０４ａ）、その後そのＢＭＤ密度を測定する（サブステップ１０４ｂ）。
【００２５】
最後に、評価対象シリコンウェーハ中のＢＭＤサイズを評価する（第４ステップ１０６）。具体的には、上記したサブステップ１０２ｃで測定した残留Ｆｅ濃度とサブステップ１０４ｂで測定したＢＭＤ密度からサブステップ１００ｄで求めた相関関係に基づいてＢＭＤサイズを評価する（サブステップ１０６ａ）。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、この実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２７】
（実施例１）
ＣＺ法により、直径８インチ、初期酸素濃度１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡスケール）、方位＜１００＞、ｐ型１０Ωｃｍのシリコン単結晶インゴットを引き上げた。このシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨し、通常デバイス作製用基板として使用されるウェーハの形状へ加工した。ＢＭＤをウェーハバルクに形成するため、７００℃、４〜１６時間の熱処理を施し、異なる密度の酸素析出核を発生させた。その後、１０００℃の熱処理を施し、酸素析出物を成長させる際、熱処理時間を変更してサイズを変化させた。尚、ＪＥＩＤＡは日本電子工業振興協会（現在は、ＪＥＩＴＡ：日本電子情報技術産業協会に改称された。）の略称である。
【００２８】
このウェーハにＦｅを１０¹²ｃｍ^-2表面に故意汚染し、１０００℃の熱処理でウェーハバルク中に均一に拡散させた。この均一拡散熱処理においても、ＢＭＤは成長してしまうため、微小なＢＭＤサイズ測定の場合は、その熱処理時間が短い方が好ましいが、単純に熱処理時間を短時間化すると、均一な拡散はできなくなる。
【００２９】
そこでウェーハをエッチング法や研磨、その他の方法により、予め薄くしておくことが重要である。例えば、５００μｍの厚さであれば、１０００℃、１５分で十分である。さらに薄くできれば、その分熱処理時間を短くでき、拡散熱処理による、ＢＭＤサイズの上昇を無視できる。その後、６００℃、２０分の熱処理でＦｅ原子の一部をＢＭＤに捕獲させた後、残留固溶Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法にて測定した。各ＢＭＤ密度におけるＢＭＤ半径と残留Ｆｅ濃度の関係を図２に示す。尚、本実施例のＢＭＤ形成熱処理の条件では、一般的に板状の析出物になることがよく知られている。しかし、ここでは簡単にＢＭＤの形態は球状であると仮定し、その半径がＢＭＤサイズを示す因子として使用し、半径２５ｎｍ以上のものについては、High Yield Technology社製ＯＰＰ（Optical Precipitate Profiler）を用いて実測し、それ以下のサイズについては、ＯＰＰによる測定結果から外挿した値をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いた実測により確認した。
【００３０】
また、図２におけるＢＭＤ密度は、１０００℃、１６時間の追加熱処理を施した後、ＬＳＴ法にて測定した値である。この追加熱処理によれば、新たな酸素析出核を発生させることなく微小なサイズのＢＭＤもＬＳＴで検出できるサイズに成長させることができるため、ウェーハ内に存在する全てのＢＭＤを測定していることになる。
【００３１】
図２の結果から、ＢＭＤ半径上昇に伴い残留Ｆｅ濃度が次第に減衰している様子が分かるが、その濃度低下の程度が著しいほど、強くＦｅ原子がＢＭＤに捕獲されていることになる。この図２を用いれば、ＯＰＰ等の従来の手法で検出できないサイズであっても、いちいちＴＥＭによる観察を行わなくとも残留Ｆｅ濃度値からＢＭＤサイズに変換できる。つまり、ＢＭＤの密度と半径が未知のウェーハに同一条件処理を施し、残留Ｆｅ濃度を測定した後、サイズを増大させる熱処理後のＢＭＤ密度値を得ておけば、所望のＢＭＤサイズ値がこの図２から得られる。
【００３２】
図２からわかるように、サイズが半径１０ｎｍ未満であれば、実質的なゲッタリング能力はないと判断されるため、ゲッタリング能力を判断する場合にはほとんど問題にならない。微小サイズのＢＭＤがゲッタリングに有効になる密度が１０⁹ｃｍ^-3以上では、十分なＦｅ濃度減衰のＢＭＤ半径依存性が得られており、実用的なＢＭＤサイズ（ゲッタリング能力を有するサイズ）を評価可能である。
【００３３】
次に、図２の相関図を作成するために作製したシリコンウェーハのうち、相関図を作成するために用いなかった残りのシリコンウェーハ（ＢＭＤ密度と半径が未知のシリコンウェーハ）に対し、上記と同一条件でＦｅ汚染および拡散・捕獲熱処理を行った後、残留Ｆｅ濃度を測定した。その結果、残留Ｆｅ濃度は５×１０¹²／ｃｍ³であることがわかった。次にこのウェーハに１０００℃、１６時間の熱処理を行ってＢＭＤを成長させ、その密度を測定したところ、７×１０⁹／ｃｍ³であることがわかった。そこで、このウェーハのＢＭＤ半径を図２により評価したところ、約１６ｎｍであることがわかった。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記形態は例示であり、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、かつ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。
【００３５】
例えば、本発明において、Ｆｅの故意汚染濃度や熱処理条件は問われていないものであり、他の濃度による汚染や熱処理温度と時間の変更によって図２と同様のＢＭＤサイズと残留Ｆｅ濃度の相関図を作成し、残留Ｆｅ濃度からＢＭＤサイズ値を得る方法も、本発明の範囲に含まれる。また、ＢＭＤ密度測定法に関して、その測定法もＬＳＴ法に限定するものではなく、さらには精密なＢＭＤ密度を得るために必要なサイズ増大用熱処理も所定の目的を得る条件であれば、１０００℃、１６ｈｒに限らない。加えて残留Ｆｅ濃度測定法も規定しておらず、ＤＬＴＳ法のみに限らない。例えば、ウェーハ表層にＢＭＤの存在しないＤＺ層、あるいはエピ層を堆積させておき、Ｆｅの捕獲熱処理後、このＤＺ層あるいはエピ層を化学的に湿式エッチングし、その液中のＦｅ濃度を測定するといういわゆる化学分析の手法にても同様の効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、シリコンウェーハにおいて従来法では検出できないような微小なＢＭＤのサイズを正確に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の工程順の１例を示すフローチャートである。
【図２】残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ半径の関係を示すグラフである。

Claims

ＢＭＤサイズ及び密度が異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意汚染した後、所定の熱処理条件で熱処理を施した後の前記シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定し、該残留Ｆｅ濃度と前記ＢＭＤサイズ及び密度との相関関係を予め求めておく第１ステップと、
評価対象のシリコンウェーハに対し、前記第１ステップと同一条件でＦｅの故意汚染と熱処理を施して残留Ｆｅ濃度を測定する第２ステップと、
前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤを検出可能なサイズに成長させる熱処理を行った後、該ウェーハ中のＢＭＤ密度を測定する第３ステップと、
前記第２ステップで得られた残留Ｆｅ濃度及び前記第３ステップで得られたＢＭＤ密度から、前記相関関係に基づいて、前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズを評価する第４ステップと、
を有することを特徴とするシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズの評価方法。
前記評価対象のシリコンウェーハの厚さを５００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載されたシリコンウェーハ中のＢＭＤサイズの評価方法。