JP3965931B2 - シリコンエピタキシャルウエーハの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンエピタキシャルウエーハおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化に伴い、デバイスプロセスが低温・短時間化している。さらに、近い将来の直径300mmシリコンウエーハ時代においては、ウエーハ自重によるスリップ転位の発生を抑制するためにも、低温・短時間化されたデバイスプロセスが必須となりつつある。そうなると、これまでのようなデバイスプロセス中での熱処理によるBMD(Bulk Micro Defect、酸素析出物による内部微小欠陥)の形成や成長によるゲッタリング効果は期待できない。従って、低温・短時間化されたデバイスプロセスに投入する前に、酸素析出熱処理を予めウエーハに施してBMD密度を増加させておくことによりゲッタリング効果を付与することが重要である。この処理をウエーハメーカーが行えば、デバイスメーカーの受けるメリットは極めて大きい。
【0003】
また、近年の半導体素子の高集積化に伴い、半導体ウエーハ中の結晶欠陥、特に表面および表面近傍の結晶欠陥の低減が重要になってきている。このため、結晶欠陥の少ないエピタキシャルウエーハ(以下、エピウエーハと略記する場合がある)の需要は年々高まっている。
そこで酸素析出を促進する熱処理を施したエピウエーハの需要が高まることが予想されるが、従来は例えば図2に示したようなフローで製造されていた。
【0004】
すなわち、例えばCZ法で引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス(a)し、次いで化学エッチング(b)工程にかけて化学エッチドウエーハ(Chemical Eched Wafer、以下、CWと略記することがある)とし、鏡面研磨(f)を施して鏡面研磨ウエーハ(Mirror Polished Wafer、以下、PWと略記することがある)を得た後、酸素析出熱処理(d)(以下、HTと略記することがある)を行い、最後にエピタキシャル成長(c)(Epitaxial Growth、以下EPと略記することがある)工程を行い、シリコンエピタキシャルウエーハを作製していた。
【0005】
しかしながらこの工程順に従ってエピタキシャルウエーハを作製すると、酸素析出熱処理工程において、ウエーハ中に欠陥が誘起され、この上に成長させるエピタキシャル層(以下、エピ層ということがある)に伝播し、エピ層欠陥となってしまうことがあった。特に、結晶に窒素をドープすると微小酸素析出物が高密度に形成されるため(例えば、1999年春季第46回応用物理学関係連合講演会 予稿集No.1,p.469,29a−ZB−5,相原他 参照)、BMDの形成、成長によるゲッタリングには有利であるが、このエピ層欠陥の問題が大きくなってきた。
【0006】
このエピ層欠陥を回避するために、CW→PW→EP→HTという工程順も考えられるが、EP工程後に熱処理を行うことにより、表面のヘイズ(集光ランプでウエーハ表面を照射した時に白っぽく見える表面状態)やLPD(LightPoint Defect、光散乱法による欠陥の総称)レベルが悪化することがあるため、積極的にこの工程を採用するには至らなかった。
【0007】
【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、低温・短時間化されたデバイスプロセスに投入する前の状態で、エピ層のヘイズ、LPD等の欠陥レベルが低減され、かつ酸素析出が制御されたシリコンエピタキシャルウエーハを提供することを主たる目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法は、シリコン単結晶をスライスして得られるシリコンウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法において、少なくともシリコン単結晶インゴットをスライスする際に生じた加工歪層を除去した後にエピタキシャル成長を行い、次に酸素析出熱処理を施し、その後にエピタキシャル層の表面を鏡面研磨することを特徴とするものである。
【0009】
このような工程順に従ってエピタキシャルウエーハを製造すれば、ウエーハ表面にエピ層を成長した後に酸素析出熱処理を行うので、熱処理により誘起される基板の欠陥がエピ層に発生することはない。すなわち、熱処理により基板であるシリコンウエーハ中に欠陥が発生したとしても、これがデバイス活性層やエピ層表面まで伝搬することはない。従って、エピ層欠陥の少ないエピウエーハが得られる。また、主に高抵抗基板を用いる場合に、設計通りの基板抵抗率を達成するには、基板に酸素ドナーキラー熱処理を施す必要があるが、これは前記酸素析出熱処理に含ませることが出来るため、生産性の向上、コストダウンを図ることができる。勿論EP工程前にドナーキラー熱処理を行っても良いことは言うまでもない。さらに、最終工程としてエピ層表面にPW工程を行うため、酸素析出熱処理で悪化したヘイズ、LPDレベルが鏡面研磨ウエーハと同等レベルに改善されるため、酸素析出熱処理後のヘイズ、LPDの悪化を心配する必要がない。従って、エピ層のヘイズ、LPD等の欠陥を低減し、かつ酸素析出が制御された高品質のシリコンエピタキシャルウエーハを製造することができる。
【0010】
この場合、加工歪層の除去を化学エッチングで行うことが好ましい。
最終工程としてPW工程を行うので、EP工程を行う基板は加工歪層さえ除去されていればよいので、化学エッチングウエーハで十分対応することができる。
【0011】
さらにこの場合、スライスするシリコン単結晶を窒素ドープしたシリコン単結晶とすることができる。
このように特に窒素ドープしたシリコン単結晶を基板に用いて、前記工程順に従ってEP工程後に酸素析出熱処理を行えば、既に表面はエピ層なのでエピ層に欠陥は発生しない。すなわち、基板中に欠陥が発生したとしても、これがデバイス活性層やエピ層表面まで伝搬することはなく、結果として、エピ層欠陥が極めて少なく、かつ十分なBMD密度を有するエピウエーハを得ることができる。
【0012】
そして本発明によれば、前記製造方法によって作製されたエピ層のヘイズ、LPD等の欠陥を低減し、かつ酸素析出が制御された高品質のシリコンエピタキシャルウエーハが提供される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は、本発明に係るシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法の一実施形態の概要を示すフロー図である。
図1において、先ず引上げたシリコン単結晶インゴットをスライス(a)し、少なくともスライスする際に生じた加工歪層を化学エッチング(b)で除去した後に、エピタキシャル成長(c)を行い、次に酸素析出熱処理(d)を施し、その後にエピタキシャル層の表面を鏡面研磨(e)するという工程を行うものである。
【0014】
以下、上記工程順にさらに詳細に説明する。
まずシリコン単結晶を引上げ、単結晶インゴットをスライスし、この時に生じた加工歪を除去するためにラッピング、ウエーハ周辺の面取りおよびエッチング等を行う。これらの方法はいずれも従来技術によれば良く、例えば単結晶引上げは、CZ法、MCZ法、ECZ法、EMCZ法、FZ法等いずれの方法を用いても良い。
【0015】
また、単結晶へのリン、ホウ素、ヒ素、窒素、炭素等の不純物の添加についても特に限定されない。これらのドーパントを添加する場合、ドープする濃度はユーザー仕様通りにすれば良いが、前述のように高抵抗基板を用いる場合には、必須のドナーキラー熱処理を、酸素析出熱処理と兼ねて行うことができるため、ドナーキラー熱処理工程の省略による生産性の向上とコストダウンを図ることができる。このため、本発明を高抵抗基板を用いたエピウエーハの製造に適用すればより一層効果的である。
【0016】
用いる基板の直径も任意であるが、300mm(12インチ)以上の大口径ウエーハを用いる場合、半導体素子の高集積化やウエーハ自重によるスリップ転位の発生を抑制するために、デバイスプロセスが低温・短時間化している。このため、従来のようなデバイスプロセス中でのBMDの形成や成長によるゲッタリング効果は期待できないため、本発明の効果が顕著に得られる。
【0017】
シリコン単結晶インゴットのスライス(a)も既知の内周刃、外周刃を用いる方法、ワイヤーソー等いずれの方法でスライスしても良い。面取りも従来のダイヤモンド砥石による面取り加工でも良いし、面取り部からの発塵低減に適した鏡面面取り加工を施しても良い。ラッピングも平行定盤間にラップ液を流して研削する従来技術が適用されるし、平面研削盤を用いてもよい。
【0018】
エッチング(b)は、スライス、ラッピング、面取り等の機械加工プロセスを行った際に生じた加工歪層を除去することを目的としており、化学エッチングで完全に除去することができる。このエッチング液にはフッ酸、硝酸、酢酸から成る混酸を水で希釈した酸エッチング液が用いられる。また、NaOHやKOH等を用いたアルカリエッチングで行ってもよいし、酸エッチングと組み合せて使用することもできる。
【0019】
次いでエピタキシャル層を堆積、成長(c)させる。EP工程も従来の方法で行えばよく、エピタキシャル成長前に行う水素ベークやHClエッチングの有無等に限定されない。また、エピタキシャル成長も常圧、減圧成長等にも限定されず、エピリアクターもバッチ式、枚葉式等に限定されるものではない。原料ガスもSiCl4 、SiHCl3 、SiH2 Cl2 、SiH4 等、一般的に用いられるものの全てを用いることができる。なお、エピ層の厚さは「ユーザー仕様+PW工程で研磨される厚さ」とすることが必要である。
【0020】
その後、酸素析出熱処理(d)を行う。この酸素析出熱処理は酸素析出を制御する熱処理であり、例えば、450〜800℃での酸素析出核を形成する熱処理と、800℃以上での酸素析出物を成長させる熱処理のような2段熱処理を用いることが一般的であるが、これに限定されるものではない。また、この酸素析出熱処理にドナーキラー熱処理を含めることができる。そうすれば、高抵抗基板の場合にEP工程前にドナーキラー熱処理を行う必要はない。また、この酸素析出熱処理条件は、ユーザーから求められるBMDサイズ、密度等を考慮してそれらに適したものにすれば良い。熱処理装置もまた従来の装置を使用すればよく、抵抗加熱を用いたバッチ式の炉や、枚葉式の急速加熱・急速冷却装置:RTA(Rapid Thermal Annealer)等が一般的であるが、これらに限定されるものではない。
【0021】
このようにEP工程後に酸素析出熱処理を行えば、前述のように、窒素ドープの有無に関わらず、既に表面はエピ層になっているのでエピ層に欠陥が発生することはない。すなわち、仮に基板に欠陥が発生したとしても、これがデバイス活性層やエピ層表面に伝播することはない。
HT工程後、エピタキシャル層表面の鏡面研磨(e)を行う。これも従来の方法によれば良く、このようにEP工程後にエピ層表面の鏡面研磨工程を行うため、フラットネス、マイクロラフネス、ヘイズに代表されるような表面品質は鏡面ウエーハと同等になり、エピウエーハの表面品質がより一層改善される。また、LPDレベルやクラウン(EP工程でウエーハ周辺部にシリコンが異常成長したもの)もエピ層表面を研磨することにより同時に改善されるという効果もある。
【0022】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
直径200mm(8インチ)、ボロン添加、抵抗率0.01Ω・cm、初期酸素濃度16ppma[JEIDA(Japan Electronic Industry Development and Association:日本電子工業振興協会)の換算係数を使用]の結晶をCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピング、鏡面面取りを行い、フッ酸、硝酸、酢酸の混酸液による化学エッチングを行った。その後、化学エッチング面上に1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を22μm堆積した。次いで、800℃/4Hr+1000℃/16Hrの酸素析出熱処理行った後、エピ層表面の鏡面研磨工程を行った。
【0023】
この時の研磨代を求めるために、ボロン添加、抵抗率10Ω・cmのダミーウエーハを用意して、上記と同様の研磨を行った。静電容量式非接触厚さ計CL−250(小野測器社製)により測定した研磨前後でのウエーハ厚さの差から、今回の研磨代を12μmと見積もった。また、FT−IR法(フーリエ変換赤外分光法)によるエピ層厚さ測定(測定器:OS−300、アクセント オプティカル テクノロジーズ社製)により、抵抗率0.01Ω・cmのウエーハ上のエピ層厚さは10μmであり、エピ層が十分残っていることを確認した。
【0024】
光散乱式のパーティクルカウンタ:SP−1(KLAテンコール社製)によるエピ層表面の測定では、LPD(サイズ0.09μm以上)は0個/ウエーハであった。SP−1によるヘイズは平均値で0.076ppm(Narrowモード)であり、これは通常の鏡面ウエーハと同レベルである。また、静電容量式のフラットネス測定器:ウルトラスキャン9650(ADE社製)でフラットネスを測定し、ウエーハ内最大値を10枚のウエーハで平均したところ、SFQR(Site Front least sQares<site>Range)で0.20μm(20mmx20mmサイト)であり、通常の鏡面研磨ウエーハ並であった。
【0025】
(実施例2)
直径300mm(12インチ)、ボロン添加、抵抗率10Ω・cm、初期酸素濃度16ppma−JEIDA、窒素濃度4×1013/cm3 の結晶をMCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピングし、面取りを行い、水酸化ナトリウム水溶液による化学エッチングを行った。その後、化学エッチング面上に1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を22μm堆積した。次いで、800℃/4Hr+1000℃/16Hrの熱処理(急速降温によるドナーキラー熱処理を兼ねる)を行った後、両面研磨・平坦化研磨および鏡面面取りを行った。
両面研磨および平坦化研磨それぞれでの研磨代から、今回の表面側の研磨代を12μmと見積もった。また、非接触厚さ計CL−250により測定したEP工程前のウエーハ厚さとエピ層鏡面研磨工程後のウエーハ厚さの差から、基板上に堆積しているエピ層厚さは10μmと見積もられたため、エピ層が残っていることが確認できた。
【0026】
パーティクルカウンタ:SP−1による測定では、LPD(サイズ0.09μm以上)は0個/ウエーハであった。SP−1によるヘイズは平均値で0.049ppm(Narrowモード)であり、これは通常の鏡面研磨ウエーハと同レベルである。また、静電容量式のフラットネス測定器:AFS(Advanted Flatness System) −3220(ADE社製)でフラットネスを測定したところ、SFQD(Site Front least sQares<site>Deviation)のウエーハ面内の平均値で0.036μm(26mmx32mmサイト)であり、通常の鏡面研磨ウエーハ並であった。
【0027】
(比較例1)
直径200mm(8インチ)、ボロン添加、抵抗率0.01Ω・cm、初期酸素濃度16ppma−JEIDAの結晶をCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピング、鏡面面取りを行い、混酸液による化学エッチングを行った。その後800℃/4Hr+1000℃/16Hrの熱処理行い、鏡面研磨を施し、その鏡面上に1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を10μm堆積して、エピタキシャルウエーハを得た。
【0028】
このエピウエーハをパーティクルカウンタ:SPー1により測定したところ、62個/ウエーハのLPD(サイズ0.09μm以上)が検出され、ヘイズは平均値で0.324ppm(Narrowモード)であった。ウルトラスキャン9650によるフラットネスはSFQRで0.24μmであった。これら全ての品質特性が、実施例1に比べて明らかに劣化していた。
【0029】
(比較例2)
直径200mm(8インチ)、ボロン添加、抵抗率0.01Ω・cm、初期酸素濃度16ppm−JEIDAの結晶をCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピング、鏡面面取りを行い、混酸液による化学エッチングを行った後、鏡面加工を行った。その後、1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を10μm堆積した。次いで、800℃/4Hr+1000℃/16Hrの酸素析出熱処理行った。
【0030】
このエピウエーハをパーティクルカウンタ:SPー1により測定したところ、124個/ウエーハのLPD(サイズ0.09μm以上)が検出され、ヘイズは平均値で0.238ppm(Narrowモード)であった。ウルトラスキャン9650によるフラットネスはSFQRで0.22μmであった。これら全ての品質特性が、実施例1に比べて明らかに劣化していた。
【0031】
(比較例3)
直径300mm(12インチ)、ボロン添加、抵抗率10Ω・cm、初期酸素濃度16ppm−JEIDA、窒素濃度4×1013/cm3 の結晶をMCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピング、面取りを行い、水酸化ナトリウム水溶液によるアルカリエッチングを行った。その後、800℃/4Hr+1000℃/16Hrの熱処理(急速降温によるドナーキラー熱処理を兼ねる)を施した後、両面研磨・平坦化研磨および鏡面面取りを行った。次いで、1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を10μm堆積した。
【0032】
このエピウエーハのパーティクルカウンタ:SPー1による測定では、141個/ウエーハのLPD(サイズ0.09μm以上)が検出され、ヘイズは平均値で0.303ppm(Narrowモード)であった。また、フラットネス測定器ASF−3220でフラットネスを測定したところ、SFQDで0.045μmであった。これら全ての品質特性が、実施例2に比べ明らかに劣化していた。
【0033】
(比較例4)
直径300mm(12インチ)、ボロン添加、抵抗率10Ω・cm、初期酸素濃度16ppm−JEIDA、窒素濃度4×1013/cm3 の結晶をMCZ法により引上げ、ワイヤーソーによりスライスし、ラッピング、面取りを行い、水酸化ナトリウム水溶液によるアルカリエッチングを行った。その後、両面研磨・平坦化研磨および鏡面面取りを行った後、1130℃でエピ層(ボロン添加、抵抗率10Ω・cm)を10μm堆積した。次いで、800℃/4Hr+1000℃/16Hrの熱処理(急速降温によるドナーキラー熱処理を兼ねる)を施した。
【0034】
このエピウエーハのパーティクルカウンタ:SPー1による測定では、337個/ウエーハのLPD(サイズ0.09μm以上)が検出され、ヘイズは平均値で0.183ppm(Narrowモード)であった。また、フラットネス測定器:ASF−3220でフラットネスを測定したところ、SFQDで0.042μmであった。これら全ての品質特性が、実施例2に比べ明らかに劣化していた。
【0035】
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。
【0036】
例えば、上記実施形態においては、直径200mm(8インチ)および300mm(12インチ)のシリコン単結晶ウエーハからエピタキシャルウエーハを作製する場合につき例を挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、直径100〜400mm(4〜16インチ)あるいはそれ以上のシリコン単結晶にも適用できる。
【0037】
【発明の効果】
以上詳細に説明した通り、本発明によれば、低温・短時間化されたデバイスプロセスに投入する前の状態で、エピ層にヘイズ、LPD等の欠陥レベルが低減され、かつ酸素析出が制御されたシリコンエピタキシャルウエーハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエピタキシャルウエーハの製造工程の一例を示すフロー図である。
【図2】従来のエピタキシャルウエーハの製造工程の一例を示すフロー図である。
Claims (2)
- シリコン単結晶をスライスして得られるシリコンウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法において、少なくともシリコン単結晶インゴットをスライスする際に生じた加工歪層を化学エッチングで除去した後、該化学エッチングを行った面上にエピタキシャル成長を行い、次に酸素析出熱処理を施し、その後にエピタキシャル層の表面を鏡面研磨することを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。
- 前記スライスするシリコン単結晶は、窒素ドープしたシリコン単結晶とすることを特徴とする請求項1に記載のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。
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