JP5005740B2 - ウェーハおよびウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶の第１の材料の基板と、第１の材料上にエピタキシャル成長し、第１の材料の格子とは異なる格子を持った第２の材料の少なくとも１つの層と、を具備したウェーハの製造方法に関する。

シリコンなどの単結晶基板上に成長したＳｉＧｅ層などのヘテロエピタキシャル層が、半導体技術の多種多様の応用において高い人気を博している。しかし、基板とヘテロエピタキシャル成長した層の格子の差のせいで、ヘテロエピタキシャル層が成長している間にミスフィット転位及び関連した貫通転位が形成される。

欠陥のないヘテロエピタキシャル層を生成する１つの方法は、シリコン基板上にＧｅＳｉの段階的なバッファ層を成長させることである。この方法では、ＧｅＳｉ層のゲルマニウムのパーセンテージが基板から始まり徐々に増大する。増大はゲルマニウム１００％まで又は１００％未満までなされる。しかし、ヘテロエピタキシャル層スタックの段階的増大は、かなりの表面粗さと、結果として生じる構造のうねりとをもたらす。特に、このような構造の表面は、ヘテロエピタキシャルＧｅＳｉ層の成長中の応力解放により引き起こされたいわゆる「クロスハッチ」現象により、ひどく劣化される。

表面ナノトポグラフィを制御することと粗さを小さくすることとが、ヘテロエピタキシャル構造を集積回路に利用する上での主要問題であり、ヘテロエピタキシャルＧｅＳｉ層の粗くうねりのある表面が、表面ナノトポグラフィを除去するために平坦化される必要がある。また、表面ナノトポグラフィを同レベルに保ったまま表面粗さを完成するために、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）ステップにより更に研磨される必要がある。構造の幾可学的形状及び表面ナノトポグラフィ特性が研磨により劣化されるので、平坦化及び研磨の効果をバランスさせることは非常に難しい。

米国特許６，０３９，８０３号が、このような層をミスカットされたシリコン基板上に成長させることで、表面粗さを改善しヘテロエピタキシャル層の転位パイルアップ密度を削減する方法を示している。ミスカットされた基板には、［００１］方向から約１°〜約８°オフセットした方位への結晶学的な方位オフカットがある。このような基板は通常入手できず、従ってヘテロエピタキシャル層の製造には費用がかかりすぎて適切でない。

米国特許６，０３９，８０３号

従って、本発明の目的は、上述のタイプの方法であって、異なる格子の基板上に成長した良質なエピタキシャル層を備えたウェーハを得る方法を提供することである。

該目的は、上述のタイプの方法であって、第２の材料の成長が基板の最終表面仕上げの前に実施されることを特徴とする方法で解決される。

意外にも、最終表面仕上げ前の準備の整っていない基板の表面が、第２の材料の最初の原子を基板上にボンディングさせるよう助け、それにより、第２の材料のエピタキシャル層の適切な粘着特性が得られる。従って、第２の材料のエピタキシャル層を初めから小さい応力で正しく基板上に成長させることができ、その結果、これらの材料の格子が異なるにもかかわらず、第１の材料上に第２の材料の高品質なエピタキシャル層がもたらされる。

最終表面仕上げステップの前に第２の材料を成長させる当該発明のアイデアのおかげで、基板の最終表面仕上げの工程時間及びコストを削減させることができ、よってヘテロエピタキシャル層の製造工程全体の工程時間及びコストの削減につながる。

本発明の有利な実施形態では、基板の研磨の最終ステップの前に第２の材料が成長する。意外にも、最終研磨ステップの前の基板の粗い表面が、第１の材料上への第２の材料の良好な粘着性及び高品質な成長にとって非常に良好な基礎を提供する。これにより、ヘテロエピタキシャルウェーハの製造の工程時間及びコストの削減が可能になり、且つ製造されるウェーハに優れた特性がもたらされる。

本発明の好ましい変形態様では、オンアクシス（ｏｎ−ａｘｉｓ）シリコン基板上に第２の材料が成長する。当該発明の方法のおかげで、従来より入手可能な、オンアクシスの、ミスカットのない基板が利用でき、よって、ヘテロエピタキシャルウェーハを大量生産する上で当該発明の工程を非常に魅力あるものにしている。

鏡面研磨基板より粗さ及び／又は欠陥密度が大きい基板の表面に第２の材料を成長させることが、また更に有利である。鏡面研磨基板の表面の品質が優れているにもかかわらず、より大きい粗さ及び／又は欠陥密度を備えた基板上に第２の材料がより容易により小さい応力で成長するということが確認された。
本発明の好ましい例では、約０．１５ナノメートルＲＭＳ〜約０．４ナノメートルＲＭＳの表面粗さの基板上に、第２の材料が成長する。この範囲の表面粗さが第１の材料上への第２の材料の小さい応力での成長に特に効果的である。
本発明の有益な実施形態では、平方ミリメートル当たり０．１２マイクロメートルより大きいサイズの欠陥が約０．２個〜約１個の表面欠陥密度の基板上に、第２の材料が成長する。意外にも、欠陥は第２の材料のよりよい開始層の確立に有益である。

本発明の第１の実施形態に係る工程の順序を概略的に示す図である。 本発明で利用される基板を概略的に示す図である。 傾斜バッファ層の成長後におけるの、図２の基板を概略的に示す図である。 緩和層の成長後における、図３の構造を概略的に示す図である。 ＣＭＰストック除去及び表面仕上げの後における、図４の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る方法を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る方法の注入ステップ後における、図５の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る方法のボンディングステップ後における、図７の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る図８の構造のカット後における、図８の構造のカットされたままの部分を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る分割層の再成長後における、図９の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る図１０の再成長したエピタキシャル層の表面仕上げ後における、図１０の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る図８の構造のカット後における、図８の構造のもう一方のカットされたままの部分を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る図１２の分割層の再成長後における、図１２の構造を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る図１３の再成長層の仕上げ後における、図１３の構造を概略的に示す図である。

本発明の特定の実施形態が、添付図面を参照した以下の詳細な記述からより明白になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る方法の工程の順序を概略的に示す。

ステップ１０１はウェーハをスライスする工程又はウェーハをカットする工程を含み、単結晶インゴットから特定の厚さと反りの薄型スライス又はウェーハをもたらす。ウェーハは、例えば、内径ブレードを用いて、又は、インゴットをくまなくすり減らす研磨用スラリを持つ媒体として、精細な高い張力のワイヤーを用いたワイヤーソーを用いて、スライスされてもよい。インゴット及びスライスされたウェーハは好ましくはシリコンだが、ゲルマニウムのような別の単結晶の材料でもよい。

ステップ１０２に関して、ステップ１０１でスライスされたウェーハのうち少なくとも１つのウェーハ１に対して研削及び／又はラッピングがなされる。研削は、ダイヤモンドめっきしたホイールを用いてウェーハの端部の角を取る端部研削を伴ってもよく、このホイールは、例えば、図２に示すような、スライスされた又はカットされたままのウェーハ１の端部を研削する。

図１のステップ１０２では、スライシングによって残された物理的な不規則性又は結晶損傷層を除去するために、ウェーハ１が、２枚のラップ板同士間でラッピングされてもよい。ラッピングがウェーハ１の平らな表面と均一な厚さとを作る。

研削及びラッピングは代替的に使用されてよい。３００ｍｍウェーハは研削だけなされることが好ましく、ウェーハに良好な平面度がもたらされる。サイズ２００ｍｍなどの他のサイズのウェーハは、ラッピングステップを含めて良好に生成されるべきである。

図１のステップ１０３では、ラッピング又は研削がなされたウェーハ１が化学的にエッチングされる。ウェーハ１は精密に制御されたパラメータで化学溶液に良好に浸され回転され、これにより、研削又はラッピングステップ１０２の間に損傷を受けた、ラッピング又は研削がなされたウェーハ１から層が除去される。エッチングに加えて、ステップ１０３には更に、洗浄、水洗、乾燥、等が含まれる。ウェーハ製造の一般的な工程で実施された従来のエッチングステップと比較すると、本発明のステップ１０３には軽減されたアルカリ性によるエッチングが含まれており、その結果、従来のウェーハ製造方法のエッチングステップにより生成された表面上の損傷のない完全な結晶構造と比較すると、エッチングされたウェーハ１の表面がより損傷を受けた状態となっている。本発明のオプションによれば、図１のステップ１０３ａに示すように、エッチングステップ１０３の後にエピタキシャル成長が適用可能である。工程のこの段階では、ウェーハの平面度は以下の両面研磨ステップ後の平面度よりも良い。

図１のステップ１０４は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を用いた研磨ステップを示す。従来のウェーハ製造と比較すると、研磨ステップ１０４は軽減されたやり方で実施される。このことは、図２のウェーハ１の表面４の増大した粗さが示すように、研磨ステップ１０４後にウェーハ１が増大した表面粗さを持つことを意味する。研磨ステップ１０４後のウェーハ１の表面粗さは約０．１５ナノメートルＲＭＳ〜約０．３ナノメートルＲＭＳである。ステップ１０４後の基板の表面欠陥密度は、平方ミリメートル当たり０．１２マイクロメートルより大きいサイズの欠陥が約０．２個〜約１個である。このことは、２０．３２ｃｍ（８インチ）及び３００ｍｍウェーハの場合にウェーハ毎に０．１２マイクロメートルより大きいサイズの欠陥が１００個のオーダーの欠陥密度に相当する。比較すると、高品質ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｏｎ‐ｉｎｓｕｌａｏｒ（絶縁体上シリコン））ウェーハの欠陥密度は、典型的に、２０．３２ｃｍ（８インチ）又は３００ｍｍウェーハにつき０．１３マイクロメートルより大きいサイズの欠陥が約２５個である。

従来のウェーハ製造工程では、エッチング及び研磨の後で、幾つかのステップを経る化学的機械的研磨工程が続き、これにより、微視的に滑らかで表面損傷又はかき傷などの不備の全くない極度に平らな鏡面が生成され、最も厳しいＩＣ製造要件に応える。

対照的に、本発明では、ステップ１０５で、図３に示された傾斜バッファ層２が、傾斜バッファ層２の基板４を形成しているウェーハ１上に成長する。表面４の欠陥及び／又は粗さが、ウェーハ１上の傾斜バッファ層２の第１の原子のボンディングを支持する良好な基礎を形成する。このように、ウェーハ１上の傾斜バッファ層２の第１の原子層の応力を最小にしておける間は、傾斜バッファ層２の開始層をたやすく形成できる。ウェーハ１の準備の整っていない表面４は、エピタキシャル傾斜バッファ層２の成長に適切な粘着特性を提供する。オプションとして、エピタキシャル成長を助けるために結晶方位にわずかなずれが生じてもよい。この結果、ウェーハ１が、傾斜バッファ層２の高品質なエピタキシャル成長に非常に良好な開始材料を形成する。このことは、従来、高品質の層は、極度に平らで損傷のない鏡面を持つ高品質の基板上に成長していたので、驚くべき効果である。

図示の実施形態では、傾斜バッファ層２は傾斜ＳｉＧｅ層２であり、そのゲルマニウム含有量は、ウェーハ１から始まってゲルマニウム約１００％まで、又は任意により少ない、例えばゲルマニウム２０％まで、徐々に増大している。ＳｉＧｅの代わりに、基板と格子不整合なあらゆる材料、例えば、ＡｓＧａや、ＧａＮや、ゲルマニウムなどが使用可能である。

ステップ１０６では、図４に示すように、傾斜バッファ層２上に緩和ＳｉＧｅ層３などの緩和層が成長する。緩和層３の結晶性は非常に良好だが、その表面５の表面粗さは増大している。

本発明の第１の実施形態においてステップ１０６に続いているステップ１０７では、緩和層３上でＣＭＰ（化学的機械的研磨）ストック除去が実施される。ステップ１０７では、５００ナノメートル〜数μｍの材料厚さが、緩和層３の表面５から除去される。

図１のステップ１０７ａを参照すると、本発明のオプションによれば、使用済みウェーハ（例えば、ＳｍａｒｔＣｕｔ技術に係る層の移動後に結果として生じ、初めて使用されるウェーハより表面の品質がわずかに良いドナーウェーハ）が再生され、ステップ１０７ａはステップ１０７のＣＭＰストック除去とステップ１０８のＣＭＰ最終研磨とのちょうど間の工程に含まれてもよい。使用されたウェーハを再生するステップがＥＰ１１５６５３１Ａ１に模範的に示されている。ステップ１０７ａは緩和層３の再成長を含んでも良い。

ステップ１０８では、緩和層３の最終ＣＭＰ研磨が続き、これで１平方マイクロメートルのスキャンにつき粗さ０．２ナノメートルＲＭＳ未満の緩和層３の表面が形成される。

最終洗浄ステップ１０９では、図５に示すように、非常に清潔な表面８を作るために、微細な粒子及び金属／非金属の残留物などの物理的な汚染やイオンの汚染が除去された。

図２が概略的に示しているのは、ウェーハ又は基板１の図１のステップ１０４の後の状態であり、研削されたまま又はラッピングされたままのウェーハが、ステップ１０３及び１０４の軽減されたエッチング及び研磨ステップで処理されている。ウェーハ１の表面４の粗さは増大しておりその表面欠陥密度も増大している。

図３が概略的に示しているのは、図２のウェーハの図１のステップ１０５の後の状態であり、傾斜バッファ層２がウェーハ１上に成長してウェーハ２０が形成されている。傾斜バッファ層２の材料はウェーハ基板１の材料とは異なる。ウェーハ１の表面４が粗く且つ欠陥を持っているにもかかわらず、傾斜バッファ層２は、非常に良好な結晶性を備えかつほとんど欠陥無くウェーハ１上に形成される。

図４が概略的に示しているのは、図３のウェーハ２０の図１のステップ１０６の後の状態であり、ウェーハ３０が形成されている。ステップ１０６では、傾斜バッファ層２に緩和層３が非常に良好な結晶性でエピタキシャル成長する。緩和層３の表面５の表面粗さが増大している。

図５が概略的に示しているのは、図４の構造３０の図１のステップ１０７、１０８、１０９の後の状態である。結果として生じる構造３０’の表面８は平らで滑らかである。

図６が概略的に示しているのは、本発明の第２の実施形態に係る方法の工程の順序である。図１のステップ１０１〜１０９に図６のステップ１１０〜１１３が続く。図６のステップ１１０は緩和層３になされる注入ステップを示し、図７に示すように、緩和層３に脆弱化された領域６を形成する。脆弱化された領域６は緩和層３を２つの部分３１０，３２０に分ける。

ステップ１１１には、図７に示されたウェーハ３０’を、シリコンウェーハなどのハンドルウェーハ７とボンディングするステップが含まれる。ハンドルウェーハ７の平らな鏡面と、緩和層３の研磨され洗浄された表面５との間でボンディングは実施される。

いわゆる「Ｓｍａｒｔ‐ｃｕｔ（登録商標）工程」ステップであるステップ１１２で、機械的エネルギー、熱エネルギー、音響エネルギーや、光エネルギーなどのある一定の量のエネルギーが、図８のボンディングされた構造４０に印加され、結果として、ボンディングされたウェーハ複合体４０を、図９及び図１２のウェーハ５０及び６０に示すように、２つの部分に分割又はカットする。

構造５０、６０の上部には、それぞれ、元の緩和層３の層部分３１０、３２０がある。分割のために、ウェーハ５０、６０のカットされたままの表面９、１２の表面粗さは増大している。

図６のステップ１１３では、ウェーハ５０、６０の緩和層部分３１０、３２０が更に厚くなるよう再成長させられ、結果として更に厚い緩和層３２１、３１１を備えたウェーハ５１、６１がもたらされる。図６のステップ１１４では、図１０、１３の構造５１、６１の表面１０、１３がＣＭＰ工程で研磨されその後洗浄され、結果として、図１１及び図１４に示されたウェーハ構造５２、６２に滑らかでほとんど欠陥のない表面１１、１４がもたらされる。

図７が概略的に示しているのは、図５のウェーハ３０の図６の注入ステップ１１０の後の状態であり、緩和層３に脆弱化された領域６を備えたウェーハ３０’がもたらされている。

図８が概略的に示しているのは、図７のウェーハ３０’の図６のボンディングステップ１１１の後の状態であり、ウェーハ３０’がハンドルウェーハ７とボンディングされており、ボンディングされたウェーハ複合体４０がもたらされている。

図９及び図１２が示しているのは、図８のウェーハ複合体４０の部分の図６のステップ１１２でなされた分割後の状態である。分割ステップ１１２の間、ウェーハ複合体４０は、所定の分割線を形成している脆弱化された領域６に沿って分割される。図９及び図１２のウェーハ５０、６０の表面８、１１が分割ステップにより生成されているので比較的粗い。ウェーハ５０は、ハンドルウェーハ７と元の緩和層３の分割された部分３２０とからなる。図１２のウェーハ６０は、ウェーハ又は基板１と、傾斜バッファ層２と、分割された緩和層部分３１０とからなる。

図１０及び図１３が概略的に示しているのは、緩和層部分３２０、３１０をより厚い緩和層部分３２１、３１１に再成長させた後の図９及び図１２のウェーハである。

図１１及び図１４が概略的に示しているのは、図１０及び図１３のウェーハ５１、６１の研磨及び洗浄の後の状態であり、最終ウェーハ構造５２、６２に平らでほとんど欠陥のない表面１１、１４がもたらされている。

図１及び図６に示された全ての工程ステップについて考慮すべきなのは、該ステップは完全な工程フローの特徴的なステップを表しているだけであり、該ステップのみが使用できるとは主張していないことである。ステップとステップの間に、更なるステップ、例えば、洗浄、取り扱い、アニール、層堆積などのステップが適用できる。ウェーハ１上に傾斜バッファ層２の代わりに非傾斜層を成長させることも可能だが、考慮すべきなのは、層２は、その材料は何であれ、ウェーハ又は基板１の材料以外の材料でなければならないことである。

全ての可能な工程フローで、鏡面研磨面を備えた従来市販されているウェーハとはその表面の品質に関し異なった、準備の整っていない基板上で、層２の成長が実施される。

１…基板、２…傾斜バッファ層、３…緩和層。

Claims (7)

1. 単結晶の第１の材料の基板（１）を用意するステップと、
   前記基板（１）上に、前記第１の材料の格子とは異なる格子を持った第２の材料の少なくとも１つの層（２、３）を成長させるステップと、
   を含むウェーハ（５２、６２）の製造方法において、
   前記第２の材料の少なくとも１つの層（２、３）を成長させるステップは、エッチングステップ（１０３）と第１の研磨ステップ（１０４）の後で、且つ、最終研磨ステップ（１０８）の前に実施され、
   前記エッチングステップ（１０３）は、スライスされラッピングされ及び／又は研削されただけの準備の整っていない基板（１）の表面に実施され、アルカリ性によるエッチングを含み、エッチングされた基板（１）の表面がより損傷を受けた状態とし、
   前記第１の研磨ステップ（１０４）は、前記エッチングステップ（１０３）の後に実施され、前記基板を０．１５ナノメートルＲＭＳ〜０．４ナノメートルＲＭＳの表面粗さを有するものとし、
   前記最終研磨ステップ（１０８）は、１平方マイクロメートルのスキャンにつき０．２ナノメートルＲＭＳ未満の表面粗さを有する前記第２の材料の少なくとも１つのヘテロエピタキシャル層（２，３）の仕上げられた表面（８）を形成するものである、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第２の材料の成長は、傾斜バッファ層（２）およびその上に形成される緩和層（３）の成長を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記傾斜バッファ層（２）の成長は傾斜ＳｉＧｅ層の成長を含み、そのゲルマニウム含有量は前記基板（１）から始まって徐々に増大することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 緩和層（３）の材料厚さは、前記最終研磨ステップ（１０８）を実施する前に適用されるＣＭＰストック除去ステップ（１０７）により除去されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 単結晶の第１の材料の基板はオンアクシスシリコン基板であり、当該オンアクシスシリコン基板上に前記第２の材料を成長させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 平方ミリメートル当たり０．１２マイクロメートルより大きいサイズの欠陥が０．２個〜１個の表面欠陥密度の基板（１）上に、前記第２の材料を成長させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の材料はシリコンまたはゲルマニウムであり、前記第２の材料はＳｉＧｅ、ＡｓＧａ、ＧａＮまたはゲルマニウムであることを特徴とする請求項１に記載のウェーハの製造方法。

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