JP5134586B2

JP5134586B2 - シリコンウエーハの再生方法

Info

Publication number: JP5134586B2
Application number: JP2009120172A
Authority: JP
Inventors: 史晃有馬; 守隆坂田
Original assignee: 濱田重工株式会社
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-05-18
Also published as: JP2010267921A

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程等において使用されたシリコンウエーハの再生方法に関し、特にＣｕに汚染されたシリコンウエーハを再生する方法に関する。

半導体デバイスの製造工程では、プライムシリコンウエーハとテスト（ダミー）シリコンウエーハの２つの異なる品質の単結晶シリコンウエーハが用いられている。プライムシリコンウエーハは、テストシリコンウエーハより品質基準が高く、実際の半導体製品を製造するために使用される。一方、テストシリコンウエーハは、製造工程の最適化やモニタリングに使用されている。

テストシリコンウエーハには、半導体デバイスの製造工程で使用された使用済みのシリコンウエーハを再生して使用している。シリコンウエーハ（以下、単に「ウエーハ」と呼ぶこともある。）の再生方法は、大略、使用済みウエーハの表面に形成された被膜を除去する工程と、被膜除去されたウエーハの表面を鏡面研磨する工程と、鏡面研磨されたウエーハを洗浄する工程とからなる。再生されたウエーハは、半導体デバイスの製造には向かなくても、製造工程のモニタリング等には十分適しており、新品のテストウエーハの代わりに利用されている。

ところで、近年、半導体デバイスの製造工程では、微細化の進行に伴い、配線材料として従来使用されていたＡｌに替えて、Ａｌより電気伝導率の高いＣｕが使用されるようになってきている。しかし、Ｃｕは、半導体デバイスの製造工程において湿式エッチングや洗浄に汎用的に使用されているＨＦ水溶液に混入するとシリコンウエーハ表面に付着しやすいだけでなく、シリコン結晶内における拡散が非常に速く、シリコンウエーハの内部まで侵入したＣｕを従来の再生方法により除去することは困難である。このため、半導体業界では、Ｃｕは汚染物質として特に警戒されている。

そこで、特許文献１では、鏡面研磨工程を実施する前に、シリコンウエーハの少なくとも一方の面にダメージ負荷を与えるゲッタリングサイト形成処理を行ってから該シリコンウエーハに熱処理を施して、シリコンウエーハ内部の不純物を低減するシリコンウエーハの再生方法の発明が開示されている。結晶欠陥には重金属を捕捉する能力があることがわかっている。この作用を積極的に利用して素子領域を清浄化する方法をゲッタリングといい、意図的に形成されたゲッタリング層をゲッタリングサイトという。

また、特許文献２では、皮膜除去工程と研磨工程の間に、シリコンウエーハを１５０〜３００℃で２０分間〜５時間加熱し、更にシリコンウエーハ表面部を除去する加熱・除去工程を含むシリコンウエーハの再生方法の発明が開示されている。この方法では、皮膜除去工程と研磨工程の間で所定の加熱を行うことにより、シリコンウエーハ内部に侵入したＣｕをシリコンウエーハの表面近傍まで移動させた後、その表面を化学的方法若しくは機械的方法で削り取ることにより、Ｃｕを除去する。

特開２００５−９３８６９号公報特開２００５−１１７０２２号公報

しかしながら、シリコンウエーハの内部に、酸化誘起積層欠陥ＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Fault）や酸素析出物ＢＭＤ（Bulk Micro Defect）等の結晶欠陥が存在する場合、特許文献１、２などに記載されているシリコンウエーハの再生方法によっても、Ｃｕをシリコンウエーハ内部から完全に除去することはできない。このため、再生ウエーハを半導体デバイスの製造工程に使用した際に、再生ウエーハの表面にＣｕが析出する場合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、半導体デバイスの製造工程等において、表面にＣｕが析出することがないシリコンウエーハの再生方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、Ｃｕに汚染されたシリコンウエーハの表面を研磨する研磨工程と、表面を研磨された該シリコンウエーハを洗浄する洗浄工程とを有するシリコンウエーハの再生方法において、前記シリコンウエーハ内部の結晶欠陥に捕捉されていたＣｕが該シリコンウエーハ上に析出した際に前記Ｃｕを捕捉する熱酸化膜を、前記洗浄工程を経た前記シリコンウエーハの表面に形成する熱酸化膜工程を有することを特徴としている。

従来のシリコンウエーハの再生方法では、Ｃｕに汚染されたシリコンウエーハ（シリコン基板）を熱処理してＣｕを外方拡散させた後、当該シリコンウエーハの表面を研磨、洗浄することによりシリコンウエーハからＣｕを除去しようとしていた。しかし、当該方法によってＣｕをシリコンウエーハから完全に除去することは困難であることから、本発明では、発想を転換し、シリコンウエーハからＣｕを除去するのではなく、シリコンウエーハ（シリコン基板）の表面にＳｉＯ_２からなる熱酸化膜を形成してＣｕを熱酸化膜内に封じ込めることとした。後述するように、シリコン基板上に析出したＣｕは熱酸化膜に捕捉され、熱酸化膜の上層部及びシリコン基板表層部のＣｕをほぼゼロとすることができる。

また、本発明に係るシリコンウエーハの再生方法では、前記熱酸化膜の厚さを５０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが好ましい。
熱酸化膜の厚さを５０ｎｍ未満とした場合、Ｃｕが熱酸化膜の表面から析出するおそれがある一方、熱酸化膜の厚さが１０００ｎｍを超えると、熱酸化膜の効果が飽和し、経済性や生産効率の点からも好ましくない。なお、熱酸化膜の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍとすることがより好ましい。

また、本発明に係るシリコンウエーハの再生方法では、前記熱酸化膜工程において、前記洗浄工程を経た前記シリコンウエーハを熱処理炉内に配置し、前記熱処理炉内に酸素又は酸素と水蒸気の混合気体を供給した後、１５分〜５２０分の間、該熱処理炉内の温度を９００℃〜１０００℃に維持することを好適とする。
熱処理炉内の温度を９００℃未満とすると、成膜速度が遅くなり、生産性が著しく低下する一方、１０００℃を超えると、熱処理炉の耐久性に悪影響を与える。
酸素雰囲気下とした熱処理炉内を９００℃で１５分間維持することにより、熱処理炉内のシリコンウエーハ（シリコン基板）表面に形成される熱酸化膜の厚さを５０ｎｍとすることができる。一方、酸素雰囲気下とした熱処理炉内を１０００℃で５２０分間維持することにより、熱処理炉内のシリコンウエーハ（シリコン基板）表面に形成される熱酸化膜の厚さを１０００ｎｍとすることができる。

本発明に係るシリコンウエーハの再生方法では、洗浄工程を経たシリコンウエーハ（シリコン基板）の表面に熱酸化膜を形成するので、シリコン基板上に析出したＣｕは熱酸化膜に捕捉され、熱酸化膜の上層部及びシリコン基板表層部のＣｕをほぼゼロとすることができる。その結果、半導体デバイスの製造工程等において、表面にＣｕが析出することがないシリコンウエーハを実現することができる。

本発明の一実施の形態に係るシリコンウエーハの再生方法の作業手順を示すフローチャート図である。熱酸化膜処理に使用される熱処理炉の模式図である。本発明の一実施の形態に係るシリコンウエーハの再生方法によって再生されたシリコンウエーハのＣｕ濃度のグラフである。同シリコンウエーハの再生方法によって再生されたシリコンウエーハのＣｕ濃度のグラフである。同シリコンウエーハの再生方法によって再生されたシリコンウエーハのＣｕ濃度のグラフである。従来方法によって再生されたシリコンウエーハのＣｕ濃度のグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、「シリコンウエーハ」と「シリコン基板」は通常、同義であるが、本明細書では、熱酸化膜が形成されたシリコン基板を「シリコンウエーハ」と呼ぶことがある。

表面にＣｕ膜を有するシリコンウエーハを例に採り、本発明の一実施の形態に係るシリコンウエーハの再生方法について説明する。図１に、その作業手順を示す。
（１）Ｃｕ膜を有するシリコンウエーハの場合、先ず、シリコンウエーハの表面からＣｕ膜を除去する（ＳＴ１）。Ｃｕ膜を除去する方法は特に限定されないが、例えばＣｕ膜を有するシリコンウエーハを、硫酸と過酸化水素水の混合液でエッチングすることによってＣｕ膜を溶解除去することができる。

（２）シリコンウエーハの表面からＣｕ膜が除去されると、シリコンウエーハ内部に存在するＣｕを除去するため、シリコンウエーハに外方拡散処理（ＳＴ２）とエッチング処理（ＳＴ３）が実施される。
外方拡散処理は、シリコンウエーハを熱処理することにより、シリコンウエーハの内部に存在するＣｕを表層部に移動させる処理である。外方拡散処理によって表層部に集積したＣｕは、エッチング処理によって除去される。エッチング処理では、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどのアルカリエッチング液や、ＨＦとＨＮＯ_３の混合液などの酸エッチング液を用いて、シリコンウエーハ表層部のＣｕを溶解除去する。

（３）上記工程を経たシリコンウエーハは、研磨工程（ＳＴ４）において表面が鏡面研磨された後、洗浄工程（ＳＴ５）において洗浄される。
鏡面研磨方法は特に限定されないが、研磨材を供給しながら、回転する定盤に貼り付けた研磨クロスの上にシリコンウエーハを載置し、一定の荷重を与えて研磨を行うものである。研磨材としては、アルカリ溶液中にコロイダルシリカを分散させたものを使用することができる。また、洗浄方法も特に限定されないが、パーティクルや金属の除去を目的とした処理であり、洗浄液としてＡＰＭ（アンモニア＋過酸化水素水）やＨＰＭ（塩酸＋過酸化水素水）などが用いられる。

（４）上記各工程は従来の再生方法と同様の工程であり、前述したように、上記工程を経たシリコンウエーハ（シリコン基板）の内部にはＣｕが存在している。そのため、シリコンウエーハ（シリコン基板）の表面にＣｕが析出するおそれがある。そこで、本発明では、更に熱酸化膜工程（ＳＴ６）を実施した後、出荷（ＳＴ７）する。以下、熱酸化膜工程について詳述する。

熱酸化膜工程に使用する熱処理炉１０を図２に示す。熱処理炉１０は、洗浄工程（ＳＴ５）を経たシリコンウエーハＷ（シリコン基板）が収容される釣鐘状のプロセスチューブ１２と、シリコンウエーハＷが搭載され、プロセスチューブ１２内に装填されるウエーハボート１９と、プロセスチューブ１２の外側に設置され、プロセスチューブ１２を加熱するヒータ１３と、プロセスチューブ１２内に雰囲気ガスを供給する供給管１４及びプロセスチューブ１２内から雰囲気ガスを排出する排出管１５とを備え、断熱性を有するケーシング１１によって遮蔽されている。

プロセスチューブ１２は石英ガラス製とされ、その底面には、ウエーハボート１９を挿入するための開口部が形成されている。プロセスチューブ１２の天頂部は雰囲気ガスの供給口１４ａとされ、供給管１４が接続されている。また、ウエーハボート１９に雰囲気ガスが直接当たらないようにするため、整流板２１が供給口１４ａに近接して設けられている。一方、プロセスチューブ１２の下端部側面には、雰囲気ガスの排出口１５ａが設けられ、排出管１５が接続されている。

ウエーハボート１９は、円柱状の保温筒１６上に立設する複数本の支柱１７と、これら複数本の支柱１７の上端部を支持する支持部１８とから構成されている。各支柱１７は石英からなり、シリコンウエーハＷをセットするための水平な溝（図示省略）が材軸方向に等間隔で形成されている。保温筒１６は石英ガラスで形成され、熱処理に際し、プロセスチューブ１２内の熱の散逸を防止する。保温筒１６は昇降アーム２０上に設置されており、昇降アーム２０を介して保温筒１６を昇降させることにより、ウエーハボート１９をプロセスチューブ１２内に装填することができる。

次に、上記熱処理炉１０を用いた熱酸化膜処理について説明する。
洗浄工程（ＳＴ５）を経たシリコンウエーハＷ（シリコン基板）をウエーハボート１９に必要数セットし、保温筒１６を上昇させてウエーハボート１９をプロセスチューブ１２内に装填する。次いで、酸素又は酸素と水蒸気の混合気体からなる雰囲気ガスを供給管１４よりプロセスチューブ１２内に供給し、プロセスチューブ１２内をドライ状態又はウェット状態の酸素雰囲気とする。そして、ヒータ１３によりプロセスチューブ１２を加熱してプロセスチューブ１２内の温度を上昇させ、所定温度（９００℃〜１０００℃）に到達後、その状態を所定時間（１５分〜５２０分間）維持する。これにより、シリコンウエーハＷ（シリコン基板）の表面にＳｉＯ_２からなる熱酸化膜が形成される。熱酸化膜の厚さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、Ｃｕ膜を有するシリコンウエーハの再生方法について説明したが、Ｃｕ膜の無いシリコンウエーハの場合は、Ｃｕ膜除去工程は不要となる。また、上記実施の形態では、外方拡散工程とそれに伴うエッチング工程を実施したが、本発明では、これらの工程は必須工程ではなく必要に応じて実施すればよい。

本発明の一実施の形態に係るシリコンウエーハの再生方法によって再生されたシリコンウエーハ（実施例）と、従来の再生方法によって再生されたシリコンウエーハ（比較例）それぞれについてＣｕ濃度の測定を行った。
Ｃｕ濃度の測定には、ＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析装置）を使用した。ＩＣＰ−ＭＳは、プラズマ（ＩＣＰ）をイオン源として使用し、発生したイオンを質量分析部（ＭＳ）で検出する装置である。本試験では、シリコンウエーハの表面をＨＦとＨ_２Ｏ_２の混合液又はＨＦとＨＮＯ_３の混合液を用いて溶解し、回収した試料のＣｕ濃度をＩＣＰ−ＭＳを用いて測定した。

実施例１、２のＣｕ濃度を図３に、実施例３、４のＣｕ濃度を図４に、実施例５、６のＣｕ濃度を図５にそれぞれ示す。また、比較例１、２のＣｕ濃度を表１に、比較例３のＣｕ濃度を図６に示す。なお、図中の「ＮＤ」は「Not Detected（検出せず）」を表している。

実施例１、２は、シリコン基板（バルク）中にＣｕを含んだ直径３００ｍｍのシリコンウエーハを、上述した再生法により再生したものである。熱酸化膜処理条件は９５０℃で２０分間とし、熱酸化膜の厚さは１００ｎｍとした。また、Ｃｕ濃度の測定に当たっては、熱酸化膜の上層部（表面〜深さ３０、４０ｎｍまで）及び熱酸化膜の下層部（深さ３０、４０ｎｍ〜１００ｎｍまで）はＨＦとＨ_２Ｏ_２の混合液で溶解し、シリコン基板表層部（深さ１μｍ）はＨＦとＨＮＯ_３の混合液で溶解して試料とした。
実施例１、２とも熱酸化膜の上層部及びシリコン基板の表層部では、Ｃｕは検出されず（３００ｍｍウエーハのＣｕ検出下限は１．９×１０^８atoms/cm²）、熱酸化膜の下層部において４．０〜５．５×１０^８atoms/cm²のＣｕが検出された（図３参照）。このことから、シリコン基板中にＣｕが存在する場合、熱酸化膜処理を施すことにより、Ｃｕは熱酸化膜の下層部で捕捉されることがわかる。因みに、実操業におけるウエーハ表面のＣｕ許容濃度は１×１０^１０atoms/cm²であり、実施例のウエーハ表面におけるＣｕ濃度は全く支障のないレベルであることが確認できた。

実施例３〜６は、シリコン基板中にＣｕを含んだ直径２００ｍｍのシリコンウエーハを、上述した再生法により再生したものである。実施例３、４の熱酸化膜処理条件は９００℃で１５分間とし、熱酸化膜の厚さは１００ｎｍとした。一方、実施例５、６の熱酸化膜処理条件は９００℃で９０分間とし、熱酸化膜の厚さは３００ｎｍとした。その後、実施例３、５については、Ｎ_２雰囲気下で９５０℃×９時間、実施例４、６については、Ｎ_２雰囲気下で９５０℃×２７時間の熱処理を実施した。
Ｃｕ濃度の測定に当たっては、実施例３、４は実施例１、２と同様の方法により、実施例５、６については、熱酸化膜の上層部（表面〜深さ２３０、２４０ｎｍまで）及び熱酸化膜の下層部（深さ２３０、２４０ｎｍ〜３００ｎｍまで）はＨＦとＨ_２Ｏ_２の混合液で溶解し、シリコン基板表層部（深さ１μｍ）はＨＦとＨＮＯ_３の混合液で溶解して試料とした。

実施例３〜６とも、Ｎ_２雰囲気下で熱処理を実施した場合でも、熱酸化膜の上層部及びシリコン基板の表層部においてＣｕは検出されず（２００ｍｍウエーハのＣｕ検出下限は５．７×１０^８atoms/cm²）、熱酸化膜の下層部においてのみ６．０〜１４．８×１０^８atoms/cm²のＣｕが検出された（図４、図５参照）。このことから、シリコンウエーハに熱酸化膜処理を施した場合、その後に熱処理を実施した場合でも、Ｃｕは熱酸化膜の下層部に留まり熱酸化膜の上層部には析出しないので、実操業には全く支障のないことがわかる。

比較例１、２は、シリコン基板中にＣｕを含んだ直径２００ｍｍのシリコンウエーハを、従来の再生法により再生したものである。比較例１のシリコン基板は結晶欠陥が無く、比較例２のシリコン基板は多数の結晶欠陥を有している。Ｃｕ濃度の測定に当たっては、シリコンウエーハ表面をＨＦとＨ_２Ｏ_２の混合液で溶解して試料とした。
比較例１、２とも、洗浄後においてウエーハ表面のＣｕは検出されなかったが、Ｎ_２雰囲気下で熱処理（９５０℃×２０分間）した場合、比較例２のウエーハ表面から１．１×１０^１０atoms/cm²のＣｕが検出された（表１参照）。比較例２では、シリコン基板中の結晶欠陥に捕捉されていたＣｕが熱処理により表面に析出してくる。このことから、結晶欠陥があるシリコンウエーハの場合、従来の再生方法では、シリコンウエーハからＣｕを完全に除去できないことがわかる。

比較例３も、比較例２と同様、シリコン基板中の結晶欠陥にＣｕを含んだ直径２００ｍｍのシリコンウエーハを、従来の再生法により再生したものである。再生前における比較例３のウエーハ表面におけるＣｕ濃度は３．５×１０^９atoms/cm²であったが、従来の再生方法を施すことにより、Ｃｕ濃度は検出可能レベル以下となった（図６参照）。しかし、Ｎ_２雰囲気下で１回目の熱処理（９００℃×２分間）を施すことにより、比較例３のウエーハ表面において再びＣｕが検出され（Ｃｕ濃度：３．３×１０^９atoms/cm²）、Ｎ_２雰囲気下で２回目の熱処理（９００℃×１８０分間）を施すと、Ｃｕ濃度はさらに上昇した（Ｃｕ濃度：４．５×１０^９atoms/cm²）。Ｃｕを含有するシリコンウエーハを熱処理すると、ウエーハ表面のＣｕ濃度が増加傾向となり、長時間の熱処理によって、実操業におけるウエーハ表面のＣｕ許容濃度である１×１０^１０atoms/cm²を超える可能性が十分に考えられる。

１０：熱処理炉、１１：ケーシング、１２：プロセスチューブ、１３：ヒータ、１４：供給管、１４ａ：供給口、１５：排出管、１５ａ：排出口、１６：保温筒、１７：支柱、１８：支持部、１９：ウエーハボート、２０：昇降アーム、２１：整流板、Ｗ：シリコンウエーハ

Claims

Ｃｕに汚染されたシリコンウエーハの表面を研磨する研磨工程と、表面を研磨された該シリコンウエーハを洗浄する洗浄工程とを有するシリコンウエーハの再生方法において、
前記シリコンウエーハ内部の結晶欠陥に捕捉されていたＣｕが該シリコンウエーハ上に析出した際に前記Ｃｕを捕捉する熱酸化膜を、前記洗浄工程を経た前記シリコンウエーハの表面に形成する熱酸化膜工程を有することを特徴とするシリコンウエーハの再生方法。
請求項１記載のシリコンウエーハの再生方法において、前記熱酸化膜の厚さを５０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることを特徴とするシリコンウエーハの再生方法。
請求項２記載のシリコンウエーハの再生方法において、前記熱酸化膜工程では、前記洗浄工程を経た前記シリコンウエーハを熱処理炉内に配置し、前記熱処理炉内に酸素又は酸素と水蒸気の混合気体を供給した後、１５分〜５２０分の間、該熱処理炉内の温度を９００℃〜１０００℃に維持することを特徴とするシリコンウエーハの再生方法。