JP5565079B2 - Soiウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、イオン注入剥離法によるSOIウェーハの製造工程フローであり、以下、図1を参照しながらイオン注入剥離法について説明する。
この副生された剥離ウェーハ140をボンドウェーハとして再利用することで、SOIウェーハの製造コストを大きく低減することができるが、そのままでは再利用できないため、剥離ウェーハ140の剥離面の再生処理が必要である。
単結晶成長起因の欠陥(グローイン欠陥)は、結晶の融液からシリコン単結晶に取り込まれたベーカンシー(Vacancy、以下Vaと略記することがある)と呼ばれる空孔型の点欠陥や、インタースティシアル−シリコン(Interstitial−Si、以下Iと略記することがある)と呼ばれる格子間シリコン型の点欠陥が、結晶冷却中に過飽和になって、酸素とともに凝集した複合欠陥であり、FPD、LSTD、COP、OSF等がある。
これらの欠陥を説明するに当たって、先ず、シリコン単結晶に取り込まれるVaとIのそれぞれの取り込まれる濃度を決定する因子について、一般的に知られていることを説明する。
また、このN領域は、空孔(Va)が優勢なNv領域と、格子間シリコン(I)が優勢なNi領域に分別される。Nv領域では、熱酸化処理した際に酸素析出物(Bulk Micro Defect、以下BMDという)が多く発生し、一方Ni領域では、酸素析出物が殆ど発生しないことがわかっている。
この方法は、ボンドウェーハ中にCOPやOSFといったグローイン欠陥が存在せず、しかも、SOIウェーハ製造工程の熱処理で成長したBMDを急速熱処理で縮小または消滅させることができるため、実施例に記載されているとおり、剥離ウェーハを2回までの再利用では、ボイドやブリスターといった不良は発生せず良好であるとしている。
このように、急速熱処理を、急速加熱・急速冷却装置を用いて、1300℃より高く1400℃以下の温度で1〜60秒間施すことで、実際にシリコン基板の貼り合わせ面となる表面から5μmの深さまでの領域に存在するRIE法により検出される欠陥を、効果的に消滅させることができる。
このように、本発明の製造方法で副生された剥離ウェーハは、本発明の急速熱処理で表層の欠陥が消滅しており、製造前より欠陥が増えておらず、さらに当該剥離ウェーハを再利用して再度本発明の急速熱処理を行えば、表層のRIE欠陥を確実に消滅できるため、生産性良く、低コストで高品質のSOIウェーハを製造することができる。
このように、シリコン基板を、全面がOSF領域、全面がN領域、又はOSF領域及びN領域が混合した領域であるシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハとすれば、消滅しにくい欠陥はほとんどないシリコン基板であるため、効率的にRIE欠陥を消滅させることができる。
このように、シリコン基板を、全面がN領域で、格子間シリコンが優勢なNi領域及び空孔が優勢なNv領域が混合した領域であるシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハとすれば、RIE欠陥の消滅がより容易で、シリコン基板のバルク全域にわたってRIE欠陥を消滅させることも可能である。
このように、全面がN領域で、格子間シリコンが優勢なNi領域及び空孔が優勢なNv領域が混合した領域であるシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハに、最初のSOIウェーハ製造で本発明の急速熱処理を行えば、シリコン基板のバルク全域のRIE欠陥をほとんど消滅させることも可能であるため、その剥離ウェーハの再利用の際には、本発明の急速熱処理を省略しても、欠陥のほとんどないSOI層を有するSOIウェーハを得ることができ、より生産性の向上となる。
そこで、本発明者らは、従来技術について考察するとともに、上記のようなSOIウェーハを得るために、RTP処理とRIE欠陥との関係について鋭意研究を行った。
この方法の場合は、材料となるシリコン基板中にCOPやOSF核といったグローイン欠陥が存在しないため、問題ないように考えられるが、全面がN領域のシリコン基板を準備し、RTP処理を行った後、酸化膜の長期信頼性である経時破壊特性のTDDB特性を測定すると、基板のNv領域において、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)特性は殆ど低下しないが、TDDB特性は低下する場合がある(特許文献3参照)。
該ウェーハは、図2(b)のB−Bで示したウェーハに相当し、ウェーハ中心がNv領域でその外周部にNi領域が存在するウェーハである。
特許文献3で本発明者らが報告したように、Nv領域にはCOPやOSF核といったグローイン欠陥は存在しないが、酸素単体が凝集したグローイン酸素析出物が存在している領域、すなわちRIE欠陥が存在する領域があり、1270℃以下の温度ではNv領域に存在するグローイン酸素析出物が完全には溶解しなかったためTDDB特性が低下したと考えられる。
本発明者らがRIE法を用いて評価した結果、従来の評価方法では欠陥が検出されない全面N領域のウェーハにおいても、グローインの酸素析出物起因の欠陥(以下RIE欠陥という)が存在しており、TDDB特性が低下する領域は、N領域の中でも特にNv領域であって、かつRIE法で検出される欠陥(RIE欠陥)がウェーハ表層に存在する領域であることを見出した。
さらに、このウェーハ表層に存在するRIE欠陥は、1270℃以下でのRTP処理を行ったときには殆ど消滅することがなく、1300℃より高い温度でRTP処理することによって、ウェーハ表面から深さ5μmまでのRIE欠陥はほぼ完全に消滅させることができることを本発明者らは見出した。また、1300℃より高い温度でのRTP処理であれば、OSF核も同様に消滅させることができ、OSF領域のウェーハも欠陥を消滅可能であることを発見した。
SOIウェーハの製造工程では、様々な熱処理工程や研磨等が行われるため、表層の特に表面から深さ5μmまでにRIE欠陥を消滅させたボンドウェーハを用いれば、SOI層となるボンドウェーハ表層には、製造工程中に酸素析出物が発生、成長もせず、欠陥の無いSOI層を有するSOIウェーハを製造可能である。
図4は、本発明のSOIウェーハの製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。図5は、本発明のSOIウェーハの製造方法でSOIウェーハを製造中に副生された剥離ウェーハの再生処理のフロー図である。
このようなシリコン単結晶ウェーハであれば、消滅しにくいCOP等の欠陥がほとんど存在しないため、後工程の急速熱処理によりウェーハの表面から深さ5μmまでのRIE欠陥を効果的に消滅させることができる。
このようなウェーハであれば、OSF等の欠陥もなく、グローイン酸素析出物のみ消滅させればよいため、本発明の急速熱処理を一度行えば、バルク全体のRIE欠陥を消滅させて、酸素析出物は一旦完全にリセットされる。従って、再利用の際には本発明の急速熱処理を再度行う必要が無く、剥離ウェーハの再生処理も簡易に済むため、SOIウェーハの生産性をより向上させることができる。
予備試験では、シリコン単結晶インゴットを引き上げる際に、成長速度を、0.7mm/minから0.4mm/minの範囲で、結晶頭部から尾部にかけて漸減させるように制御した。単結晶の酸素濃度は、6×1017〜7×1017atoms/cm3(JEIDA:日本電子工業振興協会による換算係数を使用)となるように育成する。
この板状ブロックの1つ目は、結晶軸方向に10cm毎の長さに切断し、ウェーハ熱処理炉で650℃、2時間、窒素雰囲気中で熱処理し、その後800℃まで昇温し、4時間保持した後、酸素雰囲気に切り替えて1000℃まで昇温し、16時間保持した後、冷却して取り出す。
また板状ブロックの2つ目は、Wet 酸素雰囲気中で1100℃、1時間のOSF熱処理後にセコエッチングして、OSFの分布状況を確認する。
V−Rich/OSF領域境界: 0.591mm/min
OSF消滅境界 : 0.581mm/min
Nv/Ni領域境界 : 0.520mm/min
Ni/I−Rich領域境界 : 0.503mm/min
また、引き上げ速度Vが0.515mm/minになるように制御しながらシリコン単結晶を育成して、径方向に切り出せば、ウェーハ中心部にNv領域が存在し、その外周部にNi領域が存在するNv領域とNi領域の混合ウェーハを得ることができる(以下Nv+Niウェーハという)。
この工程で、シリコン基板の貼り合わせ面となる表面から5μmの深さまでのRIE欠陥を消滅させることで、当該部分はSOI層となる部分であるため、欠陥のほとんどないSOI層とすることができる。
ここでRIE法を用いた結晶欠陥の評価方法について、以下解説する。
RIE法とは、シリコン基板中の酸化珪素(以下SiOxという)を含有する微小な結晶欠陥を、深さ方向の分解能を付与しつつ評価する方法である。この方法は、基板の主表面に対して、反応性イオンエッチングなどの高選択性の異方性エッチングを一定厚さで施し、残ったエッチング残渣を検出することにより結晶欠陥の評価を行うものである。
まず、図6(a)に示すように、シリコン基板W中には、過飽和に溶存していた酸素が、熱処理によってSiOxとして析出した酸素析出物(BMD111)が形成されている。
以上が、RIE法による欠陥検出方法である。
このような急速熱処理条件であれば、基板表面から深さ5μmまでのRIE欠陥を確実に消滅させることができる。
また、全面がN領域からなるシリコン基板を急速熱処理する場合は、OSF等を消滅させる必要がないため、熱処理時間も、1〜60秒間の範囲で、より短時間の熱処理を行えば十分であり、N領域、特にNv領域に存在するグローイン析出物のサイズに応じて急速熱処理時間を設定すれば良い。
この急速加熱・急速冷却装置52は、石英からなるチャンバー53を有し、このチャンバー53内でシリコン基板Wを急速熱処理できるようになっている。加熱は、チャンバー53を上下左右から囲繞するように配置される加熱ランプ54(例えばハロゲンランプ)によって行う。この加熱ランプ54は、それぞれ独立に供給される電力を制御できるようになっている。
そして、シリコン基板Wは、石英トレイ56に形成された3点支持部57上に配置される。石英トレイ56のガス導入口側には、石英製のバッファ58が設けられており、酸化性ガスや窒化性ガス、Arガス等の導入ガスが、シリコン基板Wに直接当たるのを防ぐことができる。
このとき、急速熱処理により基板表面から5μm程度の深さまでのグローイン欠陥であるOSFや酸素析出物であるRIE欠陥を一旦消滅させ、同時に、表層の酸素は外方拡散して、酸素濃度が極端に低下しているので、本工程の酸化膜形成工程では少なくとも表層には新たな酸素析出核を形成することがなく、また、上記の温度範囲のような比較的高温で酸化膜を形成すれば、確実に酸素析出核形成を抑制できる。
イオン注入層13の深さはイオン注入エネルギーにより決定される。従って、深く注入するためには大きな注入エネルギーが必要とされるが、通常の場合、酸化膜表面から深くても2μm程度であり、1μm以下の深さに注入することが多い。このため、得られるSOI層の厚さも2μm程度以下となり、当該厚さ領域の欠陥は、本発明の急速熱処理により消滅させているため、欠陥の無いSOI層が形成される。
以上のように製造することで、欠陥の無いSOI層を有するSOIウェーハを得ることができる。
再生処理では、図5(g)に示すように、まず、剥離ウェーハ14に対して、急速加熱・急速冷却装置を用いて、1300℃より高く1400℃以下の温度で1〜60秒間急速熱処理を施し、その後図5(h)に示すように、剥離面の研磨及び酸化膜の除去を行う。
このような、剥離ウェーハは、バルク全体に欠陥が無いため、何度再利用しても、熱処理中に酸素析出物が発生、及び成長せず、高品質のSOIウェーハを、より生産性良く低コストで製造できる。
(実施例1−6、比較例1−8)
単結晶引き上げ装置を用い、横磁場を印加して、MCZ法により、様々な欠陥領域のシリコン単結晶インゴット(直径12インチ(300mm)、方位<100>、導電型p型)を育成し、そこから切り出したシリコン単結晶ウェーハを準備した。なお、シリコン単結晶インゴットの成長速度及び欠陥領域の関係に関する予備試験では、図8と同様の関係が得られ、この関係を基にして、本試験で所望の欠陥領域を有するインゴットを育成した。
(実施例1)(OSF+Nv)
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理温度:1320℃
RTP保持時間:10秒
(実施例2)(OSF+Nv)
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理温度:1350℃
RTP保持時間:10秒
(実施例3)(Nv+Ni)
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RTP保持時間:10秒
(実施例4)(Nv+Ni)
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RTP保持時間:10秒
(実施例5)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理温度:1320℃
RTP保持時間:1秒
(実施例6)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理温度:1320℃
RTP保持時間:5秒
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理なし
(比較例2)(OSF+Nv)
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理温度:1250℃
RTP保持時間:10秒
(比較例3)(OSF+Nv)
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理温度:1270℃
RTP保持時間:10秒
(比較例4)(OSF+Nv)
引き上げ速度:0.585mm/min、 RTP処理温度:1290℃
RTP保持時間:10秒
(比較例5)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理なし
(比較例6)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理温度:1250℃
RTP保持時間:10秒
(比較例7)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理温度:1270℃
RTP保持時間:10秒
(比較例8)(Nv+Ni)
引き上げ速度:0.510mm/min、 RTP処理温度:1290℃
RTP保持時間:10秒
1枚目のサンプルは、マグネトロンRIE装置(Applied Materials社製Centura)を用いてエッチングを行った。その後、レーザー散乱方式の異物検査装置(KLA−Tencor社製 SP1)でエッチング後のヒロックを計測した。また、ヒロックの個数を電子顕微鏡を用いて計測し、欠陥密度を算出した。
そして、この酸化膜を通して水素イオンを注入した。注入条件は、加速電圧70KeV、注入量6×1016/cm2である。
このボンドウェーハをベースウェーハと室温で貼り合わせた後、500℃、30分の剥離熱処理を加えることにより、イオン注入層で剥離し、SOIウェーハを2枚作製した。
このような、実施例1−6において、本発明のRTP処理後、5μmポリッシュした後のボンドウェーハを用いて、SOIウェーハを作製した場合でも、SOI層の欠陥が検出されていないことから、本発明のRTP処理でウェーハ表面から5μmより深い領域までRIE欠陥が消滅していることが分かる。
単結晶引き上げ装置を用い、横磁場を印加して、MCZ法により、引き上げ速度0.585mm/minでシリコン単結晶インゴット(直径12インチ(300mm)、方位<100>、導電型p型)を育成し、そこから切り出したシリコン単結晶ウェーハ(OSF+Nvウェーハ)を準備した。なお、シリコン単結晶インゴットの成長速度および欠陥領域の関係に関する予備試験では、図8と同様の関係が得られている。
(A)シリコン単結晶ウェーハ(OSF+Nvウェーハ)をボンドウェーハとして準備し、図7の急速加熱・急速冷却装置(ここでは、AMAT社製VANTAGE)を用い、Arガス雰囲気中で50℃/秒の昇温速度で室温より急速昇温し、1350℃の最高温度で10秒間保持した後、50℃/秒の降温速度で急速冷却した。
その後、表面を5μm程度ポリッシュした。
(B)ポリッシュしたボンドウェーハに、1000℃のパイロジェニック酸化により、表面に熱酸化膜を400nm形成した。
(C)この酸化膜を通して水素イオンを注入した。注入条件は、加速電圧70KeV、注入量6×1016/cm2である。
(D)イオン注入したボンドウェーハを、ベースウェーハと室温で貼り合わせた後、500℃、30分の剥離熱処理を加えることにより、イオン注入層で剥離し、SOIウェーハを作製した。この際、SOIウェーハから分離した剥離ウェーハが副生された。
剥離後のSOIウェーハのSOI層のRIE欠陥を測定したところ、RIE欠陥は発生していなかった。
(剥離ウェーハの再生処理1)
(E)次に、上記SOIウェーハ製造の際に副生された剥離ウェーハに対して、急速加熱・急速冷却装置(ここでは、AMAT社製VANTAGE)を用い、Arガス雰囲気中で50℃/秒の昇温速度で室温より急速昇温し、1350℃の最高温度で10秒間保持した後、50℃/秒の降温速度で急速冷却した。
その後、剥離面を5μm研磨して新たなボンドウェーハ(2回目)を作製した。
(剥離ウェーハの再生処理2)
更に、上記で副生された剥離ウェーハ(2回目)に対して、急速加熱・急速冷却装置(ここでは、AMAT社製VANTAGE)を用い、Arガス雰囲気中で50℃/秒の昇温速度で室温より急速昇温し、1350℃の最高温度で10秒間保持した後、50℃/秒の降温速度で急速冷却した。その後、剥離面を5μm研磨して新たなボンドウェーハ(3回目)を作製した。
そして、SOIウェーハの製造2、3で、剥離ウェーハより作製されたSOIウェーハのRIE欠陥を評価したところ、いずれの場合もRIE欠陥は観察されなかった。
最初のSOIウェーハ及び2回目、3回目の剥離ウェーハより作製されたSOIウェーハのRIE欠陥を評価した。
実施例7と比較例9のRIE欠陥密度を表2に示す。
他方、RTP熱処理を実施していない比較例9の場合は、再処理回数の増大に伴いRIE欠陥が増加している。これは、最初に準備したボンドウェーハ中にはOSF及びグローイン酸素析出物が存在しており、これらが、SOIウェーハ製造工程及び再利用工程の熱処理で成長したことが原因と推定される。
単結晶引き上げ装置を用い、横磁場を印加して、MCZ法により、引き上げ速度0.510mm/minでシリコン単結晶インゴット(直径12インチ(300mm)、方位<100>、導電型p型)を育成し、そこから切り出したシリコン単結晶ウェーハ(Nv+Niウェーハ)を準備した。なお、シリコン単結晶インゴットの成長速度および欠陥領域の関係に関する予備試験では、図8と同様の関係が得られている。
(A’)シリコン単結晶ウェーハ(Nv+Niウェーハ)をボンドウェーハとして準備し、図7の急速加熱・急速冷却装置(ここでは、AMAT社製VANTAGE)を用い、Arガス雰囲気中で50℃/秒の昇温速度で室温より急速昇温し、1350℃の最高温度で10秒間保持した後、50℃/秒の降温速度で急速冷却した。
その後、表面を5μm程度ポリッシュした。
(B’)ポリッシュしたボンドウェーハを、1000℃のパイロジェニック酸化により、表面に熱酸化膜を400nm形成した。
(C’)この酸化膜を通して水素イオンを注入した。注入条件は、加速電圧70KeV、注入量6×1016/cm2である。
(D’)このボンドウェーハを、ベースウェーハと室温で貼り合わせた後、500℃、30分の剥離熱処理を加えることにより、イオン注入層で剥離し、SOIウェーハを作製した。この際、SOIウェーハから分離した剥離ウェーハが副生された。
剥離後のSOIウェーハのRIE欠陥を測定したところ、RIE欠陥は発生していなかった。
(剥離ウェーハの再生処理1)
(E’)次に、上記SOIウェーハ製造の際に副生された剥離ウェーハの剥離面を、4μm研磨して、新たなボンドウェーハ(2回目)を作製した。
(剥離ウェーハの再生処理2)
更に、上記で副生された剥離ウェーハ(2回目)の剥離面を、4μm研磨して、新たなボンドウェーハ(3回目)を作製した。
以上のように、実施例8では、本発明のRTP処理は最初の製造の際のみで、再利用の際には本発明のRTP処理を行わなかった。
このような、SOIウェーハの製造2、3の剥離ウェーハより作製されたSOIウェーハのRIE欠陥を評価したところ、いずれの場合もRIE欠陥は観察されなかった。
13…イオン注入層、 14…剥離ウェーハ、 15…埋め込み酸化膜、
16…SOIウェーハ、 17…SOI層、 51…ガス排気口、
52…急速加熱・急速冷却装置、 53…チャンバー、 54…加熱ランプ、
55…オートシャッター、 56…石英トレイ、 57…支持部、
58…バッファ、 59…パイロメーター、 W…シリコン基板。
Claims (2)
- チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン基板をボンドウェーハとして準備する工程と、該準備したシリコン基板の貼り合わせ面となる表面に酸化膜を形成する工程と、該酸化膜を通してイオン注入を行って前記シリコン基板中にイオン注入層を形成する工程と、該イオン注入層を形成したシリコン基板とベースウェーハを貼り合わせて熱処理することによって、前記シリコン基板を前記イオン注入層で剥離して剥離ウェーハとSOIウェーハとに分離させる工程とを含むSOIウェーハを製造する方法であって、
前記準備するシリコン基板を、全面がN領域で、格子間シリコンが優勢なNi領域及び空孔が優勢なNv領域が混合した領域であるシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハとし、
前記酸化膜形成工程の前に、前記準備したシリコン基板に急速熱処理を急速加熱・急速冷却装置を用いて、1300℃より高く1400℃以下の温度で1〜60秒間施すことによって、少なくとも前記シリコン基板の貼り合わせ面となる表面から5μmの深さまでの領域に存在するRIE法により検出される欠陥を消滅させるRIE欠陥消滅工程を行い、
かつ、前記剥離ウェーハを、他のSOIウェーハの製造の際にボンドウェーハとして前記急速熱処理を施すことなく再利用することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 - 前記剥離ウェーハを、前記他のSOIウェーハの製造の際にボンドウェーハとして準備して、該準備した剥離ウェーハの貼り合わせ面となる表面に酸化膜を形成し、該酸化膜を通してイオン注入を行って前記剥離ウェーハ中にイオン注入層を形成し、該イオン注入層を形成した剥離ウェーハとベースウェーハを貼り合わせて熱処理することによって、前記剥離ウェーハを前記イオン注入層で剥離して前記他のSOIウェーハを製造することを特徴とする請求項1に記載のSOIウェーハの製造方法。
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