JP5826915B2 - 多結晶シリコンウエハ - Google Patents

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Description

本発明は、多結晶シリコンウエハ、特にメカニカルテスト用の外径が450mm以上のシリコンウエハに関する。
LSIプロセスに使用される単結晶シリコンウエハの形状は、時代とともに大口径化する方向にある。 これはウエハ口径が大きくなるとウエハ1枚からより多くの半導体デバイスを作製することが可能となり、チップ単価を減少させることできるためである。
一方、デバイスの微細化の進展にともないシリコンウエハに対する品質要求は益々厳しくなっている。そのためウエハサイズが大型品に移行する際は、スケールの課題とともに品質の課題も解決する必要があり、次世代サイズの単結晶ウエハの市場価格は非常に高価になるという問題があった。
ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)においては、直径300mmから直径450mmへのウエハサイズの移行時期は2012年頃、直径450mmから直径675mmの移行時期は2019年頃になると予測されたこともあり、今後もウエハの大口径化と品質の追求は続くと考えられる。
ウエハサイズが変更になると当然ながらウエハを輸送するケース(FOSB)や、各工程間を移動させるウエハケース(FOUP)が変更となる。またウエハを搬送させるロボットの形状や、デバイスを製造する装置そのものも次世代サイズのウエハに合う形状に新たに設計開発する必要がある。
従ってウエハサイズが大型品へ移行する際には、次世代ウエハを用いて様々な目的で様々な試験や検証が行われる背景がある。この試験や検証においては、必ずしも高価な単結晶のシリコンウエハを用いる必要がない用途がある。
例えば、ウエハケースやウエハを搬送するロボットの開発においては、ウエハの重さや強度、ウエハの重力たわみ等の機械的な特性が単結晶ウエハと同等であれば、単結晶ウエハでなくとも目的に沿った試験が可能だと考えられる。
そのようなウエハ(以下「メカニカルウエハ」と呼ぶ)は、実際にデバイスを製造できる単結晶ウエハではないため、低コストであることが非常に重要となる。従って、メカニカルウエハとしては不要な品質は省略してコスト削減を図るとともに、機械的な特性においては単結晶ウエハと同レベルになる条件を把握する必要がある。
参考までに、過去の公知文献を挙げると、LSI用焼結シリコン製ウエハでは、特許文献1に記載されているように、結晶粒径100μm以下の焼結体であり、また特許文献2に示すように、平均粒径1〜10μmの焼結体が提案されている。
これらの焼結シリコン製ダミーウエハは、抗折力、引張強度、ビッカース硬度を調整し、ウエハの強度を高めることは出来ても、ウエハの重力たわみ量を単結晶シリコンウエハのそれに近付けることには自ずと限界があり、直径450mm以上のメカニカルウエハとして使用することが極めて限定される原因となっている。
また、特許文献3には、外径が48mm以上450mm以下であって、粗さRaと面ダレを小さくすることが記載されている。しかし、450mm以上の多結晶シリコンの割れの原因は、表面の粗さやダレの問題ではなく、むしろ微細な傷が原因なので、特許文献3では、450mm以上の多結晶シリコンの問題の解決には至っていないと考えられる。
多結晶シリコンをメカニカルウエハとして使用する場合には、単結晶シリコンとほぼ同様の挙動になることが期待され、単結晶シリコンウエハの曲げ強度と重力たわみ量の両方から逸脱しないようにすることが非常に重要である。この点、メカニカルウエハに要求される機械的強度は、多結晶シリコン表面の傷に大きく影響を受けることが分かったが、従来技術において、その解決方法は見出されていなかった。
特開2004−289065号公報 国際公開番号WO2009/011233 特開2009−38220号公報
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、大型の多結晶シリコンウエハであって、特にウエハサイズが、外径450mm以上であるシリコンウエハにおいて、ウエハ面の傷の発生が少量でかつ小さく、単結晶シリコンウエハの機械的物性に類似した大型の多結晶シリコンウエハを提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明者等は、多結晶シリコンの製造試験を繰り返し行って検証した結果、単結晶シリコンウエハの機械的物性に類似した大型の多結晶シリコンウエハを得ることができるとの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づき、以下の発明を提供する。
1)溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する傷の深さが10μm以下であることを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
2)溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が40μm以上100μm以下、深さが10μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下であることを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
3)溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが20μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下であることを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
4)溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが10μm超20μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が3個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下であることを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
5)深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在することを特徴とする1)〜4)のいずれか一項に記載の多結晶シリコンウエハ。
大型の多結晶シリコンウエハであって、特にウエハサイズが外径450mm以上のシリコンウエハにおいて、ウエハ面の傷(強い影響を与える傷)の発生が少量でかつ小さく、単結晶シリコンウエハの機械的物性に類似した大型の多結晶シリコンウエハを提供することができる優れた効果を有する。
ハロゲンランプを用いて傷を観察した様子を示す図である。 シリコンウエハの4点曲げ試験の外観図(写真)である。 実施例2の100mm×100mm×925μmtのサンプルで、表面傷の深さを調べた様子を示す図である。 実施例3の100mm×100mm×925μmtのサンプルで、表面傷の深さを調べた様子を示す図である。 比較例2の、傷の幅が127μmであり、傷の深さは54μmである場合の様子を示す図である。 450mmウエハを100mm角の格子で区分した例を示す図である。 単結晶の例、実施例1〜実施例3及び比較例1〜2の、100mm角の格子で区分した場合に存在する傷の例を示す説明図である。
本発明の多結晶シリコンウエハは、溶解法により作製する多結晶シリコンウエハである。下記の実施例に説明するように、適切なアニール処理をした多結晶シリコンを用いると、単結晶シリコンウエハの製造では標準的に行われるCMP(Chemical Mechanical Polishing)を行わずに、単結晶シリコンウエハと同等の機械的強度を得ることができる。
これらの多結晶シリコンウエハはCMPを行わないため、多結晶シリコンウエハ表面には薄い傷が常に存在している。また、スライス工程で入ったソーマークやラップ工程で入った傷が一次研磨だけでは十分に取りきれず、多結晶シリコンウエハの強度に影響する場合があることも分かった。
そこで、本発明者らは、多結晶シリコンウエハ表面の傷の大きさと、多結晶シリコンウエハの機械的特性の関係を調査・研究することにより、相関を見出し、多結晶シリコンウエハ表面の傷の大きさを制御(調整)することにより、単結晶ウエハの機械的特性とが類似する多結晶シリコンウエハの条件を見出すことができた。
本発明の多結晶シリコンウエハは、溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであり、該ウエハに存在する傷の深さが10μm以下である多結晶シリコンウエハを提供する。この程度の傷の深さの場合は、傷の幅が大きくてもシリコンウエハの機械的特性を低下させることはないので、傷の幅は表示していない。以下、同様である。これにより、シリコンウエハの機械的特性を向上させることができ、単結晶ウエハの機械的特性と類似する多結晶シリコンウエハを得ることが可能となった。
本願発明においては、上記の通り、傷の深さが10μm以下とするものであるが、傷の深さが0μm又は深さが10μm以下の傷が0個を意味するものではない。これは、コスト高となるCMP(Chemical Mechanical Polishing)を行わずに、単結晶シリコンウエハと同等の機械的強度を得ることを目的とするものであるから、深さ2μm未満の傷は存在する。すなわち、深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在する。
しかしながら、上記のレベルの傷は、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならないので、無視できる。この傷を、高輝度ハロゲンランプを用いて観察した様子を図1に示す。また、傷の形状に制限はなく、長方形、四角形等の矩形、円形(真円、楕円形状)、その他の異形を含むものであり、いずれの場合も、多結晶シリコンウエハの表面から一筋に見える傷(小さな欠陥の集合体の場合もある)を基準に、傷の幅は、最長の幅であり、深さは最大深さである。
また、本願発明は、単結晶ウエハと同等の機械的強度が得られる条件として、溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであり、該ウエハに存在する幅が40μm以上100μm以下、深さが10μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下である多結晶シリコンウエハを提供する。
この場合も、CMPを実施しないので、深さ2μm未満の傷は存在する。すなわち、深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在する。上記と同様に、このレベルの傷は、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならないので、無視できる。
また、本願発明は、単結晶ウエハと同等の機械的強度が得られる条件として、溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであり、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが20μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下であることを特徴とする多結晶シリコンウエハを提供する。この場合も、CMPを実施しないので、深さ2μm未満の傷は存在する。すなわち、深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在する。上記と同様に、このレベルの傷は、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならないので、無視できる。
また、本願発明は、単結晶ウエハと同等の機械的強度が得られる条件として、溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであり、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが10μm超20μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が3個以下であり、残余の傷の深さが10μm以下である多結晶シリコンウエハを提供する。
この場合も、CMPを実施しないので、深さ2μm未満の傷は存在する。すなわち、深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在する。上記と同様に、このレベルの傷は、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならないので、無視できる。
上記により、単結晶ウエハの機械的特性と類似し、且つ低コストの多結晶シリコンウエハを得ることができる。外径が450mm以上のウエハを100mm角の格子で区分した例を、図6に示す。傷が、2区分以上に跨る場合もあるが、100mm角に区分した場合の各区分内での傷のサイズは、それぞれの区分内での最長の幅と最大深さを意味する。以下、同様である。
以上により、単結晶ウエハの機械的特性と類似し、且つ低コストの多結晶シリコンウエハを得ることができる。シリコンウエハのサイズが外径450mm以上である多結晶シリコンウエハに好適であり、メカニカルウエハとして使用することができる。また、シリコンの純度が3N〜7N、さらにそれ以上である多結晶シリコンウエハを提供することも可能である。本願発明はこれらを含むものである。
以上に説明した多結晶シリコンウエハは、高純度のシリコン素材の純度を用いて、ウエハ表面の清浄度を高くした場合には、メカニカルウエハとしてだけでなく、縦型炉等の半導体製造装置で必要となるダミーフィラーウエハとしても使用することができる。また以上の表面傷の分類はスパッタリングターゲットや半導体製造装置のホルダー等の各種部品として応用することもできる。
多結晶シリコンウエハを製造する際の、重力たわみ量を単結晶と近似させるアニール処理は、スライス前のブロック状の多結晶シリコンインゴットで行なう場合と、マルチワイヤーソーでスライスした後に行なう場合がある。いずれも昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度、真空度、荷重を適度に調整する必要がある。
ブロック状でアニールする方が取り扱いは容易だが、単結晶ウエハの重力たわみと近似させるには、ウエハ形状に近いスライスした後に行なう方がどのウエハも安定して近似する特徴がある。
スライス後のアニールは、マルチワイヤーソー加工後に行なってもよいし、ラップ工程やポリッシュ工程後に行なっても良い。但し、各工程でウエハの厚みが異なるので、その分を考慮して単結晶ウエハの重力たわみ量に近似させる必要がある。また不要な不純物の熱拡散を避けるため、アニール前にウエハの表面洗浄が適宜必要となる。
これによって、単結晶シリコンウエハの機械的物性に類似した大型の外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハを得ることができ、メカニカルウエハとして使用される単結晶シリコンの機械的物性に類似した大型の多結晶シリコンウエハを提供することができる。また、CMP工程を省略できるので、歩留まりを大きく向上させ、製造コストを大幅に低減できるという大きな特徴を有する。
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。なお、以下の実施例は発明を容易に理解できるようにするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく他の例又は変形は、当然本発明に含まれるものである。なお、特性の対比のために、比較例も示す。
(実施例1)
シリカ製坩堝内でシリコンを溶融させ、一方向凝固で坩堝底部の方から固化させて、純度6Nの690x690x250mmのシリコンインゴットを作製した。このインゴットは四つ角を切り落とし、円筒研削することにより外径がΦ451mm、長さが200mmになるように加工した。
次に、この直径451mmの多結晶シリコンインゴットをマルチワイヤーソー加工でスライスし、重力たわみ量を単結晶と近似させるアニール処理を行った後、ベベリングとノッチ加工を施し、ラップ加工と一次ポリッシュ加工を行い直径450mm、厚さ925μmの両面鏡面仕上げのウエハを作製した。
次に、ダイシングソーを用いて100mm×100mmのサイズに切断し、多数のサンプルを準備した。切断は切断面に亀裂が入ることを防止するために細かい目のブレードを用いて低速で行い、また切断面は念のため酸でエッチングしてダメージを除去した。
この100mm×100mm×925μmtのサンプルは、マイクロスコープで表面に存在する傷の数及び傷の幅や深さを観察したところ、幅100μm以下、深さ10μm以下の表面傷であった。
そして4点曲げ試験機(図2)で100mm角にしたウエハの曲げ強度を測定した。その結果、幅100μm以下、深さ10μm以下の表面傷では、幅や長さや数量に大きく依存することなく、120MPaの曲げ強度があった。
(実施例2)
実施例1で作製した100mm×100mm×925μmtのサンプルで、表面傷の深さを調べた様子を図3に示す。図3では、傷の幅が28μmであり、深さは14μmであった。傷の深さが10〜20μmでその幅が20〜40μmの場合は、100mm角当たり3本までは、傷が皆無の市販の単結晶ウエハの曲げ強度とほとんど差がなかった。因みに、この範囲のサンプルの曲げ強度は、単結晶ウエハの平均曲げ強度である100MPaから±10%以下であった。
(実施例3)
実施例1で作製した100mm×100mm×925μmtのサンプルで、ウエハ表面の傷の幅が40μm以上100μm以下で深さが10〜40μm以下の傷、若しくは幅が20μm以上40μm以下で深さが20μm以上40μm以下の場合は、100mm角当たり1本までは、傷が皆無の市販の単結晶ウエハの曲げ強度とほとんど差がなかった。この傷の例を図4に示す。図4では、傷の幅が63μmで、深さは27μmであった。
上記実施例では、100mm×100mmのサンプルサイズで評価したが、実際のウエハは直径450mmや675mmで使用される。しかし、100mm×100mmのサンプルサイズで、市販の単結晶ウエハの強度より著しく低い場合は、ウエハ全体においても弱点部となり、当然強度が低下する。従って100mm×100mmのサンプルサイズの評価はウエハ全面の評価と相関があると考えることができる。
(比較例1)
実施例1で作製した100mm×100mm×925μmtのサンプルを利用して、傷の本数を変更し、傷の幅が60μm程度、傷の深さが30μm程度の傷を2本以上としたところ、曲げ強度が60MPa以下に著しく低下した。
また、傷の幅が30μm程度、傷の深さが15μm程度の傷を4本以上としたところ、曲げ強度が60MPa以下に著しく低下した。
(比較例2)
実施例1で作製した100mm×100mm×925μmtのサンプルを利用して、傷のサイズを変更し、傷の幅が127μm、傷の深さが54μmである場合の様子を、図5に示す。表面傷の深さが40μm超又は傷の幅が100μm以上の場合は曲げ強度が60MPa以下に著しく低下した。
ウエハの重力たわみについては、表面傷の影響よりも基本的にアニール条件の影響が強いことが分かった。従って、上記のような非常に深く、幅が広い傷の場合を除いては、アニール条件で単結晶の重力たわみ量と近似させておけば、どのような表面傷でも単結晶の機械的特性と類似させることができる。
上記の通り、多結晶シリコンウエハにおいて、傷の幅、傷の深さ、傷の個数、傷の分散形態は、機械的特性に大きな影響を与える。本願発明は、多くの実験の結果、上記の傷の形態を特定し、多結晶シリコンウエハの機械的強度を高め、単結晶シリコンウエハの機械的特性と類似させたものであるが、理解し難い面もあるので、従来の高コスト単結晶の例、実施例1〜実施例3及び比較例1〜2について、図7に示す例を参考に傷の例の概要を説明する。
図7の、上段の左図は、単結晶のシリコンウエハの傷を点線で示す。傷の深さは2μm未満であるが、多数存在する。この傷を除去するためには、高コストのCMPの処理が必要となる。なお、傷を点線で示しているが、これは傷の形態(形状)を示すものではなく、後に述べる他の傷との比較が可能とするために、点線表示したものである。以下の線種は、同様の意味で使用する。
図7の、上段の左2番目の図は、本願実施例1の説明図であり、多結晶シリコンウエハの10μm以下(2μm〜10μm)の傷を一点鎖線で示す。上記に記載する通り、このレベルの傷は、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならない。当然のことであるが、点線で表示した2μm未満の傷も無視できるものである。
図7の、上段の左3番目の図は、本願実施例2の説明図であり、深さ10μm(超)〜20μm以下の傷を細線で示す。上記に記載する通り、このレベルの傷は、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が3個以下であれば、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならない。
当然のことであるが、点線及び一点鎖線で表示した10μm以下の傷は無視できる。なお、上記の説明では、傷の深さが大きな影響を与えるので、傷の深さのみの説明に留めた。しかし、上記の説明から明らかなように、傷の幅も制限を受けるものである。
図7の、上段の右図は、本願実施例3の説明図であり、深さ20μm(超)〜40μm以下の傷を細線で示す。上記に記載する通り、このレベルの傷は、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が1個以下であれば、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因とはならない。
当然のことであるが、細線の傷は最大個数が3個以下、点線及び一点鎖線で表示した10μm以下の傷は無視できる。なお、上記の説明では、傷の深さが大きな影響を与えるので、傷の深さのみの説明に留めた。しかし、上記の説明から明らかなように、傷の幅も制限を受けるものである。
図7の、下段の左図は、比較例1の説明図であり、深さ20μm(超)〜40μm以下の傷を太線で示す。上記に記載する通り、このレベルの傷は、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が1個以上(図では2個の場合もある)であると、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因となり、不適である。これは、細線の傷は最大個数が3個以下、点線及び一点鎖線で表示した10μm以下の傷が無視できるとしても、不適である。なお、上記の説明では、傷の深さが大きな影響を与えるので、傷の深さのみの説明に留めた。しかし、上記の説明から明らかなように、傷の幅も制限を受ける。
図7の、下段の右図は、比較例2の説明図であり、深さ40μm(超)の傷を太鎖線で示す。上記に記載する通り、このレベルの傷は、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの傷の最大個数が1個以上あると、多結晶シリコンウエハの機械的特性を低下させる要因となり、不適である。これは、他の傷が無視できるとしても、不適である。なお、上記の説明では、傷の深さが大きな影響を与えるので、傷の深さのみの説明に留めた。しかし、上記の説明から明らかなように、傷の幅も制限を受ける。
本発明は、大型の多結晶シリコンウエハであり、特にウエハサイズが外径450mm以上のシリコンウエハにおいて、ウエハ面の傷の発生が少量でかつ小さく、単結晶シリコンウエハの機械的物性に類似した大型の多結晶シリコンウエハを提供することができる優れた効果を有する。単結晶ウエハ、特にウエハが次世代サイズに移行する時期においては単結晶ウエハに比べ格段に低価格で試験が可能なウエハを供給することができ、曲げ強度や重力たわみ等の機械的特性は単結晶ウエハの特性と類似するために、ウエハケースの開発や搬送用ロボットの開発においては有効なウエハとなる。
このように、本発明の多結晶シリコンインゴット用いて製作した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハは、安価でかつ450mm以上の大型多結晶シリコンウエハとして、特にメカニカルシリコンウエハとして有用である。

Claims (5)

  1. 溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が40μm以上100μm以下、深さが10μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下、残余が傷の深さが10μm以下であると共に、深さ2μm以上の傷が存在することを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
  2. 溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが20μm超40μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が1個以下、残余が傷の深さが10μm以下であると共に、深さ2μm以上の傷が存在することを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
  3. 溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する幅が20μm以上40μm以下、深さが10μm超20μm以下である傷が、ウエハ全体を100mm角に区分した場合の一区分当たりの最大個数が3個以下、残余が傷の深さが10μm以下であると共に、深さ2μm以上の傷が存在することを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
  4. 溶解法により作製した外径が450mm以上の多結晶シリコンウエハであって、該ウエハに存在する傷の深さが10μm以下であると共に、深さ2μm以上の傷が存在することを特徴とする多結晶シリコンウエハ。
  5. 深さ2μm未満の傷については、CMPを実施しない傷として存在することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の多結晶シリコンウエハ。
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