JPH05102112A - 半導体シリコンウエーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 デバイスプロセスにおいて少なくとも信頼性
を要求される酸化膜形成工程まで、パーティクルの付着
を防止して酸化膜の絶縁破壊特性の改善効果を持続させ
ることができるシリコンウェーハの製造方法の提供。 【構成】 シリコンウェーハの製造に際して、水素含有
雰囲気中で温度９５０〜１３００℃、時間５分以上の熱
処理をし、その後鏡面加工で表面品質性状を整えること
により、デバイスにおける酸化膜の絶縁破壊特性を改善
したウェーハを提供するもので、この酸化膜耐圧特性の
改善効果を所要のプロセスまで維持させるため、当該高
温熱処理前後に行う鏡面加工の研摩代を含めた改質深さ
を設定し、改質深さに応じて熱処理温度、時間を適宜選
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、デバイスプロセスに
おいて高信頼性酸化膜形成が可能となるよう表面近傍品
質を改善できる半導体シリコンウェーハの製造方法に係
り、鏡面加工工程の前後に、シリコンウェーハを水素含
有雰囲気中で高温熱処理することにより主に酸化膜の絶
縁破壊特性を改善し、さらに鏡面加工により所要の表面
品質性状を確保し、また加熱処理条件を選定することに
より熱処理による改質深さを選定して、デバイスプロセ
スにおいて少なくとも信頼性を要求される酸化膜形成工
程まで、酸化膜の絶縁破壊特性の改善効果を持続させ、
高信頼性酸化膜形成を可能にしたシリコンウェーハの製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりシリコンウェーハの酸化膜耐圧
特性を向上させるため、酸化膜欠陥となりうる結晶育成
時に形成された微小欠陥を低減させる方法として、結
晶成長速度を下げる、ウェーハ加工後種々の雰囲気で
熱処理する、の２つがある。

【０００３】前記に関しては生産性の低下を招くた
め、適用対象が限定され、に関しては特に水素含有雰
囲気中での熱処理が酸化膜耐圧特性向上に著しい効果を
持つこと（特開昭６１−１９３４５０号）が知られてい
るが、実際のシリコンウェーハの製造工程にはほとんど
用いられていない。また、実際のデバイスのゲート酸化
膜耐圧の改善効果についての報告も見られない。

【０００４】水素含有雰囲気中での熱処理がシリコンウ
ェーハの酸化膜耐圧特性に著しく効果的であることが知
られていながら、実際には適用されていない理由とし
て、水素含有雰囲気中での熱処理工程での表面パーティ
クル付着及び表面モフォロジーの悪化が上げられる。

【０００５】この熱処理は１００％水素雰囲気、または
不活性ガスあるいは水素のハロゲン化ガスとの混合ガス
雰囲気で実施されるが、酸化膜耐圧特性向上に効果の見
られる温度域（９５０℃以上）においては表面の自然酸
化膜も熱処理中に除去され、シリコンの活性表面がむき
出しとなる。したがってパーティクルの付着が強固とな
り、もはや洗浄等では除去できなくなる。また、熱処理
炉内にわずかの酸素が残留もしくは混入により存在する
と、不均一なまたは局部的な酸化を生じ、これの水素に
よる還元除去作用により表面モフォロジーが悪化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
の高集積化、素子微細化は著しく、それに伴い表面パー
ティクル低減の要求は一層厳しくなっており、現状の水
素含有雰囲気熱処理後の表面パーティクルの状態では製
品として対応することが困難である。また近い将来、表
面モフォロジー（表面マイクロラフネス）の問題の顕在
化が予想され、シリコンウェーハの酸化膜耐圧特性の向
上と表面モフォロジーを高水準で両立させる必要がある
が、これを実現する技術は提案されていない。

【０００７】この発明は、かかる現状に鑑み、デバイス
プロセスにおいて少なくとも信頼性を要求される酸化膜
形成工程まで、酸化膜の絶縁破壊特性の改善効果を持続
させることができ、かつ表面パーティクル低減と平滑化
を図り、デバイスプロセスにおいて高信頼性酸化膜形成
が可能となるシリコンウェーハの製造方法の提供を目的
としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体シリ
コンウェーハを水素含有雰囲気中で温度９５０〜１３０
０℃、時間５分以上加熱する熱処理を、鏡面加工工程の
前工程または後工程として施すことを特徴とする半導体
シリコンウェーハの製造方法である。

【０００９】またこの発明は、上記の構成において、粗
鏡面加工工程と仕上げ鏡面加工工程の間に水素含有雰囲
気中熱処理を施すことを特徴とする半導体シリコンウェ
ーハの製造方法である。

【００１０】またこの発明は、上記の構成において、鏡
面加工の加工代に応じて所要のデバイスプロセス中、水
素含有雰囲気熱処理で得た効果を維持するよう、当該水
素含有雰囲気熱処理における温度及び時間を調整するこ
とを特徴とする半導体シリコンウェーハの製造方法であ
る。

【００１１】

【作用】この発明は、半導体シリコンウェーハに水素含
有雰囲気中での高温熱処理を実施し、その後鏡面加工を
行ない、デバイスプロセスにおいて高信頼性酸化膜形成
が可能となるすぐれた表面品質を確保することを特徴と
するもので、水素含有雰囲気中での高温熱処理により得
られる酸化膜耐圧特性の改善効果が所要のデバイスプロ
セス中維持できるように、後工程の鏡面加工代、すなわ
ち０．５〜１００μｍ厚みを考慮して、温度９５０〜１
３００℃、時間５分以上の水素含有雰囲気中での高温熱
処理における熱処理温度及び時間を適宜選定したことを
特徴とする半導体シリコンウェーハの製造方法である。

【００１２】また、この発明は、後記する実施例に示す
が、水素含有雰囲気中での熱処理によるシリコンウェー
ハの表面からの改質深さが処理温度、時間に依存し、デ
バイスプロセスの酸化工程で該効果が減退し、処理温
度、時間が不十分であると高信頼性を要求される酸化膜
形成工程まで効果が持続しないため、鏡面研磨による表
面改質層の減少とデバイスプロセス中での該効果の減退
の両方の影響を加味して、鏡面加工代に応じて水素含有
雰囲気中熱処理の温度、時間を調整することにより、所
要の酸化膜形成工程まで高信頼性酸化膜形成が可能とな
るすぐれた表面品質を維持させるものである。

【００１３】すなわち、従来公知の水素雰囲気中での高
温熱処理により得られる効果は、デバイスプロセスにお
いて熱処理単独では容易に失効して何らの意味を持た
ず、熱処理後の鏡面加工で表面品質性状を整えること、
並びにこの酸化膜耐圧特性の改善効果を所要のプロセス
まで維持させるため、鏡面加工の研摩代、デバイスプロ
セスにおける酸化量等を考慮し、熱処理温度、時間を選
定して水素雰囲気中での高温熱処理することにより、初
めて有効かつ有意義となる、

【００１４】好ましい実施態様この発明による水素雰囲
気中での高温熱処理は、シリコンウェーハの製造工程に
おいて、種々の手順で行うことができ、プロセスフロー
としては以下の３種が好ましい。 （１）鏡面加工工程前の化学エッチング後に水素含有雰
囲気熱処理を行ない、その後鏡面加工する。 （２）シリコンウェーハの鏡面加工工程は通常粗加工と
仕上げ加工の２つの工程からなり、粗加工後に水素含有
雰囲気熱処理を行ない、その後仕上げ加工を実施する。 （３）鏡面仕上げ加工が終了した後、水素含有雰囲気熱
処理を行ない、再度鏡面加工を実施する。 いずれの場合においても、必要とされる高温熱処理によ
る改質深さが異なるため、当該熱処理温度、時間を調整
することにより該改質深さを選定できる。

【００１５】この発明において、水素含有雰囲気熱処理
の温度及び時間は、熱処理後の鏡面加工代と、デバイス
プロセス中での酸化による効果の減退を考慮して設定す
るもので、後述の実施例で具体的に示すが、酸化による
水素含有雰囲気熱処理の減退は酸化時にウェーハに注入
された格子間シリコンが、水素含有雰囲気で縮小した微
小欠陥の成長に寄与するためと考えられ、鏡面加工によ
り改質層が単純に除去されるのとは異なる。従ってそれ
ぞれの影響について実験的に確認し、温度、時間条件を
設定する必要がある。

【００１６】この発明において、熱処理雰囲気の水素含
有雰囲気とは水素１００％または水素を１０％以上含
み、残部が不活性ガスあるいは水素のハロゲン化ガスの
混合ガス雰囲気である。

【００１７】この発明において、熱処理温度は、少なく
とも１μｍ深さの表面改質改善効果を得るために９５０
℃は必要であり、１３００℃を超えるとその効果が飽和
し、また設備的にも大型化して不経済であるため、９５
０℃〜１３００℃とする。また、熱処理時間は、１μｍ
深さの表面改質改善効果を得るためには、１３００℃の
加熱温度で少なくとも５分を要し、熱処理温度、所要の
改質深さに応じて熱処理時間が決定される。

【００１８】この発明において、鏡面加工方法はダイヤ
モンド研磨、メカノケミカル研磨など公知のいずれの加
工方法でも適用でき、ウエーハの用途や要求される表面
性状により種々選定される。鏡面加工代は、必要な表面
品質性状を確保するためには０．５μｍ以上は必要であ
るが、１００μｍを超えると必要とする改善深さを得る
ための水素含有雰囲気での高温熱処理時間が長時間化し
て生産性が低下するため、０．５〜１００μｍとする。

【００１９】

【実施例】実施例１ ＣＺ法による単結晶シリコンウェーハを鏡面仕上げを行
った試料を用い、水素（Ｈ₂１００％）雰囲気中、１１
５０℃×１０分の熱処理したもの、窒素雰囲気中で同じ
熱処理条件での熱処理したもの、また、熱処理しないも
のの酸化膜耐圧良品率を調べた。酸化膜耐圧良品率は、
２５ｎｍドライ酸化膜、８ｍｍ² ｎ⁺ｐｏｌｙＳｉ電極
のＭＯＳキャパシタで酸化膜耐圧特性の測定を行い、絶
縁破壊判定電流１０μＡ、８ＭＶ／ｃｍを耐圧良否判定
基準とし、良品率８０％以上が得られることが望まし
い。

【００２０】測定結果は図１に示す如く、熱処理がない
試料は良品率が４０％程度に対して、水素雰囲気中での
高温熱処理を加えた試料は９５％に向上し、また窒素雰
囲気中高温熱処理のものは５５％の向上にすぎない。窒
素雰囲気中高温熱処理の効果は表面近傍格子間酸素の外
方拡散により、酸化膜耐圧特性不良の原因となる無精欠
陥の熱解離が助長されるためと考えられるが、表面近傍
格子間酸素濃度の外方拡散による低減代は、ＳＩＭＳ
（二次イオン質量分析計）による深さ方向の分析結果か
ら、水素雰囲気中及び窒素雰囲気中のいずれの熱処理で
も差が見られなかった。このことは水素雰囲気中での高
温熱処理が微小欠陥の熱解離ではなく、他の作用、例え
ば水素による還元作用により、微小欠陥の縮小消滅を促
進する効果を有することを示している。

【００２１】実施例２ 温度１１２０℃にて、１２０分間、Ｈ₂雰囲気で熱処理
を行なった後、デバイスプロセスでの酸化膜耐圧改善効
果の劣化具合を確認するために、デバイス熱プロセスを
便宜的に簡略化した図２に示す如き熱処理を施した後
と、この際に形成された３００ｎｍ厚みの酸化膜と同じ
厚さの犠牲酸化（１１５０度×３０分、湿潤酸素中）の
後の双方について、前記ＭＯＳキャパシタを形成し、酸
化膜耐圧を評価した結果を図３に示す。

【００２２】図３より、水素雰囲気中での高温熱処理直
後の良品率９５％のものが、簡易熱処理後は１０％程度
の劣化は見られるものの十分にその効果を維持している
ことが分かる。また、興味深いことに３００ｎｍ犠牲酸
化後のサンプルについてもほぼ同様に１０％程度の劣化
が見られており、このことは水素雰囲気中での高温熱処
理の効果がその後熱的に劣化するのではなく、酸化によ
り劣化していることを示している。

【００２３】実施例３ 実施例２において、水素雰囲気中での高温熱処理による
酸化膜耐圧改善効果が酸化により失われていくことを明
らかにしたが、さらに酸化膜厚みと劣化度合いとの関係
を調べるため、種々膜厚みの犠牲酸化後、前記ＭＯＳキ
ャパシタを形成し、酸化膜耐圧を評価した。同時に１１
２０℃の水素雰囲気中での高温熱処理の時間依存性につ
いても評価した。なお、図４において△印が１０分、□
印が６０分、◇印が１２０分、○印は水素雰囲気中で熱
処理しない試料である。

【００２４】図４から犠牲酸化膜厚みが厚くなるほど、
酸化膜耐圧特性の劣化が大きくなるが、水素雰囲気中で
の高温熱処理時間が長いほど劣化が少なくなることが分
かる。仮に、高信頼性を要求される酸化膜形成工程ま
で、トータルで５００ｎｍ酸化膜として除去されるとす
ると、１１２０℃の水素雰囲気中での高温熱処理が１０
分では完全に失効するが、１２０分の処理では良品率が
８０％と十分な効果を維持していることが分かる。

【００２５】実施例４ 温度１１２０℃、時間１２０分の水素雰囲気中での高温
熱処理した後、鏡面加工を施した場合の酸化膜耐圧特性
の変化を、鏡面加工代が１μｍ、１５μｍ、３０μｍの
各場合で調べた結果を図５に示す。またさらに、デバイ
スプロセスで酸化されるとして、鏡面加工代が１μｍ、
１５μｍの場合に各々５００ｎｍ犠牲酸化した後の良品
率について調べた。図５において、△印、黒△印が水素
雰囲気中での高温熱処理した試料で、△印は鏡面加工だ
け、黒△印はその後５００ｎｍ犠牲酸化したものを示
す。

【００２６】図５の結果から、３０μｍまでの鏡面加工
だけでは水素雰囲気中での高温熱処理の効果に影響を与
えないが、５００ｎｍ犠牲酸化後の劣化度合いは鏡面加
工代に依存することが分かる。従って、デバイスプロセ
スによって、また求める酸化膜耐圧特性によって適当な
水素雰囲気中での高温熱処理条件と鏡面加工代の組合せ
を選択する必要がある。例えば、５００ｎｍの犠牲酸化
において、７５％以上の酸化膜耐圧良品率、鏡面加工代
１μｍを想定した場合、図５から熱処理時間、２時間以
上、熱処理温度１１２０℃が適当な組合せと考えられ
る。

【００２７】

【発明の効果】この発明は、シリコンウェーハの製造に
際して、９５０℃〜１３００℃、５分以上の水素雰囲気
での高温熱処理によりウェーハの酸化膜耐圧特性を改善
し、その後に鏡面加工により必要な表面品質を確保し、
鏡面研磨による表面改質層の減少とデバイスプロセス中
での該効果の減退の両方の影響を加味して、鏡面加工代
に応じて水素含有雰囲気中熱処理の温度、時間を調整す
ることにより、所要の酸化膜形成工程まで高信頼性酸化
膜形成が可能となるすぐれた表面品質を維持させること
ができ、得られるデバイスの特性向上、プロセスにおけ
る歩留り向上等の種々の利点を得ることできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１１５０℃×１０分の高温熱処理における雰囲
気による酸化膜耐圧良品率の変化を示すグラフである。

【図２】実施例２における簡易模擬熱処理のヒートパタ
ーンを示すグラフである。

【図３】水素雰囲気中の高温熱処理における酸化膜耐圧
良品率の変化をデバイスプロセスの簡易模擬熱処理と犠
牲酸化後に見たグラフである。

【図４】１１２０℃の水素雰囲気中の高温熱処理の酸化
膜耐圧特性の改善効果の犠牲酸化膜厚みによる変化を水
素雰囲気中熱処理時間をパラメータとして見たグラフで
ある。

【図５】１１２０℃×１２０分の水素雰囲気中の高温熱
処理の酸化膜耐圧特性の改善効果の鏡面加工及びその後
の５００ｎｍ犠牲酸化後の変化を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐野 正和 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 九州電子金属株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体シリコンウェーハを水素含有雰囲
   気中で温度９５０〜１３００℃、時間５分以上加熱する
   熱処理を、鏡面加工工程の前工程または後工程として施
   すことを特徴とする半導体シリコンウェーハの製造方
   法。
2. 【請求項２】 粗鏡面加工工程と仕上げ鏡面加工工程の
   間に水素含有雰囲気中熱処理を施すことを特徴とする請
   求項１記載の半導体シリコンウェーハの製造方法。
3. 【請求項３】 鏡面加工の加工代に応じて所要のデバイ
   スプロセス中、水素含有雰囲気熱処理で得た効果を維持
   するよう、当該水素含有雰囲気熱処理における温度及び
   時間を調整することを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載の半導体シリコンウェーハの製造方法。