JP2010087512A - シリコンウエハ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲッタリングサイト(gettering site)を十分に増大させて、後続の高温工程のために生じる結晶欠陥を防止することができるシリコンウエハを提供すること。
【解決手段】表面から一定深さに形成される第1の無欠陥層と、該第1の無欠陥層とシリコンウエハの裏面との間の領域に形成されたバルク領域とを備え、前記第1の無欠陥層は、前記表面から約20μm〜80μmの深さに形成され、バルク領域内において、酸素濃度が前記バルク領域の全体にわたって10%の偏差範囲内で均一な分布を有することを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体製造技術に関し、より詳細には、シリコンウエハ及びその製造方法に関する。
一般に、ほとんどの高電圧素子であるNMOSトランジスタまたはPMOSトランジスタのウェル(well)の深さは、普通、基板の表面からほぼ5μm〜10μm程度に形成される。5μm〜10μm程度のウェルの深さのドーピング形状(doping profile)を得るには、イオン注入工程(ion implantation)だけでは実現が難しい。このため、イオン注入工程後、高温の過度な熱処理工程を利用したドーパント拡散(dopant diffusion)が必ず要求される。
しかし、高温の過度な熱処理工程により、シリコンバルクで酸素沈殿(oxygen precipitation)が完壁にはなされない。このような完壁でない酸素沈殿のため、STI(Shallow Trench Isolation)エッチング後、シリコン基板において環状シリコン転位(silicon dislocation)のような結晶欠陥(crystal defect)が生じる。
このような結晶欠陥は、製品の歩留まりを低下させ、高電圧素子のしきい電圧及びSRAM待機モード時、漏れ電流の均一性のような電気的パラメーター(electrical parameter)特性を低下させる。さらに、このような結晶欠陥は、半導体の製造工程上、必ず必要な特定工程で行う異物検査時、数多い欠陥に対する検査及び分析時間を増加させ、全体の半導体素子の製造工程の時間を増加させるという問題を起こす。
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、次のような目的を提供する。
第1に、本発明の目的は、ゲッタリングサイト(gettering site)を十分に増大させて、後続の高温工程のために生じる結晶欠陥を防止することができるシリコンウエハを提供することにある。
第2に、本発明の目的は、バルク領域内で高くかつ均一なBMD(BulkMicro Defect)密度を有するシリコンウエハを提供することにある。
第3に、本発明の目的は、ゲッタリングサイトを十分に増大させて、後続の高温工程のために生じる結晶欠陥を防止することができるシリコンウエハの製造方法を提供することにある。
第4に、本発明の目的は、バルク領域内で高くかつ均一なBMD密度を有するシリコンウエハの製造方法を提供することにある。
第5に、本発明の目的は、前記したシリコンウエハを用いて製造された半導体素子を提供することにある。
第6に、本発明の目的は、前記したシリコンウエハの製造方法を利用した半導体素子の製造方法を提供することにある。
そこで、上記の目的を達成するための本発明によるシリコンウエハは、表面から一定深さに形成される第1の無欠陥層と、該第1の無欠陥層とシリコンウエハの裏面との間の領域に形成されたバルク領域とを備え、前記第1の無欠陥層は、前記表面から約20μm〜80μmの深さに形成され、前記バルク領域内において、酸素濃度が前記バルク領域の全体にわたって10%の偏差範囲内で均一な分布を有することを特徴とする。
また、上記の目的を達成するための本発明によるシリコンウエハの製造方法は、無欠陥層及びバルク領域が形成されるシリコンウエハを準備するステップと、該シリコンウエハを第1の温度で加熱して、前記バルク領域内に析出物の核と析出物を追加的に形成させる第1のアニール処理を行うステップと、前記シリコンウエハを前記第1の温度よりも高い第2の温度で加熱して、前記バルク領域内に形成される析出物の大きさを増大させる第2のアニール処理を行うステップとを含むことを特徴とする。
なお、上記の目的を達成するための本発明によるシリコンウエハの製造方法は、シリコンウエハを準備するステップと、該シリコンウエハを第1の温度で加熱して、前記シリコンウエハ内に析出物の核と析出物を追加的に形成させる第1のアニール処理を行うステップと、前記シリコンウエハを前記第1の温度よりも高い第2の温度で加熱して、前記シリコンウエハ内に形成される析出物の大きさを増大させる第2のアニール処理を行うステップとを含むことを特徴とする。
さらに、上記の目的を達成するための本発明によるシリコンウエハの製造方法は、シリコンウエハを準備するステップと、前記シリコンウエハをファーネスの内部にロードさせるステップと、前記ファーネス内の温度を第1の温度に上昇させるステップと、前記シリコンウエハを前記第1の温度で加熱して、析出物を形成する第1のアニール処理を行うステップと、前記ファーネス内の温度を前記第1の温度よりも高い第2の温度に上昇させるステップと、前記シリコンウエハを前記第2の温度で加熱して、析出物の大きさを成長させて析出物の密度を増加させる第2のアニール処理を行うステップと、前記ファーネス内の温度を前記第1の温度に下降させるステップと、前記シリコンウエハを前記ファーネスからアンロードさせるステップとを含むことを特徴とする。
上記の構成を含む本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
第1に、本発明によれば、シリコンウエハに対して互いに異なる温度で2ステップのアニール処理を行うことにより、シリコンウエハ内にゲッタリングサイトを十分に増大させて、後続の高温工程のため、シリコンウエハに生じる結晶欠陥を防止することができる。
第2に、本発明によれば、シリコンウエハに対して互いに異なる温度で2ステップのアニール処理を行うことにより、バルク領域内で高いBMD密度を有しつつ、全体のバルク領域内でさらに均一なBMD密度分布を有するシリコンウエハを提供することができる。
第3に、本発明によれば、シリコンウエハに対して互いに異なる温度で2ステップのアニール処理を行った後、その上部にエピタキシャル成長法(epitaxial growth)を利用してエピ層を形成することにより、特性の優れたエピ層が形成された半導体素子を提供することができる。
第4に、本発明によれば、シリコンウエハに対して互いに異なる温度で2ステップのアニール処理を行い、シリコンウエハ上にスクリーン酸化膜を形成した後、これをイオン注入マスクとして用いたイオン注入工程を行って、シリコンウエハ内にウェルを形成することにより、シリコンウエハ内に十分なゲッタリングサイトを生成させて、後続の高温の過度な熱処理による熱バジェット(thermal budget)のため、結晶欠陥が生じることを防止することができる。
本発明の実施形態に係るシリコンウエハを示した断面図である。 本発明の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明のさらに他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明のさらに他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る2ステップのアニール処理方法を説明するために示したフローチャートである。 各条件によるBMD密度を示した図である。 各条件による無欠陥層の深さを示した図である。 各条件において、酸素濃度によるBMD密度と無欠陥層の深さとを示した図である。 各条件において、酸素濃度によるBMD密度と無欠陥層の深さとを示した図である。 各条件において、酸素濃度によるBMD密度と無欠陥層の深さとを示した図である。 各条件において、酸素濃度によるBMD密度と無欠陥層の深さとを示した図である。 本発明の実施形態により製造されたシリコンウエハを示した断面図である。 比較例により製造されたシリコンウエハを示した断面図である。 比較例により製造されたエピシリコンウエハのバルク領域に対する結晶欠陥地図を示した図である。 本発明の2ステップのアニール処理方法が適用されたエピシリコンウエハのバルク領域に対する結晶欠陥地図を示した図である。 本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するために示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するために示したフローチャートである。 比較例により製造されたシリコンウエハの結晶欠陥を検査した結果を示した図である。 比較例により製造されたシリコンウエハを示した断面図である。 比較例により製造されたシリコンウエハを示した平面図である。 比較例により製造されたシリコンウエハに対してBMD密度分布を分析した図である。 本発明の実施形態により製造されたシリコンウエハの結晶欠陥を検査した結果を示した図である。 本発明の実施形態により製造されたシリコンウエハを示した平面図である。 本発明の実施形態により製造されたウエハに対してBMD密度分布を分析した図である。 SRAM待機モード時、漏れ電流特性を比較した結果の図である。 歩留まり比較結果の図である。
以下、本発明の最も好ましい実施形態を添付した図面を参照して説明する。
図面において、層(または膜)及び領域等の厚さと間隔、そしてシリコンウエハ内に酸素原子、析出物の核、析出物を含むBMD密度は、説明の便宜及び明確性を期するために誇張されたものである。また、明細書の全体にわたって、層が他の層、領域または基板「上」または「上部」にあると言及される場合に、それは他の層、領域、または基板上に直接形成され得るか、またはそれらの間に第3の層が介在することもあり得る。また、同じ図面符号で表示された部分は同じ層及び領域を示す。
本発明は、シリコンウエハに対して、2ステップのアニール処理を利用してバルク領域内で高いBMD密度を得ることにより、全体のバルク領域内でさらに均一なBMD密度分布を実現することができる。これにより、バルク領域内にゲッタリングサイトを十分に増大させて、後続の高温工程のため、シリコンウエハに生じる結晶欠陥を防止することができるという効果を得ることができる。
図1に示すように、本発明の実施形態に係るシリコンウエハ100は、表面101から一定深さに形成された無欠陥層DZ1(Denuded Zone)(以下、第1の無欠陥層とする)と、第1の無欠陥層DZ1と裏面102との間の領域に形成されたバルク領域BKとを備える。また、シリコンウエハ100は、裏面102から表面101方向に一定深さに形成された無欠陥層DZ2(以下、第2の無欠陥層とする)をさらに備えることができる。
第1の無欠陥層DZ1は、シリコンウエハ100の表面101から裏面102方向に一定深さに形成され、空孔(vacancy)と転位(dislocation)のような結晶欠陥のない無欠点領域DFZ(Defect Free Zone)であって、その深さは、表面101から裏面102方向に20〜80μmの深さに形成される。
第2の無欠陥層DZ2は、第1の無欠陥層DZ1と同様に、無欠点領域であって、シリコンウエハ100の裏面102から表面101方向に第1の無欠陥層DZ1と同じ深さに形成されるか、または裏面102の研磨処理状態に応じて第1の無欠陥層DZ1よりも浅い深さに形成されることもできる。すなわち、シリコンウエハ100の表面101と裏面102とが全て同一に鏡面研磨される場合には、熱処理によって第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2共に同一深さに形成される。しかし、表面101のみ鏡面研磨され、裏面102が鏡面研磨されなかった場合、析出物が裏面102の粗さに応じて裏面102に近接して生成され、第2の無欠陥層DZ2は第1の無欠陥層DZ1よりも浅く形成される。
バルク領域BKは、第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2の間に形成される領域であって、ゲッタリングの役割を果たすことのできる十分なBMD(Bulk Micro−Defect:バルク微小欠陥)103が全体の領域内で均一に維持されるようにする。このとき、BMD103は、析出物(precipitate)とバルク積層欠陥(bulk stacking fault)とを備える。また、バルク領域BK内でBMD103は、後続の高温工程(熱処理)等によりウエハの表面に拡散される金属系の汚染物質を十分にゲッタリングするだけの十分な密度を有するように制御することが好ましい。望ましくは、バルク領域BK内でBMD103の密度は1×10ea/cm〜1×10ea/cmに維持されるようにする。より望ましくは、1×10ea/cm〜1×10ea/cmに維持されるようにする。
また、バルク領域BK内で酸素濃度は、酸素析出物と密接な関連性を有し、バルク領域BKの全体にわたって10%の偏差の範囲内で均一な分布を有するようにすることが好ましい。このとき、酸素濃度は10.5PPMA〜13PPMA(Parts Per Million Atom)に維持されるようにする。
図2は、本発明の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を示したフローチャートである。
同図に示すように、シリコンウエハ200を準備する。このとき、シリコンウエハ200はベアー(bare)ウエハでありうる。シリコンウエハ200は、次のステップにより形成することができる。まず、シリコン単結晶を成長させた後、成長されたシリコン単結晶をウエハ形態でスライシングする。次に、スライシングされたウエハの側面をラウンドするか、または表面をエッチングするエッチング工程を行った後、ウエハ200の表面201と裏面202とを鏡面研磨する。このとき、シリコン単結晶は、広く知られたチョクラルスキー法で成長させることができる。また、ウエハ200の鏡面研磨は後述の第1の熱処理及び第2の熱処理後に行うこともできる。
また、シリコンウエハ200に対して第1の熱処理を行う。第1の熱処理によってシリコンウエハ200の表面201と裏面202とに存在する酸素原子203は外部に拡散され、第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2とバルク領域BKとが形成される。このとき、第1の熱処理は、急速熱処理RTP(Rapid Thermal Processing)またはファーネス(furnace)を利用したアニール処理でありうる。望ましくは、急速熱処理により行う。第1の熱処理は、シリコンウエハ200の表面201と裏面202とに存在する酸素原子203の拡散を高めるために、アルゴンガス、窒素ガス、アンモニアガス、またはこれらが混合された混合ガスを用いて高温で行うことが好ましい。第1の熱処理を急速熱処理により行う場合、1050℃〜1150℃の温度で10秒〜30秒間行う。アニール処理により行う場合、1050℃〜1150℃の温度で100分〜300分間行う。
次に、シリコンウエハ200に対して第2の熱処理を行う。第2の熱処理によってバルク領域BK内には酸素原子203が結合し、析出物の核204が形成される。このとき、第2の熱処理は第1の熱処理と同様に、急速熱処理またはアニール処理でありうる。望ましくは、急速熱処理により行う。そして、第2の熱処理は、析出物の核204の形成を容易にするために、アルゴンガス、窒素ガス、アンモニアガス、またはこれらが混合された混合ガスを用いて第1の熱処理時よりも低い低温で行う。第2の熱処理を急速熱処理により行う場合、950℃〜1000℃の温度で10秒〜30秒間行う。アニール処理により行う場合、950℃〜1000℃の温度で100分〜200分間行う。
次いで、第2の熱処理が完了したシリコンウエハ200に対して第1のアニール処理を行う。第1のアニール処理はファーネスを利用して行い、シリコンウエハ200を所定の温度で加熱して、バルク領域BK内に生成された析出物の核204を追加生成するとともに、微細析出物205Aを形成する。このとき、第1のアニール処理は第2の熱処理よりも低い温度で行う。望ましくは、第1のアニール処理は750℃〜800℃の温度で100分〜180分間行う。また、第1のアニール処理は酸素ガス雰囲気で行う。
続いて、第1のアニール処理が完了したシリコンウエハ200に対して第2のアニール処理を行う。第2のアニール処理は第1のアニール処理と同様に、ファーネスを利用して行う。第2のアニール処理は第1のアニール処理よりも高い温度でシリコンウエハ200を加熱し、微細析出物205Aの大きさを増大させて大きさが増大された析出物205Bを形成する。第2のアニール処理は1000℃〜1150℃の温度で100分〜180分間行う。また、第2のアニール処理は第1のアニール処理と同様に、酸素ガス雰囲気で行う。
具体的に、上記において第1のアニール処理及び第2のアニール処理は、図6と同じ方法で行うことができる。
図6は、本発明の実施形態に係る第1のアニール処理及び第2のアニール処理方法を示した図である。
同図に示すように、ファーネスを利用したアニール処理方法は、第1の温度で酸素Oガスを用いてシリコンウエハ200をアニールする第1のアニール処理ステップIIと、第1の温度よりも高い第2の温度でアニールする第2のアニール処理ステップIVとを含む。このとき、第1のアニール処理及び第2のアニール処理ステップII、IVは、各々100分〜180分間行うことが好ましい。
また、本発明の実施形態に係るアニール処理方法は、酸化工程及び熱処理工程の効果を向上させるために、第1のアニール処理ステップIIの前に、シリコンウエハ200をファーネス内部にロードした後、一定時間の間、ロード温度で維持させるロードステップLと、第2のアニール処理ステップIVの後に、シリコンウエハ200をファーネス外部にアンロードする前の一定時間の間、アンロード温度で維持させるアンロードステップULとをさらに含むことができる。
ロードステップLでロード温度は第1の温度よりも低い温度を有する。望ましくは、600℃〜700℃である。また、ロードステップLでは加熱装置の内部に酸素Oガスが供給されない。これにより、ロードステップLではシリコンウエハ200に対する酸化が起きない。アンロードステップULでアンロード温度は第1の温度と同じ温度を有する。望ましくは、750℃〜800℃にする。また、アンロードステップULでは酸素Oガスの供給を遮断し、窒素Nガスのみを供給して用いる。このとき、窒素ガスは9slm〜11slmで供給することができる。
また、本発明の実施形態に係るアニール処理方法は、ロードステップLと第1のアニール処理ステップIIとの間にロード温度を第1の温度に上昇させる第1の昇温ステップIと、第1のアニール処理ステップIIと第2のアニール処理ステップIVとの間に第1の温度を第2の温度に上昇させる第2の昇温ステップ IIIとを含む。第1の昇温ステップ及び第2の昇温ステップI、IIIで分当りの温度上昇があまり大きい場合、ウエハ構造の変形等の問題が生じる虞がある。このため、第1の昇温ステップ及び第2の昇温ステップI、IIIで温度上昇率(ramp up rate)は5℃/min〜8℃/minにすることが好ましい。
また、本発明の実施形態に係るアニール処理方法は、第2のアニール処理ステップIVとアンロードステップULとの間に第2の温度をアンロード温度に下降させる降温ステップVを含む。降温ステップVで温度下降率(ramp down rate)は2℃/min〜4℃/minにすることが好ましい。
本発明の実施形態に係るアニール処理方法で実質的にほとんどのシリコンウエハ200に対する熱処理は、第1のアニール処理ステップ及び第2のアニール処理ステップII、IVでなされる。このとき、第1のアニール処理ステップ及び第2のアニール処理ステップII、IVで酸素ガスを50sccm〜120sccmで供給する。
上記において図6を介して説明されたアニール処理方法は、後述の本発明の他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法の第1のアニール処理及び第2のアニール処理に全て適用することができる。
図3は、本発明の他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。
同図に示すように、シリコンウエハ300に対して熱処理を行う。熱処理によりシリコンウエハ300の表面301及び裏面302に存在する酸素原子303は外部に拡散され、第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2とバルク領域BKとが形成される。このとき、熱処理は、急速熱処理またはファーネスを利用したアニール処理でありうる。望ましくは、急速熱処理により行う。熱処理は、シリコンウエハ300の表面301及び裏面302に存在する酸素原子303の拡散を高めるために、高温で行うことが好ましい。熱処理を急速熱処理により行う場合、1050℃〜1150℃の温度で10秒〜30秒間行う。アニール処理により行う場合、1050℃〜1150℃の温度で100分〜200分間行う。
次に、シリコンウエハ300に対して第1のアニール処理を行う。第1のアニール処理によりバルク領域BK内には酸素原子303が結合し、析出物の核304が形成される。第1のアニール処理はファーネスを利用して行い、以前に行われた熱処理よりも低い温度で行う。望ましくは、第1のアニール処理は、750℃〜800℃の温度で100分〜180分間行う。また、第1のアニール処理は酸素ガス雰囲気で行う。
次いで、シリコンウエハ300に対して第2のアニール処理を行う。第2のアニール処理は第1のアニール処理と同様に、ファーネスを利用して行う。第2のアニール処理は第1のアニール処理よりも高い温度でシリコンウエハ300を加熱して析出物305を形成する。第2のアニール処理は1000℃〜1150℃の温度で100分〜180分間行う。また、第2のアニール処理は第1のアニール処理と同様に、酸素ガス雰囲気で行う。
図4は、本発明の他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。同図に示すシリコンウエハの製造方法では、第1のアニール処理の前に行う熱処理を図3の熱処理よりも低い温度で行う。
同図に示すように、シリコンウエハ400に対して熱処理を行う。このとき、熱処理は図3において行われた熱処理よりも低い温度で行う。熱処理により析出物の核404が形成される。熱処理は低温で行われるにともない、析出物の核404はバルク領域BKだけでなく、第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2にも形成され得る。このとき、熱処理は、急速熱処理またはアニール処理でありうる。望ましくは、急速熱処理により行う。熱処理を急速熱処理により行う場合、950℃〜1000℃の温度で10秒〜30秒間行う。アニール処理により行う場合、950℃〜1000℃の温度で100分〜200分間行う。
次いで、図3のように、シリコンウエハ400に対し、第1のアニール処理及び第2のアニール処理を順次行って析出物の核404と微細析出物405Aを形成する。このとき、第1のアニール処理及び第2のアニール処理は、図3において行われた第1のアニール処理及び第2のアニール処理と同じ方法で行う。
図5は、本発明のさらに他の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法を説明するために示したフローチャートである。
図5に示すように、同図において行うシリコンウエハの製造方法は、図2〜図4において行われた製造方法とは異なり、第1のアニール処理及び第2のアニール処理を行う前に別途の熱処理を行わない。すなわち、ベアーウエハ状態のシリコンウエハ500が提供され、提供されたシリコンウエハ500に対し、第1のアニール処理及び第2のアニール処理を順次行って、第1の無欠陥層及び第2の無欠陥層DZ1、DZ2とバルク領域BKとを形成する。このとき、第1のアニール処理及び第2のアニール処理は、図2〜図4において行われた第1のアニール処理及び第2のアニール処理と同じ方法で行う。
図5において未説明された「501」は表面であり、「502」は裏面である。 「503」は酸素原子、「504」は析出物の核、「505A」は微細析出物、「505B」は大きさが増大された析出物である。
これまで、図2〜図5を参照して本発明の実施形態に係るシリコンウエハの製造方法について説明した。
これらのうち、図2〜図4で提示した実施形態において、第1のアニール処理及び第2のアニール処理の前に行われる熱処理は、前述したように、急速熱処理により行うのが好ましい。
シリコンウエハにおいてボイド性欠陥や酸素析出物等の内部欠陥を制御する方法としては、単結晶成長時に制御する方法と結晶成長後、熱処理によって制御する方法とがある。このうち、熱処理方法としては、前述したように、ハロゲンランプを用いた急速熱処理方法とファーネスを利用したアニール処理方法とがある。
ファーネスを利用したアニール処理方法は、1000℃以上の高温で、水素またはアルゴンガス雰囲気において100分以上の長い時間の間、アニールがなされる。このようなアニール処理によって、シリコンウエハ内に存在する酸素の外部への拡散とシリコン再配列(silicon rearrangement)とによりシリコンウエハの表面領域の一部に素子パーフェクトゾーン(device perfect zone)、すなわち、無欠点領域が形成される。しかし、このようなアニール処理方法は、シリコンウエハの大きさが増加するにつれて、高温熱処理によるウエハに現われるスリップ転位(slip dislocation)の制御や高温熱処理による汚染制御が非常に難しい。
このように、アニール処理方法よりは急速熱処理方法がシリコンウエハの特性の側面ではより一層優れたシリコンウエハ特性を得ることができるであろう。しかし、急速熱処理方法によって製造されたシリコンウエハでも、様々な欠陥検出方法を利用して評価する場合、表面からほぼ3μm〜10μm内の深さで微細酸素析出物の制御のみが可能である。また、1ステップまたは2ステップの急速熱処理方法のみで製造されたシリコンウエハでは、バルク領域内のBMD密度を高めるのに限界がある。具体的に、結果データによる比較は各製造方法別に後述するが、急速熱処理を2ステップで行う場合、BMD密度はほぼ1×10ea/cm〜3×10ea/cmの範囲内で決定されるはずであり、それ以上は困難である。
したがって、本発明では図2〜図4のように、熱処理後、第1のアニール処理及び第2のアニール処理を行い、シリコンウエハの表面近傍でのボイド性欠陥及び微細酸素析出物を完壁に除去して無欠点領域をさらに深く確保し、また、バルク領域内には、一定の密度で均一に酸素析出物及びバルク積層欠陥を含むBMD密度を増大させることにより、バルク領域でのゲッタリングサイトを増大させてゲッタリング効果を改善させることができる。
以下、表1及び表2を介して本発明の実施形態により製造されたシリコンウエハの特性を説明する。
前記表1において、「高温RTP」と「低温RTP」は、アルゴンガス、窒素ガス、アンモニアガス、またはこれらが混合された混合ガスを用いて、10秒〜30秒間、急速熱処理して行った。「低温アニール」と「高温アニール」は、酸素ガスを用いて100分〜180分間行った。
前記表1において、「条件1」は、図2を介して説明された実施形態に該当し、「条件2」は、図3を介して説明された実施形態に該当する。「条件3」は、図4を介して説明された実施形態に該当し、「条件4」は、図5を介して説明された実施形態に該当する。前記表2は、各条件において、酸素濃度OiによるBMD密度及び無欠陥層DZの深さを示している。
図7〜図12は、前記表1及び表2に記載されたデータをグラフで示した図である。図7は、各条件に対するシリコンウエハのバルク領域内のBMD密度を示したグラフである。図8は、各条件に対する無欠陥層の深さを示したグラフである。図9〜図12は、各条件に対するバルク領域の酸素濃度を示したグラフである。
前記表2及び図7のように、全ての条件で1×10ea/cm以上のBMD密度を得ることができる。特に、「条件1」において、酸素濃度とは関係なく、1×10ea/cm以上のBMD密度を得ることができる。もちろん、本明細書では各条件において、低温アニール処理及び高温アニール処理を行わずに、単に1ステップまたは2ステップのRTPのみを行って製造されたシリコンウエハのBMD密度に対するデータは提示していないが、前記条件から得られるBMD密度に比べて顕著に低くなることは十分に予測できるであろう。
前述したように、金属系の汚染物質は、BMDによるゲッタリングで制御される。しかし、BMD密度は、高温工程時に減少する傾向があるため、シリコンウエハの製造段階でBMD密度を十分に高く確保する必要がある。一般に、半導体装置は高電圧で動作する高電圧素子を必要とするが、このような高電圧素子を製造するためには、深い形状を有する接合領域(ドーピング領域)が要求されるため、苛酷なイオン注入工程と高温のアニール工程が必ず行われている。このような高温工程でBMD密度が減少した場合、欠陥評価が困難であるだけでなく、低いゲッタリング能力のため、後続のSTI後、環状欠陥が生じる。
測定の結果、BMD密度が2.5×10ea/cmでは環状欠陥が一部生じたが、4.4×10ea/cmでは環状欠陥が生じなかった。したがって、BMD密度を少なくとも1×10ea/cm以上に制御する必要がある。本発明では、一般的にシリコンウエハ製造でなされている熱処理と関係なく、半導体装置の初期素子製造工程において、本発明で提示している2ステップのアニール工程をさらに行うこともできる。このとき、初期素子製造工程はウェルを形成するためのイオン注入工程の前に行う酸化工程でありうる。酸化工程は、ウェルイオン注入工程時、スクリーン酸化膜を形成するための工程に該当する。これについては、図面とともに具体的な実施形態によって後述する。
表2及び図8は、各条件に係る無欠陥層の深さを示している。無欠陥層は、BMD密度及び酸素濃度と密接な関連性を見せる。BMD密度及び酸素濃度が高いほど、無欠陥層の深さは浅くなることが分かる。同一酸素濃度では、「条件1」と「条件2」とにおいて「条件3」と「条件4」とに比べて相対的に低い深さに形成されることが分かる。したがって、無欠陥層の深さは、BMD密度を測定する1つの尺度として使用することもできる。
表2及び図9〜図12は、各条件において酸素濃度によるBMD密度及び無欠陥層の深さを示している。酸素濃度が高いほど、BMD密度が増加するのに対し、無欠陥層の深さは減少することが分かる。したがって、酸素濃度も無欠陥層の深さとともに、BMD密度を測定することができる1つの尺度として使用することができる。言い替えれば、酸素濃度と無欠陥層との深さを測定すれば、バルク領域内のBMD密度を算出することができる。
図13及び図14は、シリコンウエハの断面を示した図である。図13は、本発明で提示した2ステップのアニール処理を行わずに、急速熱処理のみを行って製造されたシリコンウエハのシリコン転位の断面を示した図であり、図14は、本発明で提示した2ステップのアニール処理を行って製造されたシリコンウエハの断面を示した図である。
図13及び図14に示すように、本発明で提示した2ステップのアニール処理を行わないシリコンウエハでは、多量のシリコン転位(silicon dislocation)が発生することが分かる。しかし、本発明で提示した2ステップのアニール処理を行って製造されたシリコンウエハでは、シリコン転位が発生しないことが分かる。
さらには、本発明で提示した2ステップのアニール処理によって製造されたシリコンウエハ上に、エピタキシャル成長法によってエピ層(epi−layer)を形成した場合、エピ層が形成されたシリコンウエハのバルク領域に結晶欠陥が顕著に減少することが分かる。
図15及び図16は、エピ層が形成されたシリコンウエハのバルク領域に対する結晶欠陥地図(crystal defect map)である。この検査は、特定装置KLAを利用してなされた。
図15に示すように、ウェルイオン注入工程の間、スクリーン酸化膜を形成するための酸化工程時に、本発明で提示した2ステップのアニール処理を適用しなかった場合には、結晶欠陥が多く分布していることが分かる。しかし、図16のように、本発明で提示した2ステップのアニール処理を適用した場合には、結晶欠陥が顕著に減少したことが分かる。
図17A〜図17Dに示すように、本発明で提示した2ステップのアニール処理を適用した高電圧素子用ウェルを備える半導体素子の製造方法について説明する。
図17A〜図17Dは、本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法を説明するために示したフローチャートである。
図17Aに示すように、図6に示された第1のアニール処理及び第2のアニール処理を利用してシリコンウエハ600上にスクリーン酸化膜601を形成する。シリコンウエハ600は、図2〜図4において説明された1ステップまたは2ステップの急速熱処理が行われたウエハであるか、または、図5において、急速熱処理が行われていないベアー状態のウエハでありうる。そして、スクリーン酸化膜601はシリコン酸化膜であり、100Å〜140Åの厚さで形成する。
また、図17Bに示すように、スクリーン酸化膜601をバッファ層としてシリコンウエハ600内に一定深さにウェル602を形成する。ウェル602は、高電圧素子のタイプによってP型導電型またはN型導電型で形成することができる。
ウェル602は、イオン注入工程及び拡散工程を行って形成する。イオン注入工程だけでは、高電圧素子用ウェルを形成することが不可能である。したがって、図17Bに示されたドーピング形状(doping profile)を有するウェル602を形成するためには、イオン注入工程だけでなく、イオン注入工程後、拡散工程をさらに行わなければならない。拡散工程は、高温の加熱装置、例えば、ファーネスを利用したアニール処理により長時間行う。望ましくは、1100℃〜1250℃の温度で、窒素Nガスのみを用いて6時間〜10時間の間行う。
次に、図17Cに示すように、スクリーン酸化膜601上にハードマスクとして機能するパッド窒化膜603を形成するか、または、スクリーン酸化膜601を除去してから、別途の酸化工程を行って緩衝膜(図示せず)を形成した後、その上部にパッド窒化膜603を形成する。上記においてスクリーン酸化膜601を除去する理由は、スクリーン酸化膜601がイオン注入工程時に損傷されて、実質的に緩衝膜として機能するのに適していないためである。そして、パッド窒化膜603上にSTIトレンチ形成用感光膜パターン604を形成する。
パッド窒化膜603は、蒸着工程時に加えられるストレスを最小化して、シリコンウエハ600が損傷されることを防止するために、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)工程により行うことが好ましい。パッド窒化膜603はシリコン窒化膜で形成する。また、パッド窒化膜603は1400Å〜2000Åの厚さで形成することができる。
次いで、感光膜パターン604をエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行って、パッド窒化膜603、スクリーン酸化膜601、及びシリコンウエハ600を順次一部エッチングする。これにより、シリコンウエハ600内には一定深さを有するトレンチ605が形成される。
続いて、図17Dに示すように、トレンチ605が埋め込まれる素子分離膜606を形成した後、パッド窒化膜603及びスクリーン酸化膜601Aを除去する。素子分離膜606は、埋め込み特性に優れたHDP(High Density Plasma)膜で形成することが好ましい。
図17A〜図17Dのように、本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程を介してスクリーン酸化膜を形成する方法と、一般的な1ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程を介してスクリーン酸化膜を形成する方法(比較例)とを比較する。比較例では、酸化工程を800℃〜850℃の単一温度のみでウェット酸化工程により行った。
図18〜図21は、比較例に係る酸化工程が適用されたシリコンウエハの結晶欠陥を検査した図である。
図18は、比較例に係る酸化工程が適用されたシリコンウエハにSTI工程を行ってトレンチを形成した後、KLA社で製作された検査装置を利用して結晶欠陥を検査した結果を示したマップデータである。同図に示すように、ほとんどのウエハにおいて、環状シリコン転位のような結晶欠陥が存在することが確認できる。
図19及び図20は、KLA社で製作された検査装置を利用してウエハを撮影した図である。図19は、断面SEM(Scanning Electron Microscope)写真であり、図20は、平面チルトSEM写真である。図19及び図20のように、結晶欠陥及びシリコン電位を確認することができる。
図21は、環状欠陥を有するシリコンウエハのBMD密度分布を分析した図である。図21のように、BMDは、ほとんどがシリコンウエハの表面に近接して分布しており、シリコンウエハの中間部分、すなわち、バルク領域内ではBMDがほとんど存在しないか、または、その密度が表面部位に比べて顕著に低いことを確認することができる。
図22〜図24は、本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程が適用されたシリコンウエハの結晶欠陥をKLA社の検査装置により検査した図である。
図22は、本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程が適用されたシリコンウエハにSTI工程を行ってトレンチを形成した後、シリコンウエハの結晶欠陥を検査した結果を示した図である。図22に示すように、結晶欠陥が除去されたことを確認することができ、パーティクルまたはダストのみが一部検出された。
図23は、KLA社で製作された検査装置を利用してウエハを撮影したウエハ平面チルトSEM写真である。図22と同様に、一部のパーティクルのみが検出されたことを確認することができる。
図24は、本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程が適用されたシリコンウエハのBMD密度分布を分析した写真である。図24に示すように、シリコンウエハのバルク領域内の全体でBMDが一定の密度で均一に分布していることが分かる。
図25は、SRAM待機モード時、漏れ電流(leakage current)特性を比較した結果図である。図25において、左側が本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程が適用されたシリコンウエハを用いて高電圧素子を形成したサンプルであり、右側が比較例により製造されたシリコンウエハを用いて高電圧素子を形成したサンプルである。図25に示すように、比較例により製造されたサンプルに比べて、本発明で提示した方法により製造されたサンプルで漏れ電流の特性が均一であることが分かる。
図26は、歩留まり比較の結果図である。図26において、左側が本発明で提示した2ステップのアニール処理方法を利用した酸化工程が適用されたシリコンウエハを用いて高電圧素子を形成したサンプルであり、右側が比較例により製造されたシリコンウエハを用いて高電圧素子を形成したサンプルである。同図に示すように、比較例により製造されたサンプルに比べて、本発明で提示した方法により製造されたサンプルで歩留まりが5%〜9%程度高いことが分かる。
以上で説明したように、本発明の技術的思想は好ましい実施形態において具体的に記述されたが、上記の実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに注意すべきである。また、この技術分野の通常の専門家であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な実施形態が可能であることが理解できるであろう。
100、200、300、400、500 シリコンウエハ
101、201、301、401、501 表面
102、202、302、402、502 裏面
DZ1、DZ2 無欠陥層
BK バルク領域
203、303、403、503 酸素原子
204、304、404、504 析出物の核
205A、405A、505A 微細析出物
205B、405B、505B 大きさが増加された析出物
305 析出物
600 シリコンウエハ
601 スクリーン酸化膜
602 ウェル
603 パッド窒化膜
604 感光膜パターン
605 トレンチ
606 素子分離膜

Claims (37)

  1. シリコンウエハの表面から一定深さに形成される第1の無欠陥層と、
    該第1の無欠陥層とシリコンウエハの裏面との間の領域に形成されたバルク領域とを備え、
    前記第1の無欠陥層は、前記表面から20μm 〜80μmの深さに形成され、前記バルク領域内において、酸素濃度が前記バルク領域の全体にわたって10%の偏差範囲内で均一な分布を有することを特徴とするシリコンウエハ。
  2. 前記バルク領域内において、BMD密度が1×10ea/cm〜1×10ea/cmであることを特徴とする請求項1に記載のシリコンウエハ。
  3. 前記バルク領域内において、酸素濃度が10.5PPMA〜13PPMAであることを特徴とする請求項1に記載のシリコンウエハ。
  4. エピタキシャル成長法によって前記シリコンウエハの表面上に形成されたエピ層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のシリコンウエハ。
  5. 前記表面方向にシリコンウエハの裏面から一定深さにバルク領域の下に形成される第2の無欠陥層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のシリコンウエハ。
  6. 前記第2の無欠陥層は、前記裏面から20μm〜80μmの深さに形成されることを特徴とする請求項5に記載のシリコンウエハ。
  7. 無欠陥層及びバルク領域が形成されるシリコンウエハを準備する準備ステップと、
    該シリコンウエハを第1の温度で加熱して、前記バルク領域内に析出物の核と析出物を追加的に形成させる第1のアニール処理を行う第1アニール処理ステップと、
    前記シリコンウエハを前記第1の温度よりも高い第2の温度で加熱して、前記バルク領域内に形成される析出物の大きさを増大させる第2のアニール処理を行う第2アニール処理ステップと、
    を含むことを特徴とするシリコンウエハの製造方法。
  8. 前記第1のアニール処理は、750℃〜800℃で行われることを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  9. 前記第2のアニール処理は、1000℃〜1150℃で行われることを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  10. 前記準備ステップは、
    前記シリコンウエハを前記第2の温度と同じであるか、または前記第2の温度より高い第3の温度で加熱して、前記無欠陥層及び前記バルク領域を形成する第1の熱処理を行う第1熱処理ステップと、
    前記シリコンウエハを前記第3の温度よりも低く、前記第1の温度よりも高い第4の温度で加熱して、前記バルク領域内に析出物の核を生成させる第2の熱処理を行う第2熱処理ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  11. 前記第1の熱処理及び第2の熱処理は、急速熱処理またはアニール処理により行われることを特徴とする請求項10に記載のシリコンウエハの製造方法。
  12. 前記第1の熱処理は、1050℃〜1150℃の温度で行われ、前記第2の熱処理は、950℃〜1000℃の温度で行われることを特徴とする請求項10に記載のシリコンウエハの製造方法。
  13. 前記第1の熱処理及び第2の熱処理は、アルゴンガス、窒素ガス、アンモニアガス、またはこれらの混合ガスを用いることを特徴とする請求項10に記載のシリコンウエハの製造方法。
  14. 前記準備ステップは、
    前記シリコンウエハを前記第2の温度と同じであるか、または前記第2の温度より高い第3の温度で加熱して、前記無欠陥層及び前記バルク領域を形成する熱処理を行うステップを含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  15. 前記熱処理は、急速熱処理またはアニール処理により1050℃〜1150℃の温度で行われることを特徴とする請求項14に記載のシリコンウエハの製造方法。
  16. 前記準備ステップは、
    前記シリコンウエハを前記第1の温度よりも高く、前記第2の温度よりも低い第3の温度で加熱して、前記無欠陥層及び前記バルク領域を形成する熱処理を行うステップを含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  17. 前記熱処理は、急速熱処理またはアニール処理により950℃〜1000℃の温度で行われることを特徴とする請求項16に記載のシリコンウエハの製造方法。
  18. 前記第1のアニール処理及び第2のアニール処理は、酸素ガスを用いることを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  19. 前記第1のアニール処理及び第2のアニール処理は、各々100分〜180分の間行われることを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  20. 前記無欠陥層は、前記表面から20μm〜80μmの深さに形成されることを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  21. 前記第2のアニール処理を行い、前記バルク領域内で前記析出物を含むBMD密度を1×10ea/cm〜1×10ea/cmに制御することを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  22. 前記第2のアニール処理を行い、前記バルク領域内で酸素濃度が前記バルク領域の全体にわたって10%の偏差範囲内で均一な分布を有するように制御することを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  23. 前記第2のアニール処理を行い、前記バルク領域内で酸素濃度を10.5PPMA〜13PPMAに有するように制御することを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  24. 前記第2アニール処理ステップの後、
    前記第2のアニール処理の間に発生する前記シリコンウエハの表面上に形成される酸化膜を除去する酸化膜除去ステップと、
    前記酸化膜が除去されたシリコンウエハの表面にエピタキシャル成長法によってエピ層を形成するエピ層形成ステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  25. 前記第2アニール処理ステップの後、
    前記第2のアニール処理後に前記シリコンウエハの表面に形成される酸化膜をバッファ層として、前記シリコンウエハ内にウェルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  26. 前記準備ステップは、
    シリコン単結晶を成長させるステップと、
    成長されたシリコン単結晶をスライシングするステップと、
    スライシングされたウエハの側面をラウンドするか、または表面をエッチングするエッチング工程を行うステップと、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載のシリコンウエハの製造方法。
  27. シリコンウエハを準備する準備ステップと、
    前記シリコンウエハをファーネスの内部にロードさせるロードステップと、
    前記ファーネス内の温度を第1の温度に上昇させる第1温度上昇ステップと、
    前記シリコンウエハを前記第1の温度で加熱して、析出物を形成する第1のアニール処理を行う第1アニール処理ステップと、
    前記ファーネス内の温度を前記第1の温度よりも高い第2の温度に上昇させる第2温度上昇ステップと、
    前記シリコンウエハを前記第2の温度で加熱して、析出物の大きさを成長させて析出物の密度を増加させる第2のアニール処理を行う第2アニール処理ステップと、
    前記ファーネス内の温度を前記第1の温度に下降させる温度下降ステップと、
    前記シリコンウエハを前記ファーネスからアンロードさせるアンロードステップと、
    を含むことを特徴とするシリコンウエハの製造方法。
  28. 前記準備ステップは、
    前記シリコンウエハに対して熱処理を行い、前記シリコンウエハ内に無欠陥層及びバルク領域を形成するステップを含むことを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  29. 前記ロードステップにおいて、
    前記ファーネスの内部温度を600℃〜700℃に維持させることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  30. 前記第1温度上昇ステップにおいて、
    温度上昇率を5℃/min〜8℃/minに維持させることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  31. 前記第1のアニール処理は、750℃〜800℃で行われることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  32. 前記第2温度上昇ステップにおいて、
    温度上昇率を5℃/min 〜8℃/minに維持させることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  33. 前記第2のアニール処理は、1000℃〜1150℃で行われることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  34. 前記温度下降ステップにおいて、
    温度下降率を2℃/min〜4℃/minに維持させることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  35. 前記アンロードステップにおいて、
    前記ファーネスの内部温度を750℃〜800℃に維持させることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  36. 前記アンロードステップは、窒素ガスを用いて行われることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
  37. 前記第1のアニール処理及び第2のアニール処理において、酸素ガスを用いることを特徴とする請求項27に記載のシリコンウエハの製造方法。
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