JP2010199337A - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素の外方拡散によるウェーハ表層の酸素濃度の低下を防ぎ、ＳＴＩ領域での転位発生を防止でき、研磨ダメージや研磨起因のウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を低減もしくは消滅可能なシリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】仕上げ研磨されたシリコンウェーハの表面に、高エネルギ光を照射エネルギ密度０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２、加熱時間０．０１μ秒以上１０μ秒未満で照射する。これにより、表層が１３５０℃以上融点未満で加熱されるので、ＳＴＩ領域の転位発生を防ぎ、研磨ダメージやウェーハ表面の研磨起因の局所的な凹凸欠陥あるいは微小結晶欠陥を低減または消滅できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、シリコンウェーハの製造方法、詳しくは表層の酸素濃度の低下を防止し、かつ研磨に起因した表層のダメージや表面の局所的な凹凸欠陥（研磨欠陥）を低減または解消可能なシリコンウェーハの製造方法に関する。

近年のデバイスプロセスでは、例えば図３に示すように、Ｎ−チャンネルＭＯＳトランジスタ１０１とＰ−チャンネルＭＯＳトランジスタ１０２が電気的な影響を及ぼさないように、シリコンウェーハＷの表層１０３に、シャロー・トレンチ・アイソレーション（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：ＳＴＩ）１０４を形成し、素子１０１，１０２間の分離が行われている。
ＳＴＩ１０４の作製は、まず異方性エッチングにより、シリコンウェーハＷの表面に深さ０．５μｍ程度の溝１０５を所定ピッチで形成する。次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、この溝１０５に酸化シリコン１０６を埋め込むことでなされる（例えば特許文献１）。素子１０１，１０２は、この溝１０５を挟んで形成される。

ＳＴＩ１０４では、溝１０５内に、例えば、酸化シリコン１０６が埋め込まれる。そのため、デバイスプロセス工程での種々の熱処理によりシリコンとの熱膨張率の相違によりＳＴＩ１０４とシリコン１０７との界面には大きな応力が発生し、シリコンウェーハＷのＳＴＩ１０４の形成部分、特にＳＴＩ１０４の底部において転位ａが発生し、これがトランジスタ領域へ進展することでデバイス歩留を低下させていた。この転位ａの進展は、表層１０３の酸素濃度に依存することが知られている。すなわち、酸素濃度が低ければ表層１０３から発生した転位ａが進展し易く、反対に酸素濃度が高ければ転位は固着され進展し難い。
この点から、例えばアルゴンアニールされたシリコンウェーハ（アルゴンアニールウェーハ）ＷをＳＴＩ形成用のウェーハとした場合には、ポリッシュウェーハに比べて転位ａの進展率が高まると言われている。これは、アルゴンアニール時、表層１０３内で酸素の外方拡散を積極的に利用するため、表層１０３の酸素濃度が低下することによる。アルゴンアニールウェーハＷは、ウェーハをアルゴンガスの雰囲気で例えば１２００℃、１時間、アニールすることで得られる。

そこで、アルゴンアニールウェーハＷの転位ａを抑制するには、少なくともＳＴＩ１０４の形成領域（ウェーハ表面から深さ約１μｍ）付近まで、高い酸素濃度を維持させる必要がある。そこで、この転位抑制策として、従来、シリコンウェーハＷを表面から５μｍ程度（低酸素濃度部分）を研磨し、ＳＴＩ１０４の形成領域の酸素濃度を高めていた。
また、ウェーハ製造プロセスにおいて、最終的に表面が仕上げ研磨されたシリコンウェーハＷでは、その表面欠陥として、研磨ダメージや研磨起因の局所的な凹凸欠陥（研磨欠陥）が知られている（特許文献２）。この研磨欠陥は、ウェーハ表面の凹みであるスクラッチや、微小な高さの突起（微小突起）である。スクラッチや微小突起は、研磨時に研磨砥粒やスラリーが凝集し、その状態で研磨を継続することで起きると推測される。
従来、この研磨ダメージや研磨に起因したウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を縮小または消滅させる技術として、研磨砥粒の小サイズ化、研磨速度の低速化により対処する方法が知られていた。

特開２００８−２８３５５号公報 特開２００４−３０３９７３号公報

このように、デバイスプロセスでのＳＴＩ１０４の形成領域の低酸素化対策としては、従来、アルゴンアニールウェーハＷを表面から５μｍ程度（低酸素濃度部分）研磨し、表層１０３の酸素濃度を高める方法が採られていた。しかしながら、５μｍ程度の研磨では、表層１０３に充分な酸素を存在させることができない。そこで、表層１０３のさらなる高酸素濃度化を図るため、この研磨量を増やすことが考えられる。ところが、研磨代を増大させればアニール処理で消滅できなかった結晶欠陥や酸素析出物がウェーハ表面に露出し、デバイスの歩留まりを大幅に低下させるという別の問題が発生してしまう。

一方、特許文献１には、ウェーハ表面へレーザ光を照射し、ウェーハ表層１０３に対して１１００℃以上の温度で０．０１ｍ秒以上１秒以下の熱処理を施し、ウェーハ表層１０３を改質する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の実施例で得られた二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置での測定によるシリコンウェーハＷの酸素濃度プロファイル（図１の破線グラフ）によれば、ウェーハ表面から１μｍの深さまでは酸素濃度が低下しており、現実において、ＳＴＩ１０４の形成領域の転位抑制には不利であった。
また、特許文献２においては、前述したようにウェーハ表面の研磨起因による局所的な凹凸欠陥を縮小または消滅させるため、従来から研磨砥粒を小サイズ化したり、研磨速度を低速化することが行われている。しかしながら、これらの方法では研磨時間が長くなり、製品ウェーハの生産性が低下して、製品ウェーハのコスト高を招いていた。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、シリコンウェーハの仕上げ研磨された表面に、高エネルギ光を、照射エネルギ密度０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２で、加熱時間０．０１μ秒以上１０μ秒未満の条件で照射し、ウェーハ表層を１３５０℃以上融点未満となる熱処理を施せばよいことに想到した。すなわち、仕上げ研磨されたシリコンウェーハの表層に溶融を伴わない熱処理を施すのである。これにより、ウェーハ表層（例えば深さ１μｍ）の酸素の外方拡散が起こらない状態でウェーハを熱処理することができる。その結果、ＳＴＩ領域付近での転位発生を防止することができる。しかも、研磨に起因したデバイス特性の劣化も抑制することができることを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、ウェーハ熱処理に際して、酸素の外方拡散によるウェーハ表層の酸素濃度の低下を防止することができ、デバイスプロセスでウェーハ表層にＳＴＩ領域を形成した場合には、ＳＴＩ領域での転位発生を防止することができ、しかもウェーハ表層の研磨ダメージや研磨起因のウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を低減または消滅させることができるシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、単結晶からなるシリコンウェーハの仕上げ研磨された表面に、照射エネルギ密度が０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２、加熱時間が０．０１μ秒以上１０μ秒未満で高エネルギ光を照射し、前記シリコンウェーハの表層に、１３５０℃以上融点未満となる溶融を伴わない条件で熱処理を施すシリコンウェーハの製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、仕上げ研磨されたシリコンウェーハの表面に、高エネルギ光を、照射エネルギ密度０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２、加熱時間０．０１μ秒以上１０μ秒未満の条件で照射する。これにより、ウェーハ表層が１３５０℃以上融点未満に加熱され、表層に溶融を伴わない熱処理が施される。すなわち、従来のようにレーザ光の照射により表層が溶融しないので、このウェーハ表層（例えば深さ１μｍ）の酸素の外方拡散が起こらない状態でシリコンウェーハの熱処理が可能となる。その結果、例えばデバイスプロセスでウェーハ表層にＳＴＩ領域を形成した場合には、このＳＴＩ領域の転位発生を防止することができる。しかも、ウェーハ表層の研磨ダメージや研磨起因のウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を低減または消滅させることができる。その結果、デバイス歩留まりを高めることができる。
すなわち、前記条件でのレーザ光の照射により、ウェーハ表層のシリコン原子の移動が可能となる。これにより、ウェーハ表面の研磨に起因したデバイス特性の劣化を抑制することができる。

シリコンウェーハとしては、チョクラルスキー法により引き上げられた単結晶シリコンインゴットをウェーハ加工（仕上げ研磨を含む）して得られた単結晶シリコンウェーハなどを採用することができる。その他、アルゴンアニールウェーハ、ＳＯＩウェーハなどでもよい。
「シリコンウェーハの表層」とは、シリコンウェーハの表面から深さ１μｍ以内の領域をいう。
高エネルギ光としては、例えばランプ光、レーザ光などを採用することができる。
加熱方式としては、フラッシュランプアニール法やレーザアニール法を採用することができる。レーザアニール法に用いられるアニール装置としては、具体的に絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）製品の裏面ドーパント活性用として使用されている装置を、そのまま適用可能である。
高エネルギ光の照射エネルギ密度が０．５Ｊ／ｃｍ^２未満では、表面および表層領域を改質するには密度が低くすぎるので、処理時間が長くなり生産性が低下する。また、２０Ｊ／ｃｍ^２を超えれば、処理時間は短くなるがレーザアニール炉に搭載するレーザ発振器の台数を大幅に増加させる必要があり、装置コストが高くなる。高エネルギ光の好ましい照射エネルギ密度は、１〜５Ｊ／ｃｍ^２である。この範囲であれば、レーザ発振器を増加させることなく、既存のＩＧＢＴ用装置をそのまま使用することができる。

高エネルギ光によるウェーハ表層の加熱時間が０．０１μ秒未満では、酸素外方拡散は起こらないが、表層改質するには処理時間が短すぎる。
また、１０μ秒以上では、処理時間の増加に伴い生産性が低下する。レーザ光による好ましい加熱時間は、０．１〜１μ秒である。この範囲であれば、生産性の劣化がないというさらに好適な効果が得られる。
ウェーハ表層の加熱温度が１３５０℃未満では、酸素外方拡散は抑制されるがウェーハ表層を改質することができない。また、融点以上であれば、シリコン表層に凹凸が生じる可能性があり、最終的に研磨が必要となる。ウェーハ表層の好ましい加熱温度は、１３８０℃〜１４００℃である。この範囲であれば、前記ＩＧＢＴ用装置をレーザ発振器の増加なしでそのまま適用することができるというさらに好適な効果が得られる。

高エネルギ光としてレーザ光を採用した場合のレーザ光としては、３００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長のエキシマーレーザやグリーンレーザ、８００ｎｍ付近以上の波長のエキシマーレーザやグリーンレーザ、ダイオードレーザまたはＣＯ_２レーザを単独、または複数用いることができる。
また、波長が異なるレーザを用いて２波長以上のレーザ光を照射してもよい。レーザ光はパルス光、連続光の何れでもよい。特に８００ｎｍ付近の波長は、シリコンウェーハの表層より深い領域まで加熱できるため、表層のみを加熱させる短波長側のレーザ光を加熱アシストに使用することも可能である。

レーザ照射条件として、短波長側のレーザ光はシリコンの吸収係数が大きく、表層加熱を効率よくできるので、レーザ光の照射エネルギ密度は１．０Ｊ／ｃｍ^２でよい。また、長波長側のレーザ光は、逆にレーザ光の進入深さが長くなり、その分、表層の加熱温度が低くなるので、高密度エネルギが必要となり、例えば１０Ｊ／ｃｍ^２程度のエネルギ密度を必要とする。
ウェーハ表層の加熱温度が融点に達したかは、レーザ光をシリコンウェーハの表面に照射後、顕微鏡などでその照射位置を観察することで確認できる。すなわち、溶融した場合には、レーザ溶融領域に照射跡が残る。融点付近の温度域は、まずウェーハ表層が溶融するレーザ光の照射条件を求め、次にその照射条件の閾値から約１０〜２０％だけその照射条件値を下げれば、簡単に求めることができる。

シリコンウェーハの表面は、シリコンで終端された面またはシリコンに水素またはフッ素が終端処理された面が好ましい。
すなわち、シリコンウェーハの表面は、酸化膜など存在しない状態、または、水素やフッ素が表面のシリコン原子と終端処理（ターミネイト）された状態である。そのため、高エネルギ光の照射により簡単に水素原子やフッ素原子が脱離してシリコン表面が未結合状態となる。
したがって、ウェーハ表層の加熱によってシリコン原子の表面移動が容易となり、研磨起因の修復を円滑に行うことができる。

請求項２に記載の発明は、前記高エネルギ光は、ランプ光またはレーザ光である請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記シリコンウェーハに高エネルギを照射する際の炉内は、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気である請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法である。

請求項３に記載の発明によれば、レーザ照射雰囲気が真空または不活性ガス雰囲気であるため、シリコン表面を加熱する際、表面の酸化膜を新たに成長させることがない。これにより、シリコン表面における前記シリコン原子の移動を妨げない。
不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス、ヘリウムなどを採用することができる。

請求項４に記載の発明は、前記シリコンウェーハは、シャロー・トレンチ・アイソレーション形成用のもので、前記溶融を伴わない条件での熱処理は、前記シリコンウェーハのうち、その表面から１．０μｍまでの領域に施される請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法である。
シリコンウェーハの表層に対する溶融を伴わない熱処理により、シリコンウェーハの表面から１．０μｍ以内（表層）におけるシリコンウェーハの酸素濃度の低下を防止することができる。これにより、シャロー・トレンチ・アイソレーションの周辺領域に発生する転位の移動を抑制することができる。しかも、シリコンウェーハの表面およびシリコンウェーハの表層付近の加工起因や結晶起因の欠陥を低減させることができる。

熱処理により改質されるウェーハ表層の深さが１．０μｍを超えれば、ＳＴＩの底部より表層改質領域が十分に深くなるので、転位移動の抑制は可能であるが、生産性は低下してしまう。表層改質領域の好ましい深さは、１μｍ前後である。この範囲であれば、ＳＴＩの転位を抑制することができるとともに、高い量産性（生産性）も得られる。なお、表層改質領域の深さが、シリコンウェーハの表面から０．２μｍ未満の場合には、表層改質領域がＳＴＩの底部より浅くなり、転位移動の抑制力が低下するおそれがある。

請求項１に記載の発明によれば、仕上げ研磨されたシリコンウェーハの表面に、高エネルギ光を、照射エネルギ密度０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２で、加熱時間０．０１μ秒以上１０μ秒未満の条件で照射する。これにより、ウェーハ表層が１３５０℃以上融点未満に加熱され、この表層に対して溶融を伴わない表層領域の改質が施される。その結果、デバイスプロセスでウェーハ表層にＳＴＩ領域を形成した際のＳＴＩ領域の転位発生を防止することができ、しかもウェーハ表層の研磨ダメージや研磨起因のウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を低減または消滅させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、高エネルギ光の照射雰囲気が真空または不活性ガス雰囲気であるため、シリコン表面を加熱する際、表面の酸化膜を新たに成長させることがない。これにより、シリコン表面における前記シリコン原子の移動を妨げない。

この発明の実施例に係るシリコンウェーハの製造方法により製造されたシリコンウェーハについて、表層の深さと酸素濃度との関係を示したグラフである。 この発明の実施例に係るシリコンウェーハの製造方法により製造されたシリコンウェーハの表層に、ＳＴＩおよび素子が作製された状態を示す要部拡大断面図である。 従来手段に係るシリコンウェーハの製造方法により製造されたシリコンウェーハの表層に、ＳＴＩおよび素子が作製された状態を示す要部拡大断面図である。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

この発明の実施例に係るシリコンウェーハの製造方法を説明する。
チョクラルスキー法により直径３００ｍｍ、比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ、初期酸素濃度１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９）のシリコン単結晶インゴットを引き上げる。得られたシリコン単結晶インゴットのうち、空孔と格子間シリコンとの過不足が少ないニュートラルなＮ領域の結晶部分をブロック切断し、このブロックに外径研削、スライスの各工程を順次行う。これにより、多数枚の無欠陥なシリコンウェーハ（サンプルウェーハ）が得られた。その後、各シリコンウェーハには、面取り、ラッピング、エッチング、１次研磨、仕上げ研磨が順次施された。

（比較例１）
得られたシリコンウェーハのうち、４枚に対して表面検査装置ＳＰ−２（テンコール社製）を使用し、表面に存在するパーティクルを観察した。そのうちの１枚について、全てのパーティクルの座標を記録し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いてパーティクルの実態を観察した。その結果、３５個はパーティクル、残り１１個は凹凸欠陥（微小段差）であることがわかった。同様に残り３枚に対しても、パーティクルと微小段差の位置と個数を記録した。これらの４枚のシリコンウェーハを、比較例１のウェーハとする。

（比較例２，３）
次に、比較例１で選出されなかったサンプルウェーハの中から別の４枚を選出し、これらをレーザアニール炉に投入した。この炉内で各シリコンウェーハに対して、アルゴンガス雰囲気での１２００℃、１時間の熱処理を施した。その後、２枚のシリコンウェーハに対しては、枚葉式の表面研磨装置を使用し、ウェーハ表面を５μｍ研磨して比較例２のウェーハとした。
また、残り２枚のシリコンウェーハは研磨せず、比較例３のウェーハとした。これらの４枚のシリコンウェーハに対して、比較例１と同様の手法により、表面検査装置ＳＰ−２を用いたウェーハ表面上のパーティクルの観察、ＡＦＭ観察による凹凸欠陥の位置と個数とを記録した。
その結果、比較例３の２枚のシリコンウェーハには、何れも凹凸欠陥は確認できなかった。これに対して、ウェーハ表面を５μｍ研磨した比較例２のシリコンウェーハの場合には、何れもウェーハ表面に９個の凹凸欠陥が確認された。

（実施例１）
次に、比較例１〜３のシリコンウェーハの中から１枚ずつウェーハを選出し、これらを５容量％のフッ酸水溶液中に５分間浸水し、ウェーハ表面のシリコン酸化膜（自然酸化膜）を除去した。その後、フッ酸処理された各ウェーハを超純水により１０分間洗浄した。シリコン酸化膜の除去により、ウェーハ表面は水素またはフッ素により終端される。その結果、レーザ光の照射時に簡単に水素原子やフッ素原子が脱離し、シリコン表面が未結合状態となる。

次いで、洗浄後の各ウェーハをパルス方式でレーザアニール炉に挿入し、アルゴンガス雰囲気で波長３０８ｎｍのエキシマーレーザ光を、パルス幅０．０２μ秒、照射エネルギ密度０．８Ｊ／ｃｍ^２の条件で、ウェーハ表面に照射した。その結果、レーザ照射部は約１３９０℃に加熱され、この表層に溶融を伴わない熱処理が施された。
すなわち、レーザ光を照射しても照射時間が短く、かつウェーハ表層が溶融しないので、ウェーハ表層（ウェーハ表面から深さ１μｍの領域）の酸素の外方拡散が起こらない状態（酸素濃度が表層全域で均一な状態）を保持したまま、ウェーハ表層中のシリコンの歪緩和やウェーハ表面でのシリコン原子の移動を伴うアニールウェーハの熱処理が可能となった（図１の実線グラフ）。

その結果、図２に示すようなデバイスプロセスでシリコンウェーハＷの表層Ｗａに形成されるＳＴＩ１１の形成領域において、初期酸素濃度を維持したままの状態であるので、転位ａの移動を抑制することができる。しかも、仕上げ研磨時の表層Ｗａの研磨ダメージや、研磨起因のウェーハ表面の局所的な凹凸欠陥を低減または消滅させることができ、デバイス歩留まりを高めることができる。
このＳＴＩ１１は、異方性エッチングにより、シリコンウェーハＷの表面に深さ０．５μｍ程度の溝１２を形成後、ＣＶＤにより溝１２に酸化シリコン１３を埋め込んで作製される。この溝１２を挟んで、素子分離を行う。

実際に、実施例１の各シリコンウェーハＷに対して、予め記録した位置座標を観察したが、研磨起因の凹凸欠陥は消滅または縮小していることが確認された。また、比較例１〜３のシリコンウェーハのうち、実施例１用として選出されなかったウェーハに対して、フッ酸水溶液の浸漬なしに同様のレーザ照射を行った。その結果、前記凹凸欠陥は消滅または縮小していることが確認できた。すなわち、この実験条件では、シリコンウェーハのフッ酸水溶液への浸漬の効果が得られなかった。

（実施例２）
次に、実施例１と同様に比較例１〜３のシリコンウェーハの中から１枚ずつ別のウェーハを選出し、その後、同じレーザアニール炉を使用し、アルゴンガス雰囲気下で波長５３２ｎｍ、パルス幅０．２μ秒、照射エネルギ密度１．２Ｊ／ｃｍ^２の条件で各ウェーハ表面にレーザ光を照射し、これらを実施例２のシリコンウェーハＷとした。その後、実施例２のウェーハＷの全ての表面に対して、予め記録されていた位置座標を観察したが、実施例１と同様に凹凸欠陥は消滅または縮小していることが確認された。その他の構成、作用および効果は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。

（実施例３）
次に、実施例１で得られた各シリコンウェーハＷの一部を切り出し、二次イオン質量分析装置により、ウェーハ表面から５μｍまでの表層の酸素（Ｏｉ）濃度を測定した結果、酸素濃度の低下は一切観察されなかった。

１１ ＳＴＩ（シャロー・トレンチ・アイソレーション）、
１６ シリコン、
Ｗ シリコンウェーハ、
Ｗａ 表層。

Claims (4)

1. 単結晶からなるシリコンウェーハの仕上げ研磨された表面に、照射エネルギ密度が
   ０．５〜２０Ｊ／ｃｍ^２、加熱時間が０．０１μ秒以上１０μ秒未満で高エネルギ光を照射し、前記シリコンウェーハの表層に、１３５０℃以上融点未満となる溶融を伴わない条件で熱処理を施すシリコンウェーハの製造方法。
2. 前記高エネルギ光は、ランプ光またはレーザ光である請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法。
3. 前記シリコンウェーハに高エネルギを照射する際の炉内は、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気である請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法。
4. 前記シリコンウェーハは、シャロー・トレンチ・アイソレーション形成用のもので、
   前記溶融を伴わない条件での熱処理は、前記シリコンウェーハのうち、その表面から１．０μｍまでの領域に施される請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。

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