JP3719021B2 - シリコンウエーハの製造方法およびシリコンウエーハ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエーハの製造方法において、加工歪みがなく、表面粗さが小さく、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体集積回路等のデバイスを作製するためのウエーハとしては、主にシリコン単結晶ウエーハが用いられている。この半導体集積回路等のデバイスにおいては、近年ますますデバイスのデザインルールが小さくなっていく傾向にある。そのため、今までそれ程問題にならなかった項目も問題になり、重要になってきた。その一つに挙げられるのがウエーハ加工工程で導入された加工歪み、キズ、及びマイクロラフネスである。そして、これらの加工歪み等を除去し、平坦度が良いウエーハを得ることが近年特に重要となってきた。
【０００３】
なぜなら、これらの加工歪み、キズ、及びマイクロラフネスはデバイス製造の工程、特に近年のデザインルールが小さくなり高集積化したデバイスを製造する工程において大きな問題となるからである。例えばウエーハ表面の加工歪みやキズ等は、不純物の導入工程である拡散及びイオンプランテーションの工程では局所的な拡散異常を引き起こし、酸化工程では局所的な酸化異常を引き起こす。また、これらはウエーハのライフタイムを低下させる原因となる。そして、このような加工歪み等による悪影響はデバイスが高集積化すればするほど大きくなる。
【０００４】
従来、半導体シリコンウエーハの製造では、シリコン単結晶をウエーハに加工する種々の工程において、ウエーハに加工歪み等の結晶欠陥が導入され、その加工歪み等が除去されずにデバイス製造の工程に送られていた。このような加工歪み等は特に研磨工程で導入されることが多かった。
【０００５】
すなわち、一般的にシリコンウエーハの製造で行われる研磨方法は、化学エッチングと機械的研磨を複合した、複数段の研磨工程を行なうものである。複数段研磨工程としてはその工程順に、例えば、１次研磨、２次研磨、（場合によっては３次研磨）、仕上げ研磨と称し、その研磨の工程を重ねるごとに研磨砥粒の粒度を細かくしたり、研磨布の硬度を下げる等、研磨条件を変更している。
【０００６】
この場合、最終的なウェーハ表面には高い平坦性が要求されるため、少なくとも研磨工程の最終段階（仕上げ研磨）では機械的要素を強調した研磨（メカニカル強調研磨）を施し、仕上がり表面のマイクロラフネスを小さく抑える必要があった。そのため、そのメカニカル強調研磨によりウェーハに大きなストレスがかかり、表面にキズや微少な加工歪みが残留しまう。一方、例えば２次研磨のように化学的要素を強調した研磨（ケミカル強調研磨）を重点的に行うと加工歪みはほとんど残らないが、面の平坦性が悪化しマイクロラフネスが大きくなってしまう。
【０００７】
このような問題は研磨工程が機械的研磨と化学エッチングを複合している限り避けられない。このマイクロラフネスを充分小さく押え、かつ加工歪みを導入しないような加工方法は、従来の研磨方法では不可能であった。
【０００８】
このような、従来のウエーハ研磨方法の欠点を改善するため、特開平７−２３５５３４号公報には、水素ガス雰囲気中で熱処理するとシリコンウェーハ表面がエッチングされる現象を利用して、水素ガス雰囲気中の熱処理を、シリコンウエーハの製造工程における最終の仕上げ研磨工程に置き換える技術が記載されている。
【０００９】
この技術は、最終研磨前の研磨工程で得られたウェーハに対して、最終研磨をせずに水素雰囲気中の熱処理を行い、そのエッチング作用を利用して、最終研磨と同レベルの表面粗さを得ようとするものである。最終研磨工程を省略した上で表面粗さを目的の値にすることができるので、メカニカル強調研磨による加工歪みを導入することなく表面の平坦化を実現できるという効果をもつ方法であると思われる。なお、この方法によると、１２００℃以上で３０分から４時間の水素雰囲気での熱処理が必須条件となっている。
【００１０】
上記の方法を用いれば、加工歪み及びキズの除去とマイクロラフネスの低減を同時に達成することができる可能性がある。しかし、この方法では、熱処理中にウエーハにスリップ転位が生じ易いことが欠点であった。これは、特に大直径のウエーハを熱処理する際に顕著であり、近年ウエーハの大直径化が進んでいることを考えると重大な問題である。また、表面のエッチング作用を利用するものであるので、必然的に熱処理前後でウエーハの厚さが変わってしまうという問題もある。
さらに、１２００℃以上の高温長時間の熱処理では、昇降温時間にも長時間を有するため、熱処理工程全体に要する時間が長くなり、生産性が低下するという問題もある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のシリコンウエーハの製造においては、ウエーハ表面に加工歪みを導入せずにマイクロラフネスを充分に抑えて表面粗さを改善し、なおかつスリップ転位を導入せずに生産性も高い方法はなく、これらに変わる製造方法の開発が望まれていた。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みて為されたもので、シリコンウエーハ製造において、ウエーハ表面の加工歪み及びキズがなく、表面粗さが著しく改善され、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で製造するシリコンウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、ウエーハの少なくとも一方の面に複数段の研磨を行なうシリコンウエーハの製造方法において、該複数段の研磨の内、最後に行なう研磨の代わりに、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をすることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法である。
【００１４】
このように、最後に行なう研磨の代わりに、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をするようにすれば、メカニカル強調研磨を行なう最終研磨工程を省略できるので、ウエーハ表面に加工歪みが導入されることがなく、かつ急速熱処理により表面粗さが充分に改善されたウエーハを得ることができる。また、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をするため、ウエーハにスリップ転位が入ることを防ぐこともできる。さらに、急速加熱・急速冷却装置を用いて熱処理を行なうため、長時間の熱処理を必要とせず、シリコンウエーハを高生産性で製造することができる。
【００１５】
この場合、前記水素とアルゴンの混合ガス中における水素の割合が２０〜４０容量％であることが好ましい。
これは、熱処理雰囲気である水素とアルゴンの混合ガス中の水素の割合を２０〜４０容量％とすれば、特にスリップ転位の発生をほぼ完全に防ぐことができるからである。
【００１６】
また、前記熱処理は、１１００〜１３００℃の温度で１〜６０秒間行うことが好ましい。
これは、１１００℃以上で熱処理を行なえば、ウエーハ表面の面粗さを改善する効果はより大きくなり、１３００℃以下で熱処理を行なえば、スリップ転位の発生を防止する効果がさらに向上するからである。また、１秒間以上熱処理を行なえばウエーハ表面の面粗さを改善する効果は大きく、６０秒も行えば十分であるし、６０秒間以内の熱処理時間であれば、シリコンウエーハの製造の生産性は著しく高いものとすることができる。
【００１７】
さらに、前記のいずれかの方法で製造されたシリコンウエーハは、例えば、加工歪みがＰＡＤ値で１２．５ｐｍ（ピコメーター）以下であり、原子間力顕微鏡で測定した２μｍ角の表面粗さがＰ−Ｖ値（山と谷の最大差）で１．０ｎｍ以下であって、かつスリップ転位のないシリコンウエーハである。
【００１８】
このように、本発明のシリコンウエーハは加工歪みが実質的になく、表面粗さに優れており、かつスリップ転位がないウエーハであるため、今後のデザインルールが小さく高集積化した半導体デバイス等への使用に充分耐え得るものとなる。
なおここで、ＰＡＤ（Photo-Acoustic Displacement）値とは、ウエーハ表面に励起光を照射し、表面で吸収された光が熱に変わり、拡散温度上昇をもたらす結果生じる光熱効果変位量のことであり、この値を評価することにより、ウエーハの加工歪みを正確に評価することができるものである。
【００１９】
以下、本発明につきさらに詳細に説明する。
本発明者らは、シリコンウエーハ製造における研磨工程において、最終研磨に代えて、急速加熱・急速冷却装置を用いた水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下の熱処理を施すことにより、加工歪みが実質的になく、表面粗さが良好で、かつスリップ転位がないシリコンウエーハを高生産性で得ることができることに想到し、本発明を完成した。
【００２０】
従来、行われていた複数段の研磨工程において、化学エッチングと機械的研磨を複合する方法は、ウエーハ表面の加工歪みの除去と表面粗さの向上を両立させることができないことが問題であった。そのため、特開平７−２３５５３４号においては、最終研磨のメカニカル強調研磨に代えて、水素ガス雰囲気中の高温長時間の熱処理を施すことにより、加工歪みの除去と表面粗さの改善を行なう方法が提案された。
しかし、前述したように、水素ガス雰囲気下での高温長時間の熱処理は、ウエーハにスリップ転位を発生させ、生産性の低下をもたらす欠点があった。
【００２１】
これは、特開平７−２３５５３４号のような水素ガス雰囲気下での熱処理は、シリコンウエーハの表面が水素雰囲気によりエッチングされる現象を利用しているため、ウエーハが平坦化されるのに長時間を必要とするためである。そのため、ウエーハにスリップ転位が発生しやすく、またウエーハの表面をエッチングするためウエーハの厚さを減じてしまうという欠点もあった。
【００２２】
そこで、本発明の方法では、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中で高温短時間の熱処理を施すことにした。この方法は、最終研磨の代わりにウエーハに熱処理を施す点は、特開平７−２３５５３４号の方法に似ているが、原理的には全く異なるものである。
【００２３】
本発明の方法は、急速加熱・急速冷却装置を用いた高温短時間の熱処理によるマイグレーションを利用するものである。すなわち、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中で高温短時間の熱処理を施すことにより、シリコンウエーハ表面のシリコン原子の移動再配列が促される。その結果、ウエーハ表面のマイクロラフネスは、ウエーハ表面原子の移動再配列により平坦化され、ウエーハの表面粗さを著しく改善することができるのである。
【００２４】
この方法であれば、ウエーハ表面をエッチングするわけではないので、熱処理時間も短時間で済み、スリップ転位が発生することが少なく、ウエーハの厚さを減ずることもない。そして、加工歪みを導入することなく表面のミクロな平坦化を確実に実現することができる。また、マクロな平坦性（フラットネス）を悪化させることもない。
【００２５】
本発明者は、シリコンウエーハ表面の加工歪みやマイクロラフネスを除去すると共に、スリップ転位の発生を確実に防止できる熱処理条件について、さらに実験的に研究した結果、これには従来のように水素ガス１００％の雰囲気中で熱処理を行なわず、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理すれば、表面粗さが少なく、スリップ転位のないシリコンウエーハを得ることができることが判った。
【００２６】
これは水素ガス１００％の雰囲気下では、水素ガスの冷却効果が強すぎてウエーハ面内の温度分布の均一性が悪化し、応力が発生し、スリップの原因となるからである。そこで、不活性で安全性が高く取り扱い易いアルゴンガスを混合してみたところ、冷却効果が低下し、水素ガス１００％の雰囲気に比べて著しくスリップ転位の発生が抑制されることが判った。一方、アルゴンガス１００％の雰囲気では、ウエーハの表面粗さを改善する効果が減少することが判ったため、熱処理の雰囲気には水素とアルゴンの混合ガスを用いることが望ましいことが判った。
【００２７】
さらに、本発明者らが最適な雰囲気の組成について検討したところ、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中における水素の割合が２０〜４０容量％であれば、ウエーハの表面粗さを改善する効果が特に大きく、スリップ転位の発生をほぼ完全に防止することができることが判った。
【００２８】
また本発明者らは、熱処理温度、及び熱処理時間についても調査を行なった。熱処理温度については、シリコンウエーハ表面のシリコン原子のマイグレーションが起こり易くなる１１００℃以上がマイクロラフネスを除去するためには好ましく、１３００℃以下がスリップ転位の発生を防止するためには好ましいことが判った。
【００２９】
そして熱処理時間については、熱処理時間が１秒間以上であれば、シリコンウエーハ表面のマイグレーションが起こり易くなり、特に表面粗さの少ないシリコンウエーハを得ることができることが判った。一方、熱処理時間は６０秒も行えば改善効果は十分で６０秒間を超えると、シリコンウエーハの生産効率が低下するので、長くても６０秒以内にすることが好ましいことが判った。
【００３０】
本発明の方法によれば、加工歪みが実質的になく、表面粗さに優れ、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で生産することが可能となるが、さらに本発明の副次的効果として、最後に行う研磨を省略することにより工程を簡略化することができ、さらに結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥を低減することもできるので、酸化膜耐圧等の電気的特性に優れたシリコンウエーハを製造することができることが判った。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず本発明で用いられるシリコンウエーハの急速加熱・急速冷却装置としては、熱放射によるランプ加熱器のような装置を挙げることができる。また、市販されているものとして、例えばシュティアック マイクロテック インターナショナル社製、ＳＨＳ−２８００のような装置を挙げることができ、これらは特別複雑なものではなく、高価なものでもない。
【００３２】
ここで、本発明で用いたシリコン単結晶ウエーハの急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一例を示す。図１は、ＲＴＡ装置の概略図である。
図１の熱処理装置１０は、石英からなるチャンバー１を有し、このチャンバー１内でウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、チャンバー１を上下左右から囲繞するように配置される加熱ランプ２によって行う。このランプ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。
【００３３】
ガスの排気側は、オートシャッター３が装備され、外気を封鎖している。オートシャッター３は、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。また、オートシャッター３にはガス排気口が設けられており、炉内雰囲気を調整できるようになっている。
【００３４】
そして、ウエーハ８は石英トレイ４に形成された３点支持部５の上に配置される。トレイ４のガス導入口側には、石英製のバッファ６が設けられており、導入ガスがウエーハに直接当たるのを防ぐことができる。
また、チャンバー１には不図示の温度測定用特殊窓が設けられており、チャンバー１の外部に設置されたパイロメータ７により、その特殊窓を通してウエーハ８の温度を測定することができる。
【００３５】
以上のような熱処理装置１０によって、ウエーハを急速加熱・急速冷却する処理は次のように行われる。
まず、熱処理装置１０に隣接して配置される、不図示のウエーハハンドリング装置によってウエーハ８を挿入口からチャンバー１内に入れ、トレイ４上に配置した後、オートシャッター３を閉める。
【００３６】
そして、加熱ランプ２に電力を供給し、ウエーハ８を例えば１１００〜１３００℃の所定の温度に昇温する。この際、目的の温度になるまでに要する時間は例えば２０秒程度である。次にその温度において所定時間保持することにより、ウエーハ８に高温熱処理を加えることができる。所定時間経過し高温熱処理が終了したなら、ランプの出力を下げウエーハの温度を下げる。この降温も例えば２０秒程度で行うことができる。最後に、ウエーハハンドリング装置によってウエーハを取り出すことにより、熱処理を完了する。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
ＣＺ法で引上げられた方位〈１００〉、直径８インチ、Ｐ型、約１０Ω・cm、酸素濃度１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次にウエーハ表面を鏡面とするのに、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）の代わりに本発明の方法である熱処理を実施してシリコンウエーハを製造した。そして、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
【００３８】
熱処理用の急速加熱・急速冷却装置には、シュティアック マイクロテック インターナショナル社製ＳＨＳ−２８００を用い、熱処理は、水素ガス３０容量％、アルゴンガス７０容量％の混合ガス雰囲気で、１２００℃で１０秒の急速加熱・急速冷却熱処理を行った。
【００３９】
加工歪みの測定は、（株）神戸製鋼所製ウエーハダメージモニターＰＡ３００を用いて、ウエーハのＰＡＤ値を測定することにより行なった。通常、仕上げ研磨により仕上げたウエーハの加工歪みは、ＰＡＤ値が約１３．０ｐｍと大きいが、仕上げ研磨を省略した（メカニカル強調研磨を行なわず、ケミカル強調研磨を施したのみ）ウエーハのＰＡＤ値は、通常１２．４〜１２．５ｐｍである。したがって、測定値が１２．５ｐｍ以下であれば、加工歪みが実質的にないと評価することができる。
【００４０】
表面粗さの測定は、デジタル インスツルメント社製の原子間力顕微鏡Ｎａｎｏ Ｓｃｏｐｅ−２を用いて２×２μｍの領域のＰ−Ｖ値を測定し、そのＰ−Ｖ値を表面粗さとして評価した。この値は、従来の製造方法によると１．１ｎｍ以上の値となる。
また、スリップ転位は、熱処理後に発生した全てのスリップ転位の長さを測定し、その値を合計した値で評価した。
このようにして得られた結果を表１に示した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１より、本発明の方法により製造されたシリコンウエーハは、最後に仕上げ研磨としてメカニカル強調研磨を行わないため、加工歪みはＰＡＤ値で１２．４８ｐｍと１２．５ｐｍ以下であり、実質的に加工歪みがないウエーハとなっている。また、表面粗さにおいては、Ｐ−Ｖ値で０．８２ｎｍと従来のウエーハに比べて著しく表面粗さが改善されたウエーハとなっている。そして、このウエーハにはスリップ転位が全く発見されなかった。
【００４３】
（比較例１）
実施例と同一のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次に鏡面加工として、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）を施してシリコンウエーハを製造した。そして、実施例と同様に、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
得られた結果を表１に併記した。
【００４４】
表１より、比較例１のシリコンウエーハは、水素雰囲気下の熱処理を行わないため、スリップ転位は発生していないものの、仕上げ研磨として機械的研磨を施しているため、加工歪みはＰＡＤ値で１３．０３ｐｍと大きなものとなっている。また表面粗さにおいても１．１３ｎｍと実施例のシリコンウエーハに比べて劣った値となっていることが判る。
【００４５】
（比較例２）
実施例と同一のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次に鏡面加工として、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）の代わりに、抵抗加熱式の熱処理炉を用いて、水素ガス１００％の雰囲気中で、１２００℃で６０分の熱処理を施してシリコンウエーハを製造した。そして、実施例と同様に、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
得られた結果を表１に併記した。
【００４６】
表１より、比較例２のシリコンウエーハは、加工歪み及び表面粗さは実施例のシリコンウエーハと同程度に改善されているが、スリップ転位が多く発生し、全体的にシリコンウエーハの品質改善を達成できていないことが判る。また比較例２のウエーハは、６０分間もの熱処理時間を必要とし、ウエーハの生産性が極めて低い。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００４８】
例えば、上記実施形態では図１に示したような熱処理装置を用いたが、本発明はこのような装置により行わなければならないものではなく、シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却することができる熱処理装置であれば、原則としてどのようなものであっても用いることができる。
【００４９】
また上記実施形態においては、直径８インチのシリコンウエーハを製造する場合につき説明したが、本発明は原則としてウエーハ直径に拘わらず適用できるものであり、例えば、直径１０〜１６インチあるいはそれ以上のシリコンウエーハにも適用できる。
【００５０】
さらに、急速加熱・急速冷却装置を用いて熱処理を行う前に行われる研磨については、上記実施形態では、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を行う場合につき説明したが、本発明はこれに限定されず、複数段の研磨を行う場合であれば、それらの各研磨がメカニカル強調研磨であるか、あるいはケミカル強調研磨であるかを問わず効果を奏するものである。
【００５１】
また、本発明が適用できる研磨工程も、シリコンウエーハの片面を研磨する場合に限られるものではなく、両面を研磨する場合にも当然適用できることは言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はシリコンウエーハ製造において、ウエーハ表面の加工歪み及びキズがなく、表面粗さが著しく改善され、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で製造することが可能となる。また副次的な効果として、最後に行う研磨工程を省略することによる工程の簡略化や、ＣＯＰを低減する効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却できる装置の一例を示した概略図である。
【符号の説明】
１…チャンバー、 ２…加熱ランプ、 ３…オートシャッター、
４…石英トレイ、 ５…３点支持部、 ６…バッファ、 ７…パイロメータ、
８…ウエーハ、
１０…熱処理装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエーハの製造方法において、加工歪みがなく、表面粗さが小さく、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体集積回路等のデバイスを作製するためのウエーハとしては、主にシリコン単結晶ウエーハが用いられている。この半導体集積回路等のデバイスにおいては、近年ますますデバイスのデザインルールが小さくなっていく傾向にある。そのため、今までそれ程問題にならなかった項目も問題になり、重要になってきた。その一つに挙げられるのがウエーハ加工工程で導入された加工歪み、キズ、及びマイクロラフネスである。そして、これらの加工歪み等を除去し、平坦度が良いウエーハを得ることが近年特に重要となってきた。
【０００３】
なぜなら、これらの加工歪み、キズ、及びマイクロラフネスはデバイス製造の工程、特に近年のデザインルールが小さくなり高集積化したデバイスを製造する工程において大きな問題となるからである。例えばウエーハ表面の加工歪みやキズ等は、不純物の導入工程である拡散及びイオンプランテーションの工程では局所的な拡散異常を引き起こし、酸化工程では局所的な酸化異常を引き起こす。また、これらはウエーハのライフタイムを低下させる原因となる。そして、このような加工歪み等による悪影響はデバイスが高集積化すればするほど大きくなる。
【０００４】
従来、半導体シリコンウエーハの製造では、シリコン単結晶をウエーハに加工する種々の工程において、ウエーハに加工歪み等の結晶欠陥が導入され、その加工歪み等が除去されずにデバイス製造の工程に送られていた。このような加工歪み等は特に研磨工程で導入されることが多かった。
【０００５】
すなわち、一般的にシリコンウエーハの製造で行われる研磨方法は、化学エッチングと機械的研磨を複合した、複数段の研磨工程を行なうものである。複数段研磨工程としてはその工程順に、例えば、１次研磨、２次研磨、（場合によっては３次研磨）、仕上げ研磨と称し、その研磨の工程を重ねるごとに研磨砥粒の粒度を細かくしたり、研磨布の硬度を下げる等、研磨条件を変更している。
【０００６】
この場合、最終的なウェーハ表面には高い平坦性が要求されるため、少なくとも研磨工程の最終段階（仕上げ研磨）では機械的要素を強調した研磨（メカニカル強調研磨）を施し、仕上がり表面のマイクロラフネスを小さく抑える必要があった。そのため、そのメカニカル強調研磨によりウェーハに大きなストレスがかかり、表面にキズや微少な加工歪みが残留しまう。一方、例えば２次研磨のように化学的要素を強調した研磨（ケミカル強調研磨）を重点的に行うと加工歪みはほとんど残らないが、面の平坦性が悪化しマイクロラフネスが大きくなってしまう。
【０００７】
このような問題は研磨工程が機械的研磨と化学エッチングを複合している限り避けられない。このマイクロラフネスを充分小さく押え、かつ加工歪みを導入しないような加工方法は、従来の研磨方法では不可能であった。
【０００８】
このような、従来のウエーハ研磨方法の欠点を改善するため、特開平７−２３５５３４号公報には、水素ガス雰囲気中で熱処理するとシリコンウェーハ表面がエッチングされる現象を利用して、水素ガス雰囲気中の熱処理を、シリコンウエーハの製造工程における最終の仕上げ研磨工程に置き換える技術が記載されている。
【０００９】
この技術は、最終研磨前の研磨工程で得られたウェーハに対して、最終研磨をせずに水素雰囲気中の熱処理を行い、そのエッチング作用を利用して、最終研磨と同レベルの表面粗さを得ようとするものである。最終研磨工程を省略した上で表面粗さを目的の値にすることができるので、メカニカル強調研磨による加工歪みを導入することなく表面の平坦化を実現できるという効果をもつ方法であると思われる。なお、この方法によると、１２００℃以上で３０分から４時間の水素雰囲気での熱処理が必須条件となっている。
【００１０】
上記の方法を用いれば、加工歪み及びキズの除去とマイクロラフネスの低減を同時に達成することができる可能性がある。しかし、この方法では、熱処理中にウエーハにスリップ転位が生じ易いことが欠点であった。これは、特に大直径のウエーハを熱処理する際に顕著であり、近年ウエーハの大直径化が進んでいることを考えると重大な問題である。また、表面のエッチング作用を利用するものであるので、必然的に熱処理前後でウエーハの厚さが変わってしまうという問題もある。
さらに、１２００℃以上の高温長時間の熱処理では、昇降温時間にも長時間を有するため、熱処理工程全体に要する時間が長くなり、生産性が低下するという問題もある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のシリコンウエーハの製造においては、ウエーハ表面に加工歪みを導入せずにマイクロラフネスを充分に抑えて表面粗さを改善し、なおかつスリップ転位を導入せずに生産性も高い方法はなく、これらに変わる製造方法の開発が望まれていた。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みて為されたもので、シリコンウエーハ製造において、ウエーハ表面の加工歪み及びキズがなく、表面粗さが著しく改善され、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で製造するシリコンウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、ウエーハの少なくとも一方の面に複数段の研磨を行なうシリコンウエーハの製造方法において、該複数段の研磨の内、最後に行なう研磨の代わりに、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をすることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法である。
【００１４】
このように、最後に行なう研磨の代わりに、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をするようにすれば、メカニカル強調研磨を行なう最終研磨工程を省略できるので、ウエーハ表面に加工歪みが導入されることがなく、かつ急速熱処理により表面粗さが充分に改善されたウエーハを得ることができる。また、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理をするため、ウエーハにスリップ転位が入ることを防ぐこともできる。さらに、急速加熱・急速冷却装置を用いて熱処理を行なうため、長時間の熱処理を必要とせず、シリコンウエーハを高生産性で製造することができる。
【００１５】
この場合、前記水素とアルゴンの混合ガス中における水素の割合が２０〜４０容量％であることが好ましい。
これは、熱処理雰囲気である水素とアルゴンの混合ガス中の水素の割合を２０〜４０容量％とすれば、特にスリップ転位の発生をほぼ完全に防ぐことができるからである。
【００１６】
また、前記熱処理は、１１００〜１３００℃の温度で１〜６０秒間行うことが好ましい。
これは、１１００℃以上で熱処理を行なえば、ウエーハ表面の面粗さを改善する効果はより大きくなり、１３００℃以下で熱処理を行なえば、スリップ転位の発生を防止する効果がさらに向上するからである。また、１秒間以上熱処理を行なえばウエーハ表面の面粗さを改善する効果は大きく、６０秒も行えば十分であるし、６０秒間以内の熱処理時間であれば、シリコンウエーハの製造の生産性は著しく高いものとすることができる。
【００１７】
さらに、前記のいずれかの方法で製造されたシリコンウエーハは、例えば、加工歪みがＰＡＤ値で１２．５ｐｍ（ピコメーター）以下であり、原子間力顕微鏡で測定した２μｍ角の表面粗さがＰ−Ｖ値（山と谷の最大差）で１．０ｎｍ以下であって、かつスリップ転位のないシリコンウエーハである。
【００１８】
このように、本発明のシリコンウエーハは加工歪みが実質的になく、表面粗さに優れており、かつスリップ転位がないウエーハであるため、今後のデザインルールが小さく高集積化した半導体デバイス等への使用に充分耐え得るものとなる。
なおここで、ＰＡＤ（Photo-Acoustic Displacement）値とは、ウエーハ表面に励起光を照射し、表面で吸収された光が熱に変わり、拡散温度上昇をもたらす結果生じる光熱効果変位量のことであり、この値を評価することにより、ウエーハの加工歪みを正確に評価することができるものである。
【００１９】
以下、本発明につきさらに詳細に説明する。
本発明者らは、シリコンウエーハ製造における研磨工程において、最終研磨に代えて、急速加熱・急速冷却装置を用いた水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下の熱処理を施すことにより、加工歪みが実質的になく、表面粗さが良好で、かつスリップ転位がないシリコンウエーハを高生産性で得ることができることに想到し、本発明を完成した。
【００２０】
従来、行われていた複数段の研磨工程において、化学エッチングと機械的研磨を複合する方法は、ウエーハ表面の加工歪みの除去と表面粗さの向上を両立させることができないことが問題であった。そのため、特開平７−２３５５３４号においては、最終研磨のメカニカル強調研磨に代えて、水素ガス雰囲気中の高温長時間の熱処理を施すことにより、加工歪みの除去と表面粗さの改善を行なう方法が提案された。
しかし、前述したように、水素ガス雰囲気下での高温長時間の熱処理は、ウエーハにスリップ転位を発生させ、生産性の低下をもたらす欠点があった。
【００２１】
これは、特開平７−２３５５３４号のような水素ガス雰囲気下での熱処理は、シリコンウエーハの表面が水素雰囲気によりエッチングされる現象を利用しているため、ウエーハが平坦化されるのに長時間を必要とするためである。そのため、ウエーハにスリップ転位が発生しやすく、またウエーハの表面をエッチングするためウエーハの厚さを減じてしまうという欠点もあった。
【００２２】
そこで、本発明の方法では、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中で高温短時間の熱処理を施すことにした。この方法は、最終研磨の代わりにウエーハに熱処理を施す点は、特開平７−２３５５３４号の方法に似ているが、原理的には全く異なるものである。
【００２３】
本発明の方法は、急速加熱・急速冷却装置を用いた高温短時間の熱処理によるマイグレーションを利用するものである。すなわち、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中で高温短時間の熱処理を施すことにより、シリコンウエーハ表面のシリコン原子の移動再配列が促される。その結果、ウエーハ表面のマイクロラフネスは、ウエーハ表面原子の移動再配列により平坦化され、ウエーハの表面粗さを著しく改善することができるのである。
【００２４】
この方法であれば、ウエーハ表面をエッチングするわけではないので、熱処理時間も短時間で済み、スリップ転位が発生することが少なく、ウエーハの厚さを減ずることもない。そして、加工歪みを導入することなく表面のミクロな平坦化を確実に実現することができる。また、マクロな平坦性（フラットネス）を悪化させることもない。
【００２５】
本発明者は、シリコンウエーハ表面の加工歪みやマイクロラフネスを除去すると共に、スリップ転位の発生を確実に防止できる熱処理条件について、さらに実験的に研究した結果、これには従来のように水素ガス１００％の雰囲気中で熱処理を行なわず、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で熱処理すれば、表面粗さが少なく、スリップ転位のないシリコンウエーハを得ることができることが判った。
【００２６】
これは水素ガス１００％の雰囲気下では、水素ガスの冷却効果が強すぎてウエーハ面内の温度分布の均一性が悪化し、応力が発生し、スリップの原因となるからである。そこで、不活性で安全性が高く取り扱い易いアルゴンガスを混合してみたところ、冷却効果が低下し、水素ガス１００％の雰囲気に比べて著しくスリップ転位の発生が抑制されることが判った。一方、アルゴンガス１００％の雰囲気では、ウエーハの表面粗さを改善する効果が減少することが判ったため、熱処理の雰囲気には水素とアルゴンの混合ガスを用いることが望ましいことが判った。
【００２７】
さらに、本発明者らが最適な雰囲気の組成について検討したところ、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気中における水素の割合が２０〜４０容量％であれば、ウエーハの表面粗さを改善する効果が特に大きく、スリップ転位の発生をほぼ完全に防止することができることが判った。
【００２８】
また本発明者らは、熱処理温度、及び熱処理時間についても調査を行なった。熱処理温度については、シリコンウエーハ表面のシリコン原子のマイグレーションが起こり易くなる１１００℃以上がマイクロラフネスを除去するためには好ましく、１３００℃以下がスリップ転位の発生を防止するためには好ましいことが判った。
【００２９】
そして熱処理時間については、熱処理時間が１秒間以上であれば、シリコンウエーハ表面のマイグレーションが起こり易くなり、特に表面粗さの少ないシリコンウエーハを得ることができることが判った。一方、熱処理時間は６０秒も行えば改善効果は十分で６０秒間を超えると、シリコンウエーハの生産効率が低下するので、長くても６０秒以内にすることが好ましいことが判った。
【００３０】
本発明の方法によれば、加工歪みが実質的になく、表面粗さに優れ、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で生産することが可能となるが、さらに本発明の副次的効果として、最後に行う研磨を省略することにより工程を簡略化することができ、さらに結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥を低減することもできるので、酸化膜耐圧等の電気的特性に優れたシリコンウエーハを製造することができることが判った。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず本発明で用いられるシリコンウエーハの急速加熱・急速冷却装置としては、熱放射によるランプ加熱器のような装置を挙げることができる。また、市販されているものとして、例えばシュティアック マイクロテック インターナショナル社製、ＳＨＳ−２８００のような装置を挙げることができ、これらは特別複雑なものではなく、高価なものでもない。
【００３２】
ここで、本発明で用いたシリコン単結晶ウエーハの急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一例を示す。図１は、ＲＴＡ装置の概略図である。
図１の熱処理装置１０は、石英からなるチャンバー１を有し、このチャンバー１内でウエーハを熱処理するようになっている。加熱は、チャンバー１を上下左右から囲繞するように配置される加熱ランプ２によって行う。このランプ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。
【００３３】
ガスの排気側は、オートシャッター３が装備され、外気を封鎖している。オートシャッター３は、ゲートバルブによって開閉可能に構成される不図示のウエーハ挿入口が設けられている。また、オートシャッター３にはガス排気口が設けられており、炉内雰囲気を調整できるようになっている。
【００３４】
そして、ウエーハ８は石英トレイ４に形成された３点支持部５の上に配置される。トレイ４のガス導入口側には、石英製のバッファ６が設けられており、導入ガスがウエーハに直接当たるのを防ぐことができる。
また、チャンバー１には不図示の温度測定用特殊窓が設けられており、チャンバー１の外部に設置されたパイロメータ７により、その特殊窓を通してウエーハ８の温度を測定することができる。
【００３５】
以上のような熱処理装置１０によって、ウエーハを急速加熱・急速冷却する処理は次のように行われる。
まず、熱処理装置１０に隣接して配置される、不図示のウエーハハンドリング装置によってウエーハ８を挿入口からチャンバー１内に入れ、トレイ４上に配置した後、オートシャッター３を閉める。
【００３６】
そして、加熱ランプ２に電力を供給し、ウエーハ８を例えば１１００〜１３００℃の所定の温度に昇温する。この際、目的の温度になるまでに要する時間は例えば２０秒程度である。次にその温度において所定時間保持することにより、ウエーハ８に高温熱処理を加えることができる。所定時間経過し高温熱処理が終了したなら、ランプの出力を下げウエーハの温度を下げる。この降温も例えば２０秒程度で行うことができる。最後に、ウエーハハンドリング装置によってウエーハを取り出すことにより、熱処理を完了する。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
ＣＺ法で引上げられた方位〈１００〉、直径８インチ、Ｐ型、約１０Ω・cm、酸素濃度１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次にウエーハ表面を鏡面とするのに、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）の代わりに本発明の方法である熱処理を実施してシリコンウエーハを製造した。そして、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
【００３８】
熱処理用の急速加熱・急速冷却装置には、シュティアック マイクロテック インターナショナル社製ＳＨＳ−２８００を用い、熱処理は、水素ガス３０容量％、アルゴンガス７０容量％の混合ガス雰囲気で、１２００℃で１０秒の急速加熱・急速冷却熱処理を行った。
【００３９】
加工歪みの測定は、（株）神戸製鋼所製ウエーハダメージモニターＰＡ３００を用いて、ウエーハのＰＡＤ値を測定することにより行なった。通常、仕上げ研磨により仕上げたウエーハの加工歪みは、ＰＡＤ値が約１３．０ｐｍと大きいが、仕上げ研磨を省略した（メカニカル強調研磨を行なわず、ケミカル強調研磨を施したのみ）ウエーハのＰＡＤ値は、通常１２．４〜１２．５ｐｍである。したがって、測定値が１２．５ｐｍ以下であれば、加工歪みが実質的にないと評価することができる。
【００４０】
表面粗さの測定は、デジタル インスツルメント社製の原子間力顕微鏡Ｎａｎｏ Ｓｃｏｐｅ−２を用いて２×２μｍの領域のＰ−Ｖ値を測定し、そのＰ−Ｖ値を表面粗さとして評価した。この値は、従来の製造方法によると１．１ｎｍ以上の値となる。
また、スリップ転位は、熱処理後に発生した全てのスリップ転位の長さを測定し、その値を合計した値で評価した。
このようにして得られた結果を表１に示した。
【００４１】
【表１】
表１より、本発明の方法により製造されたシリコンウエーハは、最後に仕上げ研磨としてメカニカル強調研磨を行わないため、加工歪みはＰＡＤ値で１２．４８ｐｍと１２．５ｐｍ以下であり、実質的に加工歪みがないウエーハとなっている。また、表面粗さにおいては、Ｐ−Ｖ値で０．８２ｎｍと従来のウエーハに比べて著しく表面粗さが改善されたウエーハとなっている。そして、このウエーハにはスリップ転位が全く発見されなかった。
【００４３】
（比較例１）
実施例と同一のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次に鏡面加工として、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）を施してシリコンウエーハを製造した。そして、実施例と同様に、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
得られた結果を表１に併記した。
【００４４】
表１より、比較例１のシリコンウエーハは、水素雰囲気下の熱処理を行わないため、スリップ転位は発生していないものの、仕上げ研磨として機械的研磨を施しているため、加工歪みはＰＡＤ値で１３．０３ｐｍと大きなものとなっている。また表面粗さにおいても１．１３ｎｍと実施例のシリコンウエーハに比べて劣った値となっていることが判る。
【００４５】
（比較例２）
実施例と同一のシリコン単結晶棒をスライスしてウエーハに加工した。次に鏡面加工として、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を施した後、通常最後に行われる仕上げ研磨（メカニカル強調研磨）の代わりに、抵抗加熱式の熱処理炉を用いて、水素ガス１００％の雰囲気中で、１２００℃で６０分の熱処理を施してシリコンウエーハを製造した。そして、実施例と同様に、製造されたシリコンウエーハの加工歪み、表面粗さ、及びスリップ転位を測定して評価した。
得られた結果を表１に併記した。
【００４６】
表１より、比較例２のシリコンウエーハは、加工歪み及び表面粗さは実施例のシリコンウエーハと同程度に改善されているが、スリップ転位が多く発生し、全体的にシリコンウエーハの品質改善を達成できていないことが判る。また比較例２のウエーハは、６０分間もの熱処理時間を必要とし、ウエーハの生産性が極めて低い。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００４８】
例えば、上記実施形態では図１に示したような熱処理装置を用いたが、本発明はこのような装置により行わなければならないものではなく、シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却することができる熱処理装置であれば、原則としてどのようなものであっても用いることができる。
【００４９】
また上記実施形態においては、直径８インチのシリコンウエーハを製造する場合につき説明したが、本発明は原則としてウエーハ直径に拘わらず適用できるものであり、例えば、直径１０〜１６インチあるいはそれ以上のシリコンウエーハにも適用できる。
【００５０】
さらに、急速加熱・急速冷却装置を用いて熱処理を行う前に行われる研磨については、上記実施形態では、１次研磨（メカニカル強調研磨）、２次研磨（ケミカル強調研磨）を行う場合につき説明したが、本発明はこれに限定されず、複数段の研磨を行う場合であれば、それらの各研磨がメカニカル強調研磨であるか、あるいはケミカル強調研磨であるかを問わず効果を奏するものである。
【００５１】
また、本発明が適用できる研磨工程も、シリコンウエーハの片面を研磨する場合に限られるものではなく、両面を研磨する場合にも当然適用できることは言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はシリコンウエーハ製造において、ウエーハ表面の加工歪み及びキズがなく、表面粗さが著しく改善され、かつスリップ転位のないシリコンウエーハを高生産性で製造することが可能となる。また副次的な効果として、最後に行う研磨工程を省略することによる工程の簡略化や、ＣＯＰを低減する効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンウエーハを急速加熱・急速冷却できる装置の一例を示した概略図である。
【符号の説明】
１…チャンバー、 ２…加熱ランプ、 ３…オートシャッター、
４…石英トレイ、 ５…３点支持部、 ６…バッファ、 ７…パイロメータ、
８…ウエーハ、
１０…熱処理装置。
Claims (3)
- ウエーハの少なくとも一方の面に複数段の研磨を行なうシリコンウエーハの製造方法において、該複数段の研磨の内、最後に行なう研磨の代わりに、急速加熱・急速冷却装置を用いて、水素の割合が２０〜４０容量％である水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で、１１００〜１３００℃の温度で熱処理をすることを特徴とするシリコンウエーハの製造方法。
- 前記熱処理は、１〜６０秒間行うことを特徴とする請求項１に記載したシリコンウエーハの製造方法。
- 請求項１又は請求項２に記載した方法で製造されたシリコンウエーハであって、加工歪みがＰＡＤ値で１２．５ｐｍ以下であり、表面粗さがＰ−Ｖ値で１．０ｎｍ以下であって、かつスリップ転位のないことを特徴とするシリコンウエーハ。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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