JP3874254B2

JP3874254B2 - シリコンウェーハ中のｂｍｄ密度の評価方法

Info

Publication number: JP3874254B2
Application number: JP2002054029A
Authority: JP
Inventors: 敏視戸部
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP2003257982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ（以下、単にウェーハということがある。）においてデバイス動作に悪影響を及ぼす重金属不純物を除去する技術であるゲッタリング技術において、その能力の指標となるシリコンウェーハ中の酸素析出物等の微小結晶欠陥（Bulk Micro Defects、以下ＢＭＤと称す。）の密度を評価する方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
半導体集積回路等のデバイスを作製するためのウェーハとしては、主にＣＺ法によって育成されたシリコン単結晶ウェーハが用いられている。このシリコン単結晶ウェーハの表面近傍を極力無欠陥化すると、デバイスの品質が向上するが、その特徴を最も生かしたウェーハが表面無欠陥層（ＤＺ：Denuded Zone）を持つウェーハであり、その優位性はほぼ証明されている。
【０００３】
一方、ウェーハのバルクには高密度の欠陥を形成した方が、デバイス作製には有利である。というのは、デバイス形成熱処理中に重金属不純物の汚染にさらされる機会ははなはだ多く、その重金属がデバイス動作に悪影響を及ぼすため、それらをデバイス形成領域である表面近傍から除去する必要にしばしば迫られる。その要求に応える方法がゲッタリング技術であり、ひいてはウェーハ内部のＢＭＤにつながる。
【０００４】
チョクラルスキー（ＣＺ）シリコンウェーハは製造段階にて不可避的に酸素を含有するが、その酸素濃度の制御は可能であり、種々の酸素濃度を持つＣＺ-シリコンウェーハが目的に応じて製造されている。これらの酸素原子が熱処理を受けると、ウェーハ内部に酸素析出物が形成される。これがＢＭＤの主な成分である。これらのＢＭＤの周囲には結晶格子の歪みを少なからず含んでおり、この歪みに重金属不純物が捕獲される。これは種々のゲッタリング技術のうちの、ＩＧ（Internal Gettering）と呼ばれる方法である。
【０００５】
一般にＩＧ能力について、ＢＭＤ密度が高ければその能力は高い。また、ＢＭＤのサイズも大きいほうがＩＧ能力が高い。従ってＢＭＤの密度とサイズの評価は重要である。
【０００６】
ＢＭＤ評価法はいくつか存在している。例えば、ウェーハを劈開あるいは角度研磨後、その面を選択エッチングして顕在化させたＢＭＤ起因のエッチピットを光学顕微鏡にてカウントする方法や、光散乱トモグラフ法（ＬＳＴ：Laser Scattering Tomograph）、赤外干渉法が良く知られている。
【０００７】
しかるに、これらの手法ではいずれもＢＭＤ検出が不可能となる最低サイズが存在する。手法によって異なるが半径で約２０ｎｍ以下のサイズのＢＭＤは現状では評価不可能である。そのためこれらの評価法においてＢＭＤが存在していないと判定されても、実際にはその検出下限サイズ以下の極微小なサイズのＢＭＤは多数存在していることが少なくない。ところが、このような微小サイズのＢＭＤもＩＧ能力を保有しており、その密度が高ければ、その影響は無視できないことがわかってきた。
【０００８】
また、現在主流となっているデバイス製造プロセスは、１０００℃以上の高温熱処理が長時間にわたって行われるため、デバイスプロセス投入前に検出できないサイズのＢＭＤであったとしても、デバイス製造プロセス中に成長し、十分なゲッタリング能力を有するようになり得る。従って、高温のデバイスプロセス投入前のウェーハのＢＭＤ密度を直接評価しても、そのウェーハのゲッタリング能力を過少評価する場合があった。
【０００９】
一方、ゲッタリング能力を正確に把握するため、デバイスプロセス投入前のウェーハに、実際のデバイスプロセスを模擬した熱処理を加えた後、ＢＭＤ密度を評価する手法が用いられているが、この方法では長い熱処理時間が必要となるという問題があった。
【００１０】
このように、従来の評価法のみでは、ＢＭＤ評価として不十分であり、実際の値より少なく見積もっている可能性があるため問題である。また適当な熱処理を追加すれば微小なサイズのＢＭＤをも含む正確なＢＭＤ密度が測定できるが時間がかかる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、デバイスプロセスに投入する前のシリコンウェーハのＢＭＤ密度を、従来法では検出できないような微小なサイズのＢＭＤをも数え落とさず、比較的短時間で評価することができるシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度の評価方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度の評価方法は、ＢＭＤ密度が異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意汚染した後、所定の熱処理条件で熱処理を施した後の前記シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定し、該残留Ｆｅ濃度と前記ＢＭＤ密度との相関関係を予め求めておく第１ステップと、評価対象のシリコンウェーハに対し、前記第１ステップと同一条件でＦｅの故意汚染及び熱処理を施した後に残留Ｆｅ濃度を測定する第２ステップと、前記第２ステップで得られた残留Ｆｅ濃度から、前記相関関係に基づいて、前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度を評価する第３ステップと、を有することを特徴とする。
【００１３】
重金属不純物の一つとしてＦｅを故意汚染する方法を用いることで、より実際的な評価となり、また、どの方法にても検出できない微小なサイズのＢＭＤをも効率的に評価可能である。
【００１４】
ここで、第１ステップにおいて故意汚染を行うＦｅ濃度は、１０¹¹〜１０¹⁴／ｃｍ³の範囲であることが好ましい。この範囲以外の濃度では、測定方法にも依存するが、濃度測定自体が困難になる場合がある。
【００１５】
また、所定の熱処理条件としては、通常、Ｆｅをウェーハバルク全体に拡散させる熱処理（拡散熱処理）とＢＭＤに捕獲させる熱処理（捕獲熱処理）とを有する。
【００１６】
拡散熱処理としては、７００℃〜１０００℃で１０分〜１０時間の範囲であることが好ましい。７００℃におけるシリコン中のＦｅの固溶限が約６×１０¹¹／ｃｍ³であるので、７００℃未満の温度では十分な汚染量が得られにくい。一方、１０００℃まで高温にすれば１０分程度の短時間でウェーハバルク全体に拡散させることができる。
【００１７】
捕獲熱処理としては、２００℃〜６５０℃で１０分〜１０時間の範囲であることが好ましい。２００℃未満の温度ではＦｅをＢＭＤに捕獲させるために極めて長時間が必要となる。一方、６５０℃の固溶限は約１．５×１０¹¹／ｃｍ³であるので、これより高い温度では、初期の汚染量にもよるが、残留Ｆｅ濃度を評価するのに十分な捕獲量が得られにくくなる。
【００１８】
前記第１ステップにおける複数のシリコンウェーハ及び前記第２ステップにおける評価対象シリコンウェーハに対し、前記所定濃度のＦｅを故意汚染する前に、予め酸素析出物を成長させる熱処理を行うのが好ましい。
【００１９】
酸素析出物を成長させる熱処理として、１０００℃以上の温度であれば、比較的短時間で成長させることができるので好ましいが、１１００℃以上の高温では酸素析出物（核）が再溶解してしまうおそれがある。また、熱処理時間として、ＢＭＤサイズの成長がゲッタリング能力向上に及ぼす影響がほとんどなくなるようにするためには４時間以上とすることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００２１】
本発明方法の測定原理は次の通りである。まず、評価対象のウェーハ表面にＦｅ原子を定量付着させる。その後、ウェーハバルク中に均一に拡散する高温熱処理（拡散熱処理）を施した後、ＢＭＤにＦｅを捕獲させる低温熱処理（捕獲熱処理）を施す。この二つの熱処理にて、Ｆｅ原子の捕獲に有効な最小サイズ以上のＢＭＤに対して、その密度に依存して、一部のＦｅ原子はＢＭＤに捕獲され、その他は固溶Ｆｅ原子として残留する。この残留固溶Ｆｅ濃度を何らかの方法で測定し、その測定値が低ければＩＧ能力は高い、すなわちＢＭＤ密度は高いと推定できる。熱処理条件が異なれば、同一ウェーハにおいても残留Ｆｅ濃度は異なってしまうため、熱処理条件を一定にしておき、ＢＭＤ密度が既知のウェーハ（または、ＢＭＤ密度の測定が可能なウェーハ）にこの方法を適用し、残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度の相関図を作成し、即ち相関関係を求めておけば、その相関図（相関関係）からＢＭＤ密度値が測定できることになる。
【００２２】
図１は本発明のシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度の評価方法の工程順を示すフローチャートである。本発明方法においては、図１に示すごとく、最初に、シリコンウェーハにおける残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度との相関関係を求める（第１ステップ１００）。具体的には、まず、ＢＭＤ密度が異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意汚染する（サブステップ１００ａ）。次に、これらのシリコンウェーハに所定の熱処理条件で熱処理を施す（サブステップ１００ｂ）。そして、これらの熱処理を施されたシリコンウェーハ中の残留Ｆｅを測定する（サブステップ１００ｃ）。上記残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度からシリコンウェーハにおける残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度との相関関係を求める（サブステップ１００ｄ）。なお、上記サブステップ１００ａの前に予め酸素析出物を成長させる熱処理を行うのが好ましい。
【００２３】
続いて、評価対象のシリコンウェーハにおける残留Ｆｅ濃度を測定する（第２ステップ１０２）。具体的には、まず、評価対象シリコンウェーハに上記サブステップ１００ａと同じ条件でＦｅを故意汚染する（サブステップ１０２ａ）。次に、この評価対象シリコンウェーハに対して上記サブステップ１００ｂと同じ条件で熱処理を行う（サブステップ１０２ｂ）。そして、評価対象シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度の測定を行う（サブステップ１０２ｃ）。なお、上記サブステップ１０２ａの前に予め酸素析出物を成長させる熱処理を行うのが好ましい。
【００２４】
最後に、評価対象シリコンウェーハ中のＢＭＤ密度を評価する（第３ステップ１０４）。具体的には、上記サブステップ１０２ｃで測定した残留Ｆｅ濃度から上記サブステップ１００ｄで求めた相関関係に基づいてＢＭＤ密度を評価する（サブステップ１０４ａ）。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、この実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２６】
（実施例１）
ＣＺ法により、直径８インチ、初期酸素濃度１８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡスケール）、方位＜１００＞、ｐ型１０Ωｃｍのシリコン単結晶インゴットを引き上げた。このシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨し、通常デバイス作製用基板として使用されるウェーハの形状へ加工した。ＢＭＤをウェーハバルクに形成するため、７００℃、４時間〜１６時間の熱処理を施し、異なる密度の酸素析出核を発生させた。その後、１０００℃、８時間の熱処理を施し、酸素析出物を成長させ、ＢＭＤ密度が異なる複数のシリコンウェーハを作製した。尚、ＪＥＩＤＡは日本電子工業振興協会（現在は、ＪＥＩＴＡ：日本電子情報技術産業協会に改称された。）の略称である。
【００２７】
これらのウェーハにＦｅを１０¹²ｃｍ^-2表面に故意汚染し、１０００℃、１時間の熱処理でウェーハバルク中に均一に拡散させた。その後、６００℃、２０分の熱処理でＦｅ原子の一部をＢＭＤに捕獲させた後、残留固溶Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法にて測定した。そして、残留固溶Ｆｅ濃度を測定後のウェーハに１０００℃、１６時間の追加熱処理を施した後、ＬＳＴ法にてＢＭＤ密度を測定した。この追加熱処理により、微小なサイズのＢＭＤもＬＳＴで検出できるサイズまで成長しているため、ウェーハ内に存在する全てのＢＭＤを測定していることになる。その際のＢＭＤ密度と残留Ｆｅ濃度の関係を図２に示す。
【００２８】
図２から、ＢＭＤ密度上昇に伴い、残留Ｆｅ濃度が次第に減衰している様子が分かるが、その濃度低下の程度が著しいほど、強くＦｅ原子がＢＭＤに捕獲されていることになる。この図２を用いれば、残留Ｆｅ濃度値からＢＭＤ密度に変換できる。つまり、ＢＭＤ密度の未知なウェーハに同一条件処理（上記例では、１０００℃、８時間の酸素析出物成長熱処理＋Ｆｅの拡散・捕獲熱処理）を施し、残留Ｆｅ濃度を測定すれば、ＢＭＤ密度値が得られる。
【００２９】
この条件の場合、Ｆｅ濃度減衰が認められるＢＭＤ密度範囲が１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-3程度であることから、このＢＭＤ密度範囲の精密測定が可能である。また、この領域外、つまり１０⁸ｃｍ^-3以下であるか、１０¹⁰ｃｍ^-3以上である場合も判別は可能である。
【００３０】
通常、ＩＧ能力はＢＭＤの密度だけでなくサイズも大きい方が高くなるが、現在、一般的に行われているような高温デバイスプロセスにおいては、ＢＭＤは十分大きなサイズに成長するため、そのゲッタリング能力はＢＭＤ密度にのみ依存するようになる。そこで、ゲッタリング能力を有する全てのＢＭＤが必ずしも検出されない状態であっても、上記のように残留Ｆｅ濃度を測定する評価（ゲッタリング能力の評価）を行うようにすれば、ウェーハ内に存在する全てのＢＭＤを測定可能とするための追加熱処理を行わなくても、図２のような相関図を用いてＢＭＤ密度を見積もることができる。特に、上記の例のように酸素析出物をある程度成長させる熱処理を行った後に、残留Ｆｅ濃度を測定する評価を行うようにすれば、その後のＢＭＤサイズの成長にともなうゲッタリング能力向上はほとんどなくなるため、誤差の小さなＢＭＤ密度評価が可能となる。
【００３１】
次に、図２の相関図を作成するために作製したシリコンウェーハのうち、相関図を作成するために用いなかった残りのシリコンウェーハ（ＢＭＤ密度が未知のシリコンウェーハ）に対し、上記と同一条件でＦｅ汚染および拡散・捕獲熱処理を行った後、残留Ｆｅ濃度を測定した。その結果、残留Ｆｅ濃度は１×１０¹²ｃｍ^-3であることがわかった。そこで、このウェーハのＢＭＤ密度を図２により評価したところ、約２×１０⁹ｃｍ^-3であることがわかった。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施の形態は例示であり、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、かつ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。
【００３３】
例えば、本発明において、Ｆｅの故意汚染濃度や熱処理条件は問われていないものであり、他の濃度による汚染や熱処理温度と時間の変更によって図２と同様のＢＭＤ密度と残留Ｆｅ濃度の相関図を作成し、残留Ｆｅ濃度からＢＭＤ密度値を得る方法も、本発明の範囲に含まれる。また残留Ｆｅ濃度測定法も規定しておらず、ＤＬＴＳ法のみに限らない。例えば、ウェーハ表層にＢＭＤの存在しないＤＺ層、あるいはエピ層を堆積させておき、Ｆｅの捕獲熱処理後、このＤＺ層あるいはエピ層を化学的に湿式エッチングし、その液中のＦｅ濃度を測定するといういわゆる化学分析の手法にても同様の効果が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、デバイスプロセスに投入する前のシリコンウェーハのＢＭＤ密度を、従来法では検出できないような微小サイズのＢＭＤをも数え落とさず、比較的短時間で評価することができ、従って、ＩＧ能力を正確に評価することができるという著大な効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法における工程順の１例を示すフローチャートである。
【図２】実施例１における残留Ｆｅ濃度とＢＭＤ密度の相関関係を示すグラフである。

Claims

ＢＭＤ密度が異なる複数のシリコンウェーハに所定濃度のＦｅを故意汚染した後、所定の熱処理条件で熱処理を施した後の前記シリコンウェーハ中の残留Ｆｅ濃度を測定し、該残留Ｆｅ濃度と前記ＢＭＤ密度との相関関係を予め求めておく第１ステップと、
評価対象のシリコンウェーハに対し、前記第１ステップと同一条件でＦｅの故意汚染及び熱処理を施した後に残留Ｆｅ濃度を測定する第２ステップと、
前記第２ステップで得られた残留Ｆｅ濃度から、前記相関関係に基づいて、前記評価対象のシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度を評価する第３ステップと、
を有することを特徴とするシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度の評価方法。
前記第１ステップにおける複数のシリコンウェーハ及び前記第２ステップにおける評価対象シリコンウェーハに対し、前記所定濃度のＦｅを故意汚染する前に、予め酸素析出物を成長させる熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載されたシリコンウェーハ中のＢＭＤ密度の評価方法。