JP5159824B2 - おもて面と裏面とを有するシリコン単結晶基板及び前記おもて面上に堆積されたSiGeの層を含んでなるウェーハを製造する方法 - Google Patents

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Description

エピタキシャル堆積によりシリコン単結晶基板上に堆積されたSiGeの結晶質ヘテロエピタキシャル層は、前記基板とは、結晶格子寸法及び熱膨張係数を含む幾つかの材料特性が典型的に相違する。Si上へのSiGe堆積は、Siから純Geへ格子定数を増加させるのに十分知られた系であり、純GeはSiの格子定数よりも4.2%大きい格子定数を有する。以下、SiGeは、Si(1-x)Gexの省略形であり、ここでxは、0.2〜1.0の範囲内の値を表す。前記堆積の早い段階で、前記ヘテロエピタキシャルSiGe層は、下地の基板格子に対して歪む。ある層厚(臨界厚)を越えた後に、前記ヘテロエピタキシャル層の結晶は、いわゆるミスフィット転位(MFD)が入ることにより緩和し始める。MFDは成長方向に対して垂直な面に向いているので、全てのMFDが前記基板ウェーハのエッジへ延びないけれども、しかしある程度の数のMFDは曲がり、かつ前記成長層を通り前記表面に伝播する貫通転位(TD)を形成する。線沿いにクラスタを形成するTDは、パイルアップ(Pu)と呼ばれ、かつ電子装置にとって特に有害である。前記転位ネットワークからの応力場も、クロスハッチと呼ばれる表面荒れを引き起こす。MFD、Pu、TD、クロスハッチの形成及び前記ウェーハのたわみ(bending)(ボウ(bow)、ワープ)は、前記格子ミスマッチからの歪みが軽減される機構である。多くのエピタキシャル堆積技術は、前記ヘテロエピタキシャル層の結晶品質に及ぼす歪み緩和の不利な作用を減少させるために開発されてきた。前記SiGe層中のGe濃度の傾斜は、TD及びPuの密度及びいわゆるSiGeバッファ層の表面粗さを減少させることで達成する手法であった。Siの結晶格子を前記傾斜型SiGeバッファ層の表面での意図的な結晶格子定数に適合させるためにGe濃度の傾斜の多くの変化形が開発されてきた。例えば、前記SiGeバッファ層中のGeの濃度は、連続的に又は段階的に傾斜している。
これまで、前記堆積が終了した後の反応にはあまり注意が払われていなかった。典型的には、前記堆積は、シリコン単結晶基板ウェーハをある温度に加熱し、ついで膜を成長させるための成分を気相中に供給する(例えばCVD、PVD、MBE)ことにより行われる。前記膜成長が終了したときに、前記膜は、前記基板に関して完全に又は部分的に緩和される。時折、アニール工程が、前記SiGeバッファを完全に緩和するために適用される。前記堆積が完了した後に、積層ウェーハの冷却が始まる。ヘテロエピタキシャル層と基板との間の熱膨張係数の差のために、新たな応力が発生される。前記応力成分は、膜成長の間の格子ミスマッチにより導入される応力に類似して層特性に影響を及ぼす。二次緩和、前記ウェーハの反り(bowing)及び前記表面の荒れは、この応力を開放する機構である。
前記ウェーハの反りを減少させることは試みられている。そのような試みは、前記ヘテロエピタキシャル層中に歪みSiの薄い中間層を設けることによりある程度成功してきた。この種類のアプローチは、US2008/0017952 A1に、他のものはUS2009/0087961 A1に開示されている。
US2003/0033974 A1によれば、欠陥及びミクロクラックを有しない、III−V窒化物層を有するフラットなエピタキシャルウェーハは、そのような層を基板のおもて面及び裏面上に堆積させることにより得られることができる。
これらの方法は全て、ヘテロエピタキシャルなおもて面層により発生される応力により引き起こされる前記ウェーハの反りを補償するために使用されてきた。本発明は、裏面層により発生される応力を使用して、ヘテロエピタキシャルおもて面層の成長及び冷却機構を変え、それにより前記おもて面層の結晶品質、特にクロスハッチ発生により引き起こされるTDD及び表面粗さを改善する方法を提供することを目的とする。
応力補償層を設けることで、前記ウェーハを堆積温度から冷却した後の段階の間でのヘテロエピタキシャル層の劣化(degradation)は防止される。前記堆積後に、前記ヘテロエピタキシャル層は、堆積の間の条件に依存して、完全に又は部分的に緩和された状態にある。膜形成ガスが遮断されたときに、前記ウェーハは通常、制御されて冷却される。前記基板の熱的ミスマッチ及前記びヘテロエピタキシャル層のために、新たな応力が発生され、かつ一連の二次緩和プロセスを引き起こす。これらは、二次転位の形成、前記表面の荒れ並びに前記ウェーハの反りを含む。典型的には、前記ウェーハエッジに向かってTDの密度及び表面粗さの激しい増加が観察されるだろう。しかしながら、前記ヘテロエピタキシャル層を堆積させる前に前記基板の裏面上での応力の所望の量を提供する応力補償層を堆積させることで、新たな応力の発生に対抗し、RMS粗さに関して中心からエッジへの不均一性を除去し、TDの密度を減少させ、かつクロスハッチにより引き起こされる粗さを減少させ、かつ前記ウェーハのボウを改善する。
しかしながら、おもて面上のヘテロエピタキシャル層の堆積の前の応力補償層の堆積が、前記ヘテロエピタキシャル層の欠陥及び前記ウェーハの反りに関する問題を解決するけれども、他のウェーハパラメーターは重大な影響を受けうる。サブ45nmデバイス世代用の先端CMOSトランジスタの製造にとって最も重要であるのは、前記ウェーハのジオメトリーに関連したパラメーター、特にグローバルフラットネスパラメーター及びローカルフラットネスパラメーター(SFQR、SBIR)及びナノトポグラフィーである。
32nmデバイス世代及びそれ未満の世代に適したヘテロエピタキシャル300mmウェーハを製造するためのプロセスフローは、ウェーハの裏面上に前記応力補償層を及びおもて面上に前記ヘテロエピタキシャル層を追加するにも拘わらず、これらのパラメーターに関する厳密な規格を満たすように最適化されることを必要とする。
US2008/0017952 A1 US2009/0087961 A1 US2003/0033974 A1
本発明の課題は、シリコン単結晶基板を含んでなり、かつ前記基板のおもて面上に堆積されたSiGeのヘテロエピタキシャル層と、前記裏面上に応力補償層とを有するウェーハを製造する方法を提供することであり、前記ウェーハは改善されたグローバルフラットネスパラメーター及びローカルフラットネスパラメーター及びナノトポグラフィーを有する。
前記課題は、おもて面と裏面とを有するシリコン単結晶基板及び前記おもて面上に堆積されたSiGeの層を含んでなるウェーハを製造する方法により解決され、前記方法は、工程を次の順序で含んでなる:
前記シリコン単結晶基板のおもて面及び裏面を同時に研磨する工程;
応力補償層を前記シリコン単結晶基板の裏面上に堆積させる工程;
前記シリコン単結晶基板のおもて面を研磨する工程;
前記裏面上に堆積された応力補償層を有する前記シリコン単結晶基板を洗浄する工程;及び
SiGeの完全に又は部分的に緩和された層を前記シリコン単結晶基板の前記おもて面上に堆積させる工程。
本発明の方法は、応力補償層(SCL)を前記基板の裏面上に設けることを含んでなる。前記SCLは、前記基板の裏面上に、かつ前記基板のおもて面上への完全に又は部分的に緩和されたSiGeバッファ層(以下では"ヘテロエピタキシャル層"とも呼ぶ)の堆積の前に、堆積される。前記SCLは有利に、前記ウェーハが前記基板のおもて面上に前記ヘテロエピタキシャル層を堆積させた後に堆積温度から冷却される間に発生される応力を補償するために適切な量の応力を提供するようにして成長される。応力を補償する適切な量は、本発明の一実施態様によれば、SCLの厚さ及び組成が、所望の量の応力を提供するようにして選択される場合に達成される。これは、本発明の一実施態様によれば、応力を補償する層が、一定組成のSiGe層を含んでなり、かつ前記一定組成のSiGe層の厚さ又は組成のいずれか又は双方が、応力制御に使用される場合に達成されることができる。原則的に、このアプローチは、前記ヘテロエピタキシャル層の組成及び厚さから独立している。前記一定組成のSiGe層の厚さが増加するか又は前記一定組成のSiGe層中のGeの濃度が増加するか又は双方が増加すると、前記冷却の間に前記ヘテロエピタキシャル層により引き起こされる応力を補償するための応力が増加するようになる。前記一定組成のSiGe層中のGeの濃度は、10〜80%の範囲内で好ましくは選択される。
本発明の方法の個々の工程に関する詳細は次のとおりである:同時の両面研磨(DSP)の間に、前記基板は、キャリヤー中に保持され、かつ研磨スラリーの存在で、2つの回転する研磨パッドの間で研磨される。前記ウェーハを研磨して、前記エピタキシャル層を前記おもて面及び裏面上へ追加することにより引き起こされる前記ウェーハの肥厚化を補償するのに必要とされる最終厚さにすることが好ましい。前記材料除去は好ましくは、前記ヘテロエピタキシャルウェーハの製造の過程で前記基板上に堆積される層の厚さの合計に実質的に等しいので、最終ウェーハ製品の厚さは目標厚さを越えない。前記目標厚さは好ましくは、前記ヘテロエピタキシャルウェーハと同じ直径を有する通例使用されるエピタキシャルウェーハの厚さである。例えば、300mmの直径を有するエピタキシャルウェーハの厚さは、典型的に772〜778μmの範囲内である。− 例えば− 全てのおもて面及び裏面のエピタキシャル層が、11μm(中間CMP工程による除去が考慮される)を最終厚さに追加する場合には、前記基板ウェーハは好ましくは、厚さ761〜767μmに両面研磨される。
DSP後に、前記基板は、好ましくは洗浄され、かつ乾燥され、ついで、応力補償層は、前記シリコン基板の裏面上に化学蒸着(CVD)により堆積される。前記SCLは、SiGe層を含んでなる。前記SiGe層の厚さ及び組成は、前記基板のおもて面上への前記ヘテロエピタキシャル層の堆積後に発生される応力を実質的に補償する応力を発生させるように選択される。本発明の第一の実施態様によれば、前記応力補償層は、前記ヘテロエピタキシャル層と同じか又は類似した厚さ及び組成を実質的に有する。本発明の第二の実施態様によれば、前記SCLは、一定組成を有するSiGe層を含んでなる。前記SCLの厚さ又は前記一定組成中のGeの含量のいずれか又は双方は、前記基板のおもて面上での前記ヘテロエピタキシャル層の応力を実質的に補償するための前記SCLの応力を制御するように選択される。好ましくは100nm以下及び好ましくは5nm以上の厚さを有するシリコンのシーリングキャップ層が、前記SCL上に堆積されることができる。前記キャップ層は、さらなる製造プロセスにおいて含まれうる取扱い操作及び洗浄操作を改善する。
前記基板の裏面上への前記SCLの堆積後に、前記基板のおもて面は、化学機械研磨(CMP)により研磨される。CMPの間に、前記基板は、回転する研磨パッドに対してキャリヤーを用いて押し付けられ、かつ研磨スラリーの存在で研磨される。この工程は主として、前記ヘテロエピタキシャルウェーハのローカルフラットネス及びナノトポグラフィーを改善する。CMPにより除去される材料の量は、好ましくは約0.5μm〜1.5μmである。この除去は好ましくは、SiGeの完全に又は部分的に緩和された層を前記シリコン基板のおもて面上に堆積させた後に前記ウェーハが全厚の規格を満たしているように考慮される。
さらに、前記基板は、枚葉ウェーハ洗浄装置中で好ましくは実施されるCMP後洗浄工程にかけられる。前記洗浄溶液は、水又は水性洗浄剤、特にSiGe表面のために修正された濃度及び温度を有するSC1/SC2洗浄タイプの洗浄溶液であることができる。
前記基板のCMP後洗浄後に、完全に又は部分的に緩和された傾斜型SiGeヘテロエピタキシャル層は、前記基板のおもて面上に、好ましくはCVDにより、堆積される。前記ヘテロエピタキシャル層は、20.0〜90.0%の範囲内のGeの濃度を好ましくは有する。Ge傾斜の程度は、好ましくは10〜20%/μmである。前記ヘテロエピタキシャル層は、好ましくは1.0〜9.0μmである厚さを有する。
本発明の方法は、1つ又はそれ以上の追加の工程、例えば、前記基板のおもて面上への前記SiGe層の堆積後の前記ヘテロエピタキシャルウェーハのエッジ及びノッチの研磨を含んでなることができる。追加のCMP及びCMP後洗浄は、前記シリコン単結晶基板のDSPの後に実施されることができる。1つ又はそれ以上のさらなるエピタキシャル層は、前記ヘテロエピタキシャルウェーハのおもて面上に、例えば一定組成のSiGe層が前記傾斜型SiGeヘテロエピタキシャル層上に、及び歪みシリコン層が前記一定組成のSiGe層上に、堆積されることができる。前記一定組成のSiGe層中のGeの濃度は、好ましくは20〜90%である。CMP及びCMP後洗浄は、さらなるエピタキシャル層を堆積させる前に、繰り返されることができる。さらなるエピタキシャル層を堆積させる前のCMPは、固定されない砥粒(free abrasive particles)を含むスラリーの代わりに固定砥粒を有するパッドを使用する固定砥粒研磨方法により置き換えられることができる。
一定組成SiGe70%のSCLの適切な厚さを選択するための校正曲線。 本発明の好ましい第一の実施態様により製造されるヘテロエピタキシャルウェーハ。 本発明の好ましい第二の実施態様により製造されるヘテロエピタキシャルウェーハ。 通例使用されるヘテロエピタキシャルウェーハ。
以下では、本発明は、図を参照することによりさらに説明される。
図1は、一定組成SiGe70%のSCLの適切な厚さを選択するための校正曲線を表す。例えば、前記基板のおもて面上での傾斜型層4.5μmで70%以上の範囲内のGeの濃度を有する傾斜型SiGe層及び一定組成70%の層1μmの応力を補償するために、図1は、一定組成70%SiGe−SCLの2.5μmの厚さが、ボウを回避し(菱形の点にフィットした線)、かつワープを最小限に減少させる(正方形の点にフィットした曲線)ために適切であることを示唆する。
図2は、本発明の好ましい第一の実施態様により製造されるヘテロエピタキシャルウェーハを表す。前記ウェーハは、シリコン単結晶基板10と、前記基板のおもて面上に堆積された傾斜型SiGe層20とを含んでなる。前記ウェーハはさらに、前記基板の裏面上に堆積された応力補償層30を含んでなる。前記応力補償層は好ましくは、前記ヘテロエピタキシャル層により引き起こされる応力を補償するのに適切な厚さ及び組成を有する一定組成のSiGe層を含んでなる。
図3は、本発明の好ましい第二の実施態様により製造されるヘテロエピタキシャルウェーハを表す。前記ウェーハは、シリコン単結晶基板10及び前記基板のおもて面上に堆積されたヘテロエピタキシャル層を含んでなり、その際に、前記ヘテロエピタキシャル層は、前記基板のおもて面上に堆積された傾斜型SiGe層40と、前記傾斜型SiGe層上に堆積された一定組成のSiGe層50とを含んでなる。前記ウェーハはさらに、前記基板の裏面上に堆積された応力補償層を含んでなり、その際に、前記応力補償層は、前記基板の裏面上に堆積された傾斜型SiGe層60と、前記傾斜型SiGe層上に堆積された一定組成のSiGe層70とを含んでなる。
前記応力補償層は、前記ヘテロエピタキシャル層と同じか又は類似した組成及び前記ヘテロエピタキシャル層と同じか又は類似した厚さを有することができる。
図4は、通例使用されるヘテロエピタキシャルウェーハを表す。これは、シリコン単結晶基板1と、前記基板のおもて面上に堆積されたヘテロエピタキシャル層2とを含んでなる。
本発明の有利な効果は、以下で実施例により示される。
図2に略示的に示されたようなヘテロエピタキシャルウェーハを、次の工程順序を実施することにより製造した:
300mmの直径を有する単結晶シリコンの基板ウェーハを、DSPにかけた。前記ウェーハを、768μmの目標厚さに研磨した。ついで、前記基板を洗浄及び乾燥した後に、70%のGe含量及び2.5μmの厚さを有する一定組成のSiGe層を、枚葉ウェーハCVD反応器中で前記基板の裏面上に堆積させた。その後、前記基板のおもて面をCMPにかけた。材料1.0μmを、前記基板のおもて面から除去した。ついで、前記基板を、純水でのCMP後洗浄にかけた。最後に、5μmの厚さを有する傾斜型SiGe層を、前記基板のおもて面上に堆積させて、応力を補償する裏面層を有するヘテロエピタキシャルウェーハを製造した。前記傾斜型SiGe層中のGeの濃度を、Ge 0%から70%に傾斜させた。その後、一定組成のSiGe(Ge 70%)1μmの層を堆積させた。前記応力補償層及び前記ヘテロエピタキシャル層を堆積させるための堆積ガスは、キャリヤーガスとしての水素中のSiCl22及びGeCl4の混合物であった。
比較例1:
比較のために、さらにヘテロエピタキシャルウェーハを、同じおもて面及び裏面ヘテロエピタキシャル層を有して実施例と同じように製造したが、しかし本発明とは異なる方法により製造した:(1)標準ウェーハ厚さ(773μm)への両面研磨、及び(2)0.3μm除去を有する前記おもて面のCMP。その後、工程(3)として、一定組成のSCLを前記裏面上に堆積させ、工程(4)として傾斜型バッファ5μm及び一定組成のSiGe(Ge 70%)1μmを前記おもて面上に堆積させた。
比較例2:
比較のために、前記裏面上にSCLを有しないヘテロエピタキシャルウェーハ(図4に略示的に示される)を、次の工程順序を実施することにより製造した:(1)標準ウェーハ厚(773μm)への両面研磨、(2)0.3μm除去を有する前記おもて面の標準CMP、及び(3)前記おもて面上への傾斜型バッファ5μm及び一定組成のSiGe(Ge 70%)1μmの堆積。
実施例及び比較例1及び2に従って製造されたヘテロエピタキシャルウェーハを、ボウ、ワープ、グローバルフラットネス及びローカルフラットネスを表すキーパラメーター並びにナノトポグラフィーを鑑みて分析した。結果は次の表に示されている。
Figure 0005159824
ジオメトリーデータを、ADE-AFSツールを用いて測定した。ナノトポグラフィーを、SEMI規格M43によるADE Nanomapper装置で測定した。
結果は明らかに、比較例1及び2と比較した場合に、本発明の方法が、ウェーハジオメトリーに関するキーパラメーター及びナノトポグラフィーのほぼ全てを鑑みて、前記ウェーハの改善された品質をもたらすことを示す。
1 シリコン単結晶基板、 2 ヘテロエピタキシャル層、 10 シリコン単結晶基板、 20 傾斜型SiGe層、 30 応力補償層、 40 傾斜型SiGe層、 50 一定組成のSiGe層、 60 傾斜型SiGe層、 70 一定組成のSiGe層

Claims (6)

  1. おもて面と裏面とを有するシリコン単結晶基板及び前記おもて面上に堆積されたSiGeの層を含んでなるウェーハを製造する方法であって、前記方法が、次の順序で工程:
    前記シリコン単結晶基板のおもて面及び裏面を同時に研磨する工程;
    応力補償層を前記シリコン単結晶基板の裏面上に堆積させる工程;
    前記シリコン単結晶基板のおもて面を研磨する工程;
    前記裏面上に堆積された応力補償層を有する前記シリコン単結晶基板を洗浄する工程;及び
    SiGeの完全に又は部分的に緩和された層を前記シリコン単結晶基板の前記おもて面上に堆積させる工程
    を含んでなることを特徴とする、ウェーハを製造する方法。
  2. さらに
    シリコンキャップ層を前記応力補償層上に堆積させる工程
    を含んでなる、請求項1記載の方法。
  3. さらに
    前記シリコン単結晶基板、前記裏面上に堆積された応力補償層及び前記シリコン単結晶基板のおもて面上に堆積されたSiGeのヘテロエピタキシャル層を含んでなる前記ウェーハのエッジ及びノッチを研磨する工程
    を含んでなる、請求項1記載の方法。
  4. さらに
    前記シリコン単結晶基板のおもて面上に堆積されたSiGeのヘテロエピタキシャル層を研磨及び洗浄する工程
    を含んでなる、請求項1記載の方法。
  5. さらに
    1つ又はそれ以上の別のエピタキシャル層を、前記シリコン単結晶基板のおもて面上に堆積されたSiGe層上に堆積させる工程
    を含んでなる、請求項1記載の方法。
  6. 別のエピタキシャル層を堆積させる前に前記ウェーハのおもて面を研磨する工程を含んでなり、研磨が、砥粒を含有するスラリーの存在で化学機械研磨として又は砥粒を含有するスラリーの不在での固定砥粒研磨として実施されることを特徴とする、請求項5記載の方法。
JP2010110848A 2009-05-13 2010-05-13 おもて面と裏面とを有するシリコン単結晶基板及び前記おもて面上に堆積されたSiGeの層を含んでなるウェーハを製造する方法 Active JP5159824B2 (ja)

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