JP5211550B2 - シリコン単結晶ウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶ウェーハの製造方法に関し、特に薄膜デバイスにも適したシリコン単結晶ウェーハの製造方法に関するものである。

従来、デバイスプロセスにおける金属汚染をデバイス活性層から除去する手法として、イントリンシック・ゲッタリング手法（ＩＧ）やエクストリンシック・ゲッタリング手法（ＥＧ）が周知である。

イントリンシック・ゲッタリングの代表例として、シリコンウェーハ中の酸素原子をウェーハ内部に析出させ、酸素析出物の歪を利用して金属を捕獲する手法がある。また、エクストリンシック・ゲッタリングの代表例として、シリコンウェーハの裏面にポリシリコンを成膜させ、このポリシリコンの粒界に金属を捕獲する手法がある。

イントリンシック・ゲッタリング能力を有するシリコン単結晶ウェーハを製造する方法として、非酸化性雰囲気にて１１００℃以上の高温で熱処理することが知られている。これにより、ウェーハ表面から１５〜３０μｍの領域のＣＯＰ（Crystal Originated Particle）が消滅した無欠陥層（ＤＺ層（Denuded Zone））が形成され、その下に酸素析出核が存在するゲッタリング層が形成される。

ところで、半導体デバイスは、近年益々デバイス自体の薄膜化が進み、これにともない上述したゲッタリング層がよりデバイス活性層に近い領域に存在するウェーハが求められている。

しかしながら、上記従来のイントリンシック・ゲッタリング能力を有するシリコンウェーハの製造方法では、その熱処理によって酸素析出核が存在しないＤＺ層がウェーハ表面から１０μｍ以上も形成されてしまうので、たとえば１０〜３０μｍ程度の薄膜デバイスに上述したＩＧ手法やＥＧ手法をそのまま適用することができなかった。

なお、デバイス活性層の近くに炭素イオンを注入することで極薄の高密度炭素層を形成することが提案されているが（特許文献１）、この手法だとデバイスプロセスにおける熱処理により炭素自体が拡散してデバイス活性層に混入し、これがデバイス特性の劣化を引き起こすおそれがある。そのため、特許文献１に開示された手法では、炭素イオンを注入した後に１０〜２０μｍのエピタキシャル層を成長させる必要があった。

特開平５−１５２３０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、薄膜デバイスに対してもゲッタリング効果が有効に発揮されるシリコン単結晶ウェーハの製造方法を提供することである。

本発明は、チョクラルスキー法によって育成された単結晶から加工されたシリコンウェーハであって、表面に無欠陥層が形成され、この無欠陥層の直下にゲッタリング層が形成されたウェーハ表面を、所定厚さのデバイス活性層を残すように研磨する工程を有することを特徴とする。

より具体的には、チョクラルスキー法によって育成された単結晶から加工されたシリコンウェーハに熱処理を施す第１熱処理工程と、熱処理が施されたウェーハ表面を、所定厚さのデバイス活性層を残すように研磨する工程と、前記研磨されたウェーハを、１１００℃以上、シリコンの融点以下の温度で熱処理する第２熱処理工程と、を有することを特徴とする。

本発明は、まずＣＺ法により育成されたシリコンウェーハに熱処理を施すことにより、ウェーハ表面から１０〜３０μｍの領域にＤＺ層が形成されるとともに、このＤＺ層の直下に酸素析出核が存在するゲッタリング層が形成される。

そして、このＤＺ層とゲッタリング層とが形成されたシリコンウェーハの表面を、所定厚さのデバイス活性層が残るように研磨する。これにより、残存したデバイス活性層では良好な電気特性を示す一方で、その直下にゲッタリング源となる安定な酸素析出核が存在するシリコン単結晶ウェーハを得ることができる。また、この後に第２熱処理を施すことで、ＤＺ層の完全性をさらに高めることができる。

図１は本発明の実施形態に係るシリコン単結晶ウェーハの製造方法を示す工程図、図２は本発明の他の実施形態に係るシリコン単結晶ウェーハの製造方法を示す工程図である。

図１に示す本実施形態に係るシリコン単結晶ウェーハの製造方法では、初期格子間酸素濃度が０．７〜１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９）となるＣＺ法条件でシリコンインゴッドを育成する。シリコン育成時の酸素濃度が０．７×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃに満たないと薄膜デバイス活性層の直下に、ゲッタリング源となる安定な酸素析出物が有効数存在しない。

次に、シリコンインゴッドをウェーハに加工する。このウェーハ加工は特に限定されず、一般的な加工法を採用することができ、ここで最終研磨である鏡面研磨を終了したウェーハを用いることができる。

ただし好ましくは、最終研磨である鏡面研磨前のウェーハを使用する。これは、第１熱処理後に鏡面研磨を行うので、このウェーハ加工工程では最終研磨品でなくて良いからである。このウェーハ加工工程において鏡面研磨前までとすることで、熱処理後の研磨だけで足りるので研磨代が少なくなり加工するウェーハ厚もそれだけ薄くできるのでコストダウンを図ることができる。

ウェーハ加工したのち第１の熱処理を施す。この場合、複数のシリコンウェーハを治具に搭載して熱処理を施すバッチ式アニール炉の場合には、非酸化性ガス雰囲気下で１０００℃から１２５０℃で１０分から１時間、あるいは酸化雰囲気の場合には１１００℃から１２５０℃で１０分から４時間の熱処理を施した後にウェーハ内部に酸素析出物を形成するために低温域で熱処理を施す。一方、枚葉式ランプ炉の場合には、非酸化性ガスあるいは窒素含有ガス雰囲気下にて１１００℃から１２８０℃で１秒から１５分で熱処理した後に、１０℃／秒以上で降温させる。

第１の熱処理を施すことで、バッチ式炉で熱処理されたシリコンウェーハは表面から１０〜３０μｍの領域に、酸素析出物の存在しない無欠陥層（ＤＺ層）が形成されるとともに、このＤＺ層の直下に酸素析出核が存在するゲッタリング層が形成される。一方、ランプアニール炉を用いて熱処理されたウェーハは高温状態から１０℃／秒以上の速度で降温されるため、ウェーハ内部に空孔が凍結される。表面近傍は空孔濃度が低下するのでＤＺ層が形成されウェーハ内部に凍結された空孔は、後熱処理で酸素析出物の形成を促進することになる。

次に、このＤＺ層とゲッタリング層とが形成されたシリコンウェーハの表面を、所定厚さのデバイス活性層が残る、あるいはデバイス活性層より僅かに厚みが残るように鏡面研磨する。たとえば、ＤＺ層が３０μｍ、デバイス活性層の膜厚が１０μｍである場合は、ウェーハ表面からの研磨代を２０μｍとして鏡面研磨する。この鏡面研磨は、片面研磨だと表面精度の劣化を引き起すので、両面研磨が好ましい。

これにより、ウェーハ表面には１０μｍのデバイス活性層が形成され、その直下にはゲッタリング層が形成されることになる。そして、デバイス活性層は結晶欠陥が殆ど存在しないＤＺ層からなるので良好な電気特性を示す一方で、その直下にゲッタリング源となる安定な酸素析出核が存在するので、デバイスプロセスにおいてイントリンシック・ゲッタリング効果を発揮することになる。

本手法に用いるシリコン結晶に関して、結晶育成時に空孔が凝集して０．０７〜０．２μｍサイズのＣＯＰ（ボイド欠陥）を含む結晶を使用する場合、第１の熱処理のみでは研磨後のウェーハ表面には第１の熱処理で消滅できなかったＣＯＰが存在している。したがって、ＤＺ層の完全性をさらに高めるために、上記表面研磨工程のあとに、１１００℃〜シリコン融点付近（１４１０℃）の条件で第２の熱処理を行うこともできる。勿論、ＣＯＰを形成させない育成条件で得られた結晶からなるウェーハを使用した場合に第２の熱処理を施しても良い。すなわち、ＣＯＰサイズまで成長していない空孔が凝縮したクラスターの存在は必ず存在すると思われるので、第２の熱処理でクラスターを分解させデバイス特性を向上させることが可能になると予想する。

この第２の熱処理で、ハロゲンランプを熱源としたハロゲンランプ熱処理炉、キセノンランプを熱源としたフラッシュランプ熱処理炉、レーザを熱源としたレーザ熱処理炉、または高温短時間処理可能な抵抗加熱方式の炉などを用いることができる。上記熱処理炉は高温処理が可能なためデバイス活性層内に残存した欠陥を消滅させることができ、かつ短時間処理なので研磨後のＤＺ幅の変動（増加）がなく所望のデバイス活性層厚を維持できる。

また、上記第２の熱処理に代えて、図２に示すように、表面研磨したウェーハ表面にシリコンエピタキシャル層を成長させることもできる。研磨後のウェーハ表面はＤＺ層が形成されているので、ここにエピタキシャル層を形成することでデバイス活性層の厚さを調整することができる。

以下の実施例において、ＣＺ法により育成したシリコンウェーハに第１の熱処理を施したのち、この熱処理が施されたウェーハ表面を、所定厚さのデバイス活性層を残すように研磨すると、デバイス活性領域である表層において良好な電気特性を示すとともに、デバイス活性領域の直下にゲッタリング源となり得る酸素析出核が存在することを、比較例とともに確認した。

《基準試料の作製》
１）直径２００ｍｍのシリコン単結晶インゴット（初期格子間酸素濃度が１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ Ｆ−１２１，１９７９），比抵抗が１０Ω・ｃｍ，ＣＺ法）からスライスして最終鏡面加工前の複数枚のシリコンウェーハに、縦型バッチ式熱処理炉を用いて水素ガス雰囲気において１２００℃×１時間の第１の熱処理を施した。第１の熱処理前にウェーハのＣＯＰ測定を行った結果、０．１２μｍサイズ以下のＣＯＰが面内に５０〜１００個存在していることを確認した。これをサンプル１）とする。

２）上記最終研磨前のシリコンウェーハに枚葉式ランプ炉を用いてアンモニア雰囲気において１１７０℃×６０秒間の処理を施した後に７０℃／秒の降温速度でウェーハを冷却した第１の熱処理を施した。これをサンプル２）とする。

この第１の熱処理が施されたサンプル１）の中から１枚のウェーハを抜き取り、これを基準試料として劈開し、ライトエッチング（ｗｒｉｇｈｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）液により２分間の選択エッチングを実施した。

サンプル２）から１枚のウェーハを抜き取り８００℃、４時間＋１０００℃、８時間で熱処理を行うことで酸素析出物を成長させ、これを基準試料として劈開し、ライトエッチング（ｗｒｉｇｈｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）液により２分間の選択エッチングを実施した。

この基準試料のウェーハの断面を光学顕微鏡で観察した結果、サンプル１）のＤＺ層は平均で１５μｍ、このＤＺ層の直下に存在する酸素析出物（ＢＭＤ）密度は５．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。サンプル２）のＤＺ層は平均２０μｍ、このＤＺ層直下に存在する酸素析出物密度は１０．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。

《実施例１，実施例２，比較例２》
上記第１の熱処理が施された残りのウェーハを３グループに分け、それぞれのグループのウェーハ表面を、Ａグループは２０μｍ、Ｂグループは１０μｍ、Ｃグループは５μｍの研磨代で鏡面研磨を行った。

２０μｍの研磨代で鏡面研磨を施したサンプル１）のＡグループの中の１枚を比較例１の試料とし、劈開後にライトエッチング液により２分間の選択エッチングを実施した。この比較例１のウェーハの断面を光学顕微鏡で観察した結果、ＤＺ層は平均で０μｍ、この直下に存在する酸素析出物（ＢＭＤ）密度は５．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。サンプル２）は８００℃、４時間＋１０００℃、８時間で熱処理を行い、これを基準試料として研磨後のＤＺ層、酸素析出物密度を観察した結果、ＤＺ層は平均で２．０μｍ、酸素析出物密度は１０．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。

一方、１０μｍの研磨代で鏡面研磨を施したＢグループの中のサンプル１）の１枚を実施例１の試料とし、劈開後にライトエッチング液により２分間の選択エッチングを実施した。この実施例１のウェーハの断面を光学顕微鏡で観察した結果、サンプル１）のＤＺ層は平均で４．８μｍ、このＤＺ層の直下に存在する酸素析出物（ＢＭＤ）密度は５．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。

同様にサンプル２）の試料１枚を８００℃、４時間＋１０００℃、８時間で熱処理を行い１０μｍ研磨した結果、ＤＺ層が１１．０μｍ、酸素析出物密度は２３×１０^５個／ｃｍ^２であった。

また、５μｍの研磨代で鏡面研磨を施したＣグループの中の１枚を実施例２の試料とし、劈開後にライトエッチング液により２分間の選択エッチングを実施した。この実施例２のサンプル１）のウェーハの断面を電子顕微鏡で観察した結果、ＤＺ層は平均で１１．４μｍ、このＤＺ層の直下に存在する酸素析出物（ＢＭＤ）密度は４．０×１０^５個／ｃｍ^２であった。同様にサンプル２）の試料１枚を８００℃、４時間＋１０００℃、８時間で熱処理を行い５μｍ研磨した結果、ＤＺ層が１６．０μｍ、酸素析出物密度は２０×１０^５個／ｃｍ^２であった。

表１に示す結果から、第１の熱処理を施したのち、所定厚さのＤＺ層が残るようにウェーハ表面を鏡面研磨すると、ウェーハ表面には極薄のデバイス活性層が形成され、その直下には酸素析出核を有するゲッタリング層が形成されることが確認された。

《実施例３，実施例４，比較例２》
上記サンプル１）のＡ，Ｂ，Ｃグループのバッチ式炉で熱処理されたウェーハをそれぞれ２枚ずつ抜き取って、それぞれ比較例２，実施例３，実施例４の試料とし、これら６枚のウェーハについて、気相成長装置を用いて鏡面研磨したウェーハ表面に４μｍのシリコンエピタキシャル膜を成長させた。エピタキシャル成長条件は、水素ガス雰囲気中で１１７０℃×９０秒のベーキングを行ったのち、トリクロロシランガスによりシリコンエピタキシャル膜を成長させた。

これら６枚のエピタキシャル膜の表面を顕微鏡で観察し、スタッキングフォルトや結晶転位の有無（欠陥密度）を評価した。

表２の結果から、比較例２の試料には、酸素析出物が原因と推察される四角形のスタッキングフォルトや転位が散見されたが、実施例３及び４の試料ではこのような結晶欠陥はほとんど観察されなかった。

《実施例５，実施例６》
上記ランプ熱処理炉で熱処理されたサンプル２）のＢ，Ｃグループのウェーハをそれぞれ１枚ずつ抜き取って、第２の熱処理前にＣＯＰの個数を観察したが０．１２μｍサイズ以下で面内４０個と８８個を確認した。次にそれぞれ実施例５，実施例６の試料とし、これら２枚のウェーハについて、ハロゲンランプを熱源としたランプ熱処理炉を用いてアルゴン雰囲気下で１２００℃×１分の第２の熱処理を施した。同様にＣＯＰの個数を観察したが０．１２μｍ以下のサイズで面内５個と９個であることを確認した。

これら２枚のウェーハを劈開後にライトエッチング液により２分間の選択エッチングを実施し、ウェーハ断面を光学顕微鏡で観察した結果、第２の熱処理前後でＤＺ層の厚さや酸素析出物密度の変化はなかった。

本発明の実施形態に係るシリコン単結晶ウェーハの製造方法を示す工程図である。 本発明の他の実施形態に係るシリコン単結晶ウェーハの製造方法を示す工程図である。

Claims (5)

1. チョクラルスキー法によって育成された単結晶から加工されたシリコンウェーハに熱処理を施して、表面に無欠陥層を形成するとともに前記無欠陥層の直下にゲッタリング層を形成する第１熱処理工程と、
   前記熱処理が施されたウェーハ表面を、所定厚さのデバイス活性層を残すように研磨する工程と、
   前記研磨されたウェーハを、１１００℃以上、シリコンの融点以下の温度で熱処理する第２熱処理工程と、を有することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
2. 前記第１熱処理工程における熱処理は、複数のシリコンウェーハを治具に搭載して熱処理を施すバッチ式アニール炉の場合には非酸化性ガス雰囲気下であり１０００℃〜１２５０℃で１０分〜１時間、枚葉式ランプ炉の場合には１１００℃〜１２８０℃で１秒〜１５分間の熱処理後に１０℃／秒以上の速度で降温させることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
3. 前記第１熱処理工程前に使用されるシリコン単結晶ウェーハは、鏡面研磨前のウェーハまたは鏡面研磨されたウェーハであることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
4. 前記第１の熱処理後に形成する無欠陥層の深さが、１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
5. 前記研磨工程における研磨代が、５〜２０μｍであることを特徴とする請求項４に記載のシリコン単結晶ウェーハの製造方法。

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