Array ( [harmful] => 0 [next] => Array ( [id] => A,2011-165820 [meishou] => シリコンウェーハの製造方法 ) [prev] => Array ( [id] => A,2011-165818 [meishou] => 半導体装置及びその製造方法 ) ) シリコンウェーハの製造方法

シリコンウェーハの製造方法

【課題】デバイスが形成される表層のGrown−in欠陥を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】シリコンウェーハ10の表面に電子線を照射することによりシリコンウェーハ10の表層部11を溶融させた後、溶融させた表層部11Aを固化させることによって表層部11Aの結晶欠陥aを消滅させる。本発明によれば、電子線の照射によってシリコンウェーハの表層部を溶融させていることから、レーザ光を用いる場合と比べ、表面から深い領域に存在する欠陥を消滅させることが可能となる。しかも、レーザ光を用いる場合のように、ビーム径を大きく絞り込む必要もないことから、高い生産性を確保することも可能となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はシリコンウェーハの製造方法に関し、特に、シリコン単結晶インゴットの結晶成長時に形成されたGrown−in欠陥を消滅させ、デバイスの歩留まりを大幅に向上させることを可能にするシリコンウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、シリコンウェーハに形成される電子回路のさらなる微細化を実現するため、ウェーハ表面およびデバイス活性層内に存在する欠陥の大幅な低減が要求されている。このような欠陥としては、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶のインゴットの引き上げ時に空孔がインゴットに導入され、冷却中に多数の空孔が凝集して生成されたボイド欠陥(COP:Crystal Originated Particle)や酸素析出物(BMD:Bulk Micro Defect)などが挙げられる。シリコンウェーハの表層部にこのような結晶欠陥が存在すると、デバイス特性を著しく低下させる。
【0003】
これら欠陥を消滅させる方法としては、非酸化性ガス雰囲気下(水素やアルゴンガス雰囲気下)で1100℃以上1250℃以下の温度範囲で1時間程度加熱する方法、あるいはシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル膜を成長させる方法が知られている。しかしながら、前者の方法では熱処理によってスリップと呼ばれる結晶欠陥が生じてしまう。熱処理によるスリップの発生はウェーハの径が大きいほど顕著となるため、将来的に大口径化するウェーハに対しては特に問題となる。また、後者の方法は大幅なコスト増をもたらすという問題がある。
【0004】
これに対し、特許文献1,2には、高エネルギのレーザ光をシリコンウェーハに照射することによって、ウェーハ表層領域の結晶欠陥を縮小又は消滅させる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第3901998号公報
【特許文献2】特開2008−28355号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、シリコンに対するレーザ光の進入深さは、レーザ光の波長によって一義的に決定されてしまうため、表面から深い領域に存在する欠陥を消滅することは困難である。例えば、波長が520nm程度のグリーンレーザでは、シリコンへの進入深さが1.0μm以下であるため、より深い位置に存在する結晶欠陥を消滅させるためには、レーザ光を数μm径まで絞り込むことによってエネルギ密度を増加させ、過剰なエネルギによる熱伝導によって深い領域を加熱する必要がある。しかしながら、この方法では、レーザ光のエネルギ密度の増加によってアブレーション現象が起こるため、シリコンウェーハの品質劣化を招く。一方、長波長のレーザ照射を使用した場合には、シリコン表面から奥深い位置まで侵入させることが可能となるが、上述のグリーンレーザと同様に、結晶欠陥を縮小・消滅させるにはレーザ光のビーム径を絞り込む必要があるため、ウェーハの全面に照射する場合には生産性が著しく低下し、量産品への適用は現実的でない。この対策として、多数のレーザ発生装置を同時に用いる事が考えられるが、装置価格の高騰やフットプリント増加など課題が多くやはり現実的でない。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、電子線照射法を適用すれば安価な市販装置にてシリコンウェーハの表面から深い位置までを短時間で溶融、固化させることが可能であり、これにより、COPや酸素析出物などの結晶欠陥を消滅できることを知見し、この発明を完成させた。
【0008】
本発明はこのような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明によるシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの表面に電子線を照射することにより前記シリコンウェーハの表層部を溶融させた後、溶融させた前記表層部を固化させることによって前記表層部の結晶欠陥を消滅させることを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、電子線を用いてシリコンウェーハの表層部を溶融させていることから、レーザ光を用いる場合と比べ、表面から深い領域に存在する欠陥を消滅させることが可能となる。しかも、レーザ光を用いる場合のように、ビーム径を大きく絞り込む必要もないことから、高い生産性を確保することも可能となる。また、シリコンウェーハの表層部を溶融させていることから、結晶欠陥を確実に消滅させることが可能となる。
【0010】
本発明においては、前記電子線を照射することにより、前記表層部に存在するCOPおよび酸素析出物を除去する。すなわち、電子線を用いてシリコンウェーハの表層部を溶融させることにより表層部は再結晶化されるので、ウェーハ表層部に存在するCOPや酸素析出物を確実に消滅させることができる。
【0011】
本発明においては、前記電子線を前記シリコンウェーハに真空中でパルス照射又は連続照射することが好ましい。これによれば、溶融した表層部に照射雰囲気中の不純物が取り込まれることがないため、シリコンウェーハの品質低下を防止することが可能となる。
【0012】
本発明においては、前記シリコンウェーハの表面が酸化膜除去された面であることが好ましい。これによれば、溶融した表層部に酸素が取り込まれることがないため、シリコンウェーハの品質低下を防止することが可能となる。
【0013】
本発明においては、前記電子線を照射した後、前記シリコンウェーハの表面を研磨することが好ましい。これによれば、電子線照射によってシリコンウェーハの表面に微小な凹凸が発生した場合であってもこれが除去されるため、照射前の表面状態に戻すことが可能となる。研磨量は、0.01μm以上10μm以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、レーザ光を用いる場合と比べ、表面から深い領域に存在する結晶欠陥を消滅させることが可能となる。しかも、レーザ光を用いる場合のように、ビーム径を大きく絞り込む必要もないことから、高い生産性を確保することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の好ましい実施形態によるシリコンウェーハの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図2】本発明の好ましい実施形態によるシリコンウェーハの製造方法を説明するための工程図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【0017】
図1は、本発明の好ましい実施形態によるシリコンウェーハの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【0018】
図1に示すように、本実施形態による製造方法は、シリコンウェーハの主製造工程(ステップS1)、酸化膜除去工程(ステップS2)、電子線照射工程(ステップS3)及び研磨工程(ステップS4)を含んでいる。シリコンウェーハの主製造工程(ステップS1)は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶インゴットをブロック切断及び外径研削した後、スライスすることによってウェーハ状とし、さらに、面取り、ラッピング、エッチングおよび研磨などを順次施す工程である。本工程においては、熱処理などを行っていないため、シリコンウェーハ中にはCOPや酸素析出物など多数のGrown−in欠陥が含まれたままの状態である。
【0019】
但し、COPなどのGrown−in欠陥が含まれる条件でシリコン単結晶インゴットを育成することは必須でなく、Grown−in欠陥の無いいわゆるボイドフリーとなる条件でシリコン単結晶インゴットを育成しても構わない。これは、ボイドフリーとなる条件でシリコン単結晶インゴットを育成した場合であっても、インゴットの全領域に亘って無欠陥とすることは困難であるとともに、無欠陥領域であっても、検査装置の高感度化などによって現在は発見不可能な微小サイズのCOPや酸素析出物などの欠陥が将来的に発見される可能性があるからである。
【0020】
酸化膜除去工程(ステップS2)は電子線照射を行うための前処理であり、シリコンウェーハの表面に形成された自然酸化膜をHF溶液によって除去する工程である。本発明において酸化膜除去工程(ステップS2)を行うことは必須でないが、前処理としてこれを行えば、電子線照射によって溶融したシリコンウェーハの表層部に酸素が取り込まれることがない。なお、自然酸化膜の除去はHF溶液による手法に限定されるものでなく、電子線照射やレーザ照射により酸化膜のみを除去できる低エネルギ照射でも良く、その他、水素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性ガス雰囲気中で1000℃程度の熱処理を行って自然酸化膜を除去するようにしてもよい。
【0021】
電子線照射工程(ステップS3)は、図2(a)に示すように、表層部11にボイド欠陥aを有するシリコンウェーハ10の表面に電子線を照射することによって、図2(b)に示すようにシリコンウェーハ10の表層部11Aを溶融させる工程である。表層部11Aの溶融は、電子線の照射エネルギがシリコンウェーハ内で熱エネルギに変換されることにより生じる。このようにして表層部11Aが溶融すると、その後の再結晶化によりCOPや酸素析出物などの結晶欠陥aは消滅する。
【0022】
電子線の照射に用いる装置は、シリコンウェーハの表層部を溶融可能であれば特に限定されず、市販の電子線照射装置を用いることが可能である。また、電子線の照射は、シリコンウェーハ自体にプラス電圧を印加して電子を加速させても構わないし、カソード電圧にて加速された電子を直接照射しても構わない。また、電子照射装置内にシリコンウェーハを加熱する装置を設置し、シリコンウェーハを加熱した状態で電子線を照射しても構わない。これによれば、電子線照射によって溶融する表層部と他の領域との温度差が低減するため、シリコンウェーハへの応力やダメージを低減させることが可能となる。
【0023】
電子線の照射エネルギ密度は、電流密度、加速電圧及び照射時間によって調節可能である。具体的には、電流密度をA、加速電圧をV、照射時間をTとした場合、照射エネルギ密度Eは、
E=A×V×T
で与えられる。このうち加速電圧Vは、電子線の侵入深さを決めるパラメータであり、溶融させるべき深さ領域に基づいて設定すればよい。つまり、より深い領域まで溶融させる場合には加速電圧Vをより高く設定すればよい。一方、電流密度A及び照射時間Tは、単位面積当たり照射される電子の量を決めるパラメータであり、加速電圧Vに応じて設定すればよい。但し、所望の加速電圧V及びエネルギ密度Eに設定した場合であっても、照射時間Tが大きすぎると(つまり電流密度Aが小さすぎると)、電子線の照射によって得られた熱エネルギが熱伝導により放出されるため、溶融が生じない可能性がある。したがって、電流密度A、加速電圧V及び照射時間Tは、これらを考慮して設定すればよい。
【0024】
特に限定されるものではないが、電子線の照射エネルギ密度は5〜500J/cmとすることが好ましい。これは、照射エネルギ密度が5J/cm未満であると、加速電圧を十分に低くした場合(つまり、溶融深さを十分に浅く設定した場合)であっても、溶融を生じさせることが困難だからであり、照射エネルギ密度が500J/cm超であると、加速電圧を十分に高くした場合(つまり、溶融深さを十分に深く設定した場合)であっても、シリコンウェーハに大きなダメージが生じるおそれがあるからである。これに対し、電子線の照射エネルギ密度を5〜500J/cmとすれば、シリコンウェーハに大きなダメージを与えることなく、所望の深さの表層部を溶融させることが可能となる。しかも、上記の照射エネルギ密度は、現在市販されている電子線照射装置の出力範囲内であることから、特殊な装置を用いることによる装置コスト増や、生産性の低下を招くこともない。
【0025】
電子線の照射は真空中で行うことが好ましい。電子線の照射を真空中で行えば、溶融した表層部11Aに照射雰囲気中の不純物が取り込まれることがないからである。ここで、「真空」とは完全な真空状態を指すものではなく、0.02Pa程度で十分である。であれば足りる。また、電子線の照射は、パルス照射であっても構わないし、連続照射であっても構わない。
【0026】
このようにして表層部11Aを溶融させた後、電子線の照射を停止すれば、溶融した表層部11Aが固化し、再結晶化する。これにより、結晶欠陥aの無い表層部11Aを得ることが可能となる。
【0027】
研磨工程(ステップS4)は電子線照射を行った後の後処理である。本発明において研磨工程(ステップS4)を行うことは必須でないが、後処理としてこれを行えば、電子線照射によってシリコンウェーハの表面に生じた微小な凹凸や、パーティクルなどを除去することが可能となる。尚、研磨工程(ステップS4)を行う場合には、ステップS1の最終段階における研磨工程を省略しても構わない。研磨量は、電子線照射によって生じた凹凸のサイズに応じて、例えば0.01μm以上10μm以下とすることが好ましい。これにより、図2(c)に示すように、ダメージを受けた表面が除去されるため、シリコンウェーハの表面状態を電子線照射前の状態に戻すことが可能となる。
【0028】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、例えば、使用するウェーハがSOIシリコンウェーハであっても構わない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【実施例】
【0029】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。
【0030】
[実施例1]
まず、チョクラルスキー法によりCOPが発生する条件で直径200mm、比抵抗10mΩ・cm、初期酸素濃度1.4×1018atoms/cmのシリコン単結晶インゴットを引き上げた。得られたシリコン単結晶インゴットに対し、ブロック切断、外径研削およびスライスの各工程を順次施し、これにより、表面にCOPが多数存在するシリコンウェーハを得た。その後、シリコンウェーハに、面取り、ラッピング、エッチングおよび研磨を順次施し、最終仕上げ研磨を施すことにより、基準となるシリコンウェーハAを複数枚作製した。
【0031】
次に、シリコンウェーハAをHF溶液に浸漬して自然酸化膜を除去した。その後、シリコンウェーハAを電子線照射装置内に挿入し、チャンバー内を大気圧から0.02Paに減圧した。そして、深さ10μmまでの表層部が溶融するように、ビーム径が20mmの電子線を照射エネルギ密度100J/cmで照射しながら、シリコンウェーハAの全面をスキャンした。これにより、溶融させた深さ10μmまでの表層部のシリコンが冷却によって再結晶化した。最後に、電子線が照射された面を1μm研磨する事により、実施例1によるシリコンウェーハBを完成させた。
【0032】
[実施例2]
別のシリコンウェーハAを用意し、HF溶液に浸漬して自然酸化膜を除去した後、ビーム径を60mm、照射エネルギ密度を70J/cmに設定した他は実施例1と同様の条件で電子線照射を行った。その後、電子線が照射された面を1μm研磨する事により、実施例2によるシリコンウェーハCを完成させた。
【0033】
[評価1]
電子線照射を行っていないシリコンウェーハAを10枚用意し、これらシリコンウェーハAの表面に対して、ケーエルエーテンコール社製の表面検査装置(SP−1)を用いて、0.12μm以上のパーティクルや欠陥などの散乱物の位置と個数を測定した。その結果、シリコンウェーハAからは、1枚当たり約200個前後の散乱物が見つかり、その欠陥マップからはCOPの発生であると明確に判断できるディスクパターンが得られた。次に、その欠陥の位置情報に基づき、シリコンウェーハAに対して欠陥種の形状を原子間力顕微鏡(AFM)により観察した結果、その大半がCOPである事を確認した。
【0034】
次に、電子線照射を行ったシリコンウェーハB,Cを用意し、上記の表面検査装置(SP−1)を用いて、0.12μm以上のパーティクルや欠陥などの散乱物の個数を測定した。その結果、シリコンウェーハBからは13個/ウェーハの散乱物が見つかり、シリコンウェーハCからは15個/ウェーハの散乱物が見つかった。その散乱物をAFM観察した結果、見つかった散乱物は全てパーティクルであり、COPや酸素析出物などの結晶欠陥が完全に消滅していることが明らかとなった。
【0035】
また、電子線照射を行ったシリコンウェーハB,Cのそれぞれの表層部を1μm除去する研磨処理を行った後、その表面を[評価1]と同様の表面検査、欠陥種観察を行う操作を繰り返し行って、結晶欠陥の消滅深さを調査した。その結果、シリコンウェーハB,Cとも、溶融させた深さ10μmの領域において、各深さ位置で検出された散乱物個数はいずれも20個/ウェーハ以下であり、検出された散乱物は全てパーティクルであって、COPや酸素析出物は観察されなかった。このように、本発明によれば、シリコン表面から深い位置であっても、COPや酸素析出物などの結晶欠陥を完全に消滅できることが確認された。
【0036】
[評価2]
電子線照射を行っていないシリコンウェーハA及び電子線照射を行ったシリコンウェーハCを用いて、MOSデバイスを作製した。そして、8MV/cmの酸化膜電界強度での耐圧を測定した結果、シリコンウェーハAを用いて作製したMOSデバイスでは合格率が63%であったのに対して、シリコンウェーハCを用いて作製したMOSデバイスでは合格率が98%となった。この結果は、シリコンウェーハへの電子線照射によってデバイスの歩留まりを高めることが可能である事を証明している。
【符号の説明】
【0037】
10 シリコンウェーハ
11 表層部(溶融前)
11A 表層部(溶融後)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコンウェーハの表面に電子線を照射することにより前記シリコンウェーハの表層部を溶融させた後、溶融させた前記表層部を固化させることによって前記表層部の結晶欠陥を消滅させることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項2】
前記電子線を照射することにより、前記表層部に存在するCOPおよび酸素析出物を消滅させることを特徴とする請求項1記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項3】
前記電子線を前記シリコンウェーハに真空中でパルス照射又は連続照射することを特徴とする請求項1又は2に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項4】
前記シリコンウェーハの表面は、酸化膜除去された面であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項5】
前記電子線を照射した後、前記シリコンウェーハの表面を研磨することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシリコンウェーハの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2011−165819(P2011−165819A)
【公開日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−25664(P2010−25664)
【出願日】平成22年2月8日(2010.2.8)
【出願人】(302006854)株式会社SUMCO (1,193)
【Fターム(参考)】