JP2019195020A - 半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体シリコンウェーハの金属不純物を低減させ、表面欠陥の少ないシリコンウェーハを得ることのできる、シリコンウェーハの金属不純物除去方法を提供することを目的とする。【解決手段】半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法であって、ウェーハに対し、熱処理工程と研磨工程と洗浄工程を、この順に２回以上行うことを含み、前記熱処理工程における熱処理温度を４００℃以上７００℃以下とし、前記研磨工程における取り代を３０ｎｍ以上とすることを特徴とする半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法に関する。

一般的なウェーハ製造フローは、インゴットをスライスして薄円板状のウェーハを得た後、面取り、両面研削またはラッピング、エッチング、熱処理、両面研磨、洗浄、片面研磨、洗浄等の工程を行うものである。
ここで、上記熱処理は、結晶引き上げ時に発生する酸素ドナーの除去、または、ゲッタリングサイトである酸素析出物の形成を目的として行われるものである。
酸素ドナーの除去を目的とする場合（ドナーキラー熱処理）、熱処理温度６００〜７００℃、熱処理時間３０分程度の熱処理条件で熱処理を行い、熱処理後の冷却は、熱処理炉の外に取り出して成り行きで急冷する。特許文献１には、この熱処理条件を用いて、酸素ドナーを除去しつつ、ウェーハ中の金属不純物を除去する目的のもと、図９に示すようなフローでウェーハを製造することが記載されている。

特開２００１−０１５４５９号公報

特許文献１に記載されるようなドナーキラー熱処理でも、ウェーハ中の金属不純物をある程度除去できるものの、シリコン結晶内部の金属不純物濃度に依存して、ピットやＰＩＤ（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｅｆｅｃｔ）などの表面欠陥が増加してしまうという問題があった。特に、近年、表面欠陥測定器がますます高感度になり、粒径が１９ｎｍ以下の測定も可能となってきている。それに伴い、これまで検出できなかったような微小ピットや微小ＰＩＤなどが検出されるようになり、これまで以上に表面欠陥の少ないＬＬＳ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｓ）の改善されたウェーハを製造することが必要となっている。そのために、従来以上に高純度（すなわち、低金属不純物濃度）のシリコンウェーハを得ることが求められている。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、半導体シリコンウェーハの金属不純物をより低減させ、表面欠陥の少ないシリコンウェーハを得ることのできる、シリコンウェーハの金属不純物除去方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法であって、ウェーハに対し、熱処理工程と研磨工程と洗浄工程を、この順に２回以上行うことを含み、前記熱処理工程における熱処理温度を４００℃以上７００℃以下とし、前記研磨工程における取り代を３０ｎｍ以上とすることを特徴とする半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法を提供する。

このような金属不純物除去方法によれば、シリコン結晶内部の金属不純物を従来に比べて著しく低減することが可能となり、その結果、表面欠陥が少ない高品質のウェーハを得ることができる。

このとき、前記金属不純物除去方法に供するウェーハを、酸エッチング、アルカリエッチング、両面研磨、または、片面研磨したものとすることができる。

このように、本発明方法は、このようなウェーハに対して施すことができる。

このとき、前記熱処理工程における熱処理時間を、３分以上６０分以下とすることができる。

これにより、酸素析出物の成長を抑制しながら、金属不純物を低減することができる。

このとき、前記熱処理工程における熱処理雰囲気を、希ガス、窒素、酸素、水素またはこれらの混合雰囲気とすることができる。

これにより、金属不純物を、十分にウェーハ表面に外方拡散することができる。

このとき、前記熱処理工程後の、熱処理温度から室温まで冷却する冷却速度を、１０℃／ｍｉｎ以下とすることができる。

これにより、効率的にウェーハ表面に金属不純物を集めることができる。

このとき、２回以上行う前記研磨工程のそれぞれにおいて、両面研磨または片面研磨を行うとともに、取り代を３０ｎｍ以上７μｍ以下とすることができる。

これにより、より確実に表面に拡散した金属不純物を除去することができる。

以上のように、本発明の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法によれば、シリコン結晶内部の金属不純物を従来に比べ劇的に低減することが可能となり、その結果、表面欠陥が少ない高品質のウェーハを得ることが可能となる。

本発明による金属不純物除去方法を含んだウェーハ製造工程の代表例を示す。 本発明による金属不純物除去方法を含んだウェーハ製造工程の変形例を示す。 本発明による金属不純物除去方法を含んだウェーハ製造工程の別の変形例を示す。 本発明による金属不純物除去方法を含んだウェーハ製造工程のさらに別の変形例を示す。 実施例と比較例の工程フローの比較を示す。 実施例と比較例の金属不純物（Ｎｉ）分析結果を示す。 実施例と比較例の金属不純物（Ｃｕ）分析結果を示す。 実施例と比較例の表面欠陥評価結果を示す。 一般的なシリコンウェーハ製造の工程フロー（従来技術）を示す。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上述のように、半導体シリコンウェーハの金属不純物を低減させ、表面欠陥の少ないシリコンウェーハを得ることのできる、シリコンウェーハの金属不純物除去方法が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、ウェーハに対し、熱処理工程と研磨工程と洗浄工程を、この順に２回以上行うことを含み、前記熱処理工程における熱処理温度を４００℃以上７００℃以下とし、前記研磨工程における取り代を３０ｎｍ以上とすることにより、シリコン結晶内部の金属不純物を従来に比べ劇的に低減できることを見出し、本発明を完成した。

以下、図面を参照して説明する。

まず、シリコンインゴットをスライスして薄円板状のシリコンウェーハを得る。その後、シリコンウェーハは、面取り、両面研削またはラッピング、エッチング（アルカリまたは酸）、両面研磨（ＤＳＰともいう）、ＣＭＰ（機械的化学的研磨）などによる片面研磨などの諸工程が施される。なお、各工程において適宜洗浄が行われる。

本発明では、このシリコンウェーハの製造工程のいずれかで、「熱処理→研磨→洗浄」の工程を２回以上繰り返す、金属不純物除去処理が施される。本発明の金属不純物除去工程は、できるだけ金属不純物が付着していない工程の後に行うことが望ましく、例えば、エッチング後、ＤＳＰ及びその洗浄の後、ＣＭＰ及びその洗浄の後などが挙げられる。なお、ウェーハの製造工程上、通常はウェーハ表面に酸化膜が形成されている。

図１には、本発明の金属不純物除去工程を含んだウェーハ製造工程フローの代表例を示す。図１に示すように、熱処理→研磨→洗浄という工程を２回以上繰り返すことを含んだプロセスでウェーハ製造を行う。このような金属不純物除去工程を採用することにより、シリコン結晶内部の金属不純物を従来に比べて著しく低減することが可能となり、その結果、表面欠陥が少ない高品質のウェーハを得ることができる。

図２には、本発明の金属不純物除去工程を含んだウェーハ製造工程の変形例を示す。本変形例では、金属不純物除去工程において、１回目の熱処理に続く研磨を両面研磨とし、２回目の熱処理に続く研磨を片面研磨とする。つまり、片面研磨と両面研磨を適宜組み合わせて行うものである。１回目の熱処理に続く研磨を片面研磨とし、２回目の熱処理に続く研磨を両面研磨とすることによっても、同様の効果を得ることができる。また、３回目以降の熱処理に続く研磨を片面研磨または両面研磨とすることもできる。繰り返しの回数を増やすことで、さらなる高純度化が可能となる。
図２に示す変形例では、酸エッチングの後に金属不純物除去工程を行う例を示したが、ＤＳＰ及びその洗浄後に金属不純物除去工程を実施してもよい。これにより、ウェーハを製造するにあたり工程を無駄なく行うことができる。
なお、アルカリエッチングでは、酸エッチング等に比較して、エッチング後にウェーハ表面に残存する金属不純物の量が若干高い傾向があるので、図３に示す変形例を採用することが好ましい。

図３には、本発明による金属不純物除去工程を含んだウェーハ製造工程フローの別の変形例を示す。本変形例では、金属不純物除去工程において、２回以上繰り返す熱処理に続く研磨をすべて両面研磨とするものである。
本変形例の場合、アルカリエッチング後のウェーハのように、エッチング後にウェーハ表面に残存する金属不純物の量が若干高いウェーハの場合にも、シリコン結晶内部の金属不純物を著しく低減することが可能となる。なお、本変形例において、金属不純物除去工程を行う前の処理は、アルカリエッチングだけでなく、酸エッチング、ＤＳＰ、ＣＭＰであってもよいことはいうまでもない。

図４には、本発明による金属不純物除去工程を含んだウェーハ製造工程フローのさらなる変形例を示す。本変形例では、金属不純物除去工程において、２回以上繰り返す熱処理に続く研磨をすべて片面研磨とするものである。また、３回目以降の熱処理に続く研磨を片面研磨とすることも可能である。繰り返しの回数を増やすことで、さらなる高純度化が可能となる。
本変形例の場合にも、シリコン結晶内部の金属不純物を著しく低減することが可能である。本変形例の場合、金属不純物除去工程を行う前のウェーハ表面に残存する金属不純物の量が比較的低いウェーハの場合に好適である。

次に本発明の金属不純物除去工程における、熱処理、研磨、洗浄の各処理条件について述べる。

熱処理について、熱処理温度は４００℃以上７００℃以下とする。４００℃未満ではウェーハ内部にある金属不純物を十分にウェーハ表面に外方拡散することができない。７００℃超では、酸素析出物が形成される恐れがある。
熱処理時間は３分以上６０分以下とすることが好ましい。本発明の金属不純物除去工程における熱処理は、酸素ドナーの除去を主目的とするものではないため、ウェーハ全体が所定温度まで昇温され、金属が表面に拡散できれば十分であり、必ずしも長時間は必要なく、余りに時間が長くなると酸素析出物が成長してしまう可能性がある。
熱処理の雰囲気は、ヘリウム、アルゴンなどの希ガスを使用しても良いし窒素や酸素や水素でも良い。また、これらの混合雰囲気とすることも可能である。ウェーハには通常自然酸化膜が形成されており、この状態で熱処理を行うため、反応性の低いガスであれば使用することができる。
熱処理後に熱処理温度から室温まで冷却する冷却速度は、１０℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。効率よくウェーハ表面に金属不純物を集めるためである。

研磨時の取り代は、３０ｎｍ以上とする。熱処理後の金属不純物はウェーハ酸化膜直下１０ｎｍ以内に集中しているためである。取り代の上限は特に限定されないが、研磨機の限界や工程能力等を考慮すると、７μｍとすることが好ましい。

洗浄は、通常行われる洗浄条件（方法）を採用できる。例えば、ＲＣＡ洗浄法が挙げられる。

４００℃〜７００℃の低温で熱処理を行った後に研磨、洗浄を行い、表面に形成された金属汚染層を除去することでウェーハの純度を上げる工程を２回以上繰り返し行うことによって、シリコン結晶内部の金属不純物が極度に低減され、かつ、表面欠陥が非常に少ない品質の高いウェーハを製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

（実施例１）
まず、シリコンインゴットをスライスして薄円板状のシリコンウェーハを得て、通常のウェーハ製造工程に基づいてＤＳＰまで行った。ＤＳＰ後の洗浄により、ウェーハ表面には自然酸化膜が形成されている。このようにして得たウェーハを用いて、金属不純物除去処理として、熱処理→片面研磨→洗浄の一連の処理を２回繰り返した。

金属不純物除去処理における熱処理は、６５０℃、２５分、窒素雰囲気下で行った。
研磨は、片面研磨により、取り代５００ｎｍの研磨を行った。その後、ＲＣＡ洗浄を行った。

（実施例２）
熱処理→片面研磨→洗浄の一連の処理を３回繰り返した以外は、実施例１と同様の条件で金属不純物除去を行った。

（比較例１）
熱処理→片面研磨→洗浄の一連の処理を行わなかった。ＤＳＰ後に本発明の金属不純物除去を行うことなく、片面研磨、洗浄を行ってウェーハを得た。

（比較例２）
熱処理→片面研磨→洗浄の一連の処理を、１回のみ（繰り返しなし）とした以外は、実施例１と同様な条件で金属不純物除去を行った。
図５に、実施例１、２、比較例１、２の工程フローをまとめた。

実施例１、２、比較例１、２で得たウェーハについて、シリコン結晶内部の残留金属不純物の評価と、表面欠陥数の評価を行った。
シリコン結晶内部の残留金属不純物を評価する手法として、特開平９−６４１３３号公報に記載される評価を行った。具体的には、周知の酸素ドナーキラー熱処理条件（６５０℃、２５分、窒素雰囲気）で熱処理を行い、シリコン結晶内部の金属不純物を表面に集め、その後、気相分解法誘導結合プラズマ質量分析（ＶＰＤ−ＩＣＰ−ＭＳ）を行いウェーハ表面に集まった金属不純物濃度を測定した。
ウェーハの表面欠陥数は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ製ＳＰ５を用いて、粒径１９ｎｍＵＰとして測定を行った。

評価結果を、表１、図６−８に示す。
金属不純物濃度について、表１、図６，７から明らかなように、熱処理→片面研磨→洗浄回数を２回以上とした実施例では、Ｎｉ、Ｃｕともに検出限界以下であった。これは、シリコン単結晶の内部に含まれる金属不純物が極めて少ないため、残留金属不純物評価の熱処理で、ウェーハ表面に金属が集まらなかったことを意味する。
一方、熱処理→片面研磨→洗浄回数を０または１回とした比較例では、シリコン結晶内部に金属不純物が残存しているために、残留金属不純物評価の熱処理により表面に金属が集まり金属不純物が検出された。
また、表１、図８に示すように、金属不純物の低減に伴い、実施例１、実施例２では表面欠陥数が減少し、ＬＬＳが大きく改善した。

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。

Claims (6)

1. 半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法であって、
   ウェーハに対し、熱処理工程と研磨工程と洗浄工程を、この順に２回以上行うことを含み、
   前記熱処理工程における熱処理温度を４００℃以上７００℃以下とし、
   前記研磨工程における取り代を３０ｎｍ以上とすることを特徴とする半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。
2. 前記金属不純物除去方法に供するウェーハを、酸エッチング、アルカリエッチング、両面研磨、または、片面研磨したものとすることを特徴とする請求項１に記載の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。
3. 前記熱処理工程における熱処理時間を、３分以上６０分以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。
4. 前記熱処理工程における熱処理雰囲気を、希ガス、窒素、酸素、水素またはこれらの混合雰囲気とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。
5. 前記熱処理工程後の、熱処理温度から室温まで冷却する冷却速度を、１０℃／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。
6. ２回以上行う前記研磨工程のそれぞれにおいて、両面研磨または片面研磨を行うとともに、取り代を３０ｎｍ以上７μｍ以下とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体シリコンウェーハの金属不純物除去方法。

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