特許 7405070 エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20231219BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20231219BHJP

   C30B 29/08 20060101ALI20231219BHJP

   C30B 25/02 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H01L21/66 L

H01L21/20

C30B29/08

C30B25/02

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020208892

(22)【出願日】2020-12-17

(65)【公開番号】P2022096021

(43)【公開日】2022-06-29

【審査請求日】2022-12-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000190149

【氏名又は名称】信越半導体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102532

【弁理士】

【氏名又は名称】好宮 幹夫

(74)【代理人】

【識別番号】100194881

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 俊弘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 温

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５０１５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６３９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３４９５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１９２８７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－１８８２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２１６５４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｃ３０Ｂ ２９／０８

Ｃ３０Ｂ ２５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法であって、
前記エピタキシャルウェーハを、ハロゲン化水素と水素とを含む還元性雰囲気で、
前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を５％以上とし、３００℃～８００℃の温度で３秒以上の熱処理を行うか、又は
前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満とし、３００℃～８００℃の温度で１５秒以上の熱処理を行うことで、
前記エピタキシャルウェーハの表面に欠陥を顕在化させて検出し、評価を行うことを特徴とするエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項2】

前記ハロゲン化水素を塩化水素とし、かつ、該塩化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を３０％以下とすることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項3】

前記塩化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を１０％以下とすることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項4】

前記エピタキシャルウェーハを、基板とエピタキシャル層の組成が異なるヘテロエピタキシャルウェーハとすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項5】

前記エピタキシャルウェーハを、基板がシリコンであり、かつ、エピタキシャル層がシリコンゲルマニウム又はゲルマニウムであるものとすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項6】

前記エピタキシャルウェーハの欠陥を、エピタキシャル層由来の積層欠陥又は貫通転位とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【請求項7】

前記顕在化した欠陥を、走査型電子顕微鏡又は表面欠陥検査装置を用いて検出し、評価することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の半導体素子では、微細化に加え、シリコン以外の異種材料の採用も進んでいる。例えば、高移動度のチャネル材料としてのシリコンゲルマニウムやゲルマニウム、ゲートオールアラウンド構造やナノシート構造における犠牲層としてのシリコンゲルマニウム、高効率のパワーデバイス材料としてのシリコンカーバイドや窒化ガリウムなど多岐に渡っている。したがって、デバイス工程においては、異種材料をエピタキシャル成長させるヘテロエピタキシャル工程が今後増加していくと考えられる。ヘテロエピタキシャルでは基板とエピタキシャル層の格子不整合に由来する応力が発生し、エピタキシャル層に積層欠陥が発生する原因となることがある。したがって、半導体基板の結晶欠陥だけではなく、エピタキシャル層由来の欠陥の評価技術が今後ますます重要になるといえる。

【0003】

特許文献１は半導体単結晶基板において、水素雰囲気下８００～１１００℃の熱処理によって結晶欠陥を顕在化する技術である。特許文献２は６００～７００℃で２～６時間の熱処理後、１１００～１１５０℃で１～２時間の熱処理を行い、結晶欠陥を顕在化させる２段階熱処理による結晶欠陥顕在化の技術である。特許文献３はサファイア基板にＧａＮを成長させたヘテロエピタキシャルウェーハを塩化水素＋窒素雰囲気で５００～９００℃の熱処理を行って欠陥を検出する方法に関する技術である。上記のような欠陥の顕在化後の欠陥検出技術があるが、水素雰囲気下で８００℃以上の高温、２段階の熱処理を要する長時間、または、塩化水素＋窒素を含む雰囲気で行う技術である。

【0004】

しかし、エピタキシャル層由来の欠陥の評価技術は現状豊富ではなく、また、異種材料の中にはゲルマニウムなど高温・長時間下の熱処理に不安定な材料もあることから、エピタキシャルウェーハの欠陥を、短時間・低温条件にて顕在化・評価することのできる欠陥評価方法が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１１－１１９５２８

【文献】特開２０１９－２６５３７

【文献】特開２０００－１８８２８５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、エピタキシャルウェーハの欠陥を、より短時間・低温条件にて顕在化し精度良く評価することのできるエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明では、
エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法であって、
前記エピタキシャルウェーハを、ハロゲン化水素と水素とを含む還元性雰囲気で、
前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を５％以上とし、３００℃～８００℃の温度で３秒以上の熱処理を行うか、又は
前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満とし、３００℃～８００℃の温度で１５秒以上の熱処理を行うことで、
前記エピタキシャルウェーハの表面に欠陥を顕在化させて検出し、評価を行うエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法を提供する。

【0008】

このような熱処理を行うことでエピタキシャルウェーハの欠陥をより短時間・低温条件にて顕在化させることができ、欠陥の検出が容易となる。

【0009】

また、前記ハロゲン化水素を塩化水素とし、かつ、該塩化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を３０％以下とすることが好ましい。

【0010】

塩化水素であればエッチング作用により確実に欠陥を顕在化できる。また、濃度を３０％以下とすることでエッチング速度が速くなりすぎてエピタキシャル膜がすべてエッチングされるようなことを防止できる。

【0011】

また、前記塩化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を１０％以下とすることが好ましい。

【0012】

塩化水素の濃度が１０％以下であれば、エッチング量を時間で制御することが極めて容易にできる。

【0013】

また、前記エピタキシャルウェーハを、基板とエピタキシャル層の組成が異なるヘテロエピタキシャルウェーハとすることが好ましい。

【0014】

さらに、前記エピタキシャルウェーハを、基板がシリコンであり、かつ、エピタキシャル層がシリコンゲルマニウム又はゲルマニウムであるものとすることがより好ましい。

【0015】

本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法は、特に、このような高温・長時間下の熱処理に不安定な材料に好適に用いることができる。

【0016】

また、前記エピタキシャルウェーハの欠陥を、エピタキシャル層由来の積層欠陥又は貫通転位とすることが好ましい。

【0017】

本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法は、このような欠陥を評価するのに好適に用いることができる。

【0018】

また、前記顕在化した欠陥を、走査型電子顕微鏡又は表面欠陥検査装置を用いて検出し、評価することが好ましい。

【0019】

走査型電子顕微鏡を用いることによって、欠陥の形状、サイズ、組成、欠陥密度等の詳細な分析をすることができ、表面欠陥検査装置を用いることによって、欠陥密度や分布を短時間で正確に分析することができる。

【発明の効果】

【0020】

以上のように、本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法であれば、エピタキシャルウェーハの欠陥を、より短時間・低温条件にて顕在化し精度良く評価することができる。したがって、本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法は高温・長時間下の熱処理に不安定な材料に好適に用いることができる。さらに還元性雰囲気中のハロゲン化水素（塩化水素）の濃度を１０％以下とすればエッチング量を時間で容易に制御することができるので、詳細な分析を行う上でも有用である。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法を説明するフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

上述のように、エピタキシャルウェーハの欠陥を、より短時間・低温条件にて顕在化し精度良く評価することのできるエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法の開発が求められていた。

【0023】

本発明者はエピタキシャルウェーハをハロゲン化水素からなる気体のエッチャントと水素とを含む還元性雰囲気で３００℃～８００℃の温度で、ハロゲン化水素からなる気体の濃度を５％以上とし、３秒以上の熱処理を行うか、またはハロゲン化水素からなる気体の濃度を１％以上５％未満とし、１５秒以上の熱処理を行うことで、エピタキシャルウェーハの表面に欠陥を顕在化させて検出できることが判り、本発明を完成させた。

【0024】

即ち、本発明は、エピタキシャルウェーハの欠陥評価方法であって、前記エピタキシャルウェーハを、ハロゲン化水素と水素とを含む還元性雰囲気で、前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を５％以上とし、３００℃～８００℃の温度で３秒以上の熱処理を行うか、又は前記ハロゲン化水素の前記還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満とし、３００℃～８００℃の温度で１５秒以上の熱処理を行うことで、前記エピタキシャルウェーハの表面に欠陥を顕在化させて検出し、評価を行うエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法である。

【0025】

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0026】

図１に本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥評価方法を説明するフロー図を示す。まず、エピタキシャルウェーハを準備する（フロー図中の工程（１））。次にこのエピタキシャルウェーハをハロゲン化水素と水素とを含む還元性雰囲気で熱処理してエピタキシャルウェーハの表面に欠陥を顕在化させる（フロー図中の工程（２））。このときの熱処理は、ハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を５％以上として３００℃～８００℃の温度で３秒以上（熱処理条件１）の熱処理、又はハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満として３００℃～８００℃の温度で１５秒以上（熱処理条件２）の熱処理のいずれかを行う。そしてウェーハ表面に顕在化した欠陥の検出及び評価を行う（フロー図中の工程（３））。以下、各工程についてさらに詳細に説明する。

【0027】

＜工程（１）＞
本発明により評価するエピタキシャルウェーハとしては特に限定はされないが、基板とエピタキシャル層の組成が異なるヘテロエピタキシャルウェーハとするのが好ましく、例えばシリコンウェーハ上にシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）をエピタキシャル成長させたウェーハ（基板がシリコンであり、かつ、エピタキシャル層がシリコンゲルマニウム又はゲルマニウムであるウェーハ）とすることができる。

【0028】

エピタキシャル成長条件は原料ガスとしてＳｉＧｅ膜を成長させる場合は例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスとモノゲルマン（ＧｅＨ_４）ガスを用いることができる。また、Ｇｅ膜を成長させる場合は、モノゲルマン（ＧｅＨ_４）ガスを用いることができる。なお、Ｇｅ膜、およびＳｉＧｅ膜は、ノンドープの膜でもよいし、カーボン（Ｃ）、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）等がドーピングされた膜でもよい。成長温度は例えば６００～７００℃、特には６５０℃とすることができる。雰囲気ガスは水素、圧力は例えば１０～２０Ｔｏｒｒ（１３３３～２６６６Ｐａ）、特には１５Ｔｏｒｒ（１９９９．５Ｐａ）とすることができる。

【0029】

＜工程（２）＞
次に、このエピタキシャルウェーハに対して、該エピタキシャルウェーハの作製に用いたのと同一のエピタキシャル成長装置または別の装置において、ハロゲン化水素（ハロゲン化水素からなる気体のエッチャント）と水素とを含む還元性雰囲気で、ハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を５％以上とし、３００℃～８００℃の温度で３秒以上（熱処理条件１）の熱処理を行うか、又はハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満とし、３００℃～８００℃の温度で１５秒以上（熱処理条件２）の熱処理を行う。

【0030】

本発明において、ハロゲン化水素と水素とを含む還元性雰囲気としては、濃度１％以上のハロゲン化水素と水素を含んでいれば特に限定はされず、例えば、これらに加えて窒素、アルゴン等を含んでいてもよい。本発明における還元性雰囲気としては、ハロゲン化水素と水素のみからなる還元性雰囲気であることが好ましい。本発明では、ハロゲン化水素と水素を含む還元性雰囲気で熱処理を行うことによって、特に水素雰囲気の場合と比較して短時間・低温条件にて欠陥を顕在化することができる。

【0031】

また、ハロゲン化水素は、塩化水素とすることが好ましい。また、還元性雰囲気中の塩化水素の濃度は３０％以下とすることが好ましい。塩化水素であればエッチング作用により確実に欠陥を顕在化できる。また、３０％以下とすることでエッチング速度が速くなりすぎてエピタキシャル膜がすべてエッチングされるようなことを防止できる。また、塩化水素の濃度が１０％以下であれば、エッチング量を時間で制御することが極めて容易にできるためより好ましい。なお、本発明において、還元性雰囲気中のハロゲン化水素の濃度は体積比率である。

【0032】

＜熱処理条件１＞
熱処理条件１では、熱処理を、ハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を５％以上とし、３００℃～８００℃の温度で３秒以上とする。

【0033】

ハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度は５％以上であれば特に限定はされないが、エッチング量の制御のしやすさの観点から好ましくは３０％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１０％以下である。

【0034】

熱処理温度は３００℃～８００℃である。エピタキシャルウェーハの熱安定性をより確実に確保する観点から、熱処理温度は好ましくは７００℃以下、より好ましくは６００℃以下、さらに好ましくは５００℃以下、極めて好ましくは４００℃以下である。また、欠陥の顕在化をより確実にする観点からは、熱処理温度は好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上、極めて好ましくは７００℃以上である。

【0035】

熱処理温度３００℃未満では装置の温度制御範囲外となり実用的ではない。熱処理温度８００℃を超える温度では、シリコンゲルマニウムのラフネス悪化や格子緩和による転位発生といった熱安定性上の問題があり実用的ではない。

【0036】

また、熱処理時間としては３秒以上であれば特に限定はされないが、好ましくは３００秒以下、より好ましくは６０秒以下、さらに好ましくは４５秒以下、極めて好ましくは３０秒以下である。熱処理時間は、欠陥の顕在化をより確実にする観点からはより長い方が好ましく、エピタキシャルウェーハの熱安定性をより確実に確保する観点からはより短い方が好ましい。

【0037】

＜熱処理条件２＞
熱処理条件２では、熱処理を、ハロゲン化水素の還元性雰囲気中における濃度を１％以上５％未満とし、３００℃～８００℃の温度で１５秒以上とする。

【0038】

熱処理温度の上限、下限、及び好ましい範囲については、熱処理条件１の場合と同様である。また、熱処理時間としては１５秒以上であれば特に限定はされないが、好ましくは３００秒以下、より好ましくは６０秒以下、さらに好ましくは４５秒以下、極めて好ましくは３０秒以下である。熱処理時間は、欠陥の顕在化をより確実にする観点からはより長い方が好ましく、エピタキシャルウェーハの熱安定性をより確実に確保する観点からはより短い方が好ましい。

【0039】

上記のような熱処理条件１又は２で熱処理することにより、欠陥部分とその他の部分のエッチングレートの差を利用し、欠陥部にピットが形成されることで、欠陥を高感度に顕在化させることができる。

【0040】

このような熱処理を行うことでより短時間・低温条件にてエピタキシャル層由来の積層欠陥または貫通転位といった欠陥を顕在化させることができる。

【0041】

＜工程（３）＞
上述の熱処理によって表面に顕在化した欠陥を検出し、評価する方法としては特に限定はされないが、例えば、走査型電子顕微鏡や表面欠陥検査装置等を用いて行うことができる。走査型電子顕微鏡を用いることによって、エピタキシャル層の欠陥の形状、サイズ、組成、欠陥密度等の詳細な分析をすることができる。また、表面欠陥検査装置を用いることによって、エピタキシャル層の欠陥密度や分布を短時間で正確に分析することができる。

【実施例】

【0042】

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0043】

（実施例１）
評価するエピタキシャルウェーハとして、直径３００ｍｍのシリコンウェーハ上にシリコンゲルマニウムをエピタキシャル成長させたウェーハを用いた。このエピタキシャルウェーハに対して、枚葉式エピタキシャル成長装置において、水素＋塩化水素雰囲気下で塩化水素の混合比率を１％、５％、１０％、３０％とし、６００℃にて１５秒間及び３０秒間の熱処理を行った。また、混合比率を５％、１０％、３０％とし、６００℃にて３秒間の熱処理を行った。熱処理後の欠陥数についてＳＰ３（ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社製）のＤＣＯ（Ｄａｒｋｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｂｌｉｑｕｅ）モード６０ｎｍｕｐにて測定を行った。エピタキシャルウェーハに熱処理を行わなかったときの欠陥数と比較したときの検出欠陥増加率は２倍以上であった。

【0044】

（実施例２）
評価するエピタキシャルウェーハとして、実施例１と同様のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを用いて、枚葉式エピタキシャル成長装置において、水素＋塩化水素雰囲気下で塩化水素の混合比率５％とし、３００，４００，６００，８００℃にて３秒間の熱処理を行った。熱処理後の欠陥数についてＳＰ３のＤＣＯ（Ｄａｒｋｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｂｌｉｑｕｅ）モード６０ｎｍｕｐにて測定を行った。エピタキシャルウェーハに熱処理を行わなかったときの欠陥数と比較したときの検出欠陥増加率は２倍以上であった。

【0045】

（比較例１）
評価するエピタキシャルウェーハとして、実施例１と同様のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを用いて、枚葉式エピタキシャル成長装置において、水素＋塩化水素雰囲気下で塩化水素の混合比率１％とし、６００℃にて３秒間の熱処理を行った。エピタキシャルウェーハに熱処理を行わなかったときの欠陥数と比較したときの検出欠陥増加率は０．９９倍であった。

【0046】

（比較例２）
評価するエピタキシャルウェーハとして、実施例１と同様のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを用いて、枚葉式エピタキシャル成長装置において、水素雰囲気下６００℃にて３秒間、１５秒間、３０秒間の熱処理を行った。熱処理後の欠陥数についてＳＰ３のＤＣＯ（Ｄａｒｋｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｂｌｉｑｕｅ）モード６０ｎｍｕｐにて測定を行った。エピタキシャルウェーハに熱処理を行わなかったときの欠陥数と比較したときの検出欠陥増加率は１．１倍未満であった。

【0047】

（比較例３）
評価するエピタキシャルウェーハとして、実施例１と同様のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを用いて、枚葉式エピタキシャル成長装置において、水素雰囲気下３００，４００，６００，８００℃にて３秒間の熱処理を行った。熱処理後の欠陥数についてＳＰ３のＤＣＯ（Ｄａｒｋｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｂｌｉｑｕｅ）モード６０ｎｍｕｐにて測定を行った。エピタキシャルウェーハに熱処理を行わなかったときの欠陥数と比較したときの検出欠陥増加率は１．１倍未満であった。

【0048】

実施例１と比較例１、２をまとめたものを表１に示す。塩化水素の混合比率１％以上３０％以下の範囲において、塩化水素混合比率１％熱処理時間３秒の場合を除いて検出欠陥増加率が２倍以上となり、エピタキシャルウェーハの欠陥を顕在化し、より高感度に検出可能である。

【0049】

【表1】

【0050】

実施例２と比較例３をまとめたものを表２に示す。熱処理温度３００度以上８００℃以下の範囲において、水素＋塩化水素雰囲気下では検出欠陥増加率が２倍以上となり、エピタキシャルウェーハの欠陥を顕在化し、より高感度に検出可能である。

【0051】

【表2】

【0052】

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。

【図1】