(57)【要約】【課題】  基板に対してフラッシュランプアニールのような高温かつ短時間の熱処理を施す場合に、裏面のキズやクラックを起点とする基板の割れを抑制することが可能な基板の製造方法および基板を提供すること。【解決手段】  本発明の基板の製造方法の一実施形態は、半導体ウェーハ１０の裏面１２に、圧縮応力を負荷する膜１３を形成する第１工程と、表面１１に対して閃光を照射することによって、半導体ウェーハ１０の表面１１のみに高温かつ短時間の熱処理を施す第２工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の裏面に、圧縮応力を負荷する膜を形成する第１工程と、
前記基板の表面に対して閃光を照射することによって、前記基板の表面のみに高温かつ短時間の熱処理を施す第２工程と、
を有することを特徴とする基板の製造方法。
【請求項２】
前記基板が、シリコンウェーハであり、
前記膜が、シリコン窒化膜である請求項１に記載の基板の製造方法。
【請求項３】
前記膜の膜厚が、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の基板の製造方法。
【請求項４】
前記第２工程の後、前記膜を除去する第３工程を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の基板の製造方法。
【請求項５】
前記裏面の全面に前記膜を形成する請求項１乃至４のいずれかに記載の基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の熱処理を施すための基板であって、
該基板の裏面に、圧縮応力を負荷する膜を有することを特徴とする基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、特には半導体ウェーハの製造方法に関し、特に、フラッシュランプアニールのような高温かつ短時間の熱処理をウェーハ表面のみに施した際の熱衝撃に耐えうる基板の製造方法に関する。また、本発明は、上記熱処理を施すための基板にも関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造の不純物添加工程において、半導体ウェーハにイオン注入を行った後、急速な熱処理を行うことが知られている（イオン活性化工程）。従来、イオン活性化工程では、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置で、数秒程度かけて半導体ウェーハを１０００℃以上の温度に加熱していた。
【０００３】
従来のランプアニール装置によるイオン活性化では熱により多少のイオン拡散が生じるところ、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて、これまで問題とされなかった上記のイオン拡散が問題となりつつある。具体的には、イオン拡散によって接合深さが要求よりも深くなりすぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。
【０００４】
近年、イオン活性化工程で、フラッシュランプアニールの技術を用いることが知られている。フラッシュランプアニールとは、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェーハの表面に閃光を照射し、イオンが注入された半導体ウェーハの表面のみを極めて短時間（例えば、数ミリセカンド以下）に昇温させる熱処理技術である。このような極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができる。
【０００５】
ところが、フラッシュランプアニールでは極めて高いエネルギーを有する光を瞬間的に半導体ウェーハの表面に照射するため、一瞬で表面温度が急速に上昇し、半導体ウェーハの表面だけが急激に熱膨張する結果、半導体ウェーハに割れが生じる問題があった。
【０００６】
この熱膨張による半導体ウェーハの割れを防止する技術として、特許文献１には、フラッシュランプアニールを行う熱処理装置において、半導体ウェーハを保持するサセプタの周縁部にテーパを設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、半導体ウェーハを点接触で支持する複数の支持ピンを有する熱処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４７３３９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フラッシュランプアニールのような高温かつ短時間の熱処理を半導体ウェーハに対して施した場合、半導体ウェーハの表面だけが急激に温度上昇し、瞬間的に半導体ウェーハの厚み方向に大きな温度差が生じることに伴い、半導体ウェーハ内部に熱衝撃が作用し、半導体ウェーハに数１００ＭＰａという膨大な熱応力が発生する。そして、本発明者の検討によれば、その結果、半導体ウェーハの表面（閃光が照射された面）には圧縮応力が、裏面には引張応力が発生するところ、裏面にかかる引張応力が所定の臨界値を超えると、半導体ウェーハ裏面に存在するクラックを起点として半導体ウェーハに割れが生じることが判明した。これは、裏面にかかる引張応力が、クラックを引き裂く方向に作用するためと考えられる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、半導体ウェーハの端部とサセプタとが接触していると該端部に応力がかかることからサセプタの周縁部にテーパを設けたに過ぎない。つまり、半導体ウェーハの端部におけるにかかる応力に起因する割れにのみ着目しており、裏面のクラックを起点とした割れには何ら着目していない。よって、裏面のクラックを起点として生じる割れを防止できるものではない。
【００１０】
また、特許文献２に記載の技術では、熱膨張によって生じる半導体ウェーハの変形を拘束しないために、半導体ウェーハを点接触で支持する複数の支持ピンを設けたに過ぎず、こちらも裏面のクラックを起点として生じる割れを防止できるものではない。
【００１１】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、半導体ウェーハ等の基板に対してフラッシュランプアニールのような高温かつ短時間の熱処理を施す場合に、裏面のクラックを起点とする基板の割れを抑制することが可能な基板の製造方法および基板を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、裏面のクラックが起点となって割れを生じるのは、裏面にかかる引張応力が原因であると考え、予め半導体ウェーハの裏面に圧縮応力を負荷する膜を形成した上で熱処理を行うことで、熱処理時に半導体ウェーハ裏面に発生する引張応力を緩和（相殺）し、割れを抑制できるとの知見を得、本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明は、上記の知見に基づくものであり、その要旨構成は以下の通りである。
（１）  基板の裏面に、圧縮応力を負荷する膜を形成する第１工程と、
前記基板の表面に対して閃光を照射することによって、前記基板の表面のみに高温かつ短時間の熱処理を施す第２工程と、
を有することを特徴とする基板の製造方法。
【００１４】
（２）  前記基板が、シリコンウェーハであり、
前記膜が、シリコン窒化膜である上記（１）に記載の基板の製造方法。
【００１５】
（３）前記膜の膜厚が、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の基板の製造方法。
【００１６】
（４）前記第２工程の後、前記膜を除去する第３工程を有する上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の基板の製造方法。
【００１７】
（５）前記裏面の全面に前記膜を形成する上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の基板の製造方法。
【００１８】
（６）上記（１）に記載の熱処理を施すための基板であって、
該基板の裏面に、圧縮応力を負荷する膜を有することを特徴とする基板。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、予め半導体ウェーハ等の基板の裏面に圧縮応力を負荷する膜を形成した上で熱処理を行うことで、熱処理時に基板裏面に発生する引張応力を緩和（相殺）するため、裏面のクラックを起点とする基板の割れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態である半導体ウェーハの製造方法を構成する主な工程を示す概念図である。
【図２】本発明の熱処理を施すための基板の一実施形態である半導体ウェーハを示す模式断面図である。
【図３】実施例・比較例において、閃光の照射エネルギーと半導体ウェーハ裏面に生じる最大応力との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。
【００２２】
（実施形態１：半導体ウェーハの製造方法）
図１は、本発明の一実施形態である半導体ウェーハの製造方法を構成する主な工程を示す概念図である。
図１（ａ）：
ここで、熱処理の対象となる基板としての半導体ウェーハ１０は、イオン注入法により不純物が添加された半導体ウェーハであり、添加された不純物の活性化を以下の工程で行う例を示す。すなわち、図１（ａ）は、半導体ウェーハ１０に対してフォトリソグラフィー工程によってパターンを形成し、イオン注入法により不純物領域１６を設けた状態である。符号１１は半導体ウェーハ１０の表面、符号１２は半導体ウェーハ１０の裏面を示す。また、符号１４は例えばシリコン酸化膜であり、符号１５はフォトレジストである。
【００２３】
図１（ｂ）：
裏面１２に圧縮応力を負荷する膜１３（以下「裏面膜」という。）を形成する工程（第１工程）であり、詳細は後述する。
【００２４】
図１（ｃ）：
表面１１に対して閃光を照射することによって、半導体ウェーハの表面１１のみに高温かつ短時間の熱処理を施す（第２工程）。本実施形態においては、フラッシュランプアニールによる熱処理である。
【００２５】
ここで、裏面膜１３を設けずにフラッシュランプアニールによる熱処理を施す場合を考える。この場合、半導体ウェーハの表面１１のみが瞬間的に加熱されるため、瞬間的に半導体ウェーハ１０の厚み方向に温度差が生じ、その結果、表面１１側が裏面１２に比べて大きく熱膨張することによって、表面１１には圧縮応力が生じ、裏面１２には引張応力が生じることとなる。そのため、裏面にクラックがあると、そこを起点として割れが生じるおそれがある。本実施形態においては、裏面膜１３によって裏面に予め圧縮応力が負荷されているため、フラッシュランプアニールを行っても、裏面に生じるはずの引張応力が、裏面膜１３により負荷される圧縮応力と相殺し、緩和される。その結果、裏面のクラックを起点とする割れを有効に防止することができる。
【００２６】
図１（ｄ）：
フラッシュランプアニールによる熱処理工程の後、裏面膜１３を除去する（第３工程）。また、フォトレジスト１５も除去して、前工程を完了する。なお、必ずしも裏面膜１３を除去する必要はなく、所望の半導体ウェーハに応じて、裏面膜１３を残したままでも構わない。
【００２７】
ここで、本発明で問題としている瞬間的な熱膨張が生じる高温かつ短時間の熱処理であるフラッシュランプアニールについて説明する。この熱処理は、窒素ガスで満たされたチャンバー内に半導体ウェーハを搬入し、その表面に向かってキセノンフラッシュランプから閃光を照射するものである。キセノンフラッシュランプは、その内部にキセノンガスが封入され、その両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設されたガラス管と、該ガラス管の外周面上に巻回されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。このキセノンフラッシュランプにおいては、予め蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下という極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。そのため、半導体ウェーハの表面１１を短時間で上昇させることができる。なお、上記のような短パルスの発光が実現できるものであれば、フラッシュランプアニールに用いられる光源はキセノンランプに限定されない。
【００２８】
フラッシュランプからの閃光照射により加熱される半導体ウェーハの表面温度は、瞬間的に１０００℃以上１２００℃以下程度まで上昇し、半導体ウェーハに添加された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。
【００２９】
このように、半導体ウェーハの表面温度を極めて短時間で昇降させることができるため、半導体ウェーハに添加された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリ秒〜１００ミリ秒程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。
【００３０】
本実施形態では、フラッシュランプアニール工程（図１（ｃ））の前に、半導体ウェーハ１０を予備加熱しておくことが好ましい。これにより、フラッシュランプからの閃光照射によって半導体ウェーハの表面温度を所望の温度まで速やかに上昇させることができる。予備加熱温度は、半導体ウェーハに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃以上６００℃以下、好ましくは３５０℃以上５５０℃以下とされる。
【００３１】
フラッシュランプからの閃光照射により加熱される半導体ウェーハの表面温度は瞬間的に１０００℃以上１２００℃以下程度まで上昇する一方、その瞬間の裏面温度は３５０℃以上５５０℃以下の予備加熱温度からさほどには上昇しない。このような表面温度および裏面温度をとる場合の温度差（少なくとも４５０℃以上の温度差）が原因で、半導体ウェーハの表面１１を凸面とした反りが生じうる。
【００３２】
なお、本発明にかかる製造方法で半導体ウェーハに対して施される熱処理は、上記のような表面温度、閃光時間、表面と裏面との温度差を生じるものであれば、フラッシュランプアニールに限られることはない。例えば、レーザースパイクアニールなどが挙げられる。この熱処理は、フラッシュランプアニールのようなウェーハ全面一括照射ではなく、部分的にレーザーを走査してアニールする点では異なるが、フラッシュランプアニールと同様に、基板の表面のみに高温かつ短時間の熱処理を施す方法である。そして、このように部分的な熱処理であっても、当該熱処理された表面のみの急激な熱膨張に起因する裏面の割れが懸念される。
【００３３】
次に、形成する裏面膜１３について詳細に説明する。裏面膜１３は、熱処理時の裏面温度下で、裏面１２に圧縮応力を負荷する膜であれば特に限定されないが、半導体ウェーハ１０がシリコンウェーハである場合、裏面膜１３はシリコン窒化膜であることが好ましい。そして、シリコン窒化膜の組成は、好ましくはＳｉ３Ｎ４である。シリコン窒化膜であれば、予備加熱をした場合の裏面温度であっても、裏面１２に対して圧縮応力を負荷する。
【００３４】
裏面膜１３は膜厚が、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ未満となると、熱処理時に裏面に生じる引張応力を十分に相殺することができず、裏面のクラックを起点とした割れを十分に抑制できない可能性があり、２０００ｎｍを超えると、本発明の効果も飽和してくる上にコスト高となるためである。
【００３５】
また、裏面膜１３は、裏面１２の一部分に形成しても良いが、裏面のクラックを起点とした割れを十分に抑制するためには、裏面１２の全面に形成することが好ましい。
【００３６】
裏面膜１３は公知の方法で形成することができ、シリコン窒化膜は例えば、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって形成することができる。これらのうち、特にモノシランガスとアンモニアガスからなる原料ガスを、加熱した触媒を介してシリコンウェーハ上に供給して、該基板上にシリコン窒化膜を成膜する触媒化学気相堆積法（触媒ＣＶＤ法）や、例えばＳｉＨ２Ｃｌ２及びアンモニアを原料ガスとした約７００℃程度の温度条件での減圧ＣＶＤ法が用いられている。
【００３７】
また、裏面膜１３は公知の方法で除去することができ、シリコン窒化膜は例えば、ドライエッチングやウェットエッチングにより除去することができる。ドライエッチングの場合、薬液にはリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を用い、１５０℃程度に加熱し、エッチングレートは１〜１０ｎｍ／ｍｉｎとするのが一般的である。ドライエッチングの場合、例えばＣＦ４／Ｏ２／Ｎ２混合ガスやＮＦ３／Ｏ２／Ｎ２混合ガスを用いる。
【００３８】
なお、本実施形態では、フラッシュランプアニール工程（図１（ｃ））の直前の工程で裏面膜１３を形成し、直後の工程で裏面膜１３を除去したが、裏面膜１３を形成する工程、除去する工程は本実施形態の順序に限られない。例えば、裏面膜１３を形成した後に、イオン注入工程を行っても構わない。
【００３９】
また、本実施形態のように、裏面膜形成工程と熱処理工程を一連に行わなくとも、予め裏面膜１３を形成した半導体ウェーハの表面１１に対して、熱処理を行う場合も、本発明の要旨の範囲内である。
【００４０】
（実施形態２：半導体ウェーハ）
図２は、本発明の熱処理を施すための半導体ウェーハの一実施形態を示す摸式断面図である。図２は、実施形態１で説明した製造方法におけるフラッシュランプアニール工程を行う前の半導体ウェーハ（図１（ｃ）に示したもの）であり、半導体ウェーハ１０の裏面に直接、圧縮応力を負荷する膜１３を有するものである。
【００４１】
また、裏面１２と裏面膜１３との間には、圧縮応力を負荷する膜以外の膜を介する構造でも構わない。例えば、半導体ウェーハに対して圧縮応力も引張応力も負荷しない膜であれば、裏面１２と裏面膜１３との間に介在させることができる。また、半導体ウェーハに対して引張応力を負荷する膜であっても、裏面膜１３が負荷する圧縮応力を相殺しない程度の膜であれば介在させることができる。例えば、半導体ウェーハがシリコンウェーハの場合、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜はシリコンウェーハに対して圧縮応力を負荷するが、裏面膜１３よりも膜厚が小さければよい。
【００４２】
また、上記各実施形態においては、半導体ウェーハに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明に適用される基板は半導体ウェーハに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して、本発明にかかる裏面膜の形成および熱処理を行っても良い。このようなガラス基板でも、半導体ウェーハと同様に、フラッシュランプアニールにより裏面のクラックを起点とする基板の割れの可能性があるためである。
【００４３】
一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる裏面膜を形成し、非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することができる。また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して、本発明にかかる裏面膜を形成し、光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。
【００４４】
なお、ウェーハ径が大きくなるほど熱衝撃による割れの影響は大きくなる。このため、本発明は、特に半導体ウェーハの径が３００ｍｍ以上の大口径ウェーハに適用すると顕著な効果がある。
【実施例】
【００４５】
ウェーハ径が３００ｍｍ、厚さが０．７２５ｍｍのシリコンウェーハの裏面に対して、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を１００ｎｍ（実施例１）、２００ｎｍ（実施例２）、３００ｎｍ（実施例３）それぞれ設けたシリコンウェーハを実施例１〜３とした。また、裏面膜を形成しないシリコンウェーハを比較例１とした。裏面に引張応力を負荷する膜であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３００ｎｍ設けたシリコンウェーハを比較例２とした。裏面にポリシリコン膜を１μｍ設けたシリコンウェーハを比較例３とした。
【００４６】
それぞれのシリコンウェーハについて、有限要素法により裏面の応力（ウェーハ面内最大値）を計算した結果を図３に示す。なお、有限要素法とは以下のような手法である。計算モデルとして、ウェーハ中心の厚み方向を軸とした２次元軸対象モデルを用いた。まず、フラッシュランププロセスでのウェーハ中の熱分布計算を行うために、フラッシュランプの波長分布および照射強度から求められるウェーハの深さ方向の吸収エネルギー分布を境界条件として与え、温度分布の経時変化を計算した。この時、フラッシュランプ照射強度の時間変化は任意に与えることができる。この熱分布の計算結果から、各時間における温度分布を入力条件として、応力計算を実施することができる。
【００４７】
実施例１〜３においては、膜厚を厚くするにつれて、同じ照射エネルギーでの裏面最大発生応力が小さくなっている。そして、実施例３では、裏面膜のない比較例１に比べて、５ＭＰａ以上応力が減少している。例えば、１１０ＭＰａの応力が生じる照射エネルギーは、裏面膜のない比較例１では２３Ｊ／ｃｍ２であるが、実施例３では２４Ｊ／ｃｍ２以上である。このように、シリコン窒化膜を設けることによって、より大きな照射エネルギーでフラッシュランプアニールを行っても割れの生じる応力値の閾値にならないため、より照射エネルギーを大きくしても割れが生じにくくなる。
【００４８】
一方、シリコン酸化膜を形成した比較例２では、逆に比較例１よりも裏面最大発生応力が大きくなった。これは、シリコン酸化膜が裏面に対して引張応力を負荷する膜であるためである。また、ポリシリコン膜を形成した比較例３は、比較例１と略同じ応力の値となった。これは、ポリシリコン膜は裏面に対して圧縮応力も引張応力もほとんど負荷しない膜であるためである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、予め半導体ウェーハの裏面に圧縮応力を負荷する膜を形成した上で熱処理を行うことで、熱処理時に半導体ウェーハ裏面に発生する引張応力を緩和（相殺）するため、裏面のクラックを起点とする半導体ウェーハの割れを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  半導体ウェーハ
１１  半導体ウェーハの表面
１２  半導体ウェーハの裏面
１３  裏面に対して圧縮応力を負荷する膜
１４  酸化膜
１５  フォトレジスト
１６  不純物領域
【図１】
2011233815.tif 000003
【図２】
2011233815.tif 000004
【図３】
2011233815.tif 000005