酸素析出物（BMD）とは

THEME 01 基板・材料 · ウェーハ製造Bulk Micro Defect

THEME 01 基板・材料02 →

酸素析出物（BMD）とは、シリコンウェーハの中に溶け込んでいた酸素が、デバイス工程の熱処理で固まってできた微小な析出物です。 同じ析出物が、ウェーハのどの深さにあるかで役割を入れ替えます。奥にあれば工程で入った重金属を捕まえ、素子を作る表層に残ればゲート酸化膜の耐圧を落とします。表層を空にして奥にだけ育てることが要点で、その両立を、熱処理の低温化とウェーハの薄厚化が難しくしています。

酸素は、CZ法の石英ルツボから入る

BMDはBulk Micro Defectの略です。CZ法で育てたウェーハには溶けきれる量を超えた酸素が不純物として残っており、デバイス工程の熱処理を受けた分だけ酸素が固まってBMDになります¹。バルク微細欠陥という語はシリコン中の酸素析出物を指して使われることが多く、広くはボイドや含有物、スリップラインなどの不具合も含みます²。

酸素の出どころは、結晶を育てるるつぼです。高純度の多結晶シリコンは、石英ルツボの中で約1420℃で融解されます³。石英ルツボを使わないFZ法では、低酸素濃度の単結晶インゴットが育ちます。つまりチョクラルスキー法（CZ法）を選んだ時点で、酸素はシリコンウェハへ入っています。

奥では重金属を捕まえ、素子の領域では特性を落とす

析出物は、素子を作る領域に居座れば素子の特性と信頼性を落とし、ウェーハの奥にあれば工程で紛れ込んだ重金属をつかまえる側へまわります⁴。結晶欠陥や不純物はバンドギャップの中にエネルギー準位を作り、キャリアのライフタイムを短くし、接合のリークを増やします。理想の形は、MOSトランジスタが動く表層のシリコンに析出物がなく、その下の層の析出物がゲッタリングサイトとして働いて、トランジスタを不純物から守る構造です。

表層は空に、奥では重金属を捕まえる

素子を作る表層に析出物がなく、その下の内部に析出物が並ぶのが狙いの形です。表面の近くに入った重金属は、はがされ、運ばれ、内部の析出物につかまります。

ゲッタリングは、はがす、運ぶ、つかまえるの3段

デバイス工程で入った重金属は、素子の電気特性を強く左右し、pn接合の漏れ電流、再結合ライフタイム、ゲート酸化膜の耐圧を劣化させます¹。300mmのULSI製造ラインでも、活性層への重金属汚染の懸念は続いています。BMDが乏しいと、工程で入った金属汚染の行き先がデバイス層のままになります。

ゲッタリングは三つの段取りで進みます。第一に、表面の近くから重金属をはがして動ける状態にします。第二に、はがした重金属を捕獲層まで運びます。第三に、捕獲層でつかまえます。

捕獲層の作り方は二つあります。イントリンシックゲッタリング法は、ウェーハへ元から溶けている酸素を元手にし、デバイス工程の熱で析出の核を生じさせ、結晶の内部へ酸素析出物を育てます。エクストリンシックゲッタリング法は、ウェーハ裏面へSiO2砥粒などのサンドブラストを照射するか、裏面へポリバック膜を付けて捕獲層を作ります。BMDそのものを元手にするのは前者です。

SUMCOは、電気特性を劣化させる重金属不純物を捕獲するゲッタリング能力を付加したポリッシュト・ウェーハ⁵も製造しています。ウェーハを買う側は、この能力を込みで買っています。析出のしやすさは、デバイス工程を模した熱処理の前後で格子間酸素がどれだけ減ったかで測る試験法があり、破壊試験なので抜き取りで行います。

薬液で見えない析出物が表層に残り、耐圧の不良率を上げる

ウェーハ表面近傍に残留する酸素析出物は、デバイスの特性へ悪影響を及ぼします。豊田中央研究所の中嶋健次らは、デバイス作製プロセス実施後のウェーハで、表面無欠陥層の幅を二通りの方法で測りました。薬液エッチングでは、表面に幅約20マイクロメートルの無欠陥層が明確に観測されました。ところが同じウェーハを異方性ドライエッチングで深さ6マイクロメートルまで削ると、そこに酸素析出物が見つかりました⁴。薬液エッチングの検出下限を下回る微小な酸素析出物が、表面近傍に残っていたわけです。

同じウェーハでも、測り方で無欠陥層の幅が変わる

薬液エッチングでは表面から約20マイクロメートルが無欠陥層に見えますが、検出下限が数十ナノメートルなので微小な析出物を取りこぼします。異方性ドライエッチングで削ると、深さ6マイクロメートルにも析出物が見つかります。

中嶋らは、表層に居残った析出物の密度と、MOSキャパシタで測ったゲート酸化膜の耐圧不良率に相関を得ています。薬液エッチングでは全ての試料に幅10〜20マイクロメートルの明確な無欠陥層が観測された条件での結果で、無欠陥層が広く観測されたウェーハでも耐圧は落ちていました。検出下限を下回った析出物は数のうえで消えますが、耐圧へは響きます。

増えすぎた酸素析出物は、別の欠陥の種にもなります。OSFリングは、高い温度で酸化したときに成長軸のまわりへ輪の形に積層欠陥が並ぶ、CZ結晶だけに出る領域です⁶。この輪の中では酸化の最中に析出物が高い密度で立ち、その一つ一つが積層欠陥の核になります。

反応性イオンエッチングで、検出感度を約1桁上げる

酸素析出物の検出には薬液エッチングや光散乱法が広く使われ、検出下限は数十ナノメートル程度です⁴。TEMは極微小な析出物を撮れますが、観察範囲が限られるため、低密度の析出物の分布を測るのは難しくなります。

中嶋らの手法は、シリコンウェーハを反応性イオンエッチングで削り、SiO2に対する選択比の大きい条件を採ることで、SiOx（xは2未満）を成分とする酸素析出物を頂点としたシリコンの円錐として検出します。円錐の数の面内分布と高さの分布から、酸素析出物の密度の面内分布と深さ方向分布が出ます。円錐の先端を拡大観察すれば、板状か八面体かも区別できます。中嶋らの条件では、約25マイクロメートルの深さまでナノメートルサイズの酸素析出物を検出し、二つのエッチング条件でそれぞれ8ナノメートルと4ナノメートルまで届き、従来法に比べ約1桁の高感度化を得ました。深さ方向分解能は±0.3マイクロメートル程度です。

削らずに測る方法もあります。赤外光はほぼ全ての半導体材料に入り込み、BMDはその場所の光学特性を変えるので、赤外光を当てて赤外線カメラで調べるとBMDを検出できます。セミラボ・ジャパンは、レイリー散乱光を暗視野の配置で集め、低雑音で高感度の赤外線検出を使うことで、検出限界を15nmまで下げられるとしています²。同社は、自社のEnVisionが欠陥サイズで15nmからサブミクロン、密度でE6からE10/cm³までを扱えるとしています。

酸素そのものの分布を見る手もあります。東レリサーチセンターは、SIMSの中で空間分解能が最も高いNanoSIMS 50Lで測った結果⁷、無欠陥領域とバルク層で酸素濃度に違いが見られ、バルク層には面内の酸素の分布が認められたとしています。同じ測定で、BMDの明瞭な分布は捉えられていません。

低温化と薄厚化が捕獲力を削り、炭素で補う

近年の二つの流れが、イントリンシックゲッタリング法とエクストリンシックゲッタリング法の力を削っています¹。前工程では、熱処理の低温化と短時間化が進み、ウェーハ内部で形成される酸素析出物の成長が抑えられます。後工程では、デバイスを実装する際のシリコンウェーハの薄厚化が進み、ゲッタリング層が減ります。SUMCOの栗田一成は、この二つが重なって、従来の二つの方法による捕獲が手薄になる場面が出てきたとみています。熱バジェットを削る動きとウェハ薄化の動きは、BMDの側では引き算になります。

打ち手は二つあります。一つは炭素添加です。SUMCOはCZ単結晶を育てる段階であらかじめ炭素を混ぜたn型シリコンウェーハを作り、通常のウェーハに比べ、デバイス工程の熱処理で酸素が析出しやすくなるとしています。用途は、一眼レフカメラの撮像素子（CCD/CMOSセンサ）向けのシリコンウェーハが主でした。

もう一つは炭素クラスタイオン照射です。分子イオンを低いエネルギーで加速してウェーハ表面の近くへ濃い炭素の層を打ち込み、そのうえでエピタキシャル成長を行います。成長させた層のすぐ下が捕獲層になります。照射エネルギーが低いため、回復熱処理を省いたままエピタキシャル成長へ進めます。SUMCOの測定では、クラスタサイズC3H5・ドーズ量1E15cm⁻²という条件で、表面へ塗布したFe・Cu・Niがエピタキシャル層の直下の炭素の注入飛程レンジへ捕まりました。

薄くなったウェーハの代わりに、エピ層の直下で捕まえる

熱処理の低温化と短時間化で析出物は育ちにくくなり、薄厚化でゲッタリング層そのものが減ります。SUMCOの測定では、炭素クラスタイオン照射でエピタキシャル層の直下に打ち込んだ炭素の層が、表面に塗布したFe・Cu・Niを捕まえました。

表層の酸素は抜き、内部では析出物を育てる

表層側の手当ても要ります。ポリッシュト・ウェーハを水素またはアルゴンの雰囲気で高温熱処理し、ウェーハ表面近くの酸素を除いて表層の結晶完全性を高めたもの⁵がアニール・ウェーハです。信越化学工業もアニールウエハーをシリーズ名称に含めています⁸。表層の酸素を抜く操作と、内部で析出物を育てる操作は向きが逆です。両方を同じウェーハで成り立たせるところに、酸素濃度と熱処理の条件を刻む理由があります。

よくある質問（FAQ）

酸素析出物（BMD）とは何ですか？

シリコンウェーハに溶け込んでいた酸素が、デバイス工程の熱処理で固まってできた微小な析出物で、BMDはBulk Micro Defectの略です。CZ法で育てたウェーハには溶けきれる量を超えた酸素が残っており、熱処理を受けた分だけ固まってBMDになります。

酸素はどこから入りますか？

結晶を育てる石英ルツボからです。多結晶シリコンは石英ルツボの中で約1420℃で融解され、石英ルツボを使わないFZ法では低酸素濃度の単結晶インゴットが育ちます。

なぜウェーハの中に欠陥を作るのですか？

工程で入った重金属を、素子から離れた奥で捕まえるためです。重金属が素子の層に居残ると、pn接合の漏れ電流、再結合ライフタイム、ゲート酸化膜の耐圧が劣化します。

表面の近くにあると何が困りますか？

酸化膜の耐圧が落ちます。豊田中央研究所の中嶋健次らは、薬液エッチングで幅10〜20マイクロメートルの無欠陥層が観測された試料でも、表層に居残った析出物の密度とゲート酸化膜の耐圧不良率に相関を得ています。

どうやって測りますか？

薬液エッチングと光散乱法が広く使われ、検出下限は数十ナノメートル程度です。中嶋らは反応性イオンエッチングで析出物をシリコンの円錐として検出し、約25マイクロメートルの深さまで、8ナノメートルと4ナノメートルの析出物まで捉えました。赤外光の散乱で内部を測る装置もあります。

イントリンシックゲッタリングとエクストリンシックゲッタリングはどこが違いますか？

捕獲層の作り方です。前者はCZウェーハに固溶している酸素からバルク結晶内に酸素析出物を作り、後者はウェーハ裏面へSiO2砥粒などのサンドブラストを照射するか、裏面へポリバック膜を付けて捕獲層を作ります。BMDそのものを使うのは前者です。

最近、従来のやり方が届きにくくなった理由は何ですか？

前工程と後工程の両方から捕獲力が削られたためです。熱処理の低温化と短時間化で内部の酸素析出物の成長が抑えられ、ウェーハの薄厚化でゲッタリング層が減り、従来の二つの方法では捕獲が手薄になる場面が出てきました。

比較・違いを学ぶ

結晶欠陥（COP）とは── 表面まで達すると酸化膜の耐圧を落とす空洞、BMDは内部にあると守り手になる析出物です
金属汚染とは── BMDが捕まえる相手そのものです
熱処理（半導体製造）とは── BMDを育てるのも、抑えるのも、この温度と時間です

出典

8件を表示