JP2004087665A

JP2004087665A - 高抵抗シリコンウエーハ

Info

Publication number: JP2004087665A
Application number: JP2002244956A
Authority: JP
Inventors: Koji Sueoka; 末岡　浩治; Shinsuke Sadamitsu; 定光　信介; Masato Ito; 伊藤　誠人; Nobumitsu Takase; 高瀬　伸光; Hideshi Nishikawa; 西川　英志
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】ゲッタリング能及び経済性に優れ、しかもデバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの発生を効果的に抑制できる高抵抗シリコンウエーハを製造する。
【解決手段】比抵抗値が１００Ωｃｍ以上で、酸素濃度が１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下の高抵抗・低酸素シリコンウエーハにおいて、デバイス形成領域の下に、ボロンを１×１０^１７〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３のドーズ量でイオン注入し、高濃度ボロン層を形成する。低酸素化により、酸素サーマルドナーの発生が抑制される。酸素析出物（ＢＭＤ）の生成が抑制され、これに依存せずにゲッタリング能が確保される。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波通信デバイスにおける支持基板等に使用される高抵抗シリコンウエーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、近距離無線ＬＡＮに使用される高周波通信デバイスの普及に伴い、高抵抗基板の需要が増大している。高抵抗抵抗が要求されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　：高周波）回路の支持基板には、従来はＧａＡｓなどの化合物半導体技術が用いられることが多かった。しかし、このような化合物半導体基板は非常に高価である。
【０００３】
一方、シリコンＣＭＯＳは、消費電力が大きく、ＲＦ回路には不適と考えられていたが、近時の著しい微細化や設計の進展によってＲＦ回路にも適用可能となってきた。このため、チョクラルスキー法（ＣＺ法）による高抵抗結晶を使った鏡面シリコンウエーハやＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）ウエーハなどの、ＲＦ特性に優れ且つ経済性に優れた高抵抗のシリコンウエーハが、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板に代わって注目を集めている。
【０００４】
しかしながら、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、石英ルツボを使用して結晶育成を行っているため、その結晶中に酸素が過飽和な状態で含有されることになり、この酸素がデバイスの回路形成プロセスの熱処理過程においてサーマルドナーを形成するため、デバイスメーカーの側でウエーハの抵抗率を不安定に変動させるという大きな問題がある。
【０００５】
図１はサーマルドナーがウエーハの抵抗率に与える影響を示している。ドーパントを添加された通常の低抵抗ウエーハの場合、サーマルドナーがウエーハの抵抗率に与える影響は軽微であり、実操業上は問題にならない。ところが、ドーパントが制限された高抵抗ウエーハの場合は、ｎ型だとサーマルドナーの増加に伴って比抵抗値が激減する。ｐ型だとサーマルドナーの増加に伴って当初は比抵抗値が激増するが、更にサーマルドナーが増加を続けるとｐ型がｎ型に転換して比抵抗値が激減するようになる。
【０００６】
このようなサーマルドナーの増加に伴う抵抗率の顕著な変動の問題を解決するために通常は、ＭＣＺ法や内面ＳｉＣコートにより酸素の溶け込みを抑えた特別なルツボを用いて製造された低酸素の高抵抗シリコンウエーハを使用して、サーマルドナーの形成を抑制する対策が採られる。
【０００７】
別の対策としては、例えば比較的高酸素の高抵抗シリコンウエーハを初期基板とし、これに酸素析出核形成熱処理や更には酸素析出物成長熱処理を施して、ウエーハ内部に酸素析出物（ＢＭＤ）を形成する方法が、国際公開第００／５５３９７号パンフレットなどにより提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
いずれの対策も、ウエーハ中の最終酸素濃度が低いためにデバイス形成行程での酸素サーマルドナーの生成に伴う抵抗率の低下を回避できる。しかし、その一方で以下の問題がある。
【０００９】
低酸素ウエーハを使用すると、ウエーハ内部に酸素析出物（ＢＭＤ）が形成されない。酸素析出物（ＢＭＤ）は、ウエーハ表層のデバイス活性領域に存在すると、接合リーク特性等の劣化を引き起こす原因となるが、これがウエーハ内部に存在すると、デバイス形成工程中に混入する金属不純物をデバイス活性領域から除去する、いわゆるＩＧ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　Ｇｅｔｔｅｒｒｉｎｇ）能を発揮する。近年のデバイスでは集積度向上のためにこれまで使用されていない新金属材料が種々用いられ始めており、デバイス形成行程における熱処理温度も低温化しており、酸素析出物（ＢＭＤ）が成長しがたい状況になっている。このため、低酸素ウエーハではＩＧ能の確保が非常に困難である。
【００１０】
ウエーハ内部の酸素析出物（ＢＭＤ）に依存せずにＩＧ能を確保する方法は存在する。例えば多結晶シリコン層をウエーハ表面に堆積する外部ゲッタリング法がそれである。しかし、シリコンウエーハは平坦性やパーティクル低下の観点から両面鏡面となる傾向にあり、この点から外部ゲッタリングの採用は困難になることが予想される。
【００１１】
一方、高酸素ウエーハに酸素析出核形成熱処理や更には酸素析出物成長熱処理を施して、ウエーハ内部に酸素析出物（ＢＭＤ）を形成する方法の場合、ウエーハの表層部にも酸素析出物（ＢＭＤ）が形成される。これは前述したとおり接合リーク特性等の劣化を引き起こす原因となる。このため、酸素析出物（ＢＭＤ）の形成熱処理に先立ち、１１００〜１２５０℃の温度範囲で１〜５時間程度の酸素外方拡散熱処理を施して、ウエーハ表層部を低酸素化し、この部分にＤＺ（Ｄｅｎｕｄｅｄ　Ｚｏｎｅ：無欠陥）層を形成することが必要になる。従って、この方法では熱処理コストが嵩む。
【００１２】
加えて、この方法では初期の酸素濃度に応じて酸素析出物（ＢＭＤ）の形成熱処理条件を変更する必要がある。また、酸素析出が不十分な場合、ＩＧ能が不足する。これらのため、安定なＩＧ能を確保することが困難である。
【００１３】
更に、多量の酸素析出物（ＢＭＤ）はウエーハの機械的強度を低下させ、スリップなどを発生させる原因になる。
【００１４】
本発明の目的は、デバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの発生を効果的に抑制でき、しかも複雑な熱処理に依存せずに安定なＩＧ能を確保できる高抵抗シリコンウエーハを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の高抵抗シリコンウエーハは、比抵抗値が１００Ωｃｍ以上の高抵抗シリコンウエーハであって、ウエーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）を１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下とし、デバイス形成領域の下方にボロンが１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を形成したものである。
【００１６】
本発明の高抵抗シリコンウエーハにおいては、低酸素化により、デバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの生成による抵抗率の変化が防止される。また、デバイス形成領域の下方にボロンが１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を形成したことにより、低酸素化で問題になるＩＧ能の低下が、酸素析出物（ＢＭＤ）に依存せずに回避される。そして、酸素析出物（ＢＭＤ）に依存しないことにより、安定なＩＧ能が得られると共に、酸素析出物（ＢＭＤ）の形成に伴う熱処理コストの増大及び機械的強度の低下が回避される。
【００１７】
高濃度ボロン層がＩＧ能の確保に有効な理由は次のとおりである。ボロンは主要な汚染重金属である鉄や銅と結合しやすく、これらを容易にゲッタリングできる。また、ボロンのイオン注入に伴う欠陥層が形成する歪みにより、ニッケルのゲッタリングも可能である。ドーズ量が１×１０^１４／ｃｍ^２未満であると、これらのゲッタリング効果が不十分であり、１×１０^１６／ｃｍ^２超であるとデバイス活性領域に顕著な欠陥が残留する。特に好ましいドーズ量は、下限については１×１０^１４／ｃｍ^２以上、上限については２×１０^１４／ｃｍ^２以下である。
【００１８】
高濃度ボロン層の形成領域は、ウエーハ表面から高濃度ボロン層までの距離が５〜１５μｍの部分が好ましい。ウエーハ表面から高濃度ボロン層までの距離が５μｍ未満であるとデバイス発生領域の品質が低下する可能性がある。１５μｍを超えるとゲッタリング効果が弱くなる可能性がある。
【００１９】
ウエーハ中の酸素析出量は、２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下が好ましい。これが多いと、ウエーハの機械的強度が低下する。また、熱処理コストの増大に繋がり、経済性が悪化する。
【００２０】
ウエーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）を１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下としたのは、デバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの生成を抑制するためである。特に好ましい酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）は、サーマルドナーのより効果的な抑制の観点から、比抵抗値が１００Ωｃｍ以上３００Ωｃｍ未満の場合で１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、３００Ωｃｍ以上２０００Ωｃｍ未満の場合で７×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、２０００Ωｃｍ以上の場合で５．８×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下である。
【００２１】
酸素濃度の下限については、残留酸素濃度の極端な低下は技術的に難しい上に酸素析出物（ＢＭＤ）の増加を伴う。この増加は前述したとおり熱処理コストの増大を意味し、かつウエーハの機械的強度の低下の原因になる。このため４×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以上が好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
先ずＣＺ法により低酸素〔１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下〕で高抵抗（１００Ωｃｍ以上）のシリコン単結晶を育成する。その方法としては、例えばルツボ回転速度や引上げ炉内圧力等の調整により低酸素化を図り、高純度多結晶シリコン原料を使用して目的の抵抗範囲となるように少量のドーパントを添加する。
【００２４】
シリコン単結晶が育成されると、その単結晶から、低酸素〔１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下〕で高抵抗（１００Ωｃｍ以上）の初期基板を採取する。
【００２５】
シリコン単結晶が後述する無欠陥結晶でない場合、ＣＯＰ〔Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　：空孔の集合体で（１１１）面で囲まれたボイド欠陥〕等のｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥をウエーハ表層部から排除するために、水素ガス又はアルゴンガス或いはこれらの混合ガス雰囲気中で１１５０〜１２００℃×１〜４時間程度のＣＯＰフリーアニールを実施する。
【００２６】
初期基板として低酸素基板を使用しているので、このようなアニールを受けても酸素析出物（ＢＯＤ）の形成は僅かである。
【００２７】
結晶引き上げ工程での操作等により結晶径方向全域から大型ＣＯＰや転位クラスタ等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を排除した無欠陥結晶から得たＣＯＰフリーウエーハの場合は、このようなＣＯＰフリーアニールは不必要である。
【００２８】
必要な各種熱処理の後、例えばウエーハ表面からの距離が５〜１５μｍの領域に、ボロンを１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入し、高濃度ボロン層を形成する。これにより、低酸素〔１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下〕で、ＩＧ能に優れ、しかも酸素析出量が少ない〔例えば２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下〕、高抵抗シリコンウエーハが得られる。
【００２９】
こうして製造された高抵抗シリコンウエーハ製品の特徴は以下のとおりである。
【００３０】
第１に、酸素濃度が低く、デバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの発生が抑制される。第２に、高濃度ボロン層を形成したことにより、ＩＧ能に優れる。第３に、酸素析出量が少ないため、熱処理コストが抑制され、機械的強度が高い。第４に、ウエーハ表面がＣＯＰフリーであり、ＭＯＳ型デバイスにおけるゲート膜耐圧特性の劣化等が回避される。ＣＯＰフリーは、例えばウエーハ表面上で観察される０．１２μｍサイズ以上のＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｐｏｉｎｔ　Ｄｅｆｅｃｔ）の密度：０．２個／ｃｍ^２以下で評価される。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明の実施例を示し、比較例と対比することより、本発明の効果を明らかにする。
【００３２】
（比較例１）
シリコン単結晶インゴットから切り出し、６５０℃×３０分の酸素ドナー消去熱処理を行った、比抵抗値が約１００〜１５００Ωｃｍで、酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）が約１４〜１７×１０１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３の８インチｐ型供試ウエーハに対して、酸素外方拡散熱処理を行った後、酸素析出核形成熱処理及び酸素析出物成長熱処理を行った。
【００３３】
酸素外方拡散熱処理では、窒素・酸素混合ガス雰囲気（窒素ガス１００：酸素ガス３の流量比）に保持され、且つ９００℃に保持された反応炉内にウエーハを挿入し、速度５℃／分で１１５０℃まで炉内温度を高め、炉内を１００％窒素ガス雰囲気に切り替え、１１５０℃で２．５時間保持した。その後、９００℃まで４℃／分の速度で降温して、ウエーハを取り出した。
【００３４】
酸素析出核形成熱処理では、温度５５０℃に保持された反応炉内にウエーハを挿入した後、反応炉内を８５０℃まで昇温し、ウエーハを炉外へ取り出した。昇温速度は５５０〜８５０℃間の滞在時間が５〜２６時間になるように調整した。炉内雰囲気は窒素・酸素混合ガス雰囲気（窒素ガス１００、酸素ガス３の流量比）とした。また酸素析出物成長熱処理では、ウエーハを乾燥酸素雰囲気中で１０００℃×１６時間加熱した。
【００３５】
熱処理後、各ウエーハ中の酸素濃度及び酸素析出量を測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）が約７〜１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３と低く、サーマルドナーの形成による比抵抗値の低下が軽微である。酸素析出量が２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以上と多く、ゲッタリング能に優れる。ウエーハの表層に７μｍ厚以上のＤＺ層が形成されており、デバイス特性の劣化が回避される。ただし、酸素外方拡散熱処理、酸素析出核形成熱処理及び酸素析出物成長熱処理が必要である。また、機械的強度の低下が懸念される。
【００３８】
（比較例２及び実施例）
まず、シリコン単結晶インゴットから切り出し、６５０℃×３０分の酸素ドナー消去熱処理を行った、比抵抗値が約７５０Ωｃｍで、酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）が約８〜１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３の８インチｐ型供試ウエーハを用意した。
【００３９】
次いで、中電流イオン注入装置を使用して１００ｋｅＶの加速電圧により、これらのウエーハ表面からボロンを１×１０^１３〜１×１０^１５／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入した。
【００４０】
その後、ウエーハ表面を鉄、銅及びニッケルにより１×１０^１４／ｃｍ^２の濃度で故意に汚染し、１０００℃×３０分の拡散熱処理を行った。そして、ウエーハ表面をＷｒｉｇｈｔ液で欠陥選択エッチングし、表面に形成されたシリサイドをエッチピットとして検出した。また、イオン注入に伴う表面欠陥の有無も同様のエッチング法で調査した。
【００４１】
評価基準としては、シリサイドのピッチが１×１０^２／ｃｍ^２以上の密度で検出された場合は、ウエーハのＩＧ効果が不十分であり、シリサイドありとした。また、表面欠陥のピットが１×１０^２／ｃｍ^２以上の密度で検出された場合は、ウエーハの表面品質が劣化している判断されるので、欠陥ありとした。調査結果をボロン注入を行わなかった場合の結果と合わせて表２に示す。
【００４２】
【表２】

【００４３】
ボロンドーズ量を１×１０^１４／ｃｍ^２以上とすることにより、十分なＩＧ効果が得られる。イオン注入に伴う表面欠陥を防止する点からは、ボロンドーズ量は２×１０^１４／ｃｍ^２以下が好ましい。
【００４４】
（参考例）
シリコン単結晶インゴットから切り出し、６５０℃×３０分の酸素ドナー消去熱処理を行った、比抵抗値が約１００〜３０００Ωｃｍで、酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）が約４．２〜１３．９×１０１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３の８インチｐ型供試ウエーハに対して、サーマルドナー形成熱処理を行い、酸素濃度による比抵抗の変化を調査した。結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】

【００４６】
ｎ型ｐ型の反転がなく、且つ比抵抗値の変化が初期値の１０倍を超えない酸素濃度は、初期比抵抗が１００Ω以上３００Ωｃｍ未満の場合は１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、３００Ω以上２０００Ωｃｍ未満の場合は７×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、２０００Ωｃｍ以上の場合は５．８×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下である。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の高抵抗シリコンウエーハは、ウエーハ中の酸素濃度が１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）以下に制限されていることにより、デバイスメーカーの側で実施される回路形成用熱処理での酸素サーマルドナーの発生を抑制できる。デバイス形成領域の下方にボロンが１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を有することにより、ゲッタリング能に優れる。酸素析出物（ＢＭＤ）に依存しないので、安定なゲッタリング能を確保できると共に、熱処理コストを低減でき、機械的強度にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サーマルドナーがウエーハの抵抗率に与える影響を示すグラフである。

Claims

比抵抗値が１００Ωｃｍ以上の高抵抗シリコンウエーハであって、ウエーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）が１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下であり、デバイス形成領域の下方にボロンが１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を有することを特徴とする高抵抗シリコンウエーハ。
ウエーハ中の酸素濃度（ＡＳＴＭ　Ｆ−１２１，１９７９　）は、前記比抵抗値が１００Ωｃｍ以上３００Ωｃｍ未満の場合に１２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、３００Ωｃｍ以上２０００Ωｃｍ未満の場合に７×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下、２０００Ωｃｍ以上の場合に５．８×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下である請求項１に記載の高抵抗シリコンウエーハ。
ウエーハ中の酸素析出量が２×１０^１７ａｔｏｍｓ　／ｃｍ^３以下である請求項１又は２に記載の高抵抗シリコンウエーハ。