JP2010177355A - シリコンエピタキシャルウェーハ及びシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法並びにエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のようなミスフィット転位が発生しやすいシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長させるに際して、ミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができるシリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法並びにエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハであって、前記シリコン単結晶基板はドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものであり、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンエピタキシャルウェーハとその製造方法並びにエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板に関し、詳しくは半導体の集積回路素子用の基板として好適なシリコンエピタキシャルウェーハとその製造方法に関する。

シリコン半導体の集積回路素子（デバイス）の高集積化は、急速に進んでおり、デバイスが形成されるシリコンウェーハの品質に対する要求は、ますます厳しくなっている。
すなわち、高集積化に伴い集積回路は微細となる。そのため、デバイスが形成されるいわゆるデバイス活性領域では、転位などの結晶欠陥および金属系不純物が厳しく制限される。これらは、リーク電流の増大およびキャリアのライフタイム低下の原因となるためである。

近年、電源コントロールなどの用途として、パワー半導体デバイスが用いられている。パワー半導体デバイス用の基板としては、チョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶インゴットをスライスし、得られたシリコン単結晶基板の表面に、結晶欠陥をほぼ完全に含まないシリコンエピタキシャル層を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハが主に利用されている。

パワー半導体デバイスでは、さらなる低消費電力化に向け、抵抗率が低いウェーハの提供が求められているため、シリコンエピタキシャルウェーハのシリコン単結晶基板には、一般的に高濃度にドーパントがドープされている。
例えば、ｎ型シリコンエピタキシャルウェーハの場合では、ｎ型のドーパントである砒素（Ａｓ）を高濃度にドープすることで、２［ｍΩ・ｃｍ］程度の低抵抗のシリコン単結晶基板を作製し、その表面上にシリコンエピタキシャル層を成長させる。また、ｐ型のシリコン単結晶基板の場合では、ｐ型のドーパントであるボロン（Ｂ）を高濃度にドープし、１０〜２０［ｍΩ・ｃｍ］の低抵抗のｐ型のシリコンエピタキシャルウェーハの基板とする。

しかしながら、特に２０［ｍΩ・ｃｍ］以下の抵抗率のシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長させると、シリコン単結晶基板の格子定数とシリコンエピタキシャル層の格子定数との差を起因とし、エピタキシャルウェーハ内にミスフィット転位が発生する。
このミスフィット転位はエピタキシャル成長中にシリコンエピタキシャル層の表面に移動することから、ミスフィット転位が存在すると、半導体デバイスを作製する活性領域に転位が存在することになる。

このように、シリコンエピタキシャル層に結晶欠陥としての転位が存在すると、デバイスの動作不良の原因となり、良品歩留りが低下する。

上述した問題を解消する従来技術として、例えば特許文献１，２のように、ボロン（Ｂ）をドープしたシリコン単結晶基板にゲルマニウム（Ｇｅ）をドープする方法が知られている。

米国特許第４７６９６８９号 特開２００４−１７５６５８号公報

しかし、この特許文献にあるようなボロンドーピングによるシリコン結晶格子の変位をゲルマニウムドーピングによって打ち消すには、ドープしたボロンと同程度かそれ以上のゲルマニウムを添加する必要がある。
このようにボロンのみならずゲルマニウムといった不純物を高濃度にシリコンに添加した場合、全体として添加するドーパントのドープ量が多くなりすぎる為、シリコン単結晶育成時にシリコン単結晶が有転位化する確率が高まり、シリコン単結晶インゴットの製造時の結晶歩留りを低下させるという問題があった。

本発明は、抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のようなミスフィット転位が発生しやすいシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長させるに際して、ミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができるシリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法並びにエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハであって、前記シリコン単結晶基板はドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものであり、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハを提供する。

ボロンを高濃度に添加した極低抵抗率シリコン単結晶基板（２０［ｍΩ・ｃｍ］以下）は、通常抵抗率（１０［Ω・ｃｍ］程度）のシリコン単結晶に比べ格子定数が小さい。そのため、このような極低抵抗率のシリコン単結晶基板上に１０［Ω・ｃｍ］程度のエピタキシャル層を形成すると、それぞれの格子定数の違いによって、ミスフィット転位が発生してしまう。
本発明では、この高濃度ボロンの添加によるシリコン単結晶基板の結晶格子の縮小化がガリウム同時添加によって抑制されている。ガリウムは、シリコンの結晶格子を膨張化する作用を有しているため、２０［ｍΩ・ｃｍ］以下といった極低抵抗率シリコンエピタキシャルウェーハのシリコン単結晶基板に、ボロンに加えガリウムが添加されたものを用いることで、ボロンによる結晶格子縮小化とガリウムの膨張作用が打ち消しあい、結晶格子の縮小化が抑えられたものとなっている。その結果、シリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層が形成された際、シリコンエピタキシャル層の格子定数とシリコン単結晶基板の格子定数との差が小さいものとなり、ミスフィット転位の発生が効果的に抑制されたものとすることができる。

また、ガリウムはアクセプタ型ドーパントとしても働く為、ボロンのみが添加された場合やボロンとゲルマニウムが同時に添加された場合に比べて、ガリウムを同時に添加する本発明のほうが結晶中のボロン濃度やこれに添加するドーパント濃度を低く抑えることが出来るようになる。これによってボロンドープ量を減らせる為、結晶格子の縮小化を更に抑えることが可能となり、結果としてミスフィット転位の発生が抑制されたデバイス特性の優れたシリコンエピタキシャルウェーハとすることが可能となる。
さらに、上述の効果によってボロンとゲルマニウムを添加する場合に比べて結晶育成時の不純物添加量が全体として少なくなり、結晶の有転位化がより起き難くなったシリコンエピタキシャルウェーハとなっている。

ここで、前記シリコン単結晶基板は、前記ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、該シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、前記シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が１以上の値になった場合はＲ＜１とし、（２）式において右辺が０以下になった場合はＲ＞０とする）ものとすることが好ましい。

このように、ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が上記（１）式、（２）式を同時に満たすようにドープされたシリコン単結晶基板が用いられたシリコンエピタキシャルウェーハであれば、シリコンエピタキシャル層の格子定数とシリコン単結晶基板の格子定数との差をより小さいものとすることができ、ミスフィット転位の発生がより効果的に抑制されたものとすることができる。

また、本発明では、シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板として、ドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加され、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のものを用いることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。

このように、ドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加された抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のシリコン単結晶基板を用いてシリコンエピタキシャルウェーハを製造することによって、高濃度にボロンが添加されたことによるシリコンの結晶格子の縮小化がガリウム添加によって抑制されているため、形成されたシリコンエピタキシャル層とシリコン単結晶基板の格子定数の差が従来に比べて十分に小さなものとすることができる。これによってミスフィット転位の発生をより効果的に抑制することができる。
また、シリコンと同族であるゲルマニウムと異なり、ガリウムはアクセプタ型ドーパントとしても作用するため、ボロンとゲルマニウムを同時にドープする場合に比べて添加量を少なくすることができ、結晶育成の際の有転位化をより効果的に防止することができる。そしてボロンのみをドープする場合に比べてボロン濃度を低減できるため結晶格子の収縮化を防止することができ、よりミスフィット転位の発生が抑制されたものとすることができる。

ここで、前記シリコン単結晶基板として、前記ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、該シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、前記シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が１以上の値になった場合は、Ｒ＜１とし、（２）式において右辺が０以下になった場合は、Ｒ＞０とする）ものとすることが好ましい。

このように、（１）式、（２）式を用いることによって、所望のシリコンエピタキシャルウェーハの基板抵抗率ρとシリコンエピタキシャル層の厚さｔから、ミスフィット転位の発生を効果的に抑制する基板結晶中のガリウムとボロンの濃度比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））となったシリコン単結晶基板を用いることができ、更にミスフィット転位の発生が抑制されることによるデバイス特性が優れたシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。

更に、本発明ではその表面上にエピタキシャル層が形成されるエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板であって、該シリコン単結晶基板はドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものであり、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であることを特徴とするエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板を提供する。

このように、抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下で、且つボロンとガリウムが同時に添加されたエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板であれば、その表面にシリコンエピタキシャル層を形成する際に、シリコンエピタキシャル層とエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板の格子不整合を小さなものとすることができ、ミスフィット転位の発生を抑制することができる。よって歩留りよく極低抵抗率のシリコン単結晶基板を用いたエピタキシャルウェーハを製造することに好適なエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のようなミスフィット転位が発生しやすいシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長させる際に、ミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができるシリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法並びにエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板が提供される。

本発明の実施例及び比較例のシリコンエピタキシャルウェーハのミスフィット転位の発生状況をＸ線トポグラフ法にて観察した写真である。（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例５、（ｃ）は比較例１である。 抵抗率から計算された各々の抵抗率のシリコン単結晶基板の格子変位量とエピタキシャル層の厚さの関係を示したグラフである。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
極低抵抗率（２０［ｍΩ・ｃｍ］以下）のシリコン単結晶基板を用いてシリコンエピタキシャルウェーハを作製する場合、シリコン単結晶基板とシリコンエピタキシャル層の格子定数の違い（格子不整合）により、シリコンエピタキシャル層にミスフィット転位が多く発生する。
特にボロンをドープしたＰ型のシリコン単結晶基板を用いた場合、他のドーパントより格子不整合が大きくなるため、ミスフィット転位が発生しやすい。ミスフィット転位は、リーク系のデバイス不良を引き起こすことがあるため、その発生の少ないシリコンエピタキシャルウェーハの開発が必要であった。

そこで、本発明者は、ボロンを高濃度にドープしても格子不整合が大きくならないような何らかの処理を施すことで格子不整合によるミスフィット転位の発生を抑制できないか鋭意検討を重ねた。

その結果、本発明者は、従来のように、ｐ型ドーパントとしてボロンのみを添加したり、ボロンと抵抗率に寄与しないゲルマニウムを同時に添加するのではなく、ｐ型のドープ剤としてボロンとガリウムを同時に添加することによって、ドーパントの共有結合半径に起因する格子定数変化を相殺することが出来、その結果、ボロンのみをドープした結晶よりエピ成長した際の格子不整合が小さくなり、ミスフィット転位の発生を抑制することができることを知見した。またボロンと同様にアクセプタ型のドーパントであるガリウムをドープすることで、所望の低抵抗率にする為のボロンのドープ量を減らすことができ、より格子不整合を小さくすることができることを知見し、本発明を完成させた。

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。
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、ドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加され、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であるシリコン単結晶基板の表面上にシリコンエピタキシャル層が形成されたものである。

また本発明のエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板は、その表面上にエピタキシャル層が形成されるものであり、ドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加され、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下となっているものである。

極低抵抗率（２０［ｍΩ・ｃｍ］以下）とするために高濃度にボロンを添加したことによって、作製された基板の格子定数は、通常抵抗率（１０［Ω・ｃｍ］程度）のシリコン単結晶に比べて小さくなるため、このような極低抵抗率のシリコン単結晶基板上に１０［Ω・ｃｍ］程度のシリコンエピタキシャル層を形成すると、それぞれの格子定数の違いによって、ミスフィット転位が発生してしまうことになる。しかしこのボロン添加によるシリコンの結晶格子の縮小化を、シリコンの結晶格子を膨張化する作用を有しているガリウムを添加することで抑制することができる。これによって、ボロンによる結晶格子縮小化とガリウムの膨張作用が打ち消し合うため、結晶格子の縮小化を容易に抑制することができる。
その結果、シリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層が形成された際、シリコンエピタキシャル層の格子定数とシリコン単結晶基板の格子定数との差を小さくすることができ、ミスフィット転位の発生を抑制することができる。

また、アクセプタ型ドーパントとして作用するガリウムがボロンと同時にドープされているため、従来に比べて基板中のそれぞれのドーパント濃度を低く抑える、つまりボロンのドープ量を減らすことができ、更に結晶格子の縮小化を抑えることが可能となる。これによってミスフィット転位の発生が更に抑制されたシリコンエピタキシャルウェーハとすることができ、またそのようなエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板を提供することができる。
さらに、上述の効果によってボロンとゲルマニウムを添加する場合に比べて結晶育成時の不純物添加量が少なくなり、結晶の有転位化がより起き難くなったため、コストの低減を図ることができるとともに結晶欠陥自体も従来に比べて低減されたシリコンエピタキシャルウェーハやエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板となっている。

ここで、上述のシリコン単結晶基板は、ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が１以上の値になった場合は、Ｒ＜１とし、（２）式において右辺が０以下になった場合は、Ｒ＞０とする）ものとすることができる。

これによって、シリコンエピタキシャル層の格子定数とシリコン単結晶基板の格子定数との差をより小さいものとすることができ、所望の抵抗率及びエピタキシャル層の厚さを有し、且つミスフィット転位の発生が従来に比べて更に抑制されたシリコンエピタキシャルウェーハとすることができる。

ここで、（１）式、（２）式、（３）式について、以下に簡単に説明する。
まず表１に示すように、あらかじめ抵抗率を１．２［ｍΩ・ｃｍ］から１０．２［ｍΩ・ｃｍ］まで振った６水準の直径２００ｍｍ、結晶軸方位＜１００＞のシリコン単結晶基板を準備した。
そのシリコン単結晶基板に、厚みを細かく変えた抵抗率１０［Ω・ｃｍ］程度のシリコンエピタキシャル層を枚葉式反応機にて堆積させた。そのようにして得られたシリコンエピタキシャルウェーハについて、Ｘ線トポグラフにてミスフィット転位の発生状況を調べた。
その結果、図２に示すような結果が得られた。図２は抵抗率から計算された各々の抵抗率のシリコン単結晶基板の格子変位量とエピタキシャル層の厚さの関係を示したグラフである。

各基板抵抗率でのミスフィット転位の発生が生じるシリコンエピタキシャル層の厚さを「ミスフィット転位臨界膜厚（ｔ_Ｌ）」と定義する。さらに、シリコン単結晶基板抵抗率を元に、イントリンシックなＳｉ格子定数（ｄ）から変化量（Δｄ）の割合（Δｄ／ｄ）を計算し、図２に示すｔ_ＬとΔｄ／ｄの関係の実験式（Ａ）を求めた。
ｔ_Ｌ＝６．５×１０^−４×│Δｄ／ｄ│^−１・・・（Ａ）
そして（Ａ）式において、ミスフィット転位の発生しない範囲は、
Δｄ／ｄ＞０のとき、ｔ_Ｌ＜６．５×１０^−４×（Δｄ／ｄ）^−１・・・（Ａ）−１
Δｄ／ｄ＜０のとき、ｔ_Ｌ＜−６．５×１０^−４×（Δｄ／ｄ）^−１・・・（Ａ）−２
と考えた。

次に、ボロンとガリウムがドープされたシリコン単結晶基板の場合、それぞれの濃度によってΔｄ／ｄがどのようになるかを、ベガード則から計算すると、
Δｄ／ｄ＝（Δｄ_Ｂ＋Δｄ_Ｇａ）／ｄ・・・（Ｂ）
Δｄ_Ｂ／ｄ＝（（ｒ_Ｂ−ｒ_Ｓｉ）／ｒ_Ｓｉ）×（Ｎ_Ｂ／Ｎ_Ｓｉ）・・・（Ｂ）−２
Δｄ_Ｇａ／ｄ＝（（ｒ_Ｇａ−ｒ_Ｓｉ）／ｒ_Ｓｉ）×（Ｎ_Ｇａ／Ｎ_Ｓｉ）・・・（Ｂ）−３
（Δｄ_Ｂ，Δｄ_Ｇａ：Ｂ，Ｇａ添加起因の格子定数変化量）
（ｒ_Ｓｉ：１．１７Å，Ｓｉの共有結合半径）
（ｒ_Ｂ：０．８８Å，Ｂの共有結合半径）
（ｒ_Ｇａ：１．２６Å，Ｇａの共有結合半径）
（Ｎ_Ｓｉ：５．０×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３，Ｓｉの密度）
（Ｎ_Ｂ，Ｎ_Ｇａ：Ｂ，Ｇａの密度）
のような（Ｂ）式が得られる。

Ｇａ濃度比Ｒの定義式、及びシリコン基板中の全キャリア濃度をＮ（＝Ｎ_Ｂ＋Ｎ_Ｇａ）とすると、Ｎ_Ｂ，Ｎ_Ｇａは
Ｎ_Ｇａ＝Ｒ×Ｎ
Ｎ_Ｂ＝（１−Ｒ）×Ｎ
と表される。これらと（Ａ）式を（Ｂ）式に代入し、Ｒについて解く。

その結果、
Δｄ／ｄ＞０のとき、
Ｒ＜（６．５×１０^−４×ｒ_Ｓｉ×Ｎ_Ｓｉ−ｔ_Ｌ×Ｎ×（ｒ_Ｂ−ｒ_Ｓｉ））／（ｔ_Ｌ×Ｎ×（ｒ_Ｇａ−ｒ_Ｂ））
従って、Ｒ＜１．０×１０^２０／（ｔ_Ｌ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）

また、Δｄ／ｄ＜０のとき、
Ｒ＞−（６．５×１０^−４×ｒ_Ｓｉ×Ｎ_Ｓｉ＋ｔ_Ｌ×Ｎ×（ｒ_Ｂ−ｒ_Ｓｉ））／（ｔ_Ｌ×Ｎ×（ｒ_Ｇａ−ｒ_Ｂ））
従って、Ｒ＞−１．０×１０^２０／（ｔ_Ｌ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
が得られる。
ここで、ＡＳＴＭ−Ｆ７２３の抵抗−濃度換算式から、
Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}）） ・・・（３）
となる。

そしてこのような本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法について以下説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

まず、シリコン単結晶基板を準備する。
この準備するシリコン単結晶基板は、抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下とし、またドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものとする。
このようなシリコン単結晶基板は、例えばＣＺ法で、ボロンとガリウムをドープして、抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下となるように育成したシリコン単結晶棒からスライスして作製すればよい。

上述のように、ミスフィット転位の発生原因は、主にシリコン単結晶基板とシリコンエピタキシャル層の格子不整合である。
ボロンを高濃度にドープしたシリコン単結晶の場合、ボロンの共有半径がシリコンに比べ小さい為、格子定数もその濃度に応じて小さくなる。そのようなシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長させると格子不整合が大きくなる為、ミスフィット転位が発生しやすい。

一方、同じアクセプタ型のドーパントであるガリウムは、シリコンに比べ共有結合半径が大きい。そこで、極低抵抗率ボロンドープシリコン単結晶基板を作製する際に、ボロンに加えガリウムも同時にドープ剤として添加することによって、ボロンによる結晶格子縮小化とガリウムの膨張作用が打ち消しあい、結晶格子の縮小化を抑制することができる。
その結果、シリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を成長する際、シリコンエピタキシャル層の格子定数とシリコン単結晶基板の格子定数との差が小さくなり、ミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができる。

また、ガリウムはアクセプタ型ドーパントとしても働く為、ボロンのみを添加した場合に比べてガリウムを同時に添加する本発明のほうが従来に比べて結晶中のボロン濃度自体を低く抑えることができる。従って結晶格子の縮小化を更に抑えることが可能となる。
さらに、ボロンとゲルマニウムを添加する場合に比べ、結晶育成時のトータルの不純物添加量が少なくなり、結晶の有転位化の発生を抑制することができる。

ここで、シリコン単結晶基板として、ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が０以下若しくは１以上の値になった場合はＲ＞０とし、（２）式において右辺が０以下若しくは１以上の値になった場合はＲ＜１とする）ものを用いることができる。

また、ミスフィット転位の発生量は、シリコン単結晶基板の抵抗率とその表面に形成されるエピタキシャル層の厚みに依存している。例えば特公平０８−３１４０８号に記載されているように、シリコン単結晶基板の抵抗率が低くなるほど、またシリコンエピタキシャル層の厚さが厚くなるほどミスフィット転位は発生しやすくなる。つまり、所望するシリコンエピタキシャルウェーハの基板抵抗率とエピタキシャル層の厚みによって、ミスフィット転位を抑制するために必要なボロン添加量及びガリウム添加量を変化させることによって、作製されるエピタキシャルウェーハのミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができる。

そこで、シリコンエピタキシャル層が形成された時に、更にミスフィット転位の発生を効果的に抑制する為に、上述の（１）式、（２）式の関係を用いて、所望のエピタキシャルウェーハの基板抵抗率ρとエピタキシャル層厚みｔから、ガリウム濃度Ｃ_Ｇａ及びボロン濃度Ｃ_Ｂの濃度比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））を算出することが出来るようになり、ミスフィット転位の発生が抑制されたデバイス特性の優れたシリコンエピタキシャルウェーハの作製が可能となる。

そして、準備したシリコン単結晶基板の主表面上に、シリコンエピタキシャル層を気相成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
この気相成長方法は、一般的な条件で行えば良く、例えば、Ｈ_２をキャリアガスとしてＳｉＨＣｌ_３等のソースガスをチャンバー内に導入し、サセプタ上に配置した上記シリコン単結晶基板の主表面上に、１０５０〜１２５０℃程度でＣＶＤ法により、エピタキシャル成長させればよい。

このようなシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法によって、ミスフィット転位の発生が抑制されたことによるデバイス特性の優れたシリコンエピタキシャルウェーハの作製が可能となる。また、基板結晶の生産性や歩留りに優れたシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法とすることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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。
（実施例１〜６、比較例１）
ＣＺ法によりシリコン単結晶インゴットを育成する際、シリコン融液にボロンおよびガリウムを所定量ずつドープし、７種類の直径２００ｍｍ、結晶軸方位＜１００＞のシリコン単結晶インゴットを育成した。
この時のボロン濃度及びガリウム濃度は後述の表２に示したようになるようにした。そして所望のボロン濃度、ガリウム濃度になっているかを確認する為、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いてボロン及びガリウム濃度の実測を行った。

このようにして作製された各シリコン単結晶インゴットからシリコンウェーハをスライスし、面取り、ラップ、エッチング、鏡面研磨の各工程を施してシリコン単結晶基板を作製した。
次に、それぞれのシリコン単結晶基板を枚葉式エピタキシャル成長装置内にそれぞれ仕込み、１１００℃程度で水素ベーク後、そのままエピタキシャル成長装置内で、ＳｉＨＣｌ_３ガスを供給し、各シリコン単結晶基板の表面に１０μｍ及び２０μｍの厚さのシリコンエピタキシャル層を成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハを製造した。

その後、各シリコンエピタキシャルウェーハをＸ線トポグラフィーにより、ミスフィット転位の発生状況を観察した。そのうち、実施例１，５及び比較例１のシリコンエピタキシャルウェーハの観察結果を図１に示す。
また表２に、本発明の実施例１〜６および比較例１におけるシリコンエピタキシャル層の厚さ、シリコン単結晶基板の抵抗率、ボロン濃度、ガリウム濃度、（１）式や（２）式の値、濃度比Ｒ、ミスフィット転位の発生状況をまとめた。

表２、図１（ａ）（ｂ）に示すように、（１）式、（２）式を満たす実施例１〜４はいずれもミスフィット転位の発生は見られなかった。
ただし図１（ｂ）に示すように、（１）式、（２）式の範囲を満たさない実施例５の場合、実用的には問題ない水準ではあったが、少量のミスフィット転位が発生してしまっていた。
このように、ボロンとガリウムを同時にドープすることによってミスフィット転位の発生を抑制することができ、また本発明に記載した（１）式、（２）式の範囲内であれば、ミスフィット転位の発生を更に抑制できることが判った。

これに対し、ボロンだけをドープした比較例１のシリコンエピタキシャルウェーハでは、図１（ｃ）に示すように、シリコンエピタキシャル層にミスフィット転位の発生が確認され、ボロンドープのみのシリコン単結晶基板を用いたシリコンエピタキシャルウェーハではミスフィット転位の発生を抑制することが容易でないことが判った。

（比較例２）
ドープ剤としてガリウムの代わりにゲルマニウムをドープした以外は実施例１と同様の条件でシリコンエピタキシャルウェーハを製造（比較例２）し、同様の評価を行った。
その結果、比較例２のシリコンエピタキシャル層にはミスフィット転位が発生していた。また、単結晶化が困難で、実施例に比べ単結晶引上げ中に有転位が２倍以上発生した。

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 (5)

1. シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハであって、
   前記シリコン単結晶基板はドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものであり、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
2. 前記シリコン単結晶基板は、前記ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、該シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、前記シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
   Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
   Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
   ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が１以上の値になった場合はＲ＜１とし、（２）式において右辺が０以下になった場合はＲ＞０とする）ものであることを特徴とする請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
3. シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
   前記シリコン単結晶基板として、ドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加され、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下のものを用いることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
4. 前記シリコン単結晶基板として、前記ドープ剤として添加されたガリウムの濃度Ｃ_Ｇａとボロンの濃度Ｃ_Ｂとの比Ｒ（Ｃ_Ｇａ／（Ｃ_Ｇａ＋Ｃ_Ｂ））が、該シリコン単結晶基板の抵抗率をρ［ｍΩ・ｃｍ］、前記シリコンエピタキシャル層の厚さをｔ［μｍ］としたとき、
   Ｒ≦１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（１）
   Ｒ≧−１．０×１０^２０／（ｔ×Ｎ）＋０．７６３・・・（２）
   ここで、Ｎ＝１．３３×１０^１９／ρ＋１．０８２×１０^２０／（ρ×（１＋（０．０５４５６×ρ）^{１．１０５}））・・・（３）で定められた範囲に入る（但し、（１）式において右辺が１以上の値になった場合は、Ｒ＜１とし、（２）式において右辺が０以下になった場合は、Ｒ＞０とする）ものを用いることを特徴とする請求項３に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
5. その表面上にエピタキシャル層が形成されるエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板であって、
   該シリコン単結晶基板はドープ剤として少なくともボロンとガリウムの両方が添加されたものであり、かつ抵抗率が２０［ｍΩ・ｃｍ］以下であることを特徴とするエピタキシャル成長用シリコン単結晶基板。

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