JP2010205936A - 高抵抗シリコンウェーハおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】p型ウェーハで、窒素がドープされ、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされるの熱処理により、表面から付加さ方向への抵抗分布が、0.1〜10kΩcm程度のp型表面領域と、深さ方向に抵抗値が上昇下降してピークを有するピーク領域と、酸素ドナーによるp/n型反転深度領域とを有し、前記ピーク領域におけるピーク位置がウェーハ表面からの深度10〜70μmの範囲とされる。
【選択図】図3
Description
CZ基板によるCMOSでは、消費電力が大きく基板ノイズの発生が大であるため不適とされてきた。しかし、微細化の技術や設計などの改善が進められ、抵抗値の高いCZ法によるシリコンウェーハを用いることにより、これらの問題点が克服できるようになってきている。
CZ法によるシリコン単結晶を用いるとき必然的に混入してくる酸素によって、ドーパント量の低減により高抵抗に設定した抵抗率を大きく変化させる場合がある。シリコン中で酸素原子は通常電気的に中性であり、直接にはその電気抵抗などに影響を及ぼさない。
1時間程度以上とされる長時間、300〜500℃の低温域とされるような条件で熱処理されると、安定なSiO2 の析出物までにはいたらない複合物が形成され、これが電子を放出してドナーの性質を示すようになるので、酸素ドナーあるいはサーマルドナーと呼ばれている。
しかしながら、これらの酸素の低減方法は、低酸素化に技術的な限界があって、コストも上昇し、その上低酸素化によりウェーハの強度が低下して、デバイス製造過程で変形が原因の不良品を発生しやすくなるという問題もある。
通常、(1)表面のDZ形成のための高温での酸素外方拡散熱処理、(2)析出核形成のための低温熱処理(酸素析出核形成熱処理)、および(3)内部のゲッタリングサイトとなる酸素析出物による欠陥形成のための中温あるいは高温熱処理(酸素析出物成長熱処理)、の三段階の熱処理が施される。
上述の特許文献2の発明のウェーハ製造方法は、CZ法により得た初期格子間酸素濃度が10〜25ppmaの単結晶から加工したウェーハを用い、(a)950〜1050℃で2〜5時間の第一熱処理、(b)450〜550℃で4〜5時間の第二熱処理、(c)750〜850℃で2〜8時間の第三熱処理および(d)950〜1100℃の第四熱処理、の四段階の熱処理を施し、上記のように格子間酸素濃度を8ppm以下にする。
この場合、(a)の第一熱処理は表面のDZ形成のための酸素外方拡散処理で、(d)の第四熱処理はゲタリングサイト形成のための酸素析出処理であるが、(b)および(c)は、析出核形成のための処理をより十分におこない、格子間酸素濃度を確実に8ppm以下に低下させようとしていると思われる。
1.単結晶を維持したまま、p/n型反転の起きる領域を炭素ドープウェーハに比べてより深々度範囲に形成可能とすること。
2.p/n型反転の起きる境界深度を制御可能とすること。
3.具体的には、この境界深度を少なくともウェーハ表面から10μm〜70μmの範囲で深度制御可能に形成すること
4.高抵抗ウェーハにおいて、その全深度にわたってp型を維持可能とする、つまり、p/n型反転の発生を防止可能なウェーハおよびその製造方法を提供すること。
さらに、このp/n型反転現象は、より抵抗率の高いウェーハに屡々見られるが、p/n型反転が発生していたとしても、このp/n型反転領域が十分深い位置にあれば、CMOSの特性やn−well分離にほとんど影響しないので、より深い位置にこのp/n型反転領域が形成されて、それより浅い部分はp型を維持するよう位置制御をおこなえばデバイス特性に影響しない。つまり、サーマルドナーの発生する位置が表面に形成されるCMOSの作動に影響を及ぼさない深さであればウェーハ特性としては充分である。
図2(a)ではp/n型反転領域2が欠乏層領域に接しているため、n−wellの分離が十分でなく、所定の特性が得られない。一方、同(b)に示すように、p/n型反転領域2を十分深い位置に発生させることによって、CMOSの特性やn−well分離に影響を及ぼすことがほとんどなくなることが分かる。
つまり、炭素ドープでは実現できなかった深深度にp/n型反転領域の境界深度を設定可能とするとともに、さらに、ドープする窒素濃度を制御するだけで、このp/n型反転境界の形成される深さ位置(境界深度)を制御可能とすることを可能としたものである。これにより、境界深度よりも表面側にはp/n型反転領域を形成しないことができる。
しかも、特定の熱処理条件とした処理を施すことで、炭素ドープCZウェーハでは改善できなかった抵抗値が深さ位置で低下してしまうことを防止する、つまり、ウェーハ深さ方向に抵抗値が一定の状態となるか、表面抵抗値よりも深さ方向に抵抗値が低下する部分がない高抵抗ウェーハを提供可能とすることができる。
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5.0×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、を有し、
ウェーハ表面側のp型領域と厚さ方向内側のp/n型領域との境界となる抵抗値のピーク位置が、前記窒素濃度によってウェーハ表面からの境界深度10〜70μmの範囲に設定されるよう調節することにより上記課題を解決した。
本発明本発明は、前記酸素外方拡散熱処理工程後に、酸素析出核形成熱処理工程および/または酸素析出物形成熱処理工程と、を有することができる。
本発明本発明の高抵抗シリコンウェーハの製造方法は、p/n型反転領域が発生せず、ウェーハ厚さ全域において抵抗分布が、0.1〜10kΩcmの範囲に設定される基準値に対し、そのバラツキが、0〜30%以内に設定されるp型領域を有するシリコンウェーハの製造方法であって、
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、酸素析出核形成熱処理工程および/または酸素析出物形成熱処理工程と、を有することにより上記課題を解決した。
さらにさらに、前記酸素外方拡散熱処理が、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされる熱処理条件であることが可能である。
また、また、酸素外方拡散熱処理を施すことにより、デバイス製造の工程における熱処理が行われる際に、サーマルドナー発生に起因するp/n型反転領域を、デバイス活性領域およびそれに接して形成される空乏層領域には接しない深さに発生させることができる。
また、また、前記酸素析出核形成熱処理が、処理温度600〜800℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理条件とされ、前記酸素析出物形成熱処理が、処理温度1000〜1100℃℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理条件であることがある。
本発明本発明においては、前記酸素外方拡散熱処理を施した後、さらに酸素析出核形成熱処理および/または酸素析出物形成熱処理を施すことが望ましい。
本発明の本発明の高抵抗シリコンウェーハは、抵抗率が100Ωcm以上で、シリコンウェーハ表面に無欠陥層が形成されたp型のシリコンウェーハであって、
窒素がドープされ、デバイス製造の工程における熱処理が行われた際にサーマルドナー発生に起因するp/n型反転領域がデバイスの活性領域およびそれに接して形成される空乏領域には接しない深さにあることにより上記課題を解決した。
本発明本発明において、前記p/n型反転領域がウェーハ表面から10μm〜70μmの範囲とされる深さにあることがより好ましい。
本発明本発明には、前記p/n型反転領域が酸素析出物を含有することが可能である。
また、また、本発明において、ウェーハ内の窒素濃度が、1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)とされる手段を採用することもできる。
本発明本発明においては、p型ウェーハで、窒素がドープされ、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされる熱処理により、表面から深さ方向への抵抗分布が、0.1〜10kΩcm程度のp型表面領域と、深さ方向に抵抗値が上昇下降してピークを有するピーク領域と、酸素ドナーによるp/n型反転深度領域とを有し、前記ピーク領域におけるピーク位置がウェーハ表面からの深度10〜70μmの範囲とされることが好ましい。
本発明本発明においては、p型ウェーハで、窒素がドープされ、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされる熱処理に加えて、処理温度1000〜1100℃℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理により、表面から付加さ方向への抵抗分布が、厚さ全域において、0.1〜10kΩcmの範囲に設定される基準値に対し、そのバラツキが、0〜30%以内に設定されることができる。
本発明本発明においては、800℃3hr+1000℃16hrの熱処理した場合に発生する酸素析出物密度が、多結晶化(DF切れ)を起こさない最大限界濃度とされる32×1016atoms/cm3 (ASTM F123-1981)の炭素をドープしたウェーハに同一条件で熱処理した場合に発生する酸素析出物密度に比べて、2〜4×1010個/cm3 多いことができる。
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5.0×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、を有し、
ウェーハ表面側のp型領域と厚さ方向内側のp/n型領域との境界となる抵抗値のピーク位置が、前記窒素濃度によってウェーハ表面からの境界深度10〜70μmの範囲に設定されるよう調節することにより、上記の範囲にピーク位置で表現されるp/n型反転領域境界の深さ位置を制御して、炭素ドープのウェーハでは実現できない深さ位置とし、同時にこの状態をウェーハ面内においてほぼ均一状態に全面で形成するとともに、同程度の熱処理時間により炭素ドープのウェーハに比べて高いゲッタリング能を有し、かつ、より高いウェーハ変形防止およびスリップ・割れ発生防止を実現でき、さらに、同じ表面抵抗値に設定しても、より高周波のデバイスに対応可能なウェーハを提供することができる。
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、酸素析出核形成熱処理工程および/または酸素析出物形成熱処理工程と、を有することにより、炭素ドープウェーハでは実現できなかった、p/n型反転領域が発生しない高抵抗ウェーハを実現することが可能となる。
上記のいずれか記載の製造方法によって製造され、
窒素がドープされ、デバイス製造の工程における熱処理が行われた際にサーマルドナー発生に起因するp/n型反転領域がデバイスの活性領域およびそれに接して形成される空乏領域には接しない深さにあることにより、サーマルドナーの影響をなくし、優れた特性
を発揮するCMOSなどのデバイスを製造できるウェーハを提供することが可能となる。
また、熱処理時間が短く、熱処理炉内でのシリコンウェーハの重金属汚染が生じにくく、上述したシリコンウェーハを高品質で低コストで製造できる高抵抗率のシリコンウェーハの製造方法を提供する。
さらに、上述したシリコンウェーハを用いた安価で、高比抵抗層の抵抗率が十分に高くノイズの少ない高周波用ダイオードに用いて好適なシリコンウェーハを提供する。
また、高抵抗CZ結晶を育成した後、加工されたウェーハへ施す熱処理工程を短縮することにより経済性に優れ、しかもデバイス熱処理工程での酸素ドナーの発生を効果的に抑制でき、更にはバルクに形成される酸素析出起因欠陥(酸素析出核あるいは酸素析出物)が再結合中心となって再結合中心を形成する必要がなく、また、ゲッタリング能力、ウェーハの機械的強度が高く、ライフタイム制御可能で収率が高く低コストな高周波用デバイスを製造可能な高抵抗率のシリコンウェーハおよびその製造方法を提供する。
これにより、ゲッタリング能力、ウェーハの機械的強度が高く、ライフタイム制御可能で収率が高く低コストな高周波用ダイオードを製造可能な高抵抗率のシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することができる。
図14は、本発明のシリコンウェーハから製造される高周波用ダイオードの一例を説明するための概略断面図である。図14(a)に示す高周波用ダイオードは、PINダイオードであり、本発明のシリコンウェーハに、P型領域12と、N型領域11と、P型領域12とN型領域11との間に配置された高比抵抗層(I層)13とを形成したものである。
まず、本発明のシリコンウェーハを用意し、表面から2μm程度の位置に1×1018atoms/cm3程度の濃度でボロン(B)を拡散する。ここでのボロンの拡散は、1000℃程度の温度での熱拡散法やイオン注入法などにより行なうことができる。
次いで、ボロンが拡散されたシリコンウェーハの裏面に、裏面から2μm程度の位置に1×1018atoms/cm3程度の濃度でリン(P)を拡散する。ここでのリンの拡散は、850℃程度の温度での熱拡散法やイオン注入法などにより行なうことができる。
続いて、シリコンウェーハの表面に電子ビーム蒸着によりAu電極を形成し、シリコンウェーハの裏面に電子ビーム蒸着によりのAl電極を形成する。その後、シリコンウェーハからダイオードを切り出して、メサエッチングを行い、メサエッチング後のエッチング面にシリコン樹脂を塗布する(端面のパッシベーション処理)。
図に示す高周波用ダイオードは、インパットダイオードであり、上記のシリコンウェーハに、p+層22と、n+層21と、高比抵抗層(I層)23と、p+層22と高比抵抗層(I層)23との間に配置されたn層24を形成したものである。インパットダイオードは、負性抵抗を用いた発進素子である。インパットダイオードでは、半導体中でのインパクトイオン化により生成されたキャリアを飽和ドリフト速度で移動させる。このとき、生成されたキャリアによる電流の位相と印加電圧との間にπ/2の位相差が現れ、実効的な抵抗成分が負、すなわち負性抵抗が現れる。
図14(b)に示す高周波用ダイオードは、上記のPINダイオードと同様の手法によりp+層22と、n+層21と、高比抵抗層(I層)23と、n層24とをシリコンウェーハに形成して製造することができる。
図14(c)に示す高周波用ダイオードは、インパットダイオードであり、上記のシリコンウェーハに、p+層31と、n+層32と、高比抵抗層(I層)33と、p+層32と高比抵抗層(I層)33との間に配置されたp層34を形成したものである。
図14(c)に示す高周波用ダイオードは、上記のPINダイオードと同様の手法によりp+層31と、n+層32と、高比抵抗層(I層)33と、p層34とをシリコンウェーハに形成して製造することができる。
この結果から、炭素をドープしたC-dope、窒素濃度が低いN(Top)-dope、窒素濃度の高いN(Tail)-dopeの順に、p/n型反転境界となる抵抗値のピークが、深さ方向30μm、38μm、45μmとなり、順に深くなっていることがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dopeでは、抵抗値ピークが20μmにあるが、窒素ドープしたものでは、表層のp型領域に比べて、抵抗値が低減する領域が付加さ方向には存在していないことがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dope、窒素濃度が低いN(Top)-dope、窒素濃度の高いN(Tail)-dopeのいずれも、層のp型領域の抵抗値とほぼ同一の抵抗値が付加さ方向で形成され、抵抗値が低減する領域が付加さ方向には存在していないことがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dope、窒素濃度が低いN(Top)-dope、窒素濃度の高いN(Tail)-dopeのいずれも、層のp型領域の抵抗値とほぼ同一の抵抗値が付加さ方向で形成され、抵抗値が低減する領域が付加さ方向には存在していないことがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dope、窒素濃度が低いN(Top)-dope、窒素濃度の高いN(Tail)-dopeの順に、p/n型反転境界となる抵抗値のピークが、深さ方向20μm、30μm、31μmとなり、順に深くなっていることがわかる。また、炭素をドープしたC-dopeに比べて、窒素濃度が低いN(Top)-dope、窒素濃度の高いN(Tail)-dopeともに、深深度部分での抵抗値の低下が軽減されていることがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dopeでは、抵抗値ピークが20μmにあるが、窒素ドープしたものでは、表層のp型領域に比べて、抵抗値が低減する領域が付加さ方向には存在していないことがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dopeに比べて、窒素をドープしたものでは、熱処理時間が長くなったAN2においては、残存酸素濃度がより低減していることがわかる。
この結果から、炭素をドープしたC-dopeに比べて、窒素をドープしたものでは、熱処理時間が長くなったAN2においては、BMD密度がより増加していることがわかる。
n層、21、32:n+層、22、31:p+層、34:p
Claims (14)
- p/n型反転領域が発生する表面からの深度範囲を調節するシリコンウェーハの製造方法であって、
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5.0×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、を有し、
ウェーハ表面側のp型領域と厚さ方向内側のp/n型領域との境界となる抵抗値のピーク位置が、前記窒素濃度によってウェーハ表面からの境界深度10〜70μmの範囲に設定されるよう調節することを特徴とする高抵抗シリコンウェーハの製造方法。 - 前記酸素外方拡散熱処理工程後に、酸素析出核形成熱処理工程および/または酸素析出物形成熱処理工程と、を有することを特徴とする請求項1記載の高抵抗シリコンウェーハの製造方法。
- p/n型反転領域が発生せず、ウェーハ厚さ全域において抵抗分布が、0.1〜10kΩcmの範囲に設定される基準値に対し、そのバラツキが、0〜30%以内に設定されるp型領域を有するシリコンウェーハの製造方法であって、
ウェーハ表面抵抗値が0.1〜10kΩcmとなるp型ドーパント濃度、窒素濃度;1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)、酸素濃度Oiが5×1017〜20×1017atoms/cm3 (ASTM F123-1979)としてCZ法により単結晶を引き上げる引き上げ工程と、この単結晶からスライスしてウェーハに加工する加工工程と、非酸化性雰囲気による酸素外方拡散熱処理工程と、酸素析出核形成熱処理工程および/または酸素析出物形成熱処理工程と、を有することを特徴とする高抵抗シリコンウェーハの製造方法。 - 前記酸素外方拡散熱処理が、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされる熱処理条件であることを特徴とする請求項1から3のいずれか記載の高抵抗シリコンウェーハの製造方法。
- 酸素外方拡散熱処理を施すことにより、デバイス製造の工程における熱処理が行われる際に、サーマルドナー発生に起因するp/n型反転領域を、デバイス活性領域およびそれに接して形成される空乏層領域には接しない深さに発生させることを特徴とする請求項4記載の高抵抗シリコンウェーハの製造方法。
- 前記酸素析出核形成熱処理が、処理温度600〜800℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理条件とされ、前記酸素析出物形成熱処理が、処理温度1000〜1100℃℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理条件であることを特徴とする請求項2または3記載の高抵抗シリコンウェーハの製造方法。
- 前記酸素外方拡散熱処理を施した後、さらに酸素析出核形成熱処理および/または酸素析出物形成熱処理を施すことを特徴とする請求項6記載の高抵抗シリコンウェーハの製造方法。
- 抵抗率が100Ωcm以上で、シリコンウェーハ表面に無欠陥層が形成されたp型のシリコンウェーハであって、
請求項1から7のいずれか記載の製造方法によって製造され、
窒素がドープされ、デバイス製造の工程における熱処理が行われた際にサーマルドナー発生に起因するp/n型反転領域がデバイスの活性領域およびそれに接して形成される空乏領域には接しない深さにあることを特徴とする高抵抗シリコンウェーハ。 - 前記p/n型反転領域がウェーハ表面から10μm〜70μmの範囲とされる深さにあることを特徴とする請求項8記載の高抵抗シリコンウェーハ。
- 前記p/n型反転領域が酸素析出物を含有することを特徴とする請求項8または9記載の高抵抗シリコンウェーハ。
- ウェーハ内の窒素濃度が、1.0×1013〜10×1013atoms/cm3 (ASTM F123-1981)とされることを特徴とする請求項8から10のいずれか記載の高抵抗シリコンウェーハ。
- p型ウェーハで、窒素がドープされ、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされる熱処理により、表面から深さ方向への抵抗分布が、0.1〜10kΩcm程度のp型表面領域と、深さ方向に抵抗値が上昇下降してピークを有するピーク領域と、酸素ドナーによるp/n型反転深度領域とを有し、前記ピーク領域におけるピーク位置がウェーハ表面からの深度10〜70μmの範囲とされることを特徴とする高抵抗シリコンウェーハ。
- p型ウェーハで、窒素がドープされ、アルゴンガス、水素ガス、あるいはそれらの混合ガス雰囲気中にて処理温度1100〜1250℃、処理時間1〜5時間とされるの熱処理に加えて、処理温度1000〜1100℃℃、処理時間1〜20時間とされる熱処理により、表面から付加さ方向への抵抗分布が、厚さ全域において、0.1〜10kΩcmの範囲に設定される基準値に対し、そのバラツキが、0〜30%以内に設定されることを特徴とする高抵抗シリコンウェーハ。
- 800℃3hr+1000℃16hrの熱処理した場合に発生する酸素析出物密度が、多結晶化(DF切れ)を起こさない最大限界濃度とされる32×1016atoms/cm3 (ASTM F123-1981)の炭素をドープしたウェーハに同一条件で熱処理した場合に発生する酸素析出物密度に比べて、2〜4×1010個/cm3 多いことを特徴とする請求項12または13記載の高抵抗シリコンウェーハ。
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