JP2012076982A - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】デバイス製造工程における熱処理を経た後にも高抵抗を維持するとともに、ウェーハの機械的強度及びゲッタリング能力が高い高抵抗シリコンウェーハを製造する方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法により設定抵抗率に応じてドーパントを添加してシリコンインゴットを成長させ、該シリコンインゴットをスライスして設定抵抗率を有するシリコンウェーハを製造するに当たり、設定抵抗率毎に、シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する相関において、導電型が逆転する酸素濃度未満となる条件にて行う。
【選択図】図２
【解決手段】チョクラルスキー法により設定抵抗率に応じてドーパントを添加してシリコンインゴットを成長させ、該シリコンインゴットをスライスして設定抵抗率を有するシリコンウェーハを製造するに当たり、設定抵抗率毎に、シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する相関において、導電型が逆転する酸素濃度未満となる条件にて行う。
【選択図】図２
Description
本発明は、シリコンウェーハの製造方法に関するものであり、特に、デバイス製造工程における熱処理を経た後にも高抵抗を維持するシリコンウェーハの製造方法に関するものである。
移動体通信用や近距離無線ＬＡＮなど、高周波のデバイスの普及または微細化や信号量の増大から、高周波回路の需要が増大している。この高周波回路の基板には高抵抗率を有することが要求され、従来は、高価な砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の化合物半導体が使用されていた。
このような用途の、例えば、通常のチョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコンインゴットから作製された基板によるＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）では、消費電力が大きく、さらに基板ノイズの発生が大きくなるため、不適とされてきた。ところが、最近では、微細化の技術や設計などの改善が進められ、抵抗率の高いシリコンウェーハを用いて、これらの問題点が克服できるようになっている。
ここで、高純度シリコンの抵抗率は２．３×１０５Ω・ｃｍ程度であり、このままでは電気抵抗が大きすぎるため、ホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）などのドーパントを微量添加し、所望の抵抗率に調整される。
この、ＣＺ法によるシリコンインゴットは、石英るつぼを用いて原料を溶解し、その融液から直接引き上げ育成して製造されるため、るつぼから溶け出した酸素を通常２０ｐｐｍａ（１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）程度含有している。
しかし、ＣＺ法により得られたシリコンウェーハ中の酸素は、デバイス製造工程における３５０〜５００℃程度の熱処理において、サーマルドナーやニュードナーといった、電気的に活性な酸素ドナーを形成するため、デバイス製造工程における熱処理の前後でウェーハの抵抗率が変動してしまい、所望の抵抗率が得られない問題があった。
通常のシリコンウェーハのように抵抗率が小さい場合、上記デバイス製造工程における熱処理によって発生する酸素ドナーが、ウェーハの抵抗率に与える影響は無視できる。しかし、高抵抗のｐ型シリコンウェーハでは、上記熱処理により酸素ドナーが発生すると抵抗率が増加し、熱処理前の酸素濃度が高く酸素ドナーの発生量が更に増加した場合には、酸素ドナーがｐ型不純物を打ち消して導電型がｐ型からｎ型へ逆転して抵抗率が減少するという、抵抗率の著しい変動が生じる。
このような抵抗率の変動を抑制するための方法として、磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法）によって酸素濃度の低いＣＺ結晶を製造する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、ＭＣＺ法において、高純度の合成石英ガラス製のるつぼを使用することにより、１００００Ω・ｃｍ以上の抵抗値を有するシリコンウェーハの製造方法が提案されている。
また、特許文献２には、ＣＺ法により、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上であり酸素濃度が５〜１０ｐｐｍａである低酸素シリコンインゴットを育成し、得られたシリコンウェーハに対して急速加熱及び急速冷却熱処理を行ってシリコンウェーハに原子空孔を注入することにより、酸素ドナーの発生による抵抗率の低下を防ぎ、高いゲッタリング効果を有するシリコンウェーハを製造する方法が提案されている。
また、特許文献２には、ＣＺ法により、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上であり酸素濃度が５〜１０ｐｐｍａである低酸素シリコンインゴットを育成し、得られたシリコンウェーハに対して急速加熱及び急速冷却熱処理を行ってシリコンウェーハに原子空孔を注入することにより、酸素ドナーの発生による抵抗率の低下を防ぎ、高いゲッタリング効果を有するシリコンウェーハを製造する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１及び２に記載の方法は、高純度のるつぼの使用やシリコンインゴットを製造する際の酸素濃度を低減することによりシリコンウェーハの高抵抗化を実現しているが、求められる抵抗率に関わらず酸素濃度は極めて低い範囲に制御されている。そのため、インゴット成長時の酸素濃度が過度に低減される場合があり、デバイス製造工程においてウェーハ中にスリップが発生する結果、機械的強度が低下し、デバイス不良の要因となる問題がある。
また、酸素濃度が極めて低いために酸素析出物が形成されにくくなり、デバイス作製工程における重金属不純物のゲッタリング能力が不足することにもなる。
そこで、本発明の目的は、デバイス製造工程における熱処理を経た後にも高抵抗が維持される、機械的強度及びゲッタリング能力の高い、高抵抗シリコンウェーハを製造する方法を提供することにある。
また、酸素濃度が極めて低いために酸素析出物が形成されにくくなり、デバイス作製工程における重金属不純物のゲッタリング能力が不足することにもなる。
そこで、本発明の目的は、デバイス製造工程における熱処理を経た後にも高抵抗が維持される、機械的強度及びゲッタリング能力の高い、高抵抗シリコンウェーハを製造する方法を提供することにある。
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、シリコンウェーハの設定抵抗率毎に、デバイス作製工程における熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、この相関に基づいて、シリコンインゴットの成長を、上述の酸素ドナーの影響を受けずに高抵抗を維持できる範囲とする条件の下に行うことが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
即ち、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法により設定抵抗率に応じてドーパントを添加してシリコンインゴットを成長させ、該シリコンインゴットをスライスして前記設定抵抗率を有するシリコンウェーハを製造するに当たり、前記設定抵抗率毎に、前記シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する前記相関において、導電型が逆転する酸素濃度未満となる条件にて行うことを特徴とするものである。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記シリコンインゴットを製造する際の酸素濃度を、前記相関における前記設定抵抗率の２倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以上、前記設定抵抗率の４倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以下とすることが好ましい。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）以上であることを特徴とするものである。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法において、前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とするものである。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法により得られたシリコンウェーハの表面に透過性レーザを照射し、前記シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクを形成することを特徴とするものである。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法により得られたシリコンウェーハに対して、炭素イオン注入により、前記シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクを形成することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとし、該ベースウェーハ上にＳＯＩ構造を形成することを特徴とするものである。
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとし、該ベースウェーハ上にエピタキシャル構造を形成することを特徴とするものである。
本発明によれば、設定した抵抗率毎に、酸素ドナーの影響を受けずに高抵抗を維持できる初期酸素濃度の範囲を設定するため、機械的強度及びゲッタリング能力が高い高抵抗シリコンウェーハを歩留まり良く製造することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明を導くに至った実験結果について詳しく説明する。発明者らは、設定抵抗率に従って作製したｐ型シリコンウェーハについて、その設定抵抗率毎に、デバイス製造工程における熱処理後のシリコンウェーハの抵抗率と、シリコンインゴットの酸素濃度、即ち、デバイス作製工程における熱処理前のシリコンウェーハの酸素濃度（以下、「初期酸素濃度」と称する）との関係について詳細に調べた。ここで、デバイス製造工程における熱処理として、４００℃にて６０分間、その後、降温して３５０℃にて４０分間の熱処理を採用した。得られた結果を図１に示す。
尚、本発明において、シリコンウェーハ中の酸素濃度及び炭素濃度は、それぞれＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９及びＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１の換算係数を用いて求めている。
まず、本発明を導くに至った実験結果について詳しく説明する。発明者らは、設定抵抗率に従って作製したｐ型シリコンウェーハについて、その設定抵抗率毎に、デバイス製造工程における熱処理後のシリコンウェーハの抵抗率と、シリコンインゴットの酸素濃度、即ち、デバイス作製工程における熱処理前のシリコンウェーハの酸素濃度（以下、「初期酸素濃度」と称する）との関係について詳細に調べた。ここで、デバイス製造工程における熱処理として、４００℃にて６０分間、その後、降温して３５０℃にて４０分間の熱処理を採用した。得られた結果を図１に示す。
尚、本発明において、シリコンウェーハ中の酸素濃度及び炭素濃度は、それぞれＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９及びＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１の換算係数を用いて求めている。
図１から、いずれの抵抗率においても、初期酸素濃度の変動とともに熱処理後の抵抗率が大きく変動することが分かる。初期酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の極めて低い領域では、上記熱処理後も抵抗率の変動は小さく、設定抵抗率が維持されている。しかし、初期酸素濃度が増加すると、前述のように酸素ドナーが形成されて抵抗率が増加し、ピークを越えると導電型がｐ型からｎ型へと逆転する。初期酸素濃度が更に増加すると抵抗率が徐々に低減されて設定抵抗率よりも小さくなる。
例えば、設定抵抗率が３０００Ω・ｃｍの場合、初期酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度までは抵抗率が３０００Ω・ｃｍに維持されているが、初期酸素濃度の増加とともに抵抗率が増加し、約８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を境界値として導電型がｐ型からｎ型へと逆転する。このように導電型がｐ型からｎ型へ逆転する抵抗率のピーク位置（初期酸素濃度の境界値）は、設定抵抗率の値によって異なり、該抵抗率の値が大きいほど小さくなる。従って、機械的強度及びゲッタリング能力の高いシリコンウェーハを製造するためには、設定抵抗値に合わせて、適切な初期酸素濃度とする、即ちシリコンインゴットの成長を、適切な酸素濃度となる条件にて行うことが肝要である。
例えば、設定抵抗率が３０００Ω・ｃｍの場合、初期酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度までは抵抗率が３０００Ω・ｃｍに維持されているが、初期酸素濃度の増加とともに抵抗率が増加し、約８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を境界値として導電型がｐ型からｎ型へと逆転する。このように導電型がｐ型からｎ型へ逆転する抵抗率のピーク位置（初期酸素濃度の境界値）は、設定抵抗率の値によって異なり、該抵抗率の値が大きいほど小さくなる。従って、機械的強度及びゲッタリング能力の高いシリコンウェーハを製造するためには、設定抵抗値に合わせて、適切な初期酸素濃度とする、即ちシリコンインゴットの成長を、適切な酸素濃度となる条件にて行うことが肝要である。
ここに、従来の高抵抗シリコンウェーハの製造技術は、酸素濃度を調整することなく、設定抵抗率の値にかかわらず、例えば５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としているため、例えば設定抵抗率が７５０Ω・ｃｍの場合には、酸素濃度を過度に低減してしまうことになり、ウェーハの機械的強度及びゲッタリング能力を低下させてしまうのである。
一方、設定抵抗率毎に、シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する相関において、導電型がｐ型からｎ型に逆転する酸素濃度未満となる条件にて行うことにより、過度の酸素濃度の低減によるウェーハの機械的強度及びゲッタリング能力の低下を防止することが可能となるのである。
ここで、シリコンウェーハの抵抗率は、特に限定する必要はないが、送受信回路のインダクタ特性を向上させるために５００Ω・ｃｍ以上、また、ウェーハ製造装置内の金属汚染レベルのばらつきを考慮して、現実的に１００００Ω・ｃｍ未満であることが好ましい。
また、ウェーハ強度の観点からは、デバイス製造工程におけるスリップの発生を抑制するため、初期酸素濃度は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが好ましい。
一方、設定抵抗率毎に、シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する相関において、導電型がｐ型からｎ型に逆転する酸素濃度未満となる条件にて行うことにより、過度の酸素濃度の低減によるウェーハの機械的強度及びゲッタリング能力の低下を防止することが可能となるのである。
ここで、シリコンウェーハの抵抗率は、特に限定する必要はないが、送受信回路のインダクタ特性を向上させるために５００Ω・ｃｍ以上、また、ウェーハ製造装置内の金属汚染レベルのばらつきを考慮して、現実的に１００００Ω・ｃｍ未満であることが好ましい。
また、ウェーハ強度の観点からは、デバイス製造工程におけるスリップの発生を抑制するため、初期酸素濃度は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが好ましい。
こうして、設定する抵抗率毎に、酸素ドナーの影響を受けずに高抵抗を維持できる酸素濃度範囲を適切に設定するため、ウェーハの機械的強度及びゲッタリング能力が高いシリコンウェーハを製造することができる。
また、インゴットの酸素濃度を、抵抗率のピーク位置近傍の値に設定した場合、インゴットや引き上げ装置毎のばらつきにより、導電型が逆転してしまうことも考えられる。こうしたばらつきやインゴットの歩留まりを考慮して、酸素濃度を、上記予め求めておいたシリコンウェーハの熱処理後抵抗率と初期酸素濃度との相関における設定抵抗率の２倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以上、設定抵抗率の４倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以下とすることが好ましい。例えば、設定抵抗率３０００Ω・ｃｍのウェーハを例にとると、図２に示すように、好適範囲は６．０×１０１７〜７．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となり、インゴットや引き上げ装置のばらつきを考慮しても、導電型がｐ型からｎ型へ逆転することのないシリコンウェーハを歩留まりよく製造することができる。
以上の本発明においてシリコンインゴットを成長させる際、酸素濃度以外の引き上げ条件は特に限定されず、用途や目的に応じて適切に設定する。例えば、インゴットを成長させる際、引き上げ条件によっては結晶性が悪化し、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）が形成される場合がある。発明者らは、ＣＯＰが形成されないインゴットの引き上げ条件を鋭意検討した結果、抵抗率：３０００Ω・ｃｍを有し、ＣＯＰが存在しないｐ型シリコンインゴットの引き上げに成功した。以下、あくまで一例として具体的な引き上げ条件について説明するが、これらの条件に限定されない。
まず、水平磁場強度は、２０００〜４０００ガウスとし、るつぼ壁の極近傍のシリコン融液の流れを抑制する。水平磁場強度の限定理由は、２０００ガウス未満の場合には、シリコン融液の流れの抑制が不十分なためであり、また、上限を４０００ガウスとする理由は、４０００ガウス以下でシリコン融液の流れを十分に制御可能であるためである。
また、インゴットの回転速度は１０ｒｐｍ以下、るつぼの回転速度は１．０ｒｐｍ以下として、シリコンインゴットに取り込まれる酸素を抑制する。インゴット及びるつぼの回転速度の限定理由は、それらの値よりも大きくすると、多くの酸素が取り込まれてしまうためである。
更に、シリコンインゴットの引き上げ速度は０．６５ｍｍ／分とする。これにより、シリコンインゴットに取り込まれるＣＯＰ等の結晶欠陥を抑制することができる。
また、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量を４０〜６０ｔｏｒｒとして、シリコンインゴットにＳｉＯ、ＣＯ、ＣＯ２等の不純物が取り込まれることを抑制する。Ａｒガス流量の限定理由は、４０ｔｏｒｒ未満の場合には、ガス流量が不足して不純物抑制が不十分であるためであり、６０ｔｏｒｒを超えると、融液界面の融液の流れに影響を与えるためである。
更に、シリコンインゴットの引き上げ速度は０．６５ｍｍ／分とする。これにより、シリコンインゴットに取り込まれるＣＯＰ等の結晶欠陥を抑制することができる。
また、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量を４０〜６０ｔｏｒｒとして、シリコンインゴットにＳｉＯ、ＣＯ、ＣＯ２等の不純物が取り込まれることを抑制する。Ａｒガス流量の限定理由は、４０ｔｏｒｒ未満の場合には、ガス流量が不足して不純物抑制が不十分であるためであり、６０ｔｏｒｒを超えると、融液界面の融液の流れに影響を与えるためである。
以上の引き上げ条件の下でシリコンインゴットを成長させることにより、ＣＯＰのない高抵抗シリコンウェーハを製造することができ、酸素濃度が４．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下と極めて低い場合に特に有効である。
本発明の方法により製造されるシリコンウェーハ中の炭素濃度及び窒素濃度を適切に設定することにより、ウェーハに含まれる酸素の析出効果を高め、ゲッタリング能力を向上させることができる。そのために、シリコンウェーハにおける炭素濃度は、１×１０１６〜３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが好ましい。ここで、炭素濃度の限定理由は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の場合には、析出物を十分に形成することができないためであり、３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３よりも大きい場合には、転位が形成されるためである。
また、シリコン基板へ窒素を添加すると、酸素析出物のサイズを増大させる効果を有する。そこで、シリコンウェーハ中の窒素濃度は、１×１０１３〜３×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることが好ましい。ここで、窒素濃度の限定理由は、１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、析出物サイズの増大効果が得られなくなるためであり、３×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３よりも大きい場合には酸素・窒素ドナーの影響で基板抵抗率の減少が顕在化してくるためである。
以上の本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに透過性レーザを照射して、表面から所定の深さ位置に重金属不純物に対するゲッタリングシンクを形成し、ゲッタリング能力を更に高めることができる。
図３は、シリコンウェーハにレーザビームの照射を開始した直後におけるレーザビームの焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。レーザビーム１０は、集光用レンズ１１を用いて、シリコンウェーハ２０の所定の深さ位置２１にレーザビーム１０の焦点位置を合わせて、シリコンウェーハ２０の両面のうち、いずれか一方から照射され、所定の深さ位置２１にレーサビーム１０を集光することにより、多光子吸収過程を生じさせて改質部分２２を形成する。この改質部分２２は、アモルファス状態であると考えられるが、この改質部分２２をゲッタリングシンクとして利用するのである。
図３は、シリコンウェーハにレーザビームの照射を開始した直後におけるレーザビームの焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。レーザビーム１０は、集光用レンズ１１を用いて、シリコンウェーハ２０の所定の深さ位置２１にレーザビーム１０の焦点位置を合わせて、シリコンウェーハ２０の両面のうち、いずれか一方から照射され、所定の深さ位置２１にレーサビーム１０を集光することにより、多光子吸収過程を生じさせて改質部分２２を形成する。この改質部分２２は、アモルファス状態であると考えられるが、この改質部分２２をゲッタリングシンクとして利用するのである。
所定の深さ位置２１は、シリコンウェーハ２０の表面から所定の深さ位置２１までの厚さｄが、最終的に得られるチップの厚さとなるようにする。この深さ位置２１の調整は、近赤外領域の透過性に優れる集光レンズ１１を用いてレーザビーム１０を集光し、シリコンウェーハ２０の位置を上下させて所定の深さ位置２１に焦点を結像させることによって制御できる。
ここで、レーザ源としては低出力レーザを用いることが好ましく、例えばフェムト秒レーザのような超短パルスレーザを用いることがより好ましい。超短パルスレーザは、半導体レーザなどを用いてチタンサファイヤ結晶（固体レーザ結晶）を励起することによりレーザ波長を好適範囲にすることができる。超短パルスレーザは、励起レーザビームのパルス幅を１．０×１０−１５(フェムト)秒以下にすることができるため、その他のレーザと比較して、励起により生じる熱エネルギーの拡散を抑制でき、焦点近傍のみに光エネルギーを集光することができる。
レーザを照射する際、レーザビーム１０が通過する表面層２３において、この表面層を改質することなく、レーザビーム１０が確実に透過する条件でレーザ照射することが肝要である。このレーザ照射条件は、シリコンのエネルギーバンドギャップである１．１ｅＶから決定され、透過性の点から、入射波長は１０００ｎｍ以上であることが好ましい。また、波長が１２００ｎｍを超える場合には、長波長領域であるために光子エネルギー（レーザビームエネルギー）が低く、レーザビームをレンズにて集光しても半導体内部の改質に十分な光子エネルギーを得ることができない虞があることから、１２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
こうして、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに透過性レーザを照射することにより、ウェーハ表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクが形成され、デバイス製造工程において、重金属不純物に対するゲッタリング能力を更に高めることができる。
また、上記の透過性レーザの照射に代えて、炭素イオンを注入することにより、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクを形成させることもできる。
図４は、炭素イオン注入によるシリコンウェーハ内部におけるゲッタリングシンクの形成を示す図である。この図に示すように、まず、イオン注入により炭素イオンをシリコンウェーハ３０内部に注入する。その際のイオン注入条件は、加速エネルギー：１Ｍ〜５ＭｅＶ、ドーズ量：２×１０１３〜５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とする。その際、炭素イオンのピーク濃度は、５×１０１５〜３×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３である。
図４は、炭素イオン注入によるシリコンウェーハ内部におけるゲッタリングシンクの形成を示す図である。この図に示すように、まず、イオン注入により炭素イオンをシリコンウェーハ３０内部に注入する。その際のイオン注入条件は、加速エネルギー：１Ｍ〜５ＭｅＶ、ドーズ量：２×１０１３〜５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とする。その際、炭素イオンのピーク濃度は、５×１０１５〜３×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３である。
次いで、窒素雰囲気中において、１０００℃以上にて１分以内の熱処理を施す。これにより、イオン注入により注入された炭素と格子間酸素とが結合して化合物が生成され、所定の深さ位置３１にピーク濃度を有する炭素注入領域３２が形成される。この炭素イオン注入領域３２がゲッタリングシンクとして機能するようになるのである。所定の深さ位置３１は、シリコンウェーハ３０の表面から所定の深さ位置３１までの厚さｄが、最終的に得られるチップの厚さとなるようにする。
こうして、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに炭素イオンを注入することにより、ウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクが形成され、デバイス製造工程において、重金属不純物に対するゲッタリング能力を更に高めることができる。
こうして、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに炭素イオンを注入することにより、ウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクが形成され、デバイス製造工程において、重金属不純物に対するゲッタリング能力を更に高めることができる。
以上の本発明の方法で得られたシリコンウェーハをベースウェーハとして用いることにより、高抵抗率を有するＳＯＩウェーハを製造することができる。その際、本発明により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとして使用する以外は、従来のＳＯＩウェーハの製造方法を使用すればよく、特に限定されない。例えば、貼り合わせ法によって、デバイス形成層となるボンドウェーハとベースウェーハとなる本発明のシリコンウェーハとを酸化膜を介して密着させ、熱処理を施して両者を強固に結合し、その後、ボンドウェーハを薄膜化することによって、高抵抗率を有するＳＯＩウェーハを製造することができる。
こうして製造されたＳＯＩウェーハは、デバイス製造熱処理を行なった後でもベースウェーハの高抵抗率が維持されるため、高周波デバイスとして使用することができる。
こうして製造されたＳＯＩウェーハは、デバイス製造熱処理を行なった後でもベースウェーハの高抵抗率が維持されるため、高周波デバイスとして使用することができる。
また、上記方法により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとして使用し、該ベースウェーハ上にエピタキシャル膜を成長させることにより、表面の平坦性が高く、高抵抗率を有するエピタキシャルウェーハを製造することができる。この場合においても、本発明により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとして使用する以外は、従来のエピタキシャルウェーハの製造方法を使用すればよく、特に限定されない。
（発明例１〜５）
以下、本発明の実施例について説明する。
７５０Ω・ｃｍ、１０００Ω・ｃｍ、１２００Ω・ｃｍ、３０００Ω・ｃｍ及び５０００Ω・ｃｍの各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して、インゴットの酸素濃度と、デバイス製造工程での熱処理後の抵抗率との関係を調べた。ここで、デバイス製造工程の熱処理として、４００℃で６０分間＋３５０℃で４０分間の熱処理を採用した。その結果、導電型がｐ型からｎ型に逆転する際の初期酸素濃度の境界値は、それぞれ１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（７５０Ω・ｃｍ）、１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１０００Ω・ｃｍ）、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１２００Ω・ｃｍ）、８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（３０００Ω・ｃｍ）、及び７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（５０００Ω・ｃｍ）であることが分かった。
そこで、それぞれ１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（７５０Ω・ｃｍ）、１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１０００Ω・ｃｍ）、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１２００Ω・ｃｍ）、８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（３０００Ω・ｃｍ）、及び７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（５０００Ω・ｃｍ）の酸素濃度を有するシリコンインゴットを成長させて加工し、７５０Ω・ｃｍ（発明例１）、１０００Ω・ｃｍ（発明例２）、１２００Ω・ｃｍ（発明例３）、３０００Ω・ｃｍ（発明例４）及び５０００Ω・ｃｍ（発明例５）の各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを得た。その際、酸素濃度以外のインゴットの成長条件は、水平磁場強度：３５００ガウス、インゴットの回転速度：５ｒｐｍ、るつぼの回転速度：０．１ｒｐｍ、インゴットの引き上げ速度：０．６５ｍｍ／分、Ａｒガス流量：５０ｔｏｒｒとして全て同一とした。
以下、本発明の実施例について説明する。
７５０Ω・ｃｍ、１０００Ω・ｃｍ、１２００Ω・ｃｍ、３０００Ω・ｃｍ及び５０００Ω・ｃｍの各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して、インゴットの酸素濃度と、デバイス製造工程での熱処理後の抵抗率との関係を調べた。ここで、デバイス製造工程の熱処理として、４００℃で６０分間＋３５０℃で４０分間の熱処理を採用した。その結果、導電型がｐ型からｎ型に逆転する際の初期酸素濃度の境界値は、それぞれ１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（７５０Ω・ｃｍ）、１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１０００Ω・ｃｍ）、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１２００Ω・ｃｍ）、８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（３０００Ω・ｃｍ）、及び７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（５０００Ω・ｃｍ）であることが分かった。
そこで、それぞれ１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（７５０Ω・ｃｍ）、１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１０００Ω・ｃｍ）、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（１２００Ω・ｃｍ）、８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（３０００Ω・ｃｍ）、及び７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（５０００Ω・ｃｍ）の酸素濃度を有するシリコンインゴットを成長させて加工し、７５０Ω・ｃｍ（発明例１）、１０００Ω・ｃｍ（発明例２）、１２００Ω・ｃｍ（発明例３）、３０００Ω・ｃｍ（発明例４）及び５０００Ω・ｃｍ（発明例５）の各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを得た。その際、酸素濃度以外のインゴットの成長条件は、水平磁場強度：３５００ガウス、インゴットの回転速度：５ｒｐｍ、るつぼの回転速度：０．１ｒｐｍ、インゴットの引き上げ速度：０．６５ｍｍ／分、Ａｒガス流量：５０ｔｏｒｒとして全て同一とした。
（比較例１〜５）
初期酸素濃度を抵抗率に関わらず１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と一定にした以外は、発明例１〜５と同一の条件の下でシリコンインゴットを成長させ、７５０Ω・ｃｍ（比較例１）、１０００Ω・ｃｍ（比較例２）、１２００Ω・ｃｍ（比較例３）、３０００Ω・ｃｍ（比較例４）及び５０００Ω・ｃｍ（比較例５）の各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを得た。
初期酸素濃度を抵抗率に関わらず１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と一定にした以外は、発明例１〜５と同一の条件の下でシリコンインゴットを成長させ、７５０Ω・ｃｍ（比較例１）、１０００Ω・ｃｍ（比較例２）、１２００Ω・ｃｍ（比較例３）、３０００Ω・ｃｍ（比較例４）及び５０００Ω・ｃｍ（比較例５）の各抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを得た。
（機械的強度の評価）
まず、上記の抵抗率を有する各シリコンウェーハ（発明例１〜５及び比較例１〜５）の機械的強度をＲＴＡ熱処理後のウェーハ固定ピンから発生するスリップ長を測定することにより検証した。得られた結果を表１にまとめる。この表から明らかなように、本発明の方法により得られたシリコンウェーハの強度が高くなっていることが分かる。
まず、上記の抵抗率を有する各シリコンウェーハ（発明例１〜５及び比較例１〜５）の機械的強度をＲＴＡ熱処理後のウェーハ固定ピンから発生するスリップ長を測定することにより検証した。得られた結果を表１にまとめる。この表から明らかなように、本発明の方法により得られたシリコンウェーハの強度が高くなっていることが分かる。
（ゲッタリング能力の評価）
次に、得られた各シリコンウェーハのゲッタリング能力について検証した。そのために、まず、各ウェーハの表面を洗浄し（ＤＨＦ洗浄→ＳＣ−１洗浄→ＳＣ−２洗浄）、ウェーハ表面全面に銅による汚染（１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）を施した。銅はデバイス工程でリーク不良等を引き起こす、最も汚染低減が必要となる重金属元素の１つである。銅による汚染後、銅を拡散層中のゲッタリングサイトに捕獲する為に、９００℃にて３０分間、熱処理を施した。
次に、得られた各シリコンウェーハのゲッタリング能力について検証した。そのために、まず、各ウェーハの表面を洗浄し（ＤＨＦ洗浄→ＳＣ−１洗浄→ＳＣ−２洗浄）、ウェーハ表面全面に銅による汚染（１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）を施した。銅はデバイス工程でリーク不良等を引き起こす、最も汚染低減が必要となる重金属元素の１つである。銅による汚染後、銅を拡散層中のゲッタリングサイトに捕獲する為に、９００℃にて３０分間、熱処理を施した。
拡散層のゲッタリング能力を評価するために、エピタキシャルウェーハ表面の銅濃度を、高周波誘導結合プラズマ質量分析計（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて測定した。得られた結果を表２に示す。本発明の方法により製造された、上記の抵抗率が相違する５つのシリコンウェーハ（発明例１〜５）の全てに関して、表面から銅は検出されなかった。一方、比較例１〜５のウェーハについては、表面から銅が検出された。このように、本発明の方法で製造されたシリコンウェーハは、十分なゲッタリング能力を有していることが分かった。
（発明例６）
上記発明例４と同一の条件で製造した３０００Ω・ｃｍの抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して透過性レーザを照射して、表面から３０μｍの深さ位置にゲッタリングシンクを形成した（発明例６）。その際、レーザ源として半導体励起固体ＹＡＧレーザを使用し、レーザビームの波長を１０６４ｎｍとした。
上記発明例４と同一の条件で製造した３０００Ω・ｃｍの抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して透過性レーザを照射して、表面から３０μｍの深さ位置にゲッタリングシンクを形成した（発明例６）。その際、レーザ源として半導体励起固体ＹＡＧレーザを使用し、レーザビームの波長を１０６４ｎｍとした。
（透過性レーザ照射によるゲッタリング能力向上の評価）
銅の汚染量を１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とした以外は、全て[実施例１]と同一の条件で発明例６及び発明例４によるウェーハ表面の銅濃度を調べた。その結果、発明例６のウェーハについては、表面から銅は検出されなかった。一方、発明例４のウェーハについては、表面から５×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の銅が検出された。このように、透過性レーザを照射してウェーハ内部にゲッタリングシンクを形成することにより、重金属不純物のゲッタリング能力が向上することが確認された。
銅の汚染量を１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とした以外は、全て[実施例１]と同一の条件で発明例６及び発明例４によるウェーハ表面の銅濃度を調べた。その結果、発明例６のウェーハについては、表面から銅は検出されなかった。一方、発明例４のウェーハについては、表面から５×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の銅が検出された。このように、透過性レーザを照射してウェーハ内部にゲッタリングシンクを形成することにより、重金属不純物のゲッタリング能力が向上することが確認された。
（発明例７）
上記発明例４と同一の条件で製造した３０００Ω・ｃｍの抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して、表面から炭素イオンを注入して、表面から３０μｍの深さ位置にゲッタリングシンクを形成した（発明例７）。その際、炭素イオン注入の具体的手順として、ウェーハ表面にＳｉＯ２膜を形成し、次いで、ウェーハ表面から加速エネルギーで２ＭｅＶ，ドーズ量５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で炭素イオン注入を行い、その後、ウェーハ表面のＳｉＯ２膜を除去した。
上記発明例４と同一の条件で製造した３０００Ω・ｃｍの抵抗率を有する直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハに対して、表面から炭素イオンを注入して、表面から３０μｍの深さ位置にゲッタリングシンクを形成した（発明例７）。その際、炭素イオン注入の具体的手順として、ウェーハ表面にＳｉＯ２膜を形成し、次いで、ウェーハ表面から加速エネルギーで２ＭｅＶ，ドーズ量５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で炭素イオン注入を行い、その後、ウェーハ表面のＳｉＯ２膜を除去した。
（炭素イオン注入によるゲッタリング能力向上の評価）
銅の汚染量をやや高めの２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とした以外は、全て[実施例１]と同一の条件で発明例７及び発明例４によるウェーハ表面の銅濃度を調べた。その結果、発明例７のウェーハについては、表面から銅は検出されなかった。一方、発明例４のウェーハについては、表面から３×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の銅が検出された。このように、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに炭素イオンを注入して、ウェーハ内部にゲッタリングシンクを形成することにより、重金属不純物のゲッタリング能力が向上することが確認された。
銅の汚染量をやや高めの２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とした以外は、全て[実施例１]と同一の条件で発明例７及び発明例４によるウェーハ表面の銅濃度を調べた。その結果、発明例７のウェーハについては、表面から銅は検出されなかった。一方、発明例４のウェーハについては、表面から３×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の銅が検出された。このように、本発明の方法により製造されたシリコンウェーハに炭素イオンを注入して、ウェーハ内部にゲッタリングシンクを形成することにより、重金属不純物のゲッタリング能力が向上することが確認された。
１０ レーザビーム
１１ 集光用レンズ
２０，３０ シリコンウェーハ
２１，３１ 所定の深さ位置
２２ 改質部分
２３，３３ 表面層
２４ 改質部分の幅
３２ 炭素イオン注入領域
３４ 炭素イオン注入領域の幅
１１ 集光用レンズ
２０，３０ シリコンウェーハ
２１，３１ 所定の深さ位置
２２ 改質部分
２３，３３ 表面層
２４ 改質部分の幅
３２ 炭素イオン注入領域
３４ 炭素イオン注入領域の幅
Claims (8)
- チョクラルスキー法により設定抵抗率に応じてドーパントを添加してシリコンインゴットを成長させ、該シリコンインゴットをスライスして前記設定抵抗率を有するシリコンウェーハを製造するに当たり、
前記設定抵抗率毎に、前記シリコンウェーハを供するデバイス作製工程における熱処理後の当該シリコンウェーハの熱処理後抵抗率と当該シリコンウェーハが切り出されたシリコンインゴットの酸素濃度との相関を予め求めておき、
シリコンインゴットの成長を、該インゴットの設定抵抗率に対する前記相関において、導電型が逆転する酸素濃度未満となる条件にて行うことを特徴とする、シリコンウェーハの製造方法。 - 前記シリコンインゴットを製造する際の酸素濃度を、前記相関における前記設定抵抗率の２倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以上、前記設定抵抗率の４倍の熱処理後抵抗率に対応する酸素濃度以下とすることを特徴とする、請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハ中の炭素濃度が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）以上であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハ中の窒素濃度が１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のシリコンウェーハの製造方法。
- 請求項１〜４のいずれか一項の製造方法により得られたシリコンウェーハの表面に透過性レーザを照射し、前記シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクを形成することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
- 請求項１〜４のいずれか一項の製造方法により得られたシリコンウェーハに対して、炭素イオン注入により、前記シリコンウェーハの表面から所定の深さ位置にゲッタリングシンクを形成することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
- 請求項１〜６のいずれか一項の製造方法により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとし、該ベースウェーハ上にＳＯＩ構造を形成することを特徴とする、シリコンウェーハの製造方法。
- 請求項１〜６のいずれか一項の製造方法により得られたシリコンウェーハをベースウェーハとし、該ベースウェーハ上にエピタキシャル構造を形成することを特徴とする、シリコンウェーハの製造方法。
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