JP2013051348A - エピタキシャルウェーハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄厚化されても高いゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハ上にゲッタリング用の原子を含む原料ガスを供給し、引き続きエピタキシャル膜の原料ガスを供給してエピタキシャル膜を成長させ、シリコンウェーハとエピタキシャル膜との間に、ゲッタリング用原子を含むゲッター領域を形成し、該ゲッター領域が固溶限を超える濃度のゲッタリング用原子を含有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エピタキシャルウェーハ、特に、薄厚化されても高いゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハ及びその製造方法に関するものである。

半導体プロセスにおける問題点の１つとして、シリコンウェーハ中への不純物である重金属の混入が挙げられる。シリコンウェーハの表面側に形成されるデバイス領域に重金属が拡散した場合、ポーズタイム不良、リテンション不良、接合リーク不良、及び酸化膜の絶縁破壊といった、デバイス特性に著しい悪影響をもたらす。このため、シリコンウェーハに混入した重金属がデバイス領域に拡散するのを抑制するため、ゲッタリング法を採用するのが一般的である。ここで、従来のゲッタリング法は、シリコン基板の表面にデバイス形成を行うデバイス前工程での重金属汚染防止を主たる目的としていた。

これに対して、デバイス前工程の後に行われるシリコン基板の薄厚化、ワイヤーボンディングあるいは樹脂封入などのデバイス後工程での重金属汚染は、これまで特に重視されていなかった。これは、デバイス後工程の初期においてシリコンウェーハの裏面を研削除去する工程があり、この裏面研削時に導入されるスクラッチやダメージ等が強力なエクストリンシック・ゲッタリング（ＥＧ）によるゲッタリング源として作用するためである。

しかしながら、最終的なチップの厚みは年々薄型化しており、特に、マルチチップパッケージ（ＭＣＰ）が搭載されるチップは、５０μｍ以下まで薄型化されることが多く、製品によっては現在３０μｍ以下まで薄型化されており、将来的なチップの厚みは１０μｍ以下とも予測されている。ここで、チップの厚みが５０μｍ以下まで薄型化されると、裏面研削時のダメージによって、シリコンウェーハが割れやすくなるという問題が生じる。そこで、裏面研削後にダメージ除去する工程、すなわち、ＣＭＰ法による裏面研磨工程を新たに追加する必要が生じる。

ところが、裏面研磨によってシリコンウェーハ裏面のダメージを除去すると、裏面のゲッタリング源も消失することから、ＥＧ効果が失われてしまう。しかも、薄型化されたシリコンウェーハはイントリンシック・ゲッタリング（ＩＧ）層の厚みも薄いことから、酸素析出物による通常のＩＧ層では十分なＩＧ効果も期待できない。すなわち、ＩＧ法を用いたエピタキシャルウェーハやシリコンウェーハであっても、熱処理によってエピタキシャル膜の厚みを含め、酸素析出物が存在しないＤＺ層がウェーハ表面から１０μｍ以上形成される。チップの最終膜厚が低減されると、ＩＧ層は殆ど存在しない状態になり、デバイス後工程で発生した不純物金属を全くゲッタリングすることができなくなる。
このように、シリコンウェーハ裏面が研磨される薄型の半導体デバイスにおいては、デバイス後工程における重金属汚染の問題が顕在化し始めている。

これに関し、特許文献１には、シリコン基板上に高濃度のホウ素を含有するシリコンエピタキシャル膜（１層目）を１００μｍ程度成長させ、さらに、デバイス領域となる高抵抗のシリコンエピタキシャル膜（２層目）を数十μｍ程度成長させる技術について記載されている。また、得られたエピタキシャルウェーハを用いてデバイス前工程を行った後、シリコン基板を裏面から研削することにより合計厚みを１００μｍ程度に薄型化し、さらに裏面を鏡面研磨することについても記載されている。

特許文献１に記載された方法によれば、デバイス領域となる２層目のシリコンエピタキシャル膜の下部に、高濃度のホウ素を含有する１層目のシリコンエピタキシャル膜が存在することから、鏡面研磨によってＥＧ層が消失しても、高濃度ホウ素の効果により重金属、特にＣｕやＦｅを効率よくゲッタリングすることができる。

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ホウ素濃度が高すぎる場合に、エピタキシャル成長炉内のチャンバーやシリコンカーバイド製のサセプタなどにホウ素が付着する等により、２層目のエピタキシャル膜の比抵抗を制御することが困難になる。また、エピタキシャル膜厚と表面平坦性はトレードオフの関係にあるため、膜厚の増加とともに平坦性が劣化し、最先端デバイスへの適用が困難になるという問題もある。

一方、特許文献２には、薄厚化されたウェーハ裏面に種々の方法によりゲッタリング能力を付与する技術が開示されている。例えば、薄厚化されたシリコンウェーハの裏面に多結晶シリコン膜や窒化膜を堆積させる方法や、シリカ粒子を用いて裏面にダメージを与える方法、更に、イオン注入により裏面にダメージ層を与える方法等が記載されている。

これらの方法は、チップがある程度厚い場合には効果を奏するが、上述のように、最終的なチップ厚みが１００μｍ以下、将来的には１０μｍ程度まで薄型化されると、シリカ粒子などによる物理的ダメージが導入されることによって抗折強度が低下し、チップ割れの問題が生じてしまうため、歩留まりが大幅に低下することが予想される。また、デバイス後工程で多結晶シリコン膜や窒化膜を堆積させたり、イオン注入を行ったりすることは、量産品においては現実的ではない。

特開２００５−３１７７３５号公報 特開２００６−４１２５８号公報

そこで、本発明の目的は、薄厚化されても高いゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハ及びその製造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、基板となるシリコンウェーハの表面に、ゲッタリング用原子を含む原料ガスを供給して、引き続きエピタキシャル膜の原料ガスを供給してエピタキシャル膜を成長させることにより、ゲッタリング用原子を界面に閉じ込めることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
即ち、本発明のエピタキシャルウェーハは、シリコンウェーハ上にエピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハであって、前記シリコンウェーハと前記エピタキシャル膜との間に、ゲッタリング用原子を含むゲッター領域を有し、前記ゲッタリング用原子の濃度のウェーハ厚み方向のプロファイルが前記シリコンウェーハと前記エピタキシャル膜との界面にて、当該原子の固溶限を超えるピークを示すことを特徴とするものである。
本発明において、「界面」とは、シリコンウェーハと、エピタキシャル膜との境界から±０．２μｍの範囲に位置する面を指すものとする。

また、本発明のエピタキシャルウェーハにおいて、前記ゲッタリング用の原子は、炭素であることを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャルウェーハにおいて、前記ピークにおける前記ゲッタリング用原子の濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とするものである。

本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、シリコンウェーハ上にゲッタリング用の原子を含む原料ガスを供給し、引き続きエピタキシャル膜の原料ガスを供給してエピタキシャル膜を成長させることを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法において、前記ゲッタリング用の原子は、炭素であることを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法において、前記原料ガスの導入及び前記エピタキシャル膜の成長を１０００℃以上１２００℃以下にて行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、エピタキシャル膜の直下に固溶限を超えた濃度のゲッタリング用原子を含むゲッター領域が形成されるため、薄厚化されても高いゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。
また、成長させるエピタキシャル膜は１層だけであるため、平坦性の高いエピタキシャルウェーハを得ることができる。

本発明に従うエピタキシャルウェーハを示す図である。 本発明に従うエピタキシャルウェーハの製造工程を示す図である。 ゲッター領域の断面ＴＥＭ像である。 発明例４及び発明例６のエピタキシャルウェーハにおける炭素濃度プロファイルを示す図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。
まず、本発明によるエピタキシャルウェーハについて説明する。図１は、本発明による
エピタキシャルウェーハ１を示している。このエピタキシャルウェーハ１は、シリコン基板１１上に、ゲッタリング用の原子を含有して重金属不純物を捕獲するゲッター領域１２と、デバイス領域として使用されるエピタキシャル膜１３とが順次形成された構造を有している。ここで、ゲッタリング用原子の濃度のウェーハ厚み方向のプロファイルが、シリコンウェーハ１１とエピタキシャル膜１３との界面にて、ゲッタリング用原子の固溶限を超えるピークを示すことが肝要である。これにより、チップが薄厚化されても、デバイス領域であるエピタキシャル膜の直下に、ゲッタリング能力の高いゲッター領域を形成することができるのである。

シリコン基板１１は、特に限定されないが、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造され、ｐ型不純物として、例えばホウ素が、ｎ型不純物として、例えばリンがドーピングされた、比抵抗：０．００２Ω・ｃｍ以上１０００Ω・ｃｍ以下に調整された、３００ｍｍ径の単結晶シリコンウェーハとすることができる。
また、シリコン基板１１中の酸素濃度についても特に限定されないが、４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２．４×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。更に好ましくは、デバイス前工程において、またはデバイス前工程に先立ってシリコン基板１１中に酸素析出物を析出させるために、７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２．４×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。
この酸素析出物の析出を促進させるために炭素または窒素原子を含有させても良く、その含有量は、炭素の場合には、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、また窒素の場合には、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。

ゲッター領域１２は、ゲッタリング用原子を含んでおり、後述する実施例において示すように、ゲッタリング用原子の濃度のウェーハ厚み方向のプロファイルが、シリコン基板１１とエピタキシャル膜１３との界面にて、ゲッタリング用原子の固溶限を超えるピークを示している。尚、本発明において、「界面」とは、シリコンウェーハとエピタキシャル膜との境界から±０．２μｍの範囲に位置する面を指すものとする。

形成されたゲッター領域１２の構造は必ずしも明らかではないが、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、表面から少なくとも３μｍまでの領域において特異欠陥や偏析層等が形成されていないことから、炭素原子の多くがシリコンの格子位置に入っており、その一部が格子間位置に存在するか、あるいは他の構造として存在することにより、高濃度炭素領域が形成されているものと思われる。

ここで、ゲッタリング用原子としては、炭素の他に、リン、アンチモン、ヒ素、ホウ素等を使用することができる。

また、ゲッタリング用原子のピーク位置での濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。即ち、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の場合には、ゲッタリング能力が小さいためであり、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える場合には、エピタキシャル膜に積層欠陥などの欠陥を誘発するためである。

エピタキシャル膜１３は、シリコンのエピタキシャル膜とする。このエピタキシャル膜１３の厚みは特に限定されず、用途に応じて適切に設定すればよい。現状であれば、２μｍ以上１０μｍ以下である。

こうして、本発明のエピタキシャルウェーハ１により、エピタキシャル膜の直下に高いゲッタリング能力を有するゲッター領域が形成されるため、デバイス後工程における重金属不純物による汚染を防止することができる。

次に、上述した本発明に従うエピタキシャルウェーハ１の製造方法について説明する。以下、ゲッタリング原子として炭素を使用する場合を一例に説明するが、これに限定されない。
図２は、本発明のエピタキシャルウェーハ１の製造工程を示している。まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１１を用意し、エピタキシャル成長炉（図示せず）に導入する。このシリコン基板１１は、例えばチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ，ＣＺ）法により製造されたシリコンインゴットから切り出されたシリコンウェーハとすることができる。
このシリコンウェーハについて、比抵抗：０．００１Ω・ｃｍ以上１０００Ω・ｃｍ以下、初期酸素濃度：４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上２．４×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。上記比抵抗は、シリコン融液に添加するホウ素の量や、ｎ型ドーパントの量によって調整することができ、また、初期酸素濃度については、シリコン融液に対流制御等によって調整することができる。
このシリコン基板１１の表面には、自然酸化膜１１ａが形成されているのが一般的である。

次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１１の表面上に水素ガスを供給し、１０００℃以上１２００℃以下の温度にて熱処理を施すことにより、シリコン基板１１の表面形成された自然酸化膜１１ａを還元作用により除去するとともに、基板表面において形成されたパーティクルも除去する。
尚、この後に塩酸ガスを供給して、パーティクルの除去効果を高めるようにしても良い。

続いて、自然酸化膜が除去されたシリコン基板１１の表面上に、炭素を含む原料ガス、例えばプロパンガスを供給する。すると、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１１の表面には、プロパン分子の層１１ｂが得られる。このプロパン分子の層１１ｂは、プロパン分子が熱分解されて、該熱分解により形成されたメチル基等がシリコン基板１１の表面のシリコン原子に吸着、または基板表面上を拡散してシリコン基板１１の表面を覆った状態の層である。
この炭素を含む原料ガスとしては、１０００℃程度において熱分解されるガスであれば特に限定されず、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ベンゼン等を使用することができる。入手の容易さやコストの面から、プロパンやメタンが好ましい。また、ベースガスとしては、水素またはアルゴン等の不活性ガスを用いることができる。

また、ゲッタリング用原子の原料ガス供給時の炉内温度は、１０００℃以上１２００℃以下とする。この限定理由は、１０００℃未満の場合には、良質なゲッタリング層形成ができないためであり、１２００℃を超えると、炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶が形成されてしまうためである。

引き続き、エピタキシャル膜の原料である原料ガスを供給し、表面が熱分解されたプロパンガスの層１１ｂで覆われたシリコン基板１１上に、シリコンのエピタキシャル膜１３を形成する。このエピタキシャル膜１３は、例えば化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）法により成長させることができる。

一般に、エピタキシャル膜を成長させる前には、水素ガスによるパージ処理が行われるが、本発明においてはパージ処理を行わず、表面に炭素の原料ガスが供給されたシリコン基板１１上に直ちにエピタキシャル膜１３を成長させる。これにより、シリコン基板１１とエピタキシャル膜１３との間に、固溶限を超えた炭素濃度を有するゲッター領域１２を形成させることができるのである。

ここで、エピタキシャル膜１３の原料ガスとしては、モノシラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化珪素等のガスを使用することができる。好ましくは、液化ガスであり取り扱いが容易であり低コストである点から、トリクロロシランや四塩化珪素である。

また、原料ガス供給時の炉内温度は、１０００℃以上１２００℃以下とする。この限定理由は、１０００℃未満の場合には、エピタキシャル成長膜の成長速度が遅いためであり、１２００℃を超えると、スリップと呼ばれる欠陥が発生しやすくなるためである。

また、プロパンガスをシリコン基板１１の表面上に供給する工程と、エピタキシャル膜の原料ガスを供給してエピタキシャル膜１３を形成する工程を同時に行うこともできる。

ゲッタリング用原子としては、上記の炭素に限定されず、リン、アンチモン、ヒ素、ホウ素等を使用することができ、炭素の場合と同様に、ゲッタリング用原子を含む原料ガスを供給し、次いでエピタキシャル膜１３の原料である原料ガスを供給することにより、シリコン基板１１とエピタキシャル膜１３との間に、固溶限を超えたゲッタリング用原子を有するゲッター領域１２を形成させることができる。

こうして得られたエピタキシャルウェーハ１上にデバイスを形成し、デバイス後工程にて裏面が研削されて、例えば１０μｍまで薄厚化された場合にも、高いゲッタリング能力を有するゲッター領域１２がエピタキシャル膜１３の直下に存在するため、薄厚化した後に不純物金属に汚染された場合にも対応することが可能となる。

以上、具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸
脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。
従って、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

以下、本発明の実施例について説明する。

（比較例）
ＣＺ法により製造され、直径：３００ｍｍ、厚み：７２５μｍ、初期酸素濃度：１．１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、比抵抗：１０Ω・ｃｍから２０Ω・ｃｍに調整されたホウ素がドープされたシリコンウェーハをエピタキシャル成長炉へ導入し、水素ガス流量：６０Ｌ／分として１１００℃にて３０秒間、水素ベーク処理を行った後、シリコンウェーハ表面にトリクロロシランガスを供給し、シリコンエピタキシャル膜を約４μｍだけ成長させた。

（発明例１）
比較例１の場合と同様のシリコンウェーハをエピタキシャル成長炉へ導入し、水素ガス流量：６０Ｌ／分として１１００℃にて１０秒間、水素ベーク処理を行った後、濃度：１％、流量：０．２３Ｌ／分にて６０秒間、シリコンウェーハ上にプロパンガスを供給した。引き続きトリクロロシランガスを導入して、シリコンエピタキシャル膜を約４μｍだけ成長させた。シリコンウェーハ表面にトリクロロシランガスを供給し、シリコンエピタキシャル膜を約４μｍだけ成長させた。

（発明例２）
発明例１の場合と同様のエピタキシャルウェーハを製造した。ただし、プロパンガスの流量を０．０６Ｌ／分とした。

（発明例３）
発明例１の場合と同様のエピタキシャルウェーハを製造した。ただし、プロパンガスを供給する時間を３００秒とした。

（発明例４）
発明例１の場合と同様のエピタキシャルウェーハを製造した。ただし、プロパンガスの濃度を１０％とし、供給時間を５秒間とした。

（発明例５）
発明例１の場合と同様のシリコンウェーハをエピタキシャル成長炉に導入し、流量：６０Ｌ／分の水素ガスと、濃度：１０％、流量：０．２３Ｌ／分のプロパンガスとを同時に供給して１１００℃まで昇温した。この状態で１０秒間保持した後、プロパンガスの供給を停止し、続いてトリクロロシランガスを導入してシリコンエピタキシャル膜を約４μｍ成長させた。

（発明例６）
発明例１の場合と同様のシリコンウェーハをエピタキシャル成長炉へ導入し、水素ガス流量：６０Ｌ／分として１１００℃にて１０秒間、水素ベーク処理を行った後、流量：６０Ｌ／分の水素ガスと、濃度：１０％、流量：０．２３Ｌ／分のプロパンガスと、トリクロロシランガスとを同時に３０秒間供給した後、プロパンガスの供給のみを停止し、その後、シリコンエピタキシャル膜を約４μｍ成長させた。

（炭素濃度プロファイル）
比較例、及び発明例１〜６のサンプル全てに対して、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によりシリコン基板１１の表面から深さ方向への炭素濃度プロファイルを測定した。比較例以外のサンプルには、エピタキシャル膜１３とシリコン基板１１との界面付近に、炭素濃度のピークが観察された。一例として発明例４及び発明例６の結果を図４に示す。１１００℃付近での炭素原子のシリコンへの固溶限は１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度であるため、ピーク位置での炭素濃度は固溶限を超えていることが分かる。通常の熱拡散による方法では、固溶限以上の濃度を含有させることはできないため、本発明の方法は、固溶限を超える炭素原子をゲッター領域に含有させることを可能にするものであることが分かる。

（ゲッタリング能力の評価）
比較例、及び発明例１〜６のサンプル全てに対して、エピタキシャルウェーハ１の裏面側から、濃度：１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２のＣｕ原子により汚染させた。これらのサンプルを３０日間放置した後、全反射蛍光Ｘ線評価により、ウェーハ表面に拡散したＣｕの濃度を測定した。その結果、比較例のサンプルでは、表面に６×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２のＣｕが検出された。これに対し、発明例１〜６のサンプルでは、表面のＣｕ濃度は、検出限界である１．０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であることが確認できた。こうして、本発明のエピタキシャルウェーハは、高いゲッタリング能力を有していることが分かる。
以上の実施例はゲッタリング用原子として炭素を用いた場合の結果であるが、ゲッタリング用原子としてリン、アンチモン、ヒ素、ホウ素を用いた場合にも同様に、ゲッタリング能力の向上が見られた。

１ エピタキシャルウェーハ
１１ シリコン基板
１１ａ 自然酸化膜
１１ｂ プロパン分子の層
１２ ゲッター領域
１３ エピタキシャル膜

Claims (6)

1. シリコンウェーハ上にエピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハであって、
   前記シリコンウェーハと前記エピタキシャル膜との間に、ゲッタリング用原子を含むゲッター領域を有し、前記ゲッタリング用原子の濃度のウェーハ厚み方向のプロファイルが前記シリコンウェーハと前記エピタキシャル膜との界面にて、当該原子の固溶限を超えるピークを示すことを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
2. 前記ゲッタリング用の原子は、炭素であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャルウェーハ。
3. 前記ピークにおける前記ゲッタリング用原子の濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャルウェーハ。
4. シリコンウェーハ上にゲッタリング用の原子を含む原料ガスを供給し、引き続きエピタキシャル膜の原料ガスを供給してエピタキシャル膜を成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
5. 前記ゲッタリング用の原子は、炭素であることを特徴とする、請求項４に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
6. 前記原料ガスの導入及び前記エピタキシャル膜の成長を１０００℃以上１２００℃以下にて行うことを特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。