JP2015130397A - Epitaxial silicon wafer manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer.
半導体デバイスの特性を劣化させる要因として、不純物金属元素による金属汚染が挙げられる。半導体ウェーハへの金属元素の混入は、主に半導体ウェーハの製造工程およびデバイス製造工程において生じる。例えば、半導体ウェーハとしてのエピタキシャルシリコンウェーハは、基板となるシリコンウェーハ上にエピタキシャル層を形成することで得られる。ここで、エピタキシャル層は基板となるシリコンウェーハの単結晶と連続した単結晶層であり、基板とは異なる不純物濃度の層を作ることができる。このエピタキシャル層をデバイス領域とすることで、エピタキシャルシリコンウェーハはメモリー系素子、ロジック系素子、撮像素子などの幅広い用途に使用されている。 As a factor that deteriorates the characteristics of a semiconductor device, metal contamination by an impurity metal element can be given. The mixing of metal elements into the semiconductor wafer mainly occurs in the semiconductor wafer manufacturing process and the device manufacturing process. For example, an epitaxial silicon wafer as a semiconductor wafer can be obtained by forming an epitaxial layer on a silicon wafer serving as a substrate. Here, the epitaxial layer is a single crystal layer continuous with a single crystal of a silicon wafer serving as a substrate, and a layer having an impurity concentration different from that of the substrate can be formed. By using this epitaxial layer as a device region, epitaxial silicon wafers are used in a wide range of applications such as memory elements, logic elements, and imaging elements.
エピタキシャルシリコンウェーハの製造工程における金属汚染源としては、エピタキシャル成長炉の構成材からの重金属パーティクルが考えられる。あるいは、エピタキシャル成長時の炉内ガスとして塩素系ガスを用いるために、その配管材料が金属腐食して発生する重金属パーティクルにより、金属汚染が生ずることも考えられる。例えば、銅やニッケルといった重金属元素がエピタキシャルシリコンウェーハ中に混入した場合、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。 As a metal contamination source in the manufacturing process of the epitaxial silicon wafer, heavy metal particles from the constituent materials of the epitaxial growth furnace can be considered. Alternatively, since chlorine gas is used as the furnace gas during epitaxial growth, metal contamination may occur due to heavy metal particles generated by metal corrosion of the piping material. For example, when heavy metal elements such as copper and nickel are mixed in an epitaxial silicon wafer, device characteristics such as a pause time failure, a retention failure, a junction leak failure, and a dielectric breakdown of an oxide film are significantly adversely affected.
このような不純物金属元素による汚染の影響を抑制するためには、エピタキシャルシリコンウェーハに、不純物金属元素を捕獲するためのゲッタリングシンクを形成して、デバイス形成面への金属汚染を回避することが一般的である。 In order to suppress the influence of contamination by such an impurity metal element, a gettering sink for capturing the impurity metal element is formed on the epitaxial silicon wafer to avoid metal contamination on the device formation surface. It is common.
ゲッタリングシンクを形成する方法としては、エピタキシャルシリコンウェーハの基板であるシリコンウェーハ内部に結晶欠陥である酸素析出物（シリコン酸化物析出物の通称であり、ＢＭＤ：Bulk Micro Defectともいう。）や転位を形成するイントリンシックゲッタリング（ＩＧ）法が知られる。また、シリコンウェーハの裏面にゲッタリングシンクを形成するエクストリンシックゲッタリング（ＥＧ）法も一般的である。 As a method for forming a gettering sink, an oxygen precipitate (which is a common name of silicon oxide precipitate, also called BMD: Bulk Micro Defect) or dislocation inside a silicon wafer which is a substrate of an epitaxial silicon wafer. Intrinsic gettering (IG) methods are known for forming. An extrinsic gettering (EG) method in which a gettering sink is formed on the back surface of a silicon wafer is also common.
ここで、不純物金属元素のゲッタリング法の一手法として、シリコンウェーハにクラスターイオンを照射することにより、ゲッタリングサイトを形成する技術がある。本願出願人が先に開示した特許文献１では、半導体ウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、該半導体ウェーハの表面部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、前記半導体ウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する第２工程と、を有する半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を開示している。 Here, there is a technique for forming a gettering site by irradiating a silicon wafer with cluster ions as one method of gettering an impurity metal element. In Patent Document 1 previously disclosed by the applicant of the present application, the surface of a semiconductor wafer is irradiated with cluster ions, and a modified layer in which the constituent elements of the cluster ions are dissolved is formed on the surface portion of the semiconductor wafer. Disclosed is a method for manufacturing a semiconductor epitaxial wafer, comprising one step and a second step of forming an epitaxial layer on the modified layer of the semiconductor wafer.
特許文献１に開示された技術を用いることで、従来のモノマーイオン（シングルイオン）注入法に比べて、極めて優れたゲッタリング能力を有するエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。しかしながら、クラスターイオンを照射した場合のエピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力の特性は未だ研究途上である。ここで、本明細書における「ゲッタリング能力」とは、不純物金属元素によりエピタキシャルウェーハが汚染されたときに、エピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリングサイトが捕獲することのできる不純物金属元素の濃度を意味する。また、「目標ゲッタリング能力」とは、エピタキシャルシリコンウェーハを製造するにあたり設定されるゲッタリング能力である。特許文献１では、目標ゲッタリング能力を達成するには十分なドーズ量の下でクラスターイオン照射を行えば、優れたゲッタリング能力を有するエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができるとの考えるに留まる。種々の目標ゲッタリング能力に対応する上では、クラスターイオン源の材料ガスのガス消費量やクラスターイオンの照射時間等、製造効率の点で改善の余地があった。 By using the technique disclosed in Patent Document 1, it is possible to obtain an epitaxial silicon wafer having an extremely excellent gettering capability as compared with the conventional monomer ion (single ion) implantation method. However, the characteristics of the gettering ability of the epitaxial silicon wafer with respect to the impurity metal element when irradiated with cluster ions are still under study. Here, the “gettering ability” in this specification means the concentration of the impurity metal element that can be captured by the gettering site of the epitaxial silicon wafer when the epitaxial wafer is contaminated by the impurity metal element. Further, the “target gettering ability” is a gettering ability set when manufacturing an epitaxial silicon wafer. In Patent Document 1, it is considered that an epitaxial silicon wafer having an excellent gettering ability can be manufactured by performing cluster ion irradiation under a dose sufficient to achieve the target gettering ability. In order to cope with various target gettering capabilities, there is room for improvement in terms of production efficiency such as gas consumption of the material gas of the cluster ion source and irradiation time of the cluster ions.
そこで本発明は、上記課題に鑑み、種々の目標ゲッタリング能力に対応可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an epitaxial silicon wafer manufacturing method that can cope with various target gettering capabilities.
本発明者らの研究によれば、エピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリング能力はクラスターイオンのドーズ量に単純比例するのではなく、ドーズ量がある閾値を超えると、ゲッタリング能力が劇的に向上することが判明した。また、本発明者らの更なる研究によれば、そのドーズ量の閾値は不純物金属元素毎に異なることも判明した。そこで、クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を予め求めておくことにより、エピタキシャルシリコンウェーハの製造効率を改善することができることを知見し、本発明を完成させるに至った。本発明の要旨構成は以下のとおりである。 According to the study by the present inventors, the gettering ability of an epitaxial silicon wafer is not simply proportional to the dose amount of cluster ions, but when the dose amount exceeds a certain threshold, the gettering ability is dramatically improved. There was found. Further, according to further studies by the present inventors, it has been found that the threshold value of the dose amount differs for each impurity metal element. Accordingly, the present inventors have found that the manufacturing efficiency of an epitaxial silicon wafer can be improved by obtaining a correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability of the epitaxial silicon wafer with respect to the impurity metal element in advance. It came to complete. The gist of the present invention is as follows.
本発明によるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、前記シリコンウェーハの表面部に前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成した後、該シリコンウェーハの前記改質層上にエピタキシャルシリコン層を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、前記クラスターイオンのドーズ量と、前記エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を予め求め、該対応関係に基づき決定した目標ゲッタリング能力を満足する実ドーズ量の下で、前記クラスターイオン照射を行うことを特徴とする。 The method for producing an epitaxial silicon wafer according to the present invention includes irradiating the surface of a silicon wafer with cluster ions to form a modified layer in which the constituent elements of the cluster ions are solid-dissolved on the surface of the silicon wafer. An epitaxial silicon wafer manufacturing method for forming an epitaxial silicon layer on the modified layer of a wafer, wherein a correspondence relationship between a dose amount of the cluster ions and a gettering ability for an impurity metal element of the epitaxial silicon wafer is previously set. The cluster ion irradiation is performed under an actual dose amount that satisfies the target gettering ability determined and determined based on the correspondence relationship.
なお、「実ドーズ量」とは、前記エピタキシャルシリコンウェーハを作製するにあたり、前記シリコンウェーハの表面に前記クラスターイオンを照射するときの、実際のドーズ量を意味する。 The “actual dose amount” means an actual dose amount when the cluster ions are irradiated on the surface of the silicon wafer in producing the epitaxial silicon wafer.
ここで、前記対応関係は、前記エピタキシャルシリコンウェーハと同種のエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャルシリコン層表面に前記不純物金属元素を汚染させた後、熱処理を施すことにより前記同種のエピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリングサイトに捕獲された前記不純物金属元素の濃度を、前記クラスターイオンのドーズ量毎に測定して得た検量線であることが好ましい。 Here, the correspondence relationship is that the impurity metal element is contaminated on the surface of the epitaxial silicon layer of the same type of epitaxial silicon wafer as that of the epitaxial silicon wafer, and then subjected to a heat treatment to obtain a gettering site of the same type of epitaxial silicon wafer. A calibration curve obtained by measuring the concentration of the trapped impurity metal element for each dose of the cluster ions is preferable.
また、前記対応関係を複数の不純物金属元素に対して予め求め、前記複数の不純物金属元素のうち、前記目標ゲッタリング能力を満足するために最もドーズ量を必要とする不純物金属元素の前記対応関係に基づき、前記実ドーズ量を決定して前記クラスターイオン照射を行うことが好ましい。 Further, the correspondence relationship is obtained in advance for a plurality of impurity metal elements, and the correspondence relationship of the impurity metal elements that require the most dose amount in order to satisfy the target gettering ability among the plurality of impurity metal elements. Based on the above, it is preferable to perform the cluster ion irradiation by determining the actual dose amount.
さらに、前記実ドーズ量を、前記エピタキシャルシリコンウェーハにエピタキシャル欠陥が発生しない範囲とすることも好ましい。 Furthermore, it is also preferable that the actual dose is in a range where no epitaxial defects occur in the epitaxial silicon wafer.
さらに、前記対応関係は、前記シリコンウェーハの基板特性毎に予め求められていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the correspondence relationship is obtained in advance for each substrate characteristic of the silicon wafer.
また、前記クラスターイオンが、構成元素として炭素を含むことが好ましい。この場合、前記クラスターイオンが、構成元素として炭素を含む２種以上の元素を含むことがより好ましい。あるいは、前記クラスターイオンが、さらにドーパント元素を含み、該ドーパント元素がホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素であることも、より好ましい。 The cluster ions preferably contain carbon as a constituent element. In this case, it is more preferable that the cluster ion includes two or more elements including carbon as a constituent element. Alternatively, it is more preferable that the cluster ions further include a dopant element, and the dopant element is one or more elements selected from the group consisting of boron, phosphorus, arsenic, and antimony.
本発明によれば、クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を予め求め、該対応関係に基づき決定した目標ゲッタリング能力を満足する実ドーズ量の下で、クラスターイオン照射を行うので、種々の目標ゲッタリング能力に対応可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability with respect to the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer is obtained in advance, and an actual dose amount satisfying the target gettering ability determined based on the correspondence relation is obtained. Since cluster ion irradiation is performed below, it is possible to provide a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer that can cope with various target gettering capabilities.
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を詳細に説明する。また、図１では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、シリコンウェーハ１０に対して改質層１８およびエピタキシャルシリコン層２０の厚さを誇張して示す。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 1, for convenience of explanation, the thicknesses of the modified layer 18 and the epitaxial silicon layer 20 are exaggerated with respect to the silicon wafer 10, unlike the actual thickness ratio.
本発明の一実施形態による半導体エピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法は、図１に示すように、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａにクラスターイオン１６を照射して（図１（Ａ），（Ｂ））、シリコンウェーハ１０の表面部にクラスターイオン１６の構成元素が固溶した改質層１８を形成し（図１（Ｃ））た後、シリコンウェーハ１０の改質層１８上にエピタキシャルシリコン層２０を形成する（図１（Ｄ））。そして本発明の製造方法は、クラスターイオン１６のドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハ１００の不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を予め求め、該対応関係に基づき決定した目標ゲッタリング能力を満足する実ドーズ量の下で、クラスターイオン１６の照射を行うことを特徴とする。図１（Ｄ）は、この製造方法の結果得られたエピタキシャルシリコンウェーハ１００の模式断面図である。 In the method of manufacturing a semiconductor epitaxial silicon wafer 100 according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the surface 10A of the silicon wafer 10 is irradiated with cluster ions 16 (FIGS. 1A and 1B), After forming the modified layer 18 in which the constituent elements of the cluster ions 16 are dissolved in the surface portion of the silicon wafer 10 (FIG. 1C), the epitaxial silicon layer 20 is formed on the modified layer 18 of the silicon wafer 10. (FIG. 1D). In the manufacturing method of the present invention, a correspondence relationship between the dose amount of the cluster ions 16 and the gettering ability with respect to the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer 100 is obtained in advance, and the target gettering ability determined based on the correspondence relation is satisfied. The irradiation with cluster ions 16 is performed under the actual dose. FIG. 1D is a schematic cross-sectional view of an epitaxial silicon wafer 100 obtained as a result of this manufacturing method.
まず、図１（Ａ）に示すように、シリコンウェーハ１０を用意する。シリコンウェーハ１０としては、シリコン単結晶からなる単結晶シリコンウェーハを用いる。単結晶シリコンウェーハは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。また、シリコンウェーハ１０に任意のドーパントを所定濃度添加して、いわゆるｎ＋型もしくはｐ＋型、またはｎ−型もしくはｐ−型の基板としてもよい。 First, as shown in FIG. 1A, a silicon wafer 10 is prepared. As the silicon wafer 10, a single crystal silicon wafer made of a silicon single crystal is used. As the single crystal silicon wafer, one obtained by slicing a single crystal silicon ingot grown by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone melting method (FZ method) with a wire saw or the like can be used. Further, a predetermined concentration of an arbitrary dopant may be added to the silicon wafer 10 to form a so-called n + type or p + type, or n− type or p− type substrate.
次に、図１（Ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａに所定のドーズ量の下でクラスターイオン１６を照射する。クラスターイオン１６の照射により、図１（Ｃ）に示すように、シリコンウェーハ１０の表面部にはクラスターイオン１６の構成元素が固溶した改質層１８が形成される。 Next, as shown in FIG. 1B, the surface 10A of the silicon wafer 10 is irradiated with cluster ions 16 under a predetermined dose. By irradiation with the cluster ions 16, as shown in FIG. 1C, a modified layer 18 in which the constituent elements of the cluster ions 16 are dissolved is formed on the surface portion of the silicon wafer 10.
クラスターイオン１６を照射した結果形成される改質層１８は、クラスターイオン１６の構成元素がシリコンウェーハの表面部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶して局所的に存在する領域であり、ゲッタリングサイトとして働く。その理由は、以下のように推測される。すなわち、クラスターイオンの形態で照射された炭素等の元素は、シリコン単結晶の置換位置・格子間位置に高密度で局在する。そして、シリコン単結晶の平衡濃度以上にまで炭素等を固溶すると、重金属の固溶度（遷移金属の飽和溶解度）が極めて増加することが実験的に確認された。つまり、平衡濃度以上にまで固溶した炭素等により重金属の固溶度が増加し、これにより重金属に対する捕獲率が顕著に増加したものと考えられる。 The modified layer 18 formed as a result of irradiating the cluster ions 16 is a region where the constituent elements of the cluster ions 16 are locally present as a solid solution in the interstitial or substitutional positions of the crystal on the surface of the silicon wafer. Work as a gettering site. The reason is presumed as follows. That is, elements such as carbon irradiated in the form of cluster ions are localized at a high density at the substitution position / interstitial position of the silicon single crystal. It has been experimentally confirmed that the solid solubility of heavy metals (saturated solubility of transition metals) is extremely increased when carbon or the like is dissolved to an equilibrium concentration or higher of the silicon single crystal. In other words, it is considered that the solid solubility of heavy metals is increased by carbon or the like solid-solved to an equilibrium concentration or higher, and thereby the capture rate for heavy metals is remarkably increased.
なお、本明細書において「クラスターイオン」とは、原子または分子が複数集合して塊となったクラスターに正電荷または負電荷を与え、イオン化したものを意味する。クラスターは、複数（通常２〜２０００個程度）の原子または分子が互いに結合した塊状の集団である。 In the present specification, the “cluster ion” means an ionized product in which a plurality of atoms or molecules are aggregated to give a cluster having a lump to give a positive charge or a negative charge. A cluster is a massive group in which a plurality (usually about 2 to 2000) of atoms or molecules are bonded to each other.
クラスターイオン１６は、シリコンウェーハに照射されるとそのエネルギーで瞬間的に１３５０〜１４００℃程度の高温状態となり、シリコンが融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハ中の表面近傍にクラスターイオンの構成元素（炭素および水素など）が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するイオンの構成元素が半導体ウェーハ表面部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。シリコンウェーハの深さ方向におけるクラスターイオンの構成元素の濃度プロファイルは、クラスターイオンの加速電圧およびクラスターサイズに依存するが、モノマーイオンの場合に比べてシャープになり、照射された構成元素の局所的に存在する領域（すなわち、改質層）の厚みは、概ね５００ｎｍ以下（例えば５０〜４００ｎｍ程度）となる。なお、クラスターイオンの形態で照射された元素は、エピタキシャル層２０の形成過程で多少の熱拡散は起こる。このため、エピタキシャル層２０形成後の構成元素の濃度プロファイルは、これらの元素が局所的に存在するピークの両側に、ブロードな拡散領域が形成される（詳細を後述する図３Ａを参照）。しかし、改質層の厚み（すなわち、ピークの幅）は大きく変化しない。その結果、クラスターイオンの構成元素の析出領域を局所的にかつ高濃度にすることができる。また、改質層１８はシリコンウェーハの表面近傍、すなわちエピタキシャル層２０の直下に形成されるため、近接ゲッタリングが可能となる。以上の結果、高いゲッタリング能力を得ることができるものと考えられる。なお、クラスターイオンの形態であれば、複数種のイオンを同時に照射することもできる。 When the cluster ions 16 are irradiated onto the silicon wafer, the energy instantaneously becomes a high temperature state of about 1350 to 1400 ° C. and the silicon melts. Thereafter, the silicon is rapidly cooled, and constituent elements of cluster ions (such as carbon and hydrogen) are dissolved in the vicinity of the surface in the silicon wafer. That is, the “modified layer” in the present specification means a layer in which constituent elements of irradiated ions are dissolved in crystal interstitial positions or substitution positions on the surface of the semiconductor wafer. The concentration profile of the constituent elements of the cluster ions in the depth direction of the silicon wafer depends on the acceleration voltage and cluster size of the cluster ions, but is sharper than that of the monomer ions, and the irradiated constituent elements are locally localized. The thickness of the existing region (that is, the modified layer) is approximately 500 nm or less (for example, about 50 to 400 nm). Note that the elements irradiated in the form of cluster ions undergo some thermal diffusion during the formation process of the epitaxial layer 20. For this reason, in the concentration profile of the constituent elements after the formation of the epitaxial layer 20, broad diffusion regions are formed on both sides of the peak where these elements are locally present (see FIG. 3A described later in detail). However, the thickness of the modified layer (that is, the peak width) does not change greatly. As a result, the precipitation region of the constituent elements of cluster ions can be locally and highly concentrated. Further, since the modified layer 18 is formed in the vicinity of the surface of the silicon wafer, that is, immediately below the epitaxial layer 20, close gettering is possible. As a result, it is considered that high gettering ability can be obtained. In addition, if it is a form of cluster ion, multiple types of ions can be irradiated simultaneously.
次に、図１（Ｄ）に示すように、シリコンウェーハ１０の改質層１８上にエピタキシャルシリコン層２０を形成すると、所定のドーズ量に応じたゲッタリング能力を有するエピタキシャルシリコンウェーハ１００が作製される。なお、エピタキシャルシリコン層２０は、一般的な条件により形成することができる。例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね１０００〜１２００℃の温度範囲の温度でＣＶＤ法によりシリコンウェーハ１０の改質層１８上にエピタキシャル成長させることができる。フォスフィン等をドーパントガスとして用いてもよい。エピタキシャルシリコン層２０の厚さは用途に応じて異なるが、例えば１〜１５μｍ程度とすることができる。 Next, as shown in FIG. 1D, when the epitaxial silicon layer 20 is formed on the modified layer 18 of the silicon wafer 10, an epitaxial silicon wafer 100 having a gettering ability corresponding to a predetermined dose is manufactured. The The epitaxial silicon layer 20 can be formed under general conditions. For example, hydrogen is used as a carrier gas and a source gas such as dichlorosilane or trichlorosilane is introduced into the chamber, and the growth temperature varies depending on the source gas used, but it is approximately 1000 to 1200 ° C. by the CVD method. It can be epitaxially grown on the modified layer 18 of the silicon wafer 10. Phosphine or the like may be used as a dopant gas. The thickness of the epitaxial silicon layer 20 varies depending on the application, but can be set to, for example, about 1 to 15 μm.
ここで、本発明の製造方法を用いてエピタキシャルウェーハ１００を作製するにあたり、予め求めておくクラスターイオン１６のドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハ１００の不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を説明する。この対応関係は種々の方法により求めることができる。対応関係の精度を上げるために、エピタキシャルシリコンウェーハ１００と同種のエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャルシリコン層表面に不純物金属元素を汚染させた後、熱処理を施すことにより同種のエピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリングサイトに捕獲された不純物金属元素の濃度を、クラスターイオンのドーズ量毎に測定して得た検量線とすることが好ましい。以下、エピタキシャルシリコンウェーハ１００と同種のエピタキシャルシリコンウェーハをサンプルウェーハと称する。本明細書において、「同種」であるとは、実ドーズ量を除き、例えばウェーハ成分、直径、厚み、エピタキシャルシリコン層の結晶成長面などが互いに等しいことを意味する。ただし、ここで言う「等しい」とは、厳密に数学的な意味での等しさを意味するものではなく、エピタキシャルシリコンウェーハの製造工程上不可避な誤差をはじめ、本発明の作用効果を奏する範囲で許容される誤差を含むものであることは勿論である。 Here, a correspondence relationship between the dose of the cluster ions 16 obtained in advance and the gettering ability of the epitaxial silicon wafer 100 with respect to the impurity metal element when the epitaxial wafer 100 is manufactured using the manufacturing method of the present invention will be described. . This correspondence can be obtained by various methods. In order to improve the accuracy of the correspondence relationship, the surface of the epitaxial silicon layer of the same type of epitaxial silicon wafer as that of the epitaxial silicon wafer 100 is contaminated with an impurity metal element and then subjected to heat treatment to be captured at the gettering site of the same type of epitaxial silicon wafer. The concentration of the impurity metal element thus obtained is preferably a calibration curve obtained by measuring each dose of cluster ions. Hereinafter, an epitaxial silicon wafer of the same type as the epitaxial silicon wafer 100 is referred to as a sample wafer. In this specification, “same kind” means that, for example, the wafer component, the diameter, the thickness, and the crystal growth surface of the epitaxial silicon layer are equal to each other except the actual dose. However, “equal” here does not mean strictly equality in the mathematical sense, but includes errors that are unavoidable in the manufacturing process of the epitaxial silicon wafer, and within the scope of the effects of the present invention. Of course, it includes an allowable error.
この検量線の求め方について、図２を参照しつつ、以下具体的に説明する。まず、エピタキシャルウェーハ１００を作製するのと同様に、サンプルウェーハを作製する（Ｓ１）。次に、サンプルウェーハのエピタキシャルシリコン層表面に不純物金属元素を汚染させる（Ｓ２）。例えば、スピンコート汚染法により、エピタキシャルシリコン層２０の表面に不純物金属元素を高濃度に含む汚染液（例えば金属硝酸溶液）を表面塗布して、不純物金属元素をエピタキシャルシリコン層表面に強制的に汚染する。なお、不純物金属元素としては任意の金属元素を用いることができる。限定を意図しないが、不純物金属元素の具体例としては、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），リチウム（Ｌｉ），クロム（Ｃｒ），コバルト（Ｃｏ），チタン（Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選択された１種または２種以上の金属元素を挙げることができる。また、汚染液に含まれる不純物金属元素の濃度は、例えば1.0×1010〜1.0×1014atoms/cm2程度である。 The method for obtaining the calibration curve will be specifically described below with reference to FIG. First, a sample wafer is produced in the same manner as the epitaxial wafer 100 is produced (S1). Next, an impurity metal element is contaminated on the surface of the epitaxial silicon layer of the sample wafer (S2). For example, the surface of the epitaxial silicon layer 20 is coated with a contamination liquid (for example, metal nitric acid solution) containing the impurity metal element at a high concentration by spin coating contamination, and the impurity metal element is forcibly contaminated on the surface of the epitaxial silicon layer. To do. Note that any metal element can be used as the impurity metal element. Although not intended to be limiting, specific examples of impurity metal elements include nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), lithium (Li), chromium (Cr), cobalt (Co), titanium (Ti), Mention may be made of one or more metal elements selected from the group consisting of molybdenum (Mo) and tungsten (W). The concentration of the impurity metal element contained in the contaminated liquid is, for example, about 1.0 × 10 10 to 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 .
次に、汚染後のサンプルウェーハに熱処理を施す（Ｓ３）。サンプルウェーハを６００〜１２００℃程度の温度範囲で加熱することで、サンプルウェーハのゲッタリングサイトに、強制汚染した不純物金属元素を拡散することができる。なお、拡散熱処理に必要な加熱時間は不純物金属元素の種類によって異なる。例えば７００℃で１時間の拡散熱処理を実施した場合、Ｎｉなどの比較的拡散速度の速い元素は、１．６×１０３μｍ程度拡散するが、Ｆｅなどの比較的拡散速度の遅い元素は３．７×１０２μｍ程度しか拡散しない。 Next, heat treatment is performed on the contaminated sample wafer (S3). By heating the sample wafer in a temperature range of about 600 to 1200 ° C., the impurity metal element that is forcibly contaminated can be diffused to the gettering site of the sample wafer. Note that the heating time required for the diffusion heat treatment varies depending on the type of the impurity metal element. For example, when a diffusion heat treatment is performed at 700 ° C. for 1 hour, an element having a relatively high diffusion rate such as Ni diffuses by about 1.6 × 10 3 μm, but an element having a relatively low diffusion rate such as Fe is 3 Only diffuses about 7 × 10 2 μm.
続いて、サンプルウェーハのゲッタリングサイトに捕獲された不純物金属元素の濃度を測定する（Ｓ４）。拡散熱処理後のサンプルウェーハについて例えばＳＩＭＳ測定を行い、サンプルウェーハの深さ方向における不純物金属元素の濃度プロファイルを得る（例えば、実施例１において後述する図３Ａを参照）。サンプルウェーハの深さ方向におけるクラスターイオンの構成元素の濃度分布を測定した際に、クラスターイオンの構成元素がバックグラウンド以上に検出される領域であり、かつエピタキシャル層直下の領域において不純物金属元素が捕獲された範囲（図３Ａにおいては、２点鎖線に囲まれた範囲である）で、不純物金属元素の面積濃度を積分して算出することにより、サンプルウェーハのゲッタリング能力を求めることができる。なお、ＳＩＭＳ測定に限られることはなく、ＧＤＭＳ（グロー放電質量分析）測定等により不純物金属元素の濃度の測定を行ってもよい。 Subsequently, the concentration of the impurity metal element captured at the gettering site of the sample wafer is measured (S4). For example, SIMS measurement is performed on the sample wafer after the diffusion heat treatment to obtain a concentration profile of the impurity metal element in the depth direction of the sample wafer (see, for example, FIG. 3A described later in Example 1). When the concentration distribution of the constituent elements of the cluster ions in the depth direction of the sample wafer is measured, the impurity elements are captured in the area where the constituent elements of the cluster ions are detected above the background and directly below the epitaxial layer. The gettering ability of the sample wafer can be obtained by integrating and calculating the area concentration of the impurity metal element within the range (in FIG. 3A, the range surrounded by the two-dot chain line). Note that the measurement is not limited to SIMS measurement, and the concentration of the impurity metal element may be measured by GDMS (glow discharge mass spectrometry) measurement or the like.
さらに、サンプルウェーハのゲッタリング能力を、クラスターイオン１６のドーズ量毎に測定して求める。以上のようにして、クラスターイオン１６のドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハ１００の不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係をエピタキシャルウェーハ１００の作製に先立ち、予め求める。この対応関係の具体例として、実施例１において後述する図３Ｂに示された検量線を例示することができる。ここで、図３Ｂに例示したように、エピタキシャルシリコンウェーハ１００のゲッタリング能力は、クラスターイオン１６のドーズ量に単純比例するのではなく、ドーズ量がある閾値を超えると、ゲッタリング能力が劇的に向上することが本発明者らの研究により明らかとなったのである。 Further, the gettering ability of the sample wafer is determined by measuring each dose amount of the cluster ions 16. As described above, the correspondence relationship between the dose amount of the cluster ions 16 and the gettering ability with respect to the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer 100 is obtained in advance prior to the fabrication of the epitaxial wafer 100. As a specific example of this correspondence, the calibration curve shown in FIG. 3B described later in Example 1 can be exemplified. Here, as illustrated in FIG. 3B, the gettering capability of the epitaxial silicon wafer 100 is not simply proportional to the dose amount of the cluster ions 16, and when the dose amount exceeds a certain threshold, the gettering capability is dramatically increased. It has been clarified by studies by the present inventors that the rate is significantly improved.
続いて、この対応関係に基づき目標ゲッタリング能力を満足する実ドーズ量を決定する。実施例１において詳細を後述する図３Ｂを用いて具体的に説明すると、エピタキシャルシリコンウェーハ１００の目標ゲッタリング能力を例えば1.0×1012atoms/cm2とする場合、図３Ｂと照合すれば、この目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量は4.0×1014atoms/cm2以上であることがわかる。そこで、この具体例においては4.0×1014atoms/cm2以上の条件下、シリコンウェーハ１０にクラスターイオン１６を照射する実ドーズ量を決定する。製造効率の観点から、例えば目標ゲッタリング能力を満足することのできるドーズ量の下限値を実ドーズ量としてもよいし、この下限値の１５０％以下の値を実ドーズ量としてもよい。なお、目標ゲッタリング能力は任意に設定することができ、その目標ゲッタリング能力に応じて実ドーズ量が決定されることは勿論である。 Subsequently, an actual dose amount that satisfies the target gettering ability is determined based on this correspondence. 3B, which will be described in detail later in the first embodiment, when the target gettering capability of the epitaxial silicon wafer 100 is set to 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 , for example, if this is compared with FIG. It can be seen that the dose amount satisfying the target gettering ability is 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 or more. Therefore, in this specific example, the actual dose for irradiating the cluster ions 16 to the silicon wafer 10 is determined under the condition of 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 or more. From the viewpoint of manufacturing efficiency, for example, the lower limit value of the dose amount that can satisfy the target gettering ability may be set as the actual dose amount, or a value that is 150% or less of the lower limit value may be set as the actual dose amount. Note that the target gettering ability can be arbitrarily set, and the actual dose amount is determined according to the target gettering ability.
これまで説明したように、本発明の一実施形態に従うエピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法は、既述のとおりに決定した実ドーズ量の下でクラスターイオン照射を行う（図１（Ｂ））。そのため、本発明によれば、種々の目標ゲッタリング能力に対応可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することができる。そして、本発明の製造方法により製造されたエピタキシャルシリコンウェーハ１００は、目標ゲッタリング能力を満足することができる。 As described so far, the method of manufacturing the epitaxial silicon wafer 100 according to the embodiment of the present invention performs the cluster ion irradiation under the actual dose determined as described above (FIG. 1B). Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing an epitaxial silicon wafer that can cope with various target gettering capabilities. The epitaxial silicon wafer 100 manufactured by the manufacturing method of the present invention can satisfy the target gettering capability.
ここで、クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を、複数の不純物金属元素に対して予め求め、複数の不純物金属元素のうち、目標ゲッタリング能力を満足するために最もドーズ量を必要とする不純物金属元素の対応関係に基づき、実ドーズ量を決定してクラスターイオン照射を行うことが好ましい。 Here, the correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability for the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer is obtained in advance for a plurality of impurity metal elements, and the target gettering ability among the plurality of impurity metal elements is obtained. In order to satisfy the above, it is preferable to perform the cluster ion irradiation by determining the actual dose amount based on the correspondence relationship of the impurity metal element that requires the most dose amount.
以下、実施例２において詳細を後述する図４Ｂを用いて、その理由を具体的に説明する。図４Ｂは、エピタキシャルシリコンウェーハのＣｕ，ＦｅおよびＮｉそれぞれに対するゲッタリング能力を示す検量線である。図４Ｂにおいて示されるように、エピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリング能力が劇的に向上するドーズ量の閾値は、不純物金属元素毎に異なることが本発明者らの研究により明らかになった。 Hereinafter, the reason will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4B is a calibration curve showing the gettering ability for each of Cu, Fe and Ni of the epitaxial silicon wafer. As shown in FIG. 4B, it has been clarified by the present inventors that the dose threshold value at which the gettering ability of the epitaxial silicon wafer is dramatically improved is different for each impurity metal element.
Ｃｕ，ＦｅおよびＮｉに対する目標ゲッタリング能力を1.0×1012atoms/cm2とする場合を検討する。図４Ｂの検量線と照合すると、この具体例においては、Ｃｕ，ＦｅおよびＮｉからなる不純物金属元素のうち、目標ゲッタリング能力を満足するために最もドーズ量を必要とする不純物金属元素はＣｕであることがわかる。従って、この例においてはＣｕについての対応関係に基づき、実ドーズ量を決定することにより、目標ゲッタリング能力を満足するエピタキシャルウェーハ１００を製造することができる。なお、この場合、目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量は4.0×1014atoms/cm2以上である。 Consider the case where the target gettering ability for Cu, Fe and Ni is 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 . Compared with the calibration curve of FIG. 4B, in this specific example, among the impurity metal elements composed of Cu, Fe, and Ni, the impurity metal element that requires the most dose to satisfy the target gettering ability is Cu. I know that there is. Therefore, in this example, the epitaxial wafer 100 satisfying the target gettering ability can be manufactured by determining the actual dose amount based on the correspondence relationship for Cu. In this case, the dose amount that satisfies the target gettering ability is 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 or more.
次に、Ｃｕ，ＦｅおよびＮｉに対する目標ゲッタリング能力を3.0×1012atoms/cm2とする場合を検討する。図４Ｂの検量線と照合すると、この具体例においては、上記目標ゲッタリング能力を満足するためには、Ｆｅが最もドーズ量を必要とする不純物金属元素であることがわかる。従って、この例においてはＦｅに対するゲッタリング能力に基づき、実ドーズ量を決定することにより、目標ゲッタリング能力を満足するエピタキシャルウェーハ１００を製造することができる。なおこの場合、目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量は5.0×1015atoms/cm2以上である。従来は、例えばＣｕなどのゲッタリングし難い不純物金属元素を十分にゲッタリングすることができるドーズ量を用いればよいと考えられていた。しかしながら、本発明者らの研究によると、エピタキシャルシリコンウェーハ１００のゲッタリング能力が劇的に向上するドーズ量の閾値は、不純物金属元素毎に異なり、必要なゲッタリング能力毎に最もドーズ量を必要とする不純物金属元素が異なることが判明したのである。したがって、クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係は、不純物金属元素毎に予め求めておき、複数の不純物金属元素のうち、目標ゲッタリング能力を満足するために最もドーズ量を必要とする不純物金属元素に基づき、実ドーズ量を決定することが好ましい。 Next, the case where the target gettering ability for Cu, Fe and Ni is set to 3.0 × 10 12 atoms / cm 2 will be considered. In comparison with the calibration curve of FIG. 4B, in this specific example, it can be seen that Fe is the impurity metal element that requires the most dose in order to satisfy the target gettering ability. Therefore, in this example, the epitaxial wafer 100 satisfying the target gettering ability can be manufactured by determining the actual dose based on the gettering ability for Fe. In this case, the dose amount satisfying the target gettering ability is 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 or more. Conventionally, it has been considered to use a dose that can sufficiently getter an impurity metal element that is difficult to getter, such as Cu. However, according to the study by the present inventors, the dose threshold value for dramatically improving the gettering capability of the epitaxial silicon wafer 100 is different for each impurity metal element, and the most necessary dose amount is required for each required gettering capability. It has been found that the impurity metal elements are different. Therefore, the correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability for the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer is obtained in advance for each impurity metal element, and the target gettering ability among the plurality of impurity metal elements is satisfied. Therefore, it is preferable to determine the actual dose amount based on the impurity metal element that requires the most dose amount.
ここで、前述した実ドーズ量を、エピタキシャルシリコンウェーハ１００にエピタキシャル欠陥が発生しない範囲とすることが好ましく、この範囲を予め求めておくことが好ましい。目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量であっても、クラスターイオン１８の実ドーズ量が過大であると、エピタキシャルシリコンウェーハ１００にエピタキシャル欠陥が発生する場合があるためである。 Here, the above-described actual dose amount is preferably set in a range in which epitaxial defects are not generated in the epitaxial silicon wafer 100, and this range is preferably obtained in advance. This is because even if the dose amount satisfies the target gettering ability, if the actual dose amount of the cluster ions 18 is excessive, an epitaxial defect may occur in the epitaxial silicon wafer 100.
なお、エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル欠陥発生の有無は種々の方法により観察することができる。例えば、Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にてＮｏｒｍａｌモードにてサンプルウェーハを測定し、ＬＰＤ−Ｎとして一定数以上カウントされた場合に、エピタキシャル欠陥が発生したとすることができる。 In addition, the presence or absence of the epitaxial defect generation | occurrence | production of an epitaxial silicon wafer can be observed by various methods. For example, when a sample wafer is measured in the Normal mode with Surfscan SP1 (manufactured by KLA-Tencor) and counted a certain number or more as LPD-N, it can be assumed that an epitaxial defect has occurred.
また、前述した対応関係は、シリコンウェーハ１０の基板特性毎に予め求められていることも好ましい。シリコンウェーハ１０が例えばｐ型基板の場合、シリコンウェーハ１０自体がゲッタリング能力を有するため、エピタキシャルシリコンウェーハ１００のゲッタリング能力も変化するからである。 Moreover, it is also preferable that the correspondence described above is obtained in advance for each substrate characteristic of the silicon wafer 10. This is because when the silicon wafer 10 is a p-type substrate, for example, the silicon wafer 10 itself has gettering capability, and therefore the gettering capability of the epitaxial silicon wafer 100 also changes.
以下、本発明におけるクラスターイオン１６の照射条件について説明する。まず、照射する元素は特に限定されないが、より高いゲッタリング能力を得る観点から、クラスターイオンが、構成元素として炭素を含むことが好ましい。格子位置の炭素原子は共有結合半径がシリコン単結晶と比較して小さいために、シリコン結晶格子の収縮場が形成されるため、格子間の不純物を引き付けるゲッタリング能力が高いからでる。 Hereinafter, the irradiation conditions of the cluster ions 16 in the present invention will be described. First, the element to be irradiated is not particularly limited, but it is preferable that the cluster ion contains carbon as a constituent element from the viewpoint of obtaining higher gettering ability. This is because the carbon atom at the lattice position has a smaller covalent bond radius than that of the silicon single crystal, so that a contraction field of the silicon crystal lattice is formed, and the gettering ability to attract impurities between the lattices is high.
また、クラスターイオン１６の構成元素としては炭素を含む２種以上の元素を含むことが好ましく、また、炭素に加えてドーパント元素をさらに含むことも好ましい。析出元素の種類により効率的にゲッタリング可能な金属の種類が異なるため、２種以上の元素を固溶させることにより、より幅広い金属汚染に対応できるからである。なお、クラスターイオンの構成元素としてのドーパント元素は、ボロン、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素であることが好ましい。例えば、炭素の場合、ニッケル（Ｎｉ）を効率的にゲッタリングすることができ、ボロンの場合、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）を効率的にゲッタリングすることができる。 Moreover, as a constituent element of the cluster ion 16, it is preferable to contain 2 or more types of elements containing carbon, and it is also preferable to further contain a dopant element in addition to carbon. This is because the types of metals that can be efficiently gettered differ depending on the types of deposited elements, so that two or more types of elements can be dissolved to cope with a wider range of metal contamination. The dopant element as a constituent element of the cluster ion is preferably one or more elements selected from the group consisting of boron, phosphorus, arsenic, and antimony. For example, in the case of carbon, nickel (Ni) can be efficiently gettered, and in the case of boron, copper (Cu) and iron (Fe) can be efficiently gettered.
なお、クラスターイオンを照射するにあたり、イオン化させる化合物も特に限定されないが、イオン化が可能な炭素源化合物としては、エタン、メタン、二酸化炭素（ＣＯ２）などを用いることができ、イオン化が可能なボロン源化合物としては、ジボラン、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）などを用いることができる。例えば、ベンジルとデカボランを混合したガスを材料ガスとした場合、炭素、ボロンおよび水素が集合した水素化合物クラスターを生成することができる。また、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）を材料ガスとすれば、炭素および水素からなるクラスターイオンを生成することができる。炭素源化合物の具体例として、ピレン（Ｃ１６Ｈ１０）、ジベンジル（Ｃ１４Ｈ１４）などより生成したクラスターＣｎＨｍ（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を挙げることができる。 In addition, the compound to be ionized in irradiation with cluster ions is not particularly limited, but as a carbon source compound that can be ionized, ethane, methane, carbon dioxide (CO 2 ), or the like can be used. As the source compound, diborane, decaborane (B 10 H 14 ), or the like can be used. For example, when a gas in which benzyl and decaborane are mixed is used as a material gas, a hydrogen compound cluster in which carbon, boron, and hydrogen are aggregated can be generated. If cyclohexane (C 6 H 12 ) is used as a material gas, cluster ions composed of carbon and hydrogen can be generated. Specific examples of the carbon source compound include clusters C n H m (3 ≦ n ≦ 16, 3 ≦ m ≦ 10) formed from pyrene (C 16 H 10 ), dibenzyl (C 14 H 14 ), and the like. .
また、本明細書において「クラスターサイズ」とは、１つのクラスターを構成する原子または分子の個数を意味する。クラスターサイズは２〜１００個、好ましくは６０個以下、より好ましくは５０個以下で適宜設定することができる。 In the present specification, “cluster size” means the number of atoms or molecules constituting one cluster. The cluster size can be appropriately set to 2 to 100, preferably 60 or less, more preferably 50 or less.
なお、クラスターイオンは結合様式によって多種のクラスターが存在し、例えば以下の文献に記載されるような公知の方法で生成することができる。ガスクラスタービームの生成法として、（１）特開平９−４１１３８号公報、（２）特開平４−３５４８６５号公報、イオンビームの生成法として、（１）荷電粒子ビーム工学：石川順三：ＩＳＢＮ９７８−４−３３９−００７３４−３：コロナ社、（２）電子・イオンビーム工学：電気学会：ＩＳＢＮ４−８８６８６−２１７−９：オーム社、（３）クラスターイオンビーム基礎と応用：ＩＳＢＮ４−５２６−０５７６５−７：日刊工業新聞社。また、一般的に、正電荷のクラスターイオンの発生にはニールセン型イオン源あるいはカウフマン型イオン源が用いられ、負電荷のクラスターイオンの発生には体積生成法を用いた大電流負イオン源が用いられる。 There are various types of clusters depending on the binding mode, and for example, the cluster ions can be generated by a known method as described in the following document. As a method for generating a gas cluster beam, (1) JP-A-9-41138, (2) JP-A-4-354865, and as an ion beam generation method, (1) charged particle beam engineering: Junzo Ishikawa: ISBN978 -4-339-00734-3: Corona, (2) Electron / ion beam engineering: The Institute of Electrical Engineers of Japan: ISBN4-88686-217-9: Ohm, (3) Cluster ion beam foundation and application: ISBN4-526-05765 -7: Nikkan Kogyo Shimbun. In general, a Nielsen ion source or a Kaufman ion source is used to generate positively charged cluster ions, and a large current negative ion source using a volume generation method is used to generate negatively charged cluster ions. It is done.
また、クラスターイオンは一般的に10〜100keV/Cluster程度の加速電圧で照射する。加速電圧の調整には、（１）静電加速、（２）高周波加速の２方法が一般的に用いられる。前者の方法としては、複数の電極を等間隔に並べ、それらの間に等しい電圧を印加して、軸方向に等加速電界を作る方法がある。後者の方法としては、イオンを直線状に走らせながら高周波を用いて加速する線形ライナック法がある。 In addition, cluster ions are generally irradiated at an acceleration voltage of about 10 to 100 keV / Cluster. For adjusting the acceleration voltage, two methods of (1) electrostatic acceleration and (2) high-frequency acceleration are generally used. As the former method, there is a method in which a plurality of electrodes are arranged at equal intervals and an equal voltage is applied between them to create an equal acceleration electric field in the axial direction. As the latter method, there is a linear linac method in which ions are accelerated using a high frequency while running linearly.
（サンプルウェーハの作製）
まず、クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素Ｃｕに対するゲッタリング能力との対応関係を予め求めるために、以下の条件でエピタキシャルシリコンウェーハのサンプルウェーハを作製した。
(Production of sample wafer)
First, in order to obtain in advance a correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability of the epitaxial silicon wafer with respect to the impurity metal element Cu, a sample wafer of an epitaxial silicon wafer was produced under the following conditions.
ＣＺ単結晶から得たｐ型シリコンウェーハ（直径：３００ｍｍ、厚み：７７５μｍ、ドーパント種類：ボロン、抵抗率：０．００３Ω・ｃｍ）を用意した。次いで、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、型番：CLARIS）を用いて、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）をクラスターイオン化したＣ３Ｈ５のクラスターイオンを、加速電圧80keV/Cluster（炭素１原子あたりの加速電圧23.4keV/atom）の照射条件でシリコンウェーハに照射し、シリコンウェーハに改質層を形成した。なお、クラスターイオンを照射した際のドーズ量は炭素原子数に換算して、3.0×1013atoms/cm2，5.0×1013atoms/cm2，1.0×1014atoms/cm2，2.0×1014atoms/cm2，3.0×1014atoms/cm2，5.0×1014atoms/cm2，1.0×1015atoms/cm2，2.0×1015atoms/cm2および5.0×1015atoms/cm2とした。 A p-type silicon wafer (diameter: 300 mm, thickness: 775 μm, dopant type: boron, resistivity: 0.003 Ω · cm) obtained from a CZ single crystal was prepared. Next, using a cluster ion generator (manufactured by Nissin Ion Equipment Co., Ltd., model number: CLARIS), C 3 H 5 cluster ions obtained by cluster ionization of cyclohexane (C 6 H 12 ) were converted into an acceleration voltage of 80 keV / Cluster (carbon 1). The silicon wafer was irradiated under an irradiation condition of an acceleration voltage of 23.4 keV / atom per atom to form a modified layer on the silicon wafer. In addition, the dose amount when irradiated with cluster ions is converted into the number of carbon atoms, 3.0 × 10 13 atoms / cm 2 , 5.0 × 10 13 atoms / cm 2 , 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 , 2.0 × 10 14 atoms / cm 2 , 3.0 × 10 14 atoms / cm 2 , 5.0 × 10 14 atoms / cm 2 , 1.0 × 10 15 atoms / cm 2 , 2.0 × 10 15 atoms / cm 2 and 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 It was.
その後、シリコンウェーハを枚葉式エピタキシャル成長装置（アプライドマテリアルズ社製）内に搬送し、装置内で１１２０℃の温度で３０秒の水素ベーク処理を施した後、水素をキャリアガス、トリクロロシランをソースガス、１１５０℃でＣＶＤ法により、シリコンウェーハ上にシリコンのエピタキシャル層（厚さ：４μｍ、ドーパント種類：ボロン、抵抗率：０．３Ω・ｃｍ）をエピタキシャル成長させ、サンプルウェーハを作製した。 After that, the silicon wafer is transferred into a single wafer epitaxial growth apparatus (Applied Materials Co., Ltd.), subjected to a hydrogen baking process at a temperature of 1120 ° C. for 30 seconds, and then hydrogen as a carrier gas and trichlorosilane as a source. A silicon epitaxial layer (thickness: 4 μm, dopant type: boron, resistivity: 0.3 Ω · cm) was epitaxially grown on a silicon wafer by a CVD method at a gas of 1150 ° C. to prepare a sample wafer.
（サンプルウェーハのゲッタリング能力評価）
各サンプルウェーハのエピタキシャル層の表面を、Ｃｕ汚染液（1.3×1013atoms/cm2）を用いてスピンコート汚染法により強制的に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において９００℃で１０分間の熱処理を施した。その後、各サンプルウェーハについてＳＩＭＳ測定を行い、深さ方向における炭素濃度およびＣｕ濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。代表例として、炭素原子数に換算したドーズ量1.0×1015atoms/cm2のときの濃度プロファイルを図３Ａに示す。ここで、図３Ａの横軸の深さはサンプルウェーハのエピタキシャル層表面をゼロとしている。図３Ａにおいては、深さ０〜４μｍまでがエピタキシャル層に相当し、深さ４μｍ以深がシリコンウェーハに相当する。また、サンプルウェーハのゲッタリングサイトは、クラスターイオンの構成元素としての炭素がバックグラウンド以上に検出される領域であり、かつエピタキシャル層直下である深さ４μｍ〜５μｍ（２点鎖線で囲まれた領域）に相当する。
(Evaluation of sample wafer gettering ability)
The surface of the epitaxial layer of each sample wafer is forcibly contaminated by a spin coating contamination method using a Cu contamination liquid (1.3 × 10 13 atoms / cm 2 ), and then heat-treated at 900 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. Was given. Thereafter, SIMS measurement was performed on each sample wafer, and profiles of carbon concentration and Cu concentration in the depth direction were measured. As a representative example, FIG. 3A shows a concentration profile at a dose amount of 1.0 × 10 15 atoms / cm 2 converted to the number of carbon atoms. Here, the depth of the horizontal axis in FIG. 3A is zero on the epitaxial layer surface of the sample wafer. In FIG. 3A, the depth of 0 to 4 μm corresponds to the epitaxial layer, and the depth of 4 μm or more corresponds to the silicon wafer. In addition, the gettering site of the sample wafer is a region where carbon as a constituent element of cluster ions is detected more than the background, and a depth of 4 μm to 5 μm (region surrounded by a two-dot chain line immediately below the epitaxial layer) ).
次いで、上記領域（２点鎖線で囲まれた領域）で、Ｃｕの面積濃度を積分することにより、ゲッタリングサイトによるＣｕ捕獲量を算出し、各サンプルウェーハのＣｕに対するゲッタリング能力を求めた。炭素ドーズ量1.0×1015atoms/cm2のときのサンプルウェーハのゲッタリング能力を求めると、2.3×1012atoms/cm2であった。同様にして、ドーズ量毎にサンプルウェーハのゲッタリング能力を求めた。クラスターイオンのドーズ量毎の、サンプルウェーハのＣｕに対するゲッタリング能力の検量線を図３Ｂに示す。なお、図３Ｂ中の曲線は対数近似法により求めている。また、図３Ｂ中、Ｃｕの検出下限は1.0×1010atoms/cm2である。 Next, the amount of Cu trapped by the gettering site was calculated by integrating the area concentration of Cu in the above region (region surrounded by a two-dot chain line), and the gettering ability of each sample wafer with respect to Cu was obtained. The gettering ability of the sample wafer when the carbon dose was 1.0 × 10 15 atoms / cm 2 was 2.3 × 10 12 atoms / cm 2 . Similarly, the gettering ability of the sample wafer was determined for each dose. FIG. 3B shows a calibration curve of the gettering ability of the sample wafer with respect to Cu for each dose amount of cluster ions. The curve in FIG. 3B is obtained by the logarithmic approximation method. In FIG. 3B, the lower limit of detection of Cu is 1.0 × 10 10 atoms / cm 2 .
（エピタキシャル欠陥の評価）
また、ゲッタリング能力評価とは別に、各サンプルウェーハに対して、Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にてＮｏｒｍａｌモードにて測定を行い、ＬＰＤ−Ｎとしてカウントされた個数を確認し、１０以上カウントされた場合にエピタキシャル欠陥が発生したとして評価した。炭素原子数に換算したドーズ量が5.0×1015atoms/cm2以下のときには、エピタキシャル欠陥の発生は確認できなかった。一方、ドーズ量が5.0×1015atoms/cm2を超えると、エピタキシャル欠陥が発生することが確認された。
(Evaluation of epitaxial defects)
Separately from the gettering ability evaluation, each sample wafer was measured in the Normal mode with Surfscan SP1 (manufactured by KLA-Tencor), and the number counted as LPD-N was confirmed. When counted, it was evaluated that an epitaxial defect occurred. When the dose amount converted to the number of carbon atoms was 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 or less, the occurrence of epitaxial defects could not be confirmed. On the other hand, it was confirmed that when the dose amount exceeds 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 , epitaxial defects are generated.
（エピタキシャルシリコンウェーハの作製）
こうして得られた検量線を用いて、目標ゲッタリング能力：1.0×1012atoms/cm2のエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。作製にあたり、まず、図３Ｂに示した検量線と照合した結果、この目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量の下限値は、炭素原子数に換算したドーズ量で4.0×1014atoms/cm2であった。目標ゲッタリング能力を満足し、かつ、エピタキシャル欠陥の発生しないドーズ量として、実ドーズ量：4.5×1014atoms/cm2を用いた以外は、前述のサンプルウェーハと同様にしてエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。このエピタキシャルシリコンウェーハは目標ゲッタリング能力を満足することが確認でき、かつ、このエピタキシャルシリコンウェーハにエピタキシャル欠陥は確認されなかった。
(Production of epitaxial silicon wafer)
Using the calibration curve thus obtained, an epitaxial silicon wafer having a target gettering ability of 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 was produced. In production, first, as a result of collation with the calibration curve shown in FIG. 3B, the lower limit value of the dose amount satisfying the target gettering ability is 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 in terms of the dose amount converted to the number of carbon atoms. there were. Epitaxial silicon wafers are fabricated in the same manner as the sample wafer described above, except that the actual dose amount: 4.5 × 10 14 atoms / cm 2 is used as the dose amount that satisfies the target gettering capability and does not generate epitaxial defects. did. This epitaxial silicon wafer was confirmed to satisfy the target gettering capability, and no epitaxial defects were confirmed in this epitaxial silicon wafer.
クラスターイオンのドーズ量と、エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素Ｃｕ，ＮｉおよびＦｅのそれぞれに対するゲッタリング能力との対応関係を予め求めるために、実施例１と同様にしてサンプルウェーハを作製した。続いて、各サンプルウェーハに対して、Ｃｕ汚染液（1.3×1013atoms/cm2）を用いてスピンコート汚染法により故意に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において７００℃で１０分間の熱処理を施し、その後、各サンプルについてＳＩＭＳ測定を行い、深さ方向における炭素濃度およびＣｕ濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。また、Ｃｕ汚染液とは別に、Ｎｉ汚染液（1.3×1013atoms/cm2）を用いてスピンコート汚染法により各サンプルウェーハを故意に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において７００℃で１０分間の熱処理を施し、その後、各サンプルウェーハについてＳＩＭＳ測定を行い、深さ方向における炭素濃度およびＮｉ濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。さらに、前述のＣｕ汚染液およびＮｉ汚染液とは別に、Ｆｅ汚染液（1.3×1013atoms/cm2）を用いてスピンコート汚染法により各サンプルウェーハを故意に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において７００℃で８時間の熱処理を施し、その後、各サンプルウェーハについてＳＩＭＳ測定を行い、深さ方向における炭素濃度およびＦｅ濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。代表例として、炭素原子数に換算したドーズ量1.0×1015atoms/cm2のときのＣｕ，ＮｉおよびＦｅの濃度を重ね合わせた濃度プロファイルを図４Ａに示す。 In order to obtain in advance a correspondence relationship between the dose amount of cluster ions and the gettering ability of each of the impurity metal elements Cu, Ni and Fe of the epitaxial silicon wafer, a sample wafer was prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, each sample wafer was intentionally contaminated by a spin coating contamination method using a Cu contamination liquid (1.3 × 10 13 atoms / cm 2 ), and then subjected to a heat treatment at 700 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. After that, SIMS measurement was performed for each sample, and profiles of carbon concentration and Cu concentration in the depth direction were measured. In addition to the Cu contamination liquid, each sample wafer is intentionally contaminated by spin coating contamination using Ni contamination liquid (1.3 × 10 13 atoms / cm 2 ), and then at 700 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. After that, SIMS measurement was performed on each sample wafer, and profiles of carbon concentration and Ni concentration in the depth direction were measured. Further, apart from the Cu contamination liquid and Ni contamination liquid described above, each sample wafer is intentionally contaminated by spin coating contamination method using Fe contamination liquid (1.3 × 10 13 atoms / cm 2 ), and then in a nitrogen atmosphere. Then, heat treatment was performed at 700 ° C. for 8 hours, and then each sample wafer was subjected to SIMS measurement to measure the profile of carbon concentration and Fe concentration in the depth direction. As a representative example, FIG. 4A shows a concentration profile in which the concentrations of Cu, Ni, and Fe are superimposed when the dose amount converted to the number of carbon atoms is 1.0 × 10 15 atoms / cm 2 .
実施例１と同様にして、ゲッタリングサイトに相当する深さ４μｍ〜５μｍ（２点鎖線で囲まれた領域）で、Ｃｕ，ＮｉおよびＦｅのそれぞれの面積濃度を積分することにより、サンプルウェーハのゲッタリングサイトによるＣｕ，ＮｉおよびＦｅそれぞれの捕獲量を算出し、各サンプルウェーハのＣｕ，ＮｉおよびＦｅそれぞれに対するゲッタリング能力を求めた。クラスターイオンのドーズ量毎の、サンプルウェーハのＣｕ，ＮｉおよびＦｅに対するゲッタリング能力の検量線を図４Ｂに示す。なお、図４Ｂ中、Ｃｕの検出下限は1.0×1010atoms/cm2であり、Ｎｉの検出下限は2.0×1010atoms/cm2であり、Ｆｅの検出下限は8.0×109atoms/cm2である。 In the same manner as in Example 1, by integrating the respective area concentrations of Cu, Ni, and Fe at a depth corresponding to the gettering site of 4 μm to 5 μm (region surrounded by a two-dot chain line), The amount of Cu, Ni, and Fe captured by the gettering site was calculated, and the gettering ability of each sample wafer for Cu, Ni, and Fe was determined. FIG. 4B shows a calibration curve for the gettering ability of the sample wafer with respect to Cu, Ni and Fe for each dose amount of cluster ions. In FIG. 4B, the lower limit of detection of Cu is 1.0 × 10 10 atoms / cm 2 , the lower limit of detection of Ni is 2.0 × 10 10 atoms / cm 2 , and the lower limit of detection of Fe is 8.0 × 10 9 atoms / cm 2. 2 .
こうして得られた検量線を用いて、目標ゲッタリング能力：1.0×1012atoms/cm2のエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。作製にあたり、まず、図４Ｂに示した検量線と照合した結果、この目標ゲッタリング能力を満足するためには、Ｃｕに対するゲッタリング能力を満足する必要があることがわかった。このとき、Ｃｕに対しての目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量の下限値は、炭素原子数に換算したドーズ量で4.0×1014atoms/cm2であった。実ドーズ量を4.5×1014atoms/cm2とした以外は、前述のサンプルウェーハと同様にしてエピタキシャルシリコンウェーハを作製すると、このエピタキシャルシリコンウェーハは目標ゲッタリング能力：1.0×1012atoms/cm2を満足することが確認できた。また、このエピタキシャルシリコンウェーハにエピタキシャル欠陥は確認されなかった。 Using the calibration curve thus obtained, an epitaxial silicon wafer having a target gettering ability of 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 was produced. In manufacturing, as a result of collating with the calibration curve shown in FIG. 4B, it was found that it is necessary to satisfy the gettering ability for Cu in order to satisfy the target gettering ability. At this time, the lower limit value of the dose amount that satisfies the target gettering ability for Cu was 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 in terms of the dose amount converted to the number of carbon atoms. When an epitaxial silicon wafer is produced in the same manner as the sample wafer described above except that the actual dose is set to 4.5 × 10 14 atoms / cm 2 , this epitaxial silicon wafer has a target gettering capability: 1.0 × 10 12 atoms / cm 2. We were able to confirm that Further, no epitaxial defects were confirmed in this epitaxial silicon wafer.
また、目標ゲッタリング能力：3.0×1012atoms/cm2のエピタキシャルシリコンウェーハを作製するにあたり、図４Ｂに示した検量線と照合した結果、この目標ゲッタリング能力を満足するためには、Ｆｅに対するゲッタリング能力を満足する必要があることがわかった。このとき、Ｆｅに対しての目標ゲッタリング能力を満足するドーズ量の下限値は、炭素原子数に換算したドーズ量で5.0×1015atoms/cm2であった。実ドーズ量を5.0×1015atoms/cm2とした以外は、前述のサンプルウェーハと同様にしてエピタキシャルシリコンウェーハを作製すると、このエピタキシャルシリコンウェーハは目標ゲッタリング能力：3.0×1012atoms/cm2を満足することが確認できた。また、このエピタキシャルシリコンウェーハにエピタキシャル欠陥は確認されなかった。 Further, in producing an epitaxial silicon wafer having a target gettering capability of 3.0 × 10 12 atoms / cm 2 , as a result of collation with the calibration curve shown in FIG. 4B, in order to satisfy this target gettering capability, It turns out that it is necessary to satisfy the gettering ability. At this time, the lower limit value of the dose amount satisfying the target gettering ability for Fe was 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 in terms of the dose amount converted to the number of carbon atoms. When an epitaxial silicon wafer is produced in the same manner as the sample wafer described above except that the actual dose is set to 5.0 × 10 15 atoms / cm 2 , this epitaxial silicon wafer has a target gettering capability: 3.0 × 10 12 atoms / cm 2. We were able to confirm that Further, no epitaxial defects were confirmed in this epitaxial silicon wafer.
本発明によれば、種々の目標ゲッタリング能力に対応可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the epitaxial silicon wafer which can respond to various target gettering ability can be provided.
１０ シリコンウェーハ
１０Ａ シリコンウェーハの表面
１６ クラスターイオン
１８ 改質層
２０ エピタキシャルシリコン層
１００ エピタキシャルシリコンウェーハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon wafer 10A Silicon wafer surface 16 Cluster ion 18 Modified layer 20 Epitaxial silicon layer 100 Epitaxial silicon wafer
Claims (8)
前記クラスターイオンのドーズ量と、前記エピタキシャルシリコンウェーハの不純物金属元素に対するゲッタリング能力との対応関係を予め求め、該対応関係に基づき決定した目標ゲッタリング能力を満足する実ドーズ量の下で、前記クラスターイオン照射を行うことを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 After irradiating the surface of the silicon wafer with cluster ions to form a modified layer in which the constituent elements of the cluster ions are dissolved in the surface portion of the silicon wafer, an epitaxial silicon layer is formed on the modified layer of the silicon wafer. An epitaxial silicon wafer manufacturing method for forming
A correspondence relationship between the dose amount of the cluster ions and the gettering ability with respect to the impurity metal element of the epitaxial silicon wafer is obtained in advance, and under the actual dose amount satisfying the target gettering ability determined based on the correspondence relation, A method for producing an epitaxial silicon wafer, comprising performing cluster ion irradiation.
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