JP2018182211A - エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層厚の測定方法、及びエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)シリコンウェーハの表面からイオンを注入して、該シリコンウェーハの表層部をイオン注入欠陥領域とする工程と、
前記シリコンウェーハの前記イオン注入欠陥領域上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
前記エピタキシャルシリコンウェーハの前記エピタキシャル層に近赤外光を照射して得られる反射光を検出することにより、前記エピタキシャル層の厚さを測定する工程と、
を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層厚の測定方法。
前記テストシリコンウェーハの前記イオン注入欠陥領域上に、目標厚さとなるようにあらかじめ設定したエピタキシャル成長条件下でテストエピタキシャル層を形成して、エピタキシャル層厚測定用エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
前記エピタキシャル層厚測定用エピタキシャルシリコンウェーハの前記テストエピタキシャル層に近赤外光を照射して得られる反射光を検出することにより、前記テストエピタキシャル層の厚さを測定する工程と、
前記目標厚さと測定された前記テストエピタキシャル層の厚さとの差に基づいて、前記エピタキシャル成長条件を調整して補正エピタキシャル成長条件を決定する工程と、
前記補正エピタキシャル成長条件下で、シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
を有する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。
図1を参照して、本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層厚の測定方法を説明する。本実施形態の方法は、シリコンウェーハ10の表面10Aからイオン12を注入して、該シリコンウェーハ10の表層部をイオン注入欠陥領域14とする工程(図1(A),(B))と、このシリコンウェーハ10のイオン注入欠陥領域14上にエピタキシャル層16を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハ100を得る工程(図1(C))と、このエピタキシャルシリコンウェーハ100のエピタキシャル層16に近赤外光L1を照射して得られる反射光L2,L3を検出することにより、エピタキシャル層16の厚さtを測定する工程(図1(D))と、を有する。
シリコンウェーハ10としては、表面にエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶シリコンウェーハが挙げられる。また、エピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリング能力を高める観点から、シリコンウェーハ10に炭素および/または窒素を添加してもよい。さらに、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、低抵抗ウェーハ又は高抵抗ウェーハとしてもよいし、ドーパントを添加しなくてもよい。本実施形態は、従来技術のようにシリコンウェーハとエピタキシャル層との間のドーパント濃度差に基づいて両者の界面を検出しようとするものではないため、シリコンウェーハ10のドーパント濃度は1×1018atoms/cm3未満とすることができる。すなわち、本実施形態を適用可能なシリコンウェーハには何らの制約もない。
イオン注入欠陥領域14上に形成するシリコンエピタキシャル層16は、一般的な条件により形成することができる。例えば、エピタキシャル成長に先立ち行われる水素ベーク処理の一般的な条件は、エピタキシャル成長装置内を水素雰囲気とし、600℃以上900℃以下の炉内温度でシリコンウェーハ10を炉内に投入し、1℃/秒以上15℃/秒以下の昇温レートで1100℃以上1200℃以下の温度範囲にまで昇温させ、その温度で30秒以上1分以下の間保持するものである。この水素ベーク処理は、エピタキシャル層成長前の洗浄処理によりウェーハ表面に形成された自然酸化膜を除去するためのものである。引き続き、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℃の範囲の温度でCVD法によりシリコンウェーハ10上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させることができる。エピタキシャル層16の厚さは特に限定されないが、1〜15μmの範囲内とすることができる。また、本実施形態は、厚さの測定精度が高いことから、エピタキシャル層16の厚さが小さい場合、例えば5μm以下の場合に特に効果的である。
注入するイオンは、モノマーイオンでも分子イオンであってもよい。ここで、「分子イオン」とは、共有結合または錯体を作る2つまたはそれより多くの原子から構成されるイオンであり、通常2〜50個程度の原子からなる分子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。モノマーイオンの発生装置または分子イオンの発生装置としては、従来の装置を用いることができる。
次に、本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明する。一般的に、エピタキシャル層を形成するにあたっては、所望の目標厚みになるように予め、成膜時間、成長温度、ソースガス及びキャリアガスの流量等のエピタキシャル成長条件を決定する。しかしながら、同一のエピタキシャル成長条件を採用しても、使用するエピタキシャル成長装置によっては実際に形成されるエピタキシャル層の厚みは、その都度多少変動することがある。そこで本実施形態では、既述のエピタキシャル層厚の測定方法を利用して、エピタキシャル成長条件を調整することによって、正確な所望厚さのエピタキシャル層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方法を提供するものである。
CZ単結晶シリコンインゴットから得たn型シリコンウェーハ(直径:300mm、厚さ:725μm、ドーパント:リン、ドーパント濃度:3.0×1014atoms/cm3、抵抗率:15Ωcm、酸素濃度:1.2×1018atoms/cm3)を用意した。次に、分子イオン発生装置(日新イオン機器社製、CLARIS(登録商標))を用いて、シクロヘキサンよりC3H5分子を生成して、1分子あたりのドーズ量を1×1014atoms/cm2として、シリコンウェーハの表面から注入して、イオン注入欠陥領域を形成した。1分子当りの加速電圧は80keVとした。
1分子あたりのドーズ量を1×1015atoms/cm2とした以外は、実験No.1と同様の実験を行った。SIMS測定から特定されるイオン注入欠陥領域は、表層80nmであり、ウェーハ表面での炭素濃度は3×1020atoms/cm3であった。
1分子あたりのドーズ量を3×1015atoms/cm2とした以外は、実験No.1と同様の実験を行った。SIMS測定から特定されるイオン注入欠陥領域は、表層80nmであり、ウェーハ表面での炭素濃度は9×1020atoms/cm3であった。
C3H5クラスターイオンの注入に代えて、CO2ガスから炭素のモノマーイオンを生成し、ドーズ量1×1015atoms/cm2、加速電圧80keVの条件で、シリコンウェーハ表面に注入したこと以外は、実験No.1と同様の実験を行った。SIMS測定から特定されるイオン注入欠陥領域は、表層250nmであり、ウェーハ表面での炭素濃度は1×1020atoms/cm3であった。
イオン注入を行わないこと以外は、実験No.1と同様の実験を行った。
シリコンウェーハを、ドーパント濃度:4.5×1018atoms/cm3、抵抗率:0.01Ωcmとして、シリコンエピタキシャル層を、ドーパント濃度:4.5×1015atoms/cm3、抵抗率:1Ωcmとした以外は、それぞれ実験No.1〜5と同様の実験を行った。
まず、実験No.2のエピタキシャルシリコンウェーハの断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察したところ、イオン注入欠陥領域はアモルファス化しており、エピタキシャル層との界面が明確に視認できた。このエピタキシャル層の厚さをTEM画像から求めたところ、目標厚さのとおり10.0μmとなっていた。ここで、表1から明らかなように、イオン注入を行ったNo.1〜4,6〜9においては、近赤外光を照射した場合に、高精度な厚さ測定ができ、特にC3H5クラスターイオンを注入したNo.1〜3,6〜8では、発光中心波長1.31μmの場合に測定厚さ平均が9.9〜10.2μmと、非常に高精度な厚さ測定ができた。
10 シリコンウェーハ(テストシリコンウェーハ)
10A シリコンウェーハの表面
12 イオン
14 イオン注入欠陥領域
16 エピタキシャル層(テストエピタキシャル層)
18A エピタキシャル層の表面
18B シリコンウェーハ/エピタキシャル層の界面
L1 照射光(近赤外光)
L2 エピタキシャル層表面からの反射光
L3 シリコンウェーハ/エピタキシャル層の界面からの反射光
t エピタキシャル層の厚さ
Claims (7)
- シリコンウェーハの表面からイオンを注入して、該シリコンウェーハの表層部をイオン注入欠陥領域とする工程と、
前記シリコンウェーハの前記イオン注入欠陥領域上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
前記エピタキシャルシリコンウェーハの前記エピタキシャル層に近赤外光を照射して得られる反射光を検出することにより、前記エピタキシャル層の厚さを測定する工程と、
を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層厚の測定方法。 - 前記イオンが、シリコン結晶中において電気的不活性となる元素のイオンである、請求項1に記載のエピタキシャル層厚の測定方法。
- 前記イオンが、炭素、窒素、ネオン、アルゴン、水素、及びヘリウムから選択される1種以上のイオンである、請求項2に記載のエピタキシャル層厚の測定方法。
- 前記イオンが分子イオンである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエピタキシャル層厚の測定方法。
- 前記分子イオンが炭素及び水素を含む、請求項4に記載のエピタキシャル層厚の測定方法。
- 前記シリコンウェーハのドーパント濃度が1×1018atoms/cm3未満である、請求項1〜5に記載のエピタキシャル層厚の測定方法。
- テストシリコンウェーハの表面からイオンを注入して、該テストシリコンウェーハの表層部をイオン注入欠陥領域とする工程と、
前記テストシリコンウェーハの前記イオン注入欠陥領域上に、目標厚さとなるようにあらかじめ設定したエピタキシャル成長条件下でテストエピタキシャル層を形成して、エピタキシャル層厚測定用エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
前記エピタキシャル層厚測定用エピタキシャルシリコンウェーハの前記テストエピタキシャル層に近赤外光を照射して得られる反射光を検出することにより、前記テストエピタキシャル層の厚さを測定する工程と、
前記目標厚さと測定された前記テストエピタキシャル層の厚さとの差に基づいて、前記エピタキシャル成長条件を調整して補正エピタキシャル成長条件を決定する工程と、
前記補正エピタキシャル成長条件下で、シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャルシリコンウェーハを得る工程と、
を有する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。
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