JP2020155679A - Manufacturing method of epitaxial silicon wafer and epitaxial silicon wafer - 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、および、エピタキシャルシリコンウェーハに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer and an epitaxial silicon wafer.
微細化が進むシリコンデバイスでは、デバイス特性の向上策として、デバイス活性層であるウェーハ表面近傍に歪みが付加されることがある。
例えば、単結晶シリコン基板上にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、当該ＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させた歪みシリコンウェーハや、ＳｉＧｅ層に換えて表面を窒化したウェーハや、ＳＯＩウェーハが提案されている。
In silicon devices that are becoming finer, strain may be added near the wafer surface, which is the device active layer, as a measure to improve device characteristics.
For example, a strained silicon wafer in which a SiGe layer is epitaxially grown on a single crystal silicon substrate and a strained Si layer is epitaxially grown on the SiGe layer, a wafer whose surface is nitrided in place of the SiGe layer, and an SOI wafer are proposed. ing.
上記歪みＳｉ層には、Ｓｉに比べて格子定数が大きいＳｉＧｅ層によって、引っ張り歪みが生じており、この歪みによってＳｉのバンド構造が変化し、縮退が解けてキャリア移動度が高まる。このため、この歪みＳｉ層をチャネル領域として用いることによって、通常のバルクシリコンを用いた半導体基板の場合と比べて、１．５倍以上のキャリア移動の高速化が可能となる。したがって、歪みシリコンウェーハは、高速ＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＨＥＭＴ等に好適である。 In the strained Si layer, tensile strain is generated by the SiGe layer having a larger lattice constant than Si, and this strain changes the band structure of Si, degeneracy is solved, and carrier mobility is increased. Therefore, by using this strained Si layer as a channel region, it is possible to speed up carrier movement by 1.5 times or more as compared with the case of a semiconductor substrate using ordinary bulk silicon. Therefore, the strained silicon wafer is suitable for high-speed MOSFETs, MODEFETs, HEMTs, and the like.
しかし、歪みシリコンウェーハでは、ウェーハ表面近傍に付加される歪みによって発生する膜応力が非常に大きいため、この歪みからウェーハ表面側に向けて転位が発生することがある。そこで、このような転位を抑制するための検討がなされている（例えば、特許文献１〜３参照）。
However, in a strained silicon wafer, the film stress generated by the strain applied near the wafer surface is very large, and this strain may cause dislocations toward the wafer surface side. Therefore, studies have been made to suppress such dislocations (see, for example,
特許文献１に記載の方法では、エピタキシャル成長後に酸素濃度設定熱処理を行い、バルクからの外方拡散と表面酸化膜からの内方拡散とを利用して、エピタキシャル膜表面の酸素濃度を高めることで強度向上を図っている。
In the method described in
特許文献２に記載の方法では、ボロンが添加されたシリコンウェーハにエピタキシャル膜を形成した後、９００℃未満の温度で熱処理することで、ボロンによるエピタキシャル膜への酸素の増速拡散作用を生じさせ、エピタキシャル膜表面の酸素濃度を高めることで強度向上を図っている。
In the method described in
特許文献３に記載の方法では、エピタキシャル成長後にエピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用してエピタキシャル膜表面の窒素濃度を高めることで強度向上を図っている。
In the method described in
しかし、近年三次元デバイス構造の採用によりエピタキシャル膜に付加される応力が増加しており、特許文献１，２のような酸素濃度を高める方法では、十分な強度を得られないおそれがある。
また、特許文献３のような窒素濃度を高める方法では、エピタキシャルシリコンウェーハ表面から窒化膜を除去する必要があり、製造効率が低下するおそれがある。また、窒素はシリコン中の拡散速度が速いため、デバイス工程の熱処理条件によっては窒素がエピタキシャルウェーハ表面から雰囲気中に脱離してしまい、十分な強度が得られない場合がある。
However, in recent years, the stress applied to the epitaxial film has increased due to the adoption of the three-dimensional device structure, and there is a possibility that sufficient strength cannot be obtained by the method of increasing the oxygen concentration as in
Further, in the method of increasing the nitrogen concentration as in
本発明の目的は、転位の発生を抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを製造効率の低下を招くことなく製造できるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、および、転位の発生を抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer capable of manufacturing an epitaxial silicon wafer capable of suppressing the occurrence of dislocations without causing a decrease in manufacturing efficiency, and an epitaxial silicon wafer capable of suppressing the occurrence of dislocations. It is in.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、エピタキシャル膜表面の炭素濃度を高くすると、歪み層の形成により膜応力が発生しても、転位の発生を抑制できることを見出した。そして、この理由を以下のように推測した。
エピタキシャル膜に歪み層が形成されると、このときの膜応力により、まず、歪み層とエピタキシャル膜との界面で小さな転位が発生し、その後、この小さな転位がエピタキシャル膜に伸展すると考えられる。そこで、エピタキシャル膜の炭素濃度を高くすると、上記界面の小さな転位に炭素が固着し、この固着によりエピタキシャル膜への転位の伸展が抑制されると推測した。
本発明は、上記知見に基づき完成されたものである。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that if the carbon concentration on the surface of the epitaxial film is increased, the occurrence of dislocations can be suppressed even if the film stress is generated due to the formation of the strain layer. Then, the reason for this was speculated as follows.
When a strain layer is formed on the epitaxial film, it is considered that the film stress at this time first causes small dislocations at the interface between the strain layer and the epitaxial film, and then the small dislocations extend to the epitaxial film. Therefore, it was speculated that when the carbon concentration of the epitaxial film was increased, carbon adhered to the small dislocations at the interface, and this fixation suppressed the extension of the dislocations to the epitaxial film.
The present invention has been completed based on the above findings.
すなわち、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、炭素濃度が３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、前記シリコンウェーハを熱処理し、前記シリコンウェーハからの外方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上に設定する炭素濃度設定工程とを備えていることを特徴とする。 That is, the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer of the present invention includes an epitaxial film forming step of forming an epitaxial film on the surface of a silicon wafer having a carbon concentration of 3.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more, and heat treatment of the silicon wafer. It is characterized by including a carbon concentration setting step of setting the carbon concentration on the surface of the epitaxial film to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer.
本発明によれば、エピタキシャル膜表面の炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上に設定することで、エピタキシャル膜に歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。また、シリコンウェーハからの外方拡散を利用してエピタキシャル膜表面の炭素濃度を高めるため、上記特許文献３のようなエピタキシャルシリコンウェーハ表面上の膜を除去する処理を行う必要がなく、製造効率の低下を招くことがない。また、炭素はシリコン中の拡散係数振動数因子（Ｄ０）が窒素と比較して３分の１程度小さいため、デバイス工程の熱処理時に雰囲気中への脱離が起こりにくい。
なお、本発明におけるエピタキシャル膜表面の炭素濃度とは、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）でデプスプロファイルを測定した炭素濃度のうち、深さ８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の位置、好ましくは１００ｎｍの位置におけるものを意味する。これは、ＳＩＭＳ測定においては、シリコンウェーハ最表面においては試料汚染の影響により炭素濃度を測定できないためこれを排除するとともに、外方拡散による影響を正確に判定するという目的による。
According to the present invention, by setting the carbon concentration on the surface of the epitaxial film to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more, an epitaxial silicon wafer capable of suppressing dislocation generation even if a strain layer is formed on the epitaxial film can be obtained. Can be manufactured. Further, since the carbon concentration on the surface of the epitaxial film is increased by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer, it is not necessary to perform the process of removing the film on the surface of the epitaxial silicon wafer as in
The carbon concentration on the surface of the epitaxial film in the present invention is the carbon concentration measured by the secondary ion mass spectrometer (SIMS) at a depth of 80 nm or more and 200 nm or less, preferably 100 nm. Means. This is because in the SIMS measurement, the carbon concentration cannot be measured on the outermost surface of the silicon wafer due to the influence of sample contamination, so this is excluded and the influence of outward diffusion is accurately determined.
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記炭素濃度設定工程後の前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する歪み層形成工程を備えていることが好ましい。 In the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer of the present invention, it is preferable to include a strain layer forming step of forming a strain layer that generates a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa on the epitaxial film surface after the carbon concentration setting step.
本発明によれば、キャリア移動の高速化が可能かつ転位の発生が抑制されたエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。 According to the present invention, it is possible to manufacture an epitaxial silicon wafer capable of increasing the speed of carrier movement and suppressing the occurrence of dislocations.
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記炭素濃度設定工程は、前記熱処理の温度Ｘ（℃）が９００℃以上１４００℃以下、前記熱処理の時間Ｙ（分）が５分以上であり、前記エピタキシャル膜の膜厚をＡ（μｍ）、前記シリコンウェーハの炭素濃度をＢ（×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）としたときに、以下の式（１）を満たすように、前記熱処理を行うことが好ましい。
Ｙ≧５．０９×１０８１×Ｘ−２６．３９×Ａ２．２１×Ｂ−１．１３ … （１）
In the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer of the present invention, in the carbon concentration setting step, the heat treatment temperature X (° C.) is 900 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, and the heat treatment time Y (minutes) is 5 minutes or longer. When the thickness of the epitaxial film is A (μm) and the carbon concentration of the silicon wafer is B (× 10 16 atoms / cm 3 ), the heat treatment can be performed so as to satisfy the following formula (1). preferable.
Y ≧ 5.09 × 10 81 × X −26.39 × A 2.21 × B −1.13 … (1)
本発明によれば、上記式（１）を用いるだけの簡単な方法で、エピタキシャル膜表面の炭素濃度を、歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なレベルまで高めることができる。 According to the present invention, the carbon concentration on the surface of the epitaxial film can be increased to a level at which dislocation generation can be suppressed even if a strain layer is formed, by a simple method only using the above formula (1).
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。 The epitaxial silicon wafer of the present invention is an epitaxial silicon wafer in which an epitaxial film is provided on the surface of the silicon wafer, and the carbon concentration on the surface of the epitaxial film is 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more. And.
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層が設けられていることが好ましい。 In the epitaxial silicon wafer of the present invention, it is preferable that the epitaxial film surface is provided with a strain layer that generates a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa.
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度が３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。 In the epitaxial silicon wafer of the present invention, the carbon concentration on the surface of the epitaxial film is preferably 3.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
本発明によれば、デバイス工程での長時間や高温の熱処理による炭素起因の欠陥が、エピタキシャル膜に発生することを抑制できる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of carbon-induced defects in the epitaxial film due to long-term or high-temperature heat treatment in the device process.
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ １９７９）であることが好ましい。 In the epitaxial silicon wafer of the present invention, it is preferable that the oxygen concentration of the silicon wafer is 10 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 17 × 10 17 atoms / cm 3 or less (ASTM 1979).
シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の場合、エピタキシャル膜の十分な強度を得られないおそれがあり、１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える場合、エピタキシャル膜において酸素起因の欠陥が発生するおそれがある。
本発明によれば、上記不具合の発生を抑制できる。
If the oxygen concentration of the silicon wafer is less than 10 × 10 17 atoms / cm 3 , the epitaxial film may not have sufficient strength, and if it exceeds 17 × 10 17 atoms / cm 3 , the epitaxial film is caused by oxygen. Defects may occur.
According to the present invention, the occurrence of the above-mentioned defects can be suppressed.
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
［エピタキシャルシリコンウェーハの構成］
図１に示すように、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷは、シリコンウェーハＷＦと、このシリコンウェーハＷＦの表面に設けられたエピタキシャル膜ＥＰとを備えている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Composition of epitaxial silicon wafer]
As shown in FIG. 1, the epitaxial silicon wafer EW includes a silicon wafer WF and an epitaxial film EP provided on the surface of the silicon wafer WF.
エピタキシャル膜ＥＰの膜厚Ａは、０．１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。０．１μｍ以上が好ましい理由は、一般的に、ＳＴＩ構造がエピタキシャル膜ＥＰの表面から深さ０．１μｍ以上の位置に形成されるためである。また、２０μｍ以下が好ましい理由は、２０μｍを超えるような厚さの場合、シリコンウェーハＷＦとエピタキシャル膜ＥＰとの結晶格子不整合による、そりの膜応力への影響が表面で大きくなり、炭素の外方拡散による転位の抑制効果が低減してしまう可能性が考えられるためである。なお、膜厚Ａは、３μｍを超え１０μｍ以下であることがさらに好ましい。 The film thickness A of the epitaxial film EP is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less. The reason why 0.1 μm or more is preferable is that the STI structure is generally formed at a depth of 0.1 μm or more from the surface of the epitaxial film EP. The reason why 20 μm or less is preferable is that when the thickness exceeds 20 μm, the influence of the crystal lattice mismatch between the silicon wafer WF and the epitaxial film EP on the film stress of the warp becomes large on the surface, and the outside of carbon This is because there is a possibility that the effect of suppressing dislocations due to directional diffusion may be reduced. The film thickness A is more preferably more than 3 μm and 10 μm or less.
エピタキシャル膜ＥＰの表面の炭素濃度は、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましい。シリコン結晶の固溶限以下で炭素を導入することが好ましいが、エピタキシャル膜ＥＰにデバイス工程での長時間や高温の熱処理による炭素起因の欠陥が発生する場合もあるので、上記の濃度範囲とすることが好ましい。この炭素濃度の測定位置は、表面からの深さＤが８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の位置が好ましく、１００ｎｍの位置がより好ましい。
エピタキシャル膜ＥＰの炭素濃度は、当該エピタキシャル膜ＥＰの表面側ほど低くなっている。その理由は、後述するように、シリコンウェーハＷＦからの外方拡散を利用してエピタキシャル膜ＥＰに炭素を拡散させるからである。
The carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is preferably 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 3.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less. It is preferable to introduce carbon below the solid solution limit of the silicon crystal, but since carbon-induced defects may occur in the epitaxial membrane EP due to long-term or high-temperature heat treatment in the device process, the concentration is set to the above range. Is preferable. The carbon concentration is preferably measured at a depth D from the surface of 80 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 100 nm.
The carbon concentration of the epitaxial film EP is lower toward the surface side of the epitaxial film EP. The reason is that, as will be described later, carbon is diffused into the epitaxial film EP by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer WF.
シリコンウェーハＷＦの炭素濃度は、３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。炭素濃度が５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、シリコン単結晶育成時に有転位化が発生して、単結晶化が困難になるおそれがあるからである。
シリコンウェーハＷＦの炭素濃度は、当該シリコンウェーハＷＦの外縁近傍において、エピタキシャル膜ＥＰ側ほど低くなっている。その理由は、シリコンウェーハＷＦからの外方拡散を利用してエピタキシャル膜ＥＰに炭素を拡散させるからである。
The carbon concentration of the silicon wafer WF is preferably 3.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less. This is because if the carbon concentration exceeds 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 , dislocations may occur during the growth of the silicon single crystal, making the single crystal difficult.
The carbon concentration of the silicon wafer WF is lower in the vicinity of the outer edge of the silicon wafer WF toward the EP side of the epitaxial film. The reason is that carbon is diffused into the epitaxial film EP by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer WF.
シリコンウェーハＷＦの酸素濃度は、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ１９７９）であることが好ましい。酸素濃度を上記範囲に設定することで、エピタキシャル膜ＥＰの十分な強度を得られ、エピタキシャル膜ＥＰにおいて酸素起因の欠陥の発生を抑制できる。 The oxygen concentration of the silicon wafer WF is preferably 10 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 17 × 10 17 atoms / cm 3 or less (ASTM1979). By setting the oxygen concentration in the above range, sufficient strength of the epitaxial film EP can be obtained, and the occurrence of defects caused by oxygen in the epitaxial film EP can be suppressed.
［エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法］
図２に示すように、上記特性を有するエピタキシャルシリコンウェーハＥＷの製造方法は、シリコン単結晶製造工程Ｓ１と、ウェーハ準備工程Ｓ２と、エピタキシャル膜形成工程Ｓ３と、炭素濃度設定工程Ｓ４と、歪み層形成工程Ｓ５と、熱処理工程Ｓ６とを備えている。
なお、歪み層形成工程Ｓ５、熱処理工程Ｓ６のうち、少なくとも１つの工程を行わなくてもよい。
[Manufacturing method of epitaxial silicon wafer]
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer EW having the above characteristics includes a silicon single crystal manufacturing step S1, a wafer preparation step S2, an epitaxial film forming step S3, a carbon concentration setting step S4, and a strain layer. The forming step S5 and the heat treatment step S6 are provided.
It is not necessary to perform at least one of the strain layer forming step S5 and the heat treatment step S6.
シリコン単結晶製造工程Ｓ１は、ＣＺ（チョクラルスキー）法や、ＭＣＺ（磁場印加チョクラルスキー）法などによって、炭素濃度が３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン単結晶を引き上げる。このような炭素が添加されたシリコン単結晶の製造方法としては、例えば、ポリシリコンに炭素成分としてグラファイト粉を塗布し、このポリシリコンを用いて生成されたシリコン融液から、シリコン単結晶を引き上げることが例示できる。 The silicon single crystal manufacturing process S1 has a carbon concentration of 3.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5.0 × 10 17 atoms by the CZ (Czochralski) method, MCZ (magnetic field applied Czochralski) method, or the like. / cm 3 raise the following silicon single crystal. As a method for producing a silicon single crystal to which such carbon is added, for example, graphite powder is applied to polysilicon as a carbon component, and the silicon single crystal is pulled up from a silicon melt produced using this polysilicon. Can be exemplified.
ウェーハ準備工程Ｓ２は、シリコン単結晶製造工程Ｓ１で製造されたシリコン単結晶を、スライス、面取り、研削、ラッピング、エッチング、研磨、洗浄、ＤＫ（ドナーキラー）等の熱処理等のうち、必要な工程によって表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハＷＦを準備する。 The wafer preparation step S2 is a necessary step among slicing, chamfering, grinding, wrapping, etching, polishing, cleaning, heat treatment of DK (donor killer), etc., for the silicon single crystal produced in the silicon single crystal manufacturing step S1. A silicon wafer WF whose surface has been mirror-polished is prepared.
エピタキシャル膜形成工程Ｓ３は、所定の膜厚Ａのエピタキシャル膜ＥＰをシリコンウェーハＷＦに成膜して、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷを得る。この際、トリクロロシラン等のガス雰囲気で、１１５０℃以上１２８０℃以下の処理条件で成膜を行う。なお、ボロン、リン等の必要なドーパントを添加することもできる。 In the epitaxial film forming step S3, an epitaxial film EP having a predetermined film thickness A is formed on a silicon wafer WF to obtain an epitaxial silicon wafer EW. At this time, the film is formed in a gas atmosphere such as trichlorosilane under the treatment conditions of 1150 ° C. or higher and 1280 ° C. or lower. In addition, necessary dopants such as boron and phosphorus can also be added.
炭素濃度設定工程Ｓ４は、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷをアルゴン雰囲気で熱処理し、シリコンウェーハＷＦからの外方拡散を利用してエピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度を設定する。
炭素濃度設定工程Ｓ４において、熱処理の温度Ｘ（℃）が９００℃以上１４００℃以下、熱処理の時間Ｙ（分）が５分以上であり、エピタキシャル膜ＥＰの膜厚をＡ（μｍ）、シリコンウェーハＷＦの炭素濃度をＢ（×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）としたときに、以下の式（１）を満たすように、熱処理を行うことが好ましい。
Ｙ≧５．０９×１０８１×Ｘ−２６．３９×Ａ２．２１×Ｂ−１．１３ … （１）
In the carbon concentration setting step S4, the epitaxial silicon wafer EW is heat-treated in an argon atmosphere, and the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is set by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer WF.
In the carbon concentration setting step S4, the heat treatment temperature X (° C.) is 900 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, the heat treatment time Y (minutes) is 5 minutes or longer, the thickness of the epitaxial film EP is A (μm), and the silicon wafer. When the carbon concentration of the WF is B (× 10 16 atoms / cm 3 ), it is preferable to perform the heat treatment so as to satisfy the following formula (1).
Y ≧ 5.09 × 10 81 × X −26.39 × A 2.21 × B −1.13 … (1)
以上の炭素濃度設定工程Ｓ４によって、エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上に設定される。このとき、炭素起因の欠陥発生抑制の観点から、エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度を３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下に設定することが好ましい。
なお、熱処理の時間Ｙは、製造効率の低下抑制の観点から、１８００分以下であることが好ましい。
By the above carbon concentration setting step S4, the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is set to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more. At this time, from the viewpoint of suppressing the generation of defects caused by carbon, it is preferable to set the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP to 3.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
The heat treatment time Y is preferably 1800 minutes or less from the viewpoint of suppressing a decrease in production efficiency.
熱処理方式は、エピタキシャル膜ＥＰの炭素濃度が上述の範囲に設定可能であれば、縦型炉によるバッチ式の処理や、枚葉炉における急速加熱・急速冷却熱処理等、いずれの方式であってもよい。熱処理の雰囲気ガスは、アルゴン、アンモニア、および水素のいずれか、または二つのガスの混合であってもよい。 As long as the carbon concentration of the epitaxial membrane EP can be set within the above range, the heat treatment method may be any method such as batch processing in a vertical furnace or rapid heating / cooling heat treatment in a single-wafer furnace. Good. The atmosphere gas for the heat treatment may be either argon, ammonia, and hydrogen, or a mixture of two gases.
歪み層形成工程Ｓ５は、エピタキシャル膜ＥＰ表面に１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する。
歪み層は、エピタキシャル膜ＥＰ表面に部分的に形成され、デバイスの一部分となる。具体的には、歪み層は、図３に示すように、ゲート領域ＧＴの直下を除いて、ソース領域ＳＣ，ドレイン領域ＤＲとして形成され、矢印ＴＥで示すＥＰ表面の面方向に膜応力を生じるＳｉＧｅ膜、ＳｉＣ等で構成されている。歪み層は、膜応力を発生するものであれば、図３に示す構成に限定されるものではなく、またその形成方法も特に限定されるものではない。
なお、歪み層形成工程Ｓ５はデバイス工程に含まれてもよく、本実施形態におけるエピタキシャルシリコンウェーハＥＷは、このようなデバイス工程に供される。
In the strain layer forming step S5, a strain layer that generates a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa is formed on the surface of the epitaxial film EP.
The strain layer is partially formed on the surface of the epitaxial film EP and becomes a part of the device. Specifically, as shown in FIG. 3, the strain layer is formed as a source region SC and a drain region DR except immediately below the gate region GT, and causes film stress in the plane direction of the EP surface indicated by the arrow TE. It is composed of a SiGe film, SiC, and the like. The strain layer is not limited to the configuration shown in FIG. 3 as long as it generates film stress, and the method for forming the strain layer is not particularly limited.
The strain layer forming step S5 may be included in the device step, and the epitaxial silicon wafer EW in the present embodiment is subjected to such a device step.
熱処理工程Ｓ６は、例えばデバイス工程における熱処理とほぼ同じ条件で行われる。エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度が上述した範囲に設定されているため、この熱処理工程Ｓ６において、歪み層により１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力が生じた場合でも、転位が発生することを抑制できる。 The heat treatment step S6 is performed under substantially the same conditions as the heat treatment in, for example, the device step. Since the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is set in the above range, it is possible to suppress the occurrence of dislocations even when a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa is generated by the strain layer in this heat treatment step S6.
［実施形態の作用効果］
上述したように、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷにおけるエピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にしたため、エピタキシャル膜ＥＰに歪み層が形成されても転位発生を抑制できる。また、エピタキシャルシリコンウェーハ表面から膜を除去する処理を行う必要がなく、製造効率の低下を招くことがない。
さらに、歪み層形成時の転位発生を抑制するために、エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度を所定値以上に設定している。炭素は窒素よりも拡散速度が遅いため、デバイス工程の熱処理時にエピタキシャル膜ＥＰから雰囲気中に脱離しにくい。また、エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度設定にシリコンウェーハＷＦからの外方拡散を用いるため、デバイス工程の熱処理の時間が長かったり温度が高かったりすることによって、炭素がエピタキシャル膜ＥＰから抜けても、シリコンウェーハＷＦからエピタキシャル膜に炭素が供給されて、エピタキシャル膜ＥＰ表面の炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上に維持することができる。
[Action and effect of the embodiment]
As described above, since the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP in the epitaxial silicon wafer EW is set to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more, dislocation generation can be suppressed even if a strain layer is formed on the epitaxial film EP. Further, it is not necessary to perform a process of removing the film from the surface of the epitaxial silicon wafer, and the manufacturing efficiency is not lowered.
Further, in order to suppress the generation of dislocations during the formation of the strain layer, the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is set to a predetermined value or more. Since carbon has a slower diffusion rate than nitrogen, it is difficult to desorb carbon from the epitaxial membrane EP into the atmosphere during heat treatment in the device process. Further, since the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP is set by outward diffusion from the silicon wafer WF, even if carbon is removed from the epitaxial film EP due to a long heat treatment time or a high temperature in the device process, Carbon is supplied from the silicon wafer WF to the epitaxial film, and the carbon concentration on the surface of the epitaxial film EP can be maintained at 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these examples.
［サンプルの製造方法］
〔実験例１〕
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により、炭素濃度が３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、外周研削後の直径が３００ｍｍになるシリコン単結晶を製造し、このシリコン単結晶からシリコンウェーハを切り出した。このシリコンウェーハに鏡面加工を施し、１１５０℃程度の温度で、エピタキシャル膜を２μｍの厚さに成長させた。
その後、縦型炉を用いて、アルゴン雰囲気で表１に示す条件の熱処理（炭素濃度設定工程）を実施し、同表に示す条件の実験例１のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
[Sample manufacturing method]
[Experimental Example 1]
By the Czochralski method (CZ method), a silicon single crystal having a carbon concentration of 3.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and a diameter of 300 mm after outer peripheral grinding is manufactured, and a silicon wafer is manufactured from this silicon single crystal. Was cut out. The silicon wafer was mirror-finished to grow an epitaxial film to a thickness of 2 μm at a temperature of about 1150 ° C.
Then, using a vertical furnace, heat treatment (carbon concentration setting step) under the conditions shown in Table 1 was carried out in an argon atmosphere to obtain an epitaxial silicon wafer of Experimental Example 1 under the conditions shown in the same table.
〔実験例２，３〕
エピタキシャル膜を４μｍの厚さに成長させたこと以外は、実験例１と同様のプロセスにより、表２に示す条件の実験例２のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
エピタキシャル膜を６μｍの厚さに成長させたこと以外は、実験例１と同様のプロセスにより、表３に示す条件の実験例３のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
[Experimental Examples 2 and 3]
An epitaxial silicon wafer of Experimental Example 2 under the conditions shown in Table 2 was obtained by the same process as in Experimental Example 1 except that the epitaxial film was grown to a thickness of 4 μm.
An epitaxial silicon wafer of Experimental Example 3 under the conditions shown in Table 3 was obtained by the same process as in Experimental Example 1 except that the epitaxial film was grown to a thickness of 6 μm.
［評価］
〔エピタキシャル膜表面の炭素濃度〕
実験例１〜３のプロセスにより準備したエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル膜表面、具体的には、エピタキシャル膜表面から深さ１００ｎｍの位置での炭素濃度をＳＩＭＳにより測定した。
その結果を表１〜３に示す。
[Evaluation]
[Carbon concentration on the surface of epitaxial film]
The carbon concentration of the epitaxial film surface of the epitaxial silicon wafer prepared by the processes of Experimental Examples 1 to 3, specifically, at a depth of 100 nm from the epitaxial film surface was measured by SIMS.
The results are shown in Tables 1 to 3.
〔エピタキシャルシリコンウェーハの転位発生抑制効果〕
実験例１〜３のエピタキシャルシリコンウェーハに対し、応力負荷試験を行った。
まず、エピタキシャルシリコンウェーハから、長さ３ｃｍ、幅１．５ｃｍ程度の測定用サンプルを切り出した。次に、測定用サンプルの表面（エピタキシャル膜の表面）側に、深さ１００ｎｍ、幅５０μｍ、長さ１ｍｍのライン状のくぼみを形成した。そして、測定用サンプルを支点間距離２ｃｍ、試験温度８００℃にて３点曲げ試験を実施した。この際、２Ｎの荷重を加え、測定用サンプルの表面側に引張応力を作用させた。
その後、室温まで冷却した測定用サンプルに対し、ライトエッチングを１μｍ程度実施し、ライン状くぼみから発生した転位ピットの有無を光学顕微鏡により観察した。
その結果を表１〜３に示す。なお、転位ピットが検出された場合を「ＮＧ」と表記し、検出されなかった場合を「ＯＫ」と表記した。
[Effect of suppressing dislocation occurrence of epitaxial silicon wafer]
A stress load test was performed on the epitaxial silicon wafers of Experimental Examples 1 to 3.
First, a measurement sample having a length of about 3 cm and a width of about 1.5 cm was cut out from the epitaxial silicon wafer. Next, a line-shaped depression having a depth of 100 nm, a width of 50 μm, and a length of 1 mm was formed on the surface (surface of the epitaxial film) of the measurement sample. Then, the measurement sample was subjected to a three-point bending test at a distance between fulcrums of 2 cm and a test temperature of 800 ° C. At this time, a load of 2N was applied to apply a tensile stress to the surface side of the measurement sample.
Then, light etching was performed on the measurement sample cooled to room temperature by about 1 μm, and the presence or absence of dislocation pits generated from the line-shaped dents was observed with an optical microscope.
The results are shown in Tables 1 to 3. The case where the dislocation pit was detected was described as "NG", and the case where it was not detected was described as "OK".
表１〜３に示すように、エピタキシャル膜表面での炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の全ての条件で、転位ピットが検出されており、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の全ての条件で、転位ピットが検出されなかった。
これは、シリコンウェーハ表面に形成したライン状くぼみに、３点曲げ試験により応力を負荷した際に、そこに応力が集中して転位が発生するが、炭素濃度が高い場合には、応力集中部で転位発生の臨界応力が増大し、その結果、転位発生が抑制されたためと考えられる。
以上のことから、エピタキシャル膜表面での炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にすることで、転位発生を抑制できることが確認できた。
また、エピタキシャル膜表面の炭素濃度設定に外方拡散を用いることで、仮に、デバイス工程における熱処理などでエピタキシャル膜表面の炭素が外方拡散で抜けた場合であっても、シリコンウェーハからエピタキシャル膜に炭素が供給されるため、所望の強度を得ることができ、その結果、転位発生を抑制できると考えられる。
As shown in Tables 1-3, in all conditions the carbon concentration is less than 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 in the epitaxial film surface, dislocation pits are detected, 1.0 × 10 16 atoms / No dislocation pits were detected under all conditions of cm 3 and above.
This is because when stress is applied to a line-shaped depression formed on the surface of a silicon wafer by a three-point bending test, the stress concentrates there and dislocations occur, but when the carbon concentration is high, the stress concentration part It is considered that the critical stress of dislocation occurrence increased in the above, and as a result, the dislocation occurrence was suppressed.
From the above, it was confirmed that the occurrence of dislocations can be suppressed by setting the carbon concentration on the surface of the epitaxial film to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
In addition, by using external diffusion to set the carbon concentration on the surface of the epitaxial film, even if carbon on the surface of the epitaxial film is removed by external diffusion due to heat treatment in the device process, the silicon wafer can be converted to the epitaxial film. Since carbon is supplied, it is considered that the desired strength can be obtained, and as a result, the occurrence of dislocations can be suppressed.
〔炭素濃度設定工程における熱処理条件の数式化〕
実験例１〜３のエピタキシャルシリコンウェーハについて、図４〜１３に示すように、炭素濃度設定工程におけるシリコンウェーハの炭素濃度Ｂと熱処理時間Ｙとの関係をグラフ化した。このグラフ化に際し、３点曲げ試験結果が「ＮＧ」の場合を「×」で示し、「ＯＫ」の場合を「○」で示した。
そして、実験例１，２，３のそれぞれのエピタキシャル膜の膜厚Ａ（μｍ）を２，４，６として、「ＯＫ」と「ＮＧ」との境界を表す近似曲線を求めたところ、以下の式（２）が得られ、上記近似曲線よりも下側が「ＮＧ」の範囲で、上側が「ＯＫ」の範囲となった。
Ｙ＝５．０９×１０８１×Ｘ−２６．３９×Ａ２．２１×Ｂ−１．１３ … （２）
このことから、上記式（１）を満たすように、炭素濃度設定工程における熱処理を行うことで、エピタキシャル膜表面での炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にすることができることが分かった。
[Formula of heat treatment conditions in the carbon concentration setting process]
For the epitaxial silicon wafers of Experimental Examples 1 to 3, as shown in FIGS. 4 to 13, the relationship between the carbon concentration B of the silicon wafer and the heat treatment time Y in the carbon concentration setting step was graphed. In this graphing, the case where the 3-point bending test result was "NG" was indicated by "x", and the case where the result was "OK" was indicated by "◯".
Then, when the film thickness A (μm) of each of the epitaxial films of Experimental Examples 1, 2 and 3 was set to 2, 4 and 6, an approximate curve representing the boundary between "OK" and "NG" was obtained. Equation (2) was obtained, and the lower side of the approximate curve was the range of "NG" and the upper side was the range of "OK".
Y = 5.09 x 10 81 x X- 26.39 x A 2.21 x B- 1.13 ... (2)
From this, it is possible to make the carbon concentration on the surface of the epitaxial film 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more by performing the heat treatment in the carbon concentration setting step so as to satisfy the above formula (1). Do you get it.
〔エピタキシャル膜中の炭素分布〕
エピタキシャル膜の炭素は、シリコンウェーハから拡散したものである。このため、エピタキシャル膜表面の炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のエピタキシャルシリコンウェーハについては、エピタキシャル膜の厚さ方向全域で、炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であると推定できる。
表４に示す条件１〜５で作成したエピタキシャルシリコンウェーハの炭素濃度分布を、
ＳＩＭＳで測定したところ、図１４に示すように、炭素濃度設定工程後におけるエピタキシャル膜の炭素濃度は、エピタキシャル膜表面が最も低く、シリコンウェーハに近づくにしたがって高くなることが確認できた。
[Carbon distribution in epitaxial film]
The carbon of the epitaxial film is diffused from the silicon wafer. Thus, for the epitaxial silicon wafer carbon concentration of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more epitaxial film surface, in a thickness direction throughout the epitaxial film, a carbon concentration of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 It can be estimated that this is the case.
The carbon concentration distribution of the epitaxial silicon wafer prepared under the
As a result of measurement by SIMS, as shown in FIG. 14, it was confirmed that the carbon concentration of the epitaxial film after the carbon concentration setting step was the lowest on the surface of the epitaxial film and increased as it approached the silicon wafer.
ＥＰ…エピタキシャル膜、ＥＷ…エピタキシャルシリコンウェーハ、ＷＦ…シリコンウェーハ。 EP ... epitaxial film, EW ... epitaxial silicon wafer, WF ... silicon wafer.
Claims (7)
前記シリコンウェーハを熱処理し、前記シリコンウェーハからの外方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度を１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上に設定する炭素濃度設定工程とを備えてい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。 An epitaxial film forming step of forming an epitaxial film on the surface of a silicon wafer having a carbon concentration of 3.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
It is provided with a carbon concentration setting step of heat-treating the silicon wafer and setting the carbon concentration on the surface of the epitaxial film to 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more by utilizing the outward diffusion from the silicon wafer. A method for manufacturing an epitaxial silicon wafer.
前記炭素濃度設定工程後の前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する歪み層形成工程を備えてい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。 In the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer according to claim 1,
A method for manufacturing an epitaxial silicon wafer, which comprises a strain layer forming step of forming a strain layer generating a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa on the surface of the epitaxial film after the carbon concentration setting step.
前記炭素濃度設定工程は、前記熱処理の温度Ｘ（℃）が９００℃以上１４００℃以下、前記熱処理の時間Ｙ（分）が５分以上であり、前記エピタキシャル膜の膜厚をＡ（μｍ）、前記シリコンウェーハの炭素濃度をＢ（×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）としたときに、以下の式（１）を満たすように、前記熱処理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。
Ｙ≧５．０９×１０８１×Ｘ−２６．３９×Ａ２．２１×Ｂ−１．１３ … （１） In the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer according to claim 1 or 2.
In the carbon concentration setting step, the heat treatment temperature X (° C.) is 900 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, the heat treatment time Y (minutes) is 5 minutes or longer, and the film thickness of the epitaxial film is A (μm). A method for producing an epitaxial silicon wafer, which comprises performing the heat treatment so as to satisfy the following formula (1) when the carbon concentration of the silicon wafer is B (× 10 16 atoms / cm 3 ).
Y ≧ 5.09 × 10 81 × X −26.39 × A 2.21 × B −1.13 … (1)
前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度が１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 An epitaxial silicon wafer in which an epitaxial film is provided on the surface of the silicon wafer.
An epitaxial silicon wafer having a carbon concentration on the surface of the epitaxial film of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層が設けられていることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 In the epitaxial silicon wafer according to claim 4,
An epitaxial silicon wafer characterized in that a strain layer that generates a film stress of 10 MPa or more and 1000 MPa is provided on the surface of the epitaxial film.
前記エピタキシャル膜表面の炭素濃度が３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 In the epitaxial silicon wafer according to claim 4 or 5.
An epitaxial silicon wafer having a carbon concentration on the surface of the epitaxial film of 3.0 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
前記シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ １９７９）であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 The epitaxial silicon wafer according to any one of claims 4 to 6.
An epitaxial silicon wafer, wherein the oxygen concentration of the silicon wafer is 10 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 17 × 10 17 atoms / cm 3 or less (ASTM 1979).
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