JP4122696B2 - エピタキシャルウェーハを製造する方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法(以下、CZ法という。)にて引上げられたシリコン単結晶棒を用いてエピタキシャルウェーハを製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、ボロン濃度が低い、いわゆるp/p-の構造を有するエピタキシャルウェーハは、比較的高い温度のエピタキシャルプロセスを経ることにより、バルク内の酸素析出核が消失するため、半導体デバイスメーカーのデバイス作製工程で殆ど酸素析出物を生成しない。
一方、デバイス作製工程において、一般的には微量の金属汚染が発生するため、ウェーハが上記汚染金属のゲッタリング能力を有することが望ましい。
従って、ウェーハにゲッタリング能力を付与するために、ウェーハ裏面に金属のゲッタリング能力を有するポリシリコンを成膜したり、サンドブラストによりウェーハの裏面にダメージを付与する処理などが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のウェーハ裏面へのポリシリコンの成膜やサンドブラストによるダメージの付与などの処理は、ウェーハの製造コストを押上げるとともに、ウェーハからの発塵量が増大したり、ウェーハが変形するおそれがあった。
これらの点を解消するために、従来、エピタキシャルプロセスを経る前に熱処理を長時間施すことにより、十分な酸素析出核を生成しておき、エピタキシャルプロセスという高温プロセスでも酸素析出核が消失しない方法が行われている。しかし、この方法でも製造コストが増大し、熱処理時にウェーハが金属により汚染されるおそれがあった。
【0004】
本発明の目的は、シリコンウェーハ裏面へのポリシリコンの成膜やサンドブラスト処理を施さなくても、エピタキシャル層形成前のシリコンウェーハ内の酸素析出核の熱的安定性を向上でき、またこの酸素析出核の生成に寄与する格子欠陥である原子空孔を増やすことができる、エピタキシャルウェーハを製造する方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、図1及び図2に示すように、窒素をドープしたシリコン単結晶棒14をチョクラルスキー法により引上げる工程と、シリコン単結晶棒14をスライスしてシリコンウェーハを作製する工程と、シリコンウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度で5〜180分間保持する工程と、シリコンウェーハを1100〜1150℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で昇温した後にその所定温度で水素前処理を行う工程と、シリコンウェーハを1050〜1150℃の範囲の所定温度で保持した状態でシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する工程と、シリコンウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で降温してその所定温度で5〜120分間保持する工程とを含むエピタキシャルウェーハを製造する方法である。
【0006】
この請求項1に記載されたエピタキシャルウェーハを製造する方法では、エピタキシャル層を形成する前後に、シリコンウェーハに上記熱処理を施すことにより、エピタキシャル層形成前のシリコンウェーハ内の酸素析出核の熱的安定性を向上でき、またこの酸素析出核の生成に寄与する格子欠陥である原子空孔を増やすことができる。
上記シリコン単結晶棒14にドープされた窒素濃度は5×1012〜5×1014cm-3であることが好ましい。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図2に示すように、本発明のエピタキシャル層を形成するためのシリコンウェーハは、CZ法により引上げ機11の石英るつぼ12内のシリコン融液13からシリコン単結晶棒14を後述する第1〜第3の引上げ条件で引上げた後、このシリコン単結晶棒14をスライスして作製される。上記シリコン単結晶棒14には窒素がドープされる。このシリコン単結晶棒14にドープされた窒素濃度は5×1012〜5×1014cm-3、好ましくは3×1013〜3×1014cm-3である。窒素濃度を5×1012〜5×1014cm-3の範囲に限定したのは、5×1012cm-3未満では原子空孔のシリコン単結晶棒14内における固溶度が上昇せず、シリコン単結晶棒14のその後の熱履歴により原子空孔が消失し易くなるからであり、5×1014cm-3を越えると窒素に関係するドナーの発生量が増え単結晶の抵抗率を大きく変化させるからである。なお、シリコン単結晶棒14に窒素をドープする方法としては、窒化物が混合された多結晶シリコン又は窒化膜が形成された多結晶シリコンを石英るつぼ12に投入して窒素を含むシリコン融液13からシリコン単結晶棒14を引上げるか、或いはシリコン単結晶棒14を窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で引上げることにより行われる。また上記シリコン単結晶棒14には5×1014〜5×1015atoms/cm3と濃度は低いけれども、p/p-の構造を有するエピタキシャルウェーハを得るためにボロンもドープされる。
【0008】
上記引上げ機11のチャンバ24上端には円筒状のケーシング25が接続され、このケーシング25には引上げ手段26が設けられる。図2の符号26aは石英るつぼ12の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブルであり、このワイヤケーブル26aの下端にはシリコン融液13に浸してシリコン単結晶棒14を引上げるための種結晶26bが取付けられる。また石英るつぼ12の外面は黒鉛サセプタ27により被覆され、黒鉛サセプタ27の下面は支軸28の上端に固定され、この支軸28の下部はるつぼ駆動手段29に接続される。
【0009】
更にチャンバ24にはこのチャンバ24のシリコン単結晶棒側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ24のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段33が接続される。このガス給排手段33は一端がケーシング25の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク(図示せず)に接続された供給パイプ34と、一端がチャンバ24の下壁に接続され他端が真空ポンプ(図示せず)に接続された排出パイプ35とを有する。供給パイプ34及び排出パイプ35にはこれらのパイプを流れる不活性ガスの流量を調整する第1及び第2流量調整弁31,32がそれぞれ設けられる。
【0010】
一方、上記第1の引上げ条件は、シリコン単結晶棒14の引上げ速度をV(mm/分)、シリコン単結晶棒14及びシリコン融液13の固液界面からこの界面の上方10mmまでにおけるシリコン単結晶棒14の引上げ方向の温度勾配の平均値をG(℃/mm)とするときに、V/Gが0.290〜0.340mm2/分・℃、好ましくは0.300〜0.330mm2/分・℃となるように引上げ速度V(mm/分)を設定することである。V/Gを0.290〜0.340mm2/分・℃の範囲に限定したのは、シリコン単結晶棒14中に原子空孔の優勢な領域を作るためである。
【0011】
上記第2の引上げ条件は、シリコン単結晶棒14の引上げ時であって1130℃から1050℃までの温度範囲を10〜30分間、好ましくは15〜25分間で冷却することであり、第3の引上げ条件はシリコン単結晶棒14の引上げ時であって850℃から650℃までの温度範囲を120〜200分間、好ましくは130〜180分間で冷却することである。1130℃から1050℃までの温度範囲を10〜30分間に限定したのは、シリコン単結晶棒14内の格子欠陥である原子空孔の消失を抑制するためである。また850℃から650℃までの温度範囲を120〜200分間に限定したのは、上記原子空孔を利用してシリコン単結晶棒14内に酸素析出核を生成するためである。
【0012】
上記第1〜第3の引上げ条件を満たすためには、円筒部17及び円錐部18の壁内に円筒用断熱材17c及び円錐用断熱材18cがそれぞれ充填された熱遮蔽部材16を用いることが好ましい。この熱遮蔽部材16はシリコン単結晶棒14の外周面と石英るつぼ12の内周面との間に設けられ、ヒータ21からの輻射熱を遮る円筒状の円筒部17と、この円筒部17の下端に連設され下方に向うに従って直径が次第に小さくなる円錐部18と、上記円筒部17をその上縁で支持するフランジ部19とを備える。円筒部17は外管17aと、この外管17aから所定の間隔をあけて内側にかつ外管17a同心上に設けられた内管17bと、外管17aと内管17bとの間に充填された円筒用断熱材17cとを有する。また円錐部18は外側コーン18aと、この外側コーン18aよりテーパ角が小さく形成されかつ外側コーン18aより内側にかつ外側コーン18aと同心上に設けられた内側コーン18bと、外側コーン18aと内側コーン18bとの間に充填された円錐用断熱材18cとを有する。上記熱遮蔽部材16はフランジ部19を保温筒22上にリング板23を介して載置することにより、円錐部18の下縁がシリコン融液13表面から所定の距離だけ上方に位置するようにチャンバ24内に固定される。
【0013】
上述のように引上げられたシリコン単結晶棒14をスライスしてシリコンウェーハを作製した後に、このシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成することにより、エピタキシャルウェーハが得られる。上記エピタキシャル層はその結晶性、量産性、装置の簡便さ、種々のデバイス構造形成の容易さなどの観点から、CVD法により形成されることが好ましい。CVD法によるシリコンのエピタキシャル成長は、例えばSiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4などのシリコンを含む原料ガスをH2ガスとともに反応炉内に導入して、上記シリコンウェーハの表面に、原料ガスの熱分解又は還元により生成されたシリコンを析出させることで行われる。
【0014】
具体的には、図1に示すように、先ず研磨したシリコンウェーハを600〜850℃、好ましくは750〜800℃の範囲の所定温度で5〜180分間、好ましくは10〜60分間保持し、このシリコンウェーハを1100〜1150℃、好ましくは1130〜1150℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒、好ましくは8〜18℃/秒の速度で昇温した後にその所定温度で水素前処理を行う。シリコンウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度で5〜180分間保持したのは、シリコン単結晶棒14をスライスしてシリコンウェーハを作製した当初の状態で存在する酸素析出核を成長させ、高温のエピタキシャル層形成時に消失する酸素析出核を極力低減するとともに、エピタキシャル層形成後に酸素析出核のサイズが大きくなることにより、熱的に安定な酸素析出核を生成するためである。またシリコンウェーハを1100〜1150℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で昇温したのは、少しでもスループット(単位時間当りに処理できる数量)を稼ぐためである。
【0015】
次にこのシリコンウェーハを1050〜1150℃、好ましくは1100〜1140℃の範囲の所定温度で保持した状態でシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成し、このエピタキシャルウェーハを600〜850℃、好ましくは750〜800℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒、好ましくは8〜18℃/秒の速度で降温してその所定温度で5〜120分間、好ましくは10〜60分間保持する。更に上記エピタキシャルウェーハを熱処理炉から取出して常温まで自然冷却する。エピタキシャル層を形成するときにシリコンウェーハを1050〜1150℃の範囲の所定温度で保持したのは、欠陥の少ないエピタキシャル層を形成するためである。またエピタキシャル層形成後にウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で降温したのは少しでもスループットを稼ぐためである。更にウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度で5〜120分間保持したのは、エピタキシャル層形成時に消失しなかった酸素析出核を更に大きくして、熱的に安定な酸素析出核を生成するためである。
【0016】
このように製造されたエピタキシャルウェーハでは、シリコン単結晶棒14を比較的高い引上げ速度で引上げることにより、原子空孔の濃度を高めるとともに、シリコン単結晶棒14の引上げ時間を短縮することができる。またこのシリコン単結晶棒14に窒素をドープすることにより、シリコン単結晶棒14内に発生した原子空孔の固溶度を高めて原子空孔の消失を抑制するとともに、この原子空孔を利用してシリコン単結晶棒14内に多くの酸素析出核を生成することができる。
また上記シリコン単結晶棒14をスライスして作製されたシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する前後に、上記熱処理を施すことにより、シリコンウェーハ内の酸素析出核の熱的安定性を向上できるとともに、この酸素析出核の生成に寄与する格子欠陥である原子空孔を増やすことができる。この結果、上記エピタキシャルウェーハは従来のようにシリコンウェーハ裏面へのポリシリコンの成膜やサンドブラスト処理を施さなくても、デバイス作製工程において汚染金属のIG能力を有する。
【0017】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、窒素をドープしたシリコン単結晶棒をチョクラルスキー法にて引上げ、このシリコン単結晶棒をスライスしてシリコンウェーハを作製し、更にこのシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する前後に所定の熱処理を施したので、シリコンウェーハ裏面へのポリシリコンの成膜やサンドブラスト処理を施さなくても、エピタキシャル層形成前のシリコンウェーハ内の酸素析出核の熱的安定性を向上でき、またこの酸素析出核の生成に寄与する格子欠陥である原子空孔を増やすことができる。この結果、上記方法により製造されたエピタキシャルウェーハはデバイス作製工程において汚染金属のIG能力を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態のエピタキシャルウェーハにエピタキシャル層を形成する前後の熱処理温度の時間に対する変化を示す図。
【図2】そのエピタキシャルウェーハ作製用のシリコン単結晶棒を製造する引上げ機の縦断面図。
【符号の説明】
13 シリコン融液
14 シリコン単結晶棒
Claims (2)
- 窒素をドープしたシリコン単結晶棒(14)をチョクラルスキー法により引上げる工程と、
前記シリコン単結晶棒(14)をスライスしてシリコンウェーハを作製する工程と、
前記シリコンウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度で5〜180分間保持する工程と、
前記シリコンウェーハを1100〜1150℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で昇温した後にその所定温度で水素前処理を行う工程と、
前記シリコンウェーハを1050〜1150℃の範囲の所定温度で保持した状態で前記シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する工程と、
前記シリコンウェーハを600〜850℃の範囲の所定温度まで5〜20℃/秒の速度で降温してその所定温度で5〜120分間保持する工程と
を含むエピタキシャルウェーハを製造する方法。 - シリコン単結晶棒にドープされた窒素濃度が5×1012〜5×1014cm-3である請求項1記載のエピタキシャルウェーハを製造する方法。
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