JP4345253B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ（チョクラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して作製されたシリコンウェーハは、酸素不純物を多く含んでおり、この酸素不純物は転位や欠陥等を生じさせる酸素析出物(BMD:Bulk Micro Defect)となる。この酸素析出物がデバイスが形成される表面にある場合、リーク電流増大や酸化膜耐圧低下等の原因になって半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
【０００３】
このため、従来、シリコンウェーハ表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に過剰空孔(Vacancy)を埋設するとともに、この後の熱処理で表面において空孔を外方拡散させることによりＤＺ(Denuded Zone)層（無欠陥層）を均一に形成する方法が用いられている（例えば、国際公開公報 ＷＯ 98/38675に記載の技術）。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。
【０００４】
また、近年、シリコン基板の表面にシリコン単結晶のエピタキシャル層をエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハが用いられている。例えば、ウェーハ表面の完全性を上げるために、抵抗が０．０３Ω・ｃｍ以上である高抵抗のｐ^-型シリコン基板上に所望の抵抗としたｐ型のエピタキシャル層をデバイス作製層として成長したエピタキシャルウェーハ（以下、ｐ／ｐ^-ウェーハと略す）等が知られている。
【０００５】
このようなエピタキシャルウェーハでは、エピタキシャル成長前に水素雰囲気中の熱処理により表面の酸化膜を除去する高温処理を行うと共にエピタキシャルプロセス中も通常は水素雰囲気であるため、空孔欠陥を消滅させる格子間シリコンの注入が生じ、酸素析出核がシリコン基板表面から消滅し、ＢＭＤが形成され難い傾向があった。特にｐ／ｐ^-ウェーハの場合、ドーパントのＢ（ボロン）濃度が低いｐ^-基板にエピタキシャル成長するため、酸素析出核が消滅しやすい傾向があり、ＩＧ（Intrinsic Gettering)特性を確保するのが困難であった。
このため、従来、ｐ／ｐ^-ウェーハ等のエピタキシャルウェーハのＢＭＤ密度を高くするために、窒素をドーピングしたシリコン基板を用いることが広く行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、従来の窒素ドープ結晶のシリコン基板を用いたエピタキシャルウェーハでは、ある程度ＢＭＤ密度が改善させるが十分ではない。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、エピタキシャルウェーハでも高い近接ゲッタリング効果を有するエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、シリコン基板の表面にシリコン単結晶のエピタキシャル層をエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記エピタキシャル成長前に、窒化ガスを含む雰囲気ガス中で前記シリコン基板を熱処理して内部に新たに空孔を形成する空孔形成工程と、該空孔形成工程後に空孔形成工程の熱処理よりも低い温度で前記シリコン基板を熱処理して前記空孔を酸素析出核として安定化する析出核安定工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
このエピタキシャルウェーハの製造方法では、エピタキシャル成長前に、窒化ガスを含む雰囲気ガス中でシリコン基板を熱処理して内部に新たに空孔を形成する空孔形成工程と、該空孔形成工程後に空孔形成工程の熱処理よりも低い温度でシリコン基板を熱処理して空孔を酸素析出核として安定化する析出核安定工程とを行うので、水素雰囲気のエピタキシャル成長を行っても酸素析出核が安定化されているため、この消滅を防ぐことができる。
【００１０】
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記シリコン基板及び前記エピタキシャル層はｐ型であると共に、シリコン基板は、０．０３Ω・ｃｍ以上の抵抗であるときに好適である。すなわち、このエピタキシャルウェーハの製造方法では、シリコン基板及びエピタキシャル層がｐ型であると共に、シリコン基板が０．０３Ω・ｃｍ以上の抵抗であるので、ＩＧ特性の不十分ないわゆるｐ／ｐ^-ウェーハでも、上記空孔形成工程及び析出核安定工程によりＩＧ特性の改善を効果的に図ることができる。
【００１１】
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記シリコン基板に窒素を添加しておくことが好ましい。すなわち、このエピタキシャルウェーハの製造方法では、シリコン基板に窒素を添加しておくので、通常のシリコン基板よりも高いＢＭＤ密度が得られる窒素ドープ基板により、より優れたＩＧ特性を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【００１２】
本発明のエピタキシャルウェーハは、熱処理により内部に新たに空孔が形成されたエピタキシャルウェーハであって、上記本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。このエピタキシャルウェーハでは、上記本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法により作製されているので、その後の熱処理により表面に十分なＤＺ層と表面近傍の内部に適度に高いＢＭＤ密度とを有した高品質なエピタキシャルウェーハが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハの一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明のエピタキシャルウェーハＷの断面構造を製造工程順に示すものであり、このエピタキシャルウェーハＷの構造をその製造プロセスと合わせて説明すると、まず、図１の（ａ）に示すように、シリコン基板ＳＵＢを、熱処理炉により、ＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)処理して内部に新たに空孔Ｖを形成する（空孔形成工程）。なお、上記シリコン基板ＳＵＢは、ＣＺ法により引上成長されたインゴットから切り出され鏡面研磨されたポリッシュドウェーハであり、抵抗が８〜１２Ω・ｃｍのものである。
【００１５】
図２は、シリコン基板ＳＵＢの熱処理を実施するための枚葉式の熱処理炉を示すものである。該熱処理炉は、図２に示すように、シリコン基板ＳＵＢを載置可能な円環状のサセプタ１と、該サセプタ１を内部に収納した反応室２とを備えている。なお、反応室２の外部には、エピタキシャルウェーハＷを加熱するランプ（図示略）が配置されている。
【００１６】
サセプタ１は、シリコンカーバイト等で形成されており、内側に段部１ａが設けられ、該段部１ａ上にシリコン基板ＳＵＢの周縁部を載置するようになっている。
反応室２には、シリコン基板ＳＵＢの表面に雰囲気ガスＧを供給する供給口２ａ及び供給された雰囲気ガスＧを排出する排出口２ｂが設けられている。
また、供給口２ａは、雰囲気ガスＧの供給源（図示略）に接続されている。
【００１７】
雰囲気ガスＧは、窒化ガス、特にＮ₂（窒素）が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガス、例えば、ＮＨ₃、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、Ｎ₂Ｏ₂、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン等やこれらの混合ガス又はこれらの窒化ガスとＡｒ（アルゴン）、Ｎ₂、Ｏ₂（酸素）、Ｈ₂（水素）等との混合ガスが用いられる。なお、本実施形態では、ＮＨ₃を主とした雰囲気ガスＧを用いている。
【００１８】
この熱処理炉によりシリコン基板ＳＵＢに急加熱及び急冷却の熱処理を施すには、サセプタ１にシリコン基板ＳＵＢを載置した後、供給口２ａから上記雰囲気ガスＧをシリコン基板ＳＵＢの表面に供給した状態で、９００℃から１２００℃までの範囲の熱処理温度かつ１ｓｅｃから６０ｓｅｃまでの範囲の熱処理時間で、短時間の急速加熱・急冷（例えば、５０℃／秒の昇温又は降温、望ましくは３０℃／ｓｅｃ）のＲＴＡ処理を行う。なお、本実施形態では、スリップの発生抑制に好適な条件、９００℃から１１８０℃までの熱処理温度かつ３０ｓｅｃ以下の熱処理時間でＲＴＡ処理を行う。
この熱処理温度及び熱処理時間の範囲であれば、図１の（ｂ）に示すように、内部に十分な空孔Ｖを注入できる。
【００１９】
次に、上記ＲＴＡ処理後に該ＲＴＡ処理より低い温度で、図１の（ｃ）に示すように、空孔Ｖを安定した酸素析出核Ｖ１とするための熱処理を施す（析出核安定工程）。すなわち、例えば、８００℃４時間の熱処理をＮ₂ガス等の雰囲気ガス中で行うことにより、内部の空孔Ｖが酸素析出核Ｖ１として安定化する。
【００２０】
次に、上記熱処理炉から取り出し、エピタキシャル成長炉内に上記処理したシリコン基板ＳＵＢをセットし、図１の（ｄ）に示すように、抵抗が０．０３Ω・ｃｍ以上のｐ型シリコン単結晶であるエピタキシャル層ＥＰを膜厚数μｍエピタキシャル成長して、エピタキシャルウェーハＷを作製する。このとき、内部の酸素析出核Ｖ１は、上記熱処理により安定化されているので、エピタキシャルプロセス前及びプロセス中において水素雰囲気で高温処理が施されても、酸素析出核Ｖ１の消滅を防ぐことができる。すなわち、このように作製されたエピタキシャルウェーハＷは、ＩＧ特性に優れたＣＭＯＳ・ＩＣ等に好適なｐ／ｐ^-ウェーハとなる。
【００２１】
このように本実施形態では、エピタキシャル成長前に、窒化ガスを含む雰囲気ガスＧ中でシリコン基板ＳＵＢをＲＴＡ処理して内部に新たに空孔Ｖを形成し、さらに空孔形成のＲＴＡ処理よりも低い温度でシリコン基板ＳＵＢを熱処理して空孔Ｖを酸素析出核Ｖ１として安定化するので、水素雰囲気のエピタキシャル成長を行っても酸素析出核Ｖ１が安定化されているため、この消滅を防ぐことができる。特に、ＩＧ特性の不十分ないわゆるｐ／ｐ^-ウェーハでも、上記エピタキシャル成長前の析出核安定化によりＩＧ特性の改善を効果的に図ることができる。
【００２２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、通常のシリコン基板を用いたが、シリコン基板に窒素を添加しておいても構わない。この場合、通常のシリコン基板よりも高いＢＭＤ密度が得られる窒素ドープ基板により、より優れたＩＧ特性を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。
また、上記実施形態では、ｐ／ｐ^-ウェーハのエピタキシャルウェーハに上記ＲＴＡ処理を施したが、エピタキシャル層よりもｐ型の不純物濃度が高いシリコン基板を用いたいわゆるｐ／ｐ⁺ウェーハに上記ＲＴＡ処理を施して構わない。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明に係る実施例により具体的に説明する。
上記実施形態に基づいて実際にエピタキシャルウェーハを作製し、８００℃４時間と１０００℃１６時間との酸素析出熱処理を施してそのエピタキシャル成長前後のＢＭＤ密度について測定した。なお、比較のため、エピタキシャル成長前にＲＴＡ処理（１１５０℃）のみを行い、酸素析出核安定のためのアニール処理を施さないでエピタキシャル成長を行ったエピタキシャルウェーハも作製して同様にＢＭＤ密度を測定した。
【００２４】
この結果、エピタキシャル成長前にアニール処理を行わないエピタキシャルウェーハでは、エピタキシャル成長前にＢＭＤ密度が３００×１０⁴／ｃｍ²程度であったものが、エピタキシャル成長後にはＢＭＤ密度がゼロとなりＢＭＤが消滅してしまった。これに対し、エピタキシャル成長前にＲＴＡ処理（１１５０℃）及びアニール処理（８００℃４時間Ｎ₂雰囲気）を行ったエピタキシャルウェーハは、エピタキシャル成長前にＢＭＤ密度が５００×１０⁴／ｃｍ²程度であり、エピタキシャル成長後でもＢＭＤ密度が３００×１０⁴／ｃｍ²程度となり、半分以上のＢＭＤを残存させることができた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハによれば、エピタキシャル成長前に、窒化ガスを含む雰囲気ガス中でシリコン基板を熱処理して内部に新たに空孔を形成する空孔形成工程と、該空孔形成工程後に空孔形成工程の熱処理よりも低い温度でシリコン基板を熱処理して空孔を酸素析出核として安定化する析出核安定工程とを行うので、水素雰囲気のエピタキシャル成長を行っても酸素析出核が安定化されているため、この消滅を防ぐことができ、内部に優れたゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を有した高品質なエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハの一実施形態におけるエピタキシャルウェーハを製造工程順に示す拡大断面図である。
【図２】 本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハの一実施形態における熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【符号の説明】
１ サセプタ
２ 反応室
ＥＰ エピタキシャル層
Ｇ 雰囲気ガス
ＳＵＢ シリコン基板
Ｖ 空孔
Ｖ１ 酸素析出核
Ｗ エピタキシャルウェーハ

Claims (3)

1. 抵抗が０．０３Ω・ｃｍ以上である高抵抗のｐ-型シリコン基板上に所望の抵抗としたｐ型のエピタキシャル層をデバイス作製層としてエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記エピタキシャル成長前に、窒素が分解可能な温度よりも低い分解温度の窒化ガスを含む雰囲気ガス中で前記シリコン基板を９００℃から１１８０℃までの熱処理温度かつ３０ｓｅｃ以下の熱処理時間で熱処理して内部に新たに空孔を形成する空孔形成工程と、該空孔形成工程後に空孔形成工程の熱処理よりも低い８００℃の温度で４時間前記シリコン基板を熱処理して前記空孔を酸素析出核として安定化する析出核安定工程とを有することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
2. 請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法において、前記シリコン基板に窒素を添加しておくことを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
3. 熱処理により内部に新たに空孔が形成されたエピタキシャルウェーハであって、請求項１又は２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とするエピタキシャルウェーハ。

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