JP4948354B2 - ｐ−ドープされかつエピタキシャル被覆された、シリコンからなる半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル被覆された、シリコンからなる半導体ウェハ、いわゆるエピウェハの製造方法に関する。特に、本発明はｐ^-ドープされかつエピタキシャル被覆された、シリコンからなる半導体ウェハの製造に関し、前記ウェハは高いゲッター能力及び僅かな数の層欠陥を特徴とし、従って大規模集積電子素子を形成するための更なる加工のために特に適している。

著しくホウ素でドープされた、ｐ⁺ドープされた半導体ウェハの場合と異なり、電気的活性領域から金属不純物を遠ざける所望の能力は軽度にホウ素でドープされた、ｐ^-ドープされた半導体ウェハの場合に不十分である。一般に、このようなウェハは不十分な酸素析出物（ＢＭＤ、bulk micro defects）を形成し、前記酸素析出物はこのような不純物と結合することができかつこのようにいわゆる内在性ゲッターとして機能する。軽度にホウ素でドープされた、シリコンから製造された半導体ウェハの場合には、酸素析出物のための核形成中心は、エピタキシャル被覆の間に、生じたｐ^-ドープされたエピウェハが、少なくとも５×１０⁸ｃｍ^-3の酸素析出物の密度より上で生じる十分なゲッター能力をもはや有しなくなる程度にまで消失する。

半導体ウェハが付加的に窒素及び／又は炭素出ドープされる場合に、酸素析出物のための核形成中心の形成及び最終的にゲッター能力も向上させることができることは公知である。ドーピングにより付加された窒素は、エピタキシャル被覆の間に使用される温度を含むより高い温度でより安定な核形成中心を生じさせる。他方で、しかしながら窒素は、ＯＳＦリングとして公知の半導体ウェハの領域に酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）の形成を促進してしまう。従って、エピタキシャル法により堆積された層の表面のこの領域にも層欠陥のレベルが増大し、この層欠陥は電子素子の機能性を著しく損ない、従ってできる限り避けるべきである。このタイプの層欠陥（ＬＰＤ、light point defects）はレーザー散乱光を用いる光学的方法により可視化される。

EP 1 143 045 A1には窒素濃度を２×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁴ｃｍ^-3の低い領域に制限し、点欠陥に関して全体のウェハ表面にわたりＯＳＦリングを有する又は有しないボイドリッチ領域（ｖ−領域）を有するシリコンから製造された半導体ウェハだけにエピタキシャル被覆を実施することを提案している。この方法は、必要な境界条件が、単結晶の引き上げ時にモニタリング及び時間に関する費用の増加を必要とするという欠点を有する。例えば、ＯＳＦ核のモルホロジーを変えるために、冷却速度を１０００〜９００℃の範囲内で低く保たなければならない。低い冷却速度は、一般に、単結晶を低い、つまり不経済な引き上げ速度で引き上げなければならないことを必要とする。他の特別な欠点は、この窒素濃度における偏析に関連する増大が窒素濃度を制限する努力に反することである。単結晶の長さが増加すると共にこの窒素濃度は著しく増加し、従って急速に制限された範囲外に変動してしまう。層欠陥は、酸素濃度が低いレベルに保たれる場合になお避けることができる。しかしながら、これは同様にモニタリング費用の増加を必要とし、また酸素析出物のための核形成中心十分な数を形成させるために場合により不十分な酸素しか存在できないという問題が生じる。
EP 1 143 045 A1

従って、本発明の課題は、かなり低い制限を必要とする方法を提供することであった。

本発明は、シリコン単結晶をチョクラルスキー法により引き上げ、前記引き上げの間にホウ素、水素及び窒素でドープし、かつｐ^-ドープされた半導体ウェハに加工し、これをエピタキシャル被覆する、ｐ^-ドープされかつエピタキシャル被覆された、シリコンからなる半導体ウェハの製造方法に関する。

このようにして製造されたエピウェハは、そのゲッター能力及び低い層欠陥密度のために、大規模集積電子素子を作成するさらなるプロセスのために特に適している。

本願発明者は、水素が、酸素誘起積層欠陥の形成の促進に関して窒素の作用を明らかに弱めることを見出した。これは、酸素析出物のための核形成中心の数を窒素のドーピングにより刺激されるが、それと同時に基板ウェハ内でのＯＳＦを形成させず、かつそれによりエピウェハ上の層欠陥を増加させないためのかなりの余地を提供する結果となる。本発明により製造されたエピウェハは、酸素析出物のための核形成中心の十分な数を有するが、それにもかかわらず層欠陥はほとんどない。ｖ／Ｇ法則を利用する場合に、有利にケイ素の格子間原子の集合体を有していない半導体ウェハを提供する単結晶を製造することができる。このｖ／Ｇ法則に従って、単結晶の引き上げの間の結晶化境界部で引き上げ速度ｖと軸方向温度勾配Ｇとからの商の適当な制御が、半導体ウェハ上での点欠陥及びその集合体の半径方向の分布を制御するために十分である。

シリコンから製造されたｐ^-ドープされた半導体ウェハ、並びに前記ウェハからエピタキシャル被覆により製造されたエピウェハは、１０００℃以上の温度での特別な熱処理を必要とせず、その間に核形成中心は成長してゲッター能力を有する酸素析出物を形成する。むしろ、このプロセスは前記素子の製造の間に行われ、特に最新世代の素子を製造する場合であっても、比較的低い１０００℃を下回る温度での短期間の熱処理が想定される。

本発明の場合に、シリコンから製造されたｐ-ドープされた半導体ウェハは、チョクラルスキー法を用いてシリコン単結晶を引き上げ、その引き上げの際にホウ素、水素及び窒素でドープすることにより製造される。水素と窒素との同時のドーピングを含むこの方法は、例えばEP 1 136 596 A1に記載されているように基本的に公知であるが、これは異なる関係にあり、この文献から本発明を導き出すことはできない。水素は、比較的高い濃度で存在する場合にシリコン中で微小気泡を形成する傾向があるため、この濃度は微小気泡を形成するために必要な濃度に達しないように保証すべきである。これは、３ｍｂａｒよりも低い水素分圧で単結晶を引き上げることにより実際に達成することができる。層欠陥の形成を抑制する水素の作用に関して、単結晶の引き上げの際の水素分圧が０．２〜２．５ｍｂａｒの範囲内である場合が有利である。

窒素ドーピングに関して、１×１０¹⁵ｃｍ^-3の窒素濃度がその上限であると考えられる。窒素濃度がこのレベルを超える場合に、もはや水素の付加的なドーピングによっても製造されたエピウェハがＯＳＦリングの領域内に多数の層欠陥を有することは避けられない。窒素濃度の有利な範囲は、１×１０¹⁴ｃｍ^-3より高く、１×１０¹⁵ｃｍ^-3より低い。窒素濃度がこの範囲外にある場合に、それが低いために、特に十分な酸素が単結晶中に存在しない場合には、酸素析出物のための不十分な核形成中心が形成される。それとは反対に、窒素濃度が低くい場合であっても、被覆すべき半導体ウェハ中の酸素濃度が高すぎる場合には、多くの層欠陥が形成されてしまう。従って、酸素濃度を、単結晶の引き上げの間に窒素濃度の偏析による増大に対して酸素濃度の制御された減少で反応することによって考慮することが特に有利である。窒素濃度が偏析の理由で１×１０¹⁵ｃｍ^-3に上昇する際に、単結晶中の酸素濃度は、６×１０¹⁷ｃｍ^-3、有利に５．５×１０¹⁷ｃｍ^-3のレベルを上回らないのが有利である。チョクラルスキー法を用いた引き上げの間に、単結晶は通常では長さの増加と共に酸素は少なくなる、それというのも融液量が減少するため酸素は坩堝壁を介して融液中へあまり達しないためである。さらに、酸素濃度を制御して減少させるために、互いに任意に組み合わせることができる多様な方法が提供される。例えば、単結晶中の酸素濃度は、磁場の強度を高め、それにより融液内の対流が弱まる場合に低下する。同様の効果は、坩堝の回転数を減少させる場合、引き上げ装置中のガス圧を低下させる場合、又は引き上げ装置を通過する及び坩堝上へ導入するガスの流速を高める場合に達成される。

チョクラルスキー法を用いて製造され、かつホウ素、水素及び窒素でドープされた単結晶はウェハに切り分けられる。これは、有利にワイヤーソーを用いて行われる、それというのもこの方法により多数の半導体ウェハを１つの作業工程で作成することができるためである。有利に２００ｍｍ又は３００ｍｍの直径を有するこのようなシリコン半導体ウェハは、ホウ素を１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹³ｃｍ^-3の濃度で含有し、これはｐ^-型のドーピングに相当する。これに引き続き、機械的損傷を除去し、平坦でかつ平行な側面及びスムーズなエッジを作成する目的で標準的処理工程を行う。この工程は、側面のラッピング及び／又はグラインディングによる機械加工、エッチャントによる処理、両面の少なくとも一方のポリシング、及びエッジの丸み付け及びポリシングを含む。シリコンの薄層を、ポリシングされた側面にエピタキシャル法により堆積させる。このエピタキシャル層の厚さは、有利に１〜５μｍである。このエピタキシャル層はｐ型のドーパント、有利にホウ素を含有し、これはｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハにも当てはめることができることを意味する。このホウ素濃度は、有利に２×１０¹⁶〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

このエピウェハは、エピタキシャル層の下のバルク内に多数の酸素析出物を形成することができ、これは被覆前の半導体ウェハのバルクに相当し、この多数の酸素析出物がバルクに十分なゲッター能力を付与する。形成されたＢＭＤの濃度は少なくとも５×１０⁸ｃｍ^-3、有利に１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^-3である。層欠陥の数は、０．０９μｍより大きい欠陥に関してかつ２００ｍｍの公称直径を有するエピウェハの面積に関して有利に４０個より少ない。

本発明を、次に図面及び実施例に関して記載する。

２００ｍｍの直径を有するｐ^-ドープされたシリコン単結晶は、チョクラルスキー法を用いて製造され、ｐ^-ドープされた半導体ウェハを作成するためにさらに加工される。比較の目的で、半導体ウェハのいくつかを付加的に窒素だけでドープし、一方で他の半導体ウェハを、本発明により、付加的に窒素及び水素で約１×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度でドープした。これらの半導体ウェハをエピタキシャル被覆して、ｐ／ｐ^-ドープエピウェハにした。

図１〜１２は、ｐ^-ドープされた半導体ウェハ（図１〜４）及びｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハ（図５〜１２）に行われた欠陥測定の結果を示す。１０００℃で１６時間の酸素析出物の形成を引き起こす熱処理後のＢＭＤ密度は、ＭＯ−４レーザー光散乱測定装置（Mitsui Mining and Smelting社製）を用いて測定し、水蒸気の存在での１１００℃、１ｈでの酸化の後のＯＳＦ密度は、光学顕微鏡を用いて測定し、層欠陥密度は粒子計数装置ＳＰ１（KLA Tencor社製）を用いて測定した。この半導体ウェハは、ＡＳＴＭ標準Ｆ１２１−８３による、７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3の同じ酸素濃度を有していた。

これらの図の比較は、窒素を用いた付加的ドーピングに制限した場合（図１、２、５、６、９及び１０）に、窒素濃度が１．３×１０¹⁵ｃｍ^-3（図２、６及び１０）から１．２×１０¹⁴ｃｍ^-3（図１、５及び９）に低下することにより層欠陥密度の明らかな低下を達成することができるが、この低下はＯＳＦリングが形成された境界領域においては達成されない。窒素濃度が１．３×１０¹⁵ｃｍ^-3である場合に、ＯＳＦ領域は全体のウェハ表面にわたり拡がる（図２）。ＢＭＤ密度に関する要求が満たされるが（図６）、層欠陥密度に関しては満たされない。

層欠陥はエピウェハの全体の表面にわたり多数存在する（図１０）。１．２×１０¹⁴ｃｍ^-3までの窒素濃度の低下により、ＯＳＦ領域の作用は、半導体ウェハの境界領域にだけ留まる（図１）。このエピウェハはＢＭＤ密度に関する要求を満たすが（図５）、層欠陥密度に関する要求はもはや満たしていない。多数の層欠陥を有する半導体ウェハのＯＳＦ領域に対応する領域は、境界領域に留まる（図９）。

エピウェハの全体の表面にわたる層欠陥の減少は、本発明により規定されているように、水素を用いた付加的ドーピングが実施され、かつ窒素濃度が１．２×１０¹⁴ｃｍ^-3に低下される場合にだけ達成される（図３、７及び１１）。図４、８及び１２からは、窒素濃度が１．３×１０¹⁵ｃｍ^-3で高すぎた場合に、水素を用いた付加的ドーピングがもはや所望の効果を示さないことがわかる。窒素濃度が１．３×１０¹⁵ｃｍ^-3である場合に、ＯＳＦ領域は全体のウェハ表面にわたり変化せずに拡がる（図４）。ＢＭＤ密度に関する要求はいったん満たされるが（図８）、層欠陥密度に関する要求は満たされない。多数の層欠陥はエピウェハの全体の表面にわたり存在する（図１２）。窒素濃度の１．２×１０¹⁴ｃｍ^-3への低下と組み合わせた水素のドーピングは、ＯＳＦ領域がもはや形成されない（図３）という効果を示す。従って、３０ｃｍ^-2のＯＳＦ密度の検出限界だけが図３に示されている。このエピウェハはＢＭＤ密度に関する要求を満たし（図７）、層欠陥密度に関する要求も満たしている。小数の層欠陥（０．０９μｍより大きい欠陥が約２８個）だけがエピウェハ上に見られる（図１１）。

図１３は、多様な酸素濃度及び窒素濃度に対して、水素を用いた付加的なドーピングがどのように窒素限界濃度をシフトさせることを示す。この窒素限界濃度を越えると、ＯＳＦリングが形成され、それにより層欠陥が増加する。所定の酸素濃度での水素のドーピングにより、窒素濃度をほぼ一桁分増加させることができ、これは安定な核形成中心の形成に有利である。小さな記号により示したデータ点に対する最良適合線を表す下側の限界線は、水素を用いた付加的なドーピングなしでの窒素限界濃度を示す。大きな記号により示したデータ点に対する最良適合線である上側の境界線は、付加的な水素ドーピングを使用する場合のＯＳＦリングの形成に関する作用を示す。これらの境界線はそれぞれの場合に、その下側の、ＯＳＦリングが形成されず、エピ層欠陥が生成されない領域と、その上側の、ＯＳＦリングが形成され、かつエピ層欠陥が生成される領域とを区切る。

本発明の進歩は図１３に示されている。これは実際にエピ層欠陥がエピプロセスの間に生成されないようにＯＳＦ欠陥の実質的な抑制を保証し、同時に受け入れられるゲッタリング能力のために十分なＢＭＤ密度（５×１０⁸ｃｍ^-3より大きい）を提供する、パラメータの酸素及び窒素に対する濃度値の領域を示す。このデータは、許容される窒素濃度範囲の上限及び加減が酸素濃度の関数であり、結晶成長の間の酸素濃度及び窒素濃度の制御が極めて重要であることを示す。適当な窒素濃度と酸素濃度とのペアは、上限濃度と下限濃度とにより制限される領域に限定され、前記上限濃度は次の式により計算され
Ｃ_N ＝ ２７１５×１０¹⁴×ｅｘｐ（−０．９１×１０¹⁷×Ｃ_O）
かつ下限濃度は次の式により計算される
Ｃ_N ＝ ２３５×１０¹⁴×ｅｘｐ（−０．９１×１０¹⁷×Ｃ_O）
前記式中、Ｃ_O及びＣ_Nは［１／ｃｍ³］のディメンションを有する。

前記酸素濃度は、現行のバージョンのＡＳＴＭにより測定される。

図１は、ｐ^-ドープされた半導体ウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図２は、ｐ^-ドープされた半導体ウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図３は、ｐ^-ドープされた半導体ウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図４は、ｐ^-ドープされた半導体ウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図５は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図６は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図７は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図８は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図９は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図１０は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図１１は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図１２は、ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハに関して行われた欠陥測定の結果を表す。 図１３は、多様な酸素濃度及び窒素濃度に対して、水素を用いた付加的なドーピングが窒素限界濃度をどのようにシフトさせるかを示す。

Claims (3)

1. チョクラルスキー法を用いて、０．２〜２．５ｍｂａｒの水素分圧でシリコン単結晶を引き上げ、
   前記単結晶の引き上げの間に、前記単結晶をホウ素、水素及び窒素でドーピングし、
   酸素濃度Ｃ_Oに従って単結晶中の窒素の濃度を
   上限濃度と下限濃度とにより限定される領域内にあるように制御し、
   前記上限濃度は次の式により計算され
   Ｃ _N ＝ ２７１５×１０ ¹⁴ ×ｅｘｐ（−０．９１×１０ ^-17 ×Ｃ _O ）
   かつ下限濃度は次の式により計算され
   Ｃ _N ＝ ２３５×１０ ¹⁴ ×ｅｘｐ（−０．９１×１０ ^-17 ×Ｃ _O ）
   前記式中、Ｃ _O 及びＣ _N は［１／ｃｍ ³ ］のディメンションを有し、かつ、
   前記窒素濃度は、１×１０ ¹⁴ ｃｍ ^-3 より大きな値でかつ１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 より低い値に調整され、
   前記単結晶を加工して、ｐ^-ドープされた半導体ウェハを形成させ、
   及び前記半導体ウェハをエピタキシャル被覆すること
   を有する、ｐ^-ドープされかつエピタキシャル被覆された、シリコンからなる半導体ウェハの製造方法。
2. 単結晶引き上げの間に前記単結晶中への酸素の包含を制御して低下させる、請求項１記載の方法。
3. ｐ／ｐ^-ドープされたエピウェハを作成する、請求項１又は２記載方法。