JP5278174B2 - シリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低抵抗かつ大口径であっても反りが抑制されたシリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法に関するものである。

近年、電源コントロールなどの用途として、パワー半導体デバイスが用いられている。パワー半導体デバイス用のウェーハとしては、チョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶インゴットをスライスし、得られたシリコンウェーハの表面に、結晶欠陥をほぼ完全に含まないシリコンエピタキシャル層を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハが主に利用されている。一般に、パワー半導体デバイス用のシリコンウェーハとしては、ドーパントが高濃度にドープされた抵抗率の低いシリコンウェーハが用いられている。

パワー半導体デバイスの更なる低消費電力化に向け、抵抗率がより低いシリコンウェーハが要求されている。ｐ型シリコンウェーハの場合は、ドーパントである、例えば、ボロン（Ｂ）を高濃度にドープして低抵抗のシリコンウェーハを作製する。また、デバイスの生産性を向上させる目的で、シリコンウェーハの直径は、２００ｍｍに代わって３００ｍｍが主流となっている。さらに、パワー半導体デバイスの高耐圧化に伴い、シリコンエピタキシャル層の膜厚も厚くなる傾向にある。

特開平６−１１２１２０号公報

しかしながら、低抵抗のシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を成長させると、シリコンウェーハの格子定数とシリコンエピタキシャル層の格子定数との間に差があるため、シリコンエピタキシャルウェーハに反りが発生する。この反りは、ウェーハの直径が大きくなると、または、シリコンエピタキシャル層の膜厚が厚くなると増大する。この反りが増大すると、デバイス製造工程におけるマスク合わせや、真空チャックによる保持等が困難となり、最悪の場合にはデバイスの製造が不可能となる。従って、エピタキシャルウェーハの反りをできるだけ小さくすることは重要な課題となっている（特許文献１）。
特に、ボロンを高濃度にドープしたシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を成長させたｐ／ｐ^＋シリコンエピタキシャルウェーハでは、ボロンがドープされたシリコンウェーハとドープされていないエピタキシャル層との格子定数の差が大きいため、エピタキシャル成長させた後のウェーハの反り量が大きいという問題があった。また、結晶方位が（１１０）のシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を成長させた場合は、結晶方位が（１００）のシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を成長させた場合に比べてより反り易い傾向があることが判明した。

この発明は、低抵抗でかつ大口径のシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル膜を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハの反りを抑制することを、その目的としている。

本発明は、チョクラルスキー法により育成され、ボロンとゲルマニウムとが添加されたシリコン単結晶インゴットをスライスして作製された直径３００ｍｍ以上のシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル膜を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法の改良である。

その特徴ある構成は、シリコンウェーハはボロン濃度が８．５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上ドープされ、
ゲルマニウムが、

の関係式を満たす範囲でドープされているところにある。

特に、シリコンウェーハは、結晶方位が（１１０）のシリコンウェーハであることが好ましい。
また、シリコンエピタキシャル膜の膜厚は４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。膜厚が４μｍ未満の場合は、反りは発生しない。一方、膜厚が２０μｍを超える場合は、反りの発生を抑制するためにゲルマニウム濃度を高くする必要があり、ウェーハの製造コストの上昇につながる。

本発明は、ボロンを高濃度にドープしたシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハを得るにあたり、シリコンより格子定数が大きいゲルマニウムのドープ量（ゲルマニウム濃度）を式１の範囲に制御するので、直径３００ｍｍ以上のシリコンエピタキシャルウェーハであっても反り量を低減させることができる。

本発明の実施形態に係るシリコンエピタキシャルウェーハを示す断面図である。 図１に示すシリコンエピタキシャルウェーハの反り量を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態のシリコンエピタキシャルウェーハは、図１に示すようにシリコンウェーハ１の表面にシリコンエピタキシャル層２を成長させたものである。シリコンウェーハ１は、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶インゴットをスライスして得られる。単結晶インゴットの育成時にシリコン融液にボロンとゲルマニウムとが添加される。ボロンはボロン濃度が８．５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上となるようにドープされ、これに対してゲルマニウムは上記式１を満たす範囲の濃度となるようにドープされる。

本実施形態のシリコンウェーハは、直径３００ｍｍ以上の大口径であって、特に結晶方位が（１１０）である。

次に、上記式１について説明する。

図２に示すように、ウェーハ上に薄膜が存在する時、膜中の歪みεは下記(２)式で与えられる。ただし、初期のウェーハの反り量δは０と仮定する。すなわち、エピタキシャル膜を成長させる前後での反り量の変化を求めることとなる。

（２）式において、ｔ_ｓｉはウェーハの厚み、ｔ_ｅｐｉはエピタキシャル膜の厚み、δはウェーハの反り量，ｒはウェーハの半径である。

また、ｐ＋層とｐ−層の格子定数の差による歪みεは、下記（３）式で与えられる。ここで、Δα_Si-B-Geは［Ｂ］と［Ｇｅ］を含むｐ＋結晶とドープしていないｐ−結晶との格子定数の差、α_Siはｐ−結晶の格子定数である。

なお、Δα_Si-B-Geは以下のように求められる。すなわち、ボロン濃度の変化による格子定数変化（Δα_Ｓｉ−Ｂ、単位はオングストローム）は、下記の式（Ｖｅｇａｒｄ則）で計算される。

（４）式において、ｒ_Ｓｉはシリコン（Ｓｉ）原子の半径、ｒ_Ｂはボロン（Ｂ）原子の半径、［Ｂ］はボロン濃度、［Ｓｉ］はシリコン濃度を示している。シリコン原子の半径は１．１７オングストローム、ボロン原子の半径は０．８８オングストロームである。高純度シリコン結晶の格子定数（α_Ｓｉ）は５．４３オングストロームである。また、シリコン単結晶のＳｉ原子密度は５．０×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。

これにより（４）式は、

となる。この式から明らかなように、高濃度にボロンを添加したシリコンウェーハの場合、ボロンを添加しないものに比べて格子定数が小さくなる。

一方、ゲルマニウムをドープした場合の格子定数変化（Δα_{Ｓｉ−Ｇｅ}、単位はオングストローム）も（４）式と同様に（Ｖｅｇａｒｄ則）を用いて計算される。

ここで、ｒ_Ｇｅはゲルマニウムの原子の半径で、１．２２オングストローム、［Ｇｅ］はゲルマニウムの濃度である。したがって、（６）式は、

と表せる。よって、ゲルマニウムを添加することでゲルマニウムを添加しない場合に比べて格子定数が大きくなる。

以上のことから、ボロンとゲルマニウムを同時添加した場合の格子定数変化（Δα_{Ｓｉ−Ｇｅ−Ｂ}、単位はオングストローム）は（５）式と（７）式との和で求められる。

このΔα_{Ｓｉ−Ｇｅ−Ｂ}が、（３）式の分子であり、これに対し、既述したとおり高純度シリコン結晶の格子定数（α_Ｓｉ）は５．４３オングストロームであるから、（３）式が求められる。

そして、（２）式および（３）式からεを消去するように整理すると、δと［Ｂ］、ｔ_si、t_epi、およびrとの関係が求まる。すなわち、

この（９）式から、ｐ／ｐ＋エピタキシャルウェーハのエピ成長による反り量は、ボロン濃度、エピタキシャル膜厚およびウェーハ径の２乗に比例し、ウェーハ厚みの２乗に反比例することが理解される。

以下に、チョクラルスキー法により育成され、ボロン濃度が８．５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上ドープされ、ゲルマニウムが、上記（式１）の関係式を満たす範囲でドープされたシリコン単結晶インゴットをスライスして作製された直径３００ｍｍ以上のシリコンウェーハの表面に、シリコンエピタキシャル膜を２．７５〜２０μｍの範囲で成長させると、ウェーハの反り量が１８μｍ以下になることを確認した。

《実施例１》
ＣＺ法により結晶方位が（１１０）のシリコン単結晶インゴットを育成する際、シリコン融液にボロンおよびゲルマニウムを、ボロン濃度が２．０１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウム濃度が２．０３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるようにドープし、これをスライスして直径３００ｍｍ、厚さ７７４μｍのウェーハを作製した。

この直径３００ｍｍのウェーハをエピタキシャル成長装置に入れ、１１５０℃で水素ベーク後、これらをエピタキシャル装置内で１０７５℃の条件下でＳｉＨＣｌ３ガスを供給し、ウェーハの表面に膜厚２．７５μｍのエピタキシャル層を成長させｐ／ｐ^＋シリコンエピタキシャルウェーハを得た。

このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《実施例２》
実施例１に対して、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．９８×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を１．０１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍ、エピタキシャル膜の膜厚を６μｍとした以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《実施例３》
実施例１に対して、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．２１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を９．００×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、エピタキシャル膜の膜厚を４μｍとした以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《実施例４》
実施例１に対して、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．２１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を４．０３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍ、エピタキシャル膜の膜厚を６μｍとした以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《実施例５》
実施例１に対して、シリコン融液にドープするボロンの濃度を９．８１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を２．０１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍ、エピタキシャル膜の膜厚を６μｍとした以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《実施例６》
実施例１に対して、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．９５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を１．０１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍ、エピタキシャル膜の膜厚を２０μｍとした以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《比較例１》
実施例１の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を２．０２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７３μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例２》
実施例３の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を２．０１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例３と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例３》
実施例２の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．９０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例２と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例４》
実施例２の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を２．０１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ゲルマニウムの濃度を３．０４×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としたこと以外は実施例２と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《比較例５》
実施例３の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．２３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７５μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例３と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例６》
実施例４の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．２０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例４と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例７》
実施例５の比較例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を９．７０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７７４μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例５と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《比較例８》
実施例５の比較例として、シリコン融液にドープするゲルマニウムの濃度を２．１０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としたこと以外は実施例５と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。また、上記（式１）の左辺の計算値も表１に示す。

《参考例１》
実施例１の参考例として、ウェーハの直径を２００ｍｍ、ウェーハの厚みを７２３μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《参考例２》
実施例３の参考例として、ウェーハの直径を２００ｍｍ、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．８０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ウェーハの厚みを７２６μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例３と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《参考例３》
実施例２の参考例として、ウェーハの直径を２００ｍｍ、ウェーハの厚みを７２１μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例２と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《参考例４》
実施例１の参考例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を１．２０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《参考例５》
実施例１の参考例として、シリコン融液にドープするボロンの濃度を９．７０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、エピタキシャル膜の膜厚を２．２７μｍとし、ゲルマニウムをドープしなかったこと以外は実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、このシリコンエピタキシャルウェーハの反り測定を、エピタキシャル成長させる前後において実施し、それらの反り量の変化の絶対値を算出した。この結果を表１に示す。

《考 察》
実施例１〜６に示すとおり、式１を満たすゲルマニウム濃度のウェーハにエピタキシャル膜を成長させた３００ｍｍのエピタキシャルウェーハによれば、反り量の変化が最大でも１７．８μｍと良好であった。

これに対して、比較例１〜８に示すとおり、ゲルマニウムをドープしないウェーハおよびゲルマニウムを、式１を外れる濃度でドープしたウェーハでは、反り量の変化が最小でも２１．３μｍとなった。

なお、参考例１〜３に示すとおり、ウェーハの直径が２００ｍｍと小さいものについては反り量の変化はさほど大きくない。また、参考例４〜５に示すとおりエピタキシャル膜の膜厚が薄いものについても反り量の変化はさほど大きくない。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…シリコンウェーハ
２…シリコンエピタキシャル層

Claims (8)

1. チョクラルスキー法により育成され、ボロンおよびゲルマニウムがドープされた単結晶インゴットをスライスして作製された直径３００ｍｍ以上のシリコンウェーハの表面に、シリコンエピタキシャル膜を成長させたシリコンエピタキシャルウェーハであって、
   前記ボロンが８．５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の濃度でドープされ、
   前記ゲルマニウムが、
   

   

   の関係式を満たす範囲でドープされていることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
   （ただし、［Ｂ］は前記ボロンの濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、［Ｇｅ］は前記ゲルマニウムの濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、rは前記シリコンウェーハの半径(μｍ)、t_epiは前記エピタキシャル膜の成長厚さ(μｍ)、t_subは前記シリコンウェーハの厚さ(μｍ)を示す。）
2. 前記シリコンウェーハの結晶方位が（１１０）であることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
3. 前記シリコンエピタキシャル膜の膜厚が４μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
4. 前記シリコンエピタキシャル膜の膜厚が４μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
5. チョクラルスキー法によりボロンとゲルマニウムとが添加されたシリコン単結晶インゴットを育成する工程と、
   このインゴットをスライスして直径３００ｍｍ以上の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の表面にエピタキシャル膜を成長させる工程と、を有するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
   前記ボロンが８．５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の濃度でドープされ、
   前記ゲルマニウムが、
   

   

   の関係式を満たす範囲でドープされていることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
   （ただし、［Ｂ］は前記ボロンの濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、［Ｇｅ］は前記ゲルマニウムの濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、rは前記シリコンウェーハの半径(μｍ)、t_epiは前記エピタキシャル膜の成長厚さ(μｍ)、t_subは前記シリコンウェーハの厚さ(μｍ)を示す。）
6. 前記シリコンウェーハの結晶方位が（１１０）であることを特徴とする請求項５記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
7. 前記シリコンエピタキシャル膜の膜厚が４μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
8. 前記シリコンエピタキシャル膜の膜厚が４μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。

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