JP5361359B2 - 拡散ウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、拡散ウェーハの製造方法に関し、特に非拡散層深さの制御性を向上させる拡散ウェーハの製造方法に関する。

一般的に、大出力トランジスタ、ダイオード、サイリスタ等のパワーデバイスの製造には、拡散ウェーハが用いられる。拡散ウェーハは、リン（Ｐ）またはＢ（ボロン）等の不純物を高濃度に拡散させた不純物拡散層（以下、単に拡散層ともいう）と、不純物が拡散されていない非不純物拡散層（以下、単に非拡散層ともいう）の２層からなる。

例えば、リンを不純物とする拡散ウェーハの場合、ボートに装填したシリコンウェーハの表面にＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）雰囲気により高濃度の不純物を拡散する（以下、デポ拡散ともいう）。その後、更に熱処理を加えて、不純物をシリコンウェーハの深さ方向に拡散させ拡散層を形成する（以下、スランプ拡散ともいう）。その後、非拡散層側を鏡面研磨することにより、所望の厚さの非拡散層を有する拡散ウェーハを製造する。

ここで、非拡散層の厚さにバラツキが生ずると、拡散ウェーハを用いて形成されるデバイスの特性変動が大きくなり問題となる。このため、非拡散層厚のウェーハ間あるいは面内のバラツキを抑制することが重要となる。特許文献１には、鏡面研磨の際の研磨量を正確に指定するために破壊検査であるＳＲ法（Ｓｐｒｅａｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ法：広がり抵抗法）にかえて、非破壊検査法であるＦＴ−ＩＲ法（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ＩｎｆｒａＲｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ法：フーリエ変換赤外分光光度計法）を用いる方法が開示されている。
特開２００４−２２８５９６号公報

もっとも、ＦＴ−ＩＲ法では、不純物濃度が１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の領域を非拡散層厚として測定する。デバイス特性にとって、更に低濃度、例えば１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の非拡散層厚が重要となる場合がある。このような場合、不純物濃度が１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の領域の不純物プロファイルのバラツキが生ずると、デバイス特性から要求される所望の非拡散層厚にするための研磨量を誤判断してしまうという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、研磨前のＳＲ法による先行抜き取り評価を最適化することで、非拡散層厚のバラツキを抑制する拡散ウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明の一態様の拡散ウェーハの製造方法は、拡散層と非拡散層の２層構造を有する拡散ウェーハの製造方法であって、半導体ウェーハと面抵抗モニタウェーハに不純物を拡散する第１の拡散工程と、前記不純物を更に前記半導体ウェーハおよび前記面抵抗モニタウェーハの深さ方向に拡散する第２の拡散工程と、前記面抵抗モニタウェーハの面抵抗を評価するモニタウェーハ評価工程と、前記モニタウェーハ評価工程の評価結果に基づき、前記第２の拡散工程において前記面抵抗モニタウェーハと同一の熱処理炉内で処理された前記半導体ウェーハから抜き取る補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定する抜き取り枚数決定工程と、前記補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＦＴ−ＩＲ法で測定する第１の非拡散層厚測定工程と、前記補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＳＲ法により測定する第２の非拡散層厚測定工程と、前記第１の非拡散層厚測定工程の測定結果と、前記第２の非拡散層厚測定工程の測定結果とから両者の測定結果間の補正値を算出する補正値算出工程と、ＦＴ−ＩＲ法による非拡散層厚測定と前記補正値を用いて研磨量をモニタしながら前記半導体ウェーハの非拡散層を研磨する研磨工程と、を有することを特徴とする。

ここで、前記抜き取り枚数決定工程において、前記補正値算出用ウェーハの熱処理炉内位置を決定することが望ましい。

ここで、前記補正値算出工程において、前記第２の拡散工程の炉内位置に対応させて複数の補正値を算出し、前記複数の補正値を前記研磨工程で用いることが望ましい。

ここで、前記第１の拡散工程においてＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）雰囲気で前記半導体ウェーハと前記面抵抗モニタウェーハにＰ（リン）を拡散することが望ましい。

本発明によれば、研磨前のＳＲ法による先行抜き取り評価を最適化することで、非拡散層厚のバラツキを抑制する拡散ウェーハの製造方法を提供することが可能になる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の拡散ウェーハの製造方法は、拡散層と非拡散層の２層構造を有する拡散ウェーハの製造方法であって、半導体ウェーハと面抵抗モニタウェーハに不純物を拡散する第１の拡散工程と、不純物を更に半導体ウェーハの深さ方向に拡散する第２の拡散工程と、面抵抗モニタウェーハの面抵抗を評価するモニタウェーハ評価工程と、モニタウェーハ評価工程の評価結果に基づき、第２の拡散工程において面抵抗モニタウェーハと同一の熱処理炉内で処理された半導体ウェーハから抜き取る補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定する抜き取り枚数決定工程と、補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＦＴ−ＩＲ法で測定する第１の非拡散層厚測定工程と、補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＳＲ法により測定する第２の非拡散層厚測定工程と、第１の非拡散層厚測定工程の測定結果と、第２の非拡散層厚測定工程の測定結果とから両者の測定結果間の補正値を算出する補正値算出工程と、ＦＴ−ＩＲ法による非拡散層厚測定と先の補正値を用いて研磨量をモニタしながら半導体ウェーハの非拡散層を研磨する研磨工程とを有する。

後に、詳述するように、上記のようにモニタウェーハの面抵抗評価結果を、補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数にフィードバックすることで、研磨後の拡散ウェーハの非拡散層厚のバラツキを効果的に抑制することが可能となる。

図１は、本実施の形態の拡散ウェーハの製造工程を示す工程図である。まず、ＣＺ（チョクラルスキー）法、ＦＺ（フローティングゾーン）法等で製造されたシリコンインゴットをスライスしてシリコンウェーハを作成する。そして、このシリコンウェーハにラッピング処理、または、エッチング処理等を行い、表面を平坦化する。なお、本実施の形態の拡散ウェーハの製造方法は、不純物としてＰ（リン）を１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度含有するｎ型のシリコンウェーハにＰのｎ型拡散層を有する形成する拡散ウェーハの製造方法である。

まず、第１の拡散工程（Ｓ１）において、このシリコンウェーハに対してデポ拡散を行う。デポ拡散は、例えば、５０枚程度のシリコンウェーハと、３枚程度の面抵抗（シート抵抗）モニタウェーハをボートに搭載し、ＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）雰囲気の熱処理炉内で熱処理を行う。このデポ拡散においては、シリコンウェーハと面抵抗モニタウェーハ上に形成されるリンガラスから、ウェーハ表面にＰ（リン）を高濃度に拡散させ、ｎ型拡散層を形成する。なお、モニタウェーハとしては不純物濃度が、例えば、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度のシリコンウェーハを用いることが可能である。

その後、ウェットエッチングにより、シリコンウェーハおよび面抵抗モニタウェーハ表面のリンガラスを除去する。そして、第２の拡散工程（Ｓ２）において、このシリコンウェーハおよび面抵抗モニタウェーハに対してスランプ拡散を行う。このスランプ拡散では、例えば、同一熱処理炉内でデポ拡散処理されたシリコンウェーハと面抵抗モニタウェーハ（以下、同一バッチで処理されたウェーハともいう）を、複数回分まとめて熱処理する。

すなわち、複数のデポ拡散のバッチをまとめて同時にスランプ拡散を行う。例えば、８バッチ分をまとめて、４００枚程度のシリコンウェーハと、２４枚程度の面抵抗モニタウェーハをボートに搭載し、アルゴン雰囲気中で熱処理し、Ｐ（リン）をウェーハの深さ方向に拡散して拡散層を形成する。したがって、スランプ拡散の１バッチで処理されるシリコンウェーハは、デポ拡散の８バッチ分に相当することになる。

次に、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）において、公知の面抵抗（ρｓ）評価装置にて、各面抵抗モニタウェーハの面抵抗を評価する。ウェーハ毎に、複数点の面抵抗を測定し、例えば、抵抗の面内バラツキ、抵抗のウェーハ間バラツキ等を評価する。なお、面抵抗の評価は、例えば、公知の四探針法を用いた測定装置を使用することができる。

次に、抜き取り枚数決定工程（Ｓ４）において、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の評価結果に基づき、第２の拡散工程（Ｓ２）において、面抵抗モニタウェーハと同一の熱処理炉内、すなわち同一バッチで処理されたシリコンウェーハから抜き取る補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定する。ここで抜き取り枚数は、例えば、抵抗面内バラツキと抵抗ウェーハ間バラツキに所定の閾値を設定し、その閾値を基準にして判断する。

図２は、抜き取りウェーハ枚数の決定指針の一例である。図２に示すように、抵抗面内バラツキと抵抗ウェーハ間バラツキについて一定の閾値範囲を設ける。モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の評価結果から、抵抗面内バラツキと抵抗ウェーハ間バラツキのそれぞれについて該当するケース（ケースＡ，ケースＢ、ケースＣ）を同定し、例えば、その中でもっとも抜き取りウェーハ枚数の多いケースをこのバッチの該当ケースと判断し、そのケースで要求されるウェーハの枚数を補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数とする。

そして、第２の拡散工程（Ｓ２）において、同一バッチで処理されたシリコンウェーハの中から、抜き取り枚数決定工程（Ｓ４）で決定された枚数だけ補正値算出用ウェーハとして抜き取る。その後、抜き取った補正値算出用ウェーハを、研磨装置により、非拡散層側から、例えば製品スペックの非拡散層厚を狙い目として、他のシリコンウェーハに先立ち先行研磨を行う。

図３は、拡散ウェーハの概略断面図である。図に示すように、拡散ウェーハ１０は、拡散層１０ａと非拡散層１０ｂの２層構造となっている。そして、拡散層厚をＸｊ、非拡散層厚をＸｉとする。また、拡散ウェーハの膜厚はＴとする。先行研磨後の、補正値算出用ウェーハも図３と同様の構造を有している。

次に、第１の非拡散層厚測定工程（Ｓ５）において、補正値算出用ウェーハの非拡散層厚を非拡散層側からＦＴ−ＩＲ法で測定する。この測定値をＸｉｂとする。

次に、第２の非拡散層厚測定工程（Ｓ６）において、補正値算出用ウェーハの非拡散層厚を非拡散層側からＳＲ法で測定する。この測定値をＸｉａとする。

次に、補正値算出工程（Ｓ７）において、まず、各補正値算出用ウェーハの測定結果であるＸｉａとＸｉｂから、その差α（＝Ｘｉｂ−Ｘｉａ）を求める。そして、各補正値算出用ウェーハのαを基礎として、次の研磨工程の際に用いる補正値βを算出する。例えば、全補正値算出用ウェーハのαの平均値をβとする。

次に、研磨工程（Ｓ８）において、第２の拡散工程（Ｓ２）において、補正値算出用ウェーハと同一バッチで処理された残りのシリコンウェーハについて、非拡散層を研磨し製品スペックの非拡散層厚Ｘｉを実現する。ここでは、図３に示すように、必要とされるＸｉは、ＳＲ法による測定値Ｘｉａである。もっとも、ＳＲ法は破壊検査となるため、研磨工程においては非破壊測定であるＦＴ−ＩＲ法によって非拡散層厚Ｘｉｂを測定することになる。

この時、補正値算出工程（Ｓ７）において求めた補正値βを用いて、Ｘｉｂ−βを求める。そして、このＸｉｂ−βを指標として研磨量をモニタしながら、Ｘｉｂ−βが非拡散層厚Ｘｉの製品スペックに入るよう研磨する。

本実施の形態によれば、研磨前のＳＲ法による先行抜き取り評価を、第２の拡散工程後の面抵抗モニタウェーハ評価を用いて最適化することで、不要な製品ウェーハの抜き取りを回避しつつ、非拡散層厚のバラツキを抑制する。

図４は、本実施の形態の作用の説明図である。図４（ａ）は非拡散層側表面から深さ方向のＳＲ法測定に基づく抵抗分布を示す。図４（ｂ）は非拡散層表面から深さ方向の不純物濃度分布を示す。

図４（ａ）に示すように、ＳＲ法では、抵抗分布曲線に引かれた２つの接線ＡおよびＢの交点Ｃの深さを、非拡散層厚Ｘｉａとして計測する。ＦＴ−ＩＲ法による非拡散層厚ＸｉｂとＸｉａとの関係は、通常Ｘｉｂ＞Ｘｉａとなる。

これは、４（ｂ）に示すように、ＦＴ−ＩＲ法では、不純物濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の領域を非拡散層厚Ｘｉｂとして測定するのに対し、ＳＲ法では、不純物濃度が１×１０^１６程度以下の領域を非拡散層厚Ｘｉａとして測定することによる。このため、例えば、製品の特性要求から不純物濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の領域を非拡散層厚Ｘｉとして制御することが要求される場合、ＳＲ法の測定結果Ｘｉａが所望される非拡散層厚Ｘｉと同一となる。

不純物濃度分布は、拡散ウェーハの場合、図４（ｂ）の点線曲線と実線曲線の差で示されるように、同一プロセスであっても５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度から５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の領域で深さ方向にばらつくことが知られている。この場合には、不純物濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の領域の非拡散層厚Ｘｉａが一定であっても、不純物濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以下の領域を指標とする非拡散層厚Ｘｉｂがばらつくことにより、その差αがばらつくことになる。

したがって、製造工程によって、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度から５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の領域がばらつくことを見過ごし、固定されたαの値を研磨の際の補正値βとして用いると、仕上がりの非拡散層厚が製品スペックから逸脱するという問題が生じる。そして、拡散ウェーハの製造工程中、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度から５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の領域の分布のばらつきの最大の要因となるのは、第２の拡散工程、すなわちスランプ拡散の工程である。

そして、スランプ拡散工程のモニタウェーハの面抵抗がばらつく場合には、そのバッチ内で、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度から５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の領域の不純物分布のばらつきが大きくなっている蓋然性が高い。

したがって、本実施の形態のように、第２の拡散工程（Ｓ２）の後に、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の評価結果で、スランプ拡散のプロセス状態を的確に把握する。そして、その評価結果により、補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定することで、例えば、面抵抗ばらつきが大きい場合は、枚数を増やして補正値βの精度を向上させることが可能となる。そして、ばらつきが小さい場合は、枚数が少なくとも補正値βの精度があがるため、製品となるシリコンウェーハの不要な抜き取りを回避できる。

なお、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の評価結果に基づき、補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定する点について説明したが、枚数に加えて、抜き取りウェーハの熱処理炉内位置を、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の評価結果に基づき、決定することも好適である。すなわち、例えば、モニタウェーハ評価工程（Ｓ３）の測定の結果、特定の炉内位置で抵抗バラツキが大きい場合、その炉内位置近傍から抜き取ることにより、補正値βに対して、そのバラツキを反映させることが可能になる。

また、ここでは、全補正値算出用ウェーハのαの平均値を補正値βとする場合を例に説明した。しかし、必ずしも平均値でなくとも中央値その他の値を用いても構わない。

また、スランプ拡散において、同一バッチで処理されたシリコンウェーハをすべて一つの補正値βを用いて研磨量のモニタを行わなくともよい。第２の拡散工程、すなわちスランプ拡散の際の炉内位置に対応させて複数の補正値を算出し、続く研磨工程でこれら複数の補正値をそれぞれの炉内位置に対応するシリコンウェーハに用いることも好適である。

例えば、ある補正値算出用ウェーハの近傍の炉内位置でスランプ拡散処理されたシリコンウェーハについては、その補正値算出用ウェーハのαを補正値βとして用いることも可能である。また、面抵抗の抵抗バラツキが大きい炉内位置だけは、特異箇所と判断して、その炉内位置のシリコンウェーハについてのみ、その炉内位置から抜き取られた補正値算出用ウェーハのαを補正値βとして用いてもよい。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の拡散ウェーハの製造方法は、第１の実施の形態が、ｎ型のシリコンウェーハに対してｎ型拡散層を形成する場合であるのに対し、ｐ型のシリコンウェーハに対してｐ型拡散層を形成する点で異なっている。以下、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

まず、ＣＺ（チョクラルスキー）法、ＦＺ（フローティングゾーン）法等で製造されたシリコンインゴットをスライスして、不純物としてＢ（ボロン）を１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度含有するｐ型のシリコンウェーハを作成する。そして、このシリコンウェーハにラッピング処理、または、エッチング処理等を行い、表面を平坦化する。

まず、第１の拡散工程（Ｓ１）において、このシリコンウェーハに対してデポ拡散を行う。デポ拡散は、例えば、５０枚程度のシリコンウェーハと、３枚程度の面抵抗（シート抵抗）モニタウェーハに、固体粉末のＢ_２Ｏ_３をアルコール系の溶媒に溶かした溶液をスピンコート法にて塗布する。次に、これらのウェーハをボートに搭載し、酸化性雰囲気の熱処理炉内で熱処理を行う。このデポ拡散においては、シリコンウェーハと面抵抗モニタウェーハ上に形成されるボロンガラスから、ウェーハ表面にＢ（ボロン）を高濃度に拡散させ、ｐ型拡散層を形成する。なお、モニタウェーハとしては不純物濃度が、例えば、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度のシリコンウェーハを用いることが可能である。

その後、ウェットエッチングにより、シリコンウェーハおよび面抵抗モニタウェーハ表面のボロンガラスを除去する。そして、第２の拡散工程（Ｓ２）において、このシリコンウェーハおよび面抵抗モニタウェーハに対してスランプ拡散を行う。このスランプ拡散では、例えば、同一熱処理炉内でデポ拡散処理されたシリコンウェーハと面抵抗モニタウェーハ（以下、同一バッチで処理されたウェーハともいう）を、複数回分まとめて熱処理する。

以降のＳ３〜Ｓ８の工程については、不純物のＰがＢに置き換わる点以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様、研磨後の拡散ウェーハの非拡散層厚のバラツキを効果的に抑制するという効果が得られる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、拡散ウェーハの製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる拡散ウェーハの製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

例えば、第２の実施の形態においては、Ｂ_２Ｏ_３の溶液をスピンコート法により塗布した後、熱処理炉にて拡散させるデポ拡散を例に説明した。しかし、例えば、ＢＢｒ_３雰囲気の熱処理炉内で熱処理を行うデポ拡散であっても構わない。

また、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての拡散ウェーハの製造方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態の拡散ウェーハの製造工程を示す工程図。 抜き取りウェーハ枚数の決定指針の一例。 拡散ウェーハの概略断面図。 実施の形態の作用の説明図。

符号の説明

１０ 拡散ウェーハ
１０ａ 非拡散層
１０ｂ 拡散層

Claims (4)

1. 拡散層と非拡散層の２層構造を有する拡散ウェーハの製造方法であって、
   半導体ウェーハと面抵抗モニタウェーハに不純物を拡散する第１の拡散工程と、
   前記不純物を更に前記半導体ウェーハおよび前記面抵抗モニタウェーハの深さ方向に拡散する第２の拡散工程と、
   前記面抵抗モニタウェーハの面抵抗を評価するモニタウェーハ評価工程と、
   前記モニタウェーハ評価工程の評価結果に基づき、前記第２の拡散工程において前記面抵抗モニタウェーハと同一の熱処理炉内で処理された前記半導体ウェーハから抜き取る補正値算出用ウェーハの抜き取り枚数を決定する抜き取り枚数決定工程と、
   前記補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＦＴ−ＩＲ法で測定する第１の非拡散層厚測定工程と、
   前記補正値算出用ウェーハの非拡散層厚をＳＲ法により測定する第２の非拡散層厚測定工程と、
   前記第１の非拡散層厚測定工程の測定結果と、前記第２の非拡散層厚測定工程の測定結果とから両者の測定結果間の補正値を算出する補正値算出工程と、
   ＦＴ−ＩＲ法による非拡散層厚測定と前記補正値を用いて研磨量をモニタしながら前記半導体ウェーハの非拡散層を研磨する研磨工程と、
   を有することを特徴とする拡散ウェーハの製造方法。
2. 前記抜き取り枚数決定工程において、前記補正値算出用ウェーハの熱処理炉内位置を決定することを特徴とする請求項１記載の拡散ウェーハの製造方法。
3. 前記補正値算出工程において、前記第２の拡散工程の炉内位置に対応させて複数の補正値を算出し、前記複数の補正値を前記研磨工程で用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の拡散ウェーハの製造方法。
4. 前記第１の拡散工程においてＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）雰囲気で前記半導体ウェーハと前記面抵抗モニタウェーハにＰ（リン）を拡散することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の拡散ウェーハの製造方法。

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