JP5938969B2 - エピタキシャルウエーハの製造方法および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Description
固体撮像素子においては、シリコン基板の品質が大きく影響し、特に、製品特性に直接影響を与えると推測されるウエーハ表層部の結晶性は重要である。表層品質の改善策として、1)不活性ガス又は水素を含む雰囲気中での高温処理、2)引き上げ条件の改善によりグロウ・イン(Grown−in)欠陥を低減、3)エピタキシャル成長ウエーハ等が開発されている。
固体撮像素子用の基板としては、結晶育成時のGrown−in欠陥の影響を排除するため基本的にエピタキシャルウェーハが使用されている。このエピタキシャルウエーハを採用するにあたり、エピタキシャル成長装置(EP炉)からの金属汚染の影響を排除する目的で、エピタキシャルウエーハにゲッタリング能力を付加させる。
以上のように多くの文献が公開されているが、いずれも基板のゲッタリング能力に影響する析出についてのみ議論されている。
なお、酸素析出熱処理の条件は特に限定されず、その後に形成するエピタキシャル層における格子間酸素濃度が上記数値範囲となるように適宜決定することができる。下限は特に限定されず、例えば0atoms/cm3とすることができる。
なお、制御する拡散電流の下限は特に限定されず、例えば0Aとすることができる。
また、固体撮像素子での使用を考慮するとエピタキシャル層の厚さは50μm以下の範囲で十分である。
また、固体撮像素子での使用を考慮するとエピタキシャル層の厚さは50μm以下の範囲で十分である。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法や固体撮像素子であれば、ストリエーションが発生するのを抑制でき、歩留り高く、高品質のデバイスを提供することができる。
本発明者が、固体撮像素子におけるストリエーションの発生と、その固体撮像素子形成に用いたエピタキシャルウエーハにおけるリーク電流値との関係について鋭意研究を行ったところ、1.5E−10Aというリーク電流値の臨界値を見出した。
さらには、より具体的には、例えば発生電流に関しては、エピタキシャルウエーハのうち、エピタキシャル層中の酸素濃度が重要な働きをすること、そして、1.5E−10A以下の発生電流のエピタキシャルウエーハを得るには、エピタキシャル層中の格子間酸素濃度を酸素析出熱処理の条件により制御すれば良いことを見出した。
また、例えば拡散電流に関しては、基板中の酸素析出物の密度、サイズ、そしてエピタキシャル層の厚さが関係していること、そして、1.5E−10A以下の拡散電流のエピタキシャルウエーハを得るには、酸素析出熱処理の条件およびエピタキシャル層の厚さを制御すれば良いことを見出した。
本発明者はこれらのことを見出し、本発明を完成させた。
本発明のエピタキシャルウエーハ1では、シリコン基板2上にエピタキシャル層3(例えばシリコンエピタキシャル層)が形成されている。
まず、シリコン基板2はエピタキシャル層3の形成前に予め酸素析出熱処理が施されたものであり、基板内の格子間酸素が該熱処理によって析出されている。
格子間酸素の析出量は特に限定されないが、例えば酸素析出熱処理によって0.01ppma以上の格子間酸素が析出されたものとすることができる。このような析出量であれば、基板内に十分な量のBMDが形成され、ゲッタリング能力をより効果的に発揮することができる。これにより重金属不純物等による汚染を防ぎ、固体撮像素子形成の際の暗電流、白傷の発生を防止できる。
エピタキシャル層3内の格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下となっており、この範囲におさまるように、シリコン基板2内の酸素析出熱処理による格子間酸素の析出量が調整されている。格子間酸素濃度がこのような範囲であれば、エピタキシャル層3内の酸素関連の欠陥の発生を抑制することができる。そして、エピタキシャル層3における欠陥を起因とするストリエーションが発生するのを抑制することができる。
より具体的に説明すると、上記のようにエピタキシャル層3内の格子間酸素濃度が制御されており、酸素関連の欠陥の発生が抑制されており、エピタキシャルウエーハ1における発生電流の値は1.5E−10A以下である。
上述したようにストリエーションにはエピタキシャル層3内の欠陥のみならず、シリコン基板3内の酸素析出物を起因とするものがある。また、拡散電流等のリーク電流とストリエーションには関連性があり、拡散電流が上記範囲であれば、基板内のそのBMDを起因とするストリエーションの発生を抑制することができる。一方、BMDの密度やサイズは拡散電流に影響を与えており、そのBMDの密度やサイズ等は酸素析出熱処理の条件が影響している。したがって、シリコン基板2は、エピタキシャル層3での格子間酸素の濃度が上記範囲になるように酸素析出熱処理されたものであるとともに、さらに、該熱処理でエピタキシャルウエーハ1の拡散電流が上記範囲となるよう適切な条件で行われたものであるとより良い。
本発明の固体撮像素子4は、本発明のエピタキシャルウエーハ1を用いて製造されたものである。
エピタキシャルウエーハ1に対し、ウエル領域、チャネル領域、ゲート酸化膜等適宜形成されたものであり、ストリエーションがなく、また、暗電流や白傷等の発生が抑制されたものとすることができる。
図3に本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法および固体撮像素子の製造方法の一例を示す。
まず、図1のようなエピタキシャルウエーハ1を製造するにあたっては、図3に示すように、シリコン基板を準備し(工程1)、該シリコン基板に酸素析出熱処理を施し(工程2)、該酸素析出熱処理を施したシリコン基板上にエピタキシャル成長を行い、格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層を形成する(工程3)。そして、製造したエピタキシャルウエーハを用いて素子形成し、固体撮像素子を製造する(工程4)。
(工程1:シリコン基板の準備)
まず、シリコン基板2を準備する。このシリコン基板2は特に限定されず、例えばチョクラルスキー法等により引上げたシリコンインゴットから切り出したものとすることができる。この段階でのシリコン基板中の格子間酸素の濃度等は特に限定されない。ただし、最終的に、格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層3を形成しやすいように、インゴット引上げ時の条件を適宜調整して酸素濃度を調整しておくことができる。
次に、準備したシリコン基板2に酸素析出熱処理を施す。
例えば、まず、シリコン基板2内に酸素析出核を形成するため、450℃〜600℃で、4時間程度の第一の熱処理を行うことができる。次に、酸素析出核を成長させ、所定の析出密度を得るため、第一の熱処理温度よりも高く800℃以下で4時間程度の第二の熱処理を行うことができる。さらには、酸素析出物を成長させるため、1000℃で2−16時間程度の第三の熱処理を行うことができる。当然これらの熱処理条件に限定されず、その熱処理の温度、時間、さらには上記のような三段階の熱処理に限らず、熱処理の回数等も適宜決定することができる。
まず、工程2の酸素析出熱処理の各条件に関して、後の工程3でエピタキシャル層3を形成したときに、該エピタキシャル層3内の格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下となるように、シリコン基板2内の酸素析出を制御する必要がある。
予備試験1としては、まず、本試験の工程1で用意するシリコン基板2と同様のシリコン基板を用意し、熱処理温度、熱処理時間等の条件を変えて酸素析出熱処理を行う。そして、本試験の工程3と同様のエピタキシャル成長を行い、形成されたエピタキシャル層の格子間酸素濃度を測定し、測定値が5E17atoms/cm3以下となる酸素析出熱処理の条件を見つけ出す。
このような予備試験1を行い、予備試験1の結果に基づいて本試験を行えば、より確実に、最終的に格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層3を有するエピタキシャルウエーハ1を製造することができる。
(1−1)
まず、3種類のエピタキシャルウエーハを用意し、格子間酸素濃度プロファイルを分析した。
導電型P型、ボロンドープ、抵抗率10Ω・cm、直径200mm、結晶方位<100>であり、格子間酸素濃度が18ppmaのシリコン基板を準備し、このシリコン基板について、酸素析出熱処理を行わずにそのままのものと、酸素析出熱処理を行って格子間酸素を析出させ、固溶している格子間酸素の濃度を下げたものを準備した。なお、酸素析出熱処理を行ったものとしては、窒素雰囲気下、500℃で4時間、800℃で4時間、1000℃で3時間の熱処理を施したもの、500℃で4時間、800℃で4時間、1000℃で16時間の熱処理を施したものを準備した。
これらの上に、各々、シリコンエピタキシャル層を10μmの厚さ成長させた。
この状態での格子間酸素濃度のプロファイルをSIMSによる分析をした。この結果を図4に示す。エピタキシャルウエーハの表面からの深さに応じた格子間酸素濃度のプロファイルである。
また、酸素析出熱処理せずにそのままエピタキシャル成長したもの(AsEPのデータ)が格子間酸素濃度が界面近傍で5.9E17atoms/cm3と最も高く、次いで、1000℃における酸素析出熱処理を3時間行ったもの(1000℃/3hのデータ)が4.9E17atoms/cm3、1000℃における酸素析出熱処理を16時間行ったもの(1000℃/16hのデータ)が3.8E17atoms/cm3程度であった。酸素析出熱処理を行う、特にはより長時間行うことによって、シリコン基板中の格子間酸素が析出し、格子間酸素濃度が低減し、エピタキシャル層への拡散も抑制されたと考えられる。
次に、上記3種類のエピタキシャルウエーハにPN接合を形成し、リーク電流(ここでは空乏層内で発生する発生電流(エピタキシャル層起因))の測定を行った。発生電流の分布により、それと関係するストリエーションの発生の有無を確認するためである。
リーク電流の測定方法は特に限定されないが、例えば以下のようにして行うことができる。
上記のように準備されたエピタキシャルウエーハにPN接合を形成するため酸化膜を形成する。該酸化膜は、この後のドーパント拡散時のマスクであり、熱酸化膜を形成しても良いし、CVD酸化膜をデポしても良い。厚さは、この後に拡散するドーパントをマスク出来る厚さであれば良い。一般的には、500nm以上とするのが好ましい。これは、酸化膜中といえども、ドーパントが拡散してしまうからである。なお、CVD酸化膜を適応する際、特にプラズマCVDの場合は、プラズマによるチャージダメージに注意すべきである。
ここでは、1000℃のパイロ酸化を行い、1μmの酸化膜を形成した。
酸化膜への窓明けが完了すれば、ドーパントの拡散を行なう。基板とは異なるドーパントを拡散し、PN接合を形成する。拡散は、イオン注入、ガラスデポ、塗布拡散等各種手法のうち、どれでも良い。PN接合深さはアニール条件に依存するため、予め実験を行い所望の深さになるように時間を調整する。また、拡散後の最表面濃度であるが、1×1020atoms/cm3程度の高濃度になるようにすると、測定時の電極を特別に形成しなくとも、拡散最表層をそのまま電極として使える利点がある。
一方、下3つの図は、各エピタキシャルウエーハごとに、面内のリーク電流値を相対的に表現したものである。ウエーハごとに、凡例に示すようにリーク電流値の大きさを、ウエーハ1枚当たりの取得リーク電流を並べ替え、中央値を算出し、この中央値を1として、ウエーハ面内のリーク電流の相対値を示したもので、各エピタキシャルウエーハの面内におけるリーク電流の縞状のムラの有無がより明確に表された。
これに対して、1000℃/3hや1000℃16hのエピタキシャルウエーハでは、リーク電流のリング状のムラは見られなかった。
このときのリーク電流の測定温度は室温であり、かつ図6に示すようにリーク電流の温度特性から、室温付近では発生電流が支配的であり、発生電流は空乏層中で発生したキャリアに起因するものである。空乏層はウェル内で生成しており、この結果から、このリーク源がシリコンエピタキシャル層中に存在していることが明らかである。
次に、リーク原因についてさらに調査した。
上記のような手順でPN接合を作製後に、今度はさらにリーク原因を検討するため、CL(カソードルミネッセンス)スペクトルを取得した。CL測定は、サンプルを冷却機構のついたステージに載せ、真空チャンバーに入れて真空状態に保ち、サンプルが77K以下に十分冷却された後に、電子線を照射し発光スペクトルを取得する方法である。
ウエーハ面内で900点の測定を行い、リーク電流が高い接合箇所を決定し、この箇所を切り出し、CL測定のため、冷却機構のついたステージに載せ、真空チャンバーに入れて真空状態に保ち、サンプルが10Kにまで十分冷却された後に、電子線加速電圧10keVで照射し発光スペクトルを取得した。測定において加速電圧を10KeVと低加速にしたのは、電子を表面から1.5μm程度の深さに進入させ、エピタキシャル層の欠陥について評価するためである。
図7には4つのデータを示している。これらの4つのデータは、図7に示すような接合面内の1から4まで測定場所を変化させて取得したものである。今回のケースでは場所による依存性はほとんど見られなかった。
これらTO線以外の帰属は、一般的にW線が格子間シリコン、D5が酸素析出に起因した転位、H,及びCは酸素と炭素が関係した欠陥といわれている。
図8では、リーク電流値と、CL測定で得られた欠陥起因の発光線量(すなわち欠陥量)が良い相関を示し、リークの原因が酸素関連の欠陥であることが分かる。発光線量が高いほどリーク電流値も高い。
また図9では、格子間酸素濃度が5×1017atoms/cm3以下であれば、スペクトルの発光線量がより低く、欠陥の発生が抑制されており、すなわち良好なエピタキシャル層となっていることが分かる。
特に顕著な差が見られるH線を例に挙げると、AsEPのデータ(格子間酸素濃度:5.9E17atoms/cm3)では発光線量は3.3a.u.である。1000℃/3hのデータ(4.9E17atoms/cm3)では発光線量は低下して2a.u.である。1000℃/16hのデータ(3.8E17atoms/cm3)では発光線量はさらに低下して1.25a.u.である。そして、図5に示したように、AsEPの場合、リーク電流は縞状に分布してストリエーションが発生し、1000℃/3hや1000℃/16hのデータでは、リーク電流は縞状に分布することもなくストリエーションも発生しない。他のD5線やC線においても同様の傾向である。
なお、このときのリーク電流(発生電流)の値は1.5E−10A程度である(図8参照)。
したがって、工程2の酸素析出熱処理では、予備試験1の結果等を利用するなどして、上述したように、最終的に、後の工程3で格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層3を形成できるように、適宜熱処理条件を決定して行う。
そして、その後、エピタキシャル成長して格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層3を形成する。
本発明者は、さらに、このシリコン基板を起因とするストリエーションの発生について調査した。ここで、シリコン基板中のBMDの影響を評価するためには拡散電流で評価する必要がある。なお、発生電流はリーク電流を室温で測定するが、拡散電流の測定は室温より温度を上げて測定することによって評価することができる。
その結果、上述した考慮すべき点の他に、工程2および工程3で、さらに以下の点を考慮してエピタキシャルウエーハ1の製造を行うと、一層、高品質で理想的なものを製造することができることを見出した。
予備試験2としては、まず、本試験の工程1で用意したシリコン基板2と同様のシリコン基板を用意し、熱処理温度、熱処理時間等の各条件を変えて酸素析出熱処理を行う。続いて、種々の厚さでエピタキシャル層を形成し、PN接合を形成して拡散電流の測定を行う。そして、これらの拡散電流の値と、酸素析出熱処理の各条件と、エピタキシャル層の厚さの相関関係を求める。
その後、拡散電流の値が1.5E−10A以下となる、酸素析出熱処理の各条件とエピタキシャル層の厚さを本試験での条件として決定する。そして該決定に基づいて、本試験として、シリコン基板2に工程2の酸素析出熱処理、工程3のエピタキシャル成長を行ってエピタキシャルウエーハ1を製造する。
したがって、拡散電流の値が1.5E−10A以下となるようにするためだけに予備試験2単独で製造条件を決定するのではなく、例えば、まず、予備試験1によって製造条件を絞り、その上で予備試験2によって製造条件をさらに特定するなどして、エピタキシャル層の格子間酸素濃度および拡散電流の値が上記範囲に収まるように製造すると良い。
(2−1)
まず、拡散電流とシリコン基板内の酸素析出とに関係があるかどうか調査した。
図10はリーク電流(拡散電流)の面内分布とX線TOPOによるシリコン基板の酸素析出分布を示したものである。リーク電流の面内分布と酸素析出分布は良い一致を示しており、リーク電流の縞状分布はシリコン基板の酸素析出分布に由来していることが分かる。この分布は、実際の素子を作製するにあたり、特に固体撮像素子においては縞状の特性分布が生じる原因となる。すなわち、ストリエーションの発生につながる。
このリーク電流分布を回避するために析出をしないようにすればよいのであるが、このような対応はゲッタリングの観点からはゲッタリング能力を無くすことにつながり、固体撮像素子用基板としては不適切なものとなってしまう。
そこで本発明者は、酸素析出物のサイズと密度に着目し、これらを制御することでリーク電流を制御する方法を検討した。また、エピタキシャル層の厚さがリーク電流にどのような影響を与えるかについて調査した。
まず、抵抗率10Ω・cmのボロンドープ、直径200mmシリコン基板に、熱処理温度、時間、回数等を変えて、種々の条件で酸素析出熱処理を行った。これにより、種々のサイズ、密度を有する酸素析出物が得られた。その後、同じくボロンドープ、抵抗率10Ω・cmのエピタキシャル成長を行った。このときの厚さは3μm、5.4μm、10μmとした。
なお、酸素析出熱処理の条件の一例を表1に示す。450℃〜550℃で4時間の熱処理、800℃で4時間の熱処理、1000℃で0−8時間の熱処理を適宜組み合わせて酸素析出熱処理を行った。
シリコン基板内の酸素析出による影響評価であり、この場合は拡散電流を評価するため、60℃での評価を行った。
図11に示すように、酸素析出物のサイズを変化させた場合は、エピタキシャル層の厚さを変えても、リーク電流の増加傾向に差は見られない。
一方、酸素析出物の密度については、多くなるとリーク電流が大きくはなるが、エピタキシャル層の厚さに依存性があり、エピタキシャル層の厚さが厚いと、リーク電流が低下する傾向にある。
すなわち、別の言い方をすると、格子間酸素が同じ析出量(ΔOi)であっても、サイズを大きくすることで析出量を稼いだ場合はエピタキシャル層の厚さを厚くしてもリーク電流を低減できないが、サイズを小さくし析出密度で析出量を稼いだ場合はエピタキシャル層の厚さを厚くすることでリーク電流を低減できる。
従来は析出量にのみ着目していたが、本発明によれば、より高速で成長させて欠陥サイズを小さくしたシリコン単結晶から切り出した基板を使用することが可能になる。
また、拡散電流の面内分布と、エピタキシャル層の厚さ、酸素析出物のサイズ、密度との関係を調査した。
図12に、エピタキシャル層の厚さとしては3μm、5.4μm、10μm、酸素析出物密度としては2.5E9/cm3、5E9/cm3、酸素析出物サイズとしては半径30Å、15Åを組み合わせた6つの場合について、拡散電流の面内分布との関係を示した。
ただし、この目安はエピタキシャル層の厚さによって左右される。例えば、先に述べたように、密度が5E9/cm3、サイズが半径15Åであっても、エピタキシャル層厚さが3μmであると縞状分布が発生してしまう。一方、エピタキシャル層の厚さが5μm以上であれば縞状分布の発生を防止できている。
また、図11の傾向から、エピタキシャル層を10μmよりもさらに厚く形成すれば、密度が5E9/cm3より大きくとも縞状分布の発生を防止可能と考えられる。
なお、ゲッタリング能力とシリコン基板中の酸素析出量についての調査も行った。
抵抗率10Ω・cmのボロンドープ、直径200mmのシリコン基板に酸素析出熱処理を施し、同じくボロンドープ、抵抗率10Ω・cmのエピタキシャル成長を行った。形成したエピタキシャル層の厚さは5μmであった。
このエピタキシャルウェーハにNiを含んだ水溶液を基板裏面からスピンコートで塗布し、裏面に1×1011atoms/cm2の汚染を行い、拡散熱処理(800℃/15min)を行った後のエッチングピット密度を測定することでゲッタリング特性を評価した。
例えば、ΔOi=0.01ppmaを得るために、酸素析出物の析出密度を6E8/cm3としサイズを半径15Åとすることができる。
さらには、格子間酸素の析出量を0.01ppma以上とすることで、ゲッタリング能力をより確実に得ることができることを見出した。
上述したように、このようなエピタキシャルウエーハはエピタキシャル層起因のストリエーションもシリコン基板起因のストリエーションも抑制することができるし、ゲッタリング能力もより十分に備えており、一層高品質である。
以上のようにして製造したエピタキシャルウエーハ1上に、適宜、ウエル領域、チャネル領域、ゲート酸化膜等形成し、固体撮像素子を製造する。このような固体撮像素子はストリエーションがなく、また、暗電流や白傷等の発生が抑制されたものとすることができる。
(実施例)
本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法を実施した。
CZ法によりシリコンインゴットを引上げ、切断してシリコン基板を準備した。なお、酸素濃度が種々のシリコン基板を準備した。
ここで、これらのシリコン基板と同様のシリコン基板を別個準備して予備試験1を行った。種々の条件で酸素析出熱処理を施し、エピタキシャル成長を行い、エピタキシャル層の格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下となる酸素析出熱処理の条件を調査した。
また、これらのエピタキシャルウエーハを用いて固体撮像素子を作製したところ、これらの固体撮像素子においてストリエーションはほとんど発生せず、従来よりも歩留り高く製造することができた。
該エピタキシャルウエーハを用いて固体撮像素子を作製したところ、ストリエーションの発生をさらに抑制することができ、一層歩留りを向上させることができた。
3…エピタキシャル層、 4…固体撮像素子。
Claims (6)
- エピタキシャルウエーハの製造方法であって、
シリコン基板に酸素析出熱処理を施し、その後、エピタキシャル層を形成して前記エピタキシャル層の形成後におけるリーク電流の値が1.5E−10A以下のエピタキシャルウエーハを製造するとき、
前記エピタキシャル層の形成後における拡散電流の値が1.5E−10A以下となるように、前記酸素析出熱処理の温度と時間、および形成するエピタキシャル層の厚さを制御して製造し、
前記酸素析出熱処理の温度と時間、およびエピタキシャル層の厚さを制御する際、
予備試験として、予め、試験用のシリコン基板に酸素析出熱処理を施し、エピタキシャル層を形成し、PN接合を形成して拡散電流を測定し、該拡散電流の値と、前記酸素析出熱処理の温度と時間と、エピタキシャル層の厚さとの相関関係を求めておき、
該相関関係から、前記拡散電流の値が1.5E−10A以下となる酸素析出熱処理の温度と時間と、エピタキシャル層の厚さを決定し、該決定に基づいて制御することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。 - 前記予備試験として、さらに、予め、試験用のシリコン基板に酸素析出熱処理を施し、エピタキシャル層を形成し、PN接合を形成して発生電流を測定し、
前記発生電流の値が1.5E−10A以下となり、前記拡散電流の値が1.5E−10A以下となる酸素析出熱処理の温度と時間と、エピタキシャル層の厚さを決定し、該決定に基づいて制御することを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。 - 前記酸素析出熱処理の条件を制御することにより、格子間酸素濃度が5E17atoms/cm3以下のエピタキシャル層を形成することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
- 前記形成するエピタキシャル層の厚さを5μm以上50μm以下とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
- 前記酸素析出熱処理により、シリコン基板中の格子間酸素を0.01ppma以上析出させることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法により製造したエピタキシャルウエーハを用いて固体撮像素子を製造することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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