JP6009237B2 - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、および、エピタキシャルシリコンウェーハ - Google Patents
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Description
そこで、砒素(As)やアンチモン(Sb)より比較的揮発性の低い性質をもつn型ドーパントとしてリン(P)を高濃度にドープした基板抵抗率が非常に低いシリコンウェーハが使用されつつある。
特に、ドーパントがリンである場合には、その拡散速度は他のドーパントに比べて速いため、半導体デバイス形成時の熱処理プロセスにおいて、遷移幅(異なるドーパント濃度を有するシリコンウェーハとエピタキシャル膜との界面付近においてドーパント濃度が遷移する領域の幅)が広がる現象が顕著に発生する。
この特許文献1には、シリコンウェーハの酸素濃度を、0.8×1018〜1.3×1018atoms/cm3とすることによって、半導体デバイス形成時の熱処理プロセスにおいて、シリコンウェーハに含まれる高濃度のドーパントがエピタキシャル膜に拡散することを抑制できることが開示されている。
ンウェーハを製造可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、および、エピタキシャルシリコンウェーハを提供することにある。
通常、CZ法(Czochralski(チョクラルスキー)法)によって単結晶インゴットを引き上げる際、単結晶インゴットの径方向の温度分布は中央部の温度が高く、外周部の温度が低くなるという温度勾配が存在するため、CZ引き上げ条件を調整して、常に安定的に径方向の抵抗分布が均一な単結晶インゴットを育成することが困難な状況にある。
(実験条件)
極性:n型
ドーパント:赤リン
基板抵抗率:1.1mΩ・cm以上1.3mΩ以下
ドーパント濃度:4.79×1019atoms/cm3以上
6.63×1019atoms/cm3以下
直径:200mm
一方、シリコンウェーハ表面に形成するエピタキシャル膜の面内厚み分布は、その用途によっても異なるが、通常、使用するウェーハ表面形状に応じて面内のエピタキシャル膜厚分布を調整したり、一律、エピタキシャル膜厚み分布が面内均一となるようにエピタキシャル膜が形成される。
逆に、エピタキシャル膜の中央部の抵抗率が外周部の抵抗率よりも高いシリコンウェーハの表面に、エピタキシャル膜を形成した場合は、中央の抵抗率が外周部の抵抗率よりも高い分布となり、ウェーハ外周付近の半導体デバイスの耐圧が悪化することが明らかとなった。
本発明者らは、半導体デバイス形成時の熱処理プロセス後において、エピタキシャル膜の面内抵抗分布が均一となるようなエピタキシャルシリコンウェーハの提供が有効と考え、エピタキシャル成長条件の最適化について検討を行ったところ、シリコンウェーハの面内抵抗分布に応じてエピタキシャル膜の膜厚分布を制御することで、半導体デバイス形成時の熱処理プロセスにおいて、エピタキシャル膜の面内抵抗分布を均一化することができ、これにより半導体デバイスにおける耐圧特性のばらつきを解消させることができることを見出した。
原料ソースガス:トリクロロシラン(SiHCl3)ガス
成長温度:1100℃
このとき、炉内に供給するシリコンウェーハの径方向のガスの流れを制御して、図2〜図4に示すような膜厚分布を有するエピタキシャル膜を形成した。
すなわち、径方向全体にわたって同じ厚さの実験例1のエピタキシャル膜、外周部より中央の方が厚い実験例2のエピタキシャル膜、中央より外周部の方が厚い実験例3のエピタキシャル膜を形成した。なお、実験例1〜実験例3のエピタキシャル膜の膜厚分布は、基準厚さTe(μm)に対して、一般的な許容誤差である±0.05μmの条件を満たしている。
そして、実験例1〜実験例3のエピタキシャル膜を有するエピタキシャルシリコンウェーハについて、半導体デバイス形成時の熱処理条件と同様の条件(1050℃のドライ酸素100%の雰囲気下で2時間の熱処理)で模擬熱処理を行い、エピタキシャル膜中のリンのせり上がり量を評価した。
まず、FTIR(Fourier Transform Infrared)法を用い、エピタキシャルシリコンウェーハにおける赤リンの濃度が、エピタキシャル膜中の濃度よりも高く、かつ、シリコンウェーハ中の濃度よりも低い部分の厚さ(低濃度部分膜厚)を測定した。
このような測定方法を用いることにより、模擬熱処理前のエピタキシャルシリコンウェーハについては、出力された赤外線が、エピタキシャル膜を透過して、エピタキシャル膜とシリコンウェーハとの界面近傍で反射するため、低濃度部分膜厚がエピタキシャル膜の膜厚とほぼ等しくなる。
一方、模擬熱処理後のエピタキシャルシリコンウェーハについては、熱処理によりシリコンウェーハからエピタキシャル膜へ赤リンが拡散するため、模擬熱処理前と比べてエピタキシャル膜の内側において赤外線が反射する。このため、図5に示すように、低濃度部分膜厚は、模擬熱処理前よりも薄くなる。
そして、この模擬熱処理前の低濃度部分膜厚と模擬熱処理後の低濃度部分膜厚との差分を、せり上がり量と定義した。
このせり上がり量の値は、エピタキシャル膜への赤リンの拡散量が多く遷移幅が大きい場合に大きくなり、拡散量が少なく遷移幅が小さい場合に小さくなる。このことから、エピタキシャルシリコンウェーハにおけるせり上がり量のばらつきが小さい場合には、このエピタキシャルシリコンウェーハから製造される半導体デバイス間の耐圧のばらつきが小さくなると考えられる。
図6に示すように、エピタキシャル膜の膜厚が均一の実験例1では、中央のせり上がり量が外周部と比べて大きく、ばらつきが大きいことが分かった。また、図7に示すように、中央のエピタキシャル膜の膜厚が外周部より厚い実験例2では、せり上がり量がほぼ一定となり、ばらつきが小さいことが分かった。さらに、図8に示すように、外周部のエピタキシャル膜の膜厚が中央より厚い実験例3では、実験例1と比べて、中央のせり上がり量が外周部より大きくなる傾向が強くなり、ばらつきが大きくなることが分かった。
図9に示すように、エピタキシャル膜の膜厚が均一の実験例1では、中央から得られた半導体デバイスの耐圧が外周部の半導体デバイスと比べて小さく、ばらつきが大きいことが分かった。また、図10に示すように、中央のエピタキシャル膜の膜厚が外周部より厚い実験例2では、半導体デバイスの位置によらず耐圧がほぼ一定となり、ばらつきが小さいことが分かった。さらに、図11に示すように、外周部のエピタキシャル膜の膜厚が中央より厚い実験例3では、実験例1と比べて、中央の半導体デバイスの耐圧が外周部の半導体デバイスよりも小さくなる傾向が強くなり、ばらつきが大きくなることが分かった。
以上のことから、耐圧のばらつきが小さい半導体デバイスを製造するためには、中央のエピタキシャル膜の膜厚を外周部より厚くすればよいことが分かった。
本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものである。
本発明によれば、エピタキシャル成長処理前のシリコンウェーハの面内抵抗分布に基づいて、エピタキシャル膜の面内厚み分布を調整することで、半導体デバイスの耐圧のばらつきを抑制できるエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。また、シリコンウェーハの中央におけるエピタキシャル膜の膜厚を外周部の膜厚より厚くすることで、半導体デバイスの耐圧のばらつきを抑制できるエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記エピタキシャル膜形成工程は、前記シリコンウェーハを加熱する際に、前記シリコンウェーハの中央における温度が外周部の温度より高くなるように制御する加熱制御工程を有することが好ましい。
本発明によれば、反応ガスの流量やシリコンウェーハの加熱条件を制御するだけの簡単な方法で、エピタキシャル膜の膜厚を制御でき、半導体デバイスの耐圧のばらつきを抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記エピタキシャル膜形成工程は、前記エピタキシャル膜を形成するための反応ガスを前記シリコンウェーハの表面に沿って流す際に、前記シリコンウェーハの中央における前記反応ガスの流量が外周部の流量より少なくなるように制御する反応ガス制御工程を有することが好ましい。
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記エピタキシャル膜形成工程は、前記シリコンウェーハを加熱する際に、前記シリコンウェーハの中央における温度が外周部の温度より低くなるように制御する加熱制御工程を有することが好ましい。
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記シリコンウェーハには、当該シリコンウェーハの抵抗率が0.9mΩ・cm以下となるように前記リンが添加されていることが好ましい。なお、0.6mΩ・cm未満となるようにリンを添加した場合、単結晶インゴットの育成そのものが行えなくなるため、0.6mΩ・cm以上とすることが好ましい。
本発明によれば、シリコンウェーハの中央におけるエピタキシャル膜の膜厚を外周部の膜厚より薄くすることで、半導体デバイスの耐圧のばらつきを抑制できるエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。
また、反応ガスの流量やシリコンウェーハの加熱条件を制御するだけの簡単な方法で、エピタキシャル膜の膜厚を制御でき、半導体デバイスの耐圧のばらつきを抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。
さらに、顧客のニーズに応じた抵抗率の半導体デバイスを製造可能なエピタキシャルシリコンウェーハを提供することができる。
本発明の他のエピタキシャルシリコンウェーハは、リンを含有するシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、前記シリコンウェーハの中央の抵抗率は、外周部の抵抗率よりも高く、前記エピタキシャル膜の中央の膜厚は、外周部の膜厚よりも薄いことを特徴とする。
〔エピタキシャル装置の構成〕
まず、エピタキシャル装置の構成について説明する。
エピタキシャル装置10は、図12に示すように、凹面を有する円形の上側ドーム3と、同じく円形の下側ドーム4とを備える。上側ドーム3および下側ドーム4は、石英などの透明な素材で形成されている。そして、上側ドーム3と下側ドーム4とを上下に対向して配設し、これらの端縁部は円環状のドーム取付体6の上下面にそれぞれ固定される。これにより、平面視で略円形の密閉された反応室2が形成される。反応室2の上方および下方には、反応室2内を加熱するハロゲンランプ9が、円周方向に略均等間隔で離間して複数個それぞれ設けられる。
サセプタ20の裏面側(下方)には、これを支持するためのサセプタ支持部材8が設けられる。サセプタ支持部材8は、下方に軸部7が固着して設けられる。軸部7は、図示しない駆動機構により回転自在に設けられ、その結果、円筒形状のサセプタ支持部材8およびサセプタ20も、水平面内において所定速度で回転自在に設けられる。
ガス供給部には、反応ガスを発生するガス供給源14が配設される。そして、この発生した反応ガスを反応室2に送流するガス管15aが設けられる。ガス管15aは途中、シリコンウェーハWの中央部と周辺部とのガス管15b,15cに二分される。2つのガス管15b,15cには、ガス供給源14からのガス量を調節するガス弁16a,16bがそれぞれ配設される。そして、二分されたガス管15bは、さらに二分される。そして、反応ガスG1,G2a,G2b,G3を排出するガス送入口17a〜17cが3つ略水平に並列して形成される。
さらに、インジェクトキャップ33に対向してバッフル13が略水平に設けられる。バッフル13には、ガス送入口17a〜17cとの対向面に、図示しないガス導入孔が略水平に複数形成されている。
そして、バッフル13と隣接してガス整流部材11が設けられる。ガス整流部材11は、所定幅とガス流方向に所定長さを有する水平な上板と、所定間隔離間して下方に位置する下板と、これらの上板と下板との幅方向の両端同士を連結する一対の側板とを備える。また、上板の幅方向の中心位置には、上板と下板とを連結する仕切板12が配設されている。これらの上板、下板、仕切板12、一対の側板の内部に、ガス流通路18が画成されている。
ガス整流部材11のガス流通路18は、所定高低差を有する図示しない段差部を経て反応室2のガス供給口31と連通している。そして、ガス整流部材11を介して、反応ガスG1,G2a,G2b,G3が反応室2内に供給される。
次に、エピタキシャル装置10を用いたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法について説明する。
まず、直径200mm、抵抗率1.1mΩ・cm以上1.3mΩ・cmのシリコンウェーハW(片面研磨ウェーハ)を準備する。シリコンウェーハWの抵抗率は、n型の赤リンの添加により調整されている。また、シリコンウェーハWは、例えば、図1に示すように、中央の抵抗率が外周部の抵抗率よりも低い抵抗分布を有している。
次いで、このシリコンウェーハWを、その研磨面を上方にして反応室2内の図示しない移載機構により、サセプタ20の表面に載置する。この後、反応室2を密閉する。そして、サセプタ支持部材8の軸部7を所定速度で回転させて、サセプタ20に搭載されたシリコンウェーハWを回転させる。
次いで、ガス管15b,15cに設けられたガス弁16a,16bを介して、各ガス送入口17a〜17cより反応ガスG1,G2a,G2b,G3を排出する。
このとき、ガス弁16a,16bを調節することにより、シリコンウェーハWの中央に対して排出する反応ガスG2a,G2bの流量を、シリコンウェーハWの周辺部に対して排出する反応ガスG1,G3の流量より多くする反応ガス制御工程を行う。
この後、各ガス送入口17a〜17cから排出された反応ガスG1,G2a,G2b,G3は、ガス整流部材11のガス流通路18に送入され、段差部を乗り越えてガス供給口31から反応室2内に送流される。
このとき、シリコンウェーハWを保持するサセプタ20は、下方のハロゲンランプ9によって、サセプタ支持部材8を介して均一にその輻射熱を受ける。そして、ガス供給源14からのガスは、ガス整流部材11を介してガス供給口31から排出されて、シリコンウェーハWの中央の流量が外周部の流量よりも多くなるように供給される。
このような反応ガスの流量調節により、例えば、図3に示すように、中央の膜厚が外周部の膜厚よりも厚いエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができる。すなわち、シリコンウェーハWの中央におけるエピタキシャル膜の膜厚が、外周部の膜厚よりも厚くなるようにエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程が行われる。
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
例えば、エピタキシャル膜の膜厚を制御するための方法として、反応ガス制御工程の代わりに、ハロゲンランプ9の照射状態を制御することによって、シリコンウェーハWの中央における温度が外周部の温度より高くなるように制御する加熱制御工程を行ってもよい。このような加熱制御工程によっても、シリコンウェーハWの中央におけるエピタキシャル膜の膜厚を、外周部の膜厚よりも厚くすることができる。
さらに、反応ガス制御工程と加熱制御工程の両方を行うことで、シリコンウェーハWの中央におけるエピタキシャル膜の膜厚を外周部の膜厚よりも厚くしてもよい。
そして、中央におけるエピタキシャル膜の膜厚が、外周部の膜厚よりも薄くなるようにエピタキシャル膜を形成する方法としては、シリコンウェーハWの中央の流量が外周部の流量よりも少なくなるように反応ガスを供給する反応ガス制御工程と、シリコンウェーハWの中央における温度が外周部の温度より低くなるように制御する加熱制御工程とのうち少なくとも一方を行ってもよい。
すなわち、まず、形成するエピタキシャル膜の膜厚分布と、形成したエピタキシャルシリコンウェーハに対して所定のデバイス疑似熱処理を施した後のエピタキシャル膜へのせり上がり量分布形状と、の関係を予め実験的に求めておき、シリコンウェーハWの抵抗率(濃度)分布毎にマスターテーブルを作成しておく。
そして、実際に使用するシリコンウェーハWの面内抵抗率(濃度)分布をマスターテーブルと照合させ、せり上がり量の不均一を解消させるようにエピタキシャル膜厚分布形状を設定し、エピタキシャルシリコンウェーハを生産してもよい。
また、本発明の製造方法を、抵抗率が0.9mΩ・cmを超えるようなシリコンウェーハを用いたエピタキシャルシリコンウェーハの製造に適用してもよい。
Claims (9)
- リンが添加されたシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、
中央の抵抗率が外周部の抵抗率よりも低いシリコンウェーハに対し、前記中央における前記エピタキシャル膜の膜厚が、前記外周部の膜厚よりも厚くなるように前記エピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項1に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜形成工程は、前記エピタキシャル膜を形成するための反応ガスを前記シリコンウェーハの表面に沿って流す際に、前記シリコンウェーハの中央における前記反応ガスの流量が外周部の流量より多くなるように制御する反応ガス制御工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜形成工程は、前記シリコンウェーハを加熱する際に、前記シリコンウェーハの中央における温度が外周部の温度より高くなるように制御する加熱制御工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - リンが添加されたシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、
中央の抵抗率が外周部の抵抗率よりも高いシリコンウェーハに対し、前記中央における前記エピタキシャル膜の膜厚が、前記外周部の膜厚よりも薄くなるように前記エピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項4に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜形成工程は、前記エピタキシャル膜を形成するための反応ガスを前記シリコンウェーハの表面に沿って流す際に、前記シリコンウェーハの中央における前記反応ガスの流量が外周部の流量より少なくなるように制御する反応ガス制御工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項4または請求項5に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜形成工程は、前記シリコンウェーハを加熱する際に、前記シリコンウェーハの中央における温度が外周部の温度より低くなるように制御する加熱制御工程を有することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記シリコンウェーハには、当該シリコンウェーハの抵抗率が0.9mΩ・cm以下となるように前記リンが添加されていることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - リンを含有するシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハの中央の抵抗率は、外周部の抵抗率よりも低く、
前記エピタキシャル膜の中央の膜厚は、外周部の膜厚よりも厚いことを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 - リンを含有するシリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハの中央の抵抗率は、外周部の抵抗率よりも高く、
前記エピタキシャル膜の中央の膜厚は、外周部の膜厚よりも薄いことを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
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