JP6176593B2 - シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの作製用基板であるシリコンウェーハ及びその製造方法に関し、特に有害不純物を除去する方法であるゲッタリング技術に関する。

半導体集積回路等のデバイスの高密度化、高集積化に伴い、デバイス動作の安定化が頓に望まれてきている。特にリーク電流や酸化膜耐圧等の特性値改善は重要な課題である。

しかるに半導体集積回路の製造工程において、望まれざる重金属、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉといった不純物に汚染される可能性が現在においても否定できていない。これらの重金属不純物はシリコン単結晶中に固溶、あるいは析出した状態で存在し、前述のリーク電流や酸化膜耐圧特性を著しく劣化させることが広く知られている。

これらの重金属不純物を除去する方法であるゲッタリング技術は多岐に渡って世に知られている。そのいずれの方法も、それぞれ異なる特徴を有し、除去可能な元素やその適用可能範囲といったものが存在する。そのため、作製するデバイスの種類やその作製方法によって、最適なゲッタリング技術を持ったウェーハを使用する必要がある。

その中で、イオン注入層をゲッタリング層として用いる手法は、古くから認識されているゲッタリング手法の一つである（例えば、特許文献１参照）。このイオン注入層によるゲッタリング手法では、デバイスを作製するウェーハ表層近傍の任意の深さに、異なるゲッタリング能力の層を配置することができ、デバイスの特徴を踏まえて、自由自在にゲッタリング層を設計、設置できる利点を生かしてよく用いられている。

その中でも、最近のデバイス、特に、ＣＣＤ、ＣＩＳ等のデバイスでは、イオン注入層がゲッタリングの目的で広く用いられている。というのは、これらのデバイスでは、除去対象となる元素の拡散速度が比較的遅く、ゲッタリング層をバルクや裏面に配置すると、表層から遠いそのゲッタリング層まで除去対象元素を移動させることは難しいという問題があり、ゲッタリング層をデバイス層の直下、すなわちウェーハ表層近傍に任意に設計できるイオン注入層は便利であった。

また、特許文献１には、シリコンウェーハに炭素をイオン注入し、その炭素により酸素析出層を形成して、この酸素析出層でゲッタリングを行う手法が開示されている。また、特許文献１の手法では、炭素をイオン注入した後に、非酸化性雰囲気下でウェーハに熱処理を行うことで、ウェーハ表層部に無欠陥層を形成している。これによって、ゲッタリング能力を有したアニールウェーハを、エピタキシャル成長を行うことなく製造することができるとしている。

特開２００７−１４９７９９号公報

しかるに、イオン注入層によるゲッタリングには、以下に示す問題がある。それは、ゲッタリング層がイオン注入層であるため、広くても数μｍ程度の厚さであることであり、ゲッタリング可能な不純物量という観点では、従来のＩＧ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）法や、ｐ／ｐ^＋エピタキシャルウェーハを用いる手法と比べて著しく劣るものであった。また、表層近傍のみにゲッタリング層が配置されているということは、裏面近傍に存在する比較的拡散の速い元素を表層近傍に引き寄せることになるため、理想的なゲッタリング層であるとは必ずしも言えない。

このことは、表層近傍にゲッタリング層を任意に設定できるイオン注入層の持つ弱点であり、それを補うため、狭い領域のみに局在して分布するゲッタリング層に対し、他のゲッタリング手法よりも単位体積当たりのゲッタリング能力が高い必要があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、イオン注入層の持つ弱点を補うべく、イオン注入層の持つゲッタリング能力を落とす原因を低減した半導体デバイス作製用のシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明のシリコンウェーハ（以下、シリコンウェーハを単にウェーハということもある）は、半導体デバイス作製用基板であるシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハに混入した汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的としたイオン注入層が形成され、かつ、前記イオン注入層における酸素濃度が前記イオン注入層以外の層における酸素濃度と同一であることを特徴とする。

上記特許文献１等の従来技術では、イオン注入により酸素析出を促進させることでゲッタリング能力の向上を図っている。しかし、本発明者が考えるに、イオン注入によるゲッタリング効果は、あくまでイオン注入によって発生した欠陥部周辺の歪みの効果であって、酸素析出はその欠陥部周辺の歪みに付随した副次的な効果である。そこで、本発明者は、副次的効果である酸素析出の影響を除き、炭素イオン注入の純粋な効果について鋭意調査、検討を行った。その結果、除去対象不純物（汚染不純物）以外の元素（この場合、酸素）を極力イオン注入層（ゲッタリング層）に集めないで、ゲッタリング処理を実施する方が、酸素をイオン注入層に集めた場合よりも、ゲッタリング能力を向上できることを突き止めた。

本発明では、イオン注入層における酸素濃度がイオン注入層以外の層における酸素濃度と同一、つまりイオン注入層の分布（イオン注入された元素分布）とは無関係に酸素が一定の濃度で分布している。言い換えると、本発明では、酸素がイオン注入層に集積した分布となっていない。よって、イオン注入層に酸素を集積させた場合に比べて、イオン注入層の持つゲッタリング能力を向上できる（ゲッタリング能力を落とす原因を低減できる）。なお、本明細書における「同一」とは、イオン注入層における酸素濃度とイオン注入層以外の層における酸素濃度とが完全一致しているだけでなく、それら酸素濃度に若干の差があったとしても、酸素濃度がイオン注入層に集積した分布よりも一定の濃度分布に近い分布と判断できるのであれば、上記若干の差も「同一」の範囲に含む趣旨である。

また、本発明において、イオン注入層におけるイオン注入された元素が炭素である。このように、炭素のイオン注入層を備えさせることで、効果的に汚染不純物を捕獲できる。

また、本発明のシリコンウェーハはＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ）法で作製されたウェーハとするのが好ましい。ＦＺ法では、ＣＺ法と異なり石英るつぼを使わず、シリコン原料が石英るつぼと接触しないので、ＣＺ法で作製されたウェーハに比べて、含有不純物（酸素）が極めて低いウェーハを得ることができる。よって、ＦＺ法で作製されたシリコンウェーハにイオン注入層が形成されているので、そのイオン注入層に酸素が集積するのを抑制することができ、結果、イオン注入層における酸素濃度がイオン注入層以外の層における酸素濃度と同一にすることができる。

また、本発明において、イオン注入層よりウェーハ表面側に２０μｍ以上の厚さのエピタキシャル層が形成されたとするのが好ましい。これによれば、ウェーハ表面側に２０μｍ以上の厚さのエピタキシャル層が形成されているので、デバイス作製時などのウェーハ熱処理時にウェーハ表面から酸素がウェーハに混入したとしても、その酸素がイオン注入層まで拡散（内方拡散）するのを抑制できる。結果、イオン注入層における酸素濃度がイオン注入層以外の層における酸素濃度と同一にすることができる。

本発明は、半導体デバイス作製用基板であるシリコンウェーハの製造方法であって、
シリコンウェーハを準備する準備工程と、
その準備工程で準備したシリコンウェーハに特定の元素をイオン注入して、汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的としたイオン注入層を形成するイオン注入工程と、
そのイオン注入工程の前又は後に実施され、前記イオン注入層への酸素の集積を抑制させる集積抑制工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、イオン注入工程の前又は後に、イオン注入層への酸素の集積を抑制させる集積抑制工程を実施しているので、イオン注入層への酸素の集積を抑制したシリコンウェーハを得ることができる。これにより、イオン注入層の持つゲッタリング能力を向上できる（ゲッタリング能力を落とす原因を低減できる）。

また、本発明において、イオン注入層におけるイオン注入された元素が炭素である。このように、炭素をイオン注入してイオン注入層を形成することで、効果的に汚染不純物を捕獲できる。

また、本発明における準備工程では、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ）法で作製されたシリコンウェーハを準備するのが好ましい。これによって、イオン注入層に酸素が集積するのを抑制することができる。

また、本発明における集積抑制工程は、イオン注入工程の実施後のウェーハ表面上に２０μｍ以上の厚さのエピタキシャル層を形成するエピタキシャル工程を含むとすることができる。これによって、ウェーハ熱処理時にウェーハ表面から酸素がウェーハに混入したとしても、その酸素がイオン注入層まで拡散するのを抑制できる。

また、本発明における集積抑制工程は、イオン注入工程の実施後のウェーハ表面上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル工程と、そのエピタキシャル工程の実施後のウェーハに対して、イオン注入工程に伴い損傷したウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を行う熱処理工程とを含むとすることができる。これによれば、イオン注入に伴い損傷したウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を行う前に、ウェーハ表面上にエピタキシャル層を形成するので、イオン注入層をウェーハ表面から深い位置に配置できる。よって、結晶性回復熱処理時に、ウェーハ表面から酸素がウェーハに混入したとしても、その酸素がイオン注入層まで拡散するのを抑制できる。

また、本発明において、前記準備工程では、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ）法で作製されたシリコンウェーハを準備し、
前記集積抑制工程は、前記イオン注入工程を実施した後のウェーハに対して酸素を含まない雰囲気中で熱処理を行う熱処理工程を含むとすることができる。

このように、ＦＺ法で作製されたシリコンウェーハを用いることで、酸素濃度が極めて低いシリコンウェーハを得ることができる。そして、このシリコンウェーハにイオン注入した後に、酸素を含まない雰囲気中で熱処理するので、熱処理時に酸素がウェーハ表面からウェーハに混入するのを防ぐことができる。よって、イオン注入層への酸素の集積を抑制したシリコンウェーハを得ることができる。

また、本発明における熱処理工程での熱処理は、イオン注入工程に伴い損傷したウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を含むとすることができる。これによって、イオン注入で損傷したウェーハの結晶性を回復させることができるとともに、この回復時に酸素がウェーハ表面から混入するのを防ぐことができる。

また、本発明における集積抑制工程は、イオン注入工程を実施する前のウェーハに対して、該ウェーハ中の固溶酸素をシリサイド析出物の形態に変化させるように熱処理を行う酸素形態変化工程を含むとすることができる。これによれば、ウェーハ中の固溶酸素をシリサイド析出物の形態に変化させるので、ウェーハ中の固溶酸素の濃度を低くすることができる。また、シリサイド析出物の形態は、固溶原子状態に溶解しないと容易には拡散しないので、イオン注入層に酸素が集積するのを抑制できる。

また、本発明における集積抑制工程は、イオン注入工程を実施する前又は後のウェーハに対して、該ウェーハ中の酸素をウェーハから雰囲気中に外方拡散させるように熱処理を行う外方拡散工程を含むとすることができる。これによれば、ウェーハ中の酸素を雰囲気中に外方拡散させるように熱処理を行うので、イオン注入層が形成されるウェーハ表層近傍の酸素濃度を低くすることができる。よって、イオン注入層に酸素が集積するのを抑制できる。

本発明のシリコンウェーハにおける炭素濃度及び酸素濃度の深さ方向分布を示した図である。 従来のシリコンウェーハにおける炭素濃度及び酸素濃度の深さ方向分布を示した図である。 シリコンウェーハの製造方法の第１例を示すフローチャートである。 図３の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。 シリコンウェーハの製造方法の第２例を示すフローチャートである。 図５の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。 シリコンウェーハの製造方法の第３例を示すフローチャートである。 図７の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。 シリコンウェーハの製造方法の第４例を示すフローチャートである。 図９の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態について述べる。研究当初、炭素イオン注入層のゲッタリング能力を調査する際、イオン注入し、結晶性回復熱処理を施した後、イオン注入層に存在する炭素濃度分布をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、２次イオン質量分析法）で評価したが、それと同時に、酸素やドーパントの濃度分布も合わせて調査した。その結果を図２に示す。図２は、横軸をウェーハ表面からの深さ、縦軸を濃度としたグラフであって、炭素濃度と酸素濃度のそれぞれの深さ方向分布を示している。

図２に示すように、炭素の分布は、従来の知見で示されるように、加速電圧とドーズ量からほぼ決定できるガウス分布の形状をしていることが判明した。これに対し、ドーパントの濃度分布は、炭素のガウス分布形状とは関わりがなく、炭素イオン注入前後で変化が見られず、ほぼ均一分布していたが、酸素は炭素のガウス分布と相似形をなす形で濃度分布していることがわかった。従って、イオン注入層付近でピークを持つ元素は、故意注入した炭素に加え、酸素も存在していることが明らかになった。このウェーハを用いて、ゲッタリング能力を調査したところ、イオン注入層を持たないウェーハに比べて、著しく高いゲッタリング能力を示すことがわかった。しかるに、この結果は従来の報告にある通りの、既知の知見である。

続いて、炭素イオン注入層の強いゲッタリングが何故生じるのかを検討し始めたが、純粋に炭素イオンの効果を知るためには、相似形で分布している酸素の存在が極めて問題であると考えた。何故なら、イオン注入層として定義した極めて狭い領域内に存在するのは炭素と酸素の２種があり、酸素の影響を排除しなければ、純粋な炭素イオン注入の効果は確認できないからである。そこで、酸素を含有せず、純粋に炭素イオンのガウス分布のみを持つウェーハを用いて、ゲッタリング能力を調査したところ、酸素の相似形ガウス分布を持つ試料よりも、さらに強いゲッタリング能力を持つことを突き止め、本発明に想到した。

つまり、本発明のシリコンウェーハでは、炭素濃度及び酸素濃度が図１に示すような分布となっていることを特徴としている。この図１は、図２と同様に、炭素濃度と酸素濃度のそれぞれの深さ方向分布を示している。図１に示すように、本発明では、炭素濃度はガウス分布の形状をしているのに対し、酸素濃度はイオン注入層（炭素濃度の分布領域）に集積した分布となっていない。具体的には、酸素は炭素濃度の分布（イオン注入層の分布）とは無関係に深さ方向に一定の濃度で分布している。言い換えると、イオン注入層における酸素濃度がイオン注入層以外の層における酸素濃度と同一となっている。

次に、本発明の原理を説明する。従来用いられていたイオン注入層は、炭素をはじめとする軽元素やドーパントなど、あらゆる種類の元素（Ｂ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ａｒ，Ｎ２、Ｈ２など）が用いられてきた。しかるに、高いゲッタリング能力を持つイオン注入層は、上述の酸素にその例を引くことができるように、その能力が高いほど、除去対象不純物（例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉなどの重金属不純物）以外の不純物種をもゲッタリングしてしまう。これは、イオン注入層形成に伴う系全体で増加した自由エネルギーを下げるために、不純物原子がイオン注入層に集まるという物理現象を、ゲッタリングという実用的な手法に応用していることに起因しており、元素の種類に応じて、ゲッタリング効果の有無を選択的に実施することは不可能である。

一方、ゲッタリング手法の必要性は、望まれざる不純物の汚染工程を回避することができず、ウェーハ中に混入した不純物を除去することにある。そのため、除去対象元素以外の元素を汚染しない工程を検討することは、これは本来の目的と反対である。言い換えれば、各種ゲッタリング手法とは、濃度の多少は異なるものの、除去対象元素以外の元素も少なからずウェーハ中に混入していることを前提として検討すべき案件である。

これに対し、シリコン中の不純物で唯一制御可能な元素が酸素である。酸素はＣＺ−Ｓｉ中（ＣＺ法で作製されたシリコン中）に不可避的に存在するが、その濃度は目的に応じて制御可能である。またＦＺ−Ｓｉ結晶（ＦＺ法で作製されたシリコン結晶）ならば、含有酸素濃度は極めて低い。シリコン中の酸素の存在意義は複数あるが、その一つであるＩＧ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）の目的に酸素を使用するのであれば、イオン注入層ゲッタリングの能力を酸素が低下させていることは、その目的に反する。酸素原子がイオン注入層に集積し、何らかの副次的効果を伴ってイオン注入層のゲッタリング能力が高まるのであれば、もちろんそれは有効に利用するべきであるが、イオン注入層に集積する上述の機構を考えれば、酸素を除外することが、イオン注入層の高いゲッタリング能力を保持する上で重要と考えられる。

そこで、本発明者らは、酸素を含有しないシリコンウェーハと酸素を混入させないウェーハ構造や工程について検討し、本発明を完成させた。それは、各請求項に掲げた内容であり、ＦＺ−Ｓｉを用い、酸素を含まない熱処理にてデバイスを作製できれば、これが理想的である。また、酸素を含有するＣＺ−Ｓｉでも、拡散可能な酸素原子を含まない状態が作れれば、ＦＺ−Ｓｉと同様な効果を奏するため、固溶酸素のほとんどをシリサイド析出物の形態に変化させる手法も有効である。

また、酸素含有雰囲気による熱処理を施すと、表面から酸素が内方拡散することは避け難いが、昨今のデバイス作製工程では、低温短時間熱処理によるものも多く、表面から酸素の拡散距離の和も以前と比べて小さくなっている。そこで、表面から酸素が拡散で到達できる距離より深い位置にイオン注入層を形成すれば、酸素がそのイオン注入層に到達することもなく、同様な効果を奏する。この効果を具現化したウェーハ構造がエピタキシャルウェーハである。同様な効果を生むために、予めＣＺ−Ｓｉウェーハ表層の酸素を高温熱処理で外方拡散させ、表層近傍の固溶酸素濃度を下げるようにしても良い。つまり、イオン注入層近傍でデバイス作製工程において酸素が拡散可能な距離以上の領域における固溶酸素濃度を下げておけば、同様な作用が期待できる。

以下、上記各手法によるシリコンウェーハの製造方法をさらに詳しく説明する。図３、図４は、本発明のシリコンウェーハの製造方法の第１例を説明する図である。詳細には、図３は、シリコンウェーハの製造方法の第１例を示すフローチャートである。図４は、図３の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。

先ず、半導体デバイス作製用基板の基となるウェーハとして、ＦＺ法で作製された単結晶シリコンウェーハを準備する（Ｓ１１）。図４の最上段には、Ｓ１１で準備した基板ウェーハの断面を示している。この基板ウェーハをＦＺ法で作製する際には、可能な限り酸素がウェーハ中に含まないようする。なお、ウェーハの特性（導電型、抵抗率、結晶方位など）は、作製する半導体デバイスの特徴（種類）に応じて適宜に設定すれば良い。なお、Ｓ１１の工程が本発明の「準備工程」に相当する。

次に、図４の２段目に示すように、Ｓ１１で準備した基板ウェーハに対して、ウェーハ表面から炭素をイオン注入（Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）して、ウェーハの表層近傍にイオン注入層を形成する（Ｓ１２）。図４の３段目には、イオン注入後のウェーハの状態として、ウェーハの表層近傍にイオン注入層が形成され、そのイオン注入層より上層がイオン注入により損傷（ダメージ）を受けた状態を示している。このイオン注入層は、デバイス作製工程の際にウェーハに混入した汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的とした層である。イオン注入する際の炭素イオンの加速電圧やドーズ量は、作製する半導体デバイスの特徴に応じて適宜に設定すれば良い。Ｓ１２で形成されるイオン注入層の分布（炭素濃度の分布）は、図１に示すように、加速電圧とドーズ量とから定まるガウス分布となる。図１において炭素濃度が所定値以上となっている深さ領域が、図４のイオン注入層に相当する。なお、Ｓ１２の工程が本発明の「イオン注入工程」に相当する。

次に、Ｓ１２でイオン注入した後のウェーハに対して、イオン注入に伴い損傷したウェーハの結晶性を回復したり、イオン注入された炭素を活性化したりするための熱処理（結晶性回復熱処理）を行う（Ｓ１３）。この際、酸素を含まない雰囲気（Ａｒ、Ｎ２、Ｈ２などの非酸化性雰囲気）中でこの熱処理を行う。熱処理の条件（温度、時間）は、ウェーハの結晶性が回復できるのであればどのような条件であっても良い。図４の最下段には、この結晶性回復熱処理により、イオン注入層より上層の結晶性が回復した状態を示している。

このＳ１３の工程によって、ウェーハの結晶性を回復できるとともに、熱処理時に雰囲気中からウェーハに酸素が混入して、ウェーハ内を拡散（内方拡散）するのを防ぐことができる。加えて、ＣＺ法で作製されたウェーハに比べて酸素含有量が極めて少ない、ＦＺ法で作製されたウェーハを用いているので、Ｓ１３の熱処理時に、ウェーハ中にもともと存在していた酸素が拡散して、イオン注入層２に集積するのを抑制できる。なお、Ｓ１３の工程が本発明の「集積抑制工程」、「熱処理工程」に相当する。

以上の各工程を経て、第１例に係るシリコンウェーハが得られる。このように、第１例では、ＦＺ−Ｓｉウェーハに非酸化性雰囲気中で結晶性回復熱処理を行うので、イオン注入層に酸素の集積を抑制した半導体デバイス作製用のシリコンウェーハ（図１の濃度分布のウェーハ）を得ることができる。これによって、イオン注入層のゲッタリング能力を向上でき、半導体デバイス（ＣＣＤ、ＣＩＳ等）の作製時にウェーハに混入した汚染不純物（重金属不純物）を効果的にイオン注入層で捕獲することができる。よって、高品質な半導体デバイスを得ることができる。また、結晶性回復熱処理以外の熱処理（半導体デバイスの作製に伴う熱処理）においても、非酸化性雰囲気中で行うのが好ましい。これにより、デバイス作製の段階でイオン注入層に酸素が集積するのを抑制できるので、より一層、高品質な半導体デバイスを得ることができる。

次に、図５、図６を参照して、本発明のシリコンウェーハの製造方法の第２例を説明する。図５は、シリコンウェーハの製造方法の第２例を示すフローチャートである。図６は、図５の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。

先ず、図３のＳ１１と同様に、半導体デバイス作製用基板の基となるウェーハとして、ＦＺ法で作製された単結晶シリコンウェーハを準備する（Ｓ２１）。図６の最上段には、Ｓ２１で準備した基板ウェーハの断面を示している。なお、Ｓ２１の工程が本発明の「準備工程」に相当する。次に、図３のＳ１２と同様に、Ｓ２１で準備した基板ウェーハに対して、ウェーハ表面から炭素をイオン注入して、ウェーハの表層近傍にイオン注入層（図６の上から２段目、３段目参照）を形成する（Ｓ２２）。なお、Ｓ２２の工程が本発明の「イオン注入工程」に相当する。

次に、図６の最下段に示すように、イオン注入実施後のウェーハの表面上にエピタキシャル層を形成する（Ｓ２３）。このエピタキシャル層は、Ｓ２３の工程以降の熱処理時に、ウェーハ表面から混入した酸素がイオン注入層まで拡散（内方拡散）してしまうのを抑制するための層であるとともに、半導体デバイス作製層でもある。エピタキシャル層が厚いほど、その後の熱処理時にウェーハ表面から混入した酸素が内方拡散したとしても、イオン注入層に到達する酸素量を抑制できる。よって、エピタキシャル層の厚さは、次のＳ２４の熱処理時に酸素が内方拡散しても、イオン注入層に到達しえない厚さ、つまり熱処理時における酸素の拡散距離よりも大きい厚さとするのが好ましい。具体的に、エピタキシャル層をどの厚さにするかは、Ｓ２４の熱処理条件に応じて設定すれば良く、例えばその熱処理条件が高温、長時間になるほど、酸素の拡散距離が伸びていくので、エピタキシャル層の厚さを大きい値に設定する。または、どのような熱処理条件でも対応できるように、例えば、エピタキシャル層の厚さは２０μｍ以上とするのが好ましい。

なお、エピタキシャル層の厚さが２０μｍ未満であったとしても、Ｓ２４の熱処理時に酸素がイオン注入層に到達するのをある程度は抑制できるので、エピタキシャル層の厚さは２０μｍ未満であったとしても良い。

Ｓ２３では、エピタキシャル層を形成するために、イオン注入した後のウェーハを気相成長装置の反応室に投入する。そして、反応室内を所定の気相成長温度に加熱しつつ、反応室内のウェーハ上に気相成長ガス（例えばトリクロロシラン）を導入することで、ウェーハ上にシリコン単結晶薄膜（エピタキシャル層５）を気相成長させる。この際、ウェーハに酸素が混入するのを防ぐために、非酸化性雰囲気中で気相成長を行う。なお、エピタキシャル層の厚さ以外の特性（抵抗率、導電型など）は、作製する半導体デバイスの特徴に応じて適宜に設定すれば良い。また、気相成長の条件（ガス流量、温度、成長時間など）は、エピタキシャル層の目標厚さに応じて設定する。なお、Ｓ２３の工程が本発明の「エピタキシャル工程」に相当する。

次に、Ｓ２３の工程を実施した後のウェーハに対して、結晶性回復熱処理を行う（Ｓ２４）。この際、第１例と同様に非酸化性雰囲気中で熱処理を行うのが好ましいが、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行ったとしても良い。酸素を含む雰囲気中で熱処理を行ったとしても、エピタキシャル層の存在でイオン注入層がウェーハ表面から深い位置に配置されることになるので、イオン注入層まで酸素が内方拡散するのを抑制できる。図６の最下段には、この結晶性回復熱処理により、イオン注入層とエピタキシャル層の間の層の結晶性が回復した状態を示している。なお、Ｓ２４の工程が本発明の「熱処理工程」に相当する。また、Ｓ２３及びＳ２４の工程が本発明の「集積抑制工程」に相当する。このとき、エピタキシャル工程でも結晶性を回復させることができるので、エピタキシャル工程で結晶性回復熱処理を兼用させることもできる。

以上の各工程を経て、第２例に係るシリコンウェーハが得られる。このように、第２例では、ＦＺ−Ｓｉウェーハを用いるとともに、結晶性回復熱処理の前にエピタキシャル層を形成しているので、イオン注入層を表面から深い位置に配置することができる。これによって、結晶性回復熱処理が酸素を含む雰囲気中で行われたとしても、イオン注入層まで酸素が内方拡散するのを抑制できる。結果、イオン注入層への酸素の集積を抑制したシリコンウェーハ（図１の濃度分布のウェーハ）を得ることができ、イオン注入層のゲッタリング能力を向上できる。

次に、図７、図８を参照して、本発明のシリコンウェーハの製造方法の第３例を説明する。図７は、シリコンウェーハの製造方法の第３例を示すフローチャートである。図８は、図７の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。

先ず、半導体デバイス作製用基板の基となる単結晶シリコンウェーハを準備する（Ｓ３１）。このＳ３１で準備する基板ウェーハは、イオン注入層への酸素の集積を抑制するという観点では、酸素の含有量が少ないＦＺ−Ｓｉウェーハが好ましいが、ＣＺ法で作製されたウェーハ（ＣＺ−Ｓｉウェーハ）であっても良い。ここでは、ＣＺ−Ｓｉウェーハを準備するものとする。図８の最上段には、Ｓ３１で準備したＣＺ−Ｓｉウェーハの断面を示し、ＦＺ−Ｓｉウェーハに比べて固溶酸素原子が多く含んだ状態を示している。なお、Ｓ３１の工程が本発明の「準備工程」に相当する。

次に、Ｓ３１で準備した基板ウェーハに対して、該ウェーハ中の固溶酸素原子をシリサイド析出物の形態、つまり、ＳｉＯｘ（ｘ≒２）の形態に変化させるように、熱処理（シリサイド析出熱処理）を行う（Ｓ３２）。図８の２段目には、シリサイド析出熱処理後のウェーハの状態として、固溶酸素原子のほとんどがシリサイド析出物（酸素析出物）に変化した状態を示している。このシリサイド析出熱処理の考え方を説明すると、シリコン中の酸素が固溶状態で存在できる最大量を固溶度としたとき、高温になるほど固溶度は大きくなり、反対に低温になるほど固溶度は小さくなる。そして、例えば、Ｓ３１で準備したウェーハ中の初期酸素濃度が５〜２０ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ換算）の範囲であり、１０００℃における酸素の固溶度が２ｐｐｍａであると仮定する。この場合、ウェーハを１０００℃以下に熱処理（冷却）すれば、ウェーハ中の酸素は固溶度以上に存在することになり（過飽和固溶の状態となり）、固溶度を超えた分の酸素は固溶状態を維持できなり、シリサイド析出物の形態で析出する。

よって、Ｓ３２では、ウェーハ中の初期酸素濃度を把握した上で、その初期酸素濃度より小さい目標固溶度を設定して、その目標固溶度を示す温度以下にウェーハを冷却（熱処理）する。要するに、Ｓ３２では、ウェーハを低温にすれば、シリサイド析出物の形態に変化させることができる。そして、Ｓ３２では、Ｓ３２の工程後に固溶状態で存在する酸素濃度（溶存酸素濃度）が例えば２ｐｐｍａ以下となるように、Ｓ３２の熱処理条件を設定する。なお、Ｓ３２の工程が本発明の「集積抑制工程」、「酸素形態変化工程」に相当する。

次に、図３のＳ１２と同様に、Ｓ３２の工程を実施した後のウェーハに対して、ウェーハ表面から炭素をイオン注入して、ウェーハの表層近傍にイオン注入層（図８の上から３段目、４段目参照）を形成する（Ｓ３３）。なお、Ｓ３３の工程が本発明の「イオン注入工程」に相当する。

次に、Ｓ３３の工程を実施した後のウェーハに対して、結晶性回復熱処理を行う（Ｓ３４）。図８の最下段には、この結晶性回復熱処理により、イオン注入層より上層の結晶性が回復した状態を示している。Ｓ３２で固溶酸素のほとんどを、固溶状態に溶解しなければ容易には拡散しないシリサイド析出物の形態に変化させて固溶酸素濃度を低くしているので、結晶性回復熱処理で酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。また、Ｓ３４では、第１例と同様に非酸化性雰囲気中で熱処理を行うのが好ましい。非酸化性雰囲気中で熱処理を行った場合には、より一層、酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。ただし、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う態様を排除する趣旨ではない。

以上の各工程を経て、第３例に係るシリコンウェーハが得られる。このように、第３例では、ウェーハ中の固溶酸素をシリサイド析出物の形態に変化させたうえで、イオン注入層の形成及び熱処理を行っているので、ＣＺ−Ｓｉウェーハを用いたとしてもイオン注入層への酸素の集積を抑制できる。よって、図１の濃度分布のシリコンウェーハを得ることができ、イオン注入層のゲッタリング能力を向上できる。また、ＣＺ−Ｓｉウェーハを用いることができるので、第１例、第２例に比べて大口径のウェーハを得やすくなる。

次に、図９、図１０を参照して、本発明のシリコンウェーハの製造方法の第４例を説明する。図９は、シリコンウェーハの製造方法の第４例を示すフローチャートである。図１０は、図９の各工程でのウェーハの状態を模式的に示した図である。

先ず、半導体デバイス作製用基板の基となる単結晶シリコンウェーハを準備する（Ｓ４１）。このＳ４１で準備する基板ウェーハは、イオン注入層への酸素の集積を抑制するという観点では、酸素の含有量が少ないＦＺ−Ｓｉウェーハが好ましいが、ＣＺ−Ｓｉウェーハであっても良い。ここでは、ＣＺ−Ｓｉウェーハを準備するものとする。図１０の最上段には、Ｓ４１で準備したＣＺ−Ｓｉウェーハの断面を示し、ＦＺ−Ｓｉウェーハに比べて固溶酸素原子が多く含んだ状態を示している。なお、Ｓ４１の工程が本発明の「準備工程」に相当する。

次に、Ｓ４１で準備した基板ウェーハに対して、該ウェーハ中の酸素をウェーハ外（雰囲気中）に拡散（外方拡散）させるように熱処理（外方拡散熱処理）を行う（Ｓ４２）。具体的には、非酸化性雰囲気中で熱処理を行うことで外方拡散を促進でき、ウェーハ表層近傍の固溶酸素は雰囲気中に昇華させることができる。なお、酸素を含む雰囲気中であっても、ウェーハ中の初期酸素濃度と一致する固溶度を示す温度以下の低温であれば、表面酸素濃度の平衡濃度である固溶度が初期酸素濃度より低くなるため、外方拡散させることができる。外方拡散熱処理の具体的な条件（温度、熱処理時間等）は、ウェーハ表層近傍の酸素濃度が所定値以下となるように適宜設定すれば良い。図１０の２段目には、外方拡散熱処理後のウェーハの状態として、ウェーハ表面側及び裏面側の表層近傍の酸素原子のほとんどが外方拡散したことにより低酸素濃度領域が形成されている状態を示している。なお、Ｓ４２の工程が本発明の「集積抑制工程」、「外方拡散工程」に相当する。

次に、図３のＳ１２と同様に、Ｓ４２の工程を実施した後のウェーハに対して、ウェーハ表面から炭素をイオン注入して、ウェーハ表層近傍にイオン注入層（図１０の上から３段目、４段目参照）を形成する（Ｓ４３）。なお、Ｓ４３の工程が本発明の「イオン注入工程」に相当する。

次に、Ｓ４３の工程を実施した後のウェーハに対して、結晶性回復熱処理を行う（Ｓ４４）。図１０の最下段には、この結晶性回復熱処理により、イオン注入層より上層の結晶性が回復した状態を示している。Ｓ４２で外方拡散によりウェーハ表層近傍の酸素濃度を低くしているので、結晶性回復熱処理で酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。また、Ｓ４４では、第１例と同様に非酸化性雰囲気中で熱処理を行うのが好ましい。非酸化性雰囲気中で熱処理を行った場合には、より一層、酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。ただし、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う態様を排除する趣旨ではない。

以上の各工程を経て、第４例に係るシリコンウェーハが得られる。このように、第４例では、イオン注入及び熱処理を行う前に、外方拡散によりウェーハ中（特にウェーハ表層近傍）の酸素濃度を低くしているので、ＣＺ−Ｓｉウェーハを用いたとしてもイオン注入層への酸素の集積を抑制できる。よって、図１の濃度分布のシリコンウェーハを得ることができ、イオン注入層のゲッタリング能力を向上できる。また、ＣＺ−Ｓｉウェーハを用いることができるので、第１例、第２例に比べて大口径のウェーハを得やすくなる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（比較例１）
ＦＺ法により、直径６インチ、方位＜１００＞の結晶棒を、引き上げ速度２ｍｍ／分で引き上げた。この結晶棒を加工して基板ウェーハとした。このウェーハ裏面に１×１０^１２ｃｍ^−２のＦｅ（重金属不純物）を塗布した後、１０００℃／１時間の拡散熱処理を施し、室温まで急速冷却した。このウェーハ裏面近傍のＦｅ濃度を測定したところ、１．５×１０^１３ｃｍ^−３の値を得た。この値は、イオン注入層などのゲッタリング層を持たない比較ウェーハにおける測定値のため、初期汚染濃度を示す。

（比較例２）
ＦＺ法により、直径６インチ、方位＜１００＞の結晶棒を、引き上げ速度２ｍｍ／分で引き上げた。この結晶棒を加工して基板ウェーハとし、その基板ウェーハに炭素を加速電圧７０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１５ｃｍ^−２の条件でイオン注入した。その後、イオン注入層の結晶性回復熱処理を窒素／酸素混合雰囲気にて１０００℃／１時間の条件で実施した。このウェーハ裏面に１×１０^１２ｃｍ^−２のＦｅを塗布した後、１０００℃／１時間の拡散熱処理に続いて７００℃／７時間のＦｅ捕獲熱処理を施し、室温まで急速冷却した。このウェーハ裏面近傍のＦｅ濃度を測定したところ、約１×１０^１１ｃｍ^−３の値を得た。この値は、比較例１に示すイオン注入層のないウェーハで測定して決定した初期汚染濃度である１．５×１０^１３ｃｍ^−３に対し約２桁小さく、イオン注入層にゲッタリング能力があることがわかった。その後、ＳＩＭＳにて、炭素と酸素の深さ方向分布測定を実施したところ、イオン注入による炭素のガウス分布形状と相似形の酸素分布が見られた。これは結晶性回復熱処理中に雰囲気から酸素が導入され、その酸素が炭素イオン注入層近傍に集積したものであり、炭素と酸素の作用によるゲッタリング効果とわかった。

（比較例３）
ＣＺ法により、直径８インチ、方位＜１００＞、初期酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ換算）の結晶棒を、引き上げ速度０．４ｍｍ／分で引き上げた。この結晶棒を加工して基板ウェーハとし、その基板ウェーハに炭素を加速電圧７０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１５ｃｍ^−２の条件でイオン注入した。その後、イオン注入層の結晶性回復熱処理を窒素／酸素混合雰囲気にて１０００℃／１時間の条件で実施した。このウェーハ裏面に１×１０^１２ｃｍ^−２のＦｅを塗布した後、１０００℃／１時間の拡散熱処理に続いて７００℃／７時間のＦｅ捕獲熱処理を施し、室温まで急速冷却した。このウェーハ裏面近傍のＦｅ濃度を測定したところ、約１×１０^１１ｃｍ^−３の値を得た。この値は、比較例１に示すイオン注入層のないウェーハで測定した初期汚染濃度である１．５×１０^１３ｃｍ^−３に対し約２桁小さく、イオン注入層にゲッタリング能力があることがわかった。その後、ＳＩＭＳにて、炭素と酸素の深さ方向分布測定を実施したところ、イオン注入による炭素のガウス分布形状と相似形の酸素分布が見られた。これは結晶性回復熱処理中、表面から内方拡散したか、あるいはＣＺ−Ｓｉ結晶に予め含まれていた固溶酸素が炭素イオン注入層近傍に集積したものであり、炭素と酸素の作用によるゲッタリング効果とわかった。

（実施例）
ＦＺ法により、直径６インチ、方位＜１００＞の結晶棒を、引き上げ速度２ｍｍ／分で引き上げた。この結晶棒を加工して基板ウェーハとし、その基板ウェーハに炭素を加速電圧７０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１５ｃｍ^−２の条件でイオン注入した。その後、表面側にエピタキシャル層を３０μｍ堆積し、イオン注入層の結晶性回復熱処理を窒素／酸素混合雰囲気にて１０００℃／１時間の条件で実施した。このウェーハ裏面に１×１０^１２ｃｍ^−２のＦｅを塗布した後、１０００℃／１時間の拡散熱処理に続いて７００℃／７時間のＦｅ捕獲熱処理を施し、室温まで急速冷却した。このウェーハ裏面近傍のＦｅ濃度を測定したところ、４．０×１０^１０ｃｍ^−３の値を得た。この値は、比較例１に示すイオン注入層のないウェーハで測定した初期汚染濃度である１．５×１０^１３ｃｍ^−３に対し、約３桁小さく、大きなゲッタリング能力があることがわかった。また、比較例２、３に示す炭素イオン注入層に酸素が集積した場合と比べても残存Ｆｅ濃度が低かった。その後、ＳＩＭＳにて、炭素と酸素の深さ方向分布測定を実施したところ、イオン注入による炭素のガウス分布形状が見られたが、イオン注入層近傍の酸素濃度はＳＩＭＳの検出下限値であり、炭素イオン注入層への酸素原子の集積は見られなかった。従って、上述のゲッタリング効果は酸素を含まない炭素単独の効果であり、しかも酸素を含む場合よりも強いゲッタリング効果を持つとわかった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、かつ同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、実施例では、１０００℃／１時間の酸素含有雰囲気による熱処理でも表面からの内方拡散によって酸素がイオン注入層まで到達しえない厚さ（３０μｍ）をエピタキシャル層で形成しているが、デバイス作製工程が１０００℃／１時間より短時間であれば、必要なエピタキシャル層厚も薄くできる。

また、上記実施形態では、炭素をイオン注入していたが、炭素以外の元素（例えばＢ、Ｐ、Ａｒ，Ｎ２、Ｈ２など）をイオン注入してゲッタリング層（イオン注入層）を形成しても良い。この場合も、イオン注入層における酸素の集積を抑えることで、ゲッタリング能力を向上できる。また、図５のＳ２１では、ＦＺ−Ｓｉウェーハを準備していたが、ＣＺ−Ｓｉウェーハを準備しても良い。これによっても、結晶性回復熱処理前にエピタキシャル層を形成するので、そのエピタキシャル層を形成しない従来の手法に比べて、イオン注入層への酸素の集積を抑制できる。

また、図９に示す第４例では、イオン注入の前に外方拡散熱処理を行っていたが、イオン注入の後に外方拡散熱処理を行っても良い。つまりＳ４２の工程とＳ４３の工程の実施順を入れ替えても良い。これによっても、Ｓ４４の結晶性回復熱処理前に、拡散しやすい固溶酸素濃度を低くできるので、結晶性回復熱処理において酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。また、Ｓ４４の結晶性回復熱処理を実施した後に外方拡散熱処理を行っても良い。これによっても、半導体デバイスの作製（イオン注入層以外の作製）前に拡散しやすい固溶酸素濃度を低くできるので、半導体デバイスの作製時に酸素がイオン注入層に集積するのを抑制できる。

また、第１例の特徴（ＦＺ−Ｓｉウェーハを用い、非酸化雰囲気で熱処理を行う）と、第２例の特徴（イオン注入後、熱処理前に、エピタキシャル層を形成する）と、第３例の特徴（シリサイド析出熱処理を行う）と、第４例の特徴（外方拡散熱処理を行う）とから選択される２つ以上の特徴を組み合わせて実施しても良い。これによって、より一層、イオン注入層への酸素の集積を抑制でき、イオン注入層におけるゲッタリング能力を向上できる。

Claims (8)

1. 半導体デバイス作製用基板であるシリコンウェーハの製造方法であって、
   シリコンウェーハを準備する準備工程と、
   その準備工程で準備したシリコンウェーハの表面から特定の元素をイオン注入して、汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的としたイオン注入層を該シリコンウェーハの表層近傍に形成するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程の実施後のシリコンウェーハ表面上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル工程と、
   そのエピタキシャル工程の実施後のシリコンウェーハに対して、前記イオン注入工程に伴い損傷したシリコンウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を行う熱処理工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
2. 半導体デバイス作製用基板であるシリコンウェーハの製造方法であって、
   シリコンウェーハを準備する準備工程と、
   その準備工程で準備したシリコンウェーハに対して、該シリコンウェーハ中の固溶酸素をシリサイド析出物の形態に変化させるように熱処理を行う酸素形態変化工程と、
   その酸素形態変化工程の実施後のシリコンウェーハの表面から特定の元素をイオン注入して、汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的としたイオン注入層を該シリコンウェーハの表層近傍に形成するイオン注入工程と、
   そのイオン注入工程の実施後のシリコンウェーハに対して、前記イオン注入工程に伴い損傷したシリコンウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を行う熱処理工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
3. 半導体デバイス作製用基板であるシリコンウェーハの製造方法であって、
   シリコンウェーハを準備する準備工程と、
   その準備工程で準備したシリコンウェーハに対して、該シリコンウェーハ中の表層近傍の酸素をシリコンウェーハから雰囲気中に外方拡散させるように熱処理を行う外方拡散工程と、
   その外方拡散工程の実施後のシリコンウェーハの表面から特定の元素をイオン注入して、汚染不純物を捕獲するゲッタリング層として使用することを目的としたイオン注入層を該シリコンウェーハの表層近傍に形成するイオン注入工程と、
   そのイオン注入工程の実施後のシリコンウェーハに対して、前記イオン注入工程に伴い損傷したシリコンウェーハの結晶性を回復させるための熱処理を行う熱処理工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
4. 前記元素が炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
5. 前記準備工程では、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ−Ｚｏｎｅ）法で作製されたシリコンウェーハを準備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
6. 前記熱処理工程では、酸素を含まない雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの製造方法。
7. 前記イオン注入工程の実施後、前記熱処理工程の実施前におけるシリコンウェーハの表面上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル工程を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のシリコンウェーハの製造方法。
8. 前記エピタキシャル工程では、２０μｍ以上の厚さ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７に記載のシリコンウェーハの製造方法。

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