JP6508030B2 - シリコンエピタキシャルウェ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
本発明は、半導体エピタキシャルウェーハの製造方法および固体撮像素子の製造方法に関する。
半導体デバイスの特性を劣化させる要因として、金属汚染が挙げられる。例えば、裏面照射型固体撮像素子では、この素子の基板となる半導体エピタキシャルウェーハに混入した金属は、固体撮像素子の暗電流を増加させる要因となり、白傷欠陥と呼ばれる欠陥を生じさせる。裏面照射型固体撮像素子は、配線層などをセンサー部よりも下層に配置することで、外からの光をセンサーに直接取り込み、暗所などでもより鮮明な画像や動画を撮影することができるため、近年、デジタルビデオカメラやスマートフォンなどの携帯電話に広く用いられている。そのため、白傷欠陥を極力減らすことが望まれている。
ウェーハへの金属の混入は、主に半導体エピタキシャルウェーハの製造工程および固体撮像素子の製造工程（デバイス製造工程）において生じる。前者の半導体エピタキシャルウェーハの製造工程における金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材からの重金属パーティクルによるもの、あるいは、エピタキシャル成長時の炉内ガスとして塩素系ガスを用いるために、その配管材料が金属腐食して発生する重金属パーティクルによるものなどが考えられる。近年、これら金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材を耐腐食性に優れた材料に交換するなどにより、ある程度は改善されてきているが、十分ではない。一方、後者の固体撮像素子の製造工程においては、イオン注入、拡散および酸化熱処理などの各処理中で、半導体基板の重金属汚染が懸念される。
このような重金属汚染を抑制するために、重金属を捕獲するためのゲッタリングサイトを半導体ウェーハ中に形成する技術がある。その方法の一つとして、半導体ウェーハ中にイオンを注入し、その後エピタキシャル層を形成する方法が知られている。この方法では、イオン注入領域がゲッタリングサイトとして機能する。
特許文献１には、半導体ウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、該半導体ウェーハの表面部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、前記半導体ウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する第２工程と、を有する半導体エピタキシャルウェーハの製造方法が記載されている。
特許文献１では、クラスターイオンを照射して形成した改質層は、モノマーイオン（シングルイオン）を注入して得たイオン注入領域よりも高いゲッタリング能力が得られることを示している。ここで、特許文献１における改質層によるゲッタリング能力をより高くするには、例えばクラスターイオンのドーズ量を多くすることが有効である。しかしながら、ドーズ量を多くしすぎると、改質層でのその後に形成するエピタキシャル層にエピタキシャル欠陥が多数発生してしまう。特許文献１では、ゲッタリング能力の向上とエピタキシャル欠陥の発生を抑制することを両立させるということは考慮されておらず、この点において改善の余地があった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、高いゲッタリング能力とエピタキシャル欠陥発生の抑制とを両立することが可能な、半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく、クラスターイオン照射時の半導体ウェーハの温度（以下、「基板温度」とも称する。）に着目した。その結果、基板温度を室温（２５℃）よりも高く保持した状態でクラスターイオンを照射することによって、その後得られる半導体エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層にエピタキシャル欠陥が発生しにくくなることを、本発明者らは見出した。しかも、ドーズ量を同じとして比較して、基板温度を高く保持した場合には、基板温度が室温の場合と比べて、ゲッタリング能力は低下しなかった。
すなわち、基板温度が室温の場合にエピタキシャル欠陥が発生する一定のドーズ量において比較した場合、基板温度を高くすることによって、ゲッタリング能力は低下しないにもかかわらず、エピタキシャル欠陥を低減することができる。
また、別の観点から本発明の効果を表現すると、基板温度を高くするほど、エピタキシャル欠陥が発生しない最大のドーズ量を高くすることができる。よって、そのようなドーズ量でクラスターイオン照射を行うことによって、エピタキシャル欠陥が発生しない条件下で最大のゲッタリング能力を得ることができる。
上記知見に基づく本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）半導体ウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、該半導体ウェーハの表面部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、
前記半導体ウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する第２工程と、
を有し、
前記第１工程は、前記半導体ウェーハの温度を２５℃より高く保持した状態で行うことを特徴とする半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（１）半導体ウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、該半導体ウェーハの表面部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、
前記半導体ウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する第２工程と、
を有し、
前記第１工程は、前記半導体ウェーハの温度を２５℃より高く保持した状態で行うことを特徴とする半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（２）前記第１工程は、前記半導体ウェーハの温度を５０℃以上に保持した状態で行う上記（１）に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（３）前記第１工程は、前記半導体ウェーハの温度を７００℃以下に保持した状態で行う上記（１）又は（２）に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（４）前記半導体ウェーハが、シリコンウェーハである上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（５）前記クラスターイオンが、構成元素として炭素を含む上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（６）前記クラスターイオンが、構成元素として炭素を含む２種以上の元素を含む上記（５）に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（７）前記クラスターイオンの炭素数が１６個以下である上記（５）または（６）に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（８）前記第１工程において、炭素のドーズ量が１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である上記（５）〜（７）のいずれか一つに記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つの製造方法で製造された半導体エピタキシャルウェーハの前記エピタキシャル層に、固体撮像素子を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
本発明の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法によれば、高いゲッタリング能力とエピタキシャル欠陥発生の抑制とを両立することが可能な、半導体エピタキシャルウェーハを得ることができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図１では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、半導体ウェーハ１０に対して改質層１４、およびエピタキシャル層１８の厚さを誇張して示す。
（半導体エピタキシャルウェーハの製造方法）
本発明の一実施形態による半導体エピタキシャルウェーハ１００の製造方法は、図１に示すように、半導体ウェーハ１０の表面１０Ａにクラスターイオン１２を照射して、半導体ウェーハ１０の表面部に、このクラスターイオン１２の構成元素が固溶した改質層１４を形成する第１工程（図１（Ａ），（Ｂ））と、半導体ウェーハ１０の改質層１４上にエピタキシャル層１８を形成する第２工程（図１（Ｃ））と、を有する。図１（Ｃ）は、この製造方法の結果得られた半導体エピタキシャルウェーハ１００の模式断面図である。エピタキシャル層１８は、裏面照射型固体撮像素子等の半導体素子を製造するためのデバイス層となる。
本発明の一実施形態による半導体エピタキシャルウェーハ１００の製造方法は、図１に示すように、半導体ウェーハ１０の表面１０Ａにクラスターイオン１２を照射して、半導体ウェーハ１０の表面部に、このクラスターイオン１２の構成元素が固溶した改質層１４を形成する第１工程（図１（Ａ），（Ｂ））と、半導体ウェーハ１０の改質層１４上にエピタキシャル層１８を形成する第２工程（図１（Ｃ））と、を有する。図１（Ｃ）は、この製造方法の結果得られた半導体エピタキシャルウェーハ１００の模式断面図である。エピタキシャル層１８は、裏面照射型固体撮像素子等の半導体素子を製造するためのデバイス層となる。
半導体ウェーハ１０としては、例えばシリコン、化合物半導体（ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ）からなり、表面にエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶ウェーハが挙げられるが、裏面照射型固体撮像素子を製造する場合、一般的にはバルクの単結晶シリコンウェーハを用いる。また、半導体ウェーハ１０は、チョクラルスキ法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。また、より高いゲッタリング能力を得るために、半導体ウェーハ１０に炭素および／または窒素を添加してもよい。さらに、半導体ウェーハ１０に任意のドーパントを所定濃度添加して、いわゆるｎ＋型もしくはｐ＋型、またはｎ−型もしくはｐ−型の基板としてもよい。
また、半導体ウェーハ１０としては、バルク半導体ウェーハ表面に半導体エピタキシャル層が形成されたエピタキシャル半導体ウェーハを用いてもよい。例えば、バルクの単結晶シリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハである。シリコンエピタキシャル層は、ＣＶＤ法により一般的な条件で形成することができる。エピタキシャル層は、厚さが０．１〜２０μｍの範囲内とすることが好ましく、０．２〜１０μｍの範囲内とすることがより好ましい。
ここで、本実施形態の特徴的工程は、図１（Ａ）に示すクラスターイオン照射工程である。本明細書において「クラスターイオン」とは、原子または分子が複数集合して塊となったクラスターに正電荷または負電荷を与え、イオン化したものを意味する。クラスターは、複数（通常２〜２０００個程度）の原子または分子が互いに結合した塊状の集団である。
シリコンウェーハに、例えば炭素と水素からなるクラスターイオンを照射する場合、クラスターイオン１２は、シリコンウェーハに照射されるとそのエネルギーで瞬間的に１３５０〜１４００℃程度の高温状態となり、シリコンが融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハ中の表面近傍に炭素および水素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するイオンの構成元素が半導体ウェーハ表面部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Iron Mass Spectrometry）によるシリコンウェーハの深さ方向における炭素の濃度プロファイルは、クラスターイオンの加速電圧およびクラスターサイズに依存するが、モノマーイオンの場合に比べてシャープになり、照射された炭素の局所的に存在する領域（すなわち、改質層）の厚みは、概ね５００ｎｍ以下（例えば５０〜４００ｎｍ程度）となる。この改質層１４がゲッタリングサイトとなる。
ここで本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、半導体ウェーハ１０の温度（基板温度）を２５℃より高く保持した状態で第１工程を行うことを特徴とする。これにより、その後得られる半導体エピタキシャルウェーハ１００のエピタキシャル層にエピタキシャル欠陥が発生しにくくなる。この効果をより十分に得る観点から、第１工程時の基板温度を好ましくは５０℃以上、より好ましくは１００℃以上、さらに好ましくは３００℃以上、最も好ましくは５００℃以上に保持する。
本発明者は、第１工程時の基板温度を高くすることでエピタキシャル欠陥が発生しにくくなる作用を以下のように考えている。クラスターイオンが半導体ウェーハと衝突する際には熱が発生し、その熱で半導体ウェーハ表面部が加熱される。この加熱により、クラスターイオン照射により半導体ウェーハ表面部に導入されたダメージが回復すること（自己アニール効果）を本発明者は確認した。第１工程時の基板温度が高い場合、この自己アニール効果が促進され、導入されたダメージが回復することによって、その後エピタキシャル層を形成した際にエピタキシャル欠陥が発生しにくくなるものと考えられる。
ここで、第１工程時の基板温度が高い場合、導入されたダメージが回復する結果、ゲッタリング能力が低下することが危惧されたが、意外にもゲッタリング能力は低下しなかった。基板温度が高くなると、半導体ウェーハ中の原子間結合（シリコンウェーハの場合、Si-Si結合）の運動エネルギーが高くなり、クラスターイオンが半導体ウェーハの表面により近い位置で固溶する確率が高くなる。その結果、照射元素の深さ方向の濃度プロファイルはよりシャープになり、かつ、ピーク濃度も高くなる。この結果高まるゲッタリング能力と、導入されたダメージの減少に起因するゲッタリング能力の低下とが相殺して、ゲッタリング能力が低下しなかったと考えられる。
このように本実施形態では、基板温度が室温の場合にエピタキシャル欠陥が発生する一定のドーズ量において比較した場合、基板温度を高くすることによって、ゲッタリング能力は低下しないにもかかわらず、エピタキシャル欠陥を低減することができる。
また、別の観点から本発明の効果を表現すると、基板温度を高くするほど、エピタキシャル欠陥が発生しない最大のドーズ量を高くすることができる。よって、そのようなドーズ量でクラスターイオン照射を行うことによって、エピタキシャル欠陥が発生しない条件下で最大のゲッタリング能力を得ることができる。この場合、半導体エピタキシャルウェーハ１００から製造した裏面照射型固体撮像素子は、白傷欠陥発生の抑制が期待できる。
第１工程時の基板温度は、エピタキシャル欠陥を低減する観点からは高いほど好ましいが、高いゲッタリング能力を確保する観点からは７００℃以下とすることが好ましい。基板温度が７００℃超えの場合、照射元素の拡散が激しくなる結果、照射元素の深さ方向の濃度プロファイルがブロードになり、かつ、ピーク濃度が小さくなる。このため、ゲッタリング能力が低下する。
クラスターイオンは結合様式によって多種のクラスターが存在し、例えば以下の文献に記載されるような公知の方法で生成することができる。ガスクラスタービームの生成法として、（１）特開平９−４１１３８号公報、（２）特開平４−３５４８６５号公報、イオンビームの生成法として、（１）荷電粒子ビーム工学：石川 順三：ISBN978-4-339-00734-3:コロナ社、（２）電子・イオンビーム工学：電気学会：ISBN4-88686-217-9:オーム社、（３）クラスターイオンビーム基礎と応用：ISBN4-526-05765-7:日刊工業新聞社。また、一般的に、正電荷のクラスターイオンの発生にはニールセン型イオン源あるいはカウフマン型イオン源が用いられ、負電荷のクラスターイオンの発生には体積生成法を用いた大電流負イオン源が用いられる。
基板温度は、クラスターイオン照射装置内で、半導体ウェーハを載置するステージを冷却する際の条件を調整することや、ステージに加熱機構を付加することなどにより高くすることができる。一般にクラスターイオン照射装置内では、ステージ内部に満遍なく設けられた流路内に、チラーを用いて一定温度に保たれた、液体窒素、エチレングリコールなどの冷媒を流すことにより、ステージを室温に保持している。冷媒の温度を高くする（例えば常温の純水を流す）ことによって、基板温度は室温より高くなる。純水の温度や流速を変更することによって、基板温度を調整することもできる。また、付加的な加熱機構をステージに設けて、基板温度をさらに高めることもできる。
以下で、基板温度以外のクラスターイオンの照射条件について説明する。
まず、照射する元素はゲッタリングに寄与する元素であれば特に限定されず、炭素、ホウ素、リン、砒素などを挙げることができる。しかし、より高いゲッタリング能力を得る観点から、クラスターイオンが、構成元素として炭素を含むことが好ましい。
また、照射元素としては炭素を含む２種以上の元素がより好ましい。特に、炭素に加えて、ホウ素、リン、砒素およびアンチモンからなる群より選択された１または２以上のドーパント元素を照射することが好ましい。固溶する元素の種類により効率的にゲッタリング可能な金属の種類が異なるため、２種以上の元素を固溶させることにより、より幅広い金属汚染に対応できるからである。例えば、炭素の場合、ニッケルを効率的にゲッタリングすることができ、ホウ素の場合、銅、鉄を効率的にゲッタリングすることができる。
イオン化させる化合物も特に限定されないが、イオン化が可能な炭素源化合物としては、エタン、メタン、二酸化炭素（ＣＯ２）などを用いることができ、イオン化が可能なホウ素源化合物としては、ジボラン、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）などを用いることができる。例えば、ジベンジルとデカボランを混合したガスを材料ガスとした場合、炭素、ホウ素および水素が集合した水素化合物クラスターを生成することができる。また、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）を材料ガスとすれば、炭素および水素からなるクラスターイオンを生成することができる。炭素源化合物としては特に、ピレン(Ｃ１６Ｈ１０)、ジベンジル（Ｃ１４Ｈ１４）などより生成したクラスターＣｎＨｍ（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を用いることが好ましい。小サイズのクラスターイオンビームを制御し易いためである。
イオン化させる化合物としては、炭素および上記ドーパント元素の両方を含む化合物とすることも好ましい。このような化合物をクラスターイオンとして照射すれば、１回の照射で炭素およびドーパント元素の両方を固溶させることができるからである。
クラスターサイズは２〜１００個、好ましくは６０個以下、より好ましくは５０個以下で適宜設定することができ、後述する実施例においては、クラスターサイズ８個のＣ３Ｈ５を用いた。本明細書において「クラスターサイズ」とは、１つのクラスターを構成する原子または分子の個数を意味する。クラスターサイズの調整は、ノズルから噴出されるガスのガス圧力および真空容器の圧力、イオン化する際のフィラメントへ印加する電圧などを調整することにより行うことができる。なお、クラスターサイズは、四重極高周波電界による質量分析またはタイムオブフライト質量分析によりクラスター個数分布を求め、クラスター個数の平均値をとることにより求めることができる。
クラスターイオンのドーズ量は、イオン照射時間を制御することにより調整することができる。ドーズ量は特に限定されないが、照射元素に炭素を含む場合、炭素のドーズ量を１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とすることができる。この範囲内において、基板温度を高くするほど、エピタキシャル欠陥を発生させることなくドーズ量を高くすることができる。
クラスターイオンの加速電圧は、クラスターサイズとともに、改質層１８における構成元素の深さ方向の濃度プロファイルのピーク位置に影響を与える。クラスターイオンとしてＣｎＨｍ（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を用いる場合、炭素１原子あたりの加速電圧は、０ｋｅＶ／ａｔｏｍ超え５０ｋｅＶ／ａｔｏｍ以下とすることが好ましく、４０ｋｅＶ／ａｔｏｍ以下とすることがより好ましい。
なお、加速電圧の調整には、（１）静電加速、（２）高周波加速の２方法が一般的に用いられる。前者の方法としては、複数の電極を等間隔に並べ、それらの間に等しい電圧を印加して、軸方向に等加速電界を作る方法がある。後者の方法としては、イオンを直線状に走らせながら高周波を用いて加速する線形ライナック法がある。
ビーム電流値は特に限定されないが、概ね１００μＡ以上１０００μＡ以下とすることが好ましい。
次に、本実施形態における熱処理について説明する。クラスターイオンの照射は、モノマーイオンの注入よりも半導体ウェーハの結晶へ与えるダメージは小さい。そのため、一実施形態では、上記第１工程の後、半導体ウェーハに対して結晶性回復のための熱処理を行うことなく、半導体ウェーハをエピタキシャル成長装置に搬送して上記第２工程を行うことができ、高いゲッタリング能力を有する半導体エピタキシャルウェーハ１００を効率的に製造することができる。すなわち、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）やＲＴＯ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）などの、エピタキシャル装置とは別個の急速昇降温熱処理装置などを用いて回復熱処理を行う必要がない。それは、以下に述べるエピタキシャル層１８を形成するためのエピタキシャル装置内で、エピタキシャル成長に先立ち行われる水素ベーク処理によって、半導体ウェーハ１０の結晶性を十分回復させることができるからである。
もちろん第１工程の後、第２工程の前に、エピタキシャル装置とは別個の熱処理装置を用いて回復熱処理を行ってもよい。この回復熱処理は、９００℃以上１２００℃以下で１０秒以上１時間以下行えばよい。この回復熱処理は、例えば、半導体ウェーハ１０をエピタキシャル成長装置内に搬送する前に、ＲＴＡやＲＴＯなどの急速昇降温熱処理装置や、バッチ式熱処理装置（縦型熱処理装置、横型熱処理装置）を用いて行うことができる。
改質層１４上に形成するエピタキシャル層１８としては、シリコンエピタキシャル層が挙げられ、一般的な条件により形成することができる。例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね１０００〜１２００℃の範囲の温度でＣＶＤ法により半導体ウェーハ１０上にエピタキシャル成長させることができる。エピタキシャル層１８は、厚さが１〜１５μｍの範囲内とすることが好ましい。１μｍ未満の場合、半導体ウェーハ１０からのドーパントの外方拡散によりエピタキシャル層１８の抵抗率が変化してしまう可能性があり、また、１５μｍ超えの場合、固体撮像素子の分光感度特性に影響が生じるおそれがあるからである。
（固体撮像素子の製造方法）
本発明の実施形態による固体撮像素子の製造方法は、上記の製造方法で製造された半導体エピタキシャルウェーハ１００の表面に位置するエピタキシャル層１８に、埋め込み型フォトダイオード等の固体撮像素子を形成することを特徴とする。この製造方法により得られる固体撮像素子は、従来に比べ白傷欠陥の発生を十分に抑制することができる。
本発明の実施形態による固体撮像素子の製造方法は、上記の製造方法で製造された半導体エピタキシャルウェーハ１００の表面に位置するエピタキシャル層１８に、埋め込み型フォトダイオード等の固体撮像素子を形成することを特徴とする。この製造方法により得られる固体撮像素子は、従来に比べ白傷欠陥の発生を十分に抑制することができる。
（実験例１）
ＣＺ単結晶シリコンインゴットから得たｎ型シリコンウェーハ（直径：３００ｍｍ、厚さ：７２５μｍ、ドーパント：リン、ドーパント濃度：５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を用意した。次に、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、型番：CLARIS）を用いて、シクロヘキサンよりＣ３Ｈ５クラスターを生成して、シリコンウェーハの表面に照射し、改質層を形成した。このときの基板温度および炭素のドーズ量は、表１に記載の条件とした。炭素１原子当りの加速電圧は２３．４ｋｅＶ／ａｔｏｍ、ビーム電流値は８００μＡ、Tilt：０°、Twist：０°とした。基板温度５０℃は、クラスターイオン照射装置内でステージを冷却するための冷媒を常温の純水とすることにより実現した。
ＣＺ単結晶シリコンインゴットから得たｎ型シリコンウェーハ（直径：３００ｍｍ、厚さ：７２５μｍ、ドーパント：リン、ドーパント濃度：５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を用意した。次に、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、型番：CLARIS）を用いて、シクロヘキサンよりＣ３Ｈ５クラスターを生成して、シリコンウェーハの表面に照射し、改質層を形成した。このときの基板温度および炭素のドーズ量は、表１に記載の条件とした。炭素１原子当りの加速電圧は２３．４ｋｅＶ／ａｔｏｍ、ビーム電流値は８００μＡ、Tilt：０°、Twist：０°とした。基板温度５０℃は、クラスターイオン照射装置内でステージを冷却するための冷媒を常温の純水とすることにより実現した。
各シリコンウェーハそれぞれについて、ＳＩＭＳ測定により炭素および水素の濃度プロファイルを測定した。シリコンウェーハ表面から、２００ｎｍ程度の範囲において、急峻なピークが確認されたことから、改質層が特定できた。各試験例における、改質層の厚さを表１に示す。
その後、各シリコンウェーハを枚葉式エピタキシャル成長装置（アプライドマテリアルズ社製）内に搬送し、装置内で１１２０℃の温度で３０秒の水素ベーク処理を施した後、水素をキャリアガス、トリクロロシランをソースガスとして１１５０℃でＣＶＤ法により、シリコンウェーハの改質層上にシリコンエピタキシャル層（厚さ：８μｍ、ドーパント：リン、ドーパント濃度：１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をエピタキシャル成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハを得た。
＜ゲッタリング能力の評価＞
各試験例で作製したシリコンエピタキシャルウェーハの表面を、Ｎｉ汚染液液（ともに１．０×１０１３／ｃｍ２）でスピンコート汚染法を用いて故意に汚染し、引き続き９００℃、３０分の熱処理を施した。その後、ＳＩＭＳ測定を行い、改質層に捕獲されたＮｉ捕獲量（Ｎｉプルファイルの積分値）を測定した。結果を表１に示す。
各試験例で作製したシリコンエピタキシャルウェーハの表面を、Ｎｉ汚染液液（ともに１．０×１０１３／ｃｍ２）でスピンコート汚染法を用いて故意に汚染し、引き続き９００℃、３０分の熱処理を施した。その後、ＳＩＭＳ測定を行い、改質層に捕獲されたＮｉ捕獲量（Ｎｉプルファイルの積分値）を測定した。結果を表１に示す。
＜エピタキシャル欠陥の評価＞
各試験例で作製したシリコンエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の表面をＳｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にてＮｏｒｍａｌモードにて測定を行い、９０ｎｍ以上のＬＰＤとしてカウントされるもののうち、ＬＰＤ−Ｎとしてカウントされるものをエピタキシャル欠陥として測定した。結果を表１に示す。
各試験例で作製したシリコンエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の表面をＳｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にてＮｏｒｍａｌモードにて測定を行い、９０ｎｍ以上のＬＰＤとしてカウントされるもののうち、ＬＰＤ−Ｎとしてカウントされるものをエピタキシャル欠陥として測定した。結果を表１に示す。
表１から明らかなように、炭素ドーズ量が多く、ウェーハ内部にアモルファス層が形成されるような条件であっても、基板温度を増加させることで、エピタキシャル欠陥密度が低減することが確認された。これは、イオン照射時の基板温度を上昇させることで、イオン注入時にウェーハ内で生じる空孔と格子間シリコン原子との再結合が促進され、エピタキシャル欠陥の発生原因となるアモルファス層の形成が抑制されたためであると考えられる。なお、本発明においてはウェーハ内部に形成されるアモルファス量やダメージ量が抑制される分、ゲッタリング能力が低下することが予想されたが、Ｎｉの捕獲量には殆ど大きな差異は見られなかった。これは、後述する実験例２で示すように、基板温度を増加させることで、炭素のピークが増大したためと推測される。
（実験例２）
基板温度及び炭素ドーズ量を表２に示すものとした以外は実験例１と同じ条件としてシリコンウェーハにＣ３Ｈ５クラスターを照射した場合について、以下に方法でシミュレーション実験を行った。
基板温度及び炭素ドーズ量を表２に示すものとした以外は実験例１と同じ条件としてシリコンウェーハにＣ３Ｈ５クラスターを照射した場合について、以下に方法でシミュレーション実験を行った。
モンテカルロ（Monte Carlo：ＭＣ）法シミュレーションの計算が可能なTCADシミュレータSentaurus Process（日本シノプシス合同会社製）を用いて、空孔濃度の深さ方向分布を計算した。計算したシリコンウェーハの表層50ｎｍにおける最大の空孔濃度を表２に示す。
前述のTCADシミュレータを用いて炭素濃度の深さ方向分布を計算した。計算したシリコンウェーハの表層200ｎｍにおける最大の炭素濃度を表２に示す。
表２で明らかなように、いずれの発明例においても、クラスターイオン照射時の基板温度を増大させるにしかがって、シリコンウェーハ内部の最大空孔濃度が減少していることがわかる。すなわち、クラスターイオン照射時の基板温度が高ければ高いほどウェーハへのダメージは回復しやすく、より高ドーズ量としてもエピ欠陥が発生しないものと推定できる。また、基板温度を高めるほど炭素のピーク濃度が増大することが確認され、ゲッタリング能の向上に有効となる。なお、基板温度が９００℃以上になると、炭素のピーク濃度が低下し始めることから、ゲッタリング能力の向上の観点からは基板温度は７００℃以下に留めることが望ましいことが確認された。
本発明によれば、高いゲッタリング能力とエピタキシャル欠陥発生の抑制とを両立することが可能な、半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができる。
１００ 半導体エピタキシャルウェーハ
１０ 半導体ウェーハ
１０Ａ 半導体ウェーハの表面
１２ クラスターイオン
１４ 改質層
１８ エピタキシャル層
１０ 半導体ウェーハ
１０Ａ 半導体ウェーハの表面
１２ クラスターイオン
１４ 改質層
１８ エピタキシャル層
Claims (7)
- シリコンウェーハの表面に、構成元素として炭素を含むクラスターイオンを照射して、該シリコンウェーハの表面部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、
前記シリコンウェーハの改質層上にシリコンエピタキシャル層を形成する第２工程と、
を有し、
前記第１工程は、前記シリコンウェーハの温度を２５℃より高く保持した状態で行う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。 - 前記第１工程は、前記シリコンウェーハの温度を５０℃以上に保持した状態で行う請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記第１工程は、前記シリコンウェーハの温度を７００℃以下に保持した状態で行う請求項１又は２に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記クラスターイオンが、構成元素として炭素を含む２種以上の元素を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記クラスターイオンの炭素数が１６個以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記第１工程において、炭素のドーズ量が１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたシリコンエピタキシャルウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に、固体撮像素子を形成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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