JP6791293B2 - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。

シリコンウェーハ上に単結晶シリコンの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は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、パワートランジスタおよび裏面照射型固体撮像素子など、種々の半導体デバイスを作製するためのデバイス基板として用いられている。

ここで、エピタキシャル層が重金属で汚染されると、固体撮像素子の暗電流が増加し、白傷欠陥と呼ばれる欠陥が生じるなど、半導体デバイスの特性を劣化させる要因となる。そのため、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シリコン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、シリコン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、シリコンウェーハの表面に、Ｃ₃Ｈ₃等の、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、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工程と、を有するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法が記載されている。特許文献１では、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを照射して形成した改質層は、炭素のモノマー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を発揮することを示している。

ここで、特許文献１に記載されたクラスターイオン照射技術において、改質層によるゲッタリング能力をより高くするには、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、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という問題がある。

この問題を解決する技術として、特許文献２には、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）及び転位クラスターを含まないシリコンウェーハの表面に１．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上のドーズ量で構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、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工程と、非酸化性雰囲気において４５０℃以上８００℃以下の温度で３００秒以上１２０分以下にて前記シリコンウェーハの改質層の結晶性を回復させる熱処理を行う工程と、前記熱処理が施されたシリコンウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程と、を有する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２では、エピタキシャルシリコンウェーハの基板としてＣＯＰ及び転位クラスターを含まないシリコンウェーハを用いることと、所定条件の熱処理で改質層の結晶性を回復させることの組み合わせによって、クラスターイオンを高ドーズ量で照射してゲッタリング能力の向上を図った場合にも、エピタキシャル欠陥の形成を抑制することができた。

国際公開第２０１２／１５７１６２号 特開２０１５−１５６４５５号公報

ここで、エピタキシャルシリコンウェーハの基板となるシリコンウェーハの表層部に残留した水素は、デバイス形成プロセス時に、エピタキシャル層内の界面準位欠陥を不活性化して、リーク電流の低減などデバイス特性の向上に寄与する。これを本明細書において「水素によるパッシベーション効果」と称する。このため、特許文献１及び特許文献２の技術においても、エピタキシャル成長後にシリコンウェーハの表層部（すなわち改質層）中に水素を高濃度に残留させることが好ましい。しかしながら、特許文献１ではゲッタリング能力の向上を目的とし、特許文献２ではゲッタリング能力の向上とエピタキシャル欠陥発生の抑制との両立を目的としているに過ぎず、改質層に水素を高濃度に残留させることについて全く着目していない。そして、本発明者らの検討によると、特許文献１及び特許文献２の技術では、エピタキシャル成長後に改質層に残留する水素の濃度が低く、この点において改善の余地があることが判明した。

上記課題に鑑み、本発明は、クラスターイオンを高ドーズ量で照射してゲッタリング能力の向上を図った場合において、エピタキシャル欠陥の発生を抑制しつつ、改質層に水素を高濃度に残留させたエピタキシャルシリコンウェーハを製造することが可能な、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明者らは鋭意研究を進め、以下の知見を得た。すなわち、シリコンウェーハの表面にクラスターイオンを照射すると、シリコンウェーハの表層部は、多量の欠陥（ダメージ）が形成されて改質層となる。改質層に注入された水素の多くは、エピタキシャル成長時の熱処理によって外方拡散してしまうものの、改質層の欠陥に補足された水素は、エピタキシャル成長後にも改質層に残留する。よって、改質層に水素を高濃度に残留させるには、改質層の欠陥量を増加させる必要がある。しかしながら、特許文献２のように、エピタキシャル欠陥の発生を抑制する目的で改質層の結晶性を回復させる熱処理を行うと、改質層の欠陥量は減少するため、改質層に水素を高濃度で残留させることは困難となる。このように、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することと、改質層に水素を高濃度に残留させることとは、二律背反で両立が困難であると思われた。

しかしながら、本発明者らは、特許文献２で行う熱処理の条件を改良することによって、上記の両立が可能であることを見出した。具体的には、シリコンウェーハの昇温速度を所定値以上とし、かつ、３５０℃以上７００℃以下の最高到達温度での保持時間を短時間とすることが重要であることを見出した。

上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）シリコンウェーハの表面に、構成元素として炭素及び水素を含むクラスターイオンを１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上の炭素ドーズ量で照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、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、
その後、非酸化性雰囲気において、前記シリコンウェーハを１０℃／ｓ以上の昇温速度で昇温させて、３５０℃以上７００℃以下の最高到達温度にて１秒以上１００秒以下の間保持する熱処理を行う第２工程と、
その後、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３工程と、
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。

（２）前記第１工程において、前記炭素ドーズ量が２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上である、上記（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。

（３）前記第２工程において、前記最高到達温度が４５０℃以上６５０℃以下である、上記（１）又は（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。

（４）前記第２工程において、前記最高到達温度での保持時間が４秒以上５０秒以下である、上記（１）〜（３）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。

（５）前記第２工程において、前記昇温速度が１５℃／ｓ以上である、上記（１）〜（４）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。

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法によれば、クラスターイオンを高ドーズ量で照射してゲッタリング能力の向上を図った場合において、エピタキシャル欠陥の発生を抑制しつつ、改質層に水素を高濃度に残留させ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。

本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法を説明する模式断面図である。

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、シリコンウェーハ１０に対して改質層１４およびエピタキシャル層１６の厚さを誇張して示す。

（エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法）
本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法は、図１に示すように、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａに、構成元素として炭素及び水素を含むクラスターイオン１２を照射して、シリコンウェーハ１０の表層部に、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ステップＡ，Ｂ）と、その後、シリコンウェーハ１０に対して所定条件の熱処理を行う第２工程（図１ステップＣ，Ｄ）と、その後、シリコンウェーハ１０の改質層１４上にシリコンエピタキシャル層１６を形成する第３工程（図１ステップＥ）と、を有する。シリコンエピタキシャル層１６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。

［第１工程］
シリコンウェーハ１０としては、例えば、表面にエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶シリコンウェーハが挙げられる。単結晶シリコンウェーハとして、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、シリコンウェーハ１０に炭素および／または窒素を添加してもよい。さらに、シリコンウェーハ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、シリコンウェーハ１０としては、バルクの単結晶シリコンウェーハ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を用いてもよい。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。シリコン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。

第１工程では、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａに、構成元素として炭素及び水素を含むクラスターイオン１２を照射する。本明細書における「クラスターイオン」は、電子衝撃法により、ガス状分子に電子を衝突させてガス状分子の結合を解離させることで種々の原子数の原子集合体とし、フラグメントを起こさせて当該原子集合体をイオン化させ、イオン化された種々の原子数の原子集合体の質量分離を行って、特定の質量数のイオン化された原子集合体を抽出して得られる。すなわち、本明細書における「クラスターイオン」は、原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、イオン化したものであり、炭素イオンなどの単原子イオンや、一酸化炭素イオンなどの単分子イオンとは明確に区別される。クラスターイオンの構成原子数は、通常５個〜１００個程度である。このような原理を用いたクラスターイオン注入装置として、例えば日新イオン機器株式会社製のＣＬＡＲＩＳ（登録商標）を用いることができる。

シリコンウェーハ１０に、炭素及び水素を含むクラスターイオン１２を照射すると、その照射エネルギーでシリコンは瞬間的に１３５０〜１４００℃程度の高温状態となり、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及び水素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するクラスターイオンの構成元素である炭素及び水素がシリコンウェーハ表層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。そして、改質層は、シリコンウェーハの深さ方向における炭素及び水素の濃度プロファイルにおいて、少なくとも１つの元素の濃度が急峻なピークとして検出される領域として特定され、概ね、シリコンウェーハの表面から５００ｎｍ以下の表層部となる。

本実施形態において、クラスターイオンの構成元素は炭素及び水素を含むものとし、炭素及び水素からなるものとすることが好ましい。一般に、クラスターイオンの形態で照射された元素は、元素種によっても挙動は異なるが、後述のエピタキシャル層１６の形成過程で多少の熱拡散が起こる。クラスターイオンの構成元素に炭素が含まれる場合、エピタキシャル層１６形成後の炭素濃度プロファイルでは、炭素元素が局所的に存在するピークの両側に、ブロードな拡散領域が形成される。しかし、改質層の厚み（すなわち、ピークの幅）は大きく変化しない。その結果、炭素の析出領域を局所的にかつ高濃度にすることができる。そして、この炭素の局所的な析出領域が強力なゲッタリングサイトとなる。これは、格子位置の炭素原子は共有結合半径がシリコン単結晶と比較して小さいために、シリコン結晶格子の収縮場が形成され、格子間の不純物を引き付けるためである。また、改質層１４はシリコンウェーハの表面近傍、すなわちエピタキシャル層１６の直下に形成されるため、近接ゲッタリングが可能となる。このように、炭素が改質層内に局所的に固溶することにより、高いゲッタリング能力が得られると考えられている。

また、クラスターイオンの構成元素としては水素及び炭素以外の元素を含むことも好ましい。特に、水素及び炭素に加えて、ボロン、リン、ヒ素及びアンチモンからなる群より選択された１又は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、複数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（Ｎｉ）を効率的にゲッタリングすることができ、ボロンの場合、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）を効率的にゲッタリングすることができる。

クラスターイオンの原料となるガス状分子は、所望のクラスターサイズのクラスターイオンを得ることができるものであれば特に限定されない。例えばシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）を原料ガスとすれば、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを生成・抽出することができる。また、炭素源化合物として特にピレン(Ｃ₁₆Ｈ₁₀)、ジベンジル（Ｃ₁₄Ｈ₁₄）などから生成したクラスターＣ_nＨ_m（３≦ｎ≦１６、３≦ｍ≦１０、ｎ及びｍはともに整数）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。

その他の照射条件としては、クラスターサイズ、クラスターイオンのドーズ量、クラスターイオンの加速電圧、およびビーム電流値等が挙げられる。

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る。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。クラスターイオンを構成する各元素のドーズ量は、クラスターイオン種と、クラスターイオンのドーズ量（ｉｏｎｓ／ｃｍ²）で定まる。本実施形態では、ゲッタリング能力の向上を図る観点から、炭素のドーズ量を１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上とし、好ましくは２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上とする。この場合、クラスターイオン照射直後の改質層には、シリコンのアモルファス層が形成される。炭素ドーズ量は、エピタキシャル欠陥の発生を抑制する観点から、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。

水素のドーズ量は１×１０¹⁴〜２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とすることが好ましく、より好ましくは４×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上８×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下とする。１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であれば、エピタキシャル層形成時後も高濃度の水素を改質層に残留させることができ、２×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であれば、エピタキシャル層の表面に大きなダメージを与えるおそれがないからである。

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。本実施形態においては、クラスターイオンの加速電圧を、０ｋｅＶ/Cluster超え２００ｋｅＶ/Cluster未満とすることができ、１００ｋｅＶ/Cluster以下とすることが好ましく、８０ｋｅＶ/Cluster以下とすることがさらに好ましい。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。

クラスターイオンのビーム電流値は、例えば、イオン源における原料ガスの分解条件を変更することにより調整することができ、５０〜５０００μＡの範囲内とすることが好ましい。水素イオンは軽元素であるために、エピタキシャル層１６形成時などの熱処理により拡散しやすく、エピタキシャル層形成後のシリコンウェーハ中に留まり難い傾向にある。そのため、シリコンウェーハにモノマーイオン（単原子イオン）の形態で水素イオンを注入した場合には、注入直後での、シリコンウェーハ表層部における深さ方向の水素濃度プロファイルで１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度のピーク濃度が得られたとしても、エピタキシャル成長後には、該水素濃度プロファイルにおいてピークは消失し、水素濃度は検出下限以下となる。なお、現状のＳＩＭＳによる検出技術では、水素濃度の検出下限は７．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。

これに対して本実施形態では、水素をクラスターイオンの形態で、かつ高いビーム電流値でシリコンウェーハの表面に照射して、表層部のダメージを大きくすることが好ましい。これにより、後続のエピタキシャル層１６の形成後においても、シリコンウェーハ１０のエピタキシャル層１６側の表層部において、水素が高濃度に残存しやすくなる。この目的のため、クラスターイオンのビーム電流値を５０μＡ以上とすることが好ましく、１００μＡ以上とすることがより好ましく、３００μＡ以上とすることがさらに好ましい。

このようにすることで、エピタキシャル成長時の熱処理によって多くの水素は外方拡散してしまうものの、表層部の欠陥に補足された水素はエピタキシャル成長後にも表層部に残留する。その結果、クラスターイオンの照射直後に１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度のピーク濃度となる程度に水素を注入した場合には、エピタキシャル成長後の水素濃度プロファイルにおいても、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、より具体的には１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³前後のピーク濃度のピークが検出される。この改質層中に残留した水素は、後のデバイス形成プロセス時の熱処理によってエピタキシャル層に拡散し、エピタキシャル層内の欠陥をパッシベーションする。

一方、ビーム電流値が過大になると、エピタキシャル層１６にエピタキシャル欠陥が過剰に発生するおそれがあるので、ビーム電流値を５０００μＡ以下とすることが好ましい。

［第２工程］
本実施形態では、第１工程の後に、非酸化性雰囲気において、シリコンウェーハ１０を１０℃／ｓ以上の昇温速度で昇温させて、３５０℃以上７００℃以下の最高到達温度にて１秒以上１００秒以下の間保持する熱処理を行うことが肝要である。すなわち、特許文献２に示すような、エピタキシャル欠陥発生の抑制のみを目的とした結晶性回復熱処理と比べて、シリコンウェーハの昇温速度を大きくし、かつ、最高到達温度での保持時間を短時間とする。これにより、エピタキシャル欠陥の発生を抑制しつつ、エピタキシャル成長後に改質層に残留する水素を高濃度化することができる。

本発明を限定することはないが、本発明者らは、このような効果が得られるメカニズムを以下のように考えている。すなわち、昇温速度を大きくすることによって、昇温中に起きる水素の外方拡散を抑制することができるものと考えられる。また、昇温速度を大きくすることによって、改質層の内部に水素を保持する炭素集合体の形成が促進されるため、短時間の熱処理では水素保持量が大きく低減することはないものと考えられる。また、本発明の条件の熱処理によれば、改質層の少なくとも表面（極表層部）については結晶性が回復しているため、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することもできるものと考えられる。

熱処理の際の非酸化性雰囲気は、窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）、及び水素（Ｈ₂）からなる群から選択される１種以上の気体からなる雰囲気とすることが好ましい。

昇温速度：１０℃／ｓ以上
本実施形態において、シリコンウェーハを室温から後述の最高到達温度まで昇温させる際の昇温速度は、１０℃／ｓ以上とすることは重要である。昇温速度が１０℃／ｓ未満の場合、水素の外方拡散を十分に抑制することができず、また、水素を捕獲する炭素集合体が高密度に形成されないため、エピタキシャル成長後に改質層に残留する水素を高濃度化することができない。このため、昇温速度は１０℃／ｓ以上とし、好ましくは１５℃／ｓ以上とする。昇温速度の上限は特に限定されず、熱処理方式ごとに使用する熱処理装置に依存する。例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）やＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）などの急速昇降温熱処理装置を用いた場合、昇温速度は１０００℃／ｓ以下となり得る。

最高到達温度：３５０℃以上７００℃以下
最高到達温度が３５０℃未満の場合、改質層１６における結晶性の回復が顕著に不十分となるため、多くのエピタキシャル欠陥が発生する。よって、最高到達温度は３５０℃以上とし、好ましくは４５０℃以上とする。一方、最高到達温度が７００℃超えの場合、改質層から水素の外方拡散が顕著に起きるため、エピタキシャル成長後に改質層に残留する水素を高濃度化することができない。よって、最高到達温度は７００℃以下とし、好ましくは６５０℃以下とする。

保持時間：１秒以上１００秒以下
本実施形態において、最高到達温度での保持時間を１００秒以下とすることは重要である。保持時間が１００秒超えの場合、改質層から水素の外方拡散が顕著に起きるため、エピタキシャル成長後に改質層に残留する水素を高濃度化することができない。このため、保持時間は１００秒以下とし、好ましくは５０秒以下とする。一方、最高到達温度での保持時間が１秒未満の場合、シリコンウェーハ表層部の結晶性回復が不十分であるため、エピタキシャル欠陥を抑制することができない。よって、保持時間は１秒以上とし、好ましくは４秒以上とする。

上記の熱処理の後は、シリコンウェーハを室温まで放冷した後、後述のエピタキシャル成長を行う。最高到達温度から室温までの降温速度は特に限定されず、熱処理方式ごとに使用する熱処理装置に依存する。例えば、ＲＴＡやＲＴＯなどの急速昇降温熱処理装置を用いた場合、降温速度は５〜５０℃／ｓ程度となり、縦型熱処理装置（バッチ炉）を用いた場合、降温速度は０．１〜１℃／ｓ程度となる。

熱処理方式は特に限定されないが、上記の熱処理条件を実現しやすいことから、ＲＴＡによる加熱とすることが好ましい。なお、縦型熱処理装置（バッチ炉）による抵抗加熱は、通常、昇温速度が０．５〜１．５℃／ｓ程度であり、１０℃／ｓ以上にすることができない。

［第３工程］
シリコンエピタキシャル層１６は、一般的な条件により形成することができる。まず、シリコンウェーハをエピタキシャル成長装置内に投入し、水素ベーク処理を行う。水素ベーク処理の一般的な条件は、エピタキシャル成長装置の炉内を水素雰囲気とし、６００〜９００℃の炉内温度でシリコンウェーハを炉内に投入し、１〜１５℃／ｓの昇温レートで１１００〜１２００℃の温度範囲にまで炉内温度を昇温させ、その温度で３０〜６０秒の間保持するものである。この水素ベーク処理は、シリコンウェーハ表面に形成された自然酸化膜をエピタキシャル成長前に除去することを目的に行う。引き続き、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炉内に導入し、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℃の範囲の炉内温度でＣＶＤ法によりシリコンウェーハ１０上にシリコンエピタキシャル層１６を成長させることができる。シリコンエピタキシャル層１６は、厚さを１〜１５μｍの範囲内とすることが好ましい。厚さが１μｍ未満の場合、シリコンウェーハ１０からのドーパントの外方拡散によりシリコンエピタキシャル層１６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ためである。

以上説明した本実施形態の製造方法によって、クラスターイオンを高ドーズ量で照射してゲッタリング能力の向上を図った場合において、エピタキシャル欠陥の発生を抑制しつつ、改質層に水素を高濃度に残留させ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。

（半導体デバイスの製造方法）
本発明の一実施形態による半導体デバイスの製造方法は、上記エピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法の各工程と、シリコンエピタキシャル層１６に半導体デバイスを形成する工程と、を有することを特徴とする。この製造方法によれば、デバイス形成プロセスにおいて、シリコンエピタキシャル層における水素によるパッシベーション効果が十分に発揮される。

シリコンエピタキシャル層１６に形成する半導体デバイスは特に限定されず、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＤＲＡＭ、パワートランジスタおよび裏面照射型固体撮像素子などを挙げることができる。

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、厚み：７７５μｍ、ドーパント種類：リン、抵抗率：２０Ω・ｃｍ）を用意した。次いで、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、ＣＬＡＲＩＳ（登録商標））を用いて、原料ガスとしてシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）を用いてＣ₃Ｈ₅クラスターイオンを生成及び抽出し、加速電圧８０ｋｅＶ／Ｃｌｕｓｔｅｒ（炭素１原子あたりの加速電圧２３．４ｋｅＶ／ａｔｏｍ、水素１原子あたりの加速電圧２．０ｋｅＶ／ａｔｏｍ）の照射条件でシリコンウェーハの表面に照射した。なお、クラスターイオンを照射した際のドーズ量を６．６×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²とした。炭素原子数に換算すると２．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であり、水素原子数に換算すると４．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²である。また、クラスターイオンのビーム電流値を８５０μＡとした。

次いで、クラスターイオン照射後のシリコンウェーハに対して、表１に記載の熱処理条件の熱処理を施した。表１の熱処理方式に関して、「ＲＴＡ加熱」はハロゲンランプによる加熱を意味し、「抵抗加熱」は縦型熱処理装置による抵抗加熱を意味する。熱処理の際の雰囲気は、全水準で１００体積％窒素（Ｎ₂）とした。

次いで、熱処理後後の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、１１２０℃でＣＶＤ法により、シリコンウェーハの改質層が形成された側の表面上にシリコンエピタキシャル層（厚さ：５μｍ、ドーパント種類：リン、抵抗率：１０Ω・ｃｍ）をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルシリコンウェーハを得た。

［評価１：ＳＩＭＳによる炭素及び水素濃度プロファイルの評価］
各水準のエピタキシャルシリコンウェーハについて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）による測定によって、シリコンエピタキシャル層表面からの深さ方向における炭素及び水素の濃度プロファイルを測定した。その結果、各水準において、シリコンウェーハの表層部の２０〜１００ｎｍ（つまり、シリコンエピタキシャル層／シリコンウェーハの界面から２０〜１００ｎｍ）において、改質層が特定された。

［評価２：ゲッタリング能力の評価］
各水準のエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の表面を、Ｎｉ汚染液を用いてスピンコート汚染法により強制的に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において１０００℃で１０分間の熱処理を施した。その後、各エピタキシャルウェーハについてＳＩＭＳ測定を行い、ウェーハの深さ方向におけるＮｉ濃度プロファイルを測定し、ピーク面積を求めた。ピーク面積が大きいほど、多くのＮｉを捕獲できているため、ゲッタリング能力が高いと評価できる。熱処理なしのＮｏ．１のＮｉ捕獲量を基準とした相対値として、結果を表１に示す。

［評価３：エピタキシャル欠陥の評価］
各水準の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 ＳＰ−１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｈｏｒ社製）を用いて観察評価し、ＬＰＤの発生状況を調べた。その際、観察モードはＯｂｌｉｑｕｅモード（斜め入射モード）とし、表面ピットの推定は、Ｗｉｄｅ Ｎａｒｒｏｗチャンネルの検出サイズ比に基づいて行った。続いて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて、ＬＰＤの発生部位を観察評価して、ＬＰＤが積層欠陥（ＳＦ：Stacking Fault）であるか否かを評価した。結果を表１に示す。

［評価４：注入領域の水素保持量の評価］
評価１で得られた水素濃度プロファイルから求めたピーク面積を、「注入領域の水素保持量」とした。結果を表１に示す。

［評価結果］
表１から明らかなように、発明例及び比較例ともに、炭素ドーズ量を高めたことによって十分なゲッタリング能力を得られている。さらに、発明例では、エピタキシャル欠陥の低減と、注入領域の水素保持量の増加との両立を実現することができている。しかし、比較例では、エピタキシャル欠陥が増加してしまうか、注入領域の水素保持量が低いかのどちらかの問題が発生している。

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法によれば、クラスターイオンを高ドーズ量で照射してゲッタリング能力の向上を図った場合において、エピタキシャル欠陥の発生を抑制しつつ、改質層に水素を高濃度に残留させ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。

１００ エピタキシャルシリコンウェーハ
１０ シリコンウェーハ
１０Ａ シリコンウェーハの表面
１２ クラスターイオン
１４ 改質層
１６ シリコンエピタキシャル層

Claims (5)

1. シリコンウェーハの表面に、ビーム電流値が５０〜５０００μＡの条件下で、構成元素として炭素及び水素を含むクラスターイオンを１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上の炭素ドーズ量、かつ、１×１０ ^１４ 〜２×１０ ^１６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ の水素ドーズ量で照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、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、
   その後、非酸化性雰囲気において、前記シリコンウェーハを１０℃／ｓ以上の昇温速度で昇温させて、３５０℃以上７００℃以下の最高到達温度にて１秒以上１００秒以下の間保持する熱処理を行う第２工程と、
   その後、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３工程と、
   を有し、エピタキシャル成長後の水素濃度プロファイルにおいて、前記改質層に１×１０ ^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上のピーク濃度を有するエピタキシャルシリコンウェーハを製造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。
2. 前記第１工程において、前記炭素ドーズ量が２×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上である、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。
3. 前記第２工程において、前記最高到達温度が４５０℃以上６５０℃以下である、請求項１又は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。
4. 前記第２工程において、前記最高到達温度での保持時間が４秒以上５０秒以下である、請求項１〜３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。
5. 前記第２工程において、前記昇温速度が１５℃／ｓ以上である、請求項１〜４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。
   
   

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