JPH03273639A - ゲッタリング効果増強シリコン基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、集積回路などエレクトロニクスデバイス製造
において用いられるシリコン半導体基板材料及びその製
造方法に関するものである。特に、本発明は、デバイス
製造中に受ける汚染不純物をシリコン基板内のデバイス
領域から除去する効果（ゲッタリング効果）を増強する
目的のシリコン基板材料及びその製造方法に関するもの
である。

［従来の技術］ シリコン基板を用いた、集積回路などデバイスの製造に
おいて、汚染不純物がデバイス領域及びその近傍に導入
されると、電気伝導度を変化させたり、転位などの結晶
欠陥を誘発するなどによって電流漏れを生じさせ、デバ
イスの収率′を劣化させる。この汚染不純物を、シリコ
ン基板内のデバイス領域外に結晶欠陥を制御導入するこ
とによって、欠陥の歪場などに、吸収させ除去する効果
はゲッタリング効果（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃ
ｔ）と呼ばれる。

このゲッタリング効果を有するシリコン基板は、デバイ
スの集積度が向上するにつれ、収率を維持あるいは向上
させることができる基板として、エレクトロニクス工業
分野において、使用され始めている。

現在、使用されかつ有効なゲッタリング能力を発揮する
基板は、内因性ゲッタリング効果（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ
　ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用するもの
と、外因性のゲッタリング効果（ｅｘｔｒｔｎｓｉｃ　
ｇｅｔｔｃｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用するものに
分類される。

内因性のゲッタリング効果とは、シリコン基板材料に含
有される酸素不純物を利用し、熱処理により、酸素析出
物を基板内部に形成し、その酸素析出物と酸素析出によ
って二次的に誘発される転位などの結晶欠陥を、汚染不
純物吸収位置として、利用する方法である。この酸素析
出物を利用した内因性ゲッタリング効果については、「
アプライド・フィジックス・レターズＪ　（Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）　１９７７年２
月、第３０巻、第１７５頁に記載され、またその他多く
の文献で議論されている。

外因性のゲッタリンク効果とは、シリコン基板裏面に加
工処理を施すことによって結晶歪場を導入し、汚染不純
物をその上場に吸収させ、除去する方法である。現在、
実用的に用いられている方法は、研磨や砥粒噴射手段に
よって、シリコン基板裏面に機械的損傷を与え、結晶歪
を導入する方法と、多結晶シリコン層をシリコン基板裏
面に堆積し、多結晶層の結晶粒界位置の結晶歪を利用す
る方法がある。機械的損傷を付与する方法は、米国特許
箱４，１４４，０９９号に記載され、後者の多結晶シリ
コン層堆積による方法は、米国特許箱４，０５３，３３
５号に記載されている。他の、外因性ゲッタリング手段
としては、ホウ素やリンを過剰に拡散する方法、イオン
インプランテーション（ｉｏｎ　ｉｍｐｌａｎｔａｔｉ
ｏｎ）法、多結晶シリコン層を堆積する代わりに、窒化
シリコン層を堆積する方法が提案されており、それらに
ついては、例えば、文献「応用物理Ｊ　１９７９年２月
、１４０頁などに記載されている。

［発明が解決しようとする課題」 ゲッタリング効果の有効性については、従来から、シリ
コン基板の電気的特性の一つである、少数キャリア寿命
（ｍｉｎｏｒｉｔｙ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｌｉｆｅｔｉｍ
ｅ）測定によって確認されている。すなわち、例えば、
特開昭５９−１８６，３３１号公報に記されているよう
に、多結晶シリコン層堆積法にょるゲッタリング効果に
よって、少数キャリア寿命が大幅に延び、改善される。

しかしながら、課題として、（１）最近、全てのゲッタ
リング方法が、多様な汚染不純物元素に対して必ずしも
有効でないことが明らかになったこと、および（２）酸
素不純物を含有しないシリコン基板では、酸素不純物に
ょるゲッタリング手段（内因性ゲッタリング）を用いる
ことができないことがある。

課題（１）の具体例として、例えば、１９８９年春季第
３６回応用物理学関係連合講演会シンポジウムダイジェ
スト「シリコン結晶のゲッタリングと欠陥制御Ｊ　　（
１９８９年５月１５日発行）、第９頁および第２４頁で
は、鉄不純物元素は酸素析出物に有効に吸収され、内因
性ゲッタリング手段が有効であるが、機械的損傷などに
よる外因性ゲッタリング手段では効果が弱いことが報告
されている。また、１９８８年日本金属学会秋期大会シ
ンポジウム「シリコン結晶の将来と結晶欠陥」講演予稿
（１９８８年１１月）第１５６頁では、銅不純物元素に
対する各秤ゲッタリング効果が調べられ、多結晶シリコ
ン層堆積方法と酸素析出物ゲッタリング方法が有効であ
ると報告されている。

鉄や銅などの、金属元素は、単結晶育成過程において原
料シリコンに極微量台まれる不純物として、また、デバ
イス製造工程中にガスや水配管材料およびデバイス製造
装置本体材料から発せられる汚染不純物として、シリコ
ン基板材料に混入し、デバイスの収率を劣化させる代表
的な元素として知られている。したがって、多様な汚染
不純物元素に対して有効なゲッタリング手段が必要とな
っている。

課題（２）は、内部に酸素不純物を含有しない、あるい
は酸素析出が起こらないデバイス製造熱処理工程を経る
シリコン基板のゲッタリング効果の増強である。通常、
集積回路製造に用いられているシリコン基板の大部分は
、石英ルツボ内のシリコン融成に種結晶を浸漬し、種結
晶位置から、融液が単結晶成長し固化したものを引き上
げる、「引き上げ法」によって作製されたもので、石英
ルツボの融Ｉ夜への溶は込みによって、石英ルツボの構
成元素の一つである酸素元素が融液に溶は込み、その結
果、育成された単結晶は酸素を比較的多く、（２０ｐｐ
ｍａ）含有したものとなる。このシリコン基板を用いる
と、通常はデバイス製造熱処理工程（工程総合で９００
℃以上の温度で、長期間熱処理を受ける）において、酸
素析出物が発生し、内因性ゲッタリング効果を持たせる
ことができる。しかし、「帯溶融法」と呼ばれる方法で
、多結晶インゴットの一部を帯状に溶融させて単結晶を
形成する方法で作られたシリコン基板は、ｐ　ｐ　ｍ　
ａレベル以下の不純物酸素しか含有しない。

この場合、外因性ゲッタリング効果を付与することがで
きるが、鉄汚染元素のゲッタリングに有効な内因性ゲッ
タリング、すなわち、酸素析出物によるゲッタリング効
果を持たせることができない。

また、上で述べた通常のデバイス製造熱処理工程を経ず
、比較的低温（９００℃以下、短時間熱処理）の熱処理
によって製造するデバイスでは、不純物酸素含ｆｆｆｆ
１の多い「引き上げ法」によるシリコン基板でも酸素析
出物が形成されにくい。この場合も、酸素析出物による
内因性ゲッタリング効果を持たせることができない。

本発明は、上記課題に鑑み、外因性に酸素析出物領域を
形成し、酸素析出物によるゲッタリング効果を持たせる
とともに、従来から提案されている多結晶シリコン層堆
積法などの外因性ゲッタリング手段との組合せによって
、多様な汚染元素をに対応できるゲッタリング能力を増
強させるシリフン基板を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の目的のために次のゲッタリング効果増
強単結晶シリコン基板とその製造方法を提供する。

（１）単結晶シリコン基板裏面側（デバイス作製面の反
対面）に、多結晶シリコン層を有するシリコン基板にお
いて、前記単結晶シリコン基板と前記多結晶シリコン層
の境界面に酸素濃度の高い微細な島状領域が全面に形成
されている。ゲッタリング効果増強シリコン基板。

（２）単結晶シリコン基板裏面側に、酸素あるいは酸素
−窒素混合雰囲気中で５ナノメートル以下に極薄膜厚の
酸化膜形成後、酸化膜上に多結晶シリコンを堆積し、前
記多結晶シリコンを堆積したシリコン基板を１０００　
℃〜１２００　℃で熱処理を施すことを特徴とするゲッ
タリング効果増強シリコン基板の製造方法。

（３）酸化膜形成方法が、酸素イオンインプランテーシ
ョン法である前記第２項に記載のゲッタリング効果増強
シリコン基板の製造方法。

［作用］ 単結晶シリコン基板の酸化膜は、通常、酸化雰囲気中（
酸素ガス、酸素と窒素の混合ガス、および水蒸気ガス）
で９００℃〜１２００℃の高温熱酸化法によって形成さ
れる。熱酸化方法は、例えは、文献、ニス・エム・スゼ
ｒＶＬｓＩ　　テクノｏシー　Ｊ　Ｓ、　Ｍ、　　Ｓ　
ｚ　ｅ　ｒＶＬｓＩ　Ｔ［Ｃｌ１Ｎ０ＬＯＧＹ　Ｊ　）
（１９８３年発行）　　（ＭｅＧｒａｗ−１１ｉｌＩ　
Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ出版）第１４９頁に記載され
ている。５ｎｍ以下の極薄酸化膜を形成するためには、
酸素ガスあるいは酸素と窒素の混合ガスによる熱酸化が
、酸化膜厚制御が容易で簡便である。

また、多結晶シリコンの堆積は、工業的には、化学蒸着
法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ：ＣＶＤ）が、主として用いられる。シリコン元素
含有材料、例えばシランまたはトリクロロシラン（塩素
化シリコン）を材料ガスとし、６００°Ｃ〜８００℃の
温度範囲で、シランガスの熱分解反応やトリクロロシラ
ンカスの水素カスなどの還元材による還元反応によって
、シリコン基板上にシリコン元素を析出させる。前記方
法は、例えば、特開昭５９−１８６．３３１号公報に詳
細に記載されている。他の方法としては、周知の分子線
エピタキシー（Ｎｏ　１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａａ＋　Ｅ
ｐｉｔａｘｙ　：ＭＢＥ）など、原理的には真空蒸着法
である、物理的蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）がある。真空蒸着法で
は、シリコン基板温度が、約８００℃以上で単結晶シリ
コンが析出（単結晶シリコン基板上に単結晶シリコンを
堆積させる方法をエピタキシーと呼ばれる）するが、８
００℃以下では、多結晶シリコンあるいは非晶質シリコ
ンが析出することが知られている。分子線エピタキシー
法については、例えば文献（「シン・ソリッド・フィル
ムス（Ｔｈｉｎ　ＳｏｌｉｄｓＦｉｌｍｓ）　Ｊ　１９
８３年、第１０６巻、第３頁〜１３６頁に詳細に記載さ
れている。単結晶シリコン基板裏面に堆積した、多結晶
シリコン層の厚さが厚すぎると、シリコン基板が弓形に
ゆがんだり、熱処理中の多結晶シリコンと単結晶シリコ
ンの熱膨張率の違いから反り変形を生じさせることがあ
ることが知られている。シリコン基板のゆがみゃ反り変
形は、デバイス製造において、収率悪化の原因となる。

特開昭５９−１８６，３３１号では、シリコン基板にゆ
がみや反り変形を生じさせず、有効なゲッタリング能力
を発揮する多結晶シリコン層の厚さは０．０５〜５．０
ミクロン、最適厘さは、０．６〜１．０ミクロンである
と報告している。　本発明は、以上の方法で、シリコン
基板に極薄膜厚の酸化膜形成後、多結晶シリコン層を堆
積し、短時間高温熱処理を加えると、多結晶シリコン層
と基板シリコン界面の酸化膜が軟化し、表面張力によっ
て分離変化し酸素析出物を形成する。第１図と本発明の
概念図を示す。本発明の単結晶シリコン基板を製造する
のに必要な温度範囲は１０００℃〜１３００℃で、酸化
膜の厚さは５ナノメートル以下である。酸化膜の酸素析
出物への分離変化には、酸化膜の厚さと熱処理温度が依
存する。酸化膜厚さが、５ナノメートルを越え厚くなる
と、酸化膜のまま安定で酸素析出物には変化しない。一
方、熱処理温度は、低いほど酸素析出物を細密化し、ゲ
ッタリング位置を増加させ好ましいが、１０００℃未満
になると、酸化膜の軟化が起こりに＜＜、酸素析出物へ
の分離変化に長時間を要し、経済上実際適ではない。ま
た、高温はど、短い熱処理時間で酸素析出物は形成する
が、その密度は低くなり、１３００℃を越えると、酸化
膜および酸素析出物の分解が顕著になり、分解した酸素
はシリコン基板外へ拡散してしまい酸素析出物を形成し
ないことが判明した。最適な熱処理温度は、１１００℃
〜１２００℃である。前記条件下で、５〜１０ｎｍ径の
微細な島状酸素析出物を、多結晶シリコン層と基板シリ
コン界面全面に形成することができた。

シリコンの酸化物は、鉄元素不純物のゲ・ンタリングに
有効であることが、例えば、文献、１９８９年春季第３
６回応用物理学関係連合講演会シンポジウムダイジェス
ト「シリコン結晶のゲッタリングと欠陥制御Ｊ　　（１
９８９年５月１５日発行）第９頁で報告されている。し
かしながら、銅など他の不純物元素に対しては、多結晶
シリコンの結晶粒界が有効であることが判明しているが
、界面に酸化膜のまま存在していると、その酸化膜が、
不純物銅元素の多結晶シリコン層への拡散を妨げてしま
う。したがって、酸化膜が析出物に分離変化することに
よって、酸化物と基板シリコンの界面を増やし、ゲッタ
リング面積を増すとともに、多結晶シリコン拉界でのゲ
ッタリングも有効に起こさせ、界面析出物と多結晶シリ
コン層でのゲッタリングも相乗増加し、デバイスに有害
な不純物元素を除去することができる。

酸化膜が分離変化して析出物になると、基板シリコンと
多結晶シリコン層が密着する領域が生じ、その結果、１
１００℃程度の温度で、多結晶シリコン層が基板側から
基板シリコンと同じ結晶成長方向で、単結晶化する。こ
の単結晶化した領域を通じて、基板側から、多結晶側へ
、汚染不純元素が拡散し、結晶粒界で吸収され除去され
る。

本発明の主旨は、基板シリコン裏面の多結晶層と基板シ
リコン界面付近に酸素の析出物を形成することであるが
、極薄酸化膜形成の代わりに、表面に酸素濃度富化領域
を形成しておいても、界面析出物が形成される。例えば
、従来技術として既に知られている、酸素イオンのイン
プランテーション（イオン打ち込み）や酸素雰囲気中で
の熱処理拡散である。前者は、文献「ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａ
ｎｃｓｃ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ）第５巻、１９６６年第７３７頁に記載さ
れ、後者は「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）　Ｊ第
４１巻、１９８２年第８７１頁に酸素富化方法が記載さ
れている。これらの方法は、酸素を含有しない、「帯溶
融法」で作製したシリコン基板などの局所的酸素富化方
法として有効で、この方法を、界面酸素析出物を形成に
利用することは容易である。

［実施例コ 実施例では、１２５ｃｍ径の単結晶シリコン基板を用い
た。作製した単結晶シリコン基板の断面構造の、透過型
電子顕微鏡観察結果を第２図および第３図に示す。第２
図は、単結晶シリコン基板を６５０℃で３０分、窒素お
よび酸素の混合ガス中で熱処理し１．５ナノメートルの
極薄膜厚の酸化膜形成後、多結晶シリコンを堆積させた
基板裏面の断面構造を示す。多結晶シリコンの堆積は、
シランカスを原料ガスとし、基板温度６５０℃で５Ｏ分
、低圧化学蒸着法にて堆積させた。多結晶シリコン厚さ
は、８００ナノメートルであった。このようにして、作
製した基板を、次に窒素ガス中で１１００℃で１時間熱
処理を施すと、多結晶シリコン層および単結晶シリコン
基板界面において、極薄酸化膜が分離変化し酸素析出物
が形成した。

この構造の透過電子顕微鏡による観察結果を第３図に示
す。

次に、本発明シリコン基板のゲ・ンタリング能力を、文
献、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃＳ第２７巻、１９８８年、Ｌ２
３６１頁に記載されている方法で、銅元素を故意に本発
明単結晶シリコン基板上に汚染、拡散され、銅元素の分
布状況を二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　
Ｉｏｎ　ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ
）で調べた。その故意汚染方法は、シリコン基板を回転
させておき、基板上から、不純物元素の溶液を垂らし、
基板上に均一に汚染元素を塗布する方法で、銅元素を本
発明シリコン基板上に約１０１４原子／ｃｄ汚染した後
、１０００℃、酸素ガス中で２５分熱処理し、汚染銅元
素を拡散させた。銅元素の分布状況：Ａ杏結果を第４図
に示す。銅元素は、シリコン基板裏面の、多結晶シリコ
ン層および界面酸素析出物領域で大量に検出され、ゲッ
タリング効果を生じていることが明らかとなった。さら
に、界面酸素析出物領域（第４図中、矢印で明示）で、
多結重層に比べて、銅元素の吸収量が約２倍で、ゲッタ
リング効果が増強されている。また、先に述べたように
、鉄元素のゲッタリング効果が界面酸素析出物で期待さ
れる。

［発明の効果コ 本発明は、多結晶シリコン層と基板シリコン界面に外回
性に酸素析出物を形成することである。

この結果、従来法である多結晶シリコン層によるゲッタ
リング効果と酸素析出物によるゲッタリング効果が相乗
的に増強してその効果を発揮する。

その結果、デバイス製造工程において、有害な汚染不純
物を、多種元素に対して有効にデバイス活性領域から除
去することができる。特に、内部に酸素を含有しないシ
リコン基板にたいして、酸素析出物によるゲッタリング
効果を持たせることができるようになる。回路の集積度
の向上にともない不純物汚染の機会を受けやすくなった
、最近のエレクトロニクスデバイス製造に、本発明シリ
コン基板を提供することにより、デバイス収率の向上と
いう効果を及ぼす。

作用の点から、類推できるように、本発明シリコン基板
はデバイス製造工程において、高価で煩雑な工程を新規
に導入する事なく、極薄酸化膜形成とその上の堆積膜形
成を経る工程を通すことでも、有効な界面酸素析出物ゲ
ッタリング高価を富化することできる。また、極薄酸化
膜上の堆積膜は、多結晶シリコンを堆積する方法に限ら
ず、他の外因的ゲッタリング方法として提案さている堆
積膜、例えば窒化シリコン膜なども有効であることが容
易に推測できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、多結晶シリコン層と基板シリコン界面に酸素
析出物を外因的に形成し、ゲッタリング効果を増強した
シリコン基板の概念図、第２図は本発明シリコン基板の
実施例。作製シリコン基板の断面構造を透過型電子顕微
鏡で高分解観察した結果を示す図、 第３図は本発明である、ゲッタリング効果増強シリコン
基板の実施例２°作製シリコン基板の断面構造を、透過
型電子顕微鏡観察した結果を示す図、 第４図は本発明シリコン基板を用い、銅元素のゲッタリ
ング効果を調べた結果を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコン基板裏面側（デバイス作製面の反
   対面）に多結晶シリコン層を有するシリコン基板におい
   て、前記単結晶シリコン基板と前記多結晶シリコン層の
   境界面に酸素濃度の高い微細な島状領域が全面に形成さ
   れているゲッタリング効果増強シリコン基板。
2. （２）単結晶シリコン基板裏面側に、酸素あるいは酸素
   ・窒素混合雰囲気中で５ナノメートル以下の極薄膜厚の
   酸化膜形成後、酸化膜上に多結晶シリコンを堆積し、前
   記多結晶シリコンを堆積したシリコン基板を１０００℃
   〜１２００℃で熱処理を施すことを特徴とするゲッタリ
   ング効果増強シリコン基板の製造方法。
3. （３）酸化膜形成方法が、酸素イオンインプランテーシ
   ョン法である請求項２記載の方法。