TWI726628B - 半導體磊晶晶圓及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓的製造方法。本揭示的半導體磊晶晶圓100的製造方法的特徵在於具有：第一步驟，對半導體晶圓10的表面10A照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子12，在該半導體晶圓10的表層部形成固溶有所述簇離子的構成元素的改質層14；以及第二步驟，在所述半導體晶圓10的改質層14上形成磊晶層16。

Description

半導體磊晶晶圓及其製造方法
本發明是有關於一種半導體磊晶晶圓及其製造方法。
在以矽晶圓為代表的半導體晶圓上形成有磊晶層的半導體磊晶晶圓被用作用以製作金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)、功率電晶體(power transistor)及背面照射型固體攝像元件等各種半導體器件(device)的器件基板。
此處，使半導體器件的特性劣化的主要原因可列舉金屬污染。例如在背面照射型固體攝像元件中，混入至成為該元件的基板的半導體磊晶晶圓中的金屬成為使固體攝像元件的暗電流增加的主要原因，產生被稱為白痕缺陷的缺陷。背面照射型固體攝像元件藉由將配線層等配置於較感測器部更靠下層的位置，而將來自外部的光直接引入至感測器中，在暗處等亦可拍攝更清晰的圖像或動畫，因此近年來被廣泛地用於數位視訊攝影機(digital video camera)或智慧型手機(smartphone)等行動電話中。因此，期望儘力減少白痕缺陷。
晶圓中的金屬混入主要是在半導體磊晶晶圓的製造步驟及固體攝像元件的製造步驟(器件製造步驟)中產生。可認為前者的半導體磊晶晶圓的製造步驟中的金屬污染是由源自磊晶成長爐的構成材料的重金屬顆粒所致，或者由於使用氯系氣體作為磊晶成長時的爐內氣體，因此是由其配管材料發生金屬腐蝕而產生的重金屬顆粒所致等。近年來，對於該些金屬污染而言，藉由將磊晶成長爐的構成材料更換成耐腐蝕性優異的材料等而在某種程度上得到了改善，但並不充分。另一方面，在後者的固體攝像元件的製造步驟中，在離子注入、擴散及氧化熱處理等各處理中，半導體基板的重金屬污染令人擔憂。
為了抑制此種重金屬污染，有在半導體晶圓中形成用以捕獲重金屬的吸除點(gettering site)的技術。作為其方法之一，在半導體晶圓中注入離子，其後形成磊晶層的方法已為人所知。在該方法中，離子注入區域作為吸除點而發揮功能。
在專利文獻1中記載有一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其具有對半導體晶圓的表面照射C3H3等構成元素包含碳及氫的簇離子(cluster ion)，在該半導體晶圓的表層部形成固溶有所述簇離子的構成元素的改質層的步驟、以及在所述半導體晶圓的改質層上形成磊晶層的步驟。
[現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2012/157162號
專利文獻1示出了照射構成元素包含碳及氫的簇離子而形成的改質層與注入碳的單體離子而獲得的離子注入區域相比，可獲得更高的吸除能力。然而，為了進一步提高半導體器件的特性，需要提供具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓。
鑒於所述課題，本發明的目的在於提供一種具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓及其製造方法。
為了解決所述課題，本發明者們進行了銳意研究，得到以下的見解。即，為了進一步提高專利文獻1中的改質層的吸除能力，例如有效的是加大簇離子的劑量。然而，若過度加大劑量，則在其後形成的磊晶層中會產生大量磊晶缺陷。因此，本發明者們探索一種即便不提高劑量亦可提高吸除能力的方法，想到藉由進而追加碳與氫以外的元素作為構成簇離子的元素來實現吸除能力的提高。
本發明者們考慮到了使用包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子。氮原子是不影響電阻率特性的原子，但由於氮原子的質量數比碳原子大，因此即便碳劑量為相同程度，對半導體晶圓表面的照射損傷亦會變大，從而擔心磊晶缺陷的增加。但是，根據本發明者們的實驗，確認到可得到不產生磊晶缺陷，吸除能力優異的半導體磊晶晶圓。
基於所述見解而完成的本發明的主旨構成如下。
(1)一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其特徵在於具有：第一步驟，對半導體晶圓的表面照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子，在所述半導體晶圓的表層部形成固溶有所述簇離子的構成元素的改質層；以及第二步驟，在所述半導體晶圓的改質層上形成磊晶層。
(2)如所述(1)所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中利用CxHyNz表示所述簇離子中的碳、氫及氮的原子數時，x為16以下的正的整數，y為50以下的正的整數，並且z為16以下的正的整數。
(3)如所述(1)或(2)所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中所述簇離子的劑量為1×1014ions/cm2以上且2×1015ions/cm2以下。
(4)如所述(1)~(3)中任一項所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中所述第二步驟後的所述改質層的深度方向上的氮濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3以上且1×1021atoms/cm3以下。
(5)一種半導體磊晶晶圓，其特徵在於，具有：半導體晶圓；改質層，形成於所述半導體晶圓的表層部，在所述半導體晶圓中固溶碳、氫及氮而成；以及磊晶層，形成於所述改質層上， 所述改質層的深度方向上的碳濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3以上且1×1021atoms/cm3以下，所述改質層的深度方向上的氫濃度分佈的峰值濃度為1×1017atoms/cm3以上且1×1019atoms/cm3以下，所述改質層的深度方向上的氮濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3以上且1×1021atoms/cm3以下。
(6)如所述(5)所述的半導體磊晶晶圓，其中所述碳濃度分佈、所述氫濃度分佈及所述氮濃度分佈的半值寬度均為200nm以下。
(7)如所述(5)或(6)所述的半導體磊晶晶圓，其中所述碳濃度分佈、所述氫濃度分佈及所述氮濃度分佈的峰值位置均存在於自所述改質層的表面起至深度150nm為止的範圍內。
根據本發明的半導體磊晶晶圓的製造方法，可製造具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓。本發明的半導體磊晶晶圓具有更高的吸除能力。
100:半導體磊晶晶圓
10:半導體晶圓
10A:半導體晶圓的表面
12:簇離子
14:改質層
16:磊晶層
圖1是對本發明的一實施形態的半導體磊晶晶圓100的製造方法進行說明的示意剖面圖。
圖2是表示發明例(CH4N)中的碳、氫及氮的濃度分佈的圖 表。
圖3的(A)是表示發明例(CH4N)中被Ni強制污染後的碳及Ni的濃度分佈的圖表，圖3的(B)是表示發明例(CH4N)中被Cu強制污染後的碳及Cu的濃度分佈的圖表。
圖4是表示發明例(CH4N)及比較例(C3H5)中的Ni及Cu的捕獲量的圖表。
圖5是發明例(CH4N)及比較例(C3H5)中的簇離子注入區域的剖面穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)圖像。
圖6是表示發明例(CH4N)及比較例(C3H5)中基於電腦輔助設計技術(Technology Computer-Aided Design，TCAD)模擬的損傷濃度分佈的圖表。
以下，參照附圖來對本發明的實施形態進行詳細說明。另外，在圖1中，為了便於說明，與實際的厚度的比例不同，相對於半導體晶圓10誇張地表示改質層14及磊晶層16的厚度。
(半導體磊晶晶圓的製造方法)
如圖1所示，本發明的一實施形態的半導體磊晶晶圓100的製造方法具有：第一步驟(圖1步驟(step)A、步驟B)，對半導體晶圓10的表面10A照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子12，在該半導體晶圓10的表層部形成固溶有所述簇離子12的構 成元素的改質層14；以及第二步驟(圖1步驟C)，在所述半導體晶圓10的改質層14上形成磊晶層16。磊晶層16成為用於製造背面照射型固體攝像元件等半導體元件的器件層。
[第一步驟]
作為半導體晶圓10，例如可列舉包含矽、化合物半導體(GaAs、GaN、SiC)且在表面不具有磊晶層的塊狀的單晶晶圓，在製造背面照射型固體攝像元件的情況下，通常使用塊狀的單晶矽晶圓。而且，作為半導體晶圓10，可使用利用線鋸(wire saw)等將藉由柴可斯基法(Czochralski，CZ法)或浮融區法(Floating Zone，FZ法)所成長的單晶矽錠切片(slice)所得的晶圓。而且，為了獲得更高的吸除能力，亦可在半導體晶圓10中添加碳及/或氮。進而，亦可在半導體晶圓10中添加規定濃度的任意的摻雜劑，製成所謂n+型或者p+型、或n-型或者p-型的基板。
而且，作為半導體晶圓10，亦可使用在塊狀半導體晶圓表面上形成有半導體磊晶層的磊晶晶圓。例如為在塊狀單晶矽晶圓的表面上形成有矽磊晶層的磊晶矽晶圓。該矽磊晶層可藉由化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法在通常的條件下形成。磊晶層較佳為將厚度設為0.1μm~20μm的範圍內，更佳為設為0.2μm~10μm的範圍內。在該情況下，半導體磊晶晶圓100具有包括磊晶層16與未圖示的半導體晶圓的磊晶層的多個磊晶層。
在第一步驟中，對半導體晶圓10的表面10A照射包含 碳、氫及氮作為構成元素的簇離子12。本說明書中的「簇離子」是藉由如下方式而獲得：利用電子碰撞法使電子與氣體狀分子相撞而使氣體狀分子的鍵結解離，藉此製成各種原子數的原子集合體，並產生碎片(fragment)而使該原子集合體離子化，並且進行經離子化的各種原子數的原子集合體的質量分離，進而抽出特定質量數的經離子化的原子集合體。即，本說明書中的「簇離子」為對多個原子集合成塊而成的簇賦予正電荷或負電荷並加以離子化而成者，可明確區別為碳離子等單原子離子、或一氧化碳離子等單分子離子。簇離子的構成原子數通常為5個~100個左右。作為使用了此種原理的簇離子注入裝置，例如可使用日新離子設備股份有限公司製造的克拉麗絲(CLARIS)(註冊商標)。
當對作為半導體晶圓10的矽晶圓照射包含碳、氫及氮的簇離子12時，由於其照射能量，矽瞬間成為1350℃~1400℃左右的高溫狀態，熔解。其後，矽被迅速冷卻，碳、氫及氮固溶於矽晶圓中的表面附近。即，本說明書中的「改質層」是指作為照射的簇離子的構成元素的碳、氫及氮固溶於半導體晶圓表層部的結晶的晶格間位置或置換位置而成的層。並且，關於改質層，在半導體晶圓的深度方向上的碳、氫及氮的濃度分佈中，作為至少一個元素的濃度被檢測為陡峭的峰值的區域來確定，大致為距半導體晶圓的表面500nm以下的表層部。
以簇離子的形態照射的元素雖亦視元素種類而行為不同，但會在後述磊晶層16的形成過程中發生稍許的熱擴散。在簇 離子的構成元素中包含碳的情況下，在形成磊晶層16後的碳濃度分佈中，是在碳元素局部地存在的峰值的兩側形成有寬的擴散區域。但是，改質層的厚度(即，峰值的寬度)並未大幅度地變化。結果可使碳的析出區域為局部且高濃度。並且，該碳的局部析出區域成為強力的吸除點。其原因在於：晶格位置的碳原子由於共價鍵半徑小於矽單晶，因此形成矽結晶晶格的收縮場，吸引晶格間的雜質。而且，改質層14形成於矽晶圓的表面附近、即磊晶層16的正下方，因此可實現接近吸除。如此，認為，藉由碳在改質層內局部地固溶，可獲得高的吸除能力。
進而，詳細情況在實施例中基於實驗結果進行說明，但藉由照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子12，在其後得到的半導體磊晶晶圓100中，可獲得與照射了構成元素包含碳及氫的簇離子的情況相比高的吸除能力。本發明不受限定，但本發明者們如下考慮獲得此種效果的機制。
根據本發明者們的研究，以1×1015atoms/cm2左右的劑量向矽晶圓的表面注入單體的氮離子，其後急劇加熱，結果，在矽晶圓表層部的深度方向上的氮濃度分佈中，氮濃度減少至3×1017atoms/cm3。即，可知氮是容易藉由磊晶成長製程等熱處理而擴散並自矽晶圓脫離的元素。與此相對，在對矽晶圓的表面照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子，其後使矽磊晶層成長的情況下，可知與碳及氫相同，氮亦充分殘留在矽晶圓的表層部。即，藉由在矽晶圓的表層部以簇離子的形態同時注入碳、氫及氮， 可在該表層部大量殘留氮。
並且，由於氮原子的質量數大於碳原子，因此認為可加大簇離子造成的照射損傷，提高吸除能力。該照射損傷的增大被認為是由於在簇離子的注入區域形成了新的結晶缺陷。即，可知：在磊晶成長後，利用穿透式電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscope)觀察矽晶圓的表層部(改質層；簇離子的注入區域)的剖面時，在注入了構成元素包含碳及氫的簇離子的情況、與注入了包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子的情況下，注入區域所形成的結晶缺陷的形態不同。
詳細情況將參照圖5來進行後述，在為前者的情況下，在簇離子注入區域中觀察到大量直徑5nm左右的結晶缺陷。推測該結晶缺陷是由碳及晶格間矽凝聚而形成。相對於此，在為後者的情況下，觀察到在簇離子注入區域中，除了所述直徑5nm左右的結晶缺陷之外，亦散佈有直徑50nm左右的缺陷。該缺陷被認為是沿著Si[111]方向的積層缺陷。認為，由於此種新的結晶缺陷的形成，提高了吸除能力。
作為簇離子的照射條件，可列舉簇離子的簇尺寸、劑量、簇離子的加速電壓及束電流值等。
簇尺寸可在2個~100個、較佳為60個以下、更佳為50個以下的範圍內適當設定。在本說明書中，「簇尺寸」是指構成1個簇的原子的個數。簇尺寸的調整可藉由調整自噴嘴噴出的氣體的氣體壓力及真空容器的壓力、離子化時對燈絲(filament)施加 的電壓等而進行。另外，簇尺寸可藉由如下方式求出：藉由利用四極高頻電場的質譜分析或飛行時間(time-of-flight)質譜分析而求出簇個數分佈，取簇個數的平均值。
但是，在本實施形態中，較佳為使簇離子的構成元素包含碳、氫及氮，在利用CxHyNz來表示簇離子中的碳、氫及氮的原子數時，較佳為x為16以下的正的整數，y為50以下的正的整數，並且z為16以下的正的整數。此種簇尺寸之所以較佳，是因為容易控制小尺寸的簇離子束。
作為簇離子的原料的氣體狀分子只要可得到所述簇尺寸的簇離子，則無特別限定，例如可列舉丙胺(C3H9N)、環丙基甲胺(C4H9N)、N,N-二甲胺(C5H13N)、異丁胺(C4H11N)、哌啶(C5H11N)等。但是，由該些原料氣體會分別生成各種尺寸的簇離子。例如，自丙胺(C3H9N)主要獲得CH4N的碎片，除此以外亦獲得甲基(CH3)、CH2N、C2H4N的微小碎片。自該些各種尺寸的簇離子中抽出1個以上的所希望的簇離子(碎片)，照射至半導體晶圓的表面即可。
簇離子的劑量可藉由控制離子照射時間來調整。構成簇離子的各元素的劑量由簇離子種類與簇離子的劑量(ions/cm2)決定。在本實施形態中，簇離子的劑量較佳為1×1014ions/cm2以上且2×1015ions/cm2以下。特別是，若為1×1015ions/cm2以上，則可充分獲得提高吸除能力的效果。而且，若為2×1015ions/cm2以下，則可抑制在第二步驟後在磊晶層的表面形成缺陷，而不會對 半導體晶圓的表面造成過大的損傷。
碳的劑量較佳為設為1×1014atoms/cm2~2×1015atoms/cm2，更佳為設為1×1015atoms/cm2以上且2×1015atoms/cm2以下。若碳的劑量為1×1014atoms/cm2以上，則可得到充分的吸除能力，若碳的劑量為2×1015atoms/cm2以下，則可抑制在第二步驟後在磊晶層的表面形成缺陷，而不會對半導體晶圓的表面造成過大的損傷。
氫的劑量較佳為設為1×1014atoms/cm2~2×1016atoms/cm2，更佳為設為4×1015atoms/cm2以上且8×1015atoms/cm2以下。其原因在於，若為1×1014atoms/cm2以上，則在磊晶層形成後亦可使高濃度的氫殘留在改質層中，若為2×1016atoms/cm2以下，則不存在對磊晶層的表面造成大的損傷的可能性。
氮的劑量較佳為設為1×1014atoms/cm2~2×1015atoms/cm2，更佳為設為1×1015atoms/cm2以上且2×1015atoms/cm2以下。若氮的劑量為1×1014atoms/cm2以上，則可得到充分的吸除能力，若氮的劑量為2×1015atoms/cm2以下，則可抑制在第二步驟後在磊晶層的表面形成缺陷，而不會對半導體晶圓的表面造成過大的損傷。
簇離子的加速電壓與簇尺寸一併對改質層中的構成元素的深度方向的濃度分佈的峰值位置造成影響。在本實施形態中，可將簇離子的加速電壓設為超過0keV/Cluster且小於200keV/Cluster，較佳為設為100keV/Cluster以下，進而佳為設為80 keV/Cluster以下。另外，關於加速電壓的調整，通常採用(1)靜電加速、(2)高頻加速此兩種方法。前者的方法有等間隔地排列多個電極，在該些電極間施加相等的電壓，在軸方向上製作等加速電場的方法。後者的方法有一面使離子以直線狀行進一面使用高頻進行加速的線性直線加速器(linac)法。
簇離子的束電流值無特別限定，例如可自50μA~5000μA的範圍適當決定。簇離子的束電流值例如可藉由改變離子源中的原料氣體的分解條件來調整。
[第二步驟]
作為在改質層14上形成的磊晶層16，可列舉矽磊晶層，可藉由通常的條件來形成。例如將氫作為載氣，將二氯矽烷、三氯矽烷等源氣體導入至腔室內，成長溫度亦視所使用的源氣體而不同，可在大致1000℃~1200℃的範圍的溫度下藉由CVD法在半導體晶圓10上進行磊晶成長。磊晶層16較佳為將厚度設為1μm~15μm的範圍內。其原因在於：在厚度小於1μm的情況下，可能因摻雜劑自半導體晶圓10向外擴散而使磊晶層16的電阻率變化，而且，在超過15μm的情況下，有對固體攝像元件的分光感度特性產生影響之虞。
藉由以上所說明的本實施形態的製造方法，可製造具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓。
另外，亦可在第一步驟之後、第二步驟之前，對半導體晶圓10進行用以恢復結晶性的恢復熱處理。關於該情況下的恢復 熱處理，例如只要在氮氣或氬氣等環境下，在900℃以上且1100℃以下的溫度下，將半導體晶圓10保持10分鐘以上且60分鐘以下的期間即可。而且，亦可使用快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)或快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation，RTO)等的與磊晶裝置不同的另外的急速升降溫熱處理裝置等來進行恢復熱處理。
(半導體磊晶晶圓)
參照圖1，本實施形態的半導體磊晶晶圓100是藉由所述製造方法而得到，具有：半導體晶圓10；改質層14，形成於所述半導體晶圓10的表層部，在半導體晶圓10中固溶碳、氫及氮而成；以及磊晶層16，形成於所述改質層14上。
在本實施形態中，改質層14的深度方向上的碳濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3以上且1×1021atoms/cm3以下，改質層14的深度方向上的氫濃度分佈的峰值濃度為1×1017atoms/cm3以上且1×1019atoms/cm3以下，改質層14的深度方向上的氮濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3以上且1×1021atoms/cm3以下。此種半導體磊晶晶圓100起到具有更高的吸除能力的效果。碳濃度分佈的峰值濃度較佳為9×1019atoms/cm3以上。氫濃度分佈的峰值濃度較佳為1×1018atoms/cm3以上。氮濃度分佈的峰值濃度較佳為2×1019atoms/cm3以上。
而且，改質層14的深度方向上的碳濃度分佈、氫濃度分佈及氮濃度分佈的半值寬度(FWHM)較佳為均為200nm以下。 該改質層14是碳、氫及氮固溶於半導體晶圓的表層部的結晶的晶格間位置或置換位置而局部存在的區域，可作為強力的吸除點發揮作用。而且，自獲得高的吸除能力的觀點而言，更佳為將半值寬度設為100nm以下，作為下限可設定為50nm。
進而，改質層14的深度方向上的碳濃度分佈、氫濃度分佈及氮濃度分佈的峰值位置均較佳為存在於自改質層14的表面(即半導體晶圓10的表面)起至深度150nm為止的範圍內。
改質層14的厚度被定義為在半導體晶圓的深度方向上的碳、氫及氮的濃度分佈中至少一個元素的濃度被檢測為陡峭的峰值的區域的厚度，例如可設為30nm~500nm的範圍內。
(半導體器件的製造方法)
本發明的一實施形態的半導體器件的製造方法的特徵在於，具有所述半導體磊晶晶圓100的製造方法的各步驟、及在磊晶層16上形成半導體器件的步驟。根據該製造方法，能夠以更高的吸除能力來製造器件特性高的半導體器件。
[實施例]
(發明例)
準備了由CZ單晶矽錠得到的n-型矽晶圓(直徑：300mm、厚度：775μm、摻雜劑種類：磷、電阻率：20Ω．cm)。接著，使用簇離子產生裝置(日新離子設備公司製造，克拉麗絲(CLARIS)(註冊商標))，使用丙胺(C3H9N)作為原料氣體，生成並抽出CH4N簇離子，在加速電壓80keV/Cluster(每1碳原子的加速電 壓32keV/atom，每1氫原子的加速電壓2.7keV/atom，每1氮原子的加速電壓37.3keV/atom)的照射條件下照射至矽晶圓的表面。另外，將照射簇離子時的劑量設為1.0×1015ions/cm2。換算成碳原子數為1.0×1015atoms/cm2，換算成氫原子數為4.0×1015atoms/cm2，換算成氮原子數為1.0×1015atoms/cm2。而且，將簇離子的束電流值設為1700μA。
接著，將簇離子照射後的矽晶圓搬運至單片式磊晶成長裝置(應用材料(Applied Materials)公司製造)內，在裝置內以1120℃的溫度實施30秒的氫烘烤處理後，將氫作為載氣，將三氯矽烷作為源氣體，在1120℃下藉由CVD法使矽磊晶層(厚度：5μm、摻雜劑種類：磷、電阻率：10Ω．cm)在矽晶圓的形成有改質層一側的表面上磊晶成長，得到磊晶矽晶圓。
(比較例)
除了將簇離子照射條件設為如下所述以外，按照與發明例同樣的順序得到磊晶矽晶圓。即，使用環己烷(C6H12)作為原料氣體，生成並抽出C3H5簇離子，在加速電壓80keV/Cluster(每1碳原子的加速電壓23.4keV/atom、每1氫原子的加速電壓2.0keV/atom)的照射條件下，照射至矽晶圓的表面。另外，將照射簇離子時的劑量設為3.3×1014ions/cm2。換算成碳原子數為1.0×1015atoms/cm2，換算成氫原子數為1.7×1015atoms/cm2。而且，將簇離子的束電流值設為850μA。
[評價1：基於SIMS的碳、氫及氮濃度分佈的評價]
對於發明例及比較例的磊晶矽晶圓，藉由基於二次離子質譜法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)的測定，測定距矽磊晶層表面的深度方向上的碳、氫及氮的濃度分佈。其結果，在發明例中，在矽晶圓的表層部的約300nm(即，距矽磊晶層/矽晶圓的界面約300nm)處，確定到改質層。在比較例中，在矽晶圓的表層部的約400nm處確定到改質層。
圖2表示發明例(CH4N)中的碳、氫及氮的濃度分佈。圖2中，碳濃度分佈的峰值濃度為9×1019atoms/cm3，氫濃度分佈的峰值濃度為1×1018atoms/cm3，氮濃度分佈的峰值濃度為2×1019atoms/cm3。而且，碳濃度分佈、氫濃度分佈及氮濃度分佈的半值寬度分別為100nm、100nm、100nm。而且，碳濃度分佈、氫濃度分佈及氮濃度分佈的峰值位置分別位於距矽晶圓的表面起深度100nm、100nm、100nm的位置。
[評價2：吸除能力的評價]
使用Ni污染液藉由旋塗污染法將發明例及比較例的磊晶晶圓的磊晶層的表面強制污染，接著，在氮環境中在900℃下實施30分鐘的熱處理。其後，對各磊晶晶圓進行SIMS測定，測定晶圓的深度方向上的碳及Ni的濃度分佈。將發明例中的碳及Ni的濃度分佈示於圖3的(A)。而且，將自Ni濃度分佈求出的各磊晶晶圓的Ni捕獲量示於圖4。
使用Cu污染液進行同樣的試驗，將發明例中的碳及Cu的濃度分佈示於圖3的(B)。而且，將自Cu濃度分佈求出的各磊 晶晶圓的Cu捕獲量示於圖4。
根據圖4可明確，儘管發明例與比較例的碳的劑量相同，但發明例與比較例相比，Ni及Cu的捕獲量多，具有更高的吸除能力。
[評價3：簇離子注入區域的剖面TEM觀察]
對發明例及比較例的磊晶晶圓的改質層(簇離子的注入區域)周邊的剖面進行TEM觀察。圖5示出各水準的剖面TEM圖像。如根據圖5明確般，在比較例中，在簇離子注入區域中觀察到大量直徑5nm左右的結晶缺陷。在發明例中，在簇離子注入區域中，除了直徑5nm左右的結晶缺陷之外，亦分散有直徑50nm左右的缺陷。認為此種新的結晶缺陷有助於提高吸除能力。由於該大尺寸的缺陷在構成元素包含碳及氫的簇離子的注入中未出現，因此推測氮與該大尺寸的缺陷形成有關。
[評價4：基於TCAD模擬的損傷濃度分佈的評價]
藉由發明例及比較例中的簇離子照射，模擬計算了在矽晶圓的表層部形成的照射損傷濃度。具體而言，以離子注入時的離子種類、照射能量、劑量、束電流值、照射角度、照射時的晶圓溫度、及保護氧化膜的厚度為參數，使用能夠進行蒙特卡羅(MonteCarlo：MC)法模擬的計算的TCAD模擬器森塔魯斯普勞塞思(Sentaurus Process)(日本西諾普斯合同公司(Nihon Synopsys G.K.)製造)，計算照射損傷濃度的深度方向分佈。此處，照射損傷濃度被定義為晶格間矽原子濃度與孔隙濃度之和。將結果示於 圖6。如根據圖6明確般，發明例與比較例相比，在矽晶圓的表層部形成的損傷濃度變大，認為這有助於提高吸除能力。
[評價5：磊晶缺陷的評價]
對於發明例及比較例的各磊晶晶圓，以薩福斯坎(Surfscac)SP1(科磊(KLA-Tencor)公司製造)以正常(Normal)模式對磊晶層的表面進行測定，將作為90nm以上的LPD來計數者中作為LPD-N來計數者測定為磊晶缺陷。其結果，發明例及比較例的磊晶晶圓均未檢測出磊晶缺陷。
[產業上之可利用性]
根據本發明的半導體磊晶晶圓的製造方法，可製造具有更高的吸除能力的半導體磊晶晶圓。本發明的半導體磊晶晶圓具有更高的吸除能力。
100:半導體磊晶晶圓
10:半導體晶圓
10A:半導體晶圓的表面
12:簇離子
14:改質層
16:磊晶層

Claims (7)

  1. 一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其特徵在於具有： 第一步驟，對半導體晶圓的表面照射包含碳、氫及氮作為構成元素的簇離子，在所述半導體晶圓的表層部形成固溶有所述簇離子的構成元素的改質層；以及 第二步驟，在所述半導體晶圓的改質層上形成磊晶層。
  2. 如請求項1所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中利用CxHyNz表示所述簇離子中的碳、氫及氮的原子數時，x為16以下的正的整數，y為50以下的正的整數，並且z為16以下的正的整數。
  3. 如請求項1或請求項2所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中所述簇離子的劑量為1×1014 ions/cm2 以上且2×1015 ions/cm2 以下。
  4. 如請求項1或請求項2所述的半導體磊晶晶圓的製造方法，其中所述第二步驟後的所述改質層的深度方向上的氮濃度分佈的峰值濃度為1×1018 atoms/cm3 以上且1×1021 atoms/cm3 以下。
  5. 一種半導體磊晶晶圓，其特徵在於，具有： 半導體晶圓； 改質層，形成於所述半導體晶圓的表層部，在所述半導體晶圓中固溶碳、氫及氮而成；以及 磊晶層，形成於所述改質層上， 所述改質層的深度方向上的碳濃度分佈的峰值濃度為1×1018 atoms/cm3 以上且1×1021 atoms/cm3 以下， 所述改質層的深度方向上的氫濃度分佈的峰值濃度為1×1017 atoms/cm3 以上且1×1019 atoms/cm3 以下， 所述改質層的深度方向上的氮濃度分佈的峰值濃度為1×1018 atoms/cm3 以上且1×1021 atoms/cm3 以下。
  6. 如請求項5所述的半導體磊晶晶圓，其中所述碳濃度分佈、所述氫濃度分佈及所述氮濃度分佈的半值寬度均為200 nm以下。
  7. 如請求項5或請求項6所述的半導體磊晶晶圓，其中所述碳濃度分佈、所述氫濃度分佈及所述氮濃度分佈的峰值位置均存在於自所述改質層的表面起至深度150 nm為止的範圍內。
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