JP2006073580A - シリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法 - Google Patents

シリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】DZ−IGエピウェーハに比べて低い製造コストで製造することができ、ゲッタリング効果に優れ、重金属汚染がない。撮像デバイス製造プロセス初期段階から強力なゲッタリング効果が期待できる。
【解決手段】炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ11表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層13を形成したシリコンエピタキシャルウェーハ10の改良であり、その特徴ある構成は、シリコン単結晶ウェーハ裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層12を形成したところにある。
【選択図】図1

Description

本発明は、CCD(Charge Coupled Device;電荷結合デバイス)やCMOS(Complementaly Metal-Oxide Semiconductor)等の用途に適したシリコンエピタキシャルウェーハ(以下、エピウェーハという。)に関するものである。
近年、デジタルカメラ等の普及により飛躍的に撮像素子であるCCDデバイス及びCMOSイメージセンサの生産が高まっている。撮像素子では、デバイスのある箇所で画像がとれなくなる白点欠陥の問題があり、この白点欠陥があるとデバイスの歩留まりが低下する。この白点欠陥はシリコンウェーハの重金属汚染が原因であることが判っており、これまではDZ−IG(Denuded Zone - Intrinsic Gettering)処理をしたDZ−IGウェーハ表面にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させてシリコンエピタキシャル層を形成した非常に内部ゲッタリング効果の高いDZ−IGエピウェーハが用いられてきた。撮像基板では上記重金属汚染を取除くために強いゲッタリング効果を有している必要があり、IGウェーハを撮像基板を作製するために使用する場合では、5×109個/cm3以上の高密度の酸素析出物が必要であることが判っている。DZ−IGウェーハは、1100℃〜1200℃程度の温度でウェーハ表層の酸素を外方拡散させてウェーハ表層を無欠陥層とするDZ熱処理と、600℃〜900℃の温度でウェーハ内部に酸素析出核を形成するIG熱処理の2段階の処理を施すことで作製される。上記DZ−IG熱処理は通常10時間以上の処理時間を要するために、ウェーハの製造コストが高くなる問題があった。また、高温で熱処理するDZ熱処理では、熱処理中にウェーハが重金属で汚染されるおそれがあった。このようにDZ−IGウェーハを用いて作製されたDZ−IGエピウェーハは、製造コストが高く、また熱処理中に重金属汚染を生じる問題があった。
上記問題点を解決する方策として、酸素濃度が12〜18×1017atoms/cm3(ASTM F121−1979)、炭素濃度が0.3〜2.5×1015atoms/cm3(ASTM F123−1981)の各範囲に制御してCZ(チョクラルスキー;Czochralski)法にて引き上げられたシリコン単結晶を、シリコンウェーハに切り出した後、600℃以上、900℃以下の温度で15分以上、4時間以下の条件にてアニール処理を行い、EG(Extrinsic Gettering)効果が期待できる処理を一切施すことなく、ウェーハの片面又は両面を鏡面研磨仕上げし、更にその表面にエピタキシャル膜を成膜するシリコンウェーハの製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、半導体デバイス用シリコンウェーハにおいて、炭素濃度が0.1〜2.5×1015atoms/cm3(ASTM F123−1981)、酸素濃度が10〜18×1017atoms/cm3(ASTM F121−1979)の範囲に制御してCZ法もしくはMCZ法にて引き上げられたシリコン単結晶をシリコンウェーハに切り出した後、ウェーハの片面又は両面を鏡面研磨仕上げし、さらにその表面にシリコンのエピタキシャル膜を成膜した後、前記シリコン結晶の内部に微小欠陥を形成する熱処理を行うエピウェーハの製造方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。更に、炭素がドープされたCZシリコンウェーハに1000℃未満の温度でエピタキシャル成長を行うエピウェーハの製造方法が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。特許文献1〜3に示される方法では、低温のデバイスプロセスにおいて十分なIG効果が発揮できるエピウェーハが得られる。
また、半導体ウェーハの裏面にEG層を形成する工程と、このEG層と半導体ウェーハの素子形成領域との間に酸素析出核となる元素を注入する工程とを備える半導体装置の製造方法が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。特許文献4に示される方法では持続性の高いゲッタリング能力を半導体装置に付与することができる効果を奏し、デバイスの歩留まりを大きく向上する効果がある。更に、半導体基板を洗浄した後、この半導体基板の表面に不純物汚染防止膜を形成する工程と、半導体基板の裏面側の表層に不純物を導入することによって高濃度不純物拡散層よりなるゲッタリング層を形成する工程と、不純物防止膜を除去する工程と、半導体基板を洗浄した後、半導体基板の表面にエピタキシャル層を堆積する工程とよりなるエピタキシャルウェハの製造方法が開示されている(例えば、特許文献5参照。)。特許文献5に示される方法ではゲッタリング層を高濃度不純物拡散層で形成したので、ゲッタリングが強力に行われる。
特開平10−229093号公報 特開平11−204534号公報 特開2001−237247号公報 特許第3203740号公報 特許第3173106号公報
しかしながら、上記特許文献1〜3に示される方法により得られるエピウェーハは、CCD製造プロセスに対応する擬似熱処理を施した実験では、従来使用されてきたDZ−IGエピウェーハと同様の密度を有する酸素析出物が形成されることを確認できたが、デバイス製造プロセスの初期段階では、従来のDZ−IGエピウェーハに比べて酸素析出物密度が少なかった。これは、デバイス製造プロセスの中間段階以降はDZ−IGエピウェーハと同等のIG効果を有するが、初期段階ではDZ−IGエピウェーハよりもIG効果が劣ることを示している。
また、上記特許文献4に示される方法では、イオン注入に製造コスト及び時間がかかるため経済的ではなく、酸素析出領域はイオン注入を行った非常に狭い深さの領域に限定されるため十分なゲッタリング効果が得られない。更に、上記特許文献5に示される方法でも、酸素析出領域は基板裏面側に形成したゲッタリング層に限定されるため十分なゲッタリング効果が得られない。
本発明の目的は、DZ−IGエピウェーハに比べて低い製造コストで製造することができ、ゲッタリング効果に優れ、重金属汚染のないシリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、撮像デバイス製造プロセス初期段階から強力なゲッタリング効果が期待できる、シリコンエピタキシャルウェーハ及びその製造方法を提供することにある。
本発明者らは上記諸問題を解決するため、炭素ドープウェーハの裏面にEG効果を目的とした、多結晶シリコン層を形成することにした。この多結晶シリコン層の形成後に、ウェーハ表面にエピタキシャル成長によってエピタキシャル層を形成することにより、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハを製造した。
即ち、請求項1に係る発明は、図1(c)に示すように、炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ11表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層13を形成したシリコンエピタキシャルウェーハ10の改良であり、その特徴ある構成は、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層12を形成したところにある。
請求項1に係るシリコンエピタキシャルウェーハは、撮像デバイス製造プロセス初期段階で5×109個/cm3以上の酸素析出物11bが形成されるため十分なIG効果が得られ、更に多結晶シリコン層12によるEG効果が付加されるため、重金属汚染に敏感な撮像デバイスの製造に最適であり、歩留まり向上に寄与することができる。
請求項2に係る発明は、図1(a)〜図1(c)に示すように、炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ11を準備する工程と、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層12を形成するとともに、シリコン単結晶ウェーハ11内部に酸素析出核11aを形成する工程と、シリコン単結晶ウェーハ11表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層13を形成する工程とをこの順にそれぞれ含む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である。
請求項2に係る製造方法では、上記工程をこの順にそれぞれ経ることにより、DZ−IGエピウェーハに比べて低い製造コストでエピタキシャルウェーハを製造することができ、また高温熱処理を施す必要がないため、ウェーハ製造工程での重金属汚染がなく、得られたエピタキシャルウェーハは撮像デバイス製造プロセス初期段階から強力なゲッタリング効果が期待できる。
本発明のエピタキシャルウェーハは、撮像デバイス製造プロセス初期段階で5×109個/cm3以上の酸素析出物が形成されるため十分なIG効果が得られ、更に多結晶シリコン層12によるEG効果が付加されるため、重金属汚染に敏感な撮像デバイスの製造に最適であり、歩留まり向上に寄与することができる。
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、製造コストが高く、かつ製造時に重金属汚染する可能性が高いDZ−IGエピウェーハに比べて低い製造コストで製造することができ、また高温熱処理を施す必要がないため、ウェーハ製造工程での重金属汚染がなく、撮像デバイス製造プロセスの初期段階から強力なゲッタリング効果が期待できる。
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、図1(c)に示すように、炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ11表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層13を形成したシリコンエピタキシャルウェーハ10の改良であり、その特徴ある構成は、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層12を形成したところにある。
シリコン単結晶ウェーハ11裏面に多結晶シリコン層12を形成することにより、この多結晶シリコン層12が有するEG効果以外にも、この多結晶シリコン層12から空孔がシリコン単結晶ウェーハ11内部に供給され、ウェーハ内部の酸素析出が促進されるという効果も併せて得られるため、シリコン単結晶ウェーハ11内部には多くの酸素析出核が形成される。従って、図1(d)に示すように、本発明のエピタキシャルウェーハを用いることにより、撮像デバイス製造プロセス初期段階で5×109個/cm3以上の酸素析出物11bが形成されるため十分なIG効果が得られ、更に多結晶シリコン層12によるEG効果が付加されるため、重金属汚染に敏感な撮像デバイスの製造に最適であり、歩留まり向上に寄与することができる。
次に、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。
先ず、図1(a)に示すように、炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ11を準備する。炭素ドープ濃度を、5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の範囲に規定したのは、炭素濃度が5×1015atoms/cm3未満では、デバイスプロセスで5×109atoms/cm3以上の酸素析出物密度を発生させることが難しく、また、ゲッタリング不足となってしまう不具合を生じるためである。炭素濃度が5×1017atoms/cm3を越えると、結晶の有転位化が起こり、単結晶の育成ができなくなるためである。好ましい炭素ドープ濃度は5×1015〜5×1016atoms/cm3である。
また、シリコン単結晶ウェーハ11の酸素濃度範囲は14〜18×1017atoms/cm3(ASTM F121−1979)が望ましい。酸素濃度が14×1017atoms/cm3未満では、デバイスプロセスで5×109atoms/cm3以上の酸素析出物密度を発生させることが難しく、また、ゲッタリング不足となってしまう不具合を生じ、酸素濃度が18×1017atoms/cm3を越えると、酸素析出に起因したエピ欠陥が発生し易くなる。好ましい酸素濃度は14〜16×1017atoms/cm3である。また、シリコン単結晶ウェーハ11の比抵抗値については特に限定しないが、0.1Ω・cm程度以下の低抵抗基板でも、100Ω・cmを越える高抵抗基板でも本発明のエピタキシャルウェーハに適応できる。使用するシリコン単結晶ウェーハ11は、少なくとも主表面が鏡面研磨加工されたシリコンウェーハが好ましい。
次に、図1(b)に示すように、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層12を形成するとともに、シリコン単結晶ウェーハ11内部に酸素析出核11aを形成する。シリコン単結晶ウェーハ裏面に多結晶シリコン層を形成するには、一般的に650℃前後で数時間程度かかるが、炭素がドープされたシリコン単結晶ウェーハ11は650℃程度の熱処理が施されると、非常に短時間で酸素析出核が形成されるため、多結晶シリコン層12の形成工程での熱履歴によりシリコン単結晶ウェーハ11内部には酸素析出核が形成される。また、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に多結晶シリコン層12を形成することで、この多結晶シリコン層12から空孔がシリコン単結晶ウェーハ11内部に供給され、ウェーハ内部の酸素析出が促進されるという効果も併せて得られるため、シリコン単結晶ウェーハ11裏面に多結晶シリコン層12を形成することにより、シリコン単結晶ウェーハ11内部には多くの酸素析出核が形成される。なお、このシリコン単結晶ウェーハ裏面に多結晶シリコン層を形成することで、多結晶シリコン層から空孔がウェーハ内部に供給されることは、Appl.Phys.Lett.,Vol.54,No.18,1 May 1989,p.1748-1750にも開示されている。
多結晶シリコン層12の厚さを0.5μm以上1.5μm以下に規定したのは、多結晶シリコン層の厚さが0.5μm未満では、十分なEG効果を得ることができず、厚さが1.5μmを越えると、十分なEG効果を得ることはできるが製造コストがかかり、またウェーハに反りが発生してしまうためである。好ましい多結晶シリコン層12の厚さは0.8〜1.2μmである。
次に、図1(c)に示すように、シリコン単結晶ウェーハ11表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層13を形成する。エピタキシャル層13の厚さは、5〜20μmの範囲が好ましい。上記工程をそれぞれこの順に施すことにより、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハ10が得られる。得られた本発明のエピタキシャルウェーハは、DZ−IGエピウェーハに比べて低い製造コストで製造することができ、また高温熱処理を施す必要がないため、ウェーハ製造工程での重金属汚染がなく、撮像デバイス製造プロセス初期段階から強力なゲッタリング効果が期待できる。
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
先ず、Pを4.4×1014atoms/cm3の濃度でドープし、炭素を1×1016atoms/cm3(ASTM F123−1981)の濃度でドープし、酸素濃度が15×1017atoms/cm3(ASTM F121−1979)及び抵抗率が10Ω・cmのシリコンインゴットをCZ法により育成した。このインゴットから直径8インチのn型シリコン単結晶ウェーハを切り出した。次いで、シリコン単結晶ウェーハ裏面に厚さ1μmの多結晶シリコン層を形成した。次に、シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル成長によってn型で抵抗率10Ω・cmのシリコン単結晶からなるエピタキシャル層を10μm形成して、エピタキシャルウェーハを得た。
<比較例1>
先ず、Pを4.4×1014atoms/cm3の濃度でドープし、酸素濃度が15×1017atoms/cm3(ASTM F121−1979)及び抵抗率が10Ω・cmのシリコンインゴットをCZ法により育成した。このインゴットから直径8インチのn型シリコン単結晶ウェーハを切り出した。次いで、このシリコン単結晶ウェーハに図2に示す第1段熱処理及び第2段熱処理からなるDZ−IG2段熱処理を施して、DZ−IGウェーハを形成した。このDZ−IG熱処理は3%O2含有N2ガス雰囲気下で行った。次に、DZ−IGウェーハ表面にエピタキシャル成長によってn型で抵抗率10Ω・cmのシリコン単結晶からなるエピタキシャル層を10μm形成して、DZ−IGエピウェーハを得た。
<比較例2>
実施例1のインゴットから切り出したn型シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル成長によってn型で抵抗率10Ω・cmのシリコン単結晶からなるエピタキシャル層を10μm形成して、エピタキシャルウェーハを得た。即ち、実施例1で得たエピウェーハとは異なり、ウェーハ裏面には多結晶シリコン層を形成しなかった。
<比較例3>
比較例1のインゴットから切り出したn型シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル成長によってn型で抵抗率10Ω・cmのシリコン単結晶からなるエピタキシャル層を10μm形成して、エピタキシャルウェーハを得た。即ち、比較例1で得たDZ−IGエピウェーハとは異なり、DZ−IG2段熱処理を施さなかった。
<比較試験1>
実施例1及び比較例1〜3でそれぞれ得られたエピウェーハをサンプルとし、CCD製造プロセスを模擬した熱シミュレーション熱処理をそれぞれ施した。この熱シミュレーション熱処理では、デバイスプロセス初期段階、中間段階及び最終段階の各工程を模している。デバイスプロセス初期段階、中間段階及び最終段階をそれぞれ終えたウェーハを工程ごとに抜き取り、その後、サンプルを短冊状に劈開し、劈開したウェーハに対して化学的選択エッチング(Wrightエッチング)にて2μmのエッチングを施し、酸素析出物を顕在化させたものを光学顕微鏡を用いてウェーハ断面で計測した。その結果を図3に示す。なお、図3中の「as Epi」とは、熱シミュレーション熱処理を施す前のエピタキシャル層を形成した直後における各エピウェーハの酸素析出物密度の計測結果を示す。また、図3中の下方向矢印はas Epiの酸素析出物密度、及び比較例2及び3のプロセス初期段階の酸素析出物密度がそれぞれ計測下限に達していないことを示す。
図3より明らかなように、比較例2のエピウェーハではデバイスプロセス初期段階では酸素析出物は観察されなかったが、デバイスプロセス中間段階では十分なゲッタリング効果が得られる酸素析出物密度が観察された。比較例3のエピウェーハは、デバイスプロセス最終段階になっても十分なゲッタリング効果が得られる酸素析出物密度に達しなかった。一方、比較例1のDZ−IGエピウェーハ及び実施例1のエピウェーハでは、デバイスプロセス初期段階から十分なゲッタリング効果が得られる5×109個/cm3以上の酸素析出物密度が観察された。
<比較試験2>
実施例1及び比較例1〜3でそれぞれ得られたエピウェーハ表面に濃度が1×1012atoms/cm2のNiを強制汚染させた。続いてNiを強制汚染させた各エピウェーハに対して上記比較試験1で行ったCCD製造プロセスを模擬した熱シミュレーション熱処理を最終段階まで施した。熱シミュレーション熱処理を終えたエピウェーハについてTZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)による酸化膜耐圧評価試験をゲート酸化膜厚10nm、判定電圧8MV/cmの条件で行った。この評価試験での良品率の結果を図4にそれぞれ示す。
図4より明らかなように、比較例2及び3のエピウェーハは全てのチップが絶縁破壊し、良品率は0%であった。一方、実施例1及び比較例1のエピウェーハでは、全てのチップが良品で良品率100%であった。これは、実施例1及び比較例1のエピウェーハはデバイスプロセス初期段階に十分なゲッタリング効果があり、表面に欠陥が形成されなかったと考えられるが、比較例2及び3のエピウェーハはゲッタリング不足で、表面にNiシリサイドが形成され、酸化膜耐圧特性が劣化したと考えられる。
また、炭素ドープしたp型ウェーハに多結晶シリコン層を形成したp/p−、p/p+エピウェーハをそれぞれ用意し、これらのエピウェーハに対してCMOSイメージセンサプロセスを模擬した熱シミュレーション熱処理を最終段階まで施し、熱シミュレーション熱処理を終えたエピウェーハについて上記試験条件と同様の条件でTZDBによる酸化膜耐圧評価試験を行った。その結果、全てのチップが良品で良品率が100%であり、p型ウェーハをベースとしたエピウェーハであっても、炭素ドープしたウェーハ裏面に多結晶シリコン層を形成し、ウェーハ表面にエピタキシャル層を形成した本発明のエピウェーハは、高い歩留まりが得られることを確認した。
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を示す工程図。 比較例1のDZ−IG2段熱処理の温度プロファイルを示す図。 比較評価1における各デバイスプロセス工程ごとの酸素析出物密度を示す図。 比較評価2におけるTZDBによる酸化膜耐圧評価試験での良品率を示す図。
符号の説明
10 シリコンエピタキシャルウェーハ
11 シリコン単結晶ウェーハ
11a 酸素析出核
12 多結晶シリコン層
13 エピタキシャル層

Claims (2)

  1. 炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ(11)表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層(13)を形成したシリコンエピタキシャルウェーハにおいて、
    前記シリコン単結晶ウェーハ(11)裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層(12)を形成したことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
  2. 炭素が5×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下(ASTM F123−1981)の濃度範囲でドープされたCZシリコンインゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハ(11)を準備する工程と、
    前記シリコン単結晶ウェーハ(11)裏面に厚さ0.5μm以上1.5μm以下の多結晶シリコン層(12)を形成するとともに、前記シリコン単結晶ウェーハ(11)内部に酸素析出核(11a)を形成する工程と、
    前記シリコン単結晶ウェーハ(11)表面にエピタキシャル成長によってシリコン単結晶からなるエピタキシャル層(13)を形成する工程と
    をこの順にそれぞれ含む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。
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