JP2014099472A - 半導体エピタキシャルウェーハの製造方法、半導体エピタキシャルウェーハ、および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、半導体ウェーハ10にクラスターイオン16を照射して、半導体ウェーハの表面10Aに、クラスターイオン16の構成元素からなる改質層18を形成する第1工程と、該第1工程の後、半導体ウェーハ表面10Aのヘイズレベルが0.20ppm以下となるように、結晶性回復のための熱処理を半導体ウェーハ10に対して行なう第2工程と、該第2工程の後、半導体ウェーハの改質層18上にエピタキシャル層20を形成する第3工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
すなわち、本発明の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、半導体ウェーハ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に、前記クラスターイオンの構成元素からなる改質層を形成する第1工程と、該第1工程の後、前記半導体ウェーハ表面のヘイズレベルが0.20ppm以下となるように、結晶性回復のための熱処理を前記半導体ウェーハに対して行なう第2工程と、該第2工程の後、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3工程と、を有することを特徴とする。
本発明の第1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にクラスターイオン16を照射して、半導体ウェーハ10の表面10Aに、このクラスターイオン16の構成元素からなる改質層18を形成する第1工程(図1(A),(B))と、半導体ウェーハ10の表面10Aのヘイズレベルが0.20ppm以下となるように、結晶性回復のための熱処理(回復熱処理)を半導体ウェーハ10に対して行なう第2工程(図1(C))と、半導体ウェーハ10の改質層18上にエピタキシャル層20を形成する第3工程(図1(D))と、を有することを特徴とする。図1(D)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。
次に、上記製造方法により得られる半導体エピタキシャルウェーハ100,200について説明する。第1実施形態による半導体エピタキシャルウェーハ100および第2実施形態による半導体エピタキシャルウェーハ200は、図1(D)および図2(E)に示すように、半導体ウェーハ10と、この半導体ウェーハ10の表面に形成され、半導体ウェーハ10中に固溶した所定元素からなる改質層18と、この改質層18上のエピタキシャル層20と、を有する。そして、いずれにおいても改質層18における所定元素の深さ方向の濃度プロファイルの半値幅Wが100nm以下であり、かつエピタキシャル層20表面のヘイズレベルが0.30ppm以下であることを特徴とする。
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エピタキシャルウェーハまたは上記のエピタキシャルウェーハ、すなわち半導体エピタキシャルウェーハ100,200の表面に位置するエピタキシャル層20に、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、従来に比べ製造工程の各処理中で発生する重金属汚染の影響を低減でき、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。
まず、クラスターイオン照射とモノマーイオン注入の相違を明らかにするため、以下の実験を行った。
CZ単結晶から得た、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:4×1014atoms/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、ジベンジル(C14H14)よりC5H5クラスターを生成し、ドーズ量1.2×1014Clusters/cm2(炭素のドーズ量6.0×1014atoms/cm2)、炭素1原子あたり14.8keV/atomの照射条件でシリコンウェーハに照射した。
参考例1と同じシリコンウェーハに対して、クラスターイオン照射に替えて、CO2を材料ガスとして、炭素のモノマーイオンを生成し、ドーズ量1.2×1014atoms/cm2、加速電圧300keV/atomの条件とした以外は、参考例1と同じ条件で、シリコンウェーハに照射した。
上記参考例1,2で作製したサンプルについて、SIMSにより測定を行い、図4に示す炭素の濃度プロファイルを得た。なお、横軸の深さはシリコンウェーハ表面をゼロとしている。この図4から明らかなように、クラスターイオン照射をした参考例1では、炭素濃度プロファイルがシャープであるが、モノマーイオン注入をした参考例2では、炭素濃度プロファイルがブロードである。また、参考例2に比べて参考例1では、炭素の濃度プロファイルのピーク濃度が高く、ピーク位置もよりシリコンウェーハ表面近傍に位置している。このことから、エピタキシャル層形成後も、炭素の濃度プロファイルの傾向は同様となることが推定される。
CZ単結晶から得たn型シリコンウェーハ(直径:300mm、厚さ:725μm、ドーパント種類:燐、ドーパント濃度:4×1014atoms/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、ジベンジル(C14H14)よりC5H5クラスターを生成し、ドーズ量1.2×1014Clusters/cm2(炭素のドーズ量6.0×1014atoms/cm2)、炭素1原子あたり14.8keV/atomの照射条件でシリコンウェーハに照射した。その後、シリコンウェーハを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、クラスターイオン照射により乱れた結晶性の回復熱処理として、装置内で1130℃の温度で2分の水素ベーク処理を兼ねた熱処理を施した後、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1000〜1150℃でCVD法により、シリコンウェーハ上にシリコンのエピタキシャル層(厚さ:7μm、ドーパント種類:燐、ドーパント濃度:1×1015atoms/cm3)をエピタキシャル成長させ、本発明に従うシリコンエピタキシャルウェーハとした。
エピタキシャル装置内での水素ベーク処理を兼ねた回復熱処理に替えて、シリコンウェーハをエピタキシャル成長装置に搬送する前に、RTA装置(マトソンサーマルプロダクト社製)を使用して、900℃,10秒の条件で回復熱処理を施し、その後エピタキシャル成長装置内に搬送して、装置内で1130℃の温度で30秒の水素ベーク処理を施してエピタキシャル層を成長させた以外は、実施例1と同じ条件で、本発明に従うシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。
クラスターイオンの照射条件を表1に記載の条件とした以外は、実施例1と同様にして本発明に従うシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。
クラスターイオンの照射条件を表1に記載の条件とした以外は、実施例2と同様にして本発明に従うシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。
クラスターイオンの照射条件を表1に記載のとおりとし、回復熱処理工程を行わなかったこと以外は、実施例2と同様にして比較例にかかるシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。
クラスターイオン照射に替えて、表1に記載の条件で炭素のモノマーイオンを注入し、さらに回復熱処理条件を表1に記載の条件とした以外は、比較例1と同様にして比較例にかかるシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。
上記実施例および比較例で作製した各サンプルについて評価を行った。評価方法を以下に示す。
代表例として、実施例1および比較例4のシリコンエピタキシャルウェーハについてSIMS測定を行い、図5(A),(B)に示す炭素の濃度プロファイルを得た。なお、横軸の深さはエピタキシャル層の表面をゼロとしている。さらに、実施例1〜4および比較例1〜4で作製した各サンプルについて、エピタキシャル層を1μmまで薄膜化した後にSIMS測定を行った。このとき得られた炭素の濃度プロファイルの半値幅、ピーク濃度、およびピーク位置(エピタキシャル層を除いた表面からのピーク深さ)を表1に示す。
実施例1および比較例4で作製した各サンプルのシリコンエピタキシャルウェーハ表面を、Ni汚染液(1.0×1012/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測定を行った。実施例1および比較例4についてのNi濃度プロファイルを、それぞれ炭素濃度プロファイルとともに示す(図5(A),(B))。他の実施例および比較例については、ゲッタリング能力評価の結果を表1に示す。なお、Ni濃度プロファイルのピーク濃度を以下のようにそれぞれ分類して、評価基準とした。
◎:1.0×1017atoms/cm3以上
○:5.0×1016atoms/cm3以上〜1.0×1017atoms/cm3未満
△:5.0×1016atoms/cm3未満
実施例および比較例で作製した各サンプルについて、エピタキシャル層表面で観察されるエピタキシャル欠陥を評価した。表面欠陥検査装置(KLA−Tencor社製:Surfscan SP−2)を用いて、DWOモード(Dark Field Wide Obliqueモード:暗視野・ワイド・斜め入射モード)でエピタキシャル層表面を観察し、検出された欠陥部位を原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)を用いて定点観察評価した。エピタキシャル層表面で観察されたCOP(Crystal originated particles)を起点とした積層欠陥(SF:Staking Fault)の個数を測定し、これをエピタキシャル欠陥として評価した。エピタキシャル欠陥の評価結果を表1に示す。なお、評価基準は以下のとおりである。
◎:2個/ウェーハ以下
○:2個/ウェーハ超〜10個/ウェーハ以下
△:10個/ウェーハ超〜50個/ウェーハ以下
×:50個/ウェーハ超
実施例および比較例で作製した各サンプルについて、KLA−Tencor社製:Surfscan SP−1を用い、DWNモードでエピタキシャル層形成前のシリコンウェーハ表面およびエピタキシャル形成後のエピタキシャル層表面をそれぞれ観察し、得られたヘイズ値の平均値をヘイズレベルとして評価した。ヘイズレベルの評価結果を表1に示す。なお、実施例1,3のクラスターイオン照射後かつエピタキシャル層形成前におけるシリコンウェーハ表面のヘイズレベルについては、水素ベークを模擬した回復熱処理を行ったときのヘイズレベルを測定したものである。
図5(A),(B)から、クラスターイオン照射により、実施例1では、モノマーイオン注入を施した比較例4と比べて、炭素が局所的かつ高濃度に固溶した改質層が形成されることがわかる。さらに、Niの濃度プロファイルから、実施例1と比較例4とを比較すると、実施例1ではクラスターイオン照射により形成された改質層が多量のNiを捕獲して、高いゲッタリング能力を発揮していることがわかる。また、表1に示すとおり、クラスターイオン照射した実施例1〜4および比較例1,2は、全て半値幅が100nm以下であり、全て十分なゲッタリング能力を備えていることがわかる。一方、モノマーイオン注入した比較例3,4は、いずれも半値幅が100nm超であり、ゲッタリング能力が不足している。このように、クラスターイオンを照射した実施例1〜4および比較例1,2は、モノマーイオンを注入した比較例3,4に比べ、炭素濃度プロファイルの半値幅が小さくなるために、より高いゲッタリング能力を得ることができていると言える。
10A 半導体ウェーハの表面
12 バルク半導体ウェーハ
14 第1エピタキシャル層
16 クラスターイオン
18 改質層
20 (第2)エピタキシャル層
100 半導体エピタキシャルウェーハ
200 半導体エピタキシャルウェーハ
Claims (14)
- 半導体ウェーハ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に、前記クラスターイオンの構成元素からなる改質層を形成する第1工程と、
該第1工程の後、前記半導体ウェーハ表面のヘイズレベルが0.20ppm以下となるように、結晶性回復のための熱処理を前記半導体ウェーハに対して行なう第2工程と、
該第2工程の後、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3工程と、
を有する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。 - 前記半導体ウェーハが、シリコンウェーハである請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記半導体ウェーハが、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り、前記第1工程において前記改質層は前記シリコンエピタキシャル層の表面に形成される請求項1に記載の半導体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請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体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4に記載の半導体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のドーズ量が2.0×1014atoms/cm2以上である請求項4または5に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
- 半導体ウェーハと、該半導体ウェーハの表面に形成された、該半導体ウェーハ中に固溶した所定元素からなる改質層と、該改質層上のエピタキシャル層と、を有し、
前記改質層における前記所定元素の深さ方向の濃度プロファイルの半値幅が100nm以下であり、前記エピタキシャル層表面のヘイズレベルが0.30ppm以下であることを特徴とする半導体エピタキシャルウェーハ。 - 前記半導体ウェーハが、シリコンウェーハである請求項7に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記半導体ウェーハが、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り、前記改質層は前記シリコンエピタキシャル層の表面に位置する請求項7に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記半導体ウェーハの表面からの深さが150nm以下の範囲内に、前記改質層における前記濃度プロファイルのピークが位置する請求項7〜9のいずれか1項に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記改質層における前記濃度プロファイルのピーク濃度が、1×1015atoms/cm3以上である請求項7〜10のいずれか1項に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記所定元素が炭素を含む請求項7〜11のいずれか1項に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記所定元素が炭素を含む2種以上の元素を含む請求項12に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法で製造されたエピタキシャルウェーハまたは請求項7〜13のいずれか1項に記載のエピタキシャルウェーハの、表面に位置する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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