JP2015176913A - 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
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 Download PDFInfo
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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100の製造方法は、半導体ウェーハ10の表面10Aにクラスターイオン16を照射するクラスターイオン照射工程と、半導体ウェーハ10の表面10Aからドーパント元素からなるモノマーイオン17を注入するモノマーイオン注入工程と、前記照射工程および前記注入工程を経た半導体ウェーハ10の表面10Aに、エピタキシャル層20を形成する工程と、を有し、前記モノマーイオン注入工程において、表面10Aから半導体ウェーハ10の厚み方向に300nm以上離間した位置に、前記ドーパント元素の濃度プロファイルのピークを定めて注入を行うことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
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の表面10Aにクラスターイオン16を照射するクラスターイオン照射工程(図1(A)〜(C))と、半導体ウェーハ10の表面10Aから、ドーパント元素からなるモノマーイオン17を注入するモノマーイオン注入工程(図1(D),(E))と、上記照射工程および上記注入工程を経た半導体ウェーハ10の照射および注入側の表面10Aに、エピタキシャル層20を形成する工程(図1(F))と、を有する。ここで、上記クラスターイオン照射工程において、半導体ウェーハ10の表面10Aから該ウェーハの厚み方向の深さが150nmまでの範囲に、クラスターイオン16の構成元素の濃度プロファイルのピークを定めて照射を行うことを特徴とし、かつ、上記モノマーイオン注入工程において、半導体ウェーハ10の表面10Aから該ウェーハの厚み方向に300nm以上離間した位置に、ドーパント元素の濃度プロファイルのピークを定めて注入を行うことを特徴とする。図1(F)は、この製造方法によって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。なお、エピタキシャル層20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。以下、各工程の詳細を順に説明する。
シリコンウェーハに、例えばボロン(B)のモノマーイオン17を注入する場合、図2(B)に示すように、モノマーイオン17は、シリコンウェーハを構成するシリコン原子を弾き飛ばし、シリコンウェーハ中の所定深さ位置に注入されることによりボロンが固溶した第2固溶領域19が形成される。モノマーイオンの飛程距離、すなわち注入深さは、注入イオンの構成元素の種類およびイオンの加速電圧に依存するが、シリコンウェーハの厚み方向におけるボロンの濃度プロファイルは、クラスターイオン照射の場合に比べて比較的ブロードになり、注入されたボロンの存在領域は概ね0.5〜1μm程度の厚みとなる。
Niは拡散速度が速いため、第1固溶領域18′で捕獲しきれなかったNiが第1固溶領域18′を除く第2固溶領域19′で捕獲されるために、捕獲ピークがそれぞれの領域に出現したものと考えられる。これに対してFeは拡散速度が遅いため、第1固溶領域18′を除く第2固溶領域19′まで到達し難い。ここで、前述したように第2固溶領域19′の厚み幅が広がっているため、第1固溶領域18′内にはボロンが固溶した第2固溶領域19′の一部が存在する混在領域が形成されている。そして、FeはFe−Bペアを造りやすい性質があるため、この混在領域でFeが捕獲されやすくなる。その結果、第1固溶領域18′においてFeの捕獲効果が高まったと考えられる。
まず、クラスターイオン16は一般的に10〜100keV/Cluster程度の加速電圧で照射するが、クラスターは複数の原子または分子の集合体であるため、1原子または1分子あたりのエネルギーを小さくして打ち込むことができ、シリコンウェーハの結晶へ与えるダメージは小さい。そのため、後述するエピタキシャル層20を形成するためのエピタキシャル装置内で、エピタキシャル成長に先立ち行われる水素ベーク処理によって、シリコンウェーハの結晶性を十分回復させることができる。なお、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内を水素雰囲気とし、600℃以上900℃以下の炉内温度でシリコンウェーハを炉内に投入し、1℃/秒以上15℃/秒以下の昇温レートで1100℃以上1200℃以下の温度範囲にまで昇温させ、その温度で30秒以上1分以下の間保持するものである。この水素ベーク処理は、本来はエピタキシャル層成長前の洗浄処理によりウェーハ表面に形成された自然酸化膜を除去するためのものであるが、上記条件の水素ベークによりシリコンウェーハの結晶性を十分回復させることができる。もちろん、エピタキシャル装置とは別個の熱処理装置を用いて回復熱処理を行ってもよい。
これまで説明してきた第1実施形態においては、クラスターイオン照射工程の後、モノマーイオン注入工程を行ったが、モノマーイオン注入工程の後、クラスターイオン照射工程を行っても本発明の効果は得られる。すなわち、本発明の第2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3に示すように、半導体ウェーハ10の表面10Aから、ドーパント元素からなるモノマーイオン17を注入するモノマーイオン注入工程(図3(A)〜(C))と、半導体ウェーハ10の表面10Aにクラスターイオン16を照射するクラスターイオン照射工程(図3(D),(E))と、上記照射工程および上記注入工程を経た半導体ウェーハ10の表面10Aに、エピタキシャル層20を形成する工程(図3(F))と、を有する。第1実施形態と同様に、上記モノマーイオン注入工程において、半導体ウェーハ10の表面10Aから該ウェーハの厚み方向に300nm以上離間した位置に、モノマーイオン17の構成元素であるドーパント元素の濃度プロファイルのピークを定めて注入を行うことを特徴とし、かつ、上記クラスターイオン照射工程において、半導体ウェーハ10の表面10Aから該ウェーハの厚み方向の深さが150nmまでの範囲に、クラスターイオン16の構成元素の濃度プロファイルのピークを定めて照射を行うことを特徴とする。なお、第1実施形態において既述のとおり、モノマーイオン注入工程の後、結晶性回復のための回復熱処理をクラスターイオン照射工程に先立ち行うことが好ましい。
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について説明する。半導体エピタキシャルウェーハ100は、図1(F)または図3(F)に示すように、半導体ウェーハ10の表面10A上にエピタキシャル層20が形成された半導体エピタキシャルウェーハ100であって、半導体ウェーハ10は、所定元素が固溶した第1固溶領域18′およびドーパント元素が固溶した第2固溶領域19′を有する。ここで、
第1固溶領域18′における所定元素のウェーハ厚み方向の濃度プロファイルは、半値幅が100nm以下、かつ、半導体ウェーハ10の表面10Aから該ウェーハの厚み方向の深さが150nmまでの範囲にピークを有し、第2固溶領域19′におけるドーパント元素のウェーハの厚み方向の濃度プロファイルは、半導体ウェーハ10の表面10Aから300nm以上離間した位置にピークを有することが、本発明による半導体エピタキシャルウェーハ100の特徴である。
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半導体エピタキシャルウェーハまたは上記の半導体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、従来に比べ白傷欠陥の発生を十分に抑制することができる。
CZ単結晶から得たp−型シリコンウェーハ(直径:300mm、厚み:775μm、ドーパント種類:ボロン、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、型番:CLARIS)を用いて、シクロヘキサン(C6H12)をクラスターイオン化したC3H5のクラスターイオンを、加速電圧80keV/Cluster(炭素1原子あたりの加速電圧23.4keV/atomであり、飛程距離は80nmである)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は炭素原子数に換算して、1.5×1015atoms/cm2とした。
モノマーイオンの加速電圧および注入飛程を表1に記載の条件とした以外は、実施例1と同じ条件で、実施例2にかかるエピタキシャルウェーハを作製した。
モノマーイオンの加速電圧および注入飛程を表1に記載の条件とした以外は、実施例1と同じ条件で、比較例にかかるエピタキシャルウェーハを作製した。
モノマーイオンを注入しなかった以外は、実施例1と同じ条件で、従来例にかかるエピタキシャルウェーハを作製した。
各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(1.0×1013atoms/cm2)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700℃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、ウェーハ厚み方向における炭素濃度、ボロン濃度およびNi濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。実施例1,2、比較例および従来例の濃度プロファイルを図4(A)〜(D)にそれぞれ示す。ここで、図4の横軸の深さはエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層表面をゼロ(図示せず)としている。図4Aにおいては、深さ4.2μmまでがエピタキシャル層に相当し、深さ4.2μm以深がシリコンウェーハに相当する。図中に、エピタキシャル層とシリコン基板との境界を示す破線を参考のために付す。ただし、SIMS測定した際に、エピタキシャル層の厚みには±0.1μm程度の測定誤差が生じ得る。各エピタキシャルウェーハの、Niの故意汚染濃度1.0×1013atoms/cm2に対する捕獲量の割合を表1に併せて示す。
また、ゲッタリング能力評価とは別に、各エピタキシャルウェーハに対して、Surfscan SP1(KLA−Tencor社製)にてNormalモードにて測定を行い、LPD−Nとしてカウントされた個数を確認した。各エピタキシャルウェーハのLPDマップの測定結果を図6に示し、エピタキシャル欠陥の個数を表1に併せて示す。
以上の結果から、モノマーイオンの飛程距離を、シリコンウェーハの表面からシリコンウェーハの厚み方向に300nm以上離間させると、エピタキシャル欠陥発生を抑制しつつ、ゲッタリング能力をより向上できることがわかった。さらに、実施例1と実施例2とを比較すると、モノマーイオンの飛程距離を、シリコンウェーハの厚み方向により離間させると、ゲッタリング能力をさらに向上できることもわかった。ここで、図4を参照して実施例1,2と比較例とを比べると、いずれのエピタキシャルウェーハにおいても、エピタキシャルウェーハに炭素が固溶した第1固溶領域18′およびボロンが固溶した第2固溶領域19′が形成されたことが確認できる。実施例1および実施例2では、モノマーイオンの飛程距離をクラスターイオンの飛程距離から十分に離間したため、比較例に比べてNiに対するゲッタリング能力の向上が顕著に見られた。既述のとおり、シリコンウェーハの厚み方向のより深い領域においてもNiをゲッタリングできるためであると考えられる。
10A 半導体ウェーハの表面
16 クラスターイオン
17 モノマーイオン
18 第1固溶領域
19 第2固溶領域
20 エピタキシャル層
100 半導体エピタキシャルウェーハ
Claims (12)
- 半導体ウェーハの表面にクラスターイオンを照射するクラスターイオン照射工程と、
半導体ウェーハの表面から、ドーパント元素からなるモノマーイオンを注入するモノマーイオン注入工程と、
前記照射工程および前記注入工程を経た半導体ウェーハの前記照射および注入側の表面に、エピタキシャル層を形成する工程と、
を有し、
前記クラスターイオン照射工程において、前記半導体ウェーハの表面から該ウェーハの厚み方向の深さが150nmまでの範囲に、前記クラスターイオンの構成元素の濃度プロファイルのピークを定めて照射を行うこと、
前記モノマーイオン注入工程において、前記半導体ウェーハの表面から該ウェーハの厚み方向に300nm以上離間した位置に、前記ドーパント元素の濃度プロファイルのピークを定めて注入を行うこと、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。 - 前記ドーパント元素がボロンである請求項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または2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3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照射工程では、前記クラスターイオンの加速電圧100keV/Cluster以下、ドーズ量1×1016atoms/cm2以下の条件で照射し、
前記モノマーイオン注入工程では、前記モノマーイオンの加速電圧500keV/atom以下、ドーズ量1×1016atoms/cm2以下で注入する請求項1〜4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。 - 前記半導体ウェーハが、シリコンウェーハである請求項1〜5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。
- 半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層が形成された半導体エピタキシャルウェーハであって、
前記半導体ウェーハは、所定元素が固溶した第1固溶領域およびドーパント元素が固溶した第2固溶領域を有し、
前記第1固溶領域における前記所定元素のウェーハ厚み方向の濃度プロファイルは、半値幅が100nm以下、かつ、前記半導体ウェーハの表面から該ウェーハの厚み方向の深さが150nmまでの範囲にピークを有し、
前記第2固溶領域における前記ドーパント元素のウェーハの厚み方向の濃度プロファイルは、前記半導体ウェーハの表面から300nm以上離間した位置にピーク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。 - 前記ドーパント元素がボロンである請求項7に記載の半導体エピタキシャルウェーハ。
- 前記所定元素が炭素を含む請求項7または8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9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。
- 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半導体エピタキシャルウェーハまたは請求項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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