JP5776670B2 - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、エピタキシャルシリコンウェーハ、および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Description
40keV/atom以下、クラスターサイズが60個以下、炭素のドーズ量が5×1015atoms/cm2以下の条件で行うことがより好ましい。
また、図5(B)に示した単結晶引き上げ装置300は、装置200における冷却部材59を有していない以外は、装置200と同じである。
これら以外に、インゴット(c)については、装置300における、熱遮蔽体60の下端と原料融液Mとの間隔を拡大させて、育成中(融点〜1370℃間)の単結晶インゴットの中心部と外周部の温度勾配差を小さくした状態でインゴットIを育成できる単結晶引き上げ装置400(図示せず)を用いた。
また、インゴット(b)については、図5(B)に示した単結晶引き上げ装置300を用いて育成した。その際、1200〜1000℃の温度領域におけるインゴットIの滞在時間を80分となるように引き上げ速度を設定した以外は、インゴット(a)と同じである。
さらに、インゴット(c)については、インゴットの径方向に同一の結晶領域が広がるように、図5(B)に示した装置300における、熱遮蔽体60の下端と原料融液Mとの間隔を拡大させて、育成直後(融点〜1370℃間)の単結晶インゴットの中心部と外周部の温度勾配差を小さくした単結晶引き上げ装置400(図示せず)を用いた。その際、1200〜1000℃の温度領域におけるインゴットIの滞在時間を150分となるように引き上げ速度を設定した以外は、インゴット(a)の育成条件と同じである。
さらにまた、インゴット(d)については、インゴット(b)と同様に、図5(B)に示した装置300を用いて育成したが、1200〜1000℃の温度領域におけるインゴットIの滞在時間を160分としてインゴット(b)よりも遅い引き上げ速度条件で育成した以外は、インゴット(a)の育成条件と同じである。
育成したインゴット(a)〜(d)は、全て結晶方位<100>、直径300mmのn型の単結晶シリコンインゴットであり、n型ドーパントはリンとし、その濃度を1×1015atoms/cm3以上1×1017atoms/cm3以下の範囲とした。また、酸素濃度(ASTM F121-1979)は12×1017atoms/cm3以上14×1017atoms/cm3以下の範囲とした。
続いて、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、クラスターイオンとしてC5H5クラスターを生成し、ドーズ量1.00×1014Clusters/cm2(炭素のドーズ量5.00×1014atoms/cm2)、炭素1原子当たりの加速電圧14.8keV/atomの条件で、上述のように作製されたシリコンウェーハ(a)〜(d)に照射した。その後、各シリコンウェーハを枚葉式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、装置内で1120℃の温度で30秒の水素ベーク処理を施した後、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:10μm、ドーパント種類:リン、ドーパント濃度:1×1015atoms/cm3)をエピタキシャル成長させ、本発明に従うエピタキシャルシリコンウェーハとした。なお、本発明例1〜4では、80keV/Clusterでクラスターイオンを照射したが、各クラスターは、5の炭素原子(原子量12)および5の水素原子(原子量1)からなる。そのため、炭素原子1つが受けるエネルギーは、約14.8keV/atomとなる。
クラスターイオン照射工程に替えて、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1.00×1014atoms/cm2、加速電圧300keV/atomの条件でモノマーイオン注入工程を行った以外は、本発明例1〜4と同様にして、比較例に係るエピタキシャルシリコンウェーハを製造した。
まず、クラスターイオンの照射直後と、モノマーイオンの注入直後における、炭素の分布の相違を明らかにするため、本発明例1および比較例1について、エピタキシャル層形成の前のシリコンウェーハについて、SIMS測定を行った。得られた炭素濃度プロファイルを図6に参考に示す。ここで、図6の横軸の深さはシリコンウェーハの表面をゼロとしている。
本発明例および比較例で作製した各サンプルのシリコンウェーハ表面を、Cu汚染液(1.0×1012/cm2)で、それぞれ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。測定結果を代表して、本発明例1および比較例1についてのCu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7(A),(B))。他の本発明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、評価基準をCu濃度プロファイルのピーク濃度の値によって以下のとおりに分類した。
◎:1.0×1017atoms/cm3以上
○:7.5×1016atoms/cm3以上1.0×1017atoms/cm3未満
△:7.5×1016atoms/cm3未満
単結晶シリコンインゴットの育成過程における、1200〜1000℃の温度領域(COP形成温度領域)における単結晶シリコンインゴットの滞在時間によって、インゴット内に形成されるCOPサイズ分布およびCOP密度分布がどのように変化するかについて調査した。具体的には、クラスターイオン照射する前の単結晶シリコンインゴットから切り出されたシリコンウェーハ(a)〜(d)のそれぞれについて、SC−1洗浄(アンモニア水:過酸化水素水:超純粋=1:1:15の混合液による洗浄)を行った後、SC−1洗浄後の各ウェーハを赤外レーザー明視野干渉法、アクセントオプティカルテクノロジーズ社製OPPを用いてCOPのサイズおよび密度を評価した。得られたCOP形成温度領域滞在時間とCOP最大サイズとの関係を図8に示す。また、COPサイズとCOP密度との関係を図9に示す。
シリコンウェーハ(a)〜(c)については、いずれも1200℃〜1000℃の温度領域における単結晶シリコンインゴットの滞在時間が短いため(150分以内)、最大サイズが0.25μmを超えるCOPは観察されなかった。
一方、シリコンウェーハ(d)については、1200℃〜1000℃の温度領域の滞在時間が長いため(150分超)、COPの最大サイズは0.33μmとなり、シリコンウェーハ(a)〜(c)よりも大きかった。
本発明例および比較例で作製した各サンプルのエピタキシャルシリコンウェーハの表面を、KLA−Tenchor社製:Surfscan SP−2を用いて観察評価し、LPDの発生状況を調べた。その際、観察モードはObliqueモード(斜め入射モード)とし、表面ピットの推定は、Wide Narrowチャンネルの検出サイズ比に基づいて行った。続いて、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて、LPDの発生部位を観察評価して、LPDが積層欠陥(SF:Stacking Fault)であるか否かを評価した。その後、収束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)加工により、SFの発生部位を含む断面観察用評価サンプルを作製した。最後に、この評価サンプルを透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて観察評価して、COP起因のSFであるか否かを評価した。SFの個数を表1に示す。
10A シリコンウェーハの表面
16 クラスターイオン
18 改質層
20 エピタキシャル層
41 COP発生領域
42 OSF潜在核領域
43 酸素析出促進領域(Pv領域)
44 酸素析出抑制領域(Pi領域)
45 転位クラスター領域
51 チャンバー
52 ルツボ
52a 石英ルツボ
52b 黒鉛ルツボ
53 ルツボ回転昇降軸
54 ヒーター
55 引き上げ軸
56 種結晶保持器
57 ガス導入口
58 排気口
59 冷却部材
60 熱遮蔽体
100 エピタキシャルシリコンウェーハ
200,300,400 単結晶引き上げ装置
I 単結晶シリコンインゴット
S 種結晶
M 原料融液
Claims (16)
- チョクラルスキー法によりCOP発生領域を有する単結晶シリコンインゴットを引き上げ、得られた単結晶シリコンインゴットに対して切り出し加工を施してCOPを含むシリコンウェーハを作製するウェーハ作製工程と、
作製されたシリコンウェーハにゲッタリングに寄与する構成元素を含むクラスターイオンを照射して、前記シリコンウェーハの表面に、前記クラスターイオンの構成元素から形成された改質層を形成するクラスターイオン照射工程と、
前記シリコンウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程と、
を有し、該エピタキシャル層形成工程後の改質層における前記構成元素の深さ方向の濃度プロファイルの半値幅が100nm以下であるエピタキシャルシリコンウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 - 前記単結晶シリコンインゴットの引き上げは、1200〜1000℃の温度領域における前記単結晶シリコンインゴットの滞在時間が150分以下となる育成条件で行う、請求項1に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
- 前記引き上げは、前記単結晶シリコンインゴットの周囲を冷却させながら行う、請求項2に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
- 前記クラスターイオン照射工程の後、前記シリコンウェーハに対して結晶性回復のための熱処理を行うことなく、前記シリコンウェーハをエピタキシャル成長装置に搬送してエピタキシャル層形成工程を行う、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコン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1〜4のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコン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5に記載のエピタキシャルシリコン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、前記シリコン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構成元素の深さ方向の濃度プロファイルのピークが位置するように、前記クラスターイオンを照射する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
- 前記クラスターイオン照射工程は、クラスターイオンの加速電圧が50keV/atom以下、クラスターサイズが100個以下、炭素のドーズ量が1×1016atoms/cm2以下の条件で行う、請求項7に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
- 前記クラスターイオン照射工程は、クラスターイオンの加速電圧が40keV/atom以下、クラスターサイズが60個以下、炭素のドーズ量が5×1015atoms/cm2以下の条件で行う、請求項7に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
- COPを含むシリコンウェーハと、該シリコンウェーハの表面に形成された、該シリコンウェーハ中に固溶しゲッタリングに寄与する所定元素から形成された改質層と、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以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。 - 前記COPの最大サイズが0.25μm以下である、請求項10に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
- 前記シリコン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10または11に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
- 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10〜12のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
- 前記所定元素が炭素を含む、請求項10〜13のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
- 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14に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたエピタキシャルシリコンウェーハまたは請求項10〜15のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの、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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