JP5830215B2 - エピタキシャルウエーハ並びにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はシリコンウエーハとエピタキシャルウエーハ並びにそれらの製造方法に関し、具体的にはＮ型の低抵抗率シリコンウエーハとエピタキシャルウエーハ並びにそれらの製造方法に関する。

半導体集積回路を作製するための基板として、主にＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法によって育成されたシリコンウエーハが用いられている。
そして、シリコンウエーハを用いた集積回路の作製には、デバイス活性層中の金属不純物の低減という重要な技術課題がある。これを実現するため、材料の高純度化やデバイスプロセスの清浄化等の工夫がなされている。

しかし、やむをえず汚染された場合に有効なのが、金属不純物をデバイス活性層から特定の場所（ゲッタリングサイト）へ除去するゲッタリング技術である。
この金属不純物を捕獲するゲッタリングサイトの１つとして、シリコンウエーハ中の酸素析出物が挙げられる。この酸素析出物をウエーハ中に形成させることが非常に重要な技術の１つである。

しかし、Ｎ型低抵抗率のシリコンウエーハや、それを下地基板としたエピタキシャルウエーハでは、抵抗率調整用のドーパントによって酸素の拡散が抑制され、酸素析出物の形成が困難になることが知られている。そのため、ゲッタリング能力が低いウエーハしか得られなかった。

そのため、現在、Ｎ型低抵抗率ウエーハや、それを下地基板としたエピタキシャルウエーハでは、裏面にサンドブラストやポリシリコン膜形成処理を行い、ゲッタリング能力を付加することが行われている。これらの処理はエクストリンシックゲッタリング（Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ：ＥＧ）と呼ばれている。
しかし、サンドブラストやポリシリコン膜形成といったゲッタリング技術は、裏面にゲッタリングサイトが存在するため、デバイス活性層中の金属不純物を裏面まで拡散させる必要があり、金属不純物の拡散による律速を受ける。

よって、デバイス活性層直下にゲッタリングサイトが存在する酸素析出物によるゲッタリング技術と比べるとゲッタリング能力が劣っているという問題があった。

この有効なゲッタリングサイトである酸素析出物の形成を促進させる他の方法の一つとして、シリコンウエーハ中に、窒素もしくは炭素をドープする方法がある。この方法は、通常イントリンシックゲッタリング（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ：ＩＧ）と呼ばれている。
これにより、酸素析出物の形成を容易にし、高いゲッタリング能力を有するウエーハを製造することができる（例えば、特許文献１〜３参照）。しかしこれら特許文献１〜３に記載の技術は、導電型がＰ型の場合であり、Ｎ型に同様に適応できなかった。

特開２００４−６６１５号公報 特開２００７−１３１４７９号公報 特開２００６−２４５０５４号公報

ところで、近年、大電流動作が可能な低耐圧パワーＭＯＳデバイス用途に、Ｎ型の超低抵抗率（＜１．５ｍΩ・ｃｍ）のシリコンウエーハを用いたＮ／Ｎ^＋＋＋エピタキシャルウエーハの需要が急速に高まっている。このＮ^＋＋＋は超低抵抗率の導電型がＮ型であることを意味するものである。

このようなＮ型低抵抗率のシリコンウエーハにゲッタリング能力を付与するためには上述のようにＥＧ処理が専ら行われていたが、ゲッタリング能力不足が目立つようになってきた。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、導電型がＮ型で、抵抗率が低い場合であっても、酸素析出物をデバイス活性領域の近傍に析出させることのできる、つまりＩＧ能力の高いシリコンウエーハとエピタキシャルウエーハ並びにそれらの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、シリコンウエーハであって、該シリコンウエーハは、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、かつ窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下であることを特徴とするシリコンウエーハを提供する（請求項１）。

このように、酸素析出物を形成することが難しいＮ型低抵抗率ウエーハであっても、炭素が０．１〜１０ｐｐｍ、窒素が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の密度で両方同時にドープされたものであれば、酸素析出が促進されるため、ゲッタリング能力を高いものとすることができる。
またドープする炭素濃度の範囲が０．１〜１０ｐｐｍａであるため、炭素ドープによる酸素析出促進効果を十分に高いものとすることができ、また単結晶の育成中に多結晶化してしまうことを抑制できる。更にドープされた窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるため、酸素析出熱処理後のシリコンウエーハ中に析出する酸素析出物の密度をゲッタリング能力が高い水準まで析出させることができ、また酸素析出物が過剰に析出してスリップ転位などの結晶欠陥が発生することを抑制することができる。従って、結晶欠陥が非常に少ない高品質シリコンウエーハとなっている。

ここで、前記導電型をＮ型で抵抗率を４ｍΩ・ｃｍ以下にするための抵抗率調整用ドーパントがリンであることが好ましい（請求項２）。
このように、抵抗率調整用ドーパントとしてリンがドープされたシリコンウエーハであれば、近年需要が拡大しているので、本発明が有効であり、また、抵抗率を下げるために大量にドープできるため、結晶欠陥を発生させることなく低抵抗率とすることができる。

そして本発明では、エピタキシャルウエーハであって、本発明に記載のシリコンウエーハの表面にエピタキシャル層が形成されたものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハを提供する（請求項３）。
前述のように、本発明のシリコンウエーハは、Ｎ型低抵抗率のシリコンウエーハで、且つ酸素析出物が析出するものであるためゲッタリング能力が高いものとなっている。そのため、このようなシリコンウエーハの表面上にエピタキシャル層が気相成長されたエピタキシャルウエーハはゲッタリング能力が高いものである。

また、本発明では、シリコンウエーハの製造方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によって炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下になるように炭素・窒素・抵抗率調整用ドーパントをドープしてシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスして加工することを特徴とするシリコンウエーハの製造方法を提供する（請求項４）。

このように、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下になるように炭素・窒素・抵抗率調整用ドーパントをドープしてシリコンウエーハを製造することによって、Ｎ型の低抵抗率で酸素析出物の析出が多いシリコンウエーハを得ることができる。
また、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａになるようにドープされているため、酸素析出物を十分に析出させることができ、かつシリコンが多結晶化して育成できなくなることを抑制することができる。また窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるようにドープされているため、酸素析出物を十分に析出させることができ、また析出過多となることを防止することができる。更に、低抵抗のＮ型シリコンウエーハを得られるため、パワーＭＯＳデバイスに適したシリコンウエーハを得ることができる。

そして、前記抵抗率調整用ドーパントとしてリンを用いることが好ましい（請求項５）。
このように、抵抗率調整用ドーパントとしてリンを用いることによって、近年の市場の要求に答えることができるとともに、容易に低抵抗率のＮ型シリコンウエーハを製造することができ、また育成されたシリコンウエーハの結晶性を高いものとすることができる。

更に本発明では、エピタキシャルウエーハの製造方法であって、本発明に記載のシリコンウエーハの製造方法で得られたシリコンウエーハの表面上に、エピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する（請求項６）。
上述のように本発明の製造方法で製造されたシリコンウエーハは、低抵抗率のＮ型シリコンウエーハでゲッタリング能力が高いものであるため、このようなシリコンウエーハを用いて製造されたエピタキシャルウエーハもゲッタリング能力の高い、例えばＮ型の低抵抗率のシリコンエピタキシャルウエーハとすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ゲッタリング能力の高いＮ型低抵抗率シリコンウエーハとエピタキシャルウエーハ並びにそれらの製造方法が提供される。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、導電型がＮ型で、抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下と低抵抗率であっても、酸素析出物をデバイス活性領域の近傍に析出させることのできるＩＧ能力の高いシリコンウエーハとエピタキシャルウエーハ並びにそれらの製造方法の開発が待たれていた。

そこで、本発明者は、Ｎ型の低抵抗率シリコンウエーハにおいて、窒素及び炭素のドープ量の最適範囲について鋭意検討を重ねた結果、炭素を０．１〜１０ｐｐｍａ（５×１０^１５〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、窒素を１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、同時にドープすることによって、Ｎ型低抵抗率のシリコンウエーハであっても酸素析出物を析出させることができ、従ってゲッタリング能力の高いシリコンウエーハを得られることを知見し、本発明を完成させた。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のシリコンウエーハは、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ（５×１０^１５〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、かつ窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下である。

このように、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍ、窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるように両方同時にドープされたシリコンウエーハは、酸素析出物を形成することが難しい導電型Ｎ型の低抵抗率ウエーハであっても、デバイス工程での熱処理や酸素析出熱処理によってウエーハ中のデバイス活性領域近傍に酸素析出物が析出することを促進されたものとなっている。そのため、ゲッタリング能力が高いウエーハである。
また、炭素が０．１ｐｐｍａ（５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上ドープされているため、炭素ドープによる酸素析出促進効果を十分に高いものとすることができる。またドープ量が１０ｐｐｍａ（５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であるため、単結晶育成時に多結晶化して育成が困難となることを抑制できる。
そして、窒素が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上ウエーハ中にドープされているため、酸素析出熱処理後のシリコンウエーハ中に析出する酸素析出物の密度をゲッタリング能力が高い水準まで析出させることができる。またドープ量の上限が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるため、酸素析出物が過剰に析出してスリップ転位等の結晶欠陥が発生することを抑制することができる。
従って、結晶欠陥が少なく、且つゲッタリング能力が十分に高い高品質なＮ型低抵抗率のシリコンウエーハとなっている。

ここで、ドープされた抵抗率調整用ドーパントをリンとすることができる。
このように、抵抗率調整用ドーパントとしてリンがドープされたシリコンウエーハであれば、抵抗率を下げるために大量にドープでき、また結晶欠陥を発生させることなく抵抗率を下げたものとすることができる。このため、容易に低抵抗率のＮ型シリコンウエーハを得ることができ、また得られたシリコンウエーハの結晶性は高いものとなっている。近年、リンドープ低抵抗シリコンウエーハにエピタキシャル層を形成したものが、パワーＭＯＳデバイス用途に需要が拡大しているため、本発明はこのような用途に十分に対応することができる。

そしてこのようなシリコンウエーハは、以下に示すような製造方法によって製造することができるが、もちろんこれに限定されるものではない。

まず、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶棒を育成する。
この際、得られるシリコンウエーハ中の炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ（５×１０^１５〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）と、窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３と、導電型がＮ型、抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下になるように、炭素・窒素・抵抗率調整用ドーパントをドープする。
この炭素・窒素・抵抗率調整用ドーパントをドープする方法は、一般的な手法を用いれば良い。炭素をドープする方法としては、原料シリコン融液中に炭素粉末を添加したり、育成雰囲気ガスに炭素含有ガスを添加する方法がある。また窒素の場合、原料シリコン融液中に窒化ケイ素粉末や窒化膜付きのシリコンウエーハを投入したり、雰囲気ガスに窒素含有ガスを添加する方法がある。

ここで、ドープされる炭素濃度が０．１ｐｐｍａ未満の場合、デバイス工程や酸素析出物析出熱処理の際に酸素析出物が十分に析出せず、ゲッタリング能力が不十分となるので、０．１ｐｐｍａ以上となるようにドープする。また１０ｐｐｍａを超える場合、チョクラルスキー法でシリコン単結晶棒を育成する際に多結晶化しやすくなって単結晶が育成困難になるので、ドープ量の上限は１０ｐｐｍａとする。
また、窒素のドープ量は、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上且つ１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。ドープ量が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の場合、デバイス工程や酸素析出物析出熱処理の際に酸素析出物が十分に析出せず、ゲッタリング能力が不十分となることがあるため、下限は１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とする。また、ドープ量が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える場合、酸素析出物の析出量が多くなりすぎ、デバイス工程においてスリップ転位やウエーハの反りが発生して、不良発生の原因となるため、上限を１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とする。
また、導電型はＮ型、抵抗率は、特に低耐圧パワーＭＯＳデバイスに適したウエーハとするには、４ｍΩ・ｃｍ以下とする。４ｍΩ・ｃｍを超える場合、デバイス特性に悪影響が発生することがあるため、４ｍΩ・ｃｍ以下とする。

ここで、抵抗率調整用ドーパントとしてリンを用いることができる。
リンをドープする方法としては、例えば、チョクラルスキー法でシリコン単結晶棒を育成する際に予め石英ルツボ内にリンがドープされた原料シリコン多結晶を入れてシリコン単結晶棒を育成する方法がある。または、原料融液にリンを直接投入しても良い。そしてリンとして赤リンを用いることが望ましく、赤リンであれば、容易に４ｍΩ・ｃｍの超低抵抗率ウエーハとすることができる。
このように、抵抗率を調整するドーパントとしてリンを用いることによって、作製されるシリコンウエーハの抵抗率を容易に超低抵抗率とすることができる。

その後、育成したシリコン単結晶棒を内周刃スライサあるいはワイヤソー等の切断装置によってスライスして加工する。
そして任意で、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等を行うことができ、これによって所望のシリコンウエーハが得られる。

このように、本発明のシリコンウエーハの製造方法によれば、ゲッタリング能力の高い低抵抗率のＮ型シリコンウエーハを製造することができる。

そして更に、得られたシリコンウエーハの表面上にエピタキシャル層を形成してエピタキシャルウエーハを得ることができる。
このエピタキシャル層を形成する方法としては、例えば気相成長によれば良い。気相成長で形成する場合、例えば、Ｈ_２をキャリアガスとしてＳｉＨＣｌ_３等のソースガスをチャンバー内に導入し、サセプタ上に配置した炭素及び窒素をドープしたＮ型（リンドープ）シリコンウエーハ上に、１０５０〜１２５０℃程度でＣＶＤ法により、エピタキシャル成長させることができる。
そしてこの際、形成するエピタキシャル層の導電型や抵抗率は特に制限されるものではないが、下地となるシリコンウエーハ同様、Ｎ型で通常抵抗率とすることが望ましい。

上述のように、本発明の製造方法で製造されたシリコンウエーハは、ゲッタリング能力が高い低抵抗率のＮ型シリコンウエーハであるため、このようなシリコンウエーハを用いて製造されたエピタキシャルウエーハもゲッタリング能力の高いウエーハとすることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１〜６、比較例１〜４）
炭素、窒素、抵抗率調整用ドーパントして赤リンを、後述する表１に記載される濃度となるようにして、チョクラルスキー法により炭素・窒素・赤リンを同時にドープしてシリコン単結晶棒を計１０種類育成した。
ここで、リンは原料シリコン融液中にリン濃度が既知のリンドープシリコン多結晶を投入することで、また炭素は原料シリコン融液中に炭素粉を投入することで、窒素は原料シリコン融液中に窒化膜付きウエーハを投入することで行った。

次に、育成されたシリコン単結晶棒をスライスして直径２００ｍｍのシリコンウエーハを各例当たり３枚用意した。その後得られたシリコンウエーハに面取り、ラッピング、エッチング、研磨を行った。
そして作製されたシリコンウエーハの結晶欠陥の有無をパーティクルカウンターで評価した。

その後、１１３０℃の処理条件で、シリコンウエーハの表面にエピタキシャル層を形成し、エピタキシャルウエーハを作製した。形成するエピタキシャル層の厚さは約６μｍとした。

そして製造したエピタキシャルウエーハに対して窒素濃度、炭素濃度、抵抗率が目標通りになっているかどうか確認のための評価を行った。
窒素濃度は、エピタキシャル層形成後のエピタキシャルウエーハからサンプルを採取し、表面のエピタキシャル層を除去するために２０μｍのポリッシュを行った後、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。炭素濃度は、エピタキシャル層形成後のエピタキシャルウエーハを赤外吸収法（ＦＴＩＲ）で測定して、日本電子工業振興協会による濃度換算係数を用いて算出した。抵抗率の評価は４探針法で行った。

また、エピタキシャル層に欠陥があるかどうかをパーティクルカウンターにて評価した。
その後、得られたエピタキシャルウエーハを劈開し、劈開面を選択エッチングすることにより、酸素析出物密度を測定した。
これらの結果を比較し、まとめた結果を表１に示す。
この表中において、ＢＭＤ析出密度の欄における◎、○、×は酸素析出物密度の高低を表す。そして結晶欠陥の有無やエピタキシャル層の欠陥の有無の欄における○、×は、欠陥なしを○、欠陥有りを×としたものである。

表１に示すように、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、窒素濃度が１×１０^１３〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内にある実施例１〜６のエピタキシャルウエーハはＢＭＤ密度が十分に形成されており、また結晶欠陥やエピ欠陥が発生していなかった。
これに対し、窒素濃度が本発明の範囲外であった比較例１，２のエピタキシャルウエーハは、下限より下の比較例１のウエーハはＢＭＤが十分に析出しておらず、上限より上の比較例２のウエーハは結晶欠陥やエピ欠陥がウエーハに発生していた。
また炭素濃度が本発明の範囲外の比較例３，４のエピタキシャルウエーハは、下限より下の比較例３のウエーハは、比較例１のウエーハ同様ＢＭＤが十分に析出しておらず、上限より上の比較例４のシリコンウエーハは単結晶棒の育成中に多結晶化してしまい、製造できなかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (2)

1. エピタキシャルウエーハであって、炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、かつ窒素濃度が１×１０ ^１３ 〜１×１０ ^１５ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下であるシリコンウエーハの表面にエピタキシャル層が形成されたものであり、前記導電型をＮ型で抵抗率を４ｍΩ・ｃｍ以下にするための抵抗率調整用ドーパントがリンであることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
2. エピタキシャルウエーハの製造方法であって、チョクラルスキー法によって炭素濃度が０．１〜１０ｐｐｍａ、窒素濃度が１×１０ ^１３ 〜１×１０ ^１５ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 、導電型がＮ型で抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以下になるように炭素・窒素・抵抗率調整用ドーパントとしてのリンをドープしてシリコン単結晶棒を育成し、該シリコン単結晶棒をスライスして加工することで得られたシリコンウエーハの表面上に、エピタキシャル層を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。