JP6156188B2 - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
このようにエピタキシャル膜中の酸素濃度が低い場合、例えば、デバイスプロセスなどの熱処理においてエピタキシャル膜中に転位が発生し、この転位が伸展してしまうことがある。そこで、このような転位の伸展を防止するための検討がなされている(例えば、特許文献1参照)。
ラッチアップ対策として、p/p+エピタキシャルウェーハが適用されている。p/p+エピタキシャルウェーハは、ボロンを高濃度に含有した低抵抗のシリコンウェーハ(p+シリコンウェーハ)の表面にエピタキシャル膜を成長させたウェーハである。p/p+エピタキシャルウェーハは、上記ラッチアップ現象の防止対策の他に、トレンチ構造のキャパシタを用いる場合にトレンチ周辺の電圧印加にともなう空乏層の拡がりを防止するなど、デバイスの機能向上を図ることができることから、広く適用されるようになっている。
しかしながら、p/p+エピタキシャルウェーハに対して上記特許文献1に記載の高温の熱処理を実施した場合は、シリコンウェーハに固溶している酸素だけでなく、シリコンウェーハ中のボロンもエピタキシャル膜に熱拡散してしまい、エピタキシャル膜の抵抗率が変化して所望の抵抗率の範囲を満たさなくなるおそれがある。
本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものである。
前記熱処理の温度をT(℃)、前記熱処理の時間をt(min)、として、以下の式(1)を満たすように行われることを特徴とする。
t≧3.71×10 56 ×X −7.03 ×Y 0.27 ×Z 3.34 ×T −16.7 … (1)
ここで、シリコンウェーハからエピタキシャル膜に酸素が拡散しても、拡散前後において、基板酸素濃度(シリコンウェーハの酸素濃度)は、ほとんど変わらないことが確認されている。
基板酸素濃度が上記範囲に設定されたシリコンウェーハを用いることにより、エピタキシャル膜形成工程後に実施する熱処理工程の熱処理温度を制御するだけの簡単な方法で、転位の伸展が発生しない量の酸素をエピタキシャル膜に拡散させることができる。
また、エピタキシャル膜の膜厚が上記範囲内であれば、エピタキシャル膜の平均酸素濃度を十分に高めることで、転位の伸展を防止できる。
さらに、エピタキシャル膜の平均酸素濃度が上記範囲内であれば、転位の伸展を防止できる。
また、上記式(1)に、シリコンウェーハの酸素濃度と、シリコンウェーハの抵抗率と、エピタキシャル膜の膜厚と、熱処理の温度とを代入し、熱処理の時間を計算で求めるだけの簡単な方法で、転位の伸展を抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができる。
図1は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を表すフローチャートである。図2は、エピタキシャルシリコンウェーハを示す断面図である。
このシリコンウェーハ準備工程では、CZ法や、MCZ(磁場印加チョクラルスキー)法などによって、引き上げられた単結晶インゴットを、スライス、面取り、研削、ラッピング、エッチング、研磨、洗浄などを含む必要な各工程によって、表面21が鏡面研磨されたシリコンウェーハ2を準備する全ての工程を含む。この際、シリコンウェーハ2の酸素濃度は、8×1017atoms/cm3以上18×1017atoms/cm3(ASTM F−121,1979)以下であることが好ましい。シリコンウェーハの酸素濃度が上記範囲であれば、後述する熱処理工程でエピタキシャル膜の酸素濃度を所望の範囲にまで高めることができる。
また、シリコンウェーハ2は、ボロンが添加され、100mΩ・cm以下、好ましくは、5mΩ・cm以上100mΩ・cm以下となるように、その抵抗率が調整される。
図示しないエピタキシャル装置の反応容器内にシリコンウェーハ2を載置し、反応容器内の温度を室温から目的温度まで昇温させる。目的温度は、1050℃〜1280℃に設定することが好ましい。反応容器内の温度が上記目的温度に到達すると、シリコンウェーハ2の表面21にエピタキシャル膜3を成長させる。例えば、トリクロロシランなどの成長ガスを反応容器内に導入し、この成長ガス雰囲気でエピタキシャル膜3の成膜を行う。なお、この成膜において、ボロン、リンなどの必要なドーパントを添加してもよい。
エピタキシャル膜形成工程は、エピタキシャル膜3の膜厚Tが0.5μm以上8.0μm以下となるまで行われることが好ましい。そして、エピタキシャル膜3が上記膜厚Tとなるまで成膜されると、エピタキシャルシリコンウェーハ1の温度を、エピタキシャル膜3を成長させたときの温度から室温まで降温する。
また、上記温度範囲内において熱処理時間を制御することが好ましい。
具体的には、エピタキシャル膜形成工程を実施する前の、シリコンウェーハ2の酸素濃度をX(×1017atoms/cm3)、エピタキシャル膜形成工程を実施する前の、シリコンウェーハ2の抵抗率をY(Ω・cm)、エピタキシャル膜3の膜厚をZ(μm)、熱処理の温度をT(℃)、熱処理の時間をt(min)、として、以下の式(1)を満たすように、熱処理の時間を制御する。
t≧3.71×1056×X−7.03×Y0.27×Z3.34×T−16.7 … (1)
上述したように、上記実施形態では、以下のような作用効果を奏することができる。
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
さらに、シリコンウェーハ2の酸素濃度は、8×1017atoms/cm3未満であってもよいし、18×1017atoms/cm3(ASTM F−121,1979)を超えていてもよい。
ボロンがドープされたシリコン融液からCZ法(チョクラルスキー法)を用いて単結晶インゴットを製造し、この単結晶インゴットからシリコンウェーハを切り出した。シリコンウェーハの酸素濃度(以下、「基板酸素濃度」という場合がある)は、11×1017atoms/cm3である。シリコンウェーハの抵抗率(以下、「基板抵抗率」という場合がある)は、5mΩ・cmである。また、基板抵抗率が10Ω・cmのシリコンウェーハも用意した。
次に、シリコンウェーハの(100)面を鏡面研磨面とし、この鏡面研磨面に膜厚(以下、「エピタキシャル膜厚」という場合がある)が3μmのエピタキシャル膜を成長させた。エピタキシャル膜の成長は、トリクロロシランなどのガス雰囲気中で1150℃程度の温度で行った。
そして、エピタキシャル膜の成長を終えたウェーハに対して、非酸化性雰囲気において、850℃で60分間保持する熱処理工程を実施し、エピタキシャルシリコンウェーハを得た。
なお、熱処理を実施しないエピタキシャルシリコンウェーハについても用意した。
まず、エピタキシャルシリコンウェーハから、長さ3cm、幅1.5cmの測定用サンプルを切り出した。次に、測定用サンプルの表面(エピタキシャル膜の表面)に、マイクロビッカーズ硬度計で5gの荷重を加えて10秒間保持し、3μm深さの圧痕を導入した。そして、測定用サンプルを、支点間距離2cm、試験温度800℃にて3点曲げ試験を実施した。この際、5Nの荷重を加え、測定用サンプルの表面側に引張応力を作用させた。
その後、室温まで冷却した測定用サンプルに対し、2μmのライトエッチングを実施し、エピタキシャル膜に導入した圧痕から発生したエピタキシャル膜表面で観察される転位ピットの有無を光学顕微鏡を用いて測定した。測定結果を以下の表1に示す。
なお、熱処理工程を実施しない例については、いずれの抵抗率であっても転位の伸展が確認され、エピタキシャル膜の強度が低いことが判った。
熱処理温度を900℃に変更した以外は、上記実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハの作製を行い、作製したエピタキシャルシリコンウェーハのうち、熱処理工程を実施したウェーハについて、酸素濃度の深さプロファイルを測定した。その深さプロファイルを図4に示す。
図5に示すように、850℃で熱処理を実施した実験1では、基板抵抗率が5mΩ・cmのシリコンウェーハを用いた例において、界面近傍に、局所的な酸素濃度の深さ微分の深さプロファイルのピークが観察された。この局所的な酸素濃度の深さ微分の深さプロファイルのピークは、界面近傍で局所的に酸素濃度が上昇していることを表しており、上記表1において、圧痕からの転位の伸展が無く、エピタキシャル膜の強度が高い結果が得られたことを裏付けているものと推察される。
一方、図5に示す、基板抵抗率が10Ω・cmのシリコンウェーハを用いた例、図6に示す、900℃で熱処理を実施した実験2では、いずれの例についても、ブロードなピークが観察された。
熱処理温度を1000℃に変更した以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。また、実験1と同様に熱処理温度を850℃でもエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。作製したエピタキシャルシリコンウェーハについて、ボロン濃度の深さプロファイルを測定した。ボロン濃度の深さプロファイルは、SIMS(二次イオン質量分析計)で行った。その深さプロファイルを図7に示す。
エピタキシャル膜厚、基板酸素濃度及び基板抵抗率を以下の表3の条件とし、熱処理温度を890℃で、熱処理時間を変動させたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハの作製及び応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。測定結果を以下の表3に示す。また、応力負荷試験結果を図8に示す。なお、図8中の曲線は、上記式(1)から導かれた転位伸展の有無の境界を表す近似曲線である。
また、図8から明らかなように、転位伸展の有無は、近似曲線を境界としており、この近似曲線よりも熱処理時間が小さいと転位の伸展が生じる傾向が見出せる。
エピタキシャル膜厚、基板酸素濃度及び基板抵抗率を以下の表4の条件とし、熱処理温度850℃で、熱処理時間を変動させたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハの作製及び応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。
また、基板抵抗率が5mΩ・cmのシリコンウェーハを使用した例では、エピタキシャル膜の平均酸素濃度を測定した。測定結果を以下の表4に示す。また、応力負荷試験結果を図9〜図11に示す。なお、図9〜図11中の曲線は、上記式(1)から導かれた近似曲線である。
エピタキシャル膜厚、基板酸素濃度及び基板抵抗率を以下の表5の条件とし、熱処理温度800℃で、熱処理時間を変動させたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハの作製及び応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。測定結果を以下の表5に示す。また、応力負荷試験結果を図12〜図14に示す。なお、図12〜図14中の曲線は、上記式(1)から導かれた近似曲線である。
エピタキシャル膜厚、基板酸素濃度及び基板抵抗率を以下の表6の条件とし、熱処理温度750℃で熱処理時間を変動させたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハの作製及び応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。測定結果を以下の表6に示す。また、応力負荷試験結果を図15〜図17に示す。なお、図15〜図17中の曲線は、上記式(1)から導かれた近似曲線である。
エピタキシャル膜厚を2μmとし、基板酸素濃度、基板抵抗率、熱処理温度及び熱処理時間を以下の表7の条件としたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。また、マイクロビッカーズ硬度計の荷重を3gとして圧痕深さを2μmとした以外は、実施例1と同様の条件で応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。測定結果を以下の表7に示す。また、応力負荷試験結果を図18に示す。なお、図18中の曲線は、上記式(1)から導かれた近似曲線である。
エピタキシャル膜厚を4μmとし、基板酸素濃度、基板抵抗率、熱処理温度及び熱処理時間を以下の表8の条件としたこと以外は、実験1と同様の条件でエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。また、マイクロビッカーズ硬度計の荷重を7gとして圧痕深さを4μmとした以外は、実施例1と同様の条件で応力負荷試験を行い、エピタキシャル膜表面で観察される転位ピットを測定した。測定結果を以下の表8に示す。また、応力負荷試験結果を図19に示す。なお、図19中の曲線は、上記式(1)から導かれた近似曲線である。
また、表4に示す、転位伸展の有無と、エピタキシャル膜の平均酸素濃度との関係から、エピタキシャル膜の平均酸素濃度が1.7×1017atoms/cm3以上であれば、転位伸展を抑制できることが導き出せる。
実験5〜実験9で作製したシリコンエピタキシャルウェーハにおいて、半導体デバイスの製造プロセスを模擬した熱処理(1000℃で1時間保持、800℃で2時間保持、650℃で3時間保持、900℃で1時間保持)を行った。熱処理の雰囲気は、N2とO2の混合雰囲気(O2を3質量%の割合で混合)とした。
上記実験5〜実験9において、応力負荷試験の結果が、転位の伸展無しとなった例については、この実験10におけるデバイス熱処理後の強度試験についても、同様に、転位の伸展無しの結果が得られた。
2…シリコンウェーハ
3…エピタキシャル膜
21…シリコンウェーハの表面
Claims (1)
- シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、
ボロンが添加され、その抵抗率が100mΩ・cm以下である前記シリコンウェーハ上に、前記エピタキシャル膜を成長させるエピタキシャル膜形成工程と、
前記エピタキシャルシリコンウェーハを900℃未満の温度で熱処理する熱処理工程と、
を備え、
前記熱処理工程を実施する前の、前記シリコンウェーハの酸素濃度が、8×10 17 atoms/cm 3 以上18×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F−121,1979)以下であり、
前記エピタキシャル膜の膜厚が、0.5μm以上8.0μm以下であり、
前記熱処理工程を実施した後の、前記エピタキシャル膜の平均酸素濃度が、1.7×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F−121,1979)以上であり、
前記熱処理工程は、
前記エピタキシャル膜形成工程を実施する前の、前記シリコンウェーハの酸素濃度をX(×10 17 atoms/cm 3 )、
前記エピタキシャル膜形成工程を実施する前の、前記シリコンウェーハの抵抗率をY(Ω・cm)、
前記エピタキシャル膜の膜厚をZ(μm)、
前記熱処理の温度をT(℃)、
前記熱処理の時間をt(min)、
として、以下の式(1)を満たすように行われ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。
t≧3.71×10 56 ×X −7.03 ×Y 0.27 ×Z 3.34 ×T −16.7 … (1)
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