JP7415827B2

JP7415827B2 - シリコンエピタキシャルウエーハ及びその製造方法

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Publication number: JP7415827B2
Application number: JP2020114108A
Authority: JP
Inventors: 康水澤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: JP2022012326A

Description

本発明は、シリコンエピタキシャルウエーハ及びそ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（Ｃｚｏｃｈｒａ１ｓｋｉ）法によって作製されたシリコンウエーハが用いられている。近年の最先端デバイスでは、ＦｉｎやＳＴＩ構造端部の局所応力によって発生する微小な転位がデバイス特性を悪化させる問題が発生しており、ウエーハ強度、特に表層強度の向上が重要な課題となっている。その対策として、デバイス活性層に、ウエーハの強度を向上させる効果のある元素（例えば酸素、窒素、炭素）をドープする方法がある（例えば、非特許文献１）。一方、Ｆｉｎ構造が使用されるロジックデバイスでは、エピタキシャルウエーハを用いる場合が多いが、デバイス活性層であるエピタキシャル表層の酸素、窒素、および炭素濃度は極めて低い。

そこで、表層に強度を向上させる効果がある元素をイオン注入や熱処理により導入する方法が有効だが、酸素や窒素の場合は拡散が速いためにデバイス工程中に外方拡散してしまい、強度を向上させる効果も失われてしまう。そこで、酸素や窒素よりも拡散の遅い炭素を導入することで、デバイス工程中でも高い強度を維持することが期待できる。しかし、炭素は電気特性を悪化させることが知られている。

特開２０１４－９９４５６号公報特開２０１２－５９８４９号公報

Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ．１２４０－シリコンテクノロジーＮｏ．８７（２００６）

電気特性に対する炭素の影響の例として、炭素濃度が高くなると順方向電圧（Ｖｆ）が高くなることがわかっている（例えば、非特許文献２）。また、逆方向リーク電流特性も悪化することがわかっている。そこで、表層の強度を向上しつつ、電気特性を悪化させない炭素濃度を見極めて実施する必要がある。

なお、特許文献１では、クラスター炭素イオンをエピタキシャル層に注入することに言及しているが、注入した層の上にさらにエピタキシャル層を成膜させるものであり、注入した領域がデバイス活性層になるわけではない。
さらに、特許文献２でもエピタキシャル層に炭素イオンを注入することに言及しているが、多層にエピタキシャル層を積層させる構造となっており、やはり注入した領域がデバイス活性層になるわけではない。また、特許文献２に記載のドーズ量は１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上であり、仮にこのドーズ量でデバイス活性層に炭素を注入すると、イオン注入による残留欠陥が発生してしまい、電気特性が悪化してしまうと考えられる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、炭素イオンが注入されることで強度が向上され、かつ、炭素イオンによる電気特性の悪化が抑制されたデバイス活性層となる表層を有するシリコンエピタキシャルウエーハ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、シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層を有するシリコンエピタキシャルウエーハであって、前記エピタキシャル層のデバイス活性層となる表層が、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンが注入されたものであることを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハを提供する。

炭素イオンのドーズ量が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上のため、デバイス活性層となる表層の強度が向上され、かつ、ドーズ量が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のため、電気特性の悪化が抑制されたシリコンエピタキシャルウエーハとなる。

また、本発明では、シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層を有するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板の表面に前記エピタキシャル層を形成し、該形成したエピタキシャル層のデバイス活性層となる表層に１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンを注入し、該炭素イオンの注入後、前記炭素イオンの注入によるダメージを回復させる回復熱処理を行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。

このような製造方法であれば、デバイス活性層となる表層の強度が向上され、かつ、電気特性の悪化が抑制可能なシリコンエピタキシャルウエーハを製造することができる。

また、前記回復熱処理を、ＲＴＡ処理とすることができる。
回復熱処理をＲＴＡ処理とすれば、炭素イオンの注入によるダメージを短時間で回復することができ、作業時間を短縮することができる。

以上のように、本発明のシリコンエピタキシャルウエーハであれば、エピタキシャル層の表層に、転位の伝播を抑制することで表層の強度を向上させる効果がある炭素イオンを、電気特性に悪影響を与えない範囲のドーズ量で導入することで、デバイス活性層となる表層の強度が向上され、かつ、電気特性の悪化が抑制されたものとなる。

本発明のシリコンエピタキシャルウエーハの一例を示す概略図である。本発明のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法の工程の一例を示すフロー図である。シリコンエピタキシャルウエーハにおける炭素イオン注入のドーズ量と発生ライフタイムの関係を示すグラフである。シリコンエピタキシャルウエーハにおける炭素イオン注入のドーズ量とローゼット長さの関係を示すグラフである。

本発明者は、電気特性に悪影響を与えない炭素イオン注入のドーズ量を把握するため、以下の実験を行った。
まず、エピタキシャル厚が９μｍのｎ／ｎ^－エピタキシャルウエーハ（以下、単にウエーハとも言う）を複数枚用意した。それぞれのウエーハに対して、加速エネルギーを３００ｋｅＶ（飛程：約０．７μｍ）としてドーズ量を１×１０^１１～１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の範囲で振った炭素イオン注入を行った後、炭素イオン注入によるダメージを回復させる１１５０℃／１０ｓｅｃ／Ａｒの回復熱処理を施した。

上記のウエーハに対して、ＰＮ接合を形成した後、リーク電流を測定し、さらに、印加電圧依存性から発生ライフタイムτ_ｇを求めた。また、リファレンスとして、炭素イオン注入なしの場合も同様に評価した。発生ライフタイムτ_ｇは、下記式（１）を基にして求めた。
Ｉ_ｇ－ｒ＝ｑｎ_ｉＷ／τ_ｇ（１）
ここで、Ｉ_ｇ－ｒは発生電流で、ｑは素電荷量、ｎ_ｉは真正キャリア濃度、Ｗは空乏層幅である（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｄｅｖｉｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｐ．４３１）。発生ライフタイムτ_ｇが短いほど、電気特性が悪化していることを表している。
図３に、炭素イオン注入のドーズ量と発生ライフタイムの関係を示す。発生ライフタイムは、ドーズ量が１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の範囲では、リファレンスの場合と同程度となったが、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を超えると急激に発生ライフタイムが短くなり、ドーズ量が高くなるに従って発生ライフタイムが短くなること、すなわち電気特性が悪化することがわかった。この結果から、エピタキシャル層の表層にドーズ量１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の炭素イオン注入を行ったウエーハであれば、エピタキシャル層に炭素が存在しても電気特性が悪化しないと言える。

また、上記ウエーハのドーズ量が１×１０^１０、１×１０^１１、１×１０^１２、１×１０^１３、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合について、強度試験を行った。強度試験としてローゼット試験を用いた。ローゼット試験とは、ウエーハ表面にビッカース圧子により圧痕を形成した後、転位を伝播させるための熱処理を施し、選択エッチングにより転位を顕在化させて転位が伝播している距離を測定するという方法である。転位が伝播した長さをローゼット長さと呼び、このローゼット長さが短い方がより強度が高いことを意味している。また、押し込み圧力により、評価する深さを変更することができる。今回は、押し込み圧力を調整し、評価する深さを表面から約１μｍ程度にした。
図４に、炭素イオン注入のドーズ量とローゼット長さの関係を示す。ローゼット長さは、炭素イオン注入なしの場合を１．００とした場合、ドーズ量が１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合は１．００、１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合は０．９８、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合は０．９３、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合は０．４９、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合は検出下限以下（転位の伝播が確認できなかった）となった。この結果から、ドーズ量が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であれば、炭素イオン注入なしの場合と比較してローゼット長さが短くなっている、すなわち、表層の強度が向上されていると言える。

電気特性の測定結果及びウエーハ強度試験の結果から、エピタキシャル層のデバイス活性層となる表層が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンが注入されたシリコンエピタキシャルウエーハであれば、そのデバイス活性層となる表層が強度向上の効果を示しつつ、電気特性が悪化しないことを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は本発明のシリコンエピタキシャルウエーハの一例を示す概略図である。
シリコンエピタキシャルウエーハ１０は、シリコン単結晶基板１１と、シリコン単結晶基板１１上に設けられたエピタキシャル層１２とを有している。ここで、エピタキシャル層１２の表層１３は、デバイス活性層となる領域であり、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンが注入されたものである。炭素イオンのドーズ量が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上であるため、表層の強度が向上されたシリコンエピタキシャルウエーハとなる。かつ、ドーズ量が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であるため、電気特性の悪化が抑制されたシリコンエピタキシャルウエーハとなる。

以下、本発明のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法について説明する。図２は本発明のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法の工程の一例を示すフロー図である。
まず、図２の工程１のように、シリコン単結晶基板１１の表面にエピタキシャル層１２を形成する。シリコン単結晶基板１１は特に限定されず、例えば、ＣＺ法で育成したシリコン単結晶棒からスライスして作製したものを用いることができる。また、エピタキシャル層１２の形成の条件も特に限定されず、例えば、従来のエピタキシャル層形成装置を用いて、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基板の主表面上に、１０５０～１２５０℃程度でＣＶＤ法により、エピタキシャル層を形成することができる。

次に、図２の工程２のように、例えば、従来のイオン注入装置を用いて、形成したエピタキシャル層１２の表層１３に１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンを注入する。

その後、図２の工程３のように、炭素イオンの注入によるダメージを回復させる回復熱処理を行う。回復熱処理の温度は特に限定されず、例えば、９００～１２００℃程度とすることができる。
また、回復熱処理をＲＴＡ処理とすることもできる。ＲＴＡ処理とすれば、炭素イオンの注入によるダメージを短時間で回復することができ、作業時間を短縮することができる。ＲＴＡ処理の条件は特に限定されないが、例えば、１１５０℃／１０ｓｅｃ／Ａｒ雰囲気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、本発明は実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
シリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を形成し、直径２００ｍｍのｎ／ｎ^－エピタキシャルウエーハ（エピタキシャル層の厚さは５μｍ）を用意した。このエピタキシャル層の表面から、デバイス活性層となる表層に、炭素イオンをドーズ量１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、加速エネルギー３００ｋｅＶの条件でイオン注入を行った後、１１５０℃／１０ｓｅｃ／Ａｒの回復熱処理を施した。
このエピタキシャルウエーハに対して、ＰＮ接合を形成した後、リーク電流を測定し、さらに、印加電圧依存性から式（１）を基にして発生ライフタイムを求めた。
一方で、ローゼット試験により、エピタキシャル表層の強度を評価した。試験条件は、表面から約１μｍ程度の領域を評価できる程度の押し込み圧力にして評価した。

（実施例２）
炭素イオンのドーズ量を１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２としたこと以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル層形成、イオン注入、回復熱処理を行い、発生ライフタイムを求めた。また、ローゼット試験を実施例１と同じ試験条件で行った。

（比較例１－１～１－２）
炭素イオンのドーズ量を２×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（比較例１－１）、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（比較例１－２）としたこと以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル層形成、イオン注入、回復熱処理を行い、発生ライフタイムを求めた。また、ローゼット試験を実施例１と同じ試験条件で行った。

リーク電流測定から求めた結果、発生ライフタイムは図３と同様の傾向が見られた。すなわち、実施例１、２では炭素イオンを注入していない場合と比較しても低下していないが、比較例１－１～１－２では炭素イオンを注入していない場合と比較して低下している結果となった。

また、ローゼット試験の結果、ローゼット長さは図４と同様の傾向が見られた。すなわち、炭素イオンを注入していない場合を１．００とした場合、実施例１では０．４９、実施例２では０．９３となった。一方、比較例１－１では０．２４、比較例１－２では検出下限以下となり、高ドーズ量の効果として強度の点においては良好な結果となった。

（比較例２－１～２－３）
炭素イオンに替えて、酸素イオンをドーズ量１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（比較例２－１）、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（比較例２－２）、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（比較例２－３）でイオン注入を行った以外は、実施例１と同様にしてエピタキシャル層形成、イオン注入、回復熱処理を行い、発生ライフタイムを求めた。また、ローゼット試験を実施例１と同じ試験条件で行った。

比較例２－１～２－３では、発生ライフタイムはいずれの場合でも酸素イオンを注入していない場合と同程度であった。一方、ローゼット長さも、いずれの場合でも酸素イオンを注入していない場合と同程度となった。この理由は、イオン注入後の回復熱処理や、ＰＮ接合形成プロセスにおける熱処理が比較的高温（＞１０００℃）なために、酸素が外方拡散してしまい、強度を向上させる効果がなくなってしまったためと考えられる。

以上の実施例１、２、比較例１－１～２－３の結果から、炭素イオンを１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で注入された本発明のシリコンエピタキシャルウエーハであれば、電気特性の悪化を抑制しつつ、表層の強度を向上させることができる。

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。

１０…シリコンエピタキシャルウエーハ、１１…シリコン単結晶基板、
１２…エピタキシャル層、１３…表層。

Claims

シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層を有するシリコンエピタキシャルウエーハであって、
前記エピタキシャル層のデバイス活性層となる表層が、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンが注入されたものであることを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハ。
シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層を有するシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶基板の表面に前記エピタキシャル層を形成し、
該形成したエピタキシャル層のデバイス活性層となる表層に１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量で炭素イオンを注入し、
該炭素イオンの注入後、前記炭素イオンの注入によるダメージを回復させる回復熱処理を行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。
前記回復熱処理を、ＲＴＡ処理とすることを特徴とする請求項２に記載のシリコンエピタキシャルウエーハの製造方法。