JPH06163410A - エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents

エピタキシャルウェハ及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 不純物濃度の安定なエピタキシャル層を形成
し、且つ重金属系の汚染を少なくして、特性が均一で且
つ優れた半導体装置を形成することができるエピタキシ
ャルウェハを提供する。 【構成】 Siウェハ11にAs12及びC13をイオ
ン注入した後、Siウェハ11上にエピタキシャル層1
4を形成する。Asは拡散係数が小さいので、Siウェ
ハ11からエピタキシャル層14へのAs12の拡散が
少なく、しかもAs12のイオン注入によって、Siウ
ェハ11の不純物濃度が均一に近づいている。また、C
13はSiウェハ11にゲッタリングサイトを形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願の発明は、基板ウェハ上にエ
ピタキシャル層が設けられているエピタキシャルウェハ
及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在の半導体装置の大部分は、単結晶の
基板ウェハのみか、またはその上にエピタキシャル層を
一層だけ成長させたエピタキシャルウェハで製造されて
いる。エピタキシャルウェハは、半導体装置を製造する
観点から見ると、基板ウェハとは異なる抵抗率を有する
電気的活性層を形成することができるので半導体装置を
設計する際の自由度が大きく、また結晶欠陥の原因にな
る酸素や炭素の濃度が低い高純度の単結晶薄膜を任意の
厚さに形成することができる等の利点が多い。
【0003】このため、高耐圧半導体装置やバイポーラ
集積回路装置やCCD等で製品に実用化されている。特
にCCDにエピタキシャルウェハを用いる場合は、低抵
抗の基板ウェハ上に同一導電型で高抵抗のエピタキシャ
ル層を設けてCCDを形成することによって、高抵抗の
基板ウェハのみにCCDを形成した場合に比べて、電子
シャッタ用の電圧等としての基板電圧を大幅に低減させ
る可能性が生じる。この様なエピタキシャルウェハで
は、従来は、基板ウェハに不純物としてPを添加してい
た。
【0004】更に、低抵抗のエピタキシャル層と高抵抗
のエピタキシャル層との二層のエピタキシャル層を基板
ウェハ上に順次に積層させたエピタキシャルウェハで半
導体装置を形成すれば、基板ウェハの特性による制約が
原理的になく、また基板ウェハの不純物濃度の不均一さ
が半導体装置の特性に反映されることもないので、理想
的な構造であると考えられる。そして、この様なエピタ
キシャルウェハでも、従来は、下層側のエピタキシャル
層に不純物としてPを添加していた。
【0005】ところで、図3は、上述の様に基板ウェハ
上に二層のエピタキシャル層を積層させたエピタキシャ
ルウェハにCCDを形成した場合の、上層側のエピタキ
シャル層の膜厚とCCDのシャッタ電圧との関係を示し
ている。つまり、この図3から明らかな様に、上層側の
エピタキシャル層の膜厚が10μm以下でなければ、シ
ャッタ電圧を低減させる効果がない。なお、膜厚の下限
の4μmはCCDを形成するために必要な厚さである。
【0006】一方、図4は、上層側のエピタキシャル層
の膜厚を8μmに固定し且つその不純物濃度をCCDと
して動作可能な最適値に固定した場合の、上層側のエピ
タキシャル層の不純物濃度に対する下層側のエピタキシ
ャル層の不純物濃度の比を示している。つまり、この図
4から明らかな様に、不純物濃度の比が10倍以上でな
ければ、シャッタ電圧を低減させる効果がない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、Pは拡散係
数が大きい。このため、エピタキシャル層が一層である
第1従来例のエピタキシャルウェハでは、高温の熱処理
を受けると、Pが基板ウェハからエピタキシャル層へ拡
散して、不純物濃度が安定なエピタキシャル層を形成す
ることができなかった。しかも、エピタキシャル層が一
層であるので、基板ウェハの不純物濃度の不均一さが半
導体装置の特性に反映され、CCDでは画像のムラが生
じていた。従って、この第1従来例のエピタキシャルウ
ェハでは、特性の均一な半導体装置を形成することがで
きなかった。
【0008】なお、不純物としてAsを添加した基板ウ
ェハ上にエピタキシャル層を形成すれば、基板ウェハか
らエピタキシャル層への不純物の拡散を少なくして、不
純物濃度が安定なエピタキシャル層を形成することがで
きる。しかし、基板ウェハの不純物濃度の不均一さが半
導体装置の特性に反映されるという問題は依然として残
る。しかも、Asは安全性にも問題があり、不純物とし
てPを添加した基板ウェハほど一般的でない。
【0009】更に、エピタキシャル層の成長時には一般
に重金属系の汚染が混入するので、エピタキシャルウェ
ハの表面付近の汚染によって電気的活性層の発生ライフ
タイム、つまりキャリアの発生から再結合までの時間が
5m秒以下と、CZ法で成長させた基板ウェハの10m
秒に比べて短い。このため、特性の優れた半導体装置を
形成することも困難であり、CCDでは白点や暗電流の
増加が認められた。
【0010】また、エピタキシャル層が二層である第2
従来例のエピタキシャルウェハでは、上述の様に上層側
のエピタキシャル層の膜厚を10μm以下に薄くする
と、この上層側のエピタキシャル層の全体にPが拡散す
る。即ち、図2中に点線で示す様に、上層側のエピタキ
シャル層の表面付近から抵抗が既に低下し始めており、
上層側のエピタキシャル層にCCDを形成することが困
難であった。更に、重金属系の汚染は、この第2従来例
のエピタキシャルウェハでも発生していた。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1のエピタキシャ
ルウェハの製造方法は、基板ウェハ11上にエピタキシ
ャル層14が設けられているエピタキシャルウェハ15
の製造方法において、前記基板ウェハ11にAs12及
びC13を導入する工程と、前記導入の後に、前記基板
ウェハ11上に前記エピタキシャル層14を形成する工
程とを有することを特徴としている。
【0012】請求項2のエピタキシャルウェハは、基板
ウェハ上に下層側の第1のエピタキシャル層と上層側の
第2のエピタキシャル層とが順次に積層されているエピ
タキシャルウェハにおいて、前記第1のエピタキシャル
層の不純物濃度が前記第2のエピタキシャル層の不純物
濃度の10倍以上であり、前記第1のエピタキシャル層
中の前記不純物としてAsまたはSbが用いられてお
り、前記第2のエピタキシャル層の膜厚が4〜10μm
であることを特徴としている。
【0013】請求項3のエピタキシャルウェハの製造方
法は、基板ウェハ上に下層側の第1のエピタキシャル層
と上層側の第2のエピタキシャル層とが順次に積層され
ているエピタキシャルウェハの製造方法において、不純
物としてのAsまたはSbの濃度が前記第2のエピタキ
シャル層の不純物濃度の10倍以上である前記第1のエ
ピタキシャル層を前記基板ウェハ上に形成する工程と、
膜厚が4〜10μmである前記第2のエピタキシャル層
を前記第1のエピタキシャル層上に形成する工程とを有
することを特徴としている。
【0014】
【作用】請求項1のエピタキシャルウェハの製造方法で
は、基板ウェハ11に拡散係数の小さいAs12を不純
物として導入しているので、基板ウェハ11からエピタ
キシャル層14への不純物の拡散が少ない。このため、
エピタキシャル層14の不純物濃度が基板ウェハ11の
不純物濃度による影響を受けにくくて、不純物濃度の安
定なエピタキシャル層14を形成することができる。
【0015】しかも、エピタキシャル層14の形成前に
基板ウェハ11に不純物としてのAs12を導入してい
るので、導入前の基板ウェハ11の不純物濃度が不均一
でも、この不均一さをAs12の導入によって低減させ
ることができる。このため、基板ウェハ11の不純物濃
度を均一に近づけることができる。
【0016】また、基板ウェハ11にC13を導入して
から基板ウェハ11上にエピタキシャル層14を形成し
ているが、C13によって基板ウェハ11にゲッタリン
グサイトが形成され、エピタキシャル層14の形成工程
で混入する重金属系の汚染がエピタキシャル層14から
ゲッタリングされる。
【0017】請求項2、3のエピタキシャルウェハ及び
その製造方法では、第1のエピタキシャル層中の不純物
として拡散係数の小さいAsまたはSbを用いているの
で、第1のエピタキシャル層の不純物濃度を第2のエピ
タキシャル層の不純物濃度の10倍以上に高くしても、
第1のエピタキシャル層から第2のエピタキシャル層へ
の不純物の拡散が少ない。このため、第2のエピタキシ
ャル層の膜厚を4〜10μmと薄くすることができる。
【0018】また、第1のエピタキシャル層中の不純物
としてSbを用いると、基板ウェハと第1のエピタキシ
ャル層との界面で格子不整合が生じ、この格子不整合に
起因する転位が誘起される。このため、この転位がゲッ
タリングサイトになり、第1及び第2のエピタキシャル
層の形成工程で混入する重金属系の汚染が基板ウェハと
第1のエピタキシャル層との界面にゲッタリングされ
る。
【0019】
【実施例】以下、本願の発明の第1〜第3実施例を、図
1、2を参照しながら説明する。図1が、第1実施例を
示している。この第1実施例では、CZ法で成長させ面
方位が〈100〉であり抵抗率が2〜3ΩcmであるN
型のSiウェハ11を洗浄し且つ乾燥させた後、熱酸化
を行って、膜厚が20nm程度のSiO2 膜(図示せ
ず)をSiウェハ11の表面に形成する。
【0020】そして、SiO2 膜によってチャネリング
を防止しつつ、650keVの加速エネルギ及び5×1
12cm-2のドーズ量でAs12をSiウェハ11にイ
オン注入し、更に700keVの加速エネルギ及び5×
1014cm-2のドーズ量でC13をSiウェハ11にイ
オン注入する。その後、フッ酸系の液でSiO2 膜をエ
ッチングする。
【0021】次に、Siウェハ11をRCA洗浄した
後、このSiウェハ11をエピタキシャル炉に装着す
る。そして、N2 ガスでエピタキシャル炉中の大気を置
換した後、更にH2 ガスでN2 ガスを置換する。
【0022】その後、エピタキシャル炉内の温度を70
0〜900℃に上昇させた後、所定時間に亙って保持す
る。そして、更に1150℃まで昇温させ、H2 ガスで
Siウェハ11の表面の自然酸化膜を除去すると共に、
HClガスでSiウェハ11の表面を浅くエッチオフし
て清浄な表面を露出させる。
【0023】次に、エピタキシャル成長温度である11
00℃までエピタキシャル炉内の温度を降下させた後、
エピタキシャル炉内のガスを原料ガスに切り換えて、S
iウェハ11の表面上にエピタキシャル層14を成長さ
せる。原料ガスとしては、SiHCl3 +PH3 +H2
を用い、約1μm分-1の速度で約10μmの膜厚に成長
させる。このエピタキシャル層14の抵抗率は、20〜
30Ωcm程度である。
【0024】エピタキシャル層14を成長させた後、エ
ピタキシャル炉内を自然冷却させ、温度が200℃まで
下がった時点でエピタキシャル炉内に残っている原料ガ
スをN2 ガスで置換してから、エピタキシャル炉内から
エピタキシャルウェハ15を取り出す。
【0025】以上の様な第1実施例で製造したエピタキ
シャルウェハ15では、エピタキシャル層14の直下の
Siウェハ11にイオン注入した不純物がAs12であ
り、Asは拡散係数が大きい。このため、熱工程を経た
後でも、Siウェハ11からエピタキシャル層14への
As12の拡散が少なく、エピタキシャル層14の不純
物濃度が安定している。従って、このエピタキシャル層
14に形成する半導体装置がAs12の影響を受けるこ
とはない。
【0026】しかも、Siウェハ11の当初の不純物濃
度が不均一でも、この当初の不純物濃度以上にAs12
をイオン注入しているので、Siウェハ11の不純物濃
度が均一に近づいている。従って、このエピタキシャル
ウェハ15にCCDを形成すると、このCCDでは画像
ムラが少ない。
【0027】また、Siウェハ11にC13をイオン注
入してからSiウェハ11上にエピタキシャル層14を
形成しているが、C13によってSiウェハ11にゲッ
タリングサイトが形成され、エピタキシャル層14の形
成工程で混入する重金属系の汚染がエピタキシャル層1
4からゲッタリングされる。このため、エピタキシャル
層14では、発生ライフタイムが10m秒と、CZ法で
成長させた基板ウェハ並みの値である。
【0028】なお、この第1実施例では、上述の効果を
Siウェハ11中のAs12とC13とによって得てい
るが、As12とC13とは連続的なイオン注入によっ
てSiウェハ11中に導入しているので、非常に容易な
工程でこれらの効果を実現することができる。
【0029】次に、第2実施例を説明する。この第2実
施例では、CZ法で成長させ面方位が〈100〉である
SiウェハをRCA洗浄した後、このSiウェハをエピ
タキシャル炉に装着する。そして、N2 ガスでエピタキ
シャル炉中の大気を置換した後、更にH2 ガスでN2
スを置換する。
【0030】その後、エピタキシャル炉内の温度を70
0〜900℃に上昇させた後、所定時間に亙って保持す
る。そして、更に1150℃まで昇温させ、H2 ガスで
Siウェハの表面の自然酸化膜を除去すると共に、HC
lガスでSiウェハの表面を浅くエッチオフして清浄な
表面を露出させる。
【0031】次に、エピタキシャル成長温度である11
00℃までエピタキシャル炉内の温度を降下させた後、
エピタキシャル炉内のガスを原料ガスに切り換えて、S
iウェハの表面上に第1層目のエピタキシャル層を成長
させる。原料ガスとしては、SiHCl3 +AsH3
2 を用い、約1μm分-1の速度で約5μmの膜厚に成
長させる。この第1層目のエピタキシャル層の抵抗率
は、0.1Ωcm程度である。
【0032】第1層目のエピタキシャル層を成長させた
後、エピタキシャル炉内を自然冷却させ、温度が200
℃まで下がった時点でエピタキシャル炉内に残っている
原料ガスをN2 ガスで置換してから、エピタキシャル炉
内からSiウェハを取り出す。
【0033】その後、第1層目のエピタキシャル層を成
長させた状態のSiウェハをRCA洗浄した後、上述の
工程と略同様の工程を繰り返して、第1層目のエピタキ
シャル層上に第2層目のエピタキシャル層を成長させ
る。但し、このときの原料ガスとしては、SiHCl3
+PH3 +H2 を用い、約6μmの膜厚に成長させる。
この第2層目のエピタキシャル層のPの濃度は、第1層
目のエピタキシャル層のAsの濃度の1/10以下であ
る。このため、第2層目のエピタキシャル層の抵抗率
は、10〜20Ωcm程度である。
【0034】図2中の実線は、第2実施例の抵抗率のプ
ロファイルを示している。この第2実施例では、第1層
目のエピタキシャル層の不純物としてAsを用いてお
り、Asは拡散係数が小さい。このため、図2からも明
らかな様に、第1及び第2層目のエピタキシャル層同士
の界面における抵抗率のプロファイル、つまり不純物濃
度のプロファイルの勾配が急峻であり、第2層目つまり
上層側のエピタキシャル層の表面から4μm程度の深さ
までは抵抗率が一定でこの領域にCCD等の半導体装置
を形成することができる。
【0035】次に、第3実施例を説明する。この第3実
施例は、第1層目のエピタキシャル層を成長させるため
の原料ガスとしてSiHCl3 +SbCl3 +H2 を用
い、従って第1層目のエピタキシャル層の不純物として
Asを用いる代わりにSbを用いることを除いて、上述
の第2実施例と実質的に同様の工程で製造する。この第
3実施例でも、抵抗率のプロファイルが図2に示した様
に第2実施例と略同様になる。しかも、この第3実施例
では、発生ライフタイムが10m秒と、CZ法で成長さ
せた基板ウェハ並みの値である。
【0036】
【発明の効果】請求項1のエピタキシャルウェハの製造
方法では、不純物濃度の安定なエピタキシャル層を形成
することができ、しかも、基板ウェハの不純物濃度を均
一に近づけることができるので、特性の均一な半導体装
置を形成することができる。
【0037】また、エピタキシャル層の形成工程で混入
する重金属系の汚染がエピタキシャル層からゲッタリン
グされるので、CZ法で成長させた基板ウェハ並みに発
生ライフタイムが長く、特性の優れた半導体装置を形成
することができる。
【0038】請求項2、3のエピタキシャルウェハ及び
その製造方法では、基板ウェハ上に積層させた第1及び
第2のエピタキシャル層のうちの第2のエピタキシャル
層の膜厚を4〜10μmと薄くすることができるので、
基板電圧を低減させることができる。
【0039】また、第1のエピタキシャル層中の不純物
としてSbを用いると、第1及び第2のエピタキシャル
層の形成工程で混入する重金属系の汚染が基板ウェハと
第1のエピタキシャル層との界面にゲッタリングされる
ので、CZ法で成長させた基板ウェハ並みに発生ライフ
タイムが長く、特性の優れた半導体装置を形成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明の第1実施例で製造したエピタキシ
ャルウェハの側断面図である。
【図2】本願の発明の第2及び第3実施例と第2従来例
との抵抗率のプロファイルを示すグラフである。
【図3】エピタキシャル層の膜厚とCCDのシャッタ電
圧との関係を示すグラフである。
【図4】エピタキシャル層の不純物濃度とCCDのシャ
ッタ電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
11 Siウェハ 12 As 13 C 14 エピタキシャル層 15 エピタキシャルウェハ
【手続補正書】
【提出日】平成5年3月9日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0025
【補正方法】変更
【補正内容】
【0025】 以上の様な第1実施例で製造したエピタ
キシャルウェハ15では、エピタキシャル層14の直下
のSiウェハ11にイオン注入した不純物がAs12で
あり、Asは拡散係数が小さい。このため、熱工程を経
た後でも、Siウェハ11からエピタキシャル層14へ
のAs12の拡散が少なく、エピタキシャル層14の不
純物濃度が安定している。従って、このエピタキシャル
層14に形成する半導体装置がAs12の影響を受ける
ことはない。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板ウェハ上にエピタキシャル層が設け
    られているエピタキシャルウェハの製造方法において、 前記基板ウェハにAs及びCを導入する工程と、 前記導入の後に、前記基板ウェハ上に前記エピタキシャ
    ル層を形成する工程とを有することを特徴とするエピタ
    キシャルウェハの製造方法。
  2. 【請求項2】 基板ウェハ上に下層側の第1のエピタキ
    シャル層と上層側の第2のエピタキシャル層とが順次に
    積層されているエピタキシャルウェハにおいて、 前記第1のエピタキシャル層の不純物濃度が前記第2の
    エピタキシャル層の不純物濃度の10倍以上であり、 前記第1のエピタキシャル層中の前記不純物としてAs
    またはSbが用いられており、 前記第2のエピタキシャル層の膜厚が4〜10μmであ
    ることを特徴とするエピタキシャルウェハ。
  3. 【請求項3】 基板ウェハ上に下層側の第1のエピタキ
    シャル層と上層側の第2のエピタキシャル層とが順次に
    積層されているエピタキシャルウェハの製造方法におい
    て、 不純物としてのAsまたはSbの濃度が前記第2のエピ
    タキシャル層の不純物濃度の10倍以上である前記第1
    のエピタキシャル層を前記基板ウェハ上に形成する工程
    と、 膜厚が4〜10μmである前記第2のエピタキシャル層
    を前記第1のエピタキシャル層上に形成する工程とを有
    することを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方
    法。
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