(57)【要約】【課題】必要最低限のプロセスでイオン注入層を有したエピタキシャルウエーハを製造でき、また付加される工程での汚染の低減とコスト低減を両立させ、かつ製造中の金属不純物汚染を高感度で評価・保証して汚染の少ないウエーハを効率よく製造できるエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。【解決手段】シリコン単結晶基板の主表面に対してイオン注入を行い、その後洗浄を行った後、エピ層の形成を行う際に、ボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類をドーズ量１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲でイオン注入し、エピ層は枚葉式エピタキシャル装置を用いて１０８０℃以上の温度で形成し、イオン注入後からエピ層形成前の何れかの段階でシリコン単結晶基板の金属不純物濃度評価を行うか、またはエピ層形成後に一部抜き取りによりエピ層を形成したシリコン単結晶基板の金属不純物濃度の評価を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、シリコン単結晶基板を準備した後、該シリコン単結晶基板の主表面に対してイオン注入を行い、その後洗浄を行った後、エピタキシャル層の形成を行うエピタキシャルウエーハの製造方法において、
前記イオン注入は、ボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類をドーズ量１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲でイオン注入することとし、
前記エピタキシャル層の形成は、枚葉式エピタキシャル装置を用いて１０８０℃以上の温度で行い、
前記イオン注入後から前記エピタキシャル層形成前のいずれかの段階で前記シリコン単結晶基板の金属不純物濃度評価を行うか、または前記エピタキシャル層形成後に一部抜き取りにより前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板の金属不純物濃度の評価を行うことを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記イオン注入の後、かつ前記洗浄の前に、前記イオン注入を行った前記シリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、該回復熱処理の後半においてパッシベーション用酸化膜を形成した後に、前記金属不純物濃度評価としてμＰＣＤ法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項３】
前記μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定後、前記パッシベーション膜を除去することを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項４】
前記回復熱処理を、最初窒素ガス濃度９７％以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えて前記シリコン単結晶基板の表面に２０ｎｍ以上の厚さの熱酸化膜を形成することとし、かつ前記洗浄で前記熱酸化膜の除去を兼ねるものとすることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項５】
前記パッシベーション用酸化膜形成処理を行った後、前記金属不純物濃度評価として、前記イオン注入を行った表面とは逆の主表面に対して光を照射してμＰＣＤ法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項６】
前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、前記エピタキシャル層及び前記イオン注入層をエッチングによって除去した後にケミカルパッシベーション処理を行い、前記金属不純物濃度評価として、μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定またはＳＰＶ法による測定を行うことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載された製造方法で製造されたエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層に、受光素子または撮像素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエーハの製造方法及び半導体装置の製造方法に関し、具体的には、半導体装置、主として受光素子や撮像素子の作製に好適なエピタキシャルウエーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、例えば受光素子や撮像素子を形成するための半導体基板としては、ＣＺ法で成長させたＣＺ基板や、ＭＣＺ法で成長させたＭＣＺ基板、これらのＣＺ基板やＭＣＺ基板の表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハ等が従来から用いられている。
【０００３】
ところで受光素子や撮像素子は冗長回路を用いることが出来ず、また不純物汚染にその電気特性が非常に敏感であるため、基板製造やデバイス製造の工程では汚染管理を厳しく行っている。
そのため、基板そのものにゲッタリング能力を持たせて、汚染された金属元素をデバイス特性に影響しない領域に形成されたゲッタリング層に偏析させるといった手法も一般的に用いられている。
【０００４】
また、受光素子や撮像素子にエピタキシャルウエーハを用いた場合、特性を向上させるために、基板側から素子領域への電子、正孔の拡散を防止するために、素子直下にボロン、砒素、アンチモンや炭素などをイオン注入して低抵抗層を形成し、ゲッタリング層を形成した後、エピタキシャル層を形成することが増えてきている。
しかし、イオン注入工程を追加することで汚染の機会も増えるので、この工程では汚染防止が重要な技術となっている。
【０００５】
その一方、微量な汚染に対する測定、評価は難しい。更に、評価に比較的長い時間を要するものが多く、測定結果をフィードバックすることが難しい。
そのため、短時間で測定可能なＳＰＶ（表面光電圧）法やμＰＣＤ（マイクロ波光導電減衰）法等によるウエーハライフタイム測定が用いられている（例えば非特許文献１参照）が、これらの測定は前処理が必要であり、また破壊測定となるため、間接的に装置の汚染状態の確認のみが行われてきた。
【０００６】
また、拡散層（近接ゲッタリング層、拡散電流阻止層）を有するウエーハのライフタイム測定は、一般的には、信頼できる測定が非常に難しかったため、製品ウエーハの評価に適用されることは殆どなかった。
そのため、拡散層を有するエピタキシャルウエーハの製品そのものの汚染を正確に把握することは困難であった。
更に、モニターによる汚染管理では、拡散層を有するエピタキシャルウエーハそのものの汚染を検出できないこともあった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「シリコン結晶・ウエーハ技術の課題」（リアライズ社、平成６年１月３１日発行）２６５頁〜２６９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先端集積回路や撮像素子の高性能化・低温プロセス化が進んだため、酸素析出によるゲッタリングの制御可能範囲が狭いエピタキシャルウエーハを用いる場合、しばしば製品の電気特性不良が発生する傾向が増えてきている。それに対応して、イオン注入等で拡散層（近接ゲッタリング層、拡散電流阻止層）を形成した基板にエピタキシャル成長を施したエピタキシャルウエーハが使われるようになってきている。
【０００９】
しかし、その前後で熱処理を伴うイオン注入工程の導入により、ウエーハの汚染機会が増加するという問題もある。この工程での汚染が起こらないようにすることが新たな技術課題となっている。
実際、準備したシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行う前に、チャネリング防止、或いは、パーティクル付着を防止するために２００〜３００Å（２０〜３０ｎｍ）の酸化膜を形成したり、イオン注入後に、イオン注入で悪化した結晶性を回復させるために回復熱処理が行われる。
しかし、このような技術を用いてエピタキシャルウエーハを製造した場合、これらの熱処理工程でウエーハが汚染され、その結果、素子の電気特性を悪化させてしまうという問題も生じている。
【００１０】
また、イオン注入工程においては、シリコン単結晶基板は基板保持用のディスクに接触するので、ディスクの管理等を行っても、ある程度の汚染は生ずる。
また、注入イオンの電荷がチャージアップするという問題を解決するために、プラズマ等を用いた電荷の中和が広く行われており、それゆえプラズマ等による汚染が起こりやすい工程となっている。
【００１１】
例えば図６（ａ）に、汚染されたチャックで保持したことによって汚染されたシリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。このシリコン単結晶基板のライフタイムは平均３６５μｓｅｃ（最大５４６μｓｅｃ・最小４３μｓｅｃ）であり、基板中心部が特に低くなっていた。このライフタイムの分布形状は、チャックの寸法、形状と一致している。なお、本明細書及び図面におけるライフタイムマップでは、ライフタイムが高い部分を明るく表示し、低い部分を暗く表示している。
【００１２】
比較のため、図６（ｂ）には汚染がない熱処理済シリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。汚染のないシリコン単結晶基板のライフタイムは平均で４８５μｓｅｃ（最大６１０μｓｅｃ・最小１７７μｓｅｃ）であり、図６（ａ）に示した汚染の有るシリコン単結晶基板に比べて長くなった。すなわち、汚染されたチャックで保持されたシリコン単結晶基板はチャックで吸着・接触させた部分の金属不純物濃度が高くなり、ライフタイムが短くなっている。
このように、シリコン単結晶基板を保持するチャックやディスクが汚染されていれば、熱処理炉の管理を厳密に行ったとしても製造されるエピタキシャルウエーハの汚染を完全には防止できないことが判る。
【００１３】
また、熱処理中の汚染の状況は、不純物元素種についての情報は得られないが、上述のように、ウエーハライフタイムの測定で比較的高感度に検出できる。また、このウエーハライフタイムは、接合リークとも直接関係付けられるパラメータでもあるため、広くデバイス工程中の汚染評価に利用されている。
【００１４】
しかし、ウエーハライフタイム測定は、その測定にあたりウエーハ表面でのマイノリティーキャリアの再結合を防止するための表面処理が必要である。このため、ウエーハを熱酸化する、或いは、化学的なパッシベーションを行わなければならない。
従って測定が破壊測定となってしまうので、モニターウエーハを用いて間接的に主要な装置の汚染状態の評価を行うのが一般的である。そのため図６（ａ）に見られるような、ウエーハのハンドリング過程で生じた汚染は、装置の汚染状態の管理では見逃されることが多い。
【００１５】
ゲッタリングや拡散電流抑制のために行う付加的工程（イオン注入工程）での汚染を防止することは、デバイスの電気特性を改善するという本来の目的を達成するために重要である。同時に、付加される工程での汚染が生じない、そしてたとえ生じてもそれを検出し対策が取れるように配慮することが望まれる。
また、イオン注入を含めたエピタキシャル工程はファンドリー型のビジネスとして行われることが多い。このため、工程完了時点で、製品ウエーハの品質を正確に保証することがビジネス上強く求められる点である。しかし、これまでは拡散炉やエピタキシャル装置の汚染状態のモニター（管理データ）で保証の代替が行われてきた。一ヶ月以上経てデバイスの電気特性評価が可能になった時点で汚染起因と推定される特性不良が確認されることも時々あり、ファンドリービジネスを難しくしている。
【００１６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、必要最低限のプロセスでイオン注入層を有したエピタキシャルウエーハを製造でき、また付加される工程での汚染の低減とコスト低減を両立させ、かつ製造中の金属不純物汚染を高感度で評価・保証することによって汚染の少ないウエーハを効率よく製造することのできるエピタキシャルウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、シリコン単結晶基板を準備した後、該シリコン単結晶基板の主表面に対してイオン注入を行い、その後洗浄を行った後、エピタキシャル層の形成を行うエピタキシャルウエーハの製造方法において、前記イオン注入は、ボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類をドーズ量１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲でイオン注入することとし、前記エピタキシャル層の形成は、枚葉式エピタキシャル装置を用いて１０８０℃以上の温度で行い、前記イオン注入後から前記エピタキシャル層形成前のいずれかの段階で前記シリコン単結晶基板の金属不純物濃度評価を行うか、または前記エピタキシャル層形成後に一部抜き取りにより前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板の金属不純物濃度の評価を行う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。
【００１８】
このように本発明においては、汚染の可能性のある工程を少なくするために、注入イオン種をボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類、ドーズ量を１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とし、また回復熱処理を独立して行うことなく、エピタキシャル層の形成は枚葉式エピタキシャル装置を用いて１０８０℃以上の温度で行う。
これによって、回復熱処理を独立して行うことなくイオン注入ダメージを回復させることができ、従って極力熱処理を少なくすることができる。そして、金属不純物に対するゲッタリング能力が十分高い為、製造されたエピタキシャルウエーハの汚染を極力低減させることができる。また、工程を少なくすることで、イオン注入拡散層上にエピタキシャル層が形成されたウエーハの製造コスト低減も達成することができる。
【００１９】
ここで、前記イオン注入の後、かつエピタキシャル成長前の前記洗浄の前に、前記イオン注入を行った前記シリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、該回復熱処理の後半においてパッシベーション用酸化膜を形成した後に、前記金属不純物濃度評価としてμＰＣＤ法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することが好ましい。
【００２０】
このように、イオン注入後にμＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを測定してイオン注入工程での不純物汚染のレベルを評価することによって、不純物濃度の低い基板のみに対して洗浄やエピタキシャル層形成を行うことができ、効率よく不純物濃度の低いエピタキシャルウエーハを製造することができる。
そして、回復熱処理の後半でパッシベーション用酸化膜を形成することで、効率よくμＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを測定することができるため、製造時間の短縮を達成することができる。
【００２１】
また、前記μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定後、前記パッシベーション膜を除去することが好ましい。
このようにエピタキシャル前の洗浄に先立って、パッシベーション膜を除去した後にエピタキシャル層を形成することによって、ウエーハライフタイム測定に伴う金属汚染を回避することができる。またシリコンが露出した基板表面にエピタキシャル層を成長させることができ、従って更に結晶性が良好なエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハを得ることができる。
【００２２】
更に、前記回復熱処理を、最初窒素ガス濃度９７％以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えて前記シリコン単結晶基板の表面に２０ｎｍ以上の厚さの熱酸化膜を形成することとし、かつ前記洗浄で前記熱酸化膜の除去を兼ねるものとすることが好ましい。
【００２３】
このように、イオン注入前にウエーハ表面に酸化膜を形成することなくイオン注入を行った後に、注入によって生じた結晶性の乱れを回復する為にシリコン単結晶基板の洗浄後に例えば拡散炉で回復熱処理を行う。この回復熱処理は、初期には窒素ガス濃度９７％以上の雰囲気下で行い、結晶性の回復の為に必要な時間の経過後に酸化性雰囲気に切り換えて酸化膜を２０ｎｍ以上成長させた後に拡散炉から取り出すことによって、結晶性回復熱処理中の酸化を抑制し、格子間シリコンの供給が成されないようにして、初期の段階ではイオン注入ダメージによる結晶性の乱れを更に確実に回復させることができる。また結晶性の回復が進んだ後に酸化性雰囲気に切り換えて熱酸化膜を形成することによって、この酸化膜をパッシベーション膜として利用することができ、μＰＣＤ法による測定を精度よくかつ効率的に行うことができる。
更に洗浄でこの熱酸化膜を除去することで、ライフタイム測定中にウエーハ表面に付着した汚染金属種を着実に除去することができ、清浄な基板表面にエピタキシャル層を成長させることができ、結晶性の良好なエピタキシャルウエーハをより効率よく製造することができる。
【００２４】
そして、前記パッシベーション用酸化膜形成処理を行った後、前記金属不純物濃度評価として、前記イオン注入を行った表面とは逆の主表面に対して光を照射してμＰＣＤ法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することが好ましい。
【００２５】
このように、μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定において、低抵抗拡散層の影響を受けないようにする為に、イオン注入を行った表面とは反対側の表面から励起光を照射して測定を行うことによって、拡散層を有した基板に対しても高精度にライフタイム測定を行うことができ、微量の金属汚染でも評価することができる。
【００２６】
また、イオン注入後、イオン注入による結晶性の乱れを、例えば拡散炉による回復熱処理を行うことなくエピタキシャル成長工程の昇温過程やプリベーク過程を用いて回復処理と同等の効果を得ることができるが、このようなプロセスを用いる場合には、エピタキシャル成長前に酸化膜をパッシベーション膜とした製品そのもののμＰＣＤ法によるライフタイムの非破壊測定を行うことは容易ではない。
このような場合には、前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、ケミカルパッシベーションを行い、上記と同様の手法でμＰＣＤ法によるライフタイム測定を行う、或いは、前記エピタキシャル層及び前記イオン注入層をエッチングによって除去した後にケミカルパッシベーション処理を行い、前記金属不純物濃度評価として、μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定またはＳＰＶ法による測定を行うことが好ましい。
【００２７】
このように、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のエピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングして除去することによって、従来行えなかったエピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを高い精度で評価することができ、エピタキシャル層形成のための熱処理でのウエーハの不純物汚染の有無やその水準を評価することができる。また、炉の汚染をモニターウエーハを用いて管理をするという保証方法に比較して、製品の品質を高精度に保証することが可能となる。
【００２８】
また、本発明では、上記のいずれかの製造方法で製造されたエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層に、受光素子または撮像素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
一般的にイオン注入により拡散層を形成した後、エピタキシャル成長を行うエピタキシャルウエーハにおいて、本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法は、品質保証のみならず、工程削減、コスト低減に有効なエピタキシャルウエーハを製造することができる。取り分け、受光素子や撮像素子等の半導体装置に対して、本方法は高品質かつ低コストでの量産技術として有効である。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、エピタキシャル層直下にイオン注入による低抵抗拡散層を有するエピタキシャルウエーハの製造において、付加的な熱処理工程により起こり得る金属汚染をイオン注入後の回復熱処理条件を若干変更することによりエピタキシャル成長直前の段階で非破壊で製造ウエーハのμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定を行うことが可能となり、金属汚染を高精度に評価することができる。
そして拡散炉の汚染状態を例えば毎月、或いは毎週モニターする方法に対して、確実に汚染状態をモニターすることができる。このことにより、工程の汚染管理をリアルタイムに行えるようになり、汚染が生じた場合の原因を早期に把握し、対策を行うことが実現できる。
更に、埋め込み拡散層を有するエピタキシャルウエーハのライフタイムについても、製品そのものを測定することができるようになり、モニターによるエピタキシャル装置の汚染管理方法に比べて製品の汚染状態を精度良く管理することが可能となり、また原因追及や対策を進めやすくなり、高品質なエピタキシャルウエーハの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フローである。
【図２】イオン注入後に回復熱処理を行ったシリコン単結晶基板に対してμＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを評価した際のライフタイムマップを示した図である。
【図３】本発明の実験例におけるエピタキシャルウエーハのライフタイムマップを示した図である。
【図４】本発明の実験例におけるモニターエピタキシャルウエーハのライフタイムマップを示した図である。
【図５】標準的なケミカルパッシベーション処理の手順を示したフロー図である。
【図６】汚染されたシリコン単結晶基板と汚染されていないシリコン単結晶基板のライフタイムマップの一例を示した図である。
【図７】従来のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フローである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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、必要最低限のプロセスでイオン注入層を有したエピタキシャルウエーハを製造でき、また付加される工程での汚染の低減とコスト低減を両立させ、かつ製造中の金属不純物汚染を高感度で評価・保証することによって汚染の少ないウエーハを効率よく製造することのできるエピタキシャルウエーハの製造方法の開発が待たれていた。
【００３２】
そこで、本発明者らは、イオン注入条件やエピタキシャル層の形成条件、そして不純物濃度の測定条件やそのタイミングについて鋭意検討を重ねた。
【００３３】
例えば、イオン注入工程では、注入したイオンによりシリコン単結晶基板の結晶構造が乱される。そしてドーズ量を増やすと局所的にアモルファス化した領域ができることがある。こうした結晶欠陥はその後の工程で、新たな結晶欠陥生成の起点となりやすい。
そのため、適切な条件でアニールを行って結晶性を回復させるのが一般的であり、この結晶性回復のための処理として、回復熱処理が必要となり、拡散炉で１時間前後の熱処理が一般的に行われている。近年は、ＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニール）も用いられるようになっているが、コスト面から浅い拡散層が必要な工程に限定的に用いられているのが現実である。
【００３４】
また撮像素子等を集積する集積回路の作製においては、ドーパント濃度のムラの影響を避けるために、エピタキシャルウエーハがほぼ１００％用いられる。しかし、高温で行われるエピタキシャル層形成工程中での汚染が問題になり、エピタキシャル装置の汚染状態が厳しく管理されている。
上述のように、エピタキシャル成長前に基板にイオン注入が行われる素子構造の撮像系の集積回路も増えてきている。そのため、当然汚染の機会が増えるため、汚染管理が問題になっている。
【００３５】
半導体基板の汚染管理は１×１０１０〜１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のレベルで行われるため、評価手法に制約も多い。そのため製品そのものでなく装置の汚染状態がモニターされることが多い。その結果、管理の精度に問題があると思われる事例が時に起こっていた。
特に、エピタキシャル基板にイオン注入を行う場合の汚染管理には課題が残されていた。
【００３６】
そこで、本発明者らは、装置の汚染状態ではなく、製品ウエーハの汚染を直接管理することで、正確にウエーハに対する汚染を把握することができるのではと発想した。そして鋭意検討を重ねた結果、イオン注入した後からエピタキシャル層を形成した後のいずれかの段階で、シリコン単結晶基板またはエピタキシャルウエーハの不純物濃度測定を行うことを発想した。
その際に例えばイオン注入の後かつエピタキシャル成長前洗浄の前にイオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行って、その熱処理中にパッシベーション膜を形成した後に金属汚染評価としてμＰＣＤ法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定したり、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行った表面とは逆の表面に対してμＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを測定したり、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のエピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングして除去した後にμＰＣＤ法やＳＰＶ法による測定を行うことによって、製品そのものの汚染状態を把握し、その製造過程での金属汚染状況を正確に評価でき、これによって金属不純物濃度の高いシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハを除くことができることを知見した。
【００３７】
また、エピタキシャル層の形成は枚葉式エピタキシャル装置を用いて昇温、プリベーク過程でエピタキシャル成長直前にほぼイオン注入ダメージによる結晶性を回復させることができ、拡散炉を用いて回復熱処理を行う場合に比べて汚染機会を低減させることができることも知見した。その場合、エピタキシャル層を形成済みのシリコン単結晶基板のμＰＣＤ法によるウエーハライフタイムの測定手法についても考案し、本発明を完成させた。
【００３８】
以下、本発明について図面を参照して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。
【００３９】
まず最初に、簡単にμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定やＳＰＶ法について説明する。
μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定は、試料（ウエーハ）に対して光を当てて、発生する少数キャリアの寿命をマイクロ波の反射率の変化で検出することで、試料中の金属不純物を評価するものである。
またＳＰＶ法は、基板表面近傍に空乏層または反転層を形成し、シリコンの禁制帯エネルギー以上の単色光を断続的に照射することにより、発生した過剰キャリアの分布から少数キャリアの拡散長ならびに再結合ライフタイムを求める方法である。
【００４０】
図１は本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フローである。図７には、現在広く採用されている当該エピタキシャルウエーハの製造フロー及び製造過程における汚染管理の手順を示した。以下基本的に図１（ａ）を参照する。
【００４１】
まずシリコン単結晶基板を準備する。
この時準備するシリコン単結晶基板は、一般的に用いられているものであれば良く、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ればよい。またその導電型や抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径等は、設計する半導体素子に適したものとなるように適宜選択することができる。
【００４２】
次に準備したシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行う。
この時、注入するイオン種はボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類、ドーズ量を１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とする。このイオン注入は例えば大電流イオン注入装置を用いればよい。
【００４３】
このように、注入イオン種をボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも１種類とし、またドーズ量が１×１０１４〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であれば、後の枚葉式エピタキシャル装置での加熱処理でイオン注入ダメージを十分に回復させることが比較的容易であり、また金属不純物に対するゲッタリング能力の高いエピタキシャルウエーハとすることができる。
ここで、ドーズ量が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満の場合、金属不純物に対するゲッタリング能力が低く、金属不純物濃度を十分に減少させることができないため、ドーズ量の下限は１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とする。またドーズ量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２より大きい場合、後の枚葉式エピタキシャル装置での加熱処理でイオン注入ダメージを十分に回復させることが難しくなるため、ドーズ量の上限は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とする。
【００４４】
ここで、イオン注入の後かつエピタキシャル成長前洗浄の前に、イオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、その工程の後半にパッシベーション用酸化膜を形成し、その後に金属不純物濃度評価としてμＰＣＤ法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することができる。
この場合、後述のように、ウエーハライフタイム測定においては、励起光をイオン注入層が形成されていない面から照射することにより高感度な測定を行うことができる。
【００４５】
これによって、イオン注入工程における汚染の有無を評価することができ、また金属汚染濃度の高いシリコン単結晶基板と低いシリコン単結晶基板を区別することができる。よって金属不純物濃度の低い基板のみに対して洗浄やエピタキシャル層形成を行うことができる。従って、効率よく金属不純物濃度の低いエピタキシャルウエーハを製造することができ、また無駄な工程を行わずに済み、歩留りを向上させることができるため、製造コストを削減することができる。
【００４６】
また、このようなμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定後、かつエピタキシャル層形成前の洗浄の前に、パッシベーション膜を除去することができる。
これによって、ウエーハライフタイム測定に伴う金属汚染を確実に除去することができる。また結晶性の良好なシリコン単結晶基板の表面を露出させることができ、よってより結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００４７】
そして、回復熱処理を、最初窒素ガス濃度９７％以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えてシリコン単結晶基板の表面に２０ｎｍ以上の厚さの熱酸化膜を形成することとし、かつ後述の洗浄は熱酸化膜の除去を兼ねるものとすることができる。
【００４８】
イオン注入による結晶欠陥を回復するために行われる熱処理は、非酸化性の雰囲気が一般的である。しかしこの回復熱処理の後半で、シリコン単結晶基板を酸化してパッシベーション膜を作製して利用することにより、効率よくウエーハライフタイムを評価することができる。また測定したウエーハに問題がなければ、次工程に流し、製品ウエーハとして利用可能とすること、装置の汚染状態管理では見逃されてしまう主要工程以外での汚染についても把握することがより容易となる。
【００４９】
ここで、図２（ａ）にイオン注入後に回複熱処理を上記のように最初窒素ガス濃度９７％以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えて表面に２０ｎｍ以上の厚さの熱酸化膜を形成したシリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。この時の酸化膜厚は２５０Å（２５ｎｍ）である。このような酸化膜厚のシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムは平均で１８９μｓｅｃ（最大２６５μｓｅｃ・最小２８μｓｅｃ）であった。
また比較のために、図２（ｂ）にイオン注入後に回複熱処理をし、酸化膜を形成しなかったウエーハのライフタイムマップを示した。このような酸化膜厚のイオン注入の後に回復熱処理を行ったシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムは平均で２６μｓｅｃ（最大３７μｓｅｃ・最小９μｓｅｃ）であり、μＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを評価するためには酸化膜を形成することが重要であり、上述のような方法で形成された酸化膜を用いることによって高感度でウエーハライフタイムを容易に評価できることが判った。
【００５０】
この必須のイオン注入工程や任意のμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定後、酸化膜エッチングと洗浄を行う。
この洗浄として、例えばＲＣＡ洗浄がある。この場合、イオン注入層がエッチングされないようにＳＣ１洗浄を高温で長時間行わないようにすることが望ましい。
【００５１】
そして、枚葉式エピタキシャル装置を用いて、先に洗浄したシリコン単結晶基板の主表面上に１０８０℃以上、望ましくは１１００℃以上の温度でエピタキシャル層を形成する。
エピタキシャル層の形成温度が１０８０℃以下の場合、高純度な原料ガスであるトリクロロシランを用いた場合に十分な成長速度が得られず、基板の僅かな欠陥に対してもエピタキシャル層に欠陥が生じやすくなる為、１０８０℃以上とする。
【００５２】
ここで、図１（ｂ）に示したように、エピタキシャル層形成の後、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、ケミカルパッシベーション処理を行った後、金属不純物濃度評価として、イオン注入を行った表面とは逆の主表面に対して光を照射してμＰＣＤ法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することができる。
【００５３】
また、図１（ｂ）に示したように、エピタキシャル層形成の後、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、エピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングによって除去した後にケミカルパッシベーション処理を行い、金属不純物濃度評価として、μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定またはＳＰＶ法による測定を行うことができる。
もちろん上述のように、エッチングでエピタキシャル層や埋め込み拡散層を除去すること無しにケミカルパッシベーションを行っても良い。この場合も、μＰＣＤ法によるウエーハライフタイム測定においては、励起光をエピタキシャル層形成面とは反対側から照射することにより、前述のエピタキシャル層や埋め込み拡散層をエッチング除去してケミカルパッシベーションを行った場合とほぼ同等な精度でライフタイム測定を行うことができる。
【００５４】
ここでケミカルパッシベーション処理の一例について図５を用いて簡単に説明する。
まず、シリコン単結晶基板に対してＨＦ溶液で処理して表面の自然酸化膜を除去する。
その後ラミネート袋に収納し、濃度５％のヨウ素・エタノール溶液に測定対象のシリコン単結晶基板を浸漬・シールする。その後このようなパッシベーション処理を行ったシリコン単結晶基板のライフタイムを測定する。
【００５５】
本発明においてはイオン注入による結晶欠陥の回復処理を、主にエピタキシャル成長の際の昇温によって行うことが可能である。エピタキシャル層形成工程中にイオン注入によって乱れた結晶性を回復させる場合、エピタキシャル成長前のイオン注入済みシリコン単結晶基板に対してμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム評価を行おうとする場合、パッシベーション膜を作製しても、イオン注入によって結晶性が悪化しているため、再結合を抑制できず、高感度な測定を行うことが難しい場合がある。
【００５６】
そのような場合、破壊評価になるが、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板に対して一部抜き取りを行い、エピタキシャルウエーハ本体に対してケミカルパッシベーションを行った後にイオン注入を行った面とは反対の表面に対してμＰＣＤ法によるウエーハライフタイム評価を行うことにより、エピタキシャルウエーハの汚染を確実に把握することができる。
【００５７】
また、エピタキシャル層の厚さより２〜３μｍ余分にエピタキシャルウエーハの表層をエッチング除去すれば、イオン注入拡散層の影響無しにウエーハライフタイムを測定することができる。
この場合、フッ酸・硝酸系のエッチング液を用いれば、１，２分でエッチングができる。またパッシベーション膜の形成方法については、評価の迅速なフィードバックという点から、パッシベーション膜の形成が容易なケミカルパッシベーションが望ましい。
【００５８】
このように、エピタキシャル層形成用の気相成長装置の汚染状態の管理ではなく、直接的にイオン注入を行ったシリコン単結晶基板の金属不純物濃度を評価することにより、製品の汚染状態をより正確に把握、管理することができる。
【００５９】
以上具体例を示して説明したように、本発明では、イオン注入した後からエピタキシャル層を形成した後のいずれかの段階で、シリコン単結晶基板またはエピタキシャルウエーハの金属不純物濃度評価を行う。この金属不純物濃度評価のタイミングや測定方法はもちろん上述の具体例に限定されない。
【００６０】
現在、広く用いられる汚染評価法であるＳＰＶ法やμＰＣＤ法は、５Ω・ｃｍ以上の鏡面シリコン単結晶ウエーハを熱処理装置やエピタキシャル装置に導入してシミュレーション熱処理を行った後に表面再結合を低減させるために基板の表面にパッシベーション膜を形成する処理を行う必要がある。従って、製品そのものの汚染管理ではなく、主たる熱処理を伴う装置の汚染状態を管理することが大半である。
【００６１】
またアニール炉の汚染管理では、従来、図７に示したように、モニターウエーハを酸化処理したのち、その酸化膜をパッシベーション膜として、ウエーハライフタイムを測定し熱処理炉の汚染状態が管理される。エピタキシャル成長装置の汚染管理でもモニターウエーハにエピタキシャル成長して、パッシベーション処理をしてウエーハライフタイムを測定したり、ＳＰＶ法によりＦｅ濃度、拡散長を測定することによってエピタキシャル装置の汚染状態が管理されている。
【００６２】
これに対し、本発明のように製品と同時に処理されたウエーハの汚染状態を把握することにより、直接製品そのものの汚染状態を管理することができる。
実際の製品の汚染状態を効率的に知ることができるので、製品ウエーハに汚染が発生した時、確実に事実を把握でき、また迅速な対策を施すことが可能となる。これによって高度に清浄なエピタキシャルウエーハが得られる。
【００６３】
従来の熱処理炉や気相成長炉などのモニターウエーハを用いる製造装置の汚染状態の管理では、汚染された製品を出荷しないための必要条件が満たされていることを確認することはできても、実際に製造されたエピタキシャルウエーハが汚染されていないこと（十分条件）の確認は直接的には行えない。
本発明では、製品となるシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハの汚染を直接的に管理することによって、不純物、特に金属不純物濃度を低くすることができ、また不純物濃度の高い不良エピタキシャルウエーハを出荷することを防止することができる。
【００６４】
また、本発明のエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層の上に受光素子や撮像素子を形成することができる。このように、本発明により製造・管理されたエピタキシャルウエーハは、不純物濃度、特に金属不純物濃度が低く、またゲッタリング能力が高いものであるため、受光素子や撮像素子の特性向上、安定した歩留りの生産に対して有効な出発原料のエピタキシャルウエーハを低コストで製造することができ、受光素子や撮像素子を歩留りよく且つ低コストで製造することができる。
【００６５】
以下、実験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。
【００６６】
（実験例）
まず、シリコン単結晶基板として、直径２００ｍｍ、抵抗率１０ΩｃｍのＣＺ法で成長させたポリシュドウエーハを６枚準備した。
その後、大電流イオン注入装置を用いて、準備したシリコン単結晶基板５枚に対して９０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、傾斜０°で砒素のイオン注入を行った。また残り１枚はモニター用としてイオン注入を行わなかった。
【００６７】
その後、イオン注入したシリコン単結晶基板を洗浄した。
そして、イオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して、縦型拡散炉を用いて、イオン注入ダメージの回復を行った。その際、過去に汚染源となり問題になったエアーピンセットを用いて拡散炉用のカセットに移し変えを行った。
窒素ガス１００％の雰囲気で７００℃で拡散炉に投入し９００℃で１０分間熱処理を施した段階で、雰囲気ガスを酸素１００％に切り換えて１２０分熱処理を行い、７００℃で拡散炉から取り出した。
【００６８】
この段階で、酸化膜厚の測定を行ったところ、膜厚は２１０Å（２１ｎｍ）であった。また、シート抵抗を渦電流測定装置で測定したところ、８５Ω／□であった。
この酸化膜付きシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムの測定をμＰＣＤ法によって行った。測定は、イオン注入を行った表面の反対側に励起光を照射して行った。
その結果を図２（ａ）に示した。図２（ａ）に示したように、エアーピンセットによるリング状の汚染が生じたことが判った。
【００６９】
本来ならば、図２（ａ）で汚染が確認されているので、これらの基板を次工程に進める前に汚染の原因調査、対策が行われ、かつ汚染されたシリコン単結晶基板を除かなければならない。しかし、本発明のようにイオン注入後にライフタイム測定を行わない場合、汚染がこの段階では確認されず汚染なしとしてそのまま次工程に送られるため、本具体例では、これらの基板を５％ＨＦ溶液に１０分間浸漬し酸化膜を除去したのち、ＳＣ１、ＳＣ２洗浄によりエピタキシャル層形成前の洗浄を行った。
【００７０】
またエピタキシャル層の形成に先立ち、エピタキシャル装置で抵抗率１０Ωｃｍの直径２００ｍｍのモニター用ｐ型鏡面ウエーハに抵抗率１０Ωｃｍ、厚さ５μｍのｐ型エピタキシャル層を成長させてモニターエピタキシャルウエーハを作製した。そのモニターウエーハをヨウ素溶液による標準的なケミカルパッシベーション処理を行い、ウエーハライフタイムの測定を行った。このケミカルパッシベーション処理の手順の一例を図５に示す。
そしてモニターエピタキシャルウエーハに対してμＰＣＤ法によってウエーハライフタイムを測定してライフタイムマップを作製し、それを図４に示した。
図４に示すように、ウエーハライフタイムは平均で９７０μｓｅｃ（最大１５９０μｓｅｃ・最小７１０μｓｅｃ）と、非常に良好な値となっていることが判った。
【００７１】
そして、エピタキシャル装置による汚染がないことが確認できたので、前記５枚のイオン注入済みウエーハに、やはりｐ型、１０Ω・ｃｍ、厚さ５μｍのエピタキシャル層を成長させた。シリコンソースにはトリクロロシランを用い、成長温度は１１３０℃とした。
【００７２】
このイオン注入層を有するエピタキシャルウエーハ５枚をフッ酸・硝酸混合液により、表裏、約８μｍをエッチングしてイオン注入層やエピタキシャル層を除去した後、同様にケミカルパッシベーション処理を施し、ウエーハライフタイムの測定を行った。
【００７３】
５枚のウエーハのウエーハ内のライフタイムの平均値の平均値、最大、最小の平均値と代表的なライフタイムマップを図３に示した。このようなウエーハのウエーハライフタイムは平均で７８０μｓｅｃ（最大１３７０μｓｅｃ・最小５１０μｓｅｃ）であり、図３に示すように、ウエーハ中心部に周辺に比べてライフタイムが悪い部分があり、金属不純物に汚染されていることが判った。
このように、エピタキシャル層形成工程後にライフタイム測定を行った場合でも、エアーピンセットによるハンドリング汚染を発見することができることが判った。
【００７４】
従って、イオン注入後の回復熱処理を行ったウエーハであっても、エピタキシャル層形成後であっても、イオン注入回復熱処理工程でのエアーピンセットによる汚染を確認することができた。
このように、測定装置の制約やパッシベーション方法の違いもあり、ウエーハライフタイムの絶対値には工程により比較的大きな隔たりがある。しかし、ウエーハライフタイムの面内分布データから、製造工程におけるシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハの汚染の有無及び汚染源は容易に把握できることが判った。
また、イオン注入後の回復熱処理段階でパッシベーション酸化膜を形成してウエーハライフタイムを測定した場合には、測定したウエーハをそのまま製品として次のエピタキシャル工程に流すことができ、測定・製造コストも低減できることが判った。
【００７５】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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