(57)【要約】【課題】エピタキシャル成長時の加熱に伴うスリップが発生せず、ウェーハ表面のボイド欠陥に起因したエピタキシャル膜の表面粗さの低下も解消可能なエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】単結晶シリコン製のシリコンウェーハの表面にアモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を堆積後、この膜を高エネルギ光の照射で溶融、固化し、単結晶シリコンに変質させる。これにより、エピタキシャル膜の液層エピタキシャル成長を可能とし、エピ成長時の加熱に伴うスリップの発生を無くせる。しかも、仮にウェーハ表面にボイド欠陥が存在しても、溶融により、表面の平坦度が高いエピタキシャル膜が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンからなるシリコンウェーハの表面に、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を堆積させる堆積工程と、
該堆積工程後、少なくとも前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を、高エネルギ光の照射により溶融させ、かつ冷却することで単結晶シリコンに改質し、該単結晶シリコンのエピタキシャル膜とする溶融工程とを備えたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記堆積工程では、ドーパントガスを使用する気相成長法が採用された請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記堆積工程後から前記溶融工程までの間に、前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜にドーパントをイオン注入し、
前記溶融工程では、溶融した前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜に、前記ドーパントが拡散される請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記溶融工程後、前記エピタキシャル膜の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法、詳しくはシリコンウェーハの表層の高品質化が図れるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶のインゴットの引き上げ時に、過剰の空孔がこのインゴットに導入され、ボイド欠陥が生成する。
近年のデバイスの高集積化や微細化に伴い、デバイスが形成されるシリコンウェーハの表層から、ボイド欠陥などを完全に消滅させた結晶欠陥フリーのウェーハの要請がなされている。これは、結晶欠陥がデバイス形成時の歩留低下を招くためである。
【０００３】
そこで、結晶引き上げ時の単結晶インゴットの温度勾配や引上げ速度などを制御し、点欠陥の発生を抑えてボイド欠陥や転位クラスタを縮小または消滅させる技術が、ウェーハの量産プロセスで実施されている。しかしながら、現状、結晶引き上げの制御のみでは、インゴットの一部だけしか結晶欠陥フリーのシリコン単結晶は達成されていない。しかも、表面検査装置の高感度化が進めば、今日ではボイドフリーと呼ばれる領域であっても、微小なボイド欠陥が存在する領域と判定される可能性もある。
特に、直径が３００ｍｍを超える大口径ウェーハになれば、ボイド欠陥などを含まないインゴットの引き上げがさらに困難になることから、結晶欠陥フリーのシリコンウェーハの作製は、さらに難しくなると予想される。
【０００４】
このような課題を解決する従来技術として、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る方法が知られている。
一般に、エピタキシャル成長プロセスでは、その第１ステップとして、シリコンウェーハに対して１１００℃以上の高温での水素ベーキングが行われている。これにより、表面酸化膜の除去およびウェーハ表面に存在するボイド欠陥の穴埋めを行う。しかしながら、直径３００ｍｍを超える大口径ウェーハの場合では、エピタキシャル成長に伴う高温熱処理時におけるスリップの発生が懸念される。そのため、今後はエピタキシャルプロセスの低温化が必要になると予想される。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８１０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、低温エピタキシャル成長用のシリコンウェーハとして、表面にボイド欠陥が存在するものを採用した場合には、水素ベーク時の加熱温度が低く、ウェーハ表面のボイド欠陥の穴埋めが不十分となる。その結果、ウェーハ表面の微小な凹凸がエピタキシャル膜の表面に転写され、またはボイド欠陥を起点としてエピタキシャル膜中に欠陥が生じることで、最終的にデバイス特性の劣化を招いてしまう。
【０００７】
そこで、発明者は鋭意研究の結果、単結晶シリコンに比べて吸光係数が高いアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンに着目した。すなわち、単結晶シリコンからなるシリコンウェーハの表層に、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を成膜する。次に、レーザ光などの高エネルギ光を、単結晶シリコンは溶融しないが、シリコン単結晶より吸光係数が高いアモルファスシリコン膜または多結晶シリコンは溶融する条件で照射し、この膜を溶融させ固化させる。こうして、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコンを単結晶シリコンに変質（エピタキシー）させてエピタキシャル膜とすれば、上述の問題は解消することを知見し、この発明を完成させた。
【０００８】
この発明は、エピタキシャル成長時の加熱に伴うスリップの発生を無くし、かつウェーハ表面のボイド欠陥に起因したエピタキシャル膜の表面粗さの低下を解消することができるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、単結晶シリコンからなるシリコンウェーハの表面に、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を堆積させる堆積工程と、該堆積工程後、少なくとも前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を、高エネルギ光の照射により溶融させ、かつ冷却することで単結晶シリコンに改質し、該単結晶シリコンのエピタキシャル膜とする溶融工程とを備えたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、単結晶シリコンからなるシリコンウェーハの表面にアモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を、例えばＣＶＤ（化学的気相成長）法などの薄膜成長法により堆積させる。その後、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を高エネルギ光の照射により溶融させて固化し、これを単結晶シリコンに変質（液層エピタキシー；Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）させる。液層エピタキシーとは、溶融された固液界面にて固体領域の結晶性を引き継いで単結晶化する現象である。単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは吸光係数が高く、特にアモルファスシリコンは１桁程高いと言われている。そのため、光加熱式のアニール炉を使用すれば、単結晶のシリコンウェーハが融点に達する前にアモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜が溶融し、その後、これを冷却、固化してエピタキシャル膜に改質することができる。
【００１１】
すなわち、疑似的ながらエピタキシャル成長を可能とし、このときの加熱に伴うシリコンウェーハのスリップの発生を無くすことができる。しかも、仮にシリコンウェーハの表面にボイド欠陥が存在し、堆積工程直後のアモルファスシリコン膜の表面または多結晶シリコン膜の表面に微小凹凸が転写された場合でも、その後、この膜を溶融することで、表面の平坦度が高いエピタキシャル膜を成長させることができる。すなわち、ウェーハ表面のボイド欠陥に起因したエピタキシャル膜の表面粗さの低下を解消することができる。
【００１２】
シリコンウェーハとしては、単結晶シリコンウェーハ、あるいはＳＯＩウェーハを採用することができる。
「シリコンウェーハの表面」とは、デバイスが形成される面をいう。
単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは吸光係数が高く、特にアモルファスシリコンは１桁程高いと言われている。
【００１３】
アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜は、溶融工程において、単結晶基板上に溶融したアモルファスシリコン膜が単結晶シリコン構造に反映した液層エピタキシャル成長を行い、単結晶シリコンとなる。
アモルファスシリコン膜および多結晶シリコン膜の厚さは、デバイス活性層に応じて設計すればよい。
また、溶融後に液層エピタキシャルされたシリコン膜の比抵抗の調整は、アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜中に予めドーパントを規定量導入することで対応できる。
ここでいう「堆積」とは、エピタキシャル成長を含まないアモルファスシリコン膜または多結晶シリコンの成長をいう。
【００１４】
アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜を堆積させる方法としては、例えば気相成長法を採用すればよい。その他、スパッタ法などでもよい。
気相成長法としては、例えば常圧気相成長法、減圧気相成長法、有機金属気相成長法等を採用することができる。
気相成長装置としては、１枚ずつシリコンウェーハを処理する枚葉型、複数枚のシリコンウェーハを同時に処理可能なパンケーキ型、バレル型、ホットウォール型、クラスタ型でもよい。
気相成長法で使用される反応ガス（ソースガス）の成分としては、例えばＳｉＨ４を採用することができる。また、キャリアガスの成分としては、水素を採用することができる。
【００１５】
光加熱方法としては、例えば各種のランプアニール法（スパイククランプアニール法、フラッシュランプアニール法など）、レーザアニール法（レーザスパイクアニール法など）を採用することができる。
高エネルギ光としては、例えばランプ光、レーザ光などを採用することができる。
高エネルギ光の照射エネルギは装置仕様により大きく変わるものの、可能な限りエネルギの高いものの方が処理時間の短縮が図れて好ましい。例えば、レーザエネルギ密度は０．１〜２０Ｊ／ｃｍ２である。０．１Ｊ／ｃｍ２未満では、溶融時間が長くなりすぎて生産性が低下する。また、２０Ｊ／ｃｍ２を超えれば、生産性は高まるが装置コストの問題が生じる。高エネルギ光の好ましい照射エネルギは、０．５〜５Ｊ／ｃｍ２である。この範囲であれば、市販のレーザ装置を使用することができる。
また、レーザ種はエキシマレーザ、固体レーザ、半導体レーザなどシリコン内部に侵入できる波長を有するレーザが適用される。また、２種類以上の波長のレーザ光をシリコン表面から照射してもよい。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。
特に、レーザ光を採用した場合には、レーザスキャン速度を任意に変更できるので、固化速度などを変更可能で、得られるエピタキシャル成長膜の品質を改善することができる。ランプ加熱の場合には、ウェーハ全面を高温加熱するので、スリップが発生するおそれがある。
【００１７】
レーザ光としては、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ガラスファイバレーザ、Ｎｄ：ＹＶ０４レーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザなどの第２高調波、第３高調波、第４高調波などを採用することができる。また、レーザ光はパルス照射でも連続照射の何れでもよく、またビーム幅はシリコンウェーハの直径以上にした方が均一に溶融できるので好ましい。
レーザ光の照射エネルギ、レーザ光の照射パルス数、レーザ光のパルス幅は、レーザ光の種類に応じてそれぞれ選択される。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記堆積工程では、ドーパントガスを使用する気相成長法が採用された請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。
【００１９】
ドーパントガスの成分としては、ｎ形として、例えばＰＨ３（フォスフィン），ＡｓＨ３（アルシン）などを採用することができる。また、ｐ形として、例えばホウ素（Ｂ）を採用することができる。
ドーパント濃度は、デバイスに応じて仕様が異なるので一概に決められない。一般的には１Ω・ｃｍ以上１００Ω・ｃｍ以下となるように、ｐ型の場合、１．３３×１０１４〜１．４６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、前記堆積工程後から前記溶融工程までの間に、前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜にドーパントをイオン注入し、前記溶融工程では、溶融した前記アモルファスシリコン膜または多結晶シリコン膜に、前記ドーパントが拡散される請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。
【００２１】
ドーパントのイオン注入量は、前述したように例えばボロンを１．３３×１０１４〜１．４６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように設定すればよい。
ドーパントのイオン注入エネルギは、対象となるアモルファス膜の厚さまたは多結晶シリコン膜の厚さより注入深さが浅くなるように設定すればよい。好ましくはアモルファス膜の表層近傍または多結晶シリコン膜の表層近傍にドーパントを注入した方が、イオン注入装置に負荷をかけず、また中電流イオン注入装置などを使用することができ、イオン電流も大きくなって生産性が高まる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、前記溶融工程後、前記エピタキシャル膜の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法である。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、溶融工程後、エピタキシャル膜の表面を研磨するので、仮にエピタキシャル膜の表面に微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のエピタキシャルシリコンウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【００２４】
エピタキシャル膜の表面の研磨量は、堆積したアモルファス膜の厚さまたは多結晶シリコン膜の厚さより少なくするのは当然であるが、研磨による平坦度劣化を防ぐためにできるだけ少なくする。すなわち、研磨代は凹凸欠陥高さを研磨除去できるだけの大きさである。例えば５〜１００ｎｍである。５ｎｍ未満では、現状のＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＆  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置では表面を均一に研磨するのが困難であり、逆に平坦度を劣化させる可能性がある。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１に記載の発明によれば、単結晶シリコンからなるシリコンウェーハの表面にアモルファス膜または多結晶シリコン膜を堆積後、この膜を高エネルギ光の照射により溶融して冷却することで固化し、単結晶シリコンに変質させる。アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンは、単結晶シリコンに比べて吸光係数が高い。そのため、シリコンウェーハの溶融前に、この膜のみを溶かしてエピタキシャル膜に改質することができる。これにより、液層エピタキシャル成長を可能とし、従来のようなエピタキシャル成長時に発生していたスリップを無くすことができる。
しかも、仮にウェーハ表面にボイド欠陥が存在し、堆積直後の膜表面に微小凹凸が転写された場合でも、その後の膜の溶融により、表面の平坦度が高いエピタキシャル膜が得られる。その結果、ウェーハ表面のボイド欠陥に起因したエピタキシャル膜の表面粗さの低下を解消することができる。
【００２６】
また、請求項５に記載の発明によれば、溶融工程後、エピタキシャル膜の表面を研磨するので、仮にエピタキシャル膜の表面に微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のエピタキシャルシリコンウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００２８】
この発明の実施例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明する。
チョクラルスキー法により直径２００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の空孔リッチなボイド欠陥が存在するシリコン単結晶インゴットを引き上げる。その際、ドーパントとしてボロンを、シリコン単結晶インゴットの比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍとなるまで添加する。得られたシリコン単結晶インゴットには、ブロック切断、外径研削およびスライスの各工程が順次施される。これにより、表面にボイド欠陥が多数存在するシリコンウェーハが作製される。
【００２９】
次に、図１のフローシートを参照して、このシリコンウェーハを用いたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明する。
図１（ａ）に示すように、まず上述した製造方法によりシリコンウェーハ１０を準備する。
次に、シリコンウェーハ１０の表面に、アモルファスシリコン膜１１を堆積させる（図１（ｂ）、堆積工程）。具体的には、２００〜４００℃に設定された炉内にシリコンウェーハを投入し、水素ガスをベースにして、シランガス、必要に応じてジボロランガスを導入し、アモルファス膜を４００ｎｍ堆積させる。
なお、アモルファスシリコン膜１１に代えて多結晶シリコン膜を堆積させてもよい。
多結晶シリコンの堆積方法としては、ＣＶＤ装置に温度５００℃〜７５０℃程度の温度域で、例えば減圧化によりモノシランガスを導入し、多結晶シリコンを堆積させる方法などを採用することができる。
【００３０】
なお、必要に応じて、この堆積工程において、アモルファスシリコン成膜時にアモルファスシリコン膜１１にドーパントを添加してもよく、またはドーパントを添加するのではなく、堆積工程後から溶融工程までの間に、アモルファスシリコン膜１１の内部に、その表面からドーパントをイオン注入してもよい。この場合には、以下のイオン注入工程が行われる。
まず、アモルファスシリコン膜１１付きのシリコンウェーハ１０を中電流イオン注入装置の炉内に挿入し、７０ｋｅＶの加速電圧で所定濃度となるようにドーパントをイオン注入する。これにより、ウェーハ表面から深さ３００ｎｍ付近の位置に注入ピーク領域を有したイオン注入領域部が形成される。ドーパントのイオン注入を採用した場合、溶融工程において、アモルファスシリコン膜１１の全域にドーパントが均一に拡散される。
【００３１】
次に、ドーパントが添加されたアモルファスシリコン膜１１付きのシリコンウェーハ１０を、窒素ガス雰囲気下に保たれたレーザアニール炉に挿入する。ここで、エキシマレーザ光（ＫｒＦレーザ、波長２４８ｎｍ）を、ウェーハ表面全域に照射する（図１（ｃ）、溶融工程）。
前述したように、シリコンウェーハ１０の表面には、単結晶シリコンに比べて吸光係数が高いアモルファスシリコン膜１１が成長されている。そのため、レーザアニール炉を使用し、単結晶シリコンは溶融しないが、アモルファスシリコンは溶融する。これにより、アモルファスシリコン膜１１が単結晶シリコンに変質し、これを冷却、固化することで、エピタキシャル膜１２が形成される（図１（ｄ））。
その後、エピタキシャル層１２を下に向け、キャリアプレートを介して、枚葉式の研磨装置の研磨ヘッドの下面にシリコンウェーハ１０を貼着し、エピタキシャル層の表面を５０ｎｍ程度化学的機械的研磨（ＣＭＰ）する。これにより、表面が加工研磨されたエピタキシャルシリコンウェーハ２０が作製される。
【００３２】
その結果、アモルファスシリコン膜１１の溶融による下地単結晶シリコンからの結晶構造を反映したエピタキシャル膜１２の液層エピタキシャル成長を可能とし、従来のエピタキシャル成長時の加熱に伴うシリコンウェーハ１０のスリップの発生を無くすことができる。さらに、いったんアモルファスシリコン膜１１を溶融させるので、ウェーハ表面ひいてはエピタキシャル膜１２の表面のボイド欠陥も無くなる。その結果、ウェーハ表面のボイド欠陥に起因したエピタキシャル膜１２の表面粗さの低下も解消することができる。
さらに、溶融工程後、エピタキシャル膜１２の表面を研磨するようにしたので、仮に溶融後のエピタキシャル膜１２の表面に微小な凹凸欠陥が現出しても、市販のエピタキシャルシリコンウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【００３３】
以下、この発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を適用し、実際にエピタキシャルウェーハを製造した結果を説明する。
実施例１の成長条件で得られた直径２００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、比抵抗１０Ω・ｃｍの空孔リッチなボイド欠陥が存在するシリコンインゴットを、ウェーハ加工した。これにより、表面にボイド欠陥が存在する多数枚のシリコンウェーハが得られた。
このウェーハ表面に対して、ケーエルエーテンコール社製の表面検査装置（ＳＰ−１）により０．０９μｍ以上のパーティクルを測定した。その結果、数百個のパーティクルがカウントされた。このパーティクルを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、ボイド欠陥であることが判明した。
【００３４】
次に、実施例１の堆積条件で、シリコンウェーハの表面にアモルファスシリコン膜を約４００ｎｍ堆積させた。その後、実施例１の溶融条件で、レーザ光によりアモルファスシリコン膜を溶融して固化させた。これにより、アモルファスシリコン膜が単結晶シリコンからなるエピタキシャル膜に変質した。続いて、実施例１の研磨条件で、エピタキシャル膜の表面を０．０５μｍ狙いで、化学的機械的研磨した。その結果、エピタキシャルシリコンウェーハが得られた。
その後、前記表面検査装置により、エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル膜の表面のパーティクルを測定した。その結果、エピタキシャル膜の表面のうち、シリコンウェーハの表面のボイド発生位置と対応する部分には、パーティクルが存在しないことがわかった。
同様に、実施例１の堆積条件で、シリコンウェーハの表面に多結晶シリコン膜を約５００ｎｍ堆積させた。その後、実施例１の溶融条件で多結晶シリコンを溶融・固化させた。同様に化学的研磨によって、エピタキシャル膜の表面を０．０５μｍ狙いで研磨した後、パーティクル測定を行ったが、表面のボイド発生位置に対応する部分には、パーティクルが存在しないことがわかった。
また、得られたエピタキシャルシリコンウェーハに対して、透過化型電子顕微鏡を使用した電子回析による結晶性評価を行った。その結果、溶融・固化した領域では、シリコンの完全な結晶性を示した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法のフローシートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  シリコンウェーハ、
１１  アモルファスシリコン膜、
１２  エピタキシャル膜、
２０  エピタキシャルシリコンウェーハ。
【図１】
2010093140.tif 000003