(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、
該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを、前記シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と前記評価対象不純物の固溶限界濃度が一致する温度を算出し、該算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲において、前記シリコンエピタキシャルウェーハの成膜後の冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満として冷却する冷却工程とを行い、
前記評価対象不純物を、Ｎｉとすることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記冷却速度を、５℃／ｓｅｃ以上とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関し、具体的には、シリコン単結晶薄膜の表層部の不純物濃度が従来に比べて低いシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンエピタキシャルウェーハは、例えば以下の通りにして製造される。
すなわち、シリコン単結晶基板を気相成長装置の反応容器内に載置し、水素ガスを流した状態で、１１００℃〜１２００℃まで反応容器内を昇温する（昇温工程）。
そして、反応容器内の温度が１１００℃以上になると、基板表面に形成されている自然酸化膜（ＳｉＯ２：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ）が除去される。
【０００３】
この状態で、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３：Ｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）等のシリコン原料ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６：Ｄｉｂｏｒａｎｅ）あるいはホスフィン（ＰＨ３：Ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）等のドーパントガスを水素ガスとともに反応容器内に供給する。こうして基板の主表面にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる（成膜工程）。
【０００４】
このようにして薄膜を気相成長させた後に、原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、水素雰囲気に保持したまま反応容器内の温度を降温させる（冷却工程）。
【０００５】
ところで、上述の通りにシリコンエピタキシャルウェーハを製造する過程で、重金属不純物がエピタキシャル層（シリコン単結晶薄膜）内に混入すると、その基板を用いて作製したデバイスの特性が異常となってしまうことがある。
特に、デバイスが作りこまれるデバイス活性層となるエピタキシャル層の表層側に不純物汚染があると、デバイスへの悪影響が大きくなる。
【０００６】
従来のエピタキシャルシリコンウェーハ中の重金属不純物濃度の低減方法としては、例えばシリコンエピタキシャルウェーハ製造の冷却工程において、４００℃以下で雰囲気ガスを水素雰囲気から窒素雰囲気に切り替えることでＣｕをウェーハの表面に析出させ、そののち表層を除去する方法や、４００℃より高温で雰囲気ガスを水素雰囲気から窒素雰囲気に切り替えることで、Ｃｕを表面ではなくバルク部に析出させることで、表層部には析出させないようにする製造方法が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６４１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
シリコン単結晶薄膜の成膜プロセス中でのシリコンエピタキシャルウェーハの重金属汚染は、半導体デバイスに様々な悪影響を及ぼすため、その低減が重要である。
従来、Ｃｕについては上述のようなシリコン単結晶薄膜の成膜プロセスにおける冷却工程で、降温時の水素ガスを窒素ガスに置換する際の切り替え温度を高温にするというプロセスシーケンスを用いることで、表面へのＣｕの析出を抑え、表層Ｃｕ汚染を低減する方法が提案されている。
しかし、Ｃｕ以外の不純物については、プロセスシーケンスでの効果的な不純物低減策が無く、有効な方法がなかった。
【０００９】
本発明は、前述のような問題に鑑みてなされたものであって、シリコンエピタキシャルウェーハに含まれる重金属不純物、特にデバイス活性層であるシリコン単結晶薄膜の表層領域の不純物濃度が従来に比べて低く、優れたデバイス特性をもつシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができるシリコンエピタキシャルウェ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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを、前記シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と前記評価対象不純物の固溶限界濃度が一致する温度を算出し、該算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲において、前記シリコンエピタキシャルウェーハの成膜後の冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満として冷却する冷却工程とを行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。
【００１１】
シリコンエピタキシャルウェーハ中のほとんどの不純物は、シリコン単結晶薄膜形成のためのエピタキシャル反応直後の高温域では固溶した状態で存在する。そして、それが冷却工程で固溶限界となる温度に達した時点で析出が始まる。そこで、評価対象不純物の濃度の規格値や工程平均値（過去のシリコンエピタキシャルウェーハの製造実績から算出できる）と、評価対象不純物の固溶限界濃度が一致する温度を算出する。そして、その算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲において冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満に制御して冷却すると、評価対象の不純物はウェーハのバルク中に析出し、結果としてデバイス活性層であるシリコン単結晶薄膜の表層領域には析出させないようにできる。よって、表層部の不純物濃度を低減させたシリコン単結晶薄膜を有するエピタキシャルウェーハを得ることができ、デバイス特性の良好なシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００１２】
ここで、前記冷却速度を、５℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
少なくとも先に求めた温度範囲内における成膜後のシリコンエピタキシャルウェーハの冷却速度を下げると、シリコン単結晶薄膜の表層部の評価対象不純物濃度を低減することができるが、冷却速度を下げるほど冷却に時間がかかり、生産性が落ちてしまう。しかし、冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上であれば生産性をほとんど落とさずにデバイス活性層の不純物濃度の低いシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００１３】
また、前記評価対象不純物を、Ｎｉとすることが好ましい。
一般的なシリコンエピタキシャルウェーハのシリコン単結晶薄膜中のＮｉの含有量は１×１０９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台から１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３台と想定される。
そこで、図２を参照すると、この濃度範囲がＮｉの固溶限界となる温度帯は、３００℃〜４００℃となる。このため評価対象不純物をＮｉとした場合、冷却工程において、少なくとも４００℃から３００℃までの範囲内の冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満に制御することで、デバイス活性領域であるシリコン単結晶薄膜の表層部へのＮｉ析出を低減することができ、デバイス特性に優れたエピタキシャルウェーハを効率良く製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、シリコン単結晶薄膜の成膜反応後の冷却工程において、評価対象不純物の規格値や工程平均値とその汚染元素の固溶限界濃度が一致する温度、すなわち汚染元素が過飽和になり始める温度帯の近傍（±５０℃程度）において、シリコンエピタキシャルウェーハを２０℃／ｓｅｃ未満で徐冷する。
これによって、シリコンエピタキシャルウェーハ中の不純物（汚染元素）がシリコン単結晶薄膜の表層部へ凝集することを抑え、バルク内での析出を促進することができる。その結果、デバイス活性領域であるシリコン単結晶薄膜表層部の不純物濃度が低いシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の概略の一例を示したフローチャートである。
【図２】シリコン中のＮｉの固溶度の温度依存性を示した図である。
【図３】シリコン単結晶薄膜の成膜反応後の冷却工程における３５０℃付近の冷却速度とシリコン単結晶薄膜表層部に集まったＮｉの濃度の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
従来、シリコンエピタキシャルウェーハのデバイス活性領域となるシリコン単結晶薄膜の表層部に含まれる重金属不純物の量を効果的に低減させる製造方法は、ほとんど知られていなかった。
【００１７】
そのため、従来の製造方法で製造されたシリコンエピタキシャルウェーハを用いて半導体デバイスを製造する場合に、不純物濃度評価がよいウェーハを用いても、デバイス特性の低いものが製造されてしまう場合があるという問題点があった。
【００１８】
そこで、本発明者はこのような問題点を解決すべく鋭意検討、実験を重ねた。
その結果、シリコンエピタキシャルウェーハの表層の不純物濃度に影響を与える条件として、エピタキシャル層（シリコン単結晶薄膜）成長後の冷却条件に着目した。特に、含まれる重金属不純物が過飽和になる温度帯での冷却速度に着目し、この冷却速度を変えることを発想した。
【００１９】
そして更なる鋭意検討・実験を重ねた結果、シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と、固溶限界濃度が一致する温度を算出して、その算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲で、成膜後のシリコンエピタキシャルウェーハの冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満とすることによって、評価対象不純物をシリコンエピタキシャルウェーハのバルク中に析出させることができること、これによってシリコン単結晶薄膜の表層部は不純物濃度の低いシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができることを知見し、本発明に到達した。
【００２０】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の概略の一例を示したフローチャートである。
【００２１】
先ず、図１に示すように、気相成長装置の反応容器内に備えられたサセプタに、搬送装置を用いてシリコン単結晶基板を載置する（図１（ａ）、仕込み）。
次いで、反応容器内に水素ガスを流した状態で、反応容器内の温度をシリコン単結晶薄膜を気相成長するための成膜温度まで昇温する（図１（ｂ）、昇温）。この成膜温度は、基板表面の自然酸化膜を水素で除去できる１０００℃以上に設定する。
【００２２】
次いで、反応容器内を成膜温度に保持したままで、水素ガスとともに原料ガスおよびドーパントガスをそれぞれ所定流量で供給して、水素雰囲気にてシリコン単結晶薄膜が所定膜厚となるまでシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を成長させる（図１（ｃ）、成膜工程）。
【００２３】
この後に原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、キャリアガスである水素を流しながら反応容器内の温度を下降させてシリコンエピタキシャルウェーハを冷却する（図１（ｄ）、冷却工程）。
この冷却工程では、シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と評価対象不純物の固溶限界濃度が一致する温度を算出し、算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲において、シリコンエピタキシャルウェーハの成膜後の冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満として冷却する。
また、８００℃から４００℃程度までの間で、水素雰囲気から窒素雰囲気へと切り換えることができる。
【００２４】
シリコンウェーハ中のほとんどの不純物は、シリコン単結晶薄膜形成のためのエピタキシャル反応直後の高温域では固溶した状態で存在しており、冷却工程で固溶限界となる温度に達した時点から析出が始まる。
そこで、評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と、評価対象不純物の固溶限界濃度が一致する温度を算出して、この算出温度の少なくとも上下５０℃の温度範囲において、シリコン単結晶薄膜の成膜工程後の冷却工程での冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満に制御すると、シリコンエピタキシャルウェーハ中の評価対象の不純物をデバイス活性層であるシリコン単結晶薄膜の表層領域ではなくバルク部に析出させることができる。
従って、シリコン単結晶薄膜の表層部の不純物濃度が従来に比べて低い、デバイス特性の良好なシリコンエピタキシャルウェーハとすることができる。
冷却速度は２０℃／ｓｅｃ未満で低ければ低いほど望ましい。
【００２５】
ここで、評価対象不純物を、Ｎｉとすることができる。
一般的なシリコンエピタキシャルウェーハのシリコン単結晶薄膜中のＮｉの含有量は、１×１０９〜１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の水準と想定される。
そして、図２に示すように、Ｎｉの汚染量を上記範囲内である５×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度と想定する場合、その含有量と固溶度が一致する温度は、３５０℃前後になる。
従って、評価対象不純物がＮｉの場合は、冷却中のシリコンエピタキシャルウェーハの温度が少なくとも４００℃から３００℃までの温度帯を通過する時には、冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満に制御することになる。
なお、図２は、シリコン中のＮｉの固溶度の温度依存性を示した図である。
【００２６】
また、図３に示すように、冷却速度が高いほど、シリコン単結晶薄膜の表層部付近にＮｉが集まり、冷却速度が低い（徐冷）ほど、表層付近のＮｉ濃度が低く、バルク中に析出させることができると考えられる。すなわち、シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と、固溶限界濃度が一致する温度帯を徐冷することによって、シリコン単結晶薄膜の表層部にＮｉ濃度の低い領域を有するシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができる。
なお、図３は、シリコン単結晶薄膜の成膜反応後の冷却工程における３５０℃付近の冷却速度とシリコン単結晶薄膜表層部に集まったＮｉの濃度の関係を示した図である。
【００２７】
デバイス特性に悪影響を及ぼすＮｉを評価対象不純物に選び、シリコンエピタキシャルウェーハの温度が少なくとも４００℃から３００℃までの温度域での冷却速度を２０℃／ｓｅｃ未満に制御することで、Ｎｉをシリコン単結晶薄膜の表層部ではなくバルク部に析出させることができ、表層部のＮｉ濃度の低いシリコンエピタキシャルウェーハとすることができる。これによって、デバイス特性に悪影響を与えるＮｉの濃度を低く抑えた高品質シリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００２８】
また、冷却速度を、５℃／ｓｅｃ以上とすることができる。
前述のように、シリコン単結晶薄膜中に存在する評価対象不純物の濃度の規格値又は工程平均値と、固溶限界濃度が一致する温度の少なくとも上下５０℃の範囲での成膜後のシリコンエピタキシャルウェーハの冷却速度を下げることによって、シリコン単結晶薄膜の表層部の評価対象不純物濃度を低減することができるが、あまりにも低速（徐冷）にすると生産性が落ちてしまう。
しかし、冷却速度を５℃／ｓｅｃ以上とすることによって、生産性をほとんど落とさずにデバイス活性層の不純物濃度の低いシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００２９】
そして、窒素雰囲気のままで取出温度に至ったら、気相成長装置からシリコンエピタキシャルウェーハを取り出す（図１（ｅ）、取出し）。
その後、任意で洗浄、梱包、出荷工程等を行うことによって、評価対象不純物濃度が規格値や工程平均値以下であるデバイス特性が良好な高品質シリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００３０】
このようにして製造されたシリコンエピタキシャルウェーハは、シリコン単結晶薄膜の表層領域は不純物含有量が少なく、半導体デバイス特性に優れたものである。
【実施例】
【００３１】
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、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１−３、比較例１）
あらかじめ同一バッチのシリコン単結晶基板が全溶解化学分析法を用いて１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（検出下限）のＮｉ濃度であることを確かめた面方位（１００）、Ｐ＋型（０．０１５Ωｃｍ）のシリコン単結晶基板を５枚準備し、その主表面上に、成膜温度１１３０℃でＰ−型（１０Ωｃｍ）のシリコン単結晶薄膜５μｍを気相成長させた。
【００３２】
そして、成膜後のシリコンエピタキシャルウェーハを冷却する際に、４００℃から３００℃の間の冷却速度を、０．５℃／ｓｅｃ（実施例１）、５℃／ｓｅｃ（実施例２）、１８℃／ｓｅｃ（実施例３）、２０℃／ｓｅｃ（比較例１）、２５℃／ｓｅｃ（比較例２）と変えて、シリコンエピタキシャルウェーハを製造した。
【００３３】
これらのシリコンエピタキシャルウェーハ計５枚を、ステップエッチング法（特開２００５−２６５７１８号公報、特許３７５５５８６号公報等参照）によって、シリコン単結晶薄膜の表層１．５μｍを抽出し、ＩＣＰ−ＭＳ装置によってＮｉを含む重金属の濃度を測定した。その結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0005544859.tif 000002
【００３５】
この結果、表１に示すように、比較例１、２の冷却条件では、シリコン単結晶薄膜の表層中のＮｉ濃度は８×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３検出された。すなわち、Ｎｉがこの濃度だけ表層中に存在することを意味する。
一方、実施例２及び３の冷却条件ではシリコン単結晶薄膜の表層中のＮｉ濃度は、それぞれＩＣＰ−ＭＳ装置の検出下限（１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下となり、比較例１、２よりも低濃度であること、すなわち、比較例１、２の条件で冷却したウェーハに比べて、シリコン単結晶薄膜の表層部のＮｉ不純物量が少ないことが判った。
また、実施例１の冷却条件で冷却したシリコンエピタキシャルウェーハも、Ｎｉ濃度はＩＣＰ−ＭＳ装置の検出下限（１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下の濃度であったが、この実施例１では冷却速度が遅いため、その分プロセス時間が長くなる。よって、生産性の問題を考えると冷却速度は５℃／ｓｅｃ以上にすることが良いことも判った。
【００３６】
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。
例えば、本発明で薄膜を気相成長させる気相成長装置は限定されず、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダ型）、枚葉式等の各種気相成長装置に適用可能である。
【図１】
0005544859.tif 000003
【図２】
0005544859.tif 000004
【図３】
0005544859.tif 000005