(57)【要約】【課題】ゲッタリングを維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減するという相反する特性を有した半導体基板の製造方法及びシリコン基板を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板に熱処理を施して酸素析出物を形成する工程を有する半導体基板の製造方法であって、前記酸素析出物を形成する工程において、前記シリコン基板に酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の３段階の熱処理を行い、前記酸素析出物形成の熱処理の温度を１１００℃以上とすることによって、前記形成する酸素析出物の形状を八面体状又は球状にすることを特徴とする半導体基板の製造方法。【選択図】  図１
2014216415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板に熱処理を施して酸素析出物を形成する工程を有する半導体基板の製造方法であって、
前記酸素析出物を形成する工程において、前記シリコン基板に酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の３段階の熱処理を行い、前記酸素析出物形成の熱処理の温度を１１００℃以上とすることによって、前記形成する酸素析出物の形状を八面体状又は球状にすることを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記シリコン基板を準備する工程において、前記準備するシリコン基板に窒素をドープし、窒素濃度を４．９×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることによって、前記酸素析出物の形状を球状にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
酸素析出物を含有するシリコン基板であって、
前記酸素析出物の形状が球状であることを特徴とするシリコン基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、特に固体撮像素子のようなシリコン基板特性に左右されやすいデバイス用途半導体基板及びその製造方法に関するものであり、金属不純物に対するゲッタリングと酸素析出そのものに起因するリークの低減とを両立させるための手法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メモリ、ＣＣＤ等の固体撮像素子等の半導体装置の微細化、高性能化に伴い、それらの製品歩留まりを向上させるために、材料としてのシリコン基板にも高品質化が要求され、これに対応した各種シリコン基板が開発されている。
特に、固体撮像素子においては、シリコン基板の品質が大きく影響するため、この品質を改善するための様々な検討がなされてきた。例えば、製品特性に直接影響を与えると推測されるウェーハ表層部の品質の改善策として、１）不活性ガス又は水素を含む雰囲気中での高温処理、２）引き上げ条件の改善によりグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥の低減、３）エピタキシャル成長ウェーハ等がある。
【０００３】
一方では、主にシリコン基板の製造工程中に起こる金属汚染が固体撮像素子をはじめとしたデバイスの特性に大きく影響することから、素子領域から金属汚染元素を取り除くゲッタリング手法が広く用いられている。このゲッタリングは、良く知られているように各種手法が検討・開発されている。この中で、ＣＺ基板に含まれる酸素をＳｉＯ２（酸素析出物）として基板中に析出させ、これに金属元素をゲッタリングさせる、いわゆるＩＧ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）手法が広く用いられている。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、酸素析出と素子の不良率について記載されている。これによると、酸素析出が多いほど素子不良が低減される。すなわちゲッタリング効果が高くなっていく。そのため、高酸素濃度の基板を使用したりするなどして、十分な量の酸素析出が行われるようにしている。このように、酸素析出物により金属元素をゲッタリングすることで素子領域の金属を低減し、例えばＰＮ接合部のリーク電流を低減させたりすることが可能になる。
【０００５】
さらにＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥がリーク電流に影響することが知られている。例えば、特許文献１には、多面体の結晶欠陥において、多面体の頂点からひげ状欠陥を伸ばすことでリーク不良領域を減少できることが記載されている。しかし、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大きさは小さく、また基本的にシリコンのみが構成元素であるため、酸素や金属のような異物が共存する析出物がリーク電流へ与える影響に比べて、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥がリーク電流へ与える影響は小さいと考えられる。
【０００６】
また、非特許文献２には、リーク源として、酸素析出とシリコンの界面準位の存在が説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３２８８９７号公報
【特許文献２】特開平１０−１３５２９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】津屋英樹著「超ＬＳＴプロセス制御工学」Ｐ２１０、丸善(１９９５)
【非特許文献２】Ｍ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ  ｅｔ．ａｌ．、Ｊ．Ａｐｐｌ．、Ｐｈｙｓ．，８５，８２２５(１９９９)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素析出物そのものはリーク源となり、例えば図７に示すように、析出量ΔＯｉを多くすると酸素析出物そのものからのリーク電流が大きくなり、例えばウェーハ面内で同心円状のリークムラが発生することがある。このような現象は、例えば固体撮像素子の場合、もちろんデバイス構造により影響の大小はあるが、ウェーハ面内で暗電流差を生じることになり、不良の大きな原因の１つと考えられる。
【００１０】
本発明者はこの事象を確認するために、以下のような実験を行った。
まず、酸素濃度１５ｐｐｍａのシリコンウェーハに、エピタキシャル層を１０μｍ成長させたエピタキシャルウェーハを２枚準備し、１枚のウェーハに低温、中温、高温の３段階の熱処理を組み合わせて酸素析出物を形成した。この酸素析出物を形成したウェーハと、酸素析出物を形成しないウェーハのそれぞれにＰＮ接合構造を形成し、リーク電流の面内分布を調べた。
【００１１】
ここで、低温熱処理を５００℃、４時間の条件で、中温熱処理を８００℃、４時間の条件で、高温熱処理を１０００℃、８時間の条件でそれぞれ実施した。酸素析出物の析出量ΔＯｉは０．３ｐｐｍａであった。図４にリーク電流の面内分布の結果を示す。図４に示すように、析出熱処理なしの場合にはリークムラが見られないのに比べ、析出熱処理ありの場合には、析出量が０．３ｐｐｍａ程度であっても縞状のリークムラが観察された。
【００１２】
このように、ゲッタリングの観点からは酸素析出物が多いと好ましいが、酸素析出物が多すぎるとリーク源となってしまう可能性がある。そのため、酸素析出物からのリークを出来るだけ軽減する必要がある。
【００１３】
酸素析出物がリーク電流に与える影響について、例えば特許文献２に、表面から５μｍ以内にある酸素析出物の対角線長さとリーク電流の関係や、リーク電流を測定しなくても酸素析出のサイズと密度を測定することで、リーク電流の大きさを見積もることが可能であることが記載されている。特許文献２には、析出物の形状についても議論されているが八面体のほうが若干リークが高いがほとんど同じレベルである。しかし、実際に酸素析出物は表面付近よりもバルクに多数存在しており、空乏層に含まれるよりも空乏層外からの拡散電流としての寄与の方が大きいと思われる。さらに微視的なリークの問題に対して、図４に示すような析出ムラに起因するリーク電流分布が縞状に存在する問題や、ゲッタリングとの両立という観点からの議論も十分ではない。
【００１４】
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサをはじめとした高歩留まりが要求される半導体装置に使用されるシリコン基板において、ゲッタリングを維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減するという相反する特性を有した半導体基板の製造方法及びシリコン基板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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明によれば、シリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板に熱処理を施して酸素析出物を形成する工程を有する半導体基板の製造方法であって、前記酸素析出物を形成する工程において、前記シリコン基板に酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の３段階の熱処理を行い、前記酸素析出物形成の熱処理の温度を１１００℃以上とすることによって、前記形成する酸素析出物の形状を八面体状又は球状にすることを特徴とする半導体基板の製造方法が提供される。
【００１６】
このような製造方法であれば、形成する酸素析出物の析出量を低減することなく、その表面積を低減できるので、必要なゲッタリング能力を維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減できる。
【００１７】
このとき、前記シリコン基板を準備する工程において、前記準備するシリコン基板に窒素をドープし、窒素濃度を４．９×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることによって、前記酸素析出物の形状を球状にすることが好ましい。
このようにすれば、酸素析出物の形状を球状にすることができ、酸素析出物の析出量に対する表面積をより低減できる。これにより、リーク電流をより効果的に低減できる。
【００１８】
また、本発明によれば、酸素析出物を含有するシリコン基板であって、前記酸素析出物の形状が球状であることを特徴とするシリコン基板が提供される。
このようなものであれば、酸素析出物の析出量に対する表面積が最大限低減されたものであるので、必要なゲッタリング能力を維持しつつ酸素析出物によるリーク電流をより効果的に低減可能なものとなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、シリコン基板に酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の３段階の熱処理を行い、酸素析出物形成の熱処理の温度を１１００℃以上とすることによって、形成する酸素析出物の形状を八面体状又は球状にするので、ゲッタリングを維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減可能な半導体基板を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の半導体基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図２】実施例１、２における本発明の半導体基板のリーク電流分布を示す図である。
【図３】比較例における半導体基板のリーク電流分布を示す図である。
【図４】従来の半導体基板の酸素析出物に起因する縞状のリーク電流分布を示す図である。
【図５】リーク電流が酸素析出物の表面積に依存することを説明する図である。
【図６】リーク電流の温度依存性を示す図である。
【図７】リーク電流と酸素析出物の析出量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記したように、従来より、高歩留まりが要求される半導体装置に使用されるシリコン基板に対し、ゲッタリングを維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減するという相反する課題がある。
【００２２】
そこで、本発明者はこの課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、酸素析出物によるリーク電流は酸素析出物の表面を起源とし、その大きさは表面積に依存することを見出した。そして、リーク電流を低減するためには、酸素析出物の表面積を小さくすれば良く、そのためには酸素析出物形成の熱処理の温度を１１００℃以上として酸素析出物の形状を八面体又は球状にすれば良いことを見出し、本発明を完成させた。
【００２３】
以下、本発明の半導体基板の製造方法について、図１を参照して説明する。
まず、シリコン基板を準備する（図１の（Ａ））。このシリコン基板として、例えばＣＺ法により引き上げた、不純物として酸素を含有するシリコン単結晶から得られるシリコンウェーハや、シリコンエピタキシャルウェーハを準備することができる。
【００２４】
次に、この準備したシリコン基板に熱処理を施して酸素析出物を形成する。この熱処理工程は、図１に示すように、酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の３段階の熱処理として組み合わせる。酸素析出核形成、酸素析出核成長、及び酸素析出物形成の各熱処理は、それぞれ低温、中温、高温熱処理とする。このようにすることで、低温で酸素析出核を形成し（図１の（Ｂ））、中温で形成された酸素析出核を消滅することなく成長させ（図１の（Ｃ））、高温で酸素析出物を確実に成長させることができる（図１の（Ｄ））。
【００２５】
この酸素析出物形成の熱処理における熱処理温度を１１００℃以上とする。こうすることで、形成する酸素析出物の形状を八面体状又は球状にすることができる。酸素析出物の形状が八面体状又は球状であれば、例えば酸素析出物の形状が板状である場合に比べて、析出量は同じであっても表面積は小さくなる。従って、ゲッタリングを維持しつつ酸素析出物によるリーク電流を低減できる。
【００２６】
また、酸素析出核形成の熱処理温度は５００℃程度、酸素析出核成長の熱処理温度は８００℃程度とすることが好ましい。このようにすれば、酸素析出核を確実に成長させることができる。
【００２７】
酸素析出物の形状を球状とすれば、析出量に対する表面積を最大限に低減できるので好ましい。酸素析出物の形状を球状にするためには、上記したシリコン基板を準備する工程において、準備するシリコン基板に窒素をドープすれば良い。このとき、窒素濃度を４．９×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。これよりも多くても形状変化には寄与しない。窒素濃度の下限は特に限定されないが、シリコン基板の作製時の窒素添加方法を考慮すると、おおよそ１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度が現実的であると考えられる。
尚、窒素添加の有無による析出熱処理の差はない。
【００２８】
酸素析出物の形状を球状とした本発明のシリコン基板は、酸素析出物の析出量に対する表面積が最大限低減されたものであるので、必要なゲッタリング能力を維持しつつ酸素析出物によるリーク電流をより効果的に低減可能なものとなる。
【００２９】
本発明者は、リーク電流が酸素析出物の表面積に依存することを確認するために以下の実験を行った。
酸素濃度１５ｐｐｍａのＣＺ  Ｐ型基板（ＣＺ基板）、及びエピタキシャル層を形成したｐ／p−ウェーハ（ＥＰウェーハ）をそれぞれ３枚づつ準備した。準備したＣＺ基板及びＥＰウェーハに５００℃の酸素析出核形成の熱処理及び８００℃の酸素析出核成長の熱処理を行った。その後、同じ析出量で形状が異なる酸素析出物を成長させるために熱処理温度を変更した。
【００３０】
具体的には、１枚のＣＺ基板及びＥＰウェーハに１０００℃の熱処理を実施して平板状の酸素析出物を成長させた。また、残りの２枚のＣＺ基板及びＥＰウェーハにそれぞれ１１００℃（八面体１）、１１５０℃（八面体２）の熱処理を実施して八面体状の酸素析出物を成長させた。
このようにして製造したＣＺ基板及びＥＰウェーハにＰＮ接合構造を形成し、リーク電流を測定した。その結果を図５に示す。図５に示すように、ＣＺ基板及びＥＰウェーハのリーク電流のレベルは異なる。この理由としては、ＣＺ基板では酸素析出物が表面近くまで存在するのに対して、ＥＰウェーハでは酸素析出物のないエピタキシャル層が存在することから、ＰＮ接合部と酸素析出物までの距離に差がある（ＥＰウェーハの方が遠い）ためである。
【００３１】
析出物の形状が平板状と八面体状ではリーク電流レベルに違いが見られ、その差は、ＣＺ基板とＥＰウェーハ共に、平板形状が八面体状の１．８倍程度のリーク電流となっている。また、ＣＺ基板及びＥＰウェーハでは、図６に示すようなリーク電流に温度依存性を有し、傾きが１．１ｅＶに相当する温度特性を持つことから、リーク電流は拡散電流が支配的である。
【００３２】
このような酸素析出物の形状によるリーク電流の違いは以下のように理解することができる。平板状及び八面体状それぞれの析出物の表面積を算出したところ、平板状のものが４５０００Å２、八面体状のものが１３３１６Å２で、その比は約３．４倍（平板／八面体）である。球状であると表面積は１１３０４６Å２であり、更に小さい。
一方のリーク電流の拡散成分は以下に示す式で表され、およそ表面積比（３．４倍）の平方根（１．８倍）に比例している。すなわち、酸素析出物によるリーク電流は酸素析出物の表面を起源とし、その大きさは表面積に依存することが明らかとなった。
【００３３】
【数１】
2014216415.tif 000003
2014216415.tif 000004
Ｉｓ：拡散電流
ｑ：電子電荷量
ｎｉ：真性キャリア濃度
ＮＡ：アクセプタ不純物濃度
Ｄｎ：電子の拡散係数
τｎ：Ｐ型半導体での電子寿命
σｎ：電子の捕獲断面積
Ｖｔ：キャリアの熱速度
Ｎｔ：欠陥（発生再結合）密度
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の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。
【００３５】
（実施例１）
本発明の半導体基板の製造方法に従って半導体基板を製造し、リーク電流を評価した。
まず、抵抗率１０Ω・ｃｍ、酸素濃度１５ｐｐｍａ、ボロンドープの直径２００ｍｍシリコンウェーハを２枚準備した（ＣＺウェーハ）。このうち１枚のウェーハに抵抗率１０Ω・ｃｍのエピタキシャル層を１０μｍ成長させた（ＥＰウェーハ）。これらのウェーハに５００℃、４時間の低温熱処理、８００℃、４時間の中温熱処理、１１５０℃、１００分の高温熱処理を施し、酸素析出物を形成した。
【００３６】
酸素析出物を調査したところ、析出量は０．３ｐｐｍａ、表面積は１３３１６Å２、形状は八面体であった。後述の比較例と比較すると、低温熱処理条件が同じであるため、析出量も同じとなったが、高温熱処理条件が異なることから、実施例１では八面体状、比較例では平面状と異なる形状になった。そのため、表面積が比較例の４５０００Å２よりも実施例１の方が小さくなった。
【００３７】
これらのウェーハに、Ｐｙｒｏ雰囲気１０００℃、９０分の熱処理で厚さ２００ｎｍの酸化膜を形成した。この後、レジストを塗布し、フォトリソを行った。今回はネガレジストを選択した。マスクには各種面積の開口部を準備しておき、接合リークの面積依存が測定できるように工夫した。また同一面積で周辺長を変えたものも準備した。このレジスト付きウェーハをバッファードＨＦ溶液にてエッチングして酸化膜を除去し、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。
【００３８】
洗浄後のウェーハに加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でボロンをイオン注入し、１０００℃、窒素雰囲気下で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成し、逆方向バイアス印加時のリーク電流を測定した。
上記ＣＺウェーハのリーク電流の分布の結果を図２に示す。図２中の色が濃い方がリーク電流が高いことを示している。図２に示すように、後述する比較例の分布（図３）に比べて、実施例１のウェーハはリークが減少し、縞模様もかなり緩和されている。また、ＥＰウェーハに関しても同様の結果となった。
【００３９】
（実施例２）
窒素濃度が４．９×１０１３となるように窒素をドープしたシリコンウェーハを用い、球状の酸素析出物を形成した以外、実施例１と同様の条件で半導体基板を製造し、同様に評価した。
酸素析出物を調査したところ、析出量は０．３ｐｐｍａと実施例１と同じであったが、表面積が１１３０４Å２と実施例１よりも更に低減された。
ＣＺウェーハのリーク電流の分布の結果を図２に示す。図２に示すように、実施例１よりも更にリークが減少し、縞模様もより緩和されている。後述する比較例の結果と比べるとリークが大幅に低減されていることが分かった。ＥＰウェーハに関しても同様の結果となった。
【００４０】
（比較例）
高温熱処理の温度を１０００℃とした以外、実施例１と同様な条件で半導体基板を製造し、同様に評価した。
結果を図３に示す。図３に示すように、実施例１、実施例２と比べ、リークが増加してしまった。
【００４１】
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】
2014216415.tif 000005
【図２】
2014216415.tif 000006
【図３】
2014216415.tif 000007
【図４】
2014216415.tif 000008
【図５】
2014216415.tif 000009
【図６】
2014216415.tif 000010
【図７】
2014216415.tif 000011