(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの表面に、構成元素として炭素および水素を含むクラスターイオンを照射して、該シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、
該第１工程の後、前記シリコンウェーハに対してフラッシュランプアニール処理を行う第２工程と、
該第２工程の後、前記シリコンウェーハの改質層上に、シリコンエピタキシャル層を形成する第３工程と、を有し、
前記第１工程において、前記クラスターイオン照射による水素ドーズ量を２．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上とし、
前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理を、アンモニアガス雰囲気下で、処理時間０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下、かつ、処理温度８００℃以上１２００℃以下とすることを特徴とする、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記クラスターイオン照射による炭素ドーズ量を１．７×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上とする、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】
前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理の前記処理温度を、１０００℃以上１１５０℃以下とする、請求項１または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】
前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理の前記処理時間を、０．１ミリ秒以上５ミリ秒以下とする、請求項１〜３のいずれか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。
【請求項５】
前記シリコンウェーハの酸素濃度が１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１〜４のいずれか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。
【請求項６】
シリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハの表層部に形成された、炭素および水素が固溶した改質層と、
前記改質層上に形成されたシリコンエピタキシャル層と、
を有し、
前記改質層の厚さ方向における酸素濃度プロファイルのピーク酸素濃度が５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ただし、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を除く）であり、かつ、水素濃度プロファイルのピーク水素濃度が２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、
前記エピタキシャル層の表面におけるエピタキシャル欠陥が１．０×１０−２個／ｃｍ２以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
【請求項７】
前記改質層の前記厚さ方向における前記水素濃度プロファイルの半値幅が１５０ｎｍ以下かつ、前記酸素濃度プロファイルの半値幅が１５０ｎｍ以下である、請求項６に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
【請求項８】
前記シリコンウェーハの酸素濃度が１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項６または７に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法およびエピタキシャルシリコンウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの特性を劣化させる要因として、金属汚染が挙げられる。例えば、裏面照射型固体撮像素子では、この素子の基板となるエピタキシャルシリコンウェーハに混入した金属は、固体撮像素子の暗電流を増加させる要因となり、白傷欠陥と呼ばれる欠陥を生じさせる。裏面照射型固体撮像素子は、配線層などをセンサー部よりも下層に配置することで、外からの光をセンサーに直接取り込み、暗所などでもより鮮明な画像や動画を撮影することができるため、近年、デジタルビデオカメラやスマートフォンなどの携帯電話に広く用いられている。そのため、白傷欠陥を極力減らすことが望まれている。【０００３】
シリコンウェーハへの金属の混入は、主にエピタキシャルシリコンウェーハの製造工程および固体撮像素子の製造工程（デバイス製造工程）において生じる。エピタキシャルシリコンウェーハの製造工程における金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材からの重金属パーティクルによるもの、あるいは、エピタキシャル成長時の炉内ガスとして塩素系ガスを用いるために、その配管材料が金属腐食して発生する重金属パーティクルによるものなどが考えられる。近年、これら金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材を耐腐食性に優れた材料に交換するなどにより、ある程度は改善されてきているが、十分ではない。一方、固体撮像素子の製造工程においては、イオン注入、拡散および酸化熱処理などの各処理中で、エピタキシャルシリコンウェーハの重金属汚染が懸念される。【０００４】
そのため、一般的には、エピタキシャルシリコンウェーハに金属を捕獲するためのゲッタリング層を形成することにより、エピタキシャルシリコンウェーハへの金属汚染を回避している。【０００５】
ここで、ゲッタリング層を形成する技術として、シリコンエピタキシャル層の形成に先立ち、クラスターイオンを照射する技術が知られている。特許文献１には、シリコンウェーハの表面にクラスターイオンを照射して、該シリコンウェーハの表層部に、クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、該第１工程の後、シリコンウェーハ表面のヘイズレベルが０．２０ｐｐｍ以下となるように、結晶性回復のための熱処理を行なう第２工程と、該第２工程の後、このシリコンウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する第３工程と、を有する半導体エピタキシャルウェーハの製造方法が開示されている。【０００６】
特許文献１に記載の技術により形成される改質層は強力なゲッタリングサイトとなる。ただし、クラスターイオン照射条件によってはエピタキシャル層形成前のシリコンウェーハ最表面の結晶性が乱れることで、エピタキシャル層形成後のエピタキシャル層にエピタキシャル欠陥が発生し得る。そのため、特許文献１に記載の技術では、エピタキシャル層形成の前に、クラスターイオン照射によって乱れたシリコンウェーハ表層部の結晶性を回復している。【０００７】
また、特許文献２では、シリコンウェーハの表面に、構成元素として炭素および水素を含むクラスターイオンを照射して改質層を形成し、その後にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルシリコンウェーハが開示されている。このエピタキシャルシリコンウェーハでは、エピタキシャル層形成後であっても、水素が改質層内で高濃度に保持された水素高濃度領域が形成される。そして、水素高濃度領域に存在する水素は、エピタキシャル層中の点欠陥をパッシベーションし、エピタキシャル層の結晶性を高めることができる。そのため、特許文献２に開示されるエピタキシャルウェーハは、強力なゲッタリング能力を備えつつ、このエピタキシャルウェーハを用いて作製される半導体デバイスは、そのデバイス特性を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−０９９４７２号公報
【特許文献２】特開２０１６−０５１７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、半導体デバイス特性を更に向上できる技術の確立が求められている。そこで本発明者らは、水素のパッシベーション効果を高めるため、クラスターイオン照射により改質層内に水素高濃度領域を形成しつつ、この水素高濃度領域の水素ピーク濃度をさらに増大させたエピタキシャルシリコンウェーハを得ることを検討した。水素のドーズ量を増大させれば、クラスターイオン照射直後での高濃度水素注入領域の水素ピーク濃度を増大することは可能である。しかしながら、高ドーズ量でのクラスターイオン照射となるため、シリコンウェーハの表層部に形成される注入ダメージも増大してしまう。そのため、単に水素のドーズ量を増大させるだけであれば、クラスターイオン照射後にシリコンエピタキシャル層を形成すると、エピタキシャル欠陥の発生が多発してしまう。【００１０】
そこで本発明者らは、クラスターイオン照射時の水素ドーズ量を増大させつつも、エピタキシャル層形成前に回復熱処理を行うことを検討した。特許文献１に開示されるように、十分な時間の回復熱処理を行えば、水素ドーズ量を増大させても、エピタキシャル欠陥の発生は抑制できる。しかしながら水素は軽元素であるため、回復熱処理に伴い、クラスターイオン照射により形成された水素高濃度領域における水素は拡散してしまい、エピタキシャル層形成前の段階ですら、改質層内の水素ピーク濃度は激減してしまう。また、回復熱処理の熱処理条件によっては、ゲッタリング能力が低減する場合があることも判明した。なお、短時間の回復熱処理など、結晶回復が不十分な場合では、エピタキシャル欠陥が発生してしまうし、また、水素の拡散速度は極めて大きいため、改質層内の水素ピーク濃度は急速に低減しかねない。【００１１】
このように、高いゲッタリング能力を発揮しつつ、改質層内の水素を高濃度に保持しながら、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することは困難であった。しかしながら、半導体デバイス特性を更に向上させるためには、これらの技術課題の同時克服が必要となる。【００１２】
そこで本発明は、より高いゲッタリング能力を発揮しつつ、改質層内の水素を高濃度に保持する一方で、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することのできるエピタキシャルシリコンウェーハおよびそ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】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討し、クラスターイオン照射後の熱処理条件を適正化することにより、ゲッタリング能力を高めながら水素ピーク濃度を高濃度に保持し、さらにはエピタキシャル欠陥の発生を抑制できることを知見した。本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。【００１４】
（１）シリコンウェーハの表面に、構成元素として炭素および水素を含むクラスターイオンを照射して、該シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第１工程と、
該第１工程の後、前記シリコンウェーハに対してフラッシュランプアニール処理を行う第２工程と、
該第２工程の後、前記シリコンウェーハの改質層上に、シリコンエピタキシャル層を形成する第３工程と、を有し、
前記第１工程において、前記クラスターイオン照射による水素ドーズ量を２．８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とし、
前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理を、処理時間０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下、かつ、処理温度８００℃以上１２００℃以下とすることを特徴とする、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。【００１５】
（２）前記クラスターイオン照射による炭素ドーズ量を１．７×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とする、上記（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。【００１６】
（３）前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理の前記処理温度を、１０００℃以上１１５０℃以下とする、上記（１）または（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。【００１７】
（４）前記第２工程における前記フラッシュランプアニール処理の前記処理時間を、０．１ミリ秒以上５ミリ秒以下とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。【００１８】
（５）前記シリコンウェーハの酸素濃度が１２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。【００１９】
なお、本明細書におけるシリコンウェーハの酸素濃度はASTM F121-1979に従う。【００２０】
（６）シリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハの表層部に形成された、炭素および水素が固溶した改質層と、
前記改質層上に形成されたシリコンエピタキシャル層と、
を有し、
前記改質層の厚さ方向における酸素濃度プロファイルのピーク酸素濃度が５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、かつ、水素濃度プロファイルのピーク水素濃度が２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であり、
前記エピタキシャル層の表面におけるエピタキシャル欠陥が１．０×１０-2個／ｃｍ2以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。【００２１】
（７）前記改質層の前記厚さ方向における前記水素濃度プロファイルの半値幅が１５０ｎｍ以下かつ、前記酸素濃度プロファイルの半値幅が１５０ｎｍ以下である、上記（６）に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。【００２２】
（８）前記シリコンウェーハの酸素濃度が１２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である、上記（６）または（７）に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、より高いゲッタリング能力を発揮しつつ、高濃度水素注入領域における水素を高濃度に保持できる一方で、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することのできるエピタキシャルシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法を説明する模式断面図である。
【図２】発明例１における、フラッシュランプアニール後のシリコンウェーハ表層部の濃度プロファイルおよびＴＥＭ断面図を示す図である。
【図３】従来例１における、フラッシュランプアニール後のシリコンウェーハ表層部の濃度プロファイルおよびＴＥＭ断面図を示す図である。
【図４】比較例１における、フラッシュランプアニール後のシリコンウェーハ表層部の濃度プロファイルおよびＴＥＭ断面図を示す図である。
【図５】発明例１における、エピタキシャル層形成後のシリコンウェーハ表層部近傍の濃度プロファイルである。
【図６】従来例１における、エピタキシャル層形成後のシリコンウェーハ表層部近傍の濃度プロファイルである。
【図７】発明例１における、エピタキシャル層形成後のＴＥＭ断面図である。
【図８】従来例１における、エピタキシャル層形成後のＴＥＭ断面図である。
【図９】発明例５，６におけるフラッシュランプアニール後のシリコンウェーハ表層部の水素濃度プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。詳細を後述するものの、説明の便宜上、クラスターイオン照射直後の改質層に符号１８Ａを付し、フラッシュランプアニール処理後の改質層に符号１８Ｂを付し、シリコンエピタキシャル層形成後の改質層に符号１８Ｃを付し、これらを区別して説明する。また、図１では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、シリコンウェーハ１０に対して改質層１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃおよびシリコンエピタキシャル層２０の厚さを誇張して示す。
【００２６】
（エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法）
本発明によるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法の一実施形態を、図１の模式断面図を参照しつつ説明する。
【００２７】
本実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ１００の製造方法は、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａに、構成元素として炭素および水素を含むクラスターイオン１６を照射して、該シリコンウェーハ１０の表層部に、クラスターイオン１６の構成元素が固溶した改質層１８Ａを形成する第１工程（図１ステップＡ，Ｂ）を行う。そして、該第１工程の後、シリコンウェーハ１０に対してフラッシュランプアニール（ＦＬＡ；Flash Lamp Anneal）処理を行う第２工程（図１ステップＣ，Ｄ）を行う。第２工程によるフラッシュランプアニール処理の熱処理に伴い、改質層１８Ａは改質層１８Ｂに変化する。さらに、該第２工程の後、シリコンウェーハ１０の改質層１８Ｂ上に、シリコンエピタキシャル層２０を形成する第３工程（図１ステップＥ）を行う。シリコンエピタキシャル層２０形成時の熱処理に伴い、改質層１８Ｂは改質層１８Ｃへと更に変質する。ここで、本実施形態では、第１工程において、クラスターイオン１６の照射による水素ドーズ量を２．８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とする。さらに、本実施形態では、第２工程におけるフラッシュランプアニール処理を、処理時間０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下、かつ、処理温度８００℃以上１２００℃以下とする。以下、各工程の詳細を順次説明する。
【００２８】
＜第１工程＞
本実施形態における第１工程（図１ステップＡ，Ｂ）では、前述のとおり、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａに、構成元素として炭素および水素を含むクラスターイオン１６を照射して、該シリコンウェーハ１０の表層部に、クラスターイオン１６の構成元素が固溶した改質層１８Ａを形成する。そして、クラスターイオン照射による水素ドーズ量を２．８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とする。
【００２９】
＜＜シリコンウェーハ＞＞
第１工程で用いるシリコンウェーハ１０としては、被照射面となる表面１０Ａにシリコンエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶シリコンウェーハが挙げられる。ここで、バルクの単結晶シリコンウェーハは、一般に裏面照射型固体撮像素子の製造に適している。シリコンウェーハ１０の酸素濃度は、１２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（ＡＳＴＭ  Ｆ１２１−１９７９基準であり、以下同様）以下とすることが好ましい。酸素濃度が１２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であれば、フラッシュランプアニール処理時の、改質層１８Ｂでの酸素捕獲量を抑制することができ、ゲッタリング能力が高まると考えられるためである。また、シリコンウェーハ１０の酸素濃度を１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。酸素濃度がこの範囲よりも低いと、第２工程におけるフラッシュランプアニール処理時にスリップ発生のおそれが生じるためである。シリコンウェーハ１０の酸素濃度は、シリコンウェーハ１０の厚さ方向の平均酸素濃度により定義するものとする。
【００３０】
酸素濃度が上記濃度範囲であるシリコンウェーハは、一般的なＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：チョクラルスキ法）を用いて得たシリコン単結晶インゴッドをワイヤーソー等でスライスして作製することができる。より高いゲッタリング能力を得るために、シリコンウェーハ１０に炭素および／または窒素を添加してもよい。また、シリコンウェーハ１０に任意のドーパントを添加して、ｎ型またはｐ型としてもよい。
【００３１】
＜＜クラスターイオン照射＞＞
ここで、本明細書における「クラスターイオン」とは、電子衝撃法により、ガス状分子に電子を衝突させてガス状分子の結合を解離させることで種々の原子数の原子集合体とし、フラグメントを起こさせて当該原子集合体をイオン化させ、イオン化された種々の原子数の原子集合体の質量分離を行って、特定の質量数のイオン化された原子集合体を抽出して得られる。すなわち、クラスターイオンは、原子が複数集合して塊となったクラスターに正電荷または負電荷を与え、イオン化したものであり、炭素イオンなどの単原子イオンや、一酸化炭素イオンなどの単分子イオンとは明確に区別される。
【００３２】
シリコンウェーハに、例えば炭素および水素からなるクラスターイオン１６を照射する場合、クラスターイオン１６は、シリコンウェーハに照射されるとそのエネルギーで瞬間的に１３５０〜１４００℃程度の高温状態となり、シリコンが融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハ中の表面近傍に炭素および水素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するイオンの構成元素がシリコンウェーハ表層部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Iron Mass Spectrometry）によるシリコンウェーハの深さ方向における炭素の濃度プロファイルは、クラスターイオンの加速電圧およびクラスターサイズに依存するが、モノマーイオンの場合に比べてシャープになり、照射された炭素の局所的に存在する領域（すなわち、改質層）の厚みは、概ね５００ｎｍ以下（例えば５０〜４００ｎｍ程度）となる。クラスターイオン１６の構成元素が、炭素などのゲッタリングに寄与する元素を含む場合、改質層１８は、強力なゲッタリングサイトとして機能する。
【００３３】
本実施形態において照射するクラスターイオン１６は、構成元素として炭素および水素を含む。格子位置の炭素原子は共有結合半径がシリコン単結晶と比較して小さく、シリコン結晶格子の収縮場が形成されるため、格子間の不純物を引き付けるゲッタリング能力が高くなる。また、水素は、シリコンエピタキシャル層２０の点欠陥をパッシベーションし、本実施形態により得られるエピタキシャルシリコンウェーハ１００を用いて半導体デバイスを作成したときの、デバイス特性の改善に寄与することは、前述のとおりである。
【００３４】
ここで、第１工程では、クラスターイオン照射による水素ドーズ量を２．８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とする。改質層１８Ａ内に水素高濃度領域を形成し、その厚さ方向における水素ピーク濃度を高くするためである。さらに、本第１工程後の第２工程および第３工程の熱処理を経ても、改質層１８Ｃ内に水素を高濃度に保持することをも目的とする。これらの目的のため、水素ドーズ量を３．３×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とすることがより好ましい。また、水素ドーズ量を５．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下とすれば、第２工程による結晶回復効果によりエピタキシャル欠陥の発生を抑制することができ、４．２×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下とすればより確実である。
【００３５】
また、炭素ドーズ量については、クラスターイオン１６を構成する元素の原子比に依存するものの、ゲッタリング効果を確実に得るためには炭素ドーズ量を１．７×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とすることが好ましい。さらに、炭素ドーズ量を２．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上とすることがより好ましい。また、炭素ドーズ量を３．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下とすれば、第２工程による結晶回復効果によりエピタキシャル欠陥の発生を抑制することができ、２．５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下とすればより確実である。
【００３６】
＜第２工程＞
上記第１工程の後、シリコンウェーハ１０に対してフラッシュランプアニール（ＦＬＡ；Flash Lamp Anneal）処理を行う第２工程（図１ステップＣ，Ｄ）を行う。前述のとおり、第２工程によるフラッシュランプアニール処理の熱処理に伴い、改質層１８Ａは改質層１８Ｂに変化する。ここで、本工程におけるフラッシュランプアニール処理を、処理時間０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下、かつ、処理温度８００℃以上１２００℃以下とする。
【００３７】
ここで、フラッシュランプアニール処理を行う際には、まず、室温から処理温度未満への予備加熱温度（アシストヒート温度）までの、予備加熱が行われることが一般的である。アシストヒート温度は、上記処理温度未満であれば特に制限されないが、例えば４００℃〜７８０℃とすればよい。そして、アシストヒート温度まで炉内が昇温された後、フラッシュランプアニール処理として、処理時間０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下、かつ、処理温度８００℃以上１２００℃以下の高温極短時間の熱処理を行う。高温極短時間の熱処理後、炉内はアシストヒート温度まで降温され、さらに予備加熱を停止して室温まで降温される。
【００３８】
フラッシュランプアニール処理の処理時間が短すぎると、第１工程でのクラスターイオン照射により形成された注入ダメージを結晶回復させるには不十分となり、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することができない。そのため、フラッシュランプアニール処理の処理時間は０．１ミリ秒以上とする。また、この目的のため、処理時間を１．４ミリ秒以上とすることがより好ましい。
【００３９】
一方、フラッシュランプアニール処理の処理時間が過大であると、結晶回復を行うことは十分となるものの、改質層１８Ａが改質層１８Ｂへと変質する際に、改質層１８Ａに存在していた水素が拡散してしまい、かつ、酸素が改質層１８Ｂ内で捕獲され過ぎてしまう。そのため、フラッシュランプアニール処理の処理時間を２０ミリ秒以下とする。また、この目的のため、処理時間を５ミリ秒以下とすることがより好ましく、２ミリ秒以下とすることがさらに好ましい。
【００４０】
また、フラッシュランプアニール処理による処理温度を８００℃以上１２００℃以下の範囲内とすれば、改質層１８Ａに存在していた水素の拡散を抑制することができ、かつ、結晶回復を行うこともできる。結晶回復を十分に行うためには、処理温度を１０００℃以上とすることが好ましく、１０５０℃以上とすることがより好ましい。また、水素拡散をより確実に抑制するためには、処理温度を１１５０℃以下とすることが好ましく、１１００℃以下とすることがより好ましい。
【００４１】
フラッシュランプアニール処理における雰囲気ガスは特に制限されず、窒素ガス（N2）又はアルゴンガス（Ar）などの不活性ガス雰囲気を用いることができる。また、アンモニアガス（NH3）雰囲気下でフラッシュランプアニール処理を行うことも好ましい。改質層１８Ｂ内に捕獲される水素濃度を高濃度化することができることが実験的に確認されており、この事実からエピタキシャル層形成後においても水素を高濃度に保持できると推測される。
【００４２】
なお、フラッシュランプアニール処理を行う装置は特に制限されず、公知の装置を用いることができる。例えば、キセノン（Ｘｅ）ランプ型のSCREENセミコンダクターソリューションズ社製のLA-3000-F, LA-3100などを例示することができる。また、フラッシュランプアニール処理中の処理温度および処理時間は、パイロメータなどにより確認することが可能である。
【００４３】
＜第３工程＞
上記第２工程の後、シリコンウェーハ１０の改質層１８Ｂ上にシリコンエピタキシャル層２０を形成する第３工程を行う（図１ステップＥ）。こうして、シリコンウェーハ１０の表層部に改質層１８Ｃが設けられ、該改質層１８Ｃ上にシリコンエピタキシャル層２０が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハ１００を得ることができる。
【００４４】
なお、シリコンエピタキシャル層２０は一般的な条件により形成することができる。この場合、例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね１０００〜１２００℃の範囲の温度でＣＶＤ法によりシリコンウェーハ１０上にエピタキシャル成長させることができる。なお、シリコンエピタキシャル層２０の厚さを１〜１５μｍの範囲内とすることが好ましい。１μｍ未満の場合、シリコンウェーハ１０からのドーパントの外方拡散によりエピタキシャル層２０の抵抗率が変化してしまう可能性があり、また、１５μｍ超えの場合、固体撮像素子の分光感度特性に影響が生じるおそれがあるからである。
【００４５】
以上の各工程を経ることで、本実施形態により、より高いゲッタリング能力を発揮しつつ、高濃度水素注入領域における水素ピーク濃度の増大させる一方で、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することの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ができる。こうして形成された改質層１８Ｃおよびシリコンエピタキシャル層２０を備えるエピタキシャルシリコンウェーハ１００は、これを用いて作製される半導体デバイスのデバイス特性の向上を図ることができる。
【００４６】
以下で、本実施形態におけるクラスターイオンの照射態様について説明する。
【００４７】
照射するクラスターイオン１６の構成元素は、炭素および水素が含まれれば他の構成元素については特に限定されない。炭素および水素以外のクラスターイオン１６の構成元素として、ボロン、リン、ヒ素、酸素などを挙げることができる。特に、水素および炭素に加えて、ボロン、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群より選択された１または２以上のドーパント元素をクラスターイオンの形態で照射することも好ましい。固溶する元素の種類により効率的にゲッタリング可能な金属の種類が異なるため、複数の元素を固溶させることにより、より幅広い金属汚染に対応できるからである。例えば、炭素の場合、ニッケル（Ｎｉ）を効率的にゲッタリングすることができ、ボロンの場合、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）を効率的にゲッタリングすることができる。
【００４８】
なお、イオン化させる化合物は特に限定されないが、イオン化が可能な炭素源化合物としては、エタン、メタンなどを用いることができ、イオン化が可能なボロン源化合物としては、ジボラン、デカボラン（Ｂ10Ｈ14）などを用いることができる。例えば、ジベンジルとデカボランを混合したガスを材料ガスとした場合、炭素、ボロンおよび水素が集合した水素化合物クラスターを生成することができる。また、シクロヘキサン（Ｃ6Ｈ12）を材料ガスとすれば、炭素および水素からなるクラスターイオンを生成することができる。炭素源化合物としては特に、ピレン（Ｃ16Ｈ10）、ジベンジル（Ｃ14Ｈ14）などより生成したクラスターＣnＨm（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を用いることが好ましい。小サイズのクラスターイオンビームを制御し易いためである。
【００４９】
クラスターサイズは２〜１００個、好ましくは６０個以下、より好ましくは５０個以下で適宜設定することができる。クラスターサイズの調整は、ノズルから噴出されるガスのガス圧力および真空容器の圧力、イオン化する際のフィラメントへ印加する電圧などを調整することにより行うことができる。なお、クラスターサイズは、四重極高周波電界による質量分析またはタイムオブフライト質量分析によりクラスター個数分布を求め、クラスター個数の平均値をとることにより求めることができる。
【００５０】
なお、シリコンエピタキシャル層２０形成後においても、シリコンウェーハ１０の表層部における水素のピーク濃度をより増加させるためには、クラスターイオン１６のビーム電流値を５０μＡ以上とすることが好ましい。水素を含むクラスターイオン１６を上記電流値条件で照射すると、クラスターイオン１６の構成元素に含まれる水素が、シリコンウェーハ１０の表層部に、より確実に平衡濃度を超えて固溶する。この効果をさらに確実に得るために、ビーム電流値を１００μＡ以上とすることがより好ましく、３００μＡ以上とすることがさらに好ましい。なお、クラスターイオン１６のビーム電流値は、例えば、イオン源における原料ガスの分解条件を変更することにより調整することができる。
【００５１】
一方、ビーム電流値が過大になると、シリコンエピタキシャル層２０にエピタキシャル欠陥が過剰に発生するおそれがあるので、ビーム電流値を５０００μＡ以下とすることが好ましい。
【００５２】
なお、クラスターイオンの加速電圧は、クラスターサイズとともに、クラスターイオンの構成元素の深さ方向の濃度プロファイルのピーク位置に影響を与える。本実施形態においては、クラスターイオンの加速電圧を、０ｋｅＶ/Cluster超え２００ｋｅＶ/Cluster未満とすることができ、１００ｋｅＶ/Cluster以下とすることが好ましく、８０ｋｅＶ/Cluster以下とすることがさらに好ましい。なお、加速電圧の調整には、（１）静電加速、（２）高周波加速の２方法が一般的に用いられる。前者の方法としては、複数の電極を等間隔に並べ、それらの間に等しい電圧を印加して、軸方向に等加速電界を作る方法がある。後者の方法としては、イオンを直線状に走らせながら高周波を用いて加速する線形ライナック法がある。また、クラスターイオンのドーズ量は、イオン照射時間を制御することにより調整することができる。
【００５３】
以下、本実施形態に従う製造方法により製造されるエピタキシャルシリコンウェーハの好適態様について説明する。
【００５４】
（エピタキシャルシリコンウェーハ）
図１ステップＥに、上記製造方法により得られるエピタキシャルシリコンウェーハ１００の一態様を図示する。エピタキシャルシリコンウェーハ１００は、シリコンウェーハ１０と、シリコンウェーハ１０の表層部に形成された、炭素および水素が固溶した改質層１８Ｃと、改質層１８Ｃ上に形成されたシリコンエピタキシャル層２０と、を有する。そして、改質層１８Ｃの厚さ方向における酸素濃度プロファイルのピーク酸素濃度が５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、かつ、水素濃度プロファイルのピーク水素濃度が２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。そして、エピタキシャル層２０の表面におけるエピタキシャル欠陥が１．０×１０-2個／ｃｍ2以下である。シリコンエピタキシャルシリコンウェーハ１００では、改質層１８Ｃにおいて、従来技術では困難であった低酸素濃度、高水素濃度を実現しつつ、低エピタキシャル欠陥であるエピタキシャルシリコンウェーハを初めて実現したものである。
【００５５】
また、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハ１００の、エピタキシャル層の表面におけるエピタキシャル欠陥を５．０×１０-3個／ｃｍ2以下とすることができ、さらには、２．０×１０-3個／ｃｍ2以下とすることもできる。
【００５６】
また、パッシベーション効果を確実なものとするため、エピタキシャルシリコンウェーハ１００において、改質層１８Ｃの厚さ方向における水素濃度プロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ）が１５０ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、ゲッタリング能力を高めるため、酸素析出が局在化するよう、酸素濃度プロファイルの半値幅が１５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５７】
また、ゲッタリング能力を高めるため、エピタキシャルシリコンウェーハ１００において、改質層１８Ｃにおける炭素の深さ方向の炭素濃度プロファイルの炭素ピーク濃度が、１．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましく、その深さ方向の炭素濃度プロファイルのピークの半値幅が１００ｎｍ以下であることも好ましい。
【００５８】
さらに、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａ（すなわち、ベース基板となるシリコンウェーハ１０と、シリコンエピタキシャル層２０との界面）から、深さ方向の深さ１５０ｎｍまでの範囲内に、炭素、水素および酸素濃度プロファイルのピークがそれぞれ存在することが好ましい。なお、クラスターイオン１６を照射したシリコンウェーハ１０の最表面（シリコンウェーハ１０の表面１０Ａからの深さ０ｎｍ）には各元素の濃度プロファイルのピーク位置を存在させることが物理的にできないため、少なくとも５ｎｍ以上の深さ位置に存在させることになる。
【００５９】
なお、改質層１８Ｃの厚みは、上記濃度プロファイルのうち、クラスターイオン１６の構成元素に含まれる炭素濃度プロファイルがバックグラウンド濃度を超えて局所的に検出される領域として定義され、例えば３０〜４００ｎｍの範囲内とすることができる。
【００６０】
また、シリコンウェーハ１０の酸素濃度が１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましく、さらに、酸素濃度を１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。なお、ここで言う酸素濃度は改質層以外でのシリコンウェーハの酸素濃度を指す。
【００６１】
以上、本発明の代表的な実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【実施例】
【００６２】
［実験例１］
（従来例１）
ＣＺ単結晶シリコンインゴットから得た、酸素濃度（ASTM F121-1979）が１０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコンウェーハ（直径：３００ｍｍ、厚さ：７２５μｍ、ドーパント種類：ボロン、抵抗率：２０Ω・ｃｍ）を用意した。【００６３】
次に、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、型番：CLARIS）を用いて、シクロヘキサンから生成したＣ3Ｈ5のクラスターイオンを、炭素ドーズ量：２．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、水素ドーズ量：３．３×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、加速電圧：８０ｋｅＶ／Ｃｌｕｓｔｅｒ、Tilt：０°、Twist：０°の条件で、シリコンウェーハ表面に照射し、シリコンウェーハの表層部に改質層を形成した。なお、加速電圧８０ｋｅＶ／Ｃｌｕｓｔｅｒであるため、水素１原子あたりの加速電圧１．９５ｋｅＶ／ａｔｏｍであり、炭素１原子あたりの加速電圧２３．４ｋｅＶ／ａｔｏｍとなる。そのため、水素の飛程距離は４０ｎｍ、炭素の飛程距離は８０ｎｍである。【００６４】
次に、上記シリコンウェーハを枚葉式エピタキシャル成長装置（アプライドマテリアルズ社製）内に搬送し、装置内で１１２０℃の温度で３０秒の水素ベーク処理を施した。その後、水素をキャリアガス、トリクロロシランをソースガスとして１１５０℃でＣＶＤ法により、シリコンウェーハ上に厚さ５．０μｍのシリコンエピタキシャル層（以下、エピタキシャル層と略記する）を成長させた。【００６５】
（発明例１）
クラスターイオン照射後、シリコンエピタキシャル層形成前に、SCREENセミコンダクターソリューションズ社製のフラッシュランプアニール装置（LA-3000-F）を用いて、シリ
コンウェーハを極短時間の回復熱処理を行った以外は、従来例１と同様にして発明例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハを得た。なお、フラッシュランプアニール処理を行う際の熱処理条件を以下のとおりとした。
アシストヒート温度：４００℃
処理時間：１．４ミリ秒
処理温度：１０００℃
雰囲気ガス：窒素（N2）【００６６】
（発明例２〜４）
熱処理条件を、下記表１に示すとおりとした以外は、発明例１と同様にして、発明例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハをそれぞれ得た。【００６７】
（比較例１）
実施例１におけるフラッシュランプアニール処理に替えて、ＲＴＡ装置（マトソンサーマルプロダクト社製）を使用して、１０００℃，１．０秒の条件で短時間の回復熱処理を施し、比較例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハをそれぞれ得た。【００６８】
【表１】
0006988990.tif 000002
【００６９】
（評価方法）
各発明例および比較例において、以下の評価を行った。【００７０】
＜評価１：エピタキシャル欠陥の評価＞
発明例１〜４、従来例１および比較例１で作製した各サンプルのエピタキシャルウェーハの表面を、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｈｏｒ社製：Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ−１を用いて観察評
価し、ＬＰＤの発生状況を調べた。その際、観察モードはＯｂｌｉｑｕｅモード（斜め入射モード）とし、表面ピットの推定は、Ｗｉｄｅ Ｎａｒｒｏｗチャンネルの検出サイズ
比に基づいて行った。続いて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて、ＬＰＤの発生部位を観察評価して、ＬＰＤが積層欠陥（ＳＦ：Stacking Fault）であるか否かを確認した。ＳＦと確認されたＬＰＤをエピタキシャル欠陥として評価し、当該ＬＰＤの個数をエピタキシャル欠陥数とした。評価結果を表１に示す。【００７１】
＜評価２：水素および酸素の濃度分布（ＳＩＭＳ測定）＞
発明例１〜４について、フラッシュランプアニール処理後の厚さ方向における水素および酸素の濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry
）により測定した。代表例として、発明例１の測定結果を図２に示す。また、従来例１については、クラスターイオン照射後の濃度分布を図３に示す。さらに、比較例１については、短時間熱処理後の濃度分布を図４に示す。さらに、エピタキシャル層形成後、発明例１〜４、および比較例１の水素および酸素の濃度を二次イオン質量分析法により測定した。代表例として、発明例１および比較例１の測定結果を図５，６にそれぞれ示す。【００７２】
さらに、クラスターイオン注入領域における水素および酸素のピーク濃度について、比較例１を基準（相対値１．０）として、その評価結果を表１に示す。エピタキシャル成長に伴い、比較例１に係るエピタキシャルシリコンウェーハの改質層におけるピーク酸素濃度およびピーク水素濃度は発明例１と同程度となり得るものの、比較例１ではエピタキシャル欠陥が多く、一方、発明例１ではエピタキシャル欠陥が抑制された。また、表１に示したように、従来例１では、エピタキシャル欠陥が多発したため、エピタキシャル層形成後の濃度評価は行っていない。【００７３】
＜評価３：ＴＥＭ断面写真による観察＞
発明例１、従来例１および比較例１について、エピタキシャル層形成直前の改質層周辺の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）にて観察した。発明例１のＴＥＭ断面図を図２に、従来例１のＴＥＭ断面図を図３に、比較例１のＴＥＭ断面図を図４にそれぞれ示し、ＳＩＭＳによる濃度分布と対比させて図示した。なお、ＴＥＭ断面写真において、黒色のコントラストの見られる位置が、ダメージの特に大きな領域であり、白く見える部分はアモルファス化した領域である。なお、図３からクラスターイオン照射によるアモルファス領域（ＳＩＭＳにおける水素高濃度注入領域とＴＥＭ断面図による白色部分）の形成が確認される。図２では、クラスターイオン照射領域の一部が結晶回復し、図４ではクラスターイオン照射領域のほぼ全てが結晶性回復していると読み取ることができる。【００７４】
また、発明例１および従来例１について、エピタキシャル層形成後のＴＥＭ断面図を図７，８にそれぞれ示す。図８に示すように、従来例１では、エピタキシャル層と、シリコンウェーハとの界面の直下約５０ｎｍの深さ位置に、長径約４０ｎｍ、短径約２０ｎｍの黒点状の欠陥が２個形成されたことが確認できる。この黒点状の欠陥生成が、従来例１においてエピタキシャル欠陥の生成が多発した要因と推定される。これに対して、図７に示すように、発明例１では図８で観察された黒点状の欠陥は生成されていない。【００７５】
＜評価４：ゲッタリング能力の評価＞
発明例１〜４および比較例１で作製した各サンプルのエピタキシャルシリコンウェーハの表面を、スピンコート汚染法により、Ｆｅ汚染液（１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2）で故意に汚染し、引き続き１０５０℃、２時間の熱処理を施した。その後、Ｆｅの濃度をＳＩＭＳにより測定し、Ｆｅのピーク濃度を測定した。Ｆｅのピーク濃度が高いほど、多くのＦｅを捕獲できているため、ゲッタリング能力が高いと評価できる。比較例１におけるＦｅのピーク濃度を基準（相対値１．０）として、評価結果を表１に示す。なお、表１に示したように、従来例１では、エピタキシャル欠陥が多発したため、ゲッタリング能力の評価は行っていない。【００７６】
（評価結果の考察）
表１および図２〜４より、クラスターイオン注入領域における酸素のピーク濃度が低いほど、ゲッタリング能力が高いことが確認できる。これは、クラスターイオンの照射により改質層にゲッタリングサイトが形成され、その後の熱処理によりウェーハ中の酸素がこのゲッタリングサイトに捕獲されてしまうと（すなわち、ＳＩＭＳによる濃度検出において酸素ピーク濃度が高いと）、ゲッタリングサイトの大部分が酸素原子によって占有されてしまうからだと推察される。酸素原子がゲッタリングサイトの大部分を占有すると、ゲッタリングサイトは金属を捕獲しきれず、ゲッタリング能力が低下すると考えられる。また、酸素の捕獲が少ない熱処理であれば、水素の拡散も抑制できていることが確認される。そして、フラッシュランプアニール処理によるミリ秒単位の極短時間の熱処理は、ＲＴＡなどによる秒単位の短時間熱処理に比べて、酸素および水素の拡散が少なく、さらに、結晶回復効果も高く、エピタキシャル欠陥の発生を抑制できている。【００７７】
さらに、表１に示される発明例１〜４の結果を考慮すると、発明例１では水素を最も高濃度に保持できており、かつ、ゲッタリング能力も高いことから、フラッシュランプアニール処理としては、比較的低温かつ極短時間が好ましいことが確認できる。一方、エピタキシャル欠陥を最小化するためには、発明例２，３のように、比較的低温長時間または比較的高温短時間のフラッシュランプアニール処理を行うことが好ましいことも確認できた。【００７８】
［実験例２］
（発明例５）
ＣＺ単結晶シリコンインゴットから得た、酸素濃度（ASTM F121-1979）が１０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコンウェーハ（直径：３００ｍｍ、厚さ：７２５μｍ、ドーパント種類：ボロン、抵抗率：２０Ω・ｃｍ）を用意した。【００７９】
次に、クラスターイオン発生装置（日新イオン機器社製、型番：CLARIS）を用いて、シクロヘキサンから生成したＣ3Ｈ5のクラスターイオンを、炭素ドーズ量：３．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、水素ドーズ量：５．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、加速電圧：８０ｋｅＶ／Ｃｌｕｓｔｅｒ、Tilt：０°、Twist：０°の条件で、シリコンウェーハ表面に照射し、シリコンウェーハの表層部に改質層を形成した。なお、加速電圧８０ｋｅＶ／Ｃｌｕｓｔｅｒであるため、水素１原子あたりの加速電圧１．９５ｋｅＶ／ａｔｏｍであり、炭素１原子あたりの加速電圧２３．４ｋｅＶ／ａｔｏｍとなる。そのため、水素の飛程距離は４０ｎｍ、炭素の飛程距離は８０ｎｍである。【００８０】
クラスターイオン照射後、シリコンエピタキシャル層形成前に、SCREENセミコンダクターソリューションズ社製のフラッシュランプアニール装置（LA-3000-F）を用いて、シリコンウェーハを極短時間の回復熱処理を行った。なお、フラッシュランプアニール処理を行う際の熱処理条件を以下のとおりとした。
アシストヒート温度：４００℃
処理時間：１．４ミリ秒
処理温度：１０００℃
雰囲気ガス：窒素（N2）【００８１】
その後、実験例１と同条件にてエピタキシャル層を形成し、発明例５に係るエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。【００８２】
（発明例６）
発明例５における雰囲気ガスが窒素であったところ、これをアンモニア（ＮＨ3）に換えた以外は、発明例５と同条件として発明例６に係るエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。【００８３】
発明例５、６について、上記評価２と同様に、フラッシュランプアニール処理後の厚さ方向における水素濃度を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）により測定した。測定結果を図９に示す。【００８４】
図９より、フラッシュランプアニール時の雰囲気ガスがアンモニアガスである場合の方が、窒素ガスである場合よりも水素を高濃度に捕獲できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、より高いゲッタリング能力を発揮しつつ、高濃度水素注入領域における水素を高濃度に保持できる一方で、エピタキシャル欠陥の発生を抑制することのできるエピタキシャルシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０    シリコンウェーハ
１０Ａ  シリコンウェーハの表面
１６    クラスターイオン
１８Ａ  改質層（クラスターイオン照射後）
１８Ｂ  改質層（ＦＬＡ処理後）
１８Ｃ  改質層（エピタキシャル成長後）
２０    シリコンエピタキシャル層
１００  エピタキシャルシリコンウェーハ
ＦＬＡ  フラッシュランプアニール処理
【図１】
0006988990.tif 000003
【図２】
0006988990.tif 000004
【図３】
0006988990.tif 000005
【図４】
0006988990.tif 000006
【図５】
0006988990.tif 000007
【図６】
0006988990.tif 000008
【図７】
0006988990.tif 000009
【図８】
0006988990.tif 000010
【図９】
0006988990.tif 000011