(57)【要約】 【課題】  ボロンドープによるｐ＋ＣＺ基板を使用するとともに、酸素析出核非形成領域の形成幅を十分縮小しつつ、ＩＧ効果発現には十分な密度の酸素析出物を形成可能なシリコンエピタキシャルウェーハを提供する。【解決手段】  シリコンエピタキシャルウェーハ１００は、ＣＺ法により製造され、かつ、抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板１上に、シリコンエピタキシャル層２を形成してなる。シリコンエピタキシャルウェーハ１００を構成するシリコン単結晶基板１中には、密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を有する。また、シリコン単結晶基板１のシリコンエピタキシャル層２との界面をなす表層部に形成された酸素析出核の非形成領域１５の幅が０μｍより大きく１０μｍ未満である。【選択図】    図１
2006040972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により製造され、かつ、抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板上に、シリコンエピタキシャル層を形成してなるシリコンエピタキシャルウェーハであって、
前記シリコン単結晶基板が、密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を有するとともに、前記シリコン単結晶基板の前記シリコンエピタキシャル層との界面をなす表層部に形成された酸素析出核の非形成領域の幅が０μｍより大きく１０μｍ未満であることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
【請求項２】
前記酸素析出核の密度が１×１０１１ｃｍ−３未満であ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。
【請求項３】
前記シリコン単結晶基板中の初期酸素濃度が、６．５×１０１７ｃｍ−３以上１０×１０１７ｃｍ−３以下であ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。
【請求項４】
チョクラルスキー法により製造され、かつ、抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板上に、シリコンエピタキシャル層を気相成長する気相成長工程と、
前記気相成長工程後に、前記シリコン単結晶基板中の酸素析出核密度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１１ｃｍ−３未満となるように、４５０℃以上７５０℃以下の熱処理を行う低温熱処理工程と、
を有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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的高濃度のボロン（硼素）が添加されたシリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層を気相成長してなるシリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平９−２８３５２９号公報
【特許文献２】特開平１０−２７０４５５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ０１／０５６０７１号公報
【０００３】
抵抗率が０．０２Ω・ｃｍ以下になるように、チョクラルスキー法（Czochralski法；以下、単にＣＺ法という）により比較的高濃度のボロンが添加されて製造されたシリコン単結晶基板（以下、ｐ＋ＣＺ基板という）上に、シリコンエピタキシャル層を気相成長して得られるシリコンエピタキシャルウェーハは、例えばラッチアップ防止のため、あるいは、素子形成領域を無欠陥化するために広く用いられている。
【０００４】
ｐ＋ＣＺ基板には、結晶引上げ工程において結晶が固化してから室温まで冷却される間に、多数の酸素析出核が形成されている。該酸素析出核の寸法は通常１ｎｍ以下と極めて小さい。析出核は、上記の核形成温度以上であってシリコン単結晶バルクへの再固溶に係るある臨界温度以下に保持された場合、酸素析出物へと成長する。この酸素析出物はＢＭＤ（Bulk Micro Defect）と称される結晶欠陥の１つであり、耐圧低下や電流リークなどの不良要因となるため、デバイス形成領域には極力形成されていないことが望ましい。しかし、素子形成に利用されない基板領域においては、酸素析出物を、デバイス工程での重金属成分のゲッターとして有効活用することができるので、シリコンエピタキシャルウェーハにおいても、成長用のシリコン単結晶基板には、反りなどの不具合が生じない範囲で酸素析出物を積極形成することが行なわれている。このような酸素析出物による重金属のゲッタリング効果はＩＧ（Intrinsic Gettering）効果と称される。
【０００５】
ところで、酸素析出物の析出核は、上記の臨界温度よりも高温に保持すれば、シリコン単結晶バルクに再固溶して消滅することが知られている。シリコンエピタキシャルウェーハでは、シリコンエピタキシャル層の気相成長工程が１１００℃以上の高温熱処理に相当するために、気相成長前に多数存在していた酸素析出核が該気相成長の熱履歴によってその多くが消滅することになる。析出核が減少すると、シリコン単結晶の初期酸素濃度が高くても、半導体デバイス製造工程での酸素析出物の形成は抑制され、ＩＧ効果はあまり期待できなくなる。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、シリコンエピタキシャルウェーハに４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理を施して、ｐ＋ＣＺ基板中に新たに酸素析出核を形成させ、その後に中温熱処理（低温熱処理と高温熱処理の間の温度範囲）を施して酸素析出物を成長させる方法が提案されている（特許文献１、２、３）。また、特許文献１には、ｐ＋ＣＺ基板中に酸素析出核あるいは酸素析出物を形成した後にシリコンエピタキシャル層を気相成長することにより、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する方法も提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らが検討したところ、ｐ＋ＣＺ基板においては、シリコンエピタキシャルウェーハに酸素析出核を形成するための低温熱処理を施す際に、次のような問題を生ずることがわかった。すなわち、ボロン添加量が上記のように多少低い場合、ｐ＋ＣＺ基板中の格子間酸素がシリコンエピタキシャル層を経て外方拡散し、酸素析出核の形成されない領域（酸素析出核非形成領域）が、ｐ＋ＣＺ基板のシリコンエピタキシャル層との界面をなす表層部に形成される。酸素析出核非形成領域には、その後の中温熱処理により酸素析出物やバルク積層欠陥等のＢＭＤが殆ど形成されず、最終的にＢＭＤフリー層（ＤＺ（Denuded Zone）層とも称される）となる。このＢＭＤフリー層には、前述のゲッタリング能力がない。シリコンエピタキシャルウェーハを用いたデバイス工程は、その処理温度が低温化するほど、重金属不純物の拡散速度が低くなるので、デバイス工程中にシリコンエピタキシャルウェーハの表面に重金属不純物が付着した場合、ウェーハ表面に重金属不純物が残留する割合が高くなる。この意味で、素子形成領域であるシリコンエピタキシャル層のごく近傍には、ゲッタリング能力を有する酸素析出物はなるべく形成されていることが望ましい。
【０００８】
しかし、酸素析出物を形成するには一定量の酸素析出核が必要であり、該酸素析出核はエピタキシャル成長工程工程中にほとんど喪失するので、これを復元するために前述の低温熱処理が本質的に必要となる。該低温熱処理を施すと、シリコンエピタキシャル層直下のＢＭＤフリー層の形成が著しくなり、重金属不純物のゲッタリング効果が却って損なわれてしまうジレンマがある。従って、エピタキシャル層直下の基板領域に形成されるＢＭＤフリー層（酸素析出核非形成領域）の幅を縮小することは、低温化する傾向にあるデバイス工程において、重金属汚染を回避する上で極めて重要であるが、こうした課題は従来、特段着目されることもなく、その解決のための検討もあまりなされてこなかった。
【０００９】
本発明の課題は、ボロンドープによるｐ＋ＣＺ基板を使用するとともに、酸素析出核非形成領域の形成幅を十分縮小しつつ、ＩＧ効果発現には十分な密度の酸素析出部を形成可能なシリコンエピタキシャルウェーハと、その製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、上記課題を解決するためになされたものであり、
ＣＺ法により製造され、かつ、抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板上に、シリコンエピタキシャル層を形成してなるシリコンエピタキシャルウェーハであって、
シリコン単結晶基板が、密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を有するとともに、シリコン単結晶基板のシリコンエピタキシャル層との界面をなす表層部に形成された酸素析出核の非形成領域の幅が０μｍより大きく１０μｍ未満であることを特徴とする。
【００１１】
ボロンドープｐ＋ＣＺ基板を用いたシリコンエピタキシャルウェーハにおいては、デバイス工程におけるＩＧ効果を十分なものとするために、そのシリコン単結晶基板中に密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を形成することが必要である。その酸素析出核は、前述の通り気相成長工程において消滅するので、ＩＧ効果確保の上で必要な核形成密度となるように、シリコンエピタキシャルウェーハに低温熱処理を施す必要がある。しかし、この低温熱処理により、ｐ＋ＣＺ基板中の格子間酸素がシリコンエピタキシャル層を介して外方拡散し、酸素析出核の形成されない領域（酸素析出核非形成領域）が基板の表層部にできる。従来の低温熱処理は、４５０℃以上７５０℃以下の温度で３時間以上行われるため、酸素析出核非形成領域は１０μｍ以上になりやすい。逆に、４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理を３時間未満で行う場合は、当該低温熱処理により形成される酸素析出核非形成領域の幅を１０μｍに抑えることができる。しかしその場合は、１×１０１０ｃｍ−３以上の密度の酸素析出核を安定して形成することができない。
【００１２】
そこで、本発明においては、ボロンドープのｐ＋ＣＺ基板の抵抗率が低いほど酸素析出核が形成しやすいことを利用し、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するためのシリコン単結晶基板として、ＣＺ法により抵抗率が０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたものを敢えて用いる。その結果、十分なゲッタリング効果が期待できる密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を形成しつつも、シリコン単結晶基板のシリコンエピタキシャル層との界面をなす表層部に形成される酸素析出核の非形成領域の幅を１０μｍ未満に保つことがはじめて可能となる。すなわち、ボロンドープのｐ＋ＣＺ基板を用いたシリコンエピタキシャルウェーハにおいて、必要な密度の酸素析出核が形成され、かつ、酸素析出核非形成領域の形成幅も縮小され、素子形成領域となるシリコンエピタキシャル層の近傍でもＩＧ効果を十分発現できるシリコンエピタキシャルウェーハが実現する。
【００１３】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、
ＣＺ法により製造され、かつ抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板上に、シリコンエピタキシャル層を気相成長する気相成長工程と、
気相成長工程後に、シリコン単結晶基板中の酸素析出核密度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１１ｃｍ−３未満となるように、４５０℃以上７５０℃以下の熱処理を行う低温熱処理工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
シリコンエピタキシャルウェーハを製造するためのシリコン単結晶基板として、ＣＺ法により抵抗率が０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたものを敢えて用いることで、該シリコン単結晶基板上へシリコンエピタキシャル層を気相成長して得られるシリコンエピタキシャルウェーハに施す、４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理が、例えば３時間未満の短時間であっても、十分なゲッタリング効果が期待できる密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核を形成できる。そして、低温熱処理の時間を短縮できる結果、シリコン単結晶基板のシリコンエピタキシャル層との界面に形成される酸素析出核の非形成領域の幅を１０μｍ未満に保つことができる。ただし、低温熱処理を全く行わないわけではないので、酸素析出核非形成領域はわずか（０μｍより大きい幅）ではあるが形成される。
【００１５】
使用する基板の抵抗率が０．０１２Ω・ｃｍより高くなると、酸素析出核非形成領域の形成幅を１０μｍ未満に保つことが困難になる。他方、酸素析出物の形成密度が過度に増加して基板の反り等を生じ難くする観点からは、基板の抵抗率は０．００９Ω・ｃｍ以上となるように設定することが望ましい。
【００１６】
また、シリコン単結晶基板中の初期酸素濃度は、６．５×１０１７ｃｍ−３以上１０×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。初期酸素濃度が６．５×１０１７ｃｍ−３未満では、酸素析出核の形成密度を十分に確保でき難くなり、ＩＧ効果が十分に期待できない。逆に、初期酸素濃度が１０×１０１７ｃｍ−３を超えると、酸素析出核の形成密度が過多となり、反り等のウェーハの変形が急に大きくなる可能性が高くなる。なお本明細書において酸素濃度の単位は、ＪＥＩＤＡ（社団法人日本電子工業振興会の略称。現在はＪＥＩＴＡ（社団法人電子情報技術産業協会）に改称された）の基準を用いて示すものとする。なお、反り等のウェーハの変形を抑制するためには、酸素析出核の密度を１×１０１１ｃｍ−３未満とすることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハ１００を示す概略図である。本発明のシリコンエピタキシャルウェーハ１００は、ＣＺ法により抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下となるようにボロンがドープされたシリコン単結晶基板１上に、１１００℃以上の温度でシリコンエピタキシャル層２を気相成長してなる。シリコンエピタキシャルウェーハ１００には気相成長後に４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理がなされており、シリコン単結晶基板１のシリコンエピタキシャル層２との界面をなす表層部に形成された酸素析出核非形成領域１５の幅が、０μｍより大きく１０μｍ未満とされている。そして、シリコンエピタキシャルウェーハ１００に低温熱処理の温度より高く気相成長温度より低い範囲内の中温熱処理を施すことにより、シリコン単結晶基板１には、密度１×１０１０ｃｍ−３以上の酸素析出核１１が酸素析出物１２として発現する。
【００１８】
シリコン単結晶基板１中の格子間酸素濃度は、６．５×１０１７ｃｍ−３以上１０×１０１７ｃｍ−３以下に制御されている。格子間酸素濃度が６．５×１０１７ｃｍ−３に達していないと、気相成長後に例えば３時間未満の短時間で行う４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理では、シリコン単結晶基板１中に十分な密度の酸素析出核１１が形成しづらく、その後の中温熱処理で十分な密度の酸素析出物１２（図２）も発現しにくくなり、ゲッタリング効果が十分に期待できない。逆に、格子間酸素濃度が１０×１０１７ｃｍ−３を超えると、低温熱処理で多量の酸素析出核１１が形成されるために中温熱処理により酸素析出物１２が過多となり、ウェーハの変形が急に大きくなる可能性が高くなる。なお、ウェーハの変形を抑制するためには、酸素析出核１１ひいては酸素析出物１２の密度を１×１０１１ｃｍ−３未満とすることが好ましい。
【００１９】
図２は、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハ１００の製造方法を示す概略工程図である。まず、ボロンを添加して抵抗率が０．００９Ω・ｃｍ以上０．０１２Ω・ｃｍ以下、初期酸素濃度が６．５×１０１７ｃｍ−３以上１０×１０１７ｃｍ−３以下に調整されたｐ＋型ＣＺシリコン単結晶基板１（以下、単に基板１という）を準備する（図２ａ）。基板１中には、結晶引上げ工程においてシリコン単結晶が固化してから室温まで冷却される間に形成された酸素析出核１１が存在する。
【００２０】
次に、基板１上に１１００℃以上の温度でシリコンエピタキシャル層２を気相成長する気相成長工程を行い、シリコンエピタキシャルウェーハ５０を得る（図２ｂ）。気相成長工程は１１００℃以上の高温で行われるため、結晶引上げ工程で形成された基板１中の酸素析出核１１の殆どが溶体化する。
【００２１】
気相成長工程後、シリコンエピタキシャルウェーハ５０を図示しない熱処理炉に投入し、酸化性雰囲気中、４５０℃以上７５０℃以下の低温熱処理を所定時間施し、前記基板１中に酸素析出核１１を再び形成し、シリコンエピタキシャルウェーハ１００とする（図２ｃ）。その際、シリコン単結晶基板１のシリコンエピタキシャル層２との界面をなす表層部には、幅が０μｍより大きく１０μｍ未満の酸素析出核非形成領域１５が形成される。酸化性雰囲気は、例えば乾燥酸素が窒素等の不活性ガスで希釈されてなる雰囲気であるが、乾燥酸素１００％の雰囲気でもよい。低温熱処理は、４５０℃未満の温度で行うと格子間酸素の拡散が極端に遅くなり、酸素析出核１１が形成されにくい。また、低温熱処理温度が７５０℃を超えると、格子間酸素の過飽和度が低くなるため、やはり酸素析出核１１が形成されにくくなる。
【００２２】
酸素析出核１１は、例えばデバイス工程中に、８００℃以上１１００℃未満の中温熱処理をさらに施すことにより酸素析出物１２となる（図２ｄ）。この結果、得られる半導体ウェーハ２００において、素子形成領域であるシリコンエピタキシャル層２との界面から０μｍより大きく１０μｍ未満の領域に、高濃度の酸素析出物１２を安定して形成することができる。
【実施例１】
【００２３】
以下に、実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明する。なお、本実施例に記載されるシリコン単結晶基板１の初期酸素濃度は、不活性ガス融解法による測定値を、通常抵抗率（１〜２０Ω・ｃｍ）の基板を用いて求められたフーリエ変換赤外分光法と不活性ガス融解法との相関関係に基づいて換算したものである。また、酸素析出核１１の密度は、酸素析出核１１の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハ１００に中温熱処理をさらに施すことにより酸素析出物１２を形成させた後に、フッ酸（４９〜５０ｗｔ％）：硝酸（６０〜６２ｗｔ％）：酢酸（９９〜１００ｗｔ％）：水＝１：１５：６：６（容量比）からなるエッチング液を用いて選択エッチングし、倍率５００〜１０００倍の光学顕微鏡を用いて測定する。この組成のエッチング液を使用すると、微細な酸素析出物１２も明瞭に観察することができるようになる。
【００２４】
まず、抵抗率０．０１２Ω・ｃｍ、初期酸素濃度６．８×１０１７ｃｍ−３（１３．６ｐｐｍａ）のボロンドープシリコン単結晶基板１を用意し、該基板１の（１００）主表面上に、抵抗率２０Ω・ｃｍ、厚さ５μｍのシリコンエピタキシャル層２を１１００℃の温度で気相成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハ５０を得る。
【００２５】
次に、シリコンエピタキシャルウェーハ５０に対し、酸素３％、窒素９７％の酸化性雰囲気中、酸素析出核形成用の低温熱処理を６５０℃の温度で１時間行い、シリコンエピタキシャルウェーハ１００を得る。その後、８００℃／４時間＋１０００℃／１６時間の中温熱処理を行って酸素析出物１２を成長させ、酸素析出核密度と酸素析出核非形成領域１５の幅を評価したところ、酸素析出核密度が１．３×１０１０ｃｍ−３、酸素析出核非形成領域１５の幅が６μｍであった。
【００２６】
なお、比較のため、実施例１と同じ条件でシリコンエピタキシャルウェーハ５０を得た後に、６５０℃／１時間の低温熱処理を行わずに、８００℃／４時間＋１０００℃／１６時間の中温熱処理を施したところ、酸素析出核１１は形成されていなかった。他方、抵抗率０．０１６Ω・ｃｍ、初期酸素濃度５．９×１０１７ｃｍ−３（１１．９ｐｐｍａ）のボロンドープシリコン単結晶基板１を用いた以外は、実施例１と同じ条件で気相成長と熱処理を行ったところ、酸素析出核１１はやはり形成されていなかった。さらに、抵抗率０．０１５Ω・ｃｍ、初期酸素濃度６．６×１０１７ｃｍ−３（１３．１ｐｐｍａ）のボロンドープシリコン単結晶基板１を用い、低温熱処理を６５０℃温度で４時間行った以外は、実施例１と同じ条件で気相成長と熱処理を行ったところ、酸素析出核密度が３．５×１０９ｃｍ−３と不足し、さらに、酸素析出核非形成領域１５の幅は２５μｍと大きくなっていた。
【実施例２】
【００２７】
図３は、基板抵抗率を種々に設定したｐ＋ＣＺ基板１を用いて上記のごとく製造したシリコンエピタキシャルウェーハ５０に対し、６５０℃で１時間の低温熱処理と８００℃／４時間＋１０００℃／１６時間の中温熱処理とをこの順に行なったときの、基板抵抗率と酸素析出核非形成領域１５の幅との関係を示すものである。基板抵抗率が０．０１２Ω・ｃｍ以下で酸素析出核非形成領域１５の幅を１０μｍ以下にできていることがわかる。
【００２８】
図４は、基板抵抗率と基板の初期酸素濃度との関係を示すものであり、基板抵抗率が小さい程、初期酸素濃度が増大している。これは、基板抵抗率が小さい程、より多数の酸素析出物を形成しうることを意味すると同時に、主に基板抵抗率の値により酸素析出核非形成領域１５の幅が決定されることを示している。図５は、初期酸素濃度と酸素析出物密度との関係を示すもので、酸素析出物密度は初期酸素濃度の増加とともに緩やかに増加し、初期酸素濃度が６．５×１０１７ｃｍ−３以上の時に酸素析出物密度が１×１０１０ｃｍ−３以上になりやすいことがわかる。そして、図６は、基板抵抗率と酸素析出物密度との関係を示すものであり、酸素析出物１２の密度を１×１０１０ｃｍ−３以上とするには、基板抵抗率を０．０１２Ω・ｃｍ以下に留めることが望ましいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハを示した概略図。
【図２】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を示した説明工程図。
【図３】基板抵抗率と酸素析出核非形成領域の幅との関係を示した図。
【図４】基板抵抗率と基板初期酸素濃度との関係を示した図。
【図５】基板初期酸素濃度と酸素析出物密度との関係を示した図。
【図６】基板抵抗率と酸素析出物密度との関係を示した図。
【符号の説明】
【００３０】
１  シリコン単結晶基板
２  シリコンエピタキシャル層
１１  酸素析出核
１２  酸素析出物
１５  酸素析出核非形成領域
５０，１００，２００  シリコンエピタキシャルウェーハ
【図１】
2006040972.tif 000003
【図２】
2006040972.tif 000004
【図３】
2006040972.tif 000005
【図４】
2006040972.tif 000006
【図５】
2006040972.tif 000007
【図６】
2006040972.tif 000008