(57)【要約】【課題】転位の発生を抑制できるエピタキシャルシリコンウェーハを製造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こと。【解決手段】エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、シリコンウェーハを窒素雰囲気で熱処理してエピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用してエピタキシャル膜表面の窒素濃度を設定する窒素濃度設定工程とを備えている。【選択図】図２
2018060959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、
前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上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２】
請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記エピタキシャル膜表面からの深さが３μｍでの位置の窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上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３】
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において、
前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層が設けられてい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４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ  １９７９）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５】
シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、
前記シリコンウェーハを窒素雰囲気で熱処理して前記エピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度を設定する窒素濃度設定工程とを備えてい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６】
請求項５に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記窒化膜形成前の前記エピタキシャル膜表面の自然酸化膜を除去する自然酸化膜除去工程を備え、
前記窒素濃度設定工程は、前記自然酸化膜が除去されたシリコンウェーハに対して行われ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７】
請求項６に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記自然酸化膜除去工程は、前記窒素濃度設定工程と同じ熱処理装置を用い、アルゴン雰囲気、アンモニア雰囲気、および、水素雰囲気のいずれかの雰囲気で熱処理して行われ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８】
請求項５から請求項７のいずれか一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において、
前記窒化膜全体を除去する窒化膜除去工程を備えてい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９】
請求項８に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記窒化膜除去工程後に露出した前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する歪み層形成工程を備えてい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１０】
請求項５から請求項９のいずれか一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において、
前記窒素濃度設定工程は、前記熱処理の温度Ｘ（℃）が８５０℃以上１４００℃以下、前記熱処理の時間Ｙ（秒）が１秒以上であり、かつ、以下の式（１）を満たすように、前記熱処理を行う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。
Ｙ≧１×１０３４ｅｘｐ（−０．０８４Ｘ）  …  （１）
【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および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】
微細化が進むシリコンデバイスでは、デバイス特性の向上策として、デバイス活性層であるウェーハ表面近傍に歪みが付加されることがある。
例えば、単結晶シリコン基板上にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させ、当該ＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させた歪みシリコンウェーハや、ＳｉＧｅ層に換えて表面窒化によるウェーハや、ＳＯＩウェーハが提案されている。
【０００３】
上記歪みＳｉ層には、Ｓｉに比べて格子定数が大きいＳｉＧｅ層によって、引っ張り歪みが生じており、この歪みによって、Ｓｉのバンド構造が変化し縮退が解けてキャリア移動度が高まる。このため、この歪みＳｉ層をチャネル領域として用いることによって、通常のバルクシリコンを用いた半導体基板の場合と比べて、１．５倍以上のキャリア移動の高速化が可能となる。したがって、歪みシリコンウェーハは、高速ＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＨＥＭＴ等に好適である。
【０００４】
しかし、歪みシリコンウェーハでは、ウェーハ表面近傍に付加される歪みによって発生する膜応力は非常に大きいため、この歪みからウェーハ表面側に向けて転位が発生することがある。そこで、このような転位を抑制するための検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載の方法では、エピタキシャル成長後に酸素濃度設定熱処理を行い、バルクからの外方拡散と表面酸化膜からの内方拡散とを利用して、エピタキシャル膜表面の酸素濃度を高めることで強度向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−７００９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、近年三次元デバイス構造の採用によりエピタキシャル膜に付加される応力が増加しており、特許文献１のような酸素濃度を高める方法では、十分な強度を得られないおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、転位の発生を抑制できるエピタキシャルシリコンウェーハおよび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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を高くすると、歪み層の形成により膜応力が発生しても、転位の発生を抑制できることを見出した。そして、この理由を以下のように推測した。
エピタキシャル膜に歪み層が形成されると、このときの膜応力により、まず、歪み層とエピタキシャル膜との界面で小さな転位が発生し、その後、この小さな転位がエピタキシャル膜に伸展すると考えられる。そこで、エピタキシャル膜の窒素濃度を高くすると、上記界面の小さな転位に窒素が固着し、この固着によりエピタキシャル膜への転位の伸展が抑制されると推測した。
本発明は、上記知見に基づき完成されたものである。
【００１０】
すなわち、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜が設けられたエピタキシャルシリコンウェーハであって、前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、エピタキシャル膜に歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なエピタキシャルシリコンウェーハを提供できる。
なお、本発明におけるエピタキシャル膜表面の窒素濃度とは、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）でデプスプロファイルを測定した窒素濃度のうち、深さ８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の位置、好ましくは１００ｎｍの位置におけるものを意味する。これは、ＳＩＭＳ測定においては、シリコンウェーハ最表面においては試料汚染の影響により窒素濃度を測定できないためこれを排除するとともに、内方拡散による影響を正確に判定するという目的による。
【００１２】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記エピタキシャル膜表面からの深さが３μｍでの位置の窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、仮にデバイス工程における熱処理などで、エピタキシャル膜表面の窒素濃度が下がったとしても、上記深さでの窒素濃度を転位発生が抑制可能なレベルに維持できる。
【００１４】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層が設けられていることが好ましい。
【００１５】
本発明によれば、キャリア移動の高速化が可能かつ転位の発生が抑制されたエピタキシャルシリコンウェーハを提供できる。
【００１６】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、前記シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ１９７９）であることが好ましい。
【００１７】
シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の場合、エピタキシャル膜の十分な強度を得られないおそれがあり、１５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える場合、エピタキシャル膜において酸素起因の欠陥が発生するおそれがある。
本発明によれば、上記不具合の発生を抑制できる。
【００１８】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、前記シリコンウェーハを窒素雰囲気で熱処理して前記エピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度を設定する窒素濃度設定工程とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
エピタキシャル膜表面の窒素濃度を高めるための方法としては、例えば窒素濃度を高めたシリコンウェーハにエピタキシャル膜を形成し、このシリコンウェーハからの外方拡散を利用することが考えられる。しかし、窒素の拡散速度は比較的速いため、このような方法では、外方拡散する窒素がエピタキシャル膜を通過して外部に抜けてしまい、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を十分に高められない。
これに対し、本願発明では、エピタキシャル膜上に形成された窒化膜からの内方拡散を利用するため、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を、歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なレベルまで高めることができる。
【００２０】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記窒化膜形成前の前記エピタキシャル膜表面の自然酸化膜を除去する自然酸化膜除去工程を備え、前記窒素濃度設定工程は、前記自然酸化膜が除去されたシリコンウェーハに対して行われることが好ましい。
【００２１】
例えば、エピタキシャルシリコンウェーハを窒化膜形成用の熱処理装置に移動させるとき、エピタキシャル膜が酸素を含む雰囲気に曝されるとその表面には自然酸化膜が形成されてしまう。エピタキシャル膜表面に自然酸化膜が存在すると、エピタキシャル膜への窒素の内方拡散が阻害されるおそれがある。
本発明では、窒化膜形成前にエピタキシャル膜表面の自然酸化膜を除去することで、エピタキシャル膜へ窒素を内方拡散させやすくできる。
【００２２】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記自然酸化膜除去工程は、前記窒素濃度設定工程と同じ熱処理装置を用い、アルゴン雰囲気、アンモニア雰囲気、および、水素雰囲気のいずれかの雰囲気で熱処理して行われることが好ましい。
【００２３】
本発明によれば、自然酸化膜の除去後、熱処理装置の雰囲気を変更するだけの簡単な方法で、エピタキシャル膜を酸素雰囲気に曝すことなく窒化膜を形成できる。
【００２４】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記窒化膜全体を除去する窒化膜除去工程を備えていることが好ましい。
【００２５】
窒化膜は、エピタキシャル膜の窒素濃度の調整に有用であるが、デバイス形成前に除去する必要がある。
本発明によれば、デバイス製造メーカでの窒化膜除去処理を省略できる。また、エピタキシャルシリコンウェーハ製造メーカにおいて、エピタキシャル膜表面の検査を行うことができ、品質が保証された製品をデバイス製造メーカに納品できる。
【００２６】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記窒化膜除去工程後に露出した前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する歪み層形成工程を備えていることが好ましい。
【００２７】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記窒素濃度設定工程は、前記熱処理の温度Ｘ（℃）が８５０℃以上１４００℃以下、前記熱処理の時間Ｙ（秒）が１秒以上であり、かつ、以下の式（１）を満たすように、前記熱処理を行うことが好ましい。
Ｙ≧１×１０３４ｅｘｐ（−０．０８４Ｘ）  …  （１）
【００２８】
本発明によれば、上記式（１）を用いるだけの簡単な方法で、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を、歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なレベルまで高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るエピタキシャルシリコンウェーハの断面図。
【図２】前記エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を示すフローチャート。
【図３】前記エピタキシャルウェーハが供されるデバイス工程で歪み層が形成された半導体基板の一例を示す説明図。
【図４】本発明の実施例に係る窒素濃度設定工程における熱処理の温度と時間と転位発生の有無との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
［エピタキシャルシリコンウェーハの構成］
図１に示すように、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷは、シリコンウェーハＷＦと、このシリコンウェーハＷＦの表面に設けられたエピタキシャル膜ＥＰとを備えている。
【００３１】
エピタキシャル膜ＥＰの膜厚Ｔは、０．１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。０．１μｍ以上が好ましい理由は、一般的に、ＳＴＩ構造がエピタキシャル膜ＥＰの表面から深さ０．１μｍ以上の位置に形成されるためである。また、２０μｍ以下が好ましい理由は、２０μｍを超えるような厚さの場合、シリコンウェーハＷＦとエピタキシャル膜ＥＰとの結晶格子不整合による、そりの膜応力への影響が表面で大きくなり、窒素の内方拡散による転位の抑制効果が低減してしまう可能性が考えられるためである。なお、膜厚Ｔは、３μｍを超え１０μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３２】
エピタキシャル膜ＥＰの表面の窒素濃度は、５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がより好ましい。シリコン結晶の固溶限以下で窒素を導入することが好ましいが、エピタキシャル膜ＥＰにデバイス工程での長時間の熱処理による窒素起因の欠陥が発生する場合もあるので、上記の濃度範囲とすることが好ましい。この窒素濃度の測定位置は、表面からの深さＤが８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の位置が好ましく、１００ｎｍの位置がより好ましい。
【００３３】
また、エピタキシャル膜ＥＰの表面から深さＤが３μｍの位置での窒素濃度は、５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが好ましい。深さＤが３μｍの位置は、エピタキシャル膜ＥＰの膜厚Ｔが３μｍを超える場合は、エピタキシャル膜ＥＰ内となり、膜厚Ｔが３μｍ以下の場合は、シリコンウェーハＷＦ内となる。
たとえ、シリコンウェーハＷＦ内であっても、深さＤが３μｍの位置での窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上あれば、仮に、デバイス工程における熱処理などでエピタキシャル膜ＥＰ表面の窒素が外方拡散で抜けた場合であっても、深さＤが３μｍの位置から窒素がエピタキシャル膜ＥＰ表面に供給され、転位を抑制することが可能となる。
【００３４】
シリコンウェーハＷＦの酸素濃度は、１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ１９７９）であることが好ましい。酸素濃度を上記範囲に設定することで、エピタキシャル膜ＥＰの十分な強度を得られ、エピタキシャル膜ＥＰにおいて酸素起因の欠陥の発生を抑制できる。
【００３５】
［エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法］
図２に示すように、上記特性を有するエピタキシャルシリコンウェーハＥＷの製造方法は、ウェーハ準備工程Ｓ１と、エピタキシャル膜形成工程Ｓ２と、自然酸化膜除去工程Ｓ３と、窒素濃度設定工程Ｓ４と、窒化膜除去工程Ｓ５と、歪み層形成工程Ｓ６と、熱処理工程Ｓ７とを備えている。
なお、自然酸化膜除去工程Ｓ３、窒化膜除去工程Ｓ５、歪み層形成工程Ｓ６、熱処理工程Ｓ７のうち、少なくとも１つの工程を行わなくてもよい。
【００３６】
ウェーハ準備工程Ｓ１は、ＣＺ（チョクラルスキー）法や、ＭＣＺ（磁場印加チョクラルスキー）法等によって、引き上げられたシリコン単結晶インゴットを、スライス、面取り、研削、ラッピング、エッチング、研磨、洗浄、ＤＫ（ドナーキラー）等の熱処理等のうち、必要な工程によって表面が鏡面研磨されたシリコンウェーハＷＦを準備する。
【００３７】
エピタキシャル膜形成工程Ｓ２は、所定の膜厚Ｔのエピタキシャル膜ＥＰをシリコンウェーハＷＦに成膜して、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷを得る。この際、トリクロロシラン等のガス雰囲気で、１１５０℃以上１２８０℃以下の処理条件で成膜を行う。なお、ボロン、リン等の必要なドーパントを添加することもできる。
【００３８】
自然酸化膜除去工程Ｓ３は、エピタキシャル膜ＥＰに形成された自然酸化膜を除去する。自然酸化膜除去工程Ｓ３は、例えば、窒素濃度設定工程Ｓ４で用いる熱処理装置にエピタキシャルシリコンウェーハＥＷを投入し、アルゴン雰囲気と、アンモニア雰囲気と、水素雰囲気とのうちいずれか１つの雰囲気で熱処理を行って、自然酸化膜を除去してもよい。
アルゴン雰囲気、アンモニア雰囲気、水素雰囲気、あるいはこれらのうち少なくとも２つの混合雰囲気のいずれの場合であっても、熱処理温度は１０００℃以上１３５０℃以下が好ましい。１０００℃より温度が低い場合、自然酸化膜を完全に除去できない可能性があり、また、熱処理装置の制約を考慮すると、上限は１３５０℃となる。また、熱処理時間は、１秒以上６０秒以下が好ましい。自然酸化膜を完全に除去するためには１秒以上の熱処理を施すことが好ましい。また、生産性を考慮すると熱処理時間は短い方が好ましい。熱処理温度を１０００℃以上１３５０℃以下とした場合、６０秒以下の熱処理で自然酸化膜を十分に除去できると考えられる。
【００３９】
窒素濃度設定工程Ｓ４は、自然酸化膜が除去されたエピタキシャルシリコンウェーハＥＷを、窒素雰囲気で熱処理してエピタキシャル膜ＥＰ上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用してエピタキシャル膜ＥＰ表面の窒素濃度を設定する。このとき、エピタキシャル膜ＥＰ表面とその内部に加えて、シリコンウェーハＷＦの窒素濃度も設定される。
窒素濃度設定工程Ｓ４において、熱処理の温度Ｘ（℃）が８５０℃以上１４００℃以下、熱処理の時間Ｙ（秒）が１秒以上であり、かつ、以下の式（１）を満たすように、熱処理を行うことが好ましい。
Ｙ≧１×１０３４ｅｘｐ（−０．０８４Ｘ）  …  （１）
【００４０】
熱処理方式は、エピタキシャル膜ＥＰの窒素濃度が上述の範囲に設定可能であれば、縦型炉によるバッチ式の処理や、枚葉炉における急速加熱・急速冷却熱処理等、いずれの方式であってもよい。熱処理の雰囲気ガスは、アンモニアのみでもよいし、アルゴンとアンモニアなどの混合ガスであってもよい。窒素濃度設定工程Ｓ４で用いる熱処理装置は、自然酸化膜の除去後、この熱処理装置の雰囲気を変更するだけで窒化膜を形成できることから、自然酸化膜除去工程Ｓ３と同じであることが好ましい。
【００４１】
窒化膜除去工程Ｓ５は、エピタキシャル膜ＥＰの窒素濃度設定に利用した窒化膜全体を除去する。窒化膜除去工程Ｓ５は、窒化膜とともにエピタキシャル膜ＥＰの表面側も除去してもよい。この場合、除去後におけるエピタキシャル膜ＥＰ表面の窒素濃度は、歪み層形成時の転位発生を抑制可能なレベルを維持する必要がある。窒化膜を除去する方法としては、研磨やエッチングによる方法が例示できる。
【００４２】
歪み層形成工程Ｓ６は、窒化膜除去工程Ｓ５後に露出したＥＰ表面に１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する。
歪み層は、ＥＰ表面に部分的に形成され、デバイスの一部分となる。具体的には、歪み層は、図３に示すように、ゲート領域ＧＴの直下を除いて、ソース領域ＳＣ，ドレイン領域ＤＲとして形成され、矢印ＴＥで示すＥＰ表面の面方向に膜応力を生じるＳｉＧｅ膜、ＳｉＣ等で構成されている。歪み層は、膜応力を発生するものであれば、図３に示す構成に限定されるものではなく、またその形成方法も特に限定されるものではない。
なお、歪み層形成工程Ｓ６はデバイス製造工程に含まれてもよく、本実施形態におけるエピタキシャルシリコンウェーハＥＷは、このようなデバイス工程に供される。
【００４３】
熱処理工程Ｓ７は、例えばデバイス工程における熱処理とほぼ同じ条件で行われる。ＥＰ表面の窒素濃度が上述した範囲に設定されているため、この熱処理工程Ｓ７において、歪み層により１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力が生じた場合でも、転位が発生することを抑制できる。
【００４４】
［実施形態の作用効果］
上述したように、エピタキシャルシリコンウェーハＥＷにおけるエピタキシャル膜ＥＰ表面の窒素濃度を５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にしたため、エピタキシャル膜ＥＰに歪み層が形成されても転位発生を抑制できる。
また、上記エピタキシャルシリコンウェーハＥＷの窒素濃度を設定する際に、エピタキシャル膜ＥＰ上に形成された窒化膜からの内方拡散を利用するため、エピタキシャル膜ＥＰ表面の窒素濃度を、転位発生を抑制可能なレベルまで高められる製造方法を提供できる。
【実施例】
【００４５】
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００４６】
［サンプルの製造方法］
〔実験例１〕
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により成長させた３００ｍｍシリコン単結晶から切り出された後、鏡面加工が施されたシリコンウェーハに、１１００℃程度の温度で、エピタキシャル膜を２μｍの厚さに成長させた。
その後、表１に示すように、必要に応じて自然酸化膜除去工程を実施し、窒素雰囲気で同表に示す条件の熱処理（窒素濃度設定工程）を実施した。処理時間が１８０秒以下の場合はＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）炉にて、１８０秒より長い場合は縦型炉にて処理した。熱処理後、形成した窒化膜を全て除去し、表１に示す２５条件の実験例１のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
なお、自然酸化膜除去工程では、窒素濃度設定工程で用いた熱処理装置を用い、１０００℃の水素雰囲気中で６０秒の熱処理を行った。
【００４７】
〔実験例２，３〕
エピタキシャル膜を４μｍの厚さに成長させたこと以外は、実験例１と同様のプロセスにより、表１に示す２５条件の実験例２のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
エピタキシャル膜を６μｍの厚さに成長させたこと以外は、実験例１と同様のプロセスにより、表１に示す２５条件の実験例３のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
［評価］
〔エピタキシャルシリコンウェーハの窒素濃度〕
実験例１，２，３のプロセスにより準備したエピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル膜表層、具体的には、エピタキシャル膜表面から深さ３μｍの位置での窒素濃度をＳＩＭＳにより測定した。
測定結果は、実験例１，２，３で同じであった。その結果を表１に示す。
なお、実験例１のエピタキシャル膜の厚さは２μｍであることから、表１の結果は、シリコンウェーハ内の窒素濃度である。また、実験例２，３のエピタキシャル膜の厚さはそれぞれ４，６μｍであることから、表１の結果は、エピタキシャル膜内の窒素濃度である。検出下限は、５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【００５０】
表１に示すように、自然酸化膜除去工程を実施していない条件７，１２，１４，１７，２０，２３では、窒素濃度が検出下限未満であった。一方、これらと同じ条件で窒素濃度設定工程を実施し、かつ、自然酸化膜除去工程も実施した条件８，１３，１５，１８，２１，２４では、いずれも窒素濃度が検出下限以上であった。
このことから、窒素濃度設定工程前に自然酸化膜除去工程を実施することで、エピタキシャル膜へ窒素を内方拡散させやすくなり、窒素濃度を所望のレベルまで高められることが確認できた。
なお、表１の窒素濃度が検出下限以上の条件については、エピタキシャル膜表面での窒素濃度も検出下限以上であると推定できる。その理由は、以下の通りである。
シリコンウェーハからの外方拡散を利用する場合、エピタキシャルシリコンウェーハの表層側ほど窒素濃度が低くなってしまうが、本実施例ではエピタキシャルシリコンウェーハ表面に窒化膜を形成し、そこからの内方拡散を利用するため、表層側ほど窒素濃度は高くなるからである。
【００５１】
〔エピタキシャルシリコンウェーハの転位発生抑制効果〕
実験例２のエピタキシャルシリコンウェーハに対し、応力負荷試験を行った。
まず、エピタキシャルシリコンウェーハから、長さ３ｃｍ、幅１．５ｃｍ程度の測定用サンプルを切り出した。次に、測定用サンプルの表面（エピタキシャル膜の表面）側に、深さ１００ｎｍ、幅５０μｍ、長さ１ｍｍのライン状のくぼみを形成した。そして、測定用サンプルを支点間距離２ｃｍ、試験温度８００℃にて３点曲げ試験を実施した。この際、２Ｎの荷重を加え、測定用サンプルの表面側に引張応力を作用させた。
その後、室温まで冷却した測定用サンプルに対し、ライトエッチングを１μｍ程度実施し、ライン状くぼみから発生した転位ピットの有無を光学顕微鏡により観察した。
その結果を表１に示す。なお、転位ピットが検出された場合を「ＮＧ」と表記し、検出されなかった場合を「ＯＫ」と表記した。
【００５２】
表１に示すように、エピタキシャル膜表面から深さ３μｍの位置での窒素濃度が検出下限未満の全ての条件で、転位ピットが検出されており、検出下限以上の全ての条件で、転位ピットが検出されなかった。
これは、シリコンウェーハ表面に形成したライン状くぼみに、３点曲げ試験により応力を負荷した際に、そこに応力が集中して転位が発生するが、窒素濃度が高い場合には、応力集中部で転位発生の臨界応力が増大し、その結果、転位発生が抑制されたためと考えられる。なお、実験例１，３でも、窒素濃度が同じであることから、表１と同じ結果が得られると推定できる。
以上のことから、エピタキシャル膜表面から深さ３μｍの位置での窒素濃度を５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にすることで、転位発生を抑制できることが確認できた。
また、深さ３μｍの位置での窒素濃度を上述の範囲にすることで、仮に、デバイス工程における熱処理などでエピタキシャル膜表面の窒素が外方拡散で抜けた場合であっても、深さ３μｍの位置から窒素がエピタキシャル膜表面に供給されるため、所望の強度を得ることができ、その結果、転位発生を抑制できると考えられる。
【００５３】
〔窒素濃度設定工程における熱処理条件の数式化〕
表１における自然酸化膜除去工程を実施していない条件７，１２，１４，１７，２０，２３以外の条件について、図４に示すように、窒素濃度設定工程における熱処理の温度Ｘと時間Ｙとの関係をグラフ化した。このグラフ化に際し、３点曲げ試験結果が「ＮＧ」の場合を「×」で示し、「ＯＫ」の場合を「○」で示した。
そして、「ＯＫ」と「ＮＧ」との境界を表す近似直線を求めたところ、以下の式（２）が得られ、上記近似直線よりも左側が「ＮＧ」の範囲で、右側が「ＯＫ」の範囲となった。
Ｙ＝１×１０３４ｅｘｐ（−０．０８４Ｘ）  …  （２）
このことから、上記式（１）を満たすように、窒素濃度設定工程における熱処理を行うことで、エピタキシャル膜表面から深さ３μｍの位置での窒素濃度を５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にすることができることがわかった。
【符号の説明】
【００５４】
ＥＰ…エピタキシャル膜、ＥＷ…エピタキシャルシリコンウェーハ、ＷＦ…シリコンウェーハ。
【図１】
2018060959.tif 000004
【図２】
2018060959.tif 000005
【図３】
2018060959.tif 000006
【図４】
2018060959.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月17日(2017.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの表面にシリコンで構成されたエピタキシャル膜が設けられており、かつ、当該エピタキシャル膜表面に窒化膜が設けられていないエピタキシャルシリコンウェーハであって、
前記エピタキシャル膜の窒素濃度は、当該エピタキシャル膜の表面側ほど高くなっており、
前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度は、５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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２】
請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記エピタキシャル膜表面からの深さが３μｍでの位置の窒素濃度が５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上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３】
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において、
前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層が設けられてい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４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が１０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（ＡＳＴＭ  １９７９）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５】
トリクロロシランのガス雰囲気において、シリコンウェーハの表面にシリコンで構成されたエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、
前記シリコンウェーハを窒素雰囲気で熱処理して前記エピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度を設定する窒素濃度設定工程と、
前記窒化膜全体を除去する窒化膜除去工程とを備えてい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６】
請求項５に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記窒化膜形成前の前記エピタキシャル膜表面の自然酸化膜を除去する自然酸化膜除去工程を備え、
前記窒素濃度設定工程は、前記自然酸化膜が除去されたシリコンウェーハに対して行われ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７】
請求項６に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記自然酸化膜除去工程は、前記窒素濃度設定工程と同じ熱処理装置を用い、アルゴン雰囲気、アンモニア雰囲気、および、水素雰囲気のいずれかの雰囲気で熱処理して行われ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８】
請求項５から請求項７のいずれか一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において、
前記窒化膜除去工程後に露出した前記エピタキシャル膜表面に、１０ＭＰａ以上１０００ＭＰａの膜応力を生じる歪み層を形成する歪み層形成工程を備えてい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９】
請求項５から請求項８のいずれか一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において、
前記窒素濃度設定工程は、前記熱処理の温度Ｘ（℃）が８５０℃以上１４００℃以下、前記熱処理の時間Ｙ（秒）が１秒以上であり、かつ、以下の式（１）を満たすように、前記熱処理を行う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。
Ｙ≧１×１０３４ｅｘｐ（−０．０８４Ｘ）  …  （１）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
すなわち、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、シリコンウェーハの表面にシリコンで構成されたエピタキシャル膜が設けられており、かつ、当該エピタキシャル膜表面に窒化膜が設けられていないエピタキシャルシリコンウェーハであって、前記エピタキシャル膜の窒素濃度は、当該エピタキシャル膜の表面側ほど高くなっており、前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度は、５．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、トリクロロシランのガス雰囲気において、シリコンウェーハの表面にシリコンで構成されたエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル膜形成工程と、前記シリコンウェーハを窒素雰囲気で熱処理して前記エピタキシャル膜上に窒化膜を形成し、この窒化膜からの内方拡散を利用して前記エピタキシャル膜表面の窒素濃度を設定する窒素濃度設定工程と、前記窒化膜全体を除去する窒化膜除去工程とを備えていることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
エピタキシャル膜表面の窒素濃度を高めるための方法としては、例えば窒素濃度を高めたシリコンウェーハにエピタキシャル膜を形成し、このシリコンウェーハからの外方拡散を利用することが考えられる。しかし、窒素の拡散速度は比較的速いため、このような方法では、外方拡散する窒素がエピタキシャル膜を通過して外部に抜けてしまい、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を十分に高められない。
これに対し、本願発明では、エピタキシャル膜上に形成された窒化膜からの内方拡散を利用するため、エピタキシャル膜表面の窒素濃度を、歪み層が形成されても転位発生を抑制可能なレベルまで高めることができる。
また、窒化膜は、エピタキシャル膜の窒素濃度の調整に有用であるが、デバイス形成前に除去する必要がある。
本発明によれば、デバイス製造メーカでの窒化膜除去処理を省略できる。また、エピタキシャルシリコンウェーハ製造メーカにおいて、エピタキシャル膜表面の検査を行うことができ、品質が保証された製品をデバイス製造メーカに納品できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】