(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン半導体デバイス製造プロセスにおいて銅配線時にシリコンウエハに混入し、シリ
コン結晶中において超高速拡散し、しかも、深い不純物準位を作るＣｕ不純物のゲッタリ
ング方法において、
シリコンウエハに酸素イオン及び硼素イオンを同時にイオン注入することにより、人為的
に酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）の二種類の不純物をＣｕ配線時に混入するＣｕ不純物濃度以
上になるように、それぞれ、原子濃度で１０１５ｃｍ−３から１０１９ｃｍ−３同時ドー
プした後、
デバイス製造過程でウエハを２５０℃以上５００℃以下で熱アニールすることにより、Ｃ
ｕ不純物原子とＢ及びＯとのＣｕ−Ｏ−Ｂ複合体を形成させて、
該不純物複合体をシリコン結晶の格子間のｄＢ−Ｏ＝１．４７Å、ｄＣｕ−Ｏ＝２．０９
Å、ｄＳｉ−Ｏ＝１．７４Å、θＢ−Ｏ−Ｓｉ＝１４１．０°で示される位置に析出させ
てＣｕ不純物をシリコン結晶中に閉じ込めることにより、
シリコン結晶中のＣｕ不純物の超高速拡散を防止し、かつＣｕ不純物による深い不純物準
位を電気的に不活性化することを特徴とするシリコン結晶中のＣｕ不純物のゲッタリング
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅配線時にシリコンウエハに混入する銅（Ｃｕ）不純物を不活性化して、深い
不純物準位のない安定なシリコン半導体デバイスを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン半導体デバイスは、超微細加工技術による高集積化により現在の情報化社会を支
えている。現在、シリコン半導体デバイスのさらなる高速化と高集積化が求められ、配線
による接触抵抗がこれらのデバイスの動作の限界を支配するようになってきた。
【０００３】
高集積シリコン半導体デバイスの配線材料は、従来、アルミニウム細線が用いられていた
。しかし、シリコン半導体デバイスの高集積化と超微細化に伴う細線化による抵抗増大や
接触抵抗による発熱がデバイスの寿命を短くし、高集積化の妨げとなってきた。このため
、銅（Ｃｕ）細線を用いて低抵抗化する技術が開発され、実際に一部のＣＰＵにおいて銅
細線が使用されている。
【０００４】
半導体製造プロセスやリソグラフィー技術を使う配線加工中にシリコンとＣｕ細線との接
触面を通してシリコンデバイス中に拡散により混入するＣｕ原子は、シリコン結晶のバン
ドギャップ中に深い不純物準位を作り、しかも、超高速で拡散するため、シリコン結晶の
方々に深い不純物準位が存在して、キャリア・キラーや絶縁破壊の原因となっている。こ
のような理由により、Ｃｕ細線を用いたデバイスの歩留まりが悪いのが現状である。
【０００５】
このため、デバイス加工するウエハの中に含まれるキャリア・キラーとなる遷移金属不純
物を除去したり、デバイス加工に用いる表面から離れた位置に閉じ込めて熱処理やデバイ
ス加工中に動かないようしたりする方法、すなわちゲッタリングと称される方法が採用さ
れている（例えば、特許文献１〜５）。また、本発明者らは、酸素（Ｏ）及び炭素（C）
の二種類の不純物をシリコンに同時ドープした後、熱アニールすることにより、遷移金属
不純物原子とＣ及びＯとの不純物複合体をシリコン結晶中に析出させて遷移金属不純物を
シリコン結晶中に閉じ込めることにより、シリコン結晶中の遷移金属不純物の超高速拡散
を防止し、かつ遷移金属不純物による深い不純物準位を電気的に不活性化する方法を発明
し、特許出願した（特許文献６）。
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−２３０９９９号公報
【特許文献２】特開平１０−４１３１１号公報
【特許文献３】特開２００１−２１７２４７号公報
【特許文献４】特開２００３−１００７４５号公報
【特許文献５】特開２００３−１８８１７６号公報
【特許文献６】特開２００３−２０９１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の技術では、超高速で拡散し、しかも、深い不純物準位を持つＣｕに代表される遷移
金属不純物を完全に無くしてデバイスを作製することは困難であった。シリコン半導体デ
バイス製造プロセスにおいて、これらを解決することが、デバイスの高集積化と高速化に
おいて不可欠の要素となっている。
【０００８】
シリコン基板に不純物をドープし、そのドーピング原子と遷移金属の複合体を形成するゲ
ッタリング手法として、例えば、鉄(Fe)に対して、ボロン(B)は良いゲッタリング中心と
して知られている。現状では、Ｆｅに対するＢと同様、Ｃｕに対してもＢが用いられてい
るが、Ｃｕに対しては、ＢはＦｅほどゲッタリング特性が良くない。もう少しゲッタリン
グ特性の良いものが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ドーピング原子(D)が問題となっている遷移金属(M)と複合体(DM)をつくることによるゲッ
タリング能力は、シリコン中での複合体の結合エネルギーEbによって決まる。より正確に
は、Ebにシリコン中の Mの拡散障壁エネルギーEdを足した解離エネルギーEdissで決まる
。有限温度Tでは、遷移金属(M) の拡散する割合はexp(-Eb/kT)で与えられるので、Ebが大
きければ大きいほど良い。
【００１０】
Ｆｅに対しては、ＢはEb=1.40(eV)と非常に大きく、したがって、Ｂは、Ｆｅに対して良
いゲッタリング中心になっている。一方、Ｃｕに対しては、Ｂは、Eb=0.61(eV)になるこ
とが実験的に知られている。この値はゲッタリング原子としてはそこそこの値であるとは
いうものの、現実の高集積デバイスでの厳しい要請を考えると決して満足すべき値ではな
い。
【００１１】
このシリコン中の欠陥複合体の結合エネルギーEbは、「第一原理計算」という方法を用い
ることで、高い精度で計算予測可能である。実際、本発明者らが行った計算では、従来知
られているＣｕに対するゲッタリング中心の結合エネルギーの実験値と高い精度で一致し
ている。それらの比較を表１に示す。
【００１２】
【表１】
0004684574.tif 000002
【００１３】
この表１を見ると、Ｃｕに対しては、Ebは、Ｂの0.6(eV)がほぼ最高値を示し、それ以上
のものがない。Ｎは、Eb=0.63(eV)と大きいが、しかし、この計算の前提としてドナー原
子が格子位置にいることが求められるが、Ｎは、格子位置から大きくずれるのでこの計算
結果はそのままでは使えない。
【００１４】
このように、Ｃｕに対してはドーピング原子一種類だけでは既に限界である。そこで、複
数種類のドーピング原子を用いてＣｕとの結合エネルギーを稼ぐ方法を探索し、その結果
、高いEbを得る組み合わせを見いだした。それは、ＢとＯの組み合わせである。本発明は
、この不純物の組み合わせをＣｕに対する有効なゲッタリング中心として利用する方法で
ある。
【００１５】
本発明は、シリコンウエハ中において超高速拡散し、しかも、深い不純物準位を作るＣｕ
のゲッタリング方法において、酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）の二種類の不純物をシリコンに
同時ドープし、該シリコン結晶でウエハを形成した後、デバイス製造過程でウエハを熱ア
ニールすることにより、シリコン結晶中の特定の原子位置にＢ及びＯとＣｕ不純物からな
る不純物複合体を形成させることにより、Ｃｕ不純物の影響を受けないシリコン半導体デ
バイスを作製する方法を基本とする。
【００１６】
このように、不純物複合体を形成することによる化学結合エネルギーを利用して、Ｃｕ不
純物を不純物複合体に閉じこめ、しかも、Ｃｕ不純物による深い不純物準位を電気的に不
活性化することができる。したがって、Ｃｕ配線時に混入するＣｕ不純物の存在する場合
においてもバンドギャップ中に深い不純物準位の存在しないシリコン半導体デバイスを作
製することができる。
【００１７】
すなわち、本発明は、シリコン半導体デバイス製造プロセスにおいて銅配線時にシリコン
ウエハに混入し、シリコン結晶中において超高速拡散し、しかも、深い不純物準位を作る
Ｃｕ不純物のゲッタリング方法において、シリコン基板中に超高速拡散しかつ深い準位を
つくるＣｕ不純物を、酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）をデバイス領域から隔離した場所に同時
にドープした後、熱アニールすることにより、高速拡散のＣｕを取り込み、同時に強い化
学結合力を持つＢ−Ｏ−Ｃｕ複合体を形成することでＣｕ不純物をデバイス領域から取り
除く方法である。
【００１８】
そのためには、酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）は特定の配置の複合体を形成し、かつシリコン
結晶中の特定の格子位置を占めなければいけない。そのためには同時ドープした後に、酸
素の選択的拡散が重要となる。
【００１９】
本発明の方法において、同時ドープは、酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）の二種類の不純物をＣ
ｕ配線時に混入するＣｕ不純物濃度以上になるように、シリコンに同時ドープする。
【００２０】
また、本発明の方法において、同時ドープは、シリコンウエハに酸素イオン及び硼素イオ
ンを同時にイオン注入することにより、人為的に酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）の二種類の不
純物を同時ドープする。
【００２１】
シリコン結晶中において格子間位置を通って超高速拡散するＣｕ不純物はバンドギャップ
中に深い不純物準位を形成し、ｐ型及びｎ型シリコン結晶のアクセプターやドナーからの
キャリアーを捕獲して、デバイスとしての機能を著しく低下させる。
【００２２】
例えば、低抵抗ｎ型シリコン単結晶からなるウエハ（１Ωｃｍ）にＣｕが拡散した状態を
形成するためにＣｕをイオン注入により原子濃度で４×１０18ｃｍ-3ドープするとバンド
ギャップ中にＣｕドープによる深い不純物準位が形成され、高抵抗化（１０ＫΩｃｍ）す
る。また、Ｃｕの拡散係数を測定すると、図１に示すように、超高速で拡散することが明
らかである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の方法によれば、シリコン半導体製造プロセスにおいて、デバイス製造過程での簡
単な熱アニールにより、Ｃｕ不純物の電気的活性や超高速拡散を制御することができるの
で、シリコン半導体産業にとって高速化・省エネルギー化における大きな効果が期待され
る。また、このような製造プロセス技術の応用は、シリコン結晶を使った全てのデバイス
の高速化、高密度化、省エネルギー化に応用できるので、その適用範囲が極めて大きく、
将来のシリコンデバイス製造技術にとって産業上不可欠な基本技術要素の一つである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、シリコン半導体デバイス製造プロセスにおいて銅配線時にシリコンウエハに混
入したシリコン結晶中のＣｕ不純物のゲッタリング法において、酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ
）の二種類の不純物をシリコンに同時ドープした後、デバイス製造過程でウエハを熱アニ
ールすることを特徴とする。
【００２５】
まず、シリコンウエハに対して酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）をイオン注入により人為的に同
時ドープする。同時ドープした酸素及び硼素の濃度はＣｕ不純物濃度以上、例えば、原子
濃度で１０１５ｃｍ−３から１０１９ｃｍ−３程度とすればよい。
【００２６】
シリコン結晶のＳｉ置換位置に人為的に硼素（Ｂ）原子をドープすると、シリコン原子（
Ｓｉ）の原子半径と比べて硼素原子の原子半径が小さいため、長距離力の歪場が形成され
る。イオン注入法により人為的にドープした酸素はシリコンボンドの格子間位置に入る。
【００２７】
次に、ドープされたＢ及びＯの二種類の不純物を含むシリコン結晶を熱アニールする。熱
アニールは、例えば、電気加熱炉中にシリコンウエハを配置し、窒素ガスやアルゴンガス
雰囲気中で２５０℃以上、好ましくは３５０〜５００℃程度、１０分〜２時間程度加熱す
ることにより行う。熱アニールにより、シリコンボンドの格子間位置に入ったＯ原子はＳ
ｉ置換位置におけるＢ原子による長距離力の歪場のためにＯ原子はＢ原子の周辺に集まっ
てくる。
【００２８】
同時に、このＢＯ複合体の歪場によりＣｕ不純物原子をＯ原子に引きつけて、シリコン結
晶中の特定の原子位置にＣｕとＢとの不純物複合体を析出させる。このＢＯの複合体での
Ｃｕに対する結合エネルギーEbは1.04(eV)と、表１の単独のドーピング原子のものに比べ
て格段の改善となっている。その結果、Ｃｕの拡散定数は、図１に示すように劇的に減少
することがわかる。
【００２９】
計算の結果求められたこのＢＯとＣｕの複合体の構造は、図２の模式図で示されるように
なっている。Ｏは、格子位置のＢの最近接位置のボンド中心にあり、かつＣｕの方に少し
寄っている。Ｃｕは、それが単独の場合は四面体中心であるが、それより六面体中心に寄
っている。この原子配置が一番安定である。ここで、特定の原子位置とは、図２に示すよ
うに、シリコン結晶の格子間のｄＢ−Ｏ＝１．４７Å、ｄＣｕ−Ｏ＝２．０９Å、ｄＳｉ
−Ｏ＝１．７４Å、θＢ−Ｏ−Ｓｉ＝１４１．０°で示される位置であり、硼素（Ｂ）の
周辺で、しかも、酸素（Ｏ）と強く結合し、化合物を作る位置である。
【００３０】
酸素（Ｏ）及び硼素（Ｂ）の二種類の不純物とＣｕ不純物との複合体形成による化学結合
エネルギーにより不純物複合体にＣｕ不純物を閉じこめ、しかも、Ｃｕの３ｄ軌道とＢ原
子やＯ原子のｐ軌道との強い軌道混成により、結合状態（価電子帯中）と反結合状態（伝
導帯中）に分裂して深い不純物準位が消失し、電気的に不活性化することができる。
【００３１】
このような構造をつくるためには、基板作成で、相応の注意が必要である。ＢとＯのドー
ピング割合はほぼ同じでなくてはならない。また、それぞれが偏析しないよう気を配らな
くてはならない。したがって、同時にドーピングした後もＢとＯが結合するよう適当な条
件でのアニールが必要である。ただし、初めから酸化物ＢＯとしてドーピングすることは
好ましくない。上の方法が有効であるのは、Ｂが格子位置を占めることが前提で、酸化物
ＢＯとしてドーピングするとＢが格子位置に来ない。こうした要件を満たすためには、硼
素（Ｂ）、酸素（Ｏ）を同時ドープした後、酸素（Ｏ）の拡散を何らかの方法で増長させ
ることが望ましい。そのような選択的拡散は酸素（Ｏ）固有の振動を持つ赤外線を用いる
ことで実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、シリコン半導体製造プロセスにおいて、デバイス製造過程での簡単な処理によ
り、Ｃｕ不純物の深い不純物準位による電気的活性や超高速拡散を制御することができる
ので、シリコン半導体産業にとって高速化・省エネルギー化における大きな効果が期待さ
れ、シリコン半導体デバイスの高性能化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】Ｃｕ，Ｂ−Ｃｕ，ＢＯ−Ｃｕの拡散定数を示すグラフである。
【図２】ＢＯとＣｕの複合体の構造の模式図である。
【図１】
0004684574.tif 000003
【図２】
0004684574.tif 000004