(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを反応容器に流通させることにより前記反応容器内に配置されたシリコン基板の表面にエピタキシャル層を成膜するエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記エピタキシャル層がシリコンエピタキシャル層であり、
前記原料ガスの流通の初期に窒素含有ガスを流すことにより前記エピタキシャル層の表面から１μｍ以上内部かつシリコン基板と前記エピタキシャル層の界面までの領域に窒素を含有させ、
前記窒素が含有された領域の窒素濃度を１×１０13〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすること
を特徴とする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、シリコン基板とそのシリコン基板の表面に成膜されたエピタキシャル層とを備えるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＺ（チョクラルスキー）法で引上成長されたシリコン単結晶を加工して作製されたシリコン基板は、酸素不純物を多く含んでおり、この酸素不純物は転位や欠陥等を生じさせる酸素析出物(BMD:Bulk Micro Defect)となる。この酸素析出物がデバイスが形成される表面にある場合、リーク電流増大や酸化膜耐圧低下等の原因になって半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。
このため、従来、シリコン基板表面に対し、１２５０℃以上の高温で短時間の急速加熱・急冷の熱処理（ＲＴＡ）を所定の雰囲気ガス中で施し、内部に過剰空孔(Vacancy)を埋設するとともに、この後の熱処理で表面において空孔を外方拡散させることによりＤＺ(Denuded Zone)層（無欠陥層）を均一に形成する方法が用いられている。そして、上記ＤＺ層形成後に、上記温度より低温で熱処理を施すことで、内部の欠陥層として酸素析出核を形成・安定化してゲッタリング効果を有するＢＭＤ層を形成する工程が採用されている。
【０００３】
一方、近年では、シリコン基板の表面にシリコン単結晶のエピタキシャル層をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェーハが知られている。このエピタキシャルウェーハでは、エピタキシャル成長前に水素雰囲気中の熱処理により表面の酸化膜を除去する高温処理を行うと共にエピタキシャルプロセス中も通常は水素雰囲気であるため、空孔欠陥を消滅させる格子間シリコンの注入が生じ、酸素析出核がシリコン基板表面から消滅し、ＢＭＤが形成され難い傾向があった。
この点を解消するために、シリコン基板の表面にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェーハを窒化ガスを含む雰囲気ガス中で熱処理すること（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。この方法では、エピタキシャルウェーハを雰囲気ガス中で熱処理する工程において、雰囲気ガスが窒化ガスを含むので、エピタキシャル成長時の熱処理で酸素析出核がシリコン基板表面から消滅していても、エピタキシャル成長後のエピタキシャル層表面から内部に空孔が注入されて、表面近傍にゲッタリング効果を生じさせるに十分な酸素析出核を得ることが可能になるとしている。
【特許文献１】特開２００３−７７９２４号公報（明細書［０００９］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、エピタキシャルウェーハは、シリコン基板の表面にシリコン単結晶からなるエピタキシャル層が既に形成されているため、そのエピタキシャルウェーハを更に熱処理することは作業工数を増加させる不具合があった。
また、そのエピタキシャルウェーハに窒化ガスを含む雰囲気ガス中で熱処理して、析出を助長する空孔をエピタキシャル層の内部に深く侵入させても、その表面から離れたところにゲッタリング効果を有する酸素析出核を生じさせることは困難であった。
本発明の目的は、作業工数を増加させることなく、エピタキシャル層の表面から離れた内部にゲッタリング効果を生じさせ得るエピタキシャル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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、図２に示すように、原料ガスを反応容器２０に流通させることにより反応容器２０内に配置されたシリコン基板１２の表面にエピタキシャル層１３を成膜するエピタキシャルウェーハの製造方法の改良である。
その特徴ある点は、エピタキシャル層１３がシリコンエピタキシャル層１３であり、原料ガスの流通の初期に窒素含有ガスを流すことによりエピタキシャル層１３の表面から１μｍ以上内部かつシリコン基板１２とシリコンエピタキシャル層１３の界面までの領域に窒素を含有させ、窒素が含有された領域の窒素濃度を１×１０13〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることを特徴とする。
従来のエピタキシャル成長は、キャリアガスとして水素を用いて、基板上にシリコンを成長するためシリコン系ガスを反応室内に導入しており、その他のエピタキシャル成長中に反応室に導入されるものは、比抵抗をコントロールするためのドーパントのみであった。しかし、この請求項１に記載されたエピタキシャルウェーハの製造方法では、原料ガスの流通の一時期に窒素含有ガスを流すことによりエピタキシャル層１３の厚さ方向の一部に窒素を含有させるので、窒素の導入量及びその時期をコントロールしながらエピタキシャル層１３の成長中にそのエピタキシャル層１３の厚さ方向の任意の一部の領域に窒素を導入させることができる。この結果、シリコン基板１２に窒素をドープするより、後工程でかつ比較的手軽に、精度良く、部分的にゲッタリング効果を有する領域をエピタキシャル層１３に導入することができる。
そして、原料ガスの流通の初期に窒素含有ガスを流すことにより、シリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面近傍のエピタキシャル層１３に窒素を導入させることができ、作業工数を増加させることなく、エピタキシャル層１３の表面から離れた内部、即ち表面から１μｍ以上内部かつシリコン基板１２とシリコンエピタキシャル層１３の界面までの領域にゲッタリング効果を生じさせることができる。この領域に窒素を含有させることで、シリコン基板１２からの酸素拡散が期待でき、エピタキシャル層１３とシリコン基板１２との間における欠陥誘発も促進され、エピタキシャル層１３の表面から離れた内部にゲッタリング効果を生じさせることができる。
また、窒素濃度を上記範囲とすることにより、窒素が含有されたエピタキシャル層１３の上記領域に金属不純物表面清浄度が高いゲッタリング効果を有する領域を形成することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法では、原料ガスの流通の一時期に窒素含有ガスを流すことによりエピタキシャル層の厚さ方向の一部に窒素を含有させるので、窒素の導入量及びその時期をコントロールしながらエピタキシャル層の成長中にそのエピタキシャル層の全部の領域又は厚さ方向の任意の一部の領域に窒素を導入させることができる。この結果、シリコン基板に窒素をドープするより、後工程でかつ比較的手軽に、精度良く、部分的にゲッタリング効果を有する層をエピタキシャル層に導入することができる。そして、原料ガスの流通の一時期を流通時の初期とすることにより、シリコン基板とエピタキシャル層の界面近傍のエピタキシャル層に窒素を比較的容易に導入させることができ、作業工数を増加させることなく、エピタキシャル層の表面から離れた内部にゲッタリング効果を生じさせることができる。また、エピタキシャル層に含有された窒素濃度を１×１０13〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることにより、窒素が含有されたエピタキシャル層の上記領域に金属不純物表面清浄度が高いゲッタリング効果を有する層を形成することができる。 また、窒素を含有させる領域を上記領域とすることにより、熱処理条件にもよるがシリコン基板からの酸素拡散が期待でき、エピタキシャル層とシリコン基板との間における欠陥誘発も促進され、エピタキシャル層の表面から離れた内部にゲッタリング効果を生じさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明により製造されるエピタキシャルウェーハ１１は、シリコン基板１２とそのシリコン基板１２の表面に成膜されたエピタキシャル層１３とを備える。そして、このエピタキシャルウェーハ１１は、図２に示すような反応容器２０に、原料ガスを流通させる、反応容器２０内に配置されたシリコン基板１２の表面にエピタキシャル層１３を成膜することにより作られる。
【０００８】
図２は、枚葉式のエピタキシャルウェーハの製造装置を示す。この装置における反応容器２０は上部ドーム２１と下部ドーム２２により構成され、この反応容器２０の内部にはエピタキシャル成長用の単一のシリコン基板１２を支持する支持部材２４が設けられる。この反応容器２０には上部ドーム２１の内部に連通するガス供給口２６及びガス排出口２７が配設される。このガス供給口２６には原料ガスやドープガスを供給するガス導入管２８の一端が接続され、ガス排出口２７にはガス排出管２５が接続される。ガス導入管２８やガス排出口２７はハステロイのような耐塩酸合金から構成される。
【０００９】
この装置では、図示しないが、ドーム２１及び２２の外側に設けられた熱源によりシリコン基板１２を加熱しながら、ガス導入管２８及びガス供給口２６を通して反応容器２０内に原料ガスをキャリアガスとともに導入する。ここで、原料ガスとしてはＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＨ4又はＳｉＣｌ4等が挙げられ、キャリアガスとしてはＨ2が主に用いられる。導入された原料ガス等は上部ドーム２１とシリコン基板１２の間の空間を流れ、シリコン基板１２の表面にシリコン単結晶薄膜からなるエピタキシャル層１３(図１)を形成した後、ガス排出口２７を通ってガス排出管２５より排出される。
【００１０】
そして、本発明の製造方法における特徴ある点は、ガス導入管２８及びガス供給口２６を通して反応容器２０に原料ガスをキャリアガスとともに導入してそれらを反応容器２０に流通させる初期に窒素含有ガスを流すところにある。エピタキシャル層１３を形成する際に、窒素含有ガスを反応容器２０内に流すと、エピタキシャル層１３の全部又は厚さ方向の一部に窒素が含有される。即ち、原料ガスを反応容器２０に流通させる全期間にわたってにその原料ガスとともに窒素含有ガスを流すと、図４に示すように、エピタキシャル層１３の全部の領域に窒素が含有され、原料ガスを反応容器２０に流通させる一時期に窒素含有ガスを流すと、図１及び図３に示すように、エピタキシャル層１３の厚さ方向の一部の領域に窒素が含有される。ここで、窒素含有ガスとしては、ボンベにてキャリアガス（Ｈ2）にて希釈された窒素ガス(Ｎ2)が用いられる。
【００１１】
このように、エピタキシャル層１３の全部の領域又は厚さ方向の表面を除く一部の領域に窒素が含有されたことを特徴とするエピタキシャルウェーハ１１では、エピタキシャル層１３に故意に窒素を含有させられることから、それにより微少欠陥が誘発させ、窒素が含有されたエピタキシャル層１３の全部の領域又は厚さ方向の表面を除く一部の領域にゲッタリング効果を有する領域を形成することができる。
【００１２】
ここで、図１は、原料ガスの流通の一時期が流通時の初期であって、エピタキシャル層１３の厚さ方向の一部の領域がシリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面近傍であるエピタキシャルウェーハ１１を示す。この場合には、エピタキシャル後の熱処理条件にもよるが、エピタキシャル層１３の厚さ方向の一部の領域が、エピタキシャル層１３の表面から１μｍ以上内部かつシリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面までの領域である。具体的に、エピタキシャル層１３の厚さ方向の一部の領域は、シリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面から０〜２０μｍの厚さの領域であることが好ましい。
【００１３】
一方、一般的なエピタキシャルウェーハ１１におけるエピタキシャル層１３の標準的な厚さは薄ものにおいては１〜１０μｍであり、厚ものにおいては１００〜１５０μｍである。このことから、エピタキシャル層１３の表面から１μｍ以上内部かつシリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面までの領域、又はシリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面からエピタキシャル層１３の０〜２０μｍの厚さの領域に窒素を入れることは、原料ガスを流通させる全期間の初期における９〜１割の間に窒素含有ガスを流すことを意味する。このようにしてエピタキシャル層１３とシリコン基板１２の界面から０〜２０μｍの厚さの領域に窒素を入れると、シリコン基板１２からの酸素拡散が期待でき、エピタキシャル層１３とシリコン基板１２との間における欠陥誘発も促進されると考えられる。即ち、シリコン基板１２とエピタキシャル層１３との間の界面に窒素を導入した場合、シリコン基板１２の酸素拡散によるインタースティシャル酸素窒素にて、容易に析出するものと考えられる。この結果、作業工数を増加させることなく、エピタキシャル層１３の表面から離れた内部にゲッタリング効果を生じさせることができ、シリコン基板１２に窒素をドープしたものと同様なゲッタリング効果が得られる。
【００１４】
また、エピタキシャル層１３の窒素が含有された領域における窒素濃度は１×１０13〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、１×１０15〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましい。窒素濃度がこの範囲であれば、窒素が含有されたエピタキシャル層１３の全部の領域又は厚さ方向の表面を除く一部の領域にゲッタリング効果の高い層が形成され、その層により金属不純物表面清浄度が高いエピタキシャルウェーハ１１となり得る。窒素濃度が１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満であるとゲッタリング効果が減少し、窒素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を越えても著しいゲッタリング効果の向上を期待できない。
【００１５】
また、エピタキシャル層１３を育成している間に反応容器２０に流す窒素量は、マスフローメータにてコントロールできる範囲、即ち、０．０００１リットル／分〜１リットル／分であることが好ましく、更に希釈する配管設備等を所有して薄くて安定な窒素ガス量を作り出すことが好ましい。窒素量を制御することにより、エピタキシャル層１３における窒素が含有された領域の窒素濃度を上記範囲内にすることができる。反応容器２０に流す窒素量がキャリアガスと同程度の量になるとエピタキシャル層１３に必要な濃度を越え、窒化膜形成が起こり正常なエピタキシャル層１３が形成できなくなる。
【００１６】
このため、本発明におけるエピタキシャルウェーハの製造方法では、窒素の導入量及びその時期をコントロールしながらエピタキシャル層１３の成長中にそのエピタキシャル層１３の厚さ方向の任意の一部の領域に窒素を導入させる。この結果、シリコン基板１２に窒素をドープするより、後工程でかつ比較的手軽に、精度良く、部分的にゲッタリング効果を有する領域をエピタキシャル層１３に形成でき、安定したデバイスを作成することができる。
【００１７】
一方、図３は窒素がエピタキシャル層１３の中間に導入されている例を示す。このエピタキシャルウェーハ１１は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に用いられる場合に好ましいが、その他の用途においてもゲッターを強くする効果がある。ＩＧＢＴを形成する場合には図２におけるドーム２１及び２２の外側に設けられた熱源によりシリコン基板１２を加熱しながら、ガス導入管２８及びガス供給口２６を通して反応容器２０内に原料ガスとともに比抵抗をコントロールするためのドーパントガスをＨ2のキャリアガスとともに導入することになる。ドーパントガスとしてはＰＨ3が挙げられ、窒素含有ガスはドーパントガスの切り換え時の一定時期(図３ではｎ+とｎ-の間)に導入することが好ましい。このようなＩＧＢＴ品種においては、欠陥を誘発させなくともエピタキシャル層１３に窒素を含有させることにより、従来金拡散、電子線、中性子照射等で、確保していたライフタイムキラーの代替えとして用いることができる。
【００１８】
また、図４は、エピタキシャル層１３の全部の領域に窒素を含有させた場合を示す。このようにエピタキシャル層１３の全部の領域に窒素を含有させたエピタキシャルウェーハ１１であっても、エピタキシャル層１３にゲッタリング効果が生じて金属不純物表面清浄度が高いエピタキシャルウェーハ１１が得られる。一方、エピタキシャル層１３を形成させる温度や窒素の導入量にもよるが、エピタキシャル層１３の表面近傍に窒素を導入すると、その表面が荒れることになる。このため、原料ガスの流通時の全期間にわたって窒素含有ガスを流してシリコン基板１２の表面にエピタキシャル層１３を成膜した場合には、その後、エピタキシャル層１３表面を鏡面研磨することが好ましい。これにより窒素含有ガスによるエピタキシャル層１３表面の荒れを無くすことができる。
【実施例】
【００１９】
次の本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜参考例１＞
図２に示す反応容器２０を準備し、この反応容器２０の内部にエピタキシャル成長用のシリコン基板１２を支持させ、これを加熱しながら、ガス導入管２８及びガス供給口２６を通して反応容器２０内に原料ガスであるＳｉＨＣｌ3とドープガスであるＰＨ3をＨ2からなるキャリアガスとともに導入した。そしてそれらを反応容器２０に流通させる全期間に、希釈機構にて薄めた窒素含有ガスを流してエピタキシャルウェーハ１１を得た。エピタキシャル成長用のシリコン基板１２は７枚準備し、それらシリコン基板１２において窒素の導入量をそれぞれ変化させた。即ち、その窒素の導入量を５ミリリットル／分程度ずつ振って徐々に増加させるように変化させ、窒素の導入量のみが異なる７種類のエピタキシャルウェーハ１１を得た。そして、それぞれのウェーハ１１におけるエピタキシャル層１３中に取込まれた窒素をＳＩＭＳ、ラスターチェンジ法により測定した。この結果を図５に示す。
【００２０】
＜参考例２＞
エピタキシャル層１３に取込まれた窒素の量が異なる５枚のエピタキシャルウェーハ１１を準備した。それらのウェーハ１１を一定量の金属不純物で汚染させた場合の析出量をＩＣＰ−ＭＳにより測定した。このエピタキシャル層１３に取込まれた窒素の量と金属不純物の析出量との関係を図６に示す。
【００２１】
＜評価１＞
図６に示すように、エピタキシャル層１３中に窒素を含有させると金属不純物の析出量が増加する傾向にある。これは、エピタキシャル層１３に窒素が含有されたことにより微少欠陥が誘発させられたことに起因するものと考えられる。従って、エピタキシャル層１３中に窒素を含有させたエピタキシャルウェーハ１１では、窒素が含有されたエピタキシャル層１３の全部の領域又は厚さ方向の表面を除く一部の領域にゲッタリング効果を生じさせることができることが判る。
一方、図５から明らかなように、エピタキシャル層１３中の窒素は原料ガスに含ませる窒素の量により変化することが判る。従って、窒素の導入量及びその時期をコントロールしながらエピタキシャル層１３の成長中にそのエピタキシャル層１３の全部の領域又は厚さ方向の任意の一部の領域に窒素を導入させることができることが判る。そして、窒素の導入量及びその時期をコントロールする本願発明の製造方法では、シリコン基板１２に窒素をドープするより、比較的手軽に、精度良く、部分的にゲッタリング効果を有する領域をエピタキシャル層１３に導入できることが判る。
そして、図６の結果から、エピタキシャル層１３の窒素が含有された領域における窒素濃度は、ゲッタリング効果を生じさせるために１×１０13〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましいことが判る。
【００２２】
＜実施例１＞
図２に示す反応容器２０を準備し、この反応容器２０の内部に直径が２０ｃｍであって厚さが０．７２５ｍｍのエピタキシャル成長用のシリコン基板１２を支持させ、これを加熱しながら、ガス導入管２８及びガス供給口２６を通して反応容器２０内にＳｉＨ2Ｃｌ2又はＳｉＨＣｌ3のような原料ガスをＨ2のキャリアガスとともに導入した。そして、原料ガスを反応容器２０に流通させる初期に窒素含有ガスを流してエピタキシャルウェーハ１１を得た。
得られたエピタキシャルウェーハ１１の中央及び外周から１０ｃｍ内側に入った部分における任意の一点の窒素濃度を二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。それにより得られた、エピタキシャルウェーハ１１の中央における窒素濃度を図７に、エピタキシャルウェーハ１１の外周から１０ｃｍ内側に入った部分における任意の一点の窒素濃度を図８にそれぞれ示す。
【００２３】
＜評価２＞
図７及び図８から明らかなように、シリコン基板１２とエピタキシャル層１３の界面近傍のエピタキシャル層１３の厚さ方向の一部の領域に窒素が含有されていることが判る。これは原料ガスを反応容器２０に流通させる初期に窒素含有ガスを流したことに起因するものと考えられる。そして、エピタキシャルウェーハ１１の中央及び周囲における任意の一点の窒素濃度はいずれも同等な値を示していることが判る。これにより、シリコン基板１２とエピタキシャル層１３との間の界面に窒素を導入したエピタキシャルウェーハ１１を本発明の方法により得られることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明実施形態のエピタキシャルウェーハの断面図である。
【図２】そのウェーハを作製するための反応容器の構成図である。
【図３】別のエピタキシャルウェーハの断面図である。
【図４】更に別のエピタキシャルウェーハの断面図である。
【図５】窒素の導入量と取込まれる窒素との関係を示す図である。
【図６】取込まれた窒素の量と金属汚染の析出量との関係を示す図である。
【図７】エピタキシャルウェーハ中央における厚さ方向の窒素濃度を示す図である。
【図８】エピタキシャルウェーハ周囲における厚さ方向の窒素濃度を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  エピタキシャルウェーハ
１２  シリコン基板
１３  エピタキシャル層
２０  反応容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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