(57)【要約】【課題】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不純物をシリコン結晶中から完全に無くしてシリコン半導体デバイスを作製することは困難であった。シリコン結晶中において高速拡散しかつ深い準位をつくるＣｕ不純物を効率の高いゲッタリングで取り除くことが求められている。【構成】酸素および硼素を同時にドープし、熱アニールをし、さらに同時に酸素の拡散を選択的に促すことで、特定の配置のＢＯ複合体を形成し、それにより高い効率のＣｕゲッタリングを実現する。これにより、Ｃｕ配線時に混入する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ことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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、シリコンに同時ドープした後、２５０℃以上５０
０℃以下で熱アニールすることにより、Ｃｕ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中の格子間位置に析出させて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。
【請求項２】
チョクラルスキー引き上げ法によるシリコン単結晶成長中にシリコン融液に、自然に酸素
（Ｏ）及び人為的に硼素（Ｂ）の二種類、又は人為的に酸素（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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
硼素（Ｂ）と酸素（Ｏ）を同時ドープした後、酸素の選択的拡散を促し、特定配置のＢＯ
複合体を形成することを特徴とする請求項２又は３記載のシリコン結晶中の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ェー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】
2005317853.tif 000003
【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Ｃ
ｕ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
に同時ドープした後、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
ーＯー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）は特定の複合体を形成し、かつ特定の格子位
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】
また、本発明は、チョクラルスキー引き上げ法によるシリコン単結晶成長中にシリコン
融液に、自然に酸素（Ｏ）及び人為的に硼素（Ｂ）の二種類、又は人為的に酸素（Ｏ）及
び硼素（Ｂ）の二種類の不純物を同時ドープすることを特徴とするシリコン結晶中の遷移
金属不純物のゲッタリング方法である。
【００２０】
また、本発明は、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こと
を特徴とするシリコン結晶中の遷移金属不純物のゲッタリング方法である。
【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ェーハ（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、熱アニールすることを特徴と
する。同時ドープは、ウェーハを作る前のチョクラルスキー引上げ法でシリコン結晶を作
るときにシリコン融液の中に酸素及び硼素を入れる方法を採用できる。
【００２５】
通常、酸素は空気中から自然に入るが、濃度をコントロールする必要があり、酸素（Ｏ
）及び硼素（Ｂ）を人為的に同時ドープして濃度を制御する。また、シリコウエハに対し
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ことができる。
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、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。チョクラルスキー結晶成長法によりシリコン結晶中に自然にドープされた酸素（Ｏ
）や人為的にドープした酸素あるいは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
Ｓｉ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、格子間位置であり、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】
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【図２】
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