(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体シリコン単結晶ウェーハに表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層を形成するとともに前記重金属存在層をゲッタリング層とし、前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル層をさらに成長させた半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハであって、前記重金属元素のシリコン中の拡散係数が１０００℃において１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下であることを特徴とする半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ。
【請求項２】
前記重金属元素が、タングステン、モリブデン及びタンタルからなる群から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ。
【請求項３】
半導体シリコン単結晶ウェーハに表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層を形成する工程を有し、前記重金属存在層をゲッタリング層とするとともに前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル層をさらに成長させた半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法であって、前記重金属元素のシリコン中の拡散係数が１０００℃において１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下であることを特徴とする半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法。
【請求項４】
前記重金属元素が、タングステン、モリブデン及びタンタルからなる群から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイス動作に悪影響を及ぼす重金属不純物を除去する技術であるゲッタリング方法に関し、高いゲッタリング能力を持った半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ及びその作製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路等の半導体デバイスの高密度化、高集積化に伴い、デバイス動作の安定化が頓に望まれてきている。特にリーク電流や酸化膜耐圧等の特性値改善は重要な課題である。
【０００３】
しかるに、半導体集積回路の製造工程において、望まれざる重金属、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉといった不純物に汚染される可能性が現在においても否定できていない。これらの重金属不純物はシリコン単結晶中に固溶した状態で、前述のリーク電流や酸化膜耐圧特性を著しく劣化させることが広く知られている。
【０００４】
そのため、これら重金属不純物をデバイス動作領域外へ取り除く方法として、種々のゲッタリング技術が開発されてきている。例えばＣＺ法で製造されたシリコン単結晶中に含まれる酸素原子を析出させ、その析出物周囲の歪みに重金属を捕獲するＩＧ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）法や、何らかの元素をデバイス層近傍にイオンインプランテーション（Ｉｏｎ−Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）し、故意に発生させた歪みや欠陥層にゲッタリングする方法、シリコン単結晶ウェーハの裏面に多結晶シリコン膜を形成し、その多結晶粒界の歪みに不純物を捕獲する方法（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ  Ｂａｃｋ  Ｓｅａｌ，  ＰＢＳ）、などがある。
【０００５】
ところが、最近のデバイス作製工程は低温短時間化が進み、望まれざる重金属不純物の捕獲位置をシリコン単結晶ウェーハの深さ方向のどこに設置するかは、ゲッタリング能力、ひいてはデバイスの性能を著しく左右する。低温短時間工程では長距離の拡散が期待できないことは明らかであり、裏面にゲッタリング層を設置するＰＢＳ、バックサイドダメージなどの手法がデバイス直下にゲッタリング層を存在させることのできるＩＧ法や高濃度ボロン基板を用いる方法に比べ不利であることは衆目の認めるところである。そこでイオンインプランテーション法のように表層近傍、つまりデバイス層直下にゲッタリング層を設置できる方法が脚光を浴びるようになった。
【０００６】
通常、イオンインプランテーション法で使用されるイオン種はデバイスに害を及ぼす可能性が低いとおぼしき軽元素が一般的に広く使われている。例えば炭素、酸素、窒素、アルゴンなどである。しかしこれらの軽元素イオンインプランテーション層のゲッタリング機構は二次的に格子欠陥を発生させ、その欠陥や周囲の歪みをゲッタリングサイトに用いるものでいわゆる緩和型のゲッタリング機構となる。
【０００７】
ここでゲッタリング機構の分類について、簡単に説明する。緩和型とは過飽和に固溶した除去対象重金属がゲッタリングサイトにおいて高速に固溶度まで析出する現象を利用したもので、ゲッタリングが実際に進行する温度における固溶度までが除去限界の濃度であり、それ以下の濃度まで低減させることは原理的に不可能である。
【０００８】
この緩和型に対比されるゲッタリング機構に偏析型がある。これは除去対象の層、つまりデバイス層に対して目的不純物の固溶度が高い層をゲッタリング層として設置し、そのゲッタリング層の目的不純物を高い割合で分布させる機構である。この機構であれば、固溶度に支配されることはなく、汚染濃度に対して一定の比率でゲッタリング層に目的不純物をより多く分布させることができ、最近のデバイス作製工程の現状である軽微に汚染された目的不純物を場合によっては固溶度以下にまで低減させることが可能である（特許文献１）。
【０００９】
上記軽元素のイオンインプランテーション法で作製したゲッタリング層では、この偏析型の効果がほとんど見られないため、半導体デバイス作製技術の進歩からさらなる不純物濃度低減を目指した時には使用できない可能性を生ずる。
【特許文献１】特開２００２−３１３７９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、デバイス動作に悪影響を及ぼす重金属不純物を除去する技術であるゲッタリング方法を改良し、高いゲッタリング能力を持った半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ及びその作製法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の技術思想の特徴は、半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハにおいて、ゲッタリング層に重金属層を用いることによってゲッタリング能力を向上させる点にある。ここで、重金属とは比重４以上の金属のことである。
【００１２】
本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハは、半導体シリコン単結晶ウェーハに表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層を形成するとともに前記重金属存在層をゲッタリング層とし、前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル層をさらに成長させた半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハであって、前記重金属元素のシリコン中の拡散係数が１０００℃において１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法は、半導体シリコン単結晶ウェーハに表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層を形成する工程を有し、前記重金属存在層をゲッタリング層とするとともに前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル層をさらに成長させた半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法であって、前記重金属元素のシリコン中の拡散係数が１０００℃において１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００１４】
前記重金属存在層の厚さは１０ｎｍ以上が好適である。前記重金属元素としては、その融点が１０００℃以上であるものが好ましい。また前記重金属元素は、シリコン中の拡散係数が１０００℃において、１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下、好ましくは１０−９ｃｍ２／ｓｅｃ以下であるものが好適に用いられる。また、前記重金属元素としては、タングステン、モリブデン及びタンタルからなる群から選ばれる１種又は２種以上の重金属元素を用いることができる。前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ表面にエピタキシャル層をさらに成長させた構成とするのが好ましい。
【００１５】
重金属層は除去対象となる他の重金属に対する固溶度がシリコンに比べて高いものが多く、偏析型機構が働くことが期待される。また軽元素と同様あるいはそれ以上に二次欠陥を発生すれば従来の緩和型機構も合わせ持つことが期待され、より一層効果的である。イオンインプランテーション法を用いると、通常その重金属がシリコン中で存在しうる平衡濃度、すなわち固溶度以上に不純物を導入でき、かつその不純物層の設置位置を任意に決定できる。  
【００１６】
こうして導入された高濃度重金属層はその後のデバイス作製用の熱処理において拡散し表層のデバイス層に入る可能性も示唆されるが、その点、本発明で提案するイオンインプランテーション法で導入された高濃度重金属層は熱処理で母相シリコンと反応し、シリサイドに構造を変える。シリサイドは通常、高温熱処理においても拡散せず、その位置に留まる。従って表層のデバイス層に悪影響を及ぼすこともない。さらに打ち込む元素として１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下、好ましくは１０−９ｃｍ２／ｓｅｃ以下のシリコン中の拡散係数を持つ重金属種を用いることにより、打ち込んだ重金属種が表層デバイス層に入り込む可能性がより一層低下する。
【００１７】
このようにして形成された重金属シリサイド層は他の金属種に対する固溶度がシリコンよりも高く、偏析型としてゲッタリングが進行するため、軽元素のイオンインプランテーションにより形成されたゲッタリング層よりも高能力のゲッタリング層を形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハによれば、低温短時間化するデバイス工程において特に有効なゲッタリング能力を発揮することが可能となる。また、本発明方法によれば、本発明の高いゲッタリング能力を有する半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハを有効に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの一つの実施の形態を示す断面的説明図である。
【００２０】
図１において、１０は本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハである。該半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ１０は、半導体シリコン単結晶ウェーハ１２に表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層１４を形成し、前記重金属存在層１４をゲッタリング層としたものである。
【００２１】
本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの作製法は、半導体シリコン単結晶ウェーハに表面あるいは裏面から重金属元素をイオンインプランテーションして重金属存在層を形成する工程を有し、前記形成された重金属存在層が半導体デバイス作製後も深さ位置を変えず存在し、前記重金属存在層をゲッタリング層としたものである。
【００２２】
前記重金属存在層１４の厚さは１０ｎｍ以上が好適である。前記重金属元素としては、その融点が１０００℃以上であって、シリコン中の拡散係数が１０００℃において、１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下、好ましくは１０−９ｃｍ２／ｓｅｃ以下であるものが好適に用いられる。打ち込む重金属元素として１０−７ｃｍ２／ｓｅｃ以下、好ましくは１０−９ｃｍ２／ｓｅｃ以下のシリコン中の拡散係数を持つ重金属種を用いることにより、打ち込んだ重金属種が表層デバイス層に入り込む可能性がより一層低下するという利点がある。また、前記重金属元素としては、タングステン、モリブデン及びタンタルからなる群から選ばれる１種又は２種以上の重金属元素を用いることができる。前記重金属存在層１４をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハ１２の表面にエピタキシャル層をさらに成長させた構成の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ１０を作製することもできる。
【００２３】
なお、上記した各重金属元素のシリコン中の拡散係数は次の通りである。
タングステン：１．８×１０−１４ｃｍ２／ｓｅｃ
モリブデン：２．４×１０−１０ｃｍ２／ｓｅｃ
タンタル：１×１０−１２〜１×１０−１３ｃｍ２／ｓｅｃ。
【００２４】
また、上記各重金属元素の融点は次の通りである。
タングステン：３４００℃
モリブデン：２６２０℃
タンタル：３０２７℃。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明について実施例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことはいうまでもない。
【００２６】
（実施例１）
ＣＺ法により、直径６インチ、初期酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、方位＜１００＞、ｐ型のシリコン単結晶の結晶棒を引き上げた。この結晶棒を加工してシリコン単結晶ウェーハとし、その表面からイオンインプランテーションでタングステンを打ち込んだ。その打ち込み条件は１５０ｋｅＶの加速エネルギー、１０１５ｃｍ−２のドーズ量である。この工程で表面から約８０ｎｍの深さ位置に１０２０ｃｍ−３の濃度のピークを持つタングステン層が形成できる。このシリコン単結晶ウェーハに１０Ωｃｍ、１０μｍ、ｐ型のエピ層を堆積し、試料シリコン単結晶ウェーハとした。
【００２７】
この試料シリコン単結晶ウェーハの表面にＦｅを１×１０１２ｃｍ−２の濃度で塗布し、１０００℃、１時間のＦｅ拡散工程を行い、直後に６００℃、２０分のＦｅ捕獲熱処理を施した後、試料シリコン単結晶ウェーハの表面近傍Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法で測定したところ、１０１０ｃｍ−３のＤＬＴＳの検出下限値以下となった。これは故意汚染されたＦｅが高濃度タングステン層に速やかに移行したからであり、表層近傍にはほとんどＦｅが残留しなかったことを示す。
【００２８】
（実施例２）
タングステンに替えてモリブデンを用いた以外は実施例１と同様にして試料シリコン単結晶ウェーハを得た。この試料シリコン単結晶ウェーハの表面近傍Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ法で測定したところ、１０１０ｃｍ−３のＤＬＴＳの検出下限値以下となった。これは故意汚染されたＦｅが高濃度モリブデン層に速やかに移行したからであり、表層近傍にはほとんどＦｅが残留しなかったことを示す
【００２９】
（実施例３）
タングステンに替えてタンタルを用いた以外は実施例１と同様にして試料シリコン単結晶ウェーハを得た。この試料シリコン単結晶ウェーハの表面近傍Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ法で測定したところ、１０１０ｃｍ−３のＤＬＴＳの検出下限値以下となった。これは故意汚染されたＦｅが高濃度タンタル層に速やかに移行したからであり、表層近傍にはほとんどＦｅが残留しなかったことを示す
【００３０】
（比較例１）
ＣＺ法により、直径６インチ、初期酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、方位＜１００＞、ｐ型のシリコン単結晶の結晶棒を引き上げた。この結晶棒を加工してシリコン単結晶ウェーハとした。
【００３１】
このシリコン単結晶ウェーハに１０Ωｃｍ、１０μｍ、ｐ型のエピ層を堆積し、試料シリコン単結晶ウェーハとした。実施例１と同様に、試料シリコン単結晶ウェーハの表面にＦｅを１×１０１２ｃｍ−２の濃度で塗布し、１０００℃、１時間のＦｅ拡散工程を行い、直後に６００℃、２０分のＦｅ捕獲熱処理を施した後、試料シリコン単結晶ウェーハの表面近傍Ｆｅ濃度をＤＬＴＳ法で測定したところ、１×１０１３ｃｍ−３の濃度のＦｅがＤＬＴＳで検出された。これはシリコン単結晶ウェーハ中に特定のゲッタリング層が存在していないため、故意汚染されたＦｅがシリコン単結晶ウェーハの深さ方向に均一に分布した結果、表層近傍濃度としてＦｅが高濃度に検出されたことを示す。
【００３２】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３３】
例えば、上記実施例では、重金属元素としてタングステン、モリブデン及びタンタルを用いてイオンインプランテーションしているが、その他の重金属元素としてシリコン中で拡散の遅い高融点重金属種を用いることもできる。またイオンインプランテーションに用いた条件を適当に変えても、同様の能力を持つゲッタリング層が形成できれば本発明の範囲中に含まれる。さらに、前記重金属存在層をゲッタリング層として形成した半導体シリコン単結晶ウェーハの表面にエピタキシャル層をさらに成長させた構成の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハを作製することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハの一つの実施の形態を示す断面的説明図である。
【００３５】
１０：本発明の半導体デバイス用シリコン単結晶ウェーハ、１２：半導体シリコン単結晶ウェーハ、１４：重金属存在層。
【図１】
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