(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボロン濃度が１×１０１９ａｔｍｓ／ｃｍ３以上であるシリコン単結晶ウェーハの表面に、ボロン濃度が５×１０１６ａｔｍｓ／ｃｍ３以下であるエピタキシャルシリコン層が形成されたエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハにおいて、
前記シリコン単結晶ウェーハの表面近傍にゲルマニウムがドープされていることを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハ。
【請求項２】
請求項１記載のシリコン単結晶ウェーハの表面近傍にドープされたゲルマニウムは表面から２０ｎｍ以内の深さに亘ってドープしていることを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のシリコン単結晶ウェーハの表面近傍にドープされたゲルマニウム濃度が、１×１０２０ａｔｍｓ／ｃｍ３以上５×１０２０ａｔｍｓ／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単結晶ウェーハ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３記載のエピタキシャル層の膜厚は２μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハ。
【請求項５】
ボロン濃度が１×１０１９ａｔｍｓ／ｃｍ３以上であるシリコン単結晶ウェーハの表面に、ボロン濃度が５×１０１６ａｔｍｓ／ｃｍ３以下である第１エピタキシャルシリコン層を形成するエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法において、
前記シリコン単結晶ウェーハの表面に、ゲルマニウムを含む第２エピタキシャルシリコン層を形成する工程と、
前記ゲルマニウムを含む第２エピタキシャルシリコン層のゲルマニウムを前記シリコン単結晶ウェーハの表面近傍に拡散させる工程と、
前記第２エピタキシャルシリコン層の表面に前記第１エピタキシャルシリコン層を形成する工程とを有することを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【請求項６】
ボロン濃度が１×１０１９ａｔｍｓ／ｃｍ３以上であるシリコン単結晶ウェーハの表面に、ボロン濃度が５×１０１６ａｔｍｓ／ｃｍ３以下である第１エピタキシャルシリコン層を形成するエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法において、
前記シリコン単結晶ウェーハの表面に、ボロンがドープされた、ゲルマニウムを含む第２エピタキシャルシリコン層を形成する工程と、
前記第２エピタキシャルシリコン層の表面に、ゲルマニウムを含む第３エピタキシャルシリコン層を形成する工程と、
前記第３エピタキシャルシリコン層の表面に前記第１エピタキシャルシリコン層を形成する工程とを有することを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【請求項７】
請求項５記載のエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法は、前記シリコン単結晶ウェーハを同一エピタキシャル成長装置内で熱処理を続けて行い、拡散によりゲルマニウムを表面から２０ｎｍ以内に分布させることを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし７記載のエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法は、常圧下で前記第１エピタキシャルシリコン層の化学気相エピタキシャル成長を行うことを特徴とするエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エピタキシャル層とその基板の格子定数が著しく異なる場合、その界面に発生するミスフィット転位を抑制したエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーＭＯＳＦＥＴはプレーナ構造からゲートを基板に埋め込んだＵ溝構造となり、さらに微細化による低オン抵抗化が進められている。パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗はチャネル抵抗値とエピタキシャル層の抵抗値と基板の抵抗値の和で表されるので、オン抵抗を低下させるためには、個々の抵抗値を低下させればよいことになる。
【０００３】
チャネル抵抗値の低抵抗化は微細化で対応が進められている。またエピタキシャル層の低抵抗化にはエピタキシャル層を薄くするか、またはエピタキシャル層を高濃度化すればよいが、その場合にはソースドレイン間の耐圧が劣化するという問題が生じる。さらに基板の低抵抗化には基板を薄くするか、高濃度化にすればよいことになるが、基板を薄くすると、機械的強度が弱くなってしまう。従って基板を高濃度化することがカギになる。しかし、エピタキシャル層の濃度を下げずに、基板を高濃度化すると、格子定数の差が著しくなり、その界面にミスフィット転位が発生するという問題が生じる。
【０００４】
図１はｐ/ｐ+エピタキシャルウェーハにおけるミスフィット転位発生のエピタキシャル膜厚と基板比抵抗の関係を示したものである（ 超LSIプロセス制御工学：津屋英樹：丸善、P.166,1995 ）。基板の比抵抗が２〜３ｍΩ・ｃｍの場合、エピ膜厚が１μｍでもミスフィット転位が発生する。このときのエピタキシャル層の比抵抗は０．５Ω・ｃｍである。
【０００５】
近い将来要求されているパワーＭＯＳＦＥＴはいっそうのオン抵抗を低下させるために、基板の比抵抗が２〜３ｍΩ・ｃｍ、エピタキシャル層の膜厚が３〜１０μｍ、比抵抗０．５〜１Ω・ｃｍ程度のものが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、ミスフィット転位の発生しない高濃度のボロンドープシリコン単結晶ウェーハと低濃度のボロンドープエピタキシャル層からなるエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハ、及び該エピタキシャルシリコン単結晶ウェーハを高い生産性で製造し供給することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
比較的低濃度のボロンをドープしたエピタキシャル層とボロンを高濃度にドープしたウェーハの界面に発生するミスフィット転位を定量的に考察してみる。シリコン単結晶の (100) 面に平行な格子定数は、ボロン濃度が５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 程度の比較的低濃度の場合には５．４３１Åとほぼ一定である。しかし、ボロンを５×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 （２ｍΩ・ｃｍに相当）ドープした場合の格子定数は５．４２９Åと小さくなる。これはボロンの共有結合半径が０．９８Åで、シリコンの共有結合半径１．１７Åよりも小さいからである。
【０００８】
いま基板の格子定数をＡｓ、エピタキシャル層の格子定数をＡｅとすると、格子定数のミスマッチによって生じる歪εは(1)式で与えられる。
0004165073.tif 000002
(1)式でボロン濃度が５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 程度の比較的低濃度の場合の格子定数５．４３１Åと、ボロンを５×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3ドープした場合の格子定数５．４２９Åを計算すると、この場合は歪εは３．７×１０-4となる。
【０００９】
エピタキシャルウェーハの界面に歪が生じる場合、エピタキシャル膜厚が一定の値を超えると、ミスフィット転位が発生する。この値を臨界膜厚といい、ｔcで表す。ｔcとεの間には理論的に(2)式の関係がある。（ J.H.van der Merwe:J.Appl.Phys.,34,123(1963).）
ｌnε＋ｌn２π/ｅ（１−ν）＋４π（１−ν）2 εｔc/（１−２ν）Ａs ＝０ ・・・ (2)
ポアソン比ν＝０．３を用いて（２）式から臨界膜厚ｔcを計算すると、０．６５μｍとなる。この値は図１で示した通りである。つまり２ｍΩ・ｃｍの基板に０．５Ω・ｃｍのエピタキシャル層を５μｍ成長させると、原理的にミスフィット転位が発生することは避けられない。
【００１０】
本発明はミスフィット転位の発生しないエピタキシャルウェーハとその製造方法を提供するものである。ボロンの共有結合半径はシリコンと比べて小さいので、本発明ではシリコンよりも共有結合半径が大きく、かつ原子価がシリコンに等しい４価のゲルマニウムをウェーハ表面及びその近傍に供給し、ボロンによって生じる歪を補償するすることを特徴とする。なお、ゲルマニウムの共有結合半径は１．２２Åである。
【００１１】
シリコンとゲルマニウムは全律固溶であり、もしゲルマニウムが１００％シリコンにおき換わると、歪量は４％に達することが知られている。ボロンを５×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 ドープしたウェーハにボロンを５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 ドープしたエピタキシャル層を成長するときに生じる歪３．７×１０-4を補償するためのゲルマニウム濃度を計算すると、５×１０20ａｔｍｓ／ｃｍ3 となる。
【００１２】
基板のボロン濃度が３ｍΩ・ｃｍのやや高抵抗、エピタキシャル膜厚が５μｍの場合、補償するゲルマニウム濃度は１×１０20ａｔｍｓ／ｃｍ3 である。パワーＭＯＳＦＥＴの基板比抵抗は２〜３ｍΩ・ｃｍ、エピタキシャル膜厚はたかだか５μｍかそれ以下であるから、基板の歪を補償するゲルマニウム濃度は１×１０20ａｔｍｓ／ｃｍ3 以上５×１０20ａｔｍｓ／ｃｍ3 以下であればよいことになる。
【発明の実施の形態】
【００１３】
高濃度のボロンがドープされた基板の表面及びその近傍にゲルマニウムを数ｎｍ程度ドープするための生産性の高い方法は、化学気相エピタキシャル成長法とそれに続く押し込み拡散プロセスまたは化学気相エピタキシャル成長法により拡散近似のエピタキシャル層プロファイルを形成するのが最適である。なぜならこのプロセス後に、低濃度のボロンをドープしたエピタキシャル層を同じエピタキシャル成長装置で成長し、すべて同一の装置で行うことができるからである。
【００１４】
本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００１５】
【実施例１】
チョクラルスキー法で育成したボロン濃度が１×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 から５×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 のシリコン単結晶インゴットからウェーハ加工し、直径２００ｍｍの (100) 鏡面ウェーハを用意した。
【００１６】
枚葉型、ランプ加熱方式のエピタキシャル成長装置に該ウェーハを設置し、クリーニングのため１１００℃、水素雰囲気で熱処理した。次いで６５０℃、６０Ｔｏｒｒ（８ｋＰａ）の条件で、ＳｉＨ4 及びＧｅＨ4 反応ガスを供給し、ＳｉＧｅエピタキシャル層２０ｎｍを成長した。シリコン中のゲルマニウム濃度を制御するためには、ＧｅＨ4 ガスの濃度を変えてもよいし、流量を変えてもよい。
【００１７】
本実施例１では１％濃度のＧｅＨ4 ガスを用い、流量は５０ｓｃｃｍとした。ＳｉＨ4 の流量は２０ｓｃｃｍとした。ＳｉＨ4 の代わりにＳｉＨ2Ｃｌ2 を使ってもよいが、この場合の流量は１００ｓｃｃｍとすればよい。ここでｓｃｃｍとは、０℃、１気圧の下での１分間の流量をｃｃで表したもので、標準体積を指す。
【００１８】
２０ｎｍのＳｉＧｅエピタキシャル層を成長するためには、４００ｓｅｃ要した。該ウェーハを１０００℃の温度で５時間熱処理してゲルマニウムを基板中に拡散させた。拡散後、エピタキシャル成長装置を常圧にし、ボロン濃度が５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 のエピタキシャル層を５μｍ成長させた。この場合はＳｉＨＣｌ3 を用い、成長時間は１８０ｓｅｃ要した。
【００１９】
エピタキシャル成長終了後、二次イオン質量分析装置でゲルマニウムの分布を測定したところ、ゲルマニウムがエピタキシャル層の界面からウェーハ内へ１５ｎｍ拡散したことが確認された。さらにＸ線トポグラフ装置を用いてミスフィット転位の発生状態を調べたところ、ミスフィット転位は発生していないことが分かった。
【００２０】
【実施例２】
実施例１と同じくチョクラルスキー法で育成したボロン濃度が１×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 から５×１０19ａｔｍｓ／ｃｍ3 のシリコン単結晶インゴットからウェーハ加工し、直径２００ｍｍの (100) 鏡面ウェーハを用意した。
【００２１】
枚葉型、ランプ加熱方式のエピタキシャル成長装置に該ウェーハを設置し、クリーニングのため１１００℃、水素雰囲気で熱処理した。次いで６５０℃、６０Ｔｏｒｒ（８ｋＰａ）の条件で、ＳｉＨ4 及びＧｅＨ4 反応ガスとドーピングガスであるＢ2Ｈ6 を供給し、ウェーハと同じ濃度のボロンがドープされたＳｉＧｅエピタキシャル層１０ｎｍを成長した。
【００２２】
次に６５０℃、６０Ｔｏｒｒ（８ｋＰａ）の条件で、ＳｉＨ4 及びＧｅＨ4 反応ガスを流しＳｉＧｅエピタキシャル層１０ｎｍを成長した。シリコン中のゲルマニウム濃度を制御するためには、ＧｅＨ4 ガスの濃度を変えてもよいし、流量を変えてもよい。
【００２３】
本実施例２では１％濃度のＧｅＨ4 ガスを用い、流量は５０ｓｃｃｍとした。ＳｉＨ4 の流量は２０ｓｃｃｍとした。ＳｉＨ4 の代わりにＳｉＨ2Ｃｌ2 を使ってもよいが、この場合の流量は１００ｓｃｃｍとすればよい。トータル２０ｎｍのＳｉＧｅエピタキシャル層を成長するためには、４００ｓｅｃ要した。
【００２４】
次に、反応部を常圧にし、ボロン濃度が５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 のエピタキシャル層を５μｍ成長させた。この場合はＳｉＨＣｌ3 を用い、成長時間は１８０ｓｅｃ要した。
【００２５】
エピタキシャル成長終了後、二次イオン質量分析装置でゲルマニウムの分布を測定したところ、ゲルマニウムがボロン濃度が５×１０16ａｔｍｓ／ｃｍ3 のエピタキシャル層の界面から２０ｎｍの深さまで存在することが確認された。さらにＸ線トポグラフ装置を用いてミスフィット転位の発生状態を調べたところ、ミスフィット転位は発生していないことが分かった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、高濃度ボロンドープシリコンウェーハの表面及びその近傍にゲルマニウムをドープ（添加）することにより、ウェーハとエピタキシャル層界面に発生するミスフィット転位を抑制し、高品質のボロン低濃度のエピタキシャルウェーハを提供し、かつ高い生産性で作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｐ/ｐ+エピウェーハにおけるミスフィット転位発生のエピタキシャル膜厚とウェーハ比抵抗の関係を示す図
【図２】本発明によるエピタキシャルシリコン単結晶ウェーハの模式図
【図１】
0004165073.tif 000003
【図２】
0004165073.tif 000004