(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長用のシリコン基板に対し、１２００℃〜１３５０℃の温度で１〜１２０秒のＲＴＡ（急速加熱・急速冷却熱処理）を行い、さらに９００℃〜１０５０℃の温度で２〜２０時間の熱処理を行った後、前記シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記エピタキシャル成長用のシリコン基板は、導電型がｎ型で抵抗率が０．１Ωｃｍ以下であることを特徴とするシリコンエピタキシャル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】
本発明は、エピ成長用基板の結晶熱履歴に影響されることなく安定したＩＧ能力を発揮し、デバイスプロセスの初期段階から優れたＩＧ能力を有するエピタキシャルウェーハを製造することができる方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
Czochralski（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶を用いて作製されたシリコンウェーハには、５〜１０×１０17atoms/cm3程度の格子間酸素が不純物として含まれる。この格子間酸素は、引き上げ工程中の固化してから室温まで冷却されるまでの熱履歴（以下、結晶熱履歴と記す）の間に過飽和状態となるために析出して、酸素析出核（シリコン酸化物の微小析出物）が形成される。
【０００３】
半導体集積回路の製造工程において熱処理が施されると、この酸素析出核が成長することにより酸素析出が進行して、酸素析出物やそれに起因する転位等の微小欠陥が発生する。この酸素析出物がウェーハ表面のデバイス活性層に存在するとデバイス特性を劣化させるが、ウェーハ内部に存在する場合は重金属不純物を捕獲するサイトとして有効になりＩＧ（Internal Gettering）と呼ばれる効果が得られ、デバイス特性や歩留まりを向上させる。このような観点から、ＣＺウェーハ中の酸素析出の制御が重要な課題であり、古くから研究が盛んに行われている。
【０００４】
ウェーハ表面近傍のデバイス作製領域を無欠陥化するために、ＣＺウェーハ上に気相成長によってシリコン単結晶層（以下、エピタキシャル層またはエピ層と呼ぶことがある。）を堆積させたエピタキシャルウェーハ（以下、エピウェーハと呼ぶことがある。）が使用される場合がある。このエピウェーハにおいても、基板にＩＧ能力を付加させることが重要である。
【０００５】
しかし、通常のエピ成長は、１０００℃以上の高温で行われるために、エピタキシャル成長用基板を作製したシリコン単結晶を引き上げた時の結晶熱履歴で形成された酸素析出核が溶体化してしまい、デバイス作製工程での酸素析出が、通常の未熱処理のＣＺシリコンウェーハと比較して抑制される。そのために、エピウェーハではＩＧ能力が低下することが問題となっている。
【０００６】
この問題を解決する方法としては、エピ工程前に８００℃程度の熱処理を施すことにより析出核を大きく成長させて、高温のエピ工程でも消滅しないようにする方法がある（例えば、特開平１０−２２３６４１号公報参照）。あるいは、本出願人が先に提案した特願２０００−１７４７９号に記載した様に、エピ工程後に４５０〜７５０℃程度の熱処理を施すことにより析出核を再形成させる方法などがある。
【０００７】
しかし、エピ工程前に熱処理を施す方法は、結晶熱履歴で形成された析出核を利用するために、結晶熱履歴が異なるウェーハでは析出核密度が異なる。従って、結晶引上げ条件や結晶位置の違いにより析出物密度がばらつくために、安定なゲッタリング能力が得られないという問題点がある。また、Ｓｂ（アンチモン）やＡｓ（砒素）を高濃度にドープしたＮ+基板（導電型がｎ型で、抵抗率が０．１Ωｃｍ以下のシリコンウェーハ）では本質的に酸素析出が進行しにくいために、結晶熱履歴で形成される析出核の密度が低く、エピ工程前の熱処理による効果がほとんど無い。
【０００８】
さらに、エピ工程後の熱処理においてもＮ+基板は析出核形成が進行しにくいために、十分な密度を得るためには熱処理時間が長くなるという問題が生じる。Ｎ+基板において酸素析出が進行しにくいことに対する理由に関しては、幾つかのモデルが提案されているが未だに明確になっていないために、ここで記述することは避ける。
【０００９】
一方、Ｎ+基板を用いたＮ／Ｎ+エピウェーハ（Ｎ+基板上に、ｎ型で０．１Ωｃｍ以上のエピタキシャル層を形成したエピウェーハ）は、その構造面からＣＣＤ用材料として有望視されている。しかし、上述したようにＩＧ効果が期待できないことから、それに変わってＮ／Ｎエピウェーハ（抵抗率０．１Ωｃｍ以上のｎ型基板上に、ｎ型で０．１Ωｃｍ以上のエピタキシャル層を形成したエピウェーハ）が広く用いられている。この場合でも、ＩＧ効果を付加させるためには、エピ工程前あるいは後に酸素析出熱処理を施す必要がある。従って、Ｎ／Ｎ+エピウェーハにおいて、比較的簡便にＩＧ効果を付加させることが重要な課題となる。
【００１０】
酸素析出を促進させる簡便な方法としてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）と呼ばれる急速加熱・急速冷却熱処理がある（例えば、特表平６−５０４８７８号公報参照）。この熱処理を行うことができる熱処理装置（ＲＴＡ装置）は、ランプ加熱方式が採用されている場合が多く、１０〜１００℃／秒程度の昇降温速度で熱処理が可能である。
【００１１】
このＲＴＡ工程でウェーハ表面から導入される過剰な空孔が、酸素析出を進行しやすくしていると考えられている。但し、ＲＴＡを行ったとしても、その直後にエピ工程を施すと析出促進効果がなくなることがわかっている。これは、エピ工程で空孔が外方拡散してしまうことが原因と思われる。また、ＲＴＡ後に４５０℃以上８００℃以下の熱処理を加えると析出促進効果がさらに大きくなるが、熱処理温度が低いために析出物の成長が十分ではなく、高温のエピ工程で残存できない。特に、酸素析出が起こりにくいＮ+基板では、その影響は大きい。
【００１２】
近年のデバイスプロセスの低温化により、プロセス中での析出物の成長が抑制されることから、十分なゲッタリング能力が確保できないことが懸念されている。従って、デバイスプロセス前の段階で検出可能なレベルの大きいサイズの析出物が形成されていることが好ましい。しかし、従来の方法では、エピ工程直後に検出可能なサイズの析出物を形成することは困難であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エピ成長用基板の結晶熱履歴に影響されることなく安定したＩＧ能力を発揮し、デバイスプロセスの初期段階から優れたＩＧ能力を有するエピタキシャルウェーハを製造することができ、特に、Ｎ+基板の酸素析出が進行しにくいという問題点に起因するＮ／Ｎ+エピウェーハのＩＧ不足を簡便に解消することができるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、エピタキシャル成長用のシリコン基板に対し、１２００℃〜１３５０℃の温度で１〜１２０秒のＲＴＡ（急速加熱・急速冷却熱処理）を行い、さらに９００℃〜１０５０℃の温度で２〜２０時間の熱処理を行った後、前記シリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記エピタキシャル成長用のシリコン基板は、導電型がｎ型で抵抗率が０．１Ωｃｍ以下であることを特徴とする。この方法は、抵抗率が０．１Ωｃｍ以下のｎ型シリコンウェーハに対し特に効果的であり、エピタキシャル層の形成温度が１１００℃以上の高温であっても、優れたＩＧ能力を有するエピタキシャルウェーハを製造することができる。
【００１５】
エピタキシャル成長後の基板内部に十分な酸素析出物密度を有するようにするためには、ＲＴＡの条件を１２００℃以上、１秒以上にする必要があるが、１３５０℃を超えるとウェーハへの金属汚染やスリップ転位の発生等の問題が発生する可能性があるので好ましくない。また、熱処理時間が１２０秒を超えるとスループットの低下や熱処理炉の耐久性等の問題が発生し、現実的ではない。
【００１６】
また、ＲＴＡ後の熱処理条件としては、特にＮ+基板においてエピタキシャル成長後の基板内部に十分な酸素析出物密度（少なくとも１×１０7／cm3）を確実に有するようにするためには、９００℃以上で２時間以上の熱処理が必要であるが、２０時間を超える熱処理を行っても効果が飽和するため意味がない。また、１０５０℃を超える温度では基板内部に新たな酸素析出核の形成が起こりにくくなるので好ましくない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一つの実施の形態を添付図面中、図１に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１８】
図１は、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の工程順を示すフローチャートである。まず、エピタキシャル成長用のシリコン基板を準備する（ステップ１００）。このシリコン基板としては、導電型がｎ型で抵抗率が１．０Ωcm以下のものが好適に用いられる。このシリコン基板に対してＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing、急速加熱・急速冷却熱処理）が行われる（ステップ１０２）。このＲＴＡの条件は、１２００℃〜１３５０℃の温度で１〜１２０秒の条件で行われる。この条件外では、前述したように、本発明の作用効果を充分に達成することができない。
【００１９】
このＲＴＡ終了後のシリコン基板に対してさらに熱処理が行われる（ステップ１０４）。この熱処理の条件は、９００℃〜１０５０℃の温度で２〜２０時間の条件で行われる。この条件外では、前述したように、本発明の作用効果を有効に発揮することができない。このような熱処理をうけたシリコン基板の表面に対してエピタキシャル層を形成する（ステップ１０６）。このエピタキシャル層の形成は、従来と同様に１０００℃以上の高温で行っても問題ない。尚、ステップ１０４における熱処理雰囲気は特に限定されないが、酸化性雰囲気で行う場合、形成される酸化膜を除去してからエピ工程を行う必要がある。
【００２０】
このように、本発明の製造方法は、エピタキシャル成長用のシリコン基板が作製されたシリコン単結晶の結晶熱履歴により形成された酸素析出核を高温のＲＴＡ工程で消滅させ、そのＲＴＡ後に比較的高温（９００℃〜１０５０℃）の熱処理を加えることにより、析出核を形成すると同時にその核を成長させて、エピ工程でも消滅しない析出物を形成したエピタキシャル成長用基板を用いてエピタキシャル成長を行うというものである。これにより、エピ工程直後であっても、赤外散乱トモグラフ法を用いた測定装置により検出可能なサイズの析出物を有するエピタキシャルウェーハが得られる。
【００２１】
従って、たとえＮ+基板であってもエピ工程前の段階で析出物が成長しているので、デバイスプロセスの初期段階からゲッタリング能力を有するエピタキシャルウェーハを製造できる。また、結晶熱履歴で形成される析出核はＲＴＡ工程で消滅するために、それに起因したばらつきは無く、安定したＩＧ能力を有するエピタキシャルウェーハを製造できる。
【００２２】
さらに、ウェーハに元々存在していた空孔や、ＲＴＡ工程で注入された空孔は、その後の熱処理工程での外方拡散により表面近傍から排除されるので、ウェーハ表面近傍には酸素析出物の無欠陥領域（ＤＺ層）が形成され、その上に形成されるエピタキシャル層の結晶性に対して有利に作用する。
【００２３】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２４】
（実施例１）
直径６インチ、結晶方位＜１００＞、初期酸素濃度１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ（日本電子工業振興協会）規格）のＳｂドープ基板を準備した。抵抗率は約０．０２Ωｃｍである。この基板に対して、窒素雰囲気下で１２００℃、３０秒間のＲＴＡを施した。その後、９００℃，１０００℃，１０５０℃で２〜１６時間の熱処理を施した。熱処理雰囲気は２％の酸素を含有する窒素雰囲気（２％Ｏ2／Ｎ2）とした。さらに、熱処理後の基板表面の酸化膜を除去し、１１５０℃で３μｍのエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。
【００２５】
ＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を図２に示す。何れの温度においても２時間の熱処理で既に析出物密度が７乗台以上の密度で観察され、時間の増加と共に密度が増加した。この結果から、析出しにくいＳｂドープ基板において、ＲＴＡとその後の熱処理により高温のエピ工程でも消滅しない析出物が形成でき、さらにエピ工程直後の段階で検出可能な十分なサイズをもつ析出物が形成できることがわかった。
【００２６】
（実施例２）
直径６インチ、結晶方位＜１００＞、初期酸素濃度１６．５ｐｐｍａのＡｓドープ基板を準備した。抵抗率は約０．００５Ωｃｍである。実施例１と同様に、この基板に対して、窒素雰囲気下で１２００℃，３０秒間のＲＴＡを施した。その後、９００℃，１０００℃，１０５０℃で２〜１６時間の熱処理（２％Ｏ2／Ｎ2）を施した。さらに、熱処理後の基板表面の酸化膜を除去し、１１２５℃で５μｍエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。
【００２７】
ＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を図３に示す。何れの温度においても２時間の熱処理で既に析出物密度が８乗台の密度で観察され、時間の増加と共に密度が増加した。この結果から、Ｓｂドープ基板と同様にＡｓドープ基板においても、ＲＴＡとその後の熱処理によりエピ工程でも消滅しない析出物が形成でき、さらにエピ工程直後の段階で検出可能な十分なサイズをもつ析出物が形成できることがわかった。
【００２８】
尚、短時間の場合の密度が実施例１よりも若干高いのは、酸素濃度の違いによると思われる。
【００２９】
（実施例３及び比較例１）
ＲＴＡの温度の影響を調べるための実験を行った。実施例１と同様のＳｂドープ基板に対して、窒素雰囲気下で３０秒間のＲＴＡを施した。ＲＴＡ温度は１１５０℃（比較例１）、１２００℃及び１２５０℃（実施例３）とした。
【００３０】
ＲＴＡ後、１０００℃で８時間の熱処理（２％Ｏ2／Ｎ2）を施した。さらに、その熱処理後の基板表面の酸化膜を除去し、１１５０℃で３μｍエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。
【００３１】
ＲＴＡの温度と酸素析出物密度との関係を図４に示す。１１５０℃では析出物密度が１×１０7／cm3以下と低かったが、１２００℃以上では９乗台以上の密度で析出物が観察された。この結果から、ＲＴＡ温度は１２００℃以上が好ましいことがわかった。
【００３２】
（実施例４）
ＲＴＡの雰囲気の影響を調べるための実験を行った。実施例１と同様のＳｂドープ基板に対して、水素雰囲気下で１２５０℃，３０秒間のＲＴＡを施した。ＲＴＡ後、９００℃と１０５０℃で２〜１４時間の熱処理（２％Ｏ2／Ｎ2）を施した。さらに、熱処理後の基板表面の酸化膜を除去し、１１５０℃で３μｍのエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。
【００３３】
ＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を図５に示す。何れの温度においても２時間の熱処理で既に析出物密度が８乗台以上の密度で観察され、時間の増加と共に密度が増加した。この結果から、ＲＴＡの雰囲気が水素の場合でも、ＲＴＡとその後の熱処理によりエピ工程でも消滅しない析出物が形成でき、さらにエピ工程直後の段階で検出可能な十分なサイズをもつ析出物が形成できることがわかった。
【００３４】
（比較例２）
実施例１及び実施例２と同様なＳｂ及びＡｓドープ基板を準備した。これらの基板に対して、ＲＴＡ及びその後の熱処理を施さずに１１５０℃で３μｍエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。その結果、何れの基板を用いた場合も、析出物密度は５×１０6／cm3以下であり、各実施例と比較して極めて低い密度であった。
【００３５】
（比較例３）
実施例１及び実施例２と同様なＳｂ及びＡｓドープ基板を準備した。これらの基板に対して、窒素雰囲気下で１２００℃、３０秒間のＲＴＡを施した。その後、８００℃，２時間の熱処理（２％Ｏ2／Ｎ2）を施した。その後、基板表面の酸化膜を除去し、１１５０℃で３μｍエピタキシャル層を成長させた後、酸素析出物密度を赤外散乱トモグラフ法により測定した。その結果、何れの基板を用いた場合も、析出物密度は１×１０7／cm3以下であった。
【００３６】
上述した実施例１〜４及び比較例１〜３の結果から、Ｓｂ及びＡｓドープ基板に対して本発明のＲＴＡおよび９００℃〜１０５０℃の熱処理を加えることにより、エピ工程後でも十分な密度を有する酸素析出物を形成できることがわかった。
【００３７】
尚、析出しにくいＳｂドープやＡｓドープのＮ+基板でも十分な効果があることから、析出しやすいＢ（ボロン）ドープ低抵抗率基板や、Ｐ（リン）ドープあるいはＢドープの通常抵抗率基板においても十分な効果が得られることは確実である。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、エピ成長用基板の結晶熱履歴に影響されることなく安定したＩＧ能力を発揮し、デバイスプロセスの初期段階から優れたＩＧ能力を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。特に、酸素析出が進行しにくいＮ+基板を用いたＮ／Ｎ+エピウェーハであっても、十分なＩＧ能力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の工程順を示すフローチャートである。
【図２】  実施例１におけるＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を示すグラフである。
【図３】  実施例２におけるＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を示すグラフである。
【図４】  実施例３及び比較例１におけるＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を示すグラフである。
【図５】  実施例４におけるＲＴＡ後の各温度での熱処理時間と酸素析出物密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００：シリコン基板準備、１０２：ＲＴＡ、１０４：熱処理、１０６：エピタキシャル層の形成。
【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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