(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェーハへのボロンのイオン注入後における、注入損傷回復の高温アニールにおいて、応力の不均一から生ずる増速拡散を防止し、平坦性の良いＰＮ接合界面の提供。【解決手段】Ｎ型不純物の添加を常温で行う場合は、ボロンを添加したウェーハは３８０℃以上の高温でボロンを１００％活性ボロン化した後、徐冷する。特にペア点欠陥の解離温度１７７℃近傍、即ち２７０℃から１７０℃は十分徐冷し、ウェーハのシリコン結晶が応力フリーを保ったままの状態で固定化する。その後にＮ型不純物を添加すれば応力起因の増速拡散は発生することはなく、接合界面の突起は発生しない。また、Ｎ型不純物の添加を高温イオン注入で行う場合は、基板加熱やレーザー照射などでイオン注入する領域を１８０℃以上に加熱し、ボロン・格子間シリコンペアを十分解離させ、一様な応力が存在する状態の下で、Ｎ型不純物のイオン注入を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハのボロン添加後の加熱処理の冷却過程において、ウェーハの温度が２７０℃から１７０℃までの温度範囲で最も温度の下がり方がゆっくりとなるように制御する手段を設け、他の温度範囲に比較し、特にこの温度範囲を徐冷制御することを特徴とする処理方法
【請求項２】
ボロン添加済みのシリコンウェーハに（１７０℃で４時間以上）、（１８０℃で２時間以上）、（１９０℃で１時間以上）、（２００℃で３０分以上）、（２１０℃で１５分以上）、（２２０℃で７分３０秒以上）と１０℃温度を上げる毎に最低必要加熱時間を半分にするいわゆるアレニウス曲線以上の熱を印加する手段を用いて行われる、保管ケース内や搬送ボックス内での熱処理も含む、１５０℃以上３００℃以下の温度で行うシリコンウェーハの加熱処理方法
【請求項３】
ボロン添加済みのシリコンウェーハに更にＮ型不純物を添加しＰＮ接合を形成するウェーハ加工において、Ｎ型不純物を添加する領域の温度を１８０℃以上の高温にする手段を用いて加熱しながらＮ型不純物添加を行うことを特徴とする加工方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明はボロンを添加したシリコンウェーハの半導体製造における取扱いに関する。
【背景技術】
【０００２】    ＰＮ接合界面の平坦性の良いシリコンウェーハを製造する技術に関する。【０００３】    低周波ノイズの抑制されたＰＮ接合を形成する技術に関する。
【非特許文献１】三原基嗣「β−ＮＭＲによる物性研究の展開」ｐｐ１３−１６めそん２００７年秋号（通巻２６号）
【非特許文献２】三原基嗣「偏極ＲＩビームを用いた物質科学研究」大阪大学理学部  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｃｎｐ．ｏｓａｋａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／Ｄｉｖｉｓｉｏｎｓ／ｐｌａｎ／ｋｏｋｕｓａｉ／ｗｓ０７０２１９＿ｆｉｌｅｓ／ｍｉｈａｒａ．ｐｄｆ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】    近年のβ−ＮＭＲ法を用いた核磁気共鳴スペクトルの観測データによれば、シリコン結晶中のボロンは、置換型原子としてシリコンの格子位置に存在しているが、その存在の仕方は、Ｐ型不純物として電気的に活性化している活性ボロンと電気的に不活性なボロン・格子間シリコンペアという点欠陥の２種類に分類される。ボロンの原子半径は、８２ｐｍ（共有結合半径）で、シリコン原子の原子半径１１１ｐｍ（共有結合半径）に比し小さく、活性ボロンが存在する格子点では収縮応力を発生させる。一方、ボロン・格子間シリコンペア点欠陥（以下、ペア点欠陥と記す）の実効的な原子半径は２つの原子の原子半径の和、１９３ｐｍで表されるから、それが存在する格子点では膨張応力を発生させる。従って、ボロンが添加されたシリコンウェーハの結晶をマクロにみたとき、活性ボロンとペア点欠陥の割合が、添加したボロンの不純物濃度によらず、活性ボロンの比率が８７．７％のとき［｛８２３ｘ＋１９３３（１−ｘ）｝／１１１３＝１より、ｘ＝０．８７７（応力フリーのためのボロンの最適活性度）を得る］、結晶内は応力フリーとなる。しかし一般的な半導体製造ではボロンの活性度が８７．７％に満たないものが散見され、このようなシリコン結晶内ではペア点欠陥のもたらす膨張応力が優勢となっている。その膨張応力は、それが小さいときは結晶内に一様に分布すると考えられるが、ある程度以上に大きいときは、その一様性が崩れ、応力が集中している領域、およびそれ以外の応力が緩和されている領域に分かれると考えられる。一方、ＰＮ接合を形成する格子置換型のＮ型不純物原子も同様にその原子半径の大きさにより、シリコン結晶中で収縮応力源や膨張応力源としてはたらく。ＰＮ接合は、ボロンの添加領域にそれ以上の濃度のＮ型不純物を浅く添加することで形成されるから、この結晶内応力の存在は接合面を考える上で重要である。例えば、そのボロン添加領域内の膨張応力の集中領域に、リン（原子半径＝１０６ｐｍ（共有結合半径））のような収縮応力源が高濃度で添加されると、場に存在する膨張応力を緩和するべく、リンは収縮応力源として他の領域より早く拡散し、いわゆる増速拡散が発生する。その結果、ＰＮ接合の界面には、接合の平坦性を乱す突起ができてしまう。このＰＮ接合の突起領域は、ＢＪＴではエミッタパイプと呼ばれており、著者の実験ではバンドギャップナロウイングが起こっており、かつ発生・再結合中心の巣窟となっていることが認められている。また、このＰＮ接合界面の突起領域は、単に接合界面の平坦性を乱すばかりではなく、バーストノイズや１／ｆノイズ（以下、総称して低周波ノイズと記す）を発生させ、ＰＮ接合の電気的特性を悪化させている。（電気学会電子回路研究会の論文に投稿予定：２００８年１０月２３日、２４日北九州市で学会が開催され、そこでの発表が予定されている）
そこで、本発明はボロンを添加したシリコンウェーハの結晶内応力を最小化し、低周波ノイズの発生を抑制した平坦性の良いＰＮ接合界面を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】    結晶内応力集中部での増速拡散という不具合の解決策は、その原因となっている活性ボロンとペア点欠陥の比率が、何故、８７．７対１２．３からずれ、応力の一様な均一性を喪失してしまったのか、そのズレの成因を考えることの中に見出される。前記したβ−ＮＭＲ法を用いた核磁気共鳴スペクトルの観測データによれば、ペア点欠陥は４５０華氏温度（１７７℃）以上で解離しはじめ、３８０℃以上の温度では全てのボロンは活性ボロンとなり、ペア点欠陥は存在しない。
一方、近年、ウェーハへのボロン添加はイオン注入により行われるのが一般的であるが、注入後、注入損傷を回復しボロンを電気的に活性化するため工業的には８００〜９００℃の熱処理が行われている。問題は、８００〜９００℃の高温から常温へウェーハを冷却する過程で発生する。即ち、現状の製造工程では、ペア点欠陥やその解離温度１７７℃にこだわらず無頓着に冷却しているため、常温に冷却されたウェーハのボロン活性度はウェーハ面内でかなりばらついており、結果的にウェーハの一部に応力集中領域を内在するウェーハが多数存在している。
対策は、８００℃〜９００℃の高温から常温への冷却過程において、３８０℃以下から１７７℃を含む温度範囲（特に２７０℃から１７０℃）を十分徐冷する。また、常温で放置されている熱履歴の明確でないボロンを添加したシリコンウェーハは、ウェーハを一旦１８０℃以上の高温に加熱し、ペア点欠陥の解離を十分行ったのち徐冷する。著者の実験では十分解離するためには１８０℃で２時間、２２０℃で７分３０秒の時間が必要である。（物理化学現象の反応時間に関するアレニウス則に乗っている。）ボロンを添加したシリコンウェーハは、以上のように「３８０℃以上の高温からの冷却において２７０℃から１７０℃の温度範囲を徐冷処理する」もしくは「常温放置のウェーハは、１８０℃で２時間、もしくは熱力学的に等価な条件（例えば２２０℃で７分３０秒）で十分、ペア点欠陥を解離したのち徐冷する」という取り扱いを行うことで、常温に冷ました状態でも結晶内応力フリーの状態を固定化することが出来る。そして、結晶内が応力フリーである限り、ウェーハはその後、Ｎ型不純物を添加する工程において応力起因の増速拡散が発生することはなく、平坦性の良いＰＮ接合界面が得られる。
また、高温イオン注入も同様な効果がある。この場合、ボロンを添加したシリコンウェーハは、Ｎ型不純物を添加する領域の温度を１８０℃以上に保つ手段、例えば基板加熱やレーザー照射しながらの高温イオン注入などを用い、ペア点欠陥が解離している状態下でＮ型不純物を添加する。この場合はペア点欠陥の解離により、ウェーハは格子位置にあるボロンによる収縮応力が一様に分布するから増速拡散は発生しない。高温イオン注入の場合も、Ｎ型不純物の添加完了後は、２７０℃から１７０℃の温度範囲は徐冷処理し、常温に冷ましたときに応力フリーが固定化されるようにする。
【発明の効果】
【０００６】    低周波ノイズが抑制され、凹凸が無く平坦性の良い界面をもつＰＮ接合が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】    本発明の効果を最大限に発揮するための理想条件は、シリコンウェーハへの不純物添加処理がウェーハ全面に渡り結晶内応力フリー下で実施されることである。本発明の例のように、ボロンを添加したシリコンウェーハのＰ型領域に、より高濃度のＮ型不純物を添加しＰＮ接合を形成する場合は、ボロン添加後のウェーハを一度、３８０℃以上で熱処理した後、以降徐冷し、特に２７０℃から１７０℃の温度範囲を最大限徐冷処理する。その理想条件が実現出来ていれば、ウェーハの面内のボロン活性度は、その不純物濃度によらず、面内一様に８７．７％となる。
【実施例】
【０００８】    前記したように、ウェーハへのボロン添加は、一般的にはイオン注入により行われ、注入後、注入損傷を回復しボロンを電気的に活性化するため工業的には８００〜９００℃の熱処理が行われている。本発明の一実施例は、その温度より常温への冷却過程で実施する。即ち、ペア点欠陥の解離が終了し、ペア点欠陥として固定化する１７７℃近傍、具体的には２７０℃から１７０℃の間を最大限、徐冷し結晶内応力が最小になるよう制御する。図１はそのウェーハの温度制御の状態を、温度を縦軸に時間を横軸に取り、温度の変化としてグラフにしたものである。十分ゆっくり冷却することにより得られた応力フリーウェーハは、その後、Ｎ型不純物の添加が行われる際、Ｎ型不純物の増速拡散を引き起こすことがないので、突起が無く平坦性のよい、かつ低周波ノイズの抑制されたＰＮ接合界面が得られる。【０００９】    ウェーハの熱履歴が明確でなかったり、ペア点欠陥の生成に無配慮な取扱いが行われた可能性のある常温で保管されているボロン添加済みウェーハは、ペア点欠陥の解離温度１７７℃以上で十分加熱を行う。理想的な温度３８０℃以上の温度に加熱することが出来なくても、１８０℃で２時間、（熱力学的に等価な別条件として２２０℃で７分３０秒：確認済み）以上の加熱が出来ればペア点欠陥は十分解離しウェーハ内の応力集中領域は消失するので、Ｎ型不純物の増速拡散は抑制される。図２はそのような加熱処理の一例である。製造工程内に設けられたウェーハの保管ケースや工程間の搬送ボックス内温度を高めることでも対応が可能である。【００１０】    更に別なもう一つの実施例として、Ｎ型不純物を添加する領域の温度を１８０℃以上に保つ手段、例えば基板加熱やレーザー照射等を併用しながら行う高温イオン注入がある。図３はそのような高温イオン注入の実施例で、この場合は、Ｎ型不純物が添加される領域のペア点欠陥は解離し、一様な収縮応力下でその添加が行われるため、増速拡散の発生はない。この場合も、２７０℃から１７０℃の温度範囲は徐冷する。
【産業上の利用可能性】
【００１１】    ボロンは、半導体産業において最も多く使用されるＰ型不純物の代表的物質である。近年の微細化集積回路に見られる浅いＰＮ接合では、高濃度でも切れの良い接合の形成技術を必要としており、本発明はそれを実現する必須技術として、微細化の進展と共に今後ますます活用されると考える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態により温度制御を行った場合のウェーハ温度の変化グラフである。｜ΔＴ／Δｔ（２７０−１７０℃）｜＜｜ΔＴ／Δｔ（他の１００℃の温度範囲）｜：但し、Ｔ：温度、ｔ：時間が成立する。
【図２】常温で保管されているウェーハは、（１７０℃で４時間以上）、（１８０℃で２時間以上）、（１９０℃で１時間以上）、（２００℃で３０分以上）、（２１０℃で１５分以上）、（２２０℃で７分３０秒以上）と１０℃温度を上げる毎に最低必要加熱時間を半分にする所謂アレニウス曲線以上の熱を印加し、ペア点欠陥の解離を十分行った後、徐冷する。図はその一例で、そのような加熱処理を行う場合のウェーハ温度の変化グラフである。
【図３】この発明の別の実施形態により、Ｎ型不純物を高温イオン注入する図である。
【符合の説明】
【００１３】    １  ボロンを添加したシリコンウェーハ
２  基板（１８０℃以上に加熱されている）
３  注入Ｎ型不純物イオン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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