JP2010098284A

JP2010098284A - エピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法及びエピタキシャル基板の製造方法

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Publication number: JP2010098284A
Application number: JP2009055442A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fujii; 達男藤井
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-04-30
Also published as: US20100093156A1; CN101710566A; US8216921B2

Abstract

【課題】エピタキシャル成長時のオートドーピングおよびミスフィット転移発生を抑制するエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法を提供する。
【解決手段】エピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法は、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のボロンを含有するシリコンウェハ１０１を熱酸化処理し、シリコンウェハ１０１の表面にシリコン酸化膜１０２を形成する第一の工程Ｓ１０１と、シリコン酸化膜１０２を剥離する第二の工程Ｓ１０２と、シリコンウェハ１０１を、水素雰囲気中において熱処理する第三の工程Ｓ１０３とを備える。これにより、シリコンウェハ１０１内部の不純物濃度を高濃度に保持したまま、表層の不純物濃度を著しく低減させられる。したがって、不純物濃度プロファイルに優れ、かつミスフィット転位の少ないエピタキシャル成長膜を成長させられる基板用シリコンウェハを製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に用いられるシリコンウェハの製造方法に関し、特にエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法及びエピタキシャル基板の製造方法に関する。

近年の半導体デバイスの高性能化は著しく、この半導体デバイスの製造に用いられるシリコン基板（あるいはシリコンウェハ）にも高い品質が要求されている。特にパワーＭＯＳＦＥＴ等の高性能なディスクリートデバイスの製造に用いられるエピタキシャル基板には、品質の更なる向上が課せられている。ディスクリートデバイスは、電流をシリコンウェハの表裏面方向に流す仕様となっているものが一般的である。そのため、デバイスの高性能化とともに順方向電流の増大も要求されており、抵抗成分を抑制するためにエピタキシャル基板の不純物の高濃度化が加速している。

エピタキシャル基板の製造には、気相成長法の一種であるエピタキシャル成長法が用いられ、以下のように行なわれる。例えば、ボロン（ホウ素・Ｂ）等の不純物が１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度まで高濃度ドープされたエピタキシャル基板用シリコンウェハ（以下、基板用シリコンウェハともいう）を所定の圧力に保持された反応炉内に収容する。そして、例えば不純物であるリン（Ｐ）あるいはボロンを含むドーパントガスが添加されたソースガスを反応炉に供給しながら、基板用シリコンウェハを加熱する。このとき、基板用シリコンウェハを例えば１０００℃以上に加熱することで、その表面においてソースガスの熱分解反応或いは水素還元反応が起こる。この反応により、基板用シリコンウェハの表面に１μｍ〜２００μｍの膜厚の、１Ｅ１４〜１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の不純物濃度のシリコン単結晶膜を成長させる。このようにして製造されたエピタキシャル基板上に、所望のデバイスを形成することで上述のような高性能なディスクリートデバイスを製造する。

しかし、高濃度ドープされた基板用シリコンウェハを用いるエピタキシャル成長法では、成長させるシリコン単結晶膜へのオートドーピングによる不純物濃度プロファイルの劣化や面内均一性の低下が問題となっていた。オートドーピングとは、エピタキシャル成長時に基板用シリコンウェハが加熱されることで、基板用シリコンウェハ表面よりボロンが雰囲気中に外方拡散し、成長中のシリコン単結晶膜に取り込まれて不純物濃度を変動させてしまう現象である。これにより、エピタキシャル基板の不純物プロファイルが不均一になり、所望の特性の半導体デバイスを形成することが困難になる。このため、オートドーピングを抑制する様々な方策が用いられてきた。例えば、予め基板用シリコンウェハの裏面にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によりシリコン酸化膜等を形成し、不純物の外方拡散を抑制する方法が知られている（特許文献１参照）。また、表層のボロン濃度を下げることでオートドープを抑制する目的で、高濃度ボロ
ンドープされた基板用シリコンウェハに水素処理を行う方法も開示されている（特許文献２参照）。

特開平１０−１０６９５５号公報特開平９−１９９３８０号公報

しかしながら、従来の技術にはいくつかの問題点があった。すなわち、特許文献１のように裏面をベベル部までシリコン酸化膜で覆った基板用シリコンウェハにエピタキシャル成長を行なうと、ベベル部でシリコン酸化膜上にシリコンの異常成長が発生するためシリコン酸化膜の膜はがれが生じ、パーティクルとなって反応炉内を汚染するといった問題が生じてしまう。

また、表面の不純物濃度が高い基板用シリコンウェハに、不純物濃度の低いシリコン単結晶膜を成長させる場合、シリコン単結晶膜中にミスフィット転位が発生しやすいという問題があった。これは、基板用シリコンウェハの表面と、成長させるシリコン単結晶膜との不純物濃度の差が結晶構造の格子定数の差異として現れるために起きる問題である。これを解決するには、基板用シリコンウェハの表面ボロン濃度を下げてやる必要があり、特許文献２の方法が解決手段のひとつであるといえる。

ここで特許文献２には、基板濃度３Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３で、１２００℃の処理温度で２時間、水素５０％雰囲気による処理例が示されている。しかし、これより高い濃度の基板を用いて同様の効果を得ようとすれば、２時間以上の処理時間が必要になってくる。現状水素処理炉は石英部材を使用しており、石英部材は２時間以上の処理を行うと耐久性の問題が生じて好ましくない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、基板用シリコンウェハの内部の不純物濃度を高濃度ドープされた高い水準に保持したまま、表面の不純物濃度を低減させることによって、エピタキシャル成長時のオートドーピングおよびミスフィット転移発生を抑制するエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法及びエピタキシャル基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法は、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のボロンを含有するシリコンウェハを熱酸化処理し、シリコンウェハの表面にシリコン酸化膜を形成する第一の工程と、シリコン酸化膜を剥離する第二の工程と、シリコン酸化膜を剥離したシリコンウェハを水素雰囲気中において熱処理する第三の工程と、を備えることを特徴とする。

本発明のエピタキシャル基板の製造方法は、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のボロンを含有するシリコンウェハを熱酸化処理し、シリコンウェハの表面にシリコン酸化膜を形成する第一の工程と、シリコン酸化膜を剥離する第二の工程と、シリコン酸化膜を剥離したシリコンウェハを、水素雰囲気中において熱処理する第三の工程と、熱処理を行ったシリコンウェハにシリコン単結晶膜を形成する第四の工程と、を備えることを特徴とする。

上述の第一の工程は、酸化雰囲気中においてシリコンウェハを１０００℃〜１１００℃に加熱することが好ましい。

上述の第三の工程は、水素を含む雰囲気中においてシリコンウェハを１０００℃〜１２００℃に加熱することが好ましい。

本発明によれば、基板用シリコンウェハの内部の不純物濃度を高濃度ドープされた高い水準に保持したまま、表面の不純物濃度を従来より低減させることによって、エピタキシャル成長時のオートドーピング、およびミスフィット転移発生を抑制するエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法及びエピタキシャル基板の製造方法を提供することが可能になる。

実施形態のシリコンウェハ製造方法の工程を示したフローチャートである。実施形態の工程Ｓ１０１が行なわれたシリコンウェハの概念断面図である。実施形態の工程Ｓ１０２が行なわれたシリコンウェハの概念断面図である。実施形態の工程Ｓ１０３が行なわれたシリコンウェハの概念断面図である。実施形態の工程で製造されるエピタキシャル基板用シリコンウェハを用いて製造されるエピタキシャル基板１０７の概念断面図である。実施例および比較例のボロン濃度の分布を測定した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本実施形態のエピタキシャル基板用シリコンウェハ（以下基板用シリコンウェハともいう。）の製造方法及びエピタキシャル基板の製造方法を詳細に説明する。ここで、エピタキシャル基板用シリコンウェハとは、エピタキシャル成長法を行ない、シリコン単結晶膜を成長させるための基板となるシリコンウェハである。

図１は、本実施形態の基板用シリコンウェハの製造方法の工程を示したフローチャートである。まず、シリコンインゴットをスライシングし、表面を研磨等して鏡面加工されたシリコンウェハを反応炉に収容する。本実施形態における基板用シリコンウェハの製造には、不純物のボロン（ホウ素・Ｂ）が、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の水準にまで高濃度ドープされたシリコンウェハが用いられる。

シリコンウェハを収容する反応炉の内部は、例えば酸素１００％、または燃焼酸化においてはさらに所定の圧力の水素と酸素を１：１で燃焼させた雰囲気に保持される。そして、この反応炉内においてシリコンウェハを１０００℃〜１１００℃に加熱して熱酸化処理する。即ち、図１のフローチャートに示す、シリコン酸化膜形成工程Ｓ１０１を行なう。

図２は、上述の工程Ｓ１０１が行なわれたシリコンウェハ１０１の概念断面図である。工程Ｓ１０１により、シリコンウェハ１０１の表面には、図２に示すシリコン酸化膜１０２が形成される。一般に、シリコンに含有されるボロンは、シリコンが酸化される際、シリコンからシリコン酸化膜中へ偏析しやすい性質を有する。そのため、図２に模式的に矢印で示したように、シリコンウェハ１０１にドープされているボロンがシリコン酸化膜１０２に偏析する。これにより、シリコンウェハ１０１のシリコンとシリコン酸化膜１０２界面のシリコン側のボロン濃度は、酸化処理前の濃度に対し５０％〜８０％まで低減される。このときシリコンウェハ１０１には、シリコンウェハ１０１の内部からシリコンウェハ１０１のシリコンとシリコン酸化膜１０２界面方向へ緩やかな勾配で逓減するボロン濃度のプロファイルを示す遷移層１０３が形成される。

次に、例えば、バッチ式ウェット処理装置を用い、例えばＢＨＦ（バッファードフッ酸・ＨＦ−ＮＨ_４Ｆ−Ｈ_２Ｏ）を処理液としてシリコンウェハ１０１のシリコン酸化膜１０２を剥離する。即ち図１のフローチャートに示す、シリコン酸化膜剥離工程Ｓ１０２を行なう。この工程により、ボロン濃度が低減したシリコン表面を露出させる。図３は、工程Ｓ１０２が行なわれたシリコンウェハ１０１の概念断面図である。このとき、シリコンウェハ１０１の遷移層１０３よりも深い部分は、シリコン酸化膜１０２へボロンを偏析させていないため、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の水準のボロン濃度の高濃度ドープ領域１０５が保持されている。

次に、所定の圧力の、例えば水素１００％雰囲気に調整された反応炉にシリコンウェハ１０１を収容し、１０００℃〜１２００℃まで加熱する。即ち、図１のフローチャートに示す、水素熱処理工程Ｓ１０３を行なう。図４は、工程Ｓ１０３が行なわれたシリコンウェハ１０１の概念断面図である。工程Ｓ１０３により、図４に模式的に矢印で示したように、シリコンウェハ１０１の表面からボロンが雰囲気中に外方拡散される。

シリコンウェハ１０１の表面は、工程Ｓ１０１及びＳ１０２を経て既に処理前よりもボロン濃度が低減させられている。このシリコンウェハ１０１に対し、更に工程Ｓ１０３を行なうことで、シリコンウェハ１０１の表面のボロン濃度をより一層低減させることができる。これにより、シリコンウェハ１０１の表面のボロン濃度は、高濃度ドープ領域１０５の濃度に対し１％〜１０％まで低減される。このとき、シリコンウェハ１０１には、およそ２〜５μｍの深さから表層に向かってボロン濃度が緩やかな勾配で逓減するプロファイルを示す遷移層１０４が形成される。

また、シリコンウェハ１０１の遷移層１０４よりも深い部分は、工程Ｓ１０３においてボロンが外方拡散されないため、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の水準のボロン濃度の高濃度ドープ領域１０５が保持されている。よって、工程Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３により、内部のボロン濃度は高濃度ドープされた水準を保持したまま、表面のボロン濃度を低減させたエピタキシャル基板用シリコンウェハ１００が製造される。したがって、この基板用シリコンウェハ１００に図１のフローチャートに示すエピタキシャル成長を行なう場合、外方拡散するボロンの量を極めて少なく抑えられるため、オートドーピングが抑制される。

したがって、エピタキシャル基板用シリコンウェハ１００は、ＣＶＤ法によって裏面にシリコン酸化膜を形成せずとも、エピタキシャル成長時のオートドープによるシリコン単結晶膜中のボロン濃度の変動を抑制することが出来る。また、裏面シリコン酸化膜を形成しないため、シリコン酸化膜に起因する問題発生も回避することができる。

図５は、本実施形態の工程で製造されるエピタキシャル基板用シリコンウェハ１００を用いて製造されるエピタキシャル基板１０７の概念断面図である。エピタキシャル基板１０７は、図１のフローチャートに示すエピタキシャル成長を行ない、ボロン或いはリン等の不純物がドープされたシリコン単結晶膜１０６をエピタキシャル基板用シリコンウェハ１００の表面に成長させることで製造される。このとき、本実施形態の工程で製造される基板用シリコンウェハ１００の表面のボロン濃度は、エピタキシャル成長させるシリコン単結晶膜１０６の不純物濃度との差異が小さいため、シリコン単結晶膜１０６との界面において大きな格子歪みを生じない。したがって、シリコン単結晶膜１０６内へのミスフィット転位の発生を抑制することができる。

図５に示した、不純物濃度プロファイルが劣化せず均一で、転位の少ないシリコン単結晶膜１０６を成長させたエピタキシャル基板１０７を用いれば、高性能なディスクリートデバイスを高い歩留まりで製造することが可能となる。

本実施形態の工程Ｓ１０１及びＳ１０３は、シリコンウェハに対してそれぞれ単独に行なっても、表面のボロン濃度を低減させる作用効果を有する。しかし、上述したように工程Ｓ１０１に次いで工程Ｓ１０２、更に工程Ｓ１０３を行なうという手順を遵守することで、基板用シリコンウェハの表面のボロン濃度を飛躍的に低減させる作用効果を発揮する。特に工程Ｓ１０３のみで構成される特許文献２の技術と比べると、比較的低負荷の熱処理で同等あるいはそれ以上のボロン濃度プロファイルを得ることが可能となる。

なお、前記工程Ｓ１０１及びＳ１０３の工程順を変えた場合、すなわち、工程Ｓ１０３を先に行い、その後、工程Ｓ１０１、Ｓ１０２を行うという手順で行った場合には、表面のボロン濃度を飛躍的に低減させる作用効果を発揮することが難しい。

以上、具体例を参照しながら実施形態について説明した。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

例えば、工程Ｓ１０１及び工程Ｓ１０３が行なわれる反応炉は、同一の反応炉を用いても、それぞれの工程の特性に合った複数の反応炉を設けてもよい。同一の反応炉を用いれば、シリコンウェハ製造装置の共通化を図ることができ、空間的、経済的コストの削減に寄与することができる。また他方で、複数の反応炉を設ければ、各工程のプロセス中に生成する副生成物の残留等による悪影響がシリコンウェハに及ばないという利点がある。

また、工程Ｓ１０１においては、水素と酸素が１：１の割合で燃焼酸化を行なう雰囲気中において、シリコンウェハを１０００℃〜１１００℃に加熱することとした。しかし、熱酸化の条件は、この条件に限られるものではなく、形成されるシリコン酸化膜中にボロンが偏析する条件であれば、その他の熱酸化条件を適用しても構わない。例えば、酸素１００％雰囲気に保持した反応炉内にシリコンウェハを収容して熱酸化処理を行なっても良い。また、上述の燃焼酸化を行なったうえ、さらに酸素１００％の熱酸化を行なう二工程の熱酸化処理を行なっても良い。

さらに、工程Ｓ１０２においては、ＢＨＦを処理液として用いるとした。しかし、シリコン酸化膜をエッチングする物性を持つ薬品であれば、その他の薬品を処理液としても構わない。例えば、所定の濃度のＤＨＦ（希フッ酸・ＨＦ−Ｈ_２Ｏ）等を用いても良い。

本実施形態の工程Ｓ１０３では、反応炉内を例えば水素１００％雰囲気に調整するとした。しかし、その他のガスが混在し、水素１００％雰囲気を欠いたとしても、これを排除するものではない。所定の温度にまでシリコンウェハ１０１が加熱されることで、表面からボロンが外方拡散する良好な雰囲気が保持されていれば良い。また、本実施例では水素処理を１２００℃で２時間としたが、これは従来との比較のため揃えたもので、実際は短時間の処理時間でもよい。さらに、上述した種々の酸化条件と水素処理条件を多様に組み合わせることで、ボロン濃度プロファイルをある程度制御することも可能である。

本実施形態の説明では、エピタキシャル基板、エピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法、プロセス装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるエピタキシャル基板の製造方法、プロセス装置の構成や制御の手法等を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうるすべてのエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法は、本発明の範囲に包含される。

以下、図１及び図６を参照しながら実施例を説明する。（実施例）図１に示すフローチャートの工程に従って、エピタキシャル基板用シリコンウェハを製造した。各工程は以下の条件において行ない、工程完了後の基板用シリコンウェハのボロン濃度の分布をＳＩＭＳ分析により測定した結果を図６に示す。

酸化膜形成工程Ｓ１０１の処理条件反応炉内温度：１０５０℃反応炉内圧：７６０Ｔｏｒｒ反応炉内雰囲気：Ｈ_２：Ｏ_２＝１：１燃焼酸化＋Ｏ_２１００％処理時間：６０分

酸化膜剥離工程Ｓ１０２の処理条件処理液：ＢＨＦ

水素熱処理工程Ｓ１０３の処理条件反応炉内温度：１２００ ℃反応炉内圧：７６０Ｔｏｒｒ反応炉内雰囲気：Ｈ_２１００％処理時間：１２０分

（比較例１）比較例１は、実施例の工程Ｓ１０１及びＳ１０２のみをシリコンウェハに行なった。各処理条件は、実施例のものと同様とした。ボロン濃度の分布を測定した結果を図６に示す。

（比較例２）比較例２は、実施例の工程Ｓ１０３のみをシリコンウェハに行なった。各処理条件は、実施例のものと同様とした。ボロン濃度の分布を測定した結果を図６に示す。

（比較例３）比較例３は、実施例の工程Ｓ１０３を最初に行ったのちに、実施例の工程Ｓ１０１及びＳ１０２をシリコンウェハに行なった。各処理条件は、実施例のものと同様とした。ボロン濃度の分布を測定した結果を図６に示す。

図６は、実施例、比較例１、比較例２、比較例３による処理が行なわれた場合のそれぞれのエピタキシャル基板用シリコンウェハのボロン濃度を比較したグラフである。縦軸はボロン濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を示し、横軸はエピタキシャル基板用シリコンウェハの表面からの深さ（μm）を示した。

図６のカーブａは、実施例のエピタキシャル基板用シリコンウェハのボロン濃度と表面からの深さとの相関を示す。また、カーブｂは比較例１のエピタキシャル基板用シリコンウェハのボロン濃度の分布を示す。そして、カーブｃは比較例２のエピタキシャル基板用シリコンウェハのボロン濃度の分布を示す。更に、カーブｄは比較例３のエピタキシャル基板用シリコンウェハのボロン濃度の分布を示す。

カーブａより、実施例の処理は、高濃度ドープ領域のボロン濃度２Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上に対して、ボロン濃度を１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にまで低減させた。そして、シリコンウェハの表層方向に対してボロン濃度が更に逓減していく濃度分布を示した。即ち、シリコンウェハの表面のボロン濃度を処理前の５％以下にまで抑制させることがわかる。

また、カーブｂより、比較例１の処理は、同様にシリコンウェハの表面のボロン濃度を処理前の５０％まで低減させることがわかる。

さらに、カーブｃより、比較例２の処理は、同様にシリコンウェハの表面のボロン濃度を処理前の１０％まで低減させることがわかる。

さらに、カーブｄより、比較例３の処理は比較例２の処理（カーブｃ）と同程度であり、比較例２の処理と同様にシリコンウェハの表面のボロン濃度を処理前の１０％まで低減させることがわかる。

したがって、本発明の一態様を用いた実施例によれば、比較例１、比較例２、比較例３よりも大幅にシリコンウェハ１０１の表面のボロン濃度を低減させることができる。よって、エピタキシャル成長を行なった場合のオートドープ抑制、ミスフィット転移抑制に優れるエピタキシャル基板用シリコンウェハが製造できることが確認された。

１００…エピタキシャル基板用シリコンウェハ１０１…シリコンウェハ１０２…酸化膜１０３、１０４…遷移層１０５…高濃度ドープ領域１０６…シリコン単結晶膜１０７…エピタキシャル基板

Claims

１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のボロンを含有するシリコンウェハを熱酸化処理し、前記シリコンウェハの表面にシリコン酸化膜を形成する第一の工程と、前記シリコン酸化膜を剥離する第二の工程と、前記シリコン酸化膜を剥離したシリコンウェハを、水素雰囲気中において熱処理する第三の工程と、を備えることを特徴とするエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法。
前記第一の工程は、酸化雰囲気中において前記シリコンウェハを１０００℃〜１１００℃に加熱することを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法。
前記第三の工程は、水素を含む雰囲気中において前記シリコンウェハを１０００℃〜１２００℃に加熱することを特徴とする請求項１または請求項２記載のエピタキシャル基板用シリコンウェハの製造方法。
１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上のボロンを含有するシリコンウェハを熱酸化処理し、前記シリコンウェハの表面にシリコン酸化膜を形成する第一の工程と、前記シリコン酸化膜を剥離する第二の工程と、前記シリコン酸化膜を剥離したシリコンウェハを、水素雰囲気中において熱処理する第三の工程と、前記熱処理を行ったシリコンウェハにシリコン単結晶膜を形成する第四の工程と、を備えることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
前記第一の工程は、酸化雰囲気中において前記シリコンウェハを１０００℃〜１１００℃に加熱することを特徴とする請求項４記載のエピタキシャル基板の製造方法。
前記第三の工程は、水素を含む雰囲気中において前記シリコンウェハを１０００℃〜１２００℃に加熱することを特徴とする請求項４または請求項５記載のエピタキシャル基板の製造方法。