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JP7790626B2 - Epitaxial silicon wafer and method for manufacturing the same, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Epitaxial silicon wafer and method for manufacturing the same, and method for manufacturing semiconductor device

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Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハ及びその製造方法、並びに半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to an epitaxial silicon wafer and a method for manufacturing the same, as well as a method for manufacturing a semiconductor device.

シリコンウェーハ上に単結晶シリコンのエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハは、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、パワートランジスタ及びBSI(Back Side Illumination)型のCIS(CMOS Image Sensor)など、種々の半導体デバイスを作製するためのデバイス基板として用いられている。 Epitaxial silicon wafers, which have an epitaxial layer of single-crystal silicon formed on a silicon wafer, are used as device substrates for fabricating various semiconductor devices, such as MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), DRAMs (Dynamic Random Access Memory), power transistors, and BSI (Back Side Illumination) CISs (CMOS Image Sensors).

ここで、エピタキシャル層が重金属で汚染されると、CISの暗電流が増加し、白傷欠陥と呼ばれる欠陥が生じるなど、半導体デバイスの特性を劣化させる要因となる。そのため、このような重金属汚染を抑制するために、重金属を捕獲するためのゲッタリングサイトをシリコンウェーハ中に形成する技術がある。その方法の一つとして、シリコンウェーハ中にイオンを注入し、その後エピタキシャル層を形成する方法が知られている。この方法では、イオン注入領域がゲッタリングサイトとして機能する。 Heavy metal contamination of the epitaxial layer can increase the dark current of the CIS and cause defects known as white defects, degrading the characteristics of the semiconductor device. Therefore, to suppress such heavy metal contamination, there is a technology that forms gettering sites in the silicon wafer to capture heavy metals. One known method is to implant ions into the silicon wafer and then form the epitaxial layer. In this method, the ion-implanted region functions as the gettering site.

特許文献1及び特許文献2には、シリコンウェーハの表面に、C等の、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する工程と、前記シリコンウェーハの改質層上にシリコンエピタキシャル層を形成する工程と、を有するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法が記載されている。 Patent Documents 1 and 2 describe methods for producing epitaxial silicon wafers, which include the steps of irradiating the surface of a silicon wafer with cluster ions, such as C3H5 , whose constituent elements are carbon and hydrogen, to form a modified layer in the surface layer of the silicon wafer, in which the constituent elements of the cluster ions are dissolved, and forming a silicon epitaxial layer on the modified layer of the silicon wafer.

特許文献1では、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを照射して形成した改質層は、炭素のモノマーイオンを注入して得たイオン注入領域よりも高いゲッタリング能力を発揮することを示している。 Patent document 1 shows that a modified layer formed by irradiating cluster ions whose constituent elements are carbon and hydrogen exhibits higher gettering capabilities than an ion-implanted region obtained by implanting carbon monomer ions.

特許文献2には、特許文献1に記載の技術の改良技術として、改質層における厚み方向の一部がアモルファス層となるように、構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンを高ドーズ量で照射することによって、重金属のゲッタリング能力を向上できることが記載されている。また、特許文献2には、このように高ドーズ量でクラスターイオンを照射した場合、エピタキシャル成長後の改質層の断面TEM画像において、注入炭素等に起因する微小な黒点状欠陥が視認され、この黒点状欠陥がゲッタリング能力の向上に寄与するのではないかとの考察が記載されている。 Patent Document 2 describes an improved technique for the technique described in Patent Document 1, in which the gettering capability of heavy metals can be improved by irradiating a high dose of cluster ions composed of carbon and hydrogen so that a portion of the modified layer in the thickness direction becomes amorphous. Patent Document 2 also describes that when irradiating with such a high dose of cluster ions, tiny black dot-like defects caused by implanted carbon, etc., are visible in cross-sectional TEM images of the modified layer after epitaxial growth, and that these black dot-like defects may contribute to improved gettering capability.

一方、炭素のドーズ量を高めると、シリコンウェーハの表層部(改質層)に注入された高濃度の炭素が、エピタキシャル成長中及びデバイス形成プロセス中にシリコンエピタキシャル層に拡散して、シリコンエピタキシャル層(すなわちデバイス形成領域)に炭素起因の点欠陥が形成され、デバイス特性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、特許文献3には、シリコンウェーハの表面に、SiH(xは1~3の整数から選択される1つ以上)のイオンとC(yは2~5の整数から選択される1つ以上)のイオンとを含むクラスターイオンのビームを照射して改質層を形成し、前記改質層上にシリコンエピタキシャル層を形成する、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法が記載されている。これにより、Cイオンのドーズ量を低くして、改質層中の炭素濃度を低減しつつも、SiHイオンの注入によって、ゲッタリング能力を確保できることが記載されている。 On the other hand, if the carbon dose is increased, the high concentration of carbon implanted in the surface layer (modified layer) of the silicon wafer diffuses into the silicon epitaxial layer during epitaxial growth and the device formation process, forming carbon-induced point defects in the silicon epitaxial layer (i.e., the device formation region), which may affect the device characteristics. Therefore, Patent Document 3 describes a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer, in which a modified layer is formed by irradiating the surface of the silicon wafer with a beam of cluster ions containing SiH x (x is one or more selected from integers of 1 to 3) ions and C 2 H y (y is one or more selected from integers of 2 to 5) ions, and a silicon epitaxial layer is formed on the modified layer. It describes that this method allows the dose of C 2 H y ions to be lowered, reducing the carbon concentration in the modified layer, while ensuring gettering capability by implanting SiH x ions.

国際公開第2012/157162号International Publication No. 2012/157162 国際公開第2015/104965号International Publication No. 2015/104965 国際公開第2022/044562号International Publication No. 2022/044562

シリコンウェーハの表層部(改質層)に注入された水素は、エピタキシャル層に半導体デバイスを形成するデバイス形成プロセス時の熱処理によってエピタキシャル層に拡散し、エピタキシャル層内の界面準位欠陥をパッシベーション(不活性化)して、リーク電流の低減などデバイス特性の向上に寄与する。しかしながら、特許文献1~3はいずれもエピタキシャルシリコンウェーハのゲッタリング能力のみに注目してクラスターイオンの照射条件を検討しており、エピタキシャルシリコンウェーハに注入された水素によるパッシベーション効果については検討されていなかった。そこで、本発明者が検討したところ、エピタキシャルシリコンウェーハにおける水素によるパッシベーション効果について、改善の余地があることが判明した。 Hydrogen implanted into the surface layer (modified layer) of a silicon wafer diffuses into the epitaxial layer through heat treatment during the device formation process of forming semiconductor devices on the epitaxial layer, passivating (inactivating) interface state defects within the epitaxial layer and contributing to improved device characteristics such as reduced leakage current. However, Patent Documents 1 to 3 all examine the irradiation conditions of cluster ions, focusing only on the gettering ability of epitaxial silicon wafers, and do not consider the passivation effect of hydrogen implanted into epitaxial silicon wafers. Therefore, the inventors conducted research and found that there is room for improvement in the passivation effect of hydrogen in epitaxial silicon wafers.

上記課題に鑑み、本発明は、水素によるパッシベーション効果が高いエピタキシャルシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide an epitaxial silicon wafer with a high hydrogen passivation effect and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決すべく、本発明者は鋭意研究を進め、以下の知見を得た。まず、特許文献1及び特許文献2のような構成元素が炭素及び水素からなるクラスターイオンのみを照射する場合、シリコンエピタキシャル層に炭素起因の点欠陥の形成を抑制しようと炭素ドーズ量を低減すると、ゲッタリング能力が確保できないばかりか、改質層に注入され、エピタキシャル層の形成後も残留する水素の量も減ってしまい、水素によるパッシベーション効果も得ることができない。そこで、少なくとも特許文献3のように、SiHイオンとCイオンとを含むクラスターイオンを照射することとした。ただし、この場合であっても、特許文献3のように炭素ドーズ量を減らしすぎると、改質層中に残留する水素の量が少なくなり、水素によるパッシベーション効果が十分に得られない。そのため、水素によるパッシベーション効果を得るためには一定量の炭素ドーズ量を確保することが必要であった。さらに、照射するC原子数に対するSi原子数の比を所定範囲に調整することで、水素によるパッシベーション効果を十分に得ることができた。このような製造方法によって、シリコンウェーハの表層部(改質層)に炭素集合体からなる微小欠陥とSi注入に起因するEOR(End of Range)欠陥とを有し、水素によるパッシベーション効果が高いエピタキシャルシリコンウェーハが得られた。 To solve the above problems, the present inventors conducted extensive research and obtained the following findings. First, when irradiating only cluster ions composed of carbon and hydrogen as constituent elements, as in Patent Documents 1 and 2, reducing the carbon dose to suppress the formation of carbon-induced point defects in the silicon epitaxial layer not only fails to ensure gettering capability, but also reduces the amount of hydrogen implanted in the modified layer and remaining after the formation of the epitaxial layer, making it impossible to obtain the passivation effect of hydrogen. Therefore, as in Patent Document 3, it was decided to irradiate with cluster ions containing at least SiH x ions and C 2 H y ions. However, even in this case, if the carbon dose is reduced too much, as in Patent Document 3, the amount of hydrogen remaining in the modified layer decreases, and the passivation effect of hydrogen is not sufficiently obtained. Therefore, in order to obtain the passivation effect of hydrogen, it was necessary to ensure a certain carbon dose. Furthermore, by adjusting the ratio of the number of Si atoms to the number of C atoms irradiated within a predetermined range, the passivation effect of hydrogen could be sufficiently obtained. By using this manufacturing method, an epitaxial silicon wafer was obtained that had micro-defects consisting of carbon aggregates and EOR (End of Range) defects caused by Si implantation in the surface layer (modified layer) of the silicon wafer, and that had a high passivation effect due to hydrogen.

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。 In other words, the gist of the present invention is as follows:

[1]シリコンウェーハの表面に、SiH(xは1~3の整数から選択される1つ以上)のイオンとC(yは2~5の整数から選択される1つ以上)のイオンとを含むクラスターイオンのビームを照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第1工程と、
前記シリコンウェーハの前記改質層上にシリコンエピタキシャル層を形成する第2工程と、
を有し、
前記第1工程で照射する前記クラスターイオンの総ドーズ量が6.00×1013ions/cm以上1.00×1015ions/cm以下であり、
前記第1工程で照射する前記Cイオンのドーズ量が1.00×1014ions/cm超え3.00×1014ions/cm以下であり、
前記第1工程で注入するC原子数に対するSi原子数の比[Si/C]が0.3以上1.6以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
[1] A first step of irradiating a surface of a silicon wafer with a beam of cluster ions containing SiH x (x is one or more selected from integers of 1 to 3) ions and C 2 H y (y is one or more selected from integers of 2 to 5) ions to form a modified layer in a surface layer portion of the silicon wafer, in which constituent elements of the cluster ions are solid-dissolved;
a second step of forming a silicon epitaxial layer on the modified layer of the silicon wafer;
and
the total dose of the cluster ions irradiated in the first step is 6.00×10 13 ions/cm 2 or more and 1.00×10 15 ions/cm 2 or less;
the dose of the C 2 H ions irradiated in the first step is more than 1.00×10 14 ions/cm 2 and not more than 3.00×10 14 ions/cm 2 ;
a ratio of the number of Si atoms to the number of C atoms implanted in the first step, [Si/C], of 0.3 to 1.6;

[2]前記第1工程で照射する前記Cイオンのドーズ量が1.25×1014ions/cm以上である、上記[1]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 [2] The method for producing an epitaxial silicon wafer according to the above [1], wherein the dose of the C 2 H ions irradiated in the first step is 1.25×10 14 ions/cm 2 or more.

[3]シリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハの表層部に形成された、炭素及び水素の少なくとも一方が固溶した改質層と、
前記改質層上に形成されたシリコンエピタキシャル層と、
を有し、
前記改質層の断面TEM画像による欠陥評価において、前記改質層には、3nm以上10nm以下のサイズの炭素集合体からなる微小欠陥が1.00×1016個/cm以上8.00×1016個/cm以下の密度で存在する第1欠陥領域が観察され、かつ、最大幅が50nm以上250nm以下のEOR欠陥が2.00×10個/cm以上5.00×10個/cm未満の密度で存在する第2欠陥領域が観察され、
前記シリコンエピタキシャル層及び前記改質層に分布する炭素の量が2.00×1014atoms/cm超え6.00×1014atoms/cm以下であり、
前記改質層の深さ方向におけるSIMSの水素濃度プロファイルにおいて、ピーク濃度が5.00×1016atoms/cm以上1.00×1018atoms/cm以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
[3] a silicon wafer;
a modified layer formed on a surface layer portion of the silicon wafer, the modified layer containing a solid solution of at least one of carbon and hydrogen;
a silicon epitaxial layer formed on the modified layer;
and
In a defect evaluation of the modified layer using a cross-sectional TEM image, first defect regions were observed in the modified layer, in which microdefects composed of carbon aggregates having a size of 3 nm or more and 10 nm or less existed at a density of 1.00× 10 /cm or more and 8.00× 10 /cm or less, and second defect regions were observed in which EOR defects having a maximum width of 50 nm or more and 250 nm or less existed at a density of 2.00× 10 /cm or more and less than 5.00× 10 /cm2,
the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer and the modified layer is greater than 2.00×10 14 atoms/cm 2 and not more than 6.00×10 14 atoms/cm 2 ;
An epitaxial silicon wafer, wherein a peak hydrogen concentration in a depth direction of the modified layer measured by SIMS is 5.00×10 16 atoms/cm 3 or more and 1.00×10 18 atoms/cm 3 or less.

[4]前記改質層の断面TEM画像による欠陥評価において、前記第2欠陥領域には、前記EOR欠陥が2.50×10個/cm以上4.50×10個/cm以下の密度で存在する、上記[3]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。 [4] The epitaxial silicon wafer according to the above [3], wherein, in defect evaluation using a cross-sectional TEM image of the modified layer, the EOR defects are present in the second defect region at a density of 2.50 × 10 /cm or more and 4.50 × 10 /cm or less.

[5]前記シリコンエピタキシャル層及び前記改質層に分布する炭素の量が2.50×1014atoms/cm以上である、上記[3]又は[4]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。 [5] The epitaxial silicon wafer according to the above [3] or [4], wherein the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer and the modified layer is 2.50×10 14 atoms/cm 2 or more.

[6]上記[1]又は[2]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法と、
前記エピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する工程と、
を有する半導体デバイスの製造方法。
[6] The method for producing an epitaxial silicon wafer according to [1] or [2] above;
forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:

[7]上記[3]又は[4]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する、半導体デバイスの製造方法。 [7] A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer described in [3] or [4] above.

[8]上記[5]に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する、半導体デバイスの製造方法。 [8] A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer described in [5] above.

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法によれば、水素によるパッシベーション効果が高いエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができる。また、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハは、水素によるパッシベーション効果が高い。 The epitaxial silicon wafer manufacturing method of the present invention makes it possible to manufacture epitaxial silicon wafers with a high passivation effect due to hydrogen. Furthermore, the epitaxial silicon wafer of the present invention has a high passivation effect due to hydrogen.

本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ100の製造方法を説明する模式断面図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer 100 according to an embodiment of the present invention. 原料ガスとしてのジエチルシラン(SiC12)から得られる種々のクラスターイオンのマスフラグメントを示すグラフ(マススペクトル)である。1 is a graph (mass spectrum) showing mass fragments of various cluster ions obtained from diethylsilane (SiC 4 H 12 ) as a source gas. 本発明の実施例における、エピタキシャル層形成後のSIMSによる(a)炭素濃度プロファイル及び(b)水素濃度プロファイルを示すグラフである。1A and 1B are graphs showing (a) a carbon concentration profile and (b) a hydrogen concentration profile by SIMS after forming an epitaxial layer in an example of the present invention. 本発明の実施例における、(a)比較例No.9、(b)本発明例No.6、(c)本発明例No.4の改質層の断面TEM画像(倍率:20万倍)である。1 shows cross-sectional TEM images (magnification: 200,000 times) of modified layers of (a) Comparative Example No. 9, (b) Inventive Example No. 6, and (c) Inventive Example No. 4 in the examples of the present invention. QSCV(Quasi-Static Capacitance-Voltage)法における、(a)低周波CV測定及び(b)高周波CV測定時のMOS構造の等価回路図である。1A and 1B are equivalent circuit diagrams of a MOS structure during low-frequency CV measurement and high-frequency CV measurement, respectively, in a QSCV (Quasi-Static Capacitance-Voltage) method. 本発明の実施例における、界面準位密度Ditの算出結果を示すグラフである。10 is a graph showing the calculation results of the interface state density Dit in an example of the present invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図1では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、シリコンウェーハ10に対して改質層14及びシリコンエピタキシャル層16の厚さを誇張して示す。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that for ease of explanation, in Figure 1, the thicknesses of the modified layer 14 and silicon epitaxial layer 16 are exaggerated relative to the silicon wafer 10, rather than representing their actual thickness ratios.

(エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法)
本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ100の製造方法は、図1に示すように、シリコンウェーハ10の表面10Aに、SiH(xは1~3の整数から選択される1つ以上)のイオン12AとC(yは2~5の整数から選択される1つ以上)のイオン12Bとを含むクラスターイオン12のビームを照射して、当該シリコンウェーハ10の表層部に、前記クラスターイオン12の構成元素が固溶した改質層14を形成する第1工程(図1ステップA,B)と、前記シリコンウェーハ10の改質層14上にシリコンエピタキシャル層16を形成する第2工程(図1ステップC)と、を有する。シリコンエピタキシャル層16は、BSI型のCIS等の半導体素子を製造するためのデバイス層となる。
(Method for manufacturing epitaxial silicon wafers)
1, a method for producing an epitaxial silicon wafer 100 according to one embodiment of the present invention includes a first step (steps A and B in FIG. 1) of irradiating a surface 10A of a silicon wafer 10 with a beam of cluster ions 12 containing SiH x ions 12A (x is one or more selected from integers of 1 to 3) and C 2 H y ions 12B (y is one or more selected from integers of 2 to 5) to form a modified layer 14 in the surface layer portion of the silicon wafer 10, in which the constituent elements of the cluster ions 12 are solid-dissolved, and a second step (step C in FIG. 1) of forming a silicon epitaxial layer 16 on the modified layer 14 of the silicon wafer 10. The silicon epitaxial layer 16 becomes a device layer for manufacturing semiconductor devices such as BSI-type CIS.

[第1工程]
シリコンウェーハ10としては、例えば、表面にエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶シリコンウェーハが挙げられる。また、より高いゲッタリング能力を得るために、シリコンウェーハに炭素及び/又は窒素を添加してもよい。さらに、シリコンウェーハに任意のドーパントを所定濃度添加して、いわゆるn+型もしくはp+型、又は、n-型もしくはp-型の基板としてもよい。
[First step]
The silicon wafer 10 may be, for example, a bulk single-crystal silicon wafer having no epitaxial layer on its surface. Carbon and/or nitrogen may be added to the silicon wafer to obtain higher gettering capability. Furthermore, a predetermined concentration of any dopant may be added to the silicon wafer to form a so-called n+ type or p+ type, or n- type or p- type substrate.

また、シリコンウェーハ10としては、バルクの単結晶シリコンウェーハ表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハを用いてもよい。シリコンエピタキシャル層は、CVD法により一般的な条件で形成することができる。エピタキシャル層は、厚さが0.1~10μmの範囲内とすることが好ましく、0.2~5μmの範囲内とすることがより好ましい。 The silicon wafer 10 may also be an epitaxial silicon wafer, in which a silicon epitaxial layer is formed on the surface of a bulk single-crystal silicon wafer. The silicon epitaxial layer can be formed using typical CVD conditions. The epitaxial layer preferably has a thickness in the range of 0.1 to 10 μm, and more preferably in the range of 0.2 to 5 μm.

第1工程では、シリコンウェーハ10の表面10Aに、SiH(xは1~3の整数から選択される1つ以上)のイオン12AとC(yは2~5の整数から選択される1つ以上)のイオン12Bとを含むクラスターイオン12のビームを照射する。本明細書における「クラスターイオン」は、電子衝撃法により、ガス状分子に電子を衝突させてガス状分子の結合を解離させることで種々の原子数の原子集合体とし、フラグメントを起こさせて当該原子集合体をイオン化させ、イオン化された種々の原子数の原子集合体の質量分離を行って、特定の質量数のイオン化された原子集合体を抽出して得られる。すなわち、本明細書における「クラスターイオン」は、原子が複数集合して塊となったクラスターに正電荷または負電荷を与え、イオン化したものであり、炭素イオンなどの単原子イオンや、一酸化炭素イオンなどの単分子イオンとは明確に区別される。クラスターイオンの構成原子数は、通常5個~100個程度である。このような原理を用いたクラスターイオン注入装置として、例えば日新イオン機器株式会社製のCLARIS(登録商標)を用いることができる。 In the first step, a surface 10A of a silicon wafer 10 is irradiated with a beam of cluster ions 12 including SiH x ions 12A (x is one or more integers selected from 1 to 3) and C 2 H y ions 12B (y is one or more integers selected from 2 to 5). The term "cluster ions" as used herein refers to ions obtained by electron bombardment, which involves colliding electrons with gaseous molecules to dissociate the bonds of the gaseous molecules, thereby forming atomic aggregates of various numbers of atoms, fragmenting the atomic aggregates, ionizing the ionized atomic aggregates of various numbers of atoms, and then mass-separating the ionized atomic aggregates of various numbers of atoms to extract ionized atomic aggregates of specific mass numbers. In other words, the term "cluster ions" as used herein refers to clusters formed by aggregating multiple atoms, which are ionized by imparting a positive or negative charge to the clusters, and is clearly distinguishable from monoatomic ions such as carbon ions and monomolecular ions such as carbon monoxide ions. Cluster ions typically contain approximately 5 to 100 atoms. As a cluster ion implantation device using this principle, for example, CLARIS (registered trademark) manufactured by Nissin Ion Equipment Co., Ltd. can be used.

シリコンウェーハ10に、SiHイオン12AとCイオン12Bとを含むクラスターイオン12のビームを照射すると、その照射エネルギーでシリコンウェーハ10の表層部のシリコンは瞬間的に1350~1400℃程度の高温状態となり、融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハの表層部に、クラスターイオン12に由来する炭素、水素及びケイ素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するクラスターイオンの構成元素である炭素、水素及びケイ素の少なくとも一つがシリコンウェーハ表層部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。ただし、シリコンウェーハの表層部に注入されたSiHイオン由来のSiは、シリコンウェーハを構成するSiと区別することは困難である。そのため、本明細書において「改質層」は、シリコンウェーハの深さ方向における炭素及び水素のSIMS濃度プロファイルにおいて、いずれかの元素の濃度がバックグラウンドよりも高く検出される領域として特定される。クラスターイオンの注入後かつエピタキシャル層形成前の段階では、概ね、シリコンウェーハの表面から500nm以下の表層部が改質層となる。エピタキシャル層形成後の段階では、炭素がシリコンウェーハの表面から内部に拡散するため、シリコンウェーハの表面(エピタキシャル層とシリコンウェーハとの界面)から2~4μm程度の表層部が改質層となる。 When a silicon wafer 10 is irradiated with a beam of cluster ions 12 containing SiH x ions 12A and C 2 H y ions 12B, the irradiation energy instantaneously heats the silicon in the surface layer of the silicon wafer 10 to a high temperature of approximately 1350 to 1400°C, causing it to melt. The silicon is then rapidly cooled, and carbon, hydrogen, and silicon derived from the cluster ions 12 are solid-dissolved in the surface layer of the silicon wafer. That is, the term "modified layer" used herein refers to a layer in which at least one of carbon, hydrogen, and silicon, which are constituent elements of the irradiated cluster ions, is solid-dissolved in interstitial or substitutional positions of the crystals in the surface layer of the silicon wafer. However, it is difficult to distinguish Si derived from SiH x ions implanted in the surface layer of the silicon wafer from Si that constitutes the silicon wafer. Therefore, the term "modified layer" used herein is specified as a region in which the concentration of either element is detected to be higher than the background in the SIMS concentration profile of carbon and hydrogen in the depth direction of the silicon wafer. After the implantation of cluster ions and before the formation of the epitaxial layer, the surface layer of the silicon wafer that is approximately 500 nm or less from the surface becomes a modified layer. After the formation of the epitaxial layer, carbon diffuses from the surface to the interior of the silicon wafer, so that the surface layer of the silicon wafer that is approximately 2 to 4 μm from the surface (the interface between the epitaxial layer and the silicon wafer) becomes a modified layer.

詳細は実施例において実験結果に基づいて説明するが、本実施形態では、SiHイオン12AとCイオン12Bとを含むクラスターイオン12を用いることが肝要である。xは1~3の整数から選択される1つ以上であり、すなわち、SiHイオン12Aは、SiHイオン、SiHイオン、及びSiHイオンからなる群から選択される一種以上を含む。yは2~5の整数から選択される1つ以上であり、すなわち、Cイオン12Bは、Cイオン、Cイオン、Cイオン、及びCイオンからなる群から選択される一種以上を含む。 Details will be explained based on experimental results in the examples, but in this embodiment, it is essential to use cluster ions 12 including SiH x ions 12A and C 2 H y ions 12B. x is one or more selected from integers of 1 to 3, i.e., the SiH x ions 12A include one or more selected from the group consisting of SiH ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions. y is one or more selected from integers of 2 to 5, i.e., the C 2 H y ions 12B include one or more selected from the group consisting of C 2 H 2 ions, C 2 H 3 ions, C 2 H 4 ions, and C 2 H 5 ions.

本発明を限定することはないが、本発明者は、SiHイオン12AとCイオン12Bとを含むクラスターイオン12を用いる効果について、以下のように考えている。まず、Cイオン12Bを照射することによって、改質層に炭素集合体からなる微小欠陥が形成され、この微小欠陥が水素の捕獲サイトとなることで、エピタキシャル層形成後も改質層中に水素が高濃度に残留し、水素によるパッシベーション効果が得られる。さらに、SiHイオン12Aを同時に照射することで、ケイ素原子は炭素原子よりも質量数が大きいため、シリコンウェーハの表層部に大きなダメージ(注入欠陥)が導入され、改質層14には比較的大きな注入欠陥(EOR欠陥)が形成される。そして、この注入欠陥に、Cイオン12Bに由来する注入された炭素が集合し、さらにこの注入欠陥にも水素が捕獲されることによって、高いパッシベーション効果を発揮しうる欠陥の領域が形成されると推測される。 Without limiting the present invention, the present inventors consider the effects of using cluster ions 12 containing SiH x ions 12A and C 2 H y ions 12B as follows. First, by irradiating the modified layer with C 2 H y ions 12B, micro-defects consisting of carbon aggregates are formed in the modified layer. These micro-defects serve as hydrogen trapping sites, so that a high concentration of hydrogen remains in the modified layer even after the formation of the epitaxial layer, thereby achieving a passivation effect by hydrogen. Furthermore, by simultaneously irradiating the modified layer with SiH x ions 12A, since silicon atoms have a larger mass number than carbon atoms, significant damage (implantation defects) is introduced into the surface layer of the silicon wafer, and relatively large implantation defects (EOR defects) are formed in the modified layer 14. Then, implanted carbon derived from the C 2 H y ions 12B aggregates in these implantation defects, and hydrogen is further trapped in these implantation defects, forming defect regions that can exhibit a high passivation effect.

クラスターイオンの原料となるガス状分子は、上記のSiHイオンとCイオンとを同時に生成することができるものあれば特に限定されないが、例えば、ジエチルシラン(SiC12)、ブチルシラン(SiC12)、メチルプロピルシラン(SiC12)、ペンチルシラン(SiC14)、メチルブチルシラン(SiC14)、エチルプロピルシラン(SiC14)等を挙げることができる。ただし、これらの原料ガスからはそれぞれ種々のサイズのクラスターイオンを生成することができる。例えば、図2及び表1に示すように、ジエチルシラン(SiC12)からは、質量数26~31の範囲において、CイオンとしてCイオン、Cイオン、Cイオン、及びCイオンが生成され、SiHイオンとしてSiHイオン、SiHイオン、及びSiHイオンが生成される。よって、本実施形態で用いる原料ガスとしては、このジエチルシランが最適である。この中の所望の質量数範囲のクラスターイオン(フラグメント)を抽出することによって、所望のイオン種のクラスターイオンを生成することができる。例えば、質量数29~31のフラグメントを抽出すれば、SiHイオンとしてSiHイオン、SiHイオン及びSiHイオンを含み、CイオンとしてCイオンを含むクラスターイオンを生成することができる。 The gaseous molecules that serve as the raw material for the cluster ions are not particularly limited as long as they can simultaneously generate the above-mentioned SiHx ions and C2Hy ions , and examples thereof include diethylsilane ( SiC4H12 ), butylsilane ( SiC4H12 ), methylpropylsilane ( SiC4H12 ) , pentylsilane ( SiC5H14 ), methylbutylsilane ( SiC5H14 ), ethylpropylsilane ( SiC5H14 ) , etc. However, cluster ions of various sizes can be generated from each of these raw material gases. For example, as shown in FIG. 2 and Table 1, diethylsilane (SiC 4 H 12 ) generates C 2 H 2 ions, C 2 H 3 ions, C 2 H 4 ions, and C 2 H 5 ions as C 2 H y ions in the mass number range of 26 to 31, and SiH ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions as SiH x ions. Therefore, diethylsilane is optimal as the source gas used in this embodiment. By extracting cluster ions (fragments) within a desired mass number range from this, cluster ions of a desired ion species can be generated. For example, by extracting fragments with mass numbers of 29 to 31, cluster ions including SiH 3 ions, SiH 2 ions, and SiH ions as SiH x ions and C 2 H 5 ions as C 2 H y ions can be generated.

クラスターイオンの総ドーズ量は、装置設定値として、イオン照射時間を制御することにより調整することができる。本実施形態において、第1工程で照射するクラスターイオンの総ドーズ量が6.00×1013ions/cm未満であると、水素の捕獲サイト及び重金属のゲッタリングシンクとなる注入欠陥が形成されないために水素パッシベーション効果及びゲッタリング能力を有しない。したがって、第1工程で照射するクラスターイオンの総ドーズ量は6.00×1013ions/cm以上とし、8.00×1013ions/cm以上であることが好ましい。一方、第1工程で照射するクラスターイオンの総ドーズ量が1.00×1015ions/cm超えであると、エピタキシャル層に欠陥が発生する原因となる。したがって、第1工程で照射するクラスターイオンの総ドーズ量は1.00×1015ions/cm以下とし、8.00×1014ions/cm以下であることが好ましい。 The total dose of cluster ions can be adjusted by controlling the ion irradiation time as an apparatus setting value. In this embodiment, if the total dose of cluster ions irradiated in the first step is less than 6.00×10 13 ions/cm 2 , implantation defects that serve as hydrogen trapping sites and heavy metal gettering sinks are not formed, and therefore the hydrogen passivation effect and gettering ability are not obtained. Therefore, the total dose of cluster ions irradiated in the first step is set to 6.00×10 13 ions/cm 2 or more, and preferably 8.00×10 13 ions/cm 2 or more. On the other hand, if the total dose of cluster ions irradiated in the first step exceeds 1.00×10 15 ions/cm 2 , defects may occur in the epitaxial layer. Therefore, the total dose of cluster ions irradiated in the first step is set to 1.00×10 15 ions/cm 2 or less, and preferably 8.00×10 14 ions/cm 2 or less.

第1工程で照射するCイオンのドーズ量が1.00×1014ions/cm以下であると、水素によるパッシベーション効果が十分に得られない。したがって、第1工程で照射するCイオンのドーズ量は1.00×1014ions/cm超えとし、1.25×1014ions/cm以上であることが好ましい。一方、第1工程で照射するCイオンのドーズ量が3.00×1014ions/cm以下であると、エピタキシャル成長中及びデバイス形成プロセス中にエピタキシャル層への炭素の拡散を抑制することができる。したがって、第1工程で照射するCイオンのドーズ量は3.00×1014ions/cm以下とし、2.50×1014ions/cm以下であることが好ましい。 If the dose of C2Hy ions irradiated in the first step is 1.00x1014 ions/ cm2 or less, the passivation effect by hydrogen is not sufficiently obtained. Therefore, the dose of C2Hy ions irradiated in the first step is more than 1.00x1014 ions/ cm2 , and preferably 1.25x1014 ions/ cm2 or more. On the other hand, if the dose of C2Hy ions irradiated in the first step is 3.00x1014 ions/ cm2 or less, carbon diffusion into the epitaxial layer during epitaxial growth and the device formation process can be suppressed. Therefore, the dose of C2Hy ions irradiated in the first step is 3.00x1014 ions/ cm2 or less , and preferably 2.50x1014 ions/ cm2 or less.

第1工程で照射するSiHイオンのドーズ量に関しては、Cイオンのドーズ量に対する比を所定範囲とする。すなわち、注入するC原子数に対するSi原子数の比[Si/C]が0.3未満であると、SiHイオンの注入による本発明の効果を十分に得ることができない。したがって、[Si/C]は0.3以上とし、0.5以上であることが好ましい。上記を満たすために、第1工程で照射するSiHイオンのドーズ量は2.50×1014ions/cm以上であることが好ましい。一方、[Si/C]が1.6超えであると、水素によるパッシベーション効果が不十分になる。したがって、[Si/C]は1.6以下とし、1.5以下であることが好ましい。上記を満たすために、第1工程で照射するSiHイオンのドーズ量は4.00×1014ions/cm以下であることが好ましい。 Regarding the dose of SiH x ions irradiated in the first step, the ratio to the dose of C 2 H y ions is set to a predetermined range. That is, if the ratio [Si/C] of the number of Si atoms to the number of C atoms to be implanted is less than 0.3, the effect of the present invention by implanting SiH x ions cannot be fully obtained. Therefore, [Si/C] is set to 0.3 or more, and preferably 0.5 or more. To satisfy the above, the dose of SiH x ions irradiated in the first step is preferably 2.50 × 10 14 ions/cm 2 or more. On the other hand, if [Si/C] exceeds 1.6, the passivation effect by hydrogen becomes insufficient. Therefore, [Si/C] is set to 1.6 or less, and preferably 1.5 or less. To satisfy the above, the dose of SiH x ions irradiated in the first step is preferably 4.00 × 10 14 ions/cm 2 or less.

なお、総ドーズ量は装置設定値として把握することができる。しかしながら、Cイオンのドーズ量及びSiHイオンのドーズ量は、個別に把握することができないため、以下のようにして求めるものとする。すなわち、クラスターイオンを照射した後のシリコンウェーハについて、SIMS測定によって、シリコンウェーハの表面から深さ方向における炭素濃度プロファイルを測定し、当該炭素濃度プロファイルから、改質層への注入炭素量を求める。Cイオンの炭素数は2であるため、上記で求めた注入炭素量を2で除した値を「Cイオンのドーズ量」とみなすことができる。また、「SiHイオンのドーズ量」は、総ドーズ量から、上記のようにして求めたCイオンのドーズ量を差し引くことにより、求めることができる。なお、総ドーズ量に占めるCイオンのドーズ量とSiHイオンのドーズ量の比率は、イオン注入装置において、イオンを選別する質量分離装置の分解能、注入するイオンの質量数設定値、原料ガスの導入量、イオン化する際に照射する電子のエネルギーなどによって制御することができる。 The total dose can be grasped as an apparatus setting value. However, since the dose of C 2 H y ions and the dose of SiH x ions cannot be grasped individually, they are calculated as follows. That is, for a silicon wafer after irradiating with cluster ions, a carbon concentration profile in the depth direction from the surface of the silicon wafer is measured by SIMS measurement, and the amount of carbon implanted into the modified layer is calculated from the carbon concentration profile. Since the carbon number of C 2 H y ions is 2, the value obtained by dividing the implanted carbon amount calculated above by 2 can be considered as the "dose of C 2 H y ions." Furthermore, the "dose of SiH x ions" can be calculated by subtracting the dose of C 2 H y ions calculated as above from the total dose. The ratio of the dose of C2Hy ions to the dose of SiHx ions in the total dose can be controlled by the resolution of a mass separator that selects ions, the set value of the mass number of the ions to be implanted, the amount of raw material gas introduced, the energy of electrons irradiated during ionization, etc. in the ion implantation apparatus.

クラスターイオンの加速電圧は、イオン種とともに、改質層における構成元素の深さ方向の濃度プロファイルのピーク位置に影響を与える。本実施形態においては、クラスターイオンの加速電圧を、0keV/ion超え200keV/ion未満とすることができ、100keV/ion以下とすることが好ましく、80keV/ion以下とすることがさらに好ましい。なお、加速電圧の調整には、(1)静電加速、(2)高周波加速の2方法が一般的に用いられる。前者の方法としては、複数の電極を等間隔に並べ、それらの間に等しい電圧を印加して、軸方向に等加速電界を作る方法がある。後者の方法としては、イオンを直線状に走らせながら高周波を用いて加速する線形ライナック法がある。The acceleration voltage of the cluster ions, along with the ion species, affects the peak position of the depth-direction concentration profile of the constituent elements in the modified layer. In this embodiment, the acceleration voltage of the cluster ions can be set to more than 0 keV/ion and less than 200 keV/ion, preferably 100 keV/ion or less, and more preferably 80 keV/ion or less. Two methods are commonly used to adjust the acceleration voltage: (1) electrostatic acceleration and (2) radio-frequency acceleration. The former method involves arranging multiple electrodes at equal intervals and applying equal voltages between them to create a uniform axial acceleration field. The latter method involves the linear linac method, in which ions are accelerated using radio frequency while traveling in a straight line.

クラスターイオンのビーム電流値は、特に限定されないが、例えば50~5000μAの範囲から適宜決定することができる。クラスターイオンのビーム電流値は、例えば、イオン源における原料ガスの分解条件を変更することにより調整することができる。 The beam current value of the cluster ions is not particularly limited, but can be appropriately determined, for example, from the range of 50 to 5000 μA. The beam current value of the cluster ions can be adjusted, for example, by changing the decomposition conditions of the raw material gas in the ion source.

[第2工程]
シリコンエピタキシャル層16は、一般的な条件により形成することができる。例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね1000~1200℃の範囲の温度でCVD法によりシリコンウェーハ10の改質層14上にエピタキシャル成長させることができる。シリコンエピタキシャル層16は、厚さを1~15μmの範囲内とすることが好ましい。厚さが1μm未満の場合、シリコンウェーハ10からのドーパントの外方拡散によりシリコンエピタキシャル層16の抵抗率が変化してしまう可能性があり、また、厚さが15μm超えの場合、CISの分光感度特性に影響が生じるおそれがあるためである。
[Second step]
The silicon epitaxial layer 16 can be formed under typical conditions. For example, hydrogen is used as a carrier gas, and a source gas such as dichlorosilane or trichlorosilane is introduced into a chamber. The growth temperature varies depending on the source gas used, but epitaxial growth can be performed on the modified layer 14 of the silicon wafer 10 by CVD at a temperature generally in the range of 1000 to 1200°C. The silicon epitaxial layer 16 preferably has a thickness in the range of 1 to 15 μm. A thickness of less than 1 μm may change the resistivity of the silicon epitaxial layer 16 due to out-diffusion of dopants from the silicon wafer 10, while a thickness of more than 15 μm may affect the spectral sensitivity characteristics of the CIS.

以上説明した本実施形態の製造方法によって、ゲッタリング能力を確保しつつ、エピタキシャル成長中及びデバイス形成プロセス中にエピタキシャル層への炭素の拡散が抑制され、水素によるパッシベーション効果が高いエピタキシャルシリコンウェーハを製造することができる。 The manufacturing method of this embodiment described above ensures gettering capability while suppressing the diffusion of carbon into the epitaxial layer during epitaxial growth and the device formation process, making it possible to produce epitaxial silicon wafers with a high hydrogen passivation effect.

なお、第1工程の後、第2工程に先立ち、シリコンウェーハ10に対して結晶性回復のための回復熱処理を行ってもよい。この場合の回復熱処理としては、例えば窒素ガス又はアルゴンガスなどの雰囲気下、900℃以上1100℃以下の温度で、10分以上60分以下の間、シリコンウェーハ10を保持すればよい。また、RTA(Rapid Thermal Annealing)やRTO(Rapid Thermal Oxidation)などの、エピタキシャル装置とは別個の急速昇降温熱処理装置などを用いて回復熱処理を行うこともできる。After the first step and before the second step, the silicon wafer 10 may be subjected to a recovery heat treatment to restore crystallinity. In this case, the recovery heat treatment may involve holding the silicon wafer 10 in an atmosphere of, for example, nitrogen gas or argon gas at a temperature of 900°C to 1100°C for 10 minutes to 60 minutes. The recovery heat treatment may also be performed using a rapid temperature increase/decrease heat treatment device, such as RTA (Rapid Thermal Annealing) or RTO (Rapid Thermal Oxidation), separate from the epitaxial device.

(エピタキシャルシリコンウェーハ)
図1を参照して、本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハ100は、上記製造方法により得られるものであり、シリコンウェーハ10と、当該シリコンウェーハ10の表層部に形成された、炭素及び水素の少なくとも一方が固溶した改質層14と、この改質層14上に形成されたシリコンエピタキシャル層16と、を有する。
(epitaxial silicon wafer)
Referring to FIG. 1 , an epitaxial silicon wafer 100 according to one embodiment of the present invention is obtained by the above-described manufacturing method, and comprises a silicon wafer 10, a modified layer 14 formed in a surface layer portion of the silicon wafer 10 and containing a solid solution of at least one of carbon and hydrogen, and a silicon epitaxial layer 16 formed on the modified layer 14.

[断面TEM画像による欠陥評価]
エピタキシャルシリコンウェーハ100では、改質層の断面TEM画像による欠陥評価において、当該改質層には、3nm以上10nm以下のサイズ(直径)の炭素集合体からなる微小欠陥が1.00×1016個/cm以上8.00×1016個/cm以下の密度で存在する第1欠陥領域が観察され、かつ、最大幅が50nm以上250nm以下のEOR欠陥が2.00×10個/cm以上5.00×10個/cm未満の密度で存在する第2欠陥領域が観察される。なお、本明細書において「断面TEM画像」とは、エピタキシャルシリコンウェーハ100を厚み方向に劈開し、改質層の劈開断面をTEMを用いて観察した画像をいう。
[Defect evaluation using cross-sectional TEM images]
In the epitaxial silicon wafer 100, defect evaluation using a cross-sectional TEM image of the modified layer reveals that first defect regions in which microdefects composed of carbon aggregates having a size (diameter) of 3 nm to 10 nm exist at a density of 1.00× 10 /cm to 8.00× 10 /cm, and second defect regions in which EOR defects having a maximum width of 50 nm to 250 nm exist at a density of 2.00× 10 /cm to less than 5.00 × 10 /cm. In this specification, the term "cross-sectional TEM image" refers to an image obtained by cleaving the epitaxial silicon wafer 100 in the thickness direction and observing the cleavage cross section of the modified layer using a TEM.

エピタキシャルシリコンウェーハ100の改質層には、3nm以上10nm以下のサイズ(直径)の炭素集合体からなる微小欠陥が存在する第1欠陥領域が観察される。これは、注入炭素によって黒点状の微小欠陥が形成されるためである。微小欠陥の密度が1.00×1016個/cm未満であると、水素によるパッシベーション効果が十分に得られない。したがって、炭素集合体からなる微小欠陥の密度は1.00×1016個/cm以上とし、1.50×1016個/cm以上であることが好ましい。一方、微小欠陥の密度が8.00×1016個超えであると、微小欠陥は炭素の集合体によって構成されていることから、デバイス熱処理時に欠陥から拡散する炭素濃度が増加するため、デバイスの電気特性に影響を与える。したがって、炭素集合体からなる微小欠陥の密度は8.00×1016個/cm以下とし、7.60×1016個/cm以下であることが好ましい。 In the modified layer of the epitaxial silicon wafer 100, a first defect region is observed, in which microdefects consisting of carbon aggregates with a size (diameter) of 3 nm to 10 nm are present. This is because black dot-like microdefects are formed by the implanted carbon. If the microdefect density is less than 1.00 × 10 16 /cm 2 , the passivation effect by hydrogen is not sufficiently obtained. Therefore, the density of microdefects consisting of carbon aggregates is set to 1.00 × 10 16 /cm 2 or more, and preferably 1.50 × 10 16 /cm 2 or more. On the other hand, if the microdefect density exceeds 8.00 × 10 16 , since the microdefects are composed of carbon aggregates, the concentration of carbon diffusing from the defects during device heat treatment increases, affecting the electrical characteristics of the device. Therefore, the density of microdefects consisting of carbon aggregates is set to 8.00 × 10 16 /cm 2 or less, and preferably 7.60 × 10 16 /cm 2 or less.

また、エピタキシャルシリコンウェーハ100の改質層には、最大幅が50nm以上250nm以下のEOR欠陥が存在する第2欠陥領域が観察される。EOR欠陥は、SiHイオンの注入に起因する欠陥であると推測される。すなわち、第2欠陥領域を有することにより、注入炭素量が少ないにも関わらず、十分なゲッタリング能力を発揮することができる。なお、本発明において「EOR欠陥」とは、イオン注入された元素により結晶格子から押し出された原子(本発明では、シリコンウェーハ中のシリコン原子)が、熱処理によって注入飛程(SIMSによる炭素濃度プロファイルのピーク位置)より深い位置で凝集することで形成される、{111}方向の積層欠陥、転移ループ、{311}欠陥などの形態をした欠陥の総称である。EOR欠陥の「最大幅」とは、TEM画像における各EOR欠陥の最大の幅を意味する。 Furthermore, second defect regions, in which EOR defects with a maximum width of 50 nm to 250 nm are present, are observed in the modified layer of the epitaxial silicon wafer 100. It is presumed that the EOR defects are defects resulting from the implantation of SiHx ions. That is, the presence of the second defect regions allows for sufficient gettering capability to be exhibited despite the small amount of implanted carbon. In the present invention, the term "EOR defects" refers to a general term for defects in the form of {111} stacking faults, dislocation loops, {311} defects, and the like, which are formed when atoms (in the present invention, silicon atoms in the silicon wafer) pushed out of the crystal lattice by the ion-implanted elements aggregate at a position deeper than the implantation range (the peak position of the carbon concentration profile measured by SIMS) due to heat treatment. The "maximum width" of an EOR defect refers to the maximum width of each EOR defect in a TEM image.

EOR欠陥の密度が2.00×10個/cm未満であると、水素によるパッシベーション効果が十分に得られない。したがって、EOR欠陥の密度は2.00×10個/cm以上とし、2.50×10個/cm以上であることが好ましい。一方、EOR欠陥の密度が5.00×10個/cm以上であると、エピタキシャル成長時のエピタキシャル欠陥発生の原因となり、エピタキシャル層の結晶完全性が保てなくなる。したがって、EOR欠陥の密度は5.00×10個/cm未満とし、4.50×10個/cm以下であることが好ましい。 If the density of EOR defects is less than 2.00×10 7 /cm 2 , the passivation effect by hydrogen cannot be sufficiently obtained. Therefore, the density of EOR defects is set to 2.00×10 7 /cm 2 or more, and preferably 2.50×10 7 /cm 2 or more. On the other hand, if the density of EOR defects is 5.00×10 7 /cm 2 or more, this causes epitaxial defects during epitaxial growth, making it impossible to maintain the crystalline perfection of the epitaxial layer. Therefore, the density of EOR defects is set to less than 5.00×10 7 /cm 2 , and preferably 4.50×10 7 /cm 2 or less.

なお、本発明において「微小欠陥密度」及び「EOR欠陥密度」は、以下のようにして求める。まず、炭素集合体からなる微小欠陥はSIMS測定により検出される炭素濃度ピーク位置と同じ位置で確認される。さらに、図4(b)、(c)から明らかなように、微小欠陥が密集して発生する位置よりもわずかに深い位置にEOR欠陥が確認される。そこで、微小欠陥及びEOR欠陥が発生する領域を含むように、SIMS測定した際に観察される炭素濃度ピークの深さ位置周辺からTEM評価用サンプルを切り出し、この評価サンプルをTEM観察する。そして、図4(b)、(c)に示すように、微小欠陥及びEOR欠陥を含むように、密度算出エリア(つまり、欠陥領域)を縦(深さ)300nmに設定する。当該エリア内で観察される微小欠陥の欠陥数をカウントし、当該欠陥数を当該エリアの面積で除することによって、微小欠陥密度(/cm)とする。さらに、当該エリア内で観察される最大幅50~250nmのEOR欠陥数をカウントし、当該欠陥数を当該エリアの面積で除することによって、EOR欠陥密度(/cm)とする。なお、図4(a)~(c)の例では、密度算出エリアは縦300nm×横200nmの領域としたが、横の長さは特に限定されない。 In the present invention, the "microdefect density" and "EOR defect density" are determined as follows. First, microdefects consisting of carbon aggregates are confirmed at the same position as the carbon concentration peak position detected by SIMS measurement. Furthermore, as is clear from FIGS. 4(b) and (c), EOR defects are confirmed at a position slightly deeper than the position where microdefects occur densely. Therefore, a TEM evaluation sample is cut out from around the depth position of the carbon concentration peak observed in SIMS measurement so as to include the region where microdefects and EOR defects occur, and this evaluation sample is observed with a TEM. Then, as shown in FIGS. 4(b) and (c), a density calculation area (i.e., a defect area) is set to a vertical length (depth) of 300 nm so as to include the microdefects and EOR defects. The number of microdefects observed in the area is counted, and the number of defects is divided by the area of the area to obtain the microdefect density (/ cm2 ). Furthermore, the number of EOR defects with a maximum width of 50 to 250 nm observed in the area is counted, and the number of defects is divided by the area of the area to determine the EOR defect density (/cm 2 ). In the examples of Figures 4(a) to 4(c), the density calculation area is a region of 300 nm length x 200 nm width, but the width is not particularly limited.

[SIMSプロファイル]
エピタキシャルシリコンウェーハ100において、シリコンエピタキシャル層16及び改質層14に分布する炭素の量が2.00×1014atoms/cm以下であると、水素によるパッシベーション効果が十分に得られない。したがって、シリコンエピタキシャル層16及び改質層14に分布する炭素の量は2.00×1014atoms/cm超えとし、2.50×1014atoms/cm以上であることが好ましい。一方、シリコンエピタキシャル層16及び改質層14に分布する炭素の量が6.00×1014atoms/cm超えであると、エピタキシャル成長中及びデバイス形成プロセス中にエピタキシャル層へ炭素が拡散する。したがって、シリコンエピタキシャル層16及び改質層14に分布する炭素の量は、6.00×1014atoms/cm以下とし、5.50×1014atoms/cm以下とすることが好ましい。なお、本発明において、この「炭素の量」は、エピタキシャルシリコンウェーハについて、SIMS測定によって、シリコンエピタキシャル層の表面から深さ方向に向かって炭素濃度プロファイルを測定し、当該プロファイルのエピタキシャル層表面から改質層の終端(シリコンウェーハにおいて炭素濃度プロファイルが平坦になる位置)までを積分することによって、求めることができる。
[SIMS profile]
In the epitaxial silicon wafer 100, if the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer 16 and the modified layer 14 is 2.00×10 14 atoms/cm 2 or less, the passivation effect by hydrogen is not sufficiently obtained. Therefore, the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer 16 and the modified layer 14 is more than 2.00×10 14 atoms/cm 2 , and preferably 2.50×10 14 atoms/cm 2 or more. On the other hand, if the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer 16 and the modified layer 14 is more than 6.00×10 14 atoms/cm 2 , carbon diffuses into the epitaxial layer during epitaxial growth and the device formation process. Therefore, the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer 16 and the modified layer 14 is set to not more than 6.00× 10 atoms/cm 2 , and preferably not more than 5.50× 10 atoms/cm 2. In the present invention, this "amount of carbon" can be determined by measuring a carbon concentration profile in the depth direction from the surface of the silicon epitaxial layer by SIMS measurement for the epitaxial silicon wafer, and integrating the profile from the surface of the epitaxial layer to the end of the modified layer (the position in the silicon wafer where the carbon concentration profile becomes flat).

本実施形態では、例えば図3(a)に示す発明例のように、シリコンエピタキシャル層及び改質層の深さ方向におけるSIMSの炭素濃度プロファイルにおいて、シリコンエピタキシャル層及び改質層にわたって存在する緩やかな第1ピークと、この第1ピークから分岐して、改質層のエピタキシャル層との界面近傍の位置に存在する急峻な第2ピークと、を有する。本実施形態では、注入炭素量が少ないにも関わらず、このような急峻な第2ピークをもつ炭素濃度プロファイルを有する。これにより、十分なゲッタリング能力を発揮することができる。炭素濃度プロファイルにおける急峻な第2ピークのピーク濃度は、5.00×1017atoms/cm以上であることが好ましく、2.00×1019atoms/cm以下であることが好ましい。 In this embodiment, as in the example of the invention shown in Figure 3(a), the SIMS carbon concentration profile in the depth direction of the silicon epitaxial layer and the modified layer has a gentle first peak that exists across the silicon epitaxial layer and the modified layer, and a steep second peak that branches off from this first peak and exists at a position near the interface of the modified layer with the epitaxial layer. In this embodiment, even though the amount of injected carbon is small, the carbon concentration profile has such a steep second peak. This allows sufficient gettering ability to be exhibited. The peak concentration of the steep second peak in the carbon concentration profile is preferably 5.00 x 10 atoms/cm or more, and preferably 2.00 x 10 atoms/cm or less.

本実施形態では、例えば図3(b)に示す発明例のように、改質層の深さ方向におけるSIMSの水素濃度プロファイルにおいて、改質層(エピタキシャル層との界面近傍の位置)に、ピーク濃度が5.00×1016atoms/cm以上のピークが存在する。このピークにおいて、水素のピーク濃度が5.00×1016atoms/cm以上であると、エピタキシャル層に半導体デバイスを形成するデバイス形成プロセス時の熱処理の際に、改質層に残留した水素がエピタキシャル層に十分に拡散し、エピタキシャル層内の欠陥をパッシベーションすることが可能となる。したがって、水素のピーク濃度は5.00×1016atoms/cm以上とし、8.00×1016atoms/cm以上であることが好ましい。一方、本実施形態において、水素のピーク濃度は、概ね1.00×1018atoms/cm以下となる。 In this embodiment, as shown in the example of FIG. 3B , a SIMS hydrogen concentration profile in the depth direction of the modified layer shows a peak in the modified layer (at a position near the interface with the epitaxial layer) with a peak concentration of 5.00×10 16 atoms/cm 3 or more. If the hydrogen peak concentration is 5.00×10 16 atoms/cm 3 or more, hydrogen remaining in the modified layer can be sufficiently diffused into the epitaxial layer during heat treatment in the device formation process for forming a semiconductor device on the epitaxial layer, thereby passivating defects in the epitaxial layer. Therefore, the hydrogen peak concentration is set to 5.00×10 16 atoms/cm 3 or more, and preferably 8.00×10 16 atoms/cm 3 or more. In contrast, in this embodiment, the hydrogen peak concentration is generally 1.00×10 18 atoms/cm 3 or less.

(半導体デバイスの製造方法)
本発明の一実施形態による半導体デバイスの製造方法は、上記エピタキシャルシリコンウェーハ100の製造方法の各工程と、シリコンエピタキシャル層16に半導体デバイスを形成する工程と、を有する。また、本発明の他の実施形態による半導体デバイスの製造方法は、上記エピタキシャルシリコンウェーハ100のシリコンエピタキシャル層16に半導体デバイスを形成する工程を有する。これらの製造方法によれば、ゲッタリング能力を確保しつつ、エピタキシャル層のデバイス形成領域に炭素起因の点欠陥が形成されることを抑制でき、水素による十分なパッシベーション効果が得られる。
(Method for manufacturing semiconductor devices)
A method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes the steps of the method for manufacturing the epitaxial silicon wafer 100 described above, and a step of forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer 16. Furthermore, a method for manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention includes a step of forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer 16 of the epitaxial silicon wafer 100. These manufacturing methods can suppress the formation of point defects caused by carbon in the device formation region of the epitaxial layer while ensuring gettering capability, and can obtain a sufficient passivation effect by hydrogen.

シリコンエピタキシャル層16に形成する半導体デバイスは特に限定されず、例えば、MOSFET、DRAM、パワートランジスタ及び裏面照射型固体撮像素子などを挙げることができる。 The semiconductor devices formed on the silicon epitaxial layer 16 are not particularly limited, and examples include MOSFETs, DRAMs, power transistors, and back-illuminated solid-state imaging devices.

[シリコンウェーハの用意]
CZ単結晶シリコンインゴットから得たn型シリコンウェーハ(直径:300mm、厚さ:775μm、ドーパント種類:リン、抵抗率:10Ω・cm)を用意した。
[Silicon wafer preparation]
An n-type silicon wafer (diameter: 300 mm, thickness: 775 μm, dopant type: phosphorus, resistivity: 10 Ω·cm) obtained from a CZ single crystal silicon ingot was prepared.

[クラスターイオン照射]
表2に示すように、クラスターイオン照射条件の異なる9つの実験(No.1~9)を行った。さらに、比較例として、クラスターイオンの注入を行わずにエピタキシャル成長を行ったエピタキシャルシリコンウェーハを作製した(No.10)。
[Cluster ion irradiation]
Nine experiments (Nos. 1 to 9) were carried out under different conditions for cluster ion irradiation, as shown in Table 2. Furthermore, as a comparative example, an epitaxial silicon wafer (No. 10) was produced in which epitaxial growth was carried out without implanting cluster ions.

No.1~8では、原料ガスとしてジエチルシラン(SiC12)を用いた。図2に、ジエチルシランのマススペクトルを示す。また、図2に示したマススペクトル中の質量数26~31に対応するイオン種を、表1に示す。質量数31のピークは、SiHイオンに対応する。質量数30の低めのピークは、SiHイオンに対応する。最も高い質量数29のピークは、SiHイオンとCイオンに対応する。質量数28、質量数27、及び質量数26のピークは、それぞれCイオン、Cイオン、及びCイオンに対応する。本実施例では、クラスターイオン発生装置(日新イオン機器社製、CLARIS(登録商標))を用いて、図2に示すマススペクトルに対応する種々のイオン種のうち、質量数29~31の範囲のイオン種を抽出してクラスターイオンを得て、シリコンウェーハの表面に、このクラスターイオンのビームを加速電圧80keV/ion、ビーム電流値800μAで照射した。このクラスターイオンは、SiHイオンとしては、主にSiHイオンを含み、さらに微量のSiHイオン及びSiHイオンを含み、さらに、Cイオンとしては、Cイオンを含む。前記クラスターイオン発生装置では、全てのイオン種の総ドーズ量を設定できるので、表2に示すように各例で異なる水準の総ドーズ量を装置設定値とした。 In Nos. 1 to 8, diethylsilane (SiC 4 H 12 ) was used as the source gas. FIG. 2 shows the mass spectrum of diethylsilane. Table 1 lists the ion species corresponding to mass numbers 26 to 31 in the mass spectrum shown in FIG. 2. The peak at mass number 31 corresponds to SiH 3 ions. The lower peak at mass number 30 corresponds to SiH 2 ions. The highest peak at mass number 29 corresponds to SiH ions and C 2 H 5 ions. The peaks at mass numbers 28, 27, and 26 correspond to C 2 H 4 ions, C 2 H 3 ions, and C 2 H 2 ions, respectively. In this example, a cluster ion generator (CLARIS (registered trademark), manufactured by Nissin Ion Equipment Co., Ltd.) was used to extract ion species with mass numbers in the range of 29 to 31 from the various ion species corresponding to the mass spectrum shown in FIG. 2 to obtain cluster ions, and a beam of these cluster ions was irradiated onto the surface of a silicon wafer at an acceleration voltage of 80 keV/ion and a beam current value of 800 μA. The cluster ions mainly contained SiH 3 ions as SiH x ions, with trace amounts of SiH 2 ions and SiH ions, and further contained C 2 H 5 ions as C 2 H y ions. Since the cluster ion generator can set the total dose of all ion species, different levels of total dose were set as the device setting value in each example, as shown in Table 2.

No.9では、表2に示すように原料ガスとしてシクロヘキサン(C12)から抽出したCのクラスターイオンのみを注入した。 In No. 9, only cluster ions of C 2 H 3 extracted from cyclohexane (C 6 H 12 ) were injected as the source gas, as shown in Table 2.

クラスターイオンを照射した後の各例について、既述の方法で注入炭素量、Cイオンのドーズ量、SiHイオンのドーズ量を求めた。表2に、各例のクラスターイオン照射条件を示す。 For each example after irradiation with cluster ions, the amount of implanted carbon, the dose of C2Hy ions , and the dose of SiHx ions were determined by the methods described above. Table 2 shows the cluster ion irradiation conditions for each example.

[エピタキシャル成長]
次いで、クラスターイオン照射後のシリコンウェーハを枚葉式エピタキシャル成長装置(アプライドマテリアルズ社製)内に搬送し、装置内で1120℃の温度で30秒の水素ベーク処理を施した後、水素をキャリアガス、トリクロロシランをソースガスとして、1120℃でCVD法により、シリコンウェーハの改質層が形成された側の表面上にシリコンエピタキシャル層(厚さ:5μm、ドーパント種類:リン、抵抗率:10Ω・cm)をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルシリコンウェーハを得た。
[Epitaxial growth]
Next, the silicon wafer after the cluster ion irradiation was transferred into a single-wafer epitaxial growth apparatus (manufactured by Applied Materials, Inc.), where it was subjected to a hydrogen bake treatment at a temperature of 1120°C for 30 seconds, and then a silicon epitaxial layer (thickness: 5 μm, dopant type: phosphorus, resistivity: 10 Ω cm) was epitaxially grown on the surface of the silicon wafer on which the modified layer had been formed by a CVD method at 1120°C using hydrogen as a carrier gas and trichlorosilane as a source gas, thereby obtaining an epitaxial silicon wafer.

[SIMS分析]
No.1~9について、SIMS測定によって、シリコンエピタキシャル層の表面から深さ方向における炭素及び水素の濃度プロファイルを測定した。代表して、No.5における炭素濃度プロファイルを図3(a)に、水素濃度プロファイルを図3(b)に示す。図3(a)では、炭素濃度プロファイルはシリコンエピタキシャル層の表面から約3.5~7.0μmの範囲でバックグラウンドよりも高くなっていた。一方、図3(b)では、水素濃度プロファイルはシリコンエピタキシャル層の表面から約4.7~4.9μmの範囲でバックグラウンドよりも高くなっていた。よって、No.5では、シリコンウェーハ上に形成されたエピタキシャル層の厚さが約4.7μmであり、シリコンエピタキシャル層の表面からの深さが約4.7~7.0μmの範囲が、シリコンウェーハの表層部に形成された改質層として特定された。
[SIMS analysis]
For Nos. 1 to 9, the carbon and hydrogen concentration profiles in the depth direction from the surface of the silicon epitaxial layer were measured by SIMS. As a representative example, the carbon concentration profile for No. 5 is shown in Figure 3(a) and the hydrogen concentration profile in Figure 3(b). In Figure 3(a), the carbon concentration profile was higher than the background in the range of approximately 3.5 to 7.0 μm from the surface of the silicon epitaxial layer. On the other hand, in Figure 3(b), the hydrogen concentration profile was higher than the background in the range of approximately 4.7 to 4.9 μm from the surface of the silicon epitaxial layer. Therefore, in No. 5, the thickness of the epitaxial layer formed on the silicon wafer was approximately 4.7 μm, and the range of approximately 4.7 to 7.0 μm in depth from the surface of the silicon epitaxial layer was identified as a modified layer formed in the surface layer portion of the silicon wafer.

炭素濃度プロファイルのエピタキシャル層表面から改質層の終端(炭素濃度プロファイルが平坦になる位置)までを積分することによって、各例のエピタキシャル成長後の炭素の量を求め、表2に示した。なお、図3(a)から明らかなように、No.5の炭素濃度プロファイルにおいて、シリコンエピタキシャル層及び改質層にわたって緩やかな第1ピークが存在する。さらに、この緩やかな第1ピークから分岐して、改質層のエピタキシャル層との界面近傍の位置に急峻な第2ピークが出現した。このような第2ピークは、No.3~9においても確認された。The amount of carbon after epitaxial growth for each example was determined by integrating the carbon concentration profile from the surface of the epitaxial layer to the end of the modified layer (the point where the carbon concentration profile becomes flat), and the results are shown in Table 2. As is clear from Figure 3(a), the carbon concentration profile for No. 5 shows a gentle first peak across the silicon epitaxial layer and modified layer. Furthermore, a steep second peak branched off from this gentle first peak and appeared near the interface of the modified layer with the epitaxial layer. This type of second peak was also observed in Nos. 3 to 9.

また、図3(b)から明らかなように、No.5の水素濃度プロファイルにおいて、改質層のエピタキシャル層との界面近傍の位置に、ピーク濃度が1.0×1016atoms/cm以上のピークが出現した。なお、このようなピークはNo.3~9においても確認された。このピークのピーク濃度を、「水素ピーク濃度」として表2に示した。 3(b), a peak with a peak concentration of 1.0× 10 atoms/ cm or more appeared near the interface between the modified layer and the epitaxial layer in the hydrogen concentration profile of No. 5. Such a peak was also observed in Nos. 3 to 9. The peak concentration of this peak is shown in Table 2 as the "hydrogen peak concentration."

[断面TEM観察]
各例のエピタキシャルシリコンウェーハの改質層(エピタキシャル層との界面近傍)の断面をTEM観察した。図4に、(a)No.9、(b)No.6、(c)No.4において得られたTEM画像(倍率:20万倍)を示す。No.9のTEM画像においては、直径が5nm程度の黒点状の微小欠陥が観察された。これは、炭素の集合体であり、Cイオンの注入に起因することが知られている。一方、No.4,6では、微小欠陥に加え、最大幅が50~250nmの積層欠陥(EOR欠陥)が観察された。これは、SiHイオンの注入に起因する欠陥であると推測される。各例において、既述の方法で微小欠陥密度及びEOR欠陥密度を求めた。表2に、各例の微小欠陥密度及びEOR欠陥密度を示す。
[Cross-sectional TEM observation]
The cross section of the modified layer (near the interface with the epitaxial layer) of each epitaxial silicon wafer was observed using a TEM. Figure 4 shows TEM images (magnification: 200,000 times) obtained for (a) No. 9, (b) No. 6, and (c) No. 4. In the TEM image of No. 9, black dot-like microdefects with a diameter of approximately 5 nm were observed. These are carbon aggregates and are known to be caused by the implantation of C2Hy ions . Meanwhile, in Nos. 4 and 6, in addition to the microdefects, stacking faults (EOR defects) with a maximum width of 50 to 250 nm were observed. These are presumed to be defects caused by the implantation of SiHx ions. For each example, the microdefect density and EOR defect density were determined using the methods described above. Table 2 shows the microdefect density and EOR defect density for each example.

[パッシベーション効果の評価]
水素によるパッシベーション効果を評価するために、各例のエピタキシャルシリコンウェーハに対して、酸化膜を800℃4時間(25nm)にて成膜し、700℃30分の追加熱処理を行ったサンプルを用意した。追加熱処理後のサンプルをQSCV法によって測定し、得られた容量値から界面準位密度Ditを算出した。
[Evaluation of passivation effect]
To evaluate the passivation effect of hydrogen, an oxide film (25 nm) was formed on the epitaxial silicon wafer of each example at 800°C for 4 hours, followed by an additional heat treatment at 700°C for 30 minutes. The samples after the additional heat treatment were measured by the QSCV method, and the interface state density D it was calculated from the obtained capacitance value.

QSCV法による界面準位密度を算出する方法を以下に説明する。図5に(a)低周波CV測定及び(b)高周波CV測定時のMOS構造の等価回路を示す。Coxはゲート酸化膜容量、Citは界面準位の容量、Cはシリコン基板側の容量で空乏層容量と反転層容量の和を表す。この等価回路より、低周波CV測定時のMOSキャパシタの最小容量CLFは以下の式(1)で表される。さらに、界面準位密度Ditは以下の式(2)で表される。
The method for calculating the interface state density using the QSCV method will be explained below. Figure 5 shows the equivalent circuits of the MOS structure during (a) low-frequency CV measurement and (b) high-frequency CV measurement. C ox is the gate oxide film capacitance, C it is the interface state capacitance, and C s is the capacitance on the silicon substrate side, which represents the sum of the depletion layer capacitance and the inversion layer capacitance. From this equivalent circuit, the minimum capacitance C LF of the MOS capacitor during low-frequency CV measurement is expressed by the following equation (1). Furthermore, the interface state density Dit is expressed by the following equation (2).

なお、式(2)のCoxLF/(Cox-CLF)は測定で得られた基板側容量である。理想MOS構造の基板側容量Cは、理論式から求める方法と、高周波CV測定から求める方法があり、本実験ではCは高周波CV測定の結果を用いて算出した。 In equation (2), C ox C LF /(C ox - C LF ) is the substrate-side capacitance obtained by measurement. The substrate-side capacitance Cs of an ideal MOS structure can be calculated from a theoretical formula or from high-frequency CV measurement. In this experiment, Cs was calculated using the results of high-frequency CV measurement.

図6にNo.3,4,6のDit算出結果を示す。Dit算出結果から、各例のMidgap(ミッドギャップ)におけるDitの値を求めた。表2に各例のMidgap(ミッドギャップ)におけるDitの値を示す。Midgap(ミッドギャップ)におけるDitを各例で比較すると、本発明例のDitが比較例よりも低いことが分かる。このことから、SiHイオンとCイオンとを含むクラスターイオンを注入することにより、従来の水素分子イオン注入エピウェーハよりも高いパッシベーション効果を有していることがわかる。 Figure 6 shows the results of Dit calculations for Nos. 3, 4, and 6. From the Dit calculation results, the Dit value at the midgap for each example was determined. Table 2 shows the Dit value at the midgap for each example. Comparing the Dit values at the midgap for each example, it can be seen that the Dit values of the invention examples are lower than those of the comparative examples. This shows that implanting cluster ions containing SiHx ions and C2Hy ions provides a higher passivation effect than conventional hydrogen molecule ion-implanted epiwafers.

[評価結果からの考察]
評価結果から考察すると、発明例では、以下のような現象が起きたものと推測される。Cイオンの注入に起因して微小欠陥が形成され、さらにSiHイオンの注入に起因してEOR欠陥が形成される。炭素注入量の低下に伴い微小欠陥の密度も減少するため、炭素注入量を制限することにより微小欠陥による水素捕獲濃度も減少すると考えられる。しかし、炭素集合体からなる微小欠陥は水素の捕獲能力(吸着反応)も高いと考えられることから、水素の吸着脱離反応において、微小欠陥密度が低いことにより再捕獲される水素は低減すると考えられる。さらに、SiHイオンを同時に注入することで、混合分子イオン注入領域では空孔及び格子間シリコンの点欠陥密度が増加し、水素の拡散速度が増加する。そのため、水素の再捕獲率の低下と、水素の拡散速度の増加によって、SiO/Si界面まで到達する水素が増加し、水素によるパッシベーション効果の向上に繋がったと考えられる。
[Considerations based on evaluation results]
Considering the evaluation results, it is presumed that the following phenomenon occurred in the inventive example. Microdefects were formed due to the implantation of C2Hy ions , and EOR defects were further formed due to the implantation of SiHx ions. Since the density of microdefects decreases with a decrease in the carbon implantation dose, it is believed that limiting the carbon implantation dose also reduces the hydrogen trapping concentration due to microdefects. However, since microdefects consisting of carbon aggregates are also thought to have a high hydrogen trapping ability (adsorption reaction), it is believed that the low microdefect density reduces the amount of hydrogen retrapped in the hydrogen adsorption/desorption reaction. Furthermore, simultaneous implantation of SiHx ions increases the point defect density of vacancies and interstitial silicon in the mixed molecular ion implantation region, increasing the hydrogen diffusion rate. Therefore, it is believed that the decrease in hydrogen retrapping rate and the increase in hydrogen diffusion rate increase the amount of hydrogen reaching the SiO2 /Si interface, leading to an improvement in the passivation effect by hydrogen.

本発明によれば、水素によるパッシベーション効果が高いエピタキシャルシリコンウェーハ及びその製造方法を提供することができる。 The present invention provides an epitaxial silicon wafer with a high hydrogen passivation effect and a method for manufacturing the same.

100 エピタキシャルシリコンウェーハ
10 シリコンウェーハ
10A シリコンウェーハの表面
12 クラスターイオン
12A SiHイオン
12B Cイオン
14 改質層
16 シリコンエピタキシャル層
100 epitaxial silicon wafer 10 silicon wafer 10A silicon wafer surface 12 cluster ions 12A SiH x ions 12B C 2 H y ions 14 modified layer 16 silicon epitaxial layer

Claims (8)

シリコンウェーハの表面に、SiH(xは1~3の整数から選択される1つ以上)のイオンとC(yは2~5の整数から選択される1つ以上)のイオンとを含むクラスターイオンのビームを照射して、前記シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第1工程と、
前記シリコンウェーハの前記改質層上にシリコンエピタキシャル層を形成する第2工程と、
を有し、
前記第1工程で照射する前記クラスターイオンの総ドーズ量が6.00×1013ions/cm以上1.00×1015ions/cm以下であり、
前記第1工程で照射する前記Cイオンのドーズ量が1.00×1014ions/cm超え3.00×1014ions/cm以下であり、
前記第1工程で注入するC原子数に対するSi原子数の比[Si/C]が0.3以上1.6以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
a first step of irradiating a surface of a silicon wafer with a beam of cluster ions containing SiH x (x is one or more selected from integers of 1 to 3) ions and C 2 H y (y is one or more selected from integers of 2 to 5) ions to form a modified layer in a surface layer portion of the silicon wafer, in which constituent elements of the cluster ions are solid-dissolved;
a second step of forming a silicon epitaxial layer on the modified layer of the silicon wafer;
and
the total dose of the cluster ions irradiated in the first step is 6.00×10 13 ions/cm 2 or more and 1.00×10 15 ions/cm 2 or less;
the dose of the C 2 H ions irradiated in the first step is more than 1.00×10 14 ions/cm 2 and not more than 3.00×10 14 ions/cm 2 ;
a ratio of the number of Si atoms to the number of C atoms implanted in the first step, [Si/C], of 0.3 to 1.6;
前記第1工程で照射する前記Cイオンのドーズ量が1.25×1014ions/cm以上である、請求項1に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。 2. The method for producing an epitaxial silicon wafer according to claim 1, wherein a dose of the C 2 H ions irradiated in the first step is 1.25×10 14 ions/cm 2 or more. シリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハの表層部に形成された、炭素及び水素の少なくとも一方が固溶した改質層と、
前記改質層上に形成されたシリコンエピタキシャル層と、
を有し、
前記改質層の断面TEM画像による欠陥評価において、前記改質層には、3nm以上10nm以下のサイズの炭素集合体からなる微小欠陥が1.00×1016個/cm以上8.00×1016個/cm以下の密度で存在する第1欠陥領域が観察され、かつ、最大幅が50nm以上250nm以下のEOR欠陥が2.00×10個/cm以上5.00×10個/cm未満の密度で存在する第2欠陥領域が観察され、
前記シリコンエピタキシャル層及び前記改質層に分布する炭素の量が2.00×1014atoms/cm超え6.00×1014atoms/cm以下であり、
前記改質層の深さ方向におけるSIMSの水素濃度プロファイルにおいて、ピーク濃度が5.00×1016atoms/cm以上1.00×1018atoms/cm以下であることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハ。
A silicon wafer;
a modified layer formed on a surface layer portion of the silicon wafer, the modified layer containing a solid solution of at least one of carbon and hydrogen;
a silicon epitaxial layer formed on the modified layer;
and
In a defect evaluation of the modified layer using a cross-sectional TEM image, first defect regions were observed in the modified layer, in which microdefects composed of carbon aggregates having a size of 3 nm or more and 10 nm or less existed at a density of 1.00× 10 /cm or more and 8.00× 10 /cm or less, and second defect regions were observed in which EOR defects having a maximum width of 50 nm or more and 250 nm or less existed at a density of 2.00× 10 /cm or more and less than 5.00× 10 /cm2,
the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer and the modified layer is greater than 2.00×10 14 atoms/cm 2 and not more than 6.00×10 14 atoms/cm 2 ;
An epitaxial silicon wafer, wherein a peak hydrogen concentration in a depth direction of the modified layer measured by SIMS is 5.00×10 16 atoms/cm 3 or more and 1.00×10 18 atoms/cm 3 or less.
前記改質層の断面TEM画像による欠陥評価において、前記第2欠陥領域には、前記EOR欠陥が2.50×10個/cm以上4.50×10個/cm以下の密度で存在する、請求項3に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。 4. The epitaxial silicon wafer according to claim 3, wherein, in defect evaluation using a cross-sectional TEM image of the modified layer, the EOR defects are present in the second defect region at a density of 2.50× 10 /cm or more and 4.50× 10 /cm or less. 前記シリコンエピタキシャル層及び前記改質層に分布する炭素の量が2.50×1014atoms/cm以上である、請求項3又は4に記載のエピタキシャルシリコンウェーハ。 5. The epitaxial silicon wafer according to claim 3, wherein the amount of carbon distributed in the silicon epitaxial layer and the modified layer is 2.50×10 14 atoms/cm 2 or more. 請求項1又は2に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法と、
前記エピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する工程と、
を有する半導体デバイスの製造方法。
The method for producing an epitaxial silicon wafer according to claim 1 or 2;
forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
請求項3又は4に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する、半導体デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer according to claim 3 or 4. 請求項5に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの前記シリコンエピタキシャル層に半導体デバイスを形成する、半導体デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a semiconductor device in the silicon epitaxial layer of the epitaxial silicon wafer described in claim 5.
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