JP2002016004A - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンエピタキシャルウェーハに形成され
るスリップ転位の発生を抑止しながら、エピタキシャル
層の成長速度を向上させることの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。 【解決手段】 シリコン単結晶基板に対する加熱力を漸
増させるとともに、原料ガスの供給量を漸増させながら
シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層を成
長する漸増成長工程を有する。シリコン単結晶基板に対
する加熱力を漸増させるとともに原料ガスの供給量を漸
増させることにより、大量の原料ガスが急に流れ始める
従来の製造方法とは異なり、シリコン単結晶基板が原料
ガスに奪われる熱量を徐々に補完しながら原料ガスの供
給量を徐々に増やすことができる。その結果、シリコン
単結晶基板の温度低下は殆ど起こらなくなり、スリップ
転位の発生を効果的に抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンエピタキ
シャルウェーハの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）
法を用いて、シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキ
シャル層（以下、単にエピタキシャル層ということがあ
る。）を気相成長させることによりシリコンエピタキシ
ャルウェーハ（以下、単にエピタキシャルウェーハとい
うことがある。）を製造する方法は、ディスクリート半
導体素子をはじめ、ＩＣ，ＬＳＩに至るまでシリコン半
導体素子の製造プロセスとして重要な技術である。

【０００３】前記エピタキシャル層は、トリクロロシラ
ンＳｉＨＣｌ_３あるいはモノシランＳｉＨ_４などのシリ
コン化合物と水素との混合ガスである原料ガスが、水素
雰囲気中で水素還元あるいは熱分解することによって、
シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜としてエピ
タキシャル成長したものである。前記エピタキシャル層
中にリンＰまたはボロンＢなどを不純物として添加させ
る場合は、ホスフィンＰＨ_３あるいはジボランＢ_２Ｈ_６
などのドーピングガスを原料ガスとともに成長雰囲気中
に供給することによって行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】エピタキシャル成長を
縦型あるいはパンケーキ型と呼ばれるエピタキシャル反
応装置を用いて行う場合、図１に示すように、サセプタ
１上にシリコン単結晶基板２を載置し、前記サセプタ１
からの熱伝導で加熱するため、シリコン単結晶基板２の
主表面側の温度が裏面側より必ず低くなり、主表面／裏
面間で温度勾配ができてしまう。

【０００５】また、エピタキシャル成長中はキャリアガ
スとしての水素ガスや原料ガスが反応容器中に大量に供
給されるため、シリコン単結晶基板２の主表面が水素ガ
スや原料ガスにより冷却され、上記温度勾配がさらに大
きくなってしまう。特に、成長速度の高いエピタキシャ
ル反応の場合、成長開始時に反応炉内に大量の原料ガス
が急に流れ始めるため、その時点でシリコン単結晶基板
２の主表面温度は急激に下がり、温度勾配も急激に変化
する。

【０００６】そこで、シリコン単結晶基板の温度変化に
ついて本発明者等が詳細に調査した結果、図３に示すよ
うに、エピタキシャル成長の初期に原料ガスが反応炉５
（図１）内に流入した際、シリコン単結晶基板２の主表
面の温度が１０℃〜２０℃低下することがわかった。

【０００７】シリコン単結晶基板２の主表面の温度が低
下するのは、反応炉５内に流入した原料ガスが室温から
シリコン単結晶基板２の温度近傍にまで上昇し、さらに
化学反応を起こすために、シリコン単結晶基板２の主表
面から熱を奪うためである。これに対し、シリコン単結
晶基板２の裏面はサセプタ１により一定温度で加熱され
ているので、温度の低下は殆ど起こらない。その結果、
シリコン単結晶基板２の主表面／裏面間の温度勾配が急
激に変化し、それがシリコン単結晶基板２にソリを引き
起こすので、得られるエピタキシャルウェーハにスリッ
プ転位という結晶欠陥が発生する。

【０００８】スリップ転位が発生したエピタキシャルウ
ェーハを用いて半導体デバイスを作製すると、スリップ
転位が発生している領域でＩ−Ｖ特性不良あるいはライ
フタイムの短縮等の問題が起きてしまう。このため、生
産性向上を目的とし成長速度を上げるには、このスリッ
プ転位の抑制が必要不可欠であった。

【０００９】そこで、図２に示すように、予め加熱した
原料ガスを反応炉内に供給することにより、シリコン単
結晶基板２の温度低下を防止する方法が、特開昭５８−
７８１７号公報あるいは特開昭６１−１５４０２７号公
報等で提案されている。しかしながら、これらの提案に
よる方法では、原料ガスの水素還元反応あるいは熱分解
反応が開始される温度以上に原料ガスを加熱すると、ガ
ス加熱装置やガス導入管６内にポリシリコン等の反応生
成物が堆積してしまうので、このような不具合の起こら
ない範囲でガス温度を選択しなければならず、シリコン
単結晶基板２の温度低下防止には自ら限界があった。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、シリコンエピタキシャルウェーハに形
成されるスリップ転位の発生を抑止しながら、エピタキ
シャル層の成長速度を向上させることのできるシリコン
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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】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、シリコン単結晶基板に
対する加熱力を漸増させるとともに、原料ガスの供給量
を漸増させながら前記シリコン単結晶基板上にシリコン
エピタキシャル層を成長する漸増成長工程を有すること
を特徴とする。

【００１２】本発明においては、シリコン単結晶基板に
対する加熱力を漸増させるとともに、原料ガスの供給量
を漸増させる。すると、大量の原料ガスが急に流れ始め
る従来の製造方法とは異なり、シリコン単結晶基板が原
料ガスに奪われる熱量を徐々に補完しながら原料ガスの
供給量を徐々に増やしていくので、シリコン単結晶基板
の温度低下は殆ど起こらなくなる。

【００１３】エピタキシャル層の成長は、スリップ転位
の発生しない低い温度から開始することが、スリップ転
位の発生を防止する上で重要である。なぜならば、エピ
タキシャルウェーハの強度は、９００℃以上で単調に減
少するからである。すなわち、エピタキシャル層の一般
的な成長温度範囲では、成長温度が低いほどエピタキシ
ャルウェーハの破壊強度は強く、スリップ転位が入りに
くいのである。ただし、スリップ転位の発生しないよう
な低い加熱温度では、成長速度も低くなってしまう。

【００１４】一方、エピタキシャル層を１．５μｍ／ｍ
ｉｎ程度の高い成長速度で４０μｍ以上に厚く成長する
と、エピタキシャル層がシリコン単結晶基板の裏面周辺
部にも回り込む傾向が顕著になり、サセプタとシリコン
単結晶基板とを貼り付けるように成長するので、ヒビや
割れがしばしば発生する。この貼り付きは、エピタキシ
ャル層の成長温度を高くすることにより、防止できる。

【００１５】このため、最もスリップ転位の入りやすい
エピタキシャル層成長の初期にシリコン単結晶基板の温
度を下げておき、その後、原料ガスの供給量を漸増させ
て成長速度を高くするとともに、加熱力も同時に漸増さ
せて所定の成長速度に見合った成長温度に上げること
で、スリップ転位の発生ならびに貼り付きを抑えながら
成長速度をあげることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明のシリコンエピタキシャル
ウェーハの製造に使用する縦型気相成長装置を模式的に
示したものである。石英製の反応炉５内には、高純度化
したグラファイトを炭化珪素で被覆してなるサセプタ１
が回転可能に保持されている。該サセプタ１には、シリ
コン単結晶基板２を載置するための座ぐり１ａが形成さ
れている。また、サセプタ１の下部には図示しないコイ
ルが設置され、該サセプタ１を高周波誘導（radio freq
uency induction：以下、単にＲＦと略称する。）加熱
により加熱する。なお、サセプタ１が抵抗加熱されるタ
イプの縦型気相成長装置も使用可能である。サセプタ１
の中心には、ガスノズル３が貫通するのに十分な大きさ
の穴１ｂが形成され、ガス導入管６及び該ガスノズル３
を経てキャリアガスと原料ガスとの混合物４（以下、単
に原料ガス４という）が反応炉５内に流入する。

【００１７】複数のシリコン単結晶基板２をサセプタ１
に載置した後、反応炉５内を窒素ガスで十分置換し、更
に水素ガスで窒素を完全に置換する。次にＲＦ電源を入
れ、サセプタ１を介してシリコン単結晶基板２の加熱を
開始する。ＲＦ電力を上昇させることによりシリコン単
結晶基板２に対する加熱力を次第に高くし、シリコン単
結晶基板２を９００℃以上１１００℃以下にまで加熱す
る。

【００１８】シリコン単結晶基板２の温度が９００℃以
上１１００℃以下の時は縦型気相成長装置によるエピタ
キシャル成長においてスリップ転位が殆ど発生しないの
で、加熱温度をこの温度範囲のいずれかの温度で安定化
させた後に、気相成長を開始する。

【００１９】気相成長を開始するために、原料ガス４と
して例えば水素とトリクロロシランの混合ガスを供給す
ると、該原料ガス４によりシリコン単結晶基板２は熱を
奪われる。そこで、ＲＦ電力を上昇させてシリコン単結
晶基板２に対する加熱力を漸増させるとともに、原料ガ
ス４の供給量を漸増させながら、シリコン単結晶基板２
の温度が下がらないようにして該シリコン単結晶基板２
上にシリコンエピタキシャル層を成長する（漸増成長工
程）。

【００２０】シリコン単結晶基板２の温度をスリップ転
位が殆ど発生しない温度領域に保ちながらエピタキシャ
ル成長すると、成長速度が高くならないので生産効率が
低い。そこで、スリップ転位が発生しない程度の温度上
昇率に留めながら、シリコン単結晶基板２に対する加熱
力を漸増させるとともに、所望の成長速度が得られると
ころまで原料ガス４の供給量を漸増させる。このとき、
所望の成長速度に対してシリコン単結晶基板２の加熱温
度が十分でないと、貼り付きが発生するので、成長温度
を貼り付きの発生を防止できる１１３０℃以上にまで上
昇させることが好ましい。ただし、成長温度が高くなり
すぎてもスリップ転位が発生しやすいので、１２００℃
以下にしておくことが好ましい。

【００２１】前記漸増成長工程において、原料ガス４の
供給量とシリコン単結晶基板２の加熱温度を所望の設定
値にまで漸増させた後に、該設定値に保ちながら、所定
時間シリコン単結晶基板２上にシリコンエピタキシャル
層を成長する。このように、加熱力と原料ガスの供給量
とを一定に保ちながら、前記シリコン単結晶基板上にシ
リコンエピタキシャル層を成長する工程（以下、定常成
長工程という）をさらに付加することで、シリコンエピ
タキシャル層の成長に係る全期間において、定常成長工
程よりも成長速度が小となる漸増成長工程の占める時間
比率が小さくなるので、生産性をさらに向上させること
ができる。

【００２２】なお、図２に示すように、反応炉５に供給
する原料ガス４を予め加熱しておくと、該原料ガス４に
よりシリコン単結晶基板２が奪われる熱量を抑制するこ
とができる。その結果、シリコン単結晶基板２に対する
加熱力の増加率あるいは原料ガス４の供給量の増加率を
高くすることができるので、生産性を一層高くすること
ができる。本実施形態では、ガス導入管６の中間部に設
けられたガス加熱装置（例えば、ガス導入管６に加熱用
ヒータを巻いたもの）７により原料ガス４を加熱してい
る。加熱温度は、原料ガス（トリクロロシラン）４の水
素還元反応あるいは熱分解反応が生じない３００〜６０
０℃程度とするのがよい。

【００２３】エピタキシャル層の成長終了後は、ＲＦ電
源を切り、シリコン単結晶基板２に対する加熱を止め
る。所定時間経過後、反応炉内の雰囲気を窒素に置換
し、エピタキシャル層の成長により得られたシリコンエ
ピタキシャルウェーハを反応炉５から取り出す。

【００２４】なお、漸増成長工程における原料ガスの流
量及び加熱力の増加パターンは、図７に示すように段階
的に行うことができる。このような段階的な増加パター
ンを採用した場合、断続的にではあるが原料ガス流量及
び加熱力を定常保持させる区間が生ずるので、各区間で
の基板温度の安定化を図りやすい利点がある。また、各
区間での原料ガス流量及び加熱力の目標値のみを設定し
ておけばよいから、制御が単純で行いやすい。

【００２５】この場合、図８に示すように、原料ガスの
流量の増加タイミングよりも加熱力の増加タイミングを
若干早めることにより、個々のステップに余熱区間を形
成するようにしてもよい。これにより、原料ガス流量を
増加させた直後の基板温度低下を一層起こりにくくする
ことができる。

【００２６】他方、図９（ａ）に示すように、漸増成長
工程において、原料ガスの流量と加熱力とを連続的に増
加させることもできる。また、図９（ｂ）に示すよう
に、エピタキシャル成長の全期間に渡って、加熱力及び
原料ガス流量を漸増させることもできる。さらに、図９
（ｃ）に示すように、最初原料ガスと加熱力との双方を
漸増させ、途中から原料ガスの流量のみを一定にする方
式も可能である。なお、図９（ｂ）及び図９（ｃ）で
は、加熱力及び原料ガス流量を連続的に増加させている
が、段階的に増加させるようにもできることはいうまで
もない。

【００２７】

【実施例】以下、本発明のシリコンエピタキシャルウェ
ーハの製造方法について、図４を用いて具体的に説明す
る。まず、直径１２５ｍｍ、厚さ４５０μｍ、面方位
（１００）、抵抗率０．００５Ω・ｃｍ〜０．０２Ω・
ｃｍ、アンチモンドープのｎ型シリコン単結晶基板を用
意し、サセプタに仕込んだ。窒素パージ、水素パージの
後、ＲＦ電源を入れ、ＲＦ電力を６９．５％まで上昇さ
せることにより、前記シリコン単結晶基板を水素雰囲気
中で１０９０℃まで昇温させて５分間保持した。

【００２８】次に、トリクロロシランと水素からなる原
料ガスの流量を１０リットル／分に設定し、ＲＦ電力を
７１．５％まで上昇させて前記シリコン単結晶基板の温
度を１１００℃まで昇温させながら、２分間成長させ
た。続いて、ＲＦ電力を７３．５％まで上昇させて成長
温度を１１２５℃に上げ、原料ガスの流量を１５リット
ル／分に設定し、２分間成長させた。さらに、ＲＦ電力
を７５．５％まで上昇させて成長温度を１１５０℃に上
げ、原料ガスの流量を２０リットル／分に設定し５６分
間成長させた。その結果、平均成長速度１．４７μｍ／
分でエピタキシャル層の厚みが８８μｍのエピタキシャ
ルウェーハが得られた。

【００２９】

【比較例】次に、ＲＦ電力と原料ガスの流量を一定に保
持したままエピタキシャル成長した以外、上記実施例と
同じ条件でエピタキシャル成長した。すなわち、ＲＦ電
力を７５．５％、原料ガスの流量を２０リットル／分に
設定して６０分間反応させた（図５）。この結果、成長
速度１．５μｍ／分でエピタキシャル層の厚みが９０μ
ｍのエピタキシャルウェーハが得られた。

【００３０】実施例と比較例のスリップ転位発生状況を
ハロゲン灯下の目視観察で比較したところ、図６に示し
たように、比較例で成長させたエピタキシャルウェーハ
には外周部に多数のスリップ転位の発生が認められた
（図６（ｂ））。一方、実施例で成長させたエピタキシ
ャルウェーハにはスリップ転位の発生は見られなかった
（図６（ａ））。

【００３１】なお、比較例で実施例のレベルまでスリッ
プ転位を抑えるには、ＲＦ電力を６９．５％（成長温度
１１００℃）、原料ガスの流量を１０リットル／分程度
に抑える必要が有り、その場合に得られる成長速度は約
１．０μｍ／分である。

【図面の簡単な説明】

【図１】縦型気相成長装置を模式的に示す図。

【図２】ガス加熱装置を設けた縦型気相成長装置を模式
的に示す図。

【図３】反応炉へ原料ガスを導入するに伴い基板温度が
低下する例を示すグラフ。

【図４】実施例のシリコンエピタキシャルウェーハの製
造方法におけるＲＦ電力度及びトリクロロシラン流量の
制御パターンを示す図。

【図５】比較例のシリコンエピタキシャルウェーハの製
造方法におけるＲＦ電力及びトリクロロシラン流量の制
御パターンを示す図。

【図６】実施例及び比較例のそれぞれにて得られたシリ
コンエピタキシャルウェーハのスリップ転位発生状況を
比較して示す図。

【図７】原料ガスと加熱力とを段階的に増加させる制御
パターンの一例を模式的に示す図。

【図８】原料ガスと加熱力とを段階的に増加させ、かつ
原料ガスの流量の増加タイミングよりも加熱力の増加タ
イミングを若干早めるようにした制御パターンの一例を
模式的に示す図。

【図９】原料ガスと加熱力との制御パターンの、種々の
変形例を模式的に示す図。

【符号の説明】

１ サセプタ ２ シリコン単結晶基板 ４ 原料ガス ５ 反応炉 ７ ガス加熱装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BA04 DB05 DB11 EA02 EG16 TB04 TJ03 5F045 AA03 AB02 AC05 AD13 AD14 AD15 BB12 BB13 DP04 DP14 EE06 EE17 EE19 EF03 EF08 EK03 EK07 EK27 EM09 EM10 GB05 GB15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶基板に対する加熱力を漸
   増させるとともに、原料ガスの供給量を漸増させながら
   前記シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層
   を成長する漸増成長工程を有す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。
2. 【請求項２】 前記シリコンエピタキシャル層の成長
   は、スリップ転位の発生しない加熱温度から開始し、前
   記原料ガスの供給中に前記シリコン単結晶基板の温度を
   維持または上昇できる程度に加熱力を漸増させることを
   特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェ
   ーハの製造方法。
3. 【請求項３】 前記シリコンエピタキシャル層の成長
   は、前記漸増成長工程の後に、加熱力と原料ガスの供給
   量とを一定に保ちながら、前記シリコン単結晶基板上に
   シリコンエピタキシャル層を成長する工程をさらに有す
   ることを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリ
   コンエピタキシャルウェーハの製造方法。
4. 【請求項４】 前記原料ガスは水素とトリクロロシラン
   の混合ガスであり、前記シリコンエピタキシャル層の成
   長は、前記シリコン単結晶基板が９００℃以上１１００
   ℃以下の時に開始し、１１３０℃以上１２００℃以下の
   時に終了することを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れかに記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記原料ガスは、予め加熱して供給され
   ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載
   のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
6. 【請求項６】 前記シリコンエピタキシャル層の成長
   は、縦型気相成長装置内のサセプタ上に載置した前記シ
   リコン単結晶基板を、前記サセプタを介して加熱しなが
   ら行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに
   記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。