JP2003282580A

JP2003282580A - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2003282580A
Application number: JP2002088850A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Kono; 隆治河野; Toru Otsuka; 徹大塚
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】気相成長されるシリコンエピタキシャル層の
平坦度、あるいは抵抗率分布を改善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。【解決手段】気相エピタキシャル成長の前に、水素雰
囲気中１１７０℃以上１２００℃以下の温度でシリコン
単結晶基板を熱処理する。このような高温熱処理を行う
ことにより、オートドープの影響を極めて小さくするこ
とができるので、エピタキシャル層の抵抗率分布を小さ
くすることができる。

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】シリコン単結晶基板上にシリコンエピタ
キシャル層を気相成長する前に、シリコン単結晶基板上
に形成されている自然酸化膜を除去するために、水素雰
囲気中１１００℃以上の温度で熱処理することはよく知
られている。

【０００３】また、シリコン単結晶基板表面付近の固溶
酸素を外方拡散させてシリコンエピタキシャル層におけ
る結晶欠陥の発生を抑制するために、１０００℃〜１２
００℃において１時間以上の熱処理を行った後、シリコ
ンエピタキシャル層を気相成長する方法が知られている
（特開昭６２−１８７１０号公報）。

【０００４】また、窒素をドープしたシリコン単結晶基
板は、熱処理を行うことにより窒素が基板のバルク部に
おいて酸素析出を促進するので、ゲッタリング性に優れ
る。そして、窒素がドープされたシリコン単結晶基板上
にシリコンエピタキシャル層を気相成長する前に、９０
０℃〜シリコンの融点以下の温度で基板の熱処理を行う
ことにより、基板表面の窒素や酸素を外方拡散させて表
面層の結晶欠陥を極めて少なくし、シリコンエピタキシ
ャル層の結晶性に悪影響が生じることを防ぐ方法も知ら
れている。（特開２０００−４４３８９号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように広い温度
範囲においては、気相成長されるシリコンエピタキシャ
ル層の平坦度あるいは抵抗率分布が大きく変化する。

【０００６】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、気相成長されるシリコンエピタキシャ
ル層の平坦度、あるいは抵抗率分布を改善することがで
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】成長温度
が低いほど、シリコンエピタキシャル層外周部の厚さが
薄くなる不具合、いわゆる外周ダレが顕著になる傾向が
ある（図１）。そのため、高温で気相成長することが望
ましい。しかし、低抵抗基板の場合、オートドープの影
響を小さくするためにも、成長温度は低いほうがよい。

【０００８】そこで、シリコンエピタキシャル層の気相
成長の前に、１１７０℃以上１２００℃以下の温度でシ
リコン単結晶基板を熱処理する。基板中のドーパント
は、熱処理により気相中に外方拡散するので、基板表層
部のドーパント濃度が減少する。すると、気相成長中の
オートドープ量も減少するので、熱処理温度が高くなる
につれて抵抗率分布も小さくなっていく（図２）。そし
て、熱処理温度が１１７０℃以上になると、抵抗率分布
の減少率が急激に小さくなる。これは、１１７０℃以上
が抵抗率分布を改善するのに最も効率の良い熱処理温度
域であることを意味する。ただし、熱処理温度が１２０
０℃を超えると、スリップ転位の発生が顕著になるので
好ましくない。スリップ転位は、抵抗率が低い基板ほど
発生しづらいので、抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以下にボ
ロンがドープされたシリコン単結晶基板を用いることが
好ましい。ただし、抵抗率が０．００５Ω・ｃｍより低
い基板では、オートドープ量が大きすぎて実用的でな
い。

【０００９】成長温度は、ナノトポロジー（小領域での
うねり）が大きく改善する１０９０℃以上が好ましい
（図３）。ナノトポロジー評価で不合格となるセル数が
１１１０℃において極小となることと、成長温度が高く
なるにつれてオートドープの影響が次第に大きくなるこ
とを考慮すれば、成長温度は、１０９０℃以上１１１０
℃以下が望ましいといえる。

【００１０】（窒素ドープ基板の場合）気相成長前に１
１７０℃以上の温度で熱処理することで、窒素ドープし
ていない基板と同等のレベルにＬＬＳ（localized ligh
t scatters；局所的な光散乱体。微小な結晶欠陥に起因
する）個数を低減することができる。しかし、熱処理温
度が１２００℃を超えると、スリップ転位の発生が顕著
になるので好ましくない。

【００１１】

【発明の実施の形態】シリコンエピタキシャルウェーハ
の製造に使用するシリコン単結晶基板は、公知のＣＺ
法、またはＦＺ法により育成したシリコン単結晶棒をス
ライスして得られるアズカットウェーハに、面取り、ラ
ッピング、エッチング、ポリッシング等の加工を施すこ
とにより得られる。ｐ型のドーパントとしては、ボロン
が一般的である。また、窒素をドープしたシリコン単結
晶基板がエピタキシャル成長用の基板として好適である
ことも前述したとおりである。なお窒素は、融液に窒化
珪素を混入させることや、成長中の結晶を窒素雰囲気に
曝すことなど、ＣＺ法やＦＺ法における通常のドーピン
グ方法ではドナー化せず、抵抗率に影響しない。

【００１２】ボロンを高濃度にドープしたシリコン単結
晶基板上にエピタキシャル層を形成する場合、裏面にシ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜等の保護膜をＣＶＤ法等
により形成し、オートドープを抑制するのが一般的であ
る。しかし、コストを重視するならば、前記保護膜を形
成しないほうがよいことはもちろんである。前記保護膜
を有さない高濃度ドープ基板を気相エピタキシャル成長
用の基板とする場合、オートドープの影響を少なくする
ために、気相エピタキシャル成長の前に行う熱処理が重
要となる。具体的に本発明は、Ｈ_２雰囲気中１１７０℃
以上１２００℃以下の温度で熱処理を行うことを推奨す
る。この温度域での熱処理は、窒素をドープしたシリコ
ン単結晶基板に対しても有効である。

【００１３】ところで、シリコンエピタキシャルウェー
ハの製造は、バッチ式の気相成長装置に替わり、枚葉式
の気相成長装置を用いて行うことが主流になりつつあ
る。図６に、枚葉式の気相成長装置１０の一構成例を示
す。気相成長装置１０は、石英製の反応容器１を有し、
その内部にサセプタ５が配置されている。シリコン単結
晶基板Ｗは、サセプタ５に形成された座繰り部５ａに１
枚のみ水平配置される。反応容器１内は、サセプタ５に
よって上部空間１ａと下部空間１ｂとに分割されてい
る。上部空間１ａでは、ガス供給孔２からキャリアガス
であるＨ_２ガスと共に導入された原料ガスがシリコン単
結晶基板Ｗの表面をほぼ層流を形成しながら図中矢印Ａ
方向に流れ、反対側の排気孔４から排出される。下部空
間１ｂには、反応容器１とサセプタ５との間の隙間から
下部空間１ｂへ原料ガスが侵入するのを抑制するため、
パージガスが流れている。

【００１４】下部空間１ｂには、サセプタ５をその裏面
から支えるための石英製サポート手段と、サセプタ５上
でシリコン単結晶基板Ｗを着脱するためのリフトピン８
が設けられている。サポート手段は、回転軸６と、該回
転軸６の先端部から放射状に分岐される複数のスポーク
７から構成される。スポーク７の末端には垂直ピン７ｂ
が設けられ、その先端がサセプタ５の裏面に当接するこ
とによりサセプタ５が支持されている。回転軸６は、図
中矢印Ｃ方向に回転可能とされている。リフトピン８は
頭部が拡径され、この頭部がシリコン単結晶基板Ｗを載
置するためのサセプタ５の座繰り部５ａの底面に設けら
れた貫通孔５ｂのテーパ状側壁部に懸吊されている。リ
フトピン８は、スポーク７に穿設された貫通孔７ａに挿
通され、サセプタ５の下方に向かって安定に垂下してい
る。サセプタ５は、黒鉛を基材としてＳｉＣ（炭化珪
素）の被膜でコーティングされた構成となっている。リ
フトピン８は、黒鉛基材のＳｉＣ被覆物とするか、Ｓｉ
Ｃを用いて構成するのがよい。

【００１５】サセプタ５上におけるシリコン単結晶基板
Ｗの着脱は、たとえばサポート手段の昇降により行う。
たとえば、シリコン単結晶基板Ｗをサセプタ５から取り
外す場合、図６（ｂ）に示すようにサポート手段を下降
させ、リフトピン８の尾部を反応容器１の下部空間１ｂ
の内壁に当接させる。すると、リフトピン８の頭部がシ
リコン単結晶基板Ｗの裏面に接し、該シリコン単結晶基
板Ｗを座繰り部５ａの上方へ浮上させる。この後、サセ
プタ５とシリコン単結晶基板Ｗとの間にハンドラを挿入
し、シリコン単結晶基板Ｗの取り出しを行う。

【００１６】上記のような気相成長装置１０において
は、リフトピン８から放熱が促進されるため、サセプタ
５に載置されるシリコン単結晶基板Ｗのうち、リフトピ
ン８の直上に位置する部分が、それ以外の部分よりも低
温になる。そのため、リフトピン８の直上位置ではエピ
タキシャル層の成長速度が若干遅くなる。リフトピン８
がシリコン単結晶基板Ｗにおよぼす影響は、成長温度が
高くなるほど少なくなるので、リフトピン８の影響を小
さくするという観点からみたとき、成長温度をなるべく
高くすることが望ましい。具体的に本発明は、成長温度
を１０９０℃以上１１１０℃以下の温度とすることを推
奨する。この場合、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）
またはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）を原料ガスと
して用いるとよい。

【００１７】リフトピン８の直上位置においてエピタキ
シャル層の成長速度が遅くなる事実は、ナノトポロジー
評価の結果からも得ることができる。ナノトポロジー評
価とは、数十μｍ〜数ｍｍといった狭い領域でのウェー
ハのうねり、言い換えるとウェーハ表面の凹凸を調べる
ことである。ナノトポロジー評価によれば、リフトピン
８の直上位置におけるエピタキシャル層の厚さと、他の
位置におけるエピタキシャル層の厚さとを比較すること
ができ、ひいては成長速度を高くすることにより、リフ
トピンが基板におよぼす影響を少なくすることができる
という事実を確認することもできる。

【００１８】

【実施例】（実験１）ＣＺ法により育成した単結晶棒を
スライスして公知の前処理を施し、面方位（１００）、
直径３００ｍｍ、抵抗率０．００８Ω・ｃｍのボロンド
ープｐ型シリコン単結晶基板を準備した。裏面に保護膜
は形成しなかった。このシリコン単結晶基板を気相成長
装置内に配置し、Ｈ_２を供給しながら１１８０℃で３分
間の熱処理を行った後、厚さ約２．５μｍのエピタキシ
ャル層を気相成長させた。原料ガスにはＳｉＨＣｌ_３を
Ｈ_２で希釈したもの、ドーパントガスにはＢ_２Ｈ_６をＨ
_２で希釈したものを使用した。このような条件により、
成長温度を１０６０℃〜１１３０℃の間で種々異ならせ
た複数のエピタキシャルウェーハを作製した。

【００１９】上記のようにして得た複数のエピタキシャ
ルウェーハについて、外周から１０ｍｍ内側におけるエ
ピタキシャル層の厚さから、外周から５ｍｍ内側におけ
るエピタキシャル層の厚さを引いた値（外周ダレ量）を
縦軸、成長温度を横軸にとってグラフ化した結果が図１
のグラフである。このグラフより明らかなように、成長
温度が高くなれば、エピタキシャルウェーハの外周ダレ
量が小さくなるので、成長温度が高いほうが望ましいこ
とがわかる。

【００２０】さらに、それらのエピタキシャルウェーハ
についてナノトポロジー評価を行い、不合格セル数を計
数した。その結果が図３のグラフである。ナノトポロジ
ー評価には、ADE Phase Sift社製ナノトポロジー評価装
置Nanomapper（登録商標）を用いて行った。評価単位と
なるセルサイズは、２０ｍｍ×２０ｍｍとした。

【００２１】図３のグラフよりわかるように、エピタキ
シャルウェーハのナノトポロジーは１０９０℃以上の成
長温度で良好な結果を示す。しかし、成長温度が高くな
ればなるほどスリップ転位の発生が懸念されることを考
慮すれば、不合格セル数の発生数が極小となる１１１０
℃までが最良の成長温度範囲であるといえる。

【００２２】（実験２）実験１と同じシリコン単結晶基
板を用い、成長温度を１０９０℃に固定する一方、成長
前の熱処理温度を種々異ならせて複数のエピタキシャル
ウェーハを作製した。他の条件は、実験１と同じであ
る。このようにして作製した各エピタキシャルウェーハ
について面内の抵抗率分布を測定し、±％＝（最大値―
最小値）／（最大値＋最小値）として抵抗率分布を計算
した。その結果が、図２に示すグラフである。

【００２３】この結果より、エピタキシャル成長前の熱
処理温度が高ければ高いほど、エピタキシャル層の面内
抵抗率分布は良化することがわかる。しかし、１１７０
℃から１２００℃にかけて、その良化傾向が飽和してい
ることも併せて読み取れる。１２００℃以上の熱処理
は、スリップ転位の発生を促すだけになる恐れがあるの
で、エピタキシャル成長前の熱処理温度は、１１７０℃
以上１２００℃以下とするのがよいといえる。

【００２４】（実験３）次に、ＣＺ法による単結晶育成
に際してボロンのドープ量を変化させ、抵抗率の異なる
４種類のシリコン単結晶基板を作製した。それらの基板
上に、抵抗率１．５Ω・ｃｍ、厚さ約３μｍのエピタキ
シャル層を形成した。１１８０℃で３分間の熱処理を行
い、成長温度を１０９０℃とした以外の条件は実験１と
同様とした。そのようにして作製したエピタキシャルウ
ェーハについて、エピタキシャル層のスリップ転位の発
生数を計数した。結果を図４に示す。

【００２５】基板の抵抗率が低くなるにつれ、エピタキ
シャルウェーハの周辺部に形成されるスリップ転位の発
生数が減少していることがわかる。特に、抵抗率が０．
００５Ω・ｃｍ以上０．０１Ω・ｃｍ以下となるように
ボロンを高濃度にドープした基板についていえば、スリ
ップ転位の発生数がゼロであった。このように、高濃度
にドープされた基板を用いることにより、スリップ転位
の発生を抑制できることがわかる。特に、基板抵抗率が
０．００５Ω・ｃｍ以上０．０１Ω・ｃｍ以下の低抵抗
基板が好適である。

【００２６】（実験４）次に、ボロンおよび窒素をドー
プした、面方位（１００）、直径３００ｍｍ、抵抗率約
１０Ω・ｃｍのｐ型シリコン単結晶基板を複数準備し
た。窒素のドープ量は、すべての基板について（３〜１
０）×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とした。これらのシ
リコン単結晶基板について、温度および時間を種々異な
らせた熱処理をＨ_２雰囲気中にて行った後、それぞれに
ついて基板主表面のＬＬＳ個数を測定した。比較例とし
て、窒素をドープしていないシリコン単結晶基板につい
ても熱処理を行い、ＬＬＳ個数を調べた。ＬＬＳ個数
は、光散乱式表面評価装置を用いて測定し、欠陥サイズ
０．１２μｍ以上のものを計数した。結果をヒストグラ
ムにして図５に示す。

【００２７】窒素がドープされた基板は、微小欠陥（Ｌ
ＬＳ）が生じやすいが、高温熱処理を行うことにより、
窒素をドープしていない基板と同等レベルにまで欠陥数
を減少させることができる。具体的に図５の結果は、１
１７０℃以上の温度で熱処理を行うことにより、基板表
層部の微小欠陥を効果的に減殺できる事実を示してい
る。

【００２８】以上の結果より、気相エピタキシャル成長
前の熱処理は、１１７０℃以上１２００℃以下の温度で
行うことが最適であることがわかる。特に、抵抗率が
０．０１Ω・ｃｍ以下、裏面保護膜無しのボロンドープ
基板に対して有効である。成長温度は、１０９０℃以上
１１１０℃以下の温度で行うとよい。また、上記の熱処
理温度は、窒素ドープ基板に対しても極めて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】成長温度と外周ダレとの関係を示すグラフ。

【図２】熱処理温度とエピタキシャル層の面内抵抗率分
布との関係を示すグラフ。

【図３】成長温度とナノトポロジー評価結果との関係を
示すグラフ。

【図４】スリップ転位の計数結果。

【図５】ＬＬＳ発生個数を熱処理条件ごとに調べたヒス
トグラム。

【図６】気相成長装置の模式図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA03 AA06 AA17 BA29 BB02 CA04 DA02 FA10 JA10 LA15 5F045 AA04 AA06 AB02 AD14 AD15 AF03 BB02 DP04 EK12 HA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気相エピタキシャル成長の前に、１１７
０℃以上１２００℃以下の温度でシリコン単結晶基板を
熱処理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。
【請求項２】前記シリコン単結晶基板には、抵抗率が
０．００５Ω・ｃｍ以上０．０１Ω・ｃｍ以下となるよ
うにボロンがドープされており、かつ、オートドープ防
止用の保護膜が主裏面に形成されていないことを特徴と
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。
【請求項３】前記気相エピタキシャル成長を、１０９
０℃以上１１１０℃以下の温度で行うことを特徴とする
請求項１または２記載のシリコンエピタキシャルウェー
ハの製造方法。
【請求項４】前記シリコン単結晶基板には、窒素がド
ープされてい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。