JP2004327800A - エピタキシャルウエーハ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウエーハの表面に５０μｍ厚以上のエピタキシャル膜を有する厚膜エピタキシャルウエーハを製造する際に、ウエーハとサセプタの間のブリッジに起因するウエーハの破損を防止する。
【解決手段】エピタキシャル成長後に、０．２〜５％の塩酸ガスを含む水素ガス中で１０００〜１１８０℃×１５秒〜５分間の塩酸ガスエッチングを行うことにより、エピタキシャル成長でウエーハとサセプタの間に形成されたブリッジを除去する。塩酸ガスエッチングの後に水素ガス中で１０００〜１１８０℃×３０秒以上の水素ガスベークを行うことにより、塩酸ガスエッチングでエピタキシャル膜に生じたくもりを除去する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、５０μｍ厚以上のエピタキシャル膜を有する厚膜エピタキシャルウエーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エピタキシャル成長装置の一種として枚葉式装置がある。この装置は、横型加熱炉内の水平円盤型サセプタの上にウエーハを載せ、これを回転させながら、炉内水平方向に原料ガスを流通させることにより、ウエーハの上面にエピタキシャル膜を形成するものであり、ウエーハの大径化と共に多用されるようになり、３００ｍｍウエーハ対応装置でも主流と目されている。ここにおけるウエーハ加熱には通常ランプ加熱方式が採用される。
【０００３】
枚葉式エピタキシャル成長装置では、エピタキシャル成長を必要とするウエーハの上面にのみ原料ガスを接触させることを目的として、ウエーハを収容する円形の凹部がサセプタの上面に設けられる。座ぐりと呼ばれるこの凹部内にウエーハを収容してエピタキシャル成長を行うことより、スティッキングなどと呼ばれるウエーハとサセプタの固着現象が抑制される。
【０００４】
枚葉式エピタキシャル成長装置における横型サセプタの上面に設けられる凹部は基本的に１個であるが、大型の横型加熱炉内に大径の水平円盤型サセプタを配置し、その上面の回転中心回りに複数の凹部を設けて、複数枚のウエーハを同時処理することも考えられている。ここにおけるウエーハ加熱には通常、高周波加熱或いは抵抗加熱方式が採用される。
【０００５】
ところで、エピタキシャル成長を用いるウエーハの用途として、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ ）に代表されるパワーデバイスがある。パワーデバイス向けエピタキシャルウエーハの製造では、エピタキシャル成長膜の厚みが厚く、１００μｍ程度に達することも少なくない。このような厚膜形成処理では、サセプタ上のウエーハが凹部内に収容されているにもかかわらず、サセプタ内周面とウエーハ外周面との間が、ブリッジと呼ばれる両者に跨がった析出物により固着する現象が発生しやすい。
【０００６】
ウエーハとサセプタの間にブリッジが形成されると、エピタキシャル成長後の降温工程でウエーハとサセプタの収縮量及び収縮速度の相違により、ウエーハ側ではウエーハのクラックや割れなどが発生し、サセプタ側ではＳｉＣコートの剥がれといった問題が発生する。また、ブリッジが残ったまま降温が終了した場合でも、サセプタからウエーハを取り出すときに同様の問題が発生する危険性がある。
【０００７】
ブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を防止するために、ブリッジの発生を抑制する試みは数多くなされている。例えば特許文献１には、サセプタ凹部の底面外周部に溝を設ける技術やエピタキシャル成長速度を制御する技術が記載されている。また、目的は相違するものの、エピタキシャル成長後に水素ガスエッチングを行って、エピタキシャル膜の膜厚を均一化する方法は特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１２８６９４号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−６０５８０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
エピタキシャル成長処理においてウエーハとサセプタの間に発生するブリッジは、エピタキシャル膜の膜厚が厚くなるほど顕著となる。このため、パワーデバイス向けエピタキシャルウエーハを製造する場合のような厚膜エピタキシャル処理では、特許文献１に記載されているような対策を用いても、ブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を防止することが困難である。
【００１１】
特に、加熱方式が高周波加熱或いは抵抗加熱方式の場合にブリッジが顕著化する傾向が見られる。その理由としては、これらの加熱方式では、サセプタの加熱昇温によりウエーハが加熱されるため、ウエーハ温度よりもサセプタ温度が高く、サセプタに付着したＳｉが溶融してウエーハ外周側に析出しやすくなることが考えられる。
【００１２】
本発明の目的は、パワーデバイス向けエピタキシャルウエーハのような厚膜エピタキシャルウエーハを製造する場合の、ウエーハとサセプタの間のブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を効果的に防止できるエピタキシャルウエーハ製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、ウエーハとサセプタの間に発生するブリッジについて多方面から検討を加えた。その結果、膜厚が５０μｍ以上の厚膜エピタキシャルウエーハの場合は、ウエーハやサセプタの損傷が生じない程度にブリッジの発生を抑制することは極めて困難であり、その損傷を防止するためには、ブリッジの発生を無理に抑制するよりも、エピタキシャル成長プロセスで一旦発生したブリッジを降温プロセスまでに除去する方が、より合理的であるとの結論に達した。そして、そのブリッジの除去のためには、エピタキシャル成長後の塩酸ガスエッチング、とりわけ比較的軽微のエッチング処理が有効であるとの知見を得た。
【００１４】
本発明のエピタキシャルウエーハ製造方法は、かかる知見を基礎として開発されたものであり、シリコンウエーハの表面に５０μｍ厚以上のエピタキシャル膜を有する厚膜エピタキシャルウエーハの製造方法において、エピタキシャル成長後に、０．２〜５％の塩酸ガスを含む水素ガス中で１０００〜１１８０℃×１５秒〜５分間の塩酸ガスエッチングを行うものである。
【００１５】
本発明のエピタキシャルウエーハ製造方法においては、エピタキシャル成長工程でウエーハとサセプタの間に形成されたブリッジが、エピタキシャル成長工程に続く塩酸ガスエッチング工程で殆ど除去され、除去されないまでも相当に消耗する。このため、降温工程でのウエーハやサセプタの損傷が防止される。エピタキシャル成長工程に続く塩酸ガスエッチング工程では、ブリッジと共にエピタキシャル膜の表面もエッチングされるが、突起物であるブリッジに比べると、平面であるエピタキシャル膜面のエッチングレートは低く、前述のエッチング条件であれば問題となる膜面の消耗等は生じない。
【００１６】
エピタキシャル成長での膜厚を５０μｍ以上としたのは、５０μｍ未満ではエピタキシャル成長でのブリッジの形成は軽微であり、ブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷が大きな問題にならないからである。本発明が特に有効な膜厚は８０μｍ以上である。
【００１７】
塩酸ガスエッチング処理でのエッチングガス中の塩酸ガス濃度を０．２〜５％（容積％）としたのは、０．２％未満ではエッチングによるブリッジ除去効果が不十分であり、５％超ではウエーハ表面にくもりが発生するからである。
【００１８】
またエッチング処理温度を１０００〜１１８０℃としたのは１０００℃未満ではエッチングによるブリッジ除去効果が不十分であり、１１８０℃超では高温熱処理によるウエーハへのクラック発生が生じるからである。特に望ましいエッチング処理温度は下限については１０６０℃以上、上限については１１４０℃以下である。エッチング処理時間は１５秒〜５分としたが、これは１５秒未満ではエッチングによるブリッジ除去効果が不十分であり、５分超では効果が飽和し、５分超のエッチングを実施してもブリッジ除去効果にさほど大きな影響を与えないからである。特に望ましい処理時間は下限については３０秒以上、上限については３分以下である。
【００１９】
エピタキシャル膜の表面に塩酸ガスエッチングを行うと、その表面にくもり（ヘイズ）が発生する。このくもりはウエーハ表面のラフネス悪化によるものである。したがって、塩酸ガスエッチングの後に、水素ガス中で１０００〜１１８０℃×３０秒以上の水素ガスベークを行い、エピタキシャル膜表面のくもりを除去することが望ましい。水素ガスベーク処理での処理温度が１０００℃未満の場合はくもり取り効果が不十分であり、１１８０℃超の場合は高温熱処理にきいんんするクラックの増加が問題になる。特に望ましい温度は下限については１０６０℃以上、上限については１１４０℃以下である。処理時間は３０秒未満の場合はくもり取り効果が不十分であることから３０秒以上とし、６０秒以上が特に好ましい。処理温度が長くなった場合は致命的な問題は生じないので、その上限は特に規定しないが、３００秒超では効果が飽和するので、この点から３００秒以下が望ましい。
【００２０】
必要な膜厚を確保するために、塩酸ガスエッチングを挟んで２回のエピタキシャル成長を行うことが可能である。エピタキシャル成長処理を２回に分けることによるメリットは、エピタキシャル成長処理によって形成される膜厚が厚くなるほどウエーハとサセプタの間に形成されるブリッジはより強固なものとなり、塩酸ガスエッチングによってこれを完全に除去することが困難となることから、１回目のエピタキシャル成長処理によって発生するブリッジ部を塩酸ガスエッチングにより一旦除去することで２回目のエピタキシャル成長処理におけるブリッジ発生量を抑制することができる点にある。
【００２１】
１回目と２回目の膜厚の関係については、１回目の膜厚を２回目の膜厚よりも厚くする方がブリッジ発生の抑制効果が大きい。これは、２回目の膜厚を大きくし過ぎると、２回目の成膜過程でブリッジが形成されてしまうからであり、２回目の成膜量を大きくする場合には、成膜終了後、再度、塩酸ガスエッチングを実施してもよい。
【００２２】
なお、エピタキシャル成長後に塩酸エッチングを行うことは特許文献２に記載されているが、ここでの膜厚は２０μｍ以下であり、ブリッジの解消に対する有効性も示されていない。しかも、膜厚が２０μｍ以下のような通常厚のエピタキシャル成長の場合は、前述したとおり、エピタキシャル成長でのブリッジの形成は軽微であり、エピタキシャル成長後に塩酸エッチングを行わずとも、ブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷は大きな問題にならない。
【００２３】
本発明は、ブリッジが顕著化する誘導加熱方式或いは抵抗加熱方式のエピタキシャル成長処理、そのなかでも特に、複数枚のウエーハを搭載する大径の水平円盤型サセプタを使用する複数枚同時処理に有効である。複数枚同時処理では、サセプタの回転に伴ってサセプタ上のウエーハに遠心力が生じ、サセプタの凹部内で偏って内周面に接近乃至接触することによりブリッジが発生しやすい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に使用されるエピタキシャル成長装置の概略構成図で側面図、図２は同概略構成図で平面図である。
【００２５】
ここに示されたエピタキシャル成長装置は、膜厚が５０μｍ以上のパワーデバイス向け厚膜エピタキシャルウエーハの製造に使用される横型装置であり、チャンバー１内に水平設置された横型の反応管２を有している。反応管２内には、水平な円盤状のサセプタ３が長手方向の中央部に位置して設けられると共に、サセプタ３を長手方向の前後から挟むようにして水平な仕切り板６，６が設けられている。
【００２６】
サセプタ３は、反応管２内に下方から挿入された支持軸４により水平に支持されており、支持軸４の回転により中心回りに回転駆動される。サセプタ３の上面には、座ぐりと呼ばれる複数の凹部７，７・・が設けられている。複数の凹部７，７・・は、ウエーハ８を水平に収容する構成になっており、サセプタ３の回転中心回りに等角配置されている。
【００２７】
反応管２の下方には、サセプタ３上のウエーハ８，８・・を加熱する誘導加熱コイル５が、支持軸４を取り囲むようにして設けられている。誘導加熱コイル５はサセプタ３を誘導加熱し、これによりサセプタ３上のウエーハ８，８・・を加熱する。仕切り板６，６はサセプタ３と共同して反応管２内をサセプタ２より上側の空間と下側の空間とに区画し、上側の空間に原料ガスを一端部から他端部へかけて流通させる。
【００２８】
操業では、図３に示すように、先ず昇温過程を経てウエーハエッチングを行う。このエッチング工程では、サセプタ３の上に載置したシリコンウエーハ８，８・・を１０６０〜１１８０℃に加熱した状態で反応管２内に水素ガス又は塩酸ガスを含む水素ガスを通す。ウエーハエッチングが終わると、エピタキシャル成長工程（図３中にｄｅｐｏと表現）に移行する。この工程では、シリコンウエーハ８，８・・を例えば１０６０〜１１８０℃に加熱した状態で反応管２内に原料ガス（例えばトリクロシランと水素の混合ガス）を通すことにより、シリコンウエーハ８，８・・の各表面にエピタキシャル膜を形成する。
【００２９】
このエピタキシャル成長工程における膜厚は基本的に５０μｍ以上であるが、エピタキシャル成長工程を２回に分ける場合は合計膜厚が５０μｍ以上であればよいので、ここにおける膜厚は５０μｍ未満となる場合もある。
【００３０】
エピタキシャル成長工程が終わると、塩酸ガスエッチング工程に移行する。この工程では、シリコンウエーハ８，８・・を１０００〜１１８０℃に加熱した状態で、０．２〜５％の塩酸ガスを含む水素ガスを反応管２内に通し、１５秒〜５分間処理する。この塩酸ガスエッチングにより、先の厚膜エピタキシャル処理でウエーハとサセプタの間に形成されたブリッジが除去される。
【００３１】
塩酸ガスエッチング工程が終わると、ウエーハ表面のくもり取りを目的として、水素ガス中で１０００〜１１８０℃×３０秒以上の水素ガスベークを行う。エピタキシャル成長工程を２回に分ける場合は、この塩酸ガスエッチングの後に２回目のエピタキシャル成長を行い、ウエーハを降温する。
【００３２】
このような操業によれば、１回目のエピタキシャル成長工程でウエーハとサセプタの間に形成されたブリッジが、そのエピタキシャル成長工程に続く塩酸ガスエッチングにより除去され、２回目のエピタキシャル成長を行う場合も、１回目のエピタキシャル成長との間で膜厚が振り分けられ、２回目の膜厚が低減されるので、ブリッジの再発生は殆ど生じない。このため、降温過程でのブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷が防止される。
【００３３】
本発明の実施例１として、誘導加熱方式で５枚同時処理式の横型エピタキシャル成長装置により、直径が２００ｍｍでｐ型の供試シリコンウエーハ（１００）に１００μｍの厚膜エピタキシャル処理を行った後、塩酸ガスエッチングを行い、更にその後、水素ガスベークを行った。塩酸ガスエッチングでは、２％の塩酸ガスを含む水素ガスを使用し、処理温度１１００℃（一定）で処理時間を変更した。また、水素ガスベーク条件は１００％水素ガス雰囲気、処理温度１１００℃（一定）、処理時間１分とした。
【００３４】
降温後、サセプタから取り出したウエーハにおける不良発生率と、塩酸ガスエッチ処理での処理時間との関係を図４に示す。塩酸ガスエッチ時間が０の場合、即ちエピタキシャル成長後の塩酸ガスエッチを行わない場合、５０％のウエーハに、ウエーハとサセプタ間のブリッジが原因と考えられるクラック、割れ、欠け、チップ不良の少なくとも一つが発生した。エピタキシャル成長後に塩酸ガスエッチを行うことにより、不良発生率が低減し、塩酸ガスエッチ時間が１５秒以上で不良発生率は２０％以下になる。
【００３５】
水素ガスベーク時間がウエーハ表面のくもり（面あれ）に及ぼす影響を調査した。くもり（面あれ）は、集光灯下で目視によりチェックした。結果を表１に示す。水素ガスベーク時間が０、即ち水素ガスベークを行わない場合、水素ガスベークを行っても時間が１０秒の場合は、くもり（面あれ）が認められた。しかし、３０秒以上の水素ガスベークを行うことにより、くもり（面あれ）は取り除かれた。
【００３６】
【表１】

【００３７】
本発明の実施例２として、誘導加熱方式で５枚同時処理式の横型エピタキシャル成長装置により、前記供試シリコンウエーハの表面に９０μｍのエピタキシャル膜を形成した後、１１００℃×６０秒（２％ＨＣｌ）の条件で塩酸ガスエッチングを行い、その後、３０μｍのエピタキシャル膜を形成することにより、総膜厚が１２０μｍの厚膜エピタキシャルウエーハを製造した。塩酸ガスエッチングなしで１２０μｍのエピタキシャル膜を一気に形成した場合、１０枚中６枚のウエーハに、ウエーハとサセプタの間のブリッジが原因と考えられるクラックが発生したが、エピタキシャル成長処理の途中に塩酸ガスエッチングを挟むこと、即ちエピタキシャル成長処理を塩酸ガスエッチングの前後に振り分けることにより、１２０μｍもの厚膜処理を行うにもかかわらず、この発生率は１枚／１０枚に低減した。
【００３８】
実施例１及び実施例２から分かるように、本発明はウエーハとサセプタの間のブリッジが発生しやすい厚膜のエピタキシャル処理を行うにもかかわらず、また誘導加熱方式で複数枚同時処理を行うにもかかわらず、そのブリッジによるウエーハやサセプタの損傷を効果的に防止することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のエピタキシャルウエーハ製造方法は、エピタキシャル成長後に塩酸ガスエッチングを行うことにより、パワーデバイス向けエピタキシャルウエーハのような厚膜エピタキシャルウエーハを製造する場合の、ウエーハとサセプタの間のブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に使用されるエピタキシャル成長装置の概略構成図で側面図である。
【図２】同概略構成図で平面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すヒートパターン図である。
【図４】エピタキシャル処理後の塩酸ガスエッチ処理における処理時間と、サセプタから取り出したウエーハにおける不良発生率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 反応管
３ サセプタ
４ 支持軸
５ 誘導加熱コイル
６ 仕切り板
７ 凹部
８ ウエーハ

Claims (3)

1. シリコンウエーハの表面に５０μｍ厚以上のエピタキシャル膜を有する厚膜エピタキシャルウエーハの製造方法において、エピタキシャル成長後に、０．２〜５％の塩酸ガスを含む水素ガス中で１０００〜１１８０℃×１５秒〜５分間の塩酸ガスエッチングを行うことを特徴とするエピタキシャルウエーハ製造方法。
2. 前記塩酸ガスエッチングの後に水素ガス中で１０００〜１１８０℃×３０秒以上の水素ガスベークを行うことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエーハ製造方法。
3. 前記塩酸ガスエッチングを挟んで２回のエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエーハ製造方法。

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