JP2005311053A - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法及び洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パーティクルや金属の付着を抑制しつつ、シリコン単結晶基板の表面に形成された自然酸化膜を予め除去しておく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及び洗浄装置を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶基板に酸化剤を含有しないアルカリ溶液を添加しながらスクラビング洗浄を施し、その後、反応容器内でシリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン単結晶基板に洗浄を施した後に気相成長させることによって、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法及び、シリコン単結晶基板の洗浄工程を行う洗浄装置に関する。

例えば、シリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を形成する場合、気相成長を行う反応容器内にシリコン単結晶基板を搬送し、反応容器に配されたサセプタ上に載置する。その後、反応容器内を加熱（例えば、１１００℃〜１２００℃）して水素熱処理を行うことによって、シリコン単結晶基板の表面に形成された自然酸化膜を水素によりエッチングして除去する。次いで、反応容器内を成長温度（例えば、１０５０℃〜１１５０℃）に設定し、シリコン単結晶基板の主表面上にシリコン原料ガスを供給し、これによりシリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
このように、シリコンエピタキシャル層を気相成長する前には、１１００℃以上の高温下で水素熱処理して自然酸化膜をエッチング除去する。

これに対して、反応容器内を、上述した１０５０℃〜１１５０℃よりも低温（例えば、６００℃〜９００℃）で、気相成長（いわゆる、低温エピタキシャル成長）を行う場合がある。この場合にも、気相成長前に気相成長温度よりも高い温度（例えば、１１５０℃）で水素熱処理を施す必要があった。
このように低温エピタキシャル成長を行う場合にも、通常の温度で水素熱処理しなければ、シリコン単結晶基板の表面に形成された自然酸化膜を完全に除去できなかった。
そこで、気相成長の前にフッ酸溶液中にシリコン単結晶基板を浸漬し、該シリコン単結晶基板の表面に形成された自然酸化膜を予め除去して気相成長を行うことは既に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−７８３２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような、フッ酸溶液中に浸漬した後のシリコン単結晶基板の表面には、パーティクルや金属が付着し易く、そのため、その後の気相成長により結晶欠陥が発生しやすい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、パーティクルや金属の付着を抑制しつつ、シリコン単結晶基板の表面に形成された自然酸化膜を予め除去しておく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及び洗浄装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、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酸化剤を含有しないアルカリ溶液で薬液洗浄を施す洗浄工程と、
該洗浄工程後に、反応容器内でシリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる気相成長工程とを備えることを特徴としている。

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よれば、シリコン単結晶基板に酸化剤を含まないアルカリ溶液で薬液洗浄を施すことによって、従来のフッ酸処理では困難であったパーティクルの付着を抑制することができ、しかも自然酸化膜を予め除去しておくことができる。したがって、自然酸化膜の無いシリコン単結晶基板に気相成長させることができ、気相成長により結晶欠陥の発生を防止することができる。
また、上述のように気相成長前に予め自然酸化膜を除去しておくことができることから、気相成長前に自然酸化膜を除去するために行う水素熱処理の加熱温度を低温とすることができる。

この場合の薬液洗浄は、シリコン単結晶基板に酸化剤を含有しないアルカリ溶液を添加しながら、バフを用いてスクラビングを行い、シリコン単結晶基板表面を撥水性にすることが好ましい。

また、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おいて、前記アルカリ溶液は、アンモニア水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液又はトリメチルアンモニウム水溶液であることを特徴としている。

さらに、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おいて、前記酸化剤は、オゾン又は過酸化水素であることを特徴としている。

また、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よれば、前記薬液洗浄後、必要に応じて、ＰＨ５以下の陽イオン水又は塩酸水溶液による洗浄を行うことにより、ウェーハ表面に吸着した金属イオンを除去することができる。

そして、前記洗浄工程後、６０分以内に、反応容器内でシリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させることが好ましい。

さらに、本発明は請求項１〜６のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法で使用するシリコン単結晶基板の洗浄工程を行う洗浄装置であって、洗浄乾燥処理が終了したウェーハを収納するカセットが不活性ガス雰囲気中に保管される機構を有する洗浄装置であることを特徴としており，特に枚葉式の洗浄装置に好適に用いられる。

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よれば、シリコン単結晶基板に酸化剤を含まないアルカリ溶液を添加しながらスクラビング洗浄を施すことによって、パーティクルの付着を抑制しつつ、自然酸化膜を予め除去しておくことができる。したがって、気相成長により結晶欠陥の発生を防止することができる。
また、気相成長前に自然酸化膜を除去するために行う水素熱処理の加熱温度を低温とすることができる。

以下、本発明に係るシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の好ましい実施の形態について説明する。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洗浄を施した後、気相成長装置内で洗浄後のシリコン単結晶基板にシリコンエピタキシャル層を気相成長させることによってなされる。
ここでは、まず、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おいて使用されるエピタキシャル成長前洗浄装置及び気相成長装置の好適な一例として、枚様式の洗浄装置及び気相成長装置の構成について説明する。

図４に示すように、枚葉式洗浄装置３０は、洗浄装置本体３０の内部にローダー３２とアンローダー３３を備えている。また、ローダー３２に置かれたウェーハカセット（図示しない）からシリコン単結晶基板を取り出し、スピン洗浄ユニット３４、３５及び反転ステージ３６に移載し、これらのステージからシリコン単結晶基板をアンローダー１３に置かれたウェーハカセット（図示しない）に収納するためのスカラーロボット３７を備えている。

スピン洗浄ユニット３４、３５はシリコン単結晶基板を外周部のみで接触、保持しながら回転させる機構と、シリコン単結晶基板上面にリンス用の薬液及び純水を供給するノズルと、シリコン単結晶基板上面を自転しながらスクラビングするバフを備えている。また、反転ステージ３６は、シリコン単結晶基板の外周部のみを接触保持しながらシリコン単結晶基板の上、下面を反転させる機構を備えている。

図１に示すように、気相成長装置１１は、反応容器１１と、該反応容器１１の内部に設けられてシリコン単結晶基板Ｗを上面で支持するサセプタ２０とを備えている。
反応容器１１には、該反応容器１１内に原料ガス（例えば、トリクロロシラン）及びキャリアガス（例えば、水素）を含む気相成長用ガスをサセプタ２０の上側の領域に導入してサセプタ２０上のシリコン単結晶基板Ｗの主表面上に供給する気相成長用ガス導入管１５が設けられている。
また、反応容器１１のうちの、気相成長用ガス導入管１５が設けられた側と同じ側には、反応容器１１内にパージガス（例えば、水素）をサセプタ２０の下側の領域に導入するパージガス導入管１６が設けられている。
さらに、反応容器１１のうちの、気相成長用ガス導入管１５及びパージガス導入管１６が設けられた側と反対側には、反応容器１１内のガス（気相成長用ガス及びパージガス）が排気される排気管１７が設けられている。
反応容器１１の外部には、該反応容器１１を上側と下側とから加熱する加熱装置１４a、１４bが設けられている。加熱装置１４a、１４bとしては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。
また、反応容器１１には、該反応容器１１内を減圧する減圧ポンプ（図示しない）が設けられている。

サセプタ２０は、例えば炭化ケイ素で被覆されたグラファイトにより構成されている。このサセプタ２０は、例えば略円板状に形成され、その主表面には、該主表面上にシリコン単結晶基板Ｗを位置決めするための平面視略円形状の凹部である座ぐり２１が形成されている。
座ぐり２１の底面には、座ぐり２１に載置されたシリコン単結晶基板Ｗを裏面から支持するとともに、シリコン単結晶基板Ｗを上下方向に移動するためのリフトピン１３が挿通されるリフトピン用孔部２２が形成されている。

リフトピン１３は、丸棒状に形成された胴体部１３aと、該胴体部１３aの上端部に形成されてシリコン単結晶基板Ｗを支持する頭部１３bとを備えている。頭部１３bは、シリコン単結晶基板Ｗを支持しやすいように胴体部１３aの径に比べて大きく形成されている。

また、サセプタ２０の裏面には、該裏面からサセプタ２０を支持するサセプタ支持部材１２が設けられている。このサセプタ支持部材１２は、矢印Ａで示す上下方向に移動可能で、かつ、矢印Ｂで示す方向に回転可能とされている。サセプタ支持部材１２の先端部には、放射状に分岐した複数の支持アーム１２aが設けられている。
そして、支持アーム１２aの先端部は、サセプタ２０をその上面が略水平となるようにサセプタ２０の裏面に形成された凹部２３に嵌合されている。また、支持アーム１２aには、リフトピン１３の胴体部１３aが貫通する貫通孔１２bが形成されている。

次に、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説明する。まず、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において行われる洗浄工程について説明する（図３中ステップＳ１〜Ｓ６）。図３は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造工程を示す工程図の一例である。
図３に示すように、ステップＳ１において、図４に示すローダー３２に置かれたウェーハカセットからシリコン単結晶基板を取り出し、反転ステージ３６に移載する。反転ステージ３６でシリコン単結晶基板の裏面を上にして、スピン洗浄ユニット３４に移載し、ウェーハを回転させながら超音波を付与した純水でリンスし、シリコン単結晶基板の裏面に付着したパーティクルを除去する。

次いで、ステップＳ２において、シリコン単結晶基板を再び反転ステージ３６に移載し、シリコン単結晶基板を上向きにした後、スピン洗浄ユニット３５に移載する。そして、シリコン単結晶基板を回転させ、ｐＨ１０のアルカリ溶液を添加しながら、ある程度柔らかなバフを回転させてシリコン単結晶基板上に押し当ててスクラビングを行う。ここで用いるアルカリ溶液としては、オゾンや過酸化水素等の酸化剤を含まないアルカリ溶液であって、例えば、アンモニア水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム水溶液等が好適である。また、このアルカリ溶液は、１ｎｍ程度の自然酸化膜を除去するためのものであるので、ＰＨ１０前後で希薄溶液であることが好ましい。一方、アルカリ濃度がこれより高いと、シリコン単結晶基板の表面に面荒れが発生するため、ｐＨを１１以下にしておくことが好ましい。また、バフはシリコン単結晶基板上一様にスクラビングが行われるようにゆっくり揺動する。シリコン単結晶基板が完全に撥水性を示すようになったならば、次いで、ステップＳ３において、薬液の供給を停止すると同時に超音波を付与した純水でリンスしてシリコン単結晶基板表面のパーティクルを除去する。

次いで、ステップＳ４において、パーティクルが除去されたシリコン単結晶基板にｐＨ４〜ｐＨ５の陽イオン水（例えばクエン酸水溶液）又は塩酸水溶液をシリコン単結晶基板の表面及び裏面に供給し洗浄を施す。この洗浄により、シリコン基板表面に吸着している金属イオンが除去される。この洗浄時間が１分以下であれば、シリコン単結晶基板の表面は撥水性を保持したままにすることができる。次いで、ステップＳ５において、薬液の供給を停止し、同時に超音波を付与した純水によりリンスを行い、パーティクルの除去を行う。
次いで、ステップＳ６において純水の供給を停止すると同時に、シリコン単結晶基板を５００ｒｐｍ以上の高速で回転し、乾燥処理を施す。乾燥したシリコン単結晶基板をスカラーロボット３７により、アンローダ３３内のウェーハカセットに収納する。このアンローダー３３内部は窒素ガスでパージされており、収納されたシリコン単結晶基板表面で酸化反応が進行しないよう対策が施されている。

次に、上記洗浄工程によって自然酸化膜が除去されたシリコン単結晶基板の主表面に、上述の気相成長装置１を使用して、シリコンエピタキシャル層を気相成長させる工程について説明する（図３中ステップＳ７〜Ｓ８）。
図１に示すように、上記洗浄後のシリコン単結晶基板Ｗを、反応容器１１に投入し、反応容器１１内のサセプタ２０により支持させる。
このためには、リフトピン１３上にシリコン単結晶基板Ｗを受け渡すために、各リフトピン１３を互いに略等量だけサセプタ２０上面より上方に突出するように該サセプタ２０に対し相対的に上昇させる。すなわち、サセプタ支持部材１２を下降させる動作に伴わせてサセプタ２０を下降させていき、この下降の過程でリフトピン１３の下端部が反応容器１１の内部底面に到達すると、リフトピン１３はそれ以上に下降できないが、サセプタ２０はさらに下降する。このため、サセプタ２０に対し相対的にリフトピン１３が上昇し、図２においてシリコン単結晶基板Ｗが無い状態となる。
このようにサセプタ２０に対し相対的にリフトピン１３が上昇した状態で、図示しないハンドラによりシリコン単結晶基板Ｗを反応容器１１内に搬送し、各リフトピン１３の頭部１３bにより主表面を上にしてシリコン単結晶基板Ｗを支持させる。

そして、ハンドラを退避させる一方で、サセプタ支持部材１２を上昇させるのに伴わせて、サセプタ２０を上昇させていき、この上昇の過程で座ぐり２１の外周側部分がシリコン単結晶基板Ｗの主裏面に到達すると、それまでリフトピン１３の頭部１３b上に支持されていたシリコン単結晶基板Ｗが、座ぐり２１の外周側部分により支持された状態へと移行する。
さらに、リフトピン用孔部２２の縁部がリフトピン１３の頭部１３bに到達すると、それまで反応容器１１の内部底面により支持された状態であったリフトピン１３は、サセプタ２０により支持された状態へと移行する（図１参照）。

次いで、ステップＳ７において、水素雰囲気の反応容器１１内でシリコン単結晶基板Ｗに熱処理を施す（水素熱処理工程）。
すなわち、反応容器１１内に気相成長用ガス導入管１５及びパージガス導入管１６をそれぞれ介して水素ガスを流して水素雰囲気に置換した状態で、反応容器１１内の温度を水素熱処理温度（例えば８５０℃〜９５０℃程度）になるように加熱装置１４a、１４bに電力を供給することにより加熱する。この際に、サセプタ支持部材１２を鉛直軸回りに回転駆動させることによりサセプタ２０及びシリコン単結晶基板Ｗを回転させる。

なお、シリコン単結晶基板Ｗの表面は、上記洗浄工程によってパーティクルの付着が抑制され、かつ、自然酸化膜が除去されているので、ここでは上述したように低温で水素熱処理することができる。また、水素ガスでエッチングされて表面の自然酸化膜が完全に除去される。

次いで、ステップＳ８において、シリコン単結晶基板Ｗの主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長する（気相成長工程）。
すなわち、反応容器１１内を上記水素熱処理温度（例えば、９００℃）に保持したままで、気相成長用ガス導入管１５を介してシリコン単結晶基板Ｗの主表面上に気相成長用ガスを供給するとともに、パージガス導入管１６を介して水素ガスを供給し、シリコン単結晶基板Ｗの主表面上にシリコンエピタキシャル層を気相成長してシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。

このようにして製造されたシリコンエピタキシャルウェーハは、水素熱処理工程において、シリコン単結晶基板Ｗの表面に形成された自然酸化膜は完全に除去されているので、表面全面には結晶欠陥の無いシリコンエピタキシャル層が均一に形成される。

シリコンエピタキシャルウェーハを製造した後、降温し、反応容器１１外に搬出する。
すなわち、予めサセプタ２０の回転を止めた後に、サセプタ支持部材１２を下降させて、図２に示すように、各リフトピン１３を互いに略等量だけサセプタ２０上面より上方に突出動作させ、この突出動作に伴わせて基板Ｗをサセプタ２０の座ぐり２１上面より上方に上昇させる。そして、図示しないハンドラによりシリコン単結晶基板Ｗを搬出する。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の実施態様はこれらに限定されるものではない。
以下に示す方法に従って、それぞれシリコン単結晶基板の洗浄を行い、洗浄後のシリコン単結晶基板に対して図１及び図２に示す気相成長装置１を使用して水素熱処理した後、シリコンエピタキシャル層を気相成長させた。

［実施例１］
鏡面研磨後に自然酸化膜が形成された直径３００ｍｍのシリコン単結晶基板の裏面を純水リンスした後、シリコン単結晶基板の表面をｐＨ１０のアンモニア水溶液でスクラビングを施し、純水リンスした。さらに、ｐＨ５の塩酸水溶液で１分間洗浄し、純水でリンスを行った後、シリコン単結晶基板を５００ｒｐｍで乾燥した。その後、１時間放置した後、パーティクルカウンター Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）にてシリコン単結晶基板表面の０．０９μｍ以上のパーティクル測定を行った。その結果、６５個／３００ｍｍφウェーハ（０．０９２個／ｃｍ²）のパーティクルが観察された。
［比較例］
実施例１と同じ鏡面研磨後に自然酸化膜が形成された直径３００ｍｍのシリコン単結晶基板を従来の洗浄方法であるＳＣ１洗浄（アンモニア：過酸化水素：水の容積配合比＝１：１〜２：５〜７）後、１．５％濃度のフッ酸洗浄を行った後乾燥した。その後、実施例１と同様、１時間放置した後、シリコン単結晶基板表面の０．０９μｍ以上のパーティクル測定を行った。その結果、８７３７個／３００ｍｍφウェーハ（１２．４個／ｃｍ²）のパーティクルが観察された。

以上の結果から明らかなように、実施例１のシリコン単結晶基板に付着したパーティクル数は比較例に比して極めて小さいことから、本発明による洗浄であれば、シリコン単結晶基板に付着するパーティクルを極めて少なくことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、枚葉式の気相成長装置を用いて洗浄後のシリコン単結晶基板に気相成長させたが、これに限らず、例えば縦型減圧ＣＶＤ装置等、その他の気相成長装置を用いて気相成長させても良い。

本発明の実施の形態に係る反応容器の模式的な正面断面図であり、特に、気相成長中の状態を示す。 本発明の実施の形態に係る反応容器の模式的な正面断面図であり、特に、リフトピンによりシリコン単結晶基板をサセプタ上方に支持した状態を示す。 本発明の実施の形態に係るシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を示す工程図の一例である。 本発明の実施の形態に係る枚様式洗浄装置の一例を示す図である。

符号の説明

Ｗ シリコン単結晶基板
１１ 反応容器
１２ サセプタ支持部材
１３ リフトピン
１４a、１４b 加熱装置
１５ 気相成長用ガス導入管
１６ パージガス導入管
１７ 排気管
２０ サセプタ
２１ 座ぐり
２２ リフトピン用孔部
３０ 枚様式洗浄装置本体
３２ ローダー
３３ アンローダー
３４、３５ スピン洗浄ユニット
３６ 反転ステージ
３７ スカラーロボット

Claims (8)

1. シリコン単結晶基板に酸化剤を含有しないアルカリ溶液で薬液洗浄を施す洗浄工程と、
   該洗浄工程後に、反応容器内でシリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる気相成長工程とを備え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. 前記薬液洗浄はシリコン単結晶基板に酸化剤を含有しないアルカリ溶液を添加しながら、バフを用いてスクラビングを行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
3. 前記アルカリ溶液は、アンモニア水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液又はトリメチルアンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
4. 前記酸化剤は、オゾン又は過酸化水素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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. シリコン単結晶基板にアルカリ溶液で薬液洗浄を行った後、ｐＨ５以下の陽イオン水又は塩酸水溶液により、洗浄を行う工程を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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. 前記洗浄工程後、６０分以内に、反応容器内でシリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法で使用するシリコン単結晶基板の洗浄工程を行う洗浄装置であって、
   洗浄乾燥処理が終了したウェーハを収納するカセットが不活性ガス雰囲気中に保管される機構を有することを特徴とする洗浄装置。
8. 前記洗浄装置は枚葉式の洗浄装置であることを特徴とする請求項７に記載の洗浄装置。

Images