JP2007049201A - 多層炭化ケイ素ウエハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光センサによって検出が可能な高純度の炭化ケイ素ウエハを得る。
【解決手段】炭化ケイ素ウエハ３２は、第１ＳｉＣ膜３４〜第４ＳｉＣ膜４０を有する４層構造となっている。これらのＳｉＣ膜３４〜４０は、ＣＶＤ法によって４回に分けて順次重ねて成膜してある。各ＳｉＣ膜は、膜の下側から上側に向けて結晶粒が漸次大きくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の炭化ケイ素の膜からなる炭化ケイ素ウエハに係り、特に複数の炭化ケイ素膜をＣＶＤ法により成膜して形成した多層炭化ケイ素ウエハおよびその製造方法に関する。

シリコン単結晶を基板とする半導体デバイスは、シリコン基板（シリコンウエハ）の表面に酸化膜を形成する酸化工程や不純物を拡散する拡散工程、さらには減圧下で窒化ケイ素膜、多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）などを形成する減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）工程等を経て、シリコンウエハ上に微細な回路が形成される。これらの工程には、拡散装置、ＬＰＣＶＤ装置などと呼ばれる半導体製造装置が使用される。そして、これらの装置は、いずれも複数のシリコンウエハを炉内に挿入し、シリコンウエハ本体を高温に加熱する炉体部分と、反応性ガスを炉内に供給するガス導入部、排気部などからなっており、多数枚のシリコンウエハを同時処理（バッチ処理）できるようになっている。図６は、縦型ＬＰＣＶＤ装置の一例を示したものである。

図６において、ＣＶＤ装置１０は、炉本体１２の内周面に図示しないヒータが配設してあって内部を高温に加熱、維持できるようになっているとともに、図示しない真空ポンプに接続してあり、内部を１３３０Ｐａ（約１０Ｔｏｒｒ）以下に減圧できるようにしてある。また、炉本体１２の内部には、高純度石英や炭化ケイ素（ＳｉＣ）によって形成したプロセスチューブ１４が設けてある。

プロセスチューブ１４によって覆われるベース１６の中央部には、ボート受け１８が設けてあって、このボート受け１８上にＳｉＣや石英などから形成した縦型ラック状のウエハボート２０が配置してある。そして、ウエハボート２０の上下方向には、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導デバイスを形成するための多数のシリコンウエハ２２が適宜の間隔をあけて保持させてある。また、ウエハボート２０の側部には、反応ガスを炉内に導入するためのガス導入管２４が配設してあるとともに、炉内温度を測定する熱電対を内蔵した熱電対保護管２６が設けてある。

このように構成したＣＶＤ装置１０は、ウエハボート２０を介して多数のシリコンウエハ２２が炉内に配置される。そして、炉内を１３３００Ｐａ（約１００Ｔｏｒｒ）以下に減圧するとともに、例えば８００〜１２００℃の高温に加熱し、ガス導入管２４を介してＨ₂ などのキャリアガスとともに四塩化ケイ素ＳｉＣｌ_４などの反応性ガス（原料ガス）を炉内に導入し、シリコンウエハ２２の表面に多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２ ）の形成などが行われる。

ところで、このようなＣＶＤ装置１０においては、炉内全体を均一な状態にすることは困難である。そこで、従来からウエハボート２０の上下部には、炉内のガスの流れや温度の均一性を保持すること等を目的として、シリコンウエハ２２と同一形状のダミーウエハ２８と称するウエハを数枚ずつ配置している。また、シリコンウエハ２２に付着するパーティクルの状態や、シリコンウエハ２２に所定の膜厚が形成されているか等を調べるために、ウエハボート２０の上下方向の複数の適宜の位置に、ダミーウエハの一種であるモニタウエハ３０をシリコンウエハ２２と混在させて配置している。これらのダミーウエハ（モニタウエハを含む）は、従来、シリコン単結晶や高純度石英によって形成した厚さが０．５〜１ｍｍ程度のものを使用してきた。

ところが、シリコン単結晶や高純度石英によって形成した従来のダミーウエハは、熱膨張係数がポリシリコン膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などと大きく異なるため、ダミーウエハに成膜されたポリシリコン膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などが容易に剥離して炉内を汚染するばかりでなく、耐熱性や耐蝕性の問題から短期間の使用で廃棄しなければならず、経済性が悪いという問題がある。かかるところから、近年、炭化ケイ素からなるダミーウエハが業界の注目を集めている。この炭化ケイ素ウエハ（ＳｉＣウエハ）は、黒鉛からなる円板状の基材の表面にＣＶＤなどによって炭化ケイ素の膜を厚さ０．３〜１ｍｍ程度成膜し、その後、黒鉛基材を酸化雰囲気中で酸化除去することによって得られる。そして、ＳｉＣウエハは、従来のシリコン単結晶や高純度石英からなるダミーウエハと比較して、
（イ）硝酸などに対する耐蝕性に優れているため、エッチングによる付着物の除去が容易に行え、長期間の繰返し使用が可能である。
（ロ）熱膨張係数が窒化ケイ素膜、ポリシリコン膜の熱膨張係数に近いところから、ダミーウエハ上に付着したこれらの膜が剥離しにくく、成膜工程途中におけるパーティクルの大幅な増加を抑制することができる。
（ハ）高温での重金属などの不純物の拡散係数が極めて低いため、ＳｉＣウエハに含有されている不純物による炉内汚染の懸念が少ない。
（ニ）耐熱変形性に優れているため、ロボットによる搬送などの自動移載が容易である。
等の多くの利点を有しており、経済的効果が大きいところから実用化が促進されている。

ところで、拡散装置やＣＶＤ装置によりシリコンウエハの処理を行う場合、ウエボート２０へのシリコンウエハ２２の出し入れは、自動搬送装置によって行われている場合が多い。そして、自動搬送装置によるシリコンウエハ２２の取り扱いは、シリコンウエハ２２に赤外線等を照射し、光センサに入射する赤外線等が遮断されたか否かによってシリコンウエハ２２の有無を判別するようになっている。このことは、ダミーウエハの搬送、入替えなどについても同様である。また、シリコンウエハ２２へのパーティクルの付着状態、付着数を検出する場合、モニタウエハ３０に光（赤外線）を照射してその反射光を検出して行っている。この反射光を利用した従来のパーティクルカウンタは、被検査対象が９２％以上の反射率を有していないと、直径０．２μｍ程度の微小なパーティクルを検出することができない。

ところが、ＣＶＤ法によって成膜した高純度のＳｉＣウエハは、淡い黄色の透明体であって照射された赤外線が透過するため、光センサによって検出することができず、自動搬送を行うことができない。また、モニタウエハとして使用した場合、透過率が高いために充分な反射光を得ることができず、微小なパーティクルの検出が不可能であり、パーティクル検出用のモニタウエハとして使用することができない。

そこで、透光性を有しないダミーウエハとしてケイ素含浸炭化ケイ素の基体にアルミナとシリカとからなる膜をＣＶＤによりコーティングしたダミーウエハが提案されている（特許文献１）。
特開平５−２８３３０６号公報

光（赤外線）に対する透孔性の小さな炭化ケイ素ダミーウエハが望まれている。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、光センサによって検出が可能な高純度の炭化ケイ素ウエハを提供することを目的とする。
また、本発明は、パーティクル検出用のモニタウエハとして使用可能な炭化ケイ素ウエハを提供することを目的としている。

そして、本発明は、赤外線に対する透光性の小さな炭化ケイ素ウエハを容易に得られるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る多層炭化ケイ素ウエハは、厚み方向の一側から他側に向けて結晶粒が漸次大きくなっている炭化珪素膜を複数積層したことを特徴としている。

そして、上記の多層炭化ケイ素ウエハを得るための多層炭化ケイ素ウエハの製造方法は、四塩化ケイ素ガスを含む原料ガスを供給してＣＶＤにより炭化ケイ素膜を成膜する工程と、前記原料ガスの供給を停止して、前記原料ガスをパージする工程と、を複数回繰り返すことを特徴としている。

上記のごとく構成した本発明は、炭化ケイ素ウエハを複数の炭化ケイ素の膜より形成したことにより、各炭化ケイ素の膜の境界において赤外線（光）が反射され、赤外線の透過率が低下するとともに反射量も増大する。しかも、炭化ケイ素膜の粒径が厚み方向の一側から他側に向けて結晶粒が漸次大きくなっているため、炭化ケイ素の微結晶が赤外線を反射、散乱し、より透孔性を小さくできる。したがって、光センサによる検出が可能となって、自動搬送をできるばかりでなく、パーティクルの検出用モニタウエハとしても使用することができる。

ＣＶＤによる成膜と原料ガスのパージとを繰り返し行なうことにより、成膜開始（再開）初期に炭化ケイ素の微結晶が形成され、厚み方向の一側から他側に向けて結晶粒が漸次大きくなっている炭化珪素膜を積層した多層炭化ケイ素ウエハを容易に形成することができる。

本発明に係る多層炭化ケイ素ウエハおよびその製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態に係る多層炭化ケイ素ウエハの断面を模式的に示したものである。図１において、炭化ケイ素ウエハ３２は、４層構造をなしていて、第１ＳｉＣ膜３４ないし第４ＳｉＣ膜４０までがほぼ同質に形成してある。これらの各ＳｉＣ膜３４〜４０は、詳細を後述するように、ＣＶＤ法によって成膜され、全体の厚さが０．２〜１ｍｍ程度にしてある。

第１ＳｉＣ膜３４は、後述するように黒鉛基材の表面に成膜され、その上に順次第２ＳｉＣ膜３６、第３ＳｉＣ膜３８、第４ＳｉＣ膜４０がＣＶＤ法によって成膜されており、各ＳｉＣ膜間に境界部４２、４４、４６が形成されている。そして、各ＳｉＣ膜３４〜４０は、下部の成膜初期の部分の結晶粒４８が小さく、上部にいくに従って結晶粒４８が大きくなっている。これは、成膜開始時は微小な結晶核が形成され、成膜が進行するに伴って結晶核が成長することによる。

このように構成した第１実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハ３２は、境界部４２、４４、４６において入射光が反射されるばかりでなく、各ＳｉＣ膜３４〜４０の成膜初期時に微細な結晶粒４８が形成されるため、これらの微細な結晶粒４８により入射光が乱反射されて透過率が低下し、光センサによる検出が容易となり、自動搬送装置による取り扱いが可能となる。また、本実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハ３２は、従来の炭化ケイ素ウエハに比較して反射光の量が多くなるため、微小なパーティクルの検出が容易となり、従来４μｍ以上の大きさのパーティクルしか検出できなかったのが、シリコンダミーウエハなどの場合と同様に直径０．２μｍ程度の大きさのパーティクルも検出することができる。
なお、前記の実施形態においては、ＳｉＣの膜を４層設けた場合について説明したが、ＳｉＣの膜は２〜３層または５層以上であってもよい。

図２は、第２実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハの一部断面図である。この炭化ケイ素ウエハ５０は、第１ＳｉＣ膜５２ないし第３ＳｉＣ膜５６を有する３層構造となっている。そして、第１ＳｉＣ膜５２と第３ＳｉＣ膜５６とは、結晶粒が大きく成長した結晶性、配向性の良好な光透過率の大きな炭化ケイ素から形成してある。一方、中間の第２ＳｉＣ膜５４は、第１ＳｉＣ膜５２、第３ＳｉＣ膜５６より結晶性、配向性に劣っており、黒っぽい色をした光透過率の小さな炭化ケイ素からなっている。この光透過率の小さな第２ＳｉＣ膜５４は、炭化ケイ素膜の成膜条件を変えることにより、例えばＳｉＣｌ₄ 、ＣＨ₄ などの原料ガスの供給量を増大させて成膜速度を速くしたり、成膜温度を下げるなどすることにより形成することができる。

このように構成した第２実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハ５０は、光透過率の小さい第２ＳｉＣ膜５４が設けてあるため、赤外線などの光の透過量が少なくなり、光センサにより容易に検出することができる。また、光の透過量が少なくなって反射光が増大するため、付着した微小なパーティクルの検出を容易に行うことができる。しかも、結晶性、配向性に劣る第２ＳｉＣ膜５４の両面には、結晶性、配向性に優れた第１ＳｉＣ膜５２、第３ＳｉＣ膜５６が設けてあるため、結晶性、配向性に優れた炭化ケイ素のみから形成したものと同様の耐食性等が得られ、長寿命の炭化ケイ素ウエハとすることができる。

図３は、第１実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハ３２の製造工程の説明図である。
図３（１）に示したように、まず、高純度黒鉛からなる所定寸法の円板状黒鉛基材５８を作製する。その後、黒鉛基材５８を減圧ＣＶＤ装置に入れ、装置（炉）内を１３３００Ｐａ（約１００Ｔｏｒｒ）以下に減圧したのち、炉内を１０００〜１６００℃に加熱、保持し、キャリアガスである水素ガス（Ｈ₂ ）とともに、原料となるＳｉＣｌ_４ 、ＣＨ_４ を各々体積％で５〜２０％導入し、ＣＶＤによって黒鉛基材５８の表面に第１ＳｉＣ膜３４を厚さ３０〜３００μｍ程度成膜する（同図（２））。

第１ＳｉＣ膜３４の成膜が終了したならば、原料ガスの供給を停止し、炉内の原料ガスをパージガスによってパージする。その後、再び原料ガスをキャリアガスとともに供給し、前回と同様にして第１ＳｉＣ膜３４の上に第２ＳｉＣ膜３６を３０〜３００μｍ成膜する（同図（３））。そして、第２ＳｉＣ膜３６を所定の厚さ成膜したならば、再び原料ガスの供給を停止して炉内の原料ガスのパージを行う。

以下、同様にして図３（４）に示したように、第３ＳｉＣ膜３８、第４ＳｉＣ膜４０を順次積層し、全体の成膜厚さを０．２〜１ｍｍ程度にする。このようにして成膜を途中で中断して複数回に分けて成膜を行うと、図１の模式図に示したように、成膜再開初期時に微細な結晶粒が形成され、光が反射、散乱されて透過量が減少し、光センサによる検出が可能で、付着パーティクルの光による検出が可能な炭化ケイ素ウエハを得ることができる。

このようにして黒鉛基材５８の表面にＳｉＣ膜３４〜４０を成膜したのち、同図（５）に示したように、ＳｉＣ膜３４〜４０の周縁部を機械加工によって研削し、黒鉛基材５８の周面を露出させる。そして、ＳｉＣ膜３４〜４０によって挟んだ状態の黒鉛基材５８を９００〜１４００℃の炉に入れ、酸素を供給して黒鉛基材５８を酸化燃焼して除去し、２枚の炭化ケイ素ウエハ３２にする（図３（６））。その後、炭化ケイ素ウエハ３２の両面を所定の粗さの面となるように研磨するとともに、両面の周縁角部を面取り加工したのち、洗浄、乾燥する。

なお、図２に示した炭化ケイ素ウエハ５０も上記と同様にして作ることができる。ただし、第２実施形態の炭化ケイ素ウエハ５０を製作する場合、第１ＳｉＣ膜５２と第３ＳｉＣ膜５６とを同一の成膜条件によって成膜し、良好な結晶性、配向性が得られるようにし、第２ＳｉＣ膜５４を成膜する場合、これらと成膜条件を変えて、例えば原料ガスの供給量を多くして成膜速度を速くしたり、成膜温度を下げるなどして、第１ＳｉＣ膜５２、第３ＳｉＣ膜５６より光の透過率の小さなＳｉＣ膜とする。

図４は、さらに他の実施形態に係る多層炭化ケイ素ウエハの断面図を示したものである。
図４（１）に示した炭化ケイ素ウエハ６０は、３つの炭化ケイ素膜６２、６４、６６とから形成され、３層構造となっている。黒鉛基材５８の上に成膜した第１層の炭化ケイ素膜６２と、図の最上部にある第３層の炭化ケイ素膜６６とは、光透過率の大きな透明度が高くなっている。また、第２層の炭化ケイ素膜６４は、遊離ケイ素または遊離炭素を有する光透過率の小さな炭化ケイ素によって構成してある。

光透過率の小さな炭化ケイ素膜６４は、前記したように、原料ガスの供給量を多くしたり、膜の成長速度を大きくしたり、成膜温度を下げることにより形成することができる。また、図４に示したように、四塩化シリコンガス（ＳｉＣｌ_４ ）の供給量をメタンガス（ＣＨ_４ ）の供給量より相対的に多くすることにより、遊離ケイ素を有する炭化ケイ素膜を形成することができ、逆にメタンガスの供給量を相対的に多くすることにより、遊離炭素を有する炭化ケイ素膜を形成することができる。

図５は、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４ とＣＨ_４ とを使用し、ＣＶＤにより炭化ケイ素（ＳｉＣ）を成膜するときの成膜条件の相違による炭化ケイ素の化学量論比（Ｓｉ／Ｃ）を示したものである。

成膜条件１のように、成膜温度を１４００℃、キャリアガスとして水素ガスを使用し、原料ガスの比（ＳｉＣｌ_４ ／ＣＨ_４ ）を１にしたとき、成膜されたＳｉＣの化学的量論比（Ｓｉ／Ｃ）はほぼ１．０となり、遊離元素を生じない。これに対して、成膜条件２のように、成膜温度を１０５０℃にするとともに、水素ガスをキャリアガスとして原料ガスの比を１．２にすると、成膜されたＳｉＣの化学量論比は１．０１となって遊離ケイ素を生じ、ＳｉＣの光透過性が低下する。また、成膜条件３のように、成膜温度を１４００℃にするとともに、キャリアガスに窒素ガスを使用し、原料ガス比を０．８にして成膜すると、成膜されたＳｉＣの化学量論比は、０．９８となって遊離炭素を生じ、ＳｉＣの光透過性が低下する。

第２層の炭化ケイ素膜６４は、炭化ケイ素ウエハ６０を介して目視した場合に、裏側の物体が見えない程度の厚みがあればよく、透過率にもよるが数十μｍ以上あればよい。また、第３層の炭化ケイ素膜６６は、炭化ケイ素ウエハ６０を研磨した際に、炭化ケイ素膜６４が露出しない程度の厚さを有すればよく、数μｍ〜数十μｍ以上の厚みがあればよい。

図４（２）は、光透過率の低い炭化ケイ素の膜を２層設けて５層構造にしたものである。すなわち、本実施形態の炭化ケイ素ウエハ７０は、光透過率の高い炭化ケイ素膜６２、６６、７２と、光透過率の低い炭化ケイ素膜６４、６８とを交互に積層してある。そして、炭化ケイ素ウエハ７０の両面には、光透過率の大きな炭化ケイ素膜６２または炭化ケイ素膜７２が位置している。この実施形態に係る炭化ケイ素ウエハ７０は、光透過率の小さな炭化ケイ素膜６４、６８の１層当たりの厚みを薄くすることができ、より耐熱性に優れたものとすることができる。なお、光透過率の小さな炭化ケイ素膜を３層以上設けてもよい。

図４（３）に示した炭化ケイ素ウエハ７４は、光透過率の大きな炭化ケイ素膜６２と光透過率の小さな炭化ケイ素膜６４との２層構造となっている。

本発明の第１実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハの断面の模式図である。 本発明の第２実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハの一部断面図である。 第１実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハの製造工程の説明図である。 他の実施の形態に係る炭化ケイ素ウエハの一部断面図である。 ＣＶＤによる炭化ケイ素の成膜条件と成膜された炭化ケイ素の化学量論比との関係を示す図である。 減圧ＣＶＤ装置の概略説明図である。

符号の説明

３２、５０………炭化ケイ素ウエハ、３４、５２………第１ＳｉＣ膜、３６、５４………第２ＳｉＣ膜、３８、５６………第３ＳｉＣ膜、４０………第４ＳｉＣ膜、４２、４４、４６………境界部、４８………結晶粒、６０、７０、７４………炭化ケイ素ウエハ

Claims (2)

1. 厚み方向の一側から他側に向けて結晶粒が漸次大きくなっている炭化珪素膜を複数積層したことを特徴とする多層炭化ケイ素ウエハ。
2. 四塩化ケイ素ガスを含む原料ガスを供給してＣＶＤにより炭化ケイ素膜を成膜する工程と、前記原料ガスの供給を停止して、前記原料ガスをパージする工程と、を複数回繰り返すことを特徴とする多層炭化ケイ素ウエハの製造方法。

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