JP2010021441A - エピタキシャル基板ウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】面取り部とザグリ部との間のブリッジによるウェーハ割れを解消でき、この割れを原因としたウェーハ生産性の低下、反応室の清浄度の低下を解消可能なエピタキシャル基板ウェーハを提供する。
【解決手段】エピタキシャル基板ウェーハの表面に厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜を成長する際、面取り部がザグリ部の周側壁に接触しても、面取り面に二酸化シリコン製の形状保護膜が存在するので、面取り部とザグリ部の周側壁との間にブリッジが形成されにくい。その結果、このブリッジによるウェーハ割れを解消でき、このウェーハ割れを原因としたウェーハの生産性の低下、反応室の清浄度の低下を解消することができる。
【選択図】図１

Description

この発明はエピタキシャル基板ウェーハ、詳しくはウェーハ表面に、気相エピタキシャル成長により厚さ５０μｍ以上の厚肉なエピタキシャル膜が形成されるエピタキシャル基板ウェーハに関する。

３００ｍｍを超える大口径ウェーハに適したシリコンウェーハとして、単結晶シリコン製のエピタキシャル基板ウェーハの表面に、気相エピタキシャル成長により無欠陥のエピタキシャル膜を成長させたエピタキシャルシリコンウェーハが注目されている。
気相エピタキシャル成長装置としては、枚葉式のものが多用されている。この枚葉式の装置では、通路状の反応炉（チャンバ）内に設置されたサセプタに、ローディング装置を用いてエピタキシャル基板ウェーハをローディングする。サセプタは、カーボン製の基材をＳｉＣによりコーティングしたものである。その後、サセプタを所定速度で回転させながら、炉外のヒータによりエピタキシャル基板ウェーハを加熱する。これにより、反応炉を通過する各種のソースガス（原料ガス、反応ガス）と、ウェーハ表面のシリコンとが反応し、ウェーハ表面にエピタキシャル膜が成長される。
サセプタの上面の中央部には、平面視して円形の凹部であるサグリ部が形成されている。ウェーハのローディング時、エピタキシャル基板ウェーハは、その表裏面を水平にしてザグリ部に載置される。

特開２００７−２９４９４２号公報

ところで、エピタキシャル基板ウェーハのローディングの際、ウェーハがザクリ部内で移動し、面取り部がザグリ部の周側壁に接触状態で、ウェーハがザグリ部に収められることがあった。また、エピタキシャル成長時にも、サセプタの回転に伴う遠心力により、エピタキシャル基板ウェーハがザグリ部内で外方へ移動し、面取り部がザグリ部の周側壁に接触する場合があった。
このような状態でエピタキシャル成長を行えば、面取り部（単結晶シリコン）とザグリ部の周側壁（表面はＳｉＣ）との間にもシリコンが成長し、エピタキシャル基板ウェーハとサセプタとが接合するおそれがあった。しかも、この接合を原因として、ザグリ部からエピタキシャルシリコンウェーハを取り出す際、ウェーハ面取り部に割れが発生していた。

ウェーハ割れは、エピタキシャル成長時間が長くなる厚肉なエピタキシャル膜を有したバイポーラデバイス用ウェーハを製造する際に発生し易く、そのウェーハ生産性を低下させていた。
このようなウェーハ割れの現象は、ウェーハ面取り面の全体形状が、ウェーハ表裏面に直交する断面で円弧形状（フルラウンド形状）のエピタキシャル基板ウェーハの場合や、ウェーハ表面およびウェーハ裏面に直交する断面で円弧形状の最外周面と、この最外周面とウェーハ表面とを連結する表側面取り面と、最外周面とウェーハ裏面とを連結する裏側面取り面とからなるテーパーラウンド形状のエピタキシャル基板ウェーハの場合に顕著であった。
しかも、前記反応室内では、ウェーハ割れに伴うパーティクルの飛散が発生し、反応室内の清浄度が低下するという別の問題も起きていた。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜を有するエピタキシャル基板ウェーハの裏面および面取り面のうち、少なくとも面取り面に、二酸化シリコンからなる形状保護膜を形成すれば、上記問題が全て解消することを知見し、この発明を完成させた。これは、二酸化シリコンが単結晶シリコン成長の核にならないことから、二酸化シリコン製の形状保護膜の表面には、結晶シリコンが成長しにくいためである。

この発明は、ウェーハ面取り部とザグリ部の周側壁との間に単結晶シリコンが成長することで発生するウェーハ割れを解消可能で、しかもウェーハ割れに伴うエピタキシャルシリコンウェーハの生産性の低下および反応室の清浄度の低下も解消することができるエピタキシャル基板ウェーハを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、ウェーハ外周部に面取り面が形成され、ウェーハ表面に単結晶シリコンからなる厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜が成長される単結晶シリコン製のエピタキシャル基板ウェーハにおいて、前記ウェーハ裏面および前記面取り面のうち、少なくとも該面取り面に、二酸化シリコンからなる形状保護膜が形成されたエピタキシャル基板ウェーハである。

請求項１に記載の発明によれば、エピタキシャル基板ウェーハの表面に厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜を成長させる際、仮に面取り部がザグリ部の周側壁に接触しても、面取り部とザグリ部の周側壁との間に単結晶シリコンのブリッジが形成されにくい。これは、単結晶シリコン製のエピタキシャル基板ウェーハの面取り面に、二酸化シリコン製の形状保護膜が形成されているためである。二酸化シリコン製の部材の表面には、二酸化シリコンが単結晶シリコン成長の核にならないという理由で、シリコンが成長しにくい。

その結果、ウェーハ面取り部とザグリ部の周側壁との間に、単結晶シリコンが成長することで生じていたウェーハ割れを解消することができる。しかも、ウェーハ割れに伴うエピタキシャルシリコンウェーハの生産性の低下および反応室の清浄度の低下も解消することができる。

エピタキシャル基板ウェーハとしては、例えば、チョクラルスキー法により引き上げられた単結晶シリコンインゴットをウェーハ加工して得られた単結晶シリコンウェーハを採用することができる。
エピタキシャル基板ウェーハの口径は任意である。例えば６インチ、８インチ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ以上でもよい。
エピタキシャル基板ウェーハの面取り形状としては、例えば面取り面の全域が、ウェーハ表裏面に直交する断面において円弧形状となるフルラウンド形状を採用することができる。その他、ウェーハ表面およびウェーハ裏面に直交する断面において円弧形状となる最外周面と、最外周面とウェーハ表面とを連結する表側面取り面と、最外周面とウェーハ裏面とを連結する裏側面取り面とからなるテーパラウンド形状でもよい。また、ウェーハ表面およびウェーハ裏面に直交する断面が平坦な最外周面と、最外周面とウェーハ表面とを連結する表側面取り面と、最外周面とウェーハ裏面とを連結する裏側面取り面とからなる形状（テーパー形状）でもよい。

エピタキシャル膜の素材としては、ウェーハと同じ単結晶シリコンである。
エピタキシャル膜の厚さが５０μｍ未満のものは、特にパワーＭＯＳ、ＭＰＵ、ロジック等の製品に用いられるが、ウェーハ面取り部とザグリ部の周側壁との間で単結晶シリコンの成長が少ないため、ウェーハ割れが発生し難い。しかも、面取り面に二酸化シリコンからなる形状保護膜を形成したので、製品特性を満たす、ノジュールや平坦度が得られない。エピタキシャル膜の好ましい厚さは、９０〜２００μｍである。この範囲であれば、エピタキシャル膜が厚くなるほど、ウェーハ割れの発生頻度が高くなり、この発明の効果が顕著となる。
厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜付きのエピタキシャル基板ウェーハは、例えばバイポーラデバイス用やパワーデバイス用のエピタキシャルシリコンウェーハの基板ウェーハとして利用される。

気相エピタキシャル法としては、例えば常圧気相エピタキシャル法、減圧気相エピタキシャル法、有機金属気相エピタキシャル法などを採用することができる。気相エピタキシャル法では、例えばエピタキシャルシリコンウェーハを横置き状態（表裏面が水平な状態）で凹形状のザグリ部（ウェーハ収納部）に収納する。ザグリ部の下板は、その中央部に開口を有したリング形状のものでも、開口が存在しないものでもよい。
ソースガスの成分としては、例えばＳｉＨＣｌ_３（トリクロロシラン）やＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシラン）、ＳｉＨ_４（モノシラン）、ＳｉＣｌ_４などを採用することができる。

形状保護膜が形成されるエピタキシャル基板ウェーハの部分は、面取り面のみでも、ウェーハ裏面からの面取り面とウェーハ裏面との両方でもよい。形状保護膜が面取り面のみ（特にウェーハの最外周部分のみ）でもよいのは、形状保護膜が、エピタキシャル成長時、ウェーハ中のドーパント物質がウェーハ裏面から熱拡散によりウェーハ表面側のエピタキシャル膜に回り込む現象であるオートドープを防止するものでないからである。
形状保護膜の厚さは２００〜５０００Åである。２００Å未満では、形状保護膜を突き抜けて、シリコンが成長するノジュールという不良が発生する。しかも、エピタキシャル成長プロセスのエッチング処理やエピタキシャル成長中に形状保護膜がエッチングされる。また、５０００Åを超えれば、成膜に時間がかかり、面取り面にストレスが発生してスリップを発生しやすくなる。しかも、エピタキシャル成長後の両面研磨において裏面が研磨され難い。形状保護膜の好ましい厚さは１５００〜３０００Åである。この範囲であれば、成膜により、生産性を大きく低下させずに、スリップも抑制し、ワレを改善することができる。

請求項２に記載の発明は、前記面取り面は、その全域が、ウェーハ表裏面に直交する断面において円弧形状となる面である請求項１に記載のエピタキシャル基板ウェーハである。
ここでいう「全域」とは、エピタキシャル基板ウェーハの面取り面（外周面）の周方向の全体をいう。

請求項３に記載の発明は、前記面取り面は、前記ウェーハ表面および前記ウェーハ裏面に直交する断面において円弧形状となる最外周面と、該最外周面と前記ウェーハ表面とを連結する表側面取り面と、前記最外周面と前記ウェーハ裏面とを連結する裏側面取り面とからなる請求項１に記載のエピタキシャル基板ウェーハである。
ここでの「円弧形状」とは、円弧の両端より中間部が外方向へ突出した段差のない膨出形状をいう。
「最外周面とウェーハ表面とを連結する」とは、最外周面とウェーハ表面とを他の面を介在させることなく直接連続させることをいう。

請求項４に記載の発明は、前記形状保護膜の厚さが、１５００Å以上である請求項１〜３のうち、何れか１項に記載のエピタキシャル基板ウェーハである。

形状保護膜の厚さが１５００Å未満では、ウェーハ割れは改善するものの、形状保護膜はエッチングされず、形状保護膜を突き抜けて、シリコンが成長するノジュールという不良が発生しやすくなる。形状保護膜の好ましい厚さは、１５００〜３０００Åである。この範囲であれば、成膜により生産性を大きく落とすことなく、スリップを抑制し、ワレを改善することができる。

エピタキシャル基板ウェーハの表面に厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜を成長させる際、仮に面取り部がザグリ部の周側壁に接触しても、面取り面に二酸化シリコン製の形状保護膜が形成されているため、面取り部とザグリ部の周側壁との間に単結晶シリコンのブリッジが形成されにくい。これは、二酸化シリコンが単結晶シリコン成長の核にならなず、二酸化シリコン製の形状保護膜には単結晶シリコンが成長しにくいためである。
その結果、ウェーハ面取り部とザグリ部の周側壁との間に、単結晶シリコンが成長することで生じたウェーハ割れを解消することができる。しかも、ウェーハ割れに伴うエピタキシャルシリコンウェーハの生産性の低下および反応室の清浄度の低下も解消することができる。

請求項４に記載の発明によれば、形状保護膜の厚さを１５００Å以上としたので、９０〜２００μｍの厚肉なエピタキシャル膜においても、ウェーハ割れを大きく改善することができる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１において、１０はこの発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハで、このエピタキシャル基板ウェーハ１０は、ウェーハ外周部の面取り面に形状保護膜１１が形成され、かつエピタキシャル成長工程で、ウェーハ表面１０ｂに単結晶シリコンからなるエピタキシャル膜１２が成長されるシリコンウェーハである。
面取り面の形状は、ウェーハ表面１０ｂおよびウェーハ裏面１０ｄに直交する断面において円弧形状となる最外周面１０ａと、最外周面１０ａとウェーハ表面１０ｂとを連結する表側面取り面１０ｃと、最外周面１０ａとウェーハ裏面１０ｄとを連結する裏側面取り面１０ｅとからなるテーパーラウンド形状である（図１の部分拡大図）。

以下、図２のフローシートを参照して、エピタキシャル基板ウェーハ１０およびこれをベースとしたエピタキシャルシリコンウェーハ２０の製造方法を説明する。
まず、ＣＺ法により引き上げられた単結晶シリコンインゴットから、厚さ約９００μｍ、直径１２インチにスライスしたエピタキシャル基板ウェーハ（シリコンウェーハ）１０を準備する（Ｓ１０１）。このエピタキシャル基板ウェーハ１０には、ドーパントとしてボロンが、エピタキシャル基板ウェーハ１０の比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍになるまで添加されている。

次に、エピタキシャル基板ウェーハ１０は、面取り工程で、その周縁部が面取り用のレジノイド面取り砥石により面取りされる（Ｓ１０２）。これにより、エピタキシャル基板ウェーハ１０の外周部は、前記テーパーラウンド形状となる。
続くラッピング工程では、面取りされたエピタキシャル基板ウェーハ１０が、ラップ盤によりラッピングされる（Ｓ１０３）。
その後、エッチング工程では、ラップドウェーハ１０を所定のエッチング液（混酸またはアルカリ＋混酸）に浸漬し、ラップ加工での歪み、面取り工程などの歪みなどを除去する（Ｓ１０４）。この場合、片面２０μｍ、両面で４０μｍ程度をエッチングする。

次に、エピタキシャル基板ウェーハ１０の外周部に、面取り面の形状を保護する形状保護膜１１を形成する（Ｓ１０５）。
以下、図３および図４を参照して、形状保護膜１１の形成工程を具体的に説明する。
エッチング後のエピタキシャル基板ウェーハ１０（図３（ａ））をＣＶＤ装置に挿入し、ウェーハ裏面１０ｄおよび面取り面に、ＣＶＤ法により厚さ２０００Åの二酸化シリコンからなるシリコン酸化膜１３を成長させる（図３（ｂ））。

それから、エピタキシャル基板ウェーハ１０の面取り面のうち、最外周面１０ａと裏側面取り面１０ｅとを、有機物系のマスキング材１４により被覆する（図３（ｃ））。この状態でエピタキシャル基板ウェーハ１０を２％のＨＦ溶液（３０℃）に２分間浸漬し、ウェーハ裏面１０ｄのシリコン酸化膜１３をエッチングする(図３（ｄ）)。その後、ウェーハ外周部のマスキング材１４を除去する(図３（ｅ）)。これにより、面取り面のうち、最外周面１０ａと裏側面取り面１０ｅとに、厚さ２０００Åの二酸化シリコンからなる形状保護膜１１が形成される。

別の形状保護膜１１の形成方法としては、まずエッチング後のエピタキシャル基板ウェーハ１０を熱酸化装置の炉内に挿入し、酸素ガスおよび水素ガスの雰囲気で、１１００℃、２０分の酸化熱処理を行う。これにより、エピタキシャル基板ウェーハ１０の露出面の全域に厚さ２０００Åのシリコン酸化膜１４が形成される(図３（ｆ）)。
その後、エピタキシャル基板ウェーハ１０の面取り部に有機物系のマスキング材１６によりマスキングする（図３（ｇ））。この状態で２％のＨＦ溶液（３０℃）にエピタキシャル基板ウェーハ１０を５分間浸漬し、ウェーハ表裏面のシリコン酸化膜１５をエッチングする(図３（ｈ）)。次いで、ウェーハ外周部のマスキング材１６を除去し(図３（ｉ）)、エピタキシャル基板ウェーハ１０の面取り面の全域に、厚さ２０００Åの形状保護膜１１が形成される。

さらに別の形状保護膜１１の形成方法としては、エッチング後のエピタキシャル基板ウェーハ１０（図４（ａ））をＣＶＤ装置に挿入し、ウェーハ裏面１０ｄおよび面取り面に、ＣＶＤ法により厚さ２０００Åの二酸化シリコンからなるシリコン酸化膜１３を形成する（図４（ｂ））。このシリコン酸化膜１３の面取り面の被覆部分が形状保護膜１１となる。
その後、エピタキシャル基板ウェーハ１０を研磨盤に固定し、エピタキシャル基板ウェーハ１０の表面に鏡面研磨を施す（図２のＳ１０６）。

次に、エピタキシャル基板ウェーハ１０を、ローディング装置を用いて、枚葉式の気相エピタキシャル成長装置のチャンバ（反応炉、反応室）に配置し、エピタキシャル基板ウェーハ１０の表面に、気相エピタキシャル法によりエピタキシャル膜１２を成長させる（Ｓ１０７）。
以下、図５を参照して、気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャル成長工程を具体的に説明する。

図５に示すように、気相エピタキシャル成長装置３０は、上下にヒータが配設されたチャンバの中央部に、平面視して円形で、ウェーハが１枚載置できるサセプタ３１が水平配置されたものである。サセプタ３１は、カーボン製の基材をＳｉＣによりコーティングしたものである。
サセプタ３１の上面の中央部には、エピタキシャル基板ウェーハ１０が横置き状態（表裏面が水平な状態）で収納される凹形状のザグリ部（ウェーハ収納部）３２が形成されている。ザグリ部３２は、周側壁３２ａと底板３２ｂとからなる。
チャンバの一側部には、チャンバの上部空間に、所定のキャリアガス（Ｈ_２ガス）と所定のソースガス（ＳｉＨＣｌ_３ガス）とを、ウェーハ表面１０ｂに対して平行に流すガス供給口が配設されている。また、チャンバの他側部には、ガスの排気口が形成されている。

エピタキシャル成長する際には、まず、ローディング装置によりエピタキシャル基板ウェーハ１０をサセプタ３１のザグリ部３２に載置する。ここでは、ウェーハ１０がザクリ部３２内で移動し、面取り部がザグリ部３２の周側壁３２ａに接触しているものとする。
次に、加熱されたエピタキシャル基板ウェーハ１０の表面に、エピタキシャル膜１２を成長させる。すなわち、キャリアガスとソースガスとを、ガス供給口を通してチャンバへ導入する。炉内圧力を１００±２０ＫＰａとし、１０００℃〜１１５０℃に熱せられたエピタキシャル基板ウェーハ１０上に、ソースガスの熱分解または還元によって生成されたシリコンを、反応速度２〜４μｍ／分で３０分間成膜させる。これにより、エピタキシャル基板ウェーハ１０の表面に、厚さ１００μｍの厚肉な単結晶シリコンからなるエピタキシャル膜１２が成長される。
エピタキシャル膜１２の成長後は、ウェーハ１０を両面研磨装置に搬入し、エピタキシャル膜１２の表面およびウェーハ裏面１０ｄに所定の研磨量で両面研磨を施す（図２のＳ１０８）。こうして、エピタキシャルシリコンウェーハ２０が作製される。

ところで、エピタキシャル基板ウェーハ１０の表面に厚さ１００μｍのエピタキシャル膜１２を成長させる際、仮に面取り部がザグリ部３２の周側壁３２ａに接触しても、面取り部と周側壁３２ａとの間に単結晶シリコンのブリッジが形成されにくい。これは、面取り面に二酸化シリコン製の形状保護膜１１が存在するためである。すなわち、二酸化シリコンが単結晶シリコン成長の核にならないという理由で、二酸化シリコンにはシリコンが成長しにくいという特性がある。
その結果、ウェーハ面取り部と周側壁３２ａとの間に、単結晶シリコンが成長して発生していたウェーハ割れを無くすことができる。しかも、ウェーハ割れに伴うエピタキシャルシリコンウェーハ２０の生産性の低下および反応室の清浄度の低下も無くすことができる。

なお、形状保護膜１１が形成されるウェーハ領域は、面取り面のうち、最外周面１０ａおよび裏側面取り面１０ｅだけに限らず、最外周面１０ａと裏側面取り面１０ｅとウェーハ裏面１０ｄの全域としてもよい（図６）。この場合、前記オートドープの防止効果も得られる。また、面取り面の形状として、面取り面の全域が、ウェーハ表裏面に直交する断面において円弧状となるフルラウンド形状を採用し、かつ形状保護膜１１が形成されるウェーハ領域を、面取り面のみとしてもよい（図７）。
形状保護膜１１は、エピタキシャル成長工程において、周側壁３２ａに面取り面、特にその最外周面１０ａが当接して面取り面の形状が崩れることを防ぐものであって、エピタキシャル成長時のオートドープを防止するものではない。そのため、オートドープ防止には必須とされるウェーハ裏面１０ｄの被覆は必要でない。

ここで、各エピタキシャル膜の厚さにおける面取り部の形状保護膜とウェーハ割れ率との関係を、図８のグラフに示す。このグラフから、形状保護膜（面取り部酸化膜）が１５００Å以上であれば、エピタキシャル膜の厚さが５０〜２００μｍのエピタキシャルシリコンウェーハにおいて、ほとんどウェーハ割れが発生しないことが判った。また、図９のグラフには、膜厚５０〜２００μｍのエピタキシャル膜を成長させる場合において、ウェーハ割れ率を１．５％以下にするために必要な形状保護膜の厚さを示す。このグラフから、形状保護膜の厚さが１５００Åあれば、膜厚５０〜２００μｍのエピタキシャル膜に対応できることがわかった。

この発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハの一部拡大図を含む断面図である。 この発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハを含むエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を示すフローシートである。 この発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハの形状保護膜形成工程を示すフローシートである。 この発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハの別の形状保護膜形成工程を示すフローシートである。 この発明の実施例１に係るエピタキシャル基板ウェーハのエピタキシャル成長工程を示す要部拡大図である。 この発明の実施例１に係る別のエピタキシャル基板ウェーハのエピタキシャル成長工程を示す要部拡大図である。 この発明の実施例１に係るまた別のエピタキシャル基板ウェーハのエピタキシャル成長工程を示す要部拡大図である。 エピタキシャル膜の各厚さ別における形状保護膜の厚さとウェーハ割れ率との関係を示すグラフである。 エピタキシャル膜の各厚さ別でのウェーハ割れ率を１．５％以下にするために必要な形状保護膜の厚さの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ エピタキシャル基板ウェーハ、
１０ａ 最外周面、
１０ｂ ウェーハ表面、
１０ｃ 表側面取り面、
１０ｄ ウェーハ裏面、
１０ｅ 裏側面取り面、
１１ 形状保護膜、
１２ エピタキシャル膜。

Claims (4)

1. ウェーハ外周部に面取り面が形成され、
   ウェーハ表面に単結晶シリコンからなる厚さ５０μｍ以上のエピタキシャル膜が成長される単結晶シリコン製のエピタキシャル基板ウェーハにおいて、
   前記ウェーハ裏面および前記面取り面のうち、少なくとも該面取り面に、二酸化シリコンからなる形状保護膜が形成されたエピタキシャル基板ウェーハ。
2. 前記面取り面は、その全域が、ウェーハ表裏面に直交する断面において円弧形状となる面である請求項１に記載のエピタキシャル基板ウェーハ。
3. 前記面取り面は、
   前記ウェーハ表面および前記ウェーハ裏面に直交する断面において円弧形状となる最外周面と、
   該最外周面と前記ウェーハ表面とを連結する表側面取り面と、
   前記最外周面と前記ウェーハ裏面とを連結する裏側面取り面とからなる請求項１に記載のエピタキシャル基板ウェーハ。
4. 前記形状保護膜の厚さが、１５００Å以上である請求項１〜３のうち、何れか１項に記載のエピタキシャル基板ウェーハ。

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