JP2013149753A - 気相成長装置の清浄度評価方法及びシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造されるシリコンエピタキシャルウェーハのデバイス特性異常を抑制できる気相成長装置の清浄度評価方法及び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。
【解決手段】気相成長装置の清浄度を評価する方法であって、前記気相成長装置を用いて、シリコン基板上にエピタキシャル層を気相成長させてモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、前記モニター用のシリコンエピタキシャルウェーハの不純物濃度を分析し、該分析した不純物濃度が、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合に、前記気相成長装置を清浄と評価する気相成長装置の清浄度評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンエピタキシャルウェーハを作製するために用いる気相成長装置の清浄度を評価する方法に関する。

シリコンウェーハ中の金属不純物の検出方法として、ウェーハライフタイム（以下、略してＷＬＴと呼ぶことがある。）法がある（例えば非特許文献１参照）。このＷＬＴ法の代表的な方法として、マイクロ波光導電減衰法少数キャリアライフタイム法（以下、略してμＰＣＤ法）がある。この方法は、例えば試料（基板）に対して光を当てて、発生する少数キャリアの寿命をマイクロ波の反射率の変化で検出することで、試料中の金属不純物を評価するものである。

ウェーハ内に金属が取り込まれると、このＷＬＴ値が小さくなるため、熱処理や気相成長させたウェーハのＷＬＴ値を測定して評価することで、熱処理炉内の金属汚染の管理を行うことができる。つまり、汚染管理用のウェーハを準備して実工程で用いる熱処理炉で熱処理を行い、熱処理後のウェーハのＷＬＴ値を測定することで、熱処理炉が金属不純物に汚染されているかいないかを判定することができる。

「シリコン結晶・ウエーハ技術の課題」（リアライズ社、平成６年１月３１日発行）２６５頁〜２６９頁

このＷＬＴ法は、簡便でありながら微量の汚染でも検出できるため、熱処理炉の汚染管理や気相成長装置（エピ成膜装置）の汚染管理に広く用いられている。特に気相成長装置の場合、Ｐ⁻やＮ⁻の導電型を持つシリコン基板を準備し、評価対象となる気相成長装置を用いてそのシリコン基板の上にエピタキシャル層を気相成長させ、そのシリコンエピタキシャルウェーハを上述のμＰＣＤ法でＷＬＴ値を測定することで気相成長装置の清浄度評価を行うことができる。

しかし、上記のような清浄度評価で清浄とされた気相成長装置を用いて製造したシリコンエピタキシャルウェーハにおいて、デバイス特性異常（特に、固体撮像素子における白キズ）が発生することがあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、製造されるシリコンエピタキシャルウェーハのデバイス特性異常を抑制できる気相成長装置の清浄度評価方法及び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。

上記目的を達成するために、本発明は、気相成長装置の清浄度を評価する方法であって、前記気相成長装置を用いて、シリコン基板上にエピタキシャル層を気相成長させてモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、前記モニター用のシリコンエピタキシャルウェーハの不純物濃度を分析し、該分析した不純物濃度が、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合に、前記気相成長装置を清浄と評価することを特徴とする気相成長装置の清浄度評価方法を提供する。

このように評価することで、特に固体撮像素子における白キズのようなデバイス特性異常の発生が抑制されたシリコンエピタキシャルウェーハを製造できる気相成長装置を精度良く評価することができる。このため、本発明により評価して清浄とされた気相成長装置を用いることで、デバイス歩留まりを確実に向上させることができるシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。

また、本発明の気相成長装置の清浄度評価方法により清浄と評価された気相成長装置を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハを製造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を提供する。

このようにシリコンエピタキシャルウェーハを製造することで、特に固体撮像素子における白キズのようなデバイス特性異常が抑制され、デバイス歩留まりを確実に向上させることができるウェーハを製造できる。

以上のように、本発明により評価して清浄とされた気相成長装置を用いることで、特に固体撮像素子における白キズのようなデバイス特性異常が抑制され、デバイス歩留まりを確実に向上させることができるシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。

本発明の気相成長装置の清浄度評価方法で評価することができる気相成長装置の一例を示す概略図である。 実施例、比較例において分析したモニター用シリコンエピタキシャルウェーハのＦｅ，Ｎｉ，Ｍｏ濃度を示すグラフである。

従来の方法により清浄であると評価された気相成長装置を用いて製造したシリコンエピタキシャルウェーハにおいて、デバイス特性異常が生じる場合があり、歩留まりの低下を招いていた。

上記問題を解決するため、本発明者は以下のような調査を行った。
まず、気相成長装置を用いて、固体撮像素子向けシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。そのウェーハから小片を切り出し、その小片をフッ酸と硝酸の混酸による蒸気で気相分解し、分解残渣中の金属不純物をＩＣＰ−ＭＳにて分析した。そして、このように分析したシリコンエピタキシャルウェーハ中の金属不純物とデバイス異常（白キズ）発生との関係を調査したところ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｏ濃度と白キズ発生数との間に相関があることを見出し、以下のような本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の評価方法では、まず、ＣＺ法等で作製したシリコン単結晶基板を気相成長用のシリコン基板として準備し、当該基板上にエピタキシャル層を気相成長させてモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを作製する。このとき準備する気相成長用のシリコン基板は、気相成長装置の清浄度をより正確に評価するために、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の基板を準備することが好ましい。

このとき評価する気相成長装置としては、例えば図１に示す枚葉式の気相成長装置を評価することができる。
図１に示す気相成長装置１０のチャンバー（反応容器）１２は、チャンバーベース１１と、チャンバーベース１１を上下から挟む透明石英部材１３、１４とから形成される。このチャンバー１２内には、シリコン基板Ｗを上面のウェーハ載置面１９で支持するサセプタ１７が配設されている。このサセプタ１７には貫通孔１６が設けられ、この貫通孔１６を通って上下動することでシリコン基板Ｗを支持するウェーハリフトピン１５が配置されている。

このサセプタ１７はウェーハ回転機構１８に接続されており、エピタキシャル成長中はサセプタ１７を回転させることで、載置されたシリコン基板Ｗを回転させ、エピタキシャル層をシリコン基板Ｗ上に膜厚均一に成長させる。

チャンバー１２には、チャンバー１２内に原料ガス及びキャリアガスを含む気相成長ガスを導入して、サセプタ１７上に載置されたシリコン基板Ｗの表面上に原料ガスとキャリアガスを供給するガス導入管２０が接続されている。
また、チャンバー１２のガス導入管２０が接続された側の反対側には、チャンバー１２内からガスを排出するガス排出管２１が接続されている。

このような装置１０を用いて、投入温度（例えば６５０℃）に調整したチャンバー１２内のサセプタ１７のウェーハ載置面１９上にシリコン基板Ｗを載置して、水素熱処理温度（例えば１０５０〜１２００℃）まで加熱する。そして、シリコン基板Ｗを所望の成長温度（例えば９５０〜１１８０℃）にして、シリコン基板Ｗの表面上に、ガス導入管２０を介して原料ガス（例えばトリクロロシラン：ＳｉＨＣｌ_３）及びキャリアガス（例えば水素）をそれぞれ略水平に供給することによって、シリコン基板Ｗの表面上にエピタキシャル層を気相成長させてモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを得る。

次に、このようにして得られたモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを不純物濃度分析する。
分析方法としては、例えば、ウェーハから小片を切り出し、その小片をフッ酸と硝酸の混酸による蒸気で気相分解し、分解残渣中の金属不純物をＩＣＰ−ＭＳにて分析することが好ましい。このような処理を行って分析することで、高感度な化学分析を実施でき、Ｆｅ濃度４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下まで分析可能である。

そして、このように分析した不純物濃度が、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合に、その気相成長装置を清浄と評価する。
このような本発明により清浄と評価した気相成長装置を、シリコンエピタキシャルウェーハの製造に用いることで、白キズ等のデバイス特性異常の発生が十分に抑制される高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを確実に製造することができる。

そして、上記のように本発明の評価方法によって清浄とされた気相成長装置を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
これにより、白キズ等のデバイス特性異常の発生が十分に抑制され、デバイス歩留まりを向上させることができるシリコンエピタキシャルウェーハを確実に製造することができる。なお、成長条件等は特に限定されず、例えば上記評価の際の成長条件と同様に設定することができる。

また、モニター用のシリコンエピタキシャルウェーハの分析したＦｅ、Ｎｉ、Ｍｏ濃度が本発明の濃度を超えて清浄とされなかった場合や、本発明の評価前に、例えば、チャンバー１２、ガス導入管２０、ガス排出管２１、及びサセプタ１７等について、気相成長ガスに接触する金属部分（金属露出部分）を石英等の保護膜で覆うことが好ましい。
このようにチャンバー内に露出し、気相成長ガスに接触する金属露出部分を保護膜で覆うことで清浄度を向上させ、エピタキシャル層にＦｅ、Ｎｉ、Ｍｏが取り込まれることを抑制できるため、効率的に、本発明の評価により清浄とされる気相成長装置にすることができる。

その他、例えばチャンバーのロードロック部の真空置換時間を長くすることで、チャンバー内に持ち込まれる金属不純物を低減することもできる。

また、予め、本発明の評価を行って、上記Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｏ濃度となる条件、すなわち評価で清浄とされる条件を調べ（気相成長装置のメンテナンス後何回目の気相成長で上記Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｏ濃度となるか等）、その後、製品となるシリコンエピタキシャルウェーハを上記調べた条件で気相成長させて製造することもできる。
または、複数枚のウェーハに同時に気相成長を行うバッチ式の気相成長装置を用いる場合には、気相成長を行ったシリコンエピタキシャルウェーハの内一枚をモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハとして、それが本発明の評価により清浄とされれば、一緒に気相成長を行った他のシリコンエピタキシャルウェーハを選別することができ、これを製品として出荷できる。

以上のような本発明であれば、高精度に気相成長装置を評価して、特に固体撮像素子用として好適で、歩留まりを向上できるシリコンエピタキシャルウェーハを製造可能である。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
Ｎ型シリコン基板（リンドープ、抵抗率１０Ωｃｍ）上に気相成長装置にて、６μｍ厚のＮ型エピタキシャル層を成長させて、シリコンエピタキシャルウェーハを作製した。用いた気相成長装置は、チャンバー、サセプタ、ガス導入管、ガス排出管において、露出した金属部分を石英の保護膜で覆ったものとした。

気相成長装置のメンテナンス後から１０Ｒｕｎ（サンプルＤ）、２５Ｒｕｎ後（サンプルＣ）、５０Ｒｕｎ後（サンプルＢ）、１００Ｒｕｎ後（サンプルＡ）に２枚ずつ気相成長させた。
各サンプルの１枚は固体撮像素子デバイスの特性評価のため、デバイスメーカーにて評価してもらった。各サンプルの残りの１枚はモニター用シリコンエピタキシャルウェーハとして、それぞれのウェーハの周辺部（ノッチ部）から１０ｍｍ×２０ｍｍのサイズで化学分析評価用のシリコンチップを切り出して分析を行った。

分析では、まず、切り出し時のハンドリング等による汚染除去のため、アンモニア／過酸化水素水（８０℃、２分）→塩酸／過酸化水素水（８０℃、２分）→５％フッ酸（３分）処理を行った。処理したシリコンチップをＰＦＡ製のカップに入れ、ホルダーにセットした。そのホルダーごとに加圧分解容器内に載置し、５０％フッ酸１０ｍｌと６８％硝酸１０ｍｌを加圧分解容器の底部に入れ、フタをして密閉し、１００℃で１５時間加圧分解した。加圧分解終了後は、加圧分解容器からサンプルの入ったＰＦＡ製サンプルカップを取り出し、１２０℃で３０〜６０分間蒸発乾固を行い、不要なシリコン残渣を除去した。冷却後に、５％に希釈した超高純度硝酸０．５ｍｌをサンプルカップに注入し、金属不純物を再溶解させた。この溶液を分析サンプルとして、ＩＣＰ−ＭＳにて分析を行った。分析結果を図２に示す。

デバイスメーカーからの結果では、サンプルＡ，Ｂの白キズレベルは良品グレードであり、サンプルＣ，Ｄの白キズレベルは不良品グレードであった。当該結果と図２のグラフから、シリコンエピタキシャルウェーハの金属不純物濃度は、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合に清浄と評価することで、当該清浄な気相成長装置で製造したシリコンエピタキシャルウェーハは、白キズ等の特性異常が生じないことが確認された。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…気相成長装置、 １１…チャンバーベース、 １２…チャンバー、
１３、１４…透明石英部材、 １５…ウェーハリフトピン、１６…貫通孔、
１７…サセプタ、 １８…ウェーハ回転機構、 １９…ウェーハ載置面、
２０…ガス導入管、 ２１…ガス排出管、 Ｗ…シリコン基板。

Claims (2)

1. 気相成長装置の清浄度を評価する方法であって、
   前記気相成長装置を用いて、シリコン基板上にエピタキシャル層を気相成長させてモニター用のシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、
   前記モニター用のシリコンエピタキシャルウェーハの不純物濃度を分析し、
   該分析した不純物濃度が、Ｆｅ濃度が４×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｎｉ濃度が１．２×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｍｏ濃度が１×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合に、前記気相成長装置を清浄と評価することを特徴とする気相成長装置の清浄度評価方法。
2. 請求項１に記載の気相成長装置の清浄度評価方法により清浄と評価された気相成長装置を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハを製造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。

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