JP2015029002A - 気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法及びエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents
気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法及びエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】気相エピタキシャル成長装置の金属不純物による汚染を高感度に検出して金属汚染を評価できる気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法及び金属汚染の少ない高品位なエピタキシャルウェーハを製造できるエピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャルウェーハ製造工程における該気相エピタキシャル成長装置反応炉内の酸素濃度よりも高濃度の酸素雰囲気とした気相エピタキシャル成長装置の反応炉でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造し、該サンプルエピタキシャルウェーハの金属不純物汚染を評価することで該気相エピタキシャル成長装置の金属不純物汚染を評価するようにした。【選択図】図２
Description
本発明は、エピタキシャルウェーハ製造工程における気相エピタキシャル成長装置の金属不純物による汚染を評価する方法及びその方法を適用して金属不純物汚染レベルが管理された気相エピタキシャル成長装置を用いてエピタキシャルウェーハを製造する方法に関する。
近年、CCD(Charge Coupled Device)やCIS(Contact Image Sensor)などの撮像素子用基板として、シリコンウェーハ上にシリコン膜を気相成長させたシリコンエピタキシャルウェーハが使用されるようになってきている。このような撮像素子用のエピタキシャルウェーハでは、ウェーハ中の金属不純物のレベルを低くすることが重要である。ウェーハ内に金属不純物が存在すると白キズ（白点）と呼ばれる不良が発生してしまうからである。
一般に、エピタキシャルウェーハを製造するためには、高温でエピタキシャル層を気相成長させる。そのため、エピタキシャル層を成膜する時、気相エピタキシャル成長装置の反応炉内に金属不純物が存在すると、製造されたエピタキシャルウェーハが金属不純物による汚染（金属汚染）を受けてしまう。これらの金属の汚染源としては、例えば、基板や原料ガスとして用いるシリコン結晶やシリコン含有化合物の他に、気相エピタキシャル成長装置のメンテナンス（洗浄）時に反応炉に付着した金属不純物、反応炉を構成する素材に含まれる金属不純物、装置及び配管系に通常用いられるステンレス成分等が考えられる。
ところで、気相エピタキシャル成長装置は定期的にメンテナンスする必要があり、そのメンテナンスでは、例えば気相エピタキシャル成長装置を大気開放して反応炉や配管の洗浄等が行われる。また、エピタキシャルウェーハの製造を繰り返すと、次第に反応炉内にシリコン堆積物が堆積し、この堆積物がパーティクル等の発生原因となってしまう。そのため、定期的に反応炉内に堆積したシリコン堆積物を除去（炉内クリーニング）する必要がある。そのシリコン堆積物の除去方法として、反応炉内にHClガスを流して、そのHClガスで反応炉内をベーパーエッチングする方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
しかし、それらメンテナンスやベーパーエッチングの直後では、気相エピタキシャル成長装置の金属不純物汚染度が一時的に悪化し、エピタキシャル成長を繰り返し、反応枚数を増やすことで金属不純物汚染が低下していく。例えば製品の白キズ不良の場合は数100枚程度反応を行っていく間に徐々に改善されていくことが分かっている。従来の手法では、メンテナンスやベーパーエッチング直後に製造されたエピタキシャルウェーハの汚染量が多い場合の差は感知できたが、汚染量が少ないことと分析装置の検出感度の問題でそれ以降に製造されたエピタキシャルウェーハの品質（金属不純物汚染度）の差を捉えることが出来なかった。つまり、従来の手法では、気相エピタキシャル成長装置の金属不純物汚染度の検出感度が低いという問題点があった。検出感度が低い従来の手法を適用して金属不純物汚染レベルが管理された気相エピタキシャル成長装置を用いて、エピタキシャルウェーハを製造すると、金属不純物によって汚染された低品位なエピタキシャルウェーハが得られるおそれがある。
また、上述したCCDやCISなど撮像素子向けのエピタキシャルウェーハは、上述した白キズと呼ばれる不良を少なくするため、重金属汚染を限りなく低く抑えることが望まれている。プロセスガスの純度向上など様々なことが行われているが、未だ充分な方策ではなく、さらなる高純度化の必要がある。そして、プロセスの高純度化に伴い、さらに検出感度を高くする必要があるが、上述のように、従来の手法では、汚染度の検出感度が低いため、気相エピタキシャル成長装置の反応炉内の金属汚染検出が困難であった。
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、気相エピタキシャル成長装置の金属不純物による汚染を高感度に検出して金属汚染を評価できる気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法及び金属汚染の少ない高品位なエピタキシャルウェーハを製造できる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。
本発明者は、気相エピタキシャル成長装置の反応炉内での汚染は、反応炉の金属製構成材が塩化水素（HCl）等のプロセスガスによって腐食され引き起こされていると考えた。その場合、反応炉内中の残留酸素濃度が高いと、その分、金属汚染量が増加することが分かっている。そこで、汚染量を加速させ、不純物の検出感度を上げるためには、反応炉内酸素濃度をエピタキシャルウェーハ製造時より高濃度にし、炉からの不純物の放出量を多くした状態でエピタキシャル成膜した方が、より不純物の影響を受けやすくなり汚染が増幅されることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法は、気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャルウェーハ製造工程における該気相エピタキシャル成長装置反応炉内の酸素濃度よりも高濃度の酸素雰囲気とした気相エピタキシャル成長装置の反応炉でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造し、該サンプルエピタキシャルウェーハの金属不純物汚染を評価することで該気相エピタキシャル成長装置の汚染度を評価することを特徴とする。
前記サンプルエピタキシャルウェーハのエピタキシャル成長工程では、反応炉内酸素濃度をエピタキシャルウェーハ製造時より高酸素濃度でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造することで、気相エピタキシャル成長装置の汚染源からの不純物放出を加速させることができる。その結果、エピタキシャルウェーハの製品製造時と同じ酸素濃度（１〜５ｐｐｍ）でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造する従来の方法に比べて、エピタキシャル層に取り込まれる金属汚染量を増幅させることができる。そして、測定工程では、金属汚染量を増幅したサンプルエピタキシャルウェーハを測定対象としているので、そのウェーハの金属汚染度、つまり気相成長装置の汚染度を高感度に測定（検出）することができる。
このように、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法では、気相エピタキシャル成長装置反応炉中の酸素濃度を意図的に増加させることで、エピタキシャルウェーハの金属不純物の加速試験が可能となった。気相エピタキシャル成長装置反応炉中の酸素濃度をエピタキシャルウェーハの製品製造時と同じ酸素濃度でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造する従来の方法では、化学分析によるＭｏ濃度が検出下限値以下であったが、気相エピタキシャル成長装置反応炉中の酸素濃度を好ましくは１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に増加させることで、酸素濃度増加に伴ったＭｏ濃度に増加させることができる。
また、前記サンプルエピタキシャルウェーハの汚染度を評価する方法がICP質量分析法(ICP-MS)であるのが好適である。本発明の測定工程では、サンプルエピタキシャルウェーハのICP-MSによる金属の定量値を気相エピタキシャル成長装置の汚染度として測定することができる。これにより、簡便且つ高感度にサンプルエピタキシャルウェーハの汚染度（気相成長装置の汚染度）に相関する値を得ることができる。
本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法を用い、評価した汚染度が基準値を下まわる場合に、エピタキシャルウェーハを該気相エピタキシャル成長装置を用いて製造することを特徴とする。
すなわち、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、本発明の気相エピタキシャル成長装置の汚染検出方法を適用し、測定工程で測定される金属汚染度が一定レベル以下となるように管理された気相成長装置を用いて、エピタキシャルウェーハを製造するものである。これにより、汚染の少ない高品位なエピタキシャルウェーハを歩留まり良く製造することが可能となる。
本発明によれば、気相エピタキシャル成長装置の金属不純物による汚染を高感度に検出して金属汚染を評価できる気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法及び金属汚染の少ない高品位なエピタキシャルウェーハを製造できるエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができるという著大な効果を奏する。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法の汚染度の評価対象となる気相エピタキシャル成長装置の好適な一例として、枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の側面断面図を示している。その気相エピタキシャル成長装置は、シリコンウェーハの表面上にシリコン単結晶膜を気相成長させる装置（シリコンエピタキシャルウェーハを製造する装置）である。気相エピタキシャル成長装置では、例えばCCDやCISなどの撮像素子用基板に使用されるエピタキシャルウェーハが製造される。
気相エピタキシャル成長装置１０は、SUS（ステンレス鋼）からなるチャンバーベース１１とそれを上下から挟み、反応炉（チャンバー）１２を形成する透明石英部材１３，１４と反応炉１２の内部にシリコンウェーハ（シリコン単結晶基板）Ｗを水平に支持しつつウェーハ回転機構１８によって回転可能に支持するサセプタ１７とを備えている。シリコンウェーハＷは、ウェーハ載置面１９に載置されて反応処理が行われる。エピタキシャル層形成後のシリコンウェーハＷは、貫通孔１６を介してシリコンウェーハＷ下面を支持するウェーハリフトピン１５によって押し上げられる。
反応炉１２には、反応炉１２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）を含む気相成長ガスを、サセプタ１７の上側の領域に導入してサセプタ上のシリコンウェーハＷの主表面上に供給するガス導入管２０が設けられている。また、反応炉１２には、ガス導入管２０が設けられた側と反対側にガス排出管２１が設けられている。
また、反応炉１２の上下には、エピタキシャル成長時にシリコンウェーハＷをエピタキシャル温度（例えば９００℃〜１２００℃）に加熱するヒーター（図示は省略）が設けられている。ヒーターは、水平方向に複数設けられている。ヒーターとしては例えばハロゲンランプが採用される。
上述したように、定期的に、気相エピタキシャル成長装置１０のメンテナンスやHClガスにより反応炉１２内をベーパーエッチング（炉内クリーニング）する必要がある。メンテナンスでは、気相エピタキシャル成長装置１０を大気開放するので、外部から気相エピタキシャル成長装置に金属不純物が持ち込まれたり、大気に曝された部分が腐食して金属不純物が発生したりする場合がある。ベーパーエッチングでは、HClガスと汚染源との反応で金属不純物の反応生成物が発生したり、反応炉１２内に残留したHClにより腐食して金属不純物が発生したりする場合がある。そのため、メンテナンスやベーパーエッチング直後では一時的に気相エピタキシャル成長装置１０の汚染レベルが悪化することがある。撮像素子などのデバイスは、エピタキシャル層中の金属不純物に非常に強い影響を受けるので、気相エピタキシャル成長装置の金属不純物汚染を高感度に検出する必要があり、そのために本発明の気相エピタキシャル成長装置の汚染度評価方法が実施される。
次に、本発明の気相成長装置の汚染検出方法を含む、気相成長装置の汚染度を評価する方法の詳細を説明する。図２は、その方法の概略の一つの実施の形態を示したフローチャートである。なお、この図の汚染度評価方法はいつ実施されたとしても良いが、例えば、汚染レベルが悪化するメンテナンス又はベーパーエッチング（炉内クリーニング）直後に実施することができる。先ず、汚染評価用の半導体ウェーハの基板となるサンプルシリコンウェーハを準備する。ここで準備するサンプルシリコンウェーハの直径、面方位、導電型、及び抵抗率等は特に限定されないが、例えば直径は、評価対象となる気相エピタキシャル成長装置で処理されるシリコンウェーハと同じにすることができる。また、このサンプルシリコンウェーハの表面の加工条件は標準的な条件でよいが、サンドブラスト処理や多結晶シリコン膜の形成など、金属不純物の汚染度評価に影響を与える処理は避けることが好ましい。
本発明実施のためには、気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャルウェーハ製造工程における該気相エピタキシャル成長装置反応炉内の酸素濃度よりも、気相エピタキシャル成長装置反応炉内の酸素濃度を高くする必要がある。気相エピタキシャル成長装置反応炉中の酸素濃度を１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に高めるのが好ましい。反応炉内酸素濃度を高める方法であれば、その手法に制限は無い。例えば、反応炉内酸素濃度を高くする方法の一つとして、金属不純物汚染評価用のサンプルシリコンウェーハをロードロックチャンバに仕込む際に、ロードロックチャンバ内雰囲気は大気となるため、一度、設定圧まで真空引きし、ロードロックチャンバ内大気を除去するが、その真空引き設定圧を高めることで、意図的にロードロックチャンバ内残留大気を増やし、炉内に混入する酸素量を増やす方法がある。また、この方法では設定圧を変えるだけで簡便で任意に導入酸素量を変化せることができる。それ以外にもパージガス中に一定の酸素を混ぜるなどの手法がある。
その後、準備したシリコンウェーハを反応炉に搬入してサセプタ上に載置し、TCS等の原料ガスとキャリアガスである水素を流して製品製造と同じ反応温度でエピタキシャル層を成長させ、汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハを作製する。エピタキシャル層の厚み、導電型、抵抗率などには特に制限されないが、例えば、ノンドープのエピタキシャル層を１〜１０μｍの厚みで成長させることができる。また、原料ガスの種類は特に制限は無いが、原料ガスとして最も広く使用されているTCSを使用することができる。
このように、サンプルエピタキシャルウェーハ作製時に炉内酸素濃度を高くしているので、気相成長装置内の汚染源からの金属不純物放出を加速させることができる。その結果、エピタキシャル層に取り込まれる金属不純物（金属汚染量）を増幅できる。
その後、反応炉内から、作製した汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハを搬出する。その後、搬出した汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハの金属汚染度として、このサンプルエピタキシャルウェーハのICP-MS分析を行う。この分析で得られた金属濃度値は、気相成長装置の汚染度でもある。
次に分析から得られた金属濃度値から評価対象の気相成長装置の汚染度（清浄度）を評価する。例えば金属濃度について所定の閾値を設定し、汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハのMo濃度がその値よりも大きいか小さいかを比較することで気相成長装置の汚染度を評価できる。
以上が、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法の一つの実施の形態である。このように、本実施形態の評価方法によれば、エピタキシャル層成長時に製品製造時より反応炉内酸素濃度を高くしているので、反応炉の腐食による汚染を強調して加速させることができ、その結果、汚染が増幅され、高感度に炉内汚染度（清浄度）の評価を行うことができる。例えば、分析から得られる金属濃度(汚染度)が一定レベル以下となるように管理した気相成長装置を用いることで、汚染の少ない高品位なエピタキシャルウェーハを高歩留まりで製造することができる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
先ず、直径が２００ｍｍ、厚みが７２５μmのシリコン単結晶ウェーハを多数準備した。次に、評価対象の気相エピタキシャル成長装置を準備し、大気開放していわゆるメンテナンス作業を行った。
なお、一般に、メンテナンス作業を行うと気相エピタキシャル成長装置の反応炉内が若干汚染され、メンテナンスから、その後操業において汚染源がほとんど除去されて汚染による影響がほぼ無くなる（汚染が枯れる）まで数100枚程度反応を行う必要がある。
このように、メンテナンス作業を行った気相エピタキシャル成長装置を準備した後、この装置を用いて上記のシリコン単結晶ウェーハの上にエピタキシャル層を成長させ、汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハを作製した。ここでは、同装置を用いて実施例を用いた汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハと比較例(従来法)を用いた汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハを同タイミングで作製した。
エピタキシャル膜成長時に原料ガスTCS（トリクロロシラン） １０L/minとキャリアガス水素５０L/minを流し、膜厚１０μmのノンドープ層を作製した。さらに、これと同じ方法でメンテナンス後、適当なウェーハ反応枚数の度に汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハを作製した。なお、汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハを作製していない間は、通常の製品のシリコンエピタキシャル膜の成長を行うのと同じシーケンスで汚染除去用シリコンウェーハによるエピタキシャル成長処理を行い、汚染源除去を行い続けた。
（実施例）
実施例では図２に示したフローチャートと同様にして、成膜時の反応炉内酸素濃度がシリコンエピタキシャルウェーハの製品製造時の酸素濃度より高くなるように、ロードロックチャンバ真空引き設定圧を通常よりも高い50torrに設定し反応炉内の酸素濃度を１０ｐｐｍ以上（１００ｐｐｍ）にしてから、上記シリコン単結晶ウェーハをロードロックチャンバに搬入し、エピタキシャル膜を成長させて汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハ作製を行った。
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（比較例）
比較例では図３に示したフローチャートと同様にして、従来と同様に成膜時の反応炉内酸素濃度がシリコンエピタキシャルウェーハの製品製造時の酸素濃度と同じ酸素濃度（１ｐｐｍ）となるようにロードロック真空引き圧を10torrに設定し、上記シリコン単結晶ウェーハをロードロックチャンバに搬入し、エピタキシャル膜を成長させて汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハ作製を行った。すなわち、比較例ではシリコンエピタキシャルウェーハ製品製造時と同じ工程で汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハ作製を行った。
比較例では図３に示したフローチャートと同様にして、従来と同様に成膜時の反応炉内酸素濃度がシリコンエピタキシャルウェーハの製品製造時の酸素濃度と同じ酸素濃度（１ｐｐｍ）となるようにロードロック真空引き圧を10torrに設定し、上記シリコン単結晶ウェーハをロードロックチャンバに搬入し、エピタキシャル膜を成長させて汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハ作製を行った。すなわち、比較例ではシリコンエピタキシャルウェーハ製品製造時と同じ工程で汚染評価用サンプルエピタキシャルウェーハ作製を行った。
このようにして作製した汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハについて、ICP-MS法を用いて、表面Mo濃度を測定した。図４はその測定結果を示した図であり、具体的には、実施例と比較例におけるシリコンウェーハ表面Mo濃度の反応処理枚数1000枚間における推移を示している。
実施例ではメンテナンス直後のシリコンウェーハ表面Mo濃度は約3.5E8 atoms/cm2であり、その後、反応処理枚数の増加と共に表面Mo濃度は低くなり、反応処理枚数500枚で検出限界値1.0E7 atoms/cm2程度まで低下した。その後、反応処理枚数1000枚までに検出限界以下となった。
一方、比較例ではメンテナンス直後のシリコンウェーハ表面Mo濃度は約3.9E7 atoms/cm2であり、その後、反応処理枚数の増加と共に表面Mo濃度は低くなり、反応処理枚数100枚で検出限界値1.0E7 atoms/cm2程度まで低下した。その後、反応処理枚数1000枚までに検出限界以下となった。
このように、実施例では、メンテナンス後の汚染推移を高感度に捉えることができた。具体的には、比較例(従来法)ではメンテナンス後反応処理枚数100枚で検出下限以下となってしまったが、実施例ではメンテナンス後反応処理枚数500枚までの汚染推移を確認することができた。これは、比較例では感知できなかったものが、実施例では本発明の方法を用いて微量な汚染を増加させることで高感度に金属不純物の汚染検出ができ、汚染評価が可能になったことを示している。なお、実施例では、金属不純物としてMoの汚染を検出し評価したが、他の金属不純物についても同様の方法で汚染評価を行うことができる。
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。例えば、汚染度の評価方法とする気相成長装置は枚葉式に限られず、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダー型）など各種気相成長の汚染評価に本発明を適用できる。また、汚染度の評価方法としては、ICP-MS（ICP質量分析法）以外の方法、具体的には例えば全反射蛍光X線分析法（TXRF）で、汚染評価用のサンプルエピタキシャルウェーハの金属汚染度（金属不純物の濃度）を測定しても良い。また、シリコンエピタキシャルウェーハ以外の半導体エピタキシャルウェーハ（例えばGaP等の化合物半導体ウェーハ）を製造する気相成長装置の汚染評価に本発明を適用しても良い。
１０：気相エピタキシャル成長装置、１１：チャンバーベース、１２：反応炉、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：シリコンウェーハ。
Claims (3)
- 気相エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャルウェーハ製造工程における該気相エピタキシャル成長装置反応炉内の酸素濃度よりも高濃度の酸素雰囲気とした気相エピタキシャル成長装置の反応炉でエピタキシャル膜を成長させてサンプルエピタキシャルウェーハを製造し、該サンプルエピタキシャルウェーハの金属不純物汚染を評価することで該気相エピタキシャル成長装置の金属不純物汚染を評価することを特徴とする気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法。
- 前記サンプルエピタキシャルウェーハの金属不純物汚染を評価する方法がICP質量分析法(ICP-MS)であることを特徴とする請求項１記載の気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法。
- 請求項１又は２記載の気相エピタキシャル成長装置の汚染評価方法を用い、評価した金属不純物汚染が基準値を下まわる場合に、エピタキシャルウェーハを該気相エピタキシャル成長装置を用いて製造することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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