JP2016122779A - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウェーハの外周部におけるエピタキシャル層の膜厚をより簡便な方法で均一化し得る、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハＷの表面位置ｂをサセプタ２０の外周部の表面位置ｃより高くし、前記シリコンウェーハＷの表面位置ｂを前記ヒートリング３０の表面位置ａより低くし、かつ、前記シリコンウェーハＷの表面位置ｂと前記ヒートリング３０の表面位置ａとの差（ｂ−ａ）を調整して、前記シリコンウェーハＷの＜１１０＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みと、前記シリコンウェーハＷの＜１００＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みとの差を制御することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。

近年、ＭＰＵやフラッシュメモリー等の高性能デバイスやＭＯＳ ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の高性能パワーデバイスにエピタキシャルシリコンウェーハが使用されつつある。一方、デバイスの高集積化に伴って、半導体基板の高品質化とともに微細化パターンの作製のために、高平坦化が特に重要視されている。

高平坦度が要求されているシリコンウェーハのエピタキシャル成長は、枚葉処理によって膜厚均一性の向上が図られている。また、エピタキシャル成長用のガスの流れを仕切り等により制御することで更に膜厚の均一化が図られている。

しかし、シリコンウェーハの外周部では、結晶方位の違いによるエピタキシャル層の成長速度の違いから、エピタキシャル層の形成膜厚の変化が生じ、外周部の均一化を図ることが難しい。この解決方法として、半導体ウェーハの外周部における結晶方位の、サセプタの水平回転に伴う周期的な変化に応じて、サセプタをその載置面に対して垂直な方向に周期的に上下動させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
また、ウェーハが載置されるウェーハ載置部と、その周縁を囲む状態で設けられた外周部と、外周部に設けられ、載置されるウェーハの外周部における気相成長の速度を制御する気相成長制御部とを備えたサセプタが開示されている（特許文献２，３参照）。

特開２０１４−６７９５５号公報 国際公開第２００７／０９１６３８号 特開２００７−２９４９４２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、例えば、結晶方位が（１００）方位のシリコンウェーハの場合、４５度回転する毎にサセプタを上下動させる必要がある。このため、サセプタの上下動に伴って、サセプタ近傍の原料ガス流れが乱れたり、シリコンウェーハが微振動したりすることが考えられる。このため、シリコンウェーハの全面にわたって形成されるエピタキシャル層の膜厚が不均一になるおそれがある。
また、上記特許文献２，３では、ウェーハの外周部の結晶方位に合わせて複雑な形状のサセプタを用意する必要があり、サセプタ加工コストの増大などの問題がある。

本発明の目的は、シリコンウェーハの外周部におけるエピタキシャル層の膜厚をより簡便な方法で均一化し得る、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することにある。

図１，図２を用いて、シリコンウェーハの（１００）面上にエピタキシャル層を成長させるときに、エピタキシャル層の成長速度が外周部でシリコンウェーハＷの結晶方位に依存する原因を説明する。
図２に示すように、シリコンウェーハＷの＜１１０＞方位を基準結晶方位Ｗ１とする。図２の＜１１０＞方位は、図１において、０度（３６０度）、９０度、１８０度及び２７０度に対応し、図２の＜１００＞方位は、図１における４５度、１３５度、２２５度及び３１５度に対応する。また、図１は、エピタキシャルウェーハの外周端から中心側にそれぞれ２ｍｍ向かった位置の周方向におけるエピタキシャル層の膜厚プロファイルを示している。
図１に示すように、＜１００＞方位の外周部では、エピタキシャル層の膜厚が薄いのに対して、＜１１０＞方位の外周部ではエピタキシャル層の膜厚が厚く、外周部におけるエピタキシャル層の膜厚は、周方向で周期的な変化が生じている。これは、＜１００＞方位の外周部では、エピタキシャル層の成長速度が遅いのに対して、＜１１０＞方位の外周部では成長速度が速いことによるものと推察される。このように、外周部におけるエピタキシャル層の成長速度が、下地となるシリコンウェーハの結晶方位に依存していることが確認できる。

これは、図３に示すように、シリコンウェーハＷは最外周に面取り部を有しているため、シリコンウェーハＷの外周部の各領域毎に、優勢成長する配向性成長面が異なることが原因と推察される。
具体的には、図３（Ｂ）に示すように、＜１００＞方位の面取り部に形成されるエピタキシャル層には、成長速度が速い（１１０）面が存在している。この部位でのエピタキシャル成長が促進される結果、外周部のエピタキシャル層の成長が抑制される。一方で、図３（Ａ）に示すように、＜１１０＞方位の面取り部に形成されるエピタキシャル層には、成長速度が遅い（３１１）面及び（１１１）面が存在している。このため、これらの部位でのエピタキシャル成長が抑制される結果、外周部のエピタキシャル層の成長が促進されてしまう。結果として、外周部に形成されるエピタキシャル層の膜厚は、＜１００＞方位では薄く、＜１１０＞方位では厚くなるものと考えられる。
こうして、結晶方位によって外周部のエピタキシャル層の膜厚には周方向で周期的な変化が生じる。

本発明者は、エピタキシャル成長装置の炉内の部材の表面位置と、シリコンウェーハの表面位置との関係を調整し、シリコンウェーハの外周部への原料ガス供給量を制御することで、エピタキシャル成長において生じる、結晶配向性に起因したシリコンウェーハの外周部におけるエピタキシャル層の厚さの差を小さくできることを見出し、本発明を完成させた。

本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、ウェーハを載置するサセプタと、前記サセプタの外周に間隔をあけて配置されたヒートリングとを備えたエピタキシャル成長装置を用い、面方位が（１００）面のシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
前記シリコンウェーハの表面位置ｂを前記サセプタの外周部の表面位置ｃより高くし、前記シリコンウェーハの表面位置ｂを前記ヒートリングの表面位置ａより低くし、かつ、前記シリコンウェーハの表面位置ｂと前記ヒートリングの表面位置ａとの差（ｂ−ａ）を調整して、前記シリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みと、前記シリコンウェーハの＜１００＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みとの差を制御することを特徴とする。

また、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記シリコンウェーハの表面位置ｂと前記ヒートリングの表面位置ａとの差（ｂ−ａ）が−０．６ｍｍ以上、−０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

また、本発明のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、前記シリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値をＤ１、＜１００＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値をＤ２とするとき、前記Ｄ１に対する前記Ｄ２の比が７０％以上であることが好ましい。
ここで、前記エピタキシャル層の高さ変位は、前記エピタキシャルシリコンウェーハの外周端から中心側に１１ｍｍから９ｍｍまでの範囲に形成した前記エピタキシャル層の表面高さを基準としたときの、前記エピタキシャルシリコンウェーハの外周端から中心側２ｍｍに形成した前記エピタキシャル層の表面高さの差分である。

本発明によれば、ヒートリングの表面位置ａ、シリコンウェーハの表面位置ｂ、及び、サセプタの外周部における表面位置ｃの位置関係を調整することにより、シリコンウェーハの外周部への原料ガス供給量を制御するものである。
具体的には、シリコンウェーハの表面位置ｂをサセプタの外周部の表面位置ｃより高くし（以下、条件（１）という）、シリコンウェーハの表面位置ｂをヒートリングの表面位置ａより低くし（以下、条件（２）という）、かつ、シリコンウェーハの表面位置ｂとヒートリングの表面位置ａとの差（ｂ−ａ）（以下、ギャップ値（ｂ−ａ）という。）を調整する。上記のように位置関係を調整して、前記シリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みと、前記シリコンウェーハの＜１００＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みとの差を制御する。
なお、条件（１）を満たさない場合、反応室内に供給される原料ガスがシリコンウェーハの外周部に到達しにくくなるため、外周部に形成されるエピタキシャル層の膜厚が全体的に薄くなってしまう。また、エピタキシャル層の外周部における周方向の厚み分布の均一性も悪化して、Ｄ１に対するＤ２の比が小さくなる傾向がある。
また、条件（２）を満たさない場合、反応室内に供給される原料ガスがシリコンウェーハの外周部への接ガス量が増えてしまうため、外周部に形成されるエピタキシャル層の膜厚が厚くなりすぎてしまう。
上記のように、ガス流れの基準となる、ギャップ値（ｂ−ａ）を調整することで、エピタキシャル成長において生じる、シリコンウェーハの結晶配向性に起因したエピタキシャル層の外周部における周方向の厚みの差を、最小化できる。
結果として、外周部における平坦度が小さいエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。

シリコンウェーハの外周部における、基準結晶方位からの角度とエピタキシャル層の膜厚との関係を示す図。 シリコンウェーハＷの結晶方位を示す上面図。 エピタキシャルシリコンウェーハの外周部における部分断面図であり、（Ａ）は＜１１０＞方位に沿った部分断面図であり、（Ｂ）は＜１００＞方位に沿った部分断面図である。 枚葉式のエピタキシャル成長装置の概略図。 図４のヒートリングとサセプタとシリコンウェーハとの表面位置の関係を示す図。 ギャップ値（ｂ−ａ）とＤ１及びＤ２との関係を示す図。 ギャップ値（ｂ−ａ）とＤ２／Ｄ１との関係を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
〔エピタキシャル成長装置の構成〕
まず、エピタキシャル成長装置の構成について説明する。
枚葉式のエピタキシャル成長装置１０は、図４に示すように、凹面を有する円形の上側ドーム３と、同じく円形の下側ドーム４とを備える。上側ドーム３及び下側ドーム４は、石英などの透明な素材で形成されている。そして、上側ドーム３と下側ドーム４とを上下に対向して配設し、これらの端縁部は円環状のドーム取付体６の上下面にそれぞれ固定される。これにより、平面視で略円形の密閉された反応室２が形成される。反応室２の上方及び下方には、反応室２内を加熱するハロゲンランプ９が、円周方向に略均等間隔で離間して複数個それぞれ設けられる。

反応室２には、シリコンウェーハＷを搭載するサセプタ２０が水平に配設されている。サセプタ２０は、反応室２内の高温に耐え得るように、炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが採用されている。サセプタ２０は、所定厚さの円板状であり、サセプタ２０の上面２０ａには円形凹状の座ぐり２０ｂが形成されている。座ぐり２０ｂの半径は、搭載するシリコンウェーハＷのそれより大きい。シリコンウェーハＷは、座ぐり２０ｂに水平に載置される。ここで図５に示すように、サセプタ２０は、座ぐり２０ｂにシリコンウェーハＷを載置したときに、シリコンウェーハＷの表面位置ｂが、サセプタ２０の上面２０ａである、外周部の表面位置ｃより高くなるように形成される。また、サセプタ２０の周囲には、サセプタ２０の外周から間隔をあけ、かつサセプタ２０の同心円状にヒートリング３０が設けられる。
図４に戻って、サセプタ２０の裏面側（下方）には、これを支持するためのサセプタ支持部材８が設けられる。サセプタ支持部材８は、下方に軸部７が固着して設けられる。軸部７は、図示しない回転機構により回転自在に設けられ、その結果、サセプタ支持部材８及びサセプタ２０も、水平面内において所定速度で回転自在に設けられる。また、軸部７は、図示しない上下動機構により軸方向に上下動が可能に設けられ、その結果、円筒形状のサセプタ支持部材８及びサセプタ２０も、上下動が可能に設けられる。

そして、反応室２のドーム取付体６の所定位置には、反応室２にガスを流入するガス供給口３１が設けられる。また、ドーム取付体６の対向位置（ガス供給口３１と１８０°離間した位置）には、反応室２内のガスをこの外部へ排出するガス排出口３２が設けられている。原料ガスなどは、ガス供給管３３からガス供給口３１を経て反応室２に供給され、反応室２内のシリコンウェーハＷの表面上を通過し、ガス排出口３２から排出管３４を経て排出されるように構成されている。

〔エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法〕
次に、図４の枚葉式のエピタキシャル成長装置１０を用いた、本実施形態のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明する。
本実施形態のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法では、シリコンウェーハＷをサセプタ２０の座ぐり２０ｂに載置したときに、条件（１）が満たされるような形状のサセプタ２０を使用する。
そして、結晶面が（１００）面であるシリコンウェーハＷを、反応室２内の図示しない移載機構により、サセプタ２０の座ぐり２０ｂに載置する。この後、反応室２を密閉する。次に、反応室２内のヒートリング３０と、シリコンウェーハＷとの位置関係を調整する。位置関係の調整は、図示しない上下動機構により、サセプタ支持部材８の軸部７を軸方向に上下動させることにより行う。
図５に示すように、ヒートリング３０の表面位置ａ、シリコンウェーハＷの表面位置ｂ、及びサセプタ２０の外周部の表面位置ｃの位置関係は、条件（１）及び（２）を満たし、かつ、ギャップ値（ｂ−ａ）を調整して、シリコンウェーハＷの＜１１０＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みと、シリコンウェーハＷの＜１００＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みとの差を制御することにより行われる。具体的には、ギャップ値（ｂ−ａ）が、−０．６ｍｍ以上、−０．２ｍｍ以下となるように調整することが好ましい。
そして、図４に戻って、図示しない回転機構により、サセプタ支持部材８の軸部７を所定速度で回転させて、サセプタ２０に搭載されたシリコンウェーハＷを回転させる。

次に、シリコンウェーハＷの表面に存在する自然酸化膜やパーティクルを除去するために、プリベーク工程を行う。このプリベーク処理は、図示しないガス供給源により水素ガスのみをガス供給口３１から反応室２内に供給するとともに、ハロゲンランプ９によりシリコンウェーハＷを１１００℃程度に加熱した状態を７０秒間程度維持することにより行う。

次に、エピタキシャル層を形成するためのエピタキシャル層形成工程を行う。まず、図示しないガス供給源により、キャリアガスや原料ソースガス、ドーパントガスなどを混合した反応ガスをガス供給口３１から反応室２内に供給する。エピタキシャル層形成工程の前に、反応室２内のヒートリング３０と、サセプタ２０と、シリコンウェーハＷとの位置関係を、結晶方位による成長速度の差が最も小さくなるように調整しているので、シリコンウェーハＷの外周部への原料ガス供給量が制御される。
キャリアガスとしては、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス、Ａｒガスなどが挙げられる。原料ソースガスとしては、４塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）などが挙げられる。ドーパントガスとしては、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、フォスフィン（ＰＨ_３）などが挙げられる。
そして、反応室２の上方及び下方に設けられたハロゲンランプ９により、熱を輻射させてシリコンウェーハＷの温度を１１００℃程度に加熱する。これにより、シリコンウェーハＷの表面で原料ソースガスなどが反応し、シリコンウェーハＷの表面にエピタキシャル層を成長させることができる。
以上の方法により、外周部における平坦度が小さいエピタキシャルシリコンウェーハを製造できる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
また、本発明の実施の際の具体的な手順、及び構造等は本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。

次に、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

〔試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０〕
直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍ、結晶面（１００）面のｐ型シリコンウェーハを用意した。また、図４に示す枚葉式のエピタキシャル成長装置１０を使用した。なお、シリコンウェーハＷをサセプタ２０の座ぐり２０ｂに載置したときに、シリコンウェーハＷの表面位置ｂとサセプタ２０の外周部の表面位置ｃとの差（ｂ−ｃ）が＋１５μｍとなる、座ぐり２０ｂが浅い形状のサセプタ２０を使用した。
先ず、シリコンウェーハＷをサセプタ２０の座ぐり２０ｂに載置し、反応室２を密閉した。次いで、反応室２内のヒートリング３０と、シリコンウェーハＷとの位置関係を調整した。次に、反応室２内に水素ガスを供給して、１１３０℃の温度で３０秒間の水素ベークを行った。水素ベーク後、キャリアガスである水素ガスとともにシリコンソースガス（トリクロロシラン）及びドーパントガス（ジボラン）を炉内に供給して、１１３０℃の温度でエピタキシャル成長を行った。これにより、シリコンウェーハＷの表面に、シリコンウェーハＷの中心部における膜厚が３μｍのエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハを得た。
また、図示しない上下動機構により、サセプタ２０及びシリコンウェーハＷを上下動させ、下記表１に示すように、ヒートリング３０と、シリコンウェーハＷとの位置関係を調整した以外は、上記と同様の条件で、シリコンウェーハＷに対してエピタキシャル成長を行い、複数枚のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。

試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０におけるエピタキシャルシリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値Ｄ１と、＜１００＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値Ｄ２を以下の表１に示す。
ここで、エピタキシャル層の高さ変位は、エピタキシャルシリコンウェーハの外周端から中心側に１１ｍｍから９ｍｍまでの範囲に形成したエピタキシャル層の表面高さを基準としたときの、エピタキシャルシリコンウェーハの外周端から中心側２ｍｍに形成したエピタキシャル層の表面高さの差分である。また、その平均値とは、＜１１０＞方位では、０度（３６０度）、９０度、１８０度及び２７０度におけるエピタキシャル層の表面高さ差分の平均値であり、＜１００＞方位では４５度、１３５度、２２５度及び３１５度におけるエピタキシャル層の表面高さ差分の平均値である。エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層の高さは平坦度測定器（KLA-Tencor社製Wafer Sight）を用いて測定した値である。
なお、図６は、表１に示すギャップ値（ｂ−ａ）とＤ１及びＤ２との関係を示している。図７は、表１に示すギャップ値（ｂ−ａ）とＤ２／Ｄ１との関係を示している。

〔試験番号Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０〕
サセプタ２０を、シリコンウェーハＷの表面位置ｂとサセプタ２０の外周部の表面位置ｃとの差（ｂ−ｃ）が−３０μｍとなる、座ぐり２０ｂが深い形状のものに変更した以外は、試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０と同様にして、エピタキシャル成長を行い、複数枚のエピタキシャルシリコンウェーハを得た。その結果を下記表１及び図６，７に示す。なお、便宜的に、試験番号Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０における、ギャップ値（ｂ−ａ）をギャップ値（ｂ−ａ）’、Ｄ１をＤ１’、Ｄ２をＤ２’、及びＤ２／Ｄ１をＤ２’／Ｄ１’とそれぞれ表記した。

表１及び図６から、試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０では、ギャップ値（ｂ−ａ）が大きくなるほど、Ｄ１及びＤ２が大きくなっており、シリコンウェーハＷの外周部におけるエピタキシャル層の成長速度は速くなる傾向があることが判る。
表１及び図７から、Ｄ２／Ｄ１の結果は、正規分布が少し崩れたような分布をとり、ギャップ値（ｂ−ａ）が−０．５前後のときに極値を示した。この結果から、ギャップ値（ｂ−ａ）をマイナス側に設定してエピタキシャル成長を実施すると、＜１１０＞方位と、＜１００＞方位との、表面の高さの変位量の差を小さくでき、より安定的に生産できることが判る。このうち、Ｄ２／Ｄ１が７０％以上であり、エピタキシャル層の外周部における周方向の厚みの差を最小化できる、ギャップ値（ｂ−ａ）が−０．６ｍｍ以上、−０．２ｍｍ以下の範囲が特に好ましい。

試験番号Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０は、座ぐり２０ｂが深い形状のサセプタ２０を使用してエピタキシャル成長を行った、条件（１）を満たしていない例である。
試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０と、試験番号Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０とを比較すると、試験番号Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０では、Ｄ１’，Ｄ２’の値が小さくなる傾向が見られた。これらの結果から、条件（１）を満たさないと、外周部に形成されるエピタキシャル層の膜厚が全体的に薄くなってしまうことが裏付けられた。
また、Ｄ２’／Ｄ１’の結果は、試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０のＤ２／Ｄ１の結果よりも小さく、エピタキシャル層の外周部における周方向の厚み分布の均一性も悪化していた。

２０…サセプタ、３０…ヒートリング、Ｗ…シリコンウェーハ。

Claims (3)

1. ウェーハを載置するサセプタと、前記サセプタの外周に間隔をあけて配置されたヒートリングとを備えたエピタキシャル成長装置を用い、面方位が（１００）面のシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、
   前記シリコンウェーハの表面位置ｂを前記サセプタの外周部の表面位置ｃより高くし、前記シリコンウェーハの表面位置ｂを前記ヒートリングの表面位置ａより低くし、かつ、前記シリコンウェーハの表面位置ｂと前記ヒートリングの表面位置ａとの差（ｂ−ａ）を調整して、前記シリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みと、前記シリコンウェーハの＜１００＞方位の外周部に形成されるエピタキシャル層の厚みとの差を制御する
   ことを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
2. 前記シリコンウェーハの表面位置ｂと前記ヒートリングの表面位置ａとの差（ｂ−ａ）が−０．６ｍｍ以上、−０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
3. 前記シリコンウェーハの＜１１０＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値をＤ１、＜１００＞方位の外周部に形成されたエピタキシャル層の高さ変位の平均値をＤ２とするとき、前記Ｄ１に対する前記Ｄ２の比が７０％以上である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。

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