JP2019114656A - 気相成長装置の汚染管理方法及びエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

気相成長装置の汚染管理方法及びエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、金属汚染を高感度に検出することができる、気相成長装置の汚染管理方法を提供することを目的とする。また、本発明は、該汚染管理方法によって汚染管理された気相成長装置を用いた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】本発明の気相成長装置の汚染管理方法は、汚染評価用ウェーハを気相成長装置のチャンバの内部に搬入する、ウェーハ搬入工程と、前記汚染評価用ウェーハを、1190℃以上の熱処理温度で30slm以下の水素流量で熱処理する、熱処理工程と、前記チャンバの内部から前記汚染評価用ウェーハを搬出する、ウェーハ搬出工程と、前記汚染評価用ウェーハの金属汚染度を評価する、ウェーハ汚染評価工程と、を含む。本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、該汚染管理方法により汚染管理された気相成長装置を用いてエピタキシャル成長を行うものである。【選択図】図2

Description

本発明は、気相成長装置の汚染管理方法及びエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
近年、デジタルカメラやスマートフォン、モバイルPCなどに内蔵されるカメラ機能の高解像度化に伴い、CCDやCISなどの撮像素子用として使用されるエピタキシャルシリコンウェーハの汚染管理の強化が望まれている。
特に、撮像素子特有の白キズ問題に対する原因追及と工程管理強化が求められている。現在、白キズを生じさせる原因として考えられるのは金属汚染である。特に、Mo、W、Ti、Nb、Taなどの拡散が遅い金属が主要因であると考えられている。
エピタキシャルシリコンウェーハにおける金属汚染の汚染源としては、エピタキシャル成長時に使用する原料ガスや、チャンバの内部をクリーニングするためのクリーニングガスが挙げられる。また、チャンバを構成する素材、及び、配管系に通常用いられる金属部材などが挙げられる。さらに、エピタキシャル成長装置の内部の例えば駆動部からの金属発塵が挙げられる。
このようなエピタキシャル成長装置を起因とする汚染を管理する方法として、反応系中の酸素濃度を高めることにより汚染を強調し、金属汚染を高感度に検出することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2015−029002号公報
しかしながら、特許文献1に記載の手法では、酸素ガスを高濃度に導入するため、水素の爆発限界、爆轟限界が低いこともあり、酸素ガス導入の取扱いが難しいという問題があった。また、特許文献1に開示があるような、酸素濃度1000ppm(0.1%)という上限値まで強調汚染(特にMo)によって高感度化することにも限界があると考えられる。
本発明は、Fe以外の金属汚染を高感度に検出することができる、気相成長装置の汚染管理方法を提供することを目的とする。特に、Tiの金属汚染を強調させることにより、Tiによる金属汚染を高感度に検出することができる、気相成長装置の汚染管理方法を提供することを目的とする。また、本発明は、該汚染管理方法によって汚染管理された気相成長装置を用いてエピタキシャル成長を行う、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。
本発明は、Mo、W、Ti、Nb、Ta等の汚染金属の塩化物の蒸気圧が、Fe塩化物の蒸気圧より低く(特に、Ti塩化物は、Fe塩化物より3桁程度低い)、且つ、蒸気圧の温度が1000℃〜1250℃程度では、Fe塩化物の蒸気圧の変化より上記汚染金属(特にTi)の蒸気圧の変化が大きいと推定されることから、本発明者が鋭意検討を行い、なし得た技術である。
すなわち、上記の検討に基づいて、熱処理温度と気相成長装置内に流入させる水素の流量とを変化させて最適化することにより、蒸気圧の変化度合が大きいと推定される金属元素による汚染を強調して、計測を行い評価することで、気相成長装置を高感度に管理することができることを導き出し、本発明を完成させた。
本発明の要旨構成は、以下の通りである。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法は、汚染評価用ウェーハを気相成長装置のチャンバの内部に搬入する、ウェーハ搬入工程と、
前記汚染評価用ウェーハを、1190℃以上の熱処理温度で30slm以下の水素流量で熱処理する、熱処理工程と、
前記チャンバの内部から前記汚染評価用ウェーハを搬出する、ウェーハ搬出工程と、
前記汚染評価用ウェーハの金属汚染度を評価する、ウェーハ汚染評価工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法では、前記熱処理工程における前記熱処理温度は、1250℃以下であることが好ましい。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法では、前記熱処理工程における前記水素流量は、10slm以上20slm以下であることが好ましい。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法では、前記金属汚染度を評価される金属は、Mo、W、Ti、Nb、Ta、Cr、Ni、Cuの少なくともいずれかであることが好ましい。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法では、前記金属汚染度を評価される金属は、Tiであることが好ましい。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法では、Feが、3×107atoms/cm2以下であるという評価結果を得た後、Tiの金属汚染度を評価することが好ましい。
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記の汚染管理方法を用いて汚染管理された気相成長装置を用いてエピタキシャル成長を行うものである。
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記汚染管理された前記気相成長装置は、Tiが、1×107atoms/cm2以下であることが好ましい。
本発明の気相成長装置の汚染管理方法によれば、金属汚染を高感度に検出することができる。特に、Tiの金属汚染を強調させることにより、Tiによる金属汚染を高感度に検出することができる。また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、金属汚染の低減した高品質なエピタキシャルウェーハを得ることができる。
本発明の一実施形態にかかる気相成長装置の汚染管理方法に用いる気相成長装置の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる気相成長装置の汚染管理方法のフロー図である。 温度ごとの、水素流量とエピタキシャルウェーハのライフタイムとの関係を示す図である。 温度ごとの、水素流量とエピタキシャルウェーハのTi濃度との関係を示す図である。 実施例における、気相成長装置洗浄後のエピタキシャルウェーハ処理枚数とTi濃度との関係の結果を示す図である。 実施例における、気相成長装置洗浄後のエピタキシャルウェーハ処理枚数とライフタイムとの関係の結果を示す図である。 発明例2による汚染管理を行った際の、ライフタイムと金属汚染量との関係の結果を示す図である。 比較例2による汚染管理を行った際の、ライフタイムと金属汚染量との関係の結果を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
図1は、本発明の一実施形態にかかる気相成長装置の汚染管理方法に用いる気相成長装置の一例を示す断面図である。図1に示すような気相成長装置1を用いて、該気相成長装置1内でウェーハW(この例ではシリコンウェーハ)上にエピタキシャル膜を成長させる。
図1に示す例では、この気相成長装置1は、チャンバ2を有し、該チャンバ2内に、1枚のウェーハWを水平に支持するサセプタ3が設けられている。チャンバ2は、円環状のベースリング31を、透明石英よりなるアッパードーム32とロアドーム33によって上下から挟んでなり、内部の閉空間は反応炉となっている。気密性を保つために、アッパードーム32とベースリング31の間、及び、ロアドーム33とベースリング10の間にはOリング(図示せず)をそれぞれ挟んでいる。
ウェーハWにエピタキシャル層を成長させるためには、反応ガス(原料ガス及びキャリアガス)をウェーハWの上面に沿って流し、サセプタ3の上に支持されたウェーハWを1000〜1200℃程度の高温に加熱する。このため、気相成長装置1は、反応炉を加熱する熱源(図示せず)をチャンバ2の上下に備えている。上下の熱源としては赤外線ランプや遠赤外線ランプを使用することができ、チャンバ2の上下から輻射熱によりサセプタ3及びウェーハWを加熱する。
チャンバ2の左右には開口4a,4bが形成されており、一方のガス流入口4aから上部反応炉内に原料ガスおよびキャリアガスが流入し、他方のガス排出口4bから反応後のガスおよびキャリアガスが排出される。また、チャンバ2の下方からはパージガス(例えば水素H2)が供給され、下部反応炉に充満したパージガスはロアライナー5に設けられたパージガス排出穴を通してガス排出口から排出される。
原料ガスは、一般にトリクロロシランSiHCl3やジクロロシランSiH2Cl2等のクロロシラン系ガス等の塩酸ガスが用いられる。これらのガスはキャリアガスである水素H2とともに上部反応炉内に導入され、ウェーハ表面において熱CVD反応によりエピタキシャル層を生成する。サセプタ3は円板形状をしており、その直径はウェーハWよりも大きい。サセプタ3は板面が水平になるように配置されており、サセプタ3の上面にはウェーハWが収納される円形状のウェーハ収納用凹部を設けている。サセプタ3は、ウェーハWを加熱する際にウェーハ全体の温度を均一に保つ均熱盤としての役割を果たす。サセプタ3はエピタキシャル層の成長処理操作の間、ウェーハWの板面と平行な面内において、鉛直軸を回転中心として回転動を行う。
サセプタ3の下面にはサセプタサポート3aが当接し、サセプタ3を下方から支持している。サセプタ支持軸3bの頂上部にこの例では3本のサポートアーム3c(図1においては、2本しか図示されていない)が設けられており、それぞれの先端部にサセプタサポート3aを有する。各サポートアーム3cは上方から見たときにそれぞれが120°の角度を成すように、サセプタ支持軸3bの中心から放射状に配置されている。
サセプタ3は、サセプタ3の中心とサセプタ支持軸3bの軸心とが一致するようにサセプタサポート3aに載置され、サセプタ支持軸3bの回転によりサセプタ3が左右に揺れることなく安定して回転する。サセプタ支持軸3bへの回転は、回転駆動用モータ(図示せず)によって与えられる。セプタ支持軸3b及びサポートアーム3cは、下部熱源からの光を遮ることのないよう、高純度の透明な石英によって形成される。
図2は、本発明の一実施形態にかかる気相成長装置の汚染管理方法のフロー図である。本実施形態では、まず、清浄後の気相成長装置1のチャンバ2の内部に水素ガスを流入させて(塩酸ガス等の反応ガスは含まないようにする)、チャンバ2の内部を水素ガス雰囲気に置換する。そして、汚染評価用ウェーハWを気相成長装置1のチャンバ2の内部のサセプタ3上に搬入する(ウェーハ搬入工程)(ステップS101)。この例では、汚染評価用ウェーハWはシリコンウェーハである。
次いで、図2に示すように、原料ガス及び上記の水素ガスを含むガス雰囲気下において、汚染評価用ウェーハWを、1190℃以上の熱処理温度で30slm以下の水素流量で熱処理する(熱処理工程)(ステップS102)。ここで、熱処理時間は、3〜15minとすることが好ましく、該熱処理を1回のみ行うことが好ましい。これにより、汚染金属がウェーハWの内部へ拡散するのを抑制し、ウェーハWの表面にて金属元素を強調させることができるので、分析においても高感度となるからである。
次いで、図2に示すように、チャンバ2の内部から汚染評価用ウェーハWを搬出する(ウェーハ搬出工程)(ステップS103)。この例では、チャンバ2の内部から上記熱処理工程(ステップS102)を終えた汚染評価用ウェーハWを搬送室に搬出する。熱処理工程(ステップS102)で金属汚染強調された汚染評価用ウェーハWは、ウェーハ搬送装置でチャンバ2から搬出され、クーリングチャンバーの内部で冷却された後、気相成長装置1の外へ搬出される。
次いで、図2に示すように、上記ウェーハ搬出工程(ステップS103)でチャンバ2の外へと搬出された汚染評価用ウェーハWの金属汚染度を評価する(ウェーハ汚染評価工程)(ステップS104)。
ウェーハ汚染評価は、化学分析による金属濃度測定及び/又はライフタイム測定により行われることが好ましい。
<化学分析>
金属汚染強調された汚染評価用ウェーハWに対して、化学分析を行い、該汚染評価用ウェーハW中の金属濃度を測定する。化学分析による金属濃度測定では、表層部分における各金属元素の濃度をそれぞれ検出できる。このため、化学分析によって測定された金属濃度に基づいて、気相成長装置1のチャンバ2の内部の汚染状況を金属元素ごとに詳細に把握することができる。
汚染分析対象は、MoやW、Ti、Nb、Taなどの拡散速度が遅い金属とすることができる。また、上記拡散速度が遅い金属だけでなく、Cr、Ni、Cuについても併せて分析してもよい。化学分析は、誘導結合プラズマ質量分析(IPC−MS)により行われることが好ましい。さらに、化学分析は、気相分解法により行われることも好ましい。
分析対象となるMoやW、Ti、Nb、Taなどの金属は、拡散速度が遅いため、その大部分は汚染評価用ウェーハWの表面と、深さ5μm程度までの表層とに存在すると推察される。このため、金属汚染強調された汚染評価用ウェーハWの表面の分析と、表層の分析とを実施することで、金属汚染管理が可能となる。
<ライフタイム>
ライフタイムは、例えば、μ−PCD法により金属汚染強調された汚染評価用ウェーハWのキャリア(正孔と電子)の再結合時間(再結合ライフタイム)を測定することで得られる。汚染評価用ウェーハWに重金属汚染などが存在すると再結合ライフタイムが短くなるので、再結合ライフタイムを測定することによって汚染評価用ウェーハWの良品判定を容易に行うことができる。
再結合ライフタイムでは、金属元素の同定が難しいため、気相成長装置を構成する金属で最も多いFeの汚染量が十分少ない、所定値以下である気相成長装置の汚染量である場合に、強調されたMoやW、Ti、Nb、Taなどの拡散速度が遅い金属を、再結合ライフタイムを用いて評価するのが好ましい。
なお、Feの所定汚染量が十分少ない、所定値以下とは、3×107atoms/cm2以下の場合である。
Feの汚染量が十分少ない(3×107atoms/cm2以下の)場合であって、例えば、本発明の評価条件により良品と判断されるライフタイム値を600μs以上と設定することで、ライフタイム値自体は従来の評価方法より低く設定されるように見えるものの、3×107atoms/cm2以下のFe汚染量であって、Tiの汚染量が1×107atoms/cm2以下となる、気相成長装置にて、さらなる高純度なエピタキシャルウェーハを製造可能となる。このため、上記化学分析の際には、Feの汚染量も併せて分析することが好ましい。
次いで、図2に示すように、ウェーハ汚染評価工程(ステップS104)の測定結果に基づいて、気相成長装置1の汚染度を評価する(気相成長装置汚染評価工程)(ステップS105)。上述したように、気相成長装置1の汚染がウェーハ汚染の原因となるため、気相成長装置1の汚染度とウェーハの汚染度の評価結果とには相関があるものと考えられるため、例えば、化学分析による金属濃度測定及び/又はライフタイム測定の測定結果に基づいて、気相成長装置1の汚染度を評価することができる。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
図3は、温度ごとの、水素流量とエピタキシャルウェーハのライフタイムとの関係を示す図である。図3においては、上記のステップS101〜ステップ103を行って(熱処理工程での熱処理時間10min)、ステップS104において、上記のライフタイム計測(μ−PCD法)を行った結果を示している。
図3に示すように、水素流量が60slm以上であれば、熱処理温度が大きいほど、ライフタイムが短くなる傾向があるが、そこから水素流量を減少させていくと、図3に示したいずれの温度でもライフタイムが徐々に低下する傾向がある。本発明者は、ライフタイムは、温度との相関より、流量との相関が非常に強いことを見出しした。さらに詳細に確認すると、水素流量を30slm以下という極めて低流量とすることにより、熱処理温度が大きいほど、ライフタイムが短くなる傾向が再び現れることを見出した。
図3に示すように、1190℃の高温、且つ、水素流量が30slm以下の流量で熱処理を行うことにより、最も汚染を強調することができライフタイムが短くなっている。なお、このような傾向は、30slm以下の水素流量であれば、1190℃超の温度でも同様に見られた。なお、熱処理工程における熱処理温度は、チャンバ2の耐熱性等に鑑みて、1250℃以下とすることが好ましい。なお、ライフタイム値が短くなっていることは汚染を強調する効果があるということを意味する。
また、ライフタイムのみでは影響する元素が不明であるため、各重金属元素の濃度を測定した。
図4は、温度ごとの、水素流量とエピタキシャルウェーハのTi濃度との関係を示す図である。図4においては、上記のステップS101〜ステップ103を行って(熱処理工程での熱処理時間10min)、ステップS104において、上記の化学分析によるTi濃度の計測(ICP−MS評価)を行った結果を示している。
図4に示すように、温度により若干のバラツキがあるが、Tiは水素流量が40slm以上の場合、熱処理温度が1190℃では、Ti検出量が検出下限値以下であったが、30slm以下になってくると水素流量が少なくなるほど多く検出されることが分かった。特に 、水素流量が30slm以下の場合、熱処理温度が1190℃でもTiが検出され、さらに水素流量が20slm以下の場合に、他の熱処理温度に比べて最も検出Ti濃度が高くなることが分かった。なお、水素流量が10slm以下の場合も同様であった。水素流量が40slm以下になってくるとライフタイムが低下していく要因のひとつはTi濃度の増加が考えられる。他金属でも同様の傾向が見られると考えられる。
なお、このような傾向は、30slm以下の水素流量であれば、1190℃超の温度でも同様に見られ、その他の汚染金属についても同様であった。
以上のことから、上記熱処理工程(ステップS102)において、汚染評価用ウェーハWを、1190℃以上の温度で30slm以下の水素流量で熱処理することにより、汚染が強調され、金属汚染を高感度に検出し得ることがわかった。
本発明では、熱処理工程(ステップS102)における熱処理温度は、チャンバ2の耐熱性等に鑑みて、1250℃以下であることが好ましい。
本発明では、熱処理工程(ステップS102)における水素流量は、10slm以上20slm以下であることが好ましい。水素流量を20slm以下にすることにより、より一層汚染を強調して、金属汚染を高感度に検出することができるからである。
なお、エピタキシャル製造設備において、バルブ切り替え等を行うことなく、エピ成長時に流す水素流量と本発明の評価方法による水素流量を勘案すると、流量の精度が低下するので、10slm未満としないことが好ましい。
<実施例1>
本発明の効果を確かめるため、気相成長装置洗浄後に、ICP−MSによるTi検出量及びμ−PCD法によるライフタイムの評価結果の推移を、熱処理温度1190℃、水素流量20slmの場合(発明例1)と、熱処理温度1120℃、水素流量70slmの場合(比較例1)とで比較した。
ここで、汚染評価用ウェーハとして、p型、(100)、径300mm、抵抗率5〜40Ω・cmものを用いた。まず、気相成長装置の部品交換・部品洗浄後に、水素ベーク(空焼き)、水素ガスに塩化水素ガスを加えたエッチング処理、及びエピタキシャル成長のダミーランを複数回繰り返した。エピタキシャルウェーハの製造における250枚に匹敵する処理を実施した後、ライフタイム用及びICP用4枚を気相成長装置に投入して、10分間の水素による熱処理を行った。その1枚目は熱処理温度1120度、水素流量70slmとし、連続して2枚目をエピ炉へ導入し熱処理温度1190度、水素流量20slmとした。また、次に1枚目と2枚目の処理温度と流量を逆にした条件も同時に行った。そして、所定枚数処理した後に上記条件にてライフタイム用及びICP−MS用ウェーハを気相成長装置に投入した。その後、厚さ4μmのエピタキシャル層を形成するエピタキシャル成長を繰り返し行い、定期的に上記記載のライフタイム用及びICP−MS用ウェーハを投入した。
図5に示すように、比較例1では、600Run程度でTi濃度の検出限界に達したのに対し、発明例1では、約3000Runまで検出限界値以上でTiを検出することができた。また、図6に示すように、発明例1は、比較例1と比較してライフタイムが低下していることがわかる。これらの結果から、発明例1では、汚染を強調して、金属汚染を高感度に検出することができたことがわかる。
<実施例2>
実施例1と同様に気相成長装置洗浄後に、ICP−MSによるTi検出量の評価を行い、該当結果に応じて気相成長装置を洗浄する時期、または水素ベーク(空焼き)、水素ガスに塩化水素ガスを加えたエッチング処理、及びエピタキシャル成長のダミーランを実施する時期を決定するためのTiの限界値を設定し、汚染管理を行った際の、金属汚染量の推移を、熱処理温度1190℃、水素流量20slmの場合(発明例2)と、熱処理温度1120℃、水素流量70slmの場合(比較例2)とで比較した。
図7に示すように、発明例2においては、Feでは、ライフタイム値が増加しても、間出限界値以下のままであったのに対し、Mo及びTiでは、ライフタイム値が増加するとともに、金属汚染量が低下し、汚染管理を高感度にできたことがわかる。図7に示すように、特にTiは、金属汚染量の低下の傾きが急であることから、特に高感度に汚染管理をできたことがわかる。一方で、図8に示すように、比較例2では、Fe、Mo、Tiのいずれも金属汚染が十分に検出できず、よって高感度な汚染管理をできなかったことがわかる。
1:気相成長装置
2:チャンバ
3:サセプタ
3a:サセプタサポート
3b:サセプタ支持軸
3c:サポートアーム
31:ベースリング
32:アッパードーム
33:ロアドーム
4a:開口(ガス流入口)
4b:開口(ガス排出口)
5:ロアライナー
W:ウェーハ
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記ウェーハ汚染評価工程において前記金属汚染度を評価された前記汚染評価用ウェーハのTiが、1×107atoms/cm2以下となるように汚染管理された、前記気相成長装置を用いてエピタキシャル成長を行うことが好ましい。

Claims (8)

  1. 汚染評価用ウェーハを気相成長装置のチャンバの内部に搬入する、ウェーハ搬入工程と、
    前記汚染評価用ウェーハを、1190℃以上の熱処理温度で30slm以下の水素流量で熱処理する、熱処理工程と、
    前記チャンバの内部から前記汚染評価用ウェーハを搬出する、ウェーハ搬出工程と、
    前記汚染評価用ウェーハの金属汚染度を評価する、ウェーハ汚染評価工程と、を含むことを特徴とする気相成長装置の汚染管理方法。
  2. 前記熱処理工程における前記熱処理温度は、1250℃以下である、請求項1に記載の気相成長装置の汚染管理方法。
  3. 前記熱処理工程における前記水素流量は、10slm以上20slm以下である、請求項1又は2に記載の気相成長装置の汚染管理方法。
  4. 前記金属汚染度を評価される金属は、Mo、W、Ti、Nb、Ta、Cr、Ni、Cuの少なくともいずれかである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の気相成長装置の汚染管理方法。
  5. 前記金属汚染度を評価される金属は、Tiである、請求項4に記載の気相成長装置の汚染管理方法。
  6. Feが、3×107atoms/cm2以下であるという評価結果を得た後、Tiの金属汚染度を評価する、請求項5に記載の気相成長装置の汚染管理方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の汚染管理方法を用いて汚染管理された気相成長装置を用いてエピタキシャル成長を行う、エピタキシャルウェーハの製造方法。
  8. 前記汚染管理された前記気相成長装置は、Tiが、1×107atoms/cm2以下である、請求項7に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
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