JP3594074B2 - シリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法 - Google Patents
シリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法に関し、特にシリコンウェーハの面内温度均一化を通じたシリコンエピタキシャル層の表面粗さの高精度な管理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスのデザイン・ルールは、実用レベルで既にサブクォーター・ミクロンのレベルに到達している。微細化によって半導体デバイスの取扱い電荷量が減少すると、シリコン単結晶基板表面近傍のわずかな微小欠陥もデバイス特性に致命的な影響を与えるおそれが従来以上に大きくなり、特にバイポーラ回路やＣＭＯＳ回路の性能劣化が問題となる。
そこで今後は、融液から引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、鏡面研磨して製造されるシリコン単結晶基板に替わり、その表面にさらにシリコンエピタキシャル層を気相成長させて得られるシリコンエピタキシャルウェーハの利用が増加するものと予想される。以降、シリコン単結晶基板とシリコンエピタキシャルウェーハとを併せてシリコンウェーハと総称する。
【０００３】
シリコンエピタキシャルウェーハにおいては、高度な厚さ均一性が要求される。この厚さ均一性は、元々のシリコン単結晶基板が高度に平坦であることから、該シリコン単結晶基板上に気相成長されるシリコンエピタキシャル層の平坦性と言い換えてもよい。高度な平坦性が要求されるのは、近年のフォトリソグラフィに用いられる露光光の波長が遠紫外線波長域まで短波長化され、焦点深度が著しく低減しているため、少しでもプロセスマージンを稼ぐ必要があるからである。しかもこの要求は、シリコンウェーハの口径が現行の２００ｍｍから３００ｍｍ、さらにはそれより上へと拡大するにつれて、ますます厳しくなってゆく。
【０００４】
図８に、枚葉式の気相薄膜成長装置２０の一構成例を示す。この装置は、透明石英からなる反応容器２１内に１枚ずつ載置されたシリコンウェーハＷを上下より赤外線ランプ２９ａ，２９ｂを用いて輻射加熱しながら、薄膜の気相成長を行わせるものである。この赤外線ランプ２９ａ，２９ｂは二重の同心円状に配列されており、赤外線ランプ２９ａが外側の一組、赤外線ランプ２９ｂが内側の一組を構成している。
上記反応容器２１内は、シリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ２５によって上部空間２１ａと下部空間２１ｂとに分割されている。この上部空間２１ａでは、ガス供給孔２２からキャリアガスであるＨ２ガスと共に導入された原料ガスがシリコンウェーハＷの表面をほぼ層流を形成しながら図中矢印Ａ方向に流れ、反対側の排気孔２４から排出される。下部空間２１ｂには、上記原料ガスよりも高圧にてパージガスであるＨ２ガスが供給されている。パージガスを高圧とするのは、反応容器２１とサセプタ２５との間の隙間から下部空間２１ｂへの原料ガスの進入を防止するためである。
【０００５】
上記下部空間２１ｂには、上記サセプタ２５をその裏面から支えるための石英からなるサポート手段と、サセプタ２５上でシリコンウェーハＷを着脱するためのリフトピン２８が内蔵されている。
上記サポート手段は、回転軸２６と、該回転軸２６から放射状に分岐される複数のスポーク２７とから構成される。上記スポーク２７の末端および回転軸２６の先端部には垂直ピン２７ｂ，２７ｃがそれぞれ設けられ、該垂直ピン２７ｂ，２７ｃの先端が上記サセプタ２５の裏面に設けられた凹部２５ｃ，２５ｄにそれぞれ嵌合されることによりこれを支えるようになされている。上記回転軸２６は、図示されない駆動手段によって図中矢印Ｃ方向に回転可能とされている。
【０００６】
上記リフトピン２８は頭部が拡径され、この頭部がシリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ２５の座繰り部２５ａの底面に設けられた貫通孔２５ｂのテーパ状側壁部に懸吊されている。リフトピン２８の軸部はスポーク２７の中途部に穿設された貫通孔２７ａに挿通され、該リフトピン２８が安定に垂下されるようになされている。
【０００７】
サセプタ２５上におけるシリコンウェーハＷの着脱は、サポート手段の昇降により行う。たとえば、シリコンウェーハＷをサセプタ２５から取り外す場合、図９に示されるようにサポート手段を下降させ、リフトピン２８の尾部を反応容器２１の下部空間２１ｂの内壁に当接させる。これによって付勢されたリフトピン２８が、その頭部においてシリコンウェーハＷの裏面に衝合し、該シリコンウェーハＷを座繰り部２５ａの上方へ浮上させる。この後、サセプタ２５とシリコンウェーハＷとの間の空間に図示されないハンドラを挿入し、シリコンウェーハＷの受け渡しおよび搬送を行う。
【０００８】
上記サセプタ２５の構成材料としては通常、黒鉛基材をＳｉＣ（炭化珪素）の被膜でコーティングしたものが用いられている。基材として黒鉛が選択されているのは、開発当初の気相薄膜成長装置の加熱方式の主流が高周波誘導加熱であったことと関連しているが、その他にも高純度品が得やすいこと、加工が容易であること、熱伝導率に優れていること、破損しにくい等のメリットがあるからである。ただし、黒鉛は多孔質体であるが故にプロセス中に吸蔵ガスを放出する可能性があること、また、気相薄膜成長の過程では黒鉛と原料ガスが反応してサセプタの表面がＳｉＣに変化すること等の問題があり、その表面を最初からＳｉＣ被膜で覆う構成が一般化したのである。ＳｉＣ被膜は通常、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成されている。
上記リフトピン２８の構成材料もサセプタ２５と同様、黒鉛基材のＳｉＣ被覆物とされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリコンエピタキシャルウェーハの平坦度に対する要求は年々厳しさを増しているが、上述のような構成上および材料上の工夫を経た枚葉式気相薄膜成長装置をもってしても、シリコンエピタキシャルウェーハの面内位置によってエピタキシャル層の厚みに差があることがわかってきた。特に、シリコンエピタキシャル層の厚みが概ね８μｍを超えると、シリコンエピタキシャル層の面内厚さの差が実用上好ましくないレベルにまで強調される傾向がある。
【００１０】
図１０に、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）、抵抗率０．０１Ω・ｃｍ〜０．０２Ω・ｃｍのｐ＋型シリコン単結晶基板上に、目標厚さ１５μｍでｐ型のシリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を気相成長させた場合について、本発明者らにより観測されたシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す。（ａ）図は膜厚分布の測定方向を示し、結晶方位を示すノッチＮ（ｎｏｔｃｈ）に向かう方向を縦方向、これに直交する方向を横方向としている。（ｂ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの横方向距離に対する膜厚分布、（ｃ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの縦方向距離に対する膜厚分布をそれぞれ示すものである。
【００１１】
これらの図より明らかなように、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心において、シリコンエピタキシャル層の厚さが落ち込む傾向にある。
この厚さの落込みにより、フラットネスがＳＥＭＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ） の定義によるＳＦＱＤ（ＳＥＭＩ Ｍ１−９６）で０．３μｍ程度と極端に大きくなるため、シリコンエピタキシャルウェーハの製造においてフラットネスの不良率が４％を超えることもある。ここで、ＳＥＭＩの定義によるＳＦＱＤとは、ウェーハ全面を２０ｍｍ角のセルに分割し、ベストフィット法で求めた基準面と各セルに発生している凸部または凹部との標高差の最大値を絶対値で表したものである。
【００１２】
同様の傾向が、レーザ散乱光検出装置を用いてシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を測定した結果を示す図１１においても観察されることが、本発明者らにより新たに見出された。
レーザ散乱光検出装置は、レーザ光でシリコンウェーハ面を走査して得られる散乱光の強度を計測することにより、微粒子や面粗さの大きさを検出する装置である。散乱光の強度は、ｐｐｍの単位を用いて表される。たとえば、０．５ｐｐｍとは、入射光の強度に対して百万分の０．５の強度の散乱光が計測されたことを表す。また、散乱光の強度は表面粗さの大きさに比例するので、たとえば散乱光の強度が大きい時には凹凸が比較的大きいことがわかる。
レーザ散乱光検出装置は、シリコンウェーハの主表面全体を測定することができるが、シリコンウェーハ面の周縁部では面取り部からの無視し得ないレベルの乱反射光が同時に測定されるので、通常、シリコンウェーハ面の周縁部の幅数ｍｍの範囲で得られた測定値は除外する。
【００１３】
図１１において、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面は、その表面粗さの大きさに応じＡ〜Ｄの各領域に大別することができる。ウェーハの周辺部を概ね３等分するごとく弧状に占める領域Ａと、該領域Ａの途切れ目の内側を中心に島状をなす領域Ｂでは散乱光の強度が０．３４５ｐｐｍ〜０．３６５ｐｐｍと大きいので、比較的大きな表面粗さが発生していることがわかる。一方、ウェーハの中心部に円状に発生する領域Ｃと、上記領域Ａの途切れ目付近に点状に発生する領域Ｄでは散乱光の強度が０．３３０ｐｐｍ〜０．３３５ｐｐｍと小さく、表面粗さは比較的小さいことがわかる。
この散乱光の強度の最大値（０．３６５ｐｐｍ）と最小値（０．３３０ｐｐｍ）との差より、上記のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さには散乱光の強度で表すと０．０３５ｐｐｍのバラツキがあることがわかる。
【００１４】
このように、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さの分布状況を示す図１１においても、図１０と同様にシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心において表面粗さが小さくなる傾向がある。
ただし、表面粗さから膜厚の変化量を直接に推定することはできない。これは、表面粗さが主にシリコンウェーハの面内温度分布に依存するのに対し、膜厚の変化量はシリコンウェーハの面内温度分布のみならず、原料ガスの供給量の面内分布に影響されてしまうからである。
【００１５】
しかしいずれにしても、デザインルールが０．１３μｍ以下に縮小される今後の半導体プロセスへの適用を想定した場合、上記のような膜厚分布は実用上許容できるものではない。
そこで本発明は、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの均一性をさらに改善すると共に、フラットネスと膜厚の面内分布を改善したシリコンエピタキシャルウェーハ、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて算出した該表面粗さの面内分布が０．０２ｐｐｍ以下に抑えられたシリコンエピタキシャル層を有するものである。
累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を上下端からそれぞれ除外するということは、全測定値の平均値ｘを中心とするｘ±３σ（σは標準偏差）の範囲外にある測定値を除外することにほぼ等しい。
【００１７】
本発明者らは、このようなシリコンエピタキシャルウェーハを製造するには、石英からなるサポート手段の形状を改善して、上述の中央の垂直ピン２７ｃを省略すると共に、支持部材（上述のスポーク２７に相当）の末端部（上述の垂直ピン２７ｂに相当）のサセプタ裏面への当接位置を従来よりも外周側へずらすことにより良好な結果が得られることを見出し、本発明を提案するに至ったものである。このとき、上記サセプタの外周縁から上記支持部材の末端部の当接部位までの距離は、シリコンウェーハの面内最高温度に対するシリコンウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値に設定される。
【００１８】
また、上記サセプタは所定の回転軸の回りに回転されるものであるが、加熱手段が所定の中心軸の周囲に配列された複数の赤外線ランプである場合には、この中心軸をサセプタの回転軸に対して偏心させておくことにより、サポート手段による従来の遮蔽部位へも斜め下方向から加熱手段の輻射熱が到達できるようになる。したがって、サセプタ面内における局所的な温度低下を緩和することができ、該サセプタ上のシリコンウェーハの対応部位における薄膜の膜厚減少を予防することができる。
さらに、サセプタの裏面と支持部材との間の距離を従来より離すことによっても、支持部材の影響を緩和することができる。上記距離は、シリコンウェーハ面内の最高温度と最低温度との差を７℃以内に抑え得る値に設定する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、レーザ散乱光検出装置を用いて測定されたシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布が、温度の不均一性に起因するシリコンエピタキシャル層の膜厚分布と類似の傾向を有することに着目して提案されるものである。
表面粗さは成長温度と相関があり、図１に示されるように、成長温度が低いと表面粗さは減少するが、成長温度が高くなるにしたがって増大する傾向がある。そして、一般的なシリコンエピタキシャル成長温度である１１３０℃付近で表面粗さが０．０２ｐｐｍ変化するということは、局所的に７℃の成長温度差が存在することを意味する。通常のシリコンエピタキシャル成長が行われる１０５０℃以上の供給律速温度域においては、成長温度差を７℃以下にすると成長温度が実質的に変化せず、局所的に見ても均一な成長速度を達成することができる。
【００２０】
このことを念頭において前掲の図１１を再びみると、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中央の領域Ｃと周辺３カ所の領域Ｄは温度が相対的に低い領域であることがわかる。これら領域Ｃ，Ｄは、それぞれ垂直ピン２７ｃおよびリフトピン２８の当接部位に対応している。
領域Ｃは、裏面から垂直ピン２７ｃが当接される部位であるが、回転軸２６による空間的な遮蔽により赤外線ランプ２９ｂの熱が到達しにくく、このために温度低下が生じているものと考えられる。
領域Ｄは、裏面からリフトピン２８が当接される部位であるが、リフトピン２８の構成材料である黒鉛基材の熱伝導率が極めて高いために、リフトピン２８を熱伝導経路とする放熱が生じ、このために温度低下が生じているものと考えられる。
島状の領域Ｂは、周囲よりもやや温度の高い領域であり、中心軸２６から３方向に延びるスポーク２７の配設部位に対応している。このスポーク２７の構成材料である石英は、熱伝導率の低さに起因して大きな蓄熱効果を発揮するため、一旦加熱されるとその近傍の温度を上昇させるものと考えられる。
【００２１】
本発明は、このようにシリコンウェーハ面内の温度分布に影響を与える可能性のあるサポート手段の形状を工夫することにより、面内温度分布を均一化させようとするものである。
この工夫のひとつとして、サセプタの外周縁から前記支持部材の末端部の当接部位までの距離を従来よりも縮める、すなわち当接部位をシリコンウェーハの周縁部から遠ざけるのであるが、サセプタの直径，厚さ，熱伝導率、加熱手段の出力、支持部材の末端部の形状や寸法など、気相薄膜成長装置の仕様によって上記の距離の最適値はすべて異なり、寸法で一概に規定することはできない。本発明において、「サセプタ上に載置されるシリコンウェーハの面内最高温度に対するウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値」と、温度による規定がなされているのは、規定に普遍性をもたせるためである。
【００２２】
実施例１
ここでは、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハについて、図２を参照しながら説明する。なお、図２の表面粗さの表示ピッチは前掲の図１１の場合よりも小さく、同じハッチングであってもそれが意味する表面粗さは異なっている。このシリコンエピタキシャルウェーハＥＷは、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）のｐ＋型シリコン単結晶シリコンウェーハ上に、目標厚さ１５μｍにてｐ型シリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を成長させたものである。
【００２３】
本発明を示す図２には、従来例を示す前掲の図１１と同様の領域Ａ〜Ｃがみられるが、その現れ方はかなり異なっている。まず、図２のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの周辺部に３カ所に現れている表面粗さ上昇域の領域Ａは、従来例を示す図１１よりもかなり縮小している。図１１において島状に現れていた表面粗さ上昇域である領域Ｂは、本発明を示す図２では孤立しておらず、シリコンウェーハ面内により均等に分布している。また、中心部の領域Ｃは、図１１のように明瞭な円形の表面粗さ低下域ではなく、むしろ曖昧な表面粗さ上昇域として現れている。図１１にみられた点状の領域Ｄは、図１には現れていない。
【００２４】
本発明では、レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて表面粗さの面内分布を求める。図１に示したシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの場合、累積頻度０．３％以内に含まれる測定値とは、表面粗さ０．３３４ｐｐｍ以下の領域（頻度０．０８％）、および表面粗さ０．３５２ｐｐｍ以上の領域（頻度０．１５％）である。したがって、このシリコンエピタキシャルウェーハの面内粗さの最大値は０．３５２ｐｐｍ、最小値は０．３３４ｐｐｍとなり、表面粗さの面内分布は０．３５２−０．３３４＝０．０１８ｐｐｍとなる。この値は、本発明で規定する値０．０２ｐｐｍの範囲内にあり、極めて均一な面内粗さ分布を有するシリコンエピタキシャルウェーハであることが確認された。
【００２５】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの膜厚分布を図３に示す。ここで、（ａ）図は膜厚分布の測定方向を示し、結晶方位を示すノッチＮ（ｎｏｔｃｈ）に向かう方向を縦方向、これに直交する方向を横方向としている。（ｂ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの横方向距離に対する膜厚分布、（ｃ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの縦方向距離に対する膜厚分布をそれぞれ示すものである。
これらの図より明らかなように、ウェーハ中心におけるシリコンエピタキシャル層の厚さの落ち込みはほとんど現れていない。またＳＥＭＩの定義によるＳＦＱＤは、ウェーハ中心において０．０１μｍ、ウェーハ全体においても最大値が０．１７μｍであり、従来と比較して大幅に改善されていた。
【００２６】
また、シリコンエピタキシャルウェーハの製造において、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を本発明で規定する０．０２ｐｐｍ以下に抑えることにより、ＳＦＱＤにもとづくフラットネスの不良率を０．７％以下にまで改善することができた。
すなわち、シリコンエピタキシャル層の表面粗さが本発明で規定する０．０２ｐｐｍ以下に抑えられたシリコンエピタキシャルウェーハは、局所的な温度変化に起因する局所的な膜厚変化やフラットネス変化を起こさないものとなるのである。
【００２７】
実施例２
ここでは、実施例１に示したシリコンエピタキシャルウェーハの製造に用いた枚葉式の気相薄膜成長装置１０の一構成例について、図４ないし図６を参照しながら説明する。図４は気相薄膜成長装置の構成例を示す模式的断面図、図５はその一部を拡大して示す模式的断面図、図６はそのサセプタを裏面から見た平面図である。
この装置は、透明石英からなる反応室１内に１枚ずつセットされたシリコンウェーハＷを上下より赤外線ランプ９を用いて加熱しながら、気相エピタキシャル成長を行わせるものである。
上記反応容器１の内部は、ウェーハＷを載置するためのサセプタ５によって上部空間１ａと下部空間１ｂとに分割されている。
【００２８】
上記サセプタ５は、黒鉛基材をＳｉＣのＣＶＤ被膜によりコーティングした材料からなる直径２５０ｍｍ、厚さ４ｍｍの円板体であり、その上面にはシリコンウェーハＷの載置部位として座繰り部５ａが形成されている。座繰り部５ａの寸法は、たとえば８インチウェーハ（直径２００ｍｍ）を載置する場合、直径２０５ｍｍ、深さ１ｍｍとされる。
また、サセプタ５の裏面周縁部には、図６に示されるように、支持部材の末端部、すなわち後述のスポーク７の末端に備えられた垂直ピン７ｂの頭部を当接させる部位において、直径４ｍｍ、深さ２ｍｍの凹部５ｃと、直径１０ｍｍ，深さ２ｍｍの凹部５ｄが形成されている。ここではスポーク７が３本あるので、上記凹部５ｃ，５ｄは中心角１２０°を隔てて等間隔に配されている。ここでは、凹部５ｂの中心を垂直ピン７ｂの中心と等しいものと考え、サセプタ５の外周縁から凹部５ｃ，５ｄの中心までの距離を外周縁−垂直ピン間距離ｄ１と定義する。ここでは一例として、ｄ１＝５ｍｍとした。これは、従来よりも６ｍｍ外側に寄った位置である。
【００２９】
ところで、前掲の図８に示したような従来の装置では、回転軸２６の延長上において垂直ピン２７ｃが設けられており、この垂直ピン２７ｃを受けるためのサセプタ中央部裏面の凹部２５ｄを用いてサセプタ２５と支持部材との位置合わせを行っていた。
しかし、中央部の垂直ピンを省略した本発明ではこのような位置合わせを行うことができないので、代わりに周辺部の凹部のひとつを位置合わせに用いる。上記の凹部５ｃが他の２つの凹部５ｄに比べて縮径されているのはそのためである。すなわち、スポーク７の末端部の垂直ピン７ｂをほぼ隙間なく収容できる直径を有する凹部５ｃを位置合わせに利用し、他の２つの凹部５ｄには若干の余裕を持たせているのである。
【００３０】
反応容器１内の上部空間１ａでは、ガス供給孔２からキャリアガスであるＨ２ ガスと共に導入された原料ガスがシリコンウェーハＷの表面をほぼ層流を形成しながら図中矢印Ａ方向に流れ、反対側の排気孔４から排出される。
下部空間１ｂには、上記原料ガスよりも高圧にてパージガスであるＨ２ ガスが供給されている。パージガスを高圧とするのは、反応容器１とサセプタ５との間の隙間から下部空間１ｂへの原料ガスの進入を防止するためである。
この下部空間１ｂには、上記サセプタ５をその裏面から支えるための石英からなるサポート手段と、サセプタ５上でシリコンウェーハＷを着脱するためのリフトピン８が内蔵されている。
【００３１】
上記サポート手段は、回転軸６と、該回転軸６から放射状に分岐されるたとえば３本のスポーク７とから構成される。上記スポーク７の末端には垂直ピン７ｂが設けられ、その先端が上記サセプタ５の裏面に設けられた凹部５ｃに嵌合されることによりこれを支えるようになされている。従来の装置のように、回転軸の延長上においてサセプタの中央裏面に当接される垂直ピンに相当する部材は、本発明の装置には存在しない。上記サセプタ５の裏面とスポーク７との間の距離を、サセプタ−スポーク間距離ｄ２と定義する。ここでは一例として、ｄ２＝１５ｍｍとした。
上記回転軸６は、図示されない駆動手段によって図中矢印Ｃ方向に回転可能とされている。
【００３２】
上記リフトピン８は頭部が拡径され、この頭部がシリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ５の座繰り部５ａの底面に設けられた貫通孔５ｂのテーパ状側壁部に懸吊されている。リフトピン８の軸部はスポーク７の中途部に穿設された貫通孔７ａに挿通され、該リフトピン８が安定に垂下されるようになされている。
このリフトピン８の構成材料として、本実施例ではＳｉＣ基材をＳｉＣ被膜でコーティングしたものを採用した。上記ＳｉＣ基材は、従来の黒鉛基材に比べて熱伝導率が低いものである。
サセプタ５上におけるシリコンウェーハＷの着脱は、サポート手段の昇降により行う。たとえば、シリコンウェーハＷをサセプタ５から取り外す場合、サポート手段を下降させ、リフトピン８の尾部を反応容器１の下部空間１ｂの内壁に当接させる。これによって付勢されたリフトピン８が、その頭部においてシリコンウェーハＷの裏面に衝合し、該シリコンウェーハＷを座繰り部５ａの上方へ浮上させる。この後、サセプタ５とシリコンウェーハＷとの間の空間に図示されないハンドラを挿入し、シリコンウェーハＷの受け渡しおよび搬送を行う。
【００３３】
上記赤外線ランプ９ａ，９ｂは、複数のランプが二重の同心円状に配列されたものである。赤外線ランプ９ａは外側の一組、赤外線ランプ９ｂは内側の一組を構成しており、またこれら各組の空間的な中心軸は上記サセプタ５の回転軸６に一致されている。これら２組の赤外線ランプ９ａ，９ｂへは通電量が独立に制御できるようになされており、したがってこれら２組による加熱量は独立に調節可能とされている。
【００３４】
ここで、上記の気相薄膜成長装置を用いて実際にシリコンエピタキシャル層の気相成長を行った。
使用したシリコン単結晶基板は、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）のｐ＋型のシリコン単結晶基板であり、この上に目標厚さ１５μｍにてｐ型のシリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を成長させた。
エピタキシャル成長条件は、一例として下記のとおりとした。
Ｈ２アニール条件： １１３０℃，４５秒
エピタキシャル成長温度： １１３０℃
Ｈ２流量： ４０リットル／分
原料ガス（ＳｉＨＣｌ３をＨ２で希釈）流量： １２リットル／分
ドーパント（Ｂ２Ｈ６をＨ２で希釈）流量： １００ｍｌ／分
シリコンエピタキシャル層の成長に際しては、まず上記のようにしてシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を０．０２ｐｐｍ以下に抑えるようにシリコン単結晶基板の温度分布を最適化した。そして次に、原料ガスの供給量を調整してウェーハ内の膜厚分布を調整した。
【００３５】
このようにして得られたのが、実施例１で前述したシリコンエピタキシャルウェーハである。このシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さ分布は０．０１８ｐｐｍであり、その表面粗さ分布の大きさからシリコンウェーハＷの面内最高温度と最低温度との差を７℃以内に抑えるための上述の装置構成上の工夫が反映されていることがわかる。
まず、ウェーハ中央部の領域Ｃの表面粗さ低下、すなわち温度低下が抑えられたのは、サセプタ中央部裏面に当接される垂直ピンが省略され、また内側の赤外線ランプ９ｂの出力が外側の赤外線ランプ９ａの出力に比べて大とされた結果である。また領域Ａが相対的に縮小されたのは、スポーク７の末端部の垂直ピン７ｂの当接位置が従来より外周側に寄せられたからである。さらに、領域Ｂが不明瞭となったのは、サセプタ−スポーク間距離ｄ２が従来よりも拡大されたからである。
さらに、領域Ｄが消失したのは、リフトピン８の構成材料として、従来の黒鉛基材に比べて熱伝導率が低いＳｉＣ基材を採用したからである。
【００３６】
ところで、上記の装置において、サセプタ−スポーク間距離ｄ２を拡大し、かつ赤外線ランプアセンブリの空間的な中心軸をサセプタの回転軸６に対して偏心させることも有効である。かかる気相薄膜成長装置の構成例を図７に示す。
この図に示す気相薄膜成長装置１１の基本構成は、前掲の図４に示した気相薄膜成長装置１０とほぼ同じであるが、サセプタ−スポーク間距離ｄ２はｄ１より大とされている。
また、回転軸６の軸線Ｘ１と、赤外線ランプ９ａ，９ｂのアセンブリの中心軸Ｘ２とは一致されていない。
かかる構成により、シリコンエピタキシャルウェーハの表面粗さ分布を一層均一化することが可能である。
【００３７】
本発明の製造方法によると、局所的にみても実質的に均一な成長速度を確保できる温度差の範囲内で気相成長を行うことができるので、局所的な温度変化に起因する局所的な膜厚変化やフラットネス変化のない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。
換言すると、本発明の製造方法により発生するウェーハ内の膜厚バラツキは、実質的に原料ガスの供給量の面内分布のみに起因するものとなるので、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を０．０２ｐｐｍ以下に抑えるようにシリコンウェーハの温度分布を最適化した後に、さらに原料ガスの供給量を適宜調整することにより、膜厚がより一層均一な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。
たとえば、従来のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷを示す前掲の図１０において、ウェーハ面内で約０．４μｍあった膜厚分布は、本発明の製造方法により図３に示されるように、半分の約０．２μｍにまで改善された。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。たとえば、サポート手段やリフト手段の形状や回転軸の先端部から分岐されるスポークの本数、使用するシリコンウェーハの口径、シリコンエピタキシャル成長の条件、気相薄膜成長装置の構成の細部については適宜変更、選択、組合せが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の気相薄膜成長装置ではサポート手段に形状や寸法上の改良を施し、また必要に応じて加熱手段との相対位置の変更を行ったので、加熱手段からの輻射熱によるサセプタの温度分布が最適化され、これにより該サセプタに載置されるシリコンウェーハ上においてシリコンエピタキシャル層の膜の表面粗さ均一性が改善されると共に、フラットネスと膜厚の面内分布が改善される。
本発明は、シリコンウェーハの大口径化に伴って主流となることが予想される枚葉式気相薄膜成長装置の実用性能を高める技術であり、特に高品質のシリコンエピタキシャルウェーハの作製に有効であり、半導体製造分野における産業上の価値は極めて高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンエピタキシャル層の表面粗さと気相成長温度との関係を表すグラフである。
【図２】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を示すチャートである。
【図３】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す図であり（ａ）図は測定方向を説明するためのウェーハ平面図、（ｂ）図はウェーハの横方向直径に沿った膜厚分布、（ｃ）図はウェーハの縦方向直径に沿った膜厚分布をそれぞれ表す。
【図４】本発明で使用可能な気相薄膜成長装置の構成例を示す模式的断面図である。
【図５】図４の気相薄膜成長装置の一部を拡大して示す模式的断面図である。
【図６】図４の気相薄膜成長装置のサセプタを裏面から見た平面図である。
【図７】図４の気相薄膜成長装置のサセプタ−スポーク間距離を広げた例を示す模式的断面図である。
【図８】従来の気相薄膜成長装置の典型的な構成例において、気相成長中の使用状態を示す模式的断面図である。
【図９】従来の気相薄膜成長装置の典型的な構成例において、リフトピンを用いてシリコンウェーハをサセプタから上昇させた状態を示す模式的断面図である。
【図１０】従来のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す図であり、（ａ）図は測定方向を説明するためのウェーハ平面図、（ｂ）図はウェーハの横方向直径に沿った膜厚分布、（ｃ）図はウェーハの縦方向直径に沿った膜厚分布をそれぞれ表す。
【図１１】従来のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を示すチャートである。
【符号の説明】
１ 反応容器
１ａ （反応容器の）上部空間
１ｂ （反応容器の）下部空間
５ サセプタ
５ａ 座繰り部
５ｃ，５ｄ （サセプタ裏面の）凹部
７ スポーク
７ｂ 垂直ピン
８ リフトピン
９ 赤外線ランプ
１０，１１ 気相薄膜成長装置
Ｗ シリコンウェーハ
ＥＷ シリコンエピタキシャルウェーハ
ｄ１ 外周縁−垂直ピン間距離
ｄ２ サセプタ−スポーク間距離
Ｘ１ （回転軸６の）軸線
Ｘ２ （赤外線ランプアセンブリの空間的な）中心軸
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法に関し、特にシリコンウェーハの面内温度均一化を通じたシリコンエピタキシャル層の表面粗さの高精度な管理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスのデザイン・ルールは、実用レベルで既にサブクォーター・ミクロンのレベルに到達している。微細化によって半導体デバイスの取扱い電荷量が減少すると、シリコン単結晶基板表面近傍のわずかな微小欠陥もデバイス特性に致命的な影響を与えるおそれが従来以上に大きくなり、特にバイポーラ回路やＣＭＯＳ回路の性能劣化が問題となる。
そこで今後は、融液から引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、鏡面研磨して製造されるシリコン単結晶基板に替わり、その表面にさらにシリコンエピタキシャル層を気相成長させて得られるシリコンエピタキシャルウェーハの利用が増加するものと予想される。以降、シリコン単結晶基板とシリコンエピタキシャルウェーハとを併せてシリコンウェーハと総称する。
【０００３】
シリコンエピタキシャルウェーハにおいては、高度な厚さ均一性が要求される。この厚さ均一性は、元々のシリコン単結晶基板が高度に平坦であることから、該シリコン単結晶基板上に気相成長されるシリコンエピタキシャル層の平坦性と言い換えてもよい。高度な平坦性が要求されるのは、近年のフォトリソグラフィに用いられる露光光の波長が遠紫外線波長域まで短波長化され、焦点深度が著しく低減しているため、少しでもプロセスマージンを稼ぐ必要があるからである。しかもこの要求は、シリコンウェーハの口径が現行の２００ｍｍから３００ｍｍ、さらにはそれより上へと拡大するにつれて、ますます厳しくなってゆく。
【０００４】
図８に、枚葉式の気相薄膜成長装置２０の一構成例を示す。この装置は、透明石英からなる反応容器２１内に１枚ずつ載置されたシリコンウェーハＷを上下より赤外線ランプ２９ａ，２９ｂを用いて輻射加熱しながら、薄膜の気相成長を行わせるものである。この赤外線ランプ２９ａ，２９ｂは二重の同心円状に配列されており、赤外線ランプ２９ａが外側の一組、赤外線ランプ２９ｂが内側の一組を構成している。
上記反応容器２１内は、シリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ２５によって上部空間２１ａと下部空間２１ｂとに分割されている。この上部空間２１ａでは、ガス供給孔２２からキャリアガスであるＨ２ガスと共に導入された原料ガスがシリコンウェーハＷの表面をほぼ層流を形成しながら図中矢印Ａ方向に流れ、反対側の排気孔２４から排出される。下部空間２１ｂには、上記原料ガスよりも高圧にてパージガスであるＨ２ガスが供給されている。パージガスを高圧とするのは、反応容器２１とサセプタ２５との間の隙間から下部空間２１ｂへの原料ガスの進入を防止するためである。
【０００５】
上記下部空間２１ｂには、上記サセプタ２５をその裏面から支えるための石英からなるサポート手段と、サセプタ２５上でシリコンウェーハＷを着脱するためのリフトピン２８が内蔵されている。
上記サポート手段は、回転軸２６と、該回転軸２６から放射状に分岐される複数のスポーク２７とから構成される。上記スポーク２７の末端および回転軸２６の先端部には垂直ピン２７ｂ，２７ｃがそれぞれ設けられ、該垂直ピン２７ｂ，２７ｃの先端が上記サセプタ２５の裏面に設けられた凹部２５ｃ，２５ｄにそれぞれ嵌合されることによりこれを支えるようになされている。上記回転軸２６は、図示されない駆動手段によって図中矢印Ｃ方向に回転可能とされている。
【０００６】
上記リフトピン２８は頭部が拡径され、この頭部がシリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ２５の座繰り部２５ａの底面に設けられた貫通孔２５ｂのテーパ状側壁部に懸吊されている。リフトピン２８の軸部はスポーク２７の中途部に穿設された貫通孔２７ａに挿通され、該リフトピン２８が安定に垂下されるようになされている。
【０００７】
サセプタ２５上におけるシリコンウェーハＷの着脱は、サポート手段の昇降により行う。たとえば、シリコンウェーハＷをサセプタ２５から取り外す場合、図９に示されるようにサポート手段を下降させ、リフトピン２８の尾部を反応容器２１の下部空間２１ｂの内壁に当接させる。これによって付勢されたリフトピン２８が、その頭部においてシリコンウェーハＷの裏面に衝合し、該シリコンウェーハＷを座繰り部２５ａの上方へ浮上させる。この後、サセプタ２５とシリコンウェーハＷとの間の空間に図示されないハンドラを挿入し、シリコンウェーハＷの受け渡しおよび搬送を行う。
【０００８】
上記サセプタ２５の構成材料としては通常、黒鉛基材をＳｉＣ（炭化珪素）の被膜でコーティングしたものが用いられている。基材として黒鉛が選択されているのは、開発当初の気相薄膜成長装置の加熱方式の主流が高周波誘導加熱であったことと関連しているが、その他にも高純度品が得やすいこと、加工が容易であること、熱伝導率に優れていること、破損しにくい等のメリットがあるからである。ただし、黒鉛は多孔質体であるが故にプロセス中に吸蔵ガスを放出する可能性があること、また、気相薄膜成長の過程では黒鉛と原料ガスが反応してサセプタの表面がＳｉＣに変化すること等の問題があり、その表面を最初からＳｉＣ被膜で覆う構成が一般化したのである。ＳｉＣ被膜は通常、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成されている。
上記リフトピン２８の構成材料もサセプタ２５と同様、黒鉛基材のＳｉＣ被覆物とされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリコンエピタキシャルウェーハの平坦度に対する要求は年々厳しさを増しているが、上述のような構成上および材料上の工夫を経た枚葉式気相薄膜成長装置をもってしても、シリコンエピタキシャルウェーハの面内位置によってエピタキシャル層の厚みに差があることがわかってきた。特に、シリコンエピタキシャル層の厚みが概ね８μｍを超えると、シリコンエピタキシャル層の面内厚さの差が実用上好ましくないレベルにまで強調される傾向がある。
【００１０】
図１０に、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）、抵抗率０．０１Ω・ｃｍ〜０．０２Ω・ｃｍのｐ＋型シリコン単結晶基板上に、目標厚さ１５μｍでｐ型のシリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を気相成長させた場合について、本発明者らにより観測されたシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す。（ａ）図は膜厚分布の測定方向を示し、結晶方位を示すノッチＮ（ｎｏｔｃｈ）に向かう方向を縦方向、これに直交する方向を横方向としている。（ｂ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの横方向距離に対する膜厚分布、（ｃ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの縦方向距離に対する膜厚分布をそれぞれ示すものである。
【００１１】
これらの図より明らかなように、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心において、シリコンエピタキシャル層の厚さが落ち込む傾向にある。
この厚さの落込みにより、フラットネスがＳＥＭＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ） の定義によるＳＦＱＤ（ＳＥＭＩ Ｍ１−９６）で０．３μｍ程度と極端に大きくなるため、シリコンエピタキシャルウェーハの製造においてフラットネスの不良率が４％を超えることもある。ここで、ＳＥＭＩの定義によるＳＦＱＤとは、ウェーハ全面を２０ｍｍ角のセルに分割し、ベストフィット法で求めた基準面と各セルに発生している凸部または凹部との標高差の最大値を絶対値で表したものである。
【００１２】
同様の傾向が、レーザ散乱光検出装置を用いてシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を測定した結果を示す図１１においても観察されることが、本発明者らにより新たに見出された。
レーザ散乱光検出装置は、レーザ光でシリコンウェーハ面を走査して得られる散乱光の強度を計測することにより、微粒子や面粗さの大きさを検出する装置である。散乱光の強度は、ｐｐｍの単位を用いて表される。たとえば、０．５ｐｐｍとは、入射光の強度に対して百万分の０．５の強度の散乱光が計測されたことを表す。また、散乱光の強度は表面粗さの大きさに比例するので、たとえば散乱光の強度が大きい時には凹凸が比較的大きいことがわかる。
レーザ散乱光検出装置は、シリコンウェーハの主表面全体を測定することができるが、シリコンウェーハ面の周縁部では面取り部からの無視し得ないレベルの乱反射光が同時に測定されるので、通常、シリコンウェーハ面の周縁部の幅数ｍｍの範囲で得られた測定値は除外する。
【００１３】
図１１において、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面は、その表面粗さの大きさに応じＡ〜Ｄの各領域に大別することができる。ウェーハの周辺部を概ね３等分するごとく弧状に占める領域Ａと、該領域Ａの途切れ目の内側を中心に島状をなす領域Ｂでは散乱光の強度が０．３４５ｐｐｍ〜０．３６５ｐｐｍと大きいので、比較的大きな表面粗さが発生していることがわかる。一方、ウェーハの中心部に円状に発生する領域Ｃと、上記領域Ａの途切れ目付近に点状に発生する領域Ｄでは散乱光の強度が０．３３０ｐｐｍ〜０．３３５ｐｐｍと小さく、表面粗さは比較的小さいことがわかる。
この散乱光の強度の最大値（０．３６５ｐｐｍ）と最小値（０．３３０ｐｐｍ）との差より、上記のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さには散乱光の強度で表すと０．０３５ｐｐｍのバラツキがあることがわかる。
【００１４】
このように、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さの分布状況を示す図１１においても、図１０と同様にシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心において表面粗さが小さくなる傾向がある。
ただし、表面粗さから膜厚の変化量を直接に推定することはできない。これは、表面粗さが主にシリコンウェーハの面内温度分布に依存するのに対し、膜厚の変化量はシリコンウェーハの面内温度分布のみならず、原料ガスの供給量の面内分布に影響されてしまうからである。
【００１５】
しかしいずれにしても、デザインルールが０．１３μｍ以下に縮小される今後の半導体プロセスへの適用を想定した場合、上記のような膜厚分布は実用上許容できるものではない。
そこで本発明は、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの均一性をさらに改善すると共に、フラットネスと膜厚の面内分布を改善したシリコンエピタキシャルウェーハ、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて算出した該表面粗さの面内分布が０．０２ｐｐｍ以下に抑えられたシリコンエピタキシャル層を有するものである。
累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を上下端からそれぞれ除外するということは、全測定値の平均値ｘを中心とするｘ±３σ（σは標準偏差）の範囲外にある測定値を除外することにほぼ等しい。
【００１７】
本発明者らは、このようなシリコンエピタキシャルウェーハを製造するには、石英からなるサポート手段の形状を改善して、上述の中央の垂直ピン２７ｃを省略すると共に、支持部材（上述のスポーク２７に相当）の末端部（上述の垂直ピン２７ｂに相当）のサセプタ裏面への当接位置を従来よりも外周側へずらすことにより良好な結果が得られることを見出し、本発明を提案するに至ったものである。このとき、上記サセプタの外周縁から上記支持部材の末端部の当接部位までの距離は、シリコンウェーハの面内最高温度に対するシリコンウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値に設定される。
【００１８】
また、上記サセプタは所定の回転軸の回りに回転されるものであるが、加熱手段が所定の中心軸の周囲に配列された複数の赤外線ランプである場合には、この中心軸をサセプタの回転軸に対して偏心させておくことにより、サポート手段による従来の遮蔽部位へも斜め下方向から加熱手段の輻射熱が到達できるようになる。したがって、サセプタ面内における局所的な温度低下を緩和することができ、該サセプタ上のシリコンウェーハの対応部位における薄膜の膜厚減少を予防することができる。
さらに、サセプタの裏面と支持部材との間の距離を従来より離すことによっても、支持部材の影響を緩和することができる。上記距離は、シリコンウェーハ面内の最高温度と最低温度との差を７℃以内に抑え得る値に設定する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、レーザ散乱光検出装置を用いて測定されたシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布が、温度の不均一性に起因するシリコンエピタキシャル層の膜厚分布と類似の傾向を有することに着目して提案されるものである。
表面粗さは成長温度と相関があり、図１に示されるように、成長温度が低いと表面粗さは減少するが、成長温度が高くなるにしたがって増大する傾向がある。そして、一般的なシリコンエピタキシャル成長温度である１１３０℃付近で表面粗さが０．０２ｐｐｍ変化するということは、局所的に７℃の成長温度差が存在することを意味する。通常のシリコンエピタキシャル成長が行われる１０５０℃以上の供給律速温度域においては、成長温度差を７℃以下にすると成長温度が実質的に変化せず、局所的に見ても均一な成長速度を達成することができる。
【００２０】
このことを念頭において前掲の図１１を再びみると、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中央の領域Ｃと周辺３カ所の領域Ｄは温度が相対的に低い領域であることがわかる。これら領域Ｃ，Ｄは、それぞれ垂直ピン２７ｃおよびリフトピン２８の当接部位に対応している。
領域Ｃは、裏面から垂直ピン２７ｃが当接される部位であるが、回転軸２６による空間的な遮蔽により赤外線ランプ２９ｂの熱が到達しにくく、このために温度低下が生じているものと考えられる。
領域Ｄは、裏面からリフトピン２８が当接される部位であるが、リフトピン２８の構成材料である黒鉛基材の熱伝導率が極めて高いために、リフトピン２８を熱伝導経路とする放熱が生じ、このために温度低下が生じているものと考えられる。
島状の領域Ｂは、周囲よりもやや温度の高い領域であり、中心軸２６から３方向に延びるスポーク２７の配設部位に対応している。このスポーク２７の構成材料である石英は、熱伝導率の低さに起因して大きな蓄熱効果を発揮するため、一旦加熱されるとその近傍の温度を上昇させるものと考えられる。
【００２１】
本発明は、このようにシリコンウェーハ面内の温度分布に影響を与える可能性のあるサポート手段の形状を工夫することにより、面内温度分布を均一化させようとするものである。
この工夫のひとつとして、サセプタの外周縁から前記支持部材の末端部の当接部位までの距離を従来よりも縮める、すなわち当接部位をシリコンウェーハの周縁部から遠ざけるのであるが、サセプタの直径，厚さ，熱伝導率、加熱手段の出力、支持部材の末端部の形状や寸法など、気相薄膜成長装置の仕様によって上記の距離の最適値はすべて異なり、寸法で一概に規定することはできない。本発明において、「サセプタ上に載置されるシリコンウェーハの面内最高温度に対するウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値」と、温度による規定がなされているのは、規定に普遍性をもたせるためである。
【００２２】
実施例１
ここでは、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハについて、図２を参照しながら説明する。なお、図２の表面粗さの表示ピッチは前掲の図１１の場合よりも小さく、同じハッチングであってもそれが意味する表面粗さは異なっている。このシリコンエピタキシャルウェーハＥＷは、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）のｐ＋型シリコン単結晶シリコンウェーハ上に、目標厚さ１５μｍにてｐ型シリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を成長させたものである。
【００２３】
本発明を示す図２には、従来例を示す前掲の図１１と同様の領域Ａ〜Ｃがみられるが、その現れ方はかなり異なっている。まず、図２のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの周辺部に３カ所に現れている表面粗さ上昇域の領域Ａは、従来例を示す図１１よりもかなり縮小している。図１１において島状に現れていた表面粗さ上昇域である領域Ｂは、本発明を示す図２では孤立しておらず、シリコンウェーハ面内により均等に分布している。また、中心部の領域Ｃは、図１１のように明瞭な円形の表面粗さ低下域ではなく、むしろ曖昧な表面粗さ上昇域として現れている。図１１にみられた点状の領域Ｄは、図１には現れていない。
【００２４】
本発明では、レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて表面粗さの面内分布を求める。図１に示したシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの場合、累積頻度０．３％以内に含まれる測定値とは、表面粗さ０．３３４ｐｐｍ以下の領域（頻度０．０８％）、および表面粗さ０．３５２ｐｐｍ以上の領域（頻度０．１５％）である。したがって、このシリコンエピタキシャルウェーハの面内粗さの最大値は０．３５２ｐｐｍ、最小値は０．３３４ｐｐｍとなり、表面粗さの面内分布は０．３５２−０．３３４＝０．０１８ｐｐｍとなる。この値は、本発明で規定する値０．０２ｐｐｍの範囲内にあり、極めて均一な面内粗さ分布を有するシリコンエピタキシャルウェーハであることが確認された。
【００２５】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの膜厚分布を図３に示す。ここで、（ａ）図は膜厚分布の測定方向を示し、結晶方位を示すノッチＮ（ｎｏｔｃｈ）に向かう方向を縦方向、これに直交する方向を横方向としている。（ｂ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの横方向距離に対する膜厚分布、（ｃ）図はシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの中心からの縦方向距離に対する膜厚分布をそれぞれ示すものである。
これらの図より明らかなように、ウェーハ中心におけるシリコンエピタキシャル層の厚さの落ち込みはほとんど現れていない。またＳＥＭＩの定義によるＳＦＱＤは、ウェーハ中心において０．０１μｍ、ウェーハ全体においても最大値が０．１７μｍであり、従来と比較して大幅に改善されていた。
【００２６】
また、シリコンエピタキシャルウェーハの製造において、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を本発明で規定する０．０２ｐｐｍ以下に抑えることにより、ＳＦＱＤにもとづくフラットネスの不良率を０．７％以下にまで改善することができた。
すなわち、シリコンエピタキシャル層の表面粗さが本発明で規定する０．０２ｐｐｍ以下に抑えられたシリコンエピタキシャルウェーハは、局所的な温度変化に起因する局所的な膜厚変化やフラットネス変化を起こさないものとなるのである。
【００２７】
実施例２
ここでは、実施例１に示したシリコンエピタキシャルウェーハの製造に用いた枚葉式の気相薄膜成長装置１０の一構成例について、図４ないし図６を参照しながら説明する。図４は気相薄膜成長装置の構成例を示す模式的断面図、図５はその一部を拡大して示す模式的断面図、図６はそのサセプタを裏面から見た平面図である。
この装置は、透明石英からなる反応室１内に１枚ずつセットされたシリコンウェーハＷを上下より赤外線ランプ９を用いて加熱しながら、気相エピタキシャル成長を行わせるものである。
上記反応容器１の内部は、ウェーハＷを載置するためのサセプタ５によって上部空間１ａと下部空間１ｂとに分割されている。
【００２８】
上記サセプタ５は、黒鉛基材をＳｉＣのＣＶＤ被膜によりコーティングした材料からなる直径２５０ｍｍ、厚さ４ｍｍの円板体であり、その上面にはシリコンウェーハＷの載置部位として座繰り部５ａが形成されている。座繰り部５ａの寸法は、たとえば８インチウェーハ（直径２００ｍｍ）を載置する場合、直径２０５ｍｍ、深さ１ｍｍとされる。
また、サセプタ５の裏面周縁部には、図６に示されるように、支持部材の末端部、すなわち後述のスポーク７の末端に備えられた垂直ピン７ｂの頭部を当接させる部位において、直径４ｍｍ、深さ２ｍｍの凹部５ｃと、直径１０ｍｍ，深さ２ｍｍの凹部５ｄが形成されている。ここではスポーク７が３本あるので、上記凹部５ｃ，５ｄは中心角１２０°を隔てて等間隔に配されている。ここでは、凹部５ｂの中心を垂直ピン７ｂの中心と等しいものと考え、サセプタ５の外周縁から凹部５ｃ，５ｄの中心までの距離を外周縁−垂直ピン間距離ｄ１と定義する。ここでは一例として、ｄ１＝５ｍｍとした。これは、従来よりも６ｍｍ外側に寄った位置である。
【００２９】
ところで、前掲の図８に示したような従来の装置では、回転軸２６の延長上において垂直ピン２７ｃが設けられており、この垂直ピン２７ｃを受けるためのサセプタ中央部裏面の凹部２５ｄを用いてサセプタ２５と支持部材との位置合わせを行っていた。
しかし、中央部の垂直ピンを省略した本発明ではこのような位置合わせを行うことができないので、代わりに周辺部の凹部のひとつを位置合わせに用いる。上記の凹部５ｃが他の２つの凹部５ｄに比べて縮径されているのはそのためである。すなわち、スポーク７の末端部の垂直ピン７ｂをほぼ隙間なく収容できる直径を有する凹部５ｃを位置合わせに利用し、他の２つの凹部５ｄには若干の余裕を持たせているのである。
【００３０】
反応容器１内の上部空間１ａでは、ガス供給孔２からキャリアガスであるＨ２ ガスと共に導入された原料ガスがシリコンウェーハＷの表面をほぼ層流を形成しながら図中矢印Ａ方向に流れ、反対側の排気孔４から排出される。
下部空間１ｂには、上記原料ガスよりも高圧にてパージガスであるＨ２ ガスが供給されている。パージガスを高圧とするのは、反応容器１とサセプタ５との間の隙間から下部空間１ｂへの原料ガスの進入を防止するためである。
この下部空間１ｂには、上記サセプタ５をその裏面から支えるための石英からなるサポート手段と、サセプタ５上でシリコンウェーハＷを着脱するためのリフトピン８が内蔵されている。
【００３１】
上記サポート手段は、回転軸６と、該回転軸６から放射状に分岐されるたとえば３本のスポーク７とから構成される。上記スポーク７の末端には垂直ピン７ｂが設けられ、その先端が上記サセプタ５の裏面に設けられた凹部５ｃに嵌合されることによりこれを支えるようになされている。従来の装置のように、回転軸の延長上においてサセプタの中央裏面に当接される垂直ピンに相当する部材は、本発明の装置には存在しない。上記サセプタ５の裏面とスポーク７との間の距離を、サセプタ−スポーク間距離ｄ２と定義する。ここでは一例として、ｄ２＝１５ｍｍとした。
上記回転軸６は、図示されない駆動手段によって図中矢印Ｃ方向に回転可能とされている。
【００３２】
上記リフトピン８は頭部が拡径され、この頭部がシリコンウェーハＷを載置するためのサセプタ５の座繰り部５ａの底面に設けられた貫通孔５ｂのテーパ状側壁部に懸吊されている。リフトピン８の軸部はスポーク７の中途部に穿設された貫通孔７ａに挿通され、該リフトピン８が安定に垂下されるようになされている。
このリフトピン８の構成材料として、本実施例ではＳｉＣ基材をＳｉＣ被膜でコーティングしたものを採用した。上記ＳｉＣ基材は、従来の黒鉛基材に比べて熱伝導率が低いものである。
サセプタ５上におけるシリコンウェーハＷの着脱は、サポート手段の昇降により行う。たとえば、シリコンウェーハＷをサセプタ５から取り外す場合、サポート手段を下降させ、リフトピン８の尾部を反応容器１の下部空間１ｂの内壁に当接させる。これによって付勢されたリフトピン８が、その頭部においてシリコンウェーハＷの裏面に衝合し、該シリコンウェーハＷを座繰り部５ａの上方へ浮上させる。この後、サセプタ５とシリコンウェーハＷとの間の空間に図示されないハンドラを挿入し、シリコンウェーハＷの受け渡しおよび搬送を行う。
【００３３】
上記赤外線ランプ９ａ，９ｂは、複数のランプが二重の同心円状に配列されたものである。赤外線ランプ９ａは外側の一組、赤外線ランプ９ｂは内側の一組を構成しており、またこれら各組の空間的な中心軸は上記サセプタ５の回転軸６に一致されている。これら２組の赤外線ランプ９ａ，９ｂへは通電量が独立に制御できるようになされており、したがってこれら２組による加熱量は独立に調節可能とされている。
【００３４】
ここで、上記の気相薄膜成長装置を用いて実際にシリコンエピタキシャル層の気相成長を行った。
使用したシリコン単結晶基板は、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）のｐ＋型のシリコン単結晶基板であり、この上に目標厚さ１５μｍにてｐ型のシリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω・ｃｍ）を成長させた。
エピタキシャル成長条件は、一例として下記のとおりとした。
Ｈ２アニール条件： １１３０℃，４５秒
エピタキシャル成長温度： １１３０℃
Ｈ２流量： ４０リットル／分
原料ガス（ＳｉＨＣｌ３をＨ２で希釈）流量： １２リットル／分
ドーパント（Ｂ２Ｈ６をＨ２で希釈）流量： １００ｍｌ／分
シリコンエピタキシャル層の成長に際しては、まず上記のようにしてシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を０．０２ｐｐｍ以下に抑えるようにシリコン単結晶基板の温度分布を最適化した。そして次に、原料ガスの供給量を調整してウェーハ内の膜厚分布を調整した。
【００３５】
このようにして得られたのが、実施例１で前述したシリコンエピタキシャルウェーハである。このシリコンエピタキシャルウェーハＥＷの表面粗さ分布は０．０１８ｐｐｍであり、その表面粗さ分布の大きさからシリコンウェーハＷの面内最高温度と最低温度との差を７℃以内に抑えるための上述の装置構成上の工夫が反映されていることがわかる。
まず、ウェーハ中央部の領域Ｃの表面粗さ低下、すなわち温度低下が抑えられたのは、サセプタ中央部裏面に当接される垂直ピンが省略され、また内側の赤外線ランプ９ｂの出力が外側の赤外線ランプ９ａの出力に比べて大とされた結果である。また領域Ａが相対的に縮小されたのは、スポーク７の末端部の垂直ピン７ｂの当接位置が従来より外周側に寄せられたからである。さらに、領域Ｂが不明瞭となったのは、サセプタ−スポーク間距離ｄ２が従来よりも拡大されたからである。
さらに、領域Ｄが消失したのは、リフトピン８の構成材料として、従来の黒鉛基材に比べて熱伝導率が低いＳｉＣ基材を採用したからである。
【００３６】
ところで、上記の装置において、サセプタ−スポーク間距離ｄ２を拡大し、かつ赤外線ランプアセンブリの空間的な中心軸をサセプタの回転軸６に対して偏心させることも有効である。かかる気相薄膜成長装置の構成例を図７に示す。
この図に示す気相薄膜成長装置１１の基本構成は、前掲の図４に示した気相薄膜成長装置１０とほぼ同じであるが、サセプタ−スポーク間距離ｄ２はｄ１より大とされている。
また、回転軸６の軸線Ｘ１と、赤外線ランプ９ａ，９ｂのアセンブリの中心軸Ｘ２とは一致されていない。
かかる構成により、シリコンエピタキシャルウェーハの表面粗さ分布を一層均一化することが可能である。
【００３７】
本発明の製造方法によると、局所的にみても実質的に均一な成長速度を確保できる温度差の範囲内で気相成長を行うことができるので、局所的な温度変化に起因する局所的な膜厚変化やフラットネス変化のない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。
換言すると、本発明の製造方法により発生するウェーハ内の膜厚バラツキは、実質的に原料ガスの供給量の面内分布のみに起因するものとなるので、シリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を０．０２ｐｐｍ以下に抑えるようにシリコンウェーハの温度分布を最適化した後に、さらに原料ガスの供給量を適宜調整することにより、膜厚がより一層均一な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。
たとえば、従来のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷを示す前掲の図１０において、ウェーハ面内で約０．４μｍあった膜厚分布は、本発明の製造方法により図３に示されるように、半分の約０．２μｍにまで改善された。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。たとえば、サポート手段やリフト手段の形状や回転軸の先端部から分岐されるスポークの本数、使用するシリコンウェーハの口径、シリコンエピタキシャル成長の条件、気相薄膜成長装置の構成の細部については適宜変更、選択、組合せが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の気相薄膜成長装置ではサポート手段に形状や寸法上の改良を施し、また必要に応じて加熱手段との相対位置の変更を行ったので、加熱手段からの輻射熱によるサセプタの温度分布が最適化され、これにより該サセプタに載置されるシリコンウェーハ上においてシリコンエピタキシャル層の膜の表面粗さ均一性が改善されると共に、フラットネスと膜厚の面内分布が改善される。
本発明は、シリコンウェーハの大口径化に伴って主流となることが予想される枚葉式気相薄膜成長装置の実用性能を高める技術であり、特に高品質のシリコンエピタキシャルウェーハの作製に有効であり、半導体製造分野における産業上の価値は極めて高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンエピタキシャル層の表面粗さと気相成長温度との関係を表すグラフである。
【図２】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を示すチャートである。
【図３】本発明のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す図であり（ａ）図は測定方向を説明するためのウェーハ平面図、（ｂ）図はウェーハの横方向直径に沿った膜厚分布、（ｃ）図はウェーハの縦方向直径に沿った膜厚分布をそれぞれ表す。
【図４】本発明で使用可能な気相薄膜成長装置の構成例を示す模式的断面図である。
【図５】図４の気相薄膜成長装置の一部を拡大して示す模式的断面図である。
【図６】図４の気相薄膜成長装置のサセプタを裏面から見た平面図である。
【図７】図４の気相薄膜成長装置のサセプタ−スポーク間距離を広げた例を示す模式的断面図である。
【図８】従来の気相薄膜成長装置の典型的な構成例において、気相成長中の使用状態を示す模式的断面図である。
【図９】従来の気相薄膜成長装置の典型的な構成例において、リフトピンを用いてシリコンウェーハをサセプタから上昇させた状態を示す模式的断面図である。
【図１０】従来のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の膜厚分布を示す図であり、（ａ）図は測定方向を説明するためのウェーハ平面図、（ｂ）図はウェーハの横方向直径に沿った膜厚分布、（ｃ）図はウェーハの縦方向直径に沿った膜厚分布をそれぞれ表す。
【図１１】従来のシリコンエピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル層の表面粗さの面内分布を示すチャートである。
【符号の説明】
１ 反応容器
１ａ （反応容器の）上部空間
１ｂ （反応容器の）下部空間
５ サセプタ
５ａ 座繰り部
５ｃ，５ｄ （サセプタ裏面の）凹部
７ スポーク
７ｂ 垂直ピン
８ リフトピン
９ 赤外線ランプ
１０，１１ 気相薄膜成長装置
Ｗ シリコンウェーハ
ＥＷ シリコンエピタキシャルウェーハ
ｄ１ 外周縁−垂直ピン間距離
ｄ２ サセプタ−スポーク間距離
Ｘ１ （回転軸６の）軸線
Ｘ２ （赤外線ランプアセンブリの空間的な）中心軸
Claims (9)
- レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて算出した表面粗さの面内分布が０．０２ｐｐｍ以下に抑えられたシリコンエピタキシャル層を有し、直径が２００ｍｍ以上であることを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハ。
- 前記表面粗さは、ほぼ同心円状の面内分布を有することを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
- 前記シリコンエピタキシャル層が有する膜厚バラツキは、実質的に原料ガスの供給量の面内分布にのみ起因するものであることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハ。
- 反応容器内に水平に支持された回転式のサセプタ上にシリコンウェーハを載置し、該シリコンウェーハを加熱しながら該シリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
垂直な回転軸の先端部から放射状に分岐された複数の支持部材の末端部を、前記シリコンウェーハの載置部位を包囲するサセプタ周縁部の裏面に当接させることにより、前記サセプタの支持を行い、かつ該サセプタの外周縁から該支持部材の末端部の当接部位までの距離を、該サセプタ上に載置されるシリコンウェーハの面内最高温度に対するウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値に設定することにより、
前記シリコンエピタキシャル層に関し、レーザ散乱光検出法による表面粗さの全測定値中、上端側および下端側からそれぞれ累積頻度０．３％以内に含まれる測定値を除いて算出した表面粗さの面内分布を０．０２ｐｐｍ以下に抑えるように、前記シリコンウェーハの温度分布を最適化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。 - 前記サセプタの裏面と前記支持部材との間の距離を、該サセプタ上に載置されるシリコンウェーハの面内最高温度に対するウェーハ縁部の温度低下を７℃以内に抑え得る値に設定することを特徴とする請求項４記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハの加熱を、前記サセプタの回転軸から偏心された中心軸の回りに軸対称に配置された複数の輻射加熱ランプを用いて行うことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハの面内温度分布を最適化した後に、シリコンエピタキシャル層の面内膜厚分布を調整することを特徴とする請求項４記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記サセプタの支持に際し、該サセプタの裏面周縁部と前記支持部材との複数の当接部位の中の１カ所を該サセプタの位置決めに用いることを特徴とする請求項４記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハ上へのシリコンエピタキシャル層の気相成長を枚葉式で行うことを特徴とする請求項４記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
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