JP3763630B2 - 薄膜エピタキシャルウェーハおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気的特性が向上し、かつ製造時の歩留りも大きい薄膜エピタキシャルウェーハに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えばCZ(Czochralski)法により作製されたシリコンウェーハにあっては、小さく高密度の欠陥や、大きく低密度の欠陥のいずれかが存在していた。これらの欠陥は、鏡面研磨後のアンモニア系洗浄において、その表面に、結晶に起因する凹みであるCOP(Crystal Originated Particle)となって現れる。このCOPはパーティクルカウンタで検出することができる。
そして、この欠陥によりシリコンウェーハの電気的特性が損なわれていた。また、その結果として、シリコンウェーハの製造における歩留りが低下していた。
【0003】
このことは、研磨後のシリコンウェーハの表面に、1000℃前後の高温下で、エピタキシャル層(以下、エピタキシャルをエピと略す場合がある)を、エピタキシャル成長させるエピタキシャルウェーハについても、同様であった。すなわち、エピタキシャル成長では、基板であるシリコンウェーハの表面の形状を倣って、エピタキシャル層の成長が行なわれる。このため、シリコンウェーハの表面にできた凹みは、エピタキシャル層の表面にも転写される。
ところで、MOS用エピタキシャルウェーハの場合には、一般的にシリコンウェーハの表面に、エピタキシャル層を2μm以上の厚さで常圧エピタキシャル成長すると、エピタキシャル層の表面にCOPが残りにくいことが知られている。これは、比較的厚くエピタキシャル成長させることにより、シリコンウェーハの表面凹みが、その成長につれて徐々に消失するからである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、MOS用エピタキシャルウェーハの場合、一般的に、シリコンウェーハの表面に、エピタキシャル層を2μm以上の厚さで常圧エピタキシャル成長すると、エピタキシャル層の表面にCOPが残りにくいことが知られている。ただし、これはエピタキシャル層の厚さが数μm程度の比較的厚いエピタキシャルウェーハで調査された結果であり、実際はどれくらいの厚さよりCOPが消失するのか、明らかでなかった。
しかも、このようなCOPの消失調査は、減圧下でエピタキシャル成長されるBi−CMOS用エピタキシャルウェーハや、高集積化に伴うラッチアップ対策として、エピタキシャル層を薄膜化するという命題がある高性能ロジック用エピタキシャルウェーハに対しては、その評価がなされていなかった。
そこで、本願発明者らは、このものについて、実際に評価実験を行なった。この結果、減圧下で薄膜のエピタキシャル層をエピタキシャル成長させると、前述したようにシリコンウェーハ側より表面の凹みが転写され、エピタキシャル層の表面にCOPが高密度で現れることがわかった。以下、この実験データについて説明する。
【0005】
なお、表1には、MOS用エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層と、Bi−CMOS用、ロジック用エピタキシャルウェーハの薄膜エピタキシャル層とのエピタキシャル成長条件における比較を示す。また、図5に、一般的な常圧エピタキシャル成長と減圧エピタキシャル成長との比較を表すグラフを示す。これは、同じロットのCZウェーハ(比抵抗ρ=10Ωcm)を、表1に示す異なる条件でエピタキシャル成長させた結果である。
【0006】
【表1】
【0007】
図5のグラフにおいて、エピタキシャル成長前にウェーハ(口径6インチ、以下同じ)当たり300〜600個カウントされたパーティクルは、単結晶シリコン基板の表面に生成されたCOPと考えられる。
(1)の常圧エピタキシャル成長では、エピタキシャル成長後にCOPがほぼ消失しているのに対し、(2)の減圧エピタキシャル成長では、エピタキシャル層のエピタキシャル成長後に基板とほぼ同数のパーティクルがカウントされた。
しかも、エピタキシャル成長後のパーティクルの90%が、エピタキシャル成長前の単結晶シリコン基板の表面にできたパーティクルの位置と一致していた。したがって、単結晶シリコン基板側のCOPは、減圧エピタキシャル成長では消失せずに残留することが明らかとなった。
【0008】
本願発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、例えば単結晶シリコン基板として、COPが存在しないか、または、COPがきわめて個数が少ないものを採用することで、エピタキシャル成長後にエピタキシャル層の表面にできるCOPをなくすことができるか、または、低減することができることを知見し、この発明を完成するに至った。
【0009】
【発明の目的】
この発明の目的は、電気的特性が向上し、かつ製造時の歩留りも大きい減圧エピタキシャル成長の薄膜エピタキシャルウェーハを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、常圧下でのエピタキシャル成長により単結晶シリコン基板上に、その厚さが0.4μm〜1.0μmの基板側のエピタキシャル層を設け、この基板側 のエピタキシャル層上に、0.13μm以上の大きさのCOPが、その表面に存在しないか、または、0.3個/cm 2 以下で存在するエピタキシャル層を、その厚さが1.0μm〜4.0μmとなるように、減圧下でエピタキシャル成長させた薄膜エピタキシャルウェーハの製造方法である。
このエピタキシャル層の表面のCOPの数を検出する装置としては、周知のパーティクルカウンタなどが挙げられる。なお、測定に使用したテンコール株式会社製のパーティクルカウンタ「SS6200」では、0.13μmが、ヘイズの影響なしに測定できるCOPの下限値である。
【0011】
請求項2に記載の発明は、単結晶シリコン基板と、この単結晶シリコン基板上に常圧下でのエピタキシャル成長により設けられ、その厚さが0.4μm〜1.0μmの基板側のエピタキシャル層と、この基板側のエピタキシャル層上に減圧下でのエピタキシャル成長により設けられ、その厚さが1.0μm〜4.0μmであり、0.13μm以上の大きさのCOPが、その表面に存在しないか、または、0.3個/cm 2 以下で存在するエピタキシャル層と、を備えた薄膜エピタキシャルウェーハである。
【0012】
【0013】
COPが0.3個/cm2を超えると製造における歩留りが低下する。また、このCOPの個数については、測定機器、または、測定手法により変動することがある。
【0014】
COPの大きさを0.13μm以上としたのは、0.13μm未満であれば、単結晶シリコン基板上に薄膜のエピタキシャル層を積層した際に、単結晶シリコン基板の表面からエピタキシャル層の表面へのCOPの転写が起こらず、そのほとんどが消失するからである。
COPの個数を0.3個/cm2以下としたのは、エピタキシャル層の表面のCOPが0.3個/cm2を超えると、製造における歩留まりが悪化するからである。
【0015】
上記単結晶シリコン基板での好ましいエピタキシャル層厚は厚さが0.4μm〜1.0μmである。0.4μm未満では、図1の常圧エピタキシャル成長におけるエピタキシャル層厚と、エピタキシャル成長後のパーティクル数と、の関係を示すグラフから明らかなように、エピタキシャル層厚が薄くなるほどパーティクルが多くなるからである。図1中、TCSはソースガスのSiHCl3である。
また、単結晶シリコン基板上に減圧エピタキシャル成長されるエピタキシャル層の厚さは、1.0μm〜4.0μmである。4.0μmを越えると、図2の一般的な減圧エピタキシャル成長時のエピ厚とパーティクル数との関係を表すグラフに示すように、下層である単結晶シリコン基板の表面にできたCOPの影響は小さくなるからである。
【0016】
上記エピタキシャル成長には、気相法(Vapor Phase Epitaxy ;VPE)、液相法(Liquid Phase Epitaxy;LPE)、固相法(Solid Phase Epitaxy ;SPE)がある。特に、シリコンのエピタキシャル成長には、成長層の結晶性、量産性、装置の簡便さ、種々のデバイス構造形成の容易さなどの点から、化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition ;CVD)が主として採用される。
このCVD法によるシリコンのエピタキシャル成長は、例えばシリコンを含んだ原料ガスを、キャリアガス(通常H2ガス)とともに反応炉内へ導入し、1000℃以上の高温に熱せられたシリコン単結晶の基板(CZ法により作製)上に、原料ガスの熱分解または還元によって生成されたシリコンを析出させることで行なわれる。
CVD法を用いた常圧エピタキシャル成長で設けられる単結晶シリコン基板の場合は、例えばシリコン基板の表面に、基板の一部となる基板側のエピタキシャル層を、常圧エピタキシャル成長する。その後、単結晶シリコン基板の表面上に、本来のエピタキシャル層が減圧エピタキシャル成長により設けられる。
なお、シリコンを含んだ化合物は多数存在するが、それらの純度、反応速度、取り扱いの容易さなどを考慮し、通常、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4の4種が用いられている。
【0017】
【作用】
請求項1〜請求項2によれば、予めCOPが表面に存在しないか、個数が少ない単結晶シリコン基板を作製しておき、この単結晶シリコン基板にエピタキシャル層を減圧下でエピタキシャル成長する。この結果、薄膜エピタキシャルウェーハの作製後にこのエピタキシャル層表面のCOPを無くすことができるか、または、きわめて少なくする(0.3個/cm 2 以下)ことができる。これにより、エピタキシャル層表面のCOPを原因とした単結晶シリコン基板の欠陥が解消されたり、ほとんどなくなるので、薄膜エピタキシャルウェーハの電気的特性が向上し、かつ製造時の歩留りも大きくなる。
その低減化の手段は、必ずしも単結晶シリコン基板の表面のCOP数の調整に限定されない。
【0018】
ここで、COPが表面に存在しないか、個数が少ない単結晶シリコン基板を作製する方法としては、エピタキシャル厚0.4μm〜1.0μmの常圧エピタキシャル成長を採用している。ただし、これには限定されない。以下、これを説明する。
図3は、エピタキシャル成長での圧力とエピタキシャル後のパーティクル数との関係を示すグラフである。このグラフより明らかなように、常圧下でエピタキシャル成長した場合には、直径0.13μm以上のパーティクルがほとんど無いのに比べ、減圧下(ここでは80Torr)でエピタキシャル成長した場合には、100〜150個/ウェーハのパーティクルが存在する。その後、表面の凹みがほとんどない単結晶シリコン基板に、減圧エピタキシャル成長により薄膜のエピタキシャル層を形成しても、倣う凹みがきわめて少ないために、エピタキシャル層の表面に現出するCOPも当然少なくなる。
【0019】
図4は、この発明の常圧下でエピタキシャル層を設けた薄膜用エピ基板を有する単結晶シリコン基板および通常の単結晶シリコン基板と、パーティクル数との関係を示すグラフである。図4中、1の単結晶シリコン基板はCOPが少ないシリコン基板である。2は表面にCOPがある通常の単結晶シリコン基板に該当する。
このグラフより明らかなように、2番の通常の単結晶シリコン基板が、直径0.13μm以上のパーティクルを350〜450(個/ウェーハ)有しているのに対して、1番の単結晶シリコン基板は、ほとんどパーティクルが存在しない。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げてこの発明をより具体的に説明する。
〈実施例1〜3、比較例1〜3〉
CZ法によるシリコン単結晶の引き上げ工程において、引き上げ速度0.9mm/分で引き上げられた高抵抗のシリコン単結晶をブロック切断、ウェーハ切断、面取り、機械化学的研磨などを施して得られた厚さ625μmのシリコン基板の表面上に、表2の条件によりシリコンのエピタキシャル層を常圧エピタキシャル成長させた。
【0021】
【表2】
【0022】
次いで、この単結晶シリコン基板上に、ソースガスDCS(SiH2Cl2)、成長温度1080℃、成長速度0.7μm/分、圧力80Torrの条件により、厚さ1μmのエピタキシャル層を減圧エピタキシャル成長して、薄膜エピタキシャルウェーハを得た。
その後、上記高感度のパーティクルカウンタである「SS6200」により、直径0.13μm以上のパーティクルをカウントした。なお、用いた「SS6200」においては、0.13μmが、ヘイズの影響なしに測定できるCOPの下限値である。
この結果、実施例1〜3の場合には、各エピタキシャル層の表面にCOPの残痕がほとんどなかった。これにより、エピタキシャル層表面のCOPを原因とした単結晶シリコン基板の欠陥がほぼ解消され、エピタキシャルウェーハの電気的特性が向上し、かつ製造時の歩留りも大きくなる。一方、比較例1〜3の場合には、それぞれ多数個のパーティークルがカウントされた。
【0023】
【発明の効果】
請求項1、請求項2によれば、作製された薄膜エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層表面からCOPを無くしたり、その数をきわめて少なくできる。これにより、薄膜エピタキシャルウェーハの電気的特性を向上することができ、かつ製造時の歩留りも高くなる。
【0024】
特に、請求項1、請求項2によれば、単結晶シリコン基板として、その表面にCOPが存在しないか、または、個数が少ないものを採用し、この基板上にエピタキシャル層を減圧エピタキシャル成長するようにしたので、COPの残痕がない、もしくは、これを少なくすることができ、高い歩留まりが製造時に得られるという効果が得られる。
【0025】
また、薄膜エピタキシャルウェーハの製造方法によれば、単結晶シリコン基板の表面に、常圧下で厚さが0.4μm〜1.0μmのエピタキシャル層を設けるようにしたので、COPは消失する。この基板に減圧エピを成長しても、COPの残痕はなく、高い歩留まりが製造時に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例に係る常圧エピタキシャル成長におけるエピタキシャル厚とエピタキシャル後のパーティクル数との関係を示すグラフである。
【図2】 一般的な減圧エピタキシャル成長時のエピ厚とパーティクル数との関係を表すグラフである。
【図3】 この発明の実施例に係るエピタキシャル成長での圧力とエピタキシャル層のパーティクル数との関係を示すグラフである。
【図4】 この発明の常圧下でエピタキシャル層を設けた薄膜用エピ基板を有する単結晶シリコン基板および通常の単結晶シリコン基板と、パーティクル数との関係を示すグラフである。
【図5】 一般的な常圧エピタキシャル成長と減圧エピタキシャル成長との比較を表すグラフである。
Claims (2)
- 常圧下でのエピタキシャル成長により単結晶シリコン基板上に、その厚さが0.4μm〜1.0μmの基板側のエピタキシャル層を設け、
この基板側のエピタキシャル層上に、0.13μm以上の大きさのCOPが、その表面に存在しないか、または、0.3個/cm 2 以下で存在するエピタキシャル層を、その厚さが1.0μm〜4.0μmとなるように、減圧下でエピタキシャル成長させた薄膜エピタキシャルウェーハの製造方法。 - 単結晶シリコン基板と、
この単結晶シリコン基板上に常圧下でのエピタキシャル成長により設けられ、その厚さが0.4μm〜1.0μmの基板側のエピタキシャル層と、
この基板側のエピタキシャル層上に減圧下でのエピタキシャル成長により設けられ、その厚さが1.0μm〜4.0μmであり、0.13μm以上の大きさのCOPが、その表面に存在しないか、または、0.3個/cm 2 以下で存在するエピタキシャル層と、を備えた薄膜エピタキシャルウェーハ。
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