JP3888416B2 - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法及びシリコンエピタキシャルウェーハ - Google Patents
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Description
【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の製造方法及びシリコンエピタキシャルウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャルウェーハは、シリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を1層以上気相エピタキシャル成長することにより製造される（以下、シリコンエピタキシャル層を単にエピタキシャル層ともいう）。シリコンエピタキシャルウェーハの製造には、主表面の面方位が｛１００｝あるいは｛１１１｝のシリコン単結晶基板が通常用いられるが、例えば半導体圧力センサの製造においては、主表面の面方位が｛１１０｝のシリコン単結晶基板を用いることがある。
【０００３】
しかしながら、上記のような主表面が｛１１０｝のシリコン単結晶基板には、低欠陥のエピタキシャル層を成長するのが容易でないことが知られている。その主たる理由は、｛１１１｝双晶（twin）の基底面や転位のすべり面が、エピタキシャル層が成長する｛１１０｝面と垂直であることから、無転位の単結晶を育成しにくい点にある。
【０００４】
例えば、特開平４−３２０３７９号公報には、主表面の面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板を半導体圧力センサの製造に用いることが開示されている。この公報によると、バイポーラトランジスタを含む半導体集積回路をシリコン単結晶基板上に搭載すれば、半導体圧力センサの小型化が可能となるが、このバイポーラトランジスタの製造にはシリコン単結晶基板の主表面上にエピタキシャル層を形成する必要があり、このエピタキシャル層の結晶欠陥を減らすには、主表面を（１１０）面に対し数度程度、より具体的には３°傾けたいわゆるオフアングルを持つシリコン単結晶基板を用いる必要があると開示されている。
【０００５】
ただし、上記公報においては、主表面の面方位が（１１０）丁度のシリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を形成するとどんな結晶欠陥が発生するのかについては、具体的な開示が全くない。 そこで本発明者らが調査した結果、主表面の面方位が（１１０）丁度のｐ型シリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を形成すると、そのエピタキシャル層の表面に、楕円状表面欠陥が２０ケ／ウェーハ程度発生することがわかった。そしてこれをジルトル（Sirtl）エッチング液を用いて選択エッチングすると、前記楕円状の表面欠陥の中心部に積層欠陥（SF: Stacking Fault）の発生が確認された。積層欠陥は、デバイス形成時にｐ−ｎ接合リークを引き起こすことがあるので好ましくない。
【０００６】
また、主表面の面方位が（１１０）から最近接の［１１１］軸方向に３０’すなわち０．５°オフアングルされたシリコン単結晶基板を用いる以外は上記と同じ条件でエピタキシャル層を形成すると、そのエピタキシャル層の表面に、面方位が（１１０）丁度の場合よりも長さが半分程度に縮小された楕円状表面欠陥が発生することがわかった。そしてこれを選択エッチングすると、やはり楕円状の表面欠陥の中心部に積層欠陥の発生が確認された。
【０００７】
ここで、オフアングルは、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials International）ＳＴＡＮＤＡＲＤＳ １９７８，１９９８／ Ｍ１−０２９８に規定された垂直方位ずれ（orthogonal misorientation）を意味するものとする。
【０００８】
さらに、主表面の面方位が（１１０）から最近接の［１１１］軸方向に３°オフアングルされたシリコン単結晶基板を用いる以外は上記と同じ条件でエピタキシャル層を形成すると、そのエピタキシャル層の表面に楕円状表面欠陥は発生せず、積層欠焔のみの発生が確認された。
【０００９】
これら一連の調査結果において、エピタキシャル層に発生する楕円状表面欠陥はオフアングルが大きくなるにつれて縮小し、３°のオフアングルでほぼ消滅することより、前記公報に記載されたエピタキシャル層の結晶欠陥は、楕円状表面欠陥を伴った積層欠陥であることがわかる。前記したように、積層欠焔はデバイス形成時にｐ−ｎ接合リークを引き起こすことがあるが、不良になるのは積層欠陥の発生しているチップのみであり、シリコンエピタキシャルウェーハ全体が不良になるわけではないので、オフアングルが０°すなわち主表面の面方位が （１１０）丁度であっても使用可能であると考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこの調査において、面方位が（１１０）丁度のシリコン単結晶基板の主表面上にエピタキシャル層を形成すると、図２に示すように、製造されたシリコンエピタキシャルウェーハ１の主表面の周辺部において約１ｃｍの幅でヘイズ（Haze）と呼ばれる表面状態が円環状に発生することがわかった。ここで、周辺部とはシリコンエピタキシャルウェーハの主表面の外周縁部のことをいうが、面取り部は除く。ヘイズは、エピタキシャル層の表面に発生した面荒れであり、暗室内で集光ランプ等を用いて観察すると光が乱反射して白く曇って見える。そして、前記したＳＥＭＩ Ｍ１−０２９８の表１に規定された標準欠陥限度において、へイズの最大欠陥限度は「なし」となっていることから、強いへイズが円環状に発生しているシリコンエピタキシャルウェーハは不良品とみなされてしまう。
【００１１】
本発明の課題は、主表面の面方位が略｛１１０｝であるシリコンエピタキシャルウェーハを製造するに際して、エピタキシャル層の周辺部に円環状に発生する面荒れを効果的に防止できる方法と、それによって製造されるシリコンエピタキシャルウェーハとを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、面方位が略｛１１０｝であるシリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させることによりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する方法において、前記シリコン単結晶基板として、前記主表面のオフアングルが｛１１０｝から０．５°以上７゜以下のものを使用することによりシリコンエピタキシャルウェーハ主表面の周辺部の面粗さが中心部の面粗さの１．１倍以下となるようにシリコンエピタキシャル層を成長させることを特徴とする。ここで、「面方位が略｛１１０｝である」とは、面方位が｛１１０｝から例えば数度程度傾いていてもよいということを意味する。
【００１３】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハは、｛１１０｝面から０．５°以上７゜以下のオフアングルを有するシリコン単結晶基板の主表面上に厚さ３０μｍ以上のシリコンエピタキシャル層が形成されてなり、かつ、該シリコンエピタキシャル層の周辺部の面粗さが、中心部の面粗さの１．１倍以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明によると、主表面の面方位が略｛１１０｝のシリコンエピタキシャルウェーハを製造する際に、シリコン単結晶基板の主表面に０．５°以上７゜以下のオフアングルを施しておくことにより、形成されるエピタキシャル層の周辺部において、円環状の面荒れが発生することを極めて効果的に抑制することができる。この円環状の面荒れは、エピタキシャル層の厚さが３０μｍ以上のときに顕在化する。本発明において、エピタキシャル層の厚さに特に上限はないが、２００μｍを超える厚さにエピタキシャル層を気相成長することは実質的にない。なお、オフアングルが７゜を超えるシリコン単結晶基板について、本発明の効果が得られるかどうかを未だ確認できていない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係るシリコンエピタキシャルウェーハの製造工程の一例を概略的に示す模式図である。まず、ＦＺ法あるいはＣＺ法等の公知の方法にて、主軸方位が＜１１０＞のシリコン単結晶インゴットを製造する。こうして得られる単結晶インゴットは、一定の抵抗率範囲のブロックに切断され、さらに外径研削が施される。外径研削後の各ブロックには、オリエンテーションフラットあるいはオリエンテーションノッチが形成される。このように仕上げられたブロックは、図１（ａ）に示すように、内周刃切断等のスライサーにより、主表面が｛１１０｝に対して０．５゜以上０．７゜以下のオフアングルが生ずるようにスライシングされる。スライシング後のシリコン単結晶基板の両面外周縁にはベベル加工により面取りが施される。
【００１６】
面取り終了後のシリコン単結晶基板は、図１（ｂ）に示すように、遊離砥粒を用いて両面がラッピングされ、ラップウェーハとなる。次に、図１（ｃ）に示すように、そのラップウェーハをエッチング液に浸漬することにより、両面が化学エッチング処理される。化学エッチング工程は、先行する機械加工工程においてシリコン単結晶基板の表面に生じたダメージ層を除去するために行われる。この化学エッチング工程の後に、鏡面研磨工程が行われる。この工程は、例えば、図１（ｄ）に示す片面研磨法で行うことができる。具体的には、回転研磨ブロックにワックス等でシリコン単結晶基板を貼り付け、研磨クロスを接着した回転研磨定盤上に、所定の圧力にて押し付ける。そして、研磨クロスに、例えばＳｉＯ２を主成分としたアルカリ性コロイダルシリカ等の研磨液を供給しながら定盤を回転させ、研磨を行う。この研磨は、コロイダルシリカ等を砥粒とした機械的研磨と、アルカリ液による化学エッチングとの複合作用による、いわゆる機械的化学的研磨である。これにより、シリコン単結晶基板は、主表面の面粗さがＲＭＳ（Root Mean Square）表示で０．３ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の鏡面ウェーハとされる。
【００１７】
なお、ＲＭＳ表示による面粗さＱは、原子間力顕微鏡によるウェーハ主表面の３次元形状プロファイル測定において、測定面積を１μｍ×ｌμｍ（高さ方向をｚとするｘ−ｙ−ｚ直交座標系を設定したときに、ｘ−ｙ平面への投影面積にて表す）とし、測定点毎の高さ方向座標測定値をＺ、その平均値をＺm、全測定点についての（Ｚ−Ｚm)２の和をΣ（Ｚ−Ｚm)２として、これを測定点数Ｎにて除した値の平方根：
Ｑ＝｛（１／Ｎ）×Σ（Ｚ−Ｚm)２｝１／２‥‥‥▲１▼
を意味する。また、以下においては、上記原子間力顕微鏡によるウェーハ主表面の３次元形状プロファイルに基づく以下の粗さパラメータも使用する。
・絶対偏差平均粗さＲａ
Ｒａ＝（１／Ｎ）×Σ｜Ｚ−Ｚm｜‥‥‥▲２▼
・Ｐ−Ｖ（peak to valley）値
（Ｐ−Ｖ値）＝Ｚmax−Ｚmin‥‥‥▲３▼
ただし、Ｚmaxは全測定点についてのＺの最大値、Ｚminは同じく最小値である。
【００１８】
主表面が鏡面研磨されたシリコン単結晶基板は、洗浄後、その主表面上に水素雰囲気中でエピタキシャル層が気相成長されて、主表面の周辺部の面粗さが中心部の面粗さの１．１倍以下となるシリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
【００１９】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
まず、主表面の面方位が（１１０）丁度、主表面の面方位が（１１０）から最近接の［１１１］軸方向に０．５°のオフアングル、あるいは３°のオフアングルを有する、直径１５０ｍｍのｐ 型シリコン単結晶基板を準備した。続いて、原料ガスとしてトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）を用い、水素雰囲気中にて１１３０℃の反応温度で、上記３種類のシリコン単結晶基板上に厚さ約７５μｍのエピタキシャル層を形成した。成長速度は上記３種類のシリコン単結晶基板について１．２５μｍ／分で行ったが、主表面の面方位が（１１０）丁度のシリコン単結晶基板についてのみ、成長速度の影響を調べるために、さらに、０．２μｍ／分と０．３μｍ／分の成長速度でも行った。通常、エピタキシャル層の成長速度を小さくすると、へイズのレベルが改善されるからである。
【００２０】
得られたシリコンエピタキシャルウェーハの主表面の中心部と周辺部について、へイズの発生状態を暗室内で照度２０万lxのハロゲンランプを用いて観察した。また、シリコンエピタキシャルウェーハの主表面の中心部と周辺５ｍｍにおける面荒れの状態をＷＹＫＯ社製非接触表面形状測定器ＴＯＰＯ−３Ｄ（原子間力顕微鏡である）を用いて測定した。なお、測定した粗さパラメータは、前述のＱ、Ｒａ及びＰ−Ｖ値である。測定結果を表1に示す。
【００２１】
【表１】
この結果によると、主表面の面方位が（１１０）丁度のシリコン単結晶基板にエピタキシャル層を気相成長した場合には、成長速度を小さくすることにより、シリコンエピタキシャルウェーハの主表面の中心部に見られた比較的弱い面荒れは改善されたが、周辺部に見られた強い面荒れは改善されなかった。この面粗さを中心部と周辺部で比較すると、周辺部の面粗さは中心部の約２倍ないし７倍の大きさがあった。この周辺部に見られる強い面荒れは、ハロゲンランプを用いると強いヘイズとして観察され、シリコンエピタキシャルウェーハの面取り部の内縁から約１ｃｍの範囲に円環状に発生する。この強いヘイズは、不良品とみなされるレベルである。
【００２３】
しかし、主表面の面方位が（１１０）から０．５°あるいは３°のオフアングルを有するシリコン単結晶基板にエピタキシャル層を気相成長した場合には、成長速度が１．２５μｍ／ 分であっても、周辺部の面粗さは前述のＱ、Ｒａ及びＰ−Ｖ値の全てにおいて中心部とほぼ同等であり、周辺部の面粗さを中心部の面粗さの１．１倍以下にすることができた。そして、ハロゲンランプを用いてシリコンエピタキシャルウェーハの主表面を観察すると、弱いヘイズは見えるものの円環状の強いヘイズは見えず、不良品にならないレベルであった。
【００２４】
さらに、オフアングルをかけることのできる７°までについて検討を進めた結果、（１１０）面から０．５°以上７°以下のオフアングル範囲では、エピタキシャル層の周辺部の面粗さを中心部の面粗さの１．１倍以下にすることができることがわかった。ただし，オフアングルを付けたシリコン単結晶基板にエピタキシャル層を気相成長するのみでは、周辺部の面粗さが中心部の面粗さの０．８倍より小さくなることはなかった。
【００２５】
本実施例において、オフアングルは（１１０）の面方位から最近接の［１１１］軸方向に傾けたが、（１１０）の面方位から他の軸方向に傾けた場合でも、オフアングルが０．５°以上であれば、円環状の強いヘイズの発生を防止することができ、エピタキシャル層の 周辺部の面粗さを中心部の面粗さの１．１倍以下にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の主要工程を模式的に示す説明図。
【図２】面方位が（１１０）丁度のシリコンエピタキシャルウェーハに発生する円環状のヘイズを模式的に示す説明図。
Claims (2)
- 面方位が略｛１１０｝であるシリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させることによりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する方法において、シリコンエピタキシャルウェーハ主表面の周辺部の面粗さが中心部の面粗さの１．１倍以下となるよう、前記シリコン単結晶基板として、前記主表面のオフアングルが｛１１０｝から０．５°以上７゜以下のものを使用し、かつ、３０μｍを超える厚さにてシリコンエピタキシャル層を成長させ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。
- ｛１１０｝面から０．５°以上７゜以下のオフアングルを有するシリコン単結晶基板の主表面上に厚さ３０μｍを超えるシリコンエピタキシャル層が形成されてなり、かつ、該シリコンエピタキシャル層の周辺部の面粗さが、中心部の面粗さの１．１倍以下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。
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