JP4655935B2

JP4655935B2 - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法

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Publication number: JP4655935B2
Application number: JP2005514420A
Authority: JP
Inventors: 晃一金谷; 毅西澤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: EP1670044A1; KR20060060735A; EP1670044A4; JPWO2005034219A1; CN1864245A; US20070119367A1; WO2005034219A1; US7615116B2

Description

本発明は、気相成長装置を使用して、サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面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に関する。

シリコンウェーハの主表面上にシリコンエピタキシャル層を気相成長するための気相成長装置としては、シリコンウェーハを反応容器内に搬入して該反応容器内のサセプタ上に載置した状態で、サセプタの上側に設けられた上側ランプと、サセプタの下側に設けられた下側ランプとによりシリコンウェーハを加熱するとともに、該シリコンウェーハの主表面上に原料ガスを供給することで気相成長を行い、気相成長後は、気相成長により得られたシリコンエピタキシャルウェーハを反応容器外に搬出する構成のものが知られている。

ここで、シリコンウェーハをサセプタ上に載置したり、サセプタ上から取り出す方式は多種多様である。その一つとして、サセプタの上面より上方に突出動作可能に設けられた３つ以上のリフトピンを互いに略等量だけ突出動作させて、突出動作後のリフトピン上にシリコンウェーハを搬送して、リフトピンにより略水平状態に支持させた後、これらリフトピンを互いに同期状態で下降させることにより、シリコンウェーハをサセプタ上に載置し、気相成長後、載置状態のシリコンエピタキシャルウェーハを、リフトピンの突出動作によりサセプタ上方に上昇させてから、搬送装置により反応容器外に搬出する方式（以下、リフトピン方式と言う）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このリフトピン方式のサセプタには、リフトピン挿通用の孔部（以下、リフトピン挿通用孔部と言う）がサセプタの表裏に貫通するように形成されており、このリフトピン挿通用孔部にリフトピンが挿通される。

このような気相成長装置を使用してシリコンウェーハの主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させるには、まず、シリコンウェーハを反応容器内に搬入し、サセプタ上に載置した後、反応容器内を水素熱処理温度に加熱して水素処理を行うことによりシリコンウェーハ表面の自然酸化膜を水素によりエッチングして除去する。

次いで、反応容器内を成長温度に設定し、シリコンウェーハの主表面上にシリコン原料ガスを供給し、これによりシリコンウェーハ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てシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。

また、気相成長の際に、シリコンウェーハの裏面の自然酸化膜を除去するための複数の貫通孔が、シリコンウェーハの載置される位置に形成されているサセプタが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−３１８６３０号公報米国特許公報第６４４４０２７号

ところで、上記のようなリフトピン方式で気相成長を行ってシリコンエピタキシャルウェーハを製造する場合、一般的にリフトピンを介してサセプタの下方に放熱され易く、そのため気相成長によりシリコン単結晶基板の主表面に得られるシリコンエピタキシャル層の膜厚が、リフトピン付近において他の部分よりも薄くなってしまい、シリコンエピタキシャル層の表面形状が部分的に凹となることがある。

一方、シリコンウェーハの裏面の自然酸化膜を除去するための複数の貫通孔が形成されたサセプタを用いて気相成長を行う場合には、気相成長工程後のシリコンエピタキシャルウェーハの裏面に、前記貫通孔の形成位置に対応して凸部が形成されることがある。さらに、リフトピンと前記リフトピン挿通用孔部の隙間にも対応して同様に凸部が形成される。ただしこの場合、凸部は隙間よりも外側にリング状に形成される。このようにシリコンエピタキシャルウェーハの裏面に凸部が形成されることにより形状を悪化させる。

それらの凹凸部がシリコンエピタキシャルウェーハに形成される傾向、及び形成された凹凸部の高さ、又は深さが、同一のリフトピン方式による気相成長装置において異なり、それぞれの装置にばらつきがあることが判った。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、リフトピン方式の気相成長装置において形成される凹凸部の形状を、装置のばらつきをなくすことにより主表面におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を従来より平坦にすることができる。また、サセプタに形成された貫通孔（リフトピン挿通用孔含む）の位置に対応してシリコンエピタキシャルウェーハの裏面に凸部（リフトピン挿通用孔部の位置は、凹凸形状になることがある）が生じるのを抑制することのできるシリコン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したものである。

そこで、上記課題を解決するため、本発明の請求の範囲第１項に記載したシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、反応容器と、該反応容器内に配され上面にシリコン単結晶基板が載置されるサセプタと、該サセプタに対し昇降動作可能に設けられ、シリコン単結晶基板を下面側から支持した状態で昇降動作するのに伴わせてサセプタ上にシリコン単結晶基板を着脱するためのリフトピンと、前記サセプタを上方から加熱する上側加熱手段と、前記サセプタを下方から加熱する下側加熱手段と、を備える気相成長装置を使用して、前記サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面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ってシリコンエピタキシャルウェーハを製造するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記下側加熱手段の出力を前記上側加熱手段の出力に対して相対的に下げて、リフトピンに対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を凸とするか、あるいは、前記下側加熱手段の出力を前記上側加熱手段の出力に対して相対的に上げて、リフトピンに対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を凹として、前記上側加熱手段と前記下側加熱手段との加熱比率を制御し、シリコン単結晶基板の主表面のうちの前記リフトピン付近に形成されるシリコンエピタキシャル層の膜厚を制御することを特徴としている。

本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、それぞれの同一のリフトピン方式による気相成長装置において、装置ごとに上側加熱手段と下側加熱手段との加熱比率を調整して、リフトピン付近に形成されるシリコンエピタキシャル層の成長速度を制御することにより、主表面に堆積されるシリコンエピタキシャル層の膜厚がリフトピン付近において他の部分よりも薄くなることを抑制でき、リフトピン付近のシリコンエピタキシャル層の平坦度が良くなり、装置によるばらつきをなくすことができる。

なお、この装置ごとによるばらつきは、例えば一般的に加熱源としてランプが複数用いられている、それらランプの熱特性の変化やばらつき、及びランプの取り付け位置精度、ランプリフレクターの形状や劣化・汚れ又はサセプターの形状などによって生じると考えられる。

本発明によれば、上側加熱装置と下側加熱装置との加熱比率を調整することによって、リフトピン付近に形成されるシリコンエピタキシャル層の表面形状を制御したり、シリコンエピタキシャルウェーハの裏面に生じる凹凸部の形状を制御することができるので、加熱比率を適宜調整して、シリコンウェーハに気相成長させることによって、主表面におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を平坦化でき、サセプタに形成された貫通孔（リフトピン挿通用孔含む）の位置に対応してシリコンエピタキシャルウェーハの裏面に凹凸部が生じるのを抑制することができる。

本発明の実施の形態を示すためのもので、反応容器の模式的な正面断面図であり、特に、気相成長中の状態を示す。本発明の実施の形態を示すためのもので、反応容器の模式的な正面断面図であり、特に、リフトピンによりシリコンウェーハをサセプタ上に支持した状態を示す。従来のエピタキシャル製造方法の課題を示すためのもので、リフトピン付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状を示す図である。従来のエピタキシャル製造方法の課題を示すためのもので、リフトピン付近のシリコンエピタキシャルウェーハの裏面形状を示す図である。本発明の実施の形態を示すためのもので、リフトピン付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状を示す図である。本発明の実施の形態を示すためのもので、リフトピン付近のシリコンエピタキシャルウェーハの裏面形状を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、本実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において使用される気相成長装置の好適な一例として、枚葉式の気相成長装置の構成について説明する。

図１に示すように、気相成長装置１は、反応容器１１と、該反応容器１１の内部に設けられてシリコンウェーハＷを上面で支持するサセプタ２０とを備えている。

反応容器１１には、該反応容器１１内に原料ガス（例えば、トリクロロシラン）及びキャリアガス（例えば、水素）を含む気相成長用ガスをサセプタ２０の上側の領域に導入してサセプタ２０上のシリコンウェーハＷの主表面上に供給する気相成長用ガス導入管１５が設けられている。

また、反応容器１１のうちの、気相成長用ガス導入管１５が設けられた側と同じ側には、反応容器１１内にパージガス（例えば、水素）をサセプタ２０の下側の領域に導入するパージガス導入管１６が設けられている。

さらに、反応容器１１のうちの、気相成長用ガス導入管１５及びパージガス導入管１６が設けられた側と反対側には、反応容器１１内のガス（気相成長用ガス及びパージガス）が排気される排気管１７が設けられている。

反応容器１１の外部には、該反応容器１１を上側から加熱する上側加熱装置（上側加熱手段）１４ａと下側から加熱する下側加熱装置（下側加熱手段）１４ｂとが設けられている。加熱装置１４ａ、１４ｂとしては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。

また、上側加熱装置１４ａ及び下側加熱装置１４ｂは、後述するがそれぞれの加熱比率を制御できるようになっており、加熱比率を制御することによって本発明に係るシリコンエピタキシャルウェーハを製造することを可能としている。

サセプタ２０は、例えば炭化ケイ素で被覆されたグラファイトにより構成されている。このサセプタ２０は、例えば略円板状に形成され、その主表面には、該主表面上にシリコンウェーハＷを位置決めするための平面視略円形状の凹部である座ぐり２１が形成されている。

座ぐり２１の底面には、座ぐり２１に載置されたシリコンウェーハＷを裏面から支持するとともに、シリコンウェーハＷを上下方向に移動するためのリフトピン１３が挿通されるリフトピン用孔部２２が形成されている。

リフトピン１３は、丸棒状に形成された胴体部１３ａと、該胴体部１３ａの上端部に形成されてシリコンウェーハＷを支持する頭部１３ｂとを備えている。頭部１３ｂは、シリコンウェーハＷを支持しやすいように胴体部１３ａの径に比べて大きく形成されている。

座ぐり２１のシリコンウェーハＷが載置される位置には、サセプタ２０の表裏に貫通する貫通孔２５が複数個形成されている。気相成長中、パージガスの水素は貫通孔２５を通ってサセプタ２０の裏側から侵入し、シリコンウェーハＷの裏面に形成されている自然酸化膜をエッチング除去することができる。図１に示すように、シリコンウェーハＷの周縁部を座ぐり２１で支持してシリコンウェーハＷの裏面と貫通孔２５との間に隙間を設けることにより、自然酸化膜のエッチングをより均一に行うことができる。

また、サセプタ２０の裏面には、該裏面からサセプタ２０を支持するサセプタ支持部材１２が設けられている。このサセプタ支持部材１２は、矢印Ａで示す上下方向に移動可能で、かつ、矢印Ｂで示す方向に回転可能とされている。サセプタ支持部材１２の先端部には、放射状に分岐した複数の支持アーム１２ａが設けられている。

そして、支持アーム１２ａの先端部は、サセプタ２０をその上面が略水平となるようにサセプタ２０の裏面に形成された凹部２３に嵌合されている。また、支持アーム１２ａには、リフトピン１３の胴体部１３ａが挿通する孔１２ｂが形成されている。

次に、上述した構成の気相成長装置１を用いて、シリコンウェーハＷ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ってシリコンエピタキシャルウェーハを製造する本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。

まず、図１に示すように、シリコンウェーハＷを、投入温度（例えば６５０℃）に設定した反応容器１１内のサセプタ２０により支持させる。

このためには、リフトピン１３上にシリコンウェーハＷを受け渡すために、各リフトピン１３を互いに略等量だけサセプタ２０上面より上方に突出するように該サセプタ２０に対し相対的に上昇させる。すなわち、サセプタ支持部材１２を下降させる動作に伴わせてサセプタ２０を下降させていき、この下降の過程でリフトピン１３の下端部が反応容器１１の内部底面等に到達すると、リフトピン１３はそれ以上に下降できないが、サセプタ２０はさらに下降する。このため、サセプタ２０に対し相対的にリフトピン１３が上昇し、図２においてシリコンウェーハＷが無い状態となる。

このようにサセプタ２０に対し相対的にリフトピン１３が上昇した状態で、図示しないハンドラによりシリコンウェーハＷを反応容器１１内に搬送し、各リフトピン１３の頭部１３ｂにより主表面を上にしてシリコンウェーハＷを支持させる。

そして、ハンドラを退避させる一方で、サセプタ支持部材１２を上昇させるのに伴わせて、サセプタ２０を上昇させていき、この上昇の過程で座ぐり２１の外周側部分がシリコンウェーハＷの裏面に到達すると、それまでリフトピン１３の頭部１３ｂ上に支持されていたシリコンウェーハＷが、座ぐり２１の外周側部分により支持された状態へと移行する。

さらに、リフトピン用孔部２２の縁部がリフトピン１３の頭部１３ｂに到達すると、それまで反応容器１１の内部底面等により支持された状態であったリフトピン１３は、サセプタ２０により支持された状態へと移行する（図１参照）。

このようにサセプタ２０によりシリコンウェーハＷを支持させたら、水素雰囲気の反応容器１１内でシリコンウェーハＷに熱処理を施す（水素熱処理工程）。

すなわち、反応容器１１内に気相成長用ガス導入管１５及びパージガス導入管１６をそれぞれ介して反応容器１１内に水素ガスを流した状態で、反応容器１１内の温度を水素熱処理温度（例えば、１１１０℃以上１１８０℃以下）になるように上側加熱装置１４ａ及び下側加熱装置１４ｂに電力を供給することにより加熱する。この際に、サセプタ支持部材１２を鉛直軸回りに回転駆動させることによりサセプタ２０及びシリコンウェーハＷを回転させる。

これにより、シリコンウェーハＷの主表面の自然酸化膜が水素ガスによりエッチングされて除去される。また、シリコンウェーハＷの裏面の自然酸化膜も、貫通孔２５を通って当該裏面に到達した水素ガスによりエッチングされる。この際、上側加熱装置１４ａと下側加熱装置１４ｂとの加熱比率を調整することによって、裏面の自然酸化膜を完全に除去する。

次いで、シリコンウェーハＷの主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる（気相成長工程）。

すなわち、反応容器１１内を上側加熱装置１４ａと下側加熱装置１４ｂとの加熱比率を調整することによって所望の温度（例えば、１１００℃以上１１５０℃以下）に設定し、気相成長用ガス導入管１５を介してシリコン単結晶基板Ｗの主表面上に気相成長用ガスを供給するとともに、パージガス導入管１６を介して水素ガスを供給し、シリコンウェーハＷ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てシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。

ここで、アプライドマテリアルズ社製のエピタキシャル成長装置（Centura 300 Epi）３台（装置Ａ、Ｂ、Ｃ）を用いて、上側加熱装置１４ａと下側加熱装置１４ｂとの加熱比率(電力配分比率)を、メーカーの標準である（４２％：５８％）で装置ごとに気相成長させ、このときにそれぞれ得られるシリコンエピタキシャルウェーハについて、リフトピン１３付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状を測定した例を図３に示す。

なお、表面形状は、光学式ウェーハ形状測定装置（ＡＤＥ社製Ｎａｎｏｍａｐｐｅｒ）で測定し、図３の縦軸は、リフトピン１３の周辺を基準とした場合のシリコンエピタキシャル層の表面形状を示し、横軸は、リフトピン１３に対応する位置からの距離を示している。図３が示すように、装置ごとによってシリコンエピタキシャル層の表面形状が異なり、ばらつきがあることが判る。

また、前記で得られたリフトピン１３付近のシリコンエピタキシャルウェーハの裏面形状を同様に測定した結果を図４に示す。シリコンエピタキシャル層の表面形状と同様に、装置ごとに異なる形状となり、ばらつきがあることが判る。
なお、この位置は、サセプタに形成されたリフトピン挿通用孔部に対応し、同じサセプタに形成された貫通孔の位置に対応して生じる凸部と同様、リフトピンと挿通用孔の隙間（リング状）によって裏面に凸部が形成させる。ただしこの場合、凸部は隙間の外側にリング状に形成される。又、リング状凸部の内側が凹になることもある。

この結果に基づいて、以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［実施例］

リフトピン方式による気相成長装置Ａを用いて、上側加熱装置１４ａと下側加熱装置１４ｂとの加熱比率を、（４４％：５６％）、（４６％：５４％）、（４８％：５２％）と変化させてエピタキシャル成長した。そして、このときにそれぞれ得られたシリコンエピタキシャルウェーハについて、リフトピン１３付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状を測定した結果を図５に示す。

図５の結果から、下側加熱装置１４ｂの出力を上側加熱装置１４ａに比して相対的に下げる程（例えば、下側加熱装置の出力が５２％の場合）、リフトピン１３に対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状が凸となることが判る。すなわち、下側加熱装置１４ｂの出力を下げるとサセプタ２０の温度が下がるため、シリコンウェーハＷの裏面の温度が低下し、主表面の温度も低下する。ところが、リフトピン１３の上部には、サセプタ２０との間に空間があり、そこではサセプタ２０に比べて熱が伝わり難いので、裏面温度の低下が抑制される。そのため、リフトピン１３に対応する主表面の温度がその周辺に比べて相対的に上昇し、成長速度も高くなる。この結果、主表面におけるリフトピン１３付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状が凸となると考えられる。

逆に、下側加熱装置１４ｂの出力を相対的に上げる程（例えば、下側加熱装置の出力が５６％の場合）、リフトピン１３に対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状が凹となった。すなわち、下側加熱装置１４ｂの出力を上げることによってサセプタ２０の温度が上がるのでシリコンウェーハＷの裏面温度が上昇し主表面の温度も上昇するが、シリコンウェーハＷのリフトピン１３付近においては、サセプタ２０に比べて熱が伝わり難いので、裏面温度の上昇が抑制される。そのため、リフトピン１３に対応する主表面の温度がその周辺に比べて相対的に低下し、成長速度も相対的に低下する。その結果、主表面におけるリフトピン１３付近のシリコンエピタキシャル層の表面形状が凹となると考えられる。

一方、図６が示すように、上述のようにして得られたシリコンエピタキシャルウェーハの裏面には、下側加熱装置１４ｂの出力を相対的に上げる程、裏面へのシリコン膜の成長速度が高くなるため、貫通孔２５（リフトピン挿通用孔含む）に対応して凸形状のシリコン膜（すなわち凸部）が形成され易い。逆に、下側加熱装置１４ｂの出力を相対的に下げる程、シリコンウェーハＷの裏面へのシリコン膜の成長速度が低くなり、当該裏面にシリコン膜が成長されにくくなる。

ただし、下側加熱装置１４ｂの出力を下げ過ぎると、前記したようにリフトピン１３に対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状が凸となるので、シリコンエピタキシャル層の表面形状と裏面の凸部との双方が許容範囲内になるように加熱装置１４ａ、１４ｂの出力を調整することが好ましい。
ここで、裏面の形状が凸の場合は、デバイス製造工程において特にウェーハの裏面をウェーハチャックに吸着保持させる工程で、裏面の凸形状が表面側に転写して、例えばフォトリソグラフィー等で不具合を生じることがあり好ましくない。

以上の結果より、上側加熱装置１４ａと下側加熱装置１４ｂとの加熱比率を調整することによって、リフトピン１３付近に形成されるシリコンエピタキシャル層の表面形状を制御したり、シリコンウェーハＷの裏面に生じる凹凸部の形状を制御することができるので、上記結果に基づいて加熱比率を装置ごとに適宜調整して、シリコンウェーハＷに気相成長させることによって、主表面におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を平坦化でき、サセプタに形成された貫通孔（リフトピン挿通用孔含む）の位置に対応してシリコンウェーハの裏面に生じる凹凸部の発生を抑制することができる。

以上のように、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は、気相成長装置を使用して、サセプタ上のシリコンウェーハの主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる際に有用であり、特に、主表面におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を従来より平坦にすることができ、また、サセプタに形成された貫通孔（リフトピン挿通用孔含む）の位置に対応してシリコンエピタキシャルウェーハの裏面に凹凸部が生じるのを抑制することのできるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に適している。

符号の説明

Ｗシリコンウェーハ
１気相成長装置
１１反応容器
１３リフトピン
１４ａ上側加熱装置（上側加熱手段）
１４ｂ下側加熱装置（下側加熱手段）
２０サセプタ
２５貫通孔

Claims

反応容器と、該反応容器内に配され上面にシリコン単結晶基板が載置されるサセプタと、該サセプタに対し昇降動作可能に設けられ、シリコン単結晶基板を下面側から支持した状態で昇降動作するのに伴わせてサセプタ上にシリコン単結晶基板を着脱するためのリフトピンと、前記サセプタを上方から加熱する上側加熱手段と、前記サセプタを下方から加熱する下側加熱手段と、を備える気相成長装置を使用して、前記サセプタ上のシリコン単結晶基板の主表面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ってシリコンエピタキシャルウェーハを製造するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記下側加熱手段の出力を前記上側加熱手段の出力に対して相対的に下げて、リフトピンに対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を凸とするか、あるいは、前記下側加熱手段の出力を前記上側加熱手段の出力に対して相対的に上げて、リフトピンに対応する位置におけるシリコンエピタキシャル層の表面形状を凹として、前記上側加熱手段と前記下側加熱手段との加熱比率を制御し、シリコン単結晶基板の主表面のうちの前記リフトピン付近に形成されるシリコンエピタキシャル層の膜厚を制御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。