JP4899445B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハ - Google Patents

Description

半導体デバイスを作製する場合、シリコンウエーハ上にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハを用いる場合がある。エピタキシャルウェーハは、一般的には、反応炉内にシリコンを含む原料ガス（ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３等）を導入し、高温に加熱されたシリコン単結晶ウエーハ上にシリコン単結晶層（エピタキシャル層）を成長させることにより製造することができる。

エピタキシャル層の膜厚均一性は、エピタキシャルウェーハの最も重要な品質項目の一つであり、一般的に、赤外線を用いた光学的な計測方法によって評価される。また、エピタキシャルウェーハ全体の厚さ均一性（フラットネス）は、静電容量や光学変位計を原理とした手法で評価される。
しかしながら、これらの方法による形状測定は、装置の原理的、構造的な制約により、ウエーハの外縁から３ｍｍよりも外側の外周形状を正確に測定することができない。従って、エピタキシャル層の膜厚均一性に関する議論は主に外縁から５ｍｍよりも内側の部分に集中し、ウエーハの外縁（エッジ）に近い最外周付近における膜厚均一性については着目されてこなかった。

ところが、近年の半導体デバイスの微細化やデバイス作製領域の拡大の観点から、ウエーハの最外周付近でも高い平坦度が要求されるようになり、ウエーハの最外周付近の平坦度や表面変位量に対する関心が高まっている。そして、ウエーハの最外周付近の表面形状を計測する装置が開発され、最近では、ウェーハの最外周の形状を評価するため、ウェーハ最外周部のダレ量と跳ね上げ量を定量的に表したエッジロールオフ（単にロールオフという場合もある）と呼ばれる指標が用いられている。

例えば直径３００ｍｍ（半径１５０ｍｍ）のシリコンウエーハであれば、ウエーハの中心から１４７〜１４９ｍｍの間の表面の高さ変位量（図８のＢ）をロールオフとしたり、あるいはウエーハの表面形状が加速度的にダレた形状に変化し始める位置から、外縁により近い所定の位置までの表面変位量（図８のＡ、Ｃ）をロールオフとして評価する場合がある。
例えば、図７に示したようにウエーハの周辺部における表面変位量の２階微分の分布を算出し、表面変位量の２階微分が負の値になる位置（ロールオフ開始点）から、ウエーハの中心から１４９ｍｍ、すなわち外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量（図８のＡ）をロールオフとして評価する。この場合、ロールオフ開始点の高さを０とし、外縁１ｍｍ内側までダレた形状であれば、その変位量（ロールオフ）は−の値となり、逆に跳ね上げた形状であれば＋の値となる。そしてロールオフの絶対値が小さいほど最外周付近でも平坦度が高いと評価することができる。

ロールオフが小さいシリコンウエーハを製造する方法は種々提案されている。例えば、シリコンウエーハを研磨すると、ウエーハの周辺部が過剰に研磨され、図９に示したようにウエーハの周辺部がダレた形状になり易い。そこで、例えば、面取り部にのみシリコンより研磨速度が遅い酸化膜等を形成した上で両面研磨を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。このような方法によれば、ウエーハの周辺部での過剰な研磨を防ぎ、ロールオフが小さいシリコンウエーハを製造することができる。

近年、ロールオフの規格化要求はエピタキシャルウエーハにも及び、エピタキシャル層及びエピタキシャルウエーハの外周形状の制御が望まれている。しかしながら、従来のエピタキシャル成長技術では、図１０に示したように最外周付近でエピタキシャル層２１の厚さが薄くなる場合があり、エピタキシャル成長前のシリコンウエーハ１０よりもエピタキシャル成長工程によってロールオフが悪化してしまうという問題がある。

最外周付近でも平坦度が高いエピタキシャルウエーハを製造する方法として、エピタキシャル成長後、砥石によって縮径面取り加工するか、レーザーによって周辺部を溶断する方法が提案されている（特許文献２参照）。
しかし、このような方法では、エピタキシャル成長後の縮径面取りや溶断によって発塵やワレが生じるおそれがあるほか、エピタキシャル成長後、ウエーハを縮径あるいは溶断する分、ウエーハが小さくなり、実質的に生産性や歩留りが著しく低下してしまうという問題がある。

特開２００３−１４２４３４号公報 特開２００３−３３２１８３号公報

上記のような問題に鑑み、本発明は、エピタキシャル成長の際、最外周付近におけるエピタキシャル層の厚さを制御することでロールオフの値が小さいエピタキシャルウエーハを製造することができる方法を提供することを主な目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によれば、シリコンウエーハ上に原料ガスを供給してエピタキシャル層を気相成長させることによりエピタキシャルウエーハを製造する方法において、前記気相成長させるエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、前記シリコンウエーハの周辺部に形成されるエピタキシャル層の厚さを制御することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法が提供される。

後述するように、本発明者らは、エピタキシャル層の成長速度及び成長温度と、ウエーハの周辺部に形成されるエピタキシャル層の厚さとの間に良好な相関関係があることを見出した。そこで、上記のようにエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、シリコンウエーハの周辺部に形成されるエピタキシャル層の厚さを制御することができ、ロールオフが小さいエピタキシャルウエーハを製造することができる。

より具体的な方法として、シリコンウエーハ上に原料ガスを供給してエピタキシャル層を気相成長させることによりエピタキシャルウエーハを製造する方法において、エピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度と、該エピタキシャル層の成長前後におけるロールオフの差との相関関係を予め求め、該相関関係に基づき、製品となるシリコンウエーハ上に成長させるエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、該エピタキシャル層の成長後におけるロールオフを制御することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法が提供される。

エピタキシャル層の成長速度等とエピタキシャル成長前後におけるロールオフの差との相関関係を予め求め、この相関関係に基づき、成長速度等を制御して、エピタキシャル成長後におけるロールオフを制御することで、ロールオフが小さいエピタキシャルウエーハを確実に製造することができる。

前記エピタキシャル層を成長させた後のエピタキシャルウエーハのロールオフが、前記エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さくなるように前記エピタキシャル層の周辺部の厚さを制御することが好ましい。
上記のようにエピタキシャル層の成長速度等を制御することによりエピタキシャル成長後におけるロールオフを制御することができるので、もとのシリコンウエーハと同じか、より小さいロールオフを有するエピタキシャルウエーハを製造することができる。

この場合、前記ロールオフを、前記シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの表面変位量の２階微分が負の値になる位置から該シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量とすることができる。
ロールオフを上記のような範囲における表面変位量として制御すれば、エピタキシャル層の外周形状をより確実に制御することができ、所望のロールオフを有するエピタキシャルウエーハを製造することができる。

前記シリコンウエーハとして、直径が３００ｍｍ以上のシリコンウエーハを用いることができる。
本発明によれば、特に近年要求される３００ｍｍ以上の大直径のもので有効であり、外周付近でも膜厚均一性に優れたエピタキシャル層を形成することができるため、エピタキシャル成長後、縮径面取り等を施す必要もない。従って、直径が３００ｍｍ以上のシリコンウエーハを用いてエピタキシャル層を成長させれば、大直径であって、ロールオフの値も小さいエピタキシャルウエーハを製造することができ、デバイス歩留りの向上にもつながる。

また、本発明では、前記の本発明に係る方法により製造されたエピタキシャルウエーハが提供される。
前記したように本発明の方法によれば、シリコンウエーハの周辺部に形成されるエピタキシャル層の厚さを制御することができ、ロールオフが小さいエピタキシャルウエーハを製造することができる。従って、このような方法により製造されたエピタキシャルウエーハは、最外周付近でも平坦度が高く、デバイス歩留りを向上させることができるものとなる。

特に、本発明では、シリコンウエーハ上にエピタキシャル層を気相成長させたエピタキシャルウエーハであって、前記エピタキシャル層を成長させた後のエピタキシャルウエーハのロールオフが、前記エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さいものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハが提供される。
エピタキシャル成長後のロールオフが、もとのシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さいエピタキシャルウエーハであれば、周辺までエピタキシャル層の膜厚均一性が良いか、エピタキシャルウエーハの周辺まで平坦度が高いものであるので、デバイス歩留りを確実に向上させることができるものとなる。

この場合、前記ロールオフが、前記シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの表面変位量の２階微分が負の値になる位置から該シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量であるものとすることができる。
ロールオフを上記範囲における表面変位量として制御したエピタキシャルウエーハであれば、最外周付近でも確実に平坦度が極めて高いものとなる。

前記エピタキシャルウエーハは、３００ｍｍ以上の直径を有するものとすることができる。
本発明では、特に近年要求される３００ｍｍ以上の大直径のもので有効であり、エピタキシャル成長後、縮径加工等を行なう必要がないため、３００ｍｍ以上の大直径であって、ロールオフが小さいエピタキシャルウエーハを提供することができる。

本発明によれば、エピタキシャルウエーハを製造する際、気相成長させるエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、シリコンウエーハの周辺部に形成されるエピタキシャル層の厚さを制御することができる。これにより、最外周付近におけるエピタキシャル層の膜厚も厚く形成することができ、エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さいロールオフを有し、平坦度が極めて高いエピタキシャルウエーハを製造することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明によりシリコンウエーハ（シリコン単結晶ウエーハ）を用いてエピタキシャルウェーハを製造する場合について具体的に説明する。
本発明者らは、シリコンウエーハを用いてエピタキシャルウエーハを製造する場合において、エピタキシャル成長条件とエピタキシャル層の外周形状について調査及び研究を重ねた。その結果、エピタキシャル層の成長速度及び成長温度と、エピタキシャル層の最外周形状との間に良好な相関関係があることを見出し、これらの成長条件（成長速度及び／又は成長温度）を制御することにより、エピタキシャル層の最外周付近の形状、特に所望の厚さに制御することができることを見出し、本発明を完成させた。

本発明によりエピタキシャルウエーハを製造する場合、まず、エピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度と、エピタキシャル層の成長前後におけるロールオフの差との相関関係を求める。
使用するエピタキシャル成長装置は、成長速度及び成長温度を任意に制御することができれば特に限定されないが、図２に示したような枚葉式のエピタキシャル成長装置１を好適に使用することができる。この装置１は、反応炉２の上下に加熱用ランプ３，４、回転可能なサセプタ５等を備えている。エピタキシャル成長の際には、サセプタ５上にシリコンウエーハ６を載置し、ＳｉＨＣｌ_３等の原料ガスをＨ_２をキャリアガスとして炉内に導入し、上下の加熱用ランプ３，４によってシリコンウエーハ６を所定の温度に加熱することでウエーハ上に膜厚均一性に優れたエピタキシャル層を形成することができる。

このような枚葉式の装置１であれば、加熱用ランプ３，４によって成長温度（ウエーハの温度）を高精度に制御することができ、原料ガスの濃度や流量を温度とともに調整することにより成長速度も精度良く制御することができる。さらに、枚葉式の装置１は、直径が２００ｍｍ以上、特に３００ｍｍ以上となる大型のシリコンウエーハを用いてエピタキシャル成長を行う場合にも対応できる点でも有利に使用することができる。

図３（Ａ）−（Ｅ）は、直径３００ｍｍのシリコンウエーハを用い、種々の成長条件（成長速度、成長温度）で行った場合のエピタキシャル成長前後のウエーハ周辺部における表面変位量の２階微分をグラフ化したものである。図３から、ロールオフ開始点として、表面変位量の２階微分が負の値になる位置を算出することができる。また、図４（Ａ）−（Ｅ）は、エピタキシャル成長前後における周辺部の表面変位量と、成長前後の表面変位量の差を示したものである。
そして、図３で求めたロールオフ開始点からウエーハの外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量をロールオフとし、図３及び図４から、エピタキシャル成長前後におけるロールオフ量（Ｒｏｌｌ−Ｏｆｆ Ａｍｏｕｎｔ：ＲＯＡ）の差（ΔＲＯＡ）を求めることができる。表１は各成長条件とΔＲＯＡとの関係をまとめたものである。

さらに他の成長速度、成長温度についてもΔＲＯＡを求めた。図５及び図６は、エピタキシャル層の成長条件（成長速度、成長温度）とエピタキシャル成長前後におけるロールオフ量の差（ΔＲＯＡ）との関係を示している。ΔＲＯＡは、エピタキシャルウエーハのロールオフ量からエピタキシャル成長前のシリコンウエーハのロールオフ量を差し引いた値であり、ΔＲＯＡが正（＋）であれば、エピタキシャル工程で外周形状が跳ね上げたことを表し、負（−）であれば、エピタキシャル工程で外周形状がダレたことを表す。また、ΔＲＯＡが０に近ければ、エピタキシャル成長前後でのロールオフ量が小さく、すなわち、最外周付近でのエピタキシャル層の膜厚均一性が高いことを表す。

図５及び図６において、成長温度とΔＲＯＡとの間並びに成長速度とΔＲＯＡとの間にそれぞれ良好な相関関係が見られる。すなわち、図５によれば、成長速度を一定とすれば、成長温度を高くすればするほどΔＲＯＡが大きくなり、周辺でのエピタキシャル層の厚さを厚くすることができる。また、成長温度が同じ場合、成長速度が低ければΔＲＯＡは高くなり、エピタキシャル層の最外周部での厚さが厚い形状になることがわかる。
一方、図６によれば、成長温度を一定とすれば、成長速度が高いほどΔＲＯＡが小さくなり、周辺でのエピタキシャル層の厚さが薄くなる。また、成長速度が同じ場合、成長温度が高いほどΔＲＯＡが高くなり、エピタキシャル成長後の最外周付近でのエピタキシャル層の厚さが厚い形状となることがわかる。

そこで、これらの相関関係に基づき、製品となるシリコンウエーハ上に成長させるエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、エピタキシャル層の成長後におけるロールオフを制御することができる。すなわち、成長温度と成長速度をそれぞれ単独で制御するか、適宜組み合わせて制御することによってエピタキシャル層の外周形状を制御することができ、エピタキシャル層を成長させた後のエピタキシャルウエーハのロールオフが、エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さくなるようにエピタキシャル層の厚さを制御することができる。

すなわち、予めシリコンウエーハのロールオフを測定し、その値を打ち消すようにエピタキシャル層の成長条件を設定すれば、周辺部まで平坦なエピタキシャルウエーハを得ることができ、図１（Ａ）に示されるようにエピタキシャル層１２が外周部において厚くなった形状となるエピタキシャルウエーハを製造することができる。一方、予め測定されたシリコンウエーハのロールオフ値が同じとなるように成長条件を設定すれば、周辺まで膜厚が均一なエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハ、例えば図１（Ｂ）に示されるようにエピタキシャル層１１の厚さが最外周部においても均一となるエピタキシャルウエーハを得ることができる。

具体例として、周辺部にダレが生じているシリコンウエーハを用いてエピタキシャルウエーハを製造する際、意図的にエピタキシャル層の外周形状を跳ね上げるには、例えば、図５の関係に基づき、成長温度が１１３０℃あるいはそれ以上であり、成長速度が２．５μｍ／ｍｉｎあるいはそれ以下となる成長条件でエピタキシャル成長を行えばよい。このような成長条件のもとエピタキシャル成長を行うことで周辺部におけるエピタキシャル層の厚みを増すことができ、外周形状がほぼフラットなエピタキシャルウェーハを製造することができる。なお、成長温度がより低温、例えば１１１０℃以下の場合でも、成長速度をより低くすることで同様の効果を奏することができる。従って、エピタキシャル成長前のシリコンウエーハの外周形状及びエピタキシャル成長後に望まれる外周形状のほか、生産性等も考慮して成長温度と成長速度を適宜設定すればよい。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
直径３００ｍｍのシリコンウエーハを用意し、平坦度・ナノトポグラフィー測定装置としてダイナサーチ（レイテックス社製）を用いてウエーハ周辺部における表面の高さ変位量を測定し、ロールオフ量とした。
このウエーハにエピタキシャル成長を行ったときに周辺部のダレ形状を補うため、図５及び図６に示される相関関係に基づき、成長温度を１１３０℃、成長速度を２．５μｍ／ｍｉｎに設定してエピタキシャル成長を行った。そして、製造したエピタキシャルウエーハに対し、エピタキシャル成長前のシリコンウエーハと同様に表面変位量を測定した。

図１１は、上記シリコンウエーハとエピタキシャルウェーハの表面変位量を表しており、縦軸は表面変位量の２階微分の値を、横軸はウエーハの中心（０ｍｍ）からの距離（半径）をそれぞれ示している。外周部で急激に値が−（負）に落ち込む場合は、ダレていることを表わし、＋（正）に向かっている場合は跳ね上がっていることを意味する。
図１１に見られるように、変位量を動径距離で２階微分することによって、半径に対する加速度的な変位量変化が現れている。表面変位量の２階微分が負の値になる位置、すなわちロールオフの開始点は、エピタキシャル成長前のシリコンウエーハでは中心から１４５ｍｍ、エピタキシャル成長後のエピタキシャルウエーハでは中心から１４５．５ｍｍである。このことから、エピタキシャル成長によってロールオフの開始位置がウエーハの外周側にシフトしたことが分かる。また、このときのロールオフ開始点からウエーハの外縁から１ｍｍ内側までのロールオフ量は、エピタキシャル成長前で３５６ｎｍであり、エピタキシャル成長後に３２２ｎｍとなり、エピタキシャル層を積むことによってウエーハの外周ダレ形状が補完されていることが分かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、枚葉式エピタキシャル装置を使用してエピタキシャル成長を行う場合について説明したが、使用できる装置はこのタイプのものに限定されず、エピタキシャル層の成長速度及び成長温度を適切に制御することができれば、バッチ方式であるシリンダー型やパンケーキ型等の他のタイプの装置を使用することができる。
また、シリコンウエーハの大きさも３００ｍｍのものに限定されず、ウエーハの大きさは要求に応じて適宜選択すれば良い。

本発明に係るエピタキシャルウエーハの外周形状の例を模式的に示した図である。（Ａ）エピタキシャル成長後のロールオフが成長前よりも小さい場合 （Ｂ）エピタキシャル成長前後のロールオフが同等である場合 本発明で使用できる枚葉式エピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。 エピタキシャル成長前後のロールオフ開始点を示すグラフである。 エピタキシャル成長前後の周辺部の表面変位量と、成長前後の表面変位量の差を示すグラフである。 エピタキシャル層の成長温度とエピタキシャル成長前後におけるロールオフ量の差（ΔＲＯＡ）との関係を示すグラフである。 エピタキシャル層の成長速度とエピタキシャル成長前後におけるロールオフ量の差（ΔＲＯＡ）との関係を示すグラフである。 ロールオフ開始点を説明する図である。 ロールオフの定義を説明する図である。 ウエーハの周辺部がダレている形状を示す図である。 エピタキシャル層が周辺部でダレている形状を示す図である。 実施例におけるシリコンウエーハとエピタキシャルウェーハの表面変位量を表すグラフである。

符号の説明

１…エピタキシャル成長装置、 ２…反応炉、 ３，４…加熱用ランプ、 ５…サセプタ、 ６…シリコンウエーハ、 １０…シリコンウエーハ、 １１，１２…エピタキシャル層。

Claims (5)

1. シリコンウエーハ上に原料ガスを供給してエピタキシャル層を気相成長させることによりエピタキシャルウエーハを製造する方法において、エピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度と、該エピタキシャル層の成長前後における前記シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの表面変位量の２階微分が負の値になる位置から該シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量であるロールオフの差との相関関係を予め求め、該相関関係に基づき、製品となるシリコンウエーハ上に成長させるエピタキシャル層の成長速度及び／又は成長温度を制御することにより、該エピタキシャル層の成長後におけるロールオフを制御することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。
2. 前記エピタキシャル層を成長させた後のエピタキシャルウエーハのロールオフが、前記エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフと同じか又は小さくなるように前記エピタキシャル層の周辺部の厚さを制御することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
3. 前記シリコンウエーハとして、直径が３００ｍｍ以上のシリコンウエーハを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
4. シリコンウエーハ上にエピタキシャル層を気相成長させたエピタキシャルウエーハであって、前記エピタキシャル層を成長させた後のエピタキシャルウエーハのロールオフが、前記エピタキシャル層を成長させる前のシリコンウエーハのロールオフよりも小さいものであり、前記ロールオフが、前記シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの表面変位量の２階微分が負の値になる位置から該シリコンウエーハ又はエピタキシャルウエーハの外縁より１ｍｍ内側の位置までの表面変位量であることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
5. 前記エピタキシャルウエーハが、３００ｍｍ以上の直径を有するものであることを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャルウエーハ。

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