JP5024382B2 - サセプタ及びシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、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において、シリコン単結晶基板を載置するサセプタと、それを用いたシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法とに関する。
従来より、シリコン単結晶基板（以下、シリコン基板と記載する）の主表面上にシリコンエピタキシャル層（以下、エピタキシャル層と記載する）を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハ（以下、エピタキシャルウェーハ又は単にウェーハと記載する）を製造する方法が知られている。
このようなエピタキシャルウェーハの製造では、反応容器内のサセプタに載置したシリコン基板を加熱しながら、このシリコン基板の主表面上へシリコン原料ガスを供給することで、エピタキシャル層を気相成長させる。
ところで、このエピタキシャルウェーハの製造工程において、シリコン基板には加熱による反りが発生する。そのため、シリコン基板を載置するサセプタには反り形状に合わせた座ぐりが設けられ、この座ぐりの底面にシリコン基板が載置される。その他、反りの抑制方法としては、種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
また、このサセプタのシリコン基板を載置する面には、ガスの通路としてメッシュ状の溝が形成される場合がある。これは、シリコン基板を載置する際の位置ずれを防止する他、シリコン基板を取り出す際に容易にサセプタから取り外せるといった効果がある。但し、このサセプタは、通常、基材である黒鉛を炭化珪素の被膜でコーティングしたものが用いられる。これは、気相成長の過程で黒鉛と原料ガスが反応して表面が炭化珪素に変化してしまうため、最初から炭化珪素の被膜で覆うようにしたものである。この炭化珪素の被膜は、通常、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成される。そして、シリコン基板を載置する面に上記のメッシュ状の溝が設けられる場合には、この溝の加工後に炭化珪素の被膜がコーティングされ、その後に当該面が仕上げ研磨される。ところが、過度に研磨すると、シリコン基板とサセプタとが貼り付いてしまうという不具合（図４Ｂ参照）が発生する。そこで、この貼り付きを防止するために、当該面の表面粗さを平均粗さ１μｍ以上、最大粗さ１０μｍ以上とする方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特許第３９００１５４号公報 ＷＯ２００２／０９７８７２ 特開平２−１７４１１６号公報
しかしながら、特許文献３の方法では、最大粗さが１０μｍ以上であるため研磨を実施したとしても、被膜の突起による欠陥の発生を防止できない。この被膜の突起は、メッシュ部に被膜をコーティングした際に生じる炭化珪素の異常な成長によるもので、シリコン基板の裏面と接触して、凸状の歪みや熱応力による段差であるスリップ（図４Ａ参照）といった欠陥を発生させる。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、シリコン基板とサセプタとの貼り付きとともに、歪みやスリップといった欠陥の発生も防止できるサセプタと、それを用いたシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の提供を課題とする。
上記課題を解決するために、本発明者は、様々なサセプタのメッシュ形状による貼り付きや欠陥の発生に関しての検討を行った。その結果、載置面の被膜の中心線平均粗さＲａと突起の最大高さとをそれぞれの所定範囲にすると、シリコン基板とサセプタとの貼り付きとともに、歪みやスリップといった欠陥の発生も防止できることを見出し、本発明を提案するに至ったものである。
そこで、本発明に係るサセプタは、シリコン基板を載置する載置面にメッシュ状の溝を備えた、エピタキシャルウェーハ製造用のサセプタであって、
前記載置面には、炭化珪素の被膜が形成され、
前記被膜は、
表面粗さが中心線平均粗さＲａで１μｍ以上となり、当該被膜のコーティング時に発生する突起の最大高さが５μｍ以下となるよう形成されることを特徴とする。
本発明のサセプタによれば、メッシュ状の溝が形成されたシリコン基板の載置面における炭化珪素の被膜の表面粗さを中心線平均粗さＲａで１μｍ以上とすることで、シリコン基板とサセプタとの貼り付きを防止できる。更に、前記載置面における当該被膜のコーティング時に発生する突起の最大高さを５μｍ以下とすることで、歪みやスリップといった欠陥の発生を防止できる。
また、前記載置面における前記被膜は、表面を研磨されたものであることが好ましい。
本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記のサセプタを用いて、シリコン基板の主表面上にエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とする。
本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、上記のサセプタを用いて、シリコン基板の主表面上にエピタキシャル層を気相成長させるので、シリコン基板とサセプタとの貼り付きとともに歪みやスリップといった欠陥の発生を防止したエピタキシャルウェーハの製造が可能となる。
本発明によれば、シリコン基板の載置面における炭化珪素の被膜の表面粗さを中心線平均粗さＲａで１μｍ以上とすることで、シリコン基板とサセプタとの貼り付きを防止できる。更に、前記載置面における当該被膜のコーティング時に発生する突起の最大高さを５μｍ以下とすることで、歪みやスリップといった欠陥の発生を防止できる。
実施の形態における気相成長装置の模式的な断面図である。 実施の形態におけるサセプタの断面図である。 図２ＡのＣ部を拡大した図である。 実施の形態におけるエピタキシャルウェーハ製造工程での温度変化を示す図である。 スリップの発生例を示した図である。 貼り付きの発生例を示した図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
まず、本発明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１１は、透明石英からなる反応容器１２と、反応容器１２の内部に設けられてシリコン基板Ｗを上面で支持するサセプタ１３とを備えている。
反応容器１２には、反応容器１２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１３の上側の領域に導入してサセプタ１３上のシリコン基板Ｗの主表面上に供給する気相成長用ガス導入管１４が設けられている。
また、反応容器１２のうちの、気相成長用ガス導入管１４が設けられた側と同じ側（図１における左側）には、反応容器１２内にパージガス（例えば、水素）をサセプタ１３の下側の領域に導入するパージガス導入管１５が設けられている。
さらに、反応容器１２のうちの、気相成長用ガス導入管１４及びパージガス導入管１５が設けられた側と反対側（図１における右側）には、反応容器１２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１６が設けられている。
反応容器１２の外部には、反応容器１２を上側と下側とから加熱する複数の加熱装置１７ａ、１７ｂが設けられている。加熱装置１７ａ、１７ｂとしては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。なお、図１は便宜的に加熱装置１７ａ，１７ｂの数量を定めてあるが、これに制限されるものではない。
サセプタ１３は、例えば略円板状に形成され、その主表面には、当該主表面上にシリコン基板Ｗを位置決めするための平面視略円形状の窪み部である座ぐり１３ａが形成されている。
また、サセプタ１３は、黒鉛製の基材Ｋが炭化珪素の被膜Ｈでコーティングされて形成されており、基材Ｋには、図２Ａ，Ｂに示すように、シリコン基板Ｗを載置する座ぐり１３ａの底面上に、ガスの通路としてメッシュ状の溝１３ｂが設けられている。図２Ａはサセプタ１３の断面図であり、図２Ｂは図２ＡのＣ部を拡大した図である。この溝１３ｂは０．６〜２ｍｍピッチで形成され、この溝１３ｂに囲まれて形成される基材Ｋの凸部１３ｃは、頂面が０．１〜０．５ｍｍ四方の正方形となる。そして、このメッシュ状の溝１３ｂは、シリコン基板Ｗを載置する際の位置ずれを防止する他、シリコン基板Ｗを取り出す際には容易にサセプタ１３から取り外せるといった効果を奏するようになっている。
このサセプタ１３の構成材料としては、上記の通り基材Ｋに黒鉛が、被膜Ｈに炭化珪素が用いられる。基材Ｋとして黒鉛が選択されるのは、開発当初の気相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ためである。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炭化珪素に変化すること等の問題がある。そのため、表面を最初から炭化珪素の被膜Ｈで覆う構成が一般化している。この炭化珪素の被膜Ｈは、通常、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により５０〜２００μｍの厚さに形成される。
また、この炭化珪素の被膜Ｈは、上記のメッシュ状の溝１３ｂが加工された後に形成される。この際、凸部１３ｃ上に形成される被膜Ｈが異常成長して、図２Ｂに示すような突起１３ｐとなることがある。この突起１３ｐは、一定の高さ以上になるとシリコン基板Ｗと接触してしまい、歪みやスリップといった欠陥の原因となる。そこで、突起１３ｐの最大高さが５μｍ以下となるように研磨仕上げを行う。同時に、この研磨仕上げでは、過剰研磨によるシリコン基板Ｗとサセプタ１３との貼り付きが発生しないよう、中心線平均粗さＲａが１μｍ以上であるようにする。このようにサセプタ１３におけるシリコン基板Ｗの載置面を研磨仕上げすれば、シリコン基板Ｗとサセプタ１３との貼り付きも、歪みやスリップといった欠陥も防止することができる。なお、この研磨仕上げは、前記の表面粗さ及び突起高さが得られれば、従来より公知の機械研磨でも手動研磨でもよい。
以上のサセプタ１３の裏面には、図１に示すように、サセプタ１３を支持するサセプタ支持部材１８が設けられている。このサセプタ支持部材１８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。
次に、シリコン基板Ｗの主表面にエピタキシャル層を気相成長させる工程について、図１及び図３を参照して説明する。図３は本工程における反応容器１２内の温度変化の一例を示す図である。
最初に、投入温度（例えば、６５０℃）に調整した反応容器１２内にシリコン基板Ｗを投入し、その主表面が上を向くように、サセプタ１３上面の座ぐり１３ａ内に載置する（工程Ｓ１）。
ここで、反応容器１２内には、シリコン基板Ｗが投入される前段階から、気相成長用ガス導入管１４及びパージガス導入管１５をそれぞれ介して水素ガスが導入されている。
次に、サセプタ１３上のシリコン基板Ｗを加熱装置１７ａ、１７ｂにより水素熱処理温度（例えば、１１００〜１１８０℃）まで加熱する（工程Ｓ２）。
次に、シリコン基板Ｗの主表面に形成されている自然酸化膜を除去するための気相エッチングを行う（工程Ｓ３）。なお、この気相エッチングは、具体的には、次工程である気相成長の直前まで行われる。
次に、シリコン基板Ｗを所望の成長温度（例えば、１０６０〜１１５０℃）まで降温し、気相成長用ガス導入管１４を介してシリコン基板Ｗの主表面上に原料ガス（例えば、トリクロロシラン）を、パージガス導入管１５を介してパージガス（例えば、水素）をそれぞれ略水平に供給することによってシリコン基板Ｗの主表面上にエピタキシャル層を気相成長してエピタキシャルウェーハを製造する（工程Ｓ４）。なお、パージガスは原料ガスよりも高圧で供給される。これは、反応容器１２と第１サセプタ１３との間の隙間から、第１サセプタ１３より下側の空間へ原料ガスが進入するのを防止するためである。
最後に、エピタキシャルウェーハを取出温度（例えば、６５０℃）まで降温し（工程Ｓ５）、反応容器１２外へと搬出する（工程Ｓ６）。
このようなエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、載置面の被膜Ｈの表面粗さを中心線平均粗さＲａで１μｍ以上とし、突起１３ｐの最大高さを５μｍ以下としたサセプタ１３を用いることで、シリコン基板Ｗと当該サセプタ１３との貼り付きとともに歪みやスリップといった欠陥の発生を防止したエピタキシャルウェーハの製造が可能となる。
以下に、実施例および比較例を挙げることにより、本発明をさらに具体的に説明する。
本実施の形態におけるサセプタ１３として以下の表１に示すサセプタＡ〜Ｈを製作し、これらを用いてエピタキシャルウェーハを製造した。
Figure 0005024382
本実施例では、気相成長装置１１として、ＡＳＭ社製の「Ｅｐｓｉｌｏｎ」（商品名）を使用した。また、製造したエピタキシャルウェーハは、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）のｐ型シリコン基板Ｗに対し、目標厚さ７０μｍ、不純物ノンドープのエピタキシャル層を気相成長させたものである。
また、サセプタ１３の炭化珪素の被覆は１００μｍの厚さとした。サセプタ１３におけるシリコン基板Ｗを載置する面の中心線平均粗さＲａ（表面粗さ）、突起１３ｐの最大高さ（最大突起高さ）、研磨条件は、表１に示す通りである。
ここで、表１の研磨条件について説明する。まず、サセプタＣ，Ｄは炭化珪素の小片を用いて手動で共摺りする方法によっており、それ以外は全て機械加工によっている。機械加工したもののうち、サセプタＡは突起１３ｐのみの除去としており、サセプタＢはサセプタＡの状態に少し表面研磨を加えている。また、サセプタＥは仕上げ研磨を充分な時間を掛けて実施しており、サセプタＦは荒削りを行わずに仕上げ研磨だけとしている。そして、サセプタＧ，Ｈは荒削り後に仕上げ研磨を実施しており、最小の表面粗さとなっている。
［ウェーハ品質評価］
上記のサセプタＡ〜Ｈを使用して製造したエピタキシャルウェーハに対し、歪み、スリップ、外周の貼り付きの発生有無をそれぞれ確認した。結果を以下の表２に示す。表中の「○」は上記の欠陥が確認されなかったこと、「×」は欠陥が確認されたことを示す。なお、スリップと外周の貼り付きの確認には、Ｘ線トポグラフィーを使用した。
Figure 0005024382
表２の結果によると、サセプタＣ〜Ｈによるウェーハでは歪みとスリップが確認されず、サセプタＡ〜Ｄによるウェーハでは貼り付きが確認されなかった。これにより、突起１３ｐの最大高さが５μｍ以下であれば歪みとスリップが発生せず、表面粗さが中心線平均粗さＲａで１μｍ以上あれば貼り付きが発生しないことが分かった。
以上のように、本発明のサセプタによれば、メッシュ状の溝１３ｂが形成されたシリコン基板Ｗの載置面における炭化珪素の被膜Ｈの表面粗さを中心線平均粗さＲａで１μｍ以上とすることで、シリコン基板Ｗとサセプタ１３との貼り付きを防止できる。更に、前記載置面における当該被膜Ｈのコーティング時に発生する突起１３ｐの最大高さを５μｍ以下とすることで、歪みやスリップといった欠陥の発生を防止できる。
また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、上記のサセプタ１３を用いて、シリコン基板Ｗの主表面上にエピタキシャル層を気相成長させるので、シリコン基板Ｗとサセプタ１３との貼り付きとともに歪みやスリップといった欠陥の発生を防止したエピタキシャルウェーハの製造が可能となる。
以上のように、本発明に係るサセプタ及びシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、従来と比較して、シリコン基板とサセプタとの貼り付きや、歪み及びスリップといった欠陥の発生を防止するのに有用である。
 符号の説明
Ｈ 被膜
Ｗ シリコン基板
１３ サセプタ
１３ｂ 溝
１３ｐ 突起

Claims (3)

  1. シリコン単結晶基板を載置する載置面にメッシュ状の溝を備えた、シリコンエピタキシャルウェーハ製造用のサセプタであって、
    前記載置面には、炭化珪素の被膜が形成され、
    前記被膜は、
    表面粗さが中心線平均粗さＲａで１μｍ以上となり、当該被膜のコーティング時に発生する突起の最大高さが５μｍ以下となるよう形成されることを特徴とするサセプタ。
  2. 前記被膜は、表面を研磨されたものであることを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
  3. 請求項１又は２に記載のサセプタを用いて、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。
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