JP5146848B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、両面にエピタキシャル膜を有する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製造は、まずＣＺ法により単結晶インゴットを引き上げ、このインゴットに対してスライス、面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨、洗浄などの各工程を施すことで行われている。しかしながら、ウェーハの大口径化が進むほど、ＣＺ法で引き上げられた単結晶インゴットおよびこれから作製されたシリコンウェーハには、インゴット引き上げにおける技術的問題、歩留まりなどの理由により無欠陥結晶（ＣＯＰフリー結晶）を製造することが困難になると予想される。
そこで、今後は、デバイスが形成されるウェーハ表面の無欠陥化を図るため、例えば特許文献１に開示されたような気相エピタキシャル法を利用し、直径３００ｍｍを超える大口径ウェーハの表面（鏡面）にエピタキシャル膜を成長させる方法が主流になると考えられる。

日本国特開平６−１１２１２０号公報

しかしながら、エピタキシャルウェーハにおいては、バルクウェーハとエピタキシャル膜とが異素材の場合や、バルクウェーハとエピタキシャル膜とに含有されるドーパント濃度が異なる場合、ウェーハを形成する原子の格子定数とエピタキシャル膜を形成する原子の格子定数とが異なることでウェーハに反りが発生し易くなる。この反りは、ウェーハの大口径化に伴って増大する（特許文献１）。

そこで、この発明は、気相エピタキシャル法によりシリコンウェーハ、特に直径４５０ｍｍを越える大口径ウェーハにエピタキシャル膜を成長させる際に、ウェーハの反りを低減することができる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ている。

請求項１に記載の発明は、シリコンウェーハの両面に、気相エピタキシャル法によってエピタキシャル膜をそれぞれ成長させることにより、その両面にエピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、内部空間を有する外チャンバと、前記外チャンバの内部空間に収納された、直方体状の内チャンバとを有し、前記内チャンバの内部には、Ａ室が形成され、前記外チャンバと前記内チャンバとの間には、Ｂ室が形成され、前記Ａ室と前記Ｂ室とを仕切る前記内チャンバの両側壁の中央部には、シリコンウェーハを垂直に保持するウェーハ保持孔がそれぞれ形成され、これらのウェーハ保持孔にシリコンウェーハをそれぞれ保持させることにより、これらのシリコンウェーハの表面はＡ室に露呈され、これらのシリコンウェーハの裏面はＢ室に露呈され、上記Ｂ室は第１のガス流通手段を備え、上記Ａ室は第１のガス流通手段とは独立した第２のガス流通手段を備える両面気相エピタキシャル成長装置を用いて前記シリコンウェーハの両面に、前記エピタキシャル膜を同時に成長させ、その後、少なくとも一方のエピタキシャル膜の表面を研磨するエピタキシャルウェーハの製造方法である。

請求項２に記載の発明は、前記シリコンウェーハとして、比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍ以下のものを使用する請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記シリコンウェーハの両面に、異なるエピタキシャル膜をそれぞれ成長させる請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法である。

本願発明によれば、シリコンウェーハの両面に、気相エピタキシャル法によってエピタキシャル膜をそれぞれ成長させるので、シリコンウェーハの反りが低減される。

特に、両面のエピタキシャル膜の厚みを異ならせ、または、両面のエピタキシャル膜の抵抗率を異ならせたので、例えばシリコンウェーハとエピタキシャル膜との比抵抗値に応じて、シリコンウェーハの両面に最適な厚さのエピタキシャル膜を、または、その両面に最適な抵抗率のエピタキシャル膜を成長させることで、シリコンウェーハの反りを最小限に抑えることができる。

両面のエピタキシャル膜をそれぞれ研磨したので、エピタキシャルウェーハの両面の平坦度を向上させることができる。

また、一方のエピタキシャル膜を単結晶シリコンとし、他方のエピタキシャル膜を多結晶シリコンとしたので、両面のエピタキシャル膜が単結晶シリコンのエピタキシャルウェーハの場合に比べて、ウェーハの反りを容易にコントロールすることができる。また、多結晶シリコンによる外部ゲッタリング（ＥＧ）効果が期待できる。

シリコンウェーハの両面にエピタキシャル膜を同時に成長させるので、エピタキシャル成長工程に要する時間を短縮し、生産性を高めることができる。
しかも、両面に同時にエピタキシャル膜を成長させるので、ドーパントがウェーハ裏面から外方拡散してデバイス形成面のエピタキシャル膜へ回り込むことで生じるオートドープ現象も抑えられると同時にデバイス工程における高濃度基板からのドーパント転写の抑制も期待できる。

シリコンウェーハの一方の面にエピタキシャル膜を成長させ、その後、シリコンウェーハの他方の面にエピタキシャル膜を成長させるので、両面のエピタキシャル膜において、それぞれ、例えば厚み、素材などを簡単に異ならせることができる。
また、ウェーハの一面へのエピタキシャル膜の成長中、ドーパントが他面から外方拡散し、一面の外周部へ回り込む。そして、続くウェーハ他面へのエピタキシャル膜の成長中、さきほど一面のエピタキシャル膜へ回り込んだドーパントが外方拡散し、再び他面のエピタキシャル膜へ回り込むが、そのドーパント量はシリコンウェーハの他面のみにエピタキシャル膜を成長させた場合に比べて減少する。

この発明の実施例１に係るエピタキシャルウェーハの断面図である。 この発明の実施例１に係るエピタキシャルウェーハの製造方法のフローシートである。 この発明の実施例１に係るエピタキシャルウェーハの製造方法で使用される両面気相エピタキシャル成長装置の縦断面図である。 両面気相エピタキシャル成長装置の図３の断面と直交する面での縦断面図である。 両面気相エピタキシャル成長装置の横断面図である。 この発明の実施例１に係る別のエピタキシャルウェーハの断面図である。 この発明の実施例１に係るまた別のエピタキシャルウェーハ製造方法を示すフローシートである。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１において、１０はこの発明の実施例１に係るエピタキシャルウェーハである。エピタキシャルウェーハ１０ は、ボロンドープにより比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍとなった単結晶のシリコンウェーハ１１の両面に、気相エピタキシャル法により単結晶シリコンからなるエピタキシャル膜１２，１３をそれぞれ同一厚みで成長させたウェーハである。この場合、シリコンウェーハの直径は４５０ｍｍとする。
図２のフローシートに示すように、シリコンウェーハ１１は、坩堝内でボロンが所定量ドープされたシリコンの融液から、ＣＺ法により単結晶シリコンインゴットの引き上げ後、インゴットを多数枚のウェーハにスライス（Ｓ１００）し、各ウェーハに対して順に面取り（Ｓ１０１） 、ラッピング（Ｓ１０２）、エッチング（Ｓ１０３）、両面研磨（Ｓ１０４）を施して作製される。
次いで、シリコンウェーハ１１の両面には、気相エピタキシャル法により例えばシリコンによるエピタキシャル膜がそれぞれ成長され（Ｓ１０５）、その後、両面のエピタキシャル膜１２，１３を同時研磨（Ｓ１０６）することで、エピタキシャルウェーハ１０が作製される（Ｓ１０７）。

スライス工程（Ｓ１００）では、側面視して三角形を形成するように配置された３本のグルーブローラにワイヤが巻掛けられたワイヤソーが用いられる。このワイヤソーによりインゴットから多数枚のシリコンウェーハ１１がスライスされる。
この後の面取り工程（Ｓ１０１）では、回転中の面取り用砥石をシリコンウェーハ１１の外周部に押し付けて面取りする。
ラッピング工程（Ｓ１０２）では、遊星歯車式の両面ラッピング装置によりシリコンウェーハ１１の両面を同時にラッピングする。すなわち、シリコンウェーハ１１を遊星キャリヤに保持し、遊星キャリヤを上下のラップ定盤の間で自転および公転させる。
エッチング工程（Ｓ１０３）では、エッチング槽に貯留された酸性エッチング液にラッピング後のシリコンウェーハ１１を浸漬してエッチングし、面取りおよびラッピングのダメージを除去する。
両面研磨工程（Ｓ１０４）では、遊星歯車式の両面研磨装置を用い、シリコンウェーハ１１の両面を同時に鏡面研磨する。

以下、図３〜図５を参照して、両面気相エピタキシャル成長装置２０を用いたエピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）を具体的に説明する。
両面気相エピタキシャル成長装置２０は、平面視して楕円形の外チャンバ２１と、外チャンバ２１の内部空間に収納され、平面視して略長方形状の内チャンバ２２との二重構造を有している。内チャンバ２２の内部にはＡ室が形成され、外チャンバ２１と内チャンバ２２との間にはＢ室が形成されている。

内チャンバ２２の両側壁２２ａの中央部には、一対のサセプタ２３を介して、一対のシリコンウェーハ１１を起立（縦）状態で保持する一対のウェーハ保持孔２４が形成されている。一対のサセプタ２３は、外径がウェーハ保持孔２４の直径と略同じ環状体である。シリコンウェーハ１１を保持した一対のサセプタ２３を、一対のウェーハ保持孔２４に係止することで、一対のシリコンウェーハ１１が縦向きでかつ表面（デバイス形成面）を対面させて保持される。このとき、一対のシリコンウェーハ１１の表面はＡ室に露呈され、一対のシリコンウェーハ１１の裏面はＢ室に露呈されている。

一対のサセプタ２３をウェーハ保持孔２４に係止する手段として、いわゆるバヨネット方式を採用している。すなわち、サセプタ２３には、それぞれウェーハの保持領域の外周上に等角度間隔で爪部２３ａが複数形成されている。また、ウェーハ保持孔２４の形成部分には、それぞれ内周に沿って爪部２３ａの配置に対応した等角度間隔位置に、爪部２３ａと同数の条片部２４ａが突設されている。
爪部２３ａと条片部２４ａとは、サセプタ２３の係止時に互いに嵌合し、かつ互いに摺動可能に構成されている。

すなわち、サセプタ２３の係止の際には、平面上で爪部２３ａと条片部２４ａとが互い違いとなる位置で、一対のサセプタ２３をウェーハ保持孔２４にはめ込み、所定方向へ回転させる。これにより、各爪部２３ａが、対応する条片部２４ａに沿って摺動する。
また、各条片部２４ａの表面（Ａ室側面）の一端側には、それぞれバネ式のロックピンが備えられているとともに、各爪部２３ａの裏面（Ｂ室側面）の一端側には図示しないロックピンに嵌合可能な凹部が形成されている。各爪部２３ａの条片部２４ａに沿った摺動が進めば、爪部２３ａの各凹部が、それぞれ対応するロックピン上に位置した時点で互いに嵌合し、これにより一対のサセプタ２３が各ウェーハ保持孔２４に係止される。

また、一対のサセプタ２３には、ウェーハ載置領域の周辺上にウェーハ外周部を押圧してシリコンウェーハ１１を保持する複数のバネ式の押さえ部２３ｃが配設されている。
外チャンバ２１の上部には、Ａ室内へのみ材料ガスを含む層流の反応ガス（通常シリコンウェーハ１１にエピタキシャル成長によりシリコン膜を形成させるべく用いられるガス）を上方から下方へ向けて供給する図示しない第２のガス流通手段を設け、外チャンバ２１の下部には、底部からＢ室内へ材料ガスを含む反応ガスを下方から上方へ向けて供給する図示しない第１のガス流通手段とが備えられている。Ａ，Ｂ室に接続された両ガス流通手段は独立しており、反応ガスの濃度、流量などを任意に調整可能とし、エピ厚みおよび抵抗率を任意に調整できる。内チャンバ２２には、Ａ室上方から供給された反応ガスを底部から側壁に沿って上方へ送り、外チャンバ２１の外へ排出する流路２６が設けられている。

一方、外チャンバ２１の外側には、各シリコンウェーハ１１に裏面から輻射熱を照射する一対のヒータ２５が配設されている。これらのヒータ２５はそれぞれ一方のシリコンウェーハ１１の裏面に対面するとともに、他方のシリコンウェーハ１１の表面に対面するように配置されている。
また、各ヒータ２５の輻射熱照射面と、それぞれ対応するサセプタ２３およびシリコンウェーハ１１の裏面とは平行で、ウェーハ全面にわたって均一な加熱が行われる。

次に、このエピタキシャル成長装置を用いたシリコンウェーハ１１の両面へのエピタキシャル膜１２，１３の成長方法を説明する。
まず、２枚のシリコンウェーハ１１が装着された一対のサセプタ２３を、対応するウェーハ保持孔２４に係止する。その後、一対のヒータ２５によってエピタキシャル成長条件に必要な温度までシリコンウェーハ１１を加熱する。次いで、第１のガス流通手段と第２のガス流通手段により、反応ガスをＢ室へ下方から上方へ向けて供給するとともに、Ａ室に層流の反応ガスを上方から下方へ所定時間供給することで、両シリコンウェーハ１１の両面に、同じ厚さの例えばシリコンのエピタキシャル膜１２，１３が同時に成長される。

両面のエピタキシャル膜１２，１３の同時研磨工程（Ｓ１０６）では、両面研磨工程（Ｓ１０４）で使用された遊星歯車式の両面研磨装置を用い、両面のエピタキシャル膜１２，１３の表面を同時に鏡面研磨する。具体的には、シリコンウェーハ１１を遊星キャリヤに保持し、遊星キャリヤを研磨布が展張された上下の研磨定盤の間で自転および公転させる。これにより、両面のエピタキシャル膜１２，１３の表面が同時に研磨される。こうして、エピタキシャルウェーハ１０が作製される（Ｓ１０７）。

このように、シリコンウェーハ１１の両面に、気相エピタキシャル法によってエピタキシャル膜１２，１３をそれぞれ成長させたので、シリコンウェーハ１１の一方の面にエピタキシャル膜を成長（気相成長）させた場合に比べて、シリコンウェーハ１１の反りが低減される。
しかも、シリコンウェーハ１１のデバイスが形成される表面へのエピタキシャル膜１２の成長と同時に、シリコンウェーハ１１の裏面にエピタキシャル膜１３を成長させたので、エピタキシャル膜１２の成長中、ボロンがウェーハ裏面から外方拡散してウェーハ表面へ回り込むことで発生するオートドープ現象を抑制することができる。

また、両面のエピタキシャル膜１２，１３の表面をそれぞれ研磨したので、両面のエピタキシャル膜１２，１３の平坦度、ひいてはエピタキシャルウェーハ１０の両面の平坦度を高めることができる。しかも、エピタキシャル膜１２，１３に対して同時研磨を施したので、研磨に要する時間を短縮し、生産性を高めることができる。
そして、シリコンウェーハ１１として、比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍ以下となるまでボロンをハイドープしたものを使用したので、シリコンウェーハ１１にボロンのゲッタリング作用によるＩＧ層を形成することができる。

なお、図６に示すように、エピタキシャル膜１２Ａ，１３の厚みを異ならせてもよい。すなわち、シリコンウェーハ１１とエピタキシャル膜１２Ａ，１３との比抵抗値に応じて、そのウェーハの両面に最適な厚さのエピタキシャル膜１２Ａ，１３をそれぞれ成長させることで、シリコンウェーハ１１の反りを最小限に抑えることができる。また、同一厚さのエピタキシャル膜を成長させて後の各面の研磨量を異ならせることで、両エピタキシャル膜１２Ａ，１３Ａの厚みを異ならせることもできる。
また、枚葉型のエピタキシャル成長装置を用いて、図７に示すように、シリコンウェーハ１１の表面にエピタキシャル膜１２を成長させた後、シリコンウェーハ１１を表裏反転し、ウェーハの裏面にエピタキシャル膜１３を成長させてもよい。これにより、両面のエピタキシャル膜１２，１３において、それぞれ、例えば厚み、抵抗率、素材（シリコン，ポリシリコンなど）などを簡単に異ならせることができる。

さらに、この枚葉型のエピタキシャル成長装置（両面エピタキシャル成長装置でも可能）を使用し、一方のエピタキシャル膜（例えばウェーハ表面のエピタキシャル膜１２）を単結晶シリコン製、他方のエピタキシャル膜（例えばウェーハ裏面のエピタキシャル膜１３）を多結晶シリコン製としてもよい。これにより、両面のエピタキシャル膜１２，１３を単結晶シリコンとした場合に比べて、ウェーハの反りを容易にコントロールすることができる。また、多結晶シリコンによる外部ゲッタリング（ＥＧ）効果が期待できる。

エピタキシャル膜の素材は、ウェーハと同じシリコンを採用することができる。または、ウェーハと異なる例えばガリウム・ヒ素などでもよい。
ウェーハ表面のエピタキシャル膜と、ウェーハ裏面のエピタキシャル膜は、同一素材でも異素材でもよい。
エピタキシャル膜の厚さは、デバイスの種類に応じて数μｍ〜数百μｍの範囲に設定される。

また研磨後において、デバイス形成面のエピタキシャル膜の面粗さおよびそれとは反対側のエピタキシャル膜の面粗さは、それぞれの研摩条件によってAFMRma値で１０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲に制御することができる。両面のエピタキシャル膜は、同時に研磨しても片面ずつ研磨してもよい。

また、気相エピタキシャル法は、シリコンウェーハと同じ素材をエピタキシャル成長させるホモエピタキシでも、ウェーハと異なる素材（ＧａＡｓなど）をエピタキシャル成長させるヘテロエピタキシでもよい。
エピタキシャル膜は、シリコンウェーハの両面に同時に成長させてもよい。また、ウェーハ表面（デバイス形成面）に形成後、ウェーハ裏面にエピタキシャル膜を成長させてもよい。またはその反対の順序でもよい。
気相エピタキシャル成長装置としては、シリコンウェーハの両面にエピタキシャル膜を同時にエピタキシャル成長可能な両面気相エピタキシャル成長装置を採用することができる。また、シリコンウェーハの一方の面のみにエピタキシャル膜を成長可能な片面気相エピタキシャル成長装置でもよい。
気相エピタキシャル成長装置は、枚葉型のものでも、複数枚のシリコンウェーハを同時に処理可能なパンケーキ型、バレル型、ホットウォール型、クラスタ型でもよい。

１０ エピタキシャルウェーハ、
１１ シリコンウェーハ、
１２，１２Ａ，１３ エピタキシャル膜。

Claims (3)

1. シリコンウェーハの両面に、気相エピタキシャル法によってエピタキシャル膜をそれぞれ成長させることにより、その両面にエピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
   内部空間を有する外チャンバと、
   前記外チャンバの内部空間に収納された、直方体状の内チャンバとを有し、
   前記内チャンバの内部には、Ａ室が形成され、
   前記外チャンバと前記内チャンバとの間には、Ｂ室が形成され、
   前記Ａ室と前記Ｂ室とを仕切る前記内チャンバの両側壁の中央部には、シリコンウェーハを垂直に保持するウェーハ保持孔がそれぞれ形成され、
   これらのウェーハ保持孔にシリコンウェーハをそれぞれ保持させることにより、これらのシリコンウェーハの表面はＡ室に露呈され、これらのシリコンウェーハの裏面はＢ室に露呈され、
   上記Ｂ室は第１のガス流通手段を備え、
   上記Ａ室は第１のガス流通手段とは独立した第２のガス流通手段を備える両面気相エピタキシャル成長装置を用いて前記シリコンウェーハの両面に、前記エピタキシャル膜を同時に成長させ、その後、少なくとも一方のエピタキシャル膜の表面を研磨するエピタキシャルウェーハの製造方法。
2. 前記シリコンウェーハとして、比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍ以下のものを使用する請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
3. 前記シリコンウェーハの両面に、異なるエピタキシャル膜をそれぞれ成長させる請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

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