JP5370209B2

JP5370209B2 - 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: JP5370209B2
Application number: JP2010035836A
Authority: JP
Inventors: 真一郎八木
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP2011171630A

Description

本発明は、気相成長装置及びシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。

一般的な気相成長装置を用いたシリコンエピタキシャルウェーハの製造では、Ｈ_２とＳｉ原料ガスであるＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_４などのガスを用いて、Ｓｉのエピタキシャル成長を行う。このエピタキシャル成長においてＨＣｌが生じる。また、ウェーハ以外に、チャンバー内部にもシリコンが成長するため、この装置の部材に成長したシリコンを定期的に除去する必要があり、この除去のためのクリーニングガスとしてもＨＣｌが用いられる。

このような気相成長装置では、金属部材が使われる場所が多く、例えば、ガス導入配管、排気配管、チャンバーベース、ガス導入ポート、ウェーハ回転機構などが挙げられ、金属部材の材質としては、耐腐食性の強いステンレス、特にＳＵＳ３１６Ｌが使われることが多い。

気相成長の反応は、ランプ加熱などで９００〜１２００℃の比較的高温にしたチャンバー内で行われることが多い。多くの気相成長装置はコールドウォール式であり、水冷、空冷により、チャンバー構造部材である、石英や、ＳＵＳなどの金属等を冷却しながら気相成長プロセスを行う。

気相成長装置では、ＳＵＳ等の耐腐食性の高い金属でも、高濃度ＨＣｌ雰囲気では腐食が進み、金属を含むガス（金属塩化物など）となり、ウェーハに取り込まれ、エピプロセス中にウェーハが金属で汚染されるという問題がある。特に、水分の存在下や、高温ではＨＣｌによる腐食の進行が早いため、メンテナンス等のためにチャンバーを大気に開放した後などは、汚染レベルが著しく悪化する。

エピプロセスでの汚染レベルは、ＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｇｅ）やＷＬＴ（ＷａｆｅｒＬｉｆｅＴｉｍｅ）によりモニターしており、一定のレベルで管理を行っている。特に、定期メンテナンスによるチャンバー解放後には、これらの汚染レベルが悪化し、管理レベルまで回復させるためにダミーウェーハなどでのデポジション、クリーニングの繰り返し工程が必要である。このため、回復工程に時間を要し、シリコンエピタキシャルウェーハの生産性が大きく低下する。

特許文献１には、下端部にガス排気口を有するバレル型気相成長装置において、ガス排気系の内壁をセラミックコーティングする技術が開示されている。

特開平７−２２１０２２号公報

しかしながら、特許文献１のようなセラミックコーティングは、非常に高価で、寿命も限られてくる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、気相成長装置の金属汚染レベル回復時間を低コストで大幅に短縮し、純度の高い高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを製造できる気相成長装置及び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する。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、チャンバーと、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内にガスを導入するガス導入管と、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内からガスを排出するガス排出管と、前記チャンバー内に配置され、ウェーハを載置するサセプタとを具備し、前記サセプタに載置されたウェーハに前記ガス導入管から原料ガスを供給しながら気相成長させる気相成長装置であって、該気相成長装置を構成する部材のうち前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材の該露出された金属の表面は、原料ガスから生成された副生成物からなる被覆膜で被覆されたものであることを特徴とする気相成長装置を提供する。

このように、気相成長装置を構成する部材のうちチャンバー内に金属の表面が露出された部材の露出された金属の表面は、原料ガスから生成された副生成物からなる被覆膜で被覆されたものであれば、チャンバー内の金属汚染レベルの管理が容易で、汚染された場合の汚染レベルの回復を早くでき、生産性良く、純度の高いエピタキシャル層を気相成長させることができる装置となる。また、原料ガスから生成された副生成物からなる被覆膜で被覆されるため、汚染の心配もなく、安価な装置となる。

このとき、前記被覆膜は、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成されたポリクロロシランからなるものであることが好ましい。
このように、被覆膜は、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成されたポリクロロシランからなるものであれば、被覆膜が、エピタキシャルプロセス中や、ＨＣｌクリーニングでも除去されず、さらに、シリコンウェーハに対して不純物とならない上に、ゲル状で発塵しにくいため、成長させるエピタキシャル層へのパーティクルの発生が無く、より生産性の良い気相成長を行うことができる装置となる。

このとき、前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材の該露出された金属の表面は、ステンレスとすることができる。
このように、本発明の装置のチャンバー内に金属の表面が露出された部材の該露出された金属の表面は、一般的に気相成長装置に用いられるステンレスとすることができる。すなわち、露出したステンレスの表面を被覆膜で被覆すれば、高純度のエピタキシャルウェーハを製造できる装置となる。

また、本発明は、少なくとも、チャンバーと、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内にガスを導入するガス導入管と、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内からガスを排出するガス排出管と、前記チャンバー内に配置され、ウェーハを載置するサセプタとを具備する気相成長装置を用いて、前記サセプタに載置されたウェーハに前記ガス導入管から原料ガスを供給しながら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方法であって、少なくとも前記気相成長装置を構成する部材のうち前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材の該露出された金属の表面を、原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆し、その後前記サセプタに載置されたウェーハに前記ガス導入管から原料ガスを供給しながら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を提供する。

このように、気相成長装置を構成する部材のうちチャンバー内に金属の表面が露出された部材の露出された金属の表面を、原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆し、その後サセプタに載置されたウェーハにガス導入管から原料ガスを供給しながら気相成長させることで、露出された金属の表面を被覆膜で被覆した状態で気相成長できるため、金属汚染を効果的に低減することができる。また、チャンバーの開放による汚染からの汚染レベルの回復を早めることができ、高純度で高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを生産性良く製造できる。

このとき、前記被覆膜を、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成された副生成物であるポリクロロシランとすることが好ましい。
このように、被覆膜を、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成された副生成物であるポリクロロシランとすることで、被覆膜がエピタキシャルプロセス中や、ＨＣｌクリーニングでも除去されず、さらに、ゲル状で発塵しにくいため、パーティクルの発生が無く、より生産性良く高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを製造できる。

このとき、前記露出された金属の表面がステンレスである気相成長装置を用いることができる。
このように、本発明で用いる装置を、露出された金属の表面がステンレスである気相成長装置とすることができる。

このとき、前記被覆膜の被覆を、前記チャンバー内を１０００〜１２００℃に加熱し、前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材中に冷却水を流しながら、前記ガス導入管から原料ガスを水平方向に非対称なガス流速で導入することによって、前記露出された金属の表面を前記原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆することが好ましい。
このように、被覆膜の被覆を、チャンバー内を１０００〜１２００℃に加熱し、チャンバー内に金属の表面が露出された部材中に冷却水を流しながら、ガス導入管から原料ガスを水平方向に非対称なガス流速で導入することによって、露出された金属の表面を原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆することで、原料ガスがチャンバー内を回流して滞留時間が増え、その間、原料ガスの中間生成物が冷却された部材の金属の表面上に凝縮して効率的に被覆膜を被覆することができる。

以上のように、本発明によれば、気相成長装置の部材からのウェーハへの金属汚染を容易に低減でき、高純度で高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを生産性良く製造することができる。

本発明の気相成長装置と従来の気相成長装置とを開放した後の汚染レベルの回復をＳＰＶにより示すグラフである。本発明の気相成長装置と従来の気相成長装置とを開放した後の汚染レベルの回復をＷＬＴにより示すグラフである。気相成長装置の一例を示す概略図である。

気相成長装置の金属汚染対策は、原料ガスやＨＣｌガスと金属の接触を完全に断つことが重要であり、ガス配管、チャンバー内部金属パーツ、ガス排出管の排気ノズルなどの金属を保護膜でコーティングすることが効果的である。
しかしながら、このような金属パーツ部へのコーティング部材は限られており、耐熱性、耐酸性（耐ＨＣｌ）が要求され、さらに金属との密着性、発塵しないことも重要である。これらを満たすコーティング部材、コーティング方法は非常に高価となり、寿命も限られてくる。

そこで発明者はコーティングの材料として、原料ガスの副生成物を用いることを見出して、以下のような本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図３は、気相成長装置の一例を示す概略図である。

本発明の気相成長装置として、例えば図３に示す枚葉式の気相成長装置について、以下説明するが、本発明は縦型、バレル型等の各種の気相成長装置にも適用することができる。

図３に示す気相成長装置１０のチャンバー（反応容器）１２は、例えばＳＵＳからなるチャンバーベース１１と、チャンバーベース１１を上下から挟む透明石英部材１３、１４とから形成される。このチャンバー１２内には、チャンバーベース１１をカバーする不透明石英部材１５、１６と、ウェーハＷを上面で支持するサセプタ１７とを備えている。

このサセプタ１７はウェーハ回転機構１８に接続されており、気相成長中はサセプタ１７を回転させて、エピタキシャル層をウェーハＷ上に膜厚均一に気相成長させる。このウェーハ回転機構１８内部はＳＵＳが使われており、ウェーハ回転機構１８内部をパージするパージガス導入管１９が設けられている。
チャンバー１２には、チャンバー１２内に原料ガス及びキャリアガス（例えば、水素）を含む気相成長ガスをサセプタ１７の上側の領域に導入して、サセプタ１７上に載置されたウェーハＷの主表面上に原料ガスとキャリアガスを供給するガス導入管２０、２１が接続されている。例えば、ガス導入管２０の導入口は、３つ以上に仕切られ、導入口の外側２つと中央部１つのガス流量がそれぞれ調整できるようになっている。
また、チャンバー１２のガス導入管２０、２１が接続された側の反対側には、チャンバー１２内からガスを排出するガス排出管２２、２３が接続されている。

そして、本発明の気相成長装置１０を構成する部材のうちチャンバー１２内に金属の表面が露出された部材の露出された金属の表面は、原料ガスから生成された副生成物からなる被覆膜で被覆されたものである。

このように、金属の表面を原料ガスの副生成物からなる被覆膜で被覆した装置であれば、被覆された金属の表面はガスにより腐食されず、気相成長プロセス中のウェーハへの金属汚染を効果的に抑制することができる。このような副生成物は原料ガスから生成されたものであるため、被覆膜として用いても汚染源となる心配はなく、低コストである。

このような、被覆膜を被覆する金属の表面を有する部材としては、チャンバー１２の内壁等があり、さらには、ガス導入管２０、２１、ガス排出管２２、２３、ウェーハ回転機構１８等のチャンバー１２内の雰囲気中に露出した金属の表面にも被覆膜を被覆することができる。

このとき、被覆膜は、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成されたポリクロロシランからなるものであることが好ましい。
ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２及びＳｉＣｌ_４はシリコンの気相成長に一般的に用いられる原料ガスであり、その原料ガスの副生成物であれば気相成長プロセス中に不純物も混入しない。また、ポリクロロシランであれば、ＨＣｌによるクリーニングによっても分解されずに残り、さらにはゲル状であるため発塵もない。このため、パーティクルが無く、高純度のシリコンエピタキシャルウェーハを生産性良く製造できる装置となる。

このような、本発明の気相成長装置１０を用い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方法について、実施態様の一例を以下説明する。

本発明の製造方法では、まず、気相成長装置１０を構成する部材のうちチャンバー１２内に金属の表面が露出された部材の露出された金属の表面を、原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆して、本発明の気相成長装置とする。

この被覆膜を被覆する好ましい方法としては、例えば、チャンバー１２内を１０００〜１２００℃まで加熱する。その際、チャンバー１２を構成するステンレス等の金属部材には、十分な冷却水を流しておく。次に、ガス導入管２０の３つのガス流量ゾーンに分かれた導入口の中央部のガス流量を絞り、その左右外側２つのうち１つのゾーンのみガス流量を絞ることにより、水平方向に非対称なガス流速で原料ガス（例えばＳｉＨＣｌ_３）を導入する。
通常、気相成長中には、ウェーハ上にシリコンの膜厚を均一に気相成長させるために、チャンバー内で水平方向に左右対称にガス流速を調節する。本発明の被覆工程では、左右非対称なガス流速とすることで、導入された原料ガスはチャンバー１２内を回流し、滞留時間が増えるため、原料ガスが加熱され熱分解が促進される。ＳｉＨＣｌ_３やＳｉＨ_２Ｃｌ_２が熱分解すると中間生成物と呼ばれるＳｉＣｌ_２などの不安定な化合物が生成される。これらはエピタキシャル成長やポリシリコン成長等の気相成長の際には、高温のウェーハ上でＳｉを析出する表面反応過程で必要となるが、本発明での被覆の際には、上記のように十分な冷却水を流して冷却された部材の金属の表面に接触することにより凝縮してポリクロロシランが生成されて、被覆膜が被覆される。

このようにして、気相成長装置の金属部材の表面に効率的にポリクロロシランの被覆膜が被覆され、その後の気相成長プロセスやＨＣｌクリーニング工程でも、この被覆膜は除去されずに残る。このため、ステンレス等の金属の表面から、気相成長プロセス中のウェーハへの金属の拡散を防ぐことができる。さらに、このポリクロロシランからなる被覆膜はゲル状で発塵せず、成長させるエピタキシャル層にパーティクルは発生しないため、気相成長プロセスに悪影響を及ぼさない。また、本発明の被覆膜の被覆は、メンテナンス後に毎回、短時間で副生成物によるコーティング処理を行うことができるため、汚染レベルを短時間で回復させて、製造に復帰させることが容易となる。

上記のように被覆膜を被覆した後、シリコンウェーハの主表面に、エピタキシャル層を気相成長させる。
最初に、投入温度（例えば６５０℃）に調整したチャンバー１２内にシリコンウェーハＷを投入し、その主表面が上を向くように、サセプタ１７上面のザグリに載置する。ここでチャンバー１２内には、シリコンウェーハＷが投入される前段階から、ガス導入管２０、２１及びパージガス導入管１９のそれぞれを介して水素ガスが導入されている。

次に、サセプタ１７上のシリコンウェーハＷを、不図示の加熱装置により水素熱処理温度（例えば１０５０〜１２００℃）まで加熱する。
次に、シリコンウェーハＷの主表面に形成されている自然酸化膜を除去する為の気相エッチングを行う。この気相エッチングは、次工程である気相成長の直前まで行われる。

次に、シリコンウェーハＷを所望の成長温度（例えば９５０〜１１８０℃）まで降温させ、シリコンウェーハＷの主表面上に、ガス導入管２０を介して原料ガス（例えばトリクロロシラン）及びキャリアガス（例えば水素）をそれぞれ略水平に供給することによって、シリコンウェーハＷの主表面上に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。
最後に、取り出し温度（例えば、６５０℃）まで降温し、シリコンエピタキシャルウェーハをチャンバー１２外へと搬出する。

このように、本発明によれば、気相成長装置の汚染回復が短時間で行うことができるため、生産性良く、高純度のシリコンエピタキシャルウェーハを製造することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
一般的な気相成長装置を用いて、メンテナンスのためのチャンバー開放後に、汚染レベルを管理レベルまで回復させるために、直径２００ｍｍ、Ｐ型で抵抗率１０Ωｃｍのシリコン単結晶基板のダミーウェーハを用いて、デポジション、クリーニングを繰り返し、その際の各繰り返し工程終了後に汚染レベルをＳＰＶとＷＬＴでモニターした比較例の結果を図１、２に示す。なお、デポジションは、温度１１００℃で、原料ガスとしてトリクロロシランを用い、１０μｍのエピタキシャル成長を行った。ＳＰＶはＦｅ−Ｂ対解離後の拡散長を測定し、ＷＬＴはケミカルパッシベーション後の値を測定した。

また、同じ装置を用いて、ただし、予めチャンバー内のステンレス部材に被覆膜としてポリクロロシランを被覆して、本発明の気相成長装置としてから、デポジション、クリーニングを繰り返した。
ステンレス部材へのポリクロロシランの被覆は、ステンレス部材内部に冷却水を十分に流しながら、チャンバー内を１１００℃にし、その後チャンバー内にトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）と水素を、ガス導入口からの左右のガス流速のバランスを大きく崩すように、左右の一方のガス流量を交互に同時間ずつ０として導入し、ポリクロロシランを生成させた。
比較例と同様に、汚染レベルをＳＰＶとＷＬＴでモニターした実施例の結果を図１、２に示す。

図１に示すように、原料ガスの副生成物（ポリクロロシラン）で被覆した本発明の気相成長装置では、Ｒｕｎ数５０程度で、ＳＰＶ拡散長が５００μｍ程度まで回復したが、被覆膜を被覆していない従来の装置では、Ｒｕｎ数２００でＳＰＶ拡散長が５００μｍ程度に回復し、回復後も、本発明の装置のＳＰＶ拡散長が大きいことが分かる。
また、図２に示すように、ＷＬＴでも本発明の装置は、従来の装置よりも早く汚染レベルが回復し、Ｄｅｐｏ回数２００で１５００μｓ程度まで回復した。また、回復後のバラツキはあるものの、回復後にも従来の装置より清浄度が高かった。
以上のように、本発明であれば、従来よりも気相成長装置の汚染レベルの回復が早く、その回復後の清浄度も高く保てることが分かる。

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、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。

１０…気相成長装置、１１…チャンバーベース、１２…チャンバー、
１３、１４…透明石英部材、１５、１６…不透明石英部材、１７…サセプタ、
１８…ウェーハ回転機構、１９…パージガス導入管、２０、２１…ガス導入管、
２２、２３…ガス排出管、Ｗ…ウェーハ。

Claims

少なくとも、チャンバーと、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内にガスを導入するガス導入管と、前記チャンバー内に連通し、該チャンバー内からガスを排出するガス排出管と、前記チャンバー内に配置され、ウェーハを載置するサセプタとを具備する気相成長装置を用いて、前記サセプタに載置されたウェーハに前記ガス導入管から原料ガスを供給しながら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方法であって、少なくとも
前記気相成長装置を構成する部材のうち前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材の該露出された金属の表面を、原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆し、その後前記サセプタに載置されたウェーハに前記ガス導入管から原料ガスを供給しながら気相成長させ、
前記被覆膜を、ＳｉＨＣｌ _３、ＳｉＨ _２Ｃｌ _２及びＳｉＣｌ _４のうち少なくとも一つの原料ガスから生成された副生成物であるゲル状のポリクロロシランと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。
前記露出された金属の表面がステンレスである気相成長装置を用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記被覆膜の被覆を、前記チャンバー内を１０００〜１２００℃に加熱し、前記チャンバー内に金属の表面が露出された部材中に冷却水を流しながら、前記ガス導入管から原料ガスを水平方向に非対称なガス流速で導入することによって、前記露出された金属の表面を前記原料ガスから生成させた副生成物からなる被覆膜で予め被覆することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。