JP5589867B2

JP5589867B2 - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP5589867B2
Application number: JP2011013951A
Authority: JP
Inventors: 芳春加藤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: WO2012101968A1; JP2012156303A; TW201250787A

Description

本発明は、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル層を積層す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。

シリコンエピタキシャルウェーハ（以下単に「エピタキシャルウェーハ」と称す）は、例えば以下の通りにして製造される。

すなわち、シリコン単結晶基板を気相成長装置の反応容器内に載置し、水素ガスを流した状態で、１０００℃〜１２００℃まで反応容器内を昇温する（昇温工程）。反応容器内の温度が１０００℃以上になると、基板表面に形成されている自然酸化膜（ＳｉＯ_２：ＳｉｌｉｃｏｎＤｉｏｘｉｄｅ）が除去される。この状態で、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３：Ｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）等のシリコン原料ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６：Ｄｉｂｏｒａｎｅ）あるいはホスフィン（ＰＨ_３：Ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）、アルシン（ＡｓＨ_３：Ａｒｓｉｎｅ）等のドーパントガスを、水素ガスとともにプロセスガスとして反応容器内に供給する。こうして基板の主表面にエピタキシャル層を気相成長させる（エピ成長工程）。
このようにしてエピタキシャル層を気相成長させた後に、シリコン原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、水素雰囲気に保持したまま反応容器内の温度を降温させる（冷却工程）。

このようにして製造されたエピタキシャルウェーハに対する品質について、エピタキシャル層の膜厚と抵抗率のウェーハ面内の均一性（以下「膜厚分布」と「抵抗分布」と称す）の向上がデバイスメーカーから要求されている。この中で抵抗分布についてのタイト化の要求が強い。

ところで、上述の通りにエピタキシャルウェーハを製造する過程の内、エピ成長工程では（１）成長温度、（２）シリコン原料ガス供給量、（３）反応圧力の３要素が重要であり、意図的に調整することができる。これら３要素がエピタキシャルウェーハの面内で均一であれば膜厚分布、抵抗分布が最良になる。
しかし、上記以外に抵抗分布に関する重要な、意図的に変える事が出来ない要素として、基板から発生する（４）アウトガスがある。抵抗分布とアウトガスの関係について以下に説明をする。

エピ成長工程では、１０００℃以上の高い温度で基板がアニールされる為、基板よりドーパントを含むアウトガスが発生する。アウトガスは特に基板裏面から発生し、表面側に回り込む。表面での気相成長はプロセスガスによって行われているが、基板裏面から回り込んできたアウトガスがプロセスガスに混ざり、成長中のエピタキシャル層に取り込まれる（今後、「オートドープ」と称す）。
従って、製造されたエピタキシャルウェーハの中心部分とエッジ部とで取り込まれたドーパント量に違いが生じ、このようなオートドープは、アウトガスが多くなる低抵抗（概ね１０．０ｍΩ・ｃｍ以下）の基板を用いた場合に影響が顕著になる。

このようなオートドープを低減させるために、従来において、処理炉内のガス流速を２ｍ／分以上、あるいはガス置換回数を３回／分以上の層流のキャリアガスを流下させる方法（特許文献１）等が取られてきたが、オートドープ量を大幅に低減させることは非常に困難であった。

また、低耐圧Ｐ−ＭＯＳデバイス用途に、シリコン単結晶基板を非常に低抵抗率にしたエピタキシャルウェーハの要求が高まっている。中でも赤リンを多量にドープしたＣＺ結晶をエピタキシャル基板にした、Ｎ／Ｎ^＋＋＋（５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度）エピタキシャルウェーハがこれからの主流として注目されている。
しかし、リンはＳｉ中での拡散係数が高い為、エピ成長工程での熱処理で簡単に拡散してしまい、裏面からのオートドープによってエピタキシャル層の抵抗率低下や遷移領域のプロファイルにダレが起きやすいという問題があった。

特開平０８−２３６４５８号公報

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、エピタキシャル成長中におけるシリコン単結晶基板からエピタキシャル層へのオートドープ量を抑制し、抵抗分布及び膜厚分布の良好なエピタキシャルウェーハを得ることが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する。

上記課題を解決するため、本発明では、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル層を積層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、抵抗率が０．５ｍΩ・ｃｍ以上１０．０ｍΩ・ｃｍ以下であり、リンまたはヒ素がドープされている前記シリコン単結晶基板上に、成長速度を３μｍ／分以上１５μｍ／分以下として、抵抗率が０．５Ω・ｃｍ以上２０００Ω・ｃｍ以下である前記エピタキシャル層を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。

このようなシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であれば、赤リンをドープした基板やヒ素をドープした基板など非常に低抵抗であり、オートドープの影響を大きく受けやすい基板を用いた場合であっても、その影響を最小限に抑えることができ、抵抗分布及び膜厚分布の良好なエピタキシャルウェーハを製造することができる。さらに、エピタキシャル層の成長速度を３μｍ／分以上の高速度としているため、生産性及び歩留まりの向上を図ることができる。また、成長速度を１５μｍ／分以下とすることで、エピタキシャル成長を阻害するＨＣｌガスがシリコン原料ガスと水素ガスの反応により発生することを抑制でき、安定したエピタキシャル成長ができる。
また、このようにシリコン単結晶基板の抵抗率が０．５ｍΩ・ｃｍ以上１０．０ｍΩ・ｃｍ以下であり、その上に形成されたエピタキシャル層の抵抗率が０．５Ω・ｃｍ以上２０００Ω・ｃｍ以下であるようなエピタキシャルウェーハであれば、特にオートドープによる影響を受けやすいため、本発明の製造方法が好適である。

またこのとき、前記エピタキシャル成長を行う際の成長温度を、１０００℃以上とすることが好ましい。

このような成長温度であれば、シリコン単結晶基板上の自然酸化膜を確実に除去することができ、シリコン単結晶基板上に膜厚分布のより良好なエピタキシャルウェーハを得ることができる。

またこのとき、前記エピタキシャル層の成長速度を、５μｍ／分以上１５μｍ／分以下とすることが好ましい。

このような成長速度であれば、より効果的にオートドープを抑制することができ、抵抗分布及び膜厚分布のより良好なエピタキシャルウェーハを安定して得ることができる。

またこのとき、エピタキシャル成長中における、前記シリコン単結晶基板からエピタキシャル層へのオートドープ量と、前記エピタキシャル層の成長速度との相関関係を予め求め、該相関から前記エピタキシャル層の成長速度を決定することができる。

このようにすれば、エピタキシャルウェーハの中央部及びエッジ部の抵抗分布及び膜厚分布を、より効率良く均一にできる成長速度でエピタキシャル成長を行うことができるため、必要以上にシリコン原料ガスやキャリアガスを流入させたり、炉内温度を上げ過ぎてしまったりすることを防止でき、抵抗分布及び膜厚分布のより良好なエピタキシャルウェーハを確実に製造しつつ、さらにコストダウンすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、エピタキシャル成長中のオートドープを効果的に抑制することができ、これによって抵抗分布及び膜厚分布の良好なエピタキシャルウェーハを製造することができる。
また、エピタキシャル層の成長速度を高速度としてエピタキシャル成長を行うため、生産性及び歩留まりを向上させることができる。

基板からエピタキシャル層へのオートドープ量と、エピタキシャル層の成長速度との相関関係を表すグラフの一例を示した図である。実施例１及び比較例１における、エピタキシャルウェーハ径方向の抵抗分布のグラフを示した図である。実施例２及び比較例２における、エピタキシャルウェーハ径方向の抵抗分布のグラフを示した図である。本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の一例のフローチャートを示した図である。

以下、図４のフローチャートを参照して、本発明の実施形態であるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図４は、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法の一例のフローチャートを示した図である。
ここでは、エピタキシャル層の成長温度を変化させずにシリコン原料ガスを増加させて高速成長させる場合について述べるが、もちろんシリコン原料ガスの量は変化させずに成長温度を上げて成長させても良いし、シリコン原料ガスを増加させた上でさらに成長温度を上げても良い。

先ず、気相成長装置の反応容器内に備えられたサセプタ上に搬送装置を用いて、抵抗率が０．５ｍΩ・ｃｍ以上１０．０ｍΩ・ｃｍ以下で、リンがドープされたシリコン単結晶基板を載置する（仕込み工程）。このとき、シリコン単結晶基板は赤リンをドープしたＣＺ結晶より製造されたものが好適である。また、リンの代わりにヒ素をドープしても良い。
次いで、反応容器内に水素ガスを流した状態で、反応容器内の温度を、エピタキシャル層を気相成長させるための成長温度まで昇温する（昇温工程）。この成長温度は、基板表面の自然酸化膜を水素で確実に除去できる１０００℃以上に設定する。

次いで、反応容器内を成長温度に保持したままで、水素ガスとともにシリコン原料ガスおよびドーパントガスをそれぞれ所定流量で供給し、成長速度を３μｍ／分以上１５μｍ／分以下、より好ましくは５μｍ／分以上１５μｍ／分以下、さらに好ましくは６μｍ／分以上１５μｍ／分以下で、所定膜厚となるまで抵抗率が０．５Ω・ｃｍ以上２０００Ω・ｃｍ以下となるエピタキシャル層を成長させる（エピ成長工程）。通常の成長速度から高速成長にする場合、成長温度によって異なるが、シリコン原料ガスを通常に比べ、１．５倍〜４．０倍に増加させる。
本発明においては、１０００℃以上の高温であっても、３μｍ／分以上１５μｍ／分以下の成長速度でエピタキシャル層を高速成長させるため、基板にドープされているドーパントのオートドープ量を抑制し、抵抗分布及び膜厚分布の良好なエピタキシャル層を安定して成長させることができる。

また、ここで基板からエピタキシャル層へのオートドープ量と、エピタキシャル層の成長速度との相関関係を予め求めておいて、該相関を基に成長速度を決定しても良い。
例えば、抵抗率が２．０ｍΩ・ｃｍであって、リンがドープされたシリコン単結晶基板上に、成長温度を１１００℃として、シリコン原料ガスであるトリクロロシランガスの流量を変化させることによって、成長速度を１〜９μｍ／分の間で変化させてエピタキシャル層を積層した。このときに得られたエピタキシャルウェーハのオートドープ量をそれぞれ測定した結果、オートドープ量と成長速度との間に図１に示すような相関が得られた。

この相関を基に成長速度を決定する場合、例えば３μｍ／分以上とすれば、２μｍ／分以下の通常の成長速度でエピタキシャル成長を行った場合と比べ、オートドープ量が抑制されることがわかる。また５μｍ／分以上とすれば、より効果的にオートドープ量が抑制され、さらに６μｍ／分以上とすれば、オートドープがほとんど生じず、エピタキシャルウェーハのエッジ部と中心部とでは抵抗率にほとんど差が無くなり、抵抗分布及び膜厚分布がほぼ均一化されることがわかる。

次いで、反応容器内の温度を下降させて取り出し温度までエピタキシャルウェーハを冷却する（冷却工程）。この冷却工程では、８００℃から４００℃程度の間で、水素雰囲気から窒素雰囲気へと切り換えられる。そして、窒素雰囲気のままで取り出し温度に至ったら、気相成長装置からエピタキシャルウェーハを取り出す（取り出し工程）。

次いで、取り出したエピタキシャルウェーハに対し、適宜ＲＣＡ洗浄等の洗浄を行う（洗浄工程）。この洗浄工程における洗浄法は、典型的なＲＣＡ洗浄の他、薬液の濃度や種類を通常行われる範囲で変更したものを用いることもできる。

そして、パーティクルカウンタにより、エピタキシャルウェーハ表面に生成するパーティクル状の異物の有無を確認し（パーティクルカウンタ計測）、その後製品となるエピタキシャルウェーハを選別する（選別）。

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、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
抵抗率が１．０ｍΩ・ｃｍであって、リンがドープされた直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板上に、抵抗率１．５Ω・ｃｍ、膜厚１μｍのエピタキシャル層を、成長温度１１００℃、成長速度を６μｍ／分として高速成長させ、エピタキシャルウェーハを製造した。その後、製造したエピタキシャルウェーハの抵抗率を径方向に測定した。このときの結果を図２に示す。

（実施例２）
抵抗率が２．０ｍΩ・ｃｍであって、ヒ素がドープされた直径２００ｍｍのシリコン単結晶基板上に、抵抗率２．０Ω・ｃｍ、膜厚１μｍのエピタキシャル層を、成長温度１１００℃、成長速度を６μｍ／分として高速成長させ、エピタキシャルウェーハを製造した。その後、製造したエピタキシャルウェーハの抵抗率を径方向に測定した。このときの結果を図３に示す。

（比較例１）
成長速度を２μｍ／分とすること以外は実施例１と同様にエピタキシャルウェーハを製造し、その後、製造したエピタキシャルウェーハの抵抗率を径方向に測定した。このときの結果を図２に合わせて示す。

（比較例２）
成長速度を２μｍ／分とすること以外は実施例２と同様にエピタキシャルウェーハを製造し、その後、製造したエピタキシャルウェーハの抵抗率を径方向に測定した。このときの結果を図３に合わせて示す。

比較例１及び比較例２に示した条件でエピタキシャル成長を行った場合、１０００℃以上の高温状態で、低抵抗基板上に高抵抗のエピタキシャル層を２μｍ／分の通常の成長速度で形成するため、基板にドープされているリンまたはヒ素が拡散し、オートドープの影響を受けやすい。このため、比較例１及び比較例２では、製造されたエピタキシャルウェーハのエッジ部の抵抗率が極端に下がってしまっている。
しかし、本発明の製造方法を用いた実施例１及び実施例２では、６μｍ／分の成長速度でエピタキシャル層を高速成長させているため、発生するオートドープ量を抑制することができる。このため、製造されたエピタキシャルウェーハのエッジ部と中心部とで抵抗率がほぼ均一化されているのがわかる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明でエピタキシャル層を気相成長させる気相成長装置は限定されず、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダ型）、枚葉式等の各種気相成長装置に適用可能である。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。

Claims

シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル層を積層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、抵抗率が０．５ｍΩ・ｃｍ以上１０．０ｍΩ・ｃｍ以下であり、リンまたはヒ素がドープされている前記シリコン単結晶基板上に、成長速度を３μｍ／分以上１５μｍ／分以下として、抵抗率が０．５Ω・ｃｍ以上２０００Ω・ｃｍ以下である前記エピタキシャル層を成長させる方法であって、
エピタキシャル成長中における、前記シリコン単結晶基板からエピタキシャル層へのオートドープ量と、前記エピタキシャル層の成長速度との相関関係を予め求め、該相関から前記エピタキシャル層の成長速度を決定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。
前記エピタキシャル成長を行う際の成長温度を、１０００℃以上とす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。
前記エピタキシャル層の成長速度を、５μｍ／分以上１５μｍ／分以下とすることを特徴とする請求項１または請求項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。