JP6624030B2

JP6624030B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法

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Publication number: JP6624030B2
Application number: JP2016236924A
Authority: JP
Inventors: 雅哉櫻井; 彰二野上; 慶輔杉山
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: JP2018093117A

Description

本発明は、エピタキシャルウェーハの製造方法に関し、特に、エピタキシャル層の成長を低温で行う際に、水素ベークの時間を短縮することができるエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。

近年、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、パワートランジスタおよび裏面照射型固体撮像素子等の種々の半導体デバイスにおいて、シリコンウェ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基板として用いるのが一般的である。

エピタキシャルウェーハは、例えば枚葉式のエピタキシャル成長炉内にシリコンウェーハを配置し、ジクロロシランガスやトリクロロシランガス等の原料ガスを、水素ガス等のキャリアガスとともにエピタキシャル成長炉内に供給し、１１００℃〜１１５０℃の温度にて、シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。

上記エピタキシャル層の成長前には、シリコンウェーハの表面に形成された自然酸化膜の除去や表面の清浄化を目的に、シリコンウェーハに対して、水素ガス雰囲気下でエピタキャル成長処理温度以上の温度にて短時間の熱処理（以下「水素ベーク」とも言う。）を施すのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

ところで近年、エピタキシャル層の成長を低温で行う場合がある。例えば、他の部分よりも不純物濃度が高い埋込み拡散層を有するシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させる際、シリコンエピタキシャル層の成長を、従来通り１１００℃〜１１５０℃の温度で行うと、拡散層の不純物が拡散層外の領域に拡散したり、不純物がシリコンウェーハから飛び出し、成長したエピタキシャル膜中に取り込まれる、いわゆるオートドープが発生したりする。そこで、このようなシリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を成長させる際には、通常よりも低温（例えば、１０００℃以下）で行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１８７７９７号公報

上述のように低温でエピタキシャル層を成長させる（以下、「低温エピタキシャル成長」とも言う。）場合には、その前処理である水素ベークも一般的な温度よりも低温で行う必要がある。しかしながら、水素ベークを一般的な温度よりも低温で行うと、酸化膜の除去に要する時間が長くなり、拡散層からの不純物の拡散や、オートドープが強く発生する問題がある。さらに、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを水素と同時に流すことによる酸化膜を除去する方法においても、ＨＣｌガスによるエッチングが不可逆的に進む為、ベーク時間は短縮できるものの、拡散層からの不純物の拡散やオードドープの発生の制御や表面のラフネスの抑制を同時に行うことは難しい。

そこで、本発明の目的は、エピタキシャル層の成長を低温で行う際に、水素ベークの時間を短縮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案することにある。

本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、水素ベークの際に、水素ガスに、ジクロロシランガスのようなクロルシランガス、あるいはモノシランガスやジシランガスといった水素化ケイ素（Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２）ガス、の少なくとも１種をごく微量添加することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）シリコンウェーハをエピタキシャル成長炉内に配置し、該エピタキシャル成長炉内に水素ガスを供給して前記シリコンウェーハに対して水素ガス雰囲気下で熱処理を施した後、前記エピタキシャル成長炉内に原料ガスを供給して８００℃以上１０００℃以下の温度にて前記シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記熱処理は、前記水素ガスにジクロロシランガスを添加して行い、前記水素ガスの流量に対する前記ジクロロシランガスの流量の比は０．０２％以上１％以下であることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。

（２）前記熱処理の温度は８００℃以上１０００℃以下である、前記（１）に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

（３）前記熱処理の時間は０．５分以上５分以下である、前記（１）または（２）に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

（４）前記原料ガスと前記水素ガスに添加したガスとが同じである、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

（５）前記熱処理時の前記エピタキシャル成長炉内の圧力が５Ｔｏｒｒ以上６００Ｔｏｒｒ以下である、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

本発明によれば、エピタキシャル層の成長を低温で行う際に、水素ベークの時間を短縮することができる。

発明例１〜３および比較例１〜３に対する、エピタキシャルウェーハ表面の観察結果を示す図である。発明例４〜６および比較例４に対する、ウェーハ径方向の位置と自然酸化膜のエッチング量との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明によるエピタキシャルウェーハの製造方法は、シリコンウェーハをエピタキシャル成長炉内に配置し、該エピタキシャル成長炉内に水素ガスを供給してシリコンウェーハに対して熱処理を施した後、エピタキシャル成長炉内に原料ガスを供給して８００℃以上１０００℃以下の温度にてシリコンウェーハ上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法である。ここで、上記熱処理は、水素ガスにジクロロシランガスのようなクロルシランガス、あるいはモノシランガスやジシランガスといった水素化ケイ素（Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２）ガス、の少なくとも１種を添加して行うことを特徴とする。

上述のように、低温エピタキシャル成長によりシリコンウェーハ上にエピタキシャル層を形成する場合、シリコンウェーハに対する水素ベークについても従来よりも低い温度で行う必要がある。しかし、水素ベークを低温で行うと、酸化膜の除去に要する時間が掛かる問題がある。

酸化膜除去の時間を短縮するためには、水素ベークの温度を上げることが効果的であるが、上述のように埋め込み拡散層を有するシリコンウェーハの場合には、拡散層中の不純物が拡散層外に拡散したり、オートドープが強く発生したりする。

そこで本発明者らは、水素ベークの温度を上げることなく水素ベークの時間を短縮するための方途について鋭意検討した。従来の水素ベークにおいては、シリコンウェーハを熱処理する雰囲気を構成するガスは水素ガスのみである。この場合、下記の式（１）に従って自然酸化膜、すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）が分解（還元）され、酸化シリコン（ＳｉＯ）が昇華する。
ＳｉＯ_２＋Ｈ_２→ＳｉＯ↑＋Ｈ_２Ｏ↑ ・・・（１）

本発明者らは、自然酸化膜の除去に要する時間を短縮すべく、上記水素ガスによる二酸化ケイ素の還元反応（昇華反応）に加えて、二酸化ケイ素を分解する別の反応を行わせることを検討した。その結果、本発明者らは、水素ガスにジクロロシラン（Dichlorosilane，以下「ＤＣＳ」とも言う。）ガスをごく微量添加することにより、二酸化ケイ素の分解反応を促進して、自然酸化膜の除去に要する時間を短縮できることを見出したのである。
ＳｉＯ_２＋ＳｉＨ_２Ｃｌ_２→２ＳｉＯ↑＋２ＨＣｌ↑ ・・・（２）

本発明者らは、上記ＤＣＳガス添加による二酸化ケイ素の分解反応と同様の促進効果は、モノクロロシランガス（ＳｉＣｌＨ_３）を添加した場合でも得られることも見出した。本発明者らはさらに、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガス、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）ガスといった水素化ケイ素ガスを添加した場合にも同様に得られることも見出した。水素化ケイ素ガスによる二酸化ケイ素の分解反応は、下記の式（３）により表される。

ｎＳｉＯ_２＋ｎＳｉ_ｎＨ_２ｎ＋２→２ｎＳｉＯ＋（ｎ＋１）Ｈ_２↑ ・・・（３）
（ｎは自然数）

また、本発明者らがさらに検討を進めた結果、クロルシランおよび水素化ケイ素ガスは、それらのうちの２種以上を添加した場合にも、二酸化ケイ素の分解反応を促進できることも分かった。

上記式（２）および（３）から明らかなように、クロルシランガスや水素化ケイ素ガスと二酸化ケイ素との反応においては、式（１）に示した水素ガスと二酸化ケイ素との反応のように水を生成することがほとんどないため、シリコンウェーハ表面に付着した水による表面ラフネスを抑制することができる。また、クロルシランおよび水素化ケイ素ガスは、熱分解によるシリコン成長も伴うため、二酸化ケイ素の分解反応速度は、ＨＣｌガスによるものより遅く、制御しやすい。

このように、本発明者らの検討により、水素ベークの際に、水素ガスにクロルシランガス、水素化ケイ素ガスの少なくとも１種を添加することにより、自然酸化膜の分解反応を促進して、水素ベークに要する時間を短縮することができることが分かった。以下、水素ベークの各条件について説明する。

水素雰囲気下での熱処理温度（水素ベークの温度）は、８００℃以上１０００℃以下とすることが好ましい。ここで、熱処理温度が８００℃未満の場合には、シリコンウェーハ表面に形成された自然酸化膜を充分に除去できないおそれがある。また、熱処理温度が１０００℃を超えると、クロルシランガスおよび水素化ケイ素ガスの少なくとも１種を添加することによる酸化膜除去促進効果が低減される。そこで、熱処理温度は、８００℃以上１０００℃以下とすることが好ましい。より好ましくは８５０℃以上９５０℃以下である。また、熱処理温度は、エピタキシャル層を成長させる温度と同じにすることが好ましい。

また、水素雰囲気下での熱処理時間（水素ベークの時間）は、０．５分以上５分以下とすることが好ましい。熱処理時間が０．５分未満の場合には、シリコンウェーハ表面に形成された自然酸化膜を充分に除去できないおそれがある。また、熱処理時間が５分を超えても、自然酸化膜の除去効果は飽和して変わらない。そこで、熱処理時間は、０．５分以上５分以下とすることが好ましい。熱処理温度が９００℃の場合には、熱処理時間は３分とすることが好ましい。

なお、水素ガスにクロルシランガスおよび水素化ケイ素ガスの少なくとも１種を添加するタイミングは、特に限定されず、炉内を熱処理温度まで昇温した後に添加することも、炉内に水素ガスを供給し始めるタイミングで添加することもできる。熱処理時間をさらに短縮するために、熱処理温度への昇温中に添加してもよい。

水素ガスに添加するガスがＤＣＳガスの場合、水素ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量の比は、０．０２％以上１％以下とすることが好ましい。上記流量比が０．０２％未満の場合には、ＤＣＳガスを添加した効果が低く、水素ベーク時間の短縮効果が低い。これに対して、上記流量比が１％を超えると、ＤＣＳ添加による上記式（２）の分解反応よりも、ＤＣＳガスを原料ガスとするシリコンの堆積反応が優勢となり、残存酸化膜が存在する場合には、多結晶シリコンが成長してしまう。そこで、上記流量比は０．０２％以上１％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０２％以上０．５％以下、さらに好ましくは０．０２％以上０．２％以下である。なお、本明細書において、ガスの流量は全てマスフローコントローラーにて測定した値である。

また、水素ベーク時のエピタキシャル成長炉内の圧力は、５Ｔｏｒｒ以上６００Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。これにより、酸化膜の除去量を増加させて、水素ベークの時間をより短縮することができる。より好ましくは、５Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下である。

このように、水素ベークの際に、水素ガスにクロルシランガス、水素化ケイ素ガスの少なくとも１種を添加することにより、シリコンウェーハ表面上に形成された自然酸化膜の分解反応を促進して、水素ベークに要する時間を短縮することができる。中でも、水素に添加するガスは、クロルシランガスであればＤＣＳガス、水素化ケイ素ガスであればシランガスまたはジシランガスであることが好ましい。特に、水素ガスに添加するガスは、炉内における反応生成物によるパーティクルの発生しやすさの点から、ＤＣＳガスであることが好ましい。

すなわち、モノシランガスおよびジシランガスといった水素化ケイ素ガスについては、シリコン生成反応温度は低めであり、容易に分解しやすいため、炉内の酸素との反応によりパーティクルを発生させやすい。これに対して、ＤＣＳガス等のクロルシランガスは塩素を有しており、シリコン生成反応温度は高めで、かつ分解反応であるため、モノシランガス、ジシランガスのように、酸化膜表面に到達する前に分解することは無く、パーティクルを発生させずに、効果的に酸化膜をエッチングすることができる。

こうして自然酸化膜を除去したシリコンウェーハ上にエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル層としては、シリコンエピタキシャル層が挙げられ、一般的な条件により形成することができる。例えば、水素ガスをキャリアガスとして、モノシランガスやジシランガス、ＤＣＳガス等の原料ガスをエピタキシャル成長炉内に導入し、ＣＶＤ法によりシリコンウェーハ上に成長させることができる。その際、前記原料ガスの流量は、０．０１ｓｌｍ〜０．１ｓｌｍである。

なお、上記パーティクルの発生や、シリコン原料ガス混合反応における安全面の点も考慮すると、原料ガスと水素ガスに添加したガスとが同じであることが好ましい。

本発明においては、エピタキシャル成長は８００℃以上１０００℃以下の温度にて行い。この温度範囲でエピタキシャル層の成長を行うことにより、シリコンウェーハの表面に拡散層がある場合にも、ドーパントのオートドープを充分に抑制することができる。また、エピタキシャル成長時の温度および圧力は、水素ベークの温度と同一とすることが好ましい

以上の説明から明らかなように、本発明は、低温エピタキシャル成長の前処理である水素ベークの際に、水素ガスにクロルシランガスおよび水素化ケイ素ガスの少なくとも１種をごく微量添加することを特徴としている。よって、その他の製造条件については、エピタキシャル層を従来よりも低温の８００℃以上１０００℃以下で行う以外は限定されず、シリコンウェーハの導電型や不純物の濃度の設定や、研削処理、研磨処理、面取り処理等は、設計に応じて適切に行えばよい。

以下、具体的な実施例および比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（発明例１）
＜エピタキシャルウェーハの作製＞
まず、チョクラルスキー法により育成した単結晶シリコンインゴットに対してウェーハ加工処理を施し、直径２００ｍｍのシリコンウェーハを用意した。次いで、シリコンウェーハをエピタキシャル成長炉内に配置した後、炉内に水素ガスを流量５０ｓｌｍで供給して炉内を水素ガス雰囲気とした。続いて、炉内の温度を９００℃まで昇温した後、ＤＣＳガスを流量０．０１ｓｌｍで水素ガスに添加し、１分間保持してシリコンウェーハに対して熱処理（水素ベーク）を施した。その際、水素ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量の比は０．０２％であり、炉内の圧力は８０Ｔｏｒｒとした。その後、炉内の温度を８５０℃まで降温し、原料ガスとしてのＤＣＳガスを流量０．３ｓｌｍで、キャリアガスとしての水素ガスを流量２５ｓｌｍでそれぞれ炉内に供給し、シリコンウェーハ上に厚さ５μｍのシリコンエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェーハを得た。

（発明例２）
発明例１と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの時間を２分とした。その他の条件は発明例１と全て同じである。

（発明例３）
発明例１と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの時間を５分とした。その他の条件は発明例１と全て同じである。

（比較例１）
発明例１と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際に水素ガスにＤＣＳガスを添加しなかった。その他の条件は発明例１と全て同じである。

（比較例２）
発明例２と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際に水素ガスにＤＣＳガスを添加しなかった。その他の条件は発明例２と全て同じである。

（比較例３）
発明例３と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際に水素ガスにＤＣＳガスを添加しなかった。その他の条件は発明例３と全て同じである。

（発明例４）
チョクラルスキー法により育成した単結晶シリコンインゴットに対してウェーハ加工処理を施し、直径３００ｍｍのシリコンウェーハを用意した。次いで、シリコンウェーハをエピタキシャル成長炉に配置した後、炉内に水素ガスを流量２５ｓｌｍで供給して炉内を水素ガス雰囲気とした。続いて、炉内の温度を９００℃まで昇温した後、ＤＣＳガスを流量０．０２ｓｌｍで水素ガスに添加し、３分間保持してシリコンウェーハに対して熱処理（水素ベーク処理）を施した。その際、水素ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量の比は０．０８％であり、炉内の圧力は２０Ｔｏｒｒとした。その後、原料ガスとしてのＤＣＳガスを、キャリアガスとしての水素ガスとともに炉内に供給し、シリコンウェーハ上に厚さ１μｍのシリコンエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェーハを得た。

（発明例５）
発明例４と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際の水素ガスの流量を５０ｓｌｍとし、水素ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量の比を０．０４％とした。その他の条件は発明例４と全て同じである。

（発明例６）
発明例４と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際の水素ガスの流量を５０ｓｌｍとし、水素ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量の比を０．０４％とした。また、水素ベークの時間を５分とした。その他の条件は発明例４と全て同じである。

（比較例４）
発明例４と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際に水素ガスにＤＣＳガスを添加しなかった。その他の条件は発明例４と全て同じである。

（比較例５）
発明例６と同様に、エピタキシャルウェーハを作製した。ただし、水素ベークの際に水素ガスにＤＣＳガスを添加しなかった。その他の条件は発明例６と全て同じである。

＜エピタキシャルウェーハ表面の観察＞
上述のように作成された発明例１〜６、比較例１〜４に対するエピタキシャルウェーハの表面を観察した。例として、発明例１〜３および比較例１〜３に対するエピタキシャルウェーハ表面の観察結果を図１に示す。この図は、蛍光灯の照明の下で撮影されたエピタキシャルウェーハ表面の写真であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ比較例１〜３に対応するものであり、（ｄ）〜（ｆ）は、それぞれ発明例１〜３に対応するものである。

図１（ａ）〜（ｆ）において、白く観察された領域は、多結晶シリコンが形成されている領域であり、黒く観察された領域は、単結晶シリコンが形成されている領域である。図１（ａ）および（ｂ）から明らかなように、水素ベークの時間がそれぞれ１分、２分である比較例１および２においては、ウェーハ全面に亘って多結晶シリコンが形成されている。これに対して、図１（ｃ）から明らかなように、水素ベークの時間が５分である比較例３においては、ウェーハ全面で単結晶シリコンが形成されていることが分かる。

一方、図１（ｄ）から明らかなように、水素ベークの時間が１分である発明例１においては、ウェーハ全面に亘って多結晶シリコンが形成されているものの、図１（ｅ）および（ｆ）から明らかなように、水素ベークの時間が２分以上であれば、ウェーハ全面で単結晶シリコンが形成されていることが分かる。

また、水素ベークの時間が同じ発明例１と比較例１とを比較すると、比較例１においては、ウェーハ全面で多結晶シリコンが形成されているのに対して、発明例１においては、中心部付近で多結晶シリコンが形成されているものの、他の部分では単結晶シリコンが形成されている。

また、比較例２と発明例２とを比較すると、比較例２においては、ウェーハ全面で多結晶シリコンが形成されているのに対して、発明例２においては、ウェーハ全面で単結晶シリコンが形成されている。このように、水素ガスにＤＣＳガスを添加することにより、単結晶シリコンの形成が促進されており、これは、水素ベーク時に、表面ラフネスが劣ることなく、自然酸化膜の除去が促進されたことを示している。

なお、図示しないが、発明例４〜６、比較例４および５についても表面観察を行った結果、発明例４〜６については、ウェーハ全面に亘って単結晶シリコンが形成されていた。これに対して、比較例４および５については、ウェーハ全面に亘って多結晶シリコンが形成されていた。

＜水素ベークによる自然酸化膜のエッチング量の評価＞
水素ベークによる自然酸化膜のエッチング量を評価した。具体的には、まず、エピタキシャル成長炉内に配置する前の、リファレンスとしてのシリコンウェーハについて、エリプソメトリー（大日本スクリーン社製、ＲＥ３０００）を用いて、ウェーハ表面に形成された自然酸化膜の厚さの面内分布を測定した。その結果、自然酸化膜の厚さは９．３Å程度であった。

上記自然酸化膜の厚さの測定を、発明例４〜６および比較例４と同条件で水素ベークを施したシリコンウェーハに対して行い、上記リファレンスとしてのシリコンウェーハの自然酸化膜の厚さとの差から、水素ベークによる自然酸化膜のエッチング量を評価した。

図２は、ウェーハ面内方向の位置と水素ベークによる自然酸化膜のエッチング量との関係を示している。この図から明らかなように、比較例４については、自然酸化膜のエッチング量が面内方向でばらついており、エッチング量がウェーハ径方向外側の部分では多いのに対して、ウェーハ中心付近では少ない。これに対して、発明例４〜６については、自然酸化膜のエッチング量は面内方向で均一であり、ほぼ全ての自然酸化膜が除去されていることが分かる。

本発明によれば、エピタキシャル層の形成を低温で行う際に、水素ガスに、クロルシランガス、水素化ケイ素ガスの少なくとも１種を添加するようにし、水素ベークの時間を短縮することができるため、半導体ウェーハ製造業において有用である。

Claims

シリコンウェーハをエピタキシャル成長炉内に配置し、該エピタキシャル成長炉内に水素ガスを供給して前記シリコンウェーハに対して水素ガス雰囲気下で熱処理を施した後、前記エピタキシャル成長炉内に原料ガスを供給して８００℃以上１０００℃以下の温度にて前記シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記熱処理は、前記水素ガスにジクロロシランガスを添加して行い、前記水素ガスの流量に対する前記ジクロロシランガスの流量の比は０．０２％以上１％以下であることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記熱処理の温度は８００℃以上１０００℃以下である、請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記熱処理の時間は０．５分以上５分以下である、請求項１または２に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記原料ガスと前記水素ガスに添加したガスとが同じである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記熱処理時の前記エピタキシャル成長炉内の圧力が５Ｔｏｒｒ以上６００Ｔｏｒｒ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。