JP6998839B2 - エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関し、特に、形成したエピタキシャル膜中のカーボン濃度（強度）を低減することのできるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法に関する。
例えば、電子と正孔のキャリアをデバイスの駆動原理として利用するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）系のデバイスにあっては、エピタキシャル膜中における低カーボン濃度化への要求が高い。即ち、エピタキシャルシリコンウェーハを製造するにあたり、エピタキシャル膜中へのカーボン成分の取り込み抑制は重要な要求事項となっている。
エピタキシャル膜中のカーボン濃度が高くなる原因としては、エピタキシャル膜の形成途中において、プロセスガスがチャンバ内の部材に接することによりカーボン成分を含み、これがエピタキシャル膜中に取り込まれることが考えられる。
更には、ウェーハを支持するサセプタの下方を流れるパージガスが炉内部材に触れることによりカーボン成分を含み、それがサセプタ上方まで巻き上がることによってウェーハの成膜成分にカーボンが取り入れられるものと考えられている。
即ち、炉内のガス流の制御が、エピタキシャル膜中のカーボン濃度に大きく影響するといえる。
エピタキシャル膜を形成するにあたり、チャンバ内のガス流を制御する試みとしては、例えば特許文献１に開示された気相成長方法がある。特許文献１に開示される気相成長方法にあっては、図６に示すように、プロセスガスのガス導入口２０１及びガス排出口２０２が形成された反応炉２００内において、サセプタ２０５に載置されたウェーハＷ上にエピタキシャル膜を形成する際に、サセプタ２０５表面側に沿ってプロセスガスを導入しつつ、サセプタ２０５の裏面側に、サセプタ２０５を支持する回転軸２０６に沿うようにパージガスを導入する。
そして、サセプタ表面側のプロセスガスはサセプタ表面側ガス排出口２０２から排出し、サセプタ裏面側のパージガスは、サセプタ裏面側に備えられたパージガス排出口２０７から排出する。これにより、サセプタ表面側と裏面側とでの圧力差が無い状態とされる。
サセプタ２０５の周縁部には、サセプタ２０５を境とする上下空間を連通する隙間２０８が形成されているが、圧力差に基づくガス流が制限され、殆ど生じないものとなる。したがって、パージガスが上部空間に流出し、パージガスによるエピタキシャル形成膜の汚染を無くすことができる。
このようにサセプタ２０５によりチャンバ内の空間が上下に分割された構成とすれば、チャンバ内のガス流の制御がしやすく、ウェーハＷ上に形成するエピタキシャル膜中に含まれるカーボン濃度を制御しやすくなる。
特開２００７－３２６７６１号公報
しかしなら、特許文献１に開示された気相成長方法にあっては、サセプタ上方を流れるプロセスガスと、サセプタ下方を流れるパージガスとの気流のガスバランスについて考慮されていない。
そのため、プロセスガスの流量に対するパージガスの流量比が所定値より大きい場合には、前記隙間２０８より上部空間へのパージガスの流れ込みが多くなり、カーボン成分を含む雰囲気の巻き上げが生じる虞があった。その結果、ウェーハＷに形成するエピタキシャル膜中のカーボン濃度が高くなるという課題があった
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記エピタキシャル膜中のカーボン濃度を低減することのできるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するためになされた、本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法は、シリコンウェーハが載置されるサセプタを境に上部空間と下部空間とに区画され、前記上部空間と下部空間とが所定の隙間を介して連通される反応炉内において、前記シリコンウェーハの表面に、エピタキシャル膜を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、前記反応炉内の上部空間には、シリコンウェーハの上面に沿って横方向に流れるプロセスガスの気流を形成しつつ、前記下部空間には、前記サセプタの下方から該サセプタに向かって上方へ流れるメインパージガスの気流を形成し、前記上部空間に流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、前記下部空間を流れるメインパージガス流量の比を１．０～１．５とし、少なくとも前記上部空間の気圧を大気圧±０．２ｋＰａ内に制御することに特徴を有する。
尚、前記サセプタの外周に沿って配置された環状のプリヒートリングの内周縁部と、前記サセプタの外周縁部との間に前記隙間が形成され、前記サセプタの高さを前記プリヒートリングの高さの＋０ｍｍ～－３ｍｍ以内に設定することが望ましい。
また、前記反応炉におけるシリコンウェーハの搬入出ゲートとなるスリットから、前記下部空間に流れるスリットパージガスの気流を形成し、前記上部空間に流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、前記下部空間を流れる前記メインパージガス及び前記スリットパージガスの流量の比を２０．５以下とすることが望ましい。
このような構成によれば、反応炉の上部空間を流れるプロセスガスの流量と、下部空間を流れるパージガスの流量との比率を制御することにより、カーボン雰囲気の巻き上げを抑制し、エピタキシャル膜中のカーボン濃度を低減することができる。
本発明によれば、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法において、前記エピタキシャル膜中のカーボン濃度を低減することのできるエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提供することができる。
図１は、本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を適用可能なＣＶＤ（化学気相成長）装置の平面図である。 図２は、図１の一プロセスチャンバのＢ－Ｂ矢視断面図である。 図３は、図１の一プロセスチャンバのＡ－Ａ矢視断面図である。 図４は、本発明に係る実施例及び比較例の結果を示す表である。 図５は、本発明に係る他の実施例及び比較例の結果を示すグラフである。 図６は、従来の化学気相成長方法が実施されるプロセスチャンバの断面図である。
以下、本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法について説明する。図１は、本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を適用可能なＣＶＤ（化学気相成長）装置の平面図である。また、図２は、図１の一プロセスチャンバのＢ－Ｂ矢視断面図であり、図３は、Ａ－Ａ矢視断面図である。
図１に示すようにＣＶＤ装置１００は、複数のウェーハを一時的に保持するバッファチャンバ１０１と、バッファチャンバ１０１の外周に沿って配置された複数のプロセスチャンバ１０２Ａ～１０２Ｃとを備える。
更に、ＣＶＤ装置１００は、バッファチャンバ１０１の外周側に配置された２基のロードロックチャンバ１０３Ａ、１０３Ｂと、１基の冷却チャンバ１０４とを備える。
バッファチャンバ１０１は、その中に搬送ロボット１０１ａを有する。この搬送ロボット１０１ａは、ロードロックチャンバ１０３Ａ、１０３Ｂとプロセスチャンバ１０２Ａ～１０２Ｃとの間でウェーハＷを搬送する。
前記ロードロックチャンバ１０３Ａ、又は１０３Ｂは、クリーンルーム雰囲気と該ロードロックチャンバ１０３Ａ，１０３Ｂから先の装置内雰囲気とを切り分けるために設けられている。
即ち、クリーンルーム内の図示しないウェーハ搬送コンテナからウェーハＷがロードロックチャンバ１０３Ａ、又は１０３Ｂに搬入されると、チャンバ内は一旦減圧され、Ｎ２ガスによりパージされる。そして、チャンバ内が常圧になった後、搬送ロボット１０１ａによりプロセスチャンバ１０２Ａ～１０２Ｃのいずれかに搬入されるようになっている。
尚、前記冷却チャンバ１０４は、ウェーハＷを搬送する間にこれを冷却するために使用される。
図２、図３に示すように、各プロセスチャンバ１０２Ａ～１０２Ｃは、その内部にエピタキシャル膜形成室２（以下、単に膜形成室２とも呼ぶ）を有する。この膜形成室２は、円板状の天井部３とすり鉢状の底部４とが、それらの周縁部を保持フレーム５によって支持されて形成された空間である。前記天井部３及び底部４は、例えば石英により形成され、チャンバ上方及び下方に配置されたハロゲンランプ（図示せず）により、膜形成室２内部に載置されたシリコンウェーハ基板Ｗが加熱されるようになっている。
前記膜形成室２内には、シリコンウェーハ基板Ｗが載置されるサセプタ６が配置される。
このサセプタ６は、載置されたシリコンウェーハ基板Ｗとともに回転すべく、回転軸７により下方から支持されている。膜形成室２の空間は、サセプタ６を境として上下に略二分され、上部空間２ａと下部空間２ｂとが形成されている。
前記のようにサセプタ６上にシリコンウェーハ基板Ｗが載置され、このシリコンウェーハ基板Ｗの上面が主表面としてのエピタキシャル膜の形成面となる。
図２に示すように保持フレーム５には、サセプタ６の上方、即ち上部空間２ａにプロセスガスを導入するためのガス導入口５ａと、これに対向する反対側に形成されたガス排気口５ｂとが形成されている。
前記ガス導入口５ａからは、膜形成室２内にＳｉＨ２Ｃｌ２やＳｉＨＣｌ３などのＳｉソースガス（原料ガス）を水素ガス（キャリアガス）で希釈し、それにドーパントを微量に配合したプロセスガスが、シリコンウェーハ基板Ｗの表面に沿って横方向に流れるよう供給される。この供給されたプロセスガスは、シリコンウェーハ基板Ｗの表面を通過して、エピタキシャル膜の形成後、ガス排出口５ｂより装置外に排出される。
また、保持フレーム５の内周側には、円環状のプリヒートリング１１が取り付けられ、その内周縁部から所定の隙間１０を空けて前記サセプタ６が配置されている。即ち、サセプタ６は、プリヒートリング１１によって周囲を囲まれている。より詳細には、プリヒートリング１１の内周縁部から０ｍｍ～－３ｍｍの高さにサセプタ６の周縁部が位置するように配置され、これにより隙間１０の寸法が決定される。また、このようにプリヒートリング１１とサセプタ６とに高低差を設けることにより、プロセスガスの気流の乱れを抑制する効果が得られる。また、前記隙間１０によりサセプタ６は回転自在であり、前記隙間１０がサセプタ６の上部空間２ａと下部空間２ｂとを連通する連通路となる。
また、下部空間２ｂにおいては、パージガスである水素（Ｈ２）が、回転軸７の下方から導入され、サセプタ６に向かって上方に流れ、底部４のすり鉢のような拡がりに沿って広がり、回転軸７やサセプタ６の回転により一部は渦を巻くように流れる。このパージガスは前記隙間１０を通って上部空間２ａに流れ、ガス排出口５ｂより排出される。
また、図３に示すようにバッファチャンバ１０１との連結部ゲートには、スリット１２が形成され、このスリット１２から下部空間２ｂに向かってパージガスが流される。これは、スリット１２にプロセスガスが入り込み、スリット１２にダメージを与えることを防止するためである。
続いて、このように構成されたＣＶＤ装置１００により、シリコンウェーハ基板Ｗに対しエピキシャル膜を形成する方法について一連の流れに沿って説明する。
まず、図示しないウェーハ搬送コンテナから例えばロードロックチャンバ１０３Ａにシリコンウェーハ基板Ｗが搬入されると、チャンバ内は一旦減圧され、Ｎ２ガスによりパージされる。
次いで、ロードロックチャンバ１０３Ａ内が常圧になると、バッファチャンバ１０１の搬送ロボット１０１ａがロードロックチャンバ１０３ＡからウェーハＷを受け取り、これを例えばプロセスチャンバ１０２Ｂのサセプタ６上に載置する。
プロセスチャンバ１０２Ｂでは減圧された膜形成室２が形成される。ここで、上部空間２ａの気圧は、大気圧±０．２ｋＰａの範囲に制御される。これは、カーボン雰囲気の巻き上げの要因となるチャンバ内のプロセスガスの流れの乱れを抑制するためである。
そして、ガス導入口５ａからは、所定の流量（３０ｓｌｍ～６０ｓｌｍ）でプロセスガスが導入され、これがウェーハＷ上面に平行に流れてガス排出口５ｂから排出される。
一方、下部空間２ｂにおいては、パージガスが、回転軸７の下方の導入口（図示せず）から導入される。導入されたパージガス（メインパージガスと呼ぶ）は、サセプタ６に向かって流れ、底部４のすり鉢状の拡がりに沿って広がる。そして、プリヒートリング１１とサセプタ６との間の隙間１０を通って上部空間２ａに流れ、ガス排出口５ｂより排出される。
ここで、上部空間２ａを流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、下部空間２ｂを流れるパージガス流量の比は、１．０～１．５となるよう制御される。これは、パージガス流量の比が１．０未満の場合、チャンバ内が金属汚染される虞があり、１．５を超える場合、カーボン雰囲気の巻き上げが生じる虞があるためである。
また、保持フレーム５とバッファチャンバ１０１との連結部ゲートに形成されたスリット１２からは、下部空間２ｂに向かって所定流量のパージガス（スリットパージガスと呼ぶ）が流される。
ここで、上部空間２ａを流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、スリットパージガスとメインパージガスとによる下部空間２ｂにおける流量は２０．５以下となされる。それにより、サセプタ表裏界面領域における圧力バランスを、上部空間２ａの気圧＞下部空間２ｂの気圧とすることができ、それにより上部空間２ａへのカーボン雰囲気の巻き上げを抑制することができる。
このようにガスの流量制御がなされることによりウェーハＷの表面には、カーボン濃度の低く制御されたエピタキシャル膜が形成される。
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、シリコンウェーハ基板Ｗを載置するサセプタによりチャンバ内が上部空間２ａと下部空間２ｂとに略分割されたＣＶＤ装置において、上部空間２ａを流れるプロセスガスの流量と、下部空間２ｂを流れるパージガスの流量との比率を制御することにより、カーボン雰囲気の巻き上げを抑制し、エピタキシャル膜中のカーボン濃度を低減することができる。
本発明に係るエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に基づき以下の実験を行った。
（実験１）
実験１では、装置構成として図１乃至図３に示したＣＶＤ装置を用い、
（１）チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス流量の比率、
（２）チャンバ内気圧（炉内圧）、
（３）プリヒートリング高さに対するサセプタ高さ、
（４）チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス及びスリットパージガスの流量の比率、
のそれぞれの好ましい範囲を規定するために、実験で評価を行った。具体的な評価項目としては、炉内金属汚染、カーボン雰囲気の巻き上げ、プロセスガス流の乱れ、の３点である。
図４の表に、実施例１～１３、及び比較例１～１４の条件と結果を示す。図４の表において、炉内金属汚染は、プロセス処理後ウェーハのライフタイム値を測定し、安定して基準値合格を○、基準値同等、時折不合格値が出る場合を△、基準値不合格を×とした。また、カーボン雰囲気巻き上げは、プロセス処理後ウェーハのカーボン強度を測定し、安定して基準値合格を○、基準値同等、時折不合格値が出る場合を△、基準値不合格を×とした。また、プロセスガス流の乱れは、プロセス処理後ウェーハの膜厚分布を測定し、安定して基準値合格を○、基準値同等、時折不合格値が出る場合を△、基準値不合格を×とした。
図４の表に示すように、（１）チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス流量の比率は、１．０～１．５の範囲が好ましく、（２）チャンバ内気圧（炉内圧）は、大気圧±０．２ｋＰａの範囲が好ましく、（３）プリヒートリング高さに対するサセプタ高さは、０～－３ｍｍの範囲が好ましく、（４）チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス及びスリットパージガスの流量の比率は、１．０～２０．５の範囲が好ましいことを確認した。
（実験２）
実験２では、実験１の結果により規定される好ましい条件の下、チャンバ内下部空間のパージ流量に対するエピタキシャル膜中のＰＬカーボン濃度について評価を行った。
実施例１４では、チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス流量の比率を１．２５（流量は０．５ｓｌｍ）とした。また、チャンバ内気圧（炉内圧）は、大気圧±０．２ｋＰａの範とし、プリヒートリング高さに対するサセプタ高さは、０～－３ｍｍの範囲内とした。これらの条件下で、ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成し、ＰＬ（フォトルミネッセンス）測定法によりカーボン強度を測定した。
一方、比較例１５では、チャンバ内上部空間におけるプロセスガスの流量を１００とした場合の下部空間におけるメインパージガス流量の比率を２．５（流量は１ｓｌｍ）とした。その他の条件は、実施例１４と同じとし、同様にＰＬ法によりカーボン強度を測定した。
実施例１４、及び比較例１５の結果を、図５のグラフに示す。図５のグラフにおいて、横軸はメインパージガス流量（ｓｌｍ）、縦軸はカーボン強度を示す。図５のグラフに示すように、実施例１４におけるエピタキシャル膜中のカーボン強度は４．３８、比較例１５では８．２９となった。即ち、実施例１４によれば、比較例１５よりもカーボン強度を半減できた。
以上の実施例の結果より、本発明によれば、ウェーハ上に形成するエピタキシャル膜において、従来よりもカーボン濃度を低減することができることを確認した。
２ エピタキシャル膜形成室
２ａ 上部空間
２ｂ 下部空間
３ 天井部
４ 底部
５ 保持フレーム
５ａ ガス導入室
５ｂ ガス排気口
６ サセプタ
７ 回転軸
１０ 隙間
１１ プリヒートリング
１２ スリット
１０２Ａ～１０２Ｃ プロセスチャンバ（反応炉）
Ｗ シリコンウェーハ基板

Claims (3)

  1. シリコンウェーハが載置されるサセプタを境に上部空間と下部空間とに区画され、前記上部空間と下部空間とが所定の隙間を介して連通される反応炉内において、前記シリコンウェーハの表面に、エピタキシャル膜を形成するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法であって、
    前記反応炉内の上部空間には、シリコンウェーハの上面に沿って横方向に流れるプロセスガスの気流を形成しつつ、前記下部空間には、前記サセプタの下方から該サセプタに向かって上方へ流れるメインパージガスの気流を形成し、
    前記上部空間に流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、前記下部空間を流れるメインパージガス流量の比を１．０～１．５とし、
    少なくとも前記上部空間の気圧を大気圧±０．２ｋＰａ内に制御することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  2. 前記サセプタの外周に沿って配置された環状のプリヒートリングの内周縁部と、前記サセプタの外周縁部との間に前記隙間が形成され、
    前記サセプタの高さを前記プリヒートリングの高さの＋０ｍｍ～－３ｍｍ以内に設定することを特徴とする請求項１に記載されたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
  3. 前記反応炉におけるシリコンウェーハの搬入出ゲートとなるスリットから、前記下部空間に流れるスリットパージガスの気流を形成し、
    前記上部空間に流れるプロセスガスの流量を１００とした場合、前記下部空間を流れる前記メインパージガス及び前記スリットパージガスの流量の比を２０．５以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法。
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