JP7059351B2 - 単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、直径が３００ｍｍ以上の単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハを提供する。本発明はさらに、直径が３００ｍｍ以上の単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハを製造する方法に関する。
先行技術／課題
単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハは、電子部品を製造するための前駆体として必要である。それらは電気特性が優れているため、単結晶シリコンの研磨半導体ウェハよりも好まれることが多い。これは、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ、すなわち略してＣＩＳ部品と称されるものの製造に関する場合である。
単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハは典型的に、１１００℃から１２５０℃の温度での基板ウェハ上のエピタキシャル層の気相成長（ＣＶＤ）によって製造される。直径が３００ｍｍ以上の単結晶シリコンの基板ウェハは典型的に、個々のウェハを被覆するための装置において被覆される。
ＵＳ ２０１０／００６２６１１ Ａ１には、裏面照射型イメージセンサの製造過程で使用可能な半導体ウェハの裏面を薄くするための処理が記載されている。
ＣＩＳ部品を製造するための前駆体として有用であるためには、エピタキシャル被覆半導体ウェハは特定の要求を満たす必要がある。当該要求は、エピタキシャル層の厚みおよび比電気抵抗（抵抗率）に関して特に厳しい。厚み、および以下では抵抗と称する比電気抵抗は双方とも、半導体ウェハの半径にわたってかなり均一でなければならない。不均一性を表わす尺度は、最大厚みと最小厚み（最大抵抗と最小抵抗）との差の商、および最大厚みと最小厚み（最大抵抗と最小抵抗）との合計に１００％を掛けたものである。
ＵＳ ２０１０／０２１３１６８ Ａ１には、単結晶シリコンのエピタキシャル層の厚みの均一性を改善するためのさまざまな方策が記載されている。
ＵＳ ２０１１／０１１４０１７ Ａ１には、単結晶シリコンのエピタキシャル被覆半導体ウェハの製造方法が記載されており、当該方法ではエピタキシャル層が堆積され、抵抗の不均一性は４％以下である。
このような教示にも拘わらず、層の厚みおよび抵抗の均一性を改善することが依然として必要である。その理由は特に、半導体ウェハのエッジからの距離が最大１５ｍｍの問題となるエッジ領域における層の厚みおよび抵抗を、エッジからさらに離れた領域の層の厚みおよび抵抗と一致させるための良好な解決策がこれまで存在していないためである。問題となるエッジ領域では、基板ウェハはエッジの近くでの熱放射の結果として熱を失うため、エッジに向かって基板ウェハの温度が低下する。対策が取られない限り、この領域におけるｐ型ドーパントがドープされたエピタキシャル層の層厚は小さくなり、抵抗は大きくなる。ドーパントがｎ型であれば、抵抗は小さくなる。温度場に影響を及ぼす試みなどの公知の対策はこれまで、問題となるエッジ領域の外側の領域におけるエピタキシャル層の厚みの均一性を犠牲にしており、および／または、半導体ウェハにスリップが生じる傾向を増加させている。スリップは特に、温度差に起因して応力が緩和すると生じる。このような温度差は、径方向および軸方向の温度勾配として、すなわち、基板ウェハのエッジに向かう温度降下として、かつ、その場合は低温の基板ウェハとその場合は高温のサセプタとの間の温度差として、特にエッジ領域で起こる。
結晶格子内の応力は走査型赤外線偏光解消（scanning infrared depolarization：ＳＩＲＤ）によって測定可能である。ＵＳ ２０１２／０００７９７８ Ａ１には、ＳＩＲＤ応力を偏光解消単位ＤＵで測定および表現可能であることが記載されており、好適な測定機器も言及されている。
本発明の発明者らは、半導体ウェハにスリップが生じる傾向を増加させることなく、エピタキシャル層の厚みの不均一性およびエピタキシャル層の抵抗の不均一性をさらに減少させるという本発明の目的である課題に取組んだ。
本発明の目的は、直径が３００ｍｍ以上の単結晶シリコンの半導体ウェハであって、単結晶シリコンの基板ウェハと、基板ウェハの上の単結晶シリコンのドーパント含有エピタキシャル層とを含み、エピタキシャル層の厚みの不均一性は０．５％以下であり、エピタキシャル層の比電気抵抗の不均一性は２％以下である半導体ウェハによって達成される。
半導体ウェハのエピタキシャル層の厚みおよび抵抗はしたがって特に均一である。エピタキシャル層の厚みは好ましくは１から２０μｍである。基板ウェハは好ましくはドーパントも含み、さらに付加的に炭素または窒素でドープされていてもよい。半導体ウェハは好ましくはｐｐ+ウェハまたはｎｎ-ウェハである。
半導体ウェハは、０．５ｍｍのエッジを除く、半導体ウェハのエッジからの距離が最大１５ｍｍのエッジ領域において、好ましくは３０偏光解消単位以下の偏光解消度を生じさせるＳＩＲＤ応力を有する。
当該目的はさらに、単結晶シリコンの被覆半導体ウェハを製造する方法であって、
直径が３００ｍｍ以上の単結晶シリコンの基板ウェハを提供することと、
個々のウェハを被覆するための装置のサセプタの上に基板ウェハを配置することとを含み、装置は環状領域を有する上側カバーを有しており、環状領域は、基板ウェハのエッジ領域において環状領域を透過する放射を集中させ、方法はさらに、
装置の上側カバーの上方に配置された放射源によって、基板ウェハを堆積温度に加熱することと、
加熱した基板ウェハ上に処理ガスを流すことによってシリコンのエピタキシャル層を堆積することとを含み、処理ガスは水素、不活性ガスおよび堆積ガスを含み、堆積ガスはドーパントおよびシリコン源を含む方法によって達成される。
当該方法は、影響が主に局所的に制限され続けるように、問題となるエッジ領域におけるエピタキシャル層の堆積に影響を及ぼす方策を含む。たとえば、この領域において抵抗増加および温度場が調整され、同時にスリップの原因となる温度勾配が確実に回避される。
特に抵抗に関して、堆積結果に良い影響を及ぼすために、処理ガスは水素だけでなく不活性ガスも含む。有用な不活性ガスは特にアルゴンである。あるいは、別の希ガスまたは２つ以上の希ガスの任意の混合物を不活性ガスとして用いることもできる。基板ウェハ上に６以上２０以下の体積比で水素および不活性ガスを流すことが好ましい。付加的に不活性ガスを使用すると、驚くべきことに、問題となるエッジ領域における抵抗の増加、およびエピタキシャル層の厚みの均一化に関する一定の改善がもたらされる。さらに、基板ウェハの問題となるエッジ領域におけるエピタキシャル層の厚みが、個々のウェハを被覆するための装置において基板ウェハを被覆することによって、制御された態様で改善され、当該装置の上側カバーは特定の態様で構成されている。それは環状領域を有しており、環状領域は、隣接領域とは対照的に、自身を通過する放射を集中させる。上側カバーの環状領域の断面は好ましくは、上向きの凸状湾曲部を有するか、またはフレネルレンズの外形を有する。集中した放射は基板ウェハの問題となるエッジ領域に入射し、その結果、その場所の温度が選択的に上昇する。基板ウェハの問題となるエッジ領域における局所的な温度上昇は、熱放射の結果としてその場所で生じる熱損失を補償し、その影響で、温度差はさらに内部の領域に向かって小さくなる。最終的に、こうして、基板ウェハのエッジ領域におけるエピタキシャル層の厚みが、さらに内部の基板ウェハの領域におけるエピタキシャル層の厚みと一致する。
本発明を図面を参照して以下にさらに説明する。
エピタキシャル層の厚みの均一化に対する処理ガス中のアルゴンの影響を示す図である。 エピタキシャル層の厚みの均一化に対する処理ガス中のアルゴンの影響を示す図である。 エピタキシャル層の抵抗の均一化に対する処理ガス中のアルゴンの影響を示す図である。 ＣＶＤによって個々のウェハを被覆するのに好適な装置の断面図である。 自身を通過する放射を集中させる環状領域を有する上側カバーの動作の態様の概略図である。 上側カバーの環状領域の位置と、放射がカバーの環状領域を通過する際に集中する基板ウェハのエッジ領域との幾何学的関係を示す図である。 本発明に従って製造した半導体ウェハ上のＳＩＲＤ測定の画像を示す図である。 進歩性のある態様で製造しなかった半導体ウェハ上のＳＩＲＤ測定の画像を示す図である。 本発明に係る層厚を有する本発明に従って製造した半導体ウェハの場合（実線）と、進歩性のある態様で製造しなかった半導体ウェハの場合（点線）の、目標値からの層厚のずれＶthのプロファイルを半径Ｒに重ねて示す図である。 本発明に係る層厚を有する本発明に従って製造した半導体ウェハの場合（実線）と、進歩性のある態様で製造しなかった半導体ウェハの場合（点線）の、目標値からの抵抗のずれＶrのプロファイルを半径Ｒに重ねて示す図である。
図１ａおよび図１ｂは、エピタキシャル層の厚みの均一化に対する処理ガス中のアルゴンの影響を示す。基板ウェハの直径ｄに対する目標の厚みΔからのエピタキシャル層の厚みのずれの典型的なプロファイルが、各場合において示されている。図１ｂの場合のエピタキシャル層の厚みのプロファイルは、図１ａの場合よりも均一である。この差は、エピタキシャル層の堆積時の処理ガスがアルゴンをさらに含んでいた（図１ｂ）、またはアルゴンを全く含んでいなかった（図１ａ）ことに起因する。アルゴンは３ｓｌｍの割合で供給した。水素の割合は双方の場合とも５０ｓｌｍであった。堆積ガスは双方の場合とも同一であり、堆積温度も同一であり、すなわち１１１５℃であった。
図２は、エピタキシャル層の抵抗の均一化に対する処理ガス中のアルゴンの影響を示す。２本の曲線が示されており、これらは半導体ウェハの直径ｄに対する抵抗ρのプロファイルを示している。より均一な抵抗プロファイル（正方形のデータ点の曲線）は、エピタキシャル層の堆積時の処理ガスがアルゴンをさらに含んでおり、比較例（ダイヤモンド形のデータ点の曲線）では含んでいなかったことに起因する。アルゴンは３ｓｌｍの割合で供給した。水素の割合は双方の場合とも６０ｓｌｍであった。
図３に示す装置は、上側カバー（「上側ドーム」）１と、下側カバー（「下側ドーム」）２と、側壁３とに囲まれた反応室を含む。上側および下側カバー１，２は、反応室の上下に配置された放射源６から発せられる熱放射に対して透過性である。エピタキシャル層は、熱放射によって加熱された基板ウェハ上に処理ガスを流すことによって、基板ウェハ４の上側で気相から堆積される。処理ガスは側壁３のガス入口から供給され、反応後に残っているオフガスは側壁３のガス出口から取除かれる。示される装置は、たとえば、基板ウェハの下の反応室の容積にパージガスを導入し、そこからパージガスを排出できるように、さらなるガス入口およびさらなるガス出口を有する実施形態を表わしている。しかし、これらのさらなるガス入口およびさらなるガス出口は本発明の目的に達成に寄与しない。エピタキシャル層の堆積時、基板ウェハ４はサセプタ５の接触領域上にあり、サセプタとともに基板ウェハの中央の回転軸の周りを回転する。
上蓋１は環状領域７（図４）を有しており、環状領域７は自身を通過する放射を集中させる。上蓋１は、環状領域７における厚みの方が隣接領域における厚みよりも厚い。上側カバーの環状領域の断面は好ましくは上向きの凸状湾曲部を有するか、またはフレネルレンズの外形を有する。環状領域７は、放射を集中させる集光レンズのように、自身を通過する放射８に作用する。集中した放射は基板ウェハのエッジ領域に入射する。エッジ領域は好ましくは、基板ウェハ４のエッジからの距離が最大１５ｍｍである。入射した放射によって、想定量の材料１０がその場所に堆積され、エピタキシャル層９の厚みが想定値を達成するように、エッジ領域における径方向の温度降下が取除かれる。
図５に示すように、上側カバーの環状領域７の位置と基板ウェハのエッジ領域の位置とはビーム光学の法則に従って相関している。長さｒDは上側カバーの中心を通る垂直線からの上側カバー１の環状領域７の距離を示し、長さｒSとｘとの差から計算される。長さｒDは、定義された高さｂおよびｈ、定義された長さａおよび定義された角度αを用いて近似として計算され得る。高さｂは基板ウェハの平面からの放射源の距離を示し、長さｒSは上側カバーの中心を通る垂直線からの放射源の距離を示し、高さｈは基板ウェハ４からの上側カバー１の距離を示し、長さｘは高さｂからの環状領域７の距離を示し、長さａは高さｂからの基板ウェハのエッジ領域の最大距離を示し、角度αは、高さｂおよび底面としての長さａを有する三角形の、底面と反対側の角度を示す。
本発明に係る実施例の詳細な説明
単結晶シリコンの半導体ウェハを本発明の方法によって製造し、比較のために、異なる方法によっても半導体ウェハを製造した。
直径３００ｍｍの単結晶シリコンの基板ウェハを、単結晶から分割し、研削し、エッチングして研磨した後、シリコンのエピタキシャル層内で図３に係る単一ウェハ装置において被覆した。
本発明の方法の使用にあたって、当該装置は、環状領域を有する上側カバーを有しており、環状領域は、基板ウェハのエッジ領域において自身を通過する放射を集中させた。異なる方法の使用にあたって、上側カバーにはこの構造がなかった。
本発明の方法の使用にあたって、処理ガスは水素（７０ｓｌｍ）、アルゴン（５ｓｌｍ）および堆積ガス（トリクロロシラン（６ｓｌｍ）、ジボラン（４ｌの水素で希釈した水素（１８０ｓｃｃｍ））中の５０ｐｐｍ）からなり、１１３０℃の温度でエピタキシャル層を堆積した。
異なる方法の使用にあたって、処理ガスは水素（５５ｓｌｍ）および堆積ガス（トリクロロシラン（１０ｓｌｍ）、ジボラン（４ｌの水素で希釈した水素（１８０ｓｃｃｍ））中の５０ｐｐｍ）のみからなり、１１２５℃の温度でエピタキシャル層を堆積した。
図６は、本発明に従って製造した半導体ウェハ上のＳＩＲＤ測定の画像を示す。偏光解消度は好ましい程度内に残っている。偏光解消度が３０ＤＵを超えた測定セルはなかった。異なる方法によって製造した半導体ウェハの場合、測定セルの０．９０７％が偏光解消度が３０ＤＵを超えていることが分かった（図７）。ＳＩＲＤ測定はＰＶＡ ＴｅＰｌａ社のＳＩＲＤ－ＡＢ３００機器を用いて行ない、評価のために測定領域上に１ｍｍ（半径）および２ｍｍ（方位角）のセルサイズの極座標格子を配置した。格子のセル毎に偏光解消度を求めた。偏光解消単位ＤＵは１×１０-6の偏光解消度に対応する。半導体ウェハのエッジからの距離が４．５ｍｍ以下の、かつノッチ位置（ｐｏｓ＝０°）が中央にある、半導体ウェハの展開された周辺領域が、各場合において示されている。ＳＩＲＤ応力は双方の場合とも平凡なものであったため、半導体ウェハのエッジからの距離が１５ｍｍから４．５ｍｍの周辺領域は示していない。
図８は、本発明に従って製造した半導体ウェハの場合（実線）と、異なる方法によって製造した半導体ウェハの場合（点線）の、目標値からの層厚のずれＶthのプロファイルを半径Ｒに重ねて示す。層厚に関して本発明の基準を満たしたのは、本発明に従って製造した半導体ウェハのみであった。
図９は、本発明に従って製造した半導体ウェハの場合（実線）と、異なる方法によって製造した半導体ウェハの場合（点線）の、目標値からの抵抗のずれＶrのプロファイルを半径Ｒに重ねて示す。抵抗に関して本発明の基準を満たしたのは、本発明に従って製造した半導体ウェハのみであった。
上記の例示的な実施形態の説明は例示とみなされるべきである。このようにしてなされた開示によって、当業者は第１に本発明およびその関連の利点を理解することができ、第２に当業者の理解の範囲内で、記載された構造および方法の明白な変更例および変形例も達成することができる。したがって、そのような変更例および変形例はすべて請求項の保護範囲に含まれるものとする。
使用する参照番号のリスト
１ 上側カバー
２ 下側カバー
３ 側壁
４ 基板ウェハ
５ サセプタ
６ 放射源
７ 上側カバーの環状領域
８ 通過する放射
９ エピタキシャル層
１０ 材料

Claims (3)

  1. 単結晶シリコンの被覆半導体ウェハを製造する方法であって、
    直径が３００ｍｍ以上の前記単結晶シリコンの基板ウェハを提供することと、
    個々のウェハを被覆するための装置のサセプタの上に、前記基板ウェハを配置することとを備え、前記装置は環状領域を有する上側カバーを有しており、前記環状領域は、前記基板ウェハのエッジ領域において前記環状領域を透過する放射を集中させ、前記方法はさらに、
    前記装置の前記上側カバーの上方に配置された放射源によって、前記基板ウェハを堆積温度に加熱することと、
    加熱した前記基板ウェハ上に水素と堆積ガスとを備える処理ガスを流すことによってシリコンのエピタキシャル層を堆積することとを備え、前記堆積ガスはドーパントおよびシリコン源を備え、前記処理ガスは不活性ガスをさらに備え、加熱した前記基板ウェハ上に前記水素の流量を前記不活性ガスの流量で除した値である体積比が６以上２０以下となるように前記水素および前記不活性ガスが流されることを特徴とする、方法。
  2. 前記基板ウェハの前記エッジ領域は、前記基板ウェハのエッジからの距離が最大１５ｍｍである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記上側カバーの前記環状領域の断面は、上向きの凸状湾曲部、またはフレネルレンズの外形を有する、請求項１または２に記載の方法。
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