JP2023108951A - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】略｛１１０｝面を主面とするシリコン単結晶ウェーハのその主面に、エピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャルプロセス条件の工夫によりヘイズ（表面粗さ）を改善させ、高品質なシリコンエピタキシャルウェーハを効率良く製造する方法を提供する。【解決手段】｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面を主面とするシリコン単結晶ウェーハの前記主面に、エピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、エピタキシャル層を気相成長させるとき、シリコン単結晶ウェーハの温度を１０９５～１１１５℃とし、かつ、エピタキシャル層の成長速度を０．５～１．５μｍ／ｍｉｎとするか、又は、シリコン単結晶ウェーハの温度を１１３５～１１５５℃とし、かつ、エピタキシャル層の成長速度を３．０～４．０μｍ／ｍｉｎとするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。

現在、半導体デバイス用として使用されるシリコンウェーハは｛１００｝面を主面とするものが主流である。しかしながら、より正孔の移動度が優れる｛１１０｝面を主面とするシリコンウェーハにこのところ注目が集まっている。｛１１０｝面を主面とするシリコンウェーハは、キャリアの移動度が高いため、ｐＭＯＳトランジスタを高速化できることが知られている。一方で、エピタキシャルウェーハは表面の欠陥が極めて少ないことから、高性能デバイス向けに使用される。このため、｛１１０｝面を主面とするシリコンエピタキシャルウェーハはＭＰＵ等の高性能デバイスの素材として期待される。

しかしながら、｛１１０｝面を主面とするシリコンエピタキシャルウェーハでは、ヘイズ（Ｈａｚｅ）、表面粗さといった表面品質が｛１００｝面を主面とするシリコンウェーハと比較して大幅に悪いという問題がある。また、ヘイズ悪化のため、パーティクルカウンターによるシリコンウェーハ主面上のバックグラウンドノイズが上昇し、そのため、ＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ、輝点欠陥）の測定が困難となり、シリコンウェーハ表面上の異物、キズ等の品質保証ができないケースも散見される。更に、デバイス作製時にはシリコンウェーハ表面の面荒れ（凹凸）がキャリアの移動度を低下させてしまう懸念もある。

これらの対策として、種々の軸方向へ傾斜させたオフアングル（オフ角）を有するシリコン単結晶基板上にホモエピタキシャル成長させ、ヘイズレベルを低下させることが知られている（特許文献１－８）。また、基板に高濃度のキャリアをドーピングしてＬＰＤとヘイズを低減する方法も提案されている。しかしながら、これらの方法では表面のヘイズレベルが十分とは言えないレベルである。

このほかにも、シリコンエピタキシャル層を形成した表面に発生した凹凸を研磨で取り除くことで表面粗さを改善する提案がなされているが、ＰＩＤ（Ｐｏｌｉｓｈ－Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｅｆｅｃｔ）の発生、層厚均一性の悪化および工程追加による生産性の低下やコストアップが生じるといった欠点がある。

特開２００１－２５３７９７号公報 特開２００７－０７０１３１号公報 特開２００８－０９１８８７号公報 特開２０１０－００１２１０号公報 特開２０２０－１０７７２９号公報 特開２０２０－１０７７３０号公報 特開２０１２－０４３８９２号公報 特開２０１１－２４３８４５号公報

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面を主面とするシリコン単結晶ウェーハのその主面に、エピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャルプロセス条件の工夫によりヘイズ（表面粗さ）を改善させ、高品質なシリコンエピタキシャルウェーハを効率良く製造する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、｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面を主面とするシリコン単結晶ウェーハの前記主面に、エピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記エピタキシャル層を気相成長させるとき、
前記シリコン単結晶ウェーハの温度を１０９５～１１１５℃とし、かつ、前記エピタキシャル層の成長速度を０．５～１．５μｍ／ｍｉｎとするか、又は、
前記シリコン単結晶ウェーハの温度を１１３５～１１５５℃とし、かつ、前記エピタキシャル層の成長速度を３．０～４．０μｍ／ｍｉｎ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を提供する。

本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であれば、主面が｛１１０｝面、または、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面（以下、これらの面をまとめて、略｛１１０｝面とも言う）のヘイズレベルが低減されたシリコンエピタキシャルウェーハを効率良く生産性高く得ることができる。これにより、例えば｛１００｝面が主面のシリコンエピタキシャルウェーハに比べて良好なキャリア移動度を保持した高品質なシリコンエピタキシャルウェーハを高歩留で提供することができる。また、ウェーハ主面上のバックグラウンドノイズの上昇が抑制され、ウェーハ品質の保証を問題なく行えるようになる。また、エピタキシャル成長時の温度・成長速度の調整だけなので簡便であるし、コスト面でも有利である。

このとき、前記シリコン単結晶ウェーハとして、｛１１０｝面からの前記オフ角が０度超、０．５度未満の面を主面とするウェーハを用いることができる。

このようにすれば、｛１１０｝面を主面とするウェーハを用いる場合に比べてキャリア移動度が低下するのを抑制しつつ、ヘイズレベルがより低減されたものを得ることができる。

本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法によって、｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面を主面とするシリコン単結晶ウェーハのその主面に、エピタキシャル層を気相成長させたものであり、かつ、高いキャリア移動度を有するとともに、ヘイズレベルが低減された高品質のシリコンエピタキシャルウェーハを生産性高く製造することができる。

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を示すフロー図である。 枚葉式の気相成長装置の構成の一例を示す概略図である。 実施例・比較例における成長温度、成長速度、ヘイズレベルの三者の関係を示す相関図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述したように、略｛１１０｝面を主面とするシリコン単結晶ウェーハのその主面に、エピタキシャル層を気相成長させ、ヘイズレベルが低減されたシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法が求められていた。本発明者が鋭意研究を行ったところ、主面が略｛１１０｝面のシリコン単結晶ウェーハにエピタキシャル層を気相成長させるときに、所定の気相成長時の温度（成長温度）および成長速度（１０９５～１１１５℃および０．５～１．５μｍ／ｍｉｎ、又は、１１３５～１１５５℃および３．０～４．０μｍ／ｍｉｎ）で行えば、キャリア移動度が高く、ヘイズレベルが低くて良好なシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができることを見出し、本発明を完成させた。

最初に、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において使用される気相成長装置の好適な一例として、枚葉式の気相成長装置の構成について説明する。図２は枚葉式の気相成長装置の概略の一例である。
図２に示すように、気相成長装置１は、反応容器２と、該反応容器２の内部に設けられてシリコン単結晶基板Ｗを上面で支持するサセプタ３とを備えている。
そして、反応容器２には、該反応容器２内に原料ガス（例えば、トリクロロシラン）及びキャリアガス（例えば、水素）を含む気相成長用ガスをサセプタ３の上側の領域に導入してサセプタ３上のシリコン単結晶基板Ｗの主面上に供給する気相成長用ガス導入管４が設けられている。また、反応容器２のうちの、気相成長用ガス導入管４が設けられた側と同じ側には、反応容器２内にパージガス（例えば、水素）をサセプタ３の下側の領域に導入するパージガス導入管５が設けられている。
さらに、反応容器２のうちの、気相成長用ガス導入管４及びパージガス導入管５が設けられた側と反対側には、反応容器２内のガス（気相成長用ガス及びパージガス）が排気される排気管６が設けられている。

また、反応容器２の外部には、該反応容器２を上側と下側とから加熱する加熱装置７ａ、７ｂが設けられている。加熱装置７ａ、７ｂとしては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。
サセプタ３は、例えば炭化ケイ素で被覆されたグラファイトにより構成されている。このサセプタ３は、例えば略円板状に形成され、その上面には、該上面上にシリコン単結晶基板Ｗを位置決めするための平面視で略円形状の凹部である座ぐり３ａが形成されているものである。
また、サセプタ３の下面には、該裏面からサセプタ３を支持するサセプタ支持部材８が設けられている。このサセプタ支持部材８は、矢印Ａで示す上下方向に移動可能で、かつ、矢印Ｂで示す方向に回転可能とされている。

次に、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。図１にそのプロセスのフローを示す。
＜工程１：シリコン単結晶基板の用意＞
まず、エピタキシャル層を気相成長させるシリコン単結晶基板を用意する。
浮遊帯域溶融（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ：ＦＺ）法あるいはチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ）法等の公知の方法によって、主軸方位が＜１１０＞のシリコン単結晶インゴットを製造する。そして、得られたシリコン単結晶インゴットを、頭部と尾部とを切断した後、インゴット周辺部を回転して削り、直径を正確に出すとともにインゴットを完全な円柱ブロックにする。
このように仕上げられた円柱ブロックに対して、内周刃切断機等のスライサーにより、主面が｛１１０｝面ジャストか、若しくは｛１１０｝面に対してオフ角だけ傾斜した面（例えば該オフ角が０度超、０．５度未満）になるようにスライシングする。

そして、スライシング後のシリコン単結晶基板の両面外周縁にベベル加工により面取りを施す。
面取り終了後のシリコン単結晶基板に対して遊離砥粒を用いて両面ラップを行い、ラップウェーハとする。あるいは、固定砥粒を用いて両面を研削し、研削ウェーハとする。
次いで、ラップウェーハあるいは研削ウェーハをエッチング液に浸漬することにより、両面を化学エッチング処理する。化学エッチング処理は、ラップや研削によってシリコン単結晶基板の表面に生じたダメージ層を除去するために行われる。
この化学エッチング処理後に、表面あるいは表裏面をメカノケミカルポリッシングにより鏡面研磨を行い、さらに最終洗浄を施す。

このようにして、主面が｛１００｝面のシリコン単結晶基板よりもキャリア移動度が高い、主面が略｛１１０｝面（すなわち、｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面）のシリコン単結晶基板を用意する。
なお、主面が｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面のシリコン単結晶基板を用意する場合、そのオフ角は限定されないが、特には０度超、０．５度未満のものを用意することが好ましい。このようにすれば、後述する工程３で、高いキャリア移動度を保ちつつ、ヘイズレベルがより一層低減されたシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができるからである。

＜工程２：自然酸化膜の除去＞
次に、上述の工程１により得られた主面が略｛１１０｝面のシリコン単結晶基板のその主面に、例えば図２に示すような気相成長装置１を使用して、シリコン単結晶エピタキシャル層を気相成長させる。
具体的には、主面が略｛１１０｝面のシリコン単結晶基板Ｗを、反応容器２内に投入し、その主面が上を向くように、サセプタ３の上面の座ぐり３ａ内に載置する。ここで、反応容器２内には、シリコン単結晶基板Ｗが投入される前段階から、気相成長用ガス導入管４及びパージガス導入管５をそれぞれ介して水素ガスを導入しておく。
次いで、サセプタ３上のシリコン単結晶基板Ｗを加熱装置７ａ、７ｂにより加熱し、シリコン単結晶基板Ｗの主面に形成されている自然酸化膜を除去するための気相エッチングを行う。この温度としては、例えば、１０５０～１１９０℃の範囲が適当である。

＜工程３：エピタキシャル層の気相成長＞
工程２の自然酸化膜の気相エッチング後に、シリコン単結晶基板Ｗの主面上にシリコン単結晶エピタキシャル層を気相成長させる。
このときのシリコン単結晶基板Ｗの温度（成長温度）を１０９５～１１１５℃（より好ましくは１１００～１１１０℃）とし、かつ、エピタキシャル層の成長速度を０．５～１．５μｍ／ｍｉｎとする。
成長温度の調整は加熱装置７ａ、７ｂの制御により行うことができる。また、気相成長用ガス導入管４を介して原料ガスとキャリアガスを、そしてパージガス導入管５を介してパージガスをシリコン単結晶基板Ｗの主面上やサセプタ３の下側に略水平に供給する。上記の成長温度範囲における成長速度の調整は、原料ガスの流量、あるいは、気相成長用ガス（原料ガスとキャリアガスを含む）中の原料ガスの濃度の調整により行うことができる。
または、成長温度を１１３５～１１５５℃（より好ましくは１１４０～１１５０℃）とし、かつ、エピタキシャル層の成長速度を３．０～４．０μｍ／ｍｉｎとしても良い。この場合の成長温度や成長速度の調整方法も上記と同様である。

このような範囲の成長温度および成長速度に制御しながら気相成長させることによって、ヘイズレベルが良好で表面粗さの小さなシリコンエピタキシャルウェーハを、簡便にコストをかけずに効率良く製造することができる。例えば、ケー・エル・エー社製の表面異物検査装置（モデルＳｕｒｆｓｃａｎＳＰ－３）を用いてＤＷＯモード（ＤａｒｋＦｉｅｌｄＷｉｄｅＯｂｌｉｑｕｅ）（低角度入射・低角度検出）にて主面を評価した場合に、１．４ｐｐｍ、又はさらにはそれ以下の優れたヘイズレベルのものを得ることができる。このような良好なヘイズレベルを得られるため、従来のように、ヘイズレベルが悪いためにパーティクルカウンターでの測定においてバックグランドノイズが上昇して測定困難になるようなこともない。そのためウェーハの品質保証をより確実に行うことができる。

なお、シリコン単結晶エピタキシャル層の厚さや導電型・比抵抗率などの電気特性値については特に限定されず、所望の物性値となるようにすればよい。工程３の気相成長において、必要に応じてドープガスを気相成長用ガス中に含めて供給することができる。

以下、本発明の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。
（実施例および比較例）
エピタキシャル成長用シリコン単結晶基板として、直径３００ｍｍ、抵抗率８～１２Ω・ｃｍ、厚さ７７５μｍのＰ^－型で、主面が｛１１０｝面からのオフアングルが０．５度未満としたシリコン単結晶基板（具体的には、（１１０）面から（００１）面方向へ０．３度傾斜した面を主面とする基板）を複数枚用意した。また、エピタキシャル成長装置として、図２に示す気相成長装置１と同様の構成である、直径３００ｍｍ用の枚葉式エピタキシャル成長装置（アプライドマテリアルズ社製装置：センチュラ）を用意した。

原料ガスとしてトリクロロシランを、キャリアガスとして水素を用いた。原料ガスの供給量は後述するように所望の成長速度に必要な種々の供給量とし、キャリアガスの供給量は９０ｓｌｍとした。パージガスについても水素を選択し、供給量を２５ｓｌｍとした。このような条件下にて、シリコン単結晶基板の温度を１０９０～１１６０℃の範囲で、かつ、成長速度を０．５～４．５μｍ／ｍｉｎの範囲で、厚さ約２．０μｍのシリコン単結晶エピタキシャル層を、準備したシリコン単結晶基板の主面上に気相成長させた。
なお、本発明を実施した実施例の成長温度、成長速度の組み合わせは、１０９５～１１１５℃、０．５～１．５μｍ／ｍｉｎの組み合わせと、１１３５～１１５５℃、３．０～４．０μｍ／ｍｉｎの組み合わせである。この実施例における原料ガスの供給量は、前者、後者の組み合わせのいずれも１～２０ｓｌｍ程度とした。
また、比較例はこれら以外の組み合わせである。

その後、成長させたエピタキシャル層表面のヘイズレベルを、ケー・エル・エー社製の表面異物検査装置（モデルＳｕｒｆｓｃａｎＳＰ－３）を用いてＤＷＯモード（低角度入射・低角度検出）にて評価した（単位：ｐｐｍ）。図３にその結果（成長温度、成長速度、ヘイズレベルの三者の関係）を示す。太枠で囲った範囲が実施例である。
図３に示すように、１．５ｐｐｍ以上の比較例に対して、実施例ではいずれも１．４ｐｐｍ以下であり、実施例の範囲にて良好なヘイズレベルが得られることが確認できた。

なお、１０９５～１１１５℃の成長温度で、０．５μｍ／ｍｉｎ未満の成長速度の条件下の場合は、成長速度が遅くて効率が悪く生産性の面で有効ではない。

尚、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。

１…枚葉式の気相成長装置、 ２…反応容器、 ３…サセプタ、
３ａ…座ぐり、 ４…気相成長用ガス導入管、 ５…パージガス導入管、
６…排気管、 ７ａ、７ｂ…加熱装置、 ８…サセプタ支持部材、
Ｗ…シリコン単結晶基板。

Claims (2)

1. ｛１１０｝面、又は、｛１１０｝面からオフ角だけ傾斜した面を主面とするシリコン単結晶ウェーハの前記主面に、エピタキシャル層を気相成長させるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
   前記エピタキシャル層を気相成長させるとき、
   前記シリコン単結晶ウェーハの温度を１０９５～１１１５℃とし、かつ、前記エピタキシャル層の成長速度を０．５～１．５μｍ／ｍｉｎとするか、又は、
   前記シリコン単結晶ウェーハの温度を１１３５～１１５５℃とし、かつ、前記エピタキシャル層の成長速度を３．０～４．０μｍ／ｍｉｎ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。
2. 前記シリコン単結晶ウェーハとして、｛１１０｝面からの前記オフ角が０度超、０．５度未満の面を主面とするウェーハ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。

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