JP7629589B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents
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前記半導体基板の表面上に半導体材料の第1のエピタキシャル層を第1の成長温度と第1の成長速度とで成長させる第1の成長ステップと、
前記第1のエピタキシャル層上に半導体材料の第2のエピタキシャル層を、前記第1の成長温度と等しい第2の成長温度と前記第1の成長速度よりも低い第2の成長速度とで成長させる第2の成長ステップと、
を含むことを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。
前記第2の成長ステップにおいて成長させる前記第2のエピタキシャル層の膜厚を2.5以上とすることができる。
前述したように、特にはヘイズレベルが悪化しやすい傾向のある半導体基板(面方位{110}のシリコン単結晶ウェーハ等)上にエピタキシャル層を形成して、ヘイズレベルが低減されたエピタキシャルウェーハを製造する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、第1の成長ステップ(第1の成長温度と第1の成長速度で第1のエピタキシャル層を成長させる)と、第2の成長ステップ(第2の成長温度と第2の成長速度で第2のエピタキシャル層を成長させる)を含み、第2の成長温度が第1の成長温度と等しく、第2の成長速度が第1の成長速度よりも低い条件でエピタキシャルウェーハを製造すれば、ヘイズレベルが低くて良好なエピタキシャルウェーハを高い生産性で得ることができることを見出し、本発明を完成させた。
図3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。
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。
また、図2に気相成長時のウェーハの温度プロファイルを示す。
図1の上段に示すように、半導体基板として、一例としてシリコン単結晶基板W(以下、単にウェーハという場合がある)を準備する。半導体基板Wの特性(導電型、抵抗率、面方位、直径など)は、製造しようとするシリコンエピタキシャルウェーハの使用目的に応じて適宜設定すれば良い。
ここでは面方位{110}のシリコン単結晶基板とする。なお、主面が{110}面ジャストのものに限らず、{110}面からオフ角(例えば0度超、0.5度未満)だけ傾斜したものとすることもできる。これらのようにすれば、面方位{100}のものに比べて高いキャリア移動度を有するものとすることができるし、後に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得ることができる。
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}面ジャストになるようにスライシングする。
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。
次に、準備したウェーハWの表面上に第1のエピタキシャル層11(ここではシリコン単結晶膜)を気相成長させるにあたり、ウェーハWの表面の自然酸化膜を除去する。
具体的には、ウェーハWを例えば図3に示すような枚葉式の気相成長装置1の反応容器2内に投入し、サセプタ3の上面の座ぐり3a内に載置する。
その後、気相成長装置1に備えられた加熱装置7a、7bにより、図2の「Ramp」の部分で示すように、ウェーハWを「Bake」のための所定の熱処理温度T0(ここでは温度TA)まで昇温させる。図2では、この熱処理温度T0は、後述する第1のエピタキシャル層11における第1の成長温度T1(図2の「Depo1」での温度)と同じ例を示しているが、その第1の成長温度T1と異なっていたとしても良い。この熱処理温度T0は、例えば1100℃付近の温度、具体的には例えば1100℃±60℃とすることができる。そして、「Bake」の部分で示すように、ウェーハWの温度を熱処理温度T0(温度TA)に所定時間維持しつつ、気相成長用ガス導入管4及びパージガス導入管5をそれぞれ介して反応容器2に水素を導入して、水素雰囲気下でウェーハWの表面に形成された自然酸化膜を除去する為の熱処理(Bake)を行う。なお、ウェーハWが投入される前段階から反応容器2内に水素を導入しておき、ウェーハWの投入後に加熱する手順でも良い。
その後、図1の中段に示すように、自然酸化膜を除去したウェーハWの表面上に、第1の成長温度T1と第1の成長速度GR1とで第1のエピタキシャル層11を成長させる。図2の「Depo1」の部分で示すようにウェーハWの温度を第1の成長温度T1(ここでは、自然酸化膜の除去時の熱処理温度T0と同じで温度TA)としたうえで、反応容器2内に、シリコン単結晶膜の原料となる原料ガス(具体的にはトリクロロシラン(TCS)等のシランガス)、原料ガスを希釈するためのキャリアガス(例えば水素)及びシリコン単結晶膜に導電型を付与するドーパントガス(例えばボロンやリンを含むガス)を含む気相成長用ガスを流す。そして、この気相成長用ガスにより、ウェーハWの表面上に半導体材料の第1のエピタキシャル層11(シリコン単結晶膜)を成長させる。
具体的には、第1の成長時間は、第1のエピタキシャル層11について所望の膜厚が得られるように設定すれば良い。
また、第1の成長温度T1や第1の成長速度GR1は、例えば第1のエピタキシャル層11での生産性を考慮して成膜時間を短くすることができる成長温度、成長速度とするのが好ましい。例えば1100℃付近(1100℃±60℃の範囲)とすることができる。また、第1の成長速度GR1は、例えば成長速度が高い領域(一例を挙げると、2.5μm/min以上の領域)とすることができる。成長速度は、成長温度を高くすることや、反応容器に導入する原料ガスの流量や、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によって調整することができる。
このようにして第1のエピタキシャル層を成長させた後、反応容器への気相成長用ガスの導入を停止させて、エピタキシャル層の成長を一旦停止させる。
次に、図1の下段に示すように、第1のエピタキシャル層11上に、第2の成長温度T2と第2の成長速度GR2とで(図2の「Depo2」)第2のエピタキシャル層12(シリコン単結晶膜)を成長させて、エピタキシャルウェーハ13(シリコンエピタキシャルウェーハ)を製造する。このとき、エピタキシャル層のヘイズレベル(表面の凹凸)を低減するために、エピタキシャル層の成長条件を、前述した第1の成長ステップの成長条件から、予め定めた第2の成長ステップの成長条件(第2の成長温度T2、第2の成長速度GR2、第2の成長時間等)に切り替えたうえで、図1の下段に示すように、第1のエピタキシャル層11の上に第2のエピタキシャル層12(シリコン単結晶膜)を気相成長させる。
すなわち、第1の成長温度T1(図2の場合、温度TA)を例えば1100℃に設定した場合には、第2の成長温度T2は、同様にその1100℃のままとする。
また、第1の成長速度GR1を例えば2.5μm/minに設定した場合には、第2の成長速度GR2は、2.5μm/minよりも低い成長速度(例えば2.0μm/min、1.5μm/min、1.0μm/minなど)に設定する。この場合の成長速度の調整方法は、第1の成長ステップのときと同様に、原料ガスの流量や濃度の調整で行うことができる。
また、このように第1の成長ステップとそれより成長速度が低い第2の成長ステップの2段階に分けて行うことで、成長速度がより低い第2の成長ステップの成長条件で単層のエピタキシャル層を成長させた場合(第2のエピタキシャル層のみを成長させた場合)に比べて、効率良くエピタキシャル成長を行うことができ、生産性を上げることができる。
ただし、この第2のエピタキシャル層12の膜厚と第1のエピタキシャル層11の膜厚の関係において、これらの層の合計膜厚を100とした場合に、第2のエピタキシャル層の膜厚を例えば2.5以上とするのが好ましい(合計膜厚に対する第2のエピタキシャル層の膜厚の割合:2.5%以上)。このようにすることで、ヘイズレベルの改善をより確実なものとすることができる。より好ましくは、第2のエピタキシャル層の膜厚を10以上とすることができる(10%以上)。また、第2のエピタキシャル層の膜厚の上限は100未満であれば良く特に限定されないが、例えば25もあれば(25%)、ヘイズレベルを極めて十分に改善できるし、生産性を大きく損なうこともないので好ましい。
(実施例1)
直径300mm、主面の面方位が(110)のP型シリコン単結晶ウェーハを複数(3枚)準備して、図3に示す気相成長装置1と同様の構成である、枚葉式の気相成長装置(アプライドマテリアルズ社製装置:センチュラ)を用いて、各シリコン単結晶ウェーハの表面の自然酸化膜を除去後、その表面上に異なる成長条件で2層のシリコン単結晶膜の成膜を行い、エピタキシャルウェーハを製造した。具体的には、以下のような成長条件とした。
<自然酸化膜の除去条件>
水素雰囲気下にて熱処理(熱処理温度:1100℃)
<第1のエピタキシャル層(1層目)の成長条件>
成長温度:1100℃
成長速度:2.5μm/min
膜厚:1.95μm
<第2のエピタキシャル層(2層目)の成長条件>
成長温度:1100℃
成長速度:1.5μm/min
膜厚:0.05μm
<合計膜厚に対する第2のエピタキシャル層の膜厚の割合>
2.5%
実施例1と同様のシリコン単結晶ウェーハを同様の枚数だけ準備して、実施例1と同様の装置を用い、実施例1と同様の自然酸化膜除去を行った後に、実施例1の1層目と同様の成長温度、成長速度(1100℃、2.5μm/min)で膜厚2μmの単層のエピタキシャル層(シリコン単結晶膜)を成長させてエピタキシャルウェーハを製造した。このエピタキシャル層は、実施例1で言うところの第1のエピタキシャル層のみの構成なので、<合計膜厚に対する第2のエピタキシャル層の膜厚の割合>は0%である。
なお、比較例1のエピタキシャルウェーハの製造方法の説明図を図4に示し、気相成長時のウェーハの温度プロファイルを図5に示す。
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実施例1と同様にして評価したところ、2.4ppmであった。
合計膜厚が2μmのところ、<合計膜厚に対する第2のエピタキシャル層の膜厚の割合>は比較例1では0%、実施例1は2.5%であったが、さらに5%、10%、25%、100%と変化させてエピタキシャル層を形成した(順に、実施例2~4、比較例2)。なお、比較例2におけるエピタキシャル層は、実施例1で言うところの第2のエピタキシャル層のみの構成となる。
実施例1-4、比較例1-2のヘイズレベルの評価結果を図6に示す。図6に示すように<合計膜厚に対する第2のエピタキシャル層の膜厚の割合>が2.5%以上にてヘイズレベルは2.0ppm以下に改善できた。ただし、比較例2では、ヘイズレベルの抑制はより確実になったが、成長速度が低いために生産性が実施例4に比べて33%悪化することになったため、有効な製造方法とは言えない。生産性も考慮すると、第2のエピタキシャル層の厚さは2.5%以上25以下%がより好ましく、さらには10%以上25%以下が好ましい。
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、
11…第1のエピタキシャル層(シリコン単結晶膜)、
12…第2のエピタキシャル層(シリコン単結晶膜)、
13…エピタキシャルウェーハ(シリコンエピタキシャルウェーハ)。
Claims (4)
- 半導体基板の表面上にエピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記半導体基板の表面上に半導体材料の第1のエピタキシャル層を第1の成長温度と第1の成長速度とで成長させる第1の成長ステップと、
前記第1のエピタキシャル層上に半導体材料の第2のエピタキシャル層を、前記第1の成長温度と等しい第2の成長温度と前記第1の成長速度よりも低い第2の成長速度とで成長させる第2の成長ステップと、
を含み、
前記第1のエピタキシャル層と前記第2のエピタキシャル層の合計膜厚を100とした場合に、
前記第2の成長ステップにおいて成長させる前記第2のエピタキシャル層の膜厚を2.5以上とす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。 - 前記第2の成長ステップにおいて成長させる前記第2のエピタキシャル層の膜厚を10以上とすることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記半導体基板として、面方位{110}の基板を用いることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記半導体基板として、シリコン単結晶ウェーハを用いることを特徴とする請求項1から請求項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。
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