JP2018082072A - エピタキシャルウェーハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッジ領域におけるエピタキシャル層の平坦度を高める。【解決手段】本発明によるエピタキシャルウェーハ１は、おもて面２３及び裏面２４を有し、おもて面２３のエッジ領域２１に周期的な凹凸が周方向に形成されたシリコンウェーハ２と、シリコンウェーハ２のおもて面２３に形成されたエピタキシャル層３とを備える。エピタキシャル層３は、シリコンウェーハ２のおもて面２３の凹凸に対して相補的な膜厚を有している。本発明によれば、成長速度方位依存性によって生じるエピタキシャル層３の凹凸が相殺されるため、エピタキシャル層３の表面の平坦度がエッジ領域２１に亘って高められる。【選択図】図５

Description

本発明はエピタキシャルウェーハ及びその製造方法に関し、特に、周縁部近傍のエッジ領域におけるエピタキシャル層の平坦度が高められたエピタキシャルウェーハ及びその製造方法に関する。

エピタキシャルウェーハは、基板となるシリコンウェーハの片面にシリコンソースガスを吹き付けてエピタキシャル層を成長させたウェーハであり、メモリー系デバイス、ロジック系デバイス、撮像デバイスなどの幅広い用途に使用されている。

これらの半導体デバイスの集積度の向上のためには、エピタキシャルウェーハの平坦度は重要な要素の一つであるため、平坦度の高いエピタキシャルウェーハが強く求められている。さらに、エピタキシャルウェーハ１枚からより多くの半導体素子を作るためにも、ウェーハの全面、特に周縁部近傍のエッジ領域まで平坦な形状が要求されるようになってきている。ウェーハ面のフラットネス（平坦度）を測定するときのエッジ除外領域（Edge Exclusion）は、従来、ウェーハエッジから３ｍｍであったものが、現状では、２ｍｍへと進んでおり、さらには１ｍｍまでの縮小化も要求されつつある。

これを実現するための方法として、特許文献１には、シリコンウェーハのおもて面側における面取り幅を２００μｍ以下に縮小する方法が提案されている。この方法によれば、エピタキシャル層の成長速度方位依存性が抑制されることから、エッジ領域における平坦度を高めることが可能となる。

特開２０１４−３６１５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、エピタキシャル層の成長速度方位依存性が完全に無くなるわけではないことから、条件によっては、エッジ領域における平坦度が不十分となる可能性があった。

したがって、本発明の目的は、エッジ領域におけるエピタキシャル層の平坦度がよりいっそう高められたエピタキシャルウェーハ及びその製造方法を提供することにある。

上述の通り、エピタキシャル層には成長速度方位依存性が存在するため、エピタキシャル層の表面には、エッジ領域において周方向に周期的な凹凸が形成されてしまう。この成長速度方位依存性を完全に無くすことは困難であると考えられるため、本発明者らは、成長速度方位依存性を無くすのではなく、成長速度方位依存性によって生じる凹凸を見越して、エピタキシャル層の下地であるシリコンウェーハに逆の凹凸をあらかじめ形成しておくことにより、成長速度方位依存性により生じる凹凸を相殺するという着想を得た。

本発明はこのような着想に基づき成されたものであって、本発明によるエピタキシャルウェーハは、おもて面及び裏面を有し、前記おもて面のエッジ領域に周期的な凹凸が周方向に形成されたシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハの前記おもて面に形成されたエピタキシャル層とを備え、前記エピタキシャル層は、前記シリコンウェーハの前記おもて面の前記凹凸に対して相補的な膜厚を有していることを特徴とする。

また、本発明によるエピタキシャルウェーハの製造方法は、おもて面及び裏面を有するシリコンウェーハの前記おもて面のエッジ領域に、周期的な凹凸を周方向に形成する第１の工程と、前記シリコンウェーハの前記おもて面に、前記凹凸に対して相補的な膜厚を有するエピタキシャル層を形成する第２の工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、シリコンウェーハのおもて面のエッジ領域にあらかじめ周期的な凹凸を周方向に形成していることから、成長速度方位依存性によって生じるエピタキシャル層の凹凸を相殺することができる。これにより、エピタキシャル層の表面の平坦度がエッジ領域に亘って高められることから、エッジ除外領域を縮小することが可能となる。なお「凹凸に対して相補的」とは、エピタキシャル層の表面の平坦度が最終的に高められるように、エピタキシャル層の膜厚がシリコンウェーハのおもて面の凹部で厚く、凸部で薄くなっていることをいう。

本発明において、前記シリコンウェーハの前記おもて面は、第１の結晶方位のエッジ領域に対して第２の結晶方位のエッジ領域が凹形状を有していることが好ましい。このような形状は、前記第１の工程において、第１の結晶方位のエッジ領域に対して第２の結晶方位のエッジ領域が凹形状となるよう、前記シリコンウェーハの前記おもて面を加工することにより得ることが可能である。

ここで、前記第１の工程は、前記シリコンウェーハの前記おもて面を研磨する前に行うエッチング工程において、前記第２の結晶方位のエッジ領域におけるエッチング量を選択的に増加させることにより行っても構わない。或いは、前記第１の工程は、前記シリコンウェーハの前記おもて面を研磨した後、前記第２の結晶方位のエッジ領域を選択的にエッチングすることにより行っても構わない。いずれの方法も、比較的容易に凹凸形状を形成することが可能である。

本発明において、前記シリコンウェーハの前記おもて面は（１００）面であり、前記第１の結晶方位は＜１００＞方位であり、前記第２の結晶方位は＜１１０＞方位であることが好ましい。これによれば、主面が（１００）面である平坦度の高いエピタキシャルウェーハを提供することが可能となる。

本発明によれば、エッジ領域におけるエピタキシャル層の平坦度がよりいっそう高められたエピタキシャルウェーハ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、主面が（１００）面であるエピタキシャルウェーハにおけるエピタキシャル層の膜厚分布を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はエッジ領域の周方向における膜厚分布を示すグラフである。 図２は、エピタキシャルウェーハ１のエッジ領域２１の断面図であり、（ａ）は＜１００＞方位における断面を示し、（ｂ）は＜１１０＞方位における断面を示している。 図３は、主面が（１００）面であるシリコンウェーハ２のおもて面２３の表面形状を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はエッジ領域２１の周方向における表面高さを示すグラフである。 図４は、シリコンウェーハ２の径方向における表面高さを示すグラフであり、（ａ）は＜１００＞方位における高さ分布を示し、（ｂ）は＜１１０＞方位における高さ分布を示している。 図５は、シリコンウェーハ２及びエピタキシャル層３のエッジ領域２１の周方向における表面高さを示すグラフである。 図６は、エピタキシャルウェーハの第１の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図７は、エピタキシャルウェーハの第２の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図８は、主面が（１１０）面であるシリコンウェーハ２のおもて面２３の表面形状を説明するための上面図である。 図９は、主面が（１１１）面であるシリコンウェーハ２のおもて面２３の表面形状を説明するための上面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、主面が（１００）面であるエピタキシャルウェーハにおけるエピタキシャル層の膜厚分布を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はエッジ領域の周方向における膜厚分布を示すグラフである。エッジ領域とは、ウェーハの外周端から１〜３ｍｍまでの周縁部に位置する領域を指す。

図１（ａ）に示すように、主面が（１００）面であるエピタキシャルウェーハの＜１１０＞方位を基準結晶方位とすると、＜１１０＞方位は、０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度に対応する。これに対し、＜１００＞方位は、４５度，１３５度，２２５度，３１５度に対応する。そして、エピタキシャル層のエッジ領域の膜厚は、図１（ｂ）に示すように、＜１１０＞方位に対応する部分において厚く、＜１００＞方位に対応する部分において薄くなる。つまり、エピタキシャル層のエッジ領域には、周方向に９０度周期の膜厚変化が生じる。

これは、＜１００＞方位のエッジ領域ではエピタキシャル層の成長速度が遅く、＜１１０＞方位のエッジ領域では成長速度が速いためである。このような現象が生じるのは、下地となるシリコンウェーハの結晶方位によってエピタキシャル層の成長速度が異なるからであり、この現象は成長速度方位依存性と呼ばれる。成長速度方位依存性による膜厚変動は、ウェーハの中心部においては発生せず、ウェーハの外周端から１〜３ｍｍまでの周縁部において発生し、その影響はウェーハの外周端に近いほど顕著となる。エピタキシャル層の膜厚変動幅は、エピタキシャル層の目標膜厚によっても異なるが、１０〜２０ｎｍ程度である。成長速度方位依存性が生じるメカニズムは以下の通りである。

図２は、エピタキシャルウェーハ１のエッジ領域２１の断面図であり、（ａ）は＜１００＞方位における断面を示し、（ｂ）は＜１１０＞方位における断面を示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態によるエピタキシャルウェーハ１は、シリコンウェーハ２と、シリコンウェーハ２のおもて面２３に形成されたエピタキシャル層３を有している。また、シリコンウェーハ２のおもて面２３の結晶面は（１００）面である。おもて面２３の反対側に位置する裏面２４にはエピタキシャル層３は形成されない。エッジ領域２１は、ウェーハの外周端近傍の領域であり、さらにその外周には、面取りされたベベル領域２２が存在する。エピタキシャル層３は、シリコンソースガス４をシリコンウェーハ２のおもて面２３に供給することによって形成される。

図２（ａ）に示すように、＜１００＞方位のベベル領域２２の面取り部に形成されるエピタキシャル層３には成長速度が速い（１１０）面が存在し、この部位でのエピタキシャル成長が促進される。その結果、おもて面２３のエッジ領域２１上におけるシリコンソースガス４の濃度が低下し、エピタキシャル層３の成長が抑制される。一方、図２（ｂ）に示すように、＜１１０＞方位のベベル領域２２の面取り部に形成されるエピタキシャル層３には、成長速度が遅い（３１１）面及び（１１１）面が存在するため、この部位でのエピタキシャル成長が抑制される。その結果、おもて面２３のエッジ領域２１上におけるシリコンソースガス４の濃度が高まり、エピタキシャル層３の成長が促進される。このようなメカニズムにより、おもて面２３のエッジ領域２１上のエピタキシャル層３の膜厚は、＜１００＞方位では薄く、＜１１０＞方位では厚くなる。

本実施形態においては、成長速度方位依存性によって生じる膜厚変動を相殺すべく、下地となるシリコンウェーハ２のおもて面２３にあらかじめ逆の凹凸形状を形成しておく。

図３は、主面が（１００）面であるシリコンウェーハ２のおもて面２３の表面形状を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はエッジ領域２１の周方向における表面高さを示すグラフである。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本実施形態において用いるシリコンウェーハ２は、＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度のエッジ領域２１の高さが低く凹部を構成し、＜１００＞方位に対応する４５度，１３５度，２２５度，３１５度のエッジ領域２１の高さが高く凸部を構成する。つまり、エピタキシャル層３の膜厚分布を相殺するよう、相補的な凹凸形状を有している。ここで、シリコンウェーハ２の厚み分布については特に限定されない。例えば、シリコンウェーハ２の裏面２４を平坦とすることによりおもて面２３の凹凸形状に対応した厚み分布を有していても構わないし、おもて面２３の凹凸形状にかかわらずほぼ均一な厚みを有していても構わない。つまり、重要なのはシリコンウェーハ２のおもて面２３の表面形状であって、シリコンウェーハ２の厚み分布は特に限定されるものではない。

一例として、シリコンウェーハ２の中心から＜１００＞方位における径方向の表面高さについては、図４（ａ）に示すように、中心からエッジ領域２１に亘って一定であり、シリコンウェーハ２の中心から＜１１０＞方位における径方向の表面高さについては、図４（ｂ）に示すように、エッジ領域２１において、外周端に近くなるほど低くなる形状であっても構わない。

このように、シリコンウェーハ２のおもて面２３の凹凸形状とは、エッジ領域２１を周方向に観察した場合に、相対的に高さの低い部分と相対的に高さの高い部分が周期的に出現することを意味し、実質的に平坦な中央部を基準として、必ずしも凹部と凸部が存在することを意味するものではない。したがって、図４（ａ）に例示するように凸部の高さが中央部の高さと同じであっても構わない。この場合、凹部の高さだけが選択的に低いことになる。また、図４（ｂ）に示したように、凹部の形状は、外周端に近くなるほど低くなる形状であることが好ましい。これは、外周端に近くなるほど、成長速度方位依存性が強く現れるからである。

このような形状を有するシリコンウェーハ２のおもて面２３には、図１に示した膜厚分布を有するエピタキシャル層３が形成される。エピタキシャル層３は、シリコンウェーハ２のおもて面２３の凹凸形状に対して相補的な膜厚を有しており、エッジ領域２１におけるエピタキシャル層３の膜厚はシリコンウェーハの凹凸形状に合わせて周方向に周期的に変動している。つまり、シリコンウェーハ２の凸部にはエピタキシャル層３の膜厚の薄い部分が形成され、シリコンウェーハ２の凹部にはエピタキシャル層３の膜厚の厚い部分が形成される。このような相補的構造により、エピタキシャル層３の表面のエッジ領域２１の平坦度はシリコンウェーハ２のおもて面２３のエッジ領域２１の平坦度よりも高くなり、エピタキシャル層３の表面全体が平坦化される。

図５は、シリコンウェーハ２及びエピタキシャル層３のエッジ領域２１の周方向における表面高さを示すグラフである。

図５に示すように、シリコンウェーハ２のエッジ領域２１は、＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度の領域において高さが低い一方、＜１００＞方位に対応する４５度，１３５度，２２５度，３１５度の領域において高さが高い。このような形状を補完するよう、エピタキシャル層３のエッジ領域２１は、＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度の領域において膜厚が大きい一方、＜１００＞方位に対応する４５度，１３５度，２２５度，３１５度の領域において膜厚が薄い。これにより、ウェーハの外周端近傍まで高い平坦度が確保されることから、エッジ除外領域（Edge Exclusion）を例えば１ｍｍ未満に縮小することが可能となる。

次に、本実施形態による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６は、本実施形態によるエピタキシャルウェーハの第１の製造方法を説明するためのフローチャートである。

まず、チョクラルスキー法などによってシリコン単結晶のインゴットを育成し、これをスライスすることによってシリコンウェーハを取り出す（Ｓ１）。次に、シリコンウェーハに対して面取り加工などを行った後、ラッピング及びエッチングをこの順に行う（Ｓ２，Ｓ３）。エッチングにおいては、シリコンウェーハの＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度の周縁部におけるエッチング量が他の領域よりも多くなるよう制御する。特に限定されるものではないが、例えば、酸性溶液又はアルカリ性溶液を用いてシリコンウェーハの全体をエッチングした後、シリコンウェーハの＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度のエッジ領域２１を露出させるマスクでシリコンウェーハ２のおもて面２３を覆い、この状態で所定時間だけさらにエッチングを行えばよい。これにより、当該領域のエッチング量が多くなることから、シリコンウェーハ２の＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度のエッジ領域２１に凹部が形成される。

このような凹部が形成されたシリコンウェーハ２は、研磨によって極めて平滑な鏡面状態とされる（Ｓ４）。研磨工程においては、シリコンウェーハ２のおもて面２３がほぼ均一な厚みで研磨されることから、エッチングによって形成した凹部が研磨によって消滅することはなく、ほぼそのままの凹凸形状が残った状態となる。

そして、シリコンウェーハ２のおもて面２３にエピタキシャル層３を形成する（Ｓ５）。既に説明したように、エピタキシャル層３の形成においては、成長速度方位依存性によって膜厚の厚い部分と薄い部分が生じる。しかしながら、本実施形態では、膜厚の厚い部分がシリコンウェーハ２の凹部に形成され、膜厚の薄い部分がシリコンウェーハ２の凸部（凹部が形成されていない部分）に形成されることから、両者の凹凸形状が相殺される。その結果、エピタキシャル層３の表面は、ウェーハの外周端近傍まで高い平坦度が確保されることになる。

このように、シリコンウェーハ２の凹凸形状は、研磨工程（Ｓ４）を行う前に形成することが可能である。

図７は、本実施形態によるエピタキシャルウェーハの第２の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図７に示す例では、シリコン単結晶のインゴットをスライスすることによってシリコンウェーハ２を取り出し（Ｓ１）、ラッピングなどを行った後（Ｓ２）、通常の方法でエッチングを行う（Ｓ３）。つまり、選択的なエッチングは行わず、シリコンウェーハ２のおもて面２３は平坦なままとしておく。この状態で研磨を行い、極めて平滑な鏡面状態とする（Ｓ４）。

研磨が完了すると、シリコンウェーハ２の＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度のエッジ領域２１を露出させるようにマスクでシリコンウェーハ２のおもて面２３を覆い、この状態でエッチング処理を行う（Ｓ１０）。これにより、当該領域が選択的にエッチングされることから、シリコンウェーハ２の＜１１０＞方位に対応する０度（３６０度），９０度，１８０度，２７０度のエッジ領域２１に凹部が形成される。なお、エッチング処理はウェットエッチングやドライエッチングでもよく、ドライエッチングとしては、例えば、ＰＡＣＥ（Plasma Assisted Chemical Etching）やＤＣＰ（Dry Chemical Planarization）などの処理を行うことができる。

その後は、上述の通り、シリコンウェーハ２のおもて面２３にエピタキシャル層３を形成すれば（Ｓ５）、膜厚の厚い部分がシリコンウェーハ２の凹部に形成され、膜厚の薄い部分がシリコンウェーハ２の凸部（凹部が形成されていない部分）に形成されることから、両者の凹凸形状が相殺される。

このように、シリコンウェーハ２の凹凸形状は、研磨工程（Ｓ４）を行った後に形成することも可能である。

さらには、研磨工程（Ｓ５）において、シリコンウェーハ２を研磨パッドに押しつける圧力を局所的に強くすることにより、当該部分に凹部を形成することも可能である。つまり、シリコンウェーハ２の凹凸形状を研磨工程中に形成することも可能である。

以上説明したように、本実施形態においては、成長速度方位依存性によるエピタキシャル層３の膜厚分布を見越して、シリコンウェーハ２のおもて面２３にあらかじめ凹凸形状を形成していることから、エピタキシャル層３の表面の平坦性をウェーハの端部近傍に亘って高めることが可能となる。これにより、エッジ除外領域が縮小されることから、１枚のエピタキシャルウェーハからより多くの半導体チップを取り出すことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、主面が（１００）面であるシリコンウェーハを用いた例を説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、主面が（１１０）面であるシリコンウェーハを用いても構わないし、主面が（１１１）面であるシリコンウェーハを用いても構わない。主面が（１１０）面であるシリコンウェーハは、図８に示すように、成長速度方位依存性によるエピタキシャル層の膜厚分布が１８０度周期となることから、このようなシリコンウェーハを用いる場合は、周縁部に１８０度周期の凹凸形状を形成しておけばよい。また、主面が（１１１）面であるシリコンウェーハは、図９に示すように、成長速度方位依存性によるエピタキシャル層の膜厚分布が１２０度周期となることから、このようなシリコンウェーハを用いる場合は、周縁部に１２０度周期の凹凸形状を形成しておけばよい。

１ エピタキシャルウェーハ
２ シリコンウェーハ
３ エピタキシャル層
４ シリコンソースガス
２１ エッジ領域
２２ ベベル領域
２３ おもて面
２４ 裏面

本発明はこのような着想に基づき成されたものであって、本発明によるエピタキシャルウェーハは、おもて面及び裏面を有し、外周端にベベル領域を有し、前記おもて面のエッジ領域に周期的な凹凸が周方向に形成されたシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハの前記おもて面に形成されたエピタキシャル層とを備え、前記エピタキシャル層は、前記シリコンウェーハの前記おもて面の前記凹凸に対して相補的な膜厚を有していることを特徴とする。

また、本発明によるエピタキシャルウェーハの製造方法は、おもて面及び裏面を有し、外周端にベベル領域を有するシリコンウェーハの前記おもて面のエッジ領域に、周期的な凹凸を周方向に形成する第１の工程と、前記シリコンウェーハの前記おもて面に、前記凹凸に対して相補的な膜厚を有するエピタキシャル層を形成する第２の工程とを備えることを特徴とする。

Claims (7)

1. おもて面及び裏面を有し、前記おもて面のエッジ領域に周期的な凹凸が周方向に形成されたシリコンウェーハと、
   前記シリコンウェーハの前記おもて面に形成されたエピタキシャル層と、を備え、
   前記エピタキシャル層は、前記シリコンウェーハの前記おもて面の前記凹凸に対して相補的な膜厚を有していることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
2. 前記シリコンウェーハの前記おもて面は、第１の結晶方位のエッジ領域に対して第２の結晶方位のエッジ領域が凹形状を有してい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。
3. 前記シリコンウェーハの前記おもて面は（１００）面であり、前記第１の結晶方位は＜１００＞方位であり、前記第２の結晶方位は＜１１０＞方位であることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウェーハ。
4. おもて面及び裏面を有するシリコンウェーハの前記おもて面のエッジ領域に、周期的な凹凸を周方向に形成する第１の工程と、
   前記シリコンウェーハの前記おもて面に、前記凹凸に対して相補的な膜厚を有するエピタキシャル層を形成する第２の工程と、を備え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。
5. 前記第１の工程は、第１の結晶方位のエッジ領域に対して第２の結晶方位のエッジ領域が凹形状となるよう、前記シリコンウェーハの前記おもて面を加工することにより行うことを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
6. 前記第１の工程は、前記シリコンウェーハの前記おもて面を研磨する前に行うエッチング工程において、前記第２の結晶方位のエッジ領域におけるエッチング量を選択的に増加させることにより行うことを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
7. 前記第１の工程は、前記シリコンウェーハの前記おもて面を研磨した後、前記第２の結晶方位のエッジ領域を選択的にエッチングすることにより行うことを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

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