JP3725598B2 - エピタキシャルウェハの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、エピタキシャルウェハは反応容器内にシリコンウェハを配置し、前記反応容器内を所定の真空度に保持した状態で前記ウェハを加熱しながらシリコン源(例えばSiH4 、SiHCl3 )とボロン化合物(例えばB2 H6 )のようなドーパントを含む原料ガスを供給し、加熱された前記ウェハ表面でシランおよびB2 H6 の熱分解を行ってボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長することにより製造されている。特に、シリコン源であるSiH4 は950〜1050℃の温度範囲においてシリコンの成長速度の温度依存性が少ないという特徴を有する。
【0003】
ところで、前記エピタキシャル成長において前記ウェハを加熱する際にはその面内で温度分布を生じる。例えば、反応容器内の回転自在なリング状の支持部材にシリコンウェハを枚葉式で搬送して水平に配置し、前記ウェハの裏面側から加熱すると、1)前記支持部材を通して前記ウェハ周辺部から熱が放散される、2)前記支持部材と接触する前記ウェハにスリップ等の欠陥が生じる、という問題が起こる。このため、前記支持部材の温度を高める、いわゆるオフセット加熱を施して前記1)、2)の問題を回避することが行われている。このようなオフセット加熱を行うと、図5の特性線A、Bに示すようにウェハの面内において周辺部で高く、中心部で低いという温度分布を持つようになる。なお、特性線Aはオフセット温度を20℃、特性線Bはオフセットを温度を35℃、にそれぞれ設定した例である。特性線Cは、オフセット温度を0℃にした例である。
【0004】
前述したように反応容器内の回転自在なリング状の支持部材にシリコンウェハを水平に配置し、前記反応容器内を所定の真空度に保持した状態で前記ウェハを900〜1100℃に加熱し、前記支持部材により前記ウェハを回転しながら前記反応容器の上部からSiH4 とB2 H6 を含む原料ガスを前記ウェハに向けて供給すると、ドーパントであるB2 H6 は温度上昇に伴ってエピタキシャル膜に取り込まれるボロンの量(ドープ量)が増大するため、温度の高いウェハ周辺部でボロンドープ量が多く、ウェハ中心部でボロンドープ量が少なくなる。なお、n型不純物であるリンの化合物(例えばPH3 )を用いた場合にも温度上昇に伴ってエピタキシャル膜に取り込まれるドープ量が増大する。その結果、図6の特性線A、Bに示すようにウェハ面内において周辺部の抵抗値が低いエピタキシャル膜が成長される。なお、特性線Aはオフセット温度を20℃、特性線Bはオフセットを温度を30℃、にそれぞれ設定した例である。
【0005】
したがって、SiH4 とドーパントであるB2 H6 を含む原料ガスを用いる方法では面内で比較的均一な厚さのエピタキシャル膜を成長することができるものの、面内で抵抗値がばらつくという問題があった。
【0006】
なお、ウェハ面内で温度分布が生じるのは前述したオフセット加熱を採用する場合に限らず、ウェハ裏面全体を一様に保持する方式でもウェハ面内に温度分布が生じることを避けることができない。
【0007】
このようなウェハ面内での抵抗値のばらつきを回避するために、反応容器内に供給される前記原料ガスの流量を制御することが考えられる。例えば、反応容器内の支持部材にシリコンウェハを水平に配置し、前記ウェハを900〜1100℃に加熱し、前記支持部材により前記ウェハを一定の速度で回転しながら前記反応容器の上部から前記ウェハに向けて供給するSiH4 とB2 H6 を含む原料ガスの量を少なくすると、前記ウェハの周辺部ほど原料ガスの供給量が多くなるため、ウェハ周辺部のシリコンの成長速度(堆積速度)がウェハ中心部に比べて高めることができる。したがって、面内の温度分布(ウェハ周辺部で高く、ウェハ中心部で低い)に起因するウェハ周辺部でのドープ量の増大をウェハ周辺部においてシリコンの成長速度を高めることにより相殺することができ、結果としてウェハ面内での抵抗値のばらつきを抑制することかできる。しかしながら、ウェハ周辺部のシリコンの成長速度(堆積速度)をウェハ中心部に比べて高めると、ウェハ面内でのエピタキシャル膜の膜厚が周辺部で厚くなって不均一になるという新たな問題が生じる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリコンウェハの面内温度分布に起因するエピタキシャル膜の抵抗値のばらつきを抑制することが可能で、かつパーティクルおよびヘイズの低減が可能なエピタキシャル成長方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるエピタキシャル成長方法は、反応容器内にシリコンウェハを配置し、前記反応容器内にシランとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む原料ガスを供給して真空度が10〜200torrの条件にて900〜1100℃で加熱され、かつ面内温度分布が2〜50℃のウェハ表面にボロンまたはリンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長する方法において、
前記原料ガスとして、シランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む組成のものを用いることを特徴とするものである。
【0010】
このようなエピタキシャル成長に際し、前記ウェハの低温度領域への原料ガスの供給量を高温度領域に比べて多くなるように前記原料ガスの供給量を制御することを許容する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるエピタキシャル成長方法を図1のエピタキシャル成長装置を参照して説明する。
上部にガス導入口1を有し、底部が開口された反応容器2は、ベースプレート3上に設置されている。前記ベースプレート3における前記反応容器2内面近傍部分には、排気口4が開口されている。排気管5は、前記ベースプレート3の前記排気口4に連結され、かつ他端には図示しない真空ポンプが連結されている。円筒状支持軸6は、前記反応容器2の中心に位置するように前記ベースプレート3を貫通して回転自在に支持されている。有底円筒支持部材7は、前記円筒状支持軸6の上端に拡口して一体的に形成されている。円板状の蓋体8は、前記有底円筒支持部材7の上端に取付けられている。上面に環状支持片9が一体に取り付けられた円筒体10は、前記環状支持片9が前記蓋体8と所定の距離をあけて前記円筒状支持軸6の上部側面に嵌着されている。円板状ヒータ11は、前記有底円筒支持部材7および前記蓋体8で囲まれた空間に配置され、かつ前記円筒状支持軸6を通して挿入された円筒体12に支持されている。リード線13a、13bは、前記円筒体12を通して前記ヒータ11に接続されている。
【0012】
次に、前述した図1のエピタキシャル成長装置を用いて本発明に係わるエピタキシャル成長方法を説明する。
まず、反応容器2内の環状支持片9上にシリコンウェハ14を枚葉方式で載置する。図示しない真空ポンプを作動して前記反応容器2およびベースプレート3で囲まれたチャンバ内のガスを排気口4および排気管5を通して排気して所定の真空度にする。つづいて、円板状ヒータ11を加熱することにより前記ヒータ11の上方に位置する前記ウェハ14を900〜1100℃に加熱する。この時、前記環状支持片9でその上に載置されウェハ14をオフセット加熱することにより、前記環状支持片9からの熱放散によるウェハ14周辺部の冷却が防止され、かつウェハ14へのスリップ等の欠陥発生が抑制される。このようなオフセット加熱により前記ウェハ14は、2〜50℃の面内温度分布を持つようになる。
【0013】
次いで、前記真空ポンプによる排気を続行すると共に、円筒状支持軸6を所望の速度で回転しながら、前記反応容器2のガス導入口1からシランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む組成の原料ガスを前記ウェハ14表面に向けて供給し、真空度が10〜200torrの条件にて900〜1100℃で加熱され、かつ面内温度分布が2〜50℃のウェハ14表面にボロンまたはリンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長する。
【0014】
前記原料ガス中に含まれるドーパントであるリン化合物としては、例えばホスフィン(PH3 )等を用いることができる。
前記原料ガス中に含まれるドーパントであるボロン化合物としては、例えばジボラン(B2 O6 )等を用いることができる。
【0015】
前記原料ガス中のHCl量を規定したのは、次のような理由によるものである。HClの添加量を5体積%未満にするとエピタキシャル成長時における高温領域側ほどシリコンの成長速度を高める効果を達成することが困難になる。一方、HClの添加量が600体積%を越えると、HClによるシリコンへのエッチング効果が高くなり過ぎてウェハ表面にシリコンエピタキシャル膜を成長することが困難になる。より好ましいシランに対するHCl添加量は、50〜300体積%である。
【0016】
前記原料ガスは、水素をキャリアガスとして前記反応容器内に供給されることを許容する。
前記ウェハの温度を規定したのは、次のような理由によるものである。前記ウェハ温度を900℃未満にすると、エピタキシャル膜に表面粗れ(ヘイズ)が生じる恐れがある。前記ウェハ温度が1100℃を越えると、副反応によるパーティクル(Sim Hn )の生成が多くなってエピタキシャル膜の膜質劣化を招く恐れがある。
【0017】
以上説明した本発明に係わるエピタキシャル成長方法によれば、反応容器2内の支持部材である環状支持片9にシリコンウェハ14を配置し、前記反応容器2内にシランとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む原料ガスを供給して真空度が10〜200torrの条件にて900〜1100℃で加熱され、かつ面内温度分布が2〜50℃のウェハ表面にボロンまたはリンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長するにあたり、前記原料ガスとして、シランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む組成のものを用いることによって、前記加熱温度範囲において高温領域側ほどシリコンの成長速度を高めることが可能になる。つまり、エピタキシャル成長に際してシリコンウェハの加熱温度、原料ガスの供給量の他に原料中へのHClの添加量によるシリコン成長速度の制御が可能になる。
【0018】
具体的には、図1に示すエピタキシャル成長装置を用い、SiH4 の供給量を0.3リットル/分、水素(キャリアガス)の供給量を50リットル/分、ジボラン(B2 H6 )濃度が0.1ppmの水素ガスの供給量を0.01リットル/分となるように原料ガスを反応容器2のガス導入口1から2000rpmの速度で回転するシリコンウェハ14に向けて供給し、反応容器2内の真空度を50torrとしたエピタキシャル成長に際し、HClの原料ガス中の添加量および前記ウェハの加熱温度を変化させたときのシリコンの成長速度を調べた。その結果を図2に示す。
【0019】
図2から明らかなようにHClが無添加の原料ガスを用いる特性線Aでは、加熱温度が900〜1100℃の範囲内でシリコンの成長速度の差は0.03μm/分と殆ど変化しない。これに対し、HClが50%、100%、200%添加の原料ガスを用いる特性線B〜Dでは、加熱温度が950〜1050℃の範囲内でシリコンの成長速度は高温領域側ほど高くなる。特に、HClが200%添加の原料ガスを用いる特性線Dではシリコンの成長速度は高温側で高く、前記温度範囲での成長速度差は0.5μm/分と大きくなっている。さらに、400%添加の原料ガスを用いる特性線Eではシリコンの成長速度は加熱温度が900〜1100℃の範囲内でシリコンの成長速度は高温領域と低温領域との間で0.6μm/分と大き成長速度差を示す。
【0020】
このようなシリコン成長速度の温度依存性(傾斜)を示す原料ガスを用いて、前述した面内温度分布(ウェハ周辺部で高く、ウェハ中心部で低い)を有するシリコンウェハに例えばボロンがドープされたエピタキシャル膜を成長する際、ドーパントであるB2 H6 は温度上昇に伴ってエピタキシャル膜に取り込まれるボロンの量(ドープ量)が増大するため、温度の高いウェハ周辺部でボロンドープ量が多く、ウェハ中心部でボロンドープ量が少なくなるが、前記原料ガスは図2の特性線B〜Eに示したように高温のウェハ周辺部ほどシリコンの成長速度を高めることができるので、高温のウェハ周辺部における前記ボロンの取り込み量の増加を相殺することができる。その結果、ウェハの面内温度分布に起因するドープ量の変動を回避できるために、ドープ量が面内で均一、つまり抵抗値が均一なボロンドープシリコンエピタキシャル膜を成長することができる。
【0021】
なお、前述した原料ガスの使用により温度の高い、つまりシリコンの成長速度の高いウェハ周辺部のエピタキシャル膜部分がウェハ中心部に比べて厚くなる傾向がある。このようなウェハ面内でのエピタキシャル膜の厚さのばらつきを回避するには、前記原料ガスの反応容器2内への供給において、面内温度分布を持つ前記シリコンウェハへの原料ガス量を制御する、例えば前記ウェハの低温度領域への原料ガスの供給量を高温度領域に比べて高めることによりエピタキシャル膜の面内厚さを均一にすることが可能になる。具体的には、前述した図1の成長装置の反応容器2内の環状支持片9にシリコンウェハ14を載置し、前記ウェハ14を900〜1100℃に加熱し、前記円筒状支持軸6の回転により前記ウェハ14を一定の速度で回転しながら前記反応容器2の上部のガス導入口1から前記ウェハ14に向けて供給する原料ガスの流量を高くすると、前記ウェハ14の中心部ほど原料ガスの供給量が多くなる。このため、前記ウェハ14中心部のシリコンの成長速度(堆積速度)をウェハ14の周辺部に比べて高めることができる。その結果、HClが添加されたシリコンの成長速度に温度依存性(傾斜)を示す原料ガスを用いることに伴う、温度の高いウェハ周辺部での膜厚増大を前記原料ガスの供給形態を制御することによりキャンセルしてウェハ面内で均一な厚さのエピタキシャル膜を成長することができる。
【0022】
したがって、本発明によれば面内で均一な抵抗値を有すると共に、原料ガスの供給形態の制御により面内で膜厚も均一なドープトシリコンエピタキシャル膜をウェハ表面に成長することができる。
【0023】
また、ウェハを900〜1100℃の温度範囲で加熱されたシリコンウェハにシランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む組成の原料ガスを供給することにより表面粗れの低減およびパーティクルの低減を図ることができ、表面性状および膜質が良好なドープトシリコンエピタキシャル膜を成長することができる。
【0024】
なお、本発明に係わるエピタキシャル成長方法の説明において図1に示すように支持機構がシリコンウェハに対してオフセット加熱する形態のエピタキシャル成長装置を用いたが、シリコンウェハの裏面全体を支持する支持機構を備えたエピタキシャル成長装置を用いてもよい。
【0025】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図1に示すエピタキシャル成長装置を参照して説明する。
(実施例1)
まず、反応容器2内の環状支持片9上に直径200mmのシリコンウェハ14を載置した。図示しない真空ポンプを作動して前記反応容器2およびベースプレート3で囲まれたチャンバ内のガスを排気口4および排気管5を通して排気して所定の真空度にした。つづいて、円板状ヒータ11を加熱することにより前記ヒータ11の上方に位置する前記ウェハ14を加熱した。この時、前記環状支持片9でその上に載置されウェハ14をオフセット加熱することにより、前記ウェハ14の中心部が981℃に、周辺部(外周部)が989℃にそれぞれ加熱された。このようなオフセット加熱により前記ウェハ14は、8℃の面内温度分布を持った。
【0026】
次いで、前記真空ポンプによる排気を続行すると共に、円筒状支持軸6を2000rpmの速度で回転しながら、前記反応容器2のガス導入口1から下記表1に示す条件でシラン、ジボラン、HClおよび水素(キャリアガス)を含む原料ガスを供給し、真空度が50torrの条件にて前記ウェハ14表面にボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長した。
【0027】
(実施例2〜5、比較例1〜3および参照例1)
シリコンウェハの中心温度を981℃とし、オフセット加熱および下記表1に示す原料ガスの組成を変化させた以外、実施例1と同様な方法によりシリコンウェハの表面にボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長した。
【0028】
実施例1〜5、比較例1〜3および参照例1によりウェハ表面に成長されたボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜の面内の抵抗値ばらつきを測定した。抵抗値ばらつきは、[(最高抵抗値−最低抵抗値)/(最高抵抗値+最低抵抗値)]×100(%)により求めた。
【0029】
また、実施例1〜5、比較例1〜3および参照例1によりウェハ表面に成長されたボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜の面内の膜厚ばらつきを測定した。膜厚ばらつきは、[(最高膜厚−最低膜厚)/(最高膜厚+最低膜厚)]×100(%)により求めた。
【0030】
さらに、テンコール社製商品名;サーフスキャン6200により実施例1〜5、比較例1〜3および参照例1によりウェハ表面に成長されたボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜の面内のパーティクル(0.135〜0.2μm径)の個数およびヘイズ濃度を測定した。
以上のような抵抗値ばらつき、膜厚ばらつき、パーティクル量およびヘイズ濃度を下記表1に併記した。
【0031】
【表1】
【0032】
前記表1から明らかなように原料ガスを供給して真空度が10〜200torrの条件にて900〜1100℃で加熱され、かつ面内温度分布が2〜50℃のウェハ表面にボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長するにあたり、前記原料ガスとして、シランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとジボランとを含む組成のものを用いる実施例1〜5の成長方法は、HClが無添加か、もしくは5〜600体積%の範囲を外れる原料ガスを用いる比較例1〜3に比べてエピタキシャル膜の面内の抵抗値、膜厚を均一化できると共に、パーティクル量およびヘイズ濃度を低減できることがわかる。
【0033】
また、実施例1に比べてキャリアガスである水素の流量を低くした原料ガスを用いる参照例1の成長方法は、加熱温度の低いウェハ中心部に十分な量の原料ガスを供給できないためにエピタキシャル膜の面内の膜厚ばらつきが実施例1に比べて大きくなる。
【0034】
(実施例6)
まず、反応容器2内の環状支持片9上に直径200mmのシリコンウェハ14を載置した。図示しない真空ポンプを作動して前記反応容器2およびベースプレート3で囲まれたチャンバ内のガスを排気口4および排気管5を通して排気して所定の真空度にした。つづいて、円板状ヒータ11を加熱することにより前記ヒータ11の上方に位置する前記ウェハ14を1000℃に加熱した。前記ウェハ14の中心部と周辺部(外周部)との温度差(面内温度分布)は、8℃であった。
【0035】
次いで、前記真空ポンプによる排気を続行すると共に、円筒状支持軸6を2000rpmの速度で回転しながら、前記反応容器2のガス導入口1から原料ガスであるシラン0.3リットル/分、ジボラン濃度が0.1ppmの水素0.01リットル/分、水素(キャリア)50リットル/分および所望量のHClを供給し、真空度が50torrの条件にて前記ウェハ14表面にボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長した。この時、HClの添加量がシランに対して0%、100%、200%、300%および400%になるようにHClの流量を調節した。
【0036】
ウェハ表面に成長されたボロンがドープされたシリコンエピタキシャル膜の面内のパーティクル(0.135〜0.2μm径)の個数およびヘイズ量を測定した。その結果を図3、図4にそれぞれ示す。
【0037】
図3、図4から明らかなようにシランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとジボラン(ドーパント)とキャリアガスを含む原料ガスを用いることによって、パーティクル量およびヘイズ濃度を低減できることがわかる。
【0038】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によればシリコンウェハの面内温度分布に起因するエピタキシャル膜の抵抗値のばらつきを抑制でき、かつパーティクルの生成およびヘイズの生成を低減することが可能なエピタキシャル成長方法を提供することができる。また、エピタキシャル成長に際し、前記ウェハの低温度領域への原料ガスの供給量を高温度領域に比べて高くなるように前記原料ガスの供給量を制御することによって、膜厚が面内で均一なエピタキシャル膜を成長することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエピタキシャル成長方法に用いるエピタキシャル成長装置を示す断面図。
【図2】HCl添加量の異なる原料ガスを用いてエピタキシャル成長を行った時の温度とシリコン成長速度との関係を示す特性図。
【図3】原料ガス中のHCl導入量と成長されたエピタキシャル膜のパーティクル量との関係を示す特性図。
【図4】原料ガス中のHCl導入量と成長されたエピタキシャル膜のヘイズ濃度との関係を示す特性図。
【図5】オフセット加熱時のウェハの面内温度分布を示す特性図。
【図6】オフセット加熱を施したウェハ表面にボロンドープシリコンエピタキシャル膜を成長した時の抵抗値分布を示す特性図。
【符号の説明】
1…ガス導入口、
2…反応容器、
3…ベースプレート、
4…排気口、
6…円筒状支持軸、
9…環状支持片、
11…ヒータ、
14…シリコンウェハ。
Claims (2)
- 反応容器内にシリコンウェハを配置し、前記反応容器内にシランとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む原料ガスを供給して真空度が10〜200torrの条件にて900〜1100℃で加熱され、かつ面内温度分布が2〜50℃のウェハ表面にボロンまたはリンがドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長する方法において、
前記原料ガスとして、シランとこのシランに対して5〜600体積%添加されたHClとボロンまたはリンの化合物からなるドーパントとを含む組成のものを用いることを特徴とするエピタキシャル成長方法。 - 前記ウェハの低温度領域への原料ガスの供給量を高温度領域に比べて多くなるように前記原料ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項1記載のエピタキシャル成長方法。
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