JP4613451B2

JP4613451B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法

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Publication number: JP4613451B2
Application number: JP2001198999A
Authority: JP
Inventors: 秀樹針谷
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003012397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャルウェーハは、気相成長装置に配設されたサセプタの座ぐり部にシリコン単結晶基板を載置させ、このシリコン単結晶基板の主表面上に原料ガスを供給することによりシリコンエピタキシャル層（シリコン単結晶薄膜）を気相エピタキシャル成長させて製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば図１０に示すように、シリコン単結晶基板１００を、該基板１００の厚さよりも深い座ぐり部１１０内に載置し、サセプタ１２０の表面に沿ってシリコン単結晶基板１００の主表面上にシリコン原料ガスを供給すると、原料ガス流（点線による矢印で図示）が、座ぐり部１１０の段差付近で乱れてしまう場合がある（矢印ａ、ｂ）。これに伴って、シリコン単結晶薄膜１０１の周辺部１０１ａでの厚さＴ１が、中心部１０１ｂでの厚さＴ２よりも薄くなってしまう。
【０００４】
近年では、エピタキシャルウェーハから半導体デバイスを製造するための面内使用率がさらに高まる傾向にある。このために今後のエピタキシャルウェーハには、単結晶薄膜をその周辺部まで均一に成長させるための技術開発が極めて重要な課題となる。
【０００５】
本発明の課題は、単結晶薄膜の厚さ分布を周辺部までより均一にできるエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明は、サセプタが備える座ぐり部に載置された半導体単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記半導体単結晶基板の厚さｄを求める第１工程と、
前記半導体単結晶基板を前記座ぐり部に載置させた状態で、当該半導体単結晶基板の上面から前記サセプタの表面に至る寸法を段差量ｈと定義した際に、前記段差量ｈについて、前記単結晶薄膜の周辺部での平均成長速度と、中心部での平均成長速度とを等しくし、前記単結晶薄膜の厚さ分布が均一となるための最適値である最適段差量ｈ０について、前記座ぐり部の深さＤの異なる複数のサセプタを用いて、前記単結晶薄膜の厚さ分布をそれぞれ定量化し、定量化した単結晶薄膜の厚さ分布と前記段差量ｈとの関係を示す検量線から求める第２工程と、
下記式によって、前記半導体単結晶基板の厚さｄに応じて当該半導体単結晶基板を載置させる座ぐり部の深さＤ０を求め、当該深さＤ０を有する座ぐり部を選択する第３工程と、を備えることを特徴とする。
座ぐり部の深さＤ０＝（半導体単結晶基板の厚さｄ）＋（最適段差量ｈ０）
【０００７】
ここで、半導体単結晶基板とは、例えばシリコン単結晶基板であり、単結晶薄膜とは、例えばシリコン単結晶薄膜である。
【０００８】
本発明によれば、半導体単結晶基板を載置させる座ぐり部の深さを、半導体単結晶基板の厚さに応じて選択することで、エピタキシャルウェーハの周辺部における単結晶薄膜の厚さを調節できる。
例えば、単結晶薄膜の周辺部での平均成長速度が中心部での平均成長速度と略等しくなるように、座ぐり部に載置された半導体単結晶基板の上面からサセプタの表面に至る段差量を定め、この段差量と半導体単結晶基板の厚さとの和から定まる深さの座ぐり部を選択する。
このようにして、単結晶薄膜の厚さ分布が周辺部までより均一となるように改善できる。
【０００９】
なお、シリコン単結晶基板の厚さは、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials International）スタンダ−ドにおいて、センターポイントでの規格値がその直径に応じて定められている。
例えば、直径１００ｍｍのシリコン単結晶基板では５２５±１５μm（Ｍ１．１１−９０）であり、直径１２５ｍｍのシリコン単結晶基板では６２５±１５μm（Ｍ１．１２−９０）であり、直径１５０ｍｍのシリコン単結晶基板では６２５±１５μm（Ｍ１．１３−９０）である。また、大径のシリコン単結晶基板については、例えば直径３００ｍｍのシリコン単結晶基板では７７５±２０μm（Ｍ１．１５−０９９７）である。
さらに大径となる次世代のシリコン単結晶基板についてはプロセス開発のためにそのガイドラインとして以下のターゲットが示されている。例えば、直径３５０ｍｍのシリコン単結晶基板では８００±２５μmであり、直径４００ｍｍのシリコン単結晶基板では８２５±２５μmである（Ｍ１．１４−９６）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜９を参照して、本発明の実施の形態のエピタキシャルウェーハの製造方法を詳細に説明する。
本実施の形態で用いられる気相成長装置としては、座ぐり部１１が形成されたサセプタ１０（図１参照）を備えていれば、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダ型）、枚葉式等、各種の型を用いることができる。
これら気相成長装置は、図示しない反応炉内に、図１に示すサセプタ１０を備える。このサセプタ１０の表面１０ａには、半導体単結晶基板（以下単に「基板２１」と称す）２１を載置させるための座ぐり部１１が形成されている。
本実施の形態では、基板２１の厚さｄに応じて、基板２１を載置させる座ぐり部１１の深さＤを以下の通りにして選択する。
【００１１】
先ず、基板２１の厚さｄを実測もしくは規格値（上述）により求める。
次に、便宜上、基板２１を座ぐり部１１に載置させた状態で基板２１の上面２１ａからサセプタ１０の表面１０ａに至る寸法を「段差量ｈ」と定義する（図１参照）。この「段差量ｈ」について、単結晶薄膜（以下単に「薄膜２２」と称す）２２の周辺部での平均成長速度を中心部での平均成長速度とほぼ等しくするための最適値（以下「最適段差量ｈ０」と称する）を把握する。
この「最適段差量ｈ０」を把握するには、例えば、座ぐり部１１の深さＤが異なる複数のサセプタ１０をそれぞれ用いてエピタキシャルウェーハ２０を製造し、これらの薄膜２２の厚さ分布をそれぞれ定量化する。これらの数値から、薄膜２２の厚さ分布と段差量ｈとの関係を示す検量線を把握する。この検量線から、薄膜２２の厚さ分布ができるだけ均一となる「最適段差量ｈ０」を求める。
【００１２】
以上により、選択すべき座ぐり部１１の深さＤ０は、基板の厚さｄと最適段差量ｈ０との和によって以下の通りに一義的に定まる。
深さＤ０＝（基板の厚さｄ）＋（最適段差量ｈ０）
【００１３】
座ぐり部１１の深さＤ０は、以下の通りにして選択する。
例えば、座ぐり部１１の深さＤが互いに異なる複数のサセプタ１０を予め用意しておき、これらのサセプタ１０のうちから上記深さＤ０をもつ座ぐり部１１を有するサセプタ１０を使用する。あるいは、座ぐり部１１がサセプタ１０に着脱自在に配設される構成とし、このサセプタ１０に上記深さＤ０の座ぐり部１１を装着させても良い。
【００１４】
このようにして、基板２１の厚さｄに応じて深さＤ０の座ぐり部１１を選択し、この座ぐり部１１に基板２１を載置させる。そして、所定温度に保たれた反応炉内に原料ガスをキャリアガスと共に供給する。こうして薄膜２２の厚さ分布をその周辺部まで均一にできる。
【００１５】
［実施例１］
（１）気相成長装置の説明
実施例１として、縦型気相成長装置３０を使用してシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
この縦型気相成長装置３０は、図２に示すように、ベースプレート３１上に反応炉３２となる釣鐘状のベルジャが備えられている。この反応炉３２内には円盤状のサセプタ３３が水平に配設されており、このサセプタ３３の下面には高周波誘導加熱コイル３４がカバー３５内に設けられている。一方、反応炉３２の中央には円管状のノズル３６がサセプタ３３を垂直に貫通している。このノズル３６はその側面に多数の噴出口３６ａが形成されており、この噴出口３６ａから、ノズル３６の上端に備えられた板３６ｂの下面に沿って、原料ガスがキャリアガスと共にほぼ水平に噴出する。
この縦型気相成長装置３０によりシリコンエピタキシャルウェーハ２０を製造するには、高周波誘導加熱コイル３４によりサセプタ３３を誘導加熱してシリコン単結晶基板２１を加熱しながら、ガス導入口３７から供給される原料ガスおよびキャリアガスを噴出口３６ａからシリコン単結晶基板２１の主表面に沿って噴出させる。
【００１６】
（２）座ぐり部の深さを選択する方法
このような縦型気相成長装置３０を用い、直径１００ｍｍ、厚さ２９０μmのシリコン単結晶基板２１を使用し、座ぐり部３３ａの深さＤが、３４０、３９０、４６０、５００、９００μmであるサセプタ３３をそれぞれ使用して、シリコンエピタキシャルウェーハ２０を製造した。それぞれの座ぐり部３３ａに上記シリコン単結晶基板２１を載置させると、前記段差量ｈはそれぞれ５０、１００、１７０、２１０、６１０μmとなる。なお、何れの座ぐり部３３ａの外径も１０１．５ｍｍである。
また、シリコンエピタキシャルウェーハの成長条件は、成長温度（サセプタ３３の温度）を１１２０℃、シリコン単結晶薄膜の成長速度を１．０μm／分とし、中心部での膜厚が７μm程度となるまで成長させた。
【００１７】
こうして得られたシリコン単結晶薄膜の厚さ分布を、以下に定める「周辺膜厚比α」によって評価した。
周辺膜厚比α＝（ｔ_x1）／（ｔ_x2）
但し、ｔ_x1は外周から５ｍｍ内側の位置（図４に示すｘ₁）でのシリコン単結晶薄膜の厚さであり、ｔ_x2は外周から１０ｍｍ内側の位置（図４に示すｘ₂）でのシリコン単結晶薄膜の厚さである。シリコン単結晶薄膜の厚さ測定を外周から５ｍｍと１０ｍｍの位置で測定して比較するのは、シリコン単結晶薄膜の膜厚は中心部に比べてそれらの周辺部で急激に変化していくので、周辺部での膜厚変化量の小さいものが、周辺部まで厚さ分布の均一なエピタキシャルウェーハとすることができるからである。これらｘ₁、ｘ₂を決めるための基準位置は、シリコンエピタキシャルウェーハ２０の側面から最も水平に突出した位置とした。また、周辺膜厚比αは、ガス流（図４に点線による矢印で図示）の上流側および下流側でそれぞれ求めた値の平均値とした。
【００１８】
図３は、段差量ｈとシリコン単結晶薄膜の周辺部における厚さ分布との関係を示す結果である。この図３において、横軸は段差量ｈを示しており、縦軸は周辺膜厚比αを示している。そしてＡ点は段差量ｈが５０μm、Ｂ点は段差量ｈが１００μm、Ｃ点は段差量ｈが１７０μm、Ｄ点は段差量ｈが２１０μm、Ｅ点は段差量ｈが６１０μmでの結果を示している。
図３から判るように、周辺膜厚比αは段差量ｈが大きくなるに伴ってリニアに減少する傾向を示し、以下の回帰式によって良く近似された。
α＝−３×１０^-5×ｈ＋１．００７３
そしてＤ点で示される段差量ｈが２１０μmの付近で周辺膜厚比αがほぼ１、すなわち外周から５ｍｍと１０ｍｍの位置での膜厚がほぼ等しくなり、上記回帰式から、「最適段差量ｈ０」として２４３μmに設定すれば、シリコン単結晶薄膜をその周辺部まで均一に成長することができると判断した。
【００１９】
（３）シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法
そこで、上記範囲のうちから「最適段差量ｈ０」に最も近い２１０μmを製造に使用する段差量ｈとして定め、図４に示すように、シリコン単結晶基板２１の厚さｄ（２９０μm）との和から、深さＤ０として５００μmの座ぐり部３３ａを選択し、上記同様の成長条件（成長温度１１２０℃、成長速度を１．０μm／分、中心部での膜厚が７μm程度）で、シリコンエピタキシャルウェーハ２０を製造する。なお、シリコン単結晶基板２１は、そのオリエンテーションフラット（以下「オリフラ」と称す）がガス流に対して平行となるように、座ぐり部３３ａに載置させた。
【００２０】
（４）結果
図５に、こうして得られたシリコン単結晶薄膜２２の厚さ分布を実測した結果を示す。図５において、横軸はシリコンエピタキシャルウェーハ２０の中心からの距離を示しており、縦軸はシリコン単結晶薄膜２２の厚さを示している。この膜厚測定は、シリコンエピタキシャルウェーハのオリフラと平行な直径方向（図３中「◆」で図示）と、オリフラに直交する方向（図３中「■」で図示）について行った。図５から判るように、シリコン単結晶薄膜２２の周辺部が中心部よりも薄くなる傾向はほとんど見られず、膜厚ばらつきがほぼ０．１５μm以内に収まり、薄膜の厚さ分布が周辺部まで均一なシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。
【００２１】
なお、本実施例１では、成長温度は１１２０℃、成長速度は１．０μm／分としたが、以下の異なる３条件で、中心部での膜厚が７μm程度までエピタキシャル成長させた結果でも、同様の値の「最適段差量ｈ０」が得られた。
（ａ）成長温度１１２０℃、成長速度０．５μm／分
（ｂ）成長温度１０６０℃、成長速度１．０μm／分
（ｃ）成長温度１０６０℃、成長速度０．５μm／分
そして、これら（ａ）〜（ｃ）の各条件においても同様に、深さ５００μmの座ぐり部３３ａを選択することで、周辺部まで均一なシリコン単結晶薄膜の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。
【００２２】
［比較例１］
実施例１と同じ２９０μmの厚さのシリコン単結晶基板２１を用い、深さＤが９００μmの座ぐり部３３ａにシリコン単結晶基板２１を載置させてエピタキシャル成長させる。
図６に、こうして得られたシリコン単結晶薄膜２２の厚さ分布を実測した結果を示す。薄膜２２の厚さは、周辺部に向かうにつれて中心部よりも極端に薄くなり、シリコンエピタキシャルウェーハ２０の外周から１０ｍｍ程度までの部分で急激に薄くなっていた。特に、オリフラと平行な方向の厚さ分布は、その周辺部の厚さが中心部よりも０．２μm以上薄くなっていた。
【００２３】
［実施例２］
（１）気相成長装置の説明
実施例２として、バレル型気相成長装置４０を使用してシリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
図７に示すように、このバレル型気相成長装置４０は、反応炉４１となるベルジャ内に、多角錐台状のサセプタ４２が回転軸４２ｂを中心として回転可能に配設されている。このサセプタ４２には、それぞれの側周面に３段の座ぐり部４２ａが上下に並んで形成されている。そして反応炉４１の外側にはハロゲンランプ等の加熱手段４３が設けられている。
このバレル型気相成長装置４０によりシリコンエピタキシャルウェーハを製造するには、加熱手段４３により所定温度に保たれた反応炉４１内に、該反応炉４１上部に設けられたガス供給ノズル４４から原料ガスをキャリアガスと共に供給する。この原料ガスは、回転軸４２ｂの周りに回転されるサセプタ４２の側周面に沿って流れながらシリコン単結晶基板２１上に供給され、反応炉４１下方に設けられたガス排気管４５から外部へ排出される。
【００２４】
（２）座ぐり部の深さを選択する方法
このようなバレル型気相成長装置４０を用い、直径１００ｍｍ、厚さ５２５μmのシリコン単結晶基板２１を使用し、座ぐり部４２ａの深さＤが、９０５、１０２５、１１３５、１４２５、１７２５μmであるサセプタ４２をそれぞれ使用してシリコンエピタキシャルウェーハ２０を製造した。それぞれのサセプタ４２に上記シリコン単結晶基板２１を載置させると、前記段差量ｈはそれぞれ３８０、５００、６１０、９００、１２００μmとなる。なお、何れの座ぐり部４２ａの外径も１０２ｍｍである。
また、シリコン単結晶薄膜２２の成長条件は、該薄膜２２の成長速度を０．３μm／分とし、中心部での膜厚が１０μm程度となるようにエピタキシャル成長させた。
【００２５】
こうして得られたシリコン単結晶薄膜２２の厚さ分布を、以下に定める「周辺膜厚分布β」によって評価した。
周辺膜厚分布β＝［（ｔ_x2−ｔ_x1）／（ｔ_x2＋ｔ_x1）］×１００（％）
但し、ｔ_x1は外周から５ｍｍ内側の位置（図９に示すｘ₁）での薄膜２２の厚さであり、ｔ_x2は外周から１５ｍｍ内側の位置（図９に示すｘ₂）での薄膜２２の厚さである。なお「周辺膜厚分布β」は、図９に示すように、座ぐり部４２ａに傾斜して載置されるシリコン単結晶基板２１の下方側のみで求めた。
【００２６】
図８は、段差量ｈとシリコン単結晶薄膜２２の厚さ分布との関係を示すグラフである。図８において、横軸は段差量ｈを示しており、縦軸は「周辺膜厚分布β」を示している。そして図８では、サセプタ４２の側周面に形成される３段の座ぐり部４２ａで得られた結果のうち、最上段となる１段目を「−□−」で示し、上から２段目を「−○−」で示し、最下段となる上から３段目を「−△−」によりそれぞれ示している。
【００２７】
図８から判るように、周辺膜厚分布βは段差量ｈが大きくなるに伴ってリニアに減少する傾向を示す。そして、１段目から３段目の座ぐり部４２ａの何れにおいても段差量ｈが３８０μmで周辺膜厚分布βがほぼ０％となっており、「最適段差量ｈ０」としては３８０μmに設定すれば良いと判断した。
【００２８】
（３）シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法
こうして、シリコン単結晶基板２１の厚さｄと最適段差量ｈ０とから定まる深さＤ０の座ぐり部４２ａを選択し、上記同様の成長条件（成長速度を０．３μm／分、中心部での膜厚が１０μm程度）で、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する。
（４）結果
このようにしてシリコンエピタキシャルウェーハを製造することで、周辺部までほぼ均一な厚さのシリコン単結晶薄膜が得られた。
【００２９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本実施の形態ではシリコンエピタキシャルウェーハを製造したが、その他の半導体単結晶基板上に気相エピタキシャル成長させてエピタキシャルウェーハを製造する場合にも同様に適用できる。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更可能であることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体単結晶基板を載置させる座ぐり部の深さを、半導体単結晶基板の厚さに応じて選択することで、単結晶基板の厚さ分布が周辺部まで均一となるように改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のエピタキシャルウェーハの製造法で用いるサセプタの要部を模式的に示した図である。
【図２】実施例１で用いる縦型気相成長装置を示す図である。
【図３】実施例１において得られた段差量ｈに対する周辺膜厚比αの関係を示すグラフである。
【図４】実施例１において選択された座ぐり部によってエピタキシャルウェーハを製造している様子を示す図である。
【図５】実施例１において得られた薄膜の厚さ分布を実測した結果を示すグラフである。
【図６】比較例１において得られた薄膜の厚さ分布を実測した結果を示すグラフである。
【図７】実施例２において用いるバレル型気相成長装置を示す図である。
【図８】実施例２において得られた段差量ｈに対する周辺膜厚分布βの関係を示すグラフである。
【図９】実施例２において選択された座ぐり部によってエピタキシャルウェーハを製造している様子を示す図である。
【図１０】従来の製造方法により薄膜の周辺部が中心部よりも薄くなってしまう場合を説明するための図である。
【符号の説明】
１０サセプタ
１１座ぐり部
２０シリコンエピタキシャルウェーハ（エピタキシャルウェーハ）
２１シリコン単結晶基板
２２シリコン単結晶薄膜
３３サセプタ
３３ａ座ぐり部
４２サセプタ
４２ａ座ぐり部
ｄ基板の厚さ
Ｄ０選択すべき座ぐり部の深さ
Ｄ座ぐりの深さ

Claims

サセプタが備える座ぐり部に載置された半導体単結晶基板上に単結晶薄膜を気相成長させるエピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記半導体単結晶基板の厚さｄを求める第１工程と、
前記半導体単結晶基板を前記座ぐり部に載置させた状態で、当該半導体単結晶基板の上面から前記サセプタの表面に至る寸法を段差量ｈと定義した際に、前記段差量ｈについて、前記単結晶薄膜の周辺部での平均成長速度と、中心部での平均成長速度とを等しくし、前記単結晶薄膜の厚さ分布が均一となるための最適値である最適段差量ｈ０について、前記座ぐり部の深さＤの異なる複数のサセプタを用いて、前記単結晶薄膜の厚さ分布をそれぞれ定量化し、定量化した単結晶薄膜の厚さ分布と前記段差量ｈとの関係を示す検量線から求める第２工程と、
下記式によって、前記半導体単結晶基板の厚さｄに応じて当該半導体単結晶基板を載置させる座ぐり部の深さＤ０を求め、当該深さＤ０を有する座ぐり部を選択する第３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。
座ぐり部の深さＤ０＝（半導体単結晶基板の厚さｄ）＋（最適段差量ｈ０）
前記半導体単結晶基板はシリコン単結晶基板であり、前記単結晶薄膜はシリコン単結晶薄膜であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。