JP2009272465A - シリコンウェーハ及びエピタキシャル基板の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタ上において滑ることを防止し、ウェーハの周縁部がサセプタの表面に接触することを防止して割れを回避する。
【解決手段】シリコンウェーハは、気相成長装置のサセプタ２０に載せた状態でサセプタ２０が回転するときウェーハ周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りを付ける。気相成長装置のサセプタ２０にシリコンウェーハ１０を載せて回転しながらシリコンウェーハ１０の主面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル基板の製造方法では、サセプタ２０に載せた状態でサセプタ２０が回転するときシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りをシリコンウェーハ１０に付ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気相成長装置のサセプタに載せられて回転しながらその主面にエピタキシャル層を形成するシリコンウェーハ及びそのようなシリコンウェーハとエピタキシャル層からなるエピタキシャル基板の製造方法に関するものである。

従来、シリコンウェーハの主面にエピタキシャル層を形成するためには、一般に加熱方法やサセプタの形状の違いにより各種構造の気相成長装置が使用されている。そして、エピタキシャル層に要求される品質が年々厳しくなりつつある最近では、枚葉型の気相成長装置が注目されている。さらには、高生産性をねらったミニバッチ型の気相成長装置も使用されている。一般に、この気相成長装置は、石英製の通路状又は円形鐘状のチャンバーからなり、黒鉛の母材にＳｉＣをコートした円盤状のサセプタにシリコンウェーハを1枚乃至は複数枚載せ、サセプタの表面側および／または裏面側に配置したランプや高周波コイルにより加熱し、チャンバー端部に設けられたノズル部より各種原料ガスをチャンバー内に導入する構造となっている。この気相成長装置では、円盤状のサセプタにシリコンウェーハを載せて回転しながらシリコンウェーハの主面にエピタキシャル層を形成するようになっている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００１−３５８００号公報（明細書［００３４］、図１） 特開２００３−１９７５３２号公報(明細書［０００４］〜［０００６］、図８)

しかし、このような気相成長装置を用いてサセプタに載せられたシリコンウェーハの主面にエピタキシャル層を成長させるには、一般的に、ウェーハ１をサセプタ２に載せ、その状態でサセプタ２を回転させるとともに加熱を開始し、所定温度まで昇温をしている。このときに、比較的平坦度の高いウェーハ１をサセプタ２に載せると、そのウェーハ周縁部の全てがサセプタ２の表面に接触して、特にシリコンウェーハ１が凸型の場合で、裏面とサセプタ２との間に密閉空間が形成される。サセプタに載置した直後でウェーハがサセプタ上で静止していたとしても、サセプタ２を回転させるとともに加熱を開始すると、ウェーハ裏面とサセプタ２との間の空間に溜まったキャリアガスが加熱により膨張してシリコンウェーハ１をサセプタ２から浮かせる。ウェーハ１が浮いた状態でサセプタ２が回転すると、ウェーハ１がサセプタ２上において滑って移動してしまうようなことがあった。さらには高周波加熱方式においては、サセプタを加熱し間接的にウェーハを加熱するため、ウェーハに熱が加わると凹型に反ってしまいウェーハ面内の温度が不均一となりスリップやエピタキシャル層比抵抗、厚さの品質が悪くなる症状もあった。

ここで、サセプタ２にはウェーハ１の位置決めとその移動を防止し、ウェーハ面内の温度を均一とするために、凹型の座ぐり３を形成し、その座ぐり３の中央部分にウェーハ１を載せるようにしているけれども、その座ぐり３の内部でウェーハ１が移動するとその周縁部の一部がサセプタ２の表面を構成する座ぐり３の側壁に接触してしまうことになる。そして、ウェーハ１の周縁部が座ぐり３の側壁に接触したままエピタキシャル成長を行うと、その接触部でウェーハ面内の温度分布が大きく変化し、スリップ発生の原因となり、エピタキシャル基板の歩留が低下する不具合がある。

また、シリコンウェーハ１の周縁部がサセプタ２の表面を構成する座ぐり３の側壁に接触していると、エピタキシャル成長中にシリコンウェーハ１上では温度分布が不均一になるために、エピタキシャル層の比抵抗分布が悪くなり、その層の均一性が劣化する問題点もある。更に、ウェーハ１の周縁部の一部が座ぐり３の側壁に接触したままエピタキシャル成長を行うと、ウェーハ１の表面と座ぐり３の側壁との間にエピタキシャル層が成長し、成長したエピタキシャル層がウェーハ周縁部と座ぐり側壁を連結してしまい、その後ウェーハ１をサセプタ２から取り外すときに、そのウェーハ１が割れてしまうような不具合もある。

本発明の目的は、サセプタ上の座ぐりの底面において滑ることを防止し得るシリコンウェーハ、及びそれによりウェーハの周縁部がサセプタの座ぐり側壁に接触することを防止して割れを回避し得るエピタキシャル基板の製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１に示すように、気相成長装置のサセプタ２０に載置されたシリコンウェーハにおいて、サセプタ２０を回転させながら昇温するとき、ウェーハ裏面の周縁部１１の一部とサセプタ２０の座ぐり底面とに空間が生ずるように反りを付けたことを特徴とするシリコンウェーハである。

請求項２に係る発明は、気相成長装置のサセプタ２０にシリコンウェーハ１０を載せて回転しながらシリコンウェーハ１０の主面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル基板の製造方法の改良である。

その特徴ある点は、サセプタ２０に載せた状態でサセプタ２０が回転するときシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りをシリコンウェーハ１０に付けたところにある。

この請求項１に記載されたシリコンウェーハ及び請求項２に記載されたエピタキシャル基板の製造方法では、反りの大きなシリコンウェーハ１０を意図的に作り、エピ後のそりがエピ前のそりに影響しないその反りによりサセプタ２０の表面とシリコンウェーハ１０との間に隙間を外部に連通させてその間に密閉空間が形成されることを防止し、その間の隙間のエアが膨張することによるウェーハ１０の浮きを回避することができる。この結果、ウェーハ１０が浮くことに起因するサセプタ２０上におけるウェーハ１０の滑りは防止され、これによりウェーハ１０の周縁部１１がサセプタ２０の表面に接触することに起因するウェーハ１０の割れ等を抑制することができる。

本発明のシリコンウェーハ及びエピタキシャル基板の製造方法では、気相成長装置のサセプタに載せた状態でサセプタが回転するときウェーハ周縁部の一部がサセプタの表面に接触しないような反りをシリコンウェーハに付けたので、その反りによりサセプタの表面とシリコンウェーハとの間に隙間を外部に連通させて、その間の隙間のエアが膨張することによるウェーハの浮きを防止することができる。よって、ウェーハが浮くことに起因するサセプタ上におけるウェーハの滑りは防止され、これによりウェーハの周縁部がサセプタの表面に接触することに起因するウェーハの割れ、エピタキシャル層比抵抗と厚さの面内分布劣化および、スリップ発生を抑制することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明のシリコンウェーハ１０は、気相成長装置のサセプタ２０に載せられ、その状態でサセプタ２０が回転するときウェーハ周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りを付けたことを特徴とする。ここで、サセプタ２０に載せられたウェーハ１０がサセプタ２０の回転中に移動するのは、シリコンウェーハ１０の裏面とサセプタ２０との間に溜まったキャリアガスが加熱により膨張して、シリコンウェーハ１０をサセプタ２０から浮かせてしまうことが原因と考えられており、本発明のシリコンウェーハ１０は、反りの大きなシリコンウェーハ１０を意図的に作り、その反りによりサセプタ２０の座ぐり２１底面とシリコンウェーハ１０との間に隙間を外部に連通させて、そのウェーハ１０がサセプタ２０から浮くようなことを回避してウェーハ１０が浮くことに起因する滑りを抑制するものである。ここで、その反りの形状は帽子型やお椀型のような左右対称であるものに限られない。また、座ぐり２１底面とシリコンウェーハ１０との間に隙間は、ウェーハが熱により軟化し動かなくなる状態にまで至るまで、存在すればよい。

ここで、シリコンウェーハ１０はシリコンインゴットをスライスすることにより作られるけれども、シリコンウェーハ１０の反りはこのスライス時に付することが好ましい。具体的にはいわゆる内歯形のＩＤソーでは非均一な厚さになるよう、特に外周部を変化させるようなスライスする等の方法を採ることにより所望のそりを有するシリコンウェーハ１０を得ることができる。一方、ワイヤソーによりシリコンインゴットをスライスする場合であっても、後述するワープ値を大きくするような切り方をすることにより所望のそりを有するシリコンウェーハ１０を得ることができる。

また、一般的にウェーハ１０の反りを表す指標としてワープ（Ｗａｒｐ）値とバウ（Ｂｏｗ）値が知られている。このワープ値は、ウェーハ１０裏面における基準面からウェーハ１０中心面の最大変位と最小変位の差として表すものであり、このときの基準面はウェーハ１０の裏面の３点又はベストフィット基準により作られるものである。一方、バウ値は、ウェーハ１０の中心基準面からウェーハ１０の中点における中心面までの変位により表すものであり、このときの中心基準面は中心面上の３点又はベストフィット基準により作られるものである。よって、バウ値にあってはプラス（＋）符号により表されたものは凸型のそりを有するものとなり、マイナス（−）符号により表されたものは凹型のそりを有するものとなる。

シリコンウェーハ周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りとしては、外径が６インチで厚さが６００μｍであるシリコンウェーハ１０であれば、ワープ値において２０μｍ以上８０μｍ以下、バウ値において−３０μｍ〜＋３０μｍの範囲内であることが挙げられる。また、外径が８インチで厚さが７００μｍであるシリコンウェーハ１０であれば、ワープ値において２０μｍ以上４０μｍ以下、バウ値において−３０μｍ〜＋３０μｍの範囲内であることが挙げられる。それぞれのウェーハ１０においてワープ値において２０μｍ以上とするのは、ウェーハ周縁部１１の一部をサセプタ２０の表面に接触しないようにするためであり、２０μｍ未満ではウェーハ周縁部１１の一部をサセプタ２０の表面に接触しないようすることが困難になるからである。また６インチのウェーハ１０においてワープ値において８０μｍ以下とし、８インチのウェーハ１０においてワープ値において４０μｍ以下とするのは、ワープ値が８０μｍ又は４０μｍを越えるとウェーハ１０の反りが必要以上に大きくなり、ウェーハ面内の温度分布がわるくなるからである。また、バウ値において−３０〜＋３０μｍ以内とするのは、凸型や鞍型のウェーハ１０を得るとともにウェーハ１０の平坦度を確保するためであり、バウ値が−３０〜＋３０μｍの範囲を（−）方向に越えると、ウェーハの外周部が持ち上がりすぎてウェーハの温度分布が悪くなりスリップや比抵抗分布の劣化が起こるからである。また、バウ値が（＋）方向に越えるとウェーハ１０の反りが必要以上に大きくなるからである。ここで、６インチウェーハ１０におけるワープ値の更に好ましい値は、２０μｍ以上７０μｍ以下であり、バウ値の更に好ましい範囲は−１０μｍ＋３０μｍの範囲内である。また、８インチウェーハ１０厚さが６００μｍであるウェーハにおけるワープ値の更に好ましい値は、２０μｍ以上７０μｍ以下であり、バウ値の更に好ましい範囲は−１０μｍ＋３０μｍの範囲内である。

また、本発明のエピタキシャル基板の製造方法は、気相成長装置のサセプタ２０にシリコンウェーハ１０を載せて回転しながら上述したそりを有するシリコンウェーハ１０の主面にエピタキシャル層を形成するものである。即ち、サセプタ２０に載せた状態でサセプタ２０が回転するときシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りをシリコンウェーハ１０に付けたことを特徴とする。

気相成長装置における一般的なサセプタ２０は黒鉛の母材にＳｉＣをコートした円盤状を成し、このサセプタ２０にはウェーハ１０の位置決めとその移動を防止するための座ぐり２１が上面に形成される。座ぐり２１の外径は載せるウェーハ１０の外径より大きく形成され、シリコンウェーハ１０はこの座ぐり２１の中央部分に載せられ、座ぐり２１とウェーハ１０のエッジ部との隙間が円周方向の全周において隙間があるようにされる。シリコンウェーハ１０の主面にエピタキシャル層を形成する際にはサセプタ２０を回転させるけれども、そのサセプタ２０が回転するときそのサセプタ２０に載せたシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りをシリコンウェーハ１０に付する。具体的には、外径が６インチ及び８インチのシリコンウェーハ１０であれば、ワープ値において２０μｍ以上８０μｍ以下、バウ値において−３０μｍ〜＋３０μｍの範囲内である反りをシリコンウェーハ１０に付する。そして、サセプタ２０をランプ等により加熱し、ノズル部より各種原料ガスをチャンバー内に導入してシリコンウェーハ１０の主面にエピタキシャル層を形成させる。

このようにシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないような反りをシリコンウェーハ１０に付すると、シリコンウェーハ１０の裏面とサセプタ２０との間に溜まったキャリアガスが、シリコンウェーハ１０のエッジとサセプタ２０の外周部底面との隙間から抜けやすくなり、シリコンウェーハ１０の裏面とサセプタ２０との間に溜まったキャリアガスが加熱により膨張して、シリコンウェーハ１０をサセプタ２０から浮かせてしまうことはない。従って、シリコンウェーハ１０がサセプタ２０から浮くことに起因するウェーハ１０の滑りは抑制され、サセプタ２０座ぐり２１の側壁とウェーハ１０エッジとが接触するような事態を有効に回避することができる。

ここで、好ましいウェーハ１０の状況とは、ウェーハ１０を座ぐり２１にセットするときは、座ぐり２１底部の外周部とウェーハ１０エッジが１０〜５０μｍの隙間が、全円周の１部分又は１／２周分程度発生しており、ウェーハ１０を座ぐり２１に載せたとき全く滑りが無く、昇温完了後エピ成長中には座ぐり２１とウェーハ１０の重心位置２／３ｒ位置前後で接触して支えられ、ウェーハ１０表面上の温度が均一になるようにエッジ部分でもサセプタ２０の表面からあまり離れていない状態である。このような間隔が有れば、ウェーハを回転させると共に加熱を開始し昇温を行う時、キャリアガスの膨張によりウェーハが浮き上がることがなく、すなわちウェーハが座ぐりの底面で移動することなく、ウェーハが熱により軟化し動かなくなる状態にまで至る。この構成は、該記載のエピ前のシリコンウェーハのワープ値およびバウ値にて達成された。

そして、本発明のシリコンウェーハ１０及びエピタキシャル基板の製造方法では、シリコンウェーハ１０の一端がザグリの側壁に接触することを回避できるので、エピタキシャル成長を行ってもスリップが発生しないので、スリップの発生に起因するエピタキシャル基板１０の歩留を低下させるようなことを回避することができる。また、エピタキシャル成長中におけるシリコンウェーハ１０の温度分布も均一になり、エピタキシャル膜の比抵抗分布を均一化させることができる。更に、ウェーハ１０の表面とサセプタ２０の側壁とがエピタキシャル層において連結されるようなこともなく、そのウェーハ１０をサセプタ２０から取り外すときにそのウェーハ１０が割れてしまうような事態を回避することができる。

本発明でのエピ厚さの好ましい値は、５０μｍ以上であり１８０μｍ以下である。エピの厚さは、薄いと、エピ層の応力は小さいため、エピ前のシリコンウェーハ(基板)のそりの面内形状がエピ後のそりに影響を及ぼすが、エピの厚さが厚く、たとえば５０μｍ以上であると、基板のそりの面内形状はエピ後のそりに影響を及ぼさなくなり、エピの厚さによるそりの面内形状の要因が大きくなる。更にエピが厚いとエピ成長厚さによる影響度が大きく本発明の様な効果はえられない。つまり、本願発明は、厚エピにおける基板のそりの影響度を勘案し、ワープ値とバウ値にて最適なそりを形成することにより、基板でのそりによらず、エピ後に、割れのないエピタキシャル層の厚さ抵抗分布がよい製品をえるに至った。ウェーハが熱により軟化し動かなくなる状態に至る温度は、９００℃以下で、それ以上なら、目視にて確認できるが、ウェーハがどのようなそりの場合でも移動はみられない。いいかえれば、本発明は９００℃以下でシリコンウェーハ１０の周縁部１１の一部がサセプタ２０の表面に接触しないようにする技術である。

＜実施例１＞
図１に示すように、高周波加熱方式ミニバッチ式気相成長装置におけるサセプタ２０の座ぐり２１にシリコンウェーハ１０を載せた。その状態のままで、サセプタ２０を１０ｒｐｍの速度で回転させながら、ランプでサセプタおよびウェーハを加熱を開始し昇温をおこない、反応温度である１１５０〜１１００℃に加熱した後、ＳｉＨＣ１₃をシリコンソースとして、７枚のシリコンウェーハ１０の主面に厚さ約６０μｍのエピタキシャル膜をそれぞれ成長させた。この時用いたシリコンウェーハ１０は外径が６インチで厚さが６００μｍである。そして、７枚のシリコンウェーハ１０のそれぞれの反りは、ワープ値において５，１０，２０，２５，３５，５３，６４μｍ、同じくバウ値において順番に−３、＋７、−４、＋２５、＋４０、−５、＋１２μｍであった。

それぞれのシリコンウェーハ１０は、サセプタ２０の座ぐり２１に載置されたとき座ぐり内で動いていないことを確認し、つぎに、サセプタを回転させて昇温を行ったときにも、ウェーハが座ぐり内でのすべりを目視にて確認した。さらにエピタキシャル膜を成長させた後、座ぐり２１に載せられたウェーハ１０滑りの有無を目視において確認するとともに、エピタキシャル層が形成されたウェーハ１０をサセプタ２０から実際に取り出して顕微鏡及びＣＣＤセンサーによる画像において割れの有無を確認した。この結果を反りの大きさとともに表１に示す。

表１から明らかなように、ウェーハの形状が凸型で面内の凹凸が有る物が良かった。ワープ値及びバウ値が（５μｍ、−３μｍ）、（１０μｍ，＋７μｍ）及び（３５μｍ，＋４０μｍ）の反りを有する番号５〜７におけるシリコンウェーハ１０は、座ぐり２１の中で滑っているのが確認された。これは、サセプタ２０に載せたウェーハ１０の周縁部がサセプタ２０の座ぐり２１底部に接触して、座ぐり底面とウェーハ裏面の間に密閉空間を形成し、その空間に溜まったキャリアガスが加熱により膨張してシリコンウェーハ１０が浮かんでサセプタの回転による遠心力ですべってしまい、サセプタ座ぐりの側壁に移動したことによるものと考えられる。そして、これらの比抵抗、厚さは、座ぐり２１の側壁に接触している部分が分布が悪くなっているのが観察された。そして（５μｍ、−３μｍ）のそりを有するシリコンウェーハ１０にあっては、エピタキシャル層を形成した後に割れ、及び小さなクラックが発生した。

しかし、それ以外のウェーハ１０はウェーハ１０の滑り、及びウェーハ１０のエッジ部分における割れ、及びクラックは認められなかった。これは、シリコンウェーハ１０に付した反りによりサセプタ２０とシリコンウェーハ１０との間に隙間が外部に連通し、ウェーハ１０がサセプタ２０から浮くようなことが回避されたことによるものと考えられる。

＜実施例２＞
ランプ加熱方式の枚葉式気相成長装置を用い、実施例１と同一の温度条件において、２枚のシリコンウェーハ１０の主面に厚さ約１００μｍのエピタキシャル膜を成長させた。この時用いたシリコンウェーハ１０は外径が８インチで厚さが６００μｍである。そして、２枚のシリコンウェーハ１０のそれぞれの反りは、ワープ値において１５μｍ及び３５μｍ、同じくバウ値において順番に＋１８μｍ及び＋２８μｍであった。

それぞれのシリコンウェーハ１０にエピタキシャル膜を成長させた後、座ぐり２１に載せられたウェーハ１０滑りの有無を目視において確認するとともに、エピタキシャル層が形成されたウェーハ１０をサセプタ２０から実際に取り出して顕微鏡及びＣＣＤセンサーによる画像において割れの有無を確認した。この結果を反りの大きさとともに表２に示す。

表２より明らかなように、８インチのシリコンウェーハ１０では、ワープ値及びバウ値が（１５μｍ、＋１８μｍ）のものにおいてウェーハ１０の滑りは確認されたが、割れには至っていなかった。スティッキングしたもののぎりぎりのところで割れには至っていないと考える。一方、ワープ値及びバウ値が（３５μｍ、＋２８μｍ）のものにおいては問題がなかった。これは、ワープ値及びバウ値が（１５μｍ、＋１８μｍ）のものは反りが足りずにシリコンウェーハ１０が浮かんでしまったことによるものと考えられ、ワープ値及びバウ値が（３５μｍ、＋２８μｍ）のものにおいては、シリコンウェーハ１０の浮きを防止するに足りる反りが付されていたことによるものと考えられる。

本発明実施形態のウェーハをサセプタに載せた状態を示す断面図である。 従来のウェーハをサセプタに載せた状態を示す図１に対応する断面図である。

符号の説明

１０ シリコンウェーハ
１１ 周縁部
２０ サセプタ

Claims (2)

1. 気相成長装置のサセプタに載置された、シリコンウェーハにおいて、前記サセプタを回転させながら昇温するとき、ウェーハ裏面の周縁部の一部と前記サセプタの座ぐり底面とに空間が生じるように反りを付けたことを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 気相成長装置のサセプタにシリコンウェーハを載せて回転しながら前記シリコンウェーハの主面にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル基板の製造方法において、
   前記サセプタに載せた状態で前記サセプタが回転するとき前記シリコンウェーハの周縁部の一部が前記サセプタの表面に接触しないような反りを前記シリコンウェーハに付けたことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。

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