JP2015140270A - シリコンウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体層をシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長させた際に、ウェーハが割れたり、転位が伸展して大きな反りが発生したりするのを抑制すること。
【解決手段】端面５及び第一傾斜面６の交点と、表面３及び第一傾斜面６の交点との間の表面３に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、端面５及び第二傾斜面７の交点と、裏面４及び第二傾斜面７の交点との間の裏面４に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、第一傾斜面６の表面３からの第一傾斜角をθ１、第二傾斜面７の裏面４からの第二傾斜角をθ２、表面３と裏面４の面間隔をＴμｍとし、各パラメータの値から、式ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２によって定義されるベベルの形状値を算出し、この形状値が所定範囲内となるようにベベルの形状を規定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、シリコンウェーハに関し、特に窒化物半導体（例えば、窒化ガリウム系半導体）のエピタキシャル成長用の基板として適したものに関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）の約３倍の大きなバンドギャップ、Ｓｉの約１０倍の高い絶縁破壊電界、さらに大きな飽和電子速度等の優れた特性を持つところから、無線通信分野における高周波・高出力デバイス用材料として活発に研究開発が進められており、携帯電話基地局用デバイスでは既に実用化の段階に入っている。また最近は、従来のＳｉパワーデバイスでは困難な高耐圧化と低損失化、つまり低オン抵抗化との両立が期待できるため、電力用パワーデバイスへの応用についても着目されている。オン抵抗の理論値は絶縁破壊電界の３乗に反比例することから、ＧａＮを用いたパワーデバイスではＳｉの約１／１０００の超低オン抵抗化の可能性がある。

ＬＥＤ等の光デバイスやトランジスタ等の電子デバイスに用いられるＧａＮ系半導体材料は、一般的にサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの異種基板上にエピタキシャル成長（以下、エピ成長という。）により形成されている。しかし、近年では、基板の大口径化、基板品質自体の向上、およびコストの面から、従来広く使用されてきたＳｉが、ＧａＮエピ成長用基板として広く使用されている。

しかしながら、Ｓｉウェーハ（以下、適宜ウェーハという。）上の窒化物半導体層の結晶成長に関しては、Ｓｉに対する窒化物系半導体の結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差が存在するため、クラック、ウェーハ反り、及び転位が発生するという問題がある。これらは、ウェーハハンドリングエラーや接合リークなどの製造上の問題を発生させる。例えば、エピ成長の基板として用いるＳｉの格子定数は５．４３オングストロームであるのに対し、窒化物半導体の一つであるＧａＮの格子定数は３．１８９オングストロームである。また、Ｓｉの熱膨張係数は３．５９×１０^−６／Ｋであるのに対し、ＧａＮの熱膨張係数は５．５９×１０^−６／Ｋである。このように、両者の格子定数及び熱膨張係数は大きく異なるため、Ｓｉ上にそのままＧａＮをエピ成長すると、大きな歪みやクラック等が発生する問題が生じる。

そこで、この問題を解決すべく、例えば特許文献１においては、Ｓｉ上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）（本文献の段落００２５〜００２６参照）をエピ成長した後に、さらにＧａＮ層（本文献の段落００２１参照）をエピ成長する技術が開示されている。ＡｌＮやＡｌＧａＮをバッファ層として作用させることで、各層間の格子不整合率が減少し、歪みが徐々に緩和するため、ウェーハの反りや転位の減少が期待できるためである。

特開２０１２−７９９５２号公報

この特許文献１の構成においては、数μｍの厚さのエピ層を形成するために１０００〜１２００℃程度の高温の熱処理を長時間（通常は数時間以上）に亘って行う必要があり、本構成のようにバッファ層を形成していたとしても、スリップ（転位）が１０^９／ｃｍ^２と高密度に発生したり、ウェーハが割れたりする問題が依然として生じているのが現状である。これは、バッファ層を形成することによって歪みはある程度緩和できるものの、ウェーハ端面のベベルが周囲の治具に接触して、スリップや割れの原因となる欠陥が新たに導入されたり、熱処理中に負荷される応力によって、ウェーハに元々存在する欠陥（研磨時の破砕痕やスクラッチ等）からスリップ等が伸展したりするためと推測される。

そこで、この発明は、窒化物半導体層をシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長させた際に、ウェーハが割れたり、転位が伸展して大きな反りが発生したりするのを抑制することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板状のシリコンウェーハであって、前記窒化物半導体層を形成する表面と、前記表面と平行な裏面と、前記表面の面法線と垂直の面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する端面と、前記表面及び前記端面と連続し、前記表面と傾斜をなす第一傾斜面と、前記裏面及び前記端面と連続し、前記裏面と傾斜をなす第二傾斜面と、を備え、前記端面及び前記第一傾斜面の交点と、前記表面及び前記第一傾斜面の交点との間の前記表面に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、前記端面及び前記第二傾斜面の交点と、前記裏面及び前記第二傾斜面の交点との間の前記裏面に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、前記第一傾斜面の前記表面からの第一傾斜角をθ１、前記第二傾斜面の前記裏面からの第二傾斜角をθ２、前記表面と前記裏面の面間隔をＴμｍ、としたときにエピタキシャル成長の前後において次式−０．０４８Ｔ≦ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２≦０．０４８Ｔを満たすことを特徴とするシリコンウェーハを構成した。

あるいは、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板のシリコンウェーハであって、前記窒化物半導体層を形成する表面と、前記表面と平行な裏面と、表面の面法線に対して連続的に変化する面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する曲端面と、前記表面及び前記曲端面と連続し、前記表面と傾斜をなす第一傾斜面と、前記裏面及び前記曲端面と連続し、前記裏面と傾斜をなす第二傾斜面と、を備え、前記曲端面の最外端と、前記表面及び前記第一傾斜面の交点との間の前記表面に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、前記曲端面の最外端と、前記裏面及び前記第二傾斜面の交点との間の前記裏面に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、前記第一傾斜面の前記表面からの第一傾斜角をθ１、前記第二傾斜面の前記裏面からの第二傾斜角をθ２、前記表面と前記裏面の面間隔Ｔμｍ、としたときにエピタキシャル成長の前後において次式−０．０６４Ｔ≦ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２≦０．０６４Ｔを満たすことを特徴とするシリコンウェーハを構成した。

ウェーハの端面形状から上式を用いて算出される値（以下、形状値という。）を上式の左辺と右辺の範囲内に収めることにより、窒化物半導体層を形成する前後のベベルのウェーハ厚さ方向の縦断面がほぼ対称形状に維持される。このため、エピ成長のためにウェーハをエピ成長装置のサセプタに載置し、ウェーハの端面とサセプタが当接した際に、この端面にウェーハの割れ等を引き起こす原因となるクラック等の欠陥が新たに導入されるのを極力防止することができる。

このエピ成長の際に、ウェーハ表面はエピ成長装置内を流動する原料ガスに自由に接している一方で、ウェーハ裏面はサセプタに面しているため原料ガスにほとんど接していない。その結果、ウェーハ表面側においてのみエピ成長に伴う形状変化が生じる。そこで、エピ前後におけるウェーハ表面側の形状変化を考慮して、エピ厚に相当する分だけ、上式の右辺の数値の絶対値を左辺の数値の絶対値よりも小さくすることもできる。

前記各構成においては、前記第一投影長及び前記第二投影長が、いずれも５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、かつ、前記第一投影長と第二投影長の差の絶対値が５０μｍ以下とするのが好ましい。

第一投影長及び第二投影長を５０μｍ以下とすると、ベベルが角張ってしまい、サセプタ等の治具との接触によってクラック等の欠陥が導入されやすいためである。また、第一投影長及び第二投影長を１０００μｍ以上とすると、デバイスの製造に利用できるウェーハの表面積が実質的に小さくなってしまい、１枚のウェーハから製造できるデバイスの数が減少して製造歩留まりが低下するためである。また、第一投影長と第二投影長の差の絶対値が５０μｍを超えると、ベベルの形状のウェーハ表面側と裏面側の形状の非対称性が顕著となって、上記と同様に、サセプタ等との接触によってクラック等の欠陥が導入されやすいためである。

前記第一投影長及び前記第二投影長は、５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とするのがより好ましい。このようにすると、ベベルにおける欠陥の発生をさらに抑制するとともに、デバイスの製造歩留まりをさらに高め得るためである。

また、上記の課題を解決するために、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板のシリコンウェーハであって、基板裏面の中心から半径の３０％以内の領域内に存在する１μｍ以上の大きさの欠陥の個数が５個以下であることを特徴とするシリコンウェーハを構成した。

上述したように、エピ成長用のウェーハとして用いるＳｉの格子定数と比較して、窒化物半導体（例えば、ＧａＮ）の格子定数は大幅に小さいため、窒化物半導体をＳｉの表面（上面）にエピ成長すると、このウェーハが下凸状に反る。このとき、ウェーハ面内の応力分布計算によると、ウェーハの中心付近、特に中心から半径の３０％以内に当たる領域内で、特に大きな応力（ウェーハ裏面側における引張応力）が発生することが分かる。この引張応力は、クラック等の欠陥を拡開するように作用するため、この欠陥に起因する転位の伸展に起因する反りや、ウェーハの割れを誘発する原因となる。そこで、この領域内における欠陥の大きさ及び個数を所定値以下に制御することによって、ウェーハの反り等を大幅に低減することができる。

欠陥の大きさと、この欠陥に起因する反り等の発生のしやすさとの間には相関関係があり、欠陥の大きさが１μｍよりも小さければ、この欠陥に応力が負荷された場合でも反り等の起因となる恐れは低い。また、欠陥の個数が多くなるほど反り量が大きくなる等の傾向が見られるが、その個数が５個以下であれば、その反り量等を十分低い状態に保つことができる。この欠陥の大きさの評価には、走査電子顕微鏡や光学顕微鏡等のように、欠陥の大きさを精度よく実測できる装置が通常用いられる。

また、結晶方位上、欠陥に起因する割れやスリップ等の問題が生じやすいオリエンテーションフラットやオリエンテーションノッチの形成位置における欠陥の大きさ及び個数を所定値以下（例えば、１μｍ以上の大きさの欠陥を５個以下）に制御することによって、上記と同様に、この欠陥に起因する転位の伸展に起因する反りや、ウェーハの割れの誘発を防止することができる。この欠陥の大きさも、上記と同様に、走査電子顕微鏡や光学顕微鏡等のように、欠陥の大きさを精度よく実測できる装置が通常用いられる。

直径が１２インチのウェーハは表裏面とも鏡面仕上げが施されるのが一般的であるが、直径がそれよりも小径（例えば６インチ、８インチ）のウェーハは、表面に鏡面仕上げが施される一方で、裏面はエッチング仕上げの状態であったり、バックサイドダメージが施されていたりすることが多い。このエッチング仕上げやバックサイドダメージが施されている面は、鏡面仕上げが施されている面と比較して、耐割れ性等の強度面において不利となりやすい。そこで、この小径のウェーハ、特に６インチ、８インチのウェーハに対して、表裏面とも鏡面仕上げを施すとともに、上記の欠陥の大きさ、個数、及び領域の基準を適用することにより、ウェーハの反りや割れ等を大幅に低減することができる。また、端面に鏡面仕上げを施すことによっても、上記と同様に、ウェーハの反りや割れ等を大幅に低減することができる。

この発明では、シリコンウェーハのベベルにおける第一傾斜面の表面に沿う第一投影長、第二傾斜面の裏面に沿う第二投影長、第一傾斜面の前記表面からの第一傾斜角、及び第二傾斜面の前記裏面からの第二傾斜角を所定の関係式の範囲内となるようにシリコンウェーハを構成した。この関係式を満たしたウェーハを用いることにより、エピ成長工程の全体に亘って、ウェーハの割れや反り、クラック等の欠陥に起因するスリップの発生を抑制することができ、高い製造歩留まりを確保することができる。

あるいは、この発明では、所定領域（ウェーハの中心近傍領域）における欠陥の大きさ及び個数を所定値以下に制御したウェーハを構成した。このように構成したウェーハを用いることにより、上記と同様に、エピ成長工程の全体に亘って、ウェーハの反りや割れ、クラック等の欠陥に起因するスリップの発生を抑制することができ、高い製造歩留まりを確保することができる。

この発明に係るウェーハの端部の縦断面図を示し、（ａ）はテーパ加工を施した場合、（ｂ）はラウンド加工を施した場合 図１に示すウェーハに窒化ガリウム半導体層を形成した際のベベル形状値と割れ率との関係を示す図 ウェーハの裏面に存在する欠陥の数と、エピ後の反り量との関係を示す図 欠陥からのスリップの伸展を示す断面図であって、（ａ）はエピ前、（ｂ）はエピ成膜中、（ｃ）はエピ後 結晶方位、滑り方向及び応力方向の関係を示す斜視図 ノッチの形成位置とエピ後の反り量との関係を示す図

（１）ベベル形状の影響について
ベベル形状を変更したウェーハの実施形態を図面を用いて説明する。

図１（ａ）（ｂ）にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で結晶育成されたウェーハの端部（ベベル１）の縦断面図を示す。図１（ａ）のベベル１ａは、連続する複数の平面から構成されるテーパ形状のものであり、図１（ｂ）のベベル１ｂは、その端部に曲面を有するラウンド形状のものである。

図１（ａ）に示すテーパ形状のベベル１ａは、ＧａＮ等の窒化物半導体層２（以下、適宜エピ層という。）を形成する表面３と、この表面３と平行な裏面４と、表面３の面法線と垂直の面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する端面５と、表面３及び端面５と連続し、表面３と傾斜をなす第一傾斜面６と、裏面４及び端面５と連続し、裏面４と傾斜をなす第二傾斜面７と、から構成される。端面５及び第一傾斜面６の交点と、表面３及び第一傾斜面６の交点との間の表面３に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、端面５及び第二傾斜面７の交点と、裏面４及び第二傾斜面７の交点との間の裏面４に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、第一傾斜面６の表面３からの第一傾斜角をθ１、第二傾斜面７の裏面４からの第二傾斜角をθ２、表面３と裏面４の面間隔（以下、ウェーハ厚さという。）をＴμｍとし、各パラメータの値から、式ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２によって定義されるベベルの形状値を算出する。

図１（ｂ）に示すラウンド形状のベベル１ｂは、ＧａＮ等の窒化物半導体層２を形成する表面３と、この表面３と平行な裏面４と、表面３の面法線に対して連続的に変化する面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する曲端面８と、表面３及び曲端面８と連続し、表面３と傾斜をなす第一傾斜面６と、裏面４及び曲端面８と連続し、裏面４と傾斜をなす第二傾斜面７と、から構成される。曲端面８の最外端と、表面３及び第一傾斜面６の交点との間の表面３に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、曲端面８の最外端と、裏面４及び第二傾斜面７の交点との間の裏面４に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、第一傾斜面６の表面からの第一傾斜角をθ１、第二傾斜面７の裏面４からの第二傾斜角をθ２、ウェーハ厚さをＴμｍとし、各パラメータの値から、式ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２によって定義されるベベルの形状値を算出する。

ここで算出した形状値は、ベベル１（１ａ、１ｂ）の縦断面における対称性の指標となる。すなわち、ベベル１（１ａ、１ｂ）の縦断面において、表裏面３、４側の形状が完全に対称であれば形状値は０となり、表裏面３、４側の形状の非対称性が大きくなるほど形状値の絶対値は大きくなる。

なお、図１（ａ）（ｂ）においては、ウェーハの表面３側に形成したエピ層２を見やすくするため、このエピ層２の厚みを誇張して描いているが、実際のエピ層２の厚さは数μｍから数十μｍ程度であって、ウェーハ厚さＴ（６００〜８００μｍ程度）と比較して十分小さい。このため、エピ層２の形成前後において、第一投影長ａ１及び第一傾斜角θ１は、ほとんど変化しないとして取り扱うことにする。

ウェーハは、裏面４を下向きとした状態でＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置のサセプタ（図示せず）に載置される。このウェーハの表面３及び裏面４の両面には鏡面仕上げが施されている。サセプタには座繰りが形成されていて、この座繰りにウェーハがちょうど嵌り込むようになっている。ウェーハをサセプタに載置した状態で、装置内に原料ガスを導入して、ウェーハを１０００〜１２００℃に加熱しつつエピ層２を成長させる。この際、図１（ａ）（ｂ）に示すように、十分に原料ガスが供給される表面３側ではエピ層２が成長する一方で、サセプタに接していて原料ガスが回り込みにくい裏面４側では、エピ層２はほとんど成長しない。

図１（ａ）（ｂ）に示すベベル１ａ、１ｂを形成した直径６インチ（約１５０ｍｍ）、厚さ６２５μｍの（１１１）面方位を有するシリコンウェーハに、窒化ガリウム半導体（ＧａＮ）からなるエピ層２を５μｍ形成した際のウェーハの割れ発生状況を評価した。その評価結果を図２に示す。横軸はＧａＮ成膜前のベベル形状から算出した形状値（ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２）（μｍ）、縦軸はＧａＮ成膜後のウェーハ割れ率（％）を示す。ベベル形状がテーパ形状及びラウンド形状のいずれの場合においても、形状値を小さくする、すなわちベベル１ａ、１ｂの縦断面形状を表裏面３、４側で対称に近付けることによって、低い割れ率（０．１％以下）を達成することができた。その一方で、テーパ形状の場合は形状値が３０を超えると、ラウンド形状の場合は形状値が４０を超えると、割れ率は急上昇することが明らかとなった。これは、形状値が０に近付くほど、ベベル１ａ、１ｂに作用するサセプタとの接触応力が、ベベル１ａ、１ｂの表裏面３、４側に均等に分散してその応力を緩和し得るのに対し、形状値の絶対値が大きくなるほど、その接触応力がベベル１ａ、１ｂの表面３側又は裏面４側のいずれか一方に集中しやすくなることに起因する可能性がある。

図２に示す結果から、製造ラインにおける割れ率管理値を例えば０．１％以下とする場合、ベベル１ａ、１ｂがテーパ形状の場合は形状値を３０以下、ラウンド形状の場合は形状値を４０以下とする必要があるといえる。割れに対するウェーハ強度は、その厚さに比例するため、厚さ６２５μｍのウェーハを用いて得られた形状値の閾値（テーパ形状の場合３０、ラウンド形状の場合４０）を任意のウェーハ厚さＴに拡張することができる。すなわち、上記の割れ率管理値（０．１％以下）を達成するための形状値の閾値は、テーパ形状の場合３０／６２５×Ｔ＝０．０４８Ｔ、ラウンド形状の場合４０／６２５×Ｔ＝０．０６４Ｔとなる。これより、直径８インチ、厚さ７２５μｍの（１１１）面方位を有するウェーハの形状値の閾値を算出すると、テーパ形状の場合３４．８、ラウンド形状の場合４６．４となる。この割れ率管理値が変更されれば、ベベル１ａ、１ｂの形状値の閾値も図２に示す結果に従って変化する。なお、ウェーハの直径を同一としつつウェーハ厚さＴをさらに増加させることにより、前記閾値を高めて、ウェーハの耐割れ性をさらに向上することもできる。

第一及び第二投影長ａ１、ａ２、第一及び第二傾斜角θ１、θ２を変えたときのベベル形状値（エピ前、エピ後）、及びこれらのウェーハにＧａＮをエピ成長させた際の実際の割れ率を表１（テーパ形状、直径６インチ）、表２（ラウンド形状、直径６インチ）、表３（テーパ形状、直径８インチ（約２００ｍｍ））、及び表４（ラウンド形状、直径８インチ）にそれぞれまとめる。なお、エピ前のベベル形状値は、上記の式ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２を用いて、エピ後のベベル形状値は、式（ａ１・ｔａｎθ１＋ｔ）−ａ２・ｔａｎθ２（ｔはエピ厚）を用いてそれぞれ計算される。

このように、任意の第一及び第二投影長、第一及び第二傾斜角、ウェーハ直径、エピ厚を有するウェーハについて、ベベル形状値と上記の閾値とを比較することによって、割れの発生を予測できることが分かる。また、表１〜４の比較例に示すように、ベベル形状値が閾値以下であっても、第一及び第二投影長ａ１、ａ２が、５０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にないときは、割れ率が割れ率管理値の０．１％を超えてしまうことが分かる。

エピ後の使用目的（製造するデバイスの種類）が明らかであって、おおよそのエピ厚ｔが既知の場合には、上記式の右辺側からそのエピ厚ｔに相当する閾値分を予め引いて、上記式の左辺と右辺の絶対値が異なるようにしておくこともできる。例えば、成膜するエピ層の最大厚さが１０μｍであって、ベベルがテーパ形状の場合、上記の式の右辺（形状値の最大値）は０．０４８Ｔ×（１０／３０）より０．０３２Ｔとなり、ベベルがラウンド形状の場合、上記の式の右辺は０．０６４Ｔ×（１０／４０）より０．０４８Ｔとなる。このように右辺を決めておけば、エピ層の成膜後に、形状値が閾値を超えてしまうのを防いで、エピ層の成膜後にウェーハが割れる問題を確実に防止することができる。

（２）ウェーハ裏面の欠陥の大きさ、個数、及び欠陥位置の影響について
ウェーハ裏面の欠陥の大きさ、個数、及び欠陥位置が異なるウェーハの表面にＧａＮ層を成膜し、成膜後のウェーハの反り量を評価した。ＧａＮ層の成膜条件は、上記項目（１）において説明したのと同じである。

このＧａＮ層の成膜に先立って、ウェーハ裏面側の欠陥評価を行った。欠陥評価には、Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１、又はＳｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ２（いずれもＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）（以下、それぞれＳＰ１、ＳＰ２という。）と、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（以下、ＳＥＭという。）又は光学顕微鏡を使用した。ＳＰ１又はＳＰ２でウェーハ面内における欠陥の位置を特定し、その特定した位置をＳＥＭ又は光学顕微鏡で観察して、その欠陥の大きさを測定した。なお、この欠陥の大きさは数μｍ〜数十μｍ程度と非常に小さく、しかもその数がウェーハ面内に数個〜数十個程度と少ないため、ＳＰ１等で欠陥の位置を特定せずにＳＥＭ等で直接観察することはほぼ不可能であり、直接観察に先立って、ＳＰ１又はＳＰ２で事前に欠陥の位置を特定しておくことが必須である。

ＳＰ１、ＳＰ２は、レーザをウェーハに対して垂直入射又は斜め入射する２系統の入射光学系と、ウェーハの表面に存在する欠陥によって乱反射された入射光の散乱光のうち、ウェーハの面法線に近い散乱光（ナローチャンネル側）と、前記ナローチャンネル側よりも広角側の散乱光（ワイドチャンネル側）をそれぞれ集光する２系統の集光光学系とを備えている。ＳＰ１は直径が６インチ及び８インチのウェーハの測定に、ＳＰ２は直径が８インチ及び１２インチのウェーハの測定にそれぞれ用いられる。

ＳＰ１とＳＰ２は、使用するレーザの波長の点で相違するが、その測定原理は同じであり、ウェーハ面内における欠陥の位置を特定するとともに、検知された散乱光の強度から、欠陥の大きさを評価することができる。この欠陥の大きさは、欠陥の実際の大きさではなく、直径の異なるＰＳＬ（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ Ｌａｔｅｘ）の標準粒子を用いて、散乱光強度と標準粒子の直径との間の検量線を予め作成しておき、この検量線からＰＳＬ標準粒子の直径へと換算することによって導出した見掛け上の大きさである。ウェーハを回転しつつその面内で移動してレーザをスキャンすることにより、欠陥位置及び大きさのウェーハ面内マッピングを行うことができる。

ワイドチャンネルでは相対的に小さい欠陥を、ナローチャンネルでは相対的に大きい欠陥を主に検出する。今回の欠陥評価では、表５（ＳＰ１用）及び表６（ＳＰ２用）に示すように、ワイドチャンネルのレンジを０．１−１．０μｍ、ナローチャンネルのレンジを０．２９５−５０μｍに設定した。また、２系統ある入射光学系のうち、ウェーハに対して垂直入射する入射光学系を選択した。なお、表５及び表６に示すＳＰ１、ＳＰ２の測定条件はあくまでも一例であって、ウェーハの表面状態、測定対象となる欠陥の大きさ等の種々の要因を考慮して、適宜変更することができる。また、垂直入射する入射光学系の代わりに、斜め入射する入射光学系を採用することもできる。

ウェーハの表面には、クラックや破砕層痕等の凹状の欠陥だけでなく、パーティクル等の凸状の付着物も存在する。この欠陥と付着物は、その大きさや形状（凹状又は凸状）に違いがあることから、ＳＰ１又はＳＰ２の測定において明確に区別することができる。

例えば、表７に示すように、ウェーハの割れの直接的原因となるウェーハ表面の欠陥は、付着物と比較して相対的に大きめに検知されることが多く、ナローチャンネル側及びワイドチャンネル側の両方で検知され、しかも、相対的に小さい欠陥を検知するワイドチャンネル側で、その大きさがレンジ上限の１．０μｍを超えたと判断される飽和状態（Ｓａｔｕｒａｔｅｄ）となりやすい。このとき、欠陥番号１、３に示すように、ワイドチャンネル側で飽和状態となる一方で、ナローチャンネル側で１．０μｍよりも小さいと判断される場合がある。これは、この欠陥の実態である破砕層痕が凹状をしており、広角側のワイドチャンネルと比較して、ナローチャンネルで散乱光が検知されにくいことに起因する可能性がある。

これに対し、表８に示すように、割れの直接的原因となりにくいウェーハ表面の付着物は、クラック等の欠陥と比較して相対的に小さめに検知されることが多く、ワイドチャンネル側でのみ検知され、ナローチャンネル側で検知されない（ＮＤ）ことが多い。この付着物の大きさがある程度大きくなると、欠陥番号５、６に示すように、ナローチャンネル側及びワイドチャンネル側の両方で検知される。この場合、ワイドチャンネル側の大きさよりも、ナローチャンネル側の大きさの方が大きめに検出される傾向がある。これは、この欠陥の実態であるパーティクルが凸状をしており、凹状の欠陥とは逆に、広角側のワイドチャンネルと比較して、ナローチャンネルで散乱光が検知されやすいことに起因する可能性がある。欠陥番号４に示すように、複数の測定エリアに跨るような特大付着物の場合は、ワイドチャンネル側で欠陥の集合体（Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）、ナローチャンネル側で飽和状態とそれぞれ判断される場合もある。

このように、ＳＰ１及びＳＰ２の測定において、凹状の欠陥と凸状の付着物との間で、ナローチャンネルとワイドチャンネルで検出される大きさに相違があることから、両者を区別して検出することができる。ただし、ＳＰ１又はＳＰ２で測定された欠陥の大きさは、凹状の欠陥又は凸状の付着物の区別のために用いられるに留まり、ウェーハの反りや割れとの関係を評価する際には、ＳＥＭや光学顕微鏡を用いた実測値を用いることとする。

ウェーハ裏面に欠陥が存在するウェーハにＧａＮを成膜したときのウェーハの反り量の測定結果を図３に示す。以下において示す欠陥の大きさは、ＳＥＭ又は光学顕微鏡で測定した実測値である。この測定で使用したウェーハの直径は６インチ、厚さは６２５μｍであり、その表面及び裏面の両面ともに鏡面仕上げとなっている。横軸はウェーハ裏面側の中心から２２．５ｍｍ（ウェーハ半径の３０％）の領域内における１μｍ以上の大きさの欠陥の数、縦軸はエピ後のウェーハの反り量を示す。ＳＥＭ又は光学顕微鏡での測定に先立って行ったＳＰ１の測定条件は、表５に示す通りである。ＳＥＭ又は光学顕微鏡で測定された欠陥は、２μｍから３０μｍの大きさ範囲内に分布していた。

この測定結果から、欠陥の数が多いほど反り量が大きくなることが分かる。これは、図４（ａ）−（ｃ）に示すように、ウェーハの裏面に存在する欠陥９（本図（ａ）参照）に対し、エピ層の形成中に引張応力が作用すると、この欠陥９からスリップが伸展し（本図（ｂ）参照）、このスリップがウェーハの表面側に抜ける（本図（ｃ）参照）ことによって大きな反りが引き起こされるためであると考えられる。例えば、反り量の管理値を２０μｍ以下とした場合、欠陥数を５個以下とすることにより、エピ後の反り量をその管理値範囲内とすることができることが分かる。

本図中には表示されていないが、中心から２２．５ｍｍの範囲外に１μｍ以上の欠陥が存在しても、ウェーハの反り量にはほとんど影響しないことも確認できた。これは、ウェーハの中心から２２．５ｍｍの範囲内で大きな引張応力が作用する一方で、その範囲外ではその引張応力が相対的に小さくなり、仮に欠陥が存在してもスリップ源とならないためである。また、中心から２２．５ｍｍの範囲内に１μｍよりも小さい欠陥が存在しても、ウェーハの反り量にはほとんど影響しないことも確認できた。これは、応力が負荷された際にスリップ源となり得るための欠陥の大きさの最小閾値があるためと推定される。

このように欠陥の大きさを管理することによって、ウェーハの割れの抑制も図ることができる。割れは欠陥の大きさが大きいほど（目安として３０μｍ以上）発生しやすいことが分かっており、上記の欠陥の大きさ（１μｍ）であれば、上記目安を十分下回っているからである。

また、本図中には表示されていないが、ウェーハ面内にほぼ同数の欠陥が存在する場合、その欠陥の大きさが大きいほど、反り量は大きくなることも確認できた。

図３は直径が６インチのウェーハの結果について示したが、直径が８インチ及び１２インチのウェーハについても、中心から３０ｍｍ（８インチの場合）、又は中心から４５ｍｍ（１２インチの場合）の領域内において、１μｍ以上の大きさの欠陥の個数を５個以下とすることにより、エピ後の反り量をその管理値範囲内とすることができた。この反り量の管理値が変更されれば、中心から３０％の領域内に存在が許容される欠陥の数も図３に示す結果に従って変化する。

また、上記においては、欠陥の大きさの基準を１μｍ以上としたが、光学顕微鏡を用いる場合において、その解像度が１μｍに達しない場合、欠陥の大きさの基準を２μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上等と変更するとともに、中心から３０％の領域内に存在が許容される欠陥の数を変更することも許容される。なお、上記のように欠陥の大きさと数を制御するとともに、ウェーハの直径を同一としつつウェーハ厚さをさらに増加させることにより、反り量をさらに低減することもできる。

（３）格子間酸素及び添加物の濃度の影響について
ウェーハ中には、結晶育成時に石英坩堝から導入される格子間酸素、ｐ型半導体のドーパントであるボロン、ウェーハ中のＳｉ酸化物の析出促進を図るための窒素、カーボン等の添加元素が含まれている。これらの添加元素は、結晶欠陥の一種である転位の近傍に凝集して転位の移動を阻止したり、Ｓｉ酸化物が移動する転位と作用して、その移動を阻止したりすることにより、転位の移動によって生じるスリップの発生やウェーハの割れを抑制する作用を奏する。

転位の移動阻止作用は、基本的に添加元素の濃度が高いほど有効に作用するが、格子間酸素は１−１２×１０^１７／ｃｍ^３、ボロンは１−１００×１０^１８／ｃｍ^３、窒素は１−１０×１０^１４／ｃｍ^３、カーボンは１−１０×１０^１６／ｃｍ^３の範囲内とするのが好ましい。各添加元素の濃度範囲の下限は、添加濃度がこれ以下だと、転位の移動阻止作用が十分に発揮されないためである。格子間酸素の濃度範囲の上限は、これ以上の濃度だと、Ｓｉ酸化物が過剰に析出及び成長して、このＳｉ酸化物自体から転位が発生して、強度低下の原因となり得るためである。ボロンの濃度範囲の上限は、これ以上の添加濃度とすると、ウェーハに通常要求される所定の抵抗率の範囲外となってしまうためである。窒素及びカーボンの濃度範囲の上限は、これ以上の添加濃度とすると、Ｓｉ酸化物の析出が過剰に促進されて、デバイス特性に悪影響を及ぼす原因となり得るためである。

必要とされるウェーハ特性を考慮して、上記の濃度範囲内において各添加元素の濃度を適宜決定することができるが、特に、格子間酸素を１０×１０^１７／ｃｍ^３、ボロンを１０×１０^１８／ｃｍ^３、カーボンを０．８×１０^１６／ｃｍ^３、窒素を５×１０^１４／ｃｍ^３とするのが好ましい。ウェーハの強度向上の観点からは、ウェーハ全体に亘って各添加元素を上記の濃度（濃度範囲内）とすることが好ましいが、上記項目（２）で説明したようにウェーハ裏面中心近傍で高い引張応力が生じることから、少なくとも基板裏面のうち中心から半径の３０％以内の領域内において、上記の濃度範囲内となっていることが特に好ましい。

（４）端面を鏡面仕上げとすることの影響について
ウェーハの裏面を鏡面仕上げとするとともに、端面も鏡面仕上げとしてこの端面の欠陥を除去することにより、ウェーハの割れや反り量のさらなる低減を図ることができる。この一連の鏡面仕上げに係る工程の一例を説明する。まず、インゴットをスライスして得られたウェーハを粗研磨（ラッピング）し、ウェーハ表面の機械ダメージを取り除く。この粗研磨の工程の前後いずれかに、端面（ベベル）の面取り加工を行う。次に、ウェーハの表裏面の鏡面研磨（Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｉｄｅ Ｐｏｌｉｓｈ：ＤＳＰ）を行い、引き続いて端面研磨（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｎｅｒ Ｒｏｕｎｄｉｎｇ：ＰＣＲ）を行い、この端面を鏡面とする。最後に、仕上げとしてウェーハ表面の鏡面研磨を枚葉式の研磨装置で行い、洗浄・検査を経て一連の工程を完了する。

（５）ノッチ作成位置の影響について
ウェーハのエッジには結晶方位を示すためのノッチが形成されているが、このノッチはウェーハ中心方向に向かう凹状をしているため、プロセス中に応力集中が生じてスリップの起点となることがある。そして、このスリップが伸展することにより、エピ後のウェーハの反りが引き起こされる。スリップの起点のなりやすさは、図５に示すように、ウェーハに作用する応力Ｆの方向とＳｉ結晶の滑り面（（１１１）面）の方向ｎとのなす角をθ、応力Ｆと滑り方向（＜１１０＞方向）ｂとのなす角をΦとしたときに、ｃｏｓθ・ｃｏｓΦで定義されるシュミット因子Ｓの大小によって決まり、このシュミット因子Ｓが大きいほど滑り面での転位の滑りが生じやすい（スリップが生じやすい）と判断される。

このシュミット因子Ｓは、ノッチを＜１１０＞方向に形成したときに最も小さく、この＜１１０＞方向からずれるほど大きくなる。図６に、ノッチの形成位置を＜１１０＞方向からウェーハの外周周りに変位させたウェーハにＧａＮを上記項目（１）と同じ成膜条件で形成したときのエピ後のウェーハの反り量を示す。ベベルがラウンド形状及びテーパ形状のいずれの場合も、ノッチの形成位置が＜１１０＞方向からずれるのに伴って反り量は増大した。例えば、反り量の管理値を２０μｍとすると、ラウンド形状の場合＜１１０＞方向から２０度以内に、テーパ形状の場合ほぼジャスト＜１１０＞方向にノッチを形成する必要があることが分かる。

上記の各実施例はあくまでも一例であって、本願発明の窒化物半導体層をシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長させた際に、ウェーハが割れたり、転位が伸展して大きな反りが発生したりするのを抑制する、という課題を解決し得る限りにおいて、その構成を適宜変更することは許容される。

１（１ａ、１ｂ） ベベル
２ 窒化物半導体層（エピ層）
３ 表面
４ 裏面
５ 端面
６ 第一傾斜面
７ 第二傾斜面
８ 曲端面
９ 欠陥

Claims (6)

1. 窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板状のシリコンウェーハであって、
   前記窒化物半導体層（２）を形成する表面（３）と、前記表面（３）と平行な裏面（４）と、前記表面（３）の面法線と垂直の面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する端面（５）と、前記表面（３）及び前記端面（５）と連続し、前記表面（３）と傾斜をなす第一傾斜面（６）と、前記裏面（４）及び前記端面（５）と連続し、前記裏面（４）と傾斜をなす第二傾斜面（７）と、を備え、
   前記端面（５）及び前記第一傾斜面（６）の交点と、前記表面（３）及び前記第一傾斜面（６）の交点との間の前記表面（３）に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、
   前記端面（５）及び前記第二傾斜面（７）の交点と、前記裏面（４）及び前記第二傾斜面（７）の交点との間の前記裏面（４）に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、
   前記第一傾斜面（６）の前記表面（３）からの第一傾斜角をθ１、
   前記第二傾斜面（７）の前記裏面（４）からの第二傾斜角をθ２、
   前記表面（３）と前記裏面（４）の面間隔をＴμｍ、
   としたときにエピタキシャル成長の前後において次式
   −０．０４８Ｔ≦ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２≦０．０４８Ｔ
   を満たすことを特徴とするシリコンウェーハ。
2. 窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板のシリコンウェーハであって、
   前記窒化物半導体層（２）を形成する表面（３）と、前記表面（３）と平行な裏面（４）と、表面（３）の面法線に対して連続的に変化する面法線を有し、ウェーハ外周部を構成する曲端面（８）と、前記表面（３）及び前記曲端面（８）と連続し、前記表面（３）と傾斜をなす第一傾斜面（６）と、前記裏面（４）及び前記曲端面（８）と連続し、前記裏面（４）と傾斜をなす第二傾斜面（７）と、を備え、
   前記曲端面（８）の最外端と、前記表面（３）及び前記第一傾斜面（６）の交点との間の前記表面（３）に沿う方向の第一投影長をａ１μｍ、
   前記曲端面（８）の最外端と、前記裏面（４）及び前記第二傾斜面（７）の交点との間の前記裏面（４）に沿う方向の第二投影長をａ２μｍ、
   前記第一傾斜面（６）の前記表面（３）からの第一傾斜角をθ１、
   前記第二傾斜面（７）の前記裏面（４）からの第二傾斜角をθ２、
   前記表面（３）と前記裏面（４）の面間隔をＴμｍ、
   としたときにエピタキシャル成長の前後において次式
   −０．０６４Ｔ≦ａ１・ｔａｎθ１−ａ２・ｔａｎθ２≦０．０６４Ｔ
   を満たすことを特徴とするシリコンウェーハ。
3. 前記第一投影長及び前記第二投影長が、いずれも５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、かつ、前記第一投影長と第二投影長の差の絶対値が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウェーハ。
4. 窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための（１１１）面方位の円板のシリコンウェーハであって、
   基板の裏面（４）の中心から半径の３０％以内の領域内に存在する１μｍ以上の大きさの欠陥（９）の個数が５個以下であることを特徴とするシリコンウェーハ。
5. 前記表面（３）及び前記裏面（４）の両面に鏡面仕上げを施した、直径が６インチ又は８インチであることを特徴とする請求項４に記載のシリコンウェーハ。
6. 端面に鏡面仕上げを施した請求項４又は５に記載のシリコンウェーハ。

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