JP4304720B2

JP4304720B2 - サセプタ、気相成長装置、エピタキシャルウェーハの製造方法およびエピタキシャルウェーハ

Info

Publication number: JP4304720B2
Application number: JP2004223278A
Authority: JP
Inventors: 知佐吉田; 真一郎八木; 秀彦中野
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006041436A

Description

本発明は、サセプタ、気相成長装置、エピタキシャルウェーハの製造方法およびエピタキシャルウェーハに関する。

従来より、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）の主面上へのエピタキシャル層の気相成長は、ウェーハを支持したサセプタを反応容器内に配し、加熱装置により所望の成長温度に加熱するとともに、ガス供給装置によりウェーハの主面上に反応ガスを供給することにより行われている。

特開２００３−２２９３７０号公報

ところで、例えば、ｐ＋型のボロン（Ｂ）ドープウェーハ上にｐ型のシリコンエピタキシャル層を気相成長させる場合等のように、ドーパント濃度が高い（低抵抗率の）ウェーハ上にドーパント濃度が低い（高抵抗率の）エピタキシャル層を気相成長させる場合には、ウェーハ内より気相中に一旦放出されたドーパントがエピタキシャル層にドーピングされる現象、すなわちオートドープが発生する。オートドープは、加熱によりウェーハ内から外方拡散するドーパント等に起因して発生する。このようなオートドープが発生すると、気相成長後のエピタキシャル層のドーパント濃度（及び抵抗率）が面内において不均一になってしまうという問題がある。

従来は、このようなオートドープが発生するのを防止するために、ウェーハの裏面に予めシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜、以下単に酸化膜ともいう）を形成することでウェーハ内からのドーパントの放出を防止して、ドーパント濃度（及び抵抗率）の面内均一化を図っていた。この場合、酸化膜を形成するための工程が必要となるので生産性が悪いという問題がある。そこで、上記特許文献１では、ドーパント濃度の面内均一化を図るため、気相成長時に半導体ウェーハから外方拡散するドーパントを排出するための孔部を設けたサセプタを開示している。しかしながら、かかるサセプタを用いても、半導体ウェーハがオリエンテーションフラットを有する場合には、その形状によって、放出されたドーパントがウェーハの主面側へ回り込みやすく、ドーパント濃度の面内均一化が実現しないという問題がある。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、オリエンテーションフラットを有する半導体ウェーハにおいて、ドーパント濃度及び抵抗率の面内均一化を容易に実現し得るサセプタ、気相成長装置、エピタキシャルウェーハの製造方法およびエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段・発明の効果

上記課題を解決するため、本発明のサセプタは、気相成長時に半導体ウェーハを支持するためのサセプタであって、半導体ウェーハを収容する上段凹部と、それよりも小径で、気相成長時に半導体ウェーハの裏面から外方拡散するドーパントを排出するための孔部が形成された下段凹部と、を有する二段構造の座ぐりを備え、上段凹部の環状の底面が、半導体ウェーハの裏面の周縁部を支持する支持面とされるとともに、下段凹部の直径は、支持される半導体ウェーハの直径の５０％以上であり、上段凹部の環状の底面は、支持する半導体ウェーハのオリエンテーションフラット位置若しくはそれよりも内側まで張り出してなることを特徴とする。

上記本発明によると、上段凹部の環状の底面が、支持する半導体ウェーハのオリエンテーションフラット位置若しくはそれよりも内側まで張り出していることから、下段凹部は半導体ウェーハによって全て覆われることとなり、これによって、気相成長時に半導体ウェーハの裏面から外方拡散するドーパントを、主面側へ回り込ませることなく下段凹部に形成された孔部より排出することができ、オートドープの発生を低減することが可能となる。

次に、本発明のサセプタは、同心状に形成された上段凹部と下段凹部について、該上段凹部の直径をＤ、該下段凹部の直径をｄとし、支持される半導体ウェーハのオリエンテーションフラットから法線方向に沿った周縁までの最大寸法をＬ_０としたとき（図１参照）、下記（１）式を満たすように構成することができる。
２Ｌ_０≧Ｄ＋ｄ・・・（１）式
また、Ｌ_０は、言い換えると、オリエンテーションフラットの中点からウェーハの中心を通った周縁までの寸法ということもできる。これにより、上段凹部の環状の底面が全周に渡ってオリエンテーションフラットよりも内側に張り出すことになるので、例えば、半導体ウェーハが周方向にずれた場合でも下段凹部に通じる隙間を生じさせることなく、気相成長が可能となる。

次に、本発明のサセプタは、下段凹部の直径は、支持される半導体ウェーハの直径の５０％以上とすることができる。上述したように、上段凹部の環状の底面は支持する半導体ウェーハのオリエンテーションフラット位置若しくはそれよりも内側まで張り出している必要があるが、下段凹部の直径が過度に小さくなると、ウェーハの裏面の周縁部（特に上段凹部の底面と接触する部位）から外方拡散するドーパントが、下段凹部へ放出されずにウェーハＷの主面側へ回り込みやすくなる場合や、ウェーハが上段凹部の底面に貼り付いて持ち上げが困難となる場合等があるので、下段凹部の直径を半導体ウェーハの直径の５０％以上とすることが好ましい。より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とするのが良い。

本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記のサセプタにより支持された半導体ウェーハの主面上にエピタキシャル層を気相成長させてエピタキシャルウェーハを製造することを特徴とする。さらに、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、例えば、ドーパントとしてボロン（Ｂ）が添加された半導体ウェーハを用いる場合に適用することが好ましい。また、アンチモン（Ｓｂ）が添加された半導体ウェーハを用いる場合にも有効である。

上記製造方法を実現する本発明の気相成長装置は、上記のサセプタと、該サセプタを内部に配した状態で、該サセプタに支持されている半導体ウェーハの主面上にエピタキシャル層を気相成長させるための反応容器と、気相成長時に半導体ウェーハを加熱するための加熱装置と、を備えることを特徴とする。

これら本発明によると、上記のサセプタを用いることにより、オリエーションフラットを有する半導体ウェーハの場合についても、裏面に酸化膜を形成することなくオートドープの発生を低減させ、良好なエピタキシャルウェーハを得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるサセプタ１０の模式図である。図では説明のため、ウェーハＷが配置された状態を表している。図１に示すように、サセプタ１０は、略円盤状に構成され、その主面には、内部に半導体ウェーハＷが配置される座ぐり１１が形成されている。この座ぐり１１は、例えば図１（ａ）に示すように、ウェーハＷを収容し、裏面の周縁部を環状の底面にて支持する上段凹部１１ａと、該上段凹部１１ａよりも小径で、中心側下段に形成された下段凹部１１ｂと、を有する二段構造を成している。ここで、上段凹部１１ａは、ウェーハＷを収容して気相成長を行うため、ウェーハＷとほぼ同径とされている。さらに、下段凹部１１ｂには、サセプタ１０の裏面に貫通し、気相成長の際にも開放状態となる多数（例えば２０個以上）の孔部１２が形成されている。後述するように、この孔部１２によって、気相成長時にウェーハＷの裏面から外方拡散するドーパントが排出される。各孔部１２は、例えば、下段凹部１１ｂの底面の縁部近傍に円周状に等間隔で配されている。また、各孔部１２は、例えば、下段凹部１１ｂの底面全体に万遍なく形成することもできる。なお、サセプタ１０は、例えば、炭化珪素で被覆されたグラファイトにより構成されている。

サセプタ１０に支持される半導体ウェーハＷは、直径が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下（例えば２００ｍｍ程度）であり、中心角が２５°以上４０°以下（例えば３４．５°程度）のオリエンテーションフラットＯＦを有している。そして、このウェーハＷを支持する上段凹部１１ａは、オリエンテーションフラットＯＦの位置まで環状の底面が張り出すように形成されている。これにより、下段凹部１１ｂは、全てウェーハＷに覆われて、上段凹部１１ａとの間が塞がれる。また、上段凹部１１ａの環状の底面は、オリエンテーションフラットＯＦの位置よりも内側まで張り出すように形成することもできるが、その場合、下段凹部１１ｂの直径ｄは、半導体ウェーハＷの直径（上段凹部１１ａの直径Ｄと同程度）の５０％以上であることが好ましい。より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とするのが良い。

なお、オリエンテーションフラットＯＦの位置にのみ上段凹部１１ａの底面を張り出させることも可能であるが、気相成長時にはサセプタ１０を回転させて用いることから、ウェーハＷが周方向にずれることを考慮して、図１に示すように、上段凹部１１ａの底面を全周にわたってオリエンテーションフラットＯＦの位置若しくはそれよりも内側となるような環状とすることが好ましい。これにより、上段凹部１１ａに収容されるウェーハＷがいずれの向きであっても、下段凹部１１ｂに通じる隙間が生じないようになる。

図３は、本発明の一実施形態である気相成長装置３０のサセプタ１０の断面模式図である。図３に示すように、気相成長装置３０は、上記サセプタ１０と、該サセプタ１０が略水平状態で内部に配される反応容器３１と、サセプタ１０を下面側から支持して回転駆動するサセプタ支持部材３６と、気相成長の際にウェーハＷを所望の成長温度に加熱するための加熱装置３２（具体的には、例えばハロゲンランプ）と、反応ガスを反応容器３１内のサセプタ１０上側の領域に導入し該サセプタ１０上のウェーハＷの主面上に供給する反応ガス導入管３３と、反応容器３１に対しこの反応ガス導入管３３と同じ側に設けられパージガスを反応容器３１内のサセプタ１０下側の領域に導入するパージガス導入管３４と、これらパージガス導入管３４及び反応ガス導入管３３と反応容器３１に対し逆側に設けられ反応容器３１からガスを排気する排気管３５とを備えるように構成されている。

次に、上記気相成長装置３０を用い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。この気相成長装置３０を用いて気相成長を行うには、ウェーハＷを、その主面が上を向くようにサセプタ１０の座ぐり１１（の上段凹部１１ａ）に載置し、該サセプタ１０上のウェーハＷを加熱装置３２により所望の成長温度に加熱するとともに、反応ガス導入管３３を介してウェーハＷの主面上に反応ガスを略水平に供給する。この際、パージガス導入管３４を介してサセプタ１０の下側にパージガスを略水平に導入する。従って、気相成長中、サセプタ１０の上側には、反応ガス流が、下側には、パージガス流が、それぞれサセプタ１０及びウェーハＷと略平行に形成される。このようにして気相成長を行うことにより、ウェーハＷの主面上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャルウェーハを製造することができる。

ここで、気相成長中は、ウェーハＷを加熱するため、この加熱によりウェーハＷに含まれるドーパントがウェーハＷ外に外方拡散して気相中に放出される。また、気相成長の直前には、例えば塩化水素ガスをウェーハＷ表面に流すことにより気相エッチングを行って該表面の自然酸化膜を除去したりするため、ウェーハＷは僅かにエッチングされてガス化する。さらに、反応ガス中には、原料ガスの他に、キャリアガスとして例えば水素を含んでいる上、上記パージガスとしても例えば水素を用いるため、この水素によってもウェーハＷは僅かにエッチングされてガス化する。従って、これらの理由によっても、ウェーハＷに含まれるドーパントが気相中に放出される。つまり、これらいくつかの理由により、気相成長の際にはウェーハＷ内から気相中にドーパントが放出されることになる。

これに対し、本実施の形態のサセプタ１０は、その座ぐり１１の下段凹部１１ｂに、裏面に貫通する孔部１２が形成されている。従って、気相成長の際にウェーハＷから気相中に一旦放出されるドーパントを、座ぐり１１に形成された孔部１２を介してサセプタ１０の下面側から好適に放出でき、これらドーパントがウェーハＷの主面側に回り込んでウェーハＷ内に再び取り込まれてしまうことを好適に抑制できる。

また、座ぐり１１では、上記の構成により、下段凹部１１ｂがウェーハＷに全て覆われているため、ウェーハＷの裏面から外方拡散したドーパントがオリエンテーションフラットＯＦの近傍を通って主面側に回り込まないようになっている。また、下段凹部１１ｂがウェーハＷに全て覆われていることから、孔部１２を介してサセプタ１０下側のガスがウェーハＷの主面側に流入することを抑制できる。これに対して、図３に示す従来のサセプタ５０は、載置されたウェーハＷのオリエンテーションフラットＯＦの近傍に下段凹部に繋がる隙間が生じており、外方拡散したドーパントがこの隙間からウェーハＷの主面側に回り込み、オートドープの問題が生じていた。

以上によって、オリエンテーションフラットＯＦを有する半導体ウェーハＷについて、裏面にオートドープ防止用の酸化膜を形成しなくてもオートドープの発生を大幅に抑制でき、結果、ドーパント濃度及び抵抗率の面内均一化が図れる。

また、上記の実施の形態では、ｐ＋型のシリコン単結晶ウェーハ上にｐ型のシリコンエピタキシャル層を気相成長させる例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えばアンチモン（Ｓｂ）が添加されたｎ＋型のシリコン単結晶ウェーハ上にｎ型のシリコンエピタキシャル層を気相成長させる場合、ｎ＋型のシリコン単結晶ウェーハ上にｐ型のシリコンエピタキシャル層を気相成長させる場合及びｐ＋型のシリコン単結晶ウェーハ上にｎ型のシリコンエピタキシャル層を気相成長させる場合等に、本発明のサセプタ、気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法を適用しても良く、この場合にも抵抗率（ドーパント濃度）の面内均一化が図れる。また、枚葉式のサセプタに本発明を適用した例について説明したが、これに限らず、多数枚式のサセプタに適用しても良い。さらに、いわゆるリフトピン方式のサセプタに、本発明を適用しても良い。すなわち、サセプタの座ぐりには、本発明に係る孔部１２の他に、リフトピン貫通用の孔部が別途形成されていても良い。

以下、エピタキシャルウェーハにおける抵抗率の面内分布の測定結果について説明する。
測定は、上述した本発明のサセプタ１０及び従来のサセプタ５０をそれぞれ用いて、高濃度にボロン（Ｂ）を添加したｐ＋型のシリコン単結晶ウェーハ（裏面に酸化膜を有しない）の主面上に、ドーパントを添加しないで厚さ約６μｍのシリコンエピタキシャル層を気相成長することにより製造されたシリコンエピタキシャルウェーハについて行った。ここで、ウェーハＷは、直径が２００ｍｍ程度で、Ｌ_０が１９５ｍｍ程度のものを用いた。また、上記サセプタ１０については、上段凹部１１ａの直径ＤがウェーハＷの直径と同程度で、下段凹部１１ｂの直径ｄがウェーハＷの直径に対して９０％程度のものを用いた。

抵抗率の面内分布を図４及び図５に示す。図の縦軸は、測定した抵抗率においてウェーハ中心側の２０点程度の平均値（後述の「全体領域の平均表面抵抗率」とは異なる）を１として、それとの比を表したものである。ここで、Ｙは、オリエンテーションフラットの中点からウェーハの中心を通った周縁までの線分（図１中のＬ_０の矢印）に沿って測定したものである。また、Ｘは、Ｙとは垂直で中心を通る線分に沿って測定したものである。

図４（本発明）によると、Ｘ，Ｙの両方について、抵抗率に大きな変化は見られなかった。すなわち、半導体ウェーハの主面上に成長させたエピタキシャル層において、オリエンテーションフラット近傍領域の表面抵抗率と全体領域の平均表面抵抗率との差が、該平均表面抵抗率の１０％以下となっている。これに対して、図５（従来）によると、Ｘについては抵抗率に大きな変化は見られなかったものの、Ｙについてはオリエンテーションフラット近傍で抵抗率の大幅な落ち込みが見られる。これは、気相成長の際に、外方拡散したドーパントが下段凹部５１ｂから隙間を通じて主面側に回り込み（図３参照）、オリエンテーションフラット近傍でオートドープが生じたためであると考えられる。

以上のように、本発明のサセプタ１０、このサセプタ１０を備える気相成長装置３０及びこの気相成長装置３０を用いるエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、気相成長時の加熱によってウェーハＷから外方拡散するドーパント、或いは、気相エッチングによりウェーハＷから主に放出されるドーパントを、下段凹部１１ｂに形成された孔部１２を通じてサセプタ１０の裏面側から好適に放出できるので、これらドーパントがウェーハＷの主面側に回り込んでしまうことを好適に抑制できる。よって、ウェーハＷの裏面にオートドープ防止用の酸化膜を形成しなくてもオートドープの発生を大幅に抑制でき、結果、ドーパント濃度及び抵抗率の面内均一化が図れる。つまり、ドーパント濃度及び抵抗率の面内均一化を容易に実現できる。

本発明のサセプタの一例を表す模式図本発明の気相成長装置の一例を表す模式図従来のサセプタを表す模式図本発明のエピタキシャルウェーハの抵抗率の表面分布を表す図従来のエピタキシャルウェーハの抵抗率の表面分布を表す図

符号の説明

１０サセプタ
１１座ぐり
１１ａ上段凹部
１１ｂ下段凹部
１２孔部
３０気相成長装置
Ｗ半導体ウェーハ
ＯＦオリエンテーションフラット

Claims

気相成長時に半導体ウェーハを支持するためのサセプタであって、
半導体ウェーハを収容する上段凹部と、それよりも小径で、気相成長時に半導体ウェーハの裏面から外方拡散するドーパントを排出するための孔部が形成された下段凹部と、を有する二段構造の座ぐりを備え、
前記上段凹部の環状の底面が、半導体ウェーハの裏面の周縁部を支持する支持面とされるとともに、
前記下段凹部の直径は、支持される半導体ウェーハの直径の５０％以上であり、
前記上段凹部の環状の底面は、支持する半導体ウェーハのオリエンテーションフラット位置若しくはそれよりも内側まで張り出してなることを特徴とするサセプタ。
同心状に形成された前記上段凹部と前記下段凹部について、該上段凹部の直径をＤ、該下段凹部の直径をｄとし、
支持される半導体ウェーハのオリエンテーションフラットから法線方向に沿った周縁までの最大寸法をＬ０としたとき、
下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
２Ｌｏ≧Ｄ＋ｄ・・・（１）式
支持される半導体ウェーハの直径が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサセプタ。
支持される半導体ウェーハのオリエンテーションフラットの角度が２５°以上４０°以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサセプタ。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサセプタにより支持された半導体ウェーハの主面上にエピタキシャル層を気相成長させてエピタキシャルウェーハを製造す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。
前記半導体ウェーハは、ドーパントとしてボロンが添加されてなることを特徴とする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。
前記半導体ウェーハの裏面には酸化膜が形成されてないことを特徴とする請求項５または６に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサセプタと、該サセプタを内部に配した状態で、該サセプタに支持されている半導体ウェーハの主面上にエピタキシャル層を気相成長させるための反応容器と、気相成長時に半導体ウェーハを加熱するための加熱装置と、を備えることを特徴とする気相成長装置。
半導体ウェーハの主面上に成長させたエピタキシャル層において、オリエンテーションフラット近傍領域の表面抵抗率と全体領域の平均表面抵抗率との差が、該平均表面抵抗率の１０％以下であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。