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JP4824926B2 - エピタキシャルシリコンウェハの製造方法 - Google Patents
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JP4824926B2 - エピタキシャルシリコンウェハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エピタキシャルシリコンウェハの製造方法に関する。
従来から、シリコン単結晶の基板と、この基板表面に形成されたエピタキシャル層とを有するエピタキシャルシリコンウェハが知られている。
このようなエピタキシャルシリコンウェハのエピタキシャル層の金属不純物による汚染は、デバイス特性を悪化させるため、エピタキシャル層の金属不純物の汚染をゲッタリングにより排除することが行なわれている。
具体的には、基板に窒素をドープして基板内部に酸素析出核を形成し、この酸素析出核内に金属不純物を捕獲し、金属不純物をゲッタリングにより除去するのである。
図4(A)に示すように、このような窒素がドープされた基板11の表面及び内部には微小欠陥であるCOP(Crystal Originated Particle)111が存在しているが、基板11表面に露出したCOP111(基板表面に向かって開口したCOP)はエピタキシャル層12に生じるSF(積層欠陥)の原因となっている。なお、図4(A)の符号13は酸化膜である。
この基板11表面に露出したCOP111を除去する方法としては、熱処理があげられる。しかしながら、図4(B)、(C)に示すように、窒素をドープした基板11では、COP111内に残存する内壁酸化膜112により、COP111の形状が保持されやすくなっており、熱処理だけでは、COP111を除去することはできない。そのため、図4(D)に示すように、エピタキシャル層12に積層欠陥121が生じてしまう。
そこで、COP111内の内壁酸化膜112を除去するために、フッ酸水溶液により基板11表面を洗浄し、COP111内の内壁酸化膜112を除去する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このような方法では、フッ酸水溶液により基板11の表面を洗浄すると、基板11表面にパーティクルが付着しやすくなる。このパーティクルの付着を防止するために、フッ酸水溶液による洗浄後、SC−1(アンモニア過酸化水素水)で基板11表面を洗浄し、酸化膜を形成している。
特開2002−20200号公報(第2〜5頁)
しかしながら、このような方法では、フッ酸水溶液によりCOP111内の内壁酸化膜112を除去したにもかかわらず、エピタキシャルシリコンウェハのエピタキシャル層の積層欠陥の数を十分に減少させることができないという問題がある。
本発明の目的は、エピタキシャル層の積層欠陥の数を十分に減少させることができるエピタキシャルシリコンウェハの製造方法を提供することである。
本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、フッ酸水溶液による洗浄を行なった後、SC−1(アンモニア過酸化水素水)で基板表面を洗浄すると、基板の表面がエッチングされることが確認された。
図面を参照してより詳細に説明すると、図5(A)に示すような基板11をフッ酸水溶液により処理すると、図5(B)に示すように、基板11表面の酸化膜13及び基板11の表面に開口したCOP111(111A)内部の内壁酸化膜112が除去されることとなる。
次に、図5(C)に示すように、SC−1(アンモニア過酸化水素水)で基板11表面を洗浄すると、基板11表面に酸化膜13が形成されると同時に、基板11の表面がエッチングされ、基板11内部に存在していたCOP111(111B)が基板11表面に露出することとなる。
フッ酸水溶液による洗浄を行なう時点で基板11表面に露出していたCOP111A内部の内壁酸化膜112はフッ酸水溶液による洗浄により除去されるが、基板11内部に存在していたCOP111Bの内壁酸化膜112はフッ酸水溶液による洗浄により、除去されていない。
図5(D)、(E)に示すSC−1による洗浄後の熱処理では、内壁酸化膜112が除去されたCOP111Aは消失するものの、内壁酸化膜112が除去されていないCOP111Bは、形状が保持されてしまい、COP111Bが消失しない。すなわち、内壁酸化膜112は熱処理中に還元されにくいため、内壁酸化膜112が消失せず、熱処理時のシリコン原子の移動が阻害されてCOP111Bの形状が保持されてしまうのである。
COP111Bの形状が保持されてしまうと、図5(F)に示すように、エピタキシャル層12を形成した際に、このCOP111Bに起因してミスフィットが生じ、エピタキシャル層12中に積層欠陥121が生じる。
本発明はこのような知見に基づいて案出されたものである。
すなわち、本発明のエピタキシャルシリコンウェハの製造方法は、チョクラルスキー法により製造され、窒素をドープしたシリコン単結晶を切り出すことで得られる基板と、この基板上に形成されたエピタキシャル層とを有するエピタキシャルシリコンウェハの製造方法であって、前記基板を、フッ酸を含む液で洗浄するフッ酸洗浄工程と、前記基板の表面に露出していない基板内部の欠陥を、基板表面に露出させずに、基板表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜が形成された基板を水素雰囲気で熱処理した後、前記基板上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程とを備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、酸化膜形成工程において、フッ酸を含む液により基板を洗浄した後、基板内部に位置する欠陥を基板表面に露出させずに、基板表面に酸化膜を形成している。換言すると、基板表面を略エッチングせずに、基板表面に酸化膜を形成している。
従って、酸化膜を形成する際に、基板内部の欠陥が基板表面に露出してしまうことがない。
これにより、フッ酸を含む液による洗浄が行なわれていない欠陥が表面に露出することがないので、熱処理を行なうことで、基板表面に露出している欠陥を確実に消失させることが可能となる。
そして、熱処理により、基板表面の欠陥を確実に消失させることができるので、基板上にエピタキシャル層を形成した際に、基板表面に露出した欠陥に起因するエピタキシャル層の積層欠陥の発生を減少させることができる。
さらに、本発明では、前記酸化膜形成工程では、基板表面を、過酸化水素を含有する溶液又はオゾン水溶液により洗浄することで、基板表面に酸化膜を形成することが好ましい。
このような本発明によれば、酸化膜形成工程で、基板表面を、過酸化水素を含有する溶液(例えば、過酸化水素水や、過酸化水素と塩酸との混合溶液等)又はオゾン水溶液で洗浄することで、基板内部に位置する欠陥を基板表面に露出させずに、酸化膜を形成することができる。
また、本発明では、前記フッ酸洗浄工程では、回転式洗浄装置を用いて、基板の洗浄を行い、前記回転式洗浄装置は、前記基板の一方の表面にフッ酸を含む液を滴下する滴下手段と、前記基板の他方の表面を支持する支持手段と、この支持手段に支持された前記基板の表面を通る軸を回転中心軸として、前記基板を回転駆動する回転手段とを備え、前記回転手段により基板を、10回転/分以下の回転数で回転させながら、前記滴下手段からフッ酸を含む液を滴下して基板の洗浄を行なうことが好ましい。
フッ酸洗浄工程において、基板表面にフッ酸を含む液を滴下し、基板表面を洗浄すると、基板表面の酸化膜が除去され、基板表面が撥水性となる。
基板表面が撥水性となった状態で、基板の回転数を10回転/分を超えるものとした場合には、基板表面に滴下されたフッ酸を含む液が基板の回転により外方に飛ばされることとなり、フッ酸を含む液により、基板表面の酸化膜及び基板表面に開口した欠陥内の内壁酸化膜を確実に除去することができないという問題がある。
これに対し、本発明では、基板の回転数を10回転/分以下としているので、基板表面に滴下されたフッ酸を含む液が基板外方に飛ばされにくくなり、フッ酸を含む液が基板表面上に存在することとなるので、基板表面の酸化膜及び基板表面の欠陥内の内壁酸化膜を確実に除去することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明のエピタキシャルシリコンウェハの製造方法を示すフローチャートであり、図2は、本発明のエピタキシャルシリコンウェハの製造の各工程を示した模式図である。図3は、本発明のエピタキシャルシリコンウェハの製造方法に使用する回転式洗浄装置を示す模式図である。
図1に示すように、エピタキシャルシリコンウェハの製造方法は、フッ酸洗浄工程(処理S1)と、酸化膜形成工程(処理S2)と、エピタキシャル層形成工程(処理S3)とを有する。
図2(F)に示すように、エピタキシャルシリコンウェハ1は、基板11と、この基板11上に形成されたエピタキシャル層12とを備えたものである。
エピタキシャルシリコンウェハ1の基板11は、CZ法により、窒素をドープしたシリコン単結晶のインゴットを育成させて、このインゴットを切断することで製造される。
基板11中の窒素の濃度は、基板表面にOSF核(酸素誘起積層欠陥)が露出しない濃度がよく、特には、1×1014atoms/cm3以下であることが好ましい。
CZ法によって育成され、切断された基板には、面取り、平面研削、研磨等の加工が施され、表面が鏡面となった基板11となる。
図2(A)に示すように、この基板11の表面には、欠陥であるCOP111(111A)が露出している。また、基板11の内部にもCOP111(111B)が存在している。そして、各COP111(111A,111B)内には内壁酸化膜112が形成されている。
また、基板11の表面には酸化膜13が形成されている。
(フッ酸洗浄工程)
このようにして加工された基板11の表面をフッ酸水溶液で洗浄する(処理S1)。
図2(B)に示すように、このフッ酸水溶液による洗浄によって、基板11表面の酸化膜13が除去されるとともに、基板11表面に露出しているCOP111A内の酸化膜112が除去されることとなる。
このようなフッ酸洗浄工程では、図3に示す回転式洗浄装置3を使用する。
この回転式洗浄装置3は、基板11を保持する保持手段31と、前記保持手段31を回転駆動する回転手段32と、基板11の一方の表面上にフッ酸水溶液35を滴下する滴下手段33とを備える。
保持手段31は、基板11の他方の表面に当接し、基板11を保持するインナーチャック311と、このインナーチャック311の外側に配置されたアウターチャック312とを備える。
インナーチャック311は中空の円錐台形状となっている。このインナーチャック311は、上面(基板11側の面)が下面よりも大きな径となっている。
アウターチャック312は、インナーチャック311よりも大きな中空の円錐台形状となっており、基板11側の上面が開口している。従って、アウターチャック312とインナーチャック311との間には、隙間が形成されることとなる。回転軸321内部に注入されたガス34は、回転軸321から、前記隙間に排出される。従って、この隙間が後述するガス34の吐出経路Tの一部を形成することとなる。この吐出経路Tの出口T1からは、インナーチャック311上に設置された基板11の周縁部に向けてガス34が排出される。
また、アウターチャック312は、インナーチャック311に対して、上下方向(矢印Y方向)に相対的に移動できる構造となっている。例えば、アウターチャック312に油圧シリンダ313等を設け、アウターチャック312を上下する。アウターチャック312の下面の外面に、油圧シリンダ313のシリンダ313Aを取り付け、アウターチャック312の下面にピストン313Bを貫通させる。そして、ピストン313Bの先端をインナーチャック311の下面に固定する。これにより、アウターチャック312は、インナーチャック311に対して、上下方向に相対的に移動可能となる。
回転手段32は、前記保持手段31のインナーチャック311を回転駆動するものである。この回転手段32は、前記インナーチャック311の下面に取り付けられた回転軸321と、この回転軸321を回転駆動する駆動装置(図示略)とを備える。
回転軸321は、中空構造であり、その上端は、インナーチャック311の下面に固定されている。回転軸321の回転中心軸321Bは、基板の表面の平面中心位置を通るようになっている。
また、回転軸321の上端近傍には孔321Aが形成されており、回転軸321の下端から注入されたガス34は、回転軸321内部を通り、前記孔321Aを介して、インナーチャック311及びアウターチャック312間の隙間に充填される。そして、出口T1からガス34が排出される。すなわち、回転軸321の内部及びインナーチャック311及びアウターチャック312間の隙間がガス34の吐出経路Tを構成することとなる。
なお、このガス34が吐出経路Tの出口T1から排出されることにより、基板11の他方の表面側では、負圧が発生する。この負圧により、基板11の他方の表面がインナーチャック311の上面に当接し、基板11がインナーチャック311に固着されることとなる。
ここで、前記ガス34としては、例えば、乾燥した酸素が使用される。
滴下手段33は、基板11上にフッ酸水溶液35を滴下するノズル331を備えている。このノズル331は、インナーチャック311に対向配置されており、ノズル331の吐出口は、基板11の平面中心、つまり回転中心軸321Bと同軸上に配置されている。
このため、基板11が回転しつつ、ノズル331からフッ酸水溶液35が滴下されると、フッ酸水溶液35は、遠心力により、基板11の中心から周縁部に向かって拡散し、図3に示すように、周縁部に倣って、基板11の他方の表面側に回りこむ。
ここで、フッ酸水溶液35の濃度は、特に限定されないが、例えば1%〜10%程度とすることができる。
このような回転式洗浄装置3を用いた基板11の洗浄方法について説明する。
まず、基板11をインナーチャック311上に設置する。次に、回転軸321内部にガス34を注入し、回転軸321内部、インナーチャック311及びアウターチャック312間の隙間を介して、ガス34を出口T1から排出する。
次に、回転軸321を回転駆動し、その後、滴下手段33のノズル331からフッ酸水溶液35を滴下する。
ここで、回転軸321の回転数、すなわち、基板11の回転数は、10回転/分以下、好ましくは、2回転/分以下とする。
フッ酸水溶液35は、基板11の中心から周縁部に向かって拡散し、周縁部を通って、基板11の他方の表面側に回りこむ。
なお、フッ酸水溶液35の基板11の他方の表面への周り込み量は、基板11の回転数、フッ酸水溶液35の吐出量、フッ酸水溶液35の粘度、ガスの出口T1からの吐出圧により調整することができる。
(酸化膜形成工程)
次に、図2(C)に示すように、基板11の表面に酸化膜13を形成する(処理S2)。
フッ酸水溶液35で洗浄された基板11表面には、酸化膜がなく、パーティクルが付着しやすいので、酸化膜13を形成する必要がある。
この酸化膜形成工程では、フッ酸洗浄工程で使用した回転式洗浄装置3を使用して、酸化膜の形成を行なう。
具体的には、基板11をインナーチャック311上に設置し、回転軸321内部にガス34を注入し、回転軸321内部、インナーチャック311及びアウターチャック312間の隙間を介して、ガス34を出口T1から排出する。
次に、回転軸321を回転駆動し、その後、滴下手段33のノズル331からオゾン水を滴下する。
このとき、回転軸321の回転数、すなわち、基板11の回転数は、500回転/分程度とする。
オゾン水を滴下し始めてから60秒位経過したら、オゾン水の滴下を停止する。
その後、基板を500回転/分程度の回転数で回転させ続けて、スピン乾燥を行ない、酸化膜形成工程を終了する。
(エピタキシャル層形成工程)
次に、基板11表面にエピタキシャル層12を形成する(処理S3)。
まず、図2(E)に示すように、基板11の熱処理を行なう。例えば、水素の雰囲気下で基板11の熱処理を行なう。
この熱処理により基板11表面の酸化膜13が除去される。そして、基板11表面のCOP111Aが平滑化されて、基板11表面のCOP111Aが消失することとなる。
その後、基板11の表面にエピタキシャル層12を形成する。
具体的には、基板11を図示しないエピタキシャル層成長装置にセットし、有機金属気相成長法(MOCVD法)や、分子線エピタキシャル法(MBE法)等を用いて、基板11上にエピタキシャル層12を形成する。
これにより、エピタキシャルシリコンウェハ1が完成する。
従って、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)酸化膜形成工程において、フッ酸水溶液35により基板11を洗浄した後、オゾン水で基板11表面を洗浄し、基板11表面に酸化膜13を形成している。オゾン水で基板11表面を洗浄することで、基板11内部に位置する欠陥であるCOP111Bを基板11表面に露出させずに、基板11表面に酸化膜13を形成することができる。換言すると、基板11表面を略エッチングせずに、基板11表面に酸化膜13を形成することができる。
従って、酸化膜13を形成する際に、基板11内部の欠陥であるCOP111Bが基板11表面に露出してしまうことがない。
このように、フッ酸水溶液35による洗浄が行なわれていないCOP111Bが表面に露出することがないので、後段の熱処理により、基板11表面にCOP111Bが残ってしまうことがない。
熱処理により、基板11表面のCOP111Aを確実に消失させることができ、また、基板11表面に基板11内部に存在したCOP111Bが露出し、残存してしまうことがないので、基板11上にエピタキシャル層12を形成した際に、エピタキシャル層12の欠陥の発生を減少させることができる。
(2)フッ酸洗浄工程において、基板11表面にフッ酸水溶液35を滴下し、基板11表面を洗浄すると、基板11表面の酸化膜13が除去され、基板11表面が撥水性となる。
この状態で、基板11の回転数を10回転/分を超えるものとした場合には、基板11表面に滴下されたフッ酸水溶液35が基板11の回転により外方に飛ばされることとなり、フッ酸水溶液35により、基板11表面の酸化膜13及び基板11表面のCOP111の内壁酸化膜112を確実に除去することができないという問題がある。
これに対し、本実施形態では、基板11の回転数を10回転/分以下としているので、基板11表面に滴下されたフッ酸水溶液35が基板11外方に飛ばされにくくなり、フッ酸水溶液35が基板11表面上に存在することとなるので、基板11表面の酸化膜13及び基板11表面のCOP111の内壁酸化膜112を確実に除去することが可能となる。
(3)本実施形態では、フッ酸洗浄工程、酸化膜形成工程で、回転式洗浄装置3を使用している。この回転式洗浄装置3は、基板11を一枚ずつ処理するものである。
例えば、液槽にフッ酸水溶液を溜めて、この液槽内に複数枚の基板を浸漬させる方法の場合には、基板が隣接する他の基板から排出される不純物等による影響を受けてしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、基板11を1枚ずつ処理しており、いわゆる枚葉式の回転式洗浄装置3を使用しているため、基板11が他の基板により、汚染される可能性がない。
また、回転式洗浄装置3は、基板11を1枚づつ処理するものであるため、基板11を複数枚、一度に浸漬させるような液槽を設ける場合に比べ、回転式洗浄装置3の小型化を図ることが可能となる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、図3に示す回転式洗浄装置3を使用して基板11の洗浄を行なったが、このような回転式洗浄装置3を使用しなくても良い。例えば、槽にフッ素水溶液等を蓄積しておき、この槽内に基板を浸漬させる方法で、洗浄を行なってもよい。
また、槽にオゾン水を蓄積しておき、槽内のオゾン水に基板を浸漬させてもよい。
さらに、前記実施形態では、酸化膜形成工程では、オゾン水を用いて、基板表面に酸化膜を形成していたが、これに限られるものではない。すなわち、基板11の表面に露出していない基板11内部の欠陥を、基板11表面に露出させずに、基板11表面に酸化膜13を形成するような液であれば任意の液を使用することができる。例えば、過酸化水素水を使用して、基板11表面に酸化膜13を形成することもできる。
過酸化水素水を使用することによっても、基板11の表面に露出していない基板11内部の欠陥を、基板11表面に露出させずに、基板11表面に酸化膜13を形成することができるので、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、エピタキシャル層12の積層欠陥の数を十分に減少させることができる。
また、酸化膜形成工程において、過酸化水素水と塩酸とを混合した水溶液による洗浄、いわゆるSC−2洗浄を行なってもよい。この場合にも、基板11の表面に露出していない基板11内部の欠陥を、基板11表面に露出させずに、基板11表面に酸化膜13を形成することができる。
次に、本発明の実施例について説明する。
前記実施形態と同様の方法でエピタキシャルシリコンウェハを製造した。
(フッ酸洗浄工程)
窒素を4×1013atoms/cm3〜5×1013atoms/cm3ドープしたシリコン単結晶の基板を用意した。
このシリコン単結晶の基板は、径が300mmであり、窒素以外にボロンがドーピングされたP型である。抵抗率は、10Ω・cmである。
この基板を、フッ酸水溶液により洗浄し、基板表面の酸化膜を除去するとともに、基板表面に露出しているCOP内の内壁酸化膜を除去した。基板の洗浄には、前記実施形態で使用した回転式洗浄装置を使用した。フッ酸水溶液の濃度を10%とし、基板の回転数を2回転/分とし、さらに、処理時間を90秒とした。
(酸化膜形成工程)
フッ酸水溶液で洗浄した基板表面をオゾン水で洗浄し、酸化膜を形成した。前記実施形態と同様の回転式洗浄装置を用いて洗浄を行なった。
オゾン水の濃度は、20ppmであり、基板の回転速度は、500回転/分とした。
(エピタキシャル層形成工程)
基板を水素雰囲気中で1145℃で70秒熱処理した。
次に、基板を1130℃で加熱しながら、4μmの膜厚のエピタキシャル層を形成した。これによりエピタキシャルシリコンウェハを得た。
(評価)
得られたエピタキシャルシリコンウェハのエピタキシャル層中のSF(積層欠陥)の個数をカウントしたところ、5個であった。
これにより、エピタキシャル層の積層欠陥の数が非常に少ないことを確認することができた。
本発明は、エピタキシャルシリコンウェハの製造方法に利用することができる。
本発明の実施形態にかかるエピタキシャルシリコンウェハの製造工程を示すフローチャートである。 前記エピタキシャルシリコンウェハの製造の各工程を示した模式図である。 前記エピタキシャルシリコンウェハの製造方法に使用する洗浄装置を示す模式図である。 従来のエピタキシャルシリコンウェハの製造工程を示す模式図である。 従来のエピタキシャルシリコンウェハの製造工程を示す模式図である。
符号の説明
1…エピタキシャルシリコンウェハ
3…回転式洗浄装置
11…基板
12…エピタキシャル層
13…酸化膜
31…保持手段
32…回転手段
33…滴下手段
34…ガス
35…フッ酸水溶液
112…内壁酸化膜
121…積層欠陥
311…インナーチャック
312…アウターチャック
313…油圧シリンダ
313A…シリンダ
313B…ピストン
321…回転軸
321A…孔
321B…回転中心軸
331…ノズル
111(111A,111B)…COP
T…吐出経路
T1…出口

Claims (3)

  1. チョクラルスキー法により製造され、窒素をドープしたシリコン単結晶を切り出すことで得られる基板と、この基板上に形成されたエピタキシャル層とを有するエピタキシャルシリコンウェハの製造方法であって、
    前記基板を、フッ酸を含む液で洗浄するフッ酸洗浄工程と、
    前記基板の表面に露出していない基板内部の欠陥を、基板表面に露出させずに、基板表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
    前記酸化膜が形成された基板を水素雰囲気で熱処理した後、前記基板上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程とを備えることを特徴とするエピタキシャルシリコンウェハの製造方法。
  2. 請求項1に記載のエピタキシャルシリコンウェハの製造方法において、
    前記酸化膜形成工程では、基板表面を、過酸化水素を含有する溶液又はオゾン水溶液により洗浄することで、基板表面に酸化膜を形成することを特徴とするエピタキシャルシリコンウェハの製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載のエピタキシャルシリコンウェハの製造方法において、
    前記フッ酸洗浄工程では、回転式洗浄装置を用いて、基板の洗浄を行い、
    前記回転式洗浄装置は、前記基板の一方の表面にフッ酸を含む液を滴下する滴下手段と、
    前記基板の他方の表面を支持する支持手段と、
    この支持手段に支持された前記基板の表面を通る軸を回転中心軸として、前記基板を回転駆動する回転手段とを備え、
    前記回転手段により基板を、10回転/分以下の回転数で回転させながら、前記滴下手段からフッ酸を含む液を滴下して基板の洗浄を行なうことを特徴とするエピタキシャルシリコンウェハの製造方法。
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