(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェーハへの欠陥の発生を防止しつつ、ウェーハを適切に冷却することのできる技術を提供する。【解決手段】反応炉内に処理対象のウェーハＷを収容し、ウェーハＷにエピタキシャル層を気相成長させ、その後、ウェーハＷを冷却することによりエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハ製造方法であって、ウェーハＷをランプにより加熱しつつ、エピタキシャル層を気相成長させ、エピタキシャル層が形成された高温のウェーハＷをランプの出力を制御することにより、ウェーハＷの温度の冷却速度が所定の速度（例えば、３度／秒）以下となるようにしてウェーハＷを冷却する。【選択図】図２
2010258241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長が行われたウェーハを冷却するウェーハ冷却方法であって、
前記ウェーハを加熱する加熱手段の出力を制御することにより、前記ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにして前記ウェーハを冷却するウェーハ冷却方法。
【請求項２】
前記ウェーハの温度が１０５０度以下となるまで、前記ウェーハの温度の冷却速度を前記所定の速度以下に維持する
請求項１に記載のウェーハ冷却方法。
【請求項３】
前記所定の速度は、４度／秒である
請求項１又は請求項２に記載のウェーハ冷却方法
【請求項４】
前記所定の速度は、３度／秒である
請求項３に記載のウェーハ冷却方法。
【請求項５】
前記ウェーハの温度が１０５０度以下になった後に、前記ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにするための前記加熱手段による出力制御を終了する
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のウェーハ冷却方法。
【請求項６】
前記ウェーハは、直径３００ｍｍ以上のウェーハである
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のウェーハ冷却方法。
【請求項７】
反応炉内に処理対象のウェーハを収容し、前記ウェーハにエピタキシャル層を気相成長させ、その後、ウェーハを冷却することによりエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハ製造方法であって、
前記ウェーハを加熱手段により加熱しつつエピタキシャル層を気相成長させ、前記エピタキシャル層が形成された前記ウェーハを加熱手段の出力を制御することにより、前記ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにして前記ウェーハを冷却するエピタキシャルウェーハ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハを冷却するウェーハ冷却方法及びウェーハにエピタキシャル成長を行ってエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハ製造方法に関し、特に、冷却時におけるウェーハへの欠陥の発生を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、反応炉において、ウェーハをサセプターに載置して所定の温度まで加熱し、その後、ウェーハにエピタキシャル層を成長させ、高温のエピタキシャルウェーハを所定の温度まで冷却することによりエピタキシャルウェーハを製造することが行なわれている。
【０００３】
例えば、反応炉の一例としての枚葉式のエピタキシャル成長炉においては、ウェーハの裏面の最外周部近傍をサセプターに接触させて支持させるものがある。
【０００４】
このようなエピタキシャル成長炉においては、エピタキシャル成長を行う高温プロセスの過程でサセプターに堆積したシリコンとウェーハとが溶着することがある。このため、エピタキシャル成長をさせてから冷却する過程において、ウェーハが伸縮運動を起こすと、ウェーハに熱応力を伴った接触キズが発生する虞がある。この接触キズによると、後の工程の熱処理プロセスにおいてウェーハにスリップが顕在化する虞がある。特に、ランプアニール処理等のウェーハに反りを伴うような急速昇降温工程を経ているシリコンウェーハにおいては、スリップが顕在化する虞が高く、また、応力を緩和するように塑性変形してしまう虞もある。このため、例えば、フォトレジスト工程においては、パターンシフトを引き起こす虞がある。
【０００５】
ウェーハにおけるスリップ等の転位の発生を防止する技術としては、例えば、ウェーハを支持する支持治具との接触部分の温度をウェーハの中央部の温度よりも低くなるように制御する技術（特許文献１参照）や、エピタキシャル層の成長中に、加熱量を漸増させる技術（特許文献２参照）が知られている。
【０００６】
また、半導体ウェーハを冷却する際にスリップの発生を低減する技術としては、例えば、ウェーハがサセプターと接触していない間に約１０℃／秒以上の速度で冷却する技術が知られている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６４３００号公報
【特許文献２】特開２００２−１６００４号公報
【特許文献３】特表２００３−５０２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば、特許文献３の技術によると、ウェーハをサセプターと接触しないようにするために、ウェーハをピンで支持し、冷却をおこなっている。
【０００９】
近年では、ウェーハが直径３００ｍｍのように大径化しており、このようなウェーハにおいては、ウェーハの自重による応力の影響を考慮する必要もあり、ピンで支持した状態で長時間冷却することにより、ウェーハの品質に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１０】
そこで、ウェーハをサセプターで支持している場合において、ウェーハに欠陥を発生させることなく、冷却させることが要請されている。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、ウェーハへの欠陥の発生を防止しつつ、ウェーハを適切に冷却することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的達成のため、本発明の第１の観点に係るウェーハ冷却方法は、ウェーハを冷却するウェーハ冷却方法であって、エピタキシャル成長が行われたウェーハを加熱する加熱手段の出力を制御することにより、ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにしてウェーハを冷却する。係るウェーハ冷却方法によると、エピタキシャル成長がおこなわれたウェーハの温度の冷却速度を所定速度以下となるようにウェーハを冷却することができるので、ウェーハにおける急激な温度変化を防止でき、ウェーハへの欠陥の発生を低減することができる。
【００１３】
また、上記ウェーハ冷却方法において、ウェーハは、であってもよい。係るウェーハ冷却方法によると、を適切に冷却することができる。
また、上記ウェーハ冷却方法において、ウェーハの温度が１０５０度以下となるまで、ウェーハの温度の冷却速度を所定の速度以下に維持するようにしてもよい。係るウェーハ冷却方法によると、ウェーハに発生する歪を効果的に低減することができる。
【００１４】
また、上記ウェーハ冷却方法において、所定の速度は、４度／秒であってもよい。係るウェーハ冷却方法によると、ウェーハに発生する歪を効果的に低減することができる。
【００１５】
また、上記ウェーハ冷却方法において、所定の速度は、３度／秒であってもよい。係るウェーハ冷却方法によると、ウェーハに発生する歪を効果的に低減することができる。
【００１６】
また、上記ウェーハ冷却方法において、ウェーハの温度が１０５０度以下になった後に、ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにするための加熱手段による出力制御を終了するようにしてもよい。係るウェーハ冷却方法によると、ウェーハが１０５０度以下になった後に、迅速にウェーハの温度を冷却することができる。
【００１７】
また、上記ウェーハ冷却方法において、ウェーハは、直径３００ｍｍ以上のウェーハであってもよい。係るウェーハ冷却方法によると、直径３００ｍｍ以上のウェーハを適切に冷却することができる。
【００１８】
また、上記目的達成のため、本発明の第２の観点に係るエピタキシャルウェーハ製造方法は、反応炉内に処理対象のウェーハを収容し、ウェーハにエピタキシャル層を気相成長させ、その後、エピタキシャルウェーハを冷却することによりエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャルウェーハ製造方法であって、ウェーハを加熱手段により加熱しつつエピタキシャル層を気相成長させ、エピタキシャル層が形成された前記ウェーハを加熱手段の出力を制御することにより、ウェーハの温度の冷却速度が所定の速度以下となるようにしてウェーハを冷却する。係るエピタキシャルウェーハ製造方法によると、ウェーハの温度の冷却速度を所定速度以下となるようにウェーハを冷却することができるので、ウェーハにおける急激な温度変化を防止でき、エピタキシャル層が形成されたウェーハへの欠陥の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る反応炉の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るウェーハ冷却方法を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る相対歪量の検出を説明する図である。
【図４】冷却速度を変えた場合におけるウェーハの状態を説明する図である。
【図５】冷却速度の制御を終了する制御終了温度を変えた場合におけるウェーハの状態を説明する図である。
【図６】本実施形態に係るウェーハ冷却方法により冷却した場合と、比較例に係るウェーハ冷却方法により冷却した場合におけるウェーハ及びサセプターの温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２１】
まず、本発明の一実施形態に係るウェーハ冷却方法及びエピタキシャルウェーハ製造方法を実行するための反応炉の一例について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る反応炉の概略構成図であり、反応炉の一部断面図を示している。
【００２３】
反応炉１は、一枚のウェーハＷに対してエピタキシャル成長工程と冷却工程とを含むエピタキシャルウェーハ製造工程を実行可能な枚葉式の反応炉（枚葉炉）である。本実施形態では、例えば、直径３００ｍｍ以上のウェーハＷを対象としている。反応炉１は、透明な石英ガラスにより構成された上部ドーム２と、上部構成部３と、下部構成部４と、透明な石英ガラスにより構成された下部ドーム５とを有し、これら構成部により、処理対象のウェーハＷを収容する空間Ｓ（炉内空間）を画成している。
【００２４】
炉内空間Ｓには、キャリアガス（例えば、Ｈ２）、ソースガス、ドーパントガス、塩化水素ガス等を炉内空間Ｓに供給するための供給口６と、炉内空間Ｓから外部にガスを排出する排出口７とが連通している。
【００２５】
炉内空間Ｓにおいて、処理対象のウェーハＷを載置するサセプター８が設けられている。サセプター８は、例えば、カーボンを母材とし、ＳｉＣ膜でコーティングされている。サセプター８は、サセプター支持部９により下方から支持されている。
【００２６】
また、炉内空間Ｓには、サセプター８上のウェーハＷをサセプター８の上方に持ち上げるためのリフトピン１０が設けられている。リフトピン１０は、ウェーハリフト部１１が上方に移動することにより持ち上げられ、サセプター８に形成された開口から上方に移動し、サセプター８に載置されたウェーハＷを持ち上げることができるようになっている。
【００２７】
上部ドーム２の上方には、上部ドーム２を介してウェーハＷを加熱するための加熱手段の一例としての複数のランプ１２（１２ａ、１２ｂ）が同心円状に並べられて設けられている。ランプ１２ａは、ウェーハＷの上面の中心側の領域（内側領域）を加熱するためのものであり、ランプ１２ａから発生されるランプ光は、図示しないリフレクタにより、ウェーハＷの上面の中心領域に導かれるようになっている。ランプ１２ｂは、ウェーハＷの上面の外周側の領域（外側領域）を加熱するためのものであり、ランプ１２ｂから発生されるランプ光は、図示しないリフレクタにより、ウェーハＷの上面の外側領域に導かれるようになっている。また、上部ドーム２の略中央の上方には、サセプター８に載置されたウェーハＷの温度を測定するためのパイロメータ１３（放射熱温度計）が設けられている。パイロメータ１３は、石英ガラスを透過した光に基づいて、ウェーハＷの温度を測定する。
【００２８】
また、下部ドーム５の下方には、下部ドーム５を介して炉内空間Ｓ内を加熱するための加熱手段の一例としての複数のランプ１４（１４ａ、１４ｂ）が同心円状に２列並べられて設けられている。ランプ１４ａは、サセプター８の下面の外周側の領域（外側領域）を加熱するためのものであり、ランプ１４ａから発生されるランプ光は、図示しないリフレクタにより、サセプター８の下面の外側領域に導かれるようになっている。ランプ１４ｂは、サセプター８の下面の中心側の領域（内側領域）を加熱するためのものであり、ランプ１４ｂから発生されるランプ光は、図示しないリフレクタにより、サセプター８の下面の内側領域に導かれるようになっている。また、下部ドーム５の下方には、サセプター８の温度を測定するためのパイロメータ１５が設けられている。パイロメータ１５は、石英ガラスを透過した光に基づいて、サセプター８の下面の温度を測定する。
【００２９】
反応炉１には、ウェーハＷ、サセプター８等の温度を制御するためのランプコントローラー１６が設けられている。ランプコントローラー１６は、パイロメータ１３、１５により測定された温度を受け取り、当該温度に基づいて、ランプ１２、１４の出力を制御する。
【００３０】
図２は、本発明の一実施形態に係るウェーハ冷却方法を説明する図である。
【００３１】
このウェーハ冷却方法は、ウェーハＷに対して比較的高い温度（１２００度等）でエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長工程が実行された後の冷却工程において実行される。
【００３２】
まず、ランプコントローラー１６が、ウェーハＷの温度の冷却速度が所定の速度以下（例えば、３度／秒以下）となるように、ランプ１２、１４の出力を徐々に低下させる。本実施形態では、冷却速度が３度／秒となるようにしている。なお、高平坦度要求品以外の製品（例えば、デバイスデザインルールが７０ｎｍ以上の製品）を製造する際には、冷却速度が４度／秒以下となるようにしてもよい。また、生産性を比較的高く維持するためには、冷却速度は、２度／秒以上とすることが好ましい。
【００３３】
そして、ランプコントローラー１６は、パイロメータ１３による測定温度が冷却速度の制御を終了する基準の温度である制御終了温度（例えば、１０５０度）以下となったか否かを判定し、制御終了温度以下でない場合には、ウェーハＷの冷却温度が所定の速度以下となるようにランプ１２、１４の出力制御を継続する。ここで、制御終了温度としては、その温度以下においては、ランプ１２、１４の出力制御を行わなくともウェーハＷに欠陥が発生する可能性が低いと考えられる温度であり、本実施形態では、例えば、１０５０度以下の温度としている。
【００３４】
そして、パイロメータ１３による測定温度が制御終了温度以下となった場合には、ランプコントローラー１６は、ランプ１２、１４による出力を０又は比較的低い値に変更し、ウェーハＷの温度が冷却目標温度に低下するまで待機する。これにより、ウェーハＷの温度は、比較的早く冷却目標温度に低下することとなる。
【００３５】
このように、ウェーハＷの冷却が行われるので、ウェーハＷへの欠陥の可能性が高い制御終了温度までは、ウェーハＷの温度の冷却速度が所定の速度以下となるように冷却を行うことにより、ウェーハＷへの欠陥の発生を低減することができ、また、制御終了温度以下においては、ウェーハＷの冷却速度を速くすることができ、ウェーハＷの冷却時間を短縮することができる。
【００３６】
次に、上記した実施形態に係るウェーハ冷却方法の効果を説明するにあたって、効果を評価する指標となる相対歪量及び相対歪量の検出について説明する。
【００３７】
図３は、本発明の一実施形態に係る相対歪量の検出を説明する図であり、図３Ａは、相対歪量を検出するＳＩＲＤ（Scanning infrared Depolarization）検査装置の要部を示し、図３Ｂは、検出された歪波形を示し、図３Ｃは、浮動平均差分処理後の歪波形を示し、図３Ｄは、ＧＢＡ（Grid Base Analysis）を示している。
【００３８】
相対歪量とは、ウェーハＷの所定の領域における全てのセル（所定のグリッドにより分割された部分）の数に対する所定の閾値を超えた歪が発生しているセルの数の割合を示している。
【００３９】
ＳＩＲＤ検査装置２１において、ＩＲ（Infrared：赤外）レーザー発信器２２から発信された赤外光は、レンズ２３を介して偏光部２４に入射する。偏光部２４では、赤外光は直線偏光され、検査対象のウェーハＷに対して略垂直に入射する。ウェーハＷに入射した赤外光は、ウェーハＷの歪箇所においては、歪に応じて円偏光されて減衰する。
ウェーハＷを透過した赤外光は、対物レンズ２５を介して、偏光分離素子２６に入射する。偏光分離素子２６においては、赤外光は、直線偏光されている成分と、ウェーハＷの歪箇所において円偏光された成分とに分離される。分離された赤外光の成分は、それぞれ別のフォトダイオード２７に入射する。
【００４０】
各フォトダイオード２７は、入射した赤外光の成分の強度を検出し、検出結果を処理部２８に出力する。処理部２８は、入力された強度に基づいて、直線偏光成分と、円偏光成分との差分を歪量として検出する。このような、歪量を検出する処理を、ウェーハＷを回転させ、また、赤外光の照射されるウェーハＷの半径方向の位置を変更して行うことにより、ウェーハＷ上の各位置における歪量を検出する。このような検出処理において、検出された歪量の波形（歪波形）は、図３Ｂに示すような波形をしている。この歪波形には、ウェーハＷにおけるボロン、リン等のドーパント濃度に起因する歪成分や、ウェーハＷの全体的な反り等に起因する歪成分が含まれている。
【００４１】
そこで、処理部２８は、歪波形から局所的な歪成分を抽出するために、ドーパント濃度や、ウェーハの全体的な反りによる歪成分に相当する長波長の歪成分を歪波形から除外するフィルタリング処理、すなわち浮動平均差分処理を行う。図３Ｂに示す歪波形に、浮動平均差分処理を行うと、図３Ｃに示すように長波長の成分が除外された歪波形が得られる。
【００４２】
次いで、処理部２８は、ＧＢＡ法を用いて、歪波形に基づいて、相対歪量を求める。すなわち、処理部２８は、ウェーハＷの全面に所定のグリッドの格子を当てがい、所定の領域における全てのセルの数に対する所定の閾値を超えた歪が発生しているセルの数の割合を示す相対歪量を検出する。図３Ｄには、歪波形におけるグリッド位置を示しており、グリッド間がセルの歪を示している。
【００４３】
ここで、グリッドとしては、直交座標系のグリッド（Ｘ−Ｙグリッド）や、極座標系のグリッド（Ｒ−Ｔグリッド）を用いることができる。本実施形態では、例えば、１ｍｍ×１ｍｍのセルを構成するグリッドを用い、ウェーハＷの最外周の例えば５ｍｍ幅の円環状の領域から最外周の０．５ｍｍ幅の円環状の領域を除いた領域を対象に相対歪量を検出している。
【００４４】
図４は、冷却速度を変えた場合におけるウェーハの状態を説明する図である。
【００４５】
図４Ａは、ウェーハＷに対して冷却速度を変えて冷却した場合におけるウェーハＷの温度と、時間との関係を示す図であり、図４Ｂは、各冷却速度によって冷却されたウェーハの相対歪量を示す図である。
【００４６】
エピタキシャル層を形成した高温の複数のウェーハＷについて、図４Ａに示すように、一つのウェーハＷについては、ランプ１２、１４の出力制御を行わないようにし、残りのウェーハＷについては、ウェーハＷが１０００度になるまで、冷却速度を６度／秒、４度／秒、３度／秒、２度／秒のそれぞれになるようにランプ１２、１４の出力制御を行い、その後、ランプ１２、１４の出力制御を終了するようにして、ウェーハＷを冷却した。
【００４７】
図４Ａに示すように冷却したウェーハＷについての相対歪量は、図４Ｂに示すようになる。
【００４８】
図４Ｂによると、冷却速度を遅くした方が、相対歪量を減少させる傾向があり、相対歪量を低減するためには、冷却速度を低くするように制御することが好ましく、例えば、４度／秒とした場合には、相対歪量が１３パーセント以下であるので、高平坦度要求品以外の製品（例えば、デバイスデザインルールが７０ｎｍ以上の製品）であれば、冷却速度４度／秒以下であればよいことがわかる。さらに、冷却温度が４度／秒と、３度／秒との間では、相対歪量の減少率が極めて高いことから、冷却速度を３度／秒以下にすることが特に好ましいことがわかる。なお、生産性を比較的高く維持するためには、冷却速度は、２度／秒以上とすることが好ましい。
【００４９】
図５は、冷却速度の制御を終了する制御終了温度を変えた場合におけるウェーハの状態を説明する図である。図５Ａは、ウェーハＷに対して一定の冷却速度による冷却を終了する制御終了温度を変えて冷却した場合におけるウェーハＷの温度と、時間との関係を示す図であり、図５Ｂは、各制御終了温度まで冷却速度を制御した場合におけるウェーハの相対歪量を示す図である。
【００５０】
エピタキシャル層を形成した高温の複数のウェーハＷについて、図５Ａに示すように、冷却速度を一定の３度／秒として、各ウェーハＷがそれぞれ１１００度、１０５０度、１０００度になるまで、ランプ１２、１４の出力制御を行い、その後、ランプ１２、１４の出力制御を終了するようにして、ウェーハＷを冷却した。
【００５１】
図５Ａに示すように冷却したウェーハＷについての相対歪量は、図５Ｂに示すようになる。
【００５２】
図５Ｂによると、１０５０度以下まで冷却速度を一定とする制御を行った方が、１１００度まで冷却速度を一定とする制御を行った場合に比して、相対歪量を低減することができることがわかる。ここで、１０５０度まで制御を行った場合と、１０００度まで制御を行った場合との相対歪量の差がほとんど見られないので、この例では、冷却時間を短縮する観点からは、１０５０度まで制御を行うほうが好ましいことがわかる。
【００５３】
図６は、本実施形態に係る冷却方法により冷却した場合と、比較例に係る冷却方法により冷却した場合におけるウェーハ及びサセプターの温度変化を示す図である。
【００５４】
図６に示すように、冷却速度の制御を行わない場合と、本実施形態に係る冷却速度の制御を行った場合とでは、本実施形態に係る冷却速度の制御を行った場合の方が、ウェーハＷとサセプター８との温度差を小さくすることができていることがわかる。このことから、ウェーハＷがサセプター８から受ける熱歪が小さくなり、結果としてウェーハＷの歪が低減されたことが推測できる。
【００５５】
以上、本発明を実施形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限られず、他の様々な態様に適用可能である。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、ウェーハＷの温度が所定の温度に到達した後は、ランプ１２、１４による冷却速度の調整制御を行わないようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、直前の冷却速度よりは速い冷却速度以内でウェーハＷの温度が低下するように制御するようにしてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、エピタキシャルウェーハを製造する工程におけるウェーハの冷却工程を例に示していたが、本発明はこれに限られず、ウェーハを冷却する工程であれば、他の処理においても適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  反応炉、２  上部ドーム、３  上部構成部、４  下部構成部、５  下部ドーム、８  サセプター、９  サセプター支持部、１０  リフトピン、１１  ウェーハリフト部、１２、１２ａ、１２ｂ  ランプ、１３  パイロメータ、１４、１４ａ、１４ｂ  ランプ、１５  パイロメータ、１６  ランプコントローラー、Ｗ  ウェーハ。
【図１】
2010258241.tif 000003
【図２】
2010258241.tif 000004
【図３】
2010258241.tif 000005
【図４】
2010258241.tif 000006
【図５】
2010258241.tif 000007
【図６】
2010258241.tif 000008