JP2000026192A

JP2000026192A - 薄膜成長装置

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Publication number: JP2000026192A
Application number: JP12060499A
Authority: JP
Inventors: Tadaaki Honma; 忠明本間; Takeshi Arai; 剛荒井
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-01-25
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP3092801B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン単結晶薄膜の気相成長装置における
サセプタ温度の面内均一性を改善し、シリコン単結晶薄
膜の膜厚を均一化する。【解決手段】サセプタ５の座繰り部５ａに埋設されて
いるリフトピン８の基材を、サセプタ５の基材よりも熱
伝導率の低い基材に変更することにより、リフトピン近
傍のサセプタ温度の局所的な低下を防止する。かかる基
材としては、ＳｉＣ、所望のグレードの炭素材、石英が
好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜成長装置に関
し、特にシリコン単結晶薄膜成長装置における温度均一
性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスのデザイン・ルールは、
実用レベルで既にサブクォーター・ミクロンのレベルに
到達しようとしている。微細化によって半導体デバイス
の取扱い電荷量が減少すると、ウェーハ表面近傍のわず
かな微小欠陥もデバイス特性に致命的な影響を与えるお
それが従来以上に大きくなり、特にバイポーラ回路やＣ
ＭＯＳ回路の性能劣化が問題となる。そこで今後は、融
液から引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライ
ス、研磨して製造される鏡面研磨ウェーハに替わり、そ
の表面にさらにシリコン単結晶薄膜を気相成長させたシ
リコンエピタキシャルウェーハの利用が増加するものと
予想される。

【０００３】シリコンエピタキシャルウェーハにおいて
は、高度な厚さ均一性が要求される。この厚さ均一性
は、元々の鏡面研磨ウェーハが高度に平坦であることか
ら、該鏡面研磨ウェーハ上に気相成長されるシリコンエ
ピタキシャル層の平坦性と言い換えてもよい。高度な平
坦性が要求されるのは、近年のフォトリソグラフィに用
いられる露光光の波長が遠紫外線波長域まで短波長化さ
れ、焦点深度が著しく低減しているため、少しでもプロ
セスマージンを稼ぐ必要があるからである。しかもこの
要求は、ウェーハの口径が現行の２００ｍｍから３００
ｍｍ、さらにはそれより上へと拡大するにつれて、ます
ます厳しくなってゆく。

【０００４】図１に、枚葉式の気相成長装置１０の一構
成例を示す。この装置は、透明石英からなる反応容器１
内に１枚ずつセットされたウェーハＷを上下より赤外線
ランプ９を用いて加熱しながら、気相エピタキシャル成
長を行わせるものである。上記反応容器１内は、ウェー
ハＷを載置するためのサセプタ５によって上部空間１ａ
と下部空間１ｂとに分割されている。この上部空間１ａ
では、ガス供給孔２からキャリアガスであるＨ_２ガスと
共に導入された原料ガスがウェーハＷの表面をほぼ層流
を形成しながら図中矢印Ａ方向に流れ、反対側の排気孔
４から排出される。下部空間１ｂには、上記原料ガスよ
りも高圧にてパージガスであるＨ_２ガスが供給されてい
る。パージガスを高圧とするのは、反応容器１とサセプ
タ５との間の隙間から下部空間１ｂへの原料ガスの進入
を防止するためである。

【０００５】上記下部空間１ｂには、上記サセプタ５を
その裏面から支えるための石英からなるサポート手段
と、サセプタ５上でウェーハＷを着脱するためのリフト
ピン８が内蔵されている。上記サポート手段は、回転軸
６と、該回転軸６の先端部から放射状に分岐される複数
のスポーク７から構成される。上記スポーク７の末端に
は垂直ピン７ｂが設けられ、該垂直ピン７ｂの先端が上
記サセプタ５の裏面に当接されることによりこれを支え
るようになされている。上記回転軸６は、図示されない
駆動手段によって図中矢印Ｃ方向に回転可能とされてい
る。

【０００６】上記リフトピン８は頭部が拡径され、この
頭部がウェーハＷを載置するためのサセプタ５の座繰り
部５ａの底面に設けられた貫通孔５ｂのテーパ状側壁部
に懸吊されている。リフトピン８の軸部はスポーク７の
中途部に穿設された貫通孔７ａに挿通され、該リフトピ
ン８が安定に垂下されるようになされている。

【０００７】サセプタ５上におけるウェーハＷの着脱
は、サポート手段の昇降により行う。たとえば、ウェー
ハＷをサセプタ５から取り外す場合、図２に示されるよ
うにサポート手段を下降させ、リフトピン８の尾部を反
応容器１の下部空間１ｂの内壁に当接させる。これによ
って付勢されたリフトピン８が、その頭部においてウェ
ーハＷの裏面に衝合し、該ウェーハＷを座繰り部５ａの
上方へ浮上させる。この後、サセプタ５とウェーハＷと
の間の空間にハンドラを挿入し、ウェーハＷの受け渡し
および搬送を行う。

【０００８】上記サセプタ５の構成材料としては通常、
黒鉛基材をＳｉＣ（炭化珪素）の被膜でコーティングし
たものが用いられている。基材として黒鉛が選択されて
いるのは、開発当初の気相成長装置の加熱方式の主流が
高周波誘導加熱であったことと関連しているが、その他
にも高純度品が得やすいこと、加工が容易であること、
熱伝導率に優れていること、破損しにくい等のメリット
があるからである。ただし、黒鉛は多孔質体であるが故
にプロセス中に吸蔵ガスを放出する可能性があること、
また、シリコンエピタキシャル成長の過程では黒鉛と原
料ガスが反応してサセプタの表面がＳｉＣに変化するこ
と等の問題があり、その表面を最初からＳｉＣ被膜で覆
う構成が一般化したのである。ＳｉＣ被膜は通常、ＣＶ
Ｄ（化学的気相成長法）により形成されている。上記リ
フトピン８の構成材料もサセプタ５と同様、黒鉛基材の
ＳｉＣ被覆物とされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エピタキシ
ャルウェーハの平坦度に対する要求は年々厳しさを増し
ているが、上述のような構成上および材料上の工夫を経
た枚葉式気相成長装置をもってしても、エピタキシャル
ウェーハの面内位置によってエピタキシャル層の厚みに
差があることがわかってきた。特に、エピタキシャル層
の厚みが概ね８μｍを超えると、エピタキシャル層の面
内厚さの差が実用上好ましくないレベルにまで強調され
る傾向がある。

【００１０】図６に、直径２００ｍｍのｐ^＋型、面方位
（１００）の単結晶シリコン基板上に、目標厚さ１５μ
ｍでｐ型のシリコンエピタキシャル層（抵抗率＝１０Ω
・ｃｍ）を気相成長させた場合について、その平坦度を
示す。この図は、ウェーハ上における平坦度のマッピン
グであり、ウェーハ全面を２０ｍｍ角のセルに分割し、
ベストフィット法で求めた基準面と各セル内に発生して
いる凸部または凹部との標高差の最大値を絶対値で表し
たもの（ＳＥＭＩの定義によるＳＦＱＤ）である。この
図を見ると、円周の３分割地点にほぼ等しい縁部におい
て、エピタキシャル層の厚みの差が極端に大きくなって
いることがわかる。これは、実用上許容できるものでは
ない。そこで本発明は、得られるシリコン単結晶薄膜の
膜厚均一性を改善することが可能な薄膜成長装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前掲の図
６に示された平坦度のマッピングにおいて数値が悪化し
ている地点がリフトピンによる支点とほぼ一致している
ことに着目し、この部分においてサセプタの熱がリフト
ピンに奪われて散逸し、この結果としてウェーハ温度が
局部的に低下し、エピタキシャル層の膜厚均一性を劣化
させたとの仮説を立てた。この仮説にしたがってリフト
ピンの基材をサセプタの基材よりも熱伝導率の低いもの
に変更することで良好な結果が得られることを確認し、
本発明を提案するに至ったものである。

【００１２】すなわち本発明の薄膜成長装置は、反応容
器内に配置されたサセプタ上に基板を載置し、該反応容
器内に原料ガスを供給しながら該基板上にシリコン単結
晶薄膜を気相成長させる装置であって、サセプタの基板
載置用の座繰り部に設けられた貫通孔に挿通されるリフ
トピンとしては、サセプタの基材よりも熱伝導率の低い
基材からなるものを用いる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明では、リフトピン８の基材
としてサセプタの基材より低い熱伝導率を有するものを
選択し、リフトピン８からの放熱を抑制することによ
り、該リフトピン８の近傍のウェーハの温度低下を軽減
することができる。より好ましくは、リフトピン８の基
材として、１０００℃における熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫ
以下のものを選択することである。１０００℃における
熱伝導率を考慮しているのは、シリコン単結晶薄膜成長
が実際に行われる温度域において基材の特性を評価する
必要があるからである。かかる条件を満たすリフトピン
８の基材として、本発明者らは次の表１に挙げるものが
好適であることを見出した。

【００１４】

【表１】

【００１５】従来、リフトピン８の基材としては、サセ
プタに用いられるものと共通の黒鉛が用いられており、
その１０００℃における熱伝導率は、通常８０Ｗ／ｍＫ
以上であった。しかし、同じ黒鉛材でも結晶化度の違い
によって熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫと低いものも入手でき
る。基材として黒鉛を用いる場合には、基材からの不純
物や吸蔵ガスの放出、およびシリコン単結晶薄膜成長の
最中における原料ガスと基材表面の反応を防止するため
に、従来と同様にＳｉＣ被膜を形成することが必要であ
る。また、黒鉛と同じ炭素材料でありながら、黒鉛と異
なり均質で緻密な等方性組織を有するガラス状カーボン
を基材として用いると、熱伝導率が１６Ｗ／ｍＫとさら
に低いため、リフトピン８からの放熱をより効果的に抑
制することができる。ガラス状カーボンは、黒鉛に比べ
気孔が少なく均質な材料であるため、基材からのガス放
出量が少なく、また、シリコンとも反応しないため、Ｓ
ｉＣ被膜を形成する必要がない。基材を熱伝導率が黒鉛
よりも低いＳｉＣとすることも好適である。ＳｉＣ結晶
から機械加工により削出したものをそのままリフトピン
として用いても構わないが、加工歪みが生じている可能
性があるので、より低い熱伝導率を得るためにはＣＶＤ
によるＳｉＣ被膜でコーティングすることが一層効果的
である。石英は、黒鉛やＳｉＣよりも著しく低い熱伝導
率を示す材料である。石英は、ＳｉＣ被膜を形成せず
に、無垢のまま使用することが好適である。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。前掲の図１に示した気相成長装置１０を用い、前
出の表１に示した材料でリフトピン８を５種類作製し、
熱伝導率１３０Ｗ／ｍＫの黒鉛基材にＳｉＣ被膜を施し
たサセプタに装着した。この状態で、直径２００ｍｍの
ｐ^＋型、面方位（１００）のシリコン単結晶基板上に、
厚さ１５μｍのｐ型シリコンエピタキシャル層（抵抗率
＝１０Ω・ｃｍ）を気相成長させた場合について、リフ
トピン８の配設位置近傍のエピタキシャル層の膜厚と、
ウェーハ全体にわたるエピタキシャル層の表面状態を調
べた。エピタキシャル成長条件は、一例として下記のと
おりとした。Ｈ_２アニール条件：１１３０℃，４５秒エピタキシャル成長温度：１１３０℃ Ｈ_２流量：４０リットル／分原料ガス（ＳｉＨＣｌ_３をＨ_２で希釈）流量：１２リットル／分ドーパント（Ｂ_２Ｈ_６をＨ_２で希釈）流量：１００ｍｌ／分

【００１７】ここで使用したリフトピン８の頭部の直径
は７．０ｍｍ、軸部の直径は３．２ｍｍ、軸部の長さは
１４ｃｍとした。図３に、赤外干渉法で測定したリフト
ピン８の配設位置近傍におけるシリコンエピタキシャル
層の厚さ分布を示す。縦軸にあるエピタキシャル層の厚
さの変移とは、層厚測定値のうち最も中心側の測定点に
おける層厚値と最も周辺側の測定点における層厚値とを
基準値とし、該基準値に対するエピタキシャル層の標高
差を比例換算して表したものである。また、Ｃ（１３
０）とは１０００℃における熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ
の黒鉛を表し、従来のリフトピンの基材に相当する。ま
た、Ｃ（４０）とは同じく４０Ｗ／ｍＫの黒鉛を表し、
本発明で用いられる基材に相当する。

【００１８】この図より、Ｃ（１３０）を基材とするリ
フトピンを用いた場合には、その近傍においてシリコン
エピタキシャル層が基準面よりも０．１４μｍ窪んだの
に対し、本発明においてＣ（４０）を基材とした場合に
は、この窪みが０．１０μｍに改善された。ＳｉＣを基
材とした場合には、窪みはわずか０．０１μｍに抑えら
れた。ガラス状カーボンを基材とした場合には、ＳｉＣ
を基材とした場合とほぼ同じ結果が得られた。さら
に、石英を用いた場合には、逆にシリコンエピタキシャ
ル層が基準面よりも凸となる傾向があることがわかっ
た。これらの結果から、リフトピン８の基材をサセプタ
の基材よりも熱伝導率の低い材料に変更することによ
り、該リフトピン８近傍における局所的なウェーハの温
度の低下が防止され、シリコンエピタキシャル層の厚さ
均一性が向上することがわかった。

【００１９】次に、ウェーハ全面についてエピタキシャ
ル層の表面に発生する微小な凹凸の分布状況を調べた。
ここでは、１枚のシリコン単結晶基板に対してＣ（４
０）＋ＳｉＣ被膜、ＳｉＣ＋ＳｉＣ被膜、および比較の
ためのＣ（１３０）＋ＳｉＣ被膜の計３種類のリフトピ
ン８を１本ずつ装着してシリコンエピタキシャル層を気
相成長させる実験と、３本共石英からなるリフトピン８
を装着してシリコンエピタキシャル層を気相成長させる
実験とを行った。図４に、３種類のリフトピン８を一度
に用いた場合について、レーザ散乱光検出装置を用いて
ウェーハ面内の微小な凹凸の分布を測定した結果を示
す。図中の各矢印の先端は、リフトピン８の位置に対応
する。また、微小な凹凸の値（単位：ｐｐｍ）が小さい
領域ほど、ウェーハ表面温度は相対的に低い。これを見
ると、Ｃ（１３０）＋ＳｉＣ被膜のリフトピン近傍では
低温域が大きく広がっているのに対し、Ｃ（４０）＋Ｓ
ｉＣ被膜のリフトピン近傍ではこの広がりがやや狭く、
また微小な凹凸の最大値もやや小さい。さらに、ＳｉＣ
＋ＳｉＣ被膜のリフトピンの近傍では微小な凹凸の局部
的変化が観察されないので、低温域がほとんど解消され
ていることが明らかとなった。

【００２０】図５には、石英からなるリフトピン８を用
いた場合について、図４の測定と同じ装置によるウェー
ハ面内の微小な凹凸の分布を示す。この図は、前掲の図
５と表示スケールが異なっている。これより、石英から
なるリフトピン近傍では、温度低下がほとんど解消され
ていることが明らかである。

【００２１】以上、本発明の具体的な実施例について説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。たとえば、リフトピンの形状や寸法、回転軸の
先端部から分岐されるスポークの本数、使用するウェー
ハの口径、シリコン単結晶薄膜の気相成長条件、枚葉式
気相成長装置の構成の細部については適宜変更、選択、
組合せが可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の薄膜成長装置ではリフトピンの基材の変更により、
リフトピン位置近傍における温度低下を防止してウェー
ハの面内温度分布を改善し、これによりシリコンエピタ
キシャル層の膜厚の変化をリフトピン位置の近傍におい
て０．０１μｍのオーダーに抑制することも可能とな
る。したがって、エピタキシャルウェーハ上に形成され
る半導体デバイスの歩留りを改善し、また半導体デバイ
スの品質トラブルを未然に防止することができる。本発
明は、ウェーハの大口径化に伴って主流となることが予
想される枚葉式気相成長装置の実用性能を高める技術で
あり、半導体製造分野における産業上の価値は極めて高
いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】気相成長装置の典型的な構成例において、気相
成長中の使用状態を示す模式的断面図である。

【図２】気相成長装置の典型的な構成例において、リフ
トピンを用いてウェーハをサセプタから上昇させた状態
を示す模式的断面図である。

【図３】リフトピン近傍のシリコンエピタキシャル層の
厚さの変移を様々なリフトピンの基材間で比較したグラ
フである。

【図４】１枚のシリコン単結晶ウェーハに対して３種類
の基材からなるリフトピンを１本ずつ使用した場合のウ
ェーハ面内の微小な凹凸の分布を示す模式図である。

【図５】１枚のシリコン単結晶ウェーハに対して石英か
らなるリフトピンを３本使用した場合のウェーハ面内の
微小な凹凸の分布を示す模式図である。

【図６】従来の枚葉式気相成長装置を用いて成長された
シリコンエピタキシャル層について、ウェーハ上におけ
る平坦度をマッピングした図である。

【符号の説明】

１反応容器１ａ（反応容器の）上部空間１ｂ（反応容器の）下部空間５サセプタ５ａ座繰り部６回転軸７スポーク８リフトピン９赤外線ランプ１０気相成長装置Ｗウェーハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に配置されたサセプタ上に基
板を載置し、該反応容器内に原料ガスを供給しながら該
基板上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させる薄膜成長
装置であって、前記サセプタの基板載置用の座繰り部に設けられた貫通
孔に、該サセプタの基材よりも熱伝導率の低い基材から
なるリフトピンが挿通され、該リフトピンを昇降させて
前記基板の裏面と接離させることにより、該サセプタ上
における該基板の着脱を行うようになされたことを特徴
とする薄膜成長装置。
【請求項２】前記リフトピンの基材の熱伝導率が１０
００℃において４０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とす
る請求項１記載の薄膜成長装置。
【請求項３】前記リフトピンの基材がＳｉＣであるこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜成
長装置。
【請求項４】前記リフトピンの基材が石英であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜成長
装置。
【請求項５】前記リフトピンの基材が黒鉛であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜成長
装置。
【請求項６】前記リフトピンの基材がガラス状ガーボ
ンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記
載の薄膜成長装置。