JP2001003172A

JP2001003172A - 半導体エピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP2001003172A
Application number: JP17369999A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Fujimoto; 貴行藤本; Tomoji Watanabe; 智司渡辺; Nobuyuki Mise; 信行三瀬; Akihiro Miyauchi; 昭浩宮内; Hironori Inoue; 洋典井上; Takaya Suzuki; 誉也鈴木; Fumihide Ikeda; 文秀池田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2001-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】エピタキシャル成長過程において、基板ウエハ
大口径化に伴い急増する自重および熱応力による変形量
の増大によるスリップの発生を防止する。【解決手段】ザグリ外周平坦度を５〜３０μｍとするこ
とで基板ウエハ全周がほぼ均等に支持されるようにし、
且つ、６インチウエハではザグリ深さを２０μｍから１
３０μｍ、８インチウエハでは３０μｍから２００μ
ｍ、１２インチウエハでは４０μｍから４００μｍとし
たザグリを有するサセプタの使用によりスリップの発生
を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス製
造プロセスにおいて用いられるエピタキシャル成長装置
による半導体エピタキシャル成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン（Ｓｉ）単結晶である基板ウエ
ハの上に基板ウエハと同方位を持つシリコン単結晶薄膜
を化学気相反応(ＣＶＤ，Chemical Vapor Deposition）
で形成する方法は、エピタキシャル(epitaxial）成長と
呼ばれている。半導体デバイス製造プロセスにおいてエ
ピタキシャル成長を行うためには、ディスク型エピタキ
シャル成長装置が広く用いられている。

【０００３】ディスク型エピタキシャル成長装置は、石
英製のベルジャで覆われた反応室内にカーボン製の回転
可能なディスク型サセプタを設置し、サセプタ上に基板
ウエハを載置する。サセプタを回転させながらサセプタ
下方に設置されたワークコイルに高周波電流を流すこと
によりサセプタを高周波誘導加熱し、サセプタ上に載置
されている基板ウエハは１０００℃以上の高温に加熱さ
れる。

【０００４】この際、基板ウエハはサセプタから熱を受
け取り、基板ウエハ表面からベルジャへ放熱することに
より基板ウエハ表裏間には温度差が生じ、そのため基板
ウエハ上面が凹となるように反るが、この反り量を予め
考慮した上でサセプタ表面上の基板ウエハ載置箇所には
略円錐状のザグリが設けられている。

【０００５】ザグリを設けることで基板ウエハ中心部と
基板ウエハ外周部との間に大きな温度差が生じ難くな
り、温度差に起因する熱応力の発生が抑制され、その結
果基板ウエハ面内の結晶欠陥であるスリップの発生が低
減される。

【０００６】一方、原料ガスは、サセプタの中心に位置
する開口部に設けられたノズルからキャリアガスと共に
反応室内に供給され、基板ウエハの表面にエピタキシャ
ル薄膜が生成される。エピタキシャル成長用の原料ガス
としては、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂），トリクロ
ロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）等が使用される。この種の公
知例として実公平5−21871号公報を挙げることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】シリコンのエピタキシ
ャル薄膜を形成する過程において、近年、基板ウエハは
大口径化する傾向にある。式（数１）で示されるよう
に、基板ウエハの周辺をザグリ外周により均等に単純支
持した場合の自重によるたわみ量ｗは、基板ウエハ半径
の４乗に比例して大きくなるので、基板ウエハの大口径
化に伴い、自重によるたわみ量を十分に把握して基板ウ
エハ面内のスリップ低減化を図る必要がある。

【０００８】

【数１】

【０００９】また、実際のエピタキシャル成長装置で
は、ザグリの外周は完全な平坦形状ではなく、よって基
板ウエハはザグリ外周に沿って並ぶ複数の点接触により
支持されることになる。例えば１２インチウエハが図５
（ｂ）に示すように不均等に並ぶ点Ａ，Ｂ，Ｃ（この場
合は３点支持）により支持されている場合ではおよそ４
５０μｍたわむ。このたわみ量は１２インチウエハがそ
の周辺を均等に単純支持されている場合（図５（ａ））
の４倍以上となる。したがって、基板ウエハがなるべく
多くの点で支持されるように、ザグリ外周の平坦度の精
度を上げる必要がある。

【００１０】さらに、基板ウエハの大口径化により、上
記の自重による基板ウエハの変形だけではなく、高周波
誘導加熱による基板ウエハ，サセプタ面内の温度分布も
大きくなる傾向にあり、よって、この傾向を把握した上
で基板ウエハ面内のスリップの発生を抑えることのでき
る最適なザグリ形状を決定することが重要となる。

【００１１】本発明の目的は、大口径基板ウエハ上にエ
ピタキシャル成長を行う場合に生じる上記の課題を解決
するための半導体エピタキシャル成長方法を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】大口径基板ウエハ上にエ
ピタキシャル薄膜を形成する際には、ザグリ外周の平坦
度の影響により基板ウエハが自重によって大きく変形す
ると同時に、エピタキシャル薄膜の成膜温度の高温化に
より基板ウエハ面内の温度分布が大きくなり熱応力に起
因する変形量が増大し、従来のように単にザグリを設け
ただけではスリップの低減が困難になりつつある。

【００１３】本発明は、上記の課題を解決するため、ザ
グリの外周の平坦度を５〜３０μｍとすることで基板ウ
エハがザグリの外周によりほぼ全周が均等に単純支持さ
れるようにし、且つ、６インチウエハではザグリ深さを
２０μｍから１３０μｍ，８インチウエハではザグリ深
さを３０μｍから２００μｍ、１２インチウエハではザ
グリ深さを４０μｍから４００μｍとすることで、基板
ウエハ面内のスリップの発生を抑制することのできる半
導体エピタキシャル成長を行うことを特徴としたもので
ある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。

【００１５】図１，図２はそれぞれ、本発明において用
いられるディスク型半導体エピタキシャル成長装置の概
略断面図、同装置のサセプタ上に設けられるザグリの概
略構成を示す断面図である。

【００１６】本発明で用いられるエピタキシャル成長装
置では、石英製のベルジャ２で覆われた反応室１内にカ
ーボン製の回転可能なディスク型サセプタ３を設置し、
サセプタ３上には基板ウエハ４を載置する。この際、基
板ウエハ４の自重による変形と、１０００℃以上の高温
下で成膜が行われるために基板ウエハ４の表裏間に生じ
る温度差による変形のために、基板ウエハ４は上面が凹
となるように大きく反る。

【００１７】このため、サセプタ３表面上の基板ウエハ
４載置箇所には、基板ウエハ４の変形量を予め考慮した
上でザグリ８が設けられている。サセプタ３下方にはワ
ークコイル５が設置されており、ワークコイル５に高周
波電流を流すことによりサセプタ３を高周波誘導加熱す
る。サセプタ３の中心位置の開口部にはノズル６が設け
られており、基板ウエハ４の表面にエピタキシャル薄膜
を生成させるためにノズル６から原料ガスをキャリアガ
スと共に流す構造になっている。また、図１中の７はコ
イルカバーである。

【００１８】次に、図１，図２に示したエピタキシャル
成長装置にしたがって、本発明の半導体エピタキシャル
成長方法について説明する。エピタキシャル成長が終了
した後、サセプタ３，基板ウエハ４を十分に冷却し、ベ
ルジャ２を開放する。その後、成膜した基板ウエハ４を
反応室１から取り出し、新たな基板ウエハ４をサセプタ
３上に設けられているザグリ８上に載置し、ベルジャ２
を閉じる。

【００１９】次に反応室１内に窒素（Ｎ₂ ）ガスをサセ
プタ３の中心位置に設けられている開口部に位置するノ
ズル６から供給することにより、反応室１内部の空気を
置換する。所定の窒素ガスによる置換を行った後、ノズ
ル６からアルゴン（Ａｒ），水素（Ｈ₂ ）ガスなどのキ
ャリアガスを流すと同時に、サセプタ３を回転させなが
ら、サセプタ３下方に設置されたワークコイル５に高周
波電流を流すことにより、サセプタ３を高周波誘導加熱
し、基板ウエハ４は１０００℃以上の高温に加熱され
る。

【００２０】このとき反応室１内の圧力は大気圧に保た
れている。このような状態でノズル６からシリコンの原
料ガスであるジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）またはト
リクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃ ）をアルゴン，水素ガス
などのキャリアガスと共に流すことにより、基板ウエハ
４表面にはエピタキシャル薄膜が生成される。エピタキ
シャル成長が終了した後、原料ガスの供給を止めて、キ
ャリアガスのみをノズル６から供給している状態を維持
したまま、サセプタ３，基板ウエハ４を降温する。基板
ウエハ４，サセプタ３の温度が十分下がった後、窒素ガ
スにより反応室１内を置換する。窒素ガスによる置換を
行った後、ベルジャ２を開放する。

【００２１】図３には本発明のエピタキシャル成長方法
に用いられるエピタキシャル成長装置におけるサセプタ
３，基板ウエハ４の温度分布を示している。同図は６イ
ンチの基板ウエハ４の外周がサセプタ３上のザグリ８外
周により単純支持される場合の基板ウエハ４，サセプタ
３の温度分布である。同図（ａ)，(ｂ）はそれぞれ、ザ
グリ８深さが４０μｍ，２００μｍのときの温度分布で
あり、同図中Ｘ軸は基板ウエハ４の中心位置からの半径
方向距離（単位はmm）である。

【００２２】ザグリ８形状は二次曲線としており、その
極小値がザグリ８中心位置にくるように形状を決めてい
る。基板ウエハ４はシリコンウエハであり輻射率は０.
７、サセプタ３はカーボン製であり本来輻射率は０.９
であるが、エピタキシャル成長が行われる過程におい
て、基板ウエハ４を載置していない領域のサセプタ３表
面上にはシリコンが付着しているので、基板ウエハ４を
載置していない領域のサセプタ３の輻射率は基板ウエハ
４と同じく０.７となる。

【００２３】以下にザグリ８が浅い場合（４０μｍ，同
図(ａ)）と深い場合（２００μｍ，同図(ｂ)）を比較す
る。ザグリ８が浅い場合には、ザグリ８と基板ウエハ４
間の隙間が小さいために両者間の熱抵抗が非常に小さく
なり、その結果ザグリ８温度と基板ウエハ４温度間に大
きな差が現れない。したがって、基板ウエハ４面内の半
径方向温度分布はほぼ均一である。

【００２４】一方、ザグリ８が深い場合では、ザグリ８
と基板ウエハ４間の隙間が比較的大きいために両者間の
熱抵抗が大きくなり、その結果基板ウエハ４，ザグリ８
間の温度差が大きくなる。よって、基板ウエハ面内温度
分布が大きくなり、スリップが生じ易くなる。つまり、
基板ウエハ４，サセプタ３間の隙間がより均一である浅
いザグリ８の方が基板ウエハ４面内の温度分布が均一に
なり、その結果スリップの発生も少なくなる。尚、基板
ウエハ４をサセプタ３上のザグリ８に載置することによ
り生じる基板ウエハ４，サセプタ３の温度分布は、基板
ウエハ４が大口径化するほど顕著になる。

【００２５】次に、本発明のエピタキシャル成長方法に
用いられるエピタキシャル成長装置におけるザグリ８形
状を明示する。図４は基板ウエハ４温度と基板ウエハ４
面内の最大温度差に起因する基板ウエハ４面内の最大せ
ん断応力の関係をザグリ８深さを変えて示したものであ
り、降伏せん断応力の存在する領域も同図中に示してい
る。同図中に示した二本の降伏せん断応力（それぞれ上
限および下限値）で囲まれた領域以上の領域では、基板
ウエハ４面内にスリップが多く発生する。同図におい
て、基板ウエハ４の径は６インチであり、ザグリ８外周
により全周を単純支持されている。

【００２６】また、エピタキシャル成長が行われている
状態での結果であり、基板ウエハ４を載置していない領
域のサセプタ３表面にはシリコンが付着している。図３
と同様に同図からも、基板ウエハ４，サセプタ３間の隙
間がより均一である浅いザグリ８の方が、基板ウエハ４
面内の温度差が小さくなり、温度差に起因する熱応力も
小さくなることがわかる。したがって、６インチの基板
ウエハ４がザグリ８により全周支持される場合では、基
板ウエハ４面内にスリップが発生しにくいザグリ８深さ
の範囲は２０〜１３０μｍとなる。

【００２７】前述したように実際のエピタキシャル成長
装置においては、ザグリ８外周は完全な平坦ではない。
よって、ザグリ８外周での平坦度の精度を上げて基板ウ
エハ４とザグリ８外周との接触点数を多くすることによ
り、自重による基板ウエハ４のたわみ量をなるべく小さ
くする必要がある。そこで、本発明で使用されるエピタ
キシャル成長装置ではザグリ８外周の平坦度を５〜３０
μｍまで精度を上げた。このことにより、基板ウエハ４
はザグリ８外周によりほぼ全周を単純支持されると考え
ることができる。

【００２８】以上より、本発明で用いられるエピタキシ
ャル成長装置において６インチの基板ウエハ４をザグリ
８上に載置した場合に、基板ウエハ４面内にスリップが
発生しにくいザグリ８深さの範囲は２０〜１３０μｍと
なる。

【００２９】６インチの基板ウエハ４をザグリ８上に載
置した場合と同様な手法で、８，１２インチの基板ウエ
ハ４をザグリ８上に載置した場合に基板ウエハ４面内に
スリップが発生しにくい最適なザグリ８深さを決定する
と、８，１２インチ基板ウエハ４に対してそれぞれ、３
０μｍから２００μｍ，４０μｍから４００μｍの範囲
のザグリ８となり、この範囲のザグリ８であれば基板ウ
エハ４面内のスリップの発生を低減することが可能とな
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明の半導体エピタキシャル成長方法
により、６インチ，８インチ，１２インチの各基板ウエ
ハに対して、基板ウエハ面内のスリップの発生を抑える
ことができ、品質の優れたエピタキシャルウエハを高い
歩留まりで製作することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体エピタキシャル成長方法で用い
られるディスク型エピタキシャル成長装置の概略断面図
である。

【図２】本発明の半導体エピタキシャル成長方法で用い
られるディスク型エピタキシャル成長装置のサセプタ上
のザグリ部の概略断面図である。

【図３】本発明について説明する特性図である。

【図４】本発明について説明する特性図である。

【図５】本発明について説明する図である。

【符号の説明】

１…反応室、２…ベルジャ、３…サセプタ、４…基板ウ
エハ、５…ワークコイル、６…ノズル、７…コイルカバ
ー、８…ザグリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺智司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者三瀬信行茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者宮内昭浩茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者井上洋典茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木誉也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者池田文秀東京都中野区東中野三丁目14番20号国際電気株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB02 BA04 DB05 DB21 ED05 ED06 EG03 EG14 HA06 TA04 TA12 4K030 AA03 AA06 AA17 BA29 BB02 CA04 EA06 FA10 GA02 KA23 LA15 5F045 AA01 AB02 AC05 AC15 AC16 AD14 AD15 BB12 DP14 EK02 EM09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室内に設置された回転可能なディスク
型サセプタを誘導加熱することでサセプタ上に載置され
た基板ウエハを加熱し、反応室内に原料ガスを供給する
ことにより基板ウエハ表面でエピタキシャル成長を行う
構造の高周波誘導加熱方式のディスク型半導体エピタキ
シャル成長装置において、サセプタ上に設けられたザグ
リの外周上に、ザグリにより形成される隙間を介して基
板ウエハを載置する場合に、ザグリ外周の平坦度が基板
ウエハの自重によるたわみ量の増大の要因となることを
考慮に入れることで、基板ウエハ面内のスリップ低減化
を可能にしたザグリを持つエピタキシャル成長装置を用
いることを特徴とする半導体エピタキシャル成長方法。