JP2006339447A

JP2006339447A - エピタキシャル成長装置及びエピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP2006339447A
Application number: JP2005162942A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kobayashi; 秀徳小林
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】サセプターの温度分布が不均一となることによって熱応力でサセプターが破損してしまうのを未然に防止すること。
【解決手段】本発明では、ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置において、前記制御手段は、複数の温度センサーを用いてサセプター表面の温度分布を計測できるように構成した。特に、前記制御手段は、成膜時や成膜前後に、前記温度センサーで計測したサセプター表面の温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御することにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコンウェーハの表面にシリコンをエピタキシャル成長させてシリコン膜を形成するためのエピタキシャル成長装置及びエピタキシャル成長方法に関するものである。

従来より、半導体部品の高性能化に伴って、シリコンウェーハの表面に結晶性の良好なシリコン膜をエピタキシャル成長させることによって形成したエピウェーハが半導体基板として多用されている。このエピウェーハは、エピタキシャル成長装置を用いて製造されている。

このエピタキシャル成長装置は、反応ガスの流入口及び流出口を形成したチャンバーの内部にウェーハを載置するためのサセプターを配設するとともに、このサセプターを加熱するための加熱手段としてのコイルとこのコイルに接続した交流電源とを有し、さらには、サセプターの回転制御や加熱手段の駆動制御を行うための制御手段としてのコントローラを有していた（たとえば、特許文献１参照。）。

このエピタキシャル成長装置を用いてシリコンウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させるには、まず、サセプターの上部に所定枚数のシリコンウェーハを載置した後に、コイルに供給する高周波電力を徐々に増加することによって電磁誘導でサセプターを昇温していく。次に、コイルに供給する高周波電力が所定値となった時点で一定の高周波電力をコイルに供給してサセプターを一定温度に保持し、これにより、サセプターに載置したシリコンウェーハを裏面から加熱し、チャンバーの内部にソースガス（たとえば、モノシランガス、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、四塩化珪素ガスなど）と水素（H₂）ガスとからなる反応ガスを流し、シリコンウェーハの表面でソースガスを熱分解させてシリコンウェーハの表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させる。その後、所定時間経過後にコイルに供給する高周波電力を徐々に低下することによってサセプターの温度を降下させる。

そして、従来のエピタキシャル成長装置では、エピタキシャル成長させたエピウェーハのシリコン層の膜厚や膜質を検査することによって、成膜時に適正な温度や均一な温度分布でエピタキシャル成長されたか否かを判断するようにしていた。
特表平９−５０５７９８号公報

ところが、上記従来のエピタキシャル成長装置及びこれを用いたエピタキシャル成長方法では、エピタキシャル成長させたエピウェーハのシリコン層の膜厚や膜質を検査することによって、成膜時に適正な温度や均一な温度分布でエピタキシャル成長されたか否かを判断するようにしていたために、エピウェーハの大量生産を実際に行う前に予備的にエピウェーハの作製を繰り返し行い、仕様に合ったエピウェーハが作製できる条件、すなわち、コイルに供給する高周波電力量やコイルとサセプターとの距離などの条件を見出す必要があり、この製造条件の模索に多大な労力や時間を要していた。

しかも、成膜結果からの判断では、成膜前や成膜後にサセプターの温度を上昇又は下降させる時のサセプターの表面の温度分布が不明であるために、昇温時や降温時にサセプターの温度分布が不均一となっていることもあり、その場合には、熱応力によってサセプターが破損してしまうおそれがあった。

そこで、請求項１に係る本発明では、ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置において、前記制御手段は、複数の温度センサーを用いてサセプター表面の温度分布を計測できるように構成することにした。

また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記制御手段は、成膜時に、前記温度センサーで計測したサセプター表面の温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項１又は請求項２に係る本発明において、前記制御手段は、成膜前に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させるように加熱手段を駆動制御することにした。

また、請求項４に係る本発明では、前記請求項１〜請求項３のいずれかに係る本発明において、前記制御手段は、成膜後に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させるように加熱手段を駆動制御することにした。

また、請求項５に係る本発明では、ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置を用いてウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法において、サセプターの温度分布を計測するために設けた複数の温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御しながらウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させることにした。

また、請求項６に係る本発明では、前記請求項５に係る本発明において、成膜前に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させることにした。

また、請求項７に係る本発明では、前記請求項５又は請求項６に係る本発明において、成膜後に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させることにした。

そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。

すなわち、請求項１に係る本発明では、ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置において、複数の温度センサーを用いてサセプター表面の温度分布を計測できるように制御手段を構成することにしているために、複数の温度センサーで計測した実際のサセプター表面の温度分布に基づいてエピタキシャル成長装置を駆動制御することができるので、製造条件を模索するために予備的にエピウェーハの作製を繰り返して行う必要がなくなり、製造条件の模索に要する労力や時間を省くことができる。

しかも、サセプター表面の温度分布が不均一であることを検出した場合に加熱手段を制御してサセプターの温度上昇又は温度降下を強制的に停止するなどの制御を容易に行うことができる。

また、請求項２に係る本発明では、成膜時に、温度センサーで計測したサセプター表面の温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御するようにしているために、成膜時にサセプター表面の温度分布が不均一となって膜厚の不均一化や膜質の劣化が発生してしまうのを未然に防止することができるとともに、成膜時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、請求項３に係る本発明では、成膜前に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させるように加熱手段を駆動制御することにしているために、サセプターの温度上昇時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、請求項４に係る本発明では、成膜後に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させるように加熱手段を駆動制御することにしているために、サセプターの温度降下時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、請求項５に係る本発明では、ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置を用いてウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法において、サセプターの温度分布を計測するために設けた複数の温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御しながらウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させることにしているために、成膜時にサセプター表面の温度分布が不均一となって膜厚の不均一化や膜質の劣化が発生してしまうのを未然に防止することができるとともに、成膜時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、請求項６に係る本発明では、成膜前に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させることにしているために、サセプターの温度上昇時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、請求項７に係る本発明では、成膜後に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させることにしているために、サセプターの温度降下時にサセプター表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプターが破損してしまうのを未然に防止することができる。

以下に、本発明に係るエピタキシャル成長装置の具体的な構造及びその制御について図面を参照しながら説明する。

本発明に係るエピタキシャル成長装置１は、図１に示すように、略ドーム型のチャンバー２の内部中央にウェーハ３を所定枚数載置するための円形板状のサセプター４を配設するとともに、このサセプター４の直下方にサセプター４を介してウェーハ３を加熱するための加熱手段５を配設し、さらには、チャンバー２の外側上部にサセプター４の表面の温度分布を計測するための温度分布計測手段６を配設している。

サセプター４には、回転駆動手段７を連動連結しており、この回転駆動手段７は、チャンバー２の底壁８の中央に回転軸９を軸受10を介して回転自在に軸支し、この回転軸９の先端部（上端部）にサセプター４の中央部を取付けるとともに、回転軸９の基端部（下端部）に従動ギヤ11を取付け、一方、チャンバー２の底壁８の下部に駆動モータ12を取付けるとともに、この駆動モータ12の駆動軸13に駆動ギヤ14を取付けて、これら駆動ギヤ14と従動ギヤ11とを噛合させている。

回転軸９は、中空軸となっており、その中空部には反応ガスを供給するための供給パイプ15が挿通されている。この供給パイプ15は、基端部（下端部）に流量調整バルブ16を接続する一方、先端部（上端部）にウェーハ３へ向けて反応ガスを噴射するためのノズル17を形成している。

また、エピタキシャル成長装置１は、チャンバー２の底壁８の外周部に反応ガスを排出するための排出パイプ18,18を連通連結し、この排出パイプ18,18に開閉バルブ19を接続している。

そして、エピタキシャル成長装置１は、駆動モータ12によってサセプター４を介してウェーハ３を回転させるとともに、流量調整バルブ16で調整した流量の反応ガスをノズル17からウェーハ３へ向けて噴射し、その後、開閉バルブ19を開放することによって反応ガスを外部へ排出するようにしている。これら駆動モータ12や流量調整バルブ16や開閉バルブ19は、後述する制御手段20に接続されており、この制御手段20によって駆動制御される。

次に、加熱手段５の構成について説明すると、図１及び図２に示すように、加熱手段５は、チャンバー２の底壁８に円形板状の支持台21をボス22を介して取付け、この支持台21の上部にシリンダー23を中心から放射状に間隔をあけるとともに円周方向に４５度おきに間隔をあけて取付け、このシリンダー23の伸縮ロッド24の先端（上端）にコイル25の下面（裏面）を接続し、このコイル25をチャンバー２の底壁８に取付けたコイル収容ケース26で被覆している。コイル25は、中心側の始端部と外周側の終端部との間に交流電源27を接続している。

そして、加熱手段５は、交流電源27から高周波電力をコイル25に供給することによって、電磁誘導によりサセプター４が加熱され、この加熱されたサセプター４によってウェーハ３を加熱するようにしており、シリンダー23の伸縮ロッド24を伸縮させることによってコイル25とサセプター４との距離を部分的に近接又は離反させてサセプター４の温度分布を可変できるようにしている。これら交流電源27やシリンダー23は、後述する制御手段20に接続されており、この制御手段20によって駆動制御される。

次に、温度分布計測手段６の構成について説明すると、図１に示すように、温度分布計測手段６は、チャンバー２の天井壁28に設けられた３箇所の観察窓29,30,31の外側に円筒状の支持枠32,33,34をそれぞれ取付け、各支持枠32,33,34の上部に円板状の支持体35,36,37を着脱自在に取付け、この支持体35,36,37の下部に赤外線放射型の温度センサー38,39,40を取付けている。温度センサー38,39,40は、チャンバー２の天井壁28の外周側から順にサセプター４の外周部、中間部、内周部の表面温度を計測するようにしている。これらの温度センサー38,39,40は、後述する制御手段20に接続されている。

ここで、各温度センサー38,39,40は、チャンバー２の天井壁28の外方側に着脱自在に取付けられているために、交換やメンテナンスを容易に行うことができる。また、各温度センサー38,39,40は、支持枠32,33,34を介してチャンバー２に取付けられているために、支持枠32,33,34を交換することによって各温度センサー38,39,40で温度計測するサセプター４の表面位置を容易に変更することができる。

次に、制御手段20の構成について説明すると、図３に示すように、制御手段20は、コントローラ（ＣＰＵ）41とメモリー42とインターフェース43とから構成しており、コントローラ41に前述した駆動モータ12、流量調整バルブ16、開閉バルブ19、交流電源27、シリンダー23、温度センサー38,39,40と警報手段としてのランプ44とブザー45をインターフェース43を介して接続するとともに、メモリー42を接続している。そして、メモリー42に格納された制御プログラムに従ってコントローラ41で駆動制御するようにしている。

エピタキシャル成長装置１は、以上に説明したように構成しており、以下に説明するようにしてウェーハ３の表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させる。

まず、エピタキシャル成長装置１は、サセプター４の所定位置にウェーハ３を載置した後に、回転駆動手段７を用いてサセプター４を所定の回転速度で回転駆動させる。

次に、交流電源27からコイル25へ供給する高周波電力の供給量を徐々に増加していき、コイル25の電磁誘導によってサセプター４の表面温度を徐々に上昇させる。

さらに、流量調整バルブ16と開閉バルブ19を開放して所定流量のモノシラン（SiH₄）ガスと水素（H₂）ガスとからなる反応ガスをウェーハ３へ向けてノズル17から噴射する。

そして、コイル25からの電磁誘導によってサセプター４が加熱され、さらに、加熱されたサセプター４によってウェーハ３が加熱され、表面温度が反応ガスの分解温度（約1200℃）に達すると、反応ガスが熱分解してウェーハ３の表面にシリコンがエピタキシャル成長してシリコン膜が成膜される。

その後、交流電源27からコイル25へ供給する高周波電力の供給量を制御してサセプター４の表面の温度を一定に保持したまま所定時間連続してエピタキシャル成長を行わせた後に、交流電源27からコイル25への高周波電力の供給量を低減してサセプター４の温度を降下させていくとともに、流量調整バルブ16と開閉バルブ19を閉塞し、駆動モータ12の駆動を停止することによってサセプター４の回転駆動を停止する。ここで、サセプター４の降温時には、交流電源27からコイル25への高周波電力の供給を切断してもよい。

これにより、上記構成のエピタキシャル成長装置１を用いてウェーハ３の表面に結晶欠陥のない均一なシリコン膜をエピタキシャル成長させることができる。

そして、上記エピタキシャル成長装置１では、制御手段20が３個の温度センサー38,39,40からなる温度分布計測手段６を用いてサセプター４の表面の温度分布を計測し、その温度分布に基づいて加熱手段５を駆動制御するようにしている（図４参照。）。

すなわち、制御手段20は、まず、交流電源27からコイル25へ予め設定された高周波電力を供給し（高周波電力供給ステップＳ１）、その後、温度分布計測手段６の温度センサー38,39,40を用いてサセプター４の表面の温度分布（図５参照。）を計測する（温度分布計測ステップＳ２）。ここで、温度センサー38で計測した温度をt_o、温度センサー39で計測した温度をt_c、温度センサー40で計測した温度をt_iとする。

次に、制御手段20は、温度分布計測ステップＳ２で計測したサセプター４の各部表面の温度t_i,t_c,t_oからサセプター４の温度勾配（絶対値）を算出する（温度勾配算出ステップＳ３）。ここで、サセプター４の内周側の温度勾配をΔｔ₁（＝｜t_i−t_c｜）、サセプター４の外周側の温度勾配をΔｔ₂（＝｜t_c−t_o｜）とする。

次に、サセプター４の温度勾配（Δｔ₁又はΔｔ₂）が予め設定した温度差ΔT_sよりも大きいか否かを判断する（温度勾配判断ステップＳ４）。

そして、サセプター４の温度勾配（Δｔ₁又はΔｔ₂）が温度差ΔT_sよりも大きい場合には、熱応力によってサセプター４が破損してしまうおそれがあるために、警告手段としてランプ44を点灯するとともに、ブザー45を鳴らし（警告ステップＳ８）、加熱手段５の駆動を強制的に停止する（停止ステップＳ９）。これにより、熱応力によるサセプター４の破損を未然に防止することができる。

一方、サセプター４の温度勾配（Δｔ₁又はΔｔ₂）が温度差ΔT_sよりも小さい場合には、温度分布計測ステップＳ２で計測したサセプター４の各部表面の温度t_i,t_c,t_oと高周波電力の供給量に応じて予め設定した参照温度ｔ_ｒとを用いてサセプター４の各部表面での温度差を算出する（温度差算出ステップＳ５）。ここで、サセプター４の内周部での温度差をΔｔ_i（＝t_i−t_r）、サセプター４の中間部での温度差をΔｔ_c（＝t_c−t_r）、サセプター４の外周部での温度差をΔｔ_o（＝t_o−t_r）とする。

次に、サセプター４の各部での温度差（Δｔ_i又はΔｔ_c又はΔｔ_o）が予め設定した温度差ΔT_rの範囲内か否かを判断する（温度差判断ステップＳ６）。

そして、サセプター４の各部での温度差（Δｔ_i又はΔｔ_c又はΔｔ_o）が温度差ΔT_rの範囲内である場合には、サセプター４の各部での温度差（Δｔ_i,Δｔ_c,Δｔ_o）に基づいてサセプター４の各部の近傍に位置するシリンダー23の伸縮ロッド24を伸長又は縮小させることによってコイル25を上昇又は下降させ、これにより、コイル25をサセプター４に部分的に近接又は離反させてサセプター４の各部の温度を上昇又は下降させる（コイル昇降ステップＳ７）。このようにサセプター４の各部での温度差（Δｔ_i,Δｔ_c,Δｔ_o）に基づいてサセプター４の各部の温度を上昇又は下降させることで、サセプター４の表面の温度分布が均一となるようにすることができる。

一方、サセプター４の各部でのいずれかの温度差（Δｔ_i又はΔｔ_c又はΔｔ_o）が温度差ΔT_rの範囲外である場合には、シリンダー23によってコイル25をサセプター４に部分的に近接又は離反させるだけではサセプター４の各部を参照温度ｔ_ｒにまで上昇又は下降することができないおそれがあるために、サセプター４の各部での温度差（Δｔ_i又はΔｔ_c又はΔｔ_o）に基づいて交流電源27からコイル25へ供給する電力量を増大又は低減させる（高周波電力増減ステップＳ10）。これにより、制御手段20による制御不能となるのを未然に防止することができる。

制御手段20は、上記の各ステップＳ１〜Ｓ10を経時的に繰り返して行うことによって、成膜時にサセプター４の表面の温度分布が均一となるように加熱手段５を駆動制御するとともに、成膜前や成膜後にサセプター４の表面の温度分布が均一のままチャンバー２の内部の温度を上昇させるように加熱手段５を駆動制御する。

このように、上記エピタキシャル成長装置１では、複数の温度センサー38,39,40を用いてサセプター４の表面の温度分布を計測できるように制御手段20を構成しているために、複数の温度センサー38,39,40で計測した実際のサセプター４の表面の温度分布に基づいてエピタキシャル成長装置１を駆動制御することができるので、製造条件を模索するために予備的にエピウェーハの作製を繰り返して行う必要がなくなり、製造条件の模索に要する労力や時間を省くことができる。

しかも、上記エピタキシャル成長装置１では、サセプター４の表面の温度分布が不均一であることを検出した場合には、加熱手段５を制御してサセプター４の温度上昇又は温度降下を強制的に停止するなどの制御を容易に行うことができる。

また、上記エピタキシャル成長装置１では、成膜時に、温度センサー38,39,40で計測したサセプター４の表面の温度分布が均一となるように加熱手段５を駆動制御しているために、成膜時にサセプター４の表面の温度分布が不均一となって膜厚の不均一化や膜質の劣化が発生してしまうのを未然に防止することができるとともに、成膜時にサセプター４の表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプター４が破損してしまうのを未然に防止することができる。

また、上記エピタキシャル成長装置１では、成膜前や成膜後にも、温度センサー38,39,40で計測したサセプター４の温度分布が均一のままチャンバー２の内部の温度を上昇又は下降させるように加熱手段５を駆動制御しているために、サセプター４の温度上昇時又は温度降下時にサセプター４の表面の温度分布が不均一となって熱応力によりサセプター４が破損してしまうのを未然に防止することができる。

本発明に係るエピタキシャル成長装置を示す側面断面図。同正面断面図。制御手段を示すブロック図。制御方法を示すフローチャート。サセプター表面の温度分布を示す説明図。

符号の説明

１エピタキシャル成長装置２チャンバー
３ウェーハ４サセプター
５加熱手段６温度分布計測手段
７回転駆動手段８底壁
９回転軸 10 軸受
11 従動ギヤ 12 駆動モータ
13 駆動軸 14 駆動ギヤ
15 供給パイプ 16 流量調整バルブ
17 ノズル 18 排出パイプ
19 開閉バルブ 20 制御手段
21 支持台 22 ボス
23 シリンダー 24 伸縮ロッド
25 コイル 26 コイル収容ケース
27 交流電源 28 天井壁
29,30,31 観察窓 32,33,34 支持枠
35,36,37 支持体 38,39,40 温度センサー
41 コントローラ 42 メモリー
43 インターフェース 44 ランプ
45 ブザー

Claims

ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置において、
前記制御手段は、複数の温度センサーを用いてサセプター表面の温度分布を計測できるように構成したことを特徴とするエピタキシャル成長装置。
前記制御手段は、成膜時に、前記温度センサーで計測したサセプター表面の温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
前記制御手段は、成膜前に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させるように加熱手段を駆動制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
前記制御手段は、成膜後に、温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させるように加熱手段を駆動制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置。
ウェーハを載置するためにチャンバーの内部に配設したサセプターと、このサセプターを加熱するための加熱手段と、この加熱手段の駆動制御を行うための制御手段とを有するエピタキシャル成長装置を用いてウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法において、
サセプターの温度分布を計測するために設けた複数の温度センサーで計測したサセプターの温度分布が均一となるように加熱手段を駆動制御しながらウェーハの表面にシリコン層をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
成膜前に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を上昇させることを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャル成長方法。
成膜後に、温度センサーで検出したサセプターの温度分布が均一のままチャンバーの内部の温度を下降させることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のエピタキシャル成長方法。