JP2006351865A - 気相成長用サセプタ及び気相成長装置及び気相成長方法並びにエピタキシャルウエーハ - Google Patents

Abstract

【課題】ウエーハに固着と外周ダレが発生するのを防止することができる気相成長用サセプタ及び気相成長装置及び気相成長方法並びにエピタキシャルウエーハを提供する。
【解決手段】気相成長装置においてウエーハ１を載置するためのサセプタ１０であって、該サセプタ１０は、ウエーハ１を載置するウエーハ載置面２と側壁３とからなる凹形状のザグリ４が形成されたものであり、該ザグリ４の直径が前記載置面２に載置される被処理ウエーハ１の直径よりも３ｍｍ以上大きいものであって、前記被処理ウエーハ１を前記ザグリ４の中心に載置するものである気相成長用サセプタ１０及び前記サセプタ１０を備える気相成長装置及び前記サセプタ１０のザグリ４にウエーハ１を載置し、該ウエーハ１の表面に薄膜を気相成長させる気相成長方法並びに該気相成長方法によりウエーハ１の表面に薄膜を気相成長させたものであるエピタキシャルウエーハ。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にエピタキシャルウエーハの製造に使用される気相成長用サセプタ及び気相成長装置及び気相成長方法並びにエピタキシャルウエーハに関し、詳しくは対象となるウエーハをほぼ水平に保持してエピタキシャル成長を行う例えば水平円盤型の気相成長用サセプタ及びこれを備える気相成長装置及び気相成長方法並びにエピタキシャルウエーハに関する。

気相エピタキシャル成長技術は、バイポーラトランジスタやＭＯＳＬＳＩ等の集積回路の製造に用いられる単結晶薄膜層を気相成長させる技術であり、清浄な半導体単結晶基板上に基板の結晶方位に合せて均一な単結晶薄膜を成長させたり、ドーパント濃度差が大きい接合の急峻な不純物濃度勾配を形成することができるので、極めて重要な技術である。気相エピタキシャル成長装置としては、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダー型）、さらに横型の３種類が一般的である。これらの成長装置の原理は共通している。
このうち、縦型（パンケーキ型）、横型の２機種は、ほぼ水平に基板ウエーハを保持する気相成長用サセプタを採用している。

図５は、従来の縦型気相成長装置の一例を示す断面概略説明図である（特許文献１参照）。この縦型気相成長装置３０’においては、ベースプレート１１’上に釣鐘状のベルジャ１２’を載置することによって反応室１３’が形成される。この反応室１３’内には、半導体基板（ウエーハ）１４’を載置する水平円盤型のサセプタ１５’が水平に配置され、その下面には該サセプタ１５’を介してウエーハ１４’を加熱する高周波加熱コイル１６’がコイルカバー１７’内に設けられている。気相成長の際には、サセプタ１５’の上面に設けられた円形の凹部であるザグリ１８’にウエーハ１４’を載置し、原料ガスをガス導入口１９’より供給し、ノズル２０’の側面や上面に設けられた噴出孔２１’から噴出して反応室１３’に導入し、ガス排出口２２’から排出する。このとき、ウエーハ１４’は高周波加熱コイル１６’により加熱されているので、ウエーハ上に噴出された原料ガスはウエーハ表面で反応し、ウエーハ表面に薄膜のエピタキシャル層を気相成長させる。

また、横型気相成長装置の一種として枚葉式装置がある。この装置は、横型の加熱炉内に配置された水平円盤型のサセプタの上にウエーハを載置し、これを垂直軸まわりに回転させながら、炉内水平方向に原料ガスを流通させることにより、ウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するものである。このような装置は、ウエーハの大径化と共に多用されるようになり、直径３００ｍｍのウエーハに対応できる装置としても主流と目されている。

前述のように、これらの気相成長装置では、エピタキシャル成長をさせるウエーハの上面にのみ原料ガスを接触させることを目的として、ウエーハを収容する円形の凹部がサセプタの上面に設けられる。そして、ザグリと呼ばれるこの凹部内にウエーハを収容してエピタキシャル成長を行う。

ところで、表面に薄膜をエピタキシャル成長させたウエーハは、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーデバイスに用いられる。このようなパワーデバイス向けエピタキシャルウエーハにおいては、エピタキシャル成長膜を１００μｍ程度以上に厚くする場合がある。このような厚い膜を形成する場合、サセプタ上のウエーハがザグリ内に収容されているにもかかわらず、ザグリ側壁とウエーハ外周面との間が、ブリッジと呼ばれる両者に跨がった析出物によりスティック（固着）する現象が発生しやすい。このスティッキング現象が生じると、エピタキシャル成長後にサセプタからウエーハを取り出すときに、スティック部分の成長膜を剥がさなければならず、その際にウエーハの外周部分に相当の力が付加されるために、しばしばウエーハにクラックが発生し、割れに至ることもある。このようなクラックや割れの発生はウエーハの歩留まりを低下させる。

ここで、例えば特許文献２のように、水平円盤型サセプタにおいては、そのザグリの側壁とウエーハの外周との間に間隙を設けているタイプがある。
しかし、このタイプのサセプタを用いたときには、ウエーハ外周部のエピタキシャル層の厚みが薄くなり、いわゆる外周ダレというものが発生して、エピタキシャルウエーハのフラットネスを悪化させるという問題があった。

特開平７−４５５３０号公報 再公表ＷＯ２００２／０９７８７２号公報

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、ウエーハに特に外周ダレが発生するのを抑制しつつ、ウエーハの固着を防止することができる気相成長用サセプタ及び気相成長装置及び気相成長方法並びにエピタキシャルウエーハを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、気相成長装置においてウエーハを載置するためのサセプタであって、該サセプタは、ウエーハを載置するウエーハ載置面と側壁とからなる凹形状のザグリが形成されたものであり、該ザグリの直径が前記載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上大きいものであって、前記被処理ウエーハを前記ザグリの中心に載置するものであることを特徴とする気相成長用サセプタを提供する（請求項１）。

このように、ザグリの直径が載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上大きいものであって、前記被処理ウエーハを前記ザグリの中心に載置するものである気相成長用サセプタであれば、ウエーハの外周ダレを防止し、良好なフラットネスを有するエピタキシャルウエーハを得ることができる。また、ザグリ中心にウエーハが載置された時に、ウエーハ外周とザグリの側壁との間隙を１．５ｍｍ以上確保できることにより、側壁とウエーハの固着の発生を抑制することができる。

このとき、前記ザグリの直径が前記載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で大きいものであることが望ましい（請求項２）。

このように、前記ザグリの直径が前記載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で大きいものであれば、必要以上にザグリ径が拡大することなく、フラットネスが改善された良好なウエーハを効率良く製造することができる。

そして、前記載置面に溝が形成されたものが望ましい（請求項３）。
このように、前記載置面に溝が形成されたものであれば、載置面に載置される被処理ウエーハが成長中にすべり、載置位置がザグリ中心からずれることにより外周ダレが発生するのをより効果的に防止し、また、ザグリの側壁と接触したり、間隙が小さくなったりして固着が発生し、固着によるウエーハのクラックや割れを確実に防止して、生産性高く気相成長を行うことができる。

また、本発明は、少なくとも、前記の気相成長用サセプタを備えることを特徴とする気相成長装置を提供する（請求項４）。

このように、少なくとも、前記の気相成長用サセプタを備える気相成長用装置であれば、ウエーハの外周ダレを防止し、良好なフラットネスを有するエピタキシャルウエーハを固着させることなく得ることができる。

また、本発明は、少なくとも、前記の気相成長用サセプタのザグリにウエーハを載置し、該ウエーハの表面に薄膜を気相成長させることを特徴とする気相成長方法を提供する（請求項５）。

このように、前記の気相成長用サセプタのザグリにウエーハを載置し、ウエーハの表面に薄膜を気相成長させれば、ウエーハの外周ダレおよび固着を防止し、良好なフラットネスを有するエピタキシャルウエーハを得ることができる。

また、本発明は、前記の気相成長方法により、ウエーハの表面に薄膜を気相成長させたものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハを提供する（請求項６）。

このように、前記の気相成長方法により、ウエーハの表面に薄膜を気相成長させたエピタキシャルウエーハであれば、外周ダレが防止され、フラットネスが改善されたエピタキシャルウエーハであり、品質の高いものとすることができる。特に、膜厚が１００μｍ以上の厚いものを成長させたものである場合に有効である。

本発明の気相成長用サセプタ、気相成長装置、気相成長方法であれば、被処理ウエーハに均一にエピタキシャル成長を行うことができ、特に外周ダレを防止して、良好なフラットネスを有する高品質のエピタキシャルウエーハを効率良く得ることができる。特に厚いエピタキシャル層を成長させる場合であっても、ウエーハの固着を防止することができる。また、本発明のエピタキシャルウエーハであれば、歩留りが高く、生産性の高い、品質の高いエピタキシャルウエーハとできる。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来の、被処理ウエーハを載置するサセプタでは、気相成長の際にウエーハとザグリの側壁とが固着してクラックや割れの原因となる問題があった。また、ザグリの側壁と載置するウエーハのエッジとの間に間隙を設けるサセプタが開示されているが、この従来のサセプタを用いてウエーハに気相成長を施した場合、外周ダレが発生してフラットネスが悪化するという問題があった。

本発明者らが、特に、この外周ダレの防止について鋭意調査をした結果、外周ダレの発生を防止するには、サセプタのザグリの直径が載置される被処理ウエーハの直径よりも十分に大きいものであり、前記間隙が十分に設けられていることが重要であることが判った。

従来のサセプタにおいては上記間隙は１ｍｍ以下、すなわち、ザグリの直径が載置される被処理ウエーハの直径を超える大きさは２ｍｍ以下であるが、このような従来のサセプタでは、ザグリの直径が被処理ウエーハの直径に対して不十分な大きさであり、外周ダレの発生を防止するには前記間隙の大きさが不足していることを本発明者らは見出した。しかも、このように間隙が不十分であると、ザグリ中にウエーハがわずかでもずれて載置されていたり、気相成長中にウエーハ位置がわずかでもずれた場合に、ウエーハがザグリの側壁と接触したり、間隙が小さくなって固着が発生し易かった。

そして、本発明者らは、ザグリの直径が被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上大きいものであって、前記被処理ウエーハをザグリの中心に載置するサセプタであれば、前記ウエーハエッジとザグリ側壁との間隙を１．５ｍｍ以上とすることができ、これは外周ダレを防止するにあたって十分な大きさの間隙であり、ウエーハの外周部のエピタキシャル層が薄くなることなく、フラットネスが良好なエピタキシャルウエーハを得ることができ、また、前記固着の発生を確実に抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を用いて具体的に説明をする。
まず、図１は本発明に従う気相成長用サセプタの一部分の一例を示す断面概略説明図である。このサセプタ１０は、ウエーハ１を載置するウエーハ載置面２と側壁３とからなる凹形状のザグリ４が形成されたものであり、ザグリ４は、その直径Ｄ_４が載置面２に載置する被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１よりも３ｍｍ以上大きくなるように形成されている。従って、ザグリ４の中心に被処理ウエーハ１を載置すれば、ウエーハエッジとザグリ側壁３との間隙Ｃは１．５ｍｍ以上が確保される。
このザグリ４の直径Ｄ_４は上記のように、載置面２に載置する被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１よりも３ｍｍ以上大きく形成されていることを必要とするが、２０ｍｍを超えない範囲で被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１よりも大きくなるようにザグリ４が形成されているとより良い。

また、この図１に例示するサセプタ１０では、載置面２には溝６が形成されている。本例において、この溝６は格子状に形成されているが、特に形状は限定されない。そして、載置面２と側壁３との間にリング溝５が形成されている。このリング溝５は、溝６が側壁３まで加工できないため、側壁３の近傍まで溝６を切り、仕上げのためリング溝５を切るという加工上の理由で存在する。しかし、このリング溝５がない、すなわちザグリ４の底部が平坦であってもよく、被処理ウエーハ１をザグリ４の中心に載置することが可能な形態であればよい。

前述したように、従来のサセプタ１０では、ザグリ４の直径Ｄ_４はザグリ４の底部の載置面２に載置される被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１に対して、最大で２ｍｍ程度しか余裕がなかった。そのため、ウエーハ１のエッジとザグリ４の側壁３との間隙Ｃを十分に設けることができず、気相成長を施した際、外周ダレが発生しやすく、フラットネスが悪化する。しかも、固着が発生し易かった。
しかしながら、本発明の気相成長用サセプタ１０は、ザグリ４の直径Ｄ_４が被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１よりも３ｍｍ以上大きいものであって、被処理ウエーハ１をザグリ４の中心に載置するものであるため、被処理ウエーハ１のエッジと側壁３との間隙Ｃをウエーハ１の全周にわたって１．５ｍｍ以上設けることができる。１．５ｍｍ以上間隙Ｃを設ければ、被処理ウエーハ１の外周部のエピタキシャル層が薄くなることを抑制し、外周ダレの発生を効果的に防止することができる。また、側壁３とウエーハ１の固着の発生を抑制できる。しかも、万が一ウエーハ１がわずかにずれてザグリ４に載置されたり、気相成長中ウエーハ１がずれたとしても、側壁３との接触をまぬがれ、固着の発生を抑制することができる。このため、本発明のサセプタ１０を用いてエピタキシャル成長を行ったウエーハのフラットネスは良好であり、高品質のエピタキシャルウエーハを生産性高く得ることが可能である。

ここで、このフラットネスを改善する効果には限度があり、ザグリ４の直径Ｄ_４は被処理ウエーハ１の直径Ｄ_１よりも、例えば３ｍｍ以上２０ｍｍ以下、さらには４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲で大きいことが望ましい。このようにすれば、例えば縦型気相成長炉の場合、サセプタ１０（ザグリ４）が必要以上に大きくなって、一度に載置できるウエーハの枚数が少なくなってしまうことや必要以上に装置が大型化することを防ぐことができる。そのため、生産性を下げず、コストが上昇するのを抑えることができ、より効率的に高品質のエピタキシャルウエーハを得ることが可能である。

また、載置面２に溝６が形成されていれば、気相成長工程の際に、載置面２上に載置される被処理ウエーハ１と載置面２間のガスが抜けやくなり、すべりを抑制することができる。このすべりを抑制することによって、被処理ウエーハ１がザグリ４の中心からずれ、外周ダレが発生したり、あるいは側壁３とウエーハ１が接触して固着が発生することをより効果的に防止することができる。したがって、高品質のエピタキシャルウエーハをさらに効率良く生産性高く得ることができる。

図２は本発明に従う気相成長装置の一例を示す断面概略説明図である。
この縦型気相成長装置３０においては、ベースプレート１１上に釣鐘状のベルジャ１２を載置することによって反応室１３が形成される。この反応室１３内には、ウエーハ１４を載置する水平円盤型のサセプタ１５が水平に配置され、その下面には該サセプタ１５を介してウエーハ１４を加熱する高周波加熱コイル１６がコイルカバー１７内に設けられている。
なお、本発明の気相成長装置は、このような縦型のものに限定されず、横型のものであってもよい。本発明におけるザグリ形状は縦型のみならず、横型であっても効果を奏することができるからである。

この気相成長装置に備えられるサセプタ１５は本発明に従うサセプタであり、例えば図１に示すサセプタ１０を用いることができる。本発明に従うサセプタ１５を備える気相成長装置３０であれば、ウエーハ１４の外周ダレを防止し、良好なフラットネスを有するエピタキシャルウエーハを固着させることなく得ることができる。

次に、本発明の気相成長方法によりウエーハ表面に薄膜を気相成長させる方法を、図２の気相成長装置を用いる場合について説明する。
まず、サセプタ１５のザグリ１８の中心にウエーハ１４を載置する。そして、原料ガスをガス導入口１９より供給し、ノズル２０の側面や上面に設けられた噴出孔２１から噴出して反応室１３に導入し、ガス排出口２２から排出する。このとき、ウエーハ１４は高周波加熱コイル１６により加熱されているので、噴出された原料ガスはウエーハ表面で反応し、ウエーハ表面に薄膜のエピタキシャル層を気相成長させる。

このとき、サセプタ１５のザグリ１８の直径がウエーハ１４の直径よりも３ｍｍ以上大きく、ウエーハ１４はザグリ１８の中心に載置されるので、ザグリ１８の側壁とウエーハ１４のエッジとの間隙を、ウエーハ１４の全周にわたって１．５ｍｍ以上設けることが可能である。そのため、固着を防止できるとともに、外周ダレの発生を防ぐことができ、フラットネスが良好な高品質のエピタキシャルウエーハを得ることができる。特に本方法は、１００μｍ以上といった厚いエピタキシャルウエーハを成長させる場合に、固着や外周ダレを防止でき、特に有効である。
なお、ウエーハは、例えばシリコンウエーハを用いることができるが、他の半導体ウエーハ等でもよく、特に限定はされない。
また、薄膜は例えばシリコン薄膜とできるが、原料ガスを適宜選択することにより他の半導体薄膜ともでき、特に限定されない。

また、本発明の気相成長方法によりウエーハの表面に薄膜を気相成長させたエピタキシャルウエーハであれば、外周ダレが防止され、フラットネスが改善されたエピタキシャルウエーハであり、品質の高いものとすることができる。特に、エピタキシャル層の厚さが１００μｍ以上の厚物の品質を改善できる。

以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明がこれに限定されない。
（実施例１〜５、比較例１）
図１、２に示す本発明の気相成長用サセプタおよびこれを具備する縦型気相成長装置を用い、直径６インチ（１５ｃｍ）のシリコンウエーハをサセプタのザグリの中心に収容し、シリコンウエーハ上にシリコンのエピタキシャル層を成長させた。このとき、サセプタとして、ザグリの直径が１５．２ｃｍ（比較例１）、１５．３ｃｍ（実施例１）、１５．４ｃｍ（実施例２）、１５．６ｃｍ（実施例３）、１６．０ｃｍ（実施例４）、１７．０ｃｍ（実施例５）のものを用い、各実施例、比較例においてそれぞれ３０枚のウエーハにエピタキシャル成長を行った。
なお、反応ガスとしてＳｉＨＣｌ_３を用い、成長速度を１．５μｍ／ｍｉｎ、反応温度を１１００℃、成長膜厚を１２０μｍとした。
そして、このようにエピタキシャル層を成長させた後のウエーハの厚み形状と、外周部フラットネスを調べた。

なお、外周部フラットネスとは、ウエーハ最外縁から２．０ｍｍ内側に１７．５ｍｍ×１７．５ｍｍのセルを設け、このセル内で最大厚と最小厚の差をとり、その差がウエーハ全体のセルの中で最大となるものである。

図３に比較例１（Ａ）、実施例１（Ｂ）、実施例４（Ｃ）の気相成長を行った後の厚み形状が示されたウエーハ外観の鳥瞰図を示す。
図３（Ａ）から、比較例１では外周ダレが発生していることがはっきりと確認できる。一方、（Ｂ）の実施例１では比較例１に比べて外周ダレが大幅に抑制されていることが判る。そしてさらに（Ｃ）の実施例４においては、外周ダレが見られないことが確認できる。なお、比較例では、１枚において固着が発生したが、本発明では固着は発生しなかった。

また、図４に、比較例１、実施例１〜５におけるザグリの直径と被処理ウエーハの直径との差と、外周部フラットネス（３０枚の平均値）との関係をグラフで示す。
この結果、比較例１に比べて各実施例の外周部フラットネスの値は大幅に小さくなっており、実施例では高い平坦度を有するエピタキシャルウエーハを得ることができた。特に実施例４などでは外周部フラットネスが比較例１の半分程度に抑えられていて、格段にフラットネスが改善されている。
また、例えば実施例４と実施例５において、外周部フラットネスの値には、差がほとんど見られなく、この改善効果には限度があることが判る。

以上のように、ザグリ中心に被処理ウエーハを載置し、従来（２ｍｍ）よりもザグリの直径をより大きくすれば改善が計られ、ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上大きくすればよく、より好ましくは４ｍｍ以上、そしてさらには６ｍｍ以上大きくすれば、固着の発生を抑制するとともに、外周ダレの発生を一層効果的に防止し、従来のサセプタを用いた場合に比べてフラットネスを格段に改善することができ、コストを抑えて効率良く、高品質のエピタキシャルウエーハを得ることが可能であることが判る。但し、余りに大きくしても仕込み可能ウエーハ数を減らし、装置も大型化する上に、それ以上のフラットネス改善効果も望めないので、２０ｍｍも大きくすれば十分であり、１０ｍｍ程度以内とすれば、上記生産性の問題も生じない。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に従う気相成長用サセプタの一部分の一例を示す断面概略説明図である。 本発明に従う気層成長装置の一例を示す断面概略説明図である。 （Ａ）比較例１、（Ｂ）実施例１、（Ｃ）実施例４におけるウエーハ外観の鳥瞰図である。 実施例及び比較例において、ザグリの直径と被処理ウエーハの直径の差と、外周部フラットネスの関係を示すグラフである。 従来の縦型気層成長装置の一例を示す断面概略説明図である。

符号の説明

１、１４、１４’…ウエーハ、 ２…ウエーハ載置面、 ３…側壁、
４、１８、１８’…ザグリ、 ５…リング溝、 ６…溝、
１０、１５、１５’…サセプタ、 １１、１１’…ベースプレート、
１２、１２’…ベルジャ、 １３、１３’…反応室、
１６、１６’…高周波加熱コイル、 １７、１７’…コイルカバー、
１９、１９’…ガス導入口、 ２０、２０’…ノズル、
２１、２１’…噴出孔、 ２２、２２’…ガス排出口、
３０、３０’…縦型気相成長装置、 Ｃ…間隙、 Ｄ_１…ウエーハ直径、
Ｄ_４…ザグリ直径。

Claims (6)

1. 気相成長装置においてウエーハを載置するためのサセプタであって、該サセプタは、ウエーハを載置するウエーハ載置面と側壁とからなる凹形状のザグリが形成されたものであり、該ザグリの直径が前記載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上大きいものであって、前記被処理ウエーハを前記ザグリの中心に載置するものであることを特徴とする気相成長用サセプタ。
2. 前記ザグリの直径が前記載置面に載置される被処理ウエーハの直径よりも３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で大きいものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長用サセプタ。
3. 前記載置面に溝が形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長用サセプタ。
4. 少なくとも、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の気相成長用サセプタを備えることを特徴とする気相成長装置。
5. 少なくとも、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の気相成長用サセプタのザグリにウエーハを載置し、該ウエーハの表面に薄膜を気相成長させることを特徴とする気相成長方法。
6. 請求項５に記載の気相成長方法により、ウエーハの表面に薄膜を気相成長させたものであることを特徴とするエピタキシャルウエーハ。
   

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