JP2008066652A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気相成長を行なうウェハ表面の温度を均一にすることが容易な気相成長装置および気相成長方法を提供するものである。
【解決手段】本発明の気相成長装置は、ウェハ１０２の表面温度を測定する放射温度計１１３と、ウェハ１０２の回転を検出する磁性体１１０と磁気センサ１１１と、磁気センサからのパルスを検知しウェハ１０２の回転位置を測定するパルスカウンタ１１８と、温度情報と回転位置情報からウェハ１０２温度分布を分析し、加熱、放熱する箇所を決定するシーケンス制御装置とを備え、ウェハ１０２の加熱、放熱をするために設けられる熱反射体１１５は複数に分割可能であって、それぞれが独立して上下動可能で、かつ水平方向に回転可能な機能を有し、この熱反射体１１５によりウェハ１０２の周方向の温度分布が調節され、結果的に成膜される膜の面内均一性を高めることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は気相成長（CVD：Chemical Vapor Depositionで、この中にVPE：Vapor Phase Epitaxial growthを含む）装置および方法に係り、特に半導体ウェハを回転させながら成膜する気相成長装置および気相成長方法に関する。

超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳなどの半導体デバイスの製造において、不純物濃度や膜厚の均質性が制御された単結晶層や多結晶層の気相成長技術はデバイスの性能を向上させる上で不可欠なものとなっている。

一般に、従来の気相成長方法とは、チャンバー内にウェハを収納し回転駆動機構によりウェハを回転させながら、加熱した環境の下に反応性ガスを供給することによりウェハ表面に結晶膜の形成がなされる。このとき、ウェハ表面に形成される薄膜の均質性はウェハの温度条件に依存する。そのためウェハを均一に加熱するための手段が種々提案されている。たとえば特開２００１−３４５２７１号公報（特許文献１）および特開２０００−３０６８５０号公報（特許文献２）のように表面温度の均一化を狙ってウェハ表面の温度を測定し、ヒータの出力を制御して温度制御をすることは一般的である。

しかし、ヒータがウェハ全面に対して熱交換をしても、局所的に温度差が生じた部分とその周囲との差異をなくすことは容易ではない。そしてそのまま気相成長反応を開始してしまうと成膜される膜厚に差が生じたり、スリップといわれる結晶欠陥が生じたりといった問題が発生してしまう。

このように、ヒータの出力の調整をするだけでは均質な結晶膜を得るに不十分な場合が多く、上述の半導体デバイスを構成するに不十分な品質のものが製造されることがあった。

上述の気相成長方法において、反応させるウェハの表面温度は全面において均一にされていることが望ましい。このため、上述した特許文献1および2にあるように、ヒータを温度計の測定データをもとにフィードバック制御し、加える熱量を変化させることで温度を調整していた。

図５は、従来の気相成長装置（たとえば、特許文献1）における構造の模式図であり、５０１はチャンバー、５０２はウェハ、５０３はウェハを支持するホルダ、５０４はウェハを加熱するヒータ、５０５はヒータの出力を制御するコントローラ、５０６はウェハの表面温度を測定する放射温度計、５０７はチャンバー５０１内に反応性ガスを含有したプロセスガスを導入する導入管、５０８はプロセスガスを排気する排気管を示す。

従来の気相成長装置では、ウェハ５０２を支持したホルダ５０３を回転させながら、ヒータ５０４がウェハ５０２を加熱する。同時に温度計５０６がウェハ表面の温度を計測し、コントローラ５０５がヒータ５０４の出力を制御しウェハ表面を所定の温度に調整する、という方法が一般的であった。

このような制御法をとっていた根拠として、従来、ウェハの径方向に温度分布はあっても周方向に温度分布はないと考えられていたということがある。均質な素材で構成されているウェハを同時に加熱すれば温度のむらはできないと想定されていたからである。

ところが、ウェハの周縁部は支持されているホルダから熱を伝導させて加熱しているため、ホルダ自体の温度にウェハ周縁部は影響を受けていた。ウェハに比べて熱容量が大きいホルダに支持されてウェハが加熱されると、ウェハとホルダが同じ温度になるには時間差が生じてしまうためウェハの温度を均一に加熱しにくく、またウェハからホルダに熱が吸収されてしまうことでウェハの周縁部が他の部分に比べ温度が下がってしまうこともあった。

このように、ホルダの影響を受けるウェハの周縁部には周方向の不規則な温度分布が存在してしまっていた。周方向における温度分布がある以上、従来のように周方向の温度分布を考慮しない温度制御を行なっても、結果として面内温度が均一に調整されにくいという問題があった。

上述のように、ウェハ表面の温度が均一にならないまま気相成長反応を始めた場合、設定した温度に比べ温度が低い部分においては膜厚が不足し、温度が高い部分においては膜厚が大きくなり過ぎてウェハ表面が平坦でなくなるといった品質の低下が見られるようになってしまう。また、このように周囲との温度差がある部分には、スリップが発生しやすくなる。ここで言うスリップとは、ウェハ表面で規則正しく並んでいるシリコン結晶の原子がずれてしまう転位などの結晶欠陥のことである。
特開２００１−３４５２７１号公報 特開２０００−３０６８５０号公報

上述したように従来の気相成長装置のウェハ面内温度制御には、成膜の精度の観点からも充分であるとは言えず、いまだ改良の余地がある。

本発明は、上述した点に対処して、ウェハの面内温度制御を容易に行なえるようにして成膜の精度を大幅に改善した新規の気相成長装置、および気相成長方法を提供するものである。

本発明の気相成長装置の特徴は、チャンバーに収容されたウェハを支持し水平方向に回転可能なホルダと、ホルダを水平方向に回転させる駆動機構と、ホルダ下部に設けられ、ホルダを介した輻射熱でウェハを加熱するヒータと、ウェハの周縁部の上方に設置され、ヒータに対向した位置で水平方向に回転可能な駆動軸に固定され、かつ複数に分割されそれぞれが独立してウェハとの距離を調整可能なリング状の熱反射体と、気相成長に必要な反応性ガスを含有するプロセスガスを導入する導入管と、反応後のプロセスガスを排気する排気管と、ウェハ表面の温度分布を計測する放射温度計を備えることにある。

また、本発明において、ヒータはウェハ中心部を加熱する第1のヒータと、ホルダに支持されているウェハ周縁部を加熱する第2のヒータと、第1及び第2のヒータの出力を制御するフィードバックコントローラを備えることを特徴とする。

さらに、本発明において、熱反射体はウェハ表面から1ｍｍ〜５０ｍｍの距離で上下に駆動制御されることが好ましい。

さらに、本発明において、ホルダの回転軸表面に設けられた磁性体と、磁性体の接近をパルスとして検知する磁気センサと、磁気センサのパルスを受信するパルスカウンタを備えることを特徴とする。

さらに、本発明の気相成長方法の特徴は、
チャンバー内に収容され、ウェハが支持されたホルダを水平方向に回転させながら気相成長を開始する第1の工程と、
ホルダの下部に設けられた第１のヒータおよび第２のヒータが前記ホルダを介した輻射熱によって前記ウェハを加熱する第2の工程と、
ウェハ表面の温度を放射温度計により測定する第3の工程と、
ホルダの回転軸に近接して設けられたセンサにより、ホルダとウェハの回転位置を測定する第4の工程と、
第３の工程による前記ウェハ表面の温度情報と、第４の工程によるホルダ上のウェハの回転位置情報を、放射温度計およびパルスカウンタとの間に接続されたシーケンス制御装置によりウェハ面内の温度分布を測定する第5の工程と、
この第5の工程の温度分布測定結果をもとにウェハの周縁部上方に設置され、ヒータに対向した位置で水平方向に回転可能な駆動軸に固定され、かつ複数に分割されそれぞれが独立してウェハとの距離を調整可能なリング状の熱反射体により、ウェハ表面からの距離を制御してウェハ表面の温度を調整する第６の工程と、
チャンバー内に反応性ガスを含有したプロセスガスを導入する第７の工程と、
反応性ガスが熱分解され前記ウェハ表面に結晶膜を形成する第８の工程と、
この第８の工程後のプロセスガスをチャンバーから排気する第９の工程と
を備えることにある。

本発明によれば、細分化したウェハの面内温度制御を行なえるようにすることによって、成膜の精度を大幅に改善した新規の気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能である。

以下、本発明の実施をするための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態）
この実施形態では、図１に気相成長装置を示すように、チャンバー１０１上部には気相成長に必要な反応性ガスを含有するプロセスガスを導入する導入管１０７が、底部にはプロセスガスの排気管１０８が備えられている。そしてウェハの温度など反応環境がととのった後、導入管１０７からプロセスガスがチャンバー１０１内に導入され、反応後の残留ガスは排気管１０８から排気される。

プロセスガスの供給流量の設定は、たとえばキャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ（Standard Liter per Minutes・標準リットル毎分）、成膜ガス：シラン（ＳｉＨ_４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）のうち、少なくともいずれか一つを５０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minutes・標準cc毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（B_２H_６）またはホスフィン（ＰＨ_３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバー１０１内の圧力をたとえば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。

ホルダ１０３に支持されたウェハ１０２がチャンバー１０１内に収納されており、ホルダ１０３下部に設けられたヒータ１０４、１０５が１３００℃から１５００℃になるようフィードバックコントローラにより制御される。このときウェハ１０２は成膜に必要な温度である１０００℃から１２００℃程度にまで加熱される。ヒータ１０４はウェハ１０２の中心部を、ヒータ１０５はホルダ１０３に支持されているウェハ１０２の周縁部を加熱する。

このときホルダ１０３は水平方向に最大２０００rpmの速度で回転し、ウェハ１０２の表面温度と、成膜の均一性を図る。

さらに、このとき放射温度計１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃがウェハ１０２の表面の温度を測定する。また磁気センサ１１１はホルダ１０３の回転軸１０９の回転に伴い、回転軸１０９に備えられた磁性体１１０から１周につき１２００回記録されたパルスA相と、１周につき１回記録されたパルスＺ相を検知し、磁気センサ１１１に接続されたパルスカウンタ１１８がＡ相、Ｚ相を検知した回数をカウントする。Ａ相の０から１２００までの接近した回数を回転角度として、Ｚ相を原点として検知し、さらにＡ相とＺ相を照合することで回転軸１０９の回転位置を測定する。この測定された回転位置ごとのウェハ１０２表面の温度を放射温度計１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが継続的に測定する。それぞれの位置での測定結果を順に記録し、回転軸１０９の１周分の集合として記録することでウェハ１０２の回転位置ごとの温度分布が得られる。

これによって得られたウェハ１０２表面の温度分布が図２に示すものである。この温度分布マップを用い、更に加熱、あるいは放熱すべき箇所を決定する。

尚、ここでいう放射温度計は、対向して配置されたものの表面温度を非接触で測定可能であり、対象物を構成している物体特有の放射率を任意に定めることにより他の環境に影響を受けることなく、対象物を限定して温度の測定可能である。

本発明での放射温度計の対象物はウェハであり、ウェハはシリコン（Si）で構成されているため、放射温度計をSiで構成されたものを測定するように設定すれば、他の部分の温度と誤認することなくウェハ表面に限定して温度を測定できる（たとえば、このときのウェハ表面の放射率は０．６８）。

ここに、図２で示す実験のデータを説明する。図２のグラフは、ウェハ表面を１１２０℃に調整する設定で加熱制御したときに示された、ウェハの中心から等距離である２箇所 (８０mm、９５mm)の周方向の温度分布である。この図の２つの曲線は形状が相似していることから互いに相関性があり、ホルダに影響されやすいウェハ周縁部(たとえば、ウェハ中心から９５mm位置)の周方向の温度分布が、内側の部分(たとえば、中心から８０mm位置)の温度分布にも影響を与えていることが言える。また逆に、周縁部の温度を一定にすることができれば、影響を与えてしまっている内側の部分は温度を一定にすることができると言える。

また、熱反射体がウェハの加熱制御を行なうときに、放射温度計の温度情報とパルスカウンタの位置情報からシーケンス制御装置が示すこの温度分布マップをもとに加熱する部分、放熱する部分が決定される。

図２に示すとおり、ウェハの周方向における温度分布は均一ではなく、そのような状況において、各ヒータの出力だけを制御してウェハ面内の温度を均一にすることは困難である。そこでウェハ１０２上部に設けられた熱反射体１１５を稼動させる。上述で測定した温度分布をもとに、ヒータ１０５の加熱を補助するために１mmから５０mmの範囲内で上下に稼動してウェハ１０２との距離を調整し、さらに加熱、あるいは放熱を行なう。

周方向における温度の分布がある場合には、加熱が必要な部分においては熱反射体１１５が図１（ｂ）の反射体Ａのように分割され、ウェハに接近するように制御される。また、放熱が必要な部分においては、熱反射体１１５が図１（ｂ）の反射体Ｂのように分割され、ウェハから遠ざかるように制御される。この熱反射体によるウェハ表面の温度制御は、ウェハ加熱の開始時から工程終了までにおいて常時温度分布を観測し、温度分布を一定にするよう常に制御され続ける。

熱反射体１１５は駆動軸１１４に支持され、ホルダおよびウェハと同じ回転数で水平方向に回転駆動可能である。ウェハと同じ回転数で駆動することで、ウェハの周方向の一部に限定した加熱、あるいは放熱をすることが可能になる。また、駆動軸１１４はベローズ配管１１７ａ、１１７ｂを介して駆動機構（図示せず）に接続されている。

また、リング状熱反射体１１５は、たとえば図３にその斜視図と上面図を模式的に示すように、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと４分割され、それぞれ独立して上下駆動することが可能となっている。しかしながら、必ずしも４分割されていることは必須ではない。たとえば3分割の熱反射体であれば独立した上下動をする制御がより容易にすることが可能で、また5分割以上の熱反射体であれば、効果を与える範囲をより細かく設定し、細かな温度制御を行なうことができる。上述のように、4分割した熱反射体でなくとも、使いやすい機能や良好な効果を生むものであるならばそれを採用することは何ら問題とするところではない。

（実施例）
この実施例では、上述した実施形態１の方法で気相成長を行なったときに、本発明の特徴となる部分に注目して採った実験の結果に基づいて、本発明の有用性を説明する。

ここに、図４で示す実験のデータを説明する。図４のグラフは、図1に示すチャンバーで加熱処理を行っている状態で測定した、熱反射体を設けたモデルと設けなかったモデルにおける、ウェハの中心部とそれに対する各部分の温度差をグラフ化したものである。両者ともヒータの影響を強く受ける中心に近い部分では温度差もさほど大きくない。しかし熱反射体を設けなかったモデルは、中心から遠ざかるにつれ温度差は大きくなり、ウェハ中心から85mmの部分においてはこの実験で最大の温度差である+2.4℃を記録した。この状態で気相成長を行なうと、設定よりも温度が高くなってしまっている部分では膜厚が大きくなりすぎ、設定よりも温度が低くなってしまっている部分では膜厚が小さくなりすぎてしまう。またこれらのような温度差の生じている部分では、スリップが発生してしまうことが多くなる。その結果、品質が安定せず表面も平坦ではない結晶膜を成膜してしまうことになる。

それに対し熱反射体を設けたモデルではウェハ中心部から遠ざかった部分でも大きな温度差は生じず、全体として誤差１℃前後で収めることができている。このときに気相成長による薄膜を形成した場合、このグラフに示す曲線に相似し平坦で均一に結晶膜が成膜されることが推測される。よって、この実施例によれば熱反射体を設けた場合の方がより一定した膜厚で成膜することができると言える。

本発明で用いた熱反射体は、ＳｉＣ系材料、炭素系材料、ＡｌＮ系材料、ＳｉＮ系材料の少なくともいずれかを基材とすることが望ましい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明における気相成長装置を側方から見た断面図と部分拡大図。 ウェハの中心からの等距離における周方向の温度分布を示した図。 実施形態のウェハ上部の熱反射体の斜視図および上面図。 熱反射体の有無での個々のウェハの温度分布を示した図。 従来の気相成長装置を模式的に示した図。

符号の説明

１０１…チャンバー、１０２…ウェハ、１０３…ホルダ、１０４、１０５…ヒータ、１０６…フィードバックコントローラ、１０７…プロセスガス導入管、１０８…プロセスガス排気管、１０９…ホルダ１１３の回転軸、１１０…磁性体、１１１…磁気センサ、１１２…ガラス窓、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ…放射温度計、１１４…熱反射体駆動軸、１１５…熱反射体、１１６…シーケンス制御装置、１１７ａ、ｂ…ベローズ配管、１１８…パルスカウンタ、５０１…チャンバー、５０２…ウェハ、５０３…ホルダ、５０４…ヒータ、５０５…フィードバックコントローラ、５０６…放射温度計、５０７…プロセスガス導入管、５０８…プロセスガス排気管

Claims (6)

1. チャンバーに収容されたウェハを支持し水平方向に回転可能なホルダと、前記ホルダを水平方向に回転させる駆動機構と、前記ホルダ下部に設けられ、前記ホルダを介した輻射熱で前記ウェハを加熱するヒータと、前記ウェハの周縁部の上方に設置され、前記ヒータに対向した位置で水平方向に回転可能な駆動軸に固定され、かつ複数に分割されそれぞれが独立して前記ウェハとの距離を調整可能なリング状の熱反射体と、気相成長に必要な反応性ガスを含有するプロセスガスを導入する導入管と、反応後のプロセスガスを排気する排気管と、前記ウェハ表面の温度分布を計測する放射温度計を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記ヒータは、前記ウェハ中心部を加熱する第1のヒータと、前記ホルダに支持されている前記ウェハの周縁部を加熱する第2のヒータと、前記第1および第2のヒータの出力を制御するフィードバックコントローラを備えることを特徴とする前記請求項1記載の気相成長装置。
3. 前記熱反射体は、前記ウェハ表面から１ｍｍ〜５０ｍｍの距離で上下に駆動制御されることを特徴とする前記請求項1記載の気相成長装置。
4. 前記ホルダの回転軸表面に設けられた磁性体と、前記磁性体の接近回数をパルスとして検知する磁気センサと、前記磁気センサからのパルスを受信するパルスカウンタを備えることを特徴とする前記請求項1記載の気相成長装置。
5. 前記放射温度計の情報と前記パルスカウンタの情報を受信、解析するシーケンス制御装置を備えることを特徴とする前記請求項1記載の気相成長装置。
6. チャンバー内に収容され、ウェハが支持されたホルダを水平方向に回転させながら気相成長を開始する第1の工程と、
   前記ホルダの下部に設けられた第１のヒータおよび第２のヒータが前記ホルダを介した輻射熱によって前記ウェハを加熱する第2の工程と、
   前記ウェハ表面の温度を放射温度計により測定する第3の工程と、
   前記ホルダの回転軸に近接して設けられたセンサにより、前記ホルダと前記ウェハの回転位置を測定する第4の工程と、
   前記第３の工程による前記ウェハ表面の温度情報と、前記第４の工程による前記ホルダ上の前記ウェハの回転位置情報を、前記放射温度計および前記パルスカウンタとの間に接続されたシーケンス制御装置により前記ウェハ面内の温度分布を測定する第5の工程と、
   前記第5の工程の温度分布測定結果をもとに前記ウェハの周縁部上方に設置され、前記ヒータに対向した位置で水平方向に回転可能な駆動軸に固定され、かつ複数に分割されそれぞれが独立して前記ウェハとの距離を調整可能なリング状の熱反射体により、前記ウェハ表面からの距離を制御して前記ウェハ表面の温度を調整する第６の工程と、
   前記チャンバー内に反応性ガスを含有したプロセスガスを導入する第７の工程と、
   前記反応性ガスが熱分解され前記ウェハ表面に結晶膜を形成する第８の工程と、
   前記第８の工程後の前記プロセスガスを前記チャンバーから排気する第９の工程と
   を備えることを特徴とする気相成長方法。

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