JP2009032946A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バレル型気相反応装置において、ウェーハ上に薄膜を気相成長させる場合に、ウェーハ裏面へのシリコン転写を抑制することができ、高品質で、歩留まりが高いエピタキシャルウェーハを生産することができる気相成長装置および気相成長方法を提供する。
【解決手段】気相成長装置の反応室１内に複数枚の板状のサセプタ２が角錐台形状に設置され、該サセプタ２は表面にＳｉ膜が形成された黒鉛からなり、該サセプタ２の外表面にウェーハを収容可能な円形ザグリ部４が形成され、該ザグリ部４の底面の形状は凹状のラウンド形状である。
【選択図】図５

Description

本発明は、主にエピタキシャルウェーハの製造に使用される気相成長装置および気相成長方法に関し、詳しくは対象となるウェーハをほぼ垂直に保持してエピタキシャル成長を行う例えばバレル型の気相成長装置および気相成長方法に関する。

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（以下ウェーハと称することがある。）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ェ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、ウェーハを収容する円形のへこみ部がサセプタの上面に設けられる。そして、ザグリ部と呼ばれるこのへこみ部内にウェーハを収容してエピタキシャル成長を行う。

縦型気相成長装置の一種としてパンケーキ式装置がある。この縦型気相成長装置においては、ベースプレート上に釣鐘状のベルジャを載置することで反応室が形成されており、その内にウェーハを載置する水平円盤型のサセプタが水平に配置されている。気相成長の際には、サセプタの上面に設けられたザグリ部にウェーハを載置し、原料ガスを反応室内に流通させる。このとき、サセプタ下部に置かれた高周波加熱コイルによってサセプタが加熱され、さらにサセプタからの熱伝導でウェーハが加熱され、ウェーハ上に噴出された原料ガスがウェーハ表面で反応し、ウェーハ表面に薄膜のエピタキシャル層を気相成長させる。

一方、バレル型気層成長装置においては、逆釣鐘状に固定されたベルジャ内に、サセプタが吊り下げられたシールプレートを載せることで反応室が形成される。この反応室内には、半導体基板を側面に載置する多角柱型のサセプタがほぼ垂直に配置されている。気相成長の際には、サセプタの側面に設けられザグリ部にウェーハを載置し、原料ガスを反応室内に流通させる。このとき、ザグリ部に載置したウェーハは、反応室外部に設置されたランプにより加熱され、ウェーハ上に噴出された原料ガスがウェーハ表面で反応し、ウェ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、半導体基板にエピタキシャル反応を行う前、サセプタにあらかじめＳｉを数ミクロン堆積させておく、いわゆるＳｉコートが行われることがある。これは、サセプタの表面をＳｉ膜で覆うことで、サセプタから半導体基板への汚染を防ぐ役割があり、近年広く用いられている。

しかし、パンケーキ式装置では、このサセプタ上のポリシリコンが、エピタキシャル反応中に半導体基板の裏面に析出する、いわゆる裏面シリコン転写が起きることがある。この裏面シリコン転写は、パンケーキ式装置では、基板の加熱がサセプタからの熱伝導で行われるため、常に半導体基板はサセプタより温度が低い状態にあることが原因で生じると考えられていた。

この現象をうまく利用した例として、高濃度ドープ基板でのオートドーピング抑制のためのＳｉシールがある(特許文献１)。しかし、裏面への析出が不均一であったり、局所的に析出が起きた場合にはエピタキシャルウェーハの厚み異常を引き起こし、デバイス工程での歩留低下につながってしまうという問題があった。

一方、バレル型気層成長装置では、加熱が外部にあるランプで行われるため、サセプタよりランプに近い半導体基板の方が温度が高い状態にある。そのためバレル型気相成長装置においてはパンケーキ型反応機で生じる裏面シリコン転写は起きないと思われてきた。

特開２０００−３１５６５６号公報

ところが、我々は、従来、裏面シリコン転写は生じにくいと考えられていたバレル型気相成長装置において、プロセス条件によって裏面シリコン転写が起きてしまう場合があることを見出した。
そこで、前記問題を解決するために、本発明は、バレル型気相反応装置での裏面シリコン転写を抑制し、高品質のエピタキシャルウェーハを生産できる気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、気相成長装置であって、該気相成長装置の反応室内に複数枚の板状のサセプタが角錐台形状に設置され、該サセプタは表面にＳｉ膜が形成された黒鉛からなり、該サセプタの外表面にウェーハを収容可能な円形ザグリ部が形成され、該ザグリ部の底面の形状は凹状のラウンド形状であることを特徴とする気相成長装置である（請求項１）。

このように、気相成長装置の反応室内に複数枚の板状のサセプタが角錐台形状に設置され、該サセプタは表面にＳｉ膜が形成された黒鉛からなり、該サセプタの外表面にウェーハを収容可能な円形ザグリ部が形成されたバレル式気相成長装置において、該ザグリ部の底面の形状が凹状のラウンド形状であることで、ウェーハの裏面に裏面シリコン転写が発生せず、高品質のエピタキシャルウェーハを生産できる気相成長装置を得ることができる。

また、前記気相成長装置において、前記サセプタの表面に形成されるＳｉ膜は、前記黒鉛にＳｉＣ膜をコートした上に形成されているものであるのが好ましい（請求項２）。

このように、黒鉛製のサセプタ表面にＳｉＣ膜をコートし、その上にＳｉ膜が形成されることで、気相成長プロセスにおいて効果的にサセプタからの汚染を防ぐことができ、高品質のエピタキシャルウェーハを生産できる気相成長装置を得ることができる。

また、前記気相成長装置において、前記ザグリ部の底面の中心部の深さが該ザグリ部底面の外周から１００μｍ以上５００μｍ以下の深さであるのが好ましい（請求項３）。

このように、ザグリ部の底面の中心部の深さが該ザグリ部底面の外周から１００μｍ以上５００μｍ以下で凹状のラウンド形状になっていると、より効果的に裏面シリコン転写を抑制することができ、高品質のエピタキシャルウェーハを生産できる気相成長装置とすることができる。

また、本発明では前記気相成長装置における前記ザグリ部にウェーハを収容し、外表面側から加熱して、該ウェーハ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ことができる（請求項４）。

このように、前記の気相成長装置のザグリ部にウェーハを収容し、ウェーハを外表面側から加熱して、ウェーハ表面に薄膜を気相成長させることで、ウェーハの裏面に裏面シリコン転写が発生せず、高品質のエピタキシャルウェーハを生産できる気相成長方法とすることができる。

本発明に係る気相成長装置および気相成長方法であれば、バレル型の気相成長装置においてウェーハ裏面への裏面シリコン転写を抑制することができ、高品質で、歩留まりが高いエピタキシャルウェーハを生産することができる。

前述のように、従来、バレル型気相成長装置は、パンケーキ式装置と比べて裏面シリコン転写は生じにくいと考えられていた。しかし、プロセス条件によってバレル型気相成長装置においても裏面シリコン転写が起きてしまう場合があることがわかった。

上記課題を解決するために、まず本発明者は裏面シリコン転写の発生メカニズムについて詳細な調査を行った。調査した結果、前記裏面シリコン転写は、転写源となるＳｉの存在、物質移動による再析出、サセプタとウェーハの接触、これら三つの条件が揃ったときに発生することを見出した。

裏面シリコン転写は、サセプタをコートしたポリＳｉが気相成長プロセス中に分解し、それがウェーハ側に再析出することで起きる。すなわち、サセプタがポリＳｉでコートされていなければ発生しない。しかし、前述したように現状の気相成長プロセスではサセプタからの汚染を防ぐ目的で、サセプタをＳｉコートすることが標準で行われている。このＳｉコートをなくすことは、エピタキシャルウェーハの品質への影響を考えると望ましくない。

また、黒鉛製のサセプタ表面にＳｉＣ膜をコートし、その上にＳｉコートすることで、気相成長プロセス中のサセプタからの汚染をより効果的に防ぐことができる。しかし、Ｓｉ膜の下にＳｉＣ膜がコートされていても、裏面シリコン転写が生じてしまっていた。

しかし、サセプタをコートしたポリＳｉが分解しても、それが基板ウェーハ側に再析出しなければ裏面シリコン転写は生じない。裏面シリコン転写は、サセプタ上に存在したポリＳｉが、基板ウェーハ裏面に物質移動したために生じる。

図１はシリコン基板上へのシリコンの析出反応をアレニウスプロットしたものである。通常、産業ベースで使用される温度範囲では図中左側の傾きの緩やかな供給律速になっている。そこでの活性化エネルギーは、傾きから約２．３×１０^４Ｊ/ｍｏｌと見積もられる。一方、図２はＨＣｌガスによるシリコンのエッチング反応をアレニウスプロットしたものである。同様にこの供給律速下での活性化エネルギーは傾きから約５．４×１０^４Ｊ/ｍｏｌと見積もられる。

図３はＳｉコートしたサセプタにウェーハを載置した状態を模式的に表したものである。サセプタとウェーハ裏面とで囲われる空間では、シリコンの析出反応とエッチング反応の両方が起きていると考えられる。その際、図１，２で示した活性化エネルギーの違いから、温度が高い領域では活性化エネルギーの大きなエッチング反応が優勢になり、逆に温度が低い領域では析出反応の方が優勢になる。サセプタとウェーハ裏面とで囲われる空間内で温度差があると、高温側でシリコンのエッチングが進み低温側にはそのシリコンの析出が起きる。すなわち、物質移動が生じることになる。

以上のようなメカニズムにより、ウェーハとサセプタの間でのシリコンの物質移動は高温側から低温側に向かって生じる。バレル型反応機の場合、加熱が外部にあるランプで行われるため、サセプタよりランプに近いウェーハの方が温度は高い。そのためランプで加熱している間は、物質移動によるポリＳｉ再析出が起こらない。すなわち、裏面シリコン転写が生じることはない。しかし、気相成長反応終了後の冷却工程では、ウェーハはサセプタ表面側から冷却されるため、熱容量の大きいサセプタよりウェーハの方が温度の降下が速く、ウェーハがサセプタより低温になってしまう。そのため、バレル型反応装置において、その冷却工程、特に冷却直後に裏面シリコン転写が発生する条件を満たすことがわかった。

しかし、上記の条件を満たしても、転写するシリコン源であるサセプタと転写先のウェーハが非常に近接しているか接触していないと裏面シリコン転写は発生しない。図３は、従来形状のザグリ部４における加熱時（Ａ）のウェーハＷのそりと、冷却時（Ｂ）のウェーハＷのそりを示した図である。前述したようにバレル型気相成長装置では加熱はウェーハＷの表面側から行われる。そのため裏面に比べ表面の温度が高くなり、表裏の熱膨張に違いによりウェーハは凸状に反っている(図３（Ａ）参照)。

上記のように、ウェーハが凸状に反ることから、従来は、サセプタのザグリ部の底面の形状が平らでもウェーハの中心付近と接触することはなく、裏面シリコン転写など裏面品質に影響を及ぼすことはないと思われてきた。しかし、図３（Ｂ）に示すように、冷却中はウェーハＷ表面のほうが先に冷える為、表裏の温度差は反応中とは逆になり、凹状に反ってしまうことになる。その結果、ザグリ部底面Ｚが平らであると、ウェーハＷの裏面とサセプタ２が接触し、裏面品質が悪化する可能性があることが見出された。

上述したように、裏面シリコン転写は気相成長反応直後の冷却過程で生じることがわかった。また、裏面シリコン転写の発生を防ぐには、前述の三つの条件を一つでも成立させなければ良い。そこで、図４は、本発明に係るザグリ部４における加熱時（Ａ）と冷却時（Ｂ）のウェーハＷのそりを示した模式図である。このように、本発明では、サセプタ２とウェーハＷの接触に着目し、冷却中ウェーハＷが凹状に反ってもザグリ部４の底面と密着しないようにあらかじめザグリ部底面Ｚに凹状のラウンドを形成させた。

以下では、本発明の実施の形態について、添付した図面に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図５は本発明における気層成長装置の一例を示す断面概略模式図である。このバレル型気層成長装置においては、逆釣鐘状に固定されたベルジャ１内に、凹状の底面を有するザグリ部４が形成されたサセプタ２が吊り下げられたシールプレート８を載せることで反応室が形成される。この反応室内には、ウェーハを側面に載置する多角柱型のサセプタ２がほぼ垂直に配置され、反応室外部にはウェーハを加熱するためのランプ３が設置されている。また、前記サセプタ２は、表面にＳｉ膜が形成された黒鉛からなる。

サセプタ２のザグリ部４にウェーハを載置する。そして、原料ガスをガス導入口５より供給し、ジェット６と呼ばれるガス噴出口から噴出して反応室に導入し、ガス排出口７から排出する。このとき、ウェーハはランプ３により加熱されているので、噴出された原料ガスはウェーハ表面で反応し、ウェーハ表面に薄膜のエピタキシャル層を気相成長させる。その後、ランプ３による加熱をやめ、所定の温度までウェーハを冷却してからウェーハを取り出す。

図６は本発明にかかる気層成長用サセプタ２のザグリ部４の一例を示す断面概略図である。このサセプタは、ウェーハを載置するためのザグリ部に凹状のラウンドが形成されたものであり、冷却中、ウェーハが凹状に反ってもウェーハ裏面とザグリ底面が密着しないようになっていることを特徴とする。

なお、ウェーハは、例えばシリコンウェーハを用いることができるが、他の半導体ウェーハ等でもよく、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することもでき、特に限定されない。

また、サセプタ表面は、黒鉛の上にＳｉＣ膜をコートし、その上にＳｉ膜が形成されることで、気相成長プロセス中のサセプタからの汚染をより効果的に防ぐことができる。従って、サセプタ表面に形成されるＳｉ膜の下にはＳｉＣ膜がコートされているのが好ましい。

また、サセプタ全体の形状は複数枚の板状のサセプタが角錐台形状に設置されたものであるが、１枚のサセプタに形成されるザグリ部は１つ又はそれ以上とできる。ザグリ部の直径は載置するウェーハのサイズに合わせて適宜選択することができるが、ザグリ部底面の中心部の深さはザグリ部底面の外周から１００μｍ以上５００μｍ以下の深さであることが好ましい。

なお、冷却時のウェーハのそりは表裏の温度差ΔＴで決まる。この温度差ΔＴは装置の構成やプロセス条件によっても異なるため、実際のソリ量に合わせてザグリ部の中心部の深さも決めるべきである。上記のように本発明では最小のザグリ部の中心部の深さを１００μｍとしているが、装置構成などによってはそれより小さくても十分な場合も考えられる。一方、最大の深さも５００μｍとしている。これは、あまり深いとサセプタの加工コスト増大や薄厚化による強度の低下などから上限を決めているのであり、プロセス条件によってはそれより深くしてもよい。

以下に本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（比較例、実施例）
図５のバレル型気相成長装置を用い、上述したようにシリコンウェーハをサセプタのザグリ部に収容しウェーハ上にシリコン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、ザグリ部底部の形状が平らなもの（比較例）と、ザグリ部底面を凹状にラウンドを形成したもの（実施例）との二種類を用いた。ザグリ部底面を凹状のラウンド形状にしたサセプタのザクリ部底面の中心部の深さは、ザグリ部の底面の最外周部から２００μｍの深さであった。上記の各サセプタを設置したバレル型気相成長装置において、それぞれ１５００枚のウェーハにエピタキシャル成長を行った。なお、ウェーハには裏面がケミカルエッチ面である直径６インチ、厚さ６２５μｍ、Ｐ型１０Ωｃｍのものを用いた。また、サセプタは、表面にＳｉＣ膜がコートされた黒鉛製であり、ウェーハを仕込む前にあらかじめ前記ＳｉＣ膜の上に約１μｍ程度のポリＳｉをコートしたものを用いた。エピタキシャル成長には、反応ガスとしてＳｉＨＣｌ_３を用い、成長速度を１．０μｍ／ｍｉｎ、反応温度を１１５０℃、成長膜厚を１０μｍ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ェーハについてハロゲン灯下で裏面の観察を行い、裏面シリコン転写の発生について調査を行った。

表１はザグリ部底面が平らなサセプタとザクリ部底面に凹状にラウンドが形成してあるサセプタをそれぞれ設置したバレル型気相成長装置において作製されたエピタキシャルウェーハについて裏面シリコン転写の発生割合を比較したものである。従来のザグリ部底部が平らな比較例のサセプタを設置したバレル型気相成長装置において作製されたエピタキシャルウェーハの場合、１５００枚中１１枚に裏面シリコン転写の発生が見られた（発生率０．７％）。一方、凹状にラウンドを形成した実施例のサセプタを設置したバレル型気相成長装置において作製されたエピタキシャルウェーハでは、裏面シリコン転写は１５００枚中１枚も発生しておらず（発生率０％）、裏面品質が大幅に改善されていることがわかった。

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、同様な効果を奏する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。

例えば、上記では、表面にコートされたＳｉＣ膜の上に約１μｍ程度のポリＳｉをコートした黒鉛製のサセプタを用いているが本発明はこれに限定されるものではない。表面にＳｉ膜がコートされている黒鉛製のサセプタであれば、ＳｉＣ膜が形成されていなくても同様な課題が生じ、本発明が有効である。

シリコンエピタキシャル反応における成長速度の温度依存性のアレニウスプロット図である。 ＨＣｌによるシリコンエッチング反応におけるエッチング速度の温度依存性のアレニウスプロット図である。 従来形状のザグリにおける加熱時（Ａ）と冷却時（Ｂ）のウェーハのそりを示した模式図である。 本発明の凹状のラウンド形状のザグリ部における加熱時（Ａ）と冷却時（Ｂ）のウェーハのそりを示した模式図である。 本発明に従うバレル型気相成長装置を示す概略図である。 本発明に従う気相成長装置におけるサセプタの断面概略説明図である。

符号の説明

Ｗ…ウェーハ、 Ｚ…ザクリ部底面、 １…ベルジャ、
２…サセプタ、 ３…ランプ、 ４…ザクリ部、
５…ガス導入口、 ６…ジェット、 ７…ガス排出口、
８…シールプレート。

Claims (4)

1. 気相成長装置であって、該気相成長装置の反応室内に複数枚の板状のサセプタが角錐台形状に設置され、該サセプタは表面にＳｉ膜が形成された黒鉛からなり、該サセプタの外表面にウェーハを収容可能な円形ザグリ部が形成され、該ザグリ部の底面の形状は凹状のラウンド形状であることを特徴とする気相成長装置。
   
2. 請求項１記載の気相成長装置において、前記サセプタの表面に形成されるＳｉ膜は、前記黒鉛にＳｉＣ膜をコートした上に形成されているものであることを特徴とする気相成長装置。
   
3. 請求項１または請求項２に記載の気相成長装置において、前記ザグリ部の底面の中心部の深さが該ザグリ部底面の外周から１００μｍ以上５００μｍ以下の深さであることを特徴とする気相成長装置。
   
4. 請求項１ないし請求項３に記載の気相成長装置における前記ザグリ部にウェーハを収容し、外表面側から加熱して、該ウェーハ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。
   
   

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