JP2009049075A - バレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタの形状を改良することにより、エピタキシャル層の膜厚のウェーハ面内均一性を向上するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびこれを備えるバレル型エピタキシャル成長装置を提供する。
【解決手段】多角錘台状のサセプタの側面に半導体ウェーハを載置し、サセプタと、このサセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入して半導体ウェーハ上に単結晶膜を形成するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタであって、サセプタの側面に半導体ウェーハを載置するための複数の円形凹状の座ぐりが配列され、複数の座ぐりの配列方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）が、座ぐりの配列方向に直交する方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）よりも低いことを特徴とするバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびこれを備えるバレル型エピタキシャル成長装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、バレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置に関する。

バイポーラ、ＣＭＯＳあるいはディスクリート等、さまざまな半導体デバイスの製造工程において、半導体ウェーハ（以下、単に「ウェーハ」ともいう）上に単結晶の半導体膜を成長させるエピタキシャル成長装置が用いられるようになっている。

エピタキシャル成長装置の一つとして、バレル型装置（またはシリンダー装置）がある（特許文献１）。バレル型装置は、多くの枚数のウェーハを一括して処理することが可能であることから量産性に優れているため、幅広く用いられている。

近年、半導体デバイス製品に対する高い性能要求に伴い、エピタキシャルウェーハに対する性能要求も厳しくなっている。特に、エピタキシャル層の膜厚のウェーハ面内均一性のスペックが厳しくなっている。また、近年、ウェーハの大口径化が進んでおり、大口径半導体ウェーハにおけるエピタキシャル層の膜厚のウェーハ面内均一性の向上も大きな課題となっている。
特開平５−２１３５９号公報

もっとも、従来技術のバレル型エピタキシャル装置では、要求されるエピタキシャル層の膜厚のウェーハ面内均一性を実現することが困難であった。

そして、発明者は、後に詳述するように、サセプタ、特に、座ぐり（または、ザグリ）の内側壁部の形状が、ウェーハ面内のエピタキシャル層の均一性に大きな影響を与えることを見出した。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、サセプタの形状を改良することにより、エピタキシャル層の膜厚のウェーハ面内均一性を向上するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置を提供することにある。

本発明の一態様のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタは、多角錘台状のサセプタの側面に半導体ウェーハを載置し、前記サセプタと、前記サセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入して前記半導体ウェーハ上に単結晶膜を形成するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタであって、前記サセプタの側面に前記半導体ウェーハを載置するための複数の円形凹状の座ぐりが配列され、前記複数の座ぐりの配列方向側の、前記座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）が、前記配列方向に直交する方向側の、前記座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）よりも低いことを特徴とすることを特徴とする。

ここで、前記座ぐりの内側壁の高さが連続的に変化していることが望ましい。

ここで、前記側面の前記座ぐり部以外の表面が、前記座ぐりの内側壁部の高さがｈｂとなる位置が最高点となる波状を呈することが望ましい。

ここで、前記半導体ウェーハの厚さをｔ（ｍｍ）とした場合に、０＜ｈａ−ｔ≦０．８であることが望ましい。

ここで、ｈｂ−ｈａ＞０．４であることが望ましい。

本発明の一態様のバレル型エピタキシャル成長装置は、上述の本発明の一態様のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタを有することを特徴とする。

本発明によれば、サセプタの形状を改良することにより、エピタキシャル層の膜厚の均一性を向上するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置を提供することが可能になる。

以下、本発明に関するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置についての実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタは、多角錘台状のサセプタの側面に半導体ウェーハを載置し、このサセプタと、サセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入して半導体ウェーハ上に単結晶膜を形成するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタである。そして、サセプタの側面に半導体ウェーハを載置するための複数の円形凹状の座ぐりが配列されている。そして、複数の座ぐりの配列方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）が、座ぐりの配列方向に直交する方向側の座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）よりも低いことを特徴とする

加えて、座ぐりの内側壁の高さが連続的に変化していることを特徴とする。

さらに、多角錘台状のサセプタの側面の座ぐり部以外の表面が、座ぐりの内側壁部の高さがｈｂとなる位置が最高点となる波状を呈することを特徴とする。

また、本実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置には、上述のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタを備えることを特徴としている。

図２は、本実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置１０を示す図である。例えば、透明石英で形成される円筒形状容器１２内には、その側面にウェーハ（図示せず）をほぼ直立した状態で載置する複数の円形凹状の座ぐり１４を備えたサセプタ１６が吊り下げられている。

ここで、サセプタ１６は、図３（ａ）の斜視図に示すように多角錘台状、ここでは六角錘台状である。そして、図３（ｂ）の展開図に示すように、サセプタ１６は複数の台形状パネル、ここでは６枚の台形状パネルによって構成されている。このサセプタ１６は、例えば、表面が炭化珪素（ＳｉＣ）でコーティングされたカーボン（Ｃ）で形成されている。

そして、図２に示すように、円筒形状容器１２はサセプタ１６を同軸に覆っている。円筒形状容器１２上部には、反応ガスを導入するためのガス導入口１８が設けられている。また、円筒形状容器１２下部には、未反応の反応ガスあるいは反応により生成されたガスを排出するためのガス排出口２０が設けられている。ガス導入口１８から導入された反応ガスは、図中点線矢印で示すように、サセプタ１６と円筒状容器１２との間に導入され、下方へと流れる。

また、円筒形状容器１２の外部には、ハロゲンランプ等のヒータ２２が設けられている。このヒータ２２により、サセプタ１２上に載置された半導体ウェーハが加熱可能になっている。なお、ここでは、半導体ウェーハをランプ加熱により加熱する方法を示しているが、半導体ウェーハの加熱方法は、ランプ加熱に限らず、例えば、誘導加熱によりサセプタを加熱する方法によるものであっても構わない。

そして、角錐台形のサセプタは、それ自体の軸の周りを回転可能となっている。このように回転することによって、ウェーハの加熱およびウェーハへの反応ガスの供給を均一化している。

半導体ウェーハを加熱しながら、反応ガスを供給することで、サセプタ１６上に載置された半導体ウェーハ上に単結晶膜のエピタキシャル層を形成することが可能である。

本実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置は、、サセプタの形状以外については従来技術のバレル型エピタキシャル成長装置であり、その装置構造は上述の形態に限られるものではない。

図９は、従来技術のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図である。図に示すように、板状のパネル２４に、半導体ウェーハ（図示せず）が載置される円形凹状の座ぐり１４が設けられている。このように座ぐり１４を設けるのは、半導体ウェーハが、成膜処理中に落下あるいは位置ずれすることを防止するためである。

そして、従来の座ぐりの内側壁部の高さｈ（ｍｍ）は、全周にわたり一定である。したがって、座ぐりの配列方向（図中の矢印Ａで示す方向）側の内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）は、座ぐりの配列方向に直交する方向側（図中の矢印Ｂで示す方向）の、前記座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）とは等しくなっている。

図９に示すような、従来のサセプタを用いて単結晶膜の形成を行う場合に、発明者は、座ぐりの形状によって、ウェーハ面に形成される単結晶膜の膜厚の分布が左右されることを見出した。

図４は、従来技術のサセプタを用いた場合に、単結晶膜厚の座ぐり形状依存性により、生ずる問題点を説明する図である。図４（ａ）、図４（ｂ）ともに成膜される単結晶膜の膜厚のウェーハ３０面内依存性を示す。また、図中の矢印Ａで示す方向は、サセプタ上における複数の座ぐりの配列方向、すなわち反応ガスの流れる方向である。また、図中の矢印Ｂで示す方向は、サセプタ上における複数の座ぐりの配列方向に直交する方向、すなわち反応ガスの流れる方向に直交する方向である。

まず、図４（ａ）は、座ぐりの内側壁部の高さｈが比較的低い場合の、膜厚のウェーハ面内依存性を説明する図である。このように座ぐりの内側壁部の高さｈが比較的低い場合、図４（ａ）で斜線を施した領域の膜厚が、ウェーハ中心の膜厚に対して厚くなる傾向が生ずる。

図５は、座ぐりの内側壁部の高さｈが比較的低い場合の問題点の説明図である。図５は、図２に示したバレル型エピタキシャル成長装置のサセプタ部の水平断面を示している。単結晶膜成長中は、紙面の手前から奥に向かって反応ガスが、サセプタ１６と円筒形状容器１２の間の領域を流れることになる。この際、図中斜線で示される六角錘台状のサセプタ１６の角部と円筒形状容器１２の間の領域において、反応ガスの流速が速くなる。これは、この領域が他の領域と比較して、サセプタ１６と円筒形状容器１２の間の距離が短いためである。

このため、ウェーハのサセプタ１６の角部に近い領域、すなわち、図４（ａ）中、斜線で示した領域上で反応ガスの供給が増加し、この領域での単結晶膜成長速度が相対的に速くなる。したがって、図４（ａ）中、斜線で示す領域の単結晶膜厚が、ウェーハ中心部に比べて厚くなることになる。

この問題を解決する手段の一つとして、座ぐりの内側壁部の高さｈを高くし、ウェーハ表面と、サセプタのパネル２４表面の段差を高くする方法が考えられる。すなわち、段差を高くすることにより、パネル２４表面での流速の相違を、ウェーハ表面で緩和させるのである。

図４（ｂ）は、座ぐりの内側壁部の高さｈを比較的高くした場合の、膜厚のウェーハ面内依存性を説明する図である。このように座ぐりの内側壁部の高さｈが比較的高い場合、上述の理由により、図４（ａ）中、斜線で示した領域の膜厚はウェーハ中心とほぼ同等となる。もっとも、図４（ｂ）中、斜線を施した領域の膜厚が、ウェーハ中心の膜厚に対して薄くなる傾向が生じることになる。

図６は、座ぐりの内側壁部の高さｈを比較的高くした場合の問題点の説明図である。この場合、反応ガスが概念的に点線矢印で示す経路で流れることになる。したがって、反応ガスの経路に沿った座ぐりの内側壁部近傍のウェーハ３０表面反応ガスの供給が、ガスの経路の影になることにより、相対的に減少する。よって、図４（ｂ）の斜線で示す領域の単結晶膜厚がウェーハ中心に比較して薄くなると考えられる。

本発明は、発明者によって見出された上記知見をもとに考案されたものである。図１は、本実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図である。図に示すように、板状のパネル２４に、半導体ウェーハ（図示せず）が載置される円形凹状の座ぐり１４が設けられている点については従来技術と同様である。

もっとも、本実施の形態においては、座ぐりの内側壁部の高さｈが従来技術と異なり、均一ではない。本実施の形態においては、複数の座ぐりの配列方向側、すなわち、図中、矢印Ａで示す方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）が、座ぐりの配列方向に直交する方向側、すなわち、図中、矢印Ｂで示す方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）よりも低くなっている。

このように、矢印Ｂで示す方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈｂを相対的に高くすることによって、図４（ａ）で説明した問題の改善を図っている。すなわち、サセプタ角部に近いウェーハ領域での単結晶膜厚の厚膜化を抑制している。

そして、図中、矢印Ａで示す方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）を相対的に低くすることによって、図４（ｂ）で説明した問題の改善を図っている。すなわち、反応ガスの経路に沿った座ぐりの内側壁部近傍のウェーハ領域での単結晶膜厚の薄膜化を抑制している。

このようにして、従来の座ぐりの内側壁部の高さｈが均一なサセプタに代えて、座ぐりの内側壁部の高さをｈｂ＞ｈａとなるよう変化させたサセプタを用いることにより、ウェーハ面内の単結晶膜厚の均一性を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態においては、図１で示すように、内側壁の高さが、連続的に変化している。このように高さが連続的に変化することによって、ウェーハ表面での反応ガスの流れの連続性も向上し、膜厚の均一性を一層向上させることが可能となる。

さらに、図１に示すように、座ぐり部以外のサセプタのパネル表面が、座ぐりの内側壁部の高さがｈｂとなる位置が最高点となる波状を呈するよう加工されている。このように、パネル表面を、例えば、階段上ではなく、滑らかな波状にすることにより、パネル表面での反応ガスの流れの乱れが減り、一層流れが円滑になる。したがって、座ぐり内のウェーハ表面における反応ガスの流れも円滑化され、ウェーハ面内の単結晶膜厚の均一性を一層向上させることが可能となる。

図７は、本実施の形態のサセプタのパネルの一断面を、座ぐり内に載置されたウェーハの断面とともに示す図である。本実施の形態において、半導体ウェーハの厚さをｔ（ｍｍ）とした場合に、０＜ｈａ−ｔ≦０．８であることが望ましい。

ｈａ−ｔが、この範囲を下回ると、ウェーハ表面がサセプタのパネル表面と同じあるいは飛び出るため、ウェーハがサセプタから落下する恐れが大きくなるからである。また、この範囲を上回ると、サセプタのパネル表面と、ウェーハ表面の段差が大きくなりすぎて、図４（ｂ）中、斜線で示した領域が薄膜化する問題が顕在化する恐れが高くなるからである。

また、本実施の形態において、図１中で示したｈａとｈｂが、ｈｂ−ｈａ＞０．４の関係を充足することが望ましい。この範囲を下回ると、内側壁部の高さの差が小さすぎるため、十分な単結晶膜厚のウェーハ面内均一性を実現することが困難になる恐れがあるからである。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図である。本実施の形態のサセプタは、座ぐりの内側壁部の高さをｈｂ＞ｈａとなるよう変化させた点においては、第１の実施の形態と同様である。しかしながら、サセプタのパネル２４の表面は、基本的に平坦なままである。そして、座ぐりの配列方向に直交する方向側、すなわち、図中、矢印Ｂで示す方向側の、座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）を高くするために、湾曲した障壁３４を新たに設けている。

本実施の形態によっても、ｈｂ＞ｈａとすることのよって、第１の実施の形態と同様、ウェーハ面内の単結晶膜厚の均一性を向上することが可能となる。さらに、本実施の形態は、従来型のサセプタに障壁３４を付加するだけであるため、容易に製造できるという利点がある。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、バレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置は、本発明の範囲に包含される。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１として、図２に示すバレル型エピタキシャル成長装置と、図１で示すサセプタを使用した。実施例１のサセプタは、Φ１２５ｍｍ（５インチ）ウェーハ用のサセプタであり、座ぐりの直径は、１２７ｍｍである。そして、図１におけるｈａ＝０．９ｍｍ、ｈｂ＝１．４ｍｍとした。

上記のサセプタに、Φ１２５ｍｍ、膜厚（ｔ）＝０．４ｍｍのシリコンウェーハを載置し、表面に単結晶シリコン膜を３０μｍを成膜した。反応ガスは、原料ガスとして四塩化珪素、キャリアガスとして水素を用いた。反応温度についは１１５０℃とした。

１２０枚のウェーハのシリコン単結晶膜の面内膜厚を３１７点／枚の測定点で測定しウェーハ面内均一性を評価した。なお、ここでウェーハ面内均一性とは、（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）×１００（％）で求めた値をいう。また、膜厚測定はＦＴ−ＩＲ法（装置：ＥｐｉＳｃａｎ）にて行った。

（実施例２）
実施例２として、ｈａ＝１．１ｍｍ、ｈｂ＝１．４ｍｍのサセプタを用いる以外は、実施例１と同様の条件で、シリコン単結晶膜のウェーハ面内均一性を評価した。

（比較例）
比較例として、ｈａ＝１．４ｍｍ、ｈｂ＝１．４ｍｍのサセプタを用いる以外は、実施例１と同様の条件で、シリコン単結晶膜のウェーハ面内均一性を評価した。

比較例の場合のウェーハ面内均一性の平均値は５．０％であった。これに対し、実施例１の場合のウェーハ面内均一性の平均値は３．０％であった。また、実施例２の場合のウェーハ面内均一性の平均値は４．０％であった。このように、本実施例により、本発明のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタおよびバレル型エピタキシャル成長装置の有効性が確認された。

第１の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図。 第１の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置。 第１の実施の形態の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタを示す図。 従来技術のサセプタを用いた場合の問題点の説明図。 座ぐりの内側壁部の高さｈが比較的低い場合の問題点の説明図。 座ぐりの内側壁部の高さｈを比較的高くした場合の問題点の説明図。 第１の実施の形態のサセプタのパネルの一断面を、座ぐり内に載置されたウェーハの断面とともに示す図。 第２の実施の形態のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図。 従来技術のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタの要部を示す斜視図

符号の説明

１０ バレル型エピタキシャル成長装置
１２ 円筒形状容器
１４ 座ぐり
１６ サセプタ
２２ ヒータ
２４ パネル
２８ 金属被膜
３０ 半導体ウェーハ

Claims (6)

1. 多角錘台状のサセプタの側面に半導体ウェーハを載置し、前記サセプタと、前記サセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入して前記半導体ウェーハ上に単結晶膜を形成するバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタであって、
   前記サセプタの側面に前記半導体ウェーハを載置するための複数の円形凹状の座ぐりが配列され、
   前記複数の座ぐりの配列方向側の、前記座ぐりの内側壁部の高さｈａ（ｍｍ）が、前記配列方向に直交する方向側の、前記座ぐりの内側壁部の高さｈｂ（ｍｍ）よりも低いことを特徴とするバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタ。
2. 前記座ぐりの内側壁の高さが連続的に変化していることを特徴とする請求項１記載のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタ。
3. 前記側面の前記座ぐり部以外の表面が、前記座ぐりの内側壁部の高さがｈｂとなる位置が最高点となる波状を呈することを特徴とする請求項１または請求項２記載のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタ。
4. 前記半導体ウェーハの厚さをｔ（ｍｍ）とした場合に、０＜ｈａ−ｔ≦０．８であることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタ。
5. ｈｂ−ｈａ＞０．４であることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタ。
6. 請求項１ないし請求項５記載のバレル型エピタキシャル成長装置用サセプタを備えるバレル型エピタキシャル成長装置。
   
   
   

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