JP2009147105A - エピタキシャル成長方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、下凸の上壁を有する反応室内に単結晶基板を配置し、反応室内にガス導入口から原料ガスおよびキャリアガスを導入して、単結晶基板上にエピタキシャル層を積層する枚葉式のエピタキシャル成長方法であって、ガス導入口から反応室内に導入するキャリアガスの流量に応じて、反応室の上壁の曲率半径および/またはガス導入口の上端と反応室の上壁の下端との高さ方向における差を調整してから、単結晶基板上にエピタキシャル層を積層するエピタキシャル成長方法。
【選択図】図2
Description
この枚葉式エピタキシャル成長装置101は、表面にエピタキシャル層が積層される単結晶基板102が内部に配置される反応室103を有しており、該反応室103に原料ガス・キャリアガスを導入するためのガス導入口104とガスを排出するガス排出口105が設けられている。また、反応室103内には単結晶基板102を載置するサセプタ106を具備する。なお、反応室103の上壁107は石英ガラスからなっている。
また、少なくとも、反応室103の外部には、単結晶基板102を加熱する例えばハロゲンランプ等の加熱手段108を備えている。
これは、ガス導入口104から反応室103内に導入された原料ガスは、単結晶基板102上を通過するときにエピタキシャル層の形成のために消費されていくことから、ガス導入口104からガス排出口105の方向に向かって原料ガスの濃度が低下するためと考えられる。
このようなエピタキシャル成長装置101’のように、上壁107’が下凸となっている反応室内に単結晶基板を配置してエピタキシャル成長させることにより、反応室の中央部における空間を狭くし、エピタキシャル反応を効果的に促進させ、それによってエピタキシャル層の膜厚の均一化を図ることが試みられている。
しかしながら、このようなエピタキシャル成長装置101’を用いても、優れた膜厚形状(膜厚分布)を得られない場合が生じ、不十分であった。
さらには、上記のように、膜厚形状は反応室の上壁からも影響を受けることが分かっている。そして、この反応室の上壁は個体差が大きく、微視的にみると様々な形状をしている。従って、同一機種を使用していながら、反応室の上壁の個体差があるため、各成長装置の膜厚形状に対する最適なキャリアガス流量は異なっている。
前記ガス導入口から前記反応室内に導入するキャリアガスの流量に応じて、前記反応室の上壁の曲率半径および/または前記ガス導入口の上端と前記反応室の上壁の下端との高さ方向における差を調整してから、前記単結晶基板上にエピタキシャル層を積層することを特徴とするエピタキシャル成長方法を提供する(請求項1)。
従来のような生産性を優先した方法の場合、最外周部のダレは悪化するが、このように、ガス導入口から前記反応室内に導入するキャリアガスの流量に応じて、反応室の上壁の曲率半径および/またはガス導入口の上端と反応室の上壁の下端との高さ方向における差を調整してから、単結晶基板上にエピタキシャル層を積層すれば、各流量のキャリアガスによってもたらされる生産性または裏面品質等の効果を得ることができるとともに、均一な膜厚分布を有する優れたエピタキシャル層を積層することが可能となる。
このようにすれば、単結晶基板の裏面の自然酸化膜を取り除くことが可能であり、ハローの形成を効果的に防止することができる。
単結晶基板が直径300mm以上という比較的大きいものの場合、エピタキシャル層の膜厚分布は特に不均一になりやすいため、本発明のエピタキシャル成長方法は特に有効である。
このように原料ガスをトリクロロシランとし、キャリアガスを水素すれば、単結晶基板上に高品質のシリコン単結晶層を積層することができる。
まず、本発明者は、図9に示すような反応室の上壁が下凸の枚葉式エピタキシャル成長装置を用い、従来のエピタキシャル成長方法により単結晶基板上に積層したエピタキシャル層の膜厚分布について調査を行った。なお、ここでは、原料ガスとしてトリクロロシランを、キャリアガスとして水素を用い、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶層を積層した。
まず、本発明のエピタキシャル成長方法を実施する際に用いることができる枚葉式エピタキシャル成長装置の一例を図1に示し、該エピタキシャル成長装置の概略について説明する。
そして、反応室3の外部には加熱手段8が配設されており、エピタキシャル成長を行う際に単結晶基板2、反応室3内を加熱することができる。この加熱手段8は特に限定されず、例えばハロゲンランプ等を用いることができる。
また、反応室3を形成する部材の他の箇所は主に石英ガラスでできているが、その材質、形状等は特に限定されず、例えば一般的なエピタキシャル成長装置と同様のものとすることができる。
ここでは、一例として、エピタキシャル層を積層させる単結晶基板としてシリコン単結晶基板を、そして、原料ガスにトリクロロシラン、キャリアガスに水素を用い、シリコン単結晶層を積層する例について述べる。これらのものは通常よく用いられているものであり、有用とされているエピタキシャルシリコン単結晶基板を提供することができる。当然、本発明はこれに限定されず、原料ガス等、目的に応じて適宜変更することが可能である。
このシリコン単結晶基板は、例えば直径300mm以上のものとすることができる。直径が比較的大きいと、従来法では最外周部の外周ダレは生じやすいため、特に外周ダレを抑制するにあたっては、本発明のエピタキシャル成長方法は極めて効果的である。ただし、本発明は直径300mm以上のものに限定されることなく、それよりも小さな直径のものに対して実施することも可能である。
なお、操業時はサセプタ6を支持する支持軸9を、不図示の回転機構により自転させることによって、サセプタ6およびその上に配置されているシリコン単結晶基板2を回転させる。
ただし、本発明では、エピタキシャル成長を行う前に、反応室3の上壁7の曲率半径(R)や、ガス導入口4の上端と反応室3の上壁7の下端との高さ方向における差(H)を、反応室3内に導入する水素の流量に対応して予め調整しておく。
すなわち、エピタキシャル層の膜厚分布が、全面において均一な優れたエピタキシャルシリコン単結晶基板を得ることができる。
しかも、設定したキャリアガスの流量による効果(高流量であれば単結晶基板の裏面の品質、低流量であれば反応室内の洗浄頻度の抑制およびそれによる生産性の向上等)をも得ることができる。
エピタキシャル成長装置において、本試験と同様に、キャリアガスの流量を目的に応じた所定の流量に設定し、原料ガスおよびキャリアガスを反応室内に導入してシリコン単結晶基板上にエピタキシャル層を積層する工程を、上記RやHを変更して繰り返して行い、それぞれのRやHの値の条件で積層されたエピタキシャル層を有するエピタキシャルシリコン単結晶基板を得る。RやHの変更は、例えば、RやHが異なる上壁7を構成する部材を複数パターン用意しておき、それらを交換することによって行うことが可能である。
そして、このようにして選択した適切なRやHに調整してから、実際に、上記本試験でエピタキシャルシリコン単結晶基板を製造することができる。
すなわち、上述したように、単結晶基板の裏面の品質を維持するのであれば、高流量に設定すると良い。また、原料ガスの副生成物による成長装置の汚染を避け、生産性を向上させるのであれば、キャリアガスを低流量に設定すると良い。高流量に設定することによって、単結晶基板の裏面において、ハローの形成、ナノトポロジーの悪化を防ぐことができる。
ここでは、メーカーの標準仕様で、反応室の上壁の曲率半径(R)が3556mm、ガス導入口の上端と反応室の上壁の下端との高さ方向における差(H)が1.5mmの枚葉式エピタキシャル成長装置(アプライドマテリアルズ社製装置 センチュラ)を用いた場合について説明する。
ここで図3は、原料ガスであるトリクロロシランの流量を16slm、キャリアガスである水素の流量を70slmより大の高流量(ここでは80slm)に設定した場合のエピタキシャル層のUniformityについて示したものである。まず、この図3、また図5、6について以下に説明する。
なお、エピタキシャル層の膜厚分布の測定にあたって、まず、エピタキシャル層の厚さをFT−IRによる界面反射と表面反射との光路長差から測定した。測定するエピタキシャルシリコン単結晶基板は、各条件に対して1枚で、測定点は、単結晶基板の両半径方向(直径上)に、合計33点である。
また、最外周部5mmは、測定領域から除外した。
DeviationおよびUniformityを求める式は以下に示す通りである。
なお、この外周ダレの調査は、ADE PhaseShift社製のフラットネス測定器(WaferSight)で計測することにより行った。この測定器により、エピタキシャルウエーハ表面の変位量(凹凸)に対して、ウエーハ半径方向に2階微分が行われ、表面変位の加速度的な変化がウエーハ半径のどのポジションで起きているかを知ることができる。
図4に示すように、標準仕様(R=3556mm、H=1.5mm)ではUniformityは1.8%であるが、例えば、Hを2.5mm以上に調整し、さらにはRを3000mmより大きく4500mm未満にすることによって、比較的Uniformityを小さな値(1.6%以下)にすることができる。特には、Rを3556mmのまま、Hを3〜4.5mmに変更した場合には、Uniformityを0.51〜1.1%にすることができ、優れた膜厚分布を有するエピタキシャル層を得られている。
また、図7はR=3556mm、H=4.5mmのときの各測定点におけるDeviationを示したものであるが、このグラフからも優れた膜厚分布となっていることがわかる。
3…反応室、 4…ガス導入口、 5…ガス排出口、
6…サセプタ、 7…上壁、 8…加熱手段、 9…支持軸。
Claims (6)
- 少なくとも、下凸の上壁を有する反応室内に単結晶基板を配置し、前記反応室内にガス導入口から原料ガスおよびキャリアガスを導入して、前記単結晶基板上にエピタキシャル層を積層する枚葉式のエピタキシャル成長方法であって、
前記ガス導入口から前記反応室内に導入するキャリアガスの流量に応じて、前記反応室の上壁の曲率半径および/または前記ガス導入口の上端と前記反応室の上壁の下端との高さ方向における差を調整してから、前記単結晶基板上にエピタキシャル層を積層することを特徴とするエピタキシャル成長方法。 - 前記単結晶基板上にエピタキシャル層を積層するとき、1つ以上の貫通孔が形成されたサセプタ上に単結晶基板を配置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方法。
- 前記単結晶基板を直径300mm以上のものとすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のエピタキシャル成長方法。
- 前記原料ガスをトリクロロシランとし、キャリアガスを水素とすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長方法。
- 前記ガス導入口から前記反応室内に導入するキャリアガスの流量を70slmより大とするとき、前記反応室の上壁の曲率半径を4500mm以上7500mm未満、および/または前記ガス導入口の上端と前記反応室の上壁の下端との高さ方向における差を0mm以上2mm以下とすることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長方法。
- 前記ガス導入口から前記反応室内に導入するキャリアガスの流量を60slm未満とするとき、前記反応室の上壁の曲率半径を3000mmより大きく4500mm未満、および/または前記ガス導入口の上端と前記反応室の上壁の下端との高さ方向における差を2.5mm以上とすることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長方法。
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