JP2009176959A - サセプタ及び気相成長装置並びに気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気相成長装置を使用してウェーハに薄膜を気相成長させる際、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性を改善することができるサセプタを提供する。
【解決手段】気相成長装置内でウェーハＷを水平に載置するザグリ１が形成されたサセプタ１０において、ザグリ１は、底面１ａと側壁１ｂを有する円形の凹形状であり、ザグリの側壁１ａの直径は、載置するウェーハＷの直径より大きく、ザグリの底面１ｂには、ウェーハがザグリの中央部に載置されるように該ザグリの底面から突出する複数の突起物１ｃが形成されたものであるサセプタ１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハに薄膜を気相成長させるときに使用する気相成長装置内で、ウェーハを水平に載置するサセプタに関し、さらに、それを利用した気相成長装置、並びに気相成長方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、容器で外界と遮断した半導体基板（以下、単にウェーハと呼ぶこともある）上に反応性ガスを供給し、半導体基板上に薄膜を形成する工程がある。これらの工程では原料ガスの供給により、半導体基板上で気相反応を起して薄膜を形成する気相成長装置が使用されている。

それらの中でも特に、シリコン基板上にシリコンの単結晶を成長させるエピタキシャル層成長装置はＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体デバイスの製造工程で利用されている。この装置ではシリコン基板を通常１０００℃以上に加熱し、反応容器内に四塩化珪素、トリクロルシラン等の原料ガスと水素との混合ガスを供給し、水素還元または熱分解することによって、シリコン基板上にエピタキシャル成長による単結晶のシリコン薄膜を成長させる。また、エピタキシャル成長は半導体デバイスの製造工程においてバイポーラ素子の耐圧などを高めるために用いられており、素子においてもメガビットのメモリを製作する場合、α線によるソフトエラーやラッチアップを防ぐために必要な技術になっている。

このようなエピタキシャル成長には、例えば図５に示すような気相成長装置が用いられている。
図５は従来の気相成長装置を示す概略図である。図中５０は気相成長装置を示しており、気相成長装置５０は石英製のチャンバ５１とチャンバベース５２とによって外界と隔離されている。チャンバ５１内の中央部には円盤状のサセプタ５６を支持する支持台５３が回転可能に配設され、使用時にはこのサセプタ５６に複数個の半導体基板５５を成長面を上にして水平に載置し、気相成長がなされる。
また、支持台５３の中央部は原料ガス導入部５７となっており、支持台５３の下部はチャンバベース５２の下方へ突出している。また、サセプタ５６の中央にある開口部５６ａに薄膜を形成するための原料を含むガスを供給するための原料ガスノズル５８が接続されている。この原料ガスノズル５８には原料ガスが半導体基板５５の上面に対して略平行に流出するように複数個の孔５８ａが形成されている。一方、チャンバベース５２の中央部付近すなわち支持台５３の周囲には原料ガスの排出口５９が形成されている。また、半導体基板を加熱するため、誘導加熱コイル５４がサセプタ５６の下方に渦状に設置されている。

このような複数個の半導体基板を同時に処理するタイプの気相成長装置（例えば特許文献１参照）の他に、例えば特許文献２のような半導体基板を１枚ずつ処理するタイプの気相成長装置がある。
これらの一般的な気相成長装置において半導体基板に薄膜を形成する場合、成長させる薄膜の厚さを基板面内で均一化する工夫や、いかに基板を傷つけないように処理するかといった工夫が従来からなされている。そのため、図４のようなサセプタの形状を変形させることによりこのような問題を解決しようとしている。

図４は、従来の１枚保持タイプのサセプタの概略を示す図である。この従来のサセプタ４０は、例えば黒鉛基材上にＣＶＤ法により厚さ１５０μｍ程度のＳｉＣ膜をコーティングした円盤形状であり、その中央部にはウェーハＷの直径とほぼ同じ大きさの直径を有する円形凹形状のザグリ４１が形成されたものである。ザグリ４１の外側は一段高くなっており、気相成長中にウェーハＷが回転するサセプタ４０から水平方向にズレて外れるのを防止する。すなわち、ザグリの側壁の部分がウェーハのサセプタ内の位置決め手段となっている。そのため、ザグリの底面より一段高くなった部分を便宜上ザグリガイド４２と呼んでいる。

特許文献２のサセプタは、図４のようにウェーハを１枚保持するタイプであるが、ザグリの底面の外周には、図４に図示されていない傾斜面が形成されている。そして、この傾斜面でウェーハ外周端部を保持することによりウェーハに傷がつかないようにしている。

一方、特許文献１におけるサセプタのザグリの形状は底面が平たく、ザグリの底面から１段上がったザグリガイドには、外周部を囲む断面形状は矩形の凸部が形成されている。このザグリガイド上の凸部により原料ガスの流れを整流して、ウェーハに気相成長させる薄膜の膜厚の均一性を図っている。
しかしこのような工夫がなされたサセプタを薄膜形成時に用いても、ウェーハ面内での膜厚にはバラツキがあり、より一層均一になるように薄膜を形成することは難しかった。

特開平６−３１０４４２号公報 特開２００４−３１９６２３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、気相成長装置を使用してウェーハに薄膜を気相成長させる際、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性を改善することができるサセプタを提供し、さらには、このサセプタを利用した気相成長装置及びウェーハの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、本発明は、気相成長装置内でウェーハを水平に載置するザグリが形成されたサセプタにおいて、
前記ザグリは、底面と側壁を有する円形の凹形状であり、
前記ザグリの側壁の直径は、前記載置するウェーハの直径より大きく、
前記ザグリの底面には、前記ウェーハがザグリの中央部に載置されるように該ザグリの底面から突出する複数の突起物が形成されたものであることを特徴とするサセプタを提供する（請求項１）。

このように本発明のサセプタは、ザグリの側壁の直径が載置するウェーハの直径より大きく、ザグリの底面には、ウェーハがザグリの中央部に載置されるように該ザグリの底面から突出する複数の突起物が形成されたものである。ザグリの側壁の直径が載置するウェーハの直径より大きいため、ザグリの側壁と載置するウェーハの外周端部の距離を長くすることができ、かつ、ウェーハがザグリの中央部に載置されるように該ザグリの底面から突出する複数の突起物が形成されているため、処理中のウェーハのザグリ内での位置ズレを抑制することができる。これにより、ウェーハに薄膜を気相成長させる時に、ザグリの側壁と載置されたウェーハの外周端部との間の長さを全周に渡ってほぼ一定とすることができ、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性を向上することができる。

この場合、前記突起物は、少なくともウェーハに接する面が傾斜面であることが好ましい（請求項２）。
このように、突起物の少なくともウェーハに接する面が傾斜面であることにより、気相成長中にサセプタが回転したとき等、ウェーハが水平方向にズレて突起物にぶつかっても、ウェーハの外周端部と突起物の接触面積が小さく、且つその衝撃も緩和できるため、ウェーハを傷つける可能性を低くすることができる。

さらに、前記ザグリの側壁の直径は、前記載置するウェーハの直径の１．３倍以上であることが好ましい（請求項３）。
このように、ザグリの側壁の直径は、載置するウェーハの直径の１．３倍以上であることにより、サセプタにウェーハを載置して薄膜を気相成長させる時に、ザグリの側壁と載置されたウェーハの外周端部との間の長さを十分にとることができ、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性を確実に向上することができる。

また、上記サセプタを具備する気相成長装置が好ましく（請求項４）、さらには、上記サセプタを使用してウェーハに薄膜を気相成長させるウェーハの気相成長方法が好ましい（請求項５）。
このように、上記サセプタを気相成長装置やウェーハに薄膜を気相成長させるウェーハの気相成長方法で使用することにより、歩留まり良く膜厚均一性の高い薄膜を有するウェーハを製造することができる。

本発明の気相成長装置用のサセプタであれば、ウェーハに薄膜を気相成長させる時に、ザグリの側壁と載置されたウェーハの外周端部との間の距離を全周に渡ってほぼ一定とすることができ、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性を向上することができ、且つ、気相成長中のウェーハのザグリ内での位置ズレを抑制することができる。また、このようなサセプタを使用した本発明の気相成長装置及び気相成長方法であれば、歩留まり良く膜厚均一性の高い薄膜を有するウェーハを製造することができる。

前述したように、従来の図４に示すようなサセプタでは、どんなにザグリの中心と載置するウェーハの中心を合わせて気相成長させても、ウェーハの外周部における薄膜の膜厚分布にバラツキがあり、供給する原料ガスの流れ等を制御しても、ウェーハ面内で均一になるように薄膜を形成することは困難を極めていた。
特にウェーハのオリフラ部分での膜厚が厚くなって、半導体デバイスの製造歩留まりが悪化するという問題があった。また、ウェーハをサセプタに載置する時にザグリの中心からズレて、そのまま気相成長した場合も、ウェーハ外周部における膜厚分布がよくないという問題があった。

そこで、本発明者は、このウェーハに気相成長させる薄膜の膜厚分布のバラツキを改善すべく鋭意研究を行った。
図４のように、従来はウェーハ直径とほぼ同じ大きさのザグリにウェーハを載置している。しかし、ウェーハはザグリにぴったりはまるわけではなく、多少の余裕がある。従って、ウェーハの載置位置のズレや、サセプタの水平方向の傾きによるウェーハのすべり、等様々な原因により結果的に位置決め手段であるザグリの側壁内でウェーハの位置は偏り、ザグリとウェーハの中心がぴったり合うことは少ない。そこで、本発明者は、位置決め手段であるザグリの側壁とウェーハ外周端部との距離に注目し、検証を行った。その結果、ウェーハ外周端部とザグリ側壁との距離が近いと薄膜として気相成長させたエピタキシャル層の膜厚は薄くなり、逆に遠いと厚くなることを発見した。

この検証結果より、ザグリとウェーハの中心が合っていたとしても、オリフラ部分は常にもっともザグリの側壁から遠く、この部分の薄膜の膜厚が厚くなることも説明できる。そこで本発明者は、さらに研究を重ね、オリフラ部が形成されたウェーハや、ザグリ内で多少ウェーハが偏っても、気相成長させた薄膜の膜厚分布のバラツキを抑制し、均一性を高めるには、形成するザグリの大きさを従来のウェーハにあわせた大きさのものよりも大きくすることで、オリフラ部を含めたウェーハの外周端部と、ザグリの側壁との間の距離分布のバラツキを全周にわたって抑制すればよいことに想到し、本発明を完成させた。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、本発明の第１実施形態として、１枚ずつウェーハに処理を施す気相成長装置内で使用されるサセプタについて説明する。図１は、本発明に係るサセプタの第１実施形態を示す概略図であり、図３は、図１のＡの部分を拡大した図である。

第１実施形態のサセプタ１０は円板形状であり、１つのザグリ１が円形の凹形状に形成されたものである。このザグリ１は底面１ｂと側壁１ａを有し、ザグリの底面１ｂより一段上がった部分は、サセプタの外周部２である。ザグリの側壁１ａの直径は、載置するウェーハＷの直径より大きく、ザグリの底面１ｂには、ウェーハＷがザグリ１の中央部に載置されるように、位置決め手段として、ザグリの底面１ｂから８つの突起物１ｃが等間隔に突出している。この突起物は、載置するウェーハの直径の長さを持つ円周に外接する位置に形成されている。

このように、載置するウェーハの直径よりザグリの側壁の直径を大幅に大きくすることで、ウェーハの外周端部とザグリ側壁の距離を大きくすることができる。これにより、ウェーハＷのオリフラ部とザグリ側壁との距離、ウェーハＷのオリフラ部以外のウェーハ外周端部とザグリ側壁との距離、この２つの距離の差を少なくすることができる。そのため、ウェーハの全周にわたって、ザグリ側壁からの距離分布に基づくバラツキが抑制される。従って、オリフラ部も含めて薄膜として形成するエピタキシャル層の膜厚分布のバラツキを抑制することができ、薄膜の面内での均一性を向上させることができる。この効果は、例えばウェーハにエピタキシャル層を気相成長させて、エピタキシャルウェーハを製造する際、品質の向上、稼働率の向上、及び生産性の向上にもつながる。

従来では、ザグリの側壁がウェーハの脱落防止機能と、位置決め機能の役割を果たしていたが、本発明では、これらの機能を併用せず、ウェーハの位置決め機能は、別途ザグリの底面に突起物を設けることにより、ザグリの側壁とウェーハ外周端部との距離を離すことができた。一方、本発明におけるザグリの側壁は、ウェーハの脱落防止機能を有する。

そして、突起物１ｃは、図６のように、少なくともウェーハＷに接する面が傾斜面であることが好ましい。このように、突起物の少なくともウェーハに接する面が傾斜面であることにより、気相成長中にサセプタが回転したとき等、ウェーハが水平方向にズレて突起物に接触しても、ウェーハの外周端部と突起物の接触面積が小さく、且つその衝撃も緩和できるため、ウェーハを傷つける可能性を低くすることができる。
この突起物１ｃの形状は、特に限定されないが、例えば図６のように、円錐台の形状であると、サセプタに簡単に作成でき、且つ、ウェーハとの接触面を傾斜面とすることができる。他にも、円錐形状、半球形状であってもよい。突起物の数は特に限定されないが、ウェーハの位置決めをする必要上、３個以上が好ましい。

また、ザグリの側壁の直径は、載置するウェーハの直径の１．３倍以上であることが好ましい。例えば、約１５０ｍｍ（６インチ）の直径を有するシリコンウェーハにエピタキシャル層を形成する場合、ウェーハの中心をザグリの中心に合うようにウェーハを載置したときの、ウェーハ外周端部と、ザグリの側壁との間の距離は、例えば２６．２〜３０．５ｍｍであることが好ましい。このように、ザグリの側壁の直径は、載置するウェーハの直径の１．３倍以上であることにより、サセプタにウェーハを載置して薄膜を気相成長させる時に、ザグリの側壁と載置されたウェーハの外周端部との間の距離を十分にとることができ、形成する薄膜のウェーハ面内における膜厚の均一性をより確実に向上することができる。

次に、本発明の第２実施形態として、複数枚のウェーハを同時に処理する気相成長装置内で使用されるサセプタについて説明する。図２は、本発明に係るサセプタの第２実施形態を示す概略図である。尚、図２において、第１実施形態と同じ要素は図１と同じ指示番号を付した。

第２実施形態のサセプタ２０も円板形状であり、４つのザグリ１が円形の凹形状に形成されたものである。この４つのザグリ１は底面１ｂと側壁１ａを有し、ザグリの底面１ｂより一段上がった部分は、サセプタの外周部２である。ザグリの側壁１ａの直径は、載置するウェーハＷの直径より大きく、ザグリの底面１ｂには、ウェーハＷがザグリ１の中央部に載置されるように、位置決め手段として、ザグリの底面１ｂから８つの突起物１ｃが等間隔に突出している。この突起物は、載置するウェーハの直径の長さを持つ円周に外接する位置にそれぞれ形成されている。
このように、本発明は、複数のウェーハを保持する際のサセプタにおいても適応可能である。

第２実施形態のように、サセプタが複数のウェーハを保持することにより、１度に処理するウェーハの枚数を増やすことができるため、製造効率を向上することができ、さらに、膜厚の均一性の高い、高品質のウェーハを短時間に多く製造することができる。

そして、上記、第１、第２の実施形態のような本発明に係るサセプタを、気相成長装置や、ウェーハに薄膜を気相成長させるウェーハの気相成長方法に利用することが好ましく、歩留まり良く膜厚均一性の高い薄膜を有するウェーハを製造することができる。

以下に本発明の実施例を挙げて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。
（実施例１〜１０）
＜サセプタの仕様＞
図１に示す本発明に係るサセプタを用意した。このサセプタ１０は、１つのサセプタに凹形状のザグリが１つ形成されたものである。また、ザグリの側壁の直径は、２０４ｍｍ、サセプタの外周部２の幅は１０．４ｍｍである。また、図６で示す突起物１ｃを１５２．５ｍｍの円周上に４５度の均等間隔で８箇所設けた。１つの突起物１ｃの大きさは、高さが０．５８ｍｍ、頂点が平らな円錐台形状で、上底の直径は２．０ｍｍ、側面のなす角度は６０度となっている。サセプタの基材は黒鉛であり、その全表面を、ＣＶＤ法によりＳｉＣ膜でコートしてある。

＜エピタキシャル層の形成＞
このようなサセプタを使用してオリフラ部を有する５枚のサンプルウェーハ（直径１５０ｍｍ）にエピタキシャル層を膜厚が１０μｍとなるように形成した。被処理物であるウェーハや、エピタキシャル層を形成する条件は全てのサンプルウェーハで同じとして、ザグリ内での載置位置のみ変化させた。その具体例を図７に示す。

図７は、実施例、比較例におけるウェーハの載置位置を説明するための図である。
実施例１〜５では、ザグリの中心とウェーハＷの中心とがほぼ一致するように載置した（図７（ａ）参照）。実施例６〜１０では、ウェーハの位置決め手段である突起物１ｃに、ウェーハのオリフラ部とは反対側の外周部が接触するように載置した（図７（ｂ）参照）。これによって作製されたエピタキシャル層の膜厚を測定した。尚、膜厚の測定部分は、各サンプルウェーハにおいて、図７（ａ）に示す５点で測定した。この５点は、オリフラ付近Ｏ、中心付近Ｃ、オリフラ部とは反対側のウェーハの端部Ｅ、ＯとＣの中間点Ｒ１、ＣとＥの中間点Ｒ２である。この結果を下記の表１に示した。

（比較例１〜１０）
＜サセプタの仕様＞
図４に示す従来のサセプタを用意した。このサセプタ４０は、１つのサセプタに凹形状のザグリ４１が１つ形成されたものである。また、ザグリの側壁の直径は、１５２．５ｍｍ、サセプタの外周部４２の幅は３６．２ｍｍである。サセプタの基材は黒鉛であり、その全表面を、ＣＶＤ法によりＳｉＣ膜でコートしてある。

＜エピタキシャル層の形成＞
このようなサセプタを使用してオリフラ部を有する５枚のサンプルウェーハにエピタキシャル層を膜厚が１０μｍとなるように形成した。被処理物であるウェーハや、エピタキシャル層を形成する条件は実施例と全てのサンプルウェーハで同じとして、ザグリ内での載置位置のみ変化させた。その具体例を図７に示す。

比較例１〜５では、ザグリの中心とウェーハＷの中心とがほぼ一致するように載置した（図７（ｃ）参照）。比較例６〜１０では、ウェーハの位置決め手段であるザグリの側壁に、ウェーハのオリフラ部とは反対側の外周部が接触するように載置した（図７（ｄ）参照）。これによって作製されたエピタキシャル層の膜厚を測定した。尚、膜厚の測定部分は、各サンプルウェーハにおいて、図７（ａ）に示すのと同じ５点で測定した。この５点は、オリフラ付近Ｏ、中心付近Ｃ、オリフラ部とは反対側のウェーハの端部Ｅ、ＯとＣの中間点Ｒ１、ＣとＥの中間点Ｒ２である。この結果を下の表１に示した。

この表１の結果より、ウェーハの位置決め手段（実施例では突起物、比較例ではザグリの側壁）内でウェーハが偏った位置に載置された場合、比較例では、Ｏ部の膜厚がより厚くなりＥ部が薄くなっている。一方実施例は、Ｏ部もＥ部も膜厚に変化が無い。５サンプルのＯ部とＥ部の差の平均は、図７（ｃ）の比較例１〜５は＋０．２３μｍであるのに対して図７（ｄ）の比較例６〜１０は＋０．４０μｍに広がったが、図７（ａ）の実施例１〜５の場合は＋０．１１μｍであるのに対して図７（ｂ）の実施例６〜１０でも＋０．１１μｍのままであった。

上記のような、実施例、比較例の結果より、本発明のサセプタを気相成長装置や気相成長方法に使用することで、位置決め手段である突起物内においてウェーハが偏っても、また、ウェーハにオリフラ部が形成されている場合であっても、ウェーハ面内で膜厚分布のバラツキが抑制され、均一に薄膜を気相成長させることができることが分かる。

尚、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、如何なるものであっても本発明の技術範囲に包含される。

本発明に係るサセプタの第１実施形態を示す概略図である。 本発明に係るサセプタの第２実施形態を示す概略図である。 図１のＡの部分を拡大した図である。 従来の１枚保持タイプのサセプタの概略を示す図である。 従来の気相成長装置を示す概略図である。 本発明の突起物の一例を示す図である。 実施例、比較例のウェーハの載置位置を説明するための図であり、（ａ）は実施例１〜５、（ｂ）は実施例６〜１０、（ｃ）は比較例１〜５、（ｄ）は比較例６〜１０を示す図である。

符号の説明

１、４１…ザグリ、 １ａ…ザグリの側壁、 １ｂ…ザグリの底面、 １ｃ…突起物、
２、４２…外周部、 １０、２０、４０…サセプタ、
Ｃ、Ｅ、Ｏ、Ｒ１、Ｒ２…膜厚の測定点、 Ｗ…ウェーハ。

Claims (5)

1. 気相成長装置内でウェーハを水平に載置するザグリが形成されたサセプタにおいて、
   前記ザグリは、底面と側壁を有する円形の凹形状であり、
   前記ザグリの側壁の直径は、前記載置するウェーハの直径より大きく、
   前記ザグリの底面には、前記ウェーハがザグリの中央部に載置されるように該ザグリの底面から突出する複数の突起物が形成されたものであることを特徴とするサセプタ。
2. 前記突起物は、少なくともウェーハに接する面が傾斜面であることを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
3. 前記ザグリの側壁の直径は、前記載置するウェーハの直径の１．３倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のサセプタ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサセプタを具備することを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサセプタを使用してウェーハに薄膜を気相成長させることを特徴とするウェーハの気相成長方法。

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