JP2010034113A

JP2010034113A - 気相成長装置

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Publication number: JP2010034113A
Application number: JP2008191833A
Authority: JP
Inventors: Shoji Nogami; 彰二野上
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】反応ガスの濃度分布を改善できる気相成長装置を提供すること。
【解決手段】内部で半導体ウェーハＷの主表面にエピタキシャル層ＥＰを成長させる反応容器と、シリコンソースとキャリアガスとを含む反応ガスを、前記半導体ウェーハＷの主表面に沿って該主表面に供給可能な第一のガス供給管３３１と、シリコンソースとキャリアガスとドーパントガスとのうち少なくとも一つを含むガスを、前記半導体ウェーハＷの主表面に沿って該主表面に供給可能な第二のガス供給管３３２と、を備え、前記第一のガス供給管３３１から供給される前記反応ガスの供給方向と前記第二のガス供給管３３２から供給される前記ガスの供給方向とのなす角度が３０〜１２０度であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関する。

エピタキシャルウェーハは、半導体ウェーハの主表面にエピタキシャル層を成長させたものである。近年、半導体デバイスの集積度、デザインルール（微細化パターン）の微細化等に伴い、高平坦度で高精度なエピタキシャルウェーハが求められている。エピタキシャルウェーハを製造するために、エピタキシャル層を半導体ウェーハの主表面に成長させる気相成長装置が使用されている。

気相成長装置によれば、例えば、以下の手順により半導体ウェーハの主表面にエピタキシャル層を成長させることができる。内部に円盤状のサセプタを有し、内部に反応ガスを供給可能な反応容器におけるサセプタの上に半導体ウェーハを載置する。サセプタの上面は凹状のウェーハ載置部となっており、ウェーハ載置部に半導体ウェーハを載置し、反応容器の外面に配置したヒータにて半導体ウェーハを加熱しながら、反応容器の内部を通過する反応ガスと半導体ウェーハとを反応させ、半導体ウェーハの主表面にエピタキシャル層を成長させる。

反応ガスは、半導体ウェーハの主表面に沿って該主表面に供給されるようにガス供給管から反応容器の内部に供給された後、ガス排出管から反応容器の外に排出されるが、反応容器内の様々な要因により反応ガスの濃度分布は不均一となる。特に、エピタキシャル層の厚さは、反応温度等の条件を変更することでエピタキシャル層の厚さの分布を略均一にすることができるが、抵抗率の分布を均一にすることは困難である。

ところで、例えば、ガス供給管を複数設け、それぞれ複数のガス供給管から半導体ウェーハの外周縁部、中心部付近に反応ガスが流れるように設定し、この反応ガスの流速を独立に調整することでエピタキシャル層の厚さと抵抗率とを均一にする方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−２３２０６０号公報

特許文献１のガス供給管は、半導体ウェーハの外周縁部と中心部付近とのエピタキシャル層の厚さを調整するために、三系統に分かれている。しかし、特許文献１の方法は、三系統のガス供給管から供給される反応ガスの供給方向が平行であり、反応ガスの濃度分布を均一にするには不十分である。

したがって、本発明は、反応ガスの濃度分布を改善できる気相成長装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の気相成長装置は、内部で半導体ウェーハの主表面にエピタキシャル層を成長させる反応容器と、シリコンソースとキャリアガスとを含む反応ガスを、前記半導体ウェーハの主表面に沿って該主表面に供給可能な第一のガス供給管と、シリコンソースとキャリアガスとドーパントガスとのうち少なくとも一つを含むガスを、前記半導体ウェーハの主表面に沿って該主表面に供給可能な第二のガス供給管と、を備え、前記第一のガス供給管から供給する前記反応ガスの供給方向と前記第二のガス供給管から供給する前記ガスの供給方向とのなす角度が３０〜１２０度であることを特徴とする。

（２）前記第一のガス供給管から供給する前記反応ガスの供給量と前記第二のガス供給管から供給する前記ガスの供給量との比率は１０００：１〜１００：１であることが好ましい。

（３）前記反応ガスはドーパントガスをさらに含み、前記第二のガス供給管からドーパントガスを供給することが好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、反応ガスの濃度分布を改善させることができる。

以下、本発明のサセプタ及び気相成長装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明の気相成長装置の一実施形態について説明する。本発明のサセプタの一実施形態は、本実施形態の気相成長装置の一部を構成している。図１は、本発明の気相成長装置の一実施形態を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ´断面図である。

本実施形態の気相成長装置１は、図１及び図２に示すように、半導体ウェーハＷを１枚ずつ処理する枚葉式の気相成長装置であり、シリコンウェーハからなる半導体ウェーハＷの主表面にエピタキシャル層ＥＰを気相成長させて、エピタキシャルウェーハＥＷを製造する装置である。この気相成長装置１は、サセプタ２と、反応容器３と、加熱装置４とを備える。

反応容器３は、その内部にサセプタ２が設置され、その内部に反応ガスを供給可能に構成されている。そして、反応容器３は、サセプタ２の上に載置された半導体ウェーハＷに反応ガスを供給することで、半導体ウェーハＷの主表面にエピタキシャル層ＥＰを成長させる。この反応容器３は、上側ドーム３１と、下側ドーム３２と、ドーム取付体３３と、サセプタ支持部３４とを備える。

上側ドーム３１及び下側ドーム３２は、石英等の透光性部材から構成されている。

ドーム取付体３３は、上方及び下方が開放された略筒状部材から構成され、上方側の開口部分及び下方側の開口部分にて上側ドーム３１及び下側ドーム３２を支持する。

このドーム取付体３３の側面には、半導体ウェーハＷの主表面に沿って該主表面に反応ガスを供給可能な第一のガス供給管３３１が設けられており、第一のガス供給管３３１に対向するドーム取付体３３の側面には、ガス排出管３３３が設けられている。第一のガス供給管３３１及びガス排出管３３３は、反応容器３の内部と反応容器３の外部とを連通するように形成されている。

反応ガスは、第一のガス供給管３３１から反応容器３の内部に供給される。反応ガスは、例えば、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２やＳｉＨＣｌ_３のシリコンソースを水素ガスからなるキャリアガスで希釈し、それにＢ_２Ｈ_６等からなるドーパントガスを微量混合してなる。供給された反応ガスは、サセプタ２に載置された半導体ウェーハＷの主表面を水平に通過した後、ガス排出管３３３から反応容器３の外に排出される。

図１に示すように、半導体ウェーハＷの主表面に沿って該主表面にガスを供給可能な第二のガス供給管３３２が設けられており、第二のガス供給管３３２は、反応容器３の内部と反応容器３の外部とを連通するように形成されている。

第二のガス供給管３３２から、ドーパントガスが反応容器３の内部に供給される。供給されたガスは、サセプタ２に載置された半導体ウェーハＷの主表面を水平に通過した後、ガス排出管３３３から反応容器３の外に排出される。第一のガス供給管３３１及び第二のガス供給管３３２の詳細については後述する。

図２に示すように、サセプタ２は、半導体ウェーハＷを載置する部材であり、反応容器３の内部に設置される。サセプタ２は、回転軸Ｒに連なるサセプタ支持部３４によって、その下面が支持され、回転軸Ｒの駆動により回転する。サセプタ２の材質は特に限定されないが、例えば炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが好ましい。

サセプタ２へ半導体ウェーハＷを搬入する方式、サセプタ２から半導体ウェーハＷを搬出する方式としては特に限定されず、例えば、ベルヌイチャックを用いて搬送治具の昇降により半導体ウェーハＷを移載するものや、半導体ウェーハＷの下面をピンで支持してピンの昇降により半導体ウェーハＷを移載するもの等が挙げられる。

サセプタ２の上面には、半導体ウェーハＷの直径よりも大きい径の凹部からなるウェーハ載置部２１が形成されている。このウェーハ載置部２１は、第１凹部２１１と、第２凹部２１２とからなる。第１凹部２１１は、サセプタ２の上面から下側に凹んだ円形の凹部である。第２凹部２１２は、第１凹部２１１よりも小径で第１凹部２１１の底面から下側に凹んでおり、かつ、第１凹部２１１と同心の円形の凹部である。また、サセプタ２には、第２凹部２１２の外周縁側の位置に、第１凹部２１１の底面で半導体ウェーハＷを支持するウェーハ支持部２１３が形成されている。

半導体ウェーハＷは、ウェーハ支持部２１３で支持されることでウェーハ載置部２１の内側に載置される。なお、ウェーハ支持部２１３は、第１凹部２１１の外周側から第２凹部２１２の外周側にかけて下方に傾斜する形状にして半導体ウェーハＷの外周縁部を線接触で支持するようにしてもよく、あるいは、ウェーハ支持部２１３の上面に凹凸を設けて半導体ウェーハＷの外周縁部を点接触で支持するようにしてもよい。

サセプタ支持部３４は、石英等の透光性部材から構成され、図２に示すように、反応容器３の下側ドーム３２の略中央部分から反応容器３の内部に突出し、サセプタ２を水平状態で反応容器３の内部に支持する。そして、サセプタ支持部３４は、例えば、制御装置（図示せず）による制御の下、回転軸Ｒを中心として回転自在に構成されている。

加熱装置４は、反応容器３の上方側及び下方側にそれぞれ配設され、反応容器３の上側ドーム３１及び下側ドーム３２を介して、サセプタ２及びその上に載置された半導体ウェーハＷを放射熱により加熱し、半導体ウェーハＷを所定温度に設定するものである。この加熱装置４としては、例えば、ハロゲンランプや赤外ランプ等を採用できる。また、加熱装置４としては、放射熱により加熱するものの他、誘導加熱により半導体ウェーハＷを加熱する高周波加熱方式を採用してもよい。

以下、第一のガス供給管３３１及び第二のガス供給管３３２について詳細に説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態において、気相成長装置１は、第一のガス供給管３３１及び第二のガス供給管３３２を備える。第一のガス供給管３３１から反応ガスを反応容器３の内部に供給し、第二のガス供給管３３２からドーパントガスを供給する。反応ガスは、シリコンソースとキャリアガスとを含み、さらにドーパントガスを含む。このような反応ガスを第一のガス供給管３３１から供給し、第二のガス供給管３３２からドーパントガスを供給することで、ドーパントガスの濃度分布が均一になり、抵抗率の分布を改善することができる。

第二のガス供給管３３２から供給されるドーパントガスの供給方向と第一のガス供給管３３１から供給される反応ガスの供給方向とのなす角度θは、３０〜１２０度であることが好ましい。角度θが３０度未満であると、従来の気相成長装置のように反応ガスの濃度分布は不均一となる場合がある。一方、角度θが１２０度を超えると、第二のガス供給管３３２とガス排出管３３３との距離が近くなるため、第二のガス供給管３３２から供給されたドーパントガスが半導体ウェーハＷに到達せずそのままガス排出管３３３より排出されてしまう場合がある。

第一のガス供給管３３１から供給される反応ガスの供給量と第二のガス供給管３３２から供給されるドーパントガスの供給量の比率は半導体ウェーハＷの直径の大きさ等に応じて適宜変更できるが、１０００：１〜１００：１とすることが好ましい。反応ガス及びドーパントガスの比率をこのようにすることで、ドーパントガスの濃度分布を均一に反応させることができ、抵抗率を改善することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照にしながら詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、本発明の気相成長装置を枚葉式の気相成長装置１に適用したものであるが、本発明の気相成長装置はこれに限定されるものではなく、複数枚の半導体ウェーハＷを一度に処理するバッチ式の気相成長装置に適用することができる。

また、上述した実施形態では、第二のガス供給管３３２からドーパントガスを供給する場合について適用したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、シリコンソースとキャリアガスとドーパントガスとのうち少なくとも一つを含んでいればよい。シリコンソースを第二のガス供給管３３２から供給することにより、シリコンソースの濃度分布が均一となり、エピタキシャル層の厚さの分布を改善することができる。また、キャリアガスを第二のガス供給管３３２から供給することにより、シリコンソース及びドーパントガスの濃度分布が均一となり、エピタキシャル層の厚さの分布及び抵抗率の分布を改善することができる。

また、上述した実施形態では、第一のガス供給管３３１からシリコンソースとキャリアガスとを含み、さらにドーパントガスを含む反応ガスを第一のガス供給管３３１から供給したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリコンソースとキャリアガスとを含む反応ガスを第一のガス供給管３３１から供給してもよい。

また、例えば、サセプタ２のウェーハ載置部２１は、第２凹部２１２を有していなくてもよい。すなわち、ウェーハ載置部２１は、１段の凹部でもよい。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
第一のガス供給管３２１から供給される反応ガスの供給方向と第二のガス供給管３２２から供給される反応ガスの供給方向とのなす角度θを４５度になるように第二のガス供給管３２２を設置した気相成長装置を用いて以下に示すように半導体ウェーハＷの主表面にエピタキシャル層ＥＰを成長させた。

直径３００ｍｍの半導体ウェーハＷを気相成長装置におけるサセプタ２のウェーハ載置部２１に載置した。流量が０．５０７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（０．３ｓｌｍ）のＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス、流量が５０．７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（３０ｓｌｍ）の水素ガス及び流量が０．３３８Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２００ｓｃｃｍ）のＢ_２Ｈ_６ガスからなる反応ガスを第一のガス供給管３３１から反応容器３の内側へ供給すると共に、第二のガス供給管３３２から流量が８．４５×１０^−２Ｐａ・ｍ^３／ｓ（５０ｓｃｃｍ）のＢ_２Ｈ_６ガスのみを反応容器３の内側へ供給した。半導体ウェーハＷを１０８０℃に熱し、エピタキシャル層ＥＰの厚さが約９μｍとなるように半導体ウェーハＷの主表面にエピタキシャル層ＥＰを成長させた。

［実施例２］
第一のガス供給管３２１から供給される反応ガスの供給方向と第二のガス供給管３２２から供給される反応ガスの供給方向とのなす角度θを９０度になるように第二のガス供給管３２２を設置した気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様に測定を行った。

［比較例１］
第二のガス供給管３２２から反応ガスを供給しなかった以外は実施例１と同様に測定を行った。実施例１、実施例２及び比較例１の反応ガスの濃度分布を図３に示す。図３中、縦軸は、エピタキシャル層ＥＰの中心部を基準としたドーパントガスの濃度の比率、横軸は半導体ウェーハＷの中心部からの距離を示す。

図３からわかるように、比較例１ではエピタキシャル層ＥＰの中心部から外周縁部に向かってドーパントガスの濃度が薄くなっており、ドーパントガスの濃度分布が不均一であることがわかる。このため、抵抗率の分布も不均一であることがわかる。一方、実施例１及び実施例２では、エピタキシャル層ＥＰの中心部及び外周縁部のドーパントガスの濃度分布は均一である。このため、抵抗率の分布が改善することがわかる。

このように、第二のガス供給管３３２から供給されるガスの供給方向と第一のガス供給管３３１から供給される反応ガスの供給方向とのなす角度が３０〜１２０度となるように第二のガス供給管３３２を気相成長装置１に設置することで、反応ガスの濃度分布を均一にすることができ、抵抗率を改善することができる。

本発明の気相成長装置の一実施形態を模式的に示す平面図である。図１のＸ−Ｘ´断面図である。反応ガスの濃度分布を示すグラフである。

符号の説明

１気相成長装置
２サセプタ
２１ウェーハ載置部
３反応容器
３３１第一のガス供給管
３３２第二のガス供給管
４加熱装置
ＥＰエピタキシャル層
ＥＷエピタキシャルウェーハ
Ｗ半導体ウェーハ

Claims

内部で半導体ウェーハの主表面にエピタキシャル層を成長させる反応容器と、
シリコンソースとキャリアガスとを含む反応ガスを、前記半導体ウェーハの主表面に沿って該主表面に供給可能な第一のガス供給管と、
シリコンソースとキャリアガスとドーパントガスとのうち少なくとも一つを含むガスを、前記半導体ウェーハの主表面に沿って該主表面に供給可能な第二のガス供給管と、を備え、
前記第一のガス供給管から供給する前記反応ガスの供給方向と前記第二のガス供給管から供給する前記ガスの供給方向とのなす角度が３０〜１２０度である気相成長装置。
前記第一のガス供給管から供給する前記反応ガスの供給量と前記第二のガス供給管から供給する前記ガスの供給量との比率は１０００：１〜１００：１である請求項１に記載の気相成長装置。
前記反応ガスはドーパントガスをさらに含み、前記第二のガス供給管からドーパントガスを供給する請求項１または２に記載の気相成長装置。