JP2010098170A - エピタキシャルウェーハ製造装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、透明材料からなる反応容器と、反応容器内にシリコンウェーハを載置するために水平に支持された回転式のサセプタと、反応容器内に反応ガスを供給する気相成長用ガス導入管と、反応容器内から反応ガスを排気する排気管と、反応容器の外側の上方及び下方にそれぞれ複数の加熱ランプを設置した加熱装置と、加熱装置を制御する温度調整器と、温度調整器の温度センサーである熱電対を1つ備え、熱電対の測温部がサセプタ裏面の中央1箇所に設置され、熱電対で測定された温度を1つの温度調整器を用いて監視して温度制御するものであり、加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比を変更することができるものであることを特徴とするエピタキシャルウェーハ製造装置。
【選択図】図1
Description
このようなエピタキシャルウェーハの製造は、反応容器内に配置したシリコンウェーハを加熱しながらシリコンウェーハの主表面上にシリコン原料ガスを供給して、シリコンエピタキシャル層を気相成長させることにより行う。そして、その製造に用いる反応炉は、近年のウェーハ大口径化と共に、1枚毎に処理を行う枚葉式の反応炉が主流となってきた。この枚葉式の反応炉では、ハロゲンランプを用いてサセプタの上下両側から赤外光を照射することにより加熱を行う。この場合、上下のランプの出力比は、シリコンウェーハとサセプタとの間に温度差を生じる原因となるため、ウェーハの品質に影響する。
また、シリコンウェーハの裏面に原料ガス中のシリコンが堆積して、露光不良を発生させることがある。このときのシリコンの堆積量は、シリコンウェーハ温度がサセプタよりも低くなるほど増加することが知られている。そして、この堆積はシリコンウェーハ全面にわたり均一な厚さであることが望ましく、また、堆積厚さを均一にするためには、シリコンウェーハとサセプタとの温度差はシリコン基板全面にわたり均一であることが望ましい。
放射温度計を用いた場合は、ウェーハを直接モニタリングするため、応答性が良いという特徴があるが、石英チャンバーの外側から検出しているため、石英窓が副生成物で汚れてきたときには検出温度がずれてしまうことや、ハロゲンランプ光の影響を受けやすいというように、絶対温度に対する信頼性が低いという欠点もある。例えば、新品の石英を取り付けた直後と、ランニングした後では10℃以上の温度ズレが発生してしまう。
特に温度追従性は、上下のランプの出力比に影響されやすい。これは、上側のランプ出力を強くしていくと熱電対よりもウェーハの温度が早く上昇して、熱電対の見かけの昇温速度が下がってしまう。その結果、ウェーハ自体のオーバーシュート量が極端に大きくなり、昇温速度の低下、オーバーシュートによるスリップ転位の発生、オートドープ量の増大といった品質の問題が発生してしまう。そのため、熱電対を用いた方式では、下側のランプの出力を上側のランプの出力よりも強くすることが必要であるが、その場合、気相成長時にはシリコンウェーハとサセプタ間の温度差がない上下のランプの出力比を得ることが難しかった。なお、ここでオーバーシュートとは目標値を行き過ぎることであり、オーバーシュート量とはその行き過ぎた量を示し、ここでは行き過ぎた温度のことである。
このことにより、シリコンウェーハ平面内の温度を均一にするように、加熱装置のそれぞれの加熱ランプの出力を設定することができ、スリップ転位の発生をより防止してエピタキシャル膜厚の均一性を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる装置とすることができる。
このように、シリコンウェーハの温度をサセプタ裏面の中央1箇所に測温部が設置された熱電対を用いて測定し、監視することで反応容器の汚れやランプ光の影響を受けずに、安定して絶対温度を監視することができる。
このような範囲にシリコンウェーハのオーバーシュートを収めることで、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
このような加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比にすることで、シリコンエピタキシャル層の成長時に理想的な出力比に設定することができ、また、シリコンウェーハに対する熱電対の温度追従性を改善して、シリコンウェーハの温度を昇温する時のシリコンウェーハのオーバーシュートを抑制することができる。そのため、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
このような昇温速度とすることで、スループットの低下を防止して、生産性を向上することができる。また、このような範囲にそれぞれのオーバーシュートを収めることで、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
前述のように、エピタキシャルウェーハの品質を改善するためには、シリコンウェーハとサセプタ間の温度差がない上下のランプの出力比が必要とされているが、熱電対を用いてシリコンウェーハの温度を監視する場合には、シリコンウェーハとサセプタ間の温度差がない上下のランプの出力比を得ることは難しかった。
まず、棒状のハロゲンランプがサセプタの上側に9本、下側に8本、それぞれ平行に配列され、4本のスポットランプがサセプタの裏面中心部に同心円状に配置されている。各ランプは10グループに分けられ、それぞれのグループに対して1つのSCR(サイリスタ)が接続されている。さらに、SCRは4つのグループに大別され、それぞれのグループをセンター、フロント、サイド、リアーの温度調整器で制御し、この温度調整器にはシリコンウェーハの温度を監視するための温度センサーとして熱電対が設置されている。そして、センターの温度調整器用の熱電対がサセプタ裏面中心に設置されており、その熱電対の温度がシリコンウェーハの温度の代表値となる。また、フロント、サイド、リアーの温度調整器用の熱電対がシリコンウェーハ外周部の温度を監視することにより、シリコンウェーハ面内の温度均一性を保つように温度制御が行われる。
このように、1つの熱電対と1つの温度調整器を用いて温度制御をした場合は、サセプタのオーバーシュートを抑制することができることがわかった。
図2の本発明のエピタキシャルウェーハ製造装置で用いる温度制御方法は、図5の従来の制御方法と同じように、棒状のハロゲンランプがサセプタの上側に9本、下側に8本、それぞれ平行に配列され、4本のスポットランプがサセプタの裏面中心部に同心円状に配置されている。各ランプは10グループに分けられ、それぞれのグループに対して1つのSCR(サイリスタ)が接続されている。そして、従来の制御方法から改良を加えた図6の制御方法と同じように、全てのSCRを1つの温度調整器で制御し、この温度調整器には、シリコンウェーハの温度を監視するために温度センサーとして熱電対が1つ設置されている。この熱電対の測温部は、サセプタ裏面中心に設置されている。また、加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比を調整するための可変抵抗と温度調整器との間に分圧用のオペアンプが追加されている。このオペアンプが追加されたことで、エピタキシャルウェーハの製造工程の途中で容易に上下のランプの出力比及び面内分布を変更することができる。
ここで、図1は本発明のエピタキシャルウェーハ製造装置の断面構成例を模式的に示す図である。
このサセプタ13は、黒鉛基材を炭化珪素の被膜でコーティングしたものを用いて略円板状に形成されている。そして、その主表面上には、シリコンウェーハWを位置決めするための略円形状の窪み部であるザグリ13aが形成されている。
このことにより、シリコンウェーハ平面内の温度を均一にするように、加熱装置のそれぞれの加熱ランプの出力を設定することができ、スリップ転位の発生を防止して品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる装置とすることができる。
具体的には、シリコンウェーハの温度を測定するために、ウェーハ上に熱電対を取り付ける。そして、出力比を任意の値、例えば、上方の加熱ランプと下方の加熱ランプとの出力が同じになる出力比50%に設定して、シリコンウェーハを加熱して、昇温させた時のシリコンウェーハのオーバーシュートを確認する。このとき、オーバーシュートが所定の範囲内に収まった場合には、その出力比をシリコンウェーハの温度を昇温する時の出力比に決定する。また、オーバーシュートが所定の範囲内に収まらない場合には、オーバーシュートが所定の範囲内に収まる出力比になるまで、出力比を変更して、再度シリコンウェーハを加熱して、オーバーシュートを確認して出力比を決定する。
次に、加熱装置を用いてサセプタ上のシリコンウェーハを加熱して、水素熱処理温度(例えば1110〜1180℃)まで昇温する。このとき、加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比については、予め実験を行って求めておいたシリコンウェーハが加熱されて所定の温度に達した後のオーバーシュートが所定の範囲内に収まる出力比に設定する。そして、シリコンウェーハの主表面に形成されている自然酸化膜を除去するための気相エッチングを次の工程が始まる直前まで行う。
具体的には、凸部または凹部を設けたサセプタにウェーハを載置し、第一および第二の出力比でエピタキシャル成長を行い、両者のナノトポロジーを測定する。もし、ウェーハとサセプタに温度差がある場合には凸部または凹部に対応したナノトポロジーのパターンを生じるので、第一および第二のパターンの強度を比較することでパターン強度がゼロになる出力比、すなわちウェーハとサセプタの温度が等しい出力比を推定できる。例えば、第一および第二の出力比がA、B、パターン強度がそれぞれa、bの場合、ウェーハとサセプタの温度が等しくなる出力比Cは次式のように推定できる。
C=(0−b)/(a−b)×(A−B)+B
その後、例えば、650℃のウェーハ取り出し温度まで降温し、ウェーハを反応容器外へと搬出して、エピタキシャルウェーハの製造を終了する。
このように、シリコンウェーハの温度をサセプタ裏面の中央1箇所に測温部が設置された熱電対を用いて測定し、監視することで反応容器の汚れやランプ光の影響を受けずに、安定して絶対温度を監視することができる。
このような範囲にシリコンウェーハのオーバーシュートを収めることで、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
このような加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比にすることで、シリコンエピタキシャル層の成長時に理想的な出力比に設定することができ、また、シリコンウェーハに対する熱電対の温度追従性を改善して、シリコンウェーハの温度を昇温する時のシリコンウェーハのオーバーシュートを抑制することができる。そのため、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
このような昇温速度とすることで、スループットの低下を防止して、生産性を向上することができる。また、このような範囲にそれぞれのオーバーシュートを収めることで、スリップ転位の発生を防止して、品質を改善したエピタキシャルウェーハを製造することができる。
(実施例1、2)
図2のような本発明のエピタキシャルウェーハ製造装置で用いる温度制御方法により、昇温速度を8℃/sec、加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比を下方の加熱ランプが55%(実施例1)および50%(実施例2)となるように設定して、シリコンウェーハを昇温した。その後、水素熱処理時及びシリコンエピタキシャル層の成長時には、下方の加熱ランプが43.7%の出力比となるように変更した。なお、43.7%は、シリコンウェーハとサセプタの温度が同一になるように、予め算出した出力比の値である。
図6に示すような従来の温度制御方法に改良を加えたもの(実施例1と同様に熱電対および温度調整器は1つずつのもの)により、昇温速度を8℃/sec(比較例1〜3)および4℃/sec(比較例4)、加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比を下方の加熱ランプが63%(比較例1)、50%(比較例2)、43.7%(比較例3、4)となるように設定して、エピタキシャルウェーハを昇温した。その後、そのまま出力比を変更することなく、実施例1と同様にシリコンウェーハとサセプタとの温度差およびオーバーシュートを測定した。なお、63%は、従来から用いられている出力比の値である。
実施例1、2、比較例1〜4の測定結果を表2に示す。
スリップ転位の発生を確認するため、実施例1と同様の条件(加熱ランプの出力比)で、シリコンウェーハの昇温および水素熱処理をし、その後、シリコンエピタキシャル層の成長時にシリコンウェーハの中心部と外周部に温度分布をもつようにして、エピタキシャルウェーハを製造し、発生したスリップ転位の長さを測定した。
スリップ転位の発生を確認するため、比較例1、3、4と同様の条件(加熱ランプの出力比)で、シリコンウェーハの昇温および水素熱処理をし、その後、シリコンエピタキシャル層の成長時にシリコンウェーハの中心部と外周部に温度分布をもつようにして、エピタキシャルウェーハを製造し、発生したスリップ転位の長さを測定した。
Claims (7)
- シリコンウェーハの主表面上にシリコン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装置において、少なくとも、反応容器と、該反応容器内にシリコンウェーハを載置するために水平に支持された回転式のサセプタと、前記反応容器内に反応ガスを供給する気相成長用ガス導入管と、前記反応容器内から前記反応ガスを排気する排気管と、前記反応容器の外側の上方及び下方にそれぞれ複数の加熱ランプを設置した加熱装置と、該加熱装置を制御する温度調整器と、該温度調整器の温度センサーである熱電対を1つ備え、前記熱電対の測温部が前記サセプタ裏面の中央1箇所に設置され、前記熱電対で測定された温度を1つの前記温度調整器を用いて監視して温度制御するものであり、前記加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比を変更することができるものであることを特徴とするエピタキシャルウェーハ製造装置。
- 前記加熱装置の上方の複数の加熱ランプ内の出力比、前記加熱装置の下方の複数の加熱ランプ内の出力比を変更することができるものであることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルウェーハ製造装置。
- シリコンウェーハの主表面上にシリコン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方法において、予め前記シリコンウェーハが加熱されて所定の温度に達した後のオーバーシュートが所定の範囲内に収まる前記シリコンウェーハを加熱するための加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比と、前記シリコンウェーハの下面の温度と前記シリコンウェーハを載置するサセプタ上面の温度が同一となる前記加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比とを求めて、前記求めたオーバーシュートが所定の範囲内に収まる出力比で、前記シリコンウェーハの温度を昇温させ、その後、前記求めたシリコンウェーハの下面とサセプタ上面の温度が同一となる出力比に変更して、シリコンエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハの温度を前記サセプタ裏面の中央1箇所に測温部が設置された1つの熱電対を用いて測定し、該測定した温度を1つの温度調整器を用いて監視して温度制御をすることを特徴とする請求項3に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記オーバーシュートの範囲を5℃以内とすることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハの温度を昇温する時の前記加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比は、前記シリコンエピタキシャル層の成長時の前記加熱装置の上方の加熱ランプと下方の加熱ランプの出力比に対して、上方の加熱ランプの出力を0〜15%減少し、下方の加熱ランプの出力を0〜15%増加することを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
- 前記シリコンウェーハの温度を昇温する時の昇温速度を8℃/sec以上としたとき、前記サセプタが加熱されて所定の温度に達した後のオーバーシュートを3℃以内とし、前記シリコンウェーハが加熱されて所定の温度に達した後のオーバーシュートを5℃以内とすることを特徴とする請求項3ないし請求項6のいずれか1項に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
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