JP2010114138A - サセプタ装置、エピタキシャルウェハの製造装置、および、エピタキシャルウェハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】サセプタ31の中央とウェハWの中央とが略一致する状態でウェハWを設置してエピタキシャルウェハWEを製造する製造装置1に、センターロッド33をサセプタ31の非載置面312側において上下方向に延びるように、かつ、上端がサセプタ31の中央と近接する状態で設けた。このため、サセプタ31に向けて照射される一部の輻射光Lは、センターロッド33で乱反射されてサセプタ31の中央に到達せず、サセプタ31中央への輻射光の照射量が少なくなり、この部分の温度を低くできる。また、センターロッド33をサセプタ31に面接触させていないため、サセプタ31の熱が奪われることがなくサセプタ31中央の局所的な温度低下を抑制できる。
【選択図】図1
Description
この特許文献1には、サセプタを石英製の支持シャフトにより裏面側から三点で支持している構成が開示されている。この支持シャフトで支えられたサセプタの上方および下方には、ハロゲンランプなどで構成されて、輻射熱でサセプタとウェハを加熱する加熱装置が設けられている。
このような中央部膜厚ばらつきを小さくするためには、エピタキシャル膜の気相成長に用いる反応ガスの量を大きく減らすことが考えられる。
しかし、反応ガスの量を大きく減らすと、中央部膜厚ばらつきが改善されるが、エピタキシャルウェハの裏面に異常成長が発生してしまい、ナノトポグラフィが悪化してしまうという問題がある。
ここで、サセプタの非載置面と温度制御手段の端部とを面接触させた場合、この面接触している部分が温度制御手段で吸熱されてしまい、他の部分と比べて局所的に低くなってしまう。このため、エピ中央膜厚がその周囲と比べて局所的に薄くなってしまうおそれがある。
これに対して、本発明では、温度制御手段の端部を非載置面のサセプタ中央対応部と接触させずに近接させているため、接触によるサセプタ中央対応部の吸熱作用が生じることがなく、局所的な温度低下を抑制できる。
したがって、サセプタ中央対応部の温度を適度に低下させることができ、反応ガスの量を大きく減らすことなく中央部膜厚ばらつきが小さいエピタキシャル膜を気相成長させることができる。また、中央部膜厚ばらつきを小さくするために反応ガスを減らす必要がないため、エピタキシャルウェハの裏面に異常成長が発生することを防止できる。
なお、サセプタの中央と、このサセプタに載置されたウェハの中央とが一致する場合、サセプタ中央対応部はサセプタの中央を中心とした部分となる。このため、温度制御手段は、その端部が非載置面の中央に近接する状態で設けられる。また、サセプタの中央と、このサセプタに載置されたウェハの中央とが一致しない場合、サセプタ中央対応部はサセプタの中央からずれた位置を中心とした部分となる。このため、温度制御手段は、その端部が非載置面の中央からずれた位置に近接する状態で設けられる。
ここで、温度制御手段の端部とサセプタの非載置面との距離(以下、温度制御離間距離と称す)が4mmよりも短い場合、両者が近づきすぎてしまうことでサセプタが温度制御手段で大きく吸熱されてしまうおそれがある。このため、4mmよりも長くする場合と比べて、局所的な温度低下が生じてしまい、エピ中央膜厚がその周囲と比べて局所的に薄くなってしまうおそれがある。一方、温度制御離間距離が20mmよりも長い場合、非載置面に照射された輻射光の遮光効果が低下してしまうおそれがある。このため、温度制御手段を設けない構成と同様に、サセプタ中央対応部の温度が他の部分よりも高くなり、エピタキシャルウェハの裏面に異常成長を発生させることなく中央部膜厚ばらつきを小さくできないおそれがある。
これに対して、本発明では、温度制御離間距離を4mm以上、20mm以下に設定しているので、上述のような不具合を生じさせることなく中央部膜厚ばらつきを小さくできる。
また、本発明のサセプタ装置では、前記温度制御手段は、不透明部材で形成されている構成が好ましい。
ここで、温度制御手段に、輻射光を正反射あるいは乱反射させずにそのまま透過させる機能を設けた場合、例えば石英などの透明部材で構成した場合でも、温度制御手段を設けない構成と比べて輻射光の遮光効果を得ることができるが、その効果は温度制御手段に予め反射させる機能を持たせたり、温度制御手段を不透明部材で構成する場合と比べて小さくなってしまう。このため、温度制御手段に輻射光を反射させる機能を持たせることで、十分な遮光効果を得ることができ、中央部膜厚ばらつきを小さくできる。
この発明によれば、温度制御手段を周縁支持手段に着脱自在に取り付けているため、温度制御手段が腐食性ガスでエッチングされて、長さや太さが大きく変化する前に温度制御手段を容易に交換でき、安定した品質のエピタキシャルウェハを製造できる。
ここで、温度制御手段の直径を3.0mmにすると、一般的に生産量が多い直径が200mmのエピタキシャルウェハにおける中央部膜厚ばらつきを小さくでき、直径を22mmにすると、一般的に生産量が多い直径が300mmのエピタキシャルウェハにおける中央部膜厚ばらつきを小さくできる。
[エピタキシャルウェハの製造装置の構成]
まず、エピタキシャルウェハの製造装置の構成について説明する。
図1は、エピタキシャルウェハの製造装置の要部を示す断面図である。図2は、エピタキシャルウェハの製造装置の平面図である。
エピタキシャルウェハの製造装置1は、図1に示すように、半導体結晶を板状に加工したウェハWの成膜面W1にエピタキシャル膜Eを気相成長させて、エピタキシャルウェハWEを製造する。この製造装置1は、図1および図2に示すように、反応容器2と、サセプタ装置3と、加熱部4と、を備えている。
上部チャンバ部材21および下部チャンバ部材22は、詳細は図示しないが、石英などの複数の透光性部材を組み合わせることにより、平面視中央部分が窪む略凹状に形成されている。そして、上部チャンバ部材21の略凹状の開口が下側を向き、下部チャンバ部材22の開口が上側を向く状態で両者が取り外し可能に固定されることで、反応容器2内部に反応室2Aが形成される。
また、下部チャンバ部材22の上端側の内周面には、予備加熱リング23が取り付けられている。この予備加熱リング23の内径寸法は、後述するサセプタ31の外径寸法よりも大きく設定されている。
ここで、反応ガスとしては、エピタキシャル膜Eを気相成長させるための原料ガスの他、キャリアガスを混合させたものを採用できる。原料ガスとしては、気相成長させるエピタキシャル膜Eに応じたものを採用すればよく、例えば、シリコンソースであるSiHCl3およびボロンドーパントソースB2H6を水素ガスで希釈した混合反応ガスを採用できる。また、キャリアガスとしては、例えば水素(キャリア水素)を含んだものを採用できる。
さらに、パージガスとしては、種々のものを採用でき、例えば水素ガス(スリット水素)などを採用できる。
サセプタ31は、平面視略円盤形状に形成されている。このサセプタ31の一面は、ウェハWが載置される載置面311である。この載置面311の中央には、ウェハWの外形形状に応じた平面視円形状の図示しない凹部が形成されており、この凹部内にサセプタ31の中央とウェハWの中央とが略一致する状態でウェハWが設置される。
周縁支持手段32は、石英などの透光性部材から構成され、反応容器2の下部チャンバ部材22の中央部分から反応室2A内に突出し、サセプタ31を水平状態で反応容器2内に設置するとともに、ウェハWをサセプタ31に設置するものである。この周縁支持手段32は、回転軸Rを中心として回転自在に構成されている。そして、周縁支持手段32は、下部チャンバ部材22の中央部分から反応室2A内に突出する支持本体部321と、この支持本体部321の上端部から斜め上方に延びる3個の周縁支持ロット322と、を備えている。
周縁支持ロット322は、平面視で約120°間隔で設けられている。そして、この3個の周縁支持ロット322の先端部分にて、サセプタ31の非載置面312の周縁近傍を3点で支持することで、サセプタ31は、反応室2A内で水平状態に設置される。
なお、周縁支持ロット322を3個以上設けてもよいし、周縁支持ロット322の代わりに支持本体部321の上端部から放射状に拡がる略円錐筒状の部材を設けてもよい。
この表面側発光加熱手段41および裏面側発光加熱手段42としては、例えば、ハロゲンランプや赤外ランプなどを採用できる。
また、加熱部4は、それぞれ略筒状に形成された、表内反射部43と、裏内反射部44と、表外反射部45と、裏外反射部46と、を備えている。表内反射部43および裏内反射部44は、表面側発光加熱手段41および裏面側発光加熱手段42で構成される略リング状の内部空間からサセプタ31に近づく方向に、突出して設けられている。表外反射部45および裏外反射部46は、表内反射部43および裏内反射部44における上述の突出部分を囲むように設けられている。そして、表面側発光加熱手段41から出射される輻射光は、表内反射部43と表外反射部45との間を通過するとともに、これらにより反射されてウェハWに照射される。また、裏面側発光加熱手段42から出射される輻射光は、裏内反射部44と裏外反射部46との間を通過するとともに、これらにより反射されてサセプタ31の非載置面312に照射される。
次に、上述の製造装置1を用いたエピタキシャルウェハWEの製造方法について説明する。
まず、表面側発光加熱手段41および裏面側発光加熱手段42を駆動して、ウェハWが載置されたサセプタ31を所望の成長温度に加熱する。
そして、回転軸Rを中心として周縁支持手段32を回転させながら、以下に示すように、ウェハWの成膜面W1上にエピタキシャル膜Eを気相成長させる。
具体的には、まず、気相成長の直前に、例えば腐食性ガスである塩化水素ガスをウェハWの成膜面W1に流すことにより気相エッチングを実施して、成膜面W1の自然酸化膜を除去する。この後、ウェハWの成膜面W1上に水平に反応ガスを常時供給し、サセプタ31の下方にパージガスを所定のタイミングで導入する。
すなわち、反応ガスの流量とパージガスの流量を制御することで、エピタキシャル膜Eの気相成長時に、ウェハWの上方側を反応ガスが流通する反応ガス流が形成され、サセプタ31の下方にパージガスが流通するパージガス流が形成される。このようにして気相成長を実施することにより、ウェハWの表面上にエピタキシャル膜Eが形成され、エピタキシャルウェハWEが製造される。
一方、製造装置1にはセンターロッド33が設けられているため、サセプタ31の中央に向けて照射される一部の輻射光L(図1参照)は、センターロッド33で乱反射されて、つまり遮光されてサセプタ31の中央に到達しない。このため、センターロッド33を設けない場合と比べて、サセプタ31の中央への輻射光の照射量が少なくなり、この中央の温度は低くなる。また、センターロッド33をサセプタ31に面接触させていないため、センターロッド33によりサセプタ31の熱が奪われることがなく、サセプタ31の中央の局所的な温度低下が抑制される。
以上のことから、サセプタ31は、センターロッド33を設けない構成と比べて、中央の温度が適度に下げられた状態に加熱される。したがって、反応ガスの量を大きく減らすことなく、中央部膜厚ばらつきが小さいエピタキシャル膜Eを気相成長させることができる。
上述したような一実施形態では、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)製造装置1に、略円柱状のセンターロッド33を、サセプタ31の非載置面312側において上下方向に延びるように、かつ、上端がサセプタ31の中央(サセプタ中央対応部)と接触せずに近接する状態で設けている。
このため、上述したように、反応ガスの量を大きく減らすことなく中央部膜厚ばらつきを小さくできるとともに、エピタキシャルウェハWEの裏面に異常成長が発生することを防止できる。
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
さらに、サセプタ31の中央と、このサセプタ31に載置されたウェハWの中央とが一致しない状態で成膜をする構成の場合、センターロッド33の上端を、非載置面312の中央ではなく、非載置面312の中央からずれたウェハWの中央に対応する位置に近接する状態で設けることにより、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、温度制御離間距離Dやセンターロッド33の直径は、上述の値に限られず、適宜他の値を適用してもよい。
上記実施形態の製造装置1と同様の装置を用いて、直径200mmのウェハを以下の表1に示す条件で処理することで、実施例1のサンプルと、比較例1のサンプルとを作製した。
なお、表1に示す条件以外の条件、すなわち、反応ガス流量、反応ガス濃度、成長時間、スリット水素流量、総流量の条件は、実施例1と比較例1とで同じである。また、流量の単位であるSLM(Standard Liter per Minute)とは、0℃、1気圧状態における流量をLiter/Minで換算した値である。また、総流量とは、エピタキシャル膜の製造プロセスに使用されるプロセスガスの総流量であり、キャリア水素の流量と、反応ガスの流量との和である。さらに、センターロッドは、円柱形状に形成されて、表面をサンドブラスト処理したものを用いた。
なお、表1に示すキャリア水素流量(反応ガスの流量)は、3点支持構成である比較例1のサンプルにおける中央部膜厚ばらつき(中央から約±50mm(エピタキシャルウェハの直径(200mm)の半分の直径を有する略円形部分)の位置の膜厚のばらつき)が小さくなるように設定した。
また、比較例1および実施例1のサンプルの裏面に、異常成長が発生していることが確認できた。
以上のことから、3点支持構成では、裏面の異常成長を防止することと、中央部膜厚ばらつきを小さくすることと、を両立することが困難であることが確認できた。
また、センターロッドを接触させずに近接させた構成(ロッド近接構成)では、3点支持において中央部膜厚ばらつきを小さくできるキャリア水素流量に設定しても、エピ中央膜厚がその周囲と比べて極めて小さくなり、中央部膜厚ばらつきが大きくなることが確認できた。これは、サセプタ中央対応部に向けて照射される輻射光がセンターロッドで遮光されて、サセプタ中央対応部の温度が下がったことで、エピ中央膜厚が薄くなったためと考えられる。
上記実施例1と同様の装置を用いて、直径200mmのウェハを以下の表2に示す条件で処理することで、実施例2〜5のサンプルを作製した。なお、表2に示す条件以外の条件は、上記実施例1のサンプルと同じ条件を適用した。
そして、各位置におけるエピ膜厚を指標化した。その結果を、図4のグラフに示す。
以上のことから、キャリア水素流量を40SLM以上に調整することにより、中央から半径50mmの範囲内のエピ膜厚を調整でき、中央部膜厚ばらつきを小さくできることと、裏面の異常成長を防止することと、を両立できることが確認できた。
上記実施例1と同様の装置を用いて、直径200mmのウェハを以下の表3に示す条件で処理することで、実施例6、比較例2,3のサンプルを作製した。なお、表3に示す条件以外の条件は、上記実施例1のサンプルと同じ条件を適用した。そして、各位置におけるエピ膜厚を指標化した。その結果を、図5のグラフに示す。
なお、表3に示すキャリア水素流量は、ロッド近接構成である実施例6のサンプルにおける中央部膜厚ばらつきが小さくなり、かつ、裏面に異常成長が発生しないように設定した。
これは、3点支持構成の場合、センターロッドがないために、サセプタ中央対応部に輻射光が照射されて、この部分が高温になることで、エピ中央膜厚が厚くなると考えられる。また、4点支持構成の場合、センターロッドがサセプタ中央対応部に面接触しているため、この面接触部分が吸熱されるとともに輻射光が遮光されて低温になることで、エピ中央膜厚が薄くなると考えられる。
上記実施例1と同様の装置を用いて、直径300mmのウェハを以下の表4に示す条件で処理することで、実施例7、比較例4のサンプルを作製した。なお、表4に示す条件以外の条件は、上記実施例6のサンプルと同じ条件を適用した。そして、各位置におけるエピ膜厚を指標化した。その結果を、図6のグラフに示す。
なお、表4に示すキャリア水素流量は、ロッド近接構成である実施例7のサンプルにおける中央部膜厚ばらつきが小さくなり、かつ、裏面に異常成長が発生しないように設定した。
以上から、センターロッドの直径を20.5mmにすることで、直径が300mmのウェハにおける中央部膜厚ばらつきを小さくできることが確認できた。
また、図5に示す直径200mmのウェハにおける結果、および、図6に示す直径300mmのウェハにおける結果から、直径が450mmのウェハに本発明を適用しても、中央部膜厚ばらつきを小さくできることが推認できる。
上記実施例1と同様の装置を用いて、直径200mmのウェハを以下の表5に示す条件で処理することで、実施例8〜14のサンプルを作製した。なお、表5に示す条件以外の条件は、上記実施例6のサンプルと同じ条件を適用した。そして、各位置におけるエピ膜厚を指標化した。その結果を、図7および図8のグラフに示す。
上記実施例1と同様の装置を用い、温度制御離間距離Dを図9の横軸に示す値に設定して、直径200mmのウェハを処理することで、サンプルを作製した。
なお、温度制御離間距離D以外の条件は、上記実施例8〜14のサンプルと同じ条件を適用した。そして、各位置におけるエピ膜厚を測定し、以下の式(1)に基づく中央凹みを算出した。その結果を、図9のグラフに示す。
中央凹み(%)=(M0−M10)/AVE … (1)
M10:ウェハ中央から+10mmの位置のエピ膜厚
M0 :エピ中央膜厚
AVE:ウェハ全体の膜厚の平均値
上記実施例1と異なる製造装置を用い、直径200mmのウェハを以下の表6に示す条件で処理することで、実施例15のサンプルを11枚、比較例5のサンプルを8枚作製した。なお、表6に示す条件以外の条件は、上記実施例6のサンプルと同じ条件を適用した。そして、実施例15と比較例5におけるエピ膜厚の面内膜厚分布の工程能力指数Cpを求めた。その結果を、図10のグラフに示す。また、実施例15と比較例5におけるエピ膜厚の平均値の工程能力指数Cpkを求めた。その結果を、図11のグラフに示す。
以上のことから、ロッド近接構成を適用することで、エピ膜厚の平均値を3点支持構成とほぼ等しくできるとともに、中央部膜厚ばらつきを3点支持構成よりも小さくできることが確認できた。
上記実施例1および実施例15と同様の製造装置を用い、直径200mmのウェハを以下の表7に示す条件で処理することで、実施例16,17,18のサンプルを作製した。なお、表7に示す条件、および、サンドブラスト処理していないセンターロッドを用いたこと以外の条件は、上記実施例6のサンプルと同じ条件を適用した。そして、実施例16〜18におけるエピ膜厚を測定した。その結果を、図12〜図14のグラフに示す。
また、図12および図13に示すように、ほぼ透明状態の実施例17の中央部膜厚ばらつきは、自然失透状態の実施例16よりも大きくなっている。さらに、表7から、実施例17の総流量を実施例16よりも5(SLM)多く設定しているにもかかわらず、中央部膜厚ばらつきを小さくするための最適なキャリア水素流量は、それ以上に落ちていることがわかる。
具体的には、図12、図14、表7に示すように、実施例16と実施例18との中央部膜厚ばらつきを略等しくするためには、実施例18のように、実施例16よりも総流量を約10(SLM)少なくすればよいことが確認できた。つまり、ほぼ透明状態における遮光効果が、自然失透状態よりも落ちていることがわかる。
このことから、メンテナンス等による洗浄によって、センターロッドの透明度が高くなった状態で、同じキャリア水素流量のまま生産を続けると、エピ中央膜厚が変化してしまい、中央部膜厚ばらつきが大きくなることが確認できた。
つまり、透明なセンターロッドを用いても、生産を繰り返すことで、ウェハの気相エッチングに用いるガスによりエッチングされ、透明度が徐々に低くなってくる(遮光効果が強くなる)。よって、生産を繰り返してもセンターロッドの透明度の変化を極力抑えるためには、サンドブラストや他の方法で、十分にセンターロッドの表面を荒らした失透状態にしておく必要があることが確認できた。
2…反応容器
3…サセプタ装置
31…サセプタ
32…周縁支持手段
33…温度制御手段としてのセンターロッド
42…裏面側発光加熱手段
311…載置面
312…非載置面
E…エピタキシャル膜
L…輻射光
W…ウェハ
W1…成膜面
WE…エピタキシャルウェハ
Claims (8)
- ウェハの成膜面と反対の裏面側から輻射光を照射して前記ウェハを加熱しつつ、前記成膜面上にエピタキシャル膜を気相成長させてエピタキシャルウェハを製造するエピタキシャルウェハの製造装置に設けられ、前記ウェハを保持するサセプタ装置であって、
前記ウェハが載置される載置面を有するサセプタと、
このサセプタの周縁近傍を支持する周縁支持手段と、
前記ウェハが載置されたときの前記サセプタにおけるウェハの中央に対応する部分の温度を制御する温度制御手段と、を備え、
前記温度制御手段は、略棒状に形成されて、前記載置面と反対の非載置面側において前記非載置面と略直交する方向に延び、かつ、前記非載置面側の端部が前記非載置面におけるウェハの中央に対応する部分と接触せずに近接する状態で設けられている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - 請求項1に記載のサセプタ装置であって、
前記温度制御手段の前記非載置面側の端部と前記非載置面との距離は、4mm以上、20mm以下に設定されている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - 請求項1または請求項2に記載のサセプタ装置であって、
前記温度制御手段は、表面が前記輻射光を反射させる状態に処理されている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - 請求項1または請求項2に記載のサセプタ装置であって、
前記温度制御手段は、不透明部材で形成されている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載のサセプタ装置であって、
前記温度制御手段は、前記周縁支持手段に着脱自在に取り付けられている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載のサセプタ装置であって、
前記温度制御手段の直径は、3.0mm以上、22.0mm以下に設定されている
ことを特徴とするサセプタ装置。 - ウェハの成膜面上にエピタキシャル膜を気相成長させてエピタキシャルウェハを製造するエピタキシャルウェハの製造装置であって、
前記ウェハを保持する請求項1から請求項6のいずれかに記載のサセプタ装置と、
このサセプタ装置が内部に設置され、前記ウェハの成膜面にエピタキシャル膜を気相成長させるための反応ガスを内部に供給可能とする反応容器と、
前記ウェハの前記成膜面と反対の裏面側から輻射光を照射して前記ウェハを加熱する裏面側発光加熱手段と、
を備えていることを特徴とするエピタキシャルウェハの製造装置。 - ウェハを保持するサセプタ装置に前記ウェハを保持させ、前記ウェハの成膜面と反対の裏面側から輻射光を照射して前記ウェハを加熱しつつ前記ウェハに反応ガスを供給し、前記成膜面上にエピタキシャル膜を気相成長させてエピタキシャルウェハを製造するエピタキシャルウェハの製造方法であって、
前記サセプタ装置は、前記ウェハが載置される載置面を有するサセプタと、このサセプタの周縁近傍を支持する周縁支持手段と、前記ウェハが載置されたときの前記サセプタにおけるウェハの中央に対応する部分の温度を制御する温度制御手段と、を備え、
前記温度制御手段は、略棒状に形成されて、前記載置面と反対の非載置面側において前記非載置面と略直交する方向に延び、かつ、前記非載置面側の端部が前記非載置面におけるウェハの中央に対応する部分と接触せずに近接する状態で設けられており、
前記輻射光を前記温度制御手段により遮光することで、前記サセプタにおけるウェハの中央に対応する部分の温度を制御する
ことを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
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