JP2011108765A - エピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法 - Google Patents

エピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 サセプタの撓みによる半導体ウェーハの面内温度のバラツキを抑制し、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができるエピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法を提供する。
【解決手段】 処理ガスの供給口および排気口を有するチャンバ内に配置された半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するためのエピタキシャル成長装置であって、該装置は、前記チャンバ内で前記半導体ウェーハをその上面に載置するサセプタおよび該サセプタを下方から支持するサセプタサポートシャフトを具え、前記サセプタサポートシャフトは、前記サセプタの中心とほぼ同軸上に位置する支柱、および、該支柱の上端から等間隔で放射状に延びる少なくとも4本以上の支持アームを有することを特徴とする。
【選択図】 図3

Description

本発明は、エピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法に関し、特に、半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を成長する際に、半導体ウェーハを支持するサセプタのサポートシャフトの改良に関する。
高性能化・高機能化が進む半導体エレクトロニクスの分野において、エピタキシャルウェーハの品質は、製品デバイスの品質に大きな影響を与える。エピタキシャルウェーハとは、半導体ウェーハの表面上に、エピタキシャル膜を気相成長させて形成したものであり、半導体ウェーハ表面の規則的な原子の配列に倣い、結晶軸の揃った高品質なエピタキシャル膜が形成される。
従来、このエピタキシャルウェーハの製造には、複数の半導体ウェーハに対して同時にエピタキシャル成長を行うことができるバッチ処理方式のエピタキシャル成長装置が用いられていた。しかし、このバッチ処理方式のエピタキシャル成長装置は、半導体ウェーハの大口径化に対応することが難しい。そのため、近年は、単一の半導体ウェーハに対して個別にエピタキシャル成長を行う、枚葉式のエピタキシャル成長装置を用いるのが一般的である。最近では、直径450mm以上の半導体ウェーハを扱うことができる大口径用の枚葉式エピタキシャル成長装置も開発されている。
図1は、従来の枚葉式エピタキシャル成長装置200の模式的な断面図を示したものである。このエピタキシャル成長装置200は、チャンバ201と、このチャンバ201内に配置されたウェーハWを支持するためのサセプタ202およびこのサセプタ202を支持するサセプタサポートシャフト203とを具える。チャンバ201の側部には、処理ガスの供給口204が形成されており、この供給口204に対向するチャンバ位置に排気口205が形成されている。また、チャンバ201の上側領域および下側領域には、加熱源としてそれぞれ複数本のハロゲンランプ206が放射状に配置されている。
図2は、上記サセプタ202およびサセプタサポートシャフト203の詳細を示す模式的な分解斜視図である。このサセプタサポートシャフト203は、支柱207および支持アーム208を有し、これら支柱207および支持アーム208には、サセプタ202を支持する凸部209および凸部210がそれぞれ設けられている。また、サセプタ202の裏面には、これら凸部209および凸部210に対応する位置に、それぞれ凹部211および凹部212が形成されている。ここで、サセプタ202の位置決めは、サセプタ202の中心に形成された凹部211と支柱207に設けられた凸部209とで行われる。また、凹部212は、凸部210と係合し、凸部209を中心としたサセプタの回転方向の移動を防止する。
このエピタキシャル成長装置200を用いて、サセプタ202上に半導体ウェーハWを載置し、ハロゲンランプ206を点灯して半導体ウェーハWを加熱し、同時に、排気口205から排気を行いながら、キャリアガス、成長ソースガス、ドーパントガス等を処理ガスとして供給口204から導入し、所定温度に加熱された半導体ウェーハWの表面に沿って処理ガスを層流状態で流すことで、半導体ウェーハW上にエピタキシャル膜を成長させることができる。
しかしながら、このエピタキシャル成長装置200を用いた場合、半導体ウェーハWの中心部において、十分な厚さのエピタキシャル膜が形成されないという問題があった。エピタキシャル成長されるエピタキシャル膜の厚さは、一般に、その下の半導体ウェーハWの温度の影響を受ける。上述したように、半導体ウェーハWは、ハロゲンランプ206により加熱されるが、図1からも明らかなように、半導体ウェーハWの裏面はサセプタ202を介して加熱され、サセプタ202の中心部(半導体ウェーハWの中心部)には、サセプタサポートシャフト203の支柱207およびその先端に設けられた凸部209が存在するため、チャンバ201の下方のハロゲンランプ206の熱が伝わり難くなっている。
そこで、特許文献1には、支柱207の先端に凸部209を設けず、3対の凸部210および凹部212によりサセプタ202の位置決めを行うことにより、下方からのハロゲンランプ206の熱を阻害せずに、半導体ウェーハWの中心部を加熱する技術が開示されている。
また、エピタキシャル成長装置200のチャンバ201内は、エピタキシャル成長処理中、1000℃を超える高温となり、サセプタ202およびサセプタサポートシャフト203も、そのような高温の環境に曝されることになる。特許文献2は、これらサセプタ202およびサセプタサポートシャフト202のうち、サセプタサポートシャフト203の支持アーム208が熱により変形し、サセプタ202が傾いて支持されることを防止するため、支持アーム208に補強部材(図示せず)を設ける技術が開示されている。
特許文献3は、下方からのハロゲンランプ206によるサセプタ202への均一加熱を目的に、特許文献1と同様に、支柱207の先端に凸部209を省略するとともに、支持アーム208のサセプタ202の裏面への当接位置を従来よりも内側あるいは外周側へずらした技術が開示されている。
確かに、特許文献1〜3で記載される発明によれば、サセプタ202への均一加熱が達成され、ある程度のエピタキシャル膜厚の均一化の効果を奏するものの、十分ではなく、エピタキシャル膜面内の抵抗分布のバラツキも大きいものであった。
エピタキャル膜厚みの均一化および抵抗分布の均一化を目的に、本発明者らは鋭意研究した結果、サセプタ202を均一に加熱しても、サセプタ202自体そのものが高温環境下に曝されるため、サセプタ202の外周部(円周方向)において撓みが発生し、特に、サセプタサポートシャフト203によって支持されていない部分の撓み量が大きいことが判明した。
このような、サセプタ202の外周部で部分的に撓みが発生した状態でエピタキシャル成長処理を行うと、サセプタ202上に載置された半導体ウェーハWとの間に隙間が生じ、この隙間内に入り込んだキャリアガスなどによって半導体ウェーハWが部分的に冷却され、半導体ウェーハWの周方向において温度ばらつきを生じてしまう。このような温度ばらつきを生じた半導体ウェーハW表面にエピタキシャル成長を行うと、ウェーハ表面上に成長させるエピタキシャル膜厚量およびエピタキシャル層内に取り込まれるドーパント量もウェーハ面内でばらついてしまうことになる。このように、サセプタの撓みは、エピタキシャルウェーハのシリコンエピタキシャル膜厚分布および抵抗分布に影響を与え、特に、均一でない抵抗分布は、抵抗率規格が厳格に要求されるエピタキシャルウェーハにとって無視できる問題ではない。
特開2000−124141号公報 特開2009−135258号公報 特開2000−103696号公報
本発明の目的は、上記問題を解決し、サセプタの撓みによる半導体ウェーハの面内温度のバラツキを抑制し、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができるエピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
(1)処理ガスの供給口および排気口を有するチャンバ内に配置された半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するためのエピタキシャル成長装置であって、該装置は、前記チャンバ内で前記半導体ウェーハを載置するサセプタおよび該サセプタを下方から支持するサセプタサポートシャフトを具え、前記サセプタサポートシャフトは、前記サセプタの中心とほぼ同軸上に位置する支柱、および、該支柱の上端から等間隔で放射状に延びる少なくとも4本以上の支持アームを有することを特徴とするエピタキシャル成長装置。
(2)前記サセプタサポートシャフトは、6本の支持アームを有する上記(1)に記載のエピタキシャル成長装置。
(3)前記サセプタは、表面を炭化ケイ素でコーティングしたカーボングラファイトからなる上記(1)または(2)に記載のエピタキシャル成長装置。
(4)前記サセプタサポートシャフトは、石英からなる上記(1)、(2)または(3)に記載のエピタキシャル成長装置。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一に記載の装置を用いて半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、エピタキシャル膜表面の抵抗率分布の不均一性が4.0%以下となるよう前記エピタキシャル膜を成長することを特徴とするエピタキシャル成長方法。
本発明のエピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法は、半導体ウェーハを載置するサセプタを下方から支持するサセプタサポートシャフトの支持アームを少なくとも4本以上とすることにより、サセプタの撓みを抑制し、これにより、半導体ウェーハの面内温度のバラツキを低減させ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。
図1は、従来の枚葉式エピタキシャル成長装置の模式的な断面図である。 図2は、図1に示すサセプタおよびサセプタサポートシャフトの詳細を示す模式的な分解斜視図である。 図3は、本発明に従うエピタキシャル成長装置の模式的な断面図である。 図4は、図3に示すサセプタおよびサセプタサポートシャフトの詳細を示す模式的な分解斜視図である。 図5(a)は、抵抗率分布の不均一性を説明するための抵抗率分布プロファイルであり、図5(b)は、抵抗率分布の測定方向を示す模式図である。 図6は、比較例のエピタキシャルウェーハの膜厚多点3Dマップを示す。 図7は、実施例1のエピタキシャルウェーハの膜厚多点3Dマップを示す。 図8は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハ径方向のエピタキシャル膜厚みのプロファイルを示す。 図9は、比較例のエピタキシャルウェーハのヘイズ温度換算プロファイルを示す。 図10は、実施例1のエピタキシャルウェーハのヘイズ温度換算プロファイルを示す。 図11は、実施例2のエピタキシャルウェーハのヘイズ温度換算プロファイルを示す。 図12は、実施例3のエピタキシャルウェーハのヘイズ温度換算プロファイルを示す。 図13(a)は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハの抵抗率分布プロファイルを示し、図13(b)は、これら抵抗率分布の測定方向を示す模式図である。 図14(a)は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハの抵抗率分布プロファイルを示し、図14(b)は、これら抵抗率分布の測定方向を示す模式図である。 図15(a)は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハの抵抗率分布プロファイルを示し、図15(b)は、これら抵抗率分布の測定方向を示す模式図である。 図16(a)は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハの抵抗率分布プロファイルを示し、図16(b)は、これら抵抗率分布の測定方向を示す模式図である。 図17は、抵抗率分布の不均一性を計算した結果をプロットしたグラフである。
本発明のエピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明のエピタキシャル成長装置100は、一例として図3に示すように、処理ガスの供給口104および排気口105を有するチャンバ101内に配置された半導体ウェーハW上にエピタキシャル膜を形成するためのエピタキシャル成長装置であって、チャンバ101内で半導体ウェーハWを載置するサセプタ102およびこのサセプタ102を下方から支持するサセプタサポートシャフト103を具え、このサセプタサポートシャフト103は、一例として図4に示すように、サセプタ102の中心とほぼ同軸上に位置する支柱107、および、この支柱107の上端から等間隔で放射状に延びる少なくとも4本以上(図4では6本)の支持アーム108を有する。
サセプタ102は、カーボングラファイト(黒鉛)を母材とし、その表面を炭化ケイ素でコーティングしたものを使用することが望ましい。カーボングラファイトは熱伝導率に優れ、耐熱性および強度に優る。ただし、カーボングラファイトは多孔質であるため内部に吸蔵ガスを含み純度の点で劣るため、その表面を炭化ケイ素で覆う構成とすることが望ましい。また、サセプタ102の厚みは20〜40mmの範囲に設定することが望ましい。厚みを厚くするほど撓み防止には有効ではあるものの、必要となる熱容量が増加し、サセプタ102が所定温度に到達するまで時間がかかることになり好ましくない。厚みが薄い場合には、中心と外周部での放熱量の違いが顕著となり、径方向の温度バラツキが大きく、撓み量も増大してしまうので好ましくない。また、サセプタ102はその表面に半導体ウェーハを収容し載置するザグリ部(図示せず)が形成されている。
また、サセプタサポートシャフト103は、石英で構成することが望ましく、特に合成石英で構成することが望ましい。石英は耐熱性および純度に優れ、赤外ランプ照射を受けても透過し易いため、サセプタ102の均一加熱を図ることができる。
チャンバ101の上側領域および下側領域には、加熱源106が配置され、この加熱源106は、一般に、昇降温速度が速く、温度制御性に優れたハロゲンランプや、赤外線ランプを用いることが好ましい。
本発明のエピタキシャル成長装置100において、サセプタサポートシャフト103は、少なくとも4本以上の支持アームを有する。上述したように、従来のような3本の支持アームを有する構成では、サセプタは、半導体ウェーハWを加熱する際の高温条件下において変形して撓んでしまう。このように撓んだサセプタ上に載置された半導体ウェーハは、サセプタとの間に隙間に入り込んだガスによって冷却され、その上に十分な厚さのエピタキシャル膜を成長させることが困難である。
支持アームは、その本数が多いほどエピタキシャルウェーハの中央領域の膜厚分布は円に近づき、エピタキシャル膜厚み分布や抵抗分布の均一化には有効ではあるものの、支持アームの本数が多すぎる場合には、パイロメータによるサセプタ裏面側の温度検出が正確に行えなく恐れがあり、また、下側の加熱源からの熱が、サセプタ下面に輻射熱として直接伝達するのを阻害する恐れがあるため、設置する支持アームは、多くても12本以内に留めることが望ましい。
また、本発明のエピタキシャル成長方法は、上記エピタキシャル成長装置100を用い、サセプタ102上に半導体ウェーハWを載置した後、加熱源106を点灯して半導体ウェーハWを加熱する。同時に、排気口105から排気を行いながら、例えばトリクロロシラン(SiHCl3)ガスやジクロロシラン(SiH2Cl2)ガス等を処理ガスとして供給口104から導入する。すると、所定温度に加熱された半導体ウェーハWの表面に沿って処理ガスが層流状態で流れ、半導体ウェーハW上にシリコンの半導体がエピタキシャル成長する。
本発明のエピタキシャル成長方法によれば、成長したエピタキシャル膜の表面の抵抗率分布の不均一性は4.0%以下となる。ここで、「抵抗率分布の不均一性」とは、一例として図5(a)に示されるように、エピタキシャルウェーハの中心を通る所定の直線(図5(b)ではライン1〜4それぞれの各ライン)上の抵抗率分布を測定し、この抵抗率分布に現れる2つのピークのうち大きい値をPmax、小さい値をPminとしたとき、(Pmax−Pmin)/(Pmax+Pmin)×100で算出される数値で表わされ、数値が小さいほど抵抗率の不均一性が小さく、均一であることを意味し、各ライン1〜4それぞれで得られた各値の平均値で示すものである。本発明では、エピタキシャルウェーハの抵抗率分布の不均一性が4.0%以下のものを、抵抗率分布が均一で高品質であるとする。
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
(実施例1)
図3に示すような、支柱の上端から等間隔で放射状に延びる6本の支持アームを有するエピタキシャル成長装置を用い、エピタキシャル成長処理を行った。具体的には、直径300mm、面方位(100)、比抵抗10Ωcm、P型の単結晶シリコンウェーハを用い、1130℃で60秒の水素ベークをした後、シリコンソースであるSiHClおよびボロンドーパントソースであるBを水素ガスで希釈した混合反応ガスを、エピタキシャル成長装置100のチャンバ101内に供給して成長温度1130℃で、厚さ約2μm、比抵抗15ΩcmのP型のエピタキシャルシリコン膜を成長させた。
サセプタ102は、直径360mm、表面を炭化ケイ素でコーティングしたカーボングラファイトからなるものし、支柱および支持アームは、石英ガラスからなるものとした。また、アームとサセプタとの接点は、サセプタ中心から178mmの位置とした。
(実施例2)
支持アームが4本であること以外は、実施例1と同様の装置を用いてエピタキシャル
ウェーハを得た。
(実施例3)
支持アームが9本であること以外は、実施例1と同様の装置を用いてエピタキシャル
ウェーハを得た。
(比較例)
支持アームが3本であること以外は、実施例1と同様の装置を用いてエピタキシャルウェーハを得た。
(評価1)
実施例1および比較例のエピタキシャルウェーハについて、エピタキシャルウェーハの膜厚多点3Dマップを作製した。図6は、比較例の3本の支持アームを有するサセプタサポートシャフトによって支持されたサセプタ上でエピタキシャル膜を成長させることにより形成された、エピタキシャルウェーハの膜厚多点3Dマップを示したものである。図7は、実施例1の3本の支持アームを有するサセプタサポートシャフトによって支持されたサセプタ上でエピタキシャル膜を成長させることにより形成された、エピタキシャルウェーハの膜厚多点3Dマップを示したものである。この3Dマップは、FT−IR装置(ナノメトリクス社製:QS−3300)により測定したものである。なお、図6および図7中、3Dマップ欄外にプロットした◎位置は、支持アームとサセプタとの接点位置を表わしたものである。
図6に示すように、比較例(3本の支持アームでサセプタを支持してエピタキシャル成長処理したエピタキシャルウェーハ)では、3本の支持アームとサセプタとの各接点を結ぶ三角形に相似した略三角形状の領域において、そのエピタキシャル膜厚が厚く、支持アームとサセプタが接する各接点を結ぶ各辺の中間領域あたりでエピタキシャル膜厚みが薄くなっていることが分かる。これは、支持アームとサセプタが接する各接点間に位置するサセプタ外周部において、サセプタの撓みが大きいためである。
一方、図7に示すように、実施例1(6本の支持アームでサセプタを支持してエピタキシャル成長処理したエピタキシャルウェーハ)では、6本の支持アームとサセプタとの各接点を結ぶ六角形に相似した略六角形状の領域において、そのエピタキシャル膜厚が厚く、3本の支持アームを設置したときに比して、エピタキシャル膜厚が薄い領域が減少していることが分かる。
(評価2)
実施例1および比較例のエピタキシャルウェーハについて、ウェーハ径方向のエピタキシャル膜厚みのプロファイルを調査した。その結果を図8に示す。調査にはFT−IR装置(ナノメトリクス社製:QS−3300)を使用した。
図8は、図6および図7で示すウェーハ径方向(矢印方向)のウェーハ中心からの距離が100〜150mmの範囲のエピタキシャル膜厚みのプロファイルを示したものであり、エピタキシャルウェーハ中心の厚みを0として、これを基準にした厚みバラツキをプロファイルしたものである。なお、図中の実線は、厚みプロファイルの傾きを示すためにひかれたものである。図8から明らかなように、比較例(3本の支持アーム)に比して、実施例1(6本の支持アーム)の方が厚みプロファイルの傾きが少ない結果が得られた。
(評価3)
実施例1〜3および比較例のエピタキシャルウェーハについて、表面のヘイズを観察し、これらを成長温度に換算した。図9〜図12は、それぞれ比較例1および実施例1〜3のエピタキシャルウェーハの面内温度プロファイルを示したものである。なお、ヘイズの観察は、表面検査装置(KLA−Tencor社製:SP−1)により行い、温度への換算は実験に基づく換算式により行った(各図とも縦軸はエピタキシャル成長温度を示し、各測定点温度の合計の平均値を基準にしたときの比率で示すものである。)。図9からわかるように、従来の3本の支持アームを有するエピタキシャル成長装置を用いて形成された比較例のエピタシャルウェーハは、その温度分布の傾きが大きいものであった。一方、図10〜図12から分かるように、本発明の実施例1〜3のエピタキシャルウェーハは、その温度分布の傾きが小さいことがわかる。
(評価4)
実施例1〜3および比較例のエピタキシャルウェーハについて、抵抗率を測定した。これは、SPV測定装置(SEMILAB社製:QCS−7300R)を用いて測定した。図13(a)は、比較例および実施例1のエピタキシャルウェーハの抵抗率分布プロファイルを示したものである。また、図13(b)は、図13(a)のエピタキシャルウェーハ上の抵抗率の測定方向を示したものである。図13(a)からわかるように、従来の3本の支持アームを有するエピタキシャル成長装置を用いて形成された比較例のエピタシャルウェーハは、抵抗率分布のばらつきが大きいのに対し、本発明に従う6本の支持アームを有するエピタキシャル成長装置を用いて形成された実施例1のエピタキシャルウェーハは、抵抗率分布のばらつきが小さいことがわかる。同様に、図14〜図16はエピタキシャルウェーハ上の抵抗率の測定方向のみを変えたときの結果であり、比較例よりも実施例1の方がいずれの測定方向において抵抗率のばらつきが小さいものであった。
(評価5)
比較例および実施例1〜3で得られたエピタキシャルウェーハの抵抗率分布の不均一性を計算した結果を図17に示す。図17の横軸は支持アームの本数を、縦軸は抵抗率分布の不均一性を示す。この抵抗率分布の不均一性は、図13〜図16で得られた各値((Pmax−Pmin)/(Pmax+Pmin)×100)の平均値である。この図から、本発明に従う支持アームが4本以上の装置を用いることで、エピタキシャルウェーハの抵抗率分布の不均一性が4.0%以下とすることができることがわかる。
本発明のエピタキシャル成長装置およびエピタキシャル成長方法によれば、半導体ウェーハを載置するサセプタを下方から支持するサセプタサポートシャフトの支持アームを少なくとも4本以上とすることにより、サセプタの撓みを抑制し、これにより、半導体ウェーハの面内温度のバラツキを低減させ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。
100 エピタキシャル成長装置
101 チャンバ
102 サセプタ
103 サセプタサポートシャフト
104 供給口
105 排気口
106 加熱源
107 支柱
108 支持アーム
112 凹部

Claims (5)

  1. 処理ガスの供給口および排気口を有するチャンバ内に配置された半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するためのエピタキシャル成長装置であって、該装置は、前記チャンバ内で前記半導体ウェーハを載置するサセプタおよび該サセプタを下方から支持するサセプタサポートシャフトを具え、前記サセプタサポートシャフトは、前記サセプタの中心とほぼ同軸上に位置する支柱、および、該支柱の上端から等間隔で放射状に延びる少なくとも4本以上の支持アームを有することを特徴とするエピタキシャル成長装置。
  2. 前記サセプタサポートシャフトは、6本の支持アームを有する請求項1に記載のエピタキシャル成長装置。
  3. 前記サセプタは、表面を炭化ケイ素でコーティングしたカーボングラファイトからなる請求項1または2に記載のエピタキシャル成長装置。
  4. 前記サセプタサポートシャフトは、石英からなる請求項1、2または3に記載のエピタキシャル成長装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置を用いて半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、エピタキシャル膜表面の抵抗率分布の不均一性が4.0%以下となるよう前記エピタキシャル膜を成長することを特徴とするエピタキシャル成長方法。
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