JP2012033574A - サセプタおよび半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜工程時における基板の温度分布を改善することができる実用的なサセプタおよび半導体製造装置を提供すること。
【解決手段】 サセプタ（１０）は、基板（１００）上に半導体層を成膜する成膜工程で用いられるサセプタであって、上面に、基板が載置される載置面（１３）を備え、外周側面から載置面の外周縁の下方に至るまで延在し、その上下が壁で挟まれた溝（１２）をさらに有している。このサセプタによれば、成膜工程時における基板の温度分布を改善することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、サセプタおよび半導体製造装置に関する。

半導体製造工程において、基板上に半導体層を成膜する工程が行われる場合がある。この成膜工程において基板は、サセプタに保持された状態で加熱される。このとき基板の温度分布が不均一になるおそれがある。

そこで、特許文献１は、成膜工程時における基板の温度分布を一様にするために、サセプタの内部に円環状の中空部を設けた構造を開示している。具体的には、特許文献１は、一体成形されたサセプタの内部に円環状の中空部が形成されたサセプタ（特許文献１の第２図（ａ））を開示している。さらに、特許文献１は、このような一体成形品に円環状の中空部を加工することの困難性に鑑みて、上面の中央部に円柱状の溝が加工されたサセプタ本体と、この溝の中に配置される断面Ｔ字状の台座と、の組み合わせからなるサセプタ（特許文献１の第１図）も開示している。

特開昭６２−４２４１６号公報

しかしながら、一体成形されたサセプタの内部に円環状の中空部を加工することは極めて困難である。そのため、このようなサセプタは、極めて高価なものとなる。したがって、このようなサセプタは、実用的とはいえない。また、２つの部材が組み合わされたサセプタの場合、例えば成膜工程開始前に円環状の中空部内に滞留したエア等のガスが、成膜工程時に２つの部材の接合部における隙間を通って中空部から流出するおそれがある。この場合、流出した漏洩ガスが成膜される半導体層の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、このような２つの部材の組み合わせからなる円環状の中空部を有するサセプタも、実用的とはいえない。

本発明は、成膜工程時における基板の温度分布を改善することができる実用的なサセプタおよび半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係るサセプタは、基板上に半導体層を成膜する成膜工程で用いられるサセプタであって、上面に、前記基板が載置される載置面を備え、外周側面から前記載置面の外周縁の下方に至るまで延在し、その上下が壁で挟まれた溝をさらに有している。

本発明に係るサセプタによれば、溝によって、成膜工程時にサセプタから基板の外周縁へ伝わる熱量を少なくすることができる。それにより、成膜工程において基板の外周縁の温度が基板の中央部に比較して高くなることを抑制することができる。また、サセプタの溝をサセプタの外周側面から載置面の外周縁の下方に至るように形成することは容易に実現できる。さらに、２つの部材を組み合わせて円環状の中空部を設けたサセプタに生じる問題（すなわち、中空部からのガス漏洩によって半導体層の品質に悪影響が生じるという問題）のおそれもない。したがって、本発明に係るサセプタは、実用的なサセプタである。

上記構成において、前記溝は、前記外周側面の全周に亘って連続的に形成されていてもよい。

上記構成において、前記溝の断面積は、前記外周側面からの距離が長くなるにつれて小さくなってもよい。また、前記溝は、前記載置面に対して傾斜していてもよい。また、上記構成は、前記外周側面からの距離が異なる複数の前記溝を備えていてもよい。これらの構成によれば、基板の外周縁の温度分布をより細かく調整することができる。

本発明に係る半導体製造装置は、サセプタと、前記サセプタを加熱する加熱部と、を備え、前記サセプタは、上面に、前記基板が載置される載置面を備え、前記サセプタの外周側面から前記載置面の外周縁の下方に至るまで延在し、その上下が壁で挟まれた溝をさらに有している。

本発明に係る半導体製造装置によれば、成膜工程において基板の外周縁の温度が基板の中央部に比較して高くなることを抑制することができる。また、サセプタの溝をサセプタの外周側面から載置面の外周縁の下方に至るように形成することは容易に実現できる。さらに、２つの部材を組み合わせて円環状の中空部を設けたサセプタに生じる問題のおそれもない。したがって、本発明に係る半導体製造装置は、実用的な半導体製造装置である。

上記構成において、前記加熱部は、前記サセプタがその上面に載置される支持板と、前記支持板の温度を上昇させる温度上昇部と、を備えていてもよい。この構成によれば、支持板からの熱伝導によってサセプタを加熱することができる。

本発明によれば、成膜工程時における基板の温度分布を改善することができる実用的なサセプタおよび半導体製造装置を提供することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る半導体製造装置の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体製造装置を上側から見た模式図である。 図２（ａ）は、実施例１に係るサセプタを上側から見た図である。図２（ｂ）は、実施例１に係るサセプタの横断面図である。 図３（ａ）は、比較例１に係るサセプタに載置された基板の温度分布を示す模式図である。図３（ｂ）は、実施例１に係るサセプタに載置された基板の温度分布を示す模式図である。 図４（ａ）は、比較例２に係るサセプタの横断面図である。図４（ｂ）は、比較例２に係るサセプタを用いて成膜工程が行われた後の基板の下面を示す模式図である。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の基板を洗浄した後に、基板の上面の膜に再成長処理を行った後の半導体層の表面を上側から見た模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施例２に係る半導体製造装置のサセプタの横断面図である。 図６は、実施例３に係る半導体製造装置のトレーおよびサセプタを上側から見た模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

実施例１に係る半導体製造装置５について説明する。半導体製造装置５は、基板１００上に半導体層を成膜する成膜工程において用いられる。具体的には、半導体製造装置５は、半導体層の成膜時に基板１００に熱が印加される成膜工程で用いられる。このような成膜工程として、本実施例においては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が含まれる）等の気相成膜が行われる成膜工程を用いる。

図１（ａ）は、実施例１に係る半導体製造装置５の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体製造装置５を上側から見た模式図である。半導体製造装置５は、サセプタ１０と、トレー２０と、ヒータ３０と、を備えている。本実施例に係るサセプタ１０およびトレー２０は、成膜工程時にはチャンバ内に配置されて用いられる。

サセプタ１０は、成膜工程時に基板１００を保持する。基板１００の種類は特に限定されず、基板１００上に成膜される半導体層の種類に応じて適切な基板を用いればよい。サセプタ１０の詳細は後述する。

トレー２０は、サセプタ１０を支持するための台座である。本実施例においては、トレー２０は、サセプタ１０が載置される凹部２１を少なくとも一つ以上備えている。すなわち、トレー２０は、サセプタ１０が上面に載置される支持板としての機能を有している。

本実施例において、凹部２１の数は複数である。各々の凹部２１は、中心軸２２を中心として同心円状に配置されている。トレー２０は、成膜工程時において中心軸２２回りに回転する。但し、これに限られず、トレー２０は、成膜工程時に回転しなくてもよい。

トレー２０は、ヒータ３０によって加熱される。ヒータ３０の熱に耐えうる材質であれば、トレー２０の材質は特に限定されない。本実施例に係るトレー２０は、一例として炭素を主成分としている。なお、トレー２０は、上面にサセプタ１０を載置できる構成であれば、凹部２１を備えていなくてもよい。例えば、トレー２０の上面は平坦であってもよい。但し、トレー２０が凹部２１を備えている場合の方が、凹部２１を備えていない場合よりも、サセプタ１０の温度をより効率的に上昇できる点で好ましい。

ヒータ３０は、成膜工程時に作動してトレー２０の温度を上昇させる。すなわち、ヒータ３０は、トレー２０（支持板）の温度を上昇させる温度上昇部としての機能を有している。また、トレー２０およびヒータ３０は、サセプタ１０を加熱する加熱部としての機能を有している。但し、トレー２０の温度を上昇させることができるものであれば、ヒータ３０に限られず、例えば高周波発生源等を用いてもよい。

成膜工程は、例えば以下のように行われる。まず、チャンバ内のサセプタ１０に基板１００を配置する。次いで、チャンバ内を真空にして余分なガスをチャンバ内から除去する。次いで、ヒータ３０が作動する。それにより、トレー２０の温度が上昇する。基板１００は、トレー２０からの熱伝導によって加熱される。基板１００が加熱されて所定温度に到達した状態で、例えばホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等の反応ガスが基板１００上に供給される。このとき、トレー２０は中心軸２２回りに回転している。このようにして、基板１００上に、例えばＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ等の半導体層が成膜される。以上のように成膜工程は行われる。

なお、成膜工程の後には、基板１００を洗浄する洗浄工程が行われる。洗浄工程の内容は特に限定されない。一例として、基板１００の洗浄は、基板１００を酸系の洗浄液内に所定時間浸すことによって行われる。

続いて、サセプタ１０の詳細について説明する。図２（ａ）は、サセプタ１０を上側から見た図である。図２（ｂ）は、サセプタ１０の横断面図である。サセプタ１０の外観形状は特に限定されないが、本実施例においては円盤形状である。サセプタ１０は、上面に基板１００が載置されるための凹部１１を備えている。本実施例において、凹部１１の形状は、サセプタ１０を上側から見たとき、サセプタ１０の中心点を中心とする円形である。但し、凹部１１の形状および位置は、これに限られない。例えば、凹部１１は円形でなくてもよく、凹部１１の位置はサセプタ１０の中心から偏心していてもよい。

成膜工程時に、基板１００は凹部１１に配置される。それにより、凹部１１は、成膜工程時に基板１００を保持する。すなわち、本実施例において凹部１１は基板１００を保持する保持部としての機能を有している。凹部１１の基板１００が載置される面（以下、載置面１３と称する）は平坦である。すなわち、本実施例において、載置面１３は保持部の底面である。但し、サセプタ１０の保持部は凹部１１に限られない。例えばサセプタ１０は、凹部１１を備える代わりに、上面に基板１００を保持するための凸部を備えていてもよい。この場合、凸部が保持部としての機能を有する。また、例えばサセプタ１０は、凹部１１および凸部の両方とも備えていなくてもよい。サセプタ１０は、基板１００が載置される載置面１３を備えていればよい。

また、サセプタ１０は、溝１２を備えている。溝１２は、サセプタ１０の外周側面から載置面１３の外周縁の下方に至るまで延びるように形成されている。さらに、溝１２は、その上下が壁で挟まれている。この場合、溝１２の先端は、載置面１３に到達せずに、載置面１３に対して離間した状態で載置面１３の下方に位置している。その結果、載置面１３に溝１２による凹部（穴）は形成されていない。また、本実施例において、溝１２は、載置面１３に対して平行に形成されている。さらに、溝１２は、サセプタ１０の外周側面の全周に亘って連続的に形成されている。

サセプタ１０の材質は特に限定されないが、熱による変形が生じ難くかつ反応ガスと反応し難い材質であることが好ましい。このような材質として、例えば炭素、炭化珪素、窒化アルミニウム等を用いることができる。この場合、凹部１１および溝１２は、例えば、切削加工等の機械加工によって形成することができる。

続いて、サセプタ１０の作用効果について説明する。サセプタ１０の比較例１として、溝１２を備えていないサセプタを想定する。図３（ａ）は、比較例１に係るサセプタに載置された基板１００の温度分布を示す模式図である。横軸は位置を示し、縦軸は温度を示している。比較例１に係るサセプタの場合、基板１００の温度分布は、基板１００の外周縁の温度が中心部の温度よりも高い分布を示す。これは、サセプタ１０から基板１００の外周縁に伝導する熱量の方が基板１００の中心部に伝導する熱量よりも多いことによるものと考えられる。このような温度分布の場合、成膜工程において成膜される半導体層の品質は良好とはいえない。

図３（ｂ）は、本実施例に係るサセプタ１０に載置された基板１００の温度分布を示す模式図である。横軸は位置を示し、縦軸は温度を示している。サセプタ１０に載置された基板１００の外周縁の温度は、比較例１に係るサセプタの場合よりも低下している。それにより、サセプタ１０に載置された基板１００の面方向の温度バラツキは小さくなっている。これは、サセプタ１０が溝１２を有することによって、成膜工程時にサセプタ１０から基板１００の外周縁へ伝わる熱量が減少したことによるものと考えられる。

以上のように、本実施例に係る半導体製造装置５およびサセプタ１０によれば、サセプタ１０の溝１２によって、成膜工程時にサセプタ１０から基板１００の外周縁へ伝わる熱量を少なくすることができる。それにより、成膜工程において基板１００の外周縁の温度が基板１００の中央部に比較して高くなることを抑制することができる。

また、サセプタ１０の溝１２は、例えば機械加工等によって容易に形成するができる。このようにサセプタ１０の加工性は良好であることから、溝１２を設ける代わりに例えば円環状の中空部を設けたサセプタに比較して、サセプタ１０の製造コスト上昇が抑制されている。さらに、２つの部材を組み合わせて円環状の中空部を設けたサセプタに生じる問題（すなわち、中空部からのガス漏洩によって半導体層の品質に悪影響が生じるという問題）のおそれもない。したがって、サセプタ１０は、実際の半導体製造に用いることができ、実用的なサセプタである。

続いて、半導体製造装置５およびサセプタ１０のさらなる効果を説明するために、サセプタ１０の比較例２としてサセプタ１０Ａを想定する。図４（ａ）は、比較例２に係るサセプタ１０Ａの横断面図である。サセプタ１０Ａは、溝１２に代えて溝１２Ａを備えている点においてサセプタ１０と異なっている。溝１２Ａは、サセプタ１０Ａの外周側面には形成されておらず、載置面１３の外周縁全周に亘って環状に形成されている。サセプタ１０Ａを用いて成膜工程が行われた場合、反応ガスが、載置面１３に載置された基板１００の下面にある溝１２Ａに入り込むことが考えられる。

図４（ｂ）は、サセプタ１０Ａを用いて成膜工程が行われた後の基板１００の下面（成膜工程時に基板１００の載置面１３に対向する面）を示す模式図である。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の基板１００を洗浄した後に、基板１００の上面の半導体層に再成長処理を行った後の半導体層の表面を上側から見た模式図である。図４（ｂ）において、基板１００の下面の外周縁には、生成物１０１が形成されている。この生成物１０１は、成膜工程中に溝１２Ａに入り込んだ反応ガスによって生成された物質であると考えられる。

図４（ｃ）において、再成長処理後の半導体層の表面には、ヒロック１０２が形成されている。このヒロック１０２の形成原因として、例えば以下のことが考えられる。すなわち、基板１００の洗浄時において、基板１００の下面の生成物１０１が洗浄液によって剥がされる。剥がされた生成物１０１は、洗浄液の液面に浮遊する。この浮遊した生成物１０１は、基板１００を洗浄液から引き上げるときに半導体層の表面に付着する。このように半導体層の表面に異物が付着した状態で再成長処理が行われることによって、再成長処理後の半導体層の表面にヒロック１０２が形成されたものと考えられる。このようなヒロック１０２が形成された場合、半導体はその性能を十分に発揮できなくなる。このように、生成物１０１は半導体の品質を低下させる原因の一つとなり得る。

これに対して本実施例に係る半導体製造装置５およびサセプタ１０によれば、サセプタ１０の載置面１３は平坦である。それにより、成膜工程時に基板１００と載置面１３との間に反応ガスが入り込むことが抑制されている。その結果、基板１００の下面に反応ガスの生成物１０１が付着することが抑制されている。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施例２に係る半導体製造装置５のサセプタ１０の横断面図である。本実施例に係る半導体製造装置５のサセプタ１０は、基板１００の温度分布をより詳細に調整することを目的として、溝１２の形状または溝１２の本数が実施例１の形状または本数から変更されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

例えば、図５（ａ）において、溝１２の断面積は、サセプタ１０の外周側面からの距離が長くなるについて小さくなっている。図５（ｂ）において、サセプタ１０は、外周側面からの距離が異なる複数の溝１２を備えている。なお、図５（ｂ）において、複数の溝１２の外周側面からの距離は、載置面１３に近い側程、長くなっている。また、図５（ｃ）において、溝１２は、載置面１３に対して傾斜している。なお、図５（ｃ）において、溝１２は、溝１２の両端部のうち、サセプタ１０の外周側面側の端部の方がサセプタ１０の中心側の端部よりも上方になるように傾斜している。

本実施例に係るサセプタ１０においても、実施例１に係るサセプタ１０と同様の効果が得られる。さらに、本実施例に係るサセプタ１０によれば、成膜工程時にサセプタ１０から基板１００の外周縁に伝わる熱量を基板１００の外周縁の内側部分から外側部分にかけて徐々に変化させることができる。それにより、成膜工程時における基板１００の外周縁の温度分布をより細かく調整することができる。

なお、本実施例において、サセプタ１０の溝１２は、図５（ａ）〜図５（ｃ）の組み合わせに係る溝１２であってもよい。例えば、図５（ｂ）の各溝１２が、図５（ａ）または図５（ｃ）の形状であってもよく、図５（ａ）の溝１２が図５（ｃ）のように載置面１３に対して傾斜していてもよい。また、図５（ｂ）の各溝１２が、図５（ａ）の形状を有しかつ図５（ｃ）のように傾斜していてもよい。

図６は、実施例３に係る半導体製造装置５のトレー２０およびサセプタ１０を上側から見た模式図である。本実施例係る半導体製造装置５のサセプタ１０は、溝１２がサセプタ１０の外周側面の全周に亘って連続的に形成されていない点において、実施例１と異なっている。その他の構成は、実施例１と同様である。

例えば、ヒータ３０とトレー２０との相対位置関係、トレー２０の形状等によっては、成膜工程時にサセプタ１０の載置面１３の外周縁が部分的に高温になることが考えられる。このような場合には、溝１２は、実施例１および実施例２のようにサセプタ１０の外周側面の全周に亘って連続的に形成されていなくてもよい。溝１２は、成膜工程時にサセプタの載置面１３の高温になり易い部分に対応した箇所に形成すればよい。

例えば、図６において、トレー２０に配置されたサセプタ１０のトレー２０の中心側よりも外周側の部分の方が高温になり易いと仮定する。この場合、溝１２は、このサセプタ１０の高温になり易い部分に対応するように、サセプタ１０の外周側面に部分的に形成されている。この場合においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例において溝１２は、実施例２の構成であってもよい。この場合、実施例２と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ 半導体製造装置
１０ サセプタ
１１ 凹部
１２ 溝
１３ 載置面
２０ トレー
２１ 凹部
２２ 中心軸
３０ ヒータ
１００ 基板
１０１ 生成物
１０２ ヒロック

Claims (7)

1. 基板上に半導体層を成膜する成膜工程で用いられるサセプタであって、
   上面に、前記基板が載置される載置面を備え、
   外周側面から前記載置面の外周縁の下方に至るまで延在し、その上下が壁で挟まれた溝をさらに有するサセプタ。
2. 前記溝は、前記外周側面の全周に亘って連続的に形成されている請求項１記載のサセプタ。
3. 前記溝の断面積は、前記外周側面からの距離が長くなるにつれて小さくなる請求項１または２に記載のサセプタ。
4. 前記溝は、前記載置面に対して傾斜している請求項１〜３のいずれか１項に記載のサセプタ。
5. 前記外周側面からの距離が異なる複数の前記溝を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のサセプタ。
6. サセプタと、
   前記サセプタを加熱する加熱部と、を備え、
   前記サセプタは、上面に、前記基板が載置される載置面を備え、前記サセプタの外周側面から前記載置面の外周縁の下方に至るまで延在し、その上下が壁で挟まれた溝をさらに有する半導体製造装置。
7. 前記加熱部は、前記サセプタがその上面に載置される支持板と、前記支持板の温度を上昇させる温度上昇部と、を備える請求項６記載の半導体製造装置。

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