JP2013110145A

JP2013110145A - エピタキシャル成長装置及びエピタキシャル成長方法

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Publication number: JP2013110145A
Application number: JP2011251469A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 武史小林
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: JP5807522B2

Abstract

【課題】エピタキシャル成長において、ヒータからの熱線を調節して、シリコン単結晶基板を面内均一に加熱し、膜厚が均一なエピタキシャル層を成長させることができる装置及び方法を提供することを目的とする。
【解決手段】サセプタに水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、該上下のヒータのそれぞれの中央に配置された上下の円筒状リフレクタと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備え、一部又は全ての前記単体ヒータの前記ヒータの中心側に、前記単体ヒータからの熱放射を散乱させる散乱体を有するものであるエピタキシャル成長装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置に関する。

気相成長法により、シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層（シリコン単結晶薄膜）を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ−ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。
近年、電子デバイスの微細化によって、薄膜化やウェーハの大直径化が進む中、形成されるエピタキシャル層厚の面内均一化が重要な課題の一つとなっている。例えば直径２００ｍｍのシリコンエピタキシャルウェーハの製造においては、複数枚の基板をバッチ処理する方法に代えて、膜厚分布等の制御が比較的容易な枚葉式エピタキシャル成長装置が主流になりつつある。これは、反応室内において、１枚のシリコン単結晶基板をサセプタ上で水平に保持し、原料ガスを反応室の一端から他端へ水平かつ一方向に供給しながら、エピタキシャル層を成長させるものである。

エピタキシャル層の成長速度は温度の影響を強く受けるので、エピタキシャル層厚の均一性を向上させるためには、シリコン単結晶基板の面内の温度分布の制御が重要である。
エピタキシャル成長装置の加熱方式には様々なものがあり、シリコン単結晶基板を１枚ずつエピタキシャル成長させる枚葉式エピタキシャル装置の場合は、シリコン単結晶基板の上下からハロゲンランプヒータで加熱する方式が多く使われる。ハロゲンランプに片口金型ランプを用いる場合は、ランプを放射状に１列の円形に配列することになり、このランプの背後にはヒータからの熱線を反射して基板に照射するためのドーナツ状のリフレクタを配置する（特許文献１、２参照）。また他に、サセプタの支持軸の保護や温度計測のための光路確保のために、サセプタに載置された基板の上下で、ドーナツ状のリフレクタの中心を通る円筒形状のリフレクタも配置される。

特開２０１０−１４７３５０号公報特開平４−２５５２１４号公報

ヒータの背後に配置されるドーナツ状のリフレクタにおいて、基板の中心付近を強く照射するインサイド用ランプの背後には円筒凹面形状の反射板部が設けられ、基板の周辺付近を強く照射するアウトサイド用ランプの背後には平面形状の反射板部が設けられる。
インサイド用ランプの円筒凹面形状の反射板部では、ランプの光が収束されるため、基板に帯状の照射面が形成され、円形に複数配置されたインサイド用ランプの帯状照射面が軸対称で加算されて、基板中心付近の照射強度が周辺よりも強くなってしまう。一方、平面形状の反射板部においては、ランプの光が分散されるため、分散された光が、基板上下に設けた円筒形状のリフレクタに反射され、基板周辺付近の照射強度が増大する。

ヒータのインサイド／アウトサイド用ランプの照射強度を調整することにより、基板面内の温度分布の均一化を図るが、上記したように円筒凹面形状の反射板部から反射した熱線により、基板中心付近で帯状照射面の重なりが多くなるため、当該基板中心付近の照度が急激に増大しやすく、インサイド／アウトサイド用ランプの照度を調整しても、急激に変動した照度分布が残ってしまう問題があった。これにより、基板の面内の温度分布が不均一になり、エピタキシャル層厚が不均一になってしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、エピタキシャル成長において、ヒータからの熱線を調節して、シリコン単結晶基板を面内均一に加熱し、膜厚が均一なエピタキシャル層を成長させることができる装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、サセプタに水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、該上下のヒータのそれぞれの中央に配置された上下の円筒状リフレクタと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備え、一部又は全ての前記単体ヒータの前記ヒータの中心側に、前記単体ヒータからの熱放射を散乱させる散乱体を有するものであることを特徴とするエピタキシャル成長装置を提供する。

このような散乱体を有するものであれば、単体ヒータのヒータ中心側からの熱放射を散乱させて、エピタキシャル成長させるシリコン単結晶基板の中心領域への熱線を低減することができる。これにより、照射強度が増大しやすいシリコン単結晶基板の中心領域への熱線を調節することができ、照度分布を均一にすることが容易である。以上より、シリコン単結晶基板の面内を均一に加熱しながら、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができる装置となる。

このとき、前記散乱体は、石英製とすることができる。
このような石英製の散乱体であれば、単体ヒータからの熱放射を効果的に散乱させることができ、シリコン単結晶基板への照度分布をより効率的に均一にすることができる装置となる。

また、前記散乱体は、反射体とすることができる。
このような反射体であれば、表面の形状等によって単体ヒータからの熱放射を確実に散乱させることができ、シリコン単結晶基板への照度分布をより効率的に均一にすることができる装置となる。

このとき、前記散乱体の表面粗さは、Ｒａ１．０〜１０μｍであることが好ましい。
このような表面粗さの散乱体であれば、単体ヒータからの熱放射を効果的に散乱させることができ、シリコン単結晶基板への照度分布をより効率的に均一にすることができる装置となる。

このとき、前記散乱体の表面は、高さ０．１〜１０ｍｍの凹部及び／又は凸部が複数形成されたものであることが好ましい。
このような表面形状の散乱体であれば、単体ヒータからの熱放射の散乱をその形状により容易に調節でき、シリコン単結晶基板への照度分布をより効率的に均一にすることができる装置となる。

また、前記散乱体は、前記単体ヒータの前記ヒータの中心側にコートされた反射膜とすることができる。
このような反射膜であれば、形成が容易で、単体ヒータからの熱放射を確実に散乱させることができるため、シリコン単結晶基板への照度分布をより効率的に均一にすることができる装置となる。

また、本発明は、シリコン単結晶基板を載置するサセプタと、該サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、該上下のヒータのそれぞれの中央に配置された上下の円筒状リフレクタと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備えるエピタキシャル成長装置を用いて、前記サセプタに水平に載置された前記シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長方法であって、一部又は全ての前記単体ヒータの前記ヒータの中心側からの熱放射を散乱体により散乱させながら前記シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法を提供する。

このように単体ヒータの中心側からの熱放射を散乱させてエピタキシャル層を成長させることで、エピタキシャル成長させるシリコン単結晶基板の中心領域への熱線を低減できる。これにより、照射強度が増大しやすいシリコン単結晶基板の中心領域への熱線を調節して、照度分布を均一にすることが容易である。以上より、シリコン単結晶基板の面内を均一に加熱しながら、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができる。

以上のように、本発明によれば、エピタキシャル成長において、シリコン単結晶基板の面内を均一に加熱しながら、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができる。

本発明のエピタキシャル成長装置の実施態様の一例を示す概略図である。本発明のエピタキシャル成長装置におけるヒータとドーナツ状リフレクタをサセプタ側からみた概略図である。本発明のエピタキシャル成長装置の実施態様の他の一例を示す概略図である。本発明のエピタキシャル成長装置の実施態様の他の一例を示す概略図である。従来のエピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明のエピタキシャル成長装置の概略図を示す。

図１の枚葉式エピタキシャル成長装置１０は、反応室１１内にシリコン単結晶基板Ｗを水平に配置するためのサセプタ１２が設けられ、サセプタ１２は支持軸１３により支持され、この支持軸１３はサセプタ１２を回転させるための機構（不図示）を有する。
サセプタ１２の上下には、シリコン単結晶基板Ｗを加熱するための単体ヒータが円形に並べられたヒータ１５ａ、１５ｂが各々配置されている。また、この上下のヒータ１５ａ、１５ｂのそれぞれの中央には、円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂが配置されている。この円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂにより、支持軸１３の加熱防止や、温度計測のための光路を確保することができる。

図２はサセプタ１２側から見たヒータ１５ａ、１５ｂと、その背後に設けられたドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの概略図である。ヒータ１５ａ、１５ｂは、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータ１９ａ、１９ｂを有する。この単体ヒータ１９ａ、１９ｂとしては、例えばハロゲンランプを用いることができ、主に基板中央部に熱線を照射するインサイド用ランプである単体ヒータ１９ａと、主に基板の周辺部に熱線を照射するアウトサイド用ランプである単体ヒータ１９ｂとを並べてヒータ１５ａ、１５ｂを形成する。これらインサイド／アウトサイド用の単体ヒータ１９ａ、１９ｂの照射強度を各々調節して基板を面内均一に加熱する。
上のヒータ１５ａの上側及び下のヒータ１５ｂの下側に、上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂが各々配置される。この上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの少なくとも一つは、ヒータ１５ａ、１５ｂの熱放射を収束させる円筒凹面形状の収束反射板部１８ａと、熱放射を分散させる平板形状の分散反射板部１８ｂとを有する。これら収束反射板部１８ａ、分散反射板部１８ｂは、交互に形成されてもよいし、回転対称又は線対称に形成されてもよい。

そして、本発明のエピタキシャル成長装置１０は、一部又は全ての単体ヒータ１９ａ、１９ｂのヒータ１５ａ、１５ｂの中心側（単体ヒータ１９ａ、１９ｂの内先端側）に、単体ヒータ１９ａ、１９ｂからの熱放射を散乱させる散乱体１７ａ、１７ｂを有する。
特にインサイド用ランプである単体ヒータ１９ａの内先端から放射される熱線の強度を減衰させると、シリコン単結晶基板Ｗの中心付近の照度が減衰することを本発明者は見出した。この知見より、単体ヒータ１９ａ、１９ｂの内先端側に熱線を散乱させる散乱体１７ａ、１７ｂを設置したところ、シリコン単結晶基板Ｗの中心付近の急激な温度変動を制御することができるようになった。このため、当該散乱体１７ａ、１７ｂにより、シリコン単結晶基板Ｗを面内均一に加熱することができ、膜厚均一なエピタキシャル層を成長させることができる。

ここで、散乱体１７ａ、１７ｂは、インサイド用の単体ヒータ１９ａのヒータ１５ａ、１５ｂ中心側に設けられれば、上記効果を十分に達成することができる。ただし、アウトサイド用の単体ヒータ１９ｂのヒータ１５ａ、１５ｂ中心側にも設けることができ、例えば図１に示すような円筒状の散乱体１７ａ、１７ｂを設けることで、全ての単体ヒータ１９ａ、１９ｂの内先端側からの熱放射を散乱させることができる。この場合は、散乱体１７ａ、１７ｂの作製、設置が容易である。

ここで、散乱体１７ａ、１７ｂは、石英製又は反射体のものとすることができる。
このような石英製や反射体であれば、単体ヒータ１９ａ、１９ｂからの熱放射を効果的に散乱させることができる。また、それらの表面粗さ、表面形状等を変えることで、散乱の度合いを調節することも容易である。なお、このような反射体の材質としては、例えば、ステンレス等の金属材料を金メッキしたものとすることができる。

この際、散乱体１７ａ、１７ｂの表面粗さは、Ｒａ１．０〜１０μｍであることが好ましい。
このような表面粗さであれば、散乱体１７ａ、１７ｂが反射体の場合も石英製の場合も効果的に熱放射を散乱させることができる。

また、図３には、散乱体の他の態様として、円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂの表面に凹部や凸部を形成して、散乱体１７ａ’、１７ｂ’とした装置を示す。図３に示すように、散乱体１７ａ’、１７ｂ’の表面は、高さ０．１〜１０ｍｍの凹部及び／又は凸部が複数形成されたものであることが好ましい。
このような高さの凹部と凸部が複数形成されていると、効果的に熱放射を散乱させることができる。また、円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂの表面を加工するのみで散乱体１７ａ’、１７ｂ’とすることができるため、追加の部品は不要で、低コストな装置となる。

また、図１に示すような円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂとヒータ１５ａ、１５ｂの間に上記のような表面粗さとしたり、表面に凹部、凸部を形成した円筒状の散乱体１７ａ、１７ｂを設けることもできる。

または、図４に示すように、ヒータ１５ａ、１５ｂの単体ヒータ１９ａ、１９ｂの内先端（ヒータ１５ａ、１５ｂの中心側）に反射膜をコートして散乱体１７ａ’’、１７ｂ’’とすることができる。
この場合には、インサイド用の単体ヒータ１９ａの内先端に反射膜をコートするのみでも、シリコン単結晶基板Ｗの中心領域への熱線を調節することができるが、アウトサイド用の単体ヒータ１９ｂにも反射膜をコートすることができる。なお、このような反射膜の材質としては、例えば、酸化チタン等のセラミックスとすることができる。

以上のような本発明のエピタキシャル成長装置１０を用いて、本発明の製造方法では、サセプタ１２上にシリコン単結晶基板Ｗを載置し、ヒータ１５ａ、１５ｂによりシリコン単結晶基板Ｗを加熱し、一方、一部又は全ての単体ヒータ１９ａ、１９ｂのヒータ１５ａ、１５ｂの中心側からの熱放射を散乱体１７ａ、１７ａ’、１７ａ’’、１７ｂ、１７ｂ’、１７ｂ’’により散乱させながら、トリクロロシラン等の原料ガスを反応室１１内に導入して、エピタキシャル層を成長させることができる。
上記のような本発明であれば、シリコン単結晶基板を面内で均一に加熱することができるため、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができ、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。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１のような直径３００ｍｍウェーハ用のエピタキシャル成長装置において、ウェーハ中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を測定した。測定は、特公平０７−０５８７３０に記載されている方法で行った。これは、イオン注入によって表面に不純物注入層が形成された拡散ウェーハを用意し、熱拡散後のシート抵抗を測定することによりウェーハの面内温度分布を求める方法である。

用いたエピタキシャル成長装置には、ヒータと円筒状リフレクタの間に、図１の斜線で示したような石英製円筒治具（散乱体１７ａ、１７ｂ）を設置した。この円筒治具の側壁は、サンドブラストでＲａ２．０μｍに荒らした半透明な状態になっており、単体ヒータの内先端から放射された光を散乱する構造になっている。
測定した結果、表１に示したように面内最大温度差は６．８℃となった。

（実施例２）
図１に示したエピタキシャル成長装置において、石英製円筒治具（散乱体１７ａ、１７ｂ）の側壁は透明な状態で、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で格子状に形成し、単体ヒータの内先端から放射された光を散乱する構造にした。その他は、実施例１と同様に、面内温度分布を測定した。
その結果、表１に示したように面内最大温度差は７．２℃となった。

（実施例３）
図３のように、エピタキシャル成長装置において、円筒状リフレクタ１４ａ、１４ｂの側壁に直径３ｍｍの半球状凹みを一面に形成して散乱体１７ａ’、１７ｂ’とし、単体ヒータの内先端から放射された光を散乱する構造にした。その他は、実施例１と同様に、面内温度分布を測定した。
その結果、表１に示したように面内最大温度差は７．０℃になった。

（実施例４）
図４のように、エピタキシャル成長装置において、単体ヒータ１９ａ、１９ｂの内先端側に赤外線の反射膜（散乱体１７ａ’’、１７ｂ’’）をコートし、単体ヒータの内先端から放射された光を散乱する構造にした。その他は、実施例１と同様に、面内温度分布を測定した。
その結果、表１に示したように面内最大温度差は８．１℃になった。

（比較例）
図５のように、エピタキシャル成長装置において、ヒータ１００と円筒状リフレクタ１０１の間には散乱体は設けない構造にした。その他は、実施例１と同様に、面内温度分布を測定した。
その結果、表１に示したように面内最大温度差は１２．７℃となった。

表１に示すように、比較例における散乱体を有さないエピタキシャル成長装置では、加熱されたウェーハの面内最大温度差が実施例１−４より大きくなっている。このため、本発明の装置であれば、ウェーハ面内を均一に加熱することができることが分かる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…エピタキシャル成長装置、１１…反応室、１２…サセプタ、
１３…支持軸、１４ａ、１４ｂ…円筒状のリフレクタ、１５ａ、１５ｂ…ヒータ、
１６ａ、１６ｂ…ドーナツ状リフレクタ、
１７ａ、１７ａ’、１７ａ’’、１７ｂ、１７ｂ’、１７ｂ’’…散乱体、
１８ａ…収束反射板部、１８ｂ…分散反射板部、
１９ａ、１９ｂ…単体ヒータ、Ｗ…シリコン単結晶基板。

Claims

サセプタに水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、該上下のヒータのそれぞれの中央に配置された上下の円筒状リフレクタと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備え、一部又は全ての前記単体ヒータの前記ヒータの中心側に、前記単体ヒータからの熱放射を散乱させる散乱体を有するものであることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
前記散乱体は、石英製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成長装置。
前記散乱体は、反射体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成長装置。
前記散乱体の表面粗さは、Ｒａ１．０〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長装置。
前記散乱体の表面は、高さ０．１〜１０ｍｍの凹部及び／又は凸部が複数形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長装置。
前記散乱体は、前記単体ヒータの前記ヒータの中心側にコートされた反射膜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成長装置。
シリコン単結晶基板を載置するサセプタと、該サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、該上下のヒータのそれぞれの中央に配置された上下の円筒状リフレクタと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備えるエピタキシャル成長装置を用いて、前記サセプタに水平に載置された前記シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長方法であって、一部又は全ての前記単体ヒータの前記ヒータの中心側からの熱放射を散乱体により散乱させながら前記シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法。