JP2013138114A

JP2013138114A - 半導体製造装置及びサセプタ支持部材

Info

Publication number: JP2013138114A
Application number: JP2011288341A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Oki; 慎一大木; Yuji Aoki; 裕司青木
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】シリコンウェハ全面を均一に加熱処理することが可能な半導体製造装置を提供する。
【解決手段】半導体ウェハを処理するための処理チャンバと、処理チャンバ内に設けられ、半導体ウェハが載置されるサセプタと、処理チャンバ内で前記サセプタを支持するためのサセプタ支持部材であって、サセプタを回転させるため垂直方向に設けられた回転シャフトと、回転シャフトの上端部から放射状に設けられ、サセプタの裏面を支持するための複数の透明な支持アームを備えたサセプタ支持部材と、支持アームの下方に設けられ、サセプタに載置された半導体ウェハを加熱するための加熱用光源と、支持アームに設けられ、加熱用光源から光の少なくとも一部を前記サセプタの裏面に向かって透過させると共に、加熱用光源から光の少なくとも一部を拡散させる透過拡散手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造装置に関し、特に、シリコンウェハを均一に加熱処理することが可能なエピタキシャル成長装置等の半導体製造装置に関する。

従来より、半導体デバイスの製造には、リーク電圧の低減やデバイス設計の容易性等を考慮して、シリコンウェハ（プライムウェハ）上に同じ結晶構造を有するエピタキシャル層を堆積させたエピタキシャルウェハが用いられている。

図６はエピタキシャルウェハを製造するためのエピタキシャル成長装置８０の一例を示す。このエピタキシャル成長装置８０は石英ガラス等の耐熱性材料で形成された処理チャンバ８２と、処理チャンバ８２内に配置されるシリコンウェハＷを上方及び下方から加熱するための上部加熱用光源８４と、下部加熱用光源８６が複数設けられている。

処理チャンバ８２内には、シリコンウェハＷを載置するためのサセプタ８８と、サセプタ８８を支持するためのサセプタ支持部材部材９０が設けられている。このサセプタ支持部材９０は、円柱状の回転シャフト９２と、回転シャフト９２の上端部から等間隔で放射状に延びる３個の支持アーム９４を備えている。この回転シャフト９２及び支持アーム９４は透明性の高い石英で形成されている。

上記のようなエピタキシャル成長装置８０において、エピタキシャルウェハを製造するには、処理チャンバ８２内に残留するガスを処理チャンバに設けられた排出口８２ｂから排気し、処理チャンバ８２内の圧力をエピタキシャル成長に適した圧力に調整する。

そして、上部加熱用光源８４及び下部加熱用光源８６によりシリコンウェハＷを加熱した状態で、サセプタ８８を回転させながら、処理チャンバ８２の給気口８２ａよりモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等の処理ガスを処理チャンバ８２に供給する。これによって、反応ガスが所定温度に加熱されたウェハＷの表面に沿って層流状態で流れ、ウェハＷ上にシリコン単結晶がエピタキシャル成長して薄膜が形成される。

特開２００３−１４２４１１特開２００３−３７０６７特開２００４−１７２３９２特開２０１１−１１９３９１

しかしながら、上述した半導体成長装置８０においては、加熱用光源８４、８６からの熱がサセプタ８８上に載置されたシリコンウェハＷに均一に伝わらず、これによって、シリコンウェハＷに形成されるエピタキシャル層の膜厚が不均一になってしまうことがある。例えば、下部加熱用光源８６、ウェハ支持部材９０等の種類及びアライメント条件や、反応温度、処理ガス等の反応条件によっては、サセプタ８８の裏面の支持アーム９４に対向する部分に下部加熱用光源８６からの光がより多く集光し、サセプタ８８の裏面が均一に照射されない場合がある。エピタキシャル層は、シリコンウェハＷの温度が高い部位により厚く堆積するため、シリコンウェハＷの加熱が不均一になると、シリコンウェハＷ上に形成されるエピタキシャル層の膜厚が不均一になってしまう。

このエピタキシャル層の膜厚の不均一性は、エピタキシャル層の膜厚が数μｍであるフラッシュメモリー製造用のエピタキシャルウェハでは問題とならない場合もある。しかしながら、パワートランジスタ製造用のエピタキシャルウェハを製造する場合、エピタキシャル層を５０μｍ以上に厚く形成する必要があり、エピタキシャル層の膜厚の不均一性は半導体デバイスの品質上大きな問題となることがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、シリコンウェハ全面を均一に加熱処理することが可能な半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の半導体製造装置は、半導体ウェハを処理するための処理チャンバと、前記処理チャンバ内で水平方向に設けられ、前記半導体ウェハが載置されるサセプタと、前記処理チャンバ内で前記サセプタを支持するためのサセプタ支持部材であって、サセプタを回転させるため垂直方向に設けられた回転シャフトと、回転シャフトの上端部から放射状に設けられ、前記サセプタの裏面を支持するための複数の透明な支持アームを備えたサセプタ支持部材と、前記支持アームの下方に設けられ、前記サセプタに載置された半導体ウェハを加熱するための加熱用光源と、前記支持アームに設けられ、前記加熱用光源から光の少なくとも一部を前記サセプタの裏面に向かって透過させると共に、前記加熱用光源から光の少なくとも一部を拡散させる透過拡散手段を備える。

本発明の半導体製造装置によれば、加熱用光源からの光の少なくとも一部はサセプタ支持部材の支持アーム部に設けられた透過拡散手段を透過し、拡散されてサセプタの裏面に到達する。これによって、加熱用光源からの光はサセプタ裏面の特定部位に集中することなく、サセプタに均一に照射される。従って、サセプタ上に載置されるシリコンウェハを均一に加熱処理することが可能になる。

本発明の一実施形態であるエピタキシャル成長装置の概略を示す断面図である。本発明の一実施形態であるエピタキシャル成長装置の一部の概略を示す斜視図である。サセプタの一例を示す断面図である。従来の方法により形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示す図である。従来の方法により形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示すグラフである。本発明の一実施例により形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示す図である。本発明の一実施例により形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示すグラフである。従来のエピタキシャル成長装置の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２は、本発明に係る半導体製造装置の一例である、シリコンウェハＷを１枚ずつ処理する牧葉式のエピタキシャル成長装置１０を示す。このエピタキシャル成長装置１０は石英ガラス等の耐熱性材料で形成された処理チャンバ２０を備えている。この処理チャンバ２０の側壁には、処理チャンバ２０内に処理ガス等を供給するための給気口２２と、処理チャンバ２０内のガスを排出するための排気口２４とが対向して形成されている。

処理チャンバ２０の上方及び下方には、処理チャンバ２０内に配置されるシリコンウェハを上方及び下方から加熱するための上部加熱用光源３０及び下部加熱用光源３２が複数設けられている。このような上部加熱用光源３０と下部加熱用光源３２としては、ハロゲンランプ等を用いることができる。

処理チャンバ２０内には、シリコンウェハを載置するためのサセプタ４０が水平方向に設けられている。このサセプタ４０は炭化シリコンで被覆されたグラファイト等の耐熱性材料で形成された円盤状の部材である。サセプタ４０のシリコンウェハＷの載置面は給気口２２及び排気口２４と同一高さとなるように配置されている。

サセプタ４０のシリコンウェハＷの載置面には、図３に示されるように、シリコンウェハＷを収容するための収容凹部４２が形成されている。シリコンウェハＷは、その端部が収容凹部４２に設けられた段差部４４に支持されることにより、収容凹部４２の底面と所定の空間を配して載置される。

サセプタ４０は、処理チャンバの下部に設けられたサセプタ支持部材５０により支持されている。このサセプタ支持部材５０は、処理チャンバ２０の中央部位に垂直方向に設けられた円柱状の回転シャフト５２と、回転シャフト５２の上端部から等間隔で放射状に設けられた複数（本実施形態では、３個）の支持アーム５４と、支持アーム５４の外側端部から垂直方向上側に延びるチップ部５６とを備えている。この例では、サセプタ４０はその裏面でチップ部５６を介して３点で支持される。

回転シャフト５２はモータ等の駆動装置（図示せず）連結されており、周方向（矢印方向）に回転可能である。支持アーム５４は回転シャフト５２の上端部から上方向に傾斜して設けられている。この回転シャフト５２及び支持アーム５４は透明性の高い石英で形成されている。これによって、下部加熱光源３２からの光は、支持アーム５４を透過して、サセプタ４０の裏面に到達することができる。この回転シャフト５２と支持アーム５４は溶接により連結してもよく、一体成形してもよい。チップ部５６は、ＳｉＣでコーティングされたカーボングラファイト等で形成することができる。

支持アーム５４の上面には、板状の不透明石英カバー５８が設けられており、これによって透過拡散部が形成される。この不透明石英カバー５８は、石英ガラス中に多数の微細な気泡を内包させた不透明石英ガラス（ＯｐａｑｕｅＳｉｌｉｃａＧｌａｓｓ）で形成することができる。この不透明石英カバー５８は、入射された赤外線領域の光をある程度減衰させるとともに、透過する光を拡散させることができる。本発明に係るエピタキシャル成長装置においては、不透明石英カバー５８に内包される気泡の平均径は６００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下である。また、不透明石英カバー５８の赤外線領域での光の透過率は１０％以下、好ましくは５％以下である。この不透明石英カバー５８は支持アーム５４上面にネジで固定することにより設けることができる。また、不透明石英カバー５８を回転シャフト５４に溶接して一体的に形成することも可能である。

次に、上述したエピタキシャル成長装置１０を用いたエピタキシャルウェハの製造方法について説明する。
エピタキシャル成長装置１０の処理チャンバ２０内に残留するガスを排出口２４から排出し、処理チャンバ２０内の圧力をエピタキシャル成長に適した圧力に調整する。

次に、上部加熱用光源３０及び下部加熱用光源３２の起動する。上部加熱用光源３０からの光は処理チャンバ２０を介してサセプタ４０上のシリコンウェハＷに照射され、シリコンウェハＷが加熱される。下部加熱用光源３２からの光はサセプタ４０の裏面に到達し、サセプタ４０を加熱し、シリコンウェハＷは収容凹部４２の空間を介して加熱される。

これと同時に、サセプタ４０を回転させながら、処理チャンバ２０の給気口２２よりモノシラン（ＳｉＨ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガス等の処理ガスを処理チャンバ２０に供給する。これによって、反応ガスが所定温度に加熱されたウェハＷの表面に沿って層流状態で流れ、ウェハＷ上にシリコン単結晶がエピタキシャル成長して薄膜が形成される。

このとき、本発明に係るエピタキシャル成長装置１０によれば、下部加熱用光源３２からの光の一部は支持アーム部に設けられた透過拡散部により減衰、拡散されて、サセプタ４０の裏面に均一に到達する。これによって、下部加熱用光源３２からの熱がサセプタ４０の裏面の特定部位に集中することが防止され、シリコンウェハＷを均一に加熱処理することが可能になり、シリコンウェハ上に形成されるエピタキシャル層の膜厚を均一化することが可能になる。

以下、実施例により、本発明をより具体的に説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、不透明石英カバーを有しないサセプタ支持部材と、図３に示されるサセプタを用いたエピタキシャル成長装置によりシリコンウェハ上に形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示す。エピタキシャル成長装置としては、アプライドマテリアルズ社製のＥｐｉＣｅｎｔｕｒａを用いた。エピタキシャル成長の反応温度は約１０００℃、処理チャンバ内の圧力は大気圧であり、反応時間は１５分以上であった。処理ガスとしてはトリクロロシランを用いた。

図４Ａ中、破線はサセプタ下方の回転シャフトの位置を示す。また、図４Ｂの縦軸は成長されたエピタキシャル層の厚さを示し、横軸はウェハ中心からの距離を示す。図４Ｂ中、破線で囲まれた部分は支持アームに対向するシリコンウェハ上の部位で測定された膜厚を示す。図４Ａ及び図４Ｂから、エピタキシャルウェハ層の膜厚にばらつきがあり、特に、支持アームに対向する位置でエピタキシャル層の膜厚が大きくなっていることが判る。

図５Ａ及び図５Ｂは本発明に係る不透明石英カバーを有するサセプタ支持部材と図３に示されるサセプタを用いて形成されたエピタキシャル層の膜厚分布を示す。この実施例では、厚さ１ｍｍの不透明石英カバー（透過率２％）を用いて３個の支持アームの上面の４９％程度を覆った。エピタキシャル成長の他の条件は図４Ａ及び図４Ｂに示されるものと同一である。図５Ａ及び図５Ｂから、シリコンウェハの全領域に渡って、エピタキシャル層の膜厚の均一性が向上している。特に、支持アームに対向するシリコンウェハの部分におけるエピタキシャル層の膜厚均一性が改善された。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態においては、エピタキシャル成長装置を例とし説明した。しかしながら、本発明はエピタキシャル成長装置に限定されず、透明部材で形成されたサセプタ支持部材と、サセプタ支持部材の下方に加熱用光源を有する他の半導体製造装置（例えば、アニール装置、ＣＶＤ装置、ドライエッチング装置）にも適用することができる。また、上述した実施形態においては、透過拡散部は支持アームの上面に設けられていたが、透過拡散部を支持アームの下面に設けることも可能である。

上記の説明から明らかなように、本発明の半導体製造装置によれば、加熱用光源からの光をサセプタ裏面に均一に照射することが可能になり、サセプタ上に載置されるシリコンウェハを均一に加熱処理することが可能になる。

１０エピタキシャル成長装置
２０処理チャンバ
３０上部加熱用光源
３２下部加熱用光源
４０サセプタ
５０サセプタ支持部材
５２回転シャフト
５４支持アーム
５８不透明石英カバー
Ｗシリコンウェハ

Claims

半導体ウェハを処理するための処理チャンバと、
前記処理チャンバ内で水平方向に設けられ、前記半導体ウェハが載置されるサセプタと、
前記処理チャンバ内で前記サセプタを支持するためのサセプタ支持部材であって、サセプタを回転させるため垂直方向に設けられた回転シャフトと、回転シャフトの上端部から放射状に設けられ、前記サセプタの裏面を支持するための複数の透明な支持アームを備えたサセプタ支持部材と、
前記支持アームの下方に設けられ、前記サセプタに載置された半導体ウェハを加熱するための加熱用光源と、
前記支持アームに設けられ、前記加熱用光源から光の少なくとも一部を前記サセプタの裏面に向かって透過させると共に、前記加熱用光源から光の少なくとも一部を拡散させる透過拡散手段を備えた半導体製造装置。
前記支持アームは石英で形成されており、前記透過拡散手段は前記支持アームの少なくとも一部を覆う不透明石英ガラス部材である請求項１記載の半導体製造装置。
前記透過拡散手段は板状の不透明石英ガラス部材である請求項２記載の半導体製造装置。
前記不透明石英ガラスは、赤外線領域で１０％以下の透過率を有する請求項２又は３記載の半導体製造装置。
エピタキシャル成長装置である請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体製造装置。
半導体ウェハが載置されるサセプタを水平方向に支持するためのサセプタ支持部材であって、
サセプタを回転させるため垂直方向に設けられる回転シャフトと、
回転シャフトの上端部から放射状に設けられ、前記サセプタの裏面を支持するための複数の透明な支持アームと、
前記支持アームに設けられ、前記支持アームの下方に設けられる加熱用光源から光の少なくとも一部を前記サセプタの裏面に向かって透過させると共に、前記加熱用光源から光の少なくとも一部を拡散させる透過拡散手段を備えたサセプタ支持部材。