JP2015070198A - 成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体のドーパント濃度の均一性を高めることができる成長装置を提供する。
【解決手段】本発明は、ウェハポケットを有するサセプタと、前記サセプタの前記ウェハポケットとは反対側に配置された、熱源となるヒータと、を具備し、前記サセプタの厚さは、前記ウェハポケットの中心部よりも前記ウェハポケットの周縁部において小さいことを特徴とする成長装置である。本発明によれば、半導体のドーパント濃度の均一性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は成長装置に関するものである。

半導体の成長に用いられる半導体成長装置は、ウエハを加熱するためのヒータが設けられている。ヒータから発せられる熱により、ウエハを保持するサセプタの温度が上昇し、これにより、ウエハが加熱される。例えば半導体の成長には有機金属気相成長法（Metal
Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法が用いられる（特許文献１）。ＭＯＣＶＤ法では、成長装置のチェンバーに原料ガスを流入し、かつ加熱することにより半導体を成長させる。半導体にはｐ型またはｎ型のドーパントをドープすることがある。

特開２０００−２５２２１７号公報

しかしながら、半導体のドーパント濃度にムラが生じることがある。本発明は、半導体のドーパント濃度の均一性を高めることができる成長装置を提供することを目的とする。

本発明に係る成長装置は、ウェハポケットを有するサセプタと、前記サセプタの前記ウェハポケットとは反対側に配置された、熱源となるヒータと、を具備し、前記サセプタの厚さは、前記ウェハポケットの中心部よりも前記ウェハポケットの周縁部において小さいことを特徴とするものである。

前記ヒータは、前記サセプタに対応した領域において複数配置されたランプヒータとすることができる。

前記ウェハポケットの下における前記サセプタの下面は、傾斜部を有する凸部形状とすることができる。

前記凸部形状の底面に対する前記傾斜部の角度は２０°以上３０°以下とすることができる。

前記サセプタは複数の前記ウェハポケットを有してもよい。

本発明によれば、半導体のドーパント濃度の均一性を高めることができる成長装置を提供することができる。

図１（ａ）は実施例１に係る成長装置を例示する断面図である。図１（ｂ）はサセプタおよびランプヒータを例示する平面図である。図１（ｃ）はサセプタの拡大図である。 図２（ａ）はウェハポケットにおける加熱および放熱を例示する模式図である。図２（ｂ）は中心部における温度を例示する模式図である。図２（ｃ）は周縁部における温度を例示する模式図である。図２（ｄ）は温度と熱量との関係を示す模式図である。 図３は比較例に係る成長装置のサセプタを例示する拡大図である。 図４（ａ）は実施例２に係る成長装置を例示する断面図である。図４（ｂ）はサセプタの拡大図である。 図５（ａ）は温度と熱量との関係を例示する模式図である。図５（ｂ）は実施例２における温度と熱量との関係を例示する模式図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は実施例１に係る成長装置１００を例示する断面図である。図１（ｂ）はサセプタ１０およびランプヒータ１２を例示する平面図である。図１（ｃ）はサセプタ１０の拡大図である。図１（ａ）においてハッチングは省略している。図１（ｂ）においてランプヒータに格子斜線を記載した。

図１（ａ）に示すように、成長装置１００は、サセプタ１０、歯車１１、ランプヒータ１２、回転軸１３、ベアリング１４、歯車１５、インジェクタ１６、およびモータ１７を備える。図１（ｂ）に示すように、サセプタ１０の上面には３つのウェハポケット２０が設けられている。ランプヒータ１２はサセプタ１０の下に、同心円状に配置されている。図１（ａ）に示したモータ１７は回転軸１３を回転させ、回線軸１３と接続している歯車１１を回転させる。歯車１５は、中央部が刳り貫かれたドーナツ形状をしており、該中央部にサセプタ１０が接触している。歯車１１の歯と歯車１５の歯が噛み合わさって動力が伝達する。これにより、モータ１７はサセプタ１０を回転させる。インジェクタ１６から半導体の原料ガスが成長装置１００内に投入される。サセプタ１０は例えば炭素により形成されている。ランプヒータ１２は例えばハロゲンランプを用いたヒータである。複数のインジェクタ１６はハニカム状に配置されている。

ＭＯＣＶＤ法により半導体層２６を成長させる。具体的には、図１（ｃ）に示すように、ウェハポケット２０に半導体基板２４を配置する。ランプヒータ１２が発生する輻射熱によりサセプタ１０を介して半導体基板２４を加熱させながら、原料ガスを流入させることにより半導体基板２４上に半導体層２６をエピタキシャル成長させる。半導体基板２４は例えばインジウムリン（ＩｎＰ）により形成されている。半導体層２６は例えばシリコン（Ｓｉ）をドーパントとするＩｎＰとして成長する。原料ガスは例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、フォスフィン（ＰＨ_３）およびジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）などを含む。半導体基板２４の温度が高くなると半導体層２６のＳｉの取り込み効率は高くなる。

図１（ｃ）に示すように、サセプタ１０の下面のうち、ウェハポケット２０の中心部下には凸部２２が設けられている。ウェハポケット２０の中心部におけるサセプタ１０の厚さＨ１は例えば１３ｍｍである。ウェハポケット２０の周縁部におけるサセプタ１０の厚さＨ２は例えば２ｍｍであり、厚さＨ１より小さい。ウェハポケット２０の周縁部とは、凸部２２より外側の部分である。破線の円で示す領域２３は実施例２で後述する。

実施例１によれば、ウェハポケット２０の周縁部におけるサセプタ１０の厚さＨ２が小さいため、周縁部においてサセプタ１０を伝導する熱量は多くなる。それにより、半導体基板２４において周縁部の温度は中心部の温度に比較して高くなる。その結果、半導体層２６のＳｉの取り込み効率が均一に近付く。この結果、半導体層２６のドーパント濃度は均一に近付く。

図２（ａ）はウェハポケット２０における加熱および放熱を例示する模式図である。図２（ａ）に示すように、ウェハポケット２０の中心部の上面を２０ａ１、周縁部の上面を２０ａ２とする。ランプヒータ１２の輻射により、凸部２２の下面２０ｂ１に熱量Ｑ１ａが加わり、ウェハポケット２０の周縁部における下面２０ｂ２に熱量Ｑ１ｂが加わる。加わった熱量はサセプタ１０から放出される。下面２０ｂ１および２０ｂ２からは熱量Ｑ２が放出される。ウェハポケット２０の上面２０ａ１および２０ａ２からは熱量Ｑ３が放出される。

図２（ｂ）は中心部における温度を例示する模式図である。横軸はサセプタ１０の厚さ方向における位置、縦軸は温度を表す。図２（ｂ）に示すように、上面２０ａ１における温度はＴａ１、下面２０ｂ１における温度はＴｂ１である。図２（ｃ）は周縁部における温度を例示する模式図である。図２（ｃ）に示すように、上面２０ａ２における温度はＴａ２、下面２０ｂ２における温度はＴｂ２である。先述のようにウェハポケット２０の周縁部におけるサセプタ１０の厚さＨ２が小さいため、周縁部の上面２０ａ２における温度Ｔａ２は、中心部の上面２０ａ１における温度Ｔａ１より高くなる。

サセプタ１０における熱は次の式で表される。κはサセプタ１０の熱伝導率である。

温度Ｔａ０は温度Ｔａ１またはＴａ２である。温度Ｔｂ０は温度Ｔｂ１またはＴｂ２である。数１中の厚さＨはＨ１またはＨ２である。数１を変形すると、Ｔｂ０は次の式により表される。

数１および数２に基づき、Ｑ２は次の式により表される。

数３に示すようにＱ２は温度Ｔａ０＝Ｑ３×Ｈ／κ＋Ｔａ０の関数である。

図２（ｄ）は温度と熱量との関係を示す模式図である。横軸は上面の温度Ｔａ０、縦軸は熱量を表す。実線はＱ１−Ｑ３を表す。破線は下面２０ｂ１における熱量Ｑ２を表す。点線は下面２０ｂ２における熱量Ｑ２を表す。図２（ｄ）に示すように、数３のＱ１−Ｑ３、およびＱ２のグラフの交点が上面の温度になる。下面２０ｂ１および２０ｂ２において熱量Ｑ１が一定（Ｑ１ａ＝Ｑ１ｂ）ならば、Ｔａ１＜Ｔａ２となる。つまりウェハポケット２０の周縁部の上面２０ａ２の温度Ｔａ２を高めることができる。

図２（ｄ）に示すように、熱量Ｑ１が増加すると温度Ｔａ１およびＴａ２は上昇し、Ｑ１が減少すると温度Ｔａ１およびＴａ２は低下する。厚さＨ１およびＨ２が小さくなると温度Ｔａ１およびＴａ２は上昇し、厚さＨ１およびＨ２が大きくなると温度Ｔａ１およびＴａ２は低下する。温度Ｔａ１に比べ温度Ｔａ２を高くするため、厚さＨ１を大きくし、厚さＨ２を小さくすればよい。厚さＨ１は厚さＨ２の３倍以上であることが好ましく、より好ましくは６倍以上とする。ウェハポケット２０から２．５ｍｍ以上外側の位置におけるサセプタ１０の厚さＨ３（図１（ｃ））は例えば５．５ｍｍとする。サセプタ１０の強度を高めることができる。

サセプタ１０を加熱する熱源として、ランプヒータ以外のヒータを用いてもよい。輻射以外に、ヒータからの熱伝導によりサセプタ１０を加熱してもよい。サセプタ１０を効率よく加熱するために、複数のランプヒータ１２を同心円状に配置することが好ましい。

図３は比較例に係る成長装置のサセプタ１０を例示する拡大図である。図３に示すように、凸部が設けられていない。ウェハポケット２０におけるサセプタ１０の厚さはＨ２である。ランプヒータ１２によりウェハポケット２０を均一に加熱する場合、周縁部におけるＳｉの取り込み効率は、中心部における取り込み効率より低くなる。従って、半導体層２６の周縁部におけるドーパント濃度は、中心部におけるドーパント濃度より２〜３％程度低くなる。例えば光半導体などにおいてはドーパント濃度のわずかな違いにより、特性が劣化する。実施例１によれば、ドーパント濃度が均一に近付くため、光半導体などにおける特性の劣化が抑制される。

実施例２はサセプタ１０の下面を円錐形にした例である。図４（ａ）は実施例２に係る成長装置２００を例示する断面図である。図４（ｂ）はサセプタ１０の拡大図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、サセプタ１０の下面には円錐形の凸部２８が形成されている。凸部２８の頂点はウェハポケット２０の中心の下に位置する。下面２０ｂ２は凸部２８の底面を形成する。下面２０ｂから凸部２８の頂点までの厚さはＨ１である。下面２０ｂ２から頂点までの角度θは例えば２５°である。実施例２によれば、ウェハポケット２０の周縁部におけるサセプタ１０の厚さＨ２が小さいため、周縁部においてサセプタ１０を伝導する熱量は多くなる。半導体基板２４において周縁部の温度は中心部の温度に比較して高くなる。その結果、半導体層２６のドーパント濃度が均一に近付く。以下、詳しく説明する。

図１（ｃ）に破線の円で示す領域２３が凸部２２の影になる。このため領域２３の輻射の立体角が中心部に比べ小さくなり、領域２３の加熱が十分に行われないことがある。図５（ａ）は領域２３における温度と熱量との関係を例示する模式図である。実線はウェハポケット２０の中心部における熱量Ｑ１ａ−Ｑ３を表す。一点鎖線は周縁部における熱量Ｑ１ｂ−Ｑ３を表す。上述のように領域２３における加熱が不十分であるため熱量Ｑ１ｂが小さくなる。この結果、図５（ａ）に示すように温度Ｔａ２が温度Ｔａ１より低くなる。温度Ｔａ２が低下することにより、半導体層２６の周縁部におけるドーパント濃度が中心部におけるドーパント濃度より低くなる。

図５（ｂ）は実施例２における温度と熱量との関係を例示する模式図である。図５（ｂ）に示すように、温度Ｔａ２が温度Ｔａ１より高くなる。サセプタ１０に円錐形の凸部２８を設けることで、輻射熱がサセプタ１０の下面の全体に十分に伝わる。このため熱量Ｑ１ｂが大きくなり、図５（ｂ）の一点鎖線のグラフが図５（ａ）の例より上側にシフトする。これによりＴａ２が高くなる。サセプタ１０を均一に加熱するためには、ランプヒータ１２を用いることが好ましい。特に複数のランプヒータ１２を同心円状に配置することが好ましい。

角度θが小さいとウェハポケット２０の中心部におけるサセプタ１０の厚さＨ１が小さくなり、中心部の温度Ｔａ１が高くなってしまう。角度θが大きいとサセプタ１０の下面に凸部２８の影になり輻射熱により加熱されにくい領域が生じてしまう。角度θは２０°以上３０°以下が好ましく、例えば１８°以上、２２°以上、２８°以下、または３２°以下などでもよい。

サセプタ１０は４つ以上のウェハポケット２０を有してもよいし、１つまたは２つのウェハポケット２０を有してもよい。半導体基板２４および半導体層２６はインジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）またはインジウムアルミニウム砒素（ＩｎＡｌＡｓ）などでもよい。

なお、本発明は係る特定の実施形態および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。

１０ サセプタ
１２ ランプヒータ
２０ ウェハポケット
２０ａ１、２０ａ２ 上面
２０ｂ１、２０ｂ２ 下面
２２、２８ 凸部
２４ 半導体基板
２６ 半導体層
１００、２００ 成長装置

Claims (5)

1. ウェハポケットを有するサセプタと、
   前記サセプタの前記ウェハポケットとは反対側に配置された、熱源となるヒータと、を具備し、
   前記サセプタの厚さは、前記ウェハポケットの中心部よりも前記ウェハポケットの周縁部において小さいことを特徴とする成長装置。
2. 前記ヒータは、前記サセプタに対応した領域において複数配置されたランプヒータであることを特徴とする請求項１記載の成長装置。
3. 前記ウェハポケットの下における前記サセプタの下面は、傾斜部を有する凸部形状であることを特徴とする請求項１または２記載の成長装置。
4. 前記凸部形状の底面に対する前記傾斜部の角度は２０°以上３０°以下であることを特徴とする請求項３記載の成長装置。
5. 前記サセプタは複数の前記ウェハポケットを有することを特徴とする請求項１から４いずれか一項記載の成長装置。

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