JP2016143776A

JP2016143776A - 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

Info

Publication number: JP2016143776A
Application number: JP2015018932A
Authority: JP
Inventors: 順博蛇川; Yorihiro Hebikawa; 山本　浩一郎; Koichiro Yamamoto; 浩一郎山本
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-08
Anticipated expiration: 2035-02-03
Also published as: JP6662571B2

Abstract

【課題】膜厚の均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができるエピタキシャル成長装置を提供する。【解決手段】円形の基板を収容して当該基板の表面にエピタキシャル膜を形成するためのチャンバと、前記チャンバ内に配置され、上面に前記基板を支持するサセプタと、を備え、前記チャンバの内壁面には、前記基板を間に挟んで互いに対向する位置に、前記チャンバ内にソースガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内に導入された前記ソースガスを排出するガス排出口と、が形成されており、前記チャンバを構成する天井の下面である天井面が、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、上方に凹んでいる、エピタキシャル成長装置。【選択図】図２

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、シリコンウェーハ等の円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるための装置および方法に関する。

図１は、従来のエピタキシャル成長装置の断面図である。このエピタキシャル成長装置２１は、シリコンウェーハＷを収容して、シリコンウェーハＷの表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバ２２と、チャンバ２２内に配置され、シリコンウェーハＷをほぼ水平に支持するサセプタ２３とを備えている。チャンバ２２は、天板２９を備えており、天板２９の下面は、チャンバ２２の天井面２９ａをなす。サセプタ２３の上面２３ａには、シリコンウェーハＷとほぼ同じ大きさの凹部２３ｃが形成されている。

シリコンウェーハＷの表面にエピタキシャル膜を成長させる際は、サセプタ２３の凹部２３ｃにシリコンウェーハＷを収容する。そして、ソースガス（たとえば、トリクロロシラン（ＴＣＳ））とキャリアガス（たとえば、Ｈ₂ガス）との混合ガス（以下、「原料混合ガス」という。）を、シリコンウェーハＷと天井面２９ａとの間の空間に流す。

原料混合ガスは、チャンバ２２の側部に形成された原料導入口３３ａから、チャンバ２２内へと導入され、シリコンウェーハＷ上を通り、原料導入口３３ａに対向してチャンバ２２の側部に形成された原料排出口３４ａを介して、チャンバ２２内から排出される。図１に、原料混合ガスが流れる主たる方向を、黒塗りの矢印で示す。

次に、シリコンウェーハＷが、図示しないヒータにより加熱される。これにより、シリコンウェーハＷの表面（上面）Ｗａに、原料混合ガスに含まれるＳｉが供給されて、エピタキシャル膜が形成される。

エピタキシャル膜が形成されたシリコンウェーハＷから製造されるデバイスの特性が一定になるようにするためには、エピタキシャル膜の膜厚が均一であることが必要である。

特許文献１には、複数の基板を配設して回転する板状のサセプタを備えた半導体気相成長装置が開示されている。複数の基板は、サセプタの周方向に沿って配設され、サセプタに支持された基板の成長面たる下面は、ガス流路側に向けられる。この状態で、サセプタの直径方向にソースガスを流すとともに、基板を加熱することにより、基板上に半導体結晶がエピタキシャル成長される。

特許文献１では、基板の結晶成長面をソースガスの流れ方向に対して傾けて設置することにより、膜厚の面内均一性が極めて高いエピタキシャル膜が得られるとされている。

特開２００４−２０７５４５号公報

しかし、基板の結晶成長面をソースガスの流れ方向に対して傾けただけでは、サセプタ中央部付近で形成されるエピタキシャル膜には、膜厚が小さい領域が形成され、エピタキシャル膜の厚さは不均一になる。また、特許文献１の装置は、複数枚の基板を同時に処理するバッチ式のものであるため、１枚ずつ基板を処理する枚葉式の装置に比して、膜厚の均一性を制御し難い。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、下記（１）のエピタキシャル成長装置、および下記（２）のエピタキシャル成長方法を要旨とする。
（１）円形の基板を収容して当該基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、上面に前記基板を支持するサセプタと、
を備え、
前記チャンバの内壁面には、前記基板を間に挟んで互いに対向する位置に、前記チャンバ内にソースガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内に導入された前記ソースガスを排出するガス排出口と、が形成されており、
前記チャンバを構成する天井の下面である天井面が、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、上方に凹んでいる、エピタキシャル成長装置。

（２）上記（１）に記載のエピタキシャル成長装置を用いて、円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる方法であって、
前記基板を前記サセプタ上に支持する工程と、
前記サセプタ上に支持された基板を、前記チャンバ内に収容する工程と、
ソースガスを前記ガス導入口から前記チャンバ内に導入するとともに、前記チャンバ内の前記ソースガスを前記ガス排出口から排出する工程とを含み、
前記サセプタ上に支持された基板が前記チャンバ内に収容された状態で、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、前記基板の表面と、前記天井面との間隔が、前記対向方向に沿いつつ前記基板の中心領域を通る中心線上で最も大きく、前記中心線上から側方に離れるに従って小さくなる、エピタキシャル成長方法。

このエピタキシャル成長装置を用いて、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる。また、このエピタキシャル成長方法により、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる。

図１は、従来のエピタキシャル成長装置の断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図であり、ガス導入口とガス排出口との対向方向に沿いつつサセプタ上に支持されたウェーハに直交する断面を示している。図３は、サセプタおよび天板の断面図であり、ガス導入口とガス排出口との対向方向に直交する断面を示している。図４は、実施例１、実施例２、比較例１、および比較例２のエピタキシャル成長装置により得られたエピタキシャル膜の各々について、ウェーハの中心からの距離と膜厚との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図である。

このエピタキシャル成長装置１は、円形の基板であるシリコンウェーハ（以下、単に、「ウェーハ」という。）Ｗの表面に、枚葉式でエピタキシャル膜を成長させるためのものである。エピタキシャル成長装置１は、ウェーハＷを収容するチャンバ２を備えている。チャンバ２は、リング状の本体８と、本体８に取り付けられた天板９および底板１０とを備えている。天板９の下面（以下、「天井面」という。）９ａは、チャンバ２の内壁面の一部をなす。

底板１０を貫通して、軸受１１が、鉛直方向にほぼ沿って設けられている。軸受１１には、軸方向に沿って貫通孔が形成されており、この貫通孔には、サセプタサポートシャフト７が挿通されている。チャンバ２内には、円板状のサセプタ３が、サセプタサポートシャフト７と同軸に配置されている。サセプタサポートシャフト７の上端部には、サセプタ３の外周部近傍を支持する支持部材７ａが設けられている。サセプタ３の上面３ａには、ウェーハＷとほぼ同じ大きさの凹部３ｃが形成されている。凹部３ｃの底面は、ほぼ水平な平坦面である。

サセプタサポートシャフト７の下端部には、モータ５が取り付けられている。モータ５により、サセプタサポートシャフト７をその軸まわりに回転させることができ、これにより、サセプタ３、およびサセプタ３の上に支持されたウェーハＷを、その軸まわりに回転させることができる。

また、エピタキシャル成長装置１は、チャンバ２の上方および下方に複数の赤外線ランプ４を備えている。天板９、底板１０、および支持部７ａは、赤外線を透過する材料、たとえば、石英からなる。このため、赤外線ランプ４によって、サセプタ３、およびサセプタ３上に載置されたウェーハＷを上下から加熱することができる。

チャンバ２の内壁面には、ウェーハＷを間に挟んで、互いに対向する位置に、ガス導入口１３ａと、ガス排出口１４ａとが形成されている。ガス導入口１３ａを介して、チャンバ２内に、エピタキシャル膜の成長原料となるソースガス（たとえば、トリクロロシラン（ＴＣＳ））を導入することができる。ソースガスは、キャリアガス（たとえば、Ｈ₂ガス）との混合ガス（以下、「原料混合ガス」という。）として導入される。ガス排出口１４ａを介して、原料混合ガスを、チャンバ２内から排出することができる。

図２は、ガス導入口１３ａとガス排出口１４ａとの対向方向（以下、「開口対向方向」という。）に沿いつつサセプタ３の上に支持されたウェーハＷに直交する断面を示している。この断面では、ウェーハＷの表面Ｗａとチャンバ２の天井面９ａとの間隔Ｄは、ガス導入口１３ａ側からガス排出口１４ａ側に向かうに従って、小さくなる。間隔Ｄについてのこの関係は、図２の断面に平行な任意の断面について成り立つ。この実施形態では、開口対向方向に沿いつつサセプタ３の上に支持されたウェーハＷに直交する断面における天井面９ａは、ほぼ平坦である。

間隔Ｄの最大値、すなわち、最もガス導入口１３ａに近い部分での間隔Ｄは、２０ｍｍ未満、かつ５ｍｍ以上である。間隔Ｄの最小値、すなわち、最もガス排出口１４ａに近い部分での間隔Ｄは、間隔Ｄの最大値より、たとえば、２〜８ｍｍだけ小さい。

図３は、サセプタ３および天板９の断面図であり、開口対向方向に直交する断面を示している。

この断面では、天井面９ａは、上に凸に屈曲、すなわち、上方に凹んでいる。サセプタ３の上に支持されたウェーハＷの表面Ｗａと、チャンバ２の天井面９ａとの間隔Ｄは、開口対向方向に沿いウェーハＷの中心領域を通る中心線（図３に、参照符号「Ｃ」を付した点で示す。）上で最も大きく、中心線Ｃ上から側方に離れるに従って小さくなる。ここで、「ウェーハＷの中心領域」とは、ウェーハＷの中心に対して、ウェーハＷの半径の２０％の半径内の円形領域を含むものとする。

次に、本発明のエピタキシャル成長装置を用いて、エピタキシャル膜を成長させる方法について説明する。

まず、サセプタ３上にウェーハＷを載置する。より詳細には、サセプタ３の凹所３ｃにウェーハＷを収容して、ウェーハＷが、サセプタ３の上に、ほぼ水平に支持された状態とする。続いて、モータ５により、サセプタサポートシャフト７を回転駆動させ、サセプタ３およびウェーハＷを回転させる。そして、この状態で、原料混合ガスを、ガス導入口１３ａからチャンバ２内へ導入する。原料混合ガスは、ウェーハＷと天井面９ａとの間の空間Ｓを流れて、ガス排出口１４ａを介して、チャンバ２の外へと排出される。図２に、原料混合ガスが流れる主たる方向を、黒塗りの矢印で示す。

そして、原料混合ガスの導入および排出を継続したまま、赤外線ランプ４によりウェーハＷを所定温度に加熱する。これにより、原料混合ガスに含まれるソースガスの熱分解または還元により生成されたＳｉがウェーハＷの表面Ｗａ上に析出し、エピタキシャル膜が成長する。

従来のエピタキシャル成長装置２１（図１参照）において、サセプタ２３の上に載置されたウェーハＷの表面Ｗａとチャンバ２２の天井面２９ａとの間隔Ｄは、ウェーハＷ上のいずれの位置でも、一定であり、たとえば、２０ｍｍである。これに対して、本発明の実施形態のエピタキシャル成長装置１では、上述のように、間隔Ｄは、２０ｍｍ未満、すなわち、従来のエピタキシャル成長装置に比して小さくされている。

これにより、ウェーハＷ上での原料混合ガスの流量（体積速度）および濃度が同じであれば、従来のエピタキシャル成長装置２１を用いた場合に比して、エピタキシャル成長装置１を用いた場合は、ウェーハＷ上での原料混合ガスの流速（線速度）が大きくなる。このため、エピタキシャル成長装置１を用いた場合は、従来のエピタキシャル成長装置２１を用いた場合に比して、エピタキシャル膜の成長速度を大きくすることができる。換言すれば、一定の膜厚を有するエピタキシャル膜を成長させるのに要する時間を短縮することができる。また、エピタキシャル成長装置１を用いると、原料混合ガス中のソースガスの濃度を上げることなく、また、この混合ガスの流量を大きくすることなく、エピタキシャル膜の成長速度を大きくすることができる。

上述のように、エピタキシャル成長装置１では、間隔Ｄは５ｍｍ以上である。間隔Ｄの最大値が５ｍｍ未満であると、混合ガスの流れを制御できず膜厚分布が不均一となる。

本発明者らは、従来のエピタキシャル成長装置２１において、間隔ＤをウェーハＷ上のいずれの位置でも一定としたまま、間隔Ｄを小さくした場合、エピタキシャル膜の厚さの不均一が顕著になることを知見した。膜厚の不均一として、具体的には、膜厚は、ウェーハＷの中心部で最も小さくなり、中心部から離れるに従って大きくなる。

また、本発明者らは、上述のようなエピタキシャル膜の厚さが不均一になる条件で、シミュレーションにより、チャンバ２内の原料ガスの速度分布を求めた。その結果、原料ガスの速度は、原料導入口３３ａの中心と原料排出口３４ａの中心とを結ぶ線付近で、最も小さくなり、この部分から離れると大きくなることを知見した。この傾向は、間隔Ｄが小さくなるほど顕著になる。これは、ガス導入口１３ａから導入された原料混合ガスが、側方に広がって流れやすいためであると考えられる。

本発明者らは、図３に示すように、開口対向方向に直交する断面で、ウェーハＷの表面Ｗａとチャンバ２の天井面９ａとの間隔Ｄを、ウェーハＷの中心線Ｃ上で最も大きく、中心線Ｃ上から側方に離れるに従って小さくなるようにすると、エピタキシャル膜の厚さの不均一を低減または解消できることを知見した。これは、間隔ＤをウェーハＷ上のいずれの位置でも一定とした場合に比して、間隔Ｄが大きい部分ほど原料混合ガスが流れやすくなり、ウェーハＷ上での原料混合ガスの流速のばらつきが小さくなるためであると考えられる。

断面形状は、たとえば、当該断面での間隔Ｄのうち、最大の間隔と最小の間隔との差ΔＤで規定することができる。ウェーハＷの直径が約２００ｍｍである場合、ΔＤは、たとえば、２〜６ｍｍとすることができる。天井面９ａは、全体として１つの凹湾曲面ではなく、たとえば、実質的に２つの平坦面からなるものであってもよい。

また、本発明者らは、原料混合ガスの流れの下流側で、エピタキシャル膜の成長速度が遅くなることを知見した。エピタキシャル成長装置１では、上述のように、間隔Ｄは、ガス導入口１３ａ側からガス排出口１４ａ側に向かうに従って、小さくなる。その結果、ソースガスの流れの下流側ほど、原料混合ガスの流速は大きくなる。このため、開口対向方向に沿う間隔Ｄの分布、たとえば、ウェーハＷの表面Ｗａに対する天井面９ａの傾斜を適切に選択することにより、開口対向方向に沿うエピタキシャル膜の成長速度の不均一を低減または解消することができる。

図２および図３に示すように、以上の実施形態では、天板９の厚さはほぼ一定であるが、天井面９ａが上方に凹んでいる限り、天板９の厚さは、天板９の面内位置によって変化してもよい。たとえば、天板９の上面が平坦で、天板９の厚さが天板９の面内位置によって変化することによって、天井面９ａが上方に凹んでいてもよい。

本発明の効果を確認するため、種々のチャンバを用いて、シリコンウェーハに対するエピタキシャル膜の成長試験を行った。

本発明の実施例１のエピタキシャル成長装置として、図２および図３に示す構造を有し、天井面９ａが、２つの平坦面からなるとみなせるものを用いた。この装置において、高さＤの最大値は１２ｍｍで、開口対向方向に直交する断面での高さの差ΔＤは４ｍｍで、開口対向方向に沿いつつサセプタ３の上に支持されたウェーハＷに直交する断面における高さＤの差は４ｍｍであった。この装置により、直径が約２００ｍｍのウェーハＷに対して、エピタキシャル膜を成長させた。

ソースガスとしてトリクロロシランを用い、キャリアガスとしてＨ₂を用い、トリクロロシランとＨ₂との原料混合ガスを、流量３６ｓｌｍでガス導入口１３ａから空間Ｓ内に導入した。

そして、モータ５により、サセプタサポートシャフト７、およびサセプタ３を介して、サセプタ３の凹部３ｃに収容されたウェーハＷを、３０〜５０ｒｐｍで回転させ、赤外線ランプ４により、ウェーハＷを１０００〜１１５０℃に加熱し、１〜２分間保持した。これにより、ウェーハＷの表面Ｗａに、エピタキシャル膜を形成した。

本発明の実施例２のエピタキシャル成長装置として、開口対向方向に沿いつつサセプタ３の上に支持されたウェーハＷに直交する断面における天井面９ａの高さＤの差が０ｍｍである以外は実施例１で用いたものと同じである装置を用いて、ウェーハＷ上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例１の装置を用いた場合と同様とした。

比較例１のエピタキシャル成長装置として、図１に示す構造を有し、間隔ＤがウェーハＷ上のいずれの部分でも２０ｍｍ（高さの差ΔＤが実質的に０）であるものを用いて、ウェーハＷ上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例１の装置を用いた場合と同様とした。

比較例２のエピタキシャル成長装置として、図１に示す構造を有し、間隔ＤがウェーハＷ上のいずれの部分でも１０ｍｍ（高さの差ΔＤが実質的に０）であるエピタキシャル成長装置を用いて、ウェーハＷ上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例１の装置を用いた場合と同様とした。

図４は、実施例１、実施例２、比較例１、および比較例２により得られたエピタキシャル膜の各々について、ウェーハの中心からの距離と膜厚との関係を示す図である。膜厚の測定は、赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用いて行った。

比較例１の装置を用いた場合は、得られたエピタキシャル膜の厚さは、およそ３．８μｍでほぼ均一であった。比較例２の装置を用いた場合は、比較例１の装置を用いた場合に比して、得られたエピタキシャル膜の厚さが大きかった。しかし、このエピタキシャル膜の厚さは、ウェーハの中心で小さく、ウェーハの外周部に向かうに従って大きくなっていた。これは、下記（ａ）および（ｂ）の理由によると考えられる。
（ａ）比較例１の装置に比して比較例２の装置において間隔Ｄが小さいことに関連して、原料混合ガスの流速が、開口対向方向に沿うウェーハＷの中心線Ｃ上で低下し、この中心線Ｃから側方に離れるに従って、大きくなっていた。
（ｂ）比較例１の装置に比して比較例２の装置において、開口対向方向下流側で、エピタキシャル膜の成長速度が顕著に低くなっていた。

これに対して、本発明の実施例１および２の装置を用いた場合は、得られたエピタキシャル膜の厚さは、比較例１および２の装置を用いた場合に比して大きく、膜厚は、およそ４．７〜４．８μｍであった。また、膜厚は、ほぼ均一であった。すなわち、実施例１および２の装置を用いることにより、膜厚を大きくしても膜厚の均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができることが確認できた。

実施例１の装置を用いた場合は、実施例２の装置を用いた場合に比して、膜厚の均一性が向上していた。すなわち、開口対向方向に沿いつつウェーハＷに直交する任意の断面において、ウェーハＷの表面と天井面９ａとの間隔が、ガス導入口１３ａ側からガス排出口１４ａ側に向かうに従って小さくなる構成により、膜厚の均一性を向上できることを確認できた。

１：エピタキシャル成長装置、２：チャンバ、３：サセプタ、
９ａ：天井面、１３ａ：ガス導入口、１４ａ：ガス排出口、
Ｗ：シリコンウェーハ、Ｗａ：シリコンウェーハの表面、
Ｃ：シリコンウェーハの中心線

Claims

円形の基板を収容して当該基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、上面に前記基板を支持するサセプタと、
を備え、
前記チャンバの内壁面には、前記基板を間に挟んで互いに対向する位置に、前記チャンバ内にソースガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内に導入された前記ソースガスを排出するガス排出口と、が形成されており、
前記チャンバを構成する天井の下面である天井面が、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、上方に凹んでいる、エピタキシャル成長装置。
請求項１に記載のエピタキシャル成長装置を用いて、円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる方法であって、
前記基板を前記サセプタ上に支持する工程と、
前記サセプタ上に支持された基板を、前記チャンバ内に収容する工程と、
ソースガスを前記ガス導入口から前記チャンバ内に導入するとともに、前記チャンバ内の前記ソースガスを前記ガス排出口から排出する工程とを含み、
前記サセプタ上に支持された基板が前記チャンバ内に収容された状態で、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、前記基板の表面と、前記天井面との間隔が、前記対向方向に沿いつつ前記基板の中心領域を通る中心線上で最も大きく、前記中心線上から側方に離れるに従って小さくなる、エピタキシャル成長方法。
請求項２に記載のエピタキシャル成長方法であって、
前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に沿いつつ前記基板に直交する任意の断面において、前記間隔が、前記ガス導入口側から前記ガス排出口側に向かうに従って小さくなる、エピタキシャル成長方法。
請求項２または３に記載のエピタキシャル成長方法であって、
前記間隔の最大値が２０ｍｍ未満である、エピタキシャル成長方法。