JP2018148098A - エピタキシャル成長装置およびプリヒートリングならびにそれらを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

エピタキシャル成長装置およびプリヒートリングならびにそれらを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】エピタキシャル膜の厚み均一性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供する。
【解決手段】本発明によるエピタキシャル成長装置は、サセプタ２０と、サセプタ２０の側面を間隙を介して覆うプリヒートリング６０と、を有し、反応ガス供給口側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅Ｗ１よりも、広い間隙幅がサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、エピタキシャル成長装置および該装置内に用いられるプリヒートリング、ならびにそれらを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。
エピタキシャルウェーハは、半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させたものである。例えば、結晶の完全性がより要求される場合や抵抗率の異なる多層構造を必要とする場合などには、シリコンウェーハ上に単結晶シリコン薄膜を気相成長（エピタキシャル成長）させてエピタキシャルシリコンウェーハを製造する。
エピタキシャルウェーハの製造には、例えば枚葉式エピタキシャル成長装置が用いられる。ここで、一般的な枚葉式エピタキシャル成長装置について、図１を参照して説明する。図１に示すように、エピタキシャル成長装置１００は、上部ドーム１１、下部ドーム１２及びドーム取付体１３を含むチャンバ１０を有し、該チャンバ１０がエピタキシャル膜形成室を区画する。また、ドーム取付体１３はサセプタを境界に上部ライナー１７および下部ライナー１８に区画される。チャンバ１０には、その側面の対向する位置の上部ライナー１７側に反応ガスＧＰの供給及び排出を行う反応ガス供給口１５Ａ及び反応ガス排出口１６Ａが設けられる。また、チャンバ１０の側面の対向する位置の下部ライナー１８側に、チャンバ内下部ドーム１２の部分を水素雰囲気に保つための雰囲気ガスＧＡの供給及び排出を行う雰囲気ガス供給口１５Ｂ及び雰囲気ガス排出口１６Ｂが設けられる。
また、チャンバ１０内には、シリコンウェーハＷが載置されるサセプタ２０が配置される。サセプタ２０は、下方からサセプタサポートシャフト３０により支持される。サセプタサポートシャフト３０は、アームの先端の３つの支持ピン（図示せず）でサセプタ２０の下面外周部を勘合支持する。さらに、サセプタ２０には３つの貫通孔（うち、１つは図示せず）が形成され、サセプタサポートシャフト３０のアームにも貫通孔が１つずつ形成されている。これらアームの貫通孔及びサセプタの貫通孔には、リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ（ただし、リフトピン４０Ｂは配置の都合により、図１の模式断面図では図示されない）が挿通される。また、リフトピン４０の下端部は昇降シャフト５０に支持される。チャンバ１０内に搬入された半導体ウェーハＷの支持、この半導体ウェーハＷのサセプタ２０上への載置、及び、気相成長後のエピタキシャルウェーハのチャンバ２０外への搬出の際には、昇降シャフト５０が昇降することで、リフトピン４０がアームの貫通孔及びサセプタの貫通孔と摺動しながら昇降し、その上端部で半導体ウェーハＷの昇降を行う。この枚葉式エピタキシャル成長装置エピタキシャル膜を成膜するときには、サセプタ２０を回転させつつ、サセプタ２０に載置された半導体ウェーハＷの上面に反応ガスＧＰを接触させる。なお、反応ガスとは、キャリアガスにソースガスを混合させたガスを意味する。エピタキシャル層としてシリコンエピタキシャル層を形成する場合には、ソースガスはトリクロロシランガスなどのシリコンソースガスを用いる。
ここで、サセプタ２０の側面は、一般的に３ｍｍ程度の間隙を介して、プリヒートリング６０により覆われる。プリヒートリング６０は予熱リングまたは予加熱リングとも呼ばれ、反応ガスＧＰがエピタキシャル膜形成室に流入し、反応ガスＧＰが半導体ウェーハＷと接触する前に、プリヒートリング６０は反応ガスＧＰを予熱する。また、プリヒートリング６０はサセプタ２０の予熱も行う。こうすることで、成膜前および成膜中の半導体ウェーハＷの熱均一性を高めて、エピタキシャル膜の均一性を高めることができる。
なお、これまで、プリヒートリングを上面視した場合に、サセプタの中心点を対称とするリング状の形状とされてきた。エピタキシャル層を成膜させる際には上述のとおり、サセプタを回転させるため、サセプタとプリヒートリングとの接触を回避することがその理由の一つと言える。また、成膜前および成膜中の半導体の熱均一性を高めるためにも、プリヒートリングは半導体ウェーハあるいはサセプタの中心に対して対称構造であることが好ましいと考えられてきたためである。
特許文献１には、サセプタの周囲を囲み、反応ガスがガス供給口およびガス排出口間を移動する際に反応ガスを加熱するように作動する予加熱リング（プリヒートリング）を備えるエピタキシャル成長装置が記載されている。
特開平０７−０７８８６３号公報
ところで、枚葉式エピタキシャル成長装置により成膜した後のエピタキシャル層の厚み分布を測定すると、厚み分布にばらつきが見られる。近年、半導体デバイスの微細化が益々進むため、エピタキシャル層の厚み均一性を改善することのできる技術が求められる。
そこで本発明は、エピタキシャル層の厚み均一性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。
本発明者は、この厚み分布のばらつきが生ずる原因について鋭意検討した。精度良くサセプタおよび半導体ウェーハの位置調整を行っても、サセプタおよび半導体ウェーハのそれぞれの中心は枚葉式エピタキシャル成長装置の中心軸に対してμｍオーダーではずれが生じてしまう。したがって、プリヒートリングと、サセプタとの間隙の長さはサセプタ回転中に変動することとなり、反応ガスの流れに偏りが生じてしまうと考えられる。本発明者はこうした反応ガスの流れの偏りが、エピタキシャル層の厚み分布のばらつきの原因ではないかと考えた。そして、反応ガス供給口１５Ａ側での、プリヒートリングとサセプタとの間の間隙において、雰囲気ガスＧＡの吹き上がり変動が生じると、反応ガスＧＰが半導体ウェーハＷの上面に不均一に接触することとなり、この場合に特にエピタキシャル層の厚み均一性が崩れやすいことを見出した。
ここで、図２を用いて、反応ガス排出口１６Ａおよび雰囲気ガス排出口１６Ｂ側での、反応ガスＧＰおよび雰囲気ガスＧＡのガス流の流れを模式的に説明する。反応ガスＧＰは主として反応ガス排出口１６Ａ側に流れるが、サセプタ２０とプリヒートリング６０との間の間隙を介して、その一部が雰囲気ガス排出口１６Ｂ側に沈み込む。反対に、雰囲気ガスＧＡは主として雰囲気ガス排出口１６Ｂ側に流れるが、サセプタ２０とプリヒートリング６０との間の間隙を介して、その一部が反応ガス排出口１６Ａ側に吹き上がる。一般的にこの現象はチャンバ１０の上部ドーム部分と下部ドーム部分の圧力差により生じる。
上述した反応ガス供給口１５Ａ側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを抑制するためには、反応ガス排出口１６Ａ側での、プリヒートリング６０とサセプタ２０との間の間隙における、雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを意図的に強くすればよいと本発明者は考えた。こうすることで、相対的に供給口１５Ａ側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がり変動が抑制されるためである。そして、排出口１６Ａ側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを強くするためには、例えばプリヒートリング６０とサセプタ２０との間の間隙の長さｗを、供給口側での間隙の長さよりも大きくすればよいと本発明者は考えた。
本発明者はさらに鋭意検討した。排出口１６Ａ側で雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを生じさせるためには、反応ガスＧＰの供給側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅よりも、広い間隙幅をサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設けることで、供給口１５Ａ側での吹き上がりを抑制できる。そして、こうしたエピタキシャル成長装置を用いれば上記課題を解決できることを本発明者は見出し、本発明を完成するに到った。
即ち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、
チャンバと、
前記チャンバの内部で前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
前記サセプタの側面を間隙を介して覆うプリヒートリングと、
前記エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスを前記半導体ウェーハの上面に供給する反応ガス供給口と、を有し、
前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも、広い間隙幅が前記サセプタと前記プリヒートリングとの間の少なくとも一部に設けられることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
（２）前記反応ガス供給口との反対側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅が、前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも広い、前記（１）に記載のエピタキシャル成長装置。
（３）前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一である、前記（１）または（２）に記載のエピタキシャル成長装置。
（４）前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なる、前記（３）に記載のエピタキシャル成長装置。
（５）前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、前記（３）に記載のエピタキシャル成長装置。
（６）前記プリヒートリングの外周縁は円形であり、かつ、前記プリヒートリングの内周縁は楕円形である、前記（３）に記載のエピタキシャル成長装置。
（７）エピタキシャル成長装置内で半導体ウェーハを載置するサセプタの側面を、間隙を介して覆うプリヒートリングであって、
前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一であることを特徴とするプリヒートリング。
（８）前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なる、前記（７）に記載のプリヒートリング。
（９）前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、前記（７）に記載のプリヒートリング。
（１０）前記プリヒートリングの外周縁は円形であり、かつ、前記プリヒートリングの内周縁は楕円形である、前記（７）に記載のプリヒートリング。
（１１）前記（１）〜（６）に記載のエピタキシャル成長装置または前記（７）〜（１０）に記載のプリヒートリングを備えたエピタキシャル成長装置に、雰囲気ガスと、キャリアガスとしての水素ガスを含む反応ガスとを供給して、半導体ウェーハにエピタキシャル層をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
本発明によれば、エピタキシャル膜の厚み均一性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供することができる。
従来技術によるエピタキシャル成長装置の断面図である。 本発明者の検討による、エピタキシャル成長装置のガス排出口近傍でのガス流を説明する模式断面図である。 本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置におけるサセプタとプリヒートリングとの配置関係の一例を説明する模式平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置におけるプリヒートリングの好適態様を説明する模式平面図である。 実験例１におけるエピタキシャル層の膜厚均一性を示すグラフである。 実験例２におけるＰ１とＰ２との距離と、エピタキシャル層の厚み分布ばらつきとの関係を示すグラフである。 実験例３における角度φと、エピタキシャル層の厚み分布ばらつきとの関係を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明のリフトピンについて詳しく説明する。なお、図中の各構成の縦横比は、説明の便宜上誇張して図示しており、実際とは異なる。
（エピタキシャル成長装置）
本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置は、半導体ウェーハＷの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させる。ここで、エピタキシャル成長装置１００は、チャンバ１０と、チャンバ１０の内部で半導体ウェーハを載置するサセプタ２０と、サセプタ２０の側面を間隙を介して覆うプリヒートリング６０と、エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスＧＰを半導体ウェーハＷの上面に供給する反応ガス供給口１５Ａと、を有する。そして、従来技術と異なり、図３に例示するように、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置１００において、反応ガス供給口１５Ａ側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅ｗ１よりも、広い間隙幅ｗ２がサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設けられる。以下、各構成の詳細を順次説明する。
＜チャンバ＞
チャンバ１０は、上部ドーム１１、下部ドーム１２及びドーム取付体１３を含み、このチャンバ１０がエピタキシャル膜形成室を区画する。チャンバ１０には、上部ライナー１７側での側面の対向する位置に反応ガスＧＰの供給及び排出を行う反応ガス供給口１５Ａ及び反応ガス排出口１６Ａが設けられることが一般的である。また、チャンバ１０には、下部ライナー１８側での側面の交差する位置に雰囲気ガスＧＡの供給及び排出を行う雰囲気ガス供給口１５Ｂ及び雰囲気ガス排出口１６Ｂが設けられることが一般的である。図１では簡略化するため、同一断面に反応ガスＧＰおよび雰囲気ガスＧＡの供給口および排出口を図示しており、図１のように反応ガスＧＰと雰囲気ガスＧＡとが並行するように供給口が設けられることもある。
＜サセプタ＞
サセプタ２０は、チャンバ１０の内部で半導体ウェーハＷを載置する円盤状の部材である。サセプタ２０は、一般的に周方向に１２０°等間隔で、表裏面を鉛直方向に貫通する３つの貫通孔を有する。これら貫通孔には、リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃがそれぞれ挿通される。サセプタ２０は、厚みが概ね２〜８ｍｍ程度であり、カーボングラファイト（黒鉛）を母材とし、その表面を炭化ケイ素（SiC：ビッカース硬度2,346kgf/mm2）でコーティングしたものを使用することができる。サセプタ２０の表面には、半導体ウェーハＷを収容し載置するザグリ部（図示せず）が形成されている。
＜プリヒートリング＞
プリヒートリング６０は、サセプタ２０の側面を間隙を介して覆う。図示しないハロゲンランプから照射された光により加熱され、反応ガスＧＰがエピタキシャル膜形成室に流入し、反応ガスＧＰが半導体ウェーハＷと接触する前に、プリヒートリング６０は反応ガスＧＰを予熱する。プリヒートリング６０はまた、サセプタ２０の予熱も行う。このようにして、プリヒートリング６０は成膜前および成膜中のサセプタ２０および半導体ウェーハの熱均一性を高める。
プリヒートリング６０は、サセプタ２０と同様に、カーボングラファイト（黒鉛）を母材とし、その表面を炭化ケイ素（SiC：ビッカース硬度2,346kgf/mm2）でコーティングしたものを使用することができる。プリヒートリング６０の厚みは、サセプタ２０と同程度、もしくは厚くすることができ、例えば２ｍｍ〜６ｍｍとすることができる。また、プリヒートリング６０は水平に設置することが好ましいが、水平に対して±１度程度の傾斜は許容される。
本明細書におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅について、図３を参照して説明する。まず、プリヒートリング６０が反応ガス供給口側に最も近い位置を基点Ａとして、プリヒートリング６０の外周縁の中心Ｐ１から時計回りにθ度回転させた位置でのサセプタ２０とプリヒートリング６０と間隙幅をｗθと称することとする。図３に示すように、基点Ａから、反応ガスのガス流れ方向に沿って上流側の間隙幅（ｗ０°）を特にｗ１と称し、下流側の間隙幅（ｗ１８０°）を特にｗ２と称することとする。図３の例では、反応ガス供給口側と対向する位置、すなわち反応ガスのガス流れ方向に沿って下流側の間隙幅ｗ２が、最も広い間隙幅となり、上流側の間隙幅ｗ１が最も狭い間隙幅となる。なお、プリヒートリング６０の形状や、反応ガス供給口の設置領域にも依存するが、通常、外周縁の中心Ｐ１を中心として、プリヒートリング６０と反応ガス供給口１５Ａとの最短距離となる位置Ａを±４５度回転させた領域を、本明細書におけるプリヒートリング６０の反応ガス供給口側と言うこととする。なお、反応ガスＧＰは、図中の矢印の上流側から下流側へと流れ始め、サセプタ２０が回転する際の遠心力の影響も受けるが、主として図中の矢印に沿って流れる。
また、上述した間隙幅と同様に、図３に示すように、プリヒートリング６０の外周縁の中心Ｐ１から時計回りにθ度回転させた位置でのプリヒートリング６０の外径と内径との差をＤθと称することとする。さらに、反応ガスのガス流れ方向に沿って上流側におけるプリヒートリング６０の外径と内径との差（Ｄ０°）を特にＤ１と称し、下流側での外径と内径との差（Ｄ１８０°）をＤ２と称することとする。
本実施形態では、プリヒートリング６０の反応ガス供給口側を除く領域において、反応ガス供給口１５Ａ側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅よりも、広い間隙幅をサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設けることとする。この技術的意義を以下に説明する。
反応ガス供給口１５Ａ側で反応ガスＧＰが半導体ウェーハＷの上面に不均一に接触することを抑制するためには、反応ガス供給口１５Ａ側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを抑制すればよい。こうするためには、図２を用いて既述のとおり、例えば反応ガス排出口１６Ａ側での、プリヒートリング６０とサセプタ２０との間の間隙における、雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを意図的に強くすればよい。また、反応ガス排出口１６Ａ側に限られず、反応ガス供給口１５Ａ側以外のところで、こうした雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを意図的に強くする箇所を設けることでも、反応ガス供給口１５Ａ側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを抑制することができる。
そこで、反応ガス供給口１５Ａ側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅よりも、広い間隙幅をサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設けられれば、反応ガス供給口１５Ａ側における雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを低減し、反応ガスＧＰが半導体ウェーハＷの上面に不均一に接触することを抑制することができる。そして、この結果、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置１００を用いて成膜したエピタキシャル層の厚み均一性を改善することができる。
この目的のため、反応ガス供給口側との反対側（すなわち反応ガス排出口側）におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅が、反応ガス供給口側におけるサセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも広いことが好ましい。特に、反応ガス供給口側におけるサセプタ２０とプリヒートリングとの間隙幅が最も狭いことが好ましく、また、反応ガス供給口側におけるサセプタとプリヒートリングとの間隙幅が、反応ガス供給口側との対向側に向かうにつれて漸減することも好ましい。さらに、プリヒートリング６０の外径と内径との差が周方向に不均一であることも好ましい。
上述した間隙幅を具現化することのできる具体例を、図３および図４を用いて説明する。ただし、本実施形態に適用可能なプリヒートリング６０の形状はこれらに何ら限定されない。
図３に示すように、プリヒートリング６０の外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、外周縁の中心点Ｐ１と内周縁の中心点Ｐ２の中心点とが異なることが好ましい。プリヒートリング６０の外周縁および内周縁が互いに偏心しているということもできる。この場合、プリヒートリング６０の外径と内径との差が周方向に一定でなくなり（すなわち、不均一）、間隙幅ｗ１よりも、広い間隙幅がサセプタ２０とプリヒートリング６０との間に設けられることとなる。
この場合、プリヒートリング６０の外周半径Ｒ１は２２０〜２２４ｍｍ程度とすることができ、また、内周半径Ｒ２は１８７〜１９１ｍｍ程度とすることができる。さらに、外周縁の中心点Ｐ１と内周縁の中心点Ｐ２との間の距離を１〜３ｍｍ程度とすることができる。図３の例では、サセプタ２０とプリヒートリング６０との間の最大の間隙幅はｗ２であり、最小の間隙幅はｗ１である。サセプタ２０が周方向に回転しながらエピタキシャル成長する際のサセプタ２０とプリヒートリング６０との接触するによる発塵を防止するため、最小の間隙幅ｗ１を１ｍｍ以上とすることが好ましく、一方、前述した反応ガス供給口側での雰囲気ガスＧＡの吹き上がりを抑制するため、最大の間隙幅ｗ２を３ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、図４（Ａ）に示すように、プリヒートリング６０の内周縁に切り欠き部が設けられることも好ましい。図４（Ａ）の例では、プリヒートリング６０の外周縁および内周縁は共通の中心点Ｐを有しているが、切り欠き部が設けられているため、反応ガス供給口側の間隙幅ｗ１よりも、反応ガス供給口側と対向する位置での間隙幅ｗ２の方が大きい。例えば、切り欠き部側での間隙幅ｗ２を３ｍｍ〜１０ｍｍ程度とし、反応ガス供給口側での間隙幅ｗ１を１ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることができる。また、切り欠き部側での外径と内径との差Ｄ２を２９ｍｍ〜３３ｍｍ程度とし、反応ガス供給口側での外径と内径との差Ｄ１を３３ｍｍ〜３４ｍｍ程度とすることができる。この例の場合、切り欠き部で雰囲気ガスの吹き上がりが強くなるため、結果的に反応ガス供給口側での雰囲気ガスの吹き上がりを抑制することができる。
さらに、図４（Ｂ）に示すように、プリヒートリング６０の外周縁は円形であり、かつ、プリヒートリング６０の内周縁は楕円形であることも好ましい。図４（Ａ）の例では、プリヒートリング６０の外周縁および内周縁は共通の中心点Ｐを有しているが、内周縁の楕円形の短軸は反応ガスのガス流れに沿い、内周縁の楕円形の長軸は反応ガスのガス流れに垂直な方向に沿っている。この場合、反応ガスのガス流れに沿う方向での間隙幅ｗ１，ｗ２を１ｍｍ〜３ｍｍ程度とし、反応ガスのガス流れに垂直な方向での間隙幅ｗ３（Ｗ９０°）を３ｍｍ〜１０ｍｍ程度とすることができる。さらに、反応ガスのガス流れに沿う方向での外径と内径との差Ｄ１，Ｄ２を３３ｍｍ〜３４ｍｍ程度とし、反応ガスのガス流れに垂直な方向での外径と内径との差Ｄ３（Ｄ９０°）を２９ｍｍ〜３３ｍｍ程度とすることができる。この例の場合、プリヒートリング６０の長軸側で雰囲気ガスの吹き上がりが強くなるため、結果的に反応ガス供給口側での雰囲気ガスの吹き上がりを抑制することができる。
また、図４（Ｃ）に示すように、プリヒートリング６０の外周縁を円形とする一方で、内周縁を非円形とすることも好ましい。図４（Ｃ）の例では、プリヒートリング６０の外周縁および内周縁は共通の中心点Ｐを有しているが、内周縁のうち、図の左半分は円であり、図の右半分は楕円の一部である。そして、反応ガス供給口側の間隙幅ｗ１よりも、反応ガス供給口側と対向する位置での間隙幅ｗ２の方が大きくなっている。この例の場合でも、内周縁の楕円側で雰囲気ガスの吹き上がりが強くなるため、結果的に反応ガス供給口側での雰囲気ガスの吹き上がりを抑制することができる。図４（Ｃ）の場合、間隙幅ｗ２を３ｍｍ〜１５ｍｍ程度とし、間隙幅ｗ１を１ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることができる。また、外径と内径との差Ｄ２を２６ｍｍ〜３３ｍｍ程度とし、外径と内径との差Ｄ１を３３ｍｍ〜３４ｍｍ程度とすることができる。また、図４（Ｃ）では、図中の内周縁の右半分のみを楕円形の輪郭としたが、長円形の輪郭としてもよいし、放物線形状の輪郭としても構わないし、反応ガス供給口側以外であればどこに非円形を設けても構わない。
以上、プリヒートリング６０の種々の好適態様を説明したが、前述のとおり、反応ガス供給口側におけるサセプタ２０とプリヒートリング６０との間隙幅よりも、広い間隙幅をサセプタ２０とプリヒートリング６０との間の少なくとも一部に設ければ、反応ガス供給口側における雰囲気ガスの吹き上がりを抑制することができ、結果、エピタキシャル層の膜厚均一性を改善することができる。
本実施形態に従うエピタキシャル成長装置では、半導体ウェーハＷとしてシリコンウェーハを用いることが好ましく、シリコンウェーハ上に成膜するエピタキシャル層はシリコンエピタキシャル層であることが好ましい。ただし、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置は化合物半導体ウェーハなどにも適用可能であり、ヘテロエピタキシャル成長にも適用可能である。
さらに、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置は、以下のサセプタサポートシャフト、リフトピン、昇降シャフト、加熱ランプおよびエピタキシャル成長装置に用いられる一般的な構成を有することができる。たたし、本実施形態はこれらの具体的な態様に何ら限定されない。
＜サセプタサポートシャフト＞
サセプタサポートシャフト３０は、チャンバ１０内でサセプタ２０を下方から支持するものであり、その支柱は、サセプタ２０の中心とほぼ同軸上に配置される。
＜リフトピン＞
リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、サセプタ２０の貫通孔にそれぞれ挿通される。リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、昇降シャフト５０によって、上下方向に昇降されることにより、リフトピンの上端部で半導体ウェーハＷ（半径５０％以上の裏面部領域）を支持しながら半導体ウェーハＷをサセプタ２０上に着脱させることができる。この動作についても詳細は後述する。リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの材料には、サセプタ２０と同様に、カーボングラファイトおよび／または炭化ケイ素が用いられることが一般的である。
＜昇降シャフト＞
昇降シャフト５０は、サセプタサポートシャフト３０の主柱を収容する中空を区画し、支柱の先端部でリフトピンの下端部をそれぞれ支持する。昇降シャフト５０は石英で構成されることが好ましい。昇降シャフトが、サセプタサポートシャフト３０の主柱に沿って上下動することにより、リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを昇降させることができる。
＜加熱ランプ＞
加熱ランプは、チャンバ１０の上側領域および下側領域に配置され、一般に、昇降温速度が速く、温度制御性に優れた、ハロゲンランプや赤外ランプが用いられる。
（プリヒートリング）
また、本発明の一実施形態に従うプリヒートリングは、エピタキシャル成長装置内で半導体ウェーハを載置するサセプタの側面を、間隙を介して覆うプリヒートリングである。そして、プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一である。こうしたプリヒートリングをエピタキシャル成長装置に用いれば、前述したとおりエピタキシャルの反応ガス供給口側における雰囲気ガスの吹き上がりを抑制でき、その結果、エピタキシャル層の膜厚均一性を改善することができる。このようなプリヒートリングの好適態様を、既述の図３，４を用いて説明するが、エピタキシャル成長装置の実施形態と重複する説明は省略する。
また、図３に示すように、プリヒートリング６０の外周および内周は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、外周の中心点Ｐ１と内周の中心点Ｐ２とが異なることが好ましい。さらに、図４（Ａ）に示すように、プリヒートリング６０の内周に切り欠き部が設けられることも好ましい。さらにまた、プリヒートリング６０の外周は円形であり、かつ、プリヒートリング６０の内周は楕円形であることも好ましい。
また、本発明の一実施形態に従うエピタキシャルウェーハの製造方法は、前述のエピタキシャル成長装置またはプリヒートリングを備えたエピタキシャル成長装置に、雰囲気ガスと、キャリアガスとしての水素ガスを含む反応ガスとを供給して、半導体ウェーハにエピタキシャル層をエピタキシャル成長させる。こうすることで、前述したとおりエピタキシャルの反応ガス供給口側における雰囲気ガスの吹き上がりを抑制できる。
なお、キャリアガスとしての水素ガスを含む反応ガスを供給する際の流量は５〜１００ＳＬＭとすることができ、雰囲気ガスを供給をする際の流量は１〜５０ＳＬＭとすることができる。また、キャリアガスとしては水素ガスを用いることが好ましく、シリコンのソースガスとしてはジクロロシラン、トリクロロシランなどを用いることが好ましい。さらに、雰囲気ガスとしては水素ガスを用いることが好ましい。また、半導体ウェーハＷとしてシリコンウェーハを用いることが好ましく、シリコンウェーハ上に成膜するエピタキシャル層はシリコンエピタキシャル層であることが好ましい。
次に、本発明の効果をさらに明確にするため、以下の実施例を挙げるが、本発明は以下の実施例に何ら制限されるものではない。
［実験例１］
（発明例１）
図３に示すプリヒートリング６０をエピタキシャル成長装置に設置した。図３と同様に、プリヒートリング６０の外径と内径との差が最小となる位置を反応ガス供給口側とし、プリヒートリング６０の外径と内径との差が最大となる位置を反応ガス排出口側とした。図３に示す中心点Ｐ１とＰ２との間の距離は１．５ｍｍであり、また、サセプタ２０とプリヒートリング６０との間の間隙幅ｗ１は２ｍｍであり、間隙幅ｗ２は５ｍｍである。
シリコンエピタキシャルウェーハの基板としては、ボロンドープされた直径３００ｍｍのシリコンウェーハＷを用いた。このシリコンウェーハＷ上に、発明例１によるエピタキシャル成長装置を用いてエピタキシャルウェーハを製造した。エピタキシャルウェーハの製造にあたり、まず、原料ソースガスであるトリクロロシランガスを温度１１３０℃にて供給し、サセプタ２０の表面に対してシリコンコートを施した。次いで、シリコンウェーハＷをエピタキシャル膜形成室内に導入し、リフトピンを用いてサセプタ２０上に載置した。続いて、１１３０℃にて、水素ガスを供給し、水素ベークを行った後、１１３０℃にて、シリコンのエピタキシャル膜を４μｍ成長させてエピタキシャルシリコンウェーハを得た。ここで、原料ソースガスとしてはトリクロロシランガスを用い、また、ドーパントガスとしてジボランガス、キャリアガスとして水素ガスを用いた。また、反応ガスＧＰの合計流量（ソースガスおよびキャリアガスの合計流量）は７０ＳＬＭとし、雰囲気ガスＧＡの流量は２５ＳＬＭとした。
（従来例）
発明例１におけるプリヒートリング６０に替えて、従来技術に係る、中心点を対称とするリング状のプリヒートリングを用いた以外は、発明例１と同様にしてエピタキシャル層を成膜した。なお、従来例におけるプリヒートリングとサセプタとの間の間隙の長さは３．５ｍｍ程度で周方向に均一である。
＜評価：エピタキシャル層の膜厚測定＞
ＦＴ−ＩＲ方式の膜厚測定器（ナノメトリクス社製：ＱＳ−３３００ＥＧ）を用いて、発明例１および従来例により作製したエピタキシャルウェーハのエピタキシャル膜の膜厚分布をそれぞれ測定した。結果を図５に示す。ただし、図５のグラフの縦軸は相対値により示す。図５から、エピタキシャルウェーハの１００ｍｍより外側の厚み分布ばらつきは従来例に比べて約５８％改善したことが確認できる。なお、ここで言う「ばらつき」とは、上記膜厚測定器によるウェーハ外周部（ウェーハ中心から半径１００ｍｍ以内を除外）における測定値のばらつき度合いを意味し、｛（最大測定値−最小測定値）／（最大測定値＋最小測定値）｝×１００％により定義する。以下の実験例２，３においても同様である。
［実験例２］
発明例１におけるプリヒートリングの外周半径Ｒ１および内周半径Ｒ２を維持しつつ、外周中心Ｐ１と内周中心Ｐ２との距離を変えた以外は、発明例１と同様にしてシリコンエピタキシャルシャルウェーハを作製した。図６に、外周中心Ｐ１と内周中心Ｐ２との距離と、厚み分布ばらつきとの関係性を示す。なお、外周中心Ｐ１と内周中心Ｐ２との距離が３ｍｍ以上となる、ｗ１がほとんど０となり接触するため、正常にエピタキシャル成長できなかった。
図６から、発明例１では、ｗ１が１ｍｍ以下とならない程度において、ｗ２を広くするほど、従来例に比べて外周方向での膜厚分布のばらつきを改善できることが確認できる。特に、外周中心Ｐ１と内周中心Ｐ２との距離が１ｍｍ以上であると、ばらつきを０．６％以下とできたことが確認できる。本発明条件に従うエピタキシャル装置を用いることで、エピタキシャル装置内での反応ガス供給口側での雰囲気ガスの吹き上がりが抑制できたため、膜厚均一性を改善できたのだと推定される。
［実験例３］
図７（Ａ）に示すように、発明例１におけるプリヒートリングの外周半径Ｒ１および内周半径Ｒ２を維持し、外周中心Ｐ１に対して反応ガス供給口側に最も近い点Ａと、プリヒートリング６０とサセプタ２０との間隙幅が最小となる位置Ｂとがなす角度φを回転させた以外は、発明例１と同様にしてシリコンエピタキシャルウェーハを作製した。（発明例１では、角度φは０°であった。）なお、図７では説明の便宜上、図３におけるｗ１（最小間隙幅），ｗ２（最大間隙幅）等の符号を位置関係を明確に対比するためそのまま用いている。したがって、反応ガス供給口側に最も近い点Ａにおけるプリヒートリング６０と、サセプタ２０との間隙幅ｗφは、ｗ１＜ｗφ＜ｗ２となる。角度φに関し、図７（Ａ）のように基点Ａから間隙幅が最小となる位置Ｂへ反時計回りに進む場合は角度φをマイナスの角度として扱い、反対に、基点Ａから間隙幅が最小となる位置Ｂへ時計回りに進む場合は、角度φをプラスの角度として扱うものとする。なお、実験例２とは異なり、外周中心Ｐ１と内周中心Ｐ２との距離を１．５ｍｍに維持している。
図７（Ｂ）に、角度φと、厚み分布ばらつきとの関係性を示す。中心点Ｐ１に対して、反応ガス供給口側である基点Ａと、間隙幅が最小となる位置Ｂとがなす角度φがプラスマイナス４５°のときに０．８％であったため、図７（Ｂ）より、角度φをプラスマイナス４５°の範囲内とすれば、厚み分布ばらつきを抑制できることが確認された。特に、角度φを−４０°から＋１５°とすることで、厚み分布ばらつきを０．６％以下とすることができ、高い効果が得られることが確認される。なお、図７（Ｂ）のグラフにおいて、φが０°のときを中心に対称とならないのは、サセプタが時計回りに回転していることがその原因の一つであると推定される。
本発明によれば、エピタキシャル膜の厚み均一性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供することができる。
１００ エピタキシャル成長装置
１０ チャンバ
１１ 上部ドーム
１２ 下部ドーム
１３ ドーム取付体
１４ 加熱ランプ
１５Ａ 反応ガス供給口
１５Ｂ 雰囲気ガス供給口
１６Ａ 反応ガス排出口
１６Ｂ 雰囲気ガス排出口
１７ 上部ライナー
１８ 下部ライナー
２０ サセプタ
３０ サセプタサポートシャフト
４０Ａ，４０Ｃ リフトピン
５０ 昇降シャフト
６０ プリヒートリング
Ｗ 半導体ウェーハ

Claims (11)

  1. 半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、
    チャンバと、
    前記チャンバの内部で前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
    前記サセプタの側面を間隙を介して覆うプリヒートリングと、
    前記エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスを前記半導体ウェーハの上面に供給する反応ガス供給口と、を有し、
    前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも、広い間隙幅が前記サセプタと前記プリヒートリングとの間の少なくとも一部に設けられることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
  2. 前記反応ガス供給口との反対側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅が、前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも広い、請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
  3. 前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一である、請求項１または２に記載のエピタキシャル成長装置。
  4. 前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なる、請求項３に記載のエピタキシャル成長装置。
  5. 前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、請求項３に記載のエピタキシャル成長装置。
  6. 前記プリヒートリングの外周縁は円形であり、かつ、前記プリヒートリングの内周縁は楕円形である、請求項３に記載のエピタキシャル成長装置。
  7. エピタキシャル成長装置内で半導体ウェーハを載置するサセプタの側面を、間隙を介して覆うプリヒートリングであって、
    前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一であることを特徴とするプリヒートリング。
  8. 前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なる、請求項７に記載のプリヒートリング。
  9. 前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、請求項７に記載のプリヒートリング。
  10. 前記プリヒートリングの外周縁は円形であり、かつ、前記プリヒートリングの内周縁は楕円形である、請求項７に記載のプリヒートリング。
  11. 請求項１〜６に記載のエピタキシャル成長装置または請求項７〜１０に記載のプリヒートリングを備えたエピタキシャル成長装置に、雰囲気ガスと、キャリアガスとしての水素ガスを含む反応ガスとを供給して、半導体ウェーハにエピタキシャル層をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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