JP2020043122A - サセプタ及び化学気相成長装置 - Google Patents

サセプタ及び化学気相成長装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ウェハに成膜するエピタキシャル層のウェハ面内におけるキャリア濃度の均一性を高めることができるサセプタ及び化学気相成長装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るサセプタは、ウェハの主面上に、化学気相成長法によってエピタキシャル膜を成長させる化学気相成長装置に用いられるサセプタであって、基台と、前記基台の外周部に配置され、前記ウェハの外周部を支持する３個の突起部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、サセプタ及び化学気相成長装置に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素はこれらの特性を有することから、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。
ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ基板（ＳｉＣウェハ、ウェハ）上にＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって製造される。ＳｉＣウェハは、昇華法等で作製したＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られ、ＳｉＣエピタキシャル膜は、化学的気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）装置によって形成される。
ＣＶＤ装置の一例として、回転軸を中心に回転するサセプタ（ウェハ支持台）を有する装置がある。サセプタ上に載置されたウェハが回転することで、面内方向のガス供給状態を均一化し、ウェハに均一なエピタキシャル膜を成長させることができる。ウェハは、手動あるいは自動の搬送機構を用いて、ＣＶＤ装置内部に搬送され、サセプタ上に配置される。ウェハが載置されたサセプタを裏面より加熱し、ウェハ表面に上方から反応ガスを供給して成膜がおこなわれる。
例えば、特許文献１及び２には、サセプタ（ホルダ）を有する装置が記載されている。特許文献１に記載のサセプタは、基板支持部と、内側面から中央に向かって突出する側面凸部とを有する。側面凸部は、基板側面がサセプタと面接触することを抑制する。基板支持部及び側面凸部の形状、数を調整すると、基板の面内温度分布の均一性が高まる。基板中央部は熱輻射が支配的で、基板外周部は熱伝導が支配的である。熱輻射により基板に生じる温度分布と、熱伝導により基板に生じる温度分布とが調整されることで、基板の面内温度分布が均一化する。
また特許文献２に記載のホルダは、ウェハが載置される部分に凸部を有する。凸部は、ホルダとウェハとの間に空間を形成し、ホルダとウェハとが密着することを防止する。
特開２００９−８８０８８号公報 特開２００９−２６７４２２号公報
ＳｉＣウェハ上にエピタキシャル膜を成長する場合、成膜温度は１６００℃近くになる。特許文献１及び２に記載のサセプタ（ホルダ）では、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する高温環境下において、ウェハの面内温度分布を十分均一にできなった。
例えば、特許文献１に記載のサセプタは、基板支持部が外周に沿って形成されている。ウェハは基板支持部により支持され、ウェハの外周は全面で基板支持部と接触する。基板支持部と接触する部分では、熱伝導により局所的に温度が変化してしまう。成膜環境ではサセプタの方が高温になることが多く、基板支持部周辺では局所的に高温となってしまう。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ウェハに成膜するエピタキシャル層のウェハ面内におけるキャリア濃度の均一性を高めることができるサセプタ及び化学気相成長装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、検討の結果、ウェハを支持する部分を３点に限定することで、エピタキシャル層のウェハ面内におけるキャリア濃度の均一性が高まることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手順を提供する。
（１）第１の態様に係るサセプタは、ウェハの主面上に、化学気相成長法によってエピタキシャル膜を成長させる化学気相成長装置に用いられるサセプタであって、基台と、前記基台の外周部に配置され、前記ウェハの外周部を支持する３個の突起部と、を有する。
（２）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記基台は、円状凹部と、前記円状凹部の外周から立接する円環状外周部とを有し、前記３個の突起部は、前記円環状外周部上に配置されていてもよい。
（３）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記３個の突起部の第１端から前記円状凹部の前記ウェハが載置される側の面に下した垂線の高さが１ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
（４）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記３個の突起部が同心円状に配列していてもよい。
（５）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記３個の突起部が等間隔に配列されていてもよい。
（６）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記３個の突起部は、前記ウェハを載置した際に、前記ウェハのオリフラ部以外の場所に配置されていてもよい。
（７）上記態様にかかるサセプタにおいて、前記３個の突起部のそれぞれの高さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
（８）第２の態様にかかる化学気相成長装置は、上記態様にかかるサセプタを備える。
本発明の一態様に係るサセプタ及び化学気相成長装置によれば、ウェハに成膜するエピタキシャル層のウェハ面内におけるキャリア濃度の均一性を高めることができる。
第１実施形態にかかる化学気相成長装置の断面模式図である。 第１実施形態にかかる化学気相成長装置のサセプタの平面図である。 第１実施形態にかかる化学気相成長装置のサセプタの断面図である。 第１実施形態にかかる化学気相成長装置の別の例のサセプタの断面図である。 第１実施形態にかかる化学気相成長装置の別の例のサセプタの断面図である。 第１実施形態にかかる化学気相成長装置の変形例のサセプタの断面図である。 実施例１におけるエピタキシャル膜の成長速度の面内分布を測定した結果である。 実施例１におけるエピタキシャル膜のキャリア濃度の面内分布を測定した結果である。 比較例１におけるエピタキシャル膜の成長速度の面内分布を測定した結果である。 比較例１におけるエピタキシャル膜のキャリア濃度の面内分布を測定した結果である。
以下、本発明の一態様に係るサセプタ、化学気相成長装置について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
＜化学気相成長装置＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る化学気相成長装置の断面模式図である。第１実施形態にかかる化学気相成長装置１００は、炉体３０と、準備室４０と、炉体３０及び準備室４０を行き来するサセプタ１０と、を備える。図１では、理解を容易にするために、ウェハＷを同時に図示している。
炉体３０は、成膜空間Ｒを形成する。成膜空間Ｒは、成膜時は１６００℃程度の高温となる。
炉体３０の内部には、支持体２０と支柱２１とが設けられている。支持体２０は、成膜空間Ｒ内でサセプタ１０を支持する。支持体２０は、支柱２１で支えられている。図１に示す支柱２１は、支持体２０の外周を支持する。支柱２１は、支持体２０の中心を支持し、回転可能でもよい。本明細書中において、ウェハＷの成膜面側を上方、成膜面と反対側を下方と表現することがある。図示しないヒーターにより支持体２０に載置されたサセプタ１０及びウェハＷを加熱する。
炉体３０には、図示略のガス供給管が設置されている。ガス供給管は、原料ガス、キャリアガス、エッチングガス等を成膜空間Ｒに供給する。炉体３０は、シャッター３１を有する。シャッター３１は、炉体３０と準備室４０との間に位置する。サセプタ１０を成膜空間Ｒに搬送する際にシャッター３１は開き、搬送時以外にはシャッター３１は閉じられている。シャッター３１を閉じることで、成膜時のガスが成膜空間Ｒから流出すること、成膜空間Ｒが低温になることを防ぐ。
準備室４０は、炉体３０にシャッター３１を介して隣接する。
準備室４０は、アーム４１を有する。アーム４１の第１端部は準備室４０の外に露出し、第２端部はサセプタ１０を支持する。アーム４１は、サセプタ１０を炉体３０内に搬送するための冶具である。
図２は、第１実施形態にかかる化学気相成長装置のサセプタの平面図である。また図３は、第１実施形態にかかる化学気相成長装置のサセプタの断面図である。図２に示すサセプタ１０は、基台１２と突起部１４と保持リング１６とを有する。図２及び図３に示す化学気相成長装置では、ウェハＷを同時に図示している。
図２及び図３に示す基台１２は、円状凹部１２ａと円環状外周部１２ｂとを有する。円状凹部１２ａは、平面視で円状外周部１２ｂによって囲まれた部分である。円状外周部１２ｂは、円状凹部１２ａの第１面１２ａ１から円周に沿って突出した部分である。円状外周部１２ｂは、円状凹部１２ａの外周から立接する。
円状凹部１２ａの第１面１２ａ１は、円環状外周部１２ｂの第１面１２ｂ１より下方に位置する。円状凹部１２ａの第１面１２ａ１から円環状外周部１２ｂまでの高さは、例えば１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。
ウェハＷと円状凹部１２ａとの間には、空間Ｓが形成される。円状凹部１２ａを設けることにより空間Ｓが広くなる。空間Ｓを広くできると、ウェハＷが湾曲した場合でも、ウェハＷとサセプタ１０とが接触することが避けられるという利点がある。
サセプタ１０に円環外周部１２ｂを設けることで、ウェハＷからサセプタ１０の円環状外周部１２ｂの第１面１２ｂ１までの距離と、ウェハＷからサセプタ１０の円状凹部１２ａの第１面１２ａ１までの距離が変わる。当該構成により、ウェハＷから円環状外周部１２ｂの第１面１２ｂ１までの距離を短くすることにより得られる、必要以上の成膜ガスがウェハＷ裏面に回り込むのを抑制する効果と、ウェハＷからサセプタ１０の円状凹部１２ａの第１面１２ａ１までの距離を長くすることにより得られる、ウェハＷが湾曲した場合でも、ウェハＷとサセプタ１０が接触することを避ける効果と、を同時に得ることができる。
突起部１４は、ウェハＷの外周部を支持する。ここで、ウェハＷの外周部とは、ウェハの外周端からウェハの径の５％の領域を言う。例えば、ウェハのサイズが６インチの場合、例えば、外周端から０ｍｍ以上７．５ｍｍ以下の範囲の領域である。
図２に示す突起部１４は、載置されるウェハＷの外周端を支持している。ウェハＷを成膜温度まで昇温させると、ウェハＷに反りが生じる。反りは、サセプタに向かって生じ、ウェハＷはサセプタ１０に向かって凸形状に湾曲する。突起部１４がウェハＷの外周端を支持すると、ウェハＷの外周端を起点に下方に湾曲する。ウェハＷの外周端は、突起部１４より上方には突出しない。そのため、ウェハＷが反った場合でも、保持リング１６でウェハＷの外周端を保持できる。ウェハＷの位置ずれが抑制され、エピタキシャル膜の品質を高めることができる。
突起部１４は３個ある。図２に示すように、ウェハＷは突起部１４で三点支持される。３個の突起部１４は、ウェハＷを支持するための必要最低数である。３個の突起部１４でウェハＷを支持することで、ウェハＷとサセプタ１０との接点が少なくなる。
図３に示すように、３個の突起部１４は円環状外周部１２ｂ上に配置されている。円環状外周部１２ｂ上に突起部１４を設けると、ウェハＷとサセプタ１０との間の空間Ｓが広くなる。
上述のように、ウェハＷを成膜温度まで昇温させると、ウェハＷに反りが生じる。ウェハＷとサセプタ１０との間に空間Ｓがあることで、ウェハＷが湾曲した場合でも、ウェハＷとサセプタ１０とが接触することが避けられる。
３個の突起部１４のそれぞれの高さは、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。突起部１４の高さが低いと、意図しない部分でサセプタ１０とウェハＷとが接触する可能性が高まる。突起部１４の高さが高いと、原料ガス等がウェハＷの裏面に回り込む可能性が高まる。
３個の突起部１４の第１端１４ａ１から円状凹部１２ａの第１面１２ａ１に下した垂線の高さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがより好ましい。高さが当該範囲内であることで、空間Ｓが十分確保される。
図２に示す３個の突起部１４は、同心円状に配置されている。また３個の突起部１４は、等間隔で配置されている。突起部１４の配置は、図２に示すものに限られないが、当該関係で配置されていることで、載置されるウェハＷの安定性が向上する。
３個の突起部１４は、ウェハＷを載置した際に、ウェハＷのオリエンテーションフラットＯＦ以外の場所に配置されることが好ましく、３個の突起部１４のうち１個の突起部１４は、載置されるウェハＷのオリエンテーションフラットＯＦと対向する位置に位置することが好ましい。オリエンテーションフラットＯＦは、ウェハＷに設けられた切り欠きであり、ウェハＷを構成する結晶の結晶方位等の指標である。オリエンテーションフラットＯＦは、ウェハ外周部のうち形状が異なる部分であり、熱の伝わり方がウェハ外周部の他の箇所と異なりやすい。この位置に基板支持部である３個の突起部１４のうち１個の突起部１４が重なると、同心円状に均一にウェハを保持することが難しくなってしまう。また、オリエンテーションフラットＯＦに基板支持部である３個の突起部のうち、１個の突起部１４が重なると温度均一性を維持しにくい。熱は、突起部１４を介して伝熱する。突起部１４を温度均一性が悪くなりやすいオリエンテーションフラットＯＦから離れた位置に設けることで、ウェハＷの均熱性を向上できる。オリエンテーションフラットＯＦに対向する箇所に突起部１４を配置すると、オリエンテーションフラットＯＦと突起部１４とが最も離れた配置となり、好ましい。
また図４は、第１実施形態にかかる化学気相成長装置の別の例のサセプタの断面図である。図４に示すサセプタ１０Ａは、突起部１４Ａの位置が図２に示すサセプタ１０と異なる。その他の構成は同一である。
図４に示すサセプタ１０Ａの突起部１４Ａは、載置されるウェハＷの外周端より内側に位置するように設けられている。サセプタ１０ＡとウェハＷとの熱接触の低減により温度均一性を改善する効果は得られるため、突起部１４Ａは、ウェハＷを安定して支持できる範囲で外周端より内側に位置していてもよい。
また図５は、第１実施形態にかかる化学気相成長装置の別の例のサセプタの断面図である。図５に示すサセプタ１０Ｂ，１０Ｃは、突起部１４Ｂ、１４Ｃの形状が図２に示すサセプタ１０と異なる。その他の構成は同一である。
図５（ａ）に示すサセプタ１０Ｂの突起部１４Ｂは、上に凸の半球状である。図５（ｂ）に示すサセプタ１０Ｃの突起部１４Ｃは、先端を有する円錐状である。突起部１４Ｂ、１４ＣとウェハＷとが点接触となり、突起部１４Ｂ、１４Ｃからの熱伝導をより抑制できる。
突起部の形状は、上記の形状に限られない。例えば、三角錐状、四角錐状等の形状でもよい。
サセプタ１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、黒鉛、ＳｉＣ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等を用いることができる。またこれらの無垢材に限られず、表面をＳｉＣ、ＴａＣ等の炭化金属でコーティングしてもよい。例えば、サセプタ１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとして黒鉛又はＴａＣコートされた黒鉛を用いる。
保持リング１６は、ウェハＷの側方に位置する。保持リング１６は、ウェハＷのずれを防止する。保持リング１６は、サセプタ１０と分離された別部材でも、一体化されていてもよい。
保持リング１６は、ウェハＷの外周を覆う。保持リング１６は、ウェハＷの裏面へのガスの回り込みを防ぐ。図２及び図３に示すサセプタ１０は、３個の突起部１４で支持され、その他の部分はウェハＷとサセプタ１０との間にすき間を有する。保持リング１６がすき間の側方にあるため、突起部１４の数が少なくても、ガスの回り込みを十分抑制できる。
上述のように、第１実施形態にかかる化学気相成長装置は、３個の突起部１４を有するサセプタ１０を備える。ウェハＷは、３個の突起部１４により支持される。そのため、ウェハＷと突起部１４との接触面積が小さくなる。例えば、ＳｉＣのエピタキシャル膜を形成する場合、その温度は１６００℃近くになる。ウェハＷは、輻射により加熱され、突起部１４からは熱伝導により熱が逃げる。放熱が生じる突起部１４とウェハＷとの接触面積を減らすことで、成膜時のウェハＷの面内方向の熱分布を低減できる。エピタキシャル層にドープされるキャリア密度は、成膜温度の影響を受ける。ウェハＷの面内方向の熱分布が低減することで、ウェハＷの面内方向のキャリア濃度の均一性が高まる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内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。
（変形例）
図６は、第１実施形態にかかる化学気相成長装置のサセプタの変形例の断面模式図である。変形例にかかるサセプタ１０Ｄは、基台１２Ａの形状が、図３に示す基台１２の形状と異なる。その他の構成は同一であり、説明を省く。
図６に示す基台１２Ａは、第１面１２Ａａが平坦面であり、円状凹部を有さない。突起部１４は、載置されるウェハＷの外周部となる位置で、基台１２Ａから突出する。変形例にかかるサセプタ１０Ｄにおいても、ウェハＷと突起部１４との接触面積は少ない。そのため、変形例にかかるサセプタ１０Ｄによれば、成膜時のウェハＷの面内方向の熱分布を低減でき、ウェハＷの面内方向のキャリア濃度の均一性を高めることができる。
（実施例１）
図２及び図３に示すように、３個の突起部１４を有するサセプタ１０を準備した。突起部１４の形状は、平面視形状が正方形の直方体状とした。正方形の一辺は、３ｍｍで、高さ０．３ｍｍとした。突起部１４は、同心円状に配置した。突起部１４の中心が、ウェハＷの外周端から０．８ｍｍの位置となるように設計した。３個の突起部１４のうち一つの突起部１４は、オリエンテーションフラットＯＦと対向する位置に設けた。残りの突起部は、基準となる突起部１４から１２０°ずつ回転した位置に設けた。ウェハＷは、直径１５０ｍｍのＳｉＣウェハとした。
ＳｉＣウェハ上に、ＳｉＣのエピタキシャル膜を成長させた。エピタキシャル膜の成長速度と、エピタキシャル膜のキャリア濃度を測定した。その結果を図７及び図８に示す。図７は、実施例１におけるエピタキシャル膜の成長速度の面内分布を測定した結果である。図８は、実施例１におけるエピタキシャル膜のキャリア濃度の面内分布を測定した結果である。
（比較例１）
比較例１は、突起部を円環状に設けた点が実施例１と異なる。ウェハＷは、外周に沿って形成された円環状の突起部によって支持されている。その他の点は、実施例１と同様にして、エピタキシャル膜の成長速度と、エピタキシャル膜のキャリア濃度を測定した。その結果を図９及び図１０に示す。図９は、比較例１におけるエピタキシャル膜の成長速度の面内分布を測定した結果である。図１０は、比較例１におけるエピタキシャル膜のキャリア濃度の面内分布を測定した結果である。
図７と図９のグラフを比較すると、実施例１のサセプタを用いた場合と、比較例１のサセプタを用いた場合とで、エピタキシャル膜の成長速度に大きな違いはなかった。図７に示すように、実施例１のサセプタを用いた場合は、成長速度の面内分布は７．６％であった。これに対し図９に示すように、比較例１のサセプタを用いた場合は、成長速度の面内分布は７．５％であった。成長速度の面内分布は、成長速度が最も早い位置における成長速度と、成長速度が最も遅い位置における成長速度の差分を、面内における成長速度の平均値で割ったものである。
一方で図８と図１０のグラフを比較すると、実施例１のサセプタを用いた場合と、比較例１のサセプタを用いた場合とで、エピタキシャル膜のキャリア濃度の均一性には違いが生じた。実施例１の方が比較例１よりキャリア濃度の均一性が高かった。図８に示すように、実施例１のサセプタを用いた場合は、キャリア濃度の面内分布は６．１％であった。これに対し図１０に示すように、比較例１のサセプタを用いた場合は、キャリア濃度の面内分布は１１．６％であった。キャリア濃度の面内分布は、キャリア濃度が最も高い位置におけるキャリア濃度と、キャリア濃度が最も低い位置におけるキャリア濃度の差分を、面内におけるキャリア濃度の平均値で割ったものである。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ…サセプタ
１２…基台
１２ａ…円状凹部
１２ｂ…円環状外周部
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…突起部
１６…保持リング
２０…支持体
２１…支柱
３０…炉体
３１…シャッター
４０…準備室
４１…アーム
１００…化学気相成長装置
ＯＦ…オリエンテーションフラット
Ｒ…成膜空間
Ｓ…空間
Ｗ…ウェハ

Claims (8)

  1. ウェハの主面上に、化学気相成長法によってエピタキシャル膜を成長させる化学気相成長装置に用いられるサセプタであって、
    基台と、
    前記基台の外周部に配置され、前記ウェハの外周部を支持する３個の突起部と、を有する、サセプタ。
  2. 前記基台は、円状凹部と、前記円状凹部の外周から立接する円環状外周部とを有し、
    前記３個の突起部は、前記円環状外周部上に配置される、請求項１に記載のサセプタ。
  3. 前記３個の突起部の第１端から前記円状凹部の前記ウェハが載置される側の面に下した垂線の高さが１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項２に記載のサセプタ。
  4. 前記３個の突起部が同心円状に配列する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のサセプタ。
  5. 前記３個の突起部が等間隔に配列されている、請求項４に記載のサセプタ。
  6. 前記３個の突起部は、前記ウェハを載置した際に、前記ウェハのオリフラ部以外の場所に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のサセプタ。
  7. 前記３個の突起部のそれぞれの高さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のサセプタ。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のサセプタを備える、化学気相成長装置。
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