JP2022528476A - 成長中にウェハの平面性を提供する装置および方法 - Google Patents

成長中にウェハの平面性を提供する装置および方法 Download PDF

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Abstract

反応器ハウジング（１１，１２，１３）内に配置された成長チャンバ（１４）内の昇温での成長中に半導体ウェハ（４）の平坦性を確保するための装置であって、成長チャンバ（１４）内の回転サセプタ（２）上に少なくとも１つのウェハ（４）を蒸着させ、成長チャンバからウェハ（４）を引き出すことを可能にするポートを有する成長チャンバ（１４）を含み、成長チャンバ（１４）は、プロセスガス（５）を供給するための入口チャネル（１７）と、消費されなかったプロセスガス（５）を排出するための出口チャネル（１８）とをさらに有して、前記チャネル間にプロセスガス流を生成し、ウェハ（４）の上下両方の個別に制御された加熱ゾーンによって回転ウェハ（４）を加熱するために個別のヒータＶ１～Ｖ６が成長チャンバ（１４）に隣接して配置され、ウェハ（４）の屈曲を測定するために器具（６）が配置され、自動制御回路は、温度センサ（２０）からのデータ、またはヒータに供給される電力の測定データを使用し、器具（６）が、ウェハの屈曲を測定して、ウェハ（４）の屈曲が最小になるように前記温度ゾーンの温度を変化させるように配置される。【選択図】 図３

Description

本発明は高温下での成長チャンバ内での半導体材料のウェハの成長中に、成長プロセス中に達成されるウェハの所定の平面性を監視する装置に関する。
化学蒸着（ＣＶＤ）によって半導体材料を製造する場合、材料が均一な品質を得ることが大切である。得られる品質は、しばしば材料の成長と呼ばれる成長プロセスの下で支配的な様々な条件に依存する。
成長は、例えばグラファイトのような固体材料から製造されるベースディスク（サセプタ）上に通常配置されるウェハ上で生じる。成長チャンバ内で高温下で（又は、昇温中の／at an elevated temperature）で成長が起こる間、ウェハは特にサセプタによって加熱される。成長、すなわち半導体材料中で取り組まれる結晶構造の生成のために必要な元素を含む蒸気を含むガスは、制御された方法でチャンバ内に入れられる。ウェハは、通常、成長中に回転される。場合によっては、ウェハは成長プロセス中に曲がる。これは、ウェハの周囲の不均一な温度、ウェハ内の内部応力、またはウェハ上で発生した成長によって生じた応力によって引き起こされ得る。通常、内部応力は、成長プロセスの開始前に決定することができない材料特性である。
直径がより大きいウェハでは、成長プロセスが終了したときに、ウェハを再び室温まで冷却すると、屈曲（又は、曲がり／bending）によって壊滅的なクラックが生じる可能性がある。ウェハが元の形状に戻ろうとするとき、内部応力は付加された成長層によって増加し、内部応力は所定の半導体材料を達成するために使用されるガスからの原子によって構築される結晶面間の変化した距離によって相殺（又は、オフセット）され得ない。これは成長材料に亀裂の発生を引き起こす。
ウェハの屈曲を測定し、成長プロセス中にそれを制御する方法が存在する。屈曲は、例えば、成長チャンバ内の種々のガス間の修正された分布（又は、分配／distribution）によって、反対方向の屈曲を生じさせる力を発生させることによって補償することができる。しかし、異なるガス間の分布が変化すると、生成される半導体の特性も望ましくない方法で変化する。
特許文献ＥＰ１２７５１３５は、関連技術分野の中で最も近い先行技術を構成するものと想定される。前記文献には、ウェハの屈曲を回避するための要件を作り出すために、ウェハ上のガス流の前後にガス内で異なる温度ゾーンを配置することについての記載はある。一方、成長プロセス中のウェハの平面性の可能な偏差の検出、並びに、検出されたウェハの平面性からの偏差に基づいて、ウェハのリアルタイムの屈曲に対抗する任意の構成については、前記文献では何も言及されていない。
本発明は一態様によれば、成長チャンバ内の高温での（又は、昇温中の／at an increased temperature）成長中の半導体ウェハの平坦性を確保するための装置であって、装置が成長チャンバを囲む反応器ハウジング内に含まれ、成長チャンバが成長チャンバ内の回転サセプタ上に少なくとも１つのウェハを蒸着（又は、堆積）させることを可能にし、成長チャンバからウェハを引き出すためのポートを有し、成長チャンバがさらに、プロセスガスを供給するための入口チャネルと、消費されなかったプロセスガスを排出するための出口チャネルとを有することで、前記チャネル間にプロセスガス流を生成し、ウェハの上下両方の個別に制御される加熱ゾーンにより回転するウェハを加熱するための別個のヒータが成長チャンバに隣接して配置される、前記装置を構成する。更に、少なくとも１つの位置におけるウェハの屈曲を測定するために、器具が配置される。自動制御回路は温度センサと屈曲を測定する器具からのデータを用い、ウェハの屈曲が最小になるように前記加熱ゾーンの温度を変化させる。
ウェハの屈曲の測定は、例えばEpiCurve（登録商標）TT Gen 3による光学的方法で行うことができる。屈曲の大きさはウェハの直径に依存するので、しばしば屈曲の半径として表され、ｋｍ－１として示される。半径の値が大きいほど、屈曲は小さくなる。本発明に関連して試された測定方法は７０００ｋｍ－１に相当する凸半径、及び、凹半径の場合は８００ｋｍ－１まで測定することが可能である。成長過程において、屈曲半径はしばしば５０ｋｍ－１前後であり、十分にこの測定方法で求められる範囲内である。屈曲は、ウェハに向かって送られるレーザビームの反射を測定することによって、ウェハの中心から異なる距離にある互いに独立した位置で測定される。２つの異なる位置からのそれらの反射における反射ビームの角度間の差を測定することにより、屈曲を求めることができる。ウェハの屈曲は連続的に測定される。
ヒータの温度は、自動制御回路によって一定の時間間隔で調整され、これは３０秒の期間で行うことができる。測定された屈曲に関連して、テーブル値に従って調整が行われる。屈曲が凹状である場合、すなわち、ウェハの縁部がウェハの中央部分よりも高い場合、上側の温度は一般に、下側に対して上昇されなければならない。本明細書では、ヒータが成長チャンバに隣接して配置されることに言及する。「別個のヒータ」という概念は、本明細書では互いに対して個別にそれらの温度が測定され、それらの電力が制御されるヒータを言う。
サセプタは、サセプタの上方のガス流に対して垂直に配置されたシャフトの周りを回転する。ヒータの設計は与えられておらず（又は、所与ではなく）、その代わりに、それらは成長チャンバ内のガス流の実施（又は、挙動／conduct）に従って配置することができる。本明細書に開示される解決策では、水平ガス流が示され、プロセスガスの流れが、主に、その表面に１つまたは複数のウェハを有する水平に配置されたサセプタを横切って水平に通過する。プロセスガスは、他の用途ではサセプタの中央上方に導入され、その周囲の方向にポンプ引きされる（pumped away）ことができる。今日、プロセスガス流の構成として複数の方法が使用されている。
成長チャンバに流入するプロセスガスはサセプタを冷却し、そのため、ヒータはガス流の挙動に従って設計されなければならない。サセプタの上方および下方のヒータは、個別に制御される。本発明の開示された実施形態では、成長チャンバを通る水平ガス流に対して垂直に延びる直線状のヒータが使用され、ここで、ヒータはサセプタの上方および下方の両方に位置する。本発明による装置の原理は、他の設計の成長チャンバ、サセプタの位置、およびプロセスガスの流れについても、それらの設計がサセプタの上下およびそれにより成長中のウェハの上下に制御された加熱ゾーンを確立できるようにヒータを配置することによって、同様に使用することができる。
ウェハが内部応力または付加された成長層によって生じた応力によって屈曲する傾向があるとき、ウェハは、本発明により、ウェハの表面全体にわたる温度プロファイルの制御された変化を確立することによって平坦に保つことができる。このプロセスは、フィードバック制御回路で自動的に監視される。
図１は、本発明の態様による装置の概略図を示す。 図２は、本発明による装置の斜視図を概略的に示し、ここで、反応器、成長チャンバ、およびプロセスガスのためのチャネルは装置が例示された反応器内に配置される場合に、成長チャンバを通る長手方向断面で示される。 図３は、図２による成長チャンバを通る長手方向断面を示し、ここで、成長チャンバおよびウェハに関連するヒータの位置が示されている。 図４は、図３に記載の成長チャンバの下半分の上方からの平面図を示し、サセプタ、ウェハ、および前記成長チャンバの下のヒータグループが現れる。
以下に、本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照して説明する。図面は、本発明の原理を概略的に示すに過ぎず、異なる要素間の比率を縮尺に従って示すことを要求するものではない。
ここでは、本発明による装置の実施形態が提示される。上述したように、成長チャンバ及びプロセスガス用のチャネルの構成は、様々な方法で設計することができる。本明細書に提示される実施形態に示される要素を他の形状の反応器に適合させることによって、本発明の原理をこれらに移すことができる。
図１は、ウェハ上に半導体材料の層を成長させるための反応器内で使用されている内部要素のみを示す。装置の図示された例は、シリコン上に窒化ガリウムを成長させるための反応器で使用される。この種の成長は通常９００℃と１５００℃との間の非常に高い温度を必要とし、それによって、上述の結晶材料に欠陥が生じることがある。本発明による装置は、１として参照される。ここでは、シャフト３の周囲を回転するように配置されたサセプタ２が図示されている。サセプタ２上にはウェハ４が配置され、それによってウェハはサセプタと共に回転する。半導体材料の成長は、ウェハ４の上側で起こる。図中、半導体材料の成長に使用されているプロセスガスは、図中、出口に向かって水平方向に左から右に流れるように示されている。プロセスガス流は参照符号５で示されている。ヒータはサセプタ２の下および上の両方に配置され、図の例ではＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６で示される６つの異なるヒータが配置される。ヒータは、一例として、グラファイトの部材（又は、要素）として製造される。上述のように、ウェハの屈曲は、非常に短い間隔であるが、ヒータ間でウェハの少なくとも１つのわずかに中心側の点とウェハの１つのわずかに周縁側の点とに向けられるレーザ光線６によって測定される。
装置１は図２の反応器１０の内側に非常に概略的に示されており、反応器は、底部１１、蓋１２、および円筒壁１３を備えて設計された円筒ハウジングを備えて構成されている。図２による反応器は、通常、ステンレス鋼で作られる。この図は反応器１０を通る断面を示しており、これにより、この内部に、長手方向断面に開放された成長チャンバ１４が容易に明らかにされる。成長チャンバは、非常に耐熱性の材料で作られる。成長チャンバ１４は、ここでは底部１５と上部壁１６とを備えている。サセプタ２は成長チャンバの底部１５内に埋められて（submerged）示されており、サセプタと同じ平面内で回転可能に配置されている。反応器１０はプロセスガスを供給するためのポートを有し、プロセスガスは入口チャネル１７を介して成長チャンバ１４に導入される。ここで、プロセスガスは入口チャネル１７の内部の矢印によって記号化されている。さらに、反応器１０は未使用のプロセスガスを排出するためのポートを有し、これらは、成長チャンバ１４から出口チャネル１８を介して排出される。この出口チャネル１８では、この未使用のプロセスガスの流れが出口チャネル１８の内部に矢印で示されている。ヒータＶ１～Ｖ６は明確のため、図２には示されていない。
図２の例に係る反応器１０において適用される装置１内に配置されたヒータ構成Ｖ１－Ｖ６は図３において可視化されている。この図から、成長チャンバの底部１５の下方および上部壁１６の上方の両方のヒータによって、３群のヒータが配置されていることが理解できる。ヒータＶ１～Ｖ６は、グループに編成される。したがって、成長チャンバは、第１のグループのヒータＶ１およびＶ４によって、成長チャンバ内へのプロセスガスの流入時に加熱される。第２のグループのヒータＶ２およびＶ５は成長チャンバ１４をその中央部分で加熱し、一方、第３のグループのヒータＶ３およびＶ６は、成長チャンバからのプロセスガスの出流で成長チャンバを加熱する。プロセスガスは、ここでは矢印５で示されている。したがって、長さ方向の成長チャンバ１４の広がりに対するこれらのヒータＶ１－Ｖ６の異なる位置への配置、ウェハ４の中心部分およびその周辺部分への熱の供給は、これらへのエネルギの供給に関してヒータグループが個々に制御されるため、互いに独立して制御および変化させることができる。また、成長チャンバ１４の上部または下部の温度は、互いに独立したヒータグループの上部ヒータおよび下部ヒータの制御によって、それぞれのヒータグループで制御することができる。ヒータＶ１～Ｖ６は、本実施形態ではグラファイトの部材で構成されている。
図４は、成長チャンバ１４の底部１５を上から見た平面図で示す。ここで、異なるヒータグループが成長チャンバ１４の異なる部分をどのように加熱するかを明確に読み取ることができ、したがって、ウェハ４への熱の供給の変化がどのように確立されるかを示す。自動制御回路（図示せず）は屈曲量（曲がり量／曲がり値／bending value）を検出し、その後、ヒータＶ１～Ｖ６へのエネルギの供給を制御し、それにより、平坦なウェハを維持するように、監視された温度プロファイルがウェハ４の全表面にわたって達成される。例えば、サセプタ２上に配置されたウェハの屈曲の測定値がウェハ４の縁部でウェハの中央部分よりも高いことを示す場合、自動制御回路は、ウェハの外側部分でウェハの上側の温度を上昇させ、それによって、ウェハの縁部の上方への屈曲が相殺される。これは、ヒータＶ４及びＶ６におけるエネルギ供給の増大、又はヒータＶ１及びＶ３を介してのエネルギ供給の低下によって達成される。
従来技術の測定方法によるレーザ光が、どのようにウェハ上の位置に向けられるかが、図３に示されている。ウェハに入射する光ビームと符号６で示す反射ビームとの間に形成された角度を測定し、ウェハ上の異なる位置に向けられた別の光ビームに対する対応する角度と比較することによって、ウェハの任意の屈曲を決定することができ、したがって、異なるヒータへのエネルギ供給の自動調整によって対応することができる。この制御は、前記制御回路を介して実行される。屈曲値（又は、屈曲量）は前記測定法により求められる。
温度の測定は、光学的方法（パイロメータ（又は、高温計／pyrometer）の使用）によって行われる。各ヒータに対してパイロメータの形態の温度センサ２０が１つある。パイロメータは、ガスの流れの方向に対して垂直に測定する。パイロメータは成長チャンバの外側に位置し、光学窓を通して測定する。これは、成長チャンバの外側にある温度センサ２０からの矢印によって示されている。測定はヒータに対して直接ではなく、底部１５及び上部壁１６に対して行われる。
成長チャンバ内の温度を測定する代わりに、ヒータへの印加電力に関するデータを求めることができる。これにより、測定された電力データは、屈曲量と共に制御回路に対する制御手段として使用される。
ヒータＶ１－Ｖ６に供給される電力エネルギは、真空密の電気ブッシングを介して反応器１０の外側円筒壁１３を通して導入される。これらのブッシングはさらに、ヒータをそれらの位置に保持する。ヒータと冷たい外壁の間には、プロセスガスと反応器内部の高温に耐える隔離部（isolation）がある。

Claims (10)

  1. 反応器ハウジング（１１、１２、１３）内に配置された成長チャンバ（１４）内の高温での成長中に半導体ウェハ（４）の平面性を確保するための装置であって、
    －成長チャンバ（１４）内の回転するサセプタ（２）上に少なくとも１つのウェハ（４）を堆積させ、前記成長チャンバ（４）から前記ウェハ（４）を引き出すことを可能にするポートを有する成長チャンバ（１４）であって、前記成長チャンバ（１４）はプロセスガス（５）の供給のための入口チャネル（１７）と、消費されなかったプロセスガス（５）を排出するための出口チャネル（１８）とをさらに有することで前記チャネル（１７、１８）の間にプロセスガス流を生成する、前記成長チャンバ（１４）
    を有し、
    前記ウェハ（４）の上方及び下方の両方の個別に制御された加熱ゾーンによって回転するウェハ（４）を加熱するために個別のヒータＶ１～Ｖ６が前記成長チャンバ（１４）に隣接して配置され、
    前記ウェハ（４）の屈曲を測定するために器具（６）が配置され、
    ａ）温度センサ（２０）、ｂ）ヒータへの電力の測定データ、およびウェハの屈曲を測定する器具（６）のいずれか１つからのデータを使用し、前記ウェハ（４）の屈曲が最小になるように前記温度ゾーンの温度を変化させるために自動制御回路が配置されている、装置。
  2. 前記ヒータＶ１～Ｖ６は、前記成長チャンバ（１４）の下に３つのヒータＶ１～Ｖ３を有し、前記成長チャンバの上に３つのヒータＶ４～Ｖ６を有して配置される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記ヒータＶ１～Ｖ６がグループで配置され、それによって、成長チャンバ（１４）が第１のグループの前記ヒータＶ１およびＶ４を用いて前記成長チャンバ内へのプロセスガス（５）の流入部で加熱され、第２のグループの前記ヒータＶ２およびＶ５が成長チャンバをその中央部分で加熱し、第３のグループの前記ヒータＶ３およびＶ６が成長チャンバからのプロセスガス（５）の流出部で成長チャンバ（１４）を加熱する、請求項２に記載の装置。
  4. 前記ウェハ（４）の屈曲は、前記ウェハ（４）に向かって送られ、前記ウェハ（４）面上の少なくとも２つの点から反射されるレーザ光（６）によって前記屈曲を計算する器具によって測定される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記器具（６）は前記ウェハ（４）に入射するレーザビーム（６）と、前記ウェハ上の少なくとも２つの点で前記ウェハから反射されるレーザビーム（６）との間の角度を計算し、それにより、前記ウェハの屈曲が存在するかどうかを計算するように構成される、請求項４に記載の装置。
  6. 請求項１に記載の成長チャンバ（１４）において高温での成長中に半導体ウェハ（４）の平坦性を確保するための方法であって、
    前記ウェハ（４）に向けてレーザビーム（６）を送る器具によって前記ウェハ（４）の屈曲が測定され、
    始まって測定された屈曲に対応するために、自動制御回路が前記ヒータ（Ｖ１～Ｖ６）のうちの１つまたはいくつかへのエネルギの供給を調整する、方法。
  7. 個々のヒータＶ１～Ｖ６は、それらへのエネルギ供給に関して個別に制御されるステップをさらに有する、請求項６に記載の方法。
  8. 前記成長チャンバ（１４）の上部または下部の温度が、上部及び下部の前記ヒータＶ１～Ｖ６を互いに独立して制御することによって制御されるステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記ウェハ（４）の端部での屈曲測定値が前記ウェハ（４）の中央部よりも高いことが示されたときに、前記自動制御回路が、前記ウェハ（４）の外側の上側に位置する前記ヒータ（Ｖ４－Ｖ６）のいずれかへのエネルギ供給を増やすことにより、前記ウェハ（４）の外側の上側の温度を上昇させることを確実にするステップをさらに有する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ウェハ（４）の端部での屈曲測定値が前記ウェハ（４）の中央部よりも低いことが示されたときに、前記自動制御回路が、前記ウェハ（４）の外側の下側に位置する前記ヒータ（Ｖ１－Ｖ３）のいずれかへのエネルギ供給を増やすことにより、前記ウェハ（４）の外側の下側の温度を上昇させることを確実にするステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
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