JP4042618B2 - エピタキシャルウエーハ製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直軸回りに回転する水平円盤型のサセプタを用いるエピタキシャルウエーハ製造方法に関し、更に詳しくは、そのサセプタ上で複数枚のウエーハを同時処理するエピタキシャルウエーハ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エピタキシャル成長装置の一種として枚葉式装置がある。この装置は、横型の反応管内に配置された水平円盤型のサセプタの上に１枚のウエーハを同心状に載置し、そのサセプタを回転させながら、原料ガスをサセプタの上面に沿って水平方向に流通させることにより、ウエーハの上面にエピタキシャル膜を形成するものである。このエピタキシャル成長装置は、ウエーハの大径化と共に多用されるようになり、３００ｍｍウエーハ対応装置でも主流と目されている。ここにおけるウエーハ加熱には、ウエーハの均一加熱を目的としてランプ加熱方式が多用されている。
【０００３】
枚葉式エピタキシャル成長装置では、エピタキシャル成長を必要とするウエーハの上面にのみ原料ガスを接触させることを目的として、ウエーハを収容する円形の凹部がサセプタの中心部上面に設けられる。座ぐりと呼ばれるこの凹部内にウエーハを収容してエピタキシャル成長を行うことより、スティッキングなどと呼ばれるウエーハとサセプタの固着現象が抑制される。
【０００４】
枚葉式エピタキシャル成長装置における水平円盤型サセプタの上面に設けられる凹部は１個であるが、上面の回転中心回りに複数の凹部が設けられた大径の水平円盤型サセプタを大型の横型反応管内に配置して、複数枚のウエーハを同時処理することも考えられている。ここにおけるウエーハ加熱には通常、高周波誘導加熱或いは抵抗加熱方式が採用される。
【０００５】
水平円盤型サセプタを使用するエピタキシャル成長処理における問題の一つとして、サセプタの凹部内におけるウエーハの移動がある。即ち、サセプタの凹部はウエーハより大径であるため、凹部内にウエーハをローディングしたときなどに凹部内でウエーハが径方向に移動するのである。そして、この移動は特に厚膜エピタキシャルウエーハの製造で大きな問題になる。
【０００６】
即ち、エピタキシャル成長を用いるウエーハの用途として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister ）に代表されるパワーデバイスがある。パワーデバイス向けエピタキシャルウエーハの製造では、エピタキシャル成長膜の厚みが厚く、１００μｍ程度に達することも少なくない。このような厚膜形成処理では、サセプタ上のウエーハが凹部内に収容されているにもかかわらず、サセプタ内周面とウエーハ外周面との間が、ブリッジと呼ばれる両者に跨がった析出物により固着する現象が発生しやすい。
【０００７】
ウエーハとサセプタの間にブリッジが形成されると、エピタキシャル成長後の降温工程でウエーハとサセプタの収縮量及び収縮速度の相違により、ウエーハ側ではウエーハのクラックや割れなどが発生し、サセプタ側ではＳｉＣコートの剥がれといった問題が発生する。また、ブリッジが残ったまま降温が終了した場合でも、サセプタからウエーハを取り出すときに同様の問題が発生する危険性がある。
【０００８】
ブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を防止するためには、サセプタの凹部内におけるウエーハの移動を阻止するのが有効であり、その移動阻止のための具体的手段の一つが特許文献１に記載されている。即ち、特許文献１によると、枚葉式エピタキシャル成長装置に使用される水平円盤型サセプタの凹部内底面（ウエーハ載置面）に多数のガス抜き貫通孔を設けることにより、凹部内にウエーハをローディングするときにガス抜きが円滑に行われ、ガス抜き不良によるウエーハの滑動が防止されるとされている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−８１９８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
水平円盤型サセプタの凹部内底面に多数のガス抜き貫通孔を設けるウエーハ移動対策は、枚葉処理だけでなく、大径の水平円盤型サセプタを用いる複数枚同時処理でも有効である。また、ローディング時だけでなく、その後のウエーハ処理中も有効である。なぜなら、エピタキシャル成長処理中におけるサセプタ表面側とサセプタ裏面側の圧力差などにより、ガス抜き貫通孔の裏面側が表面側に対して僅かに負圧を示し、ウエーハが凹部の内底面（ウエーハ載置面）に吸着されるからである。
【００１１】
ところが、大径の水平円盤型サセプタを用いる複数枚同時処理で且つ高周波誘導加熱又は抵抗加熱の場合は、サセプタの凹部内底面に多数のガス抜き貫通孔を設けることにより、エピタキシャル膜の膜厚分布の均一性が低下し、膜表面の平坦性が低下するという、重大な二次問題を生じることが判明した。
【００１２】
即ち、ウエーハを収容する複数の凹部が上面の回転中心回りに設けられた大径の水平円盤型サセプタを用いる複数枚同時処理の場合は、前述したとおり、加熱方式として高周波誘導加熱又は抵抗加熱が採用される。これらの加熱方式では、サセプタが高周波誘導加熱又は抵抗加熱により直接加熱され、サセプタからの熱輻射や熱伝導によってサセプタ上のウエーハが間接加熱される。複数枚同時処理に間接的なウエーハ加熱方式が組み合わされるのは、ランプ加熱では複数枚のウエーハの全てを均一加熱するのが困難になるからである。
【００１３】
高周波誘導加熱又は抵抗加熱による間接加熱方式の場合、ウエーハを収容する凹部の内底面（ウエーハ載置面）に多数の貫通孔が設けられていると、各貫通孔の部分で熱輻射を期待できなくなり、ウエーハの加熱温度分布が不均一になる。その結果、エピタキシャル膜の膜厚分布の均一性が低下し、膜表面の平坦性が低下することになる。
【００１４】
これに加えて、高周波誘導加熱又は抵抗加熱による間接加熱方式の場合は、サセプタとウエーハの間のブリッジが顕著化する傾向が見られる。その理由としては、この加熱方式では、サセプタの加熱昇温によりウエーハが間接加熱されるため、ウエーハ温度よりもサセプタ温度が高く、サセプタに付着したＳｉが溶融してウエーハ外周側に析出しやすくなることが考えられる。この傾向のために、間接加熱方式の場合は凹部内でのウエーハ移動を阻止することがより一層重要となる。
【００１５】
本発明の目的は、高周波誘導加熱又は抵抗加熱による間接加熱と複数枚同時処理との組み合わせにおいて、水平円盤型サセプタ上のウエーハの移動を阻止し、合わせて、エピタキシャル膜表面の平坦性低下を阻止することができるエピタキシャルウエーハ製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するめに、本発明者は水平円盤型サセプタの凹部内底面（ウエーハ載置面）に設けれられるガス抜き貫通孔の個数を極力少なくすることを企画した。水平円盤型サセプタの凹部内底面におけるガス抜き貫通孔の個数を少なくすることにより、エピタキシャル膜の膜厚分布の均一性が低下し、膜表面の平坦性が低下するという、間接加熱に伴う二次問題は解決される。しかしながら、その一方でガス抜き性が悪化し、凹部内におけるウエーハのホールド性は悪化することが懸念される。
【００１７】
即ち、水平円盤型サセプタの凹部内でのウエーハの移動を阻止し、ホールド性を高めるためには、凹部の内底面に設けられるガス抜き貫通孔は多いほど効果的である。
【００１８】
ところが、意外なことに、間接加熱と組み合わされる複数枚同時処理では、枚葉処理と比べて、ガス孔抜き貫通孔によるウエーハ吸着性が飛躍的に向上し、凹部の内底面に設けられるガス抜き貫通孔を例えば内底面中心部の１個に制限しても、枚葉処理で多数のガス抜き貫通孔を設ける場合とほぼ同等の良好なウエーハーホールド性が確保されることが判明した。その理由は以下のとおりと考えられる。
【００１９】
複数枚同時処理に使用される大径の水平円盤型サセプタでは、複数の凹部が回転中心回りに設けられているため、サセプタの回転に伴って回転中心回りを大きい回転半径で旋回（公転）する。一方、枚葉処理では凹部は中心割りに自転するだけである。このため、サセプタの回転に伴う凹部の移動速度は、複数枚同時処理で相当に大きくなる。その結果、貫通孔のサセプタ裏面側における水平方向の流速が増大する。一方、貫通孔のウエーハ載置面側における水平方向の流速は、凹部内のガスが淀んだ状態にあるため０に近い。この流速差により、ベンチュリー効果が生じ、貫通孔のサセプタ裏面側はウエーハ載置面側に対して負圧となる。その結果、凹部内のウエーハは内底面（ウエーハ載置面）に吸着される。
【００２０】
したがって、複数枚同時処理の場合は、ガス抜き貫通孔を凹部内底面中心部の１個に制限しても、枚葉処理で多数のガス抜き貫通孔を設ける場合と同等の良好なウエーハーホールド性が確保されることになる。
【００２１】
即ち、高周波誘導加熱や抵抗加熱による間接加熱と複数枚同時処理との組み合わせでは、間接加熱で問題となるエピタキシャル膜の膜厚分布の均一性低下を阻止するためにガス抜き貫通孔を制限しても、複数枚同時処理ゆえにウエーハホールド性の悪化は阻止され、両者を高次元で両立させることが可能になるのである。
【００２２】
本発明のエピタキシャルウエーハ製造方法は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、垂直軸回りに回転する水平な円盤状であり、その円盤上面の回転中心回りに、ウエーハを収容する複数の凹部が設けられ、且つ各凹部の内底面中心部にのみ裏面側へ貫通する貫通孔が設けられたサセプタを、横型の反応管内に配置し、該サセプタを高周波誘導加熱又は抵抗加熱により昇温させることにより、複数の凹部内に収容された各ウエーハを同時に間接加熱して、各ウエーハの上面にエピタキシャル膜を形成するものである。
【００２３】
貫通孔の孔径は２ｍｍ以下が好ましい。孔径を２ｍｍ以下に制限することにより、貫通孔の部分での加熱不足が軽減され、膜厚均一性が特に良好となる。孔径が２ｍｍを超える場合であっても、貫通孔に通気性を阻害しない栓体を装着すれば、貫通孔の部分での加熱不足が軽減され、膜厚均一性が良好となる。また、貫通孔がサセプタの回転中心線に対して傾斜した傾斜孔の場合も、貫通孔の部分での加熱不足が軽減され、膜厚均一性が良好となる。
【００２４】
本発明は、ウエーハとサセプタの間のブリッジが顕著化する厚膜処理、具体的には膜厚が４０μｍ以上の厚膜処理に特に有効である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に使用されるエピタキシャル成長装置の概略構成図で側面図、図２は同概略構成図で平面図、図３は図２中のＡ−Ａ線矢示図である。
【００２６】
ここに示されたエピタキシャル成長装置は、膜厚が４０μｍ以上のパワーデバイス向け厚膜エピタキシャルウエーハの製造に使用されるバッチ式装置である。この装置は、図１及び図２に示すように、チャンバー１内に水平設置された横型の反応管２を有している。反応管２内には、水平な円盤状のサセプタ３が長手方向の中央部に位置して設けられると共に、サセプタ３を長手方向の前後から挟むようにして水平な仕切り板６，６が設けられている。
【００２７】
サセプタ３は、反応管２内に下方から挿入された垂直な支持軸４により水平に支持されており、支持軸４の回転により中心回りに回転駆動される。サセプタ３の上面には、座ぐりと呼ばれる複数の凹部７，７・・が設けられている。複数の凹部７，７・・は、ウエーハ８を水平に収容する構成になっており、サセプタ３の回転中心回りに等角配置されている。各凹部７の内底面（ウエーハ載置面）は、図３に示すように、凹部７内のウエーハ８を均一加熱するために、下方へ凸の方向に湾曲している。この内底面の中心部には、単一の貫通孔９が設けられている。貫通孔９は、サセプタ３を直角に貫通する直角孔であり、且つ内径が２ｍｍ以下の細孔である。
【００２８】
反応管２の下方には、サセプタ３上のウエーハ８，８・・を加熱するコイル５が、支持軸４を取り囲むようにして設けられている。コイル５はサセプタ３を高周波誘導加熱し、これによりサセプタ３上のウエーハ８，８・・を加熱する。仕切り板６，６はサセプタ３と共同して反応管２内をサセプタ２より上側の空間と下側の空間とに区画し、上側の空間に原料ガスを一端部から他端部へかけて流通させる。
【００２９】
操業では、先ず昇温過程を経てウエーハエッチングを行う。このエッチング工程では、サセプタ３を回転させながら、サセプタ３の上に載置したシリコンウエーハ８，８・・を１１００〜１２００℃に加熱し、この状態で反応管２内に水素ガス又は塩酸ガスを含む水素ガスを通す。ウエーハエッチングが終わると、エピタキシャル成長工程に移行する。この工程では、サセプタ３を回転させながら、サセプタ３の上に載置したシリコンウエーハ８，８・・を例えば１０５０〜１１５０℃に加熱し、この状態で反応管２内に原料ガス（例えばトリクロシランと水素の混合ガス）を通すことにより、シリコンウエーハ８，８・・の各表面にエピタキシャル膜を形成する。
【００３０】
エピタキシャル成長工程では、サセプタ３が高周波誘導加熱により直接加熱され、サセプタ３からの熱輻射及び熱伝導によりシリコンウエーハ８，８・・が間接加熱される。このとき、サセプタ３の各凹部７に設けられた貫通孔９の部分では、加熱体が存在しないため、ウエーハ８の加熱不足が発生し、エピタキシャル膜の膜厚が薄くなるが、貫通孔９が各凹部７あたり１個に制限され、しかも貫通孔９の孔径が２ｍｍ以下に制限されているため、貫通孔９の部分での加熱不足に起因する膜厚の不均一化は大幅に緩和され、高い膜表面の平坦性が得られる。
【００３１】
また、貫通孔９によるウエーハ８の吸着保持については、凹部７がサセプタ３の回転中心から離れた位置にあり、貫通孔９の部分の旋回周速度が大きくなるため、貫通孔９のサセプタ裏面側における水平方向の流速が大となり、大きなベンチュリー効果を期待できる。このため、貫通孔９が各凹部７あたり１個に制限されているにもかかわらず優れたウエーハホールド性が確保される。その結果、凹部７内のウエーハ８が公転し、大きな遠心力を受けるにもかかわらず、凹部７内でのウエーハ８の移動が阻止され、同心位置に保持される。従って、厚膜エピタキシャルウエーハを製造するにもかかわらず、サセプタ３とウエーハ８の間のブリッジに起因するウエーハ８の損傷が防止される。
【００３２】
エピタキシャル成長工程が終わると、原料ガスを排出しエピタキシャル成長を終息させることを目的として、水素ガス中で１０００〜１１８０℃×３０秒以上の水素ガスベークを行い、その後、ウエーハ８を降温する。
【００３３】
図４はサセプタにおける他の貫通孔の構造を示す、図３に対応の断面図である。ここでは、凹部４の内底面中心部に設けられた貫通孔９に栓体１０が挿入されている。栓体１０はサセプタ３と同材質からなり、その外周面には通気性を確保するために複数のスリット１１，１１が設けられている。貫通孔９に栓体１０を挿入することにより、貫通孔９の部分における輻射熱量の低減が抑制されるため、貫通孔９の孔径が２ｍｍより大きい場合でも貫通孔９の部分での加熱不足に起因する膜厚の不均一化は大幅に緩和される。
【００３４】
図５はサセプタにおける更に別の貫通孔の構造を示す、図３に対応の断面図である。ここでは、凹部４の内底面中心部に設けられる貫通孔９が、サセプタ３の回転中心線に対して傾斜している。傾斜角度は、貫通孔９のウエーハ載置面側の開口部とサセプタ裏面側の開口部とが重ならないように選択されている。傾斜方向は、サセプタ裏面側へ向かってサセプタ３の回転方向下流側へ傾斜するものとなっている。
【００３５】
貫通孔９が傾斜し、特に貫通孔９のウエーハ載置面側の開口部とサセプタ裏面側の開口部とが重ならないように傾斜することにより、貫通孔９の部分でもウエーハ８の下面に凹部７の内底面が対向する。その結果、貫通孔９の孔径が２ｍｍより大きい場合でも貫通孔９の部分での加熱不足に起因する膜厚の不均一化は大幅に緩和される。また、貫通孔９の傾斜方向が、サセプタ裏面側へ向かってサセプタ３の回転方向下流側へ傾斜する方向に設定されているため、貫通孔９を通したサセプタ裏面側への吸引効果が促進され、凹部７内でのウエーハ８のホールド性が向上する。貫通孔９を通したサセプタ裏面側への吸引効果をより促進するために、貫通孔９のサセプタ裏面側の開口部からサセプタ３の回転方向下流側へ延びる溝部１４がサセプタ８の裏面に設けられている。
【００３６】
図６はサセプタにおける更に別の貫通孔の構造を示す、図３に対応の断面図である。ここでは、貫通孔９の周辺でサセプタ３の裏面が下方へ盛り上がるように凸部１２が設けられている。凸部１２を設けることにより、サセプタ３の裏面から下方の固定定盤１３までの距離が、貫通孔９の周辺で部分的に小さくなり、この部分で水平方向の流速が増大する。同時に、周囲との間の流速差が大となる。これらにより、貫通孔９を通したサセプタ裏面側への吸引効果が促進され、凹部７内でのウエーハ８のホールド性が向上する。
【００３７】
図７はサセプタにおける更に別の貫通孔の構造を示す平面図、図８は図７中のＢ−Ｂ線矢示図である。ここでは、サセプタ３の裏面に、外周側へ開放する溝部１４が、各貫通孔９の回転方向下流側に位置して設けられている。各溝部１４は、回転方向下流側に向かって漸次浅くなっている。このような溝部１４をサセプタ３の裏面に設けることにより、貫通孔９のサセプタ裏面側の開口部での流速が増大し、貫通孔９を通したサセプタ裏面側への吸引保持が促進される。
【００３８】
本発明の実施例として、大径の水平円盤型サセプタを用いる高周波誘導加熱方式の５枚同時処理型エピタキシャル成長装置により、直径が２００ｍｍでｐ型の供試シリコンウエーハ（１００）に１００μｍの厚膜エピタキシャル処理を行った。サセプタの直径は６００ｍｍ、回転数は５ｒｐｍ、サセプタの凹部中心部における貫通孔は孔径が２ｍｍの直角孔とした。エピタキシャル膜表面の平坦性は、ランプ加熱方式の枚葉式装置においてサセプタの凹部内底面に数１００個の１ｍｍ孔を設けた場合と実質同一であった。サセプタとウエーハの間のブリッジによる不良ウエーハの発生率も前記枚葉式装置と同じレベルに改善された。
【００３９】
比較例として、前記の５枚同時処理装置において、サセプタの各凹部内底面に３個の３ｍｍ孔を設けた。この場合は、エピタキシャル膜表面の平坦性は孔の部分にてＴＴＶが２倍程度悪化した。不良ウエーハの発生率は、各凹部内底面の中心部に１個の２ｍｍ直角貫通孔を設けた場合と実質的に変わらないレベルであった。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のエピタキシャルウエーハ製造方法は、高周波誘導加熱又は抵抗加熱による間接加熱と複数枚同時処理との組み合わせにおいて問題となるエピタキシャル膜表面の平坦性低下を阻止できる。しかも、サセプタ上のウエーハの移動を阻止でき、ウエーハとサセプタの間のブリッジに起因するウエーハやサセプタの損傷を効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に使用されるエピタキシャル成長装置の概略構成図で側面図である。
【図２】同概略構成図で平面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線矢示図である。
【図４】サセプタにおける他の貫通孔構造を示す、図３に対応の断面図である。
【図５】サセプタにおける更に別の貫通孔構造を示す、図３に対応の断面図である。
【図６】サセプタにおける更に別の貫通孔構造を示す、図３に対応の断面図である。
【図７】サセプタにおける更に別の貫通孔構造を示す平面図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ線矢示図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 反応管
３ サセプタ
４ 支持軸
５ 誘導加熱コイル
６ 仕切り板
７ 凹部
８ ウエーハ
９ 貫通孔
１０ 栓体
１１ スリット
１２ 凸部
１３ 固定定盤
１４ 溝部

Claims (4)

1. 垂直軸回りに回転する水平な円盤状であり、その円盤上面の回転中心回りに、ウエーハを収容する複数の凹部が設けられ、各凹部の内底面中心部にのみ裏面側へ貫通する貫通孔が設けられ、前記貫通孔に複数のスリットを設けた栓体が装着されたサセプタを、横型の反応管内に配置し、該サセプタを高周波誘導加熱又は抵抗加熱により昇温させることにより、複数の凹部内に収容された各ウエーハを同時に間接加熱して、各ウエーハの上面にエピタキシャル膜を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハ製造方法。
2. 前記貫通孔の孔径が２ｍｍ以下である請求項１に記載のエピタキシャルウエーハ製造方法。
3. 垂直軸回りに回転する水平な円盤状であり、その円盤上面の回転中心回りに、ウエーハを収容する複数の凹部が設けられ、各凹部の内底面中心部にのみ裏面側へ貫通する貫通孔が設けられ、前記貫通孔はサセプタ裏面側へ向かってサセプタの回転方向下流側へ傾斜した傾斜孔であるサセプタを、横型の反応管内に配置し、該サセプタを高周波誘導加熱又は抵抗加熱により昇温させることにより、複数の凹部内に収容された各ウエーハを同時に間接加熱して、各ウエーハの上面にエピタキシャル膜を形成することを特徴とするエピタキシャルウエーハ製造方法。
4. 前記エピタキシャル膜の膜厚が４０μｍ以上である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエーハ製造方法。

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