JP4320574B2

JP4320574B2 - エピタキシャル成長装置

Info

Publication number: JP4320574B2
Application number: JP2003297116A
Authority: JP
Inventors: 順博蛇川; 直樹小野
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP2005072118A

Description

本発明は気相成長法を用いた枚葉式エピタキシャル成長装置に関し、特に、成長させる膜厚均一性に優れたエピタキシャル製造装置に関するものである。

半導体ウェーハ、例えばシリコンウェーハの製造分野においては、基板の表面にシリコンエピタキシャル層を形成した、いわゆるエピタキシャルウェーハ（以下、エピウェーハと略す）が従来から知られている。この技術によれば、基板上に任意の膜厚や抵抗率を持つ単結晶シリコン層を形成できるので、高性能の半導体デバイスを製造することができる。例えばバイポーラトランジスタの分野では高速化の目的で、ＣＭＯＳメモリの分野ではソフトエラー、ラッチアップ等の不良対策として、エピウェーハの使用が極めて有効であることが認識されており、需要が高まっている。

この種のエピウェーハにおいて、通常、シリコンエピタキシャル層の膜厚は規定されており、規格管理されたものが出荷されている。例えば、厚いエピタキシャル層が要求される用途では数μｍ〜２０μｍ程度、薄いエピタキシャル層が要求される用途では１μｍ弱〜数μｍ程度に設定されている。

半導体デバイスの製造工程においてエピタキシャル層を形成する技術として、通常、気相エピタキシャル法が用いられている。これに用いるエピタキシャル成長装置は、枚葉式エピ炉の場合、チャンバー（炉）内のサセプタ上にウェーハが載置され、ウェーハが加熱されるとともに、ウェーハの上方にシラン系ガス（ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄）等の原料ガスとＨ₂等のキャリアガスの混合ガスが供給されることにより、ウェーハ表面にＳｉエピタキシャル層が形成されるものである。

従来の枚葉式エピタキシャル成長装置で発生するエピタキシャル膜厚分布の悪化の原因として、ウェーハ上を流れるガス流速がガスの流れ方向と垂直方向かつウェーハ面と平行方向に一様でないことが考えられる。ガス流速を均一化する方法としては多孔バッフルを用いた整流化による方法がよく用いられている。この組み合わせでエピタキシャル膜成長をすることが従来は知られているが、バッフル孔の影響でガス流速の強弱ができてしまう。以上のように、従来の流入ガス整流化では、その効果が不十分であった。
特開２００２−２４９３９８

半導体デバイスの分野においては高集積化が年々進んでおり、より微細な加工が必要になってきている。この際、例えばフォトリソグラフィー工程における露光装置の焦点深度等の関係から、デバイス材料となるシリコンウェーハの平坦度が高いことが要求される。ウェーハの平坦度は、フォトリソグラフィー工程のみならず、他の工程においても加工精度を向上させる上で重要なファクターとなっている。

しかしながら、従来の枚葉式エピ炉を用いたエピタキシャル層の成長方法においてはウェーハ面内の膜厚バラツキが大きく、特にエピタキシャル膜厚変化がなだらかでなく、局所的に厚い箇所や薄い箇所が生じるという問題があった。したがって、エピウェーハの製造工程において、スライシングからポリッシングまでの加工精度を上げて下地ウェーハの平坦度をいくら向上させたとしても、その上に成長させるエピタキシャル層の凹凸があるために、結果的にウェーハ表面の平坦度が悪くなるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、エピタキシャル層の膜厚分布をなだらかにし、ウェーハ面内の凹凸をなくすことで全体としてウェーハの平坦度を改善することが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。

上記の目的を達成するために、本発明のエピタキシャル成長装置は、ウェーハを収容するチャンバーと、前記チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを整流化するための整流部材と、整流化された前記ガスをチャンバー内に流出させるガス流出口を有し、前記整流部材と前記ガス流出口とは、ほぼ水平方向を向いており、かつ両者間に段差が設けられており、両者を連結する接合部材がほぼ一定の傾斜で構成され、
前記整流部材の内部でガス流を整流するための仕切り板が前記ガス流とほぼ平行に設けられ、
前記整流部材内部の下面に前記ガス流とほぼ直角に、該ガス流の一部をさえぎる衝突壁が設けられ、
前記ガス流を前記衝突壁でさえぎり前記原料ガスまたはキャリアガスの前記衝突壁との衝突による拡散効果および前記整流部材上面と前記衝突壁との狭い隙間を通ることによる整流効果により前記原料ガスの流れを均一化させることを特徴とする。
本発明のエピタキシャル成長装置は、ウェーハを収容するチャンバーと、前記チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを整流化するための整流部材と、整流化された前記ガスをチャンバー内に流出させるガス流出口を有し、前記整流部材と前記ガス流出口とは、ほぼ水平方向を向いており、かつ両者間に段差が設けられており、両者を連結する接合部材がほぼ一定の傾斜で構成され、
前記整流部材の内部でガス流を整流するための仕切り板が前記ガス流とほぼ平行に設けられ、
前記整流部材内部の上面に前記ガス流とほぼ直角に、該ガス流の一部をさえぎる衝突壁が設けられ、
前記ガス流を前記衝突壁でさえぎり前記原料ガスまたはキャリアガスの前記衝突壁との衝突による拡散効果および前記整流部材下面と前記衝突壁との狭い隙間を通ることによる整流効果により前記原料ガスの流れを均一化させることを特徴とする。
本発明のエピタキシャル成長装置は、前記整流部材と前記衝突壁との前記隙間が該衝突壁の無い前記整流部材の内部断面積の１６％から８４％とされ、前記接合部材における傾斜部の水平面との角度が２０°〜８０°とされることができる。
本発明のエピタキシャル成長装置は、ウェーハ（図１の７）を収容するチャンバー（図１の２）と、前記チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタ（図１の６）と、原料ガスまたはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源（図１の３）と、前記ガス供給源から供給されるガスを整流化させるための整流部材（図１の５）と整流化された前記ガスをチャンバー内に流出させるガス流出口（図３の１２）を有し、前記整流部材とガス流出口はほぼ水平方向を向いており、かつ両者間に段差が設けられている。
また、前記整流部材と前記ガス流出口を連結するための接合部材（図３の８）が組み込まれていて、前記接合部材がほぼ一定の傾斜を有することにより、流入ガスの流速がより均一化しエピタキシャル成長膜厚の均一性を良くする。このときの傾斜部の水平面との角度は２０°〜８０°が望ましい。
このときの前記接合部材の水平面との角度が２０°未満では、傾斜が少なく、前記接合部材が前記整流部と直線的に結合している場合と同様に上記の通りの傾斜化する効果が少ない。またこのときの傾斜の水平面との角度が８０°を超える場合は、前記整流部から前記接合部材に流れ込むガスが接合部材の壁面に衝突し、乱流を発生させ、ガス分布の粗密化が起こり、整流効果が無くなり、ウェーハ上方空間で速度分布が乱れる。

さらに、前記整流部材の内部空間でガスの流れを整流するための仕切り板（図２の１１）がガス流とほぼ平行に設けられている。仕切り板の数は整流部（図１の５）の幅に応じて１〜数枚が望ましい。

前記整流部材内部に、原料ガスまたはキャリアガスの流れにほぼ垂直な壁面である衝突壁（図３の１０）を整流部材（図３の５）の内部の下面に、設けることによって、原料ガスまたはキャリアガスの流れを前記整流部材下面でさえぎり、上面の隙間を通すべく衝突による拡散効果と狭い隙間を通ることによる整流効果で原料の流れが均一化され、エピタキシャル成長膜厚の均一性を良くする。このときの隙間は衝突壁の無い整流部分の内部断面積の１６％から８４％が望ましい。
このとき隙間の内部断面積が１６％未満だと壁面による拡散効果がない。またこのとき隙間の内部断面積が８４％を超えると狭い隙間を通ることによる整流効果がない。また、衝突壁を下面でなく上面に設けても同様の効果がある。

前記接合部材の形状を傾斜型にすること、前記整流部材の内部に前記仕切り板を設けることおよび前記整流部材の内部に前記衝突壁を設けることを組み合わせることにより更に流入ガスの流速がより均一化しエピタキシャル成長膜厚の均一性を良くする。

本発明によれば、整流部材内（図３の５）のガス下流に位置する接合部材（図３の８）の傾斜化および衝突壁（図３の１０）において、原料ガスまたはキャリアガスの流速を、ウェーハ上部空間で均一にできるので、エピタキシャル層の膜厚に局所的な凹凸が生じるのを抑制することができ、ほぼ均一な膜厚分布を持つエピタキシャル層を形成することができる。その結果、ウェーハの平坦度を向上させることができ、高集積度の半導体デバイスの製造に適したものとなる。

また、図１、図２に示すように、ガス流出口をウェーハ外周からほぼ等距離になるよう円弧状に湾曲させることも有効である。これは、ガス流出口からウェーハ外周部までの距離がほぼ等しくなるため、ウェーハ各部を流れるガス流速の差が小さくなりエピタキシャル成長膜厚の均一性が良くなるのである。

また、エピタキシャル成長膜厚の均一性を良くするためには、ガスの流れを均一かつスムースにすることが必要でなので、そのため接合部材（図２の８）をガス流出口（図２の１２）と同心円の円弧を持ち前記ガス流出口を外周から囲む形状とすることも有効である。このときの前記接合部材の角度とは図２のＡ−Ａ断面すなわち図３において整流部材の底面と前記接合部材のなす角度である。
さらに、整流部材（図３の５）、接合部材（図３の８）およびガス流出口（図３の１２）の接続部を、なめらかな曲面で結合することも、ガスの流れをスムースにするため有効である。

接合部材（図３の８）を傾斜化する。このときの前記接合部材の角度は２０°〜８０°であり、整流部材（図３の５）の下面からガス流出口（図３の１２）の下面までの段差は１６ｍｍである。また前記整流部材の内部空間でガスの流れを整流するための仕切り板（図２の１１）が設けられている。かつ前記整流部内に衝突壁（図３の１０）を整流部の下部から設けた構造にする。そのとき衝突壁１０の最上部と前記整流部材の上面内壁との隙間は均一であり、前記整流部材内部空間の高さは１２．０ｍｍであり、また当該隙間は、２〜１０ｍｍである。本構造の前記整流部材を使用すること、および、図１、図２に示すように、ガス流出口をウェーハ外周からほぼ等距離になるよう円弧状に湾曲させることにより、ガス流出口からウェーハ外周部までの距離がほぼ等しくなるため、ウェーハ上のガス流速の差が小さくなる。
さらに、エピタキシャル成長膜厚の均一性を良くするためには、ガスの流れを均一かつスムースにすることが必要なので、そのため接合部材（図２の８）をガス流出口（図３の１０）と同心円の円弧を持ち前記ガス流出口を外周から囲む形状とすることも有効である。このときの前記接合部材の角度とは図２のＡ−Ａ断面すなわち図３において整流部材の底面と前記接合部材のなす角度である。
さらに、整流部材（図３の５）、接合部材（図３の８）およびガス流出口（図３の１２）の接続部を、なめらかな曲面で結合することも、ガスの流れをスムースにするため有効である。以上により、最良の結果が得られる。

本発明の実施例（１）と比較例（２）を示す。
（１）整流部材（図３の５）とガス流出口（図３の１２）に段差をつける為、接合部（図３の８）を傾斜化し、整流部材（図３の５）内に高さ７．０ｍｍの衝突壁（図３の１０）を設けた図３で示す本発明の構造。かつ整流部材の内部の内部空間でガスの流れを整流するための仕切り板（図２の１１）が設けられている。さらに、図１、図２に示すように、ガス流出口をウェーハ外周からほぼ等距離になるよう円弧状に湾曲させる。かつ、接合部材（図２の８）を前記ガス流出口と同心円の円弧を持ち前記ガス流出口を外周から囲む形状とする。このときの前記接合部材の角度とは図２のＡ−Ａ断面すなわち図３において整流部材の底面と前記接合部材のなす角度である。このときの角度は４５°である。
（２）整流部材（図３の５）とガス流出口（図３の１２）に段差をつけない為、接合部（図３の８）に傾斜が存在せず、接合部が水平であり、ガスが整流部からウェーハ上面まで直接流れ、かつ整流部材（図３の５）内に衝突壁（図３の１０）を設けない従来構造。ただし整流部材の内部の内部空間でガスの流れを整流するための仕切り板（図２の１１）が設けられている。さらに、ガス流出口をウェーハ外周からほぼ等距離になるよう円弧状に湾曲させる。
この際、整流部材の数、原料ガスおよびキャリアガス流量、サセプター回転速度、温度など上記（１）および（２）に記述しないエピ条件は同じにした。以上のように同一条件でエピタキシャル成長した場合のエピ厚さ分布を図５に（１）、図６に（２）の測定結果を示す。本発明によれば、図５に示すようにウェーハ面上の膜厚の増加・減少領域がなくなり、膜厚の均一性が良くなっていることが明らかである。（２）の従来構造においては、図６に示すように、ウェーハ中心から±３０ｍｍの位置に局所的なエピタキシャル膜厚増加領域、±８０ｍｍの位置に膜厚減少領域が存在している。この結果から本発明のエピタキシャル成長装置の構成によってウエーハの平坦度が大幅に改善されることが実証された。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば整流部材の数、形状等の具体的な構成に関しては、適宜変更が可能である。そして、本発明は上記実施の形態の枚葉式エピ炉の場合に限らず、ウェーハの表面に対して側方からガスを供給するタイプの他のエピタキシャル成長装置にも適用が可能である。また、上記実施の形態ではシリコンウェーハの例を説明したが、本発明はその他の半導体ウェーハにも適用可能である。

本発明の実施形態エピタキシャル製造装置概略平面図本発明のエピタキシャル装置に用いる整流部材の平面図整流部材の平面図２におけるＡ−Ａ線断面図図３構造において垂直壁を整流部材内面上壁に設置した実施図本発明の整流部材を用いたエピタキシャル厚さ測定結果従来構造におけるエピタキシャル厚さ測定結果

符号の説明

１エピタキシャル成長装置
２チャンバー
３ガス供給源
４配管
５整流部材
６サセプター
７ウェーハ
８接合部材
９バッフル孔
１０衝突壁
１１仕切り板
１２ガス流出口

Claims

ウェーハを収容するチャンバーと、前記チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを整流化するための整流部材と、整流化された前記ガスをチャンバー内に流出させるガス流出口を有し、前記整流部材と前記ガス流出口とは、ほぼ水平方向を向いており、かつ両者間に段差が設けられており、両者を連結する接合部材がほぼ一定の傾斜で構成され、
前記整流部材の内部でガス流を整流するための仕切り板が前記ガス流とほぼ平行に設けられ、
前記整流部材内部の下面に前記ガス流とほぼ直角に、該ガス流の一部をさえぎる衝突壁が設けられ、
前記ガス流を前記衝突壁でさえぎり前記原料ガスまたはキャリアガスの前記衝突壁との衝突による拡散効果および前記整流部材上面と前記衝突壁との狭い隙間を通ることによる整流効果により前記原料ガスの流れを均一化させることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
ウェーハを収容するチャンバーと、前記チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを整流化するための整流部材と、整流化された前記ガスをチャンバー内に流出させるガス流出口を有し、前記整流部材と前記ガス流出口とは、ほぼ水平方向を向いており、かつ両者間に段差が設けられており、両者を連結する接合部材がほぼ一定の傾斜で構成され、
前記整流部材の内部でガス流を整流するための仕切り板が前記ガス流とほぼ平行に設けられ、
前記整流部材内部の上面に前記ガス流とほぼ直角に、該ガス流の一部をさえぎる衝突壁が設けられ、
前記ガス流を前記衝突壁でさえぎり前記原料ガスまたはキャリアガスの前記衝突壁との衝突による拡散効果および前記整流部材下面と前記衝突壁との狭い隙間を通ることによる整流効果により前記原料ガスの流れを均一化させることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
前記整流部材と前記衝突壁との前記隙間が該衝突壁の無い前記整流部材の内部断面積の１６％から８４％とされ、前記接合部材における傾斜部の水平面との角度が２０°〜８０°とされることを特徴とする請求項１または、請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
前記整流部材、前記接合部材、前記ガス流出口の接続部をなめらかな曲面で結合したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置。