JP4720692B2 - 気相成長用サセプタ、気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、主にエピタキシャルウエーハの製造に使用される気相成長用サセプタ及びこれを備える気相成長装置及びこれを用いた気相成長方法に関し、詳しくは対象となる基板の外周部付近でのエピタキシャル層膜厚の均一性及びフラットネスの均一性改善のための気相成長用サセプタ及びこれを備える気相成長装置及び気相成長方法に関する。

気相エピタキシャル成長技術は、バイポーラトランジスタやＭＯＳＬＳＩ等の集積回路の製造に用いられる単結晶薄膜層を気相成長させる技術であり、清浄な半導体単結晶基板上に基板の結晶方位に合せて均一な単結晶薄膜を成長させたり、ドーパント濃度差が大きい接合の急峻な不純物濃度勾配を形成することができるので、極めて重要な技術である。
気相エピタキシャル成長装置としては、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダー型）、さらに横型の３種類が一般的である。これらの成長装置の基本的な原理は共通している。

図７は、気相成長装置の一例を示す断面概略模式図である。このバレル型気相成長装置においては、逆釣鐘状に固定されたベルジャ１内に、サセプタ２が吊り下げられたシールプレート８を載せることで反応室９が形成される。この反応室９内には、半導体基板（ウエーハ）を側面に載置する多角柱型のサセプタ２が鉛直方向からやや傾けられて配置され、反応室外部にはウエーハを加熱するためのランプ３が設置されている。気相成長の際には、サセプタの側面に設けられた円形の凹部であるザグリ４にウエーハを載置し、原料ガスをガス導入口５より供給し、ジェット６に設けられた噴出孔から噴出して反応室９に導入し、ガス排出口７から排出する。このとき、ウエーハはランプにより加熱されているので、ウエーハ上に噴出された原料ガスはウエーハ表面で反応し、ウエーハ表面に薄膜のエピタキシャル層（エピ層）を気相成長させることができる。

また、横型気相成長装置の一種として枚葉式装置がある。この装置は、横型の加熱炉内に配置された水平円盤型のサセプタの上にウエーハを載置し、これを垂直軸まわりに回転させながら、炉内水平方向に原料ガスを流通させることにより、ウエーハ表面にエピタキシャル層を形成するものである。このような装置は、ウエーハの大直径化と共に多用されるようになり、直径３００ｍｍのウエーハに対応できる装置としても主流と目されている。

これらの気相成長装置では、エピタキシャル層を成長させる基板の上面にのみ原料ガスを接触させることを目的として、基板を収容する円形の凹部がサセプタの上面に設けられる。そして、ザグリと呼ばれるこの凹部内に基板を収容してエピタキシャル層の成長を行う。図６は、このようなザグリの一例を示す断面概略図である。

特にバレル型気相成長装置では、サセプタ側面に形成されたザグリ４に基板を載置し、反応中基板が落下しないようにする必要があるため、ザグリの深さｄは一定で基板の厚みに比べて深くなっている。ザグリ深さｄが基板厚より浅いと、ザグリから落下しやすくなってしまう為である。

ところで、このような気相成長装置内での原料ガスの流れ方向は、エピタキシャル層の均一性に対する影響が非常に大きい。
一つ目の影響は、原料ガスの上流側から下流側に向かってエピタキシャル層の堆積速度が小さくなることである。これは、上流側で原料ガス中のＳｉ等の原料の消費が起き、下流側に向かって原料ガスの濃度が下がる為に起きる。

この対策として、枚葉式装置の場合、基板自体を自転させることで、原料ガスの上流、下流の影響をなくし、エピタキシャル層の膜厚均一性の向上を図っている。
また、バレル型気相成長装置（バレル型気相反応器）では、図７に示すように、ベルジャ１の内壁面に対しサセプタ２の側面を傾斜させ、原料ガスの上流側より下流側の空間を狭くして下流側での原料ガスの線速を大きくすることで、原料ガスの濃度が下がっても、下流側でのエピタキシャル層の堆積速度が落ちにくいようにしている。

二つ目の影響は、基板の外周部（エッジ）近傍での膜厚変化である。図８に示すように、上流側においては、原料ガスはサセプタ２上を通過し、ザグリ４の縁部を経由して基板１０の外周部に供給される。一方、下流側では基板１０の上を通過し、そのまま基板１０の外周部に供給され、その後ザグリ４の縁部へぬけるといった流れになる。前述のように、バレル型気相成長装置では基板がサセプタから落下しないように、ザグリ深さが比較的深くなっている。そのため、上流側での原料ガスの流れの場合、サセプタ上面と基板との間に出来た隙間がよどみ域となってガスが滞留し、エピタキシャル層の堆積が滞ってしまう。その結果、基板の外周部付近でエピタキシャル層の厚み（エピ膜厚）が薄くなってしまう。一方、下流側ではこのような滞留は起きない為、エピタキシャル層の薄膜化は起きない。結果として、上流側の基板外周部ではエピ膜厚が薄く、下流側では上流側に比べてエピ膜厚が厚くなる、といった基板外周部の円周方向での膜厚不均一が発生してしまう。

枚葉式装置の場合、前述の基板の自転により、この二つ目の影響についても原料ガスの上流、下流の影響をなくし、エピタキシャル層の膜厚均一性の向上を図っている。
しかし、バレル型気相成長装置の場合は、一つ目の影響のような比較的広範囲にわたるエピ層堆積速度の変化については、サセプタとベルジャ内壁の距離を最適化することで抑えることが出来るが、二つ目の影響のような基板外周部付近といった局所的な堆積速度変化についてはこの方法では改善することができなかった。
従来、この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されてきたが（例えば、特許文献１参照）、十分ではなく、未だ改良の余地があった。

特開２００３−１２３９７号公報

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、基板外周部でのエピタキシャル層の膜厚の均一性、及びフラットネスの均一性を向上し、高品質のエピタキシャルウエーハを歩留り良く生産できる気相成長用サセプタ及び気相成長装置及び気相成長方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、基板を傾斜させて載置して下端にて支持する１つ以上のザグリを形成した気相成長用サセプタであって、該サセプタのザグリは、気相成長時に供給する原料ガスの上流側から下流側の方向に向かって深さが増すものであることを特徴とする気相成長用サセプタを提供する（請求項１）。

このように、本発明の気相成長用サセプタに形成するザグリは、気相成長時に供給する原料ガスの上流側から下流側の方向に向かって深さが増すものである。気相成長時に、このような本発明の気相成長用サセプタを用いることで、基板外周部でのエピタキシャル層の膜厚の均一性、及びフラットネスの均一性を向上し、高品質のエピタキシャルウエーハを歩留り良く生産できる。

また、本発明は、少なくとも、前記本発明の気相成長用サセプタと、該サセプタを収容する反応室と、基板を加熱するための熱源と、反応室内に原料ガスを導入するためのガス導入口と、反応室から原料ガスを排出するためのガス排出口を具備するものであることを特徴とする気相成長装置を提供する（請求項２）。

このように本発明の気相成長用サセプタを具備する気相成長装置を用いることで、基板外周部でのエピタキシャル層の膜厚の均一性、及びフラットネスの均一性を向上し、高品質のエピタキシャルウエーハを歩留り良く生産できる。

また、本発明は、基板上にエピタキシャル層を気相成長させる方法であって、少なくとも、基板を、前記本発明のサセプタに載置し、該載置した基板を加熱しつつ原料ガスを供給することで、基板にエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とする気相成長方法を提供する（請求項３）。

このように基板を前記本発明のサセプタに載置して、基板にエピタキシャル層を気相成長させるようにすれば、基板外周部でのエピタキシャル層の膜厚の均一性、及びフラットネスの均一性を向上し、高品質のエピタキシャルウエーハを歩留り良く生産できる。

以上説明したように、気相成長時に、本発明の気相成長用サセプタを用いることで、基板外周部でのエピタキシャル層の膜厚の均一性、及びフラットネスの均一性を向上し、高品質のエピタキシャルウエーハを歩留り良く生産できる。

以下、本発明について詳述する。
前述のように、バレル型気相成長装置の場合、ザグリの原料ガス上流側では、サセプタ上面と基板との間に出来た隙間（段差部）がよどみ域となってガスが滞留し、エピタキシャル層の堆積が滞ってしまい、その結果、原料ガス上流側の基板外周部付近ではエピタキシャル層の厚みが、他の部分と比べて薄くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明者らは、この基板外周部での膜厚不均一の発生を効果的に防止すべく、鋭意検討を行ったところ、原料ガス上流側では、ザグリの深さを浅くし、基板外周部付近での原料ガスのよどみ域をなくすことでエピ膜堆積速度の低下、すなわちエピ膜厚の薄膜化を抑えることができることを見出した。一方、原料ガス下流側では、気相成長時に基板が落下しないようにある程度ザグリの深さを深くしておく必要がある。そこで、本発明者らは、これら両者を合わせ、図６の従来のザグリ４のように、原料ガス上流側と下流側のザグリの深さｄを同じにするのではなく、原料ガス上流側のザグリの深さを原料ガス下流側に比較して浅くすることで、基板円周方向に沿った外周部での膜厚不均一の発生を効果的に防止でき、かつ、基板の落下などのトラブルも抑えることができることに想到し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について、添付した図面に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明による気相成長用サセプタの一例を示す説明図であり、図２は、該サセプタのザグリ部分を拡大した断面概略図である。
図１のサセプタ２は、５角柱型であり、各側面に３つずつ、ザグリ４が形成されている。そして、気相成長時には、原料ガスが、サセプタ２の側面に沿って、上流から下流に向って流れる。また、サセプタ２のザグリ４は、基板を傾斜させて載置して下端にて支持するものであり、図２に示すように、気相成長時に供給する原料ガスの上流側から下流側の方向に向かって深さが漸増するものである。

このように、原料ガス上流側ではサセプタのザグリの深さｄ１を浅くし、基板外周部付近での原料ガスのよどみ域をなくすことでエピ膜堆積速度の低下、すなわちエピ膜厚の薄膜化を抑えることが可能となる。よって、このようなザグリを形成した気相成長用サセプタを用いることで、従来よりエピ膜厚均一性の高いエピタキシャルウエーハを生産性良く提供することができる。一方、原料ガス下流側では、原料ガス上流側よりザグリの深さｄ２を深くすることで気相成長時の基板の落下を防止できるので、落下によるウエーハ破損などのトラブルや歩留りの低下を防止でき、さらには、基板仕込時の仕込みやすさも確保されるため、気相成長を生産性良く行うこともできる。
サセプタ全体の形状は例えば５角柱型のような多角柱型であるが特に限定されず、形成されるザグリは１つ又はそれ以上とできる。ザグリの直径、深さ等は載置するウエーハのサイズに合わせて適宜選択することができる。
また、ｄ２／ｄ１が、１．２〜３．０の範囲になるように、ザグリを形成するのが好ましい。ｄ２／ｄ１が、この範囲であれば、気相成長中にウエーハが落下することもなく、エピ膜厚均一性の高いエピタキシャルウエーハをより確実に製造することができる。

本発明のサセプタを設置することが可能な気相成長装置は、図７のようなサセプタのザグリ以外は従来と同様なものを適用できる。このバレル型気相成長装置においては、逆釣鐘状に固定されたベルジャ１内に、気相成長用サセプタ２が吊り下げられたシールプレート８を載せることで、サセプタ２を収容する反応室９が形成される。反応室９の外側に基板を加熱するための熱源としてランプ３が設置されている。さらに、この気相成長装置は、反応室内に原料ガスを導入するためのガス導入口５と、反応室から原料ガスを排出するためのガス排出口７を具備する。

本発明の気相成長装置に設置されるサセプタ２は、前記本発明のサセプタであり、例えば図２に示すザグリを一つ以上形成したサセプタを用いることができる。本発明に従うサセプタを備える気相成長装置を用いることで、基板外周部でのエピ膜厚均一性に優れたエピタキシャルウエーハを歩留り良く製造することができる。

次に、基板表面に薄膜を気相成長させる本発明の気相成長方法について、図７のような装置に、本発明のサセプタを具備する気相成長装置を用いる場合を例に挙げて説明する。
まず、基板を、サセプタ２に載置する。そして、載置した基板をランプ３で加熱しつつ、原料ガスをガス導入口５より供給し、ジェット６と呼ばれるガス噴出孔から噴出して反応室に導入し、ガス排出口７から排出する。このとき、基板は、ランプ３により加熱されているので、噴出された原料ガスは基板表面で反応し、基板表面に薄膜のエピタキシャル層を気相成長させることができる。

このとき、上流側ではザグリ深さを浅くし、基板外周部付近での原料ガスのよどみ域をなくすことでその部分でのエピ膜堆積速度の低下、すなわちエピ膜厚の薄膜化を抑えることが可能となり、従来よりエピ膜厚均一性の高いエピタキシャルウエーハを歩留り良く提供できる。一方、下流側では、上流よりザグリ深さを深くすることでエピ反応時の基板の落下を防止できるので、落下による基板破損などの歩留り低下を防止でき、さらには基板仕込時の仕込みやすさも確保されるため、気相成長を生産性高く行うことができる。

なお、本発明の気相成長用サセプタに載置してエピタキシャル層を気相成長させる基板としては、例えばシリコンウエーハを挙げることができるが、化合物半導体等の他の半導体ウエーハ等でもよく、特に限定はされない。
また、気相成長させるエピタキシャル層（薄膜）としては、例えばシリコン薄膜を挙げることができるが、原料ガスを適宜選択することによりＳｉ−Ｇｅ等の他の半導体薄膜を気相成長させても良く、特に限定されない。

以下、本発明を、実施例及び比較例を示してさらに詳細に説明するが、本発明がこれに限定されないことは言うまでもない。
（実施例１、比較例１〜３）
図７に示すバレル型の気相成長装置を用いた。
先ず、シリコンウエーハを、気相成長用サセプタに載置、すなわち、気相成長用サセプタのザグリに収容した。そして、載置したシリコンウエーハを加熱しつつ原料ガスを供給することで、直径２００ｍｍ、厚さ５２５μｍのシリコンウエーハにエピタキシャル層（シリコン薄膜）を気相成長させた。

このとき、気相成長用サセプタとして、次の４種類のサセプタを用いた。
（１） 原料ガスの上流側から下流側の方向に向って深さが漸増するように形成されたザグリを備え、ザグリの深さは、原料ガス上流側が0.8mm、原料ガス下流側が1.2mmであるもの（実施例１）。
（２） 原料ガスの上流側から下流側の方向に向って深さが一定になるように形成されたザグリを備え、ザグリの深さは、原料ガス上流側も、原料ガス下流側も1.5mmであるもの（比較例１）。
（３） 原料ガスの上流側から下流側の方向に向って深さが一定になるように形成されたザグリを備え、ザグリの深さは、原料ガス上流側も、原料ガス下流側も1.0mmであるもの（比較例２）。
（４） 原料ガスの上流側から下流側の方向に向って深さが一定になるように形成されたザグリを備え、ザグリの深さは、原料ガス上流側も、原料ガス下流側も0.8mmであるもの（比較例３）。

また、反応ガス（原料ガス）としてＳｉＨＣｌ_３を用い、成長速度を１．５μｍ／ｍｉｎ、反応温度を１０５０℃、成長膜厚を５０μｍとした。

そして、上記各実施例、比較例において、それぞれ３０枚のウエーハにエピタキシャル成長を行った。
尚、このようにエピタキシャル層を気相成長させた後のウエーハについてフラットネス測定を行い、図３に示した各セルでのフラットネス（ＬＴＶ）の平均をそれぞれ上流側外周フラットネス、下流側外周フラットネスとした。気相成長前のシリコンウエーハのフラットネスは極めて良好なので、気相成長後のフラットネスはエピタキシャル層の膜厚のバラツキによるものであると考え、前記上流側外周フラットネス、下流側外周フラットネスよりウエーハ外周部の膜厚均一性の評価を行った。

図５は、比較例１〜３の気相成長用サセプタを用いた時の上流側、下流側の外周フラットネスについて、ザグリ深さとの関係を示すグラフである。上流側、下流側ともにザグリ深さが浅くなるにつれて外周フラットネス値は小さくなりエピ膜厚均一性が良好になっていることを示している。また、いずれのザグリ深さにおいても、上流側のほうが外周フラットネス値は大きく、上流側と下流側との膜厚均一性が等しくないこともわかる。これは、前述のように上流側ではザグリ側壁とウエーハ外周部付近で原料ガスのよどみ域ができてしまいエピ膜の堆積が阻害される為である。このように、原料ガスの上流側と下流側でザグリ深さが同じである従来の気相成長用サセプタを使った気相成長装置では、上流側と下流側での外周フラットネス値の違い、すなわちエピ膜厚の均一性の悪化が起きていた。

一方、実施例１の気相成長用サセプタ（ザグリ深さ：上流側0.8mm、下流側1.2mm）を用いてエピタキシャル層を気相成長させた場合には、図４に示すとおり、原料ガスの上流側と原料ガスの下流側で同じ外周フラットネスレベルとなり、エピ膜厚の均一性が大幅に改善されているのがわかる。
尚、図４には、比較のため、比較例１の気相成長用サセプタ（ザグリ深さ：上流側、下流側共に1.5mm）を用いた場合の外周フラットネスレベルも併記した。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であ
り、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様
な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に従う気相成長用サセプタを示す説明図である。 本発明に従う気相成長用サセプタのザグリの断面概略説明図である。 フラットネス測定における上流側の外周フラットネスセルサイトと下流側の外周フラットネスセルサイトを示す図である。 実施例１及び比較例１において、上流側外周フラットネスと下流側外周フラットネスの比較を示す図である。 ザグリ深さと外周フラットネスの関係を示す図である（比較例１〜３）。 従来の気相成長用サセプタのザグリの断面概略説明図である。 気相成長装置の一例を示す断面概略説明図である。 基板外周部付近での原料ガスの流れを示す模式図である。

符号の説明

１…ベルジャ、 ２…サセプタ、 ３…ランプ、 ４…ザグリ、 ５…ガス導入口、
６…ジェット、 ７…ガス排出口、 ８…シールプレート、 ９…反応室、
１０…基板。

Claims (3)

1. 基板を傾斜させて載置して下端にて支持する１つ以上のザグリを形成した気相成長用サセプタであって、該サセプタのザグリは、気相成長時に供給する原料ガスの上流側から下流側の方向に向かって深さが増すものであることを特徴とする気相成長用サセプタ。
2. 少なくとも、請求項１に記載の気相成長用サセプタと、該サセプタを収容する反応室と、基板を加熱するための熱源と、反応室内に原料ガスを導入するためのガス導入口と、反応室から原料ガスを排出するためのガス排出口を具備するものであることを特徴とする気相成長装置。
3. 基板上にエピタキシャル層を気相成長させる方法であって、少なくとも、基板を、請求項１に記載のサセプタに載置し、該載置した基板を加熱しつつ原料ガスを供給することで、基板にエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とする気相成長方法。

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