JP4870604B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は気相成長装置及び気相成長方法に係り、特にエピタキシャル成長装置において加熱されるシリコンウェハの全面において均一な面内温度分布を得ることによって、生成されるエピタキシャル成長膜の膜厚の均一性を向上させるための手段に関する。

超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳ等の半導体素子の製造において、不純物の濃度や膜厚の制御された単結晶のエピタキシャル成長技術は半導体素子の性能を向上させる上で不可欠なものとなっている。
ウェハに単結晶薄膜を生成させるエピタキシャル成長には一般に常圧化学気相成長法が用いられ、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法が用いられる。チャンバ内にウェハを収容し、チャンバ内を常圧（０．１Ｍｐａ（７６０Ｔｏｒｒ））か、或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態でウェハを加熱し回転させながら、シリコン源とボロン化合物、リン化合物、或いは砒素化合物等のドーパントとを混合したプロセスガスを供給する。そして加熱されたウェハの表面でプロセスガスの熱分解反応或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた結晶膜を生成させることにより製造する。

また、エピタキシャル成長技術は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、高性能な半導体素子を製造するためには高品質の結晶膜を均一に、尚且つ厚く生成することが求められている。たとえば、単純なＭＯＳデバイス等においては数μm以下の膜厚しか必要ではないのに対し、ＩＧＢＴ等においては数μｍから百数十μmもの膜厚が必要とされる。このため、ウェハを高速で回転させることによって新たなガスを順次接触させて結晶膜の成長速度を高め、そしてウェハが均一に加熱されることによって生成される膜厚の面内均一性を高めている。

図７は、ウェハを均一に加熱するために複数のヒータを設けた気相成長装置を示す概念図であり、図８はインヒータ３０５及びアウトヒータ３０６を温度計測部３０８が計測する温度情報に基づいて制御しながら、ウェハ３０２を加熱する様子を示す概念図である。この装置のインヒータ３０５及びアウトヒータ３０６の双方を用いてウェハ３０２を加熱する場合、ウェハ３０２の中央部はインヒータ３０５からの輻射熱を受けることにより加熱される。そして、ウェハ３０２の外縁部はアウトヒータ３０６に加熱されたサセプタ３０３を介した伝導熱としてウェハ３０２に与えられることによって加熱される。すると、インヒータ３０５からの輻射熱と、サセプタ３０３を介したアウトヒータ３０６からの伝導熱の双方の影響を受け、ウェハ３０２の中央部や外縁部に比べ、温度が高い部分がウェハ３０２面内に生じてしまう（温度の特異点）。結果として、ウェハ３０２の温度の特異点の周囲に生成される結晶膜の膜厚に誤差を生じさせてしまう。

従来、気相成長反応を行なう場合、ウェハ３０２の外縁部とサセプタ３０３とを接触させた状態でウェハ３０２を載置する。すると、ウェハ３０２の外縁部からサセプタ３０３へと熱が伝導して逃げやすい。これに対処し、複数のヒータを設けてウェハ３０２の外縁部を補助的に加熱することで、ウェハ３０２の外縁部の温度低下を抑止させた。しかし、これによって今度はウェハ３０２面内の他の部分にさらなる温度誤差を生じさせてしまう状態を招いてしまった。
そのため、いずれか、或いはヒータの全体の出力を制御することでウェハ３０２面内の温度分布の誤差を修正しようとしても、結局さらに他の部分に温度分布の誤差を生じさせてしまう。
結果としてウェハ３０２全面において温度分布を均一にすることができず、生成させる結晶膜の膜厚を均一にすることも叶わなかった。
さらに、気相成長反応時のウェハ３０２面内の温度分布に誤差が生じていると、生成される結晶膜に結晶欠陥が生じてしまい、高性能の半導体素子を製造するために用いることができる品質のウェハを生産できなくなってしまう（特許文献１参照）。

したがって、ヒータの出力を制御してウェハ３０２の温度を調節するのではなく、インヒータ３０５或いはアウトヒータ３０６の温度を局所的に調整することによってウェハ３０２面内に生じる温度分布の誤差を解消しなければ、この問題を克服することはできない。
特開２００１−３４５２７１号公報

上述したように、従来の気相成長装置では、構造上、ウェハ面内の温度分布を十分に均一にすることができず、ウェハ表面に生成させる結晶膜の膜厚の均一性を高めることができなかった。

本発明は、かかる問題点を克服し、加熱されるウェハ面内の温度分布の均一性を向上させ、ウェハ表面に生成させる結晶膜の膜厚の均一性を高めることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。

本発明の気相成長装置は、チャンバと、チャンバ内に収容され、ウェハを載置するサセプタを有するホルダと、サセプタに載置されたウェハを加熱するホルダ内に設けられたヒータと、ヒータの下方に設けられ、ホルダ内に冷却ガスを噴射する送気管と、チャンバ外に設けられ、ウェハの表面の温度を計測する温度計測部とを備えたものであって、前記送気管は、前記ヒータの前記ウェハを過熱する部分に対向して設けられることを特徴とする。

送気管は、ウェハの回転円周上に位置するように略等間隔に複数個設けられることが好適である。

送気管は、温度計測部が計測したウェハの表面温度に基づいて流量が制御される冷却ガスを噴射することが好適である。

本発明によれば、ヒータのウェハを過熱している部分を局所的に冷却し、面内の温度分布の均一性を向上させることができる。そのため、生成させる結晶膜の膜厚の分布も均一にさせることができる。

また、新たなヒータを別に設けてウェハの温度制御を行なおうとすると、新たにウェハ面内に温度の特異点を生じ、ウェハの面内の温度を均一にすることを更に困難にさせてしまう。そのため、気相成長反応を行なうウェハにおいて均一な温度分布を得ることに対する根本的な問題の解決には至らない。
さらに、局所的にヒータを冷却して、ウェハの過熱部分をなくすことによって表面温度を制御することは、新たなヒータを別に設けることでウェハの温度を制御する方式等に比べて、実施、導入することが容易であることも有用性の一部である。

上述したように、本発明を利用すれば、ウェハに生成させる結晶膜の膜厚分布の均一性の高いウェハを製造できる気相成長装置及び気相成長方法を提供することができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１について、図に基づいて詳細に説明する。
図１における気相成長装置１００には、チャンバ１０１と、チャンバ１０１内に収容されるウェハ１０２が載置されるサセプタ１０３を有するホルダ１０４と、ホルダ１０４内に設けられ、ウェハ１０２を裏面から加熱するインヒータ１０５及びアウトヒータ１０６と、インヒータ１０５に対向して設けられた冷却ガスを噴射する送気管１０７と、チャンバ１０１外に設けられた、ウェハ１０２の表面温度を計測する温度計測部１０８とが備えられている。
ここで、ウェハ１０２表面に結晶膜を生成させるために必要な各部材のうち、実施形態１を説明する上で必要な構成以外は省略する。また、図１に示した各部材の縮尺等は実物とは一致させていない。以下、各図面において同様である。

ウェハ１０２はホルダ１０４の上部に設けられた円形の板状のサセプタ１０３に形成された凹部に載置される。この凹部の中央には貫通した開口部が形成されており、ホルダ１０４内に設けられたインヒータ１０５及びアウトヒータ１０６からの輻射熱を直接受けることができるように配置されている。インヒータ１０５は、円形の抵抗体材料板に導電路を形成するようにスリットが設けられた所定の略円形の輪郭に形成された熱源である。このインヒータ１０５がウェハ１０２の中央部を加熱する。そして、アウトヒータ１０６は同じく円形の抵抗体材料板に、導電路を形成するようにスリットが設けられ、リング状に形成された熱源である。このアウトヒータ１０６がウェハ１０２の外縁部をサセプタ１０３もろとも加熱する。これによって、サセプタ１０３に接触しているために熱が逃げやすいウェハ１０２の外縁部の加熱を補助し、温度低下を抑止することが可能となる。

しかしながら、上述のような温度制御方法では、インヒータ１０５とアウトヒータ１０６からの輻射熱と、サセプタ１０３からの伝導熱を双方ともに受ける範囲がウェハ１０２面内に生じてしまう。このウェハ１０２の外縁部から５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に、他の部分に比べて温度が高くなりすぎてしまう点（温度の特異点）が生じていた。そのため、この温度の特異点を中心とした所定の範囲はウェハ１０２の他の部分よりも過熱され、ウェハ１０２面内の温度分布に誤差を生じさせてしまっていた。

これを克服し、ウェハ１０２の面内の温度分布の均一性を向上するため、実施形態１では、インヒータ１０５を局所的に冷却する機構を設けることでウェハ１０２を間接的に冷却する。
図２は、サセプタ１０３にウェハ１０２を載置していない状態のホルダ１０４と、その内部の構造を示す一部欠截した斜視図であり、図３は図２に示したホルダ１０４内の底面部を上方から示した概念図である。
図２に示すように、ホルダ１０４の下部の回転胴１１０はチャンバ１０１外に設けられた図示しない回転機構に繋がっており、回転させることができる。そして、図３に示すように、回転胴１１０の内部を通っている送気管１０７はインヒータ１０５に対向して冷却ガスを噴射するように、回転胴１１０の水平断面の同一円周上の９０°ごとに等間隔に配置されている。これによって、ウェハ１０２の回転円周上を加熱するインヒータ１０５の４点が局所的に冷却されるように、送気管１０７から冷却ガスが噴射される。

ウェハ１０２はホルダ１０４の回転に付随して回転する。このため、ウェハ１０２の回転円周上の直下にあたるインヒータ１０５の等間隔の４点が冷却されると、ウェハ１０２の回転円周上の部分が等しく冷却される。つまり、送気管１０７が配置される位置は、ウェハ１０２の周方向における位置については問わず、ウェハ１０２の回転円周上に対向する部分が均等に冷却されるよう、送気管１０７同士の間隔が等しく設けられてあれば良い。
尚、実施形態１においては送気管１０７を４箇所設けたが、設置する数はこれに限るものではなく、ウェハ１０２を所定の温度にまで十分に冷却できるようにインヒータ１０５に冷却ガスを噴出できる状態にあればよい。また、送気管１０７の材質は、石英や炭化ケイ素（ＳｉＣ）など、チャンバ１０１内に対する金属汚染やパーティクル汚染等の影響を与える虞のないものであれば良い。

図４はインヒータ１０５及びアウトヒータ１０６がウェハ１０２を加熱する様子と、ウェハ１０２に生じた温度の特異点の温度分布の誤差を、ウェハ１０２の回転円周上に当たるインヒータ１０５の部分を局所的に冷却することによって間接的にウェハ１０２を冷却する様子を示した概念図である。
インヒータ１０５の下面から５ｍｍ〜３０ｍｍ下方に先端が位置するように配置された送気管１０７は、ウェハ１０２の温度の特異点の回転円周上を加熱しているインヒータ１０５の部分を冷却するように冷却ガスを噴出する。
ここで、送気管１０７から噴射される冷却ガスは常温の水素（Ｈ_２）等、チャンバ１０１内の気相成長反応の環境を乱す虞のないものであれば良い。また、冷却ガスの流量は１００SCCM（Standard
Cubic Centimeter per Minutes）１．６９×１０⁻¹Pam³/S〜５SLM（Standard
Liter per Minutes）８．４５Pam³/Sであると好適である。
かかる状態で、所定の流量の冷却ガスをインヒータ１０５の所定の位置に対して噴射して冷却することで、ウェハ１０２に生じる温度の特異点に対するインヒータ１０５からの輻射熱による加熱を局所的に抑制する。
この結果、冷却ガスを噴射することによって間接的に、且つ局所的にウェハ１０２を冷却することができ、ウェハ１０２面内の温度分布の均一性を高めることができる。

ここで、インヒータ１０５はウェハ１０２を１１００℃以上に加熱するために、インヒータ１０５自体は１４００℃〜１５００℃程度まで発熱した状態になっている。このため、常温のＨ_２等を直接噴射して冷却したとしてもインヒータ１０５自体の発する熱量が大きいため、熱応力によってインヒータ１０５が破損してしまうほど急激に温度が変化してしまうことはない。したがって、冷却ガスの供給部に特段の温度調節機構を設ける必要性はなく、常温のまま供給すれば良い。

チャンバ１０１の上面には窓１０９が設けられており、チャンバ１０１内を視認することができる。窓１０９を介してウェハ１０２の表面に対向するように温度計測部１０８が設けられ、ウェハ１０２の表面の温度を計測する。温度計測部１０８は複数の放射温度計を有し、それぞれを連動させてウェハ１０２の表面温度を計測するように制御される。実施形態１では、３基の放射温度計を備えている。
ここで、放射温度計１１８は、インヒータ１０５からの輻射熱によって加熱されるウェハ１０２の中央部の温度を計測するように配置される。そして、計測された温度情報を基にインヒータ１０５の出力を制御し、ウェハ１０２の中央部の温度を調整する。
また、放射温度計１２８は、アウトヒータ１０６からの輻射熱と、加熱されたサセプタ１０３からの伝導熱によって加熱される部分であるウェハ１０２の外縁部の温度を計測するように配置する。そして、計測された温度情報を基にアウトヒータ１０６の出力を制御し、ウェハ１０２外縁部の温度を調整する。
そして、放射温度計１３８はウェハ１０２面内の温度の特異点の温度を計測するように配置する。
ここで、ウェハ１０２面内で温度の特異点が生じている位置を特定するために、予めウェハ１０２とインヒータ１０５、アウトヒータ１０６との関係の熱解析を行なっておく。そして、この結果から特定される温度の特異点の温度変動を捕捉できる位置に放射温度計１３８を配置する。
上述のようにして計測された温度情報を基に、ウェハ１０２面内の温度分布が均一になるように、所定の流量に制御された冷却ガスを送気管１０７からインヒータ１０５に噴射する。
これによって、ウェハ１０２の過熱部分を加熱しているインヒータ１０５を所定の温度に冷却することができ、間接的にウェハ１０２を冷却することができる。そして、これによってウェハ１０２に生じている温度の特異点を中心とした温度分布の誤差を解消することができる。

上述したように、ウェハ１０２面内の３点の温度制御を行なうことによって、ウェハ１０２の中央部から外縁部にわたって均一な温度分布を得ることができる。
そして、かかる状態のウェハ１０２に結晶膜を生成する原料成分を含んだプロセスガスを供給する。するとウェハ１０２表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、膜厚が均一に制御された結晶膜を生成させることができる。
この結果、本実施形態における気相成長装置及び気相成長方法を用いれば、高性能な半導体素子を製造するために必要とされる、膜厚が均一に制御され、尚且つ結晶欠陥のない高品質のウェハを製造することができる。

尚、本実施形態で供給するプロセスガスは、例えば、シリコン成膜ガスであるモノシラン（ＳｉＨ_４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等のうちいずれか一つとキャリアガスとなるＨ_２との混合ガスに所定のドーパントガスを添加することにより構成される。
ドーパントガスはボロン系のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン系のホスフィン（ＰＨ_３）等が用いられる。ジボランを添加すればｐ型、ホスフィンを添加すればｎ型の導電性を示す結晶膜を生成することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図に基づいて詳細に説明する。
図５は気相成長反応の環境或いは部材の変更等によってウェハ２０２に生じる温度の特異点の位置が変動した場合に、インヒータ２０５の冷却する部分を移動させることができる送気管２０７を備えた気相成長装置２００を示す概念図である。

ウェハ２０２に生じる温度の特異点は、ウェハ２０２とインヒータ２０５、アウトヒータ２０６との距離の違いによる輻射熱と伝導熱のバランス、サセプタ２０３の大きさ、厚みなどによる熱容量の違い等、種々の条件によっても生じる位置が変動する。
本実施形態では、いずれの条件下においても温度の特異点の位置を温度計測部２０８が把握し、これに応じて送気管２０７の位置を移動させて冷却ガスを噴出させることができる気相成長装置について説明する。

チャンバ２０１の上面に設けられた窓２０９を介して、温度計測部２０８がウェハ２０２の表面温度を計測する。このとき、放射温度計２１８はインヒータ２０５に加熱されるウェハ２０２の中央部の温度を計測し、放射温度計２２８はインヒータ２０５及びアウトヒータ２０６の輻射熱と、サセプタ２０３からの伝導熱とに加熱されるウェハ２０２の外縁部の温度を計測する。計測された温度の情報を基に、インヒータ２０５及びアウトヒータ２０６の出力は制御される。
そして、放射温度計２３８は、ウェハ２０２面内の放射温度計２１８が計測する部分から放射温度計２２８が計測する部分の間の所定の距離を径方向に移動しながらウェハ２０２の温度を計測する。
放射温度計２１８、２２８、２３８が計測したウェハ２０２の３つの温度情報を取得することによって、ウェハ２０２面内の径方向の温度分布を把握することができる。この結果、ウェハ２０２面内において温度の特異点が生じている部分を検知することができ、ウェハ２０２面内に生じる温度の特異点の位置の変動を捕捉させることができる。

そして、ウェハ２０２の温度の特異点を加熱するインヒータ２０５の部分に冷却ガスを噴出する位置に送気管２０７を移動させる。
かかる状態で、ウェハ２０２面内の温度分布が均一になるような所定の流量の冷却ガスを送気管２０７から噴出して、インヒータ２０５を冷却する。
結果として、インヒータ２０５が冷却されることによって間接的にウェハ２０２を冷却することができる。

図６はホルダ２０４内において、ウェハ２０２の径方向に対して、たとえば２０７ａに示す外縁部の直下から２０７ｂに示す中央部の直下までの間で送気管２０７が所定の距離を移動することができる様子を示す概念図である。
温度計測部２０８がウェハ２０２面内の温度の特異点を捕捉すると、送気管２０７は温度の特異点を加熱するインヒータ２０５の位置に４本全てが同期して等距離を移動し、ウェハ２０２の回転円周上にあたるインヒータ２０５の位置を冷却するように配置される。
これによって、ウェハ２０２に生じる温度の特異点の温度の誤差を解消することができ、均一な面内の温度分布が得られる。

ここで、かかる状態のウェハ２０２にプロセスガスを供給することで結晶膜を生成することや、ホルダ２０４が図示しない回転機構によって回転され、付随してウェハ２０２が回転することなど、図１から図４に基づいて説明した内容と重複する内容については説明を省略する。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

たとえば、実施形態２において、可動式の放射温度計２３８を設けることによって温度の特異点が変動した場合でもその位置を補足できるとした。しかし、上述したような複数の放射温度計を有する温度計測部２０８ではなく、ウェハの径方向に対して所定の幅をもってスキャンする方式の放射温度計を用いることもできる。
この方式であれば、放射温度計を１基配置するだけでウェハの径方向における温度分布を把握することができる。また、このウェハの径方向の温度分布の把握を行なえば、インヒータ及びアウトヒータの出力制御のための温度計測と、ウェハ上の温度の特異点の捕捉のための温度計測とを同時に行なうことができる。

さらに、実施形態２において可動式の送気管の移動を同期させることでウェハの同一回転円周上を冷却できるとしたが、たとえば、複数の送気管のうち、ホルダ２０４の中心点に対称の位置に設けられている２本ずつを呼応させ、同期させて移動させることで、ウェハの径方向における２点を均等に冷却することもできる。
これによってウェハ上に温度の特異点が複数生じてしまった場合においても順次送気管を移動させて温度の誤差を修正することで、より均一なウェハ面内の温度分布が得られる。

また、本発明は気相成長装置の一例としてエピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、ウェハ表面に所定の結晶膜を生成させるための装置であれば構わない。たとえば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした装置等であってもよい。

さらに、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうるすべての気相成長装置、及び各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態１における気相成長装置の構成を説明するために示す概念図である。 本発明の実施形態１におけるホルダの内部の構成を説明するために示す一部欠截した斜視図である。 本発明の実施形態１におけるホルダの底面部を上方から示す概念図である。 本発明の実施形態１におけるウェハをヒータが加熱する様子及び送気管から噴出する冷却ガスがヒータを冷却する様子を示す概念図である。 本発明の実施形態２における気相成長装置の構成を説明するために示す概念図である。 本発明の実施形態２におけるホルダの底面部と、可動式の送気管を上方から示す概念図である。 従来の気相成長装置の構成を説明するために示す概念図である。 従来の気相成長装置においてウェハ上に温度の特異点が生じる様子を示す概念図である。

符号の説明

１００、２００…気相成長装置
１０１、２０１…チャンバ
１０２、２０２…ウェハ
１０３、２０３…サセプタ
１０４、２０４…ホルダ
１０５、２０５…インヒータ
１０６、２０６…アウトヒータ
１０７、２０７…送気管
１０８、２０８…温度計測部
１０９…窓
１１０…回転胴
１１８、１２８、１３８、２１８、２２８、２３８…放射温度計

Claims (3)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に収容され、ウェハを載置するサセプタを有するホルダと、
   前記ホルダ内に設けられ、前記サセプタに載置されたウェハを加熱するヒータと、
   前記ヒータに対向して設けられ、前記ヒータに向けて冷却ガスを噴射する送気管と、
   前記チャンバ外に設けられ、前記ウェハの表面の温度を計測する温度計測部とを備える気相成長装置であって、
   前記送気管は、前記ヒータの前記ウェハを過熱する部分に対向して設けられることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記送気管は、前記ウェハの回転円周上に位置するように略等間隔に複数個設けられることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記送気管は、前記温度計測部が計測した前記ウェハの表面温度に基づいて流量が制御される冷却ガスを噴射するものであることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
   

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