JP5001349B2 - サセプタ及びこれを備える半導体製造装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、サセプタ及びこれを備える半導体製造装置に関する。
一般に、半導体製造装置には、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの結晶成長装置を用いる。このような結晶成長装置は、ウェハ表面に半導体発光素子、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、レーザダイオードなどの素子を成長させるために用いられる。
前記結晶成長装置内でウェハをローディングする装置としては、真空方式のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）が多く使用されている。
図１は、従来の半導体製造装置を概略的に示す図である。
図１及び図２に示すように、半導体製造装置１０は、反応チェンバ２０、サセプタ３０、回転軸５０、ヒータ６０、シュラウド７０を含む。
反応チェンバ２０内のサセプタ３０の上側には、多数のポケット３４が形成され、各ポケット３４にはウェハ４０がローディングされる。ここで、図２の（ｂ）のようにポケット３４の底面３８は水平な構造を有する。
前記回転軸５０はサセプタ３０の下部に軸結合され、前記ヒータ６０は、サセプタ３０の下に配置されて、サセプタ３０の下部を加熱する。
シュラウド７０は、反応チェンバ２０の上からソース物質を供給する。
このような半導体製造装置１０を用いる半導体製造工程は、次の通りである。
前記サセプタ３０のポケット３４には、ウェハ４０がローディングされる。前記反応チェンバ２０内にシュラウド７０を介してソース物質が供給され、回転軸５０によりサセプタ３０が回転し、ヒータ６０によりサセプタ３０及び反応チェンバ内部が加熱される。この時、前記流入するソース物質同士の化学反応により、前記ウェハ４０の表面に半導体薄膜や絶縁膜などが形成される。
この時、サセプタ３０にローディングされたウェハ４０の表面には、有機金属とアンモニアとの気相反応によりアルミニウム窒化膜、ガリウム窒化膜、インジウム窒化膜、或いはアルミニウム−ガリウム窒化膜、アルミニウム−インジウム窒化膜、ガリウム−インジウム窒化膜などが蒸着されることができる。
前記ヒータ６０で発生する熱は、サセプタ３０の回転軸５０を基準にして、同じ半径の領域を均一な温度で加熱するが、異なる半径の領域は均一な温度で加熱することができない。これによって、サセプタ３０のセンタに位置する回転軸５０がサセプタ３０のセンタ部分の熱を伝導するので、サセプタ３０のセンタ領域とアウター領域間に温度差が発生する。このような温度差により、図９のサセプタ修正前のグラフのように、ポケット３４のセンタ地点からインナー地点に向かうほど温度が低くなる分布になる。
結果的に、サセプタ３０にローディングされたウェハ表面に温度差が発生する。それによって、ウェハに蒸着されるエピ層のアウター領域とインナー領域が異なる成長速度を有するようになる。それによって、一枚のウェハ内で生産された半導体発光素子の発光波長に偏差が発生し、一枚のウェハで成長する物質膜の厚さに領域によって大きい差が発生する。
このように、一つのサセプタまたは一つのウェハで生産される半導体素子の発光波長の範囲が均一でなく、多様に表れる問題がある。
本発明の実施形態は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ウェハに均一な厚さの薄膜が形成されるようにするサセプタ及びこれを備える半導体製造装置を提供することにある。
本発明の実施形態の他の目的は、半導体発光素子の光度を向上させるサセプタ及びこれを備える半導体製造装置を提供することにある。
本発明の実施形態のまた他の目的は、傾いたポケットを有するサセプタ及びこれを備える半導体製造装置を提供することにある。
実施形態に係る半導体製造装置は、反応チェンバと、反応チェンバ内で熱を発生する加熱手段と、ウェハがローディングされ、少なくとも一つは底面が傾いたポケットを一つ以上含むサセプタと、前記サセプタに軸結合される回転軸と、を含む。
実施形態によれば、サセプタに傾いたポケットを提供して、サセプタの回転軸により発生するウェハ表面の温度偏差を除去し、均一な温度を有するようにすることで、ウェハ表面に蒸着される物質膜の厚さを一定にすることができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る半導体製造装置を示す断面図であり、図４の（ａ）、（ｂ）は、図３のサセプタの平面図及びＢ−Ｂ断面図であり、図５は、ポケットの詳細図である。
図３に示すように、半導体製造装置１００は、反応チェンバ１２０、サセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒまたはｗａｆｅｒ ｃａｒｒｉｅｒ）１３０、回転軸１５０、ヒータなどの加熱手段１６０、シュラウド１７０を含む。
前記反応チェンバ１２０内にはサセプタ１３０が備えられ、前記サセプタ１３０の上側には一つ以上のポケット１４０が形成される。ここで、前記ポケット１４０のうち少なくとも一つは、底面が傾いた構造からなる。
前記ポケット１４０にはウェハ（図示せず）がローディングされ、前記回転軸１５０は、サセプタ１３０の下部に軸結合されて、サセプタ１３０を回転させる。前記加熱手段１６０は、サセプタ１３０の下部及び反応チェンバ内部を所定温度に加熱する。前記シュラウド１７０は、反応チェンバ１２０内にソース物質を供給する。
前記反応チェンバ１２０内には、シュラウド１７０を介してソース物質が供給され、内部のサセプタ１３０が回転軸１５０により回転し、加熱手段１６０により反応チェンバ１２０内部及びサセプタ１３０が加熱される。この時、前記流入するソース物質同士の化学反応により、前記ウェハ（図示せず）の表面に半導体薄膜や絶縁膜などが形成される。
サセプタ１３０のポケットの底面が傾くことで、サセプタ１３０の厚さは前記ポケット１４０の底面深さまたは底面傾斜角度に反比例する。それによって、ポケット１４０の底面が深い領域であるほど、サセプタ１３０を介してウェハに伝達される熱が増加し、ポケット１４０の底面が浅い領域であるほど、サセプタ１３０を介してウェハに伝達される熱が減少する。
ここで、半導体製造装置１００は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの装置を含む。このような装置を用いて、ウェハ（図示せず）の表面に窒化ガリウム系半導体発光素子、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、レーザダイオードなどの素子が成長する。
前記サセプタ１３０は、カーボン（Ｃａｒｂｏｎ）またはアルミニウムナイトライド（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ，ＡｌＮ）材質で製作され、前記サセプタ１３０の表面及びポケット１４０内でウェハと接触する面はシリコンカーバイド（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ，ＳｉＣ）、カーボン（Ｃａｒｂｏｎ）またはアルミニウムナイトライド膜でコーティングされる。
ここで、前記サセプタ１３０の表面にシリコンカーバイドまたはアルミニウムナイトライド膜をコーティングすることで、フッ酸を利用する化学的洗浄または熱洗浄（ｔｈｅｒａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）によりカーボン材質のサセプタが損傷されることを防止し、特性低下を防止することができる。ここで、前記シリコンカーバイドまたはアルミニウムナイトライド膜は、１０Å〜１００００Åの厚さで蒸着されることが適合する。
図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、前記サセプタ１３０の上面１３２には一つ以上のポケット１４０が形成され得るが、提示の図面には、６個のポケット１４０（Ｐ１〜Ｐ６）が形成された例が図示されており、本発明はこれに限定されない。
前記サセプタ１３０には、ウェハの大きさまたは反応チェンバ１２０の容量によって、１〜５０個のポケットまたはそれ以上のポケットが形成され得る。また、サセプタ１３０にはポケットが１列またはそれ以上の列で形成され得る。
前記ポケット１４０には、フラット部分とラウンド部分が存在し、前記フラット部分はポケットの外側に形成され、ウェハの回転を防止する。または、ポケットのフラット部分を除去することもできる。
以下、説明の便宜のために、サセプタ１３０のセンタＸを基準にして、ポケット１４０の最外側端は、アウター地点１４１とし、最内側端はインナー地点１４２とする。ポケット１４０内部で、インナー地点１４２とアウター地点１４１の距離ｄは最大になる。前記ポケット１４０で、フラット部分はアウター地点１４１またはインナー地点１４２に形成されるか他の地点に形成されることもできる。
前記ポケットＰ１、Ｐ４の底面１４４は傾いている。第１ポケットＰ１の底面１４４はアウター地点１４１よりインナー地点１４２が深い傾斜面で形成され、第４ポケットＰ４の底面１４４は、インナー地点１４２よりアウター地点１４１が深い傾斜面で形成される。
ここで、第４ポケットＰ４のように、インナー地点１４２の深さよりアウター地点１４１の深さをもっと深く形成することにより、サセプタ１３０で発生するウェハ表面の温度偏差を大きくすることができ、前記ウェハで生産される半導体発光素子の光度をもっと向上させることができる。
前記ポケットＰ１、Ｐ４の傾いた底面１４４は、サセプタ１３０の底面１３４間の厚さに影響を与える。すなわち、サセプタ１３０の厚さは、ポケットＰ１、Ｐ４の傾いた底面１４４によって異なる。ここで、サセプタ１３０の下部中央には、軸結合溝１３５が形成される。
また、サセプタ１３０で、ポケットＰ１、Ｐ２、Ｐ３は底面がインナー地点１４２に傾き、ポケットＰ４、Ｐ５、Ｐ６は底面がアウター地点１４１に傾くように形成されることができる。このようなポケットＰ１〜Ｐ６の底面の傾斜方向は、サセプタ１３０内にローディングされたウェハの温度分布によって変更することができる。
図５の（ａ）、（ｂ）を参照すると、ポケットＰ４の最小深さｈ１は、少なくともウェハの厚さ以上であり、ポケットＰ４の最大深さｈ２は、傾斜角度によって異なることができる。
また、ポケットＰ４はインナー地点１４２がそのポケット内で最小深さｈ１となり、アウター地点１４１がそのポケット内で最大深さｈ２となる。ポケットＰ１は、ポケットＰ４とは底面１４４の傾斜方向が反対になっている。
ここで、前記ポケットＰ１、Ｐ４の底面傾斜角度θ１は、サセプタ１３０の上面１３２を基準に０＜θ１≦−１０゜の範囲内で設定される。この時のポケットＰ１、Ｐ４内での最大深さｈ２は１０ｍｍ以下で形成され、最小深さｈ１はウェハの厚さ以上で形成されることができる。ここで、前記ポケットＰ１、Ｐ４の底面深さまたは傾斜角度は、ウェハのサイズによって変更することができる。例えば、２インチウェハの場合、最大３ｍｍ〜５ｍｍ程度の深さで形成されることもできる。
前記ポケットＰ４とポケットＰ１は、底面傾斜方向が反対であり、底面傾斜角度θ１は同一である。
図６〜図８は、本発明の実施形態に係るサセプタの他の例を示す図である。
図６に示すように、ポケットＰ１１の底面１４４は、インナー地点１４２からアウター地点１４１にサセプタ１３０上面１３２に対して角度θ２で傾き、ポケットＰ１４は、アウター地点１４１からインナー地点１４２にサセプタ１３０上面１３２に対して角度θ３で傾いている。このような底面傾斜角度θ２、θ３は、相違するように形成されることができる。
図７に示すように、ポケットＰ２１、Ｐ２４は、サセプタ１３０のセンタＸまたはインナー地点１４２に向かうほど、底面が深くなる構造になっている。ポケットＰ２１、Ｐ２４の底面１４４は、同一な角度または相違する角度で傾くことができる。ここで、二つのポケットＰ２１、Ｐ２４は、互いに対応する位置に配置されることができる。
図８に示すように、ポケットＰ３１、Ｐ３４は、サセプタ１３０の外側Ｙまたはアウター地点１４１に向かうほど底面が深くなる傾斜構造になっている。この時、二つのポケットＰ３１、Ｐ３４の底面傾斜角度θ４、θ５は、互いに同一であるか異なるように構成することができる。ここで、二つのポケットＰ３１、Ｐ３４は互いに対応する位置に配置されることができる。
このような実施形態では、サセプタ１３０で互いに対応するポケット１４０の底面がインナー地点１４２またはアウター地点１４１に向かって傾くようにすることができる。そして、サセプタ１３０内で形成されたポケット１４０の底面傾斜角度と底面傾斜方向は選択的に変更することができる。また、一つのサセプタ１３０内で水平なポケットと傾いたポケットを混合して使用することもできる。
一方、前記のようなサセプタ１３０を備える半導体製造装置１００の動作について図３〜図５を参照して説明する。本発明は、説明の便宜のためにＭＯＣＶＤ装備を用いることとして説明する。
サセプタ１３０の上面に形成された一つ以上のポケット１４０の傾いた底面にウェハがローディングされる。加熱手段１６０は反応チェンバ１２０内の温度及びサセプタ１３０下部を加熱し、回転軸１５０はサセプタ１３０を所定速度で回転させる。
ここで、回転軸１５０は、図４の（ｂ）に示すようにサセプタ１３０の下部に形成された軸結合溝１３５に結合される。
前記ポケット１４０の底面傾斜角度は、サセプタ１３０の上面１３２を基準にして０゜<θ≦−１０゜である。
そして、前記反応チェンバ１２０に連結されたシュラウド１７０を介して、反応チェンバ１２０内に原料ガスとキャリアガスが流入する。前記キャリアガスは、例えば、トリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素または窒素を含むことができる。
シュラウド１７０を介して流入したトリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスは、それぞれ個別的にガス同士に反応しないように、前記反応チェンバ１２０内部に案内され、加熱手段１６０により反応チェンバ１２０内壁の温度、特にサセプタ１３０上部の温度が上昇し、サセプタ１３０上側にローディングされたウェハが約１０００℃の温度で加熱される。
反応チェンバ１２０内でトリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスの気相反応が形成され、ウェハ上に、例えば、窒化アルミニウムが効果的に蒸着される。ここで、前記ウェハ表面に蒸着された物質膜厚さの変動は、１．８％に改善されることができる。
このように、各ポケット１４０の傾いた底面によりウェハが傾いてローディングされることで、ウェハ領域別温度差を減らすことができる。従って、ウェハ全体に均一な加熱が行われる。また、サセプタ１３０にローディングされたウェハは、例えば、基準温度から±２℃の偏差以内の均一な温度で維持されることができる。
従って、一つのサセプタ１３０上で各ポケット１４０にローディングされたウェハから生産された半導体発光素子を比較すると、ウェハの全領域で同一な発光波長領域を有する素子を生産することができる。例えば、一つのポケット１４０にローディングされたウェハのセンタ領域、インナー領域、アウター領域で生産された半導体発光素子が約４５５ｎｍ程度の発光波長領域を有する。
前記の方法で一枚のウェハで製造された各発光ダイオード別発光波長領域を検査した結果の例が図９〜図１２のグラフに図示されている。
図９は、サセプタの温度を測定するときにおいて、ポケット底面に対する修正前（Ｂｅｆｏｒｅ ｍｏｄｉｆｙ、従来）及び修正後（Ａｆｔｅｒ ｍｏｄｉｆｙ、本発明）のサセプタの領域別温度分布図である。ここで、修正前のポケット底面傾斜角度は０゜であり、修正後のポケット底面傾斜角度は、インナー地点に−０．１゜傾いたポケットで成長したウェハである。グラフの実線は、修正前のサセプタ（従来）を示し、グラフの点線は修正後のサセプタ（本発明）を示す。
サセプタに形成されたポケットのインナー地点が最大深さで形成され、サセプタの厚さは外周からセンタ方向に向かって薄くなるので、サセプタのセンター地点（ｃｅｎｔｅｒ ｐｏｉｎｔ）からインナー地点（ｉｎｎｅｒ ｐｏｉｎｔ）に向かうほど温度分布が修正前よりΔＴだけ増加することが分かる。結果的に、本発明のサセプタを使用した時、従来のサセプタよりサセプタ領域間の温度差が３℃程度減少する。
図１０及び図１１は、本発明のサセプタ上に面積が２インチのウェハをローディングした後、その上部に物質膜を形成し、ウェハで生産された半導体発光素子を検査した時の波長分布図である。図１０は、ポケット底面がインナー地点に−１゜傾いており、図１１は、ポケット底面がアウター地点に−２゜傾いている。そして、図１０及び図１１の縦軸のＣｏｕｎｔは測定された半導体発光素子の個数を示し、横軸は半導体発光素子のｐｅａｋ ｌａｍｂｄａ（ｎｍ）を示す。
図１０及び図１１に示すように、一枚のウェハで生産された半導体発光素子の出力波長は、殆ど４５２ｎｍ及び４５８ｎｍの単一波長を中心にそれぞれ分布している。
図１２は、本発明に係るサセプタを用いて成長したウェハを一定間隔で分けて測定した半導体発光素子の波長特性を示すグラフである。ここで、横軸はインナー地点からアウター地点まで一定間隔で２、４、６、８の番号を付けている。
図１２で、ポケットＢは底面がインナー方向に−０．５゜傾き、ポケットＣは底面がインナー方向に−１゜傾き、ポケットＤは底面がインナー方向に−２゜傾き、ポケットＥは底面がアウター方向に−０．５゜傾いた構造である。
図１２のグラフを参照すると、各ポケットＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ別に波長特性が異なるが、ウェハのアウター領域（ｏｕｔｅｒ ａｒｅａ）からインナー領域（ｉｎｎｅｒ ａｒｅａ）に向かうほど、生産された発光ダイオード素子がほぼ類似する発光特性を有する。そして、ウェハの全領域で発光波長領域だけでなく発光ダイオードの動作電圧も約３．０Ｖでほぼ類似する。
結果的に、従来技術によるサセプタを使用するより、本発明によるサセプタを使用すると、サセプタの領域間温度差を減少させることができる。すなわち、ウェハの全面に対して温度偏差が改善された特性を示す。これは、サセプタにローディングされたウェハが均一な温度で加熱されるので、ウェハの全領域に対して物質膜が均一に蒸着されることで、相違する発光波長領域を有する発光ダイオードが生産されることを最小化することができる。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
実施形態に係るサセプタ及びこれを備える半導体製造装置によれば、ウェハに均一な熱が伝達されることで、ウェハ表面に均一な薄膜が形成されることができる。
また、サセプタ内にローディングされたウェハで生産される半導体発光素子の電気的／光学的特性の偏差が改善され、また、各ウェハでの半導体素子の歩留まりが改善されることができる。
さらに、ウェハ表面の温度偏差をより大きくすることで、半導体発光素子の光度をより向上させることができる。
従来半導体製造装置を示す側断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、従来サセプタの平面図及びＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体製造装置を示す側断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るサセプタの平面図及びＢ−Ｂ断面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るポケットの詳細図である。 本発明の実施形態に係るサセプタのポケットの例を示す図である。 本発明の実施形態に係るサセプタのポケットの例を示す図である。 本発明の実施形態に係るサセプタのポケットの例を示す図である。 本発明及び従来のサセプタの領域別温度測定結果を比較して示すグラフである。 本発明の実施形態に係るポケットの底面傾斜によって一枚のウェハで生産された素子とこれらの発光波長特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るポケットの底面傾斜によって一枚のウェハで生産された素子とこれらの発光波長特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るポケットの底面傾斜によってウェハの領域別発光波長特性を示すグラフである。

Claims (6)

  1. 反応チェンバと、
    反応チェンバ内で熱を発生する加熱手段と、
    ウェハがローディングされ、少なくとも一つは底面が傾いたポケットを一つ以上含むサセプタと、
    前記反応チェンバへソース物質を供給するように構成されているシュラウドと、
    前記サセプタに軸結合される回転軸と、
    を含み、
    前記少なくとも一つのポケットは、前記サセプタの上面に配置され、
    前記サセプタは、前記加熱手段の上に配置され、
    前記シュラウドは、前記サセプタの上に配置され、
    前記回転軸は、前記サセプタの下に配置され、
    前記サセプタの上面は、前記反応チェンバの底面と平行に、また、前記ソース物質の流れに垂直となるように形成されており、
    前記ポケットの一つは、アウター地点よりインナー地点が深い傾斜面が形成された底面を有し、
    前記ポケットの他の一つは、インナー地点よりアウター地点が深い傾斜面が形成された底面を有する、
    半導体製造装置。
  2. 前記傾いたポケットは、サセプタのセンターから外側方向に傾いた傾斜面または／及びサセプタの外側からセンター方向に傾いた傾斜面を有する請求項１に記載の半導体製造装置。
  3. 前記ポケットの底面傾斜角度は、サセプタ上面を基準に０゜＜θ≦−１０゜である請求項１に記載の半導体製造装置。
  4. 前記傾いたポケットの底面深さはサセプタ上面から最小ウェハ厚さ以上であり、最大１０ｍｍ以下である請求項１に記載の半導体製造装置。
  5. 前記傾いた複数のポケットは、底面の傾斜角度が全て同一であるかポケット別に相違するように形成される請求項１に記載の半導体製造装置。
  6. 前記反応チェンバは、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置のうち何れか一つの装置を含む請求項１に記載の半導体製造装置。
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