JP5921754B2 - 蒸着法によって半導体ウエハ上に層を堆積させる装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸着法によって半導体ウエハ上に層を堆積させる装置およびこの装置を用いる方法に関する。
この種の装置は、たとえば米国出願第２００４／０１４４３２３Ａ１号により開示されている。開示された装置は、透明材料からなる上下カバーと側壁とを含む。上下カバーと側壁とは、反応室を画定する。反応室は、サセプタによって上部反応室および下部反応室に分けられる。サセプタは、塗布対象とする半導体ウエハを支持する。サセプタ自体は、サセプタと半導体ウエハとを回転させるシャフトの上端を構成する支持フレームのアームに配置されている。上下ランプバンクは、サセプタと半導体ウエハとを加熱する。堆積ガスは、上部反応室を通って半導体ウエハの表面と平行に案内され、処理中に熱分解される。分解生成物は、堆積して、半導体ウエハ前面の表面にできるだけ均一な厚層を形成する。同時に、パージガスは、堆積ガスまたは分解生成物がサセプタの背面および半導体ウエハの背面に到達しないに、下部反応室を通って案内される。
米国特許第４８２１６７４号は、堆積ガスがサセプタ下方の領域に進入しないに、シャフトを通っておよびシャフトとシャフトを囲むチューブとの間に存在している隙間を通ってパージガスを案内することができることを開示している。
しかしながら、半導体ウェーハ上に均一な厚層を堆積させることには、問題がある。重要な処理パラメータ、たとえば、ランプバンクの電力、堆積ガスおよびパージガスの体積流量を最適化しても、半導体ウエハの中心部の層厚が半導体ウエハの縁部領域の層厚よりもやや厚いということは、塗布された半導体ウエハを分析した結果によって確認された。
本発明の目的は、より均一な層厚を達成することである。
本発明の発明者は、塗布された半導体ウエハの中心部に見られる層厚の増加がサセプタの中心領域の温度上昇に起因するものであり、この局所的な温度上昇が処理パラメータの最適化によって回避できないということを発見した。
本発明の目的を達成するために、蒸着法によって半導体ウエハ上に層を堆積させる装置は、提案された。装置は、前面と背面とを有するサセプタと、サセプタを回転させるシャフトとを含む。シャフトは、上端と下端とを有し、下端から上端に延在するチャネルを備える。また、装置は、シャフトの上端に固定され、冷却ガスを用いてサセプタ背面の領域を冷却するガス分配器ヘッドを含む。冷却領域は、サセプタの中心部から径方向外側に延在する。さらに、装置は、ガス源から冷却ガスをシャフトの下端に供給する管路を含む。冷却ガスは、シャフトの下端からチャネルを通ってシャフトの上端に到達し、分配器ヘッドに入り、サセプタの背面に案内される。
また、本発明は、この装置を使用する方法に関する。
サセプタの中心部から径方向外側に延在するサセプタ背面の領域の冷却は、最終的には、半導体ウエハ前面の中心部の塗布対象とする表面の温度低下をもたらすとともに、中心部から径方向に延在する半導体ウエハ前面の周囲領域の塗布対象とする表面の温度低下をもたらす。温度が低下されたため、層の堆積速度が減少し、よって特定の冷却対策をとることによって、径方向における層厚の均一分布を達成することができる。
冷却対策は、サセプタの中心部から径方向外側に延在するサセプタ背面の領域に冷却ガスを案内し、冷却ガスの効果を制限するガス分配ヘッドの使用を含む。領域の直径は、塗布対象とする半導体ウエハの直径よりも小さい。サセプタの背面の冷却領域の直径をｄで表し、サセプタ上に配置された塗布対象とする半導体ウエハの直径をｄで表す場合、Ｄ／ｄの直径比は、好ましくは、０．１以上０．４以下である。冷却領域の直径は、大きくなりすぎてはならない。さもなければ、冷却されるべきではない半導体ウエハ領域が冷却されてしまう。一方、冷却領域の直径は、小さくなりすぎてはならない。さもなければ、冷却されるべきである半導体ウエハ領域が冷却されない。
ガス分配ヘッドは、用途に応じて異なって具体化されることができる。好ましくは、ガス分配ヘッドは、流出する冷却ガスを扇形に吹き出す方式でサセプタの背面に向かって案内する。サセプタ背面の冷却領域は、ガス分配ヘッドから流出するガス流が直接に当たる領域である。好ましくは、ガス分配ヘッドは、サセプタの背面から特定の距離で離れ、ガス流を扇形に吹き出すための特定の開口角度を有する。
好ましくは、本発明に係る装置は、サセプタ背面の領域を冷却する冷却ガスの体積流量を１slm以上２０slm以下になるように設定する質量流量コントローラまたは質量流量リミッタを備える。体積流量が２０slmを超えた場合、冷却ガスが予想以上に作用し、その結果、半導体ウエハ表面の中心部に堆積される材料が予定より少なくなる恐れがある。
冷却ガスは、好ましくは、水素、窒素または希ガス、またはこれらのガスの任意混合物である。
半導体ウエハは、好ましくは、単結晶シリコンから構成される。堆積層は、好ましくは、電気的に活性なドーパントでドープすることができ、エピタキシャルに堆積されたシリコンからなる層である。塗布対象とする半導体ウエハの直径は、好ましくは、３００ｍｍ以上、特に好ましくは３００ｍｍまたは４５０ｍｍである。
本発明に係る装置を示す垂直断面図であり、図面には、本発明の理解に寄与しないいくつかの特徴が図示されていない。 好ましい実施形態に係るガス分配ヘッドがサセプタおよびその上に位置する半導体ウエハに対する相対的な位置を示す垂直断面である。 本発明に係る方法によってエピタキシャルに塗布されたシリコン層を備えるシリコンからなる半導体ウエハの実施例に基づいた層厚ｈの径方向分布を示す図である。 比較する目的で、冷却ガスによるサセプタの背面冷却を塗布中に省いた非常に類似した方法によって塗布されたシリコン層を備えるシリコンからなる半導体ウエハの実施例に基づいた層厚ｈの径方向分布を示す図である。
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
図１に示された装置は、サセプタ３を含む。サセプタ３は、塗布対象とする半導体ウエハ５を支持する。サセプタ自体は、支持フレーム１のアームに配置されている。支持フレームは、ガス分配ヘッド９とともに、回転シャフト７の上端に設置されている。シャフトは、チューブ６によって囲まれている。チューブ６は、上端で広げられ、支持リング２を形成する。支持リング２の上面には、サセプタ３上に配置された半導体ウエハ５を昇降させる昇降ピン４が載置されている。チューブ６とシャフト７との間には、隙間がある。その隙間は、支持リングまで上方へ延在する。シャフトの下端は、管路を介して冷却ガスを供給するガス源１０に接続されている。質量流量コントローラまたは質量流量リミッタ８は、好ましくは、管路と一体化され、冷却ガスの体積流量を制御または制限する。本発明の１つの好ましい構成によれば、装置は、追加ガスを供給するため、追加ガス源１１と、追加管路と、追加の質量流量コントローラまたはリミッタ１２とを備えている。追加ガスは、冷却ガスと同様の組成または異なる組成を有することができる。追加ガスは、パージガスとして使用され、チューブの上端における追加ガスの出口領域に反応ガスが存在しないように維持する。
図２に示すように、ガス分配ヘッド９は、好ましくは、円錐形に広げた回転体の形状を有し、ガス流を扇形に吹き出す。もし直径比ｄ／Ｄ＝０．１ならば、塗布対象とする半導体ウエハが３００ｍｍの直径Ｄを有する場合、サセプタの背面において冷却される領域の直径ｄ１が３８ｍｍである。そのため、ガス分配器ヘッドとサセプタの背面との間の距離Ａ１は、約１１ｍｍにしなければならず、ガス分配ヘッドは、ガス流を約２０°の開口角度Ｗ１で吹き出さなければならない。もし直径比ｄ／Ｄ＝０．４ならば、塗布対象とする半導体ウエハが３００ｍｍの直径Ｄを有する場合、サセプタの背面において冷却される領域の直径ｄ２が１５２ｍｍである。そのため、ガス分配器ヘッドとサセプタの背面との間の距離Ａ２は、約８１ｍｍにしなければならず、ガス分配ヘッドは、ガス流を約３７°の開口角度Ｗ２で吹き出さなければならない。
実施例
図３および図４の比較によって分かるように、本発明に係る装置を使用する場合、層厚さｈの径方向分布は、著しく均一になる。

Claims (3)

  1. 蒸着法によって半導体ウエハ上に層を堆積させる装置であって、
    前面と背面とを有するサセプタと、
    前記サセプタを回転させるシャフトとを含み、前記シャフトは、上端と下端とを有し、前記下端から前記上端に延在するチャネルを備え、
    前記シャフトの前記上端に固定され、冷却ガスを用いて前記サセプタの前記背面の領域を冷却するガス分配器ヘッドとを含み、前記サセプタの中心部から径方向外側に冷却領域が延在し、
    ガス源から冷却ガスを前記シャフトの前記下端に供給する管路とを含み、冷却ガスは、前記シャフトの前記下端から前記チャネルを通って前記シャフトの前記上端に到達し、前記ガス分配器ヘッドに入り、前記サセプタの前記背面に案内され、
    前記ガス分配器ヘッドは、ｄ／Ｄ比が０．１以上０．４以下であるように具現化され、式中、ｄは、前記サセプタの前記背面にある前記冷却領域の直径を表し、Ｄは、前記サセプタ上に配置された塗布対象とする半導体ウエハの直径を表す、装置。
  2. 前記装置は、前記ガス分配器ヘッドから流出する前記冷却ガスの体積流量を１slm以上２０slm以下になるように制御または制限する質量流量コントローラまたは質量流量リミッタを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 請求項１または２に記載の装置を用いて、蒸着法によって半導体ウエハ上に層を堆積させる方法。
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