JP5999511B2 - 気相エピタキシャル成長装置及びそれを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャルウェーハの気相成長装置及びそれを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法に関し、具体的には、ウェーハ裏面側へのエピタキシャル層の形成を抑制できる気相エピタキシャル成長装置及びそれを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。

エピタキシャルウェーハは、半導体基板の表面にエピタキシャル成長によるエピタキシャル層が成層されたものである。近年、MOS(Metal Oxide Semiconductor)メモリデバイスの高集積化に伴い、α粒子によるメモリの誤動作（ソフトエラー）やCMOS・ICにおけるラッチアップが無視できなくなっている。これらの問題解決に、エピタキシャル層を有するエピタキシャルウェーハが有効であることが認識されており、最近ではCMOS・ICの製造にエピタキシャルウェーハが積極的に使用されている。エピタキシャル層を成層する装置には、枚葉式の気相エピタキシャル成長装置がある。この気相エピタキシャル成長装置は、コンパクトな反応室を有しており、ハロゲンランプによる輻射加熱方式を採用している。枚葉処理であるため、均熱条件、ガス流分布の設計が容易であり、エピタキシャル層特性を高くすることが可能である。したがって、大直径の半導体ウェーハを処理するのに有効な装置である。

図６〜８に従来の枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の構成を示す。従来の気相エピタキシャル成長装置１００は、図６によく示される如く、透明石英からなる反応容器１０１内に１枚ずつセットされた基板Ｗを、上下より赤外線ランプ１０６を用いて輻射加熱しながら、エピタキシャル層を気相成長させるものである。この赤外線ランプ１０６は反応容器１０１の外部上側及び外部下側に配置されている。

前記反応容器１０１内には、基板Ｗを載置するためのサセプタ１０２が水平に配設されており、該サセプタ１０２はその一部が裏面に当接するサセプタサポート１０３により支持されている。サセプタサポート１０３は、図７によく示される如く、中心部に設けられたサポートシャフト１０５と、前記サポートシャフト１０５から１２０°間隔を有して放射状に形成された３本の支持アーム１０５ａ〜１０５ｃとで構成されている。サセプタサポート１０３の下方には回転機構が連結されており、これにより、サセプタ１０２はサセプタサポート１０３とともに水平面内で回転できるようになっている。

サセプタ１０２は、上面に形成された座ぐり部１２１に基板Ｗを収容し、座ぐり部１２１には、最外周部より内側に複数のサセプタ貫通孔１０８が設けられている。また、反応容器１０１の側壁部から該サセプタ１０２の外周至近部にかけて設けられるリング１０４により周回されている。このリング１０４は、前記サセプタ１０２と共働して反応容器１０１の内部空間を上部空間１０１ａと下部空間１０１ｂとに分割する。上部空間１０１ａでは、ガス供給口１０９ａからキャリアガスと共に導入された反応ガスが、基板Ｗの表面をほぼ層流を形成しながら流れ、反対側の排気口１２０ａから排気される。前記リング１０４は、ガス供給口１０９ａから基板Ｗに至るまでの間に反応ガスの温度を前もって加熱する役割を果たすものである。一方の下部空間１０１ｂにおいては、ガス供給口１０９ｂから雰囲気ガスが供給され、反対側の排気口１２０ｂより排気される。

上記のような枚葉式気相エピタキシャル成長装置では、サセプタ１０２が回転するため、サセプタ１０２とリング１０４の間に間隙１０７が設けられている。しかし、サセプタ１０２上面側に供給された反応ガスの一部が、図８によく示される如く、この間隙１０７からサセプタ１０２下面側に侵入し、サセプタ１０２の座ぐり部１２１のサセプタ貫通孔１０８から基板Ｗの裏面側まで入り込んで、基板Ｗの裏面、特に外周領域において、厚いエピタキシャル層が形成することがあった。このように、ウェーハ裏面外周部に厚いエピタキシャル層が形成されると、ウェーハ外周部の平坦度が悪化し、フォトリソグラフィ工程でデフォーカスが発生しやすくなってしまう。

上記問題の対策として、サセプタ１０２下面側に雰囲気ガスを供給し、反応ガスの、反応容器１０１の下部空間１０１ｂへの侵入を抑制する方法が用いられているが、雰囲気ガスの量が多いと、雰囲気ガスがサセプタ１０２とリング１０４の間隙１０７から上部空間１０１ａに噴出し、上部空間１０１ａのガスフローを乱して、エピタキシャル膜厚の面内均一性を悪化させることがあった。

そこで特許文献１では、サセプタとリングのエッジ部に階段状のフランジを設け、このフランジを係合させることにより、反応容器の上下部空間の雰囲気遮蔽性を高める方法が開示されている。しかし、この方法を急速な昇降温を行うプロセスで用いると、フランジ部に局所的な温度差が発生し、ひびや割れが多発することが明らかになった。

この問題を改善するために、特許文献２では、サセプタとリングのエッジ部に垂下したスカート状の縁を設ける方法が開示されているが、基板裏面外周部のエピタキシャル層形成を抑える効果はあまり高いものではなかった。

特開平０７−０７８８６３ 特開２０００−０１２４７０

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、サセプタとリングにひびや割れを発生させることなく、サセプタの座ぐり部のサセプタ貫通孔からの反応ガスの流入を抑制し、基板裏面側へのエピタキシャル層の形成を抑制することができる気相エピタキシャル成長装置及びそれを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ね、サセプタの座ぐり部内に設けられたサセプタ貫通孔に反応ガスが流入しないようにサセプタサポートでサセプタ貫通孔よりも外周側を遮蔽することでサセプタ裏面側に流れる反応ガスの基板側への流入を抑制し、基板裏面へのSi堆積などのエピタキシャル層の形成を改善することができるのではないかと考え、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置は、反応ガスを基板に対して水平に導入して、基板上に薄膜を気相成長させるための反応容器と、前記反応容器内に水平に配置され、前記基板を載置するための座ぐり部を備え、該座ぐり部の最外周部より内側に２以上のサセプタ貫通孔が設けられているサセプタと、前記サセプタの上下に配設される加熱手段と、前記サセプタの下面に設けられ、前記サセプタを支持するサセプタサポートと、を有し、前記サセプタサポート が、前記サセプタ貫通孔の全てを覆う領域まで前記サセプタ下面をカバーするようにその周縁端部を前記サセプタ下面に当接せしめて前記サセプタ下面との接触面に間隙がないように円周支持する漏斗状サセプタ下面カバー部と、前記サセプタ下面カバー部の中心に設けられたサポートシャフトと、前記サセプタ下面カバー部の中心付近に設けられた少なくとも一つのサセプタ下面カバー部貫通孔と、を備え、前記サセプタ下面カバー部貫通孔が、前記サセプタ下面カバー部の周縁端部よりも下方に位置することを特徴とする。

このように、サセプタサポートでサセプタ貫通孔よりも外周側のサセプタ下面までを前記サセプタ下面カバー部で遮蔽することでサセプタ下面側に流れ込む反応ガスが基板側へ流入してしまうことを抑制し、基板裏面へのSi堆積などのエピタキシャル層の形成を抑制することができる。また、前記サセプタ下面カバー部貫通孔を、前記サセプタ下面カバー部の周縁端部よりも下方に位置せしめることで、反応ガスが前記サセプタ下面カバー部貫通孔を通って基板側へ流入することを抑制することができる。

また、前記サセプタ下面カバー部が漏斗状であるのが好ましい。前記サセプタ下面カバー部を漏斗状とした場合、サポートシャフトの付け根付近の前記サセプタ下面カバー部に、少なくとも一つのサセプタ下面カバー部貫通孔を設けるのが好ましい。前記サセプタ下面カバー部貫通孔としては、対称位置に複数個形成するのが好ましく、２〜８個形成するのが好ましい。このように構成することで、サセプタ下面カバー部貫通孔が、前記サセプタ下面カバー部の周縁端部よりも下方に位置せしめられ、反応ガスが前記サセプタ下面カバー部貫通孔を通って基板側へ流入することを抑制することができる。

本発明に係るエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記気相エピタキシャル成長装置を用い、前記気相エピタキシャル成長装置のサセプタの座ぐり部に基板を載置し、前記加熱手段にて前記基板を加温し、反応ガスを前記反応容器内に前記基板に対して水平に導入しながら前記基板上にエピタキシャル層の気相成長を行うことを特徴とする。前記気相エピタキシャル成長装置を用いることで、サセプタの座ぐり部の貫通孔から反応ガスが流れ込まなくなり、基板裏面へのエピタキシャル層の形成を抑制することができ、基板裏面の平坦性が維持されたエピタキシャルウェーハを製造することができる。

本発明によれば、サセプタとリングにひびや割れを発生させることなく、サセプタの座ぐり部のサセプタ貫通孔からの反応ガスの流入を抑制し、基板裏面側へのエピタキシャル層の形成を抑制することができる気相エピタキシャル成長装置及びそれを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができるという著大な効果を奏する。

本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の一つの実施の形態を示す側面概略断面図である。 図１で示したサセプタサポートの概略斜視図である。 図１で示したサセプタサポートの上面概略図である。 本発明に係る気相エピタキシャル成長装置に用いられるサセプタサポートの側面概略断面説明図である。 比較例及び実施例のウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を示すグラフである。 従来の気相エピタキシャル成長装置の側面概略断面図である。 図６で示した従来のサセプタサポートの上面概略図である。 従来の気相エピタキシャル成長装置に用いられるサセプタサポートの側面概略断面説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１〜４に、本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の一つの実施の形態を示す。本発明の気相エピタキシャル成長装置１０は、反応ガスを基板Ｗに対して水平に導入して、基板Ｗ上に薄膜を気相成長させるための反応容器１１と、前記反応容器１１内に水平に配置され、前記基板Ｗを載置するための座ぐり部２１を備え、該座ぐり部２１の最外周部より内側に２以上のサセプタ貫通孔１８が設けられているサセプタ１２と、前記サセプタ１２の上下に配設される加熱手段１６と、前記サセプタ１２の下面２３に設けられ、前記サセプタ１２を支持するサセプタサポート１３と、を有し、前記サセプタサポート１３が、前記サセプタ貫通孔１８の全てを覆う領域まで前記サセプタ下面２３をカバーするようにその周縁端部２２を前記サセプタ下面２３に当接せしめて前記サセプタ下面２３との接触面に間隙がないように円周支持するサセプタ下面カバー部２４と、前記サセプタ下面カバー部２４の中心に設けられたサポートシャフト１５と、前記サセプタ下面カバー部２４の中心付近に設けられた少なくとも一つのサセプタ下面カバー部貫通孔２６ａ〜２６ｄと、を備え、前記サセプタ下面カバー部貫通孔２６ａ〜２６ｄが、前記サセプタ下面カバー部２４の周縁端部２２よりも下方に位置するように構成されている。前記加熱手段１６としては赤外線ランプを用いた例を示した。

本発明に係る気相エピタキシャル成長装置は、反応容器１１の側壁部から該サセプタ１２の外周至近部にかけて設けられるリング１４により周回されている。このリング１４は、前記サセプタ１２と共働して反応容器１１の内部空間を上部空間１１ａと下部空間１１ｂとに分割する。上部空間１１ａでは、ガス供給口１９ａからキャリアガスと共に導入された反応ガスが、基板Ｗの表面をほぼ層流を形成しながら流れ、反対側の排気口２０ａから排気される。前記リング１４は、ガス供給口１９ａから基板Ｗに至るまでの間に反応ガスの温度を前もって加熱する役割を果たすものである。一方の下部空間１１ｂにおいては、ガス供給口１９ｂから雰囲気ガスが供給され、反対側の排気口２０ｂより排気される。すなわち、図６〜８に示した従来の気相エピタキシャル成長装置とは、サセプタサポート１３の構成が異なる点を除けば、その他の基本的構成は同様である。

図示例では、図２〜３によく示される如く、サセプタ下面カバー部２４としては漏斗状のものを使用した。また、サセプタ下面カバー部貫通孔としては、４箇所に設けた例を示した。

上述のように、サセプタサポート１３が前記基板Ｗに対し水平に導入される反応ガスがサセプタ下面に流入しないようにサセプタ下面２３をカバーする形状を有するようにサセプタサポート１３を構成することで、サセプタサポート１３でサセプタ貫通孔１８よりも外周側のサセプタ下面２３までを前記サセプタ下面カバー部２４で遮蔽することで前記サセプタ貫通孔１８の全てが覆われるので、図４によく示されるように、サセプタ下面２３側に流れ込む反応ガスが基板Ｗ側へ流入してしまうことを抑制し、基板裏面へSiなどが堆積してしまうことによるエピタキシャル層の形成を抑制することができる。また、サセプタサポート１３はサセプタ１２のサセプタ下面２３との接触面に間隙がないように配置されている。

本発明の気相エピタキシャル成長装置１０でも、サセプタ１２が回転するため、サセプタ１２とリング１４の間に間隙１７が設けられている。しかし、サセプタサポート１３はサセプタ下面カバー部２４を有する構成とされているため、図４によく示される如く、サセプタ１２上面側に供給された反応ガスが、この間隙１７からサセプタ１２の下面２３側に侵入することを防ぐことが出来る。

また、前記サセプタ下面カバー部貫通孔２６ａ〜２６ｄを、前記サセプタ下面カバー部２４の周縁端部２２よりも下方に位置せしめることで、前記反応ガスが流入しない下方の位置にサセプタ下面カバー部貫通孔が設けられるため、反応ガスが前記サセプタ下面カバー部貫通孔２６ａ〜２６ｄを通って基板Ｗ側へ流入することを抑制することができ、かつウェーハ下面からのアウトガスを排出することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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。

（比較例）
はじめに、従来の図６〜８に示されるサセプタサポート１０３を用いた従来の気相エピタキシャル成長装置を使用して、基板Ｗの表面にエピタキシャル層を成層した。成層条件は以下の通りである。
不純物としてボロンを含有した抵抗率が8.0〜12.0Ω・cm、直径が200mmのシリコン基板を用意した。そのシリコン基板上に、成長温度1130度、ドーパントガスにBH₃、成層ガスにトリクロロシラン（TCS）を用いてエピタキシャル層抵抗率10.0Ω・cm、エピタキシャル層厚2μmとなるようなエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長（CVD法）を行うことによってエピタキシャルウェーハを製造し、ウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を測定した。図５にウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を示す。図５に示したように、比較例では、ウェーハ裏面外周部に30nmのSi層が堆積されていた。

（実施例）
次に、図１〜４に示されるサセプタサポート１３を用いた本発明の気相エピタキシャル成長装置を使用して、基板Ｗの表面にエピタキシャル層を成層した。成層条件は以下の通りである。不純物としてボロンを含有した抵抗率が8.0〜12.0Ω・cm、直径が200mmのシリコン基板を用意した。そのシリコン基板上に、成長温度1130度、ドーパントガスにBH₃、成層ガスにトリクロロシラン（TCS）を用いてエピタキシャル層抵抗率10.0Ω・cm、エピタキシャル層厚2μmとなるようなエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長（CVD法）を行うことによってエピタキシャルウェーハを製造し、ウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を測定した。図５にウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を示す。図５に示したように、実施例では、ウェーハ裏面外周部に0.5nmのSi層が堆積されていた。

従来のサセプタサポートを用いた気相エピタキシャル成長装置（比較例）と本発明に係るサセプタサポートを用いた気相エピタキシャル成長装置（実施例）を比較すると、本発明に係るサセプタサポートを用いた気相エピタキシャル成長装置を使用することでウェーハ裏面外周部のSi堆積層厚を大きく改善することができることが示された。

なお、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。

１０：本発明の気相エピタキシャル成長装置、１１，１０１：反応容器、１１ａ，１０１ａ：上部空間、１１ｂ，１０１ｂ：下部空間、１２，１０２：サセプタ、１３，１０３：サセプタサポート、１４，１０４：リング、１５，１０５：サポートシャフト、１６：加熱手段、１７，１０７：間隙、１８，１０８：サセプタ貫通孔、１９ａ，１９ｂ，１０９ａ，１０９ｂ：ガス供給口、２０ａ，２０ｂ，１２０ａ，１２０ｂ：排気口、２１，１２１：座ぐり部、２２：周縁端部、２３：サセプタ下面、２４：サセプタ下面カバー部、２６ａ〜２６ｄ：サセプタ下面カバー部貫通孔、１００：従来の気相エピタキシャル成長装置、１０５ａ〜１０５ｃ：支持アーム、１０６：赤外線ランプ、Ｗ：基板。

Claims (2)

1. 反応ガスを基板に対して水平に導入して、基板上に薄膜を気相成長させるための反応容器と、前記反応容器内に水平に配置され、前記基板を載置するための座ぐり部を備え、該座ぐり部の最外周部より内側に２以上のサセプタ貫通孔が設けられているサセプタと、前記サセプタの上下に配設される加熱手段と、前記サセプタの下面に設けられ、前記サセプタを支持するサセプタサポートと、を有し、
   前記サセプタサポート が、前記サセプタ貫通孔の全てを覆う領域まで前記サセプタ下面をカバーするようにその周縁端部を前記サセプタ下面に当接せしめて前記サセプタ下面との接触面に間隙がないように円周支持する漏斗状サセプタ下面カバー部と、前記サセプタ下面カバー部の中心に設けられたサポートシャフトと、前記サセプタ下面カバー部の中心付近に設けられた少なくとも一つのサセプタ下面カバー部貫通孔と、を備え、前記サセプタ下面カバー部貫通孔が、前記サセプタ下面カバー部の周縁端部よりも下方に位置することを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。
2. 請求項１記載の気相エピタキシャル成長装置を用い、前記気相エピタキシャル成長装置のサセプタの座ぐり部に基板を載置し、前記加熱手段にて前記基板を加温し、反応ガスを前記反応容器内に前記基板に対して水平に導入しながら前記基板上にエピタキシャル層の気相成長を行うことを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。