JP6521140B2 - エピタキシャル成長装置およびプリヒートリングならびにそれらを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents
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(1)半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、
チャンバと、
前記チャンバの内部で前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
前記サセプタの側面を間隙を介して覆うプリヒートリングと、
前記エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスを前記半導体ウェーハの上面に供給する反応ガス供給口と、を有し、
前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも、広い間隙幅が前記サセプタと前記プリヒートリングとの間の少なくとも一部に設けられることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一であることを特徴とするプリヒートリング。
本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置は、半導体ウェーハWの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させる。ここで、エピタキシャル成長装置100は、チャンバ10と、チャンバ10の内部で半導体ウェーハを載置するサセプタ20と、サセプタ20の側面を間隙を介して覆うプリヒートリング60と、エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスGPを半導体ウェーハWの上面に供給する反応ガス供給口15Aと、を有する。そして、従来技術と異なり、図3に例示するように、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置100において、反応ガス供給口15A側におけるサセプタ20とプリヒートリング60との間隙幅w1よりも、広い間隙幅w2がサセプタ20とプリヒートリング60との間の少なくとも一部に設けられる。以下、各構成の詳細を順次説明する。
チャンバ10は、上部ドーム11、下部ドーム12及びドーム取付体13を含み、このチャンバ10がエピタキシャル膜形成室を区画する。チャンバ10には、上部ライナー17側での側面の対向する位置に反応ガスGPの供給及び排出を行う反応ガス供給口15A及び反応ガス排出口16Aが設けられることが一般的である。また、チャンバ10には、下部ライナー18側での側面の交差する位置に雰囲気ガスGAの供給及び排出を行う雰囲気ガス供給口15B及び雰囲気ガス排出口16Bが設けられることが一般的である。図1では簡略化するため、同一断面に反応ガスGPおよび雰囲気ガスGAの供給口および排出口を図示しており、図1のように反応ガスGPと雰囲気ガスGAとが並行するように供給口が設けられることもある。
サセプタ20は、チャンバ10の内部で半導体ウェーハWを載置する円盤状の部材である。サセプタ20は、一般的に周方向に120°等間隔で、表裏面を鉛直方向に貫通する3つの貫通孔を有する。これら貫通孔には、リフトピン40A,40B,40Cがそれぞれ挿通される。サセプタ20は、厚みが概ね2〜8mm程度であり、カーボングラファイト(黒鉛)を母材とし、その表面を炭化ケイ素(SiC:ビッカース硬度2,346kgf/mm2)でコーティングしたものを使用することができる。サセプタ20の表面には、半導体ウェーハWを収容し載置するザグリ部(図示せず)が形成されている。
プリヒートリング60は、サセプタ20の側面を間隙を介して覆う。図示しないハロゲンランプから照射された光により加熱され、反応ガスGPがエピタキシャル膜形成室に流入し、反応ガスGPが半導体ウェーハWと接触する前に、プリヒートリング60は反応ガスGPを予熱する。プリヒートリング60はまた、サセプタ20の予熱も行う。このようにして、プリヒートリング60は成膜前および成膜中のサセプタ20および半導体ウェーハの熱均一性を高める。
サセプタサポートシャフト30は、チャンバ10内でサセプタ20を下方から支持するものであり、その支柱は、サセプタ20の中心とほぼ同軸上に配置される。
リフトピン40A,40B,40Cは、サセプタ20の貫通孔にそれぞれ挿通される。リフトピン40A,40B,40Cは、昇降シャフト50によって、上下方向に昇降されることにより、リフトピンの上端部で半導体ウェーハW(半径50%以上の裏面部領域)を支持しながら半導体ウェーハWをサセプタ20上に着脱させることができる。この動作についても詳細は後述する。リフトピン40A,40B,40Cの材料には、サセプタ20と同様に、カーボングラファイトおよび/または炭化ケイ素が用いられることが一般的である。
昇降シャフト50は、サセプタサポートシャフト30の主柱を収容する中空を区画し、支柱の先端部でリフトピンの下端部をそれぞれ支持する。昇降シャフト50は石英で構成されることが好ましい。昇降シャフトが、サセプタサポートシャフト30の主柱に沿って上下動することにより、リフトピン40A,40B,40Cを昇降させることができる。
加熱ランプは、チャンバ10の上側領域および下側領域に配置され、一般に、昇降温速度が速く、温度制御性に優れた、ハロゲンランプや赤外ランプが用いられる。
また、本発明の一実施形態に従うプリヒートリングは、エピタキシャル成長装置内で半導体ウェーハを載置するサセプタの側面を、間隙を介して覆うプリヒートリングである。そして、プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一である。こうしたプリヒートリングをエピタキシャル成長装置に用いれば、前述したとおりエピタキシャルの反応ガス供給口側における雰囲気ガスの吹き上がりを抑制でき、その結果、エピタキシャル層の膜厚均一性を改善することができる。このようなプリヒートリングの好適態様を、既述の図3,4を用いて説明するが、エピタキシャル成長装置の実施形態と重複する説明は省略する。
(参考例1)
図3に示すプリヒートリング60をエピタキシャル成長装置に設置した。図3と同様に、プリヒートリング60の外径と内径との差が最小となる位置を反応ガス供給口側とし、プリヒートリング60の外径と内径との差が最大となる位置を反応ガス排出口側とした。図3に示す中心点P1とP2との間の距離は1.5mmであり、また、サセプタ20とプリヒートリング60との間の間隙幅w1は2mmであり、間隙幅w2は5mmである。
参考例1におけるプリヒートリング60に替えて、従来技術に係る、中心点を対称とするリング状のプリヒートリングを用いた以外は、参考例1と同様にしてエピタキシャル層を成膜した。なお、従来例におけるプリヒートリングとサセプタとの間の間隙の長さは3.5mm程度で周方向に均一である。
FT−IR方式の膜厚測定器(ナノメトリクス社製:QS−3300EG)を用いて、参考例1および従来例により作製したエピタキシャルウェーハのエピタキシャル膜の膜厚分布をそれぞれ測定した。結果を図5に示す。ただし、図5のグラフの縦軸は相対値により示す。図5から、エピタキシャルウェーハの100mmより外側の厚み分布ばらつきは従来例に比べて約58%改善したことが確認できる。なお、ここで言う「ばらつき」とは、上記膜厚測定器によるウェーハ外周部(ウェーハ中心から半径100mm以内を除外)における測定値のばらつき度合いを意味し、{(最大測定値−最小測定値)/(最大測定値+最小測定値)}×100%により定義する。以下の実験例2,3においても同様である。
参考例1におけるプリヒートリングの外周半径R1および内周半径R2を維持しつつ、外周中心P1と内周中心P2との距離を変えた以外は、参考例1と同様にしてシリコンエピタキシャルシャルウェーハを作製し、参考例2とした。図6に、外周中心P1と内周中心P2との距離と、厚み分布ばらつきとの関係性を示す。なお、外周中心P1と内周中心P2との距離が3mm以上となる、w1がほとんど0となり接触するため、正常にエピタキシャル成長できなかった。
図7(A)に示すように、参考例1におけるプリヒートリングの外周半径R1および内周半径R2を維持し、外周中心P1に対して反応ガス供給口側に最も近い点Aと、プリヒートリング60とサセプタ20との間隙幅が最小となる位置Bとがなす角度φを回転させた以外は、参考例1と同様にしてシリコンエピタキシャルウェーハを作製し、発明例3とした。(参考例1では、角度φは0°であった。)なお、図7では説明の便宜上、図3におけるw1(最小間隙幅),w2(最大間隙幅)等の符号を位置関係を明確に対比するためそのまま用いている。したがって、反応ガス供給口側に最も近い点Aにおけるプリヒートリング60と、サセプタ20との間隙幅wφは、w1<wφ<w2となる。角度φに関し、図7(A)のように基点Aから間隙幅が最小となる位置Bへ反時計回りに進む場合は角度φをマイナスの角度として扱い、反対に、基点Aから間隙幅が最小となる位置Bへ時計回りに進む場合は、角度φをプラスの角度として扱うものとする。なお、実験例2とは異なり、外周中心P1と内周中心P2との距離を1.5mmに維持している。
10 チャンバ
11 上部ドーム
12 下部ドーム
13 ドーム取付体
14 加熱ランプ
15A 反応ガス供給口
15B 雰囲気ガス供給口
16A 反応ガス排出口
16B 雰囲気ガス排出口
17 上部ライナー
18 下部ライナー
20 サセプタ
30 サセプタサポートシャフト
40A,40C リフトピン
50 昇降シャフト
60 プリヒートリング
W 半導体ウェーハ
Claims (7)
- 半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、
チャンバと、
前記チャンバの内部で前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
前記サセプタの側面を間隙を介して覆うプリヒートリングと、
前記エピタキシャル層を気相成長させるための反応ガスを前記半導体ウェーハの上面に供給する反応ガス供給口と、を有し、
前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも、広い間隙幅が前記サセプタと前記プリヒートリングとの間の少なくとも一部に設けられ、
前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ
、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なり、
さらに、前記外周縁の中心点に対して、前記反応ガス供給口側に最も近い点と、前記間隙幅が最小となる位置とがなす角度が、前記サセプタの回転方向を正として−40°以上+15°以下(ただし、0°を除く)であることを特徴とするエピタキシャル成長装置。 - 前記反応ガス供給口との反対側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅が、前記反応ガス供給口側における前記サセプタと前記プリヒートリングとの間隙幅よりも広い、請求項1に記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一である、請求項1または2に記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、請求項3に記載のエピタキシャル成長装置。
- エピタキシャル成長装置内で半導体ウェーハを載置するサセプタの側面を、間隙を介して覆うプリヒートリングであって、
前記プリヒートリングの外径と内径との差が周方向に不均一であり、
前記プリヒートリングの外周縁および内周縁は、互いに直径の異なる円形であり、かつ、前記外周縁の中心点と前記内周縁の中心点とが異なり、
さらに、前記外周縁の中心点に対して、前記反応ガス供給口側に最も近い点と、前記間隙幅が最小となる位置とがなす角度が、前記サセプタの回転方向を正として−40°以上+15°以下(ただし、0°を除く)であることを特徴とするプリヒートリング。 - 前記プリヒートリングの内周縁に切り欠き部が設けられる、請求項5に記載のプリヒートリング。
- 請求項1〜4に記載のエピタキシャル成長装置または請求項5または6に記載のプリヒートリングを備えたエピタキシャル成長装置に、雰囲気ガスと、キャリアガスとしての水素ガスを含む反応ガスとを供給して、半導体ウェーハにエピタキシャル層をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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