JP6662571B2 - Epitaxial growth apparatus and epitaxial growth method - Google Patents

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Description

本発明は、エピタキシャル成長装置、およびエピタキシャル成長方法に関し、特に、シリコンウェーハ等の円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるための装置および方法に関する。   The present invention relates to an epitaxial growth apparatus and an epitaxial growth method, and more particularly, to an apparatus and a method for growing an epitaxial film on a surface of a circular substrate such as a silicon wafer.

図1は、従来のエピタキシャル成長装置の断面図である。このエピタキシャル成長装置21は、シリコンウェーハWを収容して、シリコンウェーハWの表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバ22と、チャンバ22内に配置され、シリコンウェーハWをほぼ水平に支持するサセプタ23とを備えている。チャンバ22は、天板29を備えており、天板29の下面は、チャンバ22の天井面29aをなす。サセプタ23の上面23aには、シリコンウェーハWとほぼ同じ大きさの凹部23cが形成されている。   FIG. 1 is a sectional view of a conventional epitaxial growth apparatus. The epitaxial growth apparatus 21 includes a chamber 22 for receiving a silicon wafer W and growing an epitaxial film on the surface of the silicon wafer W, and a susceptor 23 disposed in the chamber 22 and supporting the silicon wafer W substantially horizontally. It has. The chamber 22 includes a top plate 29, and a lower surface of the top plate 29 forms a ceiling surface 29 a of the chamber 22. On the upper surface 23a of the susceptor 23, a concave portion 23c having substantially the same size as the silicon wafer W is formed.

シリコンウェーハWの表面にエピタキシャル膜を成長させる際は、サセプタ23の凹部23cにシリコンウェーハWを収容する。そして、ソースガス(たとえば、トリクロロシラン(TCS))とキャリアガス(たとえば、H2ガス)との混合ガス(以下、「原料混合ガス」という。)を、シリコンウェーハWと天井面29aとの間の空間に流す。 When growing an epitaxial film on the surface of the silicon wafer W, the silicon wafer W is accommodated in the recess 23 c of the susceptor 23. Then, a mixed gas of source gas (for example, trichlorosilane (TCS)) and carrier gas (for example, H 2 gas) (hereinafter referred to as “raw material mixed gas”) is supplied between silicon wafer W and ceiling surface 29a. Pour into the space.

原料混合ガスは、チャンバ22の側部に形成された原料導入口33aから、チャンバ22内へと導入され、シリコンウェーハW上を通り、原料導入口33aに対向してチャンバ22の側部に形成された原料排出口34aを介して、チャンバ22内から排出される。図1に、原料混合ガスが流れる主たる方向を、黒塗りの矢印で示す。   The raw material mixed gas is introduced into the chamber 22 from the raw material inlet 33a formed on the side of the chamber 22, passes over the silicon wafer W, and is formed on the side of the chamber 22 opposite the raw material inlet 33a. The raw material is discharged from the inside of the chamber 22 through the raw material discharge port 34a. In FIG. 1, the main direction in which the raw material mixed gas flows is indicated by black arrows.

次に、シリコンウェーハWが、図示しないヒータにより加熱される。これにより、シリコンウェーハWの表面(上面)Waに、原料混合ガスに含まれるSiが供給されて、エピタキシャル膜が形成される。   Next, the silicon wafer W is heated by a heater (not shown). Thereby, Si contained in the raw material mixed gas is supplied to the surface (upper surface) Wa of the silicon wafer W, and an epitaxial film is formed.

エピタキシャル膜が形成されたシリコンウェーハWから製造されるデバイスの特性が一定になるようにするためには、エピタキシャル膜の膜厚が均一であることが必要である。   In order to make the characteristics of the device manufactured from the silicon wafer W on which the epitaxial film is formed constant, it is necessary that the film thickness of the epitaxial film is uniform.

特許文献1には、複数の基板を配設して回転する板状のサセプタを備えた半導体気相成長装置が開示されている。複数の基板は、サセプタの周方向に沿って配設され、サセプタに支持された基板の成長面たる下面は、ガス流路側に向けられる。この状態で、サセプタの直径方向にソースガスを流すとともに、基板を加熱することにより、基板上に半導体結晶がエピタキシャル成長される。   Patent Literature 1 discloses a semiconductor vapor deposition apparatus including a plate-shaped susceptor on which a plurality of substrates are arranged and rotated. The plurality of substrates are arranged along the circumferential direction of the susceptor, and the lower surface, which is the growth surface of the substrate supported by the susceptor, faces the gas flow path. In this state, a source gas is flowed in the diameter direction of the susceptor, and the substrate is heated to epitaxially grow a semiconductor crystal on the substrate.

特許文献1では、基板の結晶成長面をソースガスの流れ方向に対して傾けて設置することにより、膜厚の面内均一性が極めて高いエピタキシャル膜が得られるとされている。   Patent Literature 1 states that an epitaxial film having extremely high in-plane uniformity of the film thickness can be obtained by setting the crystal growth surface of the substrate at an angle to the flow direction of the source gas.

特開2004−207545号公報JP 2004-207545 A

しかし、基板の結晶成長面をソースガスの流れ方向に対して傾けただけでは、サセプタ中央部付近で形成されるエピタキシャル膜には、膜厚が小さい領域が形成され、エピタキシャル膜の厚さは不均一になる。また、特許文献1の装置は、複数枚の基板を同時に処理するバッチ式のものであるため、1枚ずつ基板を処理する枚葉式の装置に比して、膜厚の均一性を制御し難い。   However, only by tilting the crystal growth surface of the substrate with respect to the flow direction of the source gas, a region having a small thickness is formed in the epitaxial film formed near the center of the susceptor, and the thickness of the epitaxial film is not sufficient. Become uniform. Further, since the apparatus of Patent Document 1 is of a batch type in which a plurality of substrates are processed at the same time, the uniformity of film thickness is controlled as compared with a single-wafer type apparatus in which substrates are processed one by one. hard.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる装置および方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an apparatus and a method capable of growing an epitaxial film with improved thickness uniformity.

本発明は、下記(1)のエピタキシャル成長装置、および下記(2)のエピタキシャル成長方法を要旨とする。
(1)円形の基板を収容して当該基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、上面に前記基板を支持するサセプタと、
を備え、
前記チャンバの内壁面には、前記基板を間に挟んで互いに対向する位置に、前記チャンバ内にソースガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内に導入された前記ソースガスを排出するガス排出口と、が形成されており、
前記チャンバを構成する天井の下面である天井面が、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、上方に凹んでおり、
前記サセプタに支持された前記基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる際の処理位置における前記基板に直交しつつ、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に沿う任意の断面において、前記基板の表面と前記天井面との間隔が、前記基板と前記天井面との対向部の全域に渡って、前記ガス導入口側から前記ガス排出口側に向かうに従って小さくなり、
前記間隔の最大値が20mm未満である、エピタキシャル成長装置。
The gist of the present invention is the following epitaxial growth apparatus (1) and the following epitaxial growth method (2).
(1) a chamber for accommodating a circular substrate and growing an epitaxial film on the surface of the substrate;
A susceptor disposed in the chamber and supporting the substrate on an upper surface;
With
A gas inlet port for introducing a source gas into the chamber and a gas exhaust port for exhausting the source gas introduced into the chamber are provided at inner wall surfaces of the chamber at positions facing each other with the substrate interposed therebetween. And an exit is formed,
A ceiling surface, which is a lower surface of the ceiling constituting the chamber, is concave upward at an arbitrary cross section orthogonal to a facing direction of the gas inlet and the gas outlet,
In any cross section along the direction in which the gas inlet and the gas outlet face each other, the substrate is orthogonal to the substrate at a processing position when growing an epitaxial film on the surface of the substrate supported by the susceptor. distance between the surface and the ceiling surface of, over the entire opposing portion of the substrate and the ceiling surface, Ri a smaller toward from the gas inlet side to the gas outlet side,
Maximum Ru der less than 20 mm, epitaxial growth apparatus of the interval.

(2)上記(1)に記載のエピタキシャル成長装置を用いて、円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる方法であって、
前記基板を前記サセプタ上に支持する工程と、
前記サセプタ上に支持された基板を、前記チャンバ内に収容する工程と、
ソースガスを前記ガス導入口から前記チャンバ内に導入するとともに、前記チャンバ内の前記ソースガスを前記ガス排出口から排出する工程とを含み、
前記サセプタ上に支持された基板が前記チャンバ内に収容された状態で、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、前記間隔が、前記対向方向に沿いつつ前記基板の中心領域を通る中心線上で最も大きく、前記中心線上から側方に離れるに従って小さくなる、エピタキシャル成長方法。
(2) A method of growing an epitaxial film on a surface of a circular substrate using the epitaxial growth apparatus according to (1),
Supporting the substrate on the susceptor;
Accommodating a substrate supported on the susceptor in the chamber;
Introducing a source gas into the chamber from the gas inlet, and discharging the source gas in the chamber from the gas outlet,
With the substrate supported on the susceptor is housed in said chamber, at any cross section perpendicular to the opposing direction of the said gas inlet and said gas outlet, said interval, while along the opposing direction An epitaxial growth method, which is largest on a center line passing through the center region of the substrate and becomes smaller as the distance from the center line to the side becomes smaller.

このエピタキシャル成長装置を用いて、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる。また、このエピタキシャル成長方法により、厚さの均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができる。   Using this epitaxial growth apparatus, an epitaxial film with improved thickness uniformity can be grown. Further, by this epitaxial growth method, an epitaxial film having improved thickness uniformity can be grown.

図1は、従来のエピタキシャル成長装置の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a conventional epitaxial growth apparatus. 図2は、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図であり、ガス導入口とガス排出口との対向方向に沿いつつサセプタ上に支持されたウェーハに直交する断面を示している。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of an epitaxial growth apparatus according to an embodiment of the present invention, showing a cross section orthogonal to a wafer supported on a susceptor along a direction in which a gas inlet and a gas outlet face each other. ing. 図3は、サセプタおよび天板の断面図であり、ガス導入口とガス排出口との対向方向に直交する断面を示している。FIG. 3 is a cross-sectional view of the susceptor and the top plate, and shows a cross section orthogonal to the facing direction of the gas inlet and the gas outlet. 図4は、実施例1、実施例2、比較例1、および比較例2のエピタキシャル成長装置により得られたエピタキシャル膜の各々について、ウェーハの中心からの距離と膜厚との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the distance from the center of the wafer and the film thickness of each of the epitaxial films obtained by the epitaxial growth apparatuses of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. .

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the epitaxial growth apparatus according to one embodiment of the present invention.

このエピタキシャル成長装置1は、円形の基板であるシリコンウェーハ(以下、単に、「ウェーハ」という。)Wの表面に、枚葉式でエピタキシャル膜を成長させるためのものである。エピタキシャル成長装置1は、ウェーハWを収容するチャンバ2を備えている。チャンバ2は、リング状の本体8と、本体8に取り付けられた天板9および底板10とを備えている。天板9の下面(以下、「天井面」という。)9aは、チャンバ2の内壁面の一部をなす。   This epitaxial growth apparatus 1 is for growing an epitaxial film on a surface of a silicon wafer (hereinafter, simply referred to as a “wafer”) W which is a circular substrate in a single-wafer manner. The epitaxial growth apparatus 1 includes a chamber 2 that houses a wafer W. The chamber 2 includes a ring-shaped main body 8, a top plate 9 and a bottom plate 10 attached to the main body 8. A lower surface 9 a of the top plate 9 (hereinafter, referred to as a “ceiling surface”) forms a part of an inner wall surface of the chamber 2.

底板10を貫通して、軸受11が、鉛直方向にほぼ沿って設けられている。軸受11には、軸方向に沿って貫通孔が形成されており、この貫通孔には、サセプタサポートシャフト7が挿通されている。チャンバ2内には、円板状のサセプタ3が、サセプタサポートシャフト7と同軸に配置されている。サセプタサポートシャフト7の上端部には、サセプタ3の外周部近傍を支持する支持部材7aが設けられている。サセプタ3の上面3aには、ウェーハWとほぼ同じ大きさの凹部3cが形成されている。凹部3cの底面は、ほぼ水平な平坦面である。   Through the bottom plate 10, a bearing 11 is provided substantially along the vertical direction. A through hole is formed in the bearing 11 along the axial direction, and the susceptor support shaft 7 is inserted into the through hole. In the chamber 2, a disk-shaped susceptor 3 is arranged coaxially with a susceptor support shaft 7. At the upper end of the susceptor support shaft 7, a support member 7a that supports the vicinity of the outer periphery of the susceptor 3 is provided. On the upper surface 3a of the susceptor 3, a concave portion 3c having substantially the same size as the wafer W is formed. The bottom surface of the concave portion 3c is a substantially horizontal flat surface.

サセプタサポートシャフト7の下端部には、モータ5が取り付けられている。モータ5により、サセプタサポートシャフト7をその軸まわりに回転させることができ、これにより、サセプタ3、およびサセプタ3の上に支持されたウェーハWを、その軸まわりに回転させることができる。   The motor 5 is attached to the lower end of the susceptor support shaft 7. The susceptor support shaft 7 can be rotated around its axis by the motor 5, whereby the susceptor 3 and the wafer W supported on the susceptor 3 can be rotated around its axis.

また、エピタキシャル成長装置1は、チャンバ2の上方および下方に複数の赤外線ランプ4を備えている。天板9、底板10、および支持部7aは、赤外線を透過する材料、たとえば、石英からなる。このため、赤外線ランプ4によって、サセプタ3、およびサセプタ3上に載置されたウェーハWを上下から加熱することができる。   Further, the epitaxial growth apparatus 1 includes a plurality of infrared lamps 4 above and below the chamber 2. The top plate 9, the bottom plate 10, and the support portion 7a are made of a material that transmits infrared rays, for example, quartz. Therefore, the susceptor 3 and the wafer W mounted on the susceptor 3 can be heated from above and below by the infrared lamp 4.

チャンバ2の内壁面には、ウェーハWを間に挟んで、互いに対向する位置に、ガス導入口13aと、ガス排出口14aとが形成されている。ガス導入口13aを介して、チャンバ2内に、エピタキシャル膜の成長原料となるソースガス(たとえば、トリクロロシラン(TCS))を導入することができる。ソースガスは、キャリアガス(たとえば、H2ガス)との混合ガス(以下、「原料混合ガス」という。)として導入される。ガス排出口14aを介して、原料混合ガスを、チャンバ2内から排出することができる。 On the inner wall surface of the chamber 2, a gas inlet 13a and a gas outlet 14a are formed at positions facing each other with the wafer W interposed therebetween. A source gas (for example, trichlorosilane (TCS)) serving as a raw material for growing an epitaxial film can be introduced into the chamber 2 through the gas inlet 13a. The source gas is introduced as a mixed gas with a carrier gas (for example, H 2 gas) (hereinafter, referred to as “raw material mixed gas”). The raw material mixed gas can be discharged from the chamber 2 through the gas discharge port 14a.

図2は、ガス導入口13aとガス排出口14aとの対向方向(以下、「開口対向方向」という。)に沿いつつサセプタ3の上に支持されたウェーハWに直交する断面を示している。この断面では、ウェーハWの表面Waとチャンバ2の天井面9aとの間隔Dは、ガス導入口13a側からガス排出口14a側に向かうに従って、小さくなる。間隔Dについてのこの関係は、図2の断面に平行な任意の断面について成り立つ。この実施形態では、開口対向方向に沿いつつサセプタ3の上に支持されたウェーハWに直交する断面における天井面9aは、ほぼ平坦である。   FIG. 2 shows a cross section orthogonal to the wafer W supported on the susceptor 3 along the direction in which the gas inlet 13a and the gas outlet 14a face each other (hereinafter, referred to as “opening facing direction”). In this cross section, the distance D between the front surface Wa of the wafer W and the ceiling surface 9a of the chamber 2 becomes smaller from the gas inlet 13a to the gas outlet 14a. This relationship for the spacing D holds for any cross section parallel to the cross section of FIG. In this embodiment, a ceiling surface 9a in a cross section orthogonal to the wafer W supported on the susceptor 3 along the opening facing direction is substantially flat.

間隔Dの最大値、すなわち、最もガス導入口13aに近い部分での間隔Dは、20mm未満、かつ5mm以上である。間隔Dの最小値、すなわち、最もガス排出口14aに近い部分での間隔Dは、間隔Dの最大値より、たとえば、2〜8mmだけ小さい。   The maximum value of the interval D, that is, the interval D in the portion closest to the gas inlet 13a is less than 20 mm and 5 mm or more. The minimum value of the interval D, that is, the interval D at the portion closest to the gas outlet 14a is smaller than the maximum value of the interval D by, for example, 2 to 8 mm.

図3は、サセプタ3および天板9の断面図であり、開口対向方向に直交する断面を示している。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the susceptor 3 and the top plate 9 and shows a cross section orthogonal to the opening facing direction.

この断面では、天井面9aは、上に凸に屈曲、すなわち、上方に凹んでいる。サセプタ3の上に支持されたウェーハWの表面Waと、チャンバ2の天井面9aとの間隔Dは、開口対向方向に沿いウェーハWの中心領域を通る中心線(図3に、参照符号「C」を付した点で示す。)上で最も大きく、中心線C上から側方に離れるに従って小さくなる。ここで、「ウェーハWの中心領域」とは、ウェーハWの中心に対して、ウェーハWの半径の20%の半径内の円形領域を含むものとする。   In this cross section, the ceiling surface 9a is bent convexly upward, that is, concave upward. The distance D between the front surface Wa of the wafer W supported on the susceptor 3 and the ceiling surface 9a of the chamber 2 is determined by a center line passing through the center region of the wafer W along the opening facing direction (see FIG. .).), And decreases as the distance from the center line C to the side. Here, the “center region of the wafer W” includes a circular region within a radius of 20% of the radius of the wafer W with respect to the center of the wafer W.

次に、本発明のエピタキシャル成長装置を用いて、エピタキシャル膜を成長させる方法について説明する。   Next, a method for growing an epitaxial film using the epitaxial growth apparatus of the present invention will be described.

まず、サセプタ3上にウェーハWを載置する。より詳細には、サセプタ3の凹所3cにウェーハWを収容して、ウェーハWが、サセプタ3の上に、ほぼ水平に支持された状態とする。続いて、モータ5により、サセプタサポートシャフト7を回転駆動させ、サセプタ3およびウェーハWを回転させる。そして、この状態で、原料混合ガスを、ガス導入口13aからチャンバ2内へ導入する。原料混合ガスは、ウェーハWと天井面9aとの間の空間Sを流れて、ガス排出口14aを介して、チャンバ2の外へと排出される。図2に、原料混合ガスが流れる主たる方向を、黒塗りの矢印で示す。   First, the wafer W is placed on the susceptor 3. More specifically, the wafer W is accommodated in the recess 3c of the susceptor 3 so that the wafer W is supported on the susceptor 3 substantially horizontally. Subsequently, the susceptor support shaft 7 is rotationally driven by the motor 5 to rotate the susceptor 3 and the wafer W. Then, in this state, the raw material mixed gas is introduced into the chamber 2 from the gas inlet 13a. The raw material mixed gas flows through the space S between the wafer W and the ceiling surface 9a, and is discharged out of the chamber 2 via the gas discharge port 14a. In FIG. 2, the main direction in which the raw material mixed gas flows is indicated by black arrows.

そして、原料混合ガスの導入および排出を継続したまま、赤外線ランプ4によりウェーハWを所定温度に加熱する。これにより、原料混合ガスに含まれるソースガスの熱分解または還元により生成されたSiがウェーハWの表面Wa上に析出し、エピタキシャル膜が成長する。   Then, the wafer W is heated to a predetermined temperature by the infrared lamp 4 while the introduction and discharge of the raw material mixed gas are continued. As a result, Si generated by thermal decomposition or reduction of the source gas contained in the raw material mixed gas precipitates on the surface Wa of the wafer W, and an epitaxial film grows.

従来のエピタキシャル成長装置21(図1参照)において、サセプタ23の上に載置されたウェーハWの表面Waとチャンバ22の天井面29aとの間隔Dは、ウェーハW上のいずれの位置でも、一定であり、たとえば、20mmである。これに対して、本発明の実施形態のエピタキシャル成長装置1では、上述のように、間隔Dは、20mm未満、すなわち、従来のエピタキシャル成長装置に比して小さくされている。   In the conventional epitaxial growth apparatus 21 (see FIG. 1), the distance D between the surface Wa of the wafer W placed on the susceptor 23 and the ceiling surface 29a of the chamber 22 is constant at any position on the wafer W. Yes, for example, 20 mm. On the other hand, in the epitaxial growth apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, as described above, the interval D is less than 20 mm, that is, smaller than the conventional epitaxial growth apparatus.

これにより、ウェーハW上での原料混合ガスの流量(体積速度)および濃度が同じであれば、従来のエピタキシャル成長装置21を用いた場合に比して、エピタキシャル成長装置1を用いた場合は、ウェーハW上での原料混合ガスの流速(線速度)が大きくなる。このため、エピタキシャル成長装置1を用いた場合は、従来のエピタキシャル成長装置21を用いた場合に比して、エピタキシャル膜の成長速度を大きくすることができる。換言すれば、一定の膜厚を有するエピタキシャル膜を成長させるのに要する時間を短縮することができる。また、エピタキシャル成長装置1を用いると、原料混合ガス中のソースガスの濃度を上げることなく、また、この混合ガスの流量を大きくすることなく、エピタキシャル膜の成長速度を大きくすることができる。   Thus, when the flow rate (volume velocity) and concentration of the raw material mixed gas on the wafer W are the same, when the epitaxial growth apparatus 1 is used, the wafer W is smaller than when the conventional epitaxial growth apparatus 21 is used. The flow velocity (linear velocity) of the raw material mixed gas above becomes large. Therefore, when the epitaxial growth apparatus 1 is used, the growth rate of the epitaxial film can be increased as compared with the case where the conventional epitaxial growth apparatus 21 is used. In other words, the time required for growing an epitaxial film having a constant thickness can be reduced. When the epitaxial growth apparatus 1 is used, the growth rate of the epitaxial film can be increased without increasing the concentration of the source gas in the raw material mixed gas and without increasing the flow rate of the mixed gas.

上述のように、エピタキシャル成長装置1では、間隔Dは5mm以上である。間隔Dの最大値が5mm未満であると、混合ガスの流れを制御できず膜厚分布が不均一となる。   As described above, in the epitaxial growth apparatus 1, the interval D is 5 mm or more. If the maximum value of the interval D is less than 5 mm, the flow of the mixed gas cannot be controlled, and the film thickness distribution becomes uneven.

本発明者らは、従来のエピタキシャル成長装置21において、間隔DをウェーハW上のいずれの位置でも一定としたまま、間隔Dを小さくした場合、エピタキシャル膜の厚さの不均一が顕著になることを知見した。膜厚の不均一として、具体的には、膜厚は、ウェーハWの中心部で最も小さくなり、中心部から離れるに従って大きくなる。   The present inventors have found that in the conventional epitaxial growth apparatus 21, when the interval D is reduced while the interval D is kept constant at any position on the wafer W, the unevenness of the thickness of the epitaxial film becomes remarkable. I learned. As the film thickness is non-uniform, specifically, the film thickness is smallest at the center of the wafer W, and increases as the distance from the center increases.

また、本発明者らは、上述のようなエピタキシャル膜の厚さが不均一になる条件で、シミュレーションにより、チャンバ2内の原料ガスの速度分布を求めた。その結果、原料ガスの速度は、原料導入口33aの中心と原料排出口34aの中心とを結ぶ線付近で、最も小さくなり、この部分から離れると大きくなることを知見した。この傾向は、間隔Dが小さくなるほど顕著になる。これは、ガス導入口13aから導入された原料混合ガスが、側方に広がって流れやすいためであると考えられる。   Further, the present inventors obtained the velocity distribution of the source gas in the chamber 2 by simulation under the condition that the thickness of the epitaxial film becomes non-uniform as described above. As a result, it has been found that the velocity of the raw material gas becomes the smallest near the line connecting the center of the raw material inlet 33a and the center of the raw material outlet 34a, and becomes larger away from this part. This tendency becomes more remarkable as the interval D becomes smaller. It is considered that this is because the raw material mixed gas introduced from the gas inlet 13a spreads laterally and flows easily.

本発明者らは、図3に示すように、開口対向方向に直交する断面で、ウェーハWの表面Waとチャンバ2の天井面9aとの間隔Dを、ウェーハWの中心線C上で最も大きく、中心線C上から側方に離れるに従って小さくなるようにすると、エピタキシャル膜の厚さの不均一を低減または解消できることを知見した。これは、間隔DをウェーハW上のいずれの位置でも一定とした場合に比して、間隔Dが大きい部分ほど原料混合ガスが流れやすくなり、ウェーハW上での原料混合ガスの流速のばらつきが小さくなるためであると考えられる。   As shown in FIG. 3, the present inventors set the distance D between the surface Wa of the wafer W and the ceiling surface 9a of the chamber 2 to be the largest on the center line C of the wafer W in a cross section orthogonal to the opening facing direction. In addition, it has been found that when the distance from the center line C is reduced toward the side, unevenness in the thickness of the epitaxial film can be reduced or eliminated. This is because, as compared with the case where the interval D is constant at any position on the wafer W, the larger the interval D, the easier the material mixture gas flows, and the variation in the flow rate of the material mixture gas on the wafer W becomes smaller. It is thought that this is because it becomes smaller.

断面形状は、たとえば、当該断面での間隔Dのうち、最大の間隔と最小の間隔との差ΔDで規定することができる。ウェーハWの直径が約200mmである場合、ΔDは、たとえば、2〜6mmとすることができる。天井面9aは、全体として1つの凹湾曲面ではなく、たとえば、実質的に2つの平坦面からなるものであってもよい。   The cross-sectional shape can be defined, for example, by the difference ΔD between the maximum interval and the minimum interval among the intervals D in the cross section. When the diameter of the wafer W is about 200 mm, ΔD can be, for example, 2 to 6 mm. The ceiling surface 9a may not be a single concave curved surface as a whole, but may be, for example, substantially two flat surfaces.

また、本発明者らは、原料混合ガスの流れの下流側で、エピタキシャル膜の成長速度が遅くなることを知見した。エピタキシャル成長装置1では、上述のように、間隔Dは、ガス導入口13a側からガス排出口14a側に向かうに従って、小さくなる。その結果、ソースガスの流れの下流側ほど、原料混合ガスの流速は大きくなる。このため、開口対向方向に沿う間隔Dの分布、たとえば、ウェーハWの表面Waに対する天井面9aの傾斜を適切に選択することにより、開口対向方向に沿うエピタキシャル膜の成長速度の不均一を低減または解消することができる。   Further, the present inventors have found that the growth rate of the epitaxial film is reduced on the downstream side of the flow of the raw material mixed gas. In the epitaxial growth apparatus 1, as described above, the distance D decreases from the gas inlet 13a toward the gas outlet 14a. As a result, the flow rate of the raw material mixed gas increases toward the downstream side of the flow of the source gas. Therefore, by appropriately selecting the distribution of the interval D along the opening facing direction, for example, the inclination of the ceiling surface 9a with respect to the surface Wa of the wafer W, the unevenness of the growth rate of the epitaxial film along the opening facing direction can be reduced or Can be eliminated.

図2および図3に示すように、以上の実施形態では、天板9の厚さはほぼ一定であるが、天井面9aが上方に凹んでいる限り、天板9の厚さは、天板9の面内位置によって変化してもよい。たとえば、天板9の上面が平坦で、天板9の厚さが天板9の面内位置によって変化することによって、天井面9aが上方に凹んでいてもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, in the above embodiment, the thickness of the top plate 9 is substantially constant, but as long as the ceiling surface 9 a is recessed upward, the thickness of the top plate 9 is 9 may be changed depending on the in-plane position. For example, the ceiling surface 9a may be recessed upward when the top surface of the top plate 9 is flat and the thickness of the top plate 9 changes depending on the in-plane position of the top plate 9.

本発明の効果を確認するため、種々のチャンバを用いて、シリコンウェーハに対するエピタキシャル膜の成長試験を行った。   In order to confirm the effect of the present invention, an epitaxial film growth test was performed on a silicon wafer using various chambers.

本発明の実施例1のエピタキシャル成長装置として、図2および図3に示す構造を有し、天井面9aが、2つの平坦面からなるとみなせるものを用いた。この装置において、高さDの最大値は12mmで、開口対向方向に直交する断面での高さの差ΔDは4mmで、開口対向方向に沿いつつサセプタ3の上に支持されたウェーハWに直交する断面における高さDの差は4mmであった。この装置により、直径が約200mmのウェーハWに対して、エピタキシャル膜を成長させた。   As the epitaxial growth apparatus according to the first embodiment of the present invention, an apparatus having a structure shown in FIGS. 2 and 3 and having a ceiling surface 9a that can be regarded as consisting of two flat surfaces was used. In this apparatus, the maximum value of the height D is 12 mm, the height difference ΔD in a cross section orthogonal to the opening facing direction is 4 mm, and the height D is orthogonal to the wafer W supported on the susceptor 3 along the opening facing direction. The difference in height D in the cross section was 4 mm. With this apparatus, an epitaxial film was grown on a wafer W having a diameter of about 200 mm.

ソースガスとしてトリクロロシランを用い、キャリアガスとしてH2を用い、トリクロロシランとH2との原料混合ガスを、流量36slmでガス導入口13aから空間S内に導入した。 Trichlorosilane was used as a source gas, H 2 was used as a carrier gas, and a raw material mixed gas of trichlorosilane and H 2 was introduced into the space S from the gas inlet 13a at a flow rate of 36 slm.

そして、モータ5により、サセプタサポートシャフト7、およびサセプタ3を介して、サセプタ3の凹部3cに収容されたウェーハWを、30〜50rpmで回転させ、赤外線ランプ4により、ウェーハWを1000〜1150℃に加熱し、1〜2分間保持した。これにより、ウェーハWの表面Waに、エピタキシャル膜を形成した。   Then, the wafer W accommodated in the recess 3 c of the susceptor 3 is rotated at 30 to 50 rpm by the motor 5 via the susceptor support shaft 7 and the susceptor 3, and the wafer W is heated to 1000 to 1150 ° C. by the infrared lamp 4. And held for 1-2 minutes. Thus, an epitaxial film was formed on the surface Wa of the wafer W.

本発明の実施例2のエピタキシャル成長装置として、開口対向方向に沿いつつサセプタ3の上に支持されたウェーハWに直交する断面における天井面9aの高さDの差が0mmである以外は実施例1で用いたものと同じである装置を用いて、ウェーハW上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例1の装置を用いた場合と同様とした。   Example 1 Example 1 of an epitaxial growth apparatus according to Example 2 of the present invention, except that the difference in height D of the ceiling surface 9a in a cross section orthogonal to the wafer W supported on the susceptor 3 along the opening opposing direction was 0 mm. An epitaxial film was grown on the wafer W using the same apparatus as that used in the above. Except for the structure of the epitaxial growth apparatus used, the film forming conditions were the same as in the case of using the apparatus of Example 1 of the present invention.

比較例1のエピタキシャル成長装置として、図1に示す構造を有し、間隔DがウェーハW上のいずれの部分でも20mm(高さの差ΔDが実質的に0)であるものを用いて、ウェーハW上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例1の装置を用いた場合と同様とした。   As an epitaxial growth apparatus of Comparative Example 1, an apparatus having the structure shown in FIG. 1 and having a distance D of 20 mm (a height difference ΔD is substantially 0) in any part on the wafer W was used. An epitaxial film was grown thereon. Except for the structure of the epitaxial growth apparatus used, the film forming conditions were the same as in the case of using the apparatus of Example 1 of the present invention.

比較例2のエピタキシャル成長装置として、図1に示す構造を有し、間隔DがウェーハW上のいずれの部分でも10mm(高さの差ΔDが実質的に0)であるエピタキシャル成長装置を用いて、ウェーハW上にエピタキシャル膜を成長させた。用いたエピタキシャル成長装置の構造を除き、成膜条件は、本発明の実施例1の装置を用いた場合と同様とした。   As an epitaxial growth apparatus of Comparative Example 2, a wafer having a structure shown in FIG. 1 and having an interval D of 10 mm (a height difference ΔD is substantially 0) in any portion on the wafer W was used. An epitaxial film was grown on W. Except for the structure of the epitaxial growth apparatus used, the film forming conditions were the same as in the case of using the apparatus of Example 1 of the present invention.

図4は、実施例1、実施例2、比較例1、および比較例2により得られたエピタキシャル膜の各々について、ウェーハの中心からの距離と膜厚との関係を示す図である。膜厚の測定は、赤外分光光度計(FT−IR)を用いて行った。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the distance from the center of the wafer and the film thickness of each of the epitaxial films obtained in Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. The film thickness was measured using an infrared spectrophotometer (FT-IR).

比較例1の装置を用いた場合は、得られたエピタキシャル膜の厚さは、およそ3.8μmでほぼ均一であった。比較例2の装置を用いた場合は、比較例1の装置を用いた場合に比して、得られたエピタキシャル膜の厚さが大きかった。しかし、このエピタキシャル膜の厚さは、ウェーハの中心で小さく、ウェーハの外周部に向かうに従って大きくなっていた。これは、下記(a)および(b)の理由によると考えられる。
(a)比較例1の装置に比して比較例2の装置において間隔Dが小さいことに関連して、原料混合ガスの流速が、開口対向方向に沿うウェーハWの中心線C上で低下し、この中心線Cから側方に離れるに従って、大きくなっていた。
(b)比較例1の装置に比して比較例2の装置において、開口対向方向下流側で、エピタキシャル膜の成長速度が顕著に低くなっていた。
When the apparatus of Comparative Example 1 was used, the thickness of the obtained epitaxial film was approximately 3.8 μm, which was almost uniform. When the apparatus of Comparative Example 2 was used, the thickness of the obtained epitaxial film was larger than that when the apparatus of Comparative Example 1 was used. However, the thickness of this epitaxial film was small at the center of the wafer and increased toward the outer periphery of the wafer. This is considered to be due to the following reasons (a) and (b).
(A) Due to the smaller spacing D in the apparatus of Comparative Example 2 compared to the apparatus of Comparative Example 1, the flow rate of the raw material mixed gas decreases on the center line C of the wafer W along the opening facing direction. The larger the distance from the center line C, the larger it became.
(B) In the apparatus of Comparative Example 2, the growth rate of the epitaxial film was significantly lower on the downstream side in the opening facing direction than in the apparatus of Comparative Example 1.

これに対して、本発明の実施例1および2の装置を用いた場合は、得られたエピタキシャル膜の厚さは、比較例1および2の装置を用いた場合に比して大きく、膜厚は、およそ4.7〜4.8μmであった。また、膜厚は、ほぼ均一であった。すなわち、実施例1および2の装置を用いることにより、膜厚を大きくしても膜厚の均一性が向上されたエピタキシャル膜を成長させることができることが確認できた。   On the other hand, when the devices of Examples 1 and 2 of the present invention were used, the thickness of the obtained epitaxial film was larger than that when the devices of Comparative Examples 1 and 2 were used. Was approximately 4.7 to 4.8 μm. Further, the film thickness was almost uniform. That is, it was confirmed that even when the film thickness was increased, an epitaxial film with improved film thickness uniformity could be grown by using the apparatuses of Examples 1 and 2.

実施例1の装置を用いた場合は、実施例2の装置を用いた場合に比して、膜厚の均一性が向上していた。すなわち、開口対向方向に沿いつつウェーハWに直交する任意の断面において、ウェーハWの表面と天井面9aとの間隔が、ガス導入口13a側からガス排出口14a側に向かうに従って小さくなる構成により、膜厚の均一性を向上できることを確認できた。   When the apparatus of Example 1 was used, the uniformity of the film thickness was improved as compared with the case where the apparatus of Example 2 was used. That is, at an arbitrary cross section orthogonal to the wafer W along the opening facing direction, the distance between the surface of the wafer W and the ceiling surface 9a is reduced from the gas inlet 13a toward the gas outlet 14a. It was confirmed that the uniformity of the film thickness could be improved.

1:エピタキシャル成長装置、 2:チャンバ、 3:サセプタ、
9a:天井面、 13a:ガス導入口、 14a:ガス排出口、
W:シリコンウェーハ、 Wa:シリコンウェーハの表面、
C:シリコンウェーハの中心線
1: epitaxial growth apparatus, 2: chamber, 3: susceptor,
9a: ceiling surface, 13a: gas inlet, 14a: gas outlet,
W: silicon wafer, Wa: surface of silicon wafer,
C: Center line of silicon wafer

Claims (2)

円形の基板を収容して当該基板の表面にエピタキシャル膜を成長させるためのチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、上面に前記基板を支持するサセプタと、
を備え、
前記チャンバの内壁面には、前記基板を間に挟んで互いに対向する位置に、前記チャンバ内にソースガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内に導入された前記ソースガスを排出するガス排出口と、が形成されており、
前記チャンバを構成する天井の下面である天井面が、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、上方に凹んでおり、
前記サセプタに支持された前記基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる際の処理位置における前記基板に直交しつつ、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に沿う任意の断面において、前記基板の表面と前記天井面との間隔が、前記基板と前記天井面との対向部の全域に渡って、前記ガス導入口側から前記ガス排出口側に向かうに従って小さくなり、
前記間隔の最大値が20mm未満である、エピタキシャル成長装置。
A chamber for accommodating a circular substrate and growing an epitaxial film on the surface of the substrate;
A susceptor disposed in the chamber and supporting the substrate on an upper surface;
With
A gas inlet for introducing a source gas into the chamber and a gas exhaust for exhausting the source gas introduced into the chamber are provided on the inner wall surface of the chamber at positions facing each other with the substrate interposed therebetween. And an exit is formed,
A ceiling surface that is a lower surface of the ceiling configuring the chamber is upwardly concave in an arbitrary cross section orthogonal to a facing direction of the gas inlet and the gas outlet,
In any cross section along the direction in which the gas inlet and the gas outlet are opposed to each other while being perpendicular to the substrate at a processing position when growing an epitaxial film on the surface of the substrate supported by the susceptor, the substrate distance between the surface and the ceiling surface of, over the entire opposing portion of the substrate and the ceiling surface, Ri a smaller toward from the gas inlet side to the gas outlet side,
Maximum Ru der less than 20 mm, epitaxial growth apparatus of the interval.
請求項1に記載のエピタキシャル成長装置を用いて、円形の基板の表面にエピタキシャル膜を成長させる方法であって、
前記基板を前記サセプタ上に支持する工程と、
前記サセプタ上に支持された基板を、前記チャンバ内に収容する工程と、
ソースガスを前記ガス導入口から前記チャンバ内に導入するとともに、前記チャンバ内の前記ソースガスを前記ガス排出口から排出する工程とを含み、
前記サセプタ上に支持された基板が前記チャンバ内に収容された状態で、前記ガス導入口と前記ガス排出口との対向方向に直交する任意の断面において、前記間隔が、前記対向方向に沿いつつ前記基板の中心領域を通る中心線上で最も大きく、前記中心線上から側方に離れるに従って小さくなる、エピタキシャル成長方法。
A method for growing an epitaxial film on a surface of a circular substrate by using the epitaxial growth apparatus according to claim 1,
Supporting the substrate on the susceptor;
Accommodating a substrate supported on the susceptor in the chamber;
Introducing a source gas into the chamber from the gas inlet, and discharging the source gas in the chamber from the gas outlet,
In a state in which the substrate supported on the susceptor is housed in the chamber, in any cross section orthogonal to the direction in which the gas inlet and the gas outlet face each other, the interval is set along the facing direction. An epitaxial growth method, which is largest on a center line passing through the center region of the substrate and becomes smaller as the distance from the center line to the side becomes smaller.
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