JP6812961B2 - エピタキシャル成長装置およびそれを用いた半導体エピタキシャルウェーハの製造方法 - 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それを用いた半導体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、半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル膜を気相成長させたものである。例えば、結晶の完全性がより要求される場合や抵抗率の異なる多層構造を必要とする場合などには、シリコンウェーハ上に単結晶シリコン薄膜を気相成長（エピタキシャル成長）させてエピタキシャルシリコンウェーハを製造する。
エピタキシャルウェーハの製造には、例えば枚葉式エピタキシャル成長装置が用いられる。ここで、一般的な枚葉式エピタキシャル成長装置について、図１を参照して説明する。図１に示すように、エピタキシャル成長装置９００は、上部ドーム１１、下部ドーム１２及びドーム取付体１３を含むチャンバ１０を有し、該チャンバ１０がエピタキシャル膜形成室を区画する。また、ドーム取付体１３はサセプタを境界に上部ライナー１７および下部ライナー１８に区画される。チャンバ１０には、その側面の対向する位置の上部ライナー１７側に反応ガスＧPの供給及び排出をそれぞれ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。また、チャンバ１０の側面の対向する位置の下部ライナー１８側に、チャンバ内下部ドーム１２の部分を水素雰囲気に保つための雰囲気ガスＧAの供給及び排出をそれぞれ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。
また、チャンバ１０内には、半導体ウェーハＷが載置されるサセプタ２０が配置される。サセプタ２０は、下方からサセプタサポートシャフト３０により支持される。サセプタサポートシャフト３０は、アームの先端の３つの支持ピン（図示せず）でサセプタ２０の下面外周部を勘合支持する。さらに、サセプタ２０には３つの貫通孔（うち、１つは図示せず）が形成され、サセプタサポートシャフト３０のアームにも貫通孔が１つずつ形成されている。これらアームの貫通孔及びサセプタの貫通孔には、リフトピン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ（ただし、リフトピン４０Ｂは配置の都合により、図１の模式断面図では図示されない）が挿通される。また、リフトピン４０の下端部は昇降シャフト５０に支持される。チャンバ１０内に搬入された半導体ウェーハＷの支持、この半導体ウェーハＷのサセプタ２０上への載置、及び、気相エピタキシャル成長後のエピタキシャルウェーハのチャンバ１０外への搬出の際には、昇降シャフト５０が昇降することで、リフトピン４０がアームの貫通孔及びサセプタの貫通孔と摺動しながら昇降し、その上端部で半導体ウェーハＷの昇降を行う。この枚葉式エピタキシャル成長装置９００を用いてエピタキシャル層ＥＰを形成するときには、サセプタ２０を回転させつつ、サセプタ２０に載置された半導体ウェーハＷの上面に反応ガスＧPを接触させる。また、反応ガスＧpとは、キャリアガスにソースガスを混合させたガスを意味する。エピタキシャル層ＥＰとしてシリコンエピタキシャル層を形成する場合には、ソースガスはトリクロロシランガスなどのシリコンソースガスを用いる。なお、サセプタ２０の側面は、一般的に３ｍｍ程度の間隙を介して、プリヒートリング６０により覆われる。
プリヒートリング６０は予熱リングまたは予加熱リングとも呼ばれ、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はサセプタ２０および反応ガスＧPを予熱し、成膜前および成膜中の半導体ウェーハＷの熱均一性を高めて、エピタキシャル膜の均一性を高める。
反応ガス排出口１６Ａおよび雰囲気ガス排出口１６Ｂ側での、反応ガスＧPおよび雰囲気ガスＧAのガス流の流れに関して図２を参照して説明する。図２に示されるように、反応ガスＧPは主として反応ガス排出口１６Ａ側に流れ、雰囲気ガスＧAは雰囲気ガス排出口１６Ｂ側に主として流れる。サセプタ２０とプリヒートリング６０との間の間隙ｇを介して、反応ガスＧPの一部が雰囲気ガス排出口１６Ｂ側に沈み込み得るし、反対に、雰囲気ガスＧAはその一部が反応ガス排出口１６Ａ側に吹き上がり得る。しかしながら、雰囲気ガスＧAは反応ガスＧpと異なり、基本的には半導体ウェーハＷの上面方向に供給することを意図するものではない。
ここで、特許文献１には、エピタキシャル成長装置において、一つの平面状表面に対して一つの角度で第一のプロセスガスの角度の付いた注入を供給する噴出口の第一の組と、前記噴出口の第一の組に近接し、第二のプロセスガスの加圧された層流を実質的に前記平面状表面に沿って供給する噴出口の第二の組とを備え、前記平面状表面は、前記噴出口の第二の組に対して垂直に広がる、ガス注入装置が開示されている。
特許文献１によれば、こうした２種の噴出口を用いることで、エピタキシャル層成膜時に用いられるプロセスガス間の流れに相互作用を発生させて、エピタキシャル層の厚さ及び組成上の不均一性あるいはそれら両方を改善しようとするものである。
本発明者らは、図３に示すエピタキシャル成長装置８００を用いることで、半導体ウェーハＷにエピタキシャル層ＥＰを形成するときの膜厚均一性を良好に制御できることを期待し、実験を試みた。ここで、エピタキシャル成長装置８００は、反応ガスＧｐを含む第１プロセスガスＧ１を放出する第１放出口１５Ａを備え、半導体ウェーハＷの上面に第１プロセスガスＧ１を供給する第１ガス供給部１５と、半導体ウェーハＷの周縁部における第１プロセスガスＧ１のガス流を制御する第２プロセスガスＧ２を放出する第２放出口７０Ａを備え、半導体ウェーハＷの上面方向に第２プロセスガスＧ２を供給する第２ガス供給部７０と、を有する。そして、図３に示すように、半導体ウェーハＷを上面視すると、第１プロセスガスＧ１と第２プロセスガスＧ２の供給方向は垂直に交差する。
エピタキシャル成長装置８００を用いれば、第１プロセスガスＧ１がウェーハ周縁部にも均一に流れるため、エピタキシャル層ＥＰの膜厚均一性を改善できると期待された。しかしながら、実際にエピタキシャル層ＥＰを形成すると、詳細を後述する図７Ｂのように「バンプ」と呼ばれるウェーハ周縁部での盛り上がり（ロールアップしてさらにロールオフする）が生じる場合があることが確認された。エピタキシャル周縁部（ウェーハエッジ部）の膜厚は単調減少または単調増加で変化することが求められるため、こうしたバンプの形成は許容できない。
また、こうしたバンプの形成は、サセプタ２０の回転数や、第１プロセスガスＧ１をウェーハ中央部および周縁部での供給比率によっても大きく影響を受けることも確認された。そのため、本発明者らは第２プロセスガスＧ２を用いる際に、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善する必要があることを新たな課題として認識した。
そこで本発明は、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供する。さらに本発明は、このエピタキシャル成長装置を用いた半導体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。
本発明者らは、上記諸課題を解決するために鋭意検討した。エピタキシャル成長中には、サセプタ２０を回転させることで、そこに載置される半導体ウェーハＷも回転させ、プロセスガスＧ１を半導体ウェーハＷの上面に吹き付ける。そのため、サセプタ２０および半導体ウェーハＷの回転に伴い、第１プロセスガスＧ１および第２プロセスガスＧ２のガス流れも変化し、そのことが外乱の要因の一つとして考えられる。さらに検討したところ、図３に模式的に示すように、サセプタ２０に回転方向において、第２プロセスガスＧ２と排出口１６Ａとの間で、第１プロセスガスＧ１の濃度が局所的に高くなる領域が形成され、そのことが上述したバンプが形成される原因となり得ることを見出した。
そこで、第２プロセスガスＧ２を用いた場合に、半導体ウェーハＷの上面における濃度分布を均一化するためには、第２プロセスガスＧ２のガス流の方向を適正化することにより第１プロセスガスＧ１のガス流を制御することを本発明者らは着想した。そして、第２プロセスガスＧ２のガス流の方向を適正化したエピタキシャル成長装置を用いることで、上記課題を解決できることを本発明者は見出し、本発明を完成するに到った。
即ち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル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、
前記エピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させるための反応ガスを含む第１プロセスガスを放出する第１ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面に前記第１プロセスガスを供給する第１ガス供給部と、
前記半導体ウェーハの周縁部における前記第１プロセスガスのガス流を制御する第２プロセスガスを放出する第２ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面方向に前記第２プロセスガスを供給する第２ガス供給部と、
を有し、
前記第１および第２プロセスガスを同時に供給するときの前記第２プロセスガスのガス流の主流路が前記サセプタ上に流入し、かつ、該主流路が前記半導体ウェーハの周縁から離隔するよう、前記第２ガス供給部が配設されることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
（１）半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル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、
前記エピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させるための反応ガスを含む第１プロセスガスを放出する第１ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面に前記第１プロセスガスを供給する第１ガス供給部と、
前記半導体ウェーハの周縁部における前記第１プロセスガスのガス流を制御する第２プロセスガスを放出する第２ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面方向に前記第２プロセスガスを供給する第２ガス供給部と、
を有し、
前記第１および第２プロセスガスを同時に供給するときの前記第２プロセスガスのガス流の主流路が前記サセプタ上に流入し、かつ、該主流路が前記半導体ウェーハの周縁から離隔するよう、前記第２ガス供給部が配設されることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
（２）前記エピタキシャル成長装置は前記第１ガス放出口と対向する位置に前記第１プロセスガスを排出する排出口を有し、
前記サセプタの回転方向において、前記第２ガス放出口は前記第１ガス放出口と、前記排出口との間の回転方向上流に配置される、前記（１）に記載のエピタキシャル成長装置。
前記サセプタの回転方向において、前記第２ガス放出口は前記第１ガス放出口と、前記排出口との間の回転方向上流に配置される、前記（１）に記載のエピタキシャル成長装置。
（３）前記第２ガス放出口は、前記サセプタの回転方向における前記第１プロセスガスの上流側に配置される、前記（２）に記載のエピタキシャル成長装置。
（４）前記第１ガス放出口から前記排出口に向かう第１の方向と、前記第２ガス放出口から前記第２プロセスガスが放出される放出方向とがなす角度が鋭角である、前記（２）または（３）に記載のエピタキシャル成長装置。
（５）前記第１の方向と、前記放出方向とがなす角度が４０度から８０度の範囲である、前記（４）に記載のエピタキシャル成長装置。
（６）前記第１プロセスガスはソースガスおよびキャリアガスを含み、
前記第２プロセスガスは、前記キャリアガスからなる、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置。
前記第２プロセスガスは、前記キャリアガスからなる、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置。
（７）前記半導体ウェーハの周縁と、前記第２プロセスガスの前記主流路との間の最短距離が５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置。
（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置の前記サセプタに半導体ウェーハを載置する工程と、
前記第１プロセスガスおよび前記第２プロセスガスを同時に供給して、前記半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる工程と、を含む半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
前記第１プロセスガスおよび前記第２プロセスガスを同時に供給して、前記半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる工程と、を含む半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
本発明によれば、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供する。さらに、本発明によれば、このエピタキシャル成長装置を用いた半導体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。
以下、図面を参照して、本発明に従うエピタキシャル成長装置１００について説明する。なお、図中の各構成の縦横比は、説明の便宜上誇張して図示しており、実際とは異なる。また、説明を簡略化するため、各構成に対して適宜ブロック図を用いている。さらに、図１を参照して既述の、一般的なエピタキシャル成長装置９００と重複する構成については、同一符号を用いる。
（エピタキシャル成長装置）
本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置１００は、半導体ウェーハＷの表面上にエピタキシャル層ＥＰを気相エピタキシャル成長させて、半導体エピタキシャルウェーハＥＷを製造するために用いることができるエピタキシャル成長装置である。図１および図４を参照して、このエピタキシャル成長装置１００を説明する。
本発明の一実施形態に従うエピタキシャル成長装置１００は、半導体ウェーハＷの表面上にエピタキシャル層ＥＰを気相エピタキシャル成長させて、半導体エピタキシャルウェーハＥＷを製造するために用いることができるエピタキシャル成長装置である。図１および図４を参照して、このエピタキシャル成長装置１００を説明する。
本実施形態による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Ｗを載置するサセプタ２０と、前記半導体ウェーハの上面に第１プロセスガスＧ１を供給する第１ガス供給部１５０と、半導体ウェーハＷの上面方向に第２プロセスガスＧ２を供給する第２ガス供給部１７０と、を含む。ここで、第１ガス供給部１５０は、エピタキシャル層ＥＰを気相エピタキシャル成長させるための反応ガスを含む第１プロセスガスＧ１を放出する第１放出口１５０Ａを備える。また、第２ガス供給部１７０は、半導体ウェーハＷの周縁部における第１プロセスガスＧ１のガス流を制御する第２プロセスガスＧ２を放出する第２放出口１７０Ａを備える。なお、図４には、第１ガス放出口１５０Ａと対向する位置に、第１プロセスガスＧ１を排出する排出口１６０を図示している。
説明の便宜上、排出口１６０から第１ガス供給部１５０に向かい、両者が対向する方向をｘ軸と定義し、当該ｙ軸と直交し、かつ、第２ガス供給部１７０側の方向をｙ軸と定義する。併せて、半導体ウェーハＷの厚み方向をｚ方向（エピタキシャル層ＥＰを形成する側をｚ軸の正方向とする）とする。さらに、半導体ウェーハＷの中心位置をこのｘｙｚ空間の原点と定義する。また、ｙ軸と、第２放出口１７０Ａの中心位置とがなす角をθ1と定義する。さらに、第１ガス放出口１５０Ａから排出口１６０に向かう第１の方向（すなわち、ｘ軸の負方向）と、第２ガス放出口１７０Ａから第２プロセスガスＧ２が放出される放出方向とがなす角度を角度θ2と定義する。
さて、第１プロセスガスＧ１は反応ガスを含み、該反応ガスを用いて半導体ウェーハＷの表面にエピタキシャル層ＥＰを形成する。そのため、第１プロセスガスＧ１は半導体ウェーハＷの上面に供給される。本明細書において、反応ガスとは、キャリアガスにソースガスを混合させたガスを意味する。一方、第２プロセスガスＧ２は、第１プロセスガスＧ１のガス流を制御するものであるため、半導体ウェーハＷの上面に直接接触するように第２プロセスガスＧ２を供給する必要はない。第２プロセスガスＧ２が半導体ウェーハＷの上面方向に供給されることにより、第２プロセスガスＧ２は第１プロセスガスＧ１の流れを制御すすることとなる。
ここで、本実施形態によるエピタキシャル成長装置１００では、第１および第２プロセスガスＧ１，Ｇ２を同時に供給するときの第２プロセスガスＧ２のガス流の主流路Ｆがサセプタ２０上に流入し、かつ、該主流路Ｆが半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0から離隔するよう、第２ガス供給部１７０が配設される。
図４および図５Ａ,図５Ｂを参照して、第２プロセスガスＧ２のガス流の主流路Ｆについて説明する。図５Ａは、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置１００により、サセプタ２０を回転させながら、第１プロセスガスＧ１および第２プロセスガスＧ２を流したときの、第２プロセスガスの主流路Ｆを模式的に記載したものである。ここで言う第２プロセスガスＧ２のガス流の主流路Ｆとは、第２プロセスガスの拡散速度が最大となる流れ方向を指す。図５Ｂは、図５Ａの構成において、第１プロセスガスＧ１および第２プロセスガスＧ２を同時に流したときの、ソースガス（具体的にはトリクロロシラン）の質量濃度分布の一例を示すものである。図５Ｂにおける濃色部は、ソースガスの質量濃度が相対的に低い（したがって、第２プロセスガスＧ２の質量濃度が相対的に高い）領域を示し、淡色部は、ソースガスの質量濃度が相対的に高い（したがって、第２プロセスガスＧ２の質量濃度が相対的に低い）領域を指す。拡散速度が最大となる流れ方向が図４、図５Ａに示す主流路Ｆと一致する。
第２プロセスガスＧ２の主流路Ｆが半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0からは離隔しているため、半導体ウェーハＷの周縁部における第１プロセスガスＧ１の質量濃度を比較的均一に拡散させることができる。そのため、エピタキシャル層ＥＰを形成したときの前述したバンプの形成を抑制することができ、また、サセプタの回転数などの外乱要因に対しても、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することが可能となる。
なお、第２プロセスガスＧ２の主流路Ｆを半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0から離隔させるためには、第２プロセスガスＧ２を放出する第２放出口１７０Ａの位置および放出方向（ノズル角度と言ってもよい）を適宜調整すればよい。また、主流路Ｆが半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0から離隔しているか否かは、例えば有限体積法による数値解析によって判別することが可能である。こうした数値解析は、例えば市販の汎用熱流体解析ソフトなどを用いて、パラメータとして、第１プロセスガスＧ１の流量、放出起点位置および放出方向、第２プロセスガスＧ２の流量、放出起点位置および放出方向、サセプタ２０の回転方向および回転数、チャンバ空間、ウェーハ表面温度を少なくとも設定して、第１プロセスガスＧ１または第２プロセスガスＧ２の拡散を動的に数値解析すればよい。
また、本発明効果をより確実に得るためには、図４に示したように、サセプタ２０の回転方向において、第２ガス放出口１７０Ａを、第１ガス放出口１５０Ａと、排出口１６０との間の回転方向上流（すなわち、−９０度＜θ1＜９０度）に配置することが好ましい。さらにこの目的のため、第２ガス放出口１７０Ａを、サセプタ２０の回転方向における第１プロセスガスＧ１の上流側（すなわち、ｘ軸方向であって、０度＜θ1＜９０度）に配置することが好ましく、２度＜θ1＜１５度とすることがさらに好ましい。θ1の好適例として８度〜１２度の範囲を例示できる。このとき、第２ガス放出口１７０Ａを、半導体ウェーハＷの中心（すなわち、チャンバ１０の中心）から、第１プロセスガスＧ１の上流側（ｘ軸方向）へ所定距離Ｌずらして配置することが好ましく、この所定距離Ｌとしては、半導体ウェーハＷの半径Ｒに対して、１／１０〜１／３程度とすることができる。そして、第２ガス放出口１７０Ａの位置を第１プロセスガスＧ１の上流側へずらした距離Ｌに応じて、第２ガス放出口１７０Ａの向きを適宜調整すればよい。具体的に説明すると、半導体ウェーハの半径が例えば１５０ｍｍ（直径３００ｍｍ）の場合、第２ガス放出口１７０Ａの位置を第１プロセスガスＧ１の上流側へ１５ｍｍ〜５０ｍｍ程度ずらせばよい。なお、ｙ方向にずらす距離に関しては、チャンバーの円周上に配置するのであればｘ方向にずらす距離Ｌが決まればそれに対応して決定される。
また、前述した主流路Ｆを得るため、第１ガス放出口１５０Ａから排出口１６０に向かう第１の方向と、第２ガス放出口１７０Ａから第２プロセスガスが放出される放出方向とがなす角度θ2を鋭角とすると、より確実であり、特に、第１の方向と、上記放出方向とがなす角度θ2が４０度〜８０度の範囲内であるとより確実であり、４５度〜５５度の範囲内であるとさらに確実である。また、この目的のためには、前述した角度θ1が大きくなるほど、あるいは距離Ｌが大きくなるほど、角度θ2を小さくするとより確実である。
さらに、本発明による効果を確実に得るためには、半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0と、第２プロセスガスＧ１の主流路Ｆとの間の最短距離ｌ0を０ｍｍ超以上４０ｍｍ以下とし、さらに、５ｍｍ以上とすることが好ましい。最短距離ｌ0がこの範囲であれば、第１プロセスガスＧ１の半導体ウェーハ周縁部におけるガス流を確実に制御して、ソースガスの濃度分布を適正化することができる。なお、周縁Ｗ0と、主流路Ｆとの間の最短距離ｌ0とは、異なる２曲線間の最短距離を意味する。
なお、上述した第２ガス放出口１７０Ａの配設位置は好適態様に過ぎず、第２プロセスガスＧ２のガス流の主流路Ｆがサセプタ２０上に流入し、かつ、該主流路Ｆが半導体ウェーハＷの周縁Ｗ0から離隔する限りは、第２ガス放出口１７０Ａの配設位置は限定されない。さらに、第２ガス放出口１７０Ａの配設位置とサセプタとの関係は、ガス流の主流路Ｆがサセプタ上に流入するように第２ガス放出口１７０Ａの配設位置を設ければよく、例えばサセプタの水平位置と同等または、サセプターより高い位置よりサセプタ上へ流入するように設けても良いし、その逆でも構わない。
また、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置では、半導体ウェーハＷとしてシリコンウェーハを用いることが好ましく、シリコンウェーハ上に成膜するエピタキシャル層はシリコンエピタキシャル層であることが好ましい。ただし、本実施形態に従うエピタキシャル成長装置は化合物半導体ウェーハなどにも適用可能であり、ヘテロエピタキシャル成長にも適用可能である。
ここで、第１プロセスガスＧ１は反応ガスとしてソースガスおよびキャリアガスを含み、かつ、この場合、第２プロセスガスＧ２は、キャリアガスからなることが好ましい。シリコンウェーハにシリコンエピタキシャル層を形成する場合を例に説明すると、ソースガスとしてジクロロシランまたはトリクロロシランなどのシリコン源を用いることができ、キャリアガスとして水素を用いることができる。第２プロセスガスが第１プロセスガスのキャリアガスと同種であれば、エピタキシャル成長時の反応に影響を及ぼさない点で好ましい。ただし、本実施形態に用いる第１および第２プロセスガスＧ１，Ｇ２はこれらに限定されるものではなく、半導体ウェーハＷの基板種およびエピタキシャル層の材料に応じて適宜選択すればよい。さらに、第１プロセスガスＧ１および第２プロセスガスＧ２のいずれか一方、または両方は、ドーパントガスを含んでもよい。シリコンウェーハにシリコンエピタキシャル層を形成する場合であれば、ボロン、リン、ヒ素などを含む化合物ガスを用いることができる。
また、前述の主流路Ｆを得るためには、第１プロセスガスＧ１のガス流量と、第２プロセスガスＧ２のガス流量との比を、８：１〜１３：１の範囲で設定することが好ましい。なお、ここで言うガス流量とは、複数種の異なるガスを含む場合、合計量でのガス流量を指す。すなわち、第１プロセスガスＧ１がソースガスおよび水素ガスを含む場合、それらの合計のガス流量を用いて上記比を算出すればよい。
以下で、本実施形態に適用可能なエピタキシャル成長装置の各構成の具体的な態様を説明するが、本発明はこれらの具体的な態様に何ら限定されない。
＜チャンバ＞
図１に示すように、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。また、ドーム取付体１３は、サセプタおよびウェーハと同様に円形であり、第２ノズルが設けられている。ドーム取付体１３は、３００ｍｍのウェーハを処理するエピタキシャル装置においては、直径が概ね４２０〜４７０ｍｍである。
図１に示すように、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。また、ドーム取付体１３は、サセプタおよびウェーハと同様に円形であり、第２ノズルが設けられている。ドーム取付体１３は、３００ｍｍのウェーハを処理するエピタキシャル装置においては、直径が概ね４２０〜４７０ｍｍである。
＜サセプタ＞
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度等間隔で、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。
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度等間隔で、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。
＜サセプタサポートシャフト＞
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。
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＞
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。昇降シャフトの動作については後述する。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。
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。昇降シャフトの動作については後述する。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＞
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。
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。
＜プリヒートリング＞
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Ｗの熱均一性を高める。プリヒートリング６０も、サセプタ２０と同様に、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。
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Ｗの熱均一性を高める。プリヒートリング６０も、サセプタ２０と同様に、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。
＜加熱ランプ＞
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。
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。
なお、チャンバ内に導入する雰囲気ガスとしては水素ガスを用いることが好ましい。雰囲気ガスが半導体ウェーハＷの上面に供給するものではないことは、前述のとおりである。
（半導体エピタキシャルウェーハの製造方法）
また、本発明の一実施形態に従う半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、前述のエピタキシャル成長装置の前記サセプタに半導体ウェーハを載置する工程と、前記第１プロセスガスおよび前記第２プロセスガスを同時に供給して、前記半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる工程と、を含む。この製造方法により、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することができる。
また、本発明の一実施形態に従う半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、前述のエピタキシャル成長装置の前記サセプタに半導体ウェーハを載置する工程と、前記第１プロセスガスおよび前記第２プロセスガスを同時に供給して、前記半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる工程と、を含む。この製造方法により、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することができる。
また、半導体ウェーハＷの表面にエピタキシャル層を形成する際の成長条件は一般的なものとすることができる。シリコンウェーハにシリコンエピタキシャル層を形成する場合であれば、例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスを第１プロセスガスとしてエピタキシャル成長炉内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね１０００〜１２００℃温度範囲の温度でＣＶＤ法により半導体ウェーハ上にエピタキシャル成長させることができる。第２プロセスガスについては、前述のとおりであり、水素を用いることが好ましい。また、形成するエピタキシャル層ＥＰの厚さは１〜１５μｍの範囲内とすることができる。
次に、本発明の効果をさらに明確にするため、以下の実施例を挙げるが、本発明は以下の実施例に何ら制限されるものではない。
（実施例１）
図４に示すエピタキシャル成長装置を用いて、シリコンウェーハ表面にシリコンエピタキシャル層を形成する場合の、第２プロセスガスＧ２の主流路Ｆおよび形成されるエピタキシャル層の膜厚分布を数値解析した。第２プロセスガスＧ２の供給口１７０Ａを、上流側にＬ：４０ｍｍの位置に設置し、角度θ1を１０度とし、角度θ2を５０度とした。
図４に示すエピタキシャル成長装置を用いて、シリコンウェーハ表面にシリコンエピタキシャル層を形成する場合の、第２プロセスガスＧ２の主流路Ｆおよび形成されるエピタキシャル層の膜厚分布を数値解析した。第２プロセスガスＧ２の供給口１７０Ａを、上流側にＬ：４０ｍｍの位置に設置し、角度θ1を１０度とし、角度θ2を５０度とした。
また、本実施例１では、第１プロセスガスＧ１としてトリクロロシラン（ＴＣＳ）および水素ガスを導入し、第２プロセスガスＧ２として水素ガスを導入した。第１プロセスガスＧ１の合計流量を８４ｓｌｍ（Ｈ2：７５ｓｌｍ、ＴＣＳ：９ｓｌｍ）とし、第２プロセスガスＧ２の流量を７ｓｌｍとした。また、サセプタ回転数を７０ｒｐｍ、サセプター上のウェーハ温度を１１３０℃とした。
第１プロセスガスの質量濃度分布の数値解析にあたっては、ＴＣＳの質量濃度分布を計算し、パラメータとして第１プロセスガスＧ１の流量、放出起点位置および放出方向、第２プロセスガスＧ２の流量、放出起点位置および放出方向、サセプタ２０の回転方向および回転数、チャンバ空間、ウェーハ表面温度、及び炉内圧力（常圧）を設定した。そして、得られた質量濃度分布から主流路Ｆを求めた。また、エピタキシャル成長処理の数値解析としては、シリコンソースとしてＴＣＳを使用し、エピタキシャル成長速度分布を求めた。
図６Ａに、数値解析結果による主流路Ｆを図示する。図６Ａに示されるとおり、主流路Ｆは常時シリコンウェーハの周縁Ｗｏからは離隔している。上記数値解析では、最短距離ｌ0は２５ｍｍであった。この場合に得られるエピタキシャル層のウェーハ周縁部における膜厚分布の計算結果を図７Ａに示す。図７Ａより、エピタキシャル膜厚がロールアップのみしていることが確認できる。
（比較例１）
図３の構成、すなわち、第２プロセスガスＧ２の供給口１７０Ａの方向をウェーハ中心に向くようにし、第１プロセスガスＧ１の上流側の移動距離を０（ゼロ）とした以外は、実施例１と同様にして主流路Ｆおよび形成されるエピタキシャル層の膜厚分布を数値解析した。
図３の構成、すなわち、第２プロセスガスＧ２の供給口１７０Ａの方向をウェーハ中心に向くようにし、第１プロセスガスＧ１の上流側の移動距離を０（ゼロ）とした以外は、実施例１と同様にして主流路Ｆおよび形成されるエピタキシャル層の膜厚分布を数値解析した。
比較例１による結果を、実施例１と同様にして図６Ｂ、図７Ｂに示す。図６Ｂより、比較例１では主流路Ｆが半導体ウェーハＷに流入していることが確認できる。そして、図７Ｂより、バンプとよばれるウェーハ周縁部でのエピタキシャル層の盛り上がり（ロールアップ後、ロールオフする）が形成されたことが確認できる。
さらに、実施例１および比較例１で条件１としてサセプタ回転数７０ｒｐｍ、第１プロセスガスの配分比５：１としていた（条件１）ところ、サセプタ回転数３２ｒｐｍ、第１プロセスガスの配分比１：１とした場合（条件２）でも数値解析を行った。さらに、条件１，２のそれぞれにおいて、第２プロセスガスの流量を３ｓｌｍ，５ｓｌｍ，７ｓｌｍとした場合の、径方向１４０ｍｍおよび１４８ｍｍの位置間でのエピタキシャル層の膜厚差を図８Ａ（実施例１），図8Ｂ（比較例１）にそれぞれ示す。
図８Ａ，図８Ｂより、比較例１では、第２プロセスガスの水素ガスの流量増加に伴い、エピタキシャルウェーハの外周膜厚の応答性が単調増加ではなく、ノイズ影響が大きいことが確認される。これに対して実施例１では、第２プロセスガスの水素ガスの流量増加に伴い、エピタキシャルウェーハの外周膜厚の応答性が単調増加であることが確認できたため、ノイズ影響が小さく、ロバスト性を改善できることが確認された。
本発明によれば、エピタキシャル層形成時の膜厚均一性制御のロバスト性を改善することのできるエピタキシャル成長装置を提供することができる。
１００ エピタキシャル成長装置
１０ チャンバ
１１ 上部ドーム
１２ 下部ドーム
１３ ドーム取付体
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
１５０ 第１ガス供給部
１５０Ａ 第１ガス放出口
１６０ 排出口
１７０ 第２ガス供給部
１７０Ａ 第２ガス放出口
Ｇ１ 第１プロセスガス
Ｇ２ 第２プロセスガス
Ｆ 主流路
Ｗ 半導体ウェーハ
１０ チャンバ
１１ 上部ドーム
１２ 下部ドーム
１３ ドーム取付体
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
１５０ 第１ガス供給部
１５０Ａ 第１ガス放出口
１６０ 排出口
１７０ 第２ガス供給部
１７０Ａ 第２ガス放出口
Ｇ１ 第１プロセスガス
Ｇ２ 第２プロセスガス
Ｆ 主流路
Ｗ 半導体ウェーハ
Claims (8)
- 半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル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、
前記エピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させるための反応ガスを含む第１プロセスガスを放出する第１ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面に前記第１プロセスガスを供給する第１ガス供給部と、
前記半導体ウェーハの周縁部における前記第１プロセスガスのガス流を制御する第２プロセスガスを放出する第２ガス放出口を備え、前記半導体ウェーハの上面方向に前記第２プロセスガスを供給する第２ガス供給部と、
を有し、
前記第１および第２プロセスガスを同時に供給するときの前記第２プロセスガスのガス流の主流路が前記サセプタ上に流入し、かつ、該主流路が前記半導体ウェーハの周縁から離隔するよう、前記第２ガス供給部が配設されることを特徴とするエピタキシャル成長装置。 - 前記エピタキシャル成長装置は前記第１ガス放出口と対向する位置に前記第１プロセスガスを排出する排出口を有し、
前記サセプタの回転方向において、前記第２ガス放出口は前記第１ガス放出口と、前記排出口との間の回転方向上流に配置される、請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。 - 前記第２ガス放出口は、前記サセプタの回転方向における前記第１プロセスガスの上流側に配置される、請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記第１ガス放出口から前記排出口に向かう第１の方向と、前記第２ガス放出口から前記第２プロセスガスが放出される放出方向とがなす角度が鋭角である、請求項２または３に記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記第１の方向と、前記放出方向とがなす角度が４０度から８０度の範囲である、請求項４に記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記第１プロセスガスはソースガスおよびキャリアガスを含み、
前記第２プロセスガスは、前記キャリアガスからなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置。 - 前記半導体ウェーハの周縁と、前記第２プロセスガスの前記主流路との間の最短距離が５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置の前記サセプタに半導体ウェーハを載置する工程と、
前記第１プロセスガスおよび前記第２プロセスガスを同時に供給して、前記半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる工程と、を含む半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
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