JP7026795B2 - 半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法およびその方法を実施するための装置 - Google Patents

半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法およびその方法を実施するための装置 Download PDF

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Description

本発明は、単結晶材料からなる半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法であって、その工程においては、提供される半導体ウェハをサセプタ上に配置し、熱放射によって堆積温度に加熱し、半導体ウェハの表側に堆積ガスを導く方法に関する。本発明は、さらに、単結晶材料からなる半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるための装置に関する。
先行技術／問題
半導体ウェハの表側へのエピタキシャル層の堆積は、通常、ＣＶＤ反応器、多くの場合は枚葉式反応器において、ＣＶＤ（化学気相成長）によって行われる。一例として、ＵＳ２０１４／０ ２５１ ２０８ Ａ１が言及され、そこでは、そのようなＣＶＤ反応器が記載される。枚葉式反応器は、上部カバーと下部カバーとの間に反応チャンバを設け（ドーム）、反応チャンバ内ではサセプタが、サセプタ担持シャフトのサセプタ担持アームによってサセプタ支持ピン上で保持される。カバーの上下に配置されたランプアレイによる熱放射によってサセプタおよびその上に載置された半導体ウェハが加熱され、上部カバーに面する半導体ウェハの表側に成膜ガスが流される。
ＵＳ２００８／０１１８７１２ Ａ１は、サセプタリングおよびサセプタ基部を備えるサセプタを記載する。サセプタリングは、半導体ウェハを半導体ウェハの裏側の縁部領域において載置するためのレッジを有する。半導体ウェハの表側に層を堆積させるために、サセプタリングをサセプタ基部上に載置する。
ＵＳ２００７／０２２７４４１ Ａ１は、シリコンからなるエピタキシャル被覆された半導体ウェハの縁部領域の厚みの周期的な変動に注目する。これは、エピタキシャル層の成長速度が異なるためである。異なる成長速度は、半導体ウェハの表側の結晶配向に関係がある。半導体ウェハの表側は、エピタキシャル層が堆積される半導体ウェハの側面である。エピタキシャル層の厚みを縁部領域において均一にするために、ＵＳ２００７／０２２７４４１ Ａ１は、厚み変動の周期でサセプタの構造を変更することを提案する。
同じ目的のために、ＵＳ２０１５／０１８４３１４ Ａ１は、半導体ウェハの縁部領域の幅を制限することを提案する。
上記提案では、使用するサセプタまたは半導体ウェハの縁部領域の形状を変更する必要がある。
本発明の目的は、この目的のためにサセプタまたは半導体ウェハの縁部領域の形状を変更する必要なしに、縁部領域にエピタキシャル層が堆積された半導体ウェハの平坦度を改善することである。
この目的は、単結晶材料で構成された半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法によって達成され、この方法は、
半導体ウェハを提供することと、
半導体ウェハをサセプタ上に配置することと、
半導体ウェハの表側および裏側に向けられる熱放射によって半導体ウェハを堆積温度まで加熱することと、
半導体ウェハの表側に堆積ガスを導くことと、
半導体ウェハの裏側に向けられる熱放射の一部の強度を選択的に低減させることとを備え、その結果、半導体ウェハの縁部の第１の部分領域、すなわち、単結晶材料の配向により半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域が、より弱く加熱される。
本発明は、さらに、単結晶材料で構成された半導体ウェハの表側上にエピタキシャル層を堆積させるための装置に関し、この装置は、
サセプタと、
サセプタ担持シャフトとサセプタ担持アームとを有する、サセプタを保持して回転させる装置と、
サセプタ担持アームによって保持され、通過する熱放射の強度を選択的に低減する、内側に向いた突起を有するリングとを備え、その結果、サセプタ上に載置された半導体ウェハの縁部の第１の部分領域、すなわち、単結晶材料の配向により半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域が、より弱く加熱される。
半導体ウェハまたは半導体ウェハの表面を含む半導体ウェハの少なくとも一部は単結晶であり、好ましくはシリコン、ゲルマニウム、またはこれらの元素の混合物からなる。半導体ウェハは、言及された材料のうちの１つから完全になってもよい。しかしながら、それは、ＳＯＩ（シリコン‐オン‐インシュレータ）ウェハ、接合された半導体ウェハ、または１つ以上のエピタキシャル層で既に被覆されている基板ウェハであってもよい。エピタキシャル層は、好ましくは、シリコン、ゲルマニウム、またはこれらの元素の混合物からなり、必要に応じて、電気的に活性なドーパントを含む。
半導体ウェハは、ＦＺ法（フロートゾーン）またはＣＺ法により結晶化された単結晶からスライスされることができる。ＣＺ法は、るつぼに収容された溶融物に種結晶を浸漬することと、溶融物から種結晶およびその上に結晶化する単結晶を引き上げることとを含む。
半導体ウェハは、少なくとも２００ｍｍ、好ましくは少なくとも３００ｍｍの直径を有する。半導体ウェハの表側は、好ましくは、＜１００＞－配向または＜１１０＞－配向である。
表側の＜１００＞－配向の場合、半導体ウェハの表側の縁部領域は、各場合において、互いに交互する４つの第１の部分領域および第２の部分領域に細分され得る。４つの第１の部分領域では、縁部領域の４つの第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い。第１の部分領域の中心は、各々、半導体ウェハの円周に対して角度位置θを有する。配向ノッチが、半導体ウェハの表側の＜１００＞－配向に垂直な＜１１０＞－方向を識別し、この方向に２７０°の角度位置θを割り当てた場合、４つの第１の部分領域の中心は、半導体ウェハの表側の＜１００＞－配向に垂直な＜１１０＞方向の角度位置に対応して、それぞれ、０°、９０°、１８０°および２７０°の角度位置θを有する。
表側の＜１１０＞－配向の場合、半導体ウェハの表側の縁部領域は、それぞれの場合において、互いに交互する２つの部分領域に細分化することができる。２つの第１の部分領域は、縁部領域の２つの第２の部分領域よりも半導体ウェハの表側のエピタキシャル層の成長速度が速い。配向ノッチが、半導体ウェハの表側の＜１１０＞－配向に垂直な＜１１０＞－方向を識別し、この方向に２７０°の角度位置θを割り当てた場合、２つの第１の部分領域の中心は、半導体ウェハの表側の＜１１０＞－配向に垂直な＜１１０＞－方向の角度位置に対応して、それぞれ、９０°および２７０°の角度位置θを有する。
半導体ウェハの表側上にエピタキシャル層を堆積する間、半導体ウェハはサセプタのレッジ上にある。サセプタは、一体的に、または好ましくサセプタリングおよびサセプタ基部からなることができる。半導体ウェハは、その配向ノッチがサセプタのレッジ上において規定の位置を有するように、配向された態様でサセプタ上に配置される。半導体ウェハは、半導体ウェハの縁部の第１の部分領域が第２の部分領域よりも集中的に加熱されないように、サセプタ上にある。エピタキシャル層の成長速度は、温度が高いほど速くなり、したがって、第２の部分領域よりも第１の部分領域で低くなる。しかしながら、それは、温度だけでなく結晶格子の配向にも依存する。さらに、結晶格子の配向性により、第１の部分領域では、第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速いため、第１の部分領域および第２の部分領域では、全体的にエピタキシャル層の成長速度の一致が達成される。すなわち、半導体ウェハの表側に堆積されるエピタキシャル層の厚みは、半導体ウェハの縁部領域において、より均一になり、それは、縁部領域における、被覆された、または被覆されない半導体ウェハの平坦度を記述したＥＳＦＱＲのような特性図において明らかとなる。
本発明によれば、半導体ウェハの裏側に向けられる熱放射の一部、具体的には半導体ウェハの第１の部分領域の加熱に重要な熱放射の部分の強度が選択的に低減されるので、第１の部分領域は、より集中的に加熱されない。この目的のために、リングの内向きの突起が、熱放射のビーム経路内に位置している。突起は、完全にまたは部分的に、スペクトルのＩＲ範囲において低い透過率を有する材料、好ましくは不透明な石英ガラスからなる。上記範囲における材料厚み１０ｍｍに対する透過率は２０％以下であることが好ましく、５％以下が特に好ましい。突起の厚みは５ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。各突起の周方向の幅は１５°以上２５°以下、好ましくは２０°である。それらは、リングの内周から径方向内側に、好ましくは２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の長さにわたって延びる。熱放射の上記部分の一部は、突起を通過することが阻止される。このシェーディング効果は、半導体ウェハが第１の部分領域において所望の方法で集中的に加熱されないようにするために十分である。不透明な石英ガラスから構成される好適な材料は、例えばHeraeusから商品名ＯＭ（登録商標）１００で提供される。
内側に面する突起を有するリングは、個々の半導体ウェハを被覆するために市販の従来のＣＶＤ反応器内に挿入することができるように構成され、前記反応器は予め構造的に修正される必要がないことが好ましい。本発明による装置では、リングは、ＣＶＤ反応器のサセプタ担持アームによって保持され、この目的のために、サセプタ支持ピンを挿入することができる穴を有する。したがって、本発明による装置と公知の実施形態のＣＶＤ反応器との違いは、記載されるリングがサセプタの下に追加的に配置され、特に、リングの突起、およびサセプタ上に載置された半導体ウェハの縁部における第１の部分領域が、記載されたシェーディング効果が生じることを可能にする互いに対する相対的位置をとる、という事実にある。サセプタ支持ピンの挿入後、突起の位置は、第１の結晶領域によってとられなければならない位置のように、固定され、なぜならば、それは、その場合、幾何光学の規則に従った結果であるからである。この意味で、半導体ウェハは、所定の方法でサセプタ上に配置される。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
先行技術を表し、サセプタ基部、サセプタリングおよび半導体ウェハの相対配置を示す図である。 ＜１００＞－配向の半導体ウェハの平面図を示す。 ＜１１０＞－配向の半導体ウェハの平面図を示す。 本発明による装置の断面図である。 ある場合における、本発明による装置の特徴であるリングを平面図で示す。 ある場合における、本発明による装置の特徴であるリングを平面図で示す。 ある場合における、本発明による装置の特徴であるリングを平面図で示す。 半導体ウェハの縁部から１ｍｍの距離におけるエピタキシャル被覆された半導体ウェハの厚みと、周方向位置ＣＰの関数としての被覆された半導体ウェハの平均厚みとの間の差Ｄｉｆｆを示し、エピタキシャル層は、従来の方法（図８）で堆積されている。 半導体ウェハの縁部から１ｍｍの距離におけるエピタキシャル被覆された半導体ウェハの厚みと、周方向位置ＣＰの関数としての被覆された半導体ウェハの平均厚みとの間の差Ｄｉｆｆを示し、エピタキシャル層は、本発明による態様（図９）で堆積されている。
図１による構成は、サセプタ基部３と、レッジ４を有するサセプタリング２とを備える。半導体ウェハ５は、半導体ウェハの裏側の縁部領域においてレッジ４上に載置され得る。サセプタ基部３とサセプタリング２とで２分割サセプタ１が構成されている。これは、本発明に関して重要ではない。当然ながら、本発明に従って、一体型のサセプタを使用することもできる。
サセプタ基部３は、グラファイトフェルト、または炭化ケイ素で被覆されたグラファイトフェルト、または炭化ケイ素で被覆されたグラファイト、または炭化ケイ素からなることが好ましく；サセプタリング２は、炭化ケイ素または炭化ケイ素で被覆された何らかの他の材料からなることが好ましい。他の材料とは、好ましくはグラファイトまたはシリコンである。サセプタリング２は内径および外径を有している。内径は、半導体ウェハ５の直径よりも小さく、外径は、半導体ウェハ５の直径よりも大きい。サセプタリング２のレッジ４は、サセプタリング２の内縁から、サセプタリング２の高さを増加させる段差まで延びている。レッジ４は、好ましくは、段差から内側に下降するように成形される。
図２は、配向ノッチ６を有する半導体ウェハ５を示す。半導体ウェハ５は、＜１００＞－配向を有する。配向ノッチ６は、半導体ウェハの円周の周りに９０°の距離で分布され、エピタキシャル層が比較的速い速度で成長する半導体ウェハの縁部の領域における平面を示す４つの＜１１０＞－結晶方向のうちの１つをマークする。したがって、破線矢印は、単結晶材料の配向により半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域の中心を指す。配向ノッチの角度位置が２７０°の場合、第１の部分領域の中心は、０°、９０°、１８０°、２７０°の角度位置を有する。
図３は、＜１１０＞－配向を有する半導体ウェハ５の配向特徴を示す。配向ノッチ６は、半導体ウェハの円周の周りに１８０°の距離で分布され、エピタキシャル層が比較的速い速度で成長する半導体ウェハの縁部の領域における平面を示す２つの＜１１０＞－結晶方向のうちの１つをマークする。したがって、破線矢印は、単結晶材料の配向により半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域の中心を指す。配向ノッチの角度位置が２７０°の場合、第１の部分領域の中心は、９０°および２７０°の角度位置を有する。
本発明による装置（図４）は、サセプタ１に加えて、サセプタ担持シャフト７およびサセプタ担持アーム８を有するサセプタ１を保持および回転させるための装置を備える。さらに、サセプタ１を保持および回転させる装置は、ウェハ昇降シャフト１２およびウェハ昇降ピン１３を備えることができる。本装置の本質的な特徴は、サセプタ担持アーム８に保持され、サセプタ１と直接接触することなくサセプタ１の下方に配置されるリング９である。リング９は、サセプタ担持アーム８によって、その周方向に変位不能に保持されている。好ましくは、サセプタ支持ピン１０は、サセプタ担持アーム８上に位置し、このピンは、リング９の穴１１に挿通される。リング９の上面とサセプタ１の下面との距離は、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。好ましくは、リング９の突起１４の内縁１７（図５、図６および図７）は、リング９の中心Ｚから１４０ｍｍ以上、好ましくは１４５ｍｍ以上、特に好ましくは１４８ｍｍ～１５０ｍｍの距離にある径方向位置にある。
図５は、示される実施形態において、穴１１と４つの内側に面する突起１４とを有するリング９を平面図で示し、４つの突起１４は、円周にわたって９０°の距離で分散して配置されている。この実施形態は、本発明に従って、＜１００＞－配向を有する半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるために、図４による装置で使用するのに適している。リング９は石英ガラスからなり、突起１４はスペクトルのＩＲ範囲において透過率が低い材料からなることが好ましい。突起１４の上記範囲における透過率は、材料厚み１０ｍｍに対して、２０％以下であることが好ましく、特に５％以下であることがより好ましい。突起１４は、不透明な石英ガラスからなることが好ましい。
図６は、示される実施形態において、穴１１と２つの内側に面する突起１４とを有するリング９を平面図で示し、２つの突起１４は、円周にわたって１８０°の距離で分散して配置されている。この実施形態は、本発明に従って、＜１１０＞－配向を有する半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるために、図４による装置で使用するのに適している。リング９は石英ガラスからなり、突起１４はスペクトルのＩＲ範囲において透過率が低い材料からなることが好ましい。突起１４の上記範囲における透過率は、材料厚み１０ｍｍに対して、２０％以下であることが好ましく、特に５％以下であることがより好ましい。突起１４は、不透明な石英ガラスからなることが好ましい。
図７は、示される実施形態において、穴１１と４つの内側に面する突起１４とを有するリング９を平面図で示し、４つの突起１４は、９０°の距離で円周にわたって分散して配置されている。この実施形態は、本発明に従って、＜１００＞－配向を有する半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるために、図４による装置で使用するのに適している。図示の実施形態では、突起１４はＴ字形であり、各々、好ましくは８ｍｍ以上１８ｍｍ以下の径方向長さを有するウェブ１５と、リングセグメント１６とを含む。リングセグメント１６は、周方向において径方向長さおよび幅を有する。リングセグメント１６の径方向長さは、好ましくは１．５ｍｍ以上８ｍｍ以下、特に好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下である。開口角αで表される幅は、１５°以上２５°以下であることが好ましく、特に２０°であることが好ましい。リング９およびウェブ１５は、石英ガラスからなり、リングセグメントは、スペクトルのＩＲ範囲において低い透過率を有する材料からなることが好ましい。リングセグメント１６の上記範囲における透過率は、材料厚み１０ｍｍに対して、２０％以下であることが好ましく、特に５％以下であることがより好ましい。リングセグメント１６は、好ましくは不透明な石英ガラスからなる。
本発明に係る例示的実施形態の説明
３００ｍｍの直径および表側の＜１００＞－配向を有する単結晶シリコンからなる半導体ウェハを、枚葉式反応器内において、シリコンからなるエピタキシャル層で被覆した。半導体ウェハの一部（比較例）は、図４による装置において、リング９を設けずに、図１によるサセプタ上にある態様で被覆された。半導体ウェハの別の部分（実施例）は、同じ方法で、ただし図５による実施形態におけるリング９が図４に従って配置されて存在する状態で、被覆された。半導体ウェハおよびリングの相対位置は、熱放射の強度がリングの突起を通過する際に弱くなり、したがって、エピタキシャル層の成長速度が半導体ウェハの第１の部分領域において目標とされる態様で減少するように、選択された。その後、縁部から１ｍｍの距離における被覆された半導体ウェハの厚みと対応する半導体ウェハの平均厚みとの差を、各場合において確認した。本発明によって製造される半導体ウェハの場合、この差は、従来製造される半導体ウェハの場合（図８）よりも有意に小さい（図９）。
上記の例示的な実施形態の説明は、例示として理解されるべきである。それによって与えられる開示は、第１に、当業者が本発明およびそれに関連する利点を理解することを可能にし、第２に、説明される構造および方法の明白な変更ならびに修正を、当業者の理解内に包含する。したがって、そのようなすべての変更および修正ならびに均等物は、特許請求の範囲の保護範囲によって包含されることが意図される。
使用した参照符号のリスト
１ サセプタ
２ サセプタリング
３ サセプタ基部
４ レッジ
５ 半導体ウェハ
６ 配向ノッチ
７ サセプタ担持シャフト
８ サセプタ担持アーム
９ リング
１０ サセプタ支持ピン
１１ 穴
１２ ウェハ昇降シャフト
１３ ウェハ昇降ピン
１４ 突起
１５ ウェブ
１６ リングセグメント
１７ 突起の内側縁部

Claims (5)

  1. 単結晶材料で構成された半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法であって、
    半導体ウェハを提供することと、
    前記半導体ウェハをサセプタ上に配置することと、
    前記半導体ウェハの表側および裏側に向けられる熱放射によって前記半導体ウェハを堆積温度まで加熱することと、
    前記半導体ウェハの表側に堆積ガスを導くことと、
    前記半導体ウェハの裏側に向けられる熱放射の一部の強度を選択的に低減させることとを備え、その結果、前記半導体ウェハの縁部に位置し、前記単結晶材料の配向により前記半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域が、より弱く加熱され、
    サセプタ担持アームによって保持されるリングが前記サセプタの下に配置され、前記リングは、内側を向く突起を有し、前記突起は、各々、ウェブとリングセグメントを備え、前記リングセグメントは、スペクトルのＩＲ範囲において低い透過率を有する材料からなり、開口角αとして表される周方向の幅が１５°以上２５°以下である、単結晶材料で構成された半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させる方法。
  2. 単結晶材料からなる半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるための装置であって、
    サセプタと、
    サセプタ担持シャフトとサセプタ担持アームとを有する、前記サセプタを保持して回転させる装置と、
    前記サセプタ担持アームによって保持され、通過する熱放射の強度を選択的に低減する、内側に向いた突起を有するリングとを備え、その結果、前記サセプタ上に載置された半導体ウェハの縁部に位置し、前記単結晶材料の配向により前記半導体ウェハの均一な温度が与えられる隣接する第２の部分領域よりもエピタキシャル層の成長速度が速い第１の部分領域が、より弱く加熱され、前記突起は、各々、ウェブとリングセグメントを備え、前記リングセグメントは、スペクトルのＩＲ範囲において低い透過率を有する材料からなり、開口角αとして表される周方向の幅が１５°以上２５°以下である、単結晶材料からなる半導体ウェハの表側にエピタキシャル層を堆積させるための装置。
  3. 前記リングは石英ガラスからなる、請求項２に記載の装置。
  4. 隣接する前記突起までの距離が９０°である４つの前記突起によって特徴付けられる、請求項２または請求項３に記載の装置。
  5. 隣接する前記突起までの距離が１８０°である２つの前記突起によって特徴付けられる、請求項２または請求項３に記載の装置。
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