JPH1179888A

JPH1179888A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH1179888A
Application number: JP25137197A
Authority: JP
Inventors: Kinji Hoshi; 金治星
Original assignee: INOTETSUKU KK
Current assignee: INOTETSUKU KK
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1999-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハ下面への気相成長を防止することので
きる気相成長装置を提供する。【解決手段】チャンバと、反応ガス導入手段とを有
し、前記チャンバの内部には回転可能な支持体に保持さ
れた、ウエハを載置するためのサセプタが配置されてい
る気相成長装置において、前記サセプタの下部から水素
ガス、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスからな
る群から選択される少なくとも１種類のパージガスを送
入し、このパージガスにより反応ガスがウエハ下面へ廻
り込むことを防止することによりウエハ下面での気相成
長の発生を阻止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料からな
るウエハを加熱して、これに半導体原子を含むガスを吹
きつけて該ウエハの表面に結晶薄膜を成長（エピタキシ
ャル成長）させる気相成長装置に関する。更に詳細に
は、本発明は、半導体超ＬＳＩの基板材料であるシリコ
ンエピタキシャルウエハ製造装置に有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図６および図７に従来もっとも広く用い
られてきた半導体メモリ用途を主とする枚葉式エピタキ
シャルウエハ製造用の気相成長装置を示す。図６におい
て、符号１００は上部石英製ドーム、１０２は下部石英
製ドーム、１０４は上部赤外線ランプ、１０５は下部赤
外線ランプ、１０６はサセプタ、１０８はサセプタリン
グを示す。サセプタは回転可能な軸１１０により支持さ
れており、サセプタ上にウエハ１が載置される。また、
図７において、符号１１２は石英管、１１４は上部直管
式赤外線ランプ、１１６は下部直管式赤外線ランプ、１
１８はサセプタ、１２０はサセプタリングをそれぞれ示
し、図６の装置と同様に、サセプタ１１８は回転可能な
軸１２２により支持され、サセプタ１１８上にウエハ１
が載置される。

【０００３】図６及び図７に示された装置に共通する点
は、ウエハの上下に配置された赤外線ランプで加熱す
ることによってウエハ厚さ方向の温度差を小さくし、昇
温時に発生する熱応力を抑止してスリップの発生を防ぐ
こと、及び反応ガス（原料を含むガス）をウエハと平
行に比較的狭い間隙を高速度で流し、膜の高速成長に有
利にしたことである。

【０００４】さらにこれらの装置は枚葉式のために、３
〜５μｍ／分程度の高速膜成長が経済的に成り立つ条件
となる。このため、一般に反応ガスとして高速膜成長に
適したトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）を水素ガスに
混入して使用し、膜成長温度も１１００〜１２００℃と
比較的に高かった。

【０００５】従来の半導体メモリ用基板に使われてきた
シリコンエピタキシャルウエハは、主として高濃度のボ
ロンをドープした０．００５〜０．０１Ωｃｍ程度の低
抵抗率Ｐ⁺サブストレートの上に５〜２０ΩｃｍのＰ^-エ
ピタキシャル層を約５〜１０μｍの厚さに成長させたも
のであった。

【０００６】従来の装置で成膜処理すると、ウエハの表
面上に所期のシリコン膜が生成されるのに加えて、ウエ
ハの裏面へ反応ガスが廻り込み、ウエハ裏面でも膜成長
が起こることがある。その結果、ウエハ裏面の厚さにバ
ラツキが発生し、平坦度が低下する。

【０００７】半導体集積回路、特に超ＬＳＩ用の基板ウ
エハの平坦度はデバイスのデザインルールが微細化する
にしたがって厳しくなってくる。たとえばデザインルー
ルが０．２５μｍの場合にはSite TIR (Site Ttotal In
dicator Reading)が２２．５ｍｍ×２２．５ｍｍの範囲
で０．３μｍ以下が要求されている。平坦度の測定はデ
バイス製造のリングラフィー工程への適応を想定して平
面板の上にウエハを載せ、裏面から真空で吸引して行
う。したがって前述のようにウエハ裏面の周辺に気相成
長が起こったウエハを真空で吸引すれば中央部が凹み、
表面の平坦度を著しく損なう。ウエハ表面の平坦度はリ
ソグラフィーの生命であり、デバイスの歩留まりに大き
く影響する。したがってウエハ裏面への気相成長防止は
超ＬＳＩ生産上の緊急の課題である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、ウエハ裏面への気相成長を防止することのできる気
相成長装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】チャンバと、反応ガス導
入手段とを有し、前記チャンバの内部には回転可能な支
持体に保持された、ウエハを載置するためのサセプタが
配置されている気相成長装置において、前記サセプタの
下部から水素ガス又は不活性ガスを送入する手段を配設
することにより前記課題は解決される。

【００１０】

【発明の実施の態様】図１は本発明の気相成長装置の一
例の部分概要断面図である。図１において、ウエハ１
は、例えば、ＳｉＣでコーティングしたグラファイト製
サセプタ３の上面に載置されている。サセプタ３は回転
軸５により支持され、自転される。サセプタ３の下側に
は加熱手段７が配設されている。加熱手段７は高周波誘
導加熱又は赤外線ランプ加熱若しくはニクロム線加熱な
どの常用の手段を適宜選択して使用することができる。
図示されていないが、ウエハの上面にも同様な加熱手段
を配設し、ウエハを上下両側から加熱することもでき
る。一般的に、この両側加熱によってウエハ内部に生じ
る熱応力が減少し、ウエハのスリップ発生の抑制ができ
る。しかし、ウエハ温度が１０００℃以下の場合は、熱
応力が小さいので、上下面何れかからだけの加熱で十分
に対応できることが多い。

【００１１】サセプタ３及び加熱手段７はチャンバ（反
応室）９内に配置されている。チャンバ９の底部には排
気ダクト１１が配設されている。排気ダクト１１は、チ
ャンバ内に送入された反応ガスが一定の方向へ流れるよ
うにしたり、チャンバ内の不要反応ガスをチャンバ外へ
排出するために使用される。図示されていないが、排気
ダクト１１の途中には排気ポンプなどの適宜の手段が接
続されていることもある。

【００１２】反応ガスはウエハ１の上方又は側方からウ
エハに向かって吹き付けられる。図１では上方から反応
ガスを吹き付ける方式が図示されている。反応ガスの供
給手段は公知慣用のものを適宜使用できるので、図示は
省略した。

【００１３】サセプタ３は、その周囲が囲い板１３によ
り包囲されている。従って、下部の加熱手段７とこの囲
い板７とにより、サセプタ３の下部には閉塞空間１５が
形成される。囲い板１３の上部内壁とサセプタ３の外周
縁との間には空隙２１が存在する。これは、サセプタ３
を回転可能にするためばかりか、この空隙２１から下記
のパージガスを吹き出させるために使用される。

【００１４】この閉塞空間１５内へ水素ガス又は不活性
ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素）を送入する
ためのパージガス供給パイプ１７が配設されている。パ
ージガスの供給パイプ１７は少なくとも１本以上配設す
る。パージガスをウエハ外周縁から均等に流すために、
パージガス供給パイプ１７は均等な間隔で３本以上配設
することが望ましい。供給パイプ１７の配設箇所は図１
に示された位置に限定されない。例えば、サセプタ回転
支持軸５と加熱手段支持軸１９との隙間を介してパージ
ガスを閉塞空間１５内に送入することもできる。

【００１５】供給パイプ１７により閉塞空間１５内に送
入されたパージガスは、囲い板１３上部内壁とサセプタ
３の外周縁との間に存在する空隙２１からチャンバ９内
に吹き出される。この際、サセプタ３の上面に載置され
たウエハ１の外周縁に沿ってパージガスカーテンが形成
される。このパージガスカーテンの存在によりウエハ１
の裏面へ反応ガスが廻り込むことを防止することがで
き、ウエハ裏面における気相成長をほぼ完全に防止でき
る。

【００１６】パージガスの供給量は特に限定されない。
パージガスの供給量は空隙２１の半径方向の幅に応じて
変化させることもできるが、一般的に、チャンバ９が常
圧の場合、空隙２１の上部出口端において０．５〜１．
０リットル／分の範囲内であることが望ましい。ガス流
量が０．５リットル／分未満の場合、オートドーピング
防止効果を高めることができないばかりか、反応ガスが
ウエハ裏面に廻り込むことを防止できないこともある。
一方、ガス流量が１．０リットル／分超の場合、ウエハ
外周の周辺で反応ガスの濃度が薄くなり、ウエハ外周周
辺の成長層が薄くなる恐れがある。

【００１７】図２は本発明の気相成長装置の別の例の部
分概要断面図である。この実施態様では、チャンバ９の
内部には、回転可能な中空状支持体２３と、この支持体
上面に定着されたサセプタ２５が配設されている。サセ
プタ２５の上面には複数個の突起２７が設けられてお
り、この突起によりウエハ１を点状に支持する。図２に
はウエハの下部加熱手段が図示されていないが、所望に
より、あるいは、必要に応じて、中空状支持体２３の内
部又は外部など適当な箇所に下部加熱手段を配設するこ
ともできる。同様に、この中空状支持体の内部又は外部
に温度計などの計測手段を配設することもできる。

【００１８】図２に示された、ウエハ１を支持するサセ
プタ２５と、このサセプタを支持する支持体２３の形状
の一例を図３に示す。図示されているように、サセプタ
２５の上面には複数個の突起２７が設けられている。こ
の突起２７によりウエハ１は点状に支持される。これに
より、全体の熱容量を減少させることができる。突起２
７の個数は特に限定されない。ウエハを安定的に保持で
きれば、２個でもよい。また、４個以上の突起でウエハ
を保持することもできる。しかし、突起の個数が多い場
合、ウエハと接する突起上端面の総表面積が増大しすぎ
ないように注意すべきである。突起の形状も特に限定さ
れない。図示されたような上端面が平面状の突起に限ら
ず、曲面、尖状など様々な上端面を有する突起を使用で
きる。

【００１９】図２及び図３に示されるように、中空状支
持体２３の下部から水素ガス又は不活性ガス（例えば、
アルゴンガス、ヘリウムガス又は窒素ガス）を送入する
ことにより、中空状サセプタ２５の上面に載置されたウ
エハ１の裏面（下面）及びサセプタ表面は常にこれらガ
スによって覆われ、反応ガスの廻り込みが阻止される。
その結果、サセプタ表面ばかりかウエハの裏面における
膜成長も殆ど起こらない。水素ガス又は不活性ガスの流
量は特に限定されない。ウエハ裏面およびサセプタ表面
に反応ガスが回り込まないようにするのに必要十分な流
量であればよい。ウエハがサセプタから浮き上がてしま
うほどの過大な流量は使用すべきではない。この流量は
ウエハのサイズに応じて変化することもある。このよう
な流量は当業者により実験的に容易に決定することがで
きる。

【００２０】ウエハ１を支持するサセプタ２５は、炭化
珪素（ＳｉＣ）、炭化珪素で被覆したグラファイト又は
石英などの素材で構成することが好ましい。サセプタ２
５を支持する支持体２３も、サセプタと同様の素材で構
成することが好ましい。

【００２１】前記のように、図２及び図３に示された構
造のサセプタの場合、ウエハ下方から送られる新鮮な水
素または不活性ガスが常にウエハ下面を蔽い、周辺から
流れ出るので、ウエハ下面とサセプタへの気相成長が起
こらない。このために多点支持などの熱容量の小さいサ
セプタが使用できるばかりか、サセプタへの気相成長が
起こらないことによってサセプタクリーニングを省略で
きるためにサイクルタイムの減少に大きく寄与する。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により本発明の気相成長装置の
効果を更に詳細に例証する。

【００２３】実施例１図１に示されるような構造のサセプタを有する本発明の
気相成長装置と図７に示されるような構造のサセプタを
有する従来の気相成長装置を用い、下記の成膜条件に従
って成膜処理を行った。本発明従来装置反応（原料）ガストリクロロシラントリクロロシランドーパントジボランジボランキャリアガス（リットル／分）水素（９０）水素（９０）パージガス水素（２）無し成膜温度（℃）１１５０１１５０成膜速度（μｍ／分）２３．７５設定膜厚（μｍ）１０１０設定抵抗率（Ωｃｍ）１０１０ウエハ直径（ｍｍ）２００２００ウエハドーパントリンリンウエハ抵抗率（Ωｃｍ）１５〜２０１５〜２０ウエハ反り（μｍ）５３（凹状）５１（凹状）

【００２４】前記の条件に従って、本発明の気相成長装
置と従来の気相成長装置により成膜処理を行った後に、
当該ウエハの裏面における成膜の有無について調べた。
現在、シリコンウエハ上の０．１μｍ以下の厚さの気相
成長膜の存在の有無を直接測定する適当な手段が無いの
で、この実験では、サブストレートにＮ型１５〜２０Ω
ｃｍのウエハを用い、表面にＰ型約１０Ωｃｍの膜を成
長させた時の、裏面への膜成長の有無を熱探針（ホット
プローブ）によるＰＮ判定器で行った。この方法によれ
ば、僅か数十原子層の厚さの成膜の有無を検出すること
ができる。測定結果を図４及び図５に示す。

【００２５】図４に示されるように、従来装置によるウ
エハでは、ウエハ裏面の周辺から２０〜４０ｍｍの範囲
でＰ型の部分が検出され、明らかに裏面への気相成長が
生じていることが確認された。これに対して、図５に示
されるように、本発明の装置によるウエハでは裏面全体
がＮ型を示しており、裏面への気相成長が全く起こって
いないことが確認された。

【００２６】本発明の気相成長装置と従来の気相成長装
置により成膜処理を行ったウエハに対して、当該ウエハ
の裏面における成膜の有無について更に別の方法により
調べた。静電容量法による表面平坦度測定器を用いて成
膜前後の平坦度を測定して、ぞの前後の値からウエハ裏
面への膜成長の程度を間接的に求めた。すなわち、もし
ウエハ裏面の周辺に気相成長が起こっていれば、ウエハ
裏面を真空チャックで吸引した際にウエハ表面に凹みが
生じるので、平坦度はおよそ裏面に成長した厚さ分だけ
悪化する。一方、裏面に成長が無い場合の平坦度は気相
成長の前後で変化しない。平坦度の表し方の一つとし
て、ＬＴＶ(Local Thickness Variation)がある。これ
はステッパ（逐次露光装置）の１ショットの露光面積と
ＤＲＡＭのチップサイズを考慮して、ウエハ表面を等サ
イズに分割して、そのサイズの面積の領域(Site)内での
平坦度を定義したものであり、山と谷の高さの差を数値
で表す。このＬＴＶの測定は平坦な真空チャック上にウ
エハを載せ、裏面を真空で吸引して行う。すなわち、裏
面基準で行われる。更に、仕様で定められたＬＴＶ値を
満たす領域が、全体の領域数の何％を占めるかを、ＰＵ
Ａ(Percent Usable Area)と称して仕様で最低値が定め
られている。この試験では、ウエハ周辺２ｍｍを除き、
２２．５ｍｍｘ２２．５ｍｍの領域に等分割し、かつ、
中央の領域の中心をウエハの中心と一致させ、そして、
領域の中心がウエハの周辺２ｍｍの範囲内にあるものを
全て測定した。なお、ＬＴＶ値は０．３μｍ以下に設定
した。サンプル数は１０ウエハであった。この測定結果
を下記の表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１に示された結果から明らかなように、
従来の装置で成膜を行った後は、ＬＴＶ値０．３μｍ以
下の領域を示すＰＵＡが４〜９％低下しているのに対
し、本発明の装置で成膜を行った場合は、その前後にお
いてＰＵＡの変動が殆ど無かった。この場合、±１％程
度の成膜前後の変動は、図５に示された結果から、ウエ
ハ裏面への膜成長が生じたためではなく、ウエハ表面の
成膜中に生じた厚さムラが原因と考えられる。

【００２９】実施例２図２に示されるような構造のサセプタを有する本発明の
気相成長装置と図７に示されるような構造のサセプタを
有する従来の気相成長装置を用い、下記の成膜条件に従
って成膜処理を行った。従来装置本発明の装置気相成長サイクル（秒）ウエハセット４０４０ガスパージ５５昇温３５１７ウエハベーク１５１５温度安定化２０１５気相成長４０７５ガスパージ１０１０冷却１５７ウエハ取出４８４８サセプタエッチングサイクル（秒）ガスパージ５０昇温２００エッチング１１５０ベーク１００冷却１００総処理時間（秒）３８８２３２

【００３０】前記の成膜条件において、従来の装置の成
膜速度は３．７５μｍ／分であり、本発明の装置の成膜
速度は２．０μｍ／分であり、共に膜厚２．５μｍの次
世代ＭＯＳメモリ用気相成長膜の相当する一例であり、
その他の成膜処理条件は全て実施例１に述べた条件と同
一であった。本発明の装置の成膜速度が小さいのは、反
応ガス流が上から下に向かっているために、従来の装置
の横方向ガス流の場合と異なり、ガス流速を大きくする
とウエハ表面近傍の境界層の厚さが薄くなるので、成膜
速度を大きくすることが困難なためである。

【００３１】本発明の気相成長装置では、サセプタが常
に純粋な水素ガス又は不活性ガスなどで覆われているた
め、サセプタ自体の表面でも気相成長が起こらない。こ
のため、前記の成膜条件に示されるように、本発明の装
置のサセプタは、従来の装置と異なり、気相成長サイク
ル終了毎に行われていたサセプタエッチングが省略可能
となり、サイクルタイムは３８８秒から２３２秒へ大幅
に短縮することができる。その結果、前記の成膜条件に
おいて、従来の装置のスループット（枚／時）が９．３
であるのに対し、本発明の装置のスループット（枚／
時）は１５．５の高い値を示した。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の気相成長
装置によれば、ウエハ裏面への反応ガスの廻り込みが防
止されるので、ウエハ裏面における気相成長の発生を防
止することができる。その結果、ウエハの平坦度が維持
され、デバイス（例えば、半導体メモリ）製造時のリソ
グラフィー工程でのトラブル発生が無くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の気相成長装置の一例の部分概要断面図
である。

【図２】本発明の気相成長装置の別の例の部分概要断面
図である。

【図３】図２に示された装置における支持体及びサセプ
タの部分拡大斜視図である。

【図４】従来の気相成長装置により成膜処理した場合
の、ウエハ裏面における膜成長の有無を示す特性図であ
る。

【図５】本発明の気相成長装置により成膜処理した場合
の、ウエハ裏面における膜成長の有無を示す特性図であ
る。

【図６】従来の気相成長装置の一例の概要断面図であ
る。

【図７】従来の気相成長装置の別の例の概要断面図であ
る。

【符号の説明】

１ウエハ３サセプタ５回転軸７下部加熱手段９チャンバ１１排気ダクト１３囲い板１５閉塞空間１７パージガス供給パイプ１９下部加熱手段支持軸２１空隙２３サセプタ支持体２５サセプタ２７突起

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバと、反応ガス導入手段とを有
し、前記チャンバの内部には回転可能な支持体に保持さ
れた、ウエハを載置するためのサセプタが配置され、該
サセプタの上部或いは下部又は上部と下部にウエハ加熱
手段が配置されている気相成長装置において、前記サセプタの下部から水素ガス、窒素ガス、アルゴン
ガス及びヘリウムガスからなる群から選択される少なく
とも１種類のパージガスを送入する手段を有することを
特徴とする気相成長装置。
【請求項２】サセプタの下部及び外周側壁面を包囲す
る囲い板がサセプタの周囲に配設されており、この囲い
板とサセプタとにより形成される閉塞空間内にパージガ
スを供給する手段が接続されており、囲い板の上部内壁
とサセプタの外周側壁面との間に空隙が存在し、前記閉
塞空間内に送入されたパージガスは前記空隙からサセプ
タ外周縁に沿って吹き出される請求項１の装置。
【請求項３】前記回転可能な支持体は内部が中空状で
あり、かつ、前記サセプタは中央部に開口部が形成され
ており、中空状支持体の下部からパージガスが送入さ
れ、該パージガスは前記サセプタの開口部から吹き出さ
れる請求項１の装置。
【請求項４】前記サセプタはその上面に複数個の突起
が更に設けられている請求項３の装置。
【請求項５】前記サセプタは炭化珪素（ＳｉＣ）、炭
化珪素で被覆したグラファイト又は石英から形成されて
いる請求項１〜４の装置。
【請求項６】チャンバと、反応ガス導入手段とを有
し、前記チャンバの内部には回転可能な支持体に保持さ
れた、ウエハを載置するためのサセプタが配置されてい
る気相成長装置によりウエハ表面に気相成長膜を生成す
る方法において、前記サセプタの下部から水素ガス、窒素ガス、アルゴン
ガス及びヘリウムガスからなる群から選択される少なく
とも１種類のパージガスを送入し、気相成長中にウエハ
下面に反応ガスが廻り込むことを防止し、ウエハ下面で
気相成長膜の生成が起こらないようにすることを特徴と
する気相成長膜の生成方法。
【請求項７】サセプタの下部及び外周側壁面を包囲す
る囲い板がサセプタの周囲に配設されており、この囲い
板とサセプタとにより形成される閉塞空間内にパージガ
スを供給する手段が接続されており、囲い板の上部内壁
とサセプタの外周側壁面との間に空隙が存在し、前記閉
塞空間内に送入されたパージガスを前記空隙からサセプ
タ外周縁に沿って吹き出すことにより反応ガスがウエハ
下面へ廻り込むことを防止する請求項６の方法。
【請求項８】前記回転可能な支持体は内部が中空状で
あり、かつ、前記サセプタは中央部にウエハ直径の１／
３以上の開口部が形成されており、中空状支持体の下部
からパージガスを送入し、該パージガスを前記サセプタ
の開口部から吹き出すことにより反応ガスがウエハ下面
へ廻り込むことを防止する請求項６の方法。
【請求項９】前記サセプタはその上面に複数個の突起
が更に設けられている請求項８の方法。
【請求項１０】前記サセプタは炭化珪素（ＳｉＣ）、
炭化珪素で被覆したグラファイト又は石英から形成され
ている請求項６〜９の方法。