JP2007012664A - エピタキシャル成長装置およびその製造方法、エピタキシャルウェーハ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 内部にガス流路2が設けられてなるとともにウェーハ12を保持するサセプタ11がガス流路2内に設けられてなるチャンバと、チャンバの一端側に備えられて前記チャンバ内にガスを供給するガス供給口と、チャンバの他端側に備えられてチャンバからガスを排出するガス排出口とが少なくとも備えられてなるエピタキシャル成長装置1であり、 ガス供給口の断面形状のうち、ウェーハ法線方向となる高さ方向寸法が、高さ均一なガス供給口としてウェーハ12に成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布を補償してガス流量を制御するように、エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して設定されてなる。
【選択図】図1
Description
また、半導体デバイスは年々、微細化の要求が高くなっており、それに伴い使用されるエピタキシャルウェーハの品質向上も求められている。特に、エピタキシャル膜厚の均一性は重要要求事項であり、リソフォトグラフィー工程等に大きな影響を与えるものである。また、1枚のウェーハから多数のデバイスを製作する場合、ウェーハ上、広範囲に渡ってその品質を維持させることが重要であり、近年ではウェーハ外周部近傍(ウェーハ側面より約3〜5mm)まで含めた管理が必要となってきている。
シリコンウェーハのエピ成長には気相成長法がよく使用されており、原料ガスとしてシラン系ガス(SiH4 、SiHCl3 、SiH2Cl2、SiCl4 )、キャリアガスとしてH2 を使用することが多い。
このように、従来では、炉内ガス流れの調整方法としてはメインガスの流入口を2系統とし、それぞれがウェーハ中心部、ウェーハ外周部に流れるように設定し、このガス流速を独立に調整することにより、炉内ガス流れをコントロールし、ウェーハ面内のエピタキシャル膜厚分布を均一にする手法が主に取られている。
また、特許文献2の技術では、複数のノズルによって原料ガス等を供給している。
しかしながら、従来のエピタキシャル製造装置ではウェーハ上部空間を流れるガス流速が、流れ水平方向に異なっているため、膜厚の不均一性が平坦度悪化を引き起こしていた。従来のメインガスの流入機構は、特許文献1のように、ウェーハの中心部と外周部付近の膜厚をコントロールするために2系統に分かれているものが主流であるが、ガスの調整は、ウェーハ中心部と外周部と2系統のみのため、複雑な膜厚分布を調整するには不十分であり、面内全体の膜厚を均一にすることはこれだけでは困難な状態となっている。
さらに、特許文献1または特許文献2のように、複数のノズルによって直接チャンバ内にガスを供給すると、ノズル形状に依存して平坦度が悪化して、膜厚の均一性が低下する場合があり、制御の困難性が高いという問題があった。
また、特許文献1のように、ウェーハ中心側のinガスとウェーハ外側のoutガスとをそれぞれ制御する場合において、これらin/outガスが途中で交じり合わないように仕切り板(整流板等)を設けた際、この仕切り板を入れることにより、仕切り板近傍でのガス流れが変化してしまい、ウェーハ膜厚分布に悪影響をもたらすことがああった。
しかも、このようなガス流速を均一化するために複数のノズルを設けたり、整流板のような構成を用いると、発生するガス流の乱れがウェーハ面上まで達し、よけい膜厚分布が乱れる可能性がある。したがって、枚葉式エピタキシャル成長装置では、実際のエピタキシャル膜厚に合わせてガス流速を制御することが重要である。
前記ガス供給口の断面形状のうち、ウェーハ法線方向となる高さ方向寸法が、高さ均一なガス供給口としてウェーハに成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布を補償してガス流速を制御するように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して設定されてなることにより上記課題を解決した。
本発明本発明は、前記ガス供給口の断面形状が、前記幅方向に分割された複数の幅領域ごとに前記高さ寸法が設定されてなることが好ましい。
また、また、前記ガス供給口の前記高さ寸法の設定幅h0 が、膜厚分布を補償する際の高さ均一なガス供給口における高さ寸法の−30%〜+30%程度の範囲とされてなることもある。
本発明本発明のエピタキシャル成長装置の製造方法においては、上記のいずれか記載のエピタキシャル成長装置の製造方法であって、
高さ均一なガス供給口としてウェーハにエピタキシャル膜を成膜して、該エピタキシャル膜の膜厚分布の膜厚分布を測定する工程と、
前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して、膜厚分布を補償するガス流速に対応して前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程と、
と有することにより上記課題を解決した。
本発明本発明は、前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程において、
前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおける膜厚の極値を求め、
これらの極値のうち、となりあう極値の各中間点および膜厚分布の端点を高さ設定点とし、
前記極値のうち、極大値と極小値とのの差を1とするとともに、極小値から各高さ設定点までの差をhとし、かつ、前記幅方向に均一なガス供給口高さ寸法をH0 、該幅方向に均一なガス供給口高さ寸法H0 に対するガス供給口高さ寸法の設定幅をh0 としたとき、
前記各高さ設定点に対応する部分の高さ寸法が、式(1)
H=H0 +(1−2h)×(H0 ×h0 ) ・・・(1)
によって設定されることが好ましい。
さらにさらに、本発明は、前記ガス供給口の断面形状として、前記幅方向に分割された複数の幅領域ごとに前記高さ寸法を設定することができる。
本発明本発明のエピタキシャルウェーハは、上記の何れか記載のエピタキシャル成長装置、または、上記のいずれか記載の製造方法により製造されたエピタキシャル成長装置により製造された手段を採用することができる。
前記ガス供給口の断面形状のうち、ウェーハ面内方向となる幅方向寸法がウェーハ全面に前記ガスを供給できる寸法とされ、
前記ガス供給口の断面形状のうち、ウェーハ法線方向となる高さ方向寸法が、高さ均一なガス供給口としてウェーハに成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布を補償してガス流速を制御するように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して設定されてなることにより、エピタキシャル成長させるウェーハ上を流れるガスの流速をエピタキシャル膜の膜厚に対応して増減することが可能となり、これにより、膜厚の薄いところではガス流速を増やし、膜厚の厚いところではガス流速を減らすように供給ガスをチャンバ内に供給できるので、エピタキシャル成長する膜の膜厚をより一層均一化することが可能となる。
さらに、チャンバ流入位置からチャンバ外側方向へガス流方向に所定の長さ寸法を持って前記ガス供給口断面形状が維持されることができる。チャンバが平面視略円形の場合には、その径方向に前記ガス供給口断面形状が維持される。
実際には、このガス供給口は、後述するように、中リング部上面と、この中リング部と組み合わせてチャンバを形成する上ドーム部の対応する位置に形成された溝(切欠)とからなり、この溝の形成状態を調整することでガス供給口の断面形状が設定される。これ以外にも、別部材としての供給口が設けられることや、チャンバを構成する部材に貫通孔を設けてガス供給口をすること、上ドーム部と中リング部のみならず、他の構成要素等も組み合わせてガス供給口を構成することも可能である。
また、また、前記ガス供給口の前記高さ寸法の設定幅h0 が、膜厚分布を補償する際の高さ均一なガス供給口における高さ寸法の−30%〜+30%程度の範囲とされてなることにより、ガス流速を制御して膜厚分布を充分補償することが充分可能となる。
前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して、膜厚分布を補償するガス流速に対応して前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程と、
と有することにより、実際のエピタキシャル成長装置において生じる成膜したエピタキシャル成長した膜厚の不均一は、温度、ガス量、乱流、その他、多数の原因が考えられるが、上記のように、実際に成膜する工程と、この成膜データに基づいてガス供給口高さを設定してガス流速を制御することにより、たとえどのような原因であろうと、エピタキシャル膜厚の増減を補償することが可能となり、膜厚均一性を飛躍的に向上することができる。しかも、このようなガス流速を均一化するために複数のノズルを設けたり、整流板のような構成を追加することなく実際のエピタキシャル膜厚に合わせてガス流量を制御することが可能となる。
前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおける膜厚の極値を求め、
これらの極値のうち、となりあう極値の各中間点および膜厚分布の端点を高さ設定点とし、
前記極値のうち、極大値と極小値とのの差を1とするとともに、極小値から各高さ設定点までの差をhとし、かつ、前記幅方向に均一なガス供給口高さ寸法をH0 、該幅方向に均一なガス供給口高さ寸法H0 に対するガス供給口高さ寸法の設定幅をh0 としたとき、
前記各高さ設定点に対応する部分の高さ寸法が、式(1)
H=H0 +(1−2h)×(H0 ×h0 ) ・・・(1)
によって設定されることにより、より容易にガス供給口の高さを設定し、実際のエピタキシャル膜厚に合わせてガス流量を制御することが可能となる。
そして、均一高さ寸法のガス供給口の場合、上ドーム部の下面端部に切欠となる溝を形成して、この溝を中リング部の上平面と組み合わせることでガス供給口が形成される。
次いで、図6のグラフを模式的に示した図7(a)に示すように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおける膜厚の極値を求め、各極値をとおるように破線を水平に引く。
次いで、図7(b)に示すように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおいて、これらの極値のうちとなりあう極値の各中間点および膜厚分布の端点を高さ設定点とし、図7(b)に示すように、各高さ設定点をとおる実線を水平に引く。
前記極値のうち、最小極値の値、つまり、膜厚最小値に当たる水平線を基準線として、極大値と極小値との差、つまり、最大膜厚値と最小膜厚値の差となる高さ寸法を1とするとともに、極小値から各高さ設定点までの高さ寸法の差をhとする。
ガス供給口の幅方向分割数と、各高さ基準点の数とを同数に設定するとともに、エピタキシャル膜の膜厚分布の膜厚分布を測定する工程において使用したエピタキシャル製造装置における前記幅方向に均一なガス供給口高さ寸法をH0 とし、該幅方向に均一なガス供給口高さ寸法H0 に対するガス供給口高さ寸法の設定幅(最大変化絶対値)をh0 としたとき、
前記各高さ設定点に対応する部分の高さ寸法を、式(1)
H=H0 +(1−2h)×(H0 ×h0 ) ・・・(1)
によって設定されるHとなるようにするものである。
図1は、本実施形態におけるエピタキシャル成長装置を示す模式側断面図、図2は、図1におけるx矢視した本実施形態におけるエピタキシャル成長装置を示す模式平断面図、図3は、図2におけるガス供給口をy方向からみた斜視図、図4は、ガス供給口が均一高さとされた場合の図2におけるガス供給口をy方向からみた正面図、図5は、ガス供給口が高さ設定された場合の図2におけるガス供給口をy方向からみた正面図であり、図において、符号1は、エピタキシャル成長装置である。
サセプタ11はサセプタ支持部16により回転可能に支持され、サセプタ支持部16は、チャンバ外部の図示しない回転駆動機構により回転可能とされている。チャンバ外側の上ドーム部7の上側位置および下ドーム部9の下側には赤外線ランプ15,15がウェーハ12加熱用に複数設けられている。サセプタ11の外側には余熱リング10が設けられ、余熱リング10の上面はサセプタ11上のウェーハ12の表面と略同一面となるようになっている。なお、上ドーム部7が、さらに上下2つに分解される構造も可能である。
中リング部8の内周上側には、余熱リング10により中リング部8とサセプタ11との間でチャンバ内上部2とチャンバ内下部3とを分離しつつ、余熱リング10中リング部8の上面81と余熱リング10上面とが略同一平面となるように余熱リング10を載置する凸部88が周設されている。
この上ドーム部7には、中リング部8の切欠86,87に対応する円周位置には、底面82,83および垂直曲面84,85にそれぞれ対向する天井面72,73および垂直曲面74,75を有する切欠76,77が円周内側に設けられている。切欠76,77の外周位置では、下端面71aが下端面71よりも下側に突出されている。
同様に切欠77,87が組み合わされることにより、底面83、垂直曲面85、垂直曲面75、天井面73、および、上面81の一部で囲まれたガス排出口が形成され、中リング部8の外周位置と内周位置とで、ガスを流入および放出する高さ位置が異なるようになっている。
ガス排出口には、排気側整流部材13が接続され、この排気側整流部材13には、ガス排気部材14を介して図示しないガス排気手段が接続されている。なお、図2においては、ガス導入部材4、ガス排気部材14は省略している。
さらに、導入側整流部材6にも、これらガス供給口仕切り板8a,8bに連続して整流部材仕切り板6a,6bが設けられて、ウェーハ12の中心側(イン側)および、ウェーハ12の外周側(アウト側)に供給するガスを別々に送り込むように分離されている。
具体的には、ウェーハ12法線方向(上下方向)となる高さ方向寸法が、図4に示すように、高さ均一なガス供給口としてウェーハに成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布を補償して、成膜するエピタキシャル膜の膜厚が均一化するようにガス流量を制御可能として、前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して設定されている。
本実施形態では、図5に示すように、ガス供給口の流量調節面(天井面)72が、エピタキシャル膜の膜厚分布を補償するようにガス流量を制御可能な形状になっている。
まず、エピタキシャル成長装置1において、図4に示すように、高さ均一なガス供給口を有する状態として、ウェーハにエピタキシャル膜を成膜して、該エピタキシャル膜の膜厚分布の膜厚分布を測定する工程と、次いで、前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して、膜厚分布を補償するガス流量に対応して前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程と、と有するものである。
図6において、縦軸はエピタキシャル膜厚(μm)、横軸はウェーハ中心からの距離(mm)である。
そして、理想的には、この膜厚分布のグラフを上下反転した形状に合わせてガス供給口高さ寸法とする、すなわち、底面82側は平面とし、流量調節面(天井面)72側を前記グラフに対応した曲線にすることができるが、石英製の中リング部8や上ドーム部7を加工するためには、曲面から形成される部品を製造することは困難性を有するので、実際には、以下のように流量調節面72の形状を設定する。
次いで、図7(b)に示すように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおいて、これらの極値のうちとなりあう極値の各中間点および膜厚分布の端点を高さ設定点とし、図7(b)に示すように、各高さ設定点をとおる実線を水平に引く。
図7(c)に示すように、前記極値のうち、最小極値の値、つまり、膜厚最小値に当たる水平線を基準線として、極大値と極小値との差、つまり、最大膜厚値と最小膜厚値の差となる高さ寸法を1とするとともに、極小値から各高さ設定点までの高さ寸法の差をh(0≦h≦1)とする。
前記各高さ設定点に対応する部分の高さ寸法を、式(1)
H=H0 +(1−2h)×(H0 ×h0 ) ・・・(1)
によって設定されるHとなるようにし、図5に示すように、ガス供給口の流量調節面(天井面)72形状によりガス流量を制御して、エピタキシャル膜の膜厚分布を補償するものである。
上記の手順に従うと幅領域の分割数は最低でも11となる。
また、設定の容易性を確保するために、各領域の高さ設定値hを厳密にグラフに対応して決定しなくてもよく、例えば、
H0 、H0 ±h11、H0 ±h01(h01>h11)という5種類の値や、
H0 、H0 ±h01という3種類の値に分類して設定する、つまり、グラフから選択された複数の値を当てはめて設定することができる。
本実施形態の場合には、各幅領域において、H0 を5mmとし、プラスh0を0.2(20%)として、各幅領域を、4mm、5mm、6mmの3種類の高さに設定し、プラスh01=2mmとした。
次いで、ガス導入管21より原料ガスとなるシラン系ガス(SiH4 、SiCl2H2、SiHCl3 、SiCl4 )とキャリアガスH2 が導入され、イン側導入配管19,アウト側導入配管20に分岐後、イン側流量調節器17,アウト側流量調節器18にてガス流量が調整される。その後、供給ガスは、ガス導入部材4、穴付きバッフル5、導入側整流部材6を通り、中リング部8のガス衝突壁面84で拡散し、さらにチャンバ上部天井面72でガス流路2内へと向きを変えられウェーハ12上を流れる。
この状態で、赤外線ランプ15を点灯させることによりウェーハ12、サセプタ11、リング10を加熱し、ウェーハ12のガス流路(チャンバ内上部)2を供給ガスが通過する際、ウェーハ12上でエピタキシャル成長が起こり、エピタキシャル膜が形成される。
本発明のエピタキシャル成長装置1により、実際にエピタキシャル膜を成長させた。
図4に示す円周方向に同じ高さのガス供給口を有する装置によって成膜した場合を実験例1とし、図5に示す円周方向に分割された幅領域ごとに高さが異なって設定されたガス供給口を揺する装置によって成膜した場合を実験例2とする。実験例2は、実験例1の結果によってガス供給口の高さ設定を変えてある。
これらの結果を図6に示す。
図4、図5に示すガス供給口寸法
H0 :5mm
図5に示すガス供給口寸法
h0 :2mm
幅領域の幅:20〜30mm
各幅領域の高さ:(右から)
1:5mm
2:6mm
3:5mm
4:4mm
5:5mm
6:6mm
7:5mm
8:4mm
9:5mm
10:6mm
11:5mm
ガス流量
イン側:30slm
アウト側:20slm
ウェーハ直径:200mm
ウェーハ温度:1100℃
2…ガス流路(チャンバ内上部)
3…チャンバ内下部
4…ガス導入部材
5…穴付きバッフル
6…導入側整流部材
6a,6b…整流部材仕切り板
7…上ドーム部(チャンバ上部)
72…流量調節面(天井面)
8…中リング部(石英部材)
8a,8b…ガス供給口仕切り板
84…ガス衝突壁面(垂直曲面)
9…下ドーム部
10…予熱リング
11…サセプタ
12…ウェーハ
13…排気側整流部材
14…ガス排気部材
15…赤外線ランプ
16…サセプタ支持部
17…イン側流量調節器
18…アウト側流量調節器
19…イン側導入配管
20…アウト側導入配管
21…ガス導入配管
Claims (7)
- 内部にガス流路が設けられてなるとともにウェーハを保持するサセプタが前記ガス流路内に設けられてなるチャンバと、該チャンバの一端側に備えられて前記チャンバ内にガスを供給するガス供給口と、前記チャンバの他端側に備えられて前記チャンバからガスを排出するガス排出口とが少なくとも備えられてなるエピタキシャル成長装置であり、
前記ガス供給口の断面形状のうち、ウェーハ法線方向となる高さ方向寸法が、高さ均一なガス供給口としてウェーハに成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布を補償してガス流速を制御するように、前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して設定されてなることを特徴とするエピタキシャル成長装置。 - 前記ガス供給口の断面形状が、前記幅方向に分割された複数の幅領域ごとに前記高さ寸法が設定されてなることを特徴とする請求項1記載のエピタキシャル成長装置。
- 前記ガス供給口の前記高さ寸法の設定幅が、膜厚分布を補償する際の高さ均一なガス供給口における高さ寸法の−30%〜+30%程度の範囲とされてなることを特徴とする請求項1または2記載のエピタキシャル成長装置。
- 請求項1から3のいずれか記載のエピタキシャル成長装置の製造方法であって、
高さ均一なガス供給口としてウェーハにエピタキシャル膜を成膜して、該エピタキシャル膜の膜厚分布の膜厚分布を測定する工程と、
前記エピタキシャル膜の膜厚分布に対応して、膜厚分布を補償するガス流速に対応して前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程と、
と有することを特徴とするエピタキシャル成長装置の製造方法。 - 前記ガス供給口の高さ寸法を設定する工程において、
前記エピタキシャル膜の膜厚分布のグラフにおける膜厚の極値を求め、
これらの極値のうち、となりあう極値の各中間点および膜厚分布の端点を高さ設定点とし、
前記極値のうち、極大値と極小値とのの差を1とするとともに、極小値から各高さ設定点までの差をhとし、かつ、前記幅方向に均一なガス供給口高さ寸法をH0 、該幅方向に均一なガス供給口高さ寸法H0 に対するガス供給口高さ寸法の設定幅をh0 としたとき、
前記各高さ設定点に対応する部分の高さ寸法が、式(1)
H=H0 +(1−2h)×(H0 ×h0 ) ・・・(1)
によって設定されることを特徴とする請求項4記載のエピタキシャル成長装置の製造方法。 - 前記ガス供給口の断面形状として、前記幅方向に分割された複数の幅領域ごとに前記高さ寸法を設定することを特徴とする請求項5記載のエピタキシャル成長装置の製造方法。
- 請求項1から3の何れか記載のエピタキシャル成長装置、または、請求項4から6のいずれか記載の製造方法により製造されたエピタキシャル成長装置により製造されたことを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
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