JP2024085308A - サセプタ - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタのウエハを載置するポケット部に傾斜を設けるとともにウエハを位置ずれさせることなく保持し、半導体ウエハに傷等の損傷なく、均一なエピタキシャル膜を成膜することができるサセプタを提供する。【解決手段】基体２の上面に径方向外側に向かって下方に傾斜した複数のポケット部１と、前記ポケット部の内壁に形成され、半導体ウエハＷの外周部を支持する複数の突起部３と、を有し、前記複数の突起部は、傾斜する前記ポケット部の下部側に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体基板上に均一な半導体エピタキシャル膜を形成することができるサセプタに関する。

近年、半導体素子の微細化に伴い、ウエハ表面の結晶欠陥の低減が求められている。この要求に応えるために、ウエハの表面およびその近傍に、結晶欠陥を高度に制御したエピタキシャル膜を成膜する技術が求められる。

エピタキシャルウエハは、図９に示すような気相エピタキシャル成長装置５０を用いて、サセプタ５２上に載せたシリコンウエハＷの表面にエピタキシャル膜ＥＰを気相成長させることによって製造される。シリコンウエハＷは、サセプタ上面の中央部に形成された円形凹部（ポケット部と呼ぶ）に載せる。ポケット部は、円形の底壁とこれを取り囲む側壁とから構成され、底壁は平坦、または若干湾曲した形状を有し、側壁はサセプタの上面を所定の深さまで直角に切り込んで形成されている。そして、回転軸５４を中心としてサセプタ５２およびシリコンウエハＷを所定方向に回転させ、チャンバ５１の外側（図示せず）よりシリコンウエハＷを加熱しつつ、反応ガス供給管５５から排気管５６へと水平に反応ガスＧを供給する。このようにして、シリコンウエハＷの表面上にエピタキシャル膜ＥＰが気相成長する。

従来から、ウエハ表面に形成されるエピタキシャル膜の膜厚を均一にし、かつ、結晶欠陥を低減するため、サセプタについて、種々の提案がなされている。
特許文献１では、有機金属気相成長法により加熱された基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させる半導体気相成長装置において、図１０に示すように、回転する板状のサセプタ２０に、複数の基板Ｗを周方向に配置し、かつ、サセプタ２０中心を下方に膨らませて基板Ｗの結晶成長面を、原料ガスＧの流れ方向に対してθ＝５°傾けることが記載されている。

しかしながら、基板を原料ガスの流れ方向に対して５°傾斜させると、サセプタ中心の成長速度がサセプタ外周部よりも大きくなり、均一なエピタキシャル膜を製造することが困難となる。また、ウエハを載せるポケット部が傾斜しているのに対して、サセプタ底面が水平であるために、サセプタの厚さが一定でなく、熱伝導が不均一となり、均一なエピタキシャル膜を製造することが困難である。

また、特許文献１の技術においてもなお、ウエハの結晶方位に起因する、エピタキシャルウエハの外周部の膜厚のばらつきにより、エピタキシャルウエハの外周部の領域を、半導体素子に使用することができないという課題があった。

このような課題に対し、特許文献２には、サセプタのウエハを載せるポケット部に傾斜を設けてウエハの結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して傾けることにより、サセプタ外周部および中心部におけるウエハのエピタキシャル膜の成長速度が同一となるように調節し、均一なエピタキシャル膜を製造しうるサセプタが開示されている。
具体的には、図１１に示すように、回転する板状のサセプタ３０の上面に周方向に、複数の半導体ウエハＷを配置するためのポケット部３１を有し、水平方向に対する各ポケット部３１の傾斜角θが２．５°以上３．５°以下であり、かつ、サセプタ３０の底面と上面とが平行である構成となされている。

特開２００４－２０７５４５号公報 特開２０２２－１５９９５４号公報

特許文献２に開示されるように、回転する板状のサセプタの上面に周方向に、複数の半導体ウエハを配置するためのポケット部を設け、水平方向に対する各ポケット部の傾斜角を２．５°以上３．５°以下とし、かつ、サセプタの底面と上面とを平行とすることにより、均一なエピタキシャル膜を形成することができる。

しかしながら、特許文献２に開示されるサセプタにあっては、半導体ウエハを配置するポケット部が水平方向に対し傾斜しているため、サセプタの回転で発生する遠心力により、半導体ウエハが滑って位置ずれし、エピタキシャル膜の厚さにばらつきが生じるという課題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、サセプタのウエハを載置するポケット部に傾斜を設けるとともにウエハを位置ずれさせることなく保持し、半導体ウエハに傷等の損傷なく、均一なエピタキシャル膜を成膜することができるサセプタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るサセプタは、基体の上面に径方向外側に向かって下方に傾斜した複数のポケット部と、前記ポケット部の内壁に形成され、半導体ウエハの外周部を支持する複数の突起部と、を有し、前記複数の突起部は、傾斜する前記ポケット部の下部側に配置されていることに特徴を有する。

なお、前記ポケット部に形成された突起部は、前記基体の中心と前記ポケット部の中心を結んだ線を境に左右対称に配置されていることが望ましい。
また、前記ポケット部に形成された突起部の数は、２個乃至６個であることが望ましい。
また、前記突起部の幅寸法ｃは、前記ポケット部の直径ａ、半導体ウエハの直径ｂに対して、（ａ－ｂ）／４＜ｃ＜（ａ－ｂ）／２の範囲内であることが望ましい。

このように本発明によれば、ポケット部は径方向外側に向かって下方に傾斜しているため、ポケット部に保持された半導体ウエハに対するエピタキシャル膜の成膜の際、水平方向に供給される反応ガスは、半導体ウエハ全体に対して均一に流れ、成膜するエピタキシャル膜の膜厚ばらつきが低減される。さらに、ポケット部内において半導体ウエハは、複数の突起部により支持されるため、サセプタが回転する遠心力による半導体ウエハが滑ることがない。即ち、ポケット部の傾斜と遠心力に起因する半導体ウエハの位置ずれを防止することができる。
また、サセプタにおいてポケット部が形成される側の面（上面）とその反対面（底面）とを平行に形成することにより、サセプタ全体の熱伝導が均一となり、均一なエピタキシャル膜を製造することができる。

本発明によれば、サセプタのウエハを載置するポケット部に傾斜を設けるとともにウエハを位置ずれさせることなく保持し、半導体ウエハに傷等の損傷なく、均一なエピタキシャル膜を成膜することができるサセプタを得ることができる。

図１は、本発明のサセプタの平面図である。 図２は、図１のサセプタのＡ－Ａ断面図である。 図３は、図１のサセプタが有する１つのポケット部を拡大して示す平面図である。 図４は、図３のポケット部の断面図である。 図５は、図３のポケット部の変形例を示す平面図である。 図６は、化学気相成長により成膜する工程を説明するための断面図である。 図７（ａ）～（ｃ）は、図３のポケット部の変形例であり、突起部が偶数の場合の例を示す平面図である。 図８は、図３のポケット部の変形例であり、突起部が７つの場合の例を示す平面図である。 図９は、化学気相成長装置の断面図である。 図１０は、従来のサセプタの断面図である。 図１１は、他の従来のサセプタの断面図である。

以下、本発明のサセプタの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部位の厚みと幅との関係、部位間の大きさの比率等は、正確に図示されていない。

図１は、本発明のサセプタ１０の平面図であり、図２は、図１のサセプタ１０のＡ－Ａ断面図である。
図１に示すように、サセプタ１０は、円板状の基体２と、円板状の外周付近に同心円状に形成された複数のポケット部１とを有している。ポケット部１は、サセプタ１０が回転軸Ｏに対して回転対称性を有するように配置されている。すなわち、本発明のサセプタ１０は、その一主面に半導体ウエハＷ（被処理基板）を載せる凹形状のポケット部１が形成された、いわゆるパンケーキ型のサセプタである。なお、半導体ウエハＷは、シリコンウエハなどである。

サセプタ１０を構成する基体２には、炭素材または炭素材の表面を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で被覆したものなどが用いられる。サセプタ１０は、複数個のポケット部が形成され、中央部から両側面に向かって傾斜を有する円板状の基体２をそのまま用いるか、前記基体２に対して、ＳｉＣの被覆膜を化学気相成長（ＣＶＤ）することにより得られる。

図２に示す傾斜角（θ）は、サセプタ１０中央部から両側面に向かって傾斜する角度を表す。図示するようにサセプタ１０の上面は、ポケット部３を含め、水平方向に対し径方向外側に向かって下方に傾斜している。
前記サセプタ１０は、前記ポケット部１の水平方向に対する傾斜角（θ）が２．５～３．５°であり、底面が上面およびポケット部１の傾斜に平行である。前記傾斜角（θ）が２．５°より低いと、エピタキシャル膜の成長速度がサセプタ１０の外周部の方が早くなる。一方、前記傾斜角（θ）が３．５°より高いと、サセプタ１０の中心部の方がエピタキシャル膜の成長速度が早くなり、均一なエピタキシャル膜を製造することが困難となる。
傾斜角（θ）が前記範囲であるとき、サセプタ１０外周部と中心部とで、エピタキシャル膜の成長速度が同程度となり、均一なエピタキシャル膜を製造することができる。傾斜角（θ）は２．７～３．３°であるとより好ましい。

ポケット部１の数は、サセプタ１０を安定して回転させることができ、ウエハＷに対するガスの供給を均一にする観点から、３～１０個、好ましくは５～８個である（図１では８個）。
図３は、１つのポケット部１を拡大して示す平面図であり、図４は、図３のポケット部１の断面図である。図５は、図３のポケット部１の変形例を示す平面図である。図３に示すように、ポケット部１の口径ａは１５０～２５０ｍｍ、好ましくは１７５～２２５ｍｍである。ポケット部１の口径ａは、ポケット部１の数に応じて決定される。
また、図４に示すポケット部１の深さｔ０は、処理するウエハＷと同程度の深さに形成されている。具体的には、前記ポケット部１の深さｔ０は、７０～１００μｍ、好ましくは７５～９５μｍである。深さｔ０は、サセプタ１０の厚みｔの０．４／１０～０．８／１０の範囲である。

前記したポケット部１の口径ａはウエハＷの直径より若干大きく形成され、傾斜したポケット部１の下部の内壁に沿って複数の突起部３が設けられる。ポケットの下部とは、ポケットの外周のうちサセプタ１０外縁側半周のことを指し、図１に示すように複数の突起部３はすべてこの範囲に設けられている。これら突起部３は、ウエハＷの外周部を支持するためのものである。図３に示すように、突起部３は、その先端が平面視において円弧状、例えば真円を半円とした形状に突起しており、図示するように先端にウエハＷの外周部が当接することによりウエハＷを支持する。

例えば、突起部３は図３に示すように各ポケット部１の内壁において、サセプタ１０の中心（回転軸Ｏ_１）とポケット部１の中心Ｏ_２とを結ぶ線Ｌ１を境に左右対称に配置される。
突起部３が奇数個の場合、サセプタ１０の中心（回転軸Ｏ_１）から最も遠い位置に１つの突起部３（第一の突起部）が配置され、そこからポケット部１の中心Ｏ_２を軸に左右に９０°間隔回転させた位置にそれぞれ突起部３（第二の突起部）が配置される（３点支持）。
或いは、図５に示すように、サセプタ１０中心（回転軸Ｏ_１）から最も遠い位置に１つの突起部３（第一の突起部）が配置され、そこからポケット部１の中心Ｏ_２を軸に左右に４５°ずつ回転させた位置にそれぞれ突起部３（第二の突起部、第三の突起部）が配置される（５点支持）。

また、突起部３が偶数個の場合は、サセプタ１０の中心（回転軸Ｏ_１）とポケット部１の中心とを結ぶ線Ｌ１を境に左右対称に配置される。図７（ａ）に示すように、例えば、突起部３が２個の場合、サセプタ１０中心（回転軸Ｏ_１）とポケット部１の中心Ｏ_２とを結ぶ線Ｌ１を境に左右に６０°の位置にそれぞれ突起部３が配置される。また、図７（ｂ）に示すように、突起部３が４個の場合は、ポケット部１内の下部側において６０°ずつの等間隔に突起部３が配置される。また、図７（ｃ）に示すように、突起部３が６個の場合は、ポケット部１内の下部側において３６°ずつの等間隔に配置される。なお、突起部３が４個、６個の場合においてもサセプタ１０の中心（回転軸Ｏ_１）とポケット部１の中心Ｏ_２とを結ぶ線Ｌ１を境に左右対称に配置される。
このようにポケット部１内の下部側に突起部３を配置することにより、ウエハＷを傾斜したポケット部１内で、２点以上６点以下で支持することが好ましい。
突起部３の２点乃至６点で支持することによりウエハＷを損傷させることなく支持することができる。

また、前記したように、突起部３の先端は平面視において真円を半円とした形状であり、円径寸法ｃ（突起部３の幅寸法ｃ）の幅でポケット部１の内壁に繋がっている。ここで、図３に示すようにポケット部１の直径をａ、ウエハＷの径をｂとすると、（ａ－ｂ）／４＜ｃ＜（ａ－ｂ）／２であることが好ましい。突起部３の幅寸法ｃが（ａ－ｂ）／４＜ｃ＜（ａ－ｂ）／２であることにより、ウエハＷをポケット部１内に載置でき、処理中もウエハＷが滑ることなく均一なエピタキシャル膜を製造することができる。

また、図３に示すように突起部３の長さｇは、ポケット部１の径ａ、ウエハＷの径ｂ、突起部３の幅寸法ｃに対して、ｃ／２＜ｇ＜（ａ－ｂ）／２の範囲内であることが好ましい。突起部３の長さｇがｃ／２＜ｇ＜（ａ－ｂ）／２であることにより、ウエハＷをポケット部１内に載置でき、処理中もウエハＷが滑ることなく均一なエピタキシャル膜を製造することができる。

また、図４に示すように突起部３の高さｅは、ウエハＷの厚さｆに対して、ｆ／２＜ｅ＜ｆの範囲内であることが好ましい。突起部３の高さｅが、ｆ／２＜ｅ＜ｆの範囲内であることにより、ウエハＷが滑ってもウエハＷが突起部３の上に乗ることなく、またエピタキシャル膜のガスを阻害することなく均一なエピタキシャル膜を製造できる。

また、突起部３は、基体２と同じ材質、かつ一体に形成されるのが好ましい。即ち、突起部３は、炭素材または炭素材の表面を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で被覆したものであることが好ましい。突起部３を基体２と同じ材質、かつ一体型に形成することにより、使用中の熱により熱膨張差が生じず突起部３が分離するのを抑制することができる。

サセプタ１０を用いて、ウエハＷの上面にエピタキシャル膜を形成するには、チャンバ（図示せず）内において、図６に示すようにサセプタ１０のポケット部１にウエハＷを置く。図３に示すように各ポケット部１に３つの突起部３を有する場合、３点支持によりウエハＷが保持される。
そして、サセプタ１０およびウエハＷを所定速度で所定方向に回転させながら（図７参照）、チャンバ外に設けられたヒータ（図示せず）によりウエハＷを加熱する。そして、チャンバ内に水平方向に導入された反応ガスＧに接触させ、ウエハＷ上にエピタキシャル膜を化学気相成長させる。

サセプタ１０はその中央部から両側面方向に傾斜しているため、ポケット部１に保持されたウエハＷに対するエピタキシャル膜の成膜の際、水平方向に供給される反応ガスＧは、図６に示すように、サセプタの形状に沿って流れる。これにより、反応ガスＧは、ウエハＷ全体に対して均一に流れ、成膜するエピタキシャル膜の膜厚ばらつきが低減される。
また、ポケット部１内においてウエハＷは、複数の突起部３により支持されるため、サセプタ１０が回転する遠心力によってウエハＷが滑ることがない。即ち、ポケット部３の傾斜と遠心力に起因するウエハＷの位置ずれを防止し、上記効果を得ることができる。

また、サセプタ１０の厚みｔは一定であることが好ましい。すなわち、ポケット部１が形成される側の面とその反対面とは平行であることが好ましい。厚みｔを一定にすることで、サセプタ１０全体の熱伝導が均一となり、均一なエピタキシャル膜を製造することができる。また、図６に示すように、反応ガスＧがサセプタの上面に沿って流れるため、サセプタ１０上面全体に反応ガスＧが当たり、ウエハＷに成膜されるエピタキシャル膜の膜厚均一性にも寄与する。

前記サセプタ１０の厚さｔは１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記サセプタ１０の直径ｄは６００ｍｍ以上８５０ｍｍ以下であることが好ましい。前記サセプタ１０の直径をｄとし、厚さをｔとしたとき、０．０１≦ｔ／ｄ＜０．０５であり、好ましくは０．０２≦ｔ／ｄ≦０．０４、より好ましくは０．０２≦ｔ／ｄ≦０．０３である。つまり、サセプタ１０の厚さｔが直径ｄの０．０１倍以上０．０５倍以下であると、均一な膜厚でかつ結晶欠陥が低減されたエピタキシャル膜を形成することができる。

なお、前記実施の形態においては、サセプタ１０の底面が上面およびポケット部１の傾斜に平行な形状（サセプタ１０の厚みｔは一定）として説明したが、本発明にあっては、その構成に限定されるものではない。
例えば、ポケット部３は形成されるサセプタ１０の上面は、その中央部から両側面方向に傾斜し、サセプタ１０の底面は、すべて水平方向に沿って形成してもよい。
その場合であっても、ポケット部１に保持されたウエハＷに対するエピタキシャル膜の成膜の際、水平方向に供給される反応ガスＧは、サセプタの形状に沿って流れる。これにより、反応ガスＧは、ウエハＷ全体に対して均一に流れ、成膜するエピタキシャル膜の膜厚ばらつきが低減される。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
（実験１）

実験１では、サセプタの中央部から両側面方向への傾斜角（θ）を３．０°とし、ポケット部１に設ける突起部３の位置および数について検証した。
基本的に突起部３の数は、図３、図５、図８に示すように、奇数（３、５、７のいずれか）の場合、サセプタ中心に対して、最も遠い位置（最下部）に１つの突起部３を配置し、そこからサセプタ中心を軸として左右に所定角度回転させた位置にそれぞれ突起部３をさらに配置した。左右の突起部３において最も上部に配置される突起部３は、ポケット部１の最下部から９０°の位置（即ち、最も右端、左端の位置）とし、かつポケット部１の下部内壁面において全ての突起部３が等間隔となるように配置した。

また、図７（ａ）～（ｃ）に示すように、突起部３の数が偶数（２、４、６のいずれか）の場合、サセプタ１０の中心（回転軸Ｏ_１）とポケット部１の中心Ｏ_２とを結ぶ線Ｌ１を境に左右対称に配置した。
表１に、実施例１～６および比較例１～３の条件を示す。各実施例において、作製したサセプタを用いてシリコンウエハにエピタキシャル膜を形成し、その成膜状態を評価した。
実施例１～６および比較例１～３の評価結果を表１に示す。表１中、ウエハ面内のエピタキシャル膜の最大と最小の膜厚差が５μｍ以下である場合を〇、１０μｍを超える場合を×、５μｍを超え１０μｍ以下の場合を△とした。また、成膜後、ウエハをサセプタから取り外した際にウエハに傷がない場合を○、破損し使用不可の場合を×、傷はあるが使用できる場合を△とした。

実施例１～６に示すように、ポケット部に設ける突起部の数が２～７の範囲において、シリコンウエハの成膜結果が良好であった。
一方、ポケット部に突起部を設けなかった場合には（比較例１）、シリコンウエハが滑って位置ずれし、均一なエピタキシャル膜が得られなかった。
また、突起部の位置がポケット部の全周に設けられた場合には（比較例２、３）、突起部とシリコンウエハとの接触部が増え、シリコンウエハの外周部に破損が生じた。

１ ポケット部
２ 基体
３ 突起部
１０ サセプタ
ＥＰ エピタキシャル膜
Ｗ ウエハ（半導体ウエハ）

Claims (4)

1. 基体の上面に径方向外側に向かって下方に傾斜した複数のポケット部と、
   前記ポケット部の内壁に形成され、半導体ウエハの外周部を支持する複数の突起部と、を有し、
   前記複数の突起部は、傾斜する前記ポケット部の下部側に配置されていることを特徴とするサセプタ。
2. 前記ポケット部に形成された突起部は、前記基体の中心と前記ポケット部の中心を結んだ線を境に左右対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載されたサセプタ。
3. 前記ポケット部に形成された突起部の数は、２個乃至６個であることを特徴とする請求項１に記載されたサセプタ。
4. 前記突起部の幅寸法ｃは、前記ポケット部の直径ａ、半導体ウエハの直径ｂに対して、（ａ－ｂ）／４＜ｃ＜（ａ－ｂ）／２の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載されたサセプタ。

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