JP3565469B2

JP3565469B2 - 気相成長用のサセプタ

Info

Publication number: JP3565469B2
Application number: JP04148797A
Authority: JP
Inventors: 勝之高村; 栄一外谷
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社; 徳山東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: JPH10223546A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長用のサセプタに関し、詳しくは半導体ウエハを載置する凹部を、平板表面より所定厚さで突出した凸部上面に形成することにより、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）ウエハ等の２層構造エピタキシャルウエハ形成のように、単結晶シリコン基板等の基体上に化学気相成長により複数層の電気的特性の異なる単結晶膜層を形成するために用いて、特に、多層構造の各膜層間において異なる電気的特性、例えば、ＳＲ値（ＳｐｒｅａｄｉｎｇＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：広がり抵抗）の差が徐々に変化するようなダレ現象を生じることなく急峻に変化させることができる気相成長用のサセプタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２層構造のエピタキシャル膜を有するＩＧＢＴウエハ等の単結晶シリコン基板上に電気的特性の異なる単結晶膜層を複数形成された多層構造ウエハが、単結晶シリコン基板等の基体上に化学気相成長法で成膜して形成されることは従来から知られている。各単結晶膜層の電気的特性の差異、例えばＩＧＢＴウエハでは、一般に基板上に形成される第１層目はキャリアの不純物濃度を高くして抵抗値がより低くなるようにすると共に、第１層上に形成される第２層目は不純物濃度を低くして抵抗がより高くなるように形成される。この場合、第１層と第２層との界面近傍における深さ方向に対するＳＲ値が、緩やかに低下することなく急峻に変化するように、即ち、多層構造の各膜層間において異なる電気的特性にダレ現象を生じることなく急激に変化する層構造を有するウエハは、優れた特性を有するデバイスを提供できることが知られている。一方、このＳＲ値等の電気的特性の差が緩やかに変化する、いわゆるダレ現象が生じる場合には、デバイス特性が悪化することも確認されている。従って、ＩＧＢＴウエハ等の多層構造ウエハが、上記のように層間のＳＲ値等の電気的特性が急峻に変化するように成膜して得られることが要望されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の化学気相成長法で成膜した多層構造エピタキシャルウエハにおいて、深さ方向に対する電気的特性、例えば２層構造のＳＲ値について測定して得られるプロファイルは、一般に、２層の界面近傍でダレ現象が生じることが観察される。また、このような深さ方向へのＳＲ値のダレ現象が、ウエハの中央部よりも周辺部で大きくなることも観察される。このウエハの中央部と周辺部でＳＲ値のダレ現象の程度が異なることは、ウエハ面内特性が均質でなくバラツいていることであり、結果的にデバイス特性が不均質となるものである。このようなＳＲ値変化にダレ現象が生じる原因の１つとしては、一般に不純物濃度の低い高抵抗値の第２層が、高濃度不純物である低抵抗値の第１層上に形成されるため、第１層形成時にサセプタ上に堆積する高濃度不純物が、第２層形成時に影響することによると考えられている。また、ウエハ中央部より周辺部においてダレ現象が大きいことは、第１層形成時にサセプタ上に高濃度の不純物が堆積し、そのサセプタ上に堆積した不純物が第２層形成時にウエハの周辺部により大きく影響するためと考えられている。
【０００４】
上記の第１層形成時の不純物による影響を防止するため、例えば、第１層を形成した後、サセプタを取替えて、または、別の気相成長装置に移して第２層を形成することが行われている。即ち、同一サセプタまたは装置を用いて第１層成膜後に引続き第２層を成膜しないようにして、サセプタに蒸着等した不純物の影響を回避する方法である。また、第１層形成時に堆積した不純物をエッチング除去し、その後、第２層を成膜することもなされている。しかし、上記のサセプタの交換や洗浄、他装置への移動等は、気相成長反応を一旦停止するか、または、切替えて行うものであり、製造工程上操作が繁雑となると同時に生産性も低下し好ましくない。一方、出願人のうちの一人は、先に、上記のようなＩＧＢＴウエハのエピタキシャル相成長の問題から、特開平８−２０３８３１号公報にて基体上に先ず低抵抗の第１層を成長させた後、不純物を含まないアンドープ層を成長させ、その上に高抵抗の第２層を連続的に気相成長させることにより、第１層と第２層との抵抗値の差が急峻する化学気相成長方法を提案した。
【０００５】
上記提案の方法は、操作上の不都合等のプロセス的な面から検討したもので、気相成長を連続して行うことができ製造工程上好ましいものである。一方、本発明は、上記２層の境界面でのＳＲ値変化のダレやその不均質等の不都合を生じさせないための装置的観点からの改良を目的とする。即ち、２層構造のＩＧＢＴウエハを始め多層構造のエピタキシャルウエハを化学気相成長させ形成するための装置の部材を改良することにより上記不都合を解消しようとするものである。発明者らは、この目的のため、前記した従来からその影響が問題にされていたサセプタ上の堆積不純物について検討した。その結果、エピタキシャル成長に用いられるサセプタにおいて、平板面に所定の凸部を設けて、その凸部上面にウエハを載置保持する凹部を形成するすることにより、上記のＳＲ値等の電気的特性差のダレ現象やウエハ面内での不均質性を解消できることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、カーボン基材表面をＳｉＣ膜で被膜してなる気相成長用サセプタであって、平板の表面から突出した１または２以上の凸部を有し、凸部上面に半導体ウエハ載置凹部が形成されてなることを特徴とする気相成長用のサセプタが提供される。本発明の気相成長用のサセプタにおいて、凸部の厚さが平板の厚さの１／７〜２／７であることが好ましい。また、凸部上面の半径が、前記凹部半径より３〜２０ｍｍ大きく形成されることが好ましい。
【０００７】
本発明は上記のように構成され、カーボン基材表面がＳｉＣ（炭化珪素）皮膜で被覆された気相成長用のサセプタにおいて、半導体ウエハを載置する凹部を平板面から突出した状態の凸部上面に形成することから、サセプタ下方に配置されるヒータにより加熱されて、平板面の方が凸部上面に比して高温となる。このため第２層成膜への切換え操作時に、第１成膜用ドーパントガスを水素ガスでパージする際に、シリコンウエハ上に成膜された第１層気相成長膜に影響を及ぼすことなく、不純物高濃度の第１成膜時にサセプタの平板表面上に付着した不純物が高温により蒸発飛散除去することができることから、本発明のサセプタ表面の残留不純物濃度が、従来のサセプタに比し著しく低減され、水素ガスによるガスパージ後の第２層成膜処理において、第２層が成膜当初より所定の低濃度ドーパントで形成される。従って、本発明のサセプタを用いて形成した異なる電気的特性を有する多層構造のエピタキシャルウエハは、各層の境界面近傍におけるＳＲ値の勾配が急傾斜となりダレ現象が抑制される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照にして詳細に説明する。但し、本発明は、下記の実施例に制限されるものでない。
図１は本発明の気相成長用のサセプタの一実施例の模式的な平面説明図（Ａ）及びそのＢ−Ｂ線断面の端部説明図（Ｂ）である。図１において、気相成長用のサセプタ１は、全体が平板面２を有して円形平板体に形成され、その中心にはベルジャ型等の反応炉にセットする場合のガスノズル用通孔３が貫通形成されている。平板面２上に突出して凸部４が、ほぼ円周に沿って等間隔に配置形成されている。また、凸部４上面には半導体ウエハを載置するザグリ部の凹部５が形成されている。従来のサセプタが、平板面２上面にザグリ部を凹部状に形成していたのと異なる。また、サセプタ１は、従来の気相成長用サセプタと同様に、上記の様な形状のカーボン材等の基材１０表面を耐食性に優れるＳｉＣ膜１１で被覆される。
【０００９】
上記のように形成される本発明のサセプタにおいて、その上面に凹部５を形成する凸部４の配設位置は特に制限されず、平板面２の半導体ウエハを載置するザグリ部配設予定位置に適宜配設することができる。通常、従来のサセプタに配設したザグリ部と同様な位置に配設する。このように平板面に厚さが異なる部分を形成することにより、下方のヒータからサセプタが加熱された場合、平板面と平板面に形成された凸部上面では、相対的に高温部と低温部が形成されることになる。本発明のサセプタは、この相対的低温部に被膜処理するウエハを載置することから、異なる条件下での成膜工程への切換え時のガスパージ処理時に、ウエハの載置部分は比較的低温に保持しながら、平板面の温度を相対的に高温とすることができる。従って、次の成膜工程前に、前段の成膜工程で平板面に付着したドーパント成分を高温で蒸発除去することができ、各成膜工程毎に連続する前段または後段の成膜条件の影響を受けることなく各独立的に成膜することができる。この場合、凸部の平板表面からの立ち上がり高さ、即ち凸部厚さ（ｔ）と平板厚さ（Ｔ）とは、ｔ＝１／７Ｔ〜２／７Ｔの関係となるようにする。凸部厚さが１／７Ｔ未満であると、平板面２と凸部４上面との温度差が少ないため、平板面２に付着した不純物の蒸発量が減少し好ましくない。一方、２／７Ｔを超えた場合は、温度差が大きくなりサセプタにクッラクが生じるおそれがあり好ましくない。平板面の厚さは、使用する気相成長装置の反応炉の高周波発振出力等ヒータ発熱力に応じて適宜選択することが一般的である。例えば、外径６４０〜９００ｍｍφの円盤状サセプタであれば、通常、円盤厚さ約１２〜２２ｍｍに形成される。
【００１０】
本発明の気相成長用のサセプタにおいて、図１では平板面２、凸部４及び凹部５のいずれも円形状として示したが、それらの形状や大きさは特に制限されるものでない。反応炉等の使用条件に合わせて適宜選択することができる。通常、平板面は従来のものと同様の大きさ、形状とする。また、凸部の形状及び大きさは、その上面に半導体ウエハ載置凹部を形成できればよい。通常、凹部が載置するウエハの円形状に合わせて円形に形成されることから、凸部も円形状の上面を有するように形成することが好ましい。この場合、上面が凹部を形成可能な厚さの円形であれば、凸部のサセプタ表面からの立上りは、特に、制限されない。通常、垂直に形成するが、錐台状にテーパを有してもよい。通常、凸部はサセプタ表面に円柱体状に形成する。厚みのある平板体を用いて円柱体状に凸部を残しながら研削して平板面を形成することができ、製造上簡便である。凸部上面は、当然ながらウエハ載置凹部を形成できる広さを有する。同時に、その凸部上面に同心状に凹部を形成したとき、凹部の周縁部に連続する凸部上面の一部、即ち、図１において、凸部４の上面が半径Ｒの円形で、凹部５が半径ｒの円形に形成した場合、（Ｒ−ｒ＝）３〜２０ｍｍの幅Ｘの外周面を有することが好ましい。例えば、直径１５２ｍｍ、深さ０．８ｍｍのウエハ載置円形凹部を形成する場合、同心状で直径１７２ｍｍの円形上面の凸部を形成し、凹部周縁部外に幅（Ｘ）約１０ｍｍの外周面を形成する。上記の幅Ｘが２０ｍｍを超えた場合は、残留凸部上面に付着している不純物量が多くなり、気相成長させたウエハの周辺部でＳＲ値のダレ現象が生じるおそれがある。一方、幅Ｘが３ｍｍ未満では残留凸部上面が極めて薄く、高温となる平板面の影響がザグリ部周辺に伝わり、ウエハの中央部と周辺部に温度差が生じ、薄膜の面内が不均一となるおそれがあるためである。半導体ウエハ載置凹部の形成は従来法と同様に行うことができる。
【００１１】
上記のように形成される凸部４のサセプタの平板面上での配置は、特に制限されるものでない。図１に示したように各凸部が間隔を有して配置されてもよいし、その場合でも後記の図３に示すように平板面上に２以上の多重環状に配置してもよい。これら凸部の配置の数や方式は、サセプタを用いる気相成長装置や成長条件に合わせて適宜選択することができる。また、各凸部の位置関係も特に制限されない。例えば、図２に他のサセプタの部分的に模式的平面図を示したように、各凸部が間隔を有することなくそれぞれ外周が接する形態（Ｃ）で配置されてもよいし、また、各凸部が重なったように連続的に連なった形態（Ｄ）に配置されてもよい。特に、図２（Ｄ）の連なった形態に形成する場合は、凸部上面に凹部を形成した後の残留凸部上面の面積が減少され、付着不純物量が低減されることから好ましい。
【００１２】
本発明の気相成長用のサセプタは、上記のような形態で構成される以外、従来公知の化学気相反応により所定の薄膜を、被処理材である半導体ウエハ上に形成する化学気相成長方法に用いるものである。化学気相成長方法は、既に従来から公知であり、一般に、反応炉内に配設されたサセプタを高周波加熱やランプ加熱により加熱昇温して、その上に載置される半導体ウエハ等の被膜基材を加熱すると同時に、反応炉内に反応ガスを導入して被処理基材上に所定皮膜を成膜する方法である。また、この化学気相成長方法に用いられる気相成長装置も従来から公知であり、反応炉の構造により縦型やバレル型がある。更に、単一工程で処理されるウエハ枚数により、複数のバッチ方式と１枚ずつの枚葉方式に区分されている。各方式により用いるサセプタ形式は多少異なるが、本発明の気相成長用のサセプタは、上記従来公知の化学気相成長方法を行ういずれの方式においても適用することができる。
【００１３】
本発明の気相成長用のサセプタは、上記のような形態に形成される以外は、従来と同様に形成することができる。即ち、その基材はカーボン材からなり、表面が炭化珪素（ＳｉＣ）膜により被覆されたものである。ＳｉＣ被覆カーボン部材は、従来から半導体製造装置に用いられており、特に制限されるものでなく、従来と同様に形成されたものを用いることができる。また、カーボン基材は、特に、制限されるものでなく、従来公知の黒鉛等を用いることができる。カーボン基材を上記のような本発明のサセプタ形状に形成した後、従来のＳｉＣ被覆と同様に処理してその表面にＳｉＣ膜を形成して製造することができる。本発明のカーボン材上に形成されるＳｉＣ膜の厚さは、特に限定されるものでなく、従来のサセプタと同様に約４０〜１５０μｍとすればよい。本発明のサセプタ表面のＳｉＣ皮膜の表面粗さ及びウエハを載置する凹部の表面粗さ（Ｒａ）は、共に特に制限されるものでない。例えば、サセプタ平板面をＲａで５〜１３μｍとし、凹部面をＲａで０．１〜３μｍとすることができる。
【００１４】
本発明のサセプタは、上記のように平板表面から突出した凸部上面に半導体ウエハ載置凹部を形成したものである。このサセプタを用いエピタキシャル成長でＩＧＢＴウエハ等の電気的特性の異なる複数の膜層を有する多層構造エピタキシャルウエハを形成した場合、例えば、前段の成膜時の高濃度不純物がサセプタ表面に多量に付着しても、凹部が形成される凸部上面に比し平板表面の温度が高くなることから、付着不純物が次段の成膜への切換え工程のパージ工程で蒸発飛散除去され、次段の成膜工程ではサセプタ平板表面の不純物が低減された状態となる。従って、各成膜時に前段のドーパント濃度の影響を受けることが少なくなり、各層が所望の電気的性状で成膜当初より形成することができ、得られる多層構造エピタキシャルウエハの各層の界面近傍での電気的特性の変化が急峻する。例えば、ＩＧＢＴウエハのエピタキシャル層の深さ方向にＳＲ値のプロファイルをとると２層の界面近傍でＳＲ値が急峻に変化する。また、ＩＧＢＴウエハ周辺部と中央部とのＳＲ値に差が生じることもない。従って、結果的に均質な優れた特性を有するデバイスを与えるエピタキシャルウエハを得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものでない。
実施例１〜５及び比較例１
（気相成長用のサセプタの調製）
カーボン材を用いて、平板厚さ（Ｔ）が１４ｍｍ、直径（Ｄ）が７０５ｍｍの円板体で、その平板面２上に厚さ（ｔ）がそれぞれ１、２、３、４、及び５ｍｍで、半径（Ｒ）８６ｍｍの円柱体の凸部４をほぼ等間隔に１０個で形成した。更に、各凸部４上面に、幅（Ｘ）が約１０ｍｍとなるようにして、同心状で半径（ｒ）７６ｍｍの凹部５をそれぞれ形成し、前記図１とほぼ同様の形状のサセプタ基材を形成した。そのカーボン材のサセプタ基材表面に、従来と同様の気相反応室で、反応室内温度を１２００℃以上、室内圧を１Ｔｏｒｒ以下の気相成長条件下でＳｉＣ被覆処理し、表面にＳｉＣ被膜が形成されたサセプタを得た。得られた各サセプタの凹部を、それぞれ従来法により研磨処理して表面粗さ（Ｒａ）約１〜１５μｍとした。また、同様のカーボン材の円板体平板面２に凸部を形成することなく、平板面上に半径（ｒ）７６ｍｍの凹部を同様に１０個形成し、更に、同様に表面をＳｉＣ被覆し、凹部を研磨処理した従来と同様のサセプタを得た（比較例１）。
【００１６】
（気相成長）
次いで、図３に示した気相成長装置とほぼ同様な装置に、上記のようにして調製した各気相成長用サセプタを用いて、単結晶シリコンウエハ上にエピタキシャル成長で成膜した。図３は、本実施例に用いた縦型化学気相成長装置の斜視説明図である。図３において、化学気相成長装置２１は、ベルジャ型反応管２２内に、サセプタ１が回転可能に配設されている。また、サセプタ１の中心にはガス吹出口２５を有する原料ガス導入ノズル２６が立設され、反応管２２の下部には排気管２７が設けられ、さらにサセプタ１の下側には高周波コイル２８が配設されて、サセプタ１上に載置されたウエハ２３を所望の温度に加熱することができるようになっている。
【００１７】
上記のように構成された縦型化学気相成長装置２１に、前記で形成した各サセプタ１を配置し、表面を清浄化した単結晶シリコンウエハ２３を、サセプタ１の各凹部５に装着した。その後、高周波コイル２８により基板を１０８０〜１１２０℃に加熱し、反応管２１内にガス吹出口２５から、シランガスとしてＳｉＨＣｌ_３、キャリアガスとして水素ガス、ドーパントガスとしてホスフィン（ＰＨ_３）を用い、先ず、ＳｉＨＣｌ_３を７．５ｇ／分、ＰＨ_３ガスを３００ｃｃ／分の高濃度で導入して低抵抗の第１層の成膜を行った後、引き続いて高濃度のＰＨ_３ガスを水素ガスで１０分間置換した。その後、そのまま室温まで降温して、平板面２上に残留した単位体積当たりの不純物Ｐ量を測定した。その結果を表１に示した。なお、測定は２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により、任意の面積で、深さ２．５μｍの範囲で行った。
【００１８】
【表１】

【００１９】
上記実施例及び比較例より明らかなように、凸部を設けない、即ちｔ＝０の従来と同様のサセプタでは、平板面の残留不純物濃度が、凸部を設けた本発明のサセプタに比し、一桁多くなることが分かる。また、凸部の高さｔが１ｍｍ、即ち、平板厚さ（Ｔ）の１／７未満では、ｔが２ｍｍのサセプタに比して残留不純物濃度が高めとなる。一方、凸部高さｔが、平板厚さＴの２／７を超えたｔ＝５ｍｍではサセプタにクラックが発生した。これは平板面と凸部での温度差が極めて大きくなったためと推定される。
【００２０】
実施例６及び比較例２
前記実施例２及び比較例１で得られたサセプタを用いて、２層構造のエピタキシャルウエハを形成した。即ち、実施例２及び比較例１のサセプタをそれぞれセットした縦型気相成長装置に、上記実施例と同様にシリコンウエハ１０枚をそれぞれ装着して、先ず低抵抗の第１層の成膜を行い、高濃度のＰＨ_３ガスを水素ガスで１０分間置換した後、引き続いてＳｉＨＣｌ_３を３０ｇ／分、ＰＨ_３ガスを３０ｃｃ／分の低濃度で導入して高抵抗の第２層を成膜して２層構造エピタキシャルウエハをそれぞれ得た。得られた２層構造エピタキシャルウエハの中心部と周辺部についてＳＲ値を測定した。その結果の中心部のＳＲ値と深さ方向との関係を図４にそれぞれ示した。
【００２１】
図４から明らかなように、本発明の凸部を設けたサセプタを用いて得られたエピタキシャルウエハの深さ方向でのＳＲ値は、第１層と第２層との境界面近傍で緩やかな低下がなく急激に低下することが分かる。また、ウエハ面内での周辺部と中心部においてのＳＲ値の変化はなく、ほぼ均質に２層構造にエピタキシャル成長されていることが明らかであった。一方、従来と同様のサセプタを用いて得られたエピタキシャルウエハの深さ方向でのＳＲ値は、第１層と第２層との境界面近傍で緩やかに低下し第１層と第２層の層間にはっきりした区別がなく、第１層から第２層にかけてＳＲ値が低下してしまう部分（ダレ）が生じていることが分かる。また、深さ方向のＳＲ値は、ウエハの中心部よりも周辺部においてダレがより強く生じていた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の気相成長用のサセプタは、平板面上に所定の厚みの凸部を設け、凸部上面に半導体ウエハを載置するザグリ部の凹部を形成したものである。このため多層にエピタキシャル成膜する場合に、各成膜切換え工程でのガスパージの際に、平板面温度が被膜処理される半導体ウエハが載置されている凸部上面に比し、相対的に高温とすることができることから平板面に付着したドーパント成分を容易に蒸発飛散除去できる。従って、各成膜時に前段の処理ガス中のドーパント濃度の影響を受けることなく、当初から所定の電気的特性を有するエピタキシャル皮膜を形成でき、例えば、２層構造のＩＧＢＴウエハで、エピタキシャル成長した第１層と第２層の間で急変する抵抗差を形成でき、ウエハの深さ方向のＳＲ値のプロファイルにおいてダレが生じることがない。また、ウエハの中心部と周辺部での特性の差異も減少し、これらのウエハを用いたデバイスは、均質で優れた特性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長用のサセプタの一実施例の模式的平面説明図（Ａ）及びそのＢ−Ｂ線断面の端部説明図（Ｂ）
【図２】本発明の気相成長用のサセプタの他の実施例の模式的平面説明図
【図３】本発明の実施例に用いたベルジャ型化学気相成長装置の斜視説明図
【図４】本発明の実施例及び比較例で得られた２層構造エピタキシャルウエハの深さ方向に対するＳＲ値を示すプロファイル
【符号の説明】
１サセプタ
２平板面
３ガスノズル用通孔
４凸部
５凹部
１０カーボン基材
１１ＳｉＣ膜
２１縦型気相成長装置
２２ベルジャ型反応管
２３単結晶シリコンウエハ
２５ガス吹出口
２６原料ガス導入ノズル
２７排気管
２８高周波コイル

Claims

カーボン基材表面をＳｉＣ膜で被膜してなる気相成長用サセプタであって、平板の表面から突出した１または２以上の凸部を有し、凸部上面に半導体ウエハ載置凹部が形成されてなることを特徴とする気相成長用のサセプタ。
前記凸部の厚さが、前記平板厚さの１／７〜２／７である請求項１記載の気相成長用のサセプタ。
前記凸部上面の半径が、前記凹部半径より３〜２０ｍｍ大きく形成される請求項１または２記載の気相成長用のサセプタ。