JP4300523B2

JP4300523B2 - エピタキシャル成長装置

Info

Publication number: JP4300523B2
Application number: JP2004071606A
Authority: JP
Inventors: 昌幸石橋
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005260095A

Description

この発明は半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を成膜するエピタキシャル成長装置、詳しくはそのエピタキシャル成長装置におけるサセプタの支持部材の改良に関する。

エピタキシャルウェーハは、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル成長によるエピタキシャル膜が成膜されたものである。近年、ＭＯＳメモリデバイスの高集積化に伴い、α粒子によるメモリの誤動作（ソフトエラー）やＣＭＯＳ・ＩＣにおけるラッチアップが無視できなくなっている。これらの問題解決に、エピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハが有効であることが認識されており、最近ではＣＭＯＳ・ＩＣの製造にエピタキシャルウェーハが積極的に使用されている。
エピタキシャル膜を成膜する装置には、枚葉式のエピタキシャル成長装置がある。このエピタキシャル成長装置は、コンパクトな反応室を有しており、ハロゲンランプによる輻射加熱方式を採用している。枚葉処理であるため、均熱条件、ガス流分布の設計が容易であり、エピタキシャル膜特性を高くすることが可能である。したがって、大口径の半導体ウェーハを処理するのに有効な装置である。

図６は、従来に係るエピタキシャル成長装置５０の構成を示している。このエピタキシャル成長装置５０には、上側ドーム３と下側ドーム４とが対向して設けられ、これらはドーム取付体５で固定されている。これにより、密閉された反応室２が形成される。上側ドーム３および下側ドーム４は、石英などの透明な素材で形成されている。ドーム取付体５の所定位置には、反応室２にガスを流入するガス供給口１２が設けられる。また、ドーム取付体５の対向位置には、反応室２内のガスをこの外部へ排出するガス排出口１３が設けられている。そして、反応室２の上方および下方には、これを加熱するハロゲンランプ６がそれぞれ設けられる。
反応室２内には、半導体ウェーハＷを搭載する円板状のサセプタ２０が設けられている。図７に示すように、サセプタ２０は、その一部が裏面に当接するサセプタ支持部材１８により支持される。サセプタ支持部材１８は、中心部の支持材１８ｄと、１２０°間隔を有して放射状に形成された３本の支持材１８ａ〜１８ｃとで構成されている。サセプタ支持部材１８の下方には軸部７が連結され、これにより、サセプタ２０はサセプタ支持部材１８とともに回転自在に設けられる。

上記エピタキシャル成長装置５０でのエピタキシャル膜を成膜する方法にあっては、まず、反応室２内のサセプタ２０の表面に半導体ウェーハＷを搭載する。次いで、軸部７を回転させて、サセプタ支持部材１８に支持されたサセプタ２０を回転させる。これにより、サセプタ２０に搭載された半導体ウェーハＷも回転する。そして、ガス供給口１２からＳｉＨＣｌ_３などのＳｉソースを水素ガスで希釈し、それにドーパントを微量混合してなる反応ガスが反応室２内に供給される。供給された反応ガスは、半導体ウェーハと反応しながら、ガス排出口１３より排出される。また、反応室２は、上方および下方に設けられたハロゲンランプ６により熱せられる。これにより、エピタキシャル成長装置５０は、反応室２内において、半導体ウェーハＷの表面にエピタキシャル膜を成膜することができる。
なお、本願発明に係る先行技術文献として特許文献１に記載の半導体製造装置が開示されている。

特開２０００−１２４１４１号公報

上記エピタキシャル成長装置のサセプタは、中心部の支持材と、円周方向に１２０°間隔を有して放射状に伸びた３本のアームの支持材とで構成されたサセプタ支持部材で支持されている。サセプタに搭載された半導体ウェーハは、上方および下方のハロゲンランプからの輻射熱を受けて、回転しながら反応室内に流入されたガスと反応し、表面にエピタキシャル膜を成膜する。
しかし、半導体ウェーハの一部（特に３本の支持材の直上に位置する部分）は、サセプタ支持部材の中心部の支持材と３本の放射方向に配設された支持材とにより、下方のハロゲンランプからの輻射熱の直接の伝達が妨げられ、支持材からの輻射熱が伝達される。この結果、エピタキシャル成膜した時、この支持材からの輻射熱の影響を受ける部分と受けない部分との間にエピタキシャル膜厚の不均一が生じる。

この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、下方からのハロゲンランプによる輻射熱の不均一を無くし、半導体ウェーハにエピタキシャル膜を均一に成膜することができるエピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、反応室の上壁を構成する透明な石英からなる上側ドームと、前記反応室の下壁を構成する透明な石英からなる下側ドームと、前記反応室内に水平に収納され、表面に半導体ウェーハが搭載される円板状のサセプタと、前記上側ドームの上方におよび前記下側ドームの下方にそれぞれ配置され、前記サセプタに載置された前記半導体ウェーハを熱処理する複数のハロゲンランプと、前記反応室のうち、前記サセプタの裏面側の空間に配置され、前記サセプタを下方から支持する透明な石英からなるサセプタ支持部材とを備えたエピタキシャル成長装置において、前記サセプタ支持部材は、円筒の周側壁と該周側壁の下側開口を塞ぐ底壁とから構成された円形容器状または上側開口を有した円錐容器状のもので、前記サセプタ支持部材は、前記サセプタのうち、前記半導体ウェーハが搭載される部分の裏面を覆う大きさで、前記サセプタ支持部材の上側開口を形成する周縁部には、前記サセプタの裏面に先端が当接され、かつ該サセプタの裏面と前記サセプタ支持部材との間に、前記サセプタの裏面と平行にガスが流れる隙間を形成する３本の支持ピンが、前記サセプタ支持部材の周方向へ互いに離間して配設されたエピタキシャル成長装置である。

請求項１に記載のエピタキシャル成長装置にあっては、半導体ウェーハを搭載する円板状のサセプタを有している。また、サセプタには、裏面に当接してこれを支持するサセプタ支持部材が設けられている。サセプタ支持部材は、サセプタで半導体ウェーハの搭載部分の裏面を覆う。サセプタ支持部材は、透明な石英で形成されている。これにより、半導体ウェーハは、下方のハロゲンランプから輻射熱を均一に受ける。この結果、このエピタキシャル成長装置では、反応室内においてサセプタ温度を全面で均一化でき、搭載した半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を均一の厚さに成膜することができる。また、エピタキシャル膜の比抵抗の均一性も向上させることもできる。

さらに、サセプタ支持部材は、下方から一部が開放された空間を画成して、サセプタの略全面をその裏面側から覆うように構成したので、半導体ウェーハは、下方のハロゲンランプから輻射熱を均一に受けることができる。
さらにまた、サセプタ支持部材は、一部が開放された室を形成しているので、反応室内に供給されたガス（特にサセプタ裏面側に供給されたガス）は、その流れが大きく妨げられることはない。
そして、サセプタ支持部材は、円筒形状または円錐形状を有しているので、一部開放された室を画成してサセプタの下方から全面を覆うことができる。すなわち、ハロゲンランプの輻射熱を均一に半導体ウェーハに対して供給することができる。

半導体ウェーハとしては、シリコンウェーハ、ゲルマニウムウェーハまたはＳｉＣウェーハなどを採用することができる。
半導体ウェーハを搭載するサセプタの素材は限定されない。例えば、炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものを使用する。サセプタの形状は円板状である。

サセプタ支持部材は、サセプタの裏面との間に間隙を有することにより、その上部が開放された室を画成する。この場合、サセプタ支持部材は、開放された室を画成してサセプタの裏面を覆う。開放された室とは、下部は例えば円筒形状または円錐形状の内部で、その上部が開口し、サセプタの裏面との間に所定の隙間が画成された空間を意味する。この室の深さ（垂直方向の高さ）は限定されない。したがって、フラットな円板の外周縁に複数本のピンを上方に向かって突出させた形状のサセプタ支持部材も、これに含まれる。サセプタ支持部材は、石英などの素材で形成されている。

円筒形状または円錐形状を有するサセプタ支持部材の深さは限定されない。円筒形状、円錐形状のサセプタ支持部材の上端は円形の開口を有し、その円形開口を形成するリング状の底壁部分には例えば円周方向に１２０°間隔で同一長さの突起が上方に突出している。これらの突起の先端がサセプタ裏面に当接している。

サセプタ支持部材は、サセプタの半導体ウェーハの搭載部分よりも放射方向の外方にてサセプタの裏面に当接してもよい。サセプタ支持部材のサセプタへの裏面への当接は、３点以上の点当接でもよいし、面当接でもよい。点当接とは、例えば、円周方向に１２０°間隔を有して３点でサセプタを当接することである。３点以上であれば、点数は限定されない。２点の当接であるとサセプタを支持が不安定となる。面当接とは、例えば、円筒形状を有するサセプタ支持部材の周縁部をサセプタへの当接面とする。なお、その周縁部の一部に面当接しない部分があってもよい。

この場合、サセプタ支持部材は、サセプタの半導体ウェーハの搭載部分よりも放射方向の外方にてサセプタの裏面に当接する。これにより、半導体ウェーハが搭載されたサセプタは、その裏面側の略全面がサセプタ支持部材により覆われることになる。また、サセプタ支持部材は、石英で形成されている。この結果、サセプタを介して半導体ウェーハは、下方のハロゲンランプからの熱を均一に裏面全面で受けることができる。サセプタの温度が少なくともそのウェーハ支持領域では、均一に維持され、半導体ウェーハ表面に積層されるエピタキシャル膜の膜厚を全面で均等化することができる。

請求項２に記載の発明は、前記サセプタの裏面のうち、前記各支持ピンの当接位置には、対応する該支持ピンの先端部が嵌入される孔が形成され、１つの該孔を残り２つの該孔より小径化することで、１本の前記支持ピンを前記サセプタの位置決め用のピンとした請求項１に記載のエピタキシャル成長装置である。

請求項２に記載の発明によれば、サセプタの裏面のうち、各支持ピンの当接位置に、対応する支持ピンの先端部が嵌入される３つの孔を形成し、そのうちの１つを小孔とし、これに対応した支持ピンをサセプタの位置決め用のピンとする。これにより、サセプタ支持部材のサセプタに対する位置決めが容易となる。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、エピタキシャル成長装置は、半導体ウェーハを搭載する円板状のサセプタを有している。また、サセプタには、裏面に当接してこれを支持するサセプタ支持部材が設けられている。サセプタ支持部材は、サセプタで半導体ウェーハの搭載部分の裏面を覆う。サセプタ支持部材は、石英で形成されている。これにより、半導体ウェーハは、下方のハロゲンランプから輻射熱を均一に受ける。この結果、エピタキシャル成長装置は、反応室内において、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を均一の厚さに成膜することができる。
また、エピタキシャル膜の比抵抗の均一性も向上させることができる。
さらに、サセプタ支持部材の上側開口を形成する周縁部に、その周方向へ互いに離間して３本の支持ピンを配設したので、サセプタの裏面とサセプタ支持部材の上端との間に一部が開放された室を画成することができる。これにより、サセプタの裏面側にも反応室に供給されたガスのスムースな流れを形成することができる。

特に、請求項２に記載の発明によれば、サセプタの裏面のうち、各支持ピンの当接位置に、対応する支持ピンの先端部が嵌入される３つの孔を形成し、そのうちの１つを小孔とし、これに対応した支持ピンをサセプタの位置決め用のピンとする。これにより、サセプタ支持部材のサセプタに対する位置決めが容易となる。

以下、この発明の一実施例を、図１から図５を参照して説明する。
まず、この発明の一実施例に係るエピタキシャル成長装置１０を図１〜図３を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施例に係るエピタキシャル成長装置１０の概略構成を示す垂直断面図である。このエピタキシャル成長装置１０には、凹面を有する円形の上側ドーム３と同じく円形の下側ドーム４とが設けられる。上側ドーム３および下側ドーム４は、石英などの透明な素材で形成されている。そして、上側ドーム３と下側ドーム４とを上下に対向して配設し、これらの両端は円環状のドーム取付体５の上下面にそれぞれ固定される。これにより、密閉された平面視して略円形の反応室２が形成される。反応室２の上方および下方には、反応室２内を加熱するハロゲンランプ６が円周方向に略均等間隔で離間して複数個それぞれ設けられる。ドーム取付体５の所定位置には、反応室２にガスを流入するガス供給口１２が設けられる。また、ドーム取付体５の対向位置（ガス供給口と１８０°離間した位置）には、反応室２内のガスをこの外部へ排出するガス排出口１３が設けられている。これらのガス供給口１２およびガス排出口１３は、上下に離間して２つずつ設けられている。これは、シリコンウェーハＷの表面側およびサセプタ裏面側にガス流れを形成するためである。

反応室２には、シリコンウェーハＷを搭載するサセプタ２０が配設されている。サセプタ２０は、反応室２内の高温に耐え得るように炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが採用されている。これにより、炭素部材からなるサセプタ母材からの炭素汚染など、使用するサセプタ母材に起因した汚染を確実に防止できる。サセプタ２０は所定厚さの円板状である。また、図２および図３に示すようにサセプタ２０の表面には、シリコンウェーハＷを搭載する所定広さの円形の凹部であるポケット部２４が設けられている。すなわち、サセプタ２０の半径は搭載するシリコンウェーハＷのそれより大きい。この場合、サセプタ２０のポケット部２４には、表裏面に貫通する単一または複数の貫通孔を設けてあってもよい。

サセプタ２０の裏面側（下方）には、これを支持するためのサセプタ支持部材８が設けられる。図２に示すように、サセプタ支持部材８は、上面が開口した円筒形状を有している。または、図３に示すように上面が開口した円錐形状を有したサセプタを使用することができる。サセプタ支持部材８の素材は石英製である。
円筒形状または円錐形状のサセプタ支持部材８にあって、その上面開口を形成する円形の周縁部（リング状の上面）には、サセプタ２０の裏面に当接してこれを支持する所定長さの支持ピン２２ａ〜２２ｃがそれぞれ突設されている。各支持ピン２２ａ〜２２ｃは、円周方向に１２０°間隔を有して周縁部の３点に設けられる。サセプタ２０の裏面の対応位置には、これらの支持ピン２２ａ〜２２ｃの突出端が嵌入・係合される孔２３ａ〜２３ｃがそれぞれ設けられる。そして、３つの支持ピン２２ａ〜２２ｃのうちの１つを位置決め用の支持ピン２２ａとする。また、サセプタ２０裏面の孔２３ａ〜２３ｂのうち、位置決め用支持ピンの孔２３ａは、挿入される支持ピン外周との間に遊びを有しないような大きさに形成されている。他の２点の孔２３ｂ、２３ｃは、サセプタ２０の裏面に嵌入・係合されやすいように所定の遊び（隙間）を設けて大きめに形成されている。これにより、サセプタ支持部材８は、サセプタ２０に対しての位置決めを容易にして、サセプタ２０の裏面から当接して支持することが可能となる。

また、これらの支持ピン２２ａ〜２２ｃは、シリコンウェーハＷの搭載部分、すなわちポケット部２４よりも放射方向の外方に設けられている。また、円筒形状または円錐形状のサセプタ支持部材８にあってその周縁部の半径は、サセプタ２０のシリコンウェーハＷの搭載部分（ポケット部２４）の半径よりも大きい。
この結果、シリコンウェーハＷを搭載するサセプタ２０は、反応室２外下方に設けられたハロゲンランプからみて、サセプタ支持部材８によりその裏面略全面が覆われた構成とすることができる。また、上記支持ピン２２ａ〜２３ｃを設けることで、サセプタ２０裏面とサセプタ支持部材８上端との間に一部が開放された室を画成することができる。これにより、サセプタ２０の裏面側にも反応室２に供給されたガスのスムースな流れを形成することができる。

サセプタ支持部材８は、円筒形状のカバー（本体）の軸心部下方に、軸部７が固着して設けられる。軸部７は、図示していない駆動機構により回転自在に設けられ、その結果、円筒形状のサセプタ支持部材８およびサセプタ２０も水平面内で所定速度で回転自在に設けられる。
サセプタ２０には、エピ成膜後にシリコンウェーハＷを下方から持ち上げるためのリフトピン９が複数個（３本）設けられている。各リフトピン９は、サセプタ２０およびサセプタ支持部材８に貫通した孔に挿入・垂下されて保持される。なお、リフトピン９は、ベルヌイチャック方式等によるシリコンウェーハ搬送を行うエピタキシャル成長装置１０には不要である。

そして、上記軸部７の外周には、リフトアーム支持材２５が軸部７と一体に配設される。このリフトアーム支持材２５には、各リフトピン９を持ち上げる３本のリフトアーム１１が各リフトピン９にそれぞれ対応して配設されている。このリフトアーム１１、リフトアーム支持材２５およびリフトピン９の構造、機能は従来のエピタキシャル成長装置のそれと同じである。
これにより、シリコンウェーハＷは、反応室２内でサセプタ２０に搭載されて回転しながら供給されたガスと反応して、その表面に所定厚さのエピタキシャル膜が成膜される。成膜後は、リフトアーム支持材２５によりリフトアーム１１を上方に持ち上げ、サセプタ８の孔に挿入保持された各リフトピン９を所定高さだけ持ち上げる。これにより、サセプタ２０のポケット部２４からシリコンウェーハＷを持ち上げ、図示してない移載機構によりシリコンウェーハＷが反応室２から排出される。

次に、エピタキシャル成長装置１０を使用して、シリコンウェーハＷの表面にエピタキシャル膜を成膜する方法について説明する。
まず、直径２００ｍｍ、比抵抗１５ｍΩｃｍのシリコンウェーハＷ（片面研磨ウェーハ）を準備する。次いで、このシリコンウェーハＷを、その研磨面を上方にして反応室２内のサセプタ２０のポケット部２４に載置する。図示していない移載機構による。この後、反応室２を密閉する。このとき、サセプタ支持部材８の３本のピン２２ａ，２２ｂ，２２ｃがサセプタ８裏面の孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃにそれぞれ係合している。そして、サセプタ支持部材８の軸部７を所定速度で回転させて、サセプタ２０に搭載されたシリコンウェーハＷを回転させる。

次いで、まず反応室２内に水素ガスを供給し、ハロゲンランプ６で所定温度に加熱することにより、シリコンウェーハＷに対して１１５０℃で２０秒間の水素ベークを行う。この後、シリコンソースガスであるＳｉＨＣｌ_３およびボロンドーパントガスであるＢ_２Ｈ_６を水素ガスで希釈した混合ガスを、ガス供給口１２から反応室２内に供給する。このときの流量は、３Ｌ／ｍｉｎ〜１００Ｌ／ｍｉｎである。同時に、反応室２内で反応などに使用された上記ガスをガス排出口１３から排出する。そして、反応室２の上方および下方に設けられたハロゲンランプ６により、熱を輻射させて反応室２内の温度を１０７０℃に保持する。このとき、シリコンウェーハＷを保持するサセプタ２０は、下方のハロゲンランプ６によって、サセプタ支持部材８を介して均一にその輻射熱を受ける。これにより、厚さ約６μｍ、比抵抗１０ΩｃｍのＰ型のエピタキシャル膜を均一にシリコンウェーハＷの表面に成長させることができる。すなわち、サセプタ８裏面、特にポケット部２４裏面の温度を均一化することができ、よって、シリコンウェーハＷを面内で均一温度に保持が容易となり、エピタキシャル膜厚を面内で均一化することができる。

次に、本発明であるエピタキシャル成長装置１０により成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布についての実験を行った。サセプタ支持部材８は、図２に示すものを用いて、エピタキシャル膜を成膜させた。エピタキシャルウェーハの厚み分布は、平坦度測定器（ＡＤＥ）を用いて確認した。なお、比較例として、図７に示す中心部および周辺に３本足の支持アームを有するサセプタ支持部材８を用いてエピタキシャル膜を成膜した。この発明に係るサセプタ支持部材８の場合を図４、比較例のサセプタ支持部材８の場合を図５に示す。図４に示すように、この発明のサセプタ支持部材８を用いると、エピタキシャル膜厚の均一性が向上することが確認された。従来の場合では３本のアームに対応して膜厚の不均一が生じた。

以上の結果、サセプタ支持部材８を中心部の支持体と、円周方向に所定間隔を有して放射方向に形成された３本の支持体とを有する構成から、円筒形状または円錐形状を有するもので、またはサセプタ裏面をこれから所定間隔離間した円板のみでサセプタ２０全面を覆う構成とした。これにより、シリコンウェーハＷは、ハロゲンランプ６からの輻射熱を均一に受け、エピタキシャル膜を均一に成膜することができる。

この発明の一実施例に係るエピタキシャル成長装置の反応室を示す断面図である。この発明の一実施例に係るエピタキシャル成長装置のサセプタおよびサセプタ支持部材を示す分解斜視図である。この発明の一実施例に係る円錐形状を有するサセプタ支持部材を示す分解斜視図である。この発明の一実施例に係るエピタキシャル成長装置で成膜されたエピタキシャルウェーハの厚み分布を示す３次元マップである。従来に係るエピタキシャル成長装置で成膜されたエピタキシャルウェーハの厚み分布を示す３次元マップである。従来に係るエピタキシャル成長装置の反応室を示す断面図である。従来に係るエピタキシャル成長装置のサセプタおよびサセプタ支持部材を示す分解斜視図である。

１０エピタキシャル成長装置、
１１シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）、
２０サセプタ、
８サセプタ支持部材。

Claims

反応室の上壁を構成する透明な石英からなる上側ドームと、
前記反応室の下壁を構成する透明な石英からなる下側ドームと、
前記反応室内に水平に収納され、表面に半導体ウェーハが搭載される円板状のサセプタと、
前記上側ドームの上方におよび前記下側ドームの下方にそれぞれ配置され、前記サセプタに載置された前記半導体ウェーハを熱処理する複数のハロゲンランプと、
前記反応室のうち、前記サセプタの裏面側の空間に配置され、前記サセプタを下方から支持する透明な石英からなるサセプタ支持部材とを備えたエピタキシャル成長装置において、
前記サセプタ支持部材は、円筒の周側壁と該周側壁の下側開口を塞ぐ底壁とから構成された円形容器状または上側開口を有した円錐容器状のもので、
前記サセプタ支持部材は、前記サセプタのうち、前記半導体ウェーハが搭載される部分の裏面を覆う大きさで、
前記サセプタ支持部材の上側開口を形成する周縁部には、前記サセプタの裏面に先端が当接され、かつ該サセプタの裏面と前記サセプタ支持部材との間に、前記サセプタの裏面と平行にガスが流れる隙間を形成する３本の支持ピンが、前記サセプタ支持部材の周方向へ互いに離間して配設されたエピタキシャル成長装置。
前記サセプタの裏面のうち、前記各支持ピンの当接位置には、対応する該支持ピンの先端部が嵌入される孔が形成され、１つの該孔を残り２つの該孔より小径化することで、１本の前記支持ピンを前記サセプタの位置決め用のピンとした請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。