JP2010129764A - サセプタ、半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜工程における金属汚染を抑え、ウェーハ上に均一に成膜することができ、歩留の低下を抑えるとともに、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能なサセプタ、半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のサセプタ１１は、外径がウェーハｗの径より小さく、ウェーハｗの中心部を保持する第１のサセプタパーツ１２と、ウェーハｗの最外周を保持するスペーサ１４と、第１のサセプタパーツ１２とスペーサ１４を保持する第２のサセプタパーツ１３を備え、スペーサ１４の熱伝導率は、第１および第２のサセプタパーツ１２、１３の熱伝導率より低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハの裏面より加熱しながら表面に反応ガスを供給して成膜を行なうために用いられ、半導体ウェーハを保持するためのサセプタと、半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

一般に、半導体製造工程におけるエピタキシャル膜の形成などに用いられるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置において、ウェーハの下方に熱源、回転機構を有し、上方から均一なプロセスガスを供給することが可能な裏面加熱方式が用いられている。

近年、半導体装置の微細化、高機能化に伴い、成膜工程における金属汚染のレベルには高い水準が要求されている。上述した裏面加熱方式においては、ウェーハの下方に熱源、回転機構を有しており、これら熱源、回転機構と完全に分離されていないことから、金属原子の拡散、移動により、ウェーハ汚染が生じるという問題がある。

通常ウェーハは、成膜装置（反応炉）内において、サセプタにより保持され、搬送の際には、サセプタに設けられたピン穴を貫通する突き上げピンにより、上昇移動される。そのため、特にピン穴からのウェーハ汚染を遮断することが困難であるという問題がある。

一方、例えば特許文献１などにおいて、ウェーハ温度分布の均一性を図るために、ピン穴を設けないサセプタの構造が提案されている。しかしながら、実際にピン穴を有していないサセプタ構造とすると、ウェーハを載置する際に、ウェーハ下部に気体の層が形成され、ウェーハが浮かび上がるため、安定して保持することが困難である。

そこで、ウェーハ下部に空隙が形成されるようなサセプタ構造とすることが考えられる。しかしながら、ウェーハとサセプタを離間させると、ウェーハ面内の温度分布が不均一となり、均一な成膜が困難となるという問題がある。
特開２０００−４３３０２号公報（[００１９]〜[００２２]、[００３６]、図１など）

上述したように、サセプタに設けられるピン穴からの汚染を遮断するために、ピン穴を設けないサセプタ構造とすると、ウェーハを安定して保持し、均一に成膜することが困難であるため、ウェーハ下に空隙を設けると、温度分布が不均一となり、均一な成膜が困難となるという問題がある。

本発明は、成膜工程における金属汚染を抑え、ウェーハ上に均一に成膜することができ、歩留の低下を抑えるとともに、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能なサセプタ、半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のサセプタは、外径がウェーハの径より小さく、ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツと、ウェーハの最外周を保持するスペーサと、第１のサセプタパーツとスペーサを保持する第２のサセプタパーツを備え、スペーサの熱伝導率は、第１および第２のサセプタパーツの熱伝導率より低いことを特徴とする。

本発明のサセプタにおいて、第１のサセプタパーツは、円板状であり、表面にウェーハが載置される凸部を有することが好ましい。

また、この発明のサセプタにおいて、スペーサは、石英からなることが好ましい。

本発明の半導体製造装置は、ウェーハが導入される反応炉と、反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、反応炉よりガスを排出するためのガス排出機構と、外径がウェーハの径より小さく、ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツと、ウェーハの最外周を保持するスペーサと、第１のサセプタパーツとスペーサを保持する第２のサセプタパーツを有し、スペーサの熱伝導率が、第１および第２のサセプタパーツの熱伝導率より低いサセプタと、ウェーハを第１および第２のサセプタパーツの下部より加熱するためのヒータと、ウェーハを回転させるための回転機構と、ヒータを貫通し、第１のサセプタパーツを上下駆動させるための突き上げピンを備えることを特徴とする。

また、本発明の半導体製造方法は、反応炉内にウェーハを搬入し、反応炉内に設置され、ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツを、突き上げピンにより上昇させて、第１のサセプタパーツ上にウェーハを載置し、突き上げピンを下降させ、第１のサセプタパーツを第２のサセプタパーツ上に載置するとともに、ウェーハの最外周を、第１および第２のサセプタパーツより熱伝導率が低いスペーサ上に載置し、ウェーハを第１および第２のサセプタパーツを介して加熱し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にプロセスガスを供給することを特徴とする。

本発明のサセプタ、半導体製造装置および半導体製造方法を用いることにより、成膜工程における金属汚染を抑え、ウェーハ上に均一に成膜することができ、歩留の低下を抑え、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。

以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態のサセプタの断面図を示す。図に示すように、サセプタ１１は、第１のサセプタパーツであり、例えばＳｉＣからなるインナーサセプタ１２と、このインナーサセプタ１２の外周に設けられる第２のサセプタパーツであり、例えばＳｉＣからなるアウターサセプタ１３と、インナーサセプタ１２とアウターサセプタ１３の間に設けられ、例えば石英からなるリング状のスペーサ１４から構成されている。

インナーサセプタ１２は、載置されるウェーハｗの径（例えばφ２０ｃｍ）より小さい円板状で、エッジ部分にテーパを有する段部１２ａが設けられている。そして、その上面には、例えば４か所に同じ高さのドット状の凸部１２ｂが、同一円周上に略等間隔に配置されている。

アウターサセプタ１３は、開口部が設けられており、内壁のエッジ部分にテーパを有する段部１３ａが設けられている。段部１３ａには、開口部を遮蔽するように、インナーサセプタ１２が載置されるとともに、その外周に、内壁にテーパを有するスペーサ１４が載置される。スペーサ１４の断面形状は、例えば幅５ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの長方形とする。スペーサ１４の上面は、インナーサセプタ１２の凸部１２ｂの上端と同じ高さで、かつアウターサセプタ１３の上面より低くなっている。スペーサ１４より突出したアウターサセプタ１３の内壁１３ｂは、例えばウェーハｗの２２°のベベルテーパ角とほぼ等しい角度となるように、テーパを有している。

このような構成のサセプタ１１上に、ウェーハｗが載置される。ウェーハｗは、その裏面の中心部がインナーサセプタ１２の凸部１２ｂに、最外周がスペーサ１４に接している。なお、中心部とは、最外周より中心に近い領域を示している。そして、ウェーハｗのエッジ（外周）がアウターサセプタ１３の内壁１３ｂに囲まれた状態となる。常温では、インナーサセプタ１２とスペーサ１４間、ウェーハｗとアウターサセプタ１３間には、加熱後の熱膨張を考慮して、それぞれ０．５〜１．０ｍｍ、１．０〜１．５ｍｍ程度の間隙が形成されている。

このようなサセプタ１１は、半導体製造装置内に載置され、以下のように用いられる。

図２に本実施形態の半導体製造装置であるエピタキシャル成長装置の断面図を示す。例えばφ２００ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応室２１には、反応室２１上方より、ＴＣＳ、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスをウェーハｗ上に供給するためのガス供給機構（図示せず）と接続されたガス供給口２２が設置されている。そして、反応室２１下方には、例えば２箇所にガスを排出し、反応室２１内の圧力を一定（常圧）に制御するためのガス排出機構(図示せず)と接続されたガス排出口２３が設置されている。

反応室２１上部には、ガス供給口２２から供給されたプロセスガスを、ウェーハｗ上に整流状態で供給するための整流板２４が設置されている。

反応室２１の下方には、モータ（図示せず）、回転軸（図示せず）、リング２５ａなどから構成されるウェーハｗを回転させるための回転駆動機構２５と、回転駆動機構２５と接続され、ウェーハｗを保持するためのサセプタ１１が設置されている。

サセプタ１１の下方には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗを加熱するためのインヒータ２６ａが設置されている。さらに、サセプタ１１とインヒータ２６ａの間には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗの周縁部を加熱するためのアウトヒータ２６ｂが設置されている。インヒータ２６ａの下部には、ウェーハｗを効率的に加熱するための円盤状のリフレクター２７が設置されている。そして、インヒータ２６ａ、リフレクター２７を貫通するように設けられ、ウェーハｗを上下に移動させるための突き上げピン２８が設置されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に例えばＳｉエピタキシャル膜が形成される。先ず、図３に示すように、例えばφ２０ｃｍのウェーハｗを、外周部分において搬送アーム２９により保持し、反応炉２１に搬入する。そして、突き上げピン２８により、インナーサセプタ１２を上昇させる。このとき、ウェーハｗは、インナーサセプタ１２の外側で搬送アーム２９により保持されており、インナーサセプタ１２を上昇させることにより、インナーサセプタ１２上にウェーハｗが載置される。そして、突き上げピン２８により、インナーサセプタ１２を下降させることにより、ウェーハｗおよびインナーサセプタ１２をアウターサセプタ１３に保持させる。

このとき、ウェーハｗは、その中心部がインナーサセプタ１２の凸部１２ｂ上に、最外周がスペーサ１４上に載置され、ウェーハｗ裏面とインナーサセプタ１２との間には間隙が形成されている。

次いで、温度測定機構（図示せず）により測定されるウェーハｗの温度に基づき、温度制御機構（図示せず）により、インヒータ２６ａ、アウトヒータ２６ｂの温度を例えば１４００〜１５００℃の範囲で適宜制御して、ウェーハｗの温度が例えば１１００℃となるように制御する。さらに、回転機構２５によりウェーハｗを例えば９００ｒｐｍで回転させる。

そして、ガス供給口２３より、例えば、キャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ_３を５０ｓｃｃｍ〜２ＳＬＭ、ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３：微量からなるプロセスガスが、整流板２２上に導入され、整流状態でウェーハｗ上に供給される。このとき、反応炉２１内の圧力は、ガス供給口２３、ガス排出口２４のバルブを調整することにより、例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧に制御される。このようにして、各条件が制御され、ウェーハｗ上にエピタキシャル膜が形成される。

図４に、エピタキシャル膜形成時のウェーハｗ温度の位置依存性を示す。なお、図５に比較例として、スペーサを設けないで、同様にエピタキシャル膜を形成したときのウェーハｗ温度の位置依存性を示す。これら図に示すように、本実施形態によれば、特にウェーハの最外周における温度上昇を従来の１／１０程度に抑えることが可能となり、例えば面内の膜厚のばらつきが０．５％以下の均一なエピタキシャル膜を形成することが可能となる。

最外周の温度上昇を抑えるには、単にアウトヒータ２６ｂの温度を下げることも考えられるが、その場合、よりウェーハｗの中心に近い領域の温度が下がり過ぎてしまう。そのため、最外周の温度のみを下げる必要がある。本実施形態においては、ウェーハｗの最外周が、熱伝導率の低いスペーサ１４と接触しているため、最外周からの急激な温度上昇が抑えることができる。

その結果、ウェーハｗ上に、例えば膜厚のばらつきが０．５％以下の均一なエピタキシャル膜を形成することが可能となる。

また、温度分布のばらつきに起因する結晶方向のせん断応力で規定されるスリップ応力についても、ウェーハｗ面内の最大値を、1つの目安として、起点が存在するときにスリップが進行する応力として定義される転位停止臨界応力より小さくすることができる。また、サセプタ１１との接触位置（最外周）におけるスリップ応力については、従来の１／１０近くまで抑えることができ、ウェーハｗへのスリップの発生を抑えることが可能となる。

また、このようにして形成されたエピタキシャル膜において、ＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法によるＦｅの拡散長が例えば４００μｍとなり、十分に金属汚染が抑えることが可能となる。

そして、素子形成工程及び素子分離工程を経て半導体装置が形成される際、素子特性のばらつきを抑え、歩留り、信頼性の向上を図ることが可能となる。特にＮ型ベース領域、Ｐ型ベース領域や、絶縁分離領域などに数１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜成長が必要な、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体装置のエピタキシャル形成工程に適用されることにより、良好な素子特性を得ることが可能となる。

本実施形態において、図１に示すように、スペーサ１４の断面形状を所定の長方形としたが、段面積を変動させることにより、ウェ−ハｗへの熱伝導量を変えることができる。従って、最外周の温度上昇に応じて、スペーサ１４の断面積を適宜最適化し、ウェーハｗの温度分布を均一に制御することができる。

また、図６にサセプタの部分拡大図を示すように、スペーサ６４の断面形状を、内周側にテーパを有する台形形状としてもよい。アウターサセプタ６３の段差上にスペーサ６４を配置し、このテーパに合わせてインナーサセプタ６２の相対する部分にテーパを形成することにより、インナーサセプタ６２の芯出しを容易に行うことができる。

なお、インナーサセプタ１２を円板状としたが、リング状でもよい。インナーサセプタ１２の上面に設けられる凸部１２ｂは、ドット状のものを４か所としたが、ウェーハｗを水平に保持できればよく、特にその形状、配置などは限定されるものではない。例えば、ウェーハｗとの接触面積をできだけ小さくするためには、３か所のドット状の凸部で保持することが好ましい。また、１か所以上に切り欠き（非連続部）を有するリング状であってもよい。

また、インナーサセプタ、アウターサセプタの材料としてＳｉＣを用いたが、加工性、高温安定性の観点で好ましい。ＳｉＣは、焼結体を用いることが可能であり、さらに高純度のＳｉＣを被覆してもよい。また、カーボンに高純度のＳｉＣを被覆したものも用いることができる。一方、スペーサとして石英を用いたが、ＳｉＣやカーボンより熱伝導率が低く、高温安定性に優れているため、好適である。

また、本実施形態においては、Ｓｉ単結晶層（エピタキシャル成長層）形成の場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用されることも可能である。さらに、他の化合物半導体、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなどにも適用可能である。また、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜形成の場合にも適用可能で、ＳｉＯ_２膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒガスを、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、ＮＨ_３、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒガスなどが供給されることになる。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一態様におけるサセプタの断面図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一態様におけるエピタキシャル膜形成時のウェーハｗ温度の位置依存性を示す図。 比較例におけるエピタキシャル膜形成時のウェーハｗ温度の位置依存性を示す図。 本発明の一態様におけるサセプタの部分拡大図。

符号の説明

１１…サセプタ
１２、６２…インナーサセプタ
１２ａ、１３ａ…段部
１２ｂ…凸部
１３、６３…アウターサセプタ
１４、６４…スペーサ
２１…反応炉
２２…ガス供給口
２３…ガス排出口
２４…整流板
２５…回転機構
２６ａ…インヒータ
２６ｂ…アウトヒータ
２７…リフレクター
２８…突き上げピン
２９…搬送アーム

Claims (5)

1. 外径がウェーハの径より小さく、ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツと、
   前記ウェーハの最外周を保持するスペーサと、
   前記第１のサセプタパーツと前記スペーサを保持する第２のサセプタパーツを備え、
   前記スペーサの熱伝導率は、前記第１および第２のサセプタパーツの熱伝導率より低いことを特徴とするサセプタ。
2. 前記第１のサセプタパーツは、円板状であり、表面に前記ウェーハが載置される凸部を有することを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
3. 前記スペーサは、石英からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサセプタ。
4. ウェーハが導入される反応炉と、
   前記反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、
   前記反応炉よりガスを排出するためのガス排出機構と、
   外径が前記ウェーハの径より小さく、前記ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツと、前記ウェーハの最外周を保持するスペーサと、前記第１のサセプタパーツと前記スペーサを保持する第２のサセプタパーツを有し、前記スペーサの熱伝導率が、前記第１および第２のサセプタパーツの熱伝導率より低いサセプタと、
   前記ウェーハを前記第１および第２のサセプタパーツの下部より加熱するためのヒータと、
   前記ウェーハを回転させるための回転機構と、
   前記ヒータを貫通し、前記第１のサセプタパーツを上下駆動させるための突き上げピンを備えることを特徴とする半導体製造装置。
5. 反応炉内にウェーハを搬入し、
   前記反応炉内に設置され、前記ウェーハの中心部を保持する第１のサセプタパーツを、突き上げピンにより上昇させて、前記第１のサセプタパーツ上に前記ウェーハを載置し、
   前記突き上げピンを下降させ、前記第１のサセプタパーツを第２のサセプタパーツ上に載置するとともに、前記ウェーハの最外周を、前記第１および第２のサセプタパーツより熱伝導率が低いスペーサ上に載置し、
   前記ウェーハを前記第１および第２のサセプタパーツを介して加熱し、
   前記ウェーハを回転させ、
   前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することを特徴とする半導体製造方法。

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