(57)【要約】サセプタの裏側からの輻射をモニタするためにサセプタ内の１以上の光ファイバを用いる装置および対応する方法が開示される。光ファイバはフィルタされ、電気信号に変換される。堆積サイクルの間電気信号を一定に保つことによってウェハの温度を一定に保持するために制御システムが用いられる。これにより、低温および減圧下でパターンが形成されたウェハ上に非選択エピタキシャルポリシリコン成長を行う間にウェハの温度が変化することによる問題を克服することができる。
2006509367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側および底側を有するウェハ用のサポート（１１）を有するサセプタ（３０）と、
前記ウェハの前記底側からの輻射がモニタ可能なように前記サセプタ（３０）に接続される少なくとも１つの光ファイバ（３７）と、
前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）に結合される光信号測定器（３９）と、
を備えることを特徴とする、ウェハ製造装置。
【請求項２】
２つの光ファイバ（３７，３８）が前記サセプタ（３６）に接続され、第１の光ファイバ（３７）は前記サセプタの中心近くに配置され、第２の光ファイバ（３８）は前記ウェハの端部近くに配置されることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項３】
前記光信号測定器（３９）は前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）からの光信号をフィルタし、フィルタされた光信号を電気信号に変換し、フィードバック制御信号を提供することを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）は、前記ウェハの前記底側にアクセスするために前記サセプタ（３０）の穴（３５）に挿入されることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）から成ることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）はクォーツ（ＳｉＯ２）から成ることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項７】
前記光ファイバ（３７）は前記サセプタ（３０）を支持する構造体に組み込まれることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項８】
前記サセプタ（３０）は回転部（３１）と固定部（３２）とを有することを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項９】
前記サセプタ（３０）の温度を測定するために配置される熱電対（２４）または高温計をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載のウェハ製造装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光ファイバ（３７）からの光信号が固定モニタ装置経由で前記光信号測定器（３９）に結合することを特徴とする、請求項８に記載のウェハ製造装置。
【請求項１１】
前記フィードバック制御信号を受信し、堆積サイクルの間一定のウェハ温度を維持する制御システムをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のウェハ製造装置。
【請求項１２】
ウェハの裏側からの光輻射信号を受信するステップと、
前記ウェハを通らない前記輻射信号のスペクトラムをフィルタするステップと、
前記フィルタされた輻射信号を電気信号に変換するステップと、
堆積サイクルの間前記電気信号を一定に保つことによってウェハ温度を制御するステップと、
を備えることを特徴とする、エピタキシープロセスを用いてウェハを製造する方法。
【請求項１３】
前記受信するステップは、前記ウェハの中心からの第１の光輻射信号と、前記ウェハの端部からの第２の光輻射信号とを受信することを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御するステップは、前記堆積のはじまりから前記第１および第２の光輻射信号を一定に保つことを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
エピタキシャルリアクタ内でパターンが異なる、またはフィールド酸化物または窒化物の厚さが異なるウェハ間の温度差を減少させる方法であって、
第１の圧力において堆積温度までウェハを加熱するステップと、
前記ウェハの裏側からの第１の輻射信号レベルを記録するステップと、
前記第１の圧力より低い第２の圧力での次の堆積サイクル中、前記ウェハの前記裏側からの第２の輻射信号レベルが前記記録された第１の輻射信号レベルと実質的に同じになるように温度を制御するステップと、
を備える方法。
【請求項１６】
前記次の堆積サイクルは前記ウェハ上に異なるパターンを形成するか、またはフィールド酸化物または窒化物の厚さを異ならせることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の圧力は大気圧であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ製造の分野に関する。より詳しくは、本発明は非選択エピタキシャル成長の間、ウェハ温度の変化を制御および／または補正するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体業界では、単結晶半導体基板の上に結晶格子が維持された状態の半導体材料層を成長させるためにエピタキシーが用いられる。一般的な例としては、シリコン基板の上にエピタキシャルシリコン層を成長させたり、シリコン基板の上にＳｉＧｅ合金層を成長させたりすることがあげられる。これは、適当な環境での化学気相成長法（ＣＶＤ）によって行われる。ウェハは適当な温度まで加熱され、要求される成分を含むガスが通常はシリコンウェハである基板上を通過するようにされる。リアクタの壁上に成長するのを防ぐためには、ウェハのみを加熱し、リアクタ（反応炉）の壁を比較的低温に保つとよい。
【０００３】
半導体業界で用いられる一般的なエピタキシャルリアクタは、透明なクォーツ反応室を有し、ここをガスが通過する。クォーツ室の中では、基板はサセプタ（susceptor）の上に置かれる。ウェハおよびサセプタは、高輝度のランプで照らされ、所望の温度まで加熱される。反応室のクォーツ壁は輻射を比較的少量しか吸収しないため、簡単に冷却される。サセプタの温度は測定され、制御される。ウェハの温度はサセプタの温度とほとんど同じであるとみなされる。
【０００４】
図１Ａおよび１Ｂは、簡単な例を示す。通常はＳｉＣがコーティングされたグラファイトディスクであるサセプタ１０には、その表面上にウェハ（図示せず）を支持するポケット１１が機械仕上げされている。サセプタ１０の温度は、サセプタ１０の裏側に向けられた高温計１２によって測定される。高温計はウェハの上面にも向けられて、ウェハの温度を直接測定することもできる。しかし、特にパターンが形成されたウェハに堆積しなければならない場合、ウェハ表面の輻射率は一定ではないため、この方法はウェハの温度を測るのに適当な方法ではない。堆積された層の均一性を向上させるために、堆積プロセスの間サセプタ１０を回転することが可能である。
【０００５】
図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃはもう少し複雑な例を示す。サセプタ２０は２つの部分から成る。図２Ａに示される回転内側部２１および固定外側部２２である。回転内側部２１はポケット２３内にウェハ（図示せず）を支持し、回転する。サセプタ２０の固定外側部２２（例えばリング）は、回転内側部２１と同じ材料から成るが、回転しない。これは、（図２Ｃの断面図に示されている）熱電対２４を用いての温度測定を可能にするために行われる。
【０００６】
サセプタ２０の裏側中央にある（図２Ｂの断面図に示されている）小さなポケット２５は、図２Ｃに示される熱電対２４の先端を受け止めることが意図されている。熱電対２４は回転内側部２１と共に回転する。固定外側部２２は、ウェハの端部の温度を測定するために、１以上の熱電対２８を熱電対ボア２６を介して支持する。すべての熱電対２４および２８は、温度制御システム２７につながれ、サセプタ２０の中央および端部の温度を極めて正確に制御可能にしている。
【０００７】
これらの装置は有用であることが証明されているが、これらの装置には重大な欠点が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の出願人は、上述の従来のシステムにはいくつかの重大な欠点があることを認識した。以下に述べるように、パターンが形成されたウェハに低温および減圧状態で非選択エピタキシャルポリシリコン成長を行っているときにウェハの温度が変化することにより、問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１態様は、ウェハの裏側からの輻射をモニタする、サセプタ内に１以上の光ファイバを用いる方法および装置である。このタイプの構成には様々な利点がある。例えば、（１）ウェハの層全体においてドーパントやＧｅレベルがより安定的であるため、エピ層の質が向上する、（２）特定の層や一連の層をウェハ内に成長させるための調整の労力を著しく削減できる、などである。
【００１０】
本発明の１実施形態は、ウェハ用のサポートを有するサセプタと、ウェハの底側からの輻射がモニタ可能なようにサセプタに接続される少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つの光ファイバに結合される光信号測定器と、を備えるウェハ製造装置である。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、エピタキシープロセスを用いてウェハを製造する方法である。この方法は、ウェハの裏側からの光輻射信号を受信するステップと、ウェハを通らない輻射信号のスペクトラムをフィルタするステップと、フィルタされた輻射信号を電気信号に変換するステップと、を備える。この方法はさらに、堆積サイクルの間電気信号を一定に保つことによってウェハ温度を制御するステップを備える。
【００１２】
本発明のさらに他の実施形態は、エピタキシャルリアクタ内でパターンが異なる、またはフィールド酸化物または窒化物の厚さが異なるウェハ間の温度差を減少させる方法である。この方法は、第１の圧力において堆積温度までウェハを加熱するステップと、ウェハの裏側からの第１の輻射信号レベルを記録するステップと、大気圧である第１の圧力より低い第２の圧力で次の堆積サイクル中、ウェハの裏側からの第２の輻射信号レベルが記録された第１の輻射信号レベルと実質的に同じになるように温度を制御するステップと、を備える。
【００１３】
この要約は本発明の本質が素早く理解できるように提供されたものである。以下の、添付の図面を参照した本発明の好適な実施形態の詳細な記載を参照することにより、本発明をさらに完全に理解することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ウェハの温度がサセプタの温度とほとんど等しいという想定は、現実的には高温であるということにほぼ近いものである。この意味では、高温とは、成長速度が「トランスポート・リミテッド（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ）」な温度の状況であると定義される。ウェハの表面への新しい反応物の拡散は制限因子であり、この状況では高温における成長速度は温度に控えめにのみ依存する。シリコンエピタキシーで８５０−９００℃以上の場合、上述のシステムは満足できる結果を提供することができる。しかし、低温ではこれは当てはまらない。低温域でサセプタの温度がウェハの温度を計る基準としては不十分であることの理由は２つある。この意味で、低温とは、成長速度が「トランスポート・リミテッド」でない温度の状況であると定義される。
【００１５】
第１に、低温では、ウェハの成長速度は温度に大きく依存する関数である。低温では、８５０℃未満でのシリコンエピにおいて、成長速度は反応速度によって決定される。成長は、「運動制御された」型になると言われており、強力な温度従属性があることを特徴とする。この場合、ウェハとサセプタとの温度差は高温よりも低温の方がかなり顕著になる。
【００１６】
次に、低温では、ウェハとサセプタとの間の熱伝達は、輻射に支配される状態から、伝導に支配されるものへと変わる。サセプタとウェハとの間に形成される薄いガスフィルムが重要な役割を果たし、圧力が減少すると熱伝達が減少する。これは、低温および減圧下においてはウェハとサセプタとの間には大きな温度差がある可能性があることを意味する。
【００１７】
Ｗ．Ｂ．デボア（Ｗ．Ｂ．ｄｅ  Ｂｏｅｒ）他による「ＳｉおよびＳｉＧｅの低温エピタキシャル成長での輻射率効果」、電気化学協会会報（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）、第９９−１００巻、（引用により本明細書中に記載されたものとする）によれば、（ウェハとサセプタとの間の）温度差は大きな問題ではない。問題は、パターンが形成されたウェハ上での成長の間、ウェハの輻射率が変化することである。これによりウェハとサセプタとの間の熱流束が変化し、転じて成長の間ウェハの温度が変化する。この、どちらかといえば予測不可能な温度変化は、１以上の悪影響を及ぼす。
ｉ）堆積中に成長速度が変化し、ウェハの層厚が堆積時間と直線的には増加しない。
ｉｉ）堆積中例えば、ＢやＰの含有量が一定ではなく変化する。
ｉｉｉ）ＳｉＧｅ合金層を成長させるとき、堆積中Ｇｅの含有量が変化する。
ｉｖ）フィールド酸化物または窒化物のパターンや厚みを異なるものに切り換えるとき、ウェハ温度が変化する可能性があり、複雑な再調整手順を踏まなければならない。
【００１８】
ウェハの輻射率が変化することと、ウェハ周辺のサセプタ端部の輻射率がより一定であることも、ウェハに中心−端部効果を与える原因となる。成長サイクルの間、ウェハの中心部の温度は端部の温度とは異なる形で変化する。つまり、層の厚さおよびドーパントの濃度の中心−端部変化は、層の厚さを増したり、パターンを変えたりすることによって、変化する。
【００１９】
ここで述べられる問題は、いわゆるコールドウォールリアクタの特徴に関するものであって、加熱方法とは関係がない。このことに関し、成長速度やＢやＧｅの成長層への混入などのようなパラメータの高温依存性のために、問題が起こる。例えば、低温や減圧下でパターンが形成されたウェハにブランケット層が成長されるときである。シリコンのブランケット堆積の間、下にあるシリコンが露出されたウィンドウにはエピタキシャル層が堆積され、酸化物または窒化物の上にはポリシリコン（またはポリＳｉＧｅ）層が堆積される。これは通常ウェハの９０％以上を覆う酸化層および／または窒化層上への成長であり、ウェハの輻射率を変化させ、結果的に温度の変動（ドリフト）を引き起こす。
【００２０】
上述の問題に対処する一つの考え得る方法としては、例えば適当な光学部品によってクォーツリアクタ壁を介してウェハに向けられた高温計を用いてウェハの本当の温度を測定することがある。しかし、これは様々な現実的な問題により、エピタキシャルリアクタによる現在の生成では不可能である。基本的な問題はもちろん、ウェハ表面上の輻射率は成長中、特にパターンが形成されたウェハが堆積されるときに変化することである。高温計によって得られた輻射エネルギーは輻射対象の輻射率がわかっている場合にのみ、温度に変換することができる。従って、輻射率が変化するウェハの上表面の輻射を高温計が読んだとしても輻射率がわからない限り、温度に変換することはできず、それはこの装置には当てはまらない。
【００２１】
それほど根本的ではないが、問題にはなる他の問題点としては、（１）高温計は加熱ランプからの散乱輻射を拾い上げる傾向にあること、（２）クォーツプロセスチューブは堆積中薄い被膜を得やすいということがある。これらの効果はどちらも正確な温度測定の妨げとなりやすい。高温計によってウェハ温度の測定と対比させてサセプタ温度を測定することは可能であるが、理想ではなく、変動の影響を受けやすいことが理解される。
【００２２】
本発明の１実施形態は、これらの問題点を回避することと共に、ウェハの温度が変化するという問題を解決することに向けられている。これは、ウェハの下にあるサセプタ内に、ウェハの裏側からの輻射を受け取る（モニタする）ように光ファイバを挿入することによって達成される。
【００２３】
サセプタ内に挿入された光ファイバは、例えばスパッタリングおよび反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈ（ＲＩＥ））装置内で用いられてもよい。しかし、この場合光ファイバの目的は、裏面の輻射率を知るべきウェハの温度を測定することである。さらに、高温計および／または光ファイバを用いる光学温度測定は高速熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＲＴＰ））装置では一般的なものである。しかし、この場合においても、この装置はウェハの輻射率を知るべき実際のウェハ温度測定のみを考慮している。
【００２４】
光ファイバは測定装置と結合される。このような測定装置はこの分野ではよく知られており、ここで詳細に記載されることはない。ウェハが通さないスペクトラムからのセクションがフィルタされる（バンドパスフィルタ）。次に光信号は変換器を用いて電気信号に変換される。
【００２５】
ウェハ温度を一定に保つために、電気信号は堆積サイクルの間一定に保たれなければならない。これは専用の制御システムによって容易に達成される。ウェハの裏側にはコーティングがされてもされなくてもよい。ただ一つの要件は、光信号は堆積のはじまりから一定に保たれるということである。
【００２６】
上述した従来のサセプタ温度測定システム（つまり、図１の構成要素１２および図２の構成要素２４、２８および２７）には修正が施されないことが注目される。この装置では、ウェハの裏側の輻射率は役割を果たしていないことにもまた注目できる。
【００２７】
他の実施形態では、１またはそれ以上の光ファイバがサセプタに挿入される。この装置では、１つの光ファイバがウェハの中心をモニタし、第２の光ファイバがウェハの端部をモニタする。両方の光信号を堆積の開始から一定に保つことにより、中心部から端部への変化もまた抑制することができる。ウェハの裏側で中心部および端部の輻射率は同じである必要がないことが注目できる。さらなる光ファイバを挿入することも可能であるが、性能の向上と、測定／制御システムの複雑さを増すこととのバランスをとらなくてはならない。
【００２８】
当業者であれば、上述のように堆積サイクル中ウェハの温度が変化するのを解決することは、従来の（エピタキシャル）リアクタで存在する、異なるパターンを有したり、フィールド酸化物または窒化物の厚さが異なったりするウェハ間の温度差を減少させるのに用いることができることを認識するであろう。
【００２９】
従来の温度測定システム（上述のもの）は修正されなかったが、本発明の様々な実施形態と共に用いてウェハの温度を較正することが可能である。方法は以下の通りである。ウェハが第１の圧力（例えば、大気圧）で堆積温度まで加熱される。この構成では、ウェハとサセプタとの間の熱結合は良好であり、ウェハとサセプタとの間の温度差は小さい。光センサからの信号レベルは記録され、次の減圧下での堆積サイクルの間、光センサの信号が記録された値まで実質的に復元できるようなやり方で温度は制御されなければならない。この方法によりパターンに関わりなくウェハの温度は較正され、マスクが異なり、誘電体の厚さが異なるウェハのためのリアクタをセットアップする際にかなりの救いとなる。
【００３０】
図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、本発明の好適な実施形態によるサセプタ３０のブロック図である。サセプタ３０は２つの部分から成る。図３Ａに示される回転内側部３１および固定外側部３２である。回転内側部３１はポケット３４にウェハ３３を支持する。このブロック図は複雑な例、つまり温度測定のために熱電対２４および２８を用いる装置を示す。より簡単な装置、例えば熱電対２４および／または２８を用いない、あるいは光ファイバが１つだけである装置を用いてサセプタ３０を構成することができる。
【００３１】
図３Ｂに示されるように、２つの穴３５および３６がサセプタ３０にあけられる。一方の穴３６はサセプタ３０の中心近くに配置され、他方の穴３５はウェハ３３の端部近くに配置される。光ファイバ３７および３８が各穴３５および３６に挿入され、ウェハ３３の裏側からの輻射を拾う（図３Ｃ）。光ファイバ３７および３８は、例えば、プロセス中かなり高温になる場合はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）から成り、温度が中程度の範囲の場合はクォーツ（ＳｉＯ２）から成る。光ファイバ３７および３８はサセプタ３０を支持する（クォーツ）構造（図示せず）に組み込まれてもよい。
【００３２】
光ファイバ３７および３８は測定装置３９に結合される。ウェハが通さないスペクトラムからのセクションがフィルタされる（バンドパスフィルタ）。次に光信号は変換器４０を用いて電気信号に変換される。変換器４０によりフィードバック制御信号が提供される。制御システム４３はフィードバック制御信号を受信し、例えば、フィードバック制御信号に従って堆積サイクル中ウェハの温度を一定に保つ。
【００３３】
サセプタ３０の回転は、光信号の測定装置３９への結合を困難にする。光ファイバ３７および３８からの光信号を電気信号に変換するのではなく（例えば、すべり接触による送信よりは）、熱電対２４信号に行われたように、回転する光ファイバ３７および３８を固定モニタ装置４１に光学的に結合することが望ましい。サセプタ３０が１回転する間、各光ファイバ３７、３８は回転サイクルの短い期間の間に、通過するときにオプチカルマルチプレクサ４２を介してモニタ装置４１に光信号を転送する。これにより、システム全体の構成要素／部品の数を最小化でき、光ファイバ３７および３８両方からの信号が同じ光学パスおよび電気パスをたどることが可能になり、よって信号処理パスの変動の影響が削減できる。
【００３４】
本発明は特定の説明的な実施形態に関して記載されてきた。本発明が上述の実施形態やその変形例に限定されるものではなく、添付の請求項の精神および範囲から逸脱することなく当業者による様々な変更や修正が可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】エピタキシャルリアクタ内の従来のサセプタを示す図。
【図１Ｂ】エピタキシャルリアクタ内の従来のサセプタを示す図。
【図２Ａ】エピタキシャルリアクタ内の他の従来のサセプタを示す図。
【図２Ｂ】エピタキシャルリアクタ内の他の従来のサセプタを示す図。
【図２Ｃ】エピタキシャルリアクタ内の他の従来のサセプタを示す図。
【図３Ａ】本発明の好適な実施形態に従ったサセプタを示す図。
【図３Ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったサセプタを示す図。
【図３Ｃ】本発明の好適な実施形態に従ったサセプタを示す図。
2006509367.tif 000003
2006509367.tif 000004
2006509367.tif 000005
【国際調査報告】
2006509367.tif 000006
2006509367.tif 000007
2006509367.tif 000008
2006509367.tif 000009
2006509367.tif 000010