(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの製造においてウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を形成する枚葉式エピ炉とされるエピタキシャル成長装置であって、
ウェーハを収容するチャンバーと、該チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内の前記ウェーハに側方から供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを複数のガス流出口からチャンバー内に流出させ、該ガス流出口のガス流れ下流側に位置する回転可能な前記サセプタ上の前記ウェーハに向けて流すための整流部材とを有し、
前記整流部材は、内部が中空の箱状体であり、その平面形状は前記ウェーハの周縁部に対向する側の側面が平面視して前記ウェーハの中央部から周縁部にかけて前記ウェーハの形状に沿ってなだらかに湾曲した湾曲面となっており、該湾曲面に前記ガス流出口としての複数の孔が設けられ、
各ガス流出口から前記ウェーハ端までの距離がほぼ等しくなるように、前記複数のガス流出口が前記ウェーハの形状に沿って一列に配置されるとともに、
各ガス流出口の孔の中心軸は、それぞれ前記ウェーハの径方向に沿っており、各ガス流出口から流出されるガスの流出方向がウェーハの中心を向くように配置され、
各ガス流出口から前記ウェーハ上に流されたガス流において、各ガス流出口の孔の中心軸が互いに平行な場合と比べて、前記ウェーハ周縁部で成膜に寄与するガス量を多くして、前記ウェーハ周縁部で膜厚が薄くなる状況を起こりにくくし、ウェーハ面内のエピタキシャル層の膜厚分布をよりなだらかにすることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記整流部材には、その内部空間でガスの流れを整流するための仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル成長装置に関し、特に、成長させる半導体膜の膜厚均一性に優れたエピタキシャル成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ、例えばシリコンウェーハの製造分野においては、基板の表面にシリコンエピタキシャル層を形成した、いわゆるエピタキシャルウェーハ（以下、エピウェーハと略す）が従来から知られている。この技術によれば、基板上に任意の膜厚や抵抗率を持つ単結晶シリコン層を形成できるので、高性能の半導体デバイスを製造することができる。例えばバイポーラトランジスタの分野では高速化の目的で、ＣＭＯＳメモリの分野ではソフトエラー、ラッチアップ等の不良対策として、エピウェーハの使用が極めて有効であることが認識されており、需要が高まっている。
【０００３】
この種のエピウェーハにおいて、通常、シリコンエピタキシャル層の膜厚は規定されており、規格管理されたものが出荷されている。例えば、厚いエピタキシャル層が要求される用途では数μｍ〜２０μｍ程度、薄いエピタキシャル層が要求される用途では１μｍ弱〜数μｍ程度に設定されている。
【０００４】
半導体デバイスの製造工程においてエピタキシャル層を形成する技術として、通常、気相エピタキシャル法が用いられている。これに用いるエピタキシャル成長装置は、枚葉式エピ炉の場合、チャンバー（炉）内のサセプタ上にウェーハが載置され、ウェーハが加熱されるとともに、ウェーハの上方にＳｉＨ4等の原料ガスとＨ2等のキャリアガスの混合ガスが供給されることにより、ウェーハ表面にＳｉエピタキシャル層が形成されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスの分野においては高集積化が年々進んでおり、より微細な加工が必要になってきている。この際、例えばフォトリソグラフィー工程における露光装置の焦点深度等の関係から、デバイス材料となるシリコンウェーハの平坦度が高いことが要求される。ウェーハの平坦度は、フォトリソグラフィー工程のみならず、他の工程においても加工精度を向上させる上で重要なファクターとなっている。
【０００６】
しかしながら、従来の枚葉式エピ炉を用いたエピタキシャル層の成長方法においてはウェーハ面内の膜厚バラツキが大きく、特に膜厚変化がなだらかでなく、局所的に厚い箇所や薄い箇所が生じるという問題があった。したがって、エピウェーハの製造工程において、スライシングからポリッシングまでの加工精度を上げて下地ウェーハの平坦度をいくら向上させたとしても、その上に成長させるエピタキシャル層の凹凸があるために、結果的にウェーハ表面の平坦度が悪くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、エピタキシャル層の膜厚分布をなだらかにし、ウェーハ面内の凹凸をなくすことで全体としてウェーハの平坦度を改善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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のエピタキシャル成長装置は、シリコンウェーハの製造においてウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層を形成する枚葉式エピ炉とされるエピタキシャル成長装置であって、
ウェーハを収容するチャンバーと、該チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスもしくはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内の前記ウェーハに側方から供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを複数のガス流出口からチャンバー内に流出させ、該ガス流出口のガス流れ下流側に位置する回転可能な前記サセプタ上の前記ウェーハに向けて流すための整流部材とを有し、
前記整流部材は、内部が中空の箱状体であり、その平面形状は前記ウェーハの周縁部に対向する側の側面が平面視して前記ウェーハの中央部から周縁部にかけて前記ウェーハの形状に沿ってなだらかに湾曲した湾曲面となっており、該湾曲面に前記ガス流出口としての複数の孔が設けられ、
各ガス流出口から前記ウェーハ端までの距離がほぼ等しくなるように、前記複数のガス流出口が前記ウェーハの形状に沿って一列に配置されるとともに、
各ガス流出口の孔の中心軸は、それぞれ前記ウェーハの径方向に沿っており、各ガス流出口から流出されるガスの流出方向がウェーハの中心を向くように配置され、
各ガス流出口から前記ウェーハ上に流されたガス流において、各ガス流出口の孔の中心軸が互いに平行な場合と比べて、前記ウェーハ周縁部で成膜に寄与するガス量を多くして、前記ウェーハ周縁部で膜厚が薄くなる状況を起こりにくくし、ウェーハ面内のエピタキシャル層の膜厚分布をよりなだらかにすることにより上記課題を解決した。
また、本発明のエピタキシャル成長装置は、前記整流部材には、その内部空間でガスの流れを整流するための仕切板が設けられていることができる。
本発明のエピタキシャル成長装置は、ウェーハを収容するチャンバーと、該チャンバー内に回転可能に設置され、前記ウェーハを支持するサセプタと、原料ガスまたはキャリアガスを少なくとも含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを複数のガス流出口からチャンバー内に流出させ、前記ウェーハに向けて流すための整流部材とを有し、前記整流部材の複数のガス流出口は、ガスの流れ方向に垂直な方向において前記ウェーハの周縁部にあたるガス流出口が前記ウェーハの中央部にあたるガス流出口よりもガスの流れ方向の下流側に位置するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、従来のエピタキシャル成長装置においてエピタキシャル層の膜厚バラツキが大きくなる原因について検討した結果、チャンバー内のガス流入口の配置がウェーハ上でのガスの流速や流量に影響を及ぼし、これらのバラツキが膜厚バラツキを引き起こしていることを突き止めた。すなわち、従来の枚葉式のエピタキシャル成長装置は、サセプタ上に載置したウェーハの上方空間にガスを供給するための複数のガス流出口がチャンバー内に設けられ、これらガス流出口がガスの流れ方向に垂直な方向に沿って直線上に配置されていた。ところが、一般的に半導体ウェーハは円形であるから、ガス流出口がガスの流れ方向に垂直な方向に直線上に配置されていた場合、ガス流出口からウェーハ端までの距離が場所によって異なり、ウェーハの周縁部側では距離が遠く、ウェーハの中央部側では距離が近いことになる。この構成により、ウェーハ上に到達するガスの流速がウェーハ面内の場所によって異なり、エピタキシャル層にウェーハ面内で局所的に凹凸ができる原因となっていた。
【００１０】
これに対して、本発明のエピタキシャル成長装置においては、整流部材の複数のガス流出口の配置が、ガス流れ方向に垂直な方向に直線上に配置されているのではなく、ウェーハ周縁部にあたるガス流出口がウェーハ中央部にあたるガス流出口よりもガス流れ方向の下流側に位置するように配置されている。この構成によれば、ウェーハ周縁部におけるガス流出口からウェーハ端までの距離とウェーハ中央部におけるガス流出口からウェーハ端までの距離との差が従来の装置より小さくなるので、ウェーハ上の場所によるガスの流速の差が小さくなり、従来に比べてエピタキシャル層の膜厚に局所的な凹凸が生じるのを抑制することができる。
【００１１】
複数のガス流出口の位置関係として、例えば段階的に位置がずれていても良いが、できれば平面視してウェーハの中央部から周縁部にかけてなだらかに傾斜するように配置することが望ましい。この構成によれば、ガスの流速がウェーハ中央部と周縁部でなだらかに変化するため、エピタキシャル層の膜厚分布もよりなだらかにすることができる。特に、一般的な円形のウェーハを用いる場合には、各ガス流出口の位置を、平面視してウェーハ形状に沿って湾曲するように配置することが最適である。
【００１２】
さらにガス流出口の向きについては、各ガス流出口の孔の中心軸を平行とし、各ガス流出口から流出されるガスの流れ方向が平行になる向きでもよいが、各ガス流出口の孔の中心軸を平行にするのではなく、各ガス流出口から流出されるガスの流出方向（すなわち、孔の中心軸）がウェーハの中心を向くようにすることが望ましい。ガスを平行に流した場合、ウェーハ周縁部ではウェーハ外側に向けてガスが拡散することが避けられず、中心部に比べて成膜に寄与するガス量が少なくなり、膜厚が薄くなる傾向にある。これに対して、ガスをウェーハ中心に向けて流した場合、ウェーハ周縁部で成膜に寄与するガス量が平行に流した場合と比べて多くなるため、ウェーハ周縁部で膜厚が薄くなる状態が起こりにくくなり、ウェーハ面内の膜厚分布をよりなだらかにすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１は本実施の形態のエピタキシャル成長装置の概略構成を示す平面図であって、いわゆる枚葉式エピ炉の例である。図中符号２はチャンバー、３はサセプタ、４はガス供給源、５は整流部材、Ｗはウェーハである。
【００１４】
本実施の形態のエピタキシャル成長装置１は、図１に示すように、炉体状のチャンバー２の内部にサセプタ３が回転可能に設置され、サセプタ３上にエピタキシャル層を形成すべきウェーハＷが支持されるようになっている。よって、成膜中はウェーハＷが回転しながら表面にエピタキシャル層が形成される。例えばＳｉＨ4、ＳｉＣｌ4、ＳｉＨＣｌ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2等の原料ガスとＨ2等のキャリアガスとの混合ガスをチャンバー２の内部に供給するガス供給源４が設けられ、原料ガスとキャリアガスの混合ガスが配管６を通じてチャンバー２に導入される。そして、配管６の先端がチャンバー２内に設置された整流部材５の基端に接続されており、混合ガスは配管６を通った後、整流部材５を介してチャンバー２内のウェーハＷの上方空間に流入される。
【００１５】
本実施の形態の場合、整流部材５は、対称形の２つの部品が組み合わされて構成されている。図２は１つの整流部材５の平面図、図３はガス流出口が形成された面と反対の開口側から見た側面図である。各整流部材５は、図２、図３に示すように、内部が中空の箱状体であり、その平面形状はウェーハＷの周縁部に対向する側がウェーハＷに向けて（すなわち、ガスの流れ方向下流側に向けて）突出し、ウェーハＷの中央部に対向する側が凹んだようになだらかに湾曲した形状となっている。したがって、ウェーハＷに対向する側の側面５ａはほぼウェーハＷの形状に沿った湾曲面となっており、その湾曲面に複数（本実施の形態では９個）の孔が設けられ、これらの孔がガス流出口７として機能する。本実施の形態では、各ガス流出口７の孔の中心軸ｃが互いに平行であり、各ガス流出口７から流出されるガスの流れ方向が互いに平行になる。また、整流部材５には、その内部空間でガスの流れを整流するための仕切板８が設けられている。
【００１６】
本実施の形態のエピタキシャル成長装置１においては、ウェーハ周縁部にあたるガス流出口７がウェーハ中央部にあたるガス流出口７よりもガス流れ方向の下流側に配置され、しかも各ガス流出口７がほぼウェーハＷの形状に沿った湾曲面５ａ上に設けられている。この構成により、ウェーハ周縁部におけるガス流出口７からウェーハ端までの距離とウェーハ中央部におけるガス流出口７からウェーハ端までの距離がほぼ等しくなり、ウェーハ上の場所によるガスの流速の差が小さくなるため、エピタキシャル層の膜厚に局所的な凹凸が生じるのを抑制することができ、なだらかな膜厚分布を持つエピタキシャル層を形成することができる。その結果、完成ウェーハの平坦度を向上させることができる。
【００１７】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図４を用いて説明する。
本実施の形態のエピタキシャル成長装置の基本構成は第１の実施の形態と全く同様であり、異なる点は整流部材の構成のみである。よって、以下では、図４を参照して整流部材のみについて説明する。図４において図２と共通の構成要素には同一の符号を付す。
【００１８】
本実施の形態の場合も、整流部材は対称形の２つの部品が組み合わされて構成されており、図４は１つの整流部材の平面図である。各整流部材１０の構成は、図４に示すように、内部が中空の箱状体であり、その平面形状はウェーハ周縁部に対向する側からウェーハ中央部に対向する側にかけてほぼウェーハの形状に沿ってなだらかに湾曲している点、湾曲面１０ａに複数（９個）のガス流出口１１が設けられている点も第１の実施の形態と同様である。ところが。本実施の形態では、各ガス流出口１１の孔の中心軸ｃが、第１の実施の形態のように平行ではなく、それぞれがウェーハＷの径方向に沿っており、各ガス流出口１１から流出されるガスの流出方向がウェーハＷの中心を向くようになっている。
【００１９】
第１の実施の形態のように各ガス流出口７から流出されるガスを平行に流した場合、ウェーハ周縁部ではガスがウェーハ外側にも拡散し、中央部に比べて成膜に寄与するガス量が少なくなり、膜厚が薄くなる傾向にある。これに対して、本実施の形態のようにガスをウェーハ中心に向けて流した場合、ウェーハ周縁部で成膜に寄与するガス量が平行に流した場合と比べて多くなるため、ウェーハ周縁部で膜厚が薄くなる状況が起こりにくくなり、第１の実施の形態に比べてウェーハ面内のエピタキシャル層の膜厚分布をよりなだらかにすることができる。
【００２０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば整流部材に設けたガス流出口の数、形状等の具体的な構成に関しては、適宜変更が可能である。そして、本発明は上記実施の形態の枚葉式エピ炉の場合に限らず、ウェーハの表面に対して側方からガスを供給するタイプの他のエピタキシャル成長装置にも適用が可能である。また、上記実施の形態ではシリコンウェーハの例を説明したが、本発明はその他の半導体ウェーハにも適用可能である。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の効果を実証する実験の結果について報告する。
ガスの流れ方向に垂直な方向において、（１）ガス流出口が直線上に配置された従来の整流部材、（２）ガス流出口が湾曲面上に配置された上で各ガス流出口からのガスの流れ方向が平行な本発明の第１の実施の形態の整流部材、（３）ガス流出口が湾曲面上に配置された上で各ガス流出口からのガスの流れ方向がウェーハ中心部を向いた本発明の第２の実施の形態の整流部材を用意し、枚葉式エピ炉にそれぞれ設置して成膜を行った。この際、各整流部材のガス流出口の数、原料ガスおよびキャリアガス流量、回転速度、温度など、他のエピ成長条件は全く同一とした。
【００２２】
形成したエピタキシャル層の膜厚分布の測定結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。図５（ａ）は上記（１）の従来の整流部材における測定結果、図５（ｂ）は上記（２）の本発明の第１の実施の形態の整流部材における測定結果、図５（ｃ）は上記（３）の本発明の第２の実施の形態の整流部材における測定結果である。図５（ａ）〜（ｃ）において、横軸はウェーハ中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はシリコンエピタキシャル層の膜厚（−）を示す。
【００２３】
図５（ａ）に示すように、従来の整流部材を用いた場合、ウェーハ中心から±３０ｍｍ程度の領域にその周囲に対して高く盛り上がった凸部ができ、±８０ｍｍ付近の位置にも凸部が見られる。このように、ウェーハ表面に極めて局所的な凹凸が形成されているのがわかる。
【００２４】
これに対して、図５（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態の整流部材を用いた場合、ウェーハ周縁部の膜厚が厚くなったことでウェーハ面内全体の膜厚差はまだ若干大きいものの、図５（ａ）に見られるような局所的な凹凸がなくなり、膜厚分布がなだらかになった。
【００２５】
さらに、図５（ｃ）に示すように、本発明の第２の実施の形態の整流部材を用いた場合、膜厚分布がよりなだらかになると同時に、ウェーハ面内全体の膜厚差も小さくなることがわかった。この結果から、本発明のエピタキシャル成長装置の構成によってウェーハの平坦度が大幅に改善されることが実証された。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ウェーハ周縁部にあたるガス流出口がウェーハ中央部にあたるガス流出口よりもガス流れ方向の下流側に配置されたことにより、ウェーハ上の場所によるガスの流速の差が小さくなるため、エピタキシャル層の膜厚に局所的な凹凸が生じるのを抑制することができ、なだらかな膜厚分布を持つエピタキシャル層を形成することができる。その結果、ウェーハの平坦度を向上させることができ、高集積度の半導体デバイスの製造に適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態のエピタキシャル成長装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】  同、装置に用いる整流部材の平面図である。
【図３】  同、整流部材をガス流出口が形成された面と反対の開口側から見た側面図である。
【図４】  本発明の第２の実施の形態に用いる整流部材の平面図である。
【図５】  本発明の実施例であるウェーハ内の膜厚分布の様子を示す図であって、（ａ）従来の整流部材における測定結果、（ｂ）本発明の第１の実施の形態の整流部材における測定結果、（ｃ）本発明の第２の実施の形態の整流部材における測定結果である。
【符号の説明】
１  エピタキシャル成長装置
２  チャンバー
３  サセプタ
４  ガス供給源
５，１０  整流部材
６  配管
７，１１  ガス流出口
８  仕切板
Ｗ  ウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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