JP5626163B2 - エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置に関する。

気相成長法により、シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層（シリコン単結晶薄膜）を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ−ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。
近年、電子デバイスの微細化によって、薄膜化やウェーハの大直径化が進む中、形成されるエピタキシャル層厚の面内均一化が重要な課題の一つとなっている。例えば直径２００ｍｍのシリコンエピタキシャルウェーハの製造においては、複数枚の基板をバッチ処理する方法に代えて、膜厚分布等の制御が比較的容易な枚葉式エピタキシャル成長装置が主流になりつつある。これは、反応室内において、１枚のシリコン単結晶基板をサセプタ上で水平に保持し、原料ガスを反応室の一端から他端へ水平かつ一方向に供給しながら、エピタキシャル層を成長させるものである。

エピタキシャル層の成長速度は温度の影響を強く受けるので、エピタキシャル層厚の均一性を向上させるためには、シリコン単結晶基板の面内の温度分布の制御が重要である。
エピタキシャル成長装置の加熱方式には様々なものがあり、シリコン単結晶基板を１枚ずつエピタキシャル成長させる枚葉式エピタキシャル装置の場合は、シリコン単結晶基板の上下からハロゲンランプヒータで加熱する方式が多く使われる。ハロゲンランプに片口金型ランプを用いる場合は、ランプを放射状に１列の円形に配列することになり、このランプの背後にはヒータからの熱線を反射して基板に照射するためのドーナツ状のリフレクタを配置する（特許文献１、２参照）。また他に、サセプタの支持軸の保護や温度計測のための光路確保のために、サセプタに載置された基板の上下で、ドーナツ状のリフレクタの中心を通る円筒形状のリフレクタも配置される。

特開２０１０−１４７３５０号公報 特開平４−２５５２１４号公報

ヒータの背後に配置されるドーナツ状のリフレクタは、基板の中心付近を強く照射するインサイド用ランプの背後には円筒凹面形状の反射板部が、基板の周辺付近を強く照射するアウトサイド用ランプの背後には平面形状の反射板部が設けられる。
インサイド用ランプの円筒凹面形状の反射板部では、ランプの光が収束されるため、基板に帯状の照射面が形成され、円形に複数配置されたインサイド用ランプの帯状照射面が軸対称で加算されて、基板の中心付近の照射強度が周辺よりも強くなってしまう。一方、平面形状の反射板部においては、ランプの光が分散されるため、分散された光が、基板上に設けた円筒形状のリフレクタで反射され、基板周辺付近の照射強度が増大する。ヒータのインサイド／アウトサイド用ランプの照射強度を調整することにより、基板面内の温度分布の均一化を図るが、上記したように円筒凹面形状の反射板部から反射した熱線により、基板中心付近で帯状照射面の重なりが多くなるため、当該基板中心付近の照度が急激に増大しやすく、インサイド／アウトサイド用ランプの照度を調整しても、急激に変動した照度分布が残ってしまう問題があった。
これにより、基板の面内の温度分布が不均一になり、エピタキシャル層厚が面内で不均一になってしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、リフレクタからの熱線を調節して、シリコン単結晶基板を面内均一に加熱し、膜厚が均一なエピタキシャル層を成長させることができる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、サセプタに水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備え、前記上下のドーナツ状リフレクタの少なくとも一つは、前記ヒータの熱放射を収束させる収束反射板部と熱放射を分散させる分散反射板部とを有し、前記収束反射板部は前記棒状の単体ヒータに沿って形成された円筒凹面を有し、かつ該円筒凹面は前記ドーナツ状リフレクタの径方向で異なった曲率半径の断面の部分を有するものであることを特徴とするエピタキシャル成長装置を提供する。

このようなリフレクタの収束反射板部の円筒凹面であれば、基板中心領域への照射強度を効率的に調整することができ、基板面内で均一に加熱することができる。また、円筒凹面で反射するため、基板中心領域への熱線の反射を効果的に行うことができる。従って、基板を面内均一に加熱することにより、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができ、高品質なエピタキシャルウェーハを製造できる装置となる。

このとき、前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの外周端から内周端に向かって、断面の曲率半径が段階的に大きくなっているものであることが好ましい。
このように曲率半径が段階的に大きくなっているものであれば、本発明の円筒凹面の形成が容易で、かつ基板への熱線の照射を効果的に調節できる装置となる。

このとき、前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの外周端の断面の曲率半径が７０ｍｍ以下で、前記内周端の断面の曲率半径が１００ｍｍ以上であることが好ましい。
このような円筒凹面であれば、基板の面内の温度差を効果的に低減でき、基板の面内で均一な厚さのエピタキシャル層を成長させることができる装置となる。

このとき、前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの内周端の断面の曲率半径が無限大であることが好ましい。
このような内周端の断面が直線の円筒凹面は形成が容易で、基板の中央領域への照射強度を効果的に調節することができる装置となる。

以上のように、本発明によれば、ヒータにより基板面内均一に加熱して膜厚均一性が高いエピタキシャル層を成長させることができ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる装置となる。

本発明のエピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。 本発明のエピタキシャル成長装置のヒータとドーナツ状リフレクタの概略図である。 本発明のエピタキシャル成長装置のドーナツ状リフレクタを部分的に示す概略図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明のエピタキシャル成長装置の概略図を示す。

図１の枚葉式エピタキシャル成長装置１０は、反応室１１内にシリコン単結晶基板Ｗを水平に配置するためのサセプタ１２が設けられ、サセプタ１２は支持軸１３により支持され、この支持軸１３はサセプタ１２を回転させるための機構（不図示）を有する。
このサセプタ１２の上下には、シリコン単結晶基板Ｗを加熱するための単体ヒータが円形に並べられたヒータ１５ａ、１５ｂが各々配置されている。また、この上下のヒータ１５ａ、１５ｂの中央には、円筒状のリフレクタ１４ａ、１４ｂが各々配置されている。この円筒状のリフレクタ１４ａ、１４ｂにより、支持軸１３の加熱防止や、温度計測のための光路を確保することができる。

図２はサセプタ１２側から見たヒータ１５ａ、１５ｂと、その背後に設けられたドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの概略図である。ヒータ１５ａ、１５ｂは、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータ１７ａ、１７ｂを有する。この単体ヒータ１７ａ、１７ｂとしては、例えばハロゲンランプを用いることができ、主に基板中央部に熱線を照射するインサイド用ランプである単体ヒータ１７ａと、主に基板の周辺部に熱線を照射するアウトサイド用ランプである単体ヒータ１７ｂとを並べてヒータ１５ａ、１５ｂを形成する。これらインサイド／アウトサイド用の単体ヒータ１７ａ、１７ｂの照射強度を各々調節して基板を面内均一に加熱する。
そして、上のヒータ１５ａの上側及び下のヒータ１５ｂの下側に、上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂが各々配置される。この上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの少なくとも一つは、ヒータ１５ａ、１５ｂの熱放射を収束させる収束反射板部１８ａと熱放射を分散させる分散反射板部１８ｂとを有する。これら収束反射板部１８ａ、分散反射板部１８ｂは、交互に形成されてもよいし、回転対称又は線対称に形成されてもよい。

この収束反射板部１８ａは、棒状の単体ヒータ１７ａに沿って形成された、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すような円筒凹面１９、１９’を有し、かつ該円筒凹面１９、１９’はドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの径方向で異なった曲率半径の断面の部分を有するものである。
このような円筒凹面１９、１９’は、その形状により、単体ヒータ１７ａからの熱放射を効果的に収束させて反射することができる。また、単に円筒凹面の曲率半径を大きくしても、逆に基板中央部の加熱が不十分になり、基板の温度が面内で不均一になってしまうが、本発明のように、ドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの径方向で異なった曲率半径の断面の部分を有するものであれば、反射された熱線による帯状の照射面の基板中心付近での重なりを抑制しつつ、適切な加熱が可能である。従って、基板中心付近が過剰に加熱されることはなく、基板の面内を均一に加熱することができる。

また、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、収束反射板部１８ａ、１８’ａの円筒凹面１９、１９’は、ドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６’ａの外周端から内周端に向かって、断面の曲率半径が段階的に大きくなっているものであることが好ましい。
このように曲率半径を段階的に大きくすることで、収束反射板部１８ａ、１８’ａの形成が容易で、また、基板中心付近への熱線の照射を効果的に調節できる。

この収束反射板部１８ａの円筒凹面１９は、ドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの外周端の断面の曲率半径が７０ｍｍ以下で、内周端の断面の曲率半径が１００ｍｍ以上であることが好ましい。
このような円筒凹面１９であれば、ヒータ１５ａ、１５ｂからの熱放射を効果的に収束して反射し、かつ、基板中心付近への過剰な照射を抑制することができる。

また、図３（Ｂ）に示すように、収束反射板部１８’ａの円筒凹面１９’は、ドーナツ状リフレクタ１６’ａ、１６’ｂの内周端の断面の曲率半径が無限大であることが好ましい。
このような曲率半径が無限大の場合には、断面が直線であり、円筒凹面１９’の内周部に平面が形成される。これにより、基板中心付近に帯状照射面の重なりが形成されにくく、過剰な照射を十分に抑制することができ、また、円筒凹面１９’の形成も容易である。

上記した円筒凹面１９を有する収束反射板部１８ａは、上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂ両方に形成されてもよいし、どちらか一方のみに形成されてもよい。一方のみに形成する場合には、他方のドーナツ状リフレクタは例えば平面の反射板部を形成したものを用いることができる。

上記した本発明のエピタキシャル成長装置１０を用いて、例えば、サセプタ１２上にシリコン単結晶基板Ｗを載置し、ヒータ１５ａ、１５ｂにより基板Ｗを加熱し、トリクロロシラン等の原料ガスを反応室１１内に導入しながらエピタキシャル層を成長させることができる。
本発明の装置であれば、シリコン単結晶基板を面内で均一に加熱することができるため、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示す直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置を用いて、直径３００ｍｍのシリコンウェーハの中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を測定した。測定は、特公平０７−０５８７３０に記載されている方法で行った。これは、イオン注入によって表面に不純物注入層が形成された拡散ウェーハを用意して加熱し、熱拡散後のシート抵抗を測定することによりウェーハ温度を求める方法である。
上のドーナツ状リフレクタのインサイド用ランプの収束反射板部には、２種類の曲率半径の断面を組み合わせた円筒凹面を有する反射板部を使用し、アウトサイド用ランプの反射板部は平面とした。また、下のドーナツ状リフレクタには、ドーナツ状リフレクタの内周端から外周端まで一様な曲率半径の断面を有する円筒凹面の反射板部と、平面の反射板部を形成したものを用いた。

上のドーナツ状リフレクタのインサイド用ランプの反射板部において、円筒凹面の外周部の断面の曲率半径を４０ｍｍとし、円筒凹面の内周部の断面の曲率半径を７０、１００、２００ｍｍ（図３（Ａ））、及び無限大（平面）（図３（Ｂ））とした。
測定した結果を表１に示す。表１から分かるように、面内最大温度差はそれぞれ１０．４、９．１、７．４、５．３℃となり、円筒凹面の内周部の断面の曲率半径が１００ｍｍ以上で１０℃以下となり、円筒凹面の内周部が平面のときに最も小さい温度差となった。

（実施例２）
実施例１と同様に加熱を行って、その際の基板の面内最大温度差を測定した。ただし、上のドーナツ状リフレクタのインサイド用ランプの反射板部の円筒凹面の内周部を平面とし、外周部の断面の曲率半径を５５、７０、１００ｍｍとした。
測定結果を表１に示す。基板の面内最大温度差はそれぞれ８．７、９．８、１１．５℃となり、円筒凹面の外周部の断面の曲率半径が７０ｍｍ以下で１０℃以下となった。

（実施例３）
実施例１と同様に加熱を行って、その際の基板の面内最大温度差を測定した。ただし、上のドーナツ状リフレクタのインサイド用ランプの反射板部の円筒凹面の内周部の断面の曲率半径を４０ｍｍとし、外周部を平面とした。
測定結果を表１に示す。実施例３では、基板の面内最大温度差は８．６℃で、１０℃以下になった。

（実施例４）
実施例１と同様に加熱を行って、その際の基板の面内最大温度差を測定した。ただし、上のドーナツ状リフレクタについて、３種類の曲率半径の断面を組み合わせた円筒凹面を有するインサイド用ランプの反射板部を使用し、反射板部の円筒凹面の内周部を平面、中央部を断面の曲率半径４０ｍｍとし、外周部を平面とした。
測定結果を表１に示す。実施例４では、基板の面内最大温度差は７．２℃となった。

（比較例）
実施例１と同様に加熱を行って、その際の基板の面内最大温度差を測定した。ただし、上のドーナツ状リフレクタのインサイド用ランプの反射板部の円筒凹面は断面の曲率半径が一様に４０ｍｍのものを用いた。
測定結果を表１に示す。基板の面内最大温度差は１２．７℃で、不均一な加熱となっていた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…エピタキシャル成長装置、 １１…反応室、 １２…サセプタ、
１３…支持軸、 １４ａ、１４ｂ…円筒状のリフレクタ、 １５ａ、１５ｂ…ヒータ、
１６ａ、１６ｂ、１６’ａ、１６’ｂ…ドーナツ状リフレクタ、
１７ａ、１７ｂ…単体ヒータ、 １８ａ、１８’ａ…収束反射板部、
１８ｂ…分散反射板部、 １９、１９’…円筒凹面、 Ｗ…シリコン単結晶基板。

Claims (4)

1. サセプタに水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備え、前記上下のドーナツ状リフレクタの少なくとも一つは、前記ヒータの熱放射を収束させる収束反射板部と熱放射を分散させる分散反射板部とを有し、前記収束反射板部は前記棒状の単体ヒータに沿って形成された円筒凹面を有し、かつ該円筒凹面は前記ドーナツ状リフレクタの径方向で異なった曲率半径の断面の部分を有するものであることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
2. 前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの外周端から内周端に向かって、断面の曲率半径が段階的に大きくなっているものであ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。
3. 前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの外周端の断面の曲率半径が７０ｍｍ以下で、前記内周端の断面の曲率半径が１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
4. 前記収束反射板部の円筒凹面は、前記リフレクタの内周端の断面の曲率半径が無限大であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長装置。
   

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