特表 2024-522528 堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20240614BHJP

   C23C 16/44 20060101ALI20240614BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C23C16/44 B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023574200

(86)(22)【出願日】2022-05-11

(85)【翻訳文提出日】2024-01-18

(86)【国際出願番号】 EP2022062771

(87)【国際公開番号】W WO2022253533

(87)【国際公開日】2022-12-08

(31)【優先権主張番号】21177025.0

(32)【優先日】2021-06-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599119503

【氏名又は名称】ジルトロニック アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｌｔｒｏｎｉｃ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｅｉｎｓｔｅｉｎｓｔｒａｓｓｅ １７２，８１６７７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シュテットナー，トーマス

(72)【発明者】

【氏名】エドマイヤー，バルター

【テーマコード（参考）】

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

4K030AA06

4K030BA29

4K030BB02

4K030CA04

4K030CA12

4K030FA06

4K030GA02

4K030KA05

4K030LA15

5F045AA03

5F045AB02

5F045AC05

5F045AF03

5F045DP04

5F045DP28

5F045EK12

5F045EK13

5F045EK14

5F045EK21

5F045EM02

5F045EM10

5F045GB04

(57)【要約】

堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法であって、
ギャップによって取り囲まれ、予熱リングから分離され、支持シャフトによって保持された、堆積装置のサセプタ上に基板ウェハを配置することと、
予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心を決定することと、
ガス入口からガス出口に向かう流れ方向に沿って基板ウェハ上に堆積ガスを通過させることと、
予熱リングの下側およびサセプタの下側に沿ってパージガスを通過させることと、
ある周波数で回転軸を中心に支持シャフトを回転させることとを含み、
その回転軸が予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置された開始位置から終了位置まで、および開始位置に戻るまで、支持シャフトの回転の周波数で支持シャフトを変位させることを含み、開始位置から終了位置までの変位経路は偏心に依存する、方法。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法であって、
ギャップによって取り囲まれ、予熱リングから分離され、支持シャフトによって保持された、前記堆積装置のサセプタ上に前記基板ウェハを配置することと、
前記予熱リングの中心を垂直に通過する軸と前記サセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心を決定することと、
ガス入口からガス出口に向かう流れ方向に沿って前記基板ウェハ上に堆積ガスを通過させることと、
予熱リングの下側および前記サセプタの下側に沿ってパージガスを通過させることと、
ある周波数で回転軸を中心に前記支持シャフトを回転させることとを含み、
その回転軸が前記予熱リングの中心を垂直に通過する前記軸に沿って配置された開始位置から終了位置まで、および前記開始位置に戻るまで、前記支持シャフトの前記回転の前記周波数で前記支持シャフトを変位させることを含み、前記開始位置から前記終了位置までの前記変位経路が前記偏心に依存する、方法。

【請求項2】

前記開始位置から前記終了位置までの前記変位経路が、その大きさが前記偏心の大きさであり、その方向が前記偏心の方向と反対であるベクトルによって示される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記開始位置から前記終了位置までの前記変位経路が、前記ベクトルと被加数としてのさらなるベクトルとの和のベクトルである合成ベクトルによって示され、前記さらなるベクトルの大きさが、前記基板ウェハのくさび形特性および前記堆積ガスの前記流れ方向を有する前記さらなるベクトルの方向に依存する、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記支持シャフトが、少なくとも１つのアクチュエータによって変位する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術／課題
半導体材料の基板ウェハ上のエピタキシャル層の堆積は、通常、基板ウェハを収容することができる堆積装置内のＣＶＤ（化学気相成長）によって遂行される。エピタキシャル層の蒸着中、基板ウェハは、支持シャフトによって保持され回転するサセプタ上に配置され、堆積ガスが基板ウェハの自由上面、言い換えればその前面を通過し、同時にパージガスが予熱リングの下側およびサセプタの下側に沿って通過する。予熱リングは、サセプタの周りに配置され、ギャップによって分離される。上部ドームおよび下部ドームは、エピタキシャル層が基板ウェハ上に堆積される反応チャンバを画定する。ランプアレイからの放射熱は、必要な堆積温度を提供するために、一方または両方のドームを通って照射される。

【0003】

これらの特徴を有する堆積装置は、例えば、米国特許出願公開第２０１６００１０２３９Ａ１号に記載されている。

【0004】

エピタキシャル層を有する半導体ウェハ（エピタキシャルウェハ）は、エレクトロニクス産業において特に要求の厳しい用途に必要とされている。例えば、堆積されるエピタキシャル層の厚さの均一性に関する要件は、したがって、特に難易度が高い。

【0005】

ドイツ特許第１１２０１８００１２２３Ｔ５号は、厚さの差の原因がエピタキシャル層の堆積中のサセプタのほとんど回避できない非中心位置である場合に、その内周の形状が円形から逸脱している予熱リングによってエピタキシャル層の厚さの差がどのように軽減され得るかを開示している。非中心位置は、予熱リングの中心を垂直に通過する軸と基板ウェハの中心を垂直に通過する軸との間の偏心で現れる。

【0006】

日本特許出願公開第２０１６２１３２４２Ａ２号は、エピタキシャル層が成長する条件の適応によって同じ問題に対処している。適応は、カメラシステムによって決定される偏心の関数として行われる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

これらの解決策の欠点は、予熱リングの形状が、変化する偏心に対する即時応答を可能にしない静止系を表すことである。成長条件の適応は、特にドーパントの分布に関して敏感に反応する複雑系の流動力学への介入を必要とするので問題である。

【0008】

したがって、実装が容易であり、そのような欠点をもたない解決策を提供することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の目的は、ギャップによって取り囲まれ、予熱リングから分離され、支持シャフトによって保持された、堆積装置のサセプタ上に基板ウェハを配置することと、
予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心を決定することと、
ガス入口からガス出口に向かう流れ方向に沿って基板ウェハ上に堆積ガスを通過させることと、
予熱リングの下側およびサセプタの下側に沿ってパージガスを通過させることと、
ある周波数で回転軸を中心に支持シャフトを回転させることとを含み、
その回転軸が予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置された開始位置から終了位置まで、および開始位置に戻るまで、支持シャフトの回転の周波数で支持シャフトを変位させることを含み、開始位置から終了位置までの変位経路が偏心に依存する、堆積装置内の半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積させるための方法によって実現される。

【0010】

方法はまた、堆積チャンバを開く必要がないので、堆積チャンバの高温状態で、例えば堆積温度で実行されてもよい。

【0011】

偏心は、好ましくは、少なくとも１つの位置において、予熱リングの内縁とサセプタの外縁との間のギャップの幅の変化を確認し、それに基づいて偏心を計算するカメラシステムによって決定される。サセプタの所与の回転速度の場合、例えば、１回転の開始が堆積装置のホーム信号を画定する状態で、１回転の開始からのギャップの最大幅が観察される回転角度を測定することが可能である。

【0012】

サセプタは、支持シャフトのアームの保持面上に受け面とともに配置される。偏心は、特に、第１に支持シャフトのアーム上の保持面によって、第２にサセプタ上の受け面によって行使された製造公差の結果である。

【0013】

偏心の大きさに従って、予熱リングの内縁とサセプタの外縁との間のギャップは、サセプタの周縁の１箇所が他の箇所よりも広い。より広いギャップのために、より多くのパージガスが基板ウェハ上の反応チャンバに入り、そこでそれは堆積ガスをより強く希釈する。この影響は、基板ウェハ上に堆積されたエピタキシャル層の層厚のより不均一な分布の原因となる。

【0014】

本発明によれば、サセプタの支持シャフトは、それが予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置された開始位置から終了位置まで、および開始位置に戻るまで、支持シャフトの回転の周波数で変位し、開始位置から終了位置までの変位経路は、予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心に依存する。

【0015】

支持シャフトは、例えば、米国特許出願公開第２０１６００１０２３９Ａ１号に記載されているような駆動装置を使用して変位してもよい。支持シャフトは、好ましくは、少なくとも１つのアクチュエータによって圧電的に変位する。

【0016】

サセプタは、好ましくは３０ｒｍｉｎ^－１～６０ｒｍｉｎ^－１で回転し、支持シャフトは１ｓ～２ｓの周期時間に対応して変位する。

【0017】

基板ウェハは、基板ウェハの前面に堆積されたエピタキシャル層と同様に、半導体材料、好ましくは単結晶シリコンからなる。基板ウェハの直径は、好ましくは少なくとも２００ｍｍ、より好ましくは少なくとも３００ｍｍである。

【0018】

堆積ガスは、例えばシランまたはクロロシランのような、例えばトリクロロシランのような半導体材料を含む化合物を含み、パージガスは、好ましくは水素を含む。

【0019】

本発明の第１の構成によれば、開始位置から終了位置までの変位経路は、その大きさが偏心の大きさであり、その方向が偏心の方向と反対であるベクトルによって示される。したがって、支持シャフトの変位の大きさおよび方向は、予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心によって導かれる。支持シャフトの回転運動の周波数によって、支持シャフトは、開始位置から終了位置まで変位し、開始位置に戻る。開始位置において、サセプタの支持シャフトは、予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置される。この軸は、通常、堆積装置の中心を垂直に通過する軸でもある。

【0020】

支持シャフトおよびそれが保持するサセプタの変位は、偏心に起因するサセプタの回転運動の不均衡を軽減する。平均時間ベースでは、サセプタ上にある基板ウェハは予熱リングに対してより中心にあり、したがって、予熱リングとサセプタとの間のギャップの幅は平均時間ベースでより均一である。これは、基板ウェハ上に堆積されたエピタキシャル層の厚さに影響を及ぼし、その分布はより均一になる。

【0021】

本発明の第２の構成によれば、基板ウェハのくさび形特性が決定され、サセプタの支持シャフトの変位を考慮に入れた要因に含められる。

【0022】

基板ウェハの断面をその直径に沿って見たときにその厚さが線形増加または線形減少を受ける場合、基板ウェハはくさび形である。くさび形特性は、例えば、最大断面厚と最小断面厚との間の比によって定量化されてもよい。

【0023】

本発明者らは、サセプタの支持シャフトが堆積ガスの流れ方向に沿って回転する周波数で、サセプタの支持シャフトが堆積中に開始位置から終了位置まで前後に変位した場合、エピタキシャル層の堆積とともにくさび形特性が減少することを見出した。開始位置において、サセプタの支持シャフトは、予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置される。開始位置から終了位置までの変位経路の大きさは、基板ウェハのくさび形特性の程度によって導かれる。主にエピタキシャル層の堆積に起因するくさび形特性を除去するために、基板ウェハの特定のくさび形特性の存在下で必要な変位経路の大きさの相関関係は、実験的に事前に決定されなければならない。したがって、この変位経路の大きさおよび方向は、基板ウェハのくさび形特性に依存するさらなるベクトルによって示されてもよい。

【0024】

本発明の第２の構成では、基板ウェハのくさび形特性および予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心が考慮に入れられる。

【0025】

それに対応して、エピタキシャル層の堆積中、サセプタの支持シャフトは、合成ベクトルの規定に従って支持シャフトの回転の周波数で開始位置から終了位置まで変位し、開始位置に戻る。開始位置において、サセプタの支持シャフトは、予熱リングの中心を垂直に通過する軸に沿って配置される。合成ベクトルは、基板ウェハのくさび形特性に依存する変位経路を示すさらなるベクトルと、予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間の偏心に依存する変位経路を示すベクトルとのベクトル和に対応する。

【0026】

本発明は、図面を参照して以下でさらに提示される。以下では、基板ウェハがサセプタ上の中心にあり、その偏心はサセプタの支持シャフトの搬送アーム上のサセプタの非中心位置に起因すると仮定する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の方法を実施するのに適した、断面図で表された装置を示す図である。

【図2】装置のさらなる詳細を示す図である。

【図3】本発明の第１の構成による、予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間に偏心が存在する場合のサセプタと予熱リングの相対位置、および支持シャフトの変位を平面図で示す図である。

【図4】本発明の第２の構成による、予熱リングの中心を垂直に通過する軸とサセプタの中心を垂直に通過する軸との間に偏心が存在する場合のサセプタと予熱リングの相対位置、および支持シャフトの変位を平面図で示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

発明の実施例の詳細な説明
図１は、本発明の方法を実施するのに適した、半導体材料の基板ウェハ上にエピタキシャル層を堆積するための装置を断面図で示す。この堆積装置２０の反応チャンバは、上部ドーム１７によって上側が囲まれ、下部ドーム１８によって下側が囲まれている。反応チャンバの中心には支持シャフト９が配置され、そこから搬送アーム１０が上端で分岐する。搬送アーム１０は、エピタキシャル層の堆積中に基板ウェハ１が配置されたサセプタ２を支持する。図示された実施形態では、堆積装置２０の装填の過程で、基板ウェハ１は昇降シャフト１１上に配置され、昇降シャフト１１の下降によってサセプタ２上に配置される。堆積装置の側壁とサセプタ２との間には、予熱リング３が配置されている。堆積ガスは、上部ドーム１７を指す基板ウェハ１の前面をガス入口１３からガス出口１４まで通過し、この入口および出口は堆積装置の１つの側壁に配置される。さらに、パージガスのための対応するさらなるガス入口１５およびさらなるガス出口１６も設けられ、それらは予熱リング３の下およびサセプタ２の下で反応チャンバを通過する。矢印は、ガス流の流れ方向を示す。予熱リング３とサセプタ２との間のギャップ５の幅に応じて、パージガスの一部が堆積ガスの流れに入り込み、堆積ガスを希釈する。反応チャンバは、上部ドーム１７および下部ドーム１８を介して放射エネルギーを照射するランプアレイ１９によって外部から加熱される。堆積装置２０の下部ドーム１８は、支持シャフト９の移動を可能にするために、かつ流入する周囲大気に対してベローズによって生成された内部を密封するために、ベローズ２５によって基部１２に接合される。

【0029】

装置は、支持シャフト９の周期的な変位のために構成された制御デバイス２１を備える。水平方向の支持シャフト９の変位のために、アクチュエータ２７（ｘ方向の変位用）および２８（ｙ方向の変位用）がある。任意選択で、図１の表示平面から支持シャフト９を傾けるために設けられたさらなるアクチュエータ２９および３０もあり得る。

【0030】

装置は、予熱リング３の中心を垂直に通過する軸２２とサセプタ２の中心を垂直に通過する軸２６との間の偏心を決定するために、画像処理８（図２）を有するカメラシステム７をさらに備える。カメラシステム７は、支持シャフト９によるサセプタ２の回転中に画像詳細６を観察するためのカメラを備える。画像詳細６は、好ましくは基板ウェハ１の外周の一部分、サセプタ２の外周の一部分、および予熱リング３の内周の一部分、したがってサセプタ２と予熱リング３との間のギャップ５の一部分も含む、半径方向に延在する領域を取り込む。基板ウェハ１は、配置領域４上のサセプタ２のポケット内にあり、そのため、基板ウェハ１の裏側２３は、サセプタ２の基部２４から少し離れている。画像詳細６に含まれる情報は、画像処理８によって評価される。

【0031】

図２に示された基板ウェハ１は、くさび形断面を有する。その厚さは、より薄い縁部からより厚い縁部まで直線的に増加する。

【0032】

図３は、予熱リング３の中心を垂直に通過する軸２２とサセプタ２の中心を垂直に通過する軸２６との間に偏心がある場合のサセプタ２と予熱リング３の内縁の相対位置を平面図で示す。支持シャフト９の回転軸は、予熱リング３の中心を垂直に通過する軸２２に沿った開始位置に配置される。偏心の大きさおよび方向は、ベクトルＥによって示される。基板ウェハ１がサセプタ２上の中心にある場合、サセプタの中心を垂直に通過する軸２６および基板ウェハの中心を垂直に通過する軸は同じ位置を有する。本発明の第１の構成によれば、支持シャフト９は、基板ウェハ１上のエピタキシャル層の堆積中に、ある周波数で回転し、各回転中に開始位置から終了位置まで変位し、開始位置に戻る。変位の大きさおよび方向はベクトルＶｒ１によって示され、その大きさはベクトルＥの大きさであり、その方向はベクトルＥの方向と反対である。開始位置において、支持シャフト９の回転軸は、予熱リング３の中心を垂直に通過する軸２２に沿って配向され、終了位置において、それはベクトルＶｒ１の先端に変位する。

【0033】

本発明の第２の構成はまた、サセプタの支持シャフトが変位したときの基板ウェハのくさび形特性を考慮に入れる。図４は、図３と同様の図であり、第２の構成を示す。本発明の第２の構成によれば、サセプタ２の支持シャフト９は、基板ウェハ１上のエピタキシャル層の堆積中に、ある周波数で回転し、各回転中に開始位置から終了位置まで変位し、開始位置に戻る。開始位置から終了位置までの変位経路の大きさおよび方向は、合成ベクトルＶｒ２によって示される。このベクトルは、ベクトルＶｒ１とＫの和に対応し、ベクトルＫは、堆積ガス入口１３からガス出口１４への方向を有し、言い換えれば、堆積ガスの流れ方向を有し、基板ウェハ１のくさび形特質に依存する大きさを有する。開始位置において、支持シャフト９の回転軸は、予熱リング３の中心を垂直に通過する軸２２に沿って配向され、終了位置において、それは合成ベクトルＶｒ２の先端に変位する。

【0034】

図３および図４に表されたベクトルの長さは、説明のために誇張して描かれている。実際には、それぞれの変位経路は、通常１００～１０００μｍである。

【符号の説明】

【0035】

使用された参照符号のリスト
１ 基板ウェハ
２ サセプタ
３ 予熱リング
４ 堆積面
５ ギャップ
６ 画像詳細
７ カメラシステム
８ 画像処理
９ 支持シャフト
１０ 搬送アーム
１１ 昇降シャフト
１２ 基部
１３ ガス入口
１４ ガス出口
１５ さらなるガス入口
１６ さらなるガス出口
１７ 上部ドーム
１８ 下部ドーム
１９ ランプアレイ
２０ 堆積装置
２１ 制御デバイス
２２ 予熱リングの中心を垂直に通過する軸
２３ 後側
２４ 底部
２５ ベローズ
２６ サセプタの中心を垂直に通過する軸
２７ アクチュエータ
２８ アクチュエータ
２９ アクチュエータ
３０ アクチュエータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】