CN110970343A - 气相生长装置及外延晶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气相生长装置以及外延晶片制造方法，其能够抑制由半导体基板与基座间存在的气体造成的半导体基板在基座上的横向打滑。气相生长装置（1）具备：基座（3）；零件（4），其支撑基座（3）；升降杆（5），其在基座3上而独立于基座3进行升降；升降杆支撑件（7），其连接于促动器（6），并具有托起升降杆（5）的功能。升降杆5包括长升降杆（5a）与短升降杆（5b），当支撑半导体基板W时，半导体基板（W）略微倾斜。该倾斜角度优选为0.1°以上且不足10°，更优选为0.1°以上且不足1°。由此，当半导体基板（W）与基座（3）接触时，能够排出两者间隙中存在的气体，并能够抑制半导体基板（W）在基座（3）上的横向打滑。

Description

气相生长装置及外延晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种在半导体基板表面气相生长薄膜来获得外延晶片的装置以及方法。
背景技术
例如计算机上装配的存储器及计算元件，还有数码相机以及视频设备上装配的摄像元件等各种各样的半导体设备是使用硅基板制作的。特别是制作面向前沿的半导体设备时，采用通过气相生长在硅基板表面堆积硅层的硅外延晶片。
这种外延晶片，通过例如在1100℃以上高温下，使三氯氢硅(TCS)等原料发生气相反应，在硅基板表面气相生长硅外延层制作而成。由于以所制作的外延晶片为基础来制作半导体设备，因此外延晶片的外延层的膜厚和电阻率对半导体设备的特性影响很大。由此，就用于半导体设备的外延晶片而言，要求外延层的膜厚和电阻率在薄片面内方向上均匀的高品质外延晶片。
作为生长高品质外延层的装置，已知一种按每一张半导体基板(以下，有时简称为基板)在基板的表面上生长外延层的单晶圆气相生长装置。就这种气相生长装置而言，例如使用在基板载置于石英材质的托板上的状态下搬运基板的搬运机器人，通过搬运机器人基板被搬运到反应容器内。被搬运至反应容器内的基板，例如通过升降杆从搬运机器人的托板上朝向基座搬运，基板载置于基座上。
在载置有基板的基座上，形成基座表面以大于基板的直径圆盘状地凹陷而成的凹陷部，在凹陷部内侧载置基板。载置于凹陷部的基板，优选为以如下方式载置：使基板与凹陷部中心一致，在基板与凹陷部之间形成环状间隙。但是，在基板与基座接触时，两者的间隙中存在气体，因此有时基板会在基座上横向打滑。这种情况下，基板在基板的中心偏离凹陷部中心的状态下被载置于凹陷部，在基板与凹陷部之间形成宽度不均的环状间隙。当在该状态下基板上生长外延层时，供给基板的原料气体等的流动因间隙的原因在基板的周围方向上变得不均匀。其结果，所生长的外延层的外周部膜厚变得不均匀，膜厚均匀性恶化。
在此，专利文献1中公开了以下技术：从用于制造液晶显示器以及平板的、由玻璃材质或聚合物材质构成的大面积基板与支撑该基板的基板支撑体之间，将气体驱除的技术。在专利文献1的技术中，设置有：第1套升降杆，其在将大面积基板移送至基板支撑体时，支撑大面积基板的背面；以及第2套升降杆，其相比于第1套升降杆支撑基板的内侧。然后，使得第1套升降杆的长度、突出量大于第2套升降杆，由此将大面积基板的截面形状控制在呈弓形弯曲的形状，由大面积基板的中心向外缘，慢慢使大面积基板与基板支撑体接触。由此，在专利文献1的技术中，利用基板的挠度，将基板与基板支撑体之间的气体驱除。
在先技术文献
专利文献
专利文献1特开2006-49867号公报。
但是，专利文献1中的技术不必适用于挠度较少的半导体基板被移送至基座的场合中。
发明内容
本发明鉴于上述情况而成，其目的在于提供一种气相生长装置以及能够抑制半导体基板在基座上的横向打滑的气相生长装置及外延晶片的制造方法。
为了为解决上述课题，本发明的气相生长装置，其特征为，具备：基座，其在气相生长时支撑半导体基板；3个以上的升降杆，其以贯通所述基座且沿上下方向延伸的方式被设置，并在将通过搬运机器人被搬运至所述基座上方区域的半导体基板移动至所述基座上时，该升降杆暂时支撑该半导体基板的背面；以及支撑部，其从下方支撑所述升降杆，以便使上述升降杆进行升降，上述升降杆对处于倾斜的状态下的半导体基板进行支撑。
由此，半导体基板在通过升降杆倾斜的状态下被放置在基座上，因此，半导体基板与基座接触时，两者之间存在的气体从间隙较大的边缘侧排出。由此能够抑制半导体基板在基座上横向打滑。而且，因为是利用倾斜而不是半导体基板的挠度来排出气体，所以无需依赖于半导体基板的性质(直径、厚度、组成等)而能够抑制半导体基板的横向打滑。另外，所谓“使半导体基板处于倾斜的状态”是指，假设在半导体基板没有挠度的情况下半导体基板整体以一定角度(同一角度)处于倾斜的状态，与半导体基板弯曲导致的局部倾斜的状态不同(即弯曲的状态)。
并且，在本发明的气相生长装置中，部分升降杆长度不同于其他升降杆的长度。通过如此地将多个升降杆设置为不同长度，能够支撑半导体基板处于倾斜的状态。
并且，在本发明的气相生长装置中，上述支撑部在与其他升降杆下端不同的高度位置，对部分升降杆的下端进行支撑。由此，亦能够支撑半导体基板处于倾斜的状态。
并且，在本发明的气相生长装置中，处于倾斜的状态的半导体基板相对水平面的倾斜角度，优选为0.1°以上且不足10°。如果半导体基板的倾斜角度小于0.1°，则半导体基板与基座之间的排气效果将会减小。如果倾斜角度在10°以上，则半导体基板在升降杆上打滑，有可能从升降杆上滑落。为了可靠地防止半导体基板在升降杆上打滑，更优选为倾斜角度不足1°。
并且，在本发明的气相生长装置中，全部升降杆亦可被设置于离基座中心相互同等的距离。如专利文献3所述，如果设置离基座(基板支撑体)中心的距离不同的多套升降杆，则导致装置构成变得复杂。通过仅设置离基座中心同等距离的升降杆，能够抑制装置构成变得复杂。
本发明的外延晶片制造方法特征在于，具有：载置工序，其中将被搬运至基座上方区域的半导体基板从倾斜的状态起载置于所述基座上；以及生长工序，其中在通过上述载置工序被载置于所述基座上的所述半导体基板表面上气相生长薄膜。
由此，将半导体基板从倾斜的状态起载置于基座上，因此在半导体基板与基座接触时，两者之间存在的气体从间隙较大的边缘侧排出。由此，能够抑制半导体基板在基座上横向打滑，因此在生长工序中能够生长高品质的薄膜，能够获得高品质的外延晶片。
附图说明
图1为从侧方观看实施方式的气相生长装置的剖视图，是通过不同长度的升降杆使半导体基板倾斜地进行支撑的状态图。
图2为从侧方观看变形例中的气相生长装置的剖视面图，是通过不同高度的升降杆支撑零件的手臂来支撑相同长度的各个升降杆，并通过这些升降杆使半导体基板倾斜地进行支撑的状态图。
图3为从侧方观看对比例的气相生长装置的剖视图，通过升降杆水平地支撑半导体基板的状态图。
图4为从侧方看其他对比例的气相生长装置的剖视图，在基座上形成放气用贯通孔，同时通过升降杆水平地支撑半导体基板的状态图。
图5为实施例中的离基座中心的基板相对位置偏差的示意图表。
图6为对比例中的离基座中心的基板相对位置偏差的示意图表。
其中，附图标记说明如下：
1、10气相生长装置3、17基座
4基座支撑件5、12、13升降杆
5a长升降杆5b短升降杆
6a与基座支撑件连接的促动器
6b与升降杆支撑件连接的促动器
7、8升降杆支撑件(支撑部)
11反应容器14a上部加热装置
14b下部加热装置15气相生长用气体导管
16排气管W半导体基板
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。首先参照图1，对本发明涉及的气相生长装置优选例，即本实施方式中的单晶圆气相生长装置1进行说明。
气相生长装置1是一种在硅基板等半导体基板W(以下，有时称作基板)主表面，气相生长硅单结晶膜等薄膜，来制造硅外延晶片等外延晶片的装置。另外，例如基板W为直径300mm以下的圆盘状半导体基板，但亦可是直径大于300mm的基板。
气相生长装置1大致构成为具备：基座3；反应容器11，其在内部配置有该基座3；基座支撑件4，其支撑基座3；促动器6a，其支撑该基座支撑件4，使支撑件4转动驱动以及升降动作；升降杆5，其贯通基座3表面和背面，并能够相对于该基座3进行升降动作地被设置，伴随在支撑基板W的状态下进行升降动作，在基座3上装卸该基板W；升降杆支撑件7，其从下部支撑该升降杆5；促动器6b，其支撑该升降杆支撑件7，并使升降杆支撑件7转动驱动以及升降动作；上部加热装置14a以及下部加热装置14b(具体如卤素灯)，其用于在气相生长时将基板W加热至生长温度；气相生长用气体导管15，其将包含原料气体(具体如三氯硅烷)以及载气(具体如氢气)的气相生长用气体导入至反应容器11内的基座3上侧区域，并供给至该基座3上的基板W主表面上；排气管16，其相对于气相生长用气体导管15与反应容器11，设置在相反一侧，并从该反应容器11中排出气体(气相生长用气体以及清洗气体)。并且，气体导管15位于反应容器11的水平方向上一端侧，并在水平方向上导入气相生长用气体。排气管16位于反应容器11水平方向上的、与气体导管15相反的一侧。而且，气相生长装置1具备搬运机器人，其将基板W搬入至反应容器11内(图中未示出)。
基座3用于气相生长时支撑基板W，例如通过由碳化硅素覆盖的石墨来构成。基座3例如构成为大致圆盘状，并被设置为表面与背面呈水平。基座3的表面及背面为平坦面。而且，在基座3上，按照升降杆5的数量(3个以上)，形成贯通表面和背面的升降杆插入用贯通孔3a。各贯通孔3a形成于离基座3的中心O等距离的位置处，同时相对于中心O的在圆周方向上形成为相等间隔。也就是说，如果贯通孔3a的个数为3个，则3个贯通孔3a在相对于中心O的圆周方向上以120°间隔来形成。而且，各贯通孔3a离基座3表面的部分区间形成为随着靠近基座3的背面孔径逐渐变小的锥形孔部，剩余区间形成为孔径不变的固定径孔部。
而且，图1的例子中，在基座3的表面上，虽然没有形成用于放置基板W的凹陷部，但是亦可形成凹陷部。并且，将基板W载置在基座3上时，除去与贯通孔3a对向的部分以外的基板W背面整体接触于基座3的表面。
基座支撑件4具备：在垂直方向(上下方向)上延伸的支柱4a；从支柱4a上部沿斜上方延伸的3个以上臂部4b；构成各臂部4b的顶端，并与基座3背面连接的连接部4c。在各臂部4b上形成有用于插入升降杆的贯通孔4d。基座3的中心O位于支柱4a的轴线L上。
促动器6a支撑支柱4a的下部，并在基板W上气相生长薄膜时，使得支柱4a围绕其轴线L转动。促动器6a在相对于基座3装卸基板W时，使得支柱4a沿轴线L的方向移动。
升降杆5设置有3个以上。各个升降杆5插入于基座3的贯通孔3a以及臂部4b的贯通孔4d中，并沿垂直方向(上下方向)延伸。而且，各个升降杆5设置在离基座3中心O(换言之，基座3的转动轴线L)同等距离的位置上，而且在相对于中心O的圆周方向上，设置在等间隔的位置上。
升降杆5构成为具备：圆杆状部分；以及锥形部5c，其位于该圆杆状部分的上端并随着靠近上方直径逐渐变大。在升降杆5相对于基座3处于下降的状态时，该锥形部5c收在贯通孔3a的锥孔部内，由此升降杆5的上端面相对于基座3表面稍许下陷的位置，而且升降杆5不会脱离至基座3的下侧。此外，升降杆5的下端既可以固定在升降杆支撑件7的顶端部7c上，也可以不固定。
再者，各个升降杆5以在基板W被置于升降杆5上时，基板W相对于水平面倾斜，并且，不会从升降杆5上滑落的方式，使升降杆5之间长度各异。在基板W被置于升降杆5时，基板W相对于水平面的倾斜角度，考虑到基板W不会从升降杆5上滑落的情况，以及基板W与基座3之间的空隙的气体排出效果，优选为0.1°以上且不足10°，更优选为0.1°以上且不足1°。以满足该倾斜角度的方式，设定各个升降杆5的长度。
更具体地说，如图1所示，在从侧面观察将升降杆5的配置区域以基座3的转动轴线L为界分成两个区域时，位于一边区域(以下称第1区域)的升降杆5a，比位于其他区域(以下称第2区域)的升降杆5b更长。另外，在位于第1区域的升降杆5a个数为多个时，多个升降杆5a既可以为相同长度，亦可以为不同长度。同样地，在位于第2区域的升降杆5b个数为多个时，多个升降杆5b既可以相同长度，亦可以为不同长度。
再者例如，在升降杆5的个数为3个时，可以是1个长的升降杆5a，2个短的升降杆5b；亦可以是2个长的升降杆5a，1个短的升降杆5b。
升降杆支撑件7具备：支柱7a，其沿垂直方向延伸；臂部7b，其从支柱7a上部沿斜上方延伸，且数量相当于升降杆5的数量(3个以上)；以及顶端部7c，其构成各个臂部7b的顶端，并用于支撑升降杆5的下端。支柱7a形成为筒状，在支柱7a的内侧设置基座支撑件4的支柱4a。支柱7a的轴线与基座支撑件4的支柱4a的轴线L相一致。臂部7b以及顶端部7c位于基座支撑件4的臂部4b下侧。而且，各个顶端部7c的上表面(与升降杆5的接触面)设定在相互相同的高度位置。并且，升降杆支撑件7相当于本发明中的支撑部。
促动器6b支撑支柱7a的下部，在基板W上气相生长薄膜时，使得支柱7a围绕轴线L转动。此时，促动器6b使得支柱7a的转动速度与支柱4a的转动速度同步(一致)。而且，促动器6b在相对于基座3装卸基板W时，使得支柱7a沿轴线L的方向移动。此时，在每个升降杆5上所设置的多个臂部7b以及顶端部7c的升降动作(升降速度、升降开始时间点、升降结束时间点以及位置)全部同步(一致)。
以上为气相生长装置1的构成。接下来，说明采用气相生长装置1的外延晶片制造方法。首先，搬运机器人将基板W搬运至反应容器11内的基座3上方区域。接下来，促动器6b进行上升动作，直至升降杆5支撑基板W的背面。当促动器6b进行上升动作时，与其相连接的升降杆支撑件7进行上升动作，由升降杆支撑件7顶端部7c支撑的升降杆5也进行上升动作，并从基座3的表面突出。此时，通过基座3的贯通孔3a以及基座支撑件4的贯通孔4d，限制升降杆5不要倾斜。
如上所述，部分升降杆5a的长度不同于其他升降杆5b的长度，因此，基板W在由升降杆5a、5b暂时支撑的状态下处于相对于水平面倾斜的状态。
之后，促动器6b进行下降动作(载置工序)，直至将基板W载置在基座3上。当促动器6b进行下降动作时，与其相连接的升降杆支撑件7也进行下降动作，由升降杆支撑件7的顶端部7c支撑的升降杆5以及由升降杆5支撑的基板W也进行下降动作。
基板W在倾斜的状态下被升降杆5支撑，因此，在与基座3的表面接触时，从基板W的倾斜的直径方向上低位置一侧的边缘(图1中为左侧边缘)起，到高位置一侧的边缘(图1中为右侧边缘)，逐渐与基座3接触，最终基板W在基座3上被保持于水平。由此，基板W与基座3之间存在的气体，从与基座3之间的间隙更大的边缘(图1为右侧边缘)一侧排出。
之后，通过加热装置14a、14b将基板W加热至指定的生长温度(例如1100℃以上)，并且，通过促动器6a、6b使基座支撑件4、基座3、升降杆支撑件7以及升降杆5围绕轴线L转动，同时，将气相生长用气体经由气体导管15导入至反应容器11内，由此，在保持于水平的基板W的主表面上，气相生长硅单结晶膜等薄膜(生长工序)。
之后，通过使促动器6b进行上升动作，使气相生长后的基板W(外延片)突出至基座3的上方区域。之后，搬运机器人将基板W搬运至反应容器11外。
并且，在基座3上装卸基板W时，加之或代之促动器6b的升降动作，也可以使促动器6a进行升降动作，来带动基座支撑件4以及基座3进行升降动作，由此，使升降杆5相对于基座3进行相对升降动作。
如此，本实施方式中，将基板W载置于基座3时，能够有效地排出两者间隙中存在的气体，因此，能够抑制基板W在基座3上的横向打滑。由此，在气相生长时，能够抑制基板W的中心与基座3的中心O(转动轴线L)之间的偏差。由此，能够将水平方向上导入的气相生长用气体均匀地铺在围绕轴线L转动的基板W上，能够使生长的薄膜的平面内稳定性(膜厚、电阻率等)均匀。
并且，即便是在基座3上形成凹陷部的情况下，亦能够基板在凹陷部内的横向打滑，能够使凹陷部与基板之间形成的环状间隙宽度均匀。由此，能够使基板上所生长的薄膜外周部上的膜厚均匀。
并且，全部升降杆5位于离基座3中心O同等距离的位置，再者，在基座3上装卸基板W时，全部升降杆5相互同步升降，因此，能够抑制装置结构变得复杂。
相对于此，图3所示的对比例中的气相生长装置中，全部升降杆13设置为相互相同长度，通过该升降杆13水平地支撑基板W，因此，将基板W载置在基座3上时，由于两者之间存在的气体，在两者将要接触之前发生基板W的悬浮。然后，在基板W发生了横打打滑的情况下，最终导致基板W与基板3的接触位置发生偏差。并且，在图3中，对于与图1的气相生长装置1中结构相同的构成，标注相同的附图标记。
实施例
以下将举出实施例来具体说明，但本发明不限定于此。
实施例
作为实施例，准备图1中的气相生长装置1。但是，准备的基座3没有排气用的贯通孔。升降杆5的个数为3个，其中1个升降杆5a的长度比剩下两个升降杆5b长1mm。机器人将直径300mm的硅基板W搬运至反应容器11内，通过升降杆5a、5b保持硅基板W。此时硅基板W相对于水平面的倾斜角度为0.1°以上且不足1°。之后，降下升降杆5a、5b，在基座3上载置基板W，通过加热装置14a、14b将基座3加热至1150℃，以三氯硅烷作为原料气体，实施硅单结晶膜的气相生长反应。此时，计算出相对于基座3中心O的硅基板W中心的相对位置。针对多个硅基板W实施这一系列工序。
对比例
作为对比例，准备图4中的气相生长装置，该装置具备基座17和长度相同的3根升降杆13，该基座17在基板载置面整体上以孔距9mm的间隔设置有Φ1.0mm的贯通孔17a。采用与实施例相同的方法，搬运直径300mm的硅基板W，实施气相生长，计算出相对于基座17中心的硅基板W中心的相对位置。
结果
图5中示出实施例中离基座3中心的硅基板W的相对位置的偏差。图6中示出对比例中离基座17中心的硅基板W的相对位置的偏差。在图5、图6中，X轴与Y轴的交点表示基座的中心。而且，在图5、图6中，空心点表示各硅基板W的中心位置。实心点表示将空心点位置平均的位置。通过比较图5、图6，能够确认实施例的气相生长装置1也与对比例同等的偏差。并且，可认为对比例中是，通过将硅基板W与基座17之间的气体从基座17的贯通孔17a排出至基座17的下方，得到了与实施例同等的结果。
如上，通过在升降杆支撑状态下对于基板W设置倾斜，能够迅速排出基板W与基座3间隙内存在的气体，并能够抑制基座3中心与基板W中心的相对位置的偏差。
以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不限定于具体记载，在无技术性矛盾的范围内，亦可适当组合实施举例说明的构成等，而且，还可将某些要素、处理置换为已公知的形态来进行实施。
例如，如图2中的气相生长装置10那样，将全部升降杆12设为相互相同的长度，并通过升降杆支撑件8将部分升降杆12b的下端位置设定在与其他升降杆12a的下端位置不同的高度位置，由此，亦能够使得基板W倾斜。并且，在图2中，对于与图1气相生长装置1相同的构成标注相同的附图标记。
图2中，支撑部分升降杆12b的升降杆支撑件8的臂部8a上端面8b，设定在比支撑其他升降杆12a的臂部8c的上端面8d更高的位置上。由此，能够使得部分升降杆12b的上端，位于比其他升降杆12a上端更高的位置，能够在基板W处于倾斜的状态下进行支撑。由此亦可得到与上述实施方式相同的效果。
而且，上述实施例中，举例说明的基座没有用于插入升降杆的贯通孔以外的贯通孔的情况，但是，本发明也适用于具备如下基座的气相生长装置，即该基座具有用于插入升降杆的贯通孔以外的贯通孔。这种情况下，由基座贯通孔带来的排气效果，与因将基板从倾斜的状态起载置于基座上而产生的排气效果叠加起来，能够进一步地抑制基板在基座上的横向打滑。

Claims (7)

1.一种气相生长装置，其特征在于，具备：
基座，其在气相生长时支撑半导体基板；
3个以上的升降杆，其以贯通所述基座且沿上下方向延伸的方式被设置，在将通过搬运机器人被搬运至所述基座上方区域的半导体基板移动至所述基座上时，该升降杆暂时支撑该半导体基板的背面；以及
支撑部，其从下方支撑所述升降杆，以便使所述升降杆升降，
所述升降杆对处于倾斜的状态下的半导体基板进行支撑。
2.根据权利要求1所述的气相生长装置，其特征在于：
部分所述升降杆长度与其他所述升降杆长度不同。
3.根据权利要求1所述的气相生长装置，其特征在于：
所述支撑部在与其他所述升降杆的下端不同的高度位置上，对部分所述升降杆的下端进行支撑。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的气相生长装置，其特征在于：所述处于倾斜的状态下的半导体基板相对于水平面的倾斜角度为0.1°以上且不足10°。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的气相生长装置，其特征在于：所述处于倾斜的状态下的半导体基板相对于水平面的倾斜角度为0.1°以上且不足1°。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的气相生长装置，其特征在于：全部所述升降杆被设置成离所述基座中心相互同等的距离。
7.一种外延晶片制造方法，其特征在于，具备：
载置工序，其中将被搬运至基座上方区域的半导体基板从倾斜的状态起载置于所述基座上；以及
生长工序，其中在通过所述载置工序被载置于所述基座上的所述半导体基板表面上气相生长薄膜。
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