JP2002500613A - 水平式反応器用の端部用副反射器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体ウエハにエピタキシャル層を形成する水平式反応器。反応器は、半導体ウエハと受容部とを収容する大きさと形の反応室を有する。受容部は、半導体ウエハを支持すべく、反応室に配置された、外側縁部とほぼ平坦なウエハ収容面とを有する。反応器は、複数の加熱ランプを有し、反応室の外側に配置された加熱アレーと、加熱ランプから放射された熱放射を受容部に向けて半導体ウエハと受容部とを加熱する主反射器を有する。反応器は、縁部用の第２の反射器を有する。反射器は、加熱アレーの側部及び受容部からの方向違いの熱放射を回収するために、加熱アレーの側部に配置された鏡面を有する。第２の反射器は、方向違いの熱放射を受容部の外側縁部に方向転換するように、加熱ランプと受容部に対して形造られて配置されている。そのため、第２の反射器は受容部の縁部を加熱し、受容部及び半導体ウエハの熱勾配を解消し、エピタキシャル層の形成中にウエハにすべり転位を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】 水平式反応器用の端部用副反射器発明の背景 本発明は、半導体ウエハにエピタキシャル層を形成（蒸着）する水平式反応器 、特に、誤った方向に向けられた熱放射を回収し、この回収された熱放射を半導 体ウエハを支持する受容部の外側縁部に向けて、該縁部を加熱すると共にエピタ キシャル層の形成中におけるウエハのすべり転位を防止するための副反射器を有 する反応器に関する。 従来の水平式反応器は、石英の反応室を有する。この反応室は、該反応室に反 応ガスを導入する入口と該反応室から反応ガスを排気する出口との間を水平に伸 びている。反応室に配置された受容部は、化学蒸着プロセス中に半導体ウエハを 支持する平坦なウエハ収容面を有する。反応室の上下に配置された加熱アレーは 、半導体ウエハと受容部とを加熱する。各加熱アレーは、複数の赤外線加熱ラン プと一つ又は複数の反応器を有し、加熱ランプから放出された熱放射を受容部に 当ててウエハと受容部を加熱する。 化学蒸着プロセスの際に、すべり転位として知られているウエハの欠陥を解消 するために、ウエハの全面に均一な温度分布を維持することが重要である。ウエ ハ上で温度が変化すると、ウエハにストレスが生じ、これらのストレスが大きく なり過ぎると、すべり転位が発生する。すべり転位は、ウエハの表裏面に段々を 生じる。しかし、半導体ウエハの表裏面は、それらの上に電子ビームリソグラフ ィ又はフォトリソグラフィによって電子回路が印刷されるので、滑らかで且つ平 坦でなければならない。１ミクロン以下の細い印刷線の解像度を維持するために 、平坦度は重要なことである。すべり転位による欠陥は除去することができない 。すべり転位が発生すると、ウエハは廃棄しなければならない。したがって、す べり転位の欠陥は、エピタキシャル層の形成中に防止しなければならない。 また、エピタキシャル層の厚さと抵抗は、化学蒸着中のウエハ温度と共に変化 する。ウエハから所望の特性を有する半導体を製造するために、エピタキシャル 層の厚さと抵抗の均一性が必要である。そのため、化学蒸着中は均一なウエハ温 度が維持されなければならない。 受容部の縁部は、単位体積当たりの表面積が該受容部の他の部分のそれよりも 非常に大きいため、放射と対流によって多くの加熱エネルギが上記縁部から失わ れる。上記縁部に向けてより多くのエネルギが当たられるか又は損失を減少する ことでエネルギ損失が埋め合わされなければ、受容部の縁部は受容部の中央部よ りも冷たくなる。ウエハは受容部に直接載せられるので、ウエハと受容部との間 で熱が伝達する。そのため、ウエハから受容部を介して熱が失われる。また、受 容部の縁部が中央部よりも冷たくなると、ウエハの縁部が中央部よりも冷たくな り、上述のように、すべり転位を生じて、不良ウエハを生じる結果となる。 受容部の縁部におけるエネルギ損失量を減少すると共に、熱損失によって生じ る欠陥を解消するために、熱シールドや加熱ランプは、熱損失を減少し、熱エネ ルギを受容部の縁部に集中するように配置されている。これらの方法はすべり転 位を防止することにある程度有効なものであったが、受容部における熱勾配を更 に減少することが可能である。発明の概要 本発明の目的及び特徴は、化学蒸着中のウエハにおける熱勾配を減少する反応 器を提供すること、すべり転位が殆ど無いウエハを製造する反応器を提供するこ と、更に効率よくウエハを加熱する反応器を提供すること、誤った方向に向かう 熱放射を方向転換して最も熱損失の高い部分に向ける反応器を提供することであ る。 簡単に説明すると、本発明の装置は、半導体ウエハにエピタキシャル層を形成 する水平式反応器である。反応器は、半導体ウエハと受容部とを収容する大きさ と形を有する反応室を有する。反応室は、半導体上はを支持するために、外側の 縁部と、反応室に位置する平坦なウエハ収容面とを有する。また、反応器は、複 数の加熱ランプを有し、反応室の外に配置された加熱アレーと、加熱ランプから 放出された熱放射を受容部に向け、半導体ウエハと受容部とを加熱する主反射器 とを有する。また、反応器は、加熱アレーの側部に又受容部から外れた方向に向 けられた方向違いの熱放射を回収するために、加熱アレーの側部に配置された鏡 面を有する縁部用の第２の反射器を有する。この縁部用の第２の反射器は、方向 違いの熱放射を受容部の外側縁部に方向転換するように、加熱アレーと受容部に 対して形造られて配置されている。これにより、副反射器は縁部を加熱し、受容 部と半導体ウエハの熱勾配を減少し、エピタキシャル層の形成中にウエハにすべ り転位が生じるのを防止する。 その他の目的と特徴は、部分的に明らかであるし、以下において部分的に指摘 されている。図面の簡単な説明 図１は、半導体ウエハにエピタキシャル層を形成する本発明の水平反応路の縦 断面図である。 図２は、反応室に設けた受容部を示すために、一部を省略した反応器における 反応室の平面図である。 図３は、図１の３−３線に沿った平面での反応器の断面図で、下部加熱アレー を示す。 図４は、図３の４−４線に沿った平面での反応器の断面図である。 複数の図面において、対応する符号は対応する部分を示す。好適な実施形態の説明 図１において、半導体ウエハＷにエピタキシャル層を形成する水平式反応器は その全体が符号４０で示してある。反応器は、一部分だけを示した囲い１２に収 容されており、反応室１４と、受容部１６と、上部加熱アレー１８と、下部加熱 アレー２０とを有する。 図２において、反応室１４は、半導体ウエハＷを収容する大きさと形を有する 。反応室１４は、反応室に反応ガスを導入するための入口３０（図１）と反応室 か ら反応ガスを排気する出口３２（図１）との間に水平方向に伸びている。入口３ ０と出口３２は、反応ガスを反応室に搬送し又反応室から搬送するプロセスパイ プに反応室を着脱自在に接続するために、それぞれフランジ３４，３６を有する 。ウエハＷは、化学蒸着の開始前（終了後）にロボット（図示せず）により入口 ３０を介して反応室１４に装入される（から取り出される）。本発明の範囲の範 囲から逸脱することなく、その他の材料を使用してもよいが、好適な実施形態の 反応室１４は石英で形成されている。 受容部１６は、ウエハＷを収容するために受容部の上部にほぼ平坦なウエハ収 容面を形成する円形の窪み４０を有する。受容部１６はシャフト４２に設けてあ る。このシャフト４２は、化学蒸着の間に受容部をゆっくりと回転し、エピタキ シャル材料と熱エネルギをウエハＷの表面に均一に拡散させる。シャフト４２は 受容部に直接連結するように示してあるが、従来から知られている３つのアーム を有するブラケット（図示せず）をシャフトの上端に設けて受容部を保持しても よい。ブラケットは受容部を頑丈に支持しているが、３点で受容部に接触してシ ャフトと受容部との間の熱の移動を最小化するようにしてもよい。 上部と下部の加熱アレー１８、２０は類似している。図面を簡略化するために 、下部の加熱アレー２０だけが詳細に示してある。上部と下部の加熱アレー１８ ，２０の差異は、下部アレーの説明後に述べる。上部アレー１８の構成要素は株 アレー２０の構成要素に類似しており、図面において類似の番号で示すが、上部 アレーの構成要素はダッシュを付した符号で示す。 図１に示すように、下部の加熱アレー２０は、同一平面上で互いに平行に配置 された８個の管状赤外線加熱ランプ５０と、管状加熱ランプの下に配置された４ 個の電球状赤外線加熱ランプ５２と、加熱ランプから放射された熱放射を受容部 １６に向けて半導体ウエハＷと受容部とを加熱する主反射部５４とを有する。加 熱アレー２０はまた、主反射部５４と加熱ランプ５０，５２を支持するために、 支持構造５６を有する。主反射部５４は、反射アレー２０の両側に位置する２つ の外側の管状加熱ランプ５０の下に位置する２つの放物線状の反射器５８と、４ つの中央に配置されは管状加熱ランプの下に位置する平坦な反射器６０とを有す る。ランプの回りに冷却空気を循環するために、各管状加熱ランプ５０の下には 、反射器５４に冷却空気スロット（溝）６２が形成されている。図３に示すよう に、クローバの葉の形をした孔６４が、中央の反射器６０の中央に形成されてい る。図１に示すように、円筒状のハウジング６６は、従来の電球型赤外線加熱ラ ンプ装置６８を保持するために、孔６４の丸い突出部の下に、反射器６０から所 定の角度をもって下方に伸びている。ハウジング６６は、電球型加熱ランプ５２ で放出された熱エネルギを受容部１６の中央部に向けて方向付けるために傾いて いる。 支持構造５６は、図１、図３及び図４を参照することで理解できる。この支持 構造５６は、主反射部５４の端部の下に横たわる２つの冷却用マニホールド８０ を有する。各マニホールド８０は、主反射部５４の温度を低下するための冷却水 を搬送する内部通路８２を有する。マニホールド８０は、ねじ式固定具８４（図 ３）を用いて、囲い１２に取り付けてある。また、反射器５８，６０は、更に多 くのねじ式固定具（図示せず）を用いて、マニホールドに取り付けてある。 図３に示すように、フレーム９０は主反射部５４を囲み、２つのエンドプレー ト（端部プレート）９２（一方だけを図示する。）と２つの金属製のシート状副 反射部９４を有する。エンドプレート９２の端部と副反射部９４は互いにねじ式 固定具９６（図４）で連結されている。カバー９８は、エンドプレート９２にね じ式固定具１００で取り付けられ、管状加熱ランプ５０の端部を覆っている。本 発明の範囲から逸脱することなく他の材料を使用してもよいが、好適な実施形態 のカバー９８、エンドプレート９２及び副反射部９４はアルミニウムで作られて いる。また、これらの構成要素の外周面は、熱の反射性を促進するために、磨か れて金めっきされており、これにより温度を低下させ、熱エネルギを反応室１４ に向けている。図４に示すように、セラミック製の絶縁材１０２，１０４が管状 加熱ランプ５０の端部の上下に配置されている。加熱ランプ５０の各端部から伸 びる電線１０６は、制御装置（図示せず）によって起動されたときに、電気を加 熱ランプに供給するために、絶縁材１０４に設けたバス１１０（図３）にねじ１ ０８で固定されている。 上部の加熱アレー１８（図１及び図４）は、８個ではなく９個の管状ランプ５ ０’を有し、電球型の加熱ランプ５２や対応するハウジング６６を備えていない 点を除いて、下部の加熱アレー２０と同一である。また、上部加熱アレー１８の 外側の反射部５８’は放物線形状ではなく平坦である。 以上のように説明した加熱アレー１８，２０は、下部の側部カバーが図５に示 すように変更されて副反射部９４，９４’を形成している点で従来のものと異な る。特に、これらの加熱アレー１８，２０は、アリゾナ州フェニックスのアドバ ンスト・セミコンダクタ・マテリアル・アメリカ・インコーポレイティッドによ り製造された改良型エプシロンＩ・エピタキシャルＥｐｉリアクタである。副反 射部９４，９４’は管状加熱ランプ５０に平行に伸び、それらの中央部が主反応 部５８の側部に且つ部分的に主反応部の反射面（鏡面）の背後に位置している。 各副反射部９４，９４’は鏡面１２０を有する。この鏡面は、反射部５８の側部 とその他の構成要素から放出された熱放射が受容部１６の縁部に向けて反射され るように、外側に傾いている。これにより、鏡面１２０は、受容部１６から反対 方向に向けられた方向違いの熱放射を回収し、その方向違いの熱放射を受容部の 縁部に向けて該縁部を加熱する。当業者に明らかなように、鏡面１２０で反射さ れたエネルギは、受容部１６と半導体ウエハＷにおける熱勾配を減少し、エピタ キシャル層を形成する際のウエハのすべり転位を防止する。 その他の形態も本発明の範囲に含まれるものであるが、好適な実施形態の鏡面 １２０は実質的に平坦で、受容部１６のウエハ収容面４０に対して所定の角度を もって存在している。例えば、鏡面１２０は、ウエハ収容面４０と管状加熱ラン プ５０の平面に対して約４０°から約８０°の間の角度をもって存在する。また 、本発明の範囲内で他の関係も考えられるが、好適な実施形態の鏡面１２０は、 鏡面１６と管状加熱ランプ５０の平面に対して約５５°の角度をもって存在して いる。これらの角度は、反射部５８の側部と反応器１０の他の構成要素によって 放出された熱を受容部１６の縁部に向けて該縁部を加熱するために、副反射器９ ４、９４’の鏡面１２０、１２０’を適正に位置させるものである。このように 、反射器９４、９４’は熱エネルギを受容部１６の縁部に方向付け、単位体積当 たりの表面積が大きいことにより生じる縁部の熱損失を埋め合わせる。 以上のように、本発明の目的が達成され、他の効果が達成される。 本発明の範囲から逸脱することなく、上述した構成を種々改変でき、以上の説 明又は添付図面に含まれるすべての事項は説明のためだけのものであり、限定的 な意味に解釈されるべきものでない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロッシ，ジョン・エイ アメリカ合衆国63017ミズーリ州チェスタ ーフィールド、ロッククレスト・ドライブ 1605番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 化学蒸着法により反応器内に収容された半導体ウエハにエピタキシャル層 を形成する水平式反応器において、 上記半導体ウエハを収容するための大きさと形を有する反応室であって、上記 反応室は反応ガスを反応室に導入する入口と反応室から反応ガスを排気する出口 との間を水平方向に伸びているものと、 外側の縁部とほぼ平坦なウエハ収容面とを有する受容部であって、上記受容部 は、上記化学蒸着の際に上記半導体ウエハを支持するように上記反応室に収容さ れているものと、 上記反応室の外側に配置された加熱アレーであって、上記加熱アレーは、複数 の加熱ランプと、上記複数の加熱ランプから放出された熱放射を上記受容部に方 向付けて上記半導体ウエハと受容部とを加熱する主反射部とを有するものと、 縁部用副反射部であって、上記副反射部は、上記加熱アレーの側部及び上記受 容部から外れた方向に向けられた方向違いの熱放射を回収するために上記加熱ア レーの側部に配置された鏡面を有し、 上記副反射部は、上記方向違いの熱放射を上記受容部の外側縁部に方向付けて 該縁部を加熱すると共に上記受容部及び該受容部に支持されている半導体ウエハ の熱勾配を減少して上記エピタキシャル層の形成に上記半導体ウエハのすべり転 位を防止するように、上記加熱アレー及び受容部に対して形造られて配置されて いる反応器。 ２． 請求項１に記載の水平式反応器において、上記複数の加熱ランプは、互い に平行に配置された複数の管状加熱ランプを有し、上記縁部用副反射部は上記複 数の管状加熱ランプにほぼ平行に伸びている反応器。 ３． 請求項２に記載の水平式反応器において、上記縁部用副反射器は、ほぼ平 坦な表面を有する反応器。 ４． 請求項３に記載の水平式反応器において、上記縁部用副反射器は、上記受 容部のウエハ収容面に対して、約４０°から約８０°の間の角度をなしている反 応器。 ５． 請求項４に記載の水平式反応器において、上記縁部用副反射器は、上記受 容部のウエハ収容面に対して、約５５°の角度をなしている反応器。 ６． 請求項１に記載の水平式反応器において、 上記縁部用副反射器は第１の縁部用反射器であり、 上記反応器はさらに、上記第１の縁部用反射器に対して上記加熱アレーの反対側 に配置されている第２の縁部用反射器を有する反応器。 ７． 請求項６に記載の水平式反応器において、 上記加熱アレーは第１の加熱アレーであり、 上記反応器はさらに、上記第１の加熱アレーに対して上記反応器の反対側で上記 反応室の外側に配置された第２の加熱アレーを有し、 上記第２の加熱アレーは、複数の加熱ランプと、上記複数の加熱ランプから放射 された熱放射を上記受容部に方向付けて上記半導体ウエハと受容部とを加熱する 主反射器とを有する反応器。 ８． 請求項７に記載の水平式反応器はさらに、上記第２の加熱アレーの両側に 配置された第３と第４の縁部用反応器を有し、 上記第３と第４の縁部用反射器はそれぞれ、上記第２の加熱アレーの側部及び 受容部から外れた方向に向けられた方向違いの熱放射を回収するために、上記第 ２の加熱アレーの側部に配置された鏡面を有し、 上記第３と第４の縁部用反射器は、方向違いの熱放射を受容部の外側縁部に方 向転換させて上記縁部を加熱し、上記受容部と半導体ウエハの熱勾配を減少させ るために、上記第２の加熱アレー及び上記受容部に対して形造られて配置されて いる反応器。 ９． 化学蒸着法によって反応器内の受容部に保持された半導体ウエハにエピタ キシャル層を形成する水平式反応器と共に使用される加熱アレーであって、 加熱ランプと、 上記加熱ランプから放射された熱放射を上記受容部に向けて上記半導体ウエハ と受容部とを加熱する反射器と、 上記反射器と加熱ランプを支持すると共に上記反射器と加熱ランプを所定の場 所に保持する支持構造とを有し、 上記支持構造は、上記受容部から外れた方向に向かう方向違いの熱放射を回収 する鏡面を有し、 上記鏡面は、上記方向違いの熱放射を上記受容部の縁部に方向転換して該縁部 を加熱すると共に上記受容部と該受容部に支持された半導体ウエハの熱勾配を減 少させ、上記エピタキシャル層を形成する際に上記半導体ウエハにおけるすべり 転位を防止するように、上記加熱アレーと受容部に対して形造られて配置されて いる加熱アレー。 １０． 請求項９に記載の加熱アレーにおいて、上記加熱ランプは一つの平面に 配置されており、上記鏡面はほぼ平坦である加熱アレー。 １１． 請求項１０に記載の加熱アレーにおいて、上記鏡面は、上記加熱ランプ の上記平面に対して約４０°から約８０°の間の角度をなしている加熱アレー。 １２． 請求項１１に記載の加熱アレーにおいて、上記鏡面は、上記加熱ランプ の上記平面に対して約５５°の角度をなしている加熱アレー。 １３． 化学蒸着法によって反応器内の受容部に保持された半導体ウエハにエピ タキシャル層を形成する水平式反応器と共に使用される加熱アレーであって、 加熱ランプと、 上記加熱ランプから放射された熱放射を上記受容部に向けて上記半導体ウエハ と受容部とを加熱するために、上記加熱ランプの近傍に配置された主反射器と、 上記主反応器の近傍に配置された鏡面を有し、上記主反射器から放出されて上 記受容部から外れた方向に向けられた方向違いの熱放射を回収する副反射器とを 有し、 上記副反射器は、上記方向違いの熱放射を上記受容部に向けるように、上記加 熱アレーと受容部に対して形造られて配置されている加熱アレー。 １４． 請求項１３に記載の加熱アレーにおいて、上記副反射器は少なくとも一 部が上記主反射器の鏡面の背後にある加熱アレー。