JP2005353775A - エピタキシャル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ガス供給源からのガス流量の不均一を無くし、半導体ウェーハにエピタキシャル膜を均一に成膜するエピタキシャル装置を提供する。
【解決手段】
エピタキシャル装置の反応室内に半導体ウェーハを収容する。次いで、ガス供給源により反応ガスを発生させる。そして、反応ガスをガス整流部材１１を介して半導体ウェーハに供給する。ガス整流部材１１は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板４１および下板４２の幅方向の両端同士を連結する一対の側板４３とからなり、これらの上板４１、下板４２および一対の側板４３により囲まれて断面矩形の単一のガス流通路１８が画成されている。これにより、反応ガスは、仕切の影響を受けずに反応室に供給される。この結果、エピタキシャル装置の反応室内において、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を均一の厚さに成膜することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を成膜するエピタキシャル装置、詳しくはエピタキシャル装置の反応室における反応ガスを整流するガス整流部材の改良に関する。

エピタキシャルウェーハは、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル成長によるエピタキシャル膜が成膜されたものである。近年、ＭＯＳメモリデバイスの高集積化に伴い、α粒子によるメモリの誤動作（ソフトエラー）やＣＭＯＳ・ＩＣにおけるラッチアップが無視できなくなっている。これらの問題解決に、エピタキシャル膜を有するエピタキシャルウェーハが有効であることが認識されており、最近ではＣＭＯＳ・ＩＣの製造にエピタキシャルウェーハが積極的に使用されている。
エピタキシャル膜を成膜する装置には、枚葉式のエピタキシャル装置がある。このエピタキシャル装置は、コンパクトな反応室を有しており、ハロゲンランプによる輻射加熱方式を採用している。枚葉処理であるため、均熱条件、ガス流分布の設計が容易であり、エピタキシャル膜特性を高くすることが可能である。したがって、大口径の半導体ウェーハを処理するのに有効な装置である。

最近のトランジスタのゲート長の微細化に伴い、平坦度の高いエピタキシャルウェーハが要求される。このため、半導体ウェーハ表面のエピタキシャル膜の厚みを全面に均一に成長させる必要がある。従来のエピタキシャル装置においては、反応室内のサセプタに搭載された半導体ウェーハを回転しながら、反応室内に反応ガスを供給して半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を成長させている。反応ガスは、ガス整流部材により整流され、反応室内の半導体ウェーハに均一に供給される。この反応ガスが半導体ウェーハに均一に供給されないと、エピタキシャル膜の厚みを全面に均一に成長させることができないからである。
従来のエピタキシャル装置として、特許文献１には、ガス供給源から排出された反応ガスを、ガス整流部材を介して、半導体ウェーハの表面に供給する気相成長装置が記載されている。この特許文献１には、ガス整流部材（ガス案内部材）に配設された仕切板の数、仕切板の配置位置、仕切板の配置方向など工夫して均一に反応ガスを半導体ウェーハに供給する技術が開示されている。
また、従来のエピタキシャル装置として、反応ガスを図８に示すようなガス整流部材５１を使用して、半導体ウェーハＷの表面に供給するエピタキシャル装置がある。このガス整流部材５１には、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とが設けられている。そして、上板の幅方向の中心位置に、上板と下板とを連結する仕切板５２が配設されている。

特開２００２−１９８３１６号公報

上記特許文献１に記載のエピタキシャル装置のガス整流部材には、その内部にガスを整流するための仕切板が設けられている。反応ガスは、ガス供給源により生成される。そして、この反応ガスは、ガス整流部材の仕切板間に設けられた複数の流通路を介して、半導体ウェーハに供給される。各流通路に流れる反応ガスは、同一または異なるガス流がそれぞれ生じている。そして、各流通路の反応ガスは、仕切板の干渉（摩擦）を受け、ガス流の中心部と仕切板側とで流速が異なっている。このため、仕切板に囲まれた各流通路の反応ガス間で流速が遅い部分が存在する。反応室内に設置された半導体ウェーハの全体からみると、仕切板が存在する半導体ウェーハの中心部と、中心部から外周までのＲ／２近傍の部分とにガス流の流量の落ち込みが存在してしまう。
また、図８に示すエピタキシャル装置のガス整流部材５１にあっては、上記仕切板５２により反応ガスの流れが二分（Ｇ２ａおよびＧ２ｂ）される。よって、この仕切板５２の位置にあたる半導体ウェーハＷの中央部のガスの流れが悪くなってしまう。
この結果、半導体ウェーハＷにエピタキシャル膜を成膜したとき、半導体ウェーハＷ中央部のエピタキシャル膜の厚みの落ち込みが存在してしまう。したがって仕切板の有するガス整流部材を備えたエピタキシャル装置にあっては、エピタキシャル膜の厚みを全面に不均一に成長させることになる。

この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ガス供給源からのガス流量の不均一を無くし、半導体ウェーハにエピタキシャル膜の厚みを全面に均一に成膜するエピタキシャル装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハが収容される反応室と、反応室に反応ガスを供給するガス供給源とを備え、ガス供給源から反応ガスをガス整流部材を介して反応室に供給するエピタキシャル装置において、上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板および下板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とからなり、これらの上板、下板および一対の側板により囲まれて断面矩形の単一のガス流通路を画成したエピタキシャル装置である。
半導体ウェーハとしては、シリコンウェーハ、ゲルマニウムウェーハまたはＳｉＣウェーハなどを採用することができる。
上板、下板および側板で構成されるガス整流部材の素材は限定されない。例えば、石英で形成される。ガス整流部材の上板、下板の幅も限定されない。上板および下板の幅は反応室内に設置される半導体ウェーハの大きさにより適宜選択される。また、側板の高さも限定されない。ガス流通路は、これらの上板、下板および側板により囲まれて画成される。

請求項１に記載のエピタキシャル装置にあっては、半導体ウェーハを、反応室内に収容する。そして、ガス供給源により反応ガスを発生させる。そして、反応ガスをガス整流部材を介して半導体ウェーハに供給する。上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板および下板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とからなり、これらの上板、下板および一対の側板により囲まれた断面矩形の単一のガス流通路が画成されている。これにより、反応ガスは、上記ガス流通路を介して、半導体ウェーハに流通路の幅方向にて均一に供給することができる。従来のガス整流部材に設けられた仕切板に起因するガス流間の流速低下も無い。この結果、エピタキシャル装置の反応室内において、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を全面に均一の厚さに成膜することができる。

請求項２に記載の発明は、半導体ウェーハが収容される反応室と、反応室に反応ガスを供給するガス供給源とを備え、ガス供給源から反応ガスをガス整流部材を介して反応室に供給するエピタキシャル装置において、上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とを備え、これらの上板、下板および一対の側板により囲まれて断面矩形のガス流通路を画成するとともに、上板の幅方向の中心より側板側にずれた位置に、上板と下板とを連結する仕切板を配設して上記ガス流通路を分割したエピタキシャル装置である。

請求項２に記載のエピタキシャル装置にあっては、ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とを備えている。これにより、これらの上板、下板および一対の側板により囲まれた断面矩形のガス流通路が画成される。そして、上板の幅方向の中心より側板側にずれた位置に、上板と下板とを連結する仕切板を配設することにより、上記ガス流通路が分割される。これにより、反応ガスは、このガス流通路を介して半導体ウェーハの表面に供給される。従来設けられていた反応ガスの流路に、この反応ガスを二分する仕切板は設けられていない。この結果、半導体ウェーハにエピタキシャル膜を成膜したとき、半導体ウェーハ中心部のエピタキシャル膜の厚みの落ち込みが改善される。

請求項３に記載の発明は、上記ガス供給源から上記ガス整流部材の幅方向に並設された複数のガス送入口を介して、上記ガス整流部材のガス流通路に反応ガスが供給される請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル装置である。
ガス送入口の数も限定されない。ガス送入口の数は半導体ウェーハの大きさにより適宜選択される。

請求項３に記載のエピタキシャル装置にあっては、複数のガス送入口が略水平に並列して設けられる。各ガス送入口から排出された各反応ガスは、ガス整流部材の流通路を介して半導体ウェーハに供給される。各反応ガスは、ガス整流部材の流通路により渾然一体となり反応室に送流される。これにより、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を均一の厚さに成膜することができる。

この発明によれば、半導体ウェーハを、反応室に収容する。そして、ガス供給源により反応ガスを発生させる。そして、反応ガスを、ガス整流部材を介して半導体ウェーハに供給する。上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、これらの上板および下板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とからなり、これらの上板、下板および一対の側板により囲まれて断面矩形のガス流通路が画成されている。これにより、反応ガスは、上記ガス流通路を介して反応室内に設置された半導体ウェーハに均一に供給することができる。従来のガス整流部材に設けられた仕切板によるガス流間の流速低下も無い。この結果、エピタキシャル装置の反応室内において、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を全面に均一の厚さに成膜することができる。

以下、この発明の一実施例を、図１から図７を参照して説明する。
まず、この発明の一実施例に係るエピタキシャル装置１０を図１〜図４を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施例に係るエピタキシャル装置１０の概略構成を示す垂直断面図である。このエピタキシャル装置１０には、凹面を有する円形の上側ドーム３と同じく円形の下側ドーム４とが設けられる。上側ドーム３および下側ドーム４は、石英などの透明な素材で形成されている。そして、上側ドーム３と下側ドーム４とを上下に対向して配設し、これらの端縁部は円環状のドーム取付体６の上下面にそれぞれ固定される。これにより、平面視して略円形の密閉された反応室２が形成される。反応室２の上方および下方には、反応室２内を加熱する図示しないハロゲンランプが円周方向に略均等間隔で離間して複数個それぞれ設けられる。
反応室２には、シリコンウェーハＷを搭載するサセプタ２０が配設されている。サセプタ２０は、反応室２内の高温に耐え得るように炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが採用されている。サセプタ２０は所定厚さの円板状である。サセプタ２０の半径は搭載するシリコンウェーハＷのそれより大きい。
サセプタ２０の裏面側（下方）には、これを支持するためのサセプタ支持部材８が設けられる。サセプタ支持部材８は、下方に軸部７が固着して設けられる。軸部７は、図示していない駆動機構により回転自在に設けられ、その結果、円筒形状のサセプタ支持部材８およびサセプタ２０も水平面内で所定速度で回転自在に設けられる。
そして、反応室２のドーム取付体６の所定位置には、反応室２にガスを流入するガス供給口３１が設けられる。また、ドーム取付体６の対向位置（ガス供給口３１と１８０°離間した位置）には、反応室２内のガスをこの外部へ排出するガス排出口３２が設けられている。反応ガスは、下記のガス供給部より生成されてガス供給口３１から反応室２に供給される。

次に、ガス供給部について図２および図３を参照して詳細に説明する。
図２は、シリコンウェーハＷに反応ガスを供給する概略構成を示す平面図である。
図２に示すように、ガス供給部には、反応ガスを発生するガス供給源１４が配設される。そして、この発生した反応ガスを反応室２に送流するガス管１５ａが設けられる。ガス管１５ａは途中、シリコンウェーハＷの中央部と周辺部とのガス管１５ｂ、１５ｃに二分される。２つのガス管１５ｂ、１５ｃには、ガス供給源１４からのガス量を調節するガス弁１６ａ、１６ｂがそれぞれ配設される。そして、二分されたガス管１５ｂは、さらに二分される。そして、反応ガスＧ１〜Ｇ３を排出するガス送入口１７ａ〜１７ｃが３つ略水平に並列して形成される。

そして、各ガス送入口１７ａ〜１７ｃと対向して、略水平にインジェクトキャップ３３が設けられる。インジェクトキャップ３３は、上板、下板および一対の側板とで画成されたガス流路を有している。そして、このガス流路は、上板および下板に連結された仕切板３４ａ、３４ｂにより、３つに分割されている。
さらに、インジェクトキャップ３３に対向してバッフル１３が略水平に設けられる。図４に示すように、バッフル１３には、ガス送入口１７ａ〜１７ｃとの対向面に、ガス導入孔１９が略水平に複数形成されている。このガス導入孔１９により、反応ガスＧ１〜Ｇ３として幅方向にきめ細かく整流することができる。ガス導入孔１９は、中央部に７個、両端側に４個づつそれぞれ形成されている。中央部の７個のガス導入孔１９は、ガス注入口１７ｂに対向して設けられる。また、両側のガス導入孔１９は、ガス注入口１７ａおよび１７ｂにそれぞれ対向して設けられている。
そして、バッフル１３と隣接してガス整流部材１１が設けられる。図３に示すように、ガス整流部材１１は、所定幅とガス流方向に所定長さを有する水平な上板４１と、所定間隔離間して下方に位置する下板４２と、これらの上板４１と下板４２との幅方向の両端同士を連結する一対の側板４３とからなる。これらの上板４１、下板４２、一対の側板４３の内部に略矩形の部分が単一のガス流通路１８を画成する。すなわち、ガス整流部材１１は、上板４１、下板４２、側板４３とからなり、断面が矩形の偏平な角筒を水平に配したものである。ガス整流部材１１の素材は、石英で形成されている。
ガス整流部材１１のガス流通路１８は、所定高低差を有する段差部２１を経て反応室２のガス供給口３１と連通している。

次に、エピタキシャル装置１０を使用して、シリコンウェーハＷの表面にエピタキシャル膜を成膜する方法について図１〜図３を参照して説明する。
まず、直径２００ｍｍ、比抵抗１５ｍΩｃｍのシリコンウェーハＷ（片面研磨ウェーハ）を準備する。次いで、このシリコンウェーハＷを、その研磨面を上方にして反応室２内の図示していない移載機構により、サセプタ２０の表面に載置する。この後、反応室２を密閉する。そして、サセプタ支持部材８の軸部７を所定速度で回転させて、サセプタ２０に搭載されたシリコンウェーハＷを回転させる。

次に、ガス供給源１４により、シリコンソースガスであるＳｉＨＣｌ_３およびボロンドーパントガスであるＢ_２Ｈ_６を水素ガスで希釈して混合した反応ガスを発生させる。そして、この反応ガスをガス管１５ａに送入する。次いで、ガス管１５ｂ、１５ｃに設けられたガス弁１６ａ、１６ｂを介して、各ガス送入口１７ａ〜１７ｃより反応ガスＧ１〜Ｇ３を排出する。なお、ガス弁１６ａ、１６ｂにより、シリコンウェーハＷ周辺部に対して排出する反応ガスＧ１、Ｇ３の量と、シリコンウェーハＷ中心部に対して排出する反応ガスＧ２の量とを調節することが可能である。
この後、各ガス送入口１７ａ〜１７ｃから排出された反応ガスＧ１〜Ｇ３は、バッフル１３の面に形成されたガス導入孔１９を通過する。反応ガスＧ１〜Ｇ３は、このバッフル１３のガス導入孔１９によりきめ細かく整流される。
そして、反応ガスＧ１〜Ｇ３は、ガス整流部材１１の流通路１８に送入される。ガス流通路１８は、上板４１、下板４２および側板４３で画成された単一のガス流通路１８が形成されている。これにより、各ガス送入口１７ａ〜１７ｃから排出された各反応ガスＧ１〜Ｇ３は、バッフル１３を介してこの流通路１８に送流される。そして、流通路内で各反応ガスＧ１〜Ｇ３は、流通路１８内で渾然一体となり送流される。このため、反応ガスＧ１〜Ｇ３は、従来あった仕切板による影響を受けることもなく送流される。
ガス整流部材１１の流通路１８に流れた反応ガスＧ１〜Ｇ３は、段差部２１に当接する。そして、段差部２１を乗り越えて、ガス供給口３１から反応室２内に送流される。

同時に、反応室２内でシリコンウェーハＷと反応させるために使用された上記反応ガスをガス排出口３２を介して排出ガス整流部材１２から排出する。そして、反応室２の上方および下方に設けられた図示しないハロゲンランプにより、熱を輻射させてシリコンウェーハＷの温度を１０７０℃に保持する。このとき、シリコンウェーハＷを保持するサセプタ２０は、下方のハロゲンランプによって、サセプタ支持部材８を介して均一にその輻射熱を受ける。そして、ガス供給源１４からのガスは、ガス整流部材１１を介してガス供給口３１から排出されてシリコンウェーハＷに均一に供給される。これにより、厚さ約６μｍ、比抵抗１０ΩｃｍのＰ型のエピタキシャル膜を均一にシリコンウェーハＷの表面に成長させることができる。

次に、本発明の一実施例に係るエピタキシャル装置１０により成膜されたエピタキシャル膜の膜厚分布についての実験を行った。ガス整流部材１１は、図３に示すものを用いて、エピタキシャル膜を成膜させた。膜厚の分布は、膜厚分布図を用いて確認した。なお、比較例として、仕切板を複数有するガス整流部材１１を用いてエピタキシャル膜を成膜した。この発明に係るガス整流部材１１の場合を図６、比較例のガス整流部材の場合を図７に示す。図６に示すように、この発明に係るガス整流部材１１を用いると、エピタキシャル膜厚の均一性が向上することが確認された。従来の場合では各仕切板に対応した膜厚の不均一が確認される。すなわち、各仕切位置に対応した部分に膜厚の低下が確認される。
以上の結果、ガス整流部材１１を単一のガス流通路１８で形成することにより、従来設けられた仕切板に対応した膜厚の低下もみられず、エピタキシャル膜の厚みを全面に均一に成膜することができる。

本実施例に係るエピタキシャル装置２０は、上記実施例１に係るエピタキシャル装置１０に対して以下の変更を加えたものである。すなわち、実施例１のガス整流部材に上板４１と下板とを連結する仕切板３５ａ、３５ｂを設けることにより、３つのガス流通路を設けたことである。
具体的には、図５に示すように、ガス整流部材１１は、上下一対の所定幅の上板４１および下板４２と、これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板４３とを備えている。これにより、これらの上板４１、下板４２および一対の側板４３により囲まれた断面矩形のガス流通路３８ａ〜３８ｃが画成される。そして、上板４１の幅方向の中心より側板４３側にずれた位置に、上板４１と下板４２とを連結する仕切板３５ａ、３５ｂを配設することにより、上記ガス流通路３８ａ〜３８ｃが３つに分割されている。
次に、上記ガス整流部材１１を用いて、エピタキシャル膜を成膜する。
ガス供給源１４から反応ガスが発生し、この反応ガスがガス注入口１７ａ〜１７ｃに送流されるまでの工程は実施例１と同じである。ガス注入口１７ａ〜１７ｃから排出される反応ガスＧ１〜Ｇ３は、インジェクトキャップ３３およびバッフル１３を介して、ガス整流部材１１に形成された３つのガス流通路３８ａ〜３８ｃにそれぞれ送流される。中央の反応ガスＧ２の流路には、従来あったガス流を二分する仕切板が設けられていない。よって、反応ガスＧ２は、仕切板による影響を受けることもなく半導体ウェーハＷの表面に送流される。この結果、半導体ウェーハＷにエピタキシャル膜を成膜したとき、半導体ウェーハＷ中央部のエピタキシャル膜の厚みの落ち込みが改善される。

この発明の実施例１に係るエピタキシャル装置の反応室の概略構成を示す断面図である。 この発明の実施例１に係るエピタキシャル装置の反応室およびガス供給部を示す平面図である。 この発明の実施例１に係るガス整流部材およびその周辺を示す斜視図である。 この発明の実施例１に係るバッフルの構成を示す正面図である。 この発明の実施例２に係るエピタキシャル装置の反応室およびガス供給部を示す平面図である。 この発明に実施例１に係るエピタキシャル装置で成膜されたエピタキシャル膜の分布を示す膜厚分布図である。 従来に係るエピタキシャル装置で成膜されたエピタキシャル膜の分布を示す膜厚分布図である。 従来に係るエピタキシャル装置の反応室およびガス供給部を示す平面図である。

符号の説明

１０ エピタキシャル装置、
Ｗ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）、
１１ ガス整流部材、
１４ ガス供給源、
１７ａ〜１７ｃ ガス送入口、
１８ ガス流通路、
３８ａ〜３８ｃ ガス流通路、
４１ 上板、
４２ 下板、
４３ 側板。

Claims (3)

1. 半導体ウェーハが収容される反応室と、反応室に反応ガスを供給するガス供給源とを備え、ガス供給源から反応ガスをガス整流部材を介して反応室に供給するエピタキシャル装置において、
   上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、
   これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とからなり、
   これらの上板、下板および一対の側板により囲まれて断面矩形の単一のガス流通路を画成したエピタキシャル装置。
2. 半導体ウェーハが収容される反応室と、反応室に反応ガスを供給するガス供給源とを備え、ガス供給源から反応ガスをガス整流部材を介して反応室に供給するエピタキシャル装置において、
   上記ガス整流部材は、上下一対の所定幅の上板および下板と、
   これらの上板の幅方向の両端同士を連結する一対の側板とを備え、
   これらの上板、下板および一対の側板により囲まれて断面矩形のガス流通路を画成するとともに、
   上板の幅方向の中心より側板側にずれた位置に、上板と下板とを連結する仕切板を配設して上記ガス流通路を分割したエピタキシャル装置。
3. 上記ガス供給源から上記ガス整流部材の幅方向に並設された複数のガス送入口を介して、上記ガス整流部材のガス流通路に反応ガスが供給される請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル装置。

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