JP2006319123A - エピタキシャル成長装置及びエピタキシャル成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エピタキシャル成長時におけるウェーハの表裏面での温度差に起因する結晶欠陥の発生を未然に防止すること。
【解決手段】 本発明では、エピタキシャル成長装置において、チャンバーの内部にウェーハを載置するためのサセプターを配設するとともに、このサセプターと対向する位置にヒータープレートを配設し、これらサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱するように構成した。特に、前記サセプターの近傍に電磁誘導によって前記サセプターを加熱するための第１のコイルを配置するとともに、ヒータープレートの近傍に電磁誘導によって前記ヒータープレートを加熱するための第２のコイルを配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウェーハの表面にシリコンをエピタキシャル成長させてシリコン膜を形成するためのエピタキシャル成長装置及びエピタキシャル成長方法に関するものである。

従来より、半導体部品の高性能化に伴って、シリコンウェーハの表面に結晶性の良好なシリコン膜をエピタキシャル成長させることによって形成したエピウェーハが半導体基板として多用されている。このエピウェーハは、エピタキシャル成長装置を用いて製造されている。

このエピタキシャル成長装置としては、従来より、反応ガスの流入口及び流出口を形成したチャンバーの内部に円形平板状のサセプターを配設するとともに、チャンバーの外部にコイルをサセプターに近接させた状態で配設し、このコイルに交流電源を接続した構成となっていた（たとえば、特許文献１参照。）。

そして、エピタキシャル成長装置では、サセプターの上部に所定枚数のシリコンウェーハを載置し、コイルに高周波電流を通電することによって電磁誘導によりサセプターを約1200℃に加熱し、これにより、サセプターに載置したシリコンウェーハを裏面から加熱し、さらに、サセプターを回転駆動させながらチャンバーの内部にシリコンソースガス（たとえば、モノシランガス、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、四塩化珪素ガスなど。）と水素（H₂）ガスとからなる反応ガスを流し、シリコンウェーハの表面でシリコンソースガスを熱分解あるいは還元させてシリコンウェーハの表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させるようにしていた。
特表平９−５０５７９８号公報

ところが、上記従来のエピタキシャル成長装置及びこれを用いたエピタキシャル成長方法では、電磁誘導によってサセプターだけを加熱し、加熱されたサセプターによってシリコンウェーハを裏面から加熱するように構成していたために、シリコンウェーハは、裏面側から表面側へ向けて熱伝導によって加熱されることになり、シリコンウェーハの表面と裏面とでは温度差が生じていた。

このようにシリコンウェーハの表面でのシリコン膜のエピタキシャル成長時にシリコンウェーハの表面と裏面との間で温度差が生じていると、表面に形成されたシリコン膜にスリップと呼ばれる結晶欠陥が発生するおそれがあり、半導体基板の品質の低下や半導体基板の製造における歩留まりの低下を招く原因となっていた。

そこで、請求項１に係る本発明では、エピタキシャル成長装置において、チャンバーの内部にウェーハを載置するためのサセプターを配設するとともに、このサセプターと対向する位置にヒータープレートを配設し、これらサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱するように構成することにした。

また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記サセプターの近傍に電磁誘導によって前記サセプターを加熱するための第１のコイルを配置するとともに、ヒータープレートの近傍に電磁誘導によって前記ヒータープレートを加熱するための第２のコイルを配置することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項１又は請求項２に係る本発明において、前記ヒータープレートを回転させることにした。

また、請求項４に係る本発明では、エピタキシャル成長方法において、チャンバーの内部に対向させた状態で配置したサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱することによってサセプターに載置したウェーハの表裏を同時に加熱して、ウェーハの表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させることにした。

そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。

すなわち、請求項１に係る本発明では、チャンバーの内部にウェーハを載置するためのサセプターを配設するとともに、このサセプターと対向する位置にヒータープレートを配設し、これらサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱するように構成することにしているために、加熱されたサセプターによってウェーハの裏面側が加熱されるとともに、加熱されたヒータープレートによってウェーハの表面側が加熱されることになり、ウェーハの表面と裏面との温度差を低減することができ、エピタキシャル成長時のウェーハ表裏の温度差に起因して生じる結晶欠陥の発生を未然に防止することができるので、半導体基板の品質を向上させることができるとともに、半導体基板の製造における歩留まりを向上させることができる。

しかも、対向配置したサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入しているために、サセプターとヒータープレートとによって反応ガスが整流されることになり、ウェーハの表面において反応ガスを均一に熱分解させることができて、ウェーハの表面に均一なシリコン膜を形成させることができ、半導体基板の品質を向上させることができる。

また、請求項２に係る本発明では、サセプターの近傍に電磁誘導によってサセプターを加熱するための第１のコイルを配置するとともに、ヒータープレートの近傍に電磁誘導によってヒータープレートを加熱するための第２のコイルを配置することにしているために、サセプターやヒータープレートを加熱する構成を簡略化することができ、エピタキシャル成長装置の製造に要する労力や時間や費用を低減することができる。

また、請求項３に係る本発明では、ヒータープレートを回転させることにしているために、ヒータープレートとウェーハの表面との相対的な位置が回転によって経時的に変化することになり、仮にヒータープレートに温度分布が生じていたとしてもウェーハの表面での温度分布を均一化することができ、ウェーハの表面に均一なシリコン膜を形成することができ、半導体基板の品質を向上させることができる。

また、請求項４に係る本発明では、チャンバーの内部に対向させた状態で配置したサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱することによってサセプターに載置したウェーハの表裏を同時に加熱して、ウェーハの表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させることにしているために、加熱されたサセプターによってウェーハの裏面側が加熱されるとともに、加熱されたヒータープレートによってウェーハの表面側が加熱されることになり、ウェーハの表面と裏面との温度差を低減することができ、エピタキシャル成長時のウェーハ表裏の温度差に起因して生じる結晶欠陥の発生を未然に防止することができるので、半導体基板の品質を向上させることができるとともに、半導体基板の製造における歩留まりを向上させることができる。また、対向配置したサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入しているために、サセプターとヒータープレートとによって反応ガスが整流されることになり、ウェーハの表面において反応ガスを均一に熱分解させることができて、ウェーハの表面に均一なシリコン膜を形成させることができ、半導体基板の品質を向上させることができる。

以下に、本発明に係るエピタキシャル成長装置の具体的な構造について図面を参照しながら説明する。

本発明に係るエピタキシャル成長装置１は、図１及び図２に示すように、矩形箱型状のチャンバー２の前端部に流入口３を開口するとともに、この流入口３に開閉ゲート４をフランジ５を介して取付け、このフランジ５に反応ガスを導入するための反応ガス導入パイプ６の終端開口部をチャンバー２の内部に向けて取付ける一方、チャンバー２の後端部に流出口７を開口するとともに、この流出口７に排気パイプ８を接続している。ここで、開閉ゲート４には、図示しない公知のウェーハ搬送装置が接続されている。

チャンバー２は、矩形箱型状のケーシング９の内部に取付けられており、このケーシング９の内部を冷却水10で充填することによってチャンバー２を冷却水10で冷却できるようになっている。

このチャンバー２の内部には、４枚のウェーハ11を同時に載置できる円形平板状の導電性を有するサセプター12と、このサセプター12と略同一構造の円形平板状の導電性を有するヒータープレート13とを平行に対向させた状態で水平に配置している。これらサセプター12とヒータープレート13は、後述する回転駆動機構14,15がそれぞれ連動連結されており、チャンバー２の内部でサセプター12とヒータープレート13とがそれぞれ独立に水平に回転するようになっている。なお、サセプター12は、上面にウェーハ11を載置するための凹状のザグリ部を形成してもよい。

また、エピタキシャル成長装置１は、チャンバー２の外側下方にサセプター12を電磁誘導によって加熱するための螺旋状の第１のコイル16をサセプター12に平行に近接させて配置する一方、チャンバー２の外側上方にヒータープレート13を電磁誘導によって加熱するための螺旋状の第２のコイル17をヒータープレート13に平行に近接させて配置している。

これら第１のコイル16と第２のコイル17は、中心側の始端部と外周側の終端部との間に交流電源を接続しており、図３に示すように、円周方向に45度おきに間隔をあけて配置したシリンダー18,19で支持されている。

すなわち、エピタキシャル成長装置１は、ケーシング９の下部に矩形平板状の支持台20をボス21を介して取付け、この支持台20の上部にシリンダー18を第１のコイル16の中心から放射状に間隔をあけて取付け、このシリンダー18の伸縮ロッド22の先端（上端）に第１のコイル16の下面（裏面）を接続し、一方、ケーシング９の上部に矩形平板状の支持台23をボス24を介して取付け、この支持台23の下部にシリンダー19を第２のコイル17の中心から放射状に間隔をあけて取付け、このシリンダー19の伸縮ロッド25の先端（下端）に第２のコイル17の上面（裏面）を接続している。ここで、各シリンダー18,19の伸縮ロッド22,25は、ケーシング９に穿設した開口26,27に筒状のシール部材28,29を介して水密状に挿通している。

そして、エピタキシャル成長装置１は、各シリンダー18,19の伸縮ロッド22,25を進退移動させることによって、第１及び第２のコイル16,17を部分的にサセプター12やヒータープレート13に接近又は離反させ、第１及び第２のコイル16,17とサセプター12及びヒータープレート13との間隔を変化させ、これによって、サセプター12やヒータープレート13の表面での温度分布が均一になるように調整できるようにしている。

また、エピタキシャル成長装置１は、サセプター12とヒータープレート13に回転駆動機構14,15をそれぞれ連動連結している。

すなわち、サセプター12を回転駆動させるための回転駆動機構14は、チャンバー２の底壁に回動自在に軸支した回動軸30の先端部（上端部）にサセプター12の中央部を接続するとともに、この回動軸30の基端部（下端部）に従動ギヤ31を取付ける一方、ケーシング９の下方に取付けた支持台20に駆動モータ32を取付け、この駆動モータ32の駆動軸33に駆動ギヤ34を取付け、これら駆動ギヤ34と従動ギヤ31とを噛合させている。ここで、回動軸30は、ケーシング９に穿設した開口35に筒状のシール部材36を介して水密状に挿通するとともに、支持台20に穿設した開口37に軸受38を介して取付けている。

また、ヒータープレート13を回転駆動させるための回転駆動機構15は、チャンバー２の天井壁に回動自在に軸支した回動軸39の先端部（下端部）にヒータープレート13の中央部を接続するとともに、この回動軸39の基端部（上端部）に従動ギヤ40を取付ける一方、ケーシング９の上方に取付けた支持台23に駆動モータ41を取付け、この駆動モータ41の駆動軸42に駆動ギヤ43を取付け、これら駆動ギヤ43と従動ギヤ40とを噛合させている。ここで、回動軸39は、ケーシング９に穿設した開口44に筒状のシール部材45を介して水密状に挿通するとともに、支持台23に穿設した開口46に軸受47を介して取付けている。

エピタキシャル成長装置１は、以上に説明したように構成しており、以下に説明するようにしてウェーハ11の表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させる。

まず、エピタキシャル成長装置１は、開閉ゲート４を開放してウェーハ搬送装置によってサセプター12の所定位置に４枚のウェーハ11を載置し、その後、開閉ゲート４を閉塞する。

次に、サセプター12とヒータープレート13とを回転駆動機構14,15を用いて所定の回転速度で回転駆動させるとともに、第１及び第２のコイル16,17に交流電流を通電して、これら第１及び第２のコイル16,17の電磁誘導によってサセプター12とヒータープレート13とを加熱する。

さらに、反応ガス導入パイプ６からシリコンソースガス（たとえば、モノシランガス、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、四塩化珪素ガスなど。）と水素（H₂）ガスとからなる反応ガスをサセプター12とヒータープレート13との間に導入する。この反応ガスは、反応ガス導入パイプ６から導入され、チャンバー２の内部を通過した後に、排気パイプ８へと流動する。

そして、第１及び第２のコイル16,17からの電磁誘導によってサセプター12及びヒータープレート13が加熱され、さらに、加熱されたサセプター12やヒータープレート13によってウェーハ11が加熱され、ウェーハ11の表面での温度が反応ガスの分解温度（約1200℃）に達すると、反応ガスが熱分解してウェーハ11の表面にシリコンがエピタキシャル成長してシリコン膜が形成される。

その後、所定時間連続してエピタキシャル成長を行わせた後に、第１及び第２のコイル16,17への通電を停止するとともに、反応ガス導入パイプ６からの反応ガスの導入を停止し、サセプター12とヒータープレート13の回転駆動を停止し、開閉ゲート４を開放してウェーハ搬送装置を用いてウェーハ11を取出す。

これにより、上記構成のエピタキシャル成長装置１を用いてウェーハ11の表面に結晶欠陥のない均一なシリコン膜をエピタキシャル成長させることができる。

そして、上記エピタキシャル成長装置１を用いて半導体基板を製造したときの効果について確認したところ、従来の裏面側だけを加熱する装置で製造した場合に比べて、結晶欠陥の発生量が約５５％低減され、比抵抗のバラツキが約３０％低減され、膜厚のバラツキが約５０％低減されることが確認された。

このように、上記エピタキシャル成長装置１では、シリコン膜のエピタキシャル成長時に、加熱されたサセプター12によってウェーハ11の裏面側を加熱するとともに、加熱されたヒータープレート13によってウェーハ11の表面側を加熱しているために、ウェーハ11の表面及び裏面が同時に加熱され、ウェーハ11の表面と裏面との温度差を低減することができ、これにより、エピタキシャル成長時のウェーハ表裏の温度差に起因して生じる結晶欠陥の発生を低減することができて、半導体基板の品質を向上ささせることができるとともに、半導体基板の製造における歩留まりを向上させることができる。

しかも、エピタキシャル成長装置１では、対向配置したサセプター12とヒータープレート13との間に反応ガスを導入しているために、サセプター12とヒータープレート13とによって反応ガスが整流されることになり、反応ガスの流れを均一化することができるので、ウェーハ11の表面において反応ガスを均一に熱分解させることができて、ウェーハ11の表面に均一なシリコン膜を形成させることができるので、比抵抗のバラツキや膜厚のバラツキを低減することができて、半導体基板の品質を向上させることができる。

特に、エピタキシャル成長装置１では、ヒータープレート13を回転させることにしているために、ヒータープレート13とウェーハ11の表面との相対的な位置が回転によって経時的に変化することになり、仮にヒータープレート13に温度分布が生じていたとしてもウェーハ11の表面での温度分布を均一化することができ、ウェーハ11の表面に均一なシリコン膜を形成することができ、半導体基板の品質を向上させることができる。ヒータープレート13の回転方向や回転速度は、サセプター12と同一方向でサセプター12とは異なる回転速度としてもよく、また、サセプター12と逆方向でサセプター12と同一回転速度としてもよく、さらには、ヒータープレート13を回転させずにサセプター12だけを回転させてもよく、要はヒータープレート13とウェーハ11の表面との相対的な位置が経時的に変化するようにすればよい。

また、エピタキシャル成長装置１では、サセプター12の近傍に電磁誘導によってサセプター12を加熱するための第１のコイル16を配置するとともに、ヒータープレート13の近傍に電磁誘導によってヒータープレート13を加熱するための第２のコイル17を配置した構造となっているために、サセプター12やヒータープレート13を加熱する構成を簡略化することができ、エピタキシャル成長装置１の製造に要する労力や時間や費用を低減することができる。

本発明に係るエピタキシャル成長装置を示す側面断面図。 同正面断面図。 第１のコイルを示す平面図。

符号の説明

１ エピタキシャル成長装置 ２ チャンバー
３ 流入口 ４ 開閉ゲート
５ フランジ ６ 反応ガス導入パイプ
７ 流出口 ８ 排気パイプ
９ ケーシング 10 冷却水
11 ウェーハ 12 サセプター
13 ヒータープレート 14,15 回転駆動機構
16 第１のコイル 17 第２のコイル
18,19 シリンダー 20 支持台
21 ボス 22 伸縮ロッド
23 支持台 24 ボス
25 伸縮ロッド 26,27 開口
28,29 シール部材 30 回動軸
31 従動ギヤ 32 駆動モータ
33 駆動軸 34 駆動ギヤ
35 開口 36 シール部材
37 開口 38 軸受
39 回動軸 40 従動ギヤ
41 駆動モータ 42 駆動軸
43 駆動ギヤ 44 開口
45 シール部材 46 開口
47 軸受

Claims (4)

1. チャンバーの内部にウェーハを載置するためのサセプターを配設するとともに、このサセプターと対向する位置にヒータープレートを配設し、これらサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱するように構成したことを特徴とするエピタキシャル成長装置。
2. 前記サセプターの近傍に電磁誘導によって前記サセプターを加熱するための第１のコイルを配置するとともに、ヒータープレートの近傍に電磁誘導によって前記ヒータープレートを加熱するための第２のコイルを配置した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. 前記ヒータープレートを回転させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
4. チャンバーの内部に対向させた状態で配置したサセプターとヒータープレートとの間に反応ガスを導入するとともに、サセプター及びヒータープレートを加熱することによってサセプターに載置したウェーハの表裏を同時に加熱して、ウェーハの表面にシリコン膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法。