JP2008198856A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パージガスにより原料ガスの流れが乱されるのを抑制して、半導体ウエハ特性の面内均一性及び半導体ウエハ間の特性のばらつきを改善することができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】容器状の装置本体２に、原料ガス導入口１５、半導体ウエハ３を加熱するヒータ１７及び原料ガス排出口１６を有すると共に、各半導体ウエハを保持する複数個の自転サセプタ８及びこれら自転サセプタ８を夫々ベアリング９を介して回転自在に設置した円板状の公転サセプタ４を有する。自転サセプタ８を公転サセプタ４の周辺部に環状に並べて配置すると共に、自転サセプタ８の外周部に夫々形成された小歯車１２を公転サセプタ４の外側に位置する共通の内歯車１３と噛み合わせる。原料ガスの半導体ウエハ裏面側への流入を防ぐためにウエハ裏面側にパージガスを流すようにし、内歯車１３の外側に、パージガスの排出口２１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、サセプタに保持された半導体ウエハに向けて原料ガスを流し、該ウエハの表面上に半導体結晶の薄膜をエピタキシャル成長させる気相成長装置に係り、特にサセプタを自転公転させるプラネタリウム型の気相成長装置の改良に関するものである。

気相成長装置の一つとして、半導体ウエハを保持するサセプタを自転公転させるプラネタリウム型の気相成長装置があり、薄膜の膜厚均一性に優れているという特長を有している。このプラネタリウム型の気相成長装置の一例を図５に模式的に示す。この気相成長装置１'は、下方に向けて開口された原料ガス導入口１５'を通して原料ガス１４'が下から装置本体２'内に導入されるようになっており、原料ガス１４'は装置内で熱分解される。熱分解された後の排出ガスは、装置の側壁に設けられた複数個のガス排出口１６'を通して装置の中央から側方へ放射状に排出される。装置本体２'内には、半導体ウエハ３'を保持する自転サセプタ８'及び公転サセプタ４'と共に半導体ウエハ３'を加熱するヒータ１７'が設置されており、公転サセプタ４'は、その中心にモータ６'の回転軸５'が連結され、モータ６'の駆動により回転するようになっている。

半導体ウエハ３'は、表面と裏面があり表面を下向きにして自転サセプタ８'に保持されている。自転サセプタ８'は、ベアリング９'を介して公転サセプタ４'上に回転自在に載置されている。

図６は気相成長装置１'の内壁面の内歯車１３'と自転サセプタ８'と公転サセプタ４'との位置関係を上から平面的に見たものである。なお、図６はあくまでも模式図であり、この図５との寸法関係は必ずしも合致していない。この装置においては、大きな円板状の公転サセプタ４'の周辺部に自転サセプタ８'が１２個環状に並べて配置されており、各自転サセプタ８'が半導体ウエハ３'を保持している。

図７は自転サセプタ外周部に形成された小歯車と内歯車との噛み合わせ部の拡大図である。小歯車１２'と内歯車１３'の内径が違うため、歯車が直接噛み合っている以外の部分には隙間２０'ができている。

ここで、この気相成長装置１'の動作を確認する。モータ６'により公転サセプタ４'を回転させると、夫々自転サセプタ８'は、公転サセプタ４'と共に公転サセプタ４'の中心を回転中心として回転する。このとき、夫々自転サセプタ８'も内歯車１３'と噛み合っているため、夫々自転サセプタ８'の中心を回転中心として回転する。これにより、半導体ウエハ３'は自転サセプタ８'に保持された状態で公転と同時に自転を行う。この状態で原料ガス１４'が図５の原料ガス導入口１５'から導入されると、原料ガス１４'はヒータ１７'によって加熱された半導体ウエハ３'の表面上で熱分解し、該表面上に半導体結晶の薄膜が成長する。半導体ウエハ３'が公転及び自転しているため、半導体ウエハ３'の表面上に高均一の半導体結晶の薄膜が成長される。

特開２００６−１１４５４７号公報

ところで、前記気相成長装置においては、半導体ウエハ裏面に半導体結晶薄膜が成長されるのを防ぐために、回転軸（図には示されていないが側面に孔部が設けられている）からパージガスを流し、該ウエハ裏面側に原料ガスが流入しないようにしている。しかしながら、内歯車と小歯車の間の隙間や、自転サセプタと公転サセプタを介するベアリング間の隙間からパージガスが半導体ウエハの表面側に流出するため、そのパージガスによって原料ガスの流れが乱されてしまい、半導体ウエハ特性の面内均一性や、ウエハ間の特性のばらつきが悪化することが考えられる。

そこで、本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、パージガスにより原料ガスの流れが乱されるのを抑制ないし防止して、半導体ウエハ特性の面内均一性及び半導体ウエハ間の特性のばらつきを改善することができる気相成長装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のうち、請求項１に係る発明は、容器状の装置本体に、原料ガス導入口、半導体ウエハを加熱するヒータ及び原料ガス排出口を有すると共に、各々半導体ウエハを保持する複数個の自転サセプタ及びこれら自転サセプタを夫々ベアリングを介して回転自在に設置した円板状の公転サセプタを有し、前記自転サセプタを公転サセプタの周辺部に環状に並べて配置すると共に、自転サセプタの外周部に夫々形成された小歯車を公転サセプタの外側に位置する共通の内歯車と噛み合わせ、原料ガスの半導体ウエハ裏面側への流入を防ぐためにウエハ裏面側にパージガスを流すようにした気相成長装置において、前記内歯車の外側に、前記パージガスの排出口を設けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気相成長装置において、前記パージガスの排出口が、前記内歯車の周辺部に周方向に所定ピッチで複数設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の気相成長装置において、前記パージガスが、Ｈ₂，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒの何れかであることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、前記内歯車の外側に、前記パージガスの排出口を設けているため、パージガスにより原料ガスの流れが乱されるのを抑制ないし防止することができ、半導体ウエハ特性の面内均一性及び半導体ウエハ間の特性のばらつきを改善することができる。

請求項２に係る発明によれば、前記パージガスの排出口が、前記内歯車の周辺部に周方向に所定ピッチで複数設けられているため、パージガスの流れを均等化することができ、パージガスにより原料ガスの流れが乱されるのを更に抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、前記パージガスが、Ｈ₂，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒの何れかであるため、原料ガスの半導体ウエハ裏面側への流入を容易に防止することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。図１は本発明の実施の形態に係る気相成長装置を概略的に示す断面図、図２は図１の気相成長装置の内部における公転サセプタ、自転サセプタ及び内歯車の位置関係を示す上面図、図３は図２のＡ部の拡大図である。なお、図２はあくまでも模式図であり、図１との寸法関係は必ずしも合致していない。

図１において、１は半導体ウエハ３を保持するサセプタを自転公転させるプラネタリウム型の気相成長装置であり、この気相成長装置１は円筒容器状の装置本体２を有している。この装置本体２内には円板状の公転サセプ４が装置本体２の内部を上下に仕切るように高さ方向略中間位置に水平に配置されている。公転サセプタ４の中心には回転軸５が連結され、該回転軸５は装置本体２の上部２ａを貫通して装置本体２の外部に突出され、該装置本体２の外部には回転軸５を介して公転サセプタ４を回転駆動するモータ６が設けられている。前記装置本体２の内部は、公転サセプタ４により上部空間部７ａと下部空間部７ｂとに仕切られている。

前記公転サセプタ４には、半導体ウエハ３をそれぞれ保持する複数個例えば１２個の自転サセプタ８がベアリング９を介して回転自在に設置され、これら自転サセプタ８は公転サセプタ４の周辺部に環状に並べて配置されている。自転サセプタ８は内部に半導体ウエハ３を収容し得る円筒状に形成され、下端部に半導体ウエハ３の周縁部を水平に保持する保持部１０を備えている。公転サセプタ４には、各自転サセプタ８の下端部が貫通する円形の開口部１１が各自転サセプタ８に対応して形成されている。半導体ウエハ３は表面を下に向けた状態で自転サセプタ８に保持されている。

自転サセプタ８の外周部には小歯車１２が夫々形成されており、小歯車１２は公転サセプタ４の外側に位置する共通の内歯車（内歯歯車ともいう）１３と噛み合わされている。前記小歯車１２は、自転サセプタ８の上端外周部に設けられている。前記ベアリング９は、公転サセプタ４の開口部１１の周縁部上面と自転サセプタ８の小歯車１２の下面との間に介在されると共に、自転サセプタ８の周方向に沿って環状に配置されている。前記内歯車１３は、装置本体２の内周壁に取付けられている。

内歯車１３の基部１３ａは環状であり、高さ方向に所定の厚みを有している。この内歯車１３の厚みは、前記自転サセプタ８の厚み程度とされている。前記公転サセプタ４の外周部は、内歯車１３の基部１３ａの内周部に非接触状態で近接している。なお、気相成長装置１は、装置本体２の外部から自転サセプタ８に半導体ウエハ３を搬入したり、自転サセプタ８から半導体ウエハを装置本体２の外部に搬出したりするための図示しないハンドリング機構を備えている。

装置本体２の底部２ｂ中央部には、公転サセプタ４の中心に向かって原料ガス１４が下から導入されるように原料ガス導入口１５が設けられている。さらに、装置本体２の内周壁には、公転サセプタ４の中心から側方に向かって原料ガス１４及びその熱分解後の排出ガスを放射状に流して排出するための原料ガス排出口１６が複数例えば６個設けられている。自転サセプタ８上の半導体ウエハ３は、ヒータ１７により加熱され、加熱された半導体ウエハ３の表面上で原料ガス１４が熱分解することによって結晶成長が行われるようになっている。

前記装置本体２の上部空間部７ａには、半導体ウエハ３を裏面側から所定の温度に加熱するためのヒータ１７が設けられている。半導体ウエハ３の裏面に半導体結晶薄膜が成長するのを防ぐために、回転軸５の側面からパージガス１８を流し、半導体ウエハ３の裏面側に原料ガスが流入しないようにしている。回転軸５は中空軸とされ、この回転軸５の内部の中空部にパージガスが図示しないパージガス供給手段により導入され、回転軸５の側面に設けられた孔部１９からパージガスが上部空間部７ａに導入されるようになっている。

内歯車１３と小歯車１２の間の隙間２０や、自転サセプタ８と公転サセプタ４を介するベアリング９間の隙間からパージガスが半導体ウエハ３の表面側に流出して原料ガスの流れを乱すのを抑制ないし防止するために、前記内歯車１３の外側には、前記パージガスの排出口（パージガス排出口ともいう。）２１が設けられている。この場合、パージガス排出口２１は、内歯車１３の周辺部である基部１３ａにこれを上下に貫通して上部空間部７ａと下部空間部７ｂとを連通するように形成されている。パージガス排出口２１は、原料ガス排出口１６に近接しているため、パージガスの排出口２１から原料ガス排出口１６に向う吸引流が発生することになり、回転軸５の側面の孔部１９から導入されるパージガス１８が上部空間部７ａの中心から側方に放射状に円滑に流れるパージガスの流れを形成することができる。

また、前記パージガス排出口２１は、前記内歯車１３の周辺部である基部１３ａに周方向に所定ピッチで複数例えば２４〜１００個、望ましくは３６〜７２個設けられている。前記パージガスとしては、例えば水素ガス（Ｈ₂）が用いられる。なお、パージガスとしては、Ｈ₂以外に、Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒの何れであってもよい。

以上の構成からなる気相成長装置の作用を述べる。モータ６の駆動により公転サセプタ４を回転させると、各自転サセプタ８は公転サセプタ４と共に公転サセプタ４の中心を回転中心として回転する。このとき、各自転サセプタ８は、小歯車１２にて共通の内歯車１３と噛み合っているため、各自転サセプタ８の中心を回転中心として個別に回転する。これにより、半導体ウエハ３は、自転サセプタ８に保持された状態で公転と同時に自転を行う。この状態で、原料ガス１４が原料ガス導入口１５から導入されると、原料ガス１４はヒータ１７によって加熱された半導体ウエハ３の表面上で熱分解し、該表面上に半導体結晶の薄膜が成長する。半導体ウエハ３が公転及び自転しているため、半導体ウエハ３の表面上に高均一の半導体結晶の薄膜が成長される。

一方、前記内歯車１３の外側には、前記パージガス排出口２１が設けられているため、回転軸５の側面の孔部１９から上部空間部７ａに導入されているパージガス１８が中央から側方へ放射状に流れるようになり、装置内（装置本体内）におけるパージガスの排気が均等化し、途中で内歯車１３と小歯車１２の間の隙間２０や、自転サセプタ８と公転サセプタ４を介するベアリング９間の隙間２０からパージガスが半導体ウエハ３の表面側にむやみに流出することがなくなる。従って、装置本体２内を中心から側方に流れる途中で隙間から半導体ウエハ３の表面側に流出するパージガスによって原料ガスの流れが乱されるのを抑制することができ、半導体ウエハ特性の面内均一性及びウエハ間の特性のばらつきを改善することができる。

特に、図２に示すように、前記パージガス排出口２１が、前記内歯車１３の周辺部に周方向に所定ピッチで複数設けられている場合、パージガスの流れを更に均等化することが可能となり、パージガスにより原料ガスの流れが乱されるのを更に抑制することができ、半導体ウエハ特性の面内均一性及びウエハ間の特性ばらつきを更に改善することができる。なお、パージガス排出口２１を設けたことにより、半導体ウエハ裏面側の圧力が従来装置と比べて下がる傾向があることから、原料ガスの半導体ウエハ裏面側への流入を防ぐために、パージガスを多めに流すことが好ましい。

表１は同一気相成長で取得した１２枚の半導体ウエハのｎ型ＡｌＧａＡｓ単層シート抵抗（Ω／□：オウム・パー・スクエア）の面内均一性平均値を、従来装置で気相成長した場合と本発明を適用した装置で気相成長した場合とで比較したものである。本発明を適用した装置で気相成長する方が、従来装置で気相成長したときと比べて、半導体ウエハにおけるシート抵抗の面内均一性が改善していることが判る。

図４は同一気相成長で取得した１２枚のｎ型ＡｌＧａＡｓ単層シート抵抗（Ω／□）を、半導体ウエハ間で比較したグラフである。本発明を適用した装置で気相成長する方が、従来装置で気相成長したときと比べて、半導体ウエハ間におけるシート抵抗のばらつきが改善していることが判る。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。

本発明の実施の形態に係る気相成長装置を概略的に示す断面図である。 図１の気相成長装置の内部における公転サセプタ、自転サセプタ及び内歯車の位置関係を示す上面図である。 図２のＡ部の拡大図である。 ｎ型ＡｌＧａＡｓ単層シート抵抗のウエハ間のばらつきを示すグラフである。 従来の気相成長装置を概略的に示す断面図である。 図５の気相成長装置の内部における公転サセプタ、自転サセプタ及び内歯車の位置関係を示す上面図である。 図６のＢ部の拡大図である。

符号の説明

１ 気相成長装置
２ 装置本体
３ 半導体ウエハ
４ 公転サセプタ
８ 自転サセプタ
１２ 小歯車
１３ 内歯車
１４ 原料ガス
１５ 原料ガス導入口
１６ 原料ガス排出口
１７ ヒータ
１８ パージガス
２１ パージガス排出口

Claims (3)

1. 容器状の装置本体に、原料ガス導入口、半導体ウエハを加熱するヒータ及び原料ガス排出口を有すると共に、各々半導体ウエハを保持する複数個の自転サセプタ及びこれら自転サセプタを夫々ベアリングを介して回転自在に設置した円板状の公転サセプタを有し、前記自転サセプタを公転サセプタの周辺部に環状に並べて配置すると共に、自転サセプタの外周部に夫々形成された小歯車を公転サセプタの外側に位置する共通の内歯車と噛み合わせ、原料ガスの半導体ウエハ裏面側への流入を防ぐためにウエハ裏面側にパージガスを流すようにした気相成長装置において、前記内歯車の外側に、前記パージガスの排出口を設けたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記パージガスの排出口が、前記内歯車の周辺部に周方向に所定ピッチで複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記パージガスが、Ｈ₂，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

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